CN102401793B - 光器件单元及检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了光器件单元和检测装置。该光器件单元包括：光器件，所述光器件具有导电体，并能够增强接收来自光源的光而产生的拉曼散射光；以及第一引导部，用于向所述光器件引导气体样本。光器件单元可在检测装置上拆装。

Description

光器件单元及检测装置
技术领域
本发明涉及一种光器件单元及检测装置等。
背景技术
拉曼光谱仪通常包括检测出依赖于作为检测对象的物质的拉曼散射光而获得拉曼光谱的检测器，并能够进行基于拉曼光谱的光谱分析，从而确定作为检测对象的物质。不过，拉曼散射光的信号强度通常是微弱的，从而检测灵敏度低。
日本专利文献1公开了手持拉曼体液分析仪，用金溶胶带提供表面增强拉曼散射，从而提高拉曼散射光的信号强度。
另外，通过将激发光诸如照射到金属表面，能够产生局部等离子体，并能够通过激发光和局部等离子体的结合，局部地增强电场。在表面增强拉曼散射中，可以考虑到拉曼散射光因增强电场而被增强。
日本专利文献2公开了能够进行稳定的偏振面控制的垂直共振器面发光激光器(VCSEL：Vertical Cavity Surface Emitting Laser(垂直腔表面发射激光器))，并能够用这样的垂直共振器面发光激光器等提供激发光。
在激发光和局部等离子体结合时，发生基于局部等离子体共振的光吸收，例如，在日本专利文献3中公开有这样的方法，利用由在表面上固定有金属微粒子的基板产生的局部表面等离子体共振，提高传感器灵敏度。在日本专利文献4中，公开了具有向长波长侧位移的共振峰和向短波长侧位移的共振峰的局部等离子体共振传感器的技术。此外，在日本专利文献5中，公开了为了可与多个波长共振而由多个共振区域构成有微小共振器的电场增强设备的技术。
拉曼光谱仪通常包括具有可吸附作为检测对象的物质的金属纳米构造等导电体的光器件。通过使光入射到导电体，并将目标物引导到光器件附近的增强电场，能够检测出由增强电场引起的拉曼散射光。根据目标物的种类和光器件的种类，拉曼散射光的信号强度有时不稳定。
日本专利文献1：日本特表2008529006号公报
日本专利文献2：日本专利第3482824号公报
日本专利文献3：日本特开2000356587号公报
日本专利文献4：日本特开200710648号公报
日本专利文献5：日本特开2009250951号公报
发明内容
鉴于上述问题，根据本发明的几个实施方式，能够提供一种可提高检测灵敏度的光器件单元及检测装置等。
本发明第一方面涉及的光器件单元，其可在检测装置上拆装，该光器件单元包括：光器件，上述光器件具有导电体，并能够增强接收来自上述检测装置的光源的光而产生的拉曼散射光；以及第一引导部，用于向上述光器件引导气体样本。
根据本发明第一方面涉及的光器件单元，能够从检测装置拆下使用完的光器件单元，并将新的光器件单元安装到检测装置上。这样，通过更换光器件单元，附着在第一引导部及光器件上的气体样本不影响接着的检测或测定，从而能够提高检测装置的检测灵敏度。
此外，在本发明第二方面涉及的光器件单元中，上述第一引导部可以具有从摄入口摄入上述气体样本的第一流路，上述第一流路在上述摄入口和上述光器件之间可以具有遮挡外部光的入射光线的内壁面。
根据这样，外部光难以到达到光器件，外部光(噪音)相对于拉曼散射光(信号)的比例下降。因此，能够提高在检测拉曼散射光时的S/N比(signal to noise ratio：信号噪音比)，从而提高检测灵敏度。
此外，在本发明第三方面涉及的光器件单元中，上述光器件单元也可以还包括在上述第一流路中除去空气中的悬浮物的过滤器，上述过滤器还可以遮挡上述外部光。
根据这样，因过滤器的存在，悬浮物及外部光难以到达到光器件，从而能够提高检测灵敏度。
此外，在本发明第四方面涉及的光器件单元中，上述光器件单元也可以还包括能够被上述检测装置读取且用于识别上述光器件的识别代码。
根据这样，检测装置能够掌握光器件的种类或可用光器件检测的气体样本。此外，在检测装置进一步基于拉曼光谱进行光谱分析时，这样的检测装置(拉曼光谱仪)容易检测出或确定与光器件对应的气体样本(目标物)。
此外，在本发明第五方面涉及的光器件单元中，上述第一引导部可以具有与上述第一流路连接的第二流路，上述第二流路可以在与上述光器件面对的区域使上述气体样本回旋。
根据这样，因引导部的第二流路的存在，气体样本进入到光器件的概率变高。因此，拉曼散射光的信号强度稳定，例如，即使气体样本为微量时，也变得容易检测出或确定气体样本(目标物)。
此外，本发明第六方面涉及的检测装置，包括：本发明第一方面至第五方面中的任一项所述的光器件单元；能够与上述第一引导部连接的第二引导部；上述光源；用于使来自上述光源的上述光入射到上述光器件的上述导电体的第一光学系统；以及用于从被上述导电体散射或反射的光中检测出上述拉曼散射光的检测器，其中，上述第二引导部向排出口引导上述气体样本。
根据本发明第六方面涉及的检测装置，通过将光器件单元的第一引导部与检测装置的第二引导部连接，能够提供可更换光器件单元的检测装置。
此外，在本发明第七方面涉及的检测装置中，上述光器件的上述导电体可以具有包括多个突起的第一突起组，上述第一突起组的上述多个突起可以各自沿着与上述导电体的假想平面平行的方向以第一周期排列，上述第一光学系统可以以来自上述光源的上述光所具有的偏振方向的与上述假想平面平行的成分与上述第一突起组的排列方向平行的方式，使来自上述光源的上述光入射到上述第一突起组。
根据这样，能够通过第一突起组提高光器件中的增强电场。此外，能够将偏振方向的与假想平面平行的成分与第一突起组的排列方向平行的直线偏振光入射到光器件。通过这样，能够激发传播型表面等离子体。
此外，在本发明第八方面涉及的检测装置中，上述第一突起组的上述多个突起可以各自具有在上述第一突起组的顶面上通过导电体形成的第二突起组，与上述第一突起组的上述多个突起中的任一个突起对应的上述第二突起组的多个突起可以各自沿着与上述假想平面平行的上述方向以比上述第一周期短的第二周期排列。
根据这样，能够通过第二突起组也提高光器件中的增强电场。
此外，在本发明第九方面涉及的检测装置中，在排列有上述第一突起组、且上述第一突起组的邻接的突起间的面上，可以具有通过导电体形成的第三突起组，上述第三突起组的多个突起可以各自在上述第一突起组的上述邻接的突起间沿与上述假想平面平行的上述方向以比上述第一周期短的第三周期排列。
根据这样，能够在第三突起组中也提高光器件中的增强电场。
此外，在本发明第十方面涉及的检测装置中，可以在使来自上述光源的上述光的前进方向相对于朝向上述假想平面的垂线倾斜时的表面等离子体共振在第一共振峰波长和第二共振峰波长各自下产生，包括上述第一共振峰波长的第一共振峰波段可以包括由上述表面等离子体共振引起表面增强拉曼散射的激发波长，包括上述第二共振峰波长的第二共振峰波段可以包括上述表面增强拉曼散射的拉曼散射波长。
根据这样，通过向以第一周期排列的第一突起组入射的光，在第一共振峰波长和第二共振峰波长各自下产生表面等离子体。这时，以在包括第一共振峰波长的第一共振峰波段中包括表面增强拉曼散射的激发波长、在包括第二共振峰波长的第二共振峰波段中包括表面增强拉曼散射的拉曼散射波长的方式，设定第一周期和光的入射角。通过这样，可以提高激发波长下的电场增强度和拉曼散射波长下的电场增强度等。
此外，在本发明第十一方面涉及的检测装置中，上述检测装置也可以还包括将上述拉曼散射光引导到上述检测器的第二光学系统，其中，上述检测器可以经由上述第二光学系统接收上述拉曼散射光。
根据这样，能够在第二光学系统中效率高地接收拉曼散射光。
附图说明
图1(A)、图1(B)、图1(C)和图1(D)是包括本实施方式的光器件单元的检测装置的构成例。
图2(A)、图2(B)、图2(C)、图2(D)和图2(E)是拉曼散射光的检测原理的说明图。
图3(A)、图3(B)、图3(C)和图3(D)是包括本实施方式的光器件单元的检测装置的具体构成例。
图4是图3(A)的检测装置的框图的一例。
图5(A)及图5(B)是垂直共振器面发光激光器的构造例。
图6是光源的特性的说明图。
图7(A)、图7(B)和图7(C)是引导部及排出流路的构成例。
图8(A)、图8(B)、图8(C)、图8(D)和图8(E)是光刻法的简要说明图。
