JP2015212625A - Analytical method - Google Patents

Analytical method Download PDF

Info

Publication number
JP2015212625A
JP2015212625A JP2014094460A JP2014094460A JP2015212625A JP 2015212625 A JP2015212625 A JP 2015212625A JP 2014094460 A JP2014094460 A JP 2014094460A JP 2014094460 A JP2014094460 A JP 2014094460A JP 2015212625 A JP2015212625 A JP 2015212625A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
absorption region
wavelength
target substance
sample analysis
psp
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2014094460A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
めぐみ 江成
Megumi Enari
めぐみ 江成
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Seiko Epson Corp
Original Assignee
Seiko Epson Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Seiko Epson Corp filed Critical Seiko Epson Corp
Priority to JP2014094460A priority Critical patent/JP2015212625A/en
Publication of JP2015212625A publication Critical patent/JP2015212625A/en
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Landscapes

  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an analytical method by which a target substance can be detected with high sensitivity.SOLUTION: The analytical method of the present invention includes: a step (S1) of acquiring a first reflection spectrum having a first absorption region and a second absorption region while a target substance is not deposited on a sample analysis element; a step (S2) of acquiring a second reflection spectrum having a third absorption region and a fourth absorption region while the target substance is deposited on the sample analysis element; a step (S3) of calculating a difference between a wavelength at the minimum point in the first absorption region and a wavelength at the minimum point in the third absorption region, and a difference between a wavelength at the minimum point in the second absorption region and a wavelength at the minimum point in the fourth absorption region; and a step (S4) of detecting the target substance by using absorption regions where a larger difference in the above calculated differences is obtained. A propagated surface plasmon and a localized surface plasmon electromagnetically interact, while a resonance wavelength of the propagated surface plasmon is different from a resonance wavelength of the localized surface plasmon.

Description

本発明は、分析方法に関する。   The present invention relates to an analysis method.

近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を用いたセンサーに対する関心が高まっている。   In recent years, demand for medical diagnosis, food inspection, and the like has been increasing, and development of a small and high-speed sensing technology has been demanded. Various types of sensors, including electrochemical techniques, have been studied. However, surface plasmon resonance (SPR) is used because it can be integrated, is low-cost, and does not choose the measurement environment. There is growing interest in sensors.

例えば非特許文献1には、局在型表面プラズモン(LSP:Localized Surface Plasmon)と伝播型表面プラズモン(PSP:Propageted
Surface Plasmon)と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の一例として、GSPP(Gap type Surface Plasmon Polariton)と称するものが提案されている。
For example, Non-Patent Document 1 includes localized surface plasmon (LSP) and propagation surface plasmon (PSP).
As an example of a sensor having a structure that realizes a hybrid mode that resonates both modes with Surface Plasmon (Surface Plasma), a sensor called GSPP (Gap type Surface Plasmon Polaron) has been proposed.

OPTICS LETTERS,VOL.34,No.3,2009,244−246OPTICS LETTERS, VOL. 34, no. 3,2009,244-246

ここで、上記のようなセンサー(試料分析素子)に標的物質が付着すると、反射スペクトルの波長が変化する。このような反射スペクトルの波長変化を利用して、標的物質を検出する分析方法が知られている。このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することが求められている。   Here, when the target substance adheres to the sensor (sample analysis element) as described above, the wavelength of the reflection spectrum changes. An analysis method for detecting a target substance by utilizing such a change in wavelength of the reflection spectrum is known. Such an analytical method is required to detect a target substance with high sensitivity.

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、標的物質を高い感度で検出することができる分析方法を提供することにある。   One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide an analysis method capable of detecting a target substance with high sensitivity.

本発明に係る分析方法は、
試料分析素子を用いた標的物質の分析方法であって、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着していない状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、第1吸収領域、および前記第1吸収領域よりも長波長側の第2吸収領域を有する第1反射スペクトルを取得する工程と、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着している状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、前記第1吸収領域に対応する第3吸収領域、および前記第2吸収領域に対応する第4吸収領域を有し、前記第3吸収領域、および前記第4吸収領域の少なくとも一方は、前記第1吸収領域、または前記第2吸収領域が長波長側にシフトしたものである、第2反射スペクトルを取得する工程と、
前記第1吸収領域の極小点の波長と前記第3吸収領域の極小点の波長との差と、前記第2吸収領域の極小点の波長と前記第4吸収領域の極小点の波長との差と、を算出する工程と、
算出した前記差のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、前記標的物質を検出する工程と、
を含み、
前記試料分析素子は、
金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を有し、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なる。
The analysis method according to the present invention includes:
A method for analyzing a target substance using a sample analysis element,
In a state where the target substance is not attached to the sample analysis element, the sample analysis element is irradiated with light to detect reflected light from the sample analysis element, and a first absorption region and the first absorption region Obtaining a first reflection spectrum having a second absorption region on the longer wavelength side,
In a state where the target substance is attached to the sample analysis element, the sample analysis element is irradiated with light, reflected light from the sample analysis element is detected, and a third absorption corresponding to the first absorption region is detected. And a fourth absorption region corresponding to the second absorption region, and at least one of the third absorption region and the fourth absorption region is long in the first absorption region or the second absorption region. Obtaining a second reflection spectrum that is shifted to the wavelength side;
The difference between the wavelength of the minimum point of the first absorption region and the wavelength of the minimum point of the third absorption region, and the difference between the wavelength of the minimum point of the second absorption region and the wavelength of the minimum point of the fourth absorption region And a step of calculating
Detecting the target substance using an absorption region having a larger difference among the calculated differences;
Including
The sample analysis element is:
A metal layer,
A dielectric layer provided on the metal layer;
A plurality of metal particles provided on the dielectric layer;
Have
The plurality of metal particles have a periodic array capable of exciting propagating surface plasmons propagating through an interface between the metal layer and the dielectric layer,
The propagation type surface plasmon and the localized type surface plasmon excited by the metal particle interact electromagnetically,
The resonance wavelength of the propagation surface plasmon is different from the resonance wavelength of the localized surface plasmon.

このような分析方法では、伝播型表面プラズモンの共鳴波長と局在型表面プラズモンの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長差に比べて、第1吸収領域の極小点の波長と第3吸収領域の極小点の波長との差、および第2吸収領域の極小点の波長と第4吸収領域の極小点の波長との差の一方を大きくすることができる。このように、本実施形態に係る分析方法は、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長差(変化量)を大きくすることができ、大きな波長変化量を有する吸収領域を用いて標的物質を検出することができるので、標的物質を高い感度で検出することができる。   In such an analysis method, the minimum point of the absorption region of the reflection spectrum before and after deposition of the target substance when a sample analysis element having the same resonance wavelength of the propagation surface plasmon and the resonance wavelength of the localized surface plasmon is used. The difference between the wavelength of the local minimum point of the first absorption region and the wavelength of the local minimum point of the third absorption region, and the wavelength of the local minimum point of the second absorption region and the wavelength of the local minimum point of the fourth absorption region One of the differences can be increased. Thus, the analysis method according to the present embodiment can increase the wavelength difference (change amount) of the minimum point of the absorption region of the reflection spectrum before and after the target substance is attached, and the absorption region having a large wavelength change amount. Since the target substance can be detected using the target substance, the target substance can be detected with high sensitivity.

本発明に係る分析方法において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第1吸収領域および前記第3吸収領域を用いて、前記標的物質を分析してもよい。
In the analysis method according to the present invention,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is longer than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the step of detecting the target substance,
The target substance may be analyzed using the first absorption region and the third absorption region.

このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することができる。   Such an analysis method can detect the target substance with high sensitivity.

本発明に係る分析方法において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第2吸収領域および前記第4吸収領域を用いて、前記標的物質を分析してよい。
In the analysis method according to the present invention,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the step of detecting the target substance,
The target substance may be analyzed using the second absorption region and the fourth absorption region.

このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することができる。   Such an analysis method can detect the target substance with high sensitivity.

本実施形態に係る試料分析素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the sample analysis element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る試料分析素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the sample analysis element which concerns on this embodiment. 金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、の関係を説明するための図。The figure for demonstrating the relationship between the arrangement | sequence of a metal particle, a propagation type surface plasmon, and a localized type surface plasmon. 表面プラズモン・ポラリトンの分散関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the dispersion | distribution relationship of surface plasmon polariton. 標的物質が試料分析素子に付着すると、伝播型表面プラズモンの共鳴波長が変化することを説明するための図。The figure for demonstrating that the resonance wavelength of a propagation type surface plasmon will change when a target substance adheres to a sample analysis element. anti−crossingを説明するための図。The figure for demonstrating anti-crossing. 本実施形態に係る分析方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the analysis method which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る分析方法を説明するための図。The figure for demonstrating the analysis method which concerns on this embodiment. 反射スペクトルを説明するための図。The figure for demonstrating a reflection spectrum. 反射スペクトルを説明するための図。The figure for demonstrating a reflection spectrum. 反射スペクトルを説明するための図。The figure for demonstrating a reflection spectrum. 反射スペクトルを説明するための図。The figure for demonstrating a reflection spectrum. 実験例1で用いたモデルを説明するための図。The figure for demonstrating the model used in Experimental example 1. FIG. Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける2つの吸収領域の極小点の波長をプロットしたグラフ。The graph which plotted the wavelength of the minimum point of two absorption regions in a reflection spectrum when changing the diameter of Au particle | grains in the range of 80 nm-150 nm. 実験例2で用いたモデルを説明するための図。The figure for demonstrating the model used in Experimental example 2. FIG. 実験例2で用いたモデルを説明するための図。The figure for demonstrating the model used in Experimental example 2. FIG. Au粒子の直径が80nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 80 nm. Au粒子の直径が104nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 104 nm. Au粒子の直径が130nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 130 nm. Au粒子の直径が117nmの領域の反射スペクトル。Reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 117 nm. Au粒子の直径が129nmの領域の反射スペクトル。Reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 129 nm.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、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い。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1. 試料分析素子
まず、本実施形態に係る試料分析素子について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係る試料分析素子100を模式的に示す断面図である。図2は、本実施形態に係る試料分析素子100を模式的に示す平面図である。なお、図1は、図2のI−I線断面図である。また、図1および図2では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
1. Sample Analysis Element First, a sample analysis element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a sample analysis element 100 according to this embodiment. FIG. 2 is a plan view schematically showing the sample analysis element 100 according to this embodiment. 1 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 and 2 illustrate the X axis, the Y axis, and the Z axis as three axes orthogonal to each other.

試料分析素子100は、図1および図2に示すように、金属層10と、誘電体層20と、金属粒子30と、を含む。   As shown in FIGS. 1 and 2, the sample analysis element 100 includes a metal layer 10, a dielectric layer 20, and metal particles 30.

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、フィルム、板、層、または膜の形状を有している。金属層10は、図1に示すように、基板2上に設けられていてもよい。基板2としては、特に限定されないが、金属層10と誘電体層20との界面に励起される伝播型表面プラズモン(PSP)に影響を与えにくいものが好ましい。基板2は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。基板2の金属層10が設けられる面の平面形状(Z軸方向から見た形状)は、特に限定されない。
1.1. Metal Layer The metal layer 10 is not particularly limited as long as it provides a metal surface that does not transmit light. For example, the metal layer 10 has a shape of a film, a plate, a layer, or a film. The metal layer 10 may be provided on the substrate 2 as shown in FIG. Although it does not specifically limit as the board | substrate 2, The thing which does not affect easily the propagation type surface plasmon (PSP) excited by the interface of the metal layer 10 and the dielectric material layer 20 is preferable. The substrate 2 is, for example, a glass substrate, a silicon substrate, or a resin substrate. The planar shape (the shape seen from the Z-axis direction) of the surface on which the metal layer 10 of the substrate 2 is provided is not particularly limited.

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される。金属層10は、基板2の表面の全面に設けられてもよいし、基板2の表面の一部に設けられてもよい。金属層10の厚さ(Z軸方向の大きさ)は、金属層10と誘電体層20との界面にPSPが励起されれば特に限定されず、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以下である。   The metal layer 10 is formed by a technique such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. The metal layer 10 may be provided on the entire surface of the substrate 2 or may be provided on a part of the surface of the substrate 2. The thickness (size in the Z-axis direction) of the metal layer 10 is not particularly limited as long as PSP is excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, and is, for example, 10 nm to 1 mm, preferably 20 nm or more. It is 100 μm or less, more preferably 30 nm or more and 1 μm or less.

