光學(xué)裝置以及檢測裝置制造方法
【專利摘要】提供一種即使是較低濃度的被檢測對象，也能夠檢測寬范圍濃度的被測定樣品的光學(xué)裝置以及檢測裝置。光學(xué)裝置12射入有來自光源的光，并射出檢測和/或鑒定被測定樣品的光。該光學(xué)裝置具有：形成在電介質(zhì)16上的多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)17、形成在多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)中相鄰的兩個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)之間的電介質(zhì)上的第一有機(jī)分子膜18、以及形成在多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)上且與第一有機(jī)分子膜不同的第二有機(jī)分子膜19。第一有機(jī)分子膜以及第二有機(jī)分子膜附著(捕捉)被測定樣品1。
【專利說明】光學(xué)裝置以及檢測裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ] 本發(fā)明涉及光學(xué)裝置以及檢測裝置等。

【背景技術(shù)】
[0002]最近，用于醫(yī)療診斷和食物飲料檢查等的傳感器芯片的需求增加，需要開發(fā)高靈敏度且小型的傳感器芯片。為了滿足上述需求，以電化學(xué)的方法為首對多種類型的傳感器芯片進(jìn)行研究。其中，從可以集成化、低成本、不選擇測定環(huán)境等原因出發(fā)，使用了表面等離子體共振(SPR:Surface Plasmon Resonance)的分光分析,特別是,使用了表面增強(qiáng)拉曼散射(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)的傳感器芯片受到很高的關(guān)注。
[0003]在此，表面等離子體是基于表面固有的邊界條件而與光發(fā)生耦合的電子波的振動模式。作為激發(fā)表面等離子體的方法，存在在金屬表面刻上衍射光柵，使光與等離子體結(jié)合的方法和利用漸逝波的方法。例如，作為使用SPR的傳感器，構(gòu)成為具備全反射棱鏡以及與在該棱鏡的表面形成的目標(biāo)物質(zhì)接觸的金屬膜。根據(jù)這種結(jié)構(gòu)，檢測在抗原抗體反應(yīng)中是否吸附抗原等是否吸附目標(biāo)物質(zhì)。
[0004]然而，在金屬表面存在傳播表面等離子體的另一方面，在金屬納米結(jié)構(gòu)中存在局域表面等離子體。已知局域表面等離子體，即，當(dāng)在表面的金屬納米結(jié)構(gòu)上局部存在的表面等離子體被激發(fā)時(shí)，會引起顯著增強(qiáng)的電場。
[0005]而且，已知如果對通過使用有金屬納米結(jié)構(gòu)的局域表面等離子體共振(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)形成的增強(qiáng)電場照射拉曼散射光，則由于表面增強(qiáng)拉曼散射現(xiàn)象拉曼散射光被增強(qiáng)，因此，高靈敏度的傳感器(檢測裝置)已被提出。通過使用該原理，能夠檢測各種微量物質(zhì)。
[0006]增強(qiáng)電場在金屬納米結(jié)構(gòu)的周圍，特別是在相鄰的金屬納米結(jié)構(gòu)之間的間隙處大，需要使流體樣品中的目標(biāo)分子停留在金屬納米結(jié)構(gòu)間的間隙處。例如，在專利文獻(xiàn)I和非專利文獻(xiàn)I中，在傳感器芯片的金屬表面上形成自組裝單分子膜(SAM:self-AssembledMonolayer)。另外,在專利文獻(xiàn)2中,提出將不同種類的SAM膜混合而形成。
[0007]在先技術(shù)文獻(xiàn)
[0008]專利文獻(xiàn)
[0009]專利文獻(xiàn)1:日本專利特開2009-222401號公報(bào)
[0010]專利文獻(xiàn)2:日本專利特開2009-216483號公報(bào)
[0011]非專利文獻(xiàn)
[0012]非專利文獻(xiàn) 1:P.Freunscht et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopyof trans—stilbene adsorbed on platinum or self-assembled monolayer-modifiedsilverfilm over nanosphere surfaces，，，Chemical Physics Letters，281 (1997)，372-378


【發(fā)明內(nèi)容】

[0013]發(fā)明要解決的技術(shù)問題
[0014]然而，雖然此種檢測裝置優(yōu)點(diǎn)在于能夠檢測極低濃度的被測定樣本，但是也能夠預(yù)想到根據(jù)被測定樣本不同，檢測的濃度范圍很寬。但是，即使是濃度相對較低的被測定對象，在檢測其濃度范圍寬的被測定樣品時(shí)也是有限度的，且SERS信號電平飽和。
[0015]在此，本發(fā)明的幾個(gè)方式的目的在于提供一種即使是濃度相對較低的被測定對象，也能夠檢測寬范圍濃度的被測定樣品的光學(xué)裝置以及檢測裝置。
[0016]解決技術(shù)問題的技術(shù)方案
[0017](I)本發(fā)明的一個(gè)方式涉及一種光學(xué)裝置，當(dāng)激發(fā)光射入上述光學(xué)裝置時(shí)，上述光學(xué)裝置射出檢測和/或鑒定被測定樣品的光，上述光學(xué)裝置具有:
[0018]多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)，形成在電介質(zhì)上；
