(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基材と、前記基材の表面に位置するスラブ材と、少なくとも前記スラブ材上に位置する金属材料とを含み、被験物質の光学応答を増強させる表面増強ラマン分析用基板であって、
前記基材は、少なくとも前記スラブ材と接する表面層を備え、
前記スラブ材は、前記表面層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなり、前記スラブ材の表面から前記基材の前記表面層に達する、周期的に配列した複数の穴を有し、
前記金属材料は、前記スラブ材の表面、および、前記複数の穴のそれぞれを介した前記基材の表面層上に位置し、相補的な金属構造を有し、
前記複数の穴は、２以上の異なる直径を有し、かつ／または、２以上の異なる周期で配列されており、
前記複数の穴の直径および周期によって決定される複数の共鳴を有する、基板。
【請求項２】
前記スラブ材は、２以上の屈折率を有する材料からなり、
前記表面層は、２未満の屈折率を有する材料からなる、請求項１に記載の基板。
【請求項３】
前記スラブ材は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＩＩ−ＶＩ属半導体、ＩＩＩ−Ｖ属半導体およびＴｉＯ２からなる群から選択される材料である、請求項２に記載の基板。
【請求項４】
前記スラブ材は、１００ｎｍ以上２μｍ以下の範囲の厚さを有する、請求項１に記載の基板。
【請求項５】
前記表面層は、透明絶縁体からなる、請求項１に記載の基板。
【請求項６】
前記透明絶縁体は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ガラスおよびポリマーからなる群から選択される、請求項５に記載の基板。
【請求項７】
前記基材は、ＳｉＯ２層と接合したＳｉ基板である、請求項１に記載の基板。
【請求項８】
前記金属材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅおよびそれらの合金からなる群から選択される材料である、請求項１に記載の基板。
【請求項９】
前記金属材料は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有する、請求項１に記載の基板。
【請求項１０】
前記複数の穴の直径は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲である、請求項１に記載の基板。
【請求項１１】
前記複数の穴の周期は、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲である、請求項１に記載の基板。
【請求項１２】
前記複数の共鳴の少なくとも１つは、可視光から近赤外光域の領域に位置する、請求項１に記載の基板。
【請求項１３】
前記金属材料は、前記複数の穴の側壁を覆わない、請求項１に記載の基板。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれかに記載の被験物質の光学応答を増強させる表面増強ラマン分析用基板を製造する方法は、
表面層を有する基材、前記表面層上にスラブ材および前記スラブ材上にレジストを備え、周期的に配列し、２以上の異なる直径を有し、かつ／または、２以上の異なる周期で配列されている複数の凸部からなるパターンを備えたモールドを前記レジストに押し当て、前記レジストに前記パターンを転写するステップと、
前記スラブ材を前記転写されたパターンにしたがってエッチングし、前記スラブ材に前記基材の表面層に達する、周期的に配列した複数の穴を形成するステップと、
残留するレジストを除去し、金属材料を前記スラブ材の表面、および、前記複数の穴のそれぞれを介した前記基材の表面層に付与するステップと
を包含し、
前記パターンの前記複数の凸部の直径および周期は、前記パターンが転写され、前記スラブ材に形成されるべき前記複数の穴の直径および周期によって決定される前記スラブ材の複数の共鳴の少なくとも１つの共鳴が前記被験物質の指紋領域を含むように設定される、方法。
【請求項１５】
前記転写するステップは、加熱または紫外線照射のいずれかにより行う、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記形成するステップは、ＢＯＳＣＨ加工により行う、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記付与するステップは、物理的気相成長法または化学的気相成長法により行う、請求項１４に記載の方法。
【請求項１８】
表面増強ラマン分析用基板を用いて被験物質の光学応答を増強させる方法であって、
前記基板として、請求項１〜１３のいずれかに記載の基板であって、
前記基板が有する複数の共鳴のうち少なくとも１つの共鳴が、前記被験物質の指紋領域を含む、基板を用いる、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面増強ラマン散乱分析用基板、その製造方法およびその使用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
分子検出技術として、表面プラズモン増強蛍光分光（Ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｌａｓｍｏｎ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ、ＳＰＥＦＳ）、表面増強ラマン散乱（Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｅｎｈａｎｃｅｄ  Ｒａｍａｎ  Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ、ＳＥＲＳ）などが知られている。ＳＰＥＦＳでは、蛍光分子の蛍光を顕著に増強できる基板の存在は提示されている（例えば、非特許文献１および２を参照）。
【０００３】
一方、ＳＥＲＳが注目されてから２０年以上が経つ。大きなＳＥＲＳ効果は単一分子からの信号も検出可能とすることから、分子レベルでの分析技術としてバイオテクノロジーや医療診断への応用が期待されている。しかしながら、当初提唱されてきた電場増強効果のみによる大きなＳＥＲＳ効果は極めて不均一な応答を示し、信号の再現性を得られない場合が多い。これらの点を鑑みて、均一な応答を模索する試みも多く行われてきた（例えば、非特許文献３を参照）。しかしながら、非特許文献３においても、ＳＥＲＳ効果が十分に大きいとは言えなかった。
【０００４】
特許文献１は、電場の局所的な増強に注目して回折格子状の周期構造を有するＳＥＲＳ基板を開示する。特許文献２は、ナノギャップを特徴とするＳＥＲＳ基板を開示する。これらのＳＥＲＳ基板を用いたとしても、ＳＥＲＳ効果が特別な条件が実現された例外的な場合を除けばあまり大きくならず、また、均一な応答が十分得れらない場合がある。したがって、実用技術としてのＳＥＲＳ分析法を確立するためには、大きなＳＥＲＳ効果がありながら同時に均一な応答を示し、再現性の高いＳＥＲＳ分析用基板の開発が望まれる状況が続いている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００８−５１９２５４号公報
【特許文献２】特開２０１５−１４５４６号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】Ｍ．Ｉｗａｎａｇａら，Ｎａｎｏ  Ｌｅｔｔ．１５，１９０４（２０１５）
【非特許文献２】Ｂ．Ｃｈｏｉら，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．５１，１１４７０（２０１５）
【非特許文献３】Ｓ．Ｅ．Ｂｅｌｌら，Ｃｈｅｍ．Ｓｏｃ．Ｒｅｖ．３７，１０１２（２００８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明の課題は、ＳＥＲＳの強度を増大し、かつ、均一な信号分布を再現性良く測定できるＳＥＲＳ分析用基板、その量産可能な製造方法およびその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による、基材と、前記基材の表面に位置するスラブ材と、少なくとも前記スラブ材上に位置する金属材料とを含み、被験物質の光学応答を増強させる表面増強ラマン分析用基板は、前記基材は、少なくとも前記スラブ材と接する表面層を備え、前記スラブ材は、前記表面層の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなり、前記スラブ材の表面から前記基材の前記表面層に達する、周期的に配列した複数の穴を有し、前記金属材料は、前記スラブ材の表面、および、前記複数の穴のそれぞれを介した前記基材の表面層上に位置し、相補的な金属構造を有し、前記複数の穴の直径および周期によって決定される複数の共鳴を有し、これにより上記課題を解決する。
前記スラブ材は、２以上の屈折率を有する材料からなり、前記表面層は、２未満の屈折率を有する材料からなってもよい。
前記スラブ材は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＩＩ−ＶＩ属半導体、ＩＩＩ−Ｖ属半導体およびＴｉＯ２からなる群から選択される材料であってもよい。
前記スラブ材は、１００ｎｍ以上２μｍ以下の範囲の厚さを有してもよい。
前記表面層は、透明絶縁体からなってもよい。
前記透明絶縁体は、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３およびガラスからなる群から選択されてもよい。
前記基材は、ＳｉＯ２層と接合したＳｉ基板であってもよい。
