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分析裝置、分析方法、光學元件及電子設備的制作方法
【專利摘要】本發明提供了熱點露出于光學元件的表面且等離子體振子增強效果高的分析裝置、分析方法、光學元件及電子設備。分析裝置具備：光學元件，包括：第一金屬層、配置于貫通第一金屬層的電介體柱上并與第一金屬層電性絕緣的第二金屬層，光學元件的第二金屬層的配置滿足下述式(1)的關系，P1＜P2≤Q+P1…(1)，P1為第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε(ω)、將第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為c、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為θ時、由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，(ω/c)·{ε·ε(ω)/(ε+ε(ω))}1/2＝ε1/2·(ω/c)·sinθ+2mπ/Q (m＝±1，±2)···(2)。
【專利說明】分析裝置、分析方法、光學元件及電子設備

【技術領域】
[0001]本發明涉及分析裝置、分析方法、用于這些的光學元件及電子設備。

【背景技術】
[0002]以醫療、健康領域為初始，在環境、食品、公安等的領域中，需要聞靈敏度、聞精度、迅速且簡便地檢測微量的物質的傳感技術。作為傳感的對象的微量物質涉及非常多的方面，例如細菌、病毒、蛋白質、核酸、各種抗原/抗體等的生物體關聯物質、包含無機分子、有機分子、高分子的各種化合物成為傳感的對象。以往,微量物質的檢測經過采樣、分析、解析而進行，需要專用的裝置，需要檢查作業者的熟練，所以常有現場分析困難的情況。因此，為了得到檢查結果而需要長時間(數日以上)。在傳感技術中，迅速且簡便的要求非常強烈，希望能夠滿足該要求的傳感器的開發。例如，在機場等的呈現嘔吐、痢疾、發熱的患者的診斷，為了防止感染擴大是至關重要的。此外，感染癥檢查的處置因細菌或病毒而不同，為了進一步切斷感染路徑，迅速地鑒定細菌、病毒的種類是重要的。
[0003]在這種要求下，近年來，研究以電化學的方法為代表的各種類型的傳感器，由于能夠集成化、低成本且不選擇測定環境等理由，對于使用表面等離子體共振(SPR)的傳感器的關注不斷提升。例如，已知使用設置于全反射型棱鏡表面的金屬薄膜所產生的SPR，檢測抗原抗體反應中的抗原的吸附的有無等的物質的吸附的有無。此外，也研究使用表面增強拉曼散射(SERS)，檢測附著于傳感器部位的物質的拉曼散射而進行附著物質的鑒定等的方法。
[0004]作為這種傳感器的模型，例如在非專利文獻1、2等中提出了有可能的幾種構造。在非專利文獻I中，提出了在間隙型表面等離子體激元(Gap type surface plasmonpolariton,GSPP)模型所示的局域型等離子體(LSP)的基礎上，在XY方向(平行于基板面的方向)產生傳播型等離子體(PSP)的混合構造。在非專利文獻2中，作為提高熱點密度(HSD)的構造，提出了 Disk-coupled dotspillar antenna model (D2PA 模型)。
[0005]在非專利文獻2公開的構造中，采用使用在由S12形成的柱的側面生長的金的納米粒子之間的間隙(納米間隙)產生的局域型等離子體(LSP)的方式。由該文獻的圖4可知，在沒有納米粒子的情況下，電場的增強度為IeVeci4I?15，即|e|?17.8|eJ，在納米粒子存在于柱的側面的情況下，為IeVeq4I?1'即E?56.21E01。
[0006]另一方面，在專利文獻I中，公開了將金屬構造體直接形成于基體之上的目標物質檢測裝置。在該文獻的裝置中，金屬構造體被配置為矩陣狀，矩陣的一個方向的金屬構造體間的間隔小于另一個方向的金屬構造體間的間隔而配置。并且，狹窄一方的間隔為共振波長的1/10以下，入射該間隔狹窄方向的偏振光，寬闊一方的間隔成為共振波長的1/4至共振波長的范圍。并且，該文獻的0008段中記載了表示當縮小金屬構造體的距離時，能夠增大電場增強度，但導致吸收光譜的峰寬變大的問題，在該文獻0018段等中記載了為了解決該問題而使基體的折射率和金屬構造體周邊的介質的折射率接近等的方法。在該文獻的0047段記載了通過上述方法能夠使基體和金屬構造體界面的等離子體共振條件接近且吸收光譜的峰寬變窄的內容。此外，在該文獻的0031段記載了當擴大狹窄一方的間隔時，電場增強度變小，暗示了在該文獻記載的裝置中使用局域型等離子體。
[0007]【現有技術文獻】
[0008]【專利文獻】
[0009]專利文獻1:日本特開2009-085724號公報
[0010]非專利文獻
[0011 ]非專利文獻 I:0PTICS LETTERS, Vol.34，N0.3，2009，244-246
[0012]非專利文獻2:0PTICS EXPRESS, Vol.19，N0.5，2011，3925-3936
[0013]但是，在上述非專利文獻I所公開的構造中，表面等離子體的熱點(HS)為幾納米以下且非常局部地形成，對于病毒等的5nm以上大小的試料檢查未必適合。也就是說，混合化GSPP模型存在如下等問題:(I)雖然能夠提高熱點中的增強度，但是由于金屬粒子(金粒子)的陣列中的排列的節距為幾乎等于激勵波長的780nm(PSP產生的條件)，因此難以提高熱點密度、(2)由于熱點所形成的位置為金屬粒子(金粒子)和基底S12的接點附近，因此，成為作為傳感對象的物質(分子)難以進入(難以接近)的狹窄區域、(3)用于形成傳感器構造的制造工序復雜。
[0014]此外，在非專利文獻2所公開的技術中，由于通過蒸鍍形成納米粒子，因此納米間隙的控制困難，在該文獻中還報告了由于該偏差導致的SERS增強的均一性為22.4%這一較大的值。并且，由于該文獻的納米間隙狹窄至5nm以下，因此與非專利文獻I同樣地存在如下問題:傳感物質(成為測定對象的物質)的大小為大至例如直徑5nm以上的情況下，由于傳感物質難以進入產生于納米間隙的熱點，因此不能足夠地提高SERS效果。
[0015]此外，在上述專利文獻I的目標物質檢測裝置中，將金屬構造體直接呈格子狀地排列于基板，使用電場偏向排列密集方向的偏振光。因此，將上述金屬構造體排列為一列的衍射光柵，使用Wood的異常(Wood’ s anomalies)的功能。因此,在該文獻中，通過局域型等離子體和金屬構造體所制造的狹縫的透過光量和金屬構造體的存在概率，對現象進行了說明。并且，在該裝置中，金屬層等不存在于金屬構造體的基底，沒有使用傳播型等離子體，因此，不能期待特別大的增強效果，難以適用于SERS。


【發明內容】

[0016]本發明為了解決上述問題的至少一部分而完成，幾個實施方式所涉及的目的之一為提供熱點露出于光學元件的表面并且等離子體振子增強效果高的分析裝置、分析方法、用于他們的光學元件及電子設備。
[0017]本發明為了解決上述問題的至少一部分而完成，可以作為如下的方式或者實施例而實現。
[0018]本發明涉及的分析裝置的一方式具備:光學元件，包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層的電介體柱上，并與所述第一金屬層電絕緣，沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而構成第一金屬列，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置；光源，將入射光照射至所述光學元件；以及檢測器，檢測從所述光學元件放射的光，所述光學元件的所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
[0019]Pl < P2 彡 Q+Pl...(I)
[0020]這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
[0021]( ω /c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
[0022]通過上述分析裝置，具備為第二金屬層的上表面及下表面的端部均能夠接觸測定對象的構造的光學元件，熱點露出于元件表面。因此，作為分析對象的物質易于位于熱點。此外，由于第一金屬層配置于第二金屬層的附近，因此能夠產生局域型等離子體及傳播型等離子體的共振效果。因此，基于等離子體的光的增強度非常大，能夠非常高靈敏度地分析作為分析對象的物質。
[0023]本發明涉及的分析裝置的一方式具備:光學元件，包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置在形成于所述第一金屬層上的電介體柱上，并與所述第一金屬層電絕緣，沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而構成第一金屬列，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置；光源，將入射光照射至所述光學元件；以及檢測器，檢測從所述光學元件放射的光，所述光學元件的所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
[0024]Pl < Ρ2 彡 Q+P1...(I)
[0025]這里，Pl為所述第一節距，Ρ2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε，將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
[0026]( ω /c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
[0027]通過上述分析裝置，具備為第二金屬層的上表面及下表面的端部均能夠接觸測定對象的構造的光學元件，熱點露出于元件表面。因此，作為分析對象的物質易于位于熱點。此外，由于第一金屬層配置于第二金屬層的附近，因此能夠產生局域型等離子體及傳播型等離子體的共振效果。因此，基于等離子體的光的增強度非常大，能夠非常高靈敏度地分析作為分析對象的物質。
[0028]在本發明的分析裝置中，所述分析裝置也可以包括沿所述第一方向以第三節距排列有多個所述第二金屬層的第二金屬列，所述第二金屬列也可以沿所述第二方向以所述第二節距排列，且與所述第一金屬列交替地排列配置。
[0029]通過上述分析裝置，能夠提高熱點密度。
[0030]在本發明的分析裝置中，所述第一節距也可以與所述第三節距相同，屬于所述第一金屬列的第二金屬層和屬于所述第二金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度也可以相同。
[0031]通過上述分析裝置，對于依存于作為分析對象的物質的散射光的波長，能夠提高調整光學元件的增強度曲線時的自由度，能夠提高熱點密度。
[0032]在本發明的分析裝置中，屬于所述第一金屬列的第二金屬層和屬于所述第二金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度中的至少一種也可以不同。
[0033]通過上述分析裝置，對于依存于作為分析對象的物質的散射光的波長，能夠提高調整光學元件的增強度曲線時的自由度。由此，對于廣范圍的分析對象，能夠得到足夠高的等離子體增強效果。
[0034]在本發明的分析裝置中，所述光學元件也可以包括:沿所述第一方向以第三節距排列有多個所述第二金屬層的第二金屬列；以及沿所述第一方向以第四節距排列有多個所述第二金屬層的第三金屬列，所述第二金屬列及所述第三金屬列分別沿所述第二方向以所述第二節距排列且與所述第一金屬列交替地排列配置，分別屬于所述第一金屬列、所述第二金屬列及所述第三金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度中的至少一種彼此不同。
[0035]通過上述分析裝置，對于依存于作為分析對象的物質的散射光的波長，能夠提高調整光學元件的增強度曲線時的自由度。由此，對于廣范圍的分析對象，能夠得到足夠高的等離子體增強效果。
[0036]在本發明的分析裝置中，所述入射光也可以是與所述第一方向相同方向的直線偏振光。
[0037]在本發明的分析裝置中，所述入射光也可以是與所述第二方向相同方向的直線偏振光。
[0038]在本發明的分析裝置中，所述入射光也可以是圓偏振光。
[0039]通過上述分析裝置，由于能夠廣范圍地取得基于光學元件的等離子體的光的增強度曲線，因此，能夠容易地進行廣范圍的微量物質的檢測、測定。
[0040]在本發明的分析裝置中，所述檢測器檢測也可以通過所述光學元件被增強的拉曼散射光。
