CN104849255A - 分析装置及电子设备 - Google Patents

Abstract

涉及分析装置及电子设备。分析装置具备电场增强元件，包括金属层、设置于金属层上使激发光透过的透光层及设置于透光层上沿第一方向和与第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子；光源，将沿第一方向偏振的直线偏振光、沿第二方向偏振的直线偏振光和圆偏振光的至少一个作为激发光照射至电场增强元件；及检测器，检测从电场增强元件发射的光，在金属粒子激发的局域型表面等离子体和在金属层与透光层的界面激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用，将透光层厚度设为G[nm]、透光层的有效折射率设为n_eff、激发光波长设为λ_i[nm]时，满足20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])的关系。

Description

分析装置及电子设备

技术领域

本发明涉及分析装置以及电子设备。

背景技术

近年来，在医疗诊断和食物检查等中的需求日益增大，要求开发小型、高速的传感技术。虽然已经研究了以电化学方法为代表的各种各样类型的传感器，但由于可集成化、低成本而且不选择测定环境这些理由，对采用了表面等离子体共振(SPR：Surface Plasmon Resonance)的传感器的关心不断在提高。例如，已知有使用在设置于全反射型棱镜表面的金属薄膜上所产生的表面等离子体而检测在抗原抗体反应中有无抗原的吸附等有无物质吸附的传感器。

另外，也已经研究使用表面增强拉曼散射(SERS：Surface EnhancedRaman Scattering)，检测附着于传感器部位的物质的拉曼散射而进行附着物质的鉴定等的方法。所谓SERS就是在纳米级的金属的表面上拉曼散射光被增强为10²～10¹⁴倍的现象。当在成为标目标的物质吸附于该表面的状态下照射激光等激发光时，从激发光的波长仅偏离了相当于物质(分子)的振动能的波长的光(拉曼散射光)被散射。如果对该散射光进行分光处理，则能够获得物质的种类(分子种类)所固有的光谱(指纹图谱)。通过分析该指纹图谱的位置和形状，能够极其高灵敏度地鉴定物质。

这种传感器优选基于通过光照射而被激发的表面等离子体的光的增强度大。

例如，在专利文献1中，具有局域型表面等离子体(LSP：LocalizedSurface Plasmon)与表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polariton)的相互作用的记载，并公开了GSPP(Gap type Surface Plasmon Polariton，间隙型表面等离子体激元)模型的一些参数。

在专利文献1的GSPP中，具有引起等离子体共振的粒子的大小为50～200nm且比激发波长短的周期性的粒子间间隔、且将粒子层与镜层隔开的电介质厚度为2～40nm的尺寸，形成由在粒子尺寸上增加了0～20nm后的粒子间间隔所产生的细密填充等离子体共振粒子的有规则的阵列。

然而，已经知道，在专利文献1中公开的结构的传感器中，电场增强度的波长依赖性(增强度光谱或反射率光谱)中的峰虽然宽，但是整体显示低而不充分的增强度。另外，在该文献中公开的传感器中，在多个粒子的尺寸不均匀的情况(产生了偏差的情况)下，有时导致增强度光谱中的峰的波长大大地偏移。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利特表2007-538264号公报

发明内容

本发明的几种方式所涉及的目的之一在于，提供在增强度光谱中能够获得高增强度，进而能够高灵敏度地检测、分析目标物质的分析装置以及电子设备。另外，本发明的几种方式所涉及的目的之一在于，提供目标物质容易附着于成为高增强度的位置的分析装置以及电子设备。并且，本发明的几种方式所涉及的目的之一在于，提供制造上的偏差的允许范围大的分析装置以及电子设备。

本发明为了解决上述问题的至少一部分而做出，能够作为以下的方式或应用例而实现。

本发明所涉及的一种方式的分析装置具备：电场增强元件，包括金属层、设于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设于所述透光层上并沿第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子；光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光和圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件；以及检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，在所述金属粒子上激发的局域型表面等离子体和在所述金属层与所述透光层的界面上激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用，将所述透光层的厚度设为G[nm]、将所述透光层的有效折射率设为n_eff、将所述激发光的波长设为λ_i[nm]时，满足下述式(1)的关系：

20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])···(1)

根据这种分析装置，在增强度光谱中能够获得非常高的增强度，能够高灵敏度地检测、分析目标物质。另外，由于这样的分析装置的能够获得高增强度的位置至少存在于金属粒子的上表面侧，因此目标物质容易接触于该位置，因而能够高灵敏度地检测、分析目标物质。并且，这种分析装置由于满足40[nm]≤G·(n_effneff/1.46)这样的关系，因而能够取得较大的制造上的偏差的允许范围。

本发明所涉及的一种方式的分析装置具备：电场增强元件，包括金属层、设于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设于所述透光层上并沿第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子；光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光和圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件上；以及检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，在所述金属粒子上激发的局域型表面等离子体和在所述金属层与所述透光层的界面上激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用，所述透光层由通过m层的层层叠而成的层叠体构成，m是自然数，所述透光层从所述金属粒子侧向所述金属层侧按照第一透光层、第二透光层、…、第m-1透光层、第m透光层的顺序层叠，将所述金属粒子的周边的折射率设为n₀、将所述金属层的法线方向与所述激发光的入射方向所成的角设为θ₀、将所述金属层的法线方向与所述第m透光层中的所述激发光的折射光朝向所述金属层的入射方向所成的角设为θ_m、将所述第m透光层的折射率设为n_m、将所述第m透光层的厚度设为G_m[nm]、将所述激发光的波长设为λ_i[nm]时，满足下述式(2)以及式(3)的关系：

n₀·sinθ₀＝n_m·sinθ_m···(2)

数学式1

$20\left[\mathrm{nm}\right]<\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{(G_m\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_m)\&CenterDot;(n_m/1.46)\}\&le;140\left[\mathrm{nm}\right]\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_i/785\left[\mathrm{nm}\right]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

根据这种分析装置，在增强度光谱中能够获得非常高的增强度，能够高灵敏度地检测、分析目标物质。另外，由于这样的分析装置的能够获得高增强度的位置至少存在于金属粒子的上表面侧，因此目标物质容易接触于该位置，因而能够高灵敏度地检测、分析目标物质。并且，这种分析装置由于满足

数学式2

$40\left[\mathrm{nm}\right]\&le;\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{(G_m\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_m)\&CenterDot;(n_m/1.46)\}$

这样的关系，因此能够取得较大的制造上的偏差的允许范围。

在本发明所涉及的分析装置中，所述金属粒子在所述第一方向上排列的第一节距P1和所述金属粒子在所述第二方向上排列的第二节距P2可以相等。

根据这种分析装置，在增强度光谱中能够获得非常高的增强度，能够高灵敏度地检测、分析目标物质。

本发明所涉及的一种方式的分析装置具备：电场增强元件，包括金属层、设于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设于所述透光层上并在第一方向上以第一节距排列、在与所述第一方向交叉的第二方向上以第二节距排列的多个金属粒子；光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光和圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件；以及检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，所述电场增强元件的所述金属粒子的配置满足下述式(4)的关系：

P1＜P2≤Q+P1···(4)

[其中，P1表示所述第一节距，P2表示所述第二节距，将在所述金属粒子的列上激发的局域型等离子体的角频率设为ω、将构成所述金属层的金属的介电常数设为ε(ω)、将所述金属粒子的周边的介电常数设为ε、将真空中的光速设为c、将作为所述激发光的照射角的来自所述金属层的厚度方向的倾斜角设为θ，Q表示满足下述式(5)的衍射光栅的节距：

(ω/c)·{ε·ε(ω)/(ε+ε(ω))}^1/2＝ε^1/2·(ω/c)·sinθ+2aπ/Q(a＝±1，±2，…)···(5)]

将所述透光层的厚度设为G[nm]、将所述透光层的有效折射率设为n_eff、将所述激发光的波长设为λ_i[nm]时，满足下述式(1)的关系：

20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])···(1)

在本发明所涉及的分析装置中，所述第一节距P1可以满足60[nm]≤P1≤1310[nm]的关系。

在本发明所涉及的分析装置中，所述第二节距P2可以满足60[nm]≤P2≤1310[nm]的关系。

在本发明所涉及的分析装置中，所述透光层可以包括选自氧化硅或氧化钛、氧化铝、氮化硅以及氧化钽的层。

在本发明所涉及的分析装置中，所述金属层可以包括由金、银、铜、铂或者铝构成的层。

在本发明所涉及的分析装置中，在所述金属粒子远离所述透光层一侧的角部上所激发的局域型表面等离子体的强度与在所述金属粒子靠近所述透光层一侧的角部上所激发的局域型表面等离子体的强度之比，可以不管所述透光层的厚度如何都为一定。

根据这种分析装置，即使透光层的厚度变动，在所述金属粒子的上表面侧所激发的局域型表面等离子体的强度与在所述金属粒子的下表面侧所激发的局域型表面等离子体的强度之比也不变化，因此更容易制造。

本发明所涉及的一种方式的电子设备具备：上述的分析装置；运算部，根据来自所述检测器的检测信息而运算健康医疗信息；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。

根据这种电子设备，增强度极其增大，能够高灵敏度地检测、分析目标物质，能够提供高灵敏度、高精度的健康医疗信息。

附图说明

图1是示意性显示实施方式所涉及的电场增强元件的主要部分的立体图。

图2是俯视观察实施方式所涉及的电场增强元件的主要部分的示意图。

图3是实施方式所涉及的电场增强元件的主要部分的截面的示意图。

图4是实施方式所涉及的电场增强元件的主要部分的截面的示意图。

图5是示出激发光的光路的一例的示意图。

图6是示出激发光的光路的一例的示意图。

图7是对应于金属层周边的折射率的色散关系。

图8是银的介电常数的波长特性。

图9是示出金属层的传播型表面等离子体和金属粒子的局域型表面等离子体的色散关系电磁耦合的图。

图10是实施方式所涉及的分析装置的示意图。

图11是实施方式所涉及的电子设备的示意图。

图12是实施例所涉及的模型的示意图。

图13是反射率光谱(远场特性)的一例。

图14是实验例所涉及的模型的反射率光谱以及SQRT。

图15A是实验例所涉及的模型的反射率光谱。

图15B是实验例所涉及的模型的反射率光谱。

图16是示出实验例所涉及的模型的反射率光谱中的峰的波长以及反射率光谱中的峰的极小值对透光层的厚度G的依赖性的曲线图。

图17的(a)和(b)是示出实验例所涉及的模型的SQRT以及顶部/底部比对透光层厚度的依赖性的曲线图。

图18是示出实验例所涉及的模型的反射率光谱中的峰的波长以及反射率光谱中的峰的极小值对透光层的厚度G的依赖性的曲线图。

图19是示出实验例所涉及的模型的SQRT的透光层厚度依赖性的曲线图。

图20是示出实验例所涉及的模型的反射率光谱中的峰的最小波长的透光层厚度依赖性的曲线图。

图21是实验例所涉及的模型的反射率光谱。

图22的(a)和(b)是示出实验例所涉及的模型的SQRT的透光层厚度依赖性的曲线图。

图23是示出实验例所涉及的模型的反射率光谱中的峰的极小波长以及反射率的透光层厚度依赖性的曲线图。

图24的(a)～(c)是示出实验例所涉及的模型的XZ(X节距/4，0，0)中的E_Z的绘图(map)。

图25的a)～d)是比较实验例所涉及的模型的PSP、LSP、PSP·LSP、以及SQRT的透光层厚度依赖性的曲线图。

图26是示出金属粒子的排列与LSP以及PSP的关系的示意图。

符号说明

1…基板，10…金属层，20…透光层，30…金属粒子，31…金属粒子列，100…电场增强元件，110…气体样品保持部，112…盖，113…吸引口，114…吸引流路，115…除尘过滤器，116…排出流路，117…吸引机构，118…排出口，120…检测部，122a、122b、122c、122d…透镜，124…半反射镜，126…过滤器，127…分光器，128…受光元件，130…控制部，132…检测控制部，134…电力控制部，136…连接部，140…框体，200…拉曼光谱装置，210…光源，220…光检测器，300…电子设备，310…运算部，320…存储部，330…显示部

