專利名稱：傳感器芯片、傳感器盒及分析裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及傳感器芯片、傳感器盒及分析裝置。
背景技術(shù)：
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近年來，隨著醫(yī)療診斷和食品檢驗(yàn)等所使用的傳感器的需求不斷増加，需要開發(fā)小型且可快速傳感檢測的傳感器技木。為滿足這些需求，進(jìn)行了以電化學(xué)方法為首的各類型傳感器的研究。其中，考慮到集成化、低成本、不用選擇測定環(huán)境等因素，應(yīng)用表面等離子共振(SPR :SurfacePlasmon Resonance)技術(shù)的傳感器受到高度關(guān)注。這里，所謂的表面等離子是指由表面固有的邊界條件引起光耦合的電子波振動模式。作為激發(fā)表面等離子體的方法，存在如下的方法在金屬表面刻衍射光柵，使光與等離子結(jié)合的方法；以及利用漸逝波的方法。例如，作為利用SPR的傳感器的結(jié)構(gòu)，公知有如下的結(jié)構(gòu)其包括全反射棱鏡、與在該棱鏡的表面形成的目標(biāo)物質(zhì)接觸的金屬膜。通過這種結(jié)構(gòu)來檢測有無目標(biāo)物質(zhì)的吸附，例如有無抗原抗體反應(yīng)時(shí)的抗原吸附等。然而，金屬表面存在傳輸型表面等離子體，另ー方面，金屬微粒上也存在局部型的表面等離子體。已知在局部型的表面等離子體、即表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)上局部存在的表面等離子體被激發(fā)時(shí)，會感應(yīng)有顯著增強(qiáng)的電場。因此，以提高傳感器的靈敏度為目的，提出了ー種利用金屬微粒和金屬納米結(jié)構(gòu)的局部表面等離子共振的傳感器(LSPR !Localized SurfacePlasmon Resonance)。例如，在專利文獻(xiàn)I (日本特開2000-356587號公報(bào))中記載對將金屬微粒以膜狀固定在表面的透明基板進(jìn)行光照射，通過測定透過金屬微粒的光的吸光度來檢測金屬微粒附近的介質(zhì)變化，并檢測目標(biāo)物質(zhì)的吸附與堆積。但是，在專利文獻(xiàn)I中，均勻地制備金屬微粒的大小(大小和形狀)以及有規(guī)則地排列金屬微粒是很困難的。如果不能控制金屬微粒的大小及排列，則共振產(chǎn)生的吸收波長和共振波長會產(chǎn)生誤差。這樣ー來，吸光度光譜的寬度就變寬，峰值強(qiáng)度變低。因此，用于檢測金屬微粒附近的介質(zhì)變化的信號變化降低，即使要提高傳感器靈敏度也有限度。因此，在用于根據(jù)吸光度光譜指定物質(zhì)時(shí)傳感器的靈敏度就不充分。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明鑒于上述問題，其目的在于提供一種可提高傳感器的靈敏度，能根據(jù)拉曼分光光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片、傳感器盒以及分析裝置。為了解決上述問題，本發(fā)明采用如下的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明第一方面的傳感器芯片包括基體部件，具有平面部；以及衍射光柵，具有由金屬形成的表面，形成在所述平面部上，且目標(biāo)物質(zhì)配置在所述衍射光柵上，所述衍射光柵包括多個(gè)第一突起，沿與所述平面部平行的第一方向，按大于等于IOOnm小于等于IOOOnm的周期周期性地排列；多個(gè)基底部分，位于相鄰的兩個(gè)所述第一突起之間，構(gòu)成所述基體部件的底部；以及多個(gè)第二突起，形成在多個(gè)所述第一突起的上表面。根據(jù)本發(fā)明的第一方面,通過第一突起根據(jù)表面等離子共振(surfaceplasmonresonance)而增強(qiáng)的近接電場向同形狀的表面激發(fā)，進(jìn)ー步可通過基于第二突起的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)來顯出增強(qiáng)度高的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS Surface Enhanced RamanScattering)。具體來說,如果向形成有多個(gè)第一突起及多個(gè)第二突起的面入射光線,則會產(chǎn)生基于多個(gè)第一突起的表面固有的振動模式(表面等離子體)。于是，伴隨著光的振動，自由電子發(fā)生共振，且伴隨著自由電子的振動，電磁波的振動被激發(fā)。因這種電磁波的振動影響自由電子的振動，所以形成結(jié)合兩者振動的系統(tǒng)、所謂的表面等離子體激元(SPP Surface Plasmon Polariton)。由此,在多個(gè)第二突起的附近,局部表面等離子體共振(LSPR !Localized SurfacePlasmon Resonance)被激發(fā)。在本結(jié)構(gòu)中，由于相鄰的兩個(gè)第ニ突起之間的距離小，因此，在該接點(diǎn)附近產(chǎn)生極強(qiáng)的增強(qiáng)電場。并且，如果在該接點(diǎn)上吸附一到幾個(gè)目標(biāo)物質(zhì)，則會發(fā)生SERS。因此，可在目標(biāo)物質(zhì)中取得固有的尖鋭的SERS光譜。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。此 夕卜，通過適當(dāng)變更第一突起的周期和高度、第二突起的高度，從而可使共振峰值的位置匹配任意波長。因此，可以適當(dāng)?shù)剡x擇在指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第一突起沿與所述平面部平行的、與所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。這樣，與僅沿與基體材料的平面部平行的方向(第一方向)具有周期性地形成第一突起的情況相比，可以在更廣的共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。并且，除可以適當(dāng)改變第一突起的第一方向的周期以外，還可以適當(dāng)改變第二方向的周期。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二突起沿與所述平面部平行的第三方向周期性地排列。這樣，可適當(dāng)改變第二突起的周期。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二突起沿與所述平面部平行的、與所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。這樣，與僅沿與基體材料的平面部平行的方向(第三方向)形成第二突起的情況相比，可以在更廣的共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。并且，除可以適當(dāng)改變第二突起的第三方向上的周期以外，還可以適當(dāng)改變第四方向上的周期。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二突起由微粒構(gòu)成。這樣，可提供ー種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選當(dāng)將所述第一方向上的第一突起的寬度設(shè)為W1，將所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一突起之間的距離設(shè)為W2時(shí)，滿足Wl > W2的關(guān)系。這樣，由于激發(fā)LSPR的第一突起的空間填充率増大，因此與滿足Wl < W2的關(guān)系的情況相比，能在更廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。而且，能有效地利用指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射光的能量。
