CN104007494A - 光学元件、分析装置、分析方法及电子设备 - Google Patents

光学元件、分析装置、分析方法及电子设备 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光学元件、分析装置、分析方法及电子设备。提供基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大的光学元件。本发明的光学元件（100）包括以第一方向为厚度方向的金属层（10），沿第一方向与金属层（10）分离设置的金属粒子（30），以及使金属层（10）和金属粒子（30）分离的透光层（20），金属粒子（30）的第一方向的大小T满足3nm≤T≤14nm的关系，金属粒子（30）的与第一方向正交的第二方向的大小D满足30nm≤D＜50nm的关系。

Description

光学元件、分析装置、分析方法及电子设备
技术领域
本发明涉及光学元件、分析装置、分析方法及电子设备。
背景技术
以医疗/健康领域为首，在环境、食品、治安等领域中，正寻求高灵敏度、高精度、迅速且简便地检测微量物质的传感技术。作为传感的对象的微量物质分支非常多，例如细菌、病毒、蛋白质、核酸、各种抗原/抗体等生物体关联物质，以及包含无机分子、有机分子、高分子的各种化合物都是传感的对象。现有技术中，经过采样、分析、解析进行微量物质的检测，需要专用的装置，且要求检查操作者熟练，因此大多难以当场分析。因此，到得到检查结果为止需要很长时期（数日以上）。在传感技术中，对迅速且简便的要求非常强，因此希望开发能够与该要求对应的传感器。
例如，由于期待比较容易集成化、不易受到检查/测定环境的影响，因此对利用表面等离子体共振（SPR：Surface Plasmon Resonance）的传感器，和利用表面增强拉曼散射（SERS：Surface－Enhanced Raman Scattering）的传感器的关注不断提高。
作为这样的传感器，专利文献1中公开了具备在基板上形成的等离子体共振镜、在共振镜上形成的电介质层、在电介质层上形成并由等离子体共振粒子的周期阵列构成的等离子体共振粒子层的GSPP（Gap typeSurface Plasmon Polariton：间隙式表面等离子体激元）构造。这样的传感器优选基于由光照射激励的表面等离子体（SP：Surface Plasmon）的光的增强度大。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4806411号公报
发明内容
在上述专利文献1中，记载了等离子体共振粒子的尺寸为50nm～200nm，粒子间间隔为在粒子尺寸上加0及20nm的值，以及电介质层的厚度为2nm～40nm。
然而，在具备如上所述的粒子等的专利文献1的传感器中，根据由光照射激励的表面等离子体而增大光的增强度的效果，难说一定是充分的。
本发明是为了解决上述课题的至少一部分而做出的，其若干方式的目的之一在于，提供基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大的光学元件及分析方法。另外，本发明的若干方式的目的之一在于，提供包含上述光学元件的分析装置及电子设备。
本发明的光学元件包括：
以第一方向为厚度方向的金属层，
沿所述第一方向与所述金属层分离设置的金属粒子，以及
使所述金属层和所述金属粒子分离的透光层，
所述金属粒子的所述第一方向的大小T，
满足3nm≤T≤14nm的关系，
所述金属粒子的与所述第一方向正交的第二方向的大小D，
满足30nm≤D＜50nm的关系。
依据这样的光学元件，基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大。
在本发明的光学元件中，
所述D可以满足30nm≤D≤40nm的关系。
依据这样的光学元件，能够进一步增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度。
在本发明的光学元件中，
所述T可以满足3nm≤T≤6nm的关系。
依据这样的光学元件，能够进一步增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度。
在本发明的光学元件中，可以：
所述金属粒子在所述第二方向以及与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向具有间距P而配置成矩阵状，
所述P满足60nm≤P≤140nm的关系。
依据这样的光学元件，能够进一步增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度。
本发明的光学元件中，可以：
所述透光层包含氧化硅，