前記金属材料は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅおよびそれらの合金からなる群から選択される材料であってもよい。
前記金属材料は、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の厚さを有してもよい。
前記複数の穴の直径は、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲であってもよい。
前記複数の穴の周期は、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲であってもよい。
前記複数の穴は、２以上の異なる直径を有し、かつ／または、２以上の異なる周期で配列されていてもよい。
前記複数の共鳴の少なくとも１つは、可視から近赤外の領域に位置してもよい。
前記金属材料は、前記複数の穴の側壁を覆わなくてもよい。
本発明による上述の被験物質の光学応答を増強させる表面増強ラマン分析用基板を製造する方法は、表面層を有する基材、前記表面層上にスラブ材および前記スラブ材上にレジストを備え、周期的に配列した複数の凸部からなるパターンを備えたモールドを前記レジストに押し当て、前記レジストに前記パターンを転写するステップと、前記スラブ材を前記転写されたパターンにしたがってエッチングし、前記スラブ材に前記基材の表面層に達する、周期的に配列した複数の穴を形成するステップと、残留するレジストを除去し、金属材料を前記スラブ材の表面、および、前記複数の穴のそれぞれを介した前記基材の表面層に付与するステップとを包含し、前記パターンの前記複数の凸部の直径および周期は、前記パターンが転写され、前記スラブ材に形成されるべき前記複数の穴の直径および周期によって決定される前記スラブ材の複数の共鳴の少なくとも１つの共鳴が前記被験物質の指紋領域を含むように設定され、これにより上記課題を解決する。
前記転写するステップは、加熱または紫外線照射のいずれかにより行ってもよい。
前記形成するステップは、ＢＯＳＣＨ加工により行ってもよい。
前記付与するステップは、物理的気相成長法または化学的気相成長法により行ってもよい。
前記複数の凸部は、２以上の異なる直径を有し、かつ／または、２以上の異なる周期で配列されてもよい。
本発明による表面増強ラマン分析用基板を用いて被験物質の光学応答を増強させる方法は、前記基板として、前記基板が有する複数の共鳴のうち少なくとも１つの共鳴が、前記被験物質の指紋領域を含む、上述の基板を用い、これにより上記課題を解決する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によるＳＥＲＳ分析用基板（以下、ＳＥＲＳ基板）によれば、複数の大きな放射率をもつ共鳴状態を介して被験分子固有の振動モードを表す指紋領域を含むラマン散乱信号を高感度、均一かつ再現性良く検出することができる。上記ＳＥＲＳ基板の共鳴状態は、最隣接部材よりも大きな屈折率を有するスラブ材が複数の周期的に配列した穴を有する構造に相補的な金属構造（本願明細書では、分かり易さのために金属ナノ構造と称する）を組み合わせた構造を形成することによって生じ、その構造内部の周期長や穴の直径の大きさを制御することで共鳴波長を可変とできる。このような共鳴波長は金属材料が付与されることにより広帯域化され、前記の共鳴波長可変性と合わせると、被験分子固有の共鳴波長に合わせ、かつその分子振動モードの指紋領域にわたって被験分子のラマン散乱ピークを検出することができる。被験分子の指紋領域が確実に含まれることから、ＳＥＲＳ信号から分子を同定することが容易になる。また、照射する光は、金属材料で覆われていないスラブ材に開けた穴の側面を通ってスラブ材内に閉じ込められる共鳴状態を形成する。その結果、照射された光エネルギーが金属材料で吸収、消費される効果を抑えながら、ＳＥＲＳ基板表面からの光放射を高効率化することができるので、被験分子のラマン散乱を高効率的に検出することができる。さらに、このようなＳＥＲＳ基板は、洗浄により再利用でき、実用上のコストを低減することができる。また、未使用状態のＳＥＲＳ基板を得ることは金属ナノ構造を溶解・除去して金属の再蒸着を行うのみで可能であり、作製工程を最初から繰り返すことは不要であるため、この簡素な再生工程は本発明のＳＥＲＳ基板を使用するうえで実用上の長所となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明によるＳＥＲＳ基板を示す模式図
【図２】本発明のＳＥＲＳ基板１００の例示的な穴のパターン（Ａ）、例示的な光学特性（Ｂ）およびラマンスペクトル（Ｃ）を示す図
【図３】本発明の別のＳＥＲＳ基板１００の例示的な穴のパターン（Ａ）および（Ｂ）、ならびに、例示的な光学特性（Ｃ）を示す図
【図４】本発明のＳＥＲＳ基板の製造工程を示すフローチャート
【図５】本発明によるＳＥＲＳ基板がセットされたラマン分光分析装置を示す模式図
【図６】実施例のＳＥＲＳ基板の具体的な製造工程を示す模式図
【図７】ＵＶナノインプリントリソグラフィによる図６（ｂ）直後の様子を示す図
【図８】典型的なＳＥＲＳ基板（Ｄ２２０ｎｍ）の外観写真（Ａ）と被験分子構造（Ｂ）および（Ｃ）とを示す図
【図９】実施例で用いたラマン分光分析装置を示す模式図
【図１０】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図
【図１１】実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図
【図１２】実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図
【図１３】実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図
【図１４】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図
【図１５】実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図
【図１６】実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図
【図１７】実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図
【図１８】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８（Ｄ２１５ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルを示す図
【図１９】実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８のＳＥＲＳ基板（Ｄ２１５ｎｍ）の反射率スペクトルを示す図
【図２０】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８のＳＥＲＳ基板（Ｄ２１５ｎｍ）を用いた放射率スペクトル（Ａ）、ＳＥＲＳスペクトル（Ｂ）および（Ｃ）を示す図
【図２１】比較例１０および比較例１１のＳＥＲＳ基板を用いたＳＥＲＳスペクトルを示す図
【図２２】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）、実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）および実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）に対応する数値計算による反射率スペクトル（Ａ）および放射率スペクトル（Ｂ）を示す図
【図２３】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による放射率スペクトル（Ａ）、３次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ｂ）および電場絶対値分布（Ｃ）を示す図
【図２４】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による２次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ａ）および電場絶対値分布（Ｂ）を示す図
【図２５】実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による４次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ａ）および電場絶対値分布（Ｂ）を示す図
【図２６】実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）、実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）および実施例９のＳＥＲＳ基板（Ｄ３００ｎｍ）の測定した反射率スペクトルを示す図
【図２７】実施例１２のＳＥＲＳ基板の構造図（Ａ）および数値計算した放射率スペクトル（Ｂ）を示す図
【図２８】比較例１３による基板の模式図（Ａ）と、数値計算による放射率スペクトル（Ｂ）を示す図
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明する。なお、同様の要素には同様の番号を付し、その説明を省略する。
【００１２】
（実施の形態１）
実施の形態１では、本発明によるＳＥＲＳ基板およびその製造方法について説明する。
図１は、本発明によるＳＥＲＳ基板を示す模式図である。
【００１３】
