(57)【要約】  表面増強ラマン分光法（SERS）を利用するデバイス、システム及び方法を開示する。ラマン散乱放射（190）を生成するためのデバイス（199、299、399）は、レーザ源（100、200、300、550）と、SERS活性構造（160）とからなる。レーザ源（100、200、300、550）は、放射表面（150、250）からレーザ放射を放射するように構成され、又はレーザ源（100、200、300、550）に凹部（260、260'）を形成することによって構成され、その凹部は、レーザ源（100、200、300、550）からの強いエバネッセント場の領域（285、285'）を作り出す。SERSシステム（500）及び方法は、ラマン散乱放射（190）を生成するためのデバイス（199、299、399）と、そのラマン散乱放射（190）を受容するように構成されている検出器（510）とを含む。【選択図】  図１
2008516257.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
分子分析デバイス（199、299、399）であって、
レーザ放射（180、180'、180''）を放射するように構成されているレーザ源（100、200、300、550）であって、該レーザ放射が当該レーザ源（100、200）の放射表面（150、250）から放射されるレーザ源（100、200、300、550）と、
前記放射表面（150、250）上に配置されている表面増強ラマン分光法（SERS）活性構造（160）であって、前記レーザ放射（180、180'）が当該SERS活性構造（160）上に配置されている検体（170）を照射すると、ラマン散乱放射（190）を生成するように構成されている表面増強ラマン分光法（SERS）活性構造（160）と
からなる分子分析デバイス。
【請求項２】
前記レーザ源（100、200）が、垂直キャビティ面発光レーザ（100）又は端面発光レーザ（200）からなる請求項１に記載の分子分析デバイス。
【請求項３】
前記レーザ源（200、300）が、当該レーザ源（200、300）内に形成されているとともに、当該レーザ源（200、300）が動作しているときに生成される強いエバネッセント場の領域（285、285'）を露出する凹部（260、260'）を有し、前記SERS活性構造（160）が、前記凹部（260、260'）内に配置され、前記エバネッセント場（280、280'）が該SERS活性構造（160）上に配置されている検体（170）を照射すると、ラマン散乱放射（190）を生成するように構成されている請求項１に記載の分子分析デバイス。
【請求項４】
前記レーザ源（200、300）がファイバレーザ（300）を含む請求項３に記載の分子分析デバイス。
【請求項５】
前記凹部（260'）が、前記ファイバレーザ（300）からクラッド（320）の少なくとも一部を除去することによって形成されている請求項４に記載の分子分析デバイス。
【請求項６】
前記レーザ源（200、300）が端面発光レーザ（200）である請求項３に記載の分子分析デバイス。
【請求項７】
前記凹部（260）が、前記端面発光レーザ（200）の側面（215、225）の少なくとも一部を除去することによって形成されている請求項６に記載の分子分析デバイス。
【請求項８】
前記レーザ源（100、200）が、電気的にポンピングされるか、又は光学的にポンピングされる請求項１又は６に記載の分子分析デバイス。
【請求項９】
表面増強ラマン分光（SERS）システム（500）であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ源（100、200、550）及び、請求項１〜８のいずれか一項に記載のSERS活性構造（160）からなる分子分析デバイス（199、299）と、
前記ラマン散乱放射（190）を受容するように構成され配置されている検出器（510）と
を備えている表面増強ラマン分光（SERS）システム。
【請求項１０】
前記検出器（510）が、前記レーザ放射（180、180'）の周波数を概ね遮断するように構成されているフィルタ（540）をさらに備えている請求項９に記載の表面増強ラマン分光（SERS）システム。
【請求項１１】
表面増強ラマン分光法（SERS）を実施する方法であって、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のレーザ源を設け、
請求項１〜８のいずれか一項に記載のSERS活性構造を設け、
