(57)【要約】【課題】ラマン散乱光の増強効果に優れたラマン分光分析用信号増幅装置、ラマン分光分析装置及びラマン分光分析方法を提供する。【解決手段】ラマン分光分析用信号増幅装置１は、複数の窪み又は複数の突起が予め定められた格子間隔で格子状に配置されて、表面プラズモン共鳴を生ずるナノ周期構造を有する基板と、前記ナノ周期構造の表面に形成された金属皮膜と、を備え、前記ナノ周期構造の格子間隔は、異なるナノ周期構造を有する複数の基板の吸収ピーク波長と格子間隔との関係が予め求められ、前記関係に基づき、ラマン分光分析に用いられる光の波長と同一となる吸収ピーク波長に対応する格子間隔となるよう定められる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の窪み又は複数の突起が予め定められた格子間隔で格子状に配置されて、表面プラズモン共鳴を生ずるナノ周期構造を有する基板と、
前記ナノ周期構造の表面に形成された金属皮膜と、を備え、
前記ナノ周期構造の格子間隔は、異なるナノ周期構造を有する複数の基板の吸収ピーク波長と格子間隔との関係が予め求められ、前記関係に基づき、ラマン分光分析に用いられる光の波長と同一となる吸収ピーク波長に対応する格子間隔となるよう定められる、ラマン分光分析用信号増幅装置。
【請求項２】
前記複数の窪み又は前記複数の突起は、三角格子状、正方格子状又は六角格子状に配置されている、請求項２に記載のラマン分光分析用信号増幅装置。
【請求項３】
前記金属皮膜が、金、白金、銀及びアルミニウムの群から選択された少なくとも１つである、請求項１又は請求項２に記載のラマン分光分析用信号増幅装置。
【請求項４】
前記金属皮膜が、複数の金属皮膜を積層させたものである、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のラマン分光分析用信号増幅装置。
【請求項５】
前記関係は、白色光を用いて求められる、請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のラマン分光分析用信号増幅装置。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のラマン分光分析用信号増幅装置を備える、ラマン分光分析装置。
【請求項７】
複数の窪み又は複数の突起が、予め定められた格子間隔で格子状に配列されたナノ周期構造を有する基板の吸収ピーク波長と前記格子間隔との関係を求め、
ラマン分光分析に用いられる光の波長に対応した前記複数の窪み又は前記複数の突起の格子間隔を前記関係から求め、
得られた前記複数の窪み又は前記複数の突起の格子間隔のナノ周期構造を有する基板に付着した物質を特定する、ラマン分光分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ラマン分光分析用信号増幅装置、ラマン分光分析装置及びラマン分光分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン散乱光を利用して分子レベルの構造を解析するラマン分光分析法が知られている。特許文献１〜特許文献３には、プラズモン共鳴層を利用することによりラマン散乱光のスペクトル信号を増強させることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】国際公開ＷＯ２０１２/０８６５８６号公報
【特許文献２】特開２０１３-１６０５７８号公報
【特許文献３】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】
【０００４】
特許文献１〜３に記載の方法においては、基板表面における金属微粒子の粒径及び密度の制御が困難である。このため、特許文献１〜３に記載の方法は、表面状態に依存するラマン散乱光において再現性の高いスペクトル曲線を得ることが困難である。
【０００５】
本発明は、ラマン散乱光の増強効果に優れたラマン分光分析用信号増幅装置、ラマン分光分析装置及びラマン分光分析方法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】
【０００６】
本発明は、複数の窪み又は複数の突起が予め定められた格子間隔で格子状に配置されて、表面プラズモン共鳴を生ずるナノ周期構造を有する基板と、前記ナノ周期構造の表面に形成された金属皮膜と、を備え、前記ナノ周期構造の格子間隔は、異なるナノ周期構造を有する複数の基板の吸収ピーク波長と格子間隔との関係が予め求められ、前記関係に基づき、ラマン分光分析に用いられる光の波長と同一となる吸収ピーク波長に対応する格子間隔となるよう定められる、ラマン分光分析用信号増幅装置である。
