(57)【要約】【課題】高い光増強効果を安定的に確保できる光増強素子を実現する。【解決手段】  光増強素子は、基板と、基板の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層とを備えた光増強素子であって、増強電磁場形成層は、多数の銀微粒子それぞれの基板と接触していない面上に金膜を有し、金膜が分散して配置されている。【選択図】        図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層とを備えた光増強素子であって、
前記増強電磁場形成層は、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に金膜を有し、
前記金膜が分散して配置されていることを特徴とする光増強素子。
【請求項２】
前記金膜は、前記多数の銀微粒子それぞれに関連して分散して配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光増強素子。
【請求項３】
前記金膜は、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面を完全に覆うように形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の光増強素子。
【請求項４】
前記金膜は、膜厚が１ｎｍ以上５ｎｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光増強素子。
【請求項５】
前記基板及び前記増強電磁場形成層の上層に形成された保護層を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光増強素子。
【請求項６】
前記保護層は、前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する構造であることを特徴とする請求項５に記載の光増強素子。
【請求項７】
前記保護層は、前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する無機物質、又は配向性を有する有機物の重合体で構成されていることを特徴とする請求項６に記載の検査方法。
【請求項８】
前記保護層は、ハロゲン元素を含有することを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載の検査方法。
【請求項９】
光増強素子の製造方法であって、
基板を準備する工程（ａ）、
前記基板上に、分散して多数の銀微粒子を蒸着する工程（ｂ）、
及び、金膜を蒸着して加熱処理を行うことで、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に前記金膜を形成する工程（ｃ）を有することを特徴とする光増強素子の製造方法。
【請求項１０】
前記工程（ｃ）において、前記加熱処理は、前記金膜と前記多数の銀微粒子とが合金化しない温度条件下で行われることを特徴とする請求項９に記載の光増強素子の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属微粒子による局在型表面プラズモンを利用した光増強素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分析対象に単波長の光（レーザ光）を照射して得られるラマン散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトルを得るラマン分光法は、物質の同定等に利用されている。しかし、通常、分析対象物から得られるラマン散乱光は、信号が微弱であるため高感度で検出することが困難である。
【０００３】
そこで近年においては、金属微粒子（「金属ナノ粒子」とも呼ばれる。）の局在型表面プラズモン効果を利用して、金属微粒子の表面に吸着させた分析対象にレーザ光を照射し、これにより発生するラマン散乱光を飛躍的に増強させて検出する表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）の研究が進められている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００４】
図１０（ａ）は、特許文献１に開示されている光増強素子の構成を示す概略図である。図１０（ａ）に示された光増強素子１００は、平板状の基板１１１と、基板１１１の表面上に形成された高反射層１１２と、高反射層１１２の表面上に形成された誘電体層１１３と、誘電体層１１３の表面上に形成された、多数の銀微粒子１１４による増強電磁場形成層１１５とを含む多層構造を有している。
【０００５】
図１０（ｂ）は、特許文献２に開示されている光増強素子の構成を示す概略図である。図１０（ｂ）に示された光増強素子１０１は、図１０（ａ）に示す光増強素子１００に加えて、多数の銀微粒子１１４の外表面及び基板１１１の全面を覆うように形成された金膜１１６を有する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１２−１３２８０４号公報
【特許文献２】国際公開第２０１２／０８６５８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
このような光増強素子は、ラマン散乱光や蛍光を増強させる効果がある。このため、光増強素子の上面に検査対象物を設置し、励起光を照射してラマン散乱光や蛍光のスペクトル分析を行うことで、当該検査対象物の物質の同定や検査などの応用が考えられる。このような応用例の一つとして、各種細胞、生体組織切片、抗体／抗原などの生体試料の検査への活用が考えられている。
【０００８】
しかし、検査対象物としてこのような生体試料を想定した場合、生体試料にはハロゲン化物イオンが含有されている。このため、かかる被検体を図１０（ａ）に示すような光増強素子１００上に載置すると、ハロゲン化物イオンと銀微粒子が直ちに化学反応して変質し、銀微粒子の脱離や溶解などが生じて、光増強効果が得られなくなってしまうという問題がある。
【０００９】
また、銀微粒子が大気中に晒される結果、経時的に銀微粒子が酸化されることで、光増強効果が得られなくなるという問題もある。
