光デバイスユニット及び検出装置
【課題】ラマン分光法における検出感度を向上可能な光デバイスユニット等を提供する。
【解決手段】検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、電気伝導体を有し、光源Ａからの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイス４と、前記光デバイス４に気体試料を誘導する第１の誘導部４２０とを含む。前記第１の誘導部４２０は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有し、前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイス４との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。
【解決手段】検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、電気伝導体を有し、光源Ａからの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイス４と、前記光デバイス４に気体試料を誘導する第１の誘導部４２０とを含む。前記第１の誘導部４２０は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有し、前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイス４との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスユニット及び検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン分光装置は、一般に、検出対象である物質に依存するラマン散乱光を検出してラマンスペクトルを得る検出器を含み、ラマンスペクトルによる分光分析を行い、検出対象である物質を特定することができる。しかしながら、ラマン散乱光の信号強度は、一般に、微弱であり、検出感度が低かった。
【０００３】
特許文献１は、ハンドヘルドラマン体液分析器を開示し、金ゾルゲル・ストリップで表面増強ラマン散乱を提供し、ラマン散乱光の信号強度を高めている。
【０００４】
なお、励起光を例えば金属表面に照射することで局在プラズモンを生じさせることができ、励起光と局在プラズモンとの結合で局所的に電場を増強することができる。表面増強ラマン散乱では、ラマン散乱光は、増強電場によって増強されると考えられている。
【０００５】
特許文献２は、安定した偏光面制御が可能な垂直共振器面発光レーザー（VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を開示し、このような垂直共振器面発光レーザー等で励起光を提供することができる。
【０００６】
励起光と局在プラズモンとの結合の際に、局在プラズモン共鳴による光吸収が起こり、例えば、特許文献３には、表面に金属微粒子が固定された基板による局在表面プラズモン共鳴を利用して、センサー感度を向上する手法が開示されている。特許文献４には、長波長側にシフトする共鳴ピークと短波長側にシフトする共鳴ピークをもつ局在プラズモン共鳴センサーの技術が開示されている。また、特許文献５には、複数の波長に対して共振可能とするために複数の共振領域により微小共振器が構成された電場増強デバイスの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５２９００６号公報
【特許文献２】特許第３４８２８２４号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献４】特開２００７−１０６４８号公報
【特許文献５】特開２００９−２５０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ラマン分光装置は、一般に、検出対象である物質が吸着可能な金属ナノ構造等の電気伝導体を有する光デバイスを含む。電気伝導体に光を入射させ、標的物を光デバイス付近の増強電場に誘導することで増強電場に起因するラマン散乱光を検出できる。標的物の種類や光デバイスの種類によっては、ラマン散乱光の検出感度は、低いこともある。
【０００９】
本発明の幾つかの態様によれば、検出感度を向上可能な光デバイスユニット及び検出装置等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、
電気伝導体を有し、前記検出装置の光源からの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイスと、
前記光デバイスに気体試料を誘導する第１の誘導部とを含むことを特徴とする光デバイスユニットに関係する。
【００１１】
本発明の一態様によれば、使用済みの光デバイスユニットを検出装置から取り外し、新しい光デバイスユニットを検出装置に取り付けることができる。このように、光デバイスユニットを交換することで、第１の誘導部及び光デバイスに付着した気体試料が、次の検出又は測定に影響することなく、検出装置の検出感度を高めることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記第１の誘導部は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有してもよく、
前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイスとの間に、外光の入射線を遮る内壁面を有してもよい。
【００１３】
このようにすれば、外光が光デバイスに到達し難くなり、ラマン散乱光（信号）に対する外光（ノイズ）の割合が低下する。従って、ラマン散乱光を検出する際のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）が向上し、検出感度を高めることができる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、光デバイスユニットは、
前記第１の流路に空気中の浮遊物を除去するフィルターをさらに含んでもよく、
前記フィルターは、前記外光を遮光してもよい。
【００１５】
このようにすれば、フィルターの存在により、浮遊物及び外光が光デバイスに到達し難くなり、検出感度を高めることができる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、光デバイスユニットは、
前記検出装置によって読み取り可能であり、且つ前記光デバイスを識別する識別コードをさらに含んでもよい。
【００１７】
このようにすれば、検出装置は、光デバイスの種類又は光デバイスで検出可能な気体試料を把握することができる。また、検出装置がラマンスペクトルによる分光分析をさらに行う場合、このような検出装置（ラマン分光装置）は、光デバイスに対応する気体試料（標的物）を検出又は特定し易い。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記第１の誘導部は、前記第１の流路と連結する第２の流路を有してもよく、
前記第２の流路は、前記光デバイスに臨む領域で、前記気体試料を旋回させてもよい。
【００１９】
このようにすれば、誘導部の第２の流路の存在により、気体試料が光デバイスに入り込む確率が高くなる。従って、ラマン散乱光の信号強度が安定し、例えば、気体試料が微量である場合であっても、気体試料（標的物）を検出又は特定し易くなる。
【００２０】
また、本発明の他の態様は、上記に記載の光デバイスユニットと、
前記第１の誘導部と接続可能な第２の誘導部と、
前記光源と、
前記前記光源からの前記光を前記光デバイスの前記電気伝導体に入射させる第１の光学系と、
前記電気伝導体により散乱または反射された光の中から前記ラマン散乱光を検出する検出器とを含み、
前記第２の誘導部は、前記気体試料を排出口に誘導することを特徴とする検出装置に関係する。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、光デバイスユニットの第１の誘導部と検出装置の第２の誘導部とを接続することで、光デバイスユニットを交換可能な検出装置を提供することができる。
【００２２】
また、本発明の他の態様では、前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第１の突起群を有してもよく、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の前記仮想平面に対して平行な方向に沿って、第１の周期で配列されてもよく、
前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第１の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第１の光学系は、前記光源からの前記光を前記第１の突起群に入射させてもよい。
【００２３】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第１の突起群で高めることができる。また、偏光方向の仮想平面に平行な成分が第１の突起群の配列方向と平行である直線偏光を光デバイスに入射できる。これにより、伝搬型の表面プラズモンを励起できる。
【００２４】
また、本発明の他の態様では、前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記第１の突起群の頂面で、電気伝導体により形成される第２の突起群を有してもよく、
前記第１の突起群の前記複数の突起のいずれか１つに対応する前記第２の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第２の周期で配列されてもよい。
【００２５】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第２の突起群でも高めることができる。
【００２６】
また、本発明の他の態様では、前記第１の突起群が配列される面であって前記第１の突起群の隣り合う突起間の面に、電気伝導体により形成される第３の突起群を有してもよく、
前記第３の突起群の複数の突起の各々は、前記第１の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第３の周期で配列されてもよい。
【００２７】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第３の突起群でも高めることができる。
【００２８】
また、本発明の他の態様では、前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で生じてもよく、
前記第１の共鳴ピーク波長を有する第１の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有してもよく、
前記第２の共鳴ピーク波長を有する第２の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有してもよい。
【００２９】
このようにすれば、第１の周期で配列された第１の突起群に入射された光により、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で表面プラズモン共鳴が生じる。このとき、第１の共鳴ピーク波長を含む第１の共鳴ピーク波長帯域には、表面増強ラマン散乱における励起波長が含まれ、第２の共鳴ピーク波長を含む第２の共鳴ピーク波長帯域には、表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長が含まれるように、第１の周期と光の入射角度が設定される。これにより、励起波長における電場増強度とラマン散乱波長における電場増強度を向上すること等が可能になる。
【００３０】
また、本発明の他の態様では、検出装置は、
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第２の光学系をさらに含んでもよく、
前記検出器は、前記第２の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光してもよい。
【００３１】
このようにすれば、第２の光学系でラマン散乱光を効率良く受けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の構成例。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の具体的な構成例。
【図４】図３（Ａ）の検出装置のブロック図の１例。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、垂直共振器面発光レーザーの構造例。
【図６】光源の特性の説明図。
【図７】図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、誘導部及び排出流路の構成例。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）、図８（Ｅ）は、フォトリソグラフィー法の概要説明図。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）、図９（Ｅ）は、金属ナノ構造の製造プロセスの概要説明図。
【図１０】図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は、金属ナノ構造で形成される増強電場の概要説明図。
【図１１】２つの共鳴ピークの概要説明図。
【図１２】センサーチップの構成例の斜視図。
【図１３】図１２のセンサーチップの断面図。
【図１４】センサーチップの反射光強度の特性例。
【図１５】表面プラズモンポラリトンの励起条件の説明図。
【図１６】センサーチップの反射光強度の他の特性例。
【図１７】図１２のセンサーチップの変形例の斜視図。
【図１８】図１７のセンサーチップの断面図。
【図１９】図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は、センサーチップに入射光を傾斜させて入射させるための手法の説明図。
【図２０】図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）は、電気伝導体の製造方法の概要説明図。
【図２１】図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３４】
１．概要
１．１．基本構成
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の構成例を示す。図１（Ａ）に示すように、光デバイスユニットは、光デバイス４と誘導部４２０（第１の誘導部）とを含み、検出装置は、光デバイスユニットと、排出流路４２３（第２の誘導部）と、光源Ａと、光学系と、検出器５とを含む。なお、光デバイスユニットは、検出装置に着脱可能であり、誘導部４２０と排出流路４２３とを接続することができる。
【００３５】
光学系（第１の光学系）は、例えばハーフミラー２及び対物レンズ３で構成される。光源Ａは、所与の偏光方向を有する光を放射してもよい。なお、光源Ａは、図１（Ａ）の例に限定されず、複数の光源を有してもよい。なお、光源Ａは、指向性を有することができ、光源Ａは、高い指向性を有する光源（例えば、レーザー）で構成することが好ましい。
【００３６】
ハーフミラー２及び対物レンズ３（広義には光学系）は、光源Ａからの光を光デバイス４の電気伝導体に入射させる。また、誘導部４２０は、光デバイス４に気体試料を誘導する。排出流路４２３は、光デバイス４に誘導されて気体試料を排出する。検出器５は、電気伝導体により散乱または反射された光の中からラマン散乱光を検出する。検出装置は、ラマン検出装置と呼ぶこともでき、ラマンスペクトルによる分光分析をさらに行う検出装置は、ラマン分光装置と呼ぶこともできる。
【００３７】
本発明者らは、ラマン分光装置等で利用される光デバイス４及び誘導部４２０に気体試料が付着し続けることを認識した。また、光デバイス４の電気伝導体近傍における増強電場に起因するラマン散乱光の信号強度が安定しないこともあることを認識した。そこで、光デバイス４及び誘導部４２０を分離し、場合によっては誘導部４２０を改良して、検出器５の検出感度を高めることができる。光デバイス４及び誘導部４２０を検出装置から分離することで検出感度を高めることができる。また、誘導部４２０を改良することで、気体試料が光デバイスに入り込む確率を高め、従って、ラマン散乱光の信号強度を安定させることができる。なお、ラマン散乱光及び増強電場については、後述する。また、誘導部４２０についても、後述する。
