JP5544836B2

JP5544836B2 - Surface plasmon resonance chip

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Publication number: JP5544836B2
Application number: JP2009264019A
Authority: JP
Inventors: 武男西川; 進神山; 亮介蓮井
Original assignee: Omron Corp
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2014-07-09
Anticipated expiration: 2029-11-19
Also published as: JP2011107032A

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。 The present invention relates to a surface plasmon resonance chip that generates propagation type surface plasmon resonance.

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。 There is a case where a high correlation is observed between diseases in the human body and mutations of proteins constituting the human body. For example, in cancer, influenza and other diseases, it is known that specific proteins increase in the body (such as in blood) as the disease progresses.

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。 Therefore, knowledge about the morbidity and progression of the disease can be obtained by examining the state of the specific protein (the presence or absence, amount, etc. of the specific protein). For example, biomolecules that increase with the progression of a tumor (cancer) are called tumor markers, and different tumor markers are specified depending on the tumor site.

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。 Surface plasmon resonance is used as a method for easily and accurately measuring the presence and amount of a specific protein including the tumor marker as described above. Surface plasmon resonance (SPR) is a resonance phenomenon caused by the interaction between free electrons on a metal surface and electromagnetic waves (light).

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。 FIG. 23 shows a conceptual diagram of a biosensor that detects a specific protein using surface plasmon resonance.

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。 Here, consider a case where incident light enters the metal layer 100 from the lower left direction in FIG. 23A and is reflected in the lower right direction. Metal free electrons 101 exist in the metal layer 100 of FIG. Then, an electromagnetic wave depending on the wavelength of incident light acts on the metal free electrons 101, and the metal free electrons 101 vibrate. Then, the motion of the metal free electrons 101 and the electromagnetic wave of the incident light resonate at a specific angle and wavelength, and the energy of the incident light transitions to the vibration motion of the metal free electrons 101. As a result, a solid line in FIG. As shown, the reflected light intensity at this wavelength or angle decreases.

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。 In the resonance phenomenon between the movement of the metal free electrons 101 and light, an electric field 102 is generated outside the metal layer 100 in a range of about several hundred nm. A biosensor using surface plasmon resonance utilizes the fact that the resonance frequency of surface plasmon resonance changes due to the interaction between the electric field 102 and the protein 103 as a detection target.

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。 In order to specifically detect the detection target 103, first, the probe 104 that specifically binds to the target is immobilized on the measurement region. Thereafter, a sample containing the target is fed at a predetermined speed to flow the target 103. Then, the target 103 specifically binds to the probe 104 fixed on the surface of the metal layer 100, and the refractive index near the metal layer 100 changes. Then, due to the change in the refractive index in the vicinity of the metal layer 100 due to the coupling of the target 103, the resonance frequency of the surface plasmon resonance changes as indicated by a broken line in FIG. In other words, it is possible to detect the target by detecting the movement of the wavelength (or the same incident angle of the incident light) at which the reflectance decreases as shown in FIG.

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。 Such sensors using surface plasmon resonance include a propagation type surface plasmon resonance sensor and a localized type surface plasmon resonance sensor. The principle of the propagation surface plasmon resonance sensor will be briefly described with reference to FIG. The propagation type surface plasmon resonance sensor 110 is formed by forming a metal film 112 of Au, Ag or the like having a thickness of about 50 nm on the surface of a glass prism 111 as shown in FIG. The propagation surface plasmon resonance sensor 110 irradiates light from the glass prism 111 side and totally reflects light at the interface between the glass prism 111 and the metal film 112. Biomolecules are sensed by receiving the totally reflected light and measuring the reflectance of the light.

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。 That is, when the reflectivity is measured while changing the incident angle θ or the incident light wavelength of this light, the reflectivity at a certain incident angle (resonance incident angle) or incident wavelength is obtained as shown in FIG. Is greatly attenuated. When light incident on the interface between the glass prism 111 and the metal film 112 is totally reflected at the interface, as shown in FIG. 24B, the evanescent light (near field light) generated at the interface and the surface of the metal film 112 Plasmon waves interact. At a specific wavelength and a specific incident angle, the wave number of the incident light and the vibration of free electrons resonate so that the energy of the incident light is absorbed into the metal film 112 and the vibration of the free electrons in the metal film 112. Change to energy. As a result, the light reflectance is significantly reduced.

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。 Next, a localized surface plasmon resonance sensor using a nanogap structure will be described with reference to FIG. 25 (see Patent Document 1). In the localized surface plasmon resonance sensor, free electrons in a plurality of groove-like metal nanogroove structures 120 as shown in FIG. 25A are vibrated by an alternating electric field of light (electromagnetic waves), and incident light is incident at a certain frequency. The free electrons resonate, the free electrons absorb light energy, and the absorbance reaches a peak at the resonance wavelength. Then, free electron vibrations generated by surface plasmon resonance are concentrated in a local region of a plurality of groove-shaped metal nanogroove structures 120 as shown in FIG. Therefore, the sensing region is very small compared to the propagation type surface plasmon resonance sensor, such as several tens of nm.

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。 Since the localized surface plasmon resonance sensor is also affected by the dielectric constant (refractive index) around the metal nanogroove structure 120, any dielectric that is the target 122 on the probe 121 previously dispersed in the metal nanogroove structure 120. When a substance (eg, antigen) is attached, the absorbance changes. For example, the presence / absence and amount of adhesion of the dielectric material can be detected by reading the wavelength at the peak value of the absorbance before and after the dielectric material as the target 122 adheres to the metal nanogroove structure 120.

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。 In the propagation surface plasmon resonance sensor, as described above, a prism is used to introduce light into the metal film, but in general, the prism is bonded to a glass substrate on which the metal film is formed. It was often made with. For this reason, the sensor optical system may be complicated and large. FIG. 26 shows a schematic configuration of such a propagation type surface plasmon resonance sensor.

