JP2014173920A - 分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子および電子機器、並びに光学素子の設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光照射により励起されるプラズモンに基づく増強電場の大きい光学素子を備えた分析装置を提供する。
【解決手段】分析装置は、金属層と、金属層上に設けられ、且つ、光を透光する透光層と、透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに第１方向に直交する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、光学素子に入射する入射光を照射する光源３００と、光学素子から放射される光を検出する検出器４００と、を備え、光学素子の金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たし、光学素子に、第１方向と同じ方向の直線偏光光および第２方向と同じ方向の直線偏光光が照射される。Ｐ１＜Ｐ２・・・（１）［ここで、Ｐ１は、第１の間隔を表し、Ｐ２は、第２の間隔を表す。］
【選択図】図１

Description

本発明は、分析装置、分析方法、これらに用いる光学素子および電子機器、並びに光学素子の設計方法に関する。

医療・健康分野をはじめ、環境、食品、公安等の分野において、微量の物質を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するセンシング技術が求められている。センシングの対象となる微量の物質は非常に多岐にわたっており、例えば、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物がセンシングの対象となる。従来、微量物質の検知は、サンプリング、分析、解析を経て行われているが、専用の装置が必要で、検査作業者の熟練を要するため、その場での分析は困難な場合が多かった。そのため、検査結果を得るまでに長期間（数日以上）を要している。センシング技術において、迅速かつ簡便であることの要求は非常に強く、その要求に応えることのできるセンサーの開発が望まれている。

例えば、集積化が比較的容易で、検査・測定環境に影響を受けにくいとの期待から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用するセンサーや、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を利用したセンサーの関心が高まっている。

そして、より高感度なセンシングを目的として、局在型プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）と伝播型プラズモン（ＰＳＰ：Ｐｒｏｐａｇｅｔｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）の両モードを同時に共鳴させるハイブリッドモードを実現する構造を備えたセンサー素子の一例として、特許文献１および特許文献２には、ＧＳＰＰ（Ｇａｐ ｔｙｐｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）と称するものが提案されている。また、非特許文献１には、ＬＳＰおよびＳＰＰをハイブリッドさせることのできる素子を用いてラマン散乱光を増強させる手法が提案されている。

国際公開２００９／００２５２４号 国際公開２００５／１１４２９８号

OPTIC EXPRESS Vol.19 No.16 (2011) 14919-14928

上記非特許文献１に開示されたＳＥＲＳでは、入射光の波長や偏光状態と、アレイの配列との関係が考慮されていないことが一因となって、必ずしも広い帯域での十分な信号増強度が得られていない。

本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、光照射により励起されるプラズモンに基づく光の増強度プロファイルの良好な光学素子、およびその設計方法を提供することにある。また、本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、そのような光学素子を備えた分析装置および電子機器並びに分析方法を提供することにある。

本発明に係る分析装置の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
前記光学素子に入射する入射光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
前記光学素子に、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光および前記第２方向と同じ方向の直線偏光光が照射される。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
このような分析装置によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広くとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
前記光学素子に入射する入射光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
前記光学素子に、円偏光光が照射される。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

このような分析装置によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広くとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（２）の関係を満たしてもよい。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（２）
［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）

このような分析装置によれば、光学素子の増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。

このような分析装置によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の、前記透光層の厚さ方向の大きさ、および、前記金属粒子の前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する前記入射光を照射してもよい。

このような分析装置によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２は、１２０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下であってもよい。

このような分析装置によれば、光学素子の増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下であってもよい。

このような分析装置によれば、光学素子の増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記透光層を二酸化ケイ素としたとき、前記透光層の厚みを２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下又は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下としてもよい。

このような分析装置によれば、光学素子の増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記光源は、前記間隔Ｐ１よりも長い波長の光を照射してもよい。

このような分析装置によれば、光学素子の増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析方法の一態様は、
光学素子に光を照射し、前記光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して対象物を分析する分析方法であって、
前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
前記光学素子に前記第１方向と同じ方向の直線偏光光および前記第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射する。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し。Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

このようにすれば、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析方法の一態様は、
光学素子に光を照射し、前記光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して対象物を分析する分析方法であって、
前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
前記光学素子に円偏光光を照射する。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

このようにすれば、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析方法において、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（２）の関係を満たすように配置されてもよい。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（２）
［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）

このようにすれば、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析方法において、
前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。

このようにすれば、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る分析方法において、
前記光学素子の増強度プロファイルが、前記ラマン散乱光の波長に対応するように、前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２の少なくとも一方を調整してもよい。

このようにすれば、より感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る光学素子の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
前記第１の直線偏光光および前記第２方向の直線偏光光が照射されてラマン散乱光を増強する。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

このような光学素子によれば、プラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定に用いることができる。

本発明に係る光学素子の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
円偏光光が照射されてラマン散乱光を増強する。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

このような光学素子によれば、プラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定に用いることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（２）の関係を満たすように配置されてもよい。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１………（２）
［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）

このような光学素子によれば、増強度プロファイルがより大きく、より感度のよい微量物質の検出・測定に用いることができる。

本発明に係る光学素子の設計方法の一態様は、
金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に間隔Ｐ１をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に間隔Ｐ２をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
前記光学素子の増強度プロファイルが、対象物のラマン散乱光の波長および励起光の波長に対応するように、前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２の少なくとも一方を調節する。

このようにすれば、光学素子を、広範な微量物質の検出、測定に適合させることができる。

本発明に係る電子機器の一態様は、
上述の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。

このような電子機器によれば、感度のよい微量物質の検出・測定を行うことができる。

本発明に係る電子機器において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含んでもよい。

このような電子機器によれば、有用な健康医療情報を提供することができる。

実施形態の分析装置の概略図。 実施形態の光学素子を模式的に示す斜視図。 実施形態の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。 実施形態の光学素子の第１方向に垂直な断面の模式図。 実施形態の光学素子の第２方向に垂直な断面の模式図。 実施形態の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。 ライトラインおよび金の分散曲線を示す分散関係のグラフ。 実施形態の変形例の光学素子を透光層の厚さ方向から見た模式図。 Ａｇの誘電率と波長の関係を示すグラフ。 金属の分散曲線、局在型プラズモンおよび入射光の分散関係を示すグラフ。 実施形態の電子機器の概略図。 実験例に係るモデルの一例を示す模式図。 実験例に係る反射率の波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。 実験例に係るＥＣＳの波長依存性の一例を示すグラフ。

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。

１．分析装置
本実施形態に係る分析装置１０００は、光学素子１００と、光学素子１００に入射光を照射する光源３００と、光学素子１００から放射される光を検出する検出器４００と、備える。

１．１．光学素子
光学素子１００は、分析装置１０００において、光を増強する機能を担う。光学素子１００は、分析装置１０００の分析の対象となる試料に接触させて用いられてもよい。分析装置１０００における光学素子１００の配置は、特に制限されず、設置角度等の調節可能なステージ等に設置されてもよい。

以下、光学素子１００について詳細に説明する。

図２は、本実施形態の光学素子１００を模式的に示す斜視図である。図３は、本実施形態の光学素子１００を平面的に見た模式図である。図４および図５は、本実施形態の光学素子１００の断面の模式図である。図６は、本実施形態の光学素子１００を透光層３０の厚さ方向から見た模式図である。本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と金属粒子２０と透光層３０とを含む。

１．１．１．金属層
金属層１０は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えば、厚板状であってもよいし、フィルム、層または膜の形状を有してもよい。金属層１０は、例えば基板１の上に設けられてもよい。この場合の基板１としては、特に限定されないが、金属層１０に励起される伝播型プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板１としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板１の金属層１０が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層１０の表面に規則構造を形成する場合にはその規則構造に対応する表面を有してもよいし、金属層１０の表面を平面とする場合には平面としてもよい。図２〜図６の例では、基板１の表面（平面）の上に金属層１０が設けられている。

