(57)【要約】      （修正有）【課題】ホットスポットが電場増強素子の表面に露出し、且つプラズモン増強効果が高い分析装置を提供すること。【解決手段】基板１と、基板上に形成された第１金属層１０と、基板１の上方に形成された誘電体柱２０と、誘電体柱上に形成され第１金属層１０と電気的に絶縁された第２金属層３０とを含み、第２金属層３０は第１方向に第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、金属列が第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている電場増強素子１００と、電場増強素子１００に入射光を照射する光源と、電場増強素子から放射される光を検出する検出器とを備える。電場増強素子１００の第２金属層３０の配置および第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］を最適化し、プラズモン増強効果の増大を図る。【選択図】図１
2015212674.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光、前記第２方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たす、分析装置。
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
【請求項２】
基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光、前記第２方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記基板の屈折率をｎとしたときに、下記式（４）の関係を満たす、分析装置。
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、ｎは、前記基板の屈折率を表す。］
【請求項３】
基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、
電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（５）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（５）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たす、分析装置。
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
【請求項４】
基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（６）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（６）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記基板の屈折率をｎとしたときに、下記式（４）の関係を満たす、分析装置。
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、ｎは、前記基板の屈折率を表す。］
【請求項５】
基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、
前記電場増強素子に、前記第２方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、
前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、
を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（５）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（５）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉ
ｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（７）の関係を満たす、分析装置。
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２２０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（７）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
【請求項６】
請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
前記検出器は、前記電場増強素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析装置。
【請求項７】
請求項１ないし請求項６のいずれか１項に記載の分析装置と、前記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、を備えた電子機器。
【請求項８】
請求項７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、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、又は、無機分子及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、分析装置及び電子機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
医療・健康分野をはじめ、環境、食品、公安等の分野において、微量の物質を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するセンシング技術が求められている。センシングの対象となる微量の物質は非常に多岐にわたっており、例えば、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物がセンシングの対象となる。従来、微量物質の検知は、サンプリング、分析、解析を経て行われているが、専用の装置が必要で、検査作業者の熟練を要するため、その場での分析は困難な場合が多かった。そのため、検査結果を得るまでに長期間（数日以上）を要している。センシング技術において、迅速かつ簡便であることの要求は非常に強く、その要求に応えることのできるセンサーの開発が望まれている。例えば、空港等における、嘔吐、下痢、発熱を呈する患者の診断は、感染拡大を防ぐためにも喫緊を要する。また、感染症検査は、細菌かウィルスかで処置が異なり、更に感染経路を絶つためにも細菌やウィルスの種類を迅速に同定することが重要である。
【０００３】
このような要請から、近年、電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサー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）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、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。また、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）を用い、センサー部位に付着した物質のラマン散乱を検出し付着物質の同定を行うなどの方法も検討されている。
【０００４】
このようなセンサーの構造として、例えば、非特許文献１には、ホットスポット密度（ＨＳＤ）を高めた構造として、Ｄｉｓｋ−ｃｏｕｐｌｅｄ  ｄｏｔｓ−ｏｎ−ｐｉｌｌａｒ  ａｎｔｅｎｎａ  ｍｏｄｅｌ（Ｄ２ＰＡモデル）が提案されている。非特許文献１に開示された構造では、ＳｉＯ2で形成されたピラーの側面に成長させた金のナノ粒子の間のギャップ（ナノギャップ）に生じる局在型プラズモン（ＬＳＰ）を利用する方式を採用している。当該文献のＦｉｇ．４をみると、ナノ粒子がない場合には、電場の増強度は、｜Ｅ4／Ｅ04｜〜１０5、すなわち、｜Ｅ｜〜１７．８｜Ｅ0｜となっており、ナノ粒子がピラーの側面に存在する場合には、｜Ｅ4／Ｅ04｜〜１０7、すなわち、｜Ｅ｜〜５６．２｜Ｅ0｜となっている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】OPTICS EXPRESS,Vol.19,No.5,2011,3925-3936
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上述の非特許文献１に開示された構造では、ナノ粒子を蒸着によって形成することから、ナノギャップのコントロールが困難であり、同文献にも、そのばらつきによるＳＥＲＳ増強の均一性は、２２．４％と大きな値となることが報告されている。また、同文献のナノギャップは、５ｎｍ以下と狭いため、センシング物質（測定対象となる物質）のサイズが、例えば直径５ｎｍ以上と大きい場合には、ナノギャップに生じるホットスポットにセンシング物質が入り込むことできないため、ＳＥＲＳ効果を十分に高める
ことができないという問題があった。
【０００７】
本発明の幾つかの態様に係る目的の１つは、ホットスポットが電場増強素子の表面に露出し、且つプラズモン増強効果が高い分析装置及び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】
本発明は上述の課題の少なくとも一部を解決するために為されたものであり、以下の態様又は適用例として実現することができる。
【０００９】
本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光、前記第２方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
【００１０】
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たす。
【００１１】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、前記電場増強素子によって形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００１２】
本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光、前記第２方向の直線偏光光、又は円偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（１）の関係を満たし、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
【００１３】
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記基板の屈折率をｎとしたときに、下記式（４）の関係を満たす、分析装置。
【００１４】
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、ｎは、前記基板の屈折率を表す。］
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、前記電場増強素子によって形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００１５】
本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（５）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（５）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
【００１６】
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たす、分析装置。
【００１７】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００１８】
本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１
で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第１方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（６）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（６）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
【００１９】
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記基板の屈折率をｎとしたときに、下記式（４）の関係を満たす、分析装置。
【００２０】
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、ｎは、前記基板の屈折率を表す。］
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００２１】
本発明に係る分析装置の一態様は、基板と、前記基板上に形成された第１金属層と、前記基板の上方に形成された誘電体柱と、前記誘電体柱上に形成され前記第１金属層と電気的に絶縁された第２金属層と、を含み、前記第２金属層は、第１方向に、第１ピッチＰ１で複数並んで金属列を構成し、前記金属列は、前記第１方向と交差する第２方向に第２ピッチＰ２で並んで配置されている、電場増強素子と、前記電場増強素子に、前記第２方向の直線偏光光の入射光を照射する光源と、前記電場増強素子から放射される光を検出する検出器と、を備え、
前記電場増強素子の前記第２金属層の配置は、下記式（５）の関係を満たし、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（５）
［ここで、Ｑは、下記式（２）で与えられる回析格子のピッチを表す。
【００２２】
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）］
前記第１金属層と前記第２金属層との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（７）の関係を満たす、分析装置。
【００２３】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２２０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（７）
［上記各式中、ωは、前記第２金属層の列に励起される局在型プラズモンの角振動数、ε（ω）は、前記第１金属層を構成する金属の誘電率、εは、前記第１金属層の周辺の誘電率、ｃは、真空中の光速、θは、前記入射光の照射角であって前記第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、前記入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
このような分析装置によれば、第２金属層の上面及び下面の端部が、いずれも分析対象となる物質に接触可能な構造となっている電場増強素子を備えており、当該電場増強素子に形成されるホットスポットが素子表面に露出している。したがって、分析対象となる物
