(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属微細構造体と、
前記金属微細構造体の表面に配置された修飾分子と、
を含み、
前記修飾分子は、下記式（１）で表される化合物に由来する、電場増強素子。
【化１】
0006586867.tif 000004
ただし、式（１）において、Ｘは、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｃｌ、−ＣＨＯ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＣＮ、または−ＮＯ２である。
【請求項２】
請求項１において、
Ｘは、−ＮＨ２である、電場増強素子。
【請求項３】
請求項１または２において、
前記金属微細構造体の材質は、金である、電場増強素子。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれか１項に記載の電場増強素子と、
前記電場増強素子に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光検出器と、
を含む、ラマン分光装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電場増強素子およびラマン分光装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、局在型表面プラズモ共鳴（ＬＳＰＲ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用したアフィニティセンサーや、振動分光からダイレクトに定性定量検出する表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）が注目されている。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面で増強電場が形成され、ラマン散乱光が１０２倍〜１０４倍増強され高感度で検出可能な分光である。レーザーなどの単一波長、直線偏光の励起光を標的分子（標的物質）に照射して、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波長がずれた散乱（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の形状から標的物質を同定することが可能となる。
【０００３】
喘息による気管の炎症と呼気中に含まれるＮＯ（一酸化窒素）の濃度との間には相関が確認されており、呼気ＮＯ濃度は、喘息の指標として認知されている。このようなＮＯを検出するセンサーチップとして、光センシング方式である表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）に着目したものが提案されている。例えば非特許文献１には、Ａｇ微細構造体を有するＬＳＰＲ基板にシトクロムＰ４５０という生体酵素を配置させて、シトクロムＰ４５０酵素にＮＯを反応させ、その反応体のＳＥＲＳ信号を得ることが記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】ＡＰＰＬＩＥＤ  ＳＰＥＣＴＲＯＳＣＯＰＹ，Ｖｏｌｕｍｅ６５，Ｎｕｍｂｅｒ８，８２５−８３７，２０１１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ここで、表面プラズモン共鳴によって誘発される増強電場の分布は、センサーチップ（電場増強素子）の金属ナノ粒子（金属微細構造体）表面から離れるに従い指数関数的に減衰する。例えば、金属微細構造体の表面から３ｎｍより離れた位置での増強度は、金属微細構造体の表面での増強度に対して１／２００以下になるという試算結果がある。そのため、表面プラズモン共鳴を用いたセンシングの感度は、金属微細構造体の表面に標的分子が近いほど、高くなると考えられる。
【０００６】
非特許文献１に記載されたシトクロムＰ４５０は、約５００アミノ酸残基からなり、活性部位にヘムを持つ高分子のタンパク質である。そのため、シトクロムＰ４５０を、プラズモン共鳴を誘発する金属微細構造体上に配置させても、金属微細構造体の表面の３ｎｍ以下にＮＯ結合部分（結合部位）を配置させることは困難である。したがって、非特許文献１に記載された技術では、ＮＯを高い感度で検出することができない場合がある。
