(57)【要約】【課題】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（分子センサー）において、センサーの高感度化、安定化、及び小型化を実現するためのラマン散乱増強用チップを提供する。【解決手段】貴金属酸化物薄膜を用いた、ラマン散乱増強を利用した分子センシング装置において、貴金属酸化物薄膜３１の上に誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜３２を形成することによって、プラズモンによる電場増強をさらに強くし、センサーの高感度化を得るとともに、小型化を実現する。また、上記手法により、貴金属酸化物と検体との化学反応を防ぎ、安定に検体の検出を行う。【選択図】図２
2006208271.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光源と、前記励起光源からの励起光照射によって検体から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と、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とを備える分子センシング装置において、
前記ラマン散乱増強用チップは、貴金属酸化物を含有する薄膜と、その上に形成された誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜とを有することを特徴とする分子センシング装置。
【請求項２】
請求項１記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項３】
請求項２記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項４】
請求項２記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項５】
請求項３又は４記載の分子センシング装置において、前記金属は貴金属であることを特徴とする分子センシング装置。
【請求項６】
請求項３〜５のいずれか１項記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項記載の分子センシング装置において、前記ラマン散乱増強用チップは、分子センシングを行う前に電磁波照射または熱によって分子センシング感度が与えられることを特徴とする分子センシング装置。
【請求項８】
請求項１〜６のいずれか１項記載の分子センシング装置において、前記ラマン散乱増強用チップは、前記励起光源からの励起光照射によって分子センシング感度が与えられることを特徴とする分子センシング装置。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項記載の分子センシング装置において、前記誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜の膜厚が１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であることを特徴とする分子センシング装置。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項記載の分子センシング装置において、前記ラマン散乱増強用チップは、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分子センシング装置。
【請求項１２】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の分子センシング装置において、前記誘電体材料薄膜はシリコンの酸化膜であることを特徴とする分子センシング装置。
【請求項１３】
請求項１〜１１のいずれか１項記載の分子センシング装置において、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分子センシング装置。
【請求項１４】
励起光照射によって検体から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誘電体材料薄膜又は半導体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。
【請求項１５】
請求項１４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。
【請求項１６】
請求項１５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。
【請求項１７】
請求項１５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。
【請求項１８】
請求項１６又は１７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。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか1項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。
【請求項２０】
請求項１４〜１９のいずれか１項記載のラマン散乱増強用チップにおいて、分子センシングを行う前に電磁波照射または熱によって分子センシング感度が与えられることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。
【請求項２１】
請求項１４〜１９のいずれか１項記載のラマン散乱増強用チップにおいて、ラマン分光分析に用いる励起光の照射によって分子センシング感度が与えられることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。
【請求項２２】
請求項１４〜２１のいずれか１項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１ｎｍ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。
【請求項２３】
請求項１４〜２２のいずれか１項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。
【請求項２４】
請求項１４〜２３のいずれか１項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。
【請求項２５】
請求項１４〜２４のいずれか１項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化膜であることを特徴とするラマン散乱増強用チップ。
【請求項２６】
請求項１４〜２４のいずれか１項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。
【発明の詳細な説明】
【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）及びそのセンサー用のチップに関する。
【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 Scattering、ＳＥＲ
Ｓ）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いて記載されている。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ＴｉＯ２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、薄膜のみではなく、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ールの金属針を用い、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く、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、酸化銀などの貴金属化合物へのレーザー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】
【発明が解決しようとする課題】
【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く、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おいて、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及び該分子センシング装置用のチップ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、従来の貴金属酸化物を含有する薄膜（又は貴金属酸化膜）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。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
本発明の分子センシング装置は、検出対象となる分子から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。
【００１２】
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１４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、貴金属酸化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４２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によって検出することによって分子センシングを行う。
【００１３】
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い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、光学フィルターは不要となる。また、光軸を合わせるためにミラー１２を使用しているが、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が、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。
【００１４】
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）を観測しているが、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く、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イバによって、光検出器に導いても良い。
【００１５】
ノッチフィルター１８は、上述のように、励起光を取り除くために使用するが、これも、観測したいシグナルが、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を用いているが、観測すべきシグナルの波長帯域が固定されている場合、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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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、その形状も用途や応用分野によって、適宜選定すればよい。
【００１９】