[0019]第一有機(jī)分子膜，形成在上述多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)中相鄰的兩個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)之間的上述電介質(zhì)上；以及
[0020]第二有機(jī)分子膜，形成在上述多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)上，且與上述第一有機(jī)分子膜不同，
[0021]上述第一有機(jī)分子膜以及上述第二有機(jī)分子膜附著(捕捉)上述被測定樣品。
[0022]在本發(fā)明的一個(gè)方式中，在金屬納米結(jié)構(gòu)之間形成增強(qiáng)電場，成為熱點(diǎn)(* 'y卜^ y卜)。另一方面，與金屬納米結(jié)構(gòu)相對的區(qū)域的增強(qiáng)電場沒有金屬納米結(jié)構(gòu)之間的增強(qiáng)電場強(qiáng)。在此，著眼于金屬納米結(jié)構(gòu)的區(qū)域與金屬納米結(jié)構(gòu)之間的區(qū)域處的增強(qiáng)電場不同，并企圖意圖在從低濃度至高濃度的寬濃度范圍下進(jìn)行檢測。
[0023]在此，保持金屬納米結(jié)構(gòu)吸附被測定樣品狀態(tài)的脫附活化能低時(shí)，導(dǎo)致室溫程度的熱能超過脫附活化能，被測定樣品脫離。通過第一、第二有機(jī)分子膜確保比僅基于金屬納米結(jié)構(gòu)的脫附活化能高的脫附活化能，能夠抑制被測定樣品的脫離。因此，能夠提高檢測信號電平。
[0024]另外，因?yàn)橛傻谝弧⒌诙袡C(jī)分子膜確保的脫附活化能的大小不同，所以通過選擇第一、第二有機(jī)分子膜，能夠適當(dāng)調(diào)整從低濃度至高濃度的濃度范圍內(nèi)的檢測靈敏度。
[0025]例如，形成有第一有機(jī)分子膜的金屬納米結(jié)構(gòu)之間是增強(qiáng)電場的強(qiáng)熱點(diǎn)，即使是低濃度的被測定樣品也能夠以高靈敏度檢測。另一方面，在形成有第二有機(jī)分子膜的金屬納米結(jié)構(gòu)的區(qū)域中，增強(qiáng)電場雖然相對較弱，但只要是高濃度的被測定樣品，則基于將反映被測定樣品的光作為檢測光的信號電平就被確保。因此，第一分子膜的形成區(qū)域能夠作為檢測低濃度的被測定樣品的第一檢測區(qū)域，第二有機(jī)分子膜的形成區(qū)域能夠作為檢測高濃度的被測定樣品的第二檢測區(qū)域。這樣一來，能夠由一個(gè)檢測裝置檢測的被測定樣品的濃度范圍被擴(kuò)大。并且，通過選擇第一、第二有機(jī)分子膜，能夠在形成有第二有機(jī)分子膜的第二檢測部中檢測信號電平飽和的濃度范圍的被測定樣品，該信號電平基于在形成有第一有機(jī)膜的第一檢測部中被檢測的光。
[0026](2)在本發(fā)明的一個(gè)方式中，上述第一有機(jī)分子膜能夠包括娃燒偶聯(lián)劑、娃醇基(-S1-OH)、鈦偶聯(lián)劑、或者鈦醇基(-T1-OH)。
[0027]具有這些基團(tuán)的有機(jī)分子膜因?yàn)槿菀孜接赟12等電介質(zhì)，所以適合作為第一有機(jī)分子膜。此外，硅烷偶聯(lián)劑或鈦偶聯(lián)劑是通過加水分解與電介質(zhì)帶有的OH基結(jié)合的硅烷醇基(-S1-OH)或者鈦醇基(-T1-OH)而生成的產(chǎn)物。
[0028]具有這些基團(tuán)的有機(jī)分子膜因?yàn)槿菀孜接诮饘?，所以適合作為第二有機(jī)分子膜。
[0029](3)在本發(fā)明的一個(gè)方式中，上述第二有機(jī)分子膜可以具有巰基(-SH)、二硫基(-S-S-)、或者羧基(-C00H)。
[0030](4)在本發(fā)明的一個(gè)方式中，上述第一有機(jī)分子膜的分子長度能夠比上述第二有機(jī)分子膜的分子長度短。有機(jī)分子膜的分子長度優(yōu)選與形成有機(jī)分子膜區(qū)域處的增強(qiáng)電場的大小匹配。因?yàn)樵诮饘偌{米結(jié)構(gòu)的區(qū)域中在較寬范圍內(nèi)形成增強(qiáng)電場，所以能夠選擇分子長度長的第二有機(jī)分子膜，因?yàn)榻饘偌{米結(jié)構(gòu)之間在狹窄范圍內(nèi)形成增強(qiáng)電場，所以能夠選擇分子長度短的第一有機(jī)分子膜。
[0031](5)本發(fā)明的其他方式涉及檢測裝置，具有:
[0032]光源；
[0033]根據(jù)(I)至(4)中任一項(xiàng)的光學(xué)裝置，來自上述光源的光射入上述光學(xué)裝置；以及
[0034]光檢測器，檢測從上述光學(xué)裝置射出的光。
[0035]該檢測裝置能夠在從低濃度至高濃度的濃度范圍內(nèi)，提高靈敏度來檢測被測定樣品O

【專利附圖】

【附圖說明】
[0036]圖1是示出本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的光學(xué)裝置的基本結(jié)構(gòu)的圖。
[0037]圖2的圖2㈧?圖2(D)是表面增強(qiáng)拉曼光的檢測原理的說明圖。
[0038]圖3是示出在圖1的基本結(jié)構(gòu)中形成有第二有機(jī)分子膜的中間基板的圖。
[0039]圖4是示出在圖3的中間基板上形成有第一有機(jī)分子膜的本發(fā)明的第一實(shí)施方式所涉及的光學(xué)裝置圖。
[0040]圖5是不出暴露于各種飽和蒸汽氣體而取得的SERS信號和各種飽和蒸汽氣體的吸附量的測定結(jié)果的圖。
[0041]圖6是示出將暴露于飽和蒸汽氣體后的值設(shè)定為1，切換到暴露于空氣后的脫附剩余量的比例的圖。