【０００７】
本発明は、相関式に基づいてナノ周期構造を変えることにより、任意の波長で表面プラズモンを励起できるので、ラマン測定に使用するレーザ波長に合わせることができ、プラズモン共鳴を効率よく発現させることができ、ラマン分光分析におけるセンサの高感度化が可能になる。
【０００８】
前記複数の窪み又は前記複数の突起は、三角格子状、正方格子状又は六角格子状に配置されていることが好ましい。
【０００９】
規則正しく配置することにより表面プラズモン共鳴によるラマン信号の増幅効果が向上する、という利点がある。一定空間により多くの窪み又は突起が形成される緻密な配置になるほど、得られる分光スペクトルのピークが大きく鋭くなるので、ピーク波長の特定が容易になる、という利点がある。
【００１０】
前記金属皮膜は、金、白金、銀及びアルミニウムの群から選択された少なくとも１つであることが好ましい。
【００１１】
上記金属を使用することにより反射率の高い均一な金属皮膜を形成することができ、表面プラズモン共鳴によるラマン信号の増幅効果が向上する、という利点がある。
【００１２】
前記金属皮膜が、複数の金属皮膜を積層させたものであってもよい。
【００１３】
複数の金属皮膜を積層することによって、反射率を高めることができる。
【００１４】
前記関係は、白色光を用いて求められることが好ましい。
【００１５】
白色光の照射により簡便に吸収ピーク波長と格子間隔との相関を求めることができる、という利点がある。
【００１６】
本発明は、上記のラマン分光分析用信号増幅装置を備える、ラマン分光分析装置である。
【００１７】
本発明は、複数の窪み又は複数の突起が、予め定められた格子間隔で格子状に配列されたナノ周期構造を有する基板の吸収ピーク波長と前記格子間隔との関係を求め、ラマン分光分析に用いられる光の波長に対応した前記複数の窪み又は前記複数の突起の格子間隔を前記関係から求め、得られた前記複数の窪み又は前記複数の突起の格子間隔のナノ周期構造を有する基板に付着した物質を特定する、ラマン分光分析方法である。
【００１８】
本発明は、相関式に基づいてナノ周期構造を変えることにより、任意の波長で表面プラズモンを励起できるので、ラマン測定に使用するレーザ波長に合わせることができ、プラズモン共鳴を効率よく発現させることができ、ラマン分光分析におけるセンサの高感度化が可能になる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、ラマン散乱光の増強効果に優れたラマン分光分析用信号増幅装置、ラマン分光分析装置及びラマン分光分析方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１は、ラマン分光分析用信号増幅装置を示す斜視図である。
【図２】図２は、ナノ周期構造を形成する窪みの配置例を示す平面図である。
【図３】図３は、窪みの状態を説明する一部切欠き図である。
【図４−１】図４-１は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する一例を示す工程図である。
【図４−２】図４-２は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する一例を示す工程図である。
【図４−３】図４-３は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する一例を示す工程図である。
【図４−４】図４-４は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する一例を示す工程図である。
【図５−１】図５-１は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する他例を示す工程図である。
【図５−２】図５-２は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する他例を示す工程図である。
【図５−３】図５-３は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する他例を示す工程図である。
【図５−４】図５-４は、ラマン分光分析用信号増幅装置を製造する他例を示す工程図である。
