(57)【要約】【課題】ホットスポットの面密度を高めつつ近接場光の増強を実現することができる試料分析素子は提供される。【解決手段】試料分析素子１１は基体１２を備える。基体１２の表面には入射光の波長よりも小さい第１のピッチＳＰでナノ構造体１５が分散する。個々のナノ構造体１５では誘電体が金属膜で覆われる。ナノ構造体は複数のナノ構造体群１６を構成する。ナノ構造体群１６は、第１のピッチＳＰよりも大きい第２のピッチＬＰで１方向に配列される。【選択図】図１
2013228303.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と、
入射光の波長よりも小さい第１のピッチで前記基体の表面に分散するナノ構造体を含む複数のナノ構造体群とを備え、
前記ナノ構造体では金属膜が誘電体を被覆し、
前記ナノ構造体群は、第１のピッチよりも大きい第２のピッチで１方向に配列されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項２】
請求項１に記載の試料分析素子において、前記第２のピッチは、伝播表面プラズモン共鳴の波長に基づく大きさを有することを特徴とする試料分析素子。
【請求項３】
請求項１または２に記載の試料分析素子において、前記ナノ構造体群同士の間には、前記ナノ構造体を含まない領域が形成されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の試料分析素子において、前記ナノ構造体の前記誘電体は前記基体と一体に形成されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項５】
請求項４に記載の試料分析素子において、前記基体は成型材料で形成されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の試料分析素子において、前記金属膜は前記基体の表面を覆うことを特徴とする試料分析素子。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の試料分析素子において、前記ナノ構造体群は、前記１方向に交差する第２の方向に、前記第２のピッチで配列されるナノ構造体群に細分化されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項８】
請求項７に記載の試料分析素子において、前記細分化されたナノ構造体群同士の間には、ナノ構造体を含まない領域が形成されることを特徴とする試料分析素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の試料分析素子と、
前記ナノ構造体群に向けて光を放出する光源と、
前記光の照射に応じて前記ナノ構造体群から放射される光を検出する光検出器と
を備えることを特徴とする検出装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、金属膜で覆われるナノ体を備える試料分析素子、および、そういった試料分析素子を利用した検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）を利用した試料分析素子は知られる。こうした試料分析素子は例えば金属膜で覆われるナノ体を備える。ナノ体は例えば励起光の波長よりも十分に小さく形成される。ナノ体上の金属膜に励起光が照射されると、全電気双極子が揃い増強電場が誘発される。その結果、金属膜の表面で近接場光が生成される。いわゆるホットスポットが形成される。
【０００３】
非特許文献１ではナノ体は所定のピッチで格子状に配置される。ピッチの大きさが伝播表面プラズモン共鳴（ＰＳＰＲ）の波長に対応する大きさに設定されると、ナノ体上の金属膜で近接場光の増強が観察される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Ｌｕｐｉｎ  Ｄｕ外著，「Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎｓ，  ｓｕｒｆａｃｅ  ｐｌａｓｍｏｎ  ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ，  ａｎｄ  ｔｈｅｉｒ  ｃｏｕｐｌｉｎｇ  ｉｎ  ２Ｄ  ｍｅｔａｌｌｉｃ  ａｒｒａｙ  ｆｏｒ  ＳＥＲＳ」，ＯＰＴＩＣＳ  ＥＸＰＲＥＳＳ，米国，２０１０年１月１９日発行，Ｖｏｌ．１８，Ｎｏ．３，ｐ．１９５９−１９６５
