特開2022-186218マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2022186218
(43)【公開日】2022-12-15
(54)【発明の名称】マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20221208BHJP
G01N 24/00 20060101ALI20221208BHJP
G01N 21/03 20060101ALI20221208BHJP
G01N 37/00 20060101ALI20221208BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 Z
G01N24/00 Z
G01N21/03 Z
G01N37/00 101
【審査請求】未請求
【請求項の数】7
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2021094329
(22)【出願日】2021-06-04
(71)【出願人】
【識別番号】301021533
【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所
(74)【代理人】
【識別番号】100079108
【弁理士】
【氏名又は名称】稲葉 良幸
(74)【代理人】
【識別番号】100109346
【弁理士】
【氏名又は名称】大貫 敏史
(72)【発明者】
【氏名】渡邊 幸志
(72)【発明者】
【氏名】石川 豊史
(72)【発明者】
【氏名】吉澤 明男
(72)【発明者】
【氏名】馬渡 康徳
【テーマコード（参考）】
2G043
2G057
【Ｆターム（参考）】
2G043AA04
2G043BA16
2G043CA04
2G043DA05
2G043EA01
2G043FA02
2G043KA09
2G057AA04
2G057AB04
2G057BA03
(57)【要約】
【課題】高い空間分解能及び高い検出感度による反応検出を可能とする、マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法を提供する。
【解決手段】マイクロチャンバ１０１は、凹部１０２１が設けられるダイヤモンド基板１０２と、凹部１０２１の側面１０２２上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層１０３１と、を備える。
【選択図】図１
【解決手段】マイクロチャンバ１０１は、凹部１０２１が設けられるダイヤモンド基板１０２と、凹部１０２１の側面１０２２上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層１０３１と、を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
凹部が設けられるダイヤモンド基板と、
前記凹部の側面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層と、
を備える、マイクロチャンバ。
前記凹部の側面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層と、
を備える、マイクロチャンバ。
【請求項2】
請求項１に記載のマイクロチャンバであって、
前記ダイヤモンド基板の主面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層、をさらに備え、
前記凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度は、前記ダイヤモンド基板の主面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度よりも高い、マイクロチャンバ。
前記ダイヤモンド基板の主面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層、をさらに備え、
前記凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度は、前記ダイヤモンド基板の主面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度よりも高い、マイクロチャンバ。