在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選所述第一方向上的所述第一突起的所述寬度Wl與所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一突起之間的所述距離W2之比滿足Wl W2 = 9 I的關(guān)系。這樣，能在更廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。而且，能有效地利用指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射光的能量。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選構(gòu)成所述衍射光柵的所述表面的金屬是金或銀。這樣，由于金或銀具有能顯出SPP、LSPR、SERS的特性，因此能很容易地顯出SPP、LSPR、SERS，從而能高靈敏度地檢測目標(biāo)物質(zhì)。本發(fā)明第二方面的傳感器盒包括上述記載的傳感器芯片；輸送部，用于把所述目標(biāo)物質(zhì)輸送到所述傳感器芯片的表面；載置部，用于載置所述傳感器芯片；殼體，用于收容所述傳感器芯片、所述輸送部以及所述載置部；以及照射窗，設(shè)置在所述殼體的與所述傳感器芯片的表面相対的位置上。
根據(jù)本發(fā)明的第二方面，因?yàn)榫哂猩鲜鲇涊d的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并可檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器盒。本發(fā)明第三方面的分析裝置包括上述記載的傳感器芯片；光源，用于向所述傳感器芯片照射光；以及光檢測器，用于檢測通過所述傳感器芯片獲得的光。根據(jù)本發(fā)明的第三方面，因?yàn)榫哂猩鲜鲇涊d的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并可檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的分析裝置。本發(fā)明第四方面的傳感器芯片包括基體部件，具有平面部；以及衍射光柵，具有通過將第一凹凸形狀和第二凹凸形狀重疊而形成在所述平面部上的合成圖案，所述衍射光柵具有由金屬形成的表面，且目標(biāo)物質(zhì)配置在所述衍射光柵上，其中，在所述第一凹凸形狀中，按大于等于IOOnm小于等于IOOOnm的周期周期性地排列有多個(gè)第一凸形狀，在所述第ニ凹凸形狀中，多個(gè)第二凸形狀按比所述第一凹凸形狀的周期短的周期周期性地排列在多個(gè)所述第一凸形狀上。根據(jù)本發(fā)明的第四方面，通過第一凸形狀根據(jù)表面等離子共振(surface plasmonresonance)而增強(qiáng)的近接電場向同形狀的表面激發(fā)，進(jìn)一歩可通過基于第二凸形狀的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)來顯出增強(qiáng)度高的表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS Surface Enhanced RamanScattering)。具體來說，如果向形成有第一凹凸形狀和第二凹凸形狀的面入射光線，則會產(chǎn)生基于多個(gè)第一凹凸形狀的表面固有的振動模式(表面等離子體)。于是，伴隨著光的振動，自由電子發(fā)生共振，且伴隨著自由電子的振動，電磁波的振動被激發(fā)。因這種電磁波的振動影響自由電子的振動，所以形成結(jié)合兩者振動的系統(tǒng)、所謂的表面等離子體激元(SPP Surface Plasmon Polariton)。由此,在第二凹凸形狀的附近,局部表面等離子體共振(LSPR :LocalizedSurface Plasmon Resonance)被激發(fā)。在本結(jié)構(gòu)中，由于相鄰的兩個(gè)第二凸形狀之間的距離小，因此，在該接點(diǎn)附近產(chǎn)生極強(qiáng)的增強(qiáng)電場。并且，如果在該接點(diǎn)上吸附一到幾個(gè)目標(biāo)物質(zhì)，則會發(fā)生SERS。因此，可在目標(biāo)物質(zhì)中取得固有的尖鋭的SERS光譜。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。此外，通過適當(dāng)變更第一凸形狀的周期和高度、第二凸形狀的高度，從而可使共振峰值的位置匹配任意波長。因此，可以適當(dāng)?shù)剡x擇在指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第一凸形狀沿與所述平面部平行的第一方向周期性地排列，且沿與所述平面部平行的、與所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。這樣，與僅沿與基體材料的平面部平行的方向(第一方向)周期性形成第一凸形狀的情況相比，可以在更廣的共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。并且，除可以適當(dāng)改變第一凸形狀的第一方向上的周期以外，還可以適當(dāng)改變第二方向上的周期。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二凸形狀沿與所述平面部平行的第三方向周期性地排列。這樣，可以適當(dāng)?shù)馗淖兊诙剐螤畹闹芷?。因此，可以適當(dāng)?shù)剡x擇在指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二凸形狀沿與所述平面部平行的、與所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。這樣，與僅沿與基體材料的平面部平行的方向(第三方向)周期性形成第二凸形狀的情況相比，可以在更廣的共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。并且，除可以適當(dāng)改變第二凸形狀的第三方向上的周期以外，還可以適當(dāng)改變第四方向上的周期。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選多個(gè)所述第二凸形狀由微粒構(gòu)成。這樣，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選當(dāng)將所述第一方向上的第一凸形狀的寬度設(shè)為W1，將所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一凸形狀之間的距離設(shè)為W2時(shí)，滿足Wl > W2的關(guān)系。這樣，由于激發(fā)LSPR的第一凸形狀的空間填充率増大，因此與滿足Wl <W2的關(guān)系的情況相比，能在更廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。而且，能有效地利用確定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射光的能量。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選所述第一方向上的所述第一凸形狀的所述寬度Wl與所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一凸形狀之間的所述距離W2之比滿足Wl W2 =9 I的關(guān)系。