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述の試料分析素子は標的物質の検出装置に利用されることができる。非特許文献１に開示されるように、伝播表面プラズモン共鳴の波長に対応する大きさでピッチが設定されると、ホットスポットの面密度が著しく低下し、標的物質がなかなかホットスポットに付着することができない。
【０００６】
本発明の少なくとも１つの態様によれば、ホットスポットの面密度を高めつつ近接場光の増強を実現することができる試料分析素子は提供されることができる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（１）本発明の一態様は、基体と、入射光の波長よりも小さい第１のピッチで前記基体の表面に分散するナノ構造体を含む複数のナノ構造体群とを備え、前記ナノ構造体では金属膜が誘電体を被覆し、前記ナノ構造体群は、第１のピッチよりも大きい第２のピッチで１方向に配列される試料分析素子に関する。
【０００８】
ナノ構造体の金属膜では入射光の働きで局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が誘起される。本発明者の観察によれば、ナノ構造体群の括りが確立されると、ナノ構造体が全面にわたって等ピッチで配列される場合に比べて、ナノ構造体の金属膜で近接場光は強められることが確認された。いわゆるホットスポットの形成が確認された。しかも、個々のナノ構造体群内には複数のナノ構造体が配置されることから、ナノ構造体単体が伝播表面プラズモン共鳴の波長に対応するピッチで配置される場合に比べてナノ構造体の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。
【０００９】
（２）前記第２のピッチは、伝播表面プラズモン共鳴の波長に基づく大きさを有することができる。本発明者の観察によれば、こうした大きさで第２のピッチが規定されると、ナノ構造体の金属膜で近接場光は強められることが確認された。いわゆるホットスポットの形成が確認された。
【００１０】
（３）前記ナノ構造体群同士の間には、前記ナノ構造体を含まない領域が形成されることができる。すなわち、ナノ構造体群同士の間でナノ構造体の形成は排除される。ナノ構造体群同士の間では局在表面プラズモン共鳴は誘起されない。
【００１１】
（４）前記ナノ構造体の前記誘電体は前記基体と一体に形成されることができる。ナノ構造体の誘電体と基体とは同一の材料から形成されることができる。ナノ構造体群の誘電体および基体は一体成型で形成されることができる。試料分析素子の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。
【００１２】
（５）前記基体は成型材料で形成されることができる。ナノ構造体群の誘電体および基体は一体成型で形成されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。
【００１３】
（６）前記金属膜は前記基体の表面を覆うことができる。金属膜は基体の表面で一律に形成されれば済む。したがって、試料分析素子の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子の量産性は高められることができる。
【００１４】
（７）前記ナノ構造体群は、前記１方向に交差する第２の方向に、前記第２のピッチで配列されるナノ構造体群に細分化されることができる。こうした試料分析素子では、相互に交差する２方向にピッチが設定されることができる。その結果、入射光は複数の偏光面を有することができる。入射光は円偏光を有することができる。
【００１５】
（８）前記細分化されたナノ構造体群同士の間には、ナノ構造体を含まない領域が形成されることができる。すなわち、ナノ構造体群同士の間でナノ構造体の形成は排除される。ナノ構造体群同士の間では局在表面プラズモン共鳴は誘起されない。
【００１６】
（９）試料分析素子は検出装置に組み込まれて利用されることができる。検出装置は、試料分析素子と、前記ナノ構造体群に向けて光を放出する光源と、前記光の照射に応じて前記ナノ構造体群から放射される光を検出する光検出器とを備えることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の一実施形態に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。