金属層10は、励起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ている。このような誘電率を有する金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそ
れらの合金等を挙げることができる。励起光として可視光領域の光を用いる場合には、金属層10は、金、銀、または銅からなる層を含むことが好ましい。金属層10の表面(図示の例ではXY平面に平行な平面)は、特定の結晶面であってもなくてもよい。金属層10は、複数層の金属の層で構成されていてもよい。
The metal layer 10 is a metal having an electric field in which an electric field given by excitation light and a polarization induced by the electric field oscillate in opposite phases, that is, when a specific electric field is given, The real part has a negative value (has a negative dielectric constant), and the imaginary part has a dielectric constant that is smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part. Examples of the metal having such a dielectric constant include gold, silver, aluminum, copper, platinum, or alloys thereof. When light in the visible light region is used as excitation light, the metal layer 10 preferably includes a layer made of gold, silver, or copper. The surface of the metal layer 10 (a plane parallel to the XY plane in the illustrated example) may or may not be a specific crystal plane. The metal layer 10 may be composed of a plurality of metal layers.

金属層10は、試料分析素子100においてPSPを励起させる機能を有している。具体的には、金属層10に光(励起光)を入射することにより、金属層10と誘電体層20との界面に(界面近傍に)PSPが励起する。金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPは、金属粒子30に励起される局在型表面プラズモン(LSP)と、電磁的に相互作用(ハイブリッド)することができる。   The metal layer 10 has a function of exciting the PSP in the sample analysis element 100. Specifically, when light (excitation light) enters the metal layer 10, PSP is excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 (near the interface). The PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can electromagnetically interact (hybridize) with the localized surface plasmon (LSP) excited by the metal particles 30.

1.2. 誘電体層
誘電体層20は、金属層10上に設けられている。誘電体層20は、金属層10に接して設けられている。誘電体層20は、フィルム、層、または膜の形状を有している。誘電体層20は、金属層10と金属粒子30とを隔てることができる。誘電体層20は、励起光を透過することができる。
1.2. Dielectric Layer The dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10. The dielectric layer 20 is provided in contact with the metal layer 10. The dielectric layer 20 has a film, layer, or film shape. The dielectric layer 20 can separate the metal layer 10 and the metal particles 30. The dielectric layer 20 can transmit excitation light.

誘電体層20は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD(Chemical Vapor Deposition)、各種コーティング等の手法により形成される。誘電体層20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。   The dielectric layer 20 is formed by, for example, techniques such as vapor deposition, sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition), and various coatings. The dielectric layer 20 may be provided on the entire surface of the metal layer 10 or may be provided on a part of the surface of the metal layer 10.

誘電体層20は、正の誘電率を有すればよく、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化タンタル(Ta)、窒化シリコン(Si)、酸化チタン(TiO)、PMMA(Polymethylmethacrylate)等の高分子、ITO(Indium Tin Oxide)で構成されている。誘電体層20は、材質の互いに異なる複数の層から構成されていてもよい。具体的には、誘電体層20は、酸化アルミニウム層上に、酸化シリコン層を設けた積層体であってもよい。この場合、酸化アルミニウム層は、金属層10と酸化シリコン層との密着層として機能することができる。 The dielectric layer 20 only needs to have a positive dielectric constant. For example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), silicon nitride (Si 3 N 4). ), Titanium oxide (TiO 2 ), polymer such as PMMA (Polymethylmethacrylate), and ITO (Indium Tin Oxide). The dielectric layer 20 may be composed of a plurality of layers made of different materials. Specifically, the dielectric layer 20 may be a stacked body in which a silicon oxide layer is provided on an aluminum oxide layer. In this case, the aluminum oxide layer can function as an adhesion layer between the metal layer 10 and the silicon oxide layer.

誘電体層20の厚さは、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとが相互作用できるように設定される。誘電体層20の厚さは、例えば、10nm以上1μm以下、好ましくは20nm以上500nm以下、さらに好ましくは、30nm以上100nm以下である。   The thickness of the dielectric layer 20 is set so that the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can interact with the LSP excited by the metal particles 30. The thickness of the dielectric layer 20 is, for example, 10 nm to 1 μm, preferably 20 nm to 500 nm, and more preferably 30 nm to 100 nm.

1.3. 金属粒子
金属粒子30は、誘電体層20上に設けられている。図示の例では、金属粒子30は、誘電体層20に接して設けられている。金属粒子30の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子30の形状は、例えば、円柱、角柱、球、回転楕円体、不定形、またはそれらを組み合わせた形である。図示の例では、金属粒子30は、誘電体層20の厚さ方向(Z軸方向)に中心軸を有する円柱状の形状を有している。
1.3. Metal Particles The metal particles 30 are provided on the dielectric layer 20. In the illustrated example, the metal particles 30 are provided in contact with the dielectric layer 20. The shape of the metal particle 30 is not particularly limited. For example, the shape of the metal particle 30 is, for example, a cylinder, a prism, a sphere, a spheroid, an indefinite shape, or a combination thereof. In the illustrated example, the metal particle 30 has a cylindrical shape having a central axis in the thickness direction (Z-axis direction) of the dielectric layer 20.

金属粒子30の厚さは、例えば、1nm以上100nm以下、好ましくは2nm以上50nm以下、より好ましくは10nm以上40nm以下である。金属粒子30のX軸方向の大きさおよびY軸方向の大きさ(図示の例では、円柱底面の直径)は、10nm以上200nm以下、好ましくは30nm以上180nm以下、より好ましくは80nm以上150nm以下である。金属粒子30の大きさは、入射光の波長よりも小さい。   The thickness of the metal particle 30 is, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 2 nm to 50 nm, more preferably 10 nm to 40 nm. The size of the metal particle 30 in the X-axis direction and the Y-axis direction (in the example shown, the diameter of the bottom surface of the cylinder) is 10 nm to 200 nm, preferably 30 nm to 180 nm, more preferably 80 nm to 150 nm. is there. The size of the metal particle 30 is smaller than the wavelength of incident light.

金属粒子30の材質は、励起光の照射によって、LSPを励起することができれば特に
限定されないが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそれらの合金である。
The material of the metal particles 30 is not particularly limited as long as the LSP can be excited by irradiation with excitation light, but is, for example, gold, silver, aluminum, copper, platinum, or an alloy thereof.

金属粒子30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。または、金属粒子30は、コロイド化学的手法によって形成されてもよい。   The metal particles 30 can be formed by, for example, a patterning method after forming a thin film by sputtering, vapor deposition, or the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, or the like. Alternatively, the metal particles 30 may be formed by a colloid chemical method.

金属粒子30は、試料分析素子100においてLSPを励起させる機能を有している。具体的には、金属粒子30に励起光を照射することにより、金属粒子30に(金属粒子30の周辺に)LSPを励起させることができる。   The metal particle 30 has a function of exciting the LSP in the sample analysis element 100. Specifically, by irradiating the metal particles 30 with excitation light, LSP can be excited in the metal particles 30 (around the metal particles 30).

金属粒子30は、複数設けられている。複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起可能な周期配列を有している。複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起させるために、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていることが好ましい。ただし、金属層10および誘電体層20の材質、厚さによってPSP分散曲線は変化するので、複数の金属粒子30は、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていなくてもよい場合もある。   A plurality of metal particles 30 are provided. The plurality of metal particles 30 have a periodic arrangement that can excite PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20. In order to excite the PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, the plurality of metal particles 30 are preferably arranged at a pitch about the wavelength of the excitation light in the polarization direction of the excitation light. . However, since the PSP dispersion curve changes depending on the material and thickness of the metal layer 10 and the dielectric layer 20, the plurality of metal particles 30 are not arranged at a pitch about the wavelength of the excitation light in the polarization direction of the excitation light. It may be possible.

複数の金属粒子30の配置は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されない。図示の例では、複数の金属粒子30は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に配列されている。言い換えると、図示の例では、複数の金属粒子30は、X軸方向に列を構成し、該列は、Y軸方向に配列されている。   The arrangement of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited. In the illustrated example, the plurality of metal particles 30 are arranged in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction. In other words, in the illustrated example, the plurality of metal particles 30 form a row in the X-axis direction, and the row is arranged in the Y-axis direction.

複数の金属粒子30のX軸方向のピッチは、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されず、10nm以上2μm以下であり、好ましくは20nm以上1μm以下、より好ましくは400nm以上700nm以下である。なお、X軸方向のピッチとは、X軸方向における隣り合う金属粒子30の重心間の距離である。このようにすると、後述するハイブリッドモードによるanti−crossingを起こすことができ、標的物質を高い感度で検出することができる。   The pitch in the X-axis direction of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited, and is 10 nm or more and 2 μm or less, preferably 20 nm. The thickness is 1 μm or more and more preferably 400 nm or more and 700 nm or less. The pitch in the X-axis direction is the distance between the centroids of adjacent metal particles 30 in the X-axis direction. If it does in this way, anti-crossing by the hybrid mode mentioned later can be raised and a target substance can be detected with high sensitivity.

複数の金属粒子30のY軸方向のピッチは、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されず、10nm以上2μm以下であり、好ましくは20nm以上1μm以下、より好ましくは400nm以上700nm以下である。なお、Y軸方向のピッチとは、Y軸方向における隣り合う金属粒子30の重心間の距離である。複数の金属粒子30のX軸方向のピッチと、複数の金属粒子30のY軸方向のピッチとは、異なっていてもよいが、図示の例では、同じである。   The pitch in the Y-axis direction of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited, and is 10 nm or more and 2 μm or less, preferably 20 nm. The thickness is 1 μm or more and more preferably 400 nm or more and 700 nm or less. Note that the pitch in the Y-axis direction is the distance between the centers of gravity of adjacent metal particles 30 in the Y-axis direction. The pitch in the X-axis direction of the plurality of metal particles 30 and the pitch in the Y-axis direction of the plurality of metal particles 30 may be different, but are the same in the illustrated example.

金属粒子30に励起されるLSPの分布および強度等は、複数の金属粒子30の配列に依存する。したがって、金属層10と誘電体層20とに励起されるPSPと電磁的に相互作用するLSPは、単一の金属粒子30に励起されるLSPだけでなく、複数の金属粒子30の配列を考慮したLSPも含むことになる場合がある。   The distribution, intensity, and the like of LSP excited by the metal particles 30 depend on the arrangement of the plurality of metal particles 30. Therefore, the LSP that electromagnetically interacts with the PSP excited by the metal layer 10 and the dielectric layer 20 considers not only the LSP excited by the single metal particle 30 but also the arrangement of the plurality of metal particles 30. In some cases, the LSP may be included.

なお、図示はしないが、誘電体層20と金属粒子30との間に、誘電体層20と金属粒子30との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属粒子30は、密着層を介して、誘電体層20上に設けられていてもよい。また、基板2と金属層10との間に、基板2と金属層10との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属層10は、密着層を介して、基板2上に設けられていてもよい。このように、本明細書において、例えば、「部材A上に部材Bが設けられている」との表現は、部材
Aの上に接して部材Bが設けられている場合と、部材Aの上に他の部材を介して部材Bが設けられている場合と、を含む意味である。密着層は、例えば、クロム層、チタン層である。
Although not shown, an adhesion layer for improving the adhesion between the dielectric layer 20 and the metal particles 30 may be provided between the dielectric layer 20 and the metal particles 30. That is, the metal particle 30 may be provided on the dielectric layer 20 via the adhesion layer. Further, an adhesion layer for improving adhesion between the substrate 2 and the metal layer 10 may be provided between the substrate 2 and the metal layer 10. That is, the metal layer 10 may be provided on the substrate 2 through the adhesion layer. Thus, in this specification, for example, the expression “the member B is provided on the member A” refers to the case where the member B is provided in contact with the member A and the case where the member B is provided. And the case where the member B is provided via another member. The adhesion layer is, for example, a chromium layer or a titanium layer.

金属粒子30には、標的物質1が付着(吸着)する。標的物質1は、試料分析素子100を、標的物質1を含む気体試料に接触させることにより、金属粒子30に付着する。図示の例では、標的物質1は、金属粒子30および誘電体層20に接触している。標的物質1は、試料分析素子100を用いた分析において、検出の対象となる物質である。標的物質1としては、例えば、ピリジン、酢酸、アセトン、メチルメルカプタン、トルエンが挙げられる。なお、便宜上、図2の例では、標的物質1の図示を省略している。   The target substance 1 adheres (adsorbs) to the metal particles 30. The target substance 1 adheres to the metal particles 30 by bringing the sample analysis element 100 into contact with a gas sample containing the target substance 1. In the illustrated example, the target substance 1 is in contact with the metal particles 30 and the dielectric layer 20. The target substance 1 is a substance to be detected in the analysis using the sample analysis element 100. Examples of the target substance 1 include pyridine, acetic acid, acetone, methyl mercaptan, and toluene. For convenience, the target substance 1 is not shown in the example of FIG.

