JP2022055689A - Raman spectroscopy measuring device, raman spectroscopy measuring method and surface enhanced raman scattering device - Google Patents

Raman spectroscopy measuring device, raman spectroscopy measuring method and surface enhanced raman scattering device Download PDF

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弘明 三澤
Hiroaki Misawa
友也 押切
Tomoya Oshikiri
旭 石
Akira Ishi
瀟倩 臧
Xiaoqian Zang
貢生 上野
Tsuguo Ueno
敬司 笹木
Takashi Sasaki
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Abstract

To provide a surface enhanced Raman scattering device which shows surface enhanced Raman scattering intensity with high intensity and uniform distribution to some extent.SOLUTION: A surface enhanced Raman scattering device 100 includes a light reflecting layer 120, a dielectric layer 130 disposed on the light reflecting layer 120, and a plurality of metallic nanostructures 140 disposed on the dielectric layer.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本発明は、ラマン分光測定装置、ラマン分光測定方法および表面増強ラマン散乱デバイスに関する。 The present invention relates to a Raman spectroscopic measuring device, a Raman spectroscopic measuring method and a surface-enhanced Raman scattering device.

近年、被測定分子を高感度に測定する技術の1つとして、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)、特に局在表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)を利用した表面増強ラマン散乱分光が注目されている。表面増強ラマン散乱(SERS:Surface-Enhanced Raman Scattering)は、ナノメートルスケールの凹凸構造を有する金属の表面に分子が吸着したとき、その分子から放出されるラマン散乱光の強度が顕著に増大する現象である。表面増強ラマン散乱分光(SERS:Surface-Enhanced Raman Spectroscopy)では、金属の表面に吸着した被測定分子にレーザー光などの単一波長の励起光を照射し、被測定分子から放出されたラマン散乱光を分光検出してラマンスペクトルを得る。このラマンスペクトルから被測定分子を同定することができる。 In recent years, surface-enhanced Raman scattering spectroscopy using surface plasmon resonance (SPR), especially Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR), is one of the techniques for measuring molecules under test with high sensitivity. Is attracting attention. Surface-Enhanced Raman Scattering (SERS) is a phenomenon in which when a molecule is adsorbed on the surface of a metal having a nanometer-scale uneven structure, the intensity of Raman scattered light emitted from the molecule increases significantly. Is. In surface-enhanced Raman spectroscopy (SERS), the Raman scattered light emitted from the measured molecule is irradiated with excitation light of a single wavelength such as laser light on the measured molecule adsorbed on the surface of the metal. Is spectrally detected to obtain a Raman spectrum. The molecule to be measured can be identified from this Raman spectrum.

表面増強ラマン散乱分光に用いられる表面増強ラマン散乱デバイスとしては、基板上に複数の金属ナノ構造体を配置したチップが用いられている。このような表面増強ラマン散乱デバイスとしては、感度を高めるためにナノ空間の局所電場を増強することに主眼をおいて、基板上に特徴的な形状の金属ナノ構造体を配置したチップが開示されている(例えば特許文献1、非特許文献1および非特許文献2)。 As the surface-enhanced Raman scattering device used for surface-enhanced Raman scattering spectroscopy, a chip in which a plurality of metal nanostructures are arranged on a substrate is used. As such a surface-enhanced Raman scattering device, a chip in which a metal nanostructure having a characteristic shape is arranged on a substrate is disclosed with a focus on enhancing a local electric field in nanospace in order to increase sensitivity. (For example, Patent Document 1, Non-Patent Document 1 and Non-Patent Document 2).

国際公開第2006/073117号International Publication No. 2006/073117

Christopher G. Khoury and Tuan Vo-Dinh, "Gold Nanostars For Surface-Enhanced Raman Scattering: Synthesis, Characterization and Optimization", J. Phys. Chem. C, Vol. 112, No. 48, pp. 18849-18859.Christopher G. Khoury and Tuan Vo-Dinh, "Gold Nanostars For Surface-Enhanced Raman Scattering: Synthesis, characterization and Optimization", J. Phys. Chem. C, Vol. 112, No. 48, pp. 18849-18859. Adam D. McFarland, Matthew A. Young, Jon A. Dieringer, and Richard P. Van Duyne, "Wavelength-scanned surface-enhanced Raman excitation spectroscopy", J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 22, pp. 11279-11285.Adam D. McFarland, Matthew A. Young, Jon A. Dieringer, and Richard P. Van Duyne, "Wavelength-scanned surface-enhanced Raman excitation spectroscopy", J. Phys. Chem. B, Vol. 109, No. 22, pp. 11279-11285.

上記の従来の表面増強ラマン散乱デバイスでは、高感度化のために、ナノメートルスケールの増強電場(ホットスポット)の強度を強くするための構造が採用されているが、数十nmの構造の限られた一部の空間のみがホットスポットとなる。このため、ホットスポットの空間分布は、一様ではなく点在して不均一となる。したがって、サンプル中の被測定分子の濃度が低い場合には、ホットスポットに被測定分子が吸着する確率が低下するために、測定結果の定量性および再現性が低いという問題がある。一方、この問題を解決するために、表面増強ラマン散乱デバイスにおける電場増強度の分布を均一化すると、電場の増強度が小さくなるため、測定結果の検出感度が低下してしまうという問題が新たに生じる。 In the above-mentioned conventional surface-enhanced Raman scattering device, a structure for increasing the intensity of the nanometer-scale enhanced electric field (hot spot) is adopted for high sensitivity, but the structure is limited to several tens of nm. Only a part of the space that has been created becomes a hotspot. Therefore, the spatial distribution of hot spots is not uniform but scattered and non-uniform. Therefore, when the concentration of the molecule to be measured in the sample is low, the probability that the molecule to be measured is adsorbed on the hot spot is reduced, so that there is a problem that the quantitativeness and reproducibility of the measurement result are low. On the other hand, in order to solve this problem, if the distribution of the electric field enhancement in the surface-enhanced Raman scattering device is made uniform, the electric field enhancement becomes smaller, so that the detection sensitivity of the measurement result is lowered. Occurs.

以上のことから、高強度でかつ空間的にある程度均一な表面増強ラマン散乱強度を示し、定量性および再現性の高いラマン分光測定を行うことができる表面増強ラマン散乱デバイスが望まれている。 From the above, a surface-enhanced Raman scattering device that exhibits high intensity and spatially uniform surface-enhanced Raman scattering intensity to some extent and is capable of performing Raman spectroscopic measurement with high quantitativeness and reproducibility is desired.

そこで、本発明は、高強度でかつある程度均一な分布の表面増強ラマン散乱強度を示す表面増強ラマン散乱デバイスを提供することを目的とする。また、本発明は、前記表面増強ラマン散乱デバイスを用いたラマン分光測定装置およびラマン分光測定方法を提供することも目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a surface-enhanced Raman scattering device exhibiting a surface-enhanced Raman scattering intensity having high intensity and a uniform distribution to some extent. It is also an object of the present invention to provide a Raman spectroscopic measuring device and a Raman spectroscopic measuring method using the surface-enhanced Raman scattering device.

本発明に係るラマン分光測定装置は、表面増強ラマン散乱デバイスと、前記表面増強ラマン散乱デバイスに励起光を照射する光源と、前記表面増強ラマン散乱デバイスからのラマン散乱光を分光する分光器と、前記分光器により分光されたラマン散乱光を検出する検出器と、を有し、前記表面増強ラマン散乱デバイスは、光反射層と、前記光反射層上に配置された誘電体層と、前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、を有する。 The Raman spectroscopic measuring apparatus according to the present invention includes a surface-enhanced Raman scattering device, a light source that irradiates the surface-enhanced Raman scattering device with excitation light, and a spectroscope that disperses Raman-scattered light from the surface-enhanced Raman scattering device. The surface-enhanced Raman scattering device includes a detector for detecting Raman scattered light dispersed by the spectroscope, a light reflecting layer, a dielectric layer arranged on the light reflecting layer, and the dielectric. It has a plurality of metal nanostructures arranged on the body layer.

本発明に係るラマン分光測定方法は、表面増強ラマン散乱デバイスに励起光を照射し、前記表面増強ラマン散乱デバイスからのラマン散乱光を検出する工程を有し、前記表面増強ラマン散乱デバイスは、光反射層と、前記光反射層上に配置された誘電体層と、前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、を有する。 The Raman spectroscopic measurement method according to the present invention includes a step of irradiating a surface-enhanced Raman scattering device with excitation light and detecting Raman scattered light from the surface-enhanced Raman scattering device, and the surface-enhanced Raman scattering device is light. It has a reflective layer, a dielectric layer arranged on the light reflecting layer, and a plurality of metal nanostructures arranged on the dielectric layer.

本発明に係る表面増強ラマン散乱デバイスは、光反射層と、前記光反射層上に配置された誘電体層と、前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、を有する。 The surface-enhanced Raman scattering device according to the present invention has a light reflecting layer, a dielectric layer arranged on the light reflecting layer, and a plurality of metal nanostructures arranged on the dielectric layer.

