WO2006080382A1

WO2006080382A1 - ラマン散乱増強用チップ及び該チップを具備する分子センシング装置

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Publication number: WO2006080382A1
Application number: PCT/JP2006/301197
Authority: WO
Inventors: Makoto Fujimaki; Junji Tominaga; Yasuhiko Iwanabe
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2005-01-31
Filing date: 2006-01-26
Publication date: 2006-08-03
Also published as: US20090027668A1; JP2006208271A; JP4317989B2; US7692787B2

Abstract

　本発明は、プラズモンによるラマン散乱増強を利用したラマン分光分析を行う分子センシング装置に使用される、センシング感度の高感度化、安定化、及び小型化を実現するための分子センシング装置用チップ及び該チップを具備する分子センシング装置を提供することを目的とする。　本発明では、ラマン散乱励起用光源と、ラマン散乱増強用チップと、ラマン散乱光検出器を備えるラマン分光分析を用いた分子センシング装置に使用するラマン散乱増強用チップとして、貴金属酸化物を含有する薄膜３１上に誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜により構成された透明性保護材料薄膜３２を形成した分子検出部を有するチップを用い、貴金属酸化物を含有する薄膜によるラマン散乱増強を利用する。　

Description

ラマン散乱増強用チップ及び該チップを具備する分子センシング装置技術分野

[0001] 本発明は、ラマン分光分析によって分子のセンシングを行う分子センシング装置（分子センサー）のセンサーとして使用されるラマン散乱増強用チップ、及び該チップを具備する分子センシング装置に関する。

背景技術

[0002] 金属薄膜表面や金属微粒子表面に発生するプラズモンを用いたラマン散乱光の増強（ラマン散乱増強）は、表面増強ラマン散乱（Surface Enhanced Raman Scatterin g、 SERS)として知られ、様々な物質の検出、同定への利用が報告されている。例えば、 J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 11, pp.6187- 6191 (2000)には、表面プラズモン'ポラリトンによる電場増強を利用したラマン分光分析につ、て記載されて、る。この論文では、ガラス基板上に形成した銀薄膜の表面プラズモン共鳴を利用して、 Ag薄膜上に存在する TiO薄膜のラマン分光分析を行っている。但し、この様な、金属薄膜によ

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る表面プラズモン'ポラリトンを用いたラマン散乱の増強には、全反射プリズムを用いる必要があり、全反射プリズムを用いることによる装置の大型化、励起レーザー光の入射角の固定などが必要となり、装置形成が煩雑になってしまうという欠点があった。

[0003] SERSの誘起は、薄膜のみではなぐ金属がナノスケールであればよいので、例えば、ナノスケールの先端径を有する金属の針を分子などの検体に接触させ光を照射すれば、その分子からのラマン散乱光を増強することもできる。このようなナノスケ一ルの金属針を用い、微小空間の検体をマッピングする近接場ラマン顕微鏡も報告されている（Proc. SPIE., 3791, 40 (1999))。このような観察手法は、微小領域の検体観察には有効であるが、微細金属針の形成が煩雑であることや、一般に測定に長時間を要することから、簡易かつ高速な検体検出、検体同定には適応できない。

[0004] 貴金属微粒子、例えば、銀等の島状粒子を真空成膜法等で析出させたものや、貴金属コロイドなどを用いた SERSの報告もこれまでに多数ある。しかしながら、貴金属微粒子を用いた SERSでは、粒子サイズのばらつきや、粒子間隔のばらつきの制御が難しぐ増強効果にばらつきが大きいという欠点があった。コロイドを用いる場合では、溶液の特性、特に pHや溶けている物質など、によって SERSによる増強効果がばらついてしまい、測定が難しい、又は定量性が得られない、といった欠点があることが知られている。

[0005] 貴金属微粒子を用いた分子センサーにおける上述のような欠点を克服し、安定かつ高感度に分子を検出する分子センサーとして、酸ィ匕銀などの貴金属化合物へのレ一ザ一光照射などによる熱分解時に形成される銀微粒子を用いた分子センサーが報告されている（Jpn. J. Appl. Phys., 39, 980-981(2000)、 Appl. Phys. Lett., 79, 620 -622(2001)、特開 2002- 277397号公報）。

[0006] 特許文献 1：特開 2002-277397号公報

非特許文献 1 :J. Appl. Phys., Vol. 88, No. 11, pp.6187- 6191 (2000)

非特許文献 2 : Proc. SPIE., 3791, 40 (1999)

非特許文献 3 : Jpn. J. Appl. Phys., 39, 980-981 (2000)

非特許文献 4: Appl. Phys. Lett., 79, 620-622 (2001)

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] レーザー光照射などによる酸化銀の分解によって形成される銀微粒子を用いた分子センサーは、ラマン活性の低い検体 (分子など）の検出には、感度が足りないという欠点があった。また、酸化銀などの金属酸化物は酸化力が強ぐ検体や検体が含まれる溶媒を酸化して変質させてしまい、その結果、本来溶媒中に含まれていない物質まで検出してしまうという欠点があった。

[0008] 以上の問題点に鑑み、本発明は、プラズモンによるラマン散乱増強を利用したラマン分光分析を行う分子センシング装置に使用される、センシング感度の高感度化、安定化、及び小型化を実現するための分子センシング装置用チップ及び該チップを具備する分子センシング装置を提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 本発明では、ラマン散乱励起用光源と、ラマン散乱増強用チップと、ラマン散乱光検出器を備えるラマン分光分析を用いた分子センシング装置において、ラマン散乱増強用チップとして、貴金属酸化物を含有する薄膜上に誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜を形成した分子検出部を有するチップを用い、貴金属酸化物を含有する薄膜によるラマン散乱増強を利用する。

発明の効果

[0010] 本発明によると、従来の貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜 (又は貴金属酸ィ匕膜)を用いた分子センシング装置より、さらに高感度に分子を検出することができる。さらには、貴金属酸化物と検出分子又は検出分子が含まれる溶液や気体との化学反応を抑制し、安定してより高精度に分子を検出することができる。

図面の簡単な説明

[0011] [図 1]図 1は本発明による分子センシング装置の構成例を示す図である。

[図 2]図 2は本発明によるラマン散乱増強用チップの構造例を示す断面模式図である

[図 3]図 3は貴金属酸化物を含有する薄膜中に貴金属を含有する微粒子が形成された様子を示す概念図。

[図 4]図 4は本発明によるラマン散乱増強用チップの他の構造例を示す断面模式図である。

[図 5]図 5は酸ィ匕銀へのレーザー光照射によって形成された銀微粒子の SEM像を示す図である。

[図 6]図 6は酸ィ匕銀上に形成されたシリコン酸ィ匕膜にレーザー光を照射した時の SE M像を示す図である。

[図 7]図 7はラマン散乱増強用チップ、検体、セル、励起光入射方向、ラマン散乱光検出方向の配置例を示す図である。

[図 8]図 8は本発明によるラマン散乱増強用チップの他の構造例を示す断面模式図である。

[図 9]図 9は本発明によるラマン散乱増強用チップの他の構造例を示す断面模式図である。

[図 10]図 10は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。 [図 11]図 11は本発明によるラマン散乱増強用チップと比較用チップを用いて測定したラマン散乱スペクトルを示す図である。