【００３８】
なお、図１（Ａ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎ（入射光）の光路及び光デバイス４からの光Ｌｏｕｔ（散乱光、反射光）の光路は、実際の光路を正確に表すものではない。言い換えれば、光源Ａからの光Ｌｉｎ（入射光）の光路の存在及び光デバイス４からの光Ｌｏｕｔ（散乱光、反射光）の光路の存在を単に示すものである。
【００３９】
図１（Ｂ）の例では、検出装置は、光デバイス４と光源Ａとの相対位置を可変制御する制御部７を有することができる。具体的には、制御部７は、例えば光源Ａの位置を変化させることができる。なお、制御部７は、例えばＸＹステージ等の作動部を有してもよく、作動部への信号だけを送信してもよい。
【００４０】
制御部７は、光デバイス４の位置を変化させてもよい。図１（Ｂ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２（広義には光学系の光軸）を一致させるように、制御部７は、例えば光源Ａの位置を変化させる。
【００４１】
この場合、実際には、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重なることが予想されるが、図１（Ｂ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎが光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重ならないように示されている。図１（Ｂ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２とが一致することが理解できる目的で、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重ならないように図示されている。
【００４２】
図１（Ｃ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２からずらすように、制御部７は、光源Ａの位置を変化させる。この場合、実際には、光源Ａからの光Ｌｉｎが、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重なることが予想されるが、図１（Ｃ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎが光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重ならないように示されている。図１（Ｃ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２とが一致しないことが理解できる目的で、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重ならないように図示されている。
【００４３】
図１（Ｄ）の例では、検出装置は、光デバイス４と光学系との相対位置を可変制御する制御部７を有することができる。具体的には、制御部７は、例えば対物レンズ３の位置を変化させることができる。対物レンズ３の位置を変化させることにより、光源Ａの光軸を対物レンズ３の光軸と一致させることができるが、光源Ａの光軸を対物レンズの光軸からずらしてもよい。
【００４４】
１．２．検出原理
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図２（Ａ）の例では、ラマン分光について説明され、標的分子（広義には標的物）に入射光（振動数ν）が照射されると、一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、標的分子の振動数ν’（分子振動）が反映される。入射光の一部は、標的分子を振動させてエネルギーを失うが、標的分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。
【００４５】
図２（Ｂ）の例では、標的分子が例えばアセトアルデヒド分子である場合のラマンスペクトルが示されている。言い換えれば、図２（Ｂ）に示すラマンスペクトルを分析することで、例えばアセトアルデヒド分子を特定することができる。しかしながら、標的分子が微量である場合、ラマン散乱光は、一般に微弱であり、標的分子を検出又は特定することは困難である。そこで、増強電場を提供し、ラマン散乱光を増強電場によって増強することが好ましい。なお、図２（Ｂ）のラマンスペクトルは、ラマンシフトを波数で表している。
【００４６】
図２（Ｃ）の例では、金属微粒子２０に入射光（照射光）を照射した時に形成される増強電場について説明される。入射光の波長よりも小さな金属微粒子２０（金属ナノ粒子）に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属微粒子２０の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属微粒子２０内に励起され、金属微粒子２０の近傍に入射光の電場よりも強い増強電場が形成される。この現象は、入射光の波長よりも小さな金属微粒子２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００４７】
図２（Ｄ）の例では、光デバイス４に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)について説明される。光デバイス４は、例えば基板１００を有し、基板１００の凸部１０５に金属微粒子２０を形成することで、複数の突起１１０を有する突起群１１５（広義には金属ナノ構造）を提供することができる。このような光デバイスに入射光を照射することで、突起群１１５の隣り合う突起１１０（凸部１０５に形成される電気伝導体）間に増強電場を形成することができる。増強電場に標的分子が入り込むと、その標的分子によるラマン散乱光は増強電場で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００４８】
図２（Ｄ）の例では、光デバイス４の表側（電気伝導体側）から入射光が照射されているが、図２（Ｅ）に示されるように、光デバイス４の裏側（基板１００側）から入射光を照射してもよい。図２（Ｅ）の例では、光デバイス４の裏側のラマン散乱光及びレイリー散乱光を検出することができる。
【００４９】
なお、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）で示される光デバイス４は、図２（Ｄ）等に示されるような金属ナノ構造を有することが好ましいが、図２（Ｃ）に示されるような増強電場を提供しなくてもよい。
【００５０】
２．具体例
２．１．全体構成
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の具体的な構成例を示す。以下では、図１等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図３（Ａ）の例では、光デバイスユニットが検出装置に組み込まれ、図３（Ｂ）の例では、光デバイスユニットが組み込まれる前の検出装置から取り出され、図３（Ｃ）の例では、交換用の光デバイスユニットが示される。図３（Ｄ）の例では、外光の進入経路が示されている。検出装置の検出感度を高めるために、光デバイスユニットは、検出装置に着脱可能である。使用済みの光デバイスユニットを検出装置から取り外し、新しい光デバイスユニットを検出装置に取り付けることで、誘導部４２０及び光デバイス４に付着した気体試料が、次の検出又は測定に影響しない。
【００５１】
図３（Ａ）に示される検出装置の光デバイスユニットは、センサーチップ３００（広義には光デバイス４）及び誘導部４２０（搬送部）を含む。標的物は、吸引口４００（搬入口、取り込み口）から誘導部４２０（第１の誘導部）及び排出流路４２３（第２の誘導部）の内部に導入され、排出口４１０から誘導部４２０（第１の誘導部）及び排出流路４２３（第２の誘導部）の外部に排出される。図３（Ａ）の例では、検出装置は、ファン４５０（広義には吸引部）を排出口４１０付近に有し、ファン４５０を作動させると、誘導部４２０の吸引流路４２１（第１の流路）、センサーチップ３００に臨む領域の流路４２２（第２の流路）及び排出流路４２３（第３の流路）内の圧力（気圧）が低下する。これにより、標的物（気体試料）が誘導部４２０に吸引される。標的物は、吸引流路４２１を通り、センサーチップ３００付近の流路４２２を経由して排出流路４２３から排出される。このとき、標的物の一部が、センサーチップ３００の表面（電気伝導体）に付着する。
【００５２】
気体試料を排出口４１０に誘導する排出流路４２３は、センサーチップ３００付近の流路４２２（広義には誘導部４２０）と接続可能であり、図３（Ａ）の例では、排出流路４２３及び流路４２２は、例えばフランジ、カプラー等の接続部４９０を介して連結される。
【００５３】
センサーチップ３００は、光源Ａからの光をを受けて生じたラマン散乱光を増強可能であり、気体試料がセンサーチップ３００の表面に付着又は吸着する確率を高めるために、誘導部４２０の流路を改良することができる。単純な流路（図示せず）では気体試料がセンサーチップ３００を素通りすることもあるので、導部４２０は、センサーチップ３００の表面近傍を気体試料が旋回するような流路を有することができる。旋回する気体試料は、直接に排出口４１０又は排出流路４２３に行き難く、センサーチップ３００付近の流路４２２に滞在することができる。
【００５４】
図３（Ａ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２（第２の流路）は、気体試料を旋回させることができる。旋回流の発生により、気体試料がセンサーチップ３００に入り込む確率が高くなる。従って、ラマン散乱光の信号強度が安定し、例えば、気体試料が微量である場合であっても、気体試料（標的物）を検出又は特定し易くなる。
【００５５】
標的物は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができる。
【００５６】
気体試料がセンサーチップ３００の表面と接触する確率が高いことが好ましく、加えて、外光（図示せず）がセンサーチップ３００にできるだけ到達しないことが好ましい。図３（Ａ）に示されるように、誘導部４２０の吸引流路４２１（第１の流路）は、例えば折り返し構造を有することができる。ラマン散乱光（信号）に対する外光（ノイズ）の割合が低下することで、ラマン散乱光を検出する際のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）が向上し、検出感度を高めることができる。
【００５７】
仮に、吸引流路４２１が直線的である場合、吸引流路４２１は、外光を遮光し難くなり、検出感度が低下してしまう。
【００５８】
図３（Ｄ）の例では、外光が吸引流路４２１を介してセンサーチップ３００付近の流路４２２に到達する時の光路が示され、例えば図３（Ｄ）に示されるように、外光は、吸引流路４２１の内壁で３回反射される。吸引流路４２１は、吸引口４００（取り込み口）とセンサーチップ３００との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。このような折り返し構造により、吸引流路４２１は、遮光性を有することができる。
【００５９】
図３（Ａ）の例では、吸引流路４２１は、折り返し構造を有するが、流路抵抗が小さくなるように、例えば吸引流路４２１の内壁は、曲線的であることが好ましい。また、吸引流路４２１の内壁は、遮光性が高くなるように、光の反射率が小さい材料で構成することが好ましい。加えて、誘導部４２０の排出流路４２３（第３の流路）も、遮光性が高くなるような構造を有することが好ましい。
【００６０】
図３（Ｄ）の例では、外光が排出流路４２３を介してセンサーチップ３００付近の流路４２２に到達する時の光路（入射線）も示され、例えば図３（Ｄ）に示されるように、外光は、排出流路４２３の内壁で３回反射される。排出流路４２３は、排出口４１０とセンサーチップ３００との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。このような折り返し構造により、排出流路４２３は、遮光性を有することができる。
【００６１】
図３（Ａ）の例では、吸引流路４２１（広義には誘導部４２０、さらに広義には光デバイスユニット）は、空気中の浮遊物を除去するフィルター４２６（例えば、除塵フィルター）を有することができる。フィルター４２６は、外光を遮光することが好ましく、例えば除塵フィルター兼遮光フィルターで構成することができる。また、排出流路４２３（広義には検出装置）も、外光を遮光するフィルター４２７（例えば、遮光フィルター）を有することができる。
【００６２】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、カバー４４０を有し、カバー４４０は、センサーチップ３００等を格納することができる。また、検出装置は、筐体５００を有し、筐体５００内に例えば光源Ａ、ハーフミラー２、対物レンズ３及び検出器５を含み、検出器５は、例えば分光素子３７０及び受光素子３８０を有する。分光素子３７０は、例えばエタロンで構成することができる。さらに、検出装置は、集光レンズ３６０、光フィルター３６５、処理部４６０、電力供給部４７０、通信接続口５１０及び電源接続口５２０を含むことができる。
【００６３】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、ヒンジ部４８０を含み、カバー４４０は、ヒンジ部４８０を介して開閉可能である。カバー４４０が開いた状態で、使用済みの光デバイスユニットを取り外したり、或いは、図３（Ｂ）に示すように、カバー４４０が開いた状態で、新しい光デバイスユニットを検出装置に組み込むことができる。なお、検出装置は、例えば係止部（図示せず）を有し、光デバイスユニットが係止部に対応する被係止部（図示せず）を有することで、光デバイスユニットを位置決めすることができる。なお、センサーチップ検出素子３１０は、センサーチップ３００（広義には光デバイスユニット）が検出装置に適切に組み込まれたか否かを検出することができる。図３（Ｃ）は、交換用の光デバイスユニットを示し、誘導部４２０及びセンサーチップ３００が汚れないように、光デバイスユニットは、封止部材４２４，４２５を有することができる。光デバイスユニットは、センサーチップ３００を識別する識別コード３０５（例えば、バーコード）を有することができ、センサーチップ検出素子３１０（例えば、バーコードリーダー）は、識別コード３０５を読み取ることができる。
【００６４】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、光源Ａに対応するコリメーターレンズ３２０及び偏光制御素子３３０をさらに有する。光源Ａから出射された光は、コリメーターレンズ３２０により平行光にされ、偏光制御素子３３０により直線偏光にされる。なお、光源として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子３３０を省略することができる。
【００６５】
光源Ａからの光は、ハーフミラー２（ダイクロイックミラー）によりセンサーチップ３００の方向に導かれ、対物レンズ３で集光され、センサーチップ３００に入射する。センサーチップ３００の表面には、例えば金属ナノ構造が形成される。センサーチップ３００から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。センサーチップ３００からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３を通過し、ハーフミラー２によって検出器５の方向に導かれる。
【００６６】
図３（Ａ）の例では、光源Ａからの光は、センサーチップ３００の裏面から表面に到達し、例えば表面における金属ナノ構造付近から、レイリー散乱光及びラマン散乱光が発生し、レイリー散乱光及びラマン散乱光は、センサーチップ３００の裏面側に放射される（図２（Ｅ）参照）。なお、光源Ａからの光がセンサーチップ３００表面に直接に到達するように（図２（Ｄ）参照）、図３のセンサーチップ３００の配置を変更してもよい。
【００６７】
