JP2014228320A - Optical enhancement element and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、金属微粒子による局在型表面プラズモンを利用した光増強素子及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a light enhancement element using localized surface plasmons of metal fine particles and a method for manufacturing the same.
分析対象に単波長の光(レーザ光)を照射して得られるラマン散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトルを得るラマン分光法は、物質の同定等に利用されている。しかし、通常、分析対象物から得られるラマン散乱光は、信号が微弱であるため高感度で検出することが困難である。 Raman spectroscopy, which obtains a spectrum of Raman scattered light by dispersing Raman scattered light obtained by irradiating an analysis target with light of a single wavelength (laser light), is used for identification of substances. However, the Raman scattered light obtained from the analysis object is usually difficult to detect with high sensitivity because the signal is weak.
そこで近年においては、金属微粒子(「金属ナノ粒子」とも呼ばれる。)の局在型表面プラズモン効果を利用して、金属微粒子の表面に吸着させた分析対象にレーザ光を照射し、これにより発生するラマン散乱光を飛躍的に増強させて検出する表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)の研究が進められている(例えば特許文献1、2参照)。
Therefore, in recent years, a laser beam is emitted to an object to be analyzed adsorbed on the surface of the metal fine particle by utilizing the localized surface plasmon effect of the metal fine particle (also referred to as “metal nanoparticle”). Research on surface-enhanced Raman scattering (SERS: Surface Enhanced Raman Scattering) in which Raman scattered light is detected by dramatically increasing the intensity is being promoted (see, for example,
図10(a)は、特許文献1に開示されている光増強素子の構成を示す概略図である。図10(a)に示された光増強素子100は、平板状の基板111と、基板111の表面上に形成された高反射層112と、高反射層112の表面上に形成された誘電体層113と、誘電体層113の表面上に形成された、多数の銀微粒子114による増強電磁場形成層115とを含む多層構造を有している。
FIG. 10A is a schematic diagram showing the configuration of the light enhancement element disclosed in
図10(b)は、特許文献2に開示されている光増強素子の構成を示す概略図である。図10(b)に示された光増強素子101は、図10(a)に示す光増強素子100に加えて、多数の銀微粒子114の外表面及び基板111の全面を覆うように形成された金膜116を有する。
FIG. 10B is a schematic diagram showing the configuration of the light enhancement element disclosed in
このような光増強素子は、ラマン散乱光や蛍光を増強させる効果がある。このため、光増強素子の上面に検査対象物を設置し、励起光を照射してラマン散乱光や蛍光のスペクトル分析を行うことで、当該検査対象物の物質の同定や検査などの応用が考えられる。このような応用例の一つとして、各種細胞、生体組織切片、抗体/抗原などの生体試料の検査への活用が考えられている。 Such a light enhancement element has an effect of enhancing Raman scattered light and fluorescence. For this reason, an object to be inspected is placed on the upper surface of the light enhancement element, and excitation light is irradiated to perform spectrum analysis of Raman scattered light and fluorescence, so that applications such as identification and inspection of the substance of the object to be inspected are considered. It is done. As one of such application examples, utilization for examination of biological samples such as various cells, biological tissue sections, and antibodies / antigens is considered.
しかし、検査対象物としてこのような生体試料を想定した場合、生体試料にはハロゲン化物イオンが含有されている。このため、かかる被検体を図10(a)に示すような光増強素子100上に載置すると、ハロゲン化物イオンと銀微粒子が直ちに化学反応して変質し、銀微粒子の脱離や溶解などが生じて、光増強効果が得られなくなってしまうという問題がある。
However, when such a biological sample is assumed as the test object, the biological sample contains halide ions. For this reason, when such a specimen is placed on the
また、銀微粒子が大気中に晒される結果、経時的に銀微粒子が酸化されることで、光増強効果が得られなくなるという問題もある。 In addition, as a result of the silver fine particles being exposed to the air, the silver fine particles are oxidized over time, so that the light enhancement effect cannot be obtained.
図10(b)に示す光増強素子101は、銀微粒子の表面が金膜で覆われているため、前記のような生体由来物質からなる検査対象物を光増強素子上に載置しても、ハロゲン化物イオンと銀微粒子が直接接触することがない。よって、この素子によれば生体試料の検査を行うことが可能であると考えられていた。また、銀微粒子が大気中に晒されることがないため、図10(a)に示す光増強素子100に比べれば、銀微粒子の安定性が保たれ、光増強効果の経時的な維持が確保できると考えられていた。
Since the surface of the silver fine particles is covered with a gold film in the
しかし、本発明者の鋭意研究によれば、図10(b)に示すように、金膜で基板上を覆うことで、多数の銀微粒子が有する光増強効果を減衰させてしまうことが分かった。すなわち、光増強素子上に検査対象物を載置した状態で励起光を照射して、ラマン散乱光を受光した場合、図10(b)の構成では図10(a)の構成よりも受光強度が大きく低下してしまう。 However, according to the earnest study of the present inventor, as shown in FIG. 10B, it was found that covering the substrate with a gold film attenuates the light enhancement effect possessed by many silver fine particles. . That is, when the Raman scattering light is received by irradiating the excitation light with the inspection object placed on the light enhancement element, the light reception intensity in the configuration of FIG. 10B is higher than that in the configuration of FIG. Will drop significantly.
本発明は、上記の課題に鑑み、高い光増強効果を安定的に確保できる光増強素子を実現することを目的とする。 An object of this invention is to implement | achieve the optical enhancement element which can ensure the high optical enhancement effect stably in view of said subject.
本発明の光増強素子は、基板と、前記基板の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層とを備えた光増強素子であって、
前記増強電磁場形成層は、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に金膜を有し、
前記金膜が分散して配置されていることを特徴とする。
The light enhancement element of the present invention is a light enhancement element comprising a substrate and an enhanced electromagnetic field forming layer in which a large number of silver fine particles are dispersedly arranged independently of each other on the surface of the substrate,
The enhanced electromagnetic field forming layer has a gold film on a surface that is not in contact with the substrate of each of the silver fine particles,
The gold film is dispersedly arranged.
この構成によれば、金膜が分散して配置されているため、金膜を全面に覆う構成と比較して、多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層が有する高い光増強効果が十分に発揮される。また、多数の銀微粒子のそれぞれの、基板と接触していない面(外表面)上に金膜が形成されているため、光増強素子上に生体試料からなる検査対象物を載置してもハロゲン化物イオンが直接銀微粒子と接触することがなく、また大気に含まれる酸素による酸化も防止される。 According to this configuration, since the gold film is dispersedly arranged, compared with the configuration in which the gold film is entirely covered, the enhanced electromagnetic field forming layer in which a large number of silver fine particles are dispersedly arranged has a high light enhancement effect. It is fully demonstrated. In addition, since a gold film is formed on the surface (outer surface) of each of the many silver fine particles that is not in contact with the substrate, even if a test object made of a biological sample is placed on the light enhancement element, Halide ions do not come into direct contact with the silver fine particles, and oxidation by oxygen contained in the atmosphere is prevented.