1.4. 金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、の関係
図3は、金属粒子の配列と、LSP(LSPR:Locarized Surface
Plasmon Resonance)およびPSP(PSPR:Propagating Surface Plasmon Resonance)との関係を説明するための図である。なお、図3において、(a)は試料分析素子の平面を模式的に示しており、(b)は試料分析素子の(a)のB−B線断面を模式的に示しており、(c)は試料分析素子の(a)のC−C線断面図を模式的に示している。
1.4. FIG. 3 shows the relationship between the arrangement of metal particles and the LSP (LSPR: Localized Surface).
It is a figure for demonstrating the relationship with Plasmon Resonance (PSPR) and PSP (PSPR: Propagating Surface Plasmon Resonance). In FIG. 3, (a) schematically shows the plane of the sample analysis element, (b) schematically shows the cross section along line BB of (a) of the sample analysis element, and (c ) Schematically shows a cross-sectional view taken along line CC of (a) of the sample analysis element.

ここで、金属粒子(例えば金属粒子30)の周辺に発生するLSPには、隣り合う金属粒子間に生じるモード(以下、「PPGM」(Particle−Particle Gap Mode)という。)、および、金属粒子と金属層(ミラーの機能も有する。)との間(例えば金属粒子30と金属層10との間)に生じるモード(以下、「PMGM」(Particle−Mirror Gap Mode)という。)の2種のモードが存在することが知られている(図3参照)。   Here, the LSP generated around the metal particles (for example, the metal particles 30) includes a mode generated between adjacent metal particles (hereinafter referred to as “PPGM” (Particle-Particle Gap Mode)), and the metal particles. Two types of modes (hereinafter referred to as “PMGM” (Particle-Mirror Gap Mode)) occurring between metal layers (also having a mirror function) (for example, between metal particles 30 and metal layer 10). Is known to exist (see FIG. 3).

PPGMおよびPMGMの2種のモードのLSPは、いずれも、試料分析素子に励起光が入射されることにより発生する。これらのうち、PPGMのLSPは、金属粒子が接近する(金属粒子間の距離が小さくなる)ほど強度が高くなる。一方、PMGMのモードのLSPは、PPGMのLSPほど金属粒子の配列や励起光の偏光方向には大きく影響されず、励起光が照射されることにより金属粒子と金属層との間(金属粒子の下方)に生成する。そして、PSPは、これまで説明したとおり、金属層と透光層の界面を伝播するプラズモンであり、金属層に励起光が入射されることにより、金属層と透光層の界面を等方的に伝播する。   Both of the two types of modes, PPGM and PMGM, are generated when excitation light is incident on the sample analysis element. Among these, PPGM LSP has higher strength as the metal particles approach (the distance between the metal particles is smaller). On the other hand, the LSP in the PMGM mode is not significantly affected by the arrangement of the metal particles and the polarization direction of the excitation light as in the PPGM LSP, and is irradiated between the metal particles and the metal layer (irradiation of the metal particles). (Down). As described above, the PSP is a plasmon that propagates through the interface between the metal layer and the light-transmitting layer. When the excitation light is incident on the metal layer, the interface between the metal layer and the light-transmitting layer is isotropic. Propagate to.

図3には、以下の実験例で用いたHybrid構造と、その他の構造(Basic構造)との比較を模式的に示した。試料分析素子に照射される励起光の偏光方向は、図中矢印で示してある。なお、Basic構造、およびHybrid構造なる語句は、本明細書においてそれぞれを区別するために用いられる造語であり、それらの意味を、以下に説明する。   FIG. 3 schematically shows a comparison between the hybrid structure used in the following experimental example and other structures (basic structure). The direction of polarization of the excitation light applied to the sample analysis element is indicated by an arrow in the figure. Note that the terms “basic structure” and “hybrid structure” are coined terms used to distinguish each of them in this specification, and their meanings will be described below.

まず、Basic構造は、金属粒子が透光層上に密に配置された構造であり、励起光の照射により、PPGMのLSPRおよびPMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、励起光の偏光方向における金属粒子の両端に発生しているが、Basic構造は金属粒子の配列の異方性が小さいため、励起光が偏光光でない場合にも同様に、励起光の電場ベクトルの成分にしたがって発生する。Basic構造では、金属粒子が密に配置される結果、励起光が金属層に到達しにくいため、PSPRはほとんどあるいは全く生じておらず、図示ではPSPRを表す模式的な波線が省略してある。   First, the basic structure is a structure in which metal particles are densely arranged on a light-transmitting layer, and the LSPR of PPGM and the LSPR of PMGM are excited by irradiation with excitation light. In this example, LSPR of PPGM is generated at both ends of the metal particles in the polarization direction of the excitation light. However, since the basic structure has a small anisotropy of the arrangement of the metal particles, the excitation light is not polarized light. Similarly, it is generated according to the electric field vector component of the excitation light. In the basic structure, as a result of the metal particles being densely arranged, the excitation light hardly reaches the metal layer, and therefore, little or no PSPR is generated. In the drawing, a schematic wavy line representing PSPR is omitted.

Hybrid構造は、金属粒子が透光層上に、Basic構造と比較して疎に配置された構造であり、励起光の照射により、PMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、金属粒子間が離れているため、Basic構造と比較すれば微弱に生成しており、図示では省略してある。Hybrid構造では、金属粒子が疎に配置される結果、PSPR(図中波線)が発生する。   The hybrid structure is a structure in which metal particles are arranged on a light-transmitting layer more sparsely than the basic structure, and the LSPR of PMGM is excited by irradiation with excitation light. In this example, the LSPR of PPGM is generated weakly as compared with the Basic structure because the metal particles are separated from each other, and is omitted in the drawing. In the hybrid structure, as a result of the metal particles being sparsely arranged, PSPR (dashed line in the figure) is generated.

なお、図3では偏光光を入射した場合について説明しているが、いずれの構造においても、偏光されていない励起光や円偏光光が入射された場合には、その電場の振動方向の成分に応じて上述のSPRが発生する。   Note that FIG. 3 illustrates the case where polarized light is incident. However, in any structure, when non-polarized excitation light or circularly polarized light is incident, the component in the vibration direction of the electric field is included. In response, the SPR described above occurs.

各構造における全体のSPRの強度(電場増強度)は、それぞれに発生するSPRの総和(または積)と関連している。全SPRの強度に対するPSPRの寄与度は、各構造において金属粒子の形状および大きさが同じ場合、Basic構造<Hybrid構造の順で大きくなる。また、全SPRの強度に対するLSPR(PPGMおよびPMGM)の寄与度は、各構造において金属粒子の形状および大きさが同じ場合、金属粒子の密度(HSD)の観点から、Hybrid構造<Basic構造の順で大きくなる。さらに、HSDおよびPPGMのLSPRに着目すると、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、Hybrid構造<Basic構造の順で大きくなる。   The overall SPR strength (electric field enhancement) in each structure is related to the sum (or product) of the SPRs generated in each. If the shape and size of the metal particles are the same in each structure, the contribution of PSPR to the strength of the total SPR increases in the order of Basic structure <Hybrid structure. In addition, the contribution of LSPR (PPGM and PMGM) to the strength of the total SPR is determined in the order of Hybrid structure <Basic structure from the viewpoint of metal particle density (HSD) when the shape and size of the metal particles are the same in each structure. It grows big. Further, when paying attention to LSPR of HSD and PPGM, the contribution degree of LSPR of PPGM to the strength of all SPRs increases in the order of Hybrid structure <Basic structure.

Hybrid構造は、Basic構造と比較して、PSPRの強度が最も強く、係るPSPRの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、PPGMのLSPRの強度は小さく、金属粒子の密度も小さいものの、PMGMのLSPRとPSPRとが電磁的に強く相互作用する(相乗的に結合する)。   The Hybrid structure has the strongest PSPR intensity and the largest contribution of the PSPR to the overall enhancement compared to the Basic structure. And although the intensity | strength of LSPR of PPGM is small and the density of a metal particle is also small, LSPR and PSPR of PMGM interact strongly electromagnetically (synergistic coupling | bonding).

Basic構造は、PPGMのLSPRの強度が最も強く、係るPPGMのLSPRの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、PSPRの強度は小さいため、PPGMのLSPRとPSPRとの電磁的な相互作用は発生しない。後述する図6に示すように、金属粒子を密に配置するとPSPRに起因する吸収領域が発生しない。これは、図6に示すように、X軸方向ピッチが300nmのプロットが1つしかないことからわかる。   The Basic structure has the strongest strength of LSPR of PPGM, and the contribution of the LSPR of PPGM to the overall enhancement is the largest. And since the intensity | strength of PSPR is small, the electromagnetic interaction of LSPR of PPGM and PSPR does not generate | occur | produce. As shown in FIG. 6 to be described later, when metal particles are arranged densely, an absorption region due to PSPR does not occur. This can be seen from the fact that there is only one plot with an X-axis direction pitch of 300 nm as shown in FIG.

したがって、Hybrid構造とBasic構造は、電場増強のメカニズムが異なっているといえる。   Therefore, it can be said that the hybrid structure and the basic structure have different electric field enhancement mechanisms.

なお、各構造において、金属粒子の大きさ(例えば平面視における直径や、厚さ)を変化させることにより、全SPRの強度に対するPSPRの寄与度や、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、変化する。   In each structure, by changing the size of metal particles (for example, the diameter and thickness in plan view), the contribution of PSPR to the intensity of all SPR and the contribution of LSPR of PPGM to the intensity of all SPR Will change.

本実施形態に係る試料分析素子100では、Hybrid構造、またはHybrid構造のY軸方向の周期を異ならせた構造を有し、図3に示すように、複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起可能な周期配列を有している。そして、試料分析素子100は、PSPとLSPとが電磁的に結合するように誘電体層20の厚さを設計することにより、図3に示すように、金属層と誘電体層との界面に励起されるPSPと、金属粒子に励起されるLSPとが電磁的に相合作用することができる。   The sample analysis element 100 according to the present embodiment has a hybrid structure, or a structure in which the period of the hybrid structure in the Y-axis direction is different. As shown in FIG. It has a periodic array that can excite PSP propagating through the interface with the dielectric layer 20. Then, the sample analysis element 100 is designed at the interface between the metal layer and the dielectric layer as shown in FIG. 3 by designing the thickness of the dielectric layer 20 so that the PSP and the LSP are electromagnetically coupled. The excited PSP and the LSP excited by the metal particles can be electromagnetically combined.

1.5. 伝播型表面プラズモンの共鳴波長と局在型表面プラズモンの共鳴波長
本実施形態に係る試料分析素子100では、伝播型表面プラズモン(PSP)の共鳴波長と、局在型表面プラズモン(LSP)の共鳴波長とは、異なる。後述する実験例に示すように、例えば、試料分析素子の金属粒子の大きさ(平面視における大きさ)を変えるこ
とにより、LSPの共鳴波長を変化させることができる。したがって、金属粒子30の平面視における大きさを変えることにより、試料分析素子100において、PSPの共鳴波長を、LSPの共鳴波長よりも長くすることもできるし、LSPの共鳴波長よりも短くすることもできる。以下、PSPの共鳴波長およびLSPの共鳴波長について具体的に説明する。
1.5. Resonance wavelength of propagation type surface plasmon and resonance wavelength of localized type surface plasmon In sample analysis element 100 concerning this embodiment, the resonance wavelength of propagation type surface plasmon (PSP) and the resonance wavelength of localization type surface plasmon (LSP) Is different. As shown in an experimental example to be described later, for example, the resonance wavelength of the LSP can be changed by changing the size (size in plan view) of the metal particles of the sample analysis element. Therefore, by changing the size of the metal particles 30 in plan view, the resonance wavelength of the PSP can be made longer than the resonance wavelength of the LSP or shorter than the resonance wavelength of the LSP in the sample analysis element 100. You can also. Hereinafter, the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP will be described in detail.