図３（Ａ）の例では、センサーチップ３００からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３６０で集光され、光フィルター３６５に到達する。そして、光フィルター３６５（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出され、受光素子３８０は、そのラマン散乱光を分光素子３７０を介して受光する。分光素子３７０を通過する光の波長は、処理部４６０により制御（選択）することができる。
【００６８】
受光素子３８０は、光学系及び分光素子３７０を介してラマン散乱光を受光する。光学系（第２の光学系）は、例えばハーフミラー２、集光レンズ３６０及び光フィルター３６５で構成される。分光素子３７０及び受光素子３８０によって、標的物に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、標的物を特定することができる。
【００６９】
図３（Ａ）の例では、処理部４６０は、光源Ａの電源をＯＮ／ＯＦＦすることができる。また、処理部４６０は、例えば図１（Ｂ）等に示される制御部７の機能を実行することができ、処理部４６０は、例えば光源Ａの位置を可変制御することができる。また、処理部４６０は、図３に示される光源Ａ以外の検出器５、ファン４５０等への命令を送ることができ、処理部４６０は、光源Ａだけでなく、検出器５、ファン４５０等も制御することができる。さらに、処理部４６０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、処理部４６０は、標的物を特定することができる。なお、処理部４６０は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続口５１０に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【００７０】
図３（Ａ）の例では、電力供給部４７０は、図３（Ａ）に示される処理部４６０、光源Ａ、検出器５、ファン４５０等への電力を供給することができる。電力供給部４７０は、例えば２次電池で構成することができ、１次電池、ＡＣアダプター等で構成してもよい。電力供給部４７０が２次電池で構成される場合、例えば電源接続口５２０に接続される充電器（図示せず）は、２次電池を充電することができる。電力供給部４７０がＡＣアダプターで構成される場合、ＡＣアダプターは、検出装置の外部に配置され、電源接続口５２０に接続される。なお、検出装置は、例えば表示部（図４の例では表示部５４０）を含むことができ、表示部は、電力供給部４７０の状態（例えば電池切れ、充電中、充電完了、電力供給中等）を表示することができる。
【００７１】
図４は、図３（Ａ）の検出装置のブロック図の１例を示す。以下では、図３（Ａ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図４に示されるように、検出装置は、例えば表示部５４０、操作部５５０及びインターフェース５３０をさらに含むことができる。また、図３に示される処理部４６０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）４６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４６２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４６３を有することができる。さらに、検出装置は、光源ドライバー１５、分光ドライバー３７５、例えば受光回路３８５及びファンドライバー４５５を含むことができる。以下に、図４に示す検出装置の動作例を説明する。
【００７２】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、ラマン散乱光を検出する準備が完了したか否かを判断することができ、ＣＰＵ４６１は、その準備が完了したことを表す信号を表示部５４０に送ることができる。また、ＣＰＵ４６１は、その信号以外の信号も表示部５４０に送ることができ、表示部５４０は、ＣＰＵ４６１からの信号（表示信号）に応じて、様々な表示をユーザーに提供することができる。
【００７３】
図４の例では、検出回路３１５は、センサーチップ検出素子３１０で検出した識別コード３０５を電気信号として取り出すことができる。ＣＰＵ４６１は、その電気信号をデジタル形式で受け、その値で、センサーチップ３００の種類を特定することができる。その後、ＣＰＵ４６１は、ラマン散乱光を検出する準備が完了したこと認識することができる。
【００７４】
表示部５４０がラマン散乱光を検出する準備が完了したことを示す場合、ユーザーは、操作部５５０を操作して、ラマン散乱光の検出を開始することができる。操作部５５０からの信号（操作信号）が検出の開始を表す場合、ＣＰＵ４６１は、光源ドライバー１５を介して光源Ａを起動することができる。具体的には、光源ドライバー１５（広義にはＣＰＵ４６１）は、光源Ａの電源をＯＮさせることができる。なお、光源Ａは、温度センサー（図示せず）及び光量センサー（図示せず）を有することができ、光源Ａは、光源Ａの温度及び光量を光源ドライバー１５を介してＣＰＵ４６１に送ることができる。ＣＰＵ４６１は、光源Ａの温度及び光量を受け、光源Ａの出力が安定しているか否かを判断することができる。光源Ａの電源がＯＮされた状態で、場合によっては光源Ａの出力が安定した後に、ＣＰＵ４６１は、ファンドライバー４５５を介してファン４５０を起動することができる。
【００７５】
なお、ＣＰＵ４６１（広義には処理部４６０）は、例えば図１（Ｂ）等に示される制御部７の機能を実行することができ、ＣＰＵ４６１は、例えば光源ドライバー１５を介して、例えば光源Ａの位置を可変制御することができる。代替的に、ＣＰＵ４６１は、例えば光源ドライバー１５又はレンズドライバー（図示せず）を介して、例えば図１（Ｄ）等に示される対物レンズ３の位置を可変制御してもよい。
【００７６】
図４の例では、ファンドライバー４５５は、ファン４５０の電源をＯＮさせることができ、これにより、標的物（気体試料）が図３の誘導部４２０に吸引される。図３の光源Ａの電源がＯＮされる場合、光源Ａから光がハーフミラー２を介して図３のセンサーチップ３００に到達している。これに応じて、センサーチップ３００からレイリー散乱光及びラマン散乱光がハーフミラー２に戻ってくる。センサーチップ３００からレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３６０を介して光フィルター３６５に到達する。光フィルター３６５は、レイリー散乱光を遮断する一方、ラマン散乱光を分光素子３７０に導く。以上は、吸引口４００（搬入口）から誘導部４２０、排出口４１０までの流路抵抗が比較的小さい場合ファン４５０によって可能であるが、流路抵抗が比較的大きい場合には、ファン４５０に代って吸引ポンプ（図示せず）などを使用することができる。
【００７７】
図４の例では、分光ドライバー３７５（広義にはＣＰＵ４６１）は、分光素子３７０を制御することができる。分光素子３７０は、例えば共振波長を可変できる可変エタロン分光器で構成することができる。分光素子３７０がファブリペロー共振を利用したエタロンである場合、分光ドライバー３７５は、互いに対向する２枚のエタロン板の距離を調整しながら、エタロンを通過する光の波長を変化（選択）することができる。具体的には、エタロンを通過する光の波長を第１の波長から第Ｎの波長までの範囲に設定する場合、先ずは、第１の波長を有する光が最大強度を示すように２枚のエタロン板の距離を設定する。その後、第１の波長から半値幅だけずらした第２の波長を有する光が最大強度を示すように２枚のエタロン板の距離を再度設定する。このような手法で第１の波長、第２の波長、第３の波長、・・・、第Ｎの波長を順次選択しながら、エタロンを通過する光を受光素子３８０で受光する。
【００７８】
図４の例では、受光回路３８５（広義にはＣＰＵ４６１）は、受光素子３８０で受けた光を電気信号として取り出すことができる。ＣＰＵ４６１は、その電気信号をデジタル形式で受け、その値をＲＡＭ４６２に記憶することができる。分光素子３７０が第１の波長〜第Ｎの波長までの範囲の光を選択的に受光素子３８０に導くことで、ＣＰＵ４６１は、ラマンスペクトルをデジタル形式でＲＡＭ４６２に記憶することができる。
【００７９】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、ＲＡＭ４６２に記憶される標的物に特有のラマンスペクトルデータと例えばＲＯＭ４６３に予め記憶される既知のラマンスペクトルデータとを比較することができる。ＣＰＵ４６１は、比較結果に基づき標的物が何の物質であるか否かを判定することができる。ＣＰＵ４６１は、比較結果又は判定結果を表す信号を表示部５４０に送ることができる。これにより、表示部５４０は、比較結果又は判定結果をユーザーに示すことができる。また、ＣＰＵ４６１は、比較結果又は判定結果を表すデータを通信接続口５１０から出力することもできる。インターフェース５３０は、ＣＰＵ４６１と通信接続口５１０に接続される外部機器（図示せず）との間のデータの受け渡しを所与の規格で実行することができる。
【００８０】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、電力供給部４７０の状態を判定することができる。電力供給部４７０が例えば１次電池又は２次電池で構成される場合、ＣＰＵ４６１は、１次電池又は２次電池の電圧を表すデータが例えばＲＯＭ４６３に予め記憶される所与の値以下であるか否かを判定することができる。ＣＰＵ４６１は、判定結果を表す信号を表示部５４０に送ることができる。これにより、表示部５４０は、判定結果（例えば電池切れ、充電要）又は判定結果に基づく指示をユーザーに示すことができる。また、電力供給部４７０が例えば２次電池で構成される場合、ＣＰＵ４６１は、２次電池が充電されているか否か等を判定することができる。
【００８１】
図４の例では、電力供給部４７０は、電力供給部４７０の状態をＣＰＵ４６１に送ることができる。また、電力供給部４７０は、ＣＰＵ４６１等を有する処理部４６０に電力を供給することができる。図４に示されていないが、電力供給部４７０は、光源ドライバー１５、受光回路３８５、光源群１等の検出装置を構成する部品にも電力を供給することができる。
【００８２】
２．２．光源
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、垂直共振器面発光レーザーの構造例を示す。図５（Ａ）の例では、ｎ型ＧａＡｓ基板の上にｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層が形成される。ｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層の中央部に活性層及び酸化狭窄層が設けられる。活性層及び酸化狭窄層の上にｐ型ＤＢＲ層が設けられる。ｐ型ＤＢＲ層及びｎ型ＤＢＲ層の上に絶縁層を設け、絶縁層の上に電極を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板の裏側にも電極を形成する。図５の例では、ｎ型ＤＢＲ層とｐ型ＤＢＲ層との間に活性層が介在し、活性層で発生した光がｎ型ＤＢＲ層とｐ型ＤＢＲ層との間で共振する垂直共振器が形成される。なお、垂直共振器面発光レーザーは、図５（Ａ）の例に限定されず、例えば酸化狭窄層を省略してもよい。
【００８３】
例えば図１（Ａ）等に示される光源Ａは、基板面に対して垂直方向に光を共振させ、基板面と垂直な方向（光源の光軸Ｌａｘ１）に光を放出可能な垂直共振器面発光レーザー（広義には面発光レーザー）であることが好ましい。垂直共振器面発光レーザーを利用することで、単色（単一波長）で且つ直線偏光である光源を構成することができる。また、垂直共振器面発光レーザーは、小型化することが可能であり、携帯型の検出装置への組み込みに適している。また、垂直共振器面発光レーザーの構造から、製造工程では基板を劈開せずとも共振器の形成やレーザー特性の検査が可能であり、大量生産に向いている。さらに、垂直共振器面発光レーザーは、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能であり、例えば２次元アレー型の垂直共振器面発光レーザーを提供することもできる。加えて、垂直共振器面発光レーザーの閾値電流が小さく、従って、検出装置の消費電力を低減させることができる。また、低電流でも垂直共振器面発光レーザーの高速変調が可能であり、垂直共振器面発光レーザーの温度変化に対する特性変化の幅が少なく、垂直共振器面発光レーザーの温度制御部を簡易化できる。
【００８４】
なお、図５（Ａ）の例を変形して、垂直共振器面発光レーザーは、安定した偏光面（広義には偏光方向）を提供することができる。この場合、図３の偏光制御素子３３０の代わりに、例えば光源Ａ（垂直共振器面発光レーザー）は、例えば特許文献２で開示されるような歪み付加部を有することができる。特許文献２の例では、特許文献２の歪み付加部１９は、垂直共振器面発光レーザーの共振器１０Ｂに隣接して配置される。特許文献２の歪み付加部１９は、特許文献２の共振器１０Ｂに異方的な応力をあたえ、歪ませることによって、複屈折、利得の偏光依存性を特許文献２の共振器１０Ａ内に生じさせる。これによって、安定した偏光面を提供することができる。
【００８５】
図５（Ｂ）の例では、垂直共振器面発光レーザーの平面図が示され、光源Ａは、歪み付加部を有する。図５（Ｂ）の例では、光源Ａは、偏光方向ＤＡを有する光を放射可能である。
【００８６】
図６は、光源の特性の説明図を示す。図６の例では、光源に利用可能なレーザーの特性を表で表している。垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、上述のように検出装置の光源に適しているが、検出装置は、図６に示すような他のレーザーを採用してもよく、レーザー以外の光源を採用してもよい。
【００８７】
２．３．誘導部
図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、誘導部及び排出流路４２３の構成例を示す。図７（Ａ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２は、円筒状構造を有することができる。円筒状構造は、内周面４２２ａ及び内周面に垂直な平面４２２ｂを有し、内周面４２２ａ（壁面）で、基板１００（狭義には電気伝導体）の平面（広義には仮想平面）と平行な方向（水平方向）に気体試料を旋回させることができる。気体試料が電気伝導体の仮想平面（例えば横断面）と平行な方向に旋回することを水平旋回又は横旋回と称することができる。センサーチップ３００付近の流路４２２の入口は、吸引流路４２１の出口と連結し、センサーチップ３００付近の流路４２２の出口は、排出流路４２３の入口と連結する。吸引流路４２１の出口から流路４２２の入口への気体試料の流入方向を平面４２２ｂと平行な方向に近づけることで、気体試料は、水平方向に旋回し易くなる。なお、図７（Ａ）に示されるように、主に水平方向の旋回流が生じ、垂直方向の旋回流が生じてもよい。気体試料は、センサーチップ３００付近に滞在し、その後、排出流路４２３から流出する。気体試料がセンサーチップ３００付近の増強電場近傍を何度も通過することで、気体試料が増強電場に入り込む確率が高まることになる。
【００８８】
図７（Ｂ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２は、中空状構造を有することができる。中空状構造は、内側球面４２２ｃを有し、内側球面４２２ｃ（壁面）で、電気伝導体の仮想平面と垂直な方向（垂直方向）に気体試料を旋回させることができる。気体試料が電気伝導体の仮想平面（例えば横断面）と垂直な方向に旋回することを垂直旋回または縦旋回と称することができる。吸引流路４２１の出口から流路４２２の入口への気体試料の流入方向を平面４２２ｂと垂直な方向に近づけることで、気体試料は、垂直方向に旋回し易くなる。なお、図７（Ｂ）に示されるように、主に垂直方向の旋回流が生じ、水平方向の旋回流が生じてもよい。
【００８９】
図７（Ｃ）の例では、吸引流路４２１は、螺旋構造を有することができる。気体試料は、吸引流路４２１から流路４２２に入り込む。このとき、吸引流路４２１が螺旋構造を有するので、旋回する気体試料が流路４２２に入る。従って、気体試料は、流路４２２でさらに旋回することができ、気体試料が電気伝導体付近の増強電場に滞在する確率がさらに高くなる。また、吸引流路４２１は、外光を遮光することができ、吸引流路４２１の内壁は、遮光性が高くなるように、光の反射率が小さい材料で構成することが好ましい。図７（Ｃ）の例では、誘導部４２０（広義には光デバイスユニット）は、排出流路４２３と接続可能な中継経路４２３ａを有することができる。