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、貴金属酸化物か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。
【００２０】
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、主に、貴金属酸化物への電
磁波照射や加熱によってなされる。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、貴金属酸化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。
【００２１】
貴金属酸化物は、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、白金、又はパラジウムの少なくとも１種の酸化物を含有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く、ラマン散乱の増強量が大きくなるように実験的に適宜組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。
【００２２】
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く、酸素を含む雰囲気中で貴金属ターゲットを用い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。
【００２３】
貴金属酸化物を含有する薄膜の膜厚は、１〜５００ｎｍ程度、好ましくは３〜１００ｎｍ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、粒子径が小さくなりすぎて、かえってラマン散乱増強が小さくなってしまう。
【００２４】
本発明では、上記のように形成した貴金属酸化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。
【００２５】
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。
【００２６】
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カ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４３０ｎｍ〜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酸化チタンを用いれば、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。
【００２７】
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く、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制することができる。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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っ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いようにすることによって、この局在プラズ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。
【００３２】
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３２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、検体と貴金属酸化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かっ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。
【００３３】
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１〜５００ｎｍ程度の厚さしか持たないため、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、センシングを安定化することができる。
【００３４】
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、シリコンの酸化物（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Ｇｅ、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くくなってしまう。よってこれらの材料は真性半導体に近い電気特性を示すことが好ましい。
【００３５】
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、貴金属酸化物を含有する薄膜の表面に塗布してもよい。
【００３６】
これらの誘電体材料薄膜、及び半導体材料薄膜の厚さは、１〜５００ｎｍが好ましく、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がなくなってしまい、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化が十分ではなくなってしまう。
【００３７】
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化物薄膜（シリコン酸化膜）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。シリコン酸化膜を付けない場合より、１〜１６０ｎｍ程度の厚さにシリコン酸化膜を付けた方が、シグナルの強度が高いことが分かる。しかし、シリコン酸化膜の厚さをさらに厚くしてしまうと、シリコン酸化膜を付けない場合よりもシグナルが小さくなってしまい、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かった。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ってしまうことが分かる。
【００３８】
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、膜厚が厚くなったほうが高くなる。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、シリコン酸化膜の膜厚は１０〜５００ｎｍ程度が望ましい。
【００３９】
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１〜５００ｎｍが好ましく、さらに、シグナルの高感度化及び化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。
【００４０】
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。
【００４１】
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化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化物に応じて、適宜決定すればよい。例えば、酸化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く、連続スペクトル光でもよい。
【００４２】
厚さ１００ｎｍの酸化銀薄膜に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パ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Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）を０．７５、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。
【００４３】
これらのＳＥＭ像は一例であって、粒径や粒子の分布は酸化銀の膜厚、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いない試料におい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。
【００４４】
誘電体材料薄膜として、シリコン酸化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）は酸化銀上に厚さ１６０ｎｍのシリコン酸化膜を形成したラマン散乱増強用チップ、図６（ｂ）は厚さ８０ｎｍのシリコン酸化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。シリコン酸化膜の存在によって、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化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、又は酸化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化膜表面の凹凸が常に観測される訳ではない。例えば、酸化銀薄膜の厚さが薄かったり、シリコン酸化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、酸化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。
【００４５】
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℃以上、酸化白金の場合は５００℃以上、酸化パラジウムの場合７００℃以上が好適である。処理時間は数分から数十分が望ましい。
【００４６】
また、酸化銀の場合、ラマン散乱増強用チップを５０〜３００℃、好ましくは８０〜１５０℃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、Ａｒ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。
【００４７】
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。
【００４８】
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い。その方法を以下に、２つ目の方法として説明する。
【００４９】
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。
【００５０】
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℃、好ましくは８０〜１５０℃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。
【００５１】
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っていく。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か、又は励起光照射開始から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。
【００５２】
