JP2018031593A - 微粒子センシング素子及び微粒子評価システム - Google Patents

Abstract

【課題】微粒子センシング素子及び微粒子評価システムに関し、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子の検知を可能にする。
【解決手段】基板上に設けたスロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子捕獲領域とし、前記微粒子捕獲領域に電界を印加して捕獲した微粒子に光を照射してその散乱光を検出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、微粒子センシング素子及び微粒子評価システムに関するものであり、例えば、浮遊微粒子を光によりセンシングする微粒子センシング素子及び微粒子評価システムに関するものである。

従来、微粒子のセンシングに関しては、金属電極を用いた微粒子センシング素子が提案されている。図１２は、従来の微粒子センシング素子の説明図であり、図１２（ａ）は概略的斜視図であり、図１２（ｂ）は分子に親和性結合が作用しない状態の断面図であり、図１２（ｃ）は分子に親和性結合が作用した状態の断面図である（例えば、非特許文献１参照）。

図１２（ａ）に示すように、Ｓｉ基板１１１上にＢＯＸ層１１２を介して櫛歯部１１４,１２６を有する櫛歯電極１１３，１１５を設けて微粒子センシング素子を形成する。この微粒子センシング素子を浮遊物質としてグルコースを含んだＫＣｌ溶液中に浸漬してグルコースを検知する。櫛歯電極１１３，１１５の厚さは５０ｎｍで、幅５００ｎｍの櫛歯部１１４，１１６を間隔が５００ｎｍとなるように周期的に並べた構造となっている。櫛歯電極１１３，１１５を設けた領域は０．５ｍｍ^２である。なお、櫛歯電極１１３，１１５はＰｄで形成する。

図１２（ｂ）に示すように、櫛歯電極１１３，１１５に１００Ｈｚ〜１００ＭＨｚの高周波電圧を印加する。図１２（ｃ）に示すように、溶液中に浮遊物質であるグルコース１１６がある場合には、グルコース１１６に対する親和性結合により櫛歯部１１４,１２６のギャップに引き寄せられ、その時の高周波応答に伴うインピーダンスの変化を解析することによりトラップした物質の特性解析を行う。

図１３は、従来の他の微粒子センシング素子の説明図であり、図１３（ａ）はセンシング部の微小電極アレイの平面図であり、図１３（ｂ）は、蛍光による微粒子の検出状況の説明図である。図１３（ａ）に示すように、三角形状のＡｕからなる微小電極１２１，１２２をギャップ１２３を介して対向させた電極対を複数配置する（例えば、非特許文献２参照）。

図１３（ｂ）は、ギャップ１２３が５００ｎｍの微小電極１２１と微小電極１２２との間に１ＭＨｚ、１０Ｖの高周波を印加し、ギャップ１２３に単一のタンパク質分子１２４を引き寄せ、捕獲する。捕獲したタンパク質分子１２４に光を照射し、タンパク質分子１２４からの蛍光を検知することで、タンパク質分子１２４の特性解析を行う。この構成では単一のギャップ１２３の間隙長よりも小さな粒径の少数の微粒子をトラップすることも可能である。

Ｐ．Ｖ．Ｇｅｒｗｅｎ ｅｔ. ａｌ," Ｎａｎｏｓｃａｌｅｄ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｔｅｄ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ａｒｒａｙｓ ｆｏｒ ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｓｅｎｓｏｒｓ" Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ ４９, ｐ７３ （１９９８） Ｒ. Ｈｏｌｚｅｌ ｅｔ. ａｌ," Ｔｒａｐｐｉｎｇ Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｂｙ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ"Ｐｈｙｓｉｃａｌ ｒｅｖｉｅｗ ｌｅｔｔｅｒｓ ９５, １２８１０２（２００５） Ｐ. Ｊ. Ｈｅｓｋｅｔｈ, ｅｔ. ａｌ," ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｄｉｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｓｉｓ ｔｏ ｎａｎｏｗｉｒｅ ｓｏｒｔｉｎｇ ａｎｄ ａｓｓｅｍｂｌｙ ｆｏｒ ｓｅｎｓｏｒｓ", Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇ ｏｆ １３ｔｈ ｍｅｄｉｔｅｒｒａｎｉａｎ ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ ｏｎ ｃｏｎｔｒｏｌ ａｎｄ ａｕｔｏｍａｔｉｏｎ Ｌｉｍａｓｓｏｌ, ＭｏＡ０４（２００５)

図１２に示した微粒子センシング素子の場合には櫛歯電極に高密度にトラップされた微粒子の検知には高周波電流を用いれば容易に検知できる。しかし、捕獲微粒子がより小さく少数になると電流電圧特性から検知することは難しくなるという問題がある。