图9(A)、图9(B)、图9(C)、图9(D)和图9(E)是金属纳米构造的制造工艺的简要说明图。
图10(A)、图10(B)和图10(C)是由金属纳米构造形成的增强电场的简要说明图。
图11是两个共振峰的简要说明图。
图12是传感器芯片的构成例的立体图。
图13是图12的传感器芯片的截面图。
图14是传感器芯片的反射光强度的特性例。
图15是表面等离子体激元的激发条件的说明图。
图16是传感器芯片的反射光强度的其他的特性例。
图17是图12的传感器芯片的变形例的立体图。
图18是图17的传感器芯片的截面图。
图19(A)和图19(B)是用于使入射光倾斜地入射到传感器芯片的方法的说明图。
图20(A)及图20(B)是导电体的制造方法的简要说明图。
图21(A)、图21(B)和图21(C)是拉曼光谱的峰提取的简要说明图。
具体实施方式
下面，对本发明的优选实施方式进行详细地说明。另外，以下所说明的本实施方式并不对权利要求书所记载的本发明的内容进行不当地限定，并不是本实施方式所说明的构成的全部都必须作为本发明的解决手段。
1.概要
1.1基本构成
图1(A)、图1(B)、图1(C)和图1(D)示出包括本实施方式的光器件单元的检测装置的构成例。如图1(A)所示，光器件单元包括光器件4和引导部420(第一引导部)，检测装置包括光器件单元、排出流路423(第二引导部)、光源A、光学系统以及检测器5。另外，光器件单元可在检测装置上拆装，并能够连接引导部420和排出流路423。
光学系统(第一光学系统)诸如包括半透半反镜2及物镜3。光源A也可以发射具有规定的偏振方向的光。另外，光源A并不限定于图1(A)的例子，也可以具有多个光源。另外，光源A可以具有方向性(directivity)，并优选光源A由具有高方向性的光源(例如激光)构成。
半透半反镜2及物镜3(广义上的光学系统)使来自光源A的光入射到光器件4的导电体。此外，引导部420向光器件4引导气体样本。排出流路423排出引导到光器件4的气体样本。检测器5从被导电体散射或反射的光中检测出拉曼散射光。检测装置也可以称为拉曼检测装置，进一步基于拉曼光谱进行光谱分析的检测装置也可以称为拉曼光谱仪。
本申请的发明人认识到在拉曼光谱仪等中利用的光器件4及引导部420中仍旧附着有气体样本。此外，认识到由光器件4的导电体附近的增强电场引起的拉曼散射光的信号强度有时不稳定。因而，分离光器件4及引导部420，根据情况，改进引导部420，从而能够提高检测器5的检测灵敏度。通过从检测装置分离光器件4及引导部420，能够提高检测灵敏度。此外，通过改进引导部420，能够提高气体样本进入到光器件的概率，因此，使拉曼散射光的信号强度稳定。另外，对拉曼散射光及增强电场进行后述。此外，对引导部420也进行后述。
另外，在图1(A)的例子中，来自光源A的光Lin(入射光)的光路及来自光器件4的光Lout(散射光、反射光)的光路并不准确地代表实际的光路。换言之，仅示出来自光源A的光Lin(入射光)的光路的存在及来自光器件4的光Lout(散射光、反射光)的光路的存在。
在图1(B)的例子中，检测装置可以具有可变控制光器件4和光源A的相对位置的控制部7。具体地说，控制部7诸如能够使光源A的位置变化。另外，控制部7诸如可以具有XY载物台等的动作部，也可以只向动作部发送信号。
控制部7也可以使光器件4的位置变化。在图1(B)的例子中，控制部7诸如使光源A的位置变化，以使光源A的光轴Lax1与物镜3的光轴Lax2(广义上的光学系统的光轴)一致。
这时，虽然实际上预想来自光源A的光Lin与光源A的光轴Lax1及物镜3的光轴Lax2重合，但是在图1(B)的例子中，来自光源A的光Lin以与光源A的光轴Lax1及物镜3的光轴Lax2不重合方式被示出。在图1(B)的例子中，为能理解光源A的光轴Lax1和物镜3的光轴Lax2一致，来自光源A的光Lin以与光源A的光轴Lax1及物镜3的光轴Lax2不重合的方式被图示。
在图1(C)的例子中，控制部7使光源A的位置变化，以使光源A的光轴Lax1与物镜3的光轴Lax2错开。这时，虽然实际上预想来自光源A的光Lin与光源A的光轴Lax1重合，但是在图1(C)的例子中，来自光源A的光Lin以与光源A的光轴Lax1不重合的方式被示出。在图1(C)的例子中，为能理解光源A的光轴Lax1和物镜3的光轴Lax2不一致，来自光源A的光Lin以与光源A的光轴Lax1不重合的方式被图示。
在图1(D)的例子中，检测装置可以具有可变控制光器件4和光学系统的相对位置的控制部7。具体地说，控制部7诸如能够使物镜3的位置变化。通过使物镜3的位置变化，能够使光源A的光轴与物镜3的光轴一致，但也可以使光源A的光轴与物镜的光轴错开。
1.2检测原理
图2(A)、图2(B)、图2(C)、图2(D)和图2(E)示出了拉曼散射光的检测原理的说明图。在图2(A)的例子中，针对拉曼分光进行说明，当向目标分子(广义上的目标物)照射有入射光(振动数v)时，则通常大部分入射光作为瑞利散射光被散射，瑞利散射光的振动数v或波长不变化。入射光的一部分作为拉曼散射光被散射，拉曼散射光的振动数(v v’及v+v’)或波长反映目标分子的振动数v’(分子振动)。入射光的一部分因使目标分子振动而失掉能量，但目标分子的振动能量有时被附加到拉曼散射光的振动能量或光能上。将这样的振动数的位移(v’)称为拉曼位移。
在图2(B)的例子中，示出目标分子诸如为乙醛分子时的拉曼光谱。换言之，通过分析图2(B)所示的拉曼光谱，诸如能够确定乙醛分子。不过，当目标分子为微量时，拉曼散射光通常是微弱的，从而很难检测出或确定目标分子。因而，优选提供增强电场并通过增强电场增强拉曼散射光。另外，图2(B)的拉曼光谱用波数表示拉曼位移。
在图2(C)的例子中，对向金属微粒子20照射了入射光(照射光)时所形成的增强电场进行说明。当向比入射光的波长小的金属微粒子20(金属纳米粒子)照射入射光时，入射光的电场作用于金属微粒子20的表面所存在的自由电子上，并引起共振。通过这样，由自由电子引起的电偶极子在金属微粒子20内被激发，并在金属微粒子20的附近形成比入射光的电场强的增强电场。该现象是比入射光的波长小的金属微粒子20等导电体所特有的现象。
在图2(D)的例子中，对向光器件4照射了入射光时的表面增强拉曼散射(SERS：Surface Enhanced Raman Scattering)进行说明。光器件4诸如具有基板100，并通过在基板100的凸部105上形成金属微粒子20，能够提供具有多个突起110的突起组115(广义上的金属纳米构造)。通过向这样的光器件照射入射光，能够在突起组115的邻接的突起110(形成在凸部105上的导电体)间形成增强电场。当目标分子进入增强电场中时，则由该目标分子引起的拉曼散射光在增强电场中被增强，从而拉曼散射光的信号强度变强。在这样的表面增强拉曼散射中，即使目标分子是微量的，也能够提高检测灵敏度。
在图2(D)的例子中，从光器件4的正面(导电体侧)照射入射光，但如图2(E)所示，也可以从光器件4的背面(基板100侧)照射入射光。在图2(E)的例子中，能够检测出光器件4的背面的拉曼散射光及瑞利散射光。
另外，虽然优选图1(A)至图1(D)所示的光器件4具有图2(D)等所示那样的金属纳米构造，但是也可以不提供像图2(C)所示那样的增强电场。
2.具体例
2.1整体构成
图3(A)、图3(B)、图3(C)和图3(D)示出了包括本实施方式的光器件单元的检测装置的具体构成例。以下，对与在图1等中已说明的构成要素相同的构成要素附加相同符号，并适当省略说明。在图3(A)的例子中，示出光器件单元被装到检测装置，在图3(B)的例子中，示出从检测装置中取出之前被装入的光器件单元，在图3(C)的例子中，示出更换用的光器件单元。在图3(D)的例子中，示出外部光的进入路线。为了提高检测装置的检测灵敏度，光器件单元可在检测装置上拆装。通过从检测装置拆下使用完的光器件单元，并将新的光器件单元安装到检测装置上，附着在引导部420及光器件4上的气体样本不影响接着的检测或测定。
