(57)【要約】  センサに与えられた分析物８０内の化学基の存在を検出するために、可視光レーザ励起ビーム６０及びラマン分光検出器とともに使用する光センサ及び方法が開示される。センサには、基板１０、基板１０のセンサ表面上に形成されたプラズモン共鳴ミラー２０、ミラー２０上に配置されたプラズモン共鳴粒子層４０、並びにミラー２０及び粒子層４０を隔てる約２〜４０ｎｍ厚の光学的に透明な誘電体層３０が含まれる。粒子層４０は、ｉ分析物分子８０を結合するための被覆、ｉｉ５０〜２００ｎｍの間の範囲内の実質的に均一な粒子サイズ及び形状、並びにｉｉｉレーザ励起ビームの波長よりも少ない粒子間の間隔をもつプラズモン共鳴粒子の周期的アレイを有する。デバイスは、１０１２〜１０１４までの増幅定数で単一の分析物分子８０を検出することができる。【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサに与えられた分析物の化学基の存在を検出するために、可視光レーザ励起ビーム及びラマン分光検出器とともに使用する光センサであって、
（ａ）基板と
（ｂ）前記基板のセンサ表面上に形成されたプラズモン共鳴ミラーと、
（ｃ）前記ミラー上に配置されたプラズモン共鳴層であって、（ｉ）分析物分子を結合するのに有効な被覆、（ｉｉ）５０〜２００ｎｍの間で選択されたサイズ範囲内の実質的に均一な粒子サイズ及び形状、並びに（ｉｉ）前記レーザ励起ビームの波長よりも少ない、規則的で周期的な粒子間間隔を有するプラズモン共鳴粒子の周期的アレイから構成されたプラズモン共鳴層と、
（ｄ）前記粒子層から前記ミラーを隔てる、２〜４０ｎｍの間の厚さの範囲内で選択された厚さを有する光学的に透明な誘電体層と
を備え、
前記レーザ励起ビームによる前記粒子層に結合された分析物への照射が、前記検出器内に少なくとも１０１０の増幅定数をもつ前記分析物のラマンスペクトルを生成するのに有効である光センサ。
【請求項２】
前記ミラーが約３０〜５００ｎｍの間のミラー厚を有する銀、金、又はアルミニウム・ミラーである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項３】
前記粒子が５０〜１５０ｎｍのサイズ範囲内の選択された最大寸法を有する、請求項１に記載のセンサ。
【請求項４】
前記粒子が、銀、金、又はアルミニウムの固体若しくは被覆された粒子で形成される、請求項３に記載のセンサ。
【請求項５】
前記ミラー及び粒子が、両方とも金、又は両方とも銀である、請求項４に記載のセンサ。
【請求項６】
前記粒子が実質的に球形である、請求項５に記載のセンサ。
【請求項７】
前記粒子がシリンダ又はストリップである、請求項５に記載のセンサ。
【請求項８】
前記粒子層がプラズモン金属層の区域内の孔で形成される、請求項１に記載のセンサ。
【請求項９】
前記粒子層が、粒子寸法に０及び２０ｎｍを加えた粒子間間隔を有する最密充填プラズモン共鳴粒子の規則的アレイで形成される、請求項６に記載のセンサ。
【請求項１０】
前記粒子層が、少なくとも１つの方向に少なくとも５０の粒子の周期的アレイを含む、請求項６に記載のセンサ。
【請求項１１】
前記粒子層が、２つの平面内方向の各々に少なくとも５０の粒子の周期的アレイを含む、請求項６に記載のセンサ。
【請求項１２】
１つ又は複数の追加の粒子層を含み、各々が２〜４０ｎｍの間の厚さを有する光学的誘電体層によって直ぐ下にある前記粒子層から隔てられる、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１３】
前記基板が、湾曲センサ表面を有する粒子ビードである、請求項１に記載のセンサ。
【請求項１４】
少なくとも１０１０の増幅幅定数で分析物の化学基を検出する方法であって、
（ａ）（ａ）基板と、（ｂ）前記基板のセンサ表面上に形成されたプラズモン共鳴ミラーと、（ｃ）前記ミラー上に配置されたプラズモン共鳴粒子層であって、（ｉ）分析物分子を結合するのに有効な被覆、（ｉｉ）５０〜２００ｎｍの間で選択されたサイズ範囲内の実質的に均一な粒子サイズ及び形状、並びに（ｉｉｉ）前記レーザ励起ビームの波長よりも少ない、規則的で周期的な粒子間間隔を有するそのようなプラズモン共鳴粒子の周期的アレイで構成されたプラズモン共鳴粒子層と、（ｄ）前記粒子層から前記ミラーを隔てる、２〜４０ｎｍの間の厚さの範囲内で選択された厚さを有する光学的に透明な誘電体層とから構成された光デバイスのプラズモン共鳴粒子の表面に前記分析物を結合するステップと、
（ｂ）前記粒子に結合された分析物分子を可視光レーザ励起ビームで照射するステップと、
（ｃ）前記照射によって生成されたラマンスペクトルを記録するステップと
を含む方法。
【請求項１５】
少なくとも１０１２の増幅定数を生成するのに有効で、１つ又は少数の分析物分子内の化学基を検出することができる、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記照射が０．１ｍＷと１ｍＷとの間のビーム・パワーレベルで行われる、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、局在化光学現象の増強のためにプラズモン・ミラー上のＳＥＲＳ活性なプラズモン粒子で構成された新規の光センサ、並びに高い構造特異性及び高い検出感度をもつ超高感度な化学的及び生物学的検出のためにこの効果を使用することに関する。
【０００２】
以下の参考文献は本発明の背景の一部として、及び／又は本発明のいくつかの実施例に適用することができる方法体系として引用される。これらの参考文献は参照により本明細書に援用する。
【背景技術】
【０００３】
様々な局在化した線形及び非線形の光学現象を増強する目的で、光の閉込め並びにナノ構造における電磁場の局在化及び増強を行う様々な方法が従来技術で知られている（例えば、Ａ．Ｗｏｋａｕｎ、１９８４年：Ｍ．Ｍｏｓｋｏｖｉｔｓ、１９８５年を参照）。従来技術における最大の関心は、ナノスケール構造をもつ基板の表面の近くの光の局在化及び閉込めに基づいた表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）の現象に関していた。ＳＥＲＳは、超高感度な化学的及び生化学的分析用の強力な分析ツールであることが証明された（Ｋ．Ｋｎｅｉｐｐ等、１９９９年）。
【０００４】
提案された１つのＳＥＲＳベースの構造では、平滑金属表面上の金属島状膜（ＭＩＦ）で構成された光学構造が使用された（Ｈ．Ｇ．Ｂｉｎｇｅｒ等、１９９５年、Ｇ．Ｂａｕｅｒ等、２００３年）。金属島状膜は、各々が最大のサイズ寸法で数ｎｍ（一般に２〜１０ｎｍ）である金属粒子のランダムな２次元アレイからなる。その上、金属粒子の形状は変わりやすいので、粒子を構造的に特徴づけるのは難しい。（例えばガラス、石英、又はシリコンなどの基板表面に対して全てが垂直に配向された短軸をもつ偏平回転楕円体に類似の粒子の確率論的アレイを形成する。）それは、種々の理由について、以下で明らかになる。
【０００５】
金属島状膜ＭＩＦは、光学的に透明な誘電体材料から作られた中間スペーサ層によって平滑金属層から隔てられ、誘電体材料の厚さは、島の上に局在化したプラズモンと平滑金属層の表面プラズモンとの間の相互作用の強度を制御する。金属粒子（島）は、入射放射を集め、次にそのエネルギーを近接ギャップモードに移行させるナノスケールのアンテナとして考えることができ、近接ギャップモードは、表面の平面内の全方向に伝搬する導波モードにトラップされることが可能である（全方向性結合）。構造が特定の波長の光を吸収する能力は、その特定の波長が励起光の波長に近い場合、構造への吸収を最大にする最適のスペーサ層厚があることに依存する（Ｌｅｉｔｎｅｒ等、Ａｐｐｌ  Ｏｐｔ  １９９３年；Ｗ．Ｒ．Ｈｏｌｌａｎｄ等、１９８３年、Ｔ．Ｋｕｎｅ等、１９９５年）。以下で明らかになる様々な理由で、そのようなＭＩＦ構造で達成可能な最大の増強は約１０６〜１０８の間に制限される。
【０００６】
局在化プラズモン（ＬＰ）とプラズモン材料中の表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）との相互作用の現象が発見され、ナノ粒子によって仲介されたプラズモン共鳴平滑膜内にＳＰＰを励起する新しい方法が提案された（Ｓ．Ｈａｙａｓｈｉ等、１９９６年）。ＳＰＰ励起に関連する興味ある現象は、金属表面近くに強い電磁場が生成されることである。強い電磁場が、表面増強分光の機構を介して、表面近くの様々な線形及び非線形の光学プロセスを増強することになることは一般的に認められた機構である（Ｍ．Ｍｏｓｋｏｖｉｔｓ、１９８５年；Ｇ．Ｃ．Ｓｃｈａｔｚ及びＲ．Ｐ．Ｖａｎ  Ｄｕｙｎｅ、２００２年）。この機構によれば、Ｅを金属表面近くの電磁界として、ＳＥＲＳ信号の増強はＥ４に比例する。
【０００７】