【図６】図６は、格子間隔を選定する方法を示すフローチャートである。
【図７】図７は、表面プラズモン共鳴を利用するラマン分光分析装置の概念を示す模式図である。
【図８】図８は、光検出部３２がセンサ部３１に光を照射する例を示す図である。
【図９】図９は、センサ基板表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１０】図１０は、センサ基板表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１１】図１１は、センサ基板表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１２】図１２は、センサ基板表面を撮影した電子顕微鏡写真である。
【図１３】図１３は、表面プラズモン共鳴測定に用いるカートリッジを示す分解図である。
【図１４】図１４は、表面プラズモン共鳴測定に用いるカートリッジを示す断面模式図である。
【図１５】図１５は、表面プラズモン共鳴測定装置を示す斜視図である。
【図１６】図１６は、表面プラズモン共鳴の測定方法を説明する模式図である。
【図１７】図１７は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図１８】図１８は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図１９】図１９は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２０】図２０は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２１】図２１は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２２】図２２は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２３】図２３は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２４】図２４は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２５】図２５は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２６】図２６は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２７】図２７は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２８】図２８は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図２９】図２９は、表面プラズモン共鳴測定結果の一例を示すチャートである。
【図３０】図３０は、ピーク波長と格子間隔との相関を示すグラフである。
【図３１】図３１は、各測定試料の代表的なスペクトルを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、ラマン分光分析用信号増幅装置を実施するための形態（以下、実施形態という）を図面に基づいて詳細に説明する。なお、下記の実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、以下の実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
【００２２】
［実施形態１］
図１は、実施形態１に係るラマン分光分析用信号増幅装置の一例を示す斜視図である。図２は、実施形態１に係るラマン分光分析用信号増幅装置の窪みの配置例を示す平面図である。図３は、実施形態１に係るラマン分光分析用信号増幅装置の窪みの状態を説明する斜視図である。本実施形態において、ラマン分光分析用信号増幅装置（以下、適宜ラマン信号増幅装置と称する）１は、例えばバイオセンサ等に使用されるセンサ基板（センサチップとも称される）として具現される。ラマン信号増幅装置１は、ナノ周期構造３を有する基板２を含む。ナノ周期構造３は、窪み５が予め定められた周期で配置された構造である。更に、ラマン信号増幅装置１は、ナノ周期構造３の表面に金属皮膜４を有している。本実施形態において、ラマン信号増幅装置１は、予め定められた格子間隔で、複数の窪み５が格子状に配列されているが、複数の突起が予め定められた格子間隔で格子状に配列されていてもよい。