【０００７】
本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、ＮＯ（一酸化窒素）を高い感度で検出することができる電場増強素子を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記の電場増強素子を含むラマン分光装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明に係る電場増強素子は、
金属微細構造体と、
前記金属微細構造体の表面に配置された修飾分子と、
を含み、
前記修飾分子は、下記式（１）で表される化合物に由来する。
【化１】
0006586867.tif 000002
ただし、式（１）において、Ｘは、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｃｌ、−ＣＨＯ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＣＮ、または−ＮＯ２である。
【０００９】
このような電場増強素子では、修飾分子において、金属微細構造体と結合する金属結合部位と、ＮＯ分子と反応するＮＯ結合部位と、の間の距離を１ｎｍ以下にすることができる。したがって、このような電場増強素子では、表面プラズモン共鳴による増強電場の増強度が大きい位置で、修飾分子はＮＯ分子と結合することができる（後述する「４．  実験例参照」）。よって、このような電場増強素子では、ＮＯ（ＮＯ分子）を高い感度で検出することができる。
【００１０】
本発明に係る電場増強素子において、
Ｘは、−ＮＨ２であってもよい。
【００１１】
このような電場増強素子では、ＮＨ２基は、電子供与性が強く、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができので、ＮＯ分子の芳香環への反応性を、より高くすることができる。
【００１２】
本発明に係る電場増強素子において、
前記金属微細構造体の材質は、金であってもよい。
【００１３】
このような電場増強素子では、金属微細構造体のマイグレーション等の構造劣化の可能性を低減することができ、長期安定化を図ることができる。
【００１４】
本発明に係るラマン分光装置は、
本発明に係る電場増強素子と、
前記電場増強素子に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光検出器と、
を含む。
【００１５】
このようなラマン分光装置では、本発明に係る電場増強素子を含むため、ＮＯを高い感度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す断面図。
【図２】本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す平面図。
【図３】本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す図。
【図４】置換基の反応性を説明するための図。
【図５】修飾分子となる化合物（アニリン）を説明するための図。
【図６】本実施形態に係るラマン分光装置を模式的に示す図。
【図７】ＳＥＲＳ強度を示すグラフ。
【図８】ＳＥＲＳ測定の結果を示す表。
【図９】ＳＥＲＳスペクトル。
【図１０】反射スペクトル。
【図１１】反射スペクトル。
【図１２】Ａｇ素子の劣化試験の結果を示す写真。
【図１３】Ａｕ素子の劣化試験の結果を示す写真。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
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。
【００１８】
１．  電場増強素子
まず、本実施形態に係る電場増強素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る電場増強素子１００を模式的に示す断面図である。図２は、本実施形態に係る電場増強素子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。
【００１９】