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からでもよい。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。
【００５３】
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。
【００５４】
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、上方から励起光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。
【００５５】
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を透過しやすい材料とする必要がある。
【００５６】
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を下側から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。
【００５７】
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、下方からの照射でも良い。
【００５８】
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、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。
【００５９】
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、上方からでも下方からでも行える。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が、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く、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。
【００６０】
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。
【００６１】
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、より高い検出感度及び安定性が得られることもある。
【００６２】
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、ＳｉＯ２を誘電体材料薄膜として用いた場合、酸化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ってしまう。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ＳｉＯ２層をさらに形成し、さらにその上に酸化銀薄膜層、ＳｉＯ２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の貴金属酸化物を含有する薄膜３１ａ、第１の誘電体材料薄膜又は半導体材料薄膜３２ａ、第２の貴金属酸化物を含有する薄膜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。
【００６３】
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化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、ＳｉＯ２よりはるかに屈折率の高いＴｉＯ２を堆積する場合、ＴｉＯ２の堆積速度はＳｉＯ２の堆積速度に対して５分の１程度となってしまい、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ＴｉＯ２層を形成し、さらにその上にＳｉＯ２層を形成すればよい。この様なラマン散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の上に貴金属酸化物を含有する薄膜３１、ＴｉＯ２薄膜層３８、及びＳｉＯ２薄膜層３９を積層した構造を有する。ＴｉＯ２薄膜層３８の膜厚は１〜２０ｎｍ程度あればよい。
【００６４】
また、例えば、屈折率の高い材料として、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層側から光を照射したり、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１〜２０ｎｍ程度に薄く形成した後、その上にＳｉＯ２層を形成すればよい。
【００６５】
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く、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。
【００６６】
以下、実施例により、本発明をさらに具体的に説明する。
【００６７】
［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。
【００６８】
基体としては１ｃｍ角、厚さ５２５μｍ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Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）は０．７５とした。形成された酸化銀の組成はＡｇとＯの比がほぼ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ＳｉＯ２をターゲットとしたスパッタリングを行い、前記のＡｇＯ薄膜上に誘電体材料薄膜としてシリコン酸化膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。ＡｇＯ薄膜の膜厚は５０ｎｍ、シリコン酸化膜の膜厚は８０ｎｍとした。
【００６９】
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ＡｇＯ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。
【００７０】
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から行った。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った。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、ＮＡ０．５５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。
【００７１】
検体には溶媒ＩＰＡ中にＢＡを１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ溶解した溶液を用いた。
【００７２】
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ペクトルを示す。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。
【００７３】
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ペクトルを示す。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が、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。
【００７４】
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。
【００７５】
［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薄膜を形成し、その上に、膜厚４０ｎｍ、８０ｎｍ、１６０ｎｍ、３２０ｎｍ、６４０ｎｍの５つの異なる厚さのシリコン酸化膜層を形成したチップ作製した。シリコン酸化膜の形成方法も、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、シリコン酸化膜層を形成していないチップも用意した。
【００７６】
検体は、溶媒ＩＰＡ中にＢＡを１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ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１ｍＷ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。
【００７７】
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っている。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かったため、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。
【００７８】
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。シリコン酸化膜層の厚さが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かった。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化膜層）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。
【００７９】
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が、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。
【００８０】
［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１．０×１０−５
ｍｏｌ／ｌ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４８８ｎｍ、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。
【００８１】
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、大きい感度を得ることができる。
【００８２】
但し、高強度を得られる貴金属酸化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。
【００８３】
［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のシリコン酸化膜を作製し、ラマン散乱測定前に、窒素雰囲気中１００℃で５分間熱処理を行った。また、比較用チップとして、熱処理を行っていない以外は同じ条件のチップも用意した。
【００８４】
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イオンレーザー（波長４８８ｎｍ）を用い、図７（ａ）に示す配置にて、溶媒ＩＰＡ中のＢＡ（１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ）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。
【００８５】
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いない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。