[0041]通過上述分析裝置，由于具備基于等離子體的光的增強度大的光學元件，因此能夠足夠地增強拉曼散射光，能夠容易地進行微量物質的鑒定。
[0042]本發明涉及的光學元件的一方式包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而構成第一金屬列，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置，所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
[0043]Pl < P2 彡 Q+P1...(I)
[0044]這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
[0045]( ω /c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
[0046]根據上述光學元件，成為第二金屬層的上表面及下表面的端部均能夠接觸測定對象的構造，熱點露出于元件表面。因此，作為分析對象的物質易于位于熱點。此外，由于第一金屬層配置于第二金屬層的附近，因此能夠產生局域型等離子體及傳播型等離子體的共振效果。因此，能夠較大地取得基于等離子體的光的增強度。
[0047]本發明涉及的分析方法的一方式是將入射光照射至光學元件，檢測對應所述入射光的照射而從所述光學元件放射的光，并分析附著于光學元件表面的對象物的分析方法，所述光學元件包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層而形成的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而構成第一金屬列，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置，所述光學元件的所述第二金屬層以滿足下述式(I)的關系的方式配置，
[0048]Pl < P2 彡 Q+P1...(I)
[0049]這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
[0050]( ω /c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
[0051]通過上述分析方法，由于使用基于等離子體的增強度大的光學元件，因此能夠容易地進行微量物質的檢測、測定，能夠極高敏感度地分析作為分析對象的物質。
[0052]本發明涉及的分析方法的一方式是將入射光照射至光學元件，檢測對應所述入射光的照射而從所述光學元件放射的光，并分析附著于光學元件表面的對象物的分析方法，所述光學元件包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置在形成于所述第一金屬層上的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而構成第一金屬列，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置，所述光學元件的所述第二金屬層的配置以滿足下述式(I)的關系的方式配置，
[0053]Pl < Ρ2 彡 Q+P1...(I)
[0054]這里，Pl為所述第一節距，Ρ2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
[0055]( ω /c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
[0056]通過上述分析方法，由于使用基于等離子體的增強度大的光學元件，因此能夠容易地進行微量物質的檢測、測定，能夠極高敏感度地分析作為分析對象的物質。
[0057]本發明涉及的電子設備的一方式具備:上述分析裝置；運算部，基于來自所述檢測器的檢測信息對健康醫療信息進行運算；存儲部，存儲所述健康醫療信息；以及顯示部，顯示所述健康醫療信息。
[0058]通過上述電子設備具備基于等離子體的增強度大的光學元件，能夠容易地進行微量物質的檢測，能夠提供聞精度的健康醫療?目息。
[0059]在本發明的電子設備中，所述健康醫療信息也可以包括:有關從由細菌、病毒、蛋白質、核酸及抗原/抗體構成的組中選擇的至少一種生物體關聯物質、或者從無機分子及有機分子中選擇的至少一種化合物的有無或量的信息。
[0060]通過上述電子設備，能夠提供有用的健康醫療信息。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0061]圖1為示意性示出實施方式的光學元件的立體圖。
[0062]圖2為從第一金屬層的厚度方向觀察實施方式的光學元件的示意圖。
[0063]圖3為實施方式的光學兀件的垂直于第一方向的截面的不意圖。
[0064]圖4為實施方式的光學兀件的垂直于第二方向的截面的不意圖。
[0065]圖5為從第一金屬層的厚度方向觀察實施方式的光學兀件的不意圖。
[0066]圖6為示出入射光以及金及銀的分散曲線的分散關系的圖表。
[0067]圖7為示出Ag的電容率和波長的關系的圖表。
[0068]圖8為示出金屬的分散曲線、局域型等離子體及入射光的分散關系的圖表。
[0069]圖9(a)、圖9(b)為將實施方式的光學元件的主要部分與GSPP模型比較而示出的示意圖。
[0070]圖10為示出第二金屬列的一例的平面示意圖。
[0071]圖11為示出第二金屬列的一例的平面示意圖。
[0072]圖12為實施方式的分析裝置的概略圖。
[0073]圖13為實施方式的電子設備的概略圖。
[0074]圖14為示出實驗例涉及的模型的一例的示意圖。
[0075]圖15為示出實驗例涉及的模型及反射率特性的示意圖。
[0076]圖16為示出實驗例涉及的反射率特性及增強度曲線的圖表。
[0077]圖17為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0078]圖18為示出實驗例涉及的模型的熱點的分布的圖表。
[0079]圖19為示出實驗例涉及的模型的熱點的分布的圖表。
[0080]圖20為示意性示出實驗例涉及的模型的圖。
[0081]圖21為示意性示出實驗例涉及的模型的圖。
[0082]圖22為示出實驗例涉及的模型的熱點的位置依存性的圖表。
[0083]圖23為示意性示出實驗例涉及的模型的圖。
[0084]圖24為示出實驗例涉及的反射率特性及增強度曲線的圖表。
[0085]圖25為示出實驗例涉及的模型的標準化反射率特性的圖表。
[0086]圖26為實驗例涉及的分散關系的圖表。
[0087]圖27為示出實驗例涉及的模型的增強度曲線及拉曼散射增強度的圖表。
[0088]圖28為實驗例涉及的分散關系的圖表。
[0089]圖29為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0090]圖30為實驗例涉及的分散關系的圖表。
[0091]圖31為示出實驗例涉及的模型的一例的示意圖。
[0092]圖32為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0093]圖33(a)?圖33(c)為示出實驗例涉及的模型的示例的示意圖。
[0094]圖34為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0095]圖35為示出實驗例涉及的模型的示例的示意圖。
[0096]圖36為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0097]圖37為示出實驗例涉及的模型的反射率特性及增強度曲線的圖表。
[0098]圖38為示出實驗例涉及的模型的示例的示意圖。
[0099]圖39為示出實驗例涉及的模型的反射率特性的圖表。
[0100]符號說明
[0101]I基板10第一金屬層
[0102]20介電體柱30第二金屬層
[0103]31第一金屬列32第二金屬列
[0104]33第三金屬列100、200、250光學元件
[0105]300光源400檢測器
[0106]1000分析裝置2000電子設備
[0107]2010運算部2020存儲部
[0108]2030 顯示部。

【具體實施方式】
[0109]以下，對本發明的幾個實施方式進行說明。以下所說明的實施方式說明了本發明的一例。本發明不受到以下的實施方式的任何限定，本發明包含在不變更本發明的主旨的范圍內所實施的各種變形方式。此外，以下所說明的構成的全部不一定是本發明的必須的構成。
[0110]1.光學元件
[0111]圖1為本實施方式的光學元件100的立體圖。圖2為俯視觀察(從第一金屬層10的厚度方向觀察)本實施方式的光學元件100的示意圖。圖3及圖4為本實施方式的光學元件100的截面的示意圖。圖5為從第一金屬層10的厚度方向觀察本實施方式的光學元件100的其他方式的示例的示意圖。本實施方式的光學元件100包括第一金屬層10、配置于貫通第一金屬層10的電介體柱20上的第二金屬層30。
[0112]1.1.第一金屬層
[0113]第一金屬層10只要為提供不透過光的金屬的表面的結構，則沒有特別的限定，例如可以形成為薄膜、層或膜的形狀。第一金屬層10例如可以設置于基板I上。作為此時的基板1，沒有特別的限定，優選難以對第一金屬層10所激勵的傳播型等離子體施加影響的結構。作為基板1，例如可以例舉玻璃基板、硅基板、樹脂基板等。基板I的設置有第一金屬層10的面的形狀沒有特別的限定。在第一金屬層10的表面形成規則構造的情況下，可以具有對應于該規則構造的表面，在將第一金屬層10的表面形成為平面的情況下，可以將對應的部分的表面形成為平面。在圖1?圖5的示例中，第一金屬層10設置于基板I的表面(平面)上。
[0114]這里雖然使用了平面的表述，但該表述并非指表面沒有一點的凹凸而平坦(光滑)的數學上嚴密的平面。例如，有表面上存在構成的原子所產生的凹凸、構成的物質的二維構造(結晶、粒塊、粒界等)所產生的凹凸的情況，存在微觀看非嚴密的平面的情況。但是，即便這種情況，從較為宏觀的觀點看的話，這些凹凸不明顯，可以觀測為將表面稱為平面也無妨的程度。因此，在本說明書中，如果從這種較為宏觀的觀點來看可以視為平面的話，可以將其稱為平面。
[0115]此外，在本實施方式中，第一金屬層10的厚度方向可以與后述的第二金屬層30的厚度方向一致。在本說明書中，在對后述的介電體柱20、第二金屬層30進行說明的情況下等，也有將第一金屬層10的厚度方向稱為深度方向、高度方向等情況。此外，例如，第一金屬層10設置于基板I的表面的情況下，有將基板I的表面的法線方向稱為厚度方向、深度方向或者高度方向的情況。此外，從基板I來看，存在將第一金屬層10側的方向表述為上或者上方，將其相反方向表述為下或者下方的情況。
[0116]第一金屬層10通過后述的介電體柱20，至少表面被貫通。所謂表面被貫通包括:在第一金屬層10薄的情況下,第一金屬層10被介電體柱20貫通的情況；在第一金屬層10厚的情況下，介電體柱20的下部埋入第一金屬層10的表面側的情況。
[0117]第一金屬層10例如可以通過蒸鍍、濺射、鑄造、機械加工等的方法形成。此外，第一金屬層10可以通過與后述的第二金屬層30相同的工序形成。在第一金屬層10以薄膜狀設置于基板I上的情況下，可以設置于除介電體柱20以外的基板I的整個平面，也可以設置于基板I的一部分。第一金屬層10的厚度只要能夠在第一金屬層10激勵傳播型等離子體，則并沒有特別的限定，例如可以為1nm以上Imm以下，優選20nm以上10ym以下，更優選30nm以上I μ m以下。
[0118]第一金屬層10可以通過如下的金屬構成:通過入射光施加的電場與由該電場感應的極化以相反相位振動的電場得以存在的金屬，也就是說，施加指定的電場的情況下，能夠具有電容率的實數部具有負的值(負的電容率)、虛數部的電容率具有比實數部的電容率的絕對值小的電容率的金屬。作為在可視光區域中的具有這種電容率的金屬的例子，可以例舉銀、金、鋁、鉬及它們的合金等。此外，第一金屬層10的表面(厚度方向的端面)有沒有指定的結晶面都可以。
[0119]第一金屬層10具有在本實施方式的光學元件100中使得傳播型等離子體產生的功能。通過以后述的條件使光入射至第一金屬層10，從而在第一金屬層10的表面(厚度方向的端面)附近產生傳播型等離子體。此外，在本說明書中，有時將第一金屬層10表面附近的電荷的振動和電磁波耦合的振動的量子稱為表面等離子體激元(SPP:Surface PlasmonPlariton)。產生于第一金屬層10的傳播型等離子體與產生于后述的第二金屬層30的局域型等離子體在一定的條件下能夠相互作用(混合)。
[0120]1.2.介電體柱
