(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１基板と、
前記第１基板と対向する第２基板と、
を有し、
前記第１基板は、前記第２基板と対向する第１面より突出する導体表面の第１凸部を有し、該第１凸部は前記第１面に沿った第１方向にて周期Ｐ１で配列され、
前記第２基板は、前記第１基板と対向する第２面より突出する導体表面の第２凸部を有し、該第２凸部は前記第１方向にて最大周期Ｐ２で配列され、
前記第１，第２基板間に挟まれる試料に入射する光の波長をλとしたとき、λ＞Ｐ１＞Ｐ２を満たすことを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１凸部と前記第２凸部との間の距離が１００ｎｍ以下で、前記第１，第２基板が対向していることを特徴とする光学デバイス。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記周期Ｐ１は４００〜６００ｎｍであり、前記周期Ｐ２は２０〜１００ｎｍであることを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記第２基板は、前記第１基板と対向する位置と、前記第１基板と非対向な位置とに、前記第１基板に対して相対的に移動可能に支持されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記試料の分子の大きさをＤとしたとき、Ｐ２＜Ｄ＜Ｐ１を満たすことを特徴とする光学デバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれか記載の光学デバイスと、
光源と、
光検出部と、
を有し、
前記光学デバイスの前記第１，第２基板間に前記試料が保持され、
前記光学デバイスは、前記光源からの光が照射されることで前記試料からの出射光を出射し、
前記光検出部は、前記試料に含まれる特定物質からの光を検出することを特徴とする検出装置。
【請求項７】
第１方向にて周期Ｐ１で配列され、第１面より突出する導体表面の第１凸部を有する第１基板の前記第１対向面に試料を保持させる工程と、
前記第１方向にて最大周期Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）で配列され、前記第１基板と対向する第２面より突出する導体表面の第２凸部を有する第２基板を、前記第１面及び前記第２面が対向するように配置する工程と、
前記第１，第２基板間に挟まれる試料に、波長λ（λ＞Ｐ１）を照射し、前記試料からの光を出射させる工程と、
前記試料からの光の中から前記試料に含まれる特定物質からの光を検出する工程と、
を有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、例えばラマン分光検出に用いられる光学デバイス、検出装置及び検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
通常のラマン分光装置は、検出する物質の指紋スペクトルが得られるという特徴はあるが、ラマン信号は微弱で検出感度が低いという課題があり、その使用される用途は限定的であった。しかし、後述するように光の波長の半分より小さな金属ナノ構造に光を照射することで、金属ナノ構造近傍に強い増強電場が形成される局在表面プラズモン共鳴（LSPR: Localized Surface Plasmon Resonance）という現象が知られている。さらに、ラマン散乱光が増強電場によって増強される表面増強ラマン散乱（SERS： Surface Enhanced Raman Scattering）という現象も知られており、これらを使うことで、微量しか存在しない物質と検出し、その物質を指紋スペクトルから特定することが可能になる。この原理を利用して、微量の標的分子を高感度で検出、特定することが可能になる。
【０００３】
特許文献１には、金属ナノ粒子を配置したＳＥＲＳ活性基板に微生物を含む液体試料を滴下し、その後微生物を固定するための固定液（アガロースゲルとグリセロールから成る）を滴下する方法が記載されている。
【０００４】
特許文献２では、エポキシ樹脂による誘電体格子（周期３６０ｎｍ）の上にＳｉＯ２とＴｉＯ２を形成した上、さらにＳｉＯ２の微細な柱を形成して、その上端部に銀ナノ構造を形成するセンサ構造を開示している。この構造では、誘電体格子でGuided−Mode Resonanceによる増強電場を作り、表面部の銀ナノ構造の局在表面プラズモン共鳴を励起してより強い増強電場を作っている。
【０００５】
特許文献３では、透明基板上に金属粒子を不均一に付着させたＳＥＲＳ基板を少なくとも２枚平行に配列し、それぞれのＳＥＲＳ活性基板からラマン散乱光を発生させて、検出感度を増強している（段落００２８及び図９）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１０−２２３６７１号公報