【図２】図１の２−２線に沿った垂直断面図である。
【図３】シミュレーションモデルの単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。
【図４】シミュレーションモデルの（ａ）第１モデル、（ｂ）第２モデル、（ｃ）第３モデル、（ｄ）第４モデル、（ｅ）第５モデル、および（ｆ）比較モデルの平面図である。
【図５】電場強度に基づき作成された分散関係を示すグラフである。
【図６】電場強度の最大値を示すグラフである。
【図７】単位面積当たり電場強度の二乗和を示すグラフである。
【図８】第１比較単位ユニットを示す（ａ）平面図、および（ｂ）側面図である。
【図９】電場強度の波長依存性を示すグラフである。
【図１０】シリコン基板の表面に形成される突起を概略的に示す断面図である。
【図１１】シリコン基板の表面に形成されるニッケル膜を概略的に示す断面図である。
【図１２】シリコン基板の表面に形成されるニッケル板を概略的に示す断面図である。
【図１３】シリコン基板から剥離されたニッケル板を概略的に示す断面図である。
【図１４】ニッケル板で成型される成型材料を概略的に示す断面図である。
【図１５】基板の表面に成膜される金属膜を概略的に示す断面図である。
【図１６】標的分子検出装置の構成を概略的に示す概念図である。
【図１７】変形例に係る試料分析素子を概略的に示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。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。
【００１９】
（１）試料分析素子の構造
図１は本発明の一実施形態に係る試料分析素子１１を概略的に示す。この試料分析素子１１すなわちセンサーチップは基板（基体）１２を備える。基板１２は例えば成型材料から形成される。成型材料には例えば樹脂材が使用されることができる。樹脂材にはポリメタクリル酸メチル樹脂（ＰＭＭＡ樹脂）といったアクリル樹脂が含まれることができる。
【００２０】
基板１２の表面には金属膜１３が形成される。金属膜１３は金属から形成される。金属膜１３は例えば銀から形成されることができる。その他、金属には金またはアルミニウムが用いられてもよい。金属膜１３は例えば基板１２の表面に一面に途切れなく形成されることができる。金属膜１３は均一な膜厚で形成されることができる。金属膜１３の膜厚は例えば２０ｎｍ程度に設定されることができる。
【００２１】
金属膜１３の表面にはナノ構造体１５が形成される。ナノ構造体１５は金属膜１３の表面から突出する。ナノ構造体１５は基板１２の表面に分散する。個々のナノ構造体１５は角柱に形成される。角柱の水平断面すなわち輪郭は例えば正方形に形成される。正方形の一辺の長さは例えば１〜１０００ｎｍ程度に設定されることができる。角柱の高さ（金属膜１３の表面から）は例えば１０〜１００ｎｍ程度で設定されることができる。角柱の水平断面は正方形以外の多角形に形成されてもよい。ナノ構造体１５は円柱その他の立体形状に形成されてもよい。
【００２２】
ナノ構造体１５はナノ構造体群１６を形成する。ナノ構造体群１６は第１方向（１方向）ＤＲに所定の長ピッチＬＰ（第２のピッチ）で配列される。長ピッチＬＰの大きさは、後述されるように、エバネッセント波の波数に応じて設定される。ナノ構造体群１６同士の間には、ナノ構造体を含まない平面領域（ナノ構造体を含まない領域）１７が形成される。すなわち、隣接するナノ構造体群１６同士の間はでナノ構造体１５の形成は排除される。
【００２３】
個々のナノ構造体群１６内でナノ構造体１５同士は第１方向ＤＲに短ピッチＳＰ（第１のピッチ）で配置される。同時に、個々のナノ構造体群１６内でナノ構造体１５同士は第１方向ＤＲに交差する第２方向（第２の方向）ＳＤに短ピッチＳＰで配置される。ここでは、第２方向ＳＤは基板１２の表面を含む１仮想平面内で第１方向ＤＲに直交する。したがって、個々のナノ構造体群１６内で複数のナノ構造体１５は短ピッチＳＰで格子状に配置される。短ピッチＳＰは少なくとも長ピッチＬＰよりも小さく設定される。ナノ構造体群１６内では、隣接するナノ構造体１５同士の間隔は、隣接するナノ構造体群１６同士の間隔すなわち第１方向ＤＲに特定される平面領域１７の幅よりも小さく設定される。ここでは、平面領域１７の幅は短ピッチＳＰよりも大きく設定される。すなわち、ナノ構造体群１６同士の間隔は短ピッチＳＰよりも大きく設定される。
