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JP2010091321A - Substrate for bio-sensing - Google Patents

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JP2010091321A
JP2010091321A JP2008259655A JP2008259655A JP2010091321A JP 2010091321 A JP2010091321 A JP 2010091321A JP 2008259655 A JP2008259655 A JP 2008259655A JP 2008259655 A JP2008259655 A JP 2008259655A JP 2010091321 A JP2010091321 A JP 2010091321A
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JP
Japan
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medium
thin film
substrate
reflectance
biosensing
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Pending
Application number
JP2008259655A
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Japanese (ja)
Inventor
Kotaro Kajikawa
浩太郎 梶川
Syahir Bin Amir Hamzah Amir
シャヒル ビン アミル ハムザー アミル
Hisakazu Mihara
久和 三原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tokyo Institute of Technology NUC
Original Assignee
Tokyo Institute of Technology NUC
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Publication date
Application filed by Tokyo Institute of Technology NUC filed Critical Tokyo Institute of Technology NUC
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a substrate for bio-sensing having new structure which causes large variation in reflectance when protein, DNA and the like are combined with or adsorbed to the surface of the substrate. <P>SOLUTION: The substrate 10 for bio-sensing includes: a substrate lower layer 5 composed of a metal or an alloy; a dielectric thin film 4 formed on the substrate lower layer 5; and a metal thin film or an alloy thin film 3, formed on the dielectric thin film 4, which causes abnormal reflection. Using the abnormal reflection allows bio-sensing to be done with simple reflection to reduce the cost of a bio-sensing chip and a detecting system thereof. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明はバイオセンシング用基板に関する。詳しくは、金属絶縁体金属(MIM)構造を用いた高感度バイオセンシング用基板に関する。   The present invention relates to a biosensing substrate. Specifically, the present invention relates to a highly sensitive biosensing substrate using a metal insulator metal (MIM) structure.

図13はバイオセンシングの原理を説明するための図である。DNAや蛋白質などのバイオセンシングでは、検出対象分子(アナライト)2に特異的な相互作用を有するリガンド6を金などの基板7や微粒子上に塗布し、リガンド6へのアナライト2の結合の有無を検出する。アナライト2の結合量は1ng/mm以下であり非常に少ない。結合に伴う反射率変化は小さく、通常の光学的な手法でそれを検出することは困難である。そのため、表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance:SPR)装置や金ナノ微粒子中の局在プラズモン共鳴(localized surface plasmon resonance:LPR)などを用いて、増感を行ってきた。 FIG. 13 is a diagram for explaining the principle of biosensing. In biosensing such as DNA and protein, a ligand 6 having an interaction specific to the molecule 2 to be detected (analyte) 2 is coated on a substrate 7 such as gold or fine particles, and the binding of the analyte 2 to the ligand 6 is performed. Detect the presence or absence. The binding amount of the analyte 2 is 1 ng / mm 2 or less, which is very small. The reflectance change accompanying the coupling is small, and it is difficult to detect it by a normal optical method. Therefore, sensitization has been performed using a surface plasmon resonance (SPR) apparatus, a localized plasmon resonance (LPR) in a gold nanoparticle, or the like.

図14はSPRを用いたバイオセンシングを説明するための図である。図14(a)にSPRを用いた全反射減衰法(attenuated total reflection:ATR)による測定方法を示す(以下ATR−SPRと呼ぶ)。ATR−SPRでは、プリズム11の底面に堆積された金属薄膜12中に生じる伝搬型表面プラズモンSPs(surface plasmons)を励起する。図14(b)に光の反射率の入射角θ依存性を示す。p−偏光の光の反射率は、共鳴角θrで最小となり、入射光13のエネルギーは薄膜中のSPsに変換される。反射光14から反射率が求められる。共鳴角θrは金属薄膜12近傍の屈折率や物質の有無に敏感であるため、その表面をあらかじめリガンド6で修飾しておけばアナライト2の結合をθrの変化として読み取ることができる。空気中で1ng/mmの分子の結合によりATR−SPRでは最大12%の変化を得ることができる。この方法を利用したバイオセンサはすでに市販品も多く、現在では生化学や遺伝子工学の分野では欠くことのできないツールとなっている。 FIG. 14 is a diagram for explaining biosensing using SPR. FIG. 14A shows a measurement method based on the attenuated total reflection (ATR) method using SPR (hereinafter referred to as ATR-SPR). In ATR-SPR, propagation type surface plasmons (SPs) generated in the metal thin film 12 deposited on the bottom surface of the prism 11 are excited. FIG. 14B shows the dependency of the light reflectance on the incident angle θ. The reflectance of the p-polarized light is minimized at the resonance angle θr, and the energy of the incident light 13 is converted into SPs in the thin film. The reflectance is obtained from the reflected light 14. Since the resonance angle θr is sensitive to the refractive index in the vicinity of the metal thin film 12 and the presence or absence of a substance, if the surface is modified with the ligand 6 in advance, the binding of the analyte 2 can be read as a change in θr. Up to 12% change can be obtained with ATR-SPR due to the binding of 1 ng / mm 2 molecules in air. Many biosensors using this method are already on the market and are now indispensable tools in the fields of biochemistry and genetic engineering.

他方、LPRは金ナノ微粒子や粗い金属表面などに励起されるSPsである。ATR−SPRとは異なり、LPRを励起するためには微粒子に光を照射すればよい。特定の入射角で光を入射する必要がないため光学系を組む必要がなく、市販の分光器を用いて透過や反射、散乱スペクトル測定を行うことによりセンシングすることができるなどの利点ある。   On the other hand, LPR is SPs excited by gold nanoparticles or a rough metal surface. Unlike ATR-SPR, in order to excite LPR, light may be irradiated to the fine particles. Since there is no need to enter light at a specific incident angle, there is no need to construct an optical system, and there is an advantage that sensing can be performed by measuring transmission, reflection, and scattering spectra using a commercially available spectroscope.

このような状況下、数年前に発明者達は、青や紫の光に対する金表面の反射率が50%以下となることを利用して、単純な反射測定でDNAや蛋白質の検出が可能であることを示した。金は金属であるが、光学的には青や紫の光に対しては誘電体的な性質を示す。そのため、青や紫の光に対する反射率は50%程度であり、それゆえ黄色がかった色を呈している。これらの波長の光に対する金表面の反射率は、物質の吸着や結合に伴い比較的大きく低下する。これを金の異常反射(anomalous reflection:AR)という。ARを利用すると、空気中で金の表面は波長470nmの光に対して物質の吸着や結合により反射率変化を与えられる可能性がある。銀やアルミニウムなどの金属の場合にはこの現象はおきない。ARは、垂直入射でも斜め入射でもよく、金薄膜の膜厚制限も無い。そのため、垂直入射での単純な反射率測定により金表面に結合・吸着した微量物質の量を計測することが可能である。入射光の単色性もあまり問題とならないため発光ダイオード(light emitting diode:LED)などのインコヒーレント光源を利用することができるので、分光測定も容易である。金を用いた場合には感度はSPRと比べて物足りないが、単純な光学系を用いるため様々な使い方が可能である。(非特許文献1参照)   Under these circumstances, the inventors were able to detect DNA and proteins by simple reflectance measurement using the fact that the reflectance of the gold surface with respect to blue and violet light was 50% or less under several years ago. It showed that. Gold is a metal, but optically exhibits dielectric properties for blue and violet light. Therefore, the reflectance with respect to blue or purple light is about 50%, and therefore it has a yellowish color. The reflectivity of the gold surface with respect to light of these wavelengths is relatively reduced with the adsorption and bonding of substances. This is called an anomalous reflection (AR) of gold. When AR is used, there is a possibility that the gold surface in the air can be changed in reflectivity due to adsorption and binding of substances with respect to light having a wavelength of 470 nm. This phenomenon does not occur in the case of metals such as silver and aluminum. AR may be perpendicular incidence or oblique incidence, and there is no limitation on the thickness of the gold thin film. Therefore, it is possible to measure the amount of trace substances bound to and adsorbed on the gold surface by simple reflectance measurement at normal incidence. Since monochromaticity of incident light is not a serious problem, an incoherent light source such as a light emitting diode (LED) can be used, and therefore, spectroscopic measurement is easy. When gold is used, the sensitivity is unsatisfactory compared to SPR, but various uses are possible because a simple optical system is used. (See Non-Patent Document 1)

S.Watanabe,K.Usui,K.−Y.Tomizaki,K.Kajikawa,H.Mihara,“Anomalous Reflection of Gold Applicable for a Practical Protein−Detecting Chip Platform” Mol.BioSystems 1 (2005)363−365.S. Watanabe, K.M. Usui, K .; -Y. Tomizaki, K.K. Kajikawa, H .; Mihara, “Anomalous Reflection of Gold Applicable for a Practical Protein-Detecting Chip Platform” Mol. BioSystems 1 (2005) 363-365.

しかしながら、ATR−SPRを用いる場合には、固定化された光学系が必要であり全反射減衰法を用いなければならず他の測定手法との組み合わせに制限があること、金の膜厚が45−55nmの間でなければ感度の高い測定が難しいなどの改良すべき点も多く、これらの点を解決することは容易ではないという問題があった。また、LPRを用いる場合には、定量的な測定をするためには、あらかじめ検量線を作る必要がある、分子のサイズにより感度の補正が必要であるなどの点で物足りないという問題があった。   However, when ATR-SPR is used, a fixed optical system is required, the total reflection attenuation method must be used, and there are limitations on combinations with other measurement methods, and the gold film thickness is 45. There are many points that need to be improved, for example, it is difficult to measure with high sensitivity unless it is between −55 nm, and there is a problem that it is not easy to solve these points. In addition, when LPR is used, there is a problem that a calibration curve needs to be prepared in advance in order to perform quantitative measurement, and sensitivity correction is necessary depending on the size of the molecule.