質がホットスポットに位置しやすい。さらに、第１金属層が第２金属層の近傍に配置されているため、局在型プラズモン及び伝搬型プラズモンの共鳴効果を生じさせることができる。そのためプラズモンに基づく光の増強度が非常に大きく、分析対象となる物質を極めて高感度に分析することができる。
【００２４】
本発明に係る分析装置において、前記検出器は、前記電場増強素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。
【００２５】
このような分析装置によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい電場増強素子を備えているため、ラマン散乱光を十分に増強することができ、微量物質の同定を容易に行うことができる。
【００２６】
本発明に係る電子機器の一態様は、上述の分析装置と、前記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、を備える。
【００２７】
このような電子機器によれば、プラズモンに基づく光の増強度の大きい電場増強素子を備えており、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】
本発明の電子機器において、前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、又は、無機分子及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によれば、有用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】実施形態の電場増強素子を模式的に示す斜視図。
【図２】実施形態の電場増強素子を第１金属層の厚さ方向から見た模式図。
【図３】実施形態の電場増強素子の第１方向に垂直な断面の模式図。
【図４】実施形態の電場増強素子の第２方向に垂直な断面の模式図。
【図５】実施形態の電場増強素子を第１金属層の厚さ方向から見た模式図。
【図６】実施形態の変形例の電場増強素子の第１方向に垂直な断面の模式図。
【図７】電場増強素子の金属列の一例を示す平面的な模式図。
【図８】電場増強素子の金属列の一例を示す平面的な模式図。
【図９】入射光並びに金及び銀の分散曲線を示す分散関係のグラフ。
【図１０】Ａｇの誘電率と波長の関係を示すグラフ。
【図１１】金属の分散曲線、局在型プラズモン及び入射光の分散関係を示すグラフ。
【図１２】実施形態の電場増強素子の要部を、ＧＳＰＰモデルと比較して示す模式図。
【図１３】第２金属層の配列と、ＬＳＰ及びＰＳＰとの関係を示す模式図。
【図１４】実施形態の分析装置の概略図。
【図１５】実施形態の電子機器の概略図。
【図１６】実験例に係るモデルの一例を示す模式図。
【図１７】実験例に係るモデルの反射率及びＳＱＲＴの波長特性を示すグラフ。
【図１８】実験例に係る増強電場の波長特性及び発生位置を示すグラフ。
【図１９】Ｘ６００Ｙ６００モデルの反射率のピーク波長及びギャップＧ依存性を示すグラフ。
【図２０】Ｘ７８０Ｙ７８０モデルの反射率及びＳＱＲＴのギャップＧ依存性を示すグラフ。
【図２１】Ｘ７８０Ｙ７８０１６０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿８０Ｇモデルの基板をＰＭＭＡとした場合と空気とした場合のＳＱＲＴの波長特性のグラフ。
【図２２】ＡＧ及びＡＵのＸ７８０Ｙ１８０モデル及びＸ６００Ｙ１８０モデルのＳＱＲＴのギャップＧ依存性を示すグラフ。
【図２３】１ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップＧ依存性を示すグラフ。
【図２４】１ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップＧ依存性を示すグラフ。
【図２５】実験例に係るモデルを模式的に示す図。
【図２６】貫通モデルと非貫通モデルのＳＱＲＴの波長特性を示すグラフ。
【図２７】貫通モデルと非貫通モデルのＳＱＲＴの波長特性を示すグラフ。
【図２８】貫通モデルと非貫通モデルのＳＱＲＴの波長特性を示すグラフ。
【図２９】実験例に係るモデルの規格化された反射率特性を示すグラフ。
【図３０】実験例に係る分散関係のグラフ。
【図３１】実験例に係るモデルの増強度プロファイルを示すグラフ。
【図３２】実験例に係る分散関係のグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下に本発明のいくつかの実施形態について説明する。以下に説明する実施形態は、本発明の一例を説明するものである。本発明は以下の実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を変更しない範囲において実施される各種の変形形態も含む。なお以下で説明される構成の全てが本発明の必須の構成であるとは限らない。
【００３２】
１．電場増強素子
図１は、本実施形態の電場増強素子１００の斜視図である。図２は、本実施形態の電場増強素子１００を平面的に見た（第１金属層１０の厚さ方向から見た）模式図である。図３及び図４は、本実施形態の電場増強素子１００の断面の模式図である。図５は、本実施形態の電場増強素子１００の他の態様の例を第１金属層１０の厚さ方向から見た模式図である。図５は、実施形態の電場増強素子を第１金属層の厚さ方向から見た模式図である。図６は、実施形態の変形例の電場増強素子の第１方向に垂直な断面の模式図である。図７及び図８は、第２金属列の一例を示す平面的な模式図である。本実施形態の電場増強素子１００は、第１金属層１０と、第１金属層１０の表面を貫通して形成された誘電体柱２０の上に配置された第２金属層３０と、を含む。
【００３３】
１．１．第１金属層
第１金属層１０は、光を透過しない又は半透過する金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えばフィルム、層又は膜の形状とすることができる。第１金属層１０は、例えば基板１の上に設けられてもよい。この場合の基板１としては、特に限定されないが、第１金属層１０に励起される伝搬型プラズモンに影響を与えにくいものが好ましい。基板１としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板１の第１金属層１０が設けられる面の形状も特に限定されない。第１金属層１０の表面に規則構造を形成する場合にはその規則構造に対応する表面を有してもよいし、第１金属層１０の表面を平面とする場合には、対応する部分の表面を平面としてもよい。図１〜図５の例では、基板１の表面（平面）の上に第１金属層１０が設けられている。
【００３４】
基板１の屈折率ｎは、特定の条件において、第１金属層１０の周辺誘電率の平方根に近い値となるように選ぶことで、高い電場増強度を得ることができる。このことについての詳細は後述する。
【００３５】
また、平面との表現を用いているが、係る表現は、表面が、わずかの凹凸もなく平坦（スムース）な数学的に厳密な平面を指すものではない。例えば、表面には、構成する原子に起因する凹凸や、構成する物質の二次的な構造（結晶、粒塊、粒界等）に起因する凹凸などが存在する場合が有り、微視的にみれば厳密な平面ではない場合がある。しかし、そのような場合でも、より巨視的な視点でみれば、これらの凹凸は目立たなくなり、表面を平面と称しても差し支えない程度に観測される。したがって、本明細書では、このようなより巨視的な視点でみた場合に平面と認識できれば、これを平面と称することとする。
【００３６】
また、本実施形態では、第１金属層１０の厚さ方向は、後述の第２金属層３０の厚さ方向と一致していてもよい。本明細書では、第１金属層１０の厚さ方向を、後述する誘電体柱２０、第２金属層３０について述べる場合などにおいて、厚み方向、高さ方向等と称する場合がある。また、例えば、第１金属層１０が基板１の表面に設けられる場合には、基板１の表面の法線方向を厚さ方向、厚み方向又は高さ方向と称する場合がある。さらに、基板１からみて、第１金属層１０側の方向を上、又は上方と表現し、その逆方向を下、又は下方と表現する場合がある。
【００３７】
第１金属層１０は、後述する誘電体柱２０によって、貫通されてもよいし、貫通されなくてもよい。貫通されない態様としては、第１金属層１０の上に、誘電体柱２０が載置される場合と、第１金属層１０が厚い場合に、第１金属層１０の表面側に誘電体柱２０の下部が埋込まれる場合と、を含む。
【００３８】
第１金属層１０は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。また、第１金属層１０は、後述の第２金属層３０と同一の工程で形成されてもよい。第１金属層１０が薄膜状に基板１の上に設けられる場合には、誘電体柱２０を除く基板１の平面全体に設けられてもよいし基板１の一部に設けられてもよい。第１金属層１０の厚みは、第１金属層１０に伝搬型プラズモンが励起され得るかぎり特に限定されず、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。
【００３９】
第１金属層１０は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在しうる金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、銀、金、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。
【００４０】
第１金属層１０は、本実施形態の電場増強素子１００において伝搬型プラズモンを発生させる機能を有している。第１金属層１０に後述する条件で光を入射することにより、第１金属層１０の表面（厚さ方向の端面）近傍に伝搬型プラズモンが発生する。また、本明細書では、第１金属層１０の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子を、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｌａｒｉｔｏｎ）と称することがある。第１金属層１０に発生した伝搬型プラズモンは、後述の第２金属層３０に発生する局在型プラズモンと一定の条件下で相互作用（ハイブリッド）することができる。
【００４１】
１．２．誘電体柱
誘電体柱２０は、基板１の上方に設けられる。本明細書では、「上方」という文言を、例えば、「特定のもの（以下、「Ａ」という）の「上方」に他の特定のもの（以下、「Ｂ」という）を形成する」などと用いる場合に、Ａ上に直接Ｂを形成するような場合と、Ａ上に他のものを介してＢを形成するような場合とが含まれるものとして、「上方」という
文言を用いる。
【００４２】
また、「上」、「下」等の文言は、電場増強素子の設置状態に依存した上下関係を意図した文言ではなく、電場増強素子の設置状態にかかわらず、基板が下に存在する状態で見た（基板が下に来るように視野を採った）場合における上下関係を意図した文言である。したがって、例えば、仮に、重力の作用する方向が下となるように見た場合、基板が上方、誘電体柱が下方となるように電場増強素子が設置されているとしても、基板の上方に誘電体柱があるということの意味は、基板が下方に位置するように視野を選び（すなわちこの場合には重力の作用する方向が上となるように見て）、文言どおり基板の上方に誘電体柱が位置すると解することとする。
【００４３】
誘電体柱２０が基板１の上方に設けられるとは、誘電体柱２０が基板１に接して設けられる場合と、誘電体柱２０が基板１から離間して設けられる場合とを含む。誘電体柱２０が基板１に接して設けられる場合には、誘電体柱２０は、第１金属層１０を貫通して設けられる。この場合には、誘電体柱２０は、基板１と一体的に設けられてもよいし、別体で設けられてもよい。また、誘電体柱２０が基板１から離間して上方に設けられる態様としては、第１金属層１０上に誘電体柱２０が設けられる、すなわち、誘電体柱２０が基板１の上方に、第１金属層１０を介して設けられる態様が挙げられる。この場合には、誘電体柱２０は、第１金属層１０以外の他の部材や、第１金属層１０の他に他の部材を介して基板１に設けられてもよい（図６参照）。
【００４４】
図１、３、４の例では、誘電体柱２０は、第１金属層１０の表面を貫通して設けられている（本明細書ではこのようなモデルを貫通モデルということがある。）。そして、誘電体柱２０の上に第２金属層３０が配置される。したがって、第１金属層１０と第２金属層３０とは、空間的に隔てて配置されている。図６の例では、誘電体柱２０は、第１金属層１０の上に設けられている。この例においても、誘電体柱２０の上に第２金属層３０が配置される（本明細書ではこのようなモデルを非貫通モデルということがある。）。したがって、第１金属層１０と第２金属層３０とは、空間的に隔てて配置されている。
【００４５】
本実施形態の電場増強素子１００では、誘電体柱２０が基板１と接して配置されても、基板１から離間して配置されても同様の作用・機能を発揮することができる。以下、図１、３、４の例のように、誘電体柱２０が、第１金属層１０の表面を貫通して設けられている場合について説明する。
【００４６】
誘電体柱２０の形状は、第１金属層１０の上側表面から突出する形状であって、誘電体柱２０の上に第２金属層３０を配置できる形状であれば、特に限定されない。誘電体柱２０の形状としては、例えば、柱状、錐台状、逆錐台状、こぶ（ｂｕｍｐ）状などが挙げられる。誘電体柱２０を基板１の表面に平行な面で切った断面の形状（輪郭形状）は、円、楕円、多角形又はそれらを組み合わせたものとすることができ、係る断面の形状や大きさ（寸法：サイズ）は、基板１の表面からの当該断面の位置に依存して変化してもよい。
【００４７】
誘電体柱２０は、第１金属層１０が薄膜である場合に、基板１と一体的に形成されてもよい。図１ないし図４の例では、誘電体柱２０は、基板１と一体的に形成されている。誘電体柱２０の材質は、基板１と同じでも異なってもよい。
【００４８】
誘電体柱２０は、例えば、基板１を成形する際に形成されてもよい。また、誘電体柱２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等と、フォトリソグラフィーの手法を組合わせる方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法等にて形成されてもよい。また、誘電体柱２０は、第１金属層１０が形成された後に、フォトリソグラフィー等によって第１金属層１０に貫通または非貫通の穴を形成し、当該穴に埋込ま
れるように形成されてもよい。誘電体柱２０は、第１金属層１０を形成する前に形成されてもよい。誘電体柱２０が第１金属層１０の形成前に形成される場合には、第１金属層１０と、第２金属層３０とを一の工程で形成することができる場合があり、電場増強素子１００の製造を効率的に行うことができる場合がある。
【００４９】
本明細書では、第１金属層１０の「上面」の位置から、第２金属層３０の下面の位置までの、第１金属層１０の厚さ方向における距離（第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ）のことを「ギャップ」と称する場合があり、図面等において「Ｇ」と表示する場合がある。距離Ｇは、第１金属層１０の伝搬型プラズモンと、第２金属層３０の局在型プラズモンとが相互作用できるように設定される。
【００５０】
第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、特定の条件ごとに、好適な範囲がある。このことについての詳細は後述する。
【００５１】
