(57)【要約】【課題】標的物質を高い感度で検出することができる分析方法を提供する。【解決手段】本発明に係る分析方法は、標的物質が試料分析素子に付着していない状態で、第１吸収領域および第２吸収領域を有する第１反射スペクトルを取得する工程（Ｓ１）と、標的物質が試料分析素子に付着している状態で、第３吸収領域および第４吸収領域を有する第２反射スペクトルを取得する工程（Ｓ２）と、第１吸収領域の極小点波長と第３吸収領域の極小点波長との差と、第２吸収領域の極小点波長と第４吸収領域の極小点波長との差と、を算出する工程（Ｓ３）と、算出した差のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、標的物質を検出する工程（Ｓ４）と、を含み、伝播型表面プラズモンと局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なる。【選択図】図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料分析素子を用いた標的物質の分析方法であって、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着していない状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、第１吸収領域、および前記第１吸収領域よりも長波長側の第２吸収領域を有する第１反射スペクトルを取得する工程と、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着している状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、前記第１吸収領域に対応する第３吸収領域、および前記第２吸収領域に対応する第４吸収領域を有し、前記第３吸収領域、および前記第４吸収領域の少なくとも一方は、前記第１吸収領域、または前記第２吸収領域が長波長側にシフトしたものである、第２反射スペクトルを取得する工程と、
前記第１吸収領域の極小点の波長と前記第３吸収領域の極小点の波長との差と、前記第２吸収領域の極小点の波長と前記第４吸収領域の極小点の波長との差と、を算出する工程と、
算出した前記差のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、前記標的物質を検出する工程と、
を含み、
前記試料分析素子は、
金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を有し、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なる、分析方法。
【請求項２】
請求項１において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第１吸収領域および前記第３吸収領域を用いて、前記標的物質を分析する、分析方法。
【請求項３】
請求項１において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第２吸収領域および前記第４吸収領域を用いて、前記標的物質を分析する、分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、分析方法に関する。
【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：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。
【０００３】
例えば非特許文献１には、局在型表面プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）と伝播型表面プラズモン（ＰＳＰ：Ｐｒｏｐａｇｅｔｅｄ
Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ）との両モードを同時に共鳴させるハイブリッドモードを実現する構造を備えたセンサーの一例として、ＧＳＰＰ（Ｇａｐ  ｔｙｐｅ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）と称するものが提案されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＯＰＴＩＣＳ  ＬＥＴＴＥＲＳ，ＶＯＬ．３４，Ｎｏ．３，２００９，２４４−２４６
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、上記のようなセンサー（試料分析素子）に標的物質が付着すると、反射スペクトルの波長が変化する。このような反射スペクトルの波長変化を利用して、標的物質を検出する分析方法が知られている。このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することが求められている。
【０００６】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、標的物質を高い感度で検出することができる分析方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係る分析方法は、
試料分析素子を用いた標的物質の分析方法であって、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着していない状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、第１吸収領域、および前記第１吸収領域よりも長波長側の第２吸収領域を有する第１反射スペクトルを取得する工程と、
前記標的物質が前記試料分析素子に付着している状態で、前記試料分析素子に光を照射して、前記試料分析素子からの反射光を検出し、前記第１吸収領域に対応する第３吸収領域、および前記第２吸収領域に対応する第４吸収領域を有し、前記第３吸収領域、および前記第４吸収領域の少なくとも一方は、前記第１吸収領域、または前記第２吸収領域が長波長側にシフトしたものである、第２反射スペクトルを取得する工程と、
前記第１吸収領域の極小点の波長と前記第３吸収領域の極小点の波長との差と、前記第２吸収領域の極小点の波長と前記第４吸収領域の極小点の波長との差と、を算出する工程と、
算出した前記差のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、前記標的物質を検出する工程と、
を含み、
前記試料分析素子は、
金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を有し、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なる。
【０００８】
このような分析方法では、伝播型表面プラズモンの共鳴波長と局在型表面プラズモンの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長差に比べて、第１吸収領域の極小点の波長と第３吸収領域の極小点の波長との差、および第２吸収領域の極小点の波長と第４吸収領域の極小点の波長との差の一方を大きくすることができる。このように、本実施形態に係る分析方法は、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長差（変化量）を大きくすることができ、大きな波長変化量を有する吸収領域を用いて標的物質を検出することができるので、標的物質を高い感度で検出することができる。
【０００９】
本発明に係る分析方法において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第１吸収領域および前記第３吸収領域を用いて、前記標的物質を分析してもよい。
【００１０】
このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することができる。
【００１１】
