(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光が入射すると、被測定試料を検出および／または同定する光を出射する光学デバイスであって、
誘電体上に形成された複数の金属粒子と、
前記複数の金属粒子のうち隣り合う２つの金属粒子間の前記誘電体上に形成された第１有機分子膜と、
前記複数の金属粒子に形成された、前記第１有機分子膜とは異なる第２有機分子膜と、
を有し、
前記第１有機分子膜及び前記第２有機分子膜は、前記被測定試料を付着することを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１有機分子膜は、シランカップリング剤、シラノール基（-Ｓｉ-ＯＨ）、チタンカップリング剤、またはチタノール基（-Ｔｉ-ＯＨ）を有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記第２有機分子膜は、チオール基（-ＳＨ）、ジスルフィド基（-Ｓ-Ｓ-）、またはカルボキシル基（-ＣＯＯＨ）を有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記第１有機分子膜の分子長は、前記第２有機分子膜の分子長よりも短いことを特徴とする光学デバイス。
【請求項５】
光源と、
前記光源からの光が入射される請求項１乃至４のいずれか１項記載の光学デバイスと、
前記光学デバイスから出射された光を検出する光検出器と、
を有することを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイス及び検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や飲食物の検査等に用いられるセンサーチップの需要が増大しており、高感度かつ小型のセンサーチッブの開発が求められている。このような要求に応えるために、電気化学的な手法をはじめ様々なタイプのセンサーチップが検討されている。これらの中で、集積化が可能であること、低コスト、測定環境を選ばないこと等の理由から、表面プラズモン共鳴(SPR: Surface Plasmon Resonance）を利用した分光分析、特に表面増強ラマン散乱分光（SERS: Surface Enhanced Raman Scattering）用いたセンサーチップに対する関心が高まっている。
【０００３】
ここで、表面プラズモンとは、表面固有の境界条件により光とカップリングを起こす電子波の振動モードである。表面プラズモンを励起する方法としては、金属表面に回折格子を刻み、光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用する方法がある。例えば、ＳＰＲを利用したセンサーとしては、全反射型プリズムと、当該プリズムの表面に形成された標的物質に接触する金属膜と、を具備して構成されるものがある。このような構成により、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、標的物質の吸着の有無を検出している。
【０００４】
ところで、金属表面に伝搬型の表面プラズモンが存在する一方、金属微粒子には局在型の表面プラズモンが存在する。局在型の表面プラズモン、つまり、表面の金属微細構造上に局在する表面プラズモンが励起された際には、著しく増強された電場が誘起されることが知られている。
【０００５】
更に、金属ナノ粒子を用いた局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）によって形成される増強電場にラマン散乱光が照射されると表面増強ラマン散乱現象によってラマン散乱光が増強されることが知られており、高感度のセンサー（検出装置）が提案されている。この原理を用いることで、各種の微量な物質を検出することが可能になる。
【０００６】
増強電場は、金属粒子の周囲、特に隣り合う金属粒子間の間隙で大きく、流体試料中の標的分子を金属粒子間の間隙に止まらせる必要がある。例えば、特許文献１や非特許文献１には、センサーチップの金属表面上に自己組織化単分子膜（ＳＡＭ:Self-Assembled Monolayer)）を形成している。また、特許文献２には、異なる種類のＳＡＭ膜を混合して形成することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−２２２４０１号公報
【特許文献２】特開２００９−２１６４８３号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】P.Freunscht et al., “Surface-enhanced Raman spectroscopy of trans-stilbene adsorbed on platinum or self-assembled monolayer-modified silverfilm over nanosphere surfaces”, Chemical Physics Letters, 281(1997), 372-378
