(57)【要約】【課題】  励起光（入射光）の増強と放射光（ハイパーラマン散乱光）の増強との双方を利用できるハイパーラマン散乱用光学デバイス、検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。【解決手段】  表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス２０Ａ，２０Ｂは、基板２１と、基板上に形成された金属ナノ構造２２，２４と、を有する。金属ナノ構造は、基板の厚さ方向から見た平面視において、第１方向Ｘに沿った第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子２３，２５Ａと、第１方向と平行または交差する第２方向（ＸまたはＹ）に沿った第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子２３，２５Ｂとを含み、かつ、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たす。【選択図】      図９
2015045530.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金属ナノ構造と、
を有し、
前記金属ナノ構造は、前記基板の厚さ方向から見た平面視において、第１方向に第１長さＬ１を有し、かつ前記第１方向と交差する第２方向に第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子が、前記第１方向と前記第２方向とに沿って配列されて形成され、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たすことを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記複数の金属ナノ粒子の各々は長方形の輪郭形状を有し、
長辺の長さが前記第１長さＬ１であり、
短辺の長さが前記第２長さＬ２であることを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項３】
請求項１において、
前記複数の金属ナノ粒子の各々は楕円の輪郭形状を有し、
長軸の長さが前記第１長さＬ１であり、
短軸の長さが前記第２長さＬ２であることを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記複数の金属ナノ粒子は、Ｌ１／Ｌ２＜１０を満たすことを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項５】
基板と、
前記基板上に形成された金属ナノ構造と、
を有し、
前記金属ナノ構造は、前記基板の厚さ方向から見た平面視において第１長さＬ１及び第２長さＬ２を含む複数種の粒径の金属ナノ粒子が前記基板上にランダム配置されて形成され、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たすことを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項６】
請求項５において、
前記粒径の変動係数ＣＶは、４０％≦ＣＶ≦６０％を満たすことを特徴とする表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス。
【請求項７】
光源と、
請求項１乃至６のいずれか１項記載の表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイスと、
ハイパーラマン散乱光を受光する受光素子と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項８】
基板上に形成された金属ナノ構造に流体試料を接触させ、
前記流体試料に励起光を照射し、
前記基板の厚さ方向から見た平面視において第１方向に沿った第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子により前記励起光を増強させ、
前記第１方向と平行または交差する第２方向に沿った第２長さＬ２（Ｌ１／Ｌ２＞２）を有する複数の金属ナノ粒子により、前記励起光により励起された標的分子から放射されるハイパーラマン散乱光を増強させ、
増強されたハイパーラマン散乱光を受光して、前記標的分子を検出することを特徴とする検出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイス、検出装置及び検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の標的分子を検出する高感度分光技術の１つとして、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）が知られている。また、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属ナノ構造に伝搬型の表面プラズモンが存在する。一方、金属ナノ粒子には局在型の表面プラズモンが存在する。局在型の表面プラズモン、つまり、表面の金属ナノ構造上に局在する表面プラズモンが励起された際には、著しく増強された電場が誘起される。
【０００３】