【請求項3】
請求項１又は２に記載のマイクロチャンバであって、
前記凹部の側面の面方位は、前記ダイヤモンド基板の主面の面方位と異なる、マイクロチャンバ。
前記凹部の側面の面方位は、前記ダイヤモンド基板の主面の面方位と異なる、マイクロチャンバ。
【請求項4】
請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロチャンバであって、
前記凹部の側面上に形成される前記ダイヤモンド結晶層は、前記ダイヤモンド基板からホモエピタキシャル成長されたダイヤモンドを含む、マイクロチャンバ。
前記凹部の側面上に形成される前記ダイヤモンド結晶層は、前記ダイヤモンド基板からホモエピタキシャル成長されたダイヤモンドを含む、マイクロチャンバ。
【請求項5】
請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロチャンバと、
前記凹部に連通し、前記ダイヤモンド基板の主面に形成される流路と、を備える、マイクロチャンバ装置。
前記凹部に連通し、前記ダイヤモンド基板の主面に形成される流路と、を備える、マイクロチャンバ装置。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロチャンバである、第１マイクロチャンバと第２マイクロチャンバとを備え、
前記ダイヤモンド基板の平面視において、前記第１マイクロチャンバに形成された凹部の径は、前記第２マイクロチャンバに形成された凹部の径と異なる、マイクロチャンバ装置。
前記ダイヤモンド基板の平面視において、前記第１マイクロチャンバに形成された凹部の径は、前記第２マイクロチャンバに形成された凹部の径と異なる、マイクロチャンバ装置。
【請求項7】
ダイヤモンド基板に凹部を形成する工程と、
窒素を含む混合ガスを供給しつつ、前記ダイヤモンド基板上に、ダイヤモンド結晶層をホモエピタキシャル成長させる工程と、を含む、マイクロチャンバの製造方法。
窒素を含む混合ガスを供給しつつ、前記ダイヤモンド基板上に、ダイヤモンド結晶層をホモエピタキシャル成長させる工程と、を含む、マイクロチャンバの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
各種試験のための微量な試料を収容可能なマイクロチャンバを用いた分析システムが化学分析において用いられる。マイクロチャンバは、フェムトリットルからナノリットルの容量のオーダーで試料を収容することができる。これにより、マイクロチャンバは、高い反応速度を有する化学反応を可能とする。特許文献１には、細胞単位でのバイオアッセイの解析を行うためのマイクロチャンバーアレイ装置が示される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】特許第５８０４６２０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に記載のように、マイクロチャンバを用いた化学反応の測定においては、測定対象となる領域が微小であり、試料の絶対量が少なくなる。この場合、高感度に化学反応を測定することが求められる。マイクロチャンバにおける化学反応の測定には、例えば、ＥＬＩＳＡ（Ｅｎｚｙｍｅ Ｌｉｎｋｅｄ ＩｍｍｕｎｏＳｏｌｕｂｅｎｔ Ａｓｓａｙ）や表面プラズモン共鳴が活用されている。これらの手法においては、光学的な測定方法が用いられるため、空間分解能及び検出感度が限られる。
【0005】
そこで、本発明は、高い空間分解能及び高い検出感度による反応検出を可能とする、マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
そこで、本発明は、高い空間分解能及び高い検出感度による反応検出を可能とする、マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法を提供することを目的とする。
【0007】
本発明の一態様に係るマイクロチャンバは、凹部が設けられるダイヤモンド基板と、凹部の側面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層と、を備える。
