JP5923992B2

JP5923992B2 - 試料分析素子および検出装置

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Publication number: JP5923992B2
Application number: JP2012008162A
Authority: JP
Inventors: 尼子　淳; 淳尼子; 守杉本; 秀明小池
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: US20130182258A1; CN103217402A; US8836947B2; JP2013148421A

Description

本発明は、金属ナノ粒子や金属ナノ突起といった金属ナノ体を備える試料分析素子および検出装置等に関する。

局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用した試料分析素子は知られる。こうした試料分析素子は例えば誘電体表面に分散する金属ナノ体すなわち金属ナノ粒子を備える。金属ナノ粒子は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。金属ナノ粒子に励起光が照射されると、粒子上に電気双極子が誘起され、粒子の周囲に電場が生じる。その結果、金属ナノ粒子と金属ナノ粒子の間には、電気双極子間の相互作用に起因する強い局所電場が生成される。このような部位はホットスポットと呼ばれる。

非特許文献１では金属ナノ粒子は所定のピッチで格子状に配置される。ピッチの大きさが特定の数値に設定されると、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴と結合し、いわゆるハイブリッドモードが確立される。この結合を介して局在表面プラズモン共鳴はさらに増強され、金属ナノ粒子の表面に生じる近接場光はいっそう強められる。

特開２００９−２２２４０１号公報

ＹｉｚｈｕｏＣｈｕ外著，「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｓｔｕｄｙｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂｅｔｗｅｅｎｌｏｃａｌｉｚｅｄａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇｓｕｒｆａｃｅｐｌａｓｍｏｎｓ」，ＯＰＴＩＣＳＬＥＴＴＥＲＳ，米国，２００９年２月１日，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３，ｐ．２４４−２４６

前述の試料分析素子は標的物質の検出装置に利用されることができる。しかし、非特許文献１に開示されるように、伝播表面プラズモン共鳴を引き起こすエバネッセント波の波長が金属ナノ粒子の配列ピッチで決まるため、誘電体表面上でのホットスポットの面密度が低くなる。そのために、標的物質をホットスポットで検出する確立がきわめて低くなり、高感度な試料分析素子および検出装置を実現することができなかった。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、ホットスポットの面密度を高めつつ局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を結合させることができる試料分析素子および検出装置は提供されることができる。

（１）本発明の一態様は、誘電体表面と、入射光の波長よりも小さい大きさで且つ前記誘電体表面に分散する金属ナノ体を含み、前記入射光に共鳴するピッチで少なくとも１方向に配列される複数の金属ナノ体群と、前記入射光に共鳴振動する自由電子を持たない材料から形成されて、隣接する前記金属ナノ体群同士の間で前記誘電体表面上を延びる長尺片とを備えることを特徴とする試料分析素子に関する。

入射光の働きで金属ナノ体では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ体群のピッチの働きでエバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴と結合し、いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ体群内には複数の金属ナノ体が配置されることから、金属ナノ体が入射光に共鳴するピッチで配置される場合に比べて金属ナノ体の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。しかも、金属ナノ体群同士の間の空間は共鳴振動する自由電子を持たない材料で占められることから、確実に金属ナノ体群のピッチは確立されることができる。伝播表面プラズモン共鳴の生成は確実に確保されることができる。

（２）前記長尺片の高さは前記金属ナノ体の高さよりも高くできる。こうした構造によれば、製造過程で金属ナノ体が削り出されても、金属ナノ体群同士の間の空間は、共鳴振動する自由電子を持たない材料で確実に占められる。したがって、金属ナノ体群のピッチは確実に確立されることができる。伝播表面プラズモン共鳴の生成は確実に確保されることができる。

（３）金属ナノ体群は、前記１方向を第１の方向とした場合の前記第１の方向と交差する第２の方向に、前記入射光に共鳴するピッチで配列される金属ナノ体群に細分化され、これらの細分化された金属ナノ体群同士の間で前記誘電体表面上を第２の長尺片が延びることができる。こうした試料分析素子では、相互に交差する２方向にピッチが設定されることができる。その結果、２方向に伝播表面プラズモン共鳴が確立されることができる。その結果、入射光は複数の偏光面を有することができる。入射光は円偏光を有することができる。