所述透光层的所述第一方向的厚度G满足10nm≤G≤150nm，或，200nm≤G≤350nm的关系。
依据这样的光学元件，能够进一步增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度。
在本发明的光学元件中，可以：
所述透光层是具有正的介电常数的电介质，
二级峰的增强度SQRT比初级峰增强度SQRT大或相等，
所述透光层的所述第一方向的厚度G设定为在所述二级峰的增强度SQRT的厚度。
依据这样的光学元件，通过将透光层的厚度设为作为折射率稳定的厚度的在二级峰的增强度SQRT的厚度，能够更可靠地增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度。
在本发明的光学元件中，
照射具有比所述T及所述D大的波长的光时，可以增强拉曼散射光。
依据这样的光学元件，基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大。
本发明的分析装置包括：
本发明的光学元件，
向所述光学元件照射光的光源，以及
检测与来自所述光源的光的照射相应地从所述光学元件放射的光的检测器。
依据这样的分析装置，由于包含本发明的光学元件，因此能够容易地进行微量物质的检测、测定。
在本发明的分析装置中，
所述检测器可以检测被所述光学元件增强的拉曼散射光。
依据这样的分析装置，能够容易地进行微量物质的检测、测定。
在本发明的分析装置中，
所述光源可以向所述光学元件照射具有比所述T及所述D大的波长的光。
依据这样的分析装置，能够容易地进行微量物质的检测、测定。
本发明的分析方法，是向光学元件照射光、检测根据所述光的照射而从所述光学元件放射的光并分析对象物的分析方法，
所述光学元件包括：
以第一方向为厚度方向的金属层，
沿所述第一方向与所述金属层分离设置的金属粒子，以及
使所述金属层和所述金属粒子分离的透光层，
所述金属粒子的所述第一方向的大小T满足3nm≤T≤14nm的关系，
所述金属粒子的与所述第一方向正交的第二方向的大小D满足30nm≤D＜50nm的关系。
依据这样的分析方法，能够增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度，并能够容易地进行微量物质的检测、测定。
本发明的电子设备包括：
本发明的分析装置，
基于来自所述检测器的检测信息运算健康医疗信息的运算部，
存储所述健康医疗信息的存储部，以及
显示所述健康医疗信息的显示部。
依据这样的电子设备，由于包括本发明的分析装置，因此能够容易地进行微量物质的检测，并能够提供高精度的健康医疗信息。
在本发明的电子设备中，所述健康医疗信息可以包含关于从包括细菌、病毒、蛋白质、核酸及抗原/抗体的组中选择的至少一种生物体关联物质，或者从无机分子及有机分子选择的至少一种化合物的有无或数量的信息。
依据这样的电子设备，能够提供有用的健康医疗信息。
附图说明
图1是示意性地示出本实施方式的光学元件的立体图。
图2是示意性地示出本实施方式的光学元件的俯视图。
图3是示意性地示出本实施方式的光学元件的截面图。
图4是示意性地示出本实施方式的光学元件的截面图。
图5是示出Ag、Au及Cu的介电常数的波长特性的图表。
图6是示出Al及Pt的介电常数的波长特性的图表。
图7是本实施方式的分析装置的示意图。
图8是本实施方式的电子设备的示意图。
图9是示意性地示出实验例涉及的模型的截面图。
图10是示出实验例涉及的模型的SiO2层的厚度和增强度的关系的图表。
图11是示出实验例涉及的模型的激励波长和增强度的关系的图表。
图12是示出实验例涉及的模型的Ag粒子的直径及厚度与增强度的关系的图表。
图13是示出实验例涉及的模型的激励波长和增强度的关系的图表。
图14是示出实验例涉及的模型的激励波长和增强度的关系的图表。
图15是示出实验例涉及的模型的激励波长与增强度的关系的图表。
图16是示出实验例涉及的模型的激励波长和增强度的关系的图表。
图17是示出实验例涉及的模型的激励波长与增强度的关系的图表。
图18是示出实验例涉及的模型的Ag粒子的间距和增强度的关系的图表。
图19是示出实验例涉及的模型的激励波长与反射率的关系的图表。
符号说明
1…基板，10…金属层，20…透光层，30…金属粒子，100…光学元件，200…光源，300…检测器，1000…分析装置，2000…电子设备，2010…运算部，2020…存储部，2030…显示部
具体实施方式
以下，使用附图详细说明本发明的优选实施方式。此外，以下说明的实施方式，并非不合理地限定权利要求书所记载的本发明的内容。另外，以下说明的结构的不一定全部都是本发明必需的结构要件。
1.光学元件