図１（Ａ）は本発明のＳＥＲＳ基板１００を模式的に示し、図１（Ｂ）は図１（Ａ）のｘｚ断面図を示している。本発明によるＳＥＲＳ基板１００は、蛍光分子、アミノ酸等に代表される被験分子のラマン散乱を増強させる表面増強ラマン分析用の基板である。本発明のＳＥＲＳ基板１００は、基材１１０と、基材１１０の表面に位置するスラブ材１２０と、少なくともスラブ材１２０上に位置する金属材料１３０とを含む。
【００１４】
基材１１０は、少なくともスラブ材１２０と接する表面層１４０を備える。スラブ材１２０は、表面層１４０の屈折率よりも高い屈折率を有する材料からなる。さらに、スラブ材１２０は、スラブ材１２０の表面から基材１１０の表面層１４０に達する周期的に配列した複数の穴１５０を有する。このような構造により、基材１１０およびスラブ材１２０は、六方格子状、正方格子状等の周期的に配列される複数の穴１５０の周期Λおよび直径Ｄによって決定される共鳴状態を呈することができる。
【００１５】
金属材料１３０は、少なくともスラブ材１２０上に位置するが、詳細には、スラブ材１２０の表面および複数の穴１５０のそれぞれを介した基材１１０の表面層１４０上に位置しており、相補的な金属ナノ構造（金属構造）を有する。分かり易くは、金属材料１３０は、スラブ材１２０の複数の穴１５０における穴側壁１６０を覆わない。すなわち、金属材料１３０はスラブ材１２０の厚さから金属材料１３０の厚さを引いた距離離間することを典型とする。以上のような構造により、ＳＥＲＳ基板１００に照射される光は、金属材料１３０で覆われていない穴側壁１６０を通って、スラブ材１２０内に閉じ込められる共鳴状態を形成できる。さらに、金属材料１３０が付与されているので、上述の共鳴の線幅がそれぞれ広帯域化されており、この複数の共鳴の少なくとも１つが、被験分子の指紋領域を確実に含めることができるので、被験分子のラマン散乱ピークを確実に増強できる。このような共鳴状態は、例えば、基板の放射率を測定した際に得られる放射率スペクトルが、複数の放射率ピークを有することにより確認できる。なお、本明細書において、「複数の共鳴の少なくとも１つが被験分子の指紋領域を含む」とは、放射率スペクトルピークとして現れる共鳴の波長域のうち少なくとも１つの共鳴波長域が、被験分子の指紋領域を包含している状態を意味する。
【００１６】
スラブ材１２０は、好ましくは、２以上の屈折率を有する材料からなる。スラブ材１２０の屈折率の上限は特に制限はないが、入手できる材料から４以下である。具体的には、スラブ材１２０は、Ｓｉ、Ｇｅ、ＳｉＮ、ＳｉＣ、ＩＩ−ＶＩ属の半導体、ＩＩＩ−Ｖ属の半導体およびＴｉＯ２からなる群から選択される材料である。これらの材料であれば、２以上の屈折率を有しており、加工性に優れるまたは成長技術が発展しているため、容易にスラブ材１２０を形成できる。
【００１７】
スラブ材１２０は、好ましくは、１００ｎｍ以上２μｍ以下の範囲の厚さを有する。厚さが１００ｎｍ未満であると、導波路モードが形成されず、光を閉じ込められない場合があり得る。厚さが２μｍを超えると、光の閉じ込め効果が小さくなり、十分な感度が得られない場合がある。より好ましくは、スラブ材１２０は、１５０ｎｍ以上２５０ｎｍ以下の範囲の厚さを有し、これにより、光を効率的に閉じ込めることができる。
【００１８】
複数の穴１５０の直径Ｄは、後述するように、複数の放射率ピークを有する共鳴状態を呈するように適宜決定される。直径Ｄは、具体的には、光の波長程度であるが、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を有せば、複数の共鳴の少なくとも１つの共鳴が可視光（波長４００ｎｍ以上）から近赤外光（波長２５００ｎｍ以下）の範囲内に位置するように設計できる。後述するように、複数の穴１５０は、２以上の異なる直径を有する穴であってもよい。この場合も、２以上の異なる直径のそれぞれが、１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を有せば、複数の共鳴のそれぞれが重ね合わさり、可視光から近赤外光においてより線幅の広い共鳴を示すことができる。このようにして、可視光から近赤外光の範囲に共鳴波長を有する被験分子のＳＥＲＳ信号を増強できる。
【００１９】
同様に、複数の穴１５０の周期Λもまた、複数の放射率ピークを有する共鳴状態を呈するように適宜決定される。周期Λは、具体的には、光の波長程度であるが、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲を有せば、複数の共鳴の少なくとも１つの共鳴が可視光から近赤外光域に位置するように設計できる。後述するように、複数の穴１５０は、２以上の異なる周期を有する穴であってもよい。この場合も、２以上の異なる周期のそれぞれが、３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲を有せば、複数の共鳴が合わさり、可視光から近赤外光において、より線幅の広い共鳴を示すことができる。
【００２０】
当然ながら、複数の穴１５０が、２以上の異なる直径および２以上の異なる周期で配列されていてもよく、これにより、高精度に共鳴波長の位置を制御でき、多様な被験分子に対応できるＳＥＲＳ基板を提供できる。
【００２１】
穴の形状は、図１では円柱状で示したが、これに限らず、角柱状、三角柱状などその他の形状であってもよく、共鳴状態を呈する限り、制限はない。
【００２２】
基材１１０の表面層１４０は、好ましくは、２未満の屈折率を有する材料からなる。表面層１４０の屈折率の下限は特に設定はないが、入手できる材料から１以上である。表面層１４０には、いわゆる透明絶縁体を採用できるが、具体的には、ＳｉＯ２、Ａｌ２Ｏ３、ガラスおよびポリマーからなる群から選択される材料からなる。これらの材料であれば、上述のスラブ材１２０と表面層１４０との屈折率の関係により、効率的に、スラブ材１２０に光を閉じ込めることができる。なお、基材１１０は、Ｓｉ基板、石英基板などのバルク基板と表面層１４０とから形成され、スラブ材１２０および金属材料１３０を維持できる任意の基板であり得る。
【００２３】
表面層１４０の厚さは、スラブ材１２０の厚さと同じまたはそれ以上であることが好ましい。これにより、スラブ材１２０を導波路とすることができる。表面層１４０は、より好ましくは、２００ｎｍ以上の厚さを有する。なお、容易に入手でき、加工性に優れているという観点から、基材１１０として、表面層１４０をＳｉＯ２とし、これと接合したＳｉ基板がある。また、基材１１０をガラス基板などとし、Ｓｉ層を成膜形成してスラブ材１１０とすることも可能である。
【００２４】
金属材料１３０は、特に制限はないが、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｄ、Ｃｏ、Ｆｅおよびそれらの合金からなる群から選択される材料であれば、ラマン散乱信号（ラマン散乱ピーク）を増強する。金属材料１３０は、好ましくは、３０ｎｍ以上１００ｎｍ以下の範囲の厚さを有する。厚さが３０ｎｍ未満であると、光が透過してしまい、金属として機能しない場合があり得る。厚さが１００ｎｍを超えると、穴１５０の側壁がふさがれてしまい、相補的な金属ナノ構造を形成できない場合があり得る。より好ましくは、金属材料１３０は、３０ｎｍ以上４０ｎｍ以下の範囲の厚さを有する。
【００２５】
次に、上述のＳＥＲＳ基板１００が、ラマン散乱信号を増強する原理を説明する。
（ｉ）スラブ材１２０が、１種の直径および周期を有する穴１５０を有する場合
図２は、本発明のＳＥＲＳ基板１００の例示的な穴のパターン（Ａ）、例示的な光学特性（Ｂ）およびラマンスペクトル（Ｃ）を示す図である。
【００２６】
図２（Ａ）に示されるように、スラブ材１２０が、直径Ｄ１を有し、周期Λ１およびΛ２で六方格子状２１０に配列した複数の穴１５０を有するものとする。このような複数の穴１５０は、点線で囲んだ矩形領域を単位胞としている。この場合、図２（Ｂ）の放射率（Ｅ）スペクトルに示されるように、スラブ材１２０は、直径Ｄ１と周期Λ１およびΛ２とで決定される複数の共鳴（ここでは、例示的に、３つの放射率ピークが示される）を有する。このような放射率Ｅは、透過光および回折光が無視できる反射型ＳＥＲＳ基板においては、反射率Ｒを用いて
＜式１＞
Ｅ＝１００−Ｒ（％）
により算出される。例えば、直径Ｄ１がさらに大きくなると、放射率ピークのそれぞれがブルーシフトし、周期Λ１およびΛ２がさらに大きくなると、放射率ピークのそれぞれがレッドシフトする。すなわち、本発明のＳＥＲＳ基板によれば、直径あるいは周期を適宜設計することにより、共鳴波長を変化させることができる。ここで得られた放射率の共鳴波長域は、金属材料１３０の付与により、広帯域化されている。
【００２７】
図２（Ｃ）に示されるように、複数の放射率の共鳴波長域のうち少なくとも１つの放射率の共鳴波長域が、検出されるべき被験分子の指紋領域を含むので、被験分子のラマン散乱信号を増強できる。
【００２８】
（ｉｉ）スラブ材１２０が、２種以上の直径および周期を有する穴１５０を有する場合
図３は、本発明の別のＳＥＲＳ基板１００の例示的な穴のパターン（Ａ）および（Ｂ）、ならびに、例示的な光学特性（Ｃ）を示す図である。
【００２９】
図３（Ａ）に示されるように、スラブ材１２０が、直径Ｄ１、Ｄ２およびＤ３を有し、周期Λ１およびΛ２で周期的に配列した複数の穴１５０を有するものとする。このような複数の穴１５０は、点線で囲んだ矩形領域を単位胞としている。図３（Ｂ）は、参考のために、１種の直径および周期を有する穴１５０を有する場合であり、直径Ｄ１および周期Λ１およびΛ２で周期的に配列した複数の穴１５０を有するものとする。
【００３０】
