JP2009103643A - Device for surface enhanced raman spectroscopy - Google Patents

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武晴 谷
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To measure a Raman spectrum highly accurately in a short time. <P>SOLUTION: A substrate 110 for enhancing optical field is vibrated at 1 kHz by a stage 116, and light L1 is irradiated to a sample 111 placed on the substrate 110. Light L2 comprising Raman scattered light emitted from the sample 111 and background light emitted from the substrate 110 is spectrally diffracted by a diffraction grating 155, and a spectrum intensity signal is measured by a photodiode 157, and a signal synchronized with 1 kHz is detected from the spectrum intensity signal by a lock-in amplifier 160. The signal, wherein a signal component of the background light having a small change of light intensity is suppressed, even when an irradiation position of the light L1 and a relative position with the substrate 110 are changed, includes many signal components of the Raman scattered light emitted from the sample 111 whose light intensity is fluctuated synchronously with a periodical change of the relative position. The Raman spectrum is acquired based on the signal. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、光の照射を受けて光電場を増強する光電場増強基板を備えた表面増強ラマン分光装置に関するものである。   The present invention relates to a surface-enhanced Raman spectroscopic device including a photoelectric field enhancement substrate that enhances a photoelectric field upon receiving light irradiation.

ラマン測定方法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得る方法であり、試料に含まれる物質の同定等に使用されている。ラマン散乱光は微弱な光であることから、表面においてラマン散乱光が増強される光電場増強基板が開発されている。光電場増強基板としては、例えば、特許文献1に示すような局在プラズモン共鳴を利用した基板が知られている。   The Raman measurement method is a method for obtaining a spectrum of Raman scattered light (Raman spectrum) by dispersing scattered light obtained by irradiating a single wavelength light to a substance, and is used for identification of a substance contained in a sample. Yes. Since the Raman scattered light is weak light, a photoelectric field enhancing substrate in which the Raman scattered light is enhanced on the surface has been developed. As a photoelectric field enhancing substrate, for example, a substrate using localized plasmon resonance as shown in Patent Document 1 is known.

局在プラズモン共鳴を利用した基板は、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に試料を載置した状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による電場増強が生じ、金属体表面に接触せしめられた試料のラマン散乱光強度が増強されるというものである。一方、このような光電場増強基板を用いてラマン測定を行う場合、この光電場増強基板自体から発せられるラマン散乱光や蛍光も基板により増強され、バックグランド光として測定光に重畳してしまい、測定精度が低下するという問題がある。特許文献2には、まず試料が載置されていない状態で、ラマン測定を行って、基板から発せられるバックグランド光のみを測定し、その後、試料を載置してラマン測定を行い、測定スペクトルからバックグランド光のスペクトルを差し引くことによりラマンスペクトルの測定精度を向上させる測定装置が開示されている。
特開2005−172569号公報 US6888629号公報
When a sample is placed on a metal body, particularly a metal body having nano-order irregularities on the surface, the electric field enhancement due to the local plasmon resonance occurs in the substrate using the localized plasmon resonance, and the surface of the metal body is increased. That is, the Raman scattered light intensity of the contacted sample is enhanced. On the other hand, when performing Raman measurement using such a photoelectric field enhancement substrate, the Raman scattered light and fluorescence emitted from this photoelectric field enhancement substrate itself are also enhanced by the substrate and superimposed on the measurement light as background light, There is a problem that the measurement accuracy decreases. In Patent Document 2, first, the Raman measurement is performed in a state where the sample is not placed, and only the background light emitted from the substrate is measured. Then, the sample is placed, the Raman measurement is performed, and the measurement spectrum is measured. Discloses a measurement apparatus that improves the measurement accuracy of the Raman spectrum by subtracting the spectrum of the background light from the spectrum.
JP 2005-172569 A US 6888629

しかしながら、特許文献2に記載のラマン測定装置では、試料を光電場増強基板に載置する前に、基板から発せられるバックグランド光のスペクトルを測定する必要があり、測定に必要な手間および時間が増大するという問題がある。   However, in the Raman measuring apparatus described in Patent Document 2, it is necessary to measure the spectrum of the background light emitted from the substrate before placing the sample on the photoelectric field enhancing substrate, and the labor and time required for the measurement are required. There is a problem of increasing.

本発明は上記問題に鑑みてなされたものであり、短時間でかつ高精度にラマンスペクトル測定を行うことのできる表面増強ラマン分光装置を提供することを目的とするものである。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a surface-enhanced Raman spectroscopic device capable of performing Raman spectrum measurement in a short time and with high accuracy.

本発明の表面増強ラマン分光装置は、光電場増強基板に載置された試料へ光を照射し、前記試料から発せられ、かつ前記光電場増強基板により増強されたラマン散乱光のスペクトルを測定する表面増強ラマン分光装置において、
前記光を前記光電場増強基板に載置された試料へ照射する光照射手段と、
前記光の照射位置と前記光電場増強基板との相対位置を周期的に移動させる移動手段と、
前記光の照射により、前記試料から発せられるラマン散乱光および前記光電場増強基板から発せられるバックグランド光を分光しスペクトル強度信号を測定するスペクトル強度信号測定手段と、
前記スペクトル強度信号から、前記相対位置の移動周期に同期した信号を検出する同期検出手段とを備えることを特徴とするものである。
The surface-enhanced Raman spectroscopic device of the present invention irradiates a sample placed on a photoelectric field enhancement substrate with light, and measures the spectrum of Raman scattered light emitted from the sample and enhanced by the photoelectric field enhancement substrate. In the surface-enhanced Raman spectrometer,
A light irradiating means for irradiating the sample placed on the photoelectric field enhancing substrate with the light;
Moving means for periodically moving a relative position between the irradiation position of the light and the photoelectric field enhancement substrate;
Spectral intensity signal measuring means for spectrally measuring the Raman scattered light emitted from the sample and the background light emitted from the photoelectric field enhancement substrate by the light irradiation and measuring a spectral intensity signal;
Synchronization detection means for detecting a signal synchronized with a movement cycle of the relative position from the spectrum intensity signal.