本発明に係る分析方法において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記標的物質を検出する工程では、
前記第２吸収領域および前記第４吸収領域を用いて、前記標的物質を分析してよい。
【００１２】
このような分析方法では、標的物質を高い感度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本実施形態に係る試料分析素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る試料分析素子を模式的に示す平面図。
【図３】金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、の関係を説明するための図。
【図４】表面プラズモン・ポラリトンの分散関係を模式的に示す図。
【図５】標的物質が試料分析素子に付着すると、伝播型表面プラズモンの共鳴波長が変化することを説明するための図。
【図６】ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇを説明するための図。
【図７】本実施形態に係る分析方法を説明するためのフローチャート。
【図８】本実施形態に係る分析方法を説明するための図。
【図９】反射スペクトルを説明するための図。
【図１０】反射スペクトルを説明するための図。
【図１１】反射スペクトルを説明するための図。
【図１２】反射スペクトルを説明するための図。
【図１３】実験例１で用いたモデルを説明するための図。
【図１４】Ａｕ粒子の直径を８０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける２つの吸収領域の極小点の波長をプロットしたグラフ。
【図１５】実験例２で用いたモデルを説明するための図。
【図１６】実験例２で用いたモデルを説明するための図。
【図１７】Ａｕ粒子の直径が８０ｎｍの場合の反射スペクトル。
【図１８】Ａｕ粒子の直径が１０４ｎｍの場合の反射スペクトル。
【図１９】Ａｕ粒子の直径が１３０ｎｍの場合の反射スペクトル。
【図２０】Ａｕ粒子の直径が１１７ｎｍの領域の反射スペクトル。
【図２１】Ａｕ粒子の直径が１２９ｎｍの領域の反射スペクトル。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
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。
【００１５】
１．  試料分析素子
まず、本実施形態に係る試料分析素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る試料分析素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る試料分析素子１００を模式的に示す平面図である。なお、図１は、図２の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。
【００１６】
試料分析素子１００は、図１および図２に示すように、金属層１０と、誘電体層２０と、金属粒子３０と、を含む。
【００１７】
１．１．  金属層
金属層１０は、光を透過しない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、板、層、または膜の形状を有している。金属層１０は、図１に示すように、基板２上に設けられていてもよい。基板２としては、特に限定されないが、金属層１０と誘電体層２０との界面に励起される伝播型表面プラズモン（ＰＳＰ）に影響を与えにくいものが好ましい。基板２は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。基板２の金属層１０が設けられる面の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、特に限定されない。
【００１８】
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される。金属層１０は、基板２の表面の全面に設けられてもよいし、基板２の表面の一部に設けられてもよい。金属層１０の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）は、金属層１０と誘電体層２０との界面にＰＳＰが励起されれば特に限定されず、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以下である。
【００１９】
金属層１０は、励起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する金属、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ている。このような誘電率を有する金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそ
れらの合金等を挙げることができる。励起光として可視光領域の光を用いる場合には、金属層１０は、金、銀、または銅からなる層を含むことが好ましい。金属層１０の表面（図示の例ではＸＹ平面に平行な平面）は、特定の結晶面であってもなくてもよい。金属層１０は、複数層の金属の層で構成されていてもよい。
【００２０】
金属層１０は、試料分析素子１００においてＰＳＰを励起させる機能を有している。具体的には、金属層１０に光（励起光）を入射することにより、金属層１０と誘電体層２０との界面に（界面近傍に）ＰＳＰが励起する。金属層１０と誘電体層２０との界面に励起されるＰＳＰは、金属粒子３０に励起される局在型表面プラズモン（ＬＳＰ）と、電磁的に相互作用（ハイブリッド）することができる。
【００２１】
１．２．  誘電体層
誘電体層２０は、金属層１０上に設けられている。誘電体層２０は、金属層１０に接して設けられている。誘電体層２０は、フィルム、層、または膜の形状を有している。誘電体層２０は、金属層１０と金属粒子３０とを隔てることができる。誘電体層２０は、励起光を透過することができる。
【００２２】
誘電体層２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｖａｐｏｒ  Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、各種コーティング等の手法により形成される。誘電体層２０は、金属層１０の表面の全面に設けられてもよいし、金属層１０の表面の一部に設けられてもよい。
【００２３】
誘電体層２０は、正の誘電率を有すればよく、例えば、酸化シリコン（ＳｉＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）、窒化シリコン（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化チタン（ＴｉＯ２）、ＰＭＭＡ（Ｐｏｌｙｍｅｔｈｙｌｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）等の高分子、ＩＴＯ（Ｉｎｄｉｕｍ  Ｔｉｎ  Ｏｘｉｄｅ）で構成されている。誘電体層２０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されていてもよい。具体的には、誘電体層２０は、酸化アルミニウム層上に、酸化シリコン層を設けた積層体であってもよい。この場合、酸化アルミニウム層は、金属層１０と酸化シリコン層との密着層として機能することができる。
【００２４】
誘電体層２０の厚さは、金属層１０と誘電体層２０との界面に励起されるＰＳＰと、金属粒子３０に励起されるＬＳＰとが相互作用できるように設定される。誘電体層２０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１μｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上５００ｎｍ以下、さらに好ましくは、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２５】