図３（Ａ）に示す場合、図３（Ｃ）の放射率スペクトル３１０に示されるように、スラブ材１２０は、直径Ｄ１、Ｄ２およびＤ３と周期Λ１およびΛ２とで決定される複数の共鳴に対応する放射率ピークを有する。一方、図３（Ｂ）に示す場合、図３（Ｃ）の放射率スペクトル３２０に示される複数の放射率ピークを有する。ここで、放射率スペクトル３１０と３２０とを比較すると、スラブ材１２０が２以上の直径を有する周期的に配列した複数の穴１５０を有することにより、共鳴波長域をさらに広帯域化できるだけでなく、共鳴波長域の広範囲にわたった制御ができる。ここでは、周期をΛ１およびΛ２に固定した完全周期系を提示したが、準周期的または周期が変調される構造をとっても良い。これにより、共鳴波長域のさらなる広帯域化も可能となる。このような放射率は、式１にしたがって、算出される。また、六方格子のみならず、正方格子状などそのほかの周期配列、またはその変調された構造を用いても同様の効果が生じる。
【００３１】
スラブ材１２０が２以上の異なる直径を有する複数の穴１５０を有すれば、共鳴波長域をさらに広帯域化できるので、使用できる被験分子の対象を拡げることができ、有利である。
【００３２】
上述してきたように、本発明のＳＥＲＳ基板１００は、表面層１４０とスラブ材１２０と金属材料１３０とによる共鳴状態を、被験分子の指紋領域を含むように制御し、これにより被験分子のラマン散乱信号を増強できる。共鳴状態は、スラブ材１２０が有する複数の穴１５０の直径Ｄおよび周期Λを制御することにより、可視光から近赤外光域の波長域にわたって共鳴波長を可変とすることができ、さらには、複数の穴１５０の直径Ｄを２以上組み合わせることにより、共鳴波長域のさらなる広帯域化も可能とする。
【００３３】
ここで、特許文献１および特許文献２に記載されるＳＥＲＳ基板と本発明のＳＥＲＳ基板１００との差異について議論する。上述したように、特許文献１は、電場の局所的な増強に注目して回折格子状の周期構造を特徴としたＳＥＲＳ基板を、特許文献２は、ナノギャップを特徴としたＳＥＲＳ基板を開示する。しかしながら、特許文献１は、回折格子状の周期構造において、格子内の側壁を金属が覆うＳＥＲＳ基板を前提としており、本願の特徴とする相補的な金属ナノ構造と異なる金属ナノ構造から構成され、本発明による高い放射率を有する共鳴状態を複数有するという定性的な光学特性に何ら示唆を与えていない。特許文献２は、金属の極小ナノギャップを特徴とし、そもそも、相補的な金属ナノ構造と、高屈折率材料からなり、周期的な複数の穴を有するスラブ材との組み合わせを開示していない。したがって、特許文献１、２のいずれも、本発明のＳＥＲＳ基板が有する相補的な金属ナノ構造を一切開示も示唆もしておらず、本願による放射率制御（すなわち、高い放射率とその波長可変性）という効果を達成できるものではない。
【００３４】
非特許文献２では、金属と被験分子の接触界面に自己組織化単分子膜を配して蛍光分子の蛍光を顕著に増強する基板が開示されるが、このような基板をＳＥＲＳ基板として使用することは適さない。なぜなら、非特許文献２の信号の減衰時間は０．３５ｎｓと測定されているが（非特許文献２のＦｉｇ．Ｓ８）、この減衰時間は、ラマン散乱の減衰時間（＜ｐｓ）とかけ離れている。すなわち、非特許文献２の信号は、すべてが蛍光であり、ラマン散乱の増強を示唆するものは一切ないといえる。また、蛍光増強基板から本願のＳＥＲＳ基板の効用を想起させる学理あるいは学説は存在せず、示唆を与えていない。
【００３５】
ＳＥＲＳ測定の対象として分子を対象として説明してきたが、本願のＳＥＲＳ基板の測定対象は分子に限定されるものではなく、被験分子の代わりに量子ドットなどの半導体量子ナノ構造やナノサイズの微結晶を用いることで格子振動モードを増強して観察可能にする。測定対象となる分子、ナノ構造、微結晶を総称して被験物質と称する。
【００３６】
次に、本発明のＳＥＲＳ基板１００の製造方法について説明する。
図４は、本発明のＳＥＲＳ基板の製造工程を示すフローチャートである。
【００３７】
主に次の３つのステップからなる。ナノパターンのレジストへの形成（Ｓ４１０）、エッチングによりスラブ材にナノパターン（穴の周期配列）を転写（Ｓ４２０）、金属材料を付与し、相補的な金属ナノ構造を形成する（Ｓ４３０）。各ステップについて詳述する。
【００３８】
ステップＳ４１０：レジストをスラブ材／表面層／基材（基材の表面層上にスラブ材が位置することを意味する）に備える。ここで、スラブ材および基材は、図１を参照して詳述したとおりであるため、省略する。例えば、ＳＯＩ基板（Ｓｉ層／ＳｉＯ２層／Ｓｉ基板）において、基材がＳｉＯ２（表面層）を有するＳｉ基板であり、スラブ材がＳｉ層である。ＳＯＩ基板であれば、市販されており容易に入手可能である。また、任意の基材に表面層を熱酸化、あるいは、物理的／化学的気相成長法により形成し、その上に、スラブ材を物理的／化学的気相成長法により形成してもよい。このような手順は、半導体デバイスの分野において知られている。
【００３９】
レジストは、樹脂であり得るが、転写を加熱によって行う場合には熱硬化型樹脂、転写を紫外線照射によって行う場合には紫外線硬化型樹脂が採用される。周期的に配列した複数の凸部からなるパターンを備えたモールドを、レジストに押し当て、パターンをレジストに転写する。このようなパターンを有するモールドは、石英、Ｓｉ、ＳｉＣ、Ｔａ等の材料からなるが、パターンが転写される構成であれば特に制限はない。
【００４０】
複数の凸部の逆パターンが、図１を参照して説明した複数の穴となり得るので、凸部の直径および周期は、逆パターンを考慮すれば、複数の放射率ピークを有する共鳴状態を呈するように適宜決定される。すなわち、直径および周期は、パターンが転写され、スラブ材に形成されるべき複数の穴の直径および周期によって決定されるスラブ材の複数の共鳴の少なくとも１つの共鳴が被験物質の指紋領域を含むように設定されればよい。
【００４１】
直径および周期は、具体的には、光の波長程度であるが、直径が１００ｎｍ以上５００ｎｍ以下の範囲を有し、周期が３００ｎｍ以上１０００ｎｍ以下の範囲を有せば、複数の放射率ピークの少なくとも１つの放射率ピークが可視光から近赤外光域に位置するように設計できる。
【００４２】
凸部の形状は、逆パターンが共鳴状態を呈する限り、制限はないが、例示的には、円柱状、角柱状等である。複数の凸部が、２以上の異なる直径および／または２以上の異なる周期を有していてもよい。
【００４３】
パターンの転写は、好ましくは、加熱を行うかまたは紫外線を照射するナノインプリントリソグラフィである。加熱または紫外線照射により、熱硬化型樹脂／紫外線硬化型樹脂が硬化して、パターンが転写される。なお、パターンのレジストへの形成には電子線リソグラフィを用いてもよいが、大面積のパターン形成には長大な時間を要するため、現実的ではない。ナノインプリントリソグラフィを実施することで、ナノメートル精度で大面積なパターン形成が短時間に実行でき、量産に有利である。また、単純な周期配列構造であれば、干渉光によるフォトリソグラフィによるパターン形成も可能な場合があると考えられる。
【００４４】
ステップＳ４２０：転写されたパターンにしたがってスラブ材をエッチングし、スラブ材に基材の表面層に達する、周期的に配列した複数の穴を形成する。エッチングは、スラブ材をパターンにしたがって除去できる限り特に制限はないが、好ましくは、ドライエッチングである。これにより、ナノオーダの高精度なパターンの転写を達成できる。とくに形成された穴の断面にテーパーがつかないようにするためにはＢＯＳＣＨ（ボッシュ）加工が有効であり、Ｓｉなどの半導体にこの加工法が用いられる。
【００４５】
一般に、ナノインプリントリソグラフィではモールドによって構造の周期長が固定される。しかしながら、ステップＳ４１０のモールドを除去した際に残留する不要なレジストを除去する残膜処理（例えば、図６の（ｃ）参照）において、処理時間を調整することにより穴の直径を変えることができる。このような制御を行うことにより、単一モールドによって共鳴波長を変えたＳＥＲＳ基板を製造することができる。例示的な残膜処理は、酸素プラズマにより、１〜５分行えば、穴の直径を凸部の直径よりも大きくすることができる。熱ナノインプリントリソグラフィによっても同様のＳＥＲＳ基板製造工程が実施できる。
【００４６】
ステップＳ４３０：スラブ材上に残留するレジストを除去し、金属材料をスラブ材の表面および形成された複数の穴のそれぞれを介した基材の表面層に付与する。レジストの除去は、薬液を用いたウェットプロセス、あるいは、酸素アッシングに代表されるドライプロセスによって行われる。金属材料の付与は、物理的気相成長法あるいは化学的気相成長法によって行われるが、穴の側面に金属が付着することを避け、相補的な金属ナノ構造を形成するためには金属原子の平行度の高い飛跡を実現できる蒸着法または対向スパッタリング法が適している。
【００４７】
以上のようにして、本発明のＳＥＲＳ基板１００（図１）を製造できる。
【００４８】
（実施の形態２）
実施の形態２では、本発明によるＳＥＲＳ基板を用いたラマン分光分析について説明する。
図５は、本発明によるＳＥＲＳ基板がセットされたラマン分光分析装置を示す模式図である。
【００４９】
ラマン分光分析装置５００は、励起光を出射し、ＳＥＲＳ基板１００に照射する光源部５１０と、ＳＥＲＳ基板１００からのラマン散乱光を検出する検出部５２０とを備える。
【００５０】
光源部５１０は、紫外から近赤外までの波長を有する励起光を発する連続光源またはパルス光源などのレーザ光源を備える。光源部５１０は、レーザ光源からの励起光をＳＥＲＳ基板１００に照射するための、アパーチャ、コリメートレンズ、フィルタ、集光レンズ、ビームスプリッタ等の光学系を備えてもよい。
【００５１】
検出部５２０は、ラマン散乱光を検出し、ラマンスペクトルを分光する分光器を備える。検出部５２０は、ＳＥＲＳ基板１００からのラマン散乱光を分光器に誘導するための、ビームスプリッタ、フィルタ、結像レンズ等の光学系を備えてもよい。検出部５２０は、さらに、分光器の結果を収集する中央演算処理装置を備え、その結果を表示するディスプレイを有してもよい。
【００５２】