【0008】
ＮＶ中心は、例えば試料中の１分子の原子核スピンの磁場に反応する。ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層を凹部に形成することによって、凹部内での化学反応による外部磁場の変化をスピンの変化として検出可能となる。検出方法には、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）が使用される。これにより、高い空間分解能及び高い検出感度による反応検出が可能となる。
【0009】
上記態様のマイクロチャンバにおいて、ダイヤモンド基板の主面上に形成され、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層、をさらに備え、凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度は、ダイヤモンド基板の主面上に形成されるダイヤモンド結晶層におけるＮＶ中心の面密度よりも高くてもよい。
【0010】
これにより、化学反応が行われる凹部内により多くのＮＶ中心が設けられ、凹部内の化学反応をより適切に行うことができる。
【0011】
上記態様のマイクロチャンバにおいて、側面の面方位はダイヤモンド基板の主面の面方位と異なってもよい。側面の面方位と主面の面方位とが異なることによって、凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層に、ダイヤモンド基板の主面上に形成されるダイヤモンド結晶層より多くのＮＶ中心が含まれるように、ダイヤモンド結晶層が形成される。
【0012】
上記態様のマイクロチャンバにおいて、凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層は、ダイヤモンド基板からホモエピタキシャル成長されたダイヤモンドを含んでもよい。
【0013】
凹部の側面上に形成されるダイヤモンド結晶層をホモエピタキシャル成長させることによって、ダイヤモンド結晶層の厚さが適切に調整されつつ、ダイヤモンド結晶層の形成が可能となる。よって、マイクロチャンバの寸法が適切に調整可能となる。
【0014】
上記態様のマイクロチャンバ装置は、凹部に連通し、ダイヤモンド基板の主面に形成される流路を、さらに備えてもよい。これにより、流路を通じて試料をマイクロチャンバへ導入することが可能となり、マイクロチャンバ装置の利便性が向上する。
【0015】
また、本発明の他の態様に係るマイクロチャンバ装置は、上記態様のマイクロチャンバである、第１マイクロチャンバと第２マイクロチャンバとを備え、ダイヤモンド基板の平面視において、第１マイクロチャンバの径は、第２マイクロチャンバの径と異なる。
【0016】
第１マイクロチャンバの径と第２マイクロチャンバの径とが異なることによって、一つのダイヤモンド基板上に、異なる寸法のマイクロチャンバを形成することが可能となる。これにより、マイクロチャンバ装置において反応ごとに適切なマイクロチャンバが選択され得るようにできる。
【0017】
本発明の他の態様に係るマイクロチャンバ装置の製造方法は、ダイヤモンド基板に凹部を形成する工程と、窒素を含む混合ガスを供給しつつ、ダイヤモンド基板上に、ダイヤモンド結晶層をホモエピタキシャル成長させる工程と、を含む。
【0018】
この製造方法によって、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層が凹部の側面に形成され、上記態様に係るマイクロチャンバが製造される。
【発明の効果】
【0019】
本発明によれば、高い空間分解能及び高い検出感度による反応検出を可能とする、マイクロチャンバ、マイクロチャンバ装置、及びマイクロチャンバの製造方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【図1】本実施形態に係るマイクロチャンバの斜視図である。
【図3】本実施形態に係るマイクロチャンバの製造工程を説明する図である。
【図4】本実施形態に係る製造工程によって製造されたマイクロチャンバの例である。