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ところで、この種の検出装置では、極めて低い濃度の被測定試料を検出できる点で優れているが、被測定試料によっては検出される濃度範囲が広いことも予想される。しかし、比較的低い濃度の被測定対象であっても、その濃度範囲が広い被測定試料を検出するには限界があり、ＳＥＲＳ信号レベルが飽和してしまう。
【００１０】
そこで、本発明の幾つかの態様は、比較的低い濃度の被測定対象であっても、広範囲の濃度の被測定試料を検出することができる光学デバイス及び検出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】
【００１１】
（１）本発明の一態様は、
励起光が入射すると、被測定試料を検出および／または同定する光を出射する光学デバイスであって、
誘電体上に形成された複数の金属粒子と、
前記複数の金属粒子のうち隣り合う２つの金属粒子間の前記誘電体上に形成された第１有機分子膜と、
前記複数の金属粒子に形成された、前記第１有機分子膜とは異なる第２有機分子膜と、
を有し、
前記第１有機分子膜及び前記第２有機分子膜は、前記被測定試料を付着（捕捉）する光学デバイスに関する。
【００１２】
本発明の一態様では、金属粒子間に増強電場が形成され、ホットスポットとなる。一方、金属粒子と対向する領域の増強電場は、金属粒子間の増強電場ほど強くはない。
そこで、金属粒子の領域と金属粒子間の領域とで増強電場が異なることに着目し、低濃度から高濃度の広い濃度範囲での検出を企図した。
【００１３】
ここで金属粒子が被測定試料を吸着状態にとどめておく脱離活性化エネルギーが低い場合、室温程度の熱エネルギーで脱離活性化エネルギーを乗り越えてしまい、被測定試料が脱離してしまう。第１，第２有機分子膜により、金属粒子のみによる脱離活性化エネルギーよりも大きな脱離活性化エネルギーが確保され、被測定試料の脱離を抑制できる。これにより、検出信号レベルを高めることができる。
【００１４】
しかも第１，第２有機分子膜により確保される脱離活性化エネルギーの大きさは異なるので、第１，第２有機分子膜を選択することで、低濃度から高濃度に亘る濃度範囲での検出感度を適切に調整できる。
【００１５】
例えば、第１有機分子膜が形成される金属粒子間は増強電場の強いホットスポットであり、低濃度の被測定試料であっても高感度で検出することができる。一方、第２有機分子膜が形成される金属粒子の領域は、増強電場が比較的弱いが、高濃度の被測定試料であれば被測定試料を反映した光を検出光に基づく信号レベルが確保される。よって、第１分子膜の形成領域が低濃度の被測定試料を検出する第１検出領域となり、第２有機分子膜の形成領域を高濃度の被測定試料を検出する第２検出領域とすることができる。こうして、一つの検出装置にて検出できる被測定試料の濃度範囲が拡大される。そして、第１，第２有機分子膜を選択することで、第１有機膜が形成された第１検出部にて検出される光に基づく信号レベルが飽和する濃度範囲の被測定試料を、第２有機分子膜が形成された第２検出部にて検出することができる。
【００１６】
（２）本発明の一態様では、前記第１有機分子膜は、シランカップリング剤、シラノール基（-Ｓｉ-ＯＨ）、チタンカップリング剤）、またはチタノール基（-Ｔｉ-ＯＨ）を有することができる。
【００１７】
これらの基を有する有機分子膜は、ＳｉＯ２等の誘電体に吸着しやすいので、第１有機分子膜として好適である。なお、シランカップリング又はチタンカップリング剤は、誘電体が持つＯＨ基と結合されるシラノール基（-Ｓｉ-ＯＨ）またはチタノール基（-Ｔｉ-ＯＨ）を、加水分解等により生成するものである。
【００１８】
これらの基を有する有機分子膜は、金属に吸着しやすいので、第２有機分子膜として好適である。
【００１９】
（３）本発明の一態様では、前記第２有機分子膜は、チオール基（-ＳＨ）、ジスルフィド基（-Ｓ-Ｓ-）、またはカルボキシル基（-ＣＯＯＨ）を有することができる。
【００２０】
（４）本発明の一態様では、前記第１有機分子膜の分子長は、前記第２有機分子膜の分子長よりも短くすることができる。有機分子膜の分子長は、有機分子膜が形成される領域での増強電場の大きさに合わせることが好ましい。金属粒子の領域では増強電場が広い範囲に形成されるので、分子長が長い第２有機分子膜を選択し、金属粒子間は狭い範囲で増強電場が形成されるので、分子長が短い第１有機分子膜を選択できる。
【００２１】
（５）本発明の他の態様は、
光源と、
前記光源からの光が入射される（１）〜（４）のいずれかの光学デバイスと、
前記光学デバイスから出射された光を検出する光検出器と、
を有する検出装置に関する。
【００２２】
この検出装置は、低濃度から高濃度に亘る濃度範囲で、感度を高めて被測定試料を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光デバイスの基本構造を示す図である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｄ）は、表面増強ラマン光の検出原理の説明図である。
【図３】図１の基本構造に第２有機分子膜が形成された中間基板を示す図である。
【図４】図３の中間基板に第１有機分子膜が形成された本発明の第１実施形態に係る光デバイスを示す図である。