图3(A)所示的检测装置的光器件单元包括传感器芯片300(广义上的光器件4)及引导部420(输送部)。目标物从吸引口400(输入口、摄入口)被导入到引导部420(第一引导部)及排出流路423(第二引导部)的内部，并从排出口410排出到引导部420(第一引导部)及排出流路423(第二引导部)的外部。在图3(A)的例子中，检测装置在排出口410附近具有鼓风机450(广义上的吸引部)，当使鼓风机450工作时，则引导部420的吸引流路421(第一流路)、作为面对传感器芯片300的区域的流路422(第二流路)及排出流路423(第三流路)内的压力(气压)降低。通过这样，目标物(气体样本)被吸引到引导部420。目标物通过吸引流路421，经由传感器芯片300附近的流路422从排出流路423被排出。这时，目标物的一部分附着在传感器芯片300的表面(导电体)上。
将气体样本引导到排出口410的排出流路423可与传感器芯片300附近的流路422(广义上的引导部420)连接，在图3(A)的例子中，排出流路423及流路422诸如通过法兰盘、连接器等连接部490连接。
传感器芯片300可增强由于接收来自光源A的光而产生的拉曼散射光，为了提高气体样本附着或吸附在传感器芯片300的表面上的概率，可以改进引导部420的流路。由于在单纯的流路(未图示)中，气体样本有时对传感器芯片300过而不入，所以引导部420可以具有气体样本在传感器芯片300的表面附近进行回旋的流路。进行回旋的气体样本很难直接到达排出口410或排出流路423，所以能够停留在传感器芯片300附近的流路422中。
如图3(A)所示，传感器芯片300附近的流路422(第二流路)能够使气体样本回旋。因产生回旋流所以气体样本进入到传感器芯片300的概率变高。因此，拉曼散射光的信号强度稳定，即使诸如气体样本为微量时也变得容易检测出或确定气体样本(目标物)。
目标物诸如可以假想为毒品、酒精、残留农药等的稀薄分子或病毒等病原体等。
优选气体样本与传感器芯片300的表面进行接触的概率高，而且，优选外部光(未图示)尽量不到达到传感器芯片300。如图3(A)所示，引导部420的吸引流路421(第一流路)诸如可以具有迂回构造。通过外部光(噪音)相对于拉曼散射光(信号)的比例下降，能够提高在检测拉曼散射光时的S/N比(signal-to-noise ratio：信号噪音比)，从而提高检测灵敏度。
当假设吸引流路421为直线时，则吸引流路421很难遮挡外部光，从而检测灵敏度就会降低。
在图3(D)的例子中，示出了外部光通过吸引流路421到达到传感器芯片300附近的流路422时的光路，例如，如图3(D)所示，外部光被吸引流路421的内壁反射三次。吸引流路421在吸引口400(摄入口)和传感器芯片300之间具有遮挡外部光的入射光线的内壁面。通过这样的迂回构造，吸引流路421能够具有遮光性。
在图3(A)的例子中，吸引流路421虽然具有迂回构造，但是也可以诸如优选吸引流路421的内壁为曲线的，以使流路阻力变小。此外，优选吸引流路421的内壁用光反射率小的材料构成，以使遮光性变高。而且，优选引导部420的排出流路423(第三流路)也具有遮光性变高的结构。
在图3(D)的例子中，也示出了外部光通过排出流路423到达到传感器芯片300附近的流路422时的光路(入射光线)，例如，如图3(D)所示，外部光被排出流路423的内壁反射三次。排出流路423在排出口410和传感器芯片300之间具有遮挡外部光的入射光线的内壁面。通过这样的迂回构造，排出流路423能够具有遮光性。
在图3(A)的例子中，吸引流路421(广义上的引导部420，更广义上的光器件单元)可以具有除去空气中的悬浮物的过滤器426(例如，灰尘过滤器)。优选过滤器426能遮挡外部光，诸如由灰尘过滤器兼遮光滤波器构成。此外，排出流路423(广义上的检测装置)也可以具有遮挡外部光的滤波器427(例如遮光滤波器)。
在图3(A)的例子中，检测装置具有罩440，罩440能够收纳传感器芯片300等。此外，检测装置具有壳体500，在壳体500内诸如包括光源A、半透半反镜2、物镜3及检测器5，检测器5诸如具有分光元件370及光接收元件380。分光元件370诸如可以由标准具构成。而且，检测装置可以包括聚光透镜360、滤光器365、处理部460、电力供给部470、通信接口510及电源接口520。
在图3(A)的例子中，检测装置包括铰链部480，罩440通过铰链部480可开闭。在罩440处于打开的状态下，可以拆下使用完的光器件单元，或如图3(B)所示，在罩440处于打开的状态下，可以向检测装置装入新的光器件单元。另外，检测装置诸如具有卡定部(未图示)，并通过光器件单元具有与卡定部对应的被卡定部(未图示)，从而能够对光器件单元进行定位。另外，传感器芯片检测元件310能够检测出传感器芯片300(广义上的光器件单元)是否被确切地装入到检测装置中。图3(C)示出更换用的光器件单元，光器件单元可以具有密封部件424、425，以使引导部420及传感器芯片300不被污染。光器件单元可以具有识别传感器芯片300的识别代码305(例如条形码)，传感器芯片检测元件310(例如条形码阅读器)能够读取识别代码305。
在图3(A)的例子中，检测装置还具有与光源A对应的准直透镜320及偏振控制元件330。从光源A射出的光通过准直透镜320变成平行光，并通过偏振控制元件330变成直线偏振光。另外，作为光源诸如采用面发光激光器，只要可发射具有直线偏振光的光，则可以省略偏振控制元件330。
来自光源A的光通过半透半反镜2(分色镜)引导至传感器芯片300的方向，并在物镜3中被聚光，然后入射到传感器芯片300。传感器芯片300的表面诸如形成有金属纳米构造。从传感器芯片300诸如放射出基于表面增强拉曼散射的瑞利散射光及拉曼散射光。来自传感器芯片300的瑞利散射光及拉曼散射光经过物镜3并由半透半反镜2引导至检测器5的方向。
在图3(A)的例子中，来自光源A的光从传感器芯片300的背面到达到表面，诸如从表面的金属纳米构造附近产生瑞利散射光及拉曼散射光，瑞利散射光及拉曼散射光被放射到传感器芯片300的背面侧(参照图2(E))。另外，也可以以来自光源A的光直接到达到传感器芯片300表面的方式(参照图2(D))变更图3的传感器芯片300的配置。
在图3(A)的例子中，来自传感器芯片300的瑞利散射光及拉曼散射光在聚光透镜360中被聚光，并到达到滤光器365。而且，通过滤光器365(例如，陷波滤波器)选出拉曼散射光，光接收元件380通过分光元件370接收该拉曼散射光。通过分光元件370的光的波长可以通过处理部460进行控制(选择)。
光接收元件380通过光学系统及分光元件370接收拉曼散射光。光学系统(第二光学系统)诸如包括半透半反射2、聚光透镜360及滤光器365。通过分光元件370及光接收元件380，获得目标物所特有的拉曼光谱，并通过核对已获得的拉曼光谱和预先保持的数据，能够确定目标物。
在图3(A)的例子中，处理部460可以对光源A的电源进行ON/OFF(开/关)。此外，处理部460诸如能够执行图1(B)等所示的控制部7的功能，处理部460诸如能够可变控制光源A的位置。此外，处理部460可以向除图3所示的光源A以外的检测器5、鼓风机450等发送命令，处理部460不仅能够控制光源A，也能够控制检测器5、鼓风机450等。而且，处理部460可以执行拉曼光谱的光谱分析，从而处理部460能够确定目标物。另外，处理部460能够将拉曼散射光的检测结果、拉曼光谱的光谱分析结果等诸如发送给与通信接口510连接的外部设备(未图示)。
在图3(A)的例子中，电力供给部470可以向图3(A)所示的处理部460、光源A、检测器5、鼓风机450等供给电力。电力供给部470诸如可以由二次电池构成，也可以由一次电池、AC适配器等构成。当电力供给部470由二次电池构成时，例如，与电源接口520连接的充电器(未图示)可以对二次电池进行充电。当电力供给部470由AC适配器构成时，AC适配器被配置在检测装置的外部，并与电源接口520连接。另外，检测装置诸如可以包括显示部(在图4的例子中是显示部540)，显示部可以显示电力供给部470的状态(例如，电池没电、充电中、充电结束、供电中等)。