まず、伝播型表面プラズモン(PSP)について説明する。通常は、入射光の分散関係(n=1のライトライン)と、PSPの分散関係(Auと空気との界面を伝播するPSPの分散関係)とは交点を持たないので、PSPが発生しない。しかしながら、例えば、格子間隔Qを有する回折格子を通過させた入射光(回折光)を用いて励起すると、図4に示すように、PSPの分散関係(Auと空気との界面を伝播するPSPの分散関係)と、入射光(回折光)の分散関係(ライトライン)とが交点を持ち、交点の波長のPSPが励起される。なお、図4は、表面プラズモン・ポラリトン(SPP:Surface Plasmon Plariton)の分散関係を模式的に示す図である。ここで、SPPとは、金属層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のことである。   First, propagation type surface plasmon (PSP) will be described. Normally, the dispersion relation of incident light (light line of n = 1) and the dispersion relation of PSP (dispersion relation of PSP propagating through the interface between Au and air) do not have an intersection, so that no PSP occurs. However, for example, when excited using incident light (diffracted light) that has passed through a diffraction grating having a grating interval Q, as shown in FIG. 4, the dispersion relation of PSP (the PSP propagating through the interface between Au and air) (Dispersion relationship) and the dispersion relationship (light line) of incident light (diffracted light) have an intersection, and the PSP at the wavelength of the intersection is excited. FIG. 4 is a diagram schematically showing a dispersion relation of surface plasmon polariton (SPP). Here, the SPP is a quantum of vibrations in which charge vibrations near the surface of the metal layer and electromagnetic waves are combined.

交点(図4参照)の波長をPSPの共鳴波長と言い、PSPの共鳴波長λPSP[nm]は、下記式(1)で表せる。なお、(1)式は、励起光(入射光)が垂直入射な場合(励起光が誘電体層の上面の垂線に対して平行に入射する場合)を示している。 The wavelength at the intersection (see FIG. 4) is called the resonance wavelength of the PSP, and the resonance wavelength λ PSP [nm] of the PSP can be expressed by the following formula (1). The expression (1) shows the case where the excitation light (incident light) is perpendicularly incident (the case where the excitation light is incident in parallel to the vertical line on the upper surface of the dielectric layer).

λPSP(n=1)<λPSP<λPSP(n) ・・・ (1)
ここで、
λPSP(n=1)=[1240×SQRT{ε(λin)/(ε(λin)+1)}]/(4π/X×100) ・・・ (2)
λPSP(n)=[1240×SQRT{ε(λin)×ε/(ε(λin)+ε)}]/(4π/X×100) ・・・ (3)
λ PSP (n = 1) <λ PSPPSP (n 2 ) (1)
here,
λ PSP (n = 1) = [1240 × SQRT {ε 1in ) / (ε 1in ) +1)}] / (4π / X p × 100) (2)
λ PSP (n 2 ) = [1240 × SQRT {ε 1in ) × ε 2 / (ε 1in ) + ε 2 )}] / (4π / X p × 100) (3)

なお、式(2)および式(3)において、X[nm]は、金属粒子の、励起光の偏光方向におけるピッチ(周期)であり、ε(ω)は、金属層の誘電率であり、ε(ε=n )は、誘電体層の誘電率であり、λin[nm]は、励起光の波長である。また、ωは、電場増強素子に入射する励起光の角振動数であり、λin[nm]=1240/ω(eV)の関係がある。 In Expressions (2) and (3), X p [nm] is the pitch (period) of the metal particles in the polarization direction of the excitation light, and ε 1 (ω) is the dielectric constant of the metal layer. Yes, ε 22 = n 2 2 ) is the dielectric constant of the dielectric layer, and λ in [nm] is the wavelength of the excitation light. Further, ω is an angular frequency of excitation light incident on the electric field enhancing element, and has a relationship of λ in [nm] = 1240 / ω (eV).

PSPの共鳴波長は、誘電体層の厚さによって変化する。誘電率εの誘電体層の厚さが無限の場合、PSP共鳴波長は、λPSP(n)になる。誘電体層の厚さが有限の場合、PSP共鳴波長は式(1)のように、金属層と空気との界面で発生するPSPの共鳴波長と、金属層と無限厚さの誘電体層との界面で発生するPSPの共鳴波長と、の間の値を取る。 The resonant wavelength of the PSP varies with the thickness of the dielectric layer. When the thickness of the dielectric layer having a dielectric constant ε 2 is infinite, the PSP resonance wavelength is λ PSP (n 2 ). When the thickness of the dielectric layer is finite, the PSP resonance wavelength is expressed by the following equation (1): the resonance wavelength of PSP generated at the interface between the metal layer and air, the metal layer, and the dielectric layer having an infinite thickness. It takes a value between the resonance wavelength of PSP generated at the interface.

例えば後述する実験例1の場合、金属層はAu層であり、誘電体層はSiO層(n=1.46)であり、X=600nmであり、波長λinを630nmとすると、(1)式より、625nm<λPSP<980nmである。FDTD(Finite Difference Time Domain)計算結果から、λPSP=700nmである。 For example, in Experimental Example 1 described later, if the metal layer is an Au layer, the dielectric layer is a SiO 2 layer (n 2 = 1.46), X p = 600 nm, and the wavelength λ in is 630 nm, From the formula (1), 625 nm <λ PSP <980 nm. From the result of FDTD (Finite Difference Time Domain) calculation, λ PSP = 700 nm.

ここで、図5は、標的物質が試料分析素子に付着すると、PSPの共鳴波長が変化することを説明するための図である。図5に示すように、誘電体層の屈折率が大きい程、表面プラズモン・ポラリトン(SPP)分散曲線が下がり、ある波数kでSPPのエネルギーが低くなる。そのため、PSPの共鳴波長は長くなる。   Here, FIG. 5 is a diagram for explaining that the resonance wavelength of the PSP changes when the target substance adheres to the sample analysis element. As shown in FIG. 5, as the refractive index of the dielectric layer increases, the surface plasmon polariton (SPP) dispersion curve decreases and the energy of the SPP decreases at a certain wave number k. Therefore, the resonance wavelength of PSP becomes long.

例えば図1に示すように、ホットサイト(金属粒子30の下部)に標的物質1が吸着すると、金属層10に接する誘電体層20の実行的な屈折率が増加するので、SPP分散曲線が下がり、PSPの共鳴波長が長波長になる。   For example, as shown in FIG. 1, when the target substance 1 is adsorbed on the hot site (below the metal particles 30), the effective refractive index of the dielectric layer 20 in contact with the metal layer 10 increases, so the SPP dispersion curve decreases. , The resonance wavelength of the PSP becomes a long wavelength.

次に、LSPの共鳴波長について説明する。一様な周囲の媒質中に置かれた金属球のLSP共鳴波長(エネルギー)は、金属の誘電率が下記式(4)を満たすエネルギーωである。なお、λ=1240/ωの関係がある。   Next, the resonance wavelength of LSP will be described. The LSP resonance wavelength (energy) of a metal sphere placed in a uniform surrounding medium is an energy ω that satisfies the following formula (4). Note that there is a relationship of λ = 1240 / ω.

ε(ω)=−2ε ・・・ (4) ε 1 (ω) = − 2ε 0 (4)

なお、式(4)において、金属の誘電率をε(ω)とし、周囲の媒質の誘電率をεとした。 In Equation (4), the dielectric constant of the metal is ε 1 (ω), and the dielectric constant of the surrounding medium is ε 0 .

LSPの共鳴波長は、金属粒子の誘電率、形状、周囲の誘電率に依存する。なお、本実施形態に係る試料分析素子100では、誘電体層20を挟んで、金属層10と金属粒子30との相互作用(金属層10と誘電体層20との界面に励起するPSPと、金属粒子30に励起するLSPと、の電磁的な相互作用)があるため、LSPの共鳴波長は、一概に式(4)で表すことはできない。   The resonance wavelength of LSP depends on the dielectric constant, shape, and surrounding dielectric constant of the metal particles. In the sample analysis element 100 according to the present embodiment, the interaction between the metal layer 10 and the metal particles 30 (PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, and the dielectric layer 20) Since there is an electromagnetic interaction with the LSP excited in the metal particle 30, the resonance wavelength of the LSP cannot be generally expressed by the equation (4).

そのため、後述する実験例のように、金属粒子の直径(平面視における直径)を変化させて、PSPの共鳴波長の漸近線と、LSPの共鳴波長の漸近線と、を求めた。例えば、両漸近線の交点の直径(金属粒子の直径)を避けるように、試料分析素子を設計することにより、PSPの共鳴波長と、LSPの共鳴波長とを、異ならせることができる。PSPの共鳴波長の漸近線と、LSPの共鳴波長の漸近線とは、金属粒子の直径以外のパラメーターを変化させても求めることができ、両漸近線の交点における値(変化させたパラメーターの値)を避けるように、試料分析素子を設計することにより、PSPの共鳴波長と、LSPの共鳴波長とを、異ならせることができる。   Therefore, as in an experimental example to be described later, the asymptotic line of the resonance wavelength of PSP and the asymptotic line of the resonance wavelength of LSP were obtained by changing the diameter of the metal particles (diameter in plan view). For example, the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP can be made different by designing the sample analysis element so as to avoid the diameter of the intersection of both asymptotes (the diameter of the metal particle). The asymptote of the resonance wavelength of the PSP and the asymptote of the resonance wavelength of the LSP can be obtained by changing parameters other than the diameter of the metal particle, and the value at the intersection of both asymptotes (the value of the changed parameter) By designing the sample analysis element so as to avoid (), the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP can be made different.

本実施形態に係る試料分析素子100では、伝播型表面プラズモン(PSP)と局在型表面プラズモン(LSP)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。   In the sample analysis element 100 according to the present embodiment, an extremely large increase in electric field can be obtained by electromagnetically coupling a propagation surface plasmon (PSP) and a localized surface plasmon (LSP). it can.

図6は、ハイブリッドによるanti−crossingを説明するための図であり、金属粒子30のX軸方向ピッチを変化させた場合の共鳴波長を表す。金属層10はAu層、誘電体層20はSiO層で、厚さ50nm、金属粒子30はAu粒子で、直径は100nm、高さは30nm、Y軸方向ピッチ=X軸方向ピッチとして、FDTD(Finite Difference Time Domain)法で反射スペクトルを計算し、共鳴波長を得た。 FIG. 6 is a diagram for explaining anti-crossing by a hybrid, and shows a resonance wavelength when the pitch of the metal particles 30 in the X-axis direction is changed. The metal layer 10 is an Au layer, the dielectric layer 20 is a SiO 2 layer, the thickness is 50 nm, the metal particles 30 are Au particles, the diameter is 100 nm, the height is 30 nm, the Y-axis direction pitch = the X-axis direction pitch, and FDTD The reflection spectrum was calculated by the (Finite Difference Time Domain) method to obtain the resonance wavelength.

この構造におけるPSPの共鳴波長(Au層とSiO層との界面を伝播するPSPの共鳴波長)は式(1)で表せ、図6の破線のようになると予測される。また、LSPの共鳴波長は、横軸にほぼ平行な直線になる。 The resonance wavelength of PSP in this structure (resonance wavelength of PSP propagating through the interface between the Au layer and the SiO 2 layer) can be expressed by equation (1) and is predicted to be as shown by the broken line in FIG. The resonance wavelength of the LSP is a straight line substantially parallel to the horizontal axis.

図6に示すように、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長が近づくと、LSPとPSPとに起因する吸収領域は分裂(anti−crossing)する。特に、LSPとPSPとの波長が等しいとき、ハイブリッドモードの効果が最大となる。   As shown in FIG. 6, when the resonance wavelength of the PSP approaches the resonance wavelength of the LSP, the absorption region caused by the LSP and the PSP splits (anti-crossing). In particular, when the wavelengths of LSP and PSP are equal, the effect of the hybrid mode is maximized.

本発明に係る試料分析素子では、ハイブリッドモードの効果が最大となる点以外を用いる。つまり、LSPとPSPの波長が異なっている場合である。   The sample analysis element according to the present invention uses points other than the point where the effect of the hybrid mode is maximized. That is, this is a case where the wavelengths of LSP and PSP are different.

周囲の誘電率は、物質が吸着(付着)することで変化するので、LSPは、標的物質の吸着前後で共鳴波長が変化する。このように、標的物質の吸着量や濃度に応じて周囲の誘電率が変化するので、試料分析素子100は、標的物質の吸着量や濃度を測定することができる。   Since the dielectric constant of the surroundings changes when the substance is adsorbed (attached), the resonance wavelength of the LSP changes before and after the adsorption of the target substance. Thus, since the surrounding dielectric constant changes according to the adsorption amount and concentration of the target substance, the sample analysis element 100 can measure the adsorption amount and concentration of the target substance.

2. 分析方法
次に、本実施形態に係る分析方法について、図面を参照しながら説明する。図7は、本実施形態に係る分析方法を説明するためのフローチャートである。図8は、本実施形態に係る分析方法を説明するための図である。図9および図10は、本実施形態に係る分析方法において取得される反射スペクトルを説明するための図である。
2. Analysis Method Next, an analysis method according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 7 is a flowchart for explaining the analysis method according to the present embodiment. FIG. 8 is a diagram for explaining the analysis method according to the present embodiment. 9 and 10 are diagrams for explaining a reflection spectrum acquired in the analysis method according to the present embodiment.