【図５】各種の飽和蒸気気体を曝露して取得されるＳＥＲＳ信号と、各種の飽和蒸気気体の吸着量を測定した結果を示す図である。
【図６】飽和蒸気気体に曝露した時の値を１として、大気曝露に切り替えた後の脱離残量の比率を示す図である。
【図７】吸着と脱離活性化エネルギーとの関係を示す図である。
【図８】ＱＣＭの表面に吸着した分子の質量変化を周波数変化として測定することを示す図である。
【図９】有機分子膜の有無及び種類を変えて測定した各種気体に対する脱離活性化エネルギーを示す図である。
【図１０】濃度範囲１，２に亘る広範囲での検出を示す図である。
【図１１】液相法による有機分子膜の形成例を示す図である。
【図１２】液相法による有機分子膜の形成領域の限界を示す図である。
【図１３】気相法による有機分子膜の形成例を示す図である。
【図１４】気相法による有機分子膜の他の形成例を示す図である。
【図１５】第１，第２ＳＡＭの形成に用いたＳＥＲＳチップを示す図である。
【図１６】第１ＳＡＭ膜１８の形成前後のＳＥＲＳチップのＦＴ−ＩＲスペクトルを示す図である。
【図１７】第１ＳＡＭ膜１８の形成前後のＳＥＲＳチップで測定されたＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【図１８】本発明の第４実施形態に係る検出装置の全体構成を示す図である。
【図１９】図１８に示す検出装置の制御系ブロック図である。
【図２０】図１８に示す検出装置の光源を示す図である。
【図２１】図１８に示す光源に設けられた２つの共振器と歪付加部を示す図である。
【図２２】図１に示す光デバイスの基本構造の変形例を示す図である。
【図２３】金属粒子をＡｇアイランドとした光学デバイスを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２５】
１．第１実施形態
１．１．光学デバイスの基本構造
図１は、第１実施形態に係る光学デバイス１２の基本構造である基本基板１０を示している。なお、第１実施形態の光デバイス１２は、図１に示す基本基板１０をベースとし、例えば図３に示す第２有機分子膜１９が形成された中間基板１１を経て、図４に示すように基本基板１０に第１，第２有機分子膜１８，１９が形成されて完成する。先ず、基本基板１０について説明する。
【００２６】
図４に示す光学デバイス１２のうち、図１に示す基本基板１０は、基板１４と、基板１４上に形成された金属（導体）膜１５と、金属膜１５上に形成された誘電体１６と、誘電体１６上に形成された金属粒子１７とを有する。金属粒子１７、一次元配列であってもよく、二次元配列であってもよい。また、金属粒子１７は入射光の波長よりも小さいナノオーダーの金属ナノ粒子であり、サイズが１〜１０００ｎｍである。金属粒子１７としては、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）もしくはこれらの合金或いは複合体が用いられる。金属粒子１７は、誘電体１６の凸部を被覆して形成されてもよい（図２（Ｄ）参照）。
【００２７】
金属膜１５は、伝播型プラズモンの増強構造として形成され、平坦な膜（図１）あるいは、周期的な凹凸のある金属回折格子（後述の図２２及び図２３参照）などが適している。図１では、真空蒸着法又はスパッタ法で金（Ａｕ）の金属膜１５を形成する例を示している。Ａｕ膜の厚さとしておよそ１０ｎｍ〜数１０ｎｍが望ましい。金属の種類としては、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、白金（Ｐｔ）、ニッケル（Ｎｉ）、パラジウム（Ｐｄ）、タングステン（Ｗ）、ロジウム（Ｒｈ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが適している。
【００２８】
誘電体１６としては、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ＴｉＯ2などが適しており、その厚さは、およそ１０ｎｍ〜５００ｎｍが望ましい。
【００２９】
１．２．光検出原理
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）を用いて、流体試料を反映した光検出原理の一例としてラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図２（Ａ）に示すように、光学デバイス１２に吸着される検出対象の試料（試料分子）１に入射光（振動数ν）が照射される。一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光に対して変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の試料分子１を反映した光である。入射光の一部は、試料分子１を振動させてエネルギーを失うが、試料分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。
【００３０】
図２（Ｂ）に、標的分子に固有の指紋スペクトルとして、アセトアルデヒドの例を示す。この指紋スぺクトルによって、検出した物質がアセトアルデヒドと特定することが可能である。しかしながら、ラマン散乱光は非常に微弱であり、微量にしか存在しない物質を検出することは困難であった。