【図5】本実施形態に係るマイクロチャンバにおけるＮＶ中心の分布を説明する図である。
【図6】本実施形態に係るマイクロチャンバにおけるＮＶ中心の量子化軸について説明する図である。
【図7】本実施形態に係る他の形状のマイクロチャンバの例である。
【図8】本実施形態に係る他の形状のマイクロチャンバにおけるＮＶ中心の分布を説明する図である。
【図9】本実施形態に係るマイクロチャンバ装置の平面図である。
【図10】本実施形態に係るマイクロチャンバ装置の一部の斜視図である。
【図11】本実施形態に係るマイクロチャンバ装置の一部におけるＮＶ中心の分布を説明する図である。
【図12】本実施形態に係るマイクロチャンバ装置の一部におけるマイクロビーズの輸送例を示す図である。
【図13】ＮＶ中心を説明するための図である。
【図14】ＮＶ中心の配向軸を説明するための図である。
【発明を実施するための形態】
【0021】
添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。なお、各図において、同一の符号を付したものは、同一又は同様の構成を有する。
【0022】
図１には、本実施形態に係るマイクロチャンバ１０１の模式図が示される。マイクロチャンバ１０１は、ダイヤモンド基板１０２及びダイヤモンド基板１０２上に設けられるダイヤモンド結晶層１０３によって形成される。マイクロチャンバ１０１は、ダイヤモンド基板１０２に形成された凹部１０２１の側面１０２２上に、ダイヤモンド結晶層１０３の一部であるダイヤモンド結晶層１０３１が形成されることによって形成される。マイクロチャンバ１０１は、一端が開放され、内部に物質を収容可能な空間を形成する。なお、ダイヤモンド結晶層１０３は、ダイヤモンド基板１０２の厚さに対して非常に薄い厚さであるが、説明のために、各図においてはダイヤモンド結晶層１０３の厚さは実際より大きく示されている。
【0023】
凹部１０２１の直径φは、使用目的に応じて種々変更可能であるが、例えば、１～５００μｍの範囲である。なお、この範囲はダイヤモンドのドライエッチングを使ったプロセス技術により形成可能な範囲であって、現在入手が可能な基板のサイズにおいて形成可能な範囲である。凹部１０２１の深さｄも、使用目的に応じて種々変更可能であるが、例えば、０．３～１０μｍの範囲である。ダイヤモンド基板１０２の平面的な大きさは、形成する凹部１０２１の数や必要に応じて形成する流路の形態に応じて種々変更可能であるが、例えば、ダイヤモンド基板１０２が矩形の場合は２ｍｍ角～１２ｍｍ角であり、円形の場合は直径１２．５ｍｍである。ダイヤモンド基板１０２の平面的な大きさは、典型的には３ｍｍ角である。ダイヤモンド基板１０２の厚みは、形成する凹部１０２１の深さｄに応じて設定されるが、典型的には、０．０５～１ｍｍの範囲である。ダイヤモンド結晶層１０３の厚みは、５ｎｍ以上で５００ｎｍ以下であることが好ましい。５ｎｍ以下の厚みだと、スピンを生じるＮＶ中心の密度が低くて感度が下がり過ぎるからであり、５００ｎｍ以上の厚みでは、異常に結晶粒子が成長したり、丘状の異常な起伏を生じたり、ステップバンチングを生じたりして、過大な結晶成長に起因するダイヤモンド結晶層１０３における結晶の不完全性が増加するためである。
【0024】
ダイヤモンド結晶層１０３１は、以下に説明するＮＶ中心を有する。図１３には、ＮＶ中心の構造を説明するための構造図が示される。ＮＶ中心とは、炭素原子Ｃで構成されるダイヤモンド結晶の格子点の一つを窒素原子Ｎと、窒素原子Ｎに隣接する炭素原子の抜けによる空孔Ｖとによって形成される複合欠陥である。この複合欠陥は、図１３に概念を示すように、電子ｅを捕獲することができる。電子ｅは、量子状態（スピンｓ）を有する。ＮＶ中心は、所定波長の光、例えば、緑色のレーザ光を強く吸収し、他の所定波長の光、例えば、赤い蛍光を発する。ＮＶ中心からの蛍光の強度は、電子ｅのスピンｓに応じて変化するという特徴を有する。
【0025】
