(57)【要約】【課題】金属構造体とミラー層との間の距離を、連続的に変化させることができる光学素子を提供する。【解決手段】本発明に係る光学素子１００は、第１基板１０の第１面１２に設けられた金属構造体２０と、第１面１２に対向して配置された第２基板３０の第２面３２に設けられたミラー４０と、金属構造体２０とミラー４０との間の距離を変化させる圧電素子５０と、を含む。【選択図】図１
2015072157.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板の第１面に設けられた金属構造体と、
前記第１面に対向して配置された第２基板の第２面に設けられたミラーと、
前記金属構造体と前記ミラーとの間の距離を変化させる圧電素子と、
を含む、光学素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記圧電素子は、前記第１基板および前記第２基板を接続して設けられている、光学素子。
【請求項３】
請求項１において、
前記圧電素子は、前記ミラーと前記第２基板との間に設けられ、
前記ミラーは、前記圧電素子を介して、前記第２面に設けられている、光学素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記圧電素子は、バイモルフ型の圧電素子である、光学素子。
【請求項５】
請求項１ないし３のいずれか１項において、
前記圧電素子は、積層型の圧電素子である、光学素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子の前記金属構造体に標的物質を吸着させた後に、前記金属構造体に光を照射し、前記光学素子から放射される光を検出して、前記標的物質を分析するラマン分光法であって、
前記光学素子から放射される光が最大となるように、前記圧電素子に印加する電圧を変化させる工程を含む、ラマン分光法。
【請求項７】
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子の前記金属構造体に標的物質を吸着させた後に、前記金属構造体に光を照射し、前記光学素子から放射される光を検出して、前記標的物質を分析するラマン分光法であって、
前記圧電素子に印加する電圧を変化させながら、前記光学素子から放射される散乱光を検出し、前記光学素子の照射光の波長における反射率と、前記標的物質の吸収波長における反射率とを乗算した結果が最小となる電圧を決定する工程と、
前記最小となる電圧を前記圧電素子に印加した状態で、前記光学素子から放射されるラマン散乱光を検出する工程と、
を含む、ラマン分光法。
【請求項８】
標的物質を分析するラマン分光装置であって、
請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光学素子と、
前記標的物質が吸着された前記金属構造体に光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する光検出器と、
を含み、
前記金属構造体の大きさは、前記光源から照射される光の波長よりも小さい、ラマン分光装置。
【請求項９】
請求項８において、
前記第１基板は、前記光源から照射される光に対して透明である、ラマン分光装置。
【請求項１０】
請求項８または９に記載のラマン分光装置と、
前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む、電子機器。
【請求項１１】
請求項１０において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学素子、ラマン分光法、ラマン分光装置、および電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめ、様々なタイプのセンサー（光学素子）が検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたＳＰＲを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、検出対象分子の吸着前後でシフトするのを検出することで、検出対象分子の存在をセンシングする。
【０００３】
また、低濃度の分子を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲを利用した表面増強ラマン分光（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が注目されている。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凹凸構造を持つ金属表面（金属ナノ粒子表面）でラマン散乱光が１０２〜１０４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を分子に照射すると、励起光の波長から分子の振動エネルギー分だけ僅かにずれた波長の光（ラマン散乱光）が散乱される。この散乱光を分光処理すると、分子種に固有のスペクトル（指紋スペクトル）が得られる。この指紋スペクトルの形状を分析することで、分子を同定することが可能となる。
【０００４】
例えば特許文献１には、微小共振器構造を有する電場増強光デバイスにおいて、複数の波長に対して共振可能とするように、第１反射層と第２反射層との間の光路長が異なる複数の共振領域を設けた電場増強光デバイスが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００９−２５０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