【００１０】
図１０（ｂ）に示す光増強素子１０１は、銀微粒子の表面が金膜で覆われているため、前記のような生体由来物質からなる検査対象物を光増強素子上に載置しても、ハロゲン化物イオンと銀微粒子が直接接触することがない。よって、この素子によれば生体試料の検査を行うことが可能であると考えられていた。また、銀微粒子が大気中に晒されることがないため、図１０（ａ）に示す光増強素子１００に比べれば、銀微粒子の安定性が保たれ、光増強効果の経時的な維持が確保できると考えられていた。
【００１１】
しかし、本発明者の鋭意研究によれば、図１０（ｂ）に示すように、金膜で基板上を覆うことで、多数の銀微粒子が有する光増強効果を減衰させてしまうことが分かった。すなわち、光増強素子上に検査対象物を載置した状態で励起光を照射して、ラマン散乱光を受光した場合、図１０（ｂ）の構成では図１０（ａ）の構成よりも受光強度が大きく低下してしまう。
【００１２】
本発明は、上記の課題に鑑み、高い光増強効果を安定的に確保できる光増強素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光増強素子は、基板と、前記基板の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層とを備えた光増強素子であって、
前記増強電磁場形成層は、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に金膜を有し、
前記金膜が分散して配置されていることを特徴とする。
【００１４】
この構成によれば、金膜が分散して配置されているため、金膜を全面に覆う構成と比較して、多数の銀微粒子が分散配置された増強電磁場形成層が有する高い光増強効果が十分に発揮される。また、多数の銀微粒子のそれぞれの、基板と接触していない面（外表面）上に金膜が形成されているため、光増強素子上に生体試料からなる検査対象物を載置してもハロゲン化物イオンが直接銀微粒子と接触することがなく、また大気に含まれる酸素による酸化も防止される。
【００１５】
つまり、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護とを両立させることができる。
【００１６】
ここで、前記金膜を、前記多数の銀微粒子それぞれに関連して分散して配置する構成としても構わない。
【００１７】
つまり、この構成は、多数の銀微粒子が分散配置された箇所においては、当該銀微粒子の外表面に金膜が形成される一方、基板上における銀微粒子が形成されていない箇所、すなわち多数の銀微粒子の相互間の領域には、金膜が形成されない。この結果、金膜が存在することで、多数の銀微粒子からなる増強電磁場形成層が有する光増強効果を低下させる割合を、極力抑制することができる。
【００１８】
また、前記金膜を、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面を完全に覆うように形成するものとしても構わない。
【００１９】
これにより、光増強素子上に形成されている多数の銀微粒子のそれぞれの外表面は金膜で完全にコーティングされるため、ハロゲン化物イオン等との反応や酸化による光増強効果の低下から長時間にわたって保護することができる。すなわち、高い光増強効果を、かなり長時間にわたって維持する機能が奏される。
【００２０】
ここで、前記金膜の膜厚を１ｎｍ以上５ｎｍ以下とするのがより好ましい。膜厚を１ｎｍより薄くすると、銀微粒子をハロゲン化物イオン等との反応や酸化から保護する機能が十分には発揮できない。一方、膜厚を５ｎｍより厚くすると、金膜の含有率が高くなる結果、多数の銀微粒子からなる強電磁場形成層が有する光増強効果を低下させてしまう。金膜の膜厚を上記の範囲内とすることで、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護の両立を最大限機能させることができる。
【００２１】
また、本発明の光増強素子は、上記の特徴に加えて、
前記基板及び前記増強電磁場形成層の上層に形成された保護層を有することを別の特徴とする。
【００２２】
金膜に加えてこの保護層を有することで、銀微粒子をハロゲン化物イオン等との反応や酸化から保護する機能を更に高めることができる。また、金膜を厚膜で形成する場合と異なり、この保護層を形成した場合には、保護層を介してその上面にまで強い光増強効果を及ぼすことができる。よって、保護層の上面に検査対象物を載置して、励起光を照射することで、検査対象物（又はその標識）から得られるラマン散乱光や蛍光を著しく増強させることができる。つまり、この構成によれば、高い光増強効果を、かなり長時間にわたって維持するという効果を更に高めることができる。
【００２３】
ここで、前記保護層を前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する構造とすることができる。より具体的には、前記保護層を、前記多数の金属微粒子に関連して配向性を有する無機物質、又は配向性を有する有機物の重合体で構成しても構わない。
【００２４】
この構成により、増強電磁場形成層における局在表面プラズモン効果に起因した増強電磁場を、高効率で保護層の表面に伝達させることが可能となる。
【００２５】
また、前記保護層は、ハロゲン元素を含有するものとしても構わない。
【００２６】
この構成により、増強電磁場形成層における局在表面プラズモン効果に起因した増強電磁場を、更に高効率で保護層の表面に伝達させることが可能となる。なお、この構成は、保護層を有しない構成において露出した銀微粒子にハロゲン化物イオンを直接接触させる場合とは異なり、保護層としてハロゲン元素を含有した材料を用いるというものであるので、上記の構成と同様に、ハロゲン化物イオンによる銀微粒子へのダメージを防御する機能は担保される。
【００２７】
また、本発明の光増強素子の製造方法は、
基板を準備する工程（ａ）、
前記基板上に、分散して多数の銀微粒子を蒸着する工程（ｂ）、
及び、金膜を蒸着して加熱処理を行うことで、前記多数の銀微粒子それぞれの前記基板と接触していない面上に前記金膜を形成する工程（ｃ）を有することを特徴とする。
【００２８】