発明者達は、高い感度を持つ異常反射を利用したAR基板の誘電率をシミュレーションにより求め、金と他の物質(銀等)を混合することにより基板の誘電率を変えて高い感度を持つ基板を発明した(特許願2007−223950)(以下、比較例という)。その結果、金と銀の合金薄膜をUV−オゾン処理することにより、空気中で1ng/mmの分子の結合により異常反射率の変化1.3%が得られ、従来の数倍の感度の改善がはかられた基板を開発することができた。これにより、従来のATR−SPRを用いる測定やLPRを用いる測定に置き換えて、異常反射を利用した測定を提供できた。 The inventors obtained the dielectric constant of an AR substrate using abnormal reflection with high sensitivity by simulation, and changed the dielectric constant of the substrate by mixing gold and other substances (silver, etc.) to provide a substrate with high sensitivity. (Patent application 2007-223950) (hereinafter referred to as a comparative example). As a result, when the gold-silver alloy thin film is treated with UV-ozone, an abnormal reflectance change of 1.3% is obtained due to the bonding of molecules of 1 ng / mm 2 in the air. An improved substrate could be developed. Thereby, it was possible to provide a measurement using abnormal reflection, replacing the measurement using the conventional ATR-SPR or the measurement using LPR.

本発明は、異常反射を利用したAR基板について、比較例のような単一媒質からなる基板構造に比して、これを上回る高感度の基板構造の開発を目指すこととした。   The present invention aims to develop a highly sensitive substrate structure for an AR substrate using abnormal reflection as compared with a substrate structure made of a single medium as in the comparative example.

本発明は、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供することを目的とする。   An object of the present invention is to provide a biosensing substrate having a new structure that gives a large change in reflectance when protein, DNA, or the like is bound to or adsorbed to the substrate surface.

上記課題を解決するために、本発明の第1の態様に係るバイオセンンシング用基板10は、例えば図1に示すように、金属又は合金からなる基板下層5と、基板下層5上に形成された誘電体薄膜4と、誘電体薄膜4上に形成された異常反射を生じる金属薄膜又は合金薄膜3とを備える。   In order to solve the above problems, a biosensing substrate 10 according to the first aspect of the present invention is formed on a substrate lower layer 5 made of a metal or an alloy and a substrate lower layer 5 as shown in FIG. A dielectric thin film 4 and a metal thin film or alloy thin film 3 formed on the dielectric thin film 4 and causing abnormal reflection.

ここにおいて、基板下層5とはその上に誘電体薄膜4及び金属薄膜又は合金薄膜3を形成するための基板構成要素であって、基板下層5がガラスチップ、プラスチックチップ等の支持板上に形成されていても良い。異常反射とは、金のように、光学的には青や紫の光に対しては誘電体的な性質を示す金属又は合金において、青や紫の光に対する反射率が低下し、さらに、この反射率が物質の吸着や結合に伴い比較的大きく低下する現象をいう。この態様のように構成すると、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供できる。また、異常反射を用いることにより、単純な反射でバイオセンシングができ、バイオセンシングチップやその検出システムの低コスト化が可能となる。これにより、既存の表面プラズモン共鳴を用いるバイオセンシング手法に置き換えられる可能性がある。   Here, the substrate lower layer 5 is a substrate component for forming the dielectric thin film 4 and the metal thin film or alloy thin film 3 thereon, and the substrate lower layer 5 is formed on a support plate such as a glass chip or a plastic chip. May be. Abnormal reflection is a metal or alloy that exhibits dielectric properties for optically blue or violet light, such as gold, and the reflectivity for blue or violet light decreases. This is a phenomenon in which the reflectivity decreases relatively with the adsorption and binding of substances. When configured in this manner, it is possible to provide a biosensing substrate having a new structure that gives a large change in reflectance when protein, DNA, or the like is bound to or adsorbed to the substrate surface. Further, by using abnormal reflection, biosensing can be performed with simple reflection, and the cost of the biosensing chip and its detection system can be reduced. This may replace the existing biosensing method using surface plasmon resonance.

また、本発明の第2の態様に係るバイオセンンシング用基板10は、第1の態様において、金属薄膜又は合金薄膜3が金又は銅を主体とする。このように構成すると、金又は銅は異常反射を生じるので、異常反射による反射率変化を実現できる。   Further, in the biosensing substrate 10 according to the second aspect of the present invention, the metal thin film or the alloy thin film 3 is mainly composed of gold or copper in the first aspect. If comprised in this way, since gold | metal | money or copper produces abnormal reflection, the reflectance change by abnormal reflection is realizable.

また、本発明の第3の態様に係るバイオセンンシング用基板10は、第1又は第2の態様において、誘電体薄膜4が透明である。ここにおいて、透明な誘電体薄膜4として、例えば、PMMA(ポリメチルメタクリレート)、ガラス、SiO,MgFを使用できる。この態様のように構成すると、誘電体薄膜が共振器のように作用し、異常反射による反射率変化を大きくできる。 In addition, in the biosensing substrate 10 according to the third aspect of the present invention, the dielectric thin film 4 is transparent in the first or second aspect. Here, as the transparent dielectric thin film 4, for example, PMMA (polymethyl methacrylate), glass, SiO 2 , MgF can be used. If comprised like this aspect, a dielectric thin film will act like a resonator, and the reflectance change by abnormal reflection can be enlarged.

また、本発明の第4の態様に係るバイオセンンシング用基板10は、第1ないし第3の態様のいずれかにおいて、例えば図3又は図7に示すように、入射光に対する反射率が、検出対象分子2が無いときをR、有るときをRとすると、Rが0.5%以上であり、R/Rが0.97%以下又は1.03%以上である。このように構成すると、実用上、異常反射によるバイオセンンシングに適している。 In addition, the biosensing substrate 10 according to the fourth aspect of the present invention has a reflectivity with respect to incident light that is detected in any of the first to third aspects as shown in FIG. 3 or FIG. R 0 when there is no target molecules 2 and is referred to as R when there, R 0 is 0.5% or more, R / R 0 is 0.97% or less, or 1.03% or more. If comprised in this way, it is suitable for the biosensing by an abnormal reflection practically.

また、本発明の第5の態様に係るバイオセンンシング用基板10は、第1ないし第3の態様のいずれかにおいて、例えば図4又は図8に示すように、金属薄膜又は合金薄膜3の膜厚d(nm)及び誘電体薄膜4の膜厚d(nm)が、(d、d)座標系において、(8,18)、(8,52)、(13,57)、(17,57)、(17,28)、(12,18)で囲まれた第1の領域、又は(8,63)、(8,72)、(12,72)、(12,63)で囲まれた第2の領域内にある。このように構成すると、実用上、異常反射によるバイオセンンシングに適している。 Further, the biosensing substrate 10 according to the fifth aspect of the present invention is a film of a metal thin film or an alloy thin film 3 as shown in FIG. 4 or FIG. 8, for example, in any of the first to third aspects. The thickness d 3 (nm) and the thickness d 4 (nm) of the dielectric thin film 4 are (8, 18), (8, 52), (13, 57) in the (d 3 , d 4 ) coordinate system, The first region surrounded by (17, 57), (17, 28), (12, 18), or (8, 63), (8, 72), (12, 72), (12, 63) It is in the 2nd field surrounded by. If comprised in this way, it is suitable for the biosensing by an abnormal reflection practically.

本発明によれば、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供できる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the board | substrate for biosensing of the new structure which gives a big reflectance change when protein, DNA, etc. couple | bond and adsorb | suck to a substrate surface can be provided.

以下に図面に基づき本発明の実施の形態について説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

[第1の実施の形態]
図1に、本発明の第1の実施の形態によるバイオセンシング用基板10の構成例を示す。本実施の形態は、金属−絶縁体−金属構造で、金−PMMA−金薄膜の組み合わせで、周辺媒質1が空気の例を示す。図1において、媒質1は通常空気又は水であり、本実施の形態では空気とし、屈折率をn(=1)とする。媒質2はバイオセンシングの検出対象分子(アナライト、DNAや蛋白質など)であり、屈折率nの連続誘電体媒質とみなす。媒質3は屈折率nの金属薄膜であり、屈折率nは複素数となる。また、その厚さをdとする。媒質4は誘電体薄膜であり、屈折率をn、その厚さをdとする。媒質5は屈折率nの基板下層であり、屈折率nは複素数となる。媒質3と媒質5は同じ金属である必要はない。媒質3から媒質5までがバイオセンシング用基板10を構成している。基板10は金属で誘電体(絶縁体)を挟んだ構成をしており、金属−絶縁体−金属(Metal−Insulator−Metal:MIM)構造とよぶことにする。13は入射光、14は反射光である。
[First Embodiment]
FIG. 1 shows a configuration example of a biosensing substrate 10 according to the first embodiment of the present invention. The present embodiment shows an example in which the peripheral medium 1 is a combination of a metal-insulator-metal structure, a gold-PMMA-gold thin film, and air. In FIG. 1, the medium 1 is usually air or water, and in the present embodiment, it is air and the refractive index is n 1 (= 1). Medium 2 is detected molecule biosensing (analyte, DNA or proteins, etc.), regarded as a continuous dielectric medium having a refractive index n 2. Medium 3 is a metal thin film having a refractive index n 3, the refractive index n 3 becomes complex. Also, its thickness and d 3. The medium 4 is a dielectric thin film, and its refractive index is n 4 and its thickness is d 1 . Medium 5 is a substrate layer of refractive index n 5, the refractive index n 5 becomes complex. The medium 3 and the medium 5 do not need to be the same metal. The medium 3 to the medium 5 constitute the biosensing substrate 10. The substrate 10 has a structure in which a dielectric (insulator) is sandwiched between metals, and is referred to as a metal-insulator-metal (MIM) structure. 13 is incident light, and 14 is reflected light.