[図 12]図 12はチップ上に形成された誘電体材料層の膜厚とラマン散乱光強度の関係を示す図である。

[図 13]図 13は熱処理を行ったチップと行っていないチップによる測定結果を示す図である。

[図 14]図 14は IPA中に溶解したアデニンのラマン散乱スペクトルを示す図である。

[図 15]図 15は水に溶解したアデニンのラマン散乱スペクトルを示す図である。

[図 16]図 16は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

[図 17]図 17は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

[図 18]図 18は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

[図 19]図 19は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

[図 20]図 20は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

[図 21]図 21は本発明によるラマン散乱増強用チップを用いて測定したラマン散乱スベクトルを示す図である。

符号の説明

10:励起光源、 11:光学フィルター、 12:ミラー、 13:ハーフミラー、 14:対物レンズ、 15:容器、 16:検体、 17:ラマン散乱増強用チップ、 18:ノッチフィルタ一、 19:分光器、 20:光検出器、 30:基体、 31:貴金属酸化物を含有する薄膜、 32:誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜、 33:貴金属を含有する微粒子、 35:金属層、 36:誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜、 37:蓋、 38:TiO薄膜層、 39:Si02薄膜層、 41:

2

励起光、 42:ラマン散乱光

発明を実施するための最良の形態 [0013] 本発明の分子センシング装置は、検出対象となる分子力のラマン散乱光を観測することによって、分子の検出を行う。図 1は、本発明による分子センシング装置の構成例を示す図である。

[0014] ラマン散乱を誘起する励起光源 10から発せられた光は、光学フィルター 11に通して、不要な輝線等を取り除く。その後、ミラー 12によって、光軸を変えて対物レンズ 1 4に導く。対物レンズ 14によって、励起光 41を、後述する本発明のラマン散乱増強用チップ 17上に集光するように照射する。この時、ラマン散乱増強用チップ 17は、検体を入れる容器 15の底に配置されており、この容器 15には検体 (この場合、溶液） 16 が入っている。ラマン散乱増強用チップ 17は、分子検出部、すなわち、貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜層及び、誘電体材料薄膜層又は半導体材料薄膜層が上面になるように配置してある。ラマン散乱増強用チップ表面付近に存在する検体は、そのラマン散乱光強度がラマン散乱増強用チップ 17によって増強される。このラマン散乱光 4 2には励起光の反射光や散乱光が含まれているため、これらをノッチフィルター 18によって除去し、ラマン散乱光のみを分光器 19に取り込んで分光し、光検出器 20によつて検出することによって分子センシングを行う。

[0015] 上記は分子センシング装置の一例であって、従来のラマン散乱分光分析を行う光学配置であれば、どのようなものでも用いることが出来る。例えば、光学フィルター 11 は、励起光源 10からの不要な光を取り除き、観測すべきシグナルにこの励起光源からの不要な光や、この不要な光によるラマン散乱光が光検出器に入らな、ようにすることが主な目的であることから、使用する励起光源、及び観測するラマン散乱シグナルによっては、光学フィルタ一は不要となる。また、光軸を合わせるためにミラー 12を使用している力これは勿論、励起光源の配置によって、不要になる場合もあれば、複数必要になる場合もある。また、光ファイバによって、励起光を導いても良い。対物レンズ 14は、微小容量の検体を微小領域で測定する、所謂、顕微観測に有効である力検体の量が多い場合、または検出すべき領域が広い場合には、用いなくとも良い。

[0016] 図 1では、ラマン散乱光は後方散乱 (励起光が入射された側へのラマン散乱)を観測している力ラマン散乱はあらゆる方向に発する為、必ずしも後方である必要は無ぐ任意の方向で観測が可能である。図 1は、後方散乱による観測の例を示しており

、その為、励起光源の光軸とラマン散乱光の光軸が重なってしまうため、ハーフミラー

13を用いて、ラマン散乱光を光検出器 20の方向に導いている。ハーフミラー 13を用いる理由は、もしこのミラーが全反射ミラーであった場合、励起光も全反射されてしまうため、励起光を試料に導けないからである。よって、ラマン散乱光を取り込む方向が異なれば、ハーフミラーはミラーに置き換えることも可能であり、また、当然、光検出器の配置によっては、ミラーも不要となる。また、励起光と同様に、ラマン散乱光も光ファィバによって、光検出器に導いても良い。

[0017] ノッチフィルタ一 18は、上述のように、励起光を取り除くために使用する力これも、観測したヽシグナル力励起光とエネルギー的に離れた位置に観測される場合は不要である。また、図 1では、シグナルの検出の為に分光器 19を用いている力観測すべきシグナルの波長帯域が固定されて、る場合、つまり特定の分子の特定のシグナルのみを観測し、特定の分子の有無の検出を行う場合などは、分光器の代わりに光学フィルターを用いることによって、より装置を簡素化できる。光検出器 20としては、 CCD,光電子倍増管、フォトダイオードなど、従来用いられているあらゆる光検出器を用いることができる。

[0018] つまり、上述のように、本発明では、従来のラマン分光分析を行う光学配置であれば、どのようなものでも用いることができることから、本発明における検出装置自身の具体的構造は特に限定しない。しかし、少なくとも、ラマン散乱を励起する励起光源及び、ラマン散乱光を検出する光検出器、及び本発明によるラマン散乱増強用チップは必ず備えるものとする。

[0019] 図 1では、本発明によるラマン散乱増強用チップは、検体を入れる容器の底に上向きに配置され、容器中に検体を満たし、ラマン散乱増強用チップ表面に励起光を照射して観測を行った。この配置も検出すべきものによっていろいろと変えることが望ましい。また、検体を入れる為の容器を用いなくとも、ラマン散乱増強用チップ上に検体を塗布する又は乗せるだけでも、センシングは可能である。つまり、センシングを実施するには、少なくとも、ラマン散乱増強用チップの表面上 (つまり分子検出部上）に、検体が接触、又は近接していれば良い。ラマン散乱増強用チップ及び検体の配置、ラマン散乱励起用光源の照射方向、ラマン散乱光の観測方向に関しては、以下に述べるラマン散乱増強用チップの構成によって、様々な方法があることから、ラマン散乱増強用チップの構造を示した後に説明する。

[0020] 本発明によるラマン散乱増強用チップは、基体の表面の一部又は全部に貴金属酸化物を含有する薄膜を形成し、さらにこの貴金属酸化物を含有する薄膜の表面に、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜等からなる透明性保護材料薄膜を形成したものである。基体は、固体状の物質であれば、いずれも使用でき、また、その形状も用途ゃ応用分野によって、適宜選定すればよい。

[0021] 本発明の分子センシング装置は、ラマン散乱増強用チップの貴金属酸化物から貴金属を含有する微粒子を生成し、この微粒子の表面付近に発生する局在プラズモンによるラマン散乱増強を利用して、ラマン分光分析によって検体を検出しているものと考えられる。つまり、貴金属酸化物を含有する薄膜上に、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜を形成し、その後、貴金属酸ィ匕物カゝら貴金属を含有する微粒子を生成して分子のセンシングを行うものである。

[0022] この貴金属酸化物からの貴金属を含有する微粒子の生成は、例えば、貴金属酸化物への電磁波照射や加熱によって行うことができる。この微粒子生成反応に関しては、特開 2002-277397号公報にも記載されているが、電磁波照射や加熱による、貴金属酸ィ匕物の還元又は分解によって、上述のような貴金属を含有する微粒子が形成されると思われる。