（４）前記金属ナノ体は島状の金属ナノ粒子であることができる。試料分析素子の製造過程で金属ナノ体の形成にあたって予め誘電体表面には長尺片が形成されることができる。したがって、長尺片の合間で薄膜の凝集に応じて金属ナノ粒子は形成されることができる。その結果、金属ナノ体群のピッチは確実に確立されることができる。伝播表面プラズモン共鳴の生成は確実に確保されることができる。

（５）以上のような試料分析素子は検出装置に利用されることができる。検出装置は、例えば、前記試料分析素子の金属ナノ体群に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記金属ナノ体群から放射される光を検出する光検出器とを備えることができる。

本発明の一実施形態に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。試料分析素子の拡大垂直断面図である。分散関係を示すグラフである。シミュレーションモデルで（ａ）電場のｘ軸方向成分の集中、および（ｂ）電場のｚ軸方向成分の集中を特定する垂直断面相当図である。（ａ）電場のｘ軸方向成分の周波数特性を示すグラフ、および（ｂ）電場のｚ軸方向成分の周波数特性を示すグラフである。試料分析素子の製造工程を示し、基板上に積層される金属膜および誘電体膜を概略的に示す垂直断面図である。試料分析素子の製造工程を示し、誘電体膜上に積層される素材膜およびレジスト膜を概略的に示す垂直断面図である。試料分析素子の製造工程を示し、素材膜上に形成されるレジストパターンを概略的に示す垂直断面図である。試料分析素子の製造工程を示し、素材膜から削り出された金属ナノ突起を概略的に示す垂直断面図である。本発明の一実施形態に係る検出装置を概略的に示す概略図である。変形例に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。他の変形例に係る試料分析素子を概略的に示す垂直断面図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。なお、以下に説明する本実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

（１）試料分析素子の構造
図１は本発明の一実施形態に係る試料分析素子１１を概略的に示す。この試料分析素子１１は基板１２を備える。基板１２は例えば誘電体から形成される。誘電体には例えば酸化珪素（ＳｉＯ_２）やガラスが使用されることができる。

基板１２の表面には金属膜１３が形成される。金属膜１３は金属から形成される。金属膜１３は例えば金から形成されることができる。金属膜１３は例えば基板１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１３の膜厚は例えば１００ｎｍ程度以上に設定されることができる。

金属膜１３の表面には誘電膜（誘電体）１４が形成される。誘電膜１４は誘電体から形成される。誘電膜１４は例えばＳｉＯ_２といった酸化膜から形成されることができる。誘電膜１４は例えば金属膜１３の表面に全面に途切れなく形成されることができる。誘電膜１４の膜厚は例えば４０ｎｍ程度に設定されることができる。

誘電膜１４の表面には金属ナノ突起（金属ナノ体）１５が形成される。金属ナノ突起１５は誘電膜１４の表面に分散する。金属ナノ突起１５は金属材料から形成される。金属ナノ突起１５は例えば銀から形成されることができる。その他、金属ナノ突起１５の形成にあたって金またはアルミニウムが用いられてもよい。個々の金属ナノ突起１５は円柱に形成される。円形断面の直径は例えば１０〜１００ｎｍ程度に設定されることができる。円柱の高さ（誘電膜の表面から）は例えば５〜５０nm程度で設定されることができる。円柱の大きさは、想定される入射光の波長よりも十分に小さく設定される。金属ナノ突起１５は角柱その他の立体形状に形成されてもよい。この場合には、角柱の水平断面は正方形や長方形その他の多角形に形成されることができる。

金属ナノ突起１５は金属ナノ突起群（金属ナノ体群）１６を形成する。金属ナノ突起群１６は第１方向（１方向）ＤＲに所定の長ピッチＬＰで配列される。長ピッチＬＰの大きさは、後述されるように、エバネッセント波の波数に応じて設定される。金属ナノ突起群１６同士の間には複数の長尺片１７が配置される。すなわち、長尺片１７は第１方向ＤＲに長ピッチＬＰで配置される。長尺片１７は第２方向ＳＤに平行に延びる。個々の第１長尺片１７は直線的に延びることができる。個々の第１長尺片１７は誘電膜１４の輪郭の縁から縁まで途切れなく延びることができる。