一方、図１３に示した微粒子センシング素子の場合には、捕獲した粒子の蛍光を測定することにより、微小かつ少量の粒子を検知できる。しかし、この手法では蛍光を発生する物質しか検知できないという問題がある。

本発明は、微粒子センシング素子及び微粒子評価システムにおいて、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子の検知を可能にすることを目的とする。

一つの態様では、微粒子センシング素子は、表面が絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、前記スロット導波路に光を入射する光入射部材とを備えている。

他の態様では、微粒子評価システムは、上述の微粒子センシング素子と、前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段とを備えている。

一つの側面として、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子を検知することが可能になる。

本発明の実施の形態の微粒子センシング素子の説明図である。 本発明の実施の形態における高屈折率領域の構成の説明図である。 本発明の実施の形態における高屈折率領域の他の構成の説明図である。 本発明の実施例１の微粒子センシング素子の概略的上面図である。 本発明の実施例１の微粒子センシング素子の構造説明図である。 本発明の実施例１の微粒子センシング素子を用いた微粒子評価システムの概念的構成図である。 本発明の実施例２の微粒子センシング素子の説明図である。 本発明の実施例３の微粒子センシング素子の説明図である。 本発明の実施例４の微粒子センシング素子の説明図である。 本発明の実施例５の微粒子センシング素子の説明図である。 本発明の実施例６の微粒子センシング素子の説明図である。 従来の微粒子センシング素子の説明図である。 従来の他の微粒子センシング素子の説明図である。

ここで、図１乃至図３を参照して、本発明の実施の形態の微粒子センシング素子を説明する。図１は本発明の実施の形態の微粒子センシング素子の説明図であり、図１（ａ）は概略的要部断面図であり、図１（ｂ）は微粒子捕獲領域の斜視図である。図に示すように、表面が絶縁性の基板１上に一対の高屈折率領域２，３と高屈折率領域２，３に挟まれた低屈折率領域となる凹部４を備えたスロット導波路を設ける。このスロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域とする。少なくともこの微粒子捕獲領域の直上に凹部４に食い込む領域を有する被検査溶液収容部１１を設けるとともに、スロット導波路に光を入射する光入射部材１４を設ける。表面が絶縁性の基板１とは、例えば、表面にＢＯＸ層となるＳｉＯ_２膜を設けたＳｉ基板や全体が絶縁性のＳｒＴｉＯ_３基板等である。また、低屈折率領域となる凹部４は空隙部であり、測定時には微粒子１３が含まれた被検査溶液１２で充填される。

測定時に、電圧印加部材８によるスロット導波路微粒子捕獲部に０Ｈｚ（ＤＣ）〜２００ＭＨｚ程度の電界を印加して、凹部４に微粒子１３を捕獲する。光入射部材１４により入射光１５をスロット導波路に入射すると、入射光１５は凹部４を中心として伝搬していき、捕獲された微粒子１３によりスロット導波路内の導波路モードが散乱され、残りは出射光１７として凹部４から放出される。微粒子１３により散乱された散乱光１６を検出して、微粒子１３の特性を解析する。なお、１０ＭＨｚ〜１００ＭＨｚ等の高周波を印加した場合には、微粒子１３の捕獲状況は微粒子１３の特性に応じた高周波応答性を有するので、高周波応答性から微粒子１３の特性を解析することがきる。

この場合、スロット導波路の表面を被検査溶液１２との反応等を防止するために、保護絶縁膜１０で覆っておくことが望ましい。また、被検査溶液収容部１１は、絶縁膜７，９に設けた空洞部で形成すれば良く、この被検査溶液収容部１１をマイクロ流路の一部として形成すれば、被検査溶液１２を流した状態で検査を行うことができる。なお、マイクロ流路を用いる場合には、被検査溶液１２の流速は数十μｍ／秒〜数百μｍ／秒程度とする。

スロット導波路としては、円環状或いはレーストラック状のリング共振器を用いても良く、この場合には、光入射部材１４としては、リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路を用いれば良い。リング共振を用いることによって、リング共振器に入射した光は循環するので、光の利用効率が高まるので、光源の出力を低くすることができる。なお、円環状のリング共振器としては、真円状のリング共振器でも良いし、楕円状のリング共振器でも良い。

或いは、光入射部材１４としてチャネル導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計を用いても良く、スロット導波路をマッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入すれば良い。この場合には、散乱光のみではなく、マッハツェンダ干渉計からの出力光の位相変化も評価することで、微粒子の捕獲量を評価することが可能になる。

