JP2016008866A - Sensor element, analyzer and electronic apparatus - Google Patents

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達徳 宮澤
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor element easily usable in the maximally close state to a designed structure by suppressing a structure change of a metal fine structure layer during storage.SOLUTION: A sensor element includes a substrate provided with a metal fine structure layer on one principal surface, and a cover provided on one principal surface of the substrate, and forming a cavity for storing the metal fine structure layer. When a pressure in the cavity is below a pressure out of the cavity, the cover is adsorbed onto the substrate, and when the pressure in the cavity is higher than the pressure out of the cavity, the cover is separated from the substrate.

Description

本発明は、センサー素子、分析装置、及び電子機器に関する。   The present invention relates to a sensor element, an analyzer, and an electronic device.

近年、物質センシング技術は、医療診断や食物の検査等の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, with respect to material sensing technology, demand for medical diagnosis, food inspection, and the like is increasing, and development of a small and high-speed sensing technology is required. 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、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたSPRを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。この手法は、SPRによる消光波長が、検出対象分子の吸着前後でシフトすることを検出することにより、検出対象分子の存在をセンシングするものである。   For example, there is known one that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. This technique senses the presence of a detection target molecule by detecting that the extinction wavelength by SPR shifts before and after the adsorption of the detection target molecule.

また、低濃度の物質を検出する高感度分光技術の1つとして、SPRを利用した表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)が注目されている。SERSとは、ナノメートルスケールの金属の表面でラマン散乱光が10〜1014倍に増強される現象である。この表面に標的となる物質が吸着した状態で、レーザーなどの励起光を照射すると、物質(分子)の振動エネルギーの分だけ、励起光の波長から僅かにずれた波長の光(ラマン散乱光)が散乱される。この散乱光を分光処理すると、物質の種類(分子種)に固有のスペクトル(指紋スペクトル)が得られる。この指紋スペクトルの位置や形状を分析することで、極めて高感度に物質を同定することが可能となる。このようにSERSでは、ナノメートルスケールの金属表面を有する電場増強素子の表面に、標的物質が吸着することにより強い散乱光を観測することができる。 Further, as one of high-sensitivity spectroscopic techniques for detecting a low concentration substance, attention is focused on surface enhanced Raman scattering (SERS) using SPR. SERS is a phenomenon in which Raman scattered light is enhanced 10 2 to 10 14 times on the surface of a nanometer-scale metal. When the target substance is adsorbed on this surface and irradiated with excitation light such as a laser, light with a wavelength slightly shifted from the wavelength of the excitation light (Raman scattered light) by the vibration energy of the substance (molecule) Is scattered. When this scattered light is spectrally processed, a spectrum (fingerprint spectrum) unique to the type of substance (molecular species) is obtained. By analyzing the position and shape of this fingerprint spectrum, it becomes possible to identify a substance with extremely high sensitivity. Thus, in SERS, strong scattered light can be observed by adsorbing a target substance on the surface of an electric field enhancing element having a nanometer-scale metal surface.

例えば特許文献1には、多数の試料に対応するために、複数の電場増強素子をターンテーブル上に円形に配置した試料測定装置が開示されている。係る装置では、ターンテーブルを駆動させて、多数の試料をそれぞれ接触させた電場増強素子をラマン散乱測定を行う位置に移動(交換)することにより、短時間で能率的な測定を行う試みが為されている。   For example, Patent Document 1 discloses a sample measuring device in which a plurality of electric field enhancing elements are arranged in a circle on a turntable in order to deal with a large number of samples. In such a device, an attempt is made to perform efficient measurement in a short time by driving (turning) the electric field intensifying element, which is in contact with a number of samples, to the position where the Raman scattering measurement is performed by driving the turntable. Has been.

特開2013−007614号公報JP 2013-007614 A

ナノメートルスケールの金属(金属微細構造)が表面に配置された電場増強素子は、標的物質や測定条件に応じて、当該金属微細構造層の金属微細構造の大きさ、配置、形状等の構造が設計され、これにより標的物質の高感度なSERS測定を提供している。   The electric field enhancing element on the surface of which nanometer-scale metal (metal microstructure) is arranged has a structure such as the size, arrangement, and shape of the metal microstructure of the metal microstructure layer according to the target substance and measurement conditions. Designed, thereby providing a sensitive SERS measurement of the target substance.

しかし、当該金属微細構造層の構造が、標的物質や測定条件に応じて設計された構造と異なる場合には、設計のもととなった標的物質に対しての良好なSERS測定を行うことは難しい。さらに、金属微細構造層の構造は、保管や測定によって変化することが分かってきている。具体的には、金属微細構造層は、曝される気体の湿度、温度、組成等の環境条件により、徐々にあるいは急激に製造時の構造から異なる構造へと変化してしまう。そ
のため、電場増強素子の保管環境や使用状況により、標的物質を設計どおりに高感度に測定することが難しくなる場合があった。
However, when the structure of the metal microstructure layer is different from the structure designed according to the target substance and measurement conditions, it is not possible to perform good SERS measurement on the target substance that is the basis of the design. difficult. Furthermore, it has been found that the structure of the metal microstructure layer changes with storage and measurement. Specifically, the metal microstructure layer gradually or rapidly changes from a structure at the time of manufacture to a different structure depending on environmental conditions such as humidity, temperature, and composition of the exposed gas. Therefore, it may be difficult to measure the target substance with high sensitivity as designed, depending on the storage environment and usage situation of the electric field enhancing element.

本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、保管時の金属微細構造層の構造の変化が抑制され、設計した構造にできるだけ近い状態で、容易に使用に供することができるセンサー素子を提供することにある。また、本発明の幾つかの態様に係る目的の1つは、そのようなセンサー素子を用いて高感度に標的物質を測定できる分析装置及び電子機器を提供することにある。   One of the objects according to some aspects of the present invention is to provide a sensor element that can be easily used in a state as close as possible to the designed structure, in which the change in the structure of the metal microstructure layer during storage is suppressed. It is to provide. Another object of some embodiments of the present invention is to provide an analyzer and electronic apparatus that can measure a target substance with high sensitivity using such a sensor element.

本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様または適用例として実現することができる。   SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is to solve at least a part of the problems described above, and the invention can be implemented as the following aspects or application examples.

本発明に係るセンサー素子の一態様は、一の主面に金属微細構造層が設けられた基板と、前記基板の前記一の主面上に設けられ、前記金属微細構造層を収容する空洞を形成するカバーと、を含み、前記空洞内の圧力が前記空洞外の圧力未満の場合に、前記基板に前記カバーが吸着し、前記空洞内の圧力が前記空洞外の圧力以上の場合に、前記基板及び前記カバーが分離する。   One aspect of the sensor element according to the present invention includes a substrate provided with a metal microstructure layer on one main surface, and a cavity provided on the one main surface of the substrate and accommodating the metal microstructure layer. Forming a cover, and when the pressure inside the cavity is less than the pressure outside the cavity, the cover adsorbs to the substrate, and when the pressure inside the cavity is equal to or higher than the pressure outside the cavity, The substrate and the cover are separated.

このようなセンサー素子は、空洞内に金属微細構造層が収容され、空洞外の雰囲気に金属微細構造層が曝されないため、保管時の金属微細構造層の構造の変化が抑制される。また、空洞外の圧力を下げることにより、カバーを容易にはずすことができ、設計した構造にできるだけ近い状態で、容易に使用に供することができる。   In such a sensor element, since the metal microstructure layer is accommodated in the cavity and the metal microstructure layer is not exposed to the atmosphere outside the cavity, the change in the structure of the metal microstructure layer during storage is suppressed. Further, by reducing the pressure outside the cavity, the cover can be easily removed, and can be easily used in a state as close as possible to the designed structure.

本発明に係るセンサー素子において、前記空洞外の圧力が前記空洞内の圧力以下に低下した場合に、前記基板及び前記カバーが分離してもよい。   In the sensor element according to the present invention, the substrate and the cover may be separated when the pressure outside the cavity drops below the pressure inside the cavity.

このようなセンサー素子は、金属微細構造層が良好な状態で容易に測定に用いることができる。   Such a sensor element can be easily used for measurement with a good metal microstructure layer.

本発明に係るセンサー素子において、前記センサー素子が、前記カバーが重力の作用によって落下するような配置で設置された状態で、前記空洞外の圧力が前記空洞内の圧力以下に低下した場合に、前記カバーが前記基板から落下して分離するようにしてもよい。   In the sensor element according to the present invention, when the pressure outside the cavity drops below the pressure inside the cavity in a state where the sensor element is installed in such an arrangement that the cover falls due to the action of gravity, The cover may be dropped from the substrate and separated.

本発明に係る分析装置の一態様は、上述のセンサー素子と、前記センサー素子を収容する測定セルと、前記測定セル内を減圧する減圧手段と、前記金属微細構造層に励起光を照射する光源と、前記金属微細構造層から放射される光を検出する光検出器と、を含み、前記センサー素子を前記測定セルに設置して、前記減圧手段により前記測定セル内が減圧された場合に、前記カバーが前記基板から落下して分離する。   One aspect of the analyzer according to the present invention includes the above-described sensor element, a measurement cell that houses the sensor element, a decompression unit that decompresses the inside of the measurement cell, and a light source that irradiates the metal microstructure layer with excitation light. And a light detector that detects light emitted from the metal microstructure layer, and when the sensor element is installed in the measurement cell and the inside of the measurement cell is decompressed by the decompression means, The cover falls from the substrate and separates.

このような分析装置は、空洞内に金属微細構造層が収容され、空洞外の雰囲気に金属微細構造層が曝されないセンサー素子を備え、当該センサー素子のカバーを、使用時に容易にはずすことができる。これにより標的物質の高感度な測定をすることができる。   Such an analyzer includes a sensor element in which a metal microstructure layer is accommodated in a cavity and the metal microstructure layer is not exposed to an atmosphere outside the cavity, and the cover of the sensor element can be easily removed during use. . This makes it possible to measure the target substance with high sensitivity.

本発明に係る分析装置において、前記測定セル内に前記センサー素子が複数収容され、前記複数のセンサー素子の前記空洞の圧力が互いに異なるようにしてもよい。   In the analyzer according to the present invention, a plurality of the sensor elements may be accommodated in the measurement cell, and the pressures of the cavities of the plurality of sensor elements may be different from each other.

このようにすれば、測定セルの圧力を調節することにより、順次各センサー素子を測定に供することができる。また、測定前には、測定セルを開放することがなく、容易に複数の設計した構造に近い金属微細構造層を測定のために用いることができる。   If it does in this way, each sensor element can be used for a measurement one by one by adjusting the pressure of a measurement cell. Further, before the measurement, the measurement cell is not opened, and a metal microstructure layer close to a plurality of designed structures can be easily used for the measurement.

本発明に係る分析装置において、前記センサー素子の配置を、前記センサー素子から前記カバーを分離させる第1配置と、前記センサー素子の前記金属微細構造層に前記励起光を照射する第2配置と、に切り替える切替機構を有してもよい。   In the analysis apparatus according to the present invention, the sensor element is arranged in a first arrangement for separating the cover from the sensor element, and a second arrangement for irradiating the metal microstructure layer of the sensor element with the excitation light. You may have the switching mechanism switched to.

このようにすれば、光源、金属微細構造層及び光検出器の間の光路にカバーが存在しない位置関係を形成することができる。これにより、測定をより容易に行うことができる。   In this way, it is possible to form a positional relationship in which no cover exists in the optical path between the light source, the metal microstructure layer, and the photodetector. Thereby, a measurement can be performed more easily.

本発明に係る電子機器の一態様は、上述の分析装置と、前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備える。   One aspect of the electronic apparatus according to the present invention includes the above-described analyzer, a calculation unit that calculates health and medical information based on detection information from the photodetector, a storage unit that stores the health and medical information, A display unit for displaying health care information.

このような電子機器によれば、標的物質の検出を高感度に容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。   According to such an electronic device, the target substance can be easily detected with high sensitivity, and highly accurate health care information can be provided.

実施形態に係るセンサー素子の要部の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the principal part of the sensor element which concerns on embodiment. 実施形態に係るセンサー素子の要部の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the principal part of the sensor element which concerns on embodiment. 実施形態に係るセンサー素子の要部の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the principal part of the sensor element which concerns on embodiment. 実施形態に係る電場増強素子の要部の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the principal part of the electric field enhancement element which concerns on embodiment. 実施形態に係る電場増強素子の要部を平面的に見た模式図。The schematic diagram which looked at the principal part of the electric field enhancement element which concerns on embodiment planarly. 金属微細構造層の寿命と湿度の関係を調べた結果を示すグラフ。The graph which shows the result of having investigated the relationship between the lifetime of a metal microstructure layer, and humidity. 金属微細構造層のSEM観察結果。The SEM observation result of a metal microstructure layer. 実施形態に係る分析装置の要部の模式図。The schematic diagram of the principal part of the analyzer which concerns on embodiment. 変形例に係る素子保持具の要部を平面的に見た模式図。The schematic diagram which looked at the principal part of the element holder which concerns on a modification planarly. 変形例に係る素子保持具の要部の断面の模式図。The schematic diagram of the cross section of the principal part of the element holder which concerns on a modification. 実施形態に係る分析装置の要部の模式図。The schematic diagram of the principal part of the analyzer which concerns on embodiment. 実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。1 is a diagram schematically illustrating an electronic apparatus according to an embodiment.

以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。   Several embodiments of the present invention will be described below. Embodiment described below demonstrates an example of this invention. The present invention is not limited to the following embodiments, and includes various modified embodiments that are implemented within a range that does not change the gist of the present invention. Note that not all of the configurations described below are essential configurations of the present invention.