【００９０】
図７（Ｃ）に示されるような螺旋構造を排出流路４２３が有してもよい。また、例えば図７（Ａ）等に示される吸引流路４２１も、螺旋構造を有してもよい。
【００９１】
２．４．光デバイス（フォトリソグラフィー法による金属ナノ構造）
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）、図８（Ｅ）は、フォトリソグラフィー法の概要説明図を示す。図８（Ａ）の例では、紫外レーザーを利用した光干渉露光装置の概要を示され、光源として、例えば波長２６６ｎｍ、出力２００ｍＷを有する連続発振（CW:Contimuous Wave）レーザー用いることができる。紫外レーザーからの光は、シャッターを経由してミラーで折り返し、ハーフミラーで両側に分岐する。ハーフミラーから分岐される２つの光の各々は、ミラーで折り返し対物レンズ及びピンホールを経由し、これにより、光のビーム径が広がる。ビーム径が広がった紫外レーザーからの光をマスクに照射させることで露光パターンを作り、レジストを塗布した基板１００に露光パターンを照射させることができる。この時、両側のマスクからの露光パターンが互いに干渉することにより、干渉パターンをレジスト（基板１００）に形成することが可能になる。また、露光パターンを例えばハーフミラー及びＣＣＤカメラを介してモニタで確認することもできる。
【００９２】
所与の干渉パターン（広義には所与の露光パターン）をレジスト（基板１００）に露光した後、レジストを現像し、必要な部分のみのレジストを残すことができる。その後、基板１００をエッチングする溶液に浸漬するか、ドライエッチングで必要な量だけエッチングすることができる。エッチング後、基板１００上に残っているレジストを除去することができる。これにより、基板１００の表面を微細な凹凸状に加工することができる。その後、基板１００の表面に電気伝導体として例えば金属微粒子を付加し、金属ナノ構造を形成することができる。金属ナノ構造の製造プロセスの概要については、後述する（図９（Ａ）〜図９（Ｅ）参照）。
【００９３】
図８（Ｂ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が平面図及び断面図で示されている。この例では、基板１００（金属ナノ構造）は、複数の突起１１０で構成される突起群１１５を有し、複数の突起１１０（金属微粒子２０）は、１次元の周期で配置される。
【００９４】
また、図８（Ｃ）の例でも、金属ナノ構造を有する基板１００が平面図及び断面図で示されている。この例では、複数の突起１１０（金属微粒子２０）は、２次元の周期で配置される。図８（Ｄ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が斜視で示される電子顕微鏡写真が示され、例えば図８（Ｃ）に対応している。図８（Ｄ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が平面視で示されるＳＥＭ写真が示され、例えば図８（Ｃ）に対応している。例えば金（Ａｕ）で構成される複数の突起１１０の周期（ピッチ）は、例えば約１４０ｎｍである。
【００９５】
なお、光干渉露光装置の代わりに例えば電子ビーム露光装置を用いて金属ナノ構造を形成してもよい。電子ビーム露光装置は、光干渉露光装置と比べて露光の自由度が高いという利点を有する一方、光干渉露光装置は、電子ビーム露光装置と比べて光デバイスの量産性が高いという利点を有する。
【００９６】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）、図９（Ｅ）は、金属ナノ構造の製造プロセスの概要説明図を示す。以下では、図８（Ｂ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。例えば図８（Ｃ）等で示される金属ナノ構造は、具体的には、以下のように製造することができる。図９（Ａ）で示すように、基板１００は、レジスト１０１を有する。レジスト１０１は、例えばスピンコートによって基板１００に塗布され、その後、乾燥される。レジスト１０１に所与のパターンを露光するには、例えば図８（Ａ）で示されるような光干渉露光装置を用いることができる。レジスト１０１は、例えばポジ型レジストを使用することができ、レジスト１０１の膜厚は、例えば１μｍである。図９（Ａ）の例では、２つの方向から光をレジスト１０１に照射し、２つの光の各々は、例えば格子状の露光パターンを有する。２つの光が交差する角度によって、様々な干渉パターンを形成することができる。なお、干渉パターンの大きさは、光干渉露光装置の例えば紫外レーザーの波長の半分まで小さくすることができる。干渉パターンによる潜像をレジスト１０１内に形成し、レジスト１０１を現像すると、例えば図９（Ｂ）に示すようなレジストパターンを形成することができる。
【００９７】
図９（Ｂ）に示されるように、基板１００は、レジストパターンで保護されている部分とレジストパターンで保護されていない部分とを有する。その後、レジストパターンで保護されていない部分をエッチングして、例えば図９（Ｃ）に示されるように、基板１００に凹部１０４が形成される。その後、基板１００に残ったレジスト１０１を除去することで、例えば図９（Ｄ）に示すような基板１００の凸部１０５が露出する。その後、例えばスパッター装置で金属微粒子２０による金属膜を基板１００に形成する。初期状態では基板１００全体に薄く金属膜が形成されるが、凸部１０５付近に多く金属微粒子２０が徐々に付着し、例えば図９（Ｅ）に示されるような金属膜で複数の突起１１０（金属ナノ構造）を形成することができる。
【００９８】
複数の突起１１０（金属ナノ構造）を有する突起群１１５に例えば直線偏光のレーザー光を照射すると、レーザー光の偏光方向により局在プラズモンが励起され、突起群１１５の隣り合う突起１１０間のギャップに強い増強電場が形成される。突起群１１５の隣り合う突起１１０間のギャップは、金属膜の膜厚によって制御することができ、このギャップの大小が増強電場の強さを主に支配する要因となる。
【００９９】
金属微粒子２０又は金属膜は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）で構成することができ、また、これらの合金（組み合わせ）で構成することができる。好ましくは、金属微粒子２０又は金属膜は、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）で構成し、局在プラズモン、増強電場又は表面増強ラマン散乱を発現し易くすることができる。
【０１００】
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は、金属ナノ構造で形成される増強電場の概要説明図を示す。以下では、図２（Ｄ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。標的分子（気体試料）は、例えば図３に示す吸引口４００から誘導部４２０の内部に吸引され、センサーチップ３００（広義には光デバイス４）付近の流路４２２に到達する。図１０（Ａ）の例では、光デバイス４は、金属ナノ構造を有し、金属ナノ構造に光源からの光Ｌｉｎ（入射光）を照射すると、凸部１０５のギャップに増強電場が形成される。図１０（Ｂ）の例では、光Ｌｉｎ（入射光）の照射範囲が点線で示されている。なお、増強電場に標的分子が入った場合には、その標的分子の振動数の情報を含んだラマン散乱光が生じる。また、そのラマン散乱光が増強電場によって増強され、表面増強ラマン散乱が生じる。図１０（Ａ）の例では、光デバイス４の裏側（基板１００側）から入射光が照射されているが、図１０（Ｃ）に示されるように、センサーチップ３００の表側（凸部１０５側）から入射光を照射してもよい。
【０１０１】
凸部１０５のギャップが小さく、凸部１０５の高さ（凹部１０４の深さ）が大きくなると、例えば図１０（Ａ）等で示される増強電場は、一般に、強くなる。また、光Ｌｉｎ（入射光）の強度が強ければ、増強電場も強くなる。但し、凸部１０５のギャップが狭すぎると、標的分子がギャップ（増強電場）に入る確率も低くなるので、凸部１０５のギャップは、例えば数ｎｍ〜１０数ｎｍに設定することができる。また、凸部１０５の高さ（凹部１０４の深さ）が大きくなると、標的分子がギャップ（増強電場）に一旦入った後に、ギャップ（増強電場）を出る時間を長くさせ、ラマン散乱光を表す検出信号又はラマンスペクトルは、安定する。
【０１０２】
また、金属ナノ構造の金属の種類によって光Ｌｉｎ（入射光）の波長を選択することができる。金属ナノ構造が例えば金（Ａｕ）で構成される場合、光Ｌｉｎの波長を例えば６３３ｎｍに設定することができる。また、金属ナノ構造が例えば銀（Ａｇ）で構成される場合、光Ｌｉｎの波長を例えば５１４ｎｍに設定することができる。また、標的分子の種類によって光Ｌｉｎの波長を選択することもできる。なお、気体試料が標的分子以外の不純物を含む場合、不純物の蛍光を抑制するために、光Ｌｉｎの波長を例えば７８０ｎｍ程度に設定してもよい。
【０１０３】
２．５．表面プラズモン共鳴ピーク
例えば図１０（Ｃ）等に示される光デバイス４の金属ナノ構造（広義には電気伝導体）に光Ｌｉｎ（入射光）を照射する時、一般には、ブロードな表面プラズモン共鳴ピークがひとつしか存在しないため、励起波長（レイリー散乱波長と等しい）とラマン散乱波長に対して、共鳴ピークの位置を適切な位置に設定する必要がある。そのため、共鳴ピーク波長を励起波長とラマン散乱波長の間に設定すれば、励起過程とラマン散乱過程の両方で電場増強効果を期待できる。しかしながら、共鳴ピークがブロードであるため、個々の過程では共鳴の強さが弱くなり、過程全体の増強度は十分とは言えないこともある。そこで、光デバイス４に入射光を斜めに入射して共鳴ピークを２つ生じさせ、その２つの共鳴ピークを励起波長とラマン散乱波長に設定することで、検出感度又はセンサー感度を向上させることができる。
【０１０４】
表面増強ラマン散乱を応用した高感度なセンサーチップ３００（広義には光デバイス４）を実現するためには、局所電場の増強度（以下、増強度と適宜省略する）ができるだけ大きいことが望ましい。増強度αは、下式（１）で表される（M.Inoue, K.Ohtaka, J.Phys.Soc.Jpn., 52, 3853 (1983)）。ここで、αｒａｙは、励起波長における増強度であり、αｒａｍは、ラマン散乱波長における増強度である。
α＝αｒａｙ×αｒａｍ （１）
上式（１）より、励起過程における増強度とラマン散乱過程における増強度の両方を同時に高め、表面増強ラマン散乱過程における増強度を高めることができる。そのため例えば図１１に示すように、励起波長及びラマン散乱波長の近傍だけに強い２つの共鳴ピークを発生させる。これにより、両散乱過程の相乗効果によって、局所電場の増強効果を高めることができる。
【０１０５】
図１２は、センサーチップの構成例の斜視図である。図１２に示されるように、センサーチップ３００は、基板１００（基材）及び突起群１１５（第１の突起群）を含む。複数の突起１１０を有する突起群１１５は、電気伝導体で構成され、電気伝導体は、典型的には金属（例えば、金（Ａｕ））であるが、半導体（例えばポリシリコン）等でもよい。
【０１０６】
複数の突起１１０は、基板１００の平面（広義には仮想平面）に沿った第１の方向Ｄ１に周期的に配置される。ここで、基板１００の平面は、例えば突起群１１５が形成される側の基板１００の表面１２０であり、表面１２０に平行な面でもよい。より具体的には、突起群１１５の各突起１１０は、突起の配列方向（第１の方向Ｄ１）の断面形状が基材１００の表面１２０から凸形状に形成される。凸形状は、矩形や台形、円弧等であり、例えば図８（Ｄ）、図９（Ｅ）等で示されるような複雑な曲線で定義される断面形状を有してもよい。例えば、図１２に示すように、突起群１１５は、基板１００に対する平面視において、第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行な縞状に形成される。
【０１０７】
図１３は、図１２のセンサーチップの断面図を示す。この断面図の断面は、基板１００の平面に垂直な面であり、突起群１１５の配列方向（第１の方向Ｄ１）に平行な面である。図１３に示すように、基板１００の平面の法線方向を第３の方向Ｄ３とする。
【０１０８】
図１３の例では、基板１００は、ガラス基板１３０と、ガラス基板１３０の上に形成された金属薄膜１４０とを有する。例えば、金属薄膜１４０の厚さは１５０ｎｍ以上である。図１３の例では、突起群１１５の断面形状は矩形（略矩形）であり、第１の高さＨ１の突起１１０が、第１の方向Ｄ１に沿って第１の周期Ｐ１で配列される。この金属薄膜１４０と突起群１１５とにより金属格子１５０（周期的な金属凹凸構造）が形成される。第１の周期Ｐ１は例えば１００〜１０００ｎｍの範囲に設定され、第１の高さＨ１は例えば１０〜１００ｎｍの範囲に設定されることが望ましい。なお、ガラス基板１３０は、例えば石英基板、サファイア基板等でもよく。基板１００は、例えば金属からなる平板を用いてもよい。
【０１０９】
センサーチップ３００には、直線偏光を含む入射光Ｌｉｎを入射することができる。直線偏光の偏光方向（偏光方位）は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して平行な方向である。図１３の例では、入射光Ｌｉｎは、金属薄膜１４０と突起群１１５による金属格子１５０（広義には電気伝導体）に対して傾斜させて入射させる。具体的には、傾斜角をθとすると、θ＞０であり、図１３に示す断面において入射方向と第３の方向Ｄ３の反対方向との角度(基板１００の平面に向う垂線に対する角度)がθとなるように入射光を入射させる。
【０１１０】
好ましくは、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して平行である。しかしながら、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して非平行であってもよい。言い換えれば、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に平行な偏光成分を含んでいればよい。なお、直線偏光の偏光方向は、例えば図３の偏光制御素子３３０、図５（Ｂ）の歪み付加部等で設定することができる。
【０１１１】
図１４は、センサーチップの反射光強度の特性例を示す。図１４は、金属格子１５０を銀（Ａｇ）により形成し、金属格子１５０に対する光の入射角度θが３度であり、光の偏光方向が金属格子１５０の溝方向（第２の方向Ｄ２）と直交し、突起１１０の断面が矩形（略矩形）であり、第１の周期Ｐ１が５００ｎｍであり、第１の高さＨ１が２０ｎｍである場合の特性例である。図１４の例では、横軸は反射光の波長を表し、縦軸は反射光強度（入射光強度に対する比率）を表す。
【０１１２】
図１４の例では、金属格子１５０には、表面プラズモンポラリトン（SPP:Surface Plasmon Polariton）の共鳴ピークが２つ存在する。例えば、１つの共鳴ピーク波長λｐ１は、５１５ｎｍ付近に位置し、もう１つの共鳴ピーク波長λｐ２は、５５５ｎｍ付近に位置する。この２つの共鳴ピーク波長λｐ１及びλｐ２を、それぞれ、励起波長λ１及びラマン散乱波長λ２の近傍に合わせる又は一致させることにより、大きな増強ラマン散乱効果が期待できる。例えば、波長５１５ｎｍのアルゴンレーザーを励起波長λ１として用いた場合、波長５５５ｎｍ近傍のラマン散乱光（ラマンシフト１２００〜１６００ｃｍ−１）を強く増強させることが可能となる。
【０１１３】
図１５は、表面プラズモンポラリトンの励起条件の説明図を示す。図１５に示すＣ１は、表面プラズモンポラリトンの分散曲線（例えば、空気と金（Ａｕ）の境界面での分散曲線）を表し、Ｃ２は、ライトラインを表す。図１５では、金属格子１５０の周期を第１の周期Ｐ１とし、この場合の格子ベクトルの波数２π／Ｐ１を横軸上に示す。
【０１１４】
まず、金属格子１５０と励起条件の関係について説明する。入射光Ｌｉｎの波数をｋｉとし、入射角度をθとすると、金属格子１５０の配列方向（図１３に示す第１の方向Ｄ１、または第１の方向Ｄ１の反対方向）における１次のエバネッセント波の波数は、２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθである。表面プラズモンポラリトンは、このエバネッセント波の波数２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθと表面プラズモンの波数が一致した場合に励起される。すなわち、表面プラズモンポラリトンの励起条件は、エバネッセント波の生成条件を表す直線と表面プラズモンポラリトンの分散曲線との交点により表される。