具体实施方式

以下对本发明的几种实施方式进行说明。以下说明的实施方式只是说明本发明的一个例子。本发明并非受以下的实施方式任何限制，也包括在不变更本发明的宗旨的范围内所实施的各种变形方式。此外，在以下说明的所有结构未必是本发明的必需结构。

1.电场增强元件

图1是实施方式的一例所涉及的电场增强元件100的立体图。图2是俯视观察(从透光层的厚度方向观察)到的实施方式的一例所涉及的电场增强元件100的示意图。图3以及图4是实施方式的一例所涉及的电场增强元件100的截面的示意图。本实施方式的电场增强元件100包括金属层10、透光层20以及金属粒子30。

1.1.金属层

金属层10只要提供金属的表面，则就没有特别限制，例如，既可以是厚板状，也可以具有薄膜、层或者膜的形状。金属层10可以设置于例如基板1的上面。作为这种情况下的基板1，虽然没有特别限制，但是优选难以对在金属层10上所激发的传播型表面等离子体带来影响的基板。作为基板1，可以列举出例如，玻璃基板、硅基板、树脂基板等。基板1的设置金属层10的面的形状也不特别限制。在金属层10的表面具有规则结构的情况下，可以具有对应于该规则结构的表面，在将金属层10的表面形成为平面的情况下也可以设置为平面。在图1～图4的例子中，在基板1的表面(平面)上设置有金属层10。

在此，虽然使用了平面这样的表达，但这种表达并非是指表面是一点凹凸也没有而平坦(平滑)的、在数学上严格的平面。例如，在表面上，有时存在起因于构成的原子的凹凸或起因于构成的物质的二次结构(结晶、粒块、粒界等)的凹凸等，从微观上来看，有时并不是严格的平面。但是，即使在那样的情况下，在更宏观的视点上来看，这些凹凸不明显，观测为不妨碍将表面称为平面的程度。因此，在本说明书中，如果像这种在更宏观的视点上来看的情况下能够识别为平面，则就将其称为平面。

另外，在本实施方式中，金属层10的厚度方向与后述的透光层20的厚度方向一致。在本说明书中，在对后述的金属粒子30进行说明的情况等下，有时将金属层10的厚度方向或者透光层20的厚度方向称为厚度方向、高度方向等。另外，在金属层10设置于基板1的表面的情况下，有时将基板1的表面的法线方向称为厚度方向或者高度方向。

金属层10能够通过例如蒸镀、溅射、铸造、机械加工等方法而形成。在金属层10设置于基板1上的情况下，既可以设置于基板1的表面的整个面上，也可以设置于基板1的表面的一部分上。金属层10的厚度只要能够在金属层10的表面或金属层10与透光层20的界面附近激发传播型表面等离子体，则就没有特别限制，例如，能够为10nm以上1mm以下，优选为20nm以上100μm以下，更优选为30nm以上1μm以下。

金属层10由存在由激发光提供的电场和由该电场感应出的极化以反相位振动这样的电场的金属，即，在已提供特定的电场的情况下，能够具有介电函数的实数部具有负值(具有负介电常数)、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。作为能够具有这种介电常数的金属的例子，能够列举出金、银、铝、铜、铂以及它们的合金等。在作为激发光而使用可见光区域的光的情况下，金属层10优选包括由这些金属中的金、银或铜构成的层。另外，金属层10的表面(厚度方向的端面)是不是特定的晶面均可。另外，金属层10也可以由多层的金属层形成。

金属层10具有在本实施方式的电场增强元件100中使传播型表面等离子体产生的功能。通过在后述的条件下将光射入至金属层10，从而在金属层10的表面(厚度方向的端面)附近产生传播型表面等离子体。另外，在本说明书中，将金属层10的表面附近的电荷的振动与电磁波耦合后的振动量子称为表面等离子体激元(SPP：Surface Plasmon Polaritons)。在金属层10上已产生的传播型表面等离子体能够与在后述的金属粒子30上所产生的局域型表面等离子体在一定的条件下相互作用(杂化)。并且，金属层10具有使光(例如激发光的折射光)向透光层20一侧反射的反射镜的功能。

1.2.透光层

本实施方式的电场增强元件100具有用于将金属层10与金属粒子30隔开的透光层20。在图1、3、4中绘制出透光层20。透光层20能够具有薄膜、层或者膜的形状。透光层20设置于金属层10的上面。由此，能够将金属层10与金属粒子30隔开。另外，透光层20能够使激发光透过。

透光层20能够通过例如蒸镀、溅射、CVD、各种涂覆等方法而形成。透光层20既可以设置于金属层10的表面的整个面上，也可以设置于金属层10的表面的一部分上。

透光层20只要具有正介电常数即可，能够由例如氧化硅(SiO_x例如SiO₂)、氧化铝(Al_xO_y例如Al₂O₃)、氧化钽(Ta₂O₅)、氮化硅(Si₃N₄)、氧化钛(TiO_x例如TiO₂)、PMMA(Polymethylmethacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)等高分子、ITO(Indium Tin Oxide，氧化铟锡)等形成。另外，透光层20能够由电介质构成。并且，透光层20也可以由材质互不相同的多个层构成。

透光层20的厚度G以金属层10的传播型表面等离子体与金属粒子30的局域型表面等离子体能够相互作用的方式设定。例如，透光层20的厚度G[nm]按以下方式设定。

(i)在将透光层20的有效折射率设为n_eff、将激发光的波长设为λ_i[nm]的情况下，透光层20的厚度G[nm]能够以满足下述式(1)的关系的方式而设定：

20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])···(1)

在此，在透光层20由单一的层构成的情况下，透光层20的有效折射率n_eff与构成该单一层的材料的折射率的值相等。另一方面，在透光层20由多个层构成的情况下，透光层20的有效折射率n_eff与用透光层20的整体厚度G去除构成透光层20的各层的厚度和各层的折射率之积后的值相等。

图5是示意性说明在透光层20由折射率n的单一层构成的情况下的激发光的光路的图。参照图5，在透光层20由折射率n的单一层构成的情况、且激发光从n₀的折射率的相以相对于透光层20的法线方向(厚度方向)倾斜角θ₀的角度倾斜射入透光层20的情况下，根据斯涅尔定律，以满足n₀·sinθ₀＝n·sinθ的关系的、相对于透光层20的法线方向的倾斜角θ而在透光层20内产生激发光的折射光(式中“·”是指乘积)。

而且，在透光层20的上表面反射后的光与在透光层20的下表面反射后的光的光路差为2·n·G·cosθ(参照图5)。另外，由于在金属层10上的反射中偏离半波长，因此在将激发光的波长设为λ_i时，光路差＝k·λ_i(但是，k为整数)。因此，2·n·G·cosθ＝k·λ_i成立，sinθ＝(n₀/n)·sinθ₀以及θ＝sin^-1{(n₀/n)sinθ₀}的关系成立。

(ii)图6是示意性说明在透光层20由多层构成的情况下的激发光的光路的图。参照图6，在透光层20由多层构成的情况、且激发光以相对于透光层20的法线方向(厚度方向)倾斜角θ₀的角度倾斜射入的情况下，将m设为2以上的整数，可以认为透光层20是从远离金属层10的一侧向金属层10按照第一透光层、第二透光层的顺序一直层叠至第m-1透光层、第m透光层的结构。而且，激发光从n₀的折射率的相以相对于透光层20的法线方向(厚度方向)倾斜角θ₀的角度倾斜射入透光层20。在这种情况下，在将透光层20的法线方向与第m透光层中的激发光的折射光所成的角设为θ_m、第m透光层的折射率设为n_m、第m透光层的厚度设为G_m[nm]时，根据斯涅尔定律，以满足n₀·sinθ₀＝n_m·sinθ_m的关系的、相对于透光层20的法线方向的倾斜角θ_m在第m透光层内产生激发光的折射光。因此，在将第m透光层的厚度设为G_m、将折射率设为n_m时，在各层中产生2·n_m·G_m·cosθ_m的光路差。

根据这一点，总光路差L为L＝Σ(2·n_m·G_m·cosθ_m)。而且，在这样的光路差L成为入射光的波长的整数倍(k·λ_i)的情况下，光就会互相增强。另外，在垂直射入(激发光的射入方向与透光层20的厚度方向平行)的情况下θ₀＝0，cosθ_m的值为1，在倾斜射入的情况下，cosθ_m的值变得比1小，因此可以理解为，成为使光相互增强的条件的厚度G_m在倾斜射入时比垂直射入时大(厚)。

另外，在透光层20由m层的层层叠后的层叠体构成的情况(m为自然数)下，可以认为透光层20的厚度G是透光层20从远离金属层10的一侧向金属层10按照第一透光层、第二透光层的顺序一直层叠至第m-1透光层、第m透光层的厚度。而且，激发光从n₀的折射率的相以相对于透光层20的法线方向(厚度方向)倾斜角θ₀的角度倾斜射入到透光层20。在这种情况下，在将透光层20的法线方向与第m透光层中的激发光的折射光所成的角设为θ_m、第m透光层的折射率设为n_m、第m透光层的厚度设为G_m[nm]时，根据斯涅尔定律，以满足n₀·sinθ₀＝n_m·sinθ_m的关系的、相对于透光层20的法线方向的倾斜角θ_m在第m透光层内产生激发光的折射光。

而且，在将激发光的波长设为λ_i[nm]时，能够以满足下述式(2)以及式(3)的关系的方式而设定。

n₀·sinθ₀＝n_m·sinθ_m···(2)

数学式3

$20\left[\mathrm{nm}\right]<\underset{m=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\{(G_m\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_m)\&CenterDot;(n_m/1.46)\}\&le;140\left[\mathrm{nm}\right]\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_i/785\left[\mathrm{nm}\right]\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;\left(3\right)$

上述(i)～(ii)的式中，“20[nm]”、“140[nm]”、“785[nm]”以及“1.46[－](无量纲数)”都是根据发明者们的研究而在实验上得到的经验值，是本发明的重要参数之一。通过根据上述(i)、(ii)中的任意的方法而设定透光层20的厚度G，本实施方式的电场增强元件100的电场增强度变得极高。

正如通过后述的实验例已证实的那样，将上述式(1)以及式(3)中的下限值设定为20nm的原因在于是在实验上求得的值。另外，由于即使激发光的波长变化，各式也成立，因此与上述式(1)以及式(3)中的上限值相乘的(λ_i/785[nm])是用于表现这种情况的校正项。并且，由于即使透光层的折射率变化，各式也成立，因此与上述式(1)以及式(3)中的G相乘的(n/1.46)是用于表现这种情况的校正项。对于这些校正项，将在后述的实验例中证明。

