JP2013221883A - 試料分析素子および検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ホットスポットの面密度を高めつつ局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を結合させることができる試料分析素子は提供される。
【解決手段】試料分析素子１１は複数列の金属ナノ体列１６を備える。個々の金属ナノ体列１６は、入射光の波長よりも小さい第１のピッチＳＰで誘電体表面に１列に配列される複数の金属ナノ体１５を含む。金属ナノ体列１６は、第１のピッチＳＰよりも大きい第２のピッチＬＰで並列に並べられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属ナノ粒子や金属ナノ突起といった金属ナノ体を備える試料分析素子、および、そうした試料分析素子を利用した検出装置等に関する。

局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用した試料分析素子は知られる。こうした試料分析素子は例えば誘電体表面に分散する金属ナノ体すなわち金属ナノ粒子を備える。金属ナノ粒子は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。金属ナノ粒子に励起光が照射されると、全電気双極子が揃い増強電場が誘発される。その結果、金属ナノ粒子の表面で近接場光が生成される。いわゆるホットスポットが形成される。

非特許文献１では金属ナノ粒子は所定のピッチで格子状に配置される。ピッチの大きさが特定の数値に設定されると、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ粒子の表面で近接場光は強められる。

Ｙｉｚｈｕｏ Ｃｈｕ外著，「Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｓｔｕｄｙ ｏｆ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ ｂｅｔｗｅｅｎ ｌｏｃａｌｉｚｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎｓ」，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，米国，２００９年２月１日，Ｖｏｌ．３４，Ｎｏ．３，ｐ．２４４−２４６

前述の試料分析素子は標的物質の検出装置に利用されることができる。非特許文献１に開示されるように、伝播表面プラズモン共鳴を引き起こすエバネッセント波の波長でピッチが設定されると、誘電体表面上でホットスポットの面密度が著しく低下し、標的物質がなかなかホットスポットに付着することができない。

本発明の少なくとも１つの態様によれば、ホットスポットの面密度を高めつつ局在表面プラズモン共鳴に伝播表面プラズモン共鳴を結合させることができる試料分析素子は提供されることができる。

（１）本発明の一態様は、誘電体表面に、入射光の波長よりも小さい第１のピッチで１列に配列される複数の金属ナノ体を含む複数の金属ナノ体列を備え、前記複数の金属ナノ体列は、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで並列に並べられる試料分析素子に関する。

入射光の働きで金属ナノ体では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ体列のピッチ（第２のピッチ）の働きでエバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ体列内には複数の金属ナノ体が配置されることから、金属ナノ体単体が入射光に共鳴するピッチで配置される場合に比べて金属ナノ体の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。

（２）前記金属ナノ体列同士の間には、金属ナノ体を含まない領域が形成されることができる。すなわち、誘電体表面と、誘電体表面に平行で金属ナノ体の頂上面に接する仮想平面とで仕切られる空間内では隣接する金属ナノ体列同士の間は絶縁体（空間を含む）で満たされる。言い換えると、当該空間内で隣接する金属ナノ体列同士の間から金属材料は排除される。

（３）試料分析素子は、金属膜と、前記金属膜の表面に広がって、前記誘電体表面を構成する誘電体とを備えることができる。金属膜の金属と金属ナノ体の金属との間でダイポールが同じ方向を向くと、局所的な電場共鳴が引き起こされ、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。同様に、金属膜の金属と金属ナノ体の金属との間でダイポールが反対向きに向くと、局所的な電場共鳴が引き起こされ、金属ナノ体の表面で近接場光は強められる。

（４）前記第２のピッチは、前記金属ナノ体で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定されることができる。このように第２のピッチが設定されると、特定の波長で反射率は著しく低減される。その結果、局在表面プラズモンに確実に伝播表面プラズモンが結合する。金属ナノ体の表面で確実に近接場光は強められる。

（５）以上のような試料分析素子は検出装置に組み込まれて使用されることができる。検出装置は、試料分析素子と、前記金属ナノ体列に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記金属ナノ体列から放射される光を検出する光検出器とを備えることができる。