つまり、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護とを両立させることができる。 That is, it is possible to achieve both of the light enhancement effect of the enhanced electromagnetic field forming layer and the protection of the silver fine particles.
ここで、前記金膜を、前記多数の銀微粒子それぞれに関連して分散して配置する構成としても構わない。 Here, the gold film may be dispersed and arranged in association with each of the large number of silver fine particles.
つまり、この構成は、多数の銀微粒子が分散配置された箇所においては、当該銀微粒子の外表面に金膜が形成される一方、基板上における銀微粒子が形成されていない箇所、すなわち多数の銀微粒子の相互間の領域には、金膜が形成されない。この結果、金膜が存在することで、多数の銀微粒子からなる増強電磁場形成層が有する光増強効果を低下させる割合を、極力抑制することができる。 In other words, in this configuration, a gold film is formed on the outer surface of the silver fine particle at a place where a large number of silver fine particles are dispersed and arranged, that is, a place where a silver fine particle is not formed on the substrate, that is, a large number of silver A gold film is not formed in the region between the fine particles. As a result, the presence of the gold film makes it possible to suppress as much as possible the rate of reducing the light enhancement effect of the enhanced electromagnetic field forming layer composed of a large number of silver fine particles.
また、前記金膜を、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面を完全に覆うように形成するものとしても構わない。 The gold film may be formed so as to completely cover the surface of each of the silver fine particles that is not in contact with the substrate.
これにより、光増強素子上に形成されている多数の銀微粒子のそれぞれの外表面は金膜で完全にコーティングされるため、ハロゲン化物イオン等との反応や酸化による光増強効果の低下から長時間にわたって保護することができる。すなわち、高い光増強効果を、かなり長時間にわたって維持する機能が奏される。 As a result, the outer surface of each of the many silver fine particles formed on the light enhancement element is completely coated with a gold film, so that the reaction with halide ions or the like and the light enhancement effect due to oxidation are reduced for a long time. Can be protected over. That is, the function of maintaining a high light enhancement effect for a considerably long time is exhibited.
ここで、前記金膜の膜厚を1nm以上5nm以下とするのがより好ましい。膜厚を1nmより薄くすると、銀微粒子をハロゲン化物イオン等との反応や酸化から保護する機能が十分には発揮できない。一方、膜厚を5nmより厚くすると、金膜の含有率が高くなる結果、多数の銀微粒子からなる強電磁場形成層が有する光増強効果を低下させてしまう。金膜の膜厚を上記の範囲内とすることで、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護の両立を最大限機能させることができる。 Here, the thickness of the gold film is more preferably 1 nm or more and 5 nm or less. If the film thickness is less than 1 nm, the function of protecting the silver fine particles from reaction with halide ions or oxidation or oxidation cannot be sufficiently exhibited. On the other hand, if the film thickness is thicker than 5 nm, the content ratio of the gold film increases, and as a result, the light enhancement effect of the strong electromagnetic field forming layer composed of a large number of silver fine particles is reduced. By making the film thickness of the gold film within the above range, it is possible to maximize the compatibility between ensuring the light enhancement effect of the enhanced electromagnetic field forming layer and protecting the silver fine particles.
また、本発明の光増強素子は、上記の特徴に加えて、
前記基板及び前記増強電磁場形成層の上層に形成された保護層を有することを別の特徴とする。
In addition to the above features, the light enhancement element of the present invention has the following features:
Another feature is that a protective layer is formed on the substrate and the enhanced electromagnetic field forming layer.
金膜に加えてこの保護層を有することで、銀微粒子をハロゲン化物イオン等との反応や酸化から保護する機能を更に高めることができる。また、金膜を厚膜で形成する場合と異なり、この保護層を形成した場合には、保護層を介してその上面にまで強い光増強効果を及ぼすことができる。よって、保護層の上面に検査対象物を載置して、励起光を照射することで、検査対象物(又はその標識)から得られるラマン散乱光や蛍光を著しく増強させることができる。つまり、この構成によれば、高い光増強効果を、かなり長時間にわたって維持するという効果を更に高めることができる。 By having this protective layer in addition to the gold film, it is possible to further enhance the function of protecting the silver fine particles from reaction with halide ions and oxidation. Further, unlike the case where the gold film is formed with a thick film, when this protective layer is formed, a strong light enhancement effect can be exerted on the upper surface of the protective layer through the protective layer. Therefore, by placing the inspection object on the upper surface of the protective layer and irradiating the excitation light, Raman scattered light and fluorescence obtained from the inspection object (or its label) can be remarkably enhanced. That is, according to this configuration, the effect of maintaining a high light enhancement effect for a considerably long time can be further enhanced.
ここで、前記保護層を前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する構造とすることができる。より具体的には、前記保護層を、前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する無機物質、又は配向性を有する有機物の重合体で構成しても構わない。 Here, the protective layer may have a structure having an orientation in relation to the large number of metal fine particles. More specifically, the protective layer may be composed of an inorganic substance having orientation in connection with the large number of metal fine particles or a polymer of organic substance having orientation.
この構成により、増強電磁場形成層における局在表面プラズモン効果に起因した増強電磁場を、高効率で保護層の表面に伝達させることが可能となる。 With this configuration, an enhanced electromagnetic field caused by the localized surface plasmon effect in the enhanced electromagnetic field forming layer can be transmitted to the surface of the protective layer with high efficiency.
また、前記保護層は、ハロゲン元素を含有するものとしても構わない。 The protective layer may contain a halogen element.
この構成により、増強電磁場形成層における局在表面プラズモン効果に起因した増強電磁場を、更に高効率で保護層の表面に伝達させることが可能となる。なお、この構成は、保護層を有しない構成において露出した銀微粒子にハロゲン化物イオンを直接接触させる場合とは異なり、保護層としてハロゲン元素を含有した材料を用いるというものであるので、上記の構成と同様に、ハロゲン化物イオンによる銀微粒子へのダメージを防御する機能は担保される。 With this configuration, the enhanced electromagnetic field caused by the localized surface plasmon effect in the enhanced electromagnetic field forming layer can be transmitted to the surface of the protective layer with higher efficiency. Note that this configuration is different from the case where halide ions are directly brought into contact with the exposed silver fine particles in the configuration having no protective layer, and therefore a material containing a halogen element is used as the protective layer. Similarly, the function of protecting the silver fine particles from damage caused by halide ions is secured.
また、本発明の光増強素子の製造方法は、
基板を準備する工程(a)、
前記基板上に、分散して多数の銀微粒子を蒸着する工程(b)、
及び、金膜を蒸着して加熱処理を行うことで、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に前記金膜を形成する工程(c)を有することを特徴とする。
In addition, the method for manufacturing the light enhancement element of the present invention includes:
Preparing a substrate (a),
A step (b) of depositing a large number of fine silver particles dispersed on the substrate;
And it has the process (c) which forms the said gold film on the surface which is not contacting the said board | substrate of each of these many silver fine particles by vapor-depositing a gold film and performing heat processing.
