(57)【要約】【課題】容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応す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、入射光の波長より寸法が小さい金属粒子６２を含んで構成されている金属構造６０と、金属構造６０に対向して配置され、金属構造６０を通過した光を反射するミラー２０と、金属構造６０とミラー２０との間に設けられ、ポッケルス効果またはカー効果を生じる電気光学材料３０と、電気光学材料３０に電圧を印加する電極と、を含む。【選択図】図１
2015075392.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射光の波長より寸法が小さい金属粒子を含んで構成されている金属構造と、
前記金属構造に対向して配置され、前記金属構造を通過した光を反射するミラーと、
前記金属構造と前記ミラーとの間に設けられ、ポッケルス効果またはカー効果を生じる電気光学材料と、
前記電気光学材料に電圧を印加する電極と、
を含む、光学素子。
【請求項２】
請求項１において、
前記電気光学材料と前記金属構造との間に設けられ、前記金属構造を通過した光に対して透明な透明電極を含み、
前記ミラーは、前記電極の一方であり、
前記透明電極は、前記電極の他方ある、光学素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記金属構造と前記電気光学材料との間に、標的物質を含む試料が導入される流路を含む、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、
前記電気光学材料の材質は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛である、光学素子。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれか１項において、
前記金属粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている、光学素子。
【請求項６】
請求項１ないし５のいずれか１項において、
前記ミラーは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている、光学素子。
【請求項７】
請求項１ないし６のいずれか１項において、
前記電気光学材料における電圧の印加方向は、前記電気光学材料における光の入射方向と同じ方向、または前記入射方向と直交する方向である、光学素子。
【請求項８】
標的物質を分析するラマン分光法であって、
請求項１ないし７のいずれか１項に記載の光学素子の前記金属粒子に、前記標的物質を吸着させる工程と、
前記電気光学材料に電圧を印加して、前記入射光を前記金属構造側から照射し、前記光学素子から反射される光を検出して、前記光学素子における反射率が最小となる前記電圧を決定する工程と、
最小となる前記電圧を前記電気光学材料に印加した状態で検出された光に基づいて、前記標的物質を分析する工程と、
を含む、ラマン分光法。
【請求項９】
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７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した前記金属粒子に前記入射光を照射する光源と、
前記光学素子から反射される光を検出する光検出器と、
を含む、ラマン分光装置。
【請求項１０】
請求項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、プラズモン共鳴ミラー上に形成された誘電体スペーサー層と、誘電体スペーサー層上に形成されたナノ粒子層と、を含むセンサーにおいて、層間の間隔や、ナノ粒子のサイズおよび形状などのパラメーターを調整することにより、プラズモン共鳴応答を調整できることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００７−５３８２６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ここで、金属ナノ粒子表面に標的物質（標的分子）が吸着すると、金属ナノ粒子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。しかしながら、プラズモン共鳴波長に応じて、層間の間隔やナノ粒子のサイズ等を変えてセンサー（光学素子）を製造する方法では、標的物質の種類や量ごとにセンサーを製造しなければならない。そのため、容易に、プラズモン共鳴波長の変化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、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応す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、
入射光の波長より寸法が小さい金属粒子を含んで構成されている金属構造と、
前記金属構造に対向して配置され、前記金属構造を通過した光を反射するミラーと、
前記金属構造と前記ミラーとの間に設けられ、ポッケルス効果またはカー効果を生じる電気光学材料と、
前記電気光学材料に電圧を印加する電極と、
を含む。
【０００９】
このような光学素子では、ミラーおよび透明電極によって電気光学材料に電圧を印加することにより、電気光学材料の屈折率を変化させ、金属構造を通過した光の光路長を変化させることができる。これにより、標的物質を含む試料が導入され標的物質が金属粒子に吸着してプラズモン共鳴波長のシフトが生じても、金属構造を通過した光の光路長を、プラズモン共鳴波長の変化に応じた光路長として補償することができる。したがって、光学素子では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができる。
【００１０】
本発明に係る光学素子において、
前記電気光学材料と前記金属構造との間に設けられ、前記金属構造を通過した光に対して透明な透明電極を含み、
前記ミラーは、前記電極の一方であり、
前記透明電極は、前記電極の他方あってもよい。
【００１１】