【００２４】
図２に示されるように、個々のナノ構造体１５は誘電体の本体１８を備える。本体１８は基板１２の表面から突き出る。本体１８は基板１２の材料と同一の材料から形成されることができる。本体１８は基板１２の表面に一体に形成されることができる。
【００２５】
個々のナノ構造体１５では本体１８の表面は金属膜１９で覆われる。金属膜１９は金属膜１３と同一の材料から形成されることができる。金属膜１９および金属膜１３は１枚の膜として形成されることができる。金属膜１９は均一な膜厚で形成されることができる。
【００２６】
（２）電場強度の検証
本発明者は試料分析素子１１の電場強度を検証した。検証にあたってＦＤＴＤ（Ｆｉｎｉｔｅ−Ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ）法のシミュレーションソフトウェアが利用された。図３（ａ）および図３（ｂ）に示されるように、本発明者はＹｅｅ  Ｃｅｌｌに基づきシュミレーションモデルの単位ユニットを構築した。この単位ユニットでは１２０ｎｍ角のＰＭＭＡ製基板１２に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ＰＭＭＡ製の本体１８の輪郭は４０ｎｍ角の正方形に設定された。本体１８の高さは（基板１２の表面から）は６０ｎｍに設定された。
【００２７】
図４（ａ）に示されるように、第１モデルではｘ軸方向にナノ構造体群１６の長ピッチＬＰは２４０ｎｍに設定された。１列の単位ユニットすなわちナノ構造体１５で１つのナノ構造体群１６が構成された。その結果、ナノ構造体群１６同士の間には１列の空隙単位ユニットで平面領域１７が形成された。空隙単位ユニットは１２０ｎｍ角の空隙で構成された。先頭のナノ構造体１５で電場強度Ｅｘが算出された。周辺屈折率ｎｓ＝１が設定された。直線偏光の入射光が設定された。偏光面はｘ軸方向に合わせられた。入射光は垂直入射に設定された。ナノ構造体１５では上側の４つの頂点に電場が集中した。
【００２８】
図４（ｂ）〜図４（ｅ）に示されるように、第２〜第５モデルではｘ軸方向にナノ構造体群１６の長ピッチＬＰは３６０ｎｍ、４８０ｎｍ、６００ｎｍ、７２０ｎｍにそれぞれ設定された。個々のモデルでは２列、３列、４列および５列の単位ユニットすなわちナノ構造体１５で１つのナノ構造体群１６が構成された。その結果、個々のモデルごとにナノ構造体群１６同士の間に１列の空隙単位ユニットで平面領域１７が形成された。空隙単位ユニットは１２０ｎｍ角の空隙で構成された。第１モデルと同様に、個々のモデルごとに先頭のナノ構造体１５で電場強度Ｅｘが算出された。
【００２９】
図４（ｆ）に示されるように、本発明者は比較モデルを用意した。比較モデルでは平面領域１７は省略された。すなわち、ナノ構造体群１６は設定されなかった。単純にナノ構造体１５が短ピッチＳＰで格子状に配置された。前述と同様に、選択された１つのナノ構造体１５で電場強度Ｅｘが算出された。
【００３０】
図５は電場強度Ｅｘに基づき作成された分散関係を示す。ここでは、単位面積当たりに換算された電場強度Ｅｘの二乗和が特定された。二乗和の特定にあたってナノ構造体１５の上側の４つの頂点それぞれで電場強度Ｅｘが算出された。個々の頂点ごとに電場強度Ｅｘの二乗値が算出され、繰り返し計算の最小単位の全ての頂点の二乗値が足し合わせられた。単位面積として比較モデルの面積が設定された。足し合わせられた結果がその単位面積当たりに換算された。こうして単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和が算出された。入射光の波長と二乗和との関係すなわち周波数特性が算出された。１次ピーク（極大値）および２次ピークを示す周波数が特定された。
【００３１】