1.センサー素子
本発明の一実施形態である本実施形態に係るセンサー素子100は、基板10と、基板10に設けられた金属微細構造層20と、基板10の上に設けられ、金属微細構造層20を収容する空洞30を形成するカバー40と、を含む。以下、図面を参照ながら説明する。図1は、本実施形態のセンサー素子100の要部の断面の模式図である。図2は、本実施形態のセンサー素子100の基板10とカバー40との分離の様子を模式的に示す図である。図3は、本実施形態のセンサー素子100によって標的物質を測定する様子を模式的に示す図である。
1. Sensor Element A sensor element 100 according to this embodiment, which is an embodiment of the present invention, is provided with a substrate 10, a metal microstructure layer 20 provided on the substrate 10, and a metal microstructure layer 20 provided on the substrate 10. And a cover 40 that forms a cavity 30 that accommodates. Hereinafter, it demonstrates, referring drawings. FIG. 1 is a schematic diagram of a cross section of a main part of the sensor element 100 of the present embodiment. FIG. 2 is a diagram schematically illustrating the separation of the substrate 10 and the cover 40 of the sensor element 100 of the present embodiment. FIG. 3 is a diagram schematically showing how a target substance is measured by the sensor element 100 of the present embodiment.

1.1.基板
センサー素子100は、基板10を有する。基板10は、表面及び裏面を有する板状の形状を有すれば特に限定されない。また、基板10は、平面に沿う形状の平坦な板状の形状、曲面に沿う形状の板状の形状、又は、それらの形状を組み合わせた形状であってもよい。基板10としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板、金属板などが挙げられ、複数の材質の異なる層の積層体であってもよい。基板10は、後述する金属微細
構造層20が配置される側の面を有する。すなわち、基板10の一の主面に金属微細構造層20が設けられている。本明細書では、基板10の金属微細構造層20が配置される側の面を「センサー面」、あるいは「一の主面」と称する場合がある。
1.1. Substrate The sensor element 100 has a substrate 10. The substrate 10 is not particularly limited as long as it has a plate shape having a front surface and a back surface. Further, the substrate 10 may be a flat plate-like shape having a shape along a plane, a plate-like shape having a shape along a curved surface, or a shape obtained by combining these shapes. Examples of the substrate 10 include a glass substrate, a silicon substrate, a resin substrate, a metal plate, and the like, and may be a laminate of a plurality of layers made of different materials. The substrate 10 has a surface on the side where a metal microstructure layer 20 described later is disposed. That is, the metal microstructure layer 20 is provided on one main surface of the substrate 10. In this specification, the surface of the substrate 10 on the side where the metal microstructure layer 20 is disposed may be referred to as a “sensor surface” or “one main surface”.

基板10のセンサー面の形状は、後述するカバー40によって空洞30を形成できる限り、特に限定されず、平面、曲面又はそれらを組み合わせた面となっていてもよい。図1ないし図3の例では、基板10は平板状でセンサー面も平面形状となっている。   The shape of the sensor surface of the substrate 10 is not particularly limited as long as the cavity 30 can be formed by the cover 40 described later, and may be a flat surface, a curved surface, or a combination surface thereof. In the example of FIGS. 1 to 3, the substrate 10 has a flat plate shape and the sensor surface has a planar shape.

基板10には、金属微細構造層20が直接形成されてもよい。この場合には、基板10及び金属微細構造層20を含む構成となり、電場増強素子50が構成されているとみなすことができる。なお、この場合には、基板10のセンサー面の材質は、誘電体であることが好ましい。一方、他の基板(例えば、後述する素子基板51等)等に金属微細構造層20が形成され該他の基板等が基板10に載置されることにより、金属微細構造層20が備えられてもよい。この場合には、他の基板等と該他の基板等に形成された金属微細構造層20とを含む構成により電場増強素子50が構成され、係る電場増強素子50が基板10に配置されることにより、金属微細構造層20が基板10の一の主面に設けられているとみなすことができる。   The metal microstructure layer 20 may be directly formed on the substrate 10. In this case, it becomes the structure containing the board | substrate 10 and the metal microstructure layer 20, and it can be considered that the electric field enhancement element 50 is comprised. In this case, the material of the sensor surface of the substrate 10 is preferably a dielectric. Meanwhile, the metal microstructure layer 20 is provided by forming the metal microstructure layer 20 on another substrate (for example, an element substrate 51 described later) and the like and placing the other substrate on the substrate 10. Also good. In this case, the electric field enhancing element 50 is configured by a configuration including another substrate and the metal microstructure layer 20 formed on the other substrate, and the electric field enhancing element 50 is disposed on the substrate 10. Thus, it can be considered that the metal microstructure layer 20 is provided on one main surface of the substrate 10.

基板10は、センサー素子100の基体(支持体)としての機能を有する。基板10の大きさは特に限定されないが、少なくとも金属微細構造層20の大きさよりも大きい。したがって、ユーザーが基板10を取り扱うことにより、センサー素子100(金属微細構造層20)を取り扱うことができるため、基板10によりセンサー素子100の操作性が向上する。   The substrate 10 functions as a base (support) for the sensor element 100. The size of the substrate 10 is not particularly limited, but is at least larger than the size of the metal microstructure layer 20. Accordingly, since the user can handle the sensor element 100 (the metal microstructure layer 20) by handling the substrate 10, the operability of the sensor element 100 is improved by the substrate 10.

基板10の材質は、光学的に透明であっても不透明であってもよい。図1ないし図3の例のように、基板10が光学的に透明な材質である場合であって、金属微細構造層20が基板10のセンサー面に直接形成されている場合には、センサー面の反対側の面(裏面)から、光学的に金属微細構造層20を臨むことができるため、該裏面側から金属微細構造層20に励起光を照射して、ラマン散乱光等を裏面側から観測することができる(図3参照)。これにより、例えば、センサー素子100を使用する装置の測定セルや光学系の構成(光源等)の配置の自由度を高めることができる。また、基板10の材質が透明であると、後述のカバー40が不透明な材質であって基板10に密着している状態で、空洞30内の金属微細構造層20を基板10側から観測できるため、例えば、金属微細構造層20の反射率等を空洞30の気密性を維持したまま測定でき、品質のチェック等を行うことができるので、より好ましい。なお、基板10が光学的に不透明な材質である場合や、基板10と金属微細構造層20との間に光学的に不透明な材質の層(後述の金属層52等)が設けられるか、基板10に金属の層等の光学的に不透明な層が存在する場合には、センサー面側から金属微細構造層20に励起光を照射して、ラマン散乱光等をセンサー面側から観測することができる。   The material of the substrate 10 may be optically transparent or opaque. 1 to 3, when the substrate 10 is made of an optically transparent material and the metal microstructure layer 20 is directly formed on the sensor surface of the substrate 10, the sensor surface Since the metal microstructure layer 20 can be optically exposed from the opposite surface (back surface), excitation light is applied to the metal microstructure layer 20 from the back surface side, and Raman scattered light or the like is irradiated from the back surface side. It can be observed (see FIG. 3). Thereby, the freedom degree of arrangement | positioning of the measurement cell of an apparatus which uses the sensor element 100, or the structure (light source etc.) of an optical system can be raised, for example. Further, when the material of the substrate 10 is transparent, the metal microstructure layer 20 in the cavity 30 can be observed from the substrate 10 side in a state where a cover 40 described later is an opaque material and is in close contact with the substrate 10. For example, the reflectance of the metal microstructure layer 20 can be measured while maintaining the airtightness of the cavity 30, and the quality can be checked. When the substrate 10 is made of an optically opaque material, a layer of an optically opaque material (such as a metal layer 52 described later) is provided between the substrate 10 and the metal microstructure layer 20, or the substrate 10 includes an optically opaque layer such as a metal layer, the excitation light is irradiated onto the metal microstructure layer 20 from the sensor surface side, and Raman scattered light or the like can be observed from the sensor surface side. it can.

基板10は、後述するカバー40が密着されて配置された際に形成される空洞30が減圧されて、空洞30の外部の圧力(例えば大気圧)との差圧による応力を受けても、変形や破損が生じない程度の強度となるように、構造、材質が選択される。また、基板10には、適宜な凹部や貫通孔等が設けられてもよい。   The substrate 10 is deformed even if the cavity 30 formed when the cover 40 (described later) is placed in close contact with each other is depressurized and subjected to stress due to a differential pressure from the pressure outside the cavity 30 (for example, atmospheric pressure). The structure and material are selected so that the strength is sufficient to prevent damage. Further, the substrate 10 may be provided with appropriate recesses, through holes, and the like.

1.2.カバー及び空洞
センサー素子100は、カバー40を有する。カバー40は、基板10のセンサー面(一の主面)に接触して配置される。カバー40が基板10に接触して配置された場合には、基板10及びカバー40によって、空洞30が形成される。空洞30の形状は、内部に金属微細構造層20を配置できるかぎり任意である。図1ないし図3の例では、平板状の
基板10に対して、カップ(器)状に形成されたカバー40が接触して配置され、内部に空洞30が形成されている。図示しないが、基板10のセンサー面に凹部(窪み)が形成され、係る凹部を覆うように平板状のカバー40が配置されてもよく、この場合にも内部に金属微細構造層20を収容する空洞30を形成することができる。また、図示の例では、カバー40の全体が曲面(回転楕円体の表面の一部の形状)で形成されているが、カバー40の形状は、これに限定されず、平面で形成されてもよいし、円筒形の一部の形状など、平面と曲面とを組み合わせた形状であってもよい。また、カバー40の全体が曲面で形成され、角がない形状(例えば、半球状、ドーム状)とすると、空洞30の内外の圧力差によって生じる押圧力による応力の集中が緩和され、例えばカバー40がつぶれにくくなるためより好ましい。
1.2. Cover and Cavity The sensor element 100 has a cover 40. The cover 40 is disposed in contact with the sensor surface (one main surface) of the substrate 10. When the cover 40 is disposed in contact with the substrate 10, the cavity 30 is formed by the substrate 10 and the cover 40. The shape of the cavity 30 is arbitrary as long as the metal microstructure layer 20 can be disposed inside. In the example of FIGS. 1 to 3, a cover 40 formed in a cup shape is placed in contact with the flat substrate 10, and a cavity 30 is formed inside. Although not shown, a recess (depression) may be formed on the sensor surface of the substrate 10, and a flat cover 40 may be disposed so as to cover the recess. In this case as well, the metal microstructure layer 20 is accommodated therein. A cavity 30 can be formed. In the illustrated example, the entire cover 40 is formed with a curved surface (part of the shape of the surface of the spheroid), but the shape of the cover 40 is not limited to this, and the cover 40 may be formed with a flat surface. Alternatively, the shape may be a combination of a plane and a curved surface, such as a part of a cylindrical shape. Further, if the entire cover 40 is formed in a curved surface and has a shape with no corners (for example, a hemispherical shape or a dome shape), stress concentration due to a pressing force caused by a pressure difference between the inside and outside of the cavity 30 is alleviated. Is more preferable because it is difficult to collapse.

なお、金属微細構造層20は、標的物質と吸着しやすいことが望ましいので、図示のように基板10のセンサー面を平板状とするか、基板10に凸部等を設けて金属微細構造層20が基板10のセンサー面から突出するような態様がより望ましい。   Since the metal microstructure layer 20 is desirably easily adsorbed with the target substance, the sensor surface of the substrate 10 is formed in a flat plate shape as shown in the figure, or a convex portion or the like is provided on the substrate 10 to provide the metal microstructure layer 20. It is more desirable that the protrusion protrudes from the sensor surface of the substrate 10.

カバー40は、基板10とともに、密閉された空洞30を形成することができる。カバー40は、空洞30の気密性をより良好なものとするために、パッキン等の接合部材42を有してもよい。図1ないし図3の例では、カバー40の基板10に接する部分に、接合部材42としてパッキンが設けられている。なお、接合部材42は、この例ではカバー40側に一体的に設けられているが、基板10側に一体的に設けられてもよいし、両者にそれぞれ設けられてもよい。接合部材42を設ける場合には、接合部材42は、基板10とカバー40との着脱の自在性を損なわない材質(粘着性等の柔和な材質)で形成する。接合部材42としては、各種の樹脂製のパッキンや金属、セラミック等からなるガスケットを挙げることができる。   The cover 40 can form a sealed cavity 30 together with the substrate 10. The cover 40 may have a joining member 42 such as packing in order to make the airtightness of the cavity 30 better. In the example of FIGS. 1 to 3, packing is provided as a joining member 42 at a portion of the cover 40 that contacts the substrate 10. In this example, the joining member 42 is integrally provided on the cover 40 side, but may be provided integrally on the substrate 10 side, or may be provided on both. When the bonding member 42 is provided, the bonding member 42 is formed of a material (soft material such as adhesiveness) that does not impair the detachability of the substrate 10 and the cover 40. Examples of the joining member 42 include gaskets made of various resin packings, metals, ceramics, and the like.

カバー40が基板10に接して配置された場合に形成される空洞30は、その内部の圧力を空洞30の外部の圧力よりも低くすることができる。これにより、空洞30の内外で差圧(圧力差)が生じ、基板10及びカバー40が互いに密着するような押圧力を得ることができる。   The cavity 30 formed when the cover 40 is disposed in contact with the substrate 10 can have a pressure inside thereof lower than a pressure outside the cavity 30. Thereby, a differential pressure (pressure difference) is generated inside and outside the cavity 30, and a pressing force that allows the substrate 10 and the cover 40 to adhere to each other can be obtained.