局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）によって形成される増強電場にラマン散乱光が照射されると、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）現象によって、ラマン散乱光が増強される。ＳＥＲＳとは、金属ナノ構造でラマン散乱光が例えば１０２〜１０１４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を標的分子に照射する。励起光の波長から標的分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれた散乱波長（ラマン散乱光）を分光検出し指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルから標的分子を同定することが可能となる。
【０００４】
非線形光学応答のＳＥＲＳとして表面増強ハイパーラマン散乱（ＳＥＨＲＳ：Surface Enhanced Hyper Raman Scattering）が知られている。ＳＥＨＲＳはＬＳＰＲによってハイパーラマン散乱光が増強される現象である。
【０００５】
非特許文献１によると、ＳＥＲＳの増強効果ＭＳＥＲＳ（λ）とＳＥＨＲＳの増強強度ＭＳＥＨＲＳ（λ）とは、励起光（入射光）の増強と放射光（ラマン散乱光またはハイパーラマン散乱光）の増強とによる２段階の増強因子でそれぞれ説明でき、式（１）（２）で表される。
【０００６】
ＭＳＥＲＳ（λ）
＝｜Ｉｌｏｃ（λＬ）/Ｉｉｎ（λＬ）｜×｜Ｉｌｏｃ（λ）/Ｉｉｎ（λ）｜
＝Ｍ１（λＬ）×Ｍ２（λ）      …式（１）
ＭＳＥＨＲＳ（λ）
＝｜Ｉｌｏｃ（２λＬ）/Ｉｉｎ（２λＬ）｜２×｜Ｉｌｏｃ（λ）/Ｉｉｎ（λ）｜
＝（Ｍ１（２λＬ）２×Ｍ２（λ）…式（２）
ここで、Ｉｌｏｃはプラズモンと結合して増強された光強度、Ｉｉｎは増強が無い時の光強度（Ｗ／ｍ２）、λＬはＳＥＲＳ励起光の波長、２λＬはＳＥＨＲＳ励起光の波長、λは放射光の波長を示す。Ｍ１は励起光の増強（１段階目の増強）、Ｍ２は放射光の増強（２段階目の増強）を示す。
【０００７】
式（１）よりＳＥＲＳでは１段階目の増強は、Ｍ１(λＬ)と１乗であるのに対し、式（２）よりＳＥＨＲＳでは（Ｍ１(λＬ)）２と２乗で効いてくるので、ＳＥＨＲＳではＳＥＲＳに比べてより大きな増強効果が期待できる。非特許文献２には、ＳＥＨＲＳに用いられる金属ナノ構造の材料、励起光の波長２λＬ、放射光の波長λが具体的に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】プラズモンナノ材料の最新技術、山田淳監修、シーエムシー出版、２００９、ｐ１９４〜ｐ２０３
【非特許文献２】T.Itoh, H.Yoshikawa, K.Yoshida, V.Biju, M.Ishikawa, J.Chem.Phys., 133, 124704, (2010)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
上述した通り、ＳＥＲＳではラマン散乱光の波長λは励起光の波長λＬから標的分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれるため、励起光の波長λＬとラマン散乱光の波長λの差は小さく、大きくても１００ｎｍ程度である。図１（Ａ）に示すように、金属ナノ構造のプラズモン励起波長は通常ある程度の帯域幅を持っているため、式（１）のＳＥＲＳでは、一つのピークを持つプラズモン励起波長帯域に励起光の波長λＬとラマン散乱光の波長λを含めることができる。このため、励起光の増強Ｍ１とラマン散乱光の増強Ｍ２は、同一の金属ナノ構造で実現できる。
【００１０】
しかし、図１（Ｂ）に示すように式（２）のＳＥＨＲＳでは励起光の波長２λＬはハイパーラマン散乱光の波長λのほぼ２倍であり、波長２λＬと波長λとの差は少なくとも２００ｎｍは差がある。このため、図１（Ｂ）に示すように金属ナノ構造による一つのピークを持つプラズモン励起波長帯域には、励起光の波長２λＬとハイパーラマン散乱光の波長λとを含めることができない。つまり、ＳＥＲＳと同様の金属ナノ構造では、励起光の増強Ｍ１とハイパーラマン散乱光の増強Ｍ２とを同時に実現できない。
【００１１】
換言すれば、励起光の増強Ｍ１に合わせた金属ナノ構造では、ハイパーラマン散乱光の増強Ｍ２を実現できない。一方、ハイパーラマン散乱光の増強Ｍ２に合わせた金属ナノ構造では、励起光の増強Ｍ１を実現できない。
【００１２】
例えば、非特許文献２では、励起光の波長２λＬ＝１０６４ｎｍ、放射光の波長λ＝約５５０〜６００ｎｍの光に対し、金属ナノ構造には銀ナノ粒子が使用されている。銀ナノ粒子のプラズモン吸収波長は５５０ｎｍ付近〜８００ｎｍ付近となっており、１０６４ｎｍ付近にはプラズモン吸収がほぼない。このため励起光による増強Ｍ１を十分に利用できていないと考えられる。
【００１３】
本発明のいくつかの態様は、励起光（入射光）の増強と放射光（ハイパーラマン散乱光）の増強との双方を利用できるハイパーラマン散乱用光学デバイス、検出装置及び検出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】
【００１４】
（１）本発明の一態様は、
基板と、
前記基板上に形成された金属ナノ構造と、
を有し、
前記金属ナノ構造は、前記基板の厚さ方向から見た平面視において、第１方向に第１長さＬ１を有し、かつ前記第１方向と交差する第２方向に第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子が、前記第１方向と前記第２方向とに沿って配列されて形成され、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たす表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイスに関する。
【００１５】