個々の金属ナノ突起群１６内で金属ナノ突起１５同士は第１方向ＤＲに短ピッチＳＰで配置される。同時に、個々の金属ナノ突起群１６内で金属ナノ突起１５同士は第２方向ＳＤに短ピッチＳＰで配置される。したがって、個々の金属ナノ突起群１６内で複数の金属ナノ突起１５は短ピッチＳＰで格子状に配置される。短ピッチＳＰは少なくとも長ピッチＬＰよりも小さく設定される。金属ナノ突起群１６内では、隣接する金属ナノ突起１５同士の間隔は、隣接する金属ナノ突起群１６同士の間隔よりも小さく設定される。ここでは、金属ナノ突起群１６同士の間隔は短ピッチＳＰよりも大きく設定される。

図２に示されるように、長尺片１７は誘電膜１４の表面上を延びる。長尺片１７の高さは金属ナノ突起１５の高さよりも高く設定される。その結果、金属ナノ突起１５の底面を含む仮想平面と、金属ナノ突起１５の頂上面を含む仮想平面とに挟まれる空間内では隣接する金属ナノ突起群１６同士の間は長尺片１７の材料で満たされる。金属ナノ突起群１６同士は長尺片１７の材料で分断される。

長尺片１７は、入射光に共鳴振動する自由電子を持たない材料から形成される。こういった材料には例えば酸化物といった誘電体が用いられることができる。ここでは、長尺片は酸化珪素（ＳｉＯ_２）から形成される。

図３は分散関係を示す。波数ｋは長ピッチＬＰに応じて特定される。直線２１、２２、２３はそれぞれ空気（ｎｓ＝１．０）、水（ｎｓ＝１．３３）およびガラス（ｎｓ＝１．５）の分散関係を示す。これら分散関係は比例関係を示す。３本の曲線２４、２５、２６は屈折率（ｎｓ＝１．０、１．３３および１．５）ごとに銀Ａｇの伝播表面プラズモン共鳴の分散関係を示す。さらに３本の曲線２７、２８、２９は屈折率（ｎｓ＝１．０、１．３３および１．５）ごとに金Ａｕの伝播表面プラズモン共鳴の分散関係を示す。ｘ軸（波数）に平行な直線は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴の角周波数（＝１．９４ｅＶ）（波長＝６３９ｎｍ）を示す。白プロットは、長ピッチＬＰごとに金属ナノ突起１５で電場強度の１次ピーク（極値）を形成する入射光の角周波数を示す。黒プロットは、長ピッチＬＰごとに金属ナノ突起１５で電場強度の２次ピークを形成する入射光の角周波数を示す。望ましくは、長ピッチＬＰは以下の式で与えられる。
ここで、λは局在表面プラズモン共鳴の波長、εは金属膜１３の複素誘電率、Ｒｅ［］は実部をそれぞれ表す。

試料分析素子１１では、入射光の偏光面がｘ軸方向およびｙ軸方向に合わせ込まれると、長ピッチＬＰの設定に応じて、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）と結合し、いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ突起１５の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ突起群１６内では金属ナノ突起１５同士の間隔は長ピッチＬＰよりも小さい短ピッチＳＰに設定されることから、金属ナノ突起１５同士の間隔が長ピッチＬＰで設定される場合に比べて金属ナノ突起１５の面密度は高められる。ホットスポットの面密度は高められる。しかも、金属ナノ突起群１６同士の間の空間は、入射光に共鳴振動する自由電子を持たない材料すなわち誘電材料で占められることから、確実に金属ナノ突起群１６の長ピッチＬＰは確立されることができる。

（２）電場強度の検証
本発明者は試料分析素子１１の電場強度を検証した。検証にあたってＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−ＤｉｆｆｅｒｅｎｃｅＴｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法のシミュレーションソフトウェアが利用された。シミュレーションソフトウェアの利用にあたって本発明者はＹｅｅＣｅｌｌに基づきシュミレーションモデルを構築した。図４（ａ）および図４（ｂ）に示されるように、このシミュレーションモデルでは金属膜１３上に誘電膜１４が積層された。金属膜１３の材質は金に設定された。その膜厚は１００ｎｍに設定された。誘電膜１４の材質はＳｉＯ_２に設定された。その膜厚は４０ｎｍに設定された。誘電膜１４上に長尺片１７が長ピッチＬＰ＝７２０ｎｍで配置された。長尺片１７の材質はＳｉＯ_２に設定された。長尺片１７の高さ（誘電膜１４の表面から）は２０ｎｍに設定された。長尺片１７同士の間で誘電膜１４上に５つの金属ナノ突起１５が配列された。短ピッチＳＰは１２０ｎｍに設定された。金属ナノ突起１５の材質は銀に設定された。金属ナノ突起１５は円柱形に形成された。円形断面の直径は８０ｎｍに設定された。金属ナノ突起１５の高さ（誘電膜の表面から）は２０ｎｍに設定された。