本実施形態に係る分析方法は、本発明に係る試料分析素子を用いた標的物質の分析方法である。以下では、本発明に係る試料分析素子として、試料分析素子100を用いた例について説明する。なお、図9および図10は、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長い試料分析素子100を用いた例を示している。   The analysis method according to the present embodiment is a target substance analysis method using the sample analysis element according to the present invention. Below, the example using the sample analysis element 100 is demonstrated as a sample analysis element which concerns on this invention. 9 and 10 show an example in which the sample analysis element 100 in which the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP.

まず、標的物質1が試料分析素子100に付着していない状態で、試料分析素子100に光を照射して、試料分析素子100からの反射光を検出し、第1反射スペクトルR1を取得する(S1)。   First, in a state where the target substance 1 is not attached to the sample analysis element 100, the sample analysis element 100 is irradiated with light, the reflected light from the sample analysis element 100 is detected, and the first reflection spectrum R1 is acquired ( S1).

具体的には、図8に示すように、光源110から白色光を射出する。射出された白色光は、レンズ3a、ハーフミラー4、レンズ3bを介して、試料分析素子100に至り、試料分析素子100において反射される。試料分析素子100において反射された光(反射光)は、レンズ3b、ハーフミラー4、およびレンズ3cを介して、光検出器120に至り、光検出器120は、反射光を検出する。光検出器120は、例えば、分光器および受光素子を有し、反射光は、分光器を介して受光素子にて受光される。分光器は、例えば、ファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されている。受光素子としては、例えば、フォトダイオードを用いる。例えば、光源110とレンズ3aとの間に、偏光子(図示せず)を配置してもよい。例えば図8に示すような測定系で、反射率測定を行うことにより、図9および図10に示す反射スペクトルR1,R2を取得することができる。なお、本発明に係る分析方法の測定系は、図8に示す例に限定されない。   Specifically, as shown in FIG. 8, white light is emitted from the light source 110. The emitted white light reaches the sample analysis element 100 via the lens 3a, the half mirror 4, and the lens 3b, and is reflected by the sample analysis element 100. The light (reflected light) reflected by the sample analysis element 100 reaches the photodetector 120 via the lens 3b, the half mirror 4, and the lens 3c, and the photodetector 120 detects the reflected light. The photodetector 120 includes, for example, a spectroscope and a light receiving element, and the reflected light is received by the light receiving element via the spectroscope. The spectroscope is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance. For example, a photodiode is used as the light receiving element. For example, a polarizer (not shown) may be disposed between the light source 110 and the lens 3a. For example, the reflectance spectra R1 and R2 shown in FIGS. 9 and 10 can be obtained by measuring the reflectance with a measurement system as shown in FIG. Note that the measurement system of the analysis method according to the present invention is not limited to the example shown in FIG.

第1反射スペクトルR1は、図9に示すように、第1吸収領域P1、および第1吸収領域P1よりも長波長側の第2吸収領域P2を有する。第1吸収領域P1は、短波長側の吸収領域であり、第2吸収領域P2は、長波長側の吸収領域である。反射スペクトルにおいて、反射率の落ち込みは、SPRが起きていることを示す。励起光(入射光)の照射によってSPRが発生すると、共鳴による吸収が起き反射率が低下する。したがって、吸収領域とは、SPRの共鳴による光の吸収が起きることによって、反射スペクトルの反射率が落ち込む領域である。吸収領域は、例えば、下に凸のピークである。図9に示すように、反射スペクトルが2つの吸収領域(第1吸収領域P1および第2吸収領域P2)を有するのは、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとが、電磁的に相合作用し、anti−crossingをしているためである。すなわち、第1吸収領域P1および第2吸収領域P2は、PSPとLSPとが電磁的に相互作用することによって生じる吸収である。同様に、後述する第3吸収領域P3および第4吸収領域P4は、PSPとLSPとが電磁的に相互作用することによって生じる吸収である。後述するように、第3吸収領域P3は、第1吸収領域P1と同様に短波長側の吸収領域であり、第4吸収領域P4は、第2吸収領域P2と同様に長波長側の吸収領域である。したがって、第3吸収領域P3は、第1吸収領域P1に対応しているといえ、第4吸収領域P4は、第2吸収領域P2に対応しているといえる。図9に示す例では、第1吸収領域P1は、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域であり、第2吸収領域P2
は、LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域である。また、図9に示す例では、第2吸収領域P2の半値幅は、第1吸収領域P1の半値幅よりも小さい。
As shown in FIG. 9, the first reflection spectrum R1 has a first absorption region P1 and a second absorption region P2 on the longer wavelength side than the first absorption region P1. The first absorption region P1 is an absorption region on the short wavelength side, and the second absorption region P2 is an absorption region on the long wavelength side. In the reflection spectrum, a drop in reflectivity indicates that SPR is occurring. When SPR is generated by irradiation with excitation light (incident light), absorption due to resonance occurs and the reflectance decreases. Therefore, the absorption region is a region where the reflectance of the reflection spectrum falls due to light absorption due to SPR resonance. The absorption region is, for example, a downward convex peak. As shown in FIG. 9, the reflection spectrum has two absorption regions (the first absorption region P1 and the second absorption region P2) because the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, This is because the LSP excited by the metal particles 30 is electromagnetically combined and anti-crossing. That is, the first absorption region P1 and the second absorption region P2 are absorptions that are generated when the PSP and the LSP electromagnetically interact with each other. Similarly, a third absorption region P3 and a fourth absorption region P4, which will be described later, are absorptions that occur when PSP and LSP interact electromagnetically. As will be described later, the third absorption region P3 is a short wavelength side absorption region like the first absorption region P1, and the fourth absorption region P4 is a long wavelength side absorption region like the second absorption region P2. It is. Therefore, it can be said that the third absorption region P3 corresponds to the first absorption region P1, and the fourth absorption region P4 corresponds to the second absorption region P2. In the example shown in FIG. 9, the first absorption region P1 is an absorption region in which the contribution of LSP is larger than that of PSP, and the second absorption region P2
Is an absorption region where the contribution of PSP is greater than that of LSP. In the example shown in FIG. 9, the half width of the second absorption region P2 is smaller than the half width of the first absorption region P1.

ここで、本発明に係る反射スペクトルの吸収領域を、第1吸収領域P1を用いて説明する。反射スペクトルの吸収領域とは、反射率が極小となる点(極小点T1)を有し、PSPとLSPとが電磁的に相互作用することによって、直線L1よりも落ち込んでいる部分である。直線L1は、極小点T1から短波長側に、極小点T1に最も近い極大点(反射率が極大となる点)Aと、極小点T1から長波長側に、極小点T1に最も近い極大点(反射率が極大となる点)Bと、を結ぶ線である。極小点T1の反射率と、極小点T1を通る縦軸に平行な直線L2と直線L1との交点Cの反射率と、の差は、例えば、0.05以上である。なお、極小点T1の短波長側に極大点Aを有さない場合は、直線L1は、極小点T1の短波長側の最大点(反射率が最大となる点)A´と、極大点Bと、を結ぶ線である。また、極小点T1の長波長側に極大点Bを有さない場合は、直線L1は、極大点Aと、極小点T1の長波長側の最大点(反射率が最大となる点)B´と、を結ぶ線である。また、極大点A,Bを有さない場合は、直線L1は、最大点A´と最大店B´とを結ぶ線である。このことは、吸収領域P2,P3,P4についても同様である。   Here, the absorption region of the reflection spectrum according to the present invention will be described using the first absorption region P1. The absorption region of the reflection spectrum is a portion having a point (minimum point T1) at which the reflectance is minimized, and being lowered from the straight line L1 due to electromagnetic interaction between PSP and LSP. The straight line L1 is a local maximum point closest to the local minimum point T1 (a point where the reflectance is maximum) A from the local minimum point T1 to the short wavelength side, and a local maximum point closest to the local minimum point T1 from the local minimum point T1 to the long wavelength side. (Point where the reflectance is maximized) B. The difference between the reflectance at the minimum point T1 and the reflectance at the intersection C between the straight line L2 and the straight line L1 passing through the minimum point T1 and parallel to the vertical axis is, for example, 0.05 or more. When the local maximum point A is not present on the short wavelength side of the local minimum point T1, the straight line L1 is a maximum point (a point at which the reflectivity is maximum) A ′ on the short wavelength side of the local minimum point T1 and the local maximum point B. Is a line connecting When the local maximum point B is not present on the long wavelength side of the local minimum point T1, the straight line L1 has the local maximum point A and the maximum point on the long wavelength side of the local minimum point T1 (the point at which the reflectance becomes maximum) B '. Is a line connecting Further, when the local maximum points A and B are not provided, the straight line L1 is a line connecting the maximum point A ′ and the maximum store B ′. The same applies to the absorption regions P2, P3, and P4.

次に、標的物質1が試料分析素子100に付着している状態で、試料分析素子100に光を照射して、試料分析素子100からの反射光を検出し、第2反射スペクトルR2を取得する(S2)。   Next, in a state where the target substance 1 is attached to the sample analysis element 100, the sample analysis element 100 is irradiated with light, the reflected light from the sample analysis element 100 is detected, and the second reflection spectrum R2 is acquired. (S2).

具体的には、標的物質1を含む気体試料を試料分析素子100に接触させて、試料分析素子100の金属粒子30に標的物質1を付着(吸着)させる。そして、工程(S1)と同様に、光源110から白色光源を射出し、試料分析素子100において反射された反射光を光検出器120において検出する。これにより、図10に示す第2反射スペクトルR2を取得することができる。なお、図10では、第1反射スペクトルR1も図示しており、第1反射スペクトルR1を実線で示し、第2反射スペクトルR2を破線で示している。   Specifically, a gas sample containing the target substance 1 is brought into contact with the sample analysis element 100, and the target substance 1 is attached (adsorbed) to the metal particles 30 of the sample analysis element 100. Then, similarly to the step (S1), a white light source is emitted from the light source 110, and the reflected light reflected by the sample analysis element 100 is detected by the photodetector 120. Thereby, 2nd reflection spectrum R2 shown in FIG. 10 is acquirable. In FIG. 10, the first reflection spectrum R1 is also illustrated, and the first reflection spectrum R1 is indicated by a solid line and the second reflection spectrum R2 is indicated by a broken line.

第2反射スペクトルR2は、第1吸収領域P1に対応する第3吸収領域P3、および第2吸収領域P2に対応する第4吸収領域P4を有する。第3吸収領域P3、および第4吸収領域P4の少なくとも一方は、第1吸収領域P1、または第2吸収領域P2が長波長側にシフトしたものである。図10に示す例では、第2反射スペクトルR2は、第1吸収領域P1に対応し、第1吸収領域P1が長波長側にシフトした第3吸収領域P3、および、第2吸収領域P2に対応し、第2吸収領域P2が長波長側にシフトした第4吸収領域P4を有する。例えば、第3吸収領域P3は、標的物質1が試料分析素子100に付着することによって第1吸収領域P1が長波長側にシフトした吸収領域であり、第4吸収領域P4は、標的物質1が試料分析素子100に付着することによって第2吸収領域P2が長波長側にシフトした吸収領域である。第3吸収領域P3は、短波長側の吸収領域であり、第4吸収領域P4は、長波長側の吸収領域である。図10に示す例では、第3吸収領域P3は、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域であり、第4吸収領域P4は、LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域である。また、図10に示す例では、第4吸収領域P4の半値幅は、第3吸収領域P3の半値幅よりも小さい。   The second reflection spectrum R2 has a third absorption region P3 corresponding to the first absorption region P1 and a fourth absorption region P4 corresponding to the second absorption region P2. At least one of the third absorption region P3 and the fourth absorption region P4 is obtained by shifting the first absorption region P1 or the second absorption region P2 to the long wavelength side. In the example shown in FIG. 10, the second reflection spectrum R2 corresponds to the first absorption region P1, and corresponds to the third absorption region P3 and the second absorption region P2 in which the first absorption region P1 is shifted to the long wavelength side. The second absorption region P2 has a fourth absorption region P4 shifted to the long wavelength side. For example, the third absorption region P3 is an absorption region in which the first absorption region P1 is shifted to the long wavelength side due to the target substance 1 adhering to the sample analysis element 100, and the fourth absorption region P4 The second absorption region P2 is an absorption region shifted to the long wavelength side by adhering to the sample analysis element 100. The third absorption region P3 is an absorption region on the short wavelength side, and the fourth absorption region P4 is an absorption region on the long wavelength side. In the example illustrated in FIG. 10, the third absorption region P3 is an absorption region where the contribution of LSP is greater than that of PSP, and the fourth absorption region P4 is an absorption region where the contribution of PSP is greater than that of LSP. In the example shown in FIG. 10, the half width of the fourth absorption region P4 is smaller than the half width of the third absorption region P3.