本発明の一実施形態に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。 シミュレーションモデルの単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。 シミュレーションモデルの（ａ）本実施形態に係るモデル、（ｂ）第１比較モデル、および（ｃ）第２比較モデルの平面図である。 第１比較モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第１モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第２モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第３モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第４モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第５モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第６モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 第７モデルの反射率の波長依存性を示すグラフである。 図５〜図１１の反射率の極小値に基づき作成された分散関係を示すグラフである。 第３モデル、第５モデル並びに第１および第２比較モデルの各モデルごとに電場強度の最大値の波長依存性を示すグラフである。 標的分子検出装置の構成を概略的に示す概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。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。

（１）試料分析素子の構造
図１は本発明の一実施形態に係る試料分析素子１１を概略的に示す。この試料分析素子１１は基板１２を備える。基板１２は例えば誘電体から形成される。誘電体には例えばガラスが使用されることができる。

基板１２の表面には金属膜１３が形成される。金属膜１３は金属から形成される。金属膜１３は例えば金から形成されることができる。金属膜１３は例えば基板１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１３の膜厚は例えば１００ｎｍ程度以上に設定されることができる。

金属膜１３の表面には誘電膜（誘電体）１４が形成される。誘電膜１４は誘電体から形成される。誘電膜１４は例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）といった酸化膜から形成されることができる。誘電膜１４は例えば金属膜１３の表面に全面に途切れなく形成されることができる。誘電膜１４の膜厚は例えば４０ｎｍ程度に設定されることができる。

誘電膜１４の表面には金属ナノ突起（金属ナノ体）１５が形成される。金属ナノ突起１５は誘電膜１４の表面で分散する。金属ナノ突起１５は金属から形成される。金属ナノ突起１５は例えば銀から形成されることができる。その他、金属ナノ突起１５の形成にあたって金またはアルミニウムが用いられてもよい。個々の金属ナノ突起１５は角柱に形成される。角柱の水平断面は例えば正方形に形成される。正方形の一辺の長さは例えば１〜１０００ｎｍ程度に設定されることができる。角柱の高さ（誘電膜の表面から）は例えば１０〜１００ｎｍ程度で設定されることができる。角柱の水平断面は正方形以外の多角形に形成されてもよい。金属ナノ突起１５は円柱その他の立体形状に形成されてもよい。

金属ナノ突起１５は金属ナノ突起列（金属ナノ体列）１６を形成する。個々の金属ナノ突起列１６内で金属ナノ突起１５は短ピッチＳＰ（第１のピッチ）で誘電膜１４の表面に１列に配列される。金属ナノ突起列１６は第１方向ＳＤに延びる。短ピッチＳＰは入射光の波長よりも小さく設定される。

金属ナノ突起列１６は第１方向ＳＤに交差する第２方向ＤＲに所定の長ピッチＬＰ（第２のピッチ）で並列に並べられる。ここでは、第２方向ＤＲは誘電膜１４の表面を含む１仮想平面内で第１方向ＳＤに直交する。長ピッチＬＰは少なくとも短ピッチＳＰよりも大きく設定される。望ましくは、長ピッチＬＰは、短ピッチＳＰで生じる局在プラズモン共鳴ピーク波長程度に設定される。長ピッチＬＰの大きさは、後述されるように、エバネッセント波の波数に応じて設定される。

金属ナノ突起列１６同士の間には、金属ナノ突起を含まない非金属領域（金属ナノ体を含まない領域）１７が形成される。すなわち、金属ナノ突起１５の底面を含む仮想平面と、金属ナノ突起１５の頂上面を含む仮想平面とに挟まれる空間内では隣接する金属ナノ突起列１６同士の間は絶縁体（空間を含む）で満たされる。言い換えると、当該空間内で隣接する金属ナノ突起列１６同士の間から金属材料は排除される。ここでは、金属ナノ突起列１６同士の間では誘電膜１４の表面が露出する。