ラマン分光分析にあたって、ＳＥＲＳ基板１００への測定試料の準備法について説明する。ＳＥＲＳ基板１００の表面上にピペットを用いて微量（〜２μＬ）の被験分子を含む溶液を滴下する。溶液がメタノール、エタノール等の有機溶媒である場合、滴下された溶液は自発的に拡散、乾燥することで均一な被験分子の分散を行うことができる。あるいは、被験分子を含む溶液にＳＥＲＳ基板１００全体を浸して被験分子をＳＥＲＳ基板１００の表面に付着させる方法もあるが、溶液を１ｍＬ程度必要とし、微量の被験分子しか用意できない場合には適さない。なお、本発明のＳＥＲＳ基板１００は、上述した金属ナノ構造を有するため、被験分子が均一に付着するので、励起光のビームスポット位置依存性はない。
【００５３】
このようなラマン分光分析装置５００において、本発明のＳＥＲＳ基板１００を用いれば、被験分子からのラマン散乱信号を、平坦なＳｉ基板を用いる参照配置と比べて、５０００倍程度にまで増強するので、高感度、均一かつ再現性良くラマン分光分析を行うことができる。なお、ラマン分光分析において、被験物質の光学応答を増強させるために使用されるＳＥＲＳ基板１００としては、上述したように複数の共鳴のうち少なくとも１つの共鳴が、被験物質の指紋領域を含むように基板を選択し、用いれば、共鳴に対応して、被験物質のラマン散乱ピークを確実に増強できる。
【００５４】
次に具体的な実施例を用いて本発明を詳述するが、本発明がこれら実施例に限定されないことに留意されたい。
【実施例】
【００５５】
[実施例１]
実施例１では、基材１１０（図１）が表面層１４０（図１）として埋め込み酸化膜（Ｂｕｒｉｅｄ  Ｏｘｉｄｅ：ＢＯＸ）を備えたＳｉ基板であり、スラブ材１２０（図１）がＳｉであり、金属材料１３０（図１）がＡｕであり、スラブ材は直径Ｄが２５０ｎｍの穴を有し、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍを有する周期的に配列した穴１４０（図１）を有するＳＥＲＳ基板を製造した。以降では、実施例１で製造した基板をＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）と称する。
【００５６】
図６は、実施例のＳＥＲＳ基板の具体的な製造工程を示す模式図である。
【００５７】
実施例１では紫外（ＵＶ）ナノインプリントリソグラフィを用いて、本発明のＳＥＲＳ基板を製造した。図６を参照し、製造工程を詳述する。まずスラブ材１２０（図１）の上にレジスト（ＮＩＣＴ８２５１０、ダイセル化学工業社製、日本）をスピンコートし、８０℃で１分間プリベイクを施した（ａ）。つぎに、あらかじめ離型処理を施しておいた石英モールドをレジストに押し当てて加圧し、押し込みができた後、ＵＶ光を照射してレジストを硬化させた（ｂ、ステップＳ４１０）。モールドは、直径２２０ｎｍであり、Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍの周期で周期的に配列した凸部からなるパターンを有した。レジスト硬化後の様子を観察した。結果を図７に示す。
【００５８】
図７は、ＵＶナノインプリントリソグラフィによる図６（ｂ）直後の様子を示す図である。
【００５９】
１回のモールド準備で約１０回のナノパターンのレジストへの転写を実行したときに撮影した。スケールバーは２ｃｍを表しており、約３０ｃｍ２のナノパターン転写が短時間で実行できたことを示している。電子線リソグラフィではこのような大面積なナノパターン描画は長大な時間を要するため、現実的ではない。
【００６０】
次いで、モールドを外し、残膜処理を行って押し込み位置に薄く残ったレジストを除去した（ｃ）。ＢＯＳＣＨ加工である異方性エッチングによってスラブ材１２０に穴を開けた（ｄ、ステップＳ４２０）。
【００６１】
残留レジストを除去した（ｅ）。最後に金属材料としてＡｕを前記蒸着法により付与し、ＳＥＲＳ基板を完成させた（ｆ、ステップＳ４３０）。Ａｕの厚さは、３５ｎｍであった。
【００６２】
このようにして得られたＳＥＲＳ基板の典型的な外観写真を図８（Ａ）に示す。走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、結果を図１０に示す。次いで、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）を用いて、ＳＥＲＳ信号を測定した。ＳＥＲＳ信号測定に用いたラマン分光分析装置を図９に示す。また、ＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）に分散された被験分子構造を図８（Ｂ）および図８（Ｃ）に示す。
【００６３】
図８は、ＳＥＲＳ基板の典型的な外観写真（Ａ）と被験分子構造（Ｂ）および（Ｃ）とを示す図である。
【００６４】
図８（Ａ）はナノインプリントリソグラフィによって製造したＳＥＲＳ基板の写真である。基板中央部に位置する１０ｍｍ角の正方形が円形の穴の周期配列からなる。スケールバーは１０ｍｍを示している。
【００６５】
図８（Ｂ）は実施例で用いた近赤外光域の蛍光分子（ＩＲ７８３）の分子構造を示している。ＩＲ７８３分子を有機溶媒に溶かしたときの光吸収ピークが波長７８３ｎｍ付近にある。実施例では、ＩＲ７８３を有機溶媒としてメタノールに溶かした。このときのＩＲ７８３溶液の濃度は、５０μｍｏｌ／Ｌであった。
【００６６】
図８（Ｃ）は実施例で用いた可視光域の蛍光分子（Ｒ５９０）の分子構造を示している。Ｒ５９０分子を、メタノール等の有機溶媒に溶かしたときの光吸収ピークが波長５９０ｎｍ付近にある。実施例では、Ｒ５９０を有機溶媒としてメタノールに溶かした。このときのＲ５９０溶液の濃度は、１０μｍｏｌ／Ｌであった。
【００６７】
上述のように製造したＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の表面上にピペットを用いて微量（〜２μＬ）のＩＲ７８３溶液およびＲ５９０溶液をそれぞれ滴下し、これを測定用試料とした。より具体的には、ＩＲ７８３溶液をＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）に滴下した測定用試料を用いて光学測定した後、この測定用試料を王水で洗浄し、ＩＲ７８３分子および金属材料（ここでは金）を除去した。次いで、再度、金属材料を付与し、ＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）を製造した。これに、Ｒ５９０溶液を滴下し、測定用試料とし、光学測定をした。
【００６８】
図９は、実施例で用いたラマン分光分析装置を示す模式図である。
【００６９】
光源部５１０は、レーザ９０１、アパーチャ９０２、可変減光素子９０３、レーザラインフィルタ９０４、レンズ９０５、ビームスプリッタ９０６および対物レンズ９０７を備えた。
【００７０】
検出部８２０は、対物レンズ９０７、アパーチャ９０２、ビームスプリッタ９０６、ノッチフィルタ９０８、結像レンズ９０９、光ファイバへの集光ユニット９１０、光ファイバ９１１、分光器９１２、ＣＣＤカメラ９１３および電子計算機９１４を備えた。
【００７１】
シングルモードの連続光レーザであるレーザ９０１からの励起光を、アパーチャ９０２、可変減光素子９０３、レーザラインフィルタ９０４、レンズ９０５等の光学系により強度およびスペクトル形状において調整したのち、対物レンズ９０７によって集光してＳＥＲＳ基板１００上の被験分子に照射した。被験分子からのＳＥＲＳ信号を含む光を同じ対物レンズ９０７によって集光し、アパーチャ９０２、ビームスプリッタ９０６を通ったＳＥＲＳ信号を含む光からノッチフィルタ９０８によりレーザ光の散乱を除外した。次いで、ＳＥＲＳ信号を結像レンズ９０９および光ファイバへの集光９１０を通して、光ファイバ９１１を経由して分光器９１２で波長分解してＣＣＤカメラ９１３で測定した。測定データは電子計算機９１４で収集、保存した。ラマンスペクトルおよび放射率スペクトルを図１４、図１８および図２０に示す。反射率スペクトルは分光光度計（図示せず）を用いて測定した。
【００７２】
次に、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）について、数値計算により反射スペクトルおよび光吸収スペクトルを求めた。結果を図２２〜図２５に示す。得られた光吸収スペクトルの３次共鳴、２次共鳴および４次共鳴それぞれにおける電場ｘ成分分布、ならびに、電場絶対値分布を算出した。結果を図２３〜図２５に示す。
【００７３】
［実施例２］
実施例２では、穴直径を２６５ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例２のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：ＩＲ７８３）を測定した。これらの結果を、図１１、図１５および図２２に示す。一連の測定後、測定用試料を洗浄し、再度金属材料としてＡｇを付与した。得られたＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）について反射率スペクトルを測定した。結果を図２６に示す。
【００７４】
［実施例３］
実施例３では、穴直径を２８３ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例３のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：ＩＲ７８３）を測定した。これらの結果を、図１２、図１６および図１８に示す。
【００７５】
［実施例４］
実施例４では、穴直径を３１４ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例４のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：ＩＲ７８３）を測定した。これらの結果を、図１３、図１７および図２２に示す。