カバー40の作用としては、上述の通り、金属微細構造層20を収容する空洞30を形成することが挙げられるが、カバー40によって金属微細構造層20が大気等の外部気体との接触や、外部の部材との機械的な接触を防止することが挙げられる。   As described above, the function of the cover 40 is to form the cavity 30 that accommodates the metal microstructure layer 20. However, the cover 40 allows the metal microstructure layer 20 to come into contact with an external gas such as the atmosphere or the outside. It is possible to prevent mechanical contact with the member.

カバー40の材質としては、特に限定されないが、ガラス、シリコン、樹脂、金属などが挙げられ、複数の材質の異なる層の積層体や混合体であってもよい。カバー40の材質として金属を採用する場合は、例えばSUSやアルミニウムとしてもよい。また、カバー40の材質が透明であると、カバー40が基板10に密着している状態で、空洞30内の金属微細構造層20を観測できるため、例えば、金属微細構造層20の反射率等を空洞30を維持したまま測定でき、品質のチェック等を行うことができるのでより好ましい。   Although it does not specifically limit as a material of the cover 40, Glass, a silicon | silicone, resin, a metal etc. are mentioned, The laminated body and mixture of the layer from which several materials differ may be sufficient. When a metal is adopted as the material of the cover 40, for example, SUS or aluminum may be used. Further, when the material of the cover 40 is transparent, the metal microstructure layer 20 in the cavity 30 can be observed in a state where the cover 40 is in close contact with the substrate 10, for example, the reflectance of the metal microstructure layer 20, etc. Can be measured with the cavity 30 maintained, and quality can be checked.

カバー40は、基板10に密着されて配置された際に形成される空洞30が減圧されて、空洞30の外部の圧力(例えば大気圧)との差圧による応力を受けても、変形や破損が生じない程度の強度となるように、構造、材質が選択される。例えば、カバー40は、直径0.1cm〜5cm程度の半球状の形状で、厚みを0.05mm〜25mm程度とすることができる。   The cover 40 is deformed or damaged even when the cavity 30 formed when the cover 40 is disposed in close contact with the substrate 10 is depressurized and subjected to stress due to a pressure difference from the pressure outside the cavity 30 (for example, atmospheric pressure). The structure and material are selected so that the strength does not occur. For example, the cover 40 has a hemispherical shape with a diameter of about 0.1 cm to 5 cm and a thickness of about 0.05 mm to 25 mm.

1.3.カバーの着脱
カバー40は、基板10に対して接して配置されることができ、空洞30の内圧を外圧よりも低くすることで、基板10の一の主面に密着させることができる。例えば、大気圧
よりも低い圧力に減圧された空間において、基板10にカバー40を載置し、外部の空間の圧力を大気圧に戻すことで、空洞30の内部の圧力を外部の圧力未満とした状態を形成することができる。また、例えば、基板10に載置した状態で空洞30の外圧を低下させると、基板10とカバー40の間の間隙から空洞30内の気体が排気され、空洞30内の圧力も低下させることができる。その後、空洞30の外圧を戻せば、空洞30の内部の圧力を外部の圧力未満とした状態を形成することができる。なお、後者の例では、カバー40の自重や接合部材42を適宜に調節して行われることができる。
1.3. Attaching / detaching the cover The cover 40 can be disposed in contact with the substrate 10, and can be brought into close contact with one main surface of the substrate 10 by making the internal pressure of the cavity 30 lower than the external pressure. For example, in a space where the pressure is reduced to a pressure lower than the atmospheric pressure, the cover 40 is placed on the substrate 10, and the pressure in the external space is returned to the atmospheric pressure, so that the pressure inside the cavity 30 is less than the external pressure. Can be formed. Further, for example, when the external pressure of the cavity 30 is lowered while being placed on the substrate 10, the gas in the cavity 30 is exhausted from the gap between the substrate 10 and the cover 40, and the pressure in the cavity 30 is also reduced. it can. After that, if the external pressure of the cavity 30 is returned, a state in which the pressure inside the cavity 30 is less than the external pressure can be formed. In the latter example, the weight of the cover 40 and the joining member 42 can be adjusted appropriately.

空洞30の内部の圧力が外部の圧力よりも小さい場合であって、基板10が固定された状態で、カバー40が重力によって基板10から離れる方向に位置するような姿勢で配置された場合、カバー40の自重によって落下する力よりも空洞30の内外の差圧による押圧力のほうが大きければ、カバー40は落下しない。他方、空洞30の内部の圧力が、外部の圧力と同じ又は外部の圧力よりも大きい場合であって、基板10が固定された状態で、カバー40が重力によって基板10から離れる方向に位置するような姿勢で配置された場合には、図2に示すように、カバー40の自重によってカバー40は落下する。カバー40の重量(自重)については特に限定されないが、空洞30の内外の差圧によって生じる押圧力とのバランスを考慮して設定される。   When the pressure inside the cavity 30 is smaller than the outside pressure, and the cover 40 is arranged in a posture such that the cover 40 is positioned away from the substrate 10 by gravity, the cover 10 is fixed. If the pressing force due to the pressure difference between the inside and outside of the cavity 30 is larger than the force that drops due to its own weight, the cover 40 does not fall. On the other hand, when the pressure inside the cavity 30 is the same as or larger than the external pressure, the cover 40 is positioned in a direction away from the substrate 10 by gravity in a state where the substrate 10 is fixed. In the case where the cover 40 is arranged in a proper posture, the cover 40 falls due to the weight of the cover 40 as shown in FIG. The weight (self-weight) of the cover 40 is not particularly limited, but is set in consideration of the balance with the pressing force generated by the pressure difference inside and outside the cavity 30.

カバー40を基板10から分離するために利用する力としては、上述の重力の他に、非接触であれば磁力、遠心力等を、接触であれば機械的な力を挙げることができる。空洞30の内部の圧力が、外部の圧力よりも小さい状態で、基板10にカバー40が吸着している際に、空洞30の外部の圧力を低下させて空洞30の内部の圧力が、外部の圧力と同じ又は外部の圧力よりも大きくなるようにし、重力、磁力、遠心力等を適宜にカバー40に印可することにより、機械的な操作を行うことなく、基板10からカバー40を分離させ、金属微細構造層20を露出させることができる。   As the force used for separating the cover 40 from the substrate 10, in addition to the above-described gravity, a magnetic force, a centrifugal force, and the like can be given if they are not contacted, and a mechanical force can be given if they are contacted. When the cover 40 is adsorbed to the substrate 10 in a state where the pressure inside the cavity 30 is smaller than the outside pressure, the pressure outside the cavity 30 is reduced so that the pressure inside the cavity 30 is outside the pressure. The cover 40 is separated from the substrate 10 without performing mechanical operation by applying gravity, magnetic force, centrifugal force or the like to the cover 40 as appropriate so that the pressure is equal to or greater than the external pressure. The metal microstructure layer 20 can be exposed.

なお、カバー40を分離する際には、空洞30の外部の圧力を、空洞30内の圧力と同じかより低くすることになるため、空洞30内の圧力は、例えば、後述する分析装置200の測定セル210において到達できる最高真空度(最低圧力)よりも高い圧力とすることになる。カバー40を吸着させる場合、係る条件を満たす圧力であれば、空洞30内の圧力は、特に制限されず適宜設定することができる。   Note that when the cover 40 is separated, the pressure outside the cavity 30 is set to be the same as or lower than the pressure inside the cavity 30. The pressure is higher than the maximum degree of vacuum (minimum pressure) that can be reached in the measurement cell 210. When the cover 40 is adsorbed, the pressure in the cavity 30 is not particularly limited and can be set as appropriate as long as the pressure satisfies such a condition.

1.4.金属微細構造層
本実施形態のセンサー素子100は、金属微細構造層20を含む。金属微細構造層20は、基板10に直接形成されてもよいし、基板10に含まれる誘電体層等の他の構成を介して形成されてもよい。また、金属微細構造層20は、基板10又は適宜のチップ(素子基板51等)の誘電体上に設けられてもよい。すなわち、基板10の一の主面に金属微細構造層20が設けられる。
1.4. Metal Microstructure Layer The sensor element 100 according to the present embodiment includes a metal microstructure layer 20. The metal microstructure layer 20 may be formed directly on the substrate 10 or may be formed through another configuration such as a dielectric layer included in the substrate 10. Moreover, the metal microstructure layer 20 may be provided on the dielectric of the substrate 10 or an appropriate chip (element substrate 51 or the like). That is, the metal microstructure layer 20 is provided on one main surface of the substrate 10.

上述の空洞30内における金属微細構造層20の配置される位置は、特に限定されないが、カバー40が分離する際に、金属微細構造層20にカバー40が接触しないような位置に配置されることが好ましい。   The position where the metal microstructure layer 20 is arranged in the cavity 30 is not particularly limited, but when the cover 40 is separated, the metal microstructure layer 20 is arranged so that the cover 40 does not contact the metal microstructure layer 20. Is preferred.

以下、金属微細構造層20が、電場増強素子50に設けられ、係る電場増強素子50が、基板10に設けられることによって、金属微細構造層20が空洞30内に配置される態様について説明する。   Hereinafter, an aspect in which the metal microstructure layer 20 is provided in the electric field enhancement element 50 and the metal field microstructure element 20 is disposed in the cavity 30 by providing the electric field enhancement element 50 on the substrate 10 will be described.

電場増強素子50は、標的物質が吸着して励起光が照射される表面に、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を発生することができる限り特に限定されない。このような表面の例が金属微細構造層20であり、例え
ば、金属のナノ粒子が、ランダムに又は規則的に配置された表面であり、当該表面に標的物質が吸着した状態で、励起光を照射すると、標的物質の振動エネルギーの分だけ、励起光の波長からずれた波長の光(ラマン散乱光)が散乱される態様が挙げられる。係る散乱は、表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)であり、ラマン散乱光が10〜1014倍に増強されている。そしてこのSERS光を分光処理することにより、標的物質の種類(分子種)に固有のスペクトル(指紋スペクトル)を高感度で得ることができる。
The electric field enhancing element 50 is not particularly limited as long as it can generate surface plasmon resonance (SPR) on the surface to which the target substance is adsorbed and irradiated with excitation light. An example of such a surface is a metal microstructure layer 20, for example, a surface in which metal nanoparticles are randomly or regularly arranged, and excitation light is emitted in a state where a target substance is adsorbed on the surface. When irradiated, a mode in which light (Raman scattered light) having a wavelength shifted from the wavelength of the excitation light is scattered by the amount of vibration energy of the target substance. Such scattering is surface enhanced Raman scattering (SERS), and Raman scattered light is enhanced by 10 2 to 10 14 times. By spectrally processing this SERS light, a spectrum (fingerprint spectrum) unique to the type (molecular species) of the target substance can be obtained with high sensitivity.

以下、電場増強素子の一実施形態として、表面に金属微細構造層20の一例としての金属粒子54及び金属層52を含む電場増強素子50について説明する。なお、金属層52は、増強電場を得るために伝搬型表面プラズモンを利用する際に有効な構成であり、必須の構成ではない。また、基板10が透明で、かつ、金属層52がない場合には、基板10側から金属微細構造層20を観測することができ、品質チェック等を容易化できる。   Hereinafter, as an embodiment of the electric field enhancement element, an electric field enhancement element 50 including metal particles 54 and a metal layer 52 as an example of the metal microstructure layer 20 on the surface will be described. Note that the metal layer 52 is an effective configuration when using propagation type surface plasmons in order to obtain an enhanced electric field, and is not an essential configuration. Further, when the substrate 10 is transparent and the metal layer 52 is not present, the metal microstructure layer 20 can be observed from the substrate 10 side, and quality check and the like can be facilitated.

図4は、電場増強素子50の断面の模式図である。図5は、電場増強素子50の2つの態様を平面的に見た(金属層52の厚さ方向から見た)図及びそれらの断面図である。図5(a−1)のI−I線の断面が図5(a−2)に、図5(b−1)のII−II線の断面が図5(b−2)にそれぞれ相当する。本実施形態の電場増強素子50は、金属層52と誘電体層53と金属微細構造層20と、を含む。   FIG. 4 is a schematic diagram of a cross section of the electric field enhancing element 50. FIG. 5 is a plan view of two modes of the electric field enhancing element 50 (viewed from the thickness direction of the metal layer 52) and a cross-sectional view thereof. 5A-1 corresponds to FIG. 5A-2, and the section taken along line II-II in FIG. 5B-1 corresponds to FIG. 5B-2. . The electric field enhancing element 50 of this embodiment includes a metal layer 52, a dielectric layer 53, and a metal microstructure layer 20.

1.4.1.金属層
本実施形態の電場増強素子50は、金属層52を有する。金属層52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、層又は膜の形状とすることができる。金属層52は、素子基板51の上に設けられてもよい。この場合の素子基板51としては、特に限定されないが、金属層52に励起される伝搬型表面プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。素子基板51としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。素子基板51の金属層52が設けられる面の形状も特に限定されない。金属層52の表面に所定の構造を形成する場合にはその構造に対応する表面を有してもよいし、金属層52の表面を平面とする場合には、対応する部分の表面を平面としてもよい。図4の例では、素子基板51の表面(平面)の上に層状の金属層52が設けられている。
1.4.1. Metal Layer The electric field enhancing element 50 of this embodiment has a metal layer 52. The metal layer 52 is not particularly limited as long as it provides a metal surface that does not transmit light, and may be, for example, a film, a plate, a layer, or a film. The metal layer 52 may be provided on the element substrate 51. The element substrate 51 in this case is not particularly limited, but a substrate that does not easily affect the propagation type surface plasmon excited by the metal layer 52 is preferable. Examples of the element substrate 51 include a glass substrate, a silicon substrate, and a resin substrate. The shape of the surface on which the metal layer 52 of the element substrate 51 is provided is not particularly limited. When a predetermined structure is formed on the surface of the metal layer 52, it may have a surface corresponding to the structure. When the surface of the metal layer 52 is a plane, the surface of the corresponding portion is a plane. Also good. In the example of FIG. 4, a layered metal layer 52 is provided on the surface (plane) of the element substrate 51.