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。 FIG. 26A shows a case where a matching oil system is used. In this case, a matching oil 132 is applied to a glass prism 131, and a glass substrate 133 on which a metal film 134 is formed is formed thereon. This is a method of bonding. In this method, the operation of applying or wiping the matching oil 132 becomes complicated, and bubbles may be mixed in the bonding of the glass substrate 133, and the measurement accuracy may deteriorate due to the bubbles. .

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。 FIG. 26 (b) shows a case where an optgel system is used. In this case, an optgel 135 is applied to the glass prism 131, and a glass substrate 133 on which a metal film 134 is formed is applied. Is a method of bonding and adhering. In this method, there is a trouble that a mechanism for pressing the glass substrate 133 against the optgel 135 is required in addition to the measurement accuracy due to contamination of the optgel 135 and air bubbles.

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。 Further, FIG. 26 (c) shows a case where the glass prism is integrated. In this case, the glass prism and the glass substrate are integrated to form the prism / sensor substrate 136, and the metal film 134 is formed on the prism / sensor substrate 136. However, in this case, the cost of the sensor chip is generally increased. In addition, there is a disadvantage that it is difficult to perform microfabrication of the sample flow path and the like.

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。 A plastic prism integrated type chip set has been devised by improving the glass prism integrated type chip set shown in FIG. If this can be realized, the chip cost can be remarkably reduced, and further, it becomes easy to perform fine processing such as a flow path of the sample. However, the plastic prism integrated type chip set has a problem that the measurement accuracy is lowered due to the occurrence of polarization defects.

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

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)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.htmlTakayuki Okamoto, “Investigative research on metal nanoparticle interactions and biosensors” (Fig. 2), Plasmonic Study Group, Grant-in-Aid for Scientific Research (Fundamental Research C), Research Report, 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)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。 The polarization defect in the plastic prism integrated chip set will be described with reference to FIG. FIG. 27A shows a case where there is no polarizing defect, and FIG. 27B shows a case where there is a polarizing defect. When there is no polarizing defect, polarized light (P wave) perpendicular to the surface on which the metal film 142 is formed (parallel to the incident surface) as incident light to the prism integrated chip set 141 on which the metal film 142 is formed. When the incident light is totally reflected by the formation portion of the metal film 142, it can resonate with the movement of free electrons in the metal film 142 most efficiently, increasing the measurement sensitivity. It is possible.

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。 On the other hand, as shown in FIG. 27B, when there is a polarization defect, even if light having only a P wave is incident as the incident light, the polarization is disturbed inside the prism integrated chipset 141. As a result, polarized light (S wave) parallel to the surface on which the metal film 142 is formed (perpendicular to the incident surface) is included. Even if the S wave undergoes total reflection at the portion where the metal film 142 is formed, surface plasmon resonance cannot be generated. Therefore, as a whole, the rate of change in reflectance due to the occurrence of surface plasmon resonance is reduced, resulting in a decrease in measurement sensitivity.

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。 The present invention has been made in view of such a technical problem, and an object of the present invention is to achieve a higher S / N even when a polarization component that does not contribute to generation of surface plasmon resonance is mixed. The object is to provide a surface plasmon resonance chip capable of obtaining a ratio.

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。 The present invention provides an S-wave component of incident light by providing a groove structure composed of a plurality of grooves parallel to the light incident surface when viewed from a direction perpendicular to the chip surface on which the metal layer is formed. The (electric field component perpendicular to the light incident surface) is absorbed by generating localized surface plasmon resonance on the side wall surface of the groove, and the P wave component of the incident light (light incident surface). The propagation surface plasmon resonance is generated without being influenced by the nanogroove depending on the electric field component parallel to the sensor, and the sensitivity of the sensor is reduced with respect to incident light in which S wave and P wave are mixed ( The greatest feature is to prevent (decrease in S / N ratio).

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、複数の溝からなり、各々の溝が前記入射光の入射面に平行方向に設けられた溝構造を有することを特徴とする。 More specifically, the substrate and a metal layer formed so as to cover at least a part of the surface of the substrate,
The incident light that is incident from a surface different from the surface of the substrate on which the metal layer is formed and is transmitted through the substrate is totally reflected on the surface of the substrate on which the metal layer is formed, thereby propagating in the metal. A surface plasmon resonance chip for generating surface plasmon resonance of a mold,
The portion of the surface of the substrate where the metal layer is formed comprises a plurality of grooves when the surface is viewed from the metal layer side , and each groove is provided in a direction parallel to the incident light incident surface. It is characterized by having a groove structure.

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。 According to this, even when incident light in which S waves are mixed, surface plasmon resonance can be generated by the S waves in the groove structure, thereby absorbing the S wave component of the incident light. As a result, it is possible to suppress a decrease in sensitivity as the sensor (decrease in the S / N ratio) even when incident light in which S waves are mixed is incident. In the surface plasmon resonance chip that does not have the groove structure according to the present invention, the S wave component of the incident light does not contribute to the generation of the surface plasmon resonance and causes a decrease in sensitivity by reaching the light receiving part. When it was necessary to adjust the polarization of light so as to include sufficient P waves, in the surface plasmon resonance chip according to the present invention, it is not necessary to adjust such polarization, and more efficiently with a simpler configuration, Surface plasmon resonance can be generated. In the present invention, a side wall surface of each groove in the groove structure forms a facing surface by the metal layer covering the side wall surface, and local surface plasmon resonance is generated on the facing surface by the metal layer. Good.