この現象の１つの一般的な用途は、励起波長及び散乱波長の両方でプラズモン共鳴をサポートする、金属表面上に吸着された分子の表面増強ラマン散乱である。電気分解で粗くした銀を使用することによって、又はナノ球体リソグラフィで加工された基板（Ｊ．Ｃ．Ｈｕｌｔｅｅｎ等、１９９９年）を使用することによって達成される一般的な増強は１０６〜１０８の範囲である。一般に、知られている増強の程度は、センサ全体にわたって一定でなく、再現性もない。
【０００８】
ＭＩＦ金属表面のパラメータを制御できないこと、及び金属粒子の大きさが５ｎｍ未満に本質的に制限されること（Ｖ．Ｍａｔｙｕｓｈｉｎ，Ａ等、２００４年）により、ＳＥＲＳへの使用が妨げられ（Ｈ．Ｇ．Ｂｉｎｇｅｒ等、１９９５年）、ＭＩＦ金属基板構造はラマン信号の強い増強を有しないのでそのようなシステムの感度は制限される。したがって、ＭＩＦ金属基板は、いわゆる「共鳴ナノクラスタ・バイオチップ」技術における螢光の増強で実施されるだけになった（Ｇ．Ｂａｕｅｒ等、２００３年；Ｔ．Ｓｃｈａｌｋｈａｍｍｅｒ等、２００３年）。
Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｍ．Ｃａｒｒａｂｂａ等、「表面増強ラマン分光用の基板及び装置」米国特許第５２５５０６７号、１９９３年１０月１９日
Ｓ．Ｆａｒｑｕｈａｒｓｏｎ等「表面増強ラマン分光用材料並びにＳＥＲセンサ及びそれを準備する方法」、米国特許第６６２３９７７号、２００３年９月２３日
Ｎ．Ｈａｌａｓ等「ナノ粒子ベースの全光センサ」、米国特許第６７７８３１６号、２００４年８月１７日
Ｔ．Ｓｃｈａｌｋｈａｍｍｅｒ等、「強化クラスタ光センサ」、米国特許第６６６９９０６号、２００３年１２月３０日
Ｊ．Ｗｅｓｔ等、「バイオセイシング応用のための金属ナノシェル」、米国特許第６６９９７２４号、２００４年３月２日
Ｇ．Ｂａｕｅｒ等、「共鳴ナノクラスタ技術−光コーディング及び高品質セキュリティ機能からバイオチップまで」、ナノテクノロジ（Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）、１４巻、１２８９〜１３１１頁（２００３年）
Ｂ．Ｅ．Ｂａｋｅｒ、Ｎ．Ｊ．Ｋｌｉｎｅ、Ｐ．Ｊ．Ｔｒｅａｄｏ、及びＭ．Ｊ．Ｎａｔａｎ、「組合せ方法による金属表面の溶液ベース・アセンブリ」、Ｊ．Ａｍ．Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．、１１８巻、８７２１〜８７２２頁（１９９６年）
Ｈ．Ｇ．Ｂｉｎｇｅｒ等、「銀−スペーサ−島多層システム上の吸着物の干渉増強表面ラマン散乱」、モレキュラー・フィジックス（Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、８５巻、５８７〜６０６頁（１９９５年）
Ｇ．Ｒ．Ｂｒｅｗｅｒ、マイクロエレクトロニック製造における電子ビーム技術、Ａｃａｄｅｍｉｃ  Ｐｒｅｓｓ、ＮＹ、１９８０年
Ｓ．Ｃｈａｎ等、「銀被覆シリコン・ナノ孔からの小分子の表面増強ラマン散乱」、アドバンスト・マテリアルス（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、１５、１５９５〜１５９８、２００３年
Ｈ．Ｆａｎ等「規則的で強固な３次元金ナノ結晶／シリカ・アレイの自己集合」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、３０４、５６７〜５７１、２００４年
Ｄ．Ｇｉｎｇｅｒ等、「ディップペン（Ｄｉｐ−Ｐｅｎ）ナノリソグラフィの進展」、Ａｎｇｅｗ．Ｃｈｅｍ．Ｉｎｔ．Ｅｄ．、４３巻、３０〜４５頁、２００４年
Ｋ．Ｈａｕｐｔ、「抗体及び受容体のインプリント・ポリマー特注模擬体」、Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍ．、２００３年、１７１〜１７８頁
Ｓ．Ｈａｙａｓｈｉ、「金属粒子−表面システムにおけるギャップモードの分光」、Ｔｏｐｉｃｓ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓ  ８１：７１〜９５、２００１年
Ｓ．Ｈａｙａｓｈｉ等、「金属ナノ粒子によって実現された表面プラズモン励起の新しい方法」、Ｊｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．３５巻、Ｌ３３１〜Ｌ３３４頁、１９９６年
Ｗ．Ｒ．Ｈｏｌｌａｎｄ等、「表面−プラズモン分散関係：局在化プラズマ共鳴との相互作用によって誘起されたシフト」、フィジカル・レビューＢ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ）、２７巻、７７６５〜７７６８頁、１９８３年
Ｊ．Ｃ．Ｈｕｌｔｅｅｎ等、「ナノ球体リソグラフィ：サイズ調整可能な銀ナノ粒子及び表面クラスタ・アレイ」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．Ｂ、１０３巻、３８５４〜３８６３頁、１９９９年
Ｃ．Ｋｅａｔｉｎｇ等、「金属ナノ粒子間の増大電磁場：金属−シトクロムＣ−金属サンドイッチからの表面増強ラマン散乱」、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ  Ｂ、１０２、９４１４〜９４２５、１９９８年
Ｉ−Ｋ．Ｋｎｅｉｐｐ等「ラマン分光による超高感度化学分析」、Ｃｈｅｍ．Ｒｅｖ．、１９９９年、９９巻、２９５７〜２９７５頁、２９７１頁参照
Ｔ．Ｋｕｎｅ等、「局在化表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとの間の相互作用：Ａｌ表面上のＡｇ微細粒子」ソリッド・ステート・コミュニケーションズ（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ）、９３巻、１７１〜１７５頁、１９９５年
Ｌｅｅ  Ｐ．Ｃ．、Ｍｅｉｓｅｌ，Ｄ．Ｊ．、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．、８６、３３９１頁、１９８２年
Ａ．Ｌｅｉｔｎｅｒ等、「平滑金属表面の近くの金属島状膜の光学的性質」、アプライド・オプティクス（Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ）、３２巻、１０２〜１１０頁、１９９３年
Ｙ．Ｌｕ等、「局所電磁場増強効果による超高感度生体分子検出のためのシャープエッジ（Ｓｈａｒｐ  Ｅｄｇｅ）をもつナノフォトニック三日月構造」、ナノ・レター（Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔｅｒｓ）、５、１１９〜１２４、２００５年
Ｖ．Ｍａｔｙｕｓｈｉｎ，Ａ等、「タンパク質及びＤＮＡ分析における最適性能のためのナノクラスタ・ベース信号増強バイオチップのスパッタ被覆多層のセットアップの調整」ナノサイエンス及びナノテクノロジ（Ｎａｎｏｓｃｉｅｎｃｅ  ａｎｄ  Ｎａｎｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ）４巻、９８〜１０５頁、２００４年
Ｍ．Ｍｏｓｋｏｖｉｔｓ、「表面増強分光」、Ｒｅｖ．Ｍｏｄ  Ｐｈｙｓ．、５７、７８３、１９８５年
Ｇ．Ｃ．Ｓｃｈａｔｚ、Ｒ．Ｐ．Ｖａｎ  Ｄｕｙｎｅ、「表面増強分光の電磁気機構」、振動分光法のハンドブック（Ｈａｎｄｂｏｏｋ  ｏｆ  Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、Ｊ．Ｍ．Ｃｈａｌｍｅｒｓ、Ｐ．Ｒ．Ｇｒｉｆｆｉｔｈｓ編著（Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎ  Ｌｔｄ．２００２年）、１〜１６頁
Ｈ．Ｓ．Ｓｈｉｎ等「マイクロコンタクト・プリンティングによる銀コロイドの直接パターニング：ＳＥＲＳ基板アレイとしての可能性」、バイブレイショナル・スペクトロスコピー（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、２９巻、７９〜８２頁、２００２年
Ｔ．Ｔａｋｅｍｏｒｉ等、「金属基板に結合した球体の光学応答」、ジャーナル・オブ・フィジカル・ソサイエティ・オブ・ジャパン（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ  ｏｆ  Ｊａｐａｎ）、５６巻、１５８７〜１６０２頁、１９８７年
Ｚ．Ｗａｎｇ等、「単一分子のラマン散乱を可能にする巨大増強のための構造基盤」、Ｐｒｏｃ．Ｎａｔ．Ａｃａｄ．Ｓｃｉ．ＵＳＡ、１００巻、８６３８〜８６４３頁、２００３年
Ｄ．Ｗｉｅｒｓｍａ、「無秩序媒体における光の局在」、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、３９０、６７１〜６７３、１９９７年