金属ナノ粒子（金属構造体）表面に標的物質（標的分子）が吸着すると、金属構造周囲の屈折率が変化し、プラズモン共鳴波長も変化する。プラズモン共鳴波長の変化量は、標的物質の種類および量に依存する。特許文献１に記載の電場増強光デバイスでは、第１反射層と第２反射層との間の距離を連続的に変化させることができないため、様々な標的物質の種類および量に対応することができなかった。
【０００７】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、金属構造体とミラー層との間の距離を、連続的に変化させることができる光学素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記光学素子を用いたラマン分光法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記光学素子を含むラマン分光装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記ラマン分光装置を含む電子機器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る光学素子は、
第１基板の第１面に設けられた金属構造体と、
前記第１面に対向して配置された第２基板の第２面に設けられたミラーと、
前記金属構造体と前記ミラーとの間の距離を変化させる圧電素子と、
を含む。
【０００９】
このような光学素子では、曝露された標的物質の種類や量によってプラズモン共鳴波長のシフトが生じても、金属構造体とミラーとの間の距離を、圧電素子により連続的に変化させて、プラズモン共鳴波長の変化に応じた距離として補償することができる。
【００１０】
本発明に係る光学素子において、
前記圧電素子は、前記第１基板および前記第２基板を接続して設けられていてもよい。
【００１１】
このような光学素子では、金属構造体とミラーとの間の距離を、連続的に変化させることができる。
【００１２】
本発明に係る光学素子において、
前記圧電素子は、前記ミラーと前記第２基板との間に設けられ、
前記ミラーは、前記圧電素子を介して、前記第２面に設けられていてもよい。
【００１３】
このような光学素子では、金属構造体とミラーとの間の距離を、連続的に変化させることができる。
【００１４】
本発明に係る光学素子において、
前記圧電素子は、バイモルフ型の圧電素子であってもよい。
【００１５】
このような光学素子では、積層型の圧電素子を用いる場合に比べて、金属構造体とミラーとの間の距離の可変幅を大きくすることができる。
【００１６】
本発明に係る光学素子において、
前記圧電素子は、積層型の圧電素子であってもよい。
【００１７】
このような光学素子では、バイモルフ型の圧電素子を用いる場合に比べて、圧電素子の駆動制御を簡単にすることができる。
【００１８】
本発明に係るラマン分光法は、
本発明に係る光学素子の前記金属構造体に標的物質を吸着させた後に、前記金属構造体に光を照射し、前記光学素子から放射される光を検出して、前記標的物質を分析するラマン分光法であって、
前記光学素子から放射される光が最大となるように、前記圧電素子に印加する電圧を変化させる工程を含む。
【００１９】
このようなラマン分光法では、本発明に係る光学素子を用いているため、光学素子から放射されるラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、このようなラマン分光法では、検出感度を高めることができる。
【００２０】
本発明に係るラマン分光法は、
本発明に係る光学素子の前記金属構造体に標的物質を吸着させた後に、前記金属構造体に光を照射し、前記光学素子から放射される光を検出して、前記標的物質を分析するラマン分光法であって、
前記圧電素子に印加する電圧を変化させながら、前記光学素子から放射される散乱光を検出し、前記光学素子の照射光の波長における反射率と、前記標的物質の吸収波長における反射率とを乗算した結果が最小となる電圧を決定する工程と、
最小となる前記電圧を前記圧電素子に印加した状態で、前記光学素子から放射されるラマン散乱光を検出する工程と、
を含む。
【００２１】
このようなラマン分光法では、本発明に係る光学素子を用いているため、光学素子から放射されるラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、このようなラマン分光法では、検出感度を高めることができる。
【００２２】
本発明に係るラマン分光装置は、
標的物質を分析するラマン分光装置であって、
本発明に係る光学素子と、
前記標的物質が吸着された前記金属構造体に光を照射する光源と、
前記光学素子から放射される光を検出する光検出器と、
を含み、
前記金属構造体の大きさは、前記光源から照射される光の波長よりも小さい。
【００２３】
このようなラマン分光装置では、本発明に係る光学素子を用いているため、光学素子から放射されるラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、このようなラマン分光装置では、高い検出感度を有することができる。
【００２４】
本発明に係るラマン分光装置において、
前記第１基板は、前記光源から照射される光に対して透明であってもよい。
【００２５】
このようなラマン分光装置では、より確実に、金属構造体を照射することができる。
【００２６】
本発明に係る電子機器は、
本発明に係るラマン分光装置と、
前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む。
【００２７】