試料分析素子１１では、個々の金属ナノ突起１５の大きさは入射光の波長よりも十分に小さく設定される。その結果、入射光の働きで金属ナノ突起１５では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が引き起こされる。加えて、入射光の偏光面が第２方向ＤＲに合わせ込まれると、長ピッチＬＰの設定に応じて、エバネッセント波に基づき伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）が引き起こされる。伝播表面プラズモン共鳴は金属ナノ突起１５の局在表面プラズモン共鳴に結合する。いわゆるハイブリッドモードが確立される。こうして局在表面プラズモン共鳴は伝播表面プラズモン共鳴で増強され、金属ナノ突起１５の表面で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々の金属ナノ突起列１６内では金属ナノ突起１５同士の間隔は長ピッチＬＰよりも小さい短ピッチＳＰに設定されることから、金属ナノ突起１５同士の間隔が長ピッチＬＰで設定される場合に比べて金属ナノ突起１５の面密度は高められる。ホットスポットの面密度は高められる。

この試料分析素子１１では、長ピッチＬＰは、金属ナノ突起１５で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定される。このように長ピッチＬＰが設定されると、特定の波長で反射率は著しく低減される。その結果、局在表面プラズモンに伝播表面プラズモンが確実に結合する。金属ナノ突起１５の表面で確実に近接場光は強められる。

（２）電場強度の検証
本発明者は試料分析素子１１の電場強度を検証した。検証にあたってＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法のシミュレーションソフトウェアが利用された。図２（ａ）および図２（ｂ）に示されるように、本発明者はＹｅｅ Ｃｅｌｌに基づきシュミレーションモデルの単位ユニットを構築した。この単位ユニットでは１２０ｎｍ角の金属膜１３が形成された。金属膜１３には金が設定された。金属膜１３上に誘電膜１４が形成された。誘電膜１４には二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）が設定された。誘電膜１４の膜厚は４０ｎｍに設定された。誘電膜１４上に８０ｎｍ角の金属ナノ突起１５が形成された。金属ナノ突起１５には銀が設定された。金属ナノ突起１５の高さ（誘電膜１４の表面から）は２０ｎｍに設定された。

図３（ａ）に示されるように、１列の単位ユニットすなわち金属ナノ突起１５で１つの金属ナノ突起列１６が構成された。複数の金属ナノ突起列１６が平行に並べられた。ｘ軸方向に金属ナノ突起列１６の間に長ピッチＬＰが設定された。第１〜第７モデルでは長ピッチＬＰは２４０ｎｍ、３６０ｎｍ、４８０ｎｍ、５５０ｎｍｐ、６００ｎｍ、７２０ｎｍおよび８４０ｎｍにそれぞれ設定された。その結果、金属ナノ突起列１６同士の間には１列の空隙単位ユニットで非金属領域１７が形成された。空隙単位ユニットは１２０ｎｍ角の空隙で構成された。先頭の金属ナノ突起１５で電場強度Ｅｘが算出された。周辺屈折率ｎｓ＝１が設定された。直線偏光の入射光が設定された。偏光面はｘ軸方向に合わせられた。入射光は垂直入射に設定された。金属ナノ突起１５では誘電膜１４の表面に直交する稜線に沿って電場が集中した。

図３（ｂ）に示されるように、本発明者は第１比較モデルを用意した。第１比較モデルでは非金属領域１７は省略された。すなわち、金属ナノ突起列１６は設定されなかった。単純に金属ナノ突起１５が短ピッチＳＰで格子状に配置された。前述と同様に、選択された１つの金属ナノ突起１５で電場強度Ｅｘが算出された。同様に、図３（ｃ）に示されるように、本発明者は第２比較モデルを用意した。第２比較モデルでは金属ナノ突起１５同士の間に第１方向ＤＲおよび第２方向ＳＤにそれぞれ６００ｎｍのピッチが設定された。