【００２３】
ナノ周期構造３を形成する窪み５は、内側の形状が、図３に例示するように円錐台状であることが好ましい。円錐台状の窪み５は、平面視、すなわちナノ周期構造３が形成された基板２の表面と直交する方向からナノ周期構造３を見た場合に、三角格子状、正方格子状又は六角格子状等のパターンで配置される。図２に示す例では、窪み５は、六角格子状に配置されている。本実施形態においては、隣り合う窪み５の中心間の距離の平均値を格子間隔と定義し、ナノ周期構造の周期の指標としている。
【００２４】
金属皮膜４は、金、白金、銀及びアルミニウムの群から選択された少なくとも１つの金属で形成された皮膜であることが好ましい。また、金属被膜４は、これらの金属の皮膜を複数積層した複合皮膜としてもよい。例えば、金属皮膜４は、金被膜の上に、さらに銀皮膜が形成されてもよい。金属皮膜４全体の厚み（以下、適宜膜厚と称する）は、入射光を全反射し得る程度の大きさとすることが好ましい。金属皮膜４は、例えばスパッタ等により基板２のナノ周期構造３の表面に形成することができる。
【００２５】
（ナノ周期構造３の製造方法）
ラマン信号増幅装置１は、ナノインプリント技術を利用して形成される。図４−１から図４−４は、ナノ周期構造の製造工程例を示す工程図である。図４-１に示すように、まず、シート状樹脂Ｐと、ナノメートルレベルの周期構造パターンを有する金型ＤＩとを準備する（ステップＳ１０１）。シート状樹脂Ｐとしては、例えば、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂を使用することが好ましい。金型ＤＩは、後述する方法で格子間隔（格子間距離）を決定し、例えば、電子ビームにより精密露光を行うことで製作する。
【００２６】
次に、図４-２に示すように、加熱した金型ＤＩがシート状樹脂Ｐに押し付けられて、所定圧力で所定時間押圧される（ステップＳ１０２）。次に、図４−３に示すように、金型ＤＩの温度が所定温度になったところで金型ＤＩからシート状樹脂Ｐが離型され、周期構造がシート状樹脂Ｐに転写される（ステップＳ１０３）。シート状樹脂Ｐを、ガラス転移温度が１５０℃以下の非晶性樹脂とすることにより、熱収縮を起こさない程度の温度で成形することが可能となるので、精度の高いナノ周期構造３を得ることができる。また、非晶性樹脂の場合、冷却過程において再結晶化が起こらないので、精度の高いナノ周期構造３を得ることができる。
【００２７】
次に、図４-４に示すように、ナノ周期構造３の表面に、スパッタリング又は蒸着装置などによって金属皮膜４を形成してラマン信号増幅装置１が完成する（ステップＳ１０４）。本実施形態におけるナノインプリントで作製した基板は、凹凸の形状、大きさ及び周期が揃っているので、その表面に形成する金属皮膜の厚み及び密度の制御が容易となる。
【００２８】
（ナノ周期構造３の製造方法の変形例）
図５−１から図５−４は、ナノ周期構造の別の製造工程例を示す工程図である。前述した製造例においては、熱ナノインプリントを利用してナノ周期構造を製造したが、本変形例においては、光ナノインプリントを利用してナノ周期構造を製造する点が異なる。
【００２９】
まず、図５−１に示すように、金型１０３とシート状樹脂１００とを用意する（ステップＳ２０１）。金型１０３は、前述した金型ＤＩと同様に、予め設定された格子間隔となるように、例えば電子ビームにより精密露光されて製造されたものである。シート状樹脂１００は、樹脂シート１０１上に光硬化性樹脂１０２を積層させたものである。
【００３０】
次に、図５−２に示すように、ＵＶ光Ｌをシート状樹脂１０１側から照射し、光硬化性樹脂１０２を硬化させて金型１０３のパターンを光硬化性樹脂１０２に転写する（ステップＳ２０２）。
【００３１】
次に、図５−３に示すように、金型１０３から硬化後の光硬化樹脂１０２’を離型して、光硬化樹脂１０２’によりナノ周期構造が形成された基板１０１’を得る（ステップＳ２０３）。
【００３２】
図５−４に示すように、得られた基板１０１’の表面に金属皮膜４を形成して、ラマン信号増幅装置１を得る（ステップＳ２０４）。
【００３３】
上記の如く、本実施形態に係るナノ周期構造を有する基板は、熱ナノインプリント又は光ナノインプリントを使用して製造することができる。そのため、特許文献１〜３に例示するような従来技術においては困難であった均等な品質のナノ周期構造を有する基板を大量生産することができる。したがって、その表面に形成する金属皮膜の金属粒径や密度の制御も容易となり、再現性及び信頼性の高い測定ピークを得ることができる。
