(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光の照射により表面に局在プラズモンが誘起され、前記表面に増強された光電場を生じさせる光電場増強デバイスであって、
表面に透明な微細凹凸構造を備えてなる透明基板と、前記透明な微細凹凸構造の凸部の先端部に形成された複数の平板状の金属粒子からなる金属微細凹凸構造層とを備え、
前記金属粒子は、それぞれ互いに孤立して配列され、その形状は、平均厚さに対する平均長さのアスペクト比が２以上であり、
前記金属粒子同士の間には、少なくとも１０ｎｍ以下の距離の近接領域が存在し、
前記近接領域における前記金属粒子の表面には、アミノ基を有する分子長５ｎｍ以下の分子が吸着若しくは結合されている、
炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項２】
前記アミノ基を有する分子が下記構造式からなる請求項１記載の炭酸ガスセン
シング用の光電場増強デバイス。
【化１】
0006549598.tif 000006
ここで、ＡはＳＨまたはＮＨ２であり、Ｒ１、Ｒ２はＨまたはＣＨ３であり、
ｎは２≦ｎ≦１０である。
【請求項３】
前記アミノ基を有する分子が自己組織化膜であり、前記分子長が２ｎｍ以下である請求項２記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項４】
前記分子長が１ｎｍ以下である請求項３記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項５】
前記アミノ基を有する分子がジスルフィドである請求項１記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項６】
前記アミノ基を有する分子がデンドリマーである請求項１記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項７】
前記デンドリマーの分子量が５００以上１５０００以下である請求項６記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項８】
前記金属粒子が、金、銀、銅、アルミニウムおよびプラチナのいずれかであることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項９】
前記金属粒子が、金、銀のいずれかであることを特徴とする請求項８記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【請求項１０】
前記透明な微細凹凸構造が、バイヤーライトまたはベーマイトからなる請求項１から９のいずれか１項記載の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスに関し、特に微量の炭酸ガスを検出可能な高感度の光電場増強デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭酸ガス（ＣＯ２）などのガス検出方法の一つに、ラマン分光法が挙げられる。例えば、特許文献１には、ラマン分光法を利用したガスセンシング装置として、観測対象ガスが充填されたガスセルにレーザ光を照射し、ガスセルからのラマン散乱光を検出して、ガスセル内の特定ガスの濃度を取得可能とした光学式ガスセンサが開示されている。【０００３】
ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）を得る方法であり、物質の同定等に利用されている。【０００４】
また、微弱なラマン散乱光を増強するために、表面増強ラマン（SERS: Surface Enhanced Raman Scattering）と呼ばれる、局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用したラマン分光法が知られている。これは、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に試料を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものである。表面増強ラマン分光法は、被検体を担持する担体（基板）として、表面に金属凹凸構造を備えた基板（光電場増強デバイス）を用いることにより実施することができる。【０００５】
そして、より効果的に光電場増強を生じさせる光電場増強デバイスとして、透明基板上にベーマイトからなる微細凹凸構造を設け、その微細凹凸構造上に金属膜を成膜することにより金属微細構造を表面に備えたもの等も提案されている（特許文献２参照）。【０００６】
また、特許文献３には増強ラマン分光法を用いた、極微量濃度の気体分子の定量検出の手法が提案されている。気体分子を定量検出する場合に生じるブリンキング現象を低減して、定量検出精度を向上させるため、所定の計測時間内に出力されるラマン信号の総和を計測時間で除して平均値を求める方法が提案されている。【０００７】