本発明の一態様によれば、第１方向及び第２方向に沿って配列された複数の金属ナノ粒子の各々が、第１方向に第１長さＬ１を有し、第２方向に第２長さＬ２を有する。第１方向に第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子により励起光を増強させ、第１方向交差する第２方向に沿った第２長さＬ２（Ｌ１／Ｌ２＞２）を有する複数の金属ナノ粒子により、励起光により励起された標的分子から放射されるハイパーラマン散乱光を増強させ、増強されたハイパーラマン散乱光を受光して標的分子を検出することができる。つまり、金属ナノ構造による２つのピークを持つプラズモン励起波長の一方に励起光の波長を合わせ、他方にハイパーラマン散乱光の波長を合わせることができる。こうして、励起光（入射光）の増強と放射光（ハイパーラマン散乱光）の増強との双方に金属ナノ構造を利用できる。また、励起光の波長はハイパーラマン散乱光の波長のほぼ２倍であるが、金属ナノ粒子の寸法比Ｌ１／Ｌ２を２より大きく設定することで、金属ナノ構造によるプラズモン励起波長帯域に、励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長λとを含めることができる。
【００１６】
（２）本発明の一態様では、前記複数の金属ナノ粒子は長方形の輪郭形状を有し、長辺の長さを前記第１長さＬ１とし、短辺の長さを前記第２長さＬ２とすることができる。
【００１７】
（３）本発明の一態様では、前記複数の金属ナノ粒子は長方形に代えて楕円の輪郭形状とすることができる。この場合、楕円の長軸の長さを前記第１長さＬ１とし、楕円の短軸の長さを前記第２長さＬ２とすることができる。
【００１８】
（４）本発明の一態様では、前記複数の金属ナノ粒子は、Ｌ１／Ｌ２＜１０を満たすことができる。
【００１９】
アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が大きいほど、金属ナノ構造による２つのピークを持つプラズモン励起波長帯域の中心波長の差を大きくできる。ただし、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が大きいほど金属ナノ粒子の輪郭形状の製造が困難であるので、アスペクト比の上限は１０未満とした。
【００２０】
（５）本発明の他の態様は、
基板と、
前記基板上に形成された金属ナノ構造と、
を有し、
前記金属ナノ構造は、前記基板の厚さ方向から見た平面視において第１長さＬ１及び第２長さＬ２を含む複数種の粒径の金属ナノ粒子が前記基板上にランダム配置されて形成され、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たす表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイスに関する。
【００２１】
本発明の他の態様では、異なる粒径サイズの金属ナノ粒子をランダム配置させると、第１方向に配列された第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子は、第１方向に沿った直線偏光成分を持つ励起光を増強させる。また、第２方向に沿って配列された第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子は、励起光により励起された標的分子から放射される、第２方向に沿った直線偏光成分を持つハイパーラマン散乱光を増強させることができる。つまり、粒径サイズが異なりランダム配置された金属ナノ構造により広いプラズモン励起波長帯域が確保され、その広いプラズモン励起波長帯域内に励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長とを包含させることができる。本発明の他の態様でも、励起光の波長はハイパーラマン散乱光の波長のほぼ２倍であるが、金属ナノ粒子の寸法比Ｌ１／Ｌ２を２より大きく設定することで、金属ナノ構造によるプラズモン励起波長帯域に、励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長λとを含めることができる。
【００２２】
（６）本発明の他の態様では、前記粒径の変動係数ＣＶは、４０％≦ＣＶ≦６０％を満たすことができる。
【００２３】
粒径の変動係数ＣＶとは、粒径の標準偏差を粒径の平均値で除した値である。粒径のばらつきが小さく粒径の変動係数ＣＶが４０％を下回ると、ＳＥＲＳの金属ナノ構造のように幅の狭い一つのピークを持つプラズモン励起波長帯域となり、そのプラズモン励起波長帯域に励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長とを含めることができない。粒径のばらつきが大きく粒径の変動係数ＣＶが６０％を超えると、プラズモン励起波長帯域は広がり過ぎて吸光度が低下するので、励起光の増強強度とハイパーラマン散乱光の増強強度とが低下してしまう。４０％≦ＣＶ≦６０％であれば、広がりのあるプラズモン励起波長帯域に励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長とを含めることができ、しかも、励起光の増強強度とハイパーラマン散乱光の増強強度との低下を抑制できる。
【００２４】
（７）本発明のさらに他の態様は、
光源と、
（１）〜（６）のいずれか記載の表面増強ハイパーラマン散乱用光学デバイスと、
ハイパーラマン散乱光を受光する受光素子と、
を有することを特徴とする検出装置に関する。
【００２５】