【０１１５】
図１５のＣ３に、比較例として、金属格子１５０に対して垂直（θ＝０）に光を入射させた場合のエバネッセント波の生成条件を表す直線を示す。Ｃ３に示すように、この場合のエバネッセント波の波数は２π／Ｐ１で表される。この直線Ｃ３は、格子ベクトルの波数の位置から上へ延ばした線であり、表面プラズモンポラリトンの分散曲線Ｃ１と交わる。このとき、交点は１つであり、周波数ω０（角周波数）に対応する共鳴ピークが現れる。
【０１１６】
Ｃ４とＣ５に、エバネッセント波の生成条件を表す直線を示す。金属格子１５０に対して角度θ（θ＞０）で光を入射させる場合、エバネッセント波の波数は２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθで表される。直線Ｃ４は、２π／Ｐ１＋ｋｉ・ｓｉｎθに対応し、直線Ｃ５は、２π／Ｐ１−ｋｉ・ｓｉｎθに対応する。これらの直線Ｃ４とＣ５は、格子ベクトルの波数の位置から角度θで斜め上に延ばした線であり、表面プラズモンポラリトンの分散曲線Ｃ１と２点（周波数ω＋，ω−）で交わる。従って、周波数ω＋，ω−に対応する２つの共鳴ピークが、共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２で現れる。
【０１１７】
表面プラズモンポラリトンの励起条件を利用して２つの共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２を設定し、その２つの共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２を表面増強ラマン散乱に利用することができる。具体的には、まず厳密結合波解析（RCWA:Rigorous Coupled Wave Analysis）により分散曲線Ｃ１を求める（L.Li and C.W.Haggans,J.Opt.Soc.Am.,A10,1184-1189(1993)）。分散曲線Ｃ１は、金属の種類や、媒質の種類や、金属格子１５０の断面形状に固有の曲線である。次に、所与の格子周期（例えば第１の周期Ｐ１）と所与の入射角度θを、標的物のラマンシフトに応じて決定する。すなわち、第１の共鳴ピーク波長λｐ１を励起波長λ１（レイリー散乱波長）の近傍に設定し、第２の共鳴ピーク波長λｐ２（λｐ２＞λｐ１）をラマン散乱波長λ２の近傍に設定する。そして、分散曲線Ｃ１とω＝ω＋（λ＝λｐ１）の交点を直線Ｃ４が通り、分散曲線Ｃ１とω＝ω−（λ＝λｐ２）の交点を直線Ｃ５が通るように、所与の第１の周期Ｐ１と所与の入射角度θを設定することができる。
【０１１８】
図１４の例では、第１の共鳴ピーク波長λｐ１を含む第１の共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１は、表面増強ラマン散乱における励起波長λ１を含む。第２の共鳴ピーク波長λｐ２を含む第２の共鳴ピーク波長帯域ＢＷ２は、表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長λ２を含む。共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１，ＢＷ２がそれぞれ共鳴ピーク波長λ１，λ２を含むように第１の周期Ｐ１及び入射角度θ等が設定されることで、励起波長λ１における電場増強度とラマン散乱波長λ２における電場増強度を向上できる。
【０１１９】
ここで、共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１，ＢＷ２は、所与の反射光強度での帯域幅であり、例えばピークの半値幅でもよい。なお、図１４では、λ１＝λｐ１、λ２＝λｐ２としているが、λ１とλｐ１は異なってもよく、λ２とλｐ２は異なってもよい。
【０１２０】
図１６は、センサーチップの反射光強度の他の特性例を示す。図１６は、金属格子１５０を金（Ａｕ）により形成し、金属格子１５０に対する光の入射角度θが５度であり、光の偏光方向が金属格子１５０の溝方向（第２の方向Ｄ２）と直交し、突起１１０の断面が矩形（略矩形）であり、第１の周期Ｐ１が５００ｎｍであり、第１の高さＨ１が４０ｎｍである場合の特性例である。
【０１２１】
図１６の例では、１つの共鳴ピーク波長λｐ１は、５４５ｎｍ付近に位置し、もう１つの共鳴ピーク波長λｐ２は、６００ｎｍ付近に位置する。この２つの共鳴ピーク波長λｐ１及びλｐ２を、それぞれ、励起波長λ１及びラマン散乱波長λ２の近傍に合わせる又は一致させることにより、大きな増強ラマン散乱効果が期待できる。
【０１２２】
図１６の例では、図１４の例と比べて、２つの共鳴ピークがややブロードであり、且つ浅くなっている。しかしながら、共鳴ピークを１つしか利用しない場合と比べて、表面増強ラマン散乱の信号を増強する効果は優れている。また、金（Ａｕ）を用いることで、酸化や硫化等による表面劣化を抑止できる。
【０１２３】
図１７は、図１２のセンサーチップの変形例の斜視図を示す。以下では、図１２等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図１２の例では、入射光Ｌｉｎとして、偏光方向の基板１００の平面に平行な成分（偏光方向の基板１００の平面に対する正射影）と第１の突起群１１５の配列方向（第１の方向Ｄ１）とが平行である直線偏光が入射されることが好ましい。このようにすれば、直線偏光によって自由電子プラズマの粗密波が第１の方向Ｄ１に沿った方向に誘起され、第１の突起群１１５の配列方向に沿って伝搬する表面プラズモンを励起できる。
【０１２４】
図１７の例では、第１の突起群１１５の頂面２２０に、金属により形成される第２の突起群２０５を含むことができる。第２の突起群２０５の複数の突起２００の各々は、基板１００の平面に平行な方向（第１の方向Ｄ１）に沿って、第１の周期Ｐ１よりも短い第２の周期Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）で配列される。
【０１２５】
また、図１７の例では、第１の突起群１１５が配列される面であって第１の突起群１１５の隣り合う突起１１０間の面（第１の突起群１１５の隣り合う突起１１０間の底面２３０）に、金属により形成される第３の突起群２１５を含むことができる。第３の突起群２１５の複数の突起２１０の各々は、基板１００の平面に平行な方向（第１の方向Ｄ１）に沿って、第１の周期Ｐ１よりも短い第３の周期Ｐ３（Ｐ３＜Ｐ１）で配列される。
【０１２６】
このようにすれば、第１の突起群１１５により伝搬型の表面プラズモンが励起され、その伝搬型の表面プラズモンにより第２の突起群２０５や第３の突起群２１５に局在型の表面プラズモンが励起される。これにより、励起波長λ１とラマン散乱波長λ２における電場増強度をさらに向上できる。
【０１２７】
第２の突起群２０５と第３の突起群２１５の各突起２００，２１０は、突起２００，２１０の配列方向（第１の方向Ｄ１）の断面形状が頂面２２０と底面２３０から凸形状に形成される。凸形状は、矩形や台形、円弧等である。例えば、図１７に示すように、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５は、基板１００に対する平面視において、第２の方向Ｄ２に平行な縞状に形成される。この第２の突起群２０５と第３の突起群２１５は、第１の突起群１１５と同じ金属により形成されてもよく、異なる金属により形成されてもよい。
【０１２８】
図１８に、図１７のセンサーチップの断面図を示す。この断面図の断面は、基板１００の平面に垂直な面であり、第１の方向Ｄ１に平行な面である。図１８に示すように、頂面２２０からの第２の高さＨ２の突起２００（第２の突起群２０５）が、第１の周期Ｐ１より短い第２の周期Ｐ２で配列される。底面２３０からの第３の高さＨ３の突起２１０（第３の突起群２１５）は、第１の周期Ｐ１より短い第３の周期Ｐ３で配列される。例えば、第２の周期Ｐ２や第３の周期Ｐ３は、５００ｎｍ以下に設定することが望ましく、第２の高さＨ２や第３の高さＨ３は、２００ｎｍ以下に設定することが望ましい。なお、第３の高さＨ３は、Ｈ３＞Ｈ１であってもよく、Ｈ３≦Ｈ１であってもよい。
【０１２９】
図１８の例では、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の配列方向が、第１の突起群１１５と同じ配列方向（第１の方向Ｄ１）である。しかしながら、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の配列方向は、第１の方向Ｄ１と異なる方向であってもよい。この場合、第２の周期Ｐ２や第３の周期Ｐ３は、第１の方向Ｄ１における配列周期となる。
【０１３０】
上述のように、第１の突起群１１５により、励起波長λ１（レイリー散乱波長）とラマン散乱波長λ２に２つの共鳴ピークをもつ伝搬型の表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンは、金属格子１５０の表面に沿って伝搬し、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５に局在型の表面プラズモンを励起する。そして、この局在型の表面プラズモンは、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の突起２００，２１０間に増強電場を励起し、その増強電場と標的物との相互作用により表面増強ラマン散乱が生じる。このとき、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の突起２００，２１０間隔が狭いため、突起２００，２１０間に強い増強電場が励起される。そのため、突起２００，２１０間に吸着した標的物が１個〜数個であっても、その増強電場によって強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができる。
【０１３１】
２．６．入射角
図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は、センサーチップに入射光を傾斜させて入射させるための手法の説明図を示す。以下では、図１（Ｂ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図１９（Ａ）の例では、光源の光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２からずらすことで、センサーチップ３００に対して入射光Ｌｉｎを傾斜させる。図１９（Ｂ）の例では、光源の光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と一致させ、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に対してセンサーチップ３００を傾斜させて配置することで、センサーチップ３００に対して入射光Ｌｉｎを傾斜させる。
【０１３２】
図１９（Ａ）の例では、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に対して垂直にセンサーチップ３００を支持部４３０上に配置する。そして、有効になった１つの光源の光軸Ｌａｘ１を所与の距離だけ対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２から離して、対物レンズ３の光軸Ｌａｘと平行に入射光Ｌｉｎを対物レンズ３に入射する。所与の距離は、センサーチップ３００に対する入射光Ｌｉｎの入射角度が対物レンズ３の屈折によってθとなる距離である。センサーチップ３００から光Ｌｏｕｔは、対物レンズ３に入射され、対物レンズ３によって例えば図１のハーフミラー２等へ導かれる。
【０１３３】
図１９（Ｂ）の例では、センサーチップ３００の平面（基板１００の平面）の法線と、対レンズ３の光軸Ｌａｘ２との成す角度をθに配置する。そして、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に沿って、有効になった１つの光源からの入射光Ｌｉｎを入射させる。そうすると、入射光Ｌｉｎは対物レンズ３によって屈折されず、センサーチップ３００に対して入射角度θで入射される。センサーチップ３００を傾斜させるために、図１９（Ｂ）に示すように支持部４３０を傾斜させることができる。なお、図１９（Ｂ）の例を変形して、支持部４３０の支持面を傾斜面としてもよい。
【０１３４】
２．７．光デバイス（蒸着による金属ナノ構造）
図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）は、電気伝導体の製造方法の概要説明図を示す。例えば図８（Ａ）等で示すフォトリソグラフィー法で作製する金属ナノ構造はトップダウン法とも言われ、金属ナノ構造は、規則的な配列構造を持ち、増強電場が形成される間隙部も揃っている。それに対して、蒸着によって形成される独立したアイランド状の金属ナノ構造は、大きさや形が均一ではなく、増強電場が形成される間隙部も均一にならない。つまり、増強電場の強いところと弱いところ、入射光Ｌｉｎの偏光方向も自由度がある。しかし、この蒸着による金属ナノ構造では、どこかに強い増強電場を形成する条件を含んでいるため、製造バラツキを吸収できるというメリットがある。
【０１３５】
例えば真空蒸着機を利用して、蒸着による金属ナノ構造を製作することができる。蒸着条件の１例は、基板１００に硼珪酸ガラスを採用することができる。また、蒸着金属として、銀（Ａｇ）を採用し、銀（Ａｇ）を基板１００に加熱蒸着させることができる。この時、基板１００は、加熱する必要はなく、加熱蒸着のレートは、例えば０．０３〜０．０５ｎｍ/ｓｅｃに設定することができる。
【０１３６】
図２０（Ａ）には、島状のアイランドが形成されていく過程を模式的に示してある。蒸着アイランドの初期では、基板１００上に銀（Ａｇ）の核が形成される。蒸着アイランドの成長期では、核を中心に銀（Ａｇ）が成長し大きくなる。蒸着アイランドの完成期では、隣接するアイランド同士の隣接する距離が小さくなるが、隣接するアイランドがくっ付かない段階で真空蒸着を止めることができる。
【０１３７】
図２０（Ｂ）には実際に製作した金属ナノ構造の電子顕微鏡写真を示してある。おおよそ２５ｎｍ程度のＡｇアイランドが形成され、それぞれが独立していることが分かる。これ以上蒸着を継続するとＡｇアイランド同士が繋がってきて、ついには膜状になってしまう。通常は均一な膜状に蒸着することが求まれるが、この場合にはできるだけ独立したＡｇアイランドが狭く高密度に形成されることが望ましい。
【０１３８】
このような金属ナノ構造に直線偏光の光を照射すると、蒸着アイランド間のギャップ近傍に強い増強電場が形成されるが、ギャップの位置や向きなどは一定に揃っていない。増強電場に寄与するのは、そのギャップの向きに合った入射光Ｌｉｎの内のｐ偏光波であり、偏光方向によって強く増強電場が形成される場合と、少し弱くなる場合がある。
【０１３９】
２．８．分光分析
図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図２１（Ａ）は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図２１（Ａ）の例では、第１のピーク（８８３ｃｍ−１）と第２のピーク（１４５３ｃｍ−１）が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ（第１のピークのラマンシフト及び光強度、第２のピークのラマンシフト及び光強度等）と照合することで、標的物を特定することができる。
【０１４０】
図２１（Ｂ）は、解像度が粗い（４０ｃｍ−１）分光素子３７０で受光素子３８０が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。図２１（Ｃ）は、解像度が細かい（１０ｃｍ−１）分光素子３７０で受光素子３８０が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。１０ｃｍ−１程度で解像度が細かい場合には、第２のピークのラマンシフト（黒丸）を正確に特定し易くなる。
【０１４１】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光デバイス、検出装置、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