ここで、平面との表現を用いているが、係る表現は、表面が、わずかの凹凸もなく平坦（スムース）な数学的に厳密な平面を指すものではない。例えば、表面には、構成する原子に起因する凹凸や、構成する物質の二次的な構造（結晶、粒塊、粒界等）に起因する凹凸などが存在する場合が有り、微視的にみれば厳密な平面ではない場合がある。しかし、そのような場合でも、より巨視的な視点でみれば、これらの凹凸は目立たなくなり、表面を平面と称しても差し支えない程度に観測される。したがって、本明細書では、このようなより巨視的な視点でみた場合に平面と認識できれば、これを平面と称することとする。

また、本実施形態では、金属層１０の厚さ方向は、後述の透光層３０の厚さ方向と一致している。本明細書では、金属層１０の厚さ方向または透光層３０の厚さ方向を、後述する金属粒子２０について述べる場合などにおいて、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。また、例えば、金属層１０が基板１の表面に設けられる場合には、基板１の表面の法線方向を厚さ方向、厚み方向または高さ方向と称する場合がある。

金属層１０は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層１０が基板１の上に設けられる場合には、基板１の表面の全面に設けられてもよいし基板１の表面の一部に設けられてもよい。金属層１０の厚みは、金属層１０に伝播型プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。

金属層１０は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。更に、虚数部の誘電率がゼロに近づくと、プラズモンは無限大となるため、虚数部は小さいほど好適である。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、およびそれらの合金等を挙げることができる。また、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）は、特定の結晶面であってもなくてもよい。

金属層１０は、本実施形態の光学素子１００において伝播型プラズモンを発生させる機能を有している。金属層１０に後述する条件で光を入射することにより、金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝播型プラズモンが発生する。また、本明細書では、金属層１０の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｌａｒｉｔｏｎ）と称する。金属層１０に発生した伝播型プラズモンは、後述の金属粒子２０に発生する局在型プラズモンと、一定の条件下で相互作用（ハイブリッド）することができる。

１．１．２．金属粒子
金属粒子２０は、金属層１０から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子２０は、金属層１０と空間的に離間して配置されていればよく、金属粒子２０と金属層１０との間には、絶縁体、誘電体、半導体などの他の物質が単層または複数層介在してもよい。本実施形態の図１〜図５の例では、金属層１０の上に透光層３０が設けられ、その上に金属粒子２０が形成されることにより、金属層１０と金属粒子２０とが透光層の厚さ方向で離間して配置されている。

金属粒子２０の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子２０の形状は、金属層１０または透光層３０の厚さ方向に投影した場合に（厚さ方向からの平面視において）円形、楕円形、多角形、不定形またはそれらを組合わせた形であることができ、厚さ方向に直交する方向に投影した場合にも円形、楕円形、多角形、不定形またはそれらを組合わせた形状であることができる。図２〜図６の例では、金属粒子２０は、いずれも透光層３０の厚さ方向に中心軸を有する円柱状の形状で描かれているが、金属粒子２０の形状はこれに限定されない。

金属粒子２０の高さ方向（透光層３０の厚さ方向）の大きさは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子２０を切ることができる区間の長さを指し、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。また、金属粒子２０の高さ方向に直交する第１方向の大きさは、第１方向に垂直な平面によって金属粒子２０を切ることができる区間の長さを指し、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、金属粒子２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子２０の高さ方向の大きさ（円柱の高さ）は、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは３ｎｍ以上３０ｎｍ以下、さらに好ましくは４ｎｍ以上２０ｎｍ以下である。また金属粒子２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子２０の第１方向の大きさ（円柱底面の直径）は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、より好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以上７２ｎｍ以下である。

金属粒子２０の形状、材質は、入射光の照射によって、局在型プラズモンを生じうる限り任意であるが、金属粒子２０は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。更に虚数部の誘電率がゼロに近づくとプラズモンは無限大となる為、虚数部は小さいほど好適である。可視光付近の光によって局在型プラズモンを生じうる材質としては、金、銀、アルミニウム、銅、およびそれらの合金等を挙げることができる。

金属粒子２０は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子２０は、コロイド化学的手法によって形成することができ、これを適宜の手法によって金属層１０から離間した位置に配置してもよい。

金属粒子２０は、本実施形態の光学素子１００において局在型プラズモンを発生させる機能を有している。金属粒子２０に、後述する条件で入射光を照射することにより、金属粒子２０の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。金属粒子２０に発生した局在型プラズモンは、上述の金属層１０に発生する伝播型プラズモンと、一定の条件下で相互作用（ハイブリッド）することができる。

１．１．３．金属粒子の配置
図２〜図６に示すように、金属粒子２０は、複数に並んで金属粒子列２１を構成している。金属粒子２０は、金属粒子列２１において、金属層１０の厚さ方向と直交する第１方向に並んで配置される。言換えると金属粒子列２１は、金属粒子２０が高さ方向と直交する第１方向に複数並んだ構造を有する。金属粒子２０が並ぶ第１方向は、金属粒子２０が長手を有する形状の場合（異方性を有する形状の場合）、その長手方向とは一致しなくてもよい。１つの金属粒子列２１に並ぶ金属粒子２０の数は、複数であればよく、好ましくは１０個以上である。

ここで金属粒子列２１内における第１方向の金属粒子２０の間隔を間隔Ｐ１と定義する（図３、図５、図６参照）。間隔Ｐ１は、第１方向における２つの金属粒子２０の重心間の距離（ピッチ）を指す。なお、金属粒子列２１内における２つの金属粒子２０の粒子間距離は、金属粒子２０が金属層１０の厚さ方向を中心軸とする円柱である場合には、間隔Ｐ１から円柱の直径を差引いた長さに等しい。この粒子間距離が小さいと、粒子間に働く局在型プラズモンの効果が増大し、増強度は大きくなる傾向がある。粒子間距離は、５ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。

金属粒子列２１内における第１方向の金属粒子２０の間隔Ｐ１は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満、さらに好ましくは５０ｎｍ以上７００ｎｍ未満とすることができる。

金属粒子列２１は、第１方向に間隔Ｐ１で並ぶ複数の金属粒子２０によって構成されるが、金属粒子２０に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この金属粒子２０の配列にも依存する。したがって、金属層１０に発生する伝播型プラズモンと相互作用する局在型プラズモンは、単一の金属粒子２０に発生する局在型プラズモンだけでなく、金属粒子列２１における金属粒子２０の配列および透光層３０の厚みを考慮した局在型プラズモンである。

図２〜図６に示すように、金属粒子列２１は、金属層１０の厚さ方向および第１方向と交差する第２方向に間隔Ｐ２で並んで配置される。金属粒子列２１が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは１０列以上である。

ここで、隣合う金属粒子列２１の第２方向における間隔を間隔Ｐ２と定義する。間隔Ｐ２は、第２方向における２つの金属粒子列２１の重心間の距離（ピッチ）を指す。また、間隔Ｐ２は、金属粒子列２１が、複数の列２２から構成される場合には、複数の列２２の第２方向における重心の位置と、隣の金属粒子列２１の複数の列２２の第２方向における重心の位置と、の間の距離を指す（図７参照）。

金属粒子列２１間の間隔Ｐ２は、金属粒子２０間の間隔Ｐ１よりも大きい。すなわち、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２の間には、下記式（１）の関係がある。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）

式（１）の関係を有することにより、光学素子１００における金属粒子２０の配置は、透光層３０の厚さ方向から見た場合に、異方性を有することとなる。金属粒子列２１間の間隔Ｐ２は、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上２μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１３１０ｎｍ以下、特に好ましくは６０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下とすることができる。

また、金属粒子列２１間の間隔Ｐ２は、以下の「１．１．３．１．伝播型プラズモンおよび局在型プラズモン」で述べる条件に従い設定されてもよく、その場合には、光の増強度をさらに高めることができる場合がある。

なお、金属粒子列２１の伸びる第１方向の線と、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０を結ぶ線と、がなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。例えば、図３に示すように、両者がなす角が直角であってもよいし、図６に示すように、両者がなす角が直角でなくてもよい。すなわち、厚さ方向から見た金属粒子２０の配列を、金属粒子２０の位置を格子点とした二次元格子とみなした場合に、既約基本単位格子は、長方形の形状であっても、平行四辺形の形状であってもよい。また、金属粒子列２１の伸びる第１方向の線と、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う金属粒子列２１にそれぞれ属する２つの金属粒子２０であって、互いに最も近接する２つの金属粒子２０の間の間隔を間隔Ｐ２としてもよい。