１．３．  金属粒子
金属粒子３０は、誘電体層２０上に設けられている。図示の例では、金属粒子３０は、誘電体層２０に接して設けられている。金属粒子３０の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子３０の形状は、例えば、円柱、角柱、球、回転楕円体、不定形、またはそれらを組み合わせた形である。図示の例では、金属粒子３０は、誘電体層２０の厚さ方向（Ｚ軸方向）に中心軸を有する円柱状の形状を有している。
【００２６】
金属粒子３０の厚さは、例えば、１ｎｍ以上１００ｎｍ以下、好ましくは２ｎｍ以上５０ｎｍ以下、より好ましくは１０ｎｍ以上４０ｎｍ以下である。金属粒子３０のＸ軸方向の大きさおよびＹ軸方向の大きさ（図示の例では、円柱底面の直径）は、１０ｎｍ以上２００ｎｍ以下、好ましくは３０ｎｍ以上１８０ｎｍ以下、より好ましくは８０ｎｍ以上１５０ｎｍ以下である。金属粒子３０の大きさは、入射光の波長よりも小さい。
【００２７】
金属粒子３０の材質は、励起光の照射によって、ＬＳＰを励起することができれば特に
限定されないが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそれらの合金である。
【００２８】
金属粒子３０は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。または、金属粒子３０は、コロイド化学的手法によって形成されてもよい。
【００２９】
金属粒子３０は、試料分析素子１００においてＬＳＰを励起させる機能を有している。具体的には、金属粒子３０に励起光を照射することにより、金属粒子３０に（金属粒子３０の周辺に）ＬＳＰを励起させることができる。
【００３０】
金属粒子３０は、複数設けられている。複数の金属粒子３０は、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起可能な周期配列を有している。複数の金属粒子３０は、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起させるために、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていることが好ましい。ただし、金属層１０および誘電体層２０の材質、厚さによってＰＳＰ分散曲線は変化するので、複数の金属粒子３０は、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていなくてもよい場合もある。
【００３１】
複数の金属粒子３０の配置は、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起することができれば、特に限定されない。図示の例では、複数の金属粒子３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にマトリックス状に配列されている。言い換えると、図示の例では、複数の金属粒子３０は、Ｘ軸方向に列を構成し、該列は、Ｙ軸方向に配列されている。
【００３２】
複数の金属粒子３０のＸ軸方向のピッチは、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起することができれば、特に限定されず、１０ｎｍ以上２μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。なお、Ｘ軸方向のピッチとは、Ｘ軸方向における隣り合う金属粒子３０の重心間の距離である。このようにすると、後述するハイブリッドモードによるａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇを起こすことができ、標的物質を高い感度で検出することができる。
【００３３】
複数の金属粒子３０のＹ軸方向のピッチは、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起することができれば、特に限定されず、１０ｎｍ以上２μｍ以下であり、好ましくは２０ｎｍ以上１μｍ以下、より好ましくは４００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。なお、Ｙ軸方向のピッチとは、Ｙ軸方向における隣り合う金属粒子３０の重心間の距離である。複数の金属粒子３０のＸ軸方向のピッチと、複数の金属粒子３０のＹ軸方向のピッチとは、異なっていてもよいが、図示の例では、同じである。
【００３４】
金属粒子３０に励起されるＬＳＰの分布および強度等は、複数の金属粒子３０の配列に依存する。したがって、金属層１０と誘電体層２０とに励起されるＰＳＰと電磁的に相互作用するＬＳＰは、単一の金属粒子３０に励起されるＬＳＰだけでなく、複数の金属粒子３０の配列を考慮したＬＳＰも含むことになる場合がある。
【００３５】
なお、図示はしないが、誘電体層２０と金属粒子３０との間に、誘電体層２０と金属粒子３０との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属粒子３０は、密着層を介して、誘電体層２０上に設けられていてもよい。また、基板２と金属層１０との間に、基板２と金属層１０との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属層１０は、密着層を介して、基板２上に設けられていてもよい。このように、本明細書において、例えば、「部材Ａ上に部材Ｂが設けられている」との表現は、部材
Ａの上に接して部材Ｂが設けられている場合と、部材Ａの上に他の部材を介して部材Ｂが設けられている場合と、を含む意味である。密着層は、例えば、クロム層、チタン層である。
【００３６】
金属粒子３０には、標的物質１が付着（吸着）する。標的物質１は、試料分析素子１００を、標的物質１を含む気体試料に接触させることにより、金属粒子３０に付着する。図示の例では、標的物質１は、金属粒子３０および誘電体層２０に接触している。標的物質１は、試料分析素子１００を用いた分析において、検出の対象となる物質である。標的物質１としては、例えば、ピリジン、酢酸、アセトン、メチルメルカプタン、トルエンが挙げられる。なお、便宜上、図２の例では、標的物質１の図示を省略している。
【００３７】
１．４．  金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、の関係
図３は、金属粒子の配列と、ＬＳＰ（ＬＳＰＲ：Ｌｏｃａｒｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ
Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）および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３において、（ａ）は試料分析素子の平面を模式的に示しており、（ｂ）は試料分析素子の（ａ）のＢ−Ｂ線断面を模式的に示しており、（ｃ）は試料分析素子の（ａ）のＣ−Ｃ線断面図を模式的に示している。
【００３８】
ここで、金属粒子（例えば金属粒子３０）の周辺に発生するＬＳＰには、隣り合う金属粒子間に生じるモード（以下、「ＰＰＧＭ」（Ｐａｒｔｉｃｌｅ−Ｐａｒｔｉｃｌｅ  Ｇａｐ  Ｍｏｄｅ）という。）、および、金属粒子と金属層（ミラーの機能も有する。）との間（例えば金属粒子３０と金属層１０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３参照）。
【００３９】
ＰＰＧＭおよびＰＭＧＭの２種のモードのＬＳＰは、いずれも、試料分析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、金属粒子が接近する（金属粒子間の距離が小さくなる）ほど強度が高くなる。一方、ＰＭＧＭのモードのＬＳＰは、ＰＰＧＭのＬＳＰほど金属粒子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金属粒子と金属層との間（金属粒子の下方）に生成する。そして、ＰＳＰは、これまで説明したとおり、金属層と透光層の界面を伝播するプラズモンであり、金属層に励起光が入射されることにより、金属層と透光層の界面を等方的に伝播する。