【００８６】
［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ＡｇＯ薄膜と膜厚８０ｎｍのシリコン酸化膜を作製した。また、比較用チップとして、シリコン酸化膜を持たない試料も用意した。
【００８７】
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１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ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ペクトルを図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。
【００８８】
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いが、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いる。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。
【００８９】
［実施例６］
本実施例では、基体として、２ｃｍ角、厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２ガラスを用い、貴金属酸化物を含有する層には、酸化銀を用いた。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Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）は０．５とした。形成された酸化銀の組成はＡｇとＯの比がほぼ２対１、つまりＡｇ２Ｏであった。しかしながら、実際には、この場合は酸素流量が少ない為、均一なＡｇ２Ｏというよりは、むしろ、ＡｇＯ、Ａｇ２Ｏ、Ａｇ等が混在しており、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Ａｇ２Ｏを含有する層と呼ぶ。このＡｇ２Ｏを含有する層の上に、実施例１と同様の手法で、シリコン酸化膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。Ａｇ２Ｏを含有する層の膜厚は５０ｎｍ、シリコン酸化膜の膜厚は８０ｎｍとした。
【００９０】
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（１．０×１０−５ｍｏｌ／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、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、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。
【００９１】
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。
【００９２】
［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。
【００９３】
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。
【００９４】
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Ａｇ２Ｏを含有する層と膜厚８０ｎｍのシリコン酸化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のシリコン酸化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：ＳｉＯ２ガラス基板上に厚さ１００ｎｍ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。
【００９５】
上記のＡｇＯ層、及びＡｇ２Ｏを含有する層は、それぞれ、上記実施例１、実施例６と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Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）を０．７５とし、Ａｇ２Ｏを含有する層の形成時は、酸素とＡｒの流量比Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）を０．５として形成した。シリコン酸化膜層はいずれの
場合も、ＳｉＯ２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。
【００９６】
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１ｍＷ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１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ溶解した溶液を用いた。
【００９７】
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。
【００９８】
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く、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。
【００９９】
［実施例８］
本実施例では、２ｃｍ角、厚さ０．５ｍｍのＳｉＯ２ガラス基板を基体として、その上に、膜厚５０ｎｍのＡｇＯ層、膜厚２０ｎｍのシリコン酸化膜層、膜厚５０ｎｍのＡｇＯ層、膜厚８０ｎｍのシリコン酸化膜層を、下からこの順番で形成し、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Ｏ２／（Ａｒ＋Ｏ２）が０．７５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、シリコン酸化膜層は、ＳｉＯ２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。
【０１００】
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１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ溶解した溶液を用いた。
【０１０１】
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い。
【０１０２】
［実施例９］
本実施例では、２ｃｍ角のＳｉＯ２ガラス基板上に、実施例１と同様の手法で膜厚５０
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のシリコン酸化膜を形成し、ラマン散乱増強用チップとした。
【０１０３】
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１．０×１０−５ｍｏｌ／ｌ溶解した溶液を用いた。
【０１０４】
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いる。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。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明による分子センシング装置の構成例を示す図。
【図２】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。
【図３】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】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。
【図５】酸化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。
【図６】酸化銀上に形成されたシリコン酸化膜にレーザー光を照射した時のＳＥＭ像を示す図。
【図７】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。
【図８】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。
【図９】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。
【図１０】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ペクトルを示す図。
【図１１】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。
【図１２】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。
【図１３】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。
【図１４】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。
【図１５】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。
【図１６】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ペクトルを示す図。
【図１７】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ペクトルを示す図。
【図１８】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ペクトルを示す図。
【図１９】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ペクトルを示す図。
【図２０】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ペクトルを示す図。
【図２１】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ペクトルを示す図。
【符号の説明】
【０１０６】
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：ノッチフィルター、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：ＴｉＯ２薄膜層、３９：ＳｉＯ２薄膜層、４１：励起光、４２：ラマン散乱光
【図１】
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【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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【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１５】
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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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