首先，参照附图说明本实施方式的光学元件。图1是示意性地示出本实施方式的光学元件100的立体图。图2是示意性示出本实施方式的光学元件100的俯视图。图3是示意性示出本实施方式的光学元件100的图2的III-III线截面图。图4是示意性地示出本实施方式的光学元件100的图2的IV-IV线截面图。
此外，在图1～图4及以下所示的图8中，作为互相正交的3个轴，图示出X轴、Y轴、Z轴。另外，以下，称与X轴平行的方向为X轴方向（第二方向），与Y轴平行的方向为Y轴方向（第三方向），与Z轴平行的方向为Z轴方向（第一方向）。
如图1～图4所示，光学元件100包括金属层10和金属粒子30。而且，光学元件100能够包括基板1和透光层20。
1.1.金属层
金属层10只要提供不透过光的金属的表面，则并无特别限定，例如，可以是厚板状，也可以具有薄膜、层或膜的形状。金属层10例如可设于基板1上。作为基板1，例如可举出玻璃基板、硅基板、树脂基板等。设有基板1的金属层10的面的形状并无特别限定。基板1在金属层10的表面形成规则构造的情况下可以具有与其规则构造对应的表面，在使金属层10的表面为平面的情况下可以具有平坦的表面（平面）。在图示的例中，在基板1的表面（平面）上设有金属层10。
在此，使用“平面”的表达方式，该表达方式并非指表面没有任何凹凸的平坦（光滑）的数学上严格的平面。例如，在表面既有存在因构成的原子导致的凹凸、和由构成的物质的二次构造（结晶、粒块、粒界等）导致的凹凸等的情况，也有从微观来看并非严格的平面的情况。然而，即使在那样的情况下，如果以更宏观的视点来看，这些凹凸并不显眼，即使称表面为平面，也观测不出有何问题。因此，在本说明书中，只要在这样更宏观的视点下观察时能够识别为平面，则称其为平面。
另外，在本说明书中，定义金属层10的厚度方向为Z轴方向（第一方向）。例如，在基板1的表面设有金属层10时，基板1的表面的法线方向为Z轴方向。
金属层10例如能够利用蒸镀、溅射、铸造、机械加工等方法形成。金属层10可设于基板1的表面的整个面，也可设于基板1的表面的一部分。金属层10的厚度例如能够为10nm以上1mm以下，优选为20nm以上100μm，更优选为30nm以上1μm以下。
金属层10由如下的金属构成：存在由入射光赋予的电场和由该电场诱导的极化反相位振动的电场的金属，即，在赋予特定的电场时，能够具有介电函数的实数部具有负值（具有负的介电常数），虚数部的介电常数比实数部的介电常数的绝对值小的介电常数的金属。作为能够具有可见光区域的这样的介电常数的金属的例子，能够例举金、银、铝、铜及其合金等。另外，金属层10的表面（第一方向的端面）可以为特定的结晶面。假设在金属层10中形成纳米粒子，在该纳米粒子和金属粒子30之间，能够激励局部型等离子体。
1.2.透光层
透光层20设于金属层10上，设于金属层10与金属粒子30之间。透光层20使金属层10和金属粒子30分离。透光层20可以具有薄膜、层或膜的形状。透光层20能够隔开金属层10和金属粒子30。
透光层20例如能够利用蒸镀、溅射、CVD（Chemical Vapor Deposition：化学气相沉积），各种涂布等方法形成。透光层20可设于金属层10的表面的整个面，也可设于金属层10的表面的一部分。透光层20以Z轴方向为厚度方向。
透光层20的厚度G，在设透光层20为SiO2层时，能够满足10nm≤G≤150nm或200nm≤G≤350nm的关系。由此，光学元件100能够增大光的增强度（细节参照后述的实验例）。
另外，二级峰的增强度SQRT比初级峰的增强度SQRT大或相等，透光层20的厚度G可以设定为在二级峰的增强度SQRT的厚度。即，可以将透光层20的厚度G设定为具有二级峰的增强度SQRT时的厚度。此外，对初级峰及二级峰的定义等在后文叙述。
透光层20包含氧化硅（SiO2）。透光层20带有正的介电常数即可，材质可以为SiO2，也可以为Al2O3、TiO2、Ta2O5、Si3N4、MgF、ITO、高分子。而且，透光层20可以由材质互不相同的多个层构成，也可以是复合膜。
1.3.金属粒子
金属粒子30设置成沿Z轴方向与金属层10分离。在图示的例子中，在金属层10上设有透光层20，在其上形成金属粒子30，从而使金属层10和金属粒子30配置成在Z轴方向分离。
金属粒子30的形状并无特别限定，在沿Z轴方向投影时（从Z轴方向的俯视观察中），能够是圆形、椭圆形、多边形、不定形或将其组合的形状。在图示的例子中，金属粒子30是沿Z轴方向具有中心轴的圆柱状的形状，金属粒子30的平面形状（从Z轴方向观看到的形状）是圆形。
金属粒子30的X轴方向的大小Dx，是指能够利用与X轴垂直的平面切割金属粒子30的区间的长度，满足30nm≤Dx＜50nm的关系。而且，Dx能够满足30nm≤Dx≤40nm的关系。金属粒子30的Y轴方向的大小Dy，是指能够利用与Y轴垂直的平面切割金属粒子30的区间的长度，满足30nm≤Dy＜50nm的关系。而且，Dy能满足30nm≤Dy≤40nm的关系。