【００４０】
図３には、以下の実験例で用いたＨｙｂｒｉｄ構造と、その他の構造（Ｂａｓｉｃ構造）との比較を模式的に示した。試料分析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、および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。
【００４１】
まず、Ｂａｓｉｃ構造は、金属粒子が透光層上に密に配置された構造であり、励起光の照射により、ＰＰＧＭのＬＳＰＲおよび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金属粒子の両端に発生しているが、Ｂａｓｉｃ構造は金属粒子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、金属粒子が密に配置される結果、励起光が金属層に到達しにくいため、ＰＳＰＲはほとんどあるいは全く生じておらず、図示ではＰＳＰＲを表す模式的な波線が省略してある。
【００４２】
Ｈｙｂｒｉｄ構造は、金属粒子が透光層上に、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、金属粒子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、金属粒子が疎に配置される結果、ＰＳＰＲ（図中波線）が発生する。
【００４３】
なお、図３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ＳＰＲが発生する。
【００４４】
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（または積）と関連している。全ＳＰＲの強度に対するＰＳＰＲの寄与度は、各構造において金属粒子の形状および大きさが同じ場合、Ｂａｓｉｃ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およびＰＭＧＭ）の寄与度は、各構造において金属粒子の形状および大きさが同じ場合、金属粒子の密度（ＨＳＤ）の観点から、Ｈｙｂｒｉｄ構造＜Ｂａｓｉｃ構造の順で大きくなる。さらに、ＨＳＤおよび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＜Ｂａｓｉｃ構造の順で大きくなる。
【００４５】
Ｈｙｂｒｉｄ構造は、Ｂａｓｉｃ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、金属粒子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）。
【００４６】
Ｂａｓｉｃ構造は、ＰＰＧＭのＬＳＰＲの強度が最も強く、係るＰＰＧＭのＬＳＰＲの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、ＰＳＰＲの強度は小さいため、ＰＰＧＭのＬＳＰＲとＰＳＰＲとの電磁的な相互作用は発生しない。後述する図６に示すように、金属粒子を密に配置するとＰＳＰＲに起因する吸収領域が発生しない。これは、図６に示すように、Ｘ軸方向ピッチが３００ｎｍのプロットが１つしかないことからわかる。
【００４７】
したがって、Ｈｙｂｒｉｄ構造とＢａｓｉｃ構造は、電場増強のメカニズムが異なっているといえる。
【００４８】
なお、各構造において、金属粒子の大きさ（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。
【００４９】
本実施形態に係る試料分析素子１００では、Ｈｙｂｒｉｄ構造、またはＨｙｂｒｉｄ構造のＹ軸方向の周期を異ならせた構造を有し、図３に示すように、複数の金属粒子３０は、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰを励起可能な周期配列を有している。そして、試料分析素子１００は、ＰＳＰとＬＳＰとが電磁的に結合するように誘電体層２０の厚さを設計することにより、図３に示すように、金属層と誘電体層との界面に励起されるＰＳＰと、金属粒子に励起されるＬＳＰとが電磁的に相合作用することができる。
【００５０】
１．５．  伝播型表面プラズモンの共鳴波長と局在型表面プラズモンの共鳴波長
本実施形態に係る試料分析素子１００では、伝播型表面プラズモン（ＰＳＰ）の共鳴波長と、局在型表面プラズモン（ＬＳＰ）の共鳴波長とは、異なる。後述する実験例に示すように、例えば、試料分析素子の金属粒子の大きさ（平面視における大きさ）を変えるこ
とにより、ＬＳＰの共鳴波長を変化させることができる。したがって、金属粒子３０の平面視における大きさを変えることにより、試料分析素子１００において、ＰＳＰの共鳴波長を、ＬＳＰの共鳴波長よりも長くすることもできるし、ＬＳＰの共鳴波長よりも短くすることもできる。以下、ＰＳＰの共鳴波長およびＬＳＰの共鳴波長について具体的に説明する。
【００５１】
まず、伝播型表面プラズモン（ＰＳＰ）について説明する。通常は、入射光の分散関係（ｎ＝１のライトライン）と、ＰＳＰの分散関係（Ａｕと空気との界面を伝播するＰＳＰの分散関係）とは交点を持たないので、ＰＳＰが発生しない。しかしながら、例えば、格子間隔Ｑを有する回折格子を通過させた入射光（回折光）を用いて励起すると、図４に示すように、ＰＳＰの分散関係（Ａｕと空気との界面を伝播するＰＳＰの分散関係）と、入射光（回折光）の分散関係（ライトライン）とが交点を持ち、交点の波長のＰＳＰが励起される。なお、図４は、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｐｌａｒｉｔｏｎ）の分散関係を模式的に示す図である。ここで、ＳＰＰとは、金属層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のことである。
【００５２】
交点（図４参照）の波長をＰＳＰの共鳴波長と言い、ＰＳＰの共鳴波長λＰＳＰ［ｎｍ］は、下記式（１）で表せる。なお、（１）式は、励起光（入射光）が垂直入射な場合（励起光が誘電体層の上面の垂線に対して平行に入射する場合）を示している。
【００５３】
λＰＳＰ（ｎ＝１）＜λＰＳＰ＜λＰＳＰ（ｎ２）  ・・・  （１）
ここで、
λＰＳＰ（ｎ＝１）＝［１２４０×ＳＱＲＴ｛ε１（λｉｎ）／（ε１（λｉｎ）＋１）｝］／（４π／Ｘｐ×１００）  ・・・  （２）
λＰＳＰ（ｎ２）＝［１２４０×ＳＱＲＴ｛ε１（λｉｎ）×ε２／（ε１（λｉｎ）＋ε２）｝］／（４π／Ｘｐ×１００）  ・・・  （３）
【００５４】
なお、式（２）および式（３）において、Ｘｐ［ｎｍ］は、金属粒子の、励起光の偏光方向におけるピッチ（周期）であり、ε１（ω）は、金属層の誘電率であり、ε２（ε２＝ｎ２２）は、誘電体層の誘電率であり、λｉｎ［ｎｍ］は、励起光の波長である。また、ωは、電場増強素子に入射する励起光の角振動数であり、λｉｎ［ｎｍ］＝１２４０／ω（ｅＶ）の関係がある。
【００５５】
ＰＳＰの共鳴波長は、誘電体層の厚さによって変化する。誘電率ε２の誘電体層の厚さが無限の場合、ＰＳＰ共鳴波長は、λＰＳＰ（ｎ２）になる。誘電体層の厚さが有限の場合、ＰＳＰ共鳴波長は式（１）のように、金属層と空気との界面で発生するＰＳＰの共鳴波長と、金属層と無限厚さの誘電体層との界面で発生するＰＳＰの共鳴波長と、の間の値を取る。
【００５６】
例えば後述する実験例１の場合、金属層はＡｕ層であり、誘電体層はＳｉＯ２層（ｎ２＝１．４６）であり、Ｘｐ＝６００ｎｍであり、波長λｉｎを６３０ｎｍとすると、（１）式より、６２５ｎｍ＜λＰＳＰ＜９８０ｎｍである。ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）計算結果から、λＰＳＰ＝７００ｎｍである。
【００５７】