本発明のさらに他の態様によれば、光源からの励起光が光学デバイスにより増強され、その励起光により励起される標的分子から放射されるハイパーラマン散乱光が光学デバイスにより増強されて受光素子にて受光される。よって、極微量の標的分子でも検出することができる。
【００２６】
（８）本発明のさらに他の態様は、
基板上に形成された金属ナノ構造に流体試料を接触させ、
前記流体試料に励起光を照射し、
前記基板の厚さ方向から見た平面視において第１方向に沿った第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子により前記励起光を増強させ、
前記第１方向と平行または交差する第２方向に沿った第２長さＬ２（Ｌ１／Ｌ２＞２）を有する複数の金属ナノ粒子により、前記励起光により励起された標的分子から放射されるハイパーラマン散乱光を増強させ、
増強されたハイパーラマン散乱光を受光して、前記標的分子を検出することを特徴とする検出方法に関する。
【００２７】
本発明のさらに他の態様によれば、本発明の一態様及び他の態様と同様に、金属ナノ粒子の寸法比Ｌ１／Ｌ２を２より大きく設定することで、金属ナノ構造によるプラズモン励起波長帯域に、励起光の波長とハイパーラマン散乱光の波長λとを含めることができる。それにより、励起光の増強とハイパーラマン散乱光の増強とを同時に実現して、極微量の標的分子を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】図１（Ａ）は一つのピークを持つプラズモン励起波長帯域内にＳＥＲＳ励起光の波長及びラマン散乱光の波長を包含することを説明する特性図であり、図１（Ｂ）は一つのピークを持つプラズモン励起波長帯域ではＳＥＨＲＳ励起光の波長及びハイパーラマン散乱光の波長を包含できないことを説明する特性図である。
【図２】図２（Ａ）〜図２（Ｃ）はＳＥＲＳの検出原理を示す図である。
【図３】ＳＥＲＳとＳＥＨＲＳのラマン散乱過程でのエネルギーダイヤグラムである。
【図４】図４（Ａ）〜図４（Ｅ）金属ナノ構造の製造方法の一例を示す図である。
【図５】図５（Ａ）（Ｂ）は本発明の第１実施形態に係る光学デバイスの金属ナノ構造を示す図である。
【図６】図５（Ａ）（Ｂ）に示す光学デバイスのプラズモン共鳴波長特性を示す図である。
【図７】金属ナノ粒子のアスペクト比とプラズモン吸収波長との関係を示す図である。
【図８】金属ナノ粒子の誘電率とプラズモン共鳴波長との関係を示す図である。
【図９】図９（Ａ）（Ｂ）は本発明の第２実施形態に係る光学デバイスの金属ナノ構造を模式的に示す平面図である。
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）は吸光度−吸収波長特性の理想特性、失敗特性、許容特性を示す図である。
【図１１】Ａｇアイランド構造の電子顕微鏡像を示す図である。
【図１２】図１１に示すＡｇアイランド構造の粒径ばらつきを小さく抑制した電子顕微鏡像を示す図である。
【図１３】図１１と図１２に示すＡｇアイランドの粒径ばらつきを説明するための図である。
【図１４】本発明の実施形態に係る検出装置を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本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く、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３０】
１．表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）
非線形光学応答のＳＥＲＳであるＳＥＨＲＳを説明する前に図２（Ａ）〜図２（Ｃ）を用いて、ＳＥＲＳによるラマン散乱光の検出原理を説明する。図２（Ａ）に示すように、金属ナノ構造１１に吸着された流体試料中の標的分子１に光源（図示せず）からの励起光（振動数νｉｎ）が照射される。励起光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数νｉｎ又は波長は励起光に対して変化しない。励起光の一部は、ラマン散乱光として散乱される。標的分子１の振動数をνｖｉｂとすると、ラマン散乱光の振動数（νｉｎ−νｖｉｂ及びνｉｎ＋νｖｉｂ）又は波長には、標的分子１の振動数νｖｉｂ（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検出対象の標的分子１を反映した光である。入射光の一部は、標的分子１を振動させてエネルギーを失うが、標的分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（νｖｉｂ）をラマンシフトと呼ぶ。
【００３１】
図３に、ＳＥＲＳのラマン散乱過程でのエネルギーダイヤグラムが示されている。標的分子１に励起光が照射されると、１個の入射光子が消滅し、消滅した１個の光子のエネルギーの和とは異なるエネルギーの光子がラマン散乱光として放出される。消滅する光子のエネルギー（ｈνｖｉｎ）と生成される光子のエネルギー（ｈνｉｎ±ｈνｖｉｂ）の差が、標的分子１の振動・回転等のエネルギー（ｈνｖｉｂ）に対応している。
【００３２】
図２（Ｂ）は、図２（Ａ）１の金属ナノ構造１１の拡大図である。入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板１０上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部１２Ａを有する。そのために、図４（Ａ）に示すように基板１０上にレジスト１０Ａを形成し、そのレジストに対して例えば遠紫外線（ＤＵＶ）干渉露光を２回行う。それにより、図４（Ｂ）に示すように、２次元状に配置されたレジストドット１０Ｂを基板１０上に形成させる。