この方法によれば、増強電磁場形成層が有する光増強効果の確保と、銀微粒子の保護との両立が可能な光増強素子を製造することができる。
【００２９】
ここで、前記工程（ｃ）において、前記加熱処理を、前記金膜と前記多数の銀微粒子とが合金化しない温度条件下で行うことができる。
【００３０】
この方法によれば、銀微粒子に含まれる銀成分を露出させずに金膜で覆うことができるので、長時間にわたって高い光増強効果を維持することのできる光増強素子を製造することができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明の光増強素子によれば、高い光増強効果を安定的に確保することができる。また、本発明の製造方法によれば、このような光増強素子が製造できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】本発明の第１実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。
【図２】比較例１及び比較例２の素子の構成を示す概略図である。
【図３】光増強素子の性能を検証するための測定装置の概念図である。
【図４】光増強素子に対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの一例を示すグラフである。
【図５】実施例１及び比較例２の各素子に励起光を照射した際に受光部で受光されたラマン散乱光の強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を示すグラフである。
【図６】本発明の第２実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。
【図７】比較例３及び比較例４の素子の構成を示す概略図である。
【図８】実施例２及び比較例３の各素子に励起光を照射した際に受光部で受光されたラマン散乱光の強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を示すグラフである。
【図９】比較例３及び検証例１の各素子に励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルを示すグラフである。
【図１０】従来の光増強素子の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、各図において図面の寸法比と実際の寸法比は必ずしも一致しない。
【００３４】
〈素子構造〉
図１は、第１実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。図１に示す光増強素子１は、基板７と増強電磁場形成層９を備える。
【００３５】
基板７の材質は特に限定されるものではなく、例えば、ガラス、セラミックス、樹脂などを用いることができる。なお、後述するように、光増強素子１の作製工程において加熱処理（例えば１００℃以上の加熱）が行われる場合には、例えばガラス、ポリイミド樹脂などの耐熱性を有するものであることが好ましい。
【００３６】
増強電磁場形成層９は、基板７の表面上に互いに独立して多数の銀微粒子２が分散配置されて構成されている。そして、それぞれの銀微粒子２の、基板７と接触していない面上には金膜３が形成されており、この金膜３は、銀微粒子２と同様に分散して配置されている。
【００３７】
銀微粒子２の形状としては、例えば扁平な半球形状、平板状の形状など、形状異方性を有するものを好適に用いることができる。なお、多数の銀微粒子２は、いずれも均一の大きさ及び形状を備えていることが望ましいが、大きさや形状に多少のばらつきがあっても構わない。
【００３８】
また、銀微粒子２の粒径としては、励起光の波長以下の大きさであることが好ましい。ここで、本明細書において「粒径」とは、顕微鏡法による投影面積円相当径をいう。具体的には、次のようにして求められる。センサチップ３の表面における任意に選ばれる領域について、長さ２μｍの線分が長さ６ｃｍに拡大（倍率３００００倍）されるよう観察される走査型電子顕微鏡の視野領域（例えば１．５μｍ×２μｍ）を撮像領域として、センサチップ３における当該領域の二次電子像を得る。このとき、明るさの指標（２５６段階）が１００程度以上の金属微粒子の各々について、銀微粒子２の面積と同一面積の真円の直径が当該銀微粒子２の粒径として得られる。
【００３９】
なお、銀微粒子２の粒径は、例えば５〜３００ｎｍの範囲内であり、厚みは例えば５〜７０ｎｍの範囲内である。また、増強電磁場形成層９を構成する銀微粒子２の密度は、例えば１０８〜１０１１個／ｃｍ２程度とすることができる。
【００４０】
本実施形態では、金膜３は、それぞれの銀微粒子２の、基板７と接触していない面（外表面）上に形成され、それぞれの銀微粒子２の外表面を完全にコーティングするように形成されている。また、図１に示すように、本実施形態では、金膜３は多数の銀微粒子２のそれぞれに関連して分散して配置されている。つまり、多数の銀微粒子２が分散配置された箇所においては、当該銀微粒子２の外表面に金膜３が形成される一方、基板７上における銀微粒子２が形成されていない箇所、すなわち多数の銀微粒子２の相互間の領域５には、金膜が形成されない。
【００４１】
金膜３の膜厚は、銀微粒子２の厚みの例えば４〜１０％の大きさである。銀微粒子２の厚みを５〜７０ｎｍの範囲内とした場合、金膜３の膜厚を１ｎｍ以上５ｎｍ以下とすることができる。
【００４２】
〈製造方法〉
基板７を準備し、この基板７の表面に銀微粒子２の前駆体が適宜の溶媒に分散された分散液をスピンコート法により塗布して加熱する。これにより、基板７の表面上に互いに独立して分散配置された多数の銀微粒子２が形成される。なお、別の方法としては、基板７の表面に銀微粒子２の前駆体をディッピングして加熱する方法、基板７の表面に銀微粒子２を真空蒸着する方法、基板７の表面に銀微粒子２をスパッタ蒸着する方法などを用いることができる。
【００４３】
次に、銀微粒子２が形成された基板７の表面上に、例えばスパッタ蒸着法によって金膜３の前駆体を蒸着する。その後、所定の温度条件下で加熱処理を行うことで、金膜３の前駆体が表面張力の効果により銀微粒子２側へと移動し、銀微粒子２の外表面に付着する。これにより、銀微粒子２の外表面を覆う金膜３が形成される。
【００４４】