この方法によれば、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護との両立が可能な光増強素子を製造することができる。 According to this method, it is possible to manufacture a light enhancement element capable of ensuring both the light enhancement effect of the enhanced electromagnetic field forming layer and the protection of silver fine particles.
ここで、前記工程(c)において、前記加熱処理を、前記金膜と前記多数の銀微粒子とが合金化しない温度条件下で行うことができる。 Here, in the step (c), the heat treatment can be performed under a temperature condition in which the gold film and the large number of silver fine particles are not alloyed.
この方法によれば、銀微粒子に含まれる銀成分を露出させずに金膜で覆うことができるので、長時間にわたって高い光増強効果を維持することのできる光増強素子を製造することができる。 According to this method, since the silver component contained in the silver fine particles can be covered with the gold film without exposing it, a light enhancement element capable of maintaining a high light enhancement effect for a long time can be manufactured.
本発明の光増強素子によれば、高い光増強効果を安定的に確保することができる。また、本発明の製造方法によれば、このような光増強素子が製造できる。 According to the light enhancement element of the present invention, a high light enhancement effect can be stably secured. Moreover, according to the manufacturing method of this invention, such a light enhancement element can be manufactured.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In each figure, the dimensional ratio in the drawing does not necessarily match the actual dimensional ratio.
〈素子構造〉
図1は、第1実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。図1に示す光増強素子1は、基板7と増強電磁場形成層9を備える。
<Element structure>
FIG. 1 is a schematic diagram showing the configuration of the light enhancement element of the first embodiment. The
基板7の材質は特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂などを用いることができる。なお、後述するように、光増強素子1の作製工程において加熱処理(例えば100℃以上の加熱)が行われる場合には、例えばガラス、ポリイミド樹脂などの耐熱性を有するものであることが好ましい。
The material of the board |
増強電磁場形成層9は、基板7の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子2が分散配置されて構成されている。そして、それぞれの銀微粒子2の、基板7と接触していない面上には金膜3が形成されており、この金膜3は、銀微粒子2と同様に分散して配置されている。
The enhanced electromagnetic
銀微粒子2の形状としては、例えば扁平な半球形状、平板状の形状など、形状異方性を有するものを好適に用いることができる。なお、多数の銀微粒子2は、いずれも均一の大きさ及び形状を備えていることが望ましいが、大きさや形状に多少のばらつきがあっても構わない。
As the shape of the silver
また、銀微粒子2の粒径としては、励起光の波長以下の大きさであることが好ましい。ここで、本明細書において「粒径」とは、顕微鏡法による投影面積円相当径をいう。具体的には、次のようにして求められる。センサチップ3の表面における任意に選ばれる領域について、長さ2μmの線分が長さ6cmに拡大(倍率30000倍)されるよう観察される走査型電子顕微鏡の視野領域(例えば1.5μm×2μm)を撮像領域として、センサチップ3における当該領域の二次電子像を得る。このとき、明るさの指標(256段階)が100程度以上の金属微粒子の各々について、銀微粒子2の面積と同一面積の真円の直径が当該銀微粒子2の粒径として得られる。
Moreover, it is preferable that the particle diameter of the silver
なお、銀微粒子2の粒径は、例えば5〜300nmの範囲内であり、厚みは例えば5〜70nmの範囲内である。また、増強電磁場形成層9を構成する銀微粒子2の密度は、例えば108〜1011個/cm2程度とすることができる。
The particle diameter of the silver
本実施形態では、金膜3は、それぞれの銀微粒子2の、基板7と接触していない面(外表面)上に形成され、それぞれの銀微粒子2の外表面を完全にコーティングするように形成されている。また、図1に示すように、本実施形態では、金膜3は多数の銀微粒子2のそれぞれに関連して分散して配置されている。つまり、多数の銀微粒子2が分散配置された箇所においては、当該銀微粒子2の外表面に金膜3が形成される一方、基板7上における銀微粒子2が形成されていない箇所、すなわち多数の銀微粒子2の相互間の領域5には、金膜が形成されない。
In the present embodiment, the
金膜3の膜厚は、銀微粒子2の厚みの例えば4〜10%の大きさである。銀微粒子2の厚みを5〜70nmの範囲内とした場合、金膜3の膜厚を1nm以上5nm以下とすることができる。
The film thickness of the
〈製造方法〉
基板7を準備し、この基板7の表面に銀微粒子2の前駆体が適宜の溶媒に分散された分散液をスピンコート法により塗布して加熱する。これにより、基板7の表面上に互いに独立して分散配置された多数の銀微粒子2が形成される。なお、別の方法としては、基板7の表面に銀微粒子2の前駆体をディッピングして加熱する方法、基板7の表面に銀微粒子2を真空蒸着する方法、基板7の表面に銀微粒子2をスパッタ蒸着する方法などを用いることができる。
<Production method>
A
次に、銀微粒子2が形成された基板7の表面上に、例えばスパッタ蒸着法によって金膜3の前駆体を蒸着する。その後、所定の温度条件下で加熱処理を行うことで、金膜3の前駆体が表面張力の効果により銀微粒子2側へと移動し、銀微粒子2の外表面に付着する。これにより、銀微粒子2の外表面を覆う金膜3が形成される。
Next, a precursor of the
〈性能評価〉
以下、本実施形態の光増強素子1によって、光増強効果が安定的に実現できる点につき、実施例を参照しながら説明する。
<Performance evaluation>
Hereinafter, the point that the light enhancement effect can be stably realized by the
(実施例1)
基板7として数cm角のスライドガラスを準備する。そして、このスライドガラスの表面上に、直流スパッタ蒸着法を用いて、銀微粒子膜を蒸着することで互いに独立して分散配置された多数の銀微粒子2を形成した。銀微粒子単層膜における銀微粒子2は、粒径が40〜100nm、粒子厚み(高さ)が5〜30nmであり、銀微粒子2の密度は1010〜1011個/cm2である。
Example 1
A slide glass of several cm square is prepared as the
次に、この銀微粒子2が作成されたスライドガラスの表面上に、直流スパッタ蒸着法を用いて、膜厚1nm以上5nm以下の金薄膜を蒸着させる。更に、大気中約200℃±10℃で5〜10分アニールして、多数の銀微粒子2の隙間にあるガラス表面上に堆積した金薄膜を銀微粒子2側に移動させる。これにより、銀微粒子2の外表面に膜厚1nm以上5nm以下の金膜3でコートされたハーフコアシェル型構造の微粒子層を作製した。
Next, a gold thin film having a thickness of 1 nm or more and 5 nm or less is deposited on the surface of the slide glass on which the