【特許文献２】米国公開特許２０１０／００８５５６６号公報
【特許文献３】ＷＯ２００７／０４９４８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１によれば、ＳＥＲＳ信号を増強する金属ナノ粒子が形成する増強電場に微生物が近接して固定されることが望ましいが、固定液を滴下するだけでは、その状態が実現するかは成り行き次第となってしまう。
【０００８】
特許文献２のセンサ構造では、強い増強電場が形成されるのは、銀ナノ構造の近傍に限定されるため、ウイルスや細菌などの比較的大きな検出対象に対しては、増強電場の及ぶ領域が相対的に小さくなってしまい、適切な検出が行われないという課題があった。この課題は、特許文献３の構造でも同様に有している。
【０００９】
本発明の幾つかの態様は、ウイルスや細菌などの比較的大きな検出対象であっても、確実に検出することができる光学デバイス、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】
【００１０】
（１）本発明の一態様は、
第１基板と、
前記第１基板と対向する第２基板と、
を有し、
前記第１基板は、前記第２基板と対向する第１面より突出する導体表面の第１凸部を有し、該第１凸部は前記第１面に沿った第１方向にて周期Ｐ１で配列され、
前記第２基板は、前記第１基板と対向する第２面より突出する導体表面の第２凸部を有し、該第２凸部は前記第１方向にて最大周期Ｐ２で配列され、
前記第１，第２基板間に挟まれる試料に入射する光の波長をλとしたとき、λ＞Ｐ１＞Ｐ２を満たす光学デバイスに関する。
【００１１】
本発明の一態様では、第１基板の第１面上には伝搬表面プラズモン（PSP： Propagating Surface Plasmon）が励起される。伝搬表面プラズモンは第１面上に沿って伝搬し、第２基板の第２面の第２凸部周囲には局在表面プラズモン（LSP： Localized Surface Plasmon）が励起される。そして、この局在表面プラズモンは、比較的密度が大きいホットサイトである第２凸部の周囲に増強電場を励起する。よって、第２凸部間に入り込む比較的小さい試料分子であっても、あるいは第２凸部間には入り込めなくても第１凸部間には入り込める比較的大きい試料分子であっても、その増強電場と試料分子との相互作用により表面増強ラマン散乱（SERS： Surface Enhanced Raman Scattering）が生じる。このように、増強電場により強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができる。
【００１２】
（２）本発明の一態様では、前記第１凸部と前記第２凸部との間の距離が１００ｎｍ以下で、前記第１，第２基板を対向させることができる。こうすると、電場の染み出し距離の範囲内に試料を位置させることができるので、増強電場により強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができる。
【００１３】
（３）本発明の一態様では、前記第１周期は４００〜６００ｎｍであり、前記第２周期は２０〜１００ｎｍとすることができる。こうすると、入射光の波長として６００ｎｍよりも大きい赤外光を使用でき、しかも増強電場が励起されるホットサイトとしての第２凸部の密度を高く確保できる。
【００１４】
（４）本発明の一態様では、前記第２基板は、前記第１基板と対向する位置と、前記第１基板と非対向な位置とに、前記第１基板に対して相対的に移動可能に支持することができる。こうすると、第１，第２基板を非対向とさせて、第１，第２基板の一方に試料を保持させた後に、第１，第２基板を対向させることができる。
【００１５】
（５）本発明の一態様では、前記試料の分子の大きさをＤとしたとき、Ｐ２＜Ｄ＜Ｐ１を満たすことができる。こうすると、周期Ｐ２よりも大きい試料であっても、最大周期Ｐ１の第１凸部間に位置させることができ、密度の高い第２凸部の周囲の増強電場を利用して検出することができる。
【００１６】
（６）本発明の他の態様は、
上述した光学デバイスと、
光源と、
光検出部と、
を有し、
前記光学デバイスの前記第１，第２基板間に前記試料が保持され、
前記光学デバイスは、前記光源からの光が照射されることで前記試料からの光を出射し、
前記光検出部は、前記試料に含まれる特定物質からの光を検出する検出装置に関する。
【００１７】
本発明の他の態様によれば、上述の通り光学デバイスでは増強電場により強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができるので、試料中の特定物質が発するラマン散乱光を高い検出感度にて光検出部にて検出することができる。
【００１８】
（７）本発明のさらに他の態様は、
第１方向にて周期Ｐ１で配列され、第１面より突出する第１凸部を有する第１基板の前記第１対向面に試料を保持させる工程と、