本発明者は作成されたシミュレーションモデルに基づき電場強度を算出した。算出にあたって直線偏光の入射光が設定された。偏光面はシミュレーションモデルのｘ軸方向に合わせられた。入射光の波長は７００ｎｍに設定された。周辺屈折率ｎｓ＝１が設定された。入射光は垂直入射に設定された。図４（ａ）に示されるように、隣接する金属ナノ突起１５同士の間で電場のｘ軸方向成分は強められることが観察された。同時に、図４（ｂ）に示されるように、隣接する金属ナノ突起１５同士の間で金属ナノ突起１５の上面の縁および底面の縁に電場のｚ軸方向成分は集中することが観察された。

本発明者は入射光の波長を変更させつつ前述のシミュレーションモデルに基づき電場強度を算出した。算出にあたって本発明者は比較例に係るシミュレーションモデル（以下「比較例」という）を用意した。比較例では長尺片１７は省略された。単純に短ピッチＳＰ＝１２０ｎｍで金属ナノ突起１５がｘ軸方向に配列された。図５（ａ）および図５（ｂ）に示されるように、本実施形態に係るシミュレーションモデルでは比較例に比べて最大で３倍程度まで電場強度は増強されることが観察された。

（３）試料分析素子の製造方法
次に試料分析素子１１の製造方法を簡単に説明する。図６に示されるように、基板１２の表面に金属膜１３が形成される。金属膜１３は例えば金から形成される。形成にあたって例えばスパッタリング法が用いられる。金属膜１３は基板１２の表面に一面に形成されればよい。金属膜１３の膜厚は例えば１００ｎｍ程度に設定されることができる。基板１２は例えばＳｉＯ_２から形成されることができる。

金属膜１３の表面には誘電体膜２１が形成される。形成にあたって同様にスパッタリング法が用いられることができる。誘電体膜２１は例えばＳｉＯ_２から形成される。誘電体膜２１は基板１２の表面に一面に形成されればよい。誘電体膜２１にはガラスインプリントが施される。その結果、誘電体膜２１は誘電膜１４および長尺片１７に成型される。誘電膜１４の膜厚は例えば４０ｎｍ程度に設定されることができる。長尺片１７の高さは例えば４０ｎｍに設定されることができる。

続いて、図７に示されるように、誘電体膜２１の表面には金属製の素材膜２２が形成される。形成にあたって同様にスパッタリング法が用いられることができる。素材膜２２は例えば銀から形成される。素材膜２２は基板１２の表面に一面に形成されればよい。素材膜２２の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定されることができる。

素材膜２２の表面にはレジスト膜２３が形成される。形成にあたってレジスト膜２３は回転塗布されることができる。レジスト膜２３の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定されることができる。レジスト膜２３は所定のパターンに従って露光現像される。露光には例えばレーザー干渉露光が用いられることができる。その結果、図８に示されるように、長尺片１７で挟まれる空間内に素材膜２２上で金属ナノ突起１５を象ったレジストパターン２４が形成される。長尺片１７上でレジスト膜２３は除去される。こうした除去にあたってレジスト膜２３の露光条件は適宜に設定されればよい。

その後、素材膜２２に例えばエッチング処理が施される。レジストパターン２４の働きで素材膜２２は選択的に除去される。レジストパターン２４の輪郭の周囲で素材膜２２は削り取られる。その結果、図９に示されるように、長尺片１７同士の間で誘電膜１４の表面に金属ナノ突起１５が形成される。このとき、長尺片１７の高さは金属ナノ突起１５の高さよりも大きく設定されることから、素材膜２２から金属ナノ突起１５が削り出される際に長尺片１７が削り取られても、金属ナノ突起群１６同士の間の空間は確実に長尺片１７で占められることができる。したがって、金属ナノ突起群１６の長ピッチＬＰは確実に確立されることができる。伝播表面プラズモン共鳴の生成は確実に確保されることができる。