図２を参照してマイクロチャンバ１０１の断面構造について説明する。マイクロチャンバ１０１は、ダイヤモンド基板１０２に直径φ、深さｄの円筒状の凹部１０２１にダイヤモンド結晶層１０３１が形成されることによって形成される。マイクロチャンバ１０１は、側面１０２２上のダイヤモンド結晶層１０３１と底部に位置するダイヤモンド結晶層２０１とを有する。ダイヤモンド結晶層１０３１及びダイヤモンド結晶層２０１は、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層である。
【0026】
図３を参照して、マイクロチャンバ１０１の製造方法について説明する。当該製造方法は、以下の工程（ａ）～（ｇ）により構成されている。
（ａ）まず、ダイヤモンド基板１０２上に、所定の成膜方法でＳｉＯ2膜３０１を形成する。スパッタリング法を適用する場合には、スパッタリング装置を用いてスパッタリングする。スパッタ条件は、特に限定はないが、例えば、アルゴンガス流量が３０ｓｃｃｍ、圧力が０．５Ｐａ、ＲＦ出力が１００Ｗ、かつ基板の加熱無しという条件である。
（ａ）まず、ダイヤモンド基板１０２上に、所定の成膜方法でＳｉＯ2膜３０１を形成する。スパッタリング法を適用する場合には、スパッタリング装置を用いてスパッタリングする。スパッタ条件は、特に限定はないが、例えば、アルゴンガス流量が３０ｓｃｃｍ、圧力が０．５Ｐａ、ＲＦ出力が１００Ｗ、かつ基板の加熱無しという条件である。
【0027】
ここで、ダイヤモンド基板１０２として、例えば、単結晶ＩＩａ型（００１）ＨＰＨＴダイヤモンド基板が用いられる。また、ダイヤモンド基板１０２には、微細加工の擾乱要因となる基板表面の残留微小凹凸や物理的付着物を取り除くために、スカイフ研磨後にウエット洗浄（ＳＰＭ： Ｓｕｌｆｕｒｉｃ－ａｃｉｄ ａｎｄ ｈｙｄｒｏｇｅｎ－ｐｅｒｏｘｉｄｅ ｍｉｘｔｕｒｅ）が事前に施されている。また、ダイヤモンド基板１０２は、最終工程時に使用する反応性イオンエッチング（ＲＩＥ： Ｒｅａｃｔｉｖｅ Ｉｏｎ Ｅｔｃｈｉｎｇ）によるＣＦ4／Ｏ2エッチングガスへの耐性を有している必要がある。
【0028】
（ｂ）レジスト３０２を、スピンコーターを用いて、スピンコーティングする。
【0029】
（ｃ）フォトリソグラフィー装置を用いて、レジスト３０２上にパターンを描画する。マイクロチャンバ１０１では、円形のパターンが描画される。すなわち、パターンを適用した露光処理により、円形の凹部１０２１の形状以外の領域のレジスト３０２を硬化させてから化学的に硬化していない領域のレジスト３０２を除去する。
【0030】
（ｄ）パターニングされたレジスト３０２をマスクとして、ＳｉＯ2膜３０１に対し物理的エッチングを行う。物理的エッチングに限定はないが、例えば、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ： Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマ装置を用いる。エッチング条件は、特に限定はないが、例えば、エッチングガスがアルゴンガスであり、アルゴンガス流量が６．４ｓｃｃｍ、圧力が１ｍＴｏｒｒ、マイクロ波出力が４００Ｗ、かつ基板の加熱無しという条件である。
【0031】
（ｅ）パターニングされたＳｉＯ2膜３０１をマスクとして、ダイヤモンド基板１０２の物理的エッチングを行う。ダイヤモンド基板１０２の物理的エッチングには、限定はないが、例えば、ダイヤモンド基板１０２表面の残渣発生が抑制され、所望の平滑度が得られる、ＣＦ4／Ｏ2混合ガスによるＲＩＥ法が用いられる。この工程により、ダイヤモンド基板１０２の上面におけるダイヤモンド結晶の面方位と、側面１０２２におけるダイヤモンド結晶の面方位とが異なるダイヤモンド基板１０２が形成される。
【0032】
（ｆ）フッ酸によりＳｉＯ2膜３０１を除去する。ここまでの工程によって、ダイヤモンド基板１０２に凹部１０２１が形成される。
【0033】
（ｇ）ダイヤモンド基板１０２上にダイヤモンドをホモエピキャシタル成長させることで、ダイヤモンド結晶層１０３を形成する。ダイヤモンド結晶層１０３の形成工程は、所定の結晶成長法、例えば、マイクロ波プラズマＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法によって行われる。形成工程においては、原料ガスとして、限定はないが、例えば、マスフローコントローラにより流量制御されたＣＨ4ガス、Ｈ2ガス、Ｎ2ガスによる混合ガスが用いられる。