本明細書では、電場増強素子50において、金属層52の厚さ方向を、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。本実施形態では、金属層52の厚さ方向とは、後述の誘電体層53及び金属微細構造層20の厚さ方向と一致している。また、金属層52が素子基板51の表面に設けられる場合には、素子基板51の表面の法線方向を厚さ方向、厚み方向又は高さ方向と称する場合がある。さらに、素子基板51からみて、金属層52側の方向を上、又は上方と表現し、その逆方向を下、又は下方と表現する場合がある。   In the present specification, in the electric field enhancing element 50, the thickness direction of the metal layer 52 may be referred to as a thickness direction, a height direction, or the like. In the present embodiment, the thickness direction of the metal layer 52 coincides with the thickness direction of a dielectric layer 53 and a metal microstructure layer 20 described later. When the metal layer 52 is provided on the surface of the element substrate 51, the normal direction of the surface of the element substrate 51 may be referred to as a thickness direction, a thickness direction, or a height direction. Furthermore, when viewed from the element substrate 51, the direction on the metal layer 52 side may be expressed as “up” or “up”, and the opposite direction may be expressed as “down” or “down”.

また、本明細書において、例えば、「部材Aの上に部材Bが設けられる」との表現は、部材Aの上に接して部材Bが設けられる場合と、部材Aの上に他の部材又は空間を介して部材Bが配置される場合と、を含む意味である。   In addition, in this specification, for example, the expression “the member B is provided on the member A” includes the case where the member B is provided on the member A and another member or the member A on the member A. And the case where the member B is disposed through the space.

さらに、「上」、「下」等の文言は、電場増強素子の設置状態に依存した上下関係を意図した文言ではなく、電場増強素子の設置状態にかかわらず、素子基板が下に存在する状態で見た(基板が下に来るように視野を採った)場合における上下関係を意図した文言である。したがって、例えば、仮に、重力の作用する方向が下となるように見た場合、素子基板が上方、金属層が下方となるように電場増強素子が設置されているとしても、素子基板の上方に金属層があるということの意味は、素子基板が下方に位置するように視野を選び(すなわちこの場合には重力の作用する方向が上となるように見て)、文言どおり素子
基板の上方に金属層が位置すると解することとする。
Furthermore, the words “upper”, “lower”, etc. are not intended to be in a vertical relationship depending on the installation state of the electric field enhancement element, but are in a state where the element substrate exists below regardless of the installation state of the electric field enhancement element. This is a word intended for the vertical relationship when viewed in (when the field of view is taken so that the substrate comes down). Therefore, for example, if it is seen that the direction in which gravity acts is downward, even if the electric field enhancing element is installed so that the element substrate is above and the metal layer is below, The meaning of having a metal layer is that the field of view is selected so that the element substrate is positioned below (that is, in this case, the direction in which gravity acts is upward), and literally above the element substrate. It will be understood that the metal layer is located.

金属層52は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層52が薄膜状に素子基板51の上に設けられる場合には、素子基板51の上面全体に設けられてもよいし素子基板51の一部に設けられてもよい。金属層52の厚さは、特に限定されず、例えば、10nm以上1mm以下、好ましくは20nm以上100μm以下、より好ましくは30nm以上1μm以下とすることができる。   The metal layer 52 can be formed, for example, by a technique such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. When the metal layer 52 is provided on the element substrate 51 in a thin film shape, it may be provided on the entire upper surface of the element substrate 51 or may be provided on a part of the element substrate 51. The thickness of the metal layer 52 is not particularly limited, and can be, for example, 10 nm to 1 mm, preferably 20 nm to 100 μm, more preferably 30 nm to 1 μm.

金属層52は、入射光(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しうる金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し(負の誘電率を有し)、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成されることが好ましい。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、銀、金、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。また、金属層52の表面(厚さ方向の端面)は、特定の結晶面であってもなくてもよい。また、金属層52は、平面視において、誘電体層53の外側まで形成されてもよい。   The metal layer 52 is a metal in which an electric field applied by incident light (excitation light) and an electric field in which the polarization induced by the electric field oscillates in an opposite phase exists, that is, when a specific electric field is applied. In addition, the real part of the dielectric function has a negative value (has a negative dielectric constant) and the dielectric constant of the imaginary part can have a dielectric constant smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part. Preferably, it is configured. Examples of metals that can have such a dielectric constant in the visible light region include silver, gold, aluminum, copper, platinum, and alloys thereof. Further, the surface (end surface in the thickness direction) of the metal layer 52 may or may not be a specific crystal plane. Further, the metal layer 52 may be formed to the outside of the dielectric layer 53 in a plan view.

金属層52は、電場増強素子50において伝搬型表面プラズモン(PSP)を発生させる機能を有してもよい。特定の条件下では、金属層52に光が入射することにより、金属層52の表面(厚さ方向の端面)近傍に伝搬型表面プラズモンが発生する。本明細書では、金属層52の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン(SPP:Surface Plasmon Plariton)と称することがある。係る金属層52に伝搬型表面プラズモンを発生させる場合には、後述の金属微細構造層20に発生する局在型表面プラズモン(LSP)と相互作用させてもよい。   The metal layer 52 may have a function of generating a propagation surface plasmon (PSP) in the electric field enhancing element 50. Under certain conditions, when light enters the metal layer 52, propagation-type surface plasmons are generated near the surface of the metal layer 52 (end surface in the thickness direction). In this specification, the quantum of vibration in which the vibration of electric charges near the surface of the metal layer 52 and the electromagnetic wave are combined may be referred to as surface plasmon polariton (SPP). When propagating surface plasmons are generated in such a metal layer 52, they may interact with localized surface plasmons (LSP) generated in the metal microstructure layer 20 described later.

1.4.2.誘電体層
本実施形態の電場増強素子50は、金属層52と金属微細構造層20(金属粒子54)とを電気的に隔てる誘電体層53を有する。誘電体層53は、図4に示すように、金属層52の上に設けられる。これにより、金属層52と金属微細構造層20内に含まれる金属粒子54とを隔てることができる。誘電体層53は、フィルム、層又は膜の形状を有することができる。
1.4.2. Dielectric Layer The electric field enhancing element 50 of the present embodiment includes a dielectric layer 53 that electrically separates the metal layer 52 and the metal microstructure layer 20 (metal particles 54). The dielectric layer 53 is provided on the metal layer 52 as shown in FIG. Thereby, the metal layer 52 and the metal particle 54 contained in the metal microstructure layer 20 can be separated. The dielectric layer 53 can have the shape of a film, layer or film.

誘電体層53は、正の誘電率を有すればよく、例えば、SiO、Al、TiO、高分子、ITO(Indium Tin Oxide)などで形成することができる。また誘電体層53は、材質の互いに異なる複数の層から構成されてもよい。これらのうち、誘電体層53の材質としては、SiOであることがより好ましい。このようにすれば、400nm以上の波長の入射光(励起光)を用いて、試料を測定する際に、入射光(励起光)及びラマン散乱光の両者を増強しやすくすることができる。 The dielectric layer 53 only needs to have a positive dielectric constant, and can be formed of, for example, SiO 2 , Al 2 O 3 , TiO 2 , polymer, ITO (Indium Tin Oxide), or the like. The dielectric layer 53 may be composed of a plurality of layers made of different materials. Among these, the material of the dielectric layer 53 is more preferably SiO 2 . If it does in this way, when measuring a sample using incident light (excitation light) with a wavelength of 400 nm or more, it can make it easy to strengthen both incident light (excitation light) and Raman scattering light.

誘電体層53の厚さは、電場増強素子50に照射される特定の波長の入射光(励起光)を入射した際のラマン散乱光の波長等を考慮して設計される。誘電体層53は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD、各種コーティング等の手法により形成することができる。誘電体層53は、金属層52の表面の全面に設けられてもよいし金属層52の表面の一部に設けられてもよい。誘電体層53は、少なくとも金属微細構造層20の下に設けられ、さらに、金属微細構造層20の存在しない位置にも設けられてもよい。   The thickness of the dielectric layer 53 is designed in consideration of the wavelength of Raman scattered light when incident light (excitation light) having a specific wavelength irradiated on the electric field enhancing element 50 is incident. The dielectric layer 53 can be formed by, for example, techniques such as vapor deposition, sputtering, CVD, and various coatings. The dielectric layer 53 may be provided on the entire surface of the metal layer 52 or may be provided on a part of the surface of the metal layer 52. The dielectric layer 53 is provided at least under the metal microstructure layer 20 and may also be provided at a position where the metal microstructure layer 20 does not exist.

誘電体層53の厚さは、特に限定されず、例えば、10nm以上2000nm以下、好ましくは20nm以上500nm以下、より好ましくは20nm以上300nm以下とすることができる。誘電体層53内(平面方向:誘電体層53と平行な方向)には光を伝搬させることができる。また、誘電体層53は、誘電体層53と金属層52との界面近傍に
発生する伝搬型表面プラズモン(PSP)を、誘電体層53内(平面方向)で伝搬させることができる。また、金属微細構造層20を1つの層とみなす場合には、金属層52及び金属微細構造層20によって、両端で光が反射される構造の共振器とみなすことができ、誘電体層53は、その共振器の光路として機能することができる。このような共振器では、入射光(励起光)と反射光との重ね合わせを起すことができる。誘電体層53の厚さは、入射光(励起光)と反射光との重ね合わせにより生じる定在波の腹が、金属微細構造層20の厚さ方向の中央付近となるように設定されることにより、金属微細構造層20に生じるLSPの強度をさらに高めることができる。このような点を考慮して誘電体層53の厚さを設定することもでき、この場合には、例えば、入射光(励起光)の波長が633nmのときに誘電体層53の厚さを230nmとすることが挙げられるが、誘電体層53の厚さはこれに限定されない。
The thickness of the dielectric layer 53 is not particularly limited, and can be, for example, 10 nm to 2000 nm, preferably 20 nm to 500 nm, more preferably 20 nm to 300 nm. Light can be propagated in the dielectric layer 53 (plane direction: a direction parallel to the dielectric layer 53). Further, the dielectric layer 53 can propagate the propagation type surface plasmon (PSP) generated in the vicinity of the interface between the dielectric layer 53 and the metal layer 52 in the dielectric layer 53 (plane direction). Further, when the metal microstructure layer 20 is regarded as one layer, the metal layer 52 and the metal microstructure layer 20 can be regarded as a resonator having a structure in which light is reflected at both ends. , Can function as an optical path of the resonator. In such a resonator, superposition of incident light (excitation light) and reflected light can be caused. The thickness of the dielectric layer 53 is set so that the antinodes of the standing wave generated by superimposing the incident light (excitation light) and the reflected light are near the center of the metal microstructure layer 20 in the thickness direction. As a result, the strength of the LSP generated in the metal microstructure layer 20 can be further increased. In consideration of such points, the thickness of the dielectric layer 53 can also be set. In this case, for example, the thickness of the dielectric layer 53 is set when the wavelength of incident light (excitation light) is 633 nm. Although the thickness may be 230 nm, the thickness of the dielectric layer 53 is not limited to this.

1.4.3.金属微細構造層
金属微細構造層20は、誘電体層53の上に設けられる。平面視において、金属微細構造層20は、誘電体層53が形成された領域内の一部又は全部に形成される。金属微細構造層20は、金属粒子54を含む。図示の例では、金属粒子54は、粒子状の構造となっているが、金属粒子54は、このような態様に限定されない。金属微細構造層20に含まれる金属粒子54の数、大きさ(寸法)、形状、配列等については、特に限定されない。また、金属微細構造層20は、金属粒子54以外に気体(空間)、誘電体等を含んでもよい。
1.4.3. Metal Microstructure Layer The metal microstructure layer 20 is provided on the dielectric layer 53. In plan view, the metal microstructure layer 20 is formed on a part or all of the region in which the dielectric layer 53 is formed. The metal microstructure layer 20 includes metal particles 54. In the illustrated example, the metal particles 54 have a particulate structure, but the metal particles 54 are not limited to such an embodiment. The number, size (dimension), shape, arrangement, and the like of the metal particles 54 included in the metal microstructure layer 20 are not particularly limited. The metal microstructure layer 20 may include a gas (space), a dielectric, and the like in addition to the metal particles 54.

金属微細構造層20は、誘電体層53の上面から、金属粒子54の誘電体層53から離れた側の上端に接する面との間の部分と定義する。例えば、金属微細構造層20の上面及び下面は、金属微細構造層20に金属粒子54と気体(空間)が含まれている場合には、仮想的な面となり、金属微細構造層20には、金属粒子54の側方に配置された気体(空間)も含まれるものとする。   The metal microstructure layer 20 is defined as a portion between the upper surface of the dielectric layer 53 and the surface in contact with the upper end of the metal particle 54 on the side away from the dielectric layer 53. For example, the upper and lower surfaces of the metal microstructure layer 20 are virtual surfaces when the metal microstructure layer 20 includes metal particles 54 and gas (space). The gas (space) arrange | positioned at the side of the metal particle 54 shall also be included.