１．１．３．１．伝播型プラズモンおよび局在型プラズモン
まず、伝播型プラズモンについて説明する。図７は、入射光および金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、金属層１０に光を０〜９０度の入射角（照射角θ）で入射しても伝播型プラズモンは発生しない。例えば、金属層１０がＡｕからなり、かつ、金属層１０周辺の屈折率ｎ＝１の場合には、図７に示すように、ライトライン（ＬｉｇｈｔＬｉｎｅ）とＡｕのＳＰＰの分散曲線が交点を持たないからである。また、光が通過する媒体の屈折率が変化しても、ＡｕのＳＰＰも周辺の屈折率に応じて変化するため、やはり交点を持たないことになる。交点を持たせ伝播型プラズモンを起こさせるためには、クレッチマン配置のようにプリズム上に金属層を設け、プリズムの屈折率により入射光の波数を増加させる方法や、回折格子によりライトラインの波数を増加させる方法がある。なお図７はいわゆる分散関係を示すグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）である。

また、図７のグラフの縦軸の角振動数ω（ｅＶ）は、λ（ｎｍ）＝１２４０／ω（ｅＶ）の関係があり、波長に換算することができる。また、同グラフの横軸の波数ベクトルｋ（ｅＶ／ｃ）は、ｋ（ｅＶ／ｃ）＝２π・２／［λ（ｎｍ）／１００］の関係がある。したがって、例えば、λ＝６００ｎｍのとき、ｋ＝２．０９（ｅＶ／ｃ）となる。

図７にはＡｕのＳＰＰの分散曲線を示したが、一般には、金属層１０に入射される入射光の角振動数をω、真空中の光速をｃ、金属層１０を構成する金属の誘電率をε（ω）、周辺の誘電率をεとしたとき、その金属のＳＰＰの分散曲線は、式（４）
Ｋ_ＳＰＰ＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］・・・（４）
で与えられる。

一方、入射光の照射角であって第１方向からの傾斜角をθとし、格子間隔Ｑを有する回折格子を通過した入射光の波数Ｋは、式（５）
Ｋ＝ｎ・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，）・・・（５）
で表すことができ、この関係は、分散関係のグラフ上には、曲線ではなく直線で現れる。

なお、ｎは、周辺屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’＝ｎ^２−κ^２、ε”＝２ｎκで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜０であるから、εは実数で、ε＝ｎ^２となり、ｎ＝ε^１／２で与えられる。

分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線（上記式（４））と回折光ライトラインの直線（上記式（５））とが交点を有する場合に、伝播型プラズモンが励起される。すなわち、Ｋ_ＳＰＰ＝Ｋの関係が成立すると、金属層１０に伝播型プラズモンが励起される。

したがって、上記式（４）および式（５）から、以下の式（３）が得られ、
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝＝ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）
この式（３）の関係を満たせば、金属層１０に伝播型プラズモンが励起されることが理解される。この場合、図７のＡｕのＳＰＰの例でいえば、θおよびｍを変化させることにより、ライトラインの傾きおよび／または切片を変化させることができ、ＡｕのＳＰＰの分散曲線に対して回折光の直線を交差させることができる。

次に、局在型プラズモンについて説明する。

金属粒子２０に局在型プラズモンを生じさせる条件は、誘電率の実数部により、
Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２ε ・・・（６）
で与えられる。周辺の屈折率ｎを１とするとε＝ｎ^２−κ^２＝１なので、Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２、となる。例えば、Ａｇの誘電率は、図９のようであり、単独粒子の場合には３７０ｎｍの波長で局在型プラズモンが励起されることになるが、複数のＡｇ粒子がナノオーダーで近づく場合や、Ａｇ粒子と金属層１０（Ａｕ膜等）が透光層３０（ＳｉＯ_２等）によって隔てられて配置された場合には、そのギャップの影響により、局在型プラズモンの励起ピーク波長はレッドシフト（長波長側へシフト）する。このシフト量は、Ａｇ径、Ａｇ厚み、Ａｇ粒子間隔、透光層厚み等のディメンジョンに依るが、例えば５００ｎｍ〜１２００ｎｍに局在型プラズモンがピークとなる波長特性を示すことになる。

また、局在型プラズモンは、伝播型プラズモンと異なり、速度を持たず、移動しないプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると、傾きがゼロ、すなわち、ω／ｋ＝０となる。

本実施形態の光学素子１００は、伝播型プラズモンと局在型プラズモンを電磁的に結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させることにより、電場の極めて大きい増強度を得ることができる。すなわち、本実施形態の光学素子１００は、分散関係のグラフにおいて、回折光の直線と金属のＳＰＰの分散曲線との交点を、任意の点とするのではなく、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える点の近傍で両者を交差させることを特徴の一つとしている（図１０参照）。

換言すると、本実施形態の光学素子１００では、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線と、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数（図１０の分散関係のグラフ上で、ＬＳＰと付した横軸に平行な線）との交点の近傍を、回折光の直線が通過するように設計されてもよい。

ここで、交点の近傍とは、波長に換算した場合に、入射光の波長の±１０％程度の長さの波長の範囲内であり、または、入射光の波長の±Ｐ１（金属粒子２０の金属粒子列２１内における間隔）程度の長さの波長の範囲内である。

上記式（４）、式（５）および式（３）では、金属層１０に入射される入射光の角振動数をωとして、伝播型プラズモンの励起される条件を示したが、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッド（相互作用）を生じさせるためには、本実施形態の光学素子１００では、上記式（４）、式（５）および式（３）におけるωは、金属粒子２０（金属粒子列２１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数となる。

したがって、金属粒子列２１に励起される局在型プラズモンの角振動数をωとした場合に、上記式（３）を満たせば、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。

よって、間隔Ｐ１で金属粒子２０が並んだ金属粒子列２１に発生する局在型プラズモンの角振動数をωとし、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線のωの位置の近傍に、傾斜角θで格子間隔Ｑの仮想的な回折格子に入射して回折された回折光ライトライン（次数ｍ）の直線が通るようにすれば（式（３）を満足させれば）、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。言換えると、図１０に示す分散関係のグラフにおいて、ライトラインの傾きおよび／または切片を変化させて、ＳＰＰとＬＳＰとの交点の近傍を通るようにライトラインを変化させることにより、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。図１０に周辺屈折率ｎ＝１で、励起光をＡｕ膜へ垂直入射した場合、金属粒子２０による回折格子ピッチを６００ｎｍに配置した例を示す。ＳＰＰと垂直のライトラインの交点と、ＬＳＰピーク波長が一点で交差していることがわかる。この条件がハイブリッド増強効果を示す一例である。

１．１．３．２．間隔
２つの金属粒子列２１の間の間隔Ｐ２は、Ｐ１＜Ｐ２（式（１））の関係を満足する限り、任意であるが、さらに次のように設定されてもよい。垂直入射（入射角θ＝０）で、かつ、１次の回折光（ｍ＝１）を用いる場合には、間隔Ｐ２を格子間隔Ｑとすれば式（３）を満たすことができる。しかし、選択する入射角θおよび回折光の次数ｍにより、式（３）を満たすことのできる格子間隔Ｑは、幅を有することになる。なお、この場合の入射角θは、透光層３０の厚さ方向から第２方向への傾斜角であることが好ましいが、第１方向の成分を含む方向への傾斜角としてもよい。

したがって、上記の交点近傍であること（±Ｐ１の幅）を考慮して、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることのできる間隔Ｐ２の範囲は、式（７）、
Ｑ−Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（７）
となる。

また、上記の交点近傍を波長で表現する（波長の±１０％の幅）場合には、ωの単位をｅＶとしたとき、
Ｑ−λ／１０≦Ｐ２≦Ｑ＋λ／１０
となり、λ（ｎｍ）＝１２４０／ωであるため、
Ｑ−１２４／ω≦Ｐ２≦Ｑ＋１２４／ω ［ωは、金属粒子列に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数を表し、ここではｅＶの単位で示される。］ ・・・（８）
となる。