[0121]介電體柱20貫通第一金屬層10的表面而設置。并且，第二金屬層30配置于介電體柱20上。因此,第一金屬層10和第二金屬層30空間上相隔而配置。
[0122]介電體柱20的形狀為從第一金屬層10的上側表面突出的形狀，只要是能夠將第二金屬層30配置于介電體柱20上的形狀，則沒有特別的限定。作為介電體柱20的形狀，可以例舉例如柱狀、錐梯狀、倒錐梯狀、凸起(bump)狀等。以平行于基板I的表面的面切開介電體柱20的截面的形狀(輪廓形狀)可以為圓、橢圓、多角形或者它們的組合，該截面的形狀、大小(尺寸:size)依存于距離基板I的表面的該截面的位置而變化。
[0123]在第一金屬層10為薄膜的情況下，介電體柱20可以與基板I 一體地形成。在圖1至圖5的示例中，介電體柱20與基板I 一體地形成。此外，在第一金屬層10的厚度大的情況下，介電體柱20可以埋入形成于第一金屬層10的上表面的孔。介電體柱20的材質可以與基板I相同也可以不同。
[0124]介電體柱20例如可以在成形基板I時形成。此外，介電體柱20例如可以將蒸鍍、濺射、CVD、各種涂膜等與光刻蝕的方法組合的方法、微接觸印刷法、奈米壓印法等形成。此夕卜，介電體柱20也可以通過如下的方式形成:形成第一金屬層10后，通過光蝕刻法等在第一金屬層10上形成貫通或者非貫通的孔，將介電體柱20埋入該孔。介電體柱20也可以在形成第一金屬層10之前形成。在第一金屬層10的形成前形成介電體柱20的情況下，既有可以通過一個工序形成第一金屬層10和第二金屬層30的情況，也有可以高效地進行光學元件100的制造的情況。
[0125]只要是第一金屬層10的傳播型等離子體和第二金屬層30的局域型等離子體能夠相互作用，則介電體柱20的高度(從第一金屬層10的“下表面”的位置至第二金屬層30的下表面的位置的第一金屬層10的厚度方向上的距離)沒有特別的限定。
[0126]介電體柱20的高度可以為能夠使用高次干涉效果的高度。介電體柱20的高度例如為Inm以上I μ m以下,優選5nm以上500nm以下,更優選1nm以上10nm以下,進一步優選15nm以上80nm以下,特別優選20nm以上60nm以下，以能夠得到所述相互作用、干涉效果的方式而設定。
[0127]此外，在本說明書中，將從第一金屬層10的“上表面”的位置至第二金屬層30的下表面的位置的第一金屬層10的厚度方向的距離稱為“間隙”，有時在附圖等中表示為“G”。
[0128]介電體柱20的平面的大小(尺寸)(介電體柱20的與高度方向正交的方向的大小)是指能夠通過與介電體柱20的高度方向平行的平面切開介電體柱20的指定方向的區間的長度，例如為5nm以上200nm以下。例如，介電體柱20的形狀為以高度方向為中心軸的圓柱的情況下，介電體柱20的大小(圓柱的直徑)為1nm以上200nm以下，優選20nm以上150nm以下，更優選25nm以上10nm以下，進一步優選30nm以上72nm以下。此外，介電體柱20的上表面的平面的大小(尺寸)可以比后述的第二金屬層30的平面的大小大。
[0129]此外，在本說明書中，在介電體柱20的形狀為以高度方向為中心軸的圓柱的情況下，有時將該介電體柱20的直徑在附圖等中表示為“D”。
[0130]介電體柱20可以具有正的電容率，例如由Si02、A1203、T12、高分子(樹脂)、ITOdndium Tin Oxide,銦錫氧化物)或者他們的復合體形成。此外,介電體柱20既可以含有介電體，也可以不含有介電體，任一情況下都稱為介電體柱20。此外，介電體柱20可以通過材質互不相同的多個部分(例如層疊構造)構成。
[0131]產生于第二金屬層30的局域型等離子體的激勵峰值頻率有時會由于介電體柱20的大小、高度而移動，因此，在后述的節距P2的設定等中，求取局域型等離子體的峰值激勵波長時，有時需要對此予以考慮。
[0132]1.3.第二金屬層
[0133]第二金屬層30在厚度方向上與第一金屬層10分離而設置。第二金屬層30可以與第一金屬層10在空間上分離配置。本實施方式的圖1?圖5的示例中，通過將第二金屬層30形成于貫通第一金屬層10的介電體柱20上,從而第一金屬層10和第二金屬層30在介電體柱20的高度方向上空間上分離配置。
[0134]第二金屬層30的形狀沒有特別的限定。例如，第二金屬層30的形狀在投影于第一金屬層10的厚度方向的情況下(從厚度方向俯視觀察時)，可以為圓形、橢圓形、多角形、不定形或者它們組合的形狀。此外，第二金屬層30的形狀在投影于第一金屬層10的厚度方向的情況下(從厚度方向俯視觀察時)，可以與第一金屬層10有重疊也可以沒有。
[0135]第二金屬層30的形狀在投影于與第一金屬層10的厚度方向正交的方向的情況下(側面視的情況下)，存在成為沿著介電體柱20的上表面的形狀的部分，該部分可以為圓形、橢圓形、多角形、不定形或者它們組合的形狀。在圖1?圖5的示例中，例示了第二金屬層30均為在第一金屬層10的厚度方向具有中心軸的圓柱狀(圓盤狀(盤狀))的形狀，在側面視時為矩形。
[0136]第二金屬層30的高度方向的大小T(薄膜狀的情況下為厚度T)是指能夠通過垂直于高度方向的平面切開第二金屬層30的高度方向的區間的長度，其為1nm以上Imm以下，優選20nm以上100 μ m以下，更優選30nm以上I μ m以下。第二金屬層30的高度方向的大小(厚度)可以與第一金屬層10的厚度相同也可以不同。
[0137]并且，第二金屬層30的與高度方向正交的方向的大小是指能夠通過平行于高度方向的平面切開第二金屬層30的指定的方向的區間的長度，其為5nm以上200nm以下。例如，第二金屬層30的形狀為以高度方向為中心軸的圓盤狀的情況下，第二金屬層30的第一方向的大小(圓盤的直徑)為1nm以上200nm以下，優選20nm以上150nm以下，更優選25nm以上10nm以下，進一步優選30nm以上72nm以下。
[0138]此外，在本說明書中，在第二金屬層30的形狀為以高度方向為中心軸的圓盤的情況下，有時將該第二金屬層30的直徑在附圖等中表示為“D”。
[0139]第二金屬層30的形狀、材質只要能夠通過入射光的照射而產生局域型等離子體，可以為任意。作為通過可見光附近的光而能夠產生局域型等離子體的材質可以例舉銀、金、鋁、鉬及它們的合金等。
[0140]第二金屬層30例如可以通過濺射、蒸鍍(包括根據需要而傾斜的方式)而形成，進一步可以根據需要，在上述工序之后，通過形成圖案的方法、微接觸印刷法、奈米壓印法等而形成。此外，第二金屬層30可以通過膠體化學方法形成，可以通過適合的方法將膠體微粒子配置于介電體柱20上。
[0141]第二金屬層30具有在本實施方式的光學元件100中使得局域型等離子體產生的功能。如后所述，通過使入射光照射至第二金屬層30，從而在第二金屬層30的周邊產生局域型等離子體。產生于第二金屬層30的局域型等離子體與產生于上述第一金屬層10的傳播型等離子體，在一定的條件下能夠相互作用(混合)。
[0142]1.4.第二金屬層的配置
[0143]如圖1?圖5所不,第二金屬層30與介電體柱20 —起在第一方向上以第一節距Pl排列多個而構成第一金屬列31。并且，該第一金屬列31在與第一方向交叉的第二方向上以第二節距P2排列多個而配置。此外，作為在第一方向上排列多個配置的排列方法，第二金屬層30可以沿第一方向成行，例如交錯配置一樣，只要能夠指定第一金屬列31，相鄰的第二金屬層30在第二方向上也可以一定程度偏離。在圖示的示例中，第一金屬列31中的第二金屬層30在第一方向上直線狀排列。
[0144]第二金屬層30在第一金屬列31中，沿與第一金屬層10的厚度方向正交的第一方向上排列而配置。因此，上述的介電體柱20在與第一金屬層10的厚度方向正交的第一方向上排列而配置，其上的第二金屬層30在與高度方向正交的第一方向上排列多個而構成第一金屬列31。在第二金屬層30在俯視時具有長形形狀的情況下(具有各向異性的形狀的情況)，第二金屬層30所排列的第一方向不一定與該長形方向一致。排列于一個第一金屬列31的第二金屬層30的數目可以為多個，優選為10個以上。并且，屬于第一金屬列31的第二金屬層30的大小(尺寸:大小(size))、形狀及所處的高度(間隙)的至少一種只要與產生于第二金屬層30的局域型等離子體的峰值波長大致一致，則相互可以相同也可以不同。
[0145]在此，將第一金屬列31內的第一方向的第二金屬層30的俯視時的重心間的距離定義為節距Pl (參照圖2、圖4、圖5)。在第二金屬層30為以第一金屬層10的厚度方向為中心軸的圓盤狀的情況下，第一金屬列31內的兩個第二金屬層30之間的間隔等于從節距Pl減去圓盤的直徑而得的長度。當該間隔變小時，作用于粒子間的局域型等離子體的效果增大，能夠增大增強度。第一方向中的第二金屬層30之間的間隔為5nm以上I μ m以下，優選5nm以上10nm以下,更優選5nm以上30nm以下。
[0146]第一金屬列31內的第一方向的第二金屬層30的節距Pl為1nm以上I μ m以下，優選20nm以上800nm以下，更優選30nm以上且不足780nm,進一步優選50nm以上且不足700nmo
[0147]第一金屬列31通過在第一方向上以節距Pl排列的多個第二金屬層30構成，產生于第一金屬列31的第二金屬層30的局域型等離子體的分布/強度等也依存于該第二金屬層30的排列。從而，與產生于第一金屬層10的傳播型等離子體相互作用的局域型等離子體不僅為產生于單一的第二金屬層30的局域型等離子體，也為考慮了第二金屬層30的在第一金屬列31中的排列的局域型等離子體。
[0148]如圖1?圖5所示，第一金屬列31在第一金屬層10的厚度方向及與第一方向交叉的第二方向上以節距P2排列而配置。第一金屬列31所排列的數目可以為多列，優選為10列以上。
[0149]在此，將相鄰的第一金屬列31的第二方向中的重心間的距離定義為節距P2(參照圖2、圖3、圖5等)。第一金屬列31之間的節距P2按照在以下的“1.4.1.傳播型等離子體及局域型等離子體”中敘述的條件而設定，例如，為1nm以上10 μ m以下，優選20nm以上2 μ m以下,更優選30nm以上1500nm以下,進一步優選60nm以上1310nm以下,特別優選60nm以上660nm以下。
[0150]此外，沿第一金屬列31延伸的第一方向的線、以及將分別屬于相鄰的第一金屬列31的兩個第二金屬層30且為彼此最接近的兩個第二金屬層30連結的線所形成的角沒有特別的限定，可以為直角也可以不為直角。例如，可以如圖2所示二者形成的角為直角，也可以如圖5所示，二者形成的角不為直角。也就是說，當將從厚度方向觀察的第二金屬層30的排列視為以第二金屬層30的位置為格點的二維格的情況下，已約基本單位格既可以為長方形的形狀，也可以為平行四邊形的形狀。此外，在沿第一金屬列31延伸的第一方向的線、以及將分別屬于相鄰的第一金屬列31的兩個第二金屬層30且為彼此最接近的兩個第二金屬層30連結的線所形成的角不為直角的情況下，可以將分別屬于相鄰的第一金屬列31的兩個第二金屬層30且為彼此最接近的兩個第二金屬層30之間的節距設定為節距P2。
[0151]1.4.1.傳播型等離子體及局域型等離子體
[0152]首先，對傳播型等離子體進行說明。圖6為示出入射光、銀、金的分散曲線的分散關系的圖表。通常，即使使光以O?90度的入射角(照射角Θ)入射至第一金屬層10，也不產生傳播型等離子體。這是由于例如在第一金屬層10由Ag構成的情況下，如圖6所示，光線(LightLine)與Ag的SPP的分散曲線沒有交點(周邊折射率彼此相同的情況)。并且，即使光通過的介質的折射率變化，由于Ag的SPP也隨著周邊的折射率而變化，因此，還是沒有交點。為了使其具有交點而產生傳播型等離子體，有如下的方法:如克雷奇曼(Kretschmann)配置一樣，將金屬層設置于棱鏡上，通過棱鏡的折射率而增加入射光的波數的方法、通過衍射光柵而增加光線的波數的方法。此外，圖6為示出分散關系的圖表(縱軸為角振動頻率[ω (eV)]、橫軸為波數矢量[k(eV/c)])。
[0153]并且，圖6的圖表的縱軸的角振動頻率ω (eV)具有λ (nm) = 1240/ω (eV)的關系，能夠換算為波長。此外，同圖表的橫軸的波數矢量k(eV/c)具有k(eV/c) = 2 π.2/[λ (nm)/100]的關系。因此，例如λ = 600nm時，則k = 2.09(eV/c)。此外，入射角為入射光的照射角，且為與第一金屬層10的厚度方向或者第二金屬層30的高度方向的傾角。
[0154]圖6中示出Ag及Au的SPP的分散曲線，一般情況下，將入射至第一金屬層10的入射光的角振動頻率設為ω、將真空中的光速設為C、將構成第一金屬層10的金屬的電容率設為ε (ω)、將周邊的電容率設為ε時，該金屬的SPP的分散曲線通過式(3)而賦予。
[0155]Kspp = ω /c [ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω )) ]1/2...(3)