このような光学素子では、ミラーとは別に電気光学材料に電圧を印加する電極を設ける場合に比べて、部材数を減らすことができ、小型化を図ることができる。
【００１２】
本発明に係る光学素子において、
前記金属構造と前記電気光学材料との間に、標的物質を含む試料が導入される流路を含んでもよい。
【００１３】
このような光学素子では、金属構造と光学材料との間の空間（流路）の屈折率が変化しても、金属構造を通過した光の光路長を、最適な値（例えば、ラマン散乱光の強度が最大となる値）に調整することができる。
【００１４】
本発明に係る光学素子において、
前記電気光学材料の材質は、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛であってもよい。
【００１５】
このような光学素子では、電気光学材料は、入射光（例えば波長６３３ｎｍの光）に対して高い透過性を有し、さらに、印加電圧に対して大きな屈折率の変化を得ることができる。
【００１６】
本発明に係る光学素子において、
前記金属粒子は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されていてもよい。
【００１７】
このような光学素子では、入射光によって、ＬＳＰＲ（詳細は後述）を生じさせることができる。
【００１８】
本発明に係る光学素子において、
前記ミラーは、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されていてもよい。
【００１９】
このような光学素子では、入射光は、共振（共鳴）し、より確実に、ＬＳＰＲを生じさせることができる。
【００２０】
本発明に係る光学素子において、
前記電気光学材料における電圧の印加方向は、前記電気光学材料における光の入射方向と同じ方向、または前記入射方向と直交する方向であってもよい。
【００２１】
このような光学素子では、より確実に、電気光学材料を通過する光の光路長を、変化させることができる。
【００２２】
本発明に係るラマン分光法は、
標的物質を分析するラマン分光法であって、
本発明に係る光学素子の前記金属粒子に、前記標的物質を吸着させる工程と、
前記電気光学材料に電圧を印加して、前記入射光を前記金属構造側から照射し、前記光学素子から反射される光を検出して、前記光学素子における反射率が最小となる前記電圧を決定する工程と、
最小となる前記電圧を前記電気光学材料に印加した状態で検出された光に基づいて、前記標的物質を分析する工程と、
を含む。
【００２３】
このようなラマン分光法は、本発明に係る光学素子を用いるため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができ、検出感度を高めることができる。
【００２４】
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した前記金属粒子に前記入射光を照射する光源と、
前記光学素子から反射される光を検出する光検出器と、
を含む。
【００２５】
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含むため、ラマン散乱光の強度を大きくすることができ、高い検出感度を有することができる。
【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平面図。
【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】本実施形態に係る光学素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図７】本実施形態に係る光学素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図８】本実施形態に係る光学素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図９】本実施形態に係る光学素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図１０】本実施形態に係る光学素子の製造工程を模式的に示す断面図。
【図１１】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１２】波長と反射率との関係を示すグラフ。
【図１３】本実施形態に係るラマン分光法を説明するための図。
【図１４】本実施形態に係るラマン分光法を説明するための図。
【図１５】本実施形態に係るラマン分光法を説明するための図。
【図１６】本実施形態に係るラマン分光装置を模式的に示す図。
【図１７】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。図２は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２に示すＩ−Ｉ線断面図である。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および図２に示すように、第１基板１０と、ミラー層（ミラー）２０と、電気光学材料層（電気光学材料）３０と、透明電極層（透明電極）４０と、第２基板５０と、金属構造層（金属構造）６０と、を含む。なお、便宜上、図２では、第１基板１０、ミラー層２０、電気光学材料層３０、および透明電極層４０以外の部材を省略して図示している。
【００３４】
第１基板１０は、ミラー層２０が設けられている第１面１２を有している。図示の例では、第１基板１０は、第１面１２から第２基板５０に突出する突出部１４，１６を有している。第１面１２および突出部１４，１６によって規定される空間に、ミラー層２０、電気光学材料層３０、および透明電極層４０が配置されている。第１基板１０は、例えば、石英基板である。
【００３５】
ミラー層２０は、第１基板１０上に設けられている。ミラー層２０は、電気光学材料層３０を透過した光を反射する。ミラー層２０は、金属構造層６０に対向して配置されている。光源（図示せず）から照射された光（入射光ＬIN）の少なくとも一部は、第２基板５
０、金属構造層６０、透明電極層４０、および電気光学材料層３０を透過し、ミラー層２０において反射する。図示の例では、入射光ＬINの進行方向（入射方向）は、Ｚ軸方向である。
【００３６】