電場増強素子１００は、図１および図２に示すように、基板１０と、金属微細構造体２０と、分子膜３０と、を含む。なお、便宜上、図２では、分子膜３０の図示を省略している。
【００２０】
基板１０は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。なお、図示はしないが、基板１０と金属微細構造体２０との間には、基板１０上に設けられた金属層、および該金属層上に設けられた誘電体層が配置されていてもよい。
【００２１】
金属微細構造体２０は、基板１０上に設けられている。金属微細構造体２０の形状は、特に限定されず、例えば、円柱状、粒子状、角柱、球、回転楕円体である。図２に示す例では、金属微細構造体２０の平面形状は、円形である。平面視において、金属微細構造体２０の大きさ（例えば直径）は、電場増強素子１００に照射される光の波長以下である。具体的は、金属微細構造体２０の大きさは、１０ｎｍ以上１μｍ以下であり、好ましくは、４０ｎｍ以上７００ｎｍ以下である。金属微細構造体２０の厚さは、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下であり、好ましくは、１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下である。
【００２２】
金属微細構造体２０は、例えば、複数設けられている。金属微細構造体２０の数は、特に限定されない。図示の例では、複数の金属微細構造体２０の形状は、互いに同じであるが、互いに異なっていてもよい。図示の例では、複数の金属微細構造体２０は、周期的に設けられているが、周期的に設けられていなくてもよい。隣り合う金属微細構造体２０の間の距離は、例えば、１ｎｍ以上５００ｎｍ以下である。
【００２３】
金属微細構造体２０の材質は、例えば、金、銀、アルミニウム、銅である。金、銀、アルミニウム、および銅は、紫外〜可視光領域における誘電率の虚部が小さい金属であり、電場増強効果を高めることができる。好ましくは、金属微細構造体２０の材質は金である。
【００２４】
金属微細構造体２０は、光が照射されると表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を生じる。具
体的には、金属微細構造体２０は、局在型プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を生じる。ＬＳＰＲとは、光の波長以下の金属構造体に光を入射させると、金属内に存在する自由電子が光の電場成分により集団的に振動し、外部に局在電場を誘起する現象である。この局在電場により、ラマン散乱光を増強することができる。このように、ＳＰＲにより誘起される電場によって、ラマン散乱光が増強されることを電場増強効果という。ＳＰＲによって増強されるラマン散乱光（ＳＥＲＳ光）の強度は、ＳＰＲにより増強された電場の４乗に比例する。
【００２５】
分子膜３０は、金属微細構造体２０上に設けられている。分子膜３０は、本実施形態に係る修飾分子（以下、単に「修飾分子」ともいう）を含む。修飾分子は、金属微細構造体２０の表面に配置されている。図示はしないが、分子膜３０は、基板１０上にも設けられていてもよい。修飾分子は、下記式（１）で表される化合物に由来する。
【００２６】
【化１】
0006586867.tif 000003
【００２７】
ただし、式（１）において、Ｘは、−ＮＨ２、−ＳＨ、−Ｃｌ、−ＣＨＯ、−ＣＯＯＨ、−ＳＯ３Ｈ、−ＣＮ、または−ＮＯ２である。
【００２８】
ここで、「修飾分子は、式（１）で表される化合物に由来する」とは、式（１）で表される化合物が、そのままの形で、または置換基の一部が脱離して、配位結合、共有結合、イオン結合、または水素結合等の結合によって、金属微細構造体２０に結合し、修飾分子が得られることをいう。
【００２９】
式（１）で表される化合物は、Ｘにおいて、金属微細構造体２０と結合する（化学吸着する）ことができる。すなわち、Ｘは、式（１）で表される化合物において、金属微細構造体２０と結合する金属結合部位となる。例えば図３では、Ｘが−ＮＨ２である場合に、式（１）で表される化合物（アニリン）が金属微細構造体２０と結合している状態を模式的に示している。
【００３０】