在图示的例子中，Dx和Dy为相同的大小D，是金属粒子30的直径（圆柱状的金属粒子30的底面直径）。即，直径D能够满足30nm≤D＜50nm的关系，更优选满足30nm≤D≤40nm的关系。由此，光学元件100能够增大光的增强度（细节参照在后叙述的实验例）。
金属粒子30的Z轴方向的大小T能够满足3nm≤T≤14nm的关系，更优选满足3nm≤T≤7nm的关系，进一步优选满足3nm≤T≤6nm的关系。由此，光学元件100能够增大光的增强度（细节参照在后叙述的实验例）。在图示的例子中，T是金属粒子30的厚度（高度）。
设置多个金属粒子30。金属粒子30沿X轴方向按间距Px配置，沿Y轴方向按间距Py配置。在图示的例子中，Px及Py为相同的大小P。即，金属粒子30配置成沿X轴方向及Y轴方向具有等间距P的矩阵状（行列状）。P能够满足60nm≤P≤140nm的关系，更优选满足100nm≤P≤140nm的关系。
此外，“间距Px”是在X轴方向上相邻的金属粒子30的重心间的距离。同样，“间距Py”是在Y轴方向上相邻的金属粒子30的重心间的距离。
金属粒子30与金属层10同样，由能够具有实数部具有负的介电常数、虚数部的介电常数比实数部的介电常数的绝对值小的介电常数的金属构成。而且，虚数部的介电常数越接近0越好，电子进行等离子体振动时的能量损耗消失，增强效果变大。更具体而言，作为金属粒子30的材质，例如能够举出金、银、铝、铜及其合金或者多层构造等。
金属粒子30例如能够通过在利用溅射、蒸镀等形成薄膜后进行图案化的方法、微接触印刷法、纳米压印法等形成。另外，金属粒子30能够通过胶体化学方法形成，可利用适当的方法将其配置在与金属层10分离的位置。
金属粒子30具有产生局部等离子体（LSP：Localized Surface Plasmon）的功能。通过以规定的条件向金属粒子30照射入射光，能够在金属粒子30的周边产生局部等离子体。
1.4.局部等离子体
在向金属粒子30照射光时，金属粒子30内的自由电子集体振动而产生电极化，但是由于与其相伴随的表面电荷而产生反极化电场。反极化电场是指向金属粒子30施加外部电场时，在金属粒子30内产生的与外部电场方向相反的电场。反极化电场对自由电子造成影响，自由电子的振动的情况发生变化。由此，激励出金属粒子30特有的振动。该金属粒子30特有的振动是局部等离子体。
局部等离子体是在金属粒子30的附近区域局部化的等离子体，因而强度大。特别是，存在多个金属粒子30，相邻的金属粒子30的间隔满足规定的值时，在相邻的金属粒子30间特别地激励出强等离子体。其结果，光能成为金属粒子30表面的等离子体，强烈地汇集在非常狭窄的区域（热点）。在存在该等离子体的区域中，光与分子的相互作用显著增强，产生拉曼散射光显著增强的SERS。
热点在金属粒子30中沿入射光的偏光方向产生。即，在入射光具有沿X轴方向偏光的成分时，热点沿金属粒子30的X轴方向产生。这里，在入射光具有沿X轴方向偏光的成分时，如果入射光的波长比金属粒子30的厚度及X轴方向的大小Dx大，则局部等离子体被激励。即，照射具有比金属粒子30的厚度及X轴方向的大小Dx大的波长的光时，激励出局部等离子体。而且，如果X轴方向相邻的金属粒子30的间距Px在入射光的波长以下，则局部等离子体的强度变得更大。
此外，在本说明书中，“等离子体的强度”是指基于由光照射激励的表面等离子体（局部等离子体为主体）的光的增强度，具体而言，是热点的电场强度。
表面等离子体存在于使构成金属粒子30的金属的介电函数（介电常数）的实数部取负值的光的波长处。这里，“介电函数（介电常数）的实数部为负值”，对应于在金属粒子30内产生的外部电场与由该外部电场诱导的极化反相位振动的情况，在某波长下，只要是介电常数的虚数部ε2比介电常数的实数部ε1的绝对值小的金属，则激励出表面等离子体。而且，介电常数的虚数部ε2接近0时，电子的等离子体振动的损耗消失，增强度变得无限大。即，产生等离子体的物质，介电常数的实数部ε1为负并较大，且虚数部ε2越大，则越能够得到大的等离子体强度。
更具体而言，使金属粒子30产生局部等离子体的条件，通过介电常数的实数部以Real[ε(ω)]＝-2ε而赋予。设周边的折射率n为1时介电常数的实数部ε1＝n2-κ2＝1，因而Real[ε(ω)]＝-2。在此，ω是射入金属粒子30的入射光的角频率，ε(ω)是构成金属粒子30的金属的介电常数，ε是周边的介电常数。此外，介电常数的虚数部ε2由ε2＝2nκ给出。
图5示出Ag、Au及Cu金属的介电常数的波长特性。另外，图6示出Al及Pt金属的介电常数的波长特性。满足上述的等离子体激励条件的金属及波长，Ag为350nm以上的波长，Au为500nm以上的波长，Cu为550nm以上的波长，Al为420nm以下，用具有这些波长的各金属激励等离子体。Ag的虚数部ε2最接近0。另一方面，Pt的虚数部ε2的值大，导致在紫外到红外的波段中等离子体未被激励。如图5所示，在至少350nm以上的波长下，ε2的绝对值比ε1的绝对值小。即，金属粒子30的材质是银时，在激励局部等离子体的情况下，需要向金属粒子30照射350nm以上的波长的光。