【００７６】
［実施例５］
実施例５では、穴直径を２８０ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例５のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：Ｒ５９０）を測定した。これらの結果を、図１９、図２０および図２２に示す。実施例２と同様に、測定用試料を調整後、再度金属材料としてＡｇを付与した。得られたＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）について反射率スペクトルを測定した。結果を図２６に示す。
【００７７】
［実施例６］
実施例６では、穴直径を２４５ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例６のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：Ｒ５９０）を測定した。これらの結果を、図１９および図２０に示す。実施例２と同様に、測定用試料を調整後、再度金属材料としてＡｇを付与した。得られたＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）について反射率スペクトルを測定した。結果を図２６に示す。
【００７８】
［実施例７］
実施例７では、穴直径を１９０ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例７のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：ＩＲ７８３およびＲ５９０）を測定した。これらの結果を、図１８〜図２０に示す。
【００７９】
［実施例８］
実施例８では、穴直径を２１５ｎｍとした以外は、実施例１と同様であった。得られた実施例８のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ２１５ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察した。実施例１と同様に、測定用試料を調整し、測定した反射率スペクトルから放射率スペクトルを導き、ＳＥＲＳ信号（被験分子：Ｒ５９０）を測定した。これらの結果を、図１９および図２０に示す。
【００８０】
［実施例９］
実施例９では、穴直径を３００ｎｍとし、金属材料をＡｇとした以外は、実施例１と同様であった。実施例９のＳＥＲＳ基板（ＳＥＲＳ基板（Ｄ３００ｎｍ）と称する）について、実施例１と同様に、ＳＥＭ観察をし、反射率スペクトルを測定した。結果を図２６に示す。
【００８１】
［比較例１０］
比較例１０では、ＳＥＲＳ基板として、Ａｕナノロッドアレイ基板であるＷａｖｅｌｅｔ（ニデック社製、日本）を用い、実施例５〜８と同様の条件にて、ＳＥＲＳスペクトル（ＳＥＲＳ信号）を測定した。結果を図２１（Ａ）に示す。
【００８２】
［比較例１１］
比較例１１では、ＳＥＲＳ基板として、Ｑ−ＳＥＲＳ（Ｎａｎｏｖｏ社製、米国）を用い、実施例５〜８と同様の条件にて、ＳＥＲＳスペクトルを測定した。結果を図２１（Ｂ）に示す。Ｑ−ＳＥＲＳは金膜上に自己組織化単分子膜を形成したものと開示されている。ＳＥＲＳ測定がよく行われてきた従来技術の典型の１つである。
【００８３】
以上の実施例および比較例１〜１１のＳＥＲＳ基板を簡単のため表１にまとめて示し、結果を詳述する。
【００８４】
【表１】
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【００８５】
図１０は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図である。
図１１は、実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図である。
図１２は、実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図である。
図１３は、実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）の表面のＳＥＭ像を示す図である。
【００８６】
図１０〜図１３において、白いスケールバーは１μｍを示している。図１０によれば、実施例１のＳＥＲＳ基板の穴の直径Ｄは２５０ｎｍであり、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍであった。図１１によれば、実施例２のＳＥＲＳ基板の穴の直径Ｄは２６５ｎｍであり、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍであった。図１２によれば、実施例３のＳＥＲＳ基板の穴の直径Ｄは２８３ｎｍであり、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍであった。図１３によれば、実施例４のＳＥＲＳ基板の穴の直径Ｄは３１４ｎｍであり、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍであった。いずれも、モールドの凸部の大きさおよび形状を反映したナノパターンが均一に形成されていることが分かった。図示しないが、実施例５〜９においても、所望の直径を有する複数の穴が、所定の周期で配列していることを確認した。
【００８７】
図１４は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図である。
図１５は、実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図である。
図１６は、実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図である。
図１７は、実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルおよび放射率（Ｅ）スペクトルを示す図である。
図１８は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例３のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８３ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８（Ｄ２１５ｎｍ）を用いたＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【００８８】
図１４〜図１８は、いずれも被験分子がＩＲ７８３である場合の結果を示す。図１４〜図１７において、実線がＳＥＲＳスペクトル（左軸に対してＳＥＲＳ信号の強度を示す）を示し、破線が放射率スペクトル（右軸に対して放射率の強度を示す）を示す。
【００８９】
放射率Ｅは、測定反射率Ｒから式１を用いて得た。測定したＳＥＲＳ基板においては透過光および回折光は無視できるほど小さいため、ＳＥＲＳ基板の光吸収率ＡｂｓはＡｂｓ＝１００−Ｒ（％）で得られる。キルヒホッフの放射則により光吸収率と放射率は等しく（例えば、Ｊ．−Ｊ．Ｇｒｅｆｆｅｔら，Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ  １５，２７３５（１９９８）を参照）、前記放射率Ｅを求める式１が成り立つ。
【００９０】
図１４のＳＥＲＳスペクトルは、１０個以上の細かいピークを示した。これらのピークのそれぞれがＩＲ７８３の分子振動モードに対応した。入射レーザ光は波長７８６．６ｎｍであった（図１４中の矢印）。分光光度計を用いて、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の反射率を入射角度５°のほぼ垂直入射下で測定し、前記放射率Ｅの算出式に反射率を代入することにより、放射率を求めた（破線）。なお、対物レンズの開口数に相当する２０°以下の入射角において放射率の入射角依存性がほとんどないことを確認した。本発明のＳＥＲＳ基板の基本的な光学特性は、対物レンズの開口数に相当するの入射角の範囲で測定すればよい。
【００９１】
放射率の３次放射率ピーク付近において顕著にＳＥＲＳ信号が大きくなった。共鳴の次数は垂直入射下での放射率スペクトルにおいて最も長波長（すなわち最も低エネルギー）側から１次、２次、３次などと順に定めた。図１４における数字２〜５はそれぞれ２次〜５次の共鳴を意味している。なお、図示しないが、本発明のＳＥＲＳ基板の放射率の共鳴波長域と、金属が付与されない基板のそれとを比較したところ、本発明のＳＥＲＳ基板の放射率の共鳴波長域は、広帯域化されていることを確認した。
【００９２】
詳細には、放射率スペクトルにおける３次の放射率の共鳴波長域が、ＩＲ７８３の指紋領域（波数（単位ｃｍ−１）６５０〜１３００ｃｍ−１に相当）を含むことにより、ＩＲ７８３のＳＥＲＳ信号は、放射率の３次放射率ピーク付近で増強したことを確認した。同様に、図１５〜図１７を参照すれば、各ＳＥＲＳ基板の放射率ピークに対応して、ＩＲ７８３のＳＥＲＳ信号の増強が確認された。また、図１５〜図１７の放射率スペクトル（例えば、２次の共鳴に着目すれば分かりやすい）を比較すると、穴直径が大きくなるにつれて、同じ次数の放射率ピークの波長がブルーシフトした。
【００９３】
図１８では、図１４あるいは図１６のＳＥＲＳスペクトルを、横軸を波数（ｃｍ−１）として表している。図中の両端矢印は上述のＩＲ７８３の指紋領域を示す。図１８から、実施例１あるいは実施例３のＳＥＲＳ基板において、ＩＲ７８３のＳＥＲＳ信号を効率的に増強できたことが分かった。図示しないが、実施例２のＳＥＲＳスペクトルも同様であった。
