JP2013096939A - Optical device and detector - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical device which enhances Raman scattering light in gaps among metal particles while securing a high density of hot sites from a relationship between the sizes of the metal particles and the gaps among the metal particles and enhances detection capability, and further to provide a detector.SOLUTION: An optical device 100 comprises: a substrate 110; a fine metal structure 120 constituted of a plurality of metal particles 120A which is formed on a surface of the substrate 110 and has sizes of 1 to 500 nm and intervals of 0.1 to 20 nm thereamong; and organic molecular films 130 on the fine metal structure 120. The organic molecular films 130 are absorbing films for capturing molecules and are arranged so as to cover minute gaps 121 on the surface of the substrate 110 individually formed by the metal particles 120A.

Description

本発明は、光デバイス及び検出装置等に関する。   The present invention relates to an optical device, a detection apparatus, and the like.

近年、医療診断や飲食物の検査等に用いられるセンサーチップの需要が増大しており、高感度かつ小型のセンサーチッブの開発が求められている。このような要求に応えるために、電気化学的な手法をはじめ様々なタイプのセンサーチップが検討されている。これらの中で、集積化が可能であること、低コスト、測定環境を選ばないこと等の理由から、表面プラズモン共鳴(SPR: Surface Plasmon Resonance)を利用した分光分析、特に表面増強ラマン散乱分光(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)用いたセンサーチップに対する関心が高まっている。   In recent years, the demand for sensor chips used for medical diagnosis, food and beverage inspection, etc. has increased, and the development of highly sensitive and small sensor chips has been demanded. In order to meet such demands, various types of sensor chips including an electrochemical method have been studied. Among these, spectroscopic analysis using surface plasmon resonance (SPR), especially surface-enhanced Raman scattering spectroscopy (especially for reasons such as integration, low cost, and choice of measurement environment) Interest in sensor chips using SERS (Surface Enhanced Raman Scattering) is increasing.

ここで、表面プラズモンとは、表面固有の境界条件により光とカップリングを起こす電子波の振動モードである。表面プラズモンを励起する方法としては、金属表面に回折格子を刻み、光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用する方法がある。例えば、SPRを利用したセンサーとしては、全反射型プリズムと、当該プリズムの表面に形成された標的物質に接触する金属膜と、を具備して構成されるものがある。このような構成により、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、標的物質の吸着の有無を検出している。   Here, the surface plasmon is a vibration mode of an electron wave that causes coupling with light due to boundary conditions unique to the surface. As a method of exciting surface plasmons, there are a method of engraving a diffraction grating on a metal surface and combining light and plasmons and a method of using evanescent waves. For example, a sensor using SPR includes a total reflection prism and a metal film that contacts a target substance formed on the surface of the prism. With such a configuration, the presence or absence of target substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, is detected.

ところで、金属表面に伝搬型の表面プラズモンが存在する一方、金属微粒子には局在型の表面プラズモンが存在する。局在型の表面プラズモン、つまり、表面の金属微細構造上に局在する表面プラズモンが励起された際には、著しく増強された電場が誘起されることが知られている。   By the way, while propagation-type surface plasmons exist on the metal surface, localized surface plasmons exist on the metal fine particles. It is known that when a localized surface plasmon, that is, a surface plasmon localized on the surface metal microstructure is excited, a significantly enhanced electric field is induced.

更に、金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)によって形成される増強電場にラマン散乱光が照射されると表面増強ラマン散乱現象によってラマン散乱光が増強されることが知られており、高感度のセンサー(検出装置)が提案されている。この原理を用いることで、各種の微量な物質を検出することが可能になる。   Furthermore, when the Raman scattered light is irradiated to the enhanced electric field formed by localized surface plasmon resonance (LSPR) using metal nanoparticles, the Raman scattered light is enhanced by the surface enhanced Raman scattering phenomenon. Is known, and a highly sensitive sensor (detection device) has been proposed. By using this principle, various trace amounts of substances can be detected.

増強電場は、金属粒子の周囲、特に隣り合う金属粒子間の間隙で大きく、流体試料中の標的分子を金属粒子間の間隙に止まらせる必要がある。例えば、特許文献1や非特許文献1には、センサーチップの金属表面上に自己組織化単分子膜(SAM:Self-Assembled Monolayer))を形成している。   The enhanced electric field is large around the metal particles, particularly in the gap between adjacent metal particles, and it is necessary to stop the target molecule in the fluid sample in the gap between the metal particles. For example, in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1, a self-assembled monolayer (SAM) is formed on a metal surface of a sensor chip.

特開2009−222401号公報JP 2009-222401 A

P.Freunscht et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopy of trans-stilbene adsorbed on platinum or self-assembled monolayer-modified silver film over nanosphere surfaces”, Chemical Physics Letters, 281(1997), 372-378P. Freunscht et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopy of trans-stilbene adsorbed on platinum or self-assembled monolayer-modified silver film over nanosphere surfaces”, Chemical Physics Letters, 281 (1997), 372-378

特許文献1の図10及び図12では、金属パターンの大きさは直径が800nmである。非特許文献1では、銀フィルムが直径542nmのポリスチレンの球形凸部上に形成されている。そして、特許文献1及び非特許文献1では、金属パターン上に自己組織化単分子膜を形成することが開示されている。   10 and 12 of Patent Document 1, the metal pattern has a diameter of 800 nm. In Non-Patent Document 1, a silver film is formed on a spherical convex portion of polystyrene having a diameter of 542 nm. Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 disclose forming a self-assembled monolayer on a metal pattern.