また、いずれの場合も、微粒子捕獲領域において、一対の高屈折率領域２，３に頂部が互いに対向する少なくとも一対の突起状のドーピング領域を設けても良く、頂部において電界強度が高まるので、微粒子１３の捕獲効率が高まる。なお、一対のドーピング領域としては、典型的には三角形状突起状のドーピング領域を用いる。なお、このドーピング領域をブラック反射が起きる周期で周期的に配置することで、散乱光１６がブラック反射するので、この反射光により微粒子１３の捕獲状況を評価することができる。なお、ブラック反射が起きる周期は、３００μｍ〜１０００μｍ程度である。

スロット導波路としては、半導体スロット導波路を用いることができ、例えば、シリコンフォトニクス技術を利用して、基板１として表面にＳｉＯ_２膜を設けたシリコン基板を用いても良い。この場合には、半導体スロット導波路をシリコン細線スロット導波路で構成することができる。

或いは、スロット導波路として、強誘電体スロット導波路を用いても良いものであり、例えば、ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３スロット導波路やＬｉＮｂＯ_３スロット導波路等を用いても良い。

また、少なくとも凹部４の表面に抗体（ａｎｔｉｂｏｄｙ）を付着させても良い。なお、抗体とは糖タンパク分子であり、特定のタンパク質等の分子（抗原）を認識して選択的に結合する作用があるので、ターゲットにしている特定の微粒子１３を選択的に捕獲することが可能になる。

微粒子評価システムを構築する場合には、上述の微粒子センシング素子の光入射部材１４に光を入射するレーザ光源と、微粒子捕獲領域に捕獲された微粒子１３からの散乱光１６を検出する受光手段とを設ければ良い。

この場合、光入射部材の入射側或いは出射側の少なくとも一方に、入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータ或いは出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けることが望ましい。出射側に出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた場合には、出射光の強度により微粒子１３の捕獲状況を把握することできる。また、入射側に入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた場合には、捕獲された微粒子１３の密度が大きくなって出射光が大幅に減衰した場合にも、入射光の波長成分及び光強度を正確に把握することができる。

図２は、本発明の実施の形態における高屈折率領域の構成の説明図である。図２（ａ）は、高屈折率領域をｎ⁻型半導体領域２_１，３_１で形成したものである。図２（ｂ）は、高屈折率領域をｐ⁻型半導体領域２_２，３_２で形成したものである。図２（ｃ）は、一方の高屈折率領域をｎ⁻型半導体領域３_１で形成し、他方の屈折率領域をｐ⁻型半導体領域２_２で形成したものである。いずれの構成でも良いが、光が伝搬する近傍の高屈折率領域を低不純物濃度半導体で形成しているので、伝搬光の不所望な吸収損失を低減することができる。なお、電極形成領域は、高屈折率領域の導電型に対応した導電型の高不純物濃度領域で形成する。即ち、高屈折率領域がｎ⁻型半導体領域２_１，３_１の場合には、電極形成領域をｎ^＋型半導体領域５_１，６_１で形成する。高屈折率領域がｐ⁻型半導体領域２_２，３_２の場合には、電極形成領域をｐ^＋型半導体領域５_２，６_２で形成する。なお、低不純物濃度領域の極限として、ノンドープ半導体領域を用いても良い。

図３は、本発明の実施の形態における高屈折率領域の他の構成の説明図である。図３（ａ）は、高屈折率領域をｎ^＋型半導体領域２_３，３_３で形成したものである。図３（ｂ）は、高屈折率領域をｐ^＋型半導体領域２_４，３_４で形成したものである。図３（ｃ）は、一方の高屈折率領域をｎ^＋型半導体領域３_３で形成し、他方の屈折率領域をｐ^＋型半導体領域２_４で形成したものである。この場合には、高屈折率領域を高不純物濃度半導体で形成しているので、電界を効率的に印加することが可能になる。この場合も、電極形成領域は、高屈折率領域の導電型に対応した導電型の高不純物濃度領域で形成する。なお、高屈折率領域は半導体領域に限られるものではなく、ＬｉＮｂＯ_３やＳｒＴｉＯ_３等の強誘電体領域、特に、導電性を有するＮｂドープＳｒＴｉＯ_３等で形成しても良い。

このように、本発明の実施の形態においては、電界により、スロット導波路の凹部４に引き寄せられた微粒子１３を導波路モードの散乱光を用いて検知することにより、発光・非発光にかかわらず微粒子の捕獲を検知することが可能になる。スロット導波路に両脇に形成した電極形成領域５,６を介して電圧印加部材８により電圧を印加すると、スロット導波路の凹部４に電界Ｅのパターンが形成される。その凹部４の周辺における微粒子１３の双極子モーメントをｐとするとＦ＝ｐ▽Ｅの引力Ｆが微粒子１３に働き、スロット導波路の凹部４に微粒子１３が捕獲される（例えば、非特許文献３参照）。

