(57)【要約】本発明の種々の態様は、電界強化構造(100)、及び該電界強化構造を使用した検出装置(600, 700, 800)に関する。本発明の実施形態において、電界強化構造(100)は、表面(104)を有する基板(102)を含む。基板(102)は、平面モード周波数を有する平面モード(114)を有することができる。複数のナノ構造(106)が表面(104)に関連し、各ナノ構造(106)は、平面モード周波数にほぼ等しい局在表面プラズモン周波数を有する局在表面プラズモンモード(116)を示す。
2010531995.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面(104)を有する基板(102)であって、平面モード周波数を有する平面モード(114)を有することが可能な基板(102)と、
前記基板の表面に関連する複数のナノ構造(106)であって、各ナノ構造が、前記平面モード周波数にほぼ等しいＬＳＰ周波数を有する局在表面プラズモン（ＬＳＰ）モード(116)を示す、複数のナノ構造(106)と
を含み、前記ナノ構造のそれぞれのＬＳＰモードと、前記平面モードとが、励起されたときに、互いに建設的に干渉するように構成される、電界強化構造(100)。
【請求項２】
前記複数のナノ構造は、
前記基板の表面に形成されたナノホール(306)と、
前記基板の表面にわたって分布するナノ粒子(106)と
の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の電界強化構造(100)。
【請求項３】
前記基板の表面は、金属材料を含み、前記表面が、誘電体媒体に隣接して配置され、
前記平面モードは、表面プラズモン偏光モード(116)からなる、請求項１に記載の電界強化構造(100)。
【請求項４】
前記基板(402, 502)は、１以上の誘電体層(503, 505)を含み、
前記平面モードは、誘電体表面モード(514)、又は導波モード(414)からなる、請求項１に記載の電界強化構造(100)。
【請求項５】
前記複数のナノ構造は、回折格子(108)に入射する電磁放射を平面モードに結合するように構成された回折格子(108)を規定する、請求項１に記載の電界強化構造。
【請求項６】
前記回折格子は、複数の回折要素(203-206)を含み、各回折要素が、前記複数のナノ構造のうちの２以上のナノ構造を含む、請求項５に記載の電界強化構造。
【請求項７】
第１の回折格子(710)に入射する励起電磁放射を前記平面モードに結合するように構成された第１の回折格子(710)と、
前記第１の回折格子から間隔を空けて配置された第２の回折格子(718)と
をさらに含み、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の間に、前記複数のナノ構造が配置され、前記第２の回折格子は、前記励起電磁放射の周波数とは異なる周波数の電磁放射を回折するように構成される、請求項１に記載の電界強化構造。
【請求項８】
第１の回折格子(710)に入射する励起電磁放射を前記平面モードに結合するように構成された第１の回折格子(710)と、
前記第１の回折格子から間隔を空けて配置された第２の回折格子(718)と
をさらに含み、前記第１の回折格子と前記第２の回折格子の間に、前記複数のナノ構造が配置され、前記第２の回折格子は、前記平面モードに結合された前記励起電磁放射を回折するように構成される、請求項１に記載の電界強化構造。
【請求項９】
励起電磁放射を放射するように構成された少なくとも１つの励起放射源(606, 704)と、
請求項１に記載の電界強化構造(602, 702)であって、前記ＬＳＰモード、及び前記平面モードが、前記励起電磁放射に応答して励起可能である、請求項１に記載の電界強化構造(602, 702)と、
前記電界強化構造に結合された少なくとも１つの検出器(608,706)と
を含む検出装置(600, 700, 800)。
【請求項１０】
強化電界を生成する方法であって、
励起電磁放射を使用して、基板(102)の表面(104)に関連する複数のナノ構造(106)に光を照射するステップと、
前記複数のナノ構造に応答し、前記ナノ構造のそれぞれにおいて、局在表面プラズモン（ＬＳＰ）モード(116)を励起するステップと、
前記複数のナノ構造への光の照射に応答し、前記基板の前記表面に平面モード(114)を励起するステップと、
前記ナノ構造のそれぞれにおいて励起されたＬＳＰモードと、前記表面に励起された平面モードとを、建設的に干渉させ、強化電界を生成するステップと
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、概して、検出装置のような多数の異なる用途に使用される電界強化構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