ミラー層２０の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、例えば、１００ｎｍ以上４００ｎｍ以下であり、より具体的には２５０ｎｍ程度である。ミラー層２０は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている。また、ミラー層２０は、誘電体ミラーであってもよい。ミラー層２０は、電気光学材料層３０に電圧を印加する１対の電極の一方である。
【００３７】
なお、図示はしないが、第１基板１０とミラー層２０との間に、密着層が設けられていてもよい。密着層は、第１基板１０とミラー層２０との密着性を高めることができる。密着層の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１０ｎｍ以下であり、より具体的には３ｎｍ程度である。密着層は、例えば、Ｃｒ層である。
【００３８】
電気光学材料層３０は、ミラー層２０上に設けられている。電気光学材料層３０は、金属構造層６０を通過した光の光路上に設けられている。電気光学材料層３０は、金属構造層６０とミラー層２０との間に設けられている。電気光学材料層３０の厚さは、例えば、５００ｎｍ以上１５００ｎｍ以下であり、より具体的には８００ｎｍ程度である。
【００３９】
電気光学材料層３０の材質は、例えば、チタン酸ジルコン酸ランタン鉛（ＰＬＺＴ：（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ3）、ニオブ酸リチウム（ＬＮ：ＬｉＮｂＯ3）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ3）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ3）、チタン酸バリウム（ＢａＴｉＯ3）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ：Ｋ（Ｔａ，Ｎｂ）Ｏ3）、チタン酸ストロンチウム（ＳＴＯ：ＳｒＴｉＯ3）、チタン酸ビスマス（ＢｉＴｉＯ3）、ニオブ酸ストロンチウムバリウム（ＳＢＮ：（Ｂａ，Ｓｒ）ＮｂＯ3）などである。
【００４０】
電気光学材料層３０は、ポッケルス効果またはカー効果を生じ、電圧が印加される（電場が印加される）ことにより屈折率が変化する。ここで、ポッケルス効果とは、電場の強さに比例して、屈折率が変化する現象のことをいう。カー効果とは、電場の強さの２乗に比例して、屈折率が変化する現象のことをいう。例えば、ＰＬＺＴは、カー効果を生じる材料であり、屈折率変化Δｎは、下記式（１）で表される。
【００４１】
【数１】
2015075392.tif 000003
【００４２】
ただし、式（１）において、ｎは、電場が印加されていない状態におけるＰＬＺＴの屈折率であり、Ｒは、Ｋｅｒｒ定数（１．３×１０-18［ｍ2／Ｖ2］）であり、Ｅは、電場の強さである。
【００４３】
電気光学材料層３０は、ポッケルス効果またはカー効果によって屈折率が変化することにより、電気光学材料層３０を通過する光の光路長を変化させることができる。光学素子１００では、電気光学材料層３０に印加する電圧の大きさによって、電気光学材料層３０を通過する光の光路長を変化させることができる。
【００４４】
透明電極層４０は、電気光学材料層３０上に設けられている。透明電極層４０は、電気
光学材料層３０と金属構造層６０との間に設けられている。透明電極層４０は、金属構造層６０を通過した光に対して透明である。すなわち、透明電極層４０は、金属構造層６０を通過した光を透過させる。
【００４５】
透明電極層４０の厚さは、例えば、５０ｎｍ以上３００ｎｍ以下であり、より具体的には１６５ｎｍ程度である。透明電極層４０の材質は、例えば、酸化インジウムスズ（ＩＴＯ：Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）である。透明電極層４０は、電気光学材料層３０に電圧を印加する１対の電極の他方である。ミラー層２０および透明電極層４０は、電気光学材料層３０に電圧を印加する１対の電極である。図示の例では、電気光学材料層３０における電圧の印加方向は、電気光学材料層３０における光の入射方向と同じ方向（Ｚ軸方向）である。ミラー層２０および透明電極層４０は、例えば、透明電極層４０の電位がミラー層２０の電位よりも高くなるように、電源１に接続されている。
【００４６】
なお、ミラー層２０の電気抵抗が大きい場合や、ミラー層２０として誘電体ミラーを用いる場合は、ミラー層２０と電気光学材料層３０との間に第２透明電極層（図示せず）を設け、透明電極層４０および第２透明電極層を電源１に接続することにより、電気光学材料層３０に電圧を印加してもよい。また、電気光学材料層３０における電圧の印加方向が、電気光学材料層３０における光の入射方向と直交する方向（Ｘ軸方向）となるように、透明電極層４０および第２透明電極層を配置してもよい。
【００４７】
第２基板５０は、接合層５４を介して、第１基板１０上に設けられている。図示の例では、第２基板５０は、接合層５４によって、第１基板１０の突起部１４，１６に接合されている。接合層５４は、例えば、ポリオルガノシロキサンを主成分とする層である。接合層５４は、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法により形成されたプラズマ重合層であってもよい。
【００４８】
第２基板５０は、入射光ＬINおよび標的物質（標的分子）から散乱される光ＬRAM，ＬRAYを透過する。第２基板５０は、例えば、石英基板である。
【００４９】
なお、図示はしないが、第２基板５０の第２面５２と反対側の面（上面）には、入射光ＬINの反射を防止するための反射防止（ＡＲ：Ａｎｔｉ？Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）層が設けられていてもよい。反射防止層は、例えば、ＳｉＯ2層、Ｔａ2Ｏ5層、Ａｌ2Ｏ3層、ＴｉＮ層、ＴｉＯ2層、ＳｉＯＮ層、ＳｉＮ層や、これらの積層体である。
【００５０】
金属構造層６０は、第２基板５０の第２面５２に設けられている。図示の例では、第２面５２は、第２基板５０の下面であり、金属構造層６０は、第２基板５０の下に設けられている。金属構造層６０は、複数の金属粒子６２を含んで構成されている。具体的には、金属構造層６０は、複数の金属粒子６２と、隣り合う金属粒子６２の間の空間と、を含んで構成されている。
【００５１】