【００３３】
次に、図４（Ｃ）に示すように、パターン化されたレジスト１０Ｂにより基板１０をエッチングする。図４（Ｄ）に示すようにレジスト１０Ｂを除去することで、図２（Ｃ）に示すように複数の誘電体凸部１２Ａが二次元的に配置される。複数の凸部１２Ａ上の第２構造として、図４（Ｅ）に示すように例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子１２Ｂが例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、図２（Ａ）（Ｂ）または図４（Ｅ）に示すように、平面視で１〜１０００ｎｍ、例えば１００ｎ〜５０ｎｍのサイズを有する金属ナノ構造１１を形成することができる。
【００３４】
図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子１２Ｂに入射光が入射された領域１４では、隣り合う金属ナノ粒子１２Ｂ間のギャップＧに、増強電場１３が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子１２Ｂに対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子１２Ｂの表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子１２Ｂ内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場１３が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜１０００ｎｍのサイズを有する金属ナノ粒子１２Ｂ等の電気伝導体に特有の現象である。
【００３５】
２．表面増強ハイパーラマン散乱（ＳＥＨＲＳ）
図３に、ＳＥＨＲＳのハイパーラマン散乱過程でのエネルギーダイヤグラムが示されている。標的分子１に励起光が照射されると、２個の入射光子が消滅し、消滅した２個の光子のエネルギーの和とは異なるエネルギーの光子がラマン散乱光として放出される。消滅する光子のエネルギー（２ｈνｉｎ）と生成される光子のエネルギー（２ｈνｉｎ±ｈνｖｉｂ）の差が、標的分子１の振動・回転等のエネルギー（ｈνｖｉｂ）に対応していることから、ＳＥＲＳと同様にして標的分子１を検出できる。
【００３６】
一般に、分子の振動・回転等の振動数であるνvｉｂは２００〜３５００ｃｍ−１程度である。これに対し励起光の振動数νｉｎは１００００〜３００００ｃｍ−１程度である。νvｉｂはνｉｎよりもかなり小さいため、ハイパーラマン散乱光の振動数（２νｉｎ±νvｉｂ）は、入射光の振動数の２倍（２νｉｎ）とほぼ同程度の値とみなすことができる。このため、λ＝c/ν（ｃは光速）の関係式より、ＳＥＨＲＳの励起光の波長２λL（＝c/νｉｎ）は、ハイパーラマン散乱光の波長λ（＝c/２νｉｎ）のほぼ２倍程度となる。
【００３７】
もし、図２（Ｃ）に示すＳＥＲＳ用の金属ナノ構造１１を用いてＳＥＨＲＳ検出を行うとすると、図１（Ｂ）に示すように励起波長２λＬではプラズモン吸収が存在するが、ハイパーラマン散乱光の波長λではプラズモン吸収が存在しなくなる。すなわち、式（２）におけるλ（放射光）による２段階目の増強Ｍ２（λ）が起こらないことがわかる（Ｍ２（λ）＝１））。その場合、式（２）は次の式（３）の通り変形されてしまい、増強度が低下してしまう。
【００３８】
ＭＳＥＨＲＳ（λ）＝（Ｍ１（２λＬ）２×Ｍ２（λ）＝Ｍ１（２λＬ）２×１…（３）
【００３９】
３．第１実施形態
３．１．金属ナノ構造の形状
図５（Ａ）（Ｂ）には、本発明の第１実施形態に係るセンサーチップ（光学デバイス）２０Ａの一例が示されている。図５（Ａ）（Ｂ）では、基板２１上に金属ナノ構造２２を有する。金属ナノ構造２２は、基板２１の厚さ方向から見た平面視である図５（Ａ）において、第１方向Ｘに第１長さＬ１を有し、かつ第１方向Ｘと交差、例えば直交する第２方向Ｙに第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子２３を含み、かつ、Ｌ１／Ｌ２＞２を満たしている。
【００４０】
第１実施形態では、複数の金属ナノ粒子２３の各々は、長辺の長さが第１長さＬ１であり、短辺長さが第２長さＬ２である長方形の輪郭形状を有する。第１長さＬ１及び第２長さＬ２を有する輪郭形状は、長方形以外では楕円（長軸＝Ｌ１、短軸＝Ｌ２）とすることもできる。つまり、複数の金属ナノ粒子２３の各々は、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２＞２を満たす長方形または楕円の輪郭形状を有することができる。この金属ナノ粒子２３は、電子線リソグラフィー法により製造することができる。
【００４１】
金属ナノ粒子２３では長辺（長軸）側と短辺（短軸）側とで異なるプラズモン吸収波長を持つ。短辺（短軸）側は単波長側の表面プラズモン共鳴波長を有し、長辺（長軸）側は短辺（短軸）側よりも長波長側の表面プラズモン共鳴波長を有する。よって、このセンサーチップ２０ＡをＳＥＨＲＳに適用すると、第１方向Ｘに配列された第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子２３は、第１方向Ｘに沿った直線偏光成分を持つ励起光を増強させる。また、第２方向Ｙに沿って配列された第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子２３は、励起光により励起された標的分子から放射される、第２方向Ｙに沿った直線偏光成分を持つハイパーラマン散乱光を増強させることができる。つまり、金属ナノ構造による２つのピークを持つプラズモン励起波長の一方に励起光の波長を合わせ、他方にハイパーラマン散乱光の波長を合わせることができる。