【００３４】
（格子間隔選定方法）
図６は、ラマン分光分析において、最も強力な表面プラズモン共鳴を得ることができる格子間隔を選定する方法の一例について説明するフローチャートである。まず格子間隔を変化させたナノ周期構造３を有するセンサ基板を複数（好ましくは３種以上）用意する（ステップＳ３０１）。次に、白色光を光源として使用して、複数種のセンサ基板からの反射光分布を測定する（ステップＳ３０２）。それぞれのセンサ基板の反射光分布における吸収波長のピーク（以下、適宜吸収ピーク波長と称する）を求め、吸収ピーク波長と格子間隔との相関式を求める（ステップＳ３０３）。次に、ラマン分光分析に使用する光（例えばレーザ光）の波長を決定し、ラマン分光分析に使用する光の波長と同じ波長のピーク吸収波長に対応する格子間隔を相関式から求める（ステップＳ３０４）。
【００３５】
（ラマン分光分析）
本実施形態は、任意のラマン分光分析に適用することができる。なお、ラマン分光分析に使用する光源としては、レーザ光源を用いることが好ましい。レーザ光源は、光強度が大きいため反射光の強度も大きくなるためである。また、レーザは単一波長であるので反射光の波長を特定しやすいという利点もある。
【００３６】
図７は、表面プラズモン共鳴を利用するラマン分光分析装置を示す模式図である。ラマン分光分析装置５０は、センサ部３１と、光検出部３２と、処理部３３とを含む。
【００３７】
センサ部３１は、ラマン信号増幅装置１を備えたフォトニック結晶バイオセンサである。図７に示す例では、ラマン信号増幅装置１は、上部プレート３５と下部プレート３６とで挟み込まれるようにセンサ部３１に設置されている。上部プレート３５には開口部３７が設けられている。ラマン信号増幅装置１は、開口部３７から露出する位置に設置される。
【００３８】
光検出部３２は、光源ＬＳと、測定プローブ２２と、分光器ＳＲと、光検出器ＤＲと、第１光ファイバ２０と、第２光ファイバ２１と、コリメートレンズ２６とを含む。光源ＬＳと測定プローブ２２とは、第１光ファイバ２０により光学的に接続されている。測定プローブ２２と光検出器ＤＲとは、第２光ファイバ２１により光学的に接続されている。ラマン分光分析装置５０は、必要に応じて、光源ＬＳ及び光検出器ＤＲなどに接続され、光源ＬＳの制御及び光検出器ＤＲからの信号を処理する制御装置を備えていてもよい。
【００３９】
図８は、光検出部３２がセンサ部３１に光を照射する例を示す図である。図７に示す第１光ファイバ２０は、図７に示す光源ＬＳからの光を測定プローブ２２に導き、測定プローブ２２からセンサ部３１が有するラマン信号増幅装置１の反射面である金属皮膜４へ照射する。コリメートレンズ２６は、第１光ファイバ２０から出射し、測定プローブ２２から照射された光を平行光にしてから、ラマン信号増幅装置１の反射面（金属皮膜４）へ入射光ＬＩとして照射する。第２光ファイバ２１は、ラマン信号増幅装置１の反射面（金属皮膜４）で反射した光をラマン散乱光ＬＲとして受光し、図７に示す分光器ＳＲに導く。分光器ＳＲで分光されたラマン散乱光ＬＲは、光検出器ＤＲによって検出される。コリメートレンズ２６の種類は特に限定されないが、例えば、ナノストラクチャーを持つ反射防止フィルムを用いることができる。分光器ＳＲは特に限定されるものではないが、例えば、回折格子が組み込まれたポリクロメータが用いられる。光検出器ＤＲは、例えば、フォトトランジスタ又はＣＣＤ（Charge  Coupled  Device）などの受光素子を備えた、光を検出するための装置である。
【００４０】
処理部３３は、例えば、光検出部３２が検出したラマン散乱光ＬＲを分析して、ラマン信号増幅装置１の金属皮膜４（反射面）に捕捉された標的物質を同定したりする。処理部３３は、例えば、マイクロコンピュータである。
【００４１】
（格子間隔選定方法の一例）