【００３１】
図２（Ｄ）に示すように、入射光が入射された領域では、隣り合う金属粒子１７間のギャップに、増強電場１３が形成される。特に、図２（Ｃ）に示すように、入射光の波長λよりも小さな金属粒子１７に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属粒子１７の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属粒子１７内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場１３が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属粒に特有の現象である。
【００３２】
本実施形態では、局在表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとを併用することができる。伝搬表面プラズモンは、金属膜１５が形成する伝搬構造によって形成することができる。例えば本出願人による特願２０１１―１３９５２６号に開示されているように金属膜１５が凹凸の格子面であると、格子の凹凸に光が入射すると表面プラズモンが発生する。入射光の偏光方向を格子の溝方向と直交させておくと、金属格子内の自由電子の振動にともなって電磁波の振動が励起される。この電磁波の振動は自由電子の振動に影響するため、両者の振動が結合した系である表面プラズモンポラリトンが形成される。ただし、金属膜１５が平坦であっても伝搬表面プラズモンは発生する。この表面プラズモンポラリトンは、金属膜１５と誘電体１６との界面に沿って伝搬し、増強電場１３をさらに増強する。
【００３３】
１．３．第１，第２有機分子膜を有する光学デバイス  本実施形態では、完成品である光学デバイス１２は、図４に示すように、表面に第１有機分子膜１８及び第２有機分子膜１９を有する。第１，第２有機分子膜１８，１９は、流体試料である分子を捕捉する吸着膜であり、例えば自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）にて形成される。第１，第２有機分子膜１８，１９は、互いに異なるＳＡＭ膜で形成される。第１有機分子膜１８は、隣り合う２つの金属粒子１７間の誘電体１６上に形成される。第２有機分子膜１９は、金属粒子１７に形成される。後述する製造上の理由から、図３に示すように先ず第２有機分子膜１９が形成され、次に図４に示すように第１有機分子膜１８が形成される。ただし、この順番に限定されない。
【００３４】
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）にて説明したＳＥＲＳ信号を検出するためには、標的分子が光学デバイス１２の表面で吸着されることが必要となる。金属の中でプラズモン共鳴の効果が大きいとされる金属は、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）などが報告されているが、全ての標的分子がこれらの金属と吸着性に優れている訳ではない。金属に対して一旦吸着しても、脱離活性化エネルギーＥｄが小さい場合には、室温程度の熱エネルギーによって直ぐに脱離してしまい、ＳＥＲＳ信号を得ることができない。
【００３５】
図５は、金属粒子としてＡｇナノ構造を石英ガラス基板上に形成した基板に、各種の飽和蒸気気体を曝露した結果を示す。水は例外として、大気曝露にして残留した量が多いもの（図５の右領域の気体）は、ＳＥＲＳ信号が検出されている。図５ではさらに、厚み振動型の水晶振動子（ＱＣＭ）に同様に各種の飽和蒸気気体を曝露し、水晶振動子の周波数変化から吸着量を測定した結果も示している。図５では、１分間の飽和蒸気気体曝露で吸着した量と、飽和蒸気気体曝露から大気曝露に１分間切り替えて残留した脱離残量をそれぞれ棒グラフで示している。
【００３６】
これらを分かり易くするため、図６に飽和蒸気気体に曝露した時の値を１として、大気曝露に切り替えて残留した量を比率で表してある。ＳＥＲＳ信号が検出されなかった気体は殆ど水晶振動子表面（Ａｕ）に吸着しても直ぐに脱離してしまい、ＳＥＲＳ信号が検出された気体は水晶振動子表面（Ａｕ）にある程度吸着していると考えられる。
【００３７】
この現象を理解するために、水晶振動子表面への気体分子のエネルギーを考えてみると、図７のように気体分子が金属表面に近づくとエネルギーの障壁があり、それを超えるとエネルギーの低い状態（吸着）へ入って安定化することができるが、脱離活性化エネルギーＥｄが小さいと、室温程度の熱エネルギーでＥｄを乗り越えることができ、気体分子は脱離してしまうことになる。
【００３８】
ここで、吸着気体の脱離速度v(t)は、Polanyi-Wigner式より、以下の通り示される。
【００３９】
【数１】
0005935492.tif 000002
ここで、ｖ（ｔ）は脱離速度、θ（ｔ）は被覆率、Ｃは気体吸着量、νｎは頻度因子、ｎは反応次数、Ｅｄは脱離活性化エネルギー、Ｒは気体定数、Ｔは絶対温度である。
【００４０】
空サイトを１つ使って吸着する分子の場合はｎ＝１なので、θ0を初期被覆率とすると、被覆率は以下の通りとなる。
【００４１】
【数２】
0005935492.tif 000003