并且，由于以下这样的理由，上述式(1)以及式(3)中的下限值可以考虑设定为30nm、40nm等。根据本实施方式的电场增强元件100的结构，在透光层20上设置多个金属粒子30。当透光层20的厚度G低于大约20nm时，有时导致由于金属粒子30的大小的偏差所引起的、电场增强元件100的电场增强光谱中的增强度峰的位置的变动量变得非常大。例如，如后述的实验例所示，如果透光层20的厚度G为大约20nm左右，则能够获得强增强度，但是增强度的峰位置对金属粒子30的直径的变化变得敏感，因此有时导致电场增强元件100的电场增强度轮廓(プロファイル)的设计变得繁杂一些。因此，作为其相反情况，可以使透光层20的厚度G超过20nm(20nm＜G)，更优选设定为大约30nm以上，由此使电场增强元件100的设计变得容易，能够取得较大的制造上的偏差的允许范围。

并且，当透光层20的厚度G低于大约40nm时，金属粒子30附近的局域型表面等离子体与金属层10表面附近的传播型表面等离子体的相互作用增大。正如在后述的实验例中也示出的那样，如果透光层20的厚度G低于大约40nm，则金属粒子30的顶部的增强度与其底部的增强度之比变小。这样一来，用于电场增强的能量的分配就偏向于金属粒子30的底部，因此导致为了形成用于检测微量物质的增强电场而使用的激发光的能量的利用效率下降。因此，通过将透光层20的厚度G设定为大约40nm以上，从而能够更加有效地利用为了形成用于检测微量物质的增强电场而使用的激发光的能量。此外，这些内容在“1.5.热点的位置”等项中也将说明。

1.3.金属粒子

金属粒子30与金属层10在厚度方向上隔离而设置。即，金属粒子30设置于透光层20上，与金属层10在空间上隔离而配置。在金属粒子30与金属层10之间存在透光层20。在本实施方式的图1～图4的电场增强元件100的例子中，通过在金属层10上设置透光层20，在透光层20上形成金属粒子30，从而金属层10与金属粒子30在透光层的厚度方向上隔离而配置。

金属粒子30的形状没有特别限制。例如，金属粒子30的形状在金属层10或透光层20的厚度方向上投影的情况下(在从厚度方向进行的俯视观察中)能够为圆形、椭圆形、多边形、不定形或者使那些形状组合后的形状，在与厚度方向正交的方向上投影的情况下也能够为圆形、椭圆形、多边形、不定形或者使那些形状组合后的形状。在图1～图4的例子中，金属粒子30虽然都是以在透光层20的厚度方向上具有中心轴的圆柱状的形状而画出，但是金属粒子30的形状不局限于此。

金属粒子30的高度方向的大小T指由垂直于高度方向的平面能够切割金属粒子30的区间的长度，为1nm以上100nm以下。另外，与金属粒子30的高度方向正交的第一方向的大小指由垂直于第一方向的平面切割金属粒子30的区间的长度，为5nm以上200nm以下。例如，在金属粒子30的形状为将高度方向作为中心轴的圆柱的情况下，金属粒子30的高度方向的大小(圆柱的高度)为1nm以上100nm以下，优选为2nm以上50nm以下，更优选为3nm以上30nm以下，进一步优选为4nm以上20nm以下。另外，在金属粒子30的形状为将高度方向作为中心轴的圆柱的情况下，金属粒子30的第一方向的大小(圆柱底面的直径)为10nm以上200nm以下，优选为20nm以上150nm以下，更优选为25nm以上100nm以下，进一步优选为30nm以上72nm以下。

金属粒子30的形状、材质只要通过激发光的照射而能够产生局域型表面等离子体则就为任意，但作为通过可见光附近的光而能够产生局域型表面等离子体的材质，能够列举出金、银、铝、铜、铂以及它们的合金等。

金属粒子30能够通过例如在利用溅射、蒸镀等形成了薄膜之后进行图案化的方法、微接触印刷法、纳米压印法等而形成。另外，金属粒子30能够通过胶体化学的方法而形成，可以通过适当的方法将其配置在与从金属层10隔离开的位置。

金属粒子30具有在本实施方式的电场增强元件100中使局域型表面等离子体产生的功能。通过将激发光照射至金属粒子30，从而能够使局域型表面等离子体(LSP：Localized surface plasmon)在金属粒子30的周边产生。在金属粒子30上产生出的局域型表面等离子体能够与在上述的金属层10上所产生的传播型表面等离子体(PSP：Propagating SurfacePlasmon)在一定的条件下相互作用(杂化)。

1.3.1金属粒子的配置

如图1～图4所示，金属粒子30通过多个并列而构成金属粒子列31。金属粒子30在金属粒子列31中沿与金属层10的厚度方向正交的第一方向并排而配置。换而言之，金属粒子列31具有金属粒子30在与高度方向正交的第一方向上并排了多个的结构。在金属粒子30具有长边的形状的情况(具有各向异性的形状的情况)下，金属粒子30并排的第一方向可以与其长边方向不一致。在一个金属粒子列31上并排的金属粒子30的个数只要为多个即可，优选为10个以上。

在此，将金属粒子列31内的第一方向上的金属粒子30的节距定义为第一节距P1(参照图2～图4)。第一节距P1是指在第一方向上的两个金属粒子30的重心间的距离。此外，在金属粒子30为将金属层10的厚度方向作为中心轴的圆柱的情况下，金属粒子列31内的两个金属粒子30的粒子间距离与从第一节距P1减去圆柱的直径后的长度相等。

金属粒子列31内的第一方向上的金属粒子30的第一节距P1能够为10nm以上2μm以下，优选为20nm以上1500nm以下，更优选为30nm以上且小于1000nm，进一步优选为50nm以上且小于800nm。

金属粒子列31由在第一方向上以节距P1并排的多个金属粒子30构成，而在金属粒子30上所产生的局域型表面等离子体的分布、强度等也依赖于该金属粒子30的排列。因此，与在金属层10上所产生的传播型表面等离子体相互作用的局域型表面等离子体，有时不仅包括在单一的金属粒子30上所产生的局域型表面等离子体，而且还包括考虑了金属粒子列31中的金属粒子30的排列的局域型表面等离子体。

如图1～图4所示，金属粒子列31在与金属层10的厚度方向以及第一方向交叉的第二方向上以第二节距P2并排而配置。金属粒子列31并排的个数只要为多个即可，优选为10列以上。

在此，将相邻的金属粒子列31在第二方向上的间隔定义为第二节距P2。第二节距P2是指两个金属粒子列31在第二方向上的重心间的距离。另外，在金属粒子列31由多个列构成的情况下，第二节距P2是指多个列在第二方向上的重心位置与相邻的金属粒子列31的多个列在第二方向上的重心位置之间的距离。

金属粒子列31间的第二节距P2与第一节距P1同样，能够为10nm以上2μm以下，优选为20nm以上1500nm以下，更优选为30nm以上且小于1000nm，进一步优选为50nm以上且小于800nm。

另外，第一节距P1和第二节距P2可以相同(相等)也可以不同。在此，所谓“相同”、“相等”是指在允许例如制造上误差被累积的结果产生的差异或测定上的误差的范围内“相同”、“相等”。另外，作为第一节距P1和第二节距P2相同的方式之一，可以列举出金属粒子30在第一方向上以第一节距P1排列、在与第一方向正交的第二方向上以与第一节距P1相同的第二节距P2排列这样的、排列成二维正方格子状(单元格子为正方形)的方式。另外，作为第一节距P1和第二节距P2相同的方式之一，可以列举出金属粒子30在第一方向上以第一节距P1排列、在与第一方向非正交而交叉的第二方向上以与第一节距P1相同的第二节距P2排列这样的、排列成二维格子状(单元格子为菱形)的方式。

此外，金属粒子列31延伸的第一方向的线与连结分别属于相邻的金属粒子列31的两个金属粒子30且彼此最接近的两个金属粒子30的线所成的角没有特别限制，是不是直角均可。例如，两者所成的角既可以是直角，两者所成的角也可以不是直角。即，在将从厚度方向观察到的金属粒子30的排列看作将金属粒子30的位置作为格点的二维格子的情况下，不可约基本单元格子既可以是长方形的形状，也可以是平行四边形的形状。另外，在金属粒子列31延伸的第一方向的线与连结分别属于相邻的金属粒子列31的两个金属粒子30且彼此最接近的两个金属粒子30的线所成的角不是直角的情况下，可以将分别属于相邻的金属粒子列31的两个金属粒子30且彼此最接近的两个金属粒子30之间的节距作为第二节距P2。

1.3.2传播型表面等离子体以及局域型表面等离子体

首先，针对传播型表面等离子体进行说明。图7是示出激发光和金(实线)以及银(虚线)的色散曲线的色散关系的曲线图。通常，即使将光以0～90度的入射角θ(照射角θ)射入金属的表面，也不产生传播型表面等离子体。这是因为，例如在金属由Au构成的情况下，如图7所示，光线(Light Line)与Au的SPP的色散曲线不具有交点。另外，即使光所通过的介质的折射率变化，Au的SPP也随周边的折射率而变化，因此结果仍然不具有交点。为了使它们具有交点，使其产生传播型表面等离子体，有如Kretschmann配置那样在棱镜上设置金属层，进而通过棱镜的折射率而使激发光的波数增加的方法、或通过衍射光栅而使光线的波数增加的方法。此外，图7是示出所谓的色散关系的曲线图(将纵轴作为角频率[ω(eV)]，横轴作为波矢[k(eV/c)])。

另外，图7的曲线图的纵轴的角频率ω(eV)具有λ[nm]＝1240/ω(eV)的关系，能够换算成波长。另外，该曲线图的横轴的波矢k(eV/c)具有k(eV/c)＝2π·2/[λ[nm]/100]的关系。因此，在例如将衍射光栅间隔设为Q时，在Q＝600nm时，就成为k＝2.09(eV/c)。另外，照射角θ是激发光的照射角，是从金属层10或透光层20的厚度方向，或者金属粒子30的高度方向起算的倾斜角。

在图7上示出了金(Au)以及银(Ag)的SPP的色散曲线，一般而言，在将射入金属表面的激发光的角频率设为ω、将真空中的光速设为c、将构成金属层10的金属的介电常数设为ε(ω)、将周边的介电常数设为ε时，该金属的SPP的色散曲线可以由式(A)给出：

K_SPP＝ω/c[ε·ε(ω)/(ε+ε(ω))]^1/2···(A)

另一方面，将是激发光的照射角且从金属层10或透光层20的厚度方向，或者金属粒子30的高度方向起算的倾斜角设为θ，通过了具有间隔Q的、假想的衍射光栅的激发光的波数K能够由式(B)表示，

K＝n·(ω/c)·sinθ+a·2π/Q(a＝±1，±2，…)···(B)

该关系在色散关系的曲线图上不是曲线而以直线呈现。

此外，式(B)中，n为周边折射率，如果将消光系数设为k，则光的振动频率中的相对介电常数ε的实数部ε’和虚数部ε”分别由ε’＝n²－k²、ε”＝2nk给出，如果周边的物质透明，则k接近0，因此ε为实数，成为ε＝n²，进而由n＝ε^1/2给出。

在色散关系的曲线图上，在金属的SPP的色散曲线(上述式(A))与衍射光的直线(上述式(B))具有交点的情况下，激发传播型表面等离子体。即，当K_SPP＝K的关系成立时，在金属层10上激发传播型表面等离子体。

因此，由上述式(A)以及(B)得到以下的式(C)：

(ω/c)·{ε·ε(ω)/(ε+ε(ω))}^1/2＝ε^1/2·(ω/c)·sinθ+2aπ/Q(a＝±1，±2，…)···(C)