[0023] 貴金属酸化物は、銀、白金、又はパラジウムのように、上述のような電磁波照射や加熱による還元又は分解によって、実質的に貴金属を含有する微粒子が形成できるものであれば、特に限定されないが、銀の酸ィ匕物を使用することが好ましい。また、貴金属酸化物は、化学量論組成であっても良いが、必ずしも化学量論組成を満たしている必要はなぐラマン散乱の増強量が大きくなるように実験的に適宜糸且成を決定すればよい。例えば、銀の酸化物を用いた場合、 AgOxにおける Xは 0. 2から 1の範囲が望ましい。

[0024] 貴金属酸化物を含有する薄膜は、物理蒸着法又は真空成膜法によって形成することが望ましい。物理蒸着法としてはスパッタリング法が、真空成膜法としては真空蒸着法が望ましい。スパッタリング法では、貴金属酸化物を含有する材料をターゲットとして用いても良ぐ酸素を含む雰囲気中で貴金属ターゲットを用 V、て反応性スパッタリングを行ってもよい。反応性スパッタリングを用いれば、酸素ガスの流量や雰囲気中の酸素分圧を制御することによって、貴金属酸化物中の組成、特に酸素含有量を容易に制御することができることから、ラマン散乱増強をより強く生じる組成を持った貴金属酸化物を容易に形成できる。貴金属酸化物中の組成、特に酸素含有量は、薄膜形成中又は薄膜形成後の熱処理によっても調整が可能である。

[0025] 貴金属酸化物を含有する薄膜の膜厚は、 l〜500nm程度、好ましくは 3〜： LOOnm 程度である。膜厚が薄いほど、形成される粒子の大きさが小さくなるため、ラマン散乱光の強度は強くなる。しかし、膜が薄すぎると、粒子径カ、さくなりすぎて、力えってラマン散乱増強が小さくなつてしまう。

[0026] 本発明では、上記のように形成した貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜上に、さらに誘電体材料薄膜、又は半導体材料薄膜を形成する。本発明によるラマン散乱増強用チップの最も基本的な構造例の断面模式図を図 2に示す。図 2のように、まず基体 30を用意し、その表面に前述の手法にて、貴金属酸化物を含有する薄膜 31を形成し、さらにその上に、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32を形成する。

[0027] このように誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32を形成することによって、貴金属酸化物が還元又は分解されて、貴金属を含有する微粒子 33が形成された際、この微粒子は、誘電体又は半導体に包まれた形で形成される。この様子を概念的に示したものが図 3である。このように微粒子 33が誘電体や半導体に内包されると、ラマン散乱増強を生じさせるための励起光の波長帯域を変化させることができ、様々な光源を用いた高感度なセンシングが可能となる。

[0028] この効果を、図 3の状況を、擬似的に貴金属微粒子が球形の誘電体粒子内に内包されている場合で説明する。貴金属微粒子として銀微粒子を、誘電体材料としてシリ力ガラスを用いた場合、銀微粒子の直径が 40nmで、シリカガラスが無い場合は、局在プラズモンを発生させて効率良く電場増強を行える励起光の波長帯域は 370nm 〜430nm付近である。一方、この銀微粒子が厚さ 50nmのシリカガラスの球内に内包されると、この励起光の波長帯域は 430ηπ！〜 600nm付近までシフトさせることができる。また、シリカガラスの代わりに 2酸ィ匕チタンを用いれば、同等の厚さ（50nm) で励起波長帯域を 500nm〜700nmまでシフトさせることができる。

[0029] 一般にラマン散乱を用いた分析は、分子を特定する上で有力な方法であるが、ラマン散乱を誘起するためのレーザー光照射によって検体又は検体を含有する物質、例えば溶媒、などが発光を生じてしまう場合、ラマン散乱光がその発光のために検出しにくくなる場合がある。ラマン散乱光は、その励起光のエネルギーに対して、常に一定のエネルギー差をもった位置にそのピーク、又は波形が観測される。一方、発光は

、光源によらずピーク位置は一定のエネルギー帯域に生じることが多ぐまた、光源の選択によって発光を抑制することも可能である。よって、本手法によって、ラマン散乱増強を効率良く生じさせる励起光の波長帯域を変化させ、適切な光源を用いることによって、ラマン分光分析に有効な波長帯域で、尚且つ発光による測定の妨げを抑帘 Uすることができる。

[0030] このように本発明は、従来技術より光源の選択の幅を広げ、より高感度に分子センシングすることを可能にする。

[0031] また、貴金属微粒子を内包した誘電体粒子又は半導体粒子は、局在プラズモンをより強く発生する場合がある。本発明は、上述のように、擬似的に貴金属微粒子を内包した誘電体粒子又は半導体粒子を形成しているともいえる。このことも、センサーの感度の向上に寄与する。

[0032] また、貴金属微粒子の近傍に金属の層、又は島状の金属粒子を含有する層が存在すると、さらに局在プラズモンを強く発生させることができる。よって、基体の表面に金属層、又は金属微粒子を含有する層を形成するか、又は、基体自身を実質的に金属で形成することによって、ラマン散乱増強をより強くし、センサーの感度をさらに向上することが出来る。この時、この金属が金、銀、白金、パラジウム等の貴金属であれば、さらに感度の向上が期待できる。

[0033] 但し、この時、貴金属酸化物を含有する層から形成される貴金属を含有する微粒子と、基体表面又は基体自身の金属とが直接触れてしまうと、局在プラズモンの強度が弱くなつてしまう恐れがある。よって、基体表面の金属のさらに上に誘電体材料薄膜又は半導体材料薄を形成し、貴金属酸化物を含有する層と、基体表面の金属とが直接触れな、ようにすることによって、この局在プラス、モン強度の減少を防ぐことができる。このような構造を持つラマン散乱増強用チップの例を図 4に示す。図 4に示したラマン散乱増強用チップは、基体 30上に金属層 35、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 36、貴金属酸化物を含有する薄膜 31、及び誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32を積層した構造を有する。

[0034] さらに本発明のラマン散乱増強用チップは、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄 3 2を貴金属酸化物を含有する薄膜 31上に形成することによって、検体と貴金属酸ィ匕物との直接の接触をなくすという効果がある。貴金属酸化物は、場合によって酸素を放出し、他の物質を酸化させてしまう。例えば、 AgOは、強力な酸化剤として知られている。このため、検体又は検体を含む溶媒等が貴金属酸化物と直接接触すると、化学反応によって元々含まれていな力つた別の物質に変化してしまう恐れがあり、その結果、検出したい物質の検出が困難になってしまう場合がある。本発明のように、貴金属酸化物を含有する薄膜を誘電体や半導体のような透明性を有する保護材料薄膜によってコートすることにより、このような化学反応を抑制し、安定した分子センシングが可能になる。

[0035] さらには、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32は、貴金属酸化物を含有する薄膜 31を保護する役目も果たす。貴金属酸化物は、酸やアルカリに溶けやすい場合が多い。また水に対しても、微量ながら溶けることがある。元々、この貴金属酸化物を含有する薄膜 31は l〜500nm程度の厚さし力持たないため、微量の溶解でも膜がなくなってしまい、全くセンサーとしての感度がなくなってしまうこともある。検体に対して安定な誘電体材料や半導体材料を選ぶことによって、貴金属酸化物の溶解を抑制し、センシングを安定ィ匕することができる。

[0036] 以上に述べた、誘電体材料や半導体材料としては、基本的にはどのような材料でも適応可能である。但し、上述のように、センサーの化学的安定を高める目的を達成するためには、これらの材料が化学的に安定であることが望ましい。このようなことから、誘電体材料としては、シリコンの酸ィ匕物 (シリカガラスを含む)や窒化物、一般的に用いられているガラス材料、アクリルやポリカーボネート、ポリエチレン、ポリプロピレン等のポリマー材料などが好ましい。半導体材料としては、やはり化学的に安定な Siや G e、又は化合物半導体が好ましい。但し、半導体の導電性が高い場合、プラズモンによる電場増強、つまりラマン散乱増強が発生しに《なってしまう。よって、これらの材料は真性半導体に近！ヽ電気特性を示すことが好まヽ。