よって脱離残量σ(t)は、脱離速度v(t)を積分することで以下のように示される。
【００４２】
【数３】
0005935492.tif 000004
ここで、図８に示すように、脱離活性化エネルギーEdは、QCM（水晶振動子）表面に吸着した分子の質量変化を周波数変化として測定することができる。つまり、脱離活性化エネルギーEdは図８の曲線Ａ領域の周波数変化として測定することができる。
【００４３】
一方、気体分子を金属表面の吸着状態に留めておくには、脱離活性化エネルギーEdを、増強電場を形成する金属粒子より大きくすればよい。このために、金属粒子を表面処理すれば実現することができると予測できる。しかも、金属粒子が作る増強電場の範囲内に気体分子が収まる程度の表面処理が望まれる。通常の樹脂系の材料を溶媒で溶解してスピンコートをしても概ね数１０ｎｍ程度の厚さになってしまい、増強電場の強い範囲からはずれてしまい、強い表面増強ラマン効果を得ることは難しい。
【００４４】
そこで、第１実施形態では有機分子膜例えば自己組織化単分子膜（ＳＡＭ膜）によって、脱離活性化エネルギーを向上させている。
【００４５】
図９は、水晶振動子（Ａｕ電極）上にＳＡＭ膜を形成し、脱離残量（吸着量）の時間的変化から脱離活性化エネルギーを求めた結果を示している。図９中の数値は、単位がｋＪ／ｍｏｌであり、１サンプルで３回測定しそれらの平均値を採用した。また、図９中のＰＥＧはポリエチレングリコールである。図９に示すように、酢酸を除き、ＳＡＭ膜が無い場合よりも、ＳＡＭ膜がある方が脱離活性化エネルギーは大きくなっている。ここで、ＳＡＭ膜の分子長は、比較的分子長が短いのがピリジンチオールで、比較的分子長が長いのがＰＥＧチオール、ヘキサデカンチオールである。
【００４６】
１．４．低濃度から高濃度の広範囲を検出できる原理
第１実施形態では、図１０に示すように広い濃度範囲で流体試料を検出することができる。このことは、異なる強さの増強電場に形成される有機分子膜１８，１９の種類を変えることにより実現される。
【００４７】
先ず、金属粒子１７間には上述の通り強い増強電場１３が形成され、ホットスポットとなる。一方、金属粒子１７と対向する領域の増強電場は、金属粒子１７間の増強電場ほど強くはない。
【００４８】
次に、第１，第２有機分子膜１８，１９により、金属粒子１７のみによる脱離活性化エネルギーよりも大きな脱離活性化エネルギーが確保され、被測定試料の脱離を抑制できる。これにより、検出信号レベルを高めることができる。
【００４９】
しかも第１，第２有機分子膜１８，１９により確保される脱離活性化エネルギーの大きさは異なるので、第１，第２有機分子膜１８，１９を選択することで、低濃度から高濃度に亘る濃度範囲での検出感度を適切に調整できる。
【００５０】
第１有機分子膜１８が形成される金属粒子１７間は増強電場の強いホットスポットであり、第１有機分子膜１８で被測定試料の吸着性が向上されることで、低濃度の被測定試料であっても高感度で検出することができる。よって、図１０に示すように、第１有機分子膜１８が形成される金属粒子１７間の領域でのラマン散乱光に基づくＳＥＲＳ信号の強度は、「吸着膜１」が付された破線のように、低濃度領域にて変化する。
【００５１】
一方、第２有機分子膜１９が形成される金属粒子１７の領域は、増強電場が比較的弱いが、第２有機分子１９で被測定試料り吸着性が向上されれば、高濃度の被測定試料である限り被測定試料を反映した光を検出光に基づく信号レベルが確保される。よって、図１０に示すように、第２有機分子膜１９が形成される金属粒子１７の領域でのラマン散乱光に基づくＳＥＲＳ信号の強度は、「吸着膜２」が付された破線のように、高濃度領域にて変化する。
【００５２】
こうして、一つの検出装置にて検出できる被測定試料の濃度範囲が拡大される。ここで、第１有機分子膜１８の形成領域からのラマン散乱光に基づくＳＥＲＳ信号レベルが、図１０にて「吸着膜１」と付された破線に示すように飽和する。そこで、第１，第２有機分子膜１８，１９を選択することで、図１０に示す「吸着膜１」で示すＳＥＲＳ信号レベルが飽和する濃度範囲から、第２有機分子膜１９の形成領域からのラマン散乱光に基づくＳＥＲＳ信号レベル（「吸着膜２」が付された破線）が検出されるように調整することができる。
【００５３】
ここで、図１０にて「吸着膜１」及び「吸着膜２」が付された２つの破線レベルが加算された信号レベルが、光検出器からの出力となる。上述した調整により、光検出器からの出力を、図１０にて「吸着膜１＋吸着膜２」が付された実線のように一定の傾きで変化させることができる。
【００５４】
１．５．第１，第２有機分子膜
図３に示す第２有機分子膜（第２ＳＡＭ膜）１９は、図１１の液相法にて形成することができる。図１１では、液体のＳＡＭ膜材料４０が収容された容器４１に、図１に示す光デバイス１０の基本構造を有する基本基板１０が浸漬される。金属粒子１７に対して、第２ＳＡＭ膜１９のチオール基が吸着し易く、しかも分子の構造中のアルキル基同士がファンデルワールス力でお互いがある程度の距離を保持するよう作用するため、第２ＳＡＭ膜１９は金属粒子１７上に配列するように吸着される。
【００５５】