なお、ここで「光電場増強基板に載置された試料」とは、具体的には光電場増強基板表面に接触あるいは隣接している試料や、基板表面に近接して存在する試料等である。   Here, the “sample placed on the photoelectric field enhancement substrate” specifically refers to a sample that is in contact with or adjacent to the surface of the photoelectric field enhancement substrate, a sample that exists in the vicinity of the substrate surface, or the like. .

前記移動手段は、前記光の照射位置と前記光電場増強基板との相対位置を振動させるものであってよい。   The moving means may vibrate a relative position between the irradiation position of the light and the photoelectric field enhancement substrate.

また、前記移動手段は、前記光の光軸と垂直な面内で前記光電場増強基板を振動させるものであってもよい。 The moving means may vibrate the photoelectric field enhancement substrate in a plane perpendicular to the optical axis of the light.

前記光照射手段が、前記光を前記試料上へ集光する対物レンズを備えるものであれば、前記移動手段は、前記光の光軸と垂直な面内で、前記対物レンズを振動させるものであってもよい。     If the light irradiating means includes an objective lens that condenses the light onto the sample, the moving means vibrates the objective lens in a plane perpendicular to the optical axis of the light. There may be.

また、前記移動手段は、前記光の光軸と垂直な面内で前記光電場増強基板を回転させるもの。あるいは平行移動させるものであってもよい。   The moving means rotates the photoelectric field enhancement substrate in a plane perpendicular to the optical axis of the light. Alternatively, it may be moved in parallel.

通常、光電場増強基板はその表面の構造が規則的に配列するように形成されているため、基板に光が照射された場合に、光電場増強基板から発せられるバックグランド光の光強度は、光の照射位置が変化しても大きく変動することはない。一方、試料は光電場増強基板上に均一には分布していないため、試料111から発せられるラマン散乱光の光強度は、光の照射位置が変化した場合には大きく変動する。   Usually, since the photoelectric field enhancement substrate is formed so that the structure of the surface is regularly arranged, the light intensity of the background light emitted from the photoelectric field enhancement substrate when the substrate is irradiated with light, Even if the irradiation position of light changes, it does not fluctuate greatly. On the other hand, since the sample is not uniformly distributed on the photoelectric field enhancement substrate, the light intensity of the Raman scattered light emitted from the sample 111 varies greatly when the light irradiation position changes.

本発明の表面増強ラマン分光装置は、光電場増強基板に載置された試料へ光を照射し、この試料から発せられ、かつ光電場増強基板により増強されたラマン散乱光のスペクトルを測定する表面増強ラマン分光装置において、光を光電場増強基板に載置された試料へ照射する際に、この光の照射位置と光電場増強基板との相対位置を周期的に移動させ、この光の照射により、試料から発せられるラマン散乱光および光電場増強基板から発せられるバックグランド光を分光してスペクトル強度信号を測定し、このスペクトル強度信号から、光の照射位置と光電場増強基板との相対位置の移動周期に同期した信号を検出したため、相対位置が変化しても、光強度の変化が少ないバックグランド光の信号成分が抑圧され、相対位置の周期的変化と同期して光強度が変動する試料から発せられるラマン散乱光の信号成分が多く含まれる信号を検出することができるので、従来必要であった事前のバックグランド光のスペクトル測定が不要になり、短時間でかつ高精度にラマンスペクトルを測定することができる。   The surface-enhanced Raman spectroscopic device of the present invention irradiates a sample placed on a photoelectric field enhancement substrate with light, and measures the spectrum of Raman scattered light emitted from this sample and enhanced by the photoelectric field enhancement substrate In the enhanced Raman spectroscopic device, when irradiating the sample placed on the photoelectric field enhancement substrate with light, the relative position between the light irradiation position and the photoelectric field enhancement substrate is periodically moved. The spectral intensity signal is measured by spectroscopic analysis of the Raman scattered light emitted from the sample and the background light emitted from the photoelectric field enhancement substrate. From the spectral intensity signal, the relative position between the light irradiation position and the photoelectric field enhancement substrate is measured. Since a signal synchronized with the movement period is detected, the signal component of the background light with little change in light intensity is suppressed even if the relative position changes, and is synchronized with the periodic change of the relative position. As a result, it is possible to detect signals containing many Raman scattered light signal components emitted from samples with varying light intensity, eliminating the need for prior background light spectrum measurement, which was necessary in the past. In addition, the Raman spectrum can be measured with high accuracy.

光の照射位置と前記光電場増強基板との相対位置を振動させるものであれば、相対位置を移動させるためのスペースをほとんど確保する必要がない。また、光の光軸と垂直な面内で光電場増強基板を振動させるものであれば、ステージなどの簡易な構成により相対位置を移動させことができる。   If the relative position between the light irradiation position and the photoelectric field enhancement substrate is vibrated, it is not necessary to secure a space for moving the relative position. Further, if the photoelectric field enhancement substrate is vibrated in a plane perpendicular to the optical axis of light, the relative position can be moved with a simple configuration such as a stage.

光を前記試料上へ集光する対物レンズを備え、この対物レンズを、光の光軸と垂直な面内で振動させるものであれば、相対位置を移動させるためのスペースを確保する必要がない。   If an objective lens for condensing light onto the sample is provided and the objective lens is vibrated in a plane perpendicular to the optical axis of the light, it is not necessary to secure a space for moving the relative position. .