金属粒子の周りにおける電界の強化は、現在の科学的、及び技術的に関心のある一つの話題である。例えば、表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ）は、特別に作成された粗面化された金属表面、又は金属粒子の付近の強化電界を使用し、検体から非弾性的に散乱されたラマン放射光の量を増加させる一つの周知の分光法である。ＳＥＲＳでは、検体は、活性化された金属表面、又は構造に吸収され、又は、その金属表面に隣接して置かれる。特定周波数の電磁波（ＥＭＲ）を受けた検体、及び金属表面、又は粒子からの放射光は、金属表面、又は粒子に表面プラズモンポラリトン（ＳＰＰ）を励起する。
【０００３】
表面増強ラマン分光法においては、検体は、ＳＰＰの非常に強い局所的な電界を受け、検体のラマン光子特性は、検体から非弾性的に散乱される。電界の強化は、金属表面、又は粒子を使用せずにラマン分光法を実施する場合に比べてラマン放射を相対的に増加させるための、一つの重要な要素であると考えられる。例えば、金属表面からの電界の強化は、ラマン散乱の強度を１０３倍から１０６倍まで増強する場合がある。
【０００４】
近年、ラマン分光法は、電界を増強するために、単純な粗面化された金属表面ではなく、ナノスケールの針状部材、島状部材、及びワイヤのような不規則な向きを有する金属ナノ粒子を使用して実施されている。そうした金属表面に吸収される分子からのラマン散乱光子の強度は、１０６倍を上回る倍率で増強される場合がある。この程度の感度において、ラマン分光法は、微量の種の検出に使用することができ、ナノ増強ラマン分光法（ＮＥＲＳ）と呼ばれることがある。
【０００５】
ＳＥＲＳ、及びＮＥＲＳに関する上記の記載から分かるように、金属粒子の周囲における電界の増強は、非常に有用な場合がある。電界の強化は、ＳＥＲＳ、及びＮＥＲＳの他に、赤外線分光法、センサ、ラマン撮像装置、ナノアンテナ、及び他の用途といった他の用途にも使用されることがある。従って、電界強化構造の研究者、及び開発者は、センサ、ラマン分光システム、及び他の用途のような広く様々な用途において使用可能な改良型電界強化構造の必要性をよく理解している。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の種々の態様は、電界強化構造、及び該電界強化構造を利用した検出装置に関する。本発明の一態様において、電界強化構造は、表面を有する基板を含む。基板は、平面モード周波数を有する平面モードを有することができる。複数のナノ構造が、表面に関連し、各ナノ構造は、平面モード周波数にほぼ等しい局在表面プラズモン周波数を有する局在表面プラズモンモードを示す。励起電磁放射により励起されると、ナノ構造の局在表面プラズモンモードと、平面モードとが、互いに建設的に干渉し、強化磁界を生成する。
【０００７】
図面は、本発明の種々の実施形態を示し、図中、異なる図面における同じ符号は、同じ要素、又は特徴を指している。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１Ａ】本発明の一実施形態による電界強化構造を示す略等角図である。
【図１Ｂ】図１Ａに示した電界強化構造を示す略平面図である。
【図１Ｃ】ライン１Ｃ−１Ｃに沿って切断して見たときの、図１Ｂに示す電界強化構造を示す略断面図である。
【図２】本発明の他の実施形態による電界強化構造を示す略平面図である。
【図３Ａ】本発明のさらに別の実施形態による、ナノ粒子の周期的配置を利用した電解強化構造を示す略平面図である。
【図３Ｂ】ライン３Ｂ−３Ｂに沿って切断して見たときの、図３Ａに示す電界強化構造を示す略断面図である。
【図４】本発明の他の実施形態による、誘電体材料を含む電界強化構造を示す略等角図である。
【図５】本発明の更に別の実施形態による、誘電体表面モードを支持するように構成された電界境界基板を示す略等角図である。
【図６】本発明の一実施形態による未公開の電界強化構造をいずれも使用することが可能な検出装置を示す機能ブロック図である。
【図７】本発明の一実施形態による多重回折格子を利用する電界効果構造を含む検出装置を示す略等角図である。
【図８】本発明の一実施形態による開示した検出装置のいずれかとして構成される複数の検出装置サブユニットを含む検出装置を示す機能ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