本実施形態に係る格子間隔選定方法を用いて図１に示すラマン信号増幅装置１の格子間隔を選定する例を説明する。まず、異なる格子間隔を有するラマン信号増幅装置１を作製した。このため、異なる格子間隔となるナノインプリント用の金型を作製し、樹脂シートに形状を転写後、金（Ａｕ）被膜を蒸着により形成して、センサ基板１Ａ〜１Ｄを得た。ナノインプリント用の金型は、シリコン基板上にレジストを塗布し、電子ビーム露光にて所望の形状を描画した後、エッチング加工によりピラー形状の突起を形成した。樹脂シートは、ナノインプリント用の樹脂シートであればよいが、非晶性ポリマーを用いることが好ましい。結晶化に起因する収縮が生じず、凹部（窪み）を高精度に形成できるからである。本実施例では、シクロオレフィンポリマー（日本ゼオン株式会社製、商品名「ゼオネア」）の１００μｍ厚シートを使用した。金（Ａｕ）皮膜は、蒸着により形成した。金（Ａｕ）被膜の厚さは１００ｎｍ以上とすることが好ましい。光を全反射させるためである。金（Ａｕ）被膜の厚さは４００ｎｍ以下とすることが更に好ましい。凹部（窪み）の形状精度を維持するためである。光を全反射させ、凹部の形状精度を維持するためには、金（Ａｕ）被膜の厚さは１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下とすることが更に好ましい。
【００４２】
図９〜図１２は、作製したセンサ基板の電子顕微鏡写真を示す図である。表１に示す４種類のセンサ基板１Ａ〜１Ｄを、それぞれ試験片１Ａ〜試験片１Ｄとした。各試験片１Ａ〜１Ｄは、ホール径、すなわち図１に示す窪み５の直径は２５０ｎｍ、ホール深さ、すなわち図１に示す窪み５の深さは２００ｎｍとした。表１におけるホール集合形状とは六角格子状を意味する。
【００４３】
【表１】
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【００４４】
図９〜図１２中の試験片１Ａ〜１Ｄは、２μｍ四方の領域を表示している。図９〜図１２に示すように、隣り合う窪み５Ａ〜５Ｄ同士の間隔を格子間隔ｄとして求めた。隣り合う窪み５Ａ〜５Ｄ同士の間隔を複数個所測定して、それらの平均値を格子間隔とした。
【００４５】
図１３は、表面プラズモン共鳴測定に用いるカートリッジを示す分解図である。図１４は、表面プラズモン共鳴測定に用いるカートリッジを示す断面模式図である。図１５は、表面プラズモン共鳴測定装置を示す斜視図である。図１６は、表面プラズモン共鳴の測定方法を説明する模式図である。
【００４６】
これらの試験片１Ａ〜１Ｄを、図１３及び図１４に示すカートリッジに取り付け、図１５に示す表面プラズモン共鳴測定装置に装着し、図１６に示すように、光源ＬＳから白色光ＬＷを照射し、反射光ＬＷＲの波長分布を計測した。図１３に示すように、試験片１Ａ〜１Ｄは、流路固定台７とガラス板９との間に配置される。空気、水又はポリマー溶液等の測定媒体を、インレットチューブ１１から流路に導入し、アウトレットチューブ１２から排出する。試験片１Ａ〜１Ｄがセットされたカートリッジ１５は、表面プラズモン共鳴測定装置１６にセットされる。図１５に示す光ファイバ２２は、光源ＬＳとセンサ基板１Ａ〜１Ｄ（以下、センサ基板１と総称する）との間で光の授受を行う。光ファイバ２２は、図１６に示すように、光源ＬＳから試験片１Ａ〜１Ｄへ照射する白色光ＬＷを搬送する光ファイバ２０と、試験片１Ａ〜１Ｄからの反射光ＬＷＲを検出器ＤＲへ搬送する光ファイバ２１とを含んでいる。
【００４７】
光源ＬＳから出射された白色光ＬＷは、光ファイバ２０を通って試験片１Ａ〜１Ｄに入射し、試験片１Ａ〜１Ｄに金被膜として形成された反射面によって、入射した光ＬＷが反射される。反射光ＬＷＲは、光ファイバ２１内を通過して、検出器ＤＲに送られる。
【００４８】
図１７は、試験片１Ｄを用いて、水存在下での反射光強度の波長分布を測定した結果を示す図である。図中、横軸は波長（ｎｍ）、縦軸は反射率（％）を示す（以下同様）。図１７において、波長７８０ｎｍ付近に、表面プラズモン共鳴に起因する光の吸収が見られる。
【００４９】
図１８〜図２９は、試験片１Ａ〜１Ｄのそれぞれについて、屈折率の異なる環境下（空気中、水中、ポリマー溶液中）で反射光の波長分布を計測した結果を示す図である。ポリマー溶液はＰＤＭＡ（ポリジメチルシロキサン）を使用した。
【００５０】
図１８は、空気中で測定した試験片１Ａの反射光分布曲線を示している。図１９は、水中で測定した試験片１Ａの反射光分布曲線を示している。図２０は、ポリマー溶液中で測定した試験片１Ａの反射光分布曲線を示している。図２１は、空気中で測定した試験片１Ｂの反射光分布曲線を示している。図２２は、水中で測定した試験片１Ｂの反射光分布曲線を示している。図２３は、ポリマー溶液中で測定した試験片１Ｂの反射光分布曲線を示している。図２４は、空気中で測定した試験片１Ｃの反射光分布曲線を示している。図２５は、水中で測定した試験片１Ｃの反射光分布曲線を示している。図２６は、ポリマー溶液中で測定した試験片１Ｃの反射光分布曲線を示している。図２７は、空気中で測定した試験片１Ｄの反射光分布曲線を示している。図２８は、水中で測定した試験片１Ｄの反射光分布曲線を示している。図２９は、ポリマー溶液中で測定した試験片１Ｄの反射光分布曲線を示している。
