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JP2015212626A - Electric field enhancement element, raman spectroscopy, raman spectrometer, and electronic equipment - Google Patents

Electric field enhancement element, raman spectroscopy, raman spectrometer, and electronic equipment Download PDF

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JP2015212626A
JP2015212626A JP2014094481A JP2014094481A JP2015212626A JP 2015212626 A JP2015212626 A JP 2015212626A JP 2014094481 A JP2014094481 A JP 2014094481A JP 2014094481 A JP2014094481 A JP 2014094481A JP 2015212626 A JP2015212626 A JP 2015212626A
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Japan
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electric field
wavelength
absorption region
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field enhancing
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めぐみ 江成
Megumi Enari
めぐみ 江成
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Seiko Epson Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electric field enhancement element capable of detecting a target substance with high sensitivity.SOLUTION: An electric field enhancement element 100 of the present invention includes a metal layer 10, a dielectric layer 20, and metal particles 30. A plurality of metal particles 30 has a periodic array capable of exciting a propagated surface plasmon that propagates on an interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20. The propagated surface plasmon and a localized surface plasmon excited by the metal particles 30 electromagnetically interact, while a resonance wavelength of the propagated surface plasmon is different from a resonance wavelength of the localized surface plasmon. In a reflection spectrum of reflected light when the electric field enhancement element 100 is irradiated with white light, a half-value width H1 of a first absorption region and a half-value width H2 of a second absorption region where the half-value width thereof is larger than the half-value width H1 of the first absorption region satisfy a relationship of (H2-H1)/H2×100≥40; and the wavelength of excitation light for the electric field enhancement element 100 is included in the range of the second absorption region.

Description

本発明は、電場増強素子、ラマン分光法、ラマン分光装置、および電子機器に関する。   The present invention relates to an electric field enhancing element, Raman spectroscopy, Raman spectroscopy apparatus, and electronic equipment.

近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を用いたセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたSPRを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。また、表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scatterring)を用いセンサーに付着した物質のラマン散乱光を検出し、付着物質の同定を行うなどの方法も検討されている。   In recent years, demand for medical diagnosis, food inspection, and the like has been increasing, and development of a small and high-speed sensing technology has been demanded. Various types of sensors, including electrochemical techniques, have been studied. However, surface plasmon resonance (SPR) is used because it can be integrated, is low-cost, and does not choose the measurement environment. There is growing interest in sensors. For example, there is known one that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. In addition, a method of detecting Raman scattered light of a substance attached to a sensor by using surface enhanced Raman scattering (SERS) and identifying the attached substance has been studied.

より高感度なセンシングを目的として、非特許文献1には、局在型表面プラズモン(LSP:Localized Surface Plasmon)と伝播型表面プラズモン(PSP:Propageted Surface Plasmon)との両モードを同時に共鳴させるハイブリッドモードを実現する構造を備えたセンサーの一例として、GSPP(Gap type Surface Plasmon Polariton)と称するものが提案されている。   For the purpose of sensing with higher sensitivity, Non-Patent Document 1 describes a hybrid mode in which both localized surface plasmon (LSP) and propagation surface plasmon (PSP) modes resonate simultaneously. As an example of a sensor having a structure for realizing the above, a sensor called GSPP (Gap type Surface Plasmon Polar) has been proposed.

SERSの増強効果は、入射光の波長λにおける電場増強度をEi、ラマン散乱光の波長λにおける電場増強度をEsとすると、Ei ・Es に比例することが知られている。非特許文献1には、金属ナノ粒子を正方格子状に配列することにより、波長λと波長λとをそれぞれ異なるピークの範囲(吸収領域の範囲)として、SERSの増強度を増大させる方法が開示されている。 Enhancing effect of SERS is, E the electric field enhancement at the wavelength lambda i of the incident light i, when the degree of electric field enhancement at the wavelength lambda s of the Raman scattered light and E s, knowledge to be proportional to E i 2 · E s 2 It has been. Non-Patent Document 1 discloses a method for increasing the enhancement of SERS by arranging metal nanoparticles in a square lattice pattern so that the wavelength λ i and the wavelength λ s have different peak ranges (absorption region ranges). Is disclosed.

ACSNANO,VOL.4,No.5,2804−2810,2010ACSNANO, VOL. 4, no. 5, 2804-2810, 2010

しかしながら、非特許文献1に開示されている電場増強素子では、LSPとPSPとの結合効果が最も強い場合(ナノ粒子(gold disk)配列周期a=780nm)、ラマンシフトが1000cm−1〜1100cm−1の範囲のラマンピークは増強されているが、それよりラマンシフトが小さいピークは増強されていない。 However, in the electric field enhancing element disclosed in Non-Patent Document 1, when the coupling effect between LSP and PSP is the strongest (nanoparticle (gold disk) arrangement period a = 780 nm), the Raman shift is 1000 cm −1 to 1100 cm −. The Raman peak in the range of 1 is enhanced, but the peak with a smaller Raman shift is not enhanced.

このように非特許文献1に開示されている電場増強素子では、ハイブリッドモードで増強されるピークはごく一部であるので、特定のラマン振動数を持つ標的物質にしかSERSの増強効果がなく、増強効果を利用できる標的物質が限られてしまう場合がある。したがって、ハイブリッドモードを利用する電場増強素子は、標的物質を高い感度で検出することができない場合がある。   As described above, in the electric field enhancing element disclosed in Non-Patent Document 1, since only a part of the peak enhanced in the hybrid mode is present, only the target substance having a specific Raman frequency has the SERS enhancing effect, The target substance that can utilize the enhancement effect may be limited. Therefore, the electric field enhancing element using the hybrid mode may not be able to detect the target substance with high sensitivity.

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、標的物質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、上記電場増強素子を用いたラマン分光法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、上記電場増強度を含むラマン分光装置および電子機器を提供することにある。
One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide an electric field enhancing element capable of detecting a target substance with high sensitivity. Another object of some embodiments of the present invention is to provide Raman spectroscopy using the electric field enhancement element. Another object of some embodiments of the present invention is to provide a Raman spectroscopic device and an electronic apparatus including the electric field enhancement.

本発明に係る電場増強素子は、
金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を含む電場増強素子であって、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なり、
前記電場増強素子に白色光を照射したときの反射光のスペクトルにおいて、第1吸収領域の半値幅をH1とし、半値幅が前記第1吸収領域の半値幅H1よりも大きい第2吸収領域の半値幅をH2としたとき、
前記H1および前記H2は、
(H2−H1)/H2×100≧40
の関係を満たし、
前記電場増強素子の励起光の波長は、前記第2吸収領域の範囲に含まれる。
The electric field enhancing element according to the present invention is
A metal layer,
A dielectric layer provided on the metal layer;
A plurality of metal particles provided on the dielectric layer;
An electric field enhancing element comprising:
The plurality of metal particles have a periodic array capable of exciting propagating surface plasmons propagating through an interface between the metal layer and the dielectric layer,
The propagation type surface plasmon and the localized type surface plasmon excited by the metal particle interact electromagnetically,
The resonance wavelength of the propagation surface plasmon is different from the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the spectrum of reflected light when the electric field enhancing element is irradiated with white light, the half width of the first absorption region is H1, and the half width of the second absorption region is larger than the half width H1 of the first absorption region. When the price range is H2,
The H1 and the H2 are
(H2-H1) / H2 × 100 ≧ 40
Satisfy the relationship
The wavelength of the excitation light of the electric field enhancing element is included in the range of the second absorption region.

このような電場増強素子では、第2吸収領域は、上記式を満たさない電場増強素子における反射スペクトルの吸収領域よりも、局在型表面プラズモンの寄与度が大きく、大きな半値幅を有することができる。これにより、このような電場増強素子では、励起光の波長とラマン散乱光の波長とを、第2吸収領域の範囲に含むことができる。さらに、このような電場増強素子では、金属層と誘電体層との界面に励起される伝播型表面プラズモンと、金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用しているため、局在型表面プラズモン単独が励起される場合に比べて、電場増強度を高くすることができる。したがって、このような電場増強素子では、ラマンシフトが小さい分子(標的物質)でも、標的物質を高い感度で検出することができる。   In such an electric field enhancing element, the second absorption region has a greater contribution of localized surface plasmons and a larger half-value width than the absorption region of the reflection spectrum in the electric field enhancing device that does not satisfy the above formula. . Thereby, in such an electric field enhancing element, the wavelength of the excitation light and the wavelength of the Raman scattered light can be included in the range of the second absorption region. Furthermore, in such an electric field enhancement element, the propagation type surface plasmon excited at the interface between the metal layer and the dielectric layer and the localized type surface plasmon excited by the metal particle interact electromagnetically. Therefore, the electric field enhancement can be increased compared to the case where the localized surface plasmon alone is excited. Therefore, such an electric field enhancing element can detect a target substance with high sensitivity even for a molecule (target substance) having a small Raman shift.

本発明に係る電場増強素子において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記第2吸収領域は、前記第1吸収領域よりも短波長側に位置してもよい。
In the electric field enhancing element according to the present invention,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is longer than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
The second absorption region may be located on a shorter wavelength side than the first absorption region.

このような電場増強素子では、標的物質を高い感度で検出することができる。   Such an electric field enhancing element can detect the target substance with high sensitivity.

本発明に係る電場増強素子において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記第2吸収領域は、前記第1吸収領域よりも長波長側に位置してもよい。
In the electric field enhancing element according to the present invention,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
The second absorption region may be located on a longer wavelength side than the first absorption region.

このような電場増強素子では、標的物質を高い感度で検出することができる。   Such an electric field enhancing element can detect the target substance with high sensitivity.

本発明に係るラマン分光法は、
本発明に係る電場増強素子に標的物質を付着させ、前記電場増強素子に前記励起光を照射して、前記電場増強素子から放射されるラマン散乱光を検出するラマン分光法であって、
前記ラマン散乱光の波長は、前記第2吸収領域の範囲である。
The Raman spectroscopy according to the present invention is:
A target substance is attached to the electric field enhancement element according to the present invention, the excitation light is irradiated to the electric field enhancement element, and the Raman spectroscopy that detects the Raman scattered light emitted from the electric field enhancement element,
The wavelength of the Raman scattered light is in the range of the second absorption region.

このようなラマン分光法では、本発明に係る電場増強素子を用いるため、標的物質を高い感度で検出することができる。   In such Raman spectroscopy, since the electric field enhancing element according to the present invention is used, the target substance can be detected with high sensitivity.

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前記励起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。
The Raman spectroscopic device according to the present invention is:
An electric field enhancing element according to the present invention;
A light source for irradiating the electric field enhancing element with the excitation light;
A photodetector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
including.

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、標的物質を高い感度で検出することができる。   Such a Raman spectroscopic device includes the electric field enhancing element according to the present invention, and thus can detect the target substance with high sensitivity.

本発明に係る電子機器は、
本発明に係るラマン分光装置と、
前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む。
The electronic device according to the present invention is
A Raman spectroscopic device according to the present invention;
A calculation unit for calculating health and medical information based on detection information from the detector;
A storage unit for storing the health care information;
A display unit for displaying the health care information;
including.

このような電子機器では、本発明に係るラマン分光装置を含むため、高精度な健康医療情報を提供することができる。   Since such an electronic device includes the Raman spectroscopic device according to the present invention, highly accurate medical information can be provided.

本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the electric field enhancement element which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電場増強素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the electric field enhancement element which concerns on this embodiment. 金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、の関係を説明するための図。The figure for demonstrating the relationship between the arrangement | sequence of a metal particle, a propagation type surface plasmon, and a localized type surface plasmon. 表面プラズモン・ポラリトンの分散関係を模式的に示す図。The figure which shows typically the dispersion | distribution relationship of surface plasmon polariton. anti−crossingを説明するための図。The figure for demonstrating anti-crossing. 反射スペクトルおよび増強電場の波長特性を説明するための図。The figure for demonstrating the wavelength characteristic of a reflection spectrum and an enhancement electric field. 反射スペクトルおよび増強電場の波長特性を説明するための図。The figure for demonstrating the wavelength characteristic of a reflection spectrum and an enhancement electric field. 反射スペクトルおよび増強電場の波長特性を説明するための図。The figure for demonstrating the wavelength characteristic of a reflection spectrum and an enhancement electric field. 本実施形態に係るラマン分光装置を模式的に示す図。The figure which shows typically the Raman spectroscopy apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電子機器を説明するための図。4A and 4B are diagrams for explaining an electronic apparatus according to the embodiment. 実験例1で用いたモデルを説明するための図。The figure for demonstrating the model used in Experimental example 1. FIG. Au粒子の直径が90nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 90 nm. Au粒子の直径が104nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 104 nm. Au粒子の直径が140nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the diameter of Au particles is 140 nm. Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける2つの吸収領域の極小点の波長をプロットしたグラフ。The graph which plotted the wavelength of the minimum point of two absorption regions in a reflection spectrum when changing the diameter of Au particle | grains in the range of 80 nm-150 nm. Au粒子の厚さが15nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the Au particle thickness is 15 nm. Au粒子の厚さが25nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the Au particle thickness is 25 nm. Au粒子の厚さが40nmの場合の反射スペクトル。Reflection spectrum when the Au particle thickness is 40 nm. Au粒子の厚さを10nm〜40nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける2つの吸収領域の極小点の波長をプロットしたグラフ。The graph which plotted the wavelength of the minimum point of two absorption regions in a reflection spectrum when changing the thickness of Au particle | grains in the range of 10 nm-40 nm. Au粒子の直径が90nm、106nmの領域の反射スペクトル。Reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 90 nm and 106 nm. 半値幅の求め方を説明するための図。The figure for demonstrating how to obtain | require a half value width. Au粒子の直径が90nm、106nmの領域のラマン測定結果を示すグラフ。The graph which shows the Raman measurement result of the area | region whose diameter of Au particle | grains is 90 nm and 106 nm.

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。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

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。また、図1および図2では、互いに直交する3つの軸として、X軸、Y軸、およびZ軸を図示している。
1. Electric field enhancing element First, the electric field enhancing element according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing an electric field enhancing element 100 according to this embodiment. FIG. 2 is a plan view schematically showing the electric field enhancing element 100 according to the present embodiment. 1 is a cross-sectional view taken along the line II of FIG. 1 and 2 illustrate the X axis, the Y axis, and the Z axis as three axes orthogonal to each other.

電場増強素子100は、図1および図2に示すように、金属層10と、誘電体層20と、金属粒子30と、を含む。   As shown in FIGS. 1 and 2, the electric field enhancing element 100 includes a metal layer 10, a dielectric layer 20, and metal particles 30.

1.1. 金属層
金属層10は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えば、フィルム、板、層、または膜の形状を有している。金属層10は、図1に示すように、基板2上に設けられていてもよい。基板2としては、特に限定されないが、金属層10と誘電体層20との界面に励起される伝播型表面プラズモン(PSP)に影響を与えにくいものが好ましい。基板2は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。基板2の金属層10が設けられる面の平面形状(Z軸方向から見た形状)は、特に限定されない。
1.1. Metal Layer The metal layer 10 is not particularly limited as long as it provides a metal surface that does not transmit light. For example, the metal layer 10 has a shape of a film, a plate, a layer, or a film. The metal layer 10 may be provided on the substrate 2 as shown in FIG. Although it does not specifically limit as the board | substrate 2, The thing which does not affect easily the propagation type surface plasmon (PSP) excited by the interface of the metal layer 10 and the dielectric material layer 20 is preferable. The substrate 2 is, for example, a glass substrate, a silicon substrate, or a resin substrate. The planar shape (the shape seen from the Z-axis direction) of the surface on which the metal layer 10 of the substrate 2 is provided is not particularly limited.

金属層10は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成される。金属層10は、基板2の表面の全面に設けられてもよいし、基板2の表面の一部に設けられてもよい。金属層10の厚さ(Z軸方向の大きさ)は、金属層10と誘電体層20との界面にPSPが励起されれば特に限定されず、例えば、10nm以上1mm以下、好ましくは20nm以上100μm以下、より好ましくは30nm以上1μm以下である。   The metal layer 10 is formed by a technique such as vapor deposition, sputtering, casting, or machining. The metal layer 10 may be provided on the entire surface of the substrate 2 or may be provided on a part of the surface of the substrate 2. The thickness (size in the Z-axis direction) of the metal layer 10 is not particularly limited as long as PSP is excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, and is, for example, 10 nm to 1 mm, preferably 20 nm or more. It is 100 μm or less, more preferably 30 nm or more and 1 μm or less.