[0037] これらの誘電体材料薄膜、及び半導体材料薄膜は、貴金属酸化物を含有する薄膜と同様に、物理蒸着法又は真空成膜法によって形成することが望ましい。物理蒸着法としてはスパッタリング法が、真空成膜法としては真空蒸着法が望ましい。また、スピンコートなどによって、薄膜形成が可能な材料であれば、スピンコートによって、貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜の表面に塗布してもよい。

[0038] これらの誘電体材料薄膜、及び半導体材料薄膜の厚さは、 l〜500nmが好ましぐ 10〜200nmがより好ましい。この膜厚は、厚すぎるとプラズモンによる電場増強効果力 Sなくなってしまい、一方、薄すぎると、プラズモンを励起する励起光の波長帯域の広帯域ィ匕が十分ではなくなつてしまう。

[0039] この効果を実際に確かめた結果を図 12に示す。ここでは、貴金属酸化物として酸化銀を、誘電体材料薄膜としてシリコン酸ィ匕物薄膜 (シリコン酸ィ匕膜)を用いた。この時の検体は、イソプロピルアルコール (IPA)中に安息香酸（BA)を溶解したものである。詳細は、実施例 2を参照されたい。シリコン酸ィ匕膜を付けない場合より、 l〜160n m程度の厚さにシリコン酸ィ匕膜を付けた方が、シグナルの強度が高いことが分かる。しかし、シリコン酸ィ匕膜の厚さをさらに厚くしてしまうと、シリコン酸ィ匕膜を付けない場合よりもシグナルが小さくなつてしま、、 500nm程度での膜厚では非常に微小なシグナルが得られる程度となってしまう。さらに 600nm以上では、実施例 2ではシグナルが観測されな力つた。勿論、実施例 2で用いた検体より、 BAの濃度が高い場合は検出が可能であるが、微量分子の高感度検出は難しくなつてしまうことが分力る。

[0040] しかし、一方で、この誘電体材料薄膜や半導体材料薄膜は、検体と貴金属酸化物との化学反応を抑制すると言う効果も持つ。この効果は、当然、膜厚が厚くなつたほうが高くなる。よって、検体や溶媒が貴金属酸化物と反応を生じ易い物質の場合、多少シグナルの検出感度を落としてでも、化学反応の抑制を重視したほうが、結果的に高感度な観測が可能となる。この様な場合、シリコン酸ィ匕膜の膜厚は 10〜500nm程度が望ましい。 [0041] 以上の条件から、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜の膜厚は l〜500nmが好ましぐさらに、シグナルの高感度化及びィ匕学反応の抑制を同時に得るためには、 10 〜200nm程度がより好ましい。

[0042] 本発明における、上記ラマン散乱増強用チップを用いたラマン分光分析による分子センシングの実施には幾つかの方法が挙げられる。

[0043] 1つ目の方法は以下の通りである。ラマン分光分析を行う前に、ラマン散乱増強用チップ中の貴金属酸ィ匕物を還元又は分解して、基体と誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜との間に、貴金属を含有する微粒子を形成する。この微粒子の形成には、電磁波照射を利用することが好ましい。使用する電磁波の波長は特に限定されず、還元又は分解対象の貴金属酸ィ匕物に応じて、適宜決定すればよい。例えば、酸ィ匕銀を用いたラマン散乱増強用チップの場合、紫外域から赤外域での様々な波長の電磁波照射で銀を含有する微粒子の形成が行える。また、電磁波はレーザー光のような単色光でもよぐ連続スペクトル光でもよい。

[0044] 厚さ lOOnmの酸ィ匕銀薄膜に Arイオンレーザー光（波長 488nm)を照射した際に形成される銀微粒子の SEM (走査型電子顕微鏡)像を図 5に示す。ここで、この酸化銀は、 Agをターゲットとし、反応性ガスとして酸素と Arの混合ガスを用いた反応性スノッタリング法により形成した。図 5 (a)は、酸素と Arの流量比 O

2 Z(Ar+0 )を 0. 7

2

5、図 5 (b)は流量比を 0. 7、図 5 (c)は流量比を 0. 6、図 5 (d)は流量比を 0. 5として作製したものである。レーザー光照射時間は図 5 (a)の試料のみ 5分とし、他は 7分とした。レーザー光が照射された部分に凝集した微粒子の形成が確認できる。微粒子の粒径は約 20〜100nm程度である。

[0045] これらの SEM像は一例であって、粒径や粒子の分布は酸ィ匕銀の膜厚、酸素含有量、作製方法、レーザーの照射時間などによって変化する。また、ここで示した SEM 像は、誘電体材料薄膜や半導体材料薄膜を付けてヽなヽ試料にぉヽて撮影したものである。なぜなら、これらの膜を付けてしまうと微粒子はこの膜中に形成されることから、 SEMでの観察は不可能であるからである。

[0046] 誘電体材料薄膜として、シリコン酸ィ匕膜を用いたラマン散乱増強用チップに対して、 Arイオンレーザー光を照射した場合の SEM像の例を図 6に示す。図 6 (a)は酸ィ匕銀上に厚さ 160nmのシリコン酸ィ匕膜を形成したラマン散乱増強用チップ、図 6 (b)は厚さ 80nmのシリコン酸ィ匕膜を形成したラマン散乱増強用チップのレーザー光照射後の SEM像である。シリコン酸ィ匕膜の存在によって、 Agを含有する微粒子を確認することは出来ないが、レーザー光照射した部分のシリコン酸ィ匕膜表面に凹凸が出来ていることが確認できる。これは、内部で、 Agを含有する微粒子が形成されたこと、又は酸ィ匕銀が分解又は還元され酸素が放出されたことが原因ではないかと考えられる。但し、この図 6に示したようなシリコン酸ィ匕膜表面の凹凸が常に観測される訳ではない。例えば、酸ィ匕銀薄膜の厚さが薄力つたり、シリコン酸ィ匕膜の厚さが厚すぎたり、薄すぎたりした場合、観測されないこともある。また、酸ィ匕銀中の酸素量が少ない場合も明瞭な凹凸は観測されないことがある。

[0047] 電磁波照射以外にも、ラマン散乱増強用チップ形成後の熱処理によっても、貴金属を含有する微粒子を形成できる。熱処理温度は、酸化銀の場合 100°C以上、酸化白金の場合は 500°C以上、酸ィ匕パラジウムの場合 700°C以上が好適である。処理時間は数分力も数十分が望ましい。

[0048] また、酸化銀の場合、ラマン散乱増強用チップを 50〜300°C、好ましくは 80〜150 °Cで数分熱処理した後に電磁波照射することによって微粒子を形成した場合、効率のよい分子検出効果が確認されている。例えば、 AgOを 100度で 5分加熱した後、 A rイオンレーザー光照射を行い、その後、 Arイオンレーザー光を励起光としてラマン分光分析を行った場合、熱処理を行わない場合より、 1. 5〜2倍程度の感度を得ることが出来た。詳細は実施例 4で説明する。

[0049] これらの手法によって、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜の内側に貴金属を含有する微粒子を形成したラマン散乱増強用チップの表面に、溶液や気体などの検体を接触又は近接させ、ラマン分光分析を行うことによって、検体の検出がなされる。