Ａ．Ｗｏｋａｕｎ、「表面増強電磁気プロセス」、ソリッド・ステート・フィジックス（Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｐｈｙｓｉｃｓ）、３８巻、２２３〜２９５頁、１９８４年
Ｙ．Ｘｉａ等、「複雑で制御可能な構造への球形コロイドのテンプレート・アシスト自己集合」、アドバンスト・ファンクショナル・マテリアル（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、１３巻、９０７〜９１８頁、２００３年
Ｊ．Ｚｈｅｎｇ等、「ナノサイズ化粒子及び銀の巨視的表面のアセンブリにおける４−アミノチオフェノールの表面増強ラマン散乱」、ラングミュア（Ｌａｎｇｍｕｉｒ）、１９巻、６３２〜６３６頁、２００３年
Ｓ．Ｚｏｕ等、「電磁場の巨大増強を生成する銀ナノ粒子アレイ構造」、Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、４０４、６２〜６７、２００５年
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、一態様では、センサに与えられた分析物の化学基の存在を検出するために、可視又は近赤外線（ＮＩＲ）レーザ励起ビーム及びラマン分光検出器とともに使用する光センサを含む。センサには、基板、基板のセンサ表面上に形成されたプラズモン共鳴ミラー、ミラー上に配置されたプラズモン共鳴粒子層、並びにミラー及び粒子層を隔てる約２〜４０ｎｍ厚の光学的に透明な誘電体層が含まれる。粒子層は、（ｉ）分析物分子を結合するのに有効な被覆、（ｉｉ）５０〜２００ｎｍの間の選択されたサイズ範囲内の実質的に均一な粒子サイズ及び形状、並びに（ｉｉｉ）レーザ励起ビームの波長よりも少ない規則的な周期的粒子間の間隔を有するプラズモン共鳴粒子の周期的アレイから構成される。粒子は、高い対称性又は低減した対称性の形状を有することができ、より一般的には、以下で考慮されるように、球形、回転楕円体、棒状、円筒形、ナノワイヤ、チューブ、トロイド、又は均一な場合規則的な周期性で配置することができる他の形状を有することができる。粒子層は、本明細書で定義されるように、平面プラズモン層に孔の規則的アレイを含むことも意図され、孔は粒子に対して上で説明されたディメンションを有する。デバイスは、１０１２〜１０１４までの増幅定数で分析物を検出することができ、単一の分析物分子の検出を可能にする。
【００１０】
ミラーは、約３０〜５００ｎｍの間の層厚を有する銀、金、又はアルミニウム層であることができる。粒子は、５０〜１５０ｎｍの間の選択されたサイズ範囲内に好ましい寸法を有し、銀、金、又はアルミニウムの固体から形成され、或いは粒子はそのような金属で形成されたシェルを有することができる。例示的な実施例では、ミラー及び粒子は、両方とも金、又は両方とも銀のどちらかであり、粒子は実質的に球形である。
【００１１】
粒子層は、直接の粒子間接触を含めて、約２０ｎｍ又はそれよりも少ない粒子間間隔を有する、最密充填プラズモン共鳴粒子の規則的アレイで形成することができる。粒子層は、少なくとも１つの方向に少なくとも５０の粒子、好ましくは２つの平面内方向の、例えば最密充填によって決められる直交方向又は対角方向の各々に少なくとも５０の粒子の周期的アレイを含むことができる。センサは、１つ又は複数の追加の粒子層を含むことができ、各々は２〜４０ｎｍの間の厚さを有する光学誘電体層によって直ぐ下の粒子層から隔てられる。基板は、平面形状を、若しくは例えば球形ビード上に又は多孔質フィルタの孔の内部に形成される場合に湾曲形状を有することができる。
【００１２】
別の態様では、本発明は、少なくとも１０１０の増幅定数をもつ、分析物の化学基を検出する方法を含む。この方法を実施する際に、分析物の分子は、上述のタイプの光センサの粒子層中のプラズモン共鳴粒子に結合され、センサ表面は可視又はＮＩＲレーザビームで照射され、照射によって生成されたラマンスペクトルが記録される。この方法は、少なくとも１０１２の増幅定数を生成するのに有効であり、したがって１つ又は少数の分析物分子内の化学基を検出することができる。この方法により、１〜１００μＷ（マイクロＷ）の低い照射ビームパワーでラマンスペクトル分析ができる。
【００１３】
本発明のこれら及び他の目的及び特徴は、本発明の以下の詳述な説明が添付図面とともに読まれる時、より完全に理解されるであろう。
【実施例】
【００１４】
Ａ．定義
下記の用語は、他に指定しない限り以下の意味を有する。
【００１５】
「プラズモン共鳴金属」は、フォトン及びプラズモンの結合されたモードである、表面電磁モード−−表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）をサポートする金、銀、又はアルミニウムなどの任意の金属を含む。
【００１６】
サンプル中の「化学基」は、ポリマー中のサブユニット、又は核酸塩基などのサブユニット成分、又はヒドロキシル基、アミン基、アルキル基、酸基、若しくはアルデヒド基などの化学成分基を含むことができる。そのような化学基は、特有の増強ラマンスペクトルのシグニチャ又は特性で特徴づけられる。
【００１７】
「ギャップモード」又は「ＧＭ」は、プラズモン共鳴粒子が、金属表面、好ましくはプラズモン共鳴金属表面近く（４０ｎｍ未満）に配置される場合、２つ以上のプラズモン共鳴粒子間の空間内の外部電磁場によって励起される電磁正規モード又は電磁固有モードを指す。
【００１８】
「プラズモン共鳴粒子」（ＰＲＰ）は、金、銀、又はアルミニウムなどのプラズモン共鳴金属から形成された粒子又はそのような金属のシェルを有する粒子である。本発明では、ＰＲＰは一般に５０ｎｍから２００ｎｍのサイズ範囲に最大の寸法を有する。
【００１９】
サンプルの「ギャップモード増強ラマンスペクトル」は、サンプルにギャップモードがあることによって増強されるサンプルのラマンスペクトルのスペクトル特性を指す。
【００２０】
「フォトニック結晶」は、屈折率の周期的分布をもつ１次元、２次元、３次元構造を指し、それによりバンドギャップ構造が生じ、このバンドギャップに対応するエネルギーをもつフォトンはフォトニック結晶を伝搬できず、局在状態にのみ存在できることになる。
【００２１】
「フォトニック・バンドギャップ」は、フォトンがフォトニック結晶構造内を伝搬できないフォトンエネルギーの範囲を指す。
【００２２】
「可視光」は、一般に４００ｎｍから７００ｎｍの間の波長範囲の人間の目に見える電磁スペクトルの部分を指す。
【００２３】
「近赤外」は、一般に７００ｎｍと１ｍｍとの間の波長範囲の、可視光よりも長いが、マイクロ波放射よりも短い波長をもつ電磁スペクトルの部分を指す。
【００２４】
Ｂ．本発明の概要
本発明は、プラズモン共鳴効果により光学応答の正確な制御及び調整を可能にするプラズモン共鳴ナノ構造を提供する。これは、約４０ｎｍ未満の選択された厚さを有する光学的に透明な誘電体層を通してプラズモン・ミラーに結合することにより増強された、適切なフォトン・バンドギャップ構造をもつ２―Ｄ又は３―Ｄフォトニック結晶として動作する１つ又は複数の周期的プラズモン層によって達成される。
【００２５】
本発明の概念による構造の一般的な設計は、「プラズモン・ミラー上の周期的プラズモン・ナノ構造」を指し、「プラズモン・ミラー」と呼ばれる連続的なプラズモン共鳴材料と、局在化プラズモン（ＬＰ）が存在できるプラズモン共鳴粒子の１−Ｄ又は２−Ｄの周期的アレイ（又は、下で述べるような他の規則的なナノ構造）からなる少なくとも１つの粒子層とからなる。粒子層とミラーとの間のプラズモン共鳴結合は、約２〜４０ｎｍ、好ましくは２〜２０ｎｍの間に選択され「調整された」厚さを有する、選択された厚さの光学的に透明な誘電体を通して行われる。
【００２６】
粒子層を形成する粒子は、励起波長に応じて、約５０〜２００ｎｍ、好ましくは８０〜１５０ｎｍの間の選択されたサイズ範囲で、サイズ及び形状が実質的に均一である。粒子は、高い対称性又は低減した対称性の形状を有することができ、より一般的には、以下で考慮されるように、球形、回転楕円体、棒状、円筒形、ナノワイヤ、チューブ、トロイド、又は均一な場合、規則的な周期性で配置することができる他の形状を有することができる。それらは、１つの材料の銀若しくは金から、又はナノシェルなどの複合物（Ｊ．Ｗｅｓｔ  等、「バイオセイシング応用のための金属ナノシェル」、米国特許第６６９９７２４号、２００４年３月２日）から均質に構成することができる。粒子層の周期性、すなわち任意の方向の隣接した粒子間の間隔は、最密充填配置から変動することがあり、粒子は粒子サイズに０〜２０ｎｍを加えた間隔まで、又は入射光の波長までの周期的間隔で互いに隔てられるが、信号の最適な結合及び増強は、好ましくは球形粒子をもつ最密充填配置で観察される。粒子層は、本明細書に定義されたように、平面プラズモン層に規則的アレイの孔を含むことも意図されており、孔は粒子に対して上に述べたディメンションを有する。粒子層中の粒子は、空気、又は誘電体層を形成するものと同じような固体で光学的に透明な誘電体材料であることができる誘電体材料で隔てられるか、又は埋め込まれる。