（４）検出装置
図１０は本発明の一実施形態に係る検出装置３１を概略的に示す。この検出装置３１は表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）を利用する。検出装置３１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。検出装置３１には前述の試料分析素子１１すなわちセンサーチップが組み込まれる。組み込みにあたって検出装置３１には搬送路３２が区画される。搬送路３２には搬入口３３および排出口３４が形成される。搬送路３２は搬入口３３および排出口３４の間で密閉される。搬送路３２内には送風ファン３５が設置される。送風ファン３５は搬入口３３から排出口３４に向かって気流を生成する。試料（＝空気の塊）は気流にのって搬入口３３から排出口３４まで搬送路３２内を移動する。搬送路３２内に前述の試料分析素子１１が設置される。

検出装置３１には光源３６が組み込まれる。光源３６には例えばレーザー光を出射するレーザー光源が用いられることができる。光源３６は例えば特定の波長で光を放出する。

検出装置３１には光検出器３７が組み込まれる。光検出器３７には例えば受光素子が用いられることができる。受光素子は例えば光の強度を検出することができる。受光素子は例えば光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。

光源３６と試料分析素子１１との間、および、試料分析素子１１と光検出器３７との間には光学系３８が構築される。光学系３８は光源３６と試料分析素子１１との間に光路を形成すると同時に試料分析素子１１と光検出器３７との間に光路を形成する。光学系３８の働きで光源３６の光は試料分析素子１１に導かれる。試料分析素子１１の反射光は光学系３８の働きで光検出器３７に導かれる。

光学系３８はコリメーターレンズ４１、偏光制御素子４２、ダイクロイックミラー４３、対物レンズ４４、集光レンズ４５およびエタロン４６を備える。ダイクロイックミラー４３は例えば試料分析素子１１と光検出器３７との間に配置される。対物レンズ４４はダイクロイックミラー４３と試料分析素子１１との間に配置される。試料分析素子１１と対物レンズ４４との間で光は搬送路３２の透過窓３２ａを通過する。透過窓３２ａは例えば透過材で塞がれる。透過材は光源３６からの光の透過を許容する。ダイクロイックミラー４３と光検出器３７との間には集光レンズ４５およびエタロン４６が配置される。対物レンズ４４および集光レンズ４５の光軸は同軸に合わせ込まれる。光源３６の光軸は対物レンズ４４および集光レンズ４５の光軸に直交する。ダイクロイックミラー４３の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー４３と光源３６との間にはコリメーターレンズ４１および偏光制御素子４２が配置される。こうしてコリメーターレンズ４１は光源３６に向き合わせられる。コリメーターレンズ４１の光軸は光源３６の光軸に同軸に合わせ込まれる。

光源３６から放出される光はコリメーターレンズ４１で平行光に変換される。偏光制御素子４２は光を直線偏光に変換する。直線偏光の光はダイクロイックミラー４３で反射する。反射した光は対物レンズ４４で集光されて試料分析素子１１に照射される。このとき、光は基板１２の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面は試料分析素子１１のｘ軸方向に合わせ込まれる。照射された光の働きで金属ナノ突起１５には局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。同時に、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）と結合する。金属ナノ突起１５の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

このとき、ホットスポットで金属ナノ突起１５に標的物質が付着すると、標的物質からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が達成される。その結果、標的物質の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ４４に向かって放出される。

こうして試料分析素子１１から放出される光は対物レンズ４４で平行光に変換されダイクロイックミラー４３を通過する。その後、光は集光レンズ４５で集光される。集光された光はエタロン４６に入射する。エタロン４６はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに光検出器３７は光の強度を検出する。その結果、光のスペクトルに応じて標的物質は検出されることができる。標的物質のスペクトルは予め測定され検出装置３１に記憶されればよい。検出されたスペクトルは予め測定されたスペクトルに比較される。

（５）試料分析素子の変形例
図１１は変形例に係る試料分析素子１１ａを概略的に示す。この試料分析素子１１ａでは、前述の第１方向ＤＲに加えて第２方向ＳＤに金属ナノ突起群１６ａは細分化される。すなわち、金属ナノ突起群１６ａは、第１方向ＤＲに所定の長ピッチＬＰで配列されると同時に、第２方向にＳＤに所定の長ピッチＬＰで配列される。図中、前述の試料分析素子１１と均等な構成や構造には同一の参照符号が付され、その詳細な説明は割愛される。