ここで、図５は、標的物質が試料分析素子に付着すると、ＰＳＰの共鳴波長が変化することを説明するための図である。図５に示すように、誘電体層の屈折率が大きい程、表面プラズモン・ポラリトン（ＳＰＰ）分散曲線が下がり、ある波数ｋでＳＰＰのエネルギーが低くなる。そのため、ＰＳＰの共鳴波長は長くなる。
【００５８】
例えば図１に示すように、ホットサイト（金属粒子３０の下部）に標的物質１が吸着すると、金属層１０に接する誘電体層２０の実行的な屈折率が増加するので、ＳＰＰ分散曲線が下がり、ＰＳＰの共鳴波長が長波長になる。
【００５９】
次に、ＬＳＰの共鳴波長について説明する。一様な周囲の媒質中に置かれた金属球のＬＳＰ共鳴波長（エネルギー）は、金属の誘電率が下記式（４）を満たすエネルギーωである。なお、λ＝１２４０／ωの関係がある。
【００６０】
ε１（ω）＝−２ε０  ・・・  （４）
【００６１】
なお、式（４）において、金属の誘電率をε１（ω）とし、周囲の媒質の誘電率をε０とした。
【００６２】
ＬＳＰの共鳴波長は、金属粒子の誘電率、形状、周囲の誘電率に依存する。なお、本実施形態に係る試料分析素子１００では、誘電体層２０を挟んで、金属層１０と金属粒子３０との相互作用（金属層１０と誘電体層２０との界面に励起するＰＳＰと、金属粒子３０に励起するＬＳＰと、の電磁的な相互作用）があるため、ＬＳＰの共鳴波長は、一概に式（４）で表すことはできない。
【００６３】
そのため、後述する実験例のように、金属粒子の直径（平面視における直径）を変化させて、ＰＳＰの共鳴波長の漸近線と、ＬＳＰの共鳴波長の漸近線と、を求めた。例えば、両漸近線の交点の直径（金属粒子の直径）を避けるように、試料分析素子を設計することにより、ＰＳＰの共鳴波長と、ＬＳＰの共鳴波長とを、異ならせることができる。ＰＳＰの共鳴波長の漸近線と、ＬＳＰの共鳴波長の漸近線とは、金属粒子の直径以外のパラメーターを変化させても求めることができ、両漸近線の交点における値（変化させたパラメーターの値）を避けるように、試料分析素子を設計することにより、ＰＳＰの共鳴波長と、ＬＳＰの共鳴波長とを、異ならせることができる。
【００６４】
本実施形態に係る試料分析素子１００では、伝播型表面プラズモン（ＰＳＰ）と局在型表面プラズモン（ＬＳＰ）を電磁的に結合（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｃｏｕｐｌｉｎｇ）させることにより、電場の極めて大きい増強度を得ることができる。
【００６５】
図６は、ハイブリッドによるａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇを説明するための図であり、金属粒子３０のＸ軸方向ピッチを変化させた場合の共鳴波長を表す。金属層１０はＡｕ層、誘電体層２０はＳｉＯ２層で、厚さ５０ｎｍ、金属粒子３０はＡｕ粒子で、直径は１００ｎｍ、高さは３０ｎｍ、Ｙ軸方向ピッチ＝Ｘ軸方向ピッチとして、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）法で反射スペクトルを計算し、共鳴波長を得た。
【００６６】
この構造におけるＰＳＰの共鳴波長（Ａｕ層とＳｉＯ２層との界面を伝播するＰＳＰの共鳴波長）は式（１）で表せ、図６の破線のようになると予測される。また、ＬＳＰの共鳴波長は、横軸にほぼ平行な直線になる。
【００６７】
図６に示すように、ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長が近づくと、ＬＳＰとＰＳＰとに起因する吸収領域は分裂（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）する。特に、ＬＳＰとＰＳＰとの波長が等しいとき、ハイブリッドモードの効果が最大となる。
【００６８】
本発明に係る試料分析素子では、ハイブリッドモードの効果が最大となる点以外を用いる。つまり、ＬＳＰとＰＳＰの波長が異なっている場合である。
【００６９】
周囲の誘電率は、物質が吸着（付着）することで変化するので、ＬＳＰは、標的物質の吸着前後で共鳴波長が変化する。このように、標的物質の吸着量や濃度に応じて周囲の誘電率が変化するので、試料分析素子１００は、標的物質の吸着量や濃度を測定することができる。
【００７０】
２．  分析方法
次に、本実施形態に係る分析方法について、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態に係る分析方法を説明するためのフローチャートである。図８は、本実施形態に係る分析方法を説明するための図である。図９および図１０は、本実施形態に係る分析方法において取得される反射スペクトルを説明するための図である。
【００７１】
本実施形態に係る分析方法は、本発明に係る試料分析素子を用いた標的物質の分析方法である。以下では、本発明に係る試料分析素子として、試料分析素子１００を用いた例について説明する。なお、図９および図１０は、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも長い試料分析素子１００を用いた例を示している。
【００７２】
まず、標的物質１が試料分析素子１００に付着していない状態で、試料分析素子１００に光を照射して、試料分析素子１００からの反射光を検出し、第１反射スペクトルＲ１を取得する（Ｓ１）。
【００７３】
具体的には、図８に示すように、光源１１０から白色光を射出する。射出された白色光は、レンズ３ａ、ハーフミラー４、レンズ３ｂを介して、試料分析素子１００に至り、試料分析素子１００において反射される。試料分析素子１００において反射された光（反射光）は、レンズ３ｂ、ハーフミラー４、およびレンズ３ｃを介して、光検出器１２０に至り、光検出器１２０は、反射光を検出する。光検出器１２０は、例えば、分光器および受光素子を有し、反射光は、分光器を介して受光素子にて受光される。分光器は、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いる。受光素子としては、例えば、フォトダイオードを用いる。例えば、光源１１０とレンズ３ａとの間に、偏光子（図示せず）を配置してもよい。例えば図８に示すような測定系で、反射率測定を行うことにより、図９および図１０に示す反射スペクトルＲ１，Ｒ２を取得することができる。なお、本発明に係る分析方法の測定系は、図８に示す例に限定されない。
【００７４】
第１反射スペクトルＲ１は、図９に示すように、第１吸収領域Ｐ１、および第１吸収領域Ｐ１よりも長波長側の第２吸収領域Ｐ２を有する。第１吸収領域Ｐ１は、短波長側の吸収領域であり、第２吸収領域Ｐ２は、長波長側の吸収領域である。反射スペクトルにおいて、反射率の落ち込みは、ＳＰＲが起きていることを示す。励起光（入射光）の照射によって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。したがって、吸収領域とは、ＳＰＲの共鳴による光の吸収が起きることによって、反射スペクトルの反射率が落ち込む領域である。吸収領域は、例えば、下に凸のピークである。図９に示すように、反射スペクトルが２つの吸収領域（第１吸収領域Ｐ１および第２吸収領域Ｐ２）を有するのは、金属層１０と誘電体層２０との界面に励起されるＰＳＰと、金属粒子３０に励起されるＬＳＰとが、電磁的に相合作用し、ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇをしているためである。すなわち、第１吸収領域Ｐ１および第２吸収領域Ｐ２は、ＰＳＰとＬＳＰとが電磁的に相互作用することによって生じる吸収である。同様に、後述する第３吸収領域Ｐ３および第４吸収領域Ｐ４は、ＰＳＰとＬＳＰとが電磁的に相互作用することによって生じる吸収である。後述するように、第３吸収領域Ｐ３は、第１吸収領域Ｐ１と同様に短波長側の吸収領域であり、第４吸収領域Ｐ４は、第２吸収領域Ｐ２と同様に長波長側の吸収領域である。したがって、第３吸収領域Ｐ３は、第１吸収領域Ｐ１に対応しているといえ、第４吸収領域Ｐ４は、第２吸収領域Ｐ２に対応しているといえる。図９に示す例では、第１吸収領域Ｐ１は、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域であり、第２吸収領域Ｐ２