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。 In the present invention, the substrate may be made of resin. This makes it possible to more easily form the groove structure and other fine structures for measurement on the substrate. When the substrate is formed of resin, the polarization state of incident light changes due to the polarization defect in the resin, and the S / N ratio may decrease due to an increase of the S wave component. On the other hand, when the substrate in the present invention is made of resin, the S-wave component is absorbed by the local surface plasmon resonance generated by the groove structure provided on the sensor, so that the S / N ratio is lowered. Can be suppressed. Therefore, only the advantage of using the resin that the groove structure and other fine structures for measurement can be more easily formed on the substrate while suppressing the drawbacks of the conventional resin parts is obtained. be able to.

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。 In the present invention, a prism on which the incident light is incident may be integrally formed on the surface of the substrate opposite to the surface on which the metal layer is formed. As a result, the cost of the entire sensor can be reduced, the work of bonding the prism and the substrate can be omitted, and the decrease in measurement accuracy due to the defective bonding operation of the prism and the substrate can be suppressed. .

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。 In the present invention, the substrate is provided with a sample channel for guiding the sample onto the metal layer and discharging the sample on the metal layer, and the groove structure is formed on the bottom surface of the sample channel. You may make it form.

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。 Then, even when the surface plasmon resonance sensor is used as a biosensor for detecting a specific protein in a sample, the experimental apparatus can be simplified, and the cost of the entire experimental apparatus can be reduced. it can.

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。 Further, in the present invention, when the pitch P of each groove in the groove structure is λ, the dielectric constant of the metal forming the metal layer is εm, and the dielectric constant of the sample is εs,

The following relational expression may be satisfied. Here, as described above, the surface plasmon resonance occurs when the wave number of the surface plasmon at the metal / sample interface, the metal, the dielectric constant of the sample, and the wavelength of the incident light satisfy a specific dispersion relationship. This means that the generation efficiency of surface plasmon resonance is greatly influenced by dimensions such as the width and depth of the groove of the groove structure. However, when the groove pitch of the groove structure satisfies the above condition, the surface plasmon is sufficiently efficiently obtained even if the dimensional accuracy such as the width and depth of the groove structure is realistic, according to the inventors' diligent research. It has been found that resonance can be generated.

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。 Therefore, according to the present invention, even when the surface plasmon resonance chip is produced in large quantities, the tolerance value of the dimensional tolerance can be made a realistic value, and the productivity can be improved.

なる関係式を満たすようにしてもよい。 Further, in the present invention, when the pitch P of each groove in the groove structure is λ, the dielectric constant of the metal forming the metal layer is εm, and the dielectric constant of the sample is εs,

The following relational expression may be satisfied.

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。 That is, according to the earnest study of the inventor, it has been found that when the groove pitch of the groove structure satisfies the above-described conditions, the tolerance range for the dimensional tolerance of the groove structure is widened. Therefore, according to the present invention, even when the surface plasmon resonance chip is produced in large quantities, the tolerance of the dimensional tolerance can be widened, and the productivity can be improved more reliably.

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。 In the present invention, the groove depth in the groove structure may be 50 nm or less. Inventor's diligent research has revealed that there is a region where the allowable range for the dimensional tolerance of the groove structure is wide as described above even when the groove depth in the groove structure is 50 nm or less. Therefore, by setting the depth of the groove in the groove structure to 50 nm or less, the allowable range for the dimensional tolerance of the groove structure can be more reliably widened. Further, when the groove depth in the groove structure is 50 nm or less, the formation of the groove structure itself is facilitated, so that the productivity of the surface plasmon resonance chip can be improved more reliably.

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てもよい。 In the present invention, the groove pitch in the groove structure is such that, when incident light having a polarization direction perpendicular to the incident surface is incident on the wavelength, the reflectance drop peak is at two or more wavelengths. It may be determined to occur.

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。 Heretofore, since there is a band gap in the primary mode and secondary mode of surface plasmon resonance generation, it has been difficult to generate surface plasmon resonance in both the primary mode and the secondary mode. . However, by intensive research by the inventors, it is possible to generate surface plasmon resonance by both the first mode and the second mode at the wavelength of the incident light by optimizing the pitch of the groove structure. I understood.

なお、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。 Note that when incident light having a polarization direction perpendicular to the incident surface is incident on a wavelength different from that of the incident surface, the peak of decrease in reflectance due to the generation of surface plasmon resonance in the primary mode and the reflection due to the generation of surface plasmon resonance in the secondary mode. It is known that the peak of decrease in the rate appears separately, but by optimizing the pitch of the groove structure, the above two peaks can be brought close to the wavelength of the incident light, resulting in a broader range. Thus, surface plasmon resonance can be generated. As a result, the tolerance for the dimensional tolerance of the groove structure can be increased more reliably, and the productivity of the surface plasmon resonance chip can be improved more reliably.

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。 Moreover, the present invention may be a surface plasmon resonance sensor characterized in that incident light in which light of at least two kinds of polarization directions is mixed is incident on the surface plasmon resonance chip described above. In the surface plasmon resonance chip described above, the propagation type surface plasmon resonance is generated by the P wave component and the S wave component can be absorbed by the generation of the localized type surface plasmon resonance regardless of the polarization characteristic of the incident light. The means for unifying the polarization components in one direction, which was necessary in the past, can be omitted.

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。 Further, the present invention has a molding step of integrally molding the substrate and the prism by resin injection molding, and a metal layer forming step of forming the metal layer after the molding step. Or a method for producing a surface plasmon resonance chip. According to this manufacturing method, the surface plasmon resonance chip can be manufactured more easily, and the productivity of the surface plasmon resonance chip can be improved more reliably.

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。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the fall of the sensitivity as a sensor by the S wave component of the incident light to a surface plasmon resonance chip can be suppressed, and it becomes possible to provide a surface plasmon resonance chip with higher S / N ratio. Become.