【0034】
形成工程におけるダイヤモンド基板１０２の基板温度は、３００℃～９００℃の範囲であることが好ましい。基板温度は、７５０℃～８５０℃の範囲であるとより好ましい。例えば、基板温度は、８００℃とすることができる。基板温度が７５０℃以下であると、結晶性の劣化とともにダイヤモンド結晶層１０３におけるＮＶ中心の収率に減少傾向がある。基板温度が８５０℃以上であると、基板の変形や結晶に歪が発生しうるからである。なお、上記及び以降のパラメータの範囲は、マイクロ波出力、ガス流量及びガス圧力などのプラズマ条件とも関連して変動し得るものである。
【0035】
形成工程における原料ガス中の炭素（Ｃ）に対する窒素（Ｎ）の比Ｎ／Ｃは、１％～１８％の範囲であることが好ましい。Ｎ／Ｃは、１％～２％であるとより好ましい。例えば、Ｎ／Ｃは、１．７５％とすることができる。１％以下であると、十分な量の窒素原子が取り込まれずＮＶ中心の面密度が低下するからであり、２％以上であると、ダイヤモンド結晶に取り込むべき必要十分な窒素原子の量を超えてしまい、ダイヤモンド結晶層１０３の所望位置におけるＮＶ中心の形成の制御が難しくなるおそれがあるからである。ダイヤモンド層の結晶性を損なうおそれがあるからである。
【0036】
形成工程におけるダイヤモンド結晶層１０３の成長速度は、０．７ｎｍ／ｈ～５００ｎｍ／ｈの範囲であることが好ましい。成長速度は、２００～３００ｎｍ／ｈの範囲であるとより好ましい。成長速度が２００ｎｍ／ｈ以下であると、窒素の取込みが減少し、ダイヤモンド結晶層１０３におけるＮＶ中心の収率が減少し得るからである。また、成長速度が３００ｎｍ／ｈ以上であると、ダイヤモンド結晶層１０３においてにＮＶ中心以外に欠陥が形成されたり、ダイヤモンド結晶層１０３の成長モードに変化が生じたりし得るからである。
【0037】
形成工程におけるダイヤモンド結晶層１０３の成長量Ｌｗは、原料ガスの供給時間によって調整することができる。例えば、原料ガスの供給時間に応じて、ダイヤモンド結晶層１０３の成長量Ｌｗは、２５ｎｍ～２５０ｎｍの範囲で調整され得る。
【0038】
ダイヤモンド結晶層１０３の形成工程において、ダイヤモンド基板１０２からホモエピキャシタル成長して形成されるダイヤモンド結晶における炭素原子（Ｃ）が、原料ガス中の窒素原子（Ｎ）によって置き換えられることによって、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層１０３が形成される。
【0039】
図４には、図３の工程を用いて形成されたマイクロチャンバ１０１の凹部１０２１の一例が示される。図４では、マイクロチャンバ１０１は円筒状である。図４の（ａ）から（ｄ）までに示される凹部１０２１ａから凹部１０２１ｄの直径φ及び深さｄはそれぞれ（ａ）φ＝１０μｍ，ｄ＝０．８μｍ，（ｂ）φ＝８μｍ，ｄ＝０．７μｍ，（ｃ）φ＝６μｍ，ｄ＝１．５μｍ，（ｄ）φ＝２μｍ，ｄ＝１．５μｍである。このようにフォトリソグラフィー法で用いるパターンを種々に変更して所望の形状の凹部を形成可能である。
【0040】
図５を参照して、マイクロチャンバ１０１におけるＮＶ中心の分布について説明する。図５は、マイクロチャンバにおけるＮＶ中心の分布に対応する発光分布の可視化結果である。具体的には、直径φ＝６μｍ，深さｄ＝１．５μｍの凹部１０２１に、成長量Ｌｗ＝２５０ｎｍのダイヤモンド結晶層１０３１が設けられるマイクロチャンバ１０１において発光分布を可視化した。図５において１から４の矢印で示される各位置は、図６に示すＯＤＭＲ（Ｏｐｔｉｃａｌｌｙ Ｄｅｔｅｃｔｅｄ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：光検出磁気共鳴）の蛍光強度の測定点である。
【0041】