[0042]圖7是示出吸附與脫附活化能之間的關(guān)系的圖。
[0043]圖8是示出在QCM的表面吸附的分子的質(zhì)量變化作為頻率變化進(jìn)行測定的圖。
[0044]圖9是示出改變有機(jī)分子膜的有無以及種類測定的針對各種氣體的脫附活化能的圖。
[0045]圖10是示出在遍及濃度范圍1、2的較寬范圍內(nèi)的檢測的圖。
[0046]圖11是示出基于液相法的有機(jī)分子膜的形成例的圖。
[0047]圖12是示出基于液相法的有機(jī)分子膜的形成區(qū)域的界限的圖。
[0048]圖13是示出基于氣相法的有機(jī)分子膜的形成例的圖。
[0049]圖14是示出基于氣相法的有機(jī)分子膜的其他形成例的圖。
[0050]圖15是示出用于第一、第二 SAM的形成的SERS芯片的圖。
[0051]圖16是示出第一 SAM膜18的形成前后的SERS芯片的FT-1R光譜的圖。
[0052]圖17是示出通過第一 SAM膜18形成前后的SERS芯片測定的SERS光譜的圖。
[0053]圖18是示出本發(fā)明的第四實(shí)施方式所涉及的檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)的圖。
[0054]圖19是圖18所示的檢測裝置的控制系統(tǒng)框圖。
[0055]圖20是示出圖18所示的檢測裝置的光源的圖。
[0056]圖21是示出設(shè)置于圖18所示的光源的兩個(gè)諧振器與變形附加部(歪付加部)的圖。
[0057]圖22是示出圖1所示的光學(xué)裝置的基本結(jié)構(gòu)的變形例的圖。
[0058]圖23是示出金屬納米結(jié)構(gòu)作為Ag島的光學(xué)裝置的圖。

【具體實(shí)施方式】
[0059]下面，對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)說明。此外，下面說明的本實(shí)施方式不是對記載在權(quán)利要求書中的本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行不適當(dāng)?shù)叵薅ǎ冶緦?shí)施方式中說明的結(jié)構(gòu)不一定全部都是作為本發(fā)明的解決手段所必須的。
[0060]1.第一實(shí)施方式
[0061]1.1.光學(xué)裝置的基本結(jié)構(gòu)
[0062]圖1示出作為第一實(shí)施方式所涉及的光學(xué)裝置12的基本結(jié)構(gòu)的基本基板10。此夕卜，第一實(shí)施方式的光學(xué)裝置12以圖1所示的基本基板10為基礎(chǔ)，經(jīng)由例如圖3所示的形成有第二有機(jī)分子膜19的中間基板11，如圖4所示在基本基板1A上形成第一、第二有機(jī)分子膜18、19而完成。首先，對基本基板10進(jìn)行說明。
[0063]圖4所不的光學(xué)裝置12中，圖1所不的基本基板10具有基板14、在基板14上形成的金屬(導(dǎo)體)膜15、在金屬膜15上形成的電介質(zhì)16、以及在電介質(zhì)16上形成的金屬納米結(jié)構(gòu)17。金屬納米結(jié)構(gòu)17可以是一維排列，也可以是二維排列。另外，金屬納米結(jié)構(gòu)17是比入射光的波長小的納米級的金屬納米粒子,尺寸為Inm?lOOOnm。作為金屬納米結(jié)構(gòu) 17 使用例如金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)、鈀(Pd)、鎳(Ni)、鉬(Pt)、.(Mo)、鉻(Cr)或者這些合金或復(fù)合物。金屬納米結(jié)構(gòu)17可以覆蓋電介質(zhì)16的凸部而形成(參照圖20?)。
[0064]金屬膜15形成為傳播等離子體的增強(qiáng)結(jié)構(gòu)，光滑的膜(圖1)或者具有周期性的凹凸的金屬衍射光柵(參照后述的圖22以及圖23)等適用。在圖1中示出通過真空蒸鍍法或派射法形成金(Au)的金屬膜15的例子。優(yōu)選Au膜的厚度大約為1nm?數(shù)10nm。作為金屬的種類，金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、鋁(Al)、鉬(Pt)、鎳(Ni)、鈀(Pd)、鎢(W)、銠(Rh)、釕(Ru)等適用。
[0065]作為電介質(zhì)16, Si02、A1203、T12等適用，其厚度優(yōu)選為大約1nm?500nm。
[0066]1.2.光檢測原理
[0067]使用圖2 (A)?圖2 (D)，作為反映流體樣品的光檢測原理的一個(gè)例子示出拉曼散射光的檢測原理的說明圖。如圖2㈧所示，向吸附于光學(xué)裝置12的檢測對象的樣品(樣品分子)I照射入射光(振動頻率V )。一般，多數(shù)的入射光作為瑞利散射光被散射，瑞利散射光的振動頻率V或者波長不針對入射光而變化。入射光的一部分作為拉曼散射光被散射，拉曼散射光的振動頻率(V - V ’以及V + V ’)或波長反映樣品分子I的振動頻率V ’(分子振動)。即，拉曼散射光是反映檢側(cè)對象的樣品分子I的光。入射光的一部分使樣品分子I振動從而損失能量，但是有時(shí)樣品分子I的振動能量也可以添加到拉曼散射光的振動能量或光能量。這種振動頻率的位移(V ’)稱為拉曼位移。
[0068]圖2(B)中作為目標(biāo)分子固有的指紋譜示出乙醛的例子。通過該指紋譜，可以將檢測出的物質(zhì)特定為乙醛。但是，拉曼散射光非常微弱，因此難以檢測僅微量存在的物質(zhì)。