金属微細構造層20の平面的な形状は、特に限定されず、矩形、多角形、円形、楕円形等、任意の形状とすることができる。また、金属微細構造層20の平面的な形状は、入射光(励起光)の照射領域の形状と相似的な形状とすると、入射光(励起光)のエネルギーをより効率的に電場増強に充てることができる場合がある。   The planar shape of the metal microstructure layer 20 is not particularly limited, and may be an arbitrary shape such as a rectangle, a polygon, a circle, an ellipse, or the like. Further, when the planar shape of the metal microstructure layer 20 is similar to the shape of the irradiation region of the incident light (excitation light), the energy of the incident light (excitation light) is more efficiently used for electric field enhancement. There are cases where it is possible.

金属微細構造層20に含まれる金属粒子54は、入射光(励起光)の照射により、局在型表面プラズモンを発生することができれば、その数、大きさ(寸法)、形状、配列等について、特に限定されない。図4は、金属微細構造層20に含まれる金属粒子54の一例を粒子状の微細構造(金属粒子)として示している。また、図5(a−1)、(a−2)に示す例では、金属微細構造層20は、金属粒子54が、平面視において、所定の方向に所定のピッチで複数並んだストライプ状となっている。すなわち、この例では金属微細構造層20は、金属粒子54が、平面視において、グレーティング状(縞状)に配列されている。さらに図5(b−1)、(b−2)に示す例では、金属微細構造層20は、金属粒子54が、平面視において、所定の方向に所定のピッチで複数並んだ金属微細構造列を有し、かつ、金属微細構造列が、前記所定の方向と交差する方向(図では直交方向)に、所定のピッチで複数並んだ構造を有している。すなわち、この例では金属微細構造層20は、金属粒子54が、平面視において、格子状に配列されている。   If the metal particles 54 included in the metal microstructure layer 20 can generate localized surface plasmons by irradiation with incident light (excitation light), the number, size (dimension), shape, arrangement, etc. There is no particular limitation. FIG. 4 shows an example of the metal particles 54 included in the metal microstructure layer 20 as a particulate microstructure (metal particles). 5A-1 and 5A-2, the metal microstructure layer 20 has a stripe shape in which a plurality of metal particles 54 are arranged at a predetermined pitch in a predetermined direction in a plan view. It has become. That is, in this example, in the metal microstructure layer 20, the metal particles 54 are arranged in a grating shape (stripe shape) in plan view. Further, in the example shown in FIGS. 5B-1 and 5B-2, the metal fine structure layer 20 includes a metal fine structure row in which a plurality of metal particles 54 are arranged at a predetermined pitch in a predetermined direction in a plan view. And a plurality of metal microstructure rows are arranged at a predetermined pitch in a direction intersecting the predetermined direction (orthogonal direction in the figure). That is, in this example, the metal microstructure layer 20 has the metal particles 54 arranged in a lattice shape in a plan view.

金属微細構造層20が、粒子又はストライプ状の金属粒子54で構成される場合、金属粒子54の数は、複数であればよく、好ましくは10個以上、より好ましくは100個以上である。なお、図4の例では、同一形状の複数の金属粒子54が設けられているが、互いに異なる形状の金属粒子54が設けられてもよく、例えば、ストライプ状の金属粒子54及び粒子状の金属粒子54が混在してもよい。   When the metal microstructure layer 20 is composed of particles or stripe-shaped metal particles 54, the number of the metal particles 54 may be plural, preferably 10 or more, more preferably 100 or more. In the example of FIG. 4, a plurality of metal particles 54 having the same shape are provided, but metal particles 54 having different shapes may be provided. For example, stripe-shaped metal particles 54 and particle-shaped metal particles may be provided. The particles 54 may be mixed.

金属粒子54は、誘電体層53の存在により、金属層52から厚さ方向に離間して設けられる。金属粒子54は、金属層52の上に誘電体層53を介して配置される。図3の例では、金属層52の上に誘電体層53が設けられ、その上に金属粒子54が形成されているが、誘電体層53は層状でなくても、金属層52と金属粒子54とが厚さ方向で離間して配置されていればよい。さらに、図示しないが、誘電体層53の上に金属粒子54を配置する場合には、密着層を介してもよい。密着層の材質としては、金、銅、アルミニウム、パラジウム、ニッケル、白金、モリブデン、クロム、チタン、又はこれらの合金若しくは複合体、又は酸化チタン、酸化タングステンなどを挙げることができる。   The metal particles 54 are provided away from the metal layer 52 in the thickness direction due to the presence of the dielectric layer 53. The metal particles 54 are disposed on the metal layer 52 via the dielectric layer 53. In the example of FIG. 3, the dielectric layer 53 is provided on the metal layer 52 and the metal particles 54 are formed thereon. However, even if the dielectric layer 53 is not layered, the metal layer 52 and the metal particles 54 may be spaced apart from each other in the thickness direction. Furthermore, although not shown, when the metal particles 54 are disposed on the dielectric layer 53, an adhesion layer may be interposed. Examples of the material for the adhesion layer include gold, copper, aluminum, palladium, nickel, platinum, molybdenum, chromium, titanium, or alloys or composites thereof, titanium oxide, and tungsten oxide.

金属粒子54の形状は、特に限定されず、例えば、粒子状の構造である場合には、金属層52又は誘電体層53の厚さ方向に投影した場合に(厚さ方向からの平面視において)円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形であることができ、厚さ方向に直交する方向に投影した場合にも円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組合わせた形状であることができる。図3の例では金属粒子54は、誘電体層53の厚さ方向に中心軸を有する円柱状の形状で描かれているが、金属粒子54の形状はこれに限定されず、例えば、角柱状、楕円柱状、半球状、球状、錐状、錐台状等であってもよい。   The shape of the metal particles 54 is not particularly limited. For example, in the case of a particle-like structure, when projected in the thickness direction of the metal layer 52 or the dielectric layer 53 (in plan view from the thickness direction) ) It can be circular, elliptical, polygonal, indeterminate, or a combination thereof, and even when projected in a direction perpendicular to the thickness direction, it can be circular, elliptical, polygonal, indefinite or It can be a combined shape. In the example of FIG. 3, the metal particles 54 are drawn in a cylindrical shape having a central axis in the thickness direction of the dielectric layer 53, but the shape of the metal particles 54 is not limited to this, for example, a prismatic shape , Elliptical columnar shape, hemispherical shape, spherical shape, cone shape, frustum shape and the like.

金属粒子54の高さ方向(誘電体層53の厚さ方向)の大きさTは、高さ方向に垂直な平面によって金属粒子54を切ることができる区間の長さを指し、1nm以上300nm以下とすることができる。また、金属粒子54の高さ方向に直交する第1方向の大きさは、第1方向に垂直な平面によって金属粒子54を切ることができる区間の長さを指し、5nm以上300nm以下とすることができる。例えば、金属粒子54の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子54の高さ方向の大きさ(円柱の高さ)は、1nm以上300nm以下、好ましくは2nm以上100nm以下、より好ましくは3nm以上50nm以下、さらに好ましくは4nm以上40nm以下とすることができる。また金属粒子54の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、金属粒子54の大きさ(円柱底面の直径)は、10nm以上300nm以下、好ましくは20nm以上200nm以下、より好ましくは25nm以上180nm以下としてもよい。   The size T in the height direction of the metal particles 54 (thickness direction of the dielectric layer 53) refers to the length of a section in which the metal particles 54 can be cut by a plane perpendicular to the height direction. It can be. The size in the first direction orthogonal to the height direction of the metal particles 54 refers to the length of a section in which the metal particles 54 can be cut by a plane perpendicular to the first direction, and is 5 nm or more and 300 nm or less. Can do. For example, when the shape of the metal particle 54 is a cylinder having the height direction as the central axis, the size of the metal particle 54 in the height direction (the height of the cylinder) is 1 nm or more and 300 nm or less, preferably 2 nm or more. The thickness can be 100 nm or less, more preferably 3 nm to 50 nm, and still more preferably 4 nm to 40 nm. Further, when the shape of the metal particles 54 is a cylinder having the height direction as the central axis, the size of the metal particles 54 (diameter of the bottom surface of the cylinder) is 10 nm to 300 nm, preferably 20 nm to 200 nm, more preferably. May be 25 nm or more and 180 nm or less.

金属粒子54の形状、材質は、入射光(励起光)の照射によって、局在型表面プラズモン(LSP)を生じうる限り任意である。可視光付近の光によって局在型表面プラズモンを生じうる材質としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、パラジウム、ニッケル又はそれらの合金を挙げることができる。これらの中でも、金属粒子54の材質としては、Au又はAgであることがより好ましい。このような材質を選ぶことにより、より強いLSPが得られ、素子全体の電場増強度を強めることができる。   The shape and material of the metal particles 54 are arbitrary as long as localized surface plasmon (LSP) can be generated by irradiation with incident light (excitation light). Examples of materials that can generate localized surface plasmons by light in the vicinity of visible light include gold, silver, aluminum, copper, platinum, palladium, nickel, and alloys thereof. Among these, the material of the metal particles 54 is more preferably Au or Ag. By selecting such a material, a stronger LSP can be obtained and the electric field enhancement of the entire device can be increased.

金属粒子54は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子54は、基板上に塗布したレジストを電子線描画等により感光させ、スパッタ、蒸着等によって金属薄膜を成膜した後にレジストを除去してパターニングを行うリソグラフィー法などによって形成することができる。   The metal particles 54 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. The metal particles 54 may be formed by a lithography method or the like in which a resist coated on a substrate is exposed by electron beam drawing or the like, a metal thin film is formed by sputtering, vapor deposition, or the like, and then the resist is removed and patterned. it can.

さらに、金属粒子54は、干渉露光法によって形成することもできる。すなわち、パターン形成のための露光を、レーザー光の干渉縞を利用して行うことができる。また、この方法によれば、多重露光や多光束露光が可能であり、周期的なパターンを有する金属粒子54を非常に容易に形成することができる。例えば、縞状のパターンを形成する場合には、レーザー光の干渉縞をレジスト等に露光することにより形成することができる。また、二次元格子状のパターンを形成する場合には、レーザー光の干渉縞を交差するように、同時に又は回分的にレジスト等に露光することにより形成することができる。係る方法は、電子線描画に比較して装置構成を小規模にすることができ、かつ、必要に応じて多数の電場増強素子50をより効率的に製造することができる。   Furthermore, the metal particles 54 can also be formed by an interference exposure method. That is, exposure for pattern formation can be performed by using interference fringes of laser light. Further, according to this method, multiple exposure and multi-beam exposure are possible, and the metal particles 54 having a periodic pattern can be formed very easily. For example, when a striped pattern is formed, it can be formed by exposing a laser beam interference fringe to a resist or the like. In the case of forming a two-dimensional lattice pattern, it can be formed by exposing the resist or the like simultaneously or batchwise so that the interference fringes of the laser beam intersect. According to this method, the apparatus configuration can be reduced in scale as compared with electron beam drawing, and a large number of electric field enhancing elements 50 can be more efficiently manufactured as necessary.

金属粒子54は、本実施形態の電場増強素子50において局在型表面プラズモン(LSP)を発生させる機能を有している。金属粒子54に、特定の条件で入射光(励起光)を照射することにより、金属粒子54の周辺に局在型表面プラズモンを発生させることができる。金属粒子54に発生した局在型表面プラズモンが、金属層52と誘電体層53との界面近傍に発生する伝搬型表面プラズモンと相互作用できるように入射光(励起光)の波長、誘電体層53の厚さ、金属粒子54の配列等を設定してもよい。   The metal particles 54 have a function of generating localized surface plasmons (LSP) in the electric field enhancing element 50 of the present embodiment. By irradiating the metal particles 54 with incident light (excitation light) under specific conditions, localized surface plasmons can be generated around the metal particles 54. The wavelength of the incident light (excitation light), the dielectric layer so that the localized surface plasmon generated in the metal particle 54 can interact with the propagating surface plasmon generated in the vicinity of the interface between the metal layer 52 and the dielectric layer 53. The thickness of 53, the arrangement of the metal particles 54, and the like may be set.

ここで例示している電場増強素子50は、金属層52を有するので、金属微細構造層20側から入射光(励起光)が照射される。そして、入射光(励起光)は、金属微細構造層20、誘電体層53、及び金属層52と、回折、屈折、反射等の各種の相互作用をして入射光(励起光)の照射された領域及びその近傍にて、プラズモン共鳴を生じ、高い電場増強効果を示すことができる。なお、金属層52を有しない場合には、素子基板51側から励起光を照射することができる。   Since the electric field enhancing element 50 illustrated here has the metal layer 52, incident light (excitation light) is irradiated from the metal microstructure layer 20 side. Incident light (excitation light) is irradiated with incident light (excitation light) through various interactions such as diffraction, refraction, and reflection with the metal microstructure layer 20, the dielectric layer 53, and the metal layer 52. Plasmon resonance is generated in and near the region, and a high electric field enhancement effect can be shown. In the case where the metal layer 52 is not provided, excitation light can be irradiated from the element substrate 51 side.

以上例示した電場増強素子50では、入射光(励起光)の照射により、金属微細構造層20の金属粒子54の近傍に、非常に大きい増強電場が形成される。したがって、電場増強素子50の金属微細構造層20の金属粒子54に標的物質を吸着(付着、接触)させた状態で、入射光(励起光)を照射することにより、入射光(励起光)及び標的物質によるラマン散乱光の両者を大幅に増幅することができる。なお、金属微細構造層20の周期構造は、顕微鏡観察等を行った場合、目視で感覚的に明確な繰り返し周期が認められる場合と、認められない場合とがあり得る。   In the electric field enhancing element 50 exemplified above, a very large enhanced electric field is formed in the vicinity of the metal particles 54 of the metal microstructure layer 20 by irradiation of incident light (excitation light). Therefore, by irradiating incident light (excitation light) with the target substance adsorbed (attached, contacted) to the metal particles 54 of the metal microstructure layer 20 of the electric field enhancing element 50, incident light (excitation light) and Both Raman scattered light by the target substance can be greatly amplified. Note that the periodic structure of the metal fine structure layer 20 may or may not be recognized visually by a visually repetitive period when observed under a microscope or the like.