[0156]另一方面，將作為入射光的照射角即與第一金屬層10的厚度方向或者第二金屬層30的高度方向的傾角設為Θ，通過具有節距Q的假想的衍射光柵的入射光的波數K可以通過式(4)表示，該關系在分散關系的圖表上，不以曲線而以直線來表現。
[0157]K = η.(ω/c).sin Θ +m.2 π /Q(m = ± 1，±2，...)...(4)
[0158]此外，如果將η設為周邊折射率，將消光系數設為K的話，光的角振動頻率中的電容率ε的實數部ε ’和虛數部ε ”分別通過ε ’ = η2-Κ2、ε ” = 2η κ而被賦予，如果周邊的物質透明，則由于K?0，因此，ε為實數，ε =η2，通過η= ε 1/2而被賦予。
[0159]在分散關系的圖表中，金屬的SPP的分散曲線(上述式(3))和衍射光的直線(上述式(4))具有交點的情況下，傳播型等離子體被激勵。也就是說，在Kspp = K的關系成立時，傳播型等離子體在第一金屬層10被激勵。
[0160]因此，從上述式(3)及式(4)能夠得到以下的式(2)，
[0161](ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)
[0162]可以理解如果滿足該式(2)的關系，則傳播型等離子體在第一金屬層10被激勵。這種情況下，以圖6的Ag的SPP的示例來說的話,通過使Θ及m變化,能夠使光線的傾斜度及/或切片變化，能夠使光線的直線相對于Ag的SPP的分散曲線交叉。
[0163]下面，對局域型等離子體進行說明。使第二金屬層30產生局域型等離子體的條件，通過電容率的實數部而賦予。
[0164]Real [ ε(ω)]=_2ε...(5)
[0165]設周邊的折射率η為I時，由于ε = η2-κ 2 = 1，因此Real [ ε (ω) ] =-2。
[0166]作為一例，圖7示出Ag的電容率和波長的關系的圖表。例如，Ag的電容率為圖7所示，局域型等離子體被約400nm以上的波長所激勵，多個Ag構造體以納米級接近的情況下、或者Ag構造體和第一金屬層10(Ag膜等)通過介電體柱20(Si02)被隔開配置的情況下，由于該間隙的影響，局域型等離子體的激勵峰值波長發生紅移(向長波長側偏移)。該偏移量依存于Ag構造體的大小、深度、間隔、節距、介電體柱20的高度(間隙)等的尺寸，例如顯示出局域型等離子體在500nm?900nm成為峰值的波長特性。
[0167]此外，局域型等離子體與傳播型等離子體不同，不具有速度，為不移動的等離子體，在分散關系的圖表中繪制的話，傾斜度為0，即ω/k = O。
[0168]圖8為示出周邊折射率為I時的金屬(Ag、Au)的分散曲線、局域型等離子體及入射光的分散關系的圖表。本實施方式的光學元件100通過使局域型等離子體與傳播型等離子體電磁性結合(Electromagnetic Coupling),以得到極大的電場的增強度。也就是說,本實施方式的光學元件100的特征之一在于，在分散關系的圖表中，并不是將衍射光的直線和金屬的SPP的分散曲線的交點設為任意的點,而是在產生于第二金屬層30 (第一金屬列31)的局域型等離子體中施加最大或者極大的增強度的點的附近使二者交叉(參照圖28)。
[0169]換言之，在本實施方式的光學元件100中，以如下的方式設計:衍射光的直線通過金屬的SPP的分散曲線和在產生于第二金屬層30 (第一金屬列31)的局域型等離子體中施加最大或者極大的增強度的入射光的角振動頻率(在圖8的分散關系的圖表上，標記為LSP的平行于橫軸的線)的焦點的附近。
[0170]在此，所謂交點的附近是指在換算為波長的情況下，為入射光的波長的±10%左右的長度的波長的范圍內、或者入射光的波長的土Pl (第二金屬層30在第一金屬列31內的節距Pl的幅度)左右的長度的波長的范圍內。
[0171]在上述式(3)、式(4)及式(2)中，將入射至第一金屬層10的入射光的角振動頻率設為ω而示出傳播型等離子體被激勵的條件，為了使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合(相互作用)產生，在本實施方式的光學元件100中，上述式(3)、式(4)及式(2)中的ω是在產生于第二金屬層30 (第一金屬列31)的局域型等離子體中施加最大或者極大的增強度的入射光的角振動頻率或其附近的角振動頻率。
[0172]因此，在將第一金屬列31中被激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω的情況下，如果滿足上述式(2)的話，則能夠使得局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生。
[0173]因此，將第二金屬層30以節距Pl排列的第一金屬列31中產生的局域型等離子體的角振動頻率設為ω，在分散關系的圖表中，如果使以照射角Θ入射至節距Q的假想的衍射光柵而衍射的衍射光(次數m)的直線通過金屬的SPP的分散曲線的ω的位置的附近的話(滿足式(2)的話)，則能夠使得局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生，能夠得到極大的增強度。換言之，在圖8所示的分散關系的圖表中，使光線的傾斜度及/或切片變化，以通過SPP和LSP的交點附近的方式使光線變化，從而能夠使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生，且能夠得到極大的增強度。
[0174]1.4.2.節距 P2
[0175]如下設定第一金屬列31之間的節距P2。在使用垂直入射(入射角Θ = O)并且I次的衍射光(m = O)的情況下，使節距P2為節距Q的話，則能夠滿足式⑵。但是，根據所選擇的入射角Θ及衍射光的次數m，能夠滿足式(2)的節距Q具有一定的幅度。并且，這種情況下的入射角Θ優選從厚度方向向第二方向的傾角，也可以為向包含第一方向的成分的方向的傾角。
[0176]因此，考慮到為上述的交點附近(土Pl的幅度)，能夠使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生的列節距P2的范圍為式(6)。
[0177]Q-Pl 彡 P2 彡 Q+P1...(6)
[0178]另一方面，雖然節距P2為第一金屬列31之間的第二方向的節距，但屬于相鄰的第一金屬列31的兩個第二金屬層30之間的節距根據兩個第二金屬層30的選擇方法，連結它們的直線可以相對于第二方向傾斜。也就是說，可以以具有比節距P2長的間隔的方式選擇屬于相鄰的第一金屬列31的兩個第二金屬層30。圖2中描繪了對此說明的輔助線，可以沿相對于第二方向傾斜的方向，從相鄰的第一金屬列31中選擇以比節距P2長的距離離開的兩個第二金屬層30。如前所述，由于相鄰的第一金屬列31為彼此相同的第一金屬列31,因此，可以將從厚度方向觀察到的第二金屬層30的排列視為以第二金屬層30的位置為格點的二維格。于是，在該二維格上存在比節距P2長的間隔(衍射光柵)。
[0179]因此，以節距Pl及節距P2排列的第二金屬層30的矩陣能夠期待具有比該節距P2大的間隔的衍射光柵產生的衍射光。因此，上述式(6)的左側的不等式可以為Pl <P2。換言之，在式(6)中，即使在列節距P2比Q-Pl小的情況下，也能夠存在具有能夠滿足式(2)的節距Q的衍射光柵，因此能夠使局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生。因此，節距P2可以為比Q-Pl小的值，只要滿足Pl <P2的關系即可。
[0180]如上可知，本實施方式的光學元件100中的第一金屬列31之間的節距P2，如果滿足下述式(I)的話，則能夠使得局域型等離子體和傳播型等離子體的混合產生。
[0181]Pl < P2 彡 Q+P1...(I)
[0182]1.4.3.構造的特征及熱點的產生位置
[0183]圖9為將本實施方式的光學元件100的主要部分與GSPP模型比較并放大而示意性示出的圖。圖9(a)表示本發明涉及的光學元件的主要部分的構造，圖9(b)為示出典型的GSPP構造的主要部分的示意圖。如圖9(a)所示，在本實施方式的光學元件100中，俯視時的第二金屬層30的輪廓與介電體柱20的輪廓相同的情況下，作為第二金屬層30的俯視時的端部的基板I側的下部(以下，將該部分稱為第二金屬層30的“底端”(圖中以符號B表示。)。)與圖9(b)所示的GSPP模型對應位置相比較，更容易接觸作為測定對象的物體M0
[0184]也就是說，在本實施方式的光學元件100中，俯視觀察，介電體等構造體不存在于第二金屬層30的輪廓的外側、截面視中的第二金屬層30的下側的區域。與此對比，在GSPP模型中，俯視觀察，介電體層(S12層)存在于Ag粒子的輪廓的外側、截面視中的Ag粒子的下側的區域。因此，在作為測定對象的物體M(病毒、化合物)接近第二金屬層30的情況下，在本實施方式的光學元件100中，能夠容易地接觸底端B，但在GSPP模型的情況下，由于在相當于Ag粒子的底端的位置，S12層存在于其下，用于接近的通路被變得狹窄，難以進入，因此變得難以接觸。
[0185]另一方面，使第二金屬層30為滿足上述條件的配置的情況下，產生于一個第二金屬層30附近的熱點HS (呈現高的電場增強度的區域)，在底端B及作為第二金屬層30的俯視時的端部即遠離基板I側的上部(頂端T)產生。在GSPP模型中，同樣地，在Ag粒子的分別相當于底端及頂端的位置產生(參照圖9)。
[0186]熱點的強度在底端B和頂端T，因各種條件而產生大小關系，但在本實施方式的光學元件100中，由于物體M能夠接觸雙方的熱點HS，因此，與物體M難以接觸相當于底端的位置的GSPP模型比較，作為綜合的電場增強度(總和)能夠得到更大的值。
[0187]因此，通過本實施方式的光學元件100，不僅對于稀有氣體等納米級的小的試料分析，對于例如直徑20nm-100nm的病毒等、5nm以上的大小的尺寸的被測定物質,也能夠正確地定性、定量。
[0188]1.5.變形及其他構成
[0189]1.5.L 變形
[0190]在本實施方式的光學兀件中，可以進一步包含在第一方向上以第三節距P3排列多個第二金屬層30而構成的第二金屬列32。該第二金屬列32在第二方向以第二節距P2排列，與第一金屬列31在第二方向上交替排列而配置。
[0191]第二金屬列32可以與第一金屬列31為相同構成，也可以為不同構成。第二金屬列32可以對于第一金屬列31各一列地配置,也可以對于第一金屬列31各多列地配置。此夕卜，第二金屬列32和第一金屬列31之間的第二方向的距離(節距P5)可以為節距P2的1%以上50%以下的大小。此外，節距P5可以與第二金屬列32的第一方向的節距Pl沒有關系地設定。
[0192]并且，配置有多個第二金屬列32的情況下，它們彼此能夠以節距P2的1%以上50%以下的大小的距離在第二方向上分離配置。并且，第二金屬列32在與第一金屬列31為相同構成的情況下，配置于在第二方向上從第一金屬列31離開節距P2的50%的位置的情況下(節距P5為節距P2的一半的情況)，由于與第一金屬列31以節距P2的一半的節距配置的情況相同，因此，對于這樣配置的第二金屬列32，將其視為第一金屬列31。
[0193]屬于第一金屬列31的第二金屬層30的大小、和屬于第二金屬列32的第二金屬層30的大小(尺寸=Size)、形狀及位于的高度的至少一種只要與產生于第二金屬層30的局域型等離子體的峰值波長大致一致的話，相互可以相同也可以不同。
[0194]圖10及圖11為分別示出第二金屬列32的一例的示意圖。圖10為包含在第一方向上以與第一節距Pl相同大小的第三節距P3排列多個第二金屬層30而構成的第二金屬列32的光學元件200的一例的示意圖。圖11為包含在第一方向上以與第一節距Pl不同大小的第三節距P3排列多個第二金屬層30而構成的第二金屬列32的光學元件250的一例的示意圖。如此，節距P3可以與節距Pl相同也可以不同。此外，設置有多個第二金屬列32的情況下，各列中的節距P3相互可以相同也可以不同。
[0195]在這樣的變形例涉及的光學元件200、光學元件250中，與上述的光學元件100同樣地，基于通過光照射而被激勵的等離子體能夠以非常高的增強度增強光。并且，通過具備這種光學元件的分析裝置，對于依存于作為分析對象的物質的散射光的波長，能夠提高調整光學元件的增強度曲線時的自由度。由此，對于廣范圍的分析對象，能夠得到足夠高的等離子體增強效果。
[0196]在圖10的示例中，第二金屬列32與第一金屬列31為相同的構成。也就是說，屬于第二金屬列32的第二金屬層30與屬于第一金屬列31的第二金屬層30為相同形狀,并且，在第一方向上排列的節距二者也相同(即，節距Pl =節距P3)。并且，在該示例的情況下，第一金屬列31的第二金屬層30和第二金屬列32的第二金屬層30以彼此最接近的方式(統一第一方向的位置)而配置。但是，屬于第二金屬列32的第二金屬層30和屬于第一金屬列31的第二金屬層30也可以錯開在第一方向上的第二金屬層30的位置為配置。