〈性能評価〉
以下、本実施形態の光増強素子１によって、光増強効果が安定的に実現できる点につき、実施例を参照しながら説明する。
【００４５】
（実施例１）
基板７として数ｃｍ角のスライドガラスを準備する。そして、このスライドガラスの表面上に、直流スパッタ蒸着法を用いて、銀微粒子膜を蒸着することで互いに独立して分散配置された多数の銀微粒子２を形成した。銀微粒子単層膜における銀微粒子２は、粒径が４０〜１００ｎｍ、粒子厚み（高さ）が５〜３０ｎｍであり、銀微粒子２の密度は１０１０〜１０１１個／ｃｍ２である。
【００４６】
次に、この銀微粒子２が作成されたスライドガラスの表面上に、直流スパッタ蒸着法を用いて、膜厚１ｎｍ以上５ｎｍ以下の金薄膜を蒸着させる。更に、大気中約２００℃±１０℃で５〜１０分アニールして、多数の銀微粒子２の隙間にあるガラス表面上に堆積した金薄膜を銀微粒子２側に移動させる。これにより、銀微粒子２の外表面に膜厚１ｎｍ以上５ｎｍ以下の金膜３でコートされたハーフコアシェル型構造の微粒子層を作製した。
【００４７】
なお、このアニール時間及びアニール温度については、多数の銀微粒子２の隙間にあるガラス表面上に金薄膜を残存させずに、且つ、銀微粒子２と金薄膜が合金化しないような条件下で設定した。金薄膜を銀微粒子２側に短時間で移動させるためには、アニール温度を高く設定するのが効果的であるが、あまりに温度が高いと、金薄膜と銀微粒子２が合金化してしまう。そこで、合金化しない温度条件で、且つ５〜１０分程度の短時間で金薄膜を銀微粒子２側に移動させることのできる温度として、上記実施例では、約２００℃±１０℃という温度設定をした。
【００４８】
（比較例１）
図２（ａ）に比較例１として準備した素子２１の概略構成を示す。比較例１の素子２１は、金膜３を形成していない点を除けば、実施例１と同様の方法により作製された。
【００４９】
（比較例２）
図２（ｂ）に比較例２として準備した素子２２の概略構成を示す。比較例２の素子２２は、銀微粒子２が形成された基板７の全面に、金薄膜を蒸着して作製された。すなわち、図１に示す実施例１の構成と比較すると、多数の銀微粒子２の隙間の基板７上にも金膜３が形成されている点が異なる。
【００５０】
（検証方法）
次に、これら実施例１、比較例１及び比較例２として作製された各素子（１，２１，２２）に対する性能検証方法について説明する。各素子を、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（生理食塩水の約２倍の濃度）に温度４０℃において任意の時間浸漬させた後、純水にて流水洗浄した。そして、この経過時間毎に、素子表面にローダミン６Ｇ色素（Ｒｈ６Ｇ：発光量子収率およそ１）の希薄エタノール溶液（１００μｍｏｌ／Ｌ）を３０００回転でスピンコートすることにより、色素分子を素子の表面上に担持させた。なお、光増強素子１の表面に担持される色素分子の密度とスピンコートに用いた溶液の色素濃度との関係は、ローダミン６Ｇ色素の濃度が１μＭである場合に、色素分子の担持量が３×１０１１個／ｃｍ２である。
【００５１】
そして、各素子に対して励起光を照射して試料（色素分子）から発せられるラマン散乱光の強度を図３に示す測定装置により測定した。図３は、光増強素子の性能を検証するための測定装置の概念図である。出力１ｍＷ未満のＨｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）で構成した励起光源５０及びフィルタ５１によって光源部４１を構成し、光源部４１から光増強素子１に対して励起光を入射させ、光増強素子１の表面上に担持させた色素分子からのラマン散乱光を受光部４３によって受光する。受光部４３は、集光レンズ５２、フィルタ５３、受光ヘッド５４及び電子冷却型ダイオードアレイで構成した光検出器５５によって構成した。
【００５２】
より詳細には、Ｈｅ−Ｎｅレーザ（波長６３２．８ｎｍ）で構成した励起光源５０からの射出光を、フィルタ５１を介して非集光（エネルギー密度約３０ｍＷ／ｃｍ２）又は反集光（エネルギー密度約１０ｍＷ／ｃｍ２以下）励起光として光増強素子１に対して、約４５°の角度で入射させる。そして、光増強素子１に担持された色素分子による９０°の角度方向に散乱される光を、集光レンズ５２によって、光検出器５５の受光ヘッド５４にフィルタ５３を介して集光した。
【００５３】
図４は、素子に対して励起光を照射して受光部４３で測定されたラマンスペクトルの一例である。ローダミン６Ｇ分子に帰属される１５１０ｃｍ−１のピークを代表値として取り出してラマン強度の指標とした。この際、ラマンスペクトルには蛍光がバックグラウンドとして含まれるため、直線を仮定して差し引いた。図４の例の場合、ラマン散乱光強度は約５００ｃｐｓとなる。以下の実施例、比較例に基づく検証では、この１５１０ｃｍ−１のピークを基に、信号強度とＮａＣｌ水溶液の処理時間の関係を測定している。
【００５４】
（検証結果）
比較例１の素子２１は、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）に浸漬すると直ちに肉眼でも容易に識別可能な銀腐食が始まり、基板７上の銀微粒子２は直ちに溶解した。ラマン信号も検出できなかった。
【００５５】
実施例１の光増強素子１に対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を図５（ａ）に示す。また、比較例２の素子２２に対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を図５（ｂ）に示す。図５のグラフにおいて、縦軸は１５１０ｃｍ−１のラマン散乱強度（ｃｐｓ）を示し（図４参照）、横軸は０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）の処理時間を示す。
【００５６】
比較例２の素子２２は、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）に浸漬すると５分程度の浸漬で肉眼でも容易に識別可能な膜の腐食が始まり、約１５分の浸漬でほぼ完全に腐食が進行し、この時点で銀微粒子２の膜が基板７から失われた。図５（ｂ）に示すように、１５分だけ増強ラマン信号が持続しており、銀微粒子２の膜が失われた時間と一致している。