1.5.金属微細構造層の変化
金属微細構造層20の寿命を推定する代表的なモデルにReich-Hakim Modelがある。係るモデルは、下記式(1)で表される。
1.5. Changes in the metal microstructure layer A typical model for estimating the lifetime of the metal microstructure layer 20 is the Reich-Hakim Model. Such a model is represented by the following formula (1).

=A・exp{−B(T+RH)} ・・・(1)
ここでtは金属微細構造層20の寿命、Tは環境の温度、RHは環境の湿度、A及びBは、実験で求められる定数である。この式によれば、TもしくはRHを低下させることで金属微細構造層20の寿命を延ばすことができることがわかる。図6に独自研究により求めた温度と湿度を変化させた場合の金属微細構造層20の寿命を示す(表面増強ラマン分光を利用する検出装置の場合)。低温・低湿度になるほど金属微細構造層20の寿命が延びることがわかる。このため、例えば、金属微細構造層20に接触する気体の湿度が低いほど、及び/又は、設置される温度が低いほど、金属微細構造層20の寿命を延ばすことができると理解されよう。例えば、室温20℃、湿度60%では、金属微細構造層20の寿命は、図6から、3.2日と読み取ることができるが、温度20℃、湿度20%では、金属微細構造層20の寿命は7.0日と読み取ることができる。
t s = A · exp {−B (T s + RH)} (1)
Here t s is the life of the metal fine structure layer 20, T s is the temperature of the environment, RH is the environmental humidity, A and B are constants determined experimentally. According to this equation, it is understood that it is possible to extend the life of the metal fine structure layer 20 by lowering the T s or RH. FIG. 6 shows the lifetime of the metal microstructure layer 20 when the temperature and humidity obtained by original research are changed (in the case of a detection apparatus using surface-enhanced Raman spectroscopy). It can be seen that the lifetime of the metal microstructure layer 20 is extended as the temperature and humidity are lowered. For this reason, for example, it will be understood that the lifetime of the metal microstructure layer 20 can be extended as the humidity of the gas contacting the metal microstructure layer 20 is lower and / or the temperature at which the gas is installed is lower. For example, at room temperature of 20 ° C. and humidity of 60%, the lifetime of the metal microstructure layer 20 can be read as 3.2 days from FIG. 6, but at a temperature of 20 ° C. and humidity of 20%, the metal microstructure layer 20 The lifetime can be read as 7.0 days.

図7は、温度23℃、湿度54%の環境下(a)及び温度23℃、湿度20%の環境下(b)で保管した金属微細構造層20の一部をSEM(走査型電子顕微鏡)にて観察した結果である。図7の金属微細構造層20は、シリコン酸化膜上に、銀(Ag)粒子(金属粒子)を規則的に配置している。図7の(a)、(b)は、作製直後は、ともに同じ構造であるが、湿度54%で保管した構造(a)は時間が経つにつれて形状が変化する一方で、湿度20%で保管した構造(b)は作製14日後も作成直後の構造を維持していることがわかる。このように、金属微細構造層20の周囲の湿度を低下させることにより、寿命を延長させる効果があることがわかる。したがって、本実施形態のセンサー素子100を製造する際、空洞30の内部の気体の湿度が20%程度であれば、14日以上の寿命を期待できることがわかる。   FIG. 7 shows a part of the metal microstructure layer 20 stored in an environment (a) at a temperature of 23 ° C. and a humidity of 54% (a) and an environment (b) of a temperature of 23 ° C. and a humidity of 20% (SEM). It is the result observed in. In the metal microstructure layer 20 of FIG. 7, silver (Ag) particles (metal particles) are regularly arranged on a silicon oxide film. 7 (a) and 7 (b) have the same structure immediately after fabrication, but the structure (a) stored at a humidity of 54% changes its shape over time while it is stored at a humidity of 20%. It can be seen that the structure (b) maintains the structure immediately after the production even 14 days after the production. Thus, it can be seen that reducing the humidity around the metal microstructure layer 20 has the effect of extending the life. Therefore, when manufacturing the sensor element 100 of this embodiment, if the humidity of the gas inside the cavity 30 is about 20%, it can be seen that a life of 14 days or longer can be expected.

一方、気体中に含まれる水蒸気量は、体積及び温度が変化しない場合は、気体の状態方程式(P・V=n・R・T(P:圧力、V:体積、n:気体の物質量、T:温度、R:気体定数))から、圧力に比例することがわかる。そのため、本実施形態のセンサー素子100において、基板10にカバー40を密着させる際に、当初常温常圧で空洞30内に湿度60%の気体が存在する状態から減圧して空洞30内の圧力を下げる場合には、圧力を1/3程度(約33.8kPa)に減圧すれば、空洞30内の湿度を20%に低下させることができる。そしてその後、空洞30の外側の圧力を常圧に戻すことにより、基板10にカバー40が密着され、20%の湿度の気体が封止された空洞30が形成される。したがって、このように空洞30を形成した場合の本実施形態のセンサー素子100は、14日以上の寿命を期待できる。   On the other hand, when the volume and temperature do not change, the amount of water vapor contained in the gas is the gas equation of state (P · V = n · R · T (P: pressure, V: volume, n: amount of gaseous substance, T: temperature, R: gas constant)), it is understood that it is proportional to the pressure. Therefore, in the sensor element 100 of the present embodiment, when the cover 40 is brought into close contact with the substrate 10, the pressure in the cavity 30 is reduced by reducing the pressure from the state in which a gas having a humidity of 60% exists in the cavity 30 at normal temperature and normal pressure. When lowering the pressure, the humidity in the cavity 30 can be reduced to 20% by reducing the pressure to about 1/3 (about 33.8 kPa). After that, by returning the pressure outside the cavity 30 to normal pressure, the cover 40 is brought into close contact with the substrate 10 to form the cavity 30 sealed with a gas having a humidity of 20%. Therefore, the sensor element 100 of this embodiment when the cavity 30 is formed in this way can be expected to have a life of 14 days or longer.

1.6.作用効果
本実施形態のセンサー素子100は、空洞30内に金属微細構造層20が収容され、空洞30が密閉されている際に、空洞30外の雰囲気に金属微細構造層20が曝されないため、保管時の金属微細構造層20の構造の変化が抑制される。また、空洞30外の圧力を下げることにより、カバー40を容易にはずすことができ、設計した構造にできるだけ近い状態で、容易に使用に供することができる。さらに本実施形態のセンサー素子100は、センサー素子100が、カバー40が重力の作用によって落下するような配置で設置された状態で、空洞30外の圧力を空洞30内の圧力以下に低下させれば、カバー40を基板10から落下させて分離させることができるため、非常に容易に測定に供することができる。
1.6. Operational Effect In the sensor element 100 of the present embodiment, when the metal microstructure layer 20 is accommodated in the cavity 30 and the cavity 30 is sealed, the metal microstructure layer 20 is not exposed to the atmosphere outside the cavity 30. Changes in the structure of the metal microstructure layer 20 during storage are suppressed. Further, by reducing the pressure outside the cavity 30, the cover 40 can be easily removed, and can be easily used in a state as close as possible to the designed structure. Furthermore, the sensor element 100 of the present embodiment can reduce the pressure outside the cavity 30 to be equal to or lower than the pressure inside the cavity 30 in a state where the sensor element 100 is installed in such a manner that the cover 40 falls due to the action of gravity. In this case, since the cover 40 can be dropped from the substrate 10 and separated, it can be used for measurement very easily.

2.分析装置
本実施形態の分析装置200は、例えば、ラマン分光装置であり、以下分析装置200はラマン分光装置であるものとして説明する。図8は、分析装置200の概略構成を示す模式図である。分析装置200は、図8に示すように、上述のセンサー素子100と、センサー素子100を収容する測定セル210と、測定セル210内を減圧する減圧手段220と、金属微細構造層20に励起光を照射する光源230と、金属微細構造層20から放射される光を検出する光検出器240と、を含む。センサー素子100は、上述したと同様であるので、詳細な説明を省略する。
2. Analysis Device The analysis device 200 of the present embodiment is, for example, a Raman spectroscopic device, and hereinafter, the analysis device 200 will be described as a Raman spectroscopic device. FIG. 8 is a schematic diagram showing a schematic configuration of the analyzer 200. As shown in FIG. 8, the analysis device 200 includes the above-described sensor element 100, a measurement cell 210 that houses the sensor element 100, a decompression unit 220 that decompresses the measurement cell 210, and excitation light on the metal microstructure layer 20. And a light detector 240 that detects light emitted from the metal microstructure layer 20. Since the sensor element 100 is the same as described above, detailed description thereof is omitted.

2.1.測定セル
測定セル210は、センサー素子100を収容することのできる空間を形成している。測定セル210は、標的物質を含む試料を導入、流通させることのできるバルブ211、バルブ212を備えている。また、測定セル210は、バルブ211及びバルブ212を閉塞することによって、内部の空間の気密を図ることができる。また、測定セル210は、減圧手段220によって内部の空間の気体を排出することができる。
2.1. Measurement Cell The measurement cell 210 forms a space in which the sensor element 100 can be accommodated. The measurement cell 210 includes a valve 211 and a valve 212 through which a sample containing a target substance can be introduced and circulated. In addition, the measurement cell 210 can seal the internal space by closing the valve 211 and the valve 212. In addition, the measurement cell 210 can discharge the gas in the internal space by the decompression means 220.

測定セル210は、センサー素子100に対して試料を供給することができ、金属微細構造層20に標的物質が接触するように、試料を流通させることができる。試料を流通させる態様は任意であり、例えば、測定セル210に2箇所の通気口を設けた状態(図示の例ではバルブ211及び212を開放した状態)で、測定セル210内を試料が流通するように試料を圧入又は吸引することで試料を流通させることができる。   The measurement cell 210 can supply the sample to the sensor element 100, and can distribute the sample so that the target substance contacts the metal microstructure layer 20. The mode in which the sample is circulated is arbitrary. For example, the sample circulates in the measurement cell 210 in a state where two vent holes are provided in the measurement cell 210 (in the illustrated example, the valves 211 and 212 are opened). Thus, the sample can be circulated by press-fitting or sucking the sample.

また、測定セル210は、金属微細構造層20に対して光源230からの励起光が照射できるように構成され、光検出器240によって金属微細構造層20から放射される光を検出できるように構成される。係る構成には、特に制限はなく、例えば、測定セル210内に光源230及び光検出器240を配置することや、測定セル210をガラス等の透明
な材質で形成したり、適宜透明な材質で構成された窓等を設けて測定セル210の外部から励起光の照射及び光の検出を行えるように構成できる。
In addition, the measurement cell 210 is configured to be able to irradiate the metal microstructure layer 20 with excitation light from the light source 230, and is configured to be able to detect the light emitted from the metal microstructure layer 20 by the photodetector 240. Is done. The configuration is not particularly limited. For example, the light source 230 and the photodetector 240 are arranged in the measurement cell 210, the measurement cell 210 is formed of a transparent material such as glass, or an appropriate transparent material. A configured window or the like may be provided so that excitation light irradiation and light detection can be performed from outside the measurement cell 210.

2.2.減圧手段
減圧手段220は、測定セル210内の気体を排気することができる。図示の例では、減圧手段220は、3方バルブ221に接続されており、バルブ211を閉塞し、バルブ212を開通し、3方バルブ221により測定セル210と減圧手段220とを開通した状態で減圧手段220を駆動することで、測定セル210内の気体を排気して測定セル210内の圧力を低下させることができるようになっている。減圧手段220は、例えば、各種の真空ポンプによって構成することができる。
2.2. Decompression Unit The decompression unit 220 can exhaust the gas in the measurement cell 210. In the illustrated example, the decompression means 220 is connected to a three-way valve 221, the valve 211 is closed, the valve 212 is opened, and the measurement cell 210 and the decompression means 220 are opened by the three-way valve 221. By driving the decompression means 220, the gas in the measurement cell 210 can be exhausted and the pressure in the measurement cell 210 can be reduced. The decompression means 220 can be constituted by various vacuum pumps, for example.

減圧手段220は、測定セル210内を減圧することにより、センサー素子100の空洞30の外部の圧力を、センサー素子100の空洞30の内部の圧力と同じかそれ以下の圧力とすることができる。これにより、基板10からカバー40を分離させるための圧力条件を達成させることができる。図示の例は、センサー素子100のカバー40が重力の作用で落下する姿勢で配置されており、減圧手段220の駆動によってカバー40が落下する様子を模式的に示している。   The decompression means 220 can decompress the inside of the measurement cell 210 so that the pressure outside the cavity 30 of the sensor element 100 can be equal to or lower than the pressure inside the cavity 30 of the sensor element 100. Thereby, the pressure condition for separating the cover 40 from the substrate 10 can be achieved. The illustrated example schematically shows a state in which the cover 40 of the sensor element 100 is arranged so as to drop due to the action of gravity, and the cover 40 falls by driving the decompression means 220.