【００２７】
ナノ構造のプラズモン共鳴応答は調整可能であり、層間の間隔、ナノ粒子のサイズ及び形状、ナノ粒子間の間隔、粒子層を形成する粒子の周期性、並びに誘電体層の誘電率及び厚さを含むナノ構造のパラメータの調整によって制御することができる。ＥＭ場の最大の局在化及び増強は、励起光の周波数が、総じてナノ構造のプラズモン共鳴の周波数と同じか又は近い場合に、より正確には、プラズモン共鳴周波数が入射光の周波数と散乱光の周波数の間にある場合に達成される。そのような複雑な金属−誘電体のナノ構造におけるプラズモン共鳴周波数及びプラズモン共鳴応答の形状は、多くのパラメータ（ナノ粒子のサイズ、材料、形状、並びにナノ粒子の互いに対する配置及びプラズモン・ミラー表面に対する配置）に依存する。しかし、最も強いプラズモン応答は、孤立したナノ粒子上のＬＰのダイポール・プラズモン共鳴励起で得られる。構造中のＥＭ場の最大の閉込め、局在化、及び増強は、粒子層のギャップ電磁モード（ＧＭ）又は固有モードの励起の機構及びミラーの平滑表面上に励起された表面プラズモン・ポラリトンモード（ＳＰＰ）によって達成される。この機構は、これらのモード間と励起光の電磁場間の結合及び相互作用によって作動する。
【００２８】
連続したＳＰＰ上の規則的アレイのＬＰ発振器の追加の利点は、ＧＭによりＳＰＰとＬＰ発振器との間で結合する条件下で（誘電体によって隔てられた２つの層の間の極近接）、ＳＰＰによるＬＰとの同期の機構であり、プラズモン共鳴の狭化並びに局所場及び対応するラマン信号の付加的な著しい増強が得られる。しかし、この効果はスペクトルの比較的狭い範囲に存在する。一般に、この狭い集合的プラズモン共鳴は４５０〜８００ｎｍの範囲にあるが、最良の増強は、銀のＮＰでは５００〜６００ｎｍの範囲及び金のＮＰでは６００〜７５０ｎｍの範囲で達成される。
【００２９】
粒子層の周期的で規則的なアレイの一般的な利点は、それが今では高いプラズモン共鳴応答及びフォトニック結晶の性質の両方を有することであり、フォトン・バンドギャップ構造の閉込めにより入射光ビームの集光及び閉込めの付加的な効果が得られる。これはＳＰＰ連続体上のＬＰのランダムアレイと違い、この場合、ＬＰ間の同期及び入射光ビームの集光（Ｄ．Ｗｉｅｒｓｍａ、「無秩序媒体における光の局在」、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、３９０、６７１〜６７３、（１９９７年）に開示されたＡｎｄｅｒｓｏｎ局在の機構による）の両方の効果が存在するが、全体として、「ホット・スポット」の密度が比較的小さいので、ＥＭ場増強の効果は非常に少ない。ＳＥＲＳの一般に認められたパラダイム（Ｍ．Ｍｏｓｋｏｖｉｔｓ、１９８５年：  Ｇ．Ｓｃｈａｔｓ等、２００２年）によれば、ラマン信号の増強は、いわゆる「ホット・スポット」のプラズモン励起による局所場増強によって起こる。様々なアレイ構造の「ホット・スポット」の一般的な構造が以下の図２〜５で説明及び図示される。実用上、周期的な粒子層及びプラズモン・ミラーからのこの増強相互作用により、非常に低い励起パワー（一般に１０〜１００マイクロワット、及びいくつかのサンプルでは１マイクロワット未満）で高い再現性の高品質ラマンスペクトルが可能になる。
【００３０】
本発明のプラズモン共鳴ナノ構造は、分析計測、分析化学、及び分光での様々な用途に使用することができる。例として、それは、ＭＡＬＤＩ−ＴＯＦ、ＳＥＬＤＩ−ＴＯＦなどのレーザ脱離イオン化の改善用の質量分析デバイスの基板として使用することができる。用途の別の主要分野は、高調波の生成、コヒーレント・反ストークス・ラマン散乱（ＣＡＲＳ）、及び特にＳＥＲＳ活性基板などの様々な局在化された線形及び非線形光学現象の増強である。
【００３１】
粒子では、本発明のナノ構造を使用して、様々な光デバイス及び光センサ・デバイスのラマン信号を増強することができる。特に、本発明の１つの重要な実際の用途は、固体、液体、及び気体環境におけるサンプルの化学的及び生物学的分析物の化学基の実時間全光超高感度検出及び同定のためのＳＥＲＳ活性センサとしての使用である。これらの基本的相互作用を使用する光デバイス及び光センサの４つの主要な実施例が、セクションＤ１〜Ｄ４で説明され、
１．例えば、微小流体チップ・プラットフォームに組み込まれる、本発明による（ＳＥＲＳベース）平面ＳＥＲＳ活性表面をもつ光デバイス及び光センサ、
２．内側面の全て又は一部が本発明の共鳴構造によって覆われ、光学的に透明な多孔質及びメソ多孔質の膜及び材料の非平面ＳＥＲＳ活性表面（ＳＥＲＳベース）をもつフィルタ・ベースの光デバイス及び光センサを含み、このセンサは特に液相及び気相の環境汚染物質の連続モニタに有用であり、
３．環境汚染物質及び危険物質を離れて感知（検出及び同定）するための平面及び非平面の両方のＳＥＲＳ活性表面（ＳＥＲＳベース）をもつファイバ光学結合型光デバイス及び光センサ、
４．ありうる用途が微小流体流並びにエーロゾル・サンプルにある、非平面（球形又は回転楕円体形状）のＳＥＲＳ活性表面（ＳＥＲＳベースの）をもつマイクロビード・ベースの光デバイス及び光センサ
が含まれる。
【００３２】
Ｃ．本発明の基本的光センサ
本発明の光センサの構造要件は、実現される巨大なＥＭ増強を担う物理的相互作用についての以下の基本的説明から理解することができる。プラズモン共鳴の条件下で、個々のＮＰのプラズモン振動に対応して、ＥＭ場は各粒子上のＬＰ振動を励起する。５０〜１５０ｎｍの範囲の銀のＮＰでは、プラズモン共鳴周波数は４６０〜５２０ｎｍの範囲にある。励起のこの構造は、２つのタイプのギャップ電磁モード（ＧＭ）の励起にも最適である。第１のタイプは層アレイ内の隣接するＮＰ間のＧＭであり、第２のタイプはＮＰとプラズモン・ミラー表面との間のＧＭである。ＧＭの効率的な励起については、隣接する粒子間の間隔（層の周期性）を、規則的及び誘電体媒体内のＥＭ場の波長よりも少なく（一般に、２５０〜７００ｎｍであり、それは透明な基材及びスペーサ層の誘電率が１．５〜２．５の範囲にあるからである）すべきであるが、最良の結果はＮＰに２０ｎｍまでを加えた直径に近い周期性を有する最密充填配置の場合である。
【００３３】
ＮＰアレイ（粒子層）がプラズモン表面に極近接（約４０ｎｍ未満の距離）である場合、ミラー中のＳＰＰが励起され、表面の平面内を全方向に伝搬する。ナノ粒子のＬＰとの結合のため、ＳＰＰはＬＰ振動間の長距離相互作用の新しい機構（ＥＭ波に加えて）を生成する。長距離相互作用は、ＮＰアレイのＬＰ振動の位相の同期を生成し、プラズモン共鳴の狭化帯域幅いわゆる集合的プラズモン振動が得られる。そのような同期が生じる最適パラメータは、５０〜２００ｎｍ、好ましくは８０〜１５０ｎｍの範囲のＮＰサイズと、好ましくは粒子層の両方向に励起光の波長よりも小さい規則的な周期性（粒子間間隔）と、好ましくはＮＰサイズに２０ｎｍまでを加えた周期性を有する最密充填配置とである。最良の増幅は、１次元に沿って５０を超えるＮＰをいくつかもつ完全な周期的アレイの場合に達成される。完全な周期性及びＮＰサイズの均一性からのどのような偏りも、同期の崩壊及びプラズモン共鳴形状の拡幅をもたらすことになるので、増強効果を低減させることになる。これは、なぜＮＰからのランダムアレイ及びフラクタル構造が、本発明で開示したプラズモン・ミラー上の周期的なナノ構造ほど効率的ではないかを説明している。
【００３４】
本発明に従って構成された例示的なナノ構造の例として、図１及び２に示された光センサが参照される。構造は上部感知表面を備える基板１０からなる。基板は、ガラス、セラミック、又はシリコン・ウェハスライドもしくウェハなどの任意の誘電体支持材であることができる。プラズモン共鳴ミラー２０が基板の感知表面上に形成され、プラズモン共鳴ミラー２０は、銀、金、又はアルミニウムから形成され、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）をサポートすることができる。この層は標準真空蒸着技法（例えば、Ｖ．Ｍａｔｙｕｓｈｉｎ，Ａ等、２００４年）によって生成することができる。この層の厚さは、それが光のスペクトル範囲でミラー表面として機能することができるならば、２０〜５００ｎｍ又はそれ以上の範囲にすることができる。
【００３５】