前記第１方向にて最大周期Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）で配列され、前記第１基板と対向する第２面より突出する第２凸部を有する第２基板を、前記第１面及び前記第２面が対向するように配置する工程と、
前記第１，第２基板間に挟まれる試料に、波長λ（λ＞Ｐ１）を照射し、前記試料を反映した光を出射させる工程と、
前記試料からの光の中から前記試料に含まれる特定物質からの光を検出する工程と、
を有する検出方法に関する。
【００１９】
本発明の他の態様によれば、第１，第２基板に挟まれた試料は増強電場により強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができるので、試料中の特定物質を反映したラマン散乱光を高い検出感度にて検出することができる。しかも、第１基板への試料の設定を第２基板に干渉されずに実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、本発明の第１実施形態に係る光学デバイスを示す図である。
【図２】図２（Ａ）はレイリー散乱光とラマン散乱光の発生を示す図であり、図２（Ｂ）はアセトアルデヒドのラマンスペクトルを示す図であり、図２（Ｃ）及び図２（Ｄ）は第２凸部の近傍に生ずる増強電場を示す図である。
【図３】第２凸部間に入り込む試料に作用する増強電場を示す図である。
【図４】第１，第２基板間に介在させた誘電体の厚さ（第１凸部と第２凸部との間の距離）と局所電場の強さとの関係を示す特性図である。
【図５】検出装置の具体例を示す図である。
【図６】検出装置の制御系ブロック図である。
【図７】図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、スペクトル強度の抽出を説明するための図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｅ）は、光学デバイスを構成する基板の製造方法を示す図である。
【図９】図８（Ａ）に示す光干渉露光を実施する装置を示す図である。
【図１０】図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は図９に示す光干渉露光装置で作成される凸部の露光パターンを示す図である。
【図１１】図１１（Ａ）〜図１１（Ｄ）は、図８（Ａ）〜図８（Ｅ）とは異なる製造方法を示す図である。
【図１２】光学デバイスの変形例を示す図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、第２基板を第１基板に対して相対的に移動可能とした光学デバイスの変形例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
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。
【００２２】
１．光学デバイス
１．１．光学デバイスの構造
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、本実施形態に係る光学デバイス１０を示している。図１（Ａ）に示すように、光学デバイス１０は、第１基板１１と第２基板１２とを有する。第１基板１１は、第１面１１Ａより突出して、第１方向Ｘにて周期Ｐ１で配列された第１凸部１１Ｂを有する。第１基板１１及び第１凸部１１Ｂの表面１１Ｃは金属（導体）である。本実施形態では、基板１１及び第１凸部１１Ｂは誘電体で形成されている。
【００２３】
第２基板１２は、第２面１２Ａより突出して、第１方向Ｘにて最大周期Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）で配列された第２凸部１２Ｂを有する。本実施形態では、第２基板１２は誘電体であり、第２凸部１２Ｂは金属である。
【００２４】
図１（Ｂ）は、第１基板１１上に試料２を保持させた状態を示している。試料２は検出物質を含み、本実施形態では液体試料とする。液体試料２はスポイト等により第１基板１１上に滴下される。
【００２５】
図１（Ｃ）は、検出時の状態での光学デバイス１０を示している。第１基板１１と第２基板１２とは、第１面１１Ａ及び第２面１２Ａとの間に試料２を挟んで対向配置される。特に図１（Ｃ）では、試料２の分子の大きさが比較的大きく、最大周期Ｐ２の第２凸部１２Ｂ間には入り込めないが、周期Ｐ１の第１凸部１１Ｂ間には入り込んでいる。試料の分子の大きさをＤとしたとき、Ｐ２＜Ｄ＜Ｐ１を満たす。
【００２６】
本実施形態では、第１基板１１の表面１１Ｃは金属で光を透過しないので、図１（Ｃ）に示すように、入射光は第２基板１２側から入射される。
【００２７】
１．２．光検出原理