このような構造によれば、増強電場が形成されるホットサイトとなる金属粒子の密度が小さいため、センサーチップの検出能力の向上に限界があった。   According to such a structure, since the density of the metal particles serving as hot sites where an enhanced electric field is formed is small, there has been a limit to the improvement in detection capability of the sensor chip.

本発明の幾つかの態様によれば、金属粒子の大きさと金属粒子間の間隙との関係からホットサイトの密度を確保しながら、金属粒子間の間隙でもラマン散乱光を増強して、検出能力を向上した光デバイス及び検出装置を提供することができる。   According to some aspects of the present invention, while detecting the hot site density from the relationship between the size of the metal particles and the gap between the metal particles, the Raman scattered light is enhanced even in the gap between the metal particles, and the detection capability It is possible to provide an optical device and a detection apparatus with improved performance.

(1)本発明の一態様は、
基板と、
前記基板の表面に形成される複数の金属粒子から成る金属微細構造と、
前記金属微細構造上に形成される有機分子膜と、を備え、
前記複数の金属ナノ粒子は、平面視での粒子径が1〜500nmであり、隣り合う金属粒子の間隔が0.1〜20nmであり、
前記有機分子膜は分子を捕捉する吸着膜であり、
前記有機分子膜は、隣り合う金属粒子間の間隙を覆うように配置されている光学デバイスに関係する。
(1) One aspect of the present invention is
A substrate,
A metal microstructure comprising a plurality of metal particles formed on the surface of the substrate;
An organic molecular film formed on the metal microstructure,
The plurality of metal nanoparticles have a particle diameter in a plan view of 1 to 500 nm, and an interval between adjacent metal particles is 0.1 to 20 nm,
The organic molecular film is an adsorption film that traps molecules,
The organic molecular film is related to an optical device arranged to cover a gap between adjacent metal particles.

本発明の一態様によれば、光学デバイスでの信号検出強度は、ホットサイト(電場増強の場)となる金属粒子の密度と、金属粒子の周囲に形成される増強電場にて捕捉される標的分子の数とに比例し、金属粒子間の間隙の大きさに反比例する。金属粒子の密度は、金属ナノ粒子の大きさと間隔(微小間隙)で定まる。ここで、金属粒子を小さくするとホットサイトの数は増える。ただし、加工精度が十分に確保できず、光学デバイス毎の測定感度のばらつきが大きくなる場合には、金属粒子を大きくする。ただし、金属粒子の径を大きくすると、ホットサイトの数が少なくなる。よって、この感度低下に対して、微小間隙を小さくして感度を向上させることがおこなわれる。   According to one aspect of the present invention, the signal detection intensity in the optical device is determined by the density of the metal particles serving as hot sites (electric field enhancement field) and the target captured by the enhanced electric field formed around the metal particles. It is proportional to the number of molecules and inversely proportional to the size of the gap between metal particles. The density of the metal particles is determined by the size and interval (minute gap) of the metal nanoparticles. Here, when the metal particles are made smaller, the number of hot sites increases. However, when the processing accuracy cannot be ensured sufficiently and the variation in measurement sensitivity for each optical device increases, the metal particles are increased. However, when the diameter of the metal particles is increased, the number of hot sites is reduced. Therefore, in response to this sensitivity reduction, the sensitivity is improved by reducing the minute gap.

さらに、金属微細構造の微小間隙を覆う有機分子膜が、金属表面そのままでは吸着しない分子を吸着する吸着膜として機能すると共に、増強電場の強度が大きい金属微細構造の微小間隙をも覆う。このことから、光学デバイスでの信号検出強度を大きくすることができる。   Furthermore, the organic molecular film covering the minute gaps of the metal microstructure functions as an adsorption film that adsorbs molecules that are not adsorbed on the metal surface as it is, and also covers the minute gaps of the metal microstructure with a high strength of the enhanced electric field. For this reason, the signal detection intensity in the optical device can be increased.

(2)本発明の一態様では、前記有機分子膜の膜厚を0.1〜1nmとすることができる。有機分子膜の膜厚が小さい方が、金属ナノ粒子の表面からの距離による増強電場の減衰の影響を受けにくく、信号を高感度に検出できる。   (2) In one embodiment of the present invention, the thickness of the organic molecular film can be 0.1 to 1 nm. The smaller the molecular film thickness is, the less sensitive to the attenuation of the enhanced electric field due to the distance from the surface of the metal nanoparticles, the signal can be detected with high sensitivity.

(3)本発明の一態様では、前記有機分子膜の膜厚を0.1〜0.4nmとすることができる。特に、金属粒子の径が大きい金属微細構造では、金属粒子間の微小間隙を小さくしてく、金属ナノ粒子の密度とホットサイト数(増強電場数)を確保して、感度を向上させる必要がある。この場合、有機分子膜の厚みが薄いほど金属粒子間の間隙の全体を覆い易くなる。   (3) In one embodiment of the present invention, the thickness of the organic molecular film can be 0.1 to 0.4 nm. In particular, in metal microstructures with large metal particle diameters, it is necessary to improve the sensitivity by reducing the fine gaps between the metal particles, ensuring the density of the metal nanoparticles and the number of hot sites (the number of enhanced electric fields). . In this case, the thinner the organic molecular film, the easier it is to cover the entire gap between the metal particles.

(4)本発明の一態様では、前記有機分子膜がアルカンチオール膜であり、前記アルカンは主鎖に1原子以上9原子以下の炭素を備えることができる。アルカンチオール膜の膜厚は主鎖炭素原子数と相関があり、9原子以下の炭素を備えることで有機分子膜の膜厚を0.1〜1nmの範囲で安定して形成できる。   (4) In one embodiment of the present invention, the organic molecular film is an alkanethiol film, and the alkane may have 1 to 9 atoms of carbon in the main chain. The film thickness of the alkanethiol film has a correlation with the number of main chain carbon atoms, and the film thickness of the organic molecular film can be stably formed in the range of 0.1 to 1 nm by providing carbon of 9 atoms or less.