ミラー上に形成されるスペーサ層３０は、光学的に透明な誘電体材料、例えば、以下で説明するように、真空蒸着により形成されるＬｉＦ、又は乾燥ポリマー膜から構成される。層の厚さは、５０ｎｍ未満、好ましくは４０ｎｍ未満、より好ましくは３〜２０ｎｍ、例えば５〜２５ｎｍの範囲である。自己集合方法を使用して誘電体層上にナノ粒子の層を作る場合、その層は、粒子と（及びミラー層と）共有化学結合を形成することができるポリアミンなどで形成されることが好ましい。誘電体スペーサ層は、例えばマイクロマシン型ピエゾ駆動装置を使用して制御された厚さで生成することができる。この場合、基板の光学プラズモニク特性はダイナミックに制御され、吸収が最大になるように最適化できる。
【００３６】
ナノ粒子層４０は、例えば、任意のサイズ（例えば、８０〜１００ｎｍのサイズ）のプラズモン粒子が許容され、形状とサイズが高い均一性をもつ粒子を使用する自己集合の方法（Ｂ．Ｅ．Ｂａｋｅｒ等、１９９６年）によって形成することができる。「ナノボウル（ｎａｎｏｂｏｗｌ）」などの低い対称性のナノ粒子（Ｙ．Ｌｕ等、２００４年）と同様に、複合（金−銀又はシリカ−銀のシェル）ナノ粒子も使用することができる。自己集合技法向けのテンプレート（Ｙ．Ｘｉａ等、２００３年）を使用して、粒子が完全に配列されたアレイを、制御された表面密度及び粒子間距離で生成することができる。プラズモン粒子は保護層によって個々に覆うことができる。
【００３７】
保護被覆層５０は、例えば、ＳｉＯ又は他の光学的に透明な誘電体材料から形成することができる。粒子が個々に保護被覆を有する実施例では、保護層は必要でない。保護層の厚さは、５ｎｍ未満、好ましくは２ｎｍ未満である。保護層又は個々の粒子上の被覆は、抗体、配位子、ＤＮＡ破片などの分子を結合する分析物で誘導体化することができ、又は被覆又は保護表面に結合する分析物は、非特異性の吸着によって誘導体化することができる。いくつかの実施例では、個々の粒子は、特定の目標分析物と結合するための分子インプリント・ポリマー（ＭＩＰ）によって、（Ｋ．Ｈａｕｐｔ、「抗体及び受容体のインプリント・ポリマー特注模擬体」、Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍ．、２００３年、１７１〜１７８頁）又は特定の分析物用単クローン抗体によって被覆することができる。いずれの場合も、センサの表面は、分析物分子が被覆表面に結合する条件下で、分析物に露出され、一般に分析物は粒子表面のＰＲＥから０〜５ｎｍ以内に配置される。しかし、分析物分子が浸透し粒子表面に直接結合するいくつかの場合には、増強は一層大きくなることができる。図は被覆５０の表面に置かれた分析物分子８０を示す。
【００３８】
光感知モードにおいて、センサ表面は集束レンズ７０を通して可視又はＮＩＲレーザビーム６０で照射される。図２Ａ及び２Ｂに示されるように、１１０で示した入射光は、おそらく粒子層内及び粒子とプラズモン・ミラーとの間に局在化するギャップモード１３０（ＧＭ）、並びに粒子層を形成するナノ粒子（ＮＰ）１００の間のギャップモード１４０を励起する。図示しないが、局在化プラズモン（ＬＰ）は各粒子の周りに形成される。金属膜の表面上に形成された表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）が１５０で示される。ＳＰＰの正弦波表示は、ＳＰＰが伝搬しており、静止していないことを示すように意図されている。分かるように、ＧＭは粒子表面の極近傍で非常に高い局所電場を生成する。限界増強ＥＭ場がラマン断面を増強させ、ラマン断面はＥ４に従って変化する（Ｍ．Ｍｏｓｋｏｖｉｔｓ、１９８５年、Ｇ．Ｃ．Ｓｃｈａｔｚ、Ｒ．Ｐ．Ｖａｎ  Ｄｕｙｎｅ、２００２年）。１２０で示した増強ラマン信号光は、分析物分子によって生成され、後方散乱装置に集められ、ラマン分光計検出器（図示せず）の分散要素に送られ、基板のスペクトルが分析され、化学基に関する情報が同定される。
【００３９】
図３〜５は、上述のものと同じ機構の一般的な原理によって作動する「プラズモン・ミラー上のプラズモン格子」構造の他の実施例を例示する。例えば、図３Ａ及び３Ｂでは、２―Ｄ周期的プラズモン構造は、２０〜２００ｎｍの範囲の直径及び入射光の波長より小さい範囲の孔間の間隔をもつナノ孔１０２の周期的アレイをもつ金属膜２０ａである。ナノ孔をもつプレート２０ｂとプラズモン・ミラー２０ａとの間に、２〜４０ｎｍの範囲の厚さをもつ誘電体層３０がある。入射電磁波１１０は、各ナノ孔の表面上のＬＰ、及び金属膜の表面上のＳＰＰ１５０を励起する。サブ波長のナノ孔のアレイを通る光の異常透過の共鳴効果（Ｔ．Ｅｂｅｓｓｅｎ等、ネイチャー（Ｎａｔｕｒｅ）、３９１、６６７、１９９８年）により、電磁場はプラズモン・ミラーとナノ孔のアレイとの間の容積の中に浸透し、プラズモン・ミラーの表面内及びナノ孔のアレイをもつ金属膜２０ｂの両表面上にＧＭ１３２及び２つのタイプのＳＰＰ（１５０で示される）を励起する。ＳＰＰ及びＧＭは、４０ｎｍ未満の厚さの誘電体層３０を通って互いに相互作用する。極近接のために、ＳＰＰとＬＰとの間のこの付加的な長距離相互作用が、アレイ中のＬＰ振動の位相の同期を促進し、その結果、プラズモン共鳴が狭くなり、ＮＰの表面上の局所場が実質的に増強される。
【００４０】
図３Ａ及び３Ｂに示されたナノ孔格子構造は、孔のアレイを含む銀又は金の層を形成するために、例えばフォトリソグラフィ・エッチング技法を使用して形成することができ、各孔は、５０〜２００ｎｍの範囲の選択された直径と、２０〜２００ｎｍの範囲の膜厚と、励起波長までの範囲、好ましくは２０ｎｍまでの孔径の範囲の孔間の間隔とを有する。この膜は、形成された後、次に、基板ミラー層及び誘電体層を含む構造に移されて、本発明の光センサ・ナノ構造を形成することができる。
【００４１】
格子層上の分析物分子８２は、ナノ孔１０２の内部又は近くの表面上で吸着され、ＮＰの強く増強された局所場にさらされることになる。上述のＳＥＲＳ効果により、ラマン散乱信号１３０は増強され、この信号は光システムによって検出され、ラマン分光計デバイスでスペクトル分析を受ける。
【００４２】
図４Ａ及び４Ｂは、プラズモン・アレイ格子の幾何学的パラメータがサブ波長サイズの孔及び各孔に付けられたナノチューブ１０４をもつ金属膜２０ｂからなること以外は、図３Ａ及び３Ｂで示されたものと同様の実施例を示す。この場合、格子周期は、説明したものと同じ範囲、すなわち励起光の波長より小さい範囲を有する。格子層とミラーとの間のＧＭ（１３４で示される）の幾何学的な構造は、この構成とわずかに異なるであろう。しかし、ＬＰ、ＧＭ、及びＳＰＰの励起による相互作用の基本的機構、並びにアレイのナノ構造の同期の効果は、基本的に同じである。
【００４３】
図４Ａ及び４Ｂに示されたナノチューブ格子構造は、例えば自己集合技法を使用して形成することができ、銀又は金のナノチューブの集合化アレイが形成され、次に基板ミラー層及び誘電体層を含む構造に移されて、本発明の光センサ・ナノ構造が形成される。代替として、ミラー構造に移されるナノチューブ層は、フォトリソグラフィ技法によって形成することができ、チューブ及びチューブ内部の両方が、アレイの光学活性化領域のエッチングによって生成される。本実施例では、各チューブは、５０〜２００ｎｍの範囲の選択されたＩＤ、２０〜２００ｎｍの範囲の膜厚（チューブ長）、及び励起波長までの範囲、好ましくは２０ｎｍまでのチューブ径の範囲のチューブ間の間隔を有する。
【００４４】
図２〜４の格子の対称性のために、ＳＰＰの励起は全方向性であり、したがって、励起の効率が垂直入射形態下の入射光の偏光に依存しないことは注目に値する。
【００４５】
「プラズモン・ミラー上のプラズモン格子」の代替の実施例が図５Ａ〜５Ｄに示され、これらの図は、プラズモン格子が図５Ａ及び５Ｂのナノシリンダ１０６の１−Ｄアレイ、又は図５Ｃ及び５Ｄのナノストリップ１０６であり、これらが、実質上、格子としてプラズモン金属グレーティングを形成する構造を示す。（図２〜５に示されたものと共通の他の構造は、これらの図の全てで同じ数字で識別される。）幾何学的パラメータの範囲は以前の例と同じである。シリンダ又はストリップの直径、及び表層構造の周期性を含む構造の全ての幾何学寸法は、光の波長よりも小さい。特に、各シリンダ又はストリップは、５０〜２００ｎｍの範囲の選択されたＯＤ又は幅を有し、シリンダ間の間隔又はストリップ間の幅は、励起光の波長までの周期性、好ましくはシリンダＯＤ（又はストリップ幅）に２０ｎｍまでを加えた範囲の周期性を与えるようなものである。
【００４６】
図５Ａ及び５Ｂに示されたナノシリンダ格子構造は、例えば自己集合技法を使用して形成することができ、銀又は金のナノシリンダの集合化アレイが形成され、次に基板ミラー層及び誘電体層を含む構造に移されて、本発明の光センサ・ナノ構造が形成される。代替として、ミラー構造に移されるナノシリンダ層はフォトリソグラフィ技法によって形成される。
【００４７】
１４６で示したシリンダ間のＧＭ、１３４で示したシリンダとミラーとのＧＭ、及び１５０で示したＳＰＰによる動作の機構は、実質的に上述と同じである。しかし、１−Ｄに低減された対称性のため、励起効率は、今では、横平面内の偏光ベクトルの方向に依存する。ＧＭのより効率的な励起は、ＥＭ波の電場の方向が横平面内でシリンダ及びストリップの方向に垂直である場合に達成される。