本発明の種々の実施形態は、電界強化構造、及び該電界強化構造を利用した検出装置に関する。電界強化構造に関して開示する実施形態は、基板の表面に関連する複数のナノ構造を含む。各ナノ構造の局在表面プラズモン（ＬＳＰ）モード、及びその構造の平面モードは、所定周波数のＥＭＲによって励起され、表面の付近に強化電界を生成する。強化電界は、例えば、ＳＥＲＳ、赤外線分光法、及び多くの他の用途に使用することができる。
【００１０】
図１Ａ〜図１Ｃは、本発明の一実施形態による電界強化構造１００を示す。電界強化構造１００は、表面１０４を有する基板１０２を含む。ナノ粒子１０６のような複数のナノ構造が、表面１０４上に形成される場合がある。各ナノ粒子１０６の一般的サイズは、約２ｎｍ〜約２００ｎｍである。また、ナノ粒子１０６の形状は、図示したものとは異なる場合もある。例えば、各ナノ粒子１０６は、概ね球形、半球形、円筒形、又は他の適当な形状を有する場合がある。本明細書において、「ナノ構造」とは、ナノ粒子、又はナノホールを意味する。ナノ粒子１０６は、回折格子を形成するように、ある周期的な配置を成して基板１０４上に分布している。図面では、例えば、ナノ粒子１０６は、格子定数ｄを有する正方格子構成を成すものとして示されている。ただし、複数のナノ粒子１０６は、これに制限されることなく、他の周期的構成を有する場合もある。距離ｄの一般的範囲は、約５０ｎｍ〜数マイクロメートルである。
【００１１】
各ナノ粒子１０６は、表面プラズモンを有することが可能な金属、合金、又は縮退ドープされた半導体材料のようなプラズモン活性材料から形成される。例えば、各ナノ粒子１０６は、銅、金、パラジウム、銀、又はそれらの金属の任意の合金、あるいは、他の適当なプラズモン活性材料から構成される場合がある。各ナノ粒子１０６において、局在表面プラズモンは、特定周波数の励起ＥＭＲに応答して励起される場合がある。表面プラズモンとは、固体表面付近における自由電子群の振動である。ＬＳＰは一般に、表面形電磁共振、粒子プラズモン、及びギャップ・プラズモンとも呼ばれる。複数のナノ構造（例えば、ナノ粒子、又はナノホール）においてＬＳＰを励起させることが可能な周波数（複数の場合もあり）は、表面プラズモンが束縛される相手先のナノ構造のサイズ、及び形状、ナノ構造の誘電率、並びにナノ構造間の間隔の関数である。ナノ粒子１０６のような複数のナノ構造は、一般に、個々のナノ粒子１０６のサイズ、及び形状に影響されるだけでなく、格子定数ｄにも強く影響されるＬＳＰモードのスペクトルを示す。従って、各ナノ粒子１０６においてＥＭＲがＬＳＰモードを励起させることが可能な周波数（複数の場合もあり）は、ナノ粒子１０６のサイズ、形状、及び間隔を調節することによって、調節することができる。
【００１２】
基板１０２、及び基板の表面１０４は、ＳＰＰを励起させることが可能な金属、合金、又は縮退ドープされた半導体材料のような材料から形成される。例えば、基板１０２は、銅、金、パラジウム、銀、それらの金属の任意の合金、又は他の適当な材料から形成される場合がある。ただし、本発明の他の実施形態において、基板１０２は、例えばガラス基板から形成される基板、及び該基板上に蒸着された上記のプラズモン活性材料のうちの任意のものから形成された薄膜を含む場合がある。
【００１３】
ＳＰＰとは、金属のような負の誘電率を有する材料と、実際の正の誘電率を有する媒体との間の境界に沿って進む電磁界による電磁励起である。ＳＰＰは、負の誘電率を有する材料の表面プラズモンに光子が結合する結果として生成される。従って、表面１０４は、少なくともある範囲のＥＭＲ周波数において、負の実誘電率を示し、表面１０４に隣接する媒体（例えば、空気）は、前記表面１０４が正の実誘電率を示すＥＭＲ周波数の範囲の少なくとも一部において、正の実誘電率を示す。表面１０４は、表面１０４に沿って伝搬するＳＰＰモードを支持することができる。ＳＰＰモードは、表面１０４、及びその直ぐ隣りの領域に制限されるため、ＳＰＰモードの電界の強度は、ＳＰＰモードを励起させるために使用されるＥＭＲに対して、相対的に強化される。ＳＰＰモードの周波数は、主に表面１０４、及び隣接媒体の誘電率の選択によって調節することができる。ＳＰＰモードは、例えば、約１μｍ〜約２００μｍの長さを伝搬する場合がある。
【００１４】
自由空間光と、ＳＰＰモードとの間の分散関係が原因で、自由空間光を使用してＳＰＰモードを直接励起することは出来ない場合がある。表面１０４にＳＰＰモードを励起させるためには、自由空間光のエネルギー、及び運動量を、ＳＰＰモードのエネルギー、及び運動量に一致させる必要がある。従って、複数のナノ粒子１０６によって規定される電界強化構造１００の回折格子１０８は、励起源１１２によって放射される励起周波数ω、及び励起波長λを有するＥＭＲ１１０を、表面１０４に沿って伝搬するＳＰＰモード１１４（すなわち、平面モード）に結合するように構成される。ＳＰＰモード１１４は、励起周波数ωにほぼ等しいＳＰＰ周波数ωＳＰＰを有する。波長λは概ね、回折格子１０８の格子定数ｄの整数倍（すなわち、ｎ・λ、ただし、ｎは整数、λはＥＭＲ１１０の波長）である。また、各ナノ粒子１０６は、サイズ、形状、及び組成を調節することにより、各ナノ粒子１０６が、励起周波数ωにほぼ等しいＬＳＰ周波数ωＬＳＰを有するＬＳＰモード１１６を示し、励起周波数ωのＥＭＲ１１０を使用して、各ナノ粒子１０６を励起させることができるように構成される場合がある。