可以理解，如果满足该式(C)的关系，则在金属层10上激发传播型表面等离子体。在这种情况下，以图7的SPP的例子来说，通过使θ以及m变化，能够使光线的斜率以及/或者截距变化，进而能够使光线的直线与Au的SPP的色散曲线交叉。

接下来，针对局域型表面等离子体进行说明。

使局域型表面等离子体在金属粒子30上产生的条件通过介电常数的实数部而由下式给出：

Real[ε(ω)]＝－2ε···(D)

当将周边的折射率n设为1时，ε＝n²－k²＝1，因此成为Real[ε(ω)]＝－2。

图8是示出Ag的介电常数与波长的关系的曲线图。例如，Ag的介电常数如图8那样，在大约366nm的波长激发局域型表面等离子体，但在多个银粒子以纳米级别接近的情况下、或银粒子与金属层10(Au膜等)由透光层20(例如SiO₂等)隔开而配置的情况下，由于该间隙(透光层20的厚度G)的影响，局域型表面等离子体的激发峰波长进行红移(向长波长侧偏移)。该偏移量虽然依赖于银粒子的直径D、银粒子的厚度T、银粒子的粒子间隔、透光层20的厚度G等尺寸，但会显示出例如在500nm～900nm具有局域型表面等离子体的峰的波长特性。

另外，局域型表面等离子体与传播型表面等离子体不同，不具有速度，是不移动的等离子体，当绘制成色散关系的曲线图时，斜率为零、即ω/k＝0。

图9是示出金属层10的表面等离子体激元(SPP)与在金属粒子30上所产生的局域型表面等离子体(LSP)的色散关系和电磁耦合的图。本实施方式的电场增强元件100就是通过使传播型表面等离子体与局域型表面等离子体电磁耦合(Electromagnetic Coupling)而获得电场的极大的增强度的元件。即，本实施方式的电场增强元件100在色散关系的曲线图上，并非将衍射光的直线与金属的SPP的色散曲线的交点作为任意的点，而是以在金属粒子30(金属粒子列31)上所产生的局域型表面等离子体中给予最大或极大的增强度的点的附近使两者交叉的方式配置成为衍射光栅的金属粒子30，将此作为特征之一(参照图7、9)。因此，在本实施方式的电场增强元件100中，在金属粒子30上所激发的局域型表面等离子体(LSP)与在金属层10和透光层20的界面上所激发的传播型表面等离子体(PSP)电磁地相互作用。此外，当使传播型表面等离子体与局域型表面等离子体电磁耦合(Electromagnetic Coupling)时，发生例如在文献：OPTICS LETTERS/Vol.34,No.3/2月1日,2009等中所记载那样的反交叉行为。

换而言之，在本实施方式的电场增强元件100中，设计成在色散关系的曲线图上，衍射光的直线通过金属的SPP的色散曲线与在金属粒子30(金属粒子列31)上所产生的局域型表面等离子体中给予最大或极大的增强度的激发光的角频率(在图9的色散关系的曲线图上标有LSP的平行于横轴的线)的交点的附近。

1.3.3第二节距P2

金属粒子列31之间的第二节距P2如上所述既可以与第一节距P1相同，也可以不同，但是例如在垂直射入(入射角θ＝0)激发光且使用一级衍射光(a＝0)的情况下，如果采用上述的衍射光栅的间隔Q作为第二节距P2，则能够满足式(C)。但是，根据所选择的入射角θ以及衍射光的级数m不同，能够满足式(C)的间隔Q就会具有范围。此外，这种情况下的入射角θ优选为从厚度方向向第二方向的倾斜角，但也可以是向包括第一方向的成分的方向的倾斜角。

因此，考虑到为上述的交点附近(±P1的范围)这一点，能够使局域型表面等离子体与传播型表面等离子体的杂化产生的第二节距P2的范围可以设定为满足式(E)的关系。

Q－P1≤P2≤Q+P1···(E)

此外，第二节距P2可以设定为P 1≤P2，也可以使其满足下述式(F)的关系：

P1≤P2≤Q+P1···(F)

此外，一般而言，在垂直入射的情况(如果是倾斜射入，则通过LSP与SPP的交点的衍射光栅节距随入射角不同而变动，因此在说明上缺乏准确性，因而以垂直入射说明)下，当第一节距P1以及第二节距P2的值比激发光的波长小时，作用于金属粒子3之间的局域型表面等离子体的强度具有增大的趋势，相反，当第一节距P1以及第二节距P2的值接近于激发光的波长时，在金属层10上所产生的传播型表面等离子体的强度处于增大的趋势。并且，由于电场增强元件100的总体的电场增强度也依赖于热点密度(每单位面积的、电场增强度高的区域的比例)(HSD)，因此第一节距P1以及第二节距P2的值越大，HSD越下降。因此，第一节距P1以及第二节距P2的值存在优选的范围，例如，优选在60nm≤P 1≤1310nm、60nm≤P2≤1310nm的范围内。

另外，在P1＝P2的情况下，优选P1、P2都设定为激发光的波长的±40％左右。具体而言，在激发光的波长为633nm的情况下，当P1、P2都设定为600nm左右时电场增强度变高。在激发光的波长为785nm的情况下，当P1、P2都设定为780nm左右时电场增强度变高。

1.4.表面增强拉曼散射

本实施方式的电场增强元件100显示高的电场增强度。因此，这样的电场增强元件100能够优选用于表面增强拉曼散射(SERS：Surfaceenhanced Raman Scattering)测定。

在拉曼散射中，在将激发光的波长设为λ_i、散射光的波长设为λ_s时，由拉曼散射所引起的偏移量(cm^-1)由下述式(a)给出：

拉曼散射的偏移量＝(1/λ_i)－(1/λ_s)···(a)

下面，作为显示拉曼散射效应的目标物质而列举丙酮为例进行说明。

已经知道，丙酮在787cm^-1、1708cm^-1、2921cm^-1处引起拉曼散射。

根据上述式(a)，当激发光的波长设定为λ_i＝633nm时，由丙酮引起的斯托克斯拉曼散射光的波长λ_s对应于上述偏移量而分别成为666nm、709nm、777nm。另外，当激发光的波长设定为λ_i＝785nm时，波长λ_s对应于上述偏移量而分别成为837nm、907nm、1019nm。

另外，虽然也存在反斯托克斯拉曼散射，但是在原理上来说斯托克斯拉曼散射的产生概率高，在SERS测定中，通常大多使用散射波长比激发波长变长的斯托克斯散射。

另一方面，SERS测定利用通过使用由表面等离子体所产生的电场增强效应而能够使强度非常低的拉曼散射光的强度飞跃地变大的现象。即，要求激发光的波长λ_i的电场增强度E_i和拉曼散射光的波长λ_s的电场增强度E_s强且HSD大，SERS强度(SERS intensity)与下述式(b)成正比：

E_i ²·E_s ²·HSD··(b)

其中，E_i为在激发光的波长λ_i上的电场增强度，E_s为在拉曼散射光的波长λ_s上的电场增强度，HSD表示热点密度(Hot Spot Density)，是每某一单位面积的热点的个数。

即，SERS的测定优选在掌握了所使用的激发光的波长和想要检测的目标物质的拉曼散射光的波长特性的基础上，为了使与上述式(b)成正比的SERS增强度变大，以激发光的波长、散射光的波长以及表面等离子体的电场增强度(反射率(Reflectance))光谱中的峰的波长设计成分别大体上一致。另外，SERS传感器优选电场增强度(反射率)光谱中的峰较宽且具有高增强度的值。

另外，当通过激发光的照射而产生表面等离子体共振(SPR)时，发生起因于共振的吸收，反射率(Reflectance)下降。因此，SPR增强电场的强度能够使用反射率而由(1－r)表示。由于具有反射率R的值越接近于零，增强电场的强度越强这样的关系，因此能够将反射率用作SPR增强电场的强度的指标。因此，在本说明书中，认为增强度轮廓(增强度光谱)和反射率轮廓(反射率光谱)彼此相关，在立足于上述关系上将两者作为同等的图谱对待。

1.5.热点的位置

当将激发光照射至本实施方式的电场增强元件100上时，至少在金属粒子30的上表面侧的边缘、即金属粒子30的远离透光层20的一侧的角部(以下，有时将该位置称为“顶部”，在图中标记t符号)，以及金属粒子的下表面侧的边缘、即金属粒子30的靠近透光层20的一侧的角部(以下，有时将该位置称为“底部”，在图中标记b符号)上产生增强电场大的区域。此外，所谓金属粒子30的远离透光层20的一侧的角部，相当于金属粒子30的顶部，在例如金属粒子30为将透光层20的法线方向作为中心轴的圆柱形状的情况下，是指离透光层20远的一侧的表面(圆形的面)的周围附近。另外，金属粒子30的靠近透光层20的一侧的角部，相当于金属粒子30的底部，在例如金属粒子30为将透光层20的法线方向作为中心轴的圆柱形状的情况下，是指离透光层20近的一侧的表面(圆形的面)的周围附近。

由于金属粒子30在透光层20上配置成凸状，因此可以认为在目标物质接近电场增强元件100时，接触金属粒子30的顶部的概率比接触底部的概率大。

在这种考察之下，如果着眼于在金属粒子30的顶部电场增强度变大的条件，则能够决定上述的透光层20的厚度G的范围。即，如上所述，本实施方式的电场增强元件100是如下的元件：包括金属层10、设于金属层10上并使激发光透过的透光层20、以及设于透光层20上并沿第一方向和与第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子30，在被照射激发光的情况下，在金属粒子30(附近)上激发的局域型表面等离子体和在金属层10与透光层20的界面(附近)上所激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用。而且，通过按照在“1.2.透光层”项中已说明的(i)、(ii)条件中的至少一个而选择透光层20的厚度G，从而能够使在金属粒子30的顶部的电场增强度变得非常大。

另外，根据本实施方式的电场增强元件100的结构，在透光层20上设置多个金属粒子30。虽然已经说明过，但当透光层20的厚度G低于大约40nm时，金属粒子30附近的局域型表面等离子体与金属层10表面附近的传播型表面等离子体的相互作用增大，金属粒子30的顶部的增强度与底部的增强度之比变小。即、用于电场增强的能量的分配偏向于金属粒子30的底部。

当透光层20的厚度G低于大约40nm时，可以认为即使在总电场增强度上没有变化，目标物质易于接触的金属粒子30顶部的电场增强度也会相对地下降，进而电场增强元件100的电场增强的效率降低。从这种观点出发，如果是按照(i)、(ii)条件中的至少一个而设定的透光层20的厚度G，则无论透光层20的厚度G如何，在金属粒子30的上表面侧(顶部)所激发的局域型表面等离子体(LSP)的强度与在金属粒子30的下表面侧(底部)所激发的局域型表面等离子体的强度之比都为一定，因此也能够说电场增强的能量的利用效率高。

此外，在此所谓“一定”包括特定的值没有变动的情况、特定的值在±10％的范围内变动的情况、以及优选特定的值在±5％的范围内变动的情况。

1.6.激发光

射入电场增强元件100的激发光的波长只要能够在金属粒子30的附近产生局域型表面等离子体(LSP)、且满足在“1.2.透光层”项中已说明的(i)或者(ii)条件中的至少一个关系，则不受限制，可以是包括紫外光、可见光、红外光在内的电磁波。激发光可以是例如沿第一方向偏振的直线偏振光、沿第二方向偏振的直线偏振光以及圆偏振光中的至少一个。这样一来，能够通过电场增强元件100而获得非常大的光的增强度。