図５で波数ｋは長ピッチＬＰに応じて特定される。直線２１は空気（ｎｓ＝１．０）の分散関係を示す。空気の分散関係は比例関係を示す。曲線２２は屈折率（ｎｓ＝１．０）の銀Ａｇの伝播表面プラズモン共鳴の分散関係を示す。黒プロットは、長ピッチＬＰごとにナノ構造体１５で電場強度の１次ピーク（極値）を形成する入射光の角周波数ωを示す。第４モデル（ＬＰ＝６００ｎｍｐ）および比較モデル（図示されず）で角周波数ω＝２．８８［ｅＶ／ｃ］が得られた一方で、第２、第３および第５モデル（ＬＰ＝３６０ｎｍｐ、４８０ｎｍｐ、７２０ｎｍｐ）で角周波数ω＝２．９５［ｅＶ／ｃ］が得られた。白プロットは、長ピッチＬＰごとにナノ構造体１５で電場強度の２次ピークを形成する入射光の角周波数ωを示す。第２および第４モデル（ＬＰ＝３６０ｎｍｐ、６００ｎｍｐ）で角周波数ω＝２．４３［ｅＶ／ｃ］が得られた一方で、第３モデル（ＬＰ＝４８０ｎｍｐ）で角周波数ω＝２．３４［ｅＶ／ｃ］が得られた。いわゆるＡｎｔｉ−Ｃｒｏｓｓｉｎｇ  Ｂｅｈａｖｉｏｒ（ハイブリッドモードの指標として知られる）は観察されなかった。
【００３２】
図６は電場強度Ｅｘの最大値を示す。比較モデルに対して第２〜第５モデルでは電場強度Ｅｘの最大値が増大することが確認された。図７は単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和を示す。比較モデルに対して第２〜第５モデルでは単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和が増大することが確認された。特に、第２モデル（ＬＰ＝３６０ｎｍｐ）では電場強度Ｅｘの最大値および単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和ともに大きな値が得られることが確認された。
【００３３】
ナノ構造体１５の金属膜１９では入射光の働きで局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が誘起される。検証結果から明らかなように、ナノ構造体群１６の括りが確立されると、ナノ構造体１５が全面にわたって等ピッチで配列される場合に比べて、ナノ構造体１５の金属膜１９で近接場光は強められることが確認された。いわゆるホットスポットの形成が確認された。しかも、個々のナノ構造体群１６内には複数のナノ構造体１５が配置されることから、ナノ構造体１５単体が伝播表面プラズモン共鳴の波長に対応するピッチで配置される場合に比べてナノ構造体１５の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。特に、長ピッチＬＰが伝播表面プラズモン共鳴の波長に対応する大きさで規定されると、ナノ構造体１５の金属膜１９で近接場光は増強されることが確認された。
【００３４】
図８（ａ）および図８（ｂ）に示されるように、本発明者は第１比較単位ユニットを用意した。第１比較単位ユニットでは１２０ｎｍ角のシリコン（Ｓｉ）製基板１２の表面に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ナノ構造体１５の本体１８は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成された。その他の構造は前述の単位ユニットと同様に形成された。
【００３５】
本発明者は同様に第２比較単位ユニットを用意した。第２比較単位ユニットでは１２０ｎｍ角の二酸化シリコン（ＳｉＯ２）製基板１２の表面に銀の金属膜１３が形成された。金属膜１３の膜厚は２０ｎｍに設定された。ナノ構造体１５の本体１８は二酸化シリコン（ＳｉＯ２）から形成された。すなわち、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは一体構造に設定された。その他の構造は前述の単位ユニットと同様に形成された。
【００３６】
図９は電場強度Ｅｘの波長依存性を示す。波長依存性の特定にあたって単位ユニット、第１比較単位ユニットおよび第２比較単位ユニットで比較モデルが構築された。比較モデルで入射光の波長ごとに前述と同様に単位面積当たり電場強度Ｅｘの二乗和が算出された。このとき、二酸化シリコンの屈折率は１．４５に設定されＰＭＭＡの屈折率は１．４８に設定された。図９から明らかなように、第１比較単位ユニットでは単位ユニットおよび第２比較単位ユニットに対して電場強度Ｅｘの増強が観察された。単位ユニットと第２比較単位ユニットとの間では電場強度Ｅｘにほとんど差が観察されなかった。この結果から、第１比較単位ユニットではシリコン製基板１２の表面から反射する戻り光の効果で電場強度Ｅｘが増大したことが容易に推測されることができる。その一方で、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とが一体に形成されると、ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは同一の材料から形成されることができる。ナノ構造体１５の本体１８と基板１２とは一体成型で形成されることができる。試料分析素子１１の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子１１の量産性は高められることができる。一体成型の実施にあたってナノ構造体１５および基板１２は成型材料から形成されればよい。