[0197]此外，在配置在第一方向上以節距Pl排列第二金屬層30的第一金屬列31和在第一方向上以節距Pl排列第二金屬層30的第二金屬列32的情況下，能夠取得與在第二方向上以節距P2的一半的節距配置第一金屬列31的情況類似的效果。也就是說，這種情況也依存于第一金屬列31和第二金屬列32之間的在第二方向上的分離距離，例如，雖然增強度下降，但能夠期待峰值波長特性變得顯著、熱點密度(HSD)成為2倍的效果。
[0198]此外，在圖11的示例中，第二金屬列32為與第一金屬列31的形狀、節距不同的構成。也就是說，屬于第二金屬列32的第二金屬層30為與屬于第一金屬列31的第二金屬層30不同的形狀，且就在第一方向上排列的節距而言，第一金屬列31的節距Pl和第二金屬列32的節距P3彼此不同(B卩，節距PI <節距P3)。
[0199]此外，作為形成有多個這樣的第二金屬列32的一方式而形成有兩個第二金屬列32的情況(即，存在三個金屬列的情況)，通過后述的“4.實驗例”這項(圖33)進一步說明。
[0200]圖10及圖11所示的示例均示出一例，這種第二金屬列32，例如可以考慮被照射的激勵波長、拉曼散射光的波長等而適當配置。
[0201]1.5.2.覆蓋層
[0202]本實施方式的光學元件100可以根據需要而具有覆蓋層。雖未圖示，覆蓋層可以以覆蓋第二金屬層30的上表面的方式而形成。此外，覆蓋層可以以使第二金屬層30的側面、頂端T及底端B露出而覆蓋其他構成的方式形成。
[0203]覆蓋層例如具有保護第二金屬層30、其他結構免受環境的機械性、化學性損傷的功能。覆蓋層例如可以通過蒸鍍、濺射、CVD、各種涂膜等的方法形成，根據需要也可以使用圖案形成技術形成。覆蓋層的厚度沒有特別的限定。覆蓋層的材質沒有特別的限定，例如不僅可以由Si02、A1203、T12等的絕緣體,也可以由IT0、Cu、Al等的金屬及高分子等形成，厚度優選薄至數nm以下。
[0204]設置覆蓋層時，產生于第二金屬層30的局域型等離子體的激勵峰值頻率有發生偏移的情況，因此，在節距P2的設定時，求取局域型等離子體的峰值激勵波長時，需要對此予以考慮。
[0205]1.6.光學元件的設計方法
[0206]本實施方式的光學元件100具有上述的構造，以下對于光學元件的設計方法進行更具體的敘述。
[0207]光學元件包含以如下的方式選擇節距P2而設計:使產生于第一金屬列31的局域型等離子體的衍射光的直線在分散關系的圖表(縱軸為角振動頻率[ω (eV)]、橫軸為波數矢量[k(eV/c)])中的構成第一金屬層10的金屬的分散曲線和賦予以節距Pl排列的第二金屬層30 (第一金屬列31)中所激勵的局域型等離子體的峰值的光的角振動頻率[ω (eV)]的交點附近交叉(參照圖8)。
[0208]本實施方式的光學元件的設計方法包含以下所述的工序。
[0209]分析第二金屬層30 (第一金屬列31)中的局域型等離子體的激勵波長依存性，把握使第二金屬層30產生局域型等離子體的最大或者極大的波長(在本說明書中，有時將其稱為峰值激勵波長)。如前所述，局域型等離子體因第二金屬層30的材質、形狀、配置、第二金屬列32的有無、其他構成而變化，峰值激勵波長可以通過實測或者計算求得。
[0210]把握構成第一金屬層10的金屬的分散曲線。該曲線除了可以根據第一金屬層10的材質而從文獻等獲得之外，也可以通過計算求得。此外，從式(2)的左邊可以理解，分散關系由于第一金屬層10的周邊折射率ε而變化。
[0211]根據需要，可以將求得的峰值激勵波長及分散曲線繪制于分散關系的圖表(縱軸為角振動頻率[ω (eV)]、橫軸為波數矢量[k(eV/c)])。此時，局域型等離子體的峰值激勵波長在圖表上成為平行于橫軸的線。如前所述，由于局域型等離子體不具有速度，而是不移動的等離子體，因此，在分散關系的圖表中繪制的話，傾斜度(ω/k)為O。
[0212]決定入射光的入射角Θ及使用的衍射光的次數m，從式(2)求取Q的值，以滿足式
(I)的方式選擇節距P2，配置第一金屬列31。
[0213]至少進行以上的工序設定節距Pl、節距P2的話，成為LSP和PSP相互作用(混合)的狀態，因此，能夠設計具有非常大的增強度的光學元件。
[0214]1.7.增強度
[0215]根據FDTD計算的網格位置，X方向(第一方向)的電場Ex和Z方向(厚度方向)的電場Ez的大小關系，即向量發生變化。將X方向的直線偏振光作為激勵光使用的情況下，Y方向(第二方向)的電場Ey幾乎可以忽視。因此，增強度可以使用Ex和Ez的二次方和的平方根即SQRT(Ex2+Ez2)來把握。如此，可以作為局部電場的標量(scalar)而進行相互比較。
[0216]此外，在本說明書的實驗例及圖等中，有時將第一方向稱為X方向，通過“X”標記來表述該方向的情況。并且，有時將第二方向稱為Y方向，通過“Y”標記來表述該方向的情況。并且，有時將兀件的厚度方向稱為Z方向,通過“Z”標記來表述該方向的情況。
[0217]在SERS(Surface Enhancement Raman Scattering,表面增強拉曼散射)效果中，作為SERS EF(Enhancement Factor，增強因子)，將激勵光的波長中的電場增強度設為Ei，將拉曼散射后的波長中的電場增強度設為Es，使用熱點密度(HSD)，通過下式(a)表示。
[0218]SERS EF = Ei2.Es2.HSD...(a)
[0219]在此，例如600nm的激勵波長，在lOOOcnT1以下的斯托克斯散射中，散射波長為638nm,與激勵波長的差為40nm以下，因此可以與Ei2.Es2 N Emax4近似(Emax為最大增強度)。
[0220]因此，式(a)可以換為式(b)。
[0221]SERS EF = Emax4.HSD...(b)
[0222]也就是說，可以考慮SERS(表面增強拉曼散射)為等離子體產生的電場增強度的四次方與熱點密度的乘積。
[0223]此外，在后述的實驗例中，有關上述式(b)，將HSD標準化，定義為式(C)并圖示。
[0224]SERS EF = (Ei4+Es4) / 單位面積…(C)
[0225]考慮光學元件100的增強度的情況下，需要考慮所謂熱點密度(HSD)。也就是說，光學元件100的光的增強度依存于光學元件100的每單位面積的第二金屬層30的數量。在本實施方式的光學元件100中，以滿足上述的式(I)、式(2)的關系的方式而配置節距P1、節距P2。因此，當考慮HSD時，光學元件100的SERS增強度與(Ei4+Es4) / (Pl.Ρ2)成正比。
[0226]1.8.入射光
[0227]入射至光學元件100的入射光的波長只要產生局域型等離子體，并且，能夠滿足上述式⑵的關系，沒有限定，可以為包含紫外光、可見光、紅外光的電磁波。在本實施方式中，入射光可以為直線偏振光。此外，入射光既可以為電場與光學兀件100的第一方向(第一金屬列31延伸的方向)相同方向的直線偏振光，也可以為電場與光學兀件100的第二方向(第一金屬列31排列的方向)相同方向的直線偏振光。此外,入射光可以為圓偏振光。此外，可以以如下方式設計:通過適當組合偏光方向不同的入射光而由光學元件100取得非常大的光的增強度。
[0228]1.9.增強度曲線的設計
[0229]在本實施方式的分析裝置1000中，將光學元件100使用于拉曼散射光的增強的情況下，優選如下地設定光學兀件100的第二金屬層30的排列。
[0230]拉曼散射光的波長或者波數一般涉及較廣的波段。就這種較廣的波段而言，僅將指定方向的直線偏振光的激勵光施加至光學元件100的情況下，常常會出現不能覆蓋該整個波段而使其成為高增強度的情況。并且，在這種情況下，例如在即使延長累積時間也無法覆蓋的波段中，難以得到高增強度。
[0231]在本實施方式的光學兀件100中，當與第一方向相同方向的直線偏振光的入射光時，得到高的增強度，增強度曲線成為兩個峰值，但存在難以增強拉曼散射光的這個波段的情況。但是，對于本實施方式的光學兀件100,可以進一步入射與第二方向相同方向的直線偏振光的入射光。當使用與第二方向相同方向的直線偏振光的入射光時，增強度曲線成為兩個峰值，但由于峰值波長與第一方向的直線偏振光的情況不同，因此，大多能夠使能夠得到一定的增強度的波段變寬。
[0232]在本實施方式的分析裝置1000中，以如下方式設定:通過將由分別與第一方向及第二方向相同方向的直線偏振光得到的兩個增強度曲線重疊，能夠在更廣范圍的帶域得到高增強度。上述兩個增強度曲線例如可以通過光學元件100中的第二金屬層30的配置、材質、金屬層10的厚度、材質等進行調節。
[0233]同樣地，可以對本實施方式的光學兀件100入射作為圓偏振光的入射光。由于圓偏振光的入射光包含沿第一方向的偏光成分和沿第二方向的偏光成分，因此，產生增強度曲線的重疊，存在能夠在較廣的波段得到高增強度的情況。
[0234]在本實施方式涉及的光學元件100中，能夠如下所述設計增強度曲線。
[0235]例如，在將本實施方式的分析裝置1000用于已知物質的檢測時，以如下方式設計:光學元件100的第一方向及第二方向各自的直線偏振光得到的兩個增強度曲線的重疊，在該物質的拉曼散射光的波長或者波數區域變大。如此，能夠高靈敏度地進行該物質的檢測。
[0236]此外，例如，在將本實施方式的分析裝置1000用于未知物質的檢測、鑒定時，以如下方式設計:光學兀件100的第一方向及第二方向各自的直線偏振光得到的兩個增強度曲線的重疊，在盡可能廣的波段變大。如此，能夠高靈敏度地進行該物質的檢測、鑒定。
[0237]通過以上說明的分析裝置1000，由于能夠廣范圍地取得基于光學元件的等離子體的光的增強度曲線，因此，能夠容易地進行廣范圍的微量物質的檢測、測定。此外，本實施方式的分析裝置1000可以具備框體、輸入輸出單元等的未圖示的其他適當構成。
[0238]1.10.光學元件的制造
[0239]本實施方式的光學元件100作為一例，可以經過使用Ni的模具進行注塑成型的工序而制造。具體而言，熱氧化處理硅晶片，將抗蝕層涂布于表面，通過EB(電子束)，在對應于介電體柱20的位置曝光，圖案形成氧化硅。并且，通過無電解Ni電鍍或者濺射法將Ni膜涂布于表面的基礎上，進行Ni的電鑄。然后，當剝離硅晶片時，能夠得到具備對應于介電體柱20的配置/形狀的凹部的Ni模型。
[0240]然后，使用Ni模型，通過注塑成型PMMA (聚甲基丙烯酸)、PC (聚碳酸酯)或者成形UV固化樹脂，從而制造在基板上形成有介電體柱20的構造體。
[0241]然后，在形成有介電體柱20的基板上，例如使用各方異性高的離子束濺射等，以20nm左右的厚度形成能夠產生Ag、Au、Al、Cu等的等離子體的金屬薄膜,能夠制造本實施方式的光學兀件。
[0242]此外，作為一例也可以將如下方法用于光學元件100的制造方法:在玻璃基板上一層涂布抗蝕層至第一厚度，通過EB(電子束)，在對應于介電體柱20的位置曝光，進行蝕刻及后烘(post-baking)。然后,涂布抗蝕層至第二厚度,在對應于介電體柱20的位置曝光，進行蝕刻。于是，形成兩個深度的凹部，經過這樣的工序后，通過與上述同樣的工序，能夠制造介電體柱20的高度不同的分析元件。
[0243]如上的制造方法都只是一例，光學元件100也能夠通過其他的適當方法制造。并且，在使用上述例示的制造方法的情況下，能夠容易地制造在同一元件內配置有形狀、高度不同的介電體柱20、第二金屬層30的光學兀件100。
[0244]1.11.作用效果等
[0245]本實施方式的光學元件100，具有以下的特征。本實施方式的光學元件100基于由光照射激勵的等離子體，能夠以非常高的增強度且高HSD增強光。并且，在本實施方式的光學元件100中，熱點的發生位置為第二金屬層30的底端B和頂端T，具有作為測定對象的物體M能夠接觸如上雙方的熱點的幾何結構。因此，與物體M難以接觸底端的GSPP模型比較，作為綜合的電場增強度(總和)能夠得到更大的值。
[0246]本實施方式的光學元件100由于具有高增強度，因此，例如，在醫療/健康、環境、食品、公安等的領域中，能夠用于為了高靈敏度、高精度、迅速且簡便地檢測細菌、病毒、蛋白質、核酸、各種抗原/抗體等的生物體關聯物質，或包含無機分子、有機分子、高分子的各種化合物的傳感器。例如，將抗體結合于本實施方式的光學元件100的第二金屬層30，求取此時的增強度，基于抗原結合于該抗體時的增強度的變化，分析抗原的有無或量。此外，可以使用本實施方式的光學元件100的光的增強度，將其用于微量物質的拉曼散射光的增強。
[0247]2.分析裝置
[0248]圖12為示意性示出本實施方式的分析裝置1000的主要部分的圖。