このような電子機器では、本発明に係るラマン分光装置を含むため、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【００２８】
本発明に係る電子機器において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含んでもよい。
【００２９】
このような電子機器では、本発明に係るラマン分光装置を含むため、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本実施形態に係る光学素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る光学素子を模式的に示す断面図。
【図３】ＧＳＰ構造を模式的に示す断面図。
【図４】ＧＳＰ構造を模式的に示す断面図。
【図５】波長と反射率との関係を示すグラフ。
【図６】波長と吸収率との関係を示すグラフ。
【図７】本実施形態の変形例に係る光学素子を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態の変形例に係る光学素子を模式的に示す断面図。
【図９】本実施形態に係るラマン分光法を説明するためのフローチャート。
【図１０】本実施形態に係るラマン分光装置を模式的に示す図。
【図１１】本実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、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い。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。
【００３２】
１．  光学素子
１．１．  構成
まず、本実施形態に係る光学素子について、図面を参照しながら説明する。図１および図２は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す断面図である。なお、図２は、圧電素子５０を駆動させた状態を示している。また、図１および図２では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、およびＺ軸を図示している。
【００３３】
光学素子１００は、図１に示すように、第１基板１０と、金属構造体２０と、第２基板３０と、ミラー層（ミラー）４０と、圧電素子５０と、を含む。
【００３４】
第１基板１０は、板状の部材である。第１基板１０は、第１面１２を有している。図示の例では、第１面１２は、平坦な面であり、第１基板１０の下面である。第１基板１０は、光源から照射される光ＬＩＮに対して透明である。すなわち、第１基板１０は、光ＬＩＮを透過することができる。第１基板１０は、例えば、石英基板である。
【００３５】
金属構造体２０は、第１面１２に設けられている。金属構造体２０の形状は、特に限定されないが、金属構造体２０の大きさ（Ｘ軸方向の大きさおよびＹ軸方向の大きさ、平面形状が円の場合は直径）は、光ＬＩＮの波長以下である。金属構造体２０の大きさは、例えば、１０ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。金属構造体２０の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、例えば、１ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。このように金属構造体２０は、ナノメートルスケールである。
【００３６】
金属構造体２０は、複数設けられている。図示の例では、複数の金属構造体２０の形状は、互いに同じであるが、互いに異なっていてもよい。図示の例では、複数の金属構造体２０は、周期的に設けられているが、周期的に設けられていなくてもよい。隣り合う金属構造体２０の間隔は、例えば、１ｎｍ以上８００ｎｍ以下である。
【００３７】
金属構造体２０の材質は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどである。Ａｇ、Ａｕ、およびＡｌは、可視波長域において誘電率の虚部が小さい金属であり、電場増強効果（詳細は後述）を高めることができる。
【００３８】
金属構造体２０には、図示はしないが、光ＬＩＮにより照射される標的物質（標的分子）が吸着される。ここで、「吸着」とは、物体の界面において、濃度が周囲よりも増加する現象のことをいい、具体的には、共有結合・配位結合による化学吸着のことをいう。
【００３９】
金属構造体２０に吸着している標的物質に光ＬＩＮを照射すると、散乱光として、入射光ＬＩＮと同じ波長を有するレイリー散乱光ＬＲＡＹと、光ＬＩＮとは異なる波長を有するラマン散乱光ＬＲＡＭと、が発生し、光検出器において受光される。ラマン散乱光ＬＲＡＭのエネルギーは、標的物質の構造に応じた特有の振動エネルギーに対応している。そのため、ラマン散乱光ＬＲＡＭの波数（振動数）と、入射光ＬＩＮの波数と、の差であるラマンシフトを求めることにより、標的物質を特定することができる。
【００４０】
金属構造体２０は、入射光ＬＩＮにより表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を生じる。ＳＰＲには局在型と伝搬型の二種類が存在するが、ここでは局在型プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）について説明する。ＬＳＰＲとは、光の波長以下の金属構造体に光を入射させると、金属内に存在する自由電子が光の電場成分により集団的に振動し、外部に局在電場を誘起する現象である。この局在電場により、ラマン散乱光を増強することができる。このように、ＳＰＲによって誘起される電場により、ラマン散乱光が増強されることを、電場増強効果という。