他方、特許文献４には、光電場増強デバイスの金属表面に標的分子を吸着して検出感度を向上させる方法として、少なくとも２種類の自己組織化単分子層を形成して、標的分子の補足空間を制御する方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１２―３７３４４号公報
【特許文献２】特開２０１２−１９８０９０号公報
【特許文献３】特開２０１３−２３８４７９号公報
【特許文献４】特開２０１４−１１９２６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
近年、増強ラマン分光法は細胞からの代謝物の検出への適用が検討されている。しかしながら、増強ラマン分光法を用いて、細胞から代謝物として生成される極わずかな炭酸ガスを測定しようとしても、炭酸ガスのラマン散乱断面積が小さいこと、および金属基板との親和性が小さいことなどから、検出が困難であり、そもそもそのような極微量な炭酸ガスを測定することについて十分な検討がなされてこなかった。特許文献２〜４にも検査対象として炭酸ガスは挙げられておらず、炭酸ガスへの適用について言及されていない。【００１０】
特許文献１では、基板を用いずに、ガスを充満させたセルにレーザー光を照射してラマン散乱光を集光しているため、この方法では、装置構成が非常に複雑になってしまうばかりか、サンプルから排出される炭酸ガスの検出は不可能な構成となっている。【００１１】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、細胞から代謝物として生成される極わずかな炭酸ガスをＳ／Ｎよく検出可能な炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイス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】
【００１２】
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、励起光の照射により表面に局在プラズモンが誘起され、表面に増強された光電場を生じさせる光電場増強デバイスであって、
表面に微細凹凸構造を備えてなる透明基板と、透明な微細凹凸構造の表面に設けられた金属からなる金属微細凹凸構造層とを備え、
金属微細凹凸構造層の少なくとも１０ｎｍ以下の距離で隣接する凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が５ｎｍ以下の分子を吸着若しくは結合してなる。【００１３】
ここで、吸着は物理的な吸着を、結合は化学的な結合を意味する。
分子長が５ｎｍ以下とは、分子が直鎖型の分子である場合は、その直鎖が５ｎｍ以下であることを意味し、分子が分枝を有する場合は、金属と吸着もしくは結合する末端から最も遠いアミノ基までの長さが５ｎｍ以下であることを意味し、分子が球状の分子である場合には、その直径が５ｎｍ以下であることを意味する。
なお、ここで分子長とは、構造式から理論的に導いた値（計算値）とする。詳細な計算方法は後記の実施例の項で説明する。【００１４】
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、アミノ基を有する分子を下記構造式からなるものとすることができる。
【化１】
0006549598.tif 000002
ここで、ＡはＳＨまたはＮＨ２であり、Ｒ１、Ｒ２はＨまたはＣＨ３であり、ｎは２≦ｎ≦１０である。【００１５】
上記構造式からなるアミノ基を有する分子が自己組織化膜として凸部間の領域に結合されてなる場合、分子長が２ｎｍ以下であることが好ましく、分子長が１ｎｍ以下であることがさらに好ましい。【００１６】
アミノ基を有する分子はジスルフィドであってもよい。【００１７】
さらには、アミノ基を有する分子はデンドリマーであってもよい。【００１８】
デンドリマーの分子量は、５００以上、１５０００以下であることが好ましい。【００１９】
金属が、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）およびプラチナ（Ｐｔ）のいずれかであることが好ましく、金または銀であることが特に好ましい。【００２０】
微細凹凸構造が、バイヤーライトまたはベーマイトからなるものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは金属微細凹凸構造の１０ｎｍ以下の距離で隣接する凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が５ｎｍ以下の分子が吸着若しくは結合されており、炭酸ガスはアミノ基と結合し易いため、デバイス上に炭酸ガスを留めることができるので、微量の炭酸ガスを効率的に検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１Ａ】炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板を模式的に示す斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ａの一部を示す拡大図である。