[0249]本實施方式的分析裝置1000具備:上述的光學元件100、將入射光照射至光學元件100的光源300、檢測從光學元件100放射的光的檢測器400。本實施方式的分析裝置1000可以具備未圖示的其他適當的構成。
[0250]2.1.光學元件
[0251]本實施方式的分析裝置1000具備光學元件100。由于光學元件100與上述的光學元件100相同，因此，省略詳細說明
[0252]光學元件100在分析裝置1000中，承擔增強光的作用及/或作為傳感器的作用。光學元件100可以使其與作為分析裝置1000的分析對象的試料接觸而使用。分析裝置1000中的光學元件100的配置，沒有特別的限定，可以設置于能夠調節設置角度等的載物臺(stage)等。
[0253]2.2.光源
[0254]本實施方式的分析裝置1000具備光源300。光源300向光學元件100照射入射光。光源300能夠照射向光學兀件100的第一方向(第二金屬層30排列的方向、即第一金屬列31延伸的方向)直線偏光的光(與第一方向相同方向的直線偏振光)、向光學兀件100的第二方向(第一金屬列31排列的方向、即與第一金屬列31延伸的方向交叉的方向)直線偏光的光(與第二方向相同方向的直線偏振光)、或者圓偏振光。
[0255]也就是說，光源300可以為照射與第一方向相同方向的直線偏振光及/或與第二方向相同方向的直線偏振光的方式、或者對于光學兀件100照射圓偏振光的方式。可以以如下方式形成:根據光學元件100的表面等離子體的激勵條件，而使從光源300被照射的入射光與第一金屬層10的厚度方向的傾角Θ變化。光源300可以設置于測向器等。
[0256]光源300照射的光只要能夠激勵光學元件100的表面等離子體，沒有限定，可以為包含紫外光、可見光、紅外光的電磁波。此外，光源300所照射的光可以為相干光也可以不為相干光。具體而言，作為光源300，可以例示將波長選擇元件、濾波器、偏光器等適當地設置于半導體激光器、氣體激光器、鹵素燈、高壓水銀燈、疝氣燈等的結構。
[0257]進一步，光源300具備偏光器的情況下，偏光器可以使用公知的結構，也可以具備使其適當旋轉的機構。來自光源300的光成為激勵光，產生由產生于光學元件100的等離子體所產生的電場的集中、即所謂的熱點，附著于該熱點的物質的微弱的拉曼光被熱點的電場增強，從而能夠進行物質的檢測。
[0258]2.3.檢測器
[0259]本實施方式的分析裝置1000具備檢測器400。檢測器400檢測從光學元件100放射的光。作為檢測器400，例如能夠使用CCD (Charge Coupled Device，電荷耦合裝置)、光電倍增管、光電二極管、成像板等。
[0260]檢測器400可以設置于能夠檢測從光學元件100放射的光的位置，與光源300的位置關系沒有特別的限定。此外，檢測器400可以設置于測向器等。
[0261]3.電子設備
[0262]本實施方式的電子設備2000具備:上述的分析裝置1000、基于來自檢測器400的檢測信息運算健康醫療信息的運算部2010、存儲健康醫療信息的存儲部2020、以及顯示健康醫療信息的顯示部2030。
[0263]圖13為本實施方式的電子設備2000的構成的概略圖。分析裝置1000為“2.分析裝置”中所述的分析裝置1000，因此省略詳細說明。
[0264]運算部2010例如為個人電腦、移動信息終端(PDA personal DigitalAssistance)，接收由檢測器400送出的檢測信息(信號等)，運算部2010基于此進行運算。此外，運算部2010可以進行分析裝置1000的控制。例如，運算部2010可以進行分析裝置1000的光源300的輸出、位置等的控制、檢測器400的位置的控制等。運算部2010能夠基于來自檢測器400的檢測信息運算健康醫療信息。并且，由運算部2010運算的健康醫療信息存儲于存儲部2020。
[0265]存儲部2020例如為半導體存儲器、硬盤驅動器等，可以與運算部2010 —體地構成。存儲于存儲部2020的健康醫療信息，被送出至顯示部2030。
[0266]顯示部2030例如由顯示板(液晶監視器等)、打印機、發光體、揚聲器等構成。顯示部2030基于由運算部2010運算的健康醫療信息，以用戶能夠識別其內容的方式進行顯示或者發出。
[0267]作為健康醫療信息可以包含:有關選自由細菌、病毒、蛋白質、核酸及抗原/抗體構成的組中的至少一種的生物體關聯物質、或者選自無機分子及有機分子中的至少一種的化合物的有無或量的信息。
[0268]4.實驗例
[0269]以下示出實驗例而進一步說明本發明，本發明并不受以下示例的任何限定，以下的示例為通過計算機的模擬結果。
[0270]4.1.計算的概要
[0271]計算米用Rsoft公司(寸八才、'7卜'> 7 f么株式會社)的FDTD soft FulIwave0并且，使用的網格的條件在圖中無記載，使用Inm最小網格,計算時間cT為ΙΟμπι。
[0272]并且，使周邊折射率η為I。有關入射光，在從透光層的厚度方向(Z)垂直入射的與第一方向相同方向的直線偏振光、以及與第二方向相同方向的直線偏振光的情況下，求取分別計算的曲線，或者在從透光層的厚度方向(Z)垂直入射并為圓偏振光的情況下，求取計算的曲線。
[0273]此外，在以下的各實驗例所示的圖表中，作為圖例例如使用“Χ120Υ600 ”、“Χ600Υ120”等的標記。例如，“Χ120Υ600”表示在第一方向上(X方向)以120nm節距(節距P1)、在第二方向(Y方向)上以600nm節距(節距P2)配置第二金屬層30的意思。
[0274]在計算上均使用X方向的直線偏振光的入射光，記為“X120Y600”的情形，在節距Pl為120nm、節距P2為600nm時，與“第一方向”的直線偏振光的入射光產生的結果等價；記為“X600Y120”的情形，在節距Pl為120nm、列節距P2為600nm時，與“第二方向”的直線偏振光的入射光產生的結果等價。
[0275]此外，為了說明的方便，將X120Y600及X600Y600的模型均稱為一線模型。此外，將X120Y120的模型稱為基礎模型，將X600Y600的模型稱為混合模型。此外，將使向X方向(第一方向)偏光的激勵光入射至一線模型即X120Y600的情況，標記為“PSP丄LSP”;將使向Y方向(第二方向)偏光的激勵光入射至一線模型即X120Y600的情況，標記為“PSP Il LSP”。
[0276]在本實驗例中，用SQRT(Ex2+Ez2)表示增強度。在此，Ex表示入射光的偏光方向(第一方向)的電場強度，Ez表不厚度方向的電場強度。此外,這種情況下，由于第二方向的電場強度小，因此不予考慮。
[0277]4.2.實驗例I ( 一線模型中的本發明的構造與GSPP的比較)
[0278]圖14為表示用于本實驗例的模擬的模型的示意圖。本實驗例的尺寸以使用垂直入射的633nm附近的激勵波長為前提而設計。本實驗例的模型假設從形成有凹狀的表面的金屬模具注塑成型PMMA (聚甲基丙烯酸)、PC (聚碳酸酯)等或者成形UV (紫外線)固化樹脂而成的基板。
[0279]具體而言，假設以80nmD80nmT (G+T)的形狀(圓柱狀、直徑80nm、高度80nm的形狀)形成PMMA的凸部，以Ag不附著于該凸部的側面的方式，通過各方異性強的成膜方法以厚度20nmT形成Ag層(第一金屬層10及第二金屬層30)。這種情況下，由于Ag層(第二金屬層30)的底和Ag層(第一金屬層10)的頂的高度差(間隙G)為60nm,因此,在這一構成中標記為60G。
[0280]與此對比，假設GSPP模型為，在10nm以上的厚度的Au膜上以20nm形成S12，再在其上規則地形成72nmD20nmT的Ag圓盤。
[0281]圖15為表示本實驗例的模型的反射率特性的圖。圖15示出在各模型中比較遠場(反射率)特性的結果。圖15中，X120Y600對應于PSP丄LSP、X600Y120對應于PSP Il LSP、X600Y600對應于混合。此外，反射率特性具有當傳感器的等離子體增強度變強時，由于反射光量減少而下降的傾向。
[0282]參看圖15可知，在實線示出PSP丄LSP的情況的一線模型中，可確認顯著的差異。也就是說，在GSPP的一線模型的PSP丄LSP的情況下(實線)，反射率的極小值為一個，激勵波長618nm時，反射率為0.24，與此對比，在本發明涉及的構造的一線模型的PSP丄LSP的情況下，反射率的極小值為兩個，激勵波長為607nm時，反射率的值為0.13，激勵波長655nm時，反射率的值幾乎為O。
[0283](一線模型中的本發明涉及的各種構造的近場特性)
[0284]下面，分析對應于反射率特性的近場特性。在本發明涉及的各種構造模型中，比較遠場的反射率波長特性和近場的SQRT(Ex2+Ez2)。此外，SQRT(Ex2+Ez2)在圖中有時僅標記為 SQRT。
[0285]圖16為表示本發明涉及的各種構造模型的遠場和近場的相關的圖。近場表示Ex2+Ez2的平方根(=SQRT(Ex2+Ez2))的值。在圖16中，分別通過▲和■表示第二金屬層(Ag圓盤)的頂端及底端的SQRT(Ex2+Ez2)的值。
[0286]參看圖16可知，表示反射特性的遠場的極小值的波長特性、和表示近接場的強度的近場的增強度波長特性相當一致。600nm的激勵波長時X120Y120的熱點密度(HSD)高的基礎模型中，激勵波長600nm，SQRT(Ex2+Ez2) = 18。與此對比，在一線的PSP丄LSP模型(X120Y600)中，(Ex2+Ez2) = 67，為 3.7 倍。
[0287]將激勵波長的增強度標記為E1、將拉曼散射后的散射波長的增強度標記為Es、將熱點密度標記為HSD時，SERS (Surface Enhancement Raman Scattering,表面增強拉曼散射)效果(拉曼增強因子(RamanEF))，與| Ei21 * | Es21 *HSD成正比。但是，例如，激勵波長633nm時的δΟΟαιΓ1的拉曼散射波長有654nm和20nm左右的偏差量，由于該偏差量中的增強度的差幾乎沒有，因此置換為Ei2|*|Es2 = Emax41，使RamanEF與Emax41 *HSD成正比而比較。
[0288]使基礎模型的密度為I時，在基礎模型中，184 = I X 15,在一線模型中，120nm/600nm = 1/5密度，因此，在一線模型中，674/5 = 4X 106。因此，在本發明涉及的一線模型中，能夠期待基礎模型的約40倍的SERS效果。
[0289]此外，在混合模型中，HSD為基礎模型的(120X 120)/(600X600) = 1/25，Ag(第二金屬層30)的底端的增強度(SQRT(Ex2+Ez2))為71.9，Ag(第二金屬層30)的頂端的增強度(SQRT (Ex2+Ez2))為63.7，它們的平均值為67.8。另一方面，混合模型的RamanEF,由于與67.84/(5X 5) = 2.1Χ 107/25 = 8X 15成正比，因此為基礎模型的8倍，與一線模型比較的話，為1/5左右。
[0290]下面，分析相同的PSP丄LSP模型的極小值的2點的近場。在GSPP模型中在620nm顯示極小值，在本發明涉及的模型中在600nm顯示極小值，因此通過這些波長比較近場。
[0291]圖17為示出GSPP的一線PSP丄LSP模型和本發明的一線PSP丄LSP模型的遠場特性的圖。圖18為示出GSPP的一線PSP丄LSP模型和本發明的一線PSP丄LSP模型的Ag層(第二金屬層30)的底端、頂端附近的Ex的分布的圖。圖19為示出GSPP的一線PSP丄LSP模型和本發明的一線PSP丄LSP模型的Ag層(第二金屬層30)的底端、頂端附近的Ez的分布的圖。
[0292]圖20中示出本實驗例涉及的模型及GSPP模型的熱點強度的概念圖。圖20中，以虛線的〇的位置及大小分別表示熱點的位置及強度。
[0293]在GSPP模型中強度最大的熱點存在于Ag粒子和其下的S12層的界面。其增強度非常大，為 SQRT(Ex2+Ez2) = SQRT(82.022+103.72) = 132.2。但是，在 Ag 粒子的上端部(相當于本發明的頂端)則為較小值，為SQRT(Ex2+Ez2) = SQRT(48.32+52.12) = 71。不過，使用在XY方向上為均一的網格、在Z方向上為“l_5nmX 1.2”漸進的網格。
[0294]另一方面，在本發明涉及的模型中，在Ag層(第二金屬層30)的頂端和底端的兩點存在強度大的熱點，在底端，SQRT(Ex2+Ez2) = SQRT(652+59.952) = 88.4，在頂端，SQRT (Ex2+Ez2) = SQRT (652+69.232) = 95，在底端及頂端為幾乎相同的值，并且它們均為上述的GSPP模型的值的大致中間的值。
[0295]由圖17可知，由于反射率特性反映近場的積分值，因此，從熱點的積分值來看，本發明涉及的模型> GSPP模型，對于合計的“熱點強度X熱點密度”比較時，可知本發明涉及的模型更高。