本発明によれば、高強度でかつある程度均一な分布の表面増強ラマン散乱強度を示す表面増強ラマン散乱デバイスを提供することができる。また、本発明によれば、定量性および再現性の高いラマン分光測定を行うことができる。 According to the present invention, it is possible to provide a surface-enhanced Raman scattering device exhibiting a surface-enhanced Raman scattering intensity having high intensity and a uniform distribution to some extent. Further, according to the present invention, Raman spectroscopic measurement with high quantitativeness and reproducibility can be performed.

図1は、本発明に係る表面増強ラマン散乱デバイスの構成の一例を示す断面模式図である。FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing an example of the configuration of the surface-enhanced Raman scattering device according to the present invention. 図2は、金薄膜の厚みとQ値との関係を示すグラフである。FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the gold thin film and the Q value. 図3A~Cは、本発明に係る表面増強ラマン散乱デバイスの製造方法の一例を示す断面模式図である。3A to 3C are schematic cross-sectional views showing an example of a method for manufacturing a surface-enhanced Raman scattering device according to the present invention. 図4は、本発明に係るラマン分光測定装置の構成を示す模式図である。FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the Raman spectroscopic measuring device according to the present invention. 図5は、実験1で作製した表面増強ラマン散乱デバイスの表面の様子を示す走査型電子顕微鏡像である。FIG. 5 is a scanning electron microscope image showing the state of the surface of the surface-enhanced Raman scattering device produced in Experiment 1. 図6Aおよび図6Bは、実験1で作製した表面増強ラマン散乱デバイスの吸収スペクトルを示すグラフである。6A and 6B are graphs showing the absorption spectra of the surface-enhanced Raman scattering device prepared in Experiment 1. 図7A~Cは、実験1におけるラマン散乱光の強度分布を示す図であり、図7D~Fは、実験1におけるラマン散乱光の強度分布を示すグラフである。7A to 7C are diagrams showing the intensity distribution of Raman scattered light in Experiment 1, and FIGS. 7D to 7F are graphs showing the intensity distribution of Raman scattered light in Experiment 1. 図8Aおよび図8Bは、実験1におけるラマン散乱光の強度分布を示す図であり、図8Cおよび図8Dは、実験1におけるラマン散乱光の強度分布を示すグラフである。8A and 8B are diagrams showing the intensity distribution of Raman scattered light in Experiment 1, and FIGS. 8C and 8D are graphs showing the intensity distribution of Raman scattered light in Experiment 1. 図9Aおよび図9Bは、実験2で作製した表面増強ラマン散乱デバイスの構成を示す断面模式図である。9A and 9B are schematic cross-sectional views showing the configuration of the surface-enhanced Raman scattering device produced in Experiment 2. 図10は、金ナノ粒子の埋め込み深さとラマンスペクトルとの関係を示すグラフである。FIG. 10 is a graph showing the relationship between the embedding depth of gold nanoparticles and the Raman spectrum.

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

(表面増強ラマン散乱デバイス)
図1は、本発明の一実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100の構成を示す断面模式図である。図1に示されるように、表面増強ラマン散乱デバイス100は、支持基板110、光反射層120、誘電体層130および複数の金属ナノ構造体140を有する。以下、各構成要素について説明する。
(Surface-enhanced Raman scattering device)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view showing the configuration of a surface-enhanced Raman scattering device 100 according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the surface-enhanced Raman scattering device 100 has a support substrate 110, a light reflecting layer 120, a dielectric layer 130, and a plurality of metal nanostructures 140. Hereinafter, each component will be described.

支持基板110は、光反射層120および誘電体層130を支持する。支持基板110は、表面増強ラマン散乱デバイス100の機能の観点からは必須の構成要素ではないが、表面増強ラマン散乱デバイス100の構造を維持する観点からは、表面増強ラマン散乱デバイス100は支持基板110を有することが好ましい。支持基板110の材料および形状は、特に限定されない。表面増強ラマン散乱デバイス100の構造を維持する観点からは、支持基板110は、ある程度の機械的強度を有することが好ましい。支持基板110の例には、ガラス板、セラミックス板、金属板および樹脂板が含まれる。 The support substrate 110 supports the light reflecting layer 120 and the dielectric layer 130. The support substrate 110 is not an essential component from the viewpoint of the function of the surface-enhanced Raman scattering device 100, but from the viewpoint of maintaining the structure of the surface-enhanced Raman scattering device 100, the surface-enhanced Raman scattering device 100 is the support substrate 110. It is preferable to have. The material and shape of the support substrate 110 are not particularly limited. From the viewpoint of maintaining the structure of the surface-enhanced Raman scattering device 100, the support substrate 110 preferably has a certain degree of mechanical strength. Examples of the support substrate 110 include a glass plate, a ceramic plate, a metal plate, and a resin plate.

光反射層120は、支持基板110上に配置されており、励起光を反射させる。光反射層120の構成は、上記機能を発揮できれば特に限定されず、励起光の波長に応じて適宜選択すればよい。たとえば、光反射層120は、金属からなる層(金属薄膜)や、誘電体多層膜などである。また、金属板に、光反射層120と支持基板110の両方の機能を担わせてもよい。光反射層120が金属からなる場合、金属の種類は、特に限定されない。光反射層120を構成する金属の例には、金、銀、銅、チタンおよびアルミニウムが含まれる。光反射層120の厚みも、上記機能を発揮できれば特に限定されず、例えば10~10000nmの範囲内である。なお、金属板が、光反射層120と支持基板110の両方の機能を担う場合は、金属板(光反射層120)は、当然10000nm以上の厚みを有している。 The light reflection layer 120 is arranged on the support substrate 110 and reflects the excitation light. The configuration of the light reflecting layer 120 is not particularly limited as long as it can exhibit the above functions, and may be appropriately selected depending on the wavelength of the excitation light. For example, the light reflecting layer 120 is a layer made of metal (metal thin film), a dielectric multilayer film, or the like. Further, the metal plate may be provided with the functions of both the light reflecting layer 120 and the support substrate 110. When the light reflecting layer 120 is made of metal, the type of metal is not particularly limited. Examples of metals constituting the light reflecting layer 120 include gold, silver, copper, titanium and aluminum. The thickness of the light reflecting layer 120 is not particularly limited as long as it can exhibit the above function, and is, for example, in the range of 10 to 10,000 nm. When the metal plate has the functions of both the light reflecting layer 120 and the support substrate 110, the metal plate (light reflecting layer 120) naturally has a thickness of 10,000 nm or more.

誘電体層130は、光反射層120上に配置されている誘電体からなる層(誘電体薄膜)である。この後説明するように、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、光反射層120および誘電体層130は、励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する。したがって、誘電体層130の表面および裏面は、互いに平行であることが好ましい。誘電体層130を構成する誘電体の種類は、ファブリ・ペロー共振器として機能することができれば、特に限定されない。ファブリ・ペロー共振器として機能する観点からは、誘電体の屈折率は高いことが好ましい。具体的には、ファブリ・ペロー共振器の共振波長における屈折率は、1.4以上であることが好ましく、より効率的な光閉じ込めのためには2.0以上であることがより好ましい。誘電体層130を構成する誘電体の例には、酸化チタン、チタン酸ストロンチウム、窒化ガリウム、酸化ジルコニウムおよび酸化ニッケルが含まれる。誘電体層130の厚みも、励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能させることができれば、特に限定されない。たとえば、誘電体層130の厚みは、20~1000nm程度である。誘電体層130の厚みを調整することで、ファブリ・ペロー共振器の共振波長を変更することができる。本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、誘電体層130の厚みは、20nm以上であってもよく、50nm以上であってもよく、100nm以上であってもよい。 The dielectric layer 130 is a layer (dielectric thin film) made of a dielectric arranged on the light reflecting layer 120. As will be described later, in the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, the light reflection layer 120 and the dielectric layer 130 function as Fabry-Perot resonators when irradiated with excitation light. Therefore, it is preferable that the front surface and the back surface of the dielectric layer 130 are parallel to each other. The type of dielectric constituting the dielectric layer 130 is not particularly limited as long as it can function as a Fabry-Perot resonator. From the viewpoint of functioning as a Fabry-Perot resonator, it is preferable that the dielectric has a high refractive index. Specifically, the refractive index at the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is preferably 1.4 or more, and more preferably 2.0 or more for more efficient light confinement. Examples of the dielectric constituting the dielectric layer 130 include titanium oxide, strontium titanate, gallium nitride, zirconium oxide and nickel oxide. The thickness of the dielectric layer 130 is also not particularly limited as long as it can function as a Fabry-Perot resonator when irradiated with excitation light. For example, the thickness of the dielectric layer 130 is about 20 to 1000 nm. By adjusting the thickness of the dielectric layer 130, the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator can be changed. In the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, the thickness of the dielectric layer 130 may be 20 nm or more, 50 nm or more, or 100 nm or more.