图4示出了图3(A)的检测装置的框图的一例。以下，对与在图3(A)等中已说明的构成要素相同构成要素附加相同符号，并适当省略说明。如图4所示，检测装置诸如还可以包括显示部540、操作部550及接口530。此外，图3所示的处理部460诸如可以具有CPU(Central ProcessingUnit：中央处理器)461、RAM(Random Access Memory：随机存取存储器)462、ROM(Read Only Memory：只读存储器)463。而且，检测装置诸如可以包括光源驱动器15、分光驱动器375、光接收电路385及鼓风机驱动器455。以下，对图4所示的检测装置的操作例进行说明。
在图4的例子中，CPU 461能够判断检测拉曼散射光的准备是否已完成，CPU 461能够将表示其准备已完成的信号发送给显示部540。此外，CPU 461也能够将除该信号以外的信号发送给显示部540，显示部540能够根据来自CPU 461的信号(显示信号)，向用户提供各式各样的显示。
在图4的例子中，检测电路315能够将通过传感器芯片检测元件310检测出的识别代码305作为电信号取出。CPU 461可以以数字形式接收该电信号，并用该值确定传感器芯片300的种类。之后，CPU 461能够识别检测拉曼散射光的准备已完成。
当显示部540示出检测拉曼散射光的准备已完成时，用户可以操作操作部550开始拉曼散射光的检测。当来自操作部550的信号(操作信号)表示检测的开始时，CPU 461可以通过光源驱动器15起动光源A。具体地说，光源驱动器15(广义上的CPU 461)能够使光源A的电源接通。另外，光源A可以具有温度传感器(未图示)及光量传感器(未图示)，光源A可以将光源A的温度及光量通过光源驱动器15发送给CPU 461。CPU 461接收光源A的温度及光量并能够判断光源A的输出是否稳定。在光源A的电源处于接通的状态下，根据情况，在光源A的输出稳定后，CPU 461能够通过鼓风机驱动器455起动鼓风机450。
另外，CPU 461(广义上的处理部460)诸如能够执行图1(B)等所示的控制部7的功能，CPU 461诸如能够通过光源驱动器15诸如可变控制光源A的位置。另外，CPU 461诸如也可以通过光源驱动器15或透镜驱动器(未图示)可变控制诸如图1(D)等所示的物镜3的位置。
在图4的例子中，鼓风机驱动器455能够使鼓风机450的电源接通，通过这样，目标物(气体样本)被吸引到图3的引导部420。当图3的光源A的电源被接通时，来自光源A的光通过半透半反镜2到达到图3的传感器芯片300。据此，从传感器芯片300向半透半反镜2返回瑞利散射光及拉曼散射光。瑞利散射光及拉曼散射光从传感器芯片300通过聚光透镜360到达到滤光器365。滤光器365一方面遮挡瑞利散射光，另一方面将拉曼散射光导入到分光元件370。以上，在从吸入口400(输入口)到引导部420、排出口410为止的流路阻力比较小的情况下可通过鼓风机450来实现，但当流路阻力比较大时，可以使用吸引泵(未图示)等替代鼓风机450。
在图4的例子中，分光驱动器375(广义上的CPU 461)能够控制分光元件370。分光元件370诸如可以由能够改变共振波长的可变标准具分光器构成。当分光元件370为利用了法布里珀罗共振的标准具时，分光驱动器375能够在调整相互对置的两片标准具板的距离的同时，改变(选择)通过标准具的光的波长。具体地说，当将通过标准具的光的波长设定在从第一波长到第N波长的范围时，首先，以具有第一波长的光呈现最大强度的方式设定两片标准具板的距离。之后，以具有从第一波长只错开半宽度的第二波长的光呈现最大强度方式再次设定两片标准具板的距离。边用这样的方法依次选择第一波长、第二波长、第三波长、……、第N波长，边用光接收元件380接收通过标准具的光。
在图4的例子中，光接收电路385(广义上的CPU 461)能够将通过光接收元件380接收的光作为电信号选出。CPU 461可以以数字形式接收该电信号，并将该值存储到RAM 462中。通过分光元件370将第一波长至第N波长的范围的光选择地导入到光接收元件380，CPU 461能够将拉曼光谱以数字形式存储到RAM 462中。
在图4的例子中，CPU 461能够将RAM 462所存储的目标物所特有的拉曼光谱数据和诸如预先存储到ROM 463中的已知的拉曼光谱数据进行比较。CPU 461能够基于比较结果判定目标物是什么物质。CPU 461能够将表示比较结果或判定结果的信号发送给显示部540。通过这样，显示部540能够向用户示出比较结果或判定结果。此外，CPU 461也可以从通信接口510输出表示比较结果或判定结果的数据。接口530能够以规定的规格执行在CPU 461和与通信接口510连接的外部设备(未图示)之间的数据的交接。
在图4的例子中，CPU 461能够判定电力供给部470的状态。当电力供给部470诸如由一次电池或二次电池构成时，CPU 461能够判定表示一次电池或二次电池的电压的数据诸如是否为小于等于ROM 463所预先存储的规定值。CPU 461能够将表示判定结果的信号输送给显示部540。通过这样，显示部540能够向用户示出判定结果(例如电池没电、需要充电)或基于判定结果的指示。此外，当电力供给部470诸如由二次电池构成时，CPU 461能够判定二次电池是否正在充电等。
在图4的例子中，电力供给部470能够将电力供给部470的状态发送给CPU 461。此外，电力供给部470能够向具有CPU 461等的处理部460供给电力。虽然图4未示出，但是电力供给部470也可以向光源驱动器15、光接收电路385、光源组1等构成检测装置的部件供给电力。
2.2光源
图5(A)及图5(B)示出垂直共振器面发光激光器的构造例。在图5(A)的例子中，在n型GaAs基板上形成有n型DBR(Diffracted BraggReflector：布拉格反射衍射)层。n型DBR(Diffracted Bragg Reflector)层的中央部设置有活性层及氧化狭窄层。在活性层及氧化狭窄层上设置有p型DBR层。在P型DBR层及n型DBR层上设置绝缘层，并在绝缘层上形成电极。在n型GaAs基板的背侧也形成电极。在图5的例子中，活性层介于n型DBR层和p型DBR层之间，形成了通过活性层产生的光在n型DBR层和p型DBR层之间进行共振的垂直共振器。另外，垂直共振器面发光激光器并不限定于图5(A)的例子，诸如也可以省略氧化狭窄层。
例如，优选图1(A)等所示的光源A是使光向与基板面垂直方向共振、并可向与基板面垂直的方向(光源的光轴Lax1)放射光的垂直共振器面发光激光器(广义上的面发光激光器)。通过利用垂直共振器面发光激光器，能够构成为单色(单一波长)且直线偏振光的光源。此外，垂直共振器面发光激光器可以小型化，并适于向便携式检测装置的组装。此外，根据垂直共振器面发光激光器的构造，在制造工序中即使不劈开基板，也可形成共振器或检查激光特性，并适合于大批量生产。而且，垂直共振器面发光激光器与其他的半导体激光器相比，可比较廉价地制造，诸如也可以提供二维阵列式垂直共振器面发光激光器。而且，垂直共振器面发光激光器的阈值电流小，因此，能够使检测装置的耗电量降低。此外，即使低电流，也可以高速调制垂直共振器面发光激光器，且相对于垂直共振器面发光激光器的温度变化的特性变化的幅度少，从而能够使垂直共振器面发光激光器的温度控制部简单化。
另外，变形图5(A)的例子，垂直共振器面发光激光器能够提供稳定的偏振面(广义上的偏振方向)。这时，替代图3的偏振控制元件330，诸如光源A(垂直共振器面发光激光器)能够具有诸如像日本专利文献2所公开那样的变形附加部。在日本专利文献2的例子中，日本专利文献2的变形附加部19与垂直共振器面发光激光器的共振器10B邻接配置。日本专利文献2的变形附加部19通过向日本专利文献2的共振器10B给予各向异性应力，使其变形，从而在日本专利文献2的共振器10A内产生双折射、增益的偏振依赖性。通过这样，能够提供稳定的偏振面。
在图5(B)的例子中，示出有垂直共振器面发光激光器的俯视图，光源A具有变形附加部。在图5(B)的例子中，光源A可放射具有偏振方向DA的光。
图6示出光源的特性的说明图。在图6的例子中，用表格表示可利用于光源的激光器的特性。垂直共振器面发光激光器(VCSEL)适应于上述那样的检测装置的光源，但检测装置可以采用像图6所示那样的其它的激光器，也可以采用除激光器以外的光源。
2.3引导部