バイオセンシングでは、媒質3の表面への、アナライト2としての誘電体分子の吸着や結合を検出することとなる。厚さd=1nmの分子層の吸着や結合は、密度を1とすれば1ng/mmの分子の結合に対応するから、このときの反射率変化ΔRの波長依存性を計算すれば、バイオセンシング用基板10の感度を求めることができる。媒質4としての誘電体薄膜の屈折率nを1.5とし、媒質3及び媒質5としての金属の屈折率n,nは文献(P.B.Johnson and R.W.Cristy,“Optical Constants of Noble Metals”,Phys.Rev.6 (1972)4730−4379.)に記載の値を用い、記載の無い波長での値は比例配分で求めた。 In biosensing, adsorption or binding of dielectric molecules as the analyte 2 to the surface of the medium 3 is detected. Since the adsorption and binding of the molecular layer having a thickness d 2 = 1 nm correspond to the binding of molecules of 1 ng / mm 2 when the density is 1, the wavelength dependence of the reflectance change ΔR at this time is calculated as follows: The sensitivity of the biosensing substrate 10 can be obtained. A dielectric refractive index n 4 of the thin film as a medium 4 and 1.5, the refractive index n 3 of the metal as the medium 3 and the medium 5, n 5 literature (P.B.Johnson and R.W.Cristy, " The values described in “Optical Constants of Noble Metals”, Phys. Rev. 6 (1972) 4730-4379.) Were used, and values at wavelengths not described were determined by proportional distribution.

図2に、媒質3が金で、屈折率n=1.5、厚さ1nmの媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性の例を示す。媒質2が吸着・結合する前の反射率をR、吸着・結合後の反射率をRとし、R/Rをシミュレーションしプロットしたものである。計算条件は、周辺媒質1は空気(屈折率1)、媒質3は金属薄膜又は合金薄膜としての金薄膜、媒質4は屈折率1.5の誘電体薄膜、媒質5は金の基板下層とし、媒質3の厚さd及び媒質4の厚さdをパラメータとしていくつかの組み合わせについてシミュレーションを行った。媒質5は金薄膜でも100nm以上であれば十分厚いため、計算では半無限大として考えることができる。図2(a)には媒質3の厚さd=10nm、媒質4の厚さd=35nm〜70nmの例、図2(b)には媒質3の厚さd=15nm、媒質4の厚さd=55nm〜68nmの例、図2(c)には媒質3の厚さd=20nm、媒質4の厚さd=70nm〜80nmの例を示す。 FIG. 2 shows an example of the wavelength dependence of the reflectance of the surface of the medium 3 when the medium 3 is gold, the refractive index n 2 = 1.5, and the medium 2 having a thickness of 1 nm is adsorbed. R 0 the reflectance before the medium 2 is adsorbed and bonding, in which the reflectance after adsorption and binding and R, was plotted to simulate the R / R 0. The calculation condition is that the surrounding medium 1 is air (refractive index 1), the medium 3 is a gold thin film as a metal thin film or an alloy thin film, the medium 4 is a dielectric thin film having a refractive index of 1.5, and the medium 5 is a gold substrate lower layer. Simulations were performed for several combinations using the thickness d 3 of the medium 3 and the thickness d 4 of the medium 4 as parameters. Since the medium 5 is a gold thin film that is sufficiently thick if it is 100 nm or more, it can be considered as semi-infinite in the calculation. FIG. 2A shows an example in which the thickness d 3 of the medium 3 is 10 nm and the thickness d 4 of the medium 4 is 35 nm to 70 nm. FIG. 2B shows the thickness d 3 of the medium 3 is 15 nm. examples of thickness d 4 = 55nm~68nm, showing an example of a thickness d 4 = 70nm~80nm in FIG thickness of the (c) the medium 3 d 3 = 20nm, medium 4.

図2(a)によれば、d=35nmの時には波長400nm〜500nmの広い波長領域でR/Rは95.0%前後の値をとる。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。また、d=40nmの時はR/Rは最小値で94.7%、d=45nmの時はR/Rは最小値で90.9%、d=50nmの時はR/Rは下に凸のピークを持ち、最小値で85.0%、d=55nmの時は同様に下に凸のピークを持ちR/Rは最小値で64.0%となる。また、d=60nmの時は上に凸のピークを持ち、波長約480nmにおいてR/Rは最大値で163%、d=65nmの時は最大値でR/R=116%、d=70nmの時は最大値でR/R=109%となる。dの値により様々なR/Rの極値が与えられ、大きな反射率変化が得られる場合もある。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。これは誘電体薄膜4が共振器のような作用をしていることを裏付けている。 According to FIG. 2A, when d 4 = 35 nm, R / R 0 takes a value of around 95.0% in a wide wavelength region of wavelengths from 400 nm to 500 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. Further, when d 4 = 40 nm, R / R 0 is 94.7% as a minimum value, when d 4 = 45 nm, R / R 0 is 90.9% as a minimum value, and when d 4 = 50 nm, R / R 0 is R / R 0 has a downwardly convex peak with a minimum value of 85.0%, and when d 4 = 55 nm, it similarly has a downwardly convex peak and R / R 0 has a minimum value of 64.0%. . Further, when d 4 = 60 nm, it has a convex peak, and at a wavelength of about 480 nm, R / R 0 is 163% at the maximum value, and when d 4 = 65 nm, R / R 0 = 116% at the maximum value, When d 4 = 70 nm, the maximum value is R / R 0 = 109%. given various extremes of R / R 0 by the value of d 4, a large change in reflectivity is sometimes obtained. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long. This confirms that the dielectric thin film 4 acts like a resonator.

図2(b)によれば、d=55nmの時はR/Rは波長480nm付近で最小値87.0%となり13%の反射率変化が起こっていることがわかる。また、d=60nmの時はR/Rは最小値で74%、d=62nmの時はR/Rは最小値で56%、d=63nmの時はR/Rは最小値で32.0%となる。また、d=65nmの時には上に凸のピークを持ち、R/Rは最大値で353%、同様にd=66nmの時はΔR/Rは最大値で180%、d=68nmの時はR/Rは最大値で132%となる。dの値により様々なR/Rが与えられ、いずれの場合も大きな反射率変化が得られる。しかしながら、必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 FIG. 2B shows that when d 4 = 55 nm, R / R 0 has a minimum value of 87.0% near the wavelength of 480 nm, and a reflectance change of 13% occurs. Further, d 4 = R / R 0 when the 60nm 74% at the minimum value, d 4 = R / R 0 when the 62nm 56% at the minimum value, R / R 0 when the d 4 = 63 nm is The minimum value is 32.0%. Further, when d 4 = 65 nm, there is a convex peak, R / R 0 is a maximum value of 353%, and similarly, when d 4 = 66 nm, ΔR / R is a maximum value of 180% and d 4 = 68 nm. In this case, the maximum value of R / R 0 is 132%. Various values of R / R 0 are given by the value of d 4, and a large change in reflectance is obtained in any case. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図2(c)によれば、d=70nmの時はR/Rは下に凸の鋭いピークを持ち、最小値で73.0%となる。27%の反射率変化が起こっていることがわかる。さらに、d=72nmの時はR/Rは最小値で53%、d=73nmの時はR/Rは最小値で24%となる。また、d=76nmの時には、上に凸のピークとなり、R/Rは最大値で187%、d=78nmの時にはR/Rは最大値で140%、d=80nmの時にはR/Rは最大値で125%となる。dの値により様々なΔR/Rが与えられ、いずれの場合も大きな反射率変化が得られる。しかしながら、必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなり、図2(a)〜(c)を比較すると、dの値が増加するにつれて、同じdに対して最小値又は最大値を示す波長も長くなる。これは金薄膜3も共振器の作用に寄与していることを裏付けている。 According to FIG. 2 (c), when d 4 = 70 nm, R / R 0 has a sharp peak protruding downward, and the minimum value is 73.0%. It can be seen that a reflectance change of 27% has occurred. Further, when d 4 = 72 nm, R / R 0 is 53% as a minimum value, and when d 4 = 73 nm, R / R 0 is 24% as a minimum value. When d 4 = 76 nm, the peak is convex upward, and R / R 0 has a maximum value of 187%. When d 4 = 78 nm, R / R 0 has a maximum value of 140%, and when d 4 = 80 nm. R / R 0 is a maximum value of 125%. given different [Delta] R / R by the value of d 4, a large reflectance change in either case can be obtained. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. Further, as the value of d 4 increases, the wavelength indicating the minimum value or the maximum value becomes longer. When comparing FIGS. 2A to 2C, as the value of d 3 increases, the same d 4 is obtained. The wavelength indicating the minimum value or the maximum value also becomes longer. This confirms that the gold thin film 3 also contributes to the action of the resonator.

バイオセンシング用基板の感度を表す一つの指標としてR/Rがあり、媒質2が吸着・結合した際に1に比べて十分小さい又は十分大きいことが求められる。金の異常反射では空気中でR/Rは約98.7%である。図2に示したように、MIM基板では大きな変化を得ることができる。しかしながら、このように大きなR/Rを与える基板であっても入射光13に対する反射率Rが小さければ、得られる信号は小さく良い結果が得られない。 One index representing the sensitivity of the biosensing substrate is R / R0 , which is required to be sufficiently smaller or larger than 1 when the medium 2 is adsorbed and bonded. In the abnormal reflection of gold, R / R 0 is about 98.7% in air. As shown in FIG. 2, a large change can be obtained in the MIM substrate. However, even if the substrate gives such a large R / R 0 , if the reflectance R 0 with respect to the incident light 13 is small, the obtained signal is small and a good result cannot be obtained.