誘電体柱２０の平面的な大きさ（寸法）（誘電体柱２０の高さ方向に直交する方向の大きさ）は、誘電体柱２０をその高さ方向に平行な平面によって切ることができる特定方向の区間の長さを指し、例えば、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、誘電体柱２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合には、誘電体柱２０の大きさ（円柱の直径）は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、より好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以上７２ｎｍ以下である。さらに、誘電体柱２０の上面の平面的な大きさ（寸法）は、後述の第２金属層３０の平面的な大きさよりも大きくてもよいし、小さくてもよい。
【００５２】
誘電体柱２０の高さ（第１金属層１０の「下面」の位置から、第２金属層３０の下面の位置までの、第１金属層１０の厚さ方向における距離）は、第１金属層１０の伝搬型プラズモンと、第２金属層３０の局在型プラズモンとが相互作用できるかぎり、特に限定されない。また誘電体柱２０の高さは、高次の干渉効果を利用できる高さとしてもよい。誘電体柱２０の高さは、例えば、１ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは５ｎｍ以上５００ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは１５ｎｍ以上８０ｎｍ以下、特に好ましくは２０ｎｍ以上６０ｎｍ以下とすることができ、前記相互作用や干渉効果を得ることができるように設定される。
【００５３】
なお、本明細書では、第１金属層１０の「上面」の位置から、第２金属層３０の下面の位置までの、第１金属層１０の厚さ方向における距離のことを「ギャップ」と称する場合があり、図面等において「Ｇ」と表示する場合がある。
【００５４】
なお、本明細書では、誘電体柱２０の形状が高さ方向を中心軸とする円柱である場合に、当該誘電体柱２０の直径のことを、図面等において「Ｄ」と表示する場合がある。
【００５５】
誘電体柱２０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、ＳｉＯ2、Ａｌ2Ｏ3、ＴｉＯ2、高分子（樹脂）、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）、又はそれらの複合体で形成することができる。また、誘電体柱２０は、誘電体を含んでなることができるし、誘電体を含まなくてもよく、いずれの場合も誘電体柱２０と称することとする。さらに、誘電体柱２０は、材質の互いに異なる複数の部分（例えば積層構造）から構成されてもよい。
【００５６】
誘電体柱２０の大きさや高さによっては、第２金属層３０に生じる局在型プラズモンの励起ピーク周波数がシフトする場合があるため、後述するピッチＰ２の設定等において、局在型プラズモンのピーク励起波長を求める際に、これを考慮すべき場合がある。
【００５７】
１．３．第２金属層
第２金属層３０は、第１金属層１０から厚さ方向に離間して設けられる。また第２金属層３０は、第１金属層１０と電気的に絶縁されて設けられる。第２金属層３０は、第１金属層１０と空間的に離間して配置されていればよい。本実施形態の図１ないし図４の例では、第１金属層１０を貫通する誘電体柱２０の上に第２金属層３０が形成されることにより、第１金属層１０と第２金属層３０とが誘電体柱２０の高さ方向で空間的に離間して配置されている。なおこのことは、図６の例においても同様である。
【００５８】
第２金属層３０の形状は、特に限定されない。例えば、第２金属層３０の形状は、第１金属層１０の厚さ方向に投影した場合に（厚さ方向からの平面視において）、円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組み合わせた形であることができる。また、第２金属層３０の形状は、第１金属層１０の厚さ方向に投影した場合に（厚さ方向からの平面視において）、第１金属層１０と重なりを有しても有さなくてもよい。
【００５９】
第２金属層３０の形状は、第１金属層１０の厚さ方向に直交する方向に投影した場合（側面視の場合）には、誘電体柱２０の上面に沿った形状となる部分が存在するが、円形、楕円形、多角形、不定形又はそれらを組み合わせた形状であることができる。図１〜図５の例では第２金属層３０は、いずれも第１金属層１０の厚さ方向に中心軸を有する円柱状（円盤状（ディスク状））の形状が例示され、側面視では矩形となっている。
【００６０】
第２金属層３０の高さ方向の大きさＴ（薄膜状である場合には厚さＴ）は、高さ方向に垂直な平面によって第２金属層３０を切ることができる高さ方向の区間の長さを指し、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下である。第２金属層３０の高さ方向の大きさ（厚み）は、第１金属層１０の厚みと同じでも異なってもよい。
【００６１】
また、第２金属層３０の高さ方向に直交する方向の大きさは、高さ方向に平行な平面によって第２金属層３０を切ることができる特定の方向の区間の長さを指し、５ｎｍ以上２００ｎｍ以下である。例えば、第２金属層３０の形状が高さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、第２金属層３０の第１方向の大きさ（円盤の直径）は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下、より好ましくは２５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、さらに好ましくは３０ｎｍ以上７２ｎｍ以下である。
【００６２】
なお、本明細書では、第２金属層３０の形状が高さ方向を中心軸とする円盤である場合に、当該第２金属層３０の直径のことを、図面等において「Ｄ」と表示する場合がある。
【００６３】
第２金属層３０の形状、材質は、入射光の照射によって、局在型プラズモンを生じうる限り任意である。可視光付近の光によって局在型プラズモンを生じうる材質としては、銀、金、アルミニウム、銅、白金、及びそれらの合金等を挙げることができる。
【００６４】
第２金属層３０は、例えば、スパッタ、蒸着（必要に応じて傾斜蒸着の態様を含む）によって形成することができ、さらに必要に応じて係る工程の後にパターニングを行う方法や、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、第２金属層３０は、コロイド化学的手法によって形成してもよく、コロイド微粒子を適宜の手法によって誘電体柱２０上に配置してもよい。
【００６５】
第２金属層３０は、本実施形態の電場増強素子１００において局在型プラズモンを発生させる機能を有している。第２金属層３０に、後述するが入射光を照射することにより、第２金属層３０の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。第２金属層３０に発生した局在型プラズモンは、上述の第１金属層１０に発生する伝搬型プラズモンと、一
定の条件下で相互作用することができる。
【００６６】
１．４．第２金属層の配置
図１〜図５に示すように、第２金属層３０は、誘電体柱２０とともに、第１方向に第１のピッチＰ１で複数並んで第１金属列３１（金属列）を構成する。そして当該第１金属列３１が第１方向と交差する第２方向に第２のピッチＰ２で複数並んで配置される。なお、第１方向に複数並ぶ配置の並び方としては、第１方向に沿って第２金属層３０が連なればよく、例えば千鳥配置、ジグザグ配置のように、第１金属列３１が特定できる程度であれば、隣合う第２金属層３０が第２方向にある程度ずれてもよい。図示の例では、第１金属列３１における第２金属層３０は、第１方向に直線状に並んでいる。
【００６７】
第２金属層３０は、第１金属列３１において、第１金属層１０の厚さ方向と直交する第１方向に並んで配置される。したがって、上述の誘電体柱２０が第１金属層１０の厚さ方向と直交する第１方向に並んで配置され、その上の第２金属層３０が高さ方向と直交する第１方向に複数並んで第１金属列３１を構成している。第２金属層３０が並ぶ第１方向は、第２金属層３０が平面視において長手を有する形状の場合（異方性を有する形状の場合）、その長手方向とは必ずしも一致しなくてよい。１つの第１金属列３１に並ぶ第２金属層３０の数は、複数であればよく、好ましくは１０個以上である。また、第１金属列３１に属する第２金属層３０の大きさ（寸法：サイズ）、形状及び位置する高さ（ギャップ）の少なくとも１種は、第２金属層３０に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。
【００６８】
ここで第１金属列３１内における第１方向の第２金属層３０の平面視における重心間の距離をピッチＰ１と定義する（図２、５、７参照）。また、第１金属列３１内における２つの第２金属層３０の間の間隔は、第２金属層３０が金属層１０の厚さ方向を中心軸とする円盤状である場合には、ピッチＰ１から円盤の直径を差引いた長さに等しい。この間隔が小さくなると、粒子間に働く局在型プラズモンの効果が増大し、増強度を大きくできる場合がある。第１方向における第２金属層３０の間の間隔は、５ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは５ｎｍ以上１００ｎｍ以下、より好ましくは５ｎｍ以上３０ｎｍ以下とすることができる。
【００６９】
第１金属列３１内における第１方向の第２金属層３０のピッチＰ１は、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上８００ｎｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上７８０ｎｍ未満、さらに好ましくは５０ｎｍ以上７００ｎｍ未満とすることができる。
【００７０】
第１金属列３１は、第１方向にピッチＰ１で並ぶ複数の第２金属層３０によって構成されるが、第１金属列３１の第２金属層３０に発生される局在型プラズモンの分布・強度等は、この第２金属層３０の配列にも依存する。したがって、第１金属層１０に発生する伝搬型プラズモンと相互作用する局在型プラズモンは、単一の第２金属層３０に発生する局在型プラズモンだけでなく、第２金属層３０の第１金属列３１における配列を考慮した局在型プラズモンである。
【００７１】
図１〜図５に示すように、第１金属列３１は、第１金属層１０の厚さ方向及び第１方向と交差する第２方向にピッチＰ２で並んで配置される。第１金属列３１が並ぶ数は、複数であればよく、好ましくは１０列以上である。
【００７２】
ここで、隣合う第１金属列３１の第２方向における重心間の距離をピッチＰ２と定義する（図２、３、５等を参照）。第１金属列３１間のピッチＰ２は、以下の「１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」で述べる条件に従い設定されるが、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上２μｍ以下、より好ましくは３
０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１３１０ｎｍ以下、特に好ましくは６０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下とすることができる。
【００７３】
なお、第１金属列３１の伸びる第１方向に沿う線と、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０を結ぶ線と、がなす角は、特に限定されず、直角であってもなくてもよい。例えば、図２に示すように、両者がなす角が直角であってもよいし、図５に示すように、両者がなす角が直角でなくてもよい。すなわち、厚さ方向から見た第２金属層３０の配列を、第２金属層３０の位置を格子点とした二次元格子とみなした場合に、既約基本単位格子は、長方形の形状であっても、平行四辺形の形状であってもよい。また、第１金属列３１の伸びる第１方向に沿う線と、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０を結ぶ線と、がなす角が直角でない場合には、隣合う第１金属列３１にそれぞれ属する２つの第２金属層３０であって、互いに最も近接する２つの第２金属層３０の間のピッチをピッチＰ２と設定してもよい。
【００７４】
本実施形態の電場増強素子において、図７、図８に示すように第２金属層３０が第１方向に第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２（金属列）をさらに含んでもよい。係る第２金属列３２は、第２方向に第２のピッチＰ２で並び、第１金属列３１と第２方向において交互に並んで配置される。
【００７５】
第２金属列３２は、第１金属列３１と同じ構成であってもよいし、異なる構成であってもよい。第２金属列３２は、第１金属列３１に対して１列ずつ配置されてもよく、第１金属列３１に対して複数列ずつ配置されてもよい。さらに、第２金属列３２と第１金属列３１との間の第２方向の距離（ピッチＰ５）は、ピッチＰ２の１％以上５０％以下の大きさであることができる。またピッチＰ５は、第２金属層３０の第１方向のピッチＰ１とは無関係に設定することができる。
【００７６】
そして、複数の第２金属列３２が配置される場合には、それらは互いにピッチＰ２の１％以上５０％以下の大きさ距離で第２方向に離間して配置されることができる。なお、第２金属列３２が、第１金属列３１と同様の構成である場合であって、第１金属列３１から第２方向に、ピッチＰ２の５０％離れた位置に配置される場合（ピッチＰ５がピッチＰ２の半分である場合）には、第１金属列３１がピッチＰ２の半分のピッチで配置された場合と同じとなるため、そのような配置となる第２金属列３２については、第１金属列３１とみなすこととする。さらに、第２金属列３２が、第１金属列３１から第２方向に、ピッチＰ２の５０％以下の距離で離れた位置に配置される場合（ピッチＰ５がピッチＰ２の半分以下である場合）には、第２金属列３２及び第１金属列３１を組として、１つの金属列（例えば第１金属列３１）とみなすことができる。
【００７７】
第１金属列３１に属する第２金属層３０と、第２金属列３２に属する第２金属層３０とは大きさ（寸法：サイズ）、形状及び位置する高さの少なくとも１種は、第２金属層３０に生ずる局在型プラズモンのピーク波長がほぼ一致していれば、互いに同じでも異なってもよい。
【００７８】
図７及び図８は、それぞれ第２金属列３２の一例を示す模式図である。図７は、第２金属層３０が第１方向に、第１のピッチＰ１と同じ大きさの第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２を含む電場増強素子２００の一例を示す模式図である。図８は、第２金属層３０が第１方向に、第１のピッチＰ１と異なる大きさの第３のピッチＰ３で複数並んで構成された第２金属列３２を含む電場増強素子２５０の一例を示す模式図である。このようにピッチＰ３は、ピッチＰ１と同じでも異なってもよい。さらに複数の第２金属列３２が設けられる場合、各列におけるピッチＰ３は、互いに同じでも異なってもよ
い。
【００７９】