図面を参照して、本発明に係る第1の実施形態である表面増強ラマン分光装置について、説明する。図1は表面増強ラマン分光装置100の概略構成図である。   A surface-enhanced Raman spectroscopic device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a surface-enhanced Raman spectroscopic device 100.

図1に示すように、表面増強ラマン分光装置100は、試料111が載置された光電場増強基板110と、この光電場増強基板110が載置され、この光電場増強基板110をXY方向へ移動させるステージ116および該ステージ116の動作を制御するステージ制御部117とからなるステージ部115と、該ステージ制御部117および後述するロックインアンプ160へ1kHzの正弦波信号を出力する正弦波発生部139と、光L1を光電場増強基板110へ集光して照射する光照射部140と、試料111から発せられるラマン散乱光と、光電場増強基板110から発せられるラマン散乱光や蛍光からなるバックグランド光とを含む光L2を分光してスペクトル強度を測定するスペクトル強度測定部150と、スペクトル強度信号と、1kHzの正弦波信号を入力し、スペクトル強度信号から入力された1kHzの正弦波信号と同期した信号であるB信号を検出するロックインアンプ160と、このロックインアンプ160の出力信号から試料のラマンスペクトルを生成するスペクトル生成部171を含み各部位へ接続されて、装置全体の動作を制御する制御部170と、この制御部170と接続されている表示部180とを備えている。   As shown in FIG. 1, the surface-enhanced Raman spectroscopic device 100 includes a photoelectric field enhancement substrate 110 on which a sample 111 is placed and a photoelectric field enhancement substrate 110 placed on the photoelectric field enhancement substrate 110 in the XY direction. A stage unit 115 including a stage 116 to be moved and a stage control unit 117 for controlling the operation of the stage 116, and a sine wave generation unit for outputting a 1 kHz sine wave signal to the stage control unit 117 and a lock-in amplifier 160 described later. 139, a light irradiation unit 140 for condensing and irradiating the light L1 onto the photoelectric field enhancement substrate 110, a Raman scattering light emitted from the sample 111, a Raman scattering light or a fluorescence emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110 A spectral intensity measuring unit 150 for measuring the spectral intensity by splitting the light L2 including the ground light; And a lock-in amplifier 160 that receives a 1 kHz sine wave signal and detects a B signal that is synchronized with the 1 kHz sine wave signal input from the spectrum intensity signal, and a sample from the output signal of the lock-in amplifier 160 A control unit 170 that includes a spectrum generation unit 171 that generates a Raman spectrum of the device and is connected to each part and controls the operation of the entire apparatus, and a display unit 180 that is connected to the control unit 170 are provided.

光照射部140は、30mWで波長780nmの光L1を射出する半導体レーザ141、該半導体レーザ141から射出された光L1を平行光とするレンズ142、780nmの光を直角方向へ反射し、他の波長の光は透過するノッチフィルタ143およびノッチフィルタ143で反射された光L1を光電場増強基板110の試料111上へ集光する対物レンズ144とを有してしる。ステージ116は、XY方向へ移動する移動機能に加え、ピエゾによる振動機能を備えている。ステージ制御部117の制御により、ステージ116は、図1に示す左右方向へ、幅5μmで、高速振動する。   The light irradiation unit 140 is a semiconductor laser 141 that emits light L1 having a wavelength of 780 nm at 30 mW, a lens 142 that collimates the light L1 emitted from the semiconductor laser 141, and reflects light at 780 nm in a right angle direction. The notch filter 143 that transmits light of the wavelength and the objective lens 144 that condenses the light L1 reflected by the notch filter 143 onto the sample 111 of the photoelectric field enhancement substrate 110 are included. The stage 116 has a vibration function by piezo in addition to the movement function of moving in the XY directions. Under the control of the stage controller 117, the stage 116 vibrates at a high speed in the left-right direction shown in FIG.

スペクトル強度測定部150は、ノイズ光を除去するためのピンホール151を備えたピンホール板152と、試料111または光電場増強基板110から発せられ、レンズ144およびノッチフィルタ143を透過した光L2を、ピンホール151へ集光するためのレンズ153と、ピンホール151を通った光L2を平行光化するレンズ154と、光L2を分散する回折格子155と、分散された光L2の中の所定波長の光を集光する対物レンズ156と、集光された所定波長の光の光強度を測定するフォトダイオード157とを有している。回折格子155には、該回折格子155を回転させる回転部158が取り付けられている。この回転部158は制御部170へ接続され、制御部170の制御により回折格子155を回転させ、順次光L2の中の異なる波長の光をフォトダイオード157へ入射させる。フォトダイオード157は、検出した光強度を順次ロックインアンプ160へ出力する。   Spectral intensity measurement unit 150 emits light L2 emitted from pinhole plate 152 having pinhole 151 for removing noise light and sample 111 or photoelectric field enhancement substrate 110 and transmitted through lens 144 and notch filter 143. , A lens 153 for condensing into the pinhole 151, a lens 154 for collimating the light L2 passing through the pinhole 151, a diffraction grating 155 for dispersing the light L2, and a predetermined one of the dispersed light L2 It has an objective lens 156 that condenses light of a wavelength and a photodiode 157 that measures the light intensity of the condensed light of a predetermined wavelength. A rotating unit 158 that rotates the diffraction grating 155 is attached to the diffraction grating 155. The rotation unit 158 is connected to the control unit 170, rotates the diffraction grating 155 under the control of the control unit 170, and sequentially makes light of different wavelengths in the light L2 enter the photodiode 157. The photodiode 157 sequentially outputs the detected light intensity to the lock-in amplifier 160.