【００５１】
図３０は、４００ｎｍ〜８００ｎｍの範囲で格子間隔を変化させた試験片１Ａ〜１Ｃのそれぞれについて、空気中での吸収ピーク波長λpeakを求め、格子間隔に対してプロットした図である。図３０に示すように、格子間隔ｄと吸収ピーク波長λpeakとには良い相関が見られる。このような格子間隔ｄと吸収ピーク波長λpeakとの関係は、例えば、式（１）に示すような一次の相関式で近似することができる。
【００５２】
【数１】
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【００５３】
例えば、ラマン分光分析で使用されるレーザ光の波長としては、５３２ｎｍ、６３３ｎｍ、７８０ｎｍが使用される。空気中における分析の場合は、空気中で求めた試験片１Ａ〜１Ｃの吸収ピーク波長λpeakに基づく相関式を用い、ラマン分光分析で使用されるレーザ光に対応する格子間隔ｄを求める。例えば、ラマン分光分析で使用されるレーザ光の波長が６３３ｎｍである場合、式（１）のｙにレーザ光の波長が６３３ｎｍを与えて、格子間隔ｄについて式（１）を解くことにより、格子間隔ｄが得られる。このようにして得られた格子間隔ｄのラマン信号増幅装置１は、波長が６３３ｎｍのレーザ光を用いてラマン分光分析をする際に、ラマン散乱を増強することができる。
【００５４】
水中又は他の環境下における分析の場合においても、予め格子間隔ｄを変化させた複数種類の試験片を作製して、白色光におけるピーク吸収波長λpeakと格子間隔ｄとの相関式を求めることにより、ラマン分光分析で用いる光の波長と同じピーク吸収波長λpeakに対応する格子間隔ｄを決定することができる。このように、本実施形態に係る格子間隔選定方法は、様々な環境下においてラマン散乱の増強効果を実現できるラマン信号増幅装置１を提供することが可能となる。
【００５５】
各センサ基板１Ａ〜１Ｄにおける吸収ピーク波長λpeakは、式（２）によって求めることもできる。式（２）のピーク吸収波長λpeakにラマン分光分析で用いる光の波長を与え、さらに誘電率εｍ、格子次数ｉ、ｊ及び屈折率を式（２）に与えて格子間隔ｄについて式（２）を解くことにより、ラマン分光分析で用いる光の波長と同じピーク吸収波長λpeakに対応する格子間隔ｄを決定することができる。
【００５６】
【数２】
2015232526.tif 000005
【００５７】
上記の如く求めた格子間隔ｄのラマン信号増幅装置１を用いてラマン分光分析を行うことにより、照射するレーザ光の波長で最も強力に表面プラズモン共鳴を生じさせ、強力なラマン散乱を発生させることが可能となる。その結果、ラマン信号増幅装置１の表面に付着した物質の同定が容易になる。
【００５８】
更に、図１８〜図２９から分かるように、格子の配置は、三角格子状よりも六角格子状の方が、吸収ピークが鋭く深い。したがって、前述したステップＳ３０１〜ステップＳ３０４（図６参照）で示す格子間隔選定方法を六角格子状配置のナノ周期構造に適用すれば、三角格子状配置の場合よりも更に精度の高い測定が可能となる。
【００５９】
本実施形態では、前述したように、電子ビームを用いて精密露光により制作した金型を使用して、熱ナノインプリント又は光（ＵＶ）ナノインプリントによりナノ周期構造を製造する。したがって、均一な基板を大量に製造することが可能である。また基板表面の凹凸の形状、大きさ、周期が揃っているので、その表面に形成する金属皮膜の粒径及び密度の制御が容易となる。このような基板を増幅装置として使用することによって、ラマン散乱の高い増強効果が安定して得られる。その結果、エネルギー密度の小さい励起用光源を使用する場合でも、高さが大きく、且つ幅の狭い吸収波長のピークが発現してピーク波長を正確且つ容易に特定することができる。
【００６０】
また、式（１）又は式（２）に示す相関式に基づいてナノ周期構造３、より具体的には格子間隔ｄを変更することにより、任意の波長で表面プラズモンを励起できるので、ラマン測定に使用するレーザ波長に合わせることができ、プラズモン共鳴を効率よく発現させることができる。その結果、ラマン分光分析におけるセンサの高感度化が可能になる。
【００６１】
（ラマン分光分析の一例）