図3に、媒質3が金で、周辺媒質1が空気の場合について、上述のdとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットしたものを示す。●はd=10nm、□はd=15nm、◇はd=20nmのデータであり、各d(nm)についてR/Rの値は最大値又は最小値をプロットした。例えば、d=40nmでR/R=94.7%、d=55nmでR/R=64.0%、d=65nmでR/R=116%、d=70nmでR/R=109%となる。ハロゲンランプ等のインコヒーレント光源を用いた場合、1秒程度の測定で十分なS/N比を確保するためには、少なくとも入射光強度の0.5%程度の反射率が必要である。そのため、R/Rが1に比べて十分小さい、又は、十分大きくても、R<0.5%では反射率が低過ぎ、バイオセンシング用基板として適当であるとは言い難い。また、厚さ1nmの媒質2が媒質3に吸着・結合した際の変化量は3%以上あれば、先行技術である異常反射や比較例のバイオセンシング用基板(反射率変化1.3%)に対して優位であると考えられるので、この2つの条件を満たす領域をハッチで示した。 FIG. 3 shows a plot of the relationship between R / R 0 and R 0 for the combination of d 3 and d 4 described above when the medium 3 is gold and the surrounding medium 1 is air. ● is data of d 3 = 10 nm, □ is data of d 3 = 15 nm, ◇ is data of d 3 = 20 nm, and the value of R / R 0 for each d 4 (nm) is plotted as a maximum value or a minimum value. For example, when d 4 = 40 nm, R / R 0 = 94.7%, d 4 = 55 nm, R / R 0 = 64.0%, d 4 = 65 nm, R / R 0 = 116%, and d 4 = 70 nm. R / R 0 = 109%. When an incoherent light source such as a halogen lamp is used, a reflectance of at least about 0.5% of the incident light intensity is required in order to ensure a sufficient S / N ratio by measurement for about 1 second. Therefore, even if R / R 0 is sufficiently smaller than 1 or sufficiently large, if R 0 <0.5%, the reflectance is too low and it is difficult to say that it is suitable as a biosensing substrate. Moreover, if the amount of change when the medium 2 having a thickness of 1 nm is adsorbed / coupled to the medium 3 is 3% or more, the substrate for abnormal sensing and the biosensing of the comparative example (reflectance change 1.3%) is a prior art. The area that satisfies these two conditions is indicated by hatching.

図4に、金属薄膜又は合金薄膜3の膜厚d(nm)及び誘電体薄膜4の膜厚d(nm)が、(d、d)座標系において、上記バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを線Iで示す。これより、媒質3が金で、空気中では、d=10nmの場合には、d=20〜50nmまたは65〜70nmが好ましいことがわかった。また、d=15nmの場合には、d=30〜55nmが良い結果を与えることがわかった。マージンを含めると、(8,18)、(8,52)、(13,57)、(17,57)、(17,28)、(12,18)で囲まれた第1の領域(図では領域1と示す)内、又は(8,63)、(8,72)、(12,72)、(12,63)で囲まれた第2の領域(図では領域2と示す)内にある点が良い結果を与えると推定される。これ以外の場合にはRが小さく、実用に供するには、高感度の検出装置と理想的な構造の作製が必要である。なお、後述する図5(c)の測定点は×で示すように第1の領域に含まれる。 4, the thickness d 3 of the thin metal film or alloy film 3 (nm) and the thickness d 4 of the dielectric thin film 4 (nm) is, in (d 3, d 4) coordinate system, as a substrate for the biosensing A combination in a region that satisfies an appropriate condition is indicated by line I. From this, it was found that when the medium 3 is gold and d 3 = 10 nm in the air, d 4 = 20 to 50 nm or 65 to 70 nm is preferable. It was also found that d 4 = 30 to 55 nm gives good results when d 3 = 15 nm. When the margin is included, the first region (FIG. 18) surrounded by (8, 18), (8, 52), (13, 57), (17, 57), (17, 28), (12, 18). In the region 1) or in the second region (indicated as region 2 in the figure) surrounded by (8, 63), (8, 72), (12, 72), (12, 63). Some points are presumed to give good results. In other cases, R is small, and in order to put it to practical use, it is necessary to produce a highly sensitive detection device and an ideal structure. Note that measurement points in FIG. 5C described later are included in the first region as indicated by x.

次に、本実施の形態におけるバイオセンシングの測定例について説明する。媒質3?媒質5で構成されるMIM構造を持つ基板10を作製し、その反射率測定を行うことにより、バイオセンシングを行う。上記基板10に媒質2としてのバイオ由来分子が結合すれば反射率の変化が生じ、この反射率変化を分光器等と検出器で構成される装置でモニターしてバイオ由来分子の検出を行う。簡単な光学系で単純な反射でバイオセンシングができるので、バイオセンシングチップやその検出システムの低コスト化が可能となる。   Next, a measurement example of biosensing in the present embodiment will be described. Medium 3? The substrate 10 having the MIM structure constituted by the medium 5 is manufactured, and the reflectance is measured to perform biosensing. When bio-derived molecules as the medium 2 are bound to the substrate 10, a change in reflectance occurs, and this change in reflectivity is monitored by an apparatus including a spectroscope and a detector to detect bio-derived molecules. Since biosensing can be performed with simple reflection using a simple optical system, the cost of the biosensing chip and its detection system can be reduced.

まず、媒質3の金属薄膜又は合金薄膜として金薄膜を、媒質4の誘電体薄膜としてPMMA(ポリメチルメタクリレート)薄膜を、媒質5の基板下層としての金上にスピンコートしてバイオセンシング用基板10としてのMIM基板を作製した。   First, a gold thin film as a metal thin film or alloy thin film of the medium 3, a PMMA (polymethyl methacrylate) thin film as a dielectric thin film of the medium 4, and spin coating on gold as a substrate lower layer of the medium 5, the biosensing substrate 10. A MIM substrate was prepared.

図5にMIM基板10に媒質2を吸着・結合したときの反射吸収スペクトルの測定例を示す。図5(a)に金薄膜の厚さd=10nm、PMMA薄膜の厚さd=20nmの例を示す。(1)(図中○内に1)は、AUT(アミノウンデカンチオール)のエタノール溶液に1時間浸漬し、リンスをして作製した媒質2の第1層としてのAUT自己組織化単分子膜(SAM)の反射吸収スペクトルを示す。測定は垂直入射で行った。AUT SAMは厚さ1.4nm、屈折率1.5の誘電体薄膜としてはたらくことがSPRやエリプソメトリの測定から知られている。なお、媒質4としてのPMMA薄膜の厚さdは、測定された反射吸収スペクトル(ARスペクトル)の結果とシミュレーション結果を比較することにより知ることができ、これにより、PMMA薄膜の厚さをd=20nmと見積もることができた。また(2)(図中○内に2)は、AUT SAMを形成した基板を媒質2の第2層としてのBiotin−OSUでビオチン化した時の反射吸収スペクトルを示す。(3)(図中○内に3)は、さらに、ビオチン化した基板を媒質2の第3層としての抗ビオチン抗体(IgG)(PBS中40μM)に1時間暴露し、PBSでリンスし乾燥させた時の反射吸収スペクトルを示す。このように、MIM基板10に媒質2を吸着・結合することにより、反射吸収スペクトルが変化することがわかる。 FIG. 5 shows a measurement example of the reflection / absorption spectrum when the medium 2 is adsorbed and bonded to the MIM substrate 10. FIG. 5A shows an example in which the thickness d 3 of the gold thin film is 10 nm and the thickness d 4 of the PMMA thin film is 20 nm. (1) (1 in circles) is an AUT self-assembled monolayer film as the first layer of medium 2 prepared by immersing in an ethanol solution of AUT (aminoundecanethiol) for 1 hour and rinsing ( The reflection absorption spectrum of (SAM) is shown. Measurements were made at normal incidence. It is known from the measurement of SPR and ellipsometry that AUT SAM works as a dielectric thin film having a thickness of 1.4 nm and a refractive index of 1.5. The thickness d 4 of the PMMA thin film as a medium 4 can be known by comparing the results with the simulation results of the measured reflection absorption spectrum (AR spectrum), thereby, the thickness of the PMMA film d 4 = 20 nm could be estimated. In addition, (2) (2 in circles in the figure) shows a reflection absorption spectrum when the substrate on which AUT SAM is formed is biotinylated with Biotin-OSU as the second layer of the medium 2. (3) (3 in the circle in the figure) indicates that the biotinylated substrate is further exposed to anti-biotin antibody (IgG) (40 μM in PBS) as the third layer of medium 2 for 1 hour, rinsed with PBS and dried. The reflection / absorption spectrum is shown. Thus, it is understood that the reflection / absorption spectrum changes by adsorbing and coupling the medium 2 to the MIM substrate 10.

図5(b)に金薄膜の厚さd=10nm、PMMA薄膜の厚さd=55nmの例を示す。これは、高い反射率変化を与えた結果の例であり、反射率変化は大きいが、図4の領域外となる。上と同様に(1)(図中○内に1)はAUT SAMを形成した場合、(2)(図中○内に2)はビオチン化した場合、(3)(図中○内に3)はIgGが結合した場合の結果である。AUTにおいて大きな反射率変化が得られているが、IgGの結合による変化量は小さい。感度が高すぎると飽和してしまうためと考えられる。 FIG. 5B shows an example in which the thickness d 3 = 10 nm of the gold thin film and the thickness d 4 = 55 nm of the PMMA thin film. This is an example of the result of giving a high reflectance change, and the reflectance change is large but outside the region of FIG. As in the above (1) (1 in circle in the figure) is when AUT SAM is formed, (2) (2 in circle in the figure) is biotinylated, (3) (3 in circle in the figure) ) Is the result when IgG was bound. A large change in reflectance is obtained in the AUT, but the amount of change due to the binding of IgG is small. This is thought to be because if the sensitivity is too high, it will be saturated.