金属粒子６２の形状は、例えば、円柱状である。金属粒子６２の寸法（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（例えば６３３ｎｍ）より小さく、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であり、より具体的には９０ｎｍ程度である。金属粒子６２の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５０ｎｍ以下であり、より具体的には３０ｎｍ程度である。
【００５２】
金属粒子６２は、複数設けられている。図示の例では、複数の金属粒子６２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、複数の金属粒子６２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。複数の金属粒子６２が周期的に設けられている場合、その周期は、例えば、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下であ
り、より具体的には１４０ｎｍである。複数の金属粒子６２は、平面視において、マトリックス状に設けられていてもよい。金属粒子６２は、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている。
【００５３】
金属粒子６２には、図示はしないが、標的物質（標的分子）が吸着する。標的物質は、光学素子１００を用いた分析において、検出の対象となる物質である。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う。
【００５４】
金属粒子６２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（図示せず）において受光（検出）される。入射光ＬINとラマン散乱光ＬRAMのエネルギーとの差は、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。
【００５５】
金属粒子６２は、入射光ＬINにより表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を生じる。具体的には、金属粒子６２は、入射光ＬINにより局在型表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を生じる。ここで、ＬＳＰＲとは、光の波長以下の金属粒子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ＬRAMを増強することができる。
【００５６】
金属構造層６０と第２基板５０との接触面（第２面５２）と、ミラー層２０の上面（電気光学材料層との接触面）２２と、の間において、光学素子１００に入射する入射光ＬIN（入射光ＬINの少なくとも一部）は、多重反射する。具体的には、光ＬIN（ＬINの少なくとも一部）は、第２面５２と上面２２との間で定在波を形成して、共振（共鳴）し、ＬＳＰＲを強く発現させることができる。定在波は、第２面５２および上面２２のみならず、電気光学材料層３０の上面、透明電極層４０の上面、金属構造層６０の下面において反射する光が重ね合わさることによって形成されてもよい。光学素子１００では、ミラー層２０および透明電極層４０によって電気光学材料層３０に電圧を印加することにより、電気光学材料層３０の屈折率を変化させ、第２面５２と上面２２との間を多重反射する光ＬINの（定在波の）光路長を変化させることができる。
【００５７】
金属構造層６０と電気光学材料層３０との間の空間７０には、標的物質を含む試料が導入される。空間７０は、標的物質を含んだ気体試料を流すための流路となる。すなわち、光学素子１００は、金属構造層６０と電気光学材料層３０との間に、標的物質を含む試料が導入される流路７０を含む。図示の例では、空間７０は、基板１０，２０、電気光学材料層３０、透明電極層４０、接合層５４、および金属構造層６０によって規定されている。金属構造層６０の下面と透明電極層４０の上面との間の距離は、例えば、０．２μｍ以上２μｍ以下であり、より具体的には１μｍ程度である。図示の例では、気体試料は、空間７０を、Ｙ軸方向に向かって流れることができる。
【００５８】
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上にギャップ層４が設けられ、ギャップ層４上に複数の金属粒子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、金属粒子６と周辺（空気）とを１つの疑似層（金属構造層）８とみなしている。
【００５９】
図４に示す積層膜構造において、金属構造層８側から入射する入射波（入射光）と、各層の界面で生じた反射波（反射光）と、を重ね合わせた定在波の腹が金属構造層８の中心線（金属構造層８の上面と下面との中間を通る線）Ｃに存在するように、ギャップ層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（２）で表される。
【００６０】
【数２】
2015075392.tif 000004
【００６１】
なお、式（２）において、ｍは整数であり、ｎparticleは金属構造層８の屈折率であり、ｄparticleは金属構造層８の膜厚であり、ｎgapはギャップ層４の屈折率であり、ｄgapはギャップ層４の膜厚であり、φmirrorはギャップ層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。
【００６２】
ミラー層２が単層の金属層である場合、φmirrorは、下記式（３）で表される。
【００６３】
【数３】
2015075392.tif 000005
【００６４】
なお、式（３）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、ギャップ層４の屈折率が誘電体ミラーの１層目（ギャップ層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。また、ギャップ層４が複数の層の積層体からなる場合、各層において、式（２）を満たすことが望ましい。
【００６５】