検出感度を向上させる観点からは、ファブリ・ペロー共振器のQ値(Quality factor、共進周波数f/半値全幅Δf)が大きくなるように、光反射層120および誘電体層130を構成することが好ましい。たとえば、図2は、金薄膜(光反射層120)の厚みとQ値との関係を示すグラフである。この結果から、Q値を大きくする観点からは、金薄膜(光反射層120)の厚みは、ある程度大きい(例えば40nm以上である)ことが好ましいことがわかる。これは、金薄膜(光反射層120)が薄すぎると、励起光が部分的に透過してしまうからだと考えられる。Q値を大きくする観点からは、光反射層120と誘電体層130との界面、および誘電体層130と外部との界面は、いずれも平滑であることが好ましい。すなわち、誘電体層130の表面および裏面のラフネスが小さいほど好ましい。また、媒質間の屈折率差が大きいほど好ましい。すなわち、誘電体層130を構成する誘電体の屈折率が高いことが好ましい。また、誘電体層130による励起光の吸収が小さいほど好ましい。 From the viewpoint of improving the detection sensitivity, the light reflection layer 120 and the dielectric layer 130 may be configured so that the Q value (Quality factor, co-promotion frequency f 0 / full width at half maximum Δf) of the Fabry-Perot resonator is large. preferable. For example, FIG. 2 is a graph showing the relationship between the thickness of the gold thin film (light reflecting layer 120) and the Q value. From this result, it can be seen that the thickness of the gold thin film (light reflecting layer 120) is preferably large to some extent (for example, 40 nm or more) from the viewpoint of increasing the Q value. It is considered that this is because if the gold thin film (light reflecting layer 120) is too thin, the excitation light is partially transmitted. From the viewpoint of increasing the Q value, it is preferable that the interface between the light reflecting layer 120 and the dielectric layer 130 and the interface between the dielectric layer 130 and the outside are smooth. That is, it is preferable that the roughness of the front surface and the back surface of the dielectric layer 130 is small. Further, it is preferable that the difference in refractive index between the media is large. That is, it is preferable that the refractive index of the dielectric constituting the dielectric layer 130 is high. Further, it is preferable that the absorption of the excitation light by the dielectric layer 130 is small.

複数の金属ナノ構造体140は、励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させる。複数の金属ナノ構造体140は、その一部が誘電体層130内に埋め込まれるように誘電体層130の表面に配置されていてもよいが、表面増強ラマン散乱強度を高める観点からは、誘電体層130に実質的に埋まらないように誘電体層130上に配置されていることが好ましい(図10参照)。これは、金属ナノ構造体140を部分的に誘電体層130に埋めてしまうと、金属ナノ構造体140の下部に存在するホットスポットが誘電体層130内に埋もれてしまい、電場増強の効果が低減してしまうためと考えられる。ここで、「誘電体層130に実質的に埋まらない」とは、金属ナノ構造体140のうち、その周囲の誘電体層130の表面よりも光反射層120側に位置する部分(誘電体層130に埋まっている部分)の割合が10%以下であることを意味する。誘電体層130に埋まっている部分の割合は、5%以下が好ましく、3%以下がより好ましく、0%であることが特に好ましい。誘電体層130に埋まっている部分の割合が0%の場合、金属ナノ構造体140の全体が誘電体層130の表面の上に存在している。各金属ナノ構造体140の誘電体層130と接触していない表面は、外部に露出している。この表面に、被測定分子が吸着する。 The plurality of metal nanostructures 140 generate localized surface plasmon resonance when irradiated with excitation light. The plurality of metal nanostructures 140 may be arranged on the surface of the dielectric layer 130 so that a part thereof is embedded in the dielectric layer 130, but from the viewpoint of increasing the surface-enhanced Raman scattering intensity, the dielectric is dielectric. It is preferably arranged on the dielectric layer 130 so as not to be substantially buried in the body layer 130 (see FIG. 10). This is because when the metal nanostructure 140 is partially buried in the dielectric layer 130, the hot spots existing in the lower part of the metal nanostructure 140 are buried in the dielectric layer 130, which has the effect of enhancing the electric field. It is thought that this is because it is reduced. Here, "substantially not buried in the dielectric layer 130" means a portion of the metal nanostructure 140 located on the light reflecting layer 120 side of the surface of the dielectric layer 130 around it (dielectric layer). It means that the ratio of the portion (the part buried in 130) is 10% or less. The ratio of the portion buried in the dielectric layer 130 is preferably 5% or less, more preferably 3% or less, and particularly preferably 0%. When the proportion of the portion buried in the dielectric layer 130 is 0%, the entire metal nanostructure 140 exists on the surface of the dielectric layer 130. The surface of each metal nanostructure 140 that is not in contact with the dielectric layer 130 is exposed to the outside. Molecules to be measured are adsorbed on this surface.

金属ナノ構造体140の形状、大きさおよび間隔は、光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させることができれば特に限定されない。金属ナノ構造体140の形状、大きさまたは間隔を調整することで、局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長を可視域から近赤外域まで変更することができる。したがって、金属ナノ構造体140の形状、大きさおよび間隔は、励起光の波長において局在表面プラズモン共鳴が生じるように適宜選択されうる。たとえば、金属ナノ構造体140の形状は、略球状、略球冠状(略半球状を含む)、ロッド状、ディスク状および錐体状が含まれる。また、金属ナノ構造体140の最大長さは、5~1000nm程度である。金属ナノ構造体140の間隔は、3~1000nm程度である。前述のとおり、複数の金属ナノ構造体140は、その表面の一部が外部に露出している。 The shape, size and spacing of the metal nanostructures 140 are not particularly limited as long as they can generate localized surface plasmon resonance when irradiated with light. By adjusting the shape, size or spacing of the metal nanostructures 140, the resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance can be changed from the visible region to the near infrared region. Therefore, the shape, size and spacing of the metal nanostructures 140 can be appropriately selected so that localized surface plasmon resonance occurs at the wavelength of the excitation light. For example, the shape of the metal nanostructure 140 includes a substantially spherical shape, a substantially spherical crown shape (including a substantially hemispherical shape), a rod shape, a disc shape, and a cone shape. The maximum length of the metal nanostructure 140 is about 5 to 1000 nm. The spacing between the metal nanostructures 140 is about 3 to 1000 nm. As described above, a part of the surface of the plurality of metal nanostructures 140 is exposed to the outside.

前述のとおり、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、複数の金属ナノ構造体140は、励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、かつ光反射層120および誘電体層130は、励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する。また、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100は、ファブリ・ペロー共振器の共振波長が局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内となるように構成されている。このようにファブリ・ペロー共振器の共振波長が局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内となる場合、局在表面プラズモンとファブリ・ペロー共振器との間で強結合が生じ、表面増強ラマン散乱デバイス100の表面に多数のホットスポットをある程度均一な分布で形成することができるようになる。強結合の度合いを高める観点からは、局在表面プラズモン共鳴の共鳴波長とファブリ・ペロー共振器の共振波長とが一致することが好ましい。 As described above, in the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, the plurality of metal nanostructures 140 generate localized surface plasmon resonance when irradiated with excitation light, and the light reflecting layer 120 and the light reflecting layer 120 and the light reflecting layer 120. The dielectric layer 130 functions as a Fabry-Perot resonator when irradiated with excitation light. Further, the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment is configured such that the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is within the range of the peak wavelength of the localized surface plasmon resonance ± the half width of the peak. .. In this way, when the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is within the range of the peak wavelength of the localized surface plasmon resonance ± the half-value width of the peak, a strong coupling is formed between the localized surface plasmon and the Fabry-Perot resonator. As a result, a large number of hot spots can be formed on the surface of the surface-enhanced Raman scattering device 100 with a somewhat uniform distribution. From the viewpoint of increasing the degree of strong coupling, it is preferable that the resonance wavelength of the localized surface plasmon resonance and the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator match.

上記のように局在表面プラズモンとファブリ・ペロー共振器との間で強結合または超強結合が生じると、個々の金属ナノ構造体140のプラズモンにファブリ・ペロー共振器を介した量子コヒーレント相互作用が誘起され、プラズモン振動が全ての金属ナノ構造体140に広がるとともに位相が揃った状態になると考えられる。その相互作用を最大化し、電場増強分布を均一化するためには、金属ナノ構造体140同士が近傍に存在することが好ましい。具体的には、表面増強ラマン散乱デバイス100の表面(複数の金属ナノ構造体140が配置されている領域の表面)における金属ナノ構造体140が閉める占有率(被覆率)は、20%以上であることが好ましく、35%以上であることがより好ましく、50%以上であることがさらに好ましい。 When a strong or super-strong bond occurs between the localized surface plasmon and the Fabry-Perot resonator as described above, the plasmon of each metal nanostructure 140 has a quantum coherent interaction via the Fabry-Perot resonator. Is induced, and it is considered that the plasmon oscillation spreads to all the metal nanostructures 140 and the phases are aligned. In order to maximize the interaction and make the electric field enhancement distribution uniform, it is preferable that the metal nanostructures 140 are present in the vicinity. Specifically, the occupancy rate (coverage rate) of the metal nanostructure 140 on the surface of the surface-enhanced Raman scattering device 100 (the surface of the region where the plurality of metal nanostructures 140 are arranged) is 20% or more. It is preferably, more preferably 35% or more, and even more preferably 50% or more.