【００５７】
これに対し、実施例１の光増強素子１は、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）に浸漬すると、比較例２の素子２２の場合よりも極めて長い時間（５時間程度）が経過した段階で肉眼でも容易に識別可能な膜の腐食が始まった。図５（ａ）に示すように、５時間が経過しても依然として増強ラマン信号が持続している。なお、図５（ａ）には表示されていないが、完全に増強ラマン信号が確認されなくなったのは実験開始から１０時間後であった。
【００５８】
また、図５（ａ）及び図５（ｂ）を比較すると、増強ラマン信号の強度についても、実施例１の方が比較例２よりも高いことが分かる。
【００５９】
比較例１（素子２１）のように、銀微粒子２に金膜３が形成されていない素子の場合は、ハロゲン化物イオンを含む水溶液を素子に浸漬させると、銀微粒子２がハロゲン化物イオンに直接晒されてしまう。このため、直ちに銀微粒子２がハロゲン化物イオンと反応し、基板７から溶解脱離して光増強効果を失ったものと考えられる。つまり、このような素子２１を用いてハロゲン化物イオンを含む生体試料を検査することはできないといえる。
【００６０】
比較例２（素子２２）では、比較例１と比べるとハロゲン化物イオンに対する耐性が高まっている。これは、銀よりも化学的に安定な金で構成された金膜３が、銀微粒子２の周囲に形成されているため、ハロゲン化物イオンが銀微粒子２側へ進行するのに比較例１よりも時間がかかるためであると考えられる。
【００６１】
実施例１（光増強素子１）では、比較例２よりも更にハロゲン化物イオンに対する耐性が高まっている。これは、実施例１の作製過程において、アニール処理を行って金薄膜を銀微粒子２側に移動させる工程を実行した結果、銀微粒子２の外表面のうち、特に基板７の面に垂直に近い角度を有する外表面（領域２Ａ：図１参照）に対しても、十分な膜厚の金膜３が形成されているためである。
【００６２】
これに対し、比較例２では、金薄膜を全面に蒸着しただけであり、実施例１の作製過程で実行されるようなアニール工程を行なっていない。このため、銀微粒子２の外表面に関しては、基板７の面とほぼ平行な面においてはある程度の膜厚を有した金膜３が形成されるが、基板７の面に垂直に近い角度を有する外表面（領域２Ａ：図２（ｂ）参照）においては極薄の金膜３が形成されるに過ぎないか、場合によってはほとんど金膜３が形成されずに実質的に銀微粒子２の外表面が露出した状態になっていると推察される。このため、比較例２の素子２２では、ＮａＣｌ水溶液に浸漬させた際、この領域２Ａの箇所からハロゲン化物イオンが銀微粒子２側へと短時間で進行し、結果的に実施例１の光増強素子１よりもハロゲン化物イオンに対する耐性が低くなっているものと考えられる。
【００６３】
また、比較例２の素子２２では、多数の銀微粒子２の隙間に位置する基板７上の領域にも金膜３が形成されている。金は銀と共に、増強ラマン効果を有する材料ではあるが、その効果は銀よりも低い。このため、銀微粒子２の隙間に位置する金膜３の存在によって、実施例１の光増強素子１よりも、ラマン増強効果が低くなっていると考えられる。
【００６４】
つまり、実施例１の光増強素子１のように、金膜３を多数の銀微粒子２それぞれの外表面を覆うように形成しつつ、更に、多数の銀微粒子２の相互の隙間の領域には金膜３が形成されないような構成とすることで、高いラマン増強効果を長時間にわたって維持することが可能となる。従って、このような光増強素子１によれば、安定的に生体試料の検査を行うことが可能である。また、金膜３で覆われていることで、銀微粒子２が大気に晒されることによって生じる酸化反応からも保護することができる。
【００６５】
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成要素については、図面上同一の符号を付し、説明を省略する。
【００６６】
〈素子構造〉
図６は、第２実施形態の光増強素子の構成を示す概略図である。図６に示す光増強素子１Ａは、第１実施形態の素子１に加えて、更に保護層１１を備えている。
【００６７】
保護層１１は、多数の銀微粒子２の隙間において露出される基板７の表面を含む増強電磁場形成層９の上層に形成されている。保護層１１を構成する材料としては、例えば酸化ケイ素、酸化チタン、酸化セリウム、酸化ボロン、酸化リン、酸化マグネシウム、酸化カルシウム、酸化アルミニウム、酸化ガリウム、酸化ゲルマニウム、酸化亜鉛などを用いることができる。
【００６８】
保護層１１の平均厚さは、例えば５０〜２５０ｎｍであることが好ましい。特に、保護層１１の厚さが８５ｎｍ以上であることにより、ハロゲン化物イオン（例えばＣｌ−）に対する耐性を更に高めることができる。この点は実施例を参照して後述する。
【００６９】
〈製造方法〉
第１実施形態の光増強素子１を製造後、多数の銀微粒子２の隙間において露出される基板７の表面を含む増強電磁場形成層９の表面上に、蒸着法により、金膜３で外表面が覆われた銀微粒子２を起点として保護層を厚さ方向に成長させることにより柱状組織構造を有する保護層１１を形成する。保護層１１の厚さは、成長条件、時間を適宜変更することにより調整できる。また、保護層１１の形成方法としては、高周波（ＲＦ）スパッタ蒸着法、電子線蒸着法、又は電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）スパッタ蒸着法などの方法を適宜選択して利用できる。
【００７０】
〈性能評価〉
以下、本実施形態の光増強素子１Ａによって安定的に光増強効果が実現できる点につき、実施例を参照しながら説明する。
【００７１】
（実施例２）
実施例１と同様の方法により、光増強素子１を作製した。その後、ＲＦスパッタ装置「ＲＦＳ−２００型」（Ｕｌｖａｃ社製）を用いて、酸化ケイ素（ＳｉＯ２）をターゲットとして下記条件でスパッタを行うことにより、多数の銀微粒子２の隙間において露出される基板７の表面を含む増強電磁場形成層９の表面上に、厚さ１００ｎｍの保護層１１を形成することで光増強素子１Ａを作製した。
【００７２】
スパッタ条件は以下のとおりである。
・ターゲットから増強電磁場形成層９の表面までの離間距離：４５ｍｍ
・雰囲気：Ａｒ  ３．０Ｐａ（放電時）
・放電出力：１００Ｗ