金属層10は、励起光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し(負の誘電率を有し)、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成されている。このような誘電率を有する金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそれらの合金等を挙げることができる。励起光として可視光領域の光を用いる場合には、金属層10は、金、銀、または銅からなる層を含むことが好ましい。金属層10の表面(図示の例ではXY平面に平行な平面)は、特定の結晶面であってもなくてもよい。金属層10は、複数層の金属の層で構成されていてもよい。   The metal layer 10 is a metal having an electric field in which an electric field given by excitation light and a polarization induced by the electric field oscillate in opposite phases, that is, when a specific electric field is given, The real part has a negative value (has a negative dielectric constant), and the imaginary part has a dielectric constant that is smaller than the absolute value of the dielectric constant of the real part. Examples of the metal having such a dielectric constant include gold, silver, aluminum, copper, platinum, or alloys thereof. When light in the visible light region is used as excitation light, the metal layer 10 preferably includes a layer made of gold, silver, or copper. The surface of the metal layer 10 (a plane parallel to the XY plane in the illustrated example) may or may not be a specific crystal plane. The metal layer 10 may be composed of a plurality of metal layers.

金属層10は、電場増強素子100においてPSPを励起させる機能を有している。具体的には、金属層10に光(励起光)を入射することにより、金属層10と誘電体層20との界面に(界面近傍に)PSPが励起する。金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPは、金属粒子30に励起される局在型表面プラズモン(LSP)と、電磁的
に相互作用(ハイブリッド)することができる。
The metal layer 10 has a function of exciting the PSP in the electric field enhancing element 100. Specifically, when light (excitation light) enters the metal layer 10, PSP is excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 (near the interface). The PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can electromagnetically interact (hybridize) with the localized surface plasmon (LSP) excited by the metal particles 30.

1.2. 誘電体層
誘電体層20は、金属層10上に設けられている。誘電体層20は、金属層10に接して設けられている。誘電体層20は、フィルム、層、または膜の形状を有している。誘電体層20は、金属層10と金属粒子30とを隔てることができる。誘電体層20は、励起光を透過することができる。
1.2. Dielectric Layer The dielectric layer 20 is provided on the metal layer 10. The dielectric layer 20 is provided in contact with the metal layer 10. The dielectric layer 20 has a film, layer, or film shape. The dielectric layer 20 can separate the metal layer 10 and the metal particles 30. The dielectric layer 20 can transmit excitation light.

誘電体層20は、例えば、蒸着、スパッタ、CVD(Chemical Vapor Deposition)、各種コーティング等の手法により形成される。誘電体層20は、金属層10の表面の全面に設けられてもよいし、金属層10の表面の一部に設けられてもよい。   The dielectric layer 20 is formed by, for example, techniques such as vapor deposition, sputtering, CVD (Chemical Vapor Deposition), and various coatings. The dielectric layer 20 may be provided on the entire surface of the metal layer 10 or may be provided on a part of the surface of the metal layer 10.

誘電体層20は、正の誘電率を有すればよく、例えば、酸化シリコン(SiO)、酸化アルミニウム(Al)、酸化タンタル(Ta)、窒化シリコン(Si)、酸化チタン(TiO)、PMMA(Polymethylmethacrylate)等の高分子、ITO(Indium Tin Oxide)で構成されている。誘電体層20は、材質の互いに異なる複数の層から構成されていてもよい。 The dielectric layer 20 only needs to have a positive dielectric constant. For example, silicon oxide (SiO 2 ), aluminum oxide (Al 2 O 3 ), tantalum oxide (Ta 2 O 5 ), silicon nitride (Si 3 N 4). ), Titanium oxide (TiO 2 ), polymer such as PMMA (Polymethylmethacrylate), and ITO (Indium Tin Oxide). The dielectric layer 20 may be composed of a plurality of layers made of different materials.

誘電体層20の厚さは、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとが相互作用できるように設定される。誘電体層20の厚さは、例えば、10nm以上1μm以下、好ましくは20nm以上500nm以下、さらに好ましくは、30nm以上100nm以下である。   The thickness of the dielectric layer 20 is set so that the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can interact with the LSP excited by the metal particles 30. The thickness of the dielectric layer 20 is, for example, 10 nm to 1 μm, preferably 20 nm to 500 nm, and more preferably 30 nm to 100 nm.

1.3. 金属粒子
金属粒子30は、誘電体層20上に設けられている。図示の例では、金属粒子30は、誘電体層20に接して設けられている。金属粒子30の形状は、特に限定されない。例えば、金属粒子30の形状は、例えば、円柱、角柱、球、回転楕円体、不定形、またはそれらを組み合わせた形である。図示の例では、金属粒子30は、誘電体層20の厚さ方向(Z軸方向)に中心軸を有する円柱状の形状を有している。
1.3. Metal Particles The metal particles 30 are provided on the dielectric layer 20. In the illustrated example, the metal particles 30 are provided in contact with the dielectric layer 20. The shape of the metal particle 30 is not particularly limited. For example, the shape of the metal particle 30 is, for example, a cylinder, a prism, a sphere, a spheroid, an indefinite shape, or a combination thereof. In the illustrated example, the metal particle 30 has a cylindrical shape having a central axis in the thickness direction (Z-axis direction) of the dielectric layer 20.

金属粒子30の厚さは、例えば、1nm以上100nm以下、好ましくは2nm以上50nm以下、より好ましくは10nm以上40nm以下である。金属粒子30のX軸方向の大きさおよびY軸方向の大きさ(図示の例では、円柱底面の直径)は、10nm以上200nm以下、好ましくは30nm以上180nm以下、より好ましくは80nm以上150nm以下である。金属粒子30の大きさは、入射光の波長よりも小さい。   The thickness of the metal particle 30 is, for example, 1 nm to 100 nm, preferably 2 nm to 50 nm, more preferably 10 nm to 40 nm. The size of the metal particle 30 in the X-axis direction and the Y-axis direction (in the example shown, the diameter of the bottom surface of the cylinder) is 10 nm to 200 nm, preferably 30 nm to 180 nm, more preferably 80 nm to 150 nm. is there. The size of the metal particle 30 is smaller than the wavelength of incident light.

金属粒子30の材質は、励起光の照射によって、LSPを励起することができれば特に限定されないが、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、白金、またはそれらの合金である。   The material of the metal particles 30 is not particularly limited as long as the LSP can be excited by irradiation with excitation light, but is, for example, gold, silver, aluminum, copper, platinum, or an alloy thereof.

金属粒子30は、例えば、スパッタ、蒸着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することができる。または、金属粒子30は、コロイド化学的手法によって形成されてもよい。   The metal particles 30 can be formed by, for example, a patterning method after forming a thin film by sputtering, vapor deposition, or the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, or the like. Alternatively, the metal particles 30 may be formed by a colloid chemical method.

金属粒子30は、電場増強素子100においてLSPを励起させる機能を有している。具体的には、金属粒子30に励起光を照射することにより、金属粒子30に(金属粒子30の周辺に)LSPを励起させることができる。   The metal particle 30 has a function of exciting the LSP in the electric field enhancing element 100. Specifically, by irradiating the metal particles 30 with excitation light, LSP can be excited in the metal particles 30 (around the metal particles 30).

金属粒子30は、複数設けられている。複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起可能な周期配列を有している。複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起させるために、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていることが好ましい。ただし、金属層10および誘電体層20の材質、厚さによってPSP分散曲線は変化するので、複数の金属粒子30は、励起光の偏光方向に励起光の波長程度のピッチで、配列されていなくてもよい場合もある。   A plurality of metal particles 30 are provided. The plurality of metal particles 30 have a periodic arrangement that can excite PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20. In order to excite the PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20, the plurality of metal particles 30 are preferably arranged at a pitch about the wavelength of the excitation light in the polarization direction of the excitation light. . However, since the PSP dispersion curve changes depending on the material and thickness of the metal layer 10 and the dielectric layer 20, the plurality of metal particles 30 are not arranged at a pitch about the wavelength of the excitation light in the polarization direction of the excitation light. It may be possible.

複数の金属粒子30の配置は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されない。図示の例では、複数の金属粒子30は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に配列されている。言い換えると、図示の例では、複数の金属粒子30は、X軸方向に列を構成し、該列は、Y軸方向に配列されている。   The arrangement of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited. In the illustrated example, the plurality of metal particles 30 are arranged in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction. In other words, in the illustrated example, the plurality of metal particles 30 form a row in the X-axis direction, and the row is arranged in the Y-axis direction.

複数の金属粒子30のX軸方向のピッチは、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されず、10nm以上2μm以下であり、好ましくは20nm以上1μm以下、より好ましくは400nm以上700nm以下である。なお、X軸方向のピッチとは、X軸方向における隣り合う金属粒子30の重心間の距離である。このようにすると、ハイブリッドモードによるanti−crossingを起こすことができ、標的物質を高い感度で検出することができる。   The pitch in the X-axis direction of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited, and is 10 nm or more and 2 μm or less, preferably 20 nm. The thickness is 1 μm or more and more preferably 400 nm or more and 700 nm or less. The pitch in the X-axis direction is the distance between the centroids of adjacent metal particles 30 in the X-axis direction. If it does in this way, anti-crossing by hybrid mode can be raised and a target substance can be detected with high sensitivity.

複数の金属粒子30のY軸方向のピッチは、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起することができれば、特に限定されず、10nm以上2μm以下であり、好ましくは20nm以上1μm以下、より好ましくは400nm以上700nm以下である。なお、Y軸方向のピッチとは、Y軸方向における隣り合う金属粒子30の重心間の距離である。複数の金属粒子30のX軸方向のピッチと、複数の金属粒子30のY軸方向のピッチとは、異なっていてもよいが、図示の例では、同じである。   The pitch in the Y-axis direction of the plurality of metal particles 30 is not particularly limited as long as PSP propagating through the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 can be excited, and is 10 nm or more and 2 μm or less, preferably 20 nm. The thickness is 1 μm or more and more preferably 400 nm or more and 700 nm or less. Note that the pitch in the Y-axis direction is the distance between the centers of gravity of adjacent metal particles 30 in the Y-axis direction. The pitch in the X-axis direction of the plurality of metal particles 30 and the pitch in the Y-axis direction of the plurality of metal particles 30 may be different, but are the same in the illustrated example.

金属粒子30に励起されるLSPの分布および強度等は、複数の金属粒子30の配列に依存する。したがって、金属層10と誘電体層20とに励起されるPSPと電磁的に相互作用するLSPは、単一の金属粒子30に励起されるLSPだけでなく、複数の金属粒子30の配列を考慮したLSPも含むことになる場合がある。   The distribution, intensity, and the like of LSP excited by the metal particles 30 depend on the arrangement of the plurality of metal particles 30. Therefore, the LSP that electromagnetically interacts with the PSP excited by the metal layer 10 and the dielectric layer 20 considers not only the LSP excited by the single metal particle 30 but also the arrangement of the plurality of metal particles 30. In some cases, the LSP may be included.

なお、図示はしないが、誘電体層20と金属粒子30との間に、誘電体層20と金属粒子30との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属粒子30は、密着層を介して、誘電体層20上に設けられていてもよい。また、基板2と金属層10との間に、基板2と金属層10との密着性を向上させるための密着層を設けてもよい。すなわち、金属層10は、密着層を介して、基板2上に設けられていてもよい。このように、本明細書において、例えば、「部材A上に部材Bが設けられている」との表現は、部材Aの上に接して部材Bが設けられている場合と、部材Aの上に他の部材を介して部材Bが設けられている場合と、を含む意味である。密着層は、例えば、クロム層、チタン層である。   Although not shown, an adhesion layer for improving the adhesion between the dielectric layer 20 and the metal particles 30 may be provided between the dielectric layer 20 and the metal particles 30. That is, the metal particle 30 may be provided on the dielectric layer 20 via the adhesion layer. Further, an adhesion layer for improving adhesion between the substrate 2 and the metal layer 10 may be provided between the substrate 2 and the metal layer 10. That is, the metal layer 10 may be provided on the substrate 2 through the adhesion layer. Thus, in this specification, for example, the expression “the member B is provided on the member A” refers to the case where the member B is provided in contact with the member A and the case where the member B is provided. And the case where the member B is provided via another member. The adhesion layer is, for example, a chromium layer or a titanium layer.

金属粒子30には、標的物質1が付着(吸着)する。標的物質1は、電場増強素子100を、標的物質1を含む気体試料に接触させることにより、金属粒子30に付着する。図示の例では、標的物質1は、金属粒子30および誘電体層20に接触している。標的物質1は、電場増強素子100を用いた分析において、検出の対象となる物質である。標的物質1としては、例えば、ピリジン、酢酸、アセトン、メチルメルカプタン、トルエンが挙げられる。なお、便宜上、図2の例では、標的物質1の図示を省略している。   The target substance 1 adheres (adsorbs) to the metal particles 30. The target substance 1 adheres to the metal particles 30 by bringing the electric field enhancing element 100 into contact with a gas sample containing the target substance 1. In the illustrated example, the target substance 1 is in contact with the metal particles 30 and the dielectric layer 20. The target substance 1 is a substance to be detected in the analysis using the electric field enhancing element 100. Examples of the target substance 1 include pyridine, acetic acid, acetone, methyl mercaptan, and toluene. For convenience, the target substance 1 is not shown in the example of FIG.

1.4. 金属粒子の配列と、伝播型表面プラズモンおよび局在型表面プラズモンと、
の関係
図3は、金属粒子の配列と、LSP(LSPR:Locarized Surface
Plasmon Resonance)およびPSP(PSPR:Propagating Surface Plasmon Resonance)との関係を説明するための図である。なお、図3において、(a)は電場増強素子の平面を模式的に示しており、(b)は電場増強素子の(a)のB−B線断面を模式的に示しており、(c)は電場増強素子の(a)のC−C線断面図を模式的に示している。
1.4. An array of metal particles, a propagating surface plasmon and a localized surface plasmon;
FIG. 3 shows the arrangement of metal particles and LSP (LSPR: Localized Surface).
It is a figure for demonstrating the relationship with Plasmon Resonance (PSPR) and PSP (PSPR: Propagating Surface Plasmon Resonance). In FIG. 3, (a) schematically shows a plane of the electric field enhancing element, (b) schematically shows a cross section taken along line BB of (a) of the electric field enhancing element, (c ) Schematically shows a cross-sectional view taken along the line CC of (a) of the electric field enhancing element.

ここで、金属粒子(例えば金属粒子30)の周辺に発生するLSPには、隣り合う金属粒子間に生じるモード(以下、「PPGM」(Particle−Particle Gap Mode)という。)、および、金属粒子と金属層(ミラーの機能も有する。)との間(例えば金属粒子30と金属層10との間)に生じるモード(以下、「PMGM」(Particle−Mirror Gap Mode)という。)の2種のモードが存在することが知られている(図3参照)。   Here, the LSP generated around the metal particles (for example, the metal particles 30) includes a mode generated between adjacent metal particles (hereinafter referred to as “PPGM” (Particle-Particle Gap Mode)), and the metal particles. Two types of modes (hereinafter referred to as “PMGM” (Particle-Mirror Gap Mode)) occurring between metal layers (also having a mirror function) (for example, between metal particles 30 and metal layer 10). Is known to exist (see FIG. 3).

PPGMおよびPMGMの2種のモードのLSPは、いずれも、電場増強素子に励起光が入射されることにより発生する。これらのうち、PPGMのLSPは、金属粒子が接近する(金属粒子間の距離が小さくなる)ほど強度が高くなる。一方、PMGMのモードのLSPは、PPGMのLSPほど金属粒子の配列や励起光の偏光方向には大きく影響されず、励起光が照射されることにより金属粒子と金属層との間(金属粒子の下方)に生成する。そして、PSPは、これまで説明したとおり、金属層と透光層の界面を伝播するプラズモンであり、金属層に励起光が入射されることにより、金属層と透光層の界面を等方的に伝播する。   Both of the two types of modes, PPGM and PMGM, are generated when the excitation light is incident on the electric field enhancement element. Among these, PPGM LSP has higher strength as the metal particles approach (the distance between the metal particles is smaller). On the other hand, the LSP in the PMGM mode is not significantly affected by the arrangement of the metal particles and the polarization direction of the excitation light as in the PPGM LSP, and is irradiated between the metal particles and the metal layer (irradiation of the metal particles). (Down). As described above, the PSP is a plasmon that propagates through the interface between the metal layer and the light-transmitting layer. When the excitation light is incident on the metal layer, the interface between the metal layer and the light-transmitting layer is isotropic. Propagate to.

図3には、以下の実験例で用いたHybrid構造と、その他の構造(Basic構造)との比較を模式的に示した。電場増強素子に照射される励起光の偏光方向は、図中矢印で示してある。なお、Basic構造、およびHybrid構造なる語句は、本明細書においてそれぞれを区別するために用いられる造語であり、それらの意味を、以下に説明する。   FIG. 3 schematically shows a comparison between the hybrid structure used in the following experimental example and other structures (basic structure). The polarization direction of the excitation light applied to the electric field enhancing element is indicated by an arrow in the figure. Note that the terms “basic structure” and “hybrid structure” are coined terms used to distinguish each of them in this specification, and their meanings will be described below.