光電場増強基板110は、Al等の被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化して金属酸化物体(Al等)とし、陽極酸化の過程で形成される金属酸化物体の多数の微細孔内に各々金属をメッキ等により成長させて得られたデバイスである。 The photoelectric field enhancement substrate 110 is obtained by anodizing a part of an anodized metal body such as Al to form a metal oxide body (Al 2 O 3 or the like), and a large number of fine metal oxide bodies formed in the process of anodization. It is a device obtained by growing a metal in each hole by plating or the like.

以下、図2を用いて、光電場増強基板110の作製方法について簡単に説明する。光電場増強基板110は種々の方法によって作製できるものであるが、ここでは、その一例としてアルミニウムの基体を用いた作製方法を示す。(a)〜(c)は、光増強基板110の作製過程における基板断面の形状を概略的に示すものである。   Hereinafter, a method for manufacturing the photoelectric field enhancement substrate 110 will be briefly described with reference to FIGS. The photoelectric field enhancing substrate 110 can be manufactured by various methods. Here, as an example, a manufacturing method using an aluminum substrate is shown. (A)-(c) shows roughly the shape of the board | substrate cross section in the preparation process of the optical enhancement board | substrate 110. FIG.

まず(a)は、光電場増強基板110の作製プロセスに入る前の基体121を表している。本実施形態では、基体121として圧延により薄膜化されたアルミニウム層を用いている。陽極酸化装置を用いてアルミニウム層122の表面に陽極酸化処理を施すと、(b)に示すように、基板表面122に開口している多数の微細孔123を有するアルミナ層124が形成される。微細孔123は、基体表面122のほぼ全面にわたって規則的に配置される。微細孔123の孔径、深さおよび間隔は、陽極酸化の条件(例えば陽極酸化に用いる電解液の濃度や温度、電圧の印加方法、電圧値、時間など)によって変化する。   First, (a) shows the base 121 before entering the manufacturing process of the photoelectric field enhancement substrate 110. In the present embodiment, an aluminum layer thinned by rolling is used as the base 121. When an anodizing process is performed on the surface of the aluminum layer 122 using an anodizing device, an alumina layer 124 having a large number of fine holes 123 opened in the substrate surface 122 is formed as shown in FIG. The fine holes 123 are regularly arranged over almost the entire surface 122 of the substrate. The hole diameter, depth, and interval of the fine holes 123 vary depending on the conditions of anodization (for example, the concentration and temperature of the electrolyte used for anodization, the method of applying voltage, the voltage value, time, etc.).


次に、陽極酸化処理により自然形成された微細孔123に、電気メッキにより金(Au)を充填する。なお電気メッキを行う場合には、金が基体表面122と同位置まで充填された後もメッキ処理を継続する。このため、(c)に示すように、頭部が基体表面122よりも上に突出し、且つ、その頭部の径が微細孔123の孔径よりも大きい(いわばマッシュルーム型の)金微粒子125が形成される。金属粒子125の径は、任意の値に設計可能であるが、ラマン散乱光の増強効果が大きくなるように、光L1の波長よりも小さくなるように設計されている。

Next, gold (Au) is filled by electroplating into the fine holes 123 naturally formed by the anodizing treatment. In the case of performing electroplating, the plating process is continued even after the gold is filled to the same position as the substrate surface 122. For this reason, as shown in (c), the head protrudes above the substrate surface 122, and the diameter of the head is larger than the diameter of the fine hole 123 (so-called mushroom type) gold fine particles 125 are formed. Is done. The diameter of the metal particle 125 can be designed to an arbitrary value, but is designed to be smaller than the wavelength of the light L1 so that the enhancement effect of the Raman scattered light is increased.

図3は、光電場増強基板110の一部を表す斜視図である。この図に示すように、金微粒子125は光電場増強基板110の表面122全体に亘って周期63nmで配列される。このように、デバイス表面122に光L1の波長よりも小さい凹凸構造を有する金属体が形成されることにより、デバイス表面122に光L1が照射されると、局在プラズモンが誘起される。このため、光L1の照射により、試料111で発せられたラマン散乱光が増強される。   FIG. 3 is a perspective view showing a part of the photoelectric field enhancement substrate 110. As shown in this figure, the gold fine particles 125 are arranged with a period of 63 nm over the entire surface 122 of the photoelectric field enhancement substrate 110. As described above, when a metal body having an uneven structure smaller than the wavelength of the light L1 is formed on the device surface 122, localized plasmons are induced when the device surface 122 is irradiated with the light L1. For this reason, the Raman scattered light emitted from the sample 111 is enhanced by the irradiation of the light L1.

なお、光電場増強基板としては、上記の構成に限定されるものではなく、例えば図4および図5に示すようなデバイスも用いることができる。なお、図4は断面図、図5は斜視図および上面図である。   Note that the photoelectric field enhancement substrate is not limited to the above configuration, and devices such as those shown in FIGS. 4 and 5 can also be used. 4 is a cross-sectional view, and FIG. 5 is a perspective view and a top view.

図4(a)に示す光電場増強基板110aは、図2(a),(b)に示すように陽極酸化を実施し、陽極酸化により形成された金属酸化物体124を除去して、被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分121のみを残したデバイスである(特開2006-250924号公報を参照)。かかるデバイスは、デバイス表面に複数のディンプル状の凹部126を有する非陽極酸化部分121により構成される。   The photoelectric field enhancement substrate 110a shown in FIG. 4A is subjected to anodic oxidation as shown in FIGS. 2A and 2B, and the metal oxide body 124 formed by anodic oxidation is removed. This is a device in which only the non-anodized portion 121 of the metal oxide body is left (see Japanese Patent Laid-Open No. 2006-250924). Such a device is constituted by a non-anodized portion 121 having a plurality of dimple-like recesses 126 on the device surface.