此外，在将电场增强元件100用作SERS的传感器的情况下，通过使沿第一方向偏振的直线偏振光、沿第二方向偏振的直线偏振光以及圆偏振光适当组合使用而作为激发光，有时能够使电场增强光谱中的增强度峰的个数、大小、形状(宽度)与激发光的波长λi和目标物质的拉曼散射光的波长λ_s相匹配。

本实施方式的电场增强元件100具有以下的特征。本实施方式的电场增强元件100能够基于通过光照射而激发的等离子体而以非常高的增强度将光增强。本实施方式的电场增强元件100由于具有高增强度，因此能够用于在例如医疗健康、环境、食品、公安等领域中用来高灵敏度、高精度、快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相关物质或含有无机分子、有机分子、高分子的各种化合物的传感器。例如，预先将抗体与本实施方式的电场增强元件100的金属粒子30结合而求出此时的增强度，进而能够根据抗原与该抗体结合后的情况下的增强度的峰值波长的变化、或者在峰值波长附近设定的波长上的反射率的变化而检查抗原的有无或者量。另外，能够利用本实施方式的电场增强元件100的光增强度而用于微量物质的拉曼散射光的增强。

2.分析装置

本实施方式的分析装置具备上述的电场增强元件、光源以及检测器。下面，将分析装置为拉曼光谱装置的情况作为例子而说明。

图10是示意性显示本实施方式所涉及的拉曼光谱装置200的图。拉曼光谱装置200是检测来自目标物质的拉曼散射光而分析(定性分析、定量分析)的装置，如图7所示，包括：光源210、气体样品保持部110、检测部120、控制部130以及容纳有检测部120及控制部130的框体140。气体样品保持部110包括本发明所涉及的电场增强元件。以下，针对包括上述的电场增强元件100的例子进行说明。

气体样品保持部110具有：电场增强元件100、覆盖电场增强元件100的盖112、吸引流路114以及排出流路116。检测部120具有：光源210、透镜122a、122b、122c、122d、半反射镜124以及光检测器220。控制部130具有通过处理在光检测器220中检测出的信号而进行光检测器220的控制的检测控制部132，以及控制光源210等的电力和电压的电力控制部134。如图7所示，控制部130可以与用于进行与外部的连接的连接部136电连接。

在拉曼光谱装置200中，当使设置于排出流路116的吸引机构117动作时，吸引流路114以及排出流路116内变为负压，进而从吸引口113吸引含有成为检测对象的目标物质的气体样品。在吸引口113设置有除尘过滤器115，能够除去比较大的粉尘和部分水蒸气等。气体样品通过吸引流路114以及排出流路116，从排出口118排出。气体样品在通过这样的路径时与电场增强元件100的金属粒子30接触。

吸引流路114以及排出流路116的形状是来自外部的光不会射入电场增强元件100的形状。由此，由于拉曼散射光以外的噪声的光不射入，因此能够使信号的S/N比提高。构成流路114、116的材料例如是难以反射光的材料和颜色。

吸引流路114以及排出流路116的形状是对气体样品的流体阻力变小的形状。由此，可以进行高灵敏的检测。例如，通过将流路114、116的形状尽量采用无角部而圆滑的形状，从而能够消除气体样品在角部中的滞留。作为吸引机构117，例如使用对应于流路阻力的静压、风量的风扇马达或泵。

在拉曼光谱装置200中，光源210向电场增强元件100照射激发光。光源210配置成能够照射在电场增强元件100的第一方向(金属粒子30并排的方向且金属粒子列31延伸的方向)上进行了直线偏振的光(与第一方向相同的方向的直线偏振光)、在第二方向上进行了直线偏振的光、以及圆偏振光中的至少一种。虽然未图示，但可以根据电场增强元件100的表面等离子体的激发条件而使从光源210照射的激发光的入射角θ适当变化。光源210可以设置于未图示的测角仪等。

光源210照射的光与在“1.6.激发光”项中说明过的同样。具体而言，作为光源210，能够例示在半导体激光器、气体激光器、卤素灯、高压水银灯、疝气灯等上适当设置了波长选择元件、滤波器、偏光器等的光源。

从光源210射出的光由透镜122a汇聚之后，经由半反射镜124以及透镜122b而射入电场增强元件100。从电场增强元件100发射SERS光，该光经由透镜122b、半反射镜124以及透镜122c、122d而到达光检测器220。即，光检测器220检测从电场增强元件100发射的光。由于在SERS光中含有与来自光源210的入射波长相同的波长的瑞利散射光，因而可以通过光检测器220的滤波器126而除去瑞利散射光。瑞利散射光被除去后的光作为拉曼散射光经由光检测器220的分光器127被受光元件128接收。作为受光元件128，使用例如光电二极管。

光检测器220的分光器127例如由利用了法布里-珀罗共振的标准具等形成，能够使通过波长带域可变。通过光检测器220的受光元件128可以获得目标物质所特有的拉曼光谱，例如，通过将获得的拉曼光谱与预先保存的数据对照，从而能够检测目标物质的信号强度。

此外，拉曼光谱装置200只要包括电场增强元件100、光源210以及光检测器220，使目标物质吸附于电场增强元件100，能够取得其拉曼散射光，则就不限于上述的示例。

另外，在如上述的本实施方式所涉及的拉曼光谱法那样检测瑞利散射光的情况下，拉曼光谱装置200可以不具有滤波器126，而通过分光器将瑞利散射光与拉曼散射光分光。

在拉曼光谱装置200中，包括上述的电场增强元件100。根据这种拉曼光谱装置200(分析装置)，在增强度(反射率)光谱中能够获得非常高的增强度，进而能够高灵敏度地检测、分析目标物质。另外，由于在拉曼光谱装置200所具备的电场增强元件100中能够获得高增强度的位置，至少存在于金属粒子30的上表面侧(顶部)，因此由于目标物质容易接触该位置，因而能够高灵敏度地检测、分析目标物质。

另外，这种拉曼光谱装置由于按照在“1.2.透光层”项中已说明的(i)、(ii)条件中的至少一个而设定电场增强元件100的透光层20的厚度G，因此通过将透光层20的厚度G设定为大约40nm以上，从而能够取得较大的制造上的误差的允许范围。

并且，根据这种拉曼光谱装置200，由于使用了无论透光层20的厚度G如何，在金属粒子30的上表面侧(顶部)所激发的局域型表面等离子体(LSP)的强度与在金属粒子30的下表面侧(底部)所激发的局域型表面等离子体的强度之比都为一定的电场增强元件100，因此电场增强的能量的利用效率高。

3.电子设备

接下来，一面参照附图，一面对本实施方式所涉及的电子设备300进行说明。图11是示意性显示本实施方式所涉及的电子设备300的图。电子设备300可以包括本发明所涉及的分析装置(拉曼光谱装置)。以下，对作为本发明所涉及的分析装置而包含上述的拉曼光谱装置200的例子进行说明。

如图11所示，电子设备300包括：拉曼光谱装置200、根据来自光检测器220的检测信息而运算健康医疗信息的运算部310、存储健康医疗信息的存储部320以及显示健康医疗信息的显示部330。

运算部310例如是个人计算机、便携式信息终端(PDA，PersonalDigital Assistance，个人数字助理)，接受从光检测器220发送的检测信息(信号等)。运算部310根据来自光检测器220的检测信息而运算健康医疗信息。运算出的健康医疗信息被存储于存储部320。

存储部320例如是半导体存储器、硬盘驱动器等，可以与运算部310一体地构成。存储于存储部320的健康医疗信息被发送至显示部330。

显示部330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330根据由运算部310运算出的健康医疗信息等，进行显示或发送警报，使得用户能够识别其内容。

作为健康医疗信息，能够包括关于从由细菌、病毒、蛋白质、核酸以及抗原抗体组成的群所选择的至少一种生物体关联物质、或者选自无机分子以及有机分子的至少一种化合物的有无或量的信息。

在电子设备300中，包括上述的拉曼光谱装置200。因此，在电子设备300中，能够高灵敏度、高效地进行微量物质的检测，进而能够提供高精度的健康医疗信息。

例如，本发明所涉及的电场增强元件也能够用作检测如有无抗原抗体反应中的抗原吸附的有无等那样、检测有无物质吸附的亲和型传感器等。通过将白色光射入亲和型传感器，由分光器测定波长光谱，进而检测由于吸附所引起的表面等离子体共振波长的偏移量，该传感器能够高灵敏度地检测检测物质在传感器芯片的吸附。

4.实验例

以下示出实验例，进一步说明本发明，但是，本发明并非受以下示例任何限制。

在各实验例中，使用了在图12示意性示出的、将在以下说明的模型。

设计了使用金(Au)层作为充分地厚至光不透过的程度的金属层、在该金属层(金)上使用折射率1.46的SiO₂层作为透光层、在其上以一定的周期形成了圆柱状的银而作为金属粒子的GSPP(Gap type SurfacePlasmon Polariton，间隙型表面等离子体激元)模型。此外，金属层、金属粒子的材质不受限制，只要是在激发光的波长区域中介电常数的实数部为负且大、虚数部比实数部小的金属，则就能够使等离子体产生。

(计算模型的参数等)

在各实验例中示出的曲线图等上使用了例如“X780Y780”等标注。“X780Y780”是指在第一方向(X方向)上以780nm节距(第一节距P1)、在第二方向(Y方向)上以780nm节距(第二节距P2)配置金属粒子。

另外，在数值上添附有“D”、“T”这样的文字的情况下，是指用于模型的金属粒子为直径D、高度T的圆柱状。另外，在数值上添附有“G”这样的记号的情况下，是指透光层的厚度G为该数值[nm]。另外，在曲线图的横轴上标有“间隙厚度”是指透光层的厚度G。并且，在数值标注为具有例如“20－100”等这样的范围的情况下，表示在该范围内在计算上采用该数值连续或分散(离散的)值而进行了计算。

并且，图中标有“Ag”或者“AG”处表示所关注的结构的材质是银，标有“Au”或者“AU”处表示所关注的结构的材质是金。另外，标有“”是指“在接着记载的波长上”，例如，如果是“SQRT＿815nm”这样的记载，则是指在波长815nm上的SQRT。

此外，模型设计为在金的金属层上形成SiO₂作为透光层，并以规定的节距形成了银或金作为金属粒子，金属粒子的直径选择了LSP与PSP的相互作用增大的尺寸。除实验例8以外，为了与在垂直射入下激发波长785nm和633nm相对应，节距设定为780nm和600nm。

(计算的概要)

计算使用了Rsoft公司(现Cybernet System株式会社)的FDTD softFullWAVE。另外，所使用的网格(mesh)的条件在各实验例中示出，例如记载有“XY1Z1－5nmGG”的是指“XY1nmZ1－5nm Grid Grading(网格等级)”，记载有“2－10nmGG”的是指“XYZ2－10nm Grid Grading”。另外，计算时间cT设定为10μm。

另外，金属粒子的周边折射率n₀设为1。不管在哪一个实验例中，透光层的材质都设定为SiO₂。另外，关于激发光，采用从透光层的厚度方向(Z)的垂直射入，采用了X方向的直线偏振光。

在各实验例中，求出近场特性以及/或者远场特性。近场特性的FDTD计算条件使用在XY方向上均匀的1nm网格，在Z方向上1－5nm的网格等级(GG)(计算时间cT＝10μm)或者XYZ方向上2－10nm的GG(计算时间cT＝7μm)。另外，所使用的网格的条件在各实验例中示出，例如记载有“XY1Z1－5nmGG”的指“XY 1nmZ1－5nm Grid Grading”，记载有“2－10nmGG”的指“XYZ2－10nm Grid Grading”。