一方、間隔Ｐ２は、金属粒子列２１間の第２方向の間隔であるが、隣合う金属粒子列２１に属する２つの金属粒子２０の間の間隔は、２つの金属粒子２０の選び方によって、これらを結ぶ線は第２方向に対して傾けることができる。すなわち、間隔Ｐ２よりも長い間隔を有するように、隣合う金属粒子列２１に属する２つの金属粒子２０を選ぶことができる。図３には、このことを説明する補助線が描かれており、第２方向に対して傾いた方向に沿って、間隔Ｐ２よりも長い距離で離間した２つの金属粒子２０を、隣合う金属粒子列２１から選択することができる。既に述べたように、隣合う金属粒子列２１は、互いに同じ金属粒子列２１であるため、透光層３０の厚さ方向から見た金属粒子２０の配列を、金属粒子２０の位置を格子点とした二次元格子とみなすことができる。そうすると、この二次元格子には、間隔Ｐ２よりも長い格子間隔（回折格子）が存在することになる。

したがって、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２で配列された金属粒子２０のマトリックスは、その間隔Ｐ２よりも大きい格子間隔を有する回折格子による回折光が期待できる。そのため、上記式（７）、式（８）の左側の不等式は、Ｐ１＜Ｐ２（式（１））とすることができる。換言すると、式（７）、式（８）において、間隔Ｐ２が、Ｑ−Ｐ１よりも小さい場合でも、式（３）を満たすことのできる格子間隔Ｑを有する回折格子が存在しうるため、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。したがって間隔Ｐ２は、Ｑ−Ｐ１よりも小さい値であってもよく、Ｐ１＜Ｐ２の関係を満たせばよいことになる。

以上のことから、本実施形態の光学素子１００における金属粒子列２１の間の間隔Ｐ２は、下記式（２）、式（９）の関係を満たせば、局在型プラズモンと伝播型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができることになる。
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（２）
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋１２４／ω ［ωは、金属粒子列に生じる局在型プラズモンにおいて最大または極大の増強度を与える入射光の角振動数を表し、ここではｅＶの単位で示される。］ ・・・（９）

このような範囲の間隔Ｐ２を設定することにより、さらに光の増強度を高めることができる場合がある。

１．１．４．透光層
本実施形態の光学素子１００は、金属層１０と金属粒子２０とを隔てるための透光層３０を有する。図２、４、５には、透光層３０が描かれている。透光層３０は、フィルム、層または膜の形状を有することができる。透光層３０は、金属層１０の上に設けられる。これにより、金属層１０と金属粒子２０とを隔てることができる。

透光層３０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。透光層３０は、金属層１０の表面の全面に設けられてもよいし金属層１０の表面の一部に設けられてもよい。透光層３０の厚みは、金属層１０の伝播型プラズモンと、金属粒子２０の局在型プラズモンとが相互作用できるかぎり、特に限定されず、例えば、１ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができる。或いは、干渉効果を利用した２ｎｄ ｐｅａｋ ｔｈｉｃｋｎｅｓｓでも良い。励起波長をλ、透光層３０の厚みをｄ、透光層３０の材料の薄膜の実効屈折率をｎ_ｅｆｆ、ｊを整数としたとき、
ｄ＝ｊ・λ／（２・ｎ_ｅｆｆ）
で与えられる。具体的には、スペーサー材料をＳｉＯ_２としたとき、２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下が良い。

透光層３０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ_２、Ｔａ_２Ｏ_５、Ｓｉ_３Ｎ_４、高分子、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ Ｔｉｎ Ｏｘｉｄｅ）などで形成することができる。透光層３０は、誘電体からなることができる。さらに、透光層３０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。

透光層３０により、金属粒子２０に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、間隔Ｐ２の設定の際に、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際には、これを考慮すべき場合がある。

１．１．５．その他の構成および変形
１．１．５．１．被覆層
本実施形態の光学素子１００は、必要に応じて被覆層を有してもよい。図示しないが、被覆層は、金属粒子２０を覆うように形成されることができる。また、被覆層は、金属粒子２０を露出させて、その他の構成を被覆するように形成されてもよい。

被覆層は、例えば、金属粒子２０やその他の構成を環境から、機械的、化学的に保護する機能を有する。被覆層は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。被覆層の厚みは、特に限定されない。被覆層の材質は、特に制限はなく、例えば、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３、ＴｉＯ２、Ｔａ２Ｏ５、Ｓｉ３Ｎ４等絶縁体だけでなく、ＩＴＯやＣｕ、Ａｌなどの金属、および高分子、などで形成することができるが、厚みは数ｎｍ以下と薄いことが好ましい。

被覆層を設ける場合には、上記の透光層３０と同様に、金属粒子２０に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、間隔Ｐ２の設定の際に、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際には、これを考慮すべき場合がある。

１．１．５．２．変形
図７は、変形例に係る光学素子２００を第１方向から見た模式図である。金属粒子列２１は、複数の列２２から構成されてもよい。列２２は、複数の金属粒子２０が第１方向に間隔Ｐ１で並んで配置されたものであり、上述の金属粒子列２１と同様である。したがって、複数の列２２は、いずれも第１方向に平行である。図７に示したように間隔Ｐ２は、金属粒子列２１が、複数の列２２から構成される場合には、複数の列２２の第２方向における重心の位置と、隣の金属粒子列２１の複数の列２２の第２方向における重心の位置と、の間の距離を指す。図７は２列の場合を示したが、３列、４列等と増やしても良い。列２２が増えるに従い増強度は低下するがホットスポット密度は増加する為、ラマン散乱の増強効果が高くなる場合がある。また、同一の列２２の隣合う２つの金属粒子２０を結ぶ第１方向の線と、隣合う列２２に属する金属粒子２０で最も近接する金属粒子２０を結ぶ線とがなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。図示の例では、両者がなす角が直角である場合を示している。また、ここで隣合う列２２の間隔を間隔Ｐ３と定義する（図７参照）。間隔Ｐ３は、第２方向における２つの列２２の重心間の距離（ピッチ）を指す。

金属粒子列２１が複数の列２２から構成された場合においても、上述の式（２）、および式（９）の条件を満たすように間隔Ｐ２を設定することにより、さらに光の増強度とホットスポット密度（ＨＳＤ）を高めることができる場合がある。

１．２．光源
本実施形態の分析装置１０００は、光源３００を備える。光源３００は、光学素子１００に対して入射光を照射する。光源３００は、光学素子１００の第１方向（金属粒子２０の並ぶ方向であって、金属粒子列２１の伸びる方向）に直線偏光した光（第１方向と同じ方向の直線偏光光）、および、光学素子１００の第２方向（金属粒子列２１の並ぶ方向であって、金属粒子列２１に交差する方向）に直線偏光した光（第２方向と同じ方向の直線偏光光）、または、円偏光光を照射することができる。

すなわち、光源３００は、光学素子１００に対して、第１方向と同じ方向の直線偏光光および第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射する態様、または、光学素子１００に対して、円偏光光を照射する態様とすることができる。透光層３０の厚さ方向からの、光源３００から照射される入射光の傾斜角θは、光学素子１００の表面プラズモンの励起条件に応じて適宜変化させることができるようにしてもよい。光源３００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。

光源３００が照射する光は、光学素子１００の表面プラズモンを励起することができれば、特に限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、光源３００が照射する光は、コヒーレントな光であってもなくてもよい。具体的には、光源３００としては、半導体レーザー、気体レーザー、ハロゲンランプ、高圧水銀灯、キセノンランプなどに、適宜、波長選択素子、フィルター、偏光子などを設けたものを例示することができる。

偏光子を用いる場合には、公知のものを用いることができ、適宜回転させる機構を備えてもよい。光源３００からの光が励起光となって、光学素子１００に発生したプラズモンによる電場の集中、所謂ホットスポットが生じ、そのホットスポットに付着した物質の微弱なラマン光がホットスポットの電場により増強され物質の検出を行うことができる。

１．３．検出器
本実施形態の分析装置１０００は、検出器４００を備える。検出器４００は、光学素子１００から放射された光を検出する。検出器４００としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを用いることができる。