前記SERS活性構造（160）の少なくとも一部にわたって検体（170）を配置し、
前記検体（170）及び前記SERS活性構造（160）に前記レーザ放射（180、180'）を照射し、ラマン散乱放射（190）を生成し、
前記ラマン散乱放射（190）を検出する
ことを含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［発明の分野］
本発明はラマン分光法を利用する化学分析に関する。より詳細には、本発明は、化学分析のための表面増強ラマン分光法（SERS）、及び放射源をSERS分析構造と組み合わせることに関する。
【背景技術】
【０００２】
［発明の背景］
ラマン分光法は、化学分析を実施するための既知の分光技法である。従来のラマン分光法では、レーザのような光源からの高輝度の単色光が、化学的に分析されるべき検体上に照射される。その検体は、単一の分子種又は種々の分子の混合物を含む場合がある。さらに、ラマン分光法を、結晶状態又は非晶質状態の有機分子及び無機分子のような、多数の異なる分子構造において実施することができる。
【０００３】
光の大部分の入射光子は、検体分子によって弾性散乱される。言い換えると、散乱される光子は、検体上に入射した光子と同じ周波数を有し、したがって同じエネルギーを有する。しかしながら、光子のうちのわずかな量（すなわち、107個の光子中の１個）は、入射する光子とは異なる光周波数で検体分子によって非弾性散乱される。非弾性散乱された光子は、「ラマン効果」と呼ばれ、入射する光子の周波数よりも高い周波数で散乱されることがあるが、大部分は通常、入射する光子の周波数よりも低い周波数で散乱される。入射する光子が分子と衝突し、そのエネルギーのうちのある量を放出するとき、ラマン散乱光子（ラマン散乱放射とも呼ばれる）は低いエネルギーで現われる。低エネルギーのラマン散乱光子は、ラマン分光法において、一般的に「ストークス放射」と呼ばれる。分子のうちのわずかの量が既にエネルギーに関して励起された状態にあり、入射する光子がそれらの分子と衝突するとき、ラマン散乱光子は高いエネルギーで現われる。高エネルギーのラマン散乱光子は、ラマン分光法において、一般的に「反ストークス放射」と呼ばれる。ストークスラマン散乱光子及び反ストークスラマン散乱光子は、光電子増倍管のような検出器によって検出され、結果として、それらのラマン散乱光子に対応する（すなわち、エネルギーに比例する）周波数における強度のスペクトルグラフが得られる。非弾性散乱されたラマン光子の周波数を強度に対してプロットすることによって、特定の検体分子に対応する固有のラマンスペクトルが得られる。このラマンスペクトルを利用して、化学種、及び検体の他の物理的特性を特定することができる。従来のラマン分光法はバルク化学分析に適しているが、バルクラマン散乱光子からのあらゆる信号が表面付近のラマン散乱光子からの信号を抑圧するので、表面調査には有効でない。
【０００４】
従来のラマン分光法を利用して表面調査を実施することに伴う欠点に起因して、表面調査を実施するのに有効である、表面増強ラマン分光法（SERS）と呼ばれる別のラマン分光技法が開発されている。SERSでは、分析されるべき分子の単分子膜が、特別に粗くされた金属表面上に吸着される。典型的には、金属表面は、金、銀、銅、リチウム、ナトリウム又はカリウムから形成される。また、SERSは、粗くされた金属表面ではなく、金属表面として金属ナノ粒子又はナノワイヤを使用して利用されることもある。そのような金属表面上に吸着された分子からのラマン散乱光子の強度は、典型的に、従来のラマン分光法よりも約104〜106だけ強く、108〜1014程度の強さにすることができる。完全に理解されているのではないが、表面ラマン信号の選択性は、表面増強機構の存在から結果生じ、主として２つの主な機構、すなわち電磁的増強及び化学的増強に起因しており、そのうちの電磁的増強が支配的な機構であると考えられる。増強された電磁界は、金属表面の表面粗さの造作に大きく依存する。化学的増強は、検体の吸着に起因して金属表面の電子構造が変更されることに依存するものと考えられる。ラマン信号の強度は、１つには増強された電磁界の２乗に比例するので、検体に隣接する金属表面の増強された電磁界が検体に照射されると、増強されたラマン信号が生成される。こうして、SERSを利用して、金属に吸着される材料の単分子膜を調査することができる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従来、生成される光の強度及び狭い波長に起因して、SERSのための光源としてレーザが使用されてきた。しかしながら、レーザ光源を設け、それとは別にSERS分析プラットフォームを設けることは、SERS分析環境が大きくなり、また嵩張る原因となる。したがって、レーザ光源及びSERS分析表面を組み込むデバイスがあれば、はるかに小さくなり、かつ光源上に直に、又は光源付近に検体を堆積できるようになる。さらに、種々のレーザ光源上にSERS分析表面を組み込むことが有益なこともある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