图7(A)、图7(B)、图7(C)示出了引导部及排出流路423的构成例。如图7(A)所示，传感器芯片300附近的流路422可以具有圆筒状构造。圆筒状构造可以具有内周面422a及与内周面垂直的平面422b，并在内周面422a(壁面)上使气体样本向与基板100(狭义上的导电体)的平面(广义上的假想平面)平行的方向(水平方向)回旋。可以将气体样本向与导电体的假想平面(例如横截面)平行的方向回旋称为水平回旋或横回旋。传感器芯片300附近的流路422的入口与吸引流路421的出口连接，传感器芯片300附近的流路422的出口与排出流路423的入口连接。通过让从吸引流路421的出口向流路422的入口的气体样本的流入方向接近于与平面422b平行的方向，气体样本在水平方向上变得容易回旋。另外，如图7(A)所示，主要在水平方向上产生回旋流，也可以在垂直方向上产生回旋流。气体样本停留在传感器芯片300附近，之后，从排出流路423流出。通过气体样本几次通过传感器芯片300附近的增强电场附近，能够提高气体样本进入到增强电场的概率。
如图7(B)所示，传感器芯片300附近的流路422可以具有空心状构造。空心状构造可以具有内侧球面422c，并在内侧球面422c(壁面)上使气体样本向与导电体的假想平面垂直的方向(垂直方向)回旋。可以将气体样本向与导电体的假想平面(例如横截面)垂直的方向回旋称为垂直回旋或纵回旋。通过让从吸引流路421的出口向流路422的入口的气体样本的流入方向接近于与平面422b垂直的方向，气体样本在垂直方向上变得容易回旋。另外，如图7(B)所示，主要在垂直方向上产生回旋流，也可以在水平方向上产生回旋流。
在图7(C)的例子中，吸引流路421可以具有螺旋构造。气体样本从吸引流路421进入到流路422。这时，由于吸引流路421具有螺旋构造，所以进行回旋的气体样本进入到流路422。因此，气体样本能够在流路422中进一步进行回旋，从而气体样本停留到导电体附近的增强电场中的概率进一步变高。此外，优选吸引流路421能够对外部光进行遮光，并优选吸引流路421的内壁由光反射率小的材料构成，以使遮光性变高。在图7(C)的例子中，引导部420(广义上的光器件单元)可以具有可与排出流路423连接的中继路径423a。
排出流路423也可以具有图7(C)所示那样的螺旋构造。此外，诸如图7(A)等所示的吸引流路421也可以具有螺旋构造。
2.4光器件(基于光刻法的金属纳米构造)
图8(A)、图8(B)、图8(C)、图8(D)和图8(E)示出光刻法的简要说明图。在图8(A)的例子中，示出利用了紫外激光器的光干涉曝光装置的简要构成，作为光源诸如可以利用具有266n波长、200mW输出的连续振荡(CW：Continuous Wave：连续波)激光器。来自紫外激光器的光经由快门由反射镜折回，并通过半透半反镜向两侧进行分支。从半透半反镜被分支的两束光分别由反射镜折回并经由物镜及针孔，通过这样，光束直径扩大。通过使光束直径扩大了的来自紫外激光器的光照射到掩模，制成曝光图案，并能够使曝光图案照射到涂敷了抗蚀剂层的基板100。这时，通过来自两侧的掩模的曝光图案相互干涉，可将干涉图案形成在抗蚀剂层(基板100)上。此外，也可以通过诸如半透半反镜及CCD摄像头由监视器确认曝光图案。
在将规定的干涉图案(广义上的规定的曝光图案)曝光到抗蚀剂层(基板100)上之后，能够显影抗蚀剂层，并保留只需要部分的抗蚀剂层。之后，可以将基板100浸渍到进行蚀刻的溶液中，或用干式蚀刻只进行需要量的蚀刻。在蚀刻后，能够除去残留在基板100上的抗蚀剂层。通过这样，能够将基板100的表面加工成微细的凹凸状。之后，可以在基板100的表面上附加诸如金属微粒子，作为导电体，并形成金属纳米构造。对金属纳米构造的制造工艺的概要进行后述(参照图9(A)至图9(E))。
在图8(B)的例子中，用俯视图及截面图示出具有金属纳米构造的基板100。在该例子中，基板100(金属纳米构造)具有由多个突起110构成的突起组115，多个突起110(金属微粒子20)以一维周期配置。
此外，在图8(C)的例子中，也用俯视图及截面图示出具有金属纳米构造的基板100。在该例子中，多个突起110(金属微粒子20)以二维周期配置。在图8(D)的例子中，示出有以立体示出具有金属纳米构造的基板100的电子显微镜照片，诸如与图8(C)对应。在图8(E)的例子中，示出有以俯视示出具有金属纳米构造的基板100的SEM照片，诸如与图8(C)对应。诸如由金(Au)构成的多个突起110的周期(节距)诸如约为140nm。
另外，也可以诸如使用电子束曝光装置替代光干涉曝光装置，形成金属纳米构造。电子束曝光装置与光干涉曝光装置相比具有曝光的自由度高的优点，另一方面，光干涉曝光装置与电子束曝光装置相比具有光器件的批量生产性高的优点。
图9(A)、图9(B)、图9(C)、图9(D)和图9(E)示出金属纳米构造的制造工艺的简要说明图。以下，对与在图8(B)等中已说明的构成要素相同的构成要素附加相同符号，并适当省略说明。具体地说，诸如在图8(C)等中示出的金属纳米构造可以如下那样的进行制造。如图9(A)所示，基板100具有抗蚀剂层101。抗蚀剂层101诸如通过旋涂被涂敷到基板100上，之后进行干燥。在向抗蚀剂层101曝光规定的图案时，能够使用诸如在图8(A)中示出的光干涉曝光装置。抗蚀剂层101可以使用诸如正型抗蚀剂层，抗蚀剂层101的膜厚诸如为1μm。在图9(A)的例子中，从两个方向向抗蚀剂层101照射光，两束光分别具有诸如格子状的曝光图案。根据两束光交叉的角度，能够形成各式各样的干涉图案。另外，干涉图案的大小能够变小到光干涉曝光装置诸如紫外激光器的波长的一半。当将干涉图案的潜影形成在抗蚀剂层101内并显影抗蚀剂层101时，则诸如能够形成像图9(B)所示那样的抗蚀剂图案。
如图9(B)所示，基板100具有由抗蚀剂图案保护的部分和未由抗蚀剂图案保护的部分。之后，蚀刻未由抗蚀剂图案保护的部分，例如，如图9(C)所示，在基板100上形成有凹部104。之后，通过除去残留在基板100上的抗蚀剂层101，露出有诸如像图9(D)所示那样的基板100的凸部105。之后，诸如用溅射装置将由金属微粒子20形成的金属膜形成在基板100上。在初期状态中，在基板100整体上形成有薄的金属膜，但在凸部105附近逐渐地附着有较多的金属微粒子20，从而能够由诸如像图9(E)所示那样的金属膜形成多个突起110(金属纳米构造)。
当向具有多个突起110(金属纳米构造)的突起组115照射诸如直线偏振光的激光时，则根据激光光的偏振方向激发局部等离子体，并在突起组115的邻接的突起110间的间隙中形成强的增强电场。在突起组115的邻接的突起110间的间隙可以通过金属膜的膜厚来控制，该间隙的大小成为主要支配增强电场的强度的要素。
金属微粒子20或金属膜诸如可以由金(Au)、银(Ag)、铜(Cu)、铝(Al)、钯(Pd)或白金(Pt)构成，此外，可以由这些的合金(组合)构成。优选金属微粒子20或金属膜由金(Au)或银(Ag)构成，从而能够容易发生局部等离子体、增强电场或表面增强拉曼散射。
图10(A)、图10(B)、图10(C)示出由金属纳米构造形成的增强电场的简要说明图。以下，对与在图2(D)等中已说明的构成要素相同的构成要素附加相同符号，并适当省略说明。目标分子(气体样本)诸如从图3所示的吸引口400被吸引到引导部420的内部，并到达到传感器芯片300(广义上的光器件4)附近的流路422。在图10(A)的例子中，光器件4具有金属纳米构造，当向金属纳米构造照射来自光源的光Lin(入射光)时，则在凸部105的间隙中形成有增强电场。在图10(B)的例子中，用虚线示出光Lin(入射光)的照射范围。另外，当在增强电场中进入有目标分子时，就会产生有含有该目标分子的振动数的信息的拉曼散射光。此外，该拉曼散射光通过增强电场而被增强，并产生有表面增强拉曼散射。在图10(A)的例子中，虽然从光器件4的背面侧(基板100侧)照射有入射光，但是如图10(C)所示，也可以从传感器芯片300的正面(凸部105侧)照射入射光。
当凸部105的间隙小，凸部105的高度(凹部104的深度)变大时，则诸如在图10(A)等中所示的增强电场通常变强。此外，如果光Lin(入射光)的强度强，则增强电场也变强。但是，当凸部105的间隙过窄时，则由于目标分子进入到间隙(增强电场)的概率也变低，所以凸部105的间隙诸如可以设定为几纳米至十几纳米。此外，当凸部105的高度(凹部104的深度)变大时，则在目标分子一旦进入到间隙(增强电场)之后，使离开间隙(增强电场)的时间变长，从而表示拉曼散射光的检测信号或拉曼光谱稳定。