図２（Ａ）〜図２（Ｄ）を用いて、流体試料を反映した光検出原理の一例としてラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図２（Ａ）に示すように、光学デバイス１０に吸着される検出対象の試料（試料分子）２に入射光（振動数ν）が照射される。一般に、入射光の多くは、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ν又は波長は入射光に対して変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、試料分子２の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の試料分子２を反映した光である。入射光の一部は、試料分子１を振動させてエネルギーを失うが、試料分子２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（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。
【００２８】
図２（Ｂ）に、標的分子に固有の指紋スペクトルとして、アセトアルデヒドの例を示す。この指紋スプクトルによって、検出した物質がアセトアルデヒドと特定することが可能である。しかしながら、ラマン散乱光は非常に微弱であり、微量にしか存在しない物質を検出することは困難であった。
【００２９】
図２（Ｄ）は、図１（Ｃ）に示すサイズの大きな試料分子２でなく、サイズの小さな試料分子１が、第２凸部１２Ｂの間に入り込んだ状態を示している。図２（Ｄ）に示すように、入射光が入射された領域では、隣り合う第２凸部１２Ｂ間のギャップに、増強電場１３が形成される。特に、図２（Ｃ）に示すように、入射光の波長λよりも小さな第２凸部１２Ｂに対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、第２凸部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第２凸部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の凸部を有する第２凸部１２Ｂの電気伝導体に特有の現象である。
【００３０】
一方、図３は図１（Ｃ）の拡大図である。サイズの大きな試料分子２は第２凸部１２Ｂ間には入り込めないが、第１凸部１１Ｂ間には入り込むことができる。本実施形態では、局在表面プラズモンと伝搬表面プラズモンとを併用することができる。第１基板１１の第１凸部１１Ｂを有する格子面に光が入射すると、格子の凹凸により表面プラズモンが発生する。入射光の偏光方向を格子の溝方向と直交させておくと、金属格子内の自由電子の振動にともなって電磁波の振動が励起される。この電磁波の振動は自由電子の振動に影響するため、両者の振動が結合した系である表面プラズモンポラリトンが形成される。
【００３１】
この表面プラズモンポラリトンは、第１基板１１表面１１Ｃに沿って伝搬する。具体的には、表面プラズモンポラリトンは、空気と金属格子との界面に沿って伝搬し、金属格子（第１凸部１１Ｂ）の近傍に局在する強い増強電場１４を励起する。表面プラズモンポラリトンの結合は光の波長λに対して敏感であり、周期Ｐ１＜λを満たし、特に好ましくは波長λよりもわずかに小さい周期Ｐ１とすると、その結合効率は高い。
【００３２】
比較的大きなサイズの試料分子２が第１凸部１１Ｂ間に存在すると、そこから表面増強ラマン散乱が発生する。このように、空気伝搬モードである入射光から表面プラズモンポラリトンを介して増強電場１４を励起し、局在の増強電場１３，１４と標的物の相互作用により表面増強ラマン散乱を発現させる。つまり、大きなサイズの試料分子２が第１凸部１１Ｂ間に存在すると、試料分子２によるラマン散乱光は増強電場１３及び増強電場１４の双方で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子２が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００３３】
本実施形態では、入射光として６００ｎｍより大きい赤外波長λ（例えば６３３ｎｍ）を用いることを想定すると、周期Ｐ１は４００〜６００ｎｍとすることができる。また、周期Ｐ２は周期Ｐ１より小さく、ホットサイトの密度を高めることから、２０〜１００ｎｍとすることができる。また、周期Ｐ２は規則的でなくてもよく、最大周期Ｐ２として第２凸部１２Ｂをランダム配置しても良い。さらに、上記実施形態は第１方向Ｘについて一次元の周期で凸部１１Ｂ，１２Ｂを形成したが、第２方向Ｙにも同様に周期Ｐ１，Ｐ２で配列される凸部１１Ｂ，１２Ｂを形成してもよい。こうすると、入射光の偏光依存がなくなり、円偏光の光を用いることができる。
【００３４】
１．３．第１，第２基板の関係
図４は、第１凸部１１Ｂと第２凸部１２Ｂとの間に誘電体（ＳｉＯ２層）を介在させ、誘電体の厚さを変えて局所電場の強さを測定した特性図である。ここで誘電体の厚さとは、第１凸部１１Ｂと第２凸部１２Ｂとの間の距離に相当する。