まず、Basic構造は、金属粒子が透光層上に密に配置された構造であり、励起光の照射により、PPGMのLSPRおよびPMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、励起光の偏光方向における金属粒子の両端に発生しているが、Basic構造は金属粒子の配列の異方性が小さいため、励起光が偏光光でない場合にも同様に、励起光の電場ベクトルの成分にしたがって発生する。Basic構造では、金属粒子が密に配置される結果、励起光が金属層に到達しにくいため、PSPRはほとんどあるいは全く生じておらず、図示ではPSPRを表す模式的な波線が省略してある。   First, the basic structure is a structure in which metal particles are densely arranged on a light-transmitting layer, and the LSPR of PPGM and the LSPR of PMGM are excited by irradiation with excitation light. In this example, LSPR of PPGM is generated at both ends of the metal particles in the polarization direction of the excitation light. However, since the basic structure has a small anisotropy of the arrangement of the metal particles, the excitation light is not polarized light. Similarly, it is generated according to the electric field vector component of the excitation light. In the basic structure, as a result of the metal particles being densely arranged, the excitation light hardly reaches the metal layer, and therefore, little or no PSPR is generated. In the drawing, a schematic wavy line representing PSPR is omitted.

Hybrid構造は、金属粒子が透光層上に、Basic構造と比較して疎に配置された構造であり、励起光の照射により、PMGMのLSPRが励起されている。この例において、PPGMのLSPRは、金属粒子間が離れているため、Basic構造と比較すれば微弱に生成しており、図示では省略してある。Hybrid構造では、金属粒子が疎に配置される結果、PSPR(図中波線)が発生する。   The hybrid structure is a structure in which metal particles are arranged on a light-transmitting layer more sparsely than the basic structure, and the LSPR of PMGM is excited by irradiation with excitation light. In this example, the LSPR of PPGM is generated weakly as compared with the Basic structure because the metal particles are separated from each other, and is omitted in the drawing. In the hybrid structure, as a result of the metal particles being sparsely arranged, PSPR (dashed line in the figure) is generated.

なお、図3では偏光光を入射した場合について説明しているが、いずれの構造においても、偏光されていない励起光や円偏光光が入射された場合には、その電場の振動方向の成分に応じて上述のSPRが発生する。   Note that FIG. 3 illustrates the case where polarized light is incident. However, in any structure, when non-polarized excitation light or circularly polarized light is incident, the component in the vibration direction of the electric field is included. In response, the SPR described above occurs.

各構造における全体のSPRの強度(電場増強度)は、それぞれに発生するSPRの総和(または積)と関連している。全SPRの強度に対するPSPRの寄与度は、各構造に
おいて金属粒子の形状および大きさが同じ場合、Basic構造<Hybrid構造の順で大きくなる。また、全SPRの強度に対するLSPR(PPGMおよびPMGM)の寄与度は、各構造において金属粒子の形状および大きさが同じ場合、金属粒子の密度(HSD)の観点から、Hybrid構造<Basic構造の順で大きくなる。さらに、HSDおよびPPGMのLSPRに着目すると、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、Hybrid構造<Basic構造の順で大きくなる。
The overall SPR strength (electric field enhancement) in each structure is related to the sum (or product) of the SPRs generated in each. If the shape and size of the metal particles are the same in each structure, the contribution of PSPR to the strength of the total SPR increases in the order of Basic structure <Hybrid structure. In addition, the contribution of LSPR (PPGM and PMGM) to the strength of the total SPR is determined in the order of Hybrid structure <Basic structure from the viewpoint of metal particle density (HSD) when the shape and size of the metal particles are the same in each structure. It grows big. Further, when paying attention to LSPR of HSD and PPGM, the contribution degree of LSPR of PPGM to the strength of all SPRs increases in the order of Hybrid structure <Basic structure.

Hybrid構造は、Basic構造と比較して、PSPRの強度が最も強く、係るPSPRの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、PPGMのLSPRの強度は小さく、金属粒子の密度も小さいものの、PMGMのLSPRとPSPRとが電磁的に強く相互作用する(相乗的に結合する)。   The Hybrid structure has the strongest PSPR intensity and the largest contribution of the PSPR to the overall enhancement compared to the Basic structure. And although the intensity | strength of LSPR of PPGM is small and the density of a metal particle is also small, LSPR and PSPR of PMGM interact strongly electromagnetically (synergistic coupling | bonding).

Basic構造は、PPGMのLSPRの強度が最も強く、係るPPGMのLSPRの、全体の増強度に対する寄与度が最も大きい。そして、PSPRの強度は小さいため、PPGMのLSPRとPSPRとの電磁的な相互作用は発生しない。後述する図5に示すように、金属粒子を密に配置するとPSPRに起因する吸収領域が発生しない。これは、図5に示すように、X軸方向ピッチが300nmのプロットが1つしかないことからわかる。   The Basic structure has the strongest strength of LSPR of PPGM, and the contribution of the LSPR of PPGM to the overall enhancement is the largest. And since the intensity | strength of PSPR is small, the electromagnetic interaction of LSPR of PPGM and PSPR does not generate | occur | produce. As shown in FIG. 5 to be described later, when metal particles are arranged densely, an absorption region caused by PSPR does not occur. This can be seen from the fact that there is only one plot with an X-axis direction pitch of 300 nm as shown in FIG.

したがって、Hybrid構造とBasic構造は、電場増強のメカニズムが異なっているといえる。   Therefore, it can be said that the hybrid structure and the basic structure have different electric field enhancement mechanisms.

なお、各構造において、金属粒子の大きさ(例えば平面視における直径や、厚さ)を変化させることにより、全SPRの強度に対するPSPRの寄与度や、全SPRの強度に対するPPGMのLSPRの寄与度は、変化する。   In each structure, by changing the size of metal particles (for example, the diameter and thickness in plan view), the contribution of PSPR to the intensity of all SPR and the contribution of LSPR of PPGM to the intensity of all SPR Will change.

本実施形態に係る電場増強素子100では、Hybrid構造、またはHybrid構造のY軸方向の周期を異ならせた構造を有し、図3に示すように、複数の金属粒子30は、金属層10と誘電体層20との界面を伝播するPSPを励起可能な周期配列を有している。そして、電場増強素子100は、PSPとLSPとが電磁的に結合するように誘電体層20の厚さを設計することにより、図3に示すように、金属層と誘電体層との界面に励起されるPSPと、金属粒子に励起されるLSPとが電磁的に相合作用することができる。   The electric field enhancing element 100 according to the present embodiment has a hybrid structure or a structure in which the period of the hybrid structure in the Y-axis direction is different. As shown in FIG. It has a periodic array that can excite PSP propagating through the interface with the dielectric layer 20. The electric field enhancing element 100 is designed at the interface between the metal layer and the dielectric layer as shown in FIG. 3 by designing the thickness of the dielectric layer 20 so that the PSP and the LSP are electromagnetically coupled. The excited PSP and the LSP excited by the metal particles can be electromagnetically combined.

1.5. 伝播型表面プラズモンの共鳴波長と局在型表面プラズモンの共鳴波長
本実施形態に係る電場増強素子100では、伝播型表面プラズモン(PSP)の共鳴波長と、局在型表面プラズモン(LSP)の共鳴波長とは、異なる。後述する実験例に示すように、例えば、電場増強素子の金属粒子の大きさ(平面視における大きさ)、または厚さ(高さ)を変えることにより、LSPの共鳴波長を変化させることができる。したがって、金属粒子30の平面視における大きさ、または厚さを変えることにより、電場増強素子100において、PSPの共鳴波長を、LSPの共鳴波長よりも長くすることもできるし、LSPの共鳴波長よりも短くすることもできる。以下、PSPの共鳴波長およびLSPの共鳴波長について具体的に説明する。
1.5. Resonance wavelength of propagation surface plasmon and resonance wavelength of localized surface plasmon In the electric field enhancement device 100 according to the present embodiment, the resonance wavelength of propagation surface plasmon (PSP) and the resonance wavelength of localization surface plasmon (LSP). Is different. As shown in an experimental example to be described later, for example, the resonance wavelength of the LSP can be changed by changing the size (size in plan view) or thickness (height) of the metal particles of the electric field enhancing element. . Therefore, by changing the size or thickness of the metal particle 30 in plan view, the resonance wavelength of the PSP can be made longer than the resonance wavelength of the LSP in the electric field enhancing element 100, or more than the resonance wavelength of the LSP. Can also be shortened. Hereinafter, the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP will be described in detail.

まず、伝播型表面プラズモン(PSP)について説明する。通常は、入射光の分散関係(n=1のライトライン)と、PSPの分散関係(Auと空気との界面を伝播するPSPの分散関係)とは交点を持たないので、PSPが発生しない。しかしながら、例えば、格子間隔Qを有する回折格子を通過させた入射光(回折光)を用いて励起すると、図4に示すように、PSPの分散関係(Auと空気との界面を伝播するPSPの分散関係)と、入射光(回折光)の分散関係(ライトライン)とが交点を持ち、交点の波長のPSPが励起
される。なお、図4は、表面プラズモン・ポラリトン(SPP:Surface Plasmon Plariton)の分散関係を模式的に示す図である。ここで、SPPとは、金属層の表面付近の電荷の振動と電磁波とが結合した振動の量子のことである。
First, propagation type surface plasmon (PSP) will be described. Normally, the dispersion relation of incident light (light line of n = 1) and the dispersion relation of PSP (dispersion relation of PSP propagating through the interface between Au and air) do not have an intersection, so that no PSP occurs. However, for example, when excited using incident light (diffracted light) that has passed through a diffraction grating having a grating interval Q, as shown in FIG. 4, the dispersion relation of PSP (the PSP propagating through the interface between Au and air) (Dispersion relationship) and the dispersion relationship (light line) of incident light (diffracted light) have an intersection, and the PSP at the wavelength of the intersection is excited. FIG. 4 is a diagram schematically showing a dispersion relation of surface plasmon polariton (SPP). Here, the SPP is a quantum of vibrations in which charge vibrations near the surface of the metal layer and electromagnetic waves are combined.

交点(図4参照)の波長をPSPの共鳴波長と言い、PSPの共鳴波長λPSP[nm]は、下記式(1)で表せる。なお、(1)式は、励起光(入射光)が垂直入射な場合(励起光が誘電体層の上面の垂線に対して平行に入射する場合)を示している。 The wavelength at the intersection (see FIG. 4) is called the resonance wavelength of the PSP, and the resonance wavelength λ PSP [nm] of the PSP can be expressed by the following formula (1). The expression (1) shows the case where the excitation light (incident light) is perpendicularly incident (the case where the excitation light is incident in parallel to the vertical line on the upper surface of the dielectric layer).

λPSP(n=1)<λPSP<λPSP(n) ・・・ (1)
ここで、
λPSP(n=1)=[1240×SQRT{ε(λin)/(ε(λin)+1)}]/(4π/X×100) ・・・ (2)
λPSP(n)=[1240×SQRT{ε(λin)×ε/(ε(λin)+ε)}]/(4π/X×100) ・・・ (3)
λ PSP (n = 1) <λ PSPPSP (n 2 ) (1)
here,
λ PSP (n = 1) = [1240 × SQRT {ε 1in ) / (ε 1in ) +1)}] / (4π / X p × 100) (2)
λ PSP (n 2 ) = [1240 × SQRT {ε 1in ) × ε 2 / (ε 1in ) + ε 2 )}] / (4π / X p × 100) (3)

なお、式(2)および式(3)において、X[nm]は、金属粒子の、励起光の偏光方向におけるピッチ(周期)であり、ε(ω)は、金属層の誘電率であり、ε(ε=n )は、誘電体層の誘電率であり、λin[nm]は、励起光の波長である。また、ωは、電場増強素子に入射する励起光の角振動数であり、λin[nm]=1240/ω(eV)の関係がある。 In Expressions (2) and (3), X p [nm] is the pitch (period) of the metal particles in the polarization direction of the excitation light, and ε 1 (ω) is the dielectric constant of the metal layer. Yes, ε 22 = n 2 2 ) is the dielectric constant of the dielectric layer, and λ in [nm] is the wavelength of the excitation light. Further, ω is an angular frequency of excitation light incident on the electric field enhancing element, and has a relationship of λ in [nm] = 1240 / ω (eV).

PSPの共鳴波長は、誘電体層の厚さによって変化する。誘電率εの誘電体層の厚さが無限の場合、PSP共鳴波長は、λPSP(n)になる。誘電体層の厚さが有限の場合、PSP共鳴波長は式(1)のように、金属層と空気との界面で発生するPSPの共鳴波長と、金属層と無限厚さの誘電体層との界面で発生するPSPの共鳴波長と、の間の値を取る。 The resonant wavelength of the PSP varies with the thickness of the dielectric layer. When the thickness of the dielectric layer having a dielectric constant ε 2 is infinite, the PSP resonance wavelength is λ PSP (n 2 ). When the thickness of the dielectric layer is finite, the PSP resonance wavelength is expressed by the following equation (1): the resonance wavelength of PSP generated at the interface between the metal layer and air, the metal layer, and the dielectric layer having an infinite thickness. It takes a value between the resonance wavelength of PSP generated at the interface.

例えば後述する実験例1の場合、金属層はAu層であり、誘電体層はSiO層(n=1.46)であり、X=600nmであり、波長λinを630nmとすると、(1)式より、625nm<λPSP<980nmである。FDTD(Finite Difference Time Domain)計算結果から、λPSP=700nmである。 For example, in Experimental Example 1 described later, if the metal layer is an Au layer, the dielectric layer is a SiO 2 layer (n 2 = 1.46), X p = 600 nm, and the wavelength λ in is 630 nm, From the formula (1), 625 nm <λ PSP <980 nm. From the result of FDTD (Finite Difference Time Domain) calculation, λ PSP = 700 nm.

次に、LSPの共鳴波長について説明する。一様な周囲の媒質中に置かれた金属球のLSP共鳴波長(エネルギー)は、金属の誘電率が下記式(4)を満たすエネルギーωである。なお、λ=1240/ωの関係がある。   Next, the resonance wavelength of LSP will be described. The LSP resonance wavelength (energy) of a metal sphere placed in a uniform surrounding medium is an energy ω that satisfies the following formula (4). Note that there is a relationship of λ = 1240 / ω.

ε(ω)=−2ε ・・・ (4) ε 1 (ω) = − 2ε 0 (4)

なお、式(4)において、金属の誘電率をε(ω)とし、周囲の媒質の誘電率をεとした。 In Equation (4), the dielectric constant of the metal is ε 1 (ω), and the dielectric constant of the surrounding medium is ε 0 .

LSPの共鳴波長は、金属粒子の誘電率、形状、周囲の誘電率に依存する。なお、本実施形態に係る電場増強素子100では、誘電体層20を挟んで、金属層10と金属粒子30との相互作用(金属層10と誘電体層20との界面に励起するPSPと、金属粒子30に励起するLSPと、の電磁的な相互作用)があるため、LSPの共鳴波長は、一概に式(4)で表すことはできない。   The resonance wavelength of LSP depends on the dielectric constant, shape, and surrounding dielectric constant of the metal particles. In the electric field enhancing element 100 according to the present embodiment, the interaction between the metal layer 10 and the metal particles 30 (PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20) Since there is an electromagnetic interaction with the LSP excited in the metal particle 30, the resonance wavelength of the LSP cannot be generally expressed by the equation (4).

そのため、後述する実験例のように、金属粒子の直径(平面視における直径)を変化させて、PSPの共鳴波長の漸近線と、LSPの共鳴波長の漸近線と、を求めた。例えば、
両漸近線の交点の直径(金属粒子の直径)を避けるように、電場増強素子を設計することにより、PSPの共鳴波長と、LSPの共鳴波長とを、異ならせることができる。PSPの共鳴波長の漸近線と、LSPの共鳴波長の漸近線とは、金属粒子の直径以外のパラメーターを変化させても求めることができ、両漸近線の交点における値(変化させたパラメーターの値)を避けるように、電場増強素子を設計することにより、PSPの共鳴波長と、LSPの共鳴波長とを、異ならせることができる。
Therefore, as in an experimental example to be described later, the asymptotic line of the resonance wavelength of PSP and the asymptotic line of the resonance wavelength of LSP were obtained by changing the diameter of the metal particles (diameter in plan view). For example,
By designing the electric field enhancement element so as to avoid the diameter of the intersection of both asymptotes (the diameter of the metal particles), the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP can be made different. The asymptote of the resonance wavelength of the PSP and the asymptote of the resonance wavelength of the LSP can be obtained by changing parameters other than the diameter of the metal particle, and the value at the intersection of both asymptotes (the value of the changed parameter) By designing the electric field enhancing element so as to avoid (), the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP can be made different.

本実施形態に係る電場増強素子100では、伝播型表面プラズモン(PSP)と局在型表面プラズモン(LSP)を電磁的に結合(Electromagnetic Coupling)させることにより、電場の極めて大きい増強度を得ることができる。   In the electric field enhancement element 100 according to the present embodiment, an extremely large increase in electric field can be obtained by electromagnetically coupling a propagation surface plasmon (PSP) and a localized surface plasmon (LSP). it can.