[0069]如圖2(D)所示，在入射光入射的區(qū)域中，在相鄰金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的間隙形成增強(qiáng)電場13。特別是，如圖2(C)所示，當(dāng)向比入射光的波長λ小的金屬納米結(jié)構(gòu)17照射入射光時(shí)，入射光的電場作用于在金屬納米結(jié)構(gòu)17的表面上存在的自由電子，并引起共振。由此，在金屬納米結(jié)構(gòu)17內(nèi)激發(fā)基于自由電子的電偶極子，形成比入射光的電場強(qiáng)的增強(qiáng)電場13。這也被稱為局域表面等離子體共振(LSPR:Localized Surface PlasmonResonance)。該現(xiàn)象是具有比入射光的波長小的Inm?100nm的凸部的金屬顆粒特有的現(xiàn)象。
[0070]在本實(shí)施方式中，能夠并用局域表面等離子體與傳播表面等離子體。傳播表面等離子體能夠通過金屬膜15形成的傳播結(jié)構(gòu)而形成。例如本 申請人:申請的日本專利申請2011-139526號中公開的那樣,如果金屬膜15具有凹凸的晶格面,貝U光射入光柵的凹凸時(shí)產(chǎn)生表面等離子體。如果事先使入射光的偏光方向與光柵的槽方向正交，則隨著金屬光柵內(nèi)的自由電子振動，激發(fā)電磁波的振動。由于該電磁波的振動對自由電子的振動產(chǎn)生影響，因此形成作為兩個(gè)振動結(jié)合而成的系統(tǒng)的表面等離子體激元。但是，即使金屬膜15是光滑的，也會產(chǎn)生傳播表面等離子體。該表面等離子體激元沿著金屬膜15與電介質(zhì)16的界面?zhèn)鞑?，進(jìn)一步使增強(qiáng)電場13增強(qiáng)。
[0071]1.3.具有第一、第二有機(jī)分子膜的光學(xué)裝置
[0072]在本實(shí)施方式中，如圖4所示，作為完成品的光學(xué)裝置12在表面具有第一有機(jī)分子膜18以及第二有機(jī)分子膜19。第一、第二有機(jī)分子膜18、19是捕獲作為流體樣品的分子的吸附膜，例如由自組裝單分子膜(SAM)形成。第一、第二有機(jī)分子膜18、19由互不相同的SAM膜形成。第一有機(jī)分子膜18在相鄰兩個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的電介質(zhì)16上形成。第二有機(jī)分子膜19在金屬納米結(jié)構(gòu)17上形成。根據(jù)后述的制造上的理由，如圖3所示首先形成第二有機(jī)分子膜19，然后如圖4所示形成第一有機(jī)分子膜18。但是，不限定于該順序。
[0073]為了檢測圖2(A)?圖2(D)中說明的SERS信號，需要目標(biāo)分子吸附于光學(xué)裝置12的表面。作為金屬中等離子體共振的效果大的金屬報(bào)告有銀(Ag)、金(Au)、鉬(Pt)等，但并不是所有的目標(biāo)分子與這些金屬都具有優(yōu)異的吸附性。即使暫時(shí)吸附在金屬上，在脫附活化能Ed小的情況下，由于室溫程度的熱能量而立即導(dǎo)致脫離，不能得到SERS信號。
[0074]圖5示出將在石英玻璃基板上形成作為金屬納米結(jié)構(gòu)的Ag納米結(jié)構(gòu)后的基板暴露于各種飽和蒸汽氣體的結(jié)果。除了水之外，暴露于空氣中殘留的量多的(圖5的右側(cè)區(qū)域的氣體)檢測到SERS信號。圖5還示出同樣將厚度振動型石英晶體諧振器(QCM)暴露于各種飽和蒸汽氣體，根據(jù)石英晶體諧振器的頻率變化測定吸附量的結(jié)果。在圖5中，在I分鐘暴露于飽和蒸汽氣體下的吸附量，與從暴露于飽和蒸汽氣體切換到暴露于空氣下I分鐘后殘留的脫附剩余量分別通過條形圖示出。
[0075]為了使這些容易理解，圖6中將暴露于飽和蒸汽氣體時(shí)的值設(shè)定為1，切換至暴露于空氣后殘留的量以比例表示?？梢钥紤]未檢測到SERS信號的氣體幾乎都即使吸附于石英晶體諧振器表面(Au)也立即脫離，而檢測到SERS信號的氣體某種程度上吸附于石英晶體諧振器表面(Au)。
[0076]為了理解該現(xiàn)象，嘗試考慮石英晶體諧振器表面的氣體分子的能量，如圖7所示，如果氣體分子接近金屬表面，則存在能壘，雖然超過能壘后能夠進(jìn)入低能量的狀態(tài)(吸附)而穩(wěn)定，但如果脫附活化能Ed小，則以室溫程度的熱能量就能夠超越Ed，氣體分子
[0077]此處,吸附氣體的脫附速度v(t)根據(jù)Polany1-Wigner公式,表示如下。
[0078]數(shù)學(xué)式I
[0079]v(i)=-C= C?Beip X(θ(?))η
dt\ RT j '
[0080]此處，v(t)是脫附速度，Θ (t)是覆蓋率，C是氣體吸附量，Vn是頻率因子，n是反應(yīng)級數(shù)，Ed是脫附活化能，R是氣體常數(shù)，T是絕對溫度。
[0081]因?yàn)槭褂靡粋€(gè)空位置吸附分子時(shí)η = I,所以以Θ ^為初始覆蓋率時(shí)，覆蓋率如下表不。
[0082]數(shù)學(xué)式2
[0083]Θ (t) = Θ 0exp (-At)
[0084]A = Vi eip1- -?-)
1 Iv RTj
[0085]因此脫附殘量O⑴通過積分脫附速度V (t)而如下示出。
[0086]數(shù)學(xué)式3
[0087]ff(t)=^v{t)di = ^ — C 譬= 咐
[0088]σ (t) = C Θ 0exp (-At)
[0089]此處，如圖8所示，通過將吸附于QCM(石英晶體諧振器)表面的分子的質(zhì)量變化作為頻率變化能夠測定脫附活化能Ed。即，脫附活化能Ed能夠作為圖8的曲線A區(qū)域的頻率變化進(jìn)行測定。