【００４８】
分析物検出用の光センサ・デバイス内のＳＥＲＳ活性構造の動作原理は、図２の場合の説明と同じであり、類推によって容易に理解することができる。
【００４９】
Ｄ．特定の実施例の説明
このセクションは、上述の光ナノ構造の４つの適用例を説明する。図１２〜１６に示されるこれらの実施例では、図１２及び１３における数字１５０で表される構造が、上述の光センサ・ナノ構造である。すべての実施例について、光ナノ構造の範囲は、上述の一般的構造を含むように意図される。
【００５０】
Ｄ１．平面微小流体光ＳＥＲＳセンサ
基本的な実施例では、光学構造は分析物検出用の光センサとして使用され、そのセンサは、例えば、疾病又は環境モニタリングへの用途をもつ液体サンプルの分析に使用することができる平面微小流体ＳＥＲＳチップ・プラットフォーム内に露出される。平面微小流体光ＳＥＲＳセンサを卓上ラマン顕微鏡で使用する一般的な概略図が図１６に示される。上記の図１〜５に示されたような実施例による本発明のＳＥＲＳ活性構造は、微小流体チップ３７０の各チャネルに統合することができ、微小流体チップ３７０は電動式移動テーブル３６０上に置かれ、コンピュータ１８０を経て電子デバイス３５０によって制御される。サンプル分析物はチャネルを通って流れ、分析物分子はＳＥＲＳ活性表面に吸着され、ラマン顕微鏡で分析される。光源３００からの光は、ビームスプリッタ３１２、集光光学系７０、及び顕微鏡対物レンズ７２を通って、ＳＥＲＳ基板の表面上のサンプルに導かれる。後方散乱形態で生成されたラマン信号は、光システムを通って分散要素３３０に送られ、スペクトルがＣＣＤ検出器３４０によって検出され、コンピュータ１８０で分析される。センサの別の実施例では、携帯型のラマン分光計を使用することができる。このセンサは、広範囲の用途を有し、限定はしないが、環境モニタリング、ゲノミクス及びプロテオミクスの研究、ＤＮＡ分析、医薬品産業、農業及び食品分析、生物医学診断、生体防御、産業モニタリング、法医学分析などが含まれる。
【００５１】
Ｄ２．フィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサ
実施例では、平面（１２Ａ及びＢ）又は非平面（１２Ｃ及びＤ）ＳＥＲＳ活性表面をもつ、フィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサに統合された、本発明のＳＥＲＳ活性構造の使用が示される。１５０で示したＳＥＲＳ活性構造は、図１２Ａ及び１２Ｂにより示されるように、平面構造に多孔質シリカなどの光学的に透明な材料で作られた多孔質フィルタに統合される。光学的に透明な多孔質シリカからのフィルタはこのセンサ用に最良のものである可能性がある。孔１９０の直径は、フィルタの目的に応じて、１〜１００ミクロンの範囲であることができる。ナノ構造１５０は、無電解堆積法を使用して孔を銀の層によって被覆し、続いて、実施例１及び２で説明したように、銀表面をナノ粒子により機能化することによって多孔質シリカに統合することができる。ＳＥＲＳ活性表面１５０で覆われた非平面配置の孔が図１２Ｃ及びＤに示される。分析物溶液がフィルタを通って流れる場合、分光計を備えるレーザシステムを使用して、フィルタ１９０の孔を通って流れる溶液又は水２００の中の汚染物質を連続的にモニタすることができる。すなわち、意図した用途は、給水システムなどの流体システムでの汚染物質及び危険物質の連続モニタである。
【００５２】
Ｄ３．ファイバ・ベースの光ＳＥＲＳセンサ
ファイバ光センサへの本発明の適用が、図１３Ａ及びＢにより示される。ここで、ＳＥＲＳ活性構造１５０はセンサ・プローブ２４０に統合され、センサ・プローブ２４０はイメージング・ファイバ２３２（単一のバンドルに一緒に融合された１０００と１００００００との間の個々のファイバを含む）によって多チャンネル・ラマン分析システム１７０に接続される。光源２２０からの励起光は、ファイバ２３２を通って、ＳＥＲＳ活性表面に送り出される。目標分析物をもつ水は、流入部２００ａ及び流出部２００ｂを有するチャネルを通って流れる。通過水中の汚染物質は、表面１５０に吸着され、増強ラマン散乱によって検出される。この種のセンサは、特に水環境の品質のモニタを含む用途に有用である。
【００５３】
Ｄ４．ビード・ベースの光ＳＥＲＳセンサ
さらに別の実施例では、本発明は、図１４Ａ及びＢに示されるように、本発明のＳＥＲＳ活性被覆によって覆われたマイクロビードを意図する。ここで、ポリエステル又は同様の材料から形成され、３〜１０ミクロンの範囲の直径を有する球形ビード２１０は、真空蒸着法による銀の層２０で覆われ、次に、この層は２〜４０ｎｍの範囲の厚さ有する誘電体層３０によって覆われる。次に、被覆されたビードは、５０〜１５０ｎｍの範囲の直径を有するＮＰ１００によって覆われる。図示のように、ＮＰも誘電体被覆３０によって覆われる。ＳＥＲＳ活性なビードは、微小流体光センサ・デバイス又はエーロゾルを必要とする用途で浮遊物として使用することができる。
【００５４】
微小流体光センサでのＳＥＲＳ活性ビードの使用が図１４Ｂにより示される。溶液中のサンプル分析物はチャネル２０２を通って注入され、ＳＥＲＳ活性なビードの浮遊物はチャネル２００を通って注入される。混合チャンバ２５０で、分析物がビードと混合され、分析物分子がビードの表面上に吸着される。検出区域２６０で、分析物がＳＥＲＳによって検出される。
【００５５】
エーロゾルの形態のＳＥＲＳ活性ビードは、図１５により示されるように、戦争生物及び化学兵器及び爆発物の遠隔検出用に使用することができる。ここで、ＳＥＲＳ活性ビード２９０のエーロゾルは、噴射器２８０から分析すべきガスの雲２７０の中に噴射される。分析物とビードは雲の中で混合され、分析物はＳＥＲＳ活性ビードの表面上に吸着される。これに続いて、ビードは、例えばガスフィルタによって集められ、又はラマン・システム３００、例えばラマンＬＩＤＡＲによってその場で分析することができる。
【００５６】
上述のことから、本発明の様々な目的及び特徴がどのように達成されたかを理解できる。本発明に従って構成されたモデルのＳＥＲＳプレートが準備され、分析物としてアデノシン分子を使用して様々なラマン・システムで試験された。市販のＳＥＲＳプレートに対するものの結果と、銀ＳＥＲＳプレートにより覆われたＩｎｔｅｌ多孔質シリカの結果を比較すると、従来技術の構造に対して少なくとも６桁良好な増幅が実証されている。この結果は、同じ結果が数か月の期間にわたって多数の様々な組のナノ構造で得られたという点で、強固で再現可能である。ナノ構造プレートは、少なくとも３カ月間ＳＥＲＳ活性を保持するので安定である。
【００５７】
本発明によれば、初めて、毎秒７０００カウントまでの範囲の実質的なＳＥＲＳ信号が、新規のＳＥＲＳプレートを用いて、サンプルで５マイクロＷの低い照射パワーで、ある場合にはＲ６Ｇで０．４マイクロＷでさえ得られた。信号のこのレベルは、ルミネッセント検出に基づいたセンサで達成されるレベルに匹敵するか又はそれよりも良好であり、しかし、必要な照射パワーは強度が少なくとも３桁小さい。Ｉｎｔｅｌ基板の増幅定数を範囲１０６〜１０８の範囲と仮定すると、本発明のＳＥＲＳプレートの増幅定数は１０１２〜１０１４と評価することができる。
【００５８】
以下の実施例では、本発明のナノ構造を形成し使用する様々な方法が示されるが、本発明の範囲を制限することは全く意図されていない。
【００５９】
「実施例１」
Ａｇナノ粒子の自己集合による銀―銀粒子ナノ構造の準備
いくつかのスライドの各々について、銀ミラーが、真空蒸着システム（Ｅ３０２、Ｅｄｗａｒｄｓ）を使用して、銀（９９．９９５％）の熱蒸発によって清浄なガラス顕微鏡用スライド上に堆積された。スライドは１％水溶性ポリリシン溶液に１時間浸漬し、銀膜上にポリリシン誘電体層を形成した。多量の水でリンスした後、スライドは、消光最大の４５０ｎｍで光学濃度５の銀ナノ粒子懸濁剤に一晩さらされた。表面への銀粒子の自己集合により、ミラーは黄色い色調（外観）になった。次に、スライドは水でリンスされ、様々な期間、異なる分析物にさらされた。分析物分子の吸着後、スライドはＳＥＲＳスペクトルを生成するラマン分光計で調べられた。
【００６０】
第２の例では、銀ナノ粒子は、表面改質剤（誘電体層を形成する）としてポリ（ビニルピリジン）を使用して、ミラーの表面上に吸着された。ポリ（ビニルピリジン）は、数時間の間、１％エタノール溶液から、ミラー化された銀及び金の表面上に吸着された。
【００６１】
「実施例２」
マイクロコンタクト・プリンティングによる自己集合銀粒子ナノ構造をもつサンプルの準備