[0050] 但し、以上のような、測定前の電磁波照射や熱処理は必ずしも必要な、。その方法を以下に、 2つ目の方法として説明する。

[0051] 2つ目の方法は、ラマン分光分析に用いる光源からの光によって、貴金属を含有する微粒子を形成し、この微粒子を用いて、ラマン散乱増強を行う方法である。この手法では、ラマン分光分析の観測自身が、微粒子を形成する工程となるため、前述のような、あらかじめ微粒子を形成する電磁波照射や熱処理の工程を省略することができ、より簡易にセンシングが可能となる。

[0052] また、この場合にも、 1つ目の方法と同様、ラマン分光分析における励起光照射 (つまり電磁波照射）の前に、ラマン散乱増強用チップを 50〜300°C、好ましくは 80〜1 50°Cで熱処理することによって、センシング感度を高めることができる。

[0053] 但し、この手法では、ラマン分光分析に用いる励起光の照射によって、徐々に微粒子が形成されていくことから、徐々にラマン散乱増強効果が大きくなり、その結果、シグナル強度は測定時間が経つにつれて大きくなつていく。よって、定量分析を行うには、シグナル強度の飽和値を測定する力、又は励起光照射開始力ある一定時間後にシグナル強度が達する値にて評価する。

[0054] 以上に述べた微粒子形成のための電磁波照射、及びラマン分光分析のための励起光照射は、基体側からでも、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜側カゝらでもよい。また、ラマン散乱光の検出も上記のいずれの側からでもよい。しかし、センシングの感度を高めるため、もし、基体側から上記の電磁波照射、励起光照射、又はラマン散乱光の検出を行う場合には、これらの電磁波、励起光、又はラマン散乱光に対して、基体の透過率が高いことが好ましい。同様に、もし、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜側から、電磁波照射、励起光照射、又はラマン散乱光の検出を行う場合には、電磁波、励起光、又はラマン散乱光に対して、これらの薄膜の透過率が高いことが好ましい。

[0055] ここで図 7に、基体 30、金属酸化物を含有する薄膜 31、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32からなるラマン散乱増強用チップ 17、検体 16、検体を入れるセル (容器） 15、励起光 41の入射方向、ラマン散乱光 42の検出方向の配置例を幾つか示す

[0056] 図 7 (a)は、図 1に示した配置例と同じである。まず、検体 16を入れるセル 15の底に、上面に分子検出部が形成されている面が来るようにラマン散乱増強用チップ 17を置く。セル 15中に検体 16を入れ、上方力も励起光 41を入射し、上方へのラマン散乱光 42を観測する。この場合、検体 16は、溶液か、又は空気より重い気体となる。

[0057] 図 7 (b)は、図 7 (a)と同様のセル 15とラマン散乱増強用チップ 17の配置において、上方から励起光 41を入射し、下方へのラマン散乱光 42を観測する配置である。この場合、ラマン散乱増強用チップ 17の基体 30及びセル 15の下面 (底）は、ラマン散乱光 42を透過しやす、材料とする必要がある。

[0058] 図 7 (e)、図 7 (f)はそれぞれ、図 7 (a)、図 7 (b)の配置において、励起光 41を下側力も入射した場合である。この場合、ラマン散乱増強用チップ 17の基体 30及びセル 15の下面は、励起光 41を透過しやすい材料とする必要がある。また、図 7 (f)では、ラマン散乱光 42も下側から検出することから、ラマン散乱増強用チップ 17の基体 30 及びセル 15の下面はラマン散乱光 42も透過しやすい材料とする必要がある。

[0059] 図 7 (c)、図 7 (d)はセル 15の底に、貴金属酸化物を含有する薄膜 31及び誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32を形成したものである。つまり、セル自身を基体として用い、ラマン散乱増強用チップとしたものである。図 7 (c)、図 7 (d)の両者とも励起光 41は上方から照射しているが、勿論、下方力もの照射でも良い。

[0060] また、図 7 (g)のようにセル 15に蓋 37をすれば、検体 16が気体であっても、容易に観測ができる。また、図 7 (h)のように、蓋 37の内側に貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜 31及び誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32を形成し、蓋をラマン散乱増強用チップの基体として用いることもできる。

[0061] 勿論、いずれの場合も、励起光の照射及びラマン散乱光の検出は、上方からでも下方力でも行える。また、これらの図中では、励起光照射及びラマン散乱光検出はラマン散乱増強用チップに対して垂直方向で行っている力これは実際には、あらゆる角度を用いることが可能である。また、基体の断面形状、セルの断面形状ともに、矩形である必要は無ぐ検体の形状、及び用途に応じて、各種形状を選択することが望ましい。

[0062] また、上記のセルは、流路にも置き換えることができる。流路中に上記のようにラマン散乱増強用チップを配置したり、流路内壁にラマン散乱増強用チップを直接形成したりすることによって、検体を流しながらの分子検出が可能となる。

[0063] 以上では、 1種類の貴金属酸化物を含有する薄膜 1層の上に 1種類の誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜を 1層形成する方法を述べたが、これらは必ずしも 1種類ずつ、又は 1層ずつである必要はない。むしろ、複数層組み合わせることによって、より高、検出感度及び安定性が得られることもある。

[0064] 例えば、酸化銀薄膜を貴金属酸化物を含有する薄膜として、 SiOを誘電体材料薄

2

膜として用いた場合、酸ィ匕銀薄膜は上述のように、膜厚が厚すぎても薄すぎても、ラマン散乱増強効果が小さくなつてしまう。そこで、最適な膜厚の酸化銀薄膜層を基体上に形成し、その上に SiO層をさらに形成し、さらにその上に酸ィ匕銀薄膜層、 SiO

2 2 層を形成することによって、最適な粒径の銀を含有した微粒子が多層に形成され、より強いラマン散乱増強を得ることができ、かつセンサーの安定化も図れる。この様なラマン散乱増強用チップの例を図 8に示す。図 8に示したラマン散乱増強用チップは、基体 30の上に第 1の貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜 31a、第 1の誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32a、第 2の貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜 31b、及び第 2の誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜 32bを積層した構造を有する。

[0065] また、貴金属を含有する微粒子の周りに形成される誘電体材料又は半導体材料の屈折率が大きいほど、効率の良いラマン散乱増強が得られる励起光の波長帯域は大きく変化する。よって、誘電体材料、又は、半導体材料は屈折率が高い方が好ましい。しかし、このような材料が容易に貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜上に形成できるとは限らない。例えば、スパッタリング法で、 SiOよりはるかに屈折率の高い TiOを堆

2 2 積する場合、 TiOの堆積速度は SiOの堆積速度に対して 5分の 1程度となってしま

2 2

い、産業的ではない。よって、このような場合には、貴金属酸化物を含有する薄膜上に薄く TiO層を形成し、さらにその上に SiO層を形成すればよい。この様なラマン散

2 2

乱増強用チップの概念図を図 9に示す。図 9に示したラマン散乱増強用チップは、基体 30の上に貴金属酸ィ匕物を含有する薄膜 31、 TiO薄膜層 38、及び SiO薄膜層 3

2 2

9を積層した構造を有する。 TiO薄膜層 38の膜厚は l〜20nm程度あればよい。

2

[0066] また、例えば、屈折率の高!、材料として、 Si層を用いる場合、 Siは可視光領域で大きな光吸収を持ってしまうため、 Si層側力も光を照射したり、ラマン散乱光を取り出すことが困難になってしまう。このような場合も、 Si層を膜厚 l〜20nm程度に薄く形成した後、その上に SiO層を形成すればよい。