本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100の製造方法は、特に限定されない。たとえば、以下の手順により、表面増強ラマン散乱デバイス100を製造することができる(図3A~C参照)。 The method for manufacturing the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment is not particularly limited. For example, the surface-enhanced Raman scattering device 100 can be manufactured by the following procedure (see FIGS. 3A to 3C).

まず、光反射層120としての金属層を準備する(図3A)。図3Aに示される例では、支持基板110上に光反射層120としての金属層を形成している。金属層の形成方法は、特に限定されない。金属層の形成方法の例には、スパッタリング、真空蒸着、電気還元およびイオンプレーティングが含まれる。また、光反射層120(および支持基板110)として、金属板を準備してもよい。 First, a metal layer as the light reflecting layer 120 is prepared (FIG. 3A). In the example shown in FIG. 3A, a metal layer as a light reflecting layer 120 is formed on the support substrate 110. The method for forming the metal layer is not particularly limited. Examples of metal layer forming methods include sputtering, vacuum deposition, electrical reduction and ion plating. Further, a metal plate may be prepared as the light reflecting layer 120 (and the support substrate 110).

次に、金属層(光反射層120)の表面に誘電体層130を形成する(図3B)。誘電体層130の形成方法は、特に限定されない。誘電体層130の形成方法の例には、原子層堆積法、パルスレーザー堆積法、スパッタリング、ソルボサーマル法、スプレー熱分解法および分子線エピタキシー法が含まれる。なお、原子層堆積法により誘電体層130を形成する場合は、金属層(光反射層120)の表面に誘電体層130を緻密に形成するために、前処理を行うことが好ましい。前処理の例には、金属層(光反射層120)の表面にヒドロキシル基を付加する表面処理、および金属層(光反射層120)の表面に別の層(例えばチタン薄膜)を形成する処理が含まれる。たとえば、金属層(光反射層120)への結合部位として一方の末端にSまたはNを含む官能基(例えばチオール基)を有し、他方の末端にヒドロキシル基を有する化合物(例えば2-メルカプトエタノール)を用いて表面処理をすればよい。また、金属層(光反射層120)の表面にチタン薄膜を形成した場合、チタン薄膜は大気下で自然酸化し、チタン薄膜の表面にヒドロキシル基が生成する。 Next, the dielectric layer 130 is formed on the surface of the metal layer (light reflecting layer 120) (FIG. 3B). The method for forming the dielectric layer 130 is not particularly limited. Examples of methods for forming the dielectric layer 130 include atomic layer deposition, pulsed laser deposition, sputtering, solvothermal, spray pyrolysis and molecular beam epitaxy. When the dielectric layer 130 is formed by the atomic layer deposition method, it is preferable to perform a pretreatment in order to form the dielectric layer 130 densely on the surface of the metal layer (light reflecting layer 120). Examples of the pretreatment include a surface treatment for adding a hydroxyl group to the surface of the metal layer (light reflecting layer 120) and a treatment for forming another layer (for example, a titanium thin film) on the surface of the metal layer (light reflecting layer 120). Is included. For example, a compound having a functional group containing S or N (for example, a thiol group) at one end and a hydroxyl group at the other end (for example, 2-mercaptoethanol) as a binding site to the metal layer (light reflecting layer 120). ) May be used for surface treatment. Further, when a titanium thin film is formed on the surface of the metal layer (light reflecting layer 120), the titanium thin film is naturally oxidized in the atmosphere, and a hydroxyl group is generated on the surface of the titanium thin film.

最後に、誘電体層130の上に、複数の金属ナノ構造体140を形成する(図3C)。金属ナノ構造体140の形成方法は、特に限定されない。たとえば、誘電体層130の上に金属層を形成した後、この金属層をアニールして粒子化することで、略球冠状の複数の金属ナノ構造体140を同時に形成することができる。また、フォトリソグラフィーを利用して複数の金属ナノ構造体140を形成してもよい。 Finally, a plurality of metal nanostructures 140 are formed on the dielectric layer 130 (FIG. 3C). The method for forming the metal nanostructure 140 is not particularly limited. For example, by forming a metal layer on the dielectric layer 130 and then annealing the metal layer into particles, a plurality of substantially spherical crown-shaped metal nanostructures 140 can be formed at the same time. Further, a plurality of metal nanostructures 140 may be formed by using photolithography.

以上の手順により、表面増強ラマン散乱デバイス100を製造することができる。 By the above procedure, the surface-enhanced Raman scattering device 100 can be manufactured.

(ラマン分光測定装置およびラマン分光測定方法)
図4は、本発明の一実施の形態に係るラマン分光測定装置200の構成を示す模式図である。図4に示されるように、ラマン分光測定装置200は、上記の表面増強ラマン散乱デバイス100、光源220、光学系230、分光器240および検出器250を有する。本実施の形態では、ラマン分光測定装置200はデバイスホルダ210を有しており、上記の表面増強ラマン散乱デバイス100はデバイスホルダ210に設置される。以下、各構成要素について説明する。
(Raman spectroscopic measuring device and Raman spectroscopic measuring method)
FIG. 4 is a schematic diagram showing the configuration of the Raman spectroscopic measuring device 200 according to the embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the Raman spectroscopic measuring device 200 includes the surface-enhanced Raman scattering device 100, a light source 220, an optical system 230, a spectroscope 240, and a detector 250. In the present embodiment, the Raman spectroscopic measuring device 200 has a device holder 210, and the surface-enhanced Raman scattering device 100 is installed in the device holder 210. Hereinafter, each component will be described.

デバイスホルダ210は、表面増強ラマン散乱デバイス100を所定の位置に支持する。デバイスホルダ210の構成は、特に限定されない。デバイスホルダ210は、表面増強ラマン散乱デバイス100を載置するためのステージであってもよいし、表面増強ラマン散乱デバイス100を保持する構造を有していてもよい。 The device holder 210 supports the surface-enhanced Raman scattering device 100 in a predetermined position. The configuration of the device holder 210 is not particularly limited. The device holder 210 may be a stage for mounting the surface-enhanced Raman scattering device 100, or may have a structure for holding the surface-enhanced Raman scattering device 100.

光源220は、表面増強ラマン散乱デバイス100に励起光260を照射する。ラマンシフトを適切に測定する観点からは、励起光260は、実質的に単一波長の光であることが好ましい。励起光260の波長は、特に限定されず、被測定分子の種類などに応じて適宜設定されうる。また、ラマン散乱光の強度を高める観点からは、励起光260は、強度が高い光であることが好ましい。たとえば、励起光260としてはレーザー光が用いられる。光源220の種類は、所望の波長および強度の励起光260を出射することができれば特に限定されず、例えばレーザーダイオードである。 The light source 220 irradiates the surface-enhanced Raman scattering device 100 with excitation light 260. From the viewpoint of appropriately measuring the Raman shift, the excitation light 260 is preferably light having substantially a single wavelength. The wavelength of the excitation light 260 is not particularly limited and may be appropriately set according to the type of the molecule to be measured and the like. Further, from the viewpoint of increasing the intensity of Raman scattered light, the excitation light 260 is preferably light having high intensity. For example, laser light is used as the excitation light 260. The type of the light source 220 is not particularly limited as long as it can emit the excitation light 260 having a desired wavelength and intensity, and is, for example, a laser diode.

光学系230は、光源220から出射された励起光260を表面増強ラマン散乱デバイス100に導くとともに、表面増強ラマン散乱デバイス100からのラマン散乱光270を分光器240に導く。光学系230の構成は、上記の機能を実現できれば特に限定されない。図4では、励起光260を透過させ、ラマン散乱光270を反射させるビームスプリッタ231と、レンズ(集光レンズ)232を示しているが、光学系230の構成はこれに限定されない。たとえば、光学系230は、レイリー散乱光を除去するための励起光カットフィルターなどの各種フィルターや、コリメーターレンズなどの各種レンズなどをさらに有していてもよい。 The optical system 230 guides the excitation light 260 emitted from the light source 220 to the surface-enhanced Raman scattering device 100, and guides the Raman scattered light 270 from the surface-enhanced Raman scattering device 100 to the spectroscope 240. The configuration of the optical system 230 is not particularly limited as long as the above functions can be realized. FIG. 4 shows a beam splitter 231 that transmits the excitation light 260 and reflects the Raman scattered light 270, and a lens (condensing lens) 232, but the configuration of the optical system 230 is not limited to this. For example, the optical system 230 may further include various filters such as an excitation light cut filter for removing Rayleigh scattered light, and various lenses such as a collimator lens.