在增强位置(热点)上，由于由电场Ex和Ez两个成分构成，因此在以下的实验例中所有的增强度都用SQRT(E_x ²+E_z ²)表示。在此，E_x表示入射光的偏振方向(第一方向)的电场强度，E_Z表示厚度方向的电场强度。此外，在这种情况下，由于第二方向的电场强度小，因此不予考虑。另外，以下有时将SQRT(E_x ²+E_z ²)只称为“SQRT”。

另外，当通过激发光的照射而产生表面等离子体共振(SPR)时，发生共振吸收，反射率下降。因此，SPR增强电场的强度能够使用反射率而由(1－r)表示。由于具有反射率r的值越接近于零，增强电场的强度越强这样的关系，因此有时将反射率用作SPR增强电场的强度(SQRT)的平方的指标。

远场特性的FDTD计算条件设定为将监视器放置于元件的远方，使在0.5μm具有中心波长的脉冲光作为激发光而射入，进而取得反射率的波长特性。根据该方法，反射率的极小值表示增强度的最大值，同时也能够取得增强度成为最大的峰的波长。另外，远场特性虽然也是各部的热点的近场特性的积分值，但通常能够获得与近场特性大致相等的结果。远场特性主要在2－10nmGG取得，计算时间设定为cT＝32.7μm。

此外，在远场特性中，在产生了依赖于网格尺寸的异常值的情况下，将网格尺寸调整为1－5nmGG，进行了再计算。

在图13示出对特定的模型变更网格尺寸而计算后的远场特性(反射率光谱)的例子。

可知，反射率光谱中的峰的峰值与反射率极小值在网格尺寸为1－5nmGG以及2－10nmGG上彼此大致相等。在此，反射率变低与等离子体增强度高大致相等。

接下来，在特定的模型中比较了远场特性和近场特性的光谱(图14)。

观察图14可知，如果为同一模型，则在远场特性和近场特性出现的峰的波长大体一致。但是，在互不相同的模型间，在远场特性和近场特性出现的大小未必一致。其理由是因为透光层上的金属粒子的存在密度不同。

4.1.实验例1

电场增强元件的金属粒子的尺寸偏差很难在制造元件上完全地排除。发明者们使用电子束描画装置(EB)而试制具有直径150nm的金属粒子的多个电场增强元件并进行了解析，结果发现金属粒子的直径产生标准偏差σ＝5nm的分布(偏差)。即，已经清楚，作为本实验例的前提，即金属粒子的直径的最大与最小之差平均为10nm左右。

于是，在本实验例中，根据局域型表面等离子体(LSP)和传播型表面等离子体(PSP)的共振，使用显示反交叉行为的模型，通过计算机模拟而研究了金属粒子的尺寸的偏差给增强度(反射率)光谱的峰所带来的影响。

图15A示出X780Y780＿120－140D30T＿AG(银粒子模型(a))＿20－100G的计算结果，图15B示出X780Y780＿130－150D30T＿AU(金粒子模型(b))＿20－100G的计算结果。

由图15A所示的银粒子模型的计算结果判明，在20G(透光层的厚度20nm)，由于银粒子的直径变化10nm，反射率光谱中的短波长侧出现的峰偏移12.5nm，在长波长侧出现的峰偏移22.5nm。另外，由图15B所示的金粒子模型的计算结果可知，在20G，虽然反射率光谱中的短波长侧出现的峰没有偏移，但是在长波长侧出现的峰却偏移37.5nm。

另一方面，如图15A、图15B所示可知，在100G(透光层的厚度为100nm)，在银粒子模型中，在反射率光谱中短波长侧出现的峰偏移大约15nm，在长波长侧出现的峰没有偏移；在金粒子模型中，在反射率光谱中在短波长侧出现的峰观测到大约10nm的偏移，长波长侧的峰没有偏移。

另外，由图15A、图15B的结果暗示，银粒子的情况下在60G、金粒子的情况下在100G，短波长侧的峰的反射率的极小值大大地下降(等离子体的增强度上升)，并且存在难以发生长波长侧的峰的偏移的条件。

由本实验例的结果可知，透光层的厚度G为20nm时，当金属粒子的直径D变化10nm左右时(即，当产生电场增强元件中的金属粒子的粒径的偏差时)，在电场增强元件的反射率(增强度)轮廓(反射率光谱)(表示反射率(增强度)相对于波长的变化的图谱)中出现的峰至少在位置上变动得大。

4.2.实验例2

与实验例1同样，本实验例的模型设定为在金的金属层上形成SiO₂作为透光层，以规定的节距形成了银或金作为金属粒子。金属粒子的直径设定为LSP与PSP的相互作用增大的尺寸。为了与激发波长785nm和633nm相对应，节距设定为780nm节距和600nm节距。

图16示出X780Y780＿150D30T＿AG以及X780Y780＿150D30T＿AU模型的反射率光谱中的峰的波长(图中上段)以及反射率光谱中的峰的极小值(是指向下的峰中的峰顶点的值)(图中下段)对透光层的厚度G的依赖性。该模型中的金属粒子的直径D选择增强度变得最高的值，设定为150D。

在本模型的情况下，发现短波长侧的峰(图中黑四方形(filled square，填充四方形))为银粒子的情况下在G＝40nm～200nm、为金粒子的情况下在G＝40nm～200nm，分别比G＝20nm的反射率小(增强度大)。发现对应于长波长侧的峰(图中黑三角形(filled square，填充三角形))的反射率的值从G＝20nm时的值开始，即使G变大也几乎不变化。另外，对于本模型情况下的由于干涉效应所产生的增强效应成为主导的透光层的厚度G，当从图16读取反射率成为0.4－0.6以下的厚度时，银粒子的情况下厚度G为大约240nm左右，金粒子的情况下厚度G为大约260nm以上，银粒子情况下的透光层的厚度G成为40nm≤G≤200nm的关系和金粒子情况下的透光层的厚度G成为40nm≤G≤220nm的关系的效应可以说是与干涉共振效应不相应。

接下来，在反射率极小值为最小的银粒子的60G和金粒子的100G，计算了近场特性。用于该计算的网格为XY1Z1－5nmGG，并设定cT＝10μm。

其结果可知，在X780Y780＿150D30T＿AG＿60G，银粒子的底部的SQRT为SQRT＝184790nm、SQRT＝93890nm；在X780Y780＿150D30T＿AU＿100G，金粒子的底部的SQRT为SQRT＝177810nm、SQRT＝80960，能够获得极高的增强度。即、可知，以在远场特性中已获得小的反射率的尺寸取得近场特性时，结果可以获得非常高的SQRT，远场特性和近场特性彼此良好地相关。

接下来，对X780Y780＿150D30T＿AU模型计算了近场特性对透光层厚度G的依赖性。用于该计算的网格为XY1Z1－5nmGG，并设定为cT＝10μm。另外，在该计算中，激发波长固定为815nm。

图17的(a)是X780Y780＿150D30T＿AU模型的SQRT815nm的透光层厚度G依赖性的曲线图。图17的(b)是顶部SQRT/底部SQRT之比(在金属粒子的上表面侧所激发的局域型表面等离子体的强度与在金属粒子的下表面侧所激发的局域型表面等离子体的强度之比)的透光层厚度G依赖性的曲线图。图17的(a)和(b)相当于将激发波长固定为815nm而研究了图15B的Au的短波长侧的峰的近场的SQRT的图。

观察图17的(a)可判明，SQRT值在金属粒子的顶部和底部显示出趋势彼此类似的透光层厚度G依赖性。另外，由图17的(b)可判明，在透光层的厚度G为40nm以上，顶部SQRT/底部SQRT之比成为大致一定的值(在本例中0.6左右)。

并且，在图17的(a)中，透光层的厚度G为20nm的情况下的SQRT在顶部、底部都呈较小的值。这可以认为由于厚度G为20nm情况下的短波长侧的峰(共振波长)从815nm向长波长侧大大地移动。

根据以上的情况，在本实验例中判明了以下的事项。已经发现，透光层的厚度G小于40nm时，则不管模型如何，顶部SQRT/底部SQRT之比都下降。已经发现，与此相反，透光层的厚度G为40nm以上时，则不管模型如何，顶部SQRT/底部SQRT之比都大致一定。即，已经发现，当透光层的厚度G小于40nm时，目标物质易于接触的金属粒子顶部的电场增强度相对地下降，如果透光层的厚度G为40nm以上，则在金属粒子的顶部所激发的LSP的强度与在金属粒子的底部所激发的LSP的强度之比，不管透光层的厚度G如何都为一定。

另外，由本实验例可知，由于透光层的厚度G变厚，厚度方向上的LSP的强度下降。另一方面，已知由于透光层的厚度G变厚，X方向、Y方向同时产生的PSP的强度增加。LSP在激发光的偏振方向上强烈产生，而PSP在激发光的偏振方向上不受影响，通过形成通过图9所示的色散关系的交点的衍射光栅，从而强烈产生PSP。但是，图9是激发光垂直射入的情况，在倾斜射入时，如果已经说明的式(C)成立的衍射光栅节距Q成立，则在该方向上产生强PSP。根据以上情况认为，本实验例的模型在X方向和Y方向上产生PSP，因此是PSP主体的模式，PSP出现较强的透光层厚度G依赖性。

4.3.实验例3

与实验例1同样，本实验例的模型设定为在金的金属层上形成SiO₂作为透光层，以规定的节距形成了银或金作为金属粒子。金属粒子的直径设定为LSP与PSP的相互作用变大的尺寸。为了与激发波长785nm和633nm相对应，节距设定为780nm节距和600nm节距。

图18示出X600Y600＿100D30T＿AG以及X600Y600＿100D30T＿AU模型的反射率光谱中的峰的波长、以及反射率光谱中的峰的极小值对透光层厚度G的依赖性。峰的波长以及反射率极小值的间隙厚度依赖性从远场的反射率光谱求出，网格设定为XYZ2－10GG。图18是相对于各模型的透光层厚度G而对峰波长以及反射率极小值绘图后的曲线图。该模型中的金属粒子的直径D选择增强度变得最高的值，设定为100D。

观察图18可知，低于20G的反射率(增强度高)的G的值成为如下这样：

X600Y600＿100D30T＿AG的情况下为20－100nm，

X600Y600＿100D30T＿AU的情况下为20－145nm。

另一方面，观察在实验例2中已说明的图16可知，低于20G的反射率(增强度高)的G的值成为如下这样：

X780Y780＿150D30T＿AG的情况下为20－200nm，

X780Y780＿150D30T＿AU的情况下为20－220nm。

在此所获得的反射率不仅是金属粒子的顶部的值的积分值，而且是底部的值或其他热点上的值的积分值。因此，在下面的实验例4中研究了作为有利于感测的部位的金属粒子顶部的增强度。

4.4.实验例4

在本实验例中，研究了热点上的增强度对透光层厚度G的依赖性。相对于上述的实验例3的远场的结果，取得了作为感测部位重要的热点即金属粒子顶部的近场特性。所使用的网格为2－10GG。图19是示出在改变了各模型的金属粒子的直径D时的金属粒子的顶部的SQRT的透光层厚度依赖性的曲线图。