上記試験片１Ａ及び１Ｄについてラマン分光分析における信号増幅効果（センサ性能）の評価をした。ラマン分光分析による測定条件は以下のとおりである。
＜測定条件＞
装置：ＲＥＮＩＳＨＡＷ製  ＳＹＳＴＥＭ２０００
励起波長：Ｈｅ−Ｎｅレーザ（６３２.８ｎｍ）
光源強度：５０ｍＷ
観察倍率：対物レンズ５０倍
測定領域：２００ｃｍ−１以上１０００ｃｍ−１以下
測定試料：試験片１Ａ、試験片１Ｄ、試験片１Ａ及び１Ｄと同様の樹脂シート上にナノ周期構造なしで金（Ａｕ）皮膜のみ形成した対照基板のそれぞれに、４−アミノチオフェノール１０ｗｔ％メタノール溶液を０．５μｌ滴下したものを測定試料とした。
データ補正：ベースライン補正
【００６２】
滴下領域中、４−アミノチオフェノール溶液の膜厚に分布が見られた。このため、膜厚が同程度と想定される干渉縞の見える箇所について測定を実施した。測定箇所は、試験片１Ａ及び試験片１Ｄについては６箇所、対照基板については８箇所とした。
【００６３】
得られたラマンスペクトルのうち各測定試料の代表的なスペクトルを図３１に示す。いずれの試料のスペクトルにも、プラスチック基板に由来すると思われる蛍光の影響が見られたため、ベースライン補正をした。図３１は、３つの測定試料の測定結果を一つにまとめたものである。そのため各スペクトルは縦軸方向にオフセットされて表示されている。したがって、それぞれのスペクトルの縦軸方向の値は、実際の測定値を正確に表示するものではない。
【００６４】
図３１に示すように、各測定試料において１０８０ｃｍ−１近傍に４−アミノチオフェノールに起因すると考えられるピークが発現している。各測定試料において１０８０ｃｍ−１近傍のピークについて求めたピーク強度を表２に示す。
【００６５】
【表２】
2015232526.tif 000006
【００６６】
表２に示す測定値の平均値を求めると、以下のようになる。
＜１０８０ｃｍ−１近傍ピーク強度平均値＞
試験片１Ａ  ２５．３
試験片１Ｄ  ２７．２
対照基板      ５．１
【００６７】
この結果から、本願のナノ周期構造を有するセンサ基板のラマン散乱増強効果（ラマン信号増幅効果）が確認された。
【符号の説明】
【００６８】
１  ラマン信号増幅装置（センサ基板）
２  基板
３  ナノ周期構造
４  金属皮膜
５  窪み
【図１】
2015232526.tif 000007
【図２】
2015232526.tif 000008
【図３】
2015232526.tif 000009
【図４−１】
2015232526.tif 000010
【図４−２】
2015232526.tif 000011
【図４−３】
2015232526.tif 000012
【図４−４】
2015232526.tif 000013
【図５−１】
2015232526.tif 000014
【図５−２】
2015232526.tif 000015
【図５−３】
2015232526.tif 000016
【図５−４】
2015232526.tif 000017
【図６】
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【図７】
2015232526.tif 000019
【図８】
2015232526.tif 000020
【図１３】
2015232526.tif 000021
【図１４】
2015232526.tif 000022
【図１５】
2015232526.tif 000023
【図１６】
2015232526.tif 000024
【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
2015232526.tif 000028
【図２１】
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【図２２】
2015232526.tif 000030
【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
2015232526.tif 000039
【図９】
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【図１０】
2015232526.tif 000041
【図１１】
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【図１２】
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