【００３５】
図４に示すように、電場増強度は誘電体の厚さに大きく依存する。図４は、検出対象物質のスペクトルの中でラマンシフト波数７３０ｃｍ−１の信号ピークの強度と誘電体の厚さの関係を示している。これより、誘電体の厚さが４０ｎｍの付近で、電場増強度が最大となることがわかる。誘電体膜の厚さは、つまり第１凸部１１Ｂと第２凸部１２Ｂとの間の距離は、１００ｎｍ以下、好ましくは２０〜６０ｎｍとすることで、局所電場の強さを一定値以上に確保することができる。なお、図４の結果は、第１基板１１は第１凸部１１Ｂがなく金属膜にして測定したものである。平第１凸部１１Ｂを形成すると誘電体の厚さを違えると第１凸部１１Ｂの凹凸比も変わってしまうため、誘電体の厚さによる効果だけを知ることが難しいからである。
【００３６】
１．４．試料
検出対象物質を含む試料２は、第１，第２基板１１，１２間に挟み込むことが可能な有機分子、ウイルスなど大きさが約１００ｎｍ以下程度の物質であり、状態としては気体、適切な溶媒に含まれた液体が適している。
【００３７】
検出目的として、セキュリティ分野では空港・港湾・交通機関などで行われる麻薬や爆発物の探知、可燃性危険物の探知をする等を挙げることができる。医療・健康の分野ではインフルエンザに代表される感染病の原因である各種ウイルスを検出するもの、口腔ガスに含まれる硫化水素、メチルメルカプタン、ジメチルスルフィドを検出し歯周病かを判定するもの、呼気ガスに含まれる一酸化窒素（ＮＯ）を検出することで喘息の検査をするもの、呼気ガスに含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）を検出することでがんのスクリーニング検査をするもの、呼気ガスに含まれるアセトンを検出することで脂肪燃焼モニターをするもの、呼気に含まれるイソプレンを検出することでコレステロールモニターをするもの、室内の空気に含まれる揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、ベンゼン、トルエン、キシレン、エチルベンゼン、スチレン、ホルムアルデヒドなどを検査するもの等を挙げることができる。
【００３８】
検出対象となるウイルスの例として、インフルエンザウイルスのみならず以下のウイルスも対象となる。国際ウイルス分類委員会の分類体系では、下記のような分類となっているが、いずれのウイルスも対象となる。
【００３９】
第１群（Ｇｒｏｕｐ  Ｉ）  ２本鎖ＤＮＡ
第２群（Ｇｒｏｕｐ  ＩＩ）  １本鎖ＤＮＡ
第３群（Ｇｒｏｕｐ  ＩＩＩ）  ２本鎖ＲＮＡ
第４群（Ｇｒｏｕｐ  ＩＶ）  １本鎖ＲＮＡ＋鎖（ｍＲＮＡとして作用）
第５群（Ｇｒｏｕｐ  Ｖ）  １本鎖ＲＮＡ−鎖
第６群（Ｇｒｏｕｐ  ＶＩ）  １本鎖ＲＮＡ＋鎖逆転写
第７群（Ｇｒｏｕｐ  ＶＩＩ）  ２本鎖ＤＮＡ逆転写
代表的ウイルスとしては、レスピロウイルス、ルブラウイルス、オルソミクソウイルス、アデノウイルス、ライノウイルス、パピローマウイルス、ポリオーマウイルス、パルボウイルス、アルファウイルス、フラビウイルス、ヘパシウイルス、ヘパトウイルス、エボラウイルス、アレナウイルス、レトロウイルス、などである。いずれもこれらの大きさは数１０〜１００ｎｍ程度である。
【００４０】
２．検出装置の具体的な構成
図５は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図５に示される検出装置１００は、図１（Ｃ）に示す光学デバイス１０を着脱自在に配置している。検出装置１００の筐体１０１の端部にはヒンジ１０２を介してカバー１０３が回動自在に支持されている。カバー１０３の内側には押圧部材例えば板ばね１０４が配置されている。よって、カバー１０３を開放して図１（Ｃ）に示す光学デバイス１０を配置し、カバー１０３を閉じて係止すると、板ばね１０４により光学デバイス１０は図１（Ｃ）の状態が維持される。図５では、図１（Ｃ）に示す光学デバイス１０が上下反転されて配置され、第２基板１２側から光が入射されるようになっている。
【００４１】
検出装置１００は、筐体１０１内に、光学系３０と、光源５０と、光検出部６０と、処理部７０と、電力供給部８０と、を有している。
【００４２】
例えば単一波長で直線偏光の光源５０は、例えばレーザー光源であり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定されない。
【００４３】
光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０の下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源５０として上述のように面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【００４４】