図５に、ミラー層２をＡｕ層とし、ギャップ層４を空気とし、金属粒子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、入射光の波長に対する反射率特性を示す。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。反射率は、Ａｇナノ粒子側から光学素子に光を入射させ、入射光の強度に対する、光学素子における反射光の強度の比から求めたものである。
【００６６】
図５に示すように、光学素子に入射する入射光の波長である６３３ｎｍにおいて表面プラズモン共鳴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。
【００６７】
表面プラズモン共鳴による増強電場を利用して物質を検出する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のラマン散乱波長に表面プラズモン共鳴の波長を合わせる。これは、ＳＥＲＳ増強度が入射波長における電場増強度の２乗と、ラマン散乱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構造のセンサーチップでは、金属ナノ粒子の寸法、あるいはギャップ層の膜厚などを任意に設定し、プラズモン共鳴波長を合わせることができる。
【００６８】
ここで、ギャップ層を流路としたＳＥＲＳ光学素子を考える。標的物質を含む試料の相
や粘度などの流体的な特徴に応じて流路の厚さを大きくする必要があるが、その場合においても（２）式を満たすように各層の厚みを設計することで表面プラズモン共鳴による増強電場を形成することが可能である。
【００６９】
しかし、流路に試料を導入した場合、物質の種類や量によって流路の屈折率が変化するため、プラズモン共鳴波長にシフトが生じる（図５参照）。これにより、設計時のプラズモン共鳴波長においては、電場増強度が低下してしまう。これは図５の矢印が示す反射率の変化分約６０％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。
【００７０】
上記のような問題に対し、光学素子１００では、電圧を印加することで金属構造層６０とミラー層２０との間の光路長を変化させることができる電気光学材料層３０を設け、流路（空間）７０の屈折率変化に伴うプラズモン共鳴波長のシフトを補償することができる。補償量は、電気光学材料層３０の厚さや印加電圧の値により、調整することができる。
【００７１】
光学素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００７２】
光学素子１００では、金属構造層６０とミラー層２０との間に設けられ、ポッケルス効果またはカー効果を生じる電気光学材料層３０を含む。そのため、光学素子１００では、ミラー層２０および透明電極層４０によって電気光学材料層３０に電圧を印加することにより、電気光学材料層３０の屈折率を変化させ、金属構造層６０を通過した光の（具体的には、第２面５２と上面２２との間を多重反射する光の）光路長を変化させることができる。これにより、上記のように、空間７０に標的物質を含む試料が導入され標的物質が金属粒子６２に吸着してプラズモン共鳴波長のシフトが生じても、金属構造層６０を通過した光の光路長を、プラズモン共鳴波長の変化に応じた光路長として補償することができる。すなわち、例えば、金属構造層６０を通過した光の光路長を、最適な値（例えば、ラマン散乱光の強度が最大となる値）に調整することができる。したがって、光学素子１００では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができる。
【００７３】
光学素子１００では、ミラー層２０は、電気光学材料層３０に電圧を印加する１対の電極の一方であり、透明電極層４０は、電気光学材料層３０に電圧を印加する１対の電極の他方である。そのため、光学素子１００では、ミラー層とは別に電気光学材料層に電圧を印加する電極を設ける場合に比べて、部材数を減らすことができ、小型化を図ることができる。
【００７４】
光学素子１００では、金属構造層６０と電気光学材料層３０との間に、標的物質を含む試料が導入される流路７０を含む。光学素子１００では、このように空間７０（流路７０）の屈折率が変化しても、金属構造層６０を通過した光の光路長を、最適な値（例えば、ラマン散乱光の強度が最大となる値）に調整することができる。例えば、光学素子１００では、金属構造層６０を通過した光の光路長を、干渉条件の変化に応じた光路長として補償することができる。
【００７５】
光学素子１００では、電気光学材料層３０の材質は、ＰＬＺＴである。ＰＬＺＴは、入射光ＬIN（例えば波長６３３ｎｍの光）に対して高い透過性を有し、さらに、印加電圧に対して大きな屈折率の変化を得ることができる。
【００７６】
光学素子１００では、金属粒子６２は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている。そのため、光学素子１００では、入射光ＬINによって、ＬＳＰＲを生じさせることができる。
【００７７】
光学素子１００では、ミラー層２０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｐｄ、Ｗ、Ｒｈ、Ｒｕ、これらの積層体、または、これらの合金から構成されている。そのため、光ＬINは、第２面５２と上面２２との間で定在波を形成して、共振（共鳴）し、より確実に、ＬＳＰＲを生じさせることができる。
【００７８】
光学素子１００では、電気光学材料層３０における電圧の印加方向は、電気光学材料層３０における光の入射方向と同じ方向、または光の入射方向と直交する方向である。電気光学材料層３０は、その材質によって、電圧の印加方向、または電圧の印加方向と直交する方向に進行する光において、より確実に屈折率を変化させることができる。したがって、光学素子１００では、より確実に、電気光学材料層３０を通過する光の光路長を、変化させることができる。例えば電気光学材料層３０の材質がＰＬＺＴの場合は、電圧の印加方向を光の入射方向とすることにより、より確実に光路長を変化させることができる。
【００７９】
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。図６〜図１０は、本実施形態に係る光学素子１００の製造方法を模式的に示す断面図であって、図１に対応している。