這樣，能在更廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。而且，能有效地利用確定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射光的能量。在本發(fā)明的傳感器芯片中，優(yōu)選構(gòu)成所述衍射光柵的所述表面的金屬是金或銀。這樣，由于金或銀具有能顯出SPP、LSPR、SERS的特性，因此能很容易地顯出SPP、LSPR、SERS，從而能高靈敏度地檢測目標(biāo)物質(zhì)。本發(fā)明的第五方面的傳感器盒包括上述記載的傳感器芯片；輸送部，用于把所述目標(biāo)物質(zhì)輸送到所述傳感器芯片的表面；載置部，用于載置所述傳感器芯片；殼體，用于收容所述傳感器芯片、所述輸送部以及所述載置部；以及照射窗，設(shè)置在所述殼體的與所述傳感器芯片的表面相對的位置上。根據(jù)本發(fā)明的第五方面，因?yàn)榫哂猩鲜鲇涊d的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并可檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器盒。本發(fā)明的第六方面的分析裝置包括上述記載的傳感器芯片；光源，用于向所述傳感器芯片照射光；以及光檢測器，用于檢測通過所述傳感器芯片獲得的光。根據(jù)本發(fā)明的第六方面，因?yàn)榫哂猩鲜鲇涊d的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并可檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的分析裝置。


圖1A及圖1B是示出本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的模式圖。圖2A及圖2B是拉曼散射分光法的示意圖。圖3A及圖3B是利用LSPR的電場增強(qiáng)的機(jī)構(gòu)的示意圖。圖4是SERS分光法的示意圖。圖5是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖6是不出SPP的分散曲線的坐標(biāo)圖。圖7是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖8A及圖8B是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖9A及圖9B是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖10是示出本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖1lA 圖1lC是示出在基體部件的平面部上重疊第二突起的結(jié)構(gòu)的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖12是在基體部件的平面部上形成了多個(gè)第二突起的傳感器芯片的模式圖。圖13是圖12中的傳感器芯片的反射光強(qiáng)度的示意圖。圖14A 圖14F是傳感器芯片的制作エ序的示意圖。圖15是示出具有第一突起的傳感器芯片的變形例的概略結(jié)構(gòu)圖。圖16A及圖16B是具有第二突起的傳感器芯片的變形例的概略結(jié)構(gòu)圖。圖17A及圖17B是具有第二突起的傳感器芯片的變形例的概略結(jié)構(gòu)圖。圖18是分析裝置的一例的模式圖。圖19是示出本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的模式圖。圖20是示出本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的模式圖。
具體實(shí)施例方式以下，參照附圖，同時(shí)對本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說明。這樣的實(shí)施方式只示出本發(fā)明的一種實(shí)施方式，并不限定本發(fā)明，在本發(fā)明的技術(shù)思想范圍內(nèi)可以任意變形。而且，在下面的附圖中，為了易于理解各結(jié)構(gòu)，各結(jié)構(gòu)的縮尺和數(shù)目等與實(shí)際的結(jié)構(gòu)是不同的。圖1A及圖1B是示出本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的模式圖。圖1A是傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的立體圖，圖1B是傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的截面圖。在圖1B中，標(biāo)號Pl表示第一突起(第一凸形狀)的周期，標(biāo)號P2表示第二突起(第二凸形狀)的周期，標(biāo)號Wl表示第一突起的寬度，標(biāo)號W2表示相鄰的兩個(gè)第一突起之間的距離，標(biāo)號Tl表示第一突起的高度(槽深)，標(biāo)號T2表示第二突起的高度(槽深)。圖19及圖20是對應(yīng)于圖1B的、本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的概略結(jié)構(gòu)的模式圖。在圖19及圖20中，標(biāo)號Pl表示第一突起(第一凸形狀)的周期，標(biāo)號P2表示第二突起(第二凸形狀)的周期，標(biāo)號Wl表示第一突起的寬度，標(biāo)號W2表示相鄰的兩個(gè)第一突起之間的距離，標(biāo)號Tl表示第一突起的高度(槽深)，標(biāo)號T2表示第二突起的高度(槽深)。為了在包含金屬的基體部件10上形成的衍射光柵9配置目標(biāo)物質(zhì)，并利用局部表面等離子共振(LSPR Localized Surface Plasmon Resonance)及表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS Surface Enhanced Raman Scattering)來檢測上述目標(biāo)物質(zhì),而使用傳感器芯片I。為了形成于基體部件10的衍射光柵9上配置目標(biāo)物質(zhì)，并利用LSPR及SERS檢測上述目標(biāo)物質(zhì)而使用傳感器芯片I。衍射光柵9包括多個(gè)第一突起11，沿與基體部件10的平面部平行的第一方向，以大于等于IOOnm小于等于IOOOnm的周期Pl來排列多個(gè)第一突起11 ;多個(gè)基底部分10a，位于相鄰的兩個(gè)第一突起11之間，構(gòu)成基體部件10的基底；以 及多個(gè)第二突起12，形成在多個(gè)第一突起11各自的上面Ila上。衍射光柵9具有由金屬形成的表面，其形成在基體部件10的平面部IOs上。換句話說，衍射光柵9具有將第一凹凸形狀、第二凹凸形狀、重疊而獲得的復(fù)合模式(composite pattern),且衍射光柵9具有由金屬形成的表面。在上述第一凹凸形狀中，沿與基體部件10的平面部IOs垂直的方向，以大于等于IOOnm小于等于IOOOnm的周期Pl排列有多個(gè)第一凸形狀(第一突起)11，在上述第二凹凸形狀中，在多個(gè)第一凸形狀11中的各個(gè)第一凸形狀11上，按比第一凹凸形狀的周期短的周期P2周期性地排列有多個(gè)第二凸形狀(第二突起)12。并且，這里所謂“衍射光柵”是指多個(gè)凹凸形狀(多個(gè)突起)被周期性排列的結(jié)構(gòu)。此外，這里所謂“平面部”是指基體部件的上面部。也就是說，所謂“平面部”是指配置有目標(biāo)物質(zhì)的基體部件的單側(cè)的表面部。