図4(b)に示す光電場増強基板110bは、上記光電場増強基板110aの表面に、その凹凸形状に沿って金属層127を成膜したものである(特開2006-250924号公報を参照)。   A photoelectric field enhancement substrate 110b shown in FIG. 4B is obtained by forming a metal layer 127 along the uneven shape on the surface of the photoelectric field enhancement substrate 110a (see JP-A-2006-250924). ).

図4(c)に示す光電場増強基板110cは、上記光電場増強基板110bの金属層127をアニール処理により粒子化して、被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分121上に金属粒子128を形成したものである(特願2006-198009号(本件特許出願時において未公開)を参照)。   In the photoelectric field enhancement substrate 110c shown in FIG. 4C, the metal layer 127 of the photoelectric field enhancement substrate 110b is formed into particles by annealing treatment to form metal particles 128 on the non-anodized portion 121 of the metal to be anodized. (See Japanese Patent Application No. 2006-198009 (not disclosed at the time of filing this patent application)).

図5(a)に示す光電場増強基板110eは、導電体130および平坦な誘電体131の上に、複数の金属粒子132がアレイ状に固着されたデバイスである。金属粒子132の配列パターンは適宜設計でき、略規則的であることが好ましい。かかる構成では、金属粒子132の平均的な径及びピッチが光L1の波長よりも小さく設計される。   5A is a device in which a plurality of metal particles 132 are fixed in an array on a conductor 130 and a flat dielectric 131. The photoelectric field enhancement substrate 110e shown in FIG. The arrangement pattern of the metal particles 132 can be appropriately designed and is preferably substantially regular. In such a configuration, the average diameter and pitch of the metal particles 132 are designed to be smaller than the wavelength of the light L1.

図5(b)に示す光電場増強基板110fは、導電体130および平坦な誘電体131の上に、金属細線133が格子状にパターン形成された金属パターン層134が形成されたデバイスである。金属パターン層134のパターンは適宜設計でき、略規則的であることが好ましい。かかる構成では、金属細線133の平均的な線幅及びピッチが光L1の波長よりも小さく設計される。   The photoelectric field enhancement substrate 110f shown in FIG. 5B is a device in which a metal pattern layer 134 in which fine metal wires 133 are formed in a lattice pattern on a conductor 130 and a flat dielectric 131 is formed. The pattern of the metal pattern layer 134 can be appropriately designed and is preferably substantially regular. In such a configuration, the average line width and pitch of the fine metal wires 133 are designed to be smaller than the wavelength of the light L1.

図5(c)に示す光電場増強デバイス110gは、プレート135上に配置された複数の金属ナノロッド136から構成されている(特開2007-139612号公報を参照)。金属ナノロッドのサイズは、短軸長さが3nm〜50nm程度、長軸長さが25nm〜1000nm程度であり、長軸長さを励起光の波長よりも小さいサイズとする。   A photoelectric field enhancement device 110g shown in FIG. 5C is composed of a plurality of metal nanorods 136 disposed on a plate 135 (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-139612). The metal nanorods have a minor axis length of about 3 nm to 50 nm and a major axis length of about 25 nm to 1000 nm, and the major axis length is smaller than the wavelength of the excitation light.

また光電場増強基板の表面は、表面が粗面化された金属層により構成してもよい。粗面化方法としては、酸化還元等を利用した電気化学的な方法等が挙げられる。その他光電場増強基板としては、表面電場増強効果を有する公知のデバイスを用いることができる。   Further, the surface of the photoelectric field enhancing substrate may be constituted by a metal layer having a roughened surface. Examples of the roughening method include an electrochemical method using oxidation reduction and the like. In addition, as the photoelectric field enhancing substrate, a known device having a surface electric field enhancing effect can be used.

なお、これらの光電場増強基板の表面には、特に光電場の増強度が多きくなるホットスポットが分布している。 It should be noted that hot spots that increase the intensity of the photoelectric field are distributed on the surface of these photoelectric field enhancement substrates.

次に、上述の表面増強ラマン分光装置100を用いて、試料111のラマンスペクトルを測定するラマン分光方法について、説明する。まず、測定に先立って、試料111が載置されている光電場増強基板110がステージ116上へ置かれる。   Next, a Raman spectroscopy method for measuring the Raman spectrum of the sample 111 using the above-described surface-enhanced Raman spectrometer 100 will be described. First, prior to measurement, the photoelectric field enhancement substrate 110 on which the sample 111 is placed is placed on the stage 116.

以下制御部170の制御により、試料111のラマンスペクトルの測定が行われる。まず、ステージ116が移動し、試料111上へ光L1が照射可能となる位置へ光電場増強基板110が移動する。   Hereinafter, the measurement of the Raman spectrum of the sample 111 is performed under the control of the control unit 170. First, the stage 116 moves, and the photoelectric field enhancement substrate 110 moves to a position where the light L1 can be irradiated onto the sample 111.

光照射部140の半導体レーザ141から出力30mW、波長780nmの光L1が射出され、レンズ142により平行光化される。光L1は、ノッチフィルタ143で反射され、対物レンズ144で集光されて、光電場増強基板110上の試料111へ、径1μmのスポットとして照射される。光L1の照射により、試料111からはラマン散乱光が発せられ、また光電場増強基板110からはラマン散乱光や蛍光が発せられる。   Light L1 having an output of 30 mW and a wavelength of 780 nm is emitted from the semiconductor laser 141 of the light irradiation unit 140 and is collimated by the lens 142. The light L1 is reflected by the notch filter 143, condensed by the objective lens 144, and irradiated to the sample 111 on the photoelectric field enhancement substrate 110 as a spot having a diameter of 1 μm. By the irradiation of the light L1, Raman scattered light is emitted from the sample 111, and Raman scattered light and fluorescence are emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110.