図5(c)に金薄膜の厚さd=12nm、PMMA薄膜の厚さd=55nmの例を示す。これは図5(b)に比して、少し感度を落とした基板で測定した例である。反射率変化は大きく、かつ図4の第1の領域内となる。上と同様に(1)(図中○内に1)はAUT SAMを形成した場合、(2)(図中○内に2)はビオチン化した場合、(3)(図中○内に3)はIgGが結合した場合の結果である。IgGによる結合も良好に観測されていることがわかる。 FIG. 5C shows an example in which the thickness d 3 of the gold thin film is 12 nm and the thickness d 4 of the PMMA thin film is 55 nm. This is an example of measurement using a substrate with a slightly lower sensitivity than in FIG. The reflectance change is large and is within the first region of FIG. As in the above (1) (1 in circle in the figure) is when AUT SAM is formed, (2) (2 in circle in the figure) is biotinylated, (3) (3 in circle in the figure) ) Is the result when IgG was bound. It can be seen that the binding by IgG is also observed well.

以上説明したように、本実施の形態によれば、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供できる。また、異常反射を用いることにより、単純な反射でバイオセンシングができ、バイオセンシングチップやその検出システムの低コスト化が可能となる。これにより、既存の表面プラズモン共鳴や局在化表面プラズモン共鳴を用いるバイオセンシング手法に置き換えられる可能性がある。   As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a biosensing substrate having a new structure that gives a large change in reflectance when protein, DNA, or the like is bound to or adsorbed to the substrate surface. Also, by using abnormal reflection, biosensing can be performed with simple reflection, and the cost of the biosensing chip and its detection system can be reduced. This may be replaced with a biosensing method using existing surface plasmon resonance or localized surface plasmon resonance.

[第2の実施の形態]
第2の実施の形態では、媒質3が金で、周辺媒質が水(屈折率n=1.33)の場合について説明する。バイオセンシングのその場観察では、水や緩衝溶液中での検出が主であるため、周辺媒質が水の場合を考える。基板の構造は第1の実施の形態と同様にMIM基板である。
[Second Embodiment]
In the second embodiment, a case where the medium 3 is gold and the surrounding medium is water (refractive index n 1 = 1.33) will be described. In-situ observation of biosensing mainly involves detection in water or buffer solution, so consider the case where the surrounding medium is water. The structure of the substrate is an MIM substrate as in the first embodiment.

図6に、周辺媒質が水の場合、屈折率n=1.5、厚さ1nmの媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性を示す。計算条件で、第1の実施の形態と異なる点は、周辺媒質1の屈折率(水は1.33)が異なるだけである。図6(a)には媒質3の厚さd=10nm、媒質4の厚さd=35nm〜70nmの例、図6(b)には媒質3の厚さd=15nm、媒質4の厚さd=60nm〜70nmの例、図6(c)には媒質3の厚さがd=20nm、媒質4の厚さd=68nm〜75nmの例を示す。 FIG. 6 shows the wavelength dependency of the reflectance of the surface of the medium 3 when the medium 2 having a refractive index n 2 = 1.5 and a thickness of 1 nm is adsorbed when the surrounding medium is water. The calculation condition is different from the first embodiment only in the refractive index of the surrounding medium 1 (water is 1.33). FIG. 6A shows an example in which the thickness d 3 of the medium 3 is 10 nm and the thickness d 4 of the medium 4 is 35 nm to 70 nm. FIG. 6B shows the thickness d 3 of the medium 3 is 15 nm. examples of thickness d 4 = 60nm~70nm, the thickness of the medium 3 in FIG. 6 (c) shows an example of a d 3 = 20 nm, the thickness of the medium 4 d 4 = 68nm~75nm.

図6(a)によれば、波長400nm以下の広い領域においてd=35nmの時はR/Rは95.5%となり4.5%の反射率変化が起こっていることがわかる。さらに、d=40nmの時はR/Rは最小値で93.9%、d=45nmの時は370nm付近に下に凸のピークが現れ、R/Rは最小値で90.1%、d=50nmの時はR/Rは最小値で84.9%、d=55nmの時は下に凸の鋭いピークとなり、R/Rは最小値で18.4%となる。また、d=60nmの時は上に凸のピークとなり最大値でR/R=116%、d=65nmの時は最大値でR/R=106%、d=70nmの時は最大値でR/R=104%となる。dの値により様々なR/Rの極値が与えられ、大きな反射率変化が得られる場合もある。しかしながら必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 FIG. 6A shows that R / R 0 is 95.5% and a reflectance change of 4.5% occurs when d 4 = 35 nm in a wide region having a wavelength of 400 nm or less. Further, d 4 = R / R 0 when the 40nm is 93.9% at the minimum value, the peak of the convex appears below in the vicinity of 370nm when the d 4 = 45nm, R / R 0 is the minimum value 90. When 1% and d 4 = 50 nm, R / R 0 has a minimum value of 84.9%, and when d 4 = 55 nm, the peak has a sharp convex peak, and R / R 0 has a minimum value of 18.4%. It becomes. Further, when d 4 = 60 nm, the peak is convex upward and the maximum value is R / R 0 = 116%. When d 4 = 65 nm, the maximum value is R / R 0 = 106% and d 4 = 70 nm. The maximum value is R / R 0 = 104%. given various extremes of R / R 0 by the value of d 4, a large change in reflectivity is sometimes obtained. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図6(b)によれば、波長500nm以下の領域において、d=60nmの時は波長475nm付近でR/Rは最小値で90.2%となり、9.8%の反射率変化が起こっていることがわかる。さらに、d=62nmの時はR/Rは最小値で83%、d=63nmの時はR/Rは最小値で71%となる下に凸のピークが現れた。また、d=65nmの時は上に凸のピークが現れ、R/Rは最大値で171%、d=70nmの時はR/Rは最大値で108%、となる。dの値により様々なR/Rが与えられ、いずれの場合も大きな反射率変化が得られる。しかしながら、必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 According to FIG. 6B, in the region of wavelength 500 nm or less, when d 4 = 60 nm, R / R 0 is 90.2% at the minimum value near the wavelength 475 nm, and the reflectance change is 9.8%. You can see what is happening. Further, when d 4 = 62 nm, R / R 0 had a minimum value of 83%, and when d 4 = 63 nm, R / R 0 had a minimum value of 71%, and a convex peak appeared. Further, when d 4 = 65 nm, a convex peak appears, and R / R 0 has a maximum value of 171%, and when d 4 = 70 nm, R / R 0 has a maximum value of 108%. Various values of R / R 0 are given by the value of d 4, and a large change in reflectance is obtained in any case. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図6(c)によれば、波長500nm付近の領域において、d=68nmの時は下に凸のピークが現れ、R/Rは最小値で86.9%となり13.1%の反射率変化が起こっていることがわかる。さらに、d=70nmの時はR/Rは最小値で68.2%となる。また、d=72nmの時はR/Rは最大値で157%、d=75nmの時はR/Rは最大値で110%となる。dの値により様々なR/Rが与えられ、いずれの場合も大きな反射率変化が得られる。しかしながら、必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなり、図6(a)〜(c)を比較すると、dの値が増加するにつれて、同じdに対して最小値又は最大値を示す波長も長くなる。 According to FIG. 6C, a convex peak appears downward when d 4 = 68 nm in the region near the wavelength of 500 nm, and R / R 0 is 86.9% as a minimum value, and is reflected at 13.1%. It can be seen that a rate change has occurred. Further, when d 4 = 70 nm, R / R 0 is 68.2% as a minimum value. Further, when d 4 = 72 nm, R / R 0 has a maximum value of 157%, and when d 4 = 75 nm, R / R 0 has a maximum value of 110%. Various values of R / R 0 are given by the value of d 4, and a large change in reflectance is obtained in any case. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. Further, as the value of d 4 increases, the wavelength indicating the minimum value or the maximum value becomes longer. When comparing FIGS. 6A to 6C, as the value of d 3 increases, the same d 4 is obtained. The wavelength indicating the minimum value or the maximum value also becomes longer.

図7に、媒質1が水の場合について、上述のdとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットしたものを示す。●はd=10nm、□はd=15nm、◇はd=20nmのデータであり、各d(nm)についてR/Rの値は最大値又は最小値をプロットした。例えば、d=40nmでR/R=93.9%、d=70nmでR/R=104%となる。また、Rが0.5%以上、厚さ1nmの媒質2が媒質3に吸着・結合した際の変化量は3%以上の、バイオセンシング用基板として適当である領域をハッチで示した。 FIG. 7 shows a plot of the relationship between R / R 0 and R 0 against the combination of d 3 and d 4 described above when the medium 1 is water. ● is data of d 3 = 10 nm, □ is data of d 3 = 15 nm, ◇ is data of d 3 = 20 nm, and the value of R / R 0 for each d 4 (nm) is plotted as a maximum value or a minimum value. For example, when d 4 = 40 nm, R / R 0 = 93.9%, and when d 4 = 70 nm, R / R 0 = 104%. In addition, a region suitable for a biosensing substrate is indicated by hatching, where R 0 is 0.5% or more and the amount of change when the medium 2 having a thickness of 1 nm is adsorbed / bonded to the medium 3 is 3% or more.