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。It is a figure shown about schematic structure of the sensor chip concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例１に係るナノ溝構造の断面図である。It is sectional drawing of the nanogroove structure which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is a figure which shows the basic optical characteristic of the sensor chip which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is a figure which shows schematic structure of the evaluation optical system of the sensor chip based on Example 1 of this invention. 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。It is a figure shown about the image on the projection plate obtained with the evaluation optical system of the sensor chip concerning Example 1 of the present invention. 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。It is the graph obtained by carrying out brightness | luminance analysis of the image on the projection plate obtained with the evaluation optical system of the sensor chip which concerns on Example 1 of this invention. 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。It is the result of having measured the reflected light intensity obtained with the evaluation optical system of the sensor chip concerning Example 1 of the present invention. 本発明の実施例２に係るナノ溝構造の断面図である。It is sectional drawing of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention. 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。It is a map which shows the relationship between the reflection spectrum obtained by the nano groove | channel structure which concerns on Example 2 of this invention, and the width | variety and depth of a groove | channel, and a reflectance in a specific wavelength. 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。It is an example of the map which shows the relationship between the width | variety and depth of a groove | channel, and a reflectance in a specific incident light wavelength regarding the nano groove | channel structure which concerns on Example 2 of this invention. 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。The reflection spectrum obtained by the nano-groove structure according to Example 2 of the present invention and how the map showing the relationship between the groove width, depth and reflectance at a specific wavelength is high when the robustness is high. FIG. 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。It is a graph which shows the dispersion | distribution relationship about surface plasmon resonance when the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 300 nm. 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。It is a graph which shows the dispersion | distribution relationship about surface plasmon resonance when the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 380 nm. 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。It is a graph which shows a reflection spectrum when the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 380 nm. 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。It is a measurement result of a reflection spectrum in case the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 360 nm and 380 nm. 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。It is a map of a reflectance when the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 300 nm, 360 nm, and 380 nm. 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。It is a graph which shows a reflection spectrum when the pitch of the nano groove structure which concerns on Example 2 of this invention is 300 nm, 330 nm, 360 nm, and 380 nm. 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。It is a graph which shows the relationship between the coefficient A in Example 2 of this invention, and the allowable manufacture error of a sensor chip. 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。It is the schematic of the sensor chip which concerns on Example 3 of this invention, and an external appearance photograph. 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。It is a SEM image of the sample channel in the sensor chip which concerns on Example 3 of this invention, and the nano groove | channel structure produced in the bottom face of a sample channel. 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。It is a figure which shows the preparation procedures of the sensor chip based on Example 3 of this invention. 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。It is a figure which shows the comparison result of the signal quality of the sensor chip which concerns on Example 3 of this invention, and the conventional sensor chip. 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。It is a figure explaining the principle of the biosensor using generation | occurrence | production of surface plasmon resonance. 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。It is a figure explaining the origin of propagation type surface plasmon resonance. 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。It is a figure explaining the generation | occurrence | production origin of localized surface plasmon resonance. 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。It is a figure which shows the example of schematic structure of a propagation type surface plasmon resonance sensor. 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。It is a figure explaining the influence of the polarization defect of the conventional surface plasmon resonance sensor.

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。 DETAILED DESCRIPTION Exemplary embodiments for carrying out the present invention will be described in detail below with reference to the drawings.

＜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。 <Example 1>
In this embodiment, the basic configuration and principle confirmation of the present invention will be described. In this example, the principle was confirmed by a chip set 1 as shown in FIG. In this chip set 1, a base 2 as a substrate is formed of a slide glass. Then, a flow path substrate 3 is formed on the base 2 by forming a flow path substrate 3 in which sample flow paths 3a and 3b, which are fine structures for sample inflow and discharge, are formed by PDMS, thereby forming a flow path. The glass prism 4 is bonded to the surface of the base 2 opposite to the surface on which the flow path substrate 3 is placed via matching oil. Further, the surface of the base 2 on which the flow path substrate 3 is placed is formed by dropping a transparent resin and transferring the nano-groove structure 5 with a mold. Here, a UV curable acrylic resin was used as the resin. The nano-groove structure 5 on the resin has a parallel groove shape, and the cross-sectional structure is as shown in the cross-sectional view of FIG. In this embodiment, a metal film is formed on the grooves of the nanogroove structure 5.

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。 In FIG. 2, the detail of sectional drawing of the nano groove structure 5 in a present Example is shown. In the nano-groove structure 5, the groove pitch was about 300 nm, the groove width was about 100 nm, and the groove depth was about 70 nm. Further, a metal film 6 having a thickness of about 40 nm was formed thereon by gold sputtering. In this configuration, propagating surface plasmon resonance is generated in the metal film 6 by the P wave of the incident light, and the S wave component is caused to interact with the metal film 6 in the nanogroove structure 5, thereby local surface plasmon. Generate resonance.

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。 According to the configuration of the present embodiment, the propagation type surface plasmon resonance is generated by the P wave component in the incident light, and the surface plasmon resonance is generated on the nano-groove structure by the S wave component. Can be absorbed. Therefore, even if there is a polarization defect in the chip set 1, it is possible to suppress a decrease in sensor sensitivity (a decrease in the S / N ratio) due to the S wave component, and to perform target detection more efficiently. It becomes possible.

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。 Next, basic optical characteristics of the chip set as described above were confirmed. When actually used as a chip set for generating surface plasmon resonance by total reflection, light is incident from the back side of the base 2, so that white light is incident from the back side of the base 2, and its reflection spectrum is measured by a spectrometer. It was measured.