【００８０】
図６に示すように、例えば石英基板をパターニングして、突出部１４，１６を有する第１基板１０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（具体的にはウェットエッチング）により行われる。
【００８１】
次に、第１基板１０上にミラー層２０を成膜する。ミラー層２０は、例えば、スパッタ法やＣＶＤ法によって成膜される。本工程において、突起部１４，１６上に、ミラー層２０と同じ材質の層２１が成膜される。
【００８２】
図７に示すように、ミラー層２０上に、アモルファスの前駆体層３０ａを成膜する。前駆体層３０ａは、例えば、スパッタ法よって成膜される。本工程において、層２１上に、前駆体層３０ａと同じ材質の層３１ａが成膜される。
【００８３】
図８に示すように、例えば、ＣＭＰ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｐｏｌｉｓｈｉｎｇ）法により、層２１，３１ａを除去する。次に、例えば電気炉にて７５０℃程度の熱処理を行い、前駆体層３０ａを結晶化させる。本工程により、多結晶の電気光学材料層３０を形成することができる。
【００８４】
図９に示すように、電気光学材料層３０上に透明電極層４０を形成する。透明電極層４０は、例えば、スパッタ法による成膜、およびパターニングによって形成される。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り行われる。
【００８５】
図１０に示すように、突出部１４，１６上に接合層５４を形成する。接合層５４は、例えば、ＣＶＤ法により成膜、およびパターニングによって形成される。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り行われる。接合層５４を形成した後に、Ｎ2プラズマ活性処理により活性化エネルギーを接合層５４の表面に付与してもよい。なお、図示はしないが、接合層５４は、第２基板５０に形成されてもよい。
【００８６】
図１に示すように、第２基板５０の第２面５２に、金属粒子６２を形成する。金属粒子６２は、例えば、電子ビームリソグラフィーによるレジストパターニング、真空蒸着による金属の堆積、およびレジスト剥離に浸漬することによるリフトオフによって形成される。本工程により、金属構造層６０を形成することができる。
【００８７】
次に、金属構造層６０と透明電極層４０とが対向配置されるように、第１基板１０と第２基板５０とのアライメントを行い、重ね合わせる。そして、加重することにより、第１基板１０と第２基板５０とを、接合層５４を介して接合させる。
【００８８】
以上の工程により、光学素子１００を製造することができる。
【００８９】
３．  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１１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を用いた例について説明する。
【００９０】
本実施形態に係るラマン分光法は、図１１に示すように、光学素子１００を準備する工程（Ｓ１）と、光学素子１００の金属粒子６２に標的物質を吸着させる工程（Ｓ２）と、反射率が最小となる電気光学材料層３０への印加電圧を決定する工程（Ｓ３）と、標的物質を分析する工程（Ｓ４）と、を含む。以下、具体的に説明する。
【００９１】
まず、光学素子１００を準備する（Ｓ１）。光学素子１００は、例えば、標的物質を含む試料が導入されておらず、かつ、電気光学材料層３０に電圧が印加されていない状態において、最終的にプラズモン共鳴を発現させたい波長（目標波長）よりも短波長側にプラズモン共鳴波長を有するように設計される。ここで、目標波長は通常、ラマン散乱を励起する入射光ＬINの波長と、標的物質（標的分子）のラマン散乱光ＬRAMの波長の中間に設定される。また、２波長が十分近いとみなせる場合はＬINを目標波長としてもよい。以下の説明では目標波長をＬINとする。金属粒子６２の形状および大きさや、空間７０のＺ軸方向の大きさを調整することにより、光学素子１００は、光ＬINの波長よりも短波長側にプラズモン共鳴波長を有するように設計されることができる。例えば、入射光ＬINの波長が６３３ｎｍの場合において、プラズモン共鳴波長が約６３０ｎｍとなるように、光学素子１００を設計する。
【００９２】
次に、光学素子１００の空間７０に標的物質を含む試料を導入し、光学素子１００の金属粒子６２に、標的物質を吸着させる（Ｓ２）。これにより、プラズモン共鳴波長は、６３０ｎｍよりも長波長側にシフトする。例えば、図１２に示すように、プラズモン共鳴波長は、約６３１ｎｍとなる。
【００９３】
なお、図１２は、光学素子１００における、入射光の波長に対する反射率特性を示す。図１２は、計算機によるシミュレーションによるものである。反射率は、第２基板５０側から光学素子１００に光を入射させ、入射光の強度に対する、光学素子１００における反射光の強度の比から求めたものである。なお、反射光の測定は別途用意された光源からの光を入射して得られた反射光の強度から算出しても良いし、ラマン散乱光を励起する際に用いる波長幅の狭いレーザー光でも良い。
【００９４】
次に、電気光学材料層３０に電圧を印加して、入射光ＬINを金属構造層６０側から（第２基板５０側から）光学素子１００に照射し、光学素子１００から反射される光を検出して、光学素子における反射率が最小となる電圧を決定する（Ｓ３）。
【００９５】
例えば、図１２に示すように、電気光学材料層３０に、４００ｋＶ／ｃｍの電界を印加したときは、電気光学材料層３０の屈折率は、０．０２変化し、プラズモン共鳴波長は約６３２ｎｍであり、波長６３３ｎｍである入射光ＬINの反射率は、約０．４７である。電気光学材料層３０に、５００ｋＶ／ｃｍの電界を印加したときは、電気光学材料層３０の屈折率は、０．０２５変化し、プラズモン共鳴波長は約６３３ｎｍであり、波長６３３ｎ
ｍである入射光ＬINの反射率は、約０．０３である。このように、工程Ｓ３では、電気光学材料層３０に印加する電圧（電界）を変化させて、波長６３３ｎｍである入射光ＬINの反射率が、最小となる電圧を決定する。
【００９６】