コリメーターレンズ３１０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）３２０により光学デバイス１０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、光学デバイス１０に入射する。光学デバイス１０には、図６（Ｂ）及び図６（Ｃ）に示す金属ナノ粒子２２０が形成される。光学デバイス１０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。光学デバイス１０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。
【００４５】
光学デバイス１０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３４０で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０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６２０を通過する光の波長は、制御部７０により制御（選択）することができる。受光素子６３０によって、試料分子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、試料分子１を特定することができる。
【００４６】
図６は、図５の検出装置１００の制御系ブロック図である。図６に示されるように、検出装置１００は、例えばインターフェイス１２０、表示部１３０及び操作部１４０等をさらに含むことができる。また、処理部７０は、図６に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３等を有することができる。さらに、検出装置１００では、光源駆動回路５２、分光器駆動回路６２２、受光回路６３２、検出回路１５２及び電力供給部８０等を処理部７０に接続している。処理部７０は、図５に示される各部へ命令を送ることができる。さらに、処理部７０は、図５及び図６に示す検出器１５０にて光学デバイス１０の有無とＩＤとが検出回路１５１を介して検出されると、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、処理部７０は、標的物である試料分子１，２を特定することができる。なお、処理部７０は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等をインターフェイス１２０及び端子１２１を介して接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【００４７】
電力供給部１５０として、一次電池、二次電池などが利用できる。一次電池の場合には、ＣＰＵ７０がＲＯＭ７３に格納されている規定の電圧以下になったことを判断して、電池交換を表示部１３０に表示をする。二次電池の場合には、規定の電圧以下であれば、ＣＰＵ７０は表示部１３０に充電の表示をする。操作者は、その表示を見て、端子８１に充電器を接続して、規定の電圧になるまで充電をすることで繰返し使用することができる。
【００４８】
図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図７（Ａ）は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図７（Ａ）の例では、第１のピーク（８８３ｃｍ−１）と第２のピーク（１４５３ｃｍ−１）が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ（第１のピークのラマンシフト及び光強度、第２のピークのラマンシフト及び光強度等）と照合することで、流体試料中の検出対象物質を特定することができる。
【００４９】
図７（Ｂ）は、分光素子６２０で受光素子６３０が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。分光素子６２０が１０ｃｍ−１程度で解像度が細かい場合には、第２のピークのラマンシフト（黒丸）を正確に特定し易くなる。
【００５０】
３．光学デバイスの製造方法
図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に、光学デバイス１０の製造方法の一例を示す。基板２００が石英基板である例を示すが、他の材質の基板２００でも同様に上述した第１構造を形成することが可能であり、石英に限定されるものではない。図８（Ａ）に示すように、清浄な石英基板２００に対して、レジスト２００Ａをスピンコートなどの装置で塗布し乾燥させる。
【００５１】