【００３７】
前述のように、金属膜１３および金属膜１９は１枚の膜として形成されることができる。したがって、金属膜１３、１９は基板１２の表面で一律に形成されれば済む。その結果、試料分析素子１１の製造工程は簡素化されることができる。試料分析素子１１の量産性は高められることができる。
【００３８】
（３）試料分析素子の製造方法
次に、試料分析素子１１の製造方法を簡単に説明する。試料分析素子１１の製造にあたってスタンパーが製造される。図１０に示されるように、シリコン（Ｓｉ）基板２３の表面で二酸化シリコン（ＳｉＯ２）の突起２４が形成される。シリコン基板２３の表面は平滑面に形成される。突起２４は、基板１２の表面に分散するナノ構造体１５の本体１８を象る。突起２４の形成にあたって例えばリソグラフィ技術は用いられることができる。シリコン基板２３の表面に一面に二酸化シリコン膜が形成される。二酸化シリコン膜の表面にナノ構造体１５の本体１８を象ったマスクが形成される。マスクには例えばフォトレジスト膜が用いられればよい。マスクの周囲で二酸化シリコン膜が除去されると、二酸化シリコン膜から個々の突起２４は成形される。こうした成形にあたってエッチング処理やミリング処理が実施されればよい。
【００３９】
図１１に示されるように、シリコン基板２３の表面にニッケル（Ｎｉ）膜２５が形成される。ニッケル膜２５の形成にあたって無電解めっきが実施される。続いて、図１２に示されるように、ニッケル膜２５に基づき電鋳が実施される。シリコン基板２３の表面には肉厚のニッケル板２６が形成される。その後、図１３に示されるように、ニッケル板２６はシリコン基板２３から剥離される。こうしてニッケル製のスタンパーは製造されることができる。ニッケル板２６すなわちスタンパーの表面は平滑面に形成される。平滑面には突起２４の剥離痕で窪み２７が形成される。
【００４０】
図１４に示されるように、基板２８は成型される。成型にあたって例えば成型材料の射出成型が利用されることができる。基板２８の表面にはナノ構造体１５の本体１８が一体成型される。図１５に示されるように、基板２８の表面に一面に金属膜２９が形成される。金属膜２９の形成にあたって無電解めっきやスパッタリング、蒸着などが用いられることができる。その後、基板２８から個々の基板１２が切り出される。基板１２の表面は金属膜１３で覆われる。スタンパーは試料分析素子１１の生産性の向上に大いに貢献することができる。
【００４１】
（４）一実施形態に係る検出装置
図１６は一実施形態に係る標的分子検出装置（検出装置）３１を概略的に示す。標的分子検出装置３１はセンサーユニット３２を備える。センサーユニット３２には導入通路３３と排出通路３４とが個別に接続される。導入通路３３からセンサーユニット３２に気体は導入される。センサーユニット３２から排出通路３４に気体は排出される。導入通路３３の通路入口３５にはフィルター３６が設置される。フィルター３６は例えば気体中の塵埃や水蒸気を除去することができる。排出通路３４の通路出口３７には吸引ユニット３８が設置される。吸引ユニット３８は送風ファンで構成される。送風ファンの作動に応じて気体は導入通路３３、センサーユニット３２および排出通路３４を順番に流通する。こうした気体の流通経路内でセンサーユニット３２の前後にはシャッター（図示されず）が設置される。シャッターの開閉に応じてセンサーユニット３２内に気体は閉じ込められることができる。
【００４２】
標的分子検出装置３１はラマン散乱光検出ユニット４１を備える。ラマン散乱光検出ユニット４１は、センサーユニット３２に照射光を照射しラマン散乱光を検出する。ラマン散乱光検出ユニット４１には光源４２が組み込まれる。光源４２にはレーザー光源が用いられることができる。レーザー光源は特定波長（単一波長）で直線偏光のレーザー光を放射することができる。
【００４３】