図8に、金属薄膜又は合金薄膜3の膜厚d(nm)及び誘電体薄膜4の膜厚d(nm)が、(d、d)座標系において、上記条件を満たす領域にある組み合わせを線Iで示す。これより、媒質1が水の場合には、d=10nmの場合にはd=35〜50nmまたは65〜70nm好ましいことがわかった。また、d=15nmの場合には、d=50〜55nmの場合にR=0.5%以上、R/R=0.95%程度となり、良い結果を与えることがわかった。マージンを含めると、(8,33)、(8,52)、(13,57)、(17,57)、(17,48)、(12,33)で囲まれた第3の領域(図では領域3と示す)、又は(8,63)、(8,72)、(12,72)、(12,63)で囲まれた第2の領域内にある点が良い結果を与えると推定される。なお、第3の領域は第1の領域に含まれ、第1の領域は空気中又は水中のいずれかで良い結果を与える領域でもある。 8, the thickness d 3 of the thin metal film or alloy film 3 (nm) and the thickness d 4 of the dielectric thin film 4 (nm) is, in (d 3, d 4) coordinate system, the above condition is satisfied region A combination is indicated by line I. From this, it was found that when the medium 1 is water, d 4 = 35 to 50 nm or 65 to 70 nm is preferable when d 3 = 10 nm. Further, it was found that when d 3 = 15 nm, R 0 = 0.5% or more and R / R 0 = 0.95% when d 4 = 50 to 55 nm, giving good results. When a margin is included, a third region (FIG. 5) surrounded by (8, 33), (8, 52), (13, 57), (17, 57), (17, 48), (12, 33). In this case, it is estimated that a point in the second region surrounded by (8, 63), (8, 72), (12, 72), (12, 63) gives a good result. Is done. Note that the third region is included in the first region, and the first region is also a region that gives good results in either air or water.

本実施の形態においても、MIM構造の基板を用いるので、第1の実施の形態と同様に、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供できる。また、異常反射を用いることにより、単純な反射でバイオセンシングができ、バイオセンシングチップやその検出システムの低コスト化が可能となる。   Also in this embodiment, since the MIM structure substrate is used, as in the first embodiment, a biostructure with a new structure that gives a large change in reflectivity when protein or DNA is bound to or adsorbed to the substrate surface. A sensing substrate can be provided. Also, by using abnormal reflection, biosensing can be performed with simple reflection, and the cost of the biosensing chip and its detection system can be reduced.

[第3の実施の形態]
第3の実施の形態では媒質5を銀にした場合について説明する。
図9に、媒質5が銀、周辺媒質1が空気の場合の反射吸収スペクトルのシミュレーション結果の例を示す。屈折率n=1.5、厚さ1nmの媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性の例である。媒質2が吸着・結合する前の反射率をR、吸着・結合後の反射率をRとし、R/Rをシミュレーションしプロットしたものである。計算条件は、周辺媒質1は空気(屈折率1)、媒質3は金属薄膜又は合金薄膜としての金薄膜、媒質4は屈折率1.5の誘電体薄膜、媒質5は銀の基板下層とし、媒質3の厚さd及び媒質4の厚さdをパラメータとしていくつかの組み合わせについてシミュレーションを行った。媒質5は銀薄膜でも100nm以上であれば十分厚いため、計算では半無限大として考えることができる。図9(a)には媒質3の厚さd=10nm、媒質4の厚さd=40nm〜70nmの例、図9(b)には媒質3の厚さd=15nm、媒質4の厚さd=40nm〜75nmの例、図9(c)には媒質3の厚さd=20nm、媒質4の厚さd=40nm〜75nmの例を示す。
[Third Embodiment]
In the third embodiment, a case where the medium 5 is silver will be described.
FIG. 9 shows an example of a simulation result of the reflection / absorption spectrum when the medium 5 is silver and the surrounding medium 1 is air. This is an example of the wavelength dependence of the reflectance of the surface of the medium 3 when the medium 2 having a refractive index n 2 = 1.5 and a thickness of 1 nm is adsorbed. R 0 the reflectance before the medium 2 is adsorbed and bonding, in which the reflectance after adsorption and binding and R, was plotted to simulate the R / R 0. The calculation condition is that the surrounding medium 1 is air (refractive index 1), the medium 3 is a gold thin film as a metal thin film or an alloy thin film, the medium 4 is a dielectric thin film having a refractive index of 1.5, and the medium 5 is a silver substrate lower layer. Simulations were performed for several combinations using the thickness d 3 of the medium 3 and the thickness d 4 of the medium 4 as parameters. Since the medium 5 is a silver thin film that is sufficiently thick if it is 100 nm or more, it can be considered as semi-infinite in the calculation. FIG. 9A illustrates an example in which the thickness d 3 of the medium 3 is 10 nm and the thickness d 4 of the medium 4 is 40 nm to 70 nm. FIG. 9B illustrates the thickness d 3 of the medium 3 is 15 nm. examples of thickness d 4 = 40nm~75nm, showing an example of a thickness d 4 = 40nm~75nm thickness d 3 = 20 nm of the medium 3 in FIG. 9 (c), the medium 4.

図9(a)によれば、d=40nmの時には波長330nm〜375nmの波長領域でR/Rは5%以上増加し、波長375nm〜450nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=45nmの時には波長350nm〜380nmの波長領域でR/Rは5%以上増加し、波長400nm〜450nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=50nmの時には波長370nm〜420nmの波長領域でR/Rは5%以上増加し、波長430nm〜450nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=55nmの時には波長400nm〜430nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=60nmの時には波長420nm〜440nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=65nmの時には波長430nm〜440nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。これは誘電体薄膜4が共振器のような作用をしていることを裏付けている。 According to FIG. 9A, when d 4 = 40 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of wavelength from 330 nm to 375 nm, and R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of wavelength from 375 nm to 450 nm. Decrease. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 45 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 350 nm to 380 nm, and R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 400 nm to 450 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 50 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of wavelength 370 nm to 420 nm, and R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelength 430 nm to 450 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 55 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 400 nm to 430 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 60 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of 420 nm to 440 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 65 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 430 nm to 440 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long. This confirms that the dielectric thin film 4 acts like a resonator.

図9(b)によれば、d=40nmの時には波長330nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=45nmの時には波長390nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=50nmの時には波長410nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=55nmの時には波長430nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=60nmの時には波長450nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=65nmの時には波長430nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=70nmの時には波長450nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=75nmの時には波長470nm〜480nmの波長領域でR/Rは5%以上増加している。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 According to FIG. 9B, when d 4 = 40 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 330 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 45 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength range of 390 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 50 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength range of 410 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 55 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength range of 430 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 60 nm, R / R 0 is decreased by 5% or more in the wavelength region of 450 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 65 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 430 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 70 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 450 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 75 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of 470 nm to 480 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図9(c)によれば、d=60nmの時には波長470nm〜490nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=65nmの時には波長470nm〜490nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=70nmの時には波長480nm〜490nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=75nmの時には波長470nm〜480nmの波長領域でR/Rは5%以上増加する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなり、図9(a)〜(c)を比較すると、dの値が増加するにつれて、同じdに対して最小値又は最大値を示す波長も長くなる。これは金薄膜3も共振器の作用に寄与していることを裏付けている。 According to FIG. 9C, when d 4 = 60 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelength 470 nm to 490 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 65 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength range of 470 nm to 490 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 70 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of 480 nm to 490 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 75 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 470 nm to 480 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. Further, as the value of d 4 increases, the wavelength indicating the minimum value or the maximum value becomes longer. When comparing FIGS. 9A to 9C, as the value of d 3 increases, the same d 4 is obtained. The wavelength indicating the minimum value or the maximum value also becomes longer. This confirms that the gold thin film 3 also contributes to the action of the resonator.

図10に媒質5が銀、周辺媒質1が水の場合の反射吸収スペクトルのシミュレーション結果の例を示す。屈折率n=1.5、厚さ1nmの媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性の例である。媒質2が吸着・結合する前の反射率をR、吸着・結合後の反射率をRとし、R/Rをシミュレーションしプロットしたものである。計算条件は、周辺媒質1は水(屈折率1.33)、媒質3は金属薄膜又は合金薄膜としての金薄膜、媒質4は屈折率1.5の誘電体薄膜、媒質5は銀の基板下層とし、媒質3の厚さd及び媒質4の厚さdをパラメータとしていくつかの組み合わせについてシミュレーションを行った。媒質5は銀薄膜でも100nm以上であれば十分厚いため、計算では半無限大として考えることができる。図10(a)には媒質3の厚さd=15nm、媒質4の厚さd=15nm〜40nmの例、図10(b)には媒質3の厚さd=20nm、媒質4の厚さd=45nm〜70nmの例、図10(c)には媒質3の厚さd=25nm、媒質4の厚さd=50nm〜80nmの例を示す。 FIG. 10 shows an example of a simulation result of the reflection absorption spectrum when the medium 5 is silver and the surrounding medium 1 is water. This is an example of the wavelength dependence of the reflectance of the surface of the medium 3 when the medium 2 having a refractive index n 2 = 1.5 and a thickness of 1 nm is adsorbed. R 0 the reflectance before the medium 2 is adsorbed and bonding, in which the reflectance after adsorption and binding and R, was plotted to simulate the R / R 0. The calculation conditions are: peripheral medium 1 is water (refractive index 1.33), medium 3 is a gold thin film as a metal thin film or alloy thin film, medium 4 is a dielectric thin film having a refractive index of 1.5, and medium 5 is a silver substrate lower layer. The simulation was performed for several combinations using the thickness d 3 of the medium 3 and the thickness d 4 of the medium 4 as parameters. Since the medium 5 is a silver thin film that is sufficiently thick if it is 100 nm or more, it can be considered as semi-infinite in the calculation. FIG. 10A shows an example in which the thickness d 3 of the medium 3 is 15 nm and the thickness d 4 of the medium 4 is 15 nm to 40 nm. FIG. 10B shows the thickness d 3 of the medium 3 is 20 nm. examples of thickness d 4 = 45nm~70nm, showing an example of a thickness d 4 = 50nm~80nm of Figure 10 the thickness of the (c) the medium 3 d 3 = 25nm, medium 4.