【図２】炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板の製造工程を示す図である。
【図３】ベーマイトの上面走査型電子顕微鏡画像である。
【図４】ラマン分光装置の概略構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、図面を参照して本発明の光電場増強デバイスの実施形態について説明する。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。
【００２４】
図１Ａは、本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスの実施形態に係る光電場増強基板１を示す斜視図であり、図１Ｂは、図１Ａに示した光電場増強基板１の側面の一部ＩＢの拡大図である。
【００２５】
図１Ａおよび図１Ｂに示すように、光電場増強基板１は、表面に微細凹凸構造を備えた透明基板１０と、その微細凹凸構造の表面に形成された金属微細凹凸構造層２４とからなり、金属微細凹凸構造層２４に照射された光（以下において、励起光とする。）により、局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により金属微細凹凸構造層２４の表面に増強された光電場を生じさせるものである。そして、金属微細凹凸構造層２４表面の少なくとも１０ｎｍ以下の間隔の凸部間の領域に、アミノ基を有する、分子長が５ｎｍ以下の分子３０が吸着若しくは結合されている。分子長は０．４ｎｍ以上であることが好ましく、さらには４．４ｎｍ以下であることが好ましい。さらには、２．０ｎｍ以下であることがより好ましく、１．０ｎｍ以下であることが最も好ましい。
【００２６】
アミノ基は炭酸ガスと下記反応式で示されるように容易に結合する。
【化２】
0006549598.tif 000003
【００２７】
炭酸ガスは、金属に対しては親和性が低く、金属表面に吸着したり、結合したりすることはないが、本光電場増強基板の金属微細凹凸構造層２４表面はアミノ基を有する分子により表面修飾されているため、炭酸ガスが基板表面のアミノ基と結合して基板表面にとどまるため、炭酸ガスの検出感度を大幅に向上させることができる。
【００２８】
アミノ基を有する分子３０としては、具体的には、下記構造式で示されるものが挙げられる。
【化１】
0006549598.tif 000004
ここで、ＡはＳＨまたはＮＨ２であり、Ｒ１、Ｒ２はＨまたはＣＨ３である。このとき、Ｒ１、Ｒ２は、Ｒ１がＨのときＲ２がＨまたはＣＨ３、Ｒ１がＣＨ３でＲ２がＨまたはＣＨ３のいずれの組合せであってもよい。
また、上記構造式中のアルキル鎖の長さとしては、ｎが２≦ｎ≦１０である。ｎが２以上であれば、良好な表面修飾が可能となり、ｎが１０以下であれば分子長を５ｎｍ以下とすることができる。
【００２９】
上記構造式を満たす具体的な分子種としては、２−アミノエタンチオール、２−ジメチルアミノエタンチオール、６−アミノ−１−ヘキサンチオール、８−アミノ−１−オクタンチオール、３−アミノ-１−プロパンチオール、３−アミノ-１−プロパンチオール塩酸塩、４−アミノ-１−プロパンチオール、７−アミノヘプタンチオール、８−アミノオクタンチオール、８−アミノオクタンチオール塩酸塩など挙げられる。
【００３０】
上記構造式のアミノ基を有する分子３０において、ＡがＳＨであるとき、ＳＨ基は金属微細凹凸構造層を構成する金属と結合して表面修飾されることとなる。一方、ＡがＮＨ２であるとき、ＮＨ２基は金属との親和性が高いため、ＮＨ２基の金属微細凹凸構造層表面への吸着による表面修飾がなされることとなる。なお、上記構造式の分子は自己組織化単分子膜として金属微細凹凸構造表面に修飾される。
なお、ＳＨ基は、金、銀に特に高い結合性を示すので、化学結合による表面修飾を行う場合には、金属微細凹凸構造層を構成する金属として、金、銀が特に好ましい。
【００３１】
また、アミノ基を有する分子はジスルフィドであってもよい。
【００３２】
さらに、アミノ基を有する分子３０はデンドリマーであってもよい。
例えば、ポリアミドアミンデンドリマーの世代０〜４のものを用いることができ、具体的には、Ｃ22Ｈ48Ｎ10Ｏ4、Ｃ62Ｈ128Ｎ26Ｏ12、Ｃ142Ｈ288Ｎ58Ｏ28、Ｃ302Ｈ608Ｎ122Ｏ60、Ｃ622Ｈ1248Ｎ250Ｏ124などの分子式で表されるデンドリマーが挙げられる。
デンドリマーの重量平均分子量は、５００〜１５０００であることが好ましい。重量平均分子量が５００以上であれば、良好な表面修飾が可能となり、１５０００以下であれば分子長（直径）を５ｎｍ以下とすることができる。ここで、重量平均分子量は計算値である。
【００３３】