は、ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域である。また、図９に示す例では、第２吸収領域Ｐ２の半値幅は、第１吸収領域Ｐ１の半値幅よりも小さい。
【００７５】
ここで、本発明に係る反射スペクトルの吸収領域を、第１吸収領域Ｐ１を用いて説明する。反射スペクトルの吸収領域とは、反射率が極小となる点（極小点Ｔ１）を有し、ＰＳＰとＬＳＰとが電磁的に相互作用することによって、直線Ｌ１よりも落ち込んでいる部分である。直線Ｌ１は、極小点Ｔ１から短波長側に、極小点Ｔ１に最も近い極大点（反射率が極大となる点）Ａと、極小点Ｔ１から長波長側に、極小点Ｔ１に最も近い極大点（反射率が極大となる点）Ｂと、を結ぶ線である。極小点Ｔ１の反射率と、極小点Ｔ１を通る縦軸に平行な直線Ｌ２と直線Ｌ１との交点Ｃの反射率と、の差は、例えば、０．０５以上である。なお、極小点Ｔ１の短波長側に極大点Ａを有さない場合は、直線Ｌ１は、極小点Ｔ１の短波長側の最大点（反射率が最大となる点）Ａ´と、極大点Ｂと、を結ぶ線である。また、極小点Ｔ１の長波長側に極大点Ｂを有さない場合は、直線Ｌ１は、極大点Ａと、極小点Ｔ１の長波長側の最大点（反射率が最大となる点）Ｂ´と、を結ぶ線である。また、極大点Ａ，Ｂを有さない場合は、直線Ｌ１は、最大点Ａ´と最大店Ｂ´とを結ぶ線である。このことは、吸収領域Ｐ２，Ｐ３，Ｐ４についても同様である。
【００７６】
次に、標的物質１が試料分析素子１００に付着している状態で、試料分析素子１００に光を照射して、試料分析素子１００からの反射光を検出し、第２反射スペクトルＲ２を取得する（Ｓ２）。
【００７７】
具体的には、標的物質１を含む気体試料を試料分析素子１００に接触させて、試料分析素子１００の金属粒子３０に標的物質１を付着（吸着）させる。そして、工程（Ｓ１）と同様に、光源１１０から白色光源を射出し、試料分析素子１００において反射された反射光を光検出器１２０において検出する。これにより、図１０に示す第２反射スペクトルＲ２を取得することができる。なお、図１０では、第１反射スペクトルＲ１も図示しており、第１反射スペクトルＲ１を実線で示し、第２反射スペクトルＲ２を破線で示している。
【００７８】
第２反射スペクトルＲ２は、第１吸収領域Ｐ１に対応する第３吸収領域Ｐ３、および第２吸収領域Ｐ２に対応する第４吸収領域Ｐ４を有する。第３吸収領域Ｐ３、および第４吸収領域Ｐ４の少なくとも一方は、第１吸収領域Ｐ１、または第２吸収領域Ｐ２が長波長側にシフトしたものである。図１０に示す例では、第２反射スペクトルＲ２は、第１吸収領域Ｐ１に対応し、第１吸収領域Ｐ１が長波長側にシフトした第３吸収領域Ｐ３、および、第２吸収領域Ｐ２に対応し、第２吸収領域Ｐ２が長波長側にシフトした第４吸収領域Ｐ４を有する。例えば、第３吸収領域Ｐ３は、標的物質１が試料分析素子１００に付着することによって第１吸収領域Ｐ１が長波長側にシフトした吸収領域であり、第４吸収領域Ｐ４は、標的物質１が試料分析素子１００に付着することによって第２吸収領域Ｐ２が長波長側にシフトした吸収領域である。第３吸収領域Ｐ３は、短波長側の吸収領域であり、第４吸収領域Ｐ４は、長波長側の吸収領域である。図１０に示す例では、第３吸収領域Ｐ３は、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域であり、第４吸収領域Ｐ４は、ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域である。また、図１０に示す例では、第４吸収領域Ｐ４の半値幅は、第３吸収領域Ｐ３の半値幅よりも小さい。
【００７９】
なお、第３吸収領域Ｐ３が第１吸収領域Ｐ１よりも長波長側にシフトすれば、第４吸収領域Ｐ４は第２吸収領域Ｐ２に対してシフトしていなくてもよい。すなわち、第２吸収領域Ｐ２の極小点の波長と第４吸収領域Ｐ４の極小点の波長との差とは、ゼロでもよい。また、第４吸収領域Ｐ４が第２吸収領域Ｐ２よりも長波長側にシフトすれば、第３吸収領域Ｐ３は第１吸収領域Ｐ１に対してシフトしていなくてもよい。すなわち、第１吸収領域Ｐ１の極小点の波長と第３吸収領域Ｐ３の極小点の波長との差とは、ゼロでもよい。
【００８０】
次に、第１吸収領域Ｐ１の極小点Ｔ１の波長と第３吸収領域Ｐ３の極小点Ｔ３の波長との差Δλ１と、第２吸収領域Ｐ２の極小点Ｔ２の波長と第４吸収領域Ｐ４の極小点Ｔ４の波長との差Δλ２と、を算出する（Ｓ３）。
【００８１】
次に、工程（Ｓ３）で算出した、差Δλ１，Δλ２のうち大きい方の差を有する吸収領域を用いて、標的物質１を検出する（Ｓ４）。差Δλ１，Δλ２のうち大きい方の差は、例えば１ｎｍ以上であり、好ましくは４ｎｍ以上である。
【００８２】
図１０に示す例では、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも長く、工程（Ｓ４）では、第１吸収領域Ｐ１および第３吸収領域Ｐ３を用いて、標的物質１を検出する。ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも長い試料分析素子１００では、図１０に示すように、差Δλ１の方が差Δλ２よりも大きい。このように標的物質１を検出し、差Δλ１と予め取得された検量線とを照合することで、標的物質の吸着量や濃度を求めることができる。
【００８３】
上記の例では、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも長い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法を説明した。次に、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも短い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法について、説明する。なお、以下では、上記のＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも長い試料分析素子を用いた標的物質の分析方法と異なる点について説明し、同様の点について説明を省略する。
【００８４】
図１１は、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも短い試料分析素子１００において取得される反射スペクトルを説明するための図である。図１１では、第１反射スペクトルＲ１を実線で示し、第２反射スペクトルＲ２を破線で示している。
【００８５】
図１１に示す例では、第１反射スペクトルＲ１の第１吸収領域Ｐ１は、ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域であり、第１反射スペクトルＲ１の第２吸収領域Ｐ２は、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域である。また、図１１に示す例では、第１吸収領域Ｐ１の半値幅は、第２吸収領域Ｐ２の半値幅よりも小さい。
【００８６】
図１１に示す例では、第２反射スペクトルＲ２の第３吸収領域Ｐ３は、ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域であり、第２反射スペクトルＲ２の第４吸収領域Ｐ４は、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域である。また、図１１に示す例では、第３吸収領域Ｐ３の半値幅は、第４吸収領域Ｐ４の半値幅よりも小さい。
【００８７】
図１１に示す例では、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも短く、工程（Ｓ４）では、第２吸収領域Ｐ２および第４吸収領域Ｐ４を用いて、標的物質１を分析する。ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも短い試料分析素子１００では、図１１に示すように、差Δλ２の方が差Δλ１よりも大きい。
【００８８】
本実施形態に係る分析方法は、例えば、以下の特徴を有する。