このような変形例に係る電場増強素子２００、電場増強素子２５０においても、上述の電場増強素子１００と同様に、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度で増強することができる。また、このような電場増強素子を備えた分析装置によれば、分析対象となる物質に依存する散乱光の波長に対して、電場増強素子の増強度プロファイルを調整する際の自由度を高めることができる。これにより、広範な分析対象に対して、十分に高いプラズモン増強効果を及ぼすことができる。
【００８０】
図７の例では、第２金属列３２は、第１金属列３１と同様の構成となっている。すなわち、第２金属列３２に属する第２金属層３０は、第１金属列３１に属する第２金属層３０と同じ形状であり、かつ、第１方向に並ぶピッチは、両者とも同じとなっている（すなわち、ピッチＰ１＝ピッチＰ３）。また、この例の場合、第１金属列３１の第２金属層３０と、第２金属列３２の第２金属層３０は、互いに最も接近するように（第１方向の位置を揃えて）配置されている。しかし、第２金属列３２に属する第２金属層３０と第１金属列３１に属する第２金属層３０は、第１方向における第２金属層３０の位置をずらして配置されてもよい。
【００８１】
また、第１方向に第２金属層３０がピッチＰ１で並ぶ第１金属列３１と、第１方向に第２金属層３０がピッチＰ１で並ぶ第２金属列３２とを配置する場合には、第１金属列３１をピッチＰ２の半分のピッチで第２方向に配置した場合と類似の効果を得ることができる。すなわちこの場合、第１金属列３１と第２金属列３２の間の第２方向における離間距離にも依存するが、例えば、増強度は低下するが、ピーク波長特性がブロードになり、ホットスポット密度（ＨＳＤ）が２倍になるという効果が期待できる。
【００８２】
また、図８の例では、第２金属列３２は、第１金属列３１とは、形状、ピッチが異なる構成となっている。すなわち、第２金属列３２に属する第２金属層３０は、第１金属列３１に属する第２金属層３０と異なる形状であり、かつ、第１方向に並ぶピッチは、第１金属列３１のピッチＰ１と第２金属列３２のピッチＰ３とで互いに相違している（すなわち、ピッチＰ１＜ピッチＰ３）。
【００８３】
図７及び図８に示した例は、いずれも一例を示すものであって、このような第２金属列３２は、例えば、照射される励起波長、ラマン散乱光の波長などを考慮して適宜に配置されることができる。
【００８４】
隣合う第１金属列３１の第２方向における重心間の距離を第２ピッチＰ２と定義する（図２、５、７、８を参照：図７、図８の例では、第１金属列３１と第２金属列３２とを組として、１つの金属列とみなし、当該金属列の第２方向における重心間の距離が第２ピッチＰ２と定義されている。）。金属列３１間の第２ピッチＰ２は、以下の「１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」で述べる条件に従い設定されるが、例えば、１０ｎｍ以上１０μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上２μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１５００ｎｍ以下、さらに好ましくは６０ｎｍ以上１３１０ｎｍ以下、特に好ましくは６０ｎｍ以上６６０ｎｍ以下とすることができる。
【００８５】
１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン
まず、伝搬型プラズモンについて説明する。図９は、入射光、銀、金の分散曲線を示す分散関係のグラフである。通常は、第１金属層１０に光を０〜９０度の入射角（照射角θ）で入射しても伝搬型プラズモンは発生しない。例えば、第１金属層１０がＡｇからなる場合には、図９に示すように、ライトライン（ＬｉｇｈｔＬｉｎｅ）とＡｇのＳＰＰの分散曲線が交点を持たないからである（周辺屈折率が同じもの同士の場合）。また、光が通
過する媒体の屈折率が変化しても、ＡｇのＳＰＰも周辺の屈折率に応じて変化するため、やはり交点を持たないことになる。交点を持たせ伝搬型プラズモンを起こさせるためには、クレッチマン配置のようにプリズム上に金属層を設け、プリズムの屈折率により入射光の波数を増加させる方法や、回折格子によりライトラインの波数を増加させる方法がある。なお図９は分散関係を示すグラフ（縦軸を角振動数（ω［ｅＶ］）、横軸を波数ベクトル（ｋ［ｅＶ／ｃ］）としたもの）である。
【００８６】
また、図９のグラフの縦軸の角振動数ω［ｅＶ］は、λ［ｎｍ］＝１２４０／ω［ｅＶ］の関係があり、波長に換算することができる。また、同グラフの横軸の波数ベクトルｋ［ｅＶ／ｃ］は、ｋ［ｅＶ／ｃ］＝２π・２／（λ［ｎｍ］／１００）の関係がある。したがって、例えば、λ＝６００ｎｍのとき、ｋ＝２．０９［ｅＶ／ｃ］となる。また、照射角は、入射光の照射角であって、第１金属層１０の厚さ方向、又は第２金属層３０の高さ方向からの傾斜角である。
【００８７】
図９にはＡｇ及びＡｕのＳＰＰの分散曲線を示したが、一般には、第１金属層１０に入射される入射光の角振動数をω、真空中の光速をｃ、第１金属層１０を構成する金属の誘電率をε（ω）、第１金属層１０の上面側の周辺の誘電率をεとしたとき、その金属のＳＰＰの分散曲線は、式（８）
ＫSPP＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］1/2  ・・・（８）
で与えられる。
【００８８】
一方、入射光の照射角であって第１金属層１０の厚さ方向、又は第２金属層３０の高さ方向からの傾斜角をθとし、ピッチＱを有する仮想的な回折格子を通過した入射光の波数Ｋは、式（９）
Ｋ＝ｎ1・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（９）
で表すことができ、この関係は、分散関係のグラフ上には、曲線ではなく直線で現れる。
【００８９】
なお、ｎ1は、第１金属層１０の上面側の周辺の屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’＝ｎ12−κ2、ε”＝２ｎ1κで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜０であるから、εは実数で、ε＝ｎ12となり、ｎ1＝ε1/2で与えられる。
【００９０】
分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線（上記式（８））と回折光の直線（上記式（９））とが交点を有する場合に、伝搬型プラズモンが励起される。すなわち、ＫSPP＝Ｋの関係が成立すると、第１金属層１０に伝搬型プラズモンが励起される。
【００９１】
したがって、上記式（８）及び式（９）から、以下の式（２）が得られ、
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
この式（２）の関係を満たせば、第１金属層１０に伝搬型プラズモンが励起されることが理解される。この場合、図９のＡｇのＳＰＰの例でいえば、θ及びｍを変化させることにより、ライトラインの傾き及び／又は切片を変化させることができ、ＡｇのＳＰＰの分散曲線に対してライトラインの直線を交差させることができる。
【００９２】
次に、局在型プラズモンについて説明する。第２金属層３０に局在型プラズモンを生じさせる条件は、誘電率の実数部により、
Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２ε  ・・・（１０）
で与えられる。第２金属層３０周辺の屈折率ｎ2を１とするとε＝ｎ22−κ2＝１なので、Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２、となる。
【００９３】
図１０は、一例として、Ａｇの誘電率と波長の関係を示すグラフである。例えば、Ａｇの誘電率は、図１０のようであり、約３６６ｎｍ以上の波長で局在型プラズモンが励起されることになるが、複数のＡｇ構造体がナノオーダーで近づく場合や、Ａｇ構造体（第２金属層３０）とＡｇ膜（第１金属層１０）がＳｉＯ2層（誘電体柱２０）によって隔てられて配置された場合には、そのギャップの影響により、局在型プラズモンの励起ピーク波長はレッドシフト（長波長側へシフト）する。このシフト量は、Ａｇ構造体の大きさ、厚み、間隔、ピッチ、誘電体柱２０の高さ（ギャップＧ）等のディメンジョンに依存するが、例えば５００ｎｍ〜９００ｎｍに局在型プラズモンがピークとなる波長特性を示すことになる。
【００９４】
また、局在型プラズモンは、伝搬型プラズモンと異なり、速度を持たず、移動しないプラズモンであり、分散関係のグラフにプロットすると、傾きがゼロ、すなわち、ω／ｋ＝０となる。
【００９５】
図１１は、周辺屈折率が１であるときの金属（Ａｇ，Ａｕ）の分散曲線、局在型プラズモン及び入射光の分散関係を示すグラフである。本実施形態の電場増強素子１００は、伝搬型プラズモンと局在型プラズモンを電磁的に結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させることにより、極めて大きい電場の増強度を得るものである。すなわち、本実施形態の電場増強素子１００は、分散関係のグラフにおいて、回折光の直線と金属のＳＰＰの分散曲線との交点を、任意の点とするのではなく、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える点の近傍で両者を交差させることを特徴の一つとしている。
【００９６】
換言すると、本実施形態の電場増強素子１００では、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線と、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える入射光の角振動数（図１１の分散関係のグラフ上で、ＬＳＰと付した横軸に平行な線）との交点の近傍を、回折光の直線が通過するように設計される。
【００９７】
ここで、交点の近傍とは、波長に換算した場合に、入射光の波長の±１０％程度の長さの波長の範囲内、又は、入射光の波長の±Ｐ１（第２金属層３０の第１金属列３１内におけるピッチＰ１の幅）程度の長さの波長の範囲内である。
【００９８】
上記式（８）、式（９）及び式（２）では、第１金属層１０に入射される入射光の角振動数をωとして、伝搬型プラズモンの励起される条件を示したが、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッド（相互作用）を生じさせるためには、本実施形態の電場増強素子１００では、上記式（８）、式（９）及び式（２）におけるωは、第２金属層３０（第１金属列３１）に生じる局在型プラズモンにおいて最大又は極大の増強度を与える入射光の角振動数若しくはその近傍の角振動数となる。
【００９９】
したがって、第１金属列３１に励起される局在型プラズモンの角振動数をωとした場合に、上記式（２）を満たせば、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。
【０１００】
よって、ピッチＰ１で第２金属層３０が並んだ第１金属列３１に発生する局在型プラズモンの角振動数をωとし、分散関係のグラフにおいて、金属のＳＰＰの分散曲線のωの位置の近傍に、照射角θでピッチＱの仮想的な回折格子に入射して回折された回折光（次数ｍ）の直線が通るようにすれば（式（２）を満足させれば）、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることが
できる。言換えると、図１１に示す分散関係のグラフにおいて、ライトラインの傾き及び／又は切片を変化させて、ＳＰＰとＬＳＰとの交点の近傍を通るようにライトラインを変化させることにより、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができ、極めて大きい増強度を得ることができる。
【０１０１】
１．４．２．ピッチＰ２
第１金属列３１（金属列）の間のピッチＰ２は、次のように設定される。垂直入射（入射角θ＝０）で、かつ、１次の回折光（ｍ＝０）を用いる場合には、ピッチＰ２をピッチＱとすれば式（２）を満たすことができる。しかし、選択する入射角θ及び回折光の次数ｍにより、式（２）を満たすことのできるピッチＱは、幅を有することになる。なお、この場合の入射角θは、厚さ方向から第２方向への傾斜角であることが好ましいが、第１方向の成分を含む方向への傾斜角としてもよい。
【０１０２】
したがって、上記の交点近傍であること（±Ｐ１の幅又は±１０％の幅）を考慮して、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることのできる列ピッチＰ２の範囲は、式（１１）又は式（１２）、
Ｑ−Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１１）
Ｑ−Ｐ２／１０≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１２）
となる。
【０１０３】
一方、ピッチＰ２は、第１金属列３１（金属列）間の第２方向のピッチであるが、隣合う第１金属列３１に属する２つの第２金属層３０の間のピッチは、２つの第２金属層３０の選び方によって、これらを結ぶ線は第２方向に対して傾けることができる。すなわち、ピッチＰ２よりも長い間隔を有するように、隣合う第１金属列３１に属する２つの第２金属層３０を選ぶことができる。図２には、このことを説明する補助線が描かれており、第２方向に対して傾いた方向に沿って、ピッチＰ２よりも長い距離で離間した２つの第２金属層３０を、隣合う第１金属列３１から選択することができる。既に述べたように、隣合う第１金属列３１は、互いに同じ構成の第１金属列３１であるため、厚さ方向から見た第２金属層３０の配列を、第２金属層３０の位置を格子点とした二次元格子とみなすことができる。そうするとこの二次元格子には、ピッチＰ２よりも長い間隔（回折格子）が存在することになる。
【０１０４】
したがって、ピッチＰ１及びピッチＰ２で配列された第２金属層３０のマトリックスは、そのピッチＰ２よりも大きい間隔を有する回折格子による回折光が期待できる。そのため、上記式（１１）及び式（１２）の左側の不等式は、Ｐ１≦Ｐ２とすることができる。換言すると、式（１１）及び式（１２）において、列ピッチＰ２が、Ｑ−Ｐ２／１０又はＱ−Ｐ１よりも小さい場合でも、式（２）を満たすことのできるピッチＱを有する回折格子が存在しうるため、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができる。したがってピッチＰ２は、Ｑ−Ｐ１又はＱ−Ｐ２／１０よりも小さい値であってもよく、Ｐ１≦Ｐ２の関係を満たせばよいことになる。
【０１０５】
以上のことから、本実施形態の電場増強素子１００における第１金属列３１（金属列）の間のピッチＰ２は、下記式（１）又は式（１３）の関係を満たせば、局在型プラズモンと伝搬型プラズモンとのハイブリッドを生じさせることができることになる。
【０１０６】
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１３）
１．４．３．構造の特徴及びホットスポットの発生位置
図１２は、本実施形態の電場増強素子１００の要部を、ＧＳＰＰ（Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）モデルと比較しながら拡大して
模式的に示す図である。図１２（ａ）は本発明に係る電場増強素子の要部の構造を示し、図１２（ｂ）は典型的なＧＳＰＰ構造の要部を示す模式図である。図１２（ａ）に示すように、本実施形態の電場増強素子１００で、平面視における第２金属層３０の輪郭が、誘電体柱２０の輪郭と同じ場合には、第２金属層３０の平面視における端部であって、基板１側の下部（以下、当該部分を第２金属層３０の「ボトム端」と称することがある（図中、符号Ｂで示す。）。）は、測定対象となる物体Ｍに、図１２（ｂ）に示すＧＳＰＰモデルの対応する位置と比較して、より接触しやすくなっている。