【００１５】
使用の際には、励起周波数ωを有するＥＭＲ１１０が、電界強化構造１００に照射され、ＬＳＰ周波数ωＬＳＰを有する複数のナノ粒子１０６に関連するＬＳＰモード１１６が励起される。前述のように、ＬＳＰ周波数ωＬＳＰは、ＥＭＲ１１０の励起周波数ωにほぼ等しい。ナノ粒子１０６によって規定される回折格子１０８は、ＥＭＲ１１０も回折させ、回折されたＥＭＲは、ＳＰＰモード１１４の波動ベクトルに一致する波動ベクトルを有するものとなる。従って、ＥＭＲ１１０は、各ナノ粒子１０６のＬＳＰモード１１６、ＳＰＰモード１１４の両方を励起する。ＬＳＰモード１１６とＳＰＰ１４は同相であるから、ＬＳＰモード１１６とＳＰＰ１１４は、互いに建設的に干渉し、ＬＳＰモード１１６、又はＳＰＰモード１１４のいずれかの単独によって生成される強化電界よりも大きな電界を有する電磁波を生成する。さらに、強化電界は、主に基板１０２の表面１０４の全面積にわたって分配される場合がある。
【００１６】
図１Ａ〜図１Ｃに示した回折格子１０８は、単に、本発明の一実施形態を表すものである。本発明の他の実施形態では、複数の回折部材が設けられ、各回折部材が、複数のナノ粒子を含む場合がある。例えば、図２は、本発明の一実施形態による電界強化構造２００を示している。電界強化構造２００は、回折格子を形成するように基板１０２の表面１０４に分布する複数のナノ粒子２０１を含む。ナノ粒子２０１は、図１Ａ〜図１Ｃに示したナノ粒子１０６と同じ材料から形成される場合がある。回折格子２０２は、距離Ｄだけ互いに周期的間隔を空けて配置された複数の回折部材２０３〜２０６を含む。回折部材２０３〜２０６はそれぞれ、距離ａだけ互いに間隔を空けて配置された複数のナノ粒子２０１を含む場合がある。例えば、回折部材２０３は、ナノ粒子２０１の行２０７、及び列２０８を含む場合がある。距離Ｄは、約０．１μｍ以上であってよく、粒子間隔ａは、約１ｎｍ〜約１０ｎｍであってよい。回折格子２０２は、前述のように、入射ＥＭＲを回折させ、回折されたＥＭＲの一部を表面１０４に関連するＳＰＰモードに結合する働きをする。
【００１７】
上で示唆したように、図１Ａ〜図１Ｃ、及び図２に示したナノ粒子１０６、又は２０１の代替、又は追加として、ナノホールを使用してもよい。例えば、図３Ａ、及び図３Ｂは、本発明の他の実施形態による電界強化構造３００を示している。電界強化構造３００は、図１Ａ〜図１Ｃに示した基板１０２に使用されたものと同じプラズモン活性化材料から形成されてもよい。基板３０２の表面３０４は、表面３０４から基板３０２内の中間深さまで延びる（すなわち、ブラインドホール）、又は基板３０２の厚みを完全に貫通して延びる（すなわち、スルーホール）ナノホール３０６の周期的配置を有している。図面では、ナノホール３０６は、格子定数ｄを有する正方格子を成すように配置されるものとして描かれている。ただし、ナノホール３０６の配置は、これに制限されることなく、他の周期的配置であってもよい。使用の際には、ＥＭＲが、ナノホール３０６の配置、及び間隔によって決まるＬＳＰモードと、表面３０４に関連するＳＰＰモードとの両方を励起し、図１Ａ〜図１Ｃに示した電界強化構造１００と同様の仕方で、強化電界を生成する。
【００１８】
電界強化構造１００、２００、及び３００は、ＳＰＰモードとＬＳＰモードの組み合わせを使用し、強化電界を生成する。本発明の他の実施形態では、強化電界を生成するために、ＬＳＰモードが、複数のナノ粒子において励起されるとともに、導波モードが、基板に励起される場合がある。図４は、本発明の一実施形態による、そのような概念を利用した電界強化構造４００の一実施形態を示している。電界強化構造４００は、表面４０４を有する誘電体基板４０２を含む。誘電体基板４０２は、半導体材料のような種々の誘電体材料、及び絶縁体材料(例えば、シリコン、シリコン酸化物など）から形成される。複数のナノ粒子４０６が、周期的構成を成して基板４０４上に分布し、格子４０８を形成している。ナノ粒子４０６は、図１Ａ〜図１Ｃに示したナノ粒子１０６と同じ材料から形成される場合がある。例えば、図面では、ナノ粒子４０６は、格子定数ｄを有する正方格子を成すものとして描かれている。しかしながら、複数のナノ粒子４０６は、これに限定されることなく、他の構成を成すように配置されてもよい。表面４０４に隣接する媒体は、基板４０２の屈折率ｎｓｕｂよりも小さい屈折率ｎｓを示す。