２ ハーフミラー、３ 対物レンズ、４ 光デバイス、５ 検出器、７ 制御部、
１５ 光源ドライバー、２０ 金属微粒子（金属ナノ粒子）、１００ 基板、
１０１ レジスト、１０４ 凹部、１０５ 凸部、１１０，２１０，３１０ 突起、
１１５ 突起群（第１の突起群）、１２０ 表面、１３０ ガラス基板、
１４０ 金属薄膜、１５０ 金属格子、２０５ 第２の突起群、２１５ 第３の突起群、
２２０ 頂面、２３０ 底面、３００ センサーチップ、３０５ 識別コード、
３１０ センサーチップ検出素子、３１５ 検出回路、３２０ コリメーターレンズ、
３３０ 偏光制御素子、３６０ 集光レンズ、３６５ 光フィルター、
３７０ 分光素子、３７５ 分光ドライバー、３８０ 受光素子、３８５ 受光回路、
４００ 吸引口（搬入口）、４１０ 排出口、４２０ 誘導部（搬送部）、
４２１ 吸引流路、４２２ センサーチップ付近の流路、４２２ａ 内周面、
４２２ｂ 平面、４２２ｃ 内側球面、４２３ 排出流路、４２３ａ 中継経路、
４２４，４２５ 封止部材、４２６，４２７ フィルター、４３０ 支持部、
４４０ カバー、４５０ ファン、４５５ ファンドライバー、４６０ 処理部、
４６１ ＣＰＵ、４６２ ＲＡＭ、４６３ ＲＯＭ、４７０ 電力供給部、
４８０ ヒンジ部、４９０ 接続部、５００ 筐体、５１０ 通信接続口、
５２０ 電源接続口、５３０ インターフェース、５４０ 表示部、５５０ 操作部、
Ａ 光源、ＢＷ１，ＢＷ２ 共鳴ピーク波長帯域、Ｄ１ 第１の方向、
Ｄ２ 第２の方向、Ｄ３ 第３の方向、ＤＡ 偏光方向、Ｌａｘ１ 光源の光軸、
Ｌａｘ２ 対物レンズの光軸（光学系の光軸）、Ｌｉｎ 光源からの光（入射光）、
Ｌｏｕｔ 光デバイスからの光（散乱光、反射光）、Ｈ１ 第１の高さ、
Ｈ２ 第２の高さ、Ｐ１ 第１の周期、Ｐ２ 第２の周期、Ｐ３ 第３の周期、
λ１ 励起波長、λ２ ラマン散乱波長、λｐ１，λｐ２ 共鳴ピーク波長、
θ 入射角度
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光デバイスユニット及び検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
ラマン分光装置は、一般に、検出対象である物質に依存するラマン散乱光を検出してラマンスペクトルを得る検出器を含み、ラマンスペクトルによる分光分析を行い、検出対象である物質を特定することができる。しかしながら、ラマン散乱光の信号強度は、一般に、微弱であり、検出感度が低かった。
【０００３】
特許文献１は、ハンドヘルドラマン体液分析器を開示し、金ゾルゲル・ストリップで表面増強ラマン散乱を提供し、ラマン散乱光の信号強度を高めている。
【０００４】
なお、励起光を例えば金属表面に照射することで局在プラズモンを生じさせることができ、励起光と局在プラズモンとの結合で局所的に電場を増強することができる。表面増強ラマン散乱では、ラマン散乱光は、増強電場によって増強されると考えられている。
【０００５】
特許文献２は、安定した偏光面制御が可能な垂直共振器面発光レーザー（VCSEL:Vertical Cavity Surface Emitting Laser）を開示し、このような垂直共振器面発光レーザー等で励起光を提供することができる。
【０００６】
励起光と局在プラズモンとの結合の際に、局在プラズモン共鳴による光吸収が起こり、例えば、特許文献３には、表面に金属微粒子が固定された基板による局在表面プラズモン共鳴を利用して、センサー感度を向上する手法が開示されている。特許文献４には、長波長側にシフトする共鳴ピークと短波長側にシフトする共鳴ピークをもつ局在プラズモン共鳴センサーの技術が開示されている。また、特許文献５には、複数の波長に対して共振可能とするために複数の共振領域により微小共振器が構成された電場増強デバイスの技術が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特表２００８−５２９００６号公報
【特許文献２】特許第３４８２８２４号公報
【特許文献３】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献４】特開２００７−１０６４８号公報
【特許文献５】特開２００９−２５０９５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ラマン分光装置は、一般に、検出対象である物質が吸着可能な金属ナノ構造等の電気伝導体を有する光デバイスを含む。電気伝導体に光を入射させ、標的物を光デバイス付近の増強電場に誘導することで増強電場に起因するラマン散乱光を検出できる。標的物の種類や光デバイスの種類によっては、ラマン散乱光の検出感度は、低いこともある。
【０００９】
本発明の幾つかの態様によれば、検出感度を向上可能な光デバイスユニット及び検出装置等を提供できる。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一態様は、検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、
電気伝導体を有し、前記検出装置の光源からの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイスと、
前記光デバイスに気体試料を誘導する第１の誘導部とを含むことを特徴とする光デバイスユニットに関係する。
【００１１】
本発明の一態様によれば、使用済みの光デバイスユニットを検出装置から取り外し、新しい光デバイスユニットを検出装置に取り付けることができる。このように、光デバイスユニットを交換することで、第１の誘導部及び光デバイスに付着した気体試料が、次の検出又は測定に影響することなく、検出装置の検出感度を高めることができる。
【００１２】
また、本発明の一態様では、前記第１の誘導部は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有してもよく、
前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイスとの間に、外光の入射線を遮る内壁面を有してもよい。
【００１３】
このようにすれば、外光が光デバイスに到達し難くなり、ラマン散乱光（信号）に対する外光（ノイズ）の割合が低下する。従って、ラマン散乱光を検出する際のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）が向上し、検出感度を高めることができる。
【００１４】
また、本発明の一態様では、光デバイスユニットは、
前記第１の流路に空気中の浮遊物を除去するフィルターをさらに含んでもよく、
前記フィルターは、前記外光を遮光してもよい。
【００１５】
このようにすれば、フィルターの存在により、浮遊物及び外光が光デバイスに到達し難くなり、検出感度を高めることができる。
【００１６】
また、本発明の一態様では、光デバイスユニットは、
前記検出装置によって読み取り可能であり、且つ前記光デバイスを識別する識別コードをさらに含んでもよい。
【００１７】
このようにすれば、検出装置は、光デバイスの種類又は光デバイスで検出可能な気体試料を把握することができる。また、検出装置がラマンスペクトルによる分光分析をさらに行う場合、このような検出装置（ラマン分光装置）は、光デバイスに対応する気体試料（標的物）を検出又は特定し易い。
【００１８】
また、本発明の一態様では、前記第１の誘導部は、前記第１の流路と連結する第２の流路を有してもよく、
前記第２の流路は、前記光デバイスに臨む領域で、前記気体試料を旋回させてもよい。
【００１９】
このようにすれば、誘導部の第２の流路の存在により、気体試料が光デバイスに入り込む確率が高くなる。従って、ラマン散乱光の信号強度が安定し、例えば、気体試料が微量である場合であっても、気体試料（標的物）を検出又は特定し易くなる。
【００２０】
また、本発明の他の態様は、上記に記載の光デバイスユニットと、
前記第１の誘導部と接続可能な第２の誘導部と、
前記光源と、
前記前記光源からの前記光を前記光デバイスの前記電気伝導体に入射させる第１の光学系と、
前記電気伝導体により散乱または反射された光の中から前記ラマン散乱光を検出する検出器とを含み、
前記第２の誘導部は、前記気体試料を排出口に誘導することを特徴とする検出装置に関係する。
【００２１】
本発明の他の態様によれば、光デバイスユニットの第１の誘導部と検出装置の第２の誘導部とを接続することで、光デバイスユニットを交換可能な検出装置を提供することができる。
【００２２】
また、本発明の他の態様では、前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第１の突起群を有してもよく、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の前記仮想平面に対して平行な方向に沿って、第１の周期で配列されてもよく、
前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第１の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第１の光学系は、前記光源からの前記光を前記第１の突起群に入射させてもよい。
【００２３】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第１の突起群で高めることができる。また、偏光方向の仮想平面に平行な成分が第１の突起群の配列方向と平行である直線偏光を光デバイスに入射できる。これにより、伝搬型の表面プラズモンを励起できる。
【００２４】
また、本発明の他の態様では、前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記第１の突起群の頂面で、電気伝導体により形成される第２の突起群を有してもよく、
前記第１の突起群の前記複数の突起のいずれか１つに対応する前記第２の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第２の周期で配列されてもよい。
【００２５】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第２の突起群でも高めることができる。
【００２６】
また、本発明の他の態様では、前記第１の突起群が配列される面であって前記第１の突起群の隣り合う突起間の面に、電気伝導体により形成される第３の突起群を有してもよく、
前記第３の突起群の複数の突起の各々は、前記第１の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第３の周期で配列されてもよい。
【００２７】
このようにすれば、光デバイスにおける増強電場を第３の突起群でも高めることができる。
【００２８】
また、本発明の他の態様では、前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で生じてもよく、
前記第１の共鳴ピーク波長を有する第１の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有してもよく、
前記第２の共鳴ピーク波長を有する第２の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有してもよい。
【００２９】
このようにすれば、第１の周期で配列された第１の突起群に入射された光により、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で表面プラズモン共鳴が生じる。このとき、第１の共鳴ピーク波長を含む第１の共鳴ピーク波長帯域には、表面増強ラマン散乱における励起波長が含まれ、第２の共鳴ピーク波長を含む第２の共鳴ピーク波長帯域には、表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長が含まれるように、第１の周期と光の入射角度が設定される。これにより、励起波長における電場増強度とラマン散乱波長における電場増強度を向上すること等が可能になる。
【００３０】
また、本発明の他の態様では、検出装置は、
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第２の光学系をさらに含んでもよく、
前記検出器は、前記第２の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光してもよい。
【００３１】
このようにすれば、第２の光学系でラマン散乱光を効率良く受けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の構成例。
【図２】図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図。
【図３】図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の具体的な構成例。
【図４】図３（Ａ）の検出装置のブロック図の１例。
【図５】図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、垂直共振器面発光レーザーの構造例。
【図６】光源の特性の説明図。
【図７】図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、誘導部及び排出流路の構成例。
【図８】図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）、図８（Ｅ）は、フォトリソグラフィー法の概要説明図。
【図９】図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）、図９（Ｅ）は、金属ナノ構造の製造プロセスの概要説明図。
【図１０】図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は、金属ナノ構造で形成される増強電場の概要説明図。
【図１１】２つの共鳴ピークの概要説明図。
【図１２】センサーチップの構成例の斜視図。
【図１３】図１２のセンサーチップの断面図。
【図１４】センサーチップの反射光強度の特性例。
【図１５】表面プラズモンポラリトンの励起条件の説明図。
【図１６】センサーチップの反射光強度の他の特性例。
【図１７】図１２のセンサーチップの変形例の斜視図。
【図１８】図１７のセンサーチップの断面図。
【図１９】図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は、センサーチップに入射光を傾斜させて入射させるための手法の説明図。
【図２０】図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）は、電気伝導体の製造方法の概要説明図。
【図２１】図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００３４】
１．概要
１．１．基本構成
図１（Ａ）、図１（Ｂ）、図１（Ｃ）、図１（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の構成例を示す。図１（Ａ）に示すように、光デバイスユニットは、光デバイス４と誘導部４２０（第１の誘導部）とを含み、検出装置は、光デバイスユニットと、排出流路４２３（第２の誘導部）と、光源Ａと、光学系と、検出器５とを含む。なお、光デバイスユニットは、検出装置に着脱可能であり、誘導部４２０と排出流路４２３とを接続することができる。
【００３５】
光学系（第１の光学系）は、例えばハーフミラー２及び対物レンズ３で構成される。光源Ａは、所与の偏光方向を有する光を放射してもよい。なお、光源Ａは、図１（Ａ）の例に限定されず、複数の光源を有してもよい。なお、光源Ａは、指向性を有することができ、光源Ａは、高い指向性を有する光源（例えば、レーザー）で構成することが好ましい。
【００３６】
ハーフミラー２及び対物レンズ３（広義には光学系）は、光源Ａからの光を光デバイス４の電気伝導体に入射させる。また、誘導部４２０は、光デバイス４に気体試料を誘導する。排出流路４２３は、光デバイス４に誘導されて気体試料を排出する。検出器５は、電気伝導体により散乱または反射された光の中からラマン散乱光を検出する。検出装置は、ラマン検出装置と呼ぶこともでき、ラマンスペクトルによる分光分析をさらに行う検出装置は、ラマン分光装置と呼ぶこともできる。
【００３７】