并且，通過第一凹凸形狀、第二凹凸形狀重疊而形成的復(fù)合模式至少形成在基體部件的上面部。而且，對于基體部件的另ー單側(cè)的表面部、即基體部件的下面部，并不特別限定其形狀。但是，如果考慮對基體部件的平面部(上面部)進(jìn)行加工エ序等，則優(yōu)選基體部件的下面部是相對于平面部的基底部分平行且平坦的面。如圖1B所示，可以例舉基體部件10、第一凸形狀11以及第ニ凸形狀12全部是由金屬構(gòu)成的結(jié)構(gòu)作為衍射光柵9的結(jié)構(gòu)。此外，如圖19所示，例舉有如下的結(jié)構(gòu)用玻璃或樹脂等絕緣部件形成基體部件10及第ー凸形狀11，用金屬膜覆蓋絕緣部件露出的整體部位，并在金屬膜上形成由金屬構(gòu)成的第二凸形狀12。此外，如圖20所示，例舉有如下的結(jié)構(gòu)將基體部件10、第一凸形狀11及第ニ凸形狀12全部由絕緣部件形成，并通過金屬膜覆蓋絕緣部件露出的整體部位。也就是說，衍射光柵9具有如下的結(jié)構(gòu)基體部件10的基底部分10a、第一凸形狀11及第ニ凸形狀12至少表面由金屬形成。基體部件10具有例如在玻璃基板上形成150nm以上的金屬膜的結(jié)構(gòu)。通過后述的制作エ序，該金屬膜成為第一突起11和第二突起12。再者，雖然在本實(shí)施方式中使用在玻璃基板上形成有金屬膜的基體作為基體部件10，但并不僅限于此。例如，也可以使用在石英基板或藍(lán)寶石基板上形成有金屬膜的基體作為基體部件10。此外，還可以使用由金屬構(gòu)成的平板作為基體部件。第一突起11形成為在基體部件10的平面部IOs上具有規(guī)定的高度Tl。該第一突起11在與基體部件10的平面部IOs平行的方向(第一方向)上以比光的波長短的周期Pl排列。在周期Pl，將第一方向(圖1B的左右方向)上的第一突起11單體的寬度Wl、與相鄰的兩個(gè)第一突起11之間的距離W2相加(PI = W1+W2)。此外，第一突起11是矩形截面的凸形狀，多個(gè)第一突起11形成為俯視線和空間(line and space)(條紋狀)。在第一突起11，優(yōu)選將例如周期Pl設(shè)定在IOOnm IOOOnm范圍內(nèi)，將高度Tl設(shè)定在IOnm IOOnm范圍內(nèi)。這樣，就可將第一突起11作為顯出LSPR的構(gòu)造而發(fā)揮作用。該第一方向上的第一突起11的寬度Wl大于相鄰的兩個(gè)第一突起11之間的距離W2 (ffl > W2)。由此，LSPR激發(fā)的第一突起11的空間填充率増大。在多個(gè)第一突起11各自的上表面Ila上以具有規(guī)定高度T2的方式形成有兩個(gè)以上的第二突起12。具體地說，第二突起12不形成在基體部件10的基底部分IOa(相鄰兩個(gè)第一突起11之間的區(qū)域中的基體部件10的平面部IOs)上，僅形成在第一凸形狀11的上表面Ila上。該第二突起12在與基體部件10的平面部IOs平行的方向(第三方向)上以比光的波長短的周期P2排列。在周期P2，將第三方向(圖1B的左右方向)上的第二突起12單體的寬度、和相鄰的兩個(gè)第二突起12之間的距離相加。因此，第二突起12的周期P2比第一突起11的周期Pl要短得多。在第二突起12，優(yōu)選將例如周期P2設(shè)定為小于500nm的值，將高度T2設(shè)定為小于200nm的值。這樣，就可將第二突起12作為顯出SERS的構(gòu)造而發(fā)揮作用。另外，在本實(shí)施方式中，第一突起11的排列方向(第一方向)與第二突起12的排列方向(第三方向)相同。而且，與第一突起一祥，第二突起12形成矩形截面的凸形狀，多個(gè)第二突起12形成俯視線和空間(條紋狀)。作為衍射光柵9的表面金屬，可以使用例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)或者它們的合金。在本實(shí)施方式中，使用具有能顯出SPP、LSPR、SERS的特性的金或銀。由此，易于顯出SPP、LSPR、SERS，且可高靈敏度地檢測出目標(biāo)物質(zhì)。在此，就SPP、LSPR、SERS進(jìn)行說明。如果把光射入傳感器芯片I的表面、即形成有多個(gè)第一突起11及多個(gè)第二突起12的面，則會發(fā)生利用多個(gè)第一突起11的表面固有振動模式(表面等離子體)。但是，入射光的偏光狀態(tài)是與第一突起11的槽方向垂直的TM (Transverse Magnetic,橫磁波)偏振光。于是,伴隨著自由電子的振動，電磁波的振動被激發(fā)。因這種電磁波的振動影響自由電子的振動，所以可以生成兩者振動結(jié)合的系統(tǒng)、即所謂的表面等離子體激元(SPP :Surface Plasmon Polariton)。此外，雖然在本實(shí)施方式中光的射入角度相對于芯片表面大致垂直，但是如果處于激發(fā)SPP的條件，則射入角度并不僅限于這個(gè)角度(垂直)。該SPP沿傳感器芯片I的表面、具體來說沿空氣與第二突起12的界面?zhèn)鬏?，在第二突?2的附近激發(fā)強(qiáng)烈的局部電場。SPP的耦合對光的波長敏感，該耦合效率較高。這樣,可根據(jù)處于空氣傳輸模式的入射光,通過SPP激發(fā)局部表面等離子共振(LSPR:Localized Surface PlasmonResonance)。并且，可根據(jù)LSPR與拉曼散射光之間的關(guān)系來利用表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS Surface Enhanced Raman Scattering)。圖2A及圖2B是拉曼散射分光法的示意圖。圖2A示出了拉曼散射分光法的原理。圖2B示出拉曼光譜(拉曼位移與拉曼散射強(qiáng)度的關(guān)系)。在圖2A中，標(biāo)號L表示入射光(單一波長的光)，標(biāo)號Ram表不拉曼散射光,標(biāo)號Ray表不瑞利散射光,標(biāo)號X表不目標(biāo)分子(目標(biāo)物質(zhì))。在圖2B中，橫軸表示拉曼位移。此外，所謂拉曼位移是指拉曼散射光Ram的振動數(shù)與入射光L的振動數(shù)之差，在目標(biāo)分子X的構(gòu)造中取特有的值。如圖2A所不,若單一波長的光L照射目標(biāo)分子X,則在散射光中發(fā)生波長與入射的光的波長不同的光(拉曼散射光Ram)。拉曼散射光Ram與入射光L之間的能量差對應(yīng)于目標(biāo)分子X的振動能級和轉(zhuǎn)動能級、或者電子能級的能量。目標(biāo)分子X因具有與其結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的特有的振動能量，所以可通過使用單一波長的光L來指定目標(biāo)分子X。例如，當(dāng)將入射光L的振動能量設(shè)定為VI，以目標(biāo)分子X消耗的振動能量設(shè)定為V2,拉曼散射光Ram的振動能量設(shè)定為V3吋，V3 = V1-V2。此外，大部分入射光L即使在與目標(biāo)分子X碰撞之后也具有與碰撞之前相同的能量。這種彈性散射光被稱為瑞利散射光Ray0例如，當(dāng)將瑞利散射光Ray的振動能量設(shè)定為V4，則V4 = VI。根據(jù)如圖2B所示的拉曼光譜，若把拉曼散射光Ram的散射強(qiáng)度(光譜峰值)與瑞利散射光Ray的散射強(qiáng)度進(jìn)行比較，則可知拉曼散射光Ram是弱光。這樣，拉曼散射分光法是如下的測定方法雖然對目標(biāo)分子X的識別能力卓越，但對目標(biāo)分子X傳感檢測的靈敏度本身是很低。因此，在本實(shí)施方式中，用分光法(SERS分光法)以實(shí)現(xiàn)高靈敏度，該分光法使用了表面增強(qiáng)拉曼散射(參照圖4)。圖3A及圖3B是利用LSPR的電場增強(qiáng)的機(jī)構(gòu)的示意圖。圖3A是把光入射到金屬納米粒子時(shí)的模式圖。圖3B是LSPR增強(qiáng)電場的示意圖。在圖3A中，標(biāo)號100表示光源，標(biāo)號101表不金屬納米粒子,標(biāo)號102表不從光源射出的光。