なお、このアニール時間及びアニール温度については、多数の銀微粒子2の隙間にあるガラス表面上に金薄膜を残存させずに、且つ、銀微粒子2と金薄膜が合金化しないような条件下で設定した。金薄膜を銀微粒子2側に短時間で移動させるためには、アニール温度を高く設定するのが効果的であるが、あまりに温度が高いと、金薄膜と銀微粒子2が合金化してしまう。そこで、合金化しない温度条件で、且つ5〜10分程度の短時間で金薄膜を銀微粒子2側に移動させることのできる温度として、上記実施例では、約200℃±10℃という温度設定をした。
The annealing time and annealing temperature are set under conditions such that the gold thin film does not remain on the glass surface in the gaps between the many silver
(比較例1)
図2(a)に比較例1として準備した素子21の概略構成を示す。比較例1の素子21は、金膜3を形成していない点を除けば、実施例1と同様の方法により作製された。
(Comparative Example 1)
FIG. 2A shows a schematic configuration of the
(比較例2)
図2(b)に比較例2として準備した素子22の概略構成を示す。比較例2の素子22は、銀微粒子2が形成された基板7の全面に、金薄膜を蒸着して作製された。すなわち、図1に示す実施例1の構成と比較すると、多数の銀微粒子2の隙間の基板7上にも金膜3が形成されている点が異なる。
(Comparative Example 2)
FIG. 2B shows a schematic configuration of the
(検証方法)
次に、これら実施例1、比較例1及び比較例2として作製された各素子(1,21,22)に対する性能検証方法について説明する。各素子を、0.2mol/LのNaCl水溶液(生理食塩水の約2倍の濃度)に温度40℃において任意の時間浸漬させた後、純水にて流水洗浄した。そして、この経過時間毎に、素子表面にローダミン6G色素(Rh6G:発光量子収率およそ1)の希薄エタノール溶液(100μmol/L)を3000回転でスピンコートすることにより、色素分子を素子の表面上に担持させた。なお、光増強素子1の表面に担持される色素分子の密度とスピンコートに用いた溶液の色素濃度との関係は、ローダミン6G色素の濃度が1μMである場合に、色素分子の担持量が3×1011個/cm2である。
(Method of verification)
Next, a performance verification method for each element (1, 21, 22) manufactured as Example 1, Comparative Example 1, and Comparative Example 2 will be described. Each element was immersed in a 0.2 mol / L NaCl aqueous solution (concentration about twice that of physiological saline) at a temperature of 40 ° C. for an arbitrary time, and then washed with running pure water. Then, at each elapsed time, a spin solution of a diluted ethanol solution (100 μmol / L) of rhodamine 6G dye (Rh6G: luminescence quantum yield of about 1) is spin-coated at 3000 revolutions on the surface of the element, so that the dye molecule is placed on the surface of the element. It was made to carry on. The relationship between the density of dye molecules supported on the surface of the
そして、各素子に対して励起光を照射して試料(色素分子)から発せられるラマン散乱光の強度を図3に示す測定装置により測定した。図3は、光増強素子の性能を検証するための測定装置の概念図である。出力1mW未満のHe−Neレーザ(波長632.8nm)で構成した励起光源50及びフィルタ51によって光源部41を構成し、光源部41から光増強素子1に対して励起光を入射させ、光増強素子1の表面上に担持させた色素分子からのラマン散乱光を受光部43によって受光する。受光部43は、集光レンズ52、フィルタ53、受光ヘッド54及び電子冷却型ダイオードアレイで構成した光検出器55によって構成した。
And the intensity | strength of the Raman scattered light emitted from a sample (pigment molecule | numerator) by irradiating excitation light with respect to each element was measured with the measuring apparatus shown in FIG. FIG. 3 is a conceptual diagram of a measuring apparatus for verifying the performance of the light enhancement element. A
より詳細には、He−Neレーザ(波長632.8nm)で構成した励起光源50からの射出光を、フィルタ51を介して非集光(エネルギー密度約30mW/cm2)又は反集光(エネルギー密度約10mW/cm2以下)励起光として光増強素子1に対して、約45°の角度で入射させる。そして、光増強素子1に担持された色素分子による90°の角度方向に散乱される光を、集光レンズ52によって、光検出器55の受光ヘッド54にフィルタ53を介して集光した。
More specifically, the light emitted from the
図4は、素子に対して励起光を照射して受光部43で測定されたラマンスペクトルの一例である。ローダミン6G分子に帰属される1510cm−1のピークを代表値として取り出してラマン強度の指標とした。この際、ラマンスペクトルには蛍光がバックグラウンドとして含まれるため、直線を仮定して差し引いた。図4の例の場合、ラマン散乱光強度は約500cpsとなる。以下の実施例、比較例に基づく検証では、この1510cm−1のピークを基に、信号強度とNaCl水溶液の処理時間の関係を測定している。
FIG. 4 is an example of a Raman spectrum measured by the
(検証結果)
比較例1の素子21は、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)に浸漬すると直ちに肉眼でも容易に識別可能な銀腐食が始まり、基板7上の銀微粒子2は直ちに溶解した。ラマン信号も検出できなかった。
(inspection result)
When the
実施例1の光増強素子1に対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とNaCl水溶液処理時間の関係を図5(a)に示す。また、比較例2の素子22に対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とNaCl水溶液処理時間の関係を図5(b)に示す。図5のグラフにおいて、縦軸は1510cm−1のラマン散乱強度(cps)を示し(図4参照)、横軸は0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)の処理時間を示す。
FIG. 5A shows the relationship between the signal intensity of the Raman spectrum received by the light receiving unit when the
比較例2の素子22は、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)に浸漬すると5分程度の浸漬で肉眼でも容易に識別可能な膜の腐食が始まり、約15分の浸漬でほぼ完全に腐食が進行し、この時点で銀微粒子2の膜が基板7から失われた。図5(b)に示すように、15分だけ増強ラマン信号が持続しており、銀微粒子2の膜が失われた時間と一致している。
When the
これに対し、実施例1の光増強素子1は、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)に浸漬すると、比較例2の素子22の場合よりも極めて長い時間(5時間程度)が経過した段階で肉眼でも容易に識別可能な膜の腐食が始まった。図5(a)に示すように、5時間が経過しても依然として増強ラマン信号が持続している。なお、図5(a)には表示されていないが、完全に増強ラマン信号が確認されなくなったのは実験開始から10時間後であった。
On the other hand, when the
また、図5(a)及び図5(b)を比較すると、増強ラマン信号の強度についても、実施例1の方が比較例2よりも高いことが分かる。 5A and 5B, it can be seen that the intensity of the enhanced Raman signal is higher in Example 1 than in Comparative Example 2.