この引き寄せられて捕獲されたた微粒子１３によって、スロット導波路内の導波路モードが散乱され、スロット導波路の上面に放射される。特に、スロット導波路の伝搬モードは１００ｎｍ程度の幅の凹部４に局所的に集中しているため、凹部４の幅以下の粒径の微粒子１３によっても散乱される。この散乱光１６として、レイリー散乱を仮定すると、その散乱断面積σは 、ｄを微粒子１３の粒径、λを入射光１５の波長、ｎを微粒子１３の屈折率、Ｎを捕獲された微粒子１３の数とすると、
σ＝（２π^５／３）×（ｄ^６／λ^４）×｛（ｎ^２−１）／（ｎ^２＋２）｝^２×Ｎ
となる。

したがって、微粒子センシング素子の上面に放射される光の強度は微粒子１３の特性に依存した値であるため、微粒子１３の特性評価に用いることができる。このように、本発明の実施の形態においては、微粒子１３に双極子モーメントが働いていれば捕獲することができ、単に捕獲した微粒子１３による伝搬モード光散乱を観測しているので、非発光物質を含めたどのような物質でも捕獲して、特性を評価することができる。

次に、図４乃至図６を参照して、本発明の実施例１の微粒子センシング素子を説明する。図４は本発明の実施例１の微粒子センシング素子の概略的上面図である。微粒子センシング素子２０は、一対の円環状のｎ⁻型Ｓｉリッジ２４，２５とその間の凹部２６によってリング共振器となるＳｉスロット導波路２３を有している。ｎ⁻型Ｓｉリッジ２４，２５にそれぞれ円環状のｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７と円形のｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２８が設けられており、ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に対してそれぞれ電極３１，３２が形成されている。このリング共振器となるＳｉスロット導波路２３を横切るようにマイクロ流路３７が形成されるとともに、リング共振器となるＳｉスロット導波路２３に対してエバネッセント結合が可能な位置にＳｉチャネル導波路３８が設けられている。Ｓｉチャネル導波路３８に入射されたレーザ光が、エバネッセント結合によりＳｉスロット導波路２３に導かれる。

図５は本発明の実施例１の微粒子センシング素子の構造説明図であり、図５（ａ）は要部断面図であり、図５（ｂ）は微粒子捕獲領域の斜視図である。Ｓｉ基板２１上にＢＯＸ層２２を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層を加工するとともに、不純物をドーピングして不純物濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３の一対のｎ⁻型Ｓｉリッジ２４，２５を形成し、その間の凹部２６を主光導波領域とするＳｉスロット導波路２３を形成する。この時、不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３のｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８も併せて形成する。

図５（ｂ）に示すように。ｎ⁻型Ｓｉリッジ２４，２５の幅は２００ｎｍで、高さは２２０ｎｍであり、凹部２６の幅は１００ｎｍであり、コア幅は５００ｎｍ（＝２００ｎｍ×２＋１００ｎｍ）となる。ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８の高さ（厚さ）は９０ｎｍとする。なお、リング共振器のコア幅の中央を基準とした半径は、１０μｍである。

次いで、ＳｉＯ_２層２９を堆積したのち、ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ_２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ_２保護膜３４を設けたのち、空洞部３４及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成し、その上にＰＤＭＳ（ポリ・ディメチル・シロキサン）層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。

図６は、本発明の実施例１の微粒子センシング素子を用いた微粒子評価システムの説明図である。微粒子センシング素子２０にレーザ光を入射する可変波長レーザ４１を設け、光ファイバ４２、サーキュレータ４３及び光ファイバ４４を介してＳｉチャネル導波路３８にレーザ光を入射する。サーキュレータ４３から別方向に出力されるレーザ光は光ファイバ４５及び光分岐器４６を介してスペクトラムアナライザ４７及び光パワーメータ４８に導かれ、入射光の波長及び強度をモニタする。なお、光分岐器４６としては、ビームスプリッタを用いれば良い。

Ｓｉスロット導波路２２上には光学レンズ４９を設け、散乱光を集光して受光ファイバ５０に入射してモノクロメータ５１で散乱光を分光して波長成分を評価する。一方、Ｓｉチャネル導波路３８を伝搬して、Ｓｉスロット導波路２２に結合しなかった成分は出射光として光ファイバ５２へ出射される。光ファイバ５２へ出射した出射光は、光結合器５３を介してスペクトラムアナライザ５４及び光パワーメータ５５に導かれ、出射光の波長及び強度をモニタする。なお、Ｓｉスロット導波路２２に微粒子が多数捕獲された場合には、散乱光が大幅に増加し、出射光は減少するので、入射光側のスペクトラムアナライザ４７及び光パワーメータ４８により、可変波長レーザ４１からのレーザ光の波長及び強度をモニタする。なお、ここでは、光ファイバとして、先球ファイバを用いている。