図８（Ｂ）に示すようにレジスト２００Ａに所望のパターン２００Ｂを形成するために、レーザー干渉露光する。本実施形態では、凸部２１０の寸法は、照射する光の波長（ここでは可視光から近赤外光の領域）より小さい寸法であるから、露光装置としては、電子ビーム露光法や紫外レーザーを使った光干渉露光法などが使用することができる。電子ビーム露光法は、露光の自由度が高い反面、量産性には限界がある。そこで、量産性に優れている紫外レーザーを使った光干渉露光法を採用した。例えば、干渉露光の光源として連続発振のＹＶＯ４レーザー（波長２６６ｎｍ、最大出力２００ｍＷ）を用いることができる。ポジ型レジストを使用し、レジスト膜厚は１μｍとした。レジストの露光パターンは、一方のパターンを格子状とし、他方のパターンも格子状として、両者の交差する角度によって色々なパターンが形成することができ、レーザーの波長の半分の大きさまで小さくすることが可能である。両者の干渉縞の潜像をレジスト中に形成し、レジストを現像して図８（Ｂ）に示す所望のパターン２００Ｂを形成する。
【００５２】
その後、図８（Ｃ）に示すように、レジストパターン２００Ｂで保護されていない部分をエッチングして、基板２００に凹部を設ける。さらに、図８（Ｄ）に示すように、基板上に残ったレジストパターンを除去する。それにより、基板２００上に凸部２１０が残る。
【００５３】
第１構造である凸部２１０を形成した後、スパッタ装置や蒸着装置などで金属膜（導体膜）２０１を形成する。最初は全体に薄く金属膜２０１が形成されるが、段々と凹凸の凸付近に多く金属が付着するようになり、結果として図８（Ｅ）に示す金属ナノ粒子２２０の形状になる。金属ナノ粒子２２０のギャップＧは、金属膜２０１の膜厚によって制御することができる。このギャップＧの大小が金属ナノ粒子２２０を保持する構造となっているので、重要なパラメータである。この金属としては、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）もしくはこれらの合金或いは複合体が用いられる。
【００５４】
図８（Ａ）〜図８（Ｅ）によれば、第２基板１２上の第２凸部１２Ｂを好適に形成できるが、第１基板１１上に第１凸部１１Ｂを形成する場合にも適用できる。
【００５５】
図９には、紫外レーザーを利用した光干渉露光法の概略構成図が示してある。光源１６０としては、連続発振（CW）できる波長２６６ｎｍ、出力２００ｍＷの紫外レーザーを用いた。レーザー光源１６０から出たレーザー光は、シャッター１６１を経由してミラー１６２で折り返し、ハーフミラー１６３で両側に分岐する。夫々についてミラー１６４Ａ，１６４Ｂで折り返し、対物レンズ１６５Ａ，１６５Ｂとピンホール１６６Ａ，１６６Ｂを経由させ、ビームを広げる。広がった紫外レーザーをマスク１６７Ａ，１６７Ｂに照射させ干渉縞を作り、レジストを塗布した基板２００に照射させる。この時、干渉縞の露光構成によって色々なパターンの露光が可能になる。このパターンは、ＣＣＤカメラ１６９で撮像することで、モニター１６９Ａにてモニタリングすることができる。
【００５６】
図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、光干渉露光法で作成できる露光パターンの代表的な例を示している。図１０（Ａ）は図１に示す一次元配列の第２凸部１２Ｂを示している。図１０（Ｂ）は、第２凸部１２ＢをＸ，Ｙ方向に二次元配列とする例である。
【００５７】
図１１（Ａ）〜図１１（Ｃ）には、図９で説明した光干渉露光法とは別の製造方法を示す。図１１（Ａ）に示す先ず清浄な表面の石英や硼珪酸ガラスなどの基板２００に、蒸着法やスパッタリング法で、図１１（Ｂ）に示す金属の薄い導体膜２０１を形成する。この導体膜２０１は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、アルミニウム（Ａｌ）、銅（Ｃｕ）などが選ばれる。導体膜２２０は、できるだけ均一で平坦な膜が望ましい。次に蒸着機で金属アイランド２２１を形成する。金属アイランド２２１を形成するには、基板２００上の導体膜２２０に到達した金属原子が表面拡散をして落ち着いていくので、あまり表面拡散長が大きいとアイランドにはならず、アイランド同士が繋がった膜状になってしまう。表面拡散長は、基板２００の温度と、基板２００と蒸着する金属の濡れ性に影響を受ける。基板２００の温度が低いほど表面拡散長は小さくなる。具体的には、Ａｇ圧力はおよそ１０−３（Ｐａ）、成膜レートは約０．０２ｎｍ／秒、基板２００は加熱なしの条件で形成したアイランド構造の例を、図１１（Ｄ）に電子顕微鏡の写真として示す。１つのアイランドはおよそ１０〜５０ｎｍくらいの大きさで、ランダムに形成されている。これらの金属アイランド２２１にレーザー光を照射すると、光の波長よりアイランド２２１の大きさが小さいため、光の電場によって自由電子が共鳴した状態になり強い双極子モーメントを持ち、結果として強い増強電場が形成されることになる。金属アイランド２２１を形成する金属の種類は、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｃｕ（銅）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（白金）、Ｒｈ（ロジウム）、Ｒｕ（ルテニウム）、Ｔａ（タンタル）、Ｔｉ（チタン）、Ｗ（タングステン）、Ｍｏ（モリブデン）のいずれか、或いは複合的構成でも良く、標的分子に応じて選択することができる。