【００９４】
一方、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）においては、ＩＲ７８３のＳＥＲＳ信号の増強は確認できなかった。これは、後述するように、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）が、ＩＲ７８３の指紋領域を含む放射率の共鳴波長域を有しないためであった。
【００９５】
図１９は、実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８のＳＥＲＳ基板（Ｄ２１５ｎｍ）の反射率スペクトルを示す図である。
【００９６】
反射率は、入射角度５°のほぼ垂直入射下で測定された。入射光は図１（Ａ）に示すｘｚ平面内を進み、その電場ベクトルはｘｚ面内にある偏光下で測定された。上述の放射率の式を参照すれば、反射率のディップが、放射率のピーク、すなわち共鳴に相当する。実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）の反射率スペクトルに着目すれば、数字１〜５は、それぞれ、１次〜５次の共鳴を意味している。図１９の３次および４次の共鳴は、それぞれ、図１４の３次および４次の共鳴に対応する。
【００９７】
図１９によれば、穴直径が大きくなるにつれて、同じ次数の放射率ピークの波長がブルーシフトした。実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）の反射率スペクトルは、ＩＲ７８３の指紋領域に相当する波数６５０〜１３００ｃｍ−１を含む放射率の共鳴波長域を有しなかった。このことは、図１８に示す実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）がＩＲ７８３のＳＥＲＳ信号の増強を示さなかった結果に一致する。
【００９８】
図２０は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）、実施例７のＳＥＲＳ基板（Ｄ１９０ｎｍ）および実施例８のＳＥＲＳ基板（Ｄ２１５ｎｍ）を用いた放射率スペクトル（Ａ）、ＳＥＲＳスペクトル（Ｂ）および（Ｃ）を示す図である。
【００９９】
図２０（Ａ）の放射率スペクトルは、図１９の波長５２０ｎｍ〜６２０ｎｍの反射率に基づいて算出された放射率を拡大して示す。図２０（Ｂ）および（Ｃ）は、いずれも、入射レーザ光が波長５３２ｎｍであり、被験分子がＲ５９０である場合のＳＥＲＳスペクトルを示すが、それぞれ、横軸を波長および波数で示す。図２０（Ｂ）および（Ｃ）によれば、波長５５０ｎｍ〜５７５ｎｍの範囲に１０個以上の細いピークを示した。これらのピークのそれぞれがＲ５９０の分子振動モード（指紋領域）に対応した。このことから、本発明のＳＥＲＳ基板を用いれば、Ｒ５９０のＳＥＲＳ信号を効率的に増強できることが分かった。
【０１００】
図２１は、比較例１０および比較例１１のＳＥＲＳ基板を用いたＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【０１０１】
図２１（Ａ）および（Ｂ）は、それぞれ、比較例１０および比較例１１のＳＥＲＳ基板を用い、被験分子がＲ５９０である場合のＳＥＲＳ測定結果である。図２１（Ａ）の縦軸と図２０（Ｂ）の縦軸とは、測定条件で規格化してあるので直接比較できる。
【０１０２】
図２１（Ａ）では光照射スポットを異なる５点に選び、測定した結果を示している。いずれも測定スポットにおいてもほぼ同等の信号が得られたが、最大強度は１０００程度（波長５６０ｎｍ）であり、図２０（Ｂ）に示した本願のＳＥＲＳ基板による同一波長での信号強度８０００〜１８０００程度と比べて、１／８から１／１８程度であった。さらにＲ５９０の分子振動に対応する細いピークはＷａｖｅｌｅｔ（比較例１０のＳＥＲＳ基板）では観測されなかった。すなわち、ＳＥＲＳ信号が観測されなかった。図２１（Ａ）のスペクトル形状はＲ５９０の典型的な蛍光スペクトルとほぼ同一である（例えば、非特許文献２を参照）。このように同一条件下で測定した結果、本発明のＳＥＲＳ基板は、既存のＳＥＲＳ基板と比べて、定量的かつ定性的な優位性が顕著であることを確認した。
【０１０３】
図２１（Ｂ）の縦軸と図２０（Ｂ）の縦軸とは、測定条件で規格化してあるので直接比較できる。図２１（Ｂ）でも光照射スポットを異なる５点に選び、測定した結果を示している。いずれも測定スポットにおいても２０％程度の信号強度の揺らぎはあるが、形状としては類似の結果が得られた。なお、５３８ｎｍ付近にみられる鋭い信号はレーザ光であり、ＳＥＲＳ信号ではない。最大強度は平均で９００程度（波長５６０ｎｍ）であり、図２０（Ｂ）に示した本願のＳＥＲＳ基板による同一波長での信号強度８０００〜１８０００程度と比べて、１／９から１／２０程度であった。さらにＲ５９０の分子振動に対応する細いピークはＱ−ＳＥＲＳ（比較例１１のＳＥＲＳ基板）ではかすかに兆候が見られたものの、信号強度として５０以下であった。本願のＳＥＲＳ基板によるＳＥＲＳ信号強度５０００程度と比較すると、１／１００程度であり、著しく小さかった。このように同一条件下で測定した結果、本発明のＳＥＲＳ基板は、既存のＳＥＲＳ基板と比べて、定量的な優位性が顕著であることを確認した。
【０１０４】
実施例１〜８では、ＵＶナノインプリントリソグラフィによるナノパターン形成を基にしたＳＥＲＳ基板製造を行ったため、周期長は固定とし、穴直径を変化させたＳＥＲＳ基板を製造した。被験分子の共鳴波長に合うＳＥＲＳ基板では特に明瞭なＳＥＲＳ信号が観測され、既存のＳＥＲＳ基板と同一実験条件下で比較したところ、定量的な優位性が１００倍以上あり、明確であった。既存のＳＥＲＳ基板の種類によってはＳＥＲＳ信号が観測されなかった場合もあり、本願のＳＥＲＳ基板の実用上の優位性は確証されたと言える。
【０１０５】
以上から、本発明のＳＥＲＳ基板によれば、周期的に配列された複数の穴を有するスラブ材により複数の共鳴（放射率スペクトルにおける放射率ピークに相当する）を呈し、なおかつ金属材料によって共鳴波長域は広帯域化されている。広帯域化された複数の共鳴のうち少なくとも１つの共鳴が、被験分子の指紋領域を含みさえすれば、被験分子のＳＥＲＳ信号を効率的に増強できることが示された。また、複数の穴の直径を制御することにより、共鳴波長をシフトできるので、被験分子の共鳴波長に合わせて所望の指紋領域を確実に含み、高感度な分子検出を可能にするＳＥＲＳ基板を提供することができる。
【０１０６】
図２２は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）、実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）、実施例４のＳＥＲＳ基板（Ｄ３１４ｎｍ）および実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）に対応する数値計算による反射率スペクトル（Ａ）および放射率スペクトル（Ｂ）を示す図である。
【０１０７】
入射光はｘｚ平面内を進み、入射角度θは５°、入射偏光は電場ベクトルがｘｚ平面内にあるｐ偏光とした。この入射光は実施例１〜４および図１９における反射率測定配置と対応している。
【０１０８】
散乱（Ｓ）行列法を組み込んだ厳密結合波解析法（ＲＣＷＡ）を用いて、共鳴電磁場の本発明のＳＥＲＳ基板への寄与を調べた。Ｓ行列法を組み込んだＲＣＷＡは電磁気学の第一原理であるマクスウェル方程式を数値的に精度よく解くという、学理的に確立された基盤に基づく方法であり、そのコードをスーパーコンピュータ上で実行した。具体的な解析手順は、Ｌｉ，Ｌ．のＪ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ  １４，２７５８−２７６７（１９９７）およびＬｉ，Ｌ．のＪ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ．Ａ  １３，１０２４−１０３５（１９９６）にしたがって行った。
【０１０９】
上述したキルヒホッフの法則により、反射率（図２２（Ａ））から放射率を求めた（図２２（Ｂ））。図２２（Ｂ）において、数字１〜４は、それぞれ、１次〜４次の共鳴を意味している。図２２によれば、ＳＥＲＳ基板の穴直径が大きくなるにつれて、共鳴波長のピークがブルーシフトすることが分かった。この結果は、図１５〜図１７および図１９を参照して説明した実験結果に一致した。このことからも、本発明のＳＥＲＳ基板の穴直径を制御するだけで、所望の共鳴波長を得ることができることが分かる。
【０１１０】
図２３は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による放射率スペクトル（Ａ）、３次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ｂ）および電場絶対値分布（Ｃ）を示す図である。
図２４は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による２次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ａ）および電場絶対値分布（Ｂ）を示す図である。
図２５は、実施例１のＳＥＲＳ基板（Ｄ２５０ｎｍ）の数値計算による４次の共鳴における電場ｘ成分分布（Ａ）および電場絶対値分布（Ｂ）を示す図である。
【０１１１】
なお、図２３〜図２５において、入射光が図１（Ａ）の座標軸のｘｙ面に対して垂直入射され、その偏光がｘ偏光であるものとした。
【０１１２】