この実施例では、例えば参考文献（Ｈ．Ｓ．等「マイクロコンタクト・プリンティングによる銀コロイドの直接パターニング：ＳＥＲＳ基板アレイとしての可能性」、バイブレイショナル・スペクトロスコピー（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、２９巻、７９〜８２頁、２００２年、Ｈ．Ｆａｎ等「規則的で強固な３次元金ナノ結晶／シリカ・アレイの自己集合」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、３０４、５６７〜５７１（２００４年））に開示されたようなマイクロコンタクト・プリンティングの方法を使用して銀ミラー上に銀ナノ粒子の最密充填アレイを形成した。
【００６２】
銀ナノ粒子はＬｅｅ  Ｐ．Ｃ．、Ｍｅｉｓｅｌ，Ｄ．Ｊ．、Ｊ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．、８６、３３９１頁（１９８２年）に開示された方法によって準備された。ポリビニルピロリドンがキャッピング剤として使用された。まず、硝酸銀（０．２ｇ、Ａｌｄｒｉｃｈ、９９＋％）が３ｍＬのエチレングリコール（Ａｌｄｒｉｃｈ、９９．８％）に溶かされた。１ｇのポリビニルピロリドン（Ａｌｄｒｉｃｈ、ＭＷ≒４０  ０００）が１５ｍＬエチレングリコール内に加えられ、混合物は攪拌され、１９７℃まで加熱された。引き続き、エチレングリコール溶液中の硝酸銀が、加熱されたポリビニルピロリドンに注入された。次に、この反応混合物は１時間１９７℃で加熱された。銀ナノ粒子は遠心分離によって沈殿させられた。詳細には、反応混合物は、室温まで冷却され、アセトンで希釈され（容積で約１０倍）、２０分間４０００ｒｐｍで遠心分離され、液相がピペットを使用して除かれた。ナノ粒子は水でリンスされ、２〜３回アセトン及び水で洗浄され、余分な界面活性剤／ポリビニルピロリドンが除かれる。
【００６３】
銀蒸着に使用されたガラススライドは、まずＮａＯＨ（Ａｌｄｒｉｃｈ、９９％）溶液（７５％のエタノール水溶液中に０．１ＭのＮａＯＨ）に浸漬することにより清浄化された。２時間後、ガラススライドは、超純水で洗浄され、気乾された。銀薄膜（厚さ＝１００ｎｍ）は、Ｅｄｗａｒｄｓ  ＥＢ電子ビーム蒸発器４３２Ａによって、清浄化されたガラススライド上に堆積された。得られたガラススライドは、１重量％のポリビニルピリジン（Ｓｉｇｍａ、ＭＷ≒３７  ５００）溶液に浸漬された。４時間後、スライドは超純水でリンスされ、気乾された。引き続き、スライドはホットプレート上に置かれ、１５分間５０℃ベークされた。
【００６４】
ヘキサン溶液中の銀ナノ粒子が水の表面上に注意深く落とされた。ヘキサンは水の表面上を広がり、薄い油膜を形成する。ヘキサンは蒸発するので、ヘキサンがすべてなくなるまで膜表面は縮み、銀ナノ粒子は最密充填の単層に自己集合させられる。
【００６５】
これらの銀の単層は、スライドを水の表面と平行な状態にし、その基板をナノ粒子膜に軽く接触させることによってスライド表面に移された。銀ナノ粒子の多層は、このプロセスを繰り返すことによって達成することができた。（継続した形状として示される）
【００６６】
スライドは１５分間５０℃でホットプレート上でベークされた。
【００６７】
スライド準備に使用した方法は、Ｈ．Ｓ．Ｓｈｉｎ等「マイクロコンタクト・プリンティングによる銀コロイドの直接パターニング：ＳＥＲＳ基板アレイとしての可能性」、バイブレイショナル・スペクトロスコピー（Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）、２９巻、７９〜８２頁、２００２年、Ｈ．Ｆａｎ等「規則的で強固な３次元金ナノ結晶／シリカ・アレイの自己集合」、サイエンス（Ｓｃｉｅｎｃｅ）、３０４、５６７〜５７１、２００４年に開示された方法と同様である。
【００６８】
このプロトコルによって準備された一般的なＳＥＲＳ基板のＡＦＭトポグラフィ画像が図６に示され、ＮＰの高密度アレイが周期的構造に近いことを示している。
【００６９】
「実施例３」
分析物ローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）の実験的測定
本実験に使用された実験システムのセットアップが図７Ａ〜７Ｃに示される。
測定は、Ｈｏｒｉｂａ−Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎラマン顕微鏡ＬａｂＲａｍ  ＨＲ  ８００を使用して行われた。
【００７０】
液体サンプルからのＳＥＲＳスペクトルの測定は、ホウケイ酸ガラスから作られた流体セルを使用して行われた。流体セルの概略図が、図７Ａ（平面図）及び図７Ｂ（断面図）に示される。ガラス流体セルは、ガラススライド１４に約１．２〜２．０ｍｍの深さまで形成されたチャネル８４を含む。ＳＥＲＳ活性構造１５０の厚さは０．８ｍｍであった。実験中に、流体チャネルの深さなどのパラメータの最適値は、例えばレーザ光ビームをラマン顕微鏡の共焦点対物レンズにより収束するための最良の条件下で決定された。ガラス・カバースリップ１６の使用は、測定の全てのセットを通して分析物層の厚さ同じに維持するために重要であった。結果として、流体チャネルの最適深さの約１．５ｍｍが決定された。
【００７１】
流体セルの使用により、モル／リットルの単位で測定された溶液中の分析物分子の濃度に関して、溶液中の分析物の正確な検出限界を決定することも可能になる。その目的のために、ラングミュア吸着等温線が各分析物について決定された。
【００７２】
ローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）の水溶液は、最低の１０−１０モル／ｌから１０−３モル／ｌまで濃度の範囲で準備された。第一段階として、ラマンスペクトルの測定が、分析物の最低の濃縮をもつ溶液から始められ、引き続いての測定が、同じＳＥＲＳ活性プレートであるが、濃度が次第に増大する分析物で行われた。手順の各ステップでは、分析物溶液がピペット１６０ａを使用して流体セルに注入され、次に、ガラス・カバースリップによって覆われた。ラマンスペクトルの測定後、分析物溶液は、より高い濃度の新しいものと取り替えられ、照射ビームを集光する条件下で測定が繰り返された。ラマン顕微鏡の焦点は最適の照射条件を得るように調節され、このセッティングは後に続く全ての測定で使用された。各次のステップの間に、流体セルの溶液は、分析物溶液を除くためのピペット１６０ｂを使用して、増加した濃度の分析物をもつ溶液と取り替えられた。
【００７３】
図７Ｃは測定で使用された実験セットアップを示す。この図では、光センサ・ナノ構造１５０は、レンズ・アセンブリ７２により集光される光ビーム７０によって照射される。サンプルからの散乱光は、アセンブリ７２で集中され、ビームスプリッタ１６０によって多チャンネル・ラマン分析システム１７０に向けられ、スペクトル分析がコンピュータ１８０で行われる。この方法では同じＳＥＲＳ活性基板を多数の測定に使用できる。基板の強固さを試験することもできた。
【００７４】
１．５ｍｍの深さの流体セル及びラマン顕微鏡Ｈｏｒｉｂａ−Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ  ＬａｂＲａｍ  ＨＲ  ８００を使用して、Ｒ６Ｇで得られた代表的な実験データの結果が図８から１１に示される。これらのデータから、量的検出限界（ＬＯＤ）は、Ｒ６Ｇでは１００ナノＭ／ｌであると決定された。ＬＯＤは、Ｒ６Ｇの特有のスペクトル特性がラマンスペクトルに最初に現われた最初の濃度として定義された。
【００７５】
図８は、４．１μＷのサンプルのレーザパワー、積分時間１０秒、励起光ビームの波長５１４ｎｍ、対物レンズ５０×／０．４５、基板の表面上に集光された光ビーム、及びサンプルの所で２ミクロンの焦点スポットの直径の場合、濃度５００ナノＭ／ＬのＲ６ＧのＳＥＲＳスペクトルを示す。このスペクトルはバックグラウンドの減算処理なしで得られた。非常に低い照射パワーでさえ、ラマン信号は非常に強く、最強ラインでは毎秒７０００カウントになることが分かる。
【００７６】
図９は、サンプルの所の励起パワーが非常に小さく、０．４μＷと低いこと以外は図８の実験と同じ条件及びセットアップでのＲ６ＧのＳＥＲＳスペクトルを示す。ラマン信号はこの場合少ない（毎秒約２００カウント）が、ＳＥＲＳスペクトルの特性を特徴づける信号対雑音比は依然として高く、１００を超える。
【００７７】
図１０Ａ及び１０Ｂは、ＳＥＲＳ基板の２０ミクロン×２０ミクロンの区域をマッピングすることによって得られたラマンスペクトル画像を示す。この実験の励起パワーは３２μＷであり、各個別のスペクトルの収集時間は１秒であり、マップされた区域は２０×２０ミクロンであり、マップの測定は１ミクロン・ステップで行われ、スペクトルの総数は４００ポイントであった。全体のマップは、Ｈｏｒｉｂａ−Ｊｏｂｉｎ  Ｙｖｏｎ  ＬａｂＲａｍ  ＨＲ  ８００ラマン顕微鏡の自動電動テーブル・システムを使用して、７分で行われた。