【００５８】
４．その他の変形例
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、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。
【００５９】
図１２は、光学デバイスの変形例を示している。第１基板１１には、例えば図８（Ａ）〜図８（Ｅ）に示す製法により、図１（Ｃ）の第１凸部１１Ｂとはデューティーが異なる第１凸部１５が形成されている。第２基板１２は、中心ほど第１基板１１側に突出した凸状の湾曲面１６を有し、湾曲面１６上に第２凸部１２Ｂが形成されている。
【００６０】
第１基板１１と第２基板１２を重ね合わせる際に、これらの基板に反りなどがあると、両者は平行に重ね合わさらず、間隔が区々となる。それを回避するために、予め片方の例えば第２基板１２を凸状の湾曲面１６に加工しておき、その上に第２凸部１２Ｂを形成する。それによって、第１基板１１と第２基板１２とは、ほぼ中央部で所与の間隔で重ね合わさることが可能になる。基板の凸状の加工寸法は、基板の反りに応じて決めればよく、１０〜１００μｍ程度に中央部が凸状になっていれば良い。但し、湾曲面１６の上に微細な構造を形成するので、湾曲面１６の表面状態は微細構造よりも滑らかにする必要がある。加工方法の一例としては、凹状工具と研磨塗粒を用いたラッピング研磨によって加工した後、表面を滑らかにするためにポリシング加工を施して、湾曲面１６を形成することができる。
【００６１】
図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、第２基板１２を、第１基板１１と対向する位置と、第１基板１１と非対向な位置とに、第１基板１１に対して相対的に移動可能に支持する構造を備えた光学デバイス１０を示している。
【００６２】
図１３（Ａ）は、試料２を導入する前の初期の状態を示す。基台２４０の中央部には第１基板１１が置かれ、その周辺に試料吸収部２３１が配置され、間隙を持ってカバー２３２が固定されている。基台２３０とカバー２３２との間には第２基板１２が移動可能な状態で収容される。その第２基板１２を移動させるためのレバー２３３が設けられている。カバー２３２の中央部には、試料２を導入するための開口部２３４が備わっている。図示はしていないが、この開口部２３４には、内部に浮遊物などが入らないように保護シートが設けられ、使用する前にその保護シートを除去して使用することができる。基台２３０は、光学的に透明な材料で構成されており、必要に応じて反射防止処理などが施されている。
【００６３】
図１３（Ｂ）は、試料２を導入する様子を示す。液体中に検出すべき標的物質を含んだ試料２を、開口２３４を介して適量だけを滴下する。このとき、第２基板１２は第１基板１１と非対向の位置にあるので、第２基板１２が滴下経路と干渉することがない。滴下された試料２は第１基板１１上に広がる。第１基板１１上より溢れた試料２は、試料吸収部２３１にて吸収される。
【００６４】
図１３（Ｃ）は、試料２が第基板１１に保持された状態を示す。レバー２３３をスライドして第２基板１２を移動させ、第１基板１１に重なるまで、レバー２３３をスライドさせる。レバー２３３の可動範囲を決めておけば、第１基板１１と第２基板１２とが正対する位置にて重なる。
【００６５】
図１３（Ｄ）は、試料２が導入され、第１基板１１と第２基板１２が重ね合わされた状態を示す。第１基板１１と第２基板１２の間に試料２が挟みこまれることになる。
【符号の説明】
【００６６】
１，２  試料（試料分子）、１０  光学デバイス、１１  第１基板、１１Ａ  第１面、１１Ｂ，１５  第１凸部、１１Ｃ  金属、１２  第２基板、１２Ａ  第２面、１２Ｂ  第２凸部、１３，１４  増強電場、１６  湾曲面、３０  光学系、５０  光源、６０  光検出部、１００  検出装置
【図１】
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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１２】
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【図１３】
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【図２】
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【図３】
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【図１１】
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