・ＲＦ周波数：１３．６ＭＨｚ
・保護層１１の成長速度：１０ｎｍ／分
【００７３】
（比較例３）
図７（ａ）に比較例３として準備した素子２１Ａの概略構成を示す。比較例３の素子２１Ａは、比較例１の素子２１に対して、実施例２と同様の方法によって保護層１１を形成することで作製された。
【００７４】
（比較例４）
図７（ｂ）に比較例４として準備した素子２２Ａの概略構成を示す。比較例４の素子２２Ａは、比較例２の素子２２に対して、実施例２と同様の方法によって保護層１１を形成することで作製された。
【００７５】
（検証方法）
第１実施形態で上述した方法と同一の方法で検証を行った。
【００７６】
（検証結果）
比較例４の素子２２Ａは、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）に浸漬すると直ちに保護層１１と共に銀微粒子２が基板７から剥離した。ラマン信号も検出できなかった。
【００７７】
実施例２の光増強素子１Ａに対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を図８（ａ）に示す。また、比較例３の素子２１Ａに対して励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルの信号強度とＮａＣｌ水溶液処理時間の関係を図８（ｂ）に示す。図８のグラフは、図５のグラフと同様、１５１０ｃｍ−１の縦軸はラマン散乱強度（ｃｐｓ）を示し（図４参照）、横軸は０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）の処理時間を示す。
【００７８】
比較例３の素子２１Ａは、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）への浸漬を開始してから、約２時間でラマン強度の最大値の約１／２に低下し、約４時間で約１／３に低下した。ラマン強度の最大値の１／２に低下するまでの時間を寿命と定義すると、比較例３の素子２１Ａの寿命は約２時間と判断される。
【００７９】
これに対し、実施例２の光増強素子１Ａは、０．２ｍｏｌ／ＬのＮａＣｌ水溶液（４０℃）に浸漬すると、浸漬を開始してから約４０時間経過した段階で、ラマン強度は最大値の１／２に低下した。また、浸漬を開始してから約８０時間が経過しても、依然として最大値の１／３のラマン強度が実現できている。また、実施例１の測定結果に対応する図５（ａ）と実施例２の測定結果に対応する図８（ａ）を比較すると、実施例１よりも実施例２の方が、ラマン強度自体も高く、寿命も極めて長くなっていることが分かる。
【００８０】
比較例４（素子２２Ａ）のように、全面に金膜３が形成された素子２２の上層に保護層１１を形成した場合、多数の銀微粒子２の隙間の領域に形成された保護層１１（領域１１Ａの部分：図７（ｂ）参照）についても、基板７の表面上には形成されずに金膜３の上面に形成されることになる。一般に、多くの基板（表面）又は当該保護膜と、特に金の間の密着性（結合力）は乏しく、この結果、保護層１１が形成された段階で、金膜３と保護層１１の間に残留応力が発生しているものと考えられる。このような状態で素子２２ＡをＮａＣｌ水溶液に浸漬させると、僅かな隙間から侵入したイオン種の作用によりこの応力が解放される結果、直ちに保護層１１が金膜３から剥離してしまったものと考えられる。
【００８１】
また、保護層１１は、銀微粒子２や金膜３に比べてはるかに膜厚が大きいため、この保護層１１の金膜３からの剥離過程で、保護層１１に押し出されるように、基板７との密着性に乏しい金膜３及び銀微粒子２が共に基板７から脱離したものと考えられる。これにより、比較例４（素子２２Ａ）の構成では、保護層１１が安定的に基板７上に形成されずに、剥がれやすい状態で形成されていることが示唆される。
【００８２】
これに対し、比較例３（素子２１Ａ）は、比較例４（素子２２Ａ）よりは高いラマン散乱光を示す時間が長くなっている。これは、素子２１Ａでは、基板７上に保護層１１が形成されるため、ＮａＣｌ水溶液に浸漬させても保護層１１が基板７から剥離しないことに由来すると考えられる。また、比較例１（素子２１）と比較例３（素子２１Ａ）を対比すると、比較例１では直ちに銀微粒子２が溶解脱離した一方で、比較例３ではそのような現象生じず、１２時間経過段階でもラマン散乱信号が確認できている（図８（ｂ）参照）。これにより、比較例３のように保護層１１を形成したことで、ＮａＣｌ水溶液に含まれるハロゲン化物イオンが直接銀微粒子２と接触せず、ハロゲン化物イオンに対する耐性が高められていることが示唆される。
【００８３】
実施例２の構成によれば、実施例１よりもハロゲン化物イオンに対する耐性が高められる。これも、銀微粒子２の外表面をコーティングする金膜３に加えて、更に保護層１１が形成されることで、銀微粒子２に対してハロゲン化物イオンが進行するのを遅らせる効果が実現できているためと考えられる。
【００８４】
更に、実施例２の構成によれば、実施例１よりもラマン散乱強度自体が高められている。これは、以下の理由によるものと推察される。保護層１１は、外表面が金膜３で覆われた多数の銀微粒子２の間の隙間に露出された基板７の表面と、銀微粒子２の外表面（より厳密には、この銀微粒子２の外表面を覆う金膜３の表面）とでは成膜状況が異なる。この結果、基板７の表面に堆積した保護層１１の部分と、銀微粒子２の外表面を覆う金膜３の表面上に堆積した保護層１１の部分の間には、いわゆる粒界が生じ、これにより当該保護層１１は配向性（異方性）を有することになる。この状況では、光増強素子１Ａの表面で生じたプラズモン電界が乱されず、損失を受けずに保護層１１の表面にまで達している。
【００８５】
よって、本実施形態の光増強素子１Ａによれば、第１実施形態の光増強素子１よりも、更に高いラマン増強効果を長時間にわたって維持する機能を実現できる。
【００８６】
なお、本実施形態において、保護層１１を、結晶性（配向性）を有する有機物の重合体で構成しても構わない。この有機物の重合体としては、ポリメチルメタクリレートなどのアクリル系重合体、ポリビニルアルコールなどを利用することができる。この場合、保護層１１の形成方法としては、保護層形成液をスピンコート法、デイップコート法、スプレーコート法、スリットコート法、バーコート法などを用いて基板７に滴下又は塗布することで実現できるが、スピンコート法は厚さが最も均一な保護層１１を形成する方法として好適に用いることができる。