此外，可以根据金属纳米构造的金属的种类选择光Lin(入射光)的波长。当金属纳米构造诸如由金(Au)构成时，可以将光Lin的波长诸如设定为633nm。此外，当金属纳米构造诸如由银(Ag)构成时，可以将光Lin的波长诸如设定为514nm。此外，也可以根据目标分子的种类选择光Lin的波长。另外，当气体样本包含除目标分子以外的杂质时，为了抑制杂质的荧光，也可以将光Lin的波长诸如设定为780nm左右。
2.5表面等离子体共振峰
在向诸如图10(C)等所示的光器件4的金属纳米构造(广义上的导电体)照射光Lin(入射光)时，由于通常只存在有一个宽的表面等离子体共振峰，所以相对于激发波长(与瑞利散射波长相等)和拉曼散射波长，需要将共振峰的位置设定在恰当的位置。因此，如果将共振峰波长设定在激发波长和拉曼散射波长之间，则能够在激发过程和拉曼散射过程两个过程中期待电场增强效果。不过，由于共振峰是宽的，所以在各个的过程中共振的强度变弱，从而不能说整个过程的增强度是充分的。因而，向光器件4倾斜地入射入射光从而产生两个共振峰，并通过将其两个共振峰设定成激发波长和拉曼波长，从而能够使检测灵敏度或传感器灵敏度提高。
为了实现应用了表面增强拉曼散射的高灵敏度的传感器芯片300(广义上的光器件4)，优选局部电场的增强度(以下，适当省略为增强度)尽可能大。增强度α用下式(1)来表示(M.lnoue，K.ohtaka，J.Phys.Soc.Jpn.，52，3853(1983))。在这里，αray是激发波长下的增强度，αram是拉曼散射波长下的增强度。
α＝αray×αram    (1)
根据上式(1)，能够同时提高激发过程中的增强度和拉曼散射过程中的增强度这两个增强度，从而提高表面增强拉曼散射过程中的增强度。因此，例如，如图11所示，只在激发波长及拉曼散射波长的附近产生较强的两个共振峰。通过这样，根据两散射过程的相乘效果，能够提高局部电场的增强效果。
图12是传感器芯片的构成例的立体图。如图12所示，传感器芯片300包括基板100(基材)及突起组115(第一突起组)。具有多个突起110的突起组115由导电体构成，导电体虽然典型的是金属(例如金(Au))，但是也可以为半导体(例如多晶硅)等。
多个突起110在沿基板100的平面(广义上的假想平面)的第一方向D1上周期地配置。在这里，基板100的平面诸如是形成有突起组115的一侧的基板100的表面120，也可以是与表面120平行的面。更具体地说，突起组115的各突起110在突起的排列方向(第一方向D1)上的截面形状从基材100的表面120形成为凸形状。凸形状是矩形或梯形、弧形等，诸如也可以具有以像图8(D)、图9(E)等示出那样的复杂的曲线定义的截面形状。例如，如图12所示，突起组115在相对于基板100的俯视中，形成为与和第一方向D1正交的第二方向D2平行的条纹状。
图13示出图12的传感器芯片的截面图。该截面图的截面是与基板100的平面垂直的面，并是与突起组115的排列方向(第一方向D1)平行的面。如图13所示，将基板100的平面的法线方向视为第三方向D3。
在图13的例子中，基板100具有玻璃基板130、形成在玻璃基板130上的金属薄膜140。例如，金属薄膜140的厚度为大于等于150nm。在图13的例子中，突起组115的截面形状为矩形(大致矩形)，第一高度H1的突起110沿第一方向D1以第一周期P1排列。通过该金属薄膜140和突起组115形成了金属光栅150(周期的金属凹凸构造)。优选第一周期P1诸如设定在100nm至1000nm的范围、第一高度H1诸如设定在10nm至100nm的范围。另外，玻璃基板130诸如也可以是石英基板、蓝宝石基板等。基板100诸如也可以使用由金属构成的平板。
向传感器芯片300可以入射包含直线偏振光的入射光Lin。直线偏振光的偏振方向(偏振方位)是相对于与第一方向D1和第三方向D3平行的面为平行的方向。在图13的例子中，入射光Lin相对于金属薄膜140和突起组115的金属光栅150(广义上的导电体)倾斜地入射。具体地说，当将倾斜角视为θ时，则为θ＞0，在图13所示的截面中，以入射方向和第三方向D3的相反方向的角度(相对于朝向基板100的平面的垂线的角度)成为θ的方式使入射光入射。
优选直线偏振光相对于与第一方向D1和第三方向D3平行的面是平行的。不过，直线偏振光也可以相对于与第一方向D1和第三方向D3平行的面是非平行的。换言之，只要直线偏振光包含和与第一方向D1和第三方向D3平行的面平行的偏振光成分就可以。另外，直线偏振光的偏振方向诸如可以由图3的偏振控制元件330、图5(B)的变形附加部等来设定。
图14示出传感器芯片的反射光强度的特性例。图14是当由银(Ag)形成金属光栅150，并相对于金属光栅150的光的入射角度θ为3度、光的偏振方向与金属光栅150的槽方向(第二方向D2)正交、突起110的截面为矩形(大致矩形)、第一周期P1为500nm、第一高度H1为20nm时的特性例。在图14的例子中，横轴表示反射光的波长，纵轴表示反射光强度(相对于入射光强度的比率)。
在图14的例子中，金属光栅150存在有两个表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polariton)的共振峰。例如，一个共振峰波长λp1位于515nm附近，另一个共振峰波长λp2位于555nm附近。通过分别调整该两个共振峰波长λp1及λp2到激发波长λ1及拉曼散射波长λ2的附近或使该两个共振峰波长λp1及λp2与激发波长λ1及拉曼散射波长λ2的附近一致，能够期待较大的增强拉曼散射效果。例如，当将波长515nm的氩激光作为激发波长λ1来使用时，可使波长555nm附近的拉曼散射光(拉曼位移1200cm-1至1600cm-1)较强地增强。
图15示出表面等离子体激元的激发条件的说明图。图15所示的C1表示表面等离子体激元的分布曲线(例如，在空气和金(Au)的边界面上的分布曲线)，C2表示光线。在图15中，将金属光栅150的周期视为第一周期P1，在横轴上示出这时的光栅矢量的波数2π/P1。
首先，对金属光栅150和激发条件的关系进行说明。当将入射光Lin的波数视为ki、将入射角度视为θ时，则金属光栅150的在排列方向(图13所示的第一方向D1或第一方向D1的相反方向)上的一次渐逝波的波数为2π/P1±ki·sinθ。表面等离子体激元在该渐逝波的波数2π/P1±ki·sinθ和表面等离子体的波数一致时被激发。也就是说，表面等离子体激元的激发条件通过表示渐逝波的生成条件的直线和表面等离子体激元的分布曲线的交点来表示。
图15的C3作为比较例示出表示在向金属光栅150垂直(θ＝0)地入射光时的渐逝波的生成条件的直线。如图15的C3所示，这时的渐逝波的波数用2π/P1表示。该直线C3是从光栅矢量的波数位置向上延长的线，并与表面等离子体激元的分布曲线C1相交。这时，交点为一个，出现了与频率ω0(角频率)对应的共振峰。
C4和C5示出表示渐逝波的生成条件的直线。当使光以角度θ(θ＞0)向金属光栅150入射时，渐逝波的波数用2π/P1±ki·sinθ来表示。直线C4与2π/P1+ki·sinθ对应，直线C5与2π/P1ki·sinθ对应。这些的直线C4和直线C5是从光栅矢量的波数的位置以角度θ向斜上方延长的线，并与表面等离子体激元的分布曲线C1以两点(频率ω+、ω-)相交。因此，在共振峰波长λp1、λp2中出现有与频率ω+和频率ω-对应的两个共振峰。
可以利用表面等离子体激元的激发条件，设定两个共振峰波长λp1、λp2，并将该两个共振峰波长λp1、λp2在表面增强拉曼散射中进行利用。具体地说，首先，通过严格耦合波分析(RCWA：Rigorous Coupled WaveAnalysis)求出分布曲线C1(L.Li and C.W.Haggans，J.Opt.Soc.Am，A10，1184-1189(1993))。分布曲线C1是根据金属的种类、介质的种类、金属光栅150的截面形状而固有的曲线。接着，按照目标物的拉曼位移决定规定的光栅周期(例如第一周期P1)和规定的入射角度θ。也就是说，将第一共振峰波长λp1设定在激发波长λ1(瑞利散射波长)的附近，将第二共振峰波长λp2(λp2＞λp1)设定在拉曼散射波长λ2的附近。而且，能够以直线C4通过分布曲线C1和ω＝ω+(λ＝λp1)的交点、直线C5通过分布曲线C1和ω＝ω-(λ＝λp2)的交点的方式，设定规定的第一周期P1和规定的入射角度θ。