【００４２】
このため、図６に示すように、励起波長２λＬと放射光の波長λの両方でプラズモン吸収が存在し、式（２）の一段階目の増強Ｍ１と二段階目の増強Ｍ２の両方の増強を利用することができる。このときのＳＥＨＲＳ増強度は式（２）の通り、ＭＳＥＨＲＳ（λ）＝（Ｍ１（２λＬ）２×Ｍ２（λ）となる。
【００４３】
例えば、２λＬ＝７８５ｎｍ、λ＝３９３ｎｍ付近にプラズモン吸収を持つ金属ナノロッド２３として、短辺（短軸）側の長さＬ２を２０ｎｍ、間隔Ｄ２を５０ｎｍ、長辺（長軸）側の長さＬ１を６０ｎｍ、間隔Ｄ１を２０ｎｍ程度のＡｇナノロッドが挙げられる。長辺（長軸）と短辺（短軸）の長さ（Ｌ１，Ｌ２）と間隔（Ｄ１，Ｄ２）を調整することで、吸収波長を調整することができる。それにより、様々な励起波長２λＬ及び放射光の波長λに適用することができる。
【００４４】
３．２．金属ナノ粒子のアスペクト比
様々な励起波長２λＬ及び放射光の波長λに適用するためには、金属ナノ粒子２３の第１，第２長さ（Ｌ１，Ｌ２）で決まるアスペクト比（Ｌ１／Ｌ２：長辺（長軸）長さ／短辺（短軸）長さ）の設定と、金属の選定が必要である。
【００４５】
図７は、金属ナノ粒子２３のアスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）とプラズモン吸収波長との関係を示す図である。図７に示す励起光の波長２λＬは、代表的なレーザーの発振波長である。励起光の波長２λＬをプラズモン吸収波長帯域に設定するために、金属ナノ粒子２３の長軸長さＬ１が決定される。ハイパーラマン散乱光の波長λは、励起光の波長２λＬのほぼ１／２となり、その波長λをプラズモン吸収波長帯域に設定するために、金属ナノ粒子２３の短軸長さＬ２が決定され、同時にアスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）が求まる。
【００４６】
図７によると、選定される金属の種類については後述するとして、アスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）は２≦Ｌ１／Ｌ２≦６となっていることが好ましい。ここで、励起光の波長２λＬとハイパーラマン散乱光の波長λとは、図６に示すように金属ナノ粒子２３の長辺（長軸）及び短辺（短軸）長さで定まるプラズモン共鳴波長（吸収波長）のピークに設定するものに限らず、ピークを持つプラズモン吸収波長帯域内であればよく、特にプラズモン吸収波長帯域の半値幅に入っていることが好ましい。従って、アスペクト比（Ｌ１／Ｌ２）の下限は、２．５でなく２を超えればよい。励起光の波長２λＬはハイパーラマン散乱光の波長λのほぼ２倍であるが、金属ナノ粒子２３のアスペクト比Ｌ１／Ｌ２を２より大きく設定することで（Ｌ１／Ｌ２＞２）、金属ナノ構造２２によるプラズモン励起波長帯域に、励起光の波長２λＬとハイパーラマン散乱光の波長λとを含めることができる。
【００４７】
図７から分かるように、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が大きいほど、金属ナノ構造２２による２つのピークを持つプラズモン励起波長帯域の中心波長の差を、例えば下限である２００ｎｍよりも大きくできる。ただし、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２が大きいほど金属ナノ粒子２３の輪郭形状の製造が困難であるので、アスペクト比の上限は１０未満とすることができる。つまり、アスペクト比Ｌ１／Ｌ２は、好ましくは２＜Ｌ１／Ｌ２＜１０を満たすことができる。
【００４８】
３．３．金属ナノ粒子に選定される金属
図８は、励起光により分極が生ずる金属ナノ粒子の誘電率と波長との関係を示している。図８では、図７に挙げられた３種類の金属Ａｌ，Ａｇ，Ａｕについて誘電率がプロットされている。誘電率の値は、David R. Lide,  CRC Handbook of Chemistry And Physics, 86thEdition, (2005)の文献に記載された屈折率と消衰係数の値から求めた。
【００４９】
ここで、プラズモンナノ材料の設計と応用技術（山田淳監修、シーエムシー出版、２００６）の文献に記載された金属ナノ粒子に生ずる分極Ｐの式において、分母が０となると分極Ｐが最大となる。この時に局在プラズモンが励起される。また、局在プラズモンを励起するためには、金属ナノ粒子の誘電率が負の値であることが必要である。このことから、励起光が通過する媒質を空気とすると、金属ナノ粒子の誘電率は−２より小さいことが必要であることが知られている（特開２０１０−２８６３９７）。
【００５０】
図８において、誘電率が−２となる下限波長は、Ａｌでは約１４０ｎｍ、Ａｇでは約３５０ｎｍ、Ａｕでは約５００ｎｍである。すなわち、それぞれの材料で下限波長以上の領域で、局在プラズモンが励起可能となる。図７において、波長λが３５０ｎｍ未満ではＡｌが選定され、波長λが３５０ｎｍ以上ではＡｇが選定され、波長λが５００ｎｍ以上ではＡｕが選定されている理由は、図８に示す通りである。
【００５１】
４．第２実施形態
第１実施形態では、一つの金属ナノ粒子２３が、長辺（長軸）長さＬ１と短辺（短軸）長さＬ２を有するものであったが、本発明は第１実施形態の構造に限定されない。本発明の第２実施形態では、図９（Ａ）（Ｂ）に示すセンサーチップ（光学デバイス）２０Ｂの金属ナノ構造２４は、第１長さＬ１及び第２長さＬ２を含む複数種の粒径の金属ナノ粒子２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，…が基板２１上にランダム配置されて形成されている。ここで、金属ナノ粒子２５Ａの粒径をＬ１とし、金属ナノ粒子２５Ｂの粒径をＬ２とする。