具体的には、電気光学材料層３０に印加する単位電圧（所定の電圧）を設定し、段階的に単位電圧を印加させ、電圧を印加させるごとに反射率を求める。より具体的には、単位電圧を１Ｖと設定し、まず電気光学材料層３０に１Ｖを印加した状態で反射率を測定し、次に電気光学材料層３０に２Ｖを印加した状態で反射率を測定し、次に電気光学材料層３０に３Ｖを印加した状態で反射率を測定する。このような電圧印加および反射率測定を、予め設定した印加電圧の上限まで繰り返し、測定した反射率の値から、反射率が最小となる電圧を決定してもよい。または、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。
【００９７】
次に、反射率が最小となる電圧を電気光学材料層３０に印加した状態で検出された光に基づいて、標的物質を分析（定性分析または定量分析）する（Ｓ４）。
【００９８】
以上の工程により、標的物質を分析することができる。
【００９９】
本実施形態に係るラマン分光法では、光学素子１００を用いて、反射率が最小となる電圧を電気光学材料層３０に印加した状態で検出された光に基づいて、標的物質を分析する。そのため、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。
【０１００】
なお、上記の例では、初期状態（標的物質を吸着させる前の状態）において、電気光学材料層３０に電圧を印加していなかったが、初期状態において、電気光学材料層３０に電圧を印加していてもよい。
【０１０１】
４．  ラマン分光法の例
次に、上述した本実施形態に係るラマン分光法の例について、図面を参照しながら説明する。
【０１０２】
以下では、λを、使用時のプラズモン共鳴波長（標的物質の吸着あり、電気光学材料層３０への電圧印加あり）とし、λSを、光学素子１００のプラズモン共鳴の初期波長（標的物質の吸着なし、電気光学材料層３０への電圧印加なし）とし、Ｃ1を、標的物質の下限濃度とし、Ｃ2を、標的物質の上限濃度とし、ΔλC1を、薄い、または屈折率が小さいとき（Ｃ１）の波長シフト量とし、ΔλC2を、濃い、または屈折率が大きいとき（Ｃ２）の波長シフト量（ΔλC1＜ΔλC2）とし、ΔλEを、電気光学材料層３０への電圧による波長シフト量とし、ΔλEmaxを、最大電圧印加による波長シフト量とする。
【０１０３】
４．１．  ケース１
図１３は、ケース１を説明するための図である。ケース１では、下記の条件（１）〜（５）を前提としている。
【０１０４】
条件（１）：電気光学材料層３０への電圧印加は、初期状態でオフとする。
条件（２）：電気光学材料層３０への電圧印加により、プラズモン共鳴波長を長波長側へシフトすることができる。
条件（３）：使用時のプラズモン共鳴波長は、入射波長から散乱波長までの範囲内に合わせる。
条件（４）：物質の吸着により、プラズモン共鳴波長は、長波長側へシフトする。
条件（５）：シフト量は、標的物質が濃い、または屈折率が高い方が大きい（ΔλC1＜ΔλC2）。
【０１０５】
ケース１の場合、本実施形態に係るラマン分光法では、ΔλC2≦λ−λS≦ΔλC1＋ΔλEmaxとすることができる。
【０１０６】
４．２．  ケース２
図１４は、ケース２を説明するための図である。ケース２では、下記の条件（１）〜（５）を前提としている。
【０１０７】
条件（１）：電気光学材料層３０への電圧印加は、初期状態で最大値でオンとする。
条件（２）：電気光学材料層３０への電圧印加をオフすることにより、プラズモン共鳴波長を短波長側へシフトすることができる。
条件（３）：使用時のプラズモン共鳴波長は、入射波長から散乱波長までの範囲内に合わせる。
条件（４）：物質の吸着により、プラズモン共鳴波長は、長波長側へシフトする。
条件（５）：シフト量は、標的物質が濃い、または屈折率が高い方が大きい（ΔλC1＜ΔλC2）。
【０１０８】
ケース２の場合、本実施形態に係るラマン分光法では、ΔλC2−ΔλEmax≦λ−λS≦ΔλC1とすることができる。
【０１０９】
４．３．  ケース３
図１５は、ケース３を説明するための図である。ケース３では、下記の条件（１）〜（５）を前提としている。
【０１１０】
条件（１）：電気光学材料層３０への電圧印加は、初期状態で最大印加電圧の１／２（Ｅmax／２）を印加している。
条件（２）：電気光学材料層３０への電圧印加をオフすることにより、プラズモン共鳴波長を短波長側へシフトすることができる。
条件（３）：使用時のプラズモン共鳴波長は、入射波長から散乱波長までの範囲内に合わせる。
条件（４）：物質の吸着により、プラズモン共鳴波長は、長波長側へシフトする。
条件（５）：シフト量は、標的物質が濃い、または屈折率が高い方が大きい（ΔλC1＜ΔλC2）。
【０１１１】
ケース３の場合、本実施形態に係るラマン分光法では、ΔλC2−ΔλEmax／２≦λ−λS≦ΔλC1＋ΔλEmax／２とすることができる。
【０１１２】
５．  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１６は、本実施形態に係るラマン分光装置２００を模式的に示す図である。
【０１１３】
ラマン分光装置２００は、図１６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。気体試料保持部１１０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を含む例について説明する。
【０１１４】
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２１０と、
レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器２２０と、を有している。制御部１３０は、光検出器２２０において検出された信号を処理して光検出器２２０の制御をする検出制御部１３２と、光源２１０などの電力や光学素子１００の電気光学材料層３０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。図示はしないが、ラマン分光装置２００は、電力制御部１３４からの信号に基づいて、電気光学材料層３０に電圧を印加するための電源を有していてもよい。制御部１３０は、図１６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。
【０１１５】