【０１０７】
すなわち、本実施形態の電場増強素子１００では、平面的に見て第２金属層３０の輪郭の外側であって、断面視における第２金属層３０の下側の領域に、誘電体等の構造体が存在しない。これに対してＧＳＰＰモデルでは、平面的に見てＡｇ粒子の輪郭の外側であって、断面視におけるＡｇ粒子の下側の領域に、誘電体層（ＳｉＯ2層）が存在している。したがって、測定対象となる物体Ｍ（ウィルスや化合物）が、第２金属層３０に接近した場合に、本実施形態の電場増強素子１００では、ボトム端Ｂに容易に接触することができるが、ＧＳＰＰモデルの場合には、Ａｇ粒子のボトム端に相当する位置には、ＳｉＯ2層が下に存在することにより接近するための通路が狭窄されて、入り込みにくいため、接触しにくくなっている。
【０１０８】
一方、第２金属層３０を上述の条件を満たす配置とした場合、１つの第２金属層３０近傍に発生するホットスポットＨＳ（高い電場増強度を呈する領域）は、ボトム端Ｂ及び第２金属層３０の平面視における端部であって、基板１から離れた側の上部（トップ端Ｔ）に発生する。ＧＳＰＰモデルにおいても、同様にＡｇ粒子のそれぞれボトム端及びトップ端に相当する位置に発生する（図１２参照）。
【０１０９】
ホットスポットの強度は、ボトム端Ｂとトップ端Ｔとで、各種の条件により大小関係が生じることがあるが、本実施形態の電場増強素子１００ではこれら両方のホットスポットＨＳに、物体Ｍが接触できるため、ボトム端に相当する位置に物体Ｍが接触しにくいＧＳＰＰモデルに比較すると、総合的な電場増強度（トータル）として、より大きい値を得ることができる。
【０１１０】
よって、本実施形態の電場増強素子１００によれば、希ガス等ナノオーダーの小さな試料分析だけでなく、例えば直径２０−１００ｎｍのウィルス等、５ｎｍ以上の大きなサイズの被測定物質であっても高感度に定性、定量することができる。
【０１１１】
１．５．第２金属層の配列と伝播型表面プラズモン及び局在型表面プラズモンとの関係
図１３は、第２金属層の配列と、ＬＳＰ（ＬＳＰＲ：Ｌｏｃａｒｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）及びＰＳＰ（ＰＳＰＲ：Ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）との関係を説明するための図である。なお、図１３において、（ａ）は電場増強素子の平面を模式的に示しており、（ｂ）は電場増強素子の（ａ）のＢ−Ｂ線断面を模式的に示しており、（ｃ）は電場増強素子の（ａ）のＣ−Ｃ線断面を模式的に示している。
【０１１２】
ここで、第２金属層の周辺に発生するＬＳＰには、隣り合う第２金属層間に生じるモード（以下、「ＰＰＧＭ」（Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｇａｐ  Ｍｏｄｅ）という。）、及び、第２金属層と第１金属層（ミラーの機能も有する。）との間に生じるモード（以下、「ＰＭＧＭ」（Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｍｉｒｒｏｒ  Ｇａｐ  Ｍｏｄｅ）という。）の２種のモードが存在することが知られている（図１３参照）。
【０１１３】
ＰＰＧＭ及びＰＭＧＭの２種のモードのＬＳＰは、いずれも、電場増強素子に励起光が入射されることにより発生する。これらのうち、ＰＰＧＭのＬＳＰは、第２金属層が接近
する（第２金属層間の距離が小さくなる）ほど強度が高くなる。また、ＰＰＧＭのＬＳＰは、励起光の電場の振動の成分（偏光成分）が、接近した第２金属層の並ぶ方向に多いほど強度が高くなる。一方、ＰＭＧＭのモードのＬＳＰは、第２金属層の配列や励起光の偏光方向には大きく影響されず、励起光が照射されることにより第２金属層と第１金属層との間（第２金属層の下方）に生成する。そして、ＰＳＰは、第１金属層の表面付近を伝播するプラズモンであり、第１金属層に励起光が入射されることにより、入射光の偏光の向きに依らず第１金属層の表面近傍を等方的に伝播する。
【０１１４】
図１３には、Ｈｙｂｒｉｄ構造と、Ｂａｓｉｃ構造及び１ライン構造の比較を模式的に示した。電場増強素子に照射される励起光の偏光方向は、図中矢印で示してある。なお、Ｂａｓｉｃ構造、１ライン構造、及びＨｙｂｒｉｄ構造なる語句は、本明細書においてそれぞれを区別するために用いられる造語であり、それらの意味を、以下に説明する。
【０１１５】
まず、Ｂａｓｉｃ構造は、第２金属層が平面的に見て密に配置された構造であり、励起光の照射により、ＰＰＧＭのＬＳＰＲ及びＰＭＧＭのＬＳＰＲが励起されている。この例において、ＰＰＧＭのＬＳＰＲは、励起光の偏光方向における第２金属層の両端に発生しているが、Ｂａｓｉｃ構造は第２金属層の配列の異方性が小さいため、励起光が偏光光でない場合にも同様に、励起光の電場ベクトルの成分にしたがって発生する。Ｂａｓｉｃ構造では、第２金属層の分散関係から、第２金属層が密に配置される結果、波数ｋが大となり、ＰＳＰＲが生じる波長が短い方へシフトし、図１０より実部の誘電率が小さくなる。その結果、ＰＳＰＲは微弱であるか生じておらず、図示ではＰＳＰＲを表す模式的な波線が省略してある。
【０１１６】
次に、１ライン構造は、第２金属層が平面的に見て、Ｂａｓｉｃ構造及びＨｙｂｒｉｄ構造の中間的な密度で配置された構造である。すなわち１ライン構造は、上述の第２金属層３０の配列でいうとＰ１＜Ｐ２の関係がある。１ライン構造は、第２金属層の配列が異方性を有するため、発生するＬＳＰＲが、励起光の偏光方向に依存する。１ライン構造のうち、ＬＳＰＲ⊥ＰＳＰＲの場合（すなわち、第２金属層間の間隔の狭い方向に沿う方向の直線偏光光を入射する場合）には、当該励起光の照射により、ＰＰＧＭのＬＳＰＲ及びＰＭＧＭのＬＳＰＲが励起されている。そして、１ライン構造であるため、第２金属層が疎に配置される結果、ＰＳＰＲ（図中波線）が発生する。
【０１１７】
１ライン構造のうち、ＬＳＰＲ‖ＰＳＰＲの場合（すなわち、第２金属層間の間隔の広い方向に沿う方向の直線偏光光を入射する場合）には、当該励起光の照射により、ＰＭＧＭのＬＳＰＲが励起されている。この場合、ＰＰＧＭのＬＳＰＲは、励起光の偏光方向に沿う方向の第２金属層間が離れているため、ＬＳＰＲ⊥ＰＳＰＲの場合と比較すれば微弱であり、図示では省略してある。そして、１ライン構造であるため、第２金属層が疎に配置される結果、ＰＳＰＲ（図中波線）が発生する。
【０１１８】
なお、図１３においては、１ライン構造として、金属列が１つの列から構成される態様が例示されているが、既に述べたとおり、金属列は、複数の金属列（第１金属列及び第２金属列等）から構成されることができ、その場合においても、Ｐ１＜Ｐ２の関係であれば、１ライン構造に分類されることができる。そして、この場合であってもＰＰＧＭのＬＳＰＲ、ＰＭＧＭのＬＳＰＲ、及びＰＳＰＲの励起の態様は、金属列が１つの金属列（第１金属列）から構成される１ライン構造と同様となる。
【０１１９】
Ｈｙｂｒｉｄ構造は、第２金属層が平面的に見て、Ｂａｓｉｃ構造と比較して疎に配置された構造であり、励起光の照射により、ＰＭＧＭのＬＳＰＲが励起されている。この例において、ＰＰＧＭのＬＳＰＲは、第２金属層間が離れているため、Ｂａｓｉｃ構造と比較すれば微弱に生成しており、図示では省略してある。Ｈｙｂｒｉｄ構造では、第２金属
層が疎に配置される結果、入射光の偏光方向にかかわらず、ＰＳＰＲ（図中波線）が第１方向にも第２方向にも発生する。
【０１２０】
なお、図１３では偏光光を入射した場合について説明しているが、いずれの構造においても、偏光されていない励起光や円偏光光が入射された場合には、その電場の振動方向の成分に応じて上述の各ＳＰＲが発生する。
【０１２１】
各構造における全体のＳＰＲの強度（電場増強度）は、それぞれに発生するＳＰＲの総和（又は積）と関連している。全ＳＰＲの強度に対するＰＳＰＲの寄与度は、各構造において第２金属層の形状及び大きさが同じ場合、Ｂａｓｉｃ構造＜１ライン構造＜Ｈｙｂｒｉｄ構造の順で大きくなる。また、全ＳＰＲの強度に対するＬＳＰＲ（ＰＰＧＭ及びＰＭＧＭ）の寄与度は、各構造において第２金属層の形状及び大きさが同じ場合、第２金属層の密度（ＨＳＤ）の観点から、Ｈｙｂｒｉｄ構造＜１ライン構造＜Ｂａｓｉｃ構造の順で大きくなる。さらに、ＨＳＤ及びＰＰＧＭのＬＳＰＲに着目すると、全ＳＰＲの強度に対するＰＰＧＭのＬＳＰＲの寄与度は、Ｈｙｂｒｉｄ構造＜１ライン‖構造＜１ライン⊥構造＜Ｂａｓｉｃ構造の順で大きくなる。
【０１２２】
Ｈｙｂｒｉｄ構造は、他の構造と比較して、ＰＳＰＲの強度が最も強く、係るＰＳＰＲの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、ＰＰＧＭのＬＳＰＲの強度は小さく、第２金属層の密度も小さいものの、ＰＭＧＭのＬＳＰＲとＰＳＰＲとが電磁的に強く相互作用する（相乗的に結合する）。
【０１２３】
他方、１ライン⊥構造及び１ライン‖構造は、他の構造と比較して中間的な強度のＬＳＰＲ及びＰＳＰＲが電磁的に強く相互作用する（相乗的に結合する）構造である。また、１ライン⊥構造では、強度の大きいＰＰＧＭのＬＳＰＲとＰＳＰＲとが電磁的に強く相互作用する。また、１ライン‖構造では、中間的な密度（Ｈｙｂｒｉｄ構造よりも高い密度）で発生したＰＭＧＭのＬＳＰＲとＰＳＰＲとが電磁的に強く相互作用する。
【０１２４】
したがって、１ライン⊥構造及び１ライン‖構造は、ＰＳＰＲがほとんど発生しないＢａｓｉｃ構造や、ＰＰＧＭのＬＳＰＲがほとんど発生しないＨｙｂｒｉｄ構造とは、少なくとも第２金属層の密度及び各ＳＰＲの寄与率が異なり、電場増強のメカニズムが異なっているといえる。
【０１２５】
なお、各構造において、第２金属層の大きさ（例えば平面視における直径や、厚さ）を変化させることにより、全ＳＰＲの強度に対するＰＳＰＲの寄与度や、全ＳＰＲの強度に対するＰＰＧＭのＬＳＰＲの寄与度は、変化する。
【０１２６】
本実施形態に係る電場増強素子１００では、Ｈｙｂｒｉｄ構造（Ｐ１＝Ｐ２）又は１ライン構造（Ｐ１＜Ｐ２）を有し、図１３に示すように、複数の第２金属層３０は、第１金属層１０の表面付近を伝播するＰＳＰを励起可能な周期配列を有している。そして、電場増強素子１００は、ＰＳＰとＬＳＰとが電磁的に結合するように誘電体柱２０の高さ（第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ（ギャップ））を設計することにより、図１３に示すように、第１金属層に励起されるＰＳＰと、第２金属層に励起されるＬＳＰとを電磁的に相互作用させることができる。
【０１２７】
１．６．第２金属層の配置と増強度の関係
本実施形態に係る電場増強素子１００における第２金属層３０の配置は、既に説明したとおり、Ｐ１＝Ｐ２のＨｙｂｒｉｄ構造、又は、Ｐ１＜Ｐ２の１ライン構造に属する。本実施形態に係る電場増強素子１００は、第２金属層３０の配置に依存して、好適な第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ、並びに、好適な基板１の屈折率ｎが存在する
。以下このことを場合分けして説明する。
（Ｉ−ｉ）第２金属層３０の配置が、Ｈｙｂｒｉｄ構造又は１ライン構造である場合、すなわち、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）、又は、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１      ・・・（１３）を満たし、かつ、ＰＳＰＲが強く発生してＬＳＰＲとの相互作用が比較的大きい場合（Ｂａｓｉｃ構造でない場合）には、第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
【０１２８】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［式（３）中、εは、第１金属層１０の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第１金属層１０の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
（Ｉ−ｉｉ）第２金属層３０の配置が、Ｈｙｂｒｉｄ構造又は１ライン構造である場合、すなわち、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（１）、又は、
Ｐ１≦Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１      ・・・（１３）を満たし、かつ、ＰＳＰＲが強く発生してＬＳＰＲとの相互作用が比較的大きい場合（Ｂａｓｉｃ構造でない場合）には、基板１の屈折率は下記式（４）の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
【０１２９】
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［式（４）中、εは、第１金属層１０の周辺の誘電率、ｎは、基板１の屈折率を表す。］
なお、上記（Ｉ−ｉ）及び（Ｉ−ｉｉ）の場合は、入射光は、偏光光であっても偏光光でなくてもよく、また、偏光光である場合には、第１方向の直線偏光光、第２方向の直線偏光光、円偏光光及びそれらの組み合わせのいずれであってもよい。すなわち、上述の通り、いずれの入射光によっても、ＰＳＰＲ及びＬＳＰＲが発生して両者が相互作用することによる高い電場増強度を得ることができる。
（ＩＩ−ｉ）第２金属層３０の配置が１ライン構造である場合、すなわち、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１      ・・・・（５）、又は、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（６）を満たし、かつ、入射光が第１方向の直線偏光光（第１金属列３１の延びる方向に沿う方向の直線偏光光）である場合（これを「１ライン⊥」と称する）には、第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（３）の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
【０１３０】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［式（３）中、εは、第１金属層１０の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第１金属層１０の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
（ＩＩ−ｉｉ）第２金属層３０の配置が１ライン構造である場合、すなわち、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１      ・・・・（５）、又は、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（６）を満たし、かつ、入射光が第１方向の直線偏光光（第１金属列３１の延びる方向に沿う方向の直線偏光光）である場合（１ライン⊥）には、基板１の屈折率は下記式（４）の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
【０１３１】