マイクロチャンバ１０１は、５３２ｎｍの波長のレーザ光によって励起され、マイクロチャンバ１０１のＮＶ中心からの発光が、光学フィルターにより約５９４ｎｍ～８１５ｎｍの波長域にて選択され、可視化されている。発光強度（光子数）は、マイクロチャンバ１０１のダイヤモンド結晶層１０３１に相当する位置にて強い値を示している。これにより、マイクロチャンバ１０１では、側面１０２２に形成されたダイヤモンド結晶層１０３１に他の面より多くＮＶ中心が分布していることが示される。なお、図５に示される強度は、ダイヤモンド結晶層１０３１の深さ方向にわたるＮＶ中心からの発光が合計されて計測される強度である。なお、図５における計測結果から得られるＮＶ密度と量子保持時間（Ｔ2）は、それぞれ７～８×１０14ｃｍ-3、３６μｓである。
【0042】
図６を参照して、ダイヤモンド結晶層１０３１におけるＮＶ中心の配向軸（量子化軸）の傾向について説明する。図６には、図５において１から４の矢印で示される各点におけるＯＤＭＲ（光検出磁気共鳴）の蛍光強度である。
【0043】
図１４に示す通り、一般的には、ＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶において、空孔Ｖと窒素Ｎとを結ぶベクトルが取り得る方向は、＜１１１＞方向に対して４種類ある。図１４では便宜上、（ａ）から（ｄ）に示されるそれぞれの空孔Ｖと窒素Ｎとを結ぶベクトルの方向を、ＮＶ1、ＮＶ2、ＮＶ3、ＮＶ4、とする。この場合、図６のＯＤＭＲの蛍光強度の変化から、（１１０）面を貫く［１１０］方向の静磁場を仮定した場合において、位置１及び位置３では、ＮＶ1、ＮＶ2が支配的であり、位置２及び位置４では、ＮＶ3，ＮＶ4が支配的であることが示される。すなわち、マイクロチャンバ１０１の特定の位置のダイヤモンド結晶層１０３１におけるＮＶ中心の配向は場所により秩序性を有する。
【0044】
ＮＶ中心を使用したセンシングにおいて、最小磁気検出感度は、ＮＶ中心の数ｎに対して、１／√ｎ倍されることで向上する。通常、センシングには４つの配向軸の１つのＮＶ中心におけるスピンがセンシングに関与し、他のスピンからの信号はセンシングにおいてはバックグラウンドの信号となる。よって、ＮＶ中心をより高効率に高感度センサーとして使用する場合、結晶中のＮＶ中心の配向軸の秩序度は高い方が好ましい。この点、マイクロチャンバ１０１はＮＶ中心の配向が秩序性を有しており、マイクロチャンバ１０１を用いることで、マイクロチャンバ１０１内の化学反応に応じた信号検出を高感度に行うことが可能となる。
【0045】
本実施形態において、ＮＶ中心の秩序度が高くなる理由としては、マイクロチャンバ１０１においてダイヤモンド結晶層１０３１がホモエピタキシャル成長によって行われたことが挙げられる。ホモエピタキシャル成長においては、成長層は基板の結晶構造を反映して成長する。マイクロチャンバ１０１では、側面１０２２の結晶構造に基づいて、秩序度が高いＮＶ中心を有するダイヤモンド結晶層１０３１が形成される。また、ダイヤモンド結晶層１０３１が、側面１０２２の結晶構造に基づいて成長することによって、特異的に側面１０２２上にＮＶ中心を多く有するダイヤモンド結晶層１０３１を形成することができる。
【0046】
これにより、ダイヤモンド結晶層１０３１におけるＮＶ中心の面密度は、ダイヤモンド基板１０２の主面１０２３上に形成されるダイヤモンド結晶層１０３２におけるＮＶ中心の面密度より高くなる。また、ダイヤモンド結晶層１０３１におけるＮＶ中心の面密度は、ダイヤモンド結晶層２０１におけるＮＶ中心の面密度より高くなる。
【0047】
図７には、本実施形態に係る他の形状のマイクロチャンバ７０１の例が示される。マイクロチャンバ７０１は、平面視においてハニカム形状を有する。マイクロチャンバ７０１のそれぞれは、ダイヤモンド壁７０２によって互いに隔てられる。マイクロチャンバ７０１の幅ｗは、例えば６μｍである。また、マイクロチャンバ７０１の深さは３８０ｎｍである。このように、形状を調整することによって、マイクロチャンバが設けられる表面における濡れ性を調整することが可能になる。このようなハニカム形状のマイクロチャンバ７０１は、バイオアッセイシステム（マイクロ分析システム）に適する。
【0048】
図８には、図５と同様に、マイクロチャンバ７０１からの発光が可視化される。図７に示されるように、マイクロチャンバ７０１においても、ダイヤモンド壁７０２内部、すなわちマイクロチャンバ７０１の側面において、多くのＮＶ中心が存在していることが示される。
【0049】