本実施形態において、金属微細凹凸構造層２４は、図１Ｂに示すように、微細凹凸構造層２２の凸部の先端部に形成された多数の平板状の金属粒子からなる金属微細構造から構成されるものである。この平板状の金属粒子からなる金属微細構造は、微細凹凸構造層２２が形成された基板平面の垂直方向に対して斜め方向から金属を蒸着することによって形成されたものである。平板状の金属粒子の形状はさまざまであるが、平均厚さに対する平均長さのアスペクト比（平均長さ／平均厚さ）が２以上であることが望ましい。
【００３４】
また、平板状の金属粒子は、それぞれ孤立して形成されたものであり、平板状の金属粒子同士の間には隙間が設けられている。したがって、本実施形態においては、金属微細凹凸構造層２４全体としては、導電性をもたず絶縁された状態となっている。
【００３５】
金属微細凹凸構造層２４は、図１Ｂに示す平板状の金属粒子からなる形態に限るものではなく、凹凸の凸部の基板に垂直な方向の長さおよび基板に水平な方向の長さの少なくとも一方が励起光の波長より短いものとなる程度の微細な凹凸構造であり、金属微細凹凸構造層２４の表面に局在プラズモンを生じうるものであればよい。全体として金属凹凸構造等は繋がって導電性を有するものとなっていてもよい。
金属微細凹凸構造層の隣接凸部（隣接金属粒子２５）同士の間隔（ギャップ）Ｇが１０ｎｍ以下で近接している場合、光の照射によりこの凸部間の隙間においてホットスポットと呼ばれる非常に強い光電場増強場が生成されるため、隣接凸部間の距離が１０ｎｍ以下の箇所が多数存在することが好ましい。
なお、隣接凸部同士は部分的に接触していてもよい。
【００３６】
そして、このホットスポットに検出対象物が存在するとき、検出対象物からのラマン信号を効果的に増強することができる。そのため、本発明においては金属微細凹凸構造層２４のホットスポットを構成する１０ｎｍ以下で隣り合う凸部間に、上述のアミノ基を有する分子による表面修飾がされている。既述の通り、ホットスポットは凸部間が１０ｎｍ以下で近接する領域に形成されるが、後述の製造方法により作製されるデバイスにおいて、金属微粒子の間隔は一様ではない。すなわち、デバイス中においてホットスポットを構成するギャップは、１０ｎｍのものもあれば数ｎｍ程度のものも同時に存在する。分子長が１０ｎｍ以下であれば１０ｎｍのギャップには修飾可能であるが、分子長より小さいギャップへは良好な修飾ができない。ホットスポットを構成する多数のギャップのうち、ＣＯ２検出感度を十分に向上することができる程度に多くのギャップに対してアミノ基を有する分子を修飾するために、その分子長は５ｎｍ以下であることを要する。分子量が５ｎｍ以下であれば、５ｎｍ以上のギャップに対して表面修飾が可能となり、ホットスポットへのＣＯ２吸着の効果を得ることができる。また、分子長は０．４ｎｍ以上であることが好ましい。０．４ｎｍ以上であれば、良好な表面修飾が可能となる。
【００３７】
なお、アミノ基を有する分子が自己組織化単分子膜として金属微細凹凸構造層２４を構成する微粒子２５に修飾されている場合には、ホットスポットを構成する２つの微粒子の両者に修飾されていることが必要である。１０ｎｍ以下で近接する２つの微粒子の両者に良好に(ホットスポットを構成する多数のギャップのうち、ＣＯ２検出感度を十分に向上することができる程度に)修飾するためには、修飾される自己組織化単分子膜の分子長は２．５ｎｍ未満であることが好ましく、２ｎｍ以下、さらに１ｎｍ以下であることがより好ましい。他方、アミノ基を有する分子がデンドリマーである場合には、ホットスポットを構成する２つの微粒子のいずれか一方に修飾されていれば、十分効果を得ることができ、この場合には、デンドリマーの直径は５ｎｍ以下であればよい。デンドリマーの直径は、４．４ｎｍ以下、さらには、２ｎｍ以下であることが好ましい。
【００３８】
また、本実施形態の金属微細凹凸構造層２４は、その凸部が透明基板１０の微細凹凸構造の凸部先端から粒状に伸びるように形成されており、粒状であれば表面積が大きくなることから、金属表面に付着する被検体数を増加させることができ、検出光の増加に繋がるため好ましい。
【００３９】
金属微細凹凸構造層２４を構成する金属は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属であればよいが、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、またはこれらを主成分とする合金である。特には、ＡｕあるいはＡｇが好ましい。ここで、主成分とは全成分の８割以上を占める成分とする。
【００４０】
本実施の形態においては、透明基板１０はガラス等からなる透明基板本体１１と、透明基板本体１１の表面に備えられた微細凹凸構造を構成する、透明基板本体１１とは異なる物質からなる透明な微細凹凸構造層２２とからなるものとしている。微細凹凸構造層２２はベーマイト層であることが好ましいが、微細凹凸構造層２２は、ベーマイト以外に、バイヤーライトからなるものであってもよい。また、他の金属の水酸化物また金属酸化物の水酸化物から構成されていてもよい。
【００４１】