【００１９】
基板４０２の屈折率ｎｓｕｂと、表面４０４に隣接する媒体の屈折率ｎｓとの間の差によって、基板４０２は、モード周波数ωＧＭを有する導波モード４１４（すなわち、平面モード）を有することが出来る。図面では、導波モード４１４の強度分布が、基板４０２の上に重ねて描かれている。誘電体表面モード１１４の周波数ωＧＭは、基板４０２の屈折率ｎｓｕｂ、及び基板４０２の表面４０４に隣接する媒体の屈折率ｎｓの適当な選択によって、調節することができる。図１Ａ〜図１Ｃに示す電界強化構造１００を参照して前述したように、回折格子４０８は、励起源４１２から放射される励起周波数ωを有する入射ＥＭＲ４１０を導波モード４１４に結合するように構成される場合がある。さらに、ナノ粒子４０６のサイズ、形状、及び組成は、各ナノ粒子４０６が、励起周波数ωと、誘電体表面モード周波数ωＤＳＷとの両方にほぼ等しいＬＳＰ周波数ωＬＳＰを有するＬＳＰモード４１６を示すように選択される。従って、使用の際に、入射ＥＭＲ４１０が、複数のナノ粒子４０６に関連するＬＳＰモード４１６と、導波モード４１４との両方を励起し、それらが互いに建設的に干渉し、強化電界を有する電磁界が生成される。導波モード４１４は、基板４０２の幅方向に延在し、導波モード４１４の強度は、表面４０４から遠ざかるにつれて次第に減衰し、十分に距離では、導波モード４１４は、ＬＳＰモード４１６と相互作用し、ＬＳＰモード４１６と建設的に干渉し、強化電界を生成することができる。別の言い方をすれば、ＬＳＰモード４１６は、比較的高損失、及び高電界強度を示し、低損失、かつ低電界強度の導波モード４１４と混合され、ＬＳＰモード４１６の局所的な高電界特性を維持する複合共鳴を生成する。しかしながら、複合共振は、ＬＳＰモード４１６よりも低い総合損失を示し、ＬＳＰモード４１６単体の場合に比べて、数桁大きな電界強度を達成することができる。導波モード４１４のエネルギー密度は一般に、ＳＰＰモードのエネルギー密度に比べて数桁小さいが、その伝搬長は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍにすることができる。
【００２０】
図５は、本発明のさらに別の実施形態による電界強化構造５００を示している。電界強化構造５００は、表面５０４を有する基板５０２を含み、その上に、複数のナノ粒子４０６が形成される場合がある。基板５０２は、誘電体層５０３と５０５を交互に積み重ねた周期的スタックを含む。誘電体層５０３は、第１の屈折率ｎ１を有する誘電体材料であり、誘電体材料５０５は、ｎ１に等しくない第２の屈折率ｎ２を有する誘電体材料である。基板５０２内に導波モードを有する代わりに、表面５０４は、方向５１５へ伝搬し、かつ基板５０２の幅方向に延在する誘電体表面モード５１４（すなわち、平面モード）を有することができる。図面では、誘電体表面モード５１４の強度分布は、基板５０２に重ねて描かれている。図示のように、誘電体表面モード５１４の強度は、表面５０４から遠ざかるにつれて次第に減衰する。誘電体表面モード５１４についての分散特性は、第１の屈折率ｎ１、第２の屈折率ｎ２、及び交互に重なる層の数の選択によって調節することができる。従って、誘電体表面波５１４についてのモード周波数ωＤＳＭは、上記パラメタ（例えば、ｎ１、ｎ２、及び交互に重なる層５０３、及び５０４の数）を変更することによって調節することができ、モード周波数ωＤＳＭが、各ナノ粒子４０６のＬＳＰ周波数ωＬＳＰに概ね等しくなるように調節される場合がある。誘電体表面モード５１４のエネルギー密度は一般に、ＳＰＰモードのエネルギー密度に比べて数桁小さいが、その伝搬長は、約１ｍｍ〜約１０ｍｍにすることができる。
【００２１】
複数のナノ粒子１０６、２０１、及び４０６は、多数の周知の製造技術を使用して形成することができる。例えば、ナノ粒子は、プラズモン活性材料から成る薄膜を表面に堆積し、その薄膜を十分な温度で、かつ十分な時間をかけて焼きなまし、プラズモン活性材料の凝集を生じさせることによって形成される場合がある。必要であれば、図２に示した回折格子２０２のように、そのように形成されたナノ粒子の一部を、リソグラフィ法（例えば、電子ビームリソグラフィ、又はフォトリソグラフィ）、又は集束イオンビームミリングを使用して除去してもよい。比較的大きなサイズのナノ粒子、又はナノホールの場合、ナノ粒子、又はナノホールは、ナノインプリントリソグラフィ、電子ビームリソグラフィ、集束イオンビームミリング、又は他の適当な技術を使用して、薄膜、又は基板に直接形成される場合がある。
【００２２】