図２３（Ａ）は、図２２（Ｂ）の結果を抜粋して示す。図２３（Ｂ）は、図１（Ａ）のｘｚ断面のある瞬間の電場のｘ成分の分布を示すが、濃淡が明瞭に示される穴の周辺やスラブ材と金属材料との界面に電場が強く局在していることがわかった。図２３（Ｃ）は、図２３（Ｂ）に対応するｘｚ面の電場のｘ成分およびｚ成分の絶対値を示すが、ここでも、濃淡が明るく示される穴の壁面の領域に電場が強く局在していることが分かった。
【０１１３】
図２４（Ａ）は、図１（Ａ）のｘｚ断面のある瞬間の電場のｘ成分の分布を示すが、濃淡のコントラストが明瞭に示されるスラブ材と金属材料との界面に電場が強く局在していることがわかった。図２４（Ｂ）は、図２４（Ａ）に対応するｘｚ面の電場のｘ成分およびｚ成分の絶対値を示すが、ここでも、濃淡が明るく示される穴の壁面の領域に電場が強く局在していることが分かった。
【０１１４】
図２５（Ａ）は、図１（Ａ）のｘｚ断面のある瞬間の電場のｘ成分の分布を示すが、濃淡のコントラストが明瞭に示されるスラブ材と金属材料との界面に電場が強く局在していることがわかった。図２５（Ｂ）は、図２５（Ａ）に対応するｘｚ面の電場のｘ成分およびｚ成分の絶対値を示すが、ここでも、濃淡が明るく示される穴の壁面およびスラブ材と金属材料との界面の領域に電場が強く局在していることが分かった。
【０１１５】
これらの結果は、本発明のＳＥＲＳ基板は、スラブ材に局在するフォトニック導波路モードと金属ナノ構造近傍で共鳴的に増強されるプラズモン状態が同時に誘起されるハイブリッド共鳴状態を表している。
【０１１６】
以上から、本発明のＳＥＲＳ基板は、電場が局在化することが分かり、複数の共鳴を有する共鳴状態を呈することが示され、これにより放射率が増強することが確認された。このことは、図１４〜図２０を参照して説明した実験結果に一致した。
【０１１７】
また、電場が強く局在している領域が見られたが、この領域は、被験物質がこの領域に位置すれば、ＳＥＲＳ信号を増強するホットスポットと呼ばれる。ホットスポットは極めて限られた領域（〜５ｎｍ３）であり、ここに被験物質を位置させることは非常に困難である。しかしながら、図１４〜図１８および図２０を参照して説明したように、本発明のＳＥＲＳ基板を用いれば、ホットスポットを意識した被験物質の配置をすることなく、均一に増強したＳＥＲＳ信号分布を再現性良く得られることが示された。
【０１１８】
図２６は、実施例２のＳＥＲＳ基板（Ｄ２６５ｎｍ）、実施例５のＳＥＲＳ基板（Ｄ２８０ｎｍ）、実施例６のＳＥＲＳ基板（Ｄ２４５ｎｍ）および実施例９のＳＥＲＳ基板（Ｄ３００ｎｍ）の測定した反射率スペクトルを示す図である。
【０１１９】
図２６のスペクトルは、金属材料としてＡｕに代えてＡｇを用いて製造したＳＥＲＳ基板の測定反射スペクトルである。Ａｇの厚さは３５ｎｍであった。穴直径は２４５ｎｍから３００ｎｍまで変えて測定した。図１９の金属材料がＡｕの場合と同様に、穴直径が大きくなると同じ次数の共鳴が短波長側に表れるという性質が観測された。放射率で考えると、Ａｕの場合と同じく大きな放射率が得られることから、ＳＥＲＳ基板として機能することが示唆される。
【０１２０】
なお、実施例２、５および６のＳＥＲＳ基板は、Ａｕを王水で洗浄・除去した後にＡｇを付与することによって調整されていることから、本発明のＳＥＲＳ基板は再利用ができ、コスト削減に有利であることが確認された。
【０１２１】
以上の実施例１〜１１では、被験分子としてＩＲ７８３およびＲ５９０の蛍光分子を用いたが、上述したように、本発明のＳＥＲＳ基板の少なくとも１つの共鳴が、被験分子の指紋領域に対応していれば（含んでいれば）、上記蛍光分子に限らず、可視光から近赤外光域に指紋領域を有する被験分子のＳＥＲＳ信号を増強できる。
【０１２２】
［実施例１２］
実施例１２では、３種類の穴直径Ｄ１（２５０ｎｍ）、Ｄ２（２８０ｎｍ）およびＤ３（３１４ｎｍ）を有する複数の穴が、１２３０ｎｍの周期Λ１、７１０ｎｍのΛ２で周期的に配列したスラブ材を備えたＳＥＲＳ基板を想定し、その放射率スペクトルを数値計算した。結果を図２７に示す。
【０１２３】
図２７は、実施例１２のＳＥＲＳ基板の構造図（Ａ）および数値計算した放射率スペクトル（Ｂ）を示す図である。
【０１２４】
図２７（Ａ）において、単位胞は点線で囲んだ長方形の領域である。この単位胞の横幅は、図２（Ａ）に示すすべて同じ穴直径Ｄ１（２５０ｎｍ）からなるＳＥＲＳ基板の構造図の単位胞のそれと比べて３倍となる。図２７（Ｂ）の実線で示す放射率スペクトルは、図２７（Ａ）の３種の異なる穴直径を有するＳＥＲＳ基板における放射率スペクトルの数値計算結果である。図２７（Ｂ）には、比較のため、図２（Ｂ）で示す穴直径Ｄ１の穴を備えたＳＥＲＳ基板の数値計算による放射率スペクトルを破線で示す。
【０１２５】
図２７（Ｂ）の実施例１２の放射率スペクトル（実線）は、波長１０９０ｎｍ〜１４２０ｎｍにブロードな大きなピークを有した。図２７（Ｂ）によれば、複数の穴直径を組み合わせることにより、単一の穴直径の構造と比べて、大きな放射率の波長域が広帯域化することが分かった。詳細には、図２７（Ｂ）の実線で示す放射率スペクトルにおける放射率５０％（両端矢印で示す）は、１０９０〜１４２０ｎｍにわたった。一方、破線で示す放射率スペクトルにおける対応する放射率は１２０５〜１２９０ｎｍまたは１３７０〜１４４５ｎｍであり、１０９０〜１４２０ｎｍの範囲の約１／４の共鳴波長域にとどまっていた。
【０１２６】
なお、実施例１２では、穴直径のみ変化させたが、単位胞の幅が変化すればよいという観点から、複数の穴直径を採用する以外にも、複数の穴の周期を採用する、あるいは、これらの両方を採用しても、同様に放射率のピークの広帯域化を達成できることは言うまでもない。
【０１２７】
以上から、本発明のＳＥＲＳ基板は、周期長と穴直径とを含む単位胞構造の調整（穴直径および／または周期長の制御）により、広帯域化された共鳴波長域をもつことが可能であり、多様な被験分子の共鳴波長に対応でき、分子振動の指紋領域を含むＳＥＲＳ信号の検出を容易にする。
【０１２８】
［比較例１３］
比較例１３では、本発明による相補的な金属ナノ構造の有効性について検討した。詳細には、比較例１３の基板は、実施例１と同様に、埋め込み酸化膜を備えたＳｉ基板上に、直径Ｄが２５０ｎｍの穴を有し、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍを有する周期的に配列した穴を有するＳｉを有するが、金属材料（Ａｕ）がＳｉの表面に加えて穴の側面も覆っている点で異なる、相補的な金属ナノ構造を有しない基板であった。このような基板について、実施例１と同様に、数値計算により放射率スペクトルを算出した。結果を図２８に示す。
【０１２９】
図２８は、比較例１３による基板の模式図（Ａ）と、数値計算による放射率スペクトル（Ｂ）を示す図である。
【０１３０】
図２８（Ａ）に示すように、比較例１３の基板は、ＳｉＯ２１４０を備えたＳｉ基板１１０と、Ｓｉ基板１１０の表面に位置し、直径Ｄが２５０ｎｍの穴を有し、周期Λ１＝４１０．５ｎｍ、Λ２＝７１０．０ｎｍを有する周期的に配列した穴１５０を有するＳｉ層１２０と、Ｓｉ層１２０上に位置するＡｕ層２８１０とを含む。Ａｕ層２８１０は、Ｓｉ層１２０の表面および穴１５０の底面および側面１６０も覆っており、相補的な金属ナノ構造を形成しない。この構造は特許文献１で開示される構造と同様である。穴の内壁を除く構造パラメータは実施例１と同じとし、穴の内壁の金属の厚さも上面の金属の厚さと同じく３５ｎｍとした。
【０１３１】
図２８（Ｂ）において、点線で示すスペクトルが比較例１３の結果を示す。図２８（Ｂ）には、比較のために、実施例１のＳＥＲＳ基板の数値計算による放射率スペクトル（実線）を併せて示す。この放射率スペクトル（実線）は、図２３（Ａ）に示すスペクトルと同じである。
【０１３２】
点線と実施例１の結果である実線とを比べると、比較例１３の放射率が１０％程度まで明確に低減したことが確認された。また、実施例１で見られた共鳴による大きな放射率ピークのほとんどが消失したことも確認された。
【０１３３】
以上から、本発明のＳＥＲＳ基板における相補的な金属ナノ構造により、本願で提示するＳＥＲＳ基板としての効用、すなわち、広帯域化された共鳴波長域をもつことが可能であり、多様な被験分子の共鳴波長に対応でき、分子振動の指紋領域を含むＳＥＲＳ信号の検出を容易にすることが示され、特許文献１と同様の比較例１３に代表される相補的な金属ナノ構造を有さない基板では実現困難であることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【０１３４】
本発明によるＳＥＲＳ基板は、既存のＳＥＲＳ基板に比べて著しい増強効果を有するだけでなく、ＳＥＲＳ基板上での測定位置依存性は異なる複数の測定点の平均値からのずれが５％程度と小さいので、このようなＳＥＲＳ基板を用いれば、容易に、再現性よく、高精度に被験物質の検出および分析を可能にする。また、本発明のＳＥＲＳ基板は洗浄または金属材料の除去・再付与のみで再利用可能であり、コストの面でも使い捨ての既存のＳＥＲＳ基板と同等か、それ以上優位性を見込むことができる。
【符号の説明】
【０１３５】
１００  ＳＥＲＳ基板
１１０  基材
１２０  スラブ材
１３０  金属材料
１４０  表面層
１５０  複数の穴
３１０、３２０  放射率スペクトル
５００  ラマン分光分析装置
５１０  光源部
５２０  検出部
９０１  レーザ
９０２  アパーチャ
９０３  可変減光素子
９０４  レーザラインフィルタ
９０５  レンズ
９０６  ビームスプリッタ
９０７  対物レンズ
９０８  ノッチフィルタ
９０９  結像レンズ
９１０  光ファイバへの集光ユニット
９１１  光ファイバ
９１２  分光器
９１３  ＣＣＤカメラ
９１４  電子計算機
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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