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［式（４）中、εは、第１金属層１０の周辺の誘電率、ｎは、基板１の屈折率を表す。］（ＩＩＩ−ｉ）第２金属層３０の配置が１ライン構造である場合、すなわち、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１      ・・・・（５）、又は、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ２／１０  ・・・（６）を満たし、かつ、入射光が第２方向の直
線偏光光（第１金属列３１（金属列）の延びる方向に交差する方向の直線偏光光）である場合（これを「１ライン‖」と称する）には、第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］は、下記式（７）の関係を満たすことにより高い電場増強度を得ることができる。
【０１３２】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２２０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（７）
［式（７）中、εは、第１金属層１０の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第１金属層１０の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
本項で説明した数値「２０［ｎｍ］」、「２７０［ｎｍ］」、「２２０［ｎｍ］」、及び「７８５［ｎｍ］」は、いずれも、発明者らの検討により実験的に得られた経験値であり、本発明の重要なパラメーターの１つである。上記（Ｉ−ｉ）〜（ＩＩＩ−ｉ）のいずれかの条件を満たすことにより、本実施形態の電場増強素子１００の電場増強度が極めて高くなる。
【０１３３】
上記式（３）及び式（７）における上限値に乗じられる（λｉ／７８５［ｎｍ］）は、励起光の波長が変化しても各式が成立するため、このことを表現するための補正項である。これらの値や補正項については、後述の実験例で立証される。
【０１３４】
１．７．増強度
ＦＤＴＤ計算のメッシュ位置により、Ｘ方向（第１方向）の電場ＥｘとＺ方向（厚さ方向）の電場Ｅｚの大きさの関係、つまりベクトルが変化する。Ｘ方向の直線偏光光を励起光として用いた場合、Ｙ方向（第２方向）の電場Ｅｙはほとんど無視できる。そのため、増強度はＥｘとＥｚの二乗和の平方根、即ちＳＱＲＴ（Ｅｘ2＋Ｅｚ2）を用いて把握することができる。このようにすれば、局所電場のスカラーとして互いに比較することができる。
【０１３５】
なお、本明細書の実験例や図等において、第１方向をＸ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｘ」なる表記によって表現する場合がある。また、第２方向をＹ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｙ」なる表記によって表現する場合がある。また、素子の厚み方向をＺ方向と称する場合があり、その方向のことを「Ｚ」なる表記によって表現する場合がある。
【０１３６】
ＳＥＲＳ（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）効果は、ＳＥＲＳ  ＥＦ（Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ  Ｆａｃｔｏｒ）として、励起光の波長における電場増強度をＥｉ、ラマン散乱後の波長における電場増強度をＥｓとし、ホットスポット密度（ＨＳＤ）を用いて、下記式（ａ）
ＳＥＲＳ  ＥＦ＝Ｅｉ2・Ｅｓ2・ＨＳＤ  ・・・（ａ）
で表される。
【０１３７】
ここで、例えば、６００ｎｍの励起波長で、１０００ｃｍ-1以下のストークス散乱は、散乱波長が最大で６３８ｎｍとなり、励起波長との差が４０ｎｍ以下であるため、
Ｅｉ2・Ｅｓ2≒Ｅｍａｘ4
と近似することができる（Ｅｍａｘは最大増強度である。）。
【０１３８】
従って、式（ａ）は、下記式（ｂ）
ＳＥＲＳ  ＥＦ＝Ｅｍａｘ4・ＨＳＤ  ・・・（ｂ）
と置くことができる。
【０１３９】
つまり、ＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）は、プラズモンによる電場増強度の４乗にホ
ットスポット密度を乗じたものと考えることができる。
【０１４０】
電場増強素子１００の増強度を考える場合には、いわゆるホットスポット密度（ＨＳＤ）を考慮する必要がある。すなわち、電場増強素子１００による光の増強度は、電場増強素子１００の単位面積あたりの第２金属層３０の数に依存する。本実施形態の電場増強素子１００においては、ＨＳＤを考慮すると、電場増強素子１００のＳＥＲＳ増強度は、Ｅｍａｘ4／（Ｐ１・Ｐ２）に比例することになる。
【０１４１】
１．８．入射光
電場増強素子１００に入射される入射光の波長は、ＬＳＰ、ＰＳＰを生じさせることができる限り、限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。本実施形態では、入射光は、直線偏光光であってもよい。また、入射光は、電場が電場増強素子１００の第１方向（第１金属列３１の伸びる方向）と同じ方向の直線偏光光であっても、電場が電場増強素子１００の第２方向（第１金属列３１の並ぶ方向）と同じ方向の直線偏光光であってもよい。また入射光は、円偏光光であってもよい。さらに、偏光の方向の異なる入射光を、適宜組合わせることにより、電場増強素子１００によって非常に大きい光の増強度を得るように設計することもできる。
【０１４２】
１．９．電場増強素子の製造
本実施形態の電場増強素子１００は、一例として、Ｎｉの金型を用いて射出成形を行う工程を経て製造することができる。具体的には、シリコンウエハーを熱酸化処理し、表面にレジストをコートし、ＥＢ（電子ビーム）によって、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、酸化シリコンをパターニングする。そして、表面に無電解Ｎｉメッキ又はスパッタ法でＮｉ膜をコートした上で、Ｎｉの電鋳を行う。そして、シリコンウエハーを剥離すると、誘電体柱２０の配置・形状に対応する凹部を備えたＮｉ金型を得ることができる。
【０１４３】
次いで、Ｎｉ金型を用いて、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸）やＰＣ（ポリカーボネイト）を射出成形するか、ＵＶ硬化樹脂を成形して、基板上に誘電体柱２０が形成された構造体を作成する。
【０１４４】
次いで、誘電体柱２０が形成された基板上に、例えば、異方性の高いイオンビームスパッタ等を用い、Ａｇ、Ａｕ、Ａｌ、Ｃｕ等のプラズモンを生じうる金属薄膜を２０ｎｍ程度の厚みで形成すれば、本実施形態の電場増強素子を製造することができる。
【０１４５】
また、電場増強素子１００の製造方法には、一例として、ガラス基板に第一の厚みにレジストを一層コートし、ＥＢ（電子ビーム）によって、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、エッチング及びポストベークを行うことも適用できる。そして、第二の厚みにレジストをコートし、誘電体柱２０に対応する位置に露光し、エッチングを行う。そうすると、二つの深さの凹部が形成され、このような工程を経た後に、上記と同様なプロセスで、誘電体柱２０の高さの異なる分析素子を製造することができる。
【０１４６】
これらの製造方法は、いずれも一例であり、電場増強素子１００は、その他の適宜の方法によって製造されることができる。また、上記例示の製造方法を用いる場合には、同一素子内に形状や高さの異なる誘電体柱２０や第２金属層３０が配置された電場増強素子１００を容易に製造することができる。
【０１４７】
１．１０．作用効果等
本実施形態の電場増強素子１００は、以下の特徴を有する。本実施形態の電場増強素子１００は、光照射により励起されるプラズモンに基づき、光を非常に高い増強度かつ高いＨＳＤで増強することができる。また、本実施形態の電場増強素子１００では、ホットス
ポットの発生する位置が、第２金属層３０のボトム端Ｂとトップ端Ｔとなり、これら両方のホットスポットに、測定対象とする物体Ｍが接触できるジオメトリを有する。そのため、ボトム端に物体Ｍが接触しにくいＧＳＰＰモデルに比較すると、総合的な電場増強度（トータル）として、より大きい値を得ることができる。
【０１４８】
本実施形態の電場増強素子１００は、高い増強度を有するため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するためのセンサーに用いることができる。例えば、本実施形態の電場増強素子１００の第２金属層３０に抗体を結合してこのときの増強度を求めておき、該抗体に抗原が結合した場合の増強度の変化に基づいて抗原の有無や量を調べることができる。また、本実施形態の電場増強素子１００の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光の増強に用いることができる。
【０１４９】
２．分析装置
図１４は、本実施形態の分析装置１０００の要部を模式的に示す図である。
【０１５０】
本実施形態の分析装置１０００は、上述の電場増強素子１００と、入射光を電場増強素子１００に照射する光源３００と、電場増強素子１００から放射される光を検出する検出器４００と、を備える。本実施形態の分析装置１０００は、図示せぬその他の適宜な構成を備えてもよい。
【０１５１】
２．１．電場増強素子
本実施形態の分析装置１０００は、電場増強素子１００を備える。電場増強素子１００は、上述の電場増強素子１００と同様であるため、詳細な説明は省略する。
【０１５２】
電場増強素子１００は、分析装置１０００において、光を増強する作用、及び／又は、センサーとしての作用を担う。電場増強素子１００は、分析装置１０００の分析の対象となる試料に接触させて用いられてもよい。分析装置１０００における電場増強素子１００の配置は、特に制限されず、設置角度等の調節可能なステージ等に設置されてもよい。
【０１５３】
２．２．光源
本実施形態の分析装置１０００は、光源３００を備える。光源３００は、電場増強素子１００に対して入射光を照射する。光源３００は、電場増強素子１００の第１方向（第２金属層３０の並ぶ方向であって、第１金属列３１の伸びる方向）に直線偏光した光（第１方向と同じ方向の直線偏光光）、電場増強素子１００の第２方向（第１金属列３１の並ぶ方向であって、第１金属列３１の伸びる方向に交差する方向）に直線偏光した光（第２方向と同じ方向の直線偏光光）、又は、円偏光光を照射することができる。
【０１５４】
すなわち、光源３００は、電場増強素子１００に対して、第１方向と同じ方向の直線偏光光及び／又は第２方向と同じ方向の直線偏光光を照射する態様、又は、電場増強素子１００に対して、円偏光光を照射する態様とすることができる。第１金属層１０の厚さ方向からの、光源３００から照射される入射光の傾斜角θは、電場増強素子１００の表面プラズモンの励起条件に応じて適宜変化させることができるようにしてもよい。光源３００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。
【０１５５】
光源３００が照射する光は、電場増強素子１００の表面プラズモンを励起することができれば、特に限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。また、光源３００が照射する光は、コヒーレントな光であってもなくてもよい。具体的には、光源３００としては、半導体レーザー、気体レーザー、ハロゲンランプ、高圧水銀灯
、キセノンランプなどに、適宜、波長選択素子、フィルター、偏光子などを設けたものを例示することができる。
【０１５６】
さらに、光源３００が偏光子を備える場合には、偏光子は、公知のものを用いることができ、適宜回転させる機構を備えてもよい。光源３００からの光が励起光となって、電場増強素子１００に発生したプラズモンによる電場の集中、所謂ホットスポットが生じ、そのホットスポットに付着した物質の微弱なラマン光がホットスポットの電場により増強され物質の検出を行うことができる。
【０１５７】
２．３．検出器
本実施形態の分析装置１０００は、検出器４００を備える。検出器４００は、電場増強素子１００から放射された光を検出する。検出器４００としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ  Ｃｏｕｐｌｅｄ  Ｄｅｖｉｃｅ）、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを用いることができる。
【０１５８】
検出器４００は、電場増強素子１００から放射される光を検出できる位置に設けられればよく、光源３００との位置関係も特に制限はない。また、検出器４００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。
【０１５９】
３．電子機器
本実施形態の電子機器２０００は、上述の分析装置１０００と、検出器４００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２０１０と、健康医療情報を記憶する記憶部２０２０と、健康医療情報を表示する表示部２０３０と、を備える。
【０１６０】
図１５は、本実施形態の電子機器２０００の構成の概略図である。分析装置１０００は、「２．分析装置」で上述した分析装置１０００であり、詳細な説明を省略する。
【０１６１】
演算部２０１０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、検出器４００から送出される検出情報（信号等）を受取り、これに基づく演算を行う。また、演算部２０１０は、分析装置１０００の制御を行ってもよい。例えば、演算部２０１０は、分析装置１０００の光源３００の出力、位置等の制御や、検出器４００の位置の制御などを行ってもよい。演算部２０１０は、検出器４００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算することができる。そして、演算部２０１０によって演算された健康医療情報は、記憶部２０２０に記憶される。
【０１６２】
記憶部２０２０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２０１０と一体的に構成されてもよい。記憶部２０２０に記憶された健康医療情報は、表示部２０３０に送出される。
【０１６３】
表示部２０３０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る。表示部２０３０は、演算部２０１０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、表示又は発報する。
【０１６４】
健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、及び抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、又は無機分子及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。
【０１６５】
４．実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限