[0090]另一方面，為了保持氣體分子吸附在金屬表面的狀態(tài)，只要使脫附活化能Ed比形成增強(qiáng)電場的金屬納米結(jié)構(gòu)大即可。因此，能夠預(yù)測如果對金屬納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行表面處理則能夠?qū)崿F(xiàn)。并且，優(yōu)選氣體分子容納在金屬納米結(jié)構(gòu)所形成的增強(qiáng)電場的范圍內(nèi)的程度的表面處理。即使將通常的樹脂類材料在溶劑中溶解并進(jìn)行旋涂，也形成大約數(shù)十nm的厚度，落在增強(qiáng)電場的強(qiáng)范圍之外，所以難以得到強(qiáng)的表面增強(qiáng)拉曼效果。
[0091]因此，在第一實(shí)施方式中通過有機(jī)分子膜例如自組裝單分子膜(SAM膜)來提高脫附活化能。
[0092]圖9示出在石英晶體諧振器(Au電極)上形成SAM膜，根據(jù)脫附殘留量(吸附量)的時(shí)間的變化求得脫附活化能的結(jié)果。圖9中的數(shù)值的單位為kj/mol，一個(gè)樣品測定3次并取這些的平均值。另外，圖9中PEG是聚乙二醇。如圖9所示，除了乙酸，與沒有SAM膜時(shí)相比，具有SAM膜的一方脫附活化能變大。在此，SAM膜的分子長度中，分子長度相對較短的是吡啶硫醇，分子長度相對較長的是PEG硫醇、十六烷基硫醇。
[0093]1.4.能夠檢測從低濃度至高濃度的寬范圍的原理
[0094]在第一實(shí)施方式中，如圖10所示能夠在寬濃度范圍下檢測流體樣品。這通過改變在不同強(qiáng)度的增強(qiáng)電場中形成的有機(jī)分子膜18、19的種類而實(shí)現(xiàn)。
[0095]首先，在金屬納米結(jié)構(gòu)17之間如上所述形成強(qiáng)的增強(qiáng)電場13，成為熱點(diǎn)。另一方面，與金屬納米結(jié)構(gòu)17相對的區(qū)域的增強(qiáng)電場沒有金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的增強(qiáng)電場強(qiáng)。
[0096]然后，通過第一、第二有機(jī)分子膜18、19確保比僅基于金屬納米結(jié)構(gòu)17的脫附活化能大的脫附活化能，從而能夠抑制被測定樣品的脫離。由此，能夠提高檢測信號電平。
[0097]而且由于通過第一、第二有機(jī)分子膜18、19確保的脫附活化能的大小不同，因此通過選擇第一、第二有機(jī)分子膜18、19，能夠適當(dāng)調(diào)整從低濃度至高濃度的濃度范圍內(nèi)的檢測靈敏度。
[0098]形成第一有機(jī)分子膜18的金屬納米結(jié)構(gòu)17之間是增強(qiáng)電場強(qiáng)的熱點(diǎn)，通過由第一有機(jī)分子膜18提高被測定樣品的吸附性，即使是低濃度的被測定樣品，也能夠以高靈敏度進(jìn)行檢測。因此，如圖10所示，基于在形成第一有機(jī)分子膜18的金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的區(qū)域的拉曼散射光的SERS信號的強(qiáng)度，如標(biāo)記有“吸附膜I”的虛線所示，在低濃度區(qū)域變化。
[0099]另一方面，形成第二有機(jī)分子膜19的金屬納米結(jié)構(gòu)17的區(qū)域雖然增強(qiáng)電場相對較弱，但如果通過第二有機(jī)分子19提高被測定樣品的吸附性，則只要是高濃度的被測定樣品，基于將反映被測定樣品的光作為檢測光的信號電平就被確保。因此，如圖10所示，基于在形成第二有機(jī)分子膜19的金屬納米結(jié)構(gòu)17的區(qū)域的拉曼散射光的SERS信號的強(qiáng)度，如標(biāo)記有“吸附膜2”的虛線所示，在高濃度區(qū)域變化。
[0100]這樣一來，能夠通過一個(gè)檢測裝置檢測的被測定樣品的濃度范圍被擴(kuò)大。在此，如圖10中標(biāo)記有“吸附膜I”的虛線所示，基于來自第一有機(jī)分子膜18的形成區(qū)域的拉曼散射光的SERS信號電平飽和。因此，通過選擇第一、第二有機(jī)分子膜18、19能夠進(jìn)行調(diào)整，以便從圖10所示的由“吸附膜I”表示的SERS信號電平飽和的濃度范圍檢測基于來自第二有機(jī)分子膜19的形成區(qū)域的拉曼散射光的SERS信號電平(標(biāo)記有“吸附膜2”的虛線)。
[0101]這里，在圖10中標(biāo)記有“吸附膜I”以及“吸附膜2”的兩個(gè)虛線的電平相加的信號電平從光檢測器輸出。通過上述調(diào)整，如圖10中標(biāo)記有“吸附膜1+吸附膜2”的實(shí)線所示，能夠使來自光檢測器的輸出以一定的傾斜度改變。
[0102]1.5.第一、第二有機(jī)分子膜
[0103]圖3所示的第二有機(jī)分子膜19(第二 SAM膜)能夠通過圖11的液相法形成。在圖11中，容納有液體的SAM膜材料40的容器41中浸潰有圖1所示的具有光學(xué)裝置10的基本結(jié)構(gòu)的基本基板10。第二 SAM膜19的巰基容易吸附于金屬納米結(jié)構(gòu)17，而且由于分子結(jié)構(gòu)中的烷基彼此通過范德華力保持一定程度的距離地相互作用，因此第二 SAM膜19以排列在金屬納米結(jié)構(gòu)17上的方式被吸附。
[0104]然而，在液相法中，如圖12所示，液體的SAM膜材料40由于表面張力而不進(jìn)入金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的間隙中。因此，僅僅在金屬納米結(jié)構(gòu)17上形成第二 SAM膜19。這種情況下，選擇與表面附近的增強(qiáng)電場匹配的分子長度的SAM膜的種類。在金屬納米結(jié)構(gòu)17上由增強(qiáng)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的增強(qiáng)電場涉及比較寬的范圍，通過液相法形成適于寬范圍的增強(qiáng)電場的分子長度較長的第二 SAM膜19。