【００５２】
このように、異なる粒径サイズの金属ナノ粒子２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ，…を基板２１にランダム配置させても、第１方向に配列された第１長さＬ１を有する複数の金属ナノ粒子２５Ａは、第１方向Ｘに沿った直線偏光成分を持つ励起光を増強させることができる。また、第１方向Ｘと平行または交差する第２方向（ＸまたはＹ）に沿って配列された第２長さＬ２を有する複数の金属ナノ粒子２５Ｂは、励起光により励起された標的分子から放射される、第２方向（ＸまたはＹ）に沿った直線偏光成分を持つハイパーラマン散乱光を増強させることができる。つまり、粒径サイズが異なりランダム配置された金属ナノ構造２４により広いプラズモン励起波長帯域が確保され、その広いプラズモン励起波長帯域内に励起光の波長２λＬとハイパーラマン散乱光の波長λとを包含させることができる。
【００５３】
４．１．金属ナノ粒子の粒径の変動率
励起光の波長２λＬとハイパーラマン散乱光の波長λとの２波長に対してプラズモン励起波長帯域を持つためには、粒径Ｌ１，Ｌ２を含んだ粒径分布を持つ必要があるが、そのばらつきに好ましい範囲があると考えられる。
【００５４】
粒径のばらつきにより、図１０（Ａ）〜図１０（Ｃ）のように波長−吸光度特性は変化すると考えられる。粒径Ｌ１，Ｌ２の金属ナノ粒子２５Ａ，２５Ｂが半々ずつ分散されると、波長２λＬと波長λとで吸光度にツインピークを有する理想特性となる。粒径Ｌ１，Ｌ２の金属ナノ粒子２５Ａ，２５Ｂの一方、例えば粒径Ｌ１の金属ナノ粒子２５Ａが多く偏在すると、波長２λＬを包含しても波長λを包含しない失敗特性となる。第２実施形態は、図１０（Ａ）か、あるいは図１０（Ｃ）の波長−吸光度特性を、粒径のばらつきを所定範囲に設定することで確保するものである。図１０（Ｃ）は、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）よりも粒径のばらつきを大きく設定した時の波長−吸光度特性を示す。図１０（Ｃ）では、波長２λＬと波長λとを包含する広いプラズモン励起波長帯域を確保しているが、ばらつきが大きいほど吸光度は低くなる傾向にある。
【００５５】
ここで、図１０（Ａ）の理想的な状態を考える。例えば、λ＝３９８ｎｍ、２λＬ＝７８５ｎｍの場合、それぞれの波長に対応するＡｇナノ粒子の大きさが４５ｎｍ、１１０ｎｍ程度であったとする。ここで、Ａｇナノ粒子の粒径とプラズモン吸収波長との関係は、粒径が大きくなるほど吸収波長が長波長シフトする。ここで、粒径のばらつきを評価するための指標として、式（４）〜（６）に示す平均粒径、標準偏差及び変動率の指標を用いる。
【００５６】
【数１】
2015045530.tif 000003
【００５７】
【数２】
2015045530.tif 000004
【００５８】
【数３】
2015045530.tif 000005
【００５９】
ここで、Ｘiはi番目の粒子の直径、ｎは粒子数である。変動係数とは、データのばらつきを示す指標であり、変動係数の値が小さいほどばらつきは少なく、変動係数の値が大きいほどばらつきが大きいことを示す。
【００６０】
１００個のＡｇナノ粒子があるとし、そのうち半分の５０個が粒径４５ｎｍ、残りの５０個が粒径１１０ｎｍだとする。この場合、式（４）〜（６）により、平均粒径＝７７．５ｎｍ、標準偏差＝３２．５、変動係数＝（標準偏差）／（平均粒径）＝４１．９％となる。よって、図１０（Ａ）の波長−吸光度特性を得るためには、金属ナノ粒子の粒径の変動率は４０％以上であることが必要である。
【００６１】
次に、ガラス基板上にＡｇを０．２オングストローム／ｓｅｃで１５ｎｍ蒸着することで作製したＡｇアイランド構造の電子顕微鏡像を図１１に示す。図１１では、Ａｇの蒸着を１５ｎｍ厚となった段階で停止したため、個々のシーズから成長したＡｇアイランドが隣接するＡｇアイランド間で結合されない状態となっている。これにより、粒径の異なるＡｇアイランド（金属ナノ粒子）が基板上にランダム配置される。
【００６２】
図１２は、図１１に示すＡｇアイランド構造の粒径ばらつきを小さく抑制した電子顕微鏡像を示す図である。そのために、図１１に示すＡｇアイランド基板に、さらに例えばＳＡＭ（自己組織化単分子膜）による処理を施した。Ａｇ蒸着後の基板をデシルトリメトキシシラン（ＳＡＭ）の溶液と共に密閉容器に入れ、１２０℃で加熱する処理を行った。この処理によりＡｇナノ粒子径が全体的に大きく均一になり、粒子径のばらつきがやや小さくなっていることがわかる。図１１及び図１２に示す２種類のＡｇアイランド基板のＳＥＭ像から１つ１つの粒子の粒径（ｎｍ）とそのばらつきを見積もると、図１３に示すようになる。
【００６３】
今回作製した図１１のＡｇアイランド構造の変動係数ＣＶは６４．５％、さらにＳＡＭ処理を施した図１２のＡｇアイランド構造の変動係数ＣＶは４５．０％であった。図１２に示すＳＡＭ処理を施した基板のほうが、図１１の基板よりも粒径ばらつきが抑えられていることが分かる。ただし、図１０（Ａ）の理想特性と比べれば、図１１及び図１２の基板での粒径のばらつきは大きいので、図１０（Ｃ）の特性が得られる。
【００６４】