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。各モデルは、ＦＤＴＤシミュレーションを用い計算した。また、入射光は垂直入射としＸ方向（第１方向）に電場を偏光した直線偏光光を用いた。バックグラウンドの屈折率は、真空又は空気層としｎ＝１で計算した。
【０１６６】
各実験例では、図１６に模式的に示すようなモデルを用いた。図１６は、本実験例のシミュレーションに用いたモデルを示す模式図である。本実験例のディメンジョンは、垂直入射した６３３ｎｍ近傍或いは７８５ｎｍ近傍の励起波長を用いることを前提に設計された。本実験例のモデルは、凹状の表面が形成された金属の金型からＰＭＭＡ（ポリメタアクリル酸）やＰＣ（ポリカーボネート）等を射出成型又はＵＶ（紫外線）硬化樹脂を成形した基板を想定した。
【０１６７】
具体的には、ＰＭＭＡの凸部を、８０ｎｍＤ８０ｎｍＴ（Ｇ＋Ｔ）の形状（円柱状であって、直径が８０ｎｍ、高さが８０ｎｍである形状）で形成し、その凸部の側面にＡｇが付着しないよう、異方性の強い成膜方法でＡｇ層（第１金属層１０及び第２金属層３０）を厚み２０ｎｍＴで形成したものを想定した。この場合、Ａｇ層（第２金属層３０）のボトムと、Ａｇ層（第１金属層１０）のトップの高さの差（ギャップＧ）は６０ｎｍとなるので、このような系では図中、６０Ｇと表記するものとする。
【０１６８】
（計算モデルのパラメーター等）
各実験例で示されるグラフ等には、例えば「Ｘ１８０Ｙ６００」などの表記を用いている。「Ｘ１８０Ｙ６００」は、第１方向（Ｘ方向）に１８０ｎｍピッチ（第１ピッチＰ１）、第２方向（Ｙ方向）に６００ｎｍピッチ（第２ピッチＰ２）で第２金属層が配置されることを意味する。
【０１６９】
また、数値に添えて「Ｄ」、「Ｔ」なる文字が付された場合には、モデルに用いた第２金属層が直径Ｄ、厚さＴの円柱状であることを指す。また、数値に添えて「Ｇ」なる記号が付された場合には、第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］であることを指す。また、グラフの横軸にＧａｐ  ｔｈｉｃｋｎｅｓｓとあるのは、第１金属層１０と第２金属層３０との間の距離Ｇ［ｎｍ］のことを指している。さらに、数値が、例えば、「２０−１００」等と範囲を有して表記される場合は、当該範囲において計算上、当該数値が連続的又はとびとび（離散的）の値を採って計算されたことを示している。
【０１７０】
さらに、図中「Ａｇ」又は「ＡＧ」とあるのは、注目する構成の材質が銀であることを示しており、「Ａｕ」又は「ＡＵ」とあるのは、注目する構成の材質が金であることを示している。また「＠」とあるのは、「＠に続けて記載された波長において、」という意味であり、例えば、「ＳＱＲＴ＿＠８１５ｎｍ」との記載であれば、波長８１５ｎｍにおけるＳＱＲＴを指す。
【０１７１】
また、各モデルを特徴付ける記号（略号）の意味であるが、例えば、Ｘ１８０Ｙ６００モデルとの表記の場合には、Ｘ方向に１８０ｎｍのピッチの繰り返し周期、Ｙ方向に６００ｎｍのピッチの繰り返し周期で、回折格子の役割を有する第２金属層を形成することを意味する。
【０１７２】
一方、Ｘ６００Ｙ１８０モデルでは、Ｘ方向に６００ｎｍのピッチの繰り返し周期、Ｙ方向に１８０ｎｍのピッチの繰り返し周期で第２金属層を形成することを意味している。ここで、Ｘ６００Ｙ１８０モデルは、Ｘ１８０Ｙ６００モデルで、Ｙ方向（第２方向）に偏光した入射光を入射することと同義となる。
【０１７３】
また本明細書では、Ｘ１８０Ｙ６００モデル及びＸ６００Ｙ１８０モデルについて、い
ずれも、１ラインモデルと称する。また、Ｘ１８０Ｙ１８０モデルのように、Ｘ方向Ｙ方向共に小さいピッチとなるモデルをＢａｓｉｃモデルと呼ぶ。さらに、Ｘ方向の直線偏光光を入射する場合に、Ｘ１８０Ｙ６００モデルのように偏光光の偏光方向側のピッチが小さいモデルを１ライン⊥モデルと称し、Ｘ６００Ｙ１８０モデルのように、偏光光の偏光方向に直交する方向のピッチが小さいモデルを１ライン‖モデルと称する。さらに、Ｘ６００Ｙ６００モデルのように、ＸＹ両方向のピッチが大きく、第１金属層（ミラー層）にＰＳＰが強く生じるモデルをＨｙｂｒｉｄモデルと称する。
【０１７４】
（計算の概要）
計算はＲｓｏｆｔ社（現サイバネットシステム株式会社）のＦＤＴＤ  ｓｏｆｔ  ＦｕｌｌＷＡＶＥを用いた。また、用いたメッシュの条件は、図中に記載なきものは、１ｎｍ最小メッシュとし、計算時間ｃＴは１０μｍとした。
【０１７５】
増強位置（ホットスポット）では、電場ＥxとＥzの２つの成分から成立つため、以下の実験例における全ての増強度はＳＱＲＴ（Ｅx2＋Ｅz2）で表す。ここで、Ｅｘは、入射光の偏光方向（第１方向）の電場強度を示し、Ｅｚは、厚さ方向の電場強度を示す。なお、この場合には第２方向の電場強度は小さいので考慮していない。また以下、ＳＱＲＴ（Ｅx2＋Ｅz2）を単に「ＳＱＲＴ」と称することがある。
【０１７６】
また、励起光の照射によって表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）が発生すると、共鳴による吸収が起き、反射率が低下する。そのため、ＳＰＲ増強電場の強度は、反射率ｒを用いて（１−ｒ）で表すことができる。反射率ｒの値がゼロに近いほど、増強電場の強度が強いという関係があるため、反射率をＳＰＲ増強電場の強度（ＳＱＲＴ）の二乗の指標として用いることがある。
【０１７７】
４．１．実験例１＜Ｈｙｂｒｉｄモデル＞
本実験例では、ＰＭＭＡの誘電体柱をＸ６００Ｙ６００のピッチで１２０ｎｍＤ１２０ｎｍＤの形状で形成し、誘電体柱の側面に銀が付着しないよう異方性の強い成膜方法で全面に銀の薄膜を２０ｎｍ形成したものである。銀の第２金属層のボトムと銀の第１金属層の上面の高さの差は１００ｎｍとなるので、Ｇ＝１００Ｇと表記する。
【０１７８】
図１７は、本実験例のモデルの反射率の波長特性（ファーフィールド特性）（ａ）及びＳＱＲＴの波長特性（ニアフィールド特性）（ｂ）を示す。反射率の波長特性は、図１７（ａ）に示すように複数の反射率の極小値が観測された。ここで複数の極小値が生じた。これは、ファーフィールド特性では、電場増強素子から反射する反射光の積分値を示しているためである。そこで、図１７（ｂ）に示されるニアフィールドにおける第２金属層のトップ及びボトムの波長特性、並びに、第１金属層を貫通する孔の波長特性をみると、ファーフィールド特性では、これらのピークの和となっていることが分かる。
【０１７９】
図１７（ｂ）のグラフをみると、第２金属層のボトム（実線）第２金属層のトップ（破線）は、ハイブリッド構造によるアンチクローシングビヘビアーによって、２つのピークとなっていることが分かる。一方、第１金属層（Ａｇ）に生ずるプラズモンのホットスポットの波長特性（灰色の線）は、２つのピークを取っていることが分かる。
【０１８０】
図１８には、第１金属層（Ａｇ）に生ずるプラズモンのホットスポットの波長特性（灰色の線）及び第１金属層（Ａｇ）のＸＹ方向の各々の１／４ピッチに置いたＸＺ（０，０．１５，０）モニターと、ＹＺ（０．１５，０，０）モニターにおける電場強度の波長特性を示す。また、図１８には、各ピーク近傍における電場強度の分布図が付してある。図１８をみると、図１７における反射率及びＳＱＲＴの波長特性において見られた６５０ｎｍ近傍のピークは、第１金属層（Ａｇ薄膜）の上面に存在するＰＳＰであり、７８０ｎｍ
〜８００ｎｍ近傍のピークは第１金属層（Ａｇ薄膜）の下面に存在するＰＳＰであることが分かった。
【０１８１】
次に、材質を銀及び金として、Ｘ６００Ｙ６００モデル（６３３ｎｍ励起モデル）の反射率のピーク波長及びギャップ（第１金属層と第２金属層との間の距離）Ｇ依存性を調べた。図１９は、Ｘ６００Ｙ６００モデルの反射率のピーク波長及びギャップＧ依存性を示すグラフである。
【０１８２】
第２金属層のトップの位置は、標的物質が最も接触しやすい位置であるため、図１７及び図１８から理解されるとおり、図１７における最も短波長側のピーク（吸収）が電場増強素子の総合的な増強度を高めるために重要であることが分かる。したがって、図１９においては、最も短波長側のピークに着目する。
【０１８３】
また、図１９から分かるように、ギャップＧは、２０ｎｍよりも小さい場合には反射率は大きく（増強度は小さく）なることが予想される。さらに、ギャップＧが２０ｎｍよりも小さいと第１金属層と第２金属層とが接近するため素子の製造が困難となることがあるため、以下、Ｇ＝２０ｎｍ（２０Ｇ）を基準として、それよりも良好な反射率（良好な増強度）が得られるＧを求める。
【０１８４】
６３３ｎｍ励起モデル（Ｘ６００Ｙ６００モデル）では、ＡＧでは２０ｎｍ＜Ｇ≦２４０ｎｍにおいて、ＡＵでは２０ｎｍ＜Ｇ≦２２０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも低い反射率（高い増強度）が得られることが分かった。また、この結果から、Ａｇ及びＡｕにおいて、反射率の波長特性の傾向が似ており、好適なＧの範囲も大きく相違しないことが分かった。
【０１８５】
材質を銀として、Ｘ７８０Ｙ７８０モデル（７８５ｎｍ励起モデル）の反射率及び増強度のギャップ（第１金属層と第２金属層との間の距離）Ｇ依存性を調べた。図２０は、Ｘ７８０Ｙ７８０モデルの反射率及びＳＱＲＴのギャップＧ依存性を示すグラフである。
【０１８６】
図１９と同様の理由で、Ｇ＝２０ｎｍを基準とすると、２０ｎｍ＜Ｇ≦２８０ｎｍにおいてＧ＝２０ｎｍの場合よりも低い反射率（高い増強度）が得られることが分かった。このことはＳＱＲＴで調べても同様の傾向があり、第２金属層のトップの位置では、２０ｎｍ＜Ｇ≦３１０ｎｍ、ボトムの位置では２０ｎｍ＜Ｇ≦２８０ｎｍでＧ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。
【０１８７】
以上から、７８５ｎｍ励起モデルでは、Ｇの上限は２８０ｎｍ程度であり、６３３ｎｍ励起モデルでは、Ｇの上限は２２０ｎｍ程度であることが分かった。そして、これらの上限値を励起波長で規格化してみると、２２０×７８５／６３３＝２７３となり、Ｇの範囲の上限値は、励起波長にほぼ比例することが分かった。
【０１８８】
また、本実験例では、環境を空気層又は真空を想定して、ｎ1＝１としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第１金属層の厚さ方向と入射光（波長λｉ）のなす角度θを考慮すると、Ｇは、既に述べた式（３）の関係となることが分かった。
【０１８９】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
なお本実験例は、上述の（Ｉ−ｉ）及び（ＩＩ−ｉ）に対応する。
【０１９０】
４．２．実験例２＜Ｈｙｂｒｉｄモデルにおける基板の屈折率＞
実験例１において、図１７と図１８から、ファーフィールド特性における４本以上のピ
ークのうち２本は、第１金属層（Ａｇ薄膜）の上面に発生するＰＳＰが短波長側に現れ、下面に発生するＰＳＰが長波長側に現れることが分かった。
【０１９１】
実験例１では、第１金属層（Ａｇ薄膜）の下面側には基板としてＰＭＭＡが存在している。ＰＭＭＡの屈折率は１．４８である。つまり、２０ｎｍという薄い第１金属層（Ａｇ薄膜）は、光を容易に透過するので、第１金属層（Ａｇ薄膜）の上面側は周辺屈折率ε1/2＝１であるのに対し、下面側は周辺屈折率ε1/2＝１．４８と異なるため、２つのピーク特性を示す。
【０１９２】
図２１は、Ｘ７８０Ｙ７８０１６０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿８０Ｇモデルの基板をＰＭＭＡとした場合と空気とした場合のＳＱＲＴの波長特性のグラフである。
【０１９３】
図２１をみると、基板の屈折率ｎ＝１として、第１金属層の上面側の誘電率ε1/2＝１と同じにすると、第１金属層の上下に生じるＰＳＰの波長特性が、基板をＰＭＭＡとした場合よりも揃っていることが分かる。すなわち、基板の屈折率を１とすると、第１金属層の上下に生じるＰＳＰのピーク波長がそれぞれ近づいている。そして、ＳＱＲＴの値は、ＰＭＭＡ基板の場合は４０程度であったが、６５程度と大きくなることが判明した。この現象は第１金属層の上下に生じるＰＳＰが共鳴しているために生じると考えられる。
【０１９４】
なお、図２１の計算に用いたメッシュは、ＸＹ２ｎｍＺ２−１０ＧＧであるが、波長７８０ｎｍの位置で、ＸＹ１ｎｍＺ１−５ＧＧのメッシュを用いて計算したところ、ＳＱＲＴは、９０．２という非常に大きい値が得られた。
【０１９５】
本実験例の結果から、例えば、フッ素系の樹脂の屈折率はｎ＝１．３５でありこれを基板に用いれば、アルコール（ｎ＝１．３２９）や水溶液（水  ｎ＝１．３３３）中の物質を非常に高い感度で検出、分析できることが分かった。
【０１９６】
また、本実験例は、そのような現象の傾向を示唆しており、基板の屈折率ｎと、標的物質を含む媒体の屈折率（周辺誘電率）とは、必ずしも一致させる必要はなく、おおむね、±１０％の範囲で両者を一致させる（接近させる）ことにより増強度が向上したと考えられる。
【０１９７】
したがって、基板の屈折率をｎとしたときに、下記式（４）の関係を満たせば、高い電場増強効果が得られることが理解されよう。
【０１９８】
０．９・ε1/2≦ｎ≦１．１・ε1/2  ・・・（４）
［式（４）中、εは、第１金属層の周辺の誘電率、ｎは、基板の屈折率を表す。］
なお、本実験例ではＨｙｂｒｉｄモデルについて実証したが、この結果は、ＰＳＰが発生する系で有効であり、上述の（Ｉ−ｉｉ）及び（ＩＩ−ｉｉ）において成り立つ現象である。
【０１９９】
４．３．実験例３＜１ライン‖モデル＞
本実験例のモデルでは励起光の偏光方向とＰＳＰの方向が同じであり、Ｈｙｂｒｉｄモデルに近い挙動を示すが、励起光の偏光方向にＬＳＰが生じ、更にＸ方向、Ｙ方向共にＰＳＰが生ずるＨｙｂｒｉｄモデルとは異なり、励起光の偏光方向、Ｘ方向に生ずるＬＳＰとＸ方向の回折格子により生ずるＰＳＰとの相互作用により増強効果が高くなる構造である。
【０２００】
図２２は、ＡＧ及びＡＵのＸ７８０Ｙ１８０モデル及びＸ６００Ｙ１８０モデル（１ライン‖モデル）のニアフィールド特性（ＳＱＲＴ）のギャップＧ依存性を示すグラフであ
る。Ｘ７８０Ｙ１８０＿ＡＧ及びＸ７８０Ｙ１８０＿ＡＵは、７８５ｎｍにて励起し、Ｘ６００Ｙ１８０＿ＡＧは６００ｎｍにて励起し、Ｘ６００Ｙ１８０＿ＡＵは６２０ｎｍで励起した。
【０２０１】
図２２をみると、Ｘ７８０Ｙ１８０＿ＡＧの場合は、２０ｎｍ＜Ｇ≦２６０ｎｍ〜２８０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。また、Ｘ７８０Ｙ１８０＿ＡＵの場合は、２０ｎｍ＜Ｇ≦３００ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。
【０２０２】
また、Ｘ６００Ｙ１８０＿ＡＧ及びＸ６００Ｙ１８０ＡＵでは、それぞれ２０ｎｍ＜Ｇ≦２００ｎｍ及び２０ｎｍ＜Ｇ≦１８０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。
【０２０３】
これらのことから実験例１で述べたと同様に、Ｇの上限は、１８０×７８５／６３３＝２２３より、励起波長にほぼ比例することが分かった。
【０２０４】
また、本実験例においても、環境を空気層又は真空を想定して、ｎ1＝１としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第１金属層の厚さ方向と入射光（波長λｉ）のなす角度θを考慮すると、Ｇは、既に述べた式（７）の関係となることが分かった。
【０２０５】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２２０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（７）