分光器240は、表面増強ラマン散乱デバイス100からのラマン散乱光270を分光する。ラマン散乱光270から被測定分子の情報を得るためには、ラマン散乱光270を波数ごとに分解する必要がある。このため、分光器240は、ラマン散乱光270を分光する。分光器240の構成は、特に限定されない。たとえば、分光器240は、回折格子を含むポリクロメーターである。 The spectroscope 240 disperses Raman scattered light 270 from the surface-enhanced Raman scattering device 100. In order to obtain information on the molecule to be measured from the Raman scattered light 270, it is necessary to decompose the Raman scattered light 270 for each wave number. Therefore, the spectroscope 240 disperses the Raman scattered light 270. The configuration of the spectroscope 240 is not particularly limited. For example, the spectroscope 240 is a polychromator that includes a diffraction grating.

検出器250は、分光器240により分光されたラマン散乱光270を検出する。検出器250の種類は、微弱なラマン散乱光を適切に検出できれば特に限定されず、検出する波長(波数)範囲に応じて適宜選択されうる。たとえば、検出器は、冷却CCDである。 The detector 250 detects the Raman scattered light 270 dispersed by the spectroscope 240. The type of the detector 250 is not particularly limited as long as it can appropriately detect weak Raman scattered light, and can be appropriately selected according to the wavelength (wavenumber) range to be detected. For example, the detector is a cooled CCD.

なお、ラマン分光測定装置200としては、表面増強ラマン散乱デバイス100以外の構成要素については公知のラマン分光測定装置を用いることができる。 As the Raman spectroscopic measuring device 200, a known Raman spectroscopic measuring device can be used for components other than the surface-enhanced Raman scattering device 100.

次に、ラマン分光測定装置200を用いたラマン分光測定(本発明の一実施の形態に係るラマン分光測定方法)について説明する。 Next, Raman spectroscopic measurement (Raman spectroscopic measurement method according to an embodiment of the present invention) using the Raman spectroscopic measuring device 200 will be described.

まず、表面増強ラマン散乱デバイス100の複数の金属ナノ構造体140が配置されている領域に被測定分子を含む液体サンプルを提供する。液体サンプル中の被測定分子の一部は、表面増強ラマン散乱デバイス100の金属ナノ構造体140に吸着する。この後、液体サンプルを乾燥させて溶媒を除去する。乾燥後の表面増強ラマン散乱デバイス100は、デバイスホルダ210に設置される。 First, a liquid sample containing a molecule to be measured is provided in a region where a plurality of metal nanostructures 140 of the surface-enhanced Raman scattering device 100 are arranged. Some of the molecules under test in the liquid sample are adsorbed on the metal nanostructures 140 of the surface-enhanced Raman scattering device 100. After this, the liquid sample is dried to remove the solvent. The surface-enhanced Raman scattering device 100 after drying is installed in the device holder 210.

次に、光源220から表面増強ラマン散乱デバイス100に励起光260を照射する。これにより、複数の金属ナノ構造体140の表面と被測定分子との界面において表面増強ラマン散乱が生じ、被測定分子由来のラマン散乱光が例えば10倍まで増強されて放出される。前述のとおり、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、複数の金属ナノ構造体140は、励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、かつ光反射層120および誘電体層130は、励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する。これにより、表面増強ラマン散乱デバイス100の表面において、多数のホットスポットが、ある程度均一な分布で形成される。したがって、表面増強ラマン散乱デバイス100の複数の金属ナノ構造体140が配置されている領域からは、強度分布がある程度均一な状態で、高強度のラマン散乱光が放出される。 Next, the surface-enhanced Raman scattering device 100 is irradiated with excitation light 260 from the light source 220. As a result, surface-enhanced Raman scattering occurs at the interface between the surface of the plurality of metal nanostructures 140 and the molecule to be measured, and the Raman scattered light derived from the molecule to be measured is enhanced and emitted up to, for example, 108 times. As described above, in the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, the plurality of metal nanostructures 140 generate localized surface plasmon resonance when irradiated with excitation light, and the light reflecting layer 120 and the light reflecting layer 120 and the light reflecting layer 120. The dielectric layer 130 functions as a Fabry-Perot resonator when irradiated with excitation light. As a result, a large number of hot spots are formed with a somewhat uniform distribution on the surface of the surface-enhanced Raman scattering device 100. Therefore, high-intensity Raman scattered light is emitted from the region where the plurality of metal nanostructures 140 of the surface-enhanced Raman scattering device 100 are arranged, with the intensity distribution being uniform to some extent.

そして、表面増強ラマン散乱デバイス100から放出されたラマン散乱光を分光器240において分光し、分光したラマン散乱光を検出器250で検出する。検出器250の検出結果から、ラマンスペクトルを得ることができる。このラマンスペクトルから、例えば被測定分子を同定することができる。 Then, the Raman scattered light emitted from the surface-enhanced Raman scattering device 100 is separated by the spectroscope 240, and the separated Raman scattered light is detected by the detector 250. A Raman spectrum can be obtained from the detection result of the detector 250. From this Raman spectrum, for example, the molecule to be measured can be identified.

以上の手順により、液体サンプル中の被測定分子を分析することができる。 By the above procedure, the molecule to be measured in the liquid sample can be analyzed.

なお、上記の説明では、表面増強ラマン散乱デバイス100上において液体サンプルを乾燥させる例について説明したが、液体サンプルを乾燥させずにラマン分光測定を行うことももちろん可能である。このとき、溶媒の揮発による濃度変化を防止するため、表面増強ラマン散乱デバイス100上に提供された液体サンプルを封止して測定することが好ましい。 In the above description, an example of drying a liquid sample on the surface-enhanced Raman scattering device 100 has been described, but it is of course possible to perform Raman spectroscopic measurement without drying the liquid sample. At this time, in order to prevent the concentration change due to the volatilization of the solvent, it is preferable to seal and measure the liquid sample provided on the surface-enhanced Raman scattering device 100.

(効果)
以上のように、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、局在表面プラズモン共鳴による電場増強効果と、ファブリ・ペロー共振器による光閉じ込め効果とを組み合わせることで、多数のホットスポットをある程度均一な分布で配置することを実現している。よって、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100の複数の金属ナノ構造体140が配置されている領域からは、強度分布がある程度均一な状態で、高強度のラマン散乱光が放出される。したがって、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス、ラマン分光測定装置およびラマン分光測定方法は、定量性および再現性の高いラマン分光測定を行うことができる。
(effect)
As described above, in the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, a large number of hot spots are generated by combining the electric field enhancing effect by the localized surface plasmon resonance and the light confinement effect by the Fabry-Perot resonator. It is realized that the distribution is uniform to some extent. Therefore, high-intensity Raman scattered light is emitted from the region where the plurality of metal nanostructures 140 of the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment are arranged, with the intensity distribution being uniform to some extent. .. Therefore, the surface-enhanced Raman scattering device, the Raman spectroscopic measurement device, and the Raman spectroscopic measurement method according to the present embodiment can perform Raman spectroscopic measurement with high quantitativeness and reproducibility.

また、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100では、可視光を照射すると、デバイス表面において酸化反応が進行する。このため、本実施の形態に係る表面増強ラマン散乱デバイス100は、被測定分子などを酸化分解して除去することで再利用することが可能である。 Further, in the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment, when visible light is irradiated, an oxidation reaction proceeds on the surface of the device. Therefore, the surface-enhanced Raman scattering device 100 according to the present embodiment can be reused by oxidatively decomposing and removing the molecule to be measured and the like.

以下、本発明について実施例を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されない。 Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to Examples, but the present invention is not limited to these Examples.

[実験1]
1.表面増強ラマン散乱デバイスの作製
支持基板としてのガラス板上に、スパッタリングにより厚み100nmの金薄膜(光反射層)を形成した。金薄膜を形成したガラス板の上に、スパッタリングにより厚み2nmのチタン薄膜を形成した。チタン薄膜は大気下で自然酸化し、チタン薄膜の表面にはヒドロキシル基が生成する。チタン薄膜の上に、原子層堆積装置を用いて膜厚30nmの酸化チタン(TiO)薄膜(誘電体層)を形成した。酸化チタン薄膜の上に真空蒸着により厚み3nmの金薄膜を形成し、300℃で2時間アニールすることによりこの金薄膜を粒子化して、略球冠状の複数の金ナノ粒子(金属ナノ構造体)を形成した。金ナノ粒子の平均粒径は、16nmであった。実質的にすべての金ナノ粒子は、酸化チタン薄膜内に部分的にも埋まることなく酸化チタン薄膜上に配置された。図5は、作製した表面増強ラマン散乱デバイスの金ナノ粒子が配置されている面の様子を示す走査型電子顕微鏡像である。以上の手順で、実施例に係る表面増強ラマン散乱デバイスを作製した。
[Experiment 1]
1. 1. Fabrication of Surface-enhanced Raman Scattering Device A gold thin film (light reflection layer) with a thickness of 100 nm was formed on a glass plate as a support substrate by sputtering. A titanium thin film having a thickness of 2 nm was formed by sputtering on the glass plate on which the gold thin film was formed. The titanium thin film naturally oxidizes in the atmosphere, and hydroxyl groups are generated on the surface of the titanium thin film. A titanium oxide (TiO 2 ) thin film (dielectric layer) having a film thickness of 30 nm was formed on the titanium thin film using an atomic layer deposition apparatus. A gold thin film having a thickness of 3 nm is formed on the titanium oxide thin film by vacuum deposition and annealed at 300 ° C. for 2 hours to atomize the gold thin film into particles, and a plurality of substantially spherical crown-shaped gold nanoparticles (metal nanostructures). Formed. The average particle size of the gold nanoparticles was 16 nm. Virtually all gold nanoparticles were placed on the titanium oxide thin film without being partially embedded in the titanium oxide thin film. FIG. 5 is a scanning electron microscope image showing the state of the surface on which the gold nanoparticles of the prepared surface-enhanced Raman scattering device are arranged. By the above procedure, the surface-enhanced Raman scattering device according to the example was produced.