【００４１】
第２基板３０は、第１基板１０および金属構造体２０と離間して設けられている。図示の例では、第２基板３０は、第１基板１０の下方に設けられている。第２基板３０は、第１面１２と対向する第２面３２を有している。図示の例では、第２面３２には、凸部３４が設けられている。すなわち、凸部３４の上面および側面は、第２面３２によって構成されている。凸部３４の厚さは、例えば、１００μｍ程度である。第２基板３０は、例えば、シリコン基板である。
【００４２】
ミラー層４０は、第２面３２に設けられている。図示の例では、ミラー層４０は、凸部３４の上面に設けられている。ミラー層４０は、金属構造体２０と空隙を介して、対向配置されている。ミラー層４０の厚さは、例えば、２００ｎｍ程度である。ミラー層４０の材質は、例えば、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌなどである。
【００４３】
ミラー層４０は、光源から照射される光ＬＩＮを反射させる。光ＬＩＮは、ミラー層４０の上面４２と、第１基板１０と金属構造体２０との接触面（第１面１２）と、の間で多重反射する。上面４２と第１面１２との間の距離は、例えば、２００ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。具体的には、光ＬＩＮは、上面４２と第１面１２との間で定在波を形成して、共振（共鳴）し、ＬＳＰＲを生じさせることができる。
【００４４】
圧電素子５０は、第１基板１０および第２基板３０を接続して設けられている。具体的には、圧電素子５０は、第１面１２および第２面３２に接続して設けられている。図示の例では、圧電素子５０は、２つ設けられている。圧電素子５０は、例えば、バイモルフ型の圧電素子である。ここで、バイモルフ型の圧電素子とは、分極方向を逆にした２つの圧電セラミックス層を張り合わせ、一方を伸ばし他方を縮めることにより屈曲させる圧電素子である。例えば、圧電素子５０に電圧を印加すると、図２に示すように、圧電素子５０は屈曲する。これより、圧電素子５０は、第１基板１０と第２基板３０との間の距離を変化させることによって、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離（光路長）Ｄを変化させることができる。
【００４５】
圧電素子５０、基板１０，３０、金属構造体２０、およびミラー層４０によって規定される空間５５は、検出すべき標的物質を含んだ気体試料を流すための流路となる。図示の例では、気体試料は、空間５５を、Ｚ軸方向に向かって流れることができる。
【００４６】
１．２．  プラズモン共鳴波長
図３に、ＧＳＰ（Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）構造を示す。図３に示すように、ＧＳＰ構造では、ミラー層２上に誘電体層４が設けられ、誘電体層４上に複数の金属構造体６が設けられている。図４は、図３に示すＧＳＰ構造を積層膜構造とみなした図であり、金属構造体６と周辺（空気）とを１つの疑似ナノ粒子層６ａとみなしている。
【００４７】
図４に示す積層膜構造において、入射波と、各層の界面で生じた反射波と、を重ね合わせた定在波の腹が疑似ナノ粒子層６ａの中心線（疑似ナノ粒子層６ａの上面と下面との中間を通る線）Ｃに存在するように、誘電体層４の膜厚を設定することでプラズモン共鳴波長を設定することができる。このとき、プラズモン共鳴波長λは、近似的に下記式（１）で表される。
【００４８】
【数１】
2015072157.tif 000003
【００４９】
なお、式（１）において、ｍは整数であり、ｎｐａｒｔｉｃｌｅは疑似ナノ粒子層６ａの屈折率であり、ｄｐａｒｔｉｃｌｅは疑似ナノ粒子層６ａの膜厚であり、ｎｇａｐは誘電体層４の屈折率であり、ｄｇａｐは誘電体層４の膜厚であり、φｍｉｒｒｏｒは誘電体層４とミラー層２との界面で反射する際に生じる位相変化量［ｒａｄ］である。
【００５０】
ミラー層２が単層の金属膜である場合、φｍｉｒｒｏｒは、下記式（２）で表される。
【００５１】
【数２】
2015072157.tif 000004
【００５２】
なお、式（２）において、ｎｍｉｒｒｏｒはミラー層２の屈折率であり、ｋｍｉｒｒｏｒはミラー層２の消衰係数である。ミラー層２が誘電体ミラーの場合、誘電体層４の屈折率が誘電体ミラーの１層目（誘電体層４に接する層）より、高い場合φｍｉｒｒｏｒ＝０となり、低い場合φｍｉｒｒｏｒ＝πとなる。
【００５３】
図５に、ミラー層２をＡｕ層とし、誘電体層４をＳｉＯ２層とし、金属構造体６をＡｇナノ粒子としたＧＳＰ構造の光学素子（センサーチップ）における反射率（金属構造体６側から光を照射したときの反射率）特性を示す。図５は、計算機によるシミュレーションによるものである。
【００５４】
図５に示すように、光学素子（ＧＳＰ構造体）に入射する光の波長である６３２ｎｍにおいて、ＳＰＲによる光吸収が見られている。この吸収は、入射光と各界面で生じた反射光とを重ねあわせた光電場によって励起されたＬＳＰＲに由来する。この吸収波長は、光学素子を気体、あるいは流体などに曝露し、Ａｇナノ粒子の周囲に物質が吸着すると、その際に生じた屈折率の変化によって波長シフトを生じる。これにより電場増強が生じる波長もシフトする。また、波長シフト量は、吸着物質（標的物質）の屈折率の大きさや、物質の吸着量等によっても変化する。図５は、アデニン溶液１０ｎＭとアデニン溶液１０μＭとを滴下して吸着させた後の反射率特性を示している。アデニン分子の吸着によって、１０ｎＭでは６３２ｎｍから５ｎｍほど、１０μＭでは６３２ｎｍから２０ｎｍほどレッドシフトしているのがわかる。