減圧手段220は、カバー40の分離の条件を実現する機能の他に、測定セル210内のクリーニングの機能も有する。さらに、減圧手段220は、測定セル210内を試料を流通させる際に、試料を吸引する機能を有してもよい。   The decompression means 220 has a function of cleaning the measurement cell 210 in addition to the function of realizing the conditions for separating the cover 40. Furthermore, the decompression means 220 may have a function of sucking the sample when the sample is circulated in the measurement cell 210.

測定セル210内のクリーニングとは、例えば、第1の試料を測定した後、第2の試料を導入する前に、測定セル210を減圧することにより、測定セル210に吸着した第1の試料の成分を除去することである。第1の試料の成分が測定セル210内に残存していると、第2の試料の測定の際にノイズとなる可能性がある。そのため、減圧手段220により測定セル210を減圧することにより、ノイズ物質の吸着平衡を脱離側にずらすことで、ノイズ物質を脱離させて除去することができる。   The cleaning in the measurement cell 210 means, for example, that after the first sample is measured and before the second sample is introduced, the measurement cell 210 is depressurized to reduce the first sample adsorbed on the measurement cell 210. It is to remove the components. If the components of the first sample remain in the measurement cell 210, there is a possibility that noise will occur during measurement of the second sample. Therefore, by depressurizing the measurement cell 210 by the decompression means 220, the noise substance can be desorbed and removed by shifting the adsorption equilibrium of the noise substance to the desorption side.

さらに、第1の試料の測定の後、センサー素子100を交換して、カバー40が基板10に吸着した状態で測定セル210に導入され、これを用いて第2の試料を測定する場合には、減圧手段220は、測定セル210のクリーニング及びカバー40の分離の両者を同一工程で行うことができる。この場合、クリーニングが十分行われた後に、カバー40が分離することがより好ましく、例えば、測定セル210内の圧力が、クリーニングのための所定の圧力に低下した後に、カバー40が分離するように、空洞30の内部の圧力を設定することにより、測定セル210の気密を破ることなく効率的に金属微細構造層20の交換を行うことができる。   Further, after the measurement of the first sample, the sensor element 100 is replaced, and the cover 40 is introduced into the measurement cell 210 in a state where the cover 40 is adsorbed to the substrate 10. The decompression means 220 can perform both the cleaning of the measurement cell 210 and the separation of the cover 40 in the same process. In this case, it is more preferable that the cover 40 is separated after the cleaning is sufficiently performed. For example, the cover 40 is separated after the pressure in the measurement cell 210 is lowered to a predetermined pressure for cleaning. By setting the pressure inside the cavity 30, the metal microstructure layer 20 can be exchanged efficiently without breaking the hermeticity of the measurement cell 210.

2.3.光源
光源230は、金属微細構造層20に光(例えば波長633nmのレーザー光、励起光i)を照射する。光源230としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いることができる。光源230から射出された光は、適宜レンズ等で集光された後、必要に応じて、ハーフミラー及びレンズを介して、金属微細構造層20に入射する。光源230の配置や構成は、特に限定されない。
2.3. Light source The light source 230 irradiates the metal microstructure layer 20 with light (for example, laser light having a wavelength of 633 nm, excitation light i). As the light source 230, for example, a semiconductor laser or a gas laser can be used. The light emitted from the light source 230 is appropriately condensed by a lens or the like, and then enters the metal microstructure layer 20 through a half mirror and a lens as necessary. The arrangement and configuration of the light source 230 are not particularly limited.

2.4.光検出器
光源230により金属微細構造層20に光が照射されると、金属微細構造層20からは、SERS光が放射される。該放射された光は、適宜、レンズ、ハーフミラー等を介して、光検出器240に至るように構成される。すなわち、光検出器240は、金属微細構造層20から放射される光を検出する。SERS光には、光源230からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器240には、適宜、フィルターを設けてレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器240が備える分光器を介して受光素子にて受光される。受光素子としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
2.4. Photodetector When the metal microstructure layer 20 is irradiated with light from the light source 230, SERS light is emitted from the metal microstructure layer 20. The emitted light is appropriately configured to reach the photodetector 240 via a lens, a half mirror, or the like. That is, the photodetector 240 detects light emitted from the metal microstructure layer 20. Since the SERS light includes Rayleigh scattered light having the same wavelength as the incident wavelength from the light source 230, the photodetector 240 may be appropriately provided with a filter to remove the Rayleigh scattered light. The light from which the Rayleigh scattered light is removed is received as a Raman scattered light by a light receiving element via a spectroscope provided in the photodetector 240. For example, a photodiode is used as the light receiving element.

光検出器240の分光器は、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おり、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器240の受光素子によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。   The spectroscope of the photodetector 240 is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance, and the pass wavelength band can be made variable. The light receiving element of the photodetector 240 obtains a Raman spectrum peculiar to the target substance. For example, the signal intensity of the target substance can be detected by collating the obtained Raman spectrum with previously stored data. .

このような分析装置200は、空洞30内に金属微細構造層20が収容され、空洞30外の雰囲気に金属微細構造層20が曝されないセンサー素子100を備え、当該センサー素子100のカバー40を、使用時に容易にはずすことができる。これにより標的物質の高感度な測定をすることができる。   Such an analyzer 200 includes the sensor element 100 in which the metal microstructure layer 20 is accommodated in the cavity 30 and the metal microstructure layer 20 is not exposed to the atmosphere outside the cavity 30, and the cover 40 of the sensor element 100 is attached to the sensor element 100. It can be easily removed during use. This makes it possible to measure the target substance with high sensitivity.

2.4.変形例
図8に示す例では、センサー素子100の基板10が透明であり、カバー40が分離した状態で、光源230及び光検出器240がセンサー素子100の基板側から金属微細構造層20を臨む態様であった。しかし、例えば、センサー素子100の基板10と金属微細構造層20との間に不透明な部材が存在する場合には、金属微細構造層20側に、光源230及び光検出器240を配置することになる。図8に示す例のように、基板10の鉛直下方に不透明なカバー40が落下して分離した場合には、光源230から、金属微細構造層20及び光検出器240へ至る光軸を確保することが難しくなる場合がある。したがって、例えば、センサー素子100(基板10)を、重力の作用する方向に対して傾斜させ、かつ、カバー40が重力によって落下しうる姿勢で設置できるようにしてもよい。このようにすれば、カバー40が重力の作用により落下しても、光源230から、金属微細構造層20及び光検出器240へ至る光軸を確保することができる。
2.4. In the example shown in FIG. 8, the substrate 10 of the sensor element 100 is transparent and the light source 230 and the photodetector 240 face the metal microstructure layer 20 from the substrate side of the sensor element 100 with the cover 40 separated. It was an aspect. However, for example, when an opaque member exists between the substrate 10 of the sensor element 100 and the metal microstructure layer 20, the light source 230 and the photodetector 240 are disposed on the metal microstructure layer 20 side. Become. When the opaque cover 40 falls and separates vertically below the substrate 10 as in the example shown in FIG. 8, the optical axis from the light source 230 to the metal microstructure layer 20 and the photodetector 240 is secured. Can be difficult. Therefore, for example, the sensor element 100 (the substrate 10) may be inclined with respect to the direction in which the gravity acts, and the cover 40 may be installed in a posture in which the cover 40 can drop due to the gravity. In this way, even if the cover 40 falls due to the action of gravity, the optical axis from the light source 230 to the metal microstructure layer 20 and the photodetector 240 can be secured.

また上記実施形態の例では、測定セル210内に、1つのセンサー素子100が配置されていた。しかし、測定セル210内には、複数のセンサー素子100を配置できるようにしてもよい。図9〜図11は、測定セル210内に設置される素子保持具250の一態様を模式的に示す図である。図10は、図9のIII−III線の断面を模式的に示している。   In the example of the above embodiment, one sensor element 100 is arranged in the measurement cell 210. However, a plurality of sensor elements 100 may be arranged in the measurement cell 210. 9 to 11 are diagrams schematically illustrating one aspect of the element holder 250 installed in the measurement cell 210. FIG. FIG. 10 schematically shows a cross section taken along line III-III in FIG.

図9及び図10に示す素子保持具250は、円盤状であり、平面視において円形であり、当該円の中心に回転軸Rを有している。そして回転軸Rを中心として、円形にセンサー素子100を4つ配置できる態様となっている。この例では、4つのセンサー素子100が配置されるが配置されるセンサー素子100の数は任意である。   The element holder 250 shown in FIGS. 9 and 10 has a disk shape, is circular in plan view, and has a rotation axis R at the center of the circle. Then, four sensor elements 100 can be arranged in a circle around the rotation axis R. In this example, four sensor elements 100 are arranged, but the number of sensor elements 100 arranged is arbitrary.

また、図9及び図10に示すように、素子保持具250では、センサー素子100をザグリ251を設けることによって保持している。ザグリ251には、センサー素子100の基板10が保持され、カバー40が重力の作用する方向に向かって落下できるように保持されている。このようにすることで、センサー素子100のカバー40を分離する際に、容易に落下させることができる。なおこの例は、素子保持具250にセンサー素子100を、ザグリ251によって保持する態様であるが、素子保持具250にセンサー素子100を保持する機構は特に限定されない。   Further, as shown in FIGS. 9 and 10, the element holder 250 holds the sensor element 100 by providing a counterbore 251. The counterbore 251 holds the substrate 10 of the sensor element 100 so that the cover 40 can fall in the direction in which gravity acts. By doing in this way, when separating the cover 40 of the sensor element 100, it can be easily dropped. In this example, the sensor element 100 is held in the element holder 250 by the counterbore 251, but the mechanism for holding the sensor element 100 in the element holder 250 is not particularly limited.

さらに、図9に示すように、素子保持具250は、回転軸R周りに回転することができる。素子保持具250を回転軸R周りに回転させるために、例えば、モーターや外部から操作できるような機械的機構を備えてもよい。これにより、センサー素子100の存在す
る位置を回転軸R周りに変更することができる。したがって、光源230及び光検出器240の設置された位置を変更することなく、複数のセンサー素子100を光源230及び光検出器240から臨むことのできる位置へと移動させることができ、各センサー素子100での測定を行うことができる。
Furthermore, as shown in FIG. 9, the element holder 250 can rotate around the rotation axis R. In order to rotate the element holder 250 around the rotation axis R, for example, a mechanical mechanism that can be operated from a motor or the outside may be provided. Thereby, the position where the sensor element 100 exists can be changed around the rotation axis R. Accordingly, the plurality of sensor elements 100 can be moved to positions where the light source 230 and the light detector 240 can face without changing the positions where the light source 230 and the light detector 240 are installed, and each sensor element can be moved. A measurement at 100 can be performed.

さらに、センサー素子100が基板10側から金属微細構造層20に光を照射できない態様の場合、例えば、センサー素子100からカバー40を外す位置(第1配置p1)と、測定に供する位置(第2配置p2)とを、設定することができる。すなわち、素子保持具250は、センサー素子100の配置を、センサー素子100からカバー40を分離させる第1配置p1と、センサー素子100の金属微細構造層20に光源230からの励起光を照射する第2配置p2と、に切り替える切替機構ということができる。このようにすれば、取り外されたカバー40の存在しない第2配置p2において、光源230から、金属微細構造層20及び光検出器240へ至る光軸を設定すれば、より容易に測定を行うことができる。   Further, in the case where the sensor element 100 cannot irradiate the metal microstructure layer 20 with light from the substrate 10 side, for example, a position where the cover 40 is removed from the sensor element 100 (first arrangement p1) and a position used for measurement (second position) The arrangement p2) can be set. That is, the element holder 250 arranges the sensor element 100 in the first arrangement p1 for separating the cover 40 from the sensor element 100, and the first irradiation of the excitation light from the light source 230 to the metal microstructure layer 20 of the sensor element 100. It can be said that it is a switching mechanism that switches between two arrangements p2. In this way, in the second arrangement p2 where the removed cover 40 does not exist, the measurement can be performed more easily by setting the optical axis from the light source 230 to the metal microstructure layer 20 and the photodetector 240. Can do.

素子保持具250は、測定セル210に対して出し入れすることができ、複数のセンサー素子100を、一度に交換することができる。例えば、素子保持具250に載置されたセンサー素子100をすべて測定に供した後、測定セル210を開放して、素子保持具250を取り出し、使用済みのセンサー素子100に換えて、カバー40が基板10に吸着した状態の新たなセンサー素子100を素子保持具250に載置し、これを測定セル210に導入することができる。   The element holder 250 can be taken in and out of the measurement cell 210, and a plurality of sensor elements 100 can be exchanged at a time. For example, after all the sensor elements 100 placed on the element holder 250 are used for measurement, the measurement cell 210 is opened, the element holder 250 is taken out, and the cover 40 is replaced with the used sensor element 100. A new sensor element 100 in a state of being adsorbed on the substrate 10 can be placed on the element holder 250 and introduced into the measurement cell 210.

素子保持具250に載置される複数の新たなセンサー素子100は、互いに空洞30内の圧力が異なるようにすることがより好ましい。このようにすれば、測定セル210を減圧したときの圧力に応じて、空洞30内の圧力の高い順に、当該センサー素子100のカバー40を測定セル210内で、1つづつ落下させることができる。これにより、センサー素子100を1つづつ測定に供することができ、かつ、測定前のセンサー素子100の金属微細構造層20の劣化を抑制して、次の測定に備えることができる。   It is more preferable that the plurality of new sensor elements 100 placed on the element holder 250 have different pressures in the cavity 30 from each other. In this way, according to the pressure when the measurement cell 210 is depressurized, the covers 40 of the sensor elements 100 can be dropped one by one in the measurement cell 210 in descending order of the pressure in the cavity 30. . Thereby, the sensor elements 100 can be subjected to measurement one by one, and deterioration of the metal microstructure layer 20 of the sensor element 100 before measurement can be suppressed to prepare for the next measurement.