2

[0067] 以上に示した組み合わせは、上記に限定されるものではなぐ貴金属酸化物を含有する薄膜を 1層以上、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜のいずれかを 1層以上、層状に積層するあらゆる組み合わせが考えられ、検体の種類、検体の様態 (例えば、気体なのか、液体なのか、固体なのか、高温か、低温か、反応性が高いのか低いのか、等）に合わせて、選択することが好ましい。

[0068] 以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する力以下の具体例は本発明を限定するものではない。

[0069] [実施例 1]

本実施例では、基体上に貴金属酸化物を含有する層と、さらにその上に誘電体材料薄膜層を形成した場合について示す。また、比較として、誘電体材料薄膜層を持たないチップ（比較用チップ A)、及び、基体のみのチップ (比較用チップ B)を用いた結果も示す。

[0070] 基体としては lcm角、厚さ 525 mのシリコン基板を用いた。貴金属酸化物を含有する層には、酸化銀を用いた。この酸ィ匕銀は、 Agをターゲットとし、反応性ガスとして酸素と Arの混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成した。この時、酸素と Arの流量比 O Z(Ar+0 )は 0. 75とした。形成された酸化銀の組成は Agと Oの比

2 2

がほぼ 1対 1、つまり AgOであったことから、以下この酸化銀薄膜を AgO薄膜と呼ぶ。さらに、 Arガスを用いたスパッタリング法によって SiOをターゲットとしたスパッタリン

2

グを行い、前記の AgO薄膜上に誘電体材料薄膜としてシリコン酸ィ匕膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。 AgO薄膜の膜厚は 50nm、シリコン酸ィ匕膜の膜厚は 8 Onmとした。

[0071] 比較用チップ Aは、上記と同様のシリコン基板上に、上記と同じ条件で形成した Ag O薄膜を持つチップとした。また、比較用チップ Bは上記と同様のシリコン基板のみのチップとした。

[0072] ラマン散乱測定用の励起光源には Arイオンレーザー（波長 488nm)を用いた。本実施例では、基体にシリコン基板を用いたため、基体側からはこの励起光は透過しない。そのため、光の照射は、薄膜が形成されている側力行った。この配置は図 7 (a) に示した配置である。ここでは、銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の励起光源を用い、ラマン散乱測定と同時に銀含有微粒子を形成する方法を取つた。チップ表面に照射された励起光強度は 2. 7mWであった。励起光は、倍率 50 倍、 NAO. 55の対物レンズによって集光しチップに照射した。ラマン散乱測定は、励起光照射開始後から 1分間隔で 5分まで観測した。

[0073] 検体には溶媒 IPA中に BAを 1. O X 10^_5molZl溶解した溶液を用いた。

[0074] 図 10に、本発明によるラマン散乱増強用チップを用いた場合の、励起光照射直後と励起光照射開始から 5分後の検体のラマン散乱スぺ外ルを示す。励起光照射直後は BAによるシグナルはあまり観測されないが、その後、励起光の照射を続けていくことによって、 BAシグナルが大きくなる、つまりラマン散乱増強が起きることが分かる

[0075] 図 11に、本発明によるラマン散乱増強用チップと比較用チップ A、 Bを用いて検出した検体のラマン散乱スぺ外ルを示す。いずれも、励起光照射開始後 5分経過したときの、ラマン散乱スペクトルである。一番下のスペクトルが本発明によるラマン散乱増強用チップを用いた際のラマン散乱スペクトルであり、中央が比較用チップ Aを用いた際のラマン散乱スペクトルであり、一番上が比較用チップ Bを用いた際のラマン散乱スペクトルである。本発明によるラマン散乱増強用チップを用いた方が比較用チップ Aを用いた時より、 BAによるラマン散乱光強度が約 1. 5倍高いことが分かる。また、比較用チップ Bでは、溶媒である IPAのシグナルは観測される力 BAのシグナルは全く観測されない。

つまり、比較用チップ Bでは、ラマン散乱増強は生じないことが分かる。この様に、本発明のラマン散乱増強用チップを用いることによって、微量に溶解している分子を、高感度で検出できることが分かる。

[0076] また、比較用チップ Aを用いて測定を行ったラマン散乱スペクトルには、本来、検体に含まれていないはずの物質によるブロードなピークが 1340〜1600cm^{_ 1}の領域に観測されている。これは、 AgO薄膜と溶液との化学反応によって生成した物質によるピークであると思われる。一方、本発明によるラマン散乱増強用チップを用いたラマン散乱スペクトルにはこのようなピークは殆ど観測されず、 IPA及び BAのピークが明瞭に観測できている。つまり、本発明のラマン散乱増強用チップには、検体とラマン散乱増強用チップとの化学反応を防ぐことに効果があるということである。この効果によって、各種溶液や気体に対して安定でより正確な分子観測が可能となる。 [0077] [実施例 2]

実施例 1と同様の酸化銀薄膜形成方法で、シリコン基板上に膜厚 15nmの AgO薄膜を开滅し、その上に、膜厚 40nm、 80nm、 160nm、 320nm, 640應の 5つの異なる厚さのシリコン酸ィ匕膜層を形成したチップ作製した。シリコン酸ィ匕膜の形成方法も、実施例 1と同じ方法で行った。また、比較用チップとして、同様の AgO薄膜を持ち、シリコン酸ィ匕膜層を形成して、な、チップも用意した。

[0078] 検体は、溶媒 IPA中に BAを 1. O X 10^_5molZl溶解した溶液を用い、実施例 1と同様に図 7 (a)の配置でラマン散乱測定を行った。本実施例では、ラマン散乱測定用の光源には He— Neレーザー（波長 633nm)を用いた。ここでも実施例 1と同様に、銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の光源を用い、ラマン散乱測定と同時に行った。チップ表面に照射された励起光強度は約 lmWであった。励起光は、倍率 50倍、 NA0. 55の対物レンズによって集光しチップに照射した。

[0079] それぞれのチップを用いて測定した BAシグナルの強度を図 12に示す。ここでは、励起光照射開始後 9分経過した時に観測されたシグナルの強度を用いて比較を行つている。また、本光源では、照射する光の強度のバラつきが有ったため、 BAシグナル強度そのものでは、正確な強度比較が難し力つたため、 1002cm^_1に観測される BAシグナルの強度を、 820cm^_1に観測される IPAシグナル強度で除した値を用い、シグナル強度の校正を行っている。

[0080] 図 12から、シリコン酸化膜層の厚さが 40nm又は 80nmのチップでは、比較用チップより感度が向上していることが分かる。シリコン酸ィ匕膜層の厚さが 160nmのチップでは比較用チップと同程度のシグナル強度となり、膜厚が 320nmになると、シグナルがかなり小さくなり、膜厚 620nmの時には殆ど観測されなカゝつた。このように、本発明によるラマン散乱増強用チップの誘電体層（本実施例ではシリコン酸ィ匕膜層）の膜厚に対して、最適値を実験的に、又はシミュレーションにて得ることによって、ラマン散乱強度をより増強できる。

[0081] しかし、誘電体層の膜厚が最適値であっても、その膜厚では化学反応を抑制しきれない場合もある。その場合には、多少感度を落としてでも、化学反応を抑制したほう

1S 結局高感度検出が可能となるため、このことを考慮に入れて、膜厚を決定することが望ましい。

[0082] [実施例 3]