[0296]下面，有關本發明的一線PSP丄LSP模型及GSPP的一線PSP丄LSP模型，分析Ag(第二金屬層30)的底端及頂端的位置的X方向的增強度、SQRT(Ex2+Ez2)的分布。圖21為概念性示出測定位置的示意圖。圖22為示出使Ag(第二金屬層30)的端部(熱點的位置)為X = O的X方向中的增強度(SQRT(Ex2+Ez2))的分布的圖表(即，X方向的原點成為Ag(第二金屬層30)和空氣的界面。)。
[0297]從圖22來看，在Ag (第二金屬層30)的底端，在X = 4nm以下的區域，GSPP模型與本發明涉及的模型相比，增強度變大。但是，當超過X = 4nm時，本發明涉及的模型與GSPP模型相比，增強度變大。此外，在Ag構造體的頂端，無論X的值如何，本發明涉及的模型與GSPP模型相比，總是增強度變大。
[0298]接著，圖23中示出作為一例而假設具有5nm的直徑的假想的試料(傳感物質)時的物質的附著部位的增強度。如圖所示，試料無法接近GSPP—線模型的Ag粒子的底部。因此，無法利用作為該部位的熱點的增強度的SQRT(Ex2+Ez2) = 132這一較大的值，即便在試料最接近熱點的情況下，試料附著于大約離開2.5nm的部位,僅能夠期待SQRT(Ex2+Ez2)=41左右的增強效果。此外，雖然試料能夠附著于GSPP的Ag粒子的頂部，但是由于該位置中的SQRT(Ex2+Ez2)最高不過71，因此難以期待大的增強效果。
[0299]另一方面，在是本發明涉及的一線模型的情況下，由于試料能夠附著于頂端及底端兩者的熱點，因此，能夠分別有效地利用95及88的高的增強度。
[0300]4.3.實驗例2 (本發明涉及的一線模型中的PSP丄LSP、PSP Il LSP的比較)
[0301]圖24 為本發明涉及的一線模型的 PSP 丄 LSP(X120Y600)、PSP Il LSP (X600Y120)的遠場及近場的波長特性的圖。也就是說，分別為使用向X方向直線偏光的激勵光時的X120Y600 和 X600Y120 的數據。
[0302]從圖24來看，通過相同的傳感元件，希望以500nm附近的激勵波長得到拉曼散射光的情況下，以Y方向的直線偏振光激勵即可。并且，以600nm的波長激勵，希望分析拉曼移動為ΙδΟΟαιΓ1的物質時,斯托克斯散射波長為659nm,可知通過X方向的直線偏振光的激勵最適合。此外，可以理解當使用圓偏振光的激勵光時，成為同時滿足X方向的直線偏振光的波長特性和Y方向的直線偏振光的波長特性的波長分析兀件。
[0303]4.4.實驗例3(本發明涉及的一線PSP丄LSP模型的反交叉行為(AntiCrossingbehav1r)的Y方向的節距(P2)依存性)
[0304]對于將80D20T60G的Ag(第二金屬層30)在X方向上以120nm節距、在Y方向上分別以300nm、400nm、500nm、600nm及700nm節距配置的模型,分析其遠場特性。
[0305]圖25為示出各模型的每單位面積的標準化反射率的波長特性的圖表。該圖示出在本發明涉及的一線PSP丄LSP模型中，使X方向的節距為120nm、使Y方向的節距為變量時的反射率特性。此外，可以說反射率越低增強度越高。
[0306]與非專利文獻I (OPTICS LETTERS, Vol.34，N0.3，2009, 244-246)中所公開的相同，在PSP和LSP的交點附近，可觀測到反交叉行為，從Y = 400nm節距至700nm節距能夠期待高增強度。此外，Y方向的節距為500nm和600nm，可觀測到最低的反射率。
[0307]圖26中以虛線示出Ag的η = I的PSP分散關系，以直線示出Ag模型的LSP。圖26示出在周邊折射率η = I的Ag的分散關系中，在Y方向的單位節距繪制從圖25的圖表讀出的不出反射率的極小值的波長的分散關系。從圖26的分散關系可以推定LSP峰值波長為608nm。
[0308]于是，使激勵波長為608nm，對于具有80D20T60G的形狀的Ag (第二金屬層30)，固定X方向的120nm節距，使Y方向的節距在200nm至900nm的范圍內以10nm刻度變化，取得此時的近場特性。其結果示于圖27。圖27為將使激勵波長為608nm時的Y方向的節距從基礎模型的Y = 120nm開始逐漸增大時的SQRT(Ex2+Ez2)及拉曼(Raman)EF繪制的圖。
[0309]在X120Y120的基礎構造中，在Ag (第二金屬層30)的頂端，增強度SQRT (Ex2+Ez2)=17.9，與此對比，當擴大Y方向的節距時，增強度直線性增加，以通過Ag(第二金屬層30)的LSP的峰值波長和Ag (第一金屬層10)的PSP的交點的方式設計的Y節距=600nm時為幾乎最大，在Y節距=700nm減半，其后緩慢上升。顯示這種節距依存性的理由在于，Y方向的節距=600nm為衍射光柵的m = I的情況，m = 2的情況下，Y方向的節距=1200nm。但是，由于隨著Y方向的節距變大，熱點密度變低，因此，關于拉曼EF，如圖27所示，在Y方向的節距大于700nm的區域，幾乎為一定值。
[0310]PSP丄LSP —線模型，P2 > 120nm的情況與Pl = P2 = 120nm的情況相比，增強度變大的理由在于，LSP產生于激勵光的偏向方向，PSP產生于全方位，即便在Y方向的節距短于600nm的情況下，節距為600nm的傾斜產生的PSP顯示出混合效果(一并參照圖2)。
[0311]如上可知，在垂直入射的情況下，Pl = 120nm時，由圖27可判斷120nm < P2< 800nm時，拉曼EF相比基礎模型變大。也就是說，如果使得Pl < P2彡Q+P1的話，能夠得到高拉曼EF。
[0312]此外，以上的實驗為入射光相對于基板垂直地入射的情況。以下，對于入射光相對于基板傾斜地入射的情況進行敘述。
[0313]如在“1.4.1.傳播型等離子體及局域型等離子體”一項中所述，將金屬的電容率設為ε (ω)、將周邊的電容率設為ε時，該金屬的分散關系式通過式(3)而賦予。
[0314]Kspp= ω /c { ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2...(3)
[0315]另一方面，通過衍射光柵節距Q的倏逝波(二〃1、〃七 > 卜波)的波數K為
[0316]K = η.(ω/c).sin Θ +m.2 π /Q(m = ± 1，±2，，)...(4)
[0317]其中，電容率ε = η2-κ 2，絕緣體的情況下，κ = 0，因此，周邊的折射率η有周邊的折射率的平方根η = ε 1/2的關系。
[0318]當金屬的分散關系的波數與入射波的倏逝波的波數相等時，產生傳播型等離子體。也就是說，由于Kspp = K，由(3)式和⑷式可知，
[0319](ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)
[0320]以使上式成立的節距Q的方式配置金屬粒子時，傳播型等離子體被激勵。
[0321]式(2)為示出金屬層的傳播型等離子體的分散關系和直接或者間接地周期性配置的金屬粒子帶來的衍射光柵效果產生的倏逝波的交點一般式。此外，用于模擬的垂直入射時，由于Θ = 0，因此從上述⑵式得到下式，
[0322](ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = 2m π /Q (m = ± 1，± 2，，)...(7)
[0323]金屬層的分散關系和金屬粒子帶來的衍射光柵效果產生的倏逝波的波數一致的衍射光柵波數為m.2 /Q。
[0324]例如，m = 1、n = 1，30度入射的情況下，式⑷成為
[0325]K = 0.5.(ω/c).sin Θ +2 Ji /Q...(8)
[0326]LSP = 633nm時通過與Ag分散關系的交點的30度入射的情況下的衍射光柵的節距為leV/c，可以使衍射光柵節距Q為1250nm。
[0327]此外，另一方面，當使Θ = -30° (deg.)時,式⑷成為
[0328]K = —0.5.(ω/c).sin Θ +2 Ji /Q...(9)
[0329]為了通過LSP和Ag(n = I)的分散關系的交點，2 π/Q = 3eV/c,即Q = 418nm。
[0330]圖28中示出通過上述的30度及-30度入射的激勵光決定衍射光柵節距的分散關系O
[0331]由于+30度入射和-30度入射在物理上是相同的，因此，使用入射角度為+30度的傾斜入射光的情況下，以通過633nmLSP和Ag(n = I)的分散關系的交點的方式選擇衍射光柵節距時，有使衍射光柵節距Q = 1250、418nm這兩種方法。
[0332]作為結論，傾斜入射的情況下，與垂直入射的情況相同，只要滿足
[0333]Pl < P2 彡 Q+P1...(I)
[0334]的關系的話，成為拉曼EF比基礎模型大的試料分析元件。
[0335]4.5.實驗例4 (第二金屬層的高度及形狀)
[0336]通過本發明涉及的一線PSP丄LSP模型，進行將第二金屬層30的高度從60G向20G減小情況的實驗。圖29為示出通過本發明涉及的一線PSP丄LSP模型，使Y方向的節距為500、600、700nm時的間隙G為20nm和60nm時的反射率特性的圖。
[0337]如圖29所示，當第二金屬層30的高度變低(間隙G變小)時，第二金屬層30和第一金屬層10之間的LSP的相互作用變強，使Y方向的節距=500nm、600nm時，與60G模型相比，都是使高度為20G時，LSP的峰值波長紅移。
[0338]圖30為將圖29的間隙=20nm時的反射率極小值波長繪制于Ag(n = I)的分散關系的曲線。在分散關系中繪制的結果，由圖33能夠推測出LSP的峰值波長為655nm(60G的情況下為608nm)。
[0339]4.6.實驗例5 (第二金屬粒子列的影響)
[0340]下面，對于配置第二金屬列32的情況下的增強度進行敘述。圖31示意性示出具有由以與屬于第一金屬列31的第二金屬層30的間隙G不同的間隙G配置的第二金屬層30構成的第二金屬列32的模型。圖32為PSP丄LSP模型，示出20nm間隙的一線模型、60nm間隙的一線模型、以及在同一平面內具有20nm間隙及60nm間隙這兩個間隙的金屬粒子列的模型的反射率特性。
[0341]參看圖32可知，X120Y600的情況下，排列20G和60G這2個金屬粒子列時的遠場特性，存在3個峰值。該3個峰值分別為20G的一線的反射率特性和60G的一線的反射率特性的合成。
[0342]607nm的峰值在所有的模型中共通，考慮其為以P2 = 600nm節距形成的PSP的主要峰值。另一方面，考慮在640nm以上出現的各個峰值為以20G和60G的間隙形成的LSP的主要峰值是妥當的，在比60G短的20G的模型中發生紅移。
[0343]因此，可知使拉曼激勵波長為607nm，如果為在643nm和697nm產生拉曼散射波長的試料的話，能夠得到非常高的拉曼EF。
[0344]此外，如圖33所示，改變第二金屬層30的俯視時的直徑D，LSP的峰值波長也會發生變化。當直徑D變大時，LSP的峰值波長發生紅移。可以形成為橢圓、角柱、或者三角、星狀。圖33 (a)、圖33(b)及圖33(c)示出固定節距P2并在同一面內改變圓柱的直徑、形狀(橢圓、角柱)的各種模型。
[0345]在圖33的任一例中，使圓柱的Y方向的節距、橢圓的Y方向的節距、角柱的Y方向的節距為PSP增強的節距(P2)時，由于混合效果，在各個形狀都能觀測到PSP的主要峰值和LSP的主要峰值這兩個峰值，由于所有形狀的第二金屬層30都是在Y方向上以節距P2配置，因此，PSP的主要峰值為一個并且彼此相通。
[0346]另一方面，對于LSP的主要峰值，通過第二金屬層30的尺寸、間隔、空隙、形狀的變化，有時會出現多個峰值。例如，在圖33(a)的示例中，可以進行使用一個激勵波長和兩個拉曼散射波長的設計，在圖33(b)、圖33(c)的示例中，可以進行使用一個激勵波長和三個拉曼散射波長的設計。
[0347]此外，在圖33(b)、圖33(c)所示的示例中，設置兩個第二金屬列32，在這種方式中，可以視為存在三個金屬列。例如，可以將第二金屬列32的一方考慮為第二金屬列32，將另一方考慮為第三金屬列33。于是，在圖33(b)、圖33(c)的示例中，與第二金屬列32同樣地，第三金屬列33可以在第二方向上以第二節距P2排列，與第一金屬列31在第二方向上交替地排列而配置。
[0348]這樣考慮的話，在圖33 (b)、圖33 (C)中包括:在第一方向上以第三節距P3排列多個第二金屬層30而構成的第二金屬列32、以及在第一方向上以第四節距P4排列多個第二金屬層30而構成的第三金屬列33,第二金屬列32及第三金屬列33分別在第二方向上以第二節距P2排列，與第一金屬列31交替地排列而配置，分別屬于第一金屬列31、第二金屬列32及第三金屬列33的第二金屬層30的形狀、尺寸及位于的高度的至少一種彼此不同。