図４は第１比較モデルの反射率の波長依存性を示す。図５〜図１１は第１〜第７モデルの反射率の波長依存性を示す。局所的な電場共鳴が起こると、反射率の低下が観察される。高い周波数で現れる極小値（１次極小値に相当）では金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）でダイポールが同じ方向に向くと考えられ、１次極小値よりも低い周波数で現れる極小値（１次よりも高い高次の極小値に相当）では金（Ａｕ）および銀（Ａｇ）のダイポールが反対向きに向くと考えられる。図５および図６に示されるように、第１モデルおよび第２モデルでは波長６８３ｎｍおよび６９６ｎｍ付近でそれぞれ２次極小値が観察された。図７〜９に示されるように、第３〜第５モデルでは波長５５５ｎｍ、５９０ｎｍおよび６２０ｎｍで１次極小値が観察され波長７１５ｎｍ、７３０ｎｍおよび７４５ｎｍで２次極小値が観察された。第３モデルでは波長７１５ｎｍで反射率はほぼ「０（ゼロ）」を示した。第４モデルでは波長５９０ｎｍおよび７３０ｎｍでそれぞれ反射率はほぼ「０」に近づいた。第５モデルでは波長６２０ｎｍで反射率はほぼ「０」を示した。

図１２は各モデルの反射率の極小値から作成された分散関係を示す。複数の長ピッチＬＰに共通に現れる波長（＝６８３ｎｍ）は局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長に相当する。なぜならば、分散関係の傾きは伝搬プラズモンの移動速度を示し、第１モデル（ＬＰ＝２４０ｎｍ）で高次の極小値を示す角周波数の傾きは０（ゼロ）を示し、同様に、第６モデル（ＬＰ＝７２０ｎｍ）および第７モデル（ＬＰ＝８４０ｎｍ）で１次極小値を示す角周波数の傾きは０（ゼロ）を示すからである。局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長は金属ナノ突起１５の体積や誘電膜１４の膜厚に応じて決定されることができる。また、各々の長ピッチＬＰごとに局在表面プラズモンの共鳴波長（＝６８３ｎｍ）以外で反射率の極小値を示す波長は主に伝搬表面プラズモンと考えられる。単位面積当たりで金属ナノ突起１５の並びが増加するにつれて金属ナノ突起１５間の相互作用が増加し共鳴波長がレッドシフトつまり長波長側へシフトした結果である。共鳴ピーク波長の長波長化またはレッドシフトは金属ナノ突起１５群間の相互作用の強さを示す。この波長６８３ｎｍと金Ａｕ（ｎｓ＝１）の伝播表面プラズモン共鳴の分散関係曲線とに基づき非特許文献１と同様にＡｎｔｉ−Ｃｒｏｓｓｉｎｇ Ｂｅｈａｖｉｏｒ（ハイブリッドモードの指標として知られる）が観察された。

図１３は同様に電場強度Ｅｘの波長依存性を示す。ここでは、電場強度Ｅｘの最大値が特定された。最大値の算出にあたって第３〜第６モデル、第１比較モデルおよび第２比較モデルが用いられた。図１３から明らかなように、第３〜第５モデルでは金属ナノ突起列１６の形成に応じて第１比較モデルに比べて大きな最大値が観察された。特に、第４モデルおよび第５モデルは第１比較モデルおよび第２比較モデルに対して大きな最大値が観察された。このとき、第４モデルおよび第５モデルでは第２比較モデルに比べて金属ナノ突起１５の面密度は高いことが認められる。第４モデルおよび第５モデルの長ピッチＬＰは、図８および図９から明らかなように、金属ナノ突起１５で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに相当する。

（３）試料分析素子の製造方法
試料分析素子１１は既知の製造方法で製造されることができる。すなわち、試料分析素子１１の製造にあたってガラスウエハーが用意される。ガラスウエハーの表面には金膜および二酸化シリコン膜が順番に積層される。積層にあたって例えばめっき法やスパッタリング法が用いられればよい。二酸化シリコン膜の表面には一面に金属ナノ突起１５の素材で積層膜が形成される。積層膜の表面には金属ナノ突起１５を象ったマスクが形成される。マスクには例えばフォトレジストが用いられればよい。マスクの周囲で積層膜が除去されると、積層膜から個々の金属ナノ突起１５は成形される。こうした成形にあたってエッチング処理やミリング処理が実施されればよい。ガラスウエハーから個々の基板１２が切り出される。