本実施例では、実施例 1と同様の手法で、膜厚 15nmと膜厚 50nmの AgO薄膜を持つ 2種類のラマン散乱増強用チップを作製し、溶媒 IPA中に BAを 1. 0 X 10"⁵ molZl溶解した溶液に対して、実施例 1と同様に図 7 (a)の配置でラマン散乱測定を行った。本実施例では、ラマン散乱測定用の光源には Arイオンレーザー（波長 488 nm、強度 2. 7mW)を用いた。なおラマン散乱増強用チップの誘電体層（シリコン酸化膜層）の膜厚は 80nmとした。ここでも、シリコン酸化膜の形成方法及び銀を含有する微粒子の形成は、実施例 1と同じ方法で行った。

[0083] この結果、膜厚 15nmの AgO薄膜を持つラマン散乱増強用チップでは、励起光照射開始後 5分経過した際の BAによる 1002cm^_1に見られるピーク強度が 430カウントであったが、膜厚 50nmの AgO薄膜を持つラマン散乱増強用チップでは、同様の条件で、このピーク強度は 320カウントであった。ここで、カウントとは、我々の用いた光検出器 (CCD)で検出したシグナル強度に比例する値である。この様に、 AgO膜厚の最適化によっても、大き、感度を得ることができる。

[0084] 但し、高強度を得られる貴金属酸ィ匕物を含有する層の最適厚さは、貴金属酸化物の組成やその上に形成する誘電体材料又は半導体材料によって異なってくる為、実験的に最適化するか、または、形成される貴金属を含有する微粒子の径を予想し、シミュレーションによって最適化することが好ましい。

[0085] [実施例 4]

本実施例では、実施例 1と同様のラマン散乱増強用チップ、つまりシリコン基板上に膜厚 50nmの AgO薄膜と膜厚 80nmのシリコン酸ィ匕膜を作製し、ラマン散乱測定前に、窒素雰囲気中 100°Cで 5分間熱処理を行った。また、比較用チップとして、熱処理を行って、な、以外は同じ条件のチップも用意した。

[0086] これらのチップによって、実施例 1と同様に、ラマン散乱測定用の励起光源に Arィオンレーザー（波長 488nm)を用い、図 7 (a)に示す配置にて、溶媒 IPA中の BA(1 . 0 X 10^_5molZl)を測定した。チップ表面に照射された励起光強度は、実施例 1同様、 2. 7mWであり、励起光は、倍率 50倍、 NA0. 55の対物レンズによって集光し、チップに照射した。但し、本実施例では、銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の光源を用いて行ったが、この照射処理は、測定の前に別途行った。この微粒子形成用のレーザー光照射時間は 5分とした。

[0087] 本実施例における測定結果を図 13に示す。図 13の下方のスペクトルが熱処理を行ったチップを用いた測定結果であり、上方が熱処理を行って!/ヽな、チップを用いた測定結果である。熱処理によって、約 1. 7倍、高感度に BAが検出できることが分かる。

[0088] [実施例 5]

本実施例では、実施例 1と同様の作製方法で、シリコン基板上に膜厚 15nmの Ag O薄膜と膜厚 80nmのシリコン酸ィ匕膜を作製した。また、比較用チップとして、シリコン酸ィ匕膜を持たな!ヽ試料も用意した。

[0089] これらのチップを用いて、溶媒 IPA及び水にそれぞれ DNA塩基の一つであるアデニンを 1. 0 X 10^_5molZl溶解した 2種類の溶液を検体として用いて、ラマン散乱測定を行った。測定方法は実施例 1と同様である。本発明によるラマン散乱増強用チップ及び比較用チップを用いて測定した IPA中に溶解したアデニンのラマン散乱スぺタトルを図 14に、水に溶解したアデニンのラマン散乱スペクトルを図 15に示す。いずれのスペクトルも、励起光照射開始後 9分経過した時に観測したシグナルである。

[0090] 比較用チップを用いた場合はアデニンのシグナルは観測されな、が、本発明によるラマン散乱増強用チップを用いた場合は、アデニンによるシグナルが観測されてヽる。これは、本発明によるラマン散乱増強用チップを用いることによって、高感度に分子検出が為され、尚且つ、 AgOとアデニン分子との化学的反応を抑え、アデニンの分解を抑制することにより、アデニンの検出が可能になったことを示している。

[0091] [実施例 6]

本実施例では、基体として、 2cm角、厚さ 0. 5mmの SiOガラスを用い、貴金属酸

2

化物を含有する層には、酸ィ匕銀を用いた。この酸ィ匕銀は、 Agをターゲットとし、反応性ガスとして酸素と Arの混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成した。この時、酸素と Arの流量比 O 0 )は 0. 5とした。形成された酸化銀の組成は

2 Z(Ar+

2

Agと Oの比がほぼ 2対 1、つまり Ag Oであった。しカゝしながら、実際には、この場合は酸素流量が少ない為、均一な Ag Oというよりは、むしろ、 AgO、 Ag 0、 Ag等が混在

2 2

しており、結果的に Agと Oの比が 2対 1となっていたと思われる。よって、以下、この層を Ag Oを含有する層と呼ぶ。この Ag Oを含有する層の上に、実施例 1と同様の手

2 2

法で、シリコン酸ィ匕膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。 Ag Oを含有する層

2

の膜厚は 50nm、シリコン酸ィ匕膜の膜厚は 80nmとした。

[0092] 上記のようなラマン散乱増強用チップを用いて、基体側から励起光を照射してラマン分光分析を行った。この時に用いたラマン散乱増強用チップ、検体、及び検体を入れるセルの配置は図 7 (h)に示した配置である。ラマン散乱測定用の励起光源には、 He— Neレーザー（波長 633nm)を用い、溶媒 IPA中の BA (1. 0 X 10"⁵mol/l )を測定した。ラマン散乱増強用チップ表面に照射された励起光強度は 2. 3mWであった。励起光は、倍率 50倍、 NAO. 55の対物レンズによって集光し、ラマン散乱増強用チップに照射した。また、銀を含有する微粒子の形成は、実施例 1と同様に、このラマン散乱測定用の光源を用い、ラマン散乱測定と同時に行った。

[0093] 励起光照射開始後 9分経過した時の測定結果を図 16に示す。本実施例でも、 BA の検出が可能であり、かつ、実施例 1の比較用チップ Aを使用した際に見られたような、本来存在しないはずの物質による 1340〜1600cm^_1領域でのピークの低減が実現できている。

[0094] [実施例 7]

本実施例では、基体自身を金属にした場合及びこの金属基体の表面に誘電体材料薄膜層を形成して基体とした場合、また、表面に金属薄膜層を持つ基体を使用した場合について示す。

[0095] 作製したラマン散乱増強用チップは、次のチップ 1、チップ 2、チップ 3の 3種類である。

[0096] チップ 1 :アルミニウム板を基体として、その上に膜厚 50nmの Ag Oを含有する層と

2

膜厚 80nmのシリコン酸ィ匕膜層を形成したもの。

チップ 2 :アルミニウム板上に膜厚 20nmのシリコン酸ィ匕膜層を形成して基体とし、その上に膜厚 50nmの AgO層と膜厚 80nmのシリコン酸化膜層を形成したもの。

チップ 3 : SiOガラス基板上に厚さ lOOnmの銀の層を形成して基体とし、その上に膜厚 50nmの AgO層と膜厚 80nmのシリコン酸化膜層を形成したもの。