試料111から発せられるラマン散乱光と光電場増強基板110から発せられるラマン散乱光や蛍光からなるバックグランド光を含む光L2は、その波長が780nmからずれているため、ノッチフィルタ143を透過し、レンズ153で集光され、ピンホール151を通り、再度レンズ154により平行光化され、回折格子155へ入射する。なお、レーリー散乱光などは、その波長が光L1と同じ780nmであるため、ノッチフィルタ143で反射されるため、回折格子155へ入射することはない。光L2は、回折格子155により分散され、フォトダイオード157の方向へ分散された所定波長の光がレンズ156により集光されて、フォトダイオード157へ入射する。フォトダイオード157の出力は、ロックインアンプ160へ出力されている。   The light L2 including the Raman scattered light emitted from the sample 111 and the Raman scattered light emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110 or the background light made of fluorescence is shifted from 780 nm, and therefore passes through the notch filter 143. The light is condensed by the lens 153, passes through the pinhole 151, is collimated again by the lens 154, and enters the diffraction grating 155. Note that Rayleigh scattered light or the like has a wavelength of 780 nm, which is the same as that of the light L1, and is reflected by the notch filter 143, so that it does not enter the diffraction grating 155. The light L <b> 2 is dispersed by the diffraction grating 155, and light having a predetermined wavelength dispersed in the direction of the photodiode 157 is collected by the lens 156 and enters the photodiode 157. The output of the photodiode 157 is output to the lock-in amplifier 160.

フォトダイオード157の出力が、ロックインアンプ160へ出力されている状態で、制御部170は、正弦波発生部139から出される1kHzの正弦波をステージ制御部117へ入力させる。ステージ制御部117は、ステージ116を図6に示すように位置aから位置cの間で、高速振動させる。なお、図6に示すホットスポット112は、光電場増強度が特に高くなる点である。   With the output of the photodiode 157 being output to the lock-in amplifier 160, the control unit 170 inputs the 1 kHz sine wave output from the sine wave generation unit 139 to the stage control unit 117. The stage control unit 117 vibrates the stage 116 at a high speed between the position a and the position c as shown in FIG. Note that the hot spot 112 shown in FIG. 6 has a particularly high photoelectric field enhancement.

光L2は、試料111から発せられるラマン散乱光と、光電場増強基板110から発せられるラマン散乱光や蛍光からなるバックグランド光とを含むものである。光L2は対物レンズ144により、光電場増強基板110上に集光され、その集光スポットの直径は約1μmである。   The light L2 includes Raman scattered light emitted from the sample 111 and background light made of Raman scattered light and fluorescence emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110. The light L2 is condensed on the photoelectric field enhancement substrate 110 by the objective lens 144, and the diameter of the condensed spot is about 1 μm.

光電場増強基板110の表面には多数の金属微粒子125が高密度かつ規則的に配列されているため、集光スポットの位置が移動しても、光電場増強基板110から発せられるバックグランド光の光強度は大きく変化することはない。一方、試料111は光電場増強基板110上に均一には分布していないため、試料111から発せられるラマン散乱光の光強度は、集光スポットの位置が変化した場合には大きく変動する。特に、図6に示すように、光電場増強基板110の表面に、増強度が大きいホットスポット112が分布している場合、試料111がホットスポット上に存在するか否かにより、試料111から発せられるラマン散乱光の増強度が変化するため、集光スポットの位置が変化した場合の光強度の変動がとくに大きくなる。   Since a large number of fine metal particles 125 are regularly arranged on the surface of the photoelectric field enhancement substrate 110, the background light emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110 is moved even if the position of the condensing spot is moved. The light intensity does not change greatly. On the other hand, since the sample 111 is not uniformly distributed on the photoelectric field enhancing substrate 110, the light intensity of the Raman scattered light emitted from the sample 111 varies greatly when the position of the focused spot changes. In particular, as shown in FIG. 6, when hot spots 112 having a large enhancement intensity are distributed on the surface of the photoelectric field enhancement substrate 110, the emission from the sample 111 depends on whether or not the sample 111 exists on the hot spot. Since the enhancement of the Raman scattered light to be changed changes, the fluctuation of the light intensity is particularly large when the position of the focused spot is changed.

例えば、バックグランド光のスペクトルが図7に示すようなものであった場合に、光L1の照射位置がa〜cへ移動すると、光L2のスペクトルは図8(a)〜図8(c)のように変化することとなる。   For example, if the spectrum of the background light is as shown in FIG. 7 and the irradiation position of the light L1 moves to ac, the spectrum of the light L2 is as shown in FIG. 8 (a) to FIG. 8 (c). Will change as follows.

一方、フォトダイオード157から出力される光強度信号は、ひとつの波長の光強度信号であり、バックグランド光の信号成分や試料111から発せられるラマン散乱光の信号成分を含むものである。このため、フォトダイオード157から出力される光強度信号をロックインアンプ160へ入力し、参照信号として入力されている1kHzと同期した信号を検出することにより、集光スポット位置が変化しても、光強度の変化が少ないバックグランド光の信号成分が抑圧され、集光スポット位置の変化と同期して光強度が変動する試料111から発せられるラマン散乱光の信号成分が多く含まれる信号を検出することができる。   On the other hand, the light intensity signal output from the photodiode 157 is a light intensity signal of one wavelength, and includes a signal component of background light and a signal component of Raman scattered light emitted from the sample 111. For this reason, the light intensity signal output from the photodiode 157 is input to the lock-in amplifier 160, and by detecting a signal synchronized with 1 kHz input as the reference signal, The signal component of the background light with a small change in light intensity is suppressed, and a signal containing a large amount of the signal component of the Raman scattered light emitted from the sample 111 whose light intensity varies in synchronization with the change in the focused spot position is detected. be able to.