(5)本発明の一態様では、前記有機分子膜がアルカンチオール膜であり、前記アルカンは主鎖に1原子以上3原子以下の炭素を備えることができる。アルカンチオール膜の膜厚は主鎖炭素原子数と相関があり、3原子以下の炭素を備えることで有機分子膜の膜厚を0.1〜0.4nmの範囲で安定して形成できる。   (5) In one embodiment of the present invention, the organic molecular film is an alkanethiol film, and the alkane can have 1 to 3 atoms of carbon in the main chain. The film thickness of the alkanethiol film correlates with the number of main chain carbon atoms, and the film thickness of the organic molecular film can be stably formed in the range of 0.1 to 0.4 nm by providing carbon of 3 atoms or less.

(6)本発明の一態様では、前記アルカンチオール膜の炭素の原子数が2以上であり、2以上の炭素原子が直鎖状の配列を有することができる。有機分子膜の分子鎖が基板の表面に対して60°以下で傾斜して直鎖状で配列される場合に、炭素数が2〜9であれば有機分子膜130の膜厚を0.1〜1nmの範囲で安定して形成でき、炭素数が2〜3であれば有機分子膜130の膜厚を0.1〜0.4nmの範囲で安定して形成できる。   (6) In one embodiment of the present invention, the alkanethiol film may have 2 or more carbon atoms, and the two or more carbon atoms may have a linear arrangement. When the molecular chain of the organic molecular film is arranged in a linear form with an inclination of 60 ° or less with respect to the surface of the substrate, the film thickness of the organic molecular film 130 is 0.1 if the carbon number is 2-9. It can be stably formed in the range of ˜1 nm, and if the carbon number is 2 to 3, the film thickness of the organic molecular film 130 can be stably formed in the range of 0.1 to 0.4 nm.

(7)本発明の他の態様は、光源と、前記光源の光が入射される上述した光学デバイスと、前記光学デバイスから発せられる流体試料中の標的物資を反映した光を検出する光検出部と、を有する検出装置に関する。この検出装置は、表面増強ラマン散乱を適用して高感度な検出が可能となる。   (7) In another aspect of the present invention, a light source, the above-described optical device that receives light from the light source, and a light detection unit that detects light reflecting a target material in a fluid sample emitted from the optical device. And a detection device having: This detection apparatus can perform highly sensitive detection by applying surface-enhanced Raman scattering.

図1(A)は、ラマン散乱分光法の原理的な説明図であり、図1(B)は、ラマン散乱分光により取得されるラマンスペクトルの例である。FIG. 1A is an explanatory diagram of the principle of Raman scattering spectroscopy, and FIG. 1B is an example of a Raman spectrum acquired by Raman scattering spectroscopy. 図2(A)は光デバイスの部分断面図であり、図2(B)は光デバイスの部分平面図である。2A is a partial cross-sectional view of the optical device, and FIG. 2B is a partial plan view of the optical device. 膜厚(炭素数)の異なる有機分子膜とラマンスペクトルピーク強度との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the organic molecular film from which film thickness (carbon number) differs, and Raman spectrum peak intensity. 図4(A)は有機分子膜の膜厚(炭素数)とSERSスペクトル強度との関係を示し、図4(B)(C)は有機分子膜の炭素数と膜厚との関係を示す図である。4A shows the relationship between the film thickness (carbon number) of the organic molecular film and the SERS spectrum intensity, and FIGS. 4B and 4C show the relationship between the carbon number of the organic molecular film and the film thickness. It is. 金属ナノ粒子の径が大きい金属微細構造の平面図である。It is a top view of a metal microstructure with a large diameter of metal nanoparticles. 図6(A)(B)は金属ナノ粒子の径とホットサイトの数との関係を示す図である。6A and 6B are diagrams showing the relationship between the diameter of the metal nanoparticles and the number of hot sites. 検出装置の概略図である。It is the schematic of a detection apparatus. 金属表面上の有機分子膜を例示した図である。It is the figure which illustrated the organic molecular film on a metal surface. 有機分子膜の分子長を例示した図である。It is the figure which illustrated the molecular length of the organic molecular film. 有機分子膜の分子長と膜厚との関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relationship between the molecular length and film thickness of an organic molecular film. C−C結合距離と分子長との関係を例示した図である。It is the figure which illustrated the relationship between CC bond distance and molecular length.

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。また、各図においては、各構成要素を図面上で認識し得る程度の大きさとするため、各構成要素の寸法や比率を実際のものとは適宜に異ならせてある。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily. Moreover, in each figure, in order to make each component large enough to be recognized on the drawing, dimensions and ratios of each component are appropriately changed from actual ones.

1.検出原理
図1(A)に、ラマン散乱分光法の原理的な説明図を示す。図1(A)に示すように、単一波長の光Linを標的分子X(標的物)に照射すると、散乱光の中には、入射光Linの波長λinと異なる波長λ2のラマン散乱光Ramが発生する。このラマン散乱光Ramと入射光Linとのエネルギー差は、標的分子Xの振動準位や回転準位や電子準位のエネルギーに対応している。標的分子Xは、その構造に応じた特有の振動エネルギーをもつため、単一波長の光Linを用いることで、標的分子Xを特定できる。
1. Detection Principle FIG. 1A shows a principle explanatory diagram of Raman scattering spectroscopy. As shown in FIG. 1A, when the target molecule X (target object) is irradiated with light Lin having a single wavelength, Raman scattered light Ram having a wavelength λ2 different from the wavelength λin of the incident light Lin is included in the scattered light. Will occur. The energy difference between the Raman scattered light Ram and the incident light Lin corresponds to the vibration level, rotation level, and electron level energy of the target molecule X. Since the target molecule X has a specific vibration energy corresponding to its structure, the target molecule X can be specified by using light Lin having a single wavelength.