[0105]作為第二 SAM膜19選擇11-巰基-1-1^一醇、11-巰基i^一烷酸、PEG3-0H烷基硫醇(PEG3-0H alkaneth1l)或者輕基-EG3-十一燒硫醇(Hydroxy-EG3_undecaneth1l)、硫醇-dPEG4-酸(Th1l-dPEG4-acid)、十六硫醇、丙硫醇、4-巰基批唳、硫代煙酸、娃燒偶聯(lián)劑等適合增強(qiáng)電場的分子長度的SAM膜19，但不局限于上述例示。作為在金屬納米結(jié)構(gòu)17上形成的第二 SAM膜19，優(yōu)選具有巰基(-SH)、二硫基(-S-S-)、羧基(-COOH)。除此之外，作為第二 SAM膜19可以使用具有烷基鏈或PEG鏈，并在末端具有OH或COOH等官能基的硫醇試劑。
[0106]其次，通過圖13或圖14的氣相法形成圖4所示的第一有機(jī)分子膜18(第一 SAM膜)。在氣相法中，只要可以蒸發(fā)或升華，則任何SAM膜材料都可以，也可以在液相法無法進(jìn)入的圖12所示的金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的間隙中形成。在圖4中作為第一 SAM膜18例示出硫代煙酸的例子，但不局限于此。這樣，通過組合液相法與氣相法，能夠經(jīng)由圖3所示的中間基板11完成圖4所示的光學(xué)裝置12。
[0107]在圖13的氣相法中，示出SAM膜的材料為液體的情況，向容器42中放入少量液體的SAM膜材料43并使其蒸發(fā)，成為氣體的SAM膜材料44進(jìn)入并吸附在放置于容器42的開口部的中間基板11的金屬納米結(jié)構(gòu)17之間。如圖14所示，當(dāng)SAM膜材料48為固體或粉末時(shí)，通過利用加熱裝置47加熱容納在容器46底部的SAM膜材料48而使其升華，成為氣體的SAM膜材料49進(jìn)入并吸附在放置于容器44的開口部的中間基板11的金屬納米結(jié)構(gòu)17之間。
[0108]作為在金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的電介質(zhì)16上形成的第一 SAM膜18,優(yōu)選具有娃燒偶聯(lián)劑、硅烷醇基(-S1-OH)、鈦偶聯(lián)劑、鈦醇基(-T1-OH)。
[0109]作為其他的例子，其次，對在金屬納米結(jié)構(gòu)17上形成作為第二 SAM膜19的11-巰基-1-十一醇、在金屬納米結(jié)構(gòu)17之間形成作為第一 SAM膜18的硫代煙酸從而制造SERS芯片的例子進(jìn)行說明。
[0110]首先，分別制備11-巰基-1-十一醇(OH(CH2)11SH,西格瑪奧德里奇公司447528-1G)的ImM乙醇溶液，將銀SERS芯片浸潰一晚從而在銀表面形成烷基硫醇膜。作為銀SERS芯片，如圖15所示，使用在玻璃基板的表面上形成有粒徑為140nm、組成顆粒之間的間隙為1nm左右的Ag納米結(jié)構(gòu)的芯片。
[0111]接著，通過氣相法形成硫代煙酸作為第一 SAM膜18。在玻璃容器(6ml)中放入大約Ig的作為SAM形成材料的硫代煙酸，在其上覆蓋形成有第二 SAM膜19的SERS芯片，在室溫、大氣壓力下靜置兩個(gè)小時(shí)。
[0112]作為第一 SAM膜18的形成前后的SERS芯片的SERS測定結(jié)果，分別在圖16示出FT-1R光譜，在圖17示出SERS信號強(qiáng)度。在SERS中如上所述由于金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的間隙中電場增強(qiáng)強(qiáng)，因此當(dāng)目標(biāo)分子存在于該間隙內(nèi)時(shí)，該目標(biāo)分子的信息作為信號被得到。
[0113]由圖17可知，在作為第一 SAM膜18的硫代煙酸SAM形成前(S卩，僅僅形成作為第二 SAM的11-巰基-1-1^一醇SAM)不能觀察到SAM由來的信號。與此相對，在硫代煙酸SAM形成后的芯片中，圖17中僅僅觀察到由箭頭示出的硫代煙酸由來的信號。由該結(jié)果可知，在金屬納米結(jié)構(gòu)17之間的間隙內(nèi)僅僅形成硫代煙酸，11-巰基-Ι-1^一醇SAM僅僅在金屬納米結(jié)構(gòu)17的頂部形成。
[0114]2.第二實(shí)施方式
[0115]2.1.檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)
[0116]下面，作為第二實(shí)施方式，對檢測裝置的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行說明。圖18示出本實(shí)施方式的檢測裝置的具體的結(jié)構(gòu)例。圖18所示的檢測裝置100包括:具有吸入口 1lA以及除塵過濾器1lB的樣品供給流路101、具有排出口 102A的樣品供給流路102、以及具備具有圖4所示結(jié)構(gòu)的光學(xué)裝置(傳感器芯片)103等的光學(xué)裝置單元110。光射入光學(xué)裝置103中。檢測裝置100的框體120具備通過鉸鏈部121可以打開閉合的傳感器蓋122。光學(xué)裝置單元110在傳感器蓋122內(nèi)，可自由裝卸地配置在框體120上。光學(xué)裝置單元110的安裝/非安裝狀態(tài)可以通過傳感器檢測器123進(jìn)行檢測。
[0117]樣品供給流路101以及樣品排出流路102通過迂回地形成，而形成外部光難以入射的結(jié)構(gòu)。