［発明の概要］
本発明は、多数の実施の形態において、ラマン散乱放射を生成するための構造及びデバイスと、表面増強ラマン分光（SERS）システムと、SERSを実行するための方法とを含む。
【０００７】
本発明の一態様では、分子分析デバイスが、レーザ源と、SERS活性構造とを含む。レーザ源を、レーザ源の放射表面からレーザ放射を放射するように構成することができる。SERS活性構造を、レーザ源の放射表面上に配置することができる。
【０００８】
本発明の別の実施の形態では、また、分子分析デバイスは、レーザ源と、SERS活性構造とを備える。この実施の形態では、レーザ源は、その中に形成される凹部を含み、動作中のレーザ源によって生成される強いエバネッセント場の領域にある凹部内に配置されるSERS活性構造が照射される。
【０００９】
本発明の他の実施の形態はSERSシステムである。SERSシステムは、SERS活性構造及び検体を放射表面上に配置することができる分子分析デバイスを備え、又はSERS活性構造及び検体をレーザ源の凹部内に配置することができる分子分析デバイスを備える。いずれの実施の形態でも、SERSシステムは、さらに、ラマン散乱放射を受容するように構成及び配置されている検出器を含む。
【００１０】
本発明の他の実施の形態は、SERSを実施するための方法を含む。１つの方法では、レーザの放射表面上でレーザ放射を放射するように構成されているレーザ源が設けられる。SERS活性構造にレーザ放射が照射されるように、SERS活性構造を放射表面上に配置することができる。分析する検体をSERS活性構造上に配置することができる。さらに、本方法は、検体及びSERS活性構造にレーザ放射を照射し、したがって、ラマン散乱放射を生成すること、並びにそのラマン散乱放射を検出することを含む。
【００１１】
別の実施の形態では、本方法は、レーザ源を設けることを含み、レーザ源はその中に凹部を有する。SERS活性構造にレーザ放射が照射されるように、SERS活性構造を凹部の中に配置することができる。分析する検体をSERS活性構造上に配置することができる。さらに、本方法は、検体及びSERS活性構造にエバネッセント場を照射し、したがって、ラマン散乱放射を生成すること、並びにそのラマン散乱放射を検出することを含む。
【００１２】
また、本発明の他の実施の形態は、SERSを実施するための方法である。これらの方法は、上記のように、SERS活性構造を含む分子分析デバイスを設けることを含む。SERS活性構造上に検体を配置することができる。本方法は、SERS活性構造の少なくとも一部の上に検体を配置し、検体及びSERS活性構造にレーザ放射を照射し、したがって、ラマン散乱放射を生成すること、並びにそのラマン散乱放射を検出することをさらに含む。
【００１３】
本明細書には特許請求の範囲が添付されており、その特許請求の範囲は、本発明と見なされるものを特に指摘するとともに明瞭に特許請求するが、本発明の利点は、添付の図面とともに読むときに、本発明の以下の詳細な説明からさらに容易に確かめることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
［発明の詳細な説明］
本発明は、多数の実施形態において、表面増強ラマン分光（SERS）システムにおいて利用される構造及びデバイスと、SERSシステムと、SERSを実施するための方法とを含む。図に示し、後にさらに詳細に説明するように、本発明の構造及びデバイスは、レーザ源の一部としてSERS活性構造を組み込むように設計されている。いくつかの実施形態では、SERS活性構造をレーザ源の放射表面上に直接配置することができる。他の実施形態では、レーザ源の一部に凹部を形成することができる。凹部は、その凹部において、レーザ源から放射するエバネッセント場を高めるように形成されている。さらに、エバネッセント場がより強い凹部の中に、SERS活性構造を配置することができる。また、本発明のSERSシステムの感度を高めて、単分子の検出を含む、化学種及び分析される試料の他の物理的特性のより正確な、かつより高感度の検出を可能にすることもできる。さらにまた、本発明のSERSシステムは、特定の化学物質を検出するための分析機器として利用することができる。