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。 In this case, since the P-polarized light component perpendicular to the surface on which the nano-groove structure 5 is formed (parallel to the incident surface) is not affected by the groove in the nano-groove structure 5, it is parallel to the surface on which the nano-groove structure 5 is formed ( Verification was performed with an S-polarized component perpendicular to the incident plane. The result is shown in the graph of FIG. As can be seen from the graph of FIG. 3, a tendency for the reflectivity to decrease greatly was observed near 570 nm. This is because localized surface plasmon resonance occurs with the metal film on the side surface of each groove of the nano-groove structure 5 when viewed from the back surface side, and the energy of incident light causes vibrations of free electrons in the metal film. Due to the conversion.

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。 Next, the case where the incident light was actually totally reflected was verified. Here, a light source having a wavelength close to a relatively large absorption wavelength was selected and used in the above-described verification. FIG. 4 shows an evaluation optical system in verification in which incident light is incident by total reflection. As the light source, a 594.1 nm laser (25LYR173, Melles Griot) 10 was used. The light emitted from the laser 10 passed through the polarizing plate 11, then the beam diameter was expanded by the beam expander 12, and was collected by the lens 14 having f = 60 mm. The sensor chip 16 was held on the prism 15 (matching oil was applied to the gap) so that the focal point coincided with the surface of the sensor chip 16.

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、その長手方向が平行方向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。 The sensor chip 16 is prepared in three types: (a) no gold film, no nano-groove structure, (b) a gold film, no nano-groove structure, (c) a gold film, and a nano-groove structure. The measurement results for each sensor chip 16 were compared. In the sensor chip 16 with a nano-groove structure, the nano-groove was installed so that the longitudinal direction thereof was parallel to the incident surface of incident light that was totally reflected. Since the outside of the sensor chip 16 is air at this time, total reflection occurs at the sensor chip 16. The light after total reflection is returned to parallel light by the lens 17 and applied to the projection plate 18. At this time, the lateral spread on the projection plate 18 means information in the θ direction of the light incident on the sensor chip 16. Furthermore, in order to simulate a polarization defect, the verification that the acrylic plate 13 was inserted in front of the lens 17 was also performed.

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。 FIG. 5 shows an image on the projection plate 18 obtained under each condition. In FIG. 5, the first row is an image when only P waves are incident, the second row is an image when only S waves are incident, and the third row is when random polarized light mixed with P wave components and S wave components is incident. The image, the fourth row, is an image when random polarized light is incident and a polarizing defect is added by inserting the acrylic plate 13 on the optical path.

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。 The upper part of FIG. 5 shows the results of (a) no gold film and no nano-groove structure. Looking at the angular direction, which is the horizontal direction of each image, there are no dark points in all of the four rows of images, and regardless of the polarization direction, the incident light is totally reflected and reaches the projection plate. I understand. This indicates that surface plasmon resonance does not occur even if any of P wave, S wave, and random polarized wave is incident, and a polarizing defect is further added.

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。 Next, the middle part of FIG. 5 will be described. This stage shows (i) the result when there is a gold film and no nanogroove. In this case, there is a point that partially darkens near the center when a P wave is incident. This indicates that propagation-type surface plasmon resonance occurs at this angle and the reflectivity decreases. With respect to the S wave, since propagation type surface plasmon resonance does not occur, there is no dark portion, and the projection is performed in a form almost similar to total reflection. Regarding the randomly polarized light, no particularly dark portion was observed. In this case, since it is a P wave + S wave, the generation site of the propagation type surface plasmon resonance should be slightly darkened. However, in this evaluation method, it was considered that the wave was buried in the S wave light and could not be observed. Thus, in the absence of the nano-groove structure, it is difficult to clearly observe the propagation surface plasmon resonance unless only the P wave is selected and incident. This means that in the absence of the nanogroove structure, the S / N ratio of the measurement decreases due to the presence of the S wave.

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。 Next, the lower part of FIG. 5 will be described. In the case of this (c) with a gold film and with a nano-groove structure, first, when only a P wave is incident, propagation type surface plasmon resonance occurs as in the middle stage. When only the S wave is incident, almost no reflected light is present. This is because localized surface plasmon resonance occurs on the back side of the substrate due to the S wave, which is also a component perpendicular to the sidewalls of the nanogroove due to the nanogroove structure, and the energy of light shifts to free electron vibration. is there. Thus, when a nano-groove structure parallel to the incident surface (traveling direction) of incident light as viewed from the sensor chip surface is provided, the P wave, which is also a component parallel to the side wall of the nano-groove, Propagation-type surface plasmon resonance due to normal total reflection is generated without being affected by S, and S waves that are also components perpendicular to the sidewalls of the nanogroove are absorbed by generating localized surface plasmon resonance in the nanogroove. It was confirmed that

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。 In addition, even when randomly polarized light is incident in the lower stage of FIG. 5, only the S wave is absorbed, so that the generation of propagation type surface plasmon resonance due to the P wave can be observed. That is, by using the sensor chip 16 of this embodiment, a polarizing plate is not necessary. Further, in the lower part of FIG. 5, even when light having a polarization defect added to randomly polarized light is incident, only the S wave is absorbed, so that it is possible to observe the generation of propagation type surface plasmon resonance due to the P wave. Conventionally, if a polarization defect exists in an optical path after aligning a polarization component with a P wave, a part of incident light becomes an S wave and the generation of propagation surface plasmon resonance is inhibited (S / N). However, by using the chip set 16 of this embodiment, it is possible to observe surface plasmon resonance as usual even if a polarizing defect exists in the optical path.