本発明者らは、ラマン分光装置等で利用される光デバイス４及び誘導部４２０に気体試料が付着し続けることを認識した。また、光デバイス４の電気伝導体近傍における増強電場に起因するラマン散乱光の信号強度が安定しないこともあることを認識した。そこで、光デバイス４及び誘導部４２０を分離し、場合によっては誘導部４２０を改良して、検出器５の検出感度を高めることができる。光デバイス４及び誘導部４２０を検出装置から分離することで検出感度を高めることができる。また、誘導部４２０を改良することで、気体試料が光デバイスに入り込む確率を高め、従って、ラマン散乱光の信号強度を安定させることができる。なお、ラマン散乱光及び増強電場については、後述する。また、誘導部４２０についても、後述する。
【００３８】
なお、図１（Ａ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎ（入射光）の光路及び光デバイス４からの光Ｌｏｕｔ（散乱光、反射光）の光路は、実際の光路を正確に表すものではない。言い換えれば、光源Ａからの光Ｌｉｎ（入射光）の光路の存在及び光デバイス４からの光Ｌｏｕｔ（散乱光、反射光）の光路の存在を単に示すものである。
【００３９】
図１（Ｂ）の例では、検出装置は、光デバイス４と光源Ａとの相対位置を可変制御する制御部７を有することができる。具体的には、制御部７は、例えば光源Ａの位置を変化させることができる。なお、制御部７は、例えばＸＹステージ等の作動部を有してもよく、作動部への信号だけを送信してもよい。
【００４０】
制御部７は、光デバイス４の位置を変化させてもよい。図１（Ｂ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２（広義には光学系の光軸）を一致させるように、制御部７は、例えば光源Ａの位置を変化させる。
【００４１】
この場合、実際には、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重なることが予想されるが、図１（Ｂ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎが光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重ならないように示されている。図１（Ｂ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２とが一致することが理解できる目的で、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１及び対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と重ならないように図示されている。
【００４２】
図１（Ｃ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２からずらすように、制御部７は、光源Ａの位置を変化させる。この場合、実際には、光源Ａからの光Ｌｉｎが、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重なることが予想されるが、図１（Ｃ）の例では、光源Ａからの光Ｌｉｎが光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重ならないように示されている。図１（Ｃ）の例では、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２とが一致しないことが理解できる目的で、光源Ａからの光Ｌｉｎは、光源Ａの光軸Ｌａｘ１と重ならないように図示されている。
【００４３】
図１（Ｄ）の例では、検出装置は、光デバイス４と光学系との相対位置を可変制御する制御部７を有することができる。具体的には、制御部７は、例えば対物レンズ３の位置を変化させることができる。対物レンズ３の位置を変化させることにより、光源Ａの光軸を対物レンズ３の光軸と一致させることができるが、光源Ａの光軸を対物レンズの光軸からずらしてもよい。
【００４４】
１．２．検出原理
図２（Ａ）、図２（Ｂ）、図２（Ｃ）、図２（Ｄ）、図２（Ｅ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図２（Ａ）の例では、ラマン分光について説明され、標的分子（広義には標的物）に入射光（振動数ν）が照射されると、一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、標的分子の振動数ν’（分子振動）が反映される。入射光の一部は、標的分子を振動させてエネルギーを失うが、標的分子の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。
【００４５】
図２（Ｂ）の例では、標的分子が例えばアセトアルデヒド分子である場合のラマンスペクトルが示されている。言い換えれば、図２（Ｂ）に示すラマンスペクトルを分析することで、例えばアセトアルデヒド分子を特定することができる。しかしながら、標的分子が微量である場合、ラマン散乱光は、一般に微弱であり、標的分子を検出又は特定することは困難である。そこで、増強電場を提供し、ラマン散乱光を増強電場によって増強することが好ましい。なお、図２（Ｂ）のラマンスペクトルは、ラマンシフトを波数で表している。
【００４６】
図２（Ｃ）の例では、金属微粒子２０に入射光（照射光）を照射した時に形成される増強電場について説明される。入射光の波長よりも小さな金属微粒子２０（金属ナノ粒子）に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属微粒子２０の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属微粒子２０内に励起され、金属微粒子２０の近傍に入射光の電場よりも強い増強電場が形成される。この現象は、入射光の波長よりも小さな金属微粒子２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００４７】
図２（Ｄ）の例では、光デバイス４に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)について説明される。光デバイス４は、例えば基板１００を有し、基板１００の凸部１０５に金属微粒子２０を形成することで、複数の突起１１０を有する突起群１１５（広義には金属ナノ構造）を提供することができる。このような光デバイスに入射光を照射することで、突起群１１５の隣り合う突起１１０（凸部１０５に形成される電気伝導体）間に増強電場を形成することができる。増強電場に標的分子が入り込むと、その標的分子によるラマン散乱光は増強電場で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００４８】
図２（Ｄ）の例では、光デバイス４の表側（電気伝導体側）から入射光が照射されているが、図２（Ｅ）に示されるように、光デバイス４の裏側（基板１００側）から入射光を照射してもよい。図２（Ｅ）の例では、光デバイス４の裏側のラマン散乱光及びレイリー散乱光を検出することができる。
【００４９】
なお、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）で示される光デバイス４は、図２（Ｄ）等に示されるような金属ナノ構造を有することが好ましいが、図２（Ｃ）に示されるような増強電場を提供しなくてもよい。
【００５０】
２．具体例
２．１．全体構成
図３（Ａ）、図３（Ｂ）、図３（Ｃ）、図３（Ｄ）は、本実施形態の光デバイスユニットを含む検出装置の具体的な構成例を示す。以下では、図１等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図３（Ａ）の例では、光デバイスユニットが検出装置に組み込まれ、図３（Ｂ）の例では、光デバイスユニットが組み込まれる前の検出装置から取り出され、図３（Ｃ）の例では、交換用の光デバイスユニットが示される。図３（Ｄ）の例では、外光の進入経路が示されている。検出装置の検出感度を高めるために、光デバイスユニットは、検出装置に着脱可能である。使用済みの光デバイスユニットを検出装置から取り外し、新しい光デバイスユニットを検出装置に取り付けることで、誘導部４２０及び光デバイス４に付着した気体試料が、次の検出又は測定に影響しない。
【００５１】
図３（Ａ）に示される検出装置の光デバイスユニットは、センサーチップ３００（広義には光デバイス４）及び誘導部４２０（搬送部）を含む。標的物は、吸引口４００（搬入口、取り込み口）から誘導部４２０（第１の誘導部）及び排出流路４２３（第２の誘導部）の内部に導入され、排出口４１０から誘導部４２０（第１の誘導部）及び排出流路４２３（第２の誘導部）の外部に排出される。図３（Ａ）の例では、検出装置は、ファン４５０（広義には吸引部）を排出口４１０付近に有し、ファン４５０を作動させると、誘導部４２０の吸引流路４２１（第１の流路）、センサーチップ３００に臨む領域の流路４２２（第２の流路）及び排出流路４２３（第３の流路）内の圧力（気圧）が低下する。これにより、標的物（気体試料）が誘導部４２０に吸引される。標的物は、吸引流路４２１を通り、センサーチップ３００付近の流路４２２を経由して排出流路４２３から排出される。このとき、標的物の一部が、センサーチップ３００の表面（電気伝導体）に付着する。
【００５２】
気体試料を排出口４１０に誘導する排出流路４２３は、センサーチップ３００付近の流路４２２（広義には誘導部４２０）と接続可能であり、図３（Ａ）の例では、排出流路４２３及び流路４２２は、例えばフランジ、カプラー等の接続部４９０を介して連結される。
【００５３】
センサーチップ３００は、光源Ａからの光をを受けて生じたラマン散乱光を増強可能であり、気体試料がセンサーチップ３００の表面に付着又は吸着する確率を高めるために、誘導部４２０の流路を改良することができる。単純な流路（図示せず）では気体試料がセンサーチップ３００を素通りすることもあるので、導部４２０は、センサーチップ３００の表面近傍を気体試料が旋回するような流路を有することができる。旋回する気体試料は、直接に排出口４１０又は排出流路４２３に行き難く、センサーチップ３００付近の流路４２２に滞在することができる。
【００５４】
図３（Ａ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２（第２の流路）は、気体試料を旋回させることができる。旋回流の発生により、気体試料がセンサーチップ３００に入り込む確率が高くなる。従って、ラマン散乱光の信号強度が安定し、例えば、気体試料が微量である場合であっても、気体試料（標的物）を検出又は特定し易くなる。
【００５５】
標的物は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができる。
【００５６】
気体試料がセンサーチップ３００の表面と接触する確率が高いことが好ましく、加えて、外光（図示せず）がセンサーチップ３００にできるだけ到達しないことが好ましい。図３（Ａ）に示されるように、誘導部４２０の吸引流路４２１（第１の流路）は、例えば折り返し構造を有することができる。ラマン散乱光（信号）に対する外光（ノイズ）の割合が低下することで、ラマン散乱光を検出する際のＳ／Ｎ比（signal-to-noise ratio）が向上し、検出感度を高めることができる。
【００５７】
仮に、吸引流路４２１が直線的である場合、吸引流路４２１は、外光を遮光し難くなり、検出感度が低下してしまう。
【００５８】
図３（Ｄ）の例では、外光が吸引流路４２１を介してセンサーチップ３００付近の流路４２２に到達する時の光路が示され、例えば図３（Ｄ）に示されるように、外光は、吸引流路４２１の内壁で３回反射される。吸引流路４２１は、吸引口４００（取り込み口）とセンサーチップ３００との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。このような折り返し構造により、吸引流路４２１は、遮光性を有することができる。
【００５９】
図３（Ａ）の例では、吸引流路４２１は、折り返し構造を有するが、流路抵抗が小さくなるように、例えば吸引流路４２１の内壁は、曲線的であることが好ましい。また、吸引流路４２１の内壁は、遮光性が高くなるように、光の反射率が小さい材料で構成することが好ましい。加えて、誘導部４２０の排出流路４２３（第３の流路）も、遮光性が高くなるような構造を有することが好ましい。
【００６０】
図３（Ｄ）の例では、外光が排出流路４２３を介してセンサーチップ３００付近の流路４２２に到達する時の光路（入射線）も示され、例えば図３（Ｄ）に示されるように、外光は、排出流路４２３の内壁で３回反射される。排出流路４２３は、排出口４１０とセンサーチップ３００との間に、外光の入射線を遮る内壁面を有する。このような折り返し構造により、排出流路４２３は、遮光性を有することができる。
【００６１】
図３（Ａ）の例では、吸引流路４２１（広義には誘導部４２０、さらに広義には光デバイスユニット）は、空気中の浮遊物を除去するフィルター４２６（例えば、除塵フィルター）を有することができる。フィルター４２６は、外光を遮光することが好ましく、例えば除塵フィルター兼遮光フィルターで構成することができる。また、排出流路４２３（広義には検出装置）も、外光を遮光するフィルター４２７（例えば、遮光フィルター）を有することができる。
【００６２】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、カバー４４０を有し、カバー４４０は、センサーチップ３００等を格納することができる。また、検出装置は、筐体５００を有し、筐体５００内に例えば光源Ａ、ハーフミラー２、対物レンズ３及び検出器５を含み、検出器５は、例えば分光素子３７０及び受光素子３８０を有する。分光素子３７０は、例えばエタロンで構成することができる。さらに、検出装置は、集光レンズ３６０、光フィルター３６５、処理部４６０、電力供給部４７０、通信接続口５１０及び電源接続口５２０を含むことができる。
【００６３】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、ヒンジ部４８０を含み、カバー４４０は、ヒンジ部４８０を介して開閉可能である。カバー４４０が開いた状態で、使用済みの光デバイスユニットを取り外したり、或いは、図３（Ｂ）に示すように、カバー４４０が開いた状態で、新しい光デバイスユニットを検出装置に組み込むことができる。なお、検出装置は、例えば係止部（図示せず）を有し、光デバイスユニットが係止部に対応する被係止部（図示せず）を有することで、光デバイスユニットを位置決めすることができる。なお、センサーチップ検出素子３１０は、センサーチップ３００（広義には光デバイスユニット）が検出装置に適切に組み込まれたか否かを検出することができる。図３（Ｃ）は、交換用の光デバイスユニットを示し、誘導部４２０及びセンサーチップ３００が汚れないように、光デバイスユニットは、封止部材４２４，４２５を有することができる。光デバイスユニットは、センサーチップ３００を識別する識別コード３０５（例えば、バーコード）を有することができ、センサーチップ検出素子３１０（例えば、バーコードリーダー）は、識別コード３０５を読み取ることができる。
【００６４】
図３（Ａ）の例では、検出装置は、光源Ａに対応するコリメーターレンズ３２０及び偏光制御素子３３０をさらに有する。光源Ａから出射された光は、コリメーターレンズ３２０により平行光にされ、偏光制御素子３３０により直線偏光にされる。なお、光源として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子３３０を省略することができる。
【００６５】
光源Ａからの光は、ハーフミラー２（ダイクロイックミラー）によりセンサーチップ３００の方向に導かれ、対物レンズ３で集光され、センサーチップ３００に入射する。センサーチップ３００の表面には、例えば金属ナノ構造が形成される。センサーチップ３００から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。センサーチップ３００からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３を通過し、ハーフミラー２によって検出器５の方向に導かれる。
【００６６】