図5は、ハイブリッドによるanti−crossingを説明するための図であり、金属粒子30のX軸方向ピッチを変化させた場合の共鳴波長を表す。金属層10はAu層、誘電体層20はSiO層で、厚さ50nm、金属粒子30はAu粒子で、直径は100nm、高さは30nm、Y軸方向ピッチ=X軸方向ピッチとして、FDTD(Finite Difference Time Domain)法で反射スペクトルを計算し、共鳴波長を得た。 FIG. 5 is a diagram for explaining anti-crossing by a hybrid, and represents a resonance wavelength when the pitch of the metal particles 30 in the X-axis direction is changed. The metal layer 10 is an Au layer, the dielectric layer 20 is a SiO 2 layer, the thickness is 50 nm, the metal particles 30 are Au particles, the diameter is 100 nm, the height is 30 nm, the Y-axis direction pitch = the X-axis direction pitch, and FDTD The reflection spectrum was calculated by the (Finite Difference Time Domain) method to obtain the resonance wavelength.

この構造におけるPSPの共鳴波長(Au層とSiO層との界面を伝播するPSPの共鳴波長)は式(1)で表せ、図5の破線のようになると予測される。また、LSPの共鳴波長は、横軸にほぼ平行な直線になる。 The resonance wavelength of PSP in this structure (resonance wavelength of PSP propagating through the interface between the Au layer and the SiO 2 layer) can be expressed by equation (1) and is predicted to be as shown by the broken line in FIG. The resonance wavelength of the LSP is a straight line substantially parallel to the horizontal axis.

図5に示すように、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長が近づくと、LSPとPSPとに起因する吸収領域は分裂(anti−crossing)する。特に、LSPとPSPとの波長が等しいとき、ハイブリッドモードの効果が最大となる。   As shown in FIG. 5, when the resonance wavelength of the PSP approaches the resonance wavelength of the LSP, the absorption region caused by the LSP and the PSP splits (anti-crossing). In particular, when the wavelengths of LSP and PSP are equal, the effect of the hybrid mode is maximized.

本発明に係る試料分析素子では、ハイブリッドモードの効果が最大となる点以外を用いる。つまり、LSPとPSPの波長が異なっている場合である。後述する実験例に示すように、例えば、電場増強素子の金属粒子の大きさ(平面視における大きさ)、または厚さ(高さ)を変えることにより、LSPの共鳴波長を変化させることができる。   The sample analysis element according to the present invention uses points other than the point where the effect of the hybrid mode is maximized. That is, this is a case where the wavelengths of LSP and PSP are different. As shown in an experimental example to be described later, for example, the resonance wavelength of the LSP can be changed by changing the size (size in plan view) or thickness (height) of the metal particles of the electric field enhancing element. .

1.6. 反射光のスペクトル
本実施形態に係る電場増強素子100に白色光を照射したときの反射光のスペクトルについて説明する。以下では、電場増強素子100に白色光を照射したときの反射光のスペクトルとして、反射スペクトルを用いた例について説明する。
1.6. Spectrum of Reflected Light A spectrum of reflected light when the electric field enhancing element 100 according to this embodiment is irradiated with white light will be described. Hereinafter, an example in which a reflection spectrum is used as the spectrum of reflected light when the electric field enhancing element 100 is irradiated with white light will be described.

図6(a)および図7(a)は、本実施形態に係る電場増強素子100における反射スペクトルを説明するための図ある。図6(a)および図7(a)において、横軸は波長を示し、縦軸は反射率を示している。すなわち、反射スペクトルは、照射光(入射光)の波長に対する反射率を示す曲線である。図6(b)および図7(b)は、本実施形態に係る電場増強素子100における増強電場の波長特性を説明するための図である。図6(b)および図7(b)において、横軸は波長を示し、縦軸は電場増幅度を示している。   FIG. 6A and FIG. 7A are diagrams for explaining a reflection spectrum in the electric field enhancing element 100 according to the present embodiment. In FIG. 6A and FIG. 7A, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the reflectance. That is, the reflection spectrum is a curve indicating the reflectance with respect to the wavelength of the irradiation light (incident light). FIG. 6B and FIG. 7B are diagrams for explaining the wavelength characteristics of the enhanced electric field in the electric field enhancing element 100 according to the present embodiment. In FIG. 6B and FIG. 7B, the horizontal axis indicates the wavelength, and the vertical axis indicates the electric field amplification.

なお、図6は、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも長い電場増強素子100を示している。図7は、PSPの共鳴波長がLSPの共鳴波長よりも短い電場増強素子100を示している。   FIG. 6 shows the electric field enhancement element 100 in which the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP. FIG. 7 shows the electric field enhancement element 100 in which the resonance wavelength of the PSP is shorter than the resonance wavelength of the LSP.

反射スペクトルは、電場増強素子100の金属粒子30に標的物質を吸着させた後、電場増強素子100に例えば白色光を入射させて反射率を測定することにより取得することができる。反射スペクトルにおいて、反射率の落ち込みは、SPRが起きていることを示
す。励起光(入射光)の照射によってSPRが発生すると、共鳴による吸収が起き反射率が低下する。そのため、SPRの増強電場の強度は、反射率rを用いて(1−r)で表すことができる。図6および図7に示すように、反射率rの値がゼロに近いほど、増強電場の強度が強いという関係があるため、反射率をSPRの増強電場の強度の指標とすることができる。
The reflection spectrum can be obtained by allowing the target substance to be adsorbed on the metal particles 30 of the electric field enhancing element 100 and then measuring the reflectance by making, for example, white light incident on the electric field enhancing element 100. In the reflection spectrum, a drop in reflectivity indicates that SPR is occurring. When SPR is generated by irradiation with excitation light (incident light), absorption due to resonance occurs and the reflectance decreases. Therefore, the intensity of the enhanced electric field of SPR can be expressed by (1-r) using the reflectance r. As shown in FIGS. 6 and 7, there is a relationship that the intensity of the enhanced electric field is stronger as the value of the reflectance r is closer to zero. Therefore, the reflectance can be used as an index of the intensity of the enhanced electric field of the SPR.

電場増強素子100の反射スペクトルは、図6(a)および図7(a)に示すように、第1吸収領域P1と第2吸収領域P2とを有する。吸収領域とは、SPRの共鳴による光の吸収が起きることによって、反射光のスペクトルが変化する領域であり、具体的には反射スペクトルの反射率が落ち込む領域である。吸収領域は、例えば、下に凸のピークである。このように、反射スペクトルが2つの吸収領域を有するのは、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとが、電磁的に相互作用し、anti−crossingしているためである。第2吸収領域P2は、第1吸収領域P1よりも半値幅の大きい吸収領域である。第1吸収領域P1は、LSPよりもPSPの寄与度が大きい吸収領域であり、第2吸収領域P2は、PSPよりもLSPの寄与度が大きい吸収領域である。電場増強素子100に白色光を照射したときの反射スペクトルにおいて、第1吸収領域P1の半値幅をH1とし、半値幅が第1吸収領域P1の半値幅H1よりも大きい第2吸収領域P2の半値幅をH2としたとき、半値幅H1および半値幅H2は、下記式(5)の関係を満たす。   The reflection spectrum of the electric field enhancing element 100 has a first absorption region P1 and a second absorption region P2, as shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a). The absorption region is a region where the spectrum of reflected light changes due to light absorption due to SPR resonance, and specifically, a region where the reflectance of the reflection spectrum falls. The absorption region is, for example, a downward convex peak. Thus, the reflection spectrum has two absorption regions because the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 and the LSP excited by the metal particle 30 interact electromagnetically. This is because of anti-crossing. The second absorption region P2 is an absorption region having a larger half width than the first absorption region P1. The first absorption region P1 is an absorption region where the contribution of PSP is greater than that of LSP, and the second absorption region P2 is an absorption region where the contribution of LSP is greater than that of PSP. In the reflection spectrum when the electric field enhancing element 100 is irradiated with white light, the half width of the first absorption region P1 is H1, and the half width of the second absorption region P2 is larger than the half width H1 of the first absorption region P1. When the value width is H2, the half-value width H1 and the half-value width H2 satisfy the relationship of the following formula (5).

(H2−H1)/H2×100≧40 ・・・ (5)   (H2-H1) / H2 × 100 ≧ 40 (5)

以下では、式(5)の左辺を半値幅比HRとする。すなわち、HR=(H2−H1)/H2×100である。図6(a)に示す例では、PSPの共鳴波長は、LSPの共鳴波長よりも長く、第2吸収領域P2は、第1吸収領域P1よりも短波長側に位置する。図7(a)に示す例では、PSPの共鳴波長は、LSPの共鳴波長よりも短く、第2吸収領域P2は、第1吸収領域P1よりも長波長側に位置する。   Below, let the left side of Formula (5) be the half value width ratio HR. That is, HR = (H2−H1) / H2 × 100. In the example shown in FIG. 6A, the resonance wavelength of the PSP is longer than the resonance wavelength of the LSP, and the second absorption region P2 is located on the shorter wavelength side than the first absorption region P1. In the example shown in FIG. 7A, the resonance wavelength of the PSP is shorter than the resonance wavelength of the LSP, and the second absorption region P2 is located on the longer wavelength side than the first absorption region P1.

なお、反射スペクトルにおける吸収領域(第1吸収領域P1、第2吸収領域P2)は、図6(a)および図7(a)に示すように、反射率が極小となる点を有し、PSPとLSPとが電磁的に相互作用することによって、ベースラインBLよりも落ち込んでいる部分である。ベースラインBLは、点Qと点Rとを結ぶ直線である。点Qは、例えば、第1吸収領域P1の極小点(反射率が極小となる点)T1、および第2吸収領域P2の極小点(反射率が極小となる点)T2よりも短波長側に位置する点であって、反射率が最大となる点である。点Rは、極小点T1および極小点T2よりも長波長側に位置する点であって、反射率が最大となる点である。   The absorption regions (first absorption region P1 and second absorption region P2) in the reflection spectrum have a point at which the reflectance becomes minimum as shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a). And the LSP are electromagnetically interacting with each other, which is a portion that is depressed more than the baseline BL. The base line BL is a straight line connecting the point Q and the point R. The point Q is, for example, closer to the short wavelength side than the minimum point (a point at which the reflectance is minimized) T1 of the first absorption region P1 and the minimum point (a point at which the reflectance is minimized) T2 of the second absorption region P2. This is a point where the reflectance is maximized. The point R is a point located on the longer wavelength side than the minimum point T1 and the minimum point T2, and is a point where the reflectance is maximized.

第1吸収領域P1において、極小点T1の反射率と、極小点T1を通る縦軸に平行な直線V1とベースラインBLとの交点C1の反射率と、の差は、例えば、0.05以上である。第2吸収領域P2において、極小点T2の反射率と、極小点T2を通る縦軸に平行な直線V2とベースラインBLとの交点C2の反射率と、の差は、例えば、0.05以上である。   In the first absorption region P1, the difference between the reflectance at the minimum point T1 and the reflectance at the intersection C1 between the straight line V1 passing through the minimum point T1 and parallel to the vertical axis and the base line BL is 0.05 or more, for example. It is. In the second absorption region P2, the difference between the reflectance of the minimum point T2 and the reflectance of the intersection C2 between the straight line V2 passing through the minimum point T2 and parallel to the vertical axis and the base line BL is, for example, 0.05 or more It is.

また、第1吸収領域P1の半値幅H1とは、直線L1と第1吸収領域P1との交点A1,B1における波長の差(交点A1の波長と交点B1の波長との差)である。直線L1は、ベースラインBLに平行な直線であって、極小点T1と交点C1との中点(点T1,C1から等しい距離にある点)を通る直線である。   Further, the half width H1 of the first absorption region P1 is a difference in wavelength at the intersections A1 and B1 between the straight line L1 and the first absorption region P1 (difference between the wavelength at the intersection A1 and the wavelength at the intersection B1). The straight line L1 is a straight line that is parallel to the base line BL and passes through a midpoint between the minimum point T1 and the intersection C1 (a point that is at an equal distance from the points T1 and C1).

第2吸収領域P2の半値幅H2とは、直線L2と第2吸収領域P2との交点A2,B2における波長の差(交点A2の波長と交点B2の波長との差)である。直線L2は、ベー
スラインBLに平行な直線であって、極小点T2と交点C2との中点(点T2,C2から等しい距離にある点)を通る直線である。
The half width H2 of the second absorption region P2 is a difference in wavelength at the intersections A2 and B2 between the straight line L2 and the second absorption region P2 (difference between the wavelength at the intersection A2 and the wavelength at the intersection B2). The straight line L2 is a straight line parallel to the base line BL and passes through the midpoint between the minimum point T2 and the intersection C2 (a point at an equal distance from the points T2 and C2).

第1吸収領域P1の半値幅H1は、例えば、5nm以上50nm以下であり、より好ましくは、15nm以上40nm以下である。第2吸収領域P2の半値幅H2は、例えば、10nm以上60nm以下であり、より好ましくは、25nm以上50nm以下である。   The half width H1 of the first absorption region P1 is, for example, not less than 5 nm and not more than 50 nm, and more preferably not less than 15 nm and not more than 40 nm. The half width H2 of the second absorption region P2 is, for example, not less than 10 nm and not more than 60 nm, and more preferably not less than 25 nm and not more than 50 nm.

図6(a)および図7(a)に示す例では、反射スペクトルは、短波長側から長波長側に向けて、交点Q,S,U,Rの順で、ベースラインBLと交わっている。図6(a)に示す例では、点Qは第2吸収領域P2の短波長側の裾であり、点Sは第2吸収領域P2の長波長側の裾である。また、点Uは第1吸収領域P1の短波長側の裾であり、点Rは第1吸収領域P1の長波長側の裾である。図6(a)に示す例では、点Qは第1吸収領域P1の短波長側の裾であり、点Sは第1吸収領域P1の長波長側の裾である。また、点Uは第2吸収領域P2の短波長側の裾であり、点Rは第2吸収領域P2の長波長側の裾である。   In the example shown in FIG. 6A and FIG. 7A, the reflection spectrum intersects the baseline BL in the order of the intersection points Q, S, U, and R from the short wavelength side to the long wavelength side. . In the example shown in FIG. 6A, the point Q is the short wavelength side skirt of the second absorption region P2, and the point S is the long wavelength side skirt of the second absorption region P2. Further, the point U is a skirt on the short wavelength side of the first absorption region P1, and the point R is a skirt on the long wavelength side of the first absorption region P1. In the example shown in FIG. 6A, the point Q is the short wavelength side skirt of the first absorption region P1, and the point S is the long wavelength side skirt of the first absorption region P1. Further, the point U is a skirt on the short wavelength side of the second absorption region P2, and the point R is a skirt on the long wavelength side of the second absorption region P2.

ここで、表面増強ラマン散乱(SERS)測定では、非常に強度の低いラマン散乱光の強度を、SPRによる電場増強効果を用いて飛躍的に大きくできる現象を利用する。すなわち、SERS測定では、励起光の波長λにおける電場増強度E、およびラマン散乱光の波長λにおける電場増強度Eが強く、かつHSDが大きいことが求められ、SERS強度は、下記式(6)に比例する。 Here, in surface enhanced Raman scattering (SERS) measurement, a phenomenon is used in which the intensity of Raman scattered light having a very low intensity can be dramatically increased using the electric field enhancement effect by SPR. That is, in the SERS measurement, it is required that the electric field enhancement E i at the wavelength λ i of the excitation light and the electric field enhancement E s at the wavelength λ s of the Raman scattered light are strong and the HSD is large. It is proportional to equation (6).

×E ×HSD ・・・ (6) E i 2 × E s 2 × HSD (6)

なお、式(6)において、HSDは、Hot Spot Densityを表し、ある単位面積当たりのホットスポットの個数である。   In Equation (6), HSD represents Hot Spot Density and is the number of hot spots per unit area.