式（１）において、Ｘは、−ＮＨ２であることが好ましい。−ＮＨ２は、図４に示すように、電子供与性が強く、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができ、標的分子であるＮＯ分子の芳香環への反応性を高くすることができる。具体的には、図５に示すように、電子供与性基である−ＮＨ２からベンゼン環へ電子が流れ込むことによってベンゼン環の中で局所的に電子リッチな部位（図４に示すδ−の部分）が生じる。そして、電子求引性であるＮＯ分子は、電子リッチな部位と反応して結合する。すなわち、電子リッチな部位は、ＮＯ分子と結合するＮＯ結合部位となる。ＮＯ分子との反応速度は、置換基（−ＮＨ２）がないときよりも大きくなる（オルト−パラ配向性）。
【００３１】
なお、図３および図５では、ＮＯ分子が結合しやすい部位を矢印で示している。また、図４は、置換基の反応性を説明するための図であり、右側に位置する基ほど、反応性が高い基、すなわち電子供与性が強い基となる。
【００３２】
より具体的には、ＮＯ分子は、下記式（２）に示すように、大気中の酸素と反応してＮ２Ｏ３という反応体となる。そして、下記式（３）に示すように、電子求引性であるＮ２
Ｏ３は、ベンゼン環の電子リッチな部位と反応して、アニリンに由来する化合物がニトロアニリンに由来する化合物となる。
【００３３】
ＮＯ＋Ｏ２→Ｎ２Ｏ３  ・・・  （２）
（アニリンに由来する化合物）＋Ｎ２Ｏ３→（ニトロアニリンに由来する化合物）・・・  （３）
【００３４】
なお、電子供与性基としては、ＮＨ２基以外にも、ＣＨ３基、ＮＨＣＯＣＨ３基、ＣＨ３Ｏ基、ＯＨ基などが挙げられる。
【００３５】
修飾分子において、金属結合部位とＮＯ結合部位との間の距離Ｌは、１ｎｍ以下である。例えば、図３に示す例では、式（１）で表される化合物は、３つのＮＯ結合部位を有しており、金属結合部位と、３つのＮＯ結合部位の各々と、の間の距離Ｌは、１ｎｍ以下である。距離Ｌは、好ましくは０．５ｎｍ以下であり、より好ましくは０．３ｎｍ以下である。
【００３６】
修飾分子にＮＯ分子が結合した状態で電場増強素子１００に光（照射光）を照射すると、照射光と同じ波長を有するレイリー散乱光と、照射光とは異なる波長を有するラマン散乱光と、が発生する。ラマン散乱光のエネルギーは、ＮＯ分子が結合した構造に応じた特有の振動エネルギーに対応している。そのため、ラマン散乱光の波数（振動数）と照射光の波数との差であるラマンシフト、および強度からＮＯ分子の濃度を知ることができる。
【００３７】
なお、上記では、修飾分子が分子膜３０を構成している例について説明したが、修飾分子は、膜状に形成されていなくてもよい。例えば修飾分子が１つだけ、金属微細構造体２０の表面に配置されていてもよい。また、分子膜３０は、式（１）で表される化合物を少なくとも１種類含んでいれば、他の分子を含んでいてもよい。
【００３８】
電場増強素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。
【００３９】
電場増強素子１００では、金属微細構造体２０と、金属微細構造体２０の表面に配置された修飾分子と、を含み、修飾分子は、式（１）で表される化合物に由来する。そのため、電場増強素子１００では、修飾分子において、金属微細構造体２０と結合する金属結合部位と、ＮＯ分子と反応するＮＯ結合部位と、の間の距離を１ｎｍ以下にすることができる。したがって、電場増強素子１００では、表面プラズモン共鳴による増強電場の増強度が大きい位置で、修飾分子はＮＯ分子と結合することができる（後述する「４．  実験例参照」）。よって、電場増強素子１００では、ＮＯを高い感度で検出することができる。
【００４０】
電場増強素子１００では、式（１）において、Ｘは、−ＮＨ２である。ＮＨ２基は、電子供与性が強く、芳香環に電子を供与する電子供与性基となることができる。そのため、電場増強素子１００では、標的分子であるＮＯ分子の芳香環への反応性を、より高くすることができる。
【００４１】
電場増強素子１００では、金属微細構造体２０の材質は、金である。そのため、電場増強素子１００では、金属微細構造体２０のマイグレーション等の構造劣化の可能性を低減することができ、長期安定化を図ることができる。
【００４２】
なお、ＮＯ濃度を計測する手法としては、空間中に存在するＮＯ分子をオゾンで励起し、そのときに生じる化学ルミネッセンスを測定する化学発光法（化学蛍光法）と、電気化学方式とがある。前者の化学発光法は、非常に正確で信頼できるものではあるが、オゾン発生装置、真空ポンプなどを必要とし、高価で大型である。後者の電気化学方式は、電極