在圖3B中，標(biāo)號103表不表面局部電場。如圖3A所示，若光102入射金屬納米粒子101，則伴隨著光102的振動，自由電子共振。此外，金屬納米粒子直徑小于入射光的波長。例如，光的波長是400nm 800nm、金屬納米粒子直徑是10 lOOnm。另外,使用Ag、Au作為金屬納米粒子。于是，伴隨著自由電子的共振，在金屬納米粒子101附近，激發(fā)強(qiáng)烈的表面局部電場103 (參考圖3B)。這樣，通過把光102入射金屬納米粒子101，從而可激發(fā)LSPR。圖4是SERS分光法的示意圖。在圖4中，標(biāo)號200表示基板(相當(dāng)于本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的第一突起)，標(biāo)號201表不金屬納米結(jié)構(gòu)(相當(dāng)于本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的第二突起)，標(biāo)號202表不選擇性吸附膜,標(biāo)號203表不增強(qiáng)電場,標(biāo)號204表不目標(biāo)分子,標(biāo)號211表不入射激光,標(biāo)號212表不拉曼散射光,標(biāo)號213表不瑞利散射光。另外，選擇性吸附膜202吸附目標(biāo)分子204。如圖4所示，若激光211入射金屬納米結(jié)構(gòu)201，則伴隨著激光211的振動，自由電子共振。金屬納米結(jié)構(gòu)201的尺寸小于入射激光的波長。于是，伴隨著自由電子的共振，在金屬納米結(jié)構(gòu)201的附近，激發(fā)強(qiáng)烈的表面局部電場。由此，激發(fā)LSPR。并且，如果相鄰的金屬納米結(jié)構(gòu)201之間的距離變小，則在其接點(diǎn)附近發(fā)生極強(qiáng)的增強(qiáng)電場203。如果在其接點(diǎn)上吸附一到幾個(gè)目標(biāo)分子204，則那里會發(fā)生SERS。關(guān)于這一點(diǎn)，也可以根據(jù)使用有限時(shí)域差分(FDTD Finite Difference Time Domain)法而計(jì)算出的近接的兩個(gè)銀納米粒子間生成的增強(qiáng)電場的結(jié)果來進(jìn)行確認(rèn)。因此，可選擇性地對拉曼散射光進(jìn)行分光，并可高靈敏度地檢測目標(biāo)分子。如上所述，本實(shí)施方式具有如下結(jié)構(gòu)通過把第一突起11沿與基體部件10的平面部平行的方向，按比光的波長短的周期Pl排列來激發(fā)LSPR。并且，本實(shí)施方式還具有如下結(jié)構(gòu)通過在第一突起11的上面Ila上形成兩個(gè)以上的第二突起12來顯出SERS。具體地說，基于通過把單一波長的光照射到目標(biāo)分子上會發(fā)生拉曼散射的原理，把目標(biāo)分子分配在相鄰的兩個(gè)第二突起12之間，并使在該接點(diǎn)附近產(chǎn)生增強(qiáng)磁場，從而產(chǎn)生SERS。由此，可以使用SERS分光法以與拉曼散射分光法相比高靈敏度的方式檢測目標(biāo)物質(zhì)。圖5是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。在圖5中，橫軸表示光的波長，縱軸表示反射光的強(qiáng)度。把第一突起11的高度Tl作為參數(shù)(Tl = 20nm、30nm、40nm)。而且，在本實(shí)施方式的傳感器芯片I的結(jié)構(gòu)中，把從入射光強(qiáng)度(設(shè)定為1.0)中減去反射光·強(qiáng)度后的差作為吸光度。光垂直入射第一突起11。光的偏振光方向是TM偏振光。第一突起11的周期是580nm,反射光強(qiáng)度的共振峰(peak)存在于波長630nm附近。該共振峰來自SPP,若把第一突起11的高度Tl増大，則共振峰向長波長側(cè)(長波長區(qū)域)位移。當(dāng)?shù)谝煌黄?1的高度Tl是30nm時(shí),可知反射光強(qiáng)度變?yōu)樽顝?qiáng),吸收也表現(xiàn)得最強(qiáng)。圖6是不出SPP的分散曲線的坐標(biāo)圖。在圖6中，標(biāo)號Cl表不SPP的分散曲線(例如，示出空氣與Au的界限面處的值)，標(biāo)號C2表示光線(light line)。第一突起11的周期是580nm。在橫軸上示出了第一突起11的光柵矢量的位置(對應(yīng)于圖6的橫軸上的2 /P)。如果從該位置向上延長線，則與SPP的分散曲線相交。對應(yīng)于該交點(diǎn)的波長可以通過下式求出。 …(1)在式(I)中，Pl表示第一突起11的周期，El表示空氣的復(fù)介電常數(shù)，E2表示Au的復(fù)介電常數(shù)。如果把P1、E1、E2代入式(I)中，則得到\ = 620nm(對應(yīng)于圖6的縱軸上的《 0)。第一突起11的高度Tl變大的同吋，SPP的波數(shù)的虛部變大。由此，SPP的波數(shù)的實(shí)部變小，從光柵矢量的位置延長的線與SPP的分散曲線的交點(diǎn)自右上向左下移動。也就是說，共振峰向長波長側(cè)位移。圖7是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。在圖7中，橫軸表示光的波長，縱軸表示反射光強(qiáng)度。將第一方向上的第一突起11的寬度Wl與相鄰兩個(gè)第一突起之間的距離W2之比(下面稱為“占空比”)作為參數(shù)(Wl W2 = 5 5、8 2)。此外，本圖的參數(shù)Wl W2 = 5 5的坐標(biāo)圖與圖5的參數(shù)Tl = 30的坐標(biāo)圖相同。TM偏振光垂直入射第一突起11。當(dāng)?shù)谝煌黄?1的周期是580nm、占空比是Wl W2=5 5時(shí)，反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長630nm附近。此外，當(dāng)占空比是Wl WZ =8 2時(shí)，反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長660nm附近。如果占空比増大，則共振峰的斜度變尖鋭，并且共振峰向長波長側(cè)位移。圖8A 圖9B是示出第一突起單體的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖8A是占空比是Wl W2 = 7 3時(shí)的坐標(biāo)圖。圖8B是占空比是Wl W2 = 3 7時(shí)的坐標(biāo)圖。圖9A是占空比是Wl W2 = 9 I時(shí)的坐標(biāo)圖。圖9B是占空比是Wl W2 = I 9時(shí)的坐標(biāo)圖。在圖8A 圖9B中，橫軸表示光的波長，縱軸表示反射光強(qiáng)度。將第一突起11的高度Tl作為參數(shù)(Tl = 20nm、30nm、40nm、50nm)。TM偏振光垂直入射第一突起11。當(dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl : W2 = 7 : 3，高度Tl為30nm時(shí),反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長660nm附近(參考圖8A)。另ー方面，當(dāng)占空比是Wl : W2 = 3 : 7，高度Tl為40nm吋，反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長600nm附近(參考圖8B)?？芍?dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl W2 = 7 3時(shí)，若高度Tl增大，則反射光強(qiáng)度的共振峰位置向長波長側(cè)位移。但是，可知當(dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl W2=3 7時(shí)，反射光強(qiáng)度的共振峰位置幾乎不變。