【００１５】
図１は、分子分析デバイス199として構成されている、ダイオード構造の垂直キャビティ面発光レーザ（VCSEL）100を示す。VCSEL 100は、従来どおり、２つのブラッグ反射器（120及び130）を含む。ブラッグ反射器（ブラッグミラーとも呼ばれる）を、低屈折率及び高屈折率を有する交互層として構成されている種々の材料を利用して、多くの方法により形成することができる。各層は、VCSEL 100によって生成されるべき光の約４分の１波長の厚みで構成されている。結果として形成されるブラッグ反射器は、４分の１波長積層体と呼ばれることもある。一例として、ブラッグ反射器を、GaAs（ガリウムヒ素）及びAlGaAs（アルミニウムガリウムヒ素）の交互層から形成することができる。ブラッグ反射器を形成するための別の適切な材料の組み合わせは、シリコン及び二酸化シリコンからそれぞれ形成されている交互層である。ブラッグ反射器内に実装されている交互対の数が多くなるほど、屈折率が高くなる。
【００１６】
図１において、下側ブラッグ反射器130は、交互に重ねられている第１の層112及び第２の層114から形成されている。約30層によって、99.99％程度の高い反射率を生み出すことができる。その中を通ってレーザビームが出射する上側ブラッグ反射器120は、約20〜30層を含み、結果として、約99.9％の反射率が得られる。上側ブラッグ反射器120と下側ブラッグ反射器130の間には、量子井戸活性領域140が形成されている。活性領域140は、スペーサ層135によって、上側ブラッグ反射器120及び下側ブラッグ反射器130から分離されている。スペーサ層135を、放射を増幅するために、Ｑ係数が非常に高い光学キャビティを形成する厚みで形成することができる。随意的に、上側ブラッグ反射器120上に不透明又は高反射性のアパーチャ層145を形成し、VCSEL 100から出るレーザ放射180に関する所望の寸法及び形状を作り出すことができる。
【００１７】
VCSEL 100は、電気的にポンピングされ、又は光学的にポンピングされる（図示せず）。電気的にポンピングされるVCSEL 100では、活性領域140にInP（インジウムリン）のような材料が利用され、上側ブラッグ反射器120及び下側ブラッグ反射器130は、上側ブラッグ反射器120と下側ブラッグ反射器130の間でダイオードを作り出すのに適した材料でドープされる。たとえば、下側ブラッグ反射器130をドープして、ｎ型材料を作り出し、上側ブラッグ反射器120をドープして、ｐ型材料を作り出すことができる。結果として形成される構造は、従来どおり、P-I-Nダイオードと呼ばれる。この例では、下側ブラッグ反射器130を低電位に接続し、一方、上側ブラッグ反射器120を、それよりも高い電位に接続することができ、それによって、P-I-Nダイオードにバイアスをかけて、ダイオードにレーザ放射180を生成させる。明確にするために、図１では、バイアスをかけるための手段は省かれている。
【００１８】
光学的にポンピングされるVCSEL 100では、上側ブラッグ反射器120又は下側ブラッグ反射器130に作用する外部放射源（図示せず）の一部が、活性領域140にまで達し、Ｑが高い光学キャビティによって増幅され、それによって、レーザ放射180が生成される。
【００１９】
SERS活性構造160を、VCSEL 100の放射表面150上（そして、アパーチャ層145が存在する場合には、できればアパーチャ内）に配置することができる。SERS活性構造160を利用して、ラマン信号の電磁的増強、ラマン信号の化学的増強、又はその両方を達成することができる。本明細書において使用する場合、用語「SERS活性構造」は、ラマン信号の化学的増強、ラマン信号の電磁的増強、又はその両方を生成することができる材料から構成及び形成されている任意の構造を意味する。SERS活性構造160のための例示的な材料には、金、銀、銅、アルミニウム、クロム、リチウム、ナトリウム、カリウム、又はラマン信号の化学的増強、ラマン信号の電磁的増強、もしくはその両方を生成することができる別の適切な材料を含む。SERS活性構造160を後にさらに十分に説明する。
【００２０】