【００５５】
ＳＰＲによる増強電場を利用するＳＥＲＳ光学素子においては、入射する光の波長、あるいは検出対象物（標的物質）のラマン散乱光の波長にＳＰＲの波長を合わせる。これは、ＳＥＲＳ増強度が入射光の波長における電場増強度の２乗と、散乱光の波長における電場増強度の２乗と、の積に比例すると言われていることによる。ＧＳＰ構造の光学素子では、金属ナノ粒子の寸法、あるいは誘電体層の膜厚などを任意に設定し、波長を合わせることができる。しかし、曝露された標的物質の種類や量によって上述のプラズモン共鳴波長のシフトが生じるため、電場増強度の低下が生じる。これは図５の矢印が示す反射率の変化分が、増強電場を形成するためのエネルギー寄与から外れることを意味している。
【００５６】
上記のような問題に対し、光学素子１００では、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄを、圧電素子５０により連続的に変化させて、プラズモン共鳴波長の変化に応じた距離として補償することができる。
【００５７】
光学素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００５８】
光学素子１００では、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄを変化させる圧電素子５０を含む。そのため、光学素子１００では、上述のように、曝露された標的物質の種類や量によってプラズモン共鳴波長のシフトが生じても、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄを、圧電素子５０により連続的に変化させて、プラズモン共鳴波長の変化に応じた距離として補償することができる。
【００５９】
光学素子１００では、圧電素子５０は、バイモルフ型の圧電素子である。そのため、光学素子１００では、積層型の圧電素子を用いる場合に比べて、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄの可変幅を大きくすることができる。
【００６０】
光学素子１００では、第１基板１０は、光源から照射される光ＬＩＮに対して透明である。そのため、金属構造体２０は、より確実に、光ＬＩＮによって照射されることができる。
【００６１】
なお、図示はしないが、光学素子１００は、圧電素子５０よりも変位量の大きいアクチュエーターを有していてもよい。該アクチュエーターは、圧電素子５０と第１基板１０との間に設けられていてもよいし、圧電素子５０と第２基板３０との間に設けられていてもよい。これにより、まず、アクチュエーターで距離Ｄを大雑把に調整し、その後、圧電素子５０で距離Ｄを微調整することができる。
【００６２】
また、上記の例では、圧電素子５０は、２つ設けられていたが、圧電素子５０は３つ以上設けられていてもよい。３つ以上の圧電素子５０は、平面視において、ミラー層４０の周囲に設けられていてもよい。これにより、光ＬＩＮの光軸に対するミラー層４０の傾きを調整する（制御する）ことができる。
【００６３】
２．  光学素子の製造方法
次に、本実施形態に係る光学素子の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００６４】
図１に示すように、第１基板１０の第１面１２に金属構造体２０を形成する。金属構造体２０は、例えば、真空蒸着法にて、Ａｇを１０ｎｍ程度成膜することにより形成される。金属構造体２０は、電子ビームリソグラフィーなどの技術を用いて形成されてもよい。
【００６５】
次に、例えば、シリコン基板を、パターニングして凸部３４を有する第２基板３０を形成する。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。
【００６６】
次に、凸部３４の上面（第２面３２）にミラー層４０を形成する。ミラー層４０は、例えば、スパッタ法にて、Ａｌを２００ｎｍ程度成膜し、該Ａｌをパターニングすることにより形成される。パターニングは、例えば、フォトリソグラフィーおよびエッチングによって行われる。
【００６７】
次に、第１基板１０および第２基板３０を、第１面１２と第２面３２とが対向するように、圧電素子５０で接合する。圧電素子５０と第１基板１０との間、および圧電素子５０と第２基板３０との間には、接着剤が設けられていてもよい。
【００６８】
以上の工程により、光学素子１００を製造することができる。
【００６９】
３．  実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。以下の例は、計算機によるシミュレーションである。
【００７０】
第１基板１０として、石英基板を用いた。金属構造体２０として、厚さ１０ｎｍのＡｇナノ粒子を用いた。第２基板３０として、シリコン基板を用いた。ミラー層４０として、厚さ２００ｎｍのＡｌ層を用いた。圧電素子５０として、バイモルフ型の圧電素子を用いた。
【００７１】
上記光学素子において吸収率の波長依存性を調査した。図６は、光学素子における吸収率の波長依存性を示すグラフである。図６では、圧電素子に電圧を印加し、Ａｇナノ粒子とＡｌ層との間の距離を、１８０ｎｍ、１８５ｎｍ、１９０ｎｍと変化させたときの波長依存性を示している。ここで、吸収率とは、石英基板（第１基板１０）側から光学素子に光を照射したときの光学素子における吸収率であり、光学素子への入射光の強度と、光学素子からの反射光の強度と、の比から算出することができる。
【００７２】