比較例1(素子21)のように、銀微粒子2に金膜3が形成されていない素子の場合は、ハロゲン化物イオンを含む水溶液を素子に浸漬させると、銀微粒子2がハロゲン化物イオンに直接晒されてしまう。このため、直ちに銀微粒子2がハロゲン化物イオンと反応し、基板7から溶解脱離して光増強効果を失ったものと考えられる。つまり、このような素子21を用いてハロゲン化物イオンを含む生体試料を検査することはできないといえる。
In the case of an element in which the
比較例2(素子22)では、比較例1と比べるとハロゲン化物イオンに対する耐性が高まっている。これは、銀よりも化学的に安定な金で構成された金膜3が、銀微粒子2の周囲に形成されているため、ハロゲン化物イオンが銀微粒子2側へ進行するのに比較例1よりも時間がかかるためであると考えられる。
In Comparative Example 2 (Element 22), resistance to halide ions is increased as compared with Comparative Example 1. This is because the
実施例1(光増強素子1)では、比較例2よりも更にハロゲン化物イオンに対する耐性が高まっている。これは、実施例1の作製過程において、アニール処理を行って金薄膜を銀微粒子2側に移動させる工程を実行した結果、銀微粒子2の外表面のうち、特に基板7の面に垂直に近い角度を有する外表面(領域2A:図1参照)に対しても、十分な膜厚の金膜3が形成されているためである。
In Example 1 (light enhancement element 1), resistance to halide ions is further increased as compared with Comparative Example 2. This is because, in the manufacturing process of Example 1, the annealing process was performed to move the gold thin film to the silver
これに対し、比較例2では、金薄膜を全面に蒸着しただけであり、実施例1の作製過程で実行されるようなアニール工程を行なっていない。このため、銀微粒子2の外表面に関しては、基板7の面とほぼ平行な面においてはある程度の膜厚を有した金膜3が形成されるが、基板7の面に垂直に近い角度を有する外表面(領域2A:図2(b)参照)においては極薄の金膜3が形成されるに過ぎないか、場合によってはほとんど金膜3が形成されずに実質的に銀微粒子2の外表面が露出した状態になっていると推察される。このため、比較例2の素子22では、NaCl水溶液に浸漬させた際、この領域2Aの箇所からハロゲン化物イオンが銀微粒子2側へと短時間で進行し、結果的に実施例1の光増強素子1よりもハロゲン化物イオンに対する耐性が低くなっているものと考えられる。
On the other hand, in Comparative Example 2, only a gold thin film was deposited on the entire surface, and the annealing process performed in the manufacturing process of Example 1 was not performed. For this reason, with respect to the outer surface of the silver
また、比較例2の素子22では、多数の銀微粒子2の隙間に位置する基板7上の領域にも金膜3が形成されている。金は銀と共に、増強ラマン効果を有する材料ではあるが、その効果は銀よりも低い。このため、銀微粒子2の隙間に位置する金膜3の存在によって、実施例1の光増強素子1よりも、ラマン増強効果が低くなっていると考えられる。
Further, in the
つまり、実施例1の光増強素子1のように、金膜3を多数の銀微粒子2それぞれの外表面を覆うように形成しつつ、更に、多数の銀微粒子2の相互の隙間の領域には金膜3が形成されないような構成とすることで、高いラマン増強効果を長時間にわたって維持することが可能となる。従って、このような光増強素子1によれば、安定的に生体試料の検査を行うことが可能である。また、金膜3で覆われていることで、銀微粒子2が大気に晒されることによって生じる酸化反応からも保護することができる。
That is, as in the
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、第1実施形態と同一の構成要素については、図面上同一の符号を付し、説明を省略する。
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the component same as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected on drawing, and description is abbreviate | omitted.
〈素子構造〉
図6は、第2実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。図6に示す光増強素子1Aは、第1実施形態の素子1に加えて、更に保護層11を備えている。
<Element structure>
FIG. 6 is a schematic diagram illustrating the configuration of the light enhancement element of the second embodiment. The
保護層11は、多数の銀微粒子2の隙間において露出される基板7の表面を含む増強電磁場形成層9の上層に形成されている。保護層11を構成する材料としては、例えば酸化ケイ素、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ボロン、酸化リン、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛などを用いることができる。
The
保護層11の平均厚さは、例えば50〜250nmであることが好ましい。特に、保護層11の厚さが85nm以上であることにより、ハロゲン化物イオン(例えばCl−)に対する耐性を更に高めることができる。この点は実施例を参照して後述する。
The average thickness of the
〈製造方法〉
第1実施形態の光増強素子1を製造後、多数の銀微粒子2の隙間において露出される基板7の表面を含む増強電磁場形成層9の表面上に、蒸着法により、金膜3で外表面が覆われた銀微粒子2を起点として保護層を厚さ方向に成長させることにより柱状組織構造を有する保護層11を形成する。保護層11の厚さは、成長条件、時間を適宜変更することにより調整できる。また、保護層11の形成方法としては、高周波(RF)スパッタ蒸着法、電子線蒸着法、又は電子サイクロトロン共鳴(ECR)スパッタ蒸着法などの方法を適宜選択して利用できる。
<Production method>
After manufacturing the
〈性能評価〉
以下、本実施形態の光増強素子1Aによって安定的に光増強効果が実現できる点につき、実施例を参照しながら説明する。
<Performance evaluation>
Hereinafter, the fact that the light enhancement effect can be stably realized by the
(実施例2)
実施例1と同様の方法により、光増強素子1を作製した。その後、RFスパッタ装置「RFS−200型」(Ulvac社製)を用いて、酸化ケイ素(SiO2)をターゲットとして下記条件でスパッタを行うことにより、多数の銀微粒子2の隙間において露出される基板7の表面を含む増強電磁場形成層9の表面上に、厚さ100nmの保護層11を形成することで光増強素子1Aを作製した。
(Example 2)
A
スパッタ条件は以下のとおりである。
・ターゲットから増強電磁場形成層9の表面までの離間距離:45mm
・雰囲気:Ar 3.0Pa(放電時)
・放電出力:100W
・RF周波数:13.6MHz
・保護層11の成長速度:10nm/分
The sputtering conditions are as follows.
-Distance from the target to the surface of the enhanced electromagnetic field forming layer 9: 45 mm
・ Atmosphere: Ar 3.0Pa (during discharge)
・ Discharge output: 100W
・ RF frequency: 13.6MHz
-Growth rate of the protective layer 11: 10 nm / min
(比較例3)
図7(a)に比較例3として準備した素子21Aの概略構成を示す。比較例3の素子21Aは、比較例1の素子21に対して、実施例2と同様の方法によって保護層11を形成することで作製された。
(Comparative Example 3)
FIG. 7A shows a schematic configuration of an
(比較例4)
図7(b)に比較例4として準備した素子22Aの概略構成を示す。比較例4の素子22Aは、比較例2の素子22に対して、実施例2と同様の方法によって保護層11を形成することで作製された。
(Comparative Example 4)
FIG. 7B shows a schematic configuration of an
(検証方法)
第1実施形態で上述した方法と同一の方法で検証を行った。
(Method of verification)
Verification was performed by the same method as described above in the first embodiment.