動作時、SERS活性構造160は、SERS活性構造160、及びそのSERS活性構造160上に配置される検体170にレーザ放射180が照射されるときに生成されるラマン散乱放射190を増強する。
【００２１】
図２は、ダイオード構造の端面発光レーザ200を示し、この端面発光レーザは本発明による分子分析デバイス299として機能する。端面発光レーザ200の従来のダイオード構造では、活性層230が、ｎ型層220からｐ型層210を分離する。レーザダイオード構造がｐ型層210とｎ型層220の間で正の電圧でバイアスをかけられると（図示されていない手段による）、活性層230において、電気的にポンピングされた発光ダイオード動作が生じる。端面発光レーザ200は、ｐ型層210及びｎ型層220内に反射器を含み、生成されたレーザ放射180'を閉じ込め、ｐ型層210及びｎ型層220によって分離されている活性層230の光導波特性が高められる。これらの反射器を、分布ブラッグ反射器（上記）及び分布ブラッグ回折格子のような構造とすることができる。また、活性層230は、レーザ放射180'の生成を高めるための１つ又は複数の量子井戸も含む。従来どおり、端面発光レーザ200の端面を劈開して、滑らかで平行な端面を形成することができる。これらの劈開された端面はある程度透過性であり、ある程度反射性である。反射性に起因して、劈開された端面はファブリー−ペロー共振器を形成し、レーザ放射180'を閉じ込め、そのレーザ放射の増幅を助ける。多くの実施形態において、劈開された端面のうちの１つを、さらに高反射材料で被覆して、劈開された相対的に反射性の端面240を形成することができ、それによって、レーザ放射180'のうちのかなりの量が、劈開された反射端面240から放射されることを防ぐことができる。結果として、レーザ放射180'の大部分が、より高い透過性を有する、被覆されていない劈開された相対的に透過性の端面250（放射表面とも呼ばれる）から放射する。
【００２２】
図２に示す端面発光レーザ200は、説明するための基本構成であり、リッジレーザ構造及び埋込ヘテロ構造のような、他のさらに複雑な種類のダイオード端面発光レーザ200も可能である。さらに、VCSEL 100と同様に、端面発光レーザ200は、上側及び下側にブラッグ反射器を利用するファブリー−ペロー共振器を含むが、ダイオード構造を利用することなく構成することができる。このようにして形成された端面発光レーザ200は、横方向表面（215及び225）のうちの一方に入射する光ポンプビーム（図示せず）を利用することができ、そのビームは、ブラッグ反射器の中を通り、活性層230内にレーザ放射180'を生成する。これらのさらに複雑な種類の端面発光レーザ200もまた、本発明の範囲内にあるものと考えられる。
【００２３】
VCSEL 100と同様の、端面発光レーザ200を利用する一実施形態では、端面発光レーザ200（図示せず）の放射表面150（図１に示す）（すなわち、劈開された透過性の端面250）上に、SERS活性構造160を配置することができる。
【００２４】
別の実施形態では、図２に示すように、端面発光レーザ200は、ｐ型層210の側面215又はｎ型層220の側面225のいずれかに形成されている凹部260を含む。図２は、ｐ型層210の側面215の凹部260を示す。しかしながら、その凹部260を、ｎ型層220の側面225に形成することもできる。さらに、簡単にするために、平坦な分析表面265を有する凹部260を示し、垂直な壁部が凹部260の側面を形成している。しかしながら、楕円面又は放物面の一部のような、任意の適切な形状を利用して、側面215に曲面をなす壁部及び平坦な分析表面265が形成されるようにして、又は曲面をなす分析表面265が形成されるようにして凹部260を形成することが有利な場合もある。
【００２５】
端面発光レーザ200のような放射源は、放射源から放射するエバネッセント場280を有する。エバネッセント場280は、一般的に、放射源から放射し、そこから離れるように伝搬するのに応じて指数関数的に減衰する。凹部260を形成することによって、放射源から放射する強いエバネッセント場の領域285内に分析表面265を作り出すことができる。したがって、凹部260によって、分析表面265をレーザ源に近付けることができ、エバネッセント場280をさらに強くすることができる。凹部260の形成及び寸法を利用して、端面発光レーザ200の電気的特性及び反射特性に影響を及ぼすことができ、分析表面265に強いエバネッセント場280をもたらすことができる。
【００２６】