また、微細凹凸構造は透明基板本体と異なる物質により構成されたもののみならず、透明基板本体の表面を加工することにより基板本体と同一の物質により構成されていてもよい。例えば、ガラス基板の表面をリソグラフィー、イオンビームリソグラフィーおよびナノインプリントのいずれかとドライエッチング処理することにより、表面に微細凹凸構造を形成したものを透明基板として用いてもよい。
【００４２】
なお、形成方法が容易であることから、微細凹凸構造はベーマイト層２２により構成することが最も好ましい。
【００４３】
ベーマイト層などの金属の水酸化物または金属酸化物の水酸化物からなる透明な微細凹凸構造は、図１Ｂに示すように、大きさ（頂角の大きさ）や向きはさまざまであるが概ね鋸歯状の断面を有している。この微細凹凸構造は、この上に金属微細凹凸構造層２４が形成可能なものであればよいが、凸部間の距離および深さが概ね励起光の波長以下とする。なおここで、微細凹凸構造において、凸部間距離は凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士の距離であり、深さは凸部頂点から隣接する凹部の底部までの距離である。なお、凸部間距離および深さは、走査型電子顕微鏡画像から画像処理により求めることができる。
【００４４】
図２を用いて、本実施形態に係る光電場増強基板１の作製方法について説明する。
【００４５】
板状の透明基板本体１１を用意し、透明基板本体１１をアセトンおよびメタノールで洗浄する。その後、基板本体１１の表面にスパッタ法によりアルミニウム２０を数十ｎｍ程度成膜する。
【００４６】
その後、沸騰させた純水の中に、アルミニウム２０付き透明基板本体１１を浸水させ、数分（５分程度）後に取り出す。この煮沸処理（ベーマイト処理）により、アルミニウム２０は透明化し、微細凹凸構造を構成するベーマイト層２２となる。図３にベーマイト層の上面の走査型電子顕微鏡画像を示す。ベーマイト層は、図３に示すように大きさ（頂角の大きさ）や向きが様々な先端の細い花弁（先細り形状の花弁）状の構造体がランダムに配列されたものである。ここで、微細凹凸構造の各凸部は、基板面から遠ざかるにつれ、基板面に平行な面の微細構造断面積が減少していくような構造である。図３に示すように、ベーマイト層は、花弁構造が接合し、その接合部分を頂点とした構造となっていることがわかる。
【００４７】
ベーマイトはこのような先端の細い花弁が接合した構造となっており、基板本体１１から遠ざかるにつれベーマイトの断面が減少していき、実効屈折率が連続的に減少していくことから、反射防止膜としても機能するものである。
【００４８】
次に、このベーマイト層２２上に金属を蒸着することにより、ベーマイト層２２上に金属微細凹凸構造層２４が生成される。
【００４９】
その後、表面修飾処理により、金属微細凹凸構造層２４の表面を、アミノ基を有する分子により表面修飾する。例えば、アミノ基を有する分子をエタノール溶液に調合して浸漬用溶液を調製し、その溶液４０中に金属微細凹凸構造層２４を備えた上記基板を浸漬させることによりアミノ基を有する分子３０の単分子膜を金属微細凹凸構造層２４の表面に形成する。
以上の処理により光電場増強基板１を作製することができる。
【００５０】
本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強デバイスは、金属微細凹凸構造層の表面にアミノ基を有する分子を吸着若しくは結合させることにより炭酸ガスと金属膜最表面との親和性（アフィニティ）を向上させ、従来の増強ラマン分光法では検知できなかった濃度の炭酸ガスをセンシングできる。具体的には、アミノ基を有する分子を備えていない従来のＳＥＲＳ基板を用いた場合には、１０ml/minで基板表面に炭酸ガスを吹き付けても炭酸ガスをほとんど検出できなかったが、本発明の光電場増強デバイスを用いれば１０ml/minで炭酸ガスを吹き付けたとき、炭酸ガスの計測が可能である。
【００５１】
（ラマン分光法およびラマン分光装置）
以下に、上述の本発明の炭酸ガスセンシング用の光電場増強基板１を用いた測定方法の例として、ラマン分光法およびラマン分光装置１００について説明する。
【００５２】
図４は、上述の実施形態に係る光電場増強基板１を備えた増強ラマン分光装置１００の構成を示す概略図である。
【００５３】
図４に示すように、ラマン分光装置１００は、上述の光電場増強基板１と、励起光Ｌ１を光電場増強基板１へ照射する励起光照射部１４０と、被検体から発せられ光電場増強基板の作用により増強されたラマン散乱光Ｌ２を検出するための光検出部１５０とを備えている。
【００５４】
励起光照射部１４０は、励起光Ｌ１を射出する半導体レーザ１４１と、この半導体レーザ１４１から射出された光Ｌ１を基板１側へ反射するミラー１４２と、ミラー１４２により反射された励起光Ｌ１を透過し、励起光Ｌ１の照射により被検体から生じ増強されたラマン散乱光Ｌ２を含む基板１側からの光を光検出部１５０側へ反射するハーフミラー１４４と、ハーフミラー１４４を透過した励起光Ｌ１を光電場増強基板１の表面に集光するレンズ１４６とを備えている。
【００５５】