（４）一実施形態に係る検出装置
図１４は一実施形態に係る標的分子検出装置（検出装置）３１を概略的に示す。標的分子検出装置３１はセンサーユニット３２を備える。センサーユニット３２には導入通路３３と排出通路３４とが個別に接続される。導入通路３３からセンサーユニット３２に気体は導入される。センサーユニット３２から排出通路３４に気体は排出される。導入通路３３の通路入口３５にはフィルター３６が設置される。フィルター３６は例えば気体中の塵埃や水蒸気を除去することができる。排出通路３４の通路出口３７には吸引ユニット３８が設置される。吸引ユニット３８は送風ファンで構成される。送風ファンの作動に応じて気体は導入通路３３、センサーユニット３２および排出通路３４を順番に流通する。こうした気体の流通経路内でセンサーユニット３２の前後にはシャッター（図示されず）が設置される。シャッターの開閉に応じてセンサーユニット３２内に気体は閉じ込められることができる。

標的分子検出装置３１はラマン散乱光検出ユニット４１を備える。ラマン散乱光検出ユニット４１は、センサーユニット３２に照射光を照射しラマン散乱光を検出する。ラマン散乱光検出ユニット４１には光源４２が組み込まれる。光源４２にはレーザー光源が用いられることができる。レーザー光源は特定波長（単一波長）で直線偏光のレーザー光を放射することができる。

ラマン散乱光検出ユニット４１は受光素子４３を備える。受光素子４３は例えば光の強度を検出することができる。受光素子４３は光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子４３から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。

光源４２とセンサーユニット３２との間、および、センサーユニット３２と受光素子４３との間には光学系４４が構築される。光学系４４は光源４２とセンサーユニット３２との間に光路を形成すると同時にセンサーユニット３２と受光素子４３との間に光路を形成する。光学系４４の働きで光源４２の光はセンサーユニット３２に導かれる。センサーユニット３２の反射光は光学系４４の働きで受光素子４３に導かれる。

光学系４４はコリメーターレンズ４５、ダイクロイックミラー４６、対物レンズ４７、集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２を備える。ダイクロイックミラー４６は例えばセンサーユニット３２と受光素子４３との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６とセンサーユニット３２との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６から供給される平行光を集光してセンサーユニット３２に導く。センサーユニット３２の反射光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６を透過する。ダイクロイックミラー４６と受光素子４３との間には集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２が配置される。対物レンズ４７、集光レンズ４８および凹レンズ４９の光軸は同軸に合わせ込まれる。集光レンズ４８で集光された光は凹レンズ４９で再び平行光に変換される。光学フィルター５１はレイリー散乱光を除去する。ラマン散乱光は光学フィルター５１を通過する。分光器５２は例えば特定波長の光を選択的に透過させる。こうして受光素子４３では特定波長ごとに光の強度が検出される。分光器５２には例えばエタロンが用いられることができる。

光源４２の光軸は対物レンズ４７および集光レンズ４８の光軸に直交する。ダイクロイックミラー４６の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー４６と光源４２との間にはコリメーターレンズ４５が配置される。こうしてコリメーターレンズ４５は光源４２に向き合わせられる。コリメーターレンズ４５の光軸は光源４２の光軸に同軸に合わせ込まれる。

標的分子検出装置３１は制御ユニット５３を備える。制御ユニット５３に、光源４２、分光器５２、受光素子４３、吸引ユニット３８、その他の機器が接続される。制御ユニット５３は、光源４２、分光器５２および吸引ユニット３８の動作を制御するとともに、受光素子４３の出力信号を処理する。制御ユニット５３には信号コネクター５４が接続される。制御ユニット５３は信号コネクター５４を通じて外部と信号をやりとりすることができる。