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。 FIG. 6 is a graph obtained by analyzing the luminance of the image data obtained by the above method. FIG. 6A shows (a) the case without a nano-groove structure with a gold film, and FIG. 6 (b) shows the case with (c) a nano-groove structure with a gold film. FIG. 6C shows a simulation result of the propagation surface plasmon resonance when there is no nanogroove structure obtained by the Transfer Matrix Method. In FIG. 6A, it can be seen that propagation type surface plasmon resonance occurs only when a P wave is incident. Even if this result is compared with FIG. 6C, good agreement can be confirmed. Further, in the case of FIG. 6B, it can be seen that when only the S wave is incident, there is almost no reflected light at all incident angles, and localized surface plasmon resonance occurs. In addition, when only P waves are incident, when random light is incident, random light is incident, and when a polarization defect is added, generation of propagation type surface plasmon resonance can be confirmed.

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。 Next, for further quantitative analysis, the reflected light was collected and measured with a power meter (1830-C, manufactured by Newport). The result is shown in FIG. As shown in FIG. 7, (a) in the case of a gold film and no nano-groove structure, most of the S wave is totally reflected and reaches the detector. This is because surface plasmon resonance does not occur in the S wave. On the other hand, the reflectance of the P wave is about one third of that of the S wave. This is because, when a P wave is incident, propagation type surface plasmon resonance occurs at a specific angle, so that the energy of light transitions to the movement of free electrons.

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。 On the other hand, in the case of (c) with a gold film and a nano-groove structure, the reflectance of the P wave is not much different from the case of (A) (about 1 / 1.4), but only the S wave is incident. The case is reduced to about 1/80 of the case of (A). This is because only the S wave was selectively absorbed by the nanogroove structure. As described above, by providing a nano-groove structure on the sensor chip parallel to the incident surface of total reflection when viewed from the sensor chip surface, it is possible to selectively remove S waves. As a result, it was confirmed that a polarizing plate for aligning the incident light with the P wave is unnecessary, and a chip set capable of generating surface plasmon resonance even if there is a polarization defect in the prism or the substrate has been confirmed.

＜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。 <Example 2>
Next, a second embodiment of the present invention will be described. When a sensor chip having a nano-groove structure as described in Example 1 is used as a product, the surface plasmon resonance generation efficiency due to the S-wave greatly changes due to the manufacturing error of the nano-groove structure for the stability of the sensor chip lot quality. It is desirable not to. That is, it is desirable that surface plasmon resonance occurs sufficiently efficiently so that S waves can be efficiently removed even if the width and depth of the nanogroove structure are slightly deviated from the target values.

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。 In this regard, the correlation between the shape of the nano-groove structure and the reflectance was obtained using optical simulation. RCWA (Rigorous Coupled Wave Analysis) method was used for the simulation. As shown in FIG. 8, a model in which convex shapes having a width W and a height T were formed on a resin 20 with n = 1.53 at a pitch P interval and 50 nm of gold 21 was laminated thereon was used. The upper side of the gold is assumed to have a refractive index of 1.33 assuming water 22. With respect to this model, light having S-wave polarization was incident vertically from the resin side, and the reflectance was obtained.

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。 The reflectance spectrum as shown in FIG. 9A was calculated by changing the wavelength of the incident light and obtaining the reflectance for each wavelength. Thereafter, the reflectance at the wavelength scheduled to be used for the light source (currently 650 nm) was obtained for each of the cases where the width W and the depth T of the groove were changed, and mapped as shown in FIG. 9B. In this map, the wider the area with low reflectivity, the wider the allowable range of the width W and the depth T of the nanogroove structure.

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。 FIG. 10 shows the result of mapping the reflectance when the pitch is 300 nm and the wavelength is 650 nm using the groove width W and the groove depth T as parameters. In FIG. 10, the vertical axis indicates the groove width W, and the horizontal axis indicates the groove depth T. From the figure, for example, if the groove width W near the center of an area having a reflectance of 0.2 or less is 120 nm and the groove depth T is 25 nm as the target shape, the allowable error range of the width is 27 nm and the allowable error range of the depth Is 3 nm. In this case, the tolerance in the depth T direction is particularly narrow, and it can be seen that the desired optical characteristics may not be obtained if the shape of the original is slightly shifted.

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。 On the other hand, as shown in FIG. 11, in order to improve the robustness of the shape of the sensor chip, the width of the region (dip portion) where the reflectance is reduced in the reflection spectrum is made as broad as possible, thereby reflecting on the map. The area with a low rate spreads, and the tolerance area regarding the depth T and the width W of the nanogroove structure can be increased. As a result, even if a shape error of the sensor chip occurs, a lower reflectance can be secured, and surface plasmon resonance can be generated more efficiently.

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。 Here, the mode of surface plasmon resonance is explained. The dispersion relation of the surface plasmon resonance at the interface between the metal and the dielectric (sample) is expressed by the following equation (3) where ω is the frequency of light, c is the speed of light, εm is the dielectric constant of the metal, and εs is the dielectric constant of the sample. ).

In consideration of the diffraction effect when the pitch of the nano-groove structure is actually set to 300 nm, calculation is performed by inputting values for each parameter, and a graph shown in FIG. 12 is obtained. When surface plasmon resonance is generated by the nano-groove structure, a band gap is generated at the folded portion of the SPR primary mode and the SPR secondary mode in FIG. When the pitch is 300 nm, resonance is excited by coupling the primary mode side with vertically incident light. At this time, since the secondary mode is on the considerably short wavelength side, it does not contribute to the generation of resonance at 650 nm.

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。 Therefore, in this embodiment, by appropriately adjusting the shape of the nano-groove structure, the SPR second-order mode of surface plasmon resonance, which has not been sufficiently used in the past, can contribute to the generation of surface plasmon resonance in the nano-groove structure; did. In this example, for example, by setting the pitch to 380 nm, as shown in FIG. 13, the frequency of aliasing of the primary mode and the secondary mode of the surface plasmon resonance is in the vicinity of the frequency of the incident light. Thereby, even if a band gap occurs between the primary mode and the secondary mode of the surface plasmon resonance, both modes exist in the vicinity of 650 nm, so that a broad dip portion can be secured.