[0097] 上記の AgO層、及び Ag Oを含有する層は、それぞれ、上記実施例 1、実施例 6と

2

同様の方法で形成した。つまり、 Agをターゲットとし、反応性ガスとして酸素と Arの混合ガスを用いた反応性スパッタリング法において、 AgO層形成時は、酸素と Arの流量比 O Z(Ar+0 )を 0. 75とし、 Ag Oを含有する層の形成時は、酸素と Arの流量

2 2 2

比 O Z(Ar+0 )を 0. 5として形成した。シリコン酸化膜層はいずれの

2 2

場合も、 SiOをターゲットとして、 Arガスを用いたスパッタリング法によって形成した。

2

[0098] ラマン散乱測定用の励起光源には He— Neレーザー（波長 633nm)を用いた。また、ラマン散乱増強用チップ、検体、検体を入れるセルの配置は図 7 (a)に示した配置とした。銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の光源を用い、ラマン散乱測定と同時に行った。ラマン散乱増強用チップ表面に照射された励起光強度は約 lmWであった。励起光は、倍率 50倍、 NA0. 55の対物レンズによって集光し、ラマン散乱増強用チップに照射した。検体は、溶媒 IPA中に BAを 1. 0 X 10"⁵mol Zl溶解した溶液を用いた。

[0099] チップ 1、チップ 2、チップ 3における、励起光照射開始後 9分経過した時の測定結果をそれぞれ、図 17、 18、 19に示す。いずれの試料においても、 BAによるピークが明瞭に観測されており、また、実施例 1の比較用チップ Aを使用した際に見られたような、本来存在しないはずの物質による 1340〜 1600cm— ¹領域でのピークは殆ど観測されていない。

[0100] これらの各チップ間で観測された BAシグナルの強度を比較してみる。ここでも、照射する光の強度のバラつきが有ったため、 BAシグナル強度そのものでは、正確な強度比較が難しいため、 1002cm^_1に観測される BAシグナルの強度を、 820cm^_1に観測される IPAシグナル強度で除した補正値で比較を行う。この補正値は、チップ A で 1. 4、チップ Bで 2. 2、チップ Cで 4. 6となっている。つまり、金属基体の表面に誘電体材料薄膜層を形成して基体とすることにより、金属基体をそのまま用いるより感度が高ぐさらには、金属基体に貴金属を用いることによって、さらに高感度化が得られることとなる。

[0101] [実施例 8] 本実施例では、 2cm角、厚さ 0. 5mmの SiOガラス基板を基体として、その上に、

2

膜厚 50nmの AgO層、膜厚 20nmのシリコン酸ィ匕膜層、膜厚 50nmの AgO層、膜厚 80nmのシリコン酸ィ匕膜層を、下力もこの順番で形成し、ラマン散乱増強用チップとした。ここでも、 AgO層は、 Agをターゲットとし、酸素と Arの流量比 O

2 Z(Ar+0 )が 0

2

. 75の混合ガスを用いた反応性スパッタリング法により形成し、シリコン酸ィ匕膜層は、 SiOをターゲットとして、 Arガスを用いたスパッタリング法によって形成した。

2

[0102] ラマン散乱測定用の励起光源には He— Neレーザー（波長 633nm)を用いた。ラマン散乱増強用チップ表面に照射された励起光強度は 2. 3mWであった。励起光は、倍率 50倍、 NA0. 55の対物レンズによって集光し、ラマン散乱増強用チップに照射した。また、ラマン散乱増強用チップ、検体、検体を入れるセルの配置は図 7 (h) に示した配置とした。銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の光源を用い、ラマン散乱測定と同時に行った。検体は溶媒 IPA中に BAを 1. 0 X 10"⁵mo 1,1溶解した溶液を用いた。

[0103] 本実施例のラマン散乱増強用チップによる励起光照射開始後 9分経過した時の測定結果を図 20に示す。本実施例でも、 BAシグナルが明瞭に観測でき、かつ、実施例 1の比較用チップ Aを使用した際に見られたような、本来存在しないはずの物質による 1340〜 1600cm^_1領域でのピークも殆ど観測されな!、。

[0104] [実施例 9]

本実施例では、 2cm角の SiOガラス基板上に、実施例 1と同様の手法で膜厚 50

2

nmの AgO層を形成し、その上に、半導体材料薄膜層として膜厚 5nmの Si層を、 Si をターゲットとし Arガスを用いたスパッタリング法にて形成し、さらにその上に、実施例 1と同様の手法で、 80nmのシリコン酸ィ匕膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。

[0105] ラマン散乱測定用の励起光源には Arイオンレーザー（波長 488nm)を用いた。ラマン散乱増強用チップ表面に照射された励起光強度は 2. 7mWであった。励起光は、倍率 50倍、 NA0. 55の対物レンズによって集光し、ラマン散乱増強用チップに照射した。また、ラマン散乱増強用チップ、検体、検体を入れるセルの配置は図 7 (a) に示した配置とした。銀を含有する微粒子の形成は、このラマン散乱測定用の光源を用い、ラマン散乱測定と同時に行った。検体は溶媒 IPA中に BAを 1. 0 X 10 mo 1,1溶解した溶液を用いた。

本実施例のラマン散乱増強用チップによる励起光照射開始後 5分経過した時の測定結果を図 21に示す。本実施例でも、 BAシグナルが明瞭に観測でき、かつ、実施例 1の比較用チップ Aを使用した際に見られたような、本来存在しないはずの物質による 1340〜 1600cm^_1領域でのピークの出現も抑制できて!/、る。このように本発明のラマン散乱増強用チップを用いることにより、各種溶液や気体に対して安定な分子観測が可能となる。

Claims

請求の範囲

[1] 励起光照射によって検体力発生するラマン散乱を増強するラマン散乱増強用チップであって、

貴金属酸化物を含有する薄膜と、その上に形成された透明性保護材料薄膜とを有することを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[2] 請求項 1に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記貴金属酸ィ匕物が銀酸ィ匕物であり、前記透明性保護材料薄膜が誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜であることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[3] 請求項 1又は 2に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記貴金属酸化物を含有する薄膜は物理蒸着法又は真空成膜法により基体表面に形成されたものであることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[4] 請求項 3に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記基体は、前記貴金属酸化物を含有する薄膜を形成する表面に、金属層又は金属の粒子を含有する層を有することを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[5] 請求項 3に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記基体は、実質的に金属で形成されていることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[6] 請求項 4又は 5に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記金属は貴金属であることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[7] 請求項 4〜6のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記基体は

、その表面の前記金属部のさらに上面に、誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜を有することを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[8] 請求項 1〜7のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記貴金属酸化物を含有する薄膜が該貴金属酸化物が還元された貴金属微粒子を含有することを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[9] 請求項 1〜8のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜の膜厚が lnm以上 500nm以下であることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[10] 請求項 1〜9のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜は、物理蒸着法又は真空成膜法により、前記貴金属酸化物を含有する薄膜の表面に形成されたものであることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[11] 請求項 1〜10のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記貴金属酸化物を含有する薄膜層と前記誘電体材料薄膜層又は半導体材料薄膜層を、層状に複数層有することを特徴とするのラマン散乱増強用チップ。

[12] 請求項 1〜： L 1のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記誘電体材料薄膜はシリコンの酸ィ匕膜であることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[13] 請求項 1〜12のいずれか 1項に記載のラマン散乱増強用チップにおいて、前記半導体材料薄膜はシリコンであることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。

[14] 請求項 1〜13のいずれか 1項に記載されたラマン散乱増強用チップと励起光源及び前記ラマン散乱増強用チップによって増強されたラマン散乱光を検出する検出器を具備する分子センシング装置。