第１方向ＤＲに分断される金属ナノ突起群１６ａ同士の間には複数の第１長尺片１７ａが配置される。すなわち、第１長尺片１７ａは第１方向ＤＲに長ピッチＬＰで配置される。第１長尺片１７ａは第２方向ＳＤに平行に延びる。個々の第１長尺片１７ａは直線的に延びることができる。個々の第１長尺片１７ａは誘電膜１４の輪郭の縁から縁まで途切れなく延びることができる。

第２方向ＳＤに分断される金属ナノ突起群１６ａ同士の間には複数の第２長尺片１７ｂ（１つのみ図示される）が配置される。すなわち、第２長尺片１７ｂは第２方向ＳＤに長ピッチＬＰで配置される。第２長尺片１７ｂは第１方向ＤＲに平行に延びる。個々の第２長尺片１７ｂは直線的に延びることができる。個々の第２長尺片１７ｂは誘電膜１４の輪郭の縁から縁まで途切れなく延びることができる。こうして第１長尺片１７ａおよび第２長尺片１７ｂは個々の金属ナノ突起群１６ａごとに金属ナノ突起群１６ａを途切れなく囲む枠を形成する。すなわち、第１長尺片１７ａおよび第２長尺片１７ｂは誘電膜１４の表面で格子状に広がる。

こうした試料分析素子１１ａでは、円偏光の入射光が照射されると、ｘ軸方向およびｙ軸方向の長ピッチＬＰの設定に応じて、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ突起１５の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ突起群１６ａ内では金属ナノ突起１５同士の間隔は長ピッチＬＰよりも小さい短ピッチＳＰに設定されることから、金属ナノ突起１５同士の間隔が長ピッチＬＰで設定される場合に比べて金属ナノ突起１５の面密度は高められる。ホットスポットの面密度は高められる。なお、こうした試料分析素子１１ａが検出装置３１に組み込まれる場合には、光源３６は円偏光の光を放出すればよい。

その他、例えば図１２に示されるように、１つの金属ナノ突起群１６、１６ａ内ではいわゆる島状の金属ナノ粒子１５ａがランダムに配置されてもよい。こうした場合でも長尺片１７、１７ａ、１７ｂの長ピッチＬＰは維持されることができる。したがって、金属ナノ突起群１６、１６ａの長ピッチＬＰも維持されることができる。前述と同様に、ハイブリッドモードは確立されることができる。ホットスポットの面密度は高められることができる。こういった島状の金属ナノ粒子１５ａはスパッタリングの薄膜形成にあたって金属材料の凝集に基づき形成されることができる。

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規な事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、試料分析素子および検出装置等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１試料分析素子、１４誘電体（誘電膜）、１５金属ナノ体（金属ナノ突起）、１５ａ金属ナノ体（金属ナノ粒子）、１６金属ナノ体群（金属ナノ突起群）、１７長尺片、３１検出装置、３６光源、３７光検出器、ＬＰ入射光に共鳴するピッチ（長ピッチ）。

Claims

基板と、
前記基板に形成された金属膜と、
前記金属膜に形成された誘電体と、
入射光の波長よりも小さい大きさで且つ前記誘電体表面に分散する金属ナノ体を含み、前記入射光に共鳴するピッチで少なくとも１方向に配列される複数の金属ナノ体群と、
前記入射光に共鳴振動する自由電子を持たない材料から形成されて、隣接する前記金属ナノ体群同士の間で前記誘電体上を延びる長尺片と
を備えることを特徴とする試料分析素子。
請求項１に記載の試料分析素子において、前記長尺片の高さは前記金属ナノ体の高さよりも高いことを特徴とする試料分析素子。
請求項１または２に記載の試料分析素子において、前記金属ナノ体群は、前記１方向を第１の方向とした場合の前記第１の方向と交差する第２の方向に、前記入射光に共鳴するピッチで配列される金属ナノ体群に細分化され、これらの細分化された金属ナノ体群同士の間で前記誘電体上を第２の長尺片が延びることを特徴とする試料分析素子。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の試料分析素子において、
前記１方向に沿って延びる複数の前記長尺片の配列ピッチＬＰは、局在表面プラズモン共鳴の波長をλ、前記金属膜の複素誘電率をε、Re[]が実部を示すものとしたとき、
であることを特徴とする試料分析素子。
請求項１〜４のいずれか１項に記載の試料分析素子と、
前記金属ナノ体群に向けて光を放出する光源と、
前記光の照射に応じて前記金属ナノ体群から放射される光を検出する光検出器とを備えることを特徴とする検出装置。