當(dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl W2 = 9 1，且高度Tl是40nm時(shí)，反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長670nm附近(參考圖9A)。另ー方面，當(dāng)占空比是Wl W2 = I 9，高度Tl是20nm吋，反射光強(qiáng)度的共振峰存在于波長730nm附近，共振峰的斜度平緩(參考圖9B)。可知當(dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl W2 = 9 I時(shí)，若高度Tl増大，則反射光強(qiáng)度的共振峰位置向長波長側(cè)位移。但是，當(dāng)?shù)谝煌黄?1的占空比是Wl W2 = I 9時(shí)，反射光強(qiáng)度的共振峰很小。圖10是示出在第一突起11上重疊第二突起12的結(jié)構(gòu)、即本發(fā)明涉及的一種實(shí)施方式的傳感器芯片I的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。在圖10中，橫軸表不光的波長，縱軸表不反射光強(qiáng)度。將第二突起12的高度T2作為參數(shù)(T2 = 0nm、30nm)。另外，本圖的參數(shù)T2 =0時(shí)的坐標(biāo)圖與圖7中的參數(shù)Wl W2 = 8 2時(shí)的坐標(biāo)圖相同。TM偏振光垂直入射第一突起11。第一突起11的占空比是Wl W2 = 8 2，第一突起11的高度Tl是30nm。另外，第二突起12的周期P2是116nm。通過僅在第一突起11的上表面Ila上形成多個(gè)第二突起12，從而反射光強(qiáng)度的共振峰的位置從波長660nm移至波長710nm附近。并且，可以保證共振峰的尖鋭度和斜度。該共振峰來自上述的SERS。當(dāng)?shù)诙黄?2的高度T2是30nm時(shí)，通過用波長710nm的光進(jìn)行照射，從而可以向第二突起12的表面附近激發(fā)強(qiáng)烈的局部電場。此外，通過適當(dāng)改變第一突起11及第ニ突起12的周期P1、P2和高度Tl、T2，可以使共振峰位置匹配任意波長。圖1lA 圖1lC是示出在基體部件10上重疊第二突起12的結(jié)構(gòu)的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。圖1lA是分別在第一突起的上表面以及相鄰兩個(gè)第一突起之間的區(qū)域的基體部件的平面部(基體部件的基底部分)上形成多個(gè)第二突起時(shí)(省略圖示)的坐標(biāo)圖。圖1lB是僅在第一突起的上表面形成多個(gè)第二突起時(shí)(本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片的結(jié)構(gòu))的坐標(biāo)圖。圖1lC是僅在相鄰的兩個(gè)第一突起之間的區(qū)域的基體部件的平面部(基體部件的基底部分)上形成多個(gè)第二突起時(shí)(省略圖示)的坐標(biāo)圖。在圖1lA 圖1lC中，橫軸表示光的波長，縱軸表示反射光強(qiáng)度。將第二突起12的高度T2作為參數(shù)(T2=0nm、40nm)。另外,本圖的參數(shù)T2 = 0時(shí)的坐標(biāo)圖與圖5中參數(shù)Tl = 30時(shí)的坐標(biāo)圖相同。TM偏振光垂直入射第一突起11。第一突起11的周期是580nm，占空比是Wl W2=5 : 5,高度Tl是30nm。另外，第二突起12的周期P2是97nm,高度T2是40nm?？芍ㄟ^分別在第一突起的上表面和基體部件的基底部分上形成多個(gè)第二突起，從而反射光強(qiáng)度的共振峰位置從波長640nm移至波長730nm附近(參考圖11A)。并且，可知通過僅在第一突起11的上表面IIa上形成多個(gè)第二突起12，從而反射光強(qiáng)度的共振峰位置從波長640nm移至波長710nm附近(參考圖11B)。但是也可知即使僅在基體部件的基底部分形成多個(gè)第二突起，則反射光強(qiáng)度的共振峰位置仍幾乎不變。由這些結(jié)果可知SPP主要沿著空氣與第一突起的上表面之間的界面?zhèn)鞑ァＲ虼?，只在第一突起的上表面而不在基體部件的基底部分形成兩個(gè)以上的第二突起作為激發(fā)LSPR并使SERS進(jìn)ー步顯現(xiàn)的結(jié)構(gòu)是很有效的。此外，由于通過增大第一突起的占空比(Wl> W2)，激發(fā)LSPR的第一突起的空間填充率會増加，因此，能有效地利用指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射光的能量。圖12是在基體部件10的平面部IOs上僅形成第二突起12而不在基體部件10的平面部IOs上形成第一突起11時(shí)、即在基體部件10的平面部IOs上形成了多個(gè)第二突起12時(shí)的傳感器芯片2的不意圖。圖13是示出在基體部件10的平面部IOs上形成多個(gè)第二突起時(shí)的傳感器芯片2的反射光強(qiáng)度的坐標(biāo)圖。在圖13中，橫軸表不光的波長,縱軸表不反射光強(qiáng)度。將第二突起12的高度T2作為參數(shù)(T2 = 0nm、40nm、80nm)。TM偏振光垂直入射第二突起12。從本圖也無法確認(rèn)反射光強(qiáng)度的共振峰。由此結(jié)果可知，當(dāng)不存在第一突起11時(shí)、即不通過SPP時(shí)，無法把光能耦合到第二突起12上。圖14A 圖14F是傳感器芯片的制作エ序的示意圖。首先，通過蒸鍍法或?yàn)R射法等方法在玻璃基板30上形成Au膜31。接著,在Au膜31上用旋涂法(spin coat method)等方法涂敷抗蝕層32 (參考圖14A)。這時(shí)，Au膜31的膜厚Ta形成為厚到不透入射光的程度(例如200nm)。。然后，利用壓印法(imprint method)等方法，形成周期Pa為580nm的抗蝕圖案32a(參考圖14B)。接下來，把該抗蝕圖案32a作為掩膜，通過干蝕刻法，將Au膜31僅蝕刻規(guī)定的深度Dl (例如70nm)。然后，通過去除抗蝕圖案32a，從而形成第一突起31a (參考圖14C)。接著，在形成有第一突起31a的Au膜31上通過旋涂法等方法涂敷抗蝕層33 (參考圖14D)。然后，利用壓印法等方法僅在第一突起31a的上表面上形成周期Pb為116nm的抗蝕圖案33a(參考圖14E)。隨后，將該抗蝕圖案33a作為掩膜，通過干蝕刻法僅對第一突起31a蝕刻規(guī)定的深度D2 (例如40nm)。之后，將抗蝕圖案33a去除，形成第二突起31b (參考圖14F)。通過以上エ序，可以制成本發(fā)明涉及的ー實(shí)施方式的傳感器芯片3。根據(jù)本發(fā)明的ー實(shí)施方式的傳感器芯片I，通過基于第一突起11的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)，由SPP激發(fā)LSPR，并可進(jìn)ー步通過基于第二突起12的金屬微細(xì)結(jié)構(gòu)來顯現(xiàn)出SERS。具體地說，若把光入射形成有多個(gè)第一突起11及多個(gè)第二突起12的面，則會發(fā)生因多個(gè)第一突起11引起的表面固有振動模式(表面等離子體)。于是，伴隨著光的振動，自由電子產(chǎn)生共振，SPP被激發(fā)，在多個(gè)第二突起12附近激發(fā)強(qiáng)烈的表面局部電場。這樣，LSPR被激發(fā)。在本結(jié)構(gòu)中，由于相鄰的兩個(gè)第二突起12之間的距離小，所以在其接點(diǎn)附近會產(chǎn)生極強(qiáng)的增強(qiáng)電場。并且，如果在該接點(diǎn)上吸附了一到幾個(gè)目標(biāo)物質(zhì)，就會產(chǎn)生SERS。因此，反射光強(qiáng)度光譜的寬度變窄，共振峰值獲得尖銳的強(qiáng)度特性，并可使傳感器靈敏度提高。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜確定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片I。另外，通過適當(dāng)改變第一突起11的周期Pl和高度Tl、第二突起12的高度T2，從而可使共振峰值的位置匹配任意波長。這樣，能適當(dāng)選擇當(dāng)指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且擴(kuò)大測定范圍。