【００８７】
保護層形成液を調製するための溶媒としては、用いられる重合体に応じて適宜選択される。具体的には、用いられる重合体を溶解し得るものであればよい。例えば、重合体としてポリビニルアルコール等の水溶性のものを用いる場合には、溶媒として水を用いることができる。また、重合体として水に不溶な重合体例えばポリメチルメタクリレートを用いる場合には、重合体溶液を調製するための溶媒として例えばシクロヘキサノンを用いることによって、保護層形成液を調製することができる。
【００８８】
保護層形成液中における重合体の含有割合は、上記塗布方法と目的とする保護膜の厚さとの組合せによって決定される。例えばスピンコート法（３０００ｒｐｍ）を用いてポリビニルアルコール膜をその水溶液から形成する場合において、膜厚を１００ｎｍに調整するために必要な重合体の含有割合は約４．５質量％である。
【００８９】
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態につき、図面を参照して説明する。なお、第１実施形態と同一の構成要素については、図面上同一の符号を付し、説明を省略する。
【００９０】
本実施形態の構成は、第２実施形態で示した光増強素子１Ａにおいて、予め保護層１１にハロゲン元素を含有させた点のみが異なる。保護層１１に対してハロゲン元素を含有させる方法としては、保護層１１が形成された状態の光増強素子１Ａに対してハロゲン化物塩の水溶液に浸漬する方法を用いることができる。例えば、ハロゲン化物塩水溶液の濃度が０．１〜０．３ｍｏｌ／Ｌの場合には、５〜３０分間程度の室温浸漬により最大の効果を得ることができるが、水溶液の濃度がそれより高い場合、あるいは逆に低い場合には、その濃度に応じて浸漬時間を調整することにより同等の効果を得ることができる。なお、保護層１１におけるハロゲン元素の含有割合は、０．００２質量％〜０．０５質量％であることが好ましい。
【００９１】
なお、上記ハロゲン化物塩の具体例としては、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）、塩化カリウム（ＫＣｌ）、臭化ナトリウム（ＮａＢｒ）、ヨウ化カリウム（ＫＩ）などのアルカリ金属塩や、塩化カルシウム（ＣａＣｌ２）などのアルカリ土類金属塩などが挙げられる。
【００９２】
このように予めハロゲン化物塩水溶液に光増強素子１Ａを浸漬させた場合においても、５〜３０分間程度の浸漬であれば、図８（ａ）に示すように高いラマン散乱強度が実現できている。なお、検証例を参照して後述するように、保護層１１にハロゲン元素を予め含有させておくことで、光増強効果を更に高めることができる。
【００９３】
なお、以下の検証は、図７（ａ）に示す比較例３の素子２１Ａに対してハロゲン元素を含有させて形成した素子（以下、「検証例１」と呼ぶ。）を用いて行われた。この素子は、本実施形態の光増強素子が想定するように、銀微粒子２の外表面に金膜３が形成されている素子ではない。しかし、比較例３の素子２１Ａと検証例１の素子の相違点は、第２実施形態の光増強素子１Ａと本実施形態の光増強素子の相違点と共通するため、比較例３と検証例１の実験結果を対比して検証することで、第２実施形態の光増強素子１Ａと、本実施形態の光増強素子との対比検証が可能である。
【００９４】
（検証例１）
比較例３と同様の方法で素子２１Ａを作製した。その後、塩化物イオンの濃度が０．２〜０．３ｍｏｌ／ＬであるＮａＣｌ水溶液中に、素子２１Ａを約３０分間浸漬させた後、純水で洗浄して乾燥することにより、保護層１１中にハロゲン化物イオンを含有させて、検証例１の素子とした。検証例１の素子における保護層１１に含有されたハロゲン元素の含有割合は正確には決定することが難しいが、およそ０．０１質量％のオーダーと推定される。
【００９５】
（検証方法）
比較例３の素子２１Ａ、及び検証例１の素子に対し、保護層１１の上面に、ローダミン６Ｇ色素の希薄エタノール溶液を３０００回転でスピンコートすることにより、色素分子を保護層１１の表面上に３×１０１１個／ｃｍ２の密度で担持させた。そして、第１実施形態及び第２実施形態と同様の方法で、励起光を素子に照射して、受光部４３によって受光されたラマン散乱光のスペクトルを測定した。
【００９６】
（検証結果）
図９は、比較例３及び検証例１の各素子に励起光を照射した際に受光部で受光されたラマンスペクトルを示すグラフである。図９において、縦軸はラマン散乱強度（ｃｐｓ）を示し、横軸はラマンシフト（ｃｍ−１）を示す。
【００９７】
図９によれば、ハロゲン化物イオンを浸漬した検証例１の方が、ハロゲン化物イオンを浸漬しなかった比較例３よりも顕著なラマン信号が観測されており、光の増強効果が高められていることが示唆される。
【００９８】
なお、検証例１では、塩化物イオンの濃度が０．２〜０．３ｍｏｌ／ＬであるＮａＣｌ水溶液を浸漬させたが、これに代えて、塩化物イオンの濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌである塩化カリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、臭化物イオンの濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌである臭化ナトリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、ヨウ化物イオンの濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌであるヨウ化カリウム水溶液を浸漬させて形成した素子、塩化物イオンの濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌである塩化カルシウム水溶液を浸漬させて形成した素子についても、同様の測定を行った結果、同様に、比較例３と比べて検証例１の方が高いラマン散乱光を受光できた。一方、塩化ナトリウム水溶液の代わりに硫酸イオンの濃度が０．２ｍｏｌ／Ｌである硫酸ナトリウム水溶液を浸漬させて形成した素子について同様の測定を行ったところ、受光したラマン散乱光の強度は低いものであった。