例えば、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じであり、上記式(5)を満たさない電場増強素子では、図8に示すように、2つの吸収領域の変曲点の波長差(反射スペクトルの場合は極小点の波長差、増強電場の波長特性の場合は極大点(増強電場が極大となる点)の波長差)Δλは、例えば、約50nm以上70nm以下である。そのため、波長λと波長λとの差(λ−λ)が50nm以上70nm以下であれば、例えば、波長λを一方の吸収領域の変曲点の波長とし、波長λを他方の吸収領域の変曲点の波長とすることにより、電場増強度E,Eを高くすることができる。しなしながら、差(λ−λ)が50nm未満だと、例えば、波長λおよび波長λの少なくとも一方は、吸収領域の範囲から外れる、または、吸収領域のベースラインに違い部分の範囲となり、電場増強度Eおよび電場増強度Eのうちの少なくとも一方は、低くなる。その結果、SERS強度は低くなる。 For example, in the electric field enhancement element in which the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP are the same and does not satisfy the above formula (5), as shown in FIG. 8, the wavelength difference (reflection) between the inflection points of the two absorption regions is shown. In the case of the spectrum, the wavelength difference between the minimum points, and in the case of the wavelength characteristic of the enhanced electric field, the maximum point (wavelength difference between the points where the enhanced electric field is maximized) Δλ is, for example, about 50 nm to 70 nm. Therefore, if the difference (λ s −λ i ) between the wavelength λ s and the wavelength λ i is not less than 50 nm and not more than 70 nm, for example, the wavelength λ s is the wavelength of the inflection point of one absorption region, and the wavelength λ i is By setting the wavelength at the inflection point of the other absorption region, the electric field enhancement strengths E s and E i can be increased. However, if the difference (λ s −λ i ) is less than 50 nm, for example, at least one of the wavelength λ s and the wavelength λ i is out of the range of the absorption region, or is different from the baseline of the absorption region. And at least one of the electric field enhancement E s and the electric field enhancement E i is low. As a result, the SERS intensity is lowered.

これに対し、電場増強素子100では、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とは異なり上記式(5)を満たすため、図8に示す2つの吸収領域よりも半値幅の大きい第2吸収領域P2を有する。電場増強素子100の励起光(LSPおよびPSPを励起させるための光)の波長λは、第2吸収領域P2の範囲に含まれる。例えば、電場増強素子100の金属粒子30の大きさ等を調整して、励起光の波長λが第2吸収領域P2の範囲に含まれるようにすることができる。第2吸収領域P2は、図8に示す2つの吸収領域よりもLSPの寄与度が大きいため、図8に示す2つの吸収領域よりも大きな半値幅を有することができる。そのため、差(λ−λ)が50nm未満であったとしても、ラマン散乱光の波長λとは、図6(a)および図7(a)に示すように、第2吸収領域P2の範囲に含まれる。そのため、電場増強素子100では、電場増強度E,Eを高くすることができる。これにより、電場増強素子100では、SERS強度を高くすることができ、標的物質を高い感度で検出することができる。図6(a)および図7(a)に示す例では
、波長λ,λは、第2吸収領域P2の、点A,Bよりも反射率が小さい部分の範囲にある。
On the other hand, in the electric field enhancing element 100, the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP satisfy the above formula (5), so that the second absorption region P2 having a half width larger than the two absorption regions shown in FIG. Have The wavelength λ i of the excitation light (light for exciting the LSP and PSP) of the electric field enhancing element 100 is included in the range of the second absorption region P2. For example, the wavelength λ i of the excitation light can be included in the range of the second absorption region P2 by adjusting the size and the like of the metal particles 30 of the electric field enhancing element 100. Since the second absorption region P2 contributes more to the LSP than the two absorption regions shown in FIG. 8, the second absorption region P2 can have a half width greater than that of the two absorption regions shown in FIG. Therefore, even if the difference (λ s −λ i ) is less than 50 nm, the wavelength λ s of the Raman scattered light is different from the second absorption region P2 as shown in FIGS. 6 (a) and 7 (a). Included in the range. Therefore, in the electric field enhancing element 100, the electric field enhancement strengths E s and E i can be increased. Thereby, in the electric field enhancing element 100, the SERS intensity can be increased, and the target substance can be detected with high sensitivity. In the example shown in FIG. 6A and FIG. 7A, the wavelengths λ s and λ i are in the range of the portion where the reflectance is smaller than the points A and B of the second absorption region P2.

なお、「励起光の波長λは、第2吸収領域の範囲に含まれる」とは、図6(a)および図7(a)に示すように、第2吸収領域P2が波長λとなる点Pを有している場合と、図示はしないが、例えば第2吸収領域P2が他のピーク(反射率の落ち込んでいる部分、下に凸のピーク)と重なることにより、第2吸収領域P2の裾がベースラインBL上にないときには、第2吸収領域P2をベースラインBLまで外挿して外挿線を引き、該外挿線が点Pを有する場合と、を含む。 Note that “the wavelength λ i of the excitation light is included in the range of the second absorption region” means that the second absorption region P 2 has the wavelength λ i as shown in FIGS. 6A and 7A. and when it has become a point P i, although not shown, for example, the second absorbent region P2 are other peaks by overlapping the (portion of depressed reflectance peak downward convex), the second absorption in the absence on the base line BL skirt region P2 is to draw extrapolation by extrapolating a second absorbing region P2 to the base line BL, including a case where the outer挿線has a point P i.

同様に、「ラマン散乱光の波長λは、第2吸収領域の範囲に含まれる」とは、図6(a)および図7(a)に示すように、第2吸収領域P2が波長λとなる点Pを有している場合と、図示はしないが、例えば第2吸収領域P2が他のピーク(反射率の落ち込んでいる部分、下に凸のピーク)と重なることにより、第2吸収領域P2の裾がベースラインBL上にないときには、第2吸収領域P2をベースラインBLまで外挿して外挿線を引き、該外挿線が点Pを有する場合と、を含む。 Similarly, “the wavelength λ s of Raman scattered light is included in the range of the second absorption region” means that the second absorption region P2 has a wavelength λ as shown in FIGS. 6A and 7A. the case has a point P s to be s, although not shown, for example, the second absorbent region P2 are other peaks by overlapping the (portion of depressed reflectance peak downward convex), the when hem 2 absorption region P2 is not on the base line BL is to draw extrapolation by extrapolating a second absorbing region P2 to the base line BL, including a case where the outer挿線has a point P s.

また、図8は、PSPとLSPとが電磁的に相互作用し、かつ、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じである電場増強素子における、反射スペクトルおよび増強電場の波長特性を説明するための図である。ハイブリッドモードによるanti−crossingのため、吸収領域が2つ出現する。   FIG. 8 illustrates the wavelength characteristics of the reflection spectrum and the enhanced electric field in an electric field enhancement element in which the PSP and the LSP interact electromagnetically and the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP are the same. FIG. Two absorption regions appear for anti-crossing in the hybrid mode.

また、上記では、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じである電場増強素子において、反射スペクトルおよび増強電場の波長特性における2つの吸収領域の変曲点の波長差を、約50nm以上70nm以下と記載したが、この波長差は、電場増強素子を構成する部材の大きさや材質によって変化する。   In the above, in the electric field enhancement element in which the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP are the same, the wavelength difference between the inflection points of the two absorption regions in the wavelength characteristics of the reflection spectrum and the enhancement electric field is about 50 nm to 70 nm. Although described as follows, this wavelength difference varies depending on the size and material of the members constituting the electric field enhancing element.

波長差50nmのラマンシフトは、励起光の波長632.8nmで1157cm−1、励起光の波長785nmで762cm−1に相当する。電場増強素子100では、ラマンシフトが上記の値より小さくても、標的物質を高い感度で検出することができる。例えば、1157cm−1未満にラマンピークを持つ分子(標的物質)の例としては、上述のとおり、ピリジン、酢酸、アセトン、メチルメルカプタン、トルエンが挙げられる。 Raman shift wavelength difference 50nm is, 1157Cm -1 at a wavelength 632.8nm excitation light corresponds to 762cm -1 at the wavelength 785nm of excitation light. In the electric field enhancement element 100, even if the Raman shift is smaller than the above value, the target substance can be detected with high sensitivity. For example, examples of the molecule (target substance) having a Raman peak below 1157 cm −1 include pyridine, acetic acid, acetone, methyl mercaptan, and toluene as described above.

電場増強素子100は、例えば、以下の特徴を有する。   The electric field enhancing element 100 has the following features, for example.

電場増強素子100では、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとは、電磁的に相互作用し、PSPの共鳴波長と、LSPの共鳴波長とは、異なり、反射スペクトルにおいて、上記式(5)を満たし、電場増強素子100の励起光の波長λは、第2吸収領域P2の範囲に含まれる。そのため、電場増強素子100では、第2吸収領域P2は、上記式(5)を満たさない電場増強素子における反射スペクトルの吸収領域よりも、LSPの寄与度が大きく、大きな半値幅を有することができる。これにより、電場増強素子100では、ラマン散乱光の波長λを、第2吸収領域P2の範囲とすることができる。したがって、電場増強素子100では、励起光の波長λとラマン散乱光の波長λとを、第2吸収領域P2の範囲に含むことができる。電場増強素子100では、例えば、波長λおよび波長λとの少なくとも一方を、第2吸収領域P2の反射率が低い部分の範囲に含むことができる。上述のとおり、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長とが同じで上記式(5)を満たさない電場増強素子では、標的物質の材質によって、波長λおよび波長λの少なくとも一方が吸収領域の範囲から外れてしまう場合がある。さらに、電場増強素子100では、金属層10と誘電体層20との界面に励起されるPSPと、金属粒子30に励起されるLSPとは、電磁的に相互作
用しているため、LSP単独が励起される場合に比べて、電場増強度を高くすることができる。したがって、電場増強素子100では、ラマンシフトが小さい分子(標的物質)でも、標的物質1を高い感度で検出することができる。
In the electric field enhancement element 100, the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 and the LSP excited by the metal particle 30 interact electromagnetically, and the resonance wavelength of the PSP and the LSP Unlike the resonance wavelength, the reflection spectrum satisfies the above formula (5), and the wavelength λ i of the excitation light of the electric field enhancing element 100 is included in the range of the second absorption region P2. Therefore, in the electric field enhancing element 100, the second absorption region P2 can have a greater half-value width and a greater contribution of LSP than the absorption region of the reflection spectrum in the electric field enhancing element that does not satisfy the above formula (5). . Thereby, in the electric field enhancing element 100, the wavelength λ s of the Raman scattered light can be set to the range of the second absorption region P2. Therefore, in the electric field enhancing element 100, the wavelength λ i of the excitation light and the wavelength λ s of the Raman scattered light can be included in the range of the second absorption region P2. In the electric field enhancing element 100, for example, at least one of the wavelength λ i and the wavelength λ s can be included in the range of the portion where the reflectance of the second absorption region P2 is low. As described above, in the electric field enhancing element in which the resonance wavelength of the PSP is the same as that of the LSP and does not satisfy the above formula (5), at least one of the wavelength λ i and the wavelength λ s has an absorption region depending on the material of the target substance. Sometimes out of range. Furthermore, in the electric field enhancing element 100, the PSP excited at the interface between the metal layer 10 and the dielectric layer 20 and the LSP excited by the metal particle 30 interact electromagnetically, so that the LSP alone is The electric field enhancement can be increased as compared with the case of being excited. Therefore, the electric field enhancing element 100 can detect the target substance 1 with high sensitivity even for a molecule (target substance) having a small Raman shift.

具体的には、電場増強素子100は、下記式(7)を満たすようなラマンシフトが小さい標的物質1でも、標的物質1を高い感度で検出することができる。   Specifically, the electric field enhancing element 100 can detect the target substance 1 with high sensitivity even with the target substance 1 having a small Raman shift that satisfies the following formula (7).

ν=((1/λ)−(1/λ))×10、λ<λ+50 ・・・ (7) ν = ((1 / λ i ) − (1 / λ s )) × 10 7 , λ si +50 (7)

式(7)において、νはラマンシフト、λは励起光(入射光)の波長、λはラマン散乱光の波長を表している。 In Expression (7), ν represents a Raman shift, λ i represents the wavelength of excitation light (incident light), and λ s represents the wavelength of Raman scattered light.

例えばラマンシフトが小さい分子を検出したい場合は、励起波長を長波長にすることが考えられるが(例えば623.8nmを785nmにすることが考えられるが)、金属粒子のピッチは波長程度の大きさなので、金属粒子のピッチが大きくなり、HSDが低くなって、SERS強度は低下する。また、周囲の屈折率を大きくすると、PSP分散曲線が変化するため、金属粒子のピッチを小さくできるが、標的物質が液体か、溶液中の物質に限定される。電場増強素子100では、例えば励起波長を785nmにしなくてもよいので、HSDを高くすることができ、また気体の標的物質1を検出することができる。   For example, when it is desired to detect a molecule having a small Raman shift, the excitation wavelength may be long (for example, 623.8 nm may be 785 nm), but the pitch of the metal particles is as large as the wavelength. Therefore, the pitch of the metal particles increases, the HSD decreases, and the SERS intensity decreases. Further, if the surrounding refractive index is increased, the PSP dispersion curve is changed, so that the pitch of the metal particles can be reduced, but the target substance is limited to a liquid or a substance in a solution. In the electric field enhancement element 100, for example, the excitation wavelength does not have to be 785 nm, so that the HSD can be increased and the gaseous target substance 1 can be detected.

なお、上記では、電場増強素子100に白色光を照射したときの反射光のスペクトルとして、反射スペクトルを用いた例について説明したが、電場増強素子100に白色光を照射したときの反射光のスペクトルとして、例えば、吸収スペクトル(1−反射率)等、反射率の数値を含むスペクトルを用いてもよい。この場合は、反射率の数値を含むスペクトルが、上記式(5)を満たす。   In the above description, the example using the reflection spectrum as the spectrum of the reflected light when the electric field enhancing element 100 is irradiated with white light has been described. However, the spectrum of the reflected light when the electric field enhancing element 100 is irradiated with white light. For example, you may use the spectrum containing the numerical value of reflectance, such as an absorption spectrum (1-reflectance). In this case, the spectrum including the numerical value of reflectance satisfies the above formula (5).

2. 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9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。
2. Raman Spectroscopic Device Next, the Raman spectroscopic device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a diagram schematically showing a Raman spectroscopic device 200 according to this embodiment.

ラマン分光装置200は、図9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。   As shown in FIG. 9, the Raman spectroscopic device 200 includes a gas sample holding unit 110, a detection unit 120, a control unit 130, and a housing 140 that houses the detection unit 120 and the control unit 130. The gas sample holder 110 includes an electric field enhancing element according to the present invention. Hereinafter, an example including the electric field enhancing element 100 as the electric field enhancing element according to the present invention will be described.

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210と、レンズ122a,122b,122c,122dと、ハーフミラー124と、光検出器220と、を有している。制御部130は、光検出器220において検出された信号を処理して光検出器220の制御をする検出制御部132と、光源210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9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。   The gas sample holding unit 110 includes an electric field enhancing element 100, a cover 112 that covers the electric field enhancing element 100, a suction channel 114, and a discharge channel 116. The detection unit 120 includes a light source 210, lenses 122a, 122b, 122c, and 122d, a half mirror 124, and a photodetector 220. The control unit 130 includes a detection control unit 132 that processes a signal detected by the photodetector 220 and controls the photodetector 220, and a power control unit 134 that controls power and voltage of the light source 210 and the like. doing. As shown in FIG. 9, the control unit 130 may be electrically connected to a connection unit 136 for connection to the outside.

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標的物質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の金属粒子30に接触する。   In the Raman spectroscopic device 200, when the suction mechanism 117 provided in the discharge flow path 116 is operated, the suction flow path 114 and the discharge flow path 116 become negative pressure, and the target substance to be detected is detected from the suction port 113. The contained gas sample is aspirated. The suction port 113 is provided with a dust removal filter 115, which can remove relatively large dust, some water vapor, and the like. The gas sample passes through the suction flow path 114 and the discharge flow path 116 and is discharged from the discharge port 118. The gas sample comes into contact with the metal particles 30 of the electric field enhancing element 100 when passing through such a path.

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。   The shapes of the suction flow path 114 and the discharge flow path 116 are such that light from the outside does not enter the electric field enhancing element 100. Thereby, since the light which becomes noise other than a Raman scattered light does not enter, the S / N ratio of a signal can be improved. The material constituting the channels 114 and 116 is, for example, a material or a color that hardly reflects light.

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。   The shape of the suction channel 114 and the discharge channel 116 is such that the fluid resistance to the gas sample is reduced. Thereby, highly sensitive detection becomes possible. For example, retention of the gas sample at the corners can be eliminated by making the shapes of the channels 114 and 116 as smooth as possible by eliminating the corners. As the suction mechanism 117, for example, a fan motor or a pump having a static pressure and an air volume corresponding to the flow path resistance is used.

ラマン分光装置200では、光源210は、標的物質が吸着した金属粒子30を含む電場増強素子100に、光(例えば波長632.8nmのレーザー光、SPRを励起させる励起光)を照射する。光源210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210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220に至る。すなわち、光検出器220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210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220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220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。   In the Raman spectroscopic device 200, the light source 210 irradiates the electric field enhancing element 100 including the metal particles 30 on which the target substance is adsorbed with light (for example, laser light having a wavelength of 632.8 nm, excitation light that excites SPR). As the light source 210, for example, a semiconductor laser or a gas laser is used. The light emitted from the light source 210 is collected by the lens 122a and then enters the electric field enhancing element 100 through the half mirror 124 and the lens 122b. SERS light is emitted from the electric field enhancing element 100, and the light reaches the photodetector 220 via the lens 122b, the half mirror 124, and the lenses 122c and 122d. That is, the photodetector 220 detects the light emitted from the electric field enhancing element 100. Since the SERS light includes Rayleigh scattered light having the same wavelength as the incident wavelength from the light source 210, the Rayleigh scattered light may be removed by the filter 126 of the photodetector 220. The light from which the Rayleigh scattered light has been removed is received by the light receiving element 128 via the spectroscope 127 of the photodetector 220 as Raman scattered light. For example, a photodiode is used as the light receiving element 128.