例えば、入射光Linの振動エネルギーをV1とし、標的分子Xの振動エネルギーをV2とし、ラマン散乱光Ramの振動エネルギーをV3とすると、V3=V1−V2となる。すなわち、V3がV2に応じた振動エネルギーとなるため、ラマン散乱光Ramの波長λ2を測定することで、標的分子Xを特定できる。   For example, if the vibration energy of the incident light Lin is V1, the vibration energy of the target molecule X is V2, and the vibration energy of the Raman scattered light Ram is V3, then V3 = V1-V2. That is, since V3 becomes vibration energy corresponding to V2, the target molecule X can be specified by measuring the wavelength λ2 of the Raman scattered light Ram.

なお、入射光Linの大部分は、標的分子Xに衝突した後においても衝突前と同じ大きさのエネルギーを有している。この弾性的な散乱光をレイリー散乱光Rayという。例えば、レイリー散乱光Rayの振動エネルギーをV4とすると、V4=V1である。すなわち、レイリー散乱光Rayの波長λ1は、λ1=λinである。   Note that most of the incident light Lin has the same amount of energy after the collision with the target molecule X as before the collision. This elastic scattered light is called Rayleigh scattered light Ray. For example, when the vibration energy of Rayleigh scattered light Ray is V4, V4 = V1. That is, the wavelength λ1 of the Rayleigh scattered light Ray is λ1 = λin.

図1(B)に、ラマン散乱分光により取得されるラマンスペクトル(ラマンシフトとラマン散乱強度との関係)の例を示す。図1(B)に示すグラフの横軸は、ラマンシフトを示す。ラマンシフトとは、ラマン散乱光Ramの波数(振動数)と入射光Linの波数との差であり、標的分子Xの分子結合状態に特有の値をとる。   FIG. 1B shows an example of a Raman spectrum (relation between Raman shift and Raman scattering intensity) acquired by Raman scattering spectroscopy. The horizontal axis of the graph shown in FIG. 1B indicates a Raman shift. The Raman shift is a difference between the wave number (frequency) of the Raman scattered light Ram and the wave number of the incident light Lin, and takes a value specific to the molecular binding state of the target molecule X.

図1(B)に示すように、B1に示すラマン散乱光Ramの散乱強度(スペクトルピーク)と、B2に示すレイリー散乱光Rayの散乱強度を比較すると、ラマン散乱光Ramの方が微弱であることがわかる。このように、ラマン散乱分光法は、標的分子Xの識別能力には優れている一方、標的分子Xをセンシングする感度自体は低い測定手法である。そのため、本実施形態では、表面増強ラマン散乱による分光法を用いて、センサーの高感度化を図っている。   As shown in FIG. 1B, when the scattering intensity (spectrum peak) of the Raman scattered light Ram shown in B1 is compared with the scattering intensity of the Rayleigh scattered light Ray shown in B2, the Raman scattered light Ram is weaker. I understand that. As described above, the Raman scattering spectroscopy is a measurement technique that is excellent in the ability to discriminate the target molecule X, but has low sensitivity itself for sensing the target molecule X. For this reason, in the present embodiment, the sensitivity of the sensor is increased by using spectroscopy based on surface-enhanced Raman scattering.

2.光デバイス
図2(A)(B)に、本発明の一実施形態に係る表面プラズモン共鳴センサーチップ(光デバイス)100の構造を模式的に示した。図2(A)はセンサーチップ100の断面図であり、図2(B)は金属微細構造の平面図であり、いずれもセンサーチップ100の一部を示している。
2. Optical Device FIGS. 2A and 2B schematically show the structure of a surface plasmon resonance sensor chip (optical device) 100 according to an embodiment of the present invention. FIG. 2A is a cross-sectional view of the sensor chip 100, and FIG. 2B is a plan view of a metal microstructure, each showing a part of the sensor chip 100. FIG.

図2(A)に示すセンサーチップ100は、金属微細構造120を形成する複数の金属粒子120Aが、図2(B)に示すように例えば縦横に周期配列されて、基板例えばガラス基板110上に形成されている。複数の金属粒子120Aは、Ag(銀)やAu(金)等の金属にて形成される。なお、金属微細構造120は、基板110上に凹凸パターンを形成し、その凹凸パターン上に金属膜を形成することで製造されても良い。金属粒子120Aの平面視での大きさ(外径)は1〜500nm、隣り合う2つの金属粒子120A間の間隔(微小間隙121の大きさ)は0.1〜20nmとすることができる。さらに好ましくは、金属粒子120Aの平面視での大きさ(外径)は10〜300nmとすることができ、金属粒子間の間隙121の大きさは0.1〜10nmとすることができる。   In the sensor chip 100 shown in FIG. 2A, a plurality of metal particles 120A forming the metal microstructure 120 are periodically arranged, for example, vertically and horizontally as shown in FIG. Is formed. The plurality of metal particles 120A are formed of a metal such as Ag (silver) or Au (gold). The metal microstructure 120 may be manufactured by forming a concavo-convex pattern on the substrate 110 and forming a metal film on the concavo-convex pattern. The size (outer diameter) of the metal particles 120A in a plan view can be 1 to 500 nm, and the distance between two adjacent metal particles 120A (the size of the minute gap 121) can be 0.1 to 20 nm. More preferably, the size (outer diameter) of the metal particles 120A in plan view can be 10 to 300 nm, and the size of the gap 121 between the metal particles can be 0.1 to 10 nm.