ここで、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波電圧をＳｉスロット導波路２２に印加すると、マイクロ流路３７を流れる溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路２２の凹部２６に捕獲される。さらに、可変波長レーザ４１からＳｉチャネル導波路３８を介して１．５５μｍのレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によってレーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度をモノクロメータ５１でスペクトル解析することによって捕獲された微粒子の特性を評価することができる。

このように、微粒子センシング素子２０の入出力側の導波路からの光と微粒子センシング素子２０の上部に放射される散乱光の両方をモニタすることにより、捕獲した微粒子による出射光側での光強度損失、反射損失と散乱による放射損失が求まる。その結果、捕獲した微粒子に起因する吸収損失を求めることができる。

本発明の実施例１においては、リング共振器となるＳｉスロット導波路２２の一部を微粒子捕獲領域として、捕獲された微粒子による散乱光により捕獲された微粒子の特性を評価している。したがって、非発光物質も含めて、微小かつ少量の微粒子を検知することができる。

次に、図７を参照して、本発明の実施例２を説明するが、被検査溶液収容部に露出するＳｉＯ_２保護膜の表面に抗体を塗布した以外は、上記の実施例１と全く同様であるので、
要部断面図のみを示す。図７は本発明の実施例２の微粒子センシング素子の要部断面図であり、Ｓｉ基板２１上にＢＯＸ層２２を介して単結晶Ｓｉ層を設けたＳＯＩ基板を利用して、単結晶Ｓｉ層を加工して不純物濃度が１×１０^１８ｃｍ^−３の一対のｎ⁻型Ｓｉリッジ２４，２５を形成し、その間の凹部２６を主光導波領域とするＳｉスロット導波路２３を形成する。この時、不純物濃度が１×１０^２０ｃｍ^−３のｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８も併せて形成する。

次いで、ＳｉＯ_２層２９を堆積したのち、ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域２７，２８に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ_２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ_２保護膜３４を設けたのち、空洞部３３におけるＳｉＯ_２保護膜３４の表面にタンパク質に対して選択的に結合する免疫グロブリンを抗体３９として塗布する。次いで、空洞部３３及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成した後、ＰＤＭＳ層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。

本発明の実施例２においては、空洞部３３におけるＳｉＯ_２保護膜３４の表面に抗体３９を塗布しているので、予め定めたターゲットとなるタンパク質を選択的に効率的に捕獲することが可能になる。

次に、図８を参照して、本発明の実施例３の微粒子センシング素子を説明する。図８は本発明の実施例３の微粒子センシング素子の説明図であり、図８（ａ）は概略的上面図であり、図８（ｂ）は微粒子捕獲領域の構成説明図である。図８（ａ）に示すように、本発明の実施例３の微粒子センシング素子においては、リング共振器となるＳｉスロット導波路６０の平面形状をレーストラック状にするとともに、レーストラックの直線部分に導電性を付与して微粒子捕獲領域としたものである。

図８（ｂ）に示すように、微粒子捕獲領域において、ｎ⁻型Ｓｉリッジに周期的に配置した三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域６１，６２を形成する。なお、図８（ｂ）の左図は平面図であり、右図は左図におけるａ−ａ′を結ぶ一点鎖線に沿った断面図である。なお、ドーピングされない領域はノンドープＳｉ領域のままである。ここでは、ｎ⁻型ドーピング領域６１，６２のピッチを１０００ｎｍとする。

本発明の実施例３においては、三角形状のｎ⁻型ドーピング領域６１，６２を設けているので、凹部６３付近の三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域６１，６２の頂点付近において高周波電場勾配が局所的に増強されるため位置を限定して捕獲力を大きくできる。さらに捕獲位置が予め分かることにより、光学レンズなどで散乱光を集光する際にも、その位置に焦点を合わせておけば良いので、実験は容易になる。

次に、図９を参照して、本発明の実施例４の微粒子センシング素子を説明する。図９は本発明の実施例４の微粒子センシング素子の説明図である。図９に示すように、本発明の実施例４の微粒子センシング素子は、Ｓｉ細線コアで形成されるマッハツェンダ干渉計７０のアーム７２，７３の一方のアーム７２にＳｉスロット導波路８０を挿入したものである。なお、この実施例４の微粒子センシング素子を用いた微粒子評価システムは、図６に示した基本構成と同様である。