図10(a)によれば、d=30nmの時には波長340nm〜360nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=35nmの時には波長360nm〜380nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=40nmの時には波長370nm〜390nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 According to FIG. 10A, when d 4 = 30 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 340 nm to 360 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 35 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of 360 to 380 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 40 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 370 nm to 390 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図10(b)によれば、d=60nmの時には波長440nm〜460nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=65nmの時には波長450nm〜470nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=70nmの時には波長460nm〜460nmの波長領域でR/Rは5%以上増加する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=75nmの時には波長470nm〜480nmの波長領域でR/Rは5%以上増加する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=80nmの時には波長480nm〜485nmの波長領域でR/Rは5%以上増加する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなる。 According to FIG. 10B, when d 4 = 60 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 440 nm to 460 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 65 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths from 450 nm to 470 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 70 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 460 nm to 460 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 75 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength range of 470 nm to 480 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 80 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of 480 nm to 485 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. The wavelength showing a minimum or maximum value as the value of d 4 is increased becomes long.

図10(c)によれば、d=70nmの時には波長470nm〜480nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=80nmの時には波長480nm〜485nmの波長領域でR/Rは5%以上減少する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。d=80nmの時には波長475nm〜485nmの波長領域でR/Rは5%以上増加する。すなわち、媒質2の結合により5.0%の反射率変化が起こっていることがわかる。しかしながら、後述するように必ずしも大きな反射率変化が得られる場合が実用上好ましいというわけではない。また、dの値が増加するにつれて最小値又は最大値を示す波長が長くなり、図10(a)〜(c)を比較すると、dの値が増加するにつれて、同じdに対して最小値又は最大値を示す波長も長くなる。これは金薄膜3も共振器の作用に寄与していることを裏付けている。 According to FIG. 10C, when d 4 = 70 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength region of wavelengths 470 nm to 480 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 80 nm, R / R 0 decreases by 5% or more in the wavelength range of 480 nm to 485 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. When d 4 = 80 nm, R / R 0 increases by 5% or more in the wavelength region of 475 nm to 485 nm. That is, it can be seen that the reflectance change of 5.0% occurs due to the coupling of the medium 2. However, as will be described later, it is not always preferable in practice to obtain a large change in reflectance. Further, as the value of d 4 increases, the wavelength indicating the minimum value or the maximum value becomes longer. When comparing FIGS. 10A to 10C, as the value of d 3 increases, the same d 4 is obtained. The wavelength indicating the minimum value or the maximum value also becomes longer. This confirms that the gold thin film 3 also contributes to the action of the resonator.

バイオセンシング用基板の感度を表す一つの指標としてR/Rがあり、媒質2が吸着・結合した際に1に比べて十分小さい又は十分大きいことが求められる。金の異常反射では空気中でR/Rは約98.7%である。図2に示したように、MIM基板では大きな変化を得ることができる。しかしながら、このように大きなR/Rを与える基板であっても入射光13に対する反射率Rが小さければ、得られる信号は小さく良い結果が得られない。 One index representing the sensitivity of the biosensing substrate is R / R0 , which is required to be sufficiently smaller or larger than 1 when the medium 2 is adsorbed and bonded. In the abnormal reflection of gold, R / R 0 is about 98.7% in air. As shown in FIG. 2, a large change can be obtained in the MIM substrate. However, even if the substrate gives such a large R / R 0 , if the reflectance R 0 with respect to the incident light 13 is small, the obtained signal is small and a good result cannot be obtained.

図11に、媒質5が銀の場合、上述のdとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットしたものを示す。図11(a)に周辺媒質1が空気の場合の例を、図11(b)に周辺媒質1が水の場合の例を示す。図11(a)及び図11(b)において、●はd=10nm、□はd=15nm、◇はd=20nmのデータであり、各d(nm)についてR/Rの値は最大値又は最小値をプロットした。ハロゲンランプ等のインコヒーレント光源を用いた場合、1秒程度の測定で十分なS/N比を確保するためには、少なくとも入射光強度の0.5%程度の反射率が必要である。そのため、R/Rが1に比べて十分小さい、又は、十分大きくても、R<0.5%では反射率が低過ぎ、バイオセンシング用基板として適当であるとは言い難い。また、厚さ1nmの媒質2が媒質3に吸着・結合した際の変化量は3%以上あれば、先行技術である異常反射や比較例のバイオセンシング用基板に対して優位であると考えられるので、この2つの条件を満たす領域をハッチで示した。 FIG. 11 shows a plot of the relationship between R / R 0 and R 0 for the combination of d 3 and d 4 described above when the medium 5 is silver. FIG. 11A shows an example where the surrounding medium 1 is air, and FIG. 11B shows an example where the surrounding medium 1 is water. In FIG. 11A and FIG. 11B, ● is data of d 3 = 10 nm, □ is data of d 3 = 15 nm, ◇ is data of d 3 = 20 nm, and R / R 0 of each d 4 (nm) Values were plotted as maximum or minimum values. When an incoherent light source such as a halogen lamp is used, a reflectance of at least about 0.5% of the incident light intensity is required in order to ensure a sufficient S / N ratio by measurement for about 1 second. Therefore, even if R / R 0 is sufficiently smaller than 1 or sufficiently large, if R 0 <0.5%, the reflectance is too low and it is difficult to say that it is suitable as a biosensing substrate. Further, if the amount of change when the medium 2 having a thickness of 1 nm is adsorbed and bonded to the medium 3 is 3% or more, it is considered that it is superior to the prior art abnormal reflection and the biosensing substrate of the comparative example. Therefore, areas that satisfy these two conditions are indicated by hatching.

図12に、媒質5が銀の場合、(d、d)座標系において、バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを示す。図12(a)に周辺媒質1が空気の場合を、図12(b)に周辺媒質1が水の場合を示す。金属薄膜又は合金薄膜3の膜厚d(nm)及び誘電体薄膜4の膜厚d(nm)が、(d、d)座標系において、上記バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを線Iで示す。図12(a)より、空気中では、d=10nmの際には、d=40〜65nmが好ましいことがわかった。また、d=15nmの場合には、d=40〜75nmが良い結果を与えることがわかった。また、d=20nmの場合には、d=60〜75nmが良い結果を与えることがわかった。マージンを含めると、(8,52)、(8,72)、(13,77)、(17,77)、(22,62)、(22,48)、(17,43)、(13,38)で囲まれた第4の領域(図では領域4と示す)の中で(12,68)、(18,68)、(18,52)、(12,52)で囲まれた第5の領域(図では領域5と示す)をのぞいた部分にある点が良い結果を与えると推定される。これ以外の場合にはRが小さく、実用に供するには、高感度の検出装置と理想的な構造の作製が必要である。 FIG. 12 shows combinations in a region satisfying conditions suitable as a biosensing substrate in the (d 3 , d 4 ) coordinate system when the medium 5 is silver. FIG. 12A shows the case where the surrounding medium 1 is air, and FIG. 12B shows the case where the surrounding medium 1 is water. Thickness d 3 of the thin metal film or alloy film 3 (nm) and the thickness d 4 of the dielectric thin film 4 (nm) is, in (d 3, d 4) coordinate system, is suitable as a substrate for the biosensing conditions A combination in a region satisfying is indicated by a line I. FIG. 12A shows that d 4 = 40 to 65 nm is preferable in the air when d 3 = 10 nm. It was also found that d 4 = 40 to 75 nm gives good results when d 3 = 15 nm. It was also found that d 4 = 60 to 75 nm gives good results when d 3 = 20 nm. Including the margin, (8, 52), (8, 72), (13, 77), (17, 77), (22, 62), (22, 48), (17, 43), (13, 38) and the fifth region surrounded by (12, 68), (18, 68), (18, 52), (12, 52) in the fourth region (shown as region 4 in the figure). It is estimated that a point in a portion excluding the region (shown as region 5 in the figure) gives a good result. In other cases, R is small, and in order to put it to practical use, it is necessary to produce a highly sensitive detection device and an ideal structure.

また、12(b)より、水中では、d=15nmの際には、d=30〜40nmが好ましいことがわかった。また、d=20nmの場合には、d=60〜70nmが良い結果を与えることがわかった。また、d=25nmの場合には、d=75〜80nmが良い結果を与えることがわかった。マージンを含めると、(13,13)、(13,32)、(23,77)、(27,77)、(27,72)、(27,58)、(22,42)、(18,43)、(17,13)で囲まれた第6の領域(図では領域6と示す)の中で(17,57)、(23,57)、(23,73)、(17,73)で囲まれた第7の領域(図では領域7と示す)をのぞいた部分にある点が良い結果を与えると推定される。すなわち、水中でも空気中とほぼ同様の条件で良好な感度が得られる。これ以外の場合にはRが小さく、実用に供するには、高感度の検出装置と理想的な構造の作製が必要である。 Moreover, from 12 (b), it was found that d 4 = 30 to 40 nm is preferable in water when d 3 = 15 nm. It was also found that d 4 = 60 to 70 nm gives good results when d 3 = 20 nm. It was also found that d 4 = 75 to 80 nm gives good results when d 3 = 25 nm. When the margin is included, (13, 13), (13, 32), (23, 77), (27, 77), (27, 72), (27, 58), (22, 42), (18, 43), (17, 57), (23, 57), (23, 73), (17, 73) in the sixth area (shown as area 6 in the figure) surrounded by (17, 13) It is presumed that a point in a portion excluding the seventh region (indicated by region 7 in the figure) surrounded by 与 え る gives a good result. That is, good sensitivity can be obtained even in water under almost the same conditions as in air. In other cases, R is small, and in order to put it to practical use, it is necessary to produce a highly sensitive detection device and an ideal structure.