【００８９】
本実施形態に係る分析方法では、第１吸収領域Ｐ１の極小点Ｔ１の波長と第３吸収領域Ｐ３の極小点Ｔ３の波長との差Δλ１と、第２吸収領域Ｐ２の極小点Ｔ２の波長と第４吸収領域Ｐ４の極小点Ｔ４の波長との差Δ２と、を算出する工程と、算出した差Δλ１，Δλ２のうちの大きい方の差を有する吸収領域を用いて、標的物質１を検出する工程と、を含み、本実施形態に用いられる試料分析素子１００は、金属層１０と誘電体層２０との界面を伝播するＰＳＰと、金属粒子３０に励起されるＬＳＰとは、電磁的に相互作用し、ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とは、異なる。そのため、本実施形態に係る分析方法では、ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における
、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長の差（変化量）Δλ（図１０参照）に比べて、差Δλ１，Δλ２の一方を大きくすることができる。本実施形態に係る分析方法では、第１吸収領域Ｐ１および第２吸収領域Ｐ２の少なくとも一方、および第３吸収領域Ｐ３および第４吸収領域Ｐ４の少なくとも一方は、ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における反射スペクトルの吸収領域よりも、ＬＳＰの寄与度が大きく、Δλ（図１０参照）に比べて、差Δλ１，Δλ２の一方を大きくすることができる。このように、本実施形態に係る分析方法は、標的物質の付着前後での反射スペクトルの吸収領域の極小値の波長変化量を大きくすることができ、大きな波長変化量を有する吸収領域を用いて標的物質１を検出することができるので、標的物質１を高い感度で検出することができる。
【００９０】
例えば、標的物質の濃度が小さいと、標的物質の付着前後で反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長はほとんど変化せず、標的物質を検出することが困難な場合な場合がある。しかしながら、本実施形態に係る分析方法は、上記のように、波長変化量が大きい吸収領域を用いて標的物質１を検出することができるので、濃度が小さい標的物質１でも検出することができる。標的物質１の濃度は、例えば、１ｐｐｂ以上１％以下である。
【００９１】
なお、図１２は、ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが同じ試料分析素子を用いた場合における、標的物質の付着前の反射スペクトルと、標的物質の付着後の反射スペクトルと、を説明するめの図である。図１２では、標的物質の付着前の反射スペクトルを実線で示し、標的物質の付着後の反射スペクトルを破線で示している。
【００９２】
３．  実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
【００９３】
３．１．  実験例１
３．１．１．  モデル
実験例１では、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションで、遠方解（反射スペクトル）を求めた。図１３は、実験例１に用いたモデルＭ１を説明するための図である。図１３に示すように、金属層としてＡｕ層を用い、Ａｕ層上に誘電体層としてＳｉＯ２層を設け、ＳｉＯ２層上に金属粒子として円柱状のＡｕ粒子を設けて、モデルＭ１とした。
【００９４】
モデルＭ１では、Ａｕ層の厚さを１５０ｎｍとした。ＳｉＯ２層の厚さを５０ｎｍとし、ＳｉＯ２層の屈折率を１．４６とした。Ａｕ粒子の平面視における直径（以下、単に「直径」ともいう）を、８０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で変化させ、Ａｕ粒子の厚さを３０ｎｍとした。Ａｕ粒子は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にマトリックス状に設け、Ａｕ粒子のＸ軸方向のピッチおよびＹ軸方向のピッチを６００ｎｍとした。Ａｕの屈折率は、ローレンツドルーデモデルを用いた。入射光はＸ軸方向の直線偏光光とし、ＳｉＯ２層の上面に垂直に光を入射させた。モデルＭ１の周囲の屈折率ｎ０を１とした。
【００９５】
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。反射スペクトルのシミュレーションの条件は、メッシュ最小２ｎｍ、計算時間３２μｍである。
【００９６】
３．１．２．  反射スペクトルの計算
Ａｕ粒子の直径を８０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で変化させて、反射スペクトルを計算した。反射スペクトルには、２つの吸収領域（反射率の落ち込み）が出現した。図１４は、Ａｕ粒子の直径を８０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにお
ける２つの吸収領域の極小点（反射率の極小点）の波長をプロットしたグラフである。
【００９７】
図１４に示すように、それぞれ２本の直線に漸近するようなプロットが得られた。Ａｕ粒子の直径が変化しても波長が一定となる直線は、ＰＳＰの共鳴波長を示している。Ａｕ粒子の直径が変化すると波長も変化する直線は、ＬＳＰの共鳴波長を示している。ＰＳＰの共鳴波長を示す直線ＬＰＳＰとＬＳＰの共鳴波長を示す直線ＬＬＳＰとの交点ＩＰの直径は、短波長側の吸収領域の極小点の波長と長波長側の吸収領域の極小点の波長との差が最も小さいときの直径となる。そのため、図１４では、交点ＩＰの直径が、１０４ｎｍとなるように、プロットに漸近する直線を引いた。ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長が近づくと、ＰＳＰとＬＳＰが結合（ハイブリッド）し、ＰＳＰとＬＳＰに起因する吸収領域は直線ＬＰＳＰと直線ＬＬＳＰから離れるように分裂（ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇ）する。ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが等しいとき（交点ＩＰにおいて）、ハイブリッドモードの効果が最大となり、ａｎｔｉ−ｃｒｏｓｓｉｎｇが最大となる。
【００９８】
ＬＳＰとＰＳＰとが結合していない場合（電磁的に相互作用していない場合）、ＬＳＰの吸収領域（ＬＳＰの吸収に基づく反射スペクトルの落ち込み）はブロードであり（半値幅が大きく）、ＰＳＰの吸収領域（ＰＳＰの吸収に基づく反射スペクトルの落ち込み）はシャープである（半値幅が小さい）。図１４において、直線ＬＬＳＰに漸近する吸収領域（極小点のプロットが漸近する吸収領域）は、ＬＳＰに由来する（ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい）。そのため、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも大きい場合、短波長側に出現する吸収領域がブロードになり、ＰＳＰの共鳴波長がＬＳＰの共鳴波長よりも小さい場合、長波長側に出現する吸収領域がブロードとなる。さらに、直線ＬＬＳＰに漸近する吸収領域（ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域）は、実験例２に示すとおり、標的物質付着前後の吸収領域の極小点の波長の変化量が大きい。本発明に係る分析方法では、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域を用いて、標的物質を検出する。図１４では、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域に相当するプロットを含む領域を斜線で示している。
【００９９】
３．２．  実験例２
３．２．１．  モデル