に捕捉されたＮＯが酸化されてＮＯ２−になる際に生じる電流を利用してＮＯを検出するもので化学発光法よりも装置構成が簡素化できるので小型化可能なメリットがある。しかしながら、電気化学方式は、選択性、温度、湿度、電解質消耗のための寿命がまだなお課題として存在している。中でも温度・湿度は感度に大きく影響を与え、呼気温度・湿度のバラツキから再現性を低下させ、精度を低下させる場合がある。電場増強素子１００は、このような化学発光法や電気化学方式よりも、安価で高感度である。
【００４３】
２．  電場増強素子の製造方法
次に、本実施形態に係る電場増強素子１００の製造方法について、図面を参照しながら説明する。
【００４４】
図１に示すように、基板１０上に金属微細構造体２０を形成する。金属微細構造体２０は、例えば、真空蒸着法やスパッタ法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される。
【００４５】
次に、金属微細構造体２０上に分子膜３０を形成する。分子膜３０は、例えば、修飾分子を希釈させた溶液（例えば濃度１ｍＭ）中に、金属微細構造体２０が形成された基板１０を、長時間（例えば２４時間）浸漬させ、その後溶液から取り出した後、純水でリンスしエアーブロー等で水分を飛ばすことで、形成される。
【００４６】
以上の工程により、電場増強素子１００を製造することができる。
【００４７】
３．  ラマン分光装置
次に、本実施形態に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図６は、本実施形態に係るラマン分光装置２００を模式的に示す図である。
【００４８】
ラマン分光装置２００は、図６に示すように、気体試料保持部１１０と、検出部１２０と、制御部１３０と、検出部１２０および制御部１３０を収容している筐体１４０と、を含む。気体試料保持部１１０は、本発明に係る電場増強素子を含む。以下では、本発明に係る電場増強素子として電場増強素子１００を含む例について説明する。
【００４９】
気体試料保持部１１０は、電場増強素子１００と、電場増強素子１００を覆うカバー１１２と、吸引流路１１４と、排出流路１１６と、を有している。検出部１２０は、光源１２１と、レンズ１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄと、ハーフミラー１２４と、光検出器１２５と、を有している。制御部１３０は、光検出器１２５において検出された信号を処理して光検出器１２５の制御をする検出制御部１３２と、光源１２１などの電力や電圧を制御する電力制御部１３４と、を有している。制御部１３０は、図６に示すように、外部との接続を行うための接続部１３６と電気的に接続されていてもよい。
【００５０】
ラマン分光装置２００では、排出流路１１６に設けられている吸引機構１１７を作動させると、吸引流路１１４および排出流路１１６内が負圧になり、吸引口１１３から検出対象となるＮＯ分子を含んだ気体試料が吸引される。吸引口１１３には除塵フィルター１１５が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路１１４および排出流路１１６を通り、排出口１１８から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、電場増強素子１００に接触する。
【００５１】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、外部からの光が電場増強素子１００に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のＳ／Ｎ比を向上させることができる。流路１１４，１１６を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。
【００５２】
吸引流路１１４および排出流路１１６の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路１１４，１１６の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構１１７としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。