図2(B)の顕微鏡写真で示す金属粒子120Aは銀(Ag)にて形成され、金属粒子120Aの直径は140nmであり、隣り合う2つの金属粒子120A間の最小間隔は10nmである。   The metal particles 120A shown in the micrograph of FIG. 2B are formed of silver (Ag), the diameter of the metal particles 120A is 140 nm, and the minimum distance between two adjacent metal particles 120A is 10 nm.

本実施形態では、金属微細構造120上に有機分子膜130を有する。有機分子膜130は分子を捕捉する吸着膜であり、金属微細構造120上にて自己組織化単分子膜SAMを形成する。有機分子膜130は、複数の金属粒子120Aが互いに形成する基板110の表面上の微小間隙121を覆うように配置され、複数の金属ナノ粒子120Aの外表面も覆っている。   In the present embodiment, the organic molecular film 130 is provided on the metal microstructure 120. The organic molecular film 130 is an adsorption film that traps molecules, and forms a self-assembled monolayer SAM on the metal microstructure 120. The organic molecular film 130 is disposed so as to cover the minute gap 121 on the surface of the substrate 110 on which the plurality of metal particles 120A are formed, and also covers the outer surface of the plurality of metal nanoparticles 120A.

2.1.実施例1
本実施例1は、図3にてC1,C3,C16と表記される3種類のアルカンチオール(メタンチオールCHSH:C1と表記、プロパンチオールCSH:C3と表記、ヘキサデカンチオールC1633SH:C16と表記)の1mMエタノール溶液をそれぞれ調製し、図2(B)に示す銀SERSチップ100を一晩浸して、図2(A)に示すようにアルカンチオール膜から成る有機分子膜130を形成した。
2.1. Example 1
In Example 1, three types of alkanethiol (Methanethiol CH 3 SH: C1; Propanethiol C 3 H 7 SH: C3; 16 H 33 SH: C16) 1 mM ethanol solution is prepared, and the silver SERS chip 100 shown in FIG. 2 (B) is soaked overnight. As shown in FIG. A molecular film 130 was formed.

この銀SERSチップ100の表面に、標的物質であるトルエンの気体を曝露させて、銀SERSチップ100を用いて検出されるSERSスペクトルを図3に示す。図3は、2mWレーザー光源からの波長632.8nmの光を、60秒間露光させることで得られるSERSスペクトルである。   FIG. 3 shows the SERS spectrum detected using the silver SERS chip 100 by exposing the surface of the silver SERS chip 100 to toluene gas as a target substance. FIG. 3 is a SERS spectrum obtained by exposing light having a wavelength of 632.8 nm from a 2 mW laser light source for 60 seconds.

図3中のC1とC3のアルカンチオール膜130を形成した銀SERSチップ100では、トルエンに特徴的な785cm−1、1000cm−1、1030cm−1のピークが高感度に検出できており、銀表面だけでは検出できなかった分子の検出が可能となった。 In silver SERS chip 100 to form the C1 and C3 alkane thiol layer 130 in FIG. 3, characteristic of 785 cm -1 in toluene, 1000 cm -1, a peak of 1030 cm -1 has been detected in high sensitivity, silver surface It became possible to detect molecules that couldn't be detected by itself.

上記の結果をアルカンチオールの炭素数を横軸、トルエンの1000cm−1のピークを縦軸にとりプロットすると、図4(A)ようになる。図4(A)に示すように、トルエンの1000cm−1のピークは、C1と表記される炭素数1のメタンチオールCHSH、C3と表記される炭素数3のプロパンチオールCSH、C16と表記される炭素数16のヘキサデカンチオールC1633SHの順で低くなる。有機分子膜130を形成する材料の炭素数は、図4(B)(C)に示すように、有機分子膜130の膜厚に反映する。C1と表記される炭素数1のメタンチオールCHSHによる有機分子膜130の膜厚は0.13nmであるのに対して、C16と表記される炭素数16のヘキサデカンチオールC1633SHによる有機分子膜130の膜厚は1.76nmである。膜厚の計算例については後述する。 When the above results are plotted with the carbon number of alkanethiol on the horizontal axis and the 1000 cm −1 peak of toluene on the vertical axis, FIG. 4A is obtained. As shown in FIG. 4 (A), the peak at 1000 cm −1 of toluene is represented by C 1 methanethiol CH 3 SH expressed as C 1 and C 3 propanethiol C 3 H 7 SH expressed as C 3. , C16 hexadecanethiol C 16 H 33 SH expressed as C16, in that order. The number of carbon atoms of the material forming the organic molecular film 130 is reflected in the film thickness of the organic molecular film 130 as shown in FIGS. The film thickness of the organic molecular film 130 made of C 1 methanethiol CH 3 SH represented by C1 is 0.13 nm, whereas it is made of C 16 hexadecanethiol C 16 H 33 SH represented by C16. The film thickness of the organic molecular film 130 is 1.76 nm. An example of calculating the film thickness will be described later.