光検出部１５０は、ハーフミラー１４４により反射されてきた光のうち励起光Ｌ１を吸収し、それ以外の光を透過するノッチフィルタ１５１と、ノイズ光を除去するためのピンホール１５２を備えたピンホール板１５３と、被検体から発せられ、レンズ１４６およびノッチフィルタ１５１を透過した増強ラマン散乱光Ｌ２を、ピンホール１５２へ集光するためのレンズ１５４と、ピンホール１５２を通ったラマン散乱光を平行光化するレンズ１５６と、増強ラマン散乱光を検出する分光器１５８とを備えている。
【００５６】
上述のラマン分光装置１００を用いて、被検体のラマンスペクトルを測定するラマン分光方法について説明する。
【００５７】
光照射部１４０の半導体レーザ１４１から励起光Ｌ１が射出され、励起光Ｌ１はミラー１４２で基板１側に反射され、ハーフミラー１４４を透過してレンズ１４６で集光されて、光電場増強基板１上に照射される。
【００５８】
励起光Ｌ１の照射により、光電場増強基板１の金属微細凹凸構造層２４に局在プラズモン共鳴が誘起され、金属微細凹凸構造層２４表面に増強された光電場が生じる。この増強光電場により増強された、被検体から発せられたラマン散乱光Ｌ２は、レンズ１４６を透過して、ハーフミラー１４４で分光器１５８側に反射される。なお、このとき、光電場増強基板１で反射された励起光Ｌ１もハーフミラー１４４により反射されて分光器１５８側に反射されるが、励起光Ｌ１はノッチフィルタ１５１でカットされる。一方、励起光とは波長が異なる光はノッチフィルタ１５１を透過し、レンズ１５４で集光され、ピンホール１５２を通り、再度レンズ１５６により平行光化され、分光器１５８へ入射する。なお、ラマン分光装置においては、レーリー散乱光（あるいはミー散乱光）などは、その波長が励起光Ｌ１と同じであるため、ノッチフィルタ１５１でカットされ、分光器１５８へ入射することはない。ラマン散乱光Ｌ２は、分光器１５８に入射してラマンスペクトル測定がなされる。
【００５９】
本実施形態のラマン分光装置１００は、上記実施形態の光電場増強基板１を用いて構成されたものであり、試料ガスもしくは試料液中の炭酸ガス（ＣＯ２）をアミノ基と結合させることにより、炭酸ガス検出感度の高いラマン分光測定を実施できる。
ここで、被検体は、ＣＯ２であるが、基板上においては、ＣＯ２はアミノ基と結合してカルバメートを構成しているものと、アミノ基と静電的な相互作用で吸着しているＣＯ２とが存在すると推測されており、両者からの信号を検出しているものと推察される。
【００６０】
本実施形態のラマン分光装置１００のように、光電場増強基板１の裏面から検出する構成とすることにより、金属微細凹凸構造層と被検体との界面で最も強く生じる増強ラマン散乱光が試料流体により遮蔽されることなく透明基板の裏面側から検出することができる。
【００６１】
上述の実施形態のラマン分光装置１００は、光電場増強デバイス１の試料保持面（表面）とは逆側（デバイスの裏面）から励起光を入射すると共にラマン散乱光を検出するよう構成されているが、従来の装置と同様に、金属微細凹凸構造層２４の表面側（試料保持面）から励起光Ｌ１を入射し、かつラマン散乱光Ｌ２を検出するように構成してもよい。
【００６２】
さらには、励起光照射部と、光検出部とのいずれか一方を金属微細凹凸構造層２４の表面側に配置し、他方を基板１の裏面側に配置する構成としてもよい。
【００６３】
このように、本発明の光電場増強デバイスは、透明基板を用いているので、金属微細凹凸構造層の表面側、あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも光を照射することができ、また、この光の照射により試料から生じた光についても、金属微細凹凸構造層の表面側あるいは透明基板の裏面側のいずれからでも検出することができる。
【実施例】
【００６４】
以下、本発明の実施例および比較例について説明する。【００６５】
[実施例１]
「光電場増強基板の作製方法」
透明基板本体１１として、ガラス基板（ＢＫ−７；コーニング社製Ｅａｇｌｅ２０００)を用いた。
アセトン５分、メタノール５分の超音波洗浄（４５ｋＨｚ）を行った後、ガラス基板１１にスパッタ装置（キャノンアネルバ社製）を用いてアルミニウム２０を２５ｎｍ積層した。なお、表面形状測定器（ＴＥＮＣＯＲ社製）を用いて、アルミニウム厚みを測定し、厚みは２５ｎｍ（±１０％）であることを確認した。【００６６】
その後、ウォーターバス（西精機株式会社）の中に純水を用意して、沸騰させた。
沸騰水の中にアルミニウム２０付きガラス基板１１を浸水させて、５分間経過後に取り出した。この際、アルミニウム２０付きガラス基板１１を沸騰水に浸水させて１−２分程度でアルミニウムが透明化したことを確認した。この煮沸処理（ベーマイト処理）により、アルミニウム２０はベーマイト層２２となった。このベーマイト層２２の表面を、ＳＥＭ（日立製Ｓ４１００）にて観察した結果は既述の図３に示した通りである。【００６７】
次に、ベーマイト層２２の表面にＡｕを１１０ｎｍ分蒸着して金属微細凹凸構造層を形成した。なお、このときの厚みは、平板基板上にその厚みだけ金を蒸着させるときに要する蒸着量で蒸着していることを意味する。以下においても同様とする。【００６８】