此外，根据图5，Ag满足Real[ε(ω)]＝-2的波长为370nm附近，但如上所述，在多个金属粒子30（Ag粒子）以纳米级接近的情况下，或金属粒子30和金属层10（Au膜等）被透光层20隔开配置的情况下，受该间隙的影响，局部等离子体的激励峰波长发生红移（向长波长侧偏移）。该偏移量依赖于金属粒子30的直径Dx、Dy，金属粒子30的厚度T，金属粒子30的间距Px、Py，透光层20的厚度G等尺寸，例如，显示局部等离子体在500nm～1200nm达到峰值的波长特性。
1.5.覆盖层
光学元件100也可根据需要而具有覆盖层。虽未图示，但覆盖层能够以覆盖金属粒子30的方式形成。另外，覆盖层也可以以使金属粒子30露出，而覆盖其他结构的方式形成。
覆盖层具有例如机械或化学地保护金属粒子30或其他结构免受环境影响的功能。而且，覆盖层有时也具有粘合成为传感的对象的微量物质的功能。覆盖层例如能够通过蒸镀、溅射、CVD、各种涂布等方法形成。覆盖层的材质并无特别限制，例如，不仅能够通过SiO2、Al2O3、TiO2、Ta2O5、Si3N4等绝缘体，还能够通过ITO等透明导电膜或Cu、Al等金属，以及高分子等形成，厚度优选薄至数纳米以下。
光学元件100例如具有以下的特征。
在光学元件100中，金属粒子30的Z轴方向的大小T满足3nm≤T≤14nm的关系，金属粒子30的X轴方向的大小Dx（D）满足30nm≤D＜50nm的关系。因此，在光学元件100中，基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大（细节参照后述的实验例）。由此，光学元件100具有高增强度，例如，在医疗/健康、环境、食品、治安等领域中，能够用于高灵敏度、高精度、迅速且简便地检测细菌、病毒、蛋白质、核酸、各种抗原/抗体等生物体关联物质，和包含无机分子、有机分子、高分子的各种化合物的传感器。例如，能够预先使抗体与光学元件100的金属粒子30结合并求出此时的增强度，然后根据抗原与该抗体结合时的增强度的变化来调查抗原的有无及数量。另外，利用光学元件100的光的增强度，能够用于微量物质的拉曼散射光的增强。
在光学元件100中可以，金属粒子30的大小D满足30nm≤D≤40nm的关系，金属粒子30的厚度T满足3nm≤T≤6nm的关系，金属粒子30的间距P满足60nm≤P≤140nm的关系，透光层20的厚度G在透光层为SiO2层时，满足10nm≤G≤150nm或200nm≤G≤350nm的关系。因此，在光学元件100中，能够进一步增大基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度（细节参照后述的实验例）。
2.分析装置
接着，参照附图说明本实施方式的分析装置1000。图7是本实施方式的分析装置1000的主要部分的示意图。分析装置1000能够包含本发明的光学元件。以下，说明包含上述的光学元件100作为本发明的光学元件的分析装置1000。
如图7所示，分析装置1000包括光学元件100，照射入射光的光源200，检测从光学元件100放射的光的检测器300。分析装置1000也可以包含未图示的其他的适当的结构。
光学元件100在分析装置1000中起增强光的作用以及作为传感器的作用。光学元件100与成为分析装置1000的分析的对象的样品接触使用。分析装置1000中的光学元件100的配置并无特别限制，可以配置于可调节设置角度的平台等。
光源200对光学元件100照射入射光。光源200向光学元件100射入比金属粒子30的厚度T、以及金属粒子30的大小Dx、Dy大的波长。从光源200照射的入射光的入射角θ可以设定为能够根据光学元件100的表面等离子体的激励条件而适当地变化。光源200可以设置于测角器等。
光源200照射的光只要能够激励光学元件100的表面等离子体，则并无特别限定，能够采用包括紫外光、可见光、红外光的电磁波。光源200照射的光能够沿金属粒子30的大小为30nm以上小于50nm的方向具有偏光的成分。更具体而言，光源200照射的光具有沿X轴方向偏光的成分。而且，光源200照射的光可以具有沿Y轴方向偏光的成分。另外，光源200照射的光，可为相干的光也可以为不相干的光。具体而言，作为光源200，能够例示出半导体激光、气体激光、卤素灯、高压水银灯、氙灯等。
来自光源200的光成为入射光，放射出被光学元件100增强的光。由此，能够进行样品的拉曼散射光的放大，和与光学元件100相互作用的物质的检测。