比較のため、金薄膜(光反射層)を形成しない点を除いては、上記と同じ手順で比較例に係る表面増強ラマン散乱デバイスを作製した。また、比較のため、市販の表面増強ラマン散乱デバイスとして、浜松ホトニクス株式外会社のSERS基板(J12853)と、株式会社ニデックのSERS測定用Auナノロッドアレイ基板(Wavelet)を準備した。 For comparison, the surface-enhanced Raman scattering device according to the comparative example was produced by the same procedure as above except that a gold thin film (light reflecting layer) was not formed. For comparison, a SERS substrate (J12853) manufactured by Hamamatsu Photonics Co., Ltd. and an Au nanorod array substrate (Wavelet) for SERS measurement by Nidec Co., Ltd. were prepared as commercially available surface-enhanced Raman scattering devices.

図6Aは、実施例に係る表面増強ラマン散乱デバイスの吸収スペクトルを示すグラフであり、図6Bは、金薄膜(光反射層)を有さない比較例に係る表面増強ラマン散乱デバイスの吸収スペクトルを示すグラフである。縦軸は、透過スペクトルの値(T)および反射スペクトルの値(R)から算出した吸収スペクトルの値(実スケール)である。また、図5Aでは、この後の評価で使用する励起光の波長532nmを破線で示している。 FIG. 6A is a graph showing the absorption spectrum of the surface-enhanced Raman scattering device according to the embodiment, and FIG. 6B shows the absorption spectrum of the surface-enhanced Raman scattering device according to the comparative example having no gold thin film (light reflecting layer). It is a graph which shows. The vertical axis is the absorption spectrum value (actual scale) calculated from the transmission spectrum value (T) and the reflection spectrum value (R). Further, in FIG. 5A, the wavelength of the excitation light used in the subsequent evaluation is shown by a broken line at 532 nm.

上記実施例に係る表面増強ラマン散乱デバイスでは、金ナノ粒子のプラズモン共鳴波長である650nmに、金薄膜、酸化チタン薄膜および金ナノ粒子により構成されるファブリ・ペロー共振器の1/4n(nは酸化チタンの屈折率)に対応する共振波長が一致している。このことは、ファブリ・ペロー共振器の共振波長と金ナノ粒子の局在表面プラズモン共鳴波長とが重なり、電磁場相互作用により2つの振動子の位相が一定の関係を有してエネルギーをやり取りしている状態が形成されていることを意味する。その結果、結合性と反結合性の新たな二つのエネルギー準位が生じることから吸収スペクトルが2峰性を示し、その応答範囲および強度が大幅に増大している。 In the surface-enhanced Raman scattering device according to the above embodiment, 1/4 n (n) of a Fabry-Perot resonator composed of a gold thin film, a titanium oxide thin film and gold nanoparticles has a plasmon resonance wavelength of 650 nm of gold nanoparticles. The resonance wavelengths corresponding to the refractive index of titanium oxide) match. This means that the resonance wavelength of the Fabry-Perot cavity and the localized surface plasmon resonance wavelength of the gold nanoparticles overlap, and the phases of the two oscillators exchange energy with a constant relationship due to electromagnetic field interaction. It means that the state of being is formed. As a result, two new energy levels, bonding and antibonding, are generated, so that the absorption spectrum is bimodal, and its response range and intensity are greatly increased.

2.表面増強ラマン散乱デバイスの評価
各表面増強ラマン散乱デバイスについて、顕微ラマン測定装置(図4参照)を用いて表面増強ラマン散乱スペクトルを測定した。表面増強ラマン散乱デバイスを1μMクリスタルバイオレット水溶液に浸漬させた後、乾燥させた。この後、顕微ラマン測定装置を用いて、波長532nmの励起光(レーザーパワー:~300μW、照射時間:0.5秒)を複数の金属ナノ構造体が配置されている領域に集光照射し、クリスタルバイオレット分子の表面増強ラマン散乱スペクトルを得た。いずれの表面増強ラマン散乱デバイスを用いた場合であっても、ラマンスペクトルでは、1617cm-1や1371cm-1などにクリスタルバイオレット分子に起因する大きなピークが観察された(図10参照)。
2. 2. Evaluation of Surface-enhanced Raman Scattering Devices For each surface-enhanced Raman scattering device, the surface-enhanced Raman scattering spectrum was measured using a microscopic Raman measuring device (see FIG. 4). The surface-enhanced Raman scattering device was immersed in a 1 μM crystal violet aqueous solution and then dried. After that, using a micro-Raman measuring device, excitation light with a wavelength of 532 nm (laser power: ~ 300 μW, irradiation time: 0.5 seconds) is focused and irradiated to the region where a plurality of metal nanostructures are arranged. A surface-enhanced Raman scattering spectrum of crystal violet molecules was obtained. Regardless of which surface-enhanced Raman scattering device was used, large peaks due to crystal violet molecules were observed at 1617 cm -1 and 1371 cm -1 in the Raman spectrum (see FIG. 10).

図7A~Cは、1617cm-1についてのラマン散乱光の強度分布を示す図であり、図7D~Fは、1617cm-1についてのラマン散乱光の強度分布を示すグラフである。図7Aおよび図7Dは、実施例に係る表面増強ラマン散乱デバイスの結果を示し、図7Bおよび図7Eは、市販の表面増強ラマン散乱デバイス(J12853)の結果を示し、図7Cおよび図7Fは、市販の表面増強ラマン散乱デバイス(Wavelet)の結果を示している。図7A~Cでは、20μm×20μmの範囲における強度分布をグレースケールで示している。図7D~Fでは、この範囲を625の区画に分割し、各区画の強度をプロットしている。また、図7D~Fでは、強度の平均値(Mean)、標準偏差(Standard Deviation)および変動係数(CV)(%)も示している。 7A to 7C are diagrams showing the intensity distribution of Raman scattered light for 1617 cm -1 , and FIGS. 7D to 7F are graphs showing the intensity distribution of Raman scattered light for 1617 cm -1 . 7A and 7D show the results of the surface-enhanced Raman scattering device according to the embodiment, FIGS. 7B and 7E show the results of the commercially available surface-enhanced Raman scattering device (J12853), and FIGS. 7C and 7F are shown. The results of a commercially available surface-enhanced Raman scattering device (Wavelet) are shown. In FIGS. 7A to 7C, the intensity distribution in the range of 20 μm × 20 μm is shown in gray scale. In FIGS. 7D to 7, this range is divided into 625 sections, and the intensities of each section are plotted. In addition, FIGS. 7D to 7F also show the mean value (Mean), standard deviation (Standard Deviation), and coefficient of variation (CV) (%) of the intensity.

まず、各デバイスの強度の平均値(Mean)について見てみると、実施例に係るデバイスは、市販のデバイスと同等以上の感度でクリスタルバイオレット分子に起因するラマン散乱光を検出できていることがわかる。また、各デバイスの強度の変動係数(CV)について見てみると、実施例に係るデバイスは、市販のデバイスに比べて強度分布が均一である(変動係数が1/5以下となる)ことがわかる。これらのことから、実施例に係るデバイスは、市販のデバイスと同等以上の感度を有しながら、サンプル中の被測定分子の濃度が低い場合であっても高い定量性および再現性で被測定分子を測定できることがわかる。 First, looking at the average value (Mean) of the intensity of each device, it can be seen that the device according to the embodiment can detect Raman scattered light caused by crystal violet molecules with a sensitivity equal to or higher than that of a commercially available device. Understand. Looking at the coefficient of variation (CV) of the intensity of each device, the device according to the embodiment has a uniform intensity distribution (the coefficient of variation is 1/5 or less) as compared with the commercially available device. Understand. From these facts, the device according to the example has a sensitivity equal to or higher than that of a commercially available device, and has high quantitativeness and reproducibility even when the concentration of the molecule to be measured in the sample is low. It turns out that can be measured.