２−アミノエタンチオール（東京化成社製）をエタノール溶液で１ｍＭに調合した。その時のｐＨは８．３であった。調合した２−アミノエタンチオール溶液中に、金属微細凹凸構造層表面に対して、塵埃の除去のためプラズマ処理を施した。このプラズマ処理により表面が親水化された基板を２４時間浸漬させることにより、２−アミノエタンチオールの単分子膜を金属微細凹凸構造層の表面に形成した。
このようにして実施例１の光電場増強基板を作製した。【００６９】
[実施例２]
実施例１において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Ａｕに代えてＡｇを用い、１５０ｎｍ分蒸着した点以外は同様にして実施例２の光電場増強基板を作製した。【００７０】
[実施例３]
実施例１において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Ａｕに代えてＣｕを用い、１５０ｎｍ分蒸着した点以外は同様にして実施例３の光電場増強基板を作製した。【００７１】
[実施例４]
実施例１において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Ａｕに代えてＰｔを用い、１５０ｎｍ分蒸着した点以外は同様にして実施例４の光電場増強基板を作製した。【００７２】
[実施例５]
実施例１において、金属微細凹凸構造層の形成時に、Ａｕに代えてＡｌを用い、１５０ｎｍ分蒸着した点以外は同様にして実施例５の光電場増強基板を作製した。【００７３】
[実施例６]
実施例１において、２−アミノエタンチオールの濃度を２０ｍＭにした表面処理液（ｐＨ９．６）を用い、処理液への浸漬時間を１時間とした点以外は同様にして実施例６の光電場増強基板を作製した。上記表面処理液のｐＨは９．６であった。【００７４】
[実施例７]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えて２−アミノエタンチオール塩酸塩（東京化成社製）を用いた表面処理液（ｐＨ４．３）とした点以外は同様にして実施例７の光電場増強基板を作製した。【００７５】
[実施例８]
実施例７において、２−アミノエタンチオール塩酸塩の濃度を２０ｍＭとした表面処理液（ｐＨ４．５）とし、浸漬時間を１時間とした点以外は同様にして実施例８の光電場増強基板を作製した。【００７６】
[実施例９]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えて２−ジメチルアミノエタンチオール（東京化成社製）を用いた表面処理液（ｐＨ４．４）とした点以外は同様にして実施例９の光電場増強基板を作製した。【００７７】
[実施例１０]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えて６−アミノ−１−ヘキサンチオール（同仁化学社製）を用いた表面処理液（ｐＨ４．４）とした点以外は同様にして実施例１０の光電場増強基板を作製した。【００７８】
[実施例１１]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えて８−アミノ−１−オクタンチオール（和光純薬社製）を用いた表面処理液（ｐＨ４．３）とした点以外は同様にして実施例１１の光電場増強基板を作製した。【００７９】
[実施例１２]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えて、１２−アミノ−１−ドデカンチオール（同仁化学社製）を用い、濃度１ｍＭとした表面処理液（ｐＨ５．１）を用い、浸漬時間を６時間とした点以外は同様にして実施例１２の光電場増強基板を作製した。【００８０】
[実施例１３]
実施例１において、２−アミノエタンチオールに代えてデンドリマー_Ｇｅｎｅ０（第０世代）（アルドリッチ社製）を濃度０．１ｍＭとした表面処理液（ｐＨ５．３）を用い、浸漬時間を６時間とした点以外は同様にして実施例１３の光電場増強基板を作製した。【００８１】
[実施例１４]
実施例１３において、デンドリマー_Ｇｅｎｅ０（第０世代）に代えてデンドリマー_Ｇｅｎｅ１（第１世代）（アルドリッチ社製）を用いた表面処理液（ｐＨ５．３）とした点以外は同様にして実施例１４の光電場増強基板を作製した。【００８２】
[実施例１５]
実施例１３において、デンドリマー_Ｇｅｎｅ０（第０世代）に代えてデンドリマー_Ｇｅｎｅ４（第４世代）（アルドリッチ社製）を用いた表面処理液（ｐＨ５．２）とした点以外は同様にして実施例１５の光電場増強基板を作製した。【００８３】
[比較例１]
金からなる金属微細凹凸構造層形成後、表面修飾を施さない基板を比較例１の光電場増強基板とした。【００８４】
[比較例２]
実施例１３において、デンドリマー_Ｇｅｎｅ０（第０世代）に代えてデンドリマー_Ｇｅｎｅ９（第９世代）（アルドリッチ社製）を用いた表面処理液（ｐＨ５．１）とし、浸漬時間を１２時間とした点以外は同様にして比較例２の光電場増強基板を作製した。【００８５】