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。

On the reflection spectrum obtained in the present embodiment, two or more dip portions are observed as shown in FIG. Alternatively, the two dip portions are combined to observe a broad dip portion. Further, one or more of these two or more dip portions are observed on each of the long wavelength side and the short wavelength side with respect to the light source wavelength when incident light having a single frequency is incident so as to be totally reflected. Theoretically, when the wavelength of light is λ, the dielectric constant of the metal is εm, and the dielectric constant of the sample is εs, the primary mode and the secondary mode can be obtained at a pitch P that satisfies the following equation (4). The return wavelength matches the wavelength of the incident light.

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。 FIG. 15 shows the result of simulation for the case where the pitch of the nanogroove structure is 380 nm and 360 nm. FIG. 15A shows the result when the pitch of the nanogroove structure is 380 nm. Here, as expected, dip broadening due to the combination of two peaks or two peaks at wavelengths around 650 nm was confirmed. Looking at the broadened dip portion, it can be seen that the center is slightly on the longer wavelength side than 650 nm. This is thought to be because the peak is slightly biased toward the long wavelength side in the form of being pulled to the primary mode having a large influence. In consideration of this influence, the pitch was verified even at 360 nm as shown in FIG. 15B so that the mode folding was slightly shorter than 650 nm. Then, it can be seen that the center of the dip portion when it is just broadened is around 650 nm.

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。 Next, in the case of a pitch of 360 nm and a case of 380 nm, simulation was performed by changing the width and depth of the nanogroove, and the reflectance at a wavelength of 650 nm was mapped. FIG. 16 shows a reflectance map for three cases of pitches 300 nm, 360 nm, and 380 nm. In order to realize a reflectance of 0.2 or less, the allowable error range was about 27 nm width and 3 nm depth as described above when the pitch was 300 nm, but when the pitch was 360 nm, the width was 32 nm and the depth was 10 nm. The allowable error range was about. Further, when the pitch was 380 nm, the allowable error range was about 31 nm in width and 7.5 nm in depth. In this way, by using the secondary mode of surface plasmon resonance, a plurality of dip portions or broadening, the range of production errors allowed in the sensor chip is expanded, and a highly robust sensor chip is realized. Was confirmed.

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。 Prototypes were made by changing the groove width for each pitch. In the same manner as in Example 1, after forming a nano pattern with a UV curable resin, gold sputtering (50 nm) was performed. Four types of pitches, 300, 330, 360, and 380, the depth of the nano-grooves were constant at 30 nm, and the groove widths were produced under different conditions.

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。 Next, the reflection spectrum of each actually produced pattern was measured. The measurement result of the reflection spectrum is shown in FIG. In FIG. 17, in each pattern with a pitch of 300 nm, a pitch of 330 nm, a pitch of 360 nm, and a pitch of 380 nm, the groove depth was fixed to 30 nm, and the change in the spectrum was observed while changing the groove width. In the case of the pitch of 300 nm and the pitch of 330 nm, only one dip portion exists, but in the case of the pitch of 360 nm and the pitch of 380 nm, it can be seen that there are a plurality of dip portions or they are broadened. In particular, when the pitch is 380 nm, there are two peaks around 650 nm, and the designed result is obtained. Thus, it was confirmed that the dip portion can be broadened by using both the first and second modes in the surface plasmon resonance in accordance with the wavelength of the incident light. Thereby, a sensor chip with high robustness can be realized.

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。 Next, more detailed conditions were examined for the robustness of the pitch of the nano-groove structure. The coefficient of the incident wavelength with respect to the wavelength that is the intersection of the primary mode and the secondary mode of surface plasmon resonance was set as A, and the relationship between the value of A and the allowable range of the fabrication error of the nanogroove structure was obtained. The coefficient A is defined by the following equation (5), where P is the pitch of the nanogroove structure, λ is the wavelength of incident light, εm is the dielectric constant of the metal, and εs is the dielectric constant of the sample.

The result of the examination is shown in FIG. The horizontal axis of the graph of FIG. 18 is the value of the coefficient A calculated from the pitch and other parameters, the vertical axis is the allowable creation error, the range ΔT of the depth T that can realize a reflectance of 0.2 or less, and the groove width It is a numerical value obtained by multiplying the W range ΔW. From this result, it was found that the allowable error range is particularly wide when the pitch P is in the range of 0.9 ≦ A ≦ 1.0. This is more strongly affected by the primary mode (lower ω side) than the secondary mode, so in order to bring the intersection of the primary mode and the secondary mode to the side where ω is slightly larger in advance. It is considered that it is better to make A slightly smaller than 1.0. Furthermore, it was also clarified from this result that the manufacturing error becomes very severe outside the range of 0.6 ≦ A ≦ 1.1.

＜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。 <Example 3>
As shown in Example 1, by providing a nanostructure, surface plasmon resonance measurement with a high S / N ratio can be performed even if a polarization defect exists in the sensor chip. In this example, by utilizing this feature, a sensor chip was manufactured by injection molding of a resin integrated with a prism, which was difficult in the past. If resin injection molding is used, the flow path of the sample can be produced in a lump, so that the cost of the device can be further reduced.

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。 FIG. 19 shows a schematic view and a photograph of a prototype sensor chip. In this sensor chip 31, a base 32, which is a substrate, and a prism 34 are integrally formed of resin. Further, on the surface of the base 32 opposite to the prism 34, sample flow paths 33a and 33b, which are fine structures for inflow and discharge of the sample, and a nano groove structure 35 are also integrally formed. Further, the region including the nanogroove structure 35 in the base 32 is subjected to gold sputtering (50 nm). In the nanogroove structure 35, nanogrooves having a pitch of 330 nm and a depth of 50 nm are formed on the bottom surfaces of the sample flow paths 33a and 33b, and the flow path pattern and the nanostructure are collectively transferred by injection molding. FIG. 20 shows an SEM image of the sample channel 33b in the prototype sensor chip and the nano-groove structure 35 formed on the bottom surface of the sample channel 33b. In FIG. 20, the magnification increases from FIG. 20 (a) to FIG. 20 (e).