しかし液相法では、図１２に示すように、金属粒子１７の谷間には液体のＳＡＭ膜材料４０は表面張力に起因して入り込まない。このため、金属粒子１７にのみ第２ＳＡＭ膜１９が形成されることになる。この場合、表面近傍の増強電場にあった分子長のＳＡＭ膜の種類が選択されることになる。金属粒子１７では増強構造による増強電場が比較的広い範囲に及んでおり、広い増強電場に適した比較的分子長の長い第２ＳＡＭ膜１９を液相法で形成した。
【００５６】
第２ＳＡＭ膜１９として、11-メルカプト-1-ウンデカノール、11-メルカプトウンデカン酸、PEG3-OH alkanethiol又はHydroxy-EG3-undecanethiol、Thiol-dPEG4-acid、ヘキサデカンチオール、プロパンチオール、4-メルカプトピリジン、チオニコチン酸、シランカップリング剤など、増強電場に合った分子長のＳＡＭ膜が選択されるが、上述の例示のものに限定されない。金属粒子１７に形成される第２ＳＡＭ膜１９としては、チオール基（-SH）、ジスルフィド基（-S-S-）、カルボキシル基（-COOH）を有するものが好適である。この他、第２ＳＡＭ膜１９として、アルキル鎖やPEG鎖を有し、末端にOHやCOOHなどの官能基を有するチオール試薬を用いることができる。
【００５７】
次に、図１３又は図１４の気相法にて、図４に示す第１有機分子膜（第１ＳＡＭ膜）１８を形成する。気相法では、蒸発や昇華さえ可能であれば、どんなＳＡＭ膜材料でも可能であり、液相法では入り込めなかった図１２に示す金属粒子１７の谷間にも形成が可能である。図４では第１ＳＡＭ膜１８としてチオニコチン酸の例を示しているが、これに限定されるものではない。このように、液相法と気相法とを組み合わせることで、図３に示す中間基板１１を経て図４に示す光学デバイス１２を完成させることができる。
【００５８】
図１３の気相法では、ＳＡＭ膜の材料が液体である場合を示し、容器４２に液体のＳＡＭ膜材料４３を少しだけ入れて蒸発させ、気体となったＳＡＭ膜材料４４が、容器４２の開口部に置いた中間基板１１の金属粒子１７間に入り込んで付着する。図１４に示すように、ＳＡＭ膜材料４８が固体又は粉末の場合には、容器４６の底部に収容したＳＡＭ膜材料４８を、加熱装置４７にて加熱して昇華させることで、気体となったＳＡＭ膜材料４９が、容器４６の開口部に置いた中間基板１１の金属粒子１７間に入り込んで付着する。
【００５９】
金属粒子１７間の誘電体１６上に形成される第１ＳＡＭ膜１８としては、シランカップリング剤、シラノール基（-Si-OH）、チタンカップリング剤、チタノール基（-Ti-OH）を有するものが好適である。
【００６０】
他の例として、次に、第２ＳＡＭ膜１９である11-メルカプト-1-ウンデカノールを金属粒子１７に、第１ＳＡＭ膜１８であるチオニコチン酸を金属粒子１７の間に形成してＳＥＲＳチップを製造する例について説明する。
【００６１】
先ず、11-メルカプト-1-ウンデカノール（OH(CH2)11SH, シグマアルドリッチ447528-1G）の１mMエタノール溶液をそれぞれ調製し、銀ＳＥＲＳチップを一晩浸して銀表面にアルカンチオール膜を形成させた。銀ＳＥＲＳチップとしては、図１５に示すように、ガラス基板上に粒子径140nm、構粒子間ギャップ１０ｎｍ程度のＡｇナノ構造を表面に形成させたものを用いた。
【００６２】
続いて気相法により第１ＳＡＭ膜１８としてチオニコチン酸を形成した。ガラス容器（6ml）にＳＡＭ形成材料であるチオニコチン酸を約1gを入れ、その上に第２ＳＡＭ膜１９を形成済のＳＥＲＳチップをかぶせるようにして、室温・大気圧下で２時間静置した。
【００６３】
第１ＳＡＭ膜１８の形成前後のＳＥＲＳチップのＳＥＲＳ測定結果として、ＦＴ-ＩＲスペクトルを図１６に、ＳＥＲＳ信号強度を図１７にそれぞれ示す。ＳＥＲＳでは上述のように金属粒子１７間の谷間で特に電場増強が強いので、この谷間に標的分子が存在する場合、その標的分子の情報がシグナルとして得られる。
【００６４】
図１７より、第１ＳＡＭ膜１８としてのチオニコチン酸ＳＡＭ形成前（つまり、第２ＳＡＭである11-メルカプト-1-ウンデカノールＳＡＭのみ形成）ではＳＡＭ由来のシグナルが観測できなかった。これに対して、チオニコチン酸SAM形成後のチップでは、図１７中にて矢印で示したチオニコチン酸由来のシグナルのみが観測された。この結果より金属粒子１７間の谷間にはチオニコチン酸ＳＡＭのみが形成され、11-メルカプト-1-ウンデカノールＳＡＭは金属粒子１７の頂部のみに形成されたことがわかる。
【００６５】
２．第２実施形態
２．１．検出装置の全体構成
次に、第２実施形態として、検出装置の全体構成について説明する。図１８は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図１８に示される検出装置１００は、吸引口１０１Ａ及び除塵フィルター１０１Ｂを有する試料供給流路１０１、排出口１０２Ａを有する試料排出流路１０２、図４に示す構造を有する光学デバイス（センサーチップ）１０３等を備えた光学デバイスユニット１１０を有する。光学デバイス１０３には、光が入射される。検出装置１００の筐体１２０は、ヒンジ部１２１により開閉可能なセンサーカバー１２２備える。光学デバイスユニット１１０は、センサーカバー１２２内にて、筐体１２０に対して着脱自在に配置される。光学デバイスユニット１１０が装着／非装着状態は、センサー検出器１２３により検出できる。