（ラマン散乱光の測定）
上記方法で作製した各実施例および各比較例の光電場増強基板に対し、炭酸ガスを吹き付ける前後でラマンスペクトルを計測した。炭酸ガスの吹付けは、２５℃５０％ＲＨの環境下で、１０ｓｃｃｍ（ml/min）で１分間とし、その後１分間静置した後に、吹付け前と同様の条件でラマンスペクトルを計測した。
１２８０ｃｍ−１の信号について
[（吹付後の信号強度−吹付前の信号強度）／吹付前の信号強度]×１００（％）
を求め、変化量が２０％以上のとき良、５％以上２０％未満のとき可、５％未満のとき不良と評価した。
なお、１２８０ｃｍ−１の信号は、一般にＣＯ２のラマンピークとして知られているが、ここでは、既述の通りＣＯ２と、ＣＯ２がアミノ基と結合してなるカルバメートとの両者の信号であると推定している。【００８６】
ラマン散乱光は、顕微ラマン分光装置（ＨＲ８００）を用いて検出した。励起光としては、ピーク波長７８５ｎｍのレーザ光を用い、倍率２０倍で観測した。
表１に各実施例および比較例の金属微細凹凸構造層を構成する金属種、表面修飾のための表面処理溶液の詳細、処理時間、評価を纏めて示す。なお、表１における分子長は、各分子種の構造式からの計算値である。また、表面修飾を行った例のうちアミノ基を有する分子としてデンドリマーを用いた実施例１３〜１５および比較例２以外の実施例１〜１２においては、自己組織化単分子膜が形成されている。【００８７】
本発明においてアミノ基を有する分子の分子長は、典型的に示される結合距離（下記列挙）を分子構造に当てはめて計算したものとする。
Ｃ−Ｃ：０．１５４ｎｍ
Ｃ−Ｎ：０．１４７ｎｍ
Ｃ−Ｈ：０．１０８ｎｍ
Ｎ−Ｈ：０．１０１２ｎｍ
Ｃ−Ｓ：０．１８ｎｍ
Ａｕ−Ｓ：０．２６７ｎｍ
Ａｇ−Ｓ：０．２８２ｎｍ
Ｃｕ−Ｓ：０．２４７ｎｍ
Ａｌ−Ｓ：０．２３９ｎｍ
Ｐｔ−Ｓ：０．２３１ｎｍ
例えば、アミノエタンチオールや、アミノエタンチオール塩酸塩がＡｕ層、もしくはＡｇ層に修飾されている場合、その分子長を構成する構造は、Ａｕ（もしくはＡｇ）−Ｓ−Ｃ−Ｃ−Ｎ−Ｈである。したがって、アミノエタンチオールもしくはアミノエタンチオール塩酸塩がＡｕ層に修飾されている場合、それらの分子長は、０．２６７＋０．１８＋０．１５４＋０．１４７＋０．１０１２＝０．８４９２（ｎｍ）となり、Ａｇ層に修飾されている場合、それらの分子長は、０．２８２＋０．１８＋０．１５４＋０．１４７＋０．１０１２＝０．８６４２（ｎｍ）となる。【００８８】
【表１】
0006549598.tif 000005
【００８９】
表１に示す通り、同一の表面修飾処理を行った実施例１〜５において、金属微細凹凸構造層を構成する金属がＡｕ、Ａｇであるとき、Ｃｕ、Ｐｔ、Ａｌの場合と比較して感度が高かった。これは、アミノ基を有する分子である２−アミノエタンチオールのＡｕ、Ａｇに対する結合性がＣｕ、Ｐｔ、Ａｌに対する結合性と比較して大きく、表面修飾率が高いためと考えられる。【００９０】
同一の金属からなる金属微細凹凸構造層であり、同一のアミノ基を有する分子を表面修飾する場合、表面処理液の濃度を大きくすると、基板へのダメージが大きくなり、表面修飾率が劣るため評価が可であったと推察される。【００９１】
同一金属種に対し、分子種が異なる実施例１、６〜１５および比較例１、２についての評価結果においては、実施例１、７、９、１３および１４のように、２−アミノエタンチオール、２−アミノエタンチオール塩酸塩、２−ジメチルアミノエタンチオール、世代０、１のデンドリマーを用いた場合、炭酸ガス検出について良好な感度を示した。【００９２】
実施例１、６〜１２は、各アミノ基を有する分子が、自己組織化単分子膜として金属構造に修飾されるものであるが、実施例１〜９は分子長が１．０ｎｍ以下であるため、金属凸部（金属粒子）間のギャップを構成する隣接凸部の両者（特にギャップに面する領域）にも良好な修飾がなされていると考えられる。【００９３】
実施例１２〜１４および比較例２は、アミノ基を有する分子が、デンドリマーである。ここで、実施例１２、１３は、分子長（直径）が２．０ｎｍ以下であり、金属凸部（金属粒子）間のギャップを構成する隣接凸部の少なくとも一方（特にそのギャップに面する領域）へ良好な修飾がなされていると考えられる。他方、実施例１４は分子長が４．４ｎｍであり、金属凸部のギャップに面する領域への修飾が実施例１２、１３に比べると少なくなっていると考えられる。また、比較例２では、分子長が１１．４ｎｍと大きすぎて、金属凸部のギャップに面する領域に修飾ができなかったものと考えられる。【００９４】
また、比較例１のように、表面修飾をしていない場合、炭酸ガスをほとんど検出することができなかった。表面修飾していない場合は、炭酸ガスは金属表面にとどまることがほとんどないと考えられる。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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