凹部260が作り出された後、その凹部260にSERS活性構造160を配置することができる。SERS活性構造160を利用して、ラマン信号の電磁的増強、又はラマン信号の化学的増強、又はその両方を達成することができる。SERS活性構造160は、エバネッセント場280がSERS活性構造160及びそのSERS活性構造160上に配置されている検体170に照射されるときに生成されるラマン散乱放射190を増強する。SERS活性構造160を後にさらに十分に説明する。
【００２７】
図３は、本発明の一実施形態による分子分析デバイス399として構成されているファイバレーザ300を示す。ファイバレーザ300は、ドープされたコア310を有する光ファイバ素子を含み、コアは、たとえば、エルビウム、ネオジム又は光学利得をもたらす任意の他の元素のような希土類元素をドープされている。ドープされたコア310は、反射性クラッド320に包まれ、ドープされたコア310の中に光放射を誘導し、閉じ込める。ファイバレーザ300のドープされたコア310に形成される光学キャビティは、長い共振空胴を作り出すことができ、ドープされたコア310に誘導されるポンプ放射源330で光学的にポンピングされると、ドープされた光ファイバがレーザ放射180''を生成することができるように光学利得を高めることができる。端面発光レーザ200の場合と同様に、ファイバレーザ300は、放射源から放射し、そこから離れるように伝搬するときに減衰するエバネッセント場280'を含む。選択された範囲においてクラッド320の一部を除去することによって、ファイバレーザ300の中に凹部260'を形成することができる。凹部260'によって、放射源から放射する強いエバネッセント場の領域285'内に分析表面265'が作り出される。凹部260'の寸法及び深さは、分析表面265'に強いエバネッセント場280'をもたらし、かつクラッド320の反射特性に影響を及ぼし、それによって、ファイバレーザ300の光学利得を高めることができる。
【００２８】
簡単にするために、平坦な分析表面265'を有する凹部260'を示し、垂直な壁部が凹部260'の側面を形成している。しかしながら、楕円面又は放物面の一部のような、任意の適切な形状を利用して、クラッド320に曲面をなす壁部及び平坦な分析表面265'が形成されるようにして、又は曲面をなす分析表面265'が形成されるようにして凹部260'を形成することが有利な場合もある。
【００２９】
凹部260'が作り出された後、凹部260'にSERS活性構造160を配置することができる。SERS活性構造160を利用して、ラマン信号の電磁的増強、又はラマン信号の化学的増強、又はその両方を達成することができる。SERS活性構造160は、エバネッセント場280'がSERS活性構造160及びそのSERS活性構造160上に配置されている検体170に照射されるときに生成されるラマン散乱放射190を増強する。
【００３０】
SERS活性構造160を、上記のレーザ実施形態のうちの任意のものにおいて利用することができる。相対的に表面を粗くすることによって、SERS活性構造160上に配置されている検体170が照射されると、SERS活性構造160から放射するラマン散乱放射190の量が増えることがわかっている。結果として、SERS活性構造160は、おそらく表面を粗くされた単一のモノリシック層として形成され、又は１つ又は複数の個別の粒子を含む。
【００３１】
１つの層として、SERS活性構造160を分析表面265上に配置することができる。分析表面265は、凹部260を含む実施形態の場合には凹部260'の中に配置され、凹部260を利用しない実施形態の場合には放射表面150上に配置される。SERS活性構造160を、分析表面265上に化学結合することによって、又は分析表面265上に単に配置し、仮に全体を結合するにしても、弱く結合することによって配置することができる。
【００３２】
１つ又は複数の個別の粒子として、SERS活性構造160は、ナノワイヤ（すなわち、棒状の構造）、ナノドット、ナノ粒子（単一のナノ粒子の利用を含む）、又はコロイド懸濁液内の金属粒子のような、種々の例示的な構造を有する。代表的なナノ構造は、約10 nm未満から約1,000 nm以上までの範囲の寸法を有する。現時点では、離隔して配置されている少なくとも２つの銀ナノ粒子を利用して、検体170の分子がそのナノ粒子間に掛け渡される。ナノ粒子の間隔は、ナノ構造の形状に依存することがあり、約１ナノメートルから約100ナノメートル以上にすることができ、分子にも依存する。SERS活性構造160のための上記のナノ構造は、化学気相成長（CVD）、分子線エピタキシ（MBE）、原子層堆積（ALD）、又は分析表面265上にSERS活性構造160を堆積するための任意の他の適切な技法によって形成される。