观察图19，当金属粒子的直径D变化时，SQRT的透光层厚度依赖性发生变化。这是因为，当金属粒子的直径变大时，LSP的峰波长向长波长侧偏移，当金属粒子的直径变小时，LSP的峰波长向短波长侧偏移，因此在设定为固定波长(各激发波长)的情况下，LSP与PSP的相互作用发生变化。由于将激发波长分别固定为785nm和633nm，因此可以认为，表示最高的SQRT的线是LSP和PSP高度匹配(相互作用大)的金属粒子的直径。

而且，观察图19可知，金属粒子的顶部的热点超过20G的SQRT的G值为以下这样：

X600Y600＿AG633nm的情况下为20－125nm，

X600Y600＿AU633nm的情况下为20－120nm，

X780Y780＿AG785nm的情况下为20－145nm，

X780Y780＿AU785nm的情况下为20－140nm。

另外，由该结果可知，G的范围在银粒子和金粒子中变化不大，另一方面，633nm激发模型在20nmG～120nmG、785nm激发模型在20nmG～140nmG增强度变高。

4.5.实验例5

作为实验例5，归纳总结以上的实验例1～实验例4的结果。这样一来，定性地确认以下事项：

由实验例1以及实验例2可知，在20nm≤G＜40nm的范围内，是透光层的厚度方向以及金属粒子之间的LSP为主体的模式，相对于金属粒子直径的偏差的等离子体增强峰波长大大地偏移，同时金属粒子的顶部与底部之比变动。

另外，由实验例2～4可知，在40nm≤G的范围内，金属粒子的顶部和底部两者是厚度方向的LSP与PSP之积为主体的模式，相对于金属粒子直径的偏差的等离子体增强峰波长偏移少，金属粒子的顶部与底部之比为一定。

而且，根据实验例2，是从G的值超过200nm的附近，厚度方向的干涉效应为主的模式，是金属粒子之间的LSP的效应低的模式。另外，虽然相对于金属粒子的直径的偏差而峰的波长偏移少，但是在G的值上SQRT的值敏感地变化以及反射率光谱变得尖锐，难以期待在较宽的波长范围内取得高增强度。

4.6.实验例6

在本实验例中，根据上述各实验例的结果，导出本发明的电场增强元件的优选的参数。

根据图19，在785nm激发模型X780Y780和633nm激发模型X600Y600中，显示超过20nmG的SQRT的SQRT的G，在785nm激发模型中为20nm～140nm，在633nm激发模型中为20nm～120nm。优选的G的值随激发波长的不同而变化。

因此，导出下式：

20nm≤G≤140nm·激发波长/785nm

但是，该范围是从垂直射入且透光层的材质为n＝1.46的SiO₂的情况导出的G的范围。

各实验例的结构中的透光层的厚度G随所使用的透光层的折射率的不同而相对于将SiO₂作为基本的情况下的G的范围偏移。具体而言，在SiO₂所优选的20nm～140nm的范围的情况下，将折射率2.49的TiO₂用于透光层的情况下的透光层厚度为SiO₂的情况下的厚度乘以(1.46/2.49)后所得到的值，TiO₂情况下的优选的厚度范围为12nm～82nm。

另外，透光层可以为多层。例如，在透光层的金属层侧形成10nm的折射率1.64的Al₂O₃作为贴紧层、在其上形成了30nm的SiO₂的情况下，对折射率取各层的算术平均值而具有与(1.64·10+1.46·30)/1.46＝41.2nm的SiO₂同样的效果。

另外，对不是垂直射入的情况进行一般化，可以考虑如下的方法：考虑几何学的光路长度的方法、以及考虑激发光对透光层的入射角、透光层内的折射的方法。并且，如果考虑上述的实验例1以及实验例2的结果而将G的下限值设定为20nm，则导出如在“1.2.透光层”中说明过的那样的范围。

4.7.实验例7

对在金的金属层上形成SiO₂作为透光层、以规定的节距形成了银或金作为金属粒子的模型进行了模拟。金属粒子的直径设定为LSP与PSP的相互作用增大的尺寸。为了与激发波长785nm和633nm相对应，节距设定为780nm节距和600nm节距。

图20是示出这种模型的反射率光谱中的峰波长的透光层厚度G依赖性的曲线图。观察图20可知，不管对于哪一个模型，在SiO₂的厚度(透光层的厚度G)为40nm～140nm的范围内，短波长侧的峰(图中黑菱形(黑斜四边形)(filled rhombus；filled diamond))的峰波长几乎都不变化，另一方面，长波长侧的峰(图中黑四边形(filled square))的峰波长随着SiO₂的厚度变厚而向长波长侧偏移。

作为拉曼光谱装置(分析装置)，已知通过采用本实验例的结构作为电场增强元件，再利用这种现象，以使成为增强度的峰的波长与目标物质的拉曼散射光的波长或激发光的波长相对应的方式设计透光层的厚度G，从而能够提供对激发光以及拉曼散射光两者增强效果都高的SERS传感器。例如，在633nm激发模型中，在G为40nm处长波长侧的710nm附近的峰随G的增大而从710nm到813nm进行线性位移，在785nm激发模型中，在G为40nm处长波长侧的880nm附近的峰随G的增大而从880nm到976nm进行线性位移。因此，如果使用该峰而设定增强度，则可以对在633nm激发模型中拉曼位移的值处于1750cm^-1至3500cm^-1的范围内、在785nm激发模型中拉曼位移的值处于1400cm^-1至2500cm^-1的范围内的目标物质进行调节，以便能够进行高灵敏度的SERS测定。而且，激发光的波长附近的峰即使G的值变化也不发生大变化，因此能够改变G的值，使得在将激发光的波长上的增强度维持得较大的状态下，拉曼散射光的波长上的增强度提高，能够非常容易地进行G值的设计。

更具体而言，在目标物质为丙酮的情况下，斯托克斯拉曼散射光的波数(拉曼位移)位于787cm^-1、1708cm^-1以及2921cm^-1。于是，在将激发光的波长λ_i设定为633nm的情况下，斯托克斯拉曼散射光的波长λ_s对应于丙酮的拉曼位移而分别成为666nm、709nm以及777nm。

同样地，在将激发光的波长λ_i设定为785nm的情况下，斯托克斯拉曼散射光的波长λ_s对应于丙酮的拉曼位移而分别成为837nm、907nm以及1019nm。

在此，图21是示出电场增强元件的增强度的波长特性与SERS的激发波长和散射波长的曲线图。如图21所示，要检测丙酮的1708cm^-1的拉曼位移，由于设定为激发波长λ_i＝785nm，斯托克斯拉曼散射光的波长λ_s成为907nm，因此可以设定为X780Y780＿150D30T＿80G＿AG，由此能够获得在丙酮的拉曼位移1708cm^-1上的强的SERS信号。

4.8.实验例8

上述的实验例1－7将金属层的材质设定为金而进行了计算。在本实验例中，将金属层变更为银而研究了SQRT向透光层厚度G的依赖性。图22的(a)和(b)是示出将金属层设定为银的情况(a)、以及将金属层设定为金的情况(b)下的X780Y780＿100－140D30T＿AG(银粒子)785nm的SQRT的透光层厚度G依赖性的曲线图。此外，网格使用了2－10GG。

观察图22的(a)和(b)可知，在金属层(镜层)的材质采用银和采用金的两种情况下，在SQRT对透光层厚度G的依赖性上未发现显著差异。

另外，上述的实验例1－7虽然使用了SiO₂作为透光层的材质，但是也可以是Al₂O₃、TiO₂等，在使用SiO₂以外的材质的情况下，可以将上述的实验例1－7的SiO₂作为基本，考虑该SiO₂以外的材质的折射率来设计透光层的厚度G。例如，在材质为SiO₂的情况下的透光层的厚度优选超过20nm且140nm以下的范围的情况下，如果将透光层的材质设为TiO₂，如果考虑TiO₂的折射率(2.49)，则优选的透光层厚度G就能够通过将(1.46/2.49)的值与材质为SiO₂的情况下的透光层的厚度相乘而求得。因此，在将透光层的材质设为TiO₂的情况下，优选的透光层的厚度G成为大约超过12nm且82nm以下。

另外，在上述的实验例1－7中，虽然在633nm激发用使用了X600Y600这样的模型，在785nm激发用使用了X780Y780这样的模型，但不局限于此。图23示出了在设定为X780Y780、X700Y700以及X620Y620情况下的、150D30T＿AG各模型的反射率光谱中的峰的波长、以及反射率光谱中的峰的极小值对透光层厚度G的依赖性。该模型中的金属粒子的直径D选择增强度变得最高的值，设定为150D。

观察图23可知，在X780Y780(780nm节距)中在G＝40nm处出现的780nm附近的峰、以及在X780Y780(780nm节距)中在G＝40nm处出现的880nm附近的峰两者由于将节距变窄而向短波长侧偏移。另外，发现了由于将节距变窄，在X780Y780(780nm节距)中在G＝40nm处出现的880nm附近的峰的反射率下降(增强度提高)。

由这些情况可知，在将节距缩窄为780nm、700nm、620nm，使热点密度(HSD)提高的情况下，通过将透光层的厚度G的范围设定为在“1.2.透光层”中已说明的范围，也能够以非常高的增强度将光增强。

具体而言，发现了在X780Y780＿150D30T＿AG＿60G中，在790nm附近的峰SQRT成为184，在890nm附近的峰SQRT成为93，而在X620Y620＿150D30T＿AG＿80G中，在710nm附近的峰SQRT成为123，在830nm附近的峰SQRT成为160。

在激发光、散射光的各自的波长上存在增强度光谱的峰的理想的状态下比较SERS的强度时判明，在X780Y780＿150D30T＿AG＿60G的情况下成为184²·93²/(780·780)＝481；在X620Y620＿150D30T＿AG＿80G的情况下成为123²·160²/(620·620)＝1008，通过将节距从780nm变更至620nm，能够获得两倍以上的SERS强度。

并且确认，例如作为633nm激发用模型，缩小X和Y方向的节距，进而提高了金属粒子的配置的密度的X500Y500也具有同样的效果。虽然各峰的增强度与在上述的实验例中已列举的模型比较而下降，但是由于SERS强度与E_i ²·E_s ²·HSD成正比，因此可知相应于HSD的增加，SERS效应不太下降。

另外，上述实验例都是将金属粒子的形状形成为了圆柱，但也可以是椭圆或棱柱。并且，虽然在激发光的波长上使用了HeNe激光的633nm和半导体激光的785nm，但是不局限于此。并且，作为金属粒子的尺寸以80nm－160nm直径，以厚度30nm进行了计算，但是对这些也不限制。此外，如果使直径变小且使厚度变薄，或者使直径变大且使厚度变厚，则就能够使其接近于与各实验例同样或类似的波长特性。

4.9.参考例

图24的(a)～(c)是示出在X780Y780＿150D30T＿AU＿140G(金属层为金，透光层为SiO₂)的模型中的XZ(X节距/4，0，0)的E_z的强度分布的图。图24的(a)透视示出在俯视观察的情况下的等离子体的强度分布，图24的(b)、(c)分别示出在图24的(a)上由箭头示出的线的截面上的等离子体的强度分布。

观察图24的(a)～(c)，激发光是X方向的直线偏振光，在金属粒子的X方向的两端产生强的LSP，PSP在该LSP的下方以及X方向上相邻的金属粒子之间的位置上产生。