光検出器220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220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。   The spectroscope 127 of the photodetector 220 is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance, and the pass wavelength band can be made variable. The light receiving element 128 of the light detector 220 obtains a Raman spectrum peculiar to the target substance. For example, the signal intensity of the target substance is detected by collating the obtained Raman spectrum with previously stored data. Can do.

なお、ラマン分光装置200は、電場増強素子100、光源210、および光検出器220を含み、電場増強素子100に標的物質を付着させ、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。   Note that the Raman spectroscopic device 200 includes the electric field enhancement element 100, the light source 210, and the photodetector 220. If the target substance is attached to the electric field enhancement element 100 and the Raman scattered light can be detected, the Raman scattering apparatus 200 is included in the above example. It is not limited.

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、標的物質を高い感度で検出することができる。   The Raman spectroscopic device 200 includes an electric field enhancing element 100. Therefore, the Raman spectroscopic device 200 can detect the target substance with high sensitivity.

3. ラマン分光法
次に、本実施形態に係るラマン分光法について、説明する。
3. Raman spectroscopy Next, the Raman spectroscopy according to this embodiment will be described.

本実施形態に係るラマン分光法は、本発明に係る電場増強素子(例えば電場増強素子100)の金属粒子30に標的物質を付着させ、標的物質が付着された電場増強素子100に励起光を照射して、電場増強素子100から放射されるラマン散乱光を検出する。例えば本実施形態に係るラマン分光法は、上述したラマン分光装置200を用いて行われる。   In the Raman spectroscopy according to the present embodiment, the target substance is attached to the metal particles 30 of the electric field enhancing element (for example, the electric field enhancing element 100) according to the present invention, and the electric field enhancing element 100 to which the target substance is attached is irradiated with the excitation light. Then, the Raman scattered light emitted from the electric field enhancing element 100 is detected. For example, the Raman spectroscopy according to the present embodiment is performed using the Raman spectroscopy apparatus 200 described above.

本実施形態に係るラマン分光法では、励起光の波長とラマン散乱光の波長とは、上述したとおり、反射スペクトルの第2吸収領域P2の範囲である。例えば、本実施形態に係るラマン分光法では、電場増強素子100から放射されるラマン散乱光を検出する前に、電場増強素子100の反射率測定を行い、上述のように、励起光の波長とラマン散乱光の波長とを第2吸収領域P2の範囲としてもよい。後述する実験例のように、反射スペクトル
の吸収領域の半値幅は、例えば、電場増強素子100の金属粒子30の大きさ(平面視における大きさ)や厚さを変えることにより、変化する。そのため、金属粒子30の大きさや厚さを変えることにより、励起光の波長とラマン散乱光の波長とを第2吸収領域P2の範囲としてもよい。
In the Raman spectroscopy according to the present embodiment, the wavelength of the excitation light and the wavelength of the Raman scattered light are within the range of the second absorption region P2 of the reflection spectrum as described above. For example, in the Raman spectroscopy according to the present embodiment, the reflectance of the electric field enhancing element 100 is measured before detecting the Raman scattered light emitted from the electric field enhancing element 100, and the wavelength of the excitation light is calculated as described above. The wavelength of the Raman scattered light may be the range of the second absorption region P2. As in an experimental example to be described later, the half width of the absorption region of the reflection spectrum is changed by changing the size (size in plan view) and the thickness of the metal particle 30 of the electric field enhancing element 100, for example. Therefore, the wavelength of the excitation light and the wavelength of the Raman scattered light may be set as the range of the second absorption region P2 by changing the size and thickness of the metal particle 30.

本実施形態に係るラマン分光法は、電場増強素子100を用いるため、標的物質を高い感度で検出することができる。   Since the Raman spectroscopy according to the present embodiment uses the electric field enhancement element 100, the target substance can be detected with high sensitivity.

4. 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器300について、図面を参照しながら説明する。図10は、本実施形態に係る電子機器300を模式的に示す図である。電子機器300は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置としてラマン分光装置200を含む例について説明する。
4). Next, an electronic device 300 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a diagram schematically illustrating the electronic apparatus 300 according to the present embodiment. The electronic device 300 can include a Raman spectroscopic device according to the present invention. Hereinafter, an example including the Raman spectroscopic device 200 as the Raman spectroscopic device according to the present invention will be described.

電子機器300は、図10に示すように、ラマン分光装置200と、光検出器220からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部310と、健康医療情報を記憶する記憶部320と、健康医療情報を表示する表示部330と、を含む。   As shown in FIG. 10, the electronic device 300 includes a Raman spectroscopic device 200, a calculation unit 310 that calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 220, and a storage unit 320 that stores health and medical information. A display unit 330 for displaying health and medical information.

演算部310は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistance)であり、光検出器220から送出される検出情報(信号等)を受け取る。演算部310は、光検出器220からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部320に記憶される。   The calculation unit 310 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA) and receives detection information (signals or the like) sent from the photodetector 220. The calculation unit 310 calculates health and medical information based on detection information from the photodetector 220. The calculated health and medical information is stored in the storage unit 320.

記憶部320は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部310と一体的に構成されてもよい。記憶部320に記憶された健康医療情報は、表示部330に送出される。   The storage unit 320 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk drive, or the like, and may be configured integrally with the calculation unit 310. The health care information stored in the storage unit 320 is sent to the display unit 330.

表示部330は、例えば、表示板(液晶モニター等)、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部330は、演算部310によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。   The display unit 330 includes, for example, a display board (liquid crystal monitor or the like), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 330 displays or issues information based on the health and medical information calculated by the calculation unit 310 so that the user can recognize the contents.

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも1種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。   The health information includes the presence or amount of at least one biological substance selected from bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Information about can be included.

電子機器300では、ラマン分光装置200を含む。そのため、電子機器300では、高精度な健康医療情報を提供することができる。   The electronic apparatus 300 includes a Raman spectroscopic device 200. Therefore, the electronic device 300 can provide highly accurate health care information.

5. 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。
5. Experimental Example An experimental example is shown below to describe the present invention more specifically. The present invention is not limited by the following experimental examples.

5.1. 実験例1
5.1.1. モデル
実験例1では、FDTD(Finite Difference Time Domain)シミュレーションで、遠方解(反射スペクトル)を求めた。図11は、実験例1に用いたモデルMを説明するための図である。図11に示すように、金属層としてAu層を用い、Au層上に誘電体層としてSiO層を設け、SiO層上に金属粒子として円柱状のAu粒子を設けて、モデルMとした。
5.1. Experimental example 1
5.1.1. Model In Experimental Example 1, a far solution (reflection spectrum) was obtained by FDTD (Finite Difference Time Domain) simulation. FIG. 11 is a diagram for explaining the model M used in Experimental Example 1. FIG. As shown in FIG. 11, an Au layer was used as a metal layer, a SiO 2 layer was provided as a dielectric layer on the Au layer, and cylindrical Au particles were provided as metal particles on the SiO 2 layer to form a model M. .

モデルMでは、Au層の厚さを150nmとした。SiO層の厚さを50nmとし、SiO層の屈折率を1.46とした。Au粒子の平面視における直径(以下、単に「直径」ともいう)を、80nm〜150nmの範囲で変化させ、Au粒子の厚さを30nmとした。Au粒子は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に設け、Au粒子のX軸方向のピッチおよびY軸方向のピッチを600nmとした。Auの屈折率は、ローレンツドルーデモデルを用いた。入射光はX軸方向の直線偏光光とし、SiO層の上面に垂直に光を入射させた。モデルMは、入射波長632.8nm、ラマンシフト約1000cm−1(675.5nm)の信号を増強させることができる。 In model M, the thickness of the Au layer was 150 nm. The thickness of the SiO 2 layer was 50 nm, and the refractive index of the SiO 2 layer was 1.46. The diameter of the Au particles in plan view (hereinafter also simply referred to as “diameter”) was changed in the range of 80 nm to 150 nm, and the thickness of the Au particles was set to 30 nm. The Au particles were provided in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the pitch of the Au particles in the X-axis direction and the Y-axis direction was 600 nm. The Lorenz Drude model was used for the refractive index of Au. The incident light was linearly polarized light in the X-axis direction, and the light was incident vertically on the upper surface of the SiO 2 layer. Model M can enhance signals with an incident wavelength of 632.8 nm and a Raman shift of about 1000 cm −1 (675.5 nm).

計算は、Rsoft社(現サイバネットシステム株式会社)のFDTD soft FullWAVEを用いた。反射スペクトルのシミュレーションの条件は、メッシュ最小2nm、計算時間32μmである。   For the calculation, FDTD soft FullWAVE of Rsoft (currently Cybernet System Co., Ltd.) was used. The conditions for simulation of the reflection spectrum are a minimum mesh of 2 nm and a calculation time of 32 μm.

5.1.2. 反射スペクトルの計算
Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させて、反射スペクトルを計算した。図12は、Au粒子の直径が90nmの場合の反射スペクトルである。図13は、Au粒子の直径が104nmの場合の反射スペクトルである。図14は、Au粒子の直径が140nmの場合の反射スペクトルである。
5.1.2. Calculation of reflection spectrum The reflection spectrum was calculated by changing the diameter of Au particles in the range of 80 nm to 150 nm. FIG. 12 is a reflection spectrum when the diameter of the Au particles is 90 nm. FIG. 13 is a reflection spectrum when the diameter of the Au particles is 104 nm. FIG. 14 is a reflection spectrum when the diameter of the Au particles is 140 nm.

図12〜図14に示すように、反射スペクトルは、2つの吸収領域(反射率の落ち込み)を有する。図15は、Au粒子の直径を80nm〜150nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける2つの吸収領域の極小点(反射率の極小点)の波長をプロットしたグラフである。   As shown in FIGS. 12 to 14, the reflection spectrum has two absorption regions (decrease in reflectance). FIG. 15 is a graph plotting the wavelengths of the minimum points (minimum points of reflectance) of two absorption regions in the reflection spectrum when the diameter of the Au particles is changed in the range of 80 nm to 150 nm.

図15に示すように、それぞれ2本の直線に漸近するようなプロットが得られた。Au粒子の直径が変化しても波長が一定となる直線は、PSPの共鳴波長を示している。Au粒子の直径が変化すると波長も変化する直線は、LSPの共鳴波長を示している。PSPの共鳴波長を示す直線LPSPとLSPの共鳴波長を示す直線LLSPとの交点IPの直径は、短波長側の吸収領域の極小点の波長と長波長側の吸収領域の極小点の波長との差が最も小さいときの直径となる。そのため、図15では、交点IPの直径が、104nmとなるように、プロットに漸近する直線を引いた。 As shown in FIG. 15, plots each asymptotic to two straight lines were obtained. A straight line having a constant wavelength even when the diameter of the Au particle changes indicates the resonance wavelength of the PSP. A straight line whose wavelength changes as the diameter of the Au particle changes indicates the resonance wavelength of the LSP. The diameter of the intersection IP of the straight line L PSP indicating the resonance wavelength of the PSP and the straight line LLSP indicating the resonance wavelength of the LSP is the wavelength of the minimum point of the absorption region on the short wavelength side and the wavelength of the minimum point of the absorption region on the long wavelength side It is the diameter when the difference between is the smallest. Therefore, in FIG. 15, a straight line asymptotic to the plot is drawn so that the diameter of the intersection point IP is 104 nm.

図15に示すように、PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長が近づくと、LSPとPSPとに起因する吸収領域は、直線LPSPおよび直線LLSPから離れるように分裂(anti−crossing)する。特に、LSPとPSPとの波長が等しいとき、ハイブリッドモードの効果が最大となる。ハイブリッドモードの効果の強さは、反射スペクトル(または吸収スペクトル)の形状で判別可能である。ハイブリッドモードの効果が強いほど、反射スペクトルの2本の吸収領域の半値幅は、等しくなる。交点IPから外れると(PSPの共鳴波長とLSPの共鳴波長が異なると)、ハイブリッドモードを保ちながら、反射スペクトルの吸収領域の形状に、LSPの性質とPSPの性質とが見え始める。LSPの寄与度が大きいと吸収領域の形状は、ブロードに(半値幅が大きく)なり、PSPの寄与度が大きいと吸収領域の形状は、シャープに(半値幅が小さく)なる。 As shown in FIG. 15, when the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP approach each other, the absorption region caused by the LSP and the PSP splits (anti-crossing) away from the straight line L PSP and the straight line L LSP . In particular, when the wavelengths of LSP and PSP are equal, the effect of the hybrid mode is maximized. The strength of the effect of the hybrid mode can be determined by the shape of the reflection spectrum (or absorption spectrum). The stronger the effect of the hybrid mode, the more equal the half widths of the two absorption regions of the reflection spectrum. When deviating from the intersection point IP (if the resonance wavelength of the PSP and the resonance wavelength of the LSP are different), the properties of the LSP and the properties of the PSP begin to appear in the shape of the absorption region of the reflection spectrum while maintaining the hybrid mode. When the contribution degree of LSP is large, the shape of the absorption region becomes broad (half-value width is large), and when the contribution degree of PSP is large, the shape of the absorption region becomes sharp (half-value width is small).

図15に示すように、Au粒子の直径が104nmよりも小さくなると、PSPの共鳴波長はLSPの共鳴波長よりも長くなり、長波長側の吸収領域よりも短波長側の吸収領域が、直線LLSPに近くなった。そのため、Au粒子の直径が104nmよりも小さくなると、短波長側の吸収領域がブロードになる。また、Au粒子の直径が104nmよりも大きくなると、PSPの共鳴波長はLSPの共鳴波長よりも短くなり、短波長側の吸収領域よりも長波長側の吸収領域が、直線LLSPに近くなることがわかった。そのため、A
u粒子の直径が104nmよりも大きくなると、長波長側の吸収領域がブロードになる。
As shown in FIG. 15, when the diameter of the Au particles is smaller than 104 nm, the resonance wavelength of the PSP becomes longer than the resonance wavelength of the LSP, and the absorption region on the shorter wavelength side than the absorption region on the longer wavelength side has a straight line L. Close to LSP . Therefore, when the diameter of the Au particles is smaller than 104 nm, the absorption region on the short wavelength side becomes broad. Moreover, when the diameter of the Au particle is larger than 104 nm, the resonance wavelength of the PSP becomes shorter than the resonance wavelength of the LSP, and the absorption region on the long wavelength side becomes closer to the straight line L LSP than the absorption region on the short wavelength side. I understood. Therefore, A
When the diameter of u particles becomes larger than 104 nm, the absorption region on the long wavelength side becomes broad.

ここで、本発明に係る電場増強素子は、上記式(5)を満たす。すなわち、半値幅比HRは、40%以上である。半値幅比HRが40%以上であれば、標的物質を高い感度で検出することができる(詳細は後述する実験例3参照)。図15では、半値幅比HRが40%以上となる半値幅が大きい方の吸収領域(第2吸収領域P2)に相当するプロットを含む領域を斜線で示している。図15に示す例では、半値幅比HRが40%以上となるAu粒子の直径は、97nm以下、または135nm以上であった。なお、LSPとPSPとが電磁的に相互作用しない場合は、反射スペクトルの吸収領域の極小点の波長は、図15に示した直線(漸近線)と等しくなる。   Here, the electric field enhancing element according to the present invention satisfies the above formula (5). That is, the half width ratio HR is 40% or more. If the half width ratio HR is 40% or more, the target substance can be detected with high sensitivity (for details, see Experimental Example 3 described later). In FIG. 15, a region including a plot corresponding to the absorption region (second absorption region P <b> 2) having the larger half width at which the half width ratio HR is 40% or more is indicated by hatching. In the example shown in FIG. 15, the diameter of the Au particles having a half-width ratio HR of 40% or more was 97 nm or less, or 135 nm or more. When the LSP and the PSP do not interact electromagnetically, the wavelength of the minimum point in the reflection spectrum absorption region is equal to the straight line (asymptotic line) shown in FIG.