【００６６】
試料供給流路１０１及び試料排出流路１０２は、迂回して形成されることで、外光が入射し難い構造となっている。
【００６７】
なお、流体試料を吸引及び排出する経路形状については、外部からの光がセンサーに入らないように、かつ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるように、夫々考慮されたものなっている。外光が光学デバイス１０３に入らないようにすることで、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入らず、信号のＳ/Ｎ比が向上する。流路形状と共に、流路を形成する材料も、光を反射し難いような材料、色、表面形状を選択することが必要となる。また、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるようにすることで、この装置の近傍の流体試料を多く収集でき、高感度な検出が可能になる。流路の形状は、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部での滞留がなくなる。また、流体排出流路１０２に設けられる負圧発生部１０４としては、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンやポンプを選択することも必要である。
【００６８】
筐体１２０内には、光源１３０、光学系１３１と、光検出部１３２と、信号処理・制御部１３３と、電力供給部１３４とが設けられている。
【００６９】
図１８において、光源１３０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定ざれない。
【００７０】
光源１３０からの光は、光学系１３１を構成するコリメーターレンズ１３１Ａにより平行光にされる。コリメーターレンズ１３１Ａの下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源１３０として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【００７１】
コリメーターレンズ１３１Ａにより平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）１３１Ｂにより光学デバイス１０３の方向に導かれ、対物レンズ１３１Ｃで集光され、光学デバイス１０３に入射する。光学デバイス１０３からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ１３１Ｃを通過し、ハーフミラー１３１Ｂによって光検出部１３２の方向に導かれる。
【００７２】
光学デバイス１０３からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ１３１Ｄで集光されて、光検出部１３２に入力される。光検出部１３２では先ず、光フィルター１３２Ａに到達する。光フィルター１３２Ａ（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器１３２Ｂを介して受光素子１３２Ｃにて受光される。分光器１３２Ｂは、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器１３２Ｂを通過する光の波長は、信号処理・制御回路１３３により制御（選択）することができる。受光素子１３２Ｃによって、試料分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、試料分子１を特定することができる。
【００７３】
電力供給部１３４は、電源接続部１３５からの電力を、光源１３０、光検出部１３２、信号処理・制御部１３３及びファン１０４等に供給する。電力供給部１３４は、例えば２次電池で構成することができ、１次電池、ＡＣアダプター等で構成してもよい。通信接続部１３６は信号処理・制御部１３３と接続され、信号処理・制御部１３３に対してデータや制御信号等を媒介する。
【００７４】
図１８の例では、信号処理・制御部１３３は、図１８に示される光源１３０以外の光検出部１３２、ファン１０４等への命令を送ることができる。さらに、信号処理・制御部１３３は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、信号処理・制御部１３３は、試料分子１を特定することができる。なお、信号処理・制御部１３３は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続部１３６に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【００７５】
図１９は、図１８の検出装置１００の制御系ブロック図である。図１９に示されるように、検出装置１００は、例えばインターフェース１４０、表示部１５０及び操作パネル１６０等をさらに含むことができる。また、図１９に示される信号処理・制御部１３３は、制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）１３３Ａ、ＲＡＭ（Random Access Memory）１３３Ｂ、ＲＯＭ（Read Only Memory）１３３Ｃ等を有することができる。