図8Aおよび図8Bは、1617cm-1についてのラマン散乱光の強度分布を示す図であり、図8および図8Dは、1617cm-1についてのラマン散乱光の強度分布を示すグラフである。図8Aおよび図8Cは、実施例に係る表面増強ラマン散乱デバイスの結果を示し(図7Aおよび図7Dと同じデータ)、図8Bおよび図8Dは、金薄膜(光反射層)を有さない比較例に係る表面増強ラマン散乱デバイスの結果を示している。図8Aおよび図8Bでは、20μm×20μmの範囲における強度分布をグレースケールで示している。図8Cおよび図8Dでは、この範囲を625の区画に分割し、各区画の強度をプロットしている。また、図8Cおよび図8Dでは、強度の平均値(Mean)、標準偏差(Standard Deviation)および変動係数(CV)(%)も示している。なお、図8Cと図8Dとでは、縦軸の数値の桁が異なっている点に留意すべきである。 8A and 8B are diagrams showing the intensity distribution of Raman scattered light for 1617 cm- 1 , and FIGS. 8 and 8D are graphs showing the intensity distribution of Raman scattered light for 1617 cm -1 . 8A and 8C show the results of the surface-enhanced Raman scattering device according to the embodiment (same data as FIGS. 7A and 7D), and FIGS. 8B and 8D are comparatives without a gold thin film (light reflecting layer). The results of the surface-enhanced Raman scattering device according to the example are shown. In FIGS. 8A and 8B, the intensity distribution in the range of 20 μm × 20 μm is shown in gray scale. In FIGS. 8C and 8D, this range is divided into 625 compartments and the intensities of each compartment are plotted. In addition, FIGS. 8C and 8D also show the mean value (Mean), standard deviation (Standard Deviation) and coefficient of variation (CV) (%) of the intensity. It should be noted that the digits of the numerical values on the vertical axis are different between FIGS. 8C and 8D.

図8Bおよび図8Dから、金薄膜(光反射層)を有さない比較例に係るデバイスは、局在表面プラズモン共鳴による電場増強効果だけを利用しているため、ラマン散乱光を十分に増強できないことがわかる(強度の平均値:13.6)。これに対して、図8Aおよび図8Cから、金薄膜(光反射層)を有する実施例に係るデバイスは、局在表面プラズモン共鳴による電場増強効果だけでなくファブリ・ペロー共振器による光閉じ込め効果も利用しているため、ラマン散乱光を十分に増強できていることがわかる(強度の平均値:189)。また、ファブリ・ペロー共振器による光閉じ込め効果を利用することで、強度分布が均一になる(変動係数が1/3以下となる)こともわかる。 From FIGS. 8B and 8D, the device according to the comparative example having no gold thin film (light reflecting layer) uses only the electric field enhancing effect due to the localized surface plasmon resonance, and therefore cannot sufficiently enhance Raman scattered light. It can be seen (average value of intensity: 13.6). On the other hand, from FIGS. 8A and 8C, the device according to the embodiment having the gold thin film (light reflecting layer) has not only the electric field enhancing effect by the localized surface plasmon resonance but also the light confinement effect by the Fabry-Perot resonator. It can be seen that the Raman scattered light can be sufficiently enhanced because it is used (average intensity: 189). It can also be seen that by utilizing the optical confinement effect of the Fabry-Perot resonator, the intensity distribution becomes uniform (the coefficient of variation becomes 1/3 or less).

[実験2]
1.表面増強ラマン散乱デバイスの作製
支持基板としてのガラス板上に、スパッタリングにより厚み100nmの金薄膜(光反射層)を形成した。金薄膜を形成したガラス板の上に、スパッタリングにより厚み2nmのチタン薄膜を形成した。チタン薄膜は大気下で自然酸化し、チタン薄膜の表面にはヒドロキシル基が生成する。チタン薄膜の上に、原子層堆積装置を用いて膜厚30nmの酸化チタン(TiO)薄膜(誘電体層)を形成した。酸化チタン薄膜の上に真空蒸着により厚み3nmの金薄膜を形成し、300℃で2時間アニールすることによりこの金薄膜を粒子化して、略球冠状の複数の金ナノ粒子(金属ナノ構造体)を形成した。金ナノ粒子の平均粒径は、16nmであった。この後、再度原子層堆積装置を用いて所定の厚みの酸化チタン薄膜(誘電体層)を形成した。このとき、金ナノ粒子の表面にヒドロキシル基を修飾する表面処理を行わずに酸化チタン薄膜を形成することで、複数の金ナノ粒子の上に酸化チタン薄膜を形成させずに、複数の金ナノ粒子の間に所定の厚みの酸化チタン薄膜を形成した。これにより、実質的にすべての金ナノ粒子は、部分的に酸化チタン薄膜内に埋まった状態(部分的に外部に露出している状態)となった。
[Experiment 2]
1. 1. Fabrication of Surface-enhanced Raman Scattering Device A gold thin film (light reflecting layer) with a thickness of 100 nm was formed on a glass plate as a support substrate by sputtering. A titanium thin film having a thickness of 2 nm was formed by sputtering on the glass plate on which the gold thin film was formed. The titanium thin film naturally oxidizes in the atmosphere, and hydroxyl groups are generated on the surface of the titanium thin film. A titanium oxide (TiO 2 ) thin film (dielectric layer) having a film thickness of 30 nm was formed on the titanium thin film using an atomic layer deposition apparatus. A gold thin film having a thickness of 3 nm is formed on the titanium oxide thin film by vacuum deposition and annealed at 300 ° C. for 2 hours to atomize the gold thin film into particles, and a plurality of substantially spherical crown-shaped gold nanoparticles (metal nanostructures). Formed. The average particle size of the gold nanoparticles was 16 nm. After that, a titanium oxide thin film (dielectric layer) having a predetermined thickness was formed again using an atomic layer deposition apparatus. At this time, by forming the titanium oxide thin film on the surface of the gold nanoparticles without performing the surface treatment for modifying the hydroxyl group, the plurality of gold nanoparticles are formed without forming the titanium oxide thin film on the plurality of gold nanoparticles. A titanium oxide thin film having a predetermined thickness was formed between the particles. As a result, substantially all the gold nanoparticles were partially buried in the titanium oxide thin film (partially exposed to the outside).

図9Aは、酸化チタン薄膜(誘電体層130)の上に金ナノ粒子(金属ナノ構造体140)を形成した後に、酸化チタン薄膜を形成しなかった場合の、表面増強ラマン散乱デバイスの構成を示す模式図である。このデバイスでは、金ナノ粒子(金属ナノ構造体140)の埋まっている部分の深さは、0nmである。 FIG. 9A shows the configuration of the surface-enhanced Raman scattering device when the titanium oxide thin film is not formed after the gold nanoparticles (metal nanostructure 140) are formed on the titanium oxide thin film (dielectric layer 130). It is a schematic diagram which shows. In this device, the depth of the embedded portion of the gold nanoparticles (metal nanostructures 140) is 0 nm.

図9Bは、酸化チタン薄膜(誘電体層130a)の上に金ナノ粒子(金属ナノ構造体140)を形成した後に、酸化チタン薄膜(誘電体層130b)をさらに形成した場合の、表面増強ラマン散乱デバイスの構成を示す模式図である。本実験では、上の酸化チタン薄膜(誘電体層130b)の厚みを3nm、5nm、7nmまたは9nmとした。したがって、このデバイスでは、金ナノ粒子(金属ナノ構造体140)の埋まっている部分の深さは、3nm、5nm、7nmまたは9nmである。なお、上の酸化チタン薄膜(誘電体層130b)の厚みを9nmとした場合であっても、金ナノ粒子(金属ナノ構造体140)の上部は外部に露出していた。 FIG. 9B shows a surface-enhanced Raman in the case where gold nanoparticles (metal nanostructures 140) are formed on a titanium oxide thin film (dielectric layer 130a) and then a titanium oxide thin film (dielectric layer 130b) is further formed. It is a schematic diagram which shows the structure of a scattering device. In this experiment, the thickness of the above titanium oxide thin film (dielectric layer 130b) was set to 3 nm, 5 nm, 7 nm or 9 nm. Therefore, in this device, the depth of the embedded portion of the gold nanoparticles (metal nanostructures 140) is 3 nm, 5 nm, 7 nm or 9 nm. Even when the thickness of the titanium oxide thin film (dielectric layer 130b) was 9 nm, the upper part of the gold nanoparticles (metal nanostructure 140) was exposed to the outside.

2.表面増強ラマン散乱デバイスの評価
各表面増強ラマン散乱デバイスについて、顕微ラマン測定装置(図4参照)を用いて表面増強ラマン散乱スペクトルを測定した。表面増強ラマン散乱デバイスを1μMクリスタルバイオレット水溶液に浸漬させた後、乾燥させた。この後、顕微ラマン測定装置を用いて、波長532nmの励起光(レーザーパワー:3.08mW、照射時間:2秒)を複数の金属ナノ構造体が配置されている領域に集光照射し、クリスタルバイオレット分子の表面増強ラマン散乱スペクトルを得た。
2. 2. Evaluation of Surface-enhanced Raman Scattering Devices For each surface-enhanced Raman scattering device, the surface-enhanced Raman scattering spectrum was measured using a microscopic Raman measuring device (see FIG. 4). The surface-enhanced Raman scattering device was immersed in a 1 μM crystal violet aqueous solution and then dried. After that, using a micro-Raman measuring device, excitation light with a wavelength of 532 nm (laser power: 3.08 mW, irradiation time: 2 seconds) is focused and irradiated to the region where multiple metal nanostructures are arranged, and the crystal is crystallized. A surface-enhanced Raman scattering spectrum of violet molecules was obtained.