なお、第3吸収領域P3が第1吸収領域P1よりも長波長側にシフトすれば、第4吸収領域P4は第2吸収領域P2に対してシフトしていなくてもよい。すなわち、第2吸収領域P2の極小点の波長と第4吸収領域P4の極小点の波長との差とは、ゼロでもよい。また、第4吸収領域P4が第2吸収領域P2よりも長波長側にシフトすれば、第3吸収領域P3は第1吸収領域P1に対してシフトしていなくてもよい。すなわち、第1吸収領域P1の極小点の波長と第3吸収領域P3の極小点の波長との差とは、ゼロでもよい。   Note that if the third absorption region P3 is shifted to the longer wavelength side than the first absorption region P1, the fourth absorption region P4 may not be shifted with respect to the second absorption region P2. That is, the difference between the wavelength of the minimum point of the second absorption region P2 and the wavelength of the minimum point of the fourth absorption region P4 may be zero. Further, if the fourth absorption region P4 is shifted to the longer wavelength side than the second absorption region P2, the third absorption region P3 may not be shifted with respect to the first absorption region P1. That is, the difference between the wavelength of the minimum point of the first absorption region P1 and the wavelength of the minimum point of the third absorption region P3 may be zero.

次に、第1吸収領域P1の極小点T1の波長と第3吸収領域P3の極小点T3の波長との差Δλ1と、第2吸収領域P2の極小点T2の波長と第4吸収領域P4の極小点T4の波長との差Δλ2と、を算出する(S3)。   Next, the difference Δλ1 between the wavelength of the minimum point T1 of the first absorption region P1 and the wavelength of the minimum point T3 of the third absorption region P3, the wavelength of the minimum point T2 of the second absorption region P2, and the fourth absorption region P4 A difference Δλ2 from the wavelength of the minimum point T4 is calculated (S3).

次に、工程(S3)で算出した、差Δλ1,Δλ2のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、標的物質1を検出する(S4)。差Δλ1,Δλ2のうち大きい方の差は、例えば1nm以上であり、好ましくは4nm以上である。   Next, the target substance 1 is detected using the absorption region having the larger difference between the differences Δλ1 and Δλ2 calculated in the step (S3) (S4). The larger difference between the differences Δλ1 and Δλ2 is, for example, 1 nm or more, preferably 4 nm or more.

図10に示す例では、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長く、工程(S4)では、第1吸収領域P1および第3吸収領域P3を用いて、標的物質1を検出する。PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長い試料分析素子100では、図10に示すように、差Δλ1の方が差Δλ2よりも大きい。このように標的物質1を検出し、差Δλ1と予め取得された検量線とを照合することで、標的物質の吸着量や濃度を求めることができる。   In the example shown in FIG. 10, the resonance wavelength of PSP is longer than the resonance wavelength of LSP, and in step (S4), the target substance 1 is detected using the first absorption region P1 and the third absorption region P3. In the sample analysis element 100 in which the resonance wavelength of PSP is longer than the resonance wavelength of LSP, the difference Δλ1 is larger than the difference Δλ2, as shown in FIG. Thus, by detecting the target substance 1 and collating the difference Δλ1 with a previously obtained calibration curve, the adsorption amount and concentration of the target substance can be obtained.

上記の例では、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法を説明した。次に、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも短い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法について、説明する。なお、以下では、上記のPSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法と異なる点について説明し、同様の点について説明を省略する。   In the above example, the target substance analysis method using the sample analysis element in which the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP has been described. Next, a method for analyzing a target substance using a sample analysis element in which the resonance wavelength of PSP is shorter than the resonance wavelength of LSP will be described. In the following, differences from the target substance analysis method using the sample analysis element in which the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP will be described, and description of similar points will be omitted.

図11は、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも短い試料分析素子100において取得される反射スペクトルを説明するための図である。図11では、第1反射スペクトルR1を実線で示し、第2反射スペクトルR2を破線で示している。   FIG. 11 is a diagram for explaining a reflection spectrum acquired in the sample analysis element 100 in which the resonance wavelength of the PSP is shorter than the resonance wavelength of the LSP. In FIG. 11, the first reflection spectrum R1 is indicated by a solid line, and the second reflection spectrum R2 is indicated by a broken line.

図11に示す例では、第1反射スペクトルR1の第1吸収領域P1は、LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域であり、第1反射スペクトルR1の第2吸収領域P2は、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域である。また、図11に示す例では、第1吸収領域P1の半値幅は、第2吸収領域P2の半値幅よりも小さい。   In the example shown in FIG. 11, the first absorption region P1 of the first reflection spectrum R1 is an absorption region where the contribution of PSP is larger than that of LSP, and the second absorption region P2 of the first reflection spectrum R1 is more than PSP. This is an absorption region where the contribution of LSP is large. In the example shown in FIG. 11, the half width of the first absorption region P1 is smaller than the half width of the second absorption region P2.

図11に示す例では、第2反射スペクトルR2の第3吸収領域P3は、LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域であり、第2反射スペクトルR2の第4吸収領域P4は、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域である。また、図11に示す例では、第3吸収領域P3の半値幅は、第4吸収領域P4の半値幅よりも小さい。   In the example shown in FIG. 11, the third absorption region P3 of the second reflection spectrum R2 is an absorption region where the contribution of PSP is larger than that of LSP, and the fourth absorption region P4 of the second reflection spectrum R2 is more than PSP. This is an absorption region where the contribution of LSP is large. In the example shown in FIG. 11, the half width of the third absorption region P3 is smaller than the half width of the fourth absorption region P4.

図11に示す例では、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも短く、工程(S4)では、第2吸収領域P2および第4吸収領域P4を用いて、標的物質1を分析する。PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも短い試料分析素子100では、図11に示すように、差Δλ2の方が差Δλ1よりも大きい。   In the example shown in FIG. 11, the resonance wavelength of PSP is shorter than the resonance wavelength of LSP, and in step (S4), target substance 1 is analyzed using second absorption region P2 and fourth absorption region P4. In the sample analysis element 100 in which the resonance wavelength of the PSP is shorter than the resonance wavelength of the LSP, as shown in FIG. 11, the difference Δλ2 is larger than the difference Δλ1.

本実施形態に係る分析方法は、例えば、以下の特徴を有する。   The analysis method according to the present embodiment has the following features, for example.

本実施形態に係る分析方法では、第1吸収領域P1の極小点T1の波長と第3吸収領域P3の極小点T3の波長との差Δλ1と、第2吸収領域P2の極小点T2の波長と第4吸収領域P4の極小点T4の波長との差Δ2と、を算出する工程と、算出した差Δλ1,Δλ2のうちの大きい方の差を有する吸収領域を用いて、標的物質1を検出する工程と、を含み、本実施形態に用いられる試料分析素子100は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとは、電磁的に相互作用し、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とは、異なる。そのため、本実施形態に係る分析方法では、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における
、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長の差(変化量)Δλ(図10参照)に比べて、差Δλ1,Δλ2の一方を大きくすることができる。本実施形態に係る分析方法では、第1吸収領域P1および第2吸収領域P2の少なくとも一方、および第3吸収領域P3および第4吸収領域P4の少なくとも一方は、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における反射スペクトルの吸収領域よりも、LSPの寄与度が大きく、Δλ(図10参照)に比べて、差Δλ1,Δλ2の一方を大きくすることができる。このように、本実施形態に係る分析方法は、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小値の波長変化量を大きくすることができ、大きな波長変化量を有する吸収領域を用いて標的物質1を検出することができるので、標的物質1を高い感度で検出することができる。
In the analysis method according to the present embodiment, the difference Δλ1 between the wavelength of the minimum point T1 of the first absorption region P1 and the wavelength of the minimum point T3 of the third absorption region P3, and the wavelength of the minimum point T2 of the second absorption region P2 The target substance 1 is detected using the step of calculating the difference Δ2 with respect to the wavelength of the minimum point T4 of the fourth absorption region P4 and the absorption region having the larger difference between the calculated differences Δλ1 and Δλ2. In the sample analysis element 100 used in the present embodiment, the PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 and the LSP excited by the metal particles 30 are electromagnetically coupled to each other. In effect, the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP are different. Therefore, in the analysis method according to the present embodiment, when the sample analysis element having the same resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP is used, the wavelength of the minimum point of the absorption region of the reflection spectrum before and after attachment of the target substance is measured. One of the differences Δλ1 and Δλ2 can be made larger than the difference (change amount) Δλ (see FIG. 10). In the analysis method according to the present embodiment, at least one of the first absorption region P1 and the second absorption region P2, and at least one of the third absorption region P3 and the fourth absorption region P4 are the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP. LSP contributes more than the absorption region of the reflection spectrum when the same sample analysis element is used, and one of the differences Δλ1 and Δλ2 can be made larger than Δλ (see FIG. 10). As described above, the analysis method according to the present embodiment can increase the wavelength change amount of the minimum value of the absorption region of the reflection spectrum before and after the adhesion of the target substance, and uses an absorption region having a large wavelength change amount. Since the target substance 1 can be detected, the target substance 1 can be detected with high sensitivity.

例えば、標的物質の濃度が小さいと、標的物質の付着前後で反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長はほとんど変化せず、標的物質を検出することが困難な場合な場合がある。しかしながら、本実施形態に係る分析方法は、上記のように、波長変化量が大きい吸収領域を用いて標的物質1を検出することができるので、濃度が小さい標的物質1でも検出することができる。標的物質1の濃度は、例えば、1ppb以上1%以下である。   For example, if the concentration of the target substance is small, the wavelength of the minimum point in the absorption region of the reflection spectrum hardly changes before and after the target substance is attached, and it may be difficult to detect the target substance. However, since the analysis method according to the present embodiment can detect the target substance 1 using the absorption region where the amount of wavelength change is large as described above, even the target substance 1 having a low concentration can be detected. The concentration of the target substance 1 is, for example, 1 ppb or more and 1% or less.

なお、図12は、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における、標的物質の付着前の反射スペクトルと、標的物質の付着後の反射スペクトルと、を説明するめの図である。図12では、標的物質の付着前の反射スペクトルを実線で示し、標的物質の付着後の反射スペクトルを破線で示している。   FIG. 12 illustrates a reflection spectrum before the target substance is attached and a reflection spectrum after the target substance is attached when a sample analysis element having the same PSP resonance wavelength and LSP resonance wavelength is used. FIG. In FIG. 12, the reflection spectrum before the target substance is attached is indicated by a solid line, and the reflection spectrum after the target substance is attached is indicated by a broken line.

3. 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
3. Experimental Example An experimental example is shown below to describe the present invention more specifically. The present invention is not limited by the following experimental examples.

3.1. 実験例1
3.1.1. モデル
実験例1では、FDTD(Finite Difference Time Domain)シミュレーションで、遠方解(反射スペクトル)を求めた。図13は、実験例1に用いたモデルM1を説明するための図である。図13に示すように、金属層としてAu層を用い、Au層上に誘電体層としてSiO層を設け、SiO層上に金属粒子として円柱状のAu粒子を設けて、モデルM1とした。
3.1. Experimental example 1
3.1.1. Model In Experimental Example 1, a far solution (reflection spectrum) was obtained by FDTD (Finite Difference Time Domain) simulation. FIG. 13 is a diagram for explaining the model M1 used in Experimental Example 1. As shown in FIG. 13, an Au layer is used as a metal layer, a SiO 2 layer is provided as a dielectric layer on the Au layer, and cylindrical Au particles are provided as metal particles on the SiO 2 layer to obtain a model M1. .

モデルM1では、Au層の厚さを150nmとした。SiO層の厚さを50nmとし、SiO層の屈折率を1.46とした。Au粒子の平面視における直径(以下、単に「直径」ともいう)を、80nm〜150nmの範囲で変化させ、Au粒子の厚さを30nmとした。Au粒子は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に設け、Au粒子のX軸方向のピッチおよびY軸方向のピッチを600nmとした。Auの屈折率は、ローレンツドルーデモデルを用いた。入射光はX軸方向の直線偏光光とし、SiO層の上面に垂直に光を入射させた。モデルM1の周囲の屈折率nを1とした。 In the model M1, the thickness of the Au layer was 150 nm. The thickness of the SiO 2 layer was 50 nm, and the refractive index of the SiO 2 layer was 1.46. The diameter of the Au particles in plan view (hereinafter also simply referred to as “diameter”) was changed in the range of 80 nm to 150 nm, and the thickness of the Au particles was set to 30 nm. The Au particles were provided in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the pitch of the Au particles in the X-axis direction and the Y-axis direction was 600 nm. The Lorenz Drude model was used for the refractive index of Au. The incident light was linearly polarized light in the X-axis direction, and the light was incident vertically on the upper surface of the SiO 2 layer. The refractive index n 0 around the model M1 was set to 1.