図4から、有機分子膜130の膜厚が薄い方が、金属表面からの距離による増強電場の減衰の影響を受けずに高感度に検出できる。膜厚1nmを超えると(炭素数10以上)では感度が低く、トルエン検出能力が低いことが分かる。これは局在型表面プラズモン共鳴(LSPR)による電場増強度Eの範囲が金属ナノ粒子120Aの表面から近いほど大きく、離れるにしたがって著しく減衰するためである(SERS強度∝E)。このことから、有機分子膜130の膜厚は好ましくは0.1〜1nmであり、さらに好ましくは0.1〜0.4nmである。 From FIG. 4, the thinner organic molecular film 130 can be detected with high sensitivity without being affected by the attenuation of the enhanced electric field due to the distance from the metal surface. It can be seen that when the film thickness exceeds 1 nm (10 or more carbon atoms), the sensitivity is low and the toluene detection capability is low. This is because the range of the electric field enhancement E due to the localized surface plasmon resonance (LSPR) is larger as it is closer to the surface of the metal nanoparticle 120A, and is attenuated remarkably as it is farther away (SERS intensity 4E 4 ). From this, the film thickness of the organic molecular film 130 is preferably 0.1 to 1 nm, and more preferably 0.1 to 0.4 nm.

有機分子膜130がアルカンチオール膜である場合には、アルカンは主鎖に1原子以上9原子以下の炭素を備えると、図4(A)に示すように有機分子膜130の膜厚を0.1〜1nmとすることができる。また、有機分子膜130がアルカンチオール膜である場合には、アルカンは主鎖に1原子以上3原子以下の炭素を備えると、図4(A)に示すように有機分子膜130の膜厚を0.1〜0.4nmとすることができる。特に、金属ナノ粒子120Aの粒径が大きくホットサイト数が少ない構造では、金属ナノ粒子120A間の微小間隙121の長さを小さくして感度を向上させる必要があり、このとき有機分子膜130の厚みが制限される。微小間隙121の長さが小さい場合に、有機分子膜130の厚みが厚いと、微小間隙121の全体を有機分子130にて覆うことが困難となるからである。   In the case where the organic molecular film 130 is an alkanethiol film, if the alkane is provided with carbon of 1 atom or more and 9 atoms or less in the main chain, the film thickness of the organic molecular film 130 is reduced to 0. As shown in FIG. It can be set to 1-1 nm. Further, in the case where the organic molecular film 130 is an alkanethiol film, if the alkane has 1 to 3 atoms of carbon in the main chain, the thickness of the organic molecular film 130 is reduced as shown in FIG. The thickness can be 0.1 to 0.4 nm. In particular, in the structure in which the metal nanoparticles 120A have a large particle size and the number of hot sites is small, it is necessary to reduce the length of the minute gap 121 between the metal nanoparticles 120A to improve the sensitivity. The thickness is limited. This is because when the length of the minute gap 121 is small and the organic molecular film 130 is thick, it is difficult to cover the entire minute gap 121 with the organic molecule 130.

なお、炭素の原子数が2〜9である場合には、2以上の炭素原子が直鎖状の配列を有することが好ましい。有機分子膜130の分子鎖が基板110の表面に対して60°以下で傾斜して直鎖状で配列される場合に、炭素数が2〜9であれば有機分子膜130の膜厚を0.1〜1nmの範囲で安定して形成でき、炭素数が2〜3であれば有機分子膜130の膜厚を0.1〜0.4nmの範囲で安定して形成できる。   When the number of carbon atoms is 2 to 9, it is preferable that two or more carbon atoms have a linear arrangement. When the molecular chain of the organic molecular film 130 is arranged in a straight line with an inclination of 60 ° or less with respect to the surface of the substrate 110, the film thickness of the organic molecular film 130 is reduced to 0 if the number of carbon atoms is 2-9. It can be stably formed in the range of 1 to 1 nm, and if the number of carbon atoms is 2 to 3, the thickness of the organic molecular film 130 can be stably formed in the range of 0.1 to 0.4 nm.

ここで、有機分子膜(アルカンチオール膜)の分子構造と膜厚の関係について説明する。図8に示すように、この膜厚Tの定義はアルカンチオールが金属(例えばAg)表面から例えば60°傾いた際の金属側の末端S原子中心から反対側の末端C原子中心までの距離とした。   Here, the relationship between the molecular structure of the organic molecular film (alkanethiol film) and the film thickness will be described. As shown in FIG. 8, the definition of the film thickness T is defined as the distance from the terminal S atom center on the metal side to the terminal C atom center on the opposite side when the alkanethiol is inclined, for example, 60 ° from the metal (eg, Ag) surface. did.

膜厚Tの計算方法は、まずアルカンチオールの分子長(末端S原子から末端C原子の距離)を図9及び図11に示すように求め、次に60°傾いた際の膜厚を図10のようにして求めた。なお、膜厚Tの計算には、化学便覧(基礎編II 改訂2版、日本化学会編、丸善)に記載された結合距離として、C‐C結合距離=1.54Å、S‐C結合距離=1.82Å及びC‐H結合距離=1.10Åを用い、結合角を全て109.5°とした。   The thickness T is calculated by first obtaining the alkanethiol molecular length (distance from the terminal S atom to the terminal C atom) as shown in FIG. 9 and FIG. I asked for it. For the calculation of film thickness T, the bond distance described in the Chemical Handbook (Basic Edition II, revised edition 2, edited by The Chemical Society of Japan, Maruzen) is CC bond distance = 1.54 mm, SC bond distance. = 1.82 mm and C—H bond distance = 1.10 mm, and all bond angles were 109.5 °.