ロックインアンプ160の出力は、制御部170へ入力され、スペクトル生成部171へ記憶される。所定波長における信号検出が終了すると、回転部158が回折格子155を回転させる。フォトダイオード157の方向へ分散される光の波長が変化し、次の波長の光がフォトダイオード157へ入射する。回折格子155を順次回転させることにより、光L2の中の波長の異なる光が順次フォトダイオード157へ入射し、フォトダイオード157の出力がロックインアンプ160へ入力され、ロックインアンプ160で検出された信号がスペクトル生成部171へ出力されて、記憶される。スペクトル生成部171では、ロックインアンプ160で検出された信号を時間経過に沿って記憶することにより図9に示すような、バックグランド光のスペクトルが抑圧され、試料111から発せられるラマン散乱光のスペクトルが多く含まれるスペクトルを取得し、表示部180へ出力する。   The output of the lock-in amplifier 160 is input to the control unit 170 and stored in the spectrum generation unit 171. When the signal detection at the predetermined wavelength is completed, the rotating unit 158 rotates the diffraction grating 155. The wavelength of light dispersed in the direction of the photodiode 157 changes, and light having the next wavelength enters the photodiode 157. By sequentially rotating the diffraction grating 155, light having different wavelengths in the light L2 sequentially enters the photodiode 157, and the output of the photodiode 157 is input to the lock-in amplifier 160 and detected by the lock-in amplifier 160. The signal is output to the spectrum generator 171 and stored. The spectrum generation unit 171 stores the signal detected by the lock-in amplifier 160 over time, thereby suppressing the spectrum of the background light as shown in FIG. 9 and the Raman scattered light emitted from the sample 111. A spectrum containing a lot of spectra is acquired and output to the display unit 180.

以上の説明で明らかなように、本実施の形態による表面増強ラマン分光装置では、光電場増強基板110を周波数1kHzで振動させながら、光L1を試料に照射し、試料111から発せられるラマン散乱光と光電場増強基板110から発せられるラマン散乱光や蛍光からなるバックグランド光を含む光L2のスペクトル強度信号を検出し、ロックインアンプ160を用いて、このスペクトル強度信号から、光電場増強基板110の振動周期である1kHzに同期した信号を検出したため、光L1の照射位置が変化しても、光強度の変化が少ないバックグランド光の信号成分は抑圧され、光L1の照射位置の周期的変化と同期して光強度が変動する試料111から発せられるラマン散乱光の信号成分が多く含まれる信号を検出することができるので、従来必要であった事前のバックグランド光のスペクトル測定が不要になり、短時間でかつ高精度にラマンスペクトルを測定することができる。   As apparent from the above description, in the surface-enhanced Raman spectroscopic device according to the present embodiment, the sample is irradiated with the light L1 while the photoelectric field enhancement substrate 110 is vibrated at a frequency of 1 kHz, and the Raman scattered light emitted from the sample 111. And a spectral intensity signal of the light L2 including background light composed of Raman scattered light and fluorescence emitted from the photoelectric field enhancement substrate 110, and the photoelectric field enhancement substrate 110 is detected from the spectrum intensity signal using the lock-in amplifier 160. Since the signal synchronized with 1 kHz which is the oscillation period of the light is detected, even if the irradiation position of the light L1 is changed, the signal component of the background light with little change in light intensity is suppressed, and the periodic change of the irradiation position of the light L1 is suppressed. Can detect a signal containing a lot of signal components of Raman scattered light emitted from the sample 111 whose light intensity fluctuates in synchronization with Since, it is possible to spectral measurement of the prior background light has been conventionally required becomes unnecessary to measure the Raman spectrum in a short time and with high precision.

なお、図10に実施の形態の変形例である表面増強ラマン分光装置200を示す。この表面増強ラマン分光装置200では、対物レンズ144を光L1の光軸方向と垂直な平面内において1kHzで振動させる対物レンズ振動部210を設け、対物レンズ144を振動させることにより、光L1の照射位置と光電場増強基板110との相対位置を周期的に移動させている。この場合には、正弦波発生部139から出される1kHzの正弦波は、この対物レンズ振動部210に入力される。また、ステージ部220は、光電場増強基板110をXY方向へ移動させるステージ221と該ステージ221の動作を制御するステージ制御部222とから構成されている。   FIG. 10 shows a surface-enhanced Raman spectroscopic device 200 that is a modification of the embodiment. In the surface-enhanced Raman spectroscopic device 200, an objective lens vibrating unit 210 that vibrates the objective lens 144 at 1 kHz in a plane perpendicular to the optical axis direction of the light L1 is provided, and the objective lens 144 is vibrated to irradiate the light L1. The relative position between the position and the photoelectric field enhancement substrate 110 is periodically moved. In this case, a 1 kHz sine wave output from the sine wave generation unit 139 is input to the objective lens vibration unit 210. The stage unit 220 includes a stage 221 that moves the photoelectric field enhancement substrate 110 in the XY directions, and a stage control unit 222 that controls the operation of the stage 221.

なお、表面増強ラマン分光装置100においても表面増強ラマン分光装置200においても、光電場増強基板110上における光L1の振動幅は、光L1の集光スポットの直径以上の幅であることが好ましい。   In both the surface-enhanced Raman spectroscopic device 100 and the surface-enhanced Raman spectroscopic device 200, the vibration width of the light L1 on the photoelectric field enhancing substrate 110 is preferably equal to or larger than the diameter of the condensed spot of the light L1.