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。 Next, a manufacturing process of the sensor chip 31 shown in FIG. 19 will be described with reference to FIG. FIG. 21A shows a stamper 36 for producing the sensor chip 31. A nano-groove structure 38 is formed at the tip of the convex portion 37 of the stamper 36 for producing the sample channels 33a and 33b. Using this stamper 36, a molded product in which the nano-groove structure 35 is arranged at the bottom of the sample channels 33a and 33b as shown in FIG. If it is normal injection molding, one device can be manufactured in about 10 seconds, and the cost is greatly reduced compared to the conventional method in which the sample flow path is separately prepared on a glass base by resin molding. Is possible. Note that the step of collectively injection-molding the molded product shown in FIG. 21B using the stamper 36 of FIG. 21A corresponds to the molding step in this embodiment.

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。 Thereafter, as shown in FIG. 21C, the sensor chip 31 is formed by forming a metal layer 37 of about 30 to 80 nm on the surface of the molded product including the nanogroove structure 35 and the sample flow paths 33a and 33b by gold sputtering. Complete. This step corresponds to a metal layer forming step in this embodiment.

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。 Next, the performance as a biosensor using surface plasmon resonance was confirmed using the actually produced sensor chip 31. First, 10 μl / mi of pure water (dielectric constant = 1.33)
The solution was fed with n, and after about 700 sec, 100 μl of 10 mM PBS buffer was supplied by injection. FIG. 22 compares the measurement results when the sensor chip 31 according to the present example is used and when the conventional sensor chip by injection molding without the nano-groove structure is used. FIG. 22A is an enlarged view of the resonance angle when the PBS buffer is injected, and FIG. 22B is an enlarged view of the acquired signal before the PBS buffer is injected. FIG. 22C is a diagram comparing the S / N ratios of both sensor chips.

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。 In both sensor chips, the point at which the resonance angle at which surface plasmon resonance occurs due to the change in the refractive index of the sample was observed. However, the result of this example has a larger amount of change and less noise. It can be seen that a high S / N ratio is obtained. As a result, according to the sensor chip 31 according to the present example, it was clarified that the decrease in S / N due to the polarization defect is suppressed and higher measurement accuracy can be obtained.

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 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Sensor chip 2 ... Base 3a, 3b ... Sample flow path 4 ... Prism 5 ... Nanogroove structure 6 ... Metal layer 10 ... Light source 11 ... Polarizing plate 12 ... Beam expander 13 ... Acrylic plate 14 ... Condenser lens 15 ... Prism 16 ... Sensor chip 17 ... Condenser lens 18 ... Projector plate

Claims

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、複数の溝からなり、各々の溝が前記入射光の入射面に平行方向に設けられた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。 A substrate and a metal layer formed to cover at least a part of the surface of the substrate;
The incident light that is incident from a surface different from the surface of the substrate on which the metal layer is formed and is transmitted through the substrate is totally reflected on the surface of the substrate on which the metal layer is formed, thereby propagating in the metal. A surface plasmon resonance chip for generating surface plasmon resonance of a mold,
The portion of the surface of the substrate where the metal layer is formed comprises a plurality of grooves when the surface is viewed from the metal layer side , and each groove is provided in a direction parallel to the incident light incident surface. Surface plasmon resonance chip characterized by having a groove structure.

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。 The sidewall surface of each groove in the groove structure forms an opposing surface by the metal layer covering the sidewall surface, and generates localized surface plasmon resonance at the opposing surface by the metal layer. 2. The surface plasmon resonance chip according to 1.

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。 The surface plasmon resonance chip according to claim 1, wherein the substrate is made of a resin.

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。 4. The prism according to claim 1, wherein a prism on which the incident light is incident is integrally formed on a surface of the substrate opposite to the surface on which the metal layer is formed. 5. Surface plasmon resonance chip.

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。 The substrate includes
A sample channel for guiding the sample onto the metal layer and discharging the sample on the metal layer is provided,
The surface plasmon resonance chip according to any one of claims 1 to 4, wherein the groove structure is formed on a bottom surface of the sample flow path.

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。 When the pitch P of each groove in the groove structure is λ, the dielectric constant of the metal forming the metal layer is εm, and the dielectric constant of the sample is εs,

The surface plasmon resonance chip according to claim 1, wherein the following relational expression is satisfied.

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。 When the pitch P of each groove in the groove structure is λ, the dielectric constant of the metal forming the metal layer is εm, and the dielectric constant of the sample is εs,

The surface plasmon resonance chip according to claim 6, wherein the following relational expression is satisfied.

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。 The surface plasmon resonance chip according to any one of claims 1 to 7, wherein a depth of the groove in the groove structure is 50 nm or less.

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。 The pitch of the grooves in the groove structure was determined such that when incident light having a polarization direction perpendicular to the incident surface was incident at a different wavelength, a drop in reflectance occurred at two or more wavelengths. The surface plasmon resonance chip according to claim 6 or 7.

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。 10. A surface plasmon resonance sensor, wherein incident light containing light of at least two kinds of polarization directions is incident on the surface plasmon resonance chip according to any one of claims 1 to 9.

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。 A molding step of integrally molding the substrate and the prism by resin injection molding;
The method for producing a surface plasmon resonance chip according to claim 4, further comprising a metal layer forming step of forming the metal layer after the forming step.