【００７６】
さらに、検出装置１００は、図１８に示す各部を駆動する光源駆動回路１３０Ａ、分光器駆動回路１３２Ｂ１、センサー検出回路１２３Ａ、受光回路１３２Ｃ１、ファン駆動回路１０４Ａ等を含むことができる。
【００７７】
２．２．光源
図２０は、図１８に示す光源１３０である垂直共振器面発光レーザーの構造例を示す。図２０の例では、ｎ型ＧａＡｓ基板２００の上にｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層２０１が形成される。ｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層２０１の中央部に活性層２０２及び酸化狭窄層２０３が設けられる。酸化狭窄層２０３の上にｐ型ＤＢＲ層２０４を設ける。これらの周辺部には絶縁層２０５を介して電極２０６を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板２００の裏側にも電極２０７を形成する。図２０の例では、ｎ型ＤＢＲ層２０１とｐ型ＤＢＲ層２０４との間に活性層２０２が介在し、活性層２０２で発生した光がｎ型ＤＢＲ層２０１とｐ型ＤＢＲ層２０４との間で共振する垂直共振器２１０が形成される。なお、垂直共振器面発光レーザーは、図２０の例に限定されず、例えば酸化狭窄層２０３を省略してもよい。
【００７８】
図１８に示す光源１３０は、基板面に対して垂直方向に光を共振させ、基板面と垂直な方向（光源の光軸）に光を放出可能な垂直共振器面発光レーザー（広義には面発光レーザー）であることが好ましい。垂直共振器面発光レーザーを利用することで、単色（単一波長）で且つ直線偏光である光源を構成することができる。また、垂直共振器面発光レーザーは、小型化することが可能であり、携帯型の検出装置への組み込みに適している。また、垂直共振器面発光レーザーの構造から、製造工程では基板を劈開せずとも共振器２１０の形成やレーザー特性の検査が可能であり、大量生産に向いている。さらに、垂直共振器面発光レーザーは、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能であり、例えば２次元アレー型の垂直共振器面発光レーザーを提供することもできる。加えて、垂直共振器面発光レーザーの閾値電流が小さく、従って、検出装置１００の消費電力を低減させることができる。また、低電流でも垂直共振器面発光レーザーの高速変調が可能であり、垂直共振器面発光レーザーの温度変化に対する特性変化の幅が少なく、垂直共振器面発光レーザーの温度制御部を簡易化できる。
【００７９】
ここで、従来の面発光型半導体レーザーから出射されるレーザー光の偏光面を特定の方位へ制御することが困難で、光出力や環境温度に依存して偏光面が変動したり、スイッチングを起こす問題点があった。それを克服するために、特許３４８２８２４号に記載されているように、図２１に示す共振器２１０に隣接して歪み付加部２２０を配置することができる。歪み付加部２２０は共振器２１０に異方的な応力をあたえ、歪ませることによって、複屈折、利得の偏光依存性を共振器内に生じさせる。共振器２１０の周辺部に歪み付加部２２０を設けることで、安定した面偏光制御が可能になる。
【００８０】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学デバイス、検出装置、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【００８１】
図２２には、例えば図１に示す平坦な金属層１５を凹凸のある金属層１５Ａに置き換えた例を示す。この構造は、上述した通り本出願人による特願２０１１―１３９５２６号に開示された構造である。金属層１５Ａの凹凸の周期は、金属粒子１７の配列周期よりも例えば１０倍以上大きい。このように金属膜１５が凹凸の格子面であると、格子の凹凸に光が入射すると表面プラズモンを発生させることができ、伝搬プラズモンを増強させることができる。
【００８２】
図２３に、図２２の金属粒子１７を例えば４０ｎｍ厚のＳｉＯ２層（誘電体層）１６上にＡｇの金属アイランドとして形成したものを示す。なお、図２２では誘電体１６の表面が平坦化されているが、図２３では平坦化されずに例えばＡｕから成る金属膜１５の凹凸パターンが誘電体１６の表面にも反映している。つまり、誘電体１６表面は平坦化されていてもされていなくてもよい。図２３に示すＡｇ粒子の大きさには２０〜８０ｎｍの範囲でばらつきがあり、しかも周期性がない。
【符号の説明】
【００８３】
１  被測定試料（流体試料）、１２  光学デバイス（センサーチップ）、１６  誘電体、１７  金属粒子、１８  第１有機分子膜、１９  第２有機分子膜、１００  検出装置、１３０  光源、１３２  光検出器
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
0005935492.tif 000011
【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１５】
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