检测器300检测与来自光源200的光的照射相应的从光学元件100放射的光。具体而言，检测器300能够检测由光学元件100增强的拉曼散射光。作为检测器300，例如，能够使用CCD（Charge Coupled Device：电荷耦合装置），光电子倍增管，光电二极管，成像板等。
检测器300只要设于能够检测从光学元件100放射的光的位置即可，与光源200的位置关系并无特别限制。另外，检测器300可以设于测角器等。
在分析装置1000中，包括基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大的光学元件100。因此，分析装置1000能够容易地进行微量物质的检测、测定。
3.分析方法
接着，参照附图说明本实施方式的分析方法。本实施方式的分析方法能够使用本发明的分析装置。以下，说明使用上述的分析装置1000作为本发明的分析装置的分析方法。
如图7所示，本实施方式的分析方法是如下的分析方法：向光学元件100的检测区域导入包含分析对象物的物质，向光学元件100照射入射光，根据该入射光的照射检测从光学元件100放射的光，分析吸附于光学元件100表面的对象物。
在本实施方式的分析方法中，使用基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大的光学元件100。因此，能够容易地进行微量物质的检测、测定。
4.电子设备
接着，参照附图说明本实施方式的电子设备2000。图8是本实施方式的电子设备2000的示意图。电子设备2000能够包含本发明的分析装置。以下，对包含上述的分析装置1000作为本发明的分析装置的电子设备2000进行说明。
如图8所示，电子设备2000包括分析装置1000、基于来自检测器300的检测信息运算健康医疗信息的运算部2010、存储健康医疗信息的存储部2020、以及显示健康医疗信息的显示部2030。
运算部2010例如是个人计算机、便携式信息终端（PDA：PersonalDigital Assistance：个人数字助理），接收从检测器300送出的检测信息（信号等），并基于此进行运算。另外，运算部2010也可以进行分析装置1000的控制。例如，运算部2010可以进行分析装置1000的光源200的输出、位置等的控制，以及检测器400的位置的控制等。运算部2010能够基于来自检测器300的检测信息运算健康医疗信息。而且，由运算部2010运算的健康医疗信息存储在存储部2020中。
存储部2020例如是半导体存储器、硬盘驱动等，可以与运算部2010一体地构成。在存储部2020存储的健康医疗信息送出至显示部2030。
显示部2030例如由显示板（液晶显示器等）、打印机、发光体、扬声器等构成。显示部2030基于由运算部2010运算的健康医疗信息等，以用户能够识别该内容的方式进行显示或警报。
作为健康医疗信息，能够包含与从包括细菌、病毒、蛋白质、核酸及抗原/抗体构成的组中选择的至少一种的生物体关联物质，或从无机分子及有机分子选择的至少一种的化合物的有无或数量相关的信息。
在电子设备2000中，包括基于由光照射激励的表面等离子体的光的增强度大的光学元件100。因此，电子设备2000能够容易地进行微量物质的检测，能够提供高精度的健康医疗信息。而且，电子设备2000能够提供有用的健康医疗信息。
5.实验例
以下示出实验例，进一步说明本发明，但本发明并不限于以下的例子。以下的例子是采用计算机进行的模拟。
5.1.计算模型
图9是示意性地示出模拟所用的模型M的基本结构的截面图。用于实验例的计算的模型M，如图9所示，在不透光程度的充分厚的Au层（金属层）上形成SiO2层（透光层），在SiO2层上形成Ag粒子（金属粒子）。Ag粒子的形状为以Z轴方向为中心轴的圆柱，将多个Ag粒子以等间距P沿X轴方向及Y轴方向配置成矩阵状。
在本实验例中，计算使用莎益博工程系统开发（Cybernet）株式会社的FDTD软件Fullwave。另外，使用的网眼的条件取1nm最小网眼，计算时间cT取10μm。另外，设周边折射率为1，入射光为从Z轴方向垂直入射并沿X轴方向进行直线偏光。
在本实验例中，在如上所述的模型M中，改变Ag粒子的厚度（Z轴方向的大小）T，Ag粒子的直径（底面的直径、X轴方向的大小及Y轴方向的大小）D，Ag粒子的间距P及SiO2层的厚度（Z轴方向的大小）G，计算增强度。
此外，在本实验例中，“增强度”是从模型M放射的光的强度相对射入模型M的光的强度的比例，用SQRT(Ex2＋Ez2)表示。这是通过在模型M中计算近场特性而得到的，但是可知，存在热点（最大增强位置）、即YeeCell的位置仅偏移最低网眼尺寸的一半则电场向量的方向就大大改变的情况。因此用标量表示电场时YeeCell的位置的影响变小。在此，Ex表示X轴方向的电场强度，Ez表示Z轴方向的电场强度。此外，在该情况下，Y轴方向的电场强度较小因此不予考虑。
5.2.实验例1