検出器４００は、光学素子１００から放射される光を検出できる位置に設けられればよく、光源３００との位置関係も特に制限はない。また、検出器４００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。

１．４．入射光
本実施形態の分析装置１０００において光学素子１００に入射される入射光は、例えば、ラマン分光のための励起光である。光学素子１００に入射される入射光の波長は、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、入射光の波長が、局在型プラズモンを生じ、かつ、上述の式（３）の関係を満足させることができるように選ばれれば、さらに高い増強度を得ることができる。

本実施形態では、入射光は、光学素子１００の第１方向と同じ方向の直線偏光光、および、第２方向と同じ方向の直線偏光光の組合わせ、または、円偏光光である。このような光を光学素子１００に入射することにより、広い帯域で光と増強することができる。

１．５．増強度プロファイル
本実施形態の光学素子１００における増強度プロファイルについて説明する。

ラマン増強度は、例えば、非特許文献１に記載されているようにＣ_ｅｘｔ（Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ ｃｒｏｓｓ ｓｅｃｔｉｏｎ）に比例する。

非特許文献１によるとＲａｍａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙは、下記式（Ｘ）の値に比例する。
Ｃｅｘｔ＝（１−Ｒ）・Λ_ｘ・Λ_ｙ ・・・（Ｘ）
［但し、Ｒは反射率、Λ_ｘとΛ_ｙはＸ軸及びＹ軸の金属ナノ粒子の周期である。］

増強度の波長依存性は、反射率の波長依存性から求めることができる。

ラマン散乱光の増強度は、消光断面積（ＥＣＳ：Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）に比例する。従って、ＥＣＳの波長依存性（本明細書において、「増強度プロファイル」ということがある。）を求めることで、増強度の波長依存性を知ることができる。

Ｒａｍａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙは、Ｃ_ｅｘｔに比例し（上記式（Ｘ））、本実施形態の光学素子１００における間隔Ｐ１および間隔Ｐ２を用いて表すと、Ｃ_ｅｘｔ＝ＥＣＳ，Λ_ｘ＝Ｐ１，Λ_ｙ＝Ｐ２であるから、Ｒａｍａｎ ｉｎｔｅｎｓｉｔｙは、式（Ｙ）
ＥＣＳ＝（１−Ｒ）・Ｐ１・Ｐ２ ・・・（Ｙ）
に比例し、これにより求めることができる。

距離ｒだけ離れた位置に２つの双極子（双極子ａ、双極子ｂという）があるとき、それぞれの双極子ベクトルＰ^＊ _ａと双極子ベクトルＰ^＊ _ｂによる双極子−双極子相互作用によるエネルギーＵはｒをベクトルとしてｒ^＊と表記すると、下記式（１０）で表される（本明細書では、ベクトルを表す記号として、「^＊」を用いる。）。
Ｕ＝（１／４πε_０）（１／ｒ^３）［Ｐ^＊ _ａ・Ｐ^＊ _ｂ−３（Ｐ_ａ・ｒ^＊）（Ｐ_ｂ・ｒ^＊）］ ・・・（１０）

本実施形態の構造の場合には、ｒ^＊は透光層３０の厚さ方向であり、Ｐ^＊ _ａとＰ^＊ _ｂは、それぞれ第１方向または第２方向であるので、Ｐ^＊ _ａとｒ^＊、Ｐ^＊ _ｂとｒ^＊は、それぞれ垂直の関係となり、上記式（１０）の右辺第二項は、ゼロとなる。

従って、双極子−双極子相互作用によるエネルギーＵは、Ｐ^＊ _ａ・Ｐ^＊ _ｂに比例することになる。

ここで、上記式（１０）のＰ^＊ _ａをＬＳＰ^＊、Ｐ^＊ _ｂをＰＳＰ^＊と置くと、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交する場合、エネルギーＵは、ゼロ（ＰＳＰ^＊とＬＳＰ^＊の内積）に比例し、ベクトルＬＳＰ^＊の向きが反転した場合でも同様にゼロに比例することとなる。すなわち、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交する場合は、エネルギー準位が縮退して１つのエネルギー準位をとることとなる。

他方、ＰＳＰのベクトルＰＳＰ^＊と、ＬＳＰのベクトルＬＳＰ^＊とが互いに平行となる場合、式（１０）から、エネルギーＵは、ＰＳＰ^＊とＬＳＰ^＊の内積に比例する場合と、ベクトルＬＳＰ^＊の向きが反転して、ＰＳＰ^＊と−ＬＳＰ^＊の内積に比例する場合とが存在することとなる。すなわち、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行な場合には、エネルギー準位は縮退せずに、２つのエネルギー準位をとることとなる。

これにより、励起光の偏光方向がもたらすＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行な場合には、いわゆるアンチクローシングビヘビアー（Ａｎｔｉｃｒｏｓｓｉｎｇ ｂｅｈａｖｉｏｒ）が生じ、増強度の波長依存性において、２つのピークを生じることになる。なお、後述の実験例で示すが、２つのピーク波長が接近している場合には、ピークは分離せずに１つのピークであるかのように観測される場合がある。

これに対して、励起光の偏光方向がもたらすＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交する場合には、いわゆるアンチクローシングビヘビアーは生じず、増強度の波長依存性において、１つのピークを生じることになる。

１．６．増強度プロファイルの設計
本実施形態の分析装置１０００において、光学素子１００をラマン散乱光の増強に使用する場合には、少なくとも上記の事項を考慮して、以下のように光学素子１００の金属粒子２０の配列を設定することが好ましい。

ラマン散乱光の波長または波数は、一般に広い帯域に及ぶ。このような広い帯域は、光学素子１００に、特定の方向の直線偏光光の励起光のみを与えた場合には、その帯域全体を高い増強度となるようにカバーすることができない場合が多い。また、そのような場合には、例えば、積算時間を長くしても、カバーされていない帯域では、高い増強度を得ることはできない。

本実施形態の光学素子１００では、第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光が入射されるだけでは、高い増強度が得られるとしても、増強度プロファイルは、１つのピークとなるため、ラマン散乱光の帯域全体を増強することは困難である。しかし、本実施形態の光学素子１００には、さらに、第２方向と同じ方向の直線偏光光の入射光が入射される。第２方向と同じ方向の直線偏光光の入射光の場合には、増強度は第１方向と同じ方向の直線偏光光の入射光の場合に比較して大きくはないものの、増強度プロファイルは、２つのピークとなるため、一定の増強度を得られる帯域を広くすることができる。

本実施形態の分析装置１０００では、第１方向および第２方向とそれぞれ同じ方向の直線偏光光による、２つの増強度プロファイルを重ねあわせることにより、広い帯域で、十分に高い増強度を得ることができる。これら２つの増強度プロファイルは、光学素子１００における金属粒子２０の配置、材質、金属層１０の厚み、材質などにより調節することができる。

同様に、本実施形態の光学素子１００では、円偏光した入射光が入射される。円偏光光の入射光は、第１方向に沿う偏光成分と、第２方向に沿う偏光成分を含むため、増強度プロファイルの重ねあわせが生じ、広い帯域で、十分に高い増強度を得ることができる。

したがって、本実施形態に係る光学素子１００では、以下のように増強度プロファイルを設計することができる。

例えば、既知の物質の検出に本実施形態の分析装置１０００を用いる場合には、光学素子１００の、第１方向および第２方向それぞれの直線偏光光による２つの増強度プロファイルの重ねあわせが、当該物質のラマン散乱光の波長または波数の領域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出を行うことができる。

また、例えば、未知の物質の検出、同定に本実施形態の分析装置１０００を用いる場合には、光学素子１００の、第１方向および第２方向のそれぞれの直線偏光光による２つの増強度プロファイルの重ねあわせが、できるだけ広い帯域で大きくなるように設定する。このようにすれば、高感度で当該物質の検出、同定を行うことができる。

以上説明した分析装置１０００によれば、光学素子のプラズモンに基づく光の増強度プロファイルを広く大きくとれるため、広範な微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。また、本実施形態の分析装置１０００は、筐体、入出力手段等、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。