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。反射スペクトルのシミュレーションの条件は、メッシュ最小2nm、計算時間32μmである。   For the calculation, FDTD soft FullWAVE of Rsoft (currently Cybernet System Co., Ltd.) was used. The conditions for simulation of the reflection spectrum are a minimum mesh of 2 nm and a calculation time of 32 μm.

3.1.2. 反射スペクトルの計算
Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させて、反射スペクトルを計算した。反射スペクトルには、2つの吸収領域(反射率の落ち込み)が出現した。図14は、Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにお
ける2つの吸収領域の極小点(反射率の極小点)の波長をプロットしたグラフである。
3.1.2. Calculation of reflection spectrum The reflection spectrum was calculated by changing the diameter of Au particles in the range of 80 nm to 150 nm. Two absorption regions (decrease in reflectivity) appeared in the reflection spectrum. FIG. 14 is a graph plotting the wavelengths of the minimum points (minimum points of reflectance) of two absorption regions in the reflection spectrum when the diameter of the Au particles is changed in the range of 80 nm to 150 nm.

図14に示すように、それぞれ2本の直線に漸近するようなプロットが得られた。Au粒子の直径が変化しても波長が一定となる直線は、PSPの共鳴波長を示している。Au粒子の直径が変化すると波長も変化する直線は、LSPの共鳴波長を示している。PSPの共鳴波長を示す直線LPSPとLSPの共鳴波長を示す直線LLSPとの交点IPの直径は、短波長側の吸収領域の極小点の波長と長波長側の吸収領域の極小点の波長との差が最も小さいときの直径となる。そのため、図14では、交点IPの直径が、104nmとなるように、プロットに漸近する直線を引いた。PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長が近づくと、PSPとLSPが結合(ハイブリッド)し、PSPとLSPに起因する吸収領域は直線LPSPと直線LLSPから離れるように分裂(anti−crossing)する。PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが等しいとき(交点IPにおいて)、ハイブリッドモードの効果が最大となり、anti−crossingが最大となる。 As shown in FIG. 14, plots each asymptotic to two straight lines were obtained. A straight line having a constant wavelength even when the diameter of the Au particle changes indicates the resonance wavelength of the PSP. A straight line whose wavelength changes as the diameter of the Au particle changes indicates the resonance wavelength of the LSP. The diameter of the intersection IP of the straight line L PSP indicating the resonance wavelength of the PSP and the straight line LLSP indicating the resonance wavelength of the LSP is the wavelength of the minimum point of the absorption region on the short wavelength side and the wavelength of the minimum point of the absorption region on the long wavelength side It is the diameter when the difference between is the smallest. Therefore, in FIG. 14, a straight line asymptotic to the plot is drawn so that the diameter of the intersection point IP is 104 nm. When the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP approach each other, the PSP and the LSP are combined (hybrid), and the absorption region caused by the PSP and the LSP splits (anti-crossing) away from the straight line L PSP and the straight line L LSP. . When the resonance wavelength of the PSP is equal to the resonance wavelength of the LSP (at the intersection IP), the effect of the hybrid mode is maximized and the anti-crossing is maximized.

LSPとPSPとが結合していない場合(電磁的に相互作用していない場合)、LSPの吸収領域(LSPの吸収に基づく反射スペクトルの落ち込み)はブロードであり(半値幅が大きく)、PSPの吸収領域(PSPの吸収に基づく反射スペクトルの落ち込み)はシャープである(半値幅が小さい)。図14において、直線LLSPに漸近する吸収領域(極小点のプロットが漸近する吸収領域)は、LSPに由来する(PSPよりもLSPの寄与度が大きい)。そのため、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも大きい場合、短波長側に出現する吸収領域がブロードになり、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも小さい場合、長波長側に出現する吸収領域がブロードとなる。さらに、直線LLSPに漸近する吸収領域(LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域)は、実験例2に示すとおり、標的物質付着前後の吸収領域の極小点の波長の変化量が大きい。本発明に係る分析方法では、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域を用いて、標的物質を検出する。図14では、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域に相当するプロットを含む領域を斜線で示している。 When the LSP and the PSP are not coupled (when they are not electromagnetically interacting), the absorption region of the LSP (the drop in the reflection spectrum based on the LSP absorption) is broad (the half-value width is large), and the PSP The absorption region (drop of reflection spectrum based on PSP absorption) is sharp (the half width is small). In FIG. 14, the absorption region that is asymptotic to the straight line L LSP (the absorption region where the plot of the minimum point is asymptotic) is derived from the LSP (the contribution of the LSP is greater than the PSP). Therefore, when the resonance wavelength of the PSP is larger than the resonance wavelength of the LSP, the absorption region appearing on the short wavelength side becomes broad, and when the resonance wavelength of the PSP is smaller than the resonance wavelength of the LSP, the absorption appearing on the long wavelength side. The area becomes broad. Furthermore, in the absorption region that is asymptotic to the straight line L LSP (an absorption region where the contribution of PSP is larger than that of LSP), as shown in Experimental Example 2, the amount of change in the wavelength of the minimum point of the absorption region before and after the target substance attachment is large. In the analysis method according to the present invention, the target substance is detected using an absorption region where the contribution of LSP is larger than that of PSP. In FIG. 14, a region including a plot corresponding to an absorption region in which the contribution of LSP is larger than that of PSP is indicated by hatching.

3.2. 実験例2
3.2.1. モデル
実験例2では、FDTD(Finite Difference Time Domain)シミュレーションで、遠方解(反射スペクトル)を求めた。実験例2では、実験例1で用いたモデルM1と、図15および図16に示すモデルM2と、を用いた。
3.2. Experimental example 2
3.2.1. Model In Experimental Example 2, the far solution (reflection spectrum) was obtained by FDTD (Finite Difference Time Domain) simulation. In Experimental Example 2, the model M1 used in Experimental Example 1 and the model M2 shown in FIGS. 15 and 16 were used.

モデルM2は、図15および図16に示すように、Au粒子およびSiO層に接するように誘電体を設けたこと以外は、モデルM1と同じである。モデルM2の誘電体は、形状を円柱とし、直径を20nmとし、高さを10nmとし、屈折率を1.1とし、周囲の屈折率を1とした。モデルM2の誘電体は、標的物質に相当する。実験例2で用いるモデルM1における反射スペクトルは、試料分析素子に標的物質が付着する前の状態の反射スペクトルに相当し、実験例2で用いるモデルM2における反射スペクトルは、試料分析素子に標的物質が付着した後の状態の反射スペクトルに相当する。実験例2では、金属粒子の直径を、80nm、104nm、130nmと変化させた。これらのこと以外は、実験例2では、実験例1と同様の条件で、反射スペクトルを計算した。 As shown in FIGS. 15 and 16, the model M2 is the same as the model M1 except that a dielectric is provided in contact with the Au particles and the SiO 2 layer. The dielectric of the model M2 has a cylindrical shape, a diameter of 20 nm, a height of 10 nm, a refractive index of 1.1, and a surrounding refractive index of 1. The dielectric of the model M2 corresponds to the target substance. The reflection spectrum in the model M1 used in the experimental example 2 corresponds to the reflection spectrum in a state before the target substance adheres to the sample analysis element, and the reflection spectrum in the model M2 used in the experimental example 2 has the target substance in the sample analysis element. It corresponds to the reflection spectrum of the state after being attached. In Experimental Example 2, the diameter of the metal particles was changed to 80 nm, 104 nm, and 130 nm. Except for these, in Experimental Example 2, the reflection spectrum was calculated under the same conditions as in Experimental Example 1.

なお、図15および図16は、モデルM2を説明するための図であって、図15は、モデルM2を模式的に示す図16のXV−XV線断面図であり、図16は、モデルM2を模式的に示す平面図である。   15 and 16 are diagrams for explaining the model M2. FIG. 15 is a cross-sectional view taken along the line XV-XV of FIG. 16 schematically showing the model M2. FIG. It is a top view which shows typically.

3.2.2. 反射スペクトルの計算
図17は、Au粒子の直径が80nmの場合の反射スペクトルである。図18は、Au
粒子の直径が104nmの場合の反射スペクトルである。図19は、Au粒子の直径が130nmの場合の反射スペクトルである。図17〜図19では、モデルM1における反射スペクトル(標的物質が試料分析素子に付着する前の状態の反射スペクトル)を実線で示し、モデルM2における反射スペクトル(標的物質が試料分析素子に付着した後の状態の反射スペクトル)を破線で示している。
3.2.2. Calculation of reflection spectrum FIG. 17 shows a reflection spectrum when the diameter of the Au particles is 80 nm. FIG. 18 shows Au
It is a reflection spectrum when the diameter of the particles is 104 nm. FIG. 19 is a reflection spectrum when the diameter of the Au particles is 130 nm. 17 to 19, the reflection spectrum in the model M1 (the reflection spectrum before the target substance adheres to the sample analysis element) is shown by a solid line, and the reflection spectrum in the model M2 (after the target substance has adhered to the sample analysis element) The reflection spectrum in this state is indicated by a broken line.

図17〜図19に示すとおり、Au粒子の直径が、80nm、130nmの試料分析素子(PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが異なる試料分析素子)では、Au粒子の直径が104nmの試料分析素子(PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが等しい試料分析素子)に比べて、標的物質の付着前後で大きな波長シフトを得られることがわかった。   As shown in FIGS. 17 to 19, in the sample analysis element having a Au particle diameter of 80 nm or 130 nm (a sample analysis element in which the resonance wavelength of PSP is different from the resonance wavelength of LSP), the sample analysis in which the diameter of Au particle is 104 nm It was found that a larger wavelength shift can be obtained before and after deposition of the target substance than the device (sample analysis device in which the resonance wavelength of PSP and the resonance wavelength of LSP are equal).

Au粒子の直径が、80nmの試料分析素子は、PSPの共鳴波長は、LSPの共鳴波長よりも長いので(図14参照)、短波長側の吸収領域は、PSPよりもLSPの寄与度が大きく、図17に示すように、長波長側の吸収領域に比べて、標的物質の付着前後で波長シフトが大きい。したがって、80nmの試料分析素子では、短波長側の吸収領域を用いて、標的物質を高い感度で検出することができる。   In the sample analysis element in which the diameter of the Au particle is 80 nm, the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP (see FIG. 14), so the absorption region on the short wavelength side has a larger contribution of the LSP than the PSP. As shown in FIG. 17, the wavelength shift is larger before and after the target substance is adhered than in the absorption region on the long wavelength side. Therefore, in the 80 nm sample analysis element, the target substance can be detected with high sensitivity using the absorption region on the short wavelength side.

Au粒子の直径が、104nmの試料分析素子は、図18に示すように、標的物質の付着前後で波長シフトがほとんどない。   As shown in FIG. 18, the sample analysis element having a Au particle diameter of 104 nm has almost no wavelength shift before and after the target substance is attached.

Au粒子の直径が、130nmの試料分析素子は、PSPの共鳴波長は、LSPの共鳴波長よりも短いので(図14参照)、長波長側の吸収領域は、LSPよりもPSPの寄与度が大きく、図19に示すように、短波長側の吸収領域に比べて、標的物質の付着前後で波長シフトが大きい。したがって、長波長側の吸収領域を用いて、標的物質を高い感度で検出することができる。   In the sample analysis element in which the diameter of the Au particle is 130 nm, the resonance wavelength of the PSP is shorter than the resonance wavelength of the LSP (see FIG. 14), so the absorption region on the long wavelength side contributes more to the PSP than the LSP. As shown in FIG. 19, the wavelength shift is larger before and after the target substance is attached than the absorption region on the short wavelength side. Therefore, the target substance can be detected with high sensitivity using the absorption region on the long wavelength side.

図17および図19に示すように、直径130nmの試料分析素子の方が、直径80nmnmの試料分析素子よりも、反射率の落ち込みが大きく、吸収領域を認識しやすい。   As shown in FIG. 17 and FIG. 19, the sample analysis element with a diameter of 130 nm has a larger drop in reflectance than the sample analysis element with a diameter of 80 nm nm, and the absorption region can be easily recognized.