［式（７）中、εは、第１金属層の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
なお、本実験例は、上述の（ＩＩＩ−ｉ）に対応する。
【０２０６】
４．４．実験例４＜１ライン⊥モデル＞
図２３及び図２４は、１ライン⊥モデルのニアフィールド特性のギャップＧ依存性を示すグラフである。図２３（ａ）はＸ１８０Ｙ６００＿ＡＧ＿１００Ｄ２０Ｔ＠６４０ｎｍモデルのＳＱＲＴのＧ依存性を示し、図２３（ｂ）は、Ｘ１８０Ｙ６００＿ＡＵ＿１００Ｄ２０Ｔ＠６４０ｎｍモデルのＳＱＲＴのＧ依存性を示し、図２４（ｂ）は、Ｘ１８０Ｙ７８０＿ＡＵ＿１４０Ｄ２０Ｔ＠７８５ｎｍモデルのＳＱＲＴのＧ依存性を示す。また、図２４（ａ）は、Ｘ１８０Ｙ７８０＿ＡＧ＿１４０Ｄ２０Ｔ＠７８５ｎｍモデルのＳＱＲＴのＧ依存性を示す。
【０２０７】
Ｘ１８０Ｙ６００モデルの場合、第２金属層のトップ、ボトム共に短波長側のピーク（６４０ｎｍ）は、ＡＧの場合２０ｎｍ＜Ｇ≦２２０ｎｍ〜２４０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。また、ＡＵの場合には、２０ｎｍ＜Ｇ≦２４０ｎｍ〜２７０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。
【０２０８】
Ｘ１８０Ｙ７８０モデルの場合、第２金属層のトップ、ボトム共に短波長側のピーク（６４０ｎｍ）は、ＡＧの場合２０ｎｍ＜Ｇ≦２９０ｎｍ〜３１０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。また、ＡＵの場合には、２０ｎｍ＜Ｇ≦２７０ｎｍ〜２９０ｎｍにおいて、Ｇ＝２０ｎｍの場合よりも高い増強度（ＳＱＲＴ）が得られることが分かった。
【０２０９】
これらのことから実験例１で述べたと同様に、Ｇの上限は、２７０×６３３／７８５＝２１７より、励起波長にほぼ比例することが分かった。
【０２１０】
また、本実験例においても、環境を空気層又は真空を想定して、ｎ1＝１としたが、水溶液など周辺誘電率がε1/2の場合、並びに、第１金属層の厚さ方向と入射光（波長λｉ）のなす角度θを考慮すると、Ｇは、既に述べた式（３）の関係となることが分かった。
【０２１１】
２０［ｎｍ］＜Ｇ・ε1/2・ｃｏｓθ≦２７０［ｎｍ］・λｉ／７８５［ｎｍ］  ・・・（３）
［式（３）中、εは、第１金属層の周辺の誘電率、θは、入射光の照射角であって第１金属層の厚さ方向からの傾斜角、λｉは、入射光の波長［ｎｍ］を表す。］
ここで、ＰＭＭＡ基板を屈折率ｎ＝１の空気基板としたところ、反射率スペクトルのピークは１ピークになり、ＰＭＭＡ基板では、６３５ｎｍでＳＱＲＴが５３であったのに対し、空気基板では、６２０ｎｍでＳＱＲＴが６６と増強度が増加した。
【０２１２】
なお、本実験例は、上述の（ＩＩ−ｉ）に対応する。
【０２１３】
４．５．実験例５＜１ライン⊥モデル及びＨｙｂｒｉｄモデルにおける貫通モデル及び非貫通モデル＞
図２５には、貫通モデル及び非貫通モデルの模式図を示した。図２６は、貫通モデル（図中「Ｂｕｍｐ１」と表記）と非貫通モデル（図中「Ｂｕｍｐ２」と表記）のＳＱＲＴとＰＳＰ＝Ｅｚ（０，０．１５，０）ｚ＝２００ｎｍの波長特性を示す。
【０２１４】
図２６をみると、貫通モデルと非貫通モデルとは、波長特性のプロファイルの形状にはほぼ差が無いが、若干非貫通モデルの増強度が高くなることが分かった。しかもＹ方向のＰＳＰの強度Ｅｚ（０，０．１５，０）ｚ＝２００ｎｍがそのままＳＱＲＴの増強度に比例することも分かった。この結果は、Ｈｙｂｒｉｄモデル及び１ライン‖モデルとは異なっている。１ライン⊥モデルは、第２金属層の中央部分でＰＳＰが最小となる「閉じこめられたＰＳＰ」を活用するモードとなっていると考えられる。
【０２１５】
次にＨｙｂｒｉｄモデルにおいて、貫通モデル及び非貫通モデルの波長特性を比較した。図２７及び図２８は、貫通モデル（Ｂｕｍｐ１）と非貫通モデル（Ｂｕｍｐ２）のＳＱＲＴの波長特性を示すグラフである。図２７は、Ｘ６００Ｙ６００＿１２０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿１００Ｇに関し、図２８はＸ７８０Ｙ７８０＿１６０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿１６０Ｇに関する。
【０２１６】
Ｘ６００Ｙ６００＿１２０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿１００Ｇモデルでは、６２０ｎｍにおけるＳＱＲＴは、貫通モデルのほうが非貫通モデルよりも大きかった（Ｂｕｍｐ１＞Ｂｕｍｐ２）が、ＦＷＨＭ（半値幅）は、明らかにその逆（Ｂｕｍｐ１＜Ｂｕｍｐ２）であった。また、Ｘ７８０Ｙ７８０＿１６０Ｄ２０Ｔ＿ＡＧ＿１６０Ｇモデルでは、７６０ｎｍでのＳＱＲＴは、貫通モデルのほうが非貫通モデルよりも小さかった（Ｂｕｍｐ１＜Ｂｕｍｐ２）。
【０２１７】
これらのことから、結論として、非貫通モデル（Ｂｕｍｐ２）は、長波長側のピーク強度を減少させた結果、短波長側のピーク強度を高くするか、半値幅を広げる効果があるということができる。非貫通モデルには、第１金属層に孔がなく、ＬＳＰのミラーリングの効果があると思われる。
【０２１８】
４．６．実験例６＜本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルの、Ｙ方向のピッチ（Ｐ２）依存性＞
８０Ｄ２０Ｔ６０ＧのＡｇ（第２金属層３０）を、Ｘ方向に１２０ｎｍピッチ、Ｙ方向にそれぞれ３００ｎｍ、４００ｎｍ、５００ｎｍ、６００ｎｍ、及び７００ｎｍピッチで配置したモデルについて、ファーフィールド特性を調べた。
【０２１９】
図２９は、各モデルの単位面積あたりで規格化した反射率の波長特性を示すグラフである。係るグラフは、本発明に係る１ラインＰＳＰ⊥ＬＳＰモデルでＸ方向のピッチを１２０ｎｍとし、Ｙ方向のピッチを変数としたときの反射率特性を示している。なお、反射率は低い方が、増強度が高いといえる。
【０２２０】
非特許文献１（OPTICS LETTERS,Vol.34,No.3,2009,244-246）で開示されていることと同様に、ＰＳＰとＬＳＰの交点付近、Ｙ＝４００ｎｍピッチから７００ｎｍピッチで高い増強度が期待できることが分かる。更にＹ方向のピッチが５００ｎｍと６００ｎｍで、最も低い反射率が観測された。
【０２２１】
図３０には、Ａｇのｎ＝１のＰＳＰ分散関係を破線で、ＡｇモデルのＬＳＰを直線で示した。図３０は、周辺屈折率ｎ＝１のＡｇの分散関係に、図２９のグラフから読取られた反射率の極小値を示す波長をＹ方向のピッチ毎にプロットした分散関係を示している。図３０の分散関係から、ＬＳＰピーク波長は６０８ｎｍと推定された。ＳＰＰ  Ａｇ  ｎ＝１に近いプロットは、Ａｇ膜下のＰＳＰと考えられる。
【０２２２】
そこで、励起波長を６０８ｎｍとし、８０Ｄ２０Ｔ６０Ｇの形状を有するＡｇ（第２金属層）を、Ｘ方向の１２０ｎｍピッチを固定し、Ｙ方向のピッチを２００ｎｍから９００ｎｍの範囲で１００ｎｍ刻みで変化させた場合のニアフィールド特性、及び、ラマン増強度（Ｒａｍａｎ  ＥＦ）を取得した。その結果を、図３１に示す。図３１（ａ）は、励起波長を６０８ｎｍとしたときのＹ方向のピッチを、ベーシックモデルであるＹ＝１２０ｎｍから、徐々に大きくしていった時のＳＱＲＴ（Ｅｘ2＋Ｅｚ2）をプロットしたものである。図３１（ｂ）は、励起波長を６０８ｎｍとしたときのＹ方向のピッチを、ベーシックモデルであるＹ＝１２０ｎｍから、徐々に大きくしていった時のＲａｍａｎ  ＥＦをプロットしたものである。
【０２２３】
Ｘ１２０Ｙ１２０のベーシック構造では、Ａｇ（第２金属層３０）のトップ端で、増強度ＳＱＲＴ（Ｅｘ2＋Ｅｚ2）＝１７．９であるのに対し、Ｙ方向のピッチを広げると、増強度は直線的に増加し、Ａｇ（第２金属層３０）のＬＳＰのピーク波長とＡｇ層（第１金属層１０）のＰＳＰとの交点を通るように設計されたＹピッチ＝６００ｎｍでほぼ最大となり、Ｙピッチ＝７００ｎｍで半減し、その後徐々に上昇することがわかる。このようなピッチ依存性を示す理由はＹ方向のピッチ＝６００ｎｍが、回折格子のｍ＝１の場合であり、ｍ＝２の場合が、Ｙ方向のピッチ＝１２００ｎｍであるからである。
【０２２４】
ＰＳＰ⊥ＬＳＰ１ラインモデルが、Ｐ２＞１２０ｎｍの場合に、Ｐ１＝Ｐ２＝１２０ｎｍの場合よりも、増強度が大きくなる理由は、ＬＳＰが励起光の偏向方向に生じ、ＰＳＰが全方位に発生するためであり、Ｙ方向のピッチが、６００ｎｍより短い場合でも、ピッチが６００ｎｍとなる斜めに生じたＰＳＰがＬＳＰとハイブリッド効果を示しているからである。
【０２２５】
以上のことから、垂直入射の場合はＰ１＝１２０ｎｍのとき、図３１（ａ）より、１２０ｎｍ＜Ｐ２＜９００ｎｍ、好ましくは１２０ｎｍ＜Ｐ２＜８００ｎｍ、より好ましくは２００ｎｍ＜Ｐ２＜７００ｎｍにおいて、ＳＱＲＴが、ベーシックモデルよりも大きくなることが判明した。また、垂直入射の場合はＰ１＝１２０ｎｍのとき、図３１（ｂ）より、１２０ｎｍ＜Ｐ２＜８００ｎｍ、好ましくは１２０ｎｍ＜Ｐ２＜７００ｎｍにおいて、Ｒａｍａｎ  ＥＦが、ベーシックモデルよりも大きくなることが判明した。つまり、Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１とすれば、高い増強度を得ることができることが分った。
【０２２６】
なお、以上の実験は入射光が、基板に対して垂直に入射した場合である。以下、入射光
が、基板に対して斜めに入射した場合について述べる。
【０２２７】
「１．４．１．伝搬型プラズモン及び局在型プラズモン」の項で述べたように、ある金属の分散関係式は金属の誘電率をε（ω）、周辺の誘電率をεとしたとき、
ＫSPP＝ω／ｃ［ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））］1/2  ・・・（８）
で与えられる。
【０２２８】
一方、回折格子ピッチＱを通過するエバネッセント光の波数Ｋは、
Ｋ＝ｎ1・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋ｍ・２π／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（９）
但し、ｎ1は、第１金属層１０の上面側の周辺の屈折率であり、消光係数をκとすれば、光の振動数における比誘電率εの実数部ε’と虚数部ε”は、それぞれ、ε’＝ｎ12−κ2、ε”＝２ｎ1κで与えられ、周辺の物質が透明であれば、κ〜０であるから、εは実数で、ε＝ｎ12となり、ｎ1＝ε1/2で与えられる。
【０２２９】
金属の分散関係の波数と入射波のエバネッセント波の波数が等しくなると伝搬型プラズモンが生じる。つまり、ＫSPP＝Ｋなので、（８）式と（９）式から
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝ε1/2・（ω／ｃ）・ｓｉｎθ＋２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（２）
が成り立つピッチＱとなるように第２金属層を配置すると伝搬型プラズモンが励起される。
【０２３０】
式（２）が第１金属層の伝搬型プラズモンの分散関係と直接又は間接的に周期的に配置された第２金属層がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との交点を示す一般式である。なお、シミュレーションに用いた垂直入射の時は、θ＝０であるので上記（２）式は、
（ω／ｃ）・｛ε・ε（ω）／（ε＋ε（ω））｝1/2＝２ｍπ／Ｑ  （ｍ＝±１，±２，，）  ・・・（１４）
となり、金属層の分散関係と第２金属層がもたらす回折格子効果によるエバネッセント光との波数が一致する回折格子波数はｍ・２π/Ｑとなる。
【０２３１】
例えば、ｍ＝１、ε1/2＝１で、３０度入射の場合、式（１４）は、
Ｋ＝０．５・（ω／ｃ）＋２π／Ｑ・・・（１５）
となり、ＬＳＰ＝６３３ｎｍでＡｇ分散関係との交点を通る３０度入射の場合の回折格子ピッチは１ｅＶ／ｃとなり、回折格子ピッチＱを１２５０ｎｍとすればよい。
【０２３２】
また、一方、θ＝−３０°（ｄｅｇ．）とすると、式（１４）は、
Ｋ＝−０．５・（ω／ｃ）＋２π／Ｑ・・・（１６）
となり、ＬＳＰとＡｇ（ｎ＝１）の分散関係の交点を通るには、２π／Ｑ＝３ｅＶ／ｃつまり、Ｑ＝４１８ｎｍとなる。
【０２３３】
図３２には、上述の３０度及び−３０度入射の励起光で回折格子ピッチを決めるための分散関係を示す。
【０２３４】
＋３０度入射も−３０度入射も、物理的には同じことであるため、入射角度が＋３０度の斜め入射光を用いた場合には、６３３ｎｍＬＳＰと、Ａｇ（ε1/2＝１）の分散関係の交点を通るように回折格子のピッチを選択すると、回折格子ピッチは、Ｑ＝１２５０ｎｍ、４１８ｎｍとする２つの方法があることが分かる。
【０２３５】
結論として、斜め入射の場合にも、垂直入射の場合と同様に、
Ｐ１＜Ｐ２≦Ｑ＋Ｐ１  ・・・（１）
の関係を満たせば、ベーシックモデルよりも、増強度の大きい電場増強素子となることが分かる。
【０２３６】
本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、さらに種々の変形が可能である。例えば、本発明は、実施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】
【０２３７】
１…基板、１０…第１金属層、２０…誘電体柱、３０…第２金属層、３１…第１金属列、３２…第２金属列、１００，２００，２５０…電場増強素子、３００…光源、４００…検出器、１０００…分析装置、２０００…電子機器、２０１０…演算部、２０２０…記憶部、２０３０…表示部
【図１】
2015212674.tif 000003
【図２】
2015212674.tif 000004
【図３】
2015212674.tif 000005
【図４】
2015212674.tif 000006
【図５】
2015212674.tif 000007
【図６】
2015212674.tif 000008
【図７】
2015212674.tif 000009
【図８】
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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２５】
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【図９】
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【図１０】
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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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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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】
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【図３２】
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