图25的a)～d)是用于对改变了X780Y780＿AU的模型的金属粒子的直径D时的PSP的强度和LSP的强度之积与SQRT进行比较的图。图25的a)是PSP的透光层厚度G依赖性，b)是LSP的透光层厚度G依赖性，c)是PSP＊LSP(两者之积)的透光层厚度G依赖性，d)是已实测的SQRT的透光层厚度G依赖性。观察图25的a)～d)可知，PSP的强度和LSP的强度之积的透光层厚度G依赖性与SQRT的透光层厚度G依赖性的趋势高度一致。

5.其他事项

图26是示出金属粒子的排列与LSP(LSPR：Localized Surface PlasmonResonance，局域型表面等离子体)以及PSP(PSPR：Propagating SurfacePlasmon Resonance传播型表面等离子体)的关系的示意图。在本说明书中，为了说明的便利，作为LSP只考虑在金属粒子的周边产生的情况而进行了说明。在本发明所涉及的电场增强元件中利用的SPR是LSP与PSP电磁地相互作用而产生的。

在此，在金属粒子的周边所能够产生的LSP，已知存在在相邻的金属粒子间产生的模式(以下，称为“PPGM(Particle－Particle Gap Mode：粒子-粒子间模式)”)以及在金属粒子与金属层(也具有镜子的功能)之间产生的模式(以下，称为“PPGM(Particle－Mirror Gap Mode：粒子-镜间模式)”)两种模式(参照图26)。

PPGM以及PMGM两种模式的LSP都是通过将激发光射入至电场增强元件而产生。在这些中，对于PPGM的LSP，金属粒子越接近(金属粒子间的距离变小)，强度变得越高。另外，对于PPGM的LSP，激发光的电场的振动的成分(偏振光成分)在接近的金属粒子并排的方向上越多，强度越变高。另一方面，PMGM模式的LSP不受金属粒子的排列和激发光的偏振方向大的影响，通过照射激发光而在金属粒子与金属层之间(金属粒子的下方)生成。然后，正如以前已说明的那样，PSP是在金属层与透光层的界面上传播的等离子体，通过将激发光射入至金属层而在金属层与透光层的界面上各向同性地传播。

图26示意性地示出在实验例等中已说明的混合(Hybrid)结构与其他结构(基础(Basic)结构以及一排(line)结构)的比较。激发光的偏振方向在图中由箭头示出。此外，基础结构、一排结构以及混合结构这样的语句是在本说明书中为了将各自区别而使用的新词，在以下说明它们的意义。

首先，基础结构是金属粒子紧密地配置在透光层上的结构，通过照射激发光而激发PPGM的LSPR以及PMGM的LSPR。在该例子中，PPGM的LSPR在激发光的偏振方向上的金属粒子的两端产生，但是基础结构由于金属粒子的排列的各向异性小，因此在激发光不是偏振光的情况下也同样地按照激发光的电场矢量的成分而产生。在基础结构中，金属粒子紧密地配置，其结果激发光难以到达金属层，因此几乎或者完全不产生PSPR，在图示中省略表示PSPR的示意性的波浪线。

其次，一排结构是金属粒子以基础结构和混合结构的中间密度配置在透光层上的结构。一排结构由于金属粒子的排列具有各向异性，因此所产生的LSPR依赖于激发光的偏振方向。在一排结构中的LSPR⊥PSPR的情况(即射入其方向沿着金属粒子间的间隔窄的方向的直线偏振光的情况)下，通过照射该激发光而激发PPGM的LSPR以及PMGM的LSPR。而且，由于是一排结构，因此金属粒子稀疏地配置的结果产生PSPR(图中波浪线)。

另外，在为一排结构中的LSPR∥PSPR的情况(即射入其方向沿着金属粒子间的间隔宽的方向的直线偏振光的情况)下，通过照射该激发光而激发PMGM的LSPR。在这种情况下，由于沿激发光的偏振方向的方向上的金属粒子间分离，因此与LSPR⊥PSPR的情况相比PMGM的LSPR微弱，在图示中省略。而且，由于是一排结构，因此金属粒子稀疏地配置的结果产生PSPR(图中波浪线)。

另外，混合结构是与基础结构相比金属粒子稀疏地配置于透光层上的结构，通过照射激发光而激发PMGM的LSPR。在该例子中，由于金属粒子间分离，因此与基础结构相比较PMGM的LSPR微弱地生成，在图示中省略。在混合结构中，金属粒子稀疏地配置的结果产生PSPR(图中波浪线)。

此外，在图26中，虽然对射入偏振光的情况进行说明，但是不管在哪种结构中，在射入未被偏振的激发光或圆偏振光的情况下，都对应于其电场的振动方向的成分而产生上述的SPR。

各结构中的总体的SPR强度(电场增强度)与各自所产生的SPR的总和(或者积)关联。如上所述，PSPR对总SPR强度的贡献度按基础结构＜一排结构＜混合结构的顺序变大。另外，从金属粒子的密度(HSD)的观点出发，LSPR(PPGM以及PMGM)对总SPR强度的贡献度按混合结构＜一排结构＜基础结构的顺序变大。并且，如果着眼于HSD以及PPGM的LSPR，则PPGM的LSPR对总SPR强度的贡献度按混合结构＜一排∥结构＜一排⊥结构＜基础结构的顺序变大。

正如已经说明的那样，本发明所涉及的电场增强元件中的金属粒子的排列属于P1＝P2的混合结构或者P1＜P2的一排结构。

混合结构与其他结构相比较，PSPR的强度最强，这样的PSPR对总增强度的贡献度也最大。虽然PPGM的LSPR的强度小，金属粒子的密度也小，但是PMGM的LSPR与PSPR电磁增大地相互作用(相乘耦合)。

另一方面，一排⊥结构和一排∥结构与其他结构相比是中间强度的LSPR与PSPR电磁增大地相互作用(相乘耦合)的结构。另外，在一排⊥结构中，强度大的PPGM的LSPR与PSPR电磁增大地相互作用。另外，在一排∥结构中，以中间的密度(比混合结构高的密度)产生的PMGM的LSPR与PSPR电磁增大地相互作用。

因此，可以说，一排⊥结构以及一排∥结构与几乎不产生PSPR的基础结构或几乎不产生PPGM的LSPR的混合结构，至少金属粒子的密度以及各SPR的贡献率不同，电场增强的机理不同。

于是，在属于混合结构或者一排结构的本发明的电场增强元件中，利用上述那样的机理，通过LSPR与PSPR相乘地相互作用，从而能够获得极高的电场增强度。

本发明并非局限于上述的实施方式，还可以进行各种变形。例如，本发明包括与在实施方式中已说明的结构实质上相同的结构(例如，功能、方法以及结果相同的结构，或者目的及效果相同的结构)。另外，本发明包括将在实施方式中已说明的结构的不是本质性的部分替换后的结构。另外，本发明包括能够取得与在实施方式中已说明的结构相同的作用效果的结构或能够达到相同的目的的结构。另外，本发明包括在实施方式中已说明的结构上附加了公知技术的结构。

Claims (10)

1.一种分析装置，其特征在于，具备：

电场增强元件，包括：金属层、设置于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设置于所述透光层上并沿第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子；

光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光以及圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件；以及

检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，

在所述金属粒子上激发的局域型表面等离子体和在所述金属层与所述透光层的界面上激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用，

将所述透光层的厚度设为G、将所述透光层的有效折射率设为n_eff、将所述激发光的波长设为λ_i时，其中，所述G和所述λ_i的单位为nm，下述式(1)的关系被满足：

20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])···(1)。

2.一种分析装置，其特征在于，具备：

电场增强元件，包括：金属层、设置于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设置于所述透光层上并沿第一方向和与所述第一方向交叉的第二方向排列的多个金属粒子；

光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光以及圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件；以及

检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，

在所述金属粒子上激发的局域型表面等离子体和在所述金属层与所述透光层的界面上激发的传播型表面等离子体电磁地相互作用，

所述透光层由通过m层的层层叠而成的层叠体构成，

m是自然数，

所述透光层从所述金属粒子侧向所述金属层侧按照第一透光层、第二透光层、…、第m-1透光层、第m透光层的顺序层叠，

将所述金属粒子的周边的折射率设为n₀、将所述金属层的法线方向与所述激发光的入射方向所成的角设为θ₀、将所述金属层的法线方向与所述第m透光层中的所述激发光的折射光朝向所述金属层的入射方向所成的角设为θ_m、将所述第m透光层的折射率设为n_m、将所述第m透光层的厚度设为G_m、将所述激发光的波长设为λ_i时，其中，所述G和所述λ_i的单位为nm，下述式(2)以及式(3)的关系被满足：

n₀·sinθ₀＝n_m·sinθ_m···(2)

$20\left[\mathrm{nm}\right]<\underset{n=1}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}\left\{(G_m\&CenterDot;\cos {\mathrm{\&theta;}}_m)(n_m/1.46)\right\}\&le;140\left[\mathrm{nm}\right]\&CenterDot;{\mathrm{\&lambda;}}_i/785\left[\mathrm{nm}\right]...\left(3\right).$

3.根据权利要求1或2所述的分析装置，其特征在于，

所述金属粒子在所述第一方向上排列的第一节距P1和所述金属粒子在所述第二方向上排列的第二节距P2相等。

4.一种分析装置，其特征在于，具备：

电场增强元件，包括：金属层、设置于所述金属层上并使激发光透过的透光层、及设置于所述透光层上的多个金属粒子，多个所述金属粒子在第一方向上以第一节距排列，并在与所述第一方向交叉的第二方向上以第二节距排列；

光源，将沿所述第一方向偏振的直线偏振光、沿所述第二方向偏振的直线偏振光和圆偏振光中的至少一个作为所述激发光而照射至所述电场增强元件；以及

检测器，检测从所述电场增强元件发射的光，

所述电场增强元件的所述金属粒子的配置满足下述式(4)的关系：

P1＜P2≤Q+P1···(4)

其中，P1表示所述第一节距，P2表示所述第二节距，将在所述金属粒子的列上激发的局域型等离子体的角频率设为ω、将构成所述金属层的金属的介电常数设为ε(ω)、将所述金属粒子的周边的介电常数设为ε、将真空中的光速设为c、将作为所述激发光的照射角的来自所述金属层的厚度方向的倾斜角设为θ，Q表示满足下述式(5)的衍射光栅的节距：

(ω/c)·{ε·ε(ω)/(ε+ε(ω))}^1/2＝ε^1/2·(ω/c)·sinθ+2aπ/Q(a＝±1，±2，…)···(5)，

将所述透光层的厚度设为G、将所述透光层的有效折射率设为n_eff、将所述激发光的波长设为λ_i时，其中，所述G和所述λ_i的单位为nm，下述式(1)的关系被满足：

20[nm]＜G·(n_eff/1.46)≤140[nm]·(λ_i/785[nm])···(1)。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的分析装置，其特征在于，

所述第一节距P1满足60[nm]≤P1≤1310[nm]的关系。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的分析装置，其特征在于，

所述第二节距P2满足60[nm]≤P2≤1310[nm]的关系。

7.根据权利要求1至6中任一项所述的分析装置，其特征在于，

所述透光层包括选自氧化硅、氧化钛、氧化铝、氮化硅以及氧化钽的层。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的分析装置，其特征在于，

所述金属层包括由金、银、铜、铂或者铝构成的层。

9.根据权利要求1至8中任一项所述的分析装置，其特征在于，

在所述金属粒子远离所述透光层一侧的角部上激发的局域型表面等离子体的强度与在所述金属粒子靠近所述透光层一侧的角部上激发的局域型表面等离子体的强度之比不管所述透光层的厚度如何都为一定。

10.一种电子设备，其特征在于，具备：

权利要求1至9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而运算健康医疗信息；

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。