(検証結果)
比較例4の素子22Aは、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)に浸漬すると直ちに保護層11と共に銀微粒子2が基板7から剥離した。ラマン信号も検出できなかった。
(inspection result)
When the
実施例2の光増強素子1Aに対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とNaCl水溶液処理時間の関係を図8(a)に示す。また、比較例3の素子21Aに対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とNaCl水溶液処理時間の関係を図8(b)に示す。図8のグラフは、図5のグラフと同様、1510cm−1の縦軸はラマン散乱強度(cps)を示し(図4参照)、横軸は0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)の処理時間を示す。
FIG. 8A shows the relationship between the signal intensity of the Raman spectrum received by the light receiving unit when the
比較例3の素子21Aは、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)への浸漬を開始してから、約2時間でラマン強度の最大値の約1/2に低下し、約4時間で約1/3に低下した。ラマン強度の最大値の1/2に低下するまでの時間を寿命と定義すると、比較例3の素子21Aの寿命は約2時間と判断される。
The
これに対し、実施例2の光増強素子1Aは、0.2mol/LのNaCl水溶液(40℃)に浸漬すると、浸漬を開始してから約40時間経過した段階で、ラマン強度は最大値の1/2に低下した。また、浸漬を開始してから約80時間が経過しても、依然として最大値の1/3のラマン強度が実現できている。また、実施例1の測定結果に対応する図5(a)と実施例2の測定結果に対応する図8(a)を比較すると、実施例1よりも実施例2の方が、ラマン強度自体も高く、寿命も極めて長くなっていることが分かる。
On the other hand, when the
比較例4(素子22A)のように、全面に金膜3が形成された素子22の上層に保護層11を形成した場合、多数の銀微粒子2の隙間の領域に形成された保護層11(領域11Aの部分:図7(b)参照)についても、基板7の表面上には形成されずに金膜3の上面に形成されることになる。一般に、多くの基板(表面)又は当該保護膜と、特に金の間の密着性(結合力)は乏しく、この結果、保護層11が形成された段階で、金膜3と保護層11の間に残留応力が発生しているものと考えられる。このような状態で素子22AをNaCl水溶液に浸漬させると、僅かな隙間から侵入したイオン種の作用によりこの応力が解放される結果、直ちに保護層11が金膜3から剥離してしまったものと考えられる。
When the
また、保護層11は、銀微粒子2や金膜3に比べてはるかに膜厚が大きいため、この保護層11の金膜3からの剥離過程で、保護層11に押し出されるように、基板7との密着性に乏しい金膜3及び銀微粒子2が共に基板7から脱離したものと考えられる。これにより、比較例4(素子22A)の構成では、保護層11が安定的に基板7上に形成されずに、剥がれやすい状態で形成されていることが示唆される。
Further, since the
これに対し、比較例3(素子21A)は、比較例4(素子22A)よりは高いラマン散乱光を示す時間が長くなっている。これは、素子21Aでは、基板7上に保護層11が形成されるため、NaCl水溶液に浸漬させても保護層11が基板7から剥離しないことに由来すると考えられる。また、比較例1(素子21)と比較例3(素子21A)を対比すると、比較例1では直ちに銀微粒子2が溶解脱離した一方で、比較例3ではそのような現象生じず、12時間経過段階でもラマン散乱信号が確認できている(図8(b)参照)。これにより、比較例3のように保護層11を形成したことで、NaCl水溶液に含まれるハロゲン化物イオンが直接銀微粒子2と接触せず、ハロゲン化物イオンに対する耐性が高められていることが示唆される。
On the other hand, in Comparative Example 3 (
実施例2の構成によれば、実施例1よりもハロゲン化物イオンに対する耐性が高められる。これも、銀微粒子2の外表面をコーティングする金膜3に加えて、更に保護層11が形成されることで、銀微粒子2に対してハロゲン化物イオンが進行するのを遅らせる効果が実現できているためと考えられる。
According to the configuration of Example 2, the resistance to halide ions is higher than that of Example 1. In addition to the
更に、実施例2の構成によれば、実施例1よりもラマン散乱強度自体が高められている。これは、以下の理由によるものと推察される。保護層11は、外表面が金膜3で覆われた多数の銀微粒子2の間の隙間に露出された基板7の表面と、銀微粒子2の外表面(より厳密には、この銀微粒子2の外表面を覆う金膜3の表面)とでは成膜状況が異なる。この結果、基板7の表面に堆積した保護層11の部分と、銀微粒子2の外表面を覆う金膜3の表面上に堆積した保護層11の部分の間には、いわゆる粒界が生じ、これにより当該保護層11は配向性(異方性)を有することになる。この状況では、光増強素子1Aの表面で生じたプラズモン電界が乱されず、損失を受けずに保護層11の表面にまで達している。
Furthermore, according to the configuration of the second embodiment, the Raman scattering intensity itself is higher than that of the first embodiment. This is presumably due to the following reasons. The
よって、本実施形態の光増強素子1Aによれば、第1実施形態の光増強素子1よりも、更に高いラマン増強効果を長時間にわたって維持する機能を実現できる。
Therefore, according to the
なお、本実施形態において、保護層11を、結晶性(配向性)を有する有機物の重合体で構成しても構わない。この有機物の重合体としては、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル系重合体、ポリビニルアルコールなどを利用することができる。この場合、保護層11の形成方法としては、保護層形成液をスピンコート法、デイップコート法、スプレーコート法、スリットコート法、バーコート法などを用いて基板7に滴下又は塗布することで実現できるが、スピンコート法は厚さが最も均一な保護層11を形成する方法として好適に用いることができる。
In the present embodiment, the
保護層形成液を調製するための溶媒としては、用いられる重合体に応じて適宜選択される。具体的には、用いられる重合体を溶解し得るものであればよい。例えば、重合体としてポリビニルアルコール等の水溶性のものを用いる場合には、溶媒として水を用いることができる。また、重合体として水に不溶な重合体例えばポリメチルメタクリレートを用いる場合には、重合体溶液を調製するための溶媒として例えばシクロヘキサノンを用いることによって、保護層形成液を調製することができる。 The solvent for preparing the protective layer forming liquid is appropriately selected according to the polymer used. Specifically, any material that can dissolve the polymer to be used may be used. For example, when a water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol is used as the polymer, water can be used as the solvent. Further, when a water-insoluble polymer such as polymethyl methacrylate is used as the polymer, a protective layer forming solution can be prepared by using, for example, cyclohexanone as a solvent for preparing the polymer solution.
保護層形成液中における重合体の含有割合は、上記塗布方法と目的とする保護膜の厚さとの組合せによって決定される。例えばスピンコート法(3000rpm)を用いてポリビニルアルコール膜をその水溶液から形成する場合において、膜厚を100nmに調整するために必要な重合体の含有割合は約4.5質量%である。 The content ratio of the polymer in the protective layer forming liquid is determined by the combination of the coating method and the target protective film thickness. For example, when a polyvinyl alcohol film is formed from the aqueous solution by using a spin coating method (3000 rpm), the content of the polymer necessary for adjusting the film thickness to 100 nm is about 4.5% by mass.