図１０（Ａ）、図１１及び図１２の実施例を踏まえると、粒径のばらつきが適度に大きく（ＣＶが４０％以上）で、必要以上にばらつかないこと（ＣＶが６５％以下）、つまり粒径の変動係数ＣＶが４０％≦ＣＶ≦６５％を満たすと、波長２λＬと波長λとを包含するプラズモン励起波長帯域を確保ことができることが分かる。プラズモン励起波長帯域が広域になるほど吸光度は低下するので、図１１よりもばらつきが少ない方が好ましいことを踏まえると、粒径の変動係数ＣＶが４０％≦ＣＶ≦６０％を満たすことが好ましい。こうすると、波長２λＬと波長λとを包含するプラズモン励起波長帯域を確保しながら、比較的高い吸光度も確保することができる。
【００６５】
５．検出装置の具体的構成
図１４は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図１４に示される検出装置１０００では、センサーチップ２０、光源３０、光学系４０及び検出部５０と、それらを保持する筐体１００が示されている。図１４に示すセンサーチップ２０は、図５（Ａ）に示すセンサーチップ２０Ａまたは図９（Ａ）に示すセンサーチップ２０Ｂのいずれかで形成される。
【００６６】
図１４において、光源３０からの光は、光学系４０を構成するコリメーターレンズ４１０により平行光にされる。センサーチップ２０が図５（Ａ）に示すセンサーチップ２０Ａである時には、光源３０からの励起光は円偏光である。センサーチップ２０が図９（Ａ）に示すセンサーチップ２０Ｂである時には、コリメーターレンズ４１０の下流に偏光制御素子を設け、円偏光を直線偏光に変換しても良い。
【００６７】
コリメーターレンズ４１０により平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）４２０によりセンサーチップ２０の方向に導かれ、対物レンズ４３０で集光され、センサーチップ２０に入射される。センサーチップ２０には、図５（Ａ）に示す金属ナノ構造２２または図９（Ａ）に示す金属ナノ構造２４が形成される。センサーチップ２０から例えば表面増強ハイパーラマン散乱によるレイリー散乱光及びハイパーラマン散乱光が放射される。センサーチップ２０からのレイリー散乱光及びハイパーラマン散乱光は、対物レンズ４３０を通過し、ハーフミラー４２０によって検出部５０の方向に導かれる。
【００６８】
センサーチップ２０からのレイリー散乱光及びハイパーラマン散乱光は、集光レンズ４４０で集光されて、検出部５０に入力される。検出部５０では先ず、光フィルター５１０に到達する。光フィルター５１０（例えばノッチフィルター）によりハイパーラマン散乱光が取り出される。このハイパーラマン散乱光は、さらに分光器５２０を介して受光素子５３０にて受光される。分光器５２０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通過波長帯域を可変とすることができる。分光器５２０を通過する光の波長は、検出される標的分子、汚染分子または標準分子のハイパーラマン散乱光の波長に制御（選択）することができる。受光素子５３０によって、標的分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、標的分子１の信号強度を検出することができる。
【００６９】
光源３０、光学系４０及び検出部５０が収容される筐体１００に対して、支点１１２の廻りに開閉可能のセンサーカバー１１０が設けられている。センサーカバー１１０は、吸引口１２２と排出口１２４の間に、吸引通路１２６Ａ、流体通路１２６Ｂ及び排出通路１２６Ｃを有する。標的分子１を含む流体試料は、吸引口１２２（搬入口）から導入され、排出口１２４から外部に排出される。吸引口１２２側に除塵フィルター１３０を設けることができる。
【００７０】
図１４では、検出装置１０００は、ファンまたはポンプ１４０を排出口１２４付近に有し、ファンまたはポンプ１４０を作動させると、吸引通路１２６Ａ、流体通路１２６Ｂ及び排出通路１２６Ｃ内の圧力（気圧）が低下する。これにより、流体試料が吸引される。流体試料を吸引及び排出する経路１２６Ａ〜１２６Ｃは、外部からの光がセンサーチップ２０に入らないように、且つ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなる構造となっている。
【００７１】
本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。またセンサーチップ２０，２０Ａ，２０Ｂ、検出装置１０００等の構成及び動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００７２】
１  標的分子、１１  金属ナノ構造、１２Ｂ  金属ナノ粒子、２０，２０Ａ，２０Ｂ  光学デバイス（センサーチップ）、２１  基板、２２，２４  金属ナノ構造、２３，２５Ａ，２５Ｂ，２５Ｃ  金属ナノ粒子、３０  光源、５３０  受光素子、Ｌ１  第１長さ（長軸長さ）、Ｌ２  第２長さ（短軸長さ）、Ｘ  第１方向、Ｘ，Ｙ  第２方向
【図１】
2015045530.tif 000006
【図３】
2015045530.tif 000007
【図４】
2015045530.tif 000008
【図５】
2015045530.tif 000009
【図６】
2015045530.tif 000010
【図７】
2015045530.tif 000011
【図８】
2015045530.tif 000012
【図９】
2015045530.tif 000013
【図１３】
2015045530.tif 000014
【図１４】
2015045530.tif 000015
【図２】
2015045530.tif 000016
【図１０】
2015045530.tif 000017
【図１１】
2015045530.tif 000018
【図１２】
2015045530.tif 000019