測定セル210内に導入される複数のセンサー素子100のそれぞれの空洞30内の圧力は、互いに5Pa以上の差を有することが好ましい。このようにすれば複数のセンサー素子100のカバー40を、より確実に順次に落下させることができる。   The pressures in the cavities 30 of the plurality of sensor elements 100 introduced into the measurement cell 210 preferably have a difference of 5 Pa or more. If it does in this way, the cover 40 of the several sensor element 100 can be dropped more reliably sequentially.

一例として、測定セル210が、一辺が20cmの立方体であって、減圧手段220(真空ポンプ)の排気速度が6リットル毎分の場合には、測定セル内を大気圧から30kPaにするのにおよそ96秒かかると試算できる。同様に、30kPaから25kPaにするのにおよそ15秒、25kPaから20kPaにするのにおよそ18秒、20kPaから15kPaにするのにおよそ23秒、15kPaから10kPaにするのにおよそ32秒かかると試算できる。なお、この試算は、排気速度が真空度が高くなる(圧力が低くなる)ほど遅くなることを考慮している。また、この試算では、減圧手段220(真空ポンプ)として、ダイアフラム型のドライ真空ポンプ(例えばアルバック社製、形式DAP−6D)を想定した。ダイアフラム型のドライ真空ポンプは、排気速度は遅いものの、圧力による排気速度変化が少なく、本実施形態の排気手段220としてより好ましい。   As an example, when the measurement cell 210 is a cube having a side of 20 cm and the exhausting speed of the decompression means 220 (vacuum pump) is 6 liters per minute, it takes about 30 kPa from atmospheric pressure to 30 kPa. It can be estimated that it takes 96 seconds. Similarly, it can be estimated that it takes about 15 seconds from 30 kPa to 25 kPa, about 18 seconds from 25 kPa to 20 kPa, about 23 seconds from 20 kPa to 15 kPa, and about 32 seconds from 15 kPa to 10 kPa. . This trial calculation considers that the exhaust speed becomes slower as the degree of vacuum becomes higher (pressure becomes lower). Further, in this trial calculation, a diaphragm type dry vacuum pump (for example, model DAP-6D manufactured by ULVAC, Inc.) was assumed as the decompression means 220 (vacuum pump). The diaphragm-type dry vacuum pump is preferable as the exhaust unit 220 of the present embodiment because the exhaust rate is low but the exhaust rate change due to pressure is small.

このようにすれば、測定セル210の圧力を調節することにより、測定セル210を開放することなく容易に複数の設計した構造に近い金属微細構造層20を、順次測定のために用いることができる。   In this way, by adjusting the pressure of the measurement cell 210, the metal microstructure layer 20 close to a plurality of designed structures can be easily used for sequential measurement without opening the measurement cell 210. .

さらに、センサー素子100の配置を、センサー素子100からカバー40を分離させる第1配置p1と、センサー素子100の金属微細構造層20に励起光を照射する第2配
置p2と、に切り替える切替機構としては、上記素子保持具250の他に、センサー素子100を機械的に移動(例えば、平行移動)させる機構を備えてもよい。図11は、変形例に係る分析装置201の要部の模式図である。図11に示すように、分析装置201は、センサー素子100を測定セル210内で平行移動させることによって、センサー素子100からカバー40を分離させる第1配置p1と、センサー素子100の金属微細構造層20に励起光を照射する第2配置p2と、に切り替えることができる。平行移動のための機構は、特に限定されず、ガイドレール、マニピュレーター等により構成することができ、図11の例では、ガイドレール254と図示せぬリニアモーターで構成されている。
Furthermore, as a switching mechanism for switching the arrangement of the sensor element 100 between a first arrangement p1 for separating the cover 40 from the sensor element 100 and a second arrangement p2 for irradiating the metal fine structure layer 20 of the sensor element 100 with excitation light. In addition to the element holder 250, a mechanism for mechanically moving the sensor element 100 (for example, parallel movement) may be provided. FIG. 11 is a schematic diagram of a main part of an analyzer 201 according to a modification. As shown in FIG. 11, the analysis apparatus 201 includes a first arrangement p1 for separating the cover 40 from the sensor element 100 by translating the sensor element 100 in the measurement cell 210, and a metal microstructure layer of the sensor element 100. 20 can be switched to the second arrangement p2 in which excitation light is irradiated. The mechanism for the parallel movement is not particularly limited, and can be constituted by a guide rail, a manipulator, or the like. In the example of FIG. 11, it is constituted by a guide rail 254 and a linear motor (not shown).

また、分析装置201には、取り外されたカバー40を受ける受け皿252が、測定セル210内に備えられている。受け皿252は、カバー40を1つ又は複数収容することができ、センサー素子100を交換する適宜のタイミングで、測定セル210から出し入れすることができる。受け皿252によって、測定セル210内でカバー40が所定の位置と異なる位置に落下することを抑制することができる。また、複数のカバー40を効率的に回収することができ、例えば、カバー40をリサイクル使用する場合等において効率的に回収することができる。図11に示す分析装置201のその他の構成については、上述の実施形態と同様の符号を付して説明を省略する。   Further, the analyzer 201 is provided with a tray 252 for receiving the removed cover 40 in the measurement cell 210. The tray 252 can accommodate one or a plurality of covers 40 and can be taken in and out of the measurement cell 210 at an appropriate timing for replacing the sensor element 100. The receiving tray 252 can prevent the cover 40 from falling to a position different from the predetermined position in the measurement cell 210. In addition, the plurality of covers 40 can be efficiently recovered. For example, when the cover 40 is recycled, it can be efficiently recovered. Other configurations of the analysis apparatus 201 illustrated in FIG. 11 are denoted by the same reference numerals as those in the above-described embodiment, and description thereof is omitted.

3.電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器300について、図面を参照しながら説明する。図12は、本実施形態に係る電子機器300を模式的に示す図である。電子機器300は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置として分析装置200を含む例について説明する。
3. Next, an electronic device 300 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 12 is a diagram schematically showing the electronic apparatus 300 according to the present embodiment. The electronic device 300 can include a Raman spectroscopic device according to the present invention. Hereinafter, an example including the analysis apparatus 200 as a Raman spectroscopic apparatus according to the present invention will be described.

電子機器300は、図12に示すように、分析装置200と、光検出器240からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部310と、健康医療情報を記憶する記憶部320と、健康医療情報を表示する表示部330と、を含む。   As shown in FIG. 12, the electronic device 300 includes an analyzer 200, a calculation unit 310 that calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 240, a storage unit 320 that stores health and medical information, And a display unit 330 that displays health care information.

演算部310は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistance)であり、光検出器240から送出される検出情報(信号等)を受け取る。演算部310は、光検出器240からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部320に記憶される。   The calculation unit 310 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA), and receives detection information (signal or the like) sent from the photodetector 240. The calculation unit 310 calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 240. The calculated health and medical information is stored in the storage unit 320.

記憶部320は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部310と一体的に構成されてもよい。記憶部320に記憶された健康医療情報は、表示部330に送出される。   The storage unit 320 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk drive, or the like, and may be configured integrally with the calculation unit 310. The health care information stored in the storage unit 320 is sent to the display unit 330.

表示部330は、例えば、表示板(液晶モニター等)、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部330は、演算部310によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。   The display unit 330 includes, for example, a display board (liquid crystal monitor or the like), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 330 displays or issues information based on the health and medical information calculated by the calculation unit 310 so that the user can recognize the contents.

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも1種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。   The health care information includes at least one biological substance selected from the group consisting of bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Information about presence or absence or quantity can be included.

電子機器300では、標的物質の検出を高感度に容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。   The electronic device 300 can easily detect a target substance with high sensitivity, and can provide highly accurate health care information.

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。例えば、本発明に係るセンサー素子は、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとして用いることもできる。アフィニティー・センサーは、該センサーに白色光を入射し、波長スペクトルを分光器で測定し、吸着による表面プラズモン共鳴波長のシフト量を検出することで、検出物質の金属微細構造層への吸収を高感度に検出することができる。   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. For example, the sensor element according to the present invention can be used as an affinity sensor for detecting the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction. The affinity sensor makes white light incident on the sensor, measures the wavelength spectrum with a spectroscope, and detects the shift amount of the surface plasmon resonance wavelength due to adsorption, thereby increasing the absorption of the detection substance into the metal microstructure layer. Sensitivity can be detected.

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。   The present invention is not limited to the above-described embodiments, and various modifications can be made. For example, the present invention includes substantially the same configuration (for example, a configuration having the same function, method and result, or a configuration having the same purpose and effect) as the configuration described in the embodiment. 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. In addition, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

10…基板、20…金属微細構造層、30…空洞、40…カバー、42…接合部材、50…電場増強素子、51…素子基板、52…金属層、53…誘電体層、54…金属粒子、100…センサー素子、200,201…分析装置、210…測定セル、211,212…バルブ、220…減圧手段、221…3方バルブ、230…光源、240…光検出器、250…素子保持具、251…ザグリ、252…受け皿、254…ガイドレール、R…回転軸、300…電子機器、310…演算部、320…記憶部、330…表示部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Board | substrate, 20 ... Metal microstructure layer, 30 ... Cavity, 40 ... Cover, 42 ... Joining member, 50 ... Electric field enhancement element, 51 ... Element board | substrate, 52 ... Metal layer, 53 ... Dielectric layer, 54 ... Metal particle DESCRIPTION OF SYMBOLS 100 ... Sensor element 200, 201 ... Analytical device 210 ... Measurement cell 211, 212 ... Valve, 220 ... Pressure reducing means, 221 ... Three-way valve, 230 ... Light source, 240 ... Photo detector, 250 ... Element holder 251 ... Counterbore, 252 ... Receptacle, 254 ... Guide rail, R ... Rotating shaft, 300 ... Electronic equipment, 310 ... Calculation part, 320 ... Storage part, 330 ... Display part

Claims (7)

一の主面に金属微細構造層が設けられた基板と、
前記基板の前記一の主面上に設けられ、前記金属微細構造層を収容する空洞を形成するカバーと、
を含み、
前記空洞内の圧力が前記空洞外の圧力未満の場合に、前記基板に前記カバーが吸着し、
前記空洞内の圧力が前記空洞外の圧力以上の場合に、前記基板及び前記カバーが分離する、センサー素子。
A substrate provided with a metal microstructure layer on one main surface;
A cover provided on the one main surface of the substrate and forming a cavity for accommodating the metal microstructure layer;
Including
When the pressure inside the cavity is less than the pressure outside the cavity, the cover adsorbs to the substrate;
A sensor element in which the substrate and the cover are separated when the pressure in the cavity is equal to or higher than the pressure outside the cavity.
請求項1において、
前記空洞外の圧力が前記空洞内の圧力以下に低下した場合に、前記基板及び前記カバーが分離する、センサー素子。
In claim 1,
A sensor element that separates the substrate and the cover when the pressure outside the cavity drops below the pressure inside the cavity.
請求項1又は請求項2において、
前記センサー素子が、前記カバーが重力の作用によって落下するような配置で設置された状態で、前記空洞外の圧力が前記空洞内の圧力以下に低下した場合に、前記カバーが前記基板から落下して分離する、センサー素子。
In claim 1 or claim 2,
When the sensor element is installed in such an arrangement that the cover is dropped by the action of gravity, and the pressure outside the cavity drops below the pressure in the cavity, the cover falls from the substrate. Sensor element to separate.
請求項1ないし請求項3のいずれか一項に記載のセンサー素子と、
前記センサー素子を収容する測定セルと、
前記測定セル内を減圧する減圧手段と、
前記金属微細構造層に励起光を照射する光源と、
前記金属微細構造層から放射される光を検出する光検出器と、
を含み、
前記センサー素子を前記測定セルに設置して、前記減圧手段により前記測定セル内が減圧された場合に、前記カバーが前記基板から落下して分離する、分析装置。
A sensor element according to any one of claims 1 to 3,
A measurement cell containing the sensor element;
Decompression means for decompressing the inside of the measurement cell;
A light source for irradiating the metal microstructure layer with excitation light;
A photodetector for detecting light emitted from the metal microstructure layer;
Including
An analysis apparatus in which the sensor element is installed in the measurement cell, and the cover falls from the substrate and separates when the pressure in the measurement cell is reduced by the pressure reduction means.
請求項4において、
前記測定セル内に前記センサー素子が複数収容され、
前記複数のセンサー素子の前記空洞の圧力が互いに異なる、分析装置。
In claim 4,
A plurality of the sensor elements are accommodated in the measurement cell,
The analyzer in which the pressures of the cavities of the plurality of sensor elements are different from each other.
請求項4又は請求項5において、
前記センサー素子の配置を、前記センサー素子から前記カバーを分離させる第1配置と、前記センサー素子の前記金属微細構造層に前記励起光を照射する第2配置と、に切り替える切替機構を有する、分析装置。
In claim 4 or claim 5,
A switching mechanism that switches the arrangement of the sensor element between a first arrangement for separating the cover from the sensor element and a second arrangement for irradiating the metal microstructure layer of the sensor element with the excitation light. apparatus.
請求項6に記載の分析装置と、前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、前記健康医療情報を記憶する記憶部と、前記健康医療情報を表示する表示部と、を備えた電子機器。   7. The analyzer according to claim 6, a calculation unit that calculates health and medical information based on detection information from the photodetector, a storage unit that stores the health and medical information, and a display that displays the health and medical information And an electronic device.
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