[0349]圖33 (b)、圖33 (c)的節距P5及節距P6分別示出第二金屬列32及第三金屬列33與第一金屬列31之間的在第二方向上的節距。第三金屬列33可以為與第一金屬列31相同的構成也可以為不同的構成。第三金屬列33和第一金屬列31之間的第二方向上的距離(節距P6)可以為節距P2的1%以上50%以下的大小。并且，節距P6可以與第二金屬層30的第一方向上的節距Pl無關地設定。此外，節距P6可以與節距P5相同也可以不同。
[0350]此外，在圖33(b)、圖33(c)中，將第二金屬列32中的節距P3和第三金屬列33中的節距P4描繪為基本相同，但與前述的第二金屬列32中的節距P3同樣地，第三金屬列33中的節距P4可以與第一金屬列31的節距P1、第二金屬列32的節距P3相同也可以不同。
[0351]圖34示出將兩種直徑⑶的第二金屬層30分別配置于一線PSP丄LSP時的反射率特性。圖34的模型中，80D中，短波長側的極小值和長波長側的極小值通過PSP和LSP的混合，發生反交叉行為。另一方面，100D的模型中，短波長側的極小值為以PSP為主的峰值，長波長側的顯著的極小值為以LSP為主的極小值。100D的模型中，由于第二金屬層30間的間隔小至20nm，因此，LSP的峰值波長發生紅移。任一情況下，80D、100D的混合模型為80D模型和100D模型的合成，具有4個極小值。
[0352]試料的拉曼散射由于試料的分子種類及振動方向，而發生幾種拉曼移動。也就是說，拉曼移動后的波長在一個試料中，從數十納米變化至數百納米。但是，該波長移動為多個。即，散射波長為多個。通過得到多個拉曼移動，試料的鑒定概率大幅上升。因此，如本實驗例所清楚得知的，根據本發明的光學元件，能夠容易地進行配合激勵波長和多個散射波長的設計，大幅地提高試料分析的精度。
[0353]4.7.實驗例6(第二金屬層和第一金屬層的平面視中的重疊)
[0354]例如，通過Ag蒸鍍等形成第二金屬層30時，如圖35的右圖所示，有時會形成外懸(overhang)。此外，也可以有意地形成外懸的形式。在外懸的形式中，第二金屬層30和第一金屬層10在俯視時具有重疊。因此，不改變第二金屬層30的尺寸而保持80D20T，計算使介電體柱20為60D40T的模型(以下也稱為箱形模型。)，分析與本發明涉及的模型(以下也稱為通常模型)的不同。
[0355]圖36顯示通常模型和箱形模型的反射率特性。圖37顯示通常模型和箱形模型的遠場和近場的相關。
[0356]參看圖36、圖37可知，箱形模型與通常模型相比較，在一線PSP丄LSP模型及一線PSP Il LSP模型中，LSP峰值的波長(長波長側的顯著的反射率特性)發生了藍移。就近場特性的增強度而言，箱形模型比通常模型大。但是，除這些點之外，二者幾乎顯示相同傾向。從而，可以得知通常模型例如即使由于Ag的成膜等中的偏差而變成箱形模型，也不會喪失本發明的效果。
[0357]4.8.實驗例7 (未貫通第一金屬層的介電體柱)
[0358]對于介電體柱20未貫通第一金屬層10的構造，分析其增強度。也就是說，使用與本發明涉及的構造(圖38的左圖(通常模型))僅在第一金屬層10上未開孔這一點上不同的構造的非貫通模型(圖38的右圖)分析增強度。在非貫通模型中，介電體柱20及第一金屬層10存在于第二金屬層30下。圖38示意性地示出本發明涉及的構造的模型和非貫通模型。
[0359]圖39為示出本發明涉及的構造的模型和非貫通模型的遠場特性的圖。參看圖39可知，反射率的極小值在兩模型中幾乎相同，與通常模型比較，在非貫通模型的一線PSP丄LSP模型中，長波長側的顯著的反射率特性發生了藍移，除了以上這些點之外，二者顯示幾乎相同的傾向。此外，鑒于圖39的非貫通模型顯示出與圖36的上圖的箱形模型幾乎相同的反射率特性，考慮由于俯視時第二金屬層30和第一金屬層10的重疊而呈現相同的物理現象。
[0360]本發明不限于上述的實施方式，能夠進一步進行各種變形。例如，本發明包含與實施方式所說明的構成實質相同的構成(例如，功能、方法及結果相同的構成、或者目的及效果相同的構成)。此外，本發明包含替換了實施方式所說明的構成的非本質部分的構成。此外，本發明包含能夠達成與實施方式所說明的構成相同的作用效果或者相同的目的的構成。此外,本發明包含將公知技術附加于實施方式所說明的構成的構成。
【權利要求】
1.一種分析裝置，其特征在于，具備: 光學元件，包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層的電介體柱上，并與所述第一金屬層電絕緣，當將所述第二金屬層視為由沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而成的第一金屬列時，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置； 光源，將入射光照射至所述光學元件；以及 檢測器，檢測從所述光學元件放射的光， 所述光學元件的所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
Pl < P2 彡 Q+P1...(I) 這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
(ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.( ω /c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
2.一種分析裝置，其特征在于，具備: 光學元件，包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置在形成于所述第一金屬層上的電介體柱上，并與所述第一金屬層電絕緣，當將所述第二金屬層視為沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而成的第一金屬列時，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置； 光源，將入射光照射至所述光學元件；以及 檢測器，檢測從所述光學元件放射的光， 所述光學元件的所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
Pl < Ρ2 彡 Q+P1...(I) 這里，Pl為所述第一節距，Ρ2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε，將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
(ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
3.根據權利要求1或2所述的分析裝置，其特征在于， 所述分析裝置包括沿所述第一方向以第三節距排列有多個所述第二金屬層的第二金屬列， 所述第二金屬列沿所述第二方向以所述第二節距排列，且與所述第一金屬列交替地排列配置。
4.根據權利要求3所述的分析裝置，其特征在于， 所述第一節距與所述第三節距相同， 屬于所述第一金屬列的第二金屬層和屬于所述第二金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度相同。
5.根據權利要求3所述的分析裝置，其特征在于， 屬于所述第一金屬列的第二金屬層和屬于所述第二金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度中的至少一種不同。
6.根據權利要求1或2所述的分析裝置，其特征在于， 所述光學元件包括: 沿所述第一方向以第三節距排列有多個所述第二金屬層的第二金屬列；以及 沿所述第一方向以第四節距排列有多個所述第二金屬層的第三金屬列， 所述第二金屬列及所述第三金屬列分別沿所述第二方向以所述第二節距排列且與所述第一金屬列交替地排列配置， 分別屬于所述第一金屬列、所述第二金屬列及所述第三金屬列的第二金屬層的形狀、尺寸及所處的高度中的至少一種彼此不同。
7.根據權利要求1至6中任一項所述的分析裝置，其特征在于， 所述入射光是與所述第一方向相同方向的直線偏振光。
8.根據權利要求1至6中任一項所述的分析裝置，其特征在于， 所述入射光是與所述第二方向相同方向的直線偏振光。
9.根據權利要求1至6中任一項所述的分析裝置，其特征在于， 所述入射光是圓偏振光。
10.根據權利要求1至9中任一項所述的分析裝置，其特征在于， 所述檢測器檢測通過所述光學元件被增強的拉曼散射光。
11.一種光學兀件,其特征在于， 該光學元件包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，當將所述第二金屬層視為沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而成的第一金屬列時，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置， 所述第二金屬層的配置滿足下述式(I)的關系，
Pl < P2 彡 Q+P1...(I) 這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
(ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
12.—種分析方法,其特征在于， 將入射光照射至光學元件，檢測對應所述入射光的照射而從所述光學元件放射的光，并分析附著于光學元件表面的對象物， 所述光學元件包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置于貫通所述第一金屬層而形成的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，當將所述第二金屬層視為沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而成的第一金屬列時，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置， 所述光學元件的所述第二金屬層以滿足下述式(I)的關系的方式配置，
Pl < P2 彡 Q+P1...(I) 這里，Pl為所述第一節距，P2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
(ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
13.—種分析方法,其特征在于， 將入射光照射至光學元件，檢測對應所述入射光的照射而從所述光學元件放射的光，并分析附著于光學元件表面的對象物， 所述光學元件包括:第一金屬層；以及第二金屬層，所述第二金屬層配置在形成于所述第一金屬層上的電介體柱上，與所述第一金屬層電絕緣，當將所述第二金屬層視為沿第一方向以第一節距排列有多個所述第二金屬層而成的第一金屬列時，所述第一金屬列沿與所述第一方向交叉的第二方向以第二節距排列配置， 所述光學元件的所述第二金屬層的配置以滿足下述式(I)的關系的方式配置，
Pl < Ρ2 彡 Q+P1...(I) 這里，Pl為所述第一節距，Ρ2為所述第二節距，Q表示將所述第二金屬層的列中所激勵的局域型等離子體的角振動頻率設為ω、將構成所述第一金屬層的金屬的電容率設為ε (ω)、將所述第一金屬層的周邊的電容率設為ε、將真空中的光速設為C、將作為所述入射光的照射角的與所述第一金屬層的厚度方向的傾角設為Θ時，由下述式(2)給出的衍射光柵的節距，
(ω/c).{ ε.ε ( ω ) / ( ε + ε ( ω ))}1/2 = ε 1/2.(ω/c).sin θ +2m τι /Q (m =± 1，±2，，)...(2)。
14.一種電子設備，其特征在于，具備:根據權利要求1至10中任一項所述的分析裝置；運算部，基于來自所述檢測器的檢測信息對健康醫療信息進行運算；存儲部，存儲所述健康醫療信息；以及顯示部，顯示所述健康醫療信息。
15.根據權利要求14所述的電子設備，其特征在于， 所述健康醫療信息包括:有關從由細菌、病毒、蛋白質、核酸及抗原/抗體構成的組中選擇的至少一種生物體關聯物質、或者從無機分子及有機分子中選擇的至少一種化合物的有無或量的信息。
【文檔編號】G01N21/55GK104422683SQ201410459147
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2013年9月10日
【發明者】杉本守, 真野哲雄, 江成芽久美 申請人:精工愛普生株式會社