本実施形態の分析装置１０００は、以下の特徴を有する。

本実施形態の分析装置１０００は、光学素子１００に第１方向と同じ方向の直線偏光光および第２方向と同じ方向の直線偏光光、または、円偏光光が照射されるため、広い帯域で光を増強することができる。

また、本実施形態の分析装置１０００は、光の増強度が高いため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知することができる。例えば、本実施形態の分析装置１０００の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光を増強することができる。

２．光学素子の設計方法
本実施形態の光学素子１００は、上述した構造を有し、Ｐ１＜Ｐ２（式（１））の関係を有すれば十分に機能することができるが、増強度の大きい光学素子とするための設計方法の一例を以下に具体的に述べる。

まず、光学素子は、分散関係のグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）における、金属層１０を構成する金属の分散曲線と、間隔Ｐ１で並ぶ金属粒子２０（金属粒子列２１）に励起される局在型プラズモンのピークを与える光の角振動数［ω（ｅＶ）］との交点近傍に、金属粒子列２１の回折格子により生じた回折光ライトラインを交差させるように、間隔Ｐ２を選ぶこと、を含んで設計される（図１０参照）。

本実施形態の光学素子の設計方法は、以下に述べる工程を含む。

金属粒子２０（金属粒子列２１）における局在型プラズモンの励起波長依存性を調べ、金属粒子２０に局在型プラズモンの最大、または極大を発生させる波長（本明細書では、これをピーク励起波長ということがある。）を把握する。既述のように、局在型プラズモンは、金属粒子２０の材質、形状、配置、他の構成の有無等により変化するが、ピーク励起波長は、実測または計算により求めることができる。

金属層１０を構成する金属の分散曲線を把握する。この曲線は、金属層１０の材質により、文献等から得ることができる他、計算によって求めることもできる。また、周辺の屈折率に応じライトラインの傾きやＳＰＰ分散関係を求めることもできる。

必要に応じて、求められたピーク励起波長および分散曲線を、分散関係のグラフ（縦軸を角振動数［ω（ｅＶ）］、横軸を波数ベクトル［ｋ（ｅＶ／ｃ）］としたもの）にプロットする。このとき、局在型プラズモンのピーク励起波長は、グラフ上では横軸に平行な線となる。局在型プラズモンは、速度を有さず移動しないプラズモンであるため、分散関係のグラフにプロットする場合には、傾き（ω／ｋ）はゼロとなる。

入射光の入射角θおよび用いる回折光の次数ｍを定めて、式（３）から、Ｑの値を求め、間隔Ｐ２を、式（２）または式（９）の条件を満たすように選んで金属粒子列２１を配置する。

少なくとも以上の工程を行って、間隔Ｐ１、間隔Ｐ２を設定すれば、ＬＳＰとＰＳＰとの相互作用（ハイブリッド）が強まるため、非常に大きな増強度を有する光学素子とすることができる。

３．分析方法
本実施形態の分析方法は、上述の分析装置１０００を用いて行われる。本実施形態の分析方法は、上述の光学素子１００に光を照射し、光の照射に応じて光学素子１００から放射される光を検出して対象物を分析する分析方法であって、光学素子１００は、金属層１０と、金属層１０上に設けられ且つ光を透光する透光層３０と、透光層３０上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子２０と、を含み、光学素子１００の金属粒子２０は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、光学素子１００に第１方向と同じ方向の直線偏光光および第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射して行われる。
Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し。Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］

４．電子機器
本実施形態の電子機器２０００は、上述の分析装置１０００と、検出器４００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部２０１０と、健康医療情報を記憶する記憶部２０２０と、健康医療情報を表示する表示部２０３０と、を備える。

図１１は、本実施形態の電子機器２０００の構成の概略図である。分析装置１０００は、「１．分析装置」で上述した分析装置１０００であり、詳細な説明を省略する。

演算部２０１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、検出器４００から送出される検出情報（信号等）を受取り、これに基づく演算を行う。また、演算部２０１０は、分析装置１０００の制御を行ってもよい。例えば、演算部２０１０は、分析装置１０００の光源３００の出力、位置等の制御や、検出器４００の位置の制御などを行ってもよい。演算部２０１０は、検出器４００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算することができる。そして、演算部２０１０によって演算された健康医療情報は、記憶部２０２０に記憶される。

記憶部２０２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部２０１０と一体的に構成されてもよい。記憶部２０２０に記憶された健康医療情報は、表示部２０３０に送出される。

表示部２０３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成される。表示部２０３０は、演算部２０１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。

５．実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限定されるものではない。以下の例は、計算機によるシミュレーションである。

５．１．計算モデル
図１２は、シミュレーションに用いるモデルの基本構造を示す模式図である。

実験例の計算に用いたモデルは、いずれも、光が透過しない程度に十分厚いＡｕ（金属層）上に透光層（ＳｉＯ_２）膜を形成したものである。透光層の厚みは、２０ｎｍに固定した。透光層の上に配置される金属粒子はＡｇとし、透光層の厚さ方向を中心軸とする円柱とし、円柱の大きさ（底面の直径）を７２ｎｍ、高さを２０ｎｍとした。また、入射光の波長は６００ｎｍまたは６３３ｎｍとした。

計算はＲｓｏｆｔ社（現サイバネットシステム株式会社）のＦＤＴＤ ｓｏｆｔ Ｆｕｌｌｗａｖｅを用いた。また、用いたメッシュの条件は、１ｎｍ最小メッシュとし、計算時間ｃＴは１０μｍとした。

また、周辺屈折率ｎは１とした。入射光については、透光層の厚さ方向（Ｚ）からの垂直入射で、第１方向と同じ方向の直線偏光光、および、第２方向と同じ方向の直線偏光光とした場合について、別々に計算したプロット、または、透光層の厚さ方向（Ｚ）からの垂直入射で、円偏光光とした場合を計算したプロットを求めた。

なお、以下の実験例６を除く他の各実験例で示されるグラフには、凡例として例えば「Ｘ１２０Ｙ６００」、「Ｘ６００Ｙ１２０」などの表記を用いている。計算上いずれもＸ方向の直線偏光光の入射光を用いており、「Ｘ１２０Ｙ６００」と付したものは、間隔Ｐ１が１２０ｎｍ、間隔Ｐ２が６００ｎｍである場合に、「第１方向」の直線偏光光の入射光による結果と等価であり、「Ｘ６００Ｙ１２０」と付したものは、間隔Ｐ１が１２０ｎｍ、間隔Ｐ２が６００ｎｍである場合に、「第２方向」の直線偏光光の入射光による結果と等価である。

５．２．実験例１
図１３は、反射率特性の波長依存性を示すグラフである。本実験例で用いたモデルは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をそれぞれ、３００ｎｍおよび６００ｎｍとしたものである。そして、第１方向の直線偏光光を照射した場合と、第２方向の直線偏光光を照射した場合とをプロットした。

その結果、第１方向の直線偏光光による反射率のプロファイル（Ｘ３００Ｙ６００）は、６２０ｎｍ近傍に極小を有する形状であり、第２方向の直線偏光光による反射率のプロファイル（Ｘ６００Ｙ３００）は、６１０ｎｍ近傍および６７０ｎｍ近傍に２つの極小を有する形状であった。

このような現象は、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２の長さが互いに異なることにより、金属粒子（Ａｇ粒子）の配置が第１方向および第２方向に対して異方性を有するため、光学的特性（反射率特性）においても異方性を示した結果であると考えられるが、以下のようにより詳細な検討を行った。以下は、実験結果である。

上述の通り、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交する関係にあると、反射率の極小は１ピークとなり、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行の関係にあると、反射率の極小は２ピークとなることを以下に検証した。

発明者らは１ピークと２ピークになる理由を鋭意検討した結果、局在型プラズモンＬＳＰは励起光の偏光方向に励起されるが、伝播型プラズモンＰＳＰは励起光の偏光方向に影響されず、金属層１０の表面に全方位に走ることを確認した。全方位にＰＳＰが起きるため、式（３）を満足するピッチで金属粒子２０が配置された方向に強いＰＳＰが立つことが分かった。