在图14的例子中，包括第一共振峰波长λp1的第一共振峰波段BW1包括表面增强拉曼散射的激发波长λ1。包括第二共振峰波长λp2的第二共振峰波段BW2包括表面增强拉曼散射的拉曼散射波长λ2。通过以共振峰波段BW1、BW2分别包括共振峰波长λ1、λ2的方式设定第一周期P1及入射角度θ等，能够提高激发波长λ1下的电场增强度和拉曼散射波长λ2下的电场增强度。
在这里，共振峰波段BW1、BW2是规定的反射光强度下的带宽，诸如也可以为峰的半宽度。另外，在图14中，虽然视为λ1＝λp1、λ2＝λp2，但是λ1和λp1也可以不同，λ2和λp2也可以不同。
图16示出传感器芯片的反射光强度的其他特性例。图16是当由金(Au)形成金属光栅150、光对金属光栅150的入射角度θ为5度、光的偏振方向与金属光栅150的槽方向(第二方向D2)正交、突起110的截面为矩形(大致矩形)、第一周期P1为500nm、第一高度H1为40nm时的特性例。
在图16的例子中，一个共振峰波长λp1位于545nm附近，另一个共振峰波长λp2位于600nm附近。通过使该两个共振峰波长λp1及λp2分别与激发波长λ1及拉曼散射波长λ2的附近匹配或者一致，能够期待较大的增强拉曼散射效果。
在图16的例子中，与图14的例子相比，两个共振峰相当宽且变浅。不过，与只利用一个共振峰的情况相比，增强表面增强拉曼散射的信号的效果卓越。此外，通过采用金(Au)，能够抑制因氧化或硫化等导致的表面劣化。
图17示出图12的传感器芯片的变形例的立体图。以下，对与在图12等中已说明的构成要素相同的构成要素附加相同符号，并适当省略说明。在图12的例子中，优选入射偏振方向的与基板100的平面平行的成分(偏振方向的相对于基板100的平面的正投影)与第一突起组115的排列方向(第一方向D1)平行的直线偏振光作为入射光Lin。根据这样，通过直线偏振光，自由电子等离子体的疏密波向沿第一方向D1的方向被诱发，从而能够激发沿第一突起组115的排列方向进行传播的表面等离子体。
在图17的例子中，第一突起组115的顶面220可以包括由金属形成的第二突起组205。第二突起组205的多个突起200分别沿着与基板100的平面平行的方向(第一方向D1)以比第一周期P1短的第二周期P2(P2＜P1)排列。
此外，在图17的例子中，在排列有第一突起组115的面、且第一突起组115的邻接的突起110间的面(第一突起组115的邻接的突起110间的底面230)上也可以包括由金属形成的第三突起组215。第三突起组215的多个突起210分别沿着与基板100的平面平行的方向(第一方向D1)以比第一周期P1短的第三周期P3(P3＜P1)排列。
根据这样，通过第一突起组115传播型表面等离子体被激发，并通过其传播型表面等离子体在第二突起组205和第三突起组215上激发局部表面等离子体。通过这样，能够进一步提高激发波长λ1和拉曼散射波长λ2中的电场增强度。
第二突起组205和第三突起组215的各突起200、210在突起200、210的排列方向(第一方向D1)上的截面形状从顶面220和底面230形成为凸形状。凸形状为矩形或梯形、弧形等。例如，如图17所示，第二突起组205和第三突起组215在相对于基板100的俯视中，形成为与第二方向D2平行的条纹状。该第二突起组205和第三突起组215既可以由与第一突起组115相同的金属来形成，又可以由与其不同的金属来形成。
图18示出图17的传感器芯片的截面图。该截面图的截面是与基板100的平面垂直的面，并是与第一方向D1平行的面。如图18所示，距顶面220的第二高度为H2的突起200(第二突起组205)以比第一周期P1短的第二周期P2排列。距底面230的第三高度为H3的突起210(第三突起组215)以比第一周期P1短的第三周期P3排列。诸如优选第二周期P2、第三周期P3设定为小于等于500nm，优选第二高度H2、第三高度H3设定为小于等于200nm。另外，第三高度H3既可以为H3＞H1，又可以为H3≤H1。
在图18的例子中，第二突起组205和第三突起组215的排列方向为与第一突起组115相同的排列方向(第一方向D1)。不过，第二突起组205和第三突起组215的排列方向也可以为与第一方向D1不同的方向。这时，第二周期P2、第三周期P3成为在第一方向D1中的排列周期。
如上所述，通过第一突起组115，在激发波长λ1(瑞利散射波长)和拉曼散射波长λ2中激发具有两个共振峰的传播型表面等离子体。该表面等离子体沿金属光栅150的表面传播，并在第二突起组205和第三突起组215中激发局部型表面等离子体。而且，该局部型表面等离子体在第二突起组205和第三突起组215的突起200、210间激发增强电场，并通过该增强电场和目标物的相互作用，产生表面增强拉曼散射。这时，由于第二突起组205和第三突起组215的突起200、210间隔狭窄，所以在突起200、210间激发有较强的增强电场。因此，即使吸附在突起200、210间的目标物为一个至数个，也能够通过该增强电场产生较强的表面增强拉曼散射。
2.6入射角
图19(A)及图19(B)示出用于使入射光倾斜入射到传感器芯片的方法的说明图。以下，对与在图1(B)等中已说明的构成要素相同的构成要素附加相同符号，并适当省略说明。在图19(A)的例子中，通过将光源的光轴Lax1偏离物镜3的光轴Lax2，从而使入射光Lin倾斜于传感器芯片300。在图19(B)的例子中，通过使光源的光轴Lax1与物镜3的光轴Lax2一致，并使传感器芯片300倾斜于物镜3的光轴Lax2配置，从而使入射光Lin倾斜于传感器芯片300。
在图19(A)的例子中，将传感器芯片300与物镜3的光轴Lax2垂直地配置在支撑部430上。而且，将有效的一个光源的光轴Lax1离开物镜3的光轴Lax2规定距离，并与物镜3的光轴Lax平行地向物镜3入射入射光Lin。规定距离是相对于传感器芯片300的入射光Lin的入射角度通过物镜3的折射成为θ角度的距离。来自传感器芯片300的光Lout被入射到物镜3，并通过物镜3诸如向图1的半透半反镜2等引导。
在图19(B)的例子中，将传感器芯片300的平面(基板100的平面)的法线和物镜3的光轴Lax2构成的角度配置成θ。而且，沿物镜3的光轴Lax2，使来自有效的一个光源的入射光Lin入射。通过这样做，入射光Lin不被物镜3折射，而对传感器芯片300以入射角度θ入射。如图19(B)所示，为了使传感器芯片300倾斜，可以使支撑部430倾斜。另外，也可以变形图19(B)的例子，将支撑部430的支撑面制成倾斜面。
2.7光器件(基于蒸镀的金属纳米构造)
图20(A)及图20(B)示出导电体的制造方法的简要说明图。例如用在图8(A)等中示出的光刻法进行制造的金属纳米构造也可称为自上而下法，金属纳米构造具有规则的排列构造，形成有增强电场的间隙部也一致。针对于此，通过蒸镀形成的独立的岛状的金属纳米构造大小和形状不均匀，形成增强电场的间隙部也不均匀。也就是，在增强电场强的地方和弱的地方，入射光Lin的偏振方向有自由度。不过，在该蒸镀的金属纳米构造中，由于在某处包含形成强的增强电场的条件，所以具有能够吸收制造偏差的优点。
例如，利用真空蒸镀器，能够制造蒸镀的金属纳米构造。作为蒸镀条件的一例，可以在基板100中采用硼硅酸玻璃。此外，作为蒸镀金属，可以采用银(Ag)，并使银(Ag)加热蒸镀到基板100上。这时，基板100不需要进行加热，而加热蒸镀的速率可以诸如设定为0.03nm/sec～0.05nm/sec。
图20(A)示意地示出形成岛状的岛的过程。在蒸镀岛的初期中，在基板100上形成有银(Ag)核。在蒸镀岛的成长期中，银(Ag)以核为中心成长并变大。在蒸镀岛的完成期中，虽然邻接的岛彼此的邻接的距离变小，但是能够在邻接的岛不挨着的阶段停止真空蒸镀。
图20(B)示出实际制作出的金属纳米构造的电子显微镜照片。可清楚看到形成有约25nm左右的Ag岛，并各个独立。在此基础上如继续蒸镀则Ag岛彼此连接起来，最终变成了膜状。虽然通常要求能蒸镀成均匀的膜状，但是这时优选尽量狭窄且高密度地形成独立的Ag岛。