標的分子検出装置３１は電源ユニット５５を備える。電源ユニット５５は制御ユニット５３に接続される。電源ユニット５５は制御ユニット５３に動作電力を供給する。制御ユニット５３は電源ユニット５５から電力の供給を受けて動作することができる。電源ユニット５５には例えば１次電池や２次電池が用いられることができる。２次電池は、例えば、充電用の電源コネクター５６を有することができる。

制御ユニット５３は信号処理制御部を備える。信号処理制御部は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）やＲＯＭ（リードオンリーメモリー）といった記憶回路で構成されることができる。ＲＯＭには例えば処理プログラムやスペクトルデータが格納されることができる。スペクトルデータでは標的分子のラマン散乱光のスペクトルが特定される。ＣＰＵは、一時的にＲＡＭに処理プログラムやスペクトルデータを取り込みながら、処理プログラムを実行する。ＣＰＵは、スペクトルデータに、分光器および受光素子の働きで特定される光のスペクトルを照らし合わせる。

センサーユニット３２はセンサーチップ１１を備える。センサーチップ１１は基板５８に向き合わせられる。センサーチップ１１と基板５８との間には気体室５９が形成される。気体室５９は一端で導入通路３３に接続され他端で排出通路３４に接続される。気体室５９内に金属ナノ突起１５が配置される。光源４２から放出される光はコリメーターレンズ４５で平行光に変換される。直線偏光の光はダイクロイックミラー４６で反射する。反射した光は対物レンズ４７で集光されてセンサーユニット３２に照射される。このとき、光はセンサーチップ１１の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面は凸筋１４に平行に合わせ込まれる。照射された光の働きで金属ナノ突起１５では局在表面プラズモン共鳴が引き起こされる。金属ナノ突起１５同士の間で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。

このとき、ホットスポットで金属ナノ突起１５に標的分子が付着すると、標的分子からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が実現される。その結果、標的分子の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ４７に向かって放出される。

こうしてセンサーユニット３２から放出される光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６、集光レンズ４８、凹レンズ４９および光学フィルター５１を通過する。ラマン散乱光は分光器５２に入射する。分光器５２はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに受光素子４３は光の強度を検出する。光のスペクトルはスペクトルデータに照らし合わせられる。光のスペクトルに応じて標的分子は検出されることができる。こうして標的分子検出装置３１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。

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。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、試料分析素子１１や標的分子検出装置３１等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。

１１ 試料分析素子、１３ 金属膜、１４ 誘電体（誘電膜）、１５ 金属ナノ体（金属ナノ突起）、１６ 金属ナノ体列（金属ナノ突起列）、１７ 金属ナノ体を含まない領域（非金属領域）、３１ 検出装置（標的分子検出装置）、４２ 光源、４３ 光検出器（受光素子）、ＬＰ 第２のピッチ（長ピッチ）、ＳＰ 第１のピッチ（短ピッチ）。

Claims (5)

1. 誘電体表面に、入射光の波長よりも小さい第１のピッチで１列に配列される複数の金属ナノ体を含む複数の金属ナノ体列を備え、前記複数の金属ナノ体列は、前記第１のピッチよりも大きい第２のピッチで並列に並べられることを特徴とする試料分析素子。
2. 請求項１に記載の試料分析素子において、前記金属ナノ体列同士の間には、金属ナノ体を含まない領域が形成されることを特徴とする試料分析素子。
3. 請求項２に記載の試料分析素子において、金属膜と、前記金属膜の表面に広がって、前記誘電体表面を構成する誘電体とを備えることを特徴とする試料分析素子。
4. 請求項３に記載の試料分析素子において、前記第２のピッチは、前記金属ナノ体で生じる局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長よりも短い波長で反射率の１次極小値を確立し、かつ、局在共鳴プラズモン共鳴の共鳴波長よりも長い波長で１次よりも高次の極小値を確立する大きさに設定されることを特徴とする試料分析素子。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の試料分析素子と、
   前記金属ナノ体列に向けて光を放出する光源と、
   前記光の照射に応じて前記金属ナノ体列から放射される光を検出する光検出器と
   を備えることを特徴とする検出装置。

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