実験例２では、ＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ  Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ  Ｄｏｍａｉｎ）シミュレーションで、遠方解（反射スペクトル）を求めた。実験例２では、実験例１で用いたモデルＭ１と、図１５および図１６に示すモデルＭ２と、を用いた。
【０１００】
モデルＭ２は、図１５および図１６に示すように、Ａｕ粒子およびＳｉＯ２層に接するように誘電体を設けたこと以外は、モデルＭ１と同じである。モデルＭ２の誘電体は、形状を円柱とし、直径を２０ｎｍとし、高さを１０ｎｍとし、屈折率を１．１とし、周囲の屈折率を１とした。モデルＭ２の誘電体は、標的物質に相当する。実験例２で用いるモデルＭ１における反射スペクトルは、試料分析素子に標的物質が付着する前の状態の反射スペクトルに相当し、実験例２で用いるモデルＭ２における反射スペクトルは、試料分析素子に標的物質が付着した後の状態の反射スペクトルに相当する。実験例２では、金属粒子の直径を、８０ｎｍ、１０４ｎｍ、１３０ｎｍと変化させた。これらのこと以外は、実験例２では、実験例１と同様の条件で、反射スペクトルを計算した。
【０１０１】
なお、図１５および図１６は、モデルＭ２を説明するための図であって、図１５は、モデルＭ２を模式的に示す図１６のＸＶ−ＸＶ線断面図であり、図１６は、モデルＭ２を模式的に示す平面図である。
【０１０２】
３．２．２．  反射スペクトルの計算
図１７は、Ａｕ粒子の直径が８０ｎｍの場合の反射スペクトルである。図１８は、Ａｕ
粒子の直径が１０４ｎｍの場合の反射スペクトルである。図１９は、Ａｕ粒子の直径が１３０ｎｍの場合の反射スペクトルである。図１７〜図１９では、モデルＭ１における反射スペクトル（標的物質が試料分析素子に付着する前の状態の反射スペクトル）を実線で示し、モデルＭ２における反射スペクトル（標的物質が試料分析素子に付着した後の状態の反射スペクトル）を破線で示している。
【０１０３】
図１７〜図１９に示すとおり、Ａｕ粒子の直径が、８０ｎｍ、１３０ｎｍの試料分析素子（ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが異なる試料分析素子）では、Ａｕ粒子の直径が１０４ｎｍの試料分析素子（ＰＳＰの共鳴波長とＬＳＰの共鳴波長とが等しい試料分析素子）に比べて、標的物質の付着前後で大きな波長シフトを得られることがわかった。
【０１０４】
Ａｕ粒子の直径が、８０ｎｍの試料分析素子は、ＰＳＰの共鳴波長は、ＬＳＰの共鳴波長よりも長いので（図１４参照）、短波長側の吸収領域は、ＰＳＰよりもＬＳＰの寄与度が大きく、図１７に示すように、長波長側の吸収領域に比べて、標的物質の付着前後で波長シフトが大きい。したがって、８０ｎｍの試料分析素子では、短波長側の吸収領域を用いて、標的物質を高い感度で検出することができる。
【０１０５】
Ａｕ粒子の直径が、１０４ｎｍの試料分析素子は、図１８に示すように、標的物質の付着前後で波長シフトがほとんどない。
【０１０６】
Ａｕ粒子の直径が、１３０ｎｍの試料分析素子は、ＰＳＰの共鳴波長は、ＬＳＰの共鳴波長よりも短いので（図１４参照）、長波長側の吸収領域は、ＬＳＰよりもＰＳＰの寄与度が大きく、図１９に示すように、短波長側の吸収領域に比べて、標的物質の付着前後で波長シフトが大きい。したがって、長波長側の吸収領域を用いて、標的物質を高い感度で検出することができる。
【０１０７】
図１７および図１９に示すように、直径１３０ｎｍの試料分析素子の方が、直径８０ｎｍｎｍの試料分析素子よりも、反射率の落ち込みが大きく、吸収領域を認識しやすい。
【０１０８】
なお、ＬＳＰの波長の変化は、Ａｕ粒子周辺の誘電率の変化で起きるので、付着する標的物質が微量の場合は、ＬＳＰの寄与度が大きい吸収領域が大きくシフトする（シフト量が大きい）。吸着量が多い場合（試料分析素子周辺の屈折率が高くなる場合）は、ＰＳＰの寄与度が大きい吸収領域もシフトする。
【０１０９】
３．３．  実験例３
３．３．１．  試料分析素子
試料分析素子を作成し、反射率を計測した。基板としてガラス基板を用い、基板上に、密着層としてＣｒ層をスパッタ法により形成し、Ｃｒ層上に金属層としてＡｕ層をスパッタ法により形成した。Ｃｒ層の厚さを５ｎｍ以下とし、Ａｕ層の厚さを１００ｎｍとした。次に、Ａｕ層上に、誘電体層として、Ａｌ２Ｏ３層およびＳｉＯ２層をこの順でスパッタ法により形成した。Ａｌ２Ｏ３層の厚さを５ｎｍ以下とし、ＳｉＯ２層の厚さを５０ｎｍとした。
【０１１０】
次に、ＳｉＯ２層上に、金属粒子としてＡｕ粒子を形成した。具体的には、ＳｉＯ２層上にレジストを塗布し、ＥＢＬ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  Ｂｅａｍ  Ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）により円形のパターン（パターン部）をパターニングした後、真空蒸着法によりＡｕ層を成膜し、レジストおよびパターン部以外のＡｕ層をリフトオフすることによりＡｕ粒子を形成した。Ａｕ粒子は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向にマトリックス状に形成し、Ａｕ粒子のＸ軸方向のピッチおよびＹ軸方向のピッチを６００ｎｍとした。また、Ａｕ粒子の厚さを、３０ｎｍとした。
【０１１１】
本実験例では、直径の異なるＡｕ粒子を複数形成した。具体的には、ＳｉＯ２層上の第１領域に直径１１７ｎｍのＡｕ粒子をマトリックス状に形成し、ＳｉＯ２層上の第２領域に直径１２９ｎｍのＡｕ粒子をマトリックス状に形成した。各領域の平面視における大きさは、１００μｍ×１００μｍである。
【０１１２】
３．３．２．  反射率測定
上記のようにして形成した試料分析素子に、ピリジン飽和気体を十分に曝露させた後、白色光源を照射して反射率を測定した。入射光の偏光方向は、Ｘ軸方向とした。
【０１１３】
図２０は、Ａｕ粒子の直径が１１７ｎｍの領域の反射スペクトルである。図２１は、Ａｕ粒子の直径が１２９ｎｍの領域の反射スペクトルである。
【０１１４】
図２０および図２１に示すように、波長５５０ｎｍ〜８５０ｎｍの範囲に３つの落ち込み（下に凸のピーク）が現れた。３つの落ち込みのうち、中央の落ち込みＤは測定系が原因（具体的には測定系の対物レンズが原因）で発生する落ち込みであるため、注目する落ち込みは、両側の２つの落ち込み（短波長側の吸収領域、長波長側の吸収領域）である。
【０１１５】
図２０に示すＡｕ粒子の直径が１１７ｎｍの領域では、標的物質の吸着前後における短波長側の吸収領域の極小点の波長差は、２．３１ｎｍであり、標的物質の吸着前後における長波長側の吸収領域の極小点の波長差は、０．９６ｎｍであった。Ａｕ粒子の直径が１１７ｎｍの領域では、短波長側の吸収領域を用いて、標的物質を検出する。
【０１１６】
図２１に示すＡｕ粒子の直径が１２９ｎｍの領域では、標的物質の吸着前後における短波長側の吸収領域の極小点の波長差は、４．２８ｎｍであり、標的物質の吸着前後における長波長側の吸収領域の極小点の波長差は、４．６６ｎｍであった。Ａｕ粒子の直径が１２９ｎｍの領域では、長波長側の吸収領域を用いて、標的物質を検出する。
【０１１７】
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。
【０１１８】
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】
【０１１９】
１…標的物質、２…基板、３ａ，３ｂ，３ｃ…レンズ、４…ハーフミラー、１０…金属層、２０…誘電体層、３０…金属粒子、１００…試料分析素子、１１０…光源、１２０…検出器
【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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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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