此外，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，因?yàn)檠嘏c基體部件10的平面部平行的第三方向周期性地配置第二突起12，所以可適當(dāng)改變第二突起12的周期P2。這樣，能適當(dāng)選擇當(dāng)指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且擴(kuò)大測定范圍。并且，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由于使用金或銀作為衍射光柵9的表面金屬，因此，可易于顯現(xiàn)LSPR、SERS,并可高靈敏度地檢測目標(biāo)物質(zhì)。此外，根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，由于第一突起11的占空比滿足Wl >W2的關(guān)系，LSPR被激發(fā)的第一突起11的空間填充率増大，所以與滿足Wl <W2的關(guān)系的情況相比，可在更寬的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。而且，可以有效地利用指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的能量。此外，即使在第一突起11的占空比滿足Wl W2 = 9 I的關(guān)系的情況下，也能在很廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測，同時(shí)能有效地利用照射光的能量。此外，雖然在本實(shí)施方式中示出了沿與基體部件10的平面部平行的方向(第一方向)，按比光的波長短的周期Pl排列第一突起11結(jié)構(gòu)，但是并不僅限于此。使用圖15對具 有與本實(shí)施方式的第一突起11不同的結(jié)構(gòu)的傳感器芯片進(jìn)行說明。圖15是具有與上述第一突起11不同方式的第一突起41的傳感器芯片4的概略結(jié)構(gòu)的立體圖。另外，在本圖中，為了方便，省略了第二突起的圖示。如圖15所示，第一突起41形成在基板40的平面部40s上。沿與基板40的平面部平行的方向(第一方向)按比光的波長短的周期P3排列該第一突起41。此外，沿與基板40的平面部平行的垂直于第一方向的第二方向，按比光的波長短的周期P4排列第一突起41。此外，第二方向并不僅限干與基板40的平面部平行的垂直于第一方向的方向，也可以是與基板40的平面部平行的相交于第一方向的方向。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，與僅沿與基體部件10的平面部平行的方向(第一方向)周期性形成第一突起的情況相比，可以在較廣的共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片4。并且，除可以適當(dāng)改變第一突起的第一方向的周期P3以外，還可以適當(dāng)改變第二方向的周期P4。因此，可以適當(dāng)改變指定目標(biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。并且，雖然在本實(shí)施方式中示出了沿與基體部件10的平面部平行的方向(第三方向)，按比光的波長短的周期P2排列第二突起12的結(jié)構(gòu)、即示出了第一突起11的排列方向(第一方向)與第二突起12的排列方向(第三方向)是同一方向的結(jié)構(gòu)，但是并不僅限于此。使用圖16A 圖17B對與本實(shí)施方式的具有第二突起12不同結(jié)構(gòu)的傳感器芯片5、6、7、8進(jìn)行說明。圖16A及圖16B是具有與上述第二突起12不同方式的第二突起的傳感器芯片的概要結(jié)構(gòu)的立體圖。圖16A示出了具有第二突起52的傳感器芯片5，圖16B示出了具有第ニ突起62的傳感器芯片6。如圖16A所示，僅在形成于基體部件50的平面部50s上的多個(gè)第一突起51各自的上表面51a上形成兩個(gè)以上的第二突起52。也就是說，第二突起52未形成在基體部件50的基底部分50a上。在本圖中，作為ー個(gè)例子，示出了第一突起51的排列方向(第一方向)與第二突起52的排列方向(第三方向)的交叉角度為45度的結(jié)構(gòu)。如圖16B所示，僅在形成于基體部件60的平面部60s上的多個(gè)第一突起61各自的上表面61a上形成兩個(gè)以上的第二突起62。也就是說，第二突起62未形成在基體部件60的基底部分60a上。在本圖中，作為一個(gè)例子，示出了第一突起61的排列方向(第一方向)與第二突起62的排列方向(第三方向)的交叉角度為90度的結(jié)構(gòu)。 即使在這樣的結(jié)構(gòu)中也可提供一種提高了傳感器靈敏度、且能在較廣的等離子共振條件下根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。圖17A及圖17B是具有與上述第二突起12不同方式的第二突起的傳感器芯片的俯視放大圖。圖17A示出了具有第二突起72的傳感器芯片7，圖17B示出了具有第二突起82的傳感器芯片8。如圖17A所示，僅在多個(gè)第一突起(無圖示)各自的上表面71a上形成有兩個(gè)以上的第二突起72。此外，沿與基板的平面部平行的與第三方向交叉的第四方向周期性地排列第二突起72。在本圖中，作為一個(gè)例子，示出了第二突起72呈俯視圓形的結(jié)構(gòu)。另外，第二突起72也可以不呈周期性配置而是隨機(jī)配置的。如圖17B所示，僅在多個(gè)第一突起(無圖示)各自的上表面81a上形成有兩個(gè)以上的第二突起82。此外，沿與基板的平面部平行的與第三方向交叉的第四方向周期性地排列第二突起82。在本圖中，作為一個(gè)例子，示出了第二突起82呈俯視橢圓形的結(jié)構(gòu)。另外，第二突起82也可以不呈周期性配置而是隨機(jī)配置的。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，與第二突起僅形成在與基體部件的平面部平行的方向(第三方向)上的情況相比，能在更廣的等離子共振條件下進(jìn)行傳感檢測。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。另外，除可適當(dāng)?shù)馗淖兊诙黄鸬牡谌较虻闹芷谝酝?，還可以適當(dāng)?shù)馗淖兊谒姆较虻闹芷?。因此，可適當(dāng)?shù)馗淖冎付繕?biāo)物質(zhì)時(shí)照射的光的波長，且可擴(kuò)大測定范圍。此外，雖然在本實(shí)施方式中通過將形成在玻璃基板的上表面上的Au膜形成圖案來形成第二突起，但并不僅限于此。例如，第二突起也可以是微粒。即使在這樣的結(jié)構(gòu)中也可提供一種提高了傳感器靈敏度、且可根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器芯片。