【００５３】
ラマン分光装置２００では、光源１２１は、ＮＯ分子が結合した電場増強素子１００に、光（例えば波長６３２ｎｍのレーザー光、ＳＰＲを励起させる励起光）を照射する。光源１２１としては、例えば、半導体レーザー、気体レーザーを用いる。光源１２１から射出された光は、レンズ１２２ａで集光された後、ハーフミラー１２４およびレンズ１２２ｂを介して、電場増強素子１００に入射する。電場増強素子１００からは、ＳＥＲＳ光が放射され、該光は、レンズ１２２ｂ、ハーフミラー１２４、およびレンズ１２２ｃ，１２２ｄを介して、光検出器１２５に至る。すなわち、光検出器１２５は、電場増強素子１００から放射される光を検出する。ＳＥＲＳ光には、光源１２１からの入射波長と同じ波長のレイリー散乱光が含まれているので、光検出器１２５のフィルター１２６によってレイリー散乱光を除去してもよい。レイリー散乱光が除去された光は、ラマン散乱光として、光検出器１２５の分光器１２７を介して受光素子１２８にて受光される。受光素子１２８としては、例えば、フォトダイオードを用いる。
【００５４】
光検出器１２５の分光器１２７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おり、通過波長帯域を可変とすることができる。光検出器１２５の受光素子１２８によって、標的物質に特有のラマンスペクトルが得られ、例えば、得られたラマンスペクトルと予め保持されたデータとを照合することで、標的物質の信号強度を検出することができる。
【００５５】
なお、ラマン分光装置２００は、電場増強素子１００、光源１２１、および光検出器１２５を含み、電場増強素子１００にＮＯ分子を結合させ、そのラマン散乱光を検出することができれば、上記の例に限定されない。
【００５６】
ラマン分光装置２００は、電場増強素子１００を含む。そのため、ラマン分光装置２００では、ＮＯ分子を高い感度で検出することができる。
【００５７】
４．  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。
【００５８】
４．１．  ＳＥＲＳによりＮＯ分子を検出するための検討
上述のように、ＮＯ分子は、大気中の酸素と素早く反応してＮ２Ｏ３という反応体に変わる。Ｎ２Ｏ３は、求電子性が強く、非常に反応性が高い。しかしながら、基板上にＡｕからなる金属微細構造体を形成した素子に、２０ｐｐｍのＮＯガスを曝露してＳＥＲＳ検出（ＳＥＲＳによりＮＯ分子を検出すること）を試みたが、明確なピークは確認できなかった。一方、％濃度のＮＯガスに対しては、ＳＥＲＳが検出されたという報告例がある。以下、ＳＥＲＳによりＮＯ分子を検出するための検討を行った。
【００５９】
ＳＥＲＳによりＮＯ分子を検出するための素子としては、以下の３つの条件を満たす分子膜を有することが重要であると考えた。
【００６０】
（１）金属微細構造体（本実験例ではＡｕ）との結合部位（Ａｕ結合部位）を有する。
（２）ＮＯ分子との結合部位（ＮＯ結合部位）を有する。
（３）Ａｕ結合部位とＮＯ結合部位との間の距離が１ｎｍ以下である。
【００６１】
（１）については、Ｎ基、ＮＨ２基、ＳＨ基、ＣＯＯＨ基、フェノール、ＳＯ３Ｈ基、Ｃｌ基、ＣＨＯ基、ＣＮ基、ＮＯ２基などが、ＡｕやＡｇに対して化学吸着することが分かっている。
【００６２】
（２）については、脂肪族アミンやチオールがＮＯと反応することがわかっている。また、ＮＯ分子と大気中の酸素との反応体Ｎ２Ｏ３は、電子求引性が強いことから電子リッチな部位を有するベンゼン環もＮＯ分子と反応すると考えられる。
【００６３】
（３）については、図７に示すように、表面プラズモン共鳴の物理特性として、金属表面から１ｎｍ以下の領域に強い光電場が存在していることによる。この領域にＮＯ結合部位を有する分子が存在すると、ラマン散乱光が非常に増強され高感度にＮＯを検出することができる。
【００６４】
（１）〜（３）の条件を満たす分子としては、脂肪族アミン、チオール、およびベンゼン環のＨが下記の官能基で置換されたもの（ベンゼン環系）が挙げられる。
【００６５】
官能基：ＮＨ２基、ＳＨ基、ＣＯＯＨ基、ＯＨ基、ＳＯ３Ｈ基、Ｃｌ基、ＣＨＯ基、ＣＮ基、ＮＯ２
【００６６】