なお、LSPの波長の変化は、Au粒子周辺の誘電率の変化で起きるので、付着する標的物質が微量の場合は、LSPの寄与度が大きい吸収領域が大きくシフトする(シフト量が大きい)。吸着量が多い場合(試料分析素子周辺の屈折率が高くなる場合)は、PSPの寄与度が大きい吸収領域もシフトする。   Since the change in the wavelength of the LSP occurs due to a change in the dielectric constant around the Au particles, the absorption region where the contribution of the LSP is large is greatly shifted (the shift amount is large) when the amount of the target substance to be attached is very small. When the amount of adsorption is large (when the refractive index around the sample analysis element is high), the absorption region where the contribution of PSP is large is also shifted.

3.3. 実験例3
3.3.1. 試料分析素子
試料分析素子を作成し、反射率を計測した。基板としてガラス基板を用い、基板上に、密着層としてCr層をスパッタ法により形成し、Cr層上に金属層としてAu層をスパッタ法により形成した。Cr層の厚さを5nm以下とし、Au層の厚さを100nmとした。次に、Au層上に、誘電体層として、Al層およびSiO層をこの順でスパッタ法により形成した。Al層の厚さを5nm以下とし、SiO層の厚さを50nmとした。
3.3. Experimental example 3
3.3.1. Sample analysis element A sample analysis element was prepared and the reflectance was measured. A glass substrate was used as a substrate, a Cr layer as an adhesion layer was formed on the substrate by a sputtering method, and an Au layer was formed as a metal layer on the Cr layer by a sputtering method. The thickness of the Cr layer was 5 nm or less, and the thickness of the Au layer was 100 nm. Next, an Al 2 O 3 layer and an SiO 2 layer were formed as a dielectric layer on the Au layer in this order by sputtering. The thickness of the Al 2 O 3 layer was 5 nm or less, and the thickness of the SiO 2 layer was 50 nm.

次に、SiO層上に、金属粒子としてAu粒子を形成した。具体的には、SiO層上にレジストを塗布し、EBL(Electron Beam Lithography)により円形のパターン(パターン部)をパターニングした後、真空蒸着法によりAu層を成膜し、レジストおよびパターン部以外のAu層をリフトオフすることによりAu粒子を形成した。Au粒子は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に形成し、Au粒子のX軸方向のピッチおよびY軸方向のピッチを600nmとした。また、Au粒子の厚さを、30nmとした。 Next, Au particles were formed as metal particles on the SiO 2 layer. Specifically, a resist is applied on the SiO 2 layer, a circular pattern (pattern part) is patterned by EBL (Electron Beam Lithography), and then an Au layer is formed by a vacuum deposition method. The Au layer was lifted off to form Au particles. The Au particles were formed in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the pitch of the Au particles in the X-axis direction and the Y-axis direction was 600 nm. The thickness of the Au particles was 30 nm.

本実験例では、直径の異なるAu粒子を複数形成した。具体的には、SiO層上の第1領域に直径117nmのAu粒子をマトリックス状に形成し、SiO層上の第2領域に直径129nmのAu粒子をマトリックス状に形成した。各領域の平面視における大きさは、100μm×100μmである。 In this experimental example, a plurality of Au particles having different diameters were formed. Specifically, Au particles having a diameter of 117 nm were formed in a matrix in the first region on the SiO 2 layer, and Au particles having a diameter of 129 nm were formed in a matrix in the second region on the SiO 2 layer. The size of each region in plan view is 100 μm × 100 μm.

3.3.2. 反射率測定
上記のようにして形成した試料分析素子に、ピリジン飽和気体を十分に曝露させた後、白色光源を照射して反射率を測定した。入射光の偏光方向は、X軸方向とした。
3.3.2. Reflectance measurement After the sample analysis element formed as described above was sufficiently exposed to a pyridine saturated gas, the reflectance was measured by irradiating a white light source. The polarization direction of incident light was the X-axis direction.

図20は、Au粒子の直径が117nmの領域の反射スペクトルである。図21は、Au粒子の直径が129nmの領域の反射スペクトルである。   FIG. 20 is a reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 117 nm. FIG. 21 is a reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 129 nm.

図20および図21に示すように、波長550nm〜850nmの範囲に3つの落ち込み(下に凸のピーク)が現れた。3つの落ち込みのうち、中央の落ち込みDは測定系が原因(具体的には測定系の対物レンズが原因)で発生する落ち込みであるため、注目する落ち込みは、両側の2つの落ち込み(短波長側の吸収領域、長波長側の吸収領域)である。   As shown in FIG. 20 and FIG. 21, three depressions (downward convex peaks) appeared in the wavelength range of 550 nm to 850 nm. Of the three depressions, the central depression D is caused by the measurement system (specifically, the objective lens of the measurement system), so the noted depression is the two depressions on both sides (short wavelength side). Absorption region on the long wavelength side).

図20に示すAu粒子の直径が117nmの領域では、標的物質の吸着前後における短波長側の吸収領域の極小点の波長差は、2.31nmであり、標的物質の吸着前後における長波長側の吸収領域の極小点の波長差は、0.96nmであった。Au粒子の直径が117nmの領域では、短波長側の吸収領域を用いて、標的物質を検出する。   In the region where the diameter of the Au particle shown in FIG. 20 is 117 nm, the wavelength difference between the minimum points of the absorption region on the short wavelength side before and after the adsorption of the target substance is 2.31 nm. The wavelength difference between the minimum points in the absorption region was 0.96 nm. In the region where the diameter of the Au particles is 117 nm, the target substance is detected using the absorption region on the short wavelength side.

図21に示すAu粒子の直径が129nmの領域では、標的物質の吸着前後における短波長側の吸収領域の極小点の波長差は、4.28nmであり、標的物質の吸着前後における長波長側の吸収領域の極小点の波長差は、4.66nmであった。Au粒子の直径が129nmの領域では、長波長側の吸収領域を用いて、標的物質を検出する。   In the region where the diameter of the Au particles shown in FIG. 21 is 129 nm, the wavelength difference between the minimum points of the absorption region on the short wavelength side before and after the adsorption of the target substance is 4.28 nm. The wavelength difference at the minimum point of the absorption region was 4.66 nm. In the region where the diameter of the Au particles is 129 nm, the target substance is detected using the absorption region on the long wavelength side.

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。   The above-described embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine each embodiment and each modification.

本発明は、実施の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、実施の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、実施の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、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1…標的物質、2…基板、3a,3b,3c…レンズ、4…ハーフミラー、10…金属層、20…誘電体層、30…金属粒子、100…試料分析素子、110…光源、120…検出器 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Target substance, 2 ... Substrate, 3a, 3b, 3c ... Lens, 4 ... Half mirror, 10 ... Metal layer, 20 ... Dielectric layer, 30 ... Metal particle, 100 ... Sample analysis element, 110 ... Light source, 120 ... Detector

Claims (3)

試料分析素子を用いた標的物質の分析方法であって、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着していない状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、第1吸収領域、および前記第1吸収領域よりも長波長側の第2吸収領域を有する第1反射スペクトルを取得する工程と、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着している状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、前記第1吸収領域に対応する第3吸収領域、および前記第2吸収領域に対応する第4吸収領域を有し、前記第3吸収領域、および前記第4吸収領域の少なくとも一方は、前記第1吸収領域、または前記第2吸収領域が長波長側にシフトしたものである、第2反射スペクトルを取得する工程と、
前記第1吸収領域の極小点の波長と前記第3吸収領域の極小点の波長との差と、前記第2吸収領域の極小点の波長と前記第4吸収領域の極小点の波長との差と、を算出する工程と、
算出した前記差のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、前記標的物質を検出する工程と、
を含み、
前記試料分析素子は、
金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を有し、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なる、分析方法。
A method for analyzing a target substance using a sample analysis element,
In a state where the target substance is not attached to the sample analysis element, the sample analysis element is irradiated with light to detect reflected light from the sample analysis element, and a first absorption region and the first absorption region Obtaining a first reflection spectrum having a second absorption region on the longer wavelength side,
In a state where the target substance is attached to the sample analysis element, the sample analysis element is irradiated with light, reflected light from the sample analysis element is detected, and a third absorption corresponding to the first absorption region is detected. And a fourth absorption region corresponding to the second absorption region, and at least one of the third absorption region and the fourth absorption region is long in the first absorption region or the second absorption region. Obtaining a second reflection spectrum that is shifted to the wavelength side;
The difference between the wavelength of the minimum point of the first absorption region and the wavelength of the minimum point of the third absorption region, and the difference between the wavelength of the minimum point of the second absorption region and the wavelength of the minimum point of the fourth absorption region And a step of calculating
Detecting the target substance using an absorption region having a larger difference among the calculated differences;
Including
The sample analysis element is:
A metal layer,
A dielectric layer provided on the metal layer;
A plurality of metal particles provided on the dielectric layer;
Have
The plurality of metal particles have a periodic array capable of exciting propagating surface plasmons propagating through an interface between the metal layer and the dielectric layer,
The propagation type surface plasmon and the localized type surface plasmon excited by the metal particle interact electromagnetically,
An analysis method in which a resonance wavelength of the propagation surface plasmon is different from a resonance wavelength of the localized surface plasmon.
請求項1において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第1吸収領域および前記第3吸収領域を用いて、前記標的物質を分析する、分析方法。
In claim 1,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is longer than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the step of detecting the target substance,
An analysis method, wherein the target substance is analyzed using the first absorption region and the third absorption region.
請求項1において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第2吸収領域および前記第4吸収領域を用いて、前記標的物質を分析する、分析方法。
In claim 1,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the step of detecting the target substance,
An analysis method of analyzing the target substance using the second absorption region and the fourth absorption region.
JP2014094460A 2014-05-01 2014-05-01 Analytical method Pending JP2015212625A (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014094460A JP2015212625A (en) 2014-05-01 2014-05-01 Analytical method

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2014094460A JP2015212625A (en) 2014-05-01 2014-05-01 Analytical method

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JP2015212625A true JP2015212625A (en) 2015-11-26

Family

ID=54696970

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2014094460A Pending JP2015212625A (en) 2014-05-01 2014-05-01 Analytical method

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP2015212625A (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019082637A1 (en) * 2017-10-25 2019-05-02 株式会社堀場製作所 Apparatus for analyzing surface plasmon resonance, and method for analyzing surface plasmon resonance

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2019082637A1 (en) * 2017-10-25 2019-05-02 株式会社堀場製作所 Apparatus for analyzing surface plasmon resonance, and method for analyzing surface plasmon resonance
JPWO2019082637A1 (en) * 2017-10-25 2020-09-17 株式会社堀場製作所 Surface plasmon resonance analyzer and surface plasmon resonance analysis method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Shalabney et al. Sensitivity‐enhancement methods for surface plasmon sensors
JP5288772B2 (en) Chemical sensor element, sensing device, and sensing method
US8687187B2 (en) Surface enhanced raman spectroscopy on optical resonator (e.g., photonic crystal) surfaces
JP5821511B2 (en) Optical device and detection apparatus
JP6365817B2 (en) Analytical device and electronic device
JP2013007614A (en) Optical device and detector
US20090268205A1 (en) Sensor, sensing system and sensing method
US20140242573A1 (en) Optical element, analysis device, analysis method and electronic apparatus
US20140242571A1 (en) Optical element, analysis equipment, analysis method and electronic apparatus
JP2015055482A (en) Analysis device, analysis method, and optical element and electronic device used therein
JP4429323B2 (en) Waveguide element, method for manufacturing waveguide element, and optical sensor
Live et al. Angle-dependent resonance of localized and propagating surface plasmons in microhole arrays for enhanced biosensing
JP2015212626A (en) Electric field enhancement element, raman spectroscopy, raman spectrometer, and electronic equipment
JP2014173920A (en) Analysis device, analysis method, optical element and electronic apparatus used in them, and design method of optical element
US20160282266A1 (en) Analysis device, analysis method, optical element and electronic apparatus for analysis device and analysis method, and method of designing optical element
US20110301066A1 (en) Adhesion layer enhancement of plasmonic fluorescence
JP2015152492A (en) Analysis device and electronic apparatus
Canpean et al. Multifunctional plasmonic sensors on low-cost subwavelength metallic nanoholes arrays
JP2016003946A (en) Electric field enhancement element, analyzer and electronic apparatus
JP6544504B2 (en) Analyzer and electronic equipment
US9880100B2 (en) Electronic field enhancement element, analysis device, and electronic apparatus
JP2015212625A (en) Analytical method
JP2015114219A (en) Electric field enhancement element, analysis device, and electronic device
Kant et al. Mechanistic modeling for performance engineering of SPR-based fiber-optic sensor employing Ta2O5 and graphene multilayers in phase interrogation scheme
Abdulhalim II et al. Resonant and scatterometric grating-based nanophotonic structures for biosensing