当将直线偏振光的光照射到这样的金属纳米构造上时，则在蒸镀岛间的间隙附近形成有强的增强电场，但间隙的位置和方向等不固定一致。有助于增强电场的是与该间隙的方向一致的入射光Lin内的p偏振波，并根据偏振方向，有较强地形成增强电场的情况和变得稍弱的情况。
2.8光谱分析
图21(A)、图21(B)和图21(C)示出拉曼光谱的峰取提的简要说明图。图21(A)示出在向某物质照射了激发激光时所检测出的拉曼光谱，用波数表示拉曼位移。在图21(A)的例子中，可以考虑到第一峰(883cm-1)和第二峰(1453cm-1)的特征。通过核对已获得的拉曼光谱和预先保持的数据(第一峰的拉曼位移及光强度、第二峰的拉曼位移及光强度等)，能够确定目标物。
图21(B)示出在光接收元件380通过分辨率低(40cm-1)的分光元件370检测出第二峰的周边光谱时的信号强度(白圆)。图21(C)示出在光接收元件380通过分辨率高(10cm-1)的分光元件370检测出第二峰的周边光谱时的信号强度(白圆)。当分辨率高至10cm-1左右时，变得容易准确地确定第二峰的拉曼位移(黑圆)。
另外，如上所述，虽然对本发明的实施方式进行了详细地说明，但是只要实质上没有脱离本发明的发明点及效果可以有很多的变形，这对本领域的技术人员来说是显而易见的。因此，这样的变形例也全部包括在本发明的保护范围之内。例如，在说明书或附图中，至少有一次与更广义或同义不同术语同时记载的用语，在说明书或附图的任何地方可以替换成其不同的用语。此外，光器件、检测装置、分析装置等的构成、操作也并不限定于本实施方式所说明的，可以有各种的变形。
标记说明
2    半透半反镜      3     物镜
4    光器件          5     检测器
7    控制部          15    光源驱动器
20   金属微粒子(金属纳米粒子)   100    基板
101  抗蚀剂层        104    部
105  凸部            110、210、310    突起
115    突起组(第一突起组)    120    表面
130    玻璃基板              140    金属薄膜
150    金属光栅              205    第二突起组
215    第三突起组            220    顶面
230    底面                  300    传感器芯片
305    识别代码              310    传感器芯片检测元件
315    检测电路              320    准直透镜
330    偏振控制元件          360    聚光透镜
365    滤光器                370    分光元件
375    分光驱动器            380    光接收元件
385    光接收电路            400    吸引口(输入口)
410    排出口                420    引导部(输送部)
421    吸引流路              422    传感器芯片附近的流路
422a   内周面                422b   平面
422c   内侧球面              423    排出流路
423a   中继路径              424、425    密封部件
426、427    过滤器           430    支撑部
440    罩                    450    鼓风机
455    鼓风机驱动器          460    处理部
461    CPU                   462    RAM
463    ROM                   470    电力供给部
480    铰链部                490    连接部
500    壳体                  510    通信接口
520   电源接口       530    接口
540   显示部         550    操作部
A     光源           BW1、BW2    共振峰波段
D1    第一方向       D2     第二方向
D3    第三方向       DA     偏振方向
Lax1  光源的光轴
Lax2  物镜的光轴(光学系统的光轴)
Lin  来自光源的光(入射光)
Lout    来自光器件的光(散射光、反射光)
H1    第一高度       H2     第二高度
P1    第一周期       P2     第二周期
P3    第三周期      λ1   激发波长
λ2    拉曼散射波长 λp1、λp2    共振峰波长
θ    入射角度

Claims (10)

1.一种光器件单元，其特征在于，所述光器件单元可在检测装置上拆装，所述光器件单元包括：
光器件，所述光器件具有导电体，并能够增强由于接收来自所述检测装置的光源的光而产生的拉曼散射光；以及
第一引导部，用于向所述光器件引导气体样本，
其中，所述第一引导部具有从摄入口摄入所述气体样本的第一流路，所述第一流路在所述摄入口和所述光器件之间具有遮挡外部光的入射光线的内壁面。
2.根据权利要求1所述的光器件单元，其特征在于，还包括：
在所述第一流路中除去空气中的悬浮物的过滤器，
所述过滤器遮挡所述外部光。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的光器件单元，其特征在于，还包括：
能够被所述检测装置读取且用于识别所述光器件的识别代码。
4.根据权利要求1或2所述的光器件单元，其特征在于，
所述第一引导部具有与所述第一流路连接的第二流路，
所述第二流路在与所述光器件面对的区域使所述气体样本回旋。
5.一种检测装置，其特征在于，包括：
权利要求1至4中任一项所述的光器件单元；
能够与所述第一引导部连接的第二引导部；
所述光源；
用于使来自所述光源的所述光入射到所述光器件的所述导电体的第一光学系统；以及
用于从被所述导电体散射或反射的光中检测出所述拉曼散射光的检测器，
所述第二引导部向排出口引导所述气体样本。
6.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，
所述光器件的所述导电体具有包括多个突起的第一突起组，
所述第一突起组的所述多个突起各自沿着与所述导电体的假想平面平行的方向以第一周期排列，
所述第一光学系统以来自所述光源的所述光所具有的偏振方向的与所述假想平面平行的成分与所述第一突起组的排列方向平行的方式，使来自所述光源的所述光入射到所述第一突起组。
7.根据权利要求6所述的检测装置，其特征在于，
所述第一突起组的所述多个突起各自具有在所述第一突起组的顶面上通过导电体形成的第二突起组，
与所述第一突起组的所述多个突起中的任一个突起对应的所述第二突起组的多个突起各自沿着与所述假想平面平行的所述方向以比所述第一周期短的第二周期排列。
8.根据权利要求6或7所述的检测装置，其特征在于，
在排列有所述第一突起组、且所述第一突起组的邻接的突起间的面上，具有通过导电体形成的第三突起组，
所述第三突起组的多个突起各自在所述第一突起组的所述邻接的突起间沿与所述假想平面平行的所述方向以比所述第一周期短的第三周期排列。
9.根据权利要求6或7所述的检测装置，其特征在于，
在使来自所述光源的所述光的前进方向相对于朝向所述假想平面的垂线倾斜时的表面等离子体共振在第一共振峰波长和第二共振峰波长各自下产生，
具有所述第一共振峰波长的第一共振峰波段具有由所述表面等离子体共振引起的表面增强拉曼散射的激发波长，
具有所述第二共振峰波长的第二共振峰波段具有所述表面增强拉曼散射的拉曼散射波长。
10.根据权利要求5所述的检测装置，其特征在于，还包括：
将所述拉曼散射光引导到所述检测器的第二光学系统，
所述检测器经由所述第二光学系统接收所述拉曼散射光。
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