メタンチオール(C1)
分子長={C-C結合距離×(炭素数-1)+S-C結合距離×1}×{sin(109.5°÷2)}
=(1.54×0+1.82×1)×0.8166
=1.49 Å
膜厚=分子長×sin60°
=1.49×√3/2
=1.29 Å
=0.13 nm
ヘキサデカンチオール(C16)
分子長={C-C結合距離×(炭素数-1)+S-C結合距離×1}×{sin(109.5°÷2)}
=(1.54×15+1.82×1)×0.8166
=20.35 Å
膜厚=分子長×sin60°
=20.35×√3/2
=17.62 Å
=1.76 nm
2.2.実施例2
図5は、図2(B)に示す金属微細構造に代えて、金属粒子120Aの粒径を上限の500nmとした例を示している。金属粒子120Aの粒径が大きくなると、図6(A)(B)に示すように、それに伴って局在表面プラズモン共鳴(LSPR)のホットサイトHSの数は減少する。図6(A)(B)はレーザービーム径Dに対して異なる粒子径の金属ナノ粒子120Aを示しており、粒子径が大きい図6(A)では粒子径の小さい図6(B)よりもホットサイトHSの数は少なくなっている。
Methanethiol (C1)
Molecular length = {CC bond distance x (C-1) + S-C bond distance x 1} x {sin (109.5 ° ÷ 2)}
= (1.54 x 0 + 1.82 x 1) x 0.8166
= 1.49 Å
Film thickness = molecular length × sin 60 °
= 1.49 × √3 / 2
= 1.29 Å
= 0.13 nm
Hexadecanethiol (C16)
Molecular length = {CC bond distance x (C-1) + S-C bond distance x 1} x {sin (109.5 ° ÷ 2)}
= (1.54 x 15 + 1.82 x 1) x 0.8166
= 20.35 Å
Film thickness = molecular length × sin 60 °
= 20.35 × √3 / 2
= 17.62 Å
= 1.76 nm
2.2. Example 2
FIG. 5 shows an example in which the particle diameter of the metal particles 120A is set to the upper limit of 500 nm instead of the metal microstructure shown in FIG. As the particle size of the metal particle 120A increases, as shown in FIGS. 6A and 6B, the number of localized surface plasmon resonance (LSPR) hot sites HS decreases accordingly. 6A and 6B show metal nanoparticles 120A having different particle diameters with respect to the laser beam diameter D. FIG. 6A in which the particle diameter is large is larger than that in FIG. The number of hot sites HS is decreasing.

ここで、SERS強度は、ホットサイト数をNとし、微小間隙121の大きさをGとすると、SERS強度∝N/Gとなる。   Here, when the number of hot sites is N and the size of the minute gap 121 is G, the SERS intensity is SERS intensity 微小 N / G.

このように、金属粒子120Aの粒径が大きな構造ではホットサイト数Nが小さいため、金属粒子間の間隙121の大きさGを小さくして感度を向上させる必要がある。上述の通り、金属粒子間の間隙121の大きさGが小さくなると分子長の大きな分子は構造間に入り込めなくなるため、金属粒子間の間隙121の大きさGの大きさによって有機分子膜130の膜厚は限定される。そのため、実施例2のように比較的大きな粒径の金属粒子120Aを用いる場合には、有機分子膜130の膜厚を0.1〜0.4nmとするのが適している。   Thus, since the number N of hot sites is small in the structure in which the particle size of the metal particle 120A is large, it is necessary to improve the sensitivity by reducing the size G of the gap 121 between the metal particles. As described above, when the size G of the gap 121 between the metal particles is reduced, a molecule having a large molecular length cannot enter between the structures. Therefore, the size of the organic molecule film 130 depends on the size G of the gap 121 between the metal particles. The film thickness is limited. Therefore, when the metal particles 120A having a relatively large particle size are used as in the second embodiment, it is suitable that the thickness of the organic molecular film 130 is 0.1 to 0.4 nm.

3.検出装置
図7は、上述したセンサーチップ(光デバイス)100(図7では符号260)を備えた検出装置200の一例を示す模式図である。標的物質(図示せず)のA方向から検出装置200に搬入されてB方向に搬出される。励起光源210から出射されたレーザーはコリメータレンズで平行光にされ、偏光制御素子230を通過し、ダイクロイックミラー240によってセンサーチップ260の方向に導かれる。レーザーは対物レンズ250で集光され、センサーチップ260に入射する。このとき、センサーチップ260の表面(例えば、金属微細構造120が形成された面)には標的物質(図示せず)が配置されている。なお、ファン(図示せず)の駆動を制御することにより、標的物質は搬入口から搬送部内部に導入され、排出口から搬送部外部に排出されるようになっている。
3. FIG. 7 is a schematic diagram illustrating an example of a detection apparatus 200 including the sensor chip (optical device) 100 (reference numeral 260 in FIG. 7) described above. A target substance (not shown) is carried into the detection device 200 from the A direction and is carried out in the B direction. The laser emitted from the excitation light source 210 is collimated by a collimator lens, passes through the polarization control element 230, and is guided toward the sensor chip 260 by the dichroic mirror 240. The laser is condensed by the objective lens 250 and enters the sensor chip 260. At this time, a target substance (not shown) is arranged on the surface of the sensor chip 260 (for example, the surface on which the metal microstructure 120 is formed). By controlling the drive of a fan (not shown), the target substance is introduced from the carry-in port to the inside of the transfer unit and discharged from the discharge port to the outside of the transfer unit.