Ｓｉスロット導波路８０は、図５（ｂ）に示した基本的構造と同様に、ｎ⁻型Ｓｉリッジ８１，８２とそれらの間に形成した凹部８３により形成したものであり、ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域８４，８５及び電極８６，８７を備えている。また、アーム７２，７３に対して直交する方向にマイクロ流路８８を設けている。なお、マッハツェンダ干渉計７０は、入力導波路７１、２本のアーム７２，７３及び出力導波路７５からなる。なお、アーム７２には遅延導波路７４を設けているが、必須ではない。

ここで、マッハツェンダ干渉計７０の作用長は５００μｍとし、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加すると、マイクロ流路８８を流れる被検査溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路８０の凹部８３に捕獲される。マッハツェンダ干渉計７０の入力導波路７１に１．５５μｍの波長のレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によって、レーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度を素子の上部に配置した光学レンズで集光しモノクロメータで散乱スペクトルを解析することによって捕獲した微粒子の特性を評価することができる。

本発明の実施例４においては、実施例１のようにリング共振器を用いておらず、導波路モードが存在する波長であれば良いので光の波長帯域は広く、散乱スペクトル解析には有用である。但し、実施例１と同じ電圧をかけた場合と比較すると、一つの波長における捕獲された微粒子１個の光散乱強度は弱くなるため干渉計の作用長を長くし、捕獲粒子数を多くすることで散乱強度を上げて検査を行うことが望ましい。また、出力導波路７５からの出力光は、Ｓｉスロット導波路８０に捕獲された微粒子の影響を受けるので。出力光における位相変化を評価することにより、微粒子の捕獲状況を把握することができる。

次に、図１０を参照して、本発明の実施例５の微粒子センシング素子を説明する。図１０は本発明の実施例５の微粒子センシング素子の説明図であり、基本的構造は上記の実施例４と同様であるが、スロット導波路として、実施例３の構造を採用したものである。図１０に示すように、本発明の実施例５の微粒子センシング素子は、Ｓｉ細線コアで形成されるマッハツェンダ干渉計７０のアーム７２，７３の一方のアーム７２にＳｉスロット導波路９０を挿入したものである。

Ｓｉスロット導波路９０は、図８（ｂ）に示した基本的構造と同様に、ｎ⁻型Ｓｉリッジに周期的に配置した三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域９１，９２を形成したものであり、ドーピングされない領域はノンドープＳｉ領域のままである。ここでは、ｎ⁻型ドーピング領域９１，９２のピッチを１０００ｎｍとする。ここでも、ｎ^＋型Ｓｉ電極形成領域９４，９５及び電極９６，９７を備えている。また、アーム７２，７３に対して直交する方向にマイクロ流路９８を設けている。なお、マッハツェンダ干渉計７０は、入力導波路７１、２本のアーム７２，７３及び出力導波路７５からなる。なお、この実施例５においても、アーム７２には遅延導波路７４を設けているが、必須ではない。

この場合も、マッハツェンダ干渉計７０の作用長は５００μｍとし、１ＭＨｚ〜１０ＭＨｚの高周波を印加すると、マイクロ流路９８を流れる被検査溶液中に浮遊するカーボンナノチューブなどの浮遊粒子がＳｉスロット導波路９０の凹部９３に捕獲される。マッハツェンダ干渉計７０の入力導波路７１に１．５５μｍの波長のレーザ光を入射すると、捕獲された微粒子によって、レーザ光が散乱され素子上面に放射される。この放射された散乱光の強度を素子の上部に配置した光学レンズで集光しモノクロメータで散乱スペクトルを解析することによって捕獲した微粒子の特性を評価することができる。

この時、三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域９１，９２を設けているので、実施例３と同様に、凹部９３付近の三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域９１，９２の頂点付近において高周波電場勾配が局所的に増強されるため位置を限定して捕獲力を大きくできる。さらに捕獲位置が予め分かることにより、光学レンズなどで散乱光を集光する際にも、その位置に焦点を合わせておけば良いので、実験は容易になる。

また、Ｓｉスロット導波路９０には、三角形突起状のｎ⁻型ドーピング領域９１，９２により周期構造が形成されるので、この周期に対応したブラッグ波長において、微粒子の検出感度が増強される。特にこの効果は、マッハツェンダ干渉計に検知部を取り付けた系の方が、広い波長帯域の光に対してブラッグ散乱を利用した検知ができるので有効である。例えば、ブラッグ散乱によって微粒子センシング素子の上部に放射される光の角度は検知部を取り囲む入射光の波長と流体の屈折率とドーピングプロファイルの周期で決定される。