ラマン散乱光検出ユニット４１は受光素子（光検出器）４３を備える。受光素子４３は例えば光の強度を検出することができる。受光素子４３は光の強度に応じて検出電流を出力することができる。したがって、受光素子４３から出力される電流の大きさに応じて光の強度は特定されることができる。
【００４４】
光源４２とセンサーユニット３２との間、および、センサーユニット３２と受光素子４３との間には光学系４４が構築される。光学系４４は光源４２とセンサーユニット３２との間に光路を形成すると同時にセンサーユニット３２と受光素子４３との間に光路を形成する。光学系４４の働きで光源４２の光はセンサーユニット３２に導かれる。センサーユニット３２の反射光は光学系４４の働きで受光素子４３に導かれる。
【００４５】
光学系４４はコリメーターレンズ４５、ダイクロイックミラー４６、対物レンズ４７、集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２を備える。ダイクロイックミラー４６は例えばセンサーユニット３２と受光素子４３との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６とセンサーユニット３２との間に配置される。対物レンズ４７はダイクロイックミラー４６から供給される平行光を集光してセンサーユニット３２に導く。センサーユニット３２の反射光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６を透過する。ダイクロイックミラー４６と受光素子４３との間には集光レンズ４８、凹レンズ４９、光学フィルター５１および分光器５２が配置される。対物レンズ４７、集光レンズ４８および凹レンズ４９の光軸は同軸に合わせ込まれる。集光レンズ４８で集光された光は凹レンズ４９で再び平行光に変換される。光学フィルター５１はレイリー散乱光を除去する。ラマン散乱光は光学フィルター５１を通過する。分光器５２は例えば特定波長の光を選択的に透過させる。こうして受光素子４３では特定波長ごとに光の強度が検出される。分光器５２には例えばエタロンが用いられることができる。
【００４６】
光源４２の光軸は対物レンズ４７および集光レンズ４８の光軸に直交する。ダイクロイックミラー４６の表面はこれら光軸に４５度の角度で交差する。ダイクロイックミラー４６と光源４２との間にはコリメーターレンズ４５が配置される。こうしてコリメーターレンズ４５は光源４２に向き合わせられる。コリメーターレンズ４５の光軸は光源４２の光軸に同軸に合わせ込まれる。
【００４７】
標的分子検出装置３１は制御ユニット５３を備える。制御ユニット５３に、光源４２、分光器５２、受光素子４３、吸引ユニット３８、その他の機器が接続される。制御ユニット５３は、光源４２、分光器５２および吸引ユニット３８の動作を制御するとともに、受光素子４３の出力信号を処理する。制御ユニット５３には信号コネクター５４が接続される。制御ユニット５３は信号コネクター５４を通じて外部と信号をやりとりすることができる。
【００４８】
標的分子検出装置３１は電源ユニット５５を備える。電源ユニット５５は制御ユニット５３に接続される。電源ユニット５５は制御ユニット５３に動作電力を供給する。制御ユニット５３は電源ユニット５５から電力の供給を受けて動作することができる。電源ユニット５５には例えば１次電池や２次電池が用いられることができる。２次電池は、例えば、充電用の電源コネクター５６を有することができる。
【００４９】
制御ユニット５３は信号処理制御部を備える。信号処理制御部は例えば中央演算処理装置（ＣＰＵ）と、ＲＡＭ（ランダムアクセスメモリー）やＲＯＭ（リードオンリーメモリー）といった記憶回路で構成されることができる。ＲＯＭには例えば処理プログラムやスペクトルデータが格納されることができる。スペクトルデータでは標的分子のラマン散乱光のスペクトルが特定される。ＣＰＵは、一時的にＲＡＭに処理プログラムやスペクトルデータを取り込みながら、処理プログラムを実行する。ＣＰＵは、スペクトルデータに、分光器および受光素子の働きで特定される光のスペクトルを照らし合わせる。
【００５０】