【００９９】
これにより、保護層１１にハロゲン元素を添加した場合に、光増強効果を更に高められることが分かる。つまり、第２実施形態の光増強素子１Ａよりも、保護層１１にハロゲン元素を含有させた本実施形態の光増強素子の方が、光増強効果が更に高いことが示唆される。そして、本実施形態の光増強素子においても、銀微粒子２の外表面には金膜３が形成されており、更にその上層には保護層１１が形成されていることから、第２実施形態と同様に長時間にわたって高い光増強効果を維持できると考えられる。
【０１００】
なお、保護層１１として結晶性（配向性）を有する有機物の重合体で構成した場合であっても、上記と同様にハロゲン元素を含有させることで、光増強効果を更に高めることが可能である。この場合、保護層形成液としては、溶媒中に所定の重合体及びハロゲンの金属塩を溶解させることにより、或いは溶媒中に所定の重合体が溶解されてなる重合体溶液と、溶媒中にハロゲンの金属塩が溶解されてなる金属塩溶液とを混合することにより、調製することができる。
【０１０１】
保護層形成液を調製するための溶媒としては、用いられる重合体及び金属塩に応じて適宜選択される。具体的には、用いられる重合体および金属塩を溶解し得るものであればよい。例えば、重合体としてポリビニルアルコール等の水溶性のものを用いる場合には、溶媒として水を用いることができる。また、重合体として水に不溶な重合体例えばポリメチルメタクリレートを用いる場合には、重合体溶液を調製するための溶媒として例えばシクロヘキサノンを用いると共に、金属塩溶液を調製するための溶媒として水とアセトンとの混合溶媒を用い、重合体溶液と金属塩溶液とを混合することによって、保護層形成液を調製することができる。保護層形成液中における金属塩の割合は、目的とする保護層１１中のハロゲン元素の含有割合や、保護層形成液中の重合体の含有割合に応じて設定される。
【０１０２】
［別実施形態］
以下に別実施形態について説明する。
【０１０３】
〈１〉  上記の実施形態では、金膜３を銀微粒子２の外表面に形成する際、銀微粒子２と金薄膜が合金化しないような温度条件下でアニールするものとして説明した。しかし、本発明は、製造工程下において、金膜３の一部が銀と合金化して形成された素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
【０１０４】
同様に、上記の実施形態では、金膜３が多数の銀微粒子２のそれぞれに関連して分散して配置されているものとして説明した。しかし、本発明は、隣接したある特定の２つの銀微粒子２の間の領域５内に、金膜３が形成されることで、当該特定の２つの銀微粒子２が金膜３で連結されている素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
【０１０５】
更に、上記の実施形態では、金膜３が多数の銀微粒子２の外表面を完全に覆う、ハーフコアシェル構造を実現しているものとして説明した。しかし、本発明は、銀微粒子２の外表面の一部分に金膜３で覆われていない領域が存在する素子を権利範囲から排除する趣旨ではない。
【０１０６】
多数の銀微粒子２の隙間の基板上に金膜３が形成されていない領域を有し、且つ、銀微粒子２の外表面に金膜３が形成されている本発明の光増強素子によれば、比較例１（素子２１）や比較例２（素子２２）よりも、光増強効果を安定的に維持する能力を高めることが可能である。無論、金膜３が合金化することなく多数の銀微粒子３の外表面に形成されることでその能力は更に高められ、金膜３が多数の銀微粒子２のそれぞれに関連して分散して配置されることでその能力は更に高められ、金膜３が多数の銀微粒子２の外表面を完全に覆うように形成されることで、その能力は更に高められる。
【０１０７】
〈２〉  上記の各実施形態において、図１０に示す素子と同様に、追加的に高反射層１１２及び誘電体層１１３を備えた多層構造で形成しても構わない。このような構造のものにおいては、基板７の表面上に高反射層１１２および誘電体層１１３がこの順で形成され、誘電体層１１３の表面上に増強電磁場形成層９が形成される。
【０１０８】
〈３〉  上記の実施形態では、励起光を表面上に試料が載置された光増強素子（１，１Ａ）に照射して、受光部４３によって受光されたラマン散乱光のスペクトル強度を分析することで説明した。しかし、励起光源５０と試料を適宜設定して、図３の測定装置を用いて同様の方法で蛍光のスペクトルを分析することにより、蛍光を増強させる効果が得られることが確認される。つまり、本発明の光増強素子によれば、ラマン散乱光のみならず蛍光の増強効果についても安定的に維持する能力を高めることが可能である。
【符号の説明】
【０１０９】
１，１Ａ      ：    本発明の光増強素子
２      ：    銀微粒子
２Ａ    ：    領域
３      ：    金膜
５      ：    金膜が形成されていない基板上の領域
７      ：    基板
９      ：    増強電磁場形成層
１１      ：    保護層
１１Ａ    ：    領域
２１      ：    比較例１の素子
２１Ａ    ：    比較例３の素子
２２      ：    比較例２の素子
２２Ａ    ：    比較例４の素子
４１      ：    光源部
４３      ：    受光部
５０      ：    励起光源
５１      ：    フィルタ
５２      ：    集光レンズ
５３      ：    フィルタ
５４      ：    受光ヘッド
５５      ：    光検出器
１００      ：    従来の光増強素子
１０１      ：    従来の光増強素子
１１１      ：    基板
１１２      ：    高反射層
１１３      ：    誘電体層
１１４      ：    銀微粒子
１１５      ：    増強電磁場形成層
１１６      ：    金膜
【図１】
2014228320.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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