[0118]此外，關(guān)于吸引以及排出流體樣品的路徑形狀，分別考慮了使從外部的光不進(jìn)入傳感器，并且，對流體樣品的流體阻力變小。通過使外部光不進(jìn)入光學(xué)裝置，從而拉曼散射光以外的噪聲光不會進(jìn)入，信號的S/N比提高。與流路形狀相同，形成流路的材料也需要選擇難以反射光的材料、顏色、表面形狀。另外，通過對流體樣品的流體阻力變小，能夠更多地收集該裝置附近的流體樣品，可以進(jìn)行高靈敏度的檢測。流路的形狀通過盡量消除角部采用光滑的形狀，從而消除角部處的滯留。另外，作為設(shè)置于流體排出流路102的負(fù)壓產(chǎn)生部103，也需要選擇具有符合流路阻力的靜壓、風(fēng)量的風(fēng)扇或泵。
[0119]在框體120內(nèi)設(shè)置有光源130、光學(xué)系統(tǒng)131、光檢測部132、信號處理控制部133以及供電部134。
[0120]在圖18中，光源130是例如激光，從小型化的觀點(diǎn)出發(fā)優(yōu)選能夠使用垂直腔面發(fā)射激光器，但不限定于此。
[0121]來自光源130的光通過構(gòu)成光學(xué)系統(tǒng)131的準(zhǔn)直透鏡131A轉(zhuǎn)換成平行光?？梢栽跍?zhǔn)直透鏡131A的下游設(shè)置偏光控制元件，轉(zhuǎn)換為線偏振光。但是，作為光源130例如采用面發(fā)射激光器，只要可以發(fā)射具有線偏振光的光，則能夠省略偏光控制元件。
[0122]通過準(zhǔn)直透鏡131A轉(zhuǎn)換為平行光的光通過半反射鏡(分色鏡)131B向光學(xué)裝置103的方向引導(dǎo)，通過物鏡131C聚光后射入光學(xué)裝置103。來自光學(xué)裝置103的瑞利散射光以及拉曼散射光通過物鏡131C后，經(jīng)由半反射鏡131B向光檢測部100的方向引導(dǎo)。
[0123]來自光學(xué)裝置103的瑞利散射光以及拉曼散射光通過聚光透鏡131D聚光后，輸入光檢測部132。在光檢測部132中首選到達(dá)光濾波器132A。通過光濾波器132A(例如陷波濾波器)取出拉曼散射光。該拉曼散射光進(jìn)一步經(jīng)由分光器132B被受光元件132C接收。分光器132B例如由利用了法布里-珀羅諧振的標(biāo)準(zhǔn)具等形成，能夠改變通過波段。通過分光器132B的光的波長可以由信號處理控制電路133控制(選擇)。通過受光元件132C得到樣品分子I所特有的拉曼光譜，通過對比得到的拉曼光譜與預(yù)先保持的數(shù)據(jù)，能夠?qū)悠贩肿覫進(jìn)行特定。
[0124]供電部134將來自電源連接部135的電力供給光源130、光檢測部132、信號處理控制部133以及風(fēng)扇104等。供電部134例如可以由二次電池構(gòu)成，也可以由一次電池、AC適配器等構(gòu)成。通信連接部136與信號處理控制部133連接，對信號處理控制部133傳播數(shù)據(jù)和控制信號等。
[0125]在圖18的例中，信號處理控制部133能夠向圖18所示的光源130以外的光檢測部132、風(fēng)扇104等發(fā)送命令。而且，信號處理控制部1330能夠執(zhí)行基于拉曼光譜的光譜分析，信號處理控制部133能夠?qū)悠贩肿覫進(jìn)行特定。此外，信號處理控制部133例如能夠向與通信連接部136連接的外部設(shè)備(未圖示)發(fā)送基于拉曼散射光的檢測結(jié)果、基于拉曼光譜的光譜分析結(jié)果等。
[0126]圖19是圖18的檢測裝置100的控制系統(tǒng)的框圖。如圖19所示，檢測裝置100還可以包括例如接口 140、顯示部150以及操作面板160等。另外，圖19所示的信號處理控制部133能夠包括作為控制部的例如CPU (Central Processing Unit:中央處理器)133A、RAM (Random Access Memory:隨機(jī)存取存儲器)133B、ROM (Read Only Memory:只讀存儲器)133C等。
[0127]而且，檢測裝置100可以包括驅(qū)動圖18所示的各部分的光源驅(qū)動電路130A、分光32B1、傳感器檢測電路123A、受光電路132C1、風(fēng)扇驅(qū)動電路104A等。
[0128]2.2.光源
[0129]圖20示出作為圖18所示的光源130的垂直腔表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)例。在圖20的例中，在η型GaAs基板200上形成η型DBR(Diffracted Bragg Reflector:分布布拉格反射鏡)層201。在η型DBR(Diffracted Bragg Reflector:分布布拉格反射鏡)層201的中央部設(shè)置活性層202以及氧化限制層203。在氧化限制層203上設(shè)置p性DBR層204。在這些的周邊部間隔著絕緣層205形成電極206。在η性GaAs基板200的背側(cè)也形成電極207。在圖20的例中，活性層202介于η型DBR層201與P型DBR層204之間，形成活性層202產(chǎn)生的光在η性DBR層201與ρ型DBR層204之間共振的垂直諧振器210。另外，垂直腔表面發(fā)射激光器不限定于圖20的例子，例如可以省略氧化限制層。
[0130]圖18所不的光源130優(yōu)選為通過使光在相對于基板表面垂直的方向上諧振,從而能夠在與基板表面垂直的方向(光源的光軸)發(fā)射光的垂直腔表面發(fā)射激光器(廣義上的面發(fā)射激光器)。通過使用垂直腔表面發(fā)射激光器，能夠構(gòu)成單色(單波長)且線偏振光的光源。另外，垂直腔表面發(fā)射激發(fā)器可以小型化，適合組裝到便攜式檢測裝置上。另外，就垂直腔表面發(fā)射激光器的結(jié)構(gòu)而言，可以在制造過程中不劈開基板而形成諧振器210并可以檢查激光器特性，因此適合大量生產(chǎn)。而且，垂直腔表面發(fā)射激光器與其他的半導(dǎo)體激光器相比，可以以較低的成本制造，例如也能夠提供二維陣列型的垂直腔表面發(fā)射激光器。而且，垂直腔表面發(fā)射激光器的閾值電流小，因此，能夠降低檢測裝置100的耗電。另外，即使是低電流也可以實(shí)現(xiàn)垂直腔表面發(fā)射激光器的高速調(diào)制，相對于溫度變化垂直腔表面發(fā)射激光器的特性變化的幅度小，因此能夠簡化垂直腔表面發(fā)射激光器的溫度控制部。