【００７８】
図１０Ａは、１２８０〜１４００ｃｍ−１の幅にわたって集積され、ベースライン補正があるＲ６Ｇの主ピークの強度のラマン画像を示し、強度は％で与えられている。この結果は、本発明によるＳＥＲＳ基板の増強特性がその表面にわたって高い均一性をもつことを示している。図１０Ｂによって示されるように、主要スペクトル特性の強度の最大変動は２５％未満であり、最大及び最小の強度をもつスペクトルが比較のために示されている。
【００７９】
図１１Ａ及び１１Ｂは同じデータを示すが、ＳＥＲＳスペクトルのセットが、２０ポイントからなる１つのラインに沿っており、図１１Ｂに３Ｄプロットとして示される。
【００８０】
データは、本発明のＳＥＲＳ基板の増強特性の表面にわたる高い均一性を実証し、ＳＥＲＳ基板の実用のために重要な高密度の「ホット・スポット」が達成されていることを意味し、従来技術で利用可能な他のものに対してこのＳＥＲＳ基板が優れていることを示している。
【００８１】
特に、本発明によって準備された基板は、他のＳＥＲＳ基板と比較して、ラマン信号の著しく強い増強を有することが見いだされた。最も印象的なのは、強いラマン信号が０．４マイクロワットの照射パワーでさえ達成されたことである（図９に示したデータを参照）。実験データは、本発明のＳＥＲＳプレートが、Ｉｎｔｅｌ  Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ  Ｂｉｏｌｏｇｙ  Ｇｒｏｕｐによって開発された現在存在するＳＥＲＳプレート（Ｓ．Ｃｈａｎ等、「銀被覆シリコン・ナノ孔からの小分子の表面増強ラマン散乱」、アドバンスト・マテリアルス（Ａｄｖａｎｃｅｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌｓ）、１５、１５９５〜１５９８、２００３年）で達成可能なラマン信号の増幅を、少なくとも大きさが５〜６桁超えていることを示す。これは、本発明の基板は１０１２から１０１４までの再現可能で安定な増幅定数を提供し、単一分子感度を可能にすることを意味する。
【００８２】
本発明はいくつかの実施例及び用途に関して説明されたが、本発明から逸脱することなく様々な改変及び変更、並びに用途の追加を行うことができることが理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００８３】
【図１】本発明の一実施例によるＥＭ場の閉込め、局在化、及び増強のための基本的な平面構造の構成要素の配置を示し、それがＳＥＲＳスペクトルの測定にどのように使用されるかを示す図である。
【図２Ａ】同じ実施例におけるＧＭ及びＳＰＰの構造を概略的に示し、一般に本発明の重要な主要機構がどのように働くかを示す図である。
【図２Ｂ】同じ実施例におけるＧＭ及びＳＰＰの構造を概略的に示し、一般に本発明の重要な主要機構がどのように働くかを示す図である。
【図３Ａ】周期的な構造が金属膜中のナノサイズの孔の２次元アレイである本発明の実施例を示す図である。
【図３Ｂ】周期的な構造が金属膜中のナノサイズの孔の２次元アレイである本発明の実施例を示す図である。
【図４Ａ】周期的な構造が金属膜に埋め込まれたナノサイズのチューブの２次元アレイである本発明の実施例を示す図である。
【図４Ｂ】周期的な構造が金属膜に埋め込まれたナノサイズのチューブの２次元アレイである本発明の実施例を示す図である。
【図５Ａ】周期的な構造が、金属のストリップ又はシリンダの１次元アレイからなる金属グレーティングである本発明の実施例を示す図である。
【図５Ｂ】周期的な構造が、金属のストリップ又はシリンダの１次元アレイからなる金属グレーティングである本発明の実施例を示す図である。
【図５Ｃ】周期的な構造が、金属のストリップ又はシリンダの１次元アレイからなる金属グレーティングである本発明の実施例を示す図である。
【図５Ｄ】周期的な構造が、金属のストリップ又はシリンダの１次元アレイからなる金属グレーティングである本発明の実施例を示す図である。
【図６】実施例２に従って製作された平面ＳＥＲＳ活性基板の表面の２ミクロン×２ミクロン区域のＡＦＭトポグラフィ画像の図である。画像は表面上のナノ粒子配置の充填の均一性及び高密度を実証している。
【図７Ａ】液体サンプルからのＳＥＲＳスペクトルの測定に使用される流体セルの様々な態様を示す図である。
【図７Ｂ】液体サンプルからのＳＥＲＳスペクトルの測定に使用される流体セルの様々な態様を示す図である。
【図７Ｃ】ラマン顕微鏡及び液体サンプルからのＳＥＲＳスペクトルの測定に使用される流体セルをもつ実験セットアップの様々な態様を示す図である。
【図８】ラマン顕微鏡Ｈｏｒｉｂａ−Ｊｏｂｉｎ−Ｙｖｏｎ  Ｌａｂ  Ｒａｍ  ＨＲ  ８００及びアルゴン・レーザを使用して流体セルで得られたローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）分子のＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【図９】ラマン顕微鏡を使用して流体セルで得られたローダミン６Ｇ分子のＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【図１０Ａ】ベースライン補正のある、％表示のローダミン６Ｇ分子の主要強度ピーク（１２８０及び１４００ｃｍ−１）の２０×２０μ区域のラマン画像の図である。
【図１０Ｂ】ベースライン補正のある、最大及び最小強度のローダミン６Ｇ分子のＳＥＲＳスペクトルの図である。
【図１１Ａ】２０×２０ミクロン区域のＳＥＲＳスライド上のローダミン６Ｇ（Ｒ６Ｇ）分子のラマン画像マップの図である。点線は、ラマンスペクトルが集められたスポットを示す。
【図１１Ｂ】基板の表面にわたる「ホット・スポット」の均一性を実証するマップの最上部からのライン２１から１に沿ったローダミン６Ｇ分子のＳＥＲＳスペクトルの図である。
【図１２Ａ】平面ＳＥＲＳ活性表面をもつフィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサに統合された本発明のＳＥＲＳ活性構造の使用を示す図である。フィルタは光学的に透明な多孔質シリカで作られる。多孔質材料の内側面の一部は本発明の共鳴ＳＥＲＳ活性構造によって覆われる。
【図１２Ｂ】平面ＳＥＲＳ活性表面をもつフィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサに統合された本発明のＳＥＲＳ活性構造の使用を示す図である。フィルタは光学的に透明な多孔質シリカで作られる。多孔質材料の内側面の一部は本発明の共鳴ＳＥＲＳ活性構造によって覆われる。
【図１２Ｃ】非平面ＳＥＲＳ活性表面をもつフィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサに統合された本発明のＳＥＲＳ活性構造の使用を示す図である。フィルタは光学的に透明な多孔質シリカで作られる。多孔質材料の内側面の一部は本発明の共鳴ＳＥＲＳ活性構造によって覆われる。
【図１２Ｄ】非平面ＳＥＲＳ活性表面をもつフィルタ・ベースの光ＳＥＲＳセンサに統合された本発明のＳＥＲＳ活性構造の使用を示す図である。フィルタは光学的に透明な多孔質シリカで作られる。多孔質材料の内側面の一部は本発明の共鳴ＳＥＲＳ活性構造によって覆われる。
【図１３Ａ】環境汚染物質及び危険物質の遠隔検出及び同定用の光ファイバ結合光センサの図である。
【図１３Ｂ】環境汚染物質及び危険物質の遠隔検出及び同定用の光ファイバ結合光センサの図である。
【図１４Ａ】非平面球形ＳＥＲＳ活性表面をもつマイクロビード・ベースの光ＳＥＲＳセンサの図である。
【図１４Ｂ】非平面球形ＳＥＲＳ活性表面をもつマイクロビード・ベースの光ＳＥＲＳセンサの図である。
【図１５】生物及び化学戦争兵器及び爆発物をＬＩＤＡＲなどのラマン・スタンドオフ・システムで離れて検出することへのビード・エーロゾルの使用を示す図である。
【図１６】本発明の別の実施例による平面微小流体光ＳＥＲＳセンサの実施例を示す図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図６】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図７Ｃ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１２Ｃ】
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【図１２Ｄ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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