本実施の形態においても、MIM構造の基板を用いるので、第1及び第2の実施の形態と同様に、蛋白質やDNAなどが基板表面に結合・吸着した際に大きな反射率変化を与える新たな構造のバイオセンンシング用基板を提供できる。また、異常反射を用いることにより、単純な反射でバイオセンシングができ、バイオセンシングチップやその検出システムの低コスト化が可能となる。   Also in this embodiment, since the MIM structure substrate is used, as in the first and second embodiments, a new reflectance change that greatly changes when protein, DNA, or the like is bound to or adsorbed to the substrate surface. A substrate for structure biosensing can be provided. Also, by using abnormal reflection, biosensing can be performed with simple reflection, and the cost of the biosensing chip and its detection system can be reduced.

以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は上記の実施の形態に限定されるものではなく、実施の形態に種々変更を加えられることは明白である。   Although the embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and it is obvious that various modifications can be made to the embodiments.

例えば、以上の実施の形態では、媒質5が金の例を説明したが、その他の金属又は合金でも良い。また、基板下層5がガラスチップ、プラスチックチップ等の支持板上に形成されていても良い。また、媒質4がPMMAの例を説明したが、ガラス、SiO,MgF等その他の透明な誘電体を用いても良い。また、媒質3が金の例を説明したが、その他の異常反射を生じる金属又は合金、例えば金を主体とする合金又は銅を主体とする金属又は合金を用いても良い。また、媒質2を適宜選択可能であり、媒質2に対応して媒質1を空気又は水以外の気体又は液体でも良い。また、各媒質の膜厚、屈折率を適宜選択・調整可能である。 For example, in the above embodiment, an example in which the medium 5 is gold has been described, but other metals or alloys may be used. The substrate lower layer 5 may be formed on a support plate such as a glass chip or a plastic chip. In addition, although the example in which the medium 4 is PMMA has been described, other transparent dielectric materials such as glass, SiO 2 , and MgF may be used. Further, the example in which the medium 3 is gold has been described, but other metals or alloys that cause abnormal reflection, for example, an alloy mainly composed of gold or a metal or alloy mainly composed of copper may be used. The medium 2 can be selected as appropriate, and the medium 1 may be a gas or liquid other than air or water corresponding to the medium 2. Further, the film thickness and refractive index of each medium can be appropriately selected and adjusted.

本発明は、バイオセンシングに利用される。   The present invention is used for biosensing.

本発明におけるバイオセンシング用基板の構成例を示す図である。It is a figure which shows the structural example of the board | substrate for biosensing in this invention. 媒質5が金で、周辺媒質が空気の場合、屈折率n=1.5の媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性の例を示す図である。When the medium 5 is gold and the surrounding medium is air, it is a figure which shows the example of the wavelength dependence of the reflectance of the medium 3 surface when the medium 2 of refractive index n2 = 1.5 adsorb | sucks. 媒質5が金で、周辺媒質1が空気の場合について、dとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットした図である。Medium 5 is gold, the case surrounding medium 1 is air, is a plot of relationship between the R / R 0 and R 0 to the combination of d 3 and d 4. 媒質5が金で、周辺媒質1が空気の場合、(d、d)座標系において、バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを示す図である。Medium 5 is gold, if the peripheral medium 1 is air, in (d 3, d 4) coordinate system is a diagram showing a combination in satisfying region it is suitable as a substrate for biosensing. MIM基板に媒質を形成したときの反射吸収スペクトルの測定例を示す図である。It is a figure which shows the example of a measurement of a reflection absorption spectrum when a medium is formed in a MIM board | substrate. 媒質5が金で、周辺媒質が水の場合、屈折率n=1.5の媒質2が吸着した際の媒質3表面の反射率の波長依存性の例を示す図である。Medium 5 is gold, if the peripheral medium is water, a medium 2 of refractive index n 2 = 1.5 is a diagram showing an example of a wavelength dependence of the reflectance of the medium 3 surface when adsorbed. 媒質5が金で、周辺媒質1が水の場合について、dとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットした図である。Medium 5 is gold, the case surrounding medium 1 is water, is a plot of relationship between the R / R 0 and R 0 to the combination of d 3 and d 4. 媒質5が金で、周辺媒質1が水の場合、(d、d)座標系において、バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを示す図である。Medium 5 is gold, if the peripheral medium 1 is water, the (d 3, d 4) coordinate system is a diagram showing a combination in satisfying region it is suitable as a substrate for biosensing. 媒質5が銀、周辺媒質が空気の場合の反射吸収スペクトルのシミュレーション結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the simulation result of the reflection absorption spectrum in case the medium 5 is silver and the surrounding medium is air. 媒質5が銀、周辺媒質が水の場合の反射吸収スペクトルのシミュレーション結果の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the simulation result of the reflection absorption spectrum in case the medium 5 is silver and the surrounding medium is water. 媒質5が銀の場合、dとdの組み合わせに対してR/RとRの関係をプロットした図である。If the medium 5 is silver, it is a plot of relationship between the R / R 0 and R 0 to the combination of d 3 and d 4. 媒質5が銀の場合、(d、d)座標系において、バイオセンシング用基板として適当である条件を満たす領域にある組み合わせを示す図である。If the medium 5 is silver, the (d 3, d 4) coordinate system is a diagram showing a combination in satisfying region is suitable as a substrate for biosensing. バイオセンシングの原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the principle of biosensing. 表面プラズモン共鳴を用いたバイオセンシングを説明するための図である。It is a figure for demonstrating the biosensing using surface plasmon resonance.

符号の説明Explanation of symbols

1 周辺媒質(媒質1)
2 検出対象分子(アナライト、媒質2)
3 金属薄膜(媒質3)
4 誘電体薄膜(媒質4)
5 基板下層(媒質5)
6 リガンド
7 基板
10 バイオセンシング用基板
11 プリズム
12 金属薄膜
13 入射光
14 反射光
〜d 媒質2〜媒質4の膜厚
〜n 媒質1〜媒質5の屈折率
R 媒質2が存在する場合の反射率
媒質2が存在しない場合の反射率
SPs 伝搬型表面プラズモン
ΔR 反射率変化
θ 入射角
θr 共鳴角
1 Peripheral medium (medium 1)
2 Molecules to be detected (analyte, medium 2)
3 Metal thin film (medium 3)
4 Dielectric thin film (medium 4)
5 Lower layer of substrate (medium 5)
6 is a refractive index R medium 2 having a thickness of n 1 ~n 5 medium 1 medium 5 ligand 7 substrate 10 biosensing substrate 11 prism 12 metal films 13 incident light 14 reflected light d 2 to d 4 medium 2 medium 4 Reflectivity R 0 when present Reflectivity SPs when medium 2 is not present Propagation type surface plasmon ΔR Reflectivity change θ Incident angle θr Resonance angle

Claims (5)

金属又は合金からなる基板下層と;
前記基板下層上に形成された誘電体薄膜と;
前記誘電体薄膜上に形成された異常反射を生じる金属薄膜又は合金薄膜とを備える:
バイオセンンシング用基板。
A substrate lower layer made of metal or alloy;
A dielectric thin film formed on the lower layer of the substrate;
A metal thin film or an alloy thin film that is formed on the dielectric thin film and causes abnormal reflection;
Substrates for biosensing.
前記金属薄膜又は合金薄膜が金又は銅を主体とする;
請求項1に記載のバイオセンンシング用基板。
The metal thin film or alloy thin film is mainly composed of gold or copper;
The biosensing substrate according to claim 1.
前記誘電体薄膜が透明である;
請求項1又は請求項2に記載のバイオセンンシング用基板。
The dielectric thin film is transparent;
The biosensing substrate according to claim 1 or 2.
入射光に対する反射率が、検出対象分子の無いときをR、有るときをRとすると、Rが0.5%以上であり、R/Rが0.97%以下又は1.03%以上である;
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のバイオセンンシング用基板。
Reflectance of incident light and the absence of the detection target molecule R 0, a and R when there, R 0 is 0.5% or more, R / R 0 0.97% or less, or 1.03% Or more;
The biosensing substrate according to any one of claims 1 to 3.
前記金属薄膜又は合金薄膜の膜厚d(nm)及び誘電体薄膜の膜厚d(nm)が、(d、d)座標系において、(8,18)、(8,52)、(13,57)、(17,57)、(17,28)、(12,18)で囲まれた第1の領域、又は(8,63)、(8,72)、(12,72)、(12,63)で囲まれた第2の領域内にある;
請求項1ないし請求項3のいずれか1項に記載のバイオセンンシング用基板。
The metal thin film or the alloy film thickness d 3 (nm) and the thickness d 4 of the dielectric thin film (nm) is, in (d 3, d 4) coordinate system, (8,18), (8,52) , (13, 57), (17, 57), (17, 28), (12, 18) surrounded by the first region, or (8, 63), (8, 72), (12, 72) ), In the second region surrounded by (12, 63);
The biosensing substrate according to any one of claims 1 to 3.
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