図１Ａ〜図５を参照して上で図示説明した電界強化構造に関する上記の実施形態はいずれも、多数の異なる検出装置において使用することができる。例えば、開示した電界強化構造は、センサ、及び分析装置（例えば、ラブオンチップ、又はより大きなデスクトップ分析装置）として使用される検出装置において使用される場合がある。図６は、本発明緒一実施形態による検出装置６００を示す機能ブロック図である。検出装置６００は、ラマン分光システム、又は赤外線分光システムとして動作する場合がある。検出装置６００は、前述の電界強化構造１００、２００、３００、４００、及び５００のいずれかとして構成される電界強化構造６０２を含む。ただし、例示のために、電界強化構造６００は、ナノ粒子として表現された複数のナノ構造６０４を有する基板６０３を有するものとして描かれている。本発明の特定の幾つかの実施形態では、ナノ粒子、及び／又は基板６０３に対する特定の検体の結合を促進するために、ナノ粒子、及び／又は基板６０３は、官能性分子によって覆われる場合がある。検出装置６００は、励起ＥＭＲ放射源６０６、及び検出器６０８をさらに有する。検出装置６００は、励起ＥＭＲ放射源６０６と電界強化構造６０２の間に配置された種々の光学部品６１０、並びに電界強化構造６０２と検出器６０８の間に配置された種々の光学部品６１２をさらに含む場合がある。
【００２３】
励起ＥＭＲ放射源６０６は、所望の波長／周波数のＥＭＲを放射する任意の適当な放射源を含む場合があり、また、調節可能な波長／周波数のＥＭＲを放射する機能を有する場合がある。例えば、市販の半導体レーザ、ヘリウム−ネオンレーザ、炭酸ガスレーザ、発光ダイオード、白熱灯、及び多数の他の既知のＥＭＲ放射源が、励起ＥＭＲ放射源６０６として使用される場合がある。励起ＥＭＲ放射源６０６によって放射されるＥＭＲは、ラマン分光法、又は赤外線分光法を使用する検体の分析、並びに、複数のナノ構造６０４のＬＳＰモード、及び基板６０３の平面モードの励起に適した、任意の適当な波長／周波数を有する場合がある。例えば、励起ＥＭＲ６０６は、約３５０ｎｍ〜約１０００ｎｍの波長範囲を有するＥＭＲを放射する場合がある。励起ＥＭＲ放射源６０６によって放射される励起ＥＭＲは、ＥＭＲ放射源６０６から電界強化構造６０２へ直接導かれる場合がある。あるいは、励起ＥＭＲが電界強化構造６０２に衝突する前に、光学部品６１０により、励起放射のコリメーション、フィルタリング、及びその後の商店調節が実施される場合がある。光学部品６１０は、励起ＥＭＲの偏光方向を選択的に制御するための１以上の偏光板をさらに含む場合がある。
【００２４】
検出装置６００が、ラマン分光システムとして使用される場合、電界強化構造６０２は、検体のラマン信号を増強することができる。換言すれば、複数のナノ構造６０４、及び基板６０３の放射は、複数のナノ構造６０４のＬＳＰモードと、基板６０３の平面モードとを同時に励起し、それらが、互いに建設的に干渉し、上で説明したような強化電界が生成される。強化電界は、複数のナノ構造６０４、及び基板６０４の近くに、又はそれに隣接して配置された検体６１４によって非弾性的に散乱される光子の数を増加させることができる。
【００２５】
ラマン散乱された光子は、光学部品６１２を使用してコリメートされ、フィルタリングされ、又は焦点調節される。例えば、フィルタ、又は複数のフィルタが、検出器６０８の構造の一部として、又は励起放射の波長をフィルタリングするように構成された独立ユニットとして使用され、ラマン散乱された光子のみを検出器６０８によって受け取ることが可能となる。検出器６０８は、ラマン散乱された光子を受け取り、検出し、単色分光器（又は、ラマン散乱された光子の波長を判定するのに適した任意の適当なデバイス）、及び、例えばラマン散乱された光子の質（強度）を判定するための光電子倍増管のようなデバイスを含む場合がある。
【００２６】
検出装置６００を使用してラマン分光法を実施するために、ユーザは、電界強化構造６０２の複数のナノ構造６０４に隣接して検体６１４を配置する場合がある。検体６１４、及び電界強化構造６０２は、励起ＥＭＲ放射源６０６からの励起ＥＭＲの照射を受ける。ラマン分光法の場合、励起ＥＭＲの波長は通常、紫外線領域にある。そして、検体によってラマン散乱された光子は、検出器６０８によって検出される。励起ＥＭＲに応答し、電界強化構造６０２により生成された強化電界により、ラマン散乱される光子の強度は、１０８倍から単一の分子、又は他の非常に低密度の検体の検出が可能な１０１６倍まで増強される。
【００２７】