ここで、一般的に、光強度の測定は、例えば次のようにして行われる。まず、光学素子への入射光の強度は、ミラーと同じ材質で出来た参照基板に白色光を照射し、反射した光強度を分光器（たとえばオーシャンオプティクス社製ＵＳＢ４０００）を用いることで、測定することが出来る。また、光学素子からの反射光強度は、Ａｇナノ粒子基板に白色光を照射し、反射した光強度を分光器（たとえばオーシャンオプティクス社製ＵＳＢ４０００）を用いることで、測定することが出来る。こうして得られたＡｇナノ粒子基板からの反射光の強度を、ミラーと同じ材質で出来た参照基板からの反射光の強度で除算することで、吸収率を算出することが出来る。
【００７３】
図６に示すように、Ａｇナノ粒子とＡｌ層との間の距離が、１８０ｎｍの場合では４３５ｎｍ、１８５ｎｍの場合では４４５ｎｍ、１９０ｎｍの場合では４５５ｎｍと、Ａｇナノ粒子とＡｌ層との間の距離に応じて、プラズモン共鳴波長はシフトした。ここで、分子がＡｇナノ粒子表面に吸着すると、Ａｇナノ粒子表面の屈折率が高くなるため、プラズモン共鳴波長が長波長側へシフトする。したがって、予め光源から照射される光の波長よりも短波長に吸収を持つように光学素子を設計しておき、標的物質を吸着させた後に、Ａｇナノ粒子とＡｌ層との間の距離を大きくするように圧電素子を動作させることで、標的物質の吸着によるプラズモン共鳴波長のシフトを補償することができる。
【００７４】
４．  光学素子の変形例
次に、本実施形態の変形例に係る光学素子について、図面を参照しながら説明する。図７および図８は、本実施形態に係る光学素子２００を模式的に示す断面図である。なお、図８は、圧電素子５０を駆動させた状態を示している。
【００７５】
以下、本実施形態の変形例に係る光学素子２００において、本実施形態に係る光学素子１００の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００７６】
上述した光学素子１００では、図１および図２に示すように、圧電素子５０は、第１面１２および第２面３２に接続して設けられていた。
【００７７】
これに対し、光学素子２００では、図７および図８に示すように、圧電素子５０は、ミラー層４０と第２基板３０との間に設けられ、ミラー層４０は、圧電素子５０を介して、第２面３２に設けられている。
【００７８】
光学素子２００では、第２基板３０は、凸部３４を有しておらず、第２面３２から第１基板１０に向けて突出する突出部３６，３８を有している。突出部３６，３８は、基板１０の第１面１２に接合されている。突出部３６，３８は、接着剤を介して、第１面１２に接合されていてもよい。
【００７９】
光学素子２００では、圧電素子５０は、例えば、積層型の圧電素子である。ここで、積層型の圧電素子とは、複数の圧電セラミックス層を厚さ方向（Ｚ軸方向）に積層し、圧電セラミックス層の厚さ方向の変位を利用する圧電素子である。例えば、圧電素子５０に電圧を印加すると、図８に示すように、圧電素子５０は屈曲（動作）する。これより、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄを変化させることができる。積層型の圧電素子は、１００μｍの厚さで、距離Ｄを１００ｎｍ程度変化させることができる。
【００８０】
光学素子２００では、圧電素子５０は、積層型の圧電素子である。そのため、光学素子２００では、バイモルフ型の圧電素子を用いる場合に比べて、圧電素子の駆動制御を簡単にすることができる。
【００８１】
５．  ラマン分光法
次に、本実施形態に係るラマン分光法について、図面を参照しながら説明する。図９は、本実施形態に係るラマン分光法を説明するためのフローチャートである。本実施形態に係るラマン分光法では、本発明に係る光学素子を用いる。以下では、本発明に係る光学素子として光学素子１００を用いたラマン分光法について説明する。
【００８２】
本実施形態に係るラマン分光法は、光学素子１００の金属構造体２０に標的物質を吸着させた後に、金属構造体２０に光を照射し、光学素子１００から放射される光を検出して、標的物質を分析（例えば定性分析または定量分析）する方法である。本実施形態に係るラマン分光法は、図９に示すように、反射率が最小となる圧電素子５０の印加電圧を決定する工程（Ｓ１）と、ラマン散乱光ＬＲＡＭを検出する工程（Ｓ２）と、を含む。以下、具体的に説明する。
【００８３】
まず、圧電素子５０に印加する電圧を変化させながら、光学素子１００から放射される散乱光（具体的にはラマン散乱光ＬＲＡＭおよびレイリー散乱光ＬＲＡＹ）を検出し、光学素子１００における反射率が最小となる電圧（具体的には、例えば、光学素子１００の照射光の波長における反射率と、標的物質の吸収波長における反射率と、を乗算した結果が最小となる電圧）を決定する（Ｓ１）。
【００８４】
具体的には、まず、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄが５ｎｍ大きくなる電圧を、圧電素子５０に印加する。これにより、距離Ｄは、５ｎｍ大きくなる（第１状態）。第１状態において、光学素子１００の反射率を測定する。反射率は、例えば、光学素子１００に入射する光ＬＩＮと、光学素子１００から放射される散乱光と、の強度比から求める。
【００８５】
次に、第１状態から、距離Ｌ２がさらに５ｎｍ大きくなる電圧を、圧電素子５０に印加する。これにより、距離Ｌ２は、さらに５ｎｍ大きくなる。すなわち、距離Ｌ２は、圧電素子５０に電圧を印加する前の状態（スタート状態）に比べて、１０ｎｍ大きくなる（第２状態）。第１状態において、光学素子１００の反射率を測定する。
【００８６】
上記の圧電素子５０への電圧印加および反射率測定を繰り返して、反射率が最小となる電圧を決定する。例えば、圧電素子５０への印加電圧の上限を設定しておき、印加電圧の所定範囲の中で反射率が最小となる電圧を決定してもよいし、反射率測定ごとに前回測定した反射率（前回反射率）と今回測定した反射率（今回反射率）とを比較し、今回反射率が前回反射率よりも大きくなったら前回反射率を測定したときの印加電圧を、最小となる電圧と決定してもよい。