なお、図７は、Ａｕからなる金属微細構造体に、アルカンチオールに由来する分子を有する分子膜を設けた素子に、標的分子であるトルエンに対するＳＥＲＳ強度ＩＳＥＲＳを示すグラフである。上記の素子にトルエンを６０秒曝露し、波長６３２ｎｍ、出力２ｍＷのレーザー光を照射して、ＳＥＲＳ強度ＩＳＥＲＳを測定した。アルカンチオールは、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ：Ｓｅｌｆ−Ａｓｓｅｍｂｌｅｄ  Ｍｏｎｏｌａｙｅｒ）を形成して、Ａｕと化学吸着した。具体的には、アルカンチオールとして、メタンチオール（図７に示すＣ１のプロットに相当）、プロパンチオール（Ｃ３のプロットに相当）、オクタチオール（Ｃ８のプロットに相当）、ヘキサデンカンチオール（Ｃ１６のプロットに相当）を用いて測定した。図７の横軸は、ＳＡＭの鎖長（分子膜の厚さ）であり、Ａｕ結合部位とＮＯ結合部位との間の距離に相当する。図７の縦軸は、ＳＥＲＳ強度ＩＳＥＲＳ（ラマン散乱光の強度）であり、ＳＥＲＳによる電場Ｅの４乗に比例する。
【００６７】
図７より、Ａｕ結合部位とＮＯ結合部位との間の距離Ｌが１ｎｍ以下で、強度ＩＳＥＲＳが大きくなることがわかった。さらに、距離Ｌが０．５ｍｍ以下で、強度ＩＳＥＲＳは、より大きくなり、距離Ｌが０．３ｍｍ以下で、強度ＩＳＥＲＳは、よりいっそう大きくなることがわかった。ＳＡＭがない場合、すなわち、分子膜を設けなかった場合には、トルエンを検出することができなかった。
【００６８】
なお、ＳＥＲＳ強度ＩＳＥＲＳは、ラマン散乱断面積をσ、標的分子の金属微細構造体への吸着率をＮ、金属微細構造体の密度をＤ、ＳＥＲＳによる電場増強の強さをＥとすると、下記式（４）のように表される。
【００６９】
ＩＳＥＲＳ∝σ×Ｎ×Ｄ×｜Ｅ｜４  ・・・  （４）
【００７０】
４．２．  ＳＥＲＳ測定
上述した「４．１．」の検討で挙げた分子に由来する分子膜を含む素子を形成し、ＳＥＲＳ測定を行った。
【００７１】
基板上にＡｕからなる金属微細構造体を形成した後、各分子を希釈させた溶液（１ｍＭ
）中に基板を２４時間浸漬させた。その後、溶液から取り出した基板を、純水でリンスし、エアーブローで水分を飛ばした。以上の工程により、各分子に由来する分子膜を含む素子を形成した。
【００７２】
上記のようにして形成した各素子に、１００ｐｐｂのＮＯガスを曝露させてＳＥＲＳ測定を行った。図８は、ＳＥＲＳ測定の結果を示す表である。
【００７３】
図８において、「Ｅ」は、ＳＥＲＳによる電場増強の強さであり、「強」「中」「弱」の３段階で示している。「σ」は、ラマン散乱断面積であり、「大」「中」「小」の３段階で示している。「ＮＯ応答」は、ＳＥＲＳ強度（ラマン散乱光の強度）であり、「強」「中」「弱」「×」の４段階で示している。「×」は、ＮＯ分子が検出されなかった場合である。なお、「Ｅ」および「σ」は、「ＮＯ応答」の結果から、シミュレーション等によって予想したものである。
【００７４】
図８に示すように、脂肪族アミンは、ＮＯ応答が弱かった。これは、σが小さいためだと推察される。チオールは、ＮＯ応答が無かった。これは、ＨＳ−Ｒ→ＨＳ−ＮＯの反応が起きていないためだと推察される。
【００７５】
一方、ベンゼン環系では、フェノール以外でＮＯ応答が確認された。フェノールは、ＡｕやＡｇなどの金属に吸着させたときのフェノール自体のＳＥＲＳ強度が弱く、σが小さいためだと推察される。
【００７６】
フェノール以外のベンゼン環系では、ＮＯ応答は「強」または「中」であった。これは、ベンゼン環のラマン散乱断面積が大きいこと、ベンゼン環が電子リッチな部位を有することが理由だと推察される。電子リッチな部位を有することは、反応体Ｎ２Ｏ３が電子求引性であるために、反応体Ｎ２Ｏ３が高くなると推察される。特に、アニリンに由来する分子を含む素子は、ＮＯ応答が非常に強く、今回の実験の中で最大であった。ＮＯ応答が確認されたベンゼン環系のうち、取扱時の安全性の観点からは、アニリンおよび安息香酸が好ましい。
【００７７】
図９は、アニリンに由来する分子膜を含む素子に、１００ｐｐｂのＮＯガスを曝露させたときのＳＥＲＳスペクトルである。照射光を、波長６３２ｎｍ、出力０．５ｍＷのレーザー光とした。図９の縦軸のＩＳＥＲＳは、ＮＯガスを曝露した後のスペクトルから、ＮＯガスを曝露する前のスペクトルを差し引いた差分を示している。
【００７８】