[第3実施形態]
本発明の第3実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、第1実施形態と同一の構成要素については、図面上同一の符号を付し、説明を省略する。
[Third Embodiment]
A third embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, about the component same as 1st Embodiment, the same code | symbol is attached | subjected on drawing, and description is abbreviate | omitted.
本実施形態の構成は、第2実施形態で示した光増強素子1Aにおいて、予め保護層11にハロゲン元素を含有させた点のみが異なる。保護層11に対してハロゲン元素を含有させる方法としては、保護層11が形成された状態の光増強素子1Aに対してハロゲン化物塩の水溶液に浸漬する方法を用いることができる。例えば、ハロゲン化物塩水溶液の濃度が0.1〜0.3mol/Lの場合には、5〜30分間程度の室温浸漬により最大の効果を得ることができるが、水溶液の濃度がそれより高い場合、あるいは逆に低い場合には、その濃度に応じて浸漬時間を調整することにより同等の効果を得ることができる。なお、保護層11におけるハロゲン元素の含有割合は、0.002質量%〜0.05質量%であることが好ましい。
The configuration of this embodiment is different only in that a halogen element is previously contained in the
なお、上記ハロゲン化物塩の具体例としては、塩化ナトリウム(NaCl)、塩化カリウム(KCl)、臭化ナトリウム(NaBr)、ヨウ化カリウム(KI)などのアルカリ金属塩や、塩化カルシウム(CaCl2)などのアルカリ土類金属塩などが挙げられる。 Specific examples of the halide salt include alkali metal salts such as sodium chloride (NaCl), potassium chloride (KCl), sodium bromide (NaBr), and potassium iodide (KI), and calcium chloride (CaCl 2 ). And alkaline earth metal salts.
このように予めハロゲン化物塩水溶液に光増強素子1Aを浸漬させた場合においても、5〜30分間程度の浸漬であれば、図8(a)に示すように高いラマン散乱強度が実現できている。なお、検証例を参照して後述するように、保護層11にハロゲン元素を予め含有させておくことで、光増強効果を更に高めることができる。
Thus, even when the
なお、以下の検証は、図7(a)に示す比較例3の素子21Aに対してハロゲン元素を含有させて形成した素子(以下、「検証例1」と呼ぶ。)を用いて行われた。この素子は、本実施形態の光増強素子が想定するように、銀微粒子2の外表面に金膜3が形成されている素子ではない。しかし、比較例3の素子21Aと検証例1の素子の相違点は、第2実施形態の光増強素子1Aと本実施形態の光増強素子の相違点と共通するため、比較例3と検証例1の実験結果を対比して検証することで、第2実施形態の光増強素子1Aと、本実施形態の光増強素子との対比検証が可能である。
The following verification was performed using an element (hereinafter referred to as “Verification Example 1”) formed by containing a halogen element in the
(検証例1)
比較例3と同様の方法で素子21Aを作製した。その後、塩化物イオンの濃度が0.2〜0.3mol/LであるNaCl水溶液中に、素子21Aを約30分間浸漬させた後、純水で洗浄して乾燥することにより、保護層11中にハロゲン化物イオンを含有させて、検証例1の素子とした。検証例1の素子における保護層11に含有されたハロゲン元素の含有割合は正確には決定することが難しいが、およそ0.01質量%のオーダーと推定される。
(Verification example 1)
A
(検証方法)
比較例3の素子21A、及び検証例1の素子に対し、保護層11の上面に、ローダミン6G色素の希薄エタノール溶液を3000回転でスピンコートすることにより、色素分子を保護層11の表面上に3×1011個/cm2の密度で担持させた。そして、第1実施形態及び第2実施形態と同様の方法で、励起光を素子に照射して、受光部43によって受光されたラマン散乱光のスペクトルを測定した。
(Method of verification)
For the
(検証結果)
図9は、比較例3及び検証例1の各素子に励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルを示すグラフである。図9において、縦軸はラマン散乱強度(cps)を示し、横軸はラマンシフト(cm−1)を示す。
(inspection result)
FIG. 9 is a graph showing Raman spectra received by the light receiving unit when each element of Comparative Example 3 and Verification Example 1 is irradiated with excitation light. In FIG. 9, the vertical axis indicates the Raman scattering intensity (cps), and the horizontal axis indicates the Raman shift (cm −1 ).
図9によれば、ハロゲン化物イオンを浸漬した検証例1の方が、ハロゲン化物イオンを浸漬しなかった比較例3よりも顕著なラマン信号が観測されており、光の増強効果が高められていることが示唆される。 According to FIG. 9, the verification example 1 in which the halide ions are immersed has a more remarkable Raman signal than the comparative example 3 in which the halide ions are not immersed, and the light enhancement effect is enhanced. It is suggested that
なお、検証例1では、塩化物イオンの濃度が0.2〜0.3mol/LであるNaCl水溶液を浸漬させたが、これに代えて、塩化物イオンの濃度が0.2mol/Lである塩化カリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、臭化物イオンの濃度が0.2mol/Lである臭化ナトリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、ヨウ化物イオンの濃度が0.2mol/Lであるヨウ化カリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、塩化物イオンの濃度が0.2mol/Lである塩化カルシウム水溶液を浸漬させて形成した素子についても、同様の測定を行った結果、同様に、比較例3と比べて検証例1の方が高いラマン散乱光を受光できた。一方、塩化ナトリウム水溶液の代わりに硫酸イオンの濃度が0.2mol/Lである硫酸ナトリウム水溶液を浸漬させて形成した素子について同様の測定を行ったところ、受光したラマン散乱光の強度は低いものであった。 In Verification Example 1, a NaCl aqueous solution having a chloride ion concentration of 0.2 to 0.3 mol / L was immersed, but instead, the chloride ion concentration was 0.2 mol / L. An element formed by immersing an aqueous potassium chloride solution, an element formed by immersing an aqueous sodium bromide solution having a bromide ion concentration of 0.2 mol / L, and an iodide having an iodide ion concentration of 0.2 mol / L As a result of performing the same measurement on an element formed by immersing a potassium aqueous solution and an element formed by immersing a calcium chloride aqueous solution having a chloride ion concentration of 0.2 mol / L, the same results were obtained. As compared with the above, the verification example 1 was able to receive higher Raman scattered light. On the other hand, when the same measurement was performed on an element formed by immersing a sodium sulfate aqueous solution having a sulfate ion concentration of 0.2 mol / L instead of a sodium chloride aqueous solution, the intensity of the received Raman scattered light was low. there were.