図10は、金ナノ粒子の埋め込み深さとラマンスペクトルとの関係を示すグラフである。上から順に、金ナノ粒子の埋め込み深さが0nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 0 nm)、埋め込み深さが3nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 3 nm)、埋め込み深さが5nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 5 nm)、埋め込み深さが7nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 7 nm)、埋め込み深さが9nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 9 nm)、埋め込み深さが11nmのデバイスのスペクトル(Inlaid 11 nm)を示している。 FIG. 10 is a graph showing the relationship between the embedding depth of gold nanoparticles and the Raman spectrum. From top to bottom, the spectrum of the device with an embedding depth of 0 nm (Inlaid 0 nm), the spectrum of the device with an embedding depth of 3 nm (Inlaid 3 nm), and the spectrum of the device with an embedding depth of 5 nm (Inlaid 5). Shows the spectrum of a device with an embedding depth of 7 nm (Inlaid 7 nm), the spectrum of a device with an embedding depth of 9 nm (Inlaid 9 nm), and the spectrum of a device with an embedding depth of 11 nm (Inlaid 11 nm). There is.

このグラフから、金ナノ粒子の埋め込み深さが小さくなるにつれて、ラマンシフトを示すピーク強度が大きくなることがわかる。これは、金属ナノ粒子を部分的に酸化チタン薄膜に埋めてしまうと、金属ナノ粒子の下部に存在する増強場(ホットスポット)が酸化チタン薄膜内に埋もれてしまい、電場増強の効果が低減してしまうためと考えられる。この結果から、電場の増強度を大きくして測定感度を高めるためには、金ナノ粒子を酸化チタン薄膜に埋め込まないことが好ましいことがわかる。 From this graph, it can be seen that as the embedding depth of the gold nanoparticles decreases, the peak intensity indicating the Raman shift increases. This is because when the metal nanoparticles are partially buried in the titanium oxide thin film, the strengthening field (hot spot) existing at the bottom of the metal nanoparticles is buried in the titanium oxide thin film, and the effect of electric field strengthening is reduced. It is thought that this is because it ends up. From this result, it can be seen that it is preferable not to embed the gold nanoparticles in the titanium oxide thin film in order to increase the strength of the electric field and increase the measurement sensitivity.

本発明に係る表面増強ラマン散乱デバイス、ラマン分光測定装置およびラマン分光測定方法は、定量性および再現性の高いラマン分光測定を行うことができるため、例えば各種分析などに有用である。 The surface-enhanced Raman scattering device, the Raman spectroscopic measurement device, and the Raman spectroscopic measurement method according to the present invention are useful for, for example, various analyzes because they can perform Raman spectroscopic measurement with high quantitativeness and reproducibility.

100 表面増強ラマン散乱デバイス
110 支持基板
120 光反射層
130 誘電体層
140 金属ナノ構造体
200 ラマン分光測定装置
210 デバイスホルダ
220 光源
230 光学系
231 ビームスプリッタ
232 レンズ
240 分光器
250 検出器
260 励起光
270 ラマン散乱光
100 Surface-enhanced Raman Scattering Device 110 Support Substrate 120 Light Reflection Layer 130 Dielectric Layer 140 Metal Nanostructure 200 Raman Spectrometer 210 Device Holder 220 Light Source 230 Optical System 231 Beam Splitter 232 Lens 240 Spectrometer 250 Detector 260 Excitation Light 270 Raman scattered light

Claims (12)

表面増強ラマン散乱デバイスと、
前記表面増強ラマン散乱デバイスに励起光を照射する光源と、
前記表面増強ラマン散乱デバイスからのラマン散乱光を分光する分光器と、
前記分光器により分光されたラマン散乱光を検出する検出器と、
を有し、
前記表面増強ラマン散乱デバイスは、
光反射層と、
前記光反射層上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、
を有する、
ラマン分光測定装置。
Surface-enhanced Raman scattering device and
A light source that irradiates the surface-enhanced Raman scattering device with excitation light,
A spectroscope that disperses Raman scattered light from the surface-enhanced Raman scattering device, and
A detector that detects Raman scattered light dispersed by the spectroscope, and a detector.
Have,
The surface-enhanced Raman scattering device is
Light reflective layer and
The dielectric layer arranged on the light reflecting layer and
A plurality of metal nanostructures arranged on the dielectric layer, and
Have,
Raman spectroscopy measuring device.
前記複数の金属ナノ構造体は、前記励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、
前記光反射層および前記誘電体層は、前記励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する、
請求項1に記載のラマン分光測定装置。
The plurality of metal nanostructures generate localized surface plasmon resonance when irradiated with the excitation light.
The light reflecting layer and the dielectric layer function as Fabry-Perot resonators when irradiated with the excitation light.
The Raman spectroscopic measuring apparatus according to claim 1.
前記ファブリ・ペロー共振器の共振波長は、前記局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内である、請求項2に記載のラマン分光測定装置。 The Raman spectroscopic measuring apparatus according to claim 2, wherein the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is within the range of the peak wavelength of the localized surface plasmon resonance ± the half width of the peak. 前記複数の金属ナノ構造体は、前記誘電体層に実質的に埋まらないように前記誘電体層上に配置されている、請求項1~3のいずれか一項に記載のラマン分光測定装置。 The Raman spectroscopic measuring apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the plurality of metal nanostructures are arranged on the dielectric layer so as not to be substantially embedded in the dielectric layer. 表面増強ラマン散乱デバイスに励起光を照射し、前記表面増強ラマン散乱デバイスからのラマン散乱光を検出する工程を有し、
前記表面増強ラマン散乱デバイスは、
光反射層と、
前記光反射層上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、
を有する、
ラマン分光測定方法。
It has a step of irradiating a surface-enhanced Raman scattering device with excitation light and detecting Raman scattered light from the surface-enhanced Raman scattering device.
The surface-enhanced Raman scattering device is
Light reflective layer and
The dielectric layer arranged on the light reflecting layer and
A plurality of metal nanostructures arranged on the dielectric layer, and
Have,
Raman spectroscopy measurement method.
前記複数の金属ナノ構造体は、前記励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、
前記光反射層および前記誘電体層は、前記励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する、
請求項5に記載のラマン分光測定方法。
The plurality of metal nanostructures generate localized surface plasmon resonance when irradiated with the excitation light.
The light reflecting layer and the dielectric layer function as Fabry-Perot resonators when irradiated with the excitation light.
The Raman spectroscopic measurement method according to claim 5.
前記ファブリ・ペロー共振器の共振波長は、前記局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内である、請求項6に記載のラマン分光測定方法。 The Raman spectroscopic measurement method according to claim 6, wherein the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is within the range of the peak wavelength of the localized surface plasmon resonance ± the half width of the peak. 前記複数の金属ナノ構造体は、前記誘電体層に実質的に埋まらないように前記誘電体層上に配置されている、請求項5~7のいずれか一項に記載のラマン分光測定方法。 The Raman spectroscopic measurement method according to any one of claims 5 to 7, wherein the plurality of metal nanostructures are arranged on the dielectric layer so as not to be substantially embedded in the dielectric layer. 光反射層と、
前記光反射層上に配置された誘電体層と、
前記誘電体層上に配置された複数の金属ナノ構造体と、
を有する、表面増強ラマン散乱デバイス。
Light reflective layer and
The dielectric layer arranged on the light reflecting layer and
A plurality of metal nanostructures arranged on the dielectric layer, and
A surface-enhanced Raman scattering device with.
前記複数の金属ナノ構造体は、励起光を照射されたときに局在表面プラズモン共鳴を発生させ、
前記光反射層および前記誘電体層は、前記励起光を照射されたときにファブリ・ペロー共振器として機能する、
請求項9に記載の表面増強ラマン散乱デバイス。
The plurality of metal nanostructures generate localized surface plasmon resonance when irradiated with excitation light.
The light reflecting layer and the dielectric layer function as Fabry-Perot resonators when irradiated with the excitation light.
The surface-enhanced Raman scattering device according to claim 9.
前記ファブリ・ペロー共振器の共振波長は、前記局在表面プラズモン共鳴のピーク波長±当該ピークの半値幅の範囲内である、請求項10に記載の表面増強ラマン散乱デバイス。 The surface-enhanced Raman scattering device according to claim 10, wherein the resonance wavelength of the Fabry-Perot resonator is within the range of the peak wavelength of the localized surface plasmon resonance ± the half width of the peak. 前記複数の金属ナノ構造体は、前記誘電体層に実質的に埋まらないように前記誘電体層上に配置されている、請求項9~11のいずれか一項に記載の表面増強ラマン散乱デバイス。 The surface-enhanced Raman scattering device according to any one of claims 9 to 11, wherein the plurality of metal nanostructures are arranged on the dielectric layer so as not to be substantially embedded in the dielectric layer. ..
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