検出装置６００は、反射吸収赤外線分光（ＲＡＩＲＳ）システムとして動作させることもできる。そのような一実施形態において、電界強化構造６０２は、ＥＭＲ放射源６００からの特定周波数のＥＭＲに応答し、強化電界を生成するように設計される。また、ＥＭＲ放射源６００から放射される励起ＥＭＲの具体的な周波数は、一般に、検体６１４の振動形式に対応する。使用の際に、励起ＥＭＲ放射源６００から、検体６１２の振動形式に対応する特定周波数を含む広範囲、又は狭範囲の周波数にわたって、赤外線ＥＭＲが放射される。入射赤外線ＥＭＲは、検体６１４、及び電界強化構造６０２に照射される。特定周波数の赤外線ＥＭＲの場合、強化電界は、前述のように、電界強化構造６０２によって生成される。強化電界は、検体６１４の振動形式における、検体６１４による赤外線ＥＭＲの吸収を促進する。検出器６０８が、電界強化構造６０２から反射された赤外線ＥＭＲを検出すると、検体６１４の振動モードにおいて、反射スペクトルの中に特定タイプの分子の存在を意味する明白なくぼみが観察される場合がある。電界強化構造６０２によって生成された強化電界によって、特定周波数、又はその付近の周波数における検体６１４による赤外線ＥＭＲの吸収は、約１０８倍から約１０１０倍まで増加される場合がある。そのような吸収の強化によれば、検出装置６００は、単一の分子、又は他の低密度の検体を検出することが可能になる。
【００２８】
図７は、本発明の更に別の実施形態による検出装置７００を示している。検出装置７００は、電界強化構造７０２、励起ＥＭＲ放射源７０４、及び検出器７０６を含む。電界強化構造７０２は、表面７１０を有する基板７０８を含み、その上に、複数のナノ構造７１１２が形成される。例えば、図示の実施形態において、各ナノ構造７１２は、プラズモン活性材料から作られたナノ粒子である。しかしながら、ナノ構造７１２の全部、又は一部は、基板７０８の表面７１０に形成されたナノホールであってもよい。上で説明した電界強化構造を使用する場合、複数のナノ構造６１２、及び基板７０８は、各ナノ構造７１２のＬＳＰモードと、基板７０８の平面モード（例えば、ＳＰＰモード、誘電体表面モード、又は導波モード）とが、ＥＭＲ放射源７０４によって放射される周波数ωのＥＭＲ７１４によって、実質的に同時に励起されるように設計される。本発明の特定の実施形態では、ナノ粒子、及び／又は基板７１０に対する特定の検体の結合を促進するために、ナノ粒子、及び／又は基板７０８の表面７１０が、機能性分子によって覆われる場合がある。
【００２９】
電界強化構造７０２は、複数のナノ構造７１２の一方の側に配置され、周波数ωのＥＭＲ７１４を基板７０８が有する平面モードへと回折する第１の回折格子７１６をさらに含む。第２の回折格子７１８は、複数のナノ構造７１２の他方の側に配置され、基板７０８の平面モードに結合されたＥＭＲを回折するように構成される。本発明の種々の実施形態によれば、第１の回折格子７１４と第２の回折格子７１６は、異なる周波数のＥＭＲを回折するように構成される場合もあれば、同じ周波数のＥＭＲを回折するように構成される場合もある。第１の回折格子７１６、及び第２の回折格子７１８は、適当なサイズのアレイから形成され、粒子、又はホール（例えば、ナノ粒子、及び／又はナノホール）として構成される場合がある。
【００３０】
本発明の特定の実施形態において、励起ＥＭＲ放射源７０４は、第１の回折格子７１６に近接して基板７０８に形成され、又は基板７０８に取り付けられたレーザダイオード（例えば、面発光レーザダイオード、又は端面発光レーザダイオード）であってもよい。そのような一実施形態において、検出器７０６は、同様に、第２の回折格子７１８に近接して基板７０８に形成され、又は基板７０８に取り付けられたフォトダイオード（例えば、ＰＩＮフォトダイオード）であってもよい。
【００３１】
本発明の一実施形態において、検出装置７００は、ラマン分光システムとして動作する場合がある。そのような一実施形態において、励起ＥＭＲ放射源７０４は、周波数ωのＥＭＲ７１４を放射する。ＥＭＲ７１４は、第１の回折格子７１６により、複数のナノ構造７１２の上、又はそれらの近くに置かれた検体（図示せず）に照射されるビームとして回折され、各ナノ構造７１２のＬＳＰ、及び基板７０８の平面モードを励起し、強化電界を生成する。検出装置６００を参照して前述したように、強化電界は、検体から散乱されるラマンＥＭＲの量を増加させ、ラマンＥＭＲの少なくとも一部を、基板７０８の平面モードに結合する。弾性的に散乱されるラマンＥＭＲの周波数は、ＥＭＲ７１４の周波数ωよりも僅かに大きいか（反ストークス線）、又は僅かに小さく（ストークス線）、ストークス線、反ストークス線、又はそれら両方の周波数拡散は、一般に、平面モードの周波数拡散の範囲内に収まる。第２の回折格子７１８は、回折ビーム７２０として図示されている平面モードに結合されたラマンＥＭＲを優先的に回折するように構成され、回折ビーム７２０は、検出器７０６によって受光される場合もある。ラマンＥＭＲは、分析中の検体の化学成分の特性である。第２の回折格子７１８は、平面モードに結合されたストークス線、又は反ストークス・ラマンＥＭＲのみを回折するために、強い選択性を有するように構成される場合があるので、信号対雑音比を向上させることができる。