図９に示すように、６００ｃｍ−１と１３７４ｃｍ−１とに強いピークが確認された。これは、ＮＯ２基由来の振動数帯と一致することから、アニリンがＮＯ分子と反応してニトロアニリンに変化したと推察される。
【００７９】
４．３．  ピークシフトを用いたＮＯ検出方法
ＳＥＲＳを用いずに、ピークシフトを用いてＮＯ分子を検出することができた。以下に、具体的に説明する。
【００８０】
図１０は、アニリンに由来する分子膜を含む素子（図９の測定を行った素子と同じ素子）の反射スペクトルである。図１０に示すように、６０５ｎｍ付近にプラズモン共鳴由来のピークが確認された。
【００８１】
上記の素子に２０ｐｐｍのＮＯガスを十分な時間曝露させた後に、反射スペクトルを得た（図１１参照）。プラズモン共鳴由来のピークは、６０５ｎｍから６１０ｎｍまで約５ｎｍシフトした。ピークのシフト量から、予め求めておいた検量線に基づいて、ＮＯ濃度
を求めてもよいが、プラズモン共鳴によるピークはブロードであるため、ピークの波長を高精度に読み取ることは難しい場合がある。そこで、ピークからずらした波長位置での反射率変化量を読み取ることにより、高精度かつ高感度にシフト量を読み取ることができる。一般的に、反射率分解能は、波長分解能よりも高い。
【００８２】
例えば、図１１において、波長５９０ｎｍにおいて、反射率は、０．１５４５から０．１７１８に変化している。曝露するＮＯ濃度に対する任意の波長における反射率の変化量に関して予め検量線を求めておくことで、反射率の変化量からＮＯ濃度を求めることができる。
【００８３】
この方法では、単色のＬＥＤ（Ｌｉｇｈｔ  Ｅｍｉｔｔｉｎｇ  Ｄｉｏｄｅ）光源とフォトダイオード（ＰＤ）とのみを用いるだけ測定できるので、レーザー光源や分光器などを用いるラマン分光法よりも安価であり、装置の小型化を図ることができる。
【００８４】
４．４．  金属微細構造体の劣化試験
基板上にＡｇからなる金属微細構造体を形成した素子（Ａｇ素子）と、基板上にＡｕからなる金属微細構造体を形成した素子（Ａｕ素子）と、について、劣化試験を行った。具体的には、Ａｇ素子およびＡｕ素子を、温度２３℃、湿度５４％の大気中に保管し、金属顕微鏡により金属微細構造体の構造変化を確認した。
【００８５】
図１２は、Ａｇ素子の劣化試験の結果を示す写真である。図１３は、Ａｇ素子の劣化試験の結果を示す写真である。図１２および図１３において、（Ａ）は金属微細構造体を作製した直後の写真であり、（Ｂ）は作製してから７日経過した後の写真であり、（Ｃ）は作製してから１４日経過した後の写真である。
【００８６】
図１２に示すように、Ａｇ素子は、日が経つにつれて金属微細構造体が劣化した。一方、図１３に示すように、Ａｕ素子は、マイグレーションなどの構造変化（劣化）は確認されなかった。なお、図示はしないが、除湿環境下では、Ａｇ素子についても構造変化は確認されなかった。したがって、図１２に示すようなＡｇ素子の劣化は、Ａｇと水とが反応したためであると判断できた。本試験により、Ａｕからなる金属微細構造体は、長期安定化を図ることができることがわかった。
【００８７】
なお、本発明に係る電場増強素子は、ＳＰＲを用いる表面増強赤外吸収分光（ＳＥＩＲＡＳ）に適用されてもよい。また、上記では、標的分子としてＮＯ分子の例を説明したが、本発明に係る電場増強素子は、ＮＯ分子以外の電子求引性の標的分子に適用することができる。
【００８８】
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】
【００８９】
１０…基板、２０…金属微細構造体、３０…分子膜、１００…電場増強素子、１１０…気体試料保持部、１１２…カバー、１１３…吸引口、１１４…吸引流路、１１５…除塵フィルター、１１６…排出流路、１１７…吸引機構、１１８…排出口、１２０…検出部、１２１…光源、１２２ａ，１２２ｂ，１２２ｃ，１２２ｄ…レンズ、１２４…ハーフミラー、１２５…光検出器、１２６…フィルター、１２７…分光器、１２８…受光素子、１３０…
制御部、１３２…検出制御部、１３４…電力制御部、１３６…接続部、１４０…筐体、２００…ラマン分光装置
【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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