センサーチップ260表面へレーザー光が入射すると、金属微細構造120の近傍には表面プラズモン共鳴SPRを介して極めて強い増強電場が生じる。増強電場に1〜数個の標的物質が浸入し、有機分子膜130にて吸着されると、そこからラマン散乱光が発生する。ラマン散乱光は、対物レンズ250を通過し、ダイクロイックミラー240によって光検出器280の方向に導かれ、集光レンズ270で集光され、光検出器(例えば、回折格子型分光器)280に入射する。そして、光検出器280によりスペクトル分解され、図4(B)に示されたようなスペクトル情報が得られる。この構成によれば、上述したセンサーチップ100を備えているため、センサー感度が向上され、ラマン散乱スペクトルから標的物質を特定することが可能となる。   When laser light is incident on the surface of the sensor chip 260, an extremely strong enhanced electric field is generated in the vicinity of the metal microstructure 120 via the surface plasmon resonance SPR. When one to several target substances enter the enhanced electric field and are adsorbed by the organic molecular film 130, Raman scattered light is generated therefrom. The Raman scattered light passes through the objective lens 250, is guided in the direction of the photodetector 280 by the dichroic mirror 240, is collected by the condenser lens 270, and enters the photodetector (for example, a diffraction grating type spectrometer) 280. To do. Then, the spectrum is decomposed by the photodetector 280, and the spectrum information as shown in FIG. 4B is obtained. According to this configuration, since the sensor chip 100 described above is provided, the sensor sensitivity is improved, and the target substance can be specified from the Raman scattering spectrum.

なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。   Although the present embodiment has been described in detail as described above, it will be easily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention.

例えば、有機分子膜130を形成させる試薬としては、金属微細構造120上に自己組織化単分子膜(SAM)を形成する試薬を用いることができ、この試薬としてチオール基、ジスルフィド基、カルボニル基などを含むものを用いることができる。なお、従来はSAM形成試薬としては、鎖長が長いもの(膜厚が厚い)の方が、分子間の分子間相互作用が強固なので安定性が高く規則的に配列しやすいため、鎖長が長いもの(膜厚が厚い)よく用いられてきた。しかし、SERSに利用する場合はLPSRの電場増強の及ぶ範囲を効率よく利用するためには、鎖長の短いものの方が有利であることは上述の通り実験により明らかになった。なお、有機分子膜130の形成は液相に限らず気相であってもよい。   For example, as a reagent for forming the organic molecular film 130, a reagent for forming a self-assembled monomolecular film (SAM) on the metal microstructure 120 can be used, and as this reagent, a thiol group, a disulfide group, a carbonyl group, etc. Can be used. Conventionally, as a SAM-forming reagent, a longer chain length (thick film thickness) is more stable and easier to arrange regularly because the intermolecular interaction between molecules is stronger. Long ones (thick film thickness) have been often used. However, as described above, it has been clarified through experiments that, when used for SERS, in order to efficiently use the range of LPSR electric field enhancement, a shorter chain length is more advantageous. The formation of the organic molecular film 130 is not limited to the liquid phase but may be a gas phase.

100,260 光デバイス、110 基板、120 金属微細構造、
120A 金属粒子、121 金属粒子間の間隙、130 有機分子膜、
200 検出装置、210 光源、280 光検出器
100, 260 optical device, 110 substrate, 120 metal microstructure,
120A metal particles, 121 gaps between metal particles, 130 organic molecular film,
200 detectors, 210 light sources, 280 photodetectors

Claims (7)

基板と、
前記基板の表面に形成される複数の金属粒子から成る金属微細構造と、
前記金属微細構造上に形成される有機分子膜と、を備え、
前記複数の金属粒子は、平面視での粒子径が1〜500nmであり、隣り合う金属粒子の間隔が0.1〜20nmであり、
前記有機分子膜は分子を捕捉する吸着膜であり、
前記有機分子膜は、隣り合う金属粒子の間隙を覆うように配置されていることを特徴とする光学デバイス。
A substrate,
A metal microstructure comprising a plurality of metal particles formed on the surface of the substrate;
An organic molecular film formed on the metal microstructure,
The plurality of metal particles has a particle diameter in a plan view of 1 to 500 nm, and an interval between adjacent metal particles is 0.1 to 20 nm,
The organic molecular film is an adsorption film that traps molecules,
The organic molecular film is disposed so as to cover a gap between adjacent metal particles.
請求項1に記載の光学デバイスにおいて、
前記有機分子膜の膜厚が0.1〜1nmであることを特徴とする光学デバイス。
The optical device according to claim 1.
An optical device, wherein the organic molecular film has a thickness of 0.1 to 1 nm.
請求項1に記載の光学デバイスにおいて、
前記有機分子膜の膜厚が0.1〜0.4nmであることを特徴とする光学デバイス。
The optical device according to claim 1.
An optical device having a thickness of the organic molecular film of 0.1 to 0.4 nm.
請求項2に記載の光学デバイスにおいて、
前記有機分子膜がアルカンチオール膜であり、
前記アルカンは主鎖に1原子以上9原子以下の炭素を備えることを特徴とする光学デバイス。
The optical device according to claim 2.
The organic molecular film is an alkanethiol film;
The alkane has carbon of 1 atom or more and 9 atoms or less in the main chain.
請求項3に記載の光学デバイスにおいて、
前記有機分子膜がアルカンチオール膜であり、
前記アルカンは主鎖に1原子以上3原子以下の炭素を備えることを特徴とする光学デバイス。
The optical device according to claim 3.
The organic molecular film is an alkanethiol film;
The alkane has carbon of 1 atom or more and 3 atoms or less in the main chain.
請求項4または5に記載の光学デバイスにおいて、
前記炭素の原子数が2以上であり、2以上の炭素原子が直鎖状の配列を有することを特徴とする光学デバイス。
The optical device according to claim 4 or 5,
The number of carbon atoms is two or more, and the two or more carbon atoms have a linear arrangement.
光源と、
前記光源の光が入射される請求項1乃至6のいずれかに記載の光学デバイスと、
前記光学デバイスから発せられる流体試料中の標的物資を反映した光を検出する光検出部と、
を有することを特徴とする検出装置。
A light source;
The optical device according to any one of claims 1 to 6, wherein light from the light source is incident;
A light detection unit for detecting light reflecting a target material in a fluid sample emitted from the optical device;
A detection apparatus comprising:
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