【００８７】
以上の工程により、光学素子１００から放射されるラマン散乱光ＬＲＡＭが最大となるように、圧電素子５０に印加する電圧を変化させることができる。
【００８８】
次に、反射率が最小となる電圧を圧電素子５０に印加した状態で、光学素子１００から放射されるラマン散乱光ＬＲＡＭを検出する（Ｓ２）。そして、検出されたラマン散乱光ＬＲＡＭに基づいて、標的物質を分析する。
【００８９】
本実施形態に係るラマン分光法では、反射率が最小となる電圧を圧電素子５０に印加した状態でラマン散乱光ＬＲＡＭを検出するため、ラマン散乱光ＬＲＡＭの強度を大きくすることができる。したがって、本実施形態に係るラマン分光法では、検出感度を高めることができる。
【００９０】
なお、上記の例では、スタート状態において、圧電素子５０に電圧を印加していなかったが、電圧を印加した状態をスタート状態としてもよい。これにより、スタート状態から距離Ｄを小さくすることもできる。この方法は、例えば、上述した光学素子２００を用いたラマン分光方法に適用することができる。
【００９１】
６．  ラマン分光装置
次に、本実施形態に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図１０は、本実施形態に係るラマン分光装置３００を模式的に示す図である。
【００９２】
ラマン分光装置３００は、図１０に示すように、気体試料保持部１１０と、検出部１２０と、制御部１３０と、検出部１２０および制御部１３０を収容している筐体１４０と、を含む。ラマン分光装置３００は、本発明に係る光学素子を含む。以下では、本発明に係る光学素子として、光学素子１００を含むラマン分光装置３００について説明する。
【００９３】
気体試料保持部１１０は、光学素子１００と、光学素子１００を覆うカバー１１２と、吸引流路１１４と、排出流路１１６と、を有している。検出部１２０は、光源３１０と、レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器３２０と、を有している。制御部１３０は、光検出器３２０において検出された信号を処理して光検出器３２０の制御をする検出制御部１３２と、光源３１０などの電力や光学素子１００の圧電素子５０に印加する電圧を制御する電力制御部１３４と、を有している。制御部１３０は、図１０に示すように、外部との接続を行うための接続部１３６と、電気的に接続されていてもよい。
【００９４】
ラマン分光装置３００では、排出流路１１６に設けられている吸引機構１１７を作動させると、吸引流路１１４および排出流路１１６内が負圧になり、吸引口１１３から検出すべき標的物質を含んだ気体試料が吸引される。吸引口１１３には除塵フィルター１１５が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。吸引流路１１４および排出流路１１６は、光学素子１００の空間（流路）５５と連通している。気体試料は、吸引流路１１４、流路５５、および排出流路１１６を通り、排出口１１８から排出される。気体試料が流路５５を通る際に、標的物質は、光学素子１００の金属構造体２０に吸着する。
【００９５】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、外部からの光が光学素子１００に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のＳ/Ｎ比を向上させることができる。流路１１４，１１６を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。
【００９６】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路１１４，１１６の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構１１７としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。
【００９７】
ラマン分光装置３００では、光源３１０は、標的物質が吸着された金属構造体２０を含む光学素子１００に、光（例えば波長６３２ｎｍのレーザー光）を照射する。光源３１０から射出された光は、レンズ１２２ａで集光された後、ハーフミラー１２４およびレンズ１２２ｂを介して、光学素子１００に入射する。光学素子１００からは、ＳＥＲＳ光が放射され、該光は、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２４、およびレンズ１２２ｃ，１２２ｄを介して、光検出器３２０に至る。すなわち、光検出器３２０は、光学素子１００から放射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源３１０からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器３２０のフィルター１２６によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器３２０の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。
【００９８】
光検出器３２０の分光器１２７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おり、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器３２０の受光素子１２８によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。