此外，雖然在本實(shí)施方式中，使用同種金屬(金或銀)作為基體部件中包含的金屬、第一突起中包含的金屬、第二突起中包含的金屬，但并不僅限于此。例如，也可以將基體部件中包含的金屬用金，第一突起中包含的金屬用銀，第二突起中包含的金屬用金和銀的合金這樣的、將不同金屬(金、銀、銅、鋁、或者它們的合金)加以組合后使用。(分析裝置)圖18是配備本發(fā)明涉及的一實(shí)施方式的傳感器芯片的分析裝置的一個(gè)例子的模式圖。另外，圖18中的箭號表示目標(biāo)物質(zhì)(省略圖示)的輸送方向。如圖18所示，分析裝置1000包括傳感器芯片1001、光源1002、光檢測器1003、準(zhǔn)直透鏡1004、偏振光控制元件1005、分色鏡1006、對物透鏡1007、對物透鏡1008、輸送部1010。光源1002及光檢測器1003分別通過配線與控制裝置(圖示略)電連接。光源1002生成用于激發(fā)LSPR及SERS的激光。從光源1002射出的激光通過準(zhǔn)直透鏡1004變?yōu)槠叫泄猓ㄟ^偏振光控制元件1005，由分色鏡1006向傳感器芯片1001的方向引導(dǎo)，通過對物透鏡1007匯聚，從而入射傳感器芯片1001。這時(shí)，在傳感器芯片1001的表面(例如，形成有金屬納米結(jié)構(gòu)和檢測物選擇機(jī)構(gòu)的面)上配置有目標(biāo)物質(zhì)(圖示略)。此外，目標(biāo)物質(zhì)通過控制風(fēng)扇(圖示略)的驅(qū)動而從輸入口 1011被導(dǎo)入輸送部1010內(nèi)部，從而從排出口 1012排出到輸送部1010外部。而且，金屬納米結(jié)構(gòu)的尺寸小于激光的波長。
當(dāng)激光入射金屬納米結(jié)構(gòu)時(shí)，伴隨著激光的振動，自由電子共振，在金屬納米結(jié)構(gòu)的附近激發(fā)強(qiáng)烈的局部電場，由此，LSPR被激發(fā)。并且，如果相鄰的金屬納米結(jié)構(gòu)之間的距離變小，則在其接點(diǎn)附近產(chǎn)生極強(qiáng)的增強(qiáng)電場，若在其接點(diǎn)上吸附一到幾個(gè)目標(biāo)物質(zhì)，則會發(fā)生SERS。利用傳感器芯片1001得到的光(拉曼散射光和瑞利散射光)，通過對物透鏡1007，被分色鏡1006向光檢測器1003的方向引導(dǎo)，通過對物透鏡1007匯聚，從而入射光檢測器1003。此外，由光檢測器1003進(jìn)行光譜分解，從而可以得到光譜信息。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于具備上述本發(fā)明涉及的一實(shí)施方式的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的分析裝置1000。分析裝置1000包括傳感器盒1100。傳感器盒1100包括傳感器芯片1001、用于把目標(biāo)物質(zhì)輸送到傳感器芯片1001的表面的輸送部1010、用于載置傳感器芯片1001的載置單元1101、用于收容上述部件的殼體1110。在殼體1110的與傳感器芯片1001相對的位置上設(shè)置有照射窗1111。從光源1002照射出的激光通過照射窗1111，照射到傳感器芯片1001的表面。傳感器盒1100位于分析裝置1000的上部，其設(shè)置為可以相對于分析裝置1000的本體部裝卸。根據(jù)該結(jié)構(gòu)，由于具備上述本發(fā)明涉及的一實(shí)施方式的傳感器芯片，所以可選擇性地分光拉曼散射光，并可檢測目標(biāo)分子。因此，可提供一種提高了傳感器靈敏度、且根據(jù)SERS光譜指定目標(biāo)物質(zhì)的傳感器盒1100。本發(fā)明涉及的一實(shí)施方式的分析裝置可廣泛應(yīng)用于麻醉藥和爆炸物檢測、醫(yī)療和健康診斷、食品檢測用的傳感裝置。而且，可作為檢測有無物質(zhì)吸附的親和型傳感器(affinity sensor)等使用，如抗原抗體反應(yīng)中有無抗原吸附等。
權(quán)利要求
1.一種傳感器芯片,其特征在于,包括 基體部件，具有平面部；以及 衍射光柵，具有由金屬形成的表面，形成在所述平面部上，且目標(biāo)物質(zhì)配置在所述衍射光柵上，所述衍射光柵包括多個(gè)第一突起，沿與所述平面部平行的第一方向，按大于等于IOOnm小于等于IOOOnm的周期周期性地排列；多個(gè)基底部分，位于相鄰的兩個(gè)所述第一突起之間，構(gòu)成所述基體部件的底部；以及多個(gè)第二突起，形成在多個(gè)所述第一突起的上表面。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于， 多個(gè)所述第一突起沿與所述平面部平行的、與所述第一方向交叉的第二方向周期性地排列。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于， 多個(gè)所述第二突起沿與所述平面部平行的第三方向周期性地排列。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的傳感器芯片，其特征在于， 多個(gè)所述第二突起沿與所述平面部平行的、與所述第三方向交叉的第四方向周期性地排列。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于， 多個(gè)所述第二突起由微粒構(gòu)成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于， 當(dāng)將所述第一方向上的第一突起的寬度設(shè)為W1，將所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一突起之間的距離設(shè)為W2時(shí)，滿足Wl > W2的關(guān)系。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的傳感器芯片，其特征在于， 所述第一方向上的所述第一突起的所述寬度Wl與所述第一方向上的相鄰兩個(gè)所述第一突起之間的所述距離W2之比滿足Wl W2 = 9 I的關(guān)系。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片，其特征在于， 構(gòu)成所述衍射光柵的所述表面的金屬是金或銀。
9.一種傳感器盒，其特征在于，包括 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片； 輸送部，用于把所述目標(biāo)物質(zhì)輸送到所述傳感器芯片的表面； 載置部，用于載置所述傳感器芯片； 殼體，用于收容所述傳感器芯片、所述輸送部以及所述載置部；以及 照射窗，設(shè)置在所述殼體的與所述傳感器芯片的表面相對的位置上。
10.一種分析裝置，其特征在于，包括 根據(jù)權(quán)利要求1所述的傳感器芯片； 光源，用于向所述傳感器芯片照射光；以及 光檢測器，用于檢測通過所述傳感器芯片獲得的光。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種傳感器芯片、傳感器盒以及分析裝置。該傳感器芯片包括基體部件，具有平面部；以及衍射光柵，具有由金屬形成的表面，形成在所述平面部上，且目標(biāo)物質(zhì)配置在所述衍射光柵上，所述衍射光柵包括多個(gè)第一突起，沿與所述平面部平行的第一方向，按大于等于100nm小于等于1000nm的周期周期性地排列；多個(gè)基底部分，位于相鄰的兩個(gè)所述第一突起之間，構(gòu)成所述基體部件的底部；以及多個(gè)第二突起，形成在多個(gè)所述第一突起的上表面。
文檔編號G01N21/55GK103018210SQ201210480059
公開日2013年4月3日 申請日期2010年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月19日
發(fā)明者尼子淳, 山田耕平 申請人:精工愛普生株式會社