なお、実施例５においては、放射モードとの結合が十分に起こるようにｎ⁻型ドーピング領域９１，９２の周期を１０００ｎｍと十分に大きくしてあり、微粒子センシング素子に入射する波長は１．３μｍ〜１．６μｍの範囲の光を入射することを想定している。

次に、図１１を参照して、本発明の実施例６を説明するが、スロット導波路を強誘電体スロット導波路に置き換えた以外は、上記の実施例１と同様であるので、要部断面図のみを示す。図１１は本発明の実施例６の微粒子センシング素子の説明図であり、ＳｒＴｉＯ_３基板１００上にＮｂドープにより導電性を付与したＮｂドープＳｒＴｉＯ_３層を設ける。このＮｂドープＳｒＴｉＯ_３層をパターニングしてＮｂドープＳｒＴＯ_３リッジ１０２，１０３を形成し、その間の凹部１０４を主光導波領域とする強誘電体スロット導波路１０１を形成する。この時、ＮｂドープＳｒＴＯ_３電極形成領域１０５，１０６も併せて形成する。

以降は、実施例１と同様に、ＳｉＯ_２層２９を堆積したのち、ＮｂドープＳｒＴＯ_３電極形成領域１０５，１０６に達するコンタクトホールを形成する。次いで、導電膜を堆積させ、パターニングすることによりプラグと配線とよりなる電極３０，３１を形成する。次いで、再び、ＳｉＯ_２層３２を堆積したのち、所定領域をエッチングして空洞部３３を形成する。次いで、厚さが１０ｎｍのＳｉＯ_２保護膜３４を設けたのち、空洞部３４及びその周辺を覆うようにレジストパターン（図示は省略）を形成し、その上にＰＤＭＳ層３５を堆積してパターニングする。次いで、レジパターンを除去することで空洞部３６を形成する。この空洞部３６と空洞部３３によってマイクロ流路３７が形成される。

本発明の実施例６においては、スロット導波路を強誘電体スロット導波路により形成しているので、使用目的に応じて半導体スロット導波路以外のスロット導波路を用いることを可能にし、適用範囲を広くすることができる。なお、ここでは、強誘電体としてＳｒＴｉＯ_３を用いているが、ＬｉＮｂＯ_３等の他の強誘電体を用いても良い。この場合も実施例３と同様に、三角形状のＮｂドーピング領域を形成しても良い。

なお、上記の実施例３乃至実施例６においても、実施例２と同様に、マイクロ流路に露出するＳｉＯ_２保護膜の表面に抗体を塗布等により付着させても良い。また、上記の実施例１乃至実施例６においては、マイクロ流路を設けて被検査流体が流れている状態で検査を行っているが、必ずしも被検査溶液は流れている必要はなく、マイクロ流路の代わりに単なる被検査溶液収容部を設けても良い。

ここで、実施例１乃至実施例６を含む本発明の実施の形態に関して、以下の付記を付す。
（付記１）表面が絶縁性の基板と、前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、前記スロット導波路に光を入射する光入射部材とを備えた微粒子センシング素子。
（付記２）前記スロット導波路が、円環状或いはレーストラック状のリング共振器であり、前記光入射部材が、前記リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路である付記１に記載の微粒子センシング素子。
（付記３）前記光入射部材が、チャネル導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計であり、前記スロット導波路が、前記マッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入されている付記１に記載の微粒子センシング素子。
（付記４）前記微粒子捕獲領域において、前記一対の高屈折率領域に頂部が互いに対向する少なくとも一対の突起状のドーピング領域を設けた付記１乃至付記３のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記５）前記ドーピング領域が、頂点が互いに対向する三角形状突起である付記４に記載の微粒子センシング素子。
（付記６）前記スロット導波路が、半導体スロット導波路である付記１乃至付記５のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記７）前記表面が絶縁性の基板が、表面にＳｉＯ_２膜を設けたシリコン基板であり、前記半導体スロット導波路が、シリコン細線スロット導波路である付記６に記載の微粒子センシング素子。
（付記８）前記スロット導波路が、強誘電体スロット導波路である付記１乃至付記５のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記９）少なくとも前記凹部の表面に抗体を付着させた付記１乃至付記８のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記１０）前記被検査溶液収容部が、マイクロ流路の一部である付記１乃至付記９のいずれか１に記載の微粒子センシング素子。
（付記１１）付記１乃至付記１０のいずれか１に記載の微粒子センシング素子と、前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段とを備えた微粒子評価システム。
（付記１２）前記光入射部材の入射側或いは出射側の少なくとも一方に、入射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータ或いは出射光を検知するスペクトラムアナライザ及び光パワーメータを設けた付記１１に記載の微粒子評価システム。
（付記１３）前記微粒子捕獲領域に印加する電界の周波数が、０Ｈｚ〜２００ＭＨｚである付記１１または付記１２に記載の微粒子評価システム。
（付記１４）前記微粒子捕獲領域に被検査溶液を流した状態で前記微粒子を捕獲する付記１１乃至付記１３のいずれか１に記載の微粒子評価システム。