図12に示すAu粒子の直径が90nmのときは、半値幅比HRは40.5%であった。この場合、短波長側の吸収領域の半値幅の方が長波長側の吸収領域の半値幅よりも大きい。短波長側の吸収領域はLSPの寄与度が大きく、長波長側の吸収領域はPSPの寄与度が大きい。図13に示すAu粒子の直径が104nmのときは、2つの吸収領域の半値幅は、ほぼ等しく、半値幅比HRは25%であった。図14に示すAu粒子の直径が140nmのときは、半値幅比HRは49.2%であった。この場合、長波長側の吸収領域の半値幅の方が短波長側の吸収領域の半値幅よりも大きい。長波長側の吸収領域はLSPの寄与度が大きく、短波長側の吸収領域はPSPの寄与度が大きい。   When the diameter of the Au particles shown in FIG. 12 was 90 nm, the half width ratio HR was 40.5%. In this case, the half value width of the absorption region on the short wavelength side is larger than the half value width of the absorption region on the long wavelength side. The absorption region on the short wavelength side has a large contribution of LSP, and the absorption region on the long wavelength side has a large contribution of PSP. When the diameter of the Au particles shown in FIG. 13 is 104 nm, the half widths of the two absorption regions are substantially equal, and the half width ratio HR is 25%. When the diameter of the Au particles shown in FIG. 14 is 140 nm, the full width at half maximum ratio HR was 49.2%. In this case, the half value width of the absorption region on the long wavelength side is larger than the half value width of the absorption region on the short wavelength side. The absorption region on the long wavelength side has a large contribution of LSP, and the absorption region on the short wavelength side has a large contribution of PSP.

図12および図14に示すように、半値幅比HRが40%以上であると、2つの吸収領域のうちのどちらかがブロードとなり、励起光の波長とラマン散乱光の波長とを、ブロードな吸収領域(第2吸収領域P2)の範囲とすることができる。例えば、励起光の波長が632.8nmで、ラマンシフトが約1000cm−1(675.5nm)の場合の信号を増強させるには、ブロードな吸収領域(第2吸収領域P2)の極小点の波長が、632.8nmと675.5nmとの中間の約655nmであることが望ましい。 As shown in FIGS. 12 and 14, when the half-width ratio HR is 40% or more, one of the two absorption regions becomes broad, and the wavelength of the excitation light and the wavelength of the Raman scattered light are broad. It can be set as the range of the absorption region (second absorption region P2). For example, in order to enhance the signal when the wavelength of the excitation light is 632.8 nm and the Raman shift is about 1000 cm −1 (675.5 nm), the wavelength of the minimum point of the broad absorption region (second absorption region P2) Is about 655 nm which is intermediate between 632.8 nm and 675.5 nm.

5.2. 実験例2
5.2.1. モデル
実験例2では、実験例1と同様に、FDTDシミュレーションで、反射スペクトルを求めた。実験例2では、金属粒子の直径を104nmとし、金属粒子の厚さを10nm〜40nmの範囲で変化させたこと以外は、実験例1と同様のモデルおよび同様の条件で、反射スペクトルを求めた。
5.2. Experimental example 2
5.2.1. Model In Experiment Example 2, as in Experiment Example 1, the reflection spectrum was obtained by FDTD simulation. In Experimental Example 2, the reflection spectrum was obtained under the same model and the same conditions as in Experimental Example 1, except that the diameter of the metal particles was 104 nm and the thickness of the metal particles was changed in the range of 10 nm to 40 nm. .

5.2.2. 反射スペクトルの計算
Au粒子の厚さを10nm〜40nmの範囲で変化させて、反射スペクトルを計算した。図16は、Au粒子の厚さが15nmの場合の反射スペクトルである。図17は、Au粒子の厚さが25nmの場合の反射スペクトルである。図18は、Au粒子の厚さが40nmの場合の反射スペクトルである。
5.2.2. Calculation of reflection spectrum The reflection spectrum was calculated by changing the thickness of Au particles in the range of 10 nm to 40 nm. FIG. 16 is a reflection spectrum when the thickness of the Au particles is 15 nm. FIG. 17 shows a reflection spectrum when the thickness of the Au particles is 25 nm. FIG. 18 is a reflection spectrum when the thickness of the Au particles is 40 nm.

図16〜図18に示すように、反射スペクトルは、2つの吸収領域(反射率の落ち込み)を有する。図19は、Au粒子の厚さを10nm〜40nmの範囲で変化させたときの、反射スペクトルにおける2つの吸収領域の極小点の波長をプロットしたグラフである。   As shown in FIGS. 16 to 18, the reflection spectrum has two absorption regions (decrease in reflectivity). FIG. 19 is a graph plotting the wavelengths of the minimum points of the two absorption regions in the reflection spectrum when the thickness of the Au particles is changed in the range of 10 nm to 40 nm.

図19に示すように、それぞれ2本の直線に漸近するようなプロットが得られた。Au粒子の厚さが変化しても波長が一定となる直線は、PSPの共鳴波長を示している。Au粒子の厚さが変化すると波長も変化する直線が、LSPの共鳴波長を示している。PSPの共鳴波長を示す直線LPSPとLSPの共鳴波長を示す直線LLSPとの交点IPの厚さ(Au粒子の厚さ)は、短波長側の吸収領域の極小点の波長と長波長側の吸収領域の極小点の波長との差が最も小さいときの厚さとなる。そのため、図19では、交点IPの直
径が、25nmとなるように、プロットに漸近する直線を引いた。図19に示すように、Au粒子の厚さを変化させた場合、LSPの共鳴波長が変化する。Au粒子の厚さを小さくした場合は、LSPの共鳴波長はレッドシフトし、Au粒子の厚さを大きくした場合は、LSPの共鳴波長はブルーシフトした。
As shown in FIG. 19, plots each asymptotic to two straight lines were obtained. A straight line having a constant wavelength even when the thickness of the Au particle is changed indicates the resonance wavelength of the PSP. A straight line whose wavelength changes as the thickness of the Au particle changes indicates the resonance wavelength of the LSP. The thickness of the intersection point IP of the straight line L PSP indicating the resonance wavelength of the PSP and the straight line LLSP indicating the resonance wavelength of the LSP (the thickness of the Au particle) is the wavelength of the minimum point of the absorption region on the short wavelength side and the long wavelength side This is the thickness when the difference from the wavelength of the minimum point of the absorption region is the smallest. Therefore, in FIG. 19, a straight line asymptotic to the plot is drawn so that the diameter of the intersection point IP is 25 nm. As shown in FIG. 19, when the thickness of the Au particles is changed, the resonance wavelength of the LSP changes. When the Au particle thickness was decreased, the LSP resonance wavelength was red-shifted, and when the Au particle thickness was increased, the LSP resonance wavelength was blue-shifted.

図19に示すように、Au粒子の厚さが25nmよりも小さくなると、PSPの共鳴波長はLSPの共鳴波長よりも短くなり、短波長側の吸収領域よりも長波長側の吸収領域が、直線LLSPに近くなった。そのため、Au粒子の厚さが25nmよりも小さくなると、長波長側の吸収領域がブロードになる。また、Au粒子の厚さが25nmよりも大きくなると、PSPの共鳴波長はLSPの共鳴波長よりも長くなり、長波長側の吸収領域よりも短波長側の吸収領域が、直線LLSPに近くなった。そのため、Au粒子の厚さが25nmよりも大きくなると、短波長側の吸収領域がブロードになる。 As shown in FIG. 19, when the Au particle thickness is smaller than 25 nm, the resonance wavelength of the PSP becomes shorter than the resonance wavelength of the LSP, and the absorption region on the long wavelength side is shorter than the absorption region on the short wavelength side. It became close to L LSP . For this reason, when the thickness of the Au particles becomes smaller than 25 nm, the absorption region on the long wavelength side becomes broad. When the Au particle thickness is greater than 25 nm, the resonance wavelength of the PSP becomes longer than the resonance wavelength of the LSP, and the absorption region on the short wavelength side is closer to the straight line L LSP than the absorption region on the long wavelength side. It was. Therefore, when the Au particle thickness is greater than 25 nm, the absorption region on the short wavelength side becomes broad.

図19に、半値幅比HRが40%以上となる半値幅が大きい方の吸収領域(第2吸収領域)に相当するプロットを含む領域を斜線で示している。図19に示す例では、半値幅比HRが40%以上となるAu粒子の厚さは、15nm以下、または35nm以上であった。   In FIG. 19, a region including a plot corresponding to an absorption region (second absorption region) having a larger half width at which the half width ratio HR is 40% or more is indicated by hatching. In the example shown in FIG. 19, the thickness of the Au particles with a half-width ratio HR of 40% or more was 15 nm or less, or 35 nm or more.

図16に示すAu粒子の厚さが15nmのときは、半値幅比HRは40.4%であった。この場合、長波長側の吸収領域の半値幅の方が短波長側の吸収領域の半値幅よりも大きい。長波長側の吸収領域はLSPの寄与度が大きく、短波長側の吸収領域はPSPの寄与度が大きい。図17に示すAu粒子の厚さが25nmのときは、半値幅比HRは7.8%であった。図18に示すAu粒子の直径が40nmのときは、半値幅比HRは42.5%であった。この場合、短波長側の吸収領域の半値幅の方が長波長側の吸収領域の半値幅よりも大きい。短波長側の吸収領域はLSPの寄与度が大きく、長波長側の吸収領域はPSPの寄与度が大きい。   When the thickness of the Au particles shown in FIG. 16 was 15 nm, the half-value width ratio HR was 40.4%. In this case, the half value width of the absorption region on the long wavelength side is larger than the half value width of the absorption region on the short wavelength side. The absorption region on the long wavelength side has a large contribution of LSP, and the absorption region on the short wavelength side has a large contribution of PSP. When the thickness of the Au particles shown in FIG. 17 was 25 nm, the full width at half maximum ratio HR was 7.8%. When the diameter of the Au particles shown in FIG. 18 is 40 nm, the full width at half maximum ratio HR was 42.5%. In this case, the half value width of the absorption region on the short wavelength side is larger than the half value width of the absorption region on the long wavelength side. The absorption region on the short wavelength side has a large contribution of LSP, and the absorption region on the long wavelength side has a large contribution of PSP.

実験例2では、Au粒子の厚さを変化させることにより、実験例1と同様に、半値幅比HRを40%以上にすることができることがわかった。   In Experimental Example 2, it was found that by changing the thickness of the Au particles, the full width at half maximum ratio HR can be made 40% or more, as in Experimental Example 1.

5.3. 実験例3
5.3.1. 電場増強素子
電場増強素子を作成し、反射率およびラマン信号を計測した。基板としてガラス基板を用い、基板上に、密着層としてCr層をスパッタ法により形成し、Cr層上に金属層としてAu層をスパッタ法により形成した。Cr層の厚さを5nm以下とし、Au層の厚さを、100nmとした。次に、Au層上に、誘電体層として、Al層およびSiO層をこの順でスパッタ法により形成した。Al層の厚さを5nm以下とし、SiO層の厚さを、50nmとした。
5.3. Experimental example 3
5.3.1. Electric field enhancement element An electric field enhancement element was created and the reflectance and Raman signal were measured. A glass substrate was used as a substrate, a Cr layer as an adhesion layer was formed on the substrate by a sputtering method, and an Au layer was formed as a metal layer on the Cr layer by a sputtering method. The thickness of the Cr layer was 5 nm or less, and the thickness of the Au layer was 100 nm. Next, an Al 2 O 3 layer and an SiO 2 layer were formed as a dielectric layer on the Au layer in this order by sputtering. The thickness of the Al 2 O 3 layer was 5 nm or less, and the thickness of the SiO 2 layer was 50 nm.

次に、SiO層上に、金属粒子としてAu粒子を形成した。具体的には、SiO層上にレジストを塗布し、EBL(Electron Beam Lithography)により円形のパターン(パターン部)をパターニングした後、真空蒸着法によりAu層を成膜し、レジストおよびパターン部以外のAu層をリフトオフすることによりAu粒子を形成した。Au粒子は、X軸方向およびY軸方向にマトリックス状に形成し、Au粒子のX軸方向のピッチおよびY軸方向のピッチを600nmとした。また、Au粒子の厚さを、30nmとした。 Next, Au particles were formed as metal particles on the SiO 2 layer. Specifically, a resist is applied on the SiO 2 layer, a circular pattern (pattern part) is patterned by EBL (Electron Beam Lithography), and then an Au layer is formed by a vacuum deposition method. The Au layer was lifted off to form Au particles. The Au particles were formed in a matrix in the X-axis direction and the Y-axis direction, and the pitch of the Au particles in the X-axis direction and the Y-axis direction was 600 nm. The thickness of the Au particles was 30 nm.

本実験例では、直径の異なるAu粒子を複数形成した。具体的には、SiO層上の第1領域に直径90nmのAu粒子をマトリックス状に形成し、SiO層上の第2領域に直径106nmのAu粒子をマトリックス状に形成した。直径90nmのAu粒子は、本
発明に係る(実施例に係る)Au粒子である。直径106nmのAu粒子は、比較例に係るAu粒子である。各領域の平面視における大きさは、100μm×100μmである。
In this experimental example, a plurality of Au particles having different diameters were formed. Specifically, Au particles having a diameter of 90 nm were formed in a matrix in the first region on the SiO 2 layer, and Au particles having a diameter of 106 nm were formed in a matrix in the second region on the SiO 2 layer. The Au particles having a diameter of 90 nm are Au particles according to the present invention (according to the example). The Au particles having a diameter of 106 nm are Au particles according to a comparative example. The size of each region in plan view is 100 μm × 100 μm.

測定する標的物質としては、ピリジンを用いた。ピリジンのラマンピークは、1014cm−1に現れるので、入射波長632.8nmの場合、ラマン散乱波長は676.2nmである。 Pyridine was used as a target substance to be measured. Since the Raman peak of pyridine appears at 1014 cm −1 , the Raman scattering wavelength is 676.2 nm when the incident wavelength is 632.8 nm.

5.3.2. 反射率測定
上記のようにして形成した電場増強素子に、ピリジン飽和気体を十分に曝露させた後、白色光源を照射して反射率を測定した。入射光の偏光方向は、X軸方向とした。
5.3.2. Reflectivity measurement The electric field enhancing element formed as described above was sufficiently exposed to pyridine saturated gas, and then irradiated with a white light source to measure the reflectance. The polarization direction of incident light was the X-axis direction.

図20は、Au粒子の直径が90nm、106nmの領域の反射スペクトルである。図20では、Au粒子の直径が90nmの領域の反射スペクトルを実線で示し、Au粒子の直径が106nmの領域の反射スペクトルを破線で示している。   FIG. 20 is a reflection spectrum in a region where the diameter of Au particles is 90 nm and 106 nm. In FIG. 20, the reflection spectrum in the region where the diameter of Au particles is 90 nm is indicated by a solid line, and the reflection spectrum in the region where the diameter of Au particles is 106 nm is indicated by a broken line.

図20に示すように、波長550nm〜800nmの範囲に3つの落ち込み(下に凸のピーク)が現れた。3つの落ち込みのうち、中央の落ち込みDは測定系が原因(具体的には測定系の対物レンズが原因)で発生する落ち込みであるため、注目する落ち込みは、両側の2つの落ち込み(短波長側の吸収領域、長波長側の吸収領域)である。   As shown in FIG. 20, three depressions (convex peaks downward) appeared in the wavelength range of 550 nm to 800 nm. Of the three depressions, the central depression D is caused by the measurement system (specifically, the objective lens of the measurement system), so the noted depression is the two depressions on both sides (short wavelength side). Absorption region on the long wavelength side).

直径が90nmの領域の反射スペクトルでは、短波長側の吸収領域が約600nm〜675nmの範囲に出現し、長波長側の吸収領域が約690nm〜740nmの範囲に出現した。短波長側の吸収領域の半値幅は38nmであり、長波長側の吸収領域の半値幅は21nmであり、半値幅比HRは45%であった。   In the reflection spectrum of the region having a diameter of 90 nm, an absorption region on the short wavelength side appeared in the range of about 600 nm to 675 nm, and an absorption region on the long wavelength side appeared in the range of about 690 nm to 740 nm. The half value width of the absorption region on the short wavelength side was 38 nm, the half value width of the absorption region on the long wavelength side was 21 nm, and the half value width ratio HR was 45%.

直径が106nmの領域の反射スペクトルでは、短波長側の吸収領域が約610nm〜680nmの範囲に出現し、長波長側の吸収領域が約710nm〜780nmの範囲に出現した。短波長側の吸収領域の半値幅は33nmであり、長波長側の吸収領域の半値幅は39nmであり、半値幅比HRは15%であった。   In the reflection spectrum of the region having a diameter of 106 nm, the absorption region on the short wavelength side appeared in the range of about 610 nm to 680 nm, and the absorption region on the long wavelength side appeared in the range of about 710 nm to 780 nm. The half value width of the short wavelength side absorption region was 33 nm, the half value width of the long wavelength side absorption region was 39 nm, and the half value width ratio HR was 15%.