[0131]在此，難以將從以往的表面發(fā)射型半導(dǎo)體激光器射出的激光的偏光面控制為特定的方向，存在偏光面依存于光輸出或環(huán)境溫度而發(fā)生變動或者轉(zhuǎn)換(& 乂m'、的問題。為了克服這些，如在專利3482824號中記載的那樣，可以與圖21所示的諧振器210相鄰地配置變形附加部(歪々付加部)220。變形附加部220向諧振器210施加各向異性的應(yīng)力而使其變形，從而在諧振器內(nèi)生成雙折射、增益(利得)的偏光依賴性。通過在諧振器210的周邊部設(shè)置變形附加部220，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的面偏光控制。
[0132]此外，雖然如上所述對本實(shí)施方式進(jìn)行了詳細(xì)說明，但是本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠容易理解在實(shí)質(zhì)上不脫離本發(fā)明的新事項(xiàng)以及效果的前提下可以進(jìn)行多種變形。因?yàn)椋@種變形例全部包括在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，在說明書或附圖中，至少一次，與更廣義或同義的不同的術(shù)語一起記載的術(shù)語在說明書或附圖的任何地方，都可以置換為該不同的術(shù)語。另外，光學(xué)裝置、檢測裝置、分析裝置等的結(jié)構(gòu)、動作也不限定于在本實(shí)施方式中所說明的，可以進(jìn)行各種變形。
[0133]在圖22中，例如將圖1所示的平坦的金屬層15置換為具有凹凸的金屬層15A。該結(jié)構(gòu)是如上所述由本申請 申請人:進(jìn)行的日本專利申請2011-139526號中公開的結(jié)構(gòu)。金屬層15A的凹凸的周期比金屬納米結(jié)構(gòu)17的排列周期例如大10倍以上。這樣如果金屬膜15為凹凸的晶格面，則光射入光柵的凹凸時(shí)能夠產(chǎn)生表面等離子體，能夠增強(qiáng)傳播等離子體。
[0134]圖23示出在例如40nm厚的5丨02層(電介質(zhì)層)16上作為Ag的金屬島形成圖22的金屬納米結(jié)構(gòu)后的光學(xué)裝置。此外，圖22中電介質(zhì)16的表面被平坦化，而在圖23中未被平坦化，例如由Au構(gòu)成的金屬膜15的凹凸圖案也在電介質(zhì)16的表面反映。即，電介質(zhì)16的表面可以被平坦化，也可以不被平坦化。圖23所示的Ag粒子的大小在20nm?80nm的范圍內(nèi)有偏差，而且沒有周期性。
[0135]I被測定樣品(流體樣品)、12光學(xué)裝置(傳感器芯片)、16電介質(zhì)、17金屬納米結(jié)構(gòu)、18第一有機(jī)分子膜、19第二有機(jī)分子膜、100檢測裝置、130光源、132光檢測器。
【權(quán)利要求】
1.一種光學(xué)裝置，其特征在于， 當(dāng)激發(fā)光射入所述光學(xué)裝置時(shí)，所述光學(xué)裝置射出檢測和/或鑒定被測定樣品的光， 所述光學(xué)裝置具有: 多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)，形成在電介質(zhì)上； 第一有機(jī)分子膜，形成在所述多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)中相鄰的兩個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)之間的所述電介質(zhì)上；以及 第二有機(jī)分子膜，形成在所述多個(gè)金屬納米結(jié)構(gòu)上，且與所述第一有機(jī)分子膜不同， 所述第一有機(jī)分子膜以及所述第二有機(jī)分子膜附著所述被測定樣品。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的光學(xué)裝置，其特征在于， 所述第一有機(jī)分子膜具有硅烷偶聯(lián)劑、硅醇基(-S1-OH)、鈦偶聯(lián)劑、或者鈦醇基(-T1-OH)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的光學(xué)裝置，其特征在于， 所述第二有機(jī)分子膜具有巰基(-SH)、二硫基(-S-S-)、或者羧基(-C00H)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1至3中任一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，其特征在于， 所述第一有機(jī)分子膜的分子長度比所述第二有機(jī)分子膜的分子長度短。
5.一種檢測裝置，其特征在于，具有: 光源； 權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的光學(xué)裝置，來自所述光源的光射入所述光學(xué)裝置；以及 光檢測器，檢測從所述光學(xué)裝置射出的光。
【文檔編號】G01N21/65GK104272090SQ201380022692
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2013年4月23日 優(yōu)先權(quán)日:2012年5月1日
【發(fā)明者】坂上裕介, 山田耕平, 山田明子 申請人:精工愛普生株式會社