【００９９】
なお、ラマン分光装置３００は、光学素子１００、光源３１０、および光検出器３２０を含み、光学素子１００に標的物質を吸着させ、そのラマン散乱光を取得することができれば、上記の例に限定されない。
【０１００】
また、上述した本実施形態に係るラマン分光法のように、レイリー散乱光を検出する場合は、ラマン分光装置３００は、フィルター１２６を有さず、分光器によって、レイリー散乱光とラマン散乱光とを分光してもよい。
【０１０１】
ラマン分光装置３００では、金属構造体２０とミラー層４０との間の距離Ｄを、連続的に変化させることができる光学素子１００を含む。そのため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができる。したがって、本実施形態に係るラマン分光法では、高い検出感度を有することができる。
【０１０２】
７．  電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器４００について、図面を参照しながら説明する。図１１は、本実施形態に係る電子機器４００を模式的に示す図である。電子機器４００は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置としてラマン分光装置３００を含む電子機器４００について説明する。
【０１０３】
電子機器４００は、図１１に示すように、ラマン分光装置３００と、光検出器３２０からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部４１０と、健康医療情報を記憶する記憶部４２０と、健康医療情報を表示する表示部４３０と、を含む。
【０１０４】
演算部４１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、光検出器３２０から送出される検出情報（信号等）を受け取る。演算部４１０は、光検出器３２０からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部４２０に記憶される。
【０１０５】
記憶部４２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部４１０と一体的に構成されてもよい。記憶部４２０に記憶された健康医療情報は、表示部４３０に送出される。
【０１０６】
表示部４３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部４３０は、演算部４１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。
【０１０７】
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。
【０１０８】
電子機器４００では、高い感度で標的物質からのラマン散乱光を検出することができるラマン分光装置３００を含む。そのため、電子機器４００では、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。
【０１０９】
上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。
【０１１０】
例えば、本発明に係る光学素子は、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無などのように、物質の吸着の有無を検出するアフィニティー・センサーなどとして用いることもできる。アフィニティー・センサーは、該センサーに白色光源を入射し、波長スペクトルを分光器で測定し、吸着による表面プラズモン共鳴波長のシフト量を検出することで、検出物質のセンサーチップへの吸収を高感度に検出することができる。
【０１１１】
本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。
【符号の説明】
【０１１２】
２…ミラー層、４…誘電体層、６…金属構造体、６ａ…疑似ナノ粒子層、１０…第１基板、１２…第１面、２０…金属構造体、３０…第２基板、３２…第２面、３４…凸部、３６，３８…突出部、４０…ミラー層、４２…上面、５０…圧電素子、５５…空間、１００…光学素子、１１０…気体試料保持部、１１２…カバー、１１３…吸引口、１１４…吸引流路、１１５…除塵フィルター、１１６…排出流路、１１７…吸引機構、１１８…排出口、１２０…検出部、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…レンズ、１２４…ハーフミラー、１２６…フィルター、１２７…分光器、１２８…受光素子、１３０…制御部、１３２…検出制御部、１３４…電力制御部、１３６…接続部、１４０…筐体、２００…光学素子、３００…ラマン分光装置、３１０…光源、３２０…光検出器、４００…電子機器、４１０…演算部、４２０…記憶部、４３０…表示部
【図１】
2015072157.tif 000005
【図２】
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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】
2015072157.tif 000011
【図１０】
2015072157.tif 000012
【図１１】
2015072157.tif 000013
【図５】
2015072157.tif 000014
【図６】
2015072157.tif 000015