ラマン分光装置２００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から検出対象となる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）７０と連通している。気体試料は、吸引流路１１４、流路７０、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７０を通る際に、標的物質は、光学素子１００の金属粒子６２に吸着する。
【０１１６】
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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
ラマン分光装置２００では、光源２１０は、標的物質が吸着した金属粒子６２を含む光学素子１００に、光（例えば波長６３３ｎｍのレーザー光、入射光ＬIN）を照射する。光源２１０としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いる。光源２１０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２２０に至る。すなわち、光検出器２２０は、光学素子１００から反射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源２１０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２２０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２２０の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。受光素子１２８としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【０１１９】
光検出器２２０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２２０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。
【０１２０】
なお、ラマン分光装置２００は、光学素子１００、光源２１０、および光検出器２２０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。
【０１２１】
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２００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。
【０１２２】
ラマン分光装置２００では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応す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、ラマン分光装置２００は、高い検出感度を有することができる。
【０１２３】
６．  電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器３００について、図面を参照しながら説明する。図１７は、本実施形態に係る電子機器３００を模式的に示す図である。電子機器３００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２００を含む例について説明する。
【０１２４】
電子機器３００は、図１７に示すように、ラマン分光装置２００と、光検出器２２０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３１０と、健康医療情報を記憶する記憶部３２０と、健康医療情報を表示する表示部３３０と、を含む。
【０１２５】
演算部３１０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２２０から送出される検出情報（信号等）を受け取る。演算部３１０は、光検出器２２０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３２０に記憶される。
【０１２６】
記憶部３２０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３１０と一体的に構成されてもよい。記憶部３２０に記憶された健康医療情報は、表示部３３０に送出される。
【０１２７】
表示部３３０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３３０は、演算部３１０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。
【０１２８】
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。
【０１２９】
電子機器３００では、容易に、プラズモン共鳴波長の変化に対応することができるラマン分光装置２００を含む。そのため、電子機器３００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。
【０１３０】
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。
【０１３１】
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。
【０１３２】
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】
【０１３３】
１…電源、２…ミラー層、４…ギャップ層、６…金属粒子、８…金属構造層、１０…第１基板、１２…第１面、１４，１６…突出部、２０…ミラー層、２１…層、２２…上面、３０…電気光学材料層、３０ａ…前駆体操、３１ａ…層、４０…透明電極層、５０…第２基板、５２…第２面、５４…接合層、６０…金属構造層、６２…金属粒子、７０…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…ラマン分光装置、２１０…光源、２２０…光検出器、３００…電子機器、３１０…演算部、３２０…記憶部、３３０…表示部
【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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