【００３２】
本発明の他の実施形態において、検出装置７００は、赤外線分光システムとして動作する場合がある。そのような一実施形態において、励起ＥＭＲ放射源７０４は、赤外線周波数範囲内の周波数ωのＥＭＲ４１４を放射する。ＥＭＲ７１４は、第１の回折格子７１６によって、複数のナノ構造７１２の上に置かれた検体（図示せず）を照射するビームとして回折され、各ナノ構造７１２のＬＳＰモード、及び基板７０８の平面モードを励起し、効果電界を生成する。ただし、検体が存在する場合、回折ビームの一部は、検体によって吸収され、回折ビームの一部は、基板７０８の平面モードに結合される。第２の回折格子７１８は、回折ビーム７２０として示された平面モードに結合された周波数ωのＥＭＲを回折するように構成される場合があり、回折ビーム７２０は、検出器７０６によって検出される場合がある。従って、赤外線分光システムとして動作させる場合、第２の回折格子７１８は、第１の回折格子７１６とほぼ同じ周波数のＥＭＲを回折するように構成される。検体が存在するときは、回折ビーム７２０の強度は弱まる。なぜなら、第１の回折格子７１６によって回折されたビームの特定の一部が、検体（図示せず）によって吸収されるからである。従って、検体が存在しない場合と比べたときの回折ビーム７２０の強度の低下から、特定タイプの検体の存在が分かる。
【００３３】
図８は、本発明のさらに別の実施形態による検出装置８００を示している。検出装置８００は、複数の検出装置サブユニット８０１〜８２０を含み、各検出装置サブユニットが、前述の検出装置実施形態のいずれかとして構成される。検出装置サブユニット８０１〜８２０は、共通基板上に形成される場合もあれば、検出装置サブユニット８０１〜８２０のそれぞれが別個のユニットとして形成され、一つに組み立てられる場合もある。検出装置サブユニット８０１〜８２０はそれぞれ、異なる特定の周波数の入射電界を増強するように構成された電界強化構造を含む場合がある。従って、検出装置８００は、検出装置サブユニット８０１〜８２０を制御し、検出装置サブユニット８０１〜８２０によって生成されたデータを受信する働きをするシステムコントローラ８２２をさらに含む。システムコントローラ８２２は、検出装置サブユニット８０１〜８２０によって生成されたデータを表示し、そのデータをさらに処理、及び／又は操作するための適当なユーザインタフェース（図示せず）をさらに含む場合がある。本発明の特定の実施形態において、検出装置８０は、検出装置サブユニット８０１〜８２０の一部が、ラマン分光法を実施するように構成され、検出装置サブユニット８０１〜８２０の一部が、赤外線分光法を実施するように構成される場合がある。
【００３４】
図示されていないが、開示した検出装置の電界強化構造の基板上に、又は基板内に、μ流体通路が形成される場合がある。また、他の周知のマイクロ流体部品が設けられる場合もある。例えば、分析、及び／又は検出の際に検体を電界強化構造の複数のナノ構造の上へ、又はその近くへ送り込むために使用されるマイクロポンプが設けられる場合がある。
【００３５】
上記の説明では、本発明を完全に理解してもらうために、説明の目的で、特定の用語を使用している。しかしながら、当業者には明らかなように、本発明を実施するために、そうした特定の詳細は必要とされない。本発明の特定の幾つかの実施形態に関する上記の説明は、例示、及び説明の目的で提供される。それらは、本発明を網羅するためのものでも、本発明を開示した形態に厳密に制限するためのものでもない。上記の教示に照らして、種々の変更、及び変形が可能である。実施形態は、本発明の原理を最もよく説明し、それによって、当業者が、意図する特定の用途に合わせて種々の変更を加え、本発明、及び種々の実施形態を最も良好に実施できるようにするために図示され、説明されている。上記の説明は、本発明の範囲を添付の特許請求の範囲、及びその均等によって規定することを目的としている。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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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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【国際調査報告】
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