これにより、保護層11にハロゲン元素を添加した場合に、光増強効果を更に高められることが分かる。つまり、第2実施形態の光増強素子1Aよりも、保護層11にハロゲン元素を含有させた本実施形態の光増強素子の方が、光増強効果が更に高いことが示唆される。そして、本実施形態の光増強素子においても、銀微粒子2の外表面には金膜3が形成されており、更にその上層には保護層11が形成されていることから、第2実施形態と同様に長時間にわたって高い光増強効果を維持できると考えられる。
Thereby, it can be seen that when a halogen element is added to the
なお、保護層11として結晶性(配向性)を有する有機物の重合体で構成した場合であっても、上記と同様にハロゲン元素を含有させることで、光増強効果を更に高めることが可能である。この場合、保護層形成液としては、溶媒中に所定の重合体及びハロゲンの金属塩を溶解させることにより、或いは溶媒中に所定の重合体が溶解されてなる重合体溶液と、溶媒中にハロゲンの金属塩が溶解されてなる金属塩溶液とを混合することにより、調製することができる。
Even when the
保護層形成液を調製するための溶媒としては、用いられる重合体及び金属塩に応じて適宜選択される。具体的には、用いられる重合体および金属塩を溶解し得るものであればよい。例えば、重合体としてポリビニルアルコール等の水溶性のものを用いる場合には、溶媒として水を用いることができる。また、重合体として水に不溶な重合体例えばポリメチルメタクリレートを用いる場合には、重合体溶液を調製するための溶媒として例えばシクロヘキサノンを用いると共に、金属塩溶液を調製するための溶媒として水とアセトンとの混合溶媒を用い、重合体溶液と金属塩溶液とを混合することによって、保護層形成液を調製することができる。保護層形成液中における金属塩の割合は、目的とする保護層11中のハロゲン元素の含有割合や、保護層形成液中の重合体の含有割合に応じて設定される。
The solvent for preparing the protective layer forming liquid is appropriately selected according to the polymer and metal salt used. Specifically, any polymer that can dissolve the polymer and metal salt used may be used. For example, when a water-soluble polymer such as polyvinyl alcohol is used as the polymer, water can be used as the solvent. When a polymer insoluble in water such as polymethyl methacrylate is used as the polymer, for example, cyclohexanone is used as a solvent for preparing the polymer solution, and water and acetone are used as the solvent for preparing the metal salt solution. A protective layer forming solution can be prepared by mixing a polymer solution and a metal salt solution using a mixed solvent. The ratio of the metal salt in the protective layer forming liquid is set according to the content ratio of the halogen element in the target
[別実施形態]
以下に別実施形態について説明する。
[Another embodiment]
Another embodiment will be described below.
〈1〉 上記の実施形態では、金膜3を銀微粒子2の外表面に形成する際、銀微粒子2と金薄膜が合金化しないような温度条件下でアニールするものとして説明した。しかし、本発明は、製造工程下において、金膜3の一部が銀と合金化して形成された素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
<1> In the above embodiment, when the
同様に、上記の実施形態では、金膜3が多数の銀微粒子2のそれぞれに関連して分散して配置されているものとして説明した。しかし、本発明は、隣接したある特定の2つの銀微粒子2の間の領域5内に、金膜3が形成されることで、当該特定の2つの銀微粒子2が金膜3で連結されている素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
Similarly, in the above-described embodiment, the
更に、上記の実施形態では、金膜3が多数の銀微粒子2の外表面を完全に覆う、ハーフコアシェル構造を実現しているものとして説明した。しかし、本発明は、銀微粒子2の外表面の一部分に金膜3で覆われていない領域が存在する素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
Further, in the above-described embodiment, the description has been given on the assumption that the
多数の銀微粒子2の隙間の基板上に金膜3が形成されていない領域を有し、且つ、銀微粒子2の外表面に金膜3が形成されている本発明の光増強素子によれば、比較例1(素子21)や比較例2(素子22)よりも、光増強効果を安定的に維持する能力を高めることが可能である。無論、金膜3が合金化することなく多数の銀微粒子3の外表面に形成されることでその能力は更に高められ、金膜3が多数の銀微粒子2のそれぞれに関連して分散して配置されることでその能力は更に高められ、金膜3が多数の銀微粒子2の外表面を完全に覆うように形成されることで、その能力は更に高められる。
According to the light enhancement element of the present invention, which has a region where the
〈2〉 上記の各実施形態において、図10に示す素子と同様に、追加的に高反射層112及び誘電体層113を備えた多層構造で形成しても構わない。このような構造のものにおいては、基板7の表面上に高反射層112および誘電体層113がこの順で形成され、誘電体層113の表面上に増強電磁場形成層9が形成される。
<2> In each of the above embodiments, similarly to the element shown in FIG. 10, it may be formed in a multilayer structure that additionally includes a highly
〈3〉 上記の実施形態では、励起光を表面上に試料が載置された光増強素子(1,1A)に照射して、受光部43によって受光されたラマン散乱光のスペクトル強度を分析することで説明した。しかし、励起光源50と試料を適宜設定して、図3の測定装置を用いて同様の方法で蛍光のスペクトルを分析することにより、蛍光を増強させる効果が得られることが確認される。つまり、本発明の光増強素子によれば、ラマン散乱光のみならず蛍光の増強効果についても安定的に維持する能力を高めることが可能である。
<3> In the above embodiment, excitation light is applied to the light enhancement element (1, 1A) on which the sample is placed, and the spectral intensity of the Raman scattered light received by the
1,1A : 本発明の光増強素子
2 : 銀微粒子
2A : 領域
3 : 金膜
5 : 金膜が形成されていない基板上の領域
7 : 基板
9 : 増強電磁場形成層
11 : 保護層
11A : 領域
21 : 比較例1の素子
21A : 比較例3の素子
22 : 比較例2の素子
22A : 比較例4の素子
41 : 光源部
43 : 受光部
50 : 励起光源
51 : フィルタ
52 : 集光レンズ
53 : フィルタ
54 : 受光ヘッド
55 : 光検出器
100 : 従来の光増強素子
101 : 従来の光増強素子
111 : 基板
112 : 高反射層
113 : 誘電体層
114 : 銀微粒子
115 : 増強電磁場形成層
116 : 金膜
DESCRIPTION OF
Claims (10)
前記増強電磁場形成層は、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に金膜を有し、
前記金膜が分散して配置されていることを特徴とする光増強素子。 A light enhancement element comprising a substrate and an enhanced electromagnetic field forming layer in which a large number of silver fine particles are dispersed and arranged independently of each other on the surface of the substrate,
The enhanced electromagnetic field forming layer has a gold film on a surface that is not in contact with the substrate of each of the silver fine particles,
The light enhancement element, wherein the gold film is dispersedly arranged.
基板を準備する工程(a)、
前記基板上に、分散して多数の銀微粒子を蒸着する工程(b)、
及び、金膜を蒸着して加熱処理を行うことで、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に前記金膜を形成する工程(c)を有することを特徴とする光増強素子の製造方法。 A method of manufacturing a light enhancement element,
Preparing a substrate (a),
A step (b) of depositing a large number of fine silver particles dispersed on the substrate;
And a step (c) of forming the gold film on a surface of each of the silver fine particles that is not in contact with the substrate by performing a heat treatment by depositing a gold film. A method for manufacturing an enhancement element.
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