将Ag粒子的间距P固定为60nm，以及将激励波长（激励等离子体的光的波长，射入Ag粒子的光的波长）固定为633nm。而且，设Ag粒子的直径D为30nm、40nm、50nm，分别设Ag粒子的厚度T为3nm～4nm、6nm～8nm、10nm～14nm，调查了SiO2层的厚度G和增强度的关系。结果示于图10。按各个直径D改变厚度T的理由是，改变Ag粒子的直径D和厚度T时，增强度达到峰值的波长也变化。计算的激励波长为633nm，因而通过按各个直径D使厚度T上下浮动，示出得到最高增强度的尺寸的组合在633nm处达到峰值。
图10例示出在透光层的材质为SiO2的情况下，在10nm≤G≤150nm或200nm≤G≤350nm的范围内，增强度变大。
相对于利用干涉效应的透光间隔物厚度G的增强度SQRT的增强度增高的条件是，透光层的厚度G、折射率n和波长λ为G≈m·λ/(2·n)，m＝±1，±2，···。在m＝1的情况下，G＝λ/(2·n)，因而代入λ＝633nm，n＝1.45时，G＝218nm。这与D＝50nm，T＝10nm、12nm、14nm时显示峰的透光层的厚度G大致一致。另一方面，D＝30nm、T＝4nm时，在G＝270nm取得第二峰，这能够通过有效折射率低至neff＝633/(2×270)＝1.17来说明。有效折射率在开口面积扩大（从P＝60nm、D＝50nm到P＝60nm、D＝30nm）时下降。
从以上可知，在设透光层为比SiO2层的折射率＝1.45大的Al2O3层＝1.76或TiO2层＝2.52的情况下，与透光层的折射率的大小成反比，相对于透光层的厚度G的增强度峰向透光层的厚度G薄的一侧偏移。然而，透光层的厚度的第一峰（初级峰）、第二峰（二级峰）带来的效果相同。就是说，新发现第一峰SQRT(Ex2＋Ez2)≤第二峰SQRT(Ex2＋Ez2)成立。即，透光层是具有正的介电常数的电介质，二级峰的增强度SQRT比初级峰增强度SQRT大或相等。
此外，初级峰是出现在透光层的厚度G小的一侧的增强度的峰，二级峰是出现在透光层的厚度G大的一侧的增强度的峰。
进而，如图10所示，在3nm≤T≤14nm的范围内，增强度的峰值为30以上。例如图11所示，在P＝120nm、D＝80nm、T＝20nm、G＝240nm的模型中，增强度为30以下。因此，在3nm≤T≤14nm的范围内，可以说增强度的峰值变大。此外，在图11中，调查了激励波长与增强度的关系。另外，根据图10可知，增强度在3nm≤T≤7nm的范围内变得更大，而且在3nm≤T≤6nm的范围内变进一步变大。
在此，图12是在图10的各D（＝30nm、40nm、50nm）中绘制出具有最高增强度的模型的增强度的图表。此外，在图12中，“第一峰”是指图10中的10nm≤G≤150nm的范围的峰（初级峰）值，”第二峰”是指图10中的200nm≤G≤350nm的范围的峰（二级峰）值。
根据图12可知，D＝30nm、40nm的模型与D＝50nm的模型相比增强度大。特别是，可知D＝50nm的模型与D＝30nm、40nm的模型相比，初级峰的下降与二级峰相比较大。即，可以说增强度在30nm≤D≤40nm的范围内变得更大。
5.3.实验例2
将Ag粒子的间距P固定为80nm，Ag粒子的厚度T固定为12nm及SiO2层的厚度G固定为40nm。而且，设Ag粒子的直径D为30nm、40nm、50nm、60nm，调查激励波长与增强度的关系。其结果示于图13。
根据图13可知，D＝30nm、40nm的模型与D＝50nm、60nm的模型相比，增强度的峰值（最大值）大到40以上。即，可以说与实验例1的图12同样，增强度在30nm≤D≤40nm的范围内变大。
通常，已知Ag粒子的直径D变大，相邻的Ag粒子间距离变小时，Ag粒子间的局部等离子体增强，峰值发生红移（向长波长侧偏移）。另一方面，在本实验例中，如图13所示，随着直径D减小，发生蓝移（向短波长侧偏移）。而且，随着直径D减小，增强度变大。这是一种新现象：尽管Ag粒子的间距P扩大到30nm、40nm、50nm、60nm，Ag粒子间的局部等离子体变弱，增强度仍然变大。
5.4.实验例3
将Ag粒子的厚度T固定为4nm，以及将SiO2层的厚度G固定为230nm。而且，设Ag粒子的直径D为20nm、30nm，Ag粒子的间距P为60nm、80nm、100nm、120nm，调查激励波长和增强度的关系。其结果示于图14～图17。图14是P＝60nm的结果，图15是P＝80nm的结果，图16是P＝100nm的结果，图17是P＝120nm的结果。
根据图14～图17可知，在任何间距P中，D＝30nm的模型的增强度的峰值都为50以上，与D＝20nm的模型相比，增强度增大。
在此，图18是绘制出在图14～图17所示的D＝30nm的模型中间距P和增强度的关系的图表。根据图18可知，在60nm≤P≤120nm的范围内，增强度大到50以上。