【００３３】
本発明の特定の実施形態では、検体とともに受容体を利用することができる。受容体を利用して、特定の検体をSERS活性構造に選択的に結合し、特定の種を選択的に検出することができる。
【００３４】
図４において、１つの例示的なSERSシステム500は、分子分析デバイス（199、299及び399）と、検出器510を含む。分子分析デバイス（199、299、399）を、上記の実施形態のうちのいずれかとすることができる。ラマン散乱放射190（すなわち光子）を、レンズ520又はレンズアセンブリによって集めることができる。本発明のSERSシステム500において利用される光源によって放射される波長を、検体170を適切に分析するのに適した任意の波長とすることができる。たとえば、光源によって放射することができる波長に関する代表的な範囲は、約350 nm〜約1,000 nmである。
【００３５】
SERSシステム500の動作時に、放射源550（たとえば、VCSEL 100、端面発光レーザ200又はファイバレーザ300）はSERS活性構造160及び検体170にレーザを照射し、その中に表面増強効果（すなわち化学的、電磁的、又はその両方）を生み出す。言い換えると、SERS活性構造160及び検体170に作用する放射によるSERS活性構造160及び検体170の照射は、ある程度、SERS活性構造160内に強い電磁界を生成する。その電磁界は検体170に隣接するので、その検体170は、結果として、非常に強い電磁界を照射される。検体170にSERS活性構造160からの増強された電磁界を照射することによって、上記のストークス、反ストークス又はその組み合わせ（ストークス／反ストークス）のラマン散乱光子190（ラマン散乱放射とも呼ばれる）が生成され、それが、分析される特定の検体170の特性を示す。ラマン散乱光子190の強度は、１つには、検体170に照射される電磁界の２乗に比例するので、SERS活性構造160からの増強効果は、ラマン信号の強度を1014ほど高めることができる。
【００３６】
理想的には、ラマン散乱光子190は等方性であり、全ての方向において散乱する。その散乱が等方性であれば、検出器510の位置は特に重要でない。しかしながら、放射源550から放射する放射の波長が、ラマン散乱光子190の波長に近い場合には、図４に示すように、検出器510をレーザ放射180の方向と概ね同じ軸に配置して、検出器510のより最適な位置を利用することができる。検出器510が、モノクロメータ530又はラマン散乱光子190の波長を求めるのに適した別のデバイスと、たとえば、光電子増倍管のような、放射されるラマン散乱光子190の強度を求めるためのデバイスとを含むことが理解されなければならない。１つのフィルタ540又は複数のフィルタ540を、検出器510の構造に収容し、又は別個のユニットとして使用して、光源からの光の波長をフィルタリング（540）し、それによって、ラマン散乱光子190だけが、検出器510によって受容されるようにすることができる。
【００３７】
これまでの説明は数多くの詳細を含むが、本発明の範囲を限定するものと解釈されるべきではなく、単に、特定の例示的な実施形態を提供するものと解釈されるべきである。同様に、本発明の精神又は範囲から逸脱することなく、本発明の他の実施形態を考案することができる。したがって、本発明の範囲は、上記の説明によってではなく、添付の特許請求の範囲及びその法的な均等物によってのみ指示され限定される。特許請求の範囲の意味及び範囲内に入る、本明細書において開示するような本発明の全ての追加、削除及び変更が、本発明によって包含される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】垂直キャビティ面発光レーザを利用する１つの例示的な分子分析デバイスの断面図である。
【図２】端面発光レーザを利用する１つの例示的な分子分析デバイスの断面図である。
【図３】ファイバレーザを利用する１つの例示的な分子分析デバイスの断面図である。
【図４】本発明の一実施形態による分子分析デバイスを含むSERSシステムを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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