１ 基板
２ 高屈折率領域
２_１ ｎ⁻型半導体領域
２_２ ｐ⁻型半導体領域
２_３ ｎ^＋型半導体領域
２_４ ｐ^＋型半導体領域
３ 高屈折率領域
３_１ ｎ⁻型半導体領域
３_２ ｐ⁻型半導体領域
３_３ ｎ^＋型半導体領域
３_４ ｐ^＋型半導体領域
４ 凹部
５ 電極形成領域
５_１ ｎ^＋型半導体領域
５_２ ｐ^＋型半導体領域
６ 電極形成領域
６_１ ｎ^＋型半導体領域
６_２ ｐ^＋型半導体領域
７，９ 絶縁膜
８ 電圧印加部材
１０ 保護絶縁膜
１１ 被検査溶液収容部
１２ 被検査溶液
１３ 微粒子
１４ 光入射部材
１５ 入射光
１６ 散乱光
１７ 出射光
２０ 微粒子センシング素子
２１ Ｓｉ基板
２２ ＢＯＸ層
２３，６０，８０，９０ Ｓｉスロット導波路
２４，２５，８１，８２ ｎ⁻型Ｓｉリッジ
２６，６３，８３，９３ 凹部
２７，２８，６４，６５，８６，８７，９６，９７ ｎ^＋型Ｓｉ電極形成層
２９，３２ ＳｉＯ_２層
３０，３１，６６，６７ 電極
３３，３６ 空洞部
３４ ＳｉＯ_２保護膜
３５ ＰＤＭＳ層
３７，６８，８８，９８ マイクロ流路
３８，６９ Ｓｉチャネル導波路
３９ 抗体
４１ 波長可変レーザ
４２，４４，４５，５２ 光ファイバ
４３ サーキュレータ
４６，５３ 光分岐器
４７，５４ スペクトラムアナライザ
４８，５５ 光パワーメータ
４９ 光学レンズ
５０ 受光ファイバ
５１ モノクロメータ
６１，６２，９１，９２ ｎ⁻型ドーピング領域
７０ マッハツェンダ干渉計
７１ 入力導波路
７２，７３ アーム
７４ 遅延導波路
７５ 出力導波路
１００ ＳｒＴｉＯ_３基板
１０１ 強誘電体スロット導波路
１０２，１０３ ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３リッジ
１０４ 凹部
１０５，１０６ ＮｂドープＳｒＴｉＯ_３電極形成層
１１１ Ｓｉ基板
１１２ ＢＯＸ層
１１３，１１５ 櫛歯電極
１１４，１１６ 櫛歯部
１１７ グルコース
１２１，１２２ 微小電極
１２３ ギャップ
１２４ タンパク質分子

Claims (5)

1. 表面が絶縁性の基板と、
   前記基板上に設けられた一対の高屈折率領域と前記一対の高屈折率領域に挟まれた低屈折率領域となる凹部を備えたスロット導波路と、
   前記スロット導波路の少なくとも一部に導電性を付与して微粒子を捕獲する微粒子捕獲領域と、
   前記微粒子捕獲領域に電界を印加する電界印加部材と、
   少なくとも前記微粒子捕獲領域の直上に設けられ、前記凹部に食い込む領域を有する被検査溶液収容部と、
   前記スロット導波路に光を入射する光入射部材と
   を備えた微粒子センシング素子。
2. 前記スロット導波路が、円環状或いはレーストラック状のリング共振器であり、
   前記光入射部材が、前記リング共振器に対してエバネッセント結合できる位置に設けられたチャネル導波路である請求項１に記載の微粒子センシング素子。
3. 前記光入射部材が、チャネル導波路で形成されたマッハツェンダ干渉計であり、
   前記スロット導波路が、前記マッハツェンダ干渉計の一方のアームに挿入されている請求項１に記載の微粒子センシング素子。
4. 前記微粒子捕獲領域において、前記一対の高屈折率領域に頂部が互いに対向する少なくとも一対の突起状のドーピング領域を設けた請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の微粒子センシング素子。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の微粒子センシング素子と、
   前記光入射部材に光を入射するレーザ光源と、
   前記微粒子捕獲領域に捕獲された前記微粒子からの散乱光を検出する受光手段と
   を備えた微粒子評価システム。