つまり、Ｘ３００Ｙ６００モデルは、ＬＳＰのベクトルをＬＳＰ^＊、ＰＳＰのベクトルをＰＳＰ^＊と表記した時、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交する関係にあることが分かった。図３を用いて説明すると、励起方向は第１方向とし、Ｐ１＝３００ｎｍ、Ｐ２＝６００ｎｍとすると、ＬＳＰ^＊は第１方向、ＰＳＰ^＊は第２方向に立っていた。つまり、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交関係にある。このことから、Ｘ３００Ｙ６００モデルは、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが直交関係にあり、図１３のように反射率の極小は１ピークとなることが判明した。

一方、Ｘ６００Ｙ３００モデルは、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行の関係にあることが判明した。図３を用いて説明すると、励起方向は第２方向とし、Ｐ１＝３００ｎｍ、Ｐ２＝６００ｎｍとすると、ＬＳＰ^＊は励起光の偏光方向に立つので第２方向となり、ＰＳＰ^＊は式（３）を満足する第２方向に立っていた。つまり、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行の関係にある。したがって、ＬＳＰ^＊とＰＳＰ^＊とが平行の関係にあり、図１３のように反射率極小は２ピークとなることが判明した。

図１４は、図１３のグラフにおける縦軸（反射率）をＥＣＳ（Ｅｘｔｉｎｃｔｉｏｎ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）に換算してプロットしたものである。既に述べたが、このＥＣＳの値の大きい波長領域において、ラマン散乱光が大きく増幅される。

図１４のグラフをみると、第１方向に直線偏光した光のみを用いる場合には、５７０ｎｍ付近から６６０ｎｍ付近でのラマン散乱光の増強が期待できるが、第２方向に直線偏光した光をあわせて用いれば、２つの増強度プロファイルの加算により、５５０ｎｍ付近から７００ｎｍ付近までラマン散乱光の増強を期待できることが理解される。

５．３．実験例２
図１５は、ＥＣＳの波長依存性を示すグラフである。本実験例で用いたモデルは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２を、１２０ｎｍ、６００ｎｍ、６６０ｎｍおよび７２０ｎｍの組合わせとしたものである。そして、第１方向に直線偏光した光を照射した場合と、第２方向に直線偏光した光を照射した場合とをプロットした。また、図中波線で示したプロットは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２を、いずれも６００ｎｍとした異方性のないモデルの結果を示している。

図１５をみると、Ｘ６００Ｙ６００のＥＣＳに対して、Ｘ１２０Ｙ６００およびＸ６００Ｙ１２０のＥＣＳは、ＥＣＳのピーク値は小さいものの、ＥＣＳを有する帯域が広くなっていることがわかる。すなわち、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をそれぞれ１２０ｎｍおよび６００ｎｍと設定した場合には、第１方向の直線偏光と、第２方向の直線偏光とに、入射光の偏光方向を９０度変えて２回測定することによって、広い帯域で高い増強度を得ることができることがわかる。これに対して間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をいずれも６００ｎｍと設定し、異方性を有さない場合には、測定の積算回数を増した（例えば２回以上測定した）としても比較的狭い帯域において高い増強度が得られるに過ぎないことが理解できる。

また、図１５のグラフから、Ｙ１２０に固定した場合に、Ｘの値が大きくなるほど、長波長側のＥＣＳのピークがより長波長側へシフトすることがわかる。すなわち、第２方向に直線偏光した場合に、間隔Ｐ１を１２０ｎｍに固定し、間隔Ｐ２を６００ｎｍ、６６０ｎｍおよび７２０ｎｍと増加させることにより、増強度が得られる帯域を、より長波長側にシフトさせることができることが判明した。したがって増強度が必要な帯域が長波長側にある場合には、間隔Ｐ２を変化させることにより、その帯域において増強度が得られるように金属粒子の配置を設定できることが判明した。

５．４．実験例３
本実験例では、実験例２と同様にして、Ｘ３００Ｙ３００、Ｘ３００Ｙ６００およびＸ６００Ｙ３００についてＥＣＳの挙動を調べた。図１６は、ＥＣＳの波長依存性を示すグラフである。図中波線で示したプロットは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２を、いずれも３００ｎｍとした異方性のないモデルの結果を示している。

図１６をみると、Ｘ３００Ｙ３００のＥＣＳに対して、Ｘ３００Ｙ６００およびＸ６００Ｙ３００のＥＣＳは、ＥＣＳのピーク値も大きく、ＥＣＳを有する帯域も広くなっていることがわかる。すなわち、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をそれぞれ３００ｎｍおよび６００ｎｍと設定した場合には、実験例２と同様に、第１方向の直線偏光光と、第２方向の直線偏光光とに、入射光の偏光方向を９０度変えて２回測定することによって、広い帯域で高い増強度を得ることができることが判明した。

５．５．実験例４
本実験例では、実験例２と同様にして、Ｘ６６０Ｙ６６０、Ｘ６６０Ｙ１２０およびＸ１２０Ｙ６６０についてＥＣＳの挙動を調べた。図１７は、ＥＣＳの波長依存性を示すグラフである。図中波線で示したプロットは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２を、いずれも６６０ｎｍとした異方性のないモデルの結果を示している。

図１７をみると、Ｘ６６０Ｙ６６０のＥＣＳに対して、Ｘ１２０Ｙ６６０およびＸ６６０Ｙ１２０のＥＣＳは、ＥＣＳのピーク値は小さいものの、ＥＣＳを有する帯域が広くなっていることがわかる。すなわち、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をそれぞれ１２０ｎｍおよび６６０ｎｍと設定した場合には、実験例２と同様に、第１方向の直線偏光光と、第２方向の直線偏光光とに、入射光の偏光方向を９０度変えて２回測定することによって、広い帯域で高い増強度を得ることができることが判明した。

５．６．実験例５
本実験例では、金属粒子列２１が２つの列２２からなる場合のＥＣＳの挙動を調べた。この例では、金属粒子列２１は、２つの列２２から構成され、同一の列２２の隣合う２つの金属粒子２０を結ぶ第２方向の線と、隣合う列２２に属する金属粒子２０で最も近接する金属粒子２０を結ぶ線とがなす角は９０度とした。また、隣合う列２２の間隔Ｐ３は、１２０ｎｍとした。

図１８は、ＥＣＳの波長依存性を示すグラフである。金属粒子列２１が２つの列２２からなるものには、図中「２ｌｉｎｅｓ」と付した。図１８をみると、第１方向および第２方向の直線偏光光の入射光のいずれの場合であっても、金属粒子列２１を２つの列２２で構成した場合には、増強度の大きい帯域が広がることが判明した。

一方、図１８から、金属粒子列２１を２つの列２２で構成した場合は、金属粒子列２１を１つの列とした場合よりも、最大増強度は小さくなることが判明した。図１８のグラフでは、単位粒子数あたりの面積で規格化しているためにこのような結果となったと考えられる。しかし、金属粒子の配置の密度は、金属粒子列２１を２つの列２２で構成した場合は、金属粒子列２１を１つの列とした場合の２倍となるため、ごく微量の物質の検出にこのモデルに従った光学素子を用いると、当該物質と金属粒子との出会いの確率が２倍となり、検出の感度をこの点で増大させることができると考えられる。

５．７．実験例６
１つの円偏光光は、互いに直交し振幅が等しく位相がπ／２だけずれている２つの直線偏光光に分解することができる。つまり、入射光を円偏光光とし、ラマン散乱信号を取得するということは、第１方向の直線偏光光のラマン散乱光と第２方向の直線偏光光のラマン散乱光を同時に取得することを含むことになる。

本実験例の計算に用いたモデルは、いずれも、光が透過しない程度に十分厚いＡｕ（金属層）上に透光層（ＳｉＯ_２）膜を形成したものである。透光層の厚みは、６０ｎｍに固定した。透光層の上に配置される金属粒子はＡｇとし、透光層の厚さ方向を中心軸とする円柱とし、円柱の大きさ（底面の直径）を３２ｎｍ、高さを４ｎｍとした。