ここで、直径が106nmの領域の反射スペクトル(以下、「直径106nm反射スペクトル」ともいう)の長波長側の吸収領域の半値幅は、直径が90nmの領域の反射スペクトル(以下、「直径90nm反射スペクトル」ともいう)の短波長側の吸収領域の半値幅よりも大きい。しかしながら、励起光の波長λは、直径106nm反射スペクトルの範囲に含まれていないため、後述する図22に示すように、直径が106nmの領域では、ラマン信号強度が弱い。通常、励起光を照射する光源としてレーザーを用いるが、波長632.8nmよりも長波長であって、最も632.8nmに近い波長を照射するレーザーの波長は、785nmである。図20を参照すると、仮に、励起光を照射する光源として波長785nmのレーザーを用いても、直径が106nmの領域では、強度の強いラマン信号を得ることができないと想定される。 Here, the half-value width of the absorption region on the long wavelength side of the reflection spectrum of the region having a diameter of 106 nm (hereinafter also referred to as “diameter 106 nm reflection spectrum”) is the reflection spectrum of the region having a diameter of 90 nm (hereinafter referred to as “90 nm diameter reflection”). It is larger than the half-value width of the absorption region on the short wavelength side of the spectrum. However, since the wavelength λ i of the excitation light is not included in the range of the reflection spectrum with a diameter of 106 nm, the Raman signal intensity is weak in a region with a diameter of 106 nm as shown in FIG. Usually, a laser is used as a light source for irradiating excitation light, but the wavelength of a laser having a wavelength longer than the wavelength of 632.8 nm and the closest to 632.8 nm is 785 nm. Referring to FIG. 20, even if a laser having a wavelength of 785 nm is used as a light source for irradiating excitation light, it is assumed that a strong Raman signal cannot be obtained in a region having a diameter of 106 nm.

さらに、仮に、励起光の波長λを、直径90nm反射スペクトルの長波長側の吸収領域の範囲に含まれる、725nmとしたとしても、標的物質としてピリジンを用いた場合は、上記のとおり、ラマンシフトは1014cm−1なので、ラマン散乱光の波長λsは、782.5nmであり、差(λ−λ)は、57.5nmとなる。一方、励起光の波長λを632.8nmとした場合は、ラマン散乱光の波長λsは、676.2nmであり、差(λ−λ)は、43.4nmとなる。このように、励起光の波長λを大きくすると、差(λ−λ)は大きくなる。したがって、励起光の波長λを大きくすることは、波長λおよび波長λを1つの吸収領域の範囲に含める(1つの吸収領域の反射率が低い部分に含める)という観点から好ましくない。 Furthermore, even if the wavelength λ i of the excitation light is set to 725 nm included in the absorption region on the long wavelength side of the reflection spectrum having a diameter of 90 nm, when pyridine is used as the target substance, as described above, Since the shift is 1014 cm −1 , the wavelength λs of the Raman scattered light is 782.5 nm, and the difference (λ s −λ i ) is 57.5 nm. On the other hand, when the wavelength λ i of the excitation light is 632.8 nm, the wavelength λs of the Raman scattered light is 676.2 nm, and the difference (λ s −λ i ) is 43.4 nm. Thus, when the wavelength λ i of the excitation light is increased, the difference (λ s −λ i ) is increased. Therefore, it is not preferable to increase the wavelength λ i of the excitation light from the viewpoint of including the wavelength λ i and the wavelength λ s in the range of one absorption region (including in the portion where the reflectance of one absorption region is low).

なお、実験例1のシミュレーションで求めた半値幅比HRと、本実験例で求めた半値幅比HRとは、異なるが、これは、測定系の違いや製造上の誤差等によるものである。   Note that the full width at half maximum ratio HR obtained in the simulation of Experimental Example 1 is different from the full width at half maximum ratio HR obtained in the present experimental example, but this is due to differences in measurement systems, manufacturing errors, and the like.

また、図12における吸収領域の半値幅の絶対値、図13における吸収領域の半値幅の絶対値、および図14における吸収領域の半値幅の絶対値は、シミュレーションの誤差もあり、単純に図12〜図14から読み取って比較することはできない。図16における吸収領域の半値幅の絶対値、図17における吸収領域の半値幅の絶対値、および図18における吸収領域の半値幅の絶対値についても同様である。   Further, the absolute value of the half width of the absorption region in FIG. 12, the absolute value of the half width of the absorption region in FIG. 13, and the absolute value of the half width of the absorption region in FIG. ~ Cannot be compared by reading from FIG. The same applies to the absolute value of the half width of the absorption region in FIG. 16, the absolute value of the half width of the absorption region in FIG. 17, and the absolute value of the half width of the absorption region in FIG.

半値幅は、以下のようにして求めた。図21は、半値幅の求め方を説明するための図である。以下では、上述のAu粒子の直径が106nmの領域の反射スペクトルを用いて、半値幅の求め方を説明する。   The full width at half maximum was determined as follows. FIG. 21 is a diagram for explaining how to obtain the half width. Below, the method of calculating | requiring a half value width is demonstrated using the reflection spectrum of the area | region whose diameter of the above-mentioned Au particle | grain is 106 nm.

まず、反射スペクトルにおける2点(点Q,R)を決めて、点Q,Rを結ぶ直線を引いた。該直線がベースラインBLとなる。点Qは、2つの吸収領域の極小点(反射率の極小点)Tよりも短波長側に位置し、反射率が最大となる点である。点Rは、2つの吸収領域の極小点Tよりも長波長側に位置し、反射率が最大となる点である。具体的には、点Rは、波長870nmの点である。なお、図21に示すように、反射スペクトルのノイズが大きい範囲(約800nm〜870nm範囲)は、移動平均でフィッティングさせてもよい。なお、ベースラインBLが横軸と平行にならないのは、Au層からの反射光も検出されるためである。   First, two points (points Q and R) in the reflection spectrum were determined, and a straight line connecting the points Q and R was drawn. The straight line becomes the base line BL. The point Q is a point that is located on the short wavelength side of the minimum point (minimum point of reflectance) T of the two absorption regions and has the maximum reflectance. The point R is a point that is located on the longer wavelength side than the minimum point T of the two absorption regions and has the maximum reflectance. Specifically, the point R is a point with a wavelength of 870 nm. In addition, as shown in FIG. 21, you may fit by the moving average the range (about 800 nm-870 nm range) where the noise of a reflection spectrum is large. The reason why the base line BL is not parallel to the horizontal axis is that reflected light from the Au layer is also detected.

次に、極小点Tと点Cとの中点(点T,Cから等しい距離にある点)を通り、ベースラインBLに平行な直線Lを引いた。点Cは、極小点Tを通り縦軸に平行な直線Vと、ベースラインBLと、の交点である。   Next, a straight line L passing through a midpoint between the minimum point T and the point C (a point at an equal distance from the points T and C) and parallel to the base line BL was drawn. The point C is an intersection of the straight line V passing through the minimum point T and parallel to the vertical axis, and the base line BL.

次に、直線Lと反射スペクトルとの交点A,Bの波長を読み取って、半値幅Hを求めた。具体的には、半値幅Hは、交点Bの波長から交点Aの波長を引いた値である。以上により、半値幅Hを求めることができた。   Next, the half-value width H was obtained by reading the wavelengths of the intersections A and B between the straight line L and the reflection spectrum. Specifically, the half width H is a value obtained by subtracting the wavelength of the intersection A from the wavelength of the intersection B. As described above, the half width H can be obtained.

図20に示すように、直径90nmの領域の反射スペクトルにおいて、短波長側の吸収領域は、波長が632.8nmとなる点(入射光の波長となる点)Pを有することがわかった。また、図20に示すように、直径90nmの領域の反射スペクトルにおいて、短波長側の吸収領域は、中央の落ち込みDと重なっているが、直径90nmの領域の反射スペクトルにおいてベースラインを引き、短波長側の吸収領域を該ベースラインに外挿して外挿線を引くと、該外挿線は、波長が677nmとなる点(ラマン散乱光の波長となる点)を有することが確認できた。したがって、図20により、半値幅比HRは40%以上であれば(すなわち、上記式(5)を満たせば)、励起光(入射光)の波長とラマン散乱光の波長とを、1つの吸収領域の範囲とすることができることがわかった。 As shown in FIG. 20, in the reflection spectrum of the region of the diameter of 90 nm, the absorption region of the short wavelength side, that wavelength is 632.8 nm (point the wavelength of the incident light) were found to have a P i. In addition, as shown in FIG. 20, in the reflection spectrum of the 90 nm diameter region, the short wavelength side absorption region overlaps with the central depression D, but the baseline is drawn in the 90 nm diameter reflection spectrum. When an extrapolation line was drawn by extrapolating the absorption region on the wavelength side to the baseline, it was confirmed that the extrapolation line had a point at which the wavelength was 677 nm (a point at which the wavelength of Raman scattered light). Therefore, according to FIG. 20, if the half-width ratio HR is 40% or more (that is, if the above formula (5) is satisfied), the wavelength of the excitation light (incident light) and the wavelength of the Raman scattered light are absorbed by one absorption. It was found that the range of the region can be.

5.3.3. ラマン測定
上記反射率を測定した電場増強素子と同様の電場増強素子に、ピリジン飽和気体を十分に曝露させた後、波長632.8nmの入射光を照射してラマン測定を行った。入射光の偏光方向は、X軸方向とした。
5.3.3. Raman measurement After sufficiently exposing a pyridine saturated gas to an electric field enhancement element similar to the electric field enhancement element for which the reflectance was measured, Raman measurement was performed by irradiating incident light with a wavelength of 632.8 nm. The polarization direction of incident light was the X-axis direction.

図22は、Au粒子の直径が90nm、106nmの領域のラマン測定結果を示すグラフである。図22では、直径90nmの領域のラマン信号強度を実線で示し、直径106nmの領域のラマン信号強度を破線で示している。   FIG. 22 is a graph showing Raman measurement results in a region where the diameter of Au particles is 90 nm and 106 nm. In FIG. 22, the Raman signal intensity in a region with a diameter of 90 nm is indicated by a solid line, and the Raman signal intensity in a region with a diameter of 106 nm is indicated by a broken line.

図22より、直径90nmの領域の方が、直径106nmの領域よりも、ピリジン1009cm−1の信号強度が強いことがわかった。すなわち、半値幅比HRが40%以上の電場増強素子は、半値幅比HRが40%よりも小さい電場増強素子に比べて、ラマン信号強度が高く、標的物質を高い感度で検出することができることがわかった。図20より、直径106nmの領域では、短波長側の吸収領域の極小点の波長は、659nmであり、入射光の波長(632.8nm)と、ラマン散乱光の波長(677nm)と、のほぼ中間にあるにも関わらず(中間は655nm)、ピリジンのラマン信号強度は弱い。これは、直径106nmの領域では、短波長側の吸収領域の半値幅が小さいためである。これに対し、直径90nmの領域では、図20に示すように、直径106nmの領域に比べて短波長側の吸収領域の半値幅が大きく、ピリジンのラマンシフトに比べて短波長側の吸収領域の幅が大きいので、ラマン信号強度が強い。 From FIG. 22, it was found that the signal intensity of pyridine 1009 cm −1 was stronger in the 90 nm diameter region than in the 106 nm diameter region. That is, an electric field enhancing element having a half width ratio HR of 40% or more has a higher Raman signal intensity and can detect a target substance with higher sensitivity than an electric field enhancing element having a half width ratio HR smaller than 40%. I understood. From FIG. 20, in the region of 106 nm in diameter, the wavelength of the minimum point of the absorption region on the short wavelength side is 659 nm, which is approximately the wavelength of incident light (632.8 nm) and the wavelength of Raman scattered light (677 nm). Despite being in the middle (the middle is 655 nm), the Raman signal intensity of pyridine is weak. This is because the half width of the absorption region on the short wavelength side is small in the region of 106 nm in diameter. In contrast, in the region of 90 nm in diameter, as shown in FIG. 20, the half-value width of the absorption region on the short wavelength side is larger than that of the region of 106 nm in diameter, and the absorption region on the short wavelength side compared to the Raman shift of pyridine. Since the width is large, the Raman signal intensity is strong.

なお、短波長側の吸収領域の幅とは、吸収領域の短波長側の裾(点Q、図21参照)の波長と、吸収領域の長波長側の裾(吸収領域の長波長側をベースラインBLまで外挿したときの外挿線と、ベースラインBLと、交点)の波長との差である。   The width of the absorption region on the short wavelength side refers to the wavelength of the short wavelength side of the absorption region (point Q, see FIG. 21) and the long wavelength side of the absorption region (based on the long wavelength side of the absorption region). This is the difference between the extrapolated line when extrapolated to the line BL, the base line BL, and the wavelength of the intersection).

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。   The above-described embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine each embodiment and each modification.

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。   The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

1…標的物質、2…基板、10…金属層、20…誘電体層、30…金属粒子、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、122a,122b,122c,122d…レンズ、124…ハーフミラー、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、210…光源、220…光検出器、300…電子機器、310…演算部、320…記憶部、330…表示部 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Target substance, 2 ... Substrate, 10 ... Metal layer, 20 ... Dielectric layer, 30 ... Metal particle, 100 ... Electric field enhancement element, 110 ... Gas sample holding part, 112 ... Cover, 113 ... Suction port, 114 ... Suction Flow path, 115 ... dust removal filter, 116 ... discharge flow path, 117 ... suction mechanism, 118 ... discharge port, 120 ... detection part, 122a, 122b, 122c, 122d ... lens, 124 ... half mirror, 126 ... filter, 127 ... Spectrometer, 128 ... light receiving element, 130 ... control unit, 132 ... detection control unit, 134 ... power control unit, 136 ... connection unit, 140 ... casing, 200 ... Raman spectroscopic device, 210 ... light source, 220 ... photodetector , 300 ... electronic device, 310 ... calculation unit, 320 ... storage unit, 330 ... display unit

Claims (6)

金属層と、
前記金属層上に設けられた誘電体層と、
前記誘電体層上に設けられた複数の金属粒子と、
を含む電場増強素子であって、
複数の前記金属粒子は、前記金属層と前記誘電体層との界面を伝播する伝播型表面プラズモンを励起可能な周期配列を有し、
前記伝播型表面プラズモンと、前記金属粒子に励起される局在型表面プラズモンとは、電磁的に相互作用し、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長と、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長とは、異なり、
前記電場増強素子に白色光を照射したときの反射光のスペクトルにおいて、第1吸収領域の半値幅をH1とし、半値幅が前記第1吸収領域の半値幅H1よりも大きい第2吸収領域の半値幅をH2としたとき、
前記H1および前記H2は、
(H2−H1)/H2×100≧40
の関係を満たし、
前記電場増強素子の励起光の波長は、前記第2吸収領域の範囲に含まれる、電場増強素子。
A metal layer,
A dielectric layer provided on the metal layer;
A plurality of metal particles provided on the dielectric layer;
An electric field enhancing element comprising:
The plurality of metal particles have a periodic array capable of exciting propagating surface plasmons propagating through an interface between the metal layer and the dielectric layer,
The propagation type surface plasmon and the localized type surface plasmon excited by the metal particle interact electromagnetically,
The resonance wavelength of the propagation surface plasmon is different from the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
In the spectrum of reflected light when the electric field enhancing element is irradiated with white light, the half width of the first absorption region is H1, and the half width of the second absorption region is larger than the half width H1 of the first absorption region. When the price range is H2,
The H1 and the H2 are
(H2-H1) / H2 × 100 ≧ 40
Satisfy the relationship
The electric field enhancing element, wherein the wavelength of the excitation light of the electric field enhancing element is included in the range of the second absorption region.
請求項1において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも長く、
前記第2吸収領域は、前記第1吸収領域よりも短波長側に位置する、電場増強素子。
In claim 1,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is longer than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
The electric field enhancing element, wherein the second absorption region is located on a shorter wavelength side than the first absorption region.
請求項1において、
前記伝播型表面プラズモンの共鳴波長は、前記局在型表面プラズモンの共鳴波長よりも短く、
前記第2吸収領域は、前記第1吸収領域よりも長波長側に位置する、電場増強素子。
In claim 1,
The propagation wavelength of the propagation surface plasmon is shorter than the resonance wavelength of the localized surface plasmon,
The electric field enhancing element, wherein the second absorption region is located on a longer wavelength side than the first absorption region.
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に標的物質を付着させ、前記電場増強素子に前記励起光を照射して、前記電場増強素子から放射されるラマン散乱光を検出するラマン分光法であって、
前記ラマン散乱光の波長は、前記第2吸収領域の範囲に含まれる、ラマン分光法。
A target substance is attached to the electric field enhancing element according to any one of claims 1 to 3, and the excitation light is applied to the electric field enhancing element to detect Raman scattered light emitted from the electric field enhancing element. Raman spectroscopy,
The wavelength of the Raman scattered light is Raman spectroscopy, which is included in the range of the second absorption region.
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前記励起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。
The electric field enhancing element according to any one of claims 1 to 3,
A light source for irradiating the electric field enhancing element with the excitation light;
A photodetector for detecting light emitted from the electric field enhancing element;
Including a Raman spectroscopic apparatus.
請求項5に記載のラマン分光装置と、
前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む、電子機器。
The Raman spectroscopic device according to claim 5;
A calculation unit for calculating health and medical information based on detection information from the detector;
A storage unit for storing the health care information;
A display unit for displaying the health care information;
Including electronic equipment.
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