また、光電場増強基板110としては、周期的な構造を有し、光増強度が周期的に変化するものが用いられることがある。このような場合には、集光スポットの直径がこの周期構造の1周期幅より大きいことが好ましい。また相対位置の位置振動幅は、集光スポットの直径より大きいことが好ましい。   In addition, as the photoelectric field enhancement substrate 110, a substrate having a periodic structure and whose optical enhancement intensity changes periodically may be used. In such a case, it is preferable that the diameter of the focused spot is larger than one period width of the periodic structure. Moreover, it is preferable that the position vibration width of the relative position is larger than the diameter of the focused spot.

なお、本実施の形態においては、光L1の照射位置と光電場増強基板110との相対位置を振動させているが、これに限定されるものではない。例えば光電場増強基板110を回転ステージの上に配置し、回転させてもよいし、あるいは光電場増強基板110を平行移動させてもよい。   In the present embodiment, the relative position between the irradiation position of the light L1 and the photoelectric field enhancement substrate 110 is vibrated, but the present invention is not limited to this. For example, the photoelectric field enhancement substrate 110 may be disposed on the rotation stage and rotated, or the photoelectric field enhancement substrate 110 may be translated.

本発明の実施形態の表面増強ラマン分光装置Surface-enhanced Raman spectroscopic apparatus according to an embodiment of the present invention (a)〜(c)は光電場増強基板の製造プロセス図(A)-(c) is a manufacturing process diagram of a photoelectric field enhancement substrate. 光電場増強基板の表面の斜視図Perspective view of the surface of the photoelectric field enhancement substrate 光電場増強基板の変形例の断面図Sectional view of a modification of the photoelectric field enhancement substrate 光電場増強基板の変形例の斜視図および上面図A perspective view and a top view of a modification of the photoelectric field enhancement substrate 光L1の照射位置の説明図Explanatory drawing of the irradiation position of light L1 バックグランド光のスペクトルの説明図Illustration of background light spectrum 各照射位置における光L2のスペクトルの説明図Explanatory drawing of spectrum of light L2 in each irradiation position ラマン散乱光のスペクトルの説明図Illustration of the spectrum of Raman scattered light 表面増強ラマン分光装置の変形例Modification of surface-enhanced Raman spectrometer

符号の説明Explanation of symbols

100、200 表面増強ラマン分光装置
110 光電場増強基板
111 試料
115 ステージ部
116 ステージ
117 ステージ制御部
139 正弦波発生部
140 光照射部
141 光源
143 ノッチフィルタ
150 スペクトル強度測定部
151 ピンホール
152 ピンホール板
155 回折格子
157 フォトダイオード
158 回転部
160 ロックインアンプ
170 制御部
171 スペクトル生成部
210 対物レンズ振動部
100, 200 Surface-enhanced Raman spectroscopy device 110 Photoelectric field enhancement substrate 111 Sample 115 Stage unit 116 Stage 117 Stage control unit 139 Sine wave generation unit
140 Light Irradiation Unit 141 Light Source 143 Notch Filter 150 Spectrum Intensity Measurement Unit 151 Pinhole 152 Pinhole Plate 155 Diffraction Grating 157 Photodiode 158 Rotation Unit 160 Lock-in Amplifier 170 Control Unit 171 Spectrum Generation Unit 210 Objective Lens Vibration Unit

Claims (4)

光電場増強基板に載置された試料へ光を照射し、前記試料から発せられ、かつ前記光電場増強基板により増強されたラマン散乱光のスペクトルを測定する表面増強ラマン分光装置において、
前記光を前記光電場増強基板に載置された試料へ照射する光照射手段と、
前記光の照射位置と前記光電場増強基板との相対位置を周期的に移動させる移動手段と、
前記光の照射により、前記試料から発せられるラマン散乱光および前記光電場増強基板から発せられるバックグランド光を分光しスペクトル強度信号を測定するスペクトル強度信号測定手段と、
前記スペクトル強度信号から、前記相対位置の移動周期に同期した信号を検出する同期検出手段とを備えることを特徴とする表面増強ラマン分光装置。
In a surface-enhanced Raman spectroscopic device that measures the spectrum of Raman scattered light emitted from the sample and enhanced by the photoelectric field-enhancing substrate by irradiating the sample placed on the photoelectric field-enhancing substrate,
A light irradiating means for irradiating the sample placed on the photoelectric field enhancing substrate with the light;
Moving means for periodically moving a relative position between the irradiation position of the light and the photoelectric field enhancement substrate;
Spectral intensity signal measuring means for spectrally measuring the Raman scattered light emitted from the sample and the background light emitted from the photoelectric field enhancement substrate by the light irradiation and measuring a spectral intensity signal;
A surface-enhanced Raman spectroscopic apparatus, comprising: synchronization detection means for detecting a signal synchronized with a movement cycle of the relative position from the spectrum intensity signal.
前記移動手段が、前記光の照射位置と前記光電場増強基板との相対位置を振動させるものであることを特徴とする請求項1記載の表面増強ラマン分光装置。   2. The surface-enhanced Raman spectroscopic apparatus according to claim 1, wherein the moving means vibrates a relative position between the irradiation position of the light and the photoelectric field enhancement substrate. 前記移動手段が、前記光の光軸と垂直な面内で前記光電場増強基板を振動させるものであることを特徴とする請求項2記載の表面増強ラマン分光装置。   3. The surface-enhanced Raman spectroscopic apparatus according to claim 2, wherein the moving means vibrates the photoelectric field enhancing substrate in a plane perpendicular to the optical axis of the light. 前記光照射手段が、前記光を前記試料上へ集光する対物レンズを備えるものであり、
前記移動手段が、前記光の光軸と垂直な面内で、前記対物レンズを振動させるものであることを特徴とする請求項2記載の表面増強ラマン分光装置。
The light irradiation means includes an objective lens that condenses the light onto the sample,
The surface-enhanced Raman spectroscopic apparatus according to claim 2, wherein the moving means vibrates the objective lens in a plane perpendicular to the optical axis of the light.
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