本実験例で用いたモデルは、間隔Ｐ１および間隔Ｐ２をそれぞれ、６０ｎｍおよび１８０ｎｍとしたものである。そして、第１方向の直線偏光光を照射した場合（Ｘ６０Ｙ１８０）と、第２方向の直線偏光光を照射した場合（Ｘ１８０Ｙ６０）と、第１方向から第２方向に向って３０度傾く方向と同じ方向の直線偏光光を照射した場合（３０ｄｅｇ）と、第１方向から第２方向に向って６０度傾く方向と同じ方向の直線偏光光を照射した場合（６０ｄｅｇ）とを図１９のグラフにプロットした。

図１９を見ると、斜め方向に直線偏光した入射光の場合（３０ｄｅｇ、６０ｄｅｇ）のＥＣＳは、第１方向および第２方向の直線偏光光の入射光の場合（Ｘ６０Ｙ１８０、Ｘ１８０Ｙ６０）のＥＣＳの中間に位置することがわかる。

このことから、円偏光光を入射光として入射すると、入射光の直線偏光光の方向を０度〜９０度回転した場合の、ＥＣＳの波長依存性を一度に使うことができる、ということが理解される。これにより、円偏光光による１回のラマン散乱測定は、第１方向の直線偏光光におけるラマン散乱測定、および第２方向の直線偏光光におけるラマン散乱測定を２度行う場合と、ほぼ同義のデータが得られることが判明した。

５．８．実験例７
本実験例では、アセトンのラマン散乱光の増強について例示する。

ラマン散乱光のシフト量（ｃｍ^−１）は、励起光の波長をλ_ｉ、散乱光の波長をλ_ｓとした場合に、１／λ_ｉ−１／λ_ｓで与えられる。アセトンは、７８７ｃｍ^−１、１７０８ｃｍ^−１、２９２１ｃｍ^−１にラマン散乱シフトを起こすことが知られている。

励起波長を６００ｎｍとすると、ラマン散乱後の波長は、それぞれ６３０ｎｍ、６６９ｎｍ、７２８ｎｍとなる。

この値と図１５のグラフにおける、Ｘ６００Ｙ６００、Ｘ１２０Ｙ６００、Ｘ６００Ｙ１２０の各モデルのＥＣＳを用いて、ラマン散乱光の増幅度プロファイルを図２０に示す。図２０には、励起光の波長６００ｎｍの補助線と、各ラマン散乱光の波長（６３０ｎｍ、６６９ｎｍ、７２８ｎｍ）の補助線を描いた。

ラマン散乱光の強度は、入射光の波長におけるＥＣＳと散乱光の波長におけるＥＣＳの積で表される。図２０の各モデルのプロットから、波長６００ｎｍ、６３０ｎｍ、６６９ｎｍ、７２８ｎｍのそれぞれの位置のＥＣＳを読取った結果を以下の表１にまとめた。

表１をみると、Ｘ６００Ｙ６００のモデルでは、６６９ｎｍのラマン散乱光が大きく増強されるものの、７２８ｎｍのラマン散乱光は増強されないことがわかる。一方、Ｘ１２０Ｙ６００のモデルでは、６３０ｎｍのラマン散乱光の増強がＸ６００Ｙ６００のモデルの２倍近くあり、６６９ｎｍのラマン散乱光の増強もＸ６００Ｙ６００のモデルの１／１０程度となった。また、Ｘ６００Ｙ１２０のモデルでは、６３０ｎｍのラマン散乱光の増強がないものの、６６９ｎｍのラマン散乱光の増強がＸ６００Ｙ６００のモデルの２倍近くあり、しかも７２８ｎｍのラマン散乱光の増強も認められた。

これらのことから、例えば、間隔Ｐ１が１２０ｎｍで間隔Ｐ２が６００ｎｍである場合のように、金属粒子が異方性を有する配置となっている場合には、励起光の偏光の方向を９０度変えてそれぞれラマン散乱光を増強させることにより、幅広い帯域のラマン散乱光を増強できること、および、異方性を有さない配置の場合（例えば間隔Ｐ１および間隔Ｐ２がともに６００ｎｍである場合）に比較して、ラマン散乱光の全体の増強度も大幅に高くすることができることが判明した。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…基板、１０…金属層、２０…金属粒子、２１…金属粒子列、２２…列、３０…透光層、１００，２００…光学素子、３００…光源、４００…検出器、１０００…分析装置、２０００…電子機器、２０１０…演算部、２０２０…記憶部、２０３０…表示部、Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３…間隔

Claims (20)

1. 金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
   前記光学素子に入射する入射光を照射する光源と、
   前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
   を備え、
   前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
   前記光学素子に、前記第１方向と同じ方向の直線偏光光および前記第２方向と同じ方向の直線偏光光が照射される、分析装置。
   Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
   ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
2. 金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子と、
   前記光学素子に入射する入射光を照射する光源と、
   前記光学素子から放射される光を検出する検出器と、
   を備え、
   前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
   前記光学素子に、円偏光光が照射される、分析装置。
   Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
   ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
3. 請求項１または請求項２において、
   前記光学素子の前記金属粒子の配置は、下記式（２）の関係を満たす、分析装置。
   Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（２）
   ［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
   （ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）
4. 請求項１ないし請求項３のいずれかにおいて、
   前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項において、
   前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の、前記透光層の厚さ方向の大きさ、および、前記金属粒子の前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する前記入射光を照射する、分析装置。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２は、１２０ｎｍ以上７２０ｎｍ以下である、分析装置。
7. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２は、６０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下である、分析装置。
8. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   前記透光層を二酸化ケイ素としたとき、前記透光層の厚みを２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下又は２００ｎｍ以上３００ｎｍ以下とする、分析装置。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項において、
   前記光源は、前記間隔Ｐ１よりも長い波長の光を照射する、分析装置。
10. 光学素子に光を照射し、前記光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して対象物を分析する分析方法であって、
    前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
    前記光学素子に前記第１方向と同じ方向の直線偏光光および前記第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射する、分析方法。
    Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
    ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し。Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
11. 光学素子に光を照射し、前記光の照射に応じて前記光学素子から放射される光を検出して対象物を分析する分析方法であって、
    前記光学素子は、金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
    前記光学素子に円偏光光を照射する、分析方法。
    Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
    ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
12. 請求項１０または請求項１１において、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（２）の関係を満たすように配置された、分析方法。
    Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１ ・・・（２）
    ［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
    （ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）
13. 請求項１０ないし請求項１２のいずれかにおいて、
    前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析方法。
14. 請求項１３において、
    前記光学素子の増強度プロファイルが、前記ラマン散乱光の波長に対応するように、前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２の少なくとも一方を調整する、分析方法。
15. 金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
    前記第１の直線偏光光および前記第２方向の直線偏光光が照射されてラマン散乱光を増強する、光学素子。
    Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
    ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
16. 金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に第１の間隔をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に第２の間隔をもって配列される複数の金属粒子と、を含み、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（１）の関係を満たすように配置され、
    円偏光光が照射されてラマン散乱光を増強する、光学素子。
    Ｐ１＜Ｐ２ ・・・（１）
    ［ここで、Ｐ１は、前記第１の間隔を表し、Ｐ２は、前記第２の間隔を表す。］
17. 請求項１５または請求項１６において、
    前記光学素子の前記金属粒子は、下記式（２）の関係を満たすように配置された、光学素子。
    Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１・・・（２）
    ［ここで、Ｑは、前記金属粒子列に励起される局在型プラズモンの角振動数をω、前記金属層を構成する金属の誘電率をε（ω）、前記金属層の周辺の誘電率をε、真空中の光速をｃ、前記入射光の照射角であって前記透光層の厚さ方向からの傾斜角をθ、として、下記式（３）で与えられる。］
    （ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝^１／２＝（ω／ｃ）・ε^１／２・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ （ｍ＝±１，±２，，） ・・・（３）
18. 金属層と、前記金属層上に設けられ且つ光を透光する透光層と、前記透光層上に第１方向に間隔Ｐ１をもって配列されるとともに前記第１方向に交差する第２方向に間隔Ｐ２をもって配列される複数の金属粒子と、を含む光学素子の設計方法であって、
    前記光学素子の増強度プロファイルが、対象物のラマン散乱光の波長および励起光の波長に対応するように、前記間隔Ｐ１および前記間隔Ｐ２の少なくとも一方を調節する、設計方法。
19. 請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の分析装置と、前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。
20. 請求項１９において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。