センサーユニット３２は試料分析素子１１を備える。試料分析素子１１は基板５８に向き合わせられる。試料分析素子１１と基板５８との間には気体室５９が形成される。気体室５９は一端で導入通路３３に接続され他端で排出通路３４に接続される。気体室５９内にナノ構造体群１６が配置される。光源４２から放出される光はコリメーターレンズ４５で平行光に変換される。直線偏光の光はダイクロイックミラー４６で反射する。反射した光は対物レンズ４７で集光されてセンサーユニット３２に照射される。このとき、光は試料分析素子１１の表面に直交する垂直方向に入射することができる。いわゆる垂直入射が確立されることができる。光の偏光面は試料分析素子１１の第１方向ＤＲに平行に合わせ込まれる。照射された光の働きでナノ構造体１５で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。
【００５１】
このとき、ホットスポットでナノ構造体１５に標的分子が付着すると、標的分子からレイリー散乱光およびラマン散乱光が生成される。いわゆる表面増強ラマン散乱が実現される。その結果、標的分子の種類に応じたスペクトルで光は対物レンズ４７に向かって放出される。
【００５２】
こうしてセンサーユニット３２から放出される光は対物レンズ４７で平行光に変換されダイクロイックミラー４６、集光レンズ４８、凹レンズ４９および光学フィルター５１を通過する。ラマン散乱光は分光器５２に入射する。分光器５２はラマン散乱光を分光する。こうして特定の波長ごとに受光素子４３は光の強度を検出する。光のスペクトルはスペクトルデータに照らし合わせられる。光のスペクトルに応じて標的分子は検出されることができる。こうして標的分子検出装置３１は表面増強ラマン散乱に基づき例えばアデノウィルスやライノウィルス、ＨＩＶウィルス、インフルエンザウィルスといった標的物質を検出することができる。
【００５３】
（５）試料分析素子の変形例
図１７は変形例に係る試料分析素子１１ａを概略的に示す。この試料分析素子１１ａでは、前述の第１方向ＤＲに加えて第２方向ＳＤにナノ構造体群１６ａは細分化される。すなわち、ナノ構造体群１６ａは、第１方向ＤＲに所定の長ピッチＬＰで配列されると同時に、第２方向にＳＤに所定の長ピッチＬＰで配列される。こうして第１方向ＤＲに加えて第２方向ＳＤにナノ構造体群１６ａ同士の間にはナノ構造体を含まない平面領域（金属ナノ体を含まない領域）１７が形成される。その他、変形例に係る試料分析素子１１ａの構成は前述の試料分析素子１１と同様である。図中、前述の試料分析素子１１と均等な構成や構造には同一の参照符号が付され、その詳細な説明は割愛される。
【００５４】
こうした試料分析素子１１ａでは、円偏光の入射光が照射されると、個々のナノ構造体１５の金属膜１９で局在表面プラズモン共鳴が誘起される。第１方向ＤＲの括りに加えて第２方向ＳＤの括りに基づき局在表面プラズモン共鳴は増強される。ナノ構造体１５の金属膜１９で近接場光は強められる。いわゆるホットスポットが形成される。しかも、個々のナノ構造体群１６ａ内には複数のナノ構造体１５が配置されることから、ナノ構造体１５の面密度は高められる。したがって、ホットスポットの面密度は高められる。なお、こうした試料分析素子１１ａが標的分子検出装置３１に組み込まれる場合には、光源４２は円偏光の光を放出すればよい。
【００５５】
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であろう。したがって、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれる。例えば、明細書または図面において、少なくとも一度、より広義または同義な異なる用語とともに記載された用語は、明細書または図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えられることができる。また、試料分析素子１１、１１ａや標的分子検出装置３１等の構成および動作も本実施形態で説明したものに限定されず、種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００５６】
１１  試料分析素子、１２  基体（基板）、１３  金属膜、１５  ナノ構造体、１６  ナノ構造体群、１７  ナノ構造体を含まない領域（平面領域）、１８  誘電体（本体）、１９  金属膜、３１  検出装置（標的分子検出装置）、４２  光源、４３  光検出器（受光素子）、ＤＲ  一方向（第１方向）、ＳＤ  第２の方向（第２方向）、ＳＰ  第１のピッチ（短ピッチ）、ＬＰ  第２のピッチ（長ピッチ）。
【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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