此外，如图18所示，增强度随着间隔P增大而单调增加。因此，P＝140nm的模型的增强度比P＝120nm的模型的增强度大的情况，当然可以预计。因而，可以说增强度在60nm≤P≤140nm的范围内大，而且在100nm≤P≤140nm的范围内更大。
例如，图19是表示模型A（P＝120nm、D＝110nm、T＝20nm、G＝40nm），模型B（P＝120nm、D＝100nm、T＝20nm、G＝20nm）及模型C（P＝140nm、D＝80nm、T＝20nm、G＝10nm）的、激励波长与反射率的关系的分布图。根据图19可知，即使在P＝140nm的模型C中，也存在反射率下降的波长，得到充分大的增强度。
此外，图19示出向金属粒子30射入光后从金属粒子30反射的光的反射率的波长特性（远场特性）。在近场中光被增强并封闭的情况下，远场特性的反射率下降。即，如图19所示的P＝140nm的模型C所示，远场特性中反射率下降的情况，表示通过表面等离子体光被增强。
上述的实施方式及变形例是一个例子，并不限定于这些。例如，可以适当组合各实施方式及各变形例。
本发明包含与在实施方式中说明的结构实质上相同的结构（例如，功能、方法及结果相同的结构，或者目的及效果相同的结构）。另外，本发明包含置换在实施方式中说明的结构的非本质部分的结构。另外，本发明包含能够起到与实施方式中说明的结构相同的作用效果的结构或达到相同目的的结构。另外，本发明包含向在实施方式中说明的结构添加公知技术的结构。

Claims (13)

1.一种光学元件，其特征在于，
包括：
金属层，以第一方向为厚度方向；
金属粒子，沿所述第一方向与所述金属层分离设置；以及
透光层，使所述金属层和所述金属粒子分离，
所述金属粒子的所述第一方向的大小T满足3nm≤T≤14nm的关系，
所述金属粒子的与所述第一方向正交的第二方向的大小D满足30nm≤D＜50nm的关系。
2.根据权利要求1所述的光学元件，其特征在于，
所述D满足30nm≤D≤40nm的关系。
3.根据权利要求1或2所述的光学元件，其特征在于，
所述T满足3nm≤T≤6nm的关系。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述金属粒子在所述第二方向以及与所述第一方向和所述第二方向正交的第三方向具有间距P而配置成矩阵状，
所述P满足60nm≤P≤140nm的关系。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述透光层包含氧化硅，
所述透光层的所述第一方向的厚度G满足10nm≤G≤150nm、或200nm≤G≤350nm的关系。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的光学元件，其特征在于，
所述透光层是具有正的介电常数的电介质，
二级峰的增强度SQRT比初级峰增强度SQRT大或相等，
所述透光层的所述第一方向的厚度G设定为在所述二级峰的增强度SQRT的厚度。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的光学元件，其特征在于，
照射具有比所述T及所述D大的波长的光时，使拉曼散射光增强。
8.一种分析装置，其特征在于，
包括：
权利要求1至7中任一项所述的光学元件；
光源，向所述光学元件照射光；以及
检测器，检测与来自所述光源的光的照射相应地从所述光学元件放射的光。
9.根据权利要求8所述的分析装置，其特征在于，
所述检测器检测通过所述光学元件增强的拉曼散射光。
10.根据权利要求8或9所述的分析装置，其特征在于，
所述光源向所述光学元件照射具有比所述T以及所述D大的波长的光。
11.一种分析方法，其特征在于，
是向光学元件照射光、检测与所述光的照射相应地从所述光学元件放射的光并分析对象物的分析方法，
所述光学元件包括：
金属层，以第一方向为厚度方向；
金属粒子，沿所述第一方向与所述金属层分离设置；以及
透光层，使所述金属层和所述金属粒子分离，
所述金属粒子的所述第一方向的大小T满足3nm≤T≤14nm的关系，
所述金属粒子的与所述第一方向正交的第二方向的大小D满足30nm≤D＜50nm的关系。
12.一种电子设备，其特征在于，
包括：
权利要求8至10中任一项所述的分析装置，
运算部，根据来自所述检测器的检测信息运算健康医疗信息；
存储部，存储所述健康医疗信息；以及
显示部，显示所述健康医疗信息。
13.根据权利要求12所述的电子设备，其特征在于，
所述健康医疗信息包含与从包括细菌、病毒、蛋白质、核酸及抗原/抗体的组中选择的至少一种生物体关联物质、或者从无机分子及有机分子选择的至少一种化合物的有无或数量相关的信息。
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