図９には、本実施形態に係るマイクロチャンバを有するマイクロチャンバ装置９００の平面図が示される。マイクロチャンバ装置９００は、試料導入部９０１、流路９０２、及びマイクロチャンバ９０３，９０４，９０５，９０６，９０７を有する。試料導入部９０１、流路９０２、及びマイクロチャンバ９０３，９０４，９０５，９０６，９０７は、マイクロチャンバ装置９００の基板に形成された凹部である。マイクロチャンバ装置９００は、ダイヤモンド基板１０２及びダイヤモンド結晶層１０３によって形成される。なお、マイクロチャンバ９０３，９０４，９０５，９０６，９０７の部分のみが、ダイヤモンド基板１０２及びダイヤモンド結晶層１０３によって形成され、他の部分は適切な他の部材によって形成されてもよい。
【0050】
マイクロチャンバ装置９００では、試料導入部９０１に、例えば細胞を含む溶液などの試料を投入する。試料導入部９０１に投入された試料は、試料導入部９０１から延びる流路９０２を通じて、流路９０２の端部に設けられるマイクロチャンバ９０３，９０４，９０５，９０６，９０７に達する。
【0051】
マイクロチャンバ９０３，９０４，９０５は、互いに径が異なる。ここでは、マイクロチャンバの径として直径を用いる。マイクロチャンバの径は、例えば、各マイクロチャンバにおいて、側面の距離のうち最大のものを用いることができる。なお、マイクロチャンバ９０６，９０７はそれぞれマイクロチャンバ９０３，９０４と同じ径である。
【0052】
図１０には、マイクロチャンバ９０４及び流路９０２の斜視図が示される。図１０に示されるように、マイクロチャンバ９０４では、凹部１０２１が流路９０２と連通することで、流路９０２を通じてマイクロチャンバ９０４に試料が導入可能となる。
【0053】
マイクロチャンバ９０４のように、図１のマイクロチャンバ１０１のように凹部１０２１の全周が囲まれないように、側面１０２２上にダイヤモンド結晶層１０３１を設けてマイクロチャンバを形成してもよい。
【0054】
図１１には、図５と同様に、マイクロチャンバ９０４，９０５からの発光が可視化される。マイクロチャンバ９０４の直径は２５μｍであり、マイクロチャンバ９０５の直径は５０μｍである。図１１に示されるように、マイクロチャンバ９０４，９０５のいずれにおいても、側面１０２２上のダイヤモンド結晶層１０３１に多くのＮＶ中心が存在していることが示される。図１１に示すように、各マイクロチャンバの近傍に、マイクロチャンバの直径を示す数字をパターニングしておけば、利用者に直感的にマイクロチャンバの形状を認識させることができる。
【0055】
図１２には、にピコリットルの液体や１細胞・微粒子を輸送できるピコピペット等のガラスチップを使用し、試料導入部９０１からマイクロチャンバ９０５へ１つのマイクロビーズ１２０１を輸送した場合の光学顕微鏡画像である。このとき、流路９０２の深さは３．５μｍとしている。マイクロビーズ１２０１は、マイクロチャンバ９０５内で拡散及び移動が制限される。マイクロビーズ１２０１はマイクロチャンバ９０５の側面に到達する。マイクロチャンバ９０５の側面にはＮＶ中心が多く分布しているため、マイクロチャンバ９０５を用いて、マイクロビーズ１２０１による影響のＮＭＲ計測が可能となる。
【0056】
本実施形態において示された、ＮＶ中心を有するマイクロチャンバは、ファインケミカル、ライフサイエンス又はバイオサイエンスなどの化学分野における分析の一つである生物学的試験（バイオアッセイ）において、高感度かつ高分解能な反応計測を可能とする。
【0057】
以上説明した実施形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。実施形態が備える各要素並びにその配置、材料、条件、形状及びサイズ等は、例示したものに限定されるわけではなく適宜変更することができる。
【符号の説明】
【0058】
１０１，７０１，９０３，９０４，９０５，９０６，９０７…マイクロチャンバ、１０２…ダイヤモンド基板、１０２１，１０２１ａ，１０２１ｂ，１０２１ｃ，１０２１ｄ…凹部、１０２２…側面、１０２３…主面、１０３、１０３１、１０３２、２０１…ダイヤモンド結晶層、９００…マイクロチャンバ装置
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