図３（Ａ）の例では、光源Ａからの光は、センサーチップ３００の裏面から表面に到達し、例えば表面における金属ナノ構造付近から、レイリー散乱光及びラマン散乱光が発生し、レイリー散乱光及びラマン散乱光は、センサーチップ３００の裏面側に放射される（図２（Ｅ）参照）。なお、光源Ａからの光がセンサーチップ３００表面に直接に到達するように（図２（Ｄ）参照）、図３のセンサーチップ３００の配置を変更してもよい。
【００６７】
図３（Ａ）の例では、センサーチップ３００からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３６０で集光され、光フィルター３６５に到達する。そして、光フィルター３６５（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出され、受光素子３８０は、そのラマン散乱光を分光素子３７０を介して受光する。分光素子３７０を通過する光の波長は、処理部４６０により制御（選択）することができる。
【００６８】
受光素子３８０は、光学系及び分光素子３７０を介してラマン散乱光を受光する。光学系（第２の光学系）は、例えばハーフミラー２、集光レンズ３６０及び光フィルター３６５で構成される。分光素子３７０及び受光素子３８０によって、標的物に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、標的物を特定することができる。
【００６９】
図３（Ａ）の例では、処理部４６０は、光源Ａの電源をＯＮ／ＯＦＦすることができる。また、処理部４６０は、例えば図１（Ｂ）等に示される制御部７の機能を実行することができ、処理部４６０は、例えば光源Ａの位置を可変制御することができる。また、処理部４６０は、図３に示される光源Ａ以外の検出器５、ファン４５０等への命令を送ることができ、処理部４６０は、光源Ａだけでなく、検出器５、ファン４５０等も制御することができる。さらに、処理部４６０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、処理部４６０は、標的物を特定することができる。なお、処理部４６０は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続口５１０に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【００７０】
図３（Ａ）の例では、電力供給部４７０は、図３（Ａ）に示される処理部４６０、光源Ａ、検出器５、ファン４５０等への電力を供給することができる。電力供給部４７０は、例えば２次電池で構成することができ、１次電池、ＡＣアダプター等で構成してもよい。電力供給部４７０が２次電池で構成される場合、例えば電源接続口５２０に接続される充電器（図示せず）は、２次電池を充電することができる。電力供給部４７０がＡＣアダプターで構成される場合、ＡＣアダプターは、検出装置の外部に配置され、電源接続口５２０に接続される。なお、検出装置は、例えば表示部（図４の例では表示部５４０）を含むことができ、表示部は、電力供給部４７０の状態（例えば電池切れ、充電中、充電完了、電力供給中等）を表示することができる。
【００７１】
図４は、図３（Ａ）の検出装置のブロック図の１例を示す。以下では、図３（Ａ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図４に示されるように、検出装置は、例えば表示部５４０、操作部５５０及びインターフェース５３０をさらに含むことができる。また、図３に示される処理部４６０は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）４６１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４６２、ＲＯＭ（Read Only Memory）４６３を有することができる。さらに、検出装置は、光源ドライバー１５、分光ドライバー３７５、例えば受光回路３８５及びファンドライバー４５５を含むことができる。以下に、図４に示す検出装置の動作例を説明する。
【００７２】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、ラマン散乱光を検出する準備が完了したか否かを判断することができ、ＣＰＵ４６１は、その準備が完了したことを表す信号を表示部５４０に送ることができる。また、ＣＰＵ４６１は、その信号以外の信号も表示部５４０に送ることができ、表示部５４０は、ＣＰＵ４６１からの信号（表示信号）に応じて、様々な表示をユーザーに提供することができる。
【００７３】
図４の例では、検出回路３１５は、センサーチップ検出素子３１０で検出した識別コード３０５を電気信号として取り出すことができる。ＣＰＵ４６１は、その電気信号をデジタル形式で受け、その値で、センサーチップ３００の種類を特定することができる。その後、ＣＰＵ４６１は、ラマン散乱光を検出する準備が完了したこと認識することができる。
【００７４】
表示部５４０がラマン散乱光を検出する準備が完了したことを示す場合、ユーザーは、操作部５５０を操作して、ラマン散乱光の検出を開始することができる。操作部５５０からの信号（操作信号）が検出の開始を表す場合、ＣＰＵ４６１は、光源ドライバー１５を介して光源Ａを起動することができる。具体的には、光源ドライバー１５（広義にはＣＰＵ４６１）は、光源Ａの電源をＯＮさせることができる。なお、光源Ａは、温度センサー（図示せず）及び光量センサー（図示せず）を有することができ、光源Ａは、光源Ａの温度及び光量を光源ドライバー１５を介してＣＰＵ４６１に送ることができる。ＣＰＵ４６１は、光源Ａの温度及び光量を受け、光源Ａの出力が安定しているか否かを判断することができる。光源Ａの電源がＯＮされた状態で、場合によっては光源Ａの出力が安定した後に、ＣＰＵ４６１は、ファンドライバー４５５を介してファン４５０を起動することができる。
【００７５】
なお、ＣＰＵ４６１（広義には処理部４６０）は、例えば図１（Ｂ）等に示される制御部７の機能を実行することができ、ＣＰＵ４６１は、例えば光源ドライバー１５を介して、例えば光源Ａの位置を可変制御することができる。代替的に、ＣＰＵ４６１は、例えば光源ドライバー１５又はレンズドライバー（図示せず）を介して、例えば図１（Ｄ）等に示される対物レンズ３の位置を可変制御してもよい。
【００７６】
図４の例では、ファンドライバー４５５は、ファン４５０の電源をＯＮさせることができ、これにより、標的物（気体試料）が図３の誘導部４２０に吸引される。図３の光源Ａの電源がＯＮされる場合、光源Ａから光がハーフミラー２を介して図３のセンサーチップ３００に到達している。これに応じて、センサーチップ３００からレイリー散乱光及びラマン散乱光がハーフミラー２に戻ってくる。センサーチップ３００からレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３６０を介して光フィルター３６５に到達する。光フィルター３６５は、レイリー散乱光を遮断する一方、ラマン散乱光を分光素子３７０に導く。以上は、吸引口４００（搬入口）から誘導部４２０、排出口４１０までの流路抵抗が比較的小さい場合ファン４５０によって可能であるが、流路抵抗が比較的大きい場合には、ファン４５０に代って吸引ポンプ（図示せず）などを使用することができる。
【００７７】
図４の例では、分光ドライバー３７５（広義にはＣＰＵ４６１）は、分光素子３７０を制御することができる。分光素子３７０は、例えば共振波長を可変できる可変エタロン分光器で構成することができる。分光素子３７０がファブリペロー共振を利用したエタロンである場合、分光ドライバー３７５は、互いに対向する２枚のエタロン板の距離を調整しながら、エタロンを通過する光の波長を変化（選択）することができる。具体的には、エタロンを通過する光の波長を第１の波長から第Ｎの波長までの範囲に設定する場合、先ずは、第１の波長を有する光が最大強度を示すように２枚のエタロン板の距離を設定する。その後、第１の波長から半値幅だけずらした第２の波長を有する光が最大強度を示すように２枚のエタロン板の距離を再度設定する。このような手法で第１の波長、第２の波長、第３の波長、・・・、第Ｎの波長を順次選択しながら、エタロンを通過する光を受光素子３８０で受光する。
【００７８】
図４の例では、受光回路３８５（広義にはＣＰＵ４６１）は、受光素子３８０で受けた光を電気信号として取り出すことができる。ＣＰＵ４６１は、その電気信号をデジタル形式で受け、その値をＲＡＭ４６２に記憶することができる。分光素子３７０が第１の波長〜第Ｎの波長までの範囲の光を選択的に受光素子３８０に導くことで、ＣＰＵ４６１は、ラマンスペクトルをデジタル形式でＲＡＭ４６２に記憶することができる。
【００７９】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、ＲＡＭ４６２に記憶される標的物に特有のラマンスペクトルデータと例えばＲＯＭ４６３に予め記憶される既知のラマンスペクトルデータとを比較することができる。ＣＰＵ４６１は、比較結果に基づき標的物が何の物質であるか否かを判定することができる。ＣＰＵ４６１は、比較結果又は判定結果を表す信号を表示部５４０に送ることができる。これにより、表示部５４０は、比較結果又は判定結果をユーザーに示すことができる。また、ＣＰＵ４６１は、比較結果又は判定結果を表すデータを通信接続口５１０から出力することもできる。インターフェース５３０は、ＣＰＵ４６１と通信接続口５１０に接続される外部機器（図示せず）との間のデータの受け渡しを所与の規格で実行することができる。
【００８０】
図４の例では、ＣＰＵ４６１は、電力供給部４７０の状態を判定することができる。電力供給部４７０が例えば１次電池又は２次電池で構成される場合、ＣＰＵ４６１は、１次電池又は２次電池の電圧を表すデータが例えばＲＯＭ４６３に予め記憶される所与の値以下であるか否かを判定することができる。ＣＰＵ４６１は、判定結果を表す信号を表示部５４０に送ることができる。これにより、表示部５４０は、判定結果（例えば電池切れ、充電要）又は判定結果に基づく指示をユーザーに示すことができる。また、電力供給部４７０が例えば２次電池で構成される場合、ＣＰＵ４６１は、２次電池が充電されているか否か等を判定することができる。
【００８１】
図４の例では、電力供給部４７０は、電力供給部４７０の状態をＣＰＵ４６１に送ることができる。また、電力供給部４７０は、ＣＰＵ４６１等を有する処理部４６０に電力を供給することができる。図４に示されていないが、電力供給部４７０は、光源ドライバー１５、受光回路３８５、光源群１等の検出装置を構成する部品にも電力を供給することができる。
【００８２】
２．２．光源
図５（Ａ）、図５（Ｂ）は、垂直共振器面発光レーザーの構造例を示す。図５（Ａ）の例では、ｎ型ＧａＡｓ基板の上にｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層が形成される。ｎ型ＤＢＲ(Diffracted Bragg Reflector)層の中央部に活性層及び酸化狭窄層が設けられる。活性層及び酸化狭窄層の上にｐ型ＤＢＲ層が設けられる。ｐ型ＤＢＲ層及びｎ型ＤＢＲ層の上に絶縁層を設け、絶縁層の上に電極を形成する。ｎ型ＧａＡｓ基板の裏側にも電極を形成する。図５の例では、ｎ型ＤＢＲ層とｐ型ＤＢＲ層との間に活性層が介在し、活性層で発生した光がｎ型ＤＢＲ層とｐ型ＤＢＲ層との間で共振する垂直共振器が形成される。なお、垂直共振器面発光レーザーは、図５（Ａ）の例に限定されず、例えば酸化狭窄層を省略してもよい。
【００８３】
例えば図１（Ａ）等に示される光源Ａは、基板面に対して垂直方向に光を共振させ、基板面と垂直な方向（光源の光軸Ｌａｘ１）に光を放出可能な垂直共振器面発光レーザー（広義には面発光レーザー）であることが好ましい。垂直共振器面発光レーザーを利用することで、単色（単一波長）で且つ直線偏光である光源を構成することができる。また、垂直共振器面発光レーザーは、小型化することが可能であり、携帯型の検出装置への組み込みに適している。また、垂直共振器面発光レーザーの構造から、製造工程では基板を劈開せずとも共振器の形成やレーザー特性の検査が可能であり、大量生産に向いている。さらに、垂直共振器面発光レーザーは、他の半導体レーザーに比べて比較的安価に製造が可能であり、例えば２次元アレー型の垂直共振器面発光レーザーを提供することもできる。加えて、垂直共振器面発光レーザーの閾値電流が小さく、従って、検出装置の消費電力を低減させることができる。また、低電流でも垂直共振器面発光レーザーの高速変調が可能であり、垂直共振器面発光レーザーの温度変化に対する特性変化の幅が少なく、垂直共振器面発光レーザーの温度制御部を簡易化できる。
【００８４】
なお、図５（Ａ）の例を変形して、垂直共振器面発光レーザーは、安定した偏光面（広義には偏光方向）を提供することができる。この場合、図３の偏光制御素子３３０の代わりに、例えば光源Ａ（垂直共振器面発光レーザー）は、例えば特許文献２で開示されるような歪み付加部を有することができる。特許文献２の例では、特許文献２の歪み付加部１９は、垂直共振器面発光レーザーの共振器１０Ｂに隣接して配置される。特許文献２の歪み付加部１９は、特許文献２の共振器１０Ｂに異方的な応力をあたえ、歪ませることによって、複屈折、利得の偏光依存性を特許文献２の共振器１０Ａ内に生じさせる。これによって、安定した偏光面を提供することができる。
【００８５】
図５（Ｂ）の例では、垂直共振器面発光レーザーの平面図が示され、光源Ａは、歪み付加部を有する。図５（Ｂ）の例では、光源Ａは、偏光方向ＤＡを有する光を放射可能である。
【００８６】
図６は、光源の特性の説明図を示す。図６の例では、光源に利用可能なレーザーの特性を表で表している。垂直共振器面発光レーザー（ＶＣＳＥＬ）は、上述のように検出装置の光源に適しているが、検出装置は、図６に示すような他のレーザーを採用してもよく、レーザー以外の光源を採用してもよい。
【００８７】
２．３．誘導部
図７（Ａ）、図７（Ｂ）、図７（Ｃ）は、誘導部及び排出流路４２３の構成例を示す。図７（Ａ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２は、円筒状構造を有することができる。円筒状構造は、内周面４２２ａ及び内周面に垂直な平面４２２ｂを有し、内周面４２２ａ（壁面）で、基板１００（狭義には電気伝導体）の平面（広義には仮想平面）と平行な方向（水平方向）に気体試料を旋回させることができる。気体試料が電気伝導体の仮想平面（例えば横断面）と平行な方向に旋回することを水平旋回又は横旋回と称することができる。センサーチップ３００付近の流路４２２の入口は、吸引流路４２１の出口と連結し、センサーチップ３００付近の流路４２２の出口は、排出流路４２３の入口と連結する。吸引流路４２１の出口から流路４２２の入口への気体試料の流入方向を平面４２２ｂと平行な方向に近づけることで、気体試料は、水平方向に旋回し易くなる。なお、図７（Ａ）に示されるように、主に水平方向の旋回流が生じ、垂直方向の旋回流が生じてもよい。気体試料は、センサーチップ３００付近に滞在し、その後、排出流路４２３から流出する。気体試料がセンサーチップ３００付近の増強電場近傍を何度も通過することで、気体試料が増強電場に入り込む確率が高まることになる。
【００８８】
図７（Ｂ）に示されるように、センサーチップ３００付近の流路４２２は、中空状構造を有することができる。中空状構造は、内側球面４２２ｃを有し、内側球面４２２ｃ（壁面）で、電気伝導体の仮想平面と垂直な方向（垂直方向）に気体試料を旋回させることができる。気体試料が電気伝導体の仮想平面（例えば横断面）と垂直な方向に旋回することを垂直旋回または縦旋回と称することができる。吸引流路４２１の出口から流路４２２の入口への気体試料の流入方向を平面４２２ｂと垂直な方向に近づけることで、気体試料は、垂直方向に旋回し易くなる。なお、図７（Ｂ）に示されるように、主に垂直方向の旋回流が生じ、水平方向の旋回流が生じてもよい。
【００８９】
図７（Ｃ）の例では、吸引流路４２１は、螺旋構造を有することができる。気体試料は、吸引流路４２１から流路４２２に入り込む。このとき、吸引流路４２１が螺旋構造を有するので、旋回する気体試料が流路４２２に入る。従って、気体試料は、流路４２２でさらに旋回することができ、気体試料が電気伝導体付近の増強電場に滞在する確率がさらに高くなる。また、吸引流路４２１は、外光を遮光することができ、吸引流路４２１の内壁は、遮光性が高くなるように、光の反射率が小さい材料で構成することが好ましい。図７（Ｃ）の例では、誘導部４２０（広義には光デバイスユニット）は、排出流路４２３と接続可能な中継経路４２３ａを有することができる。
【００９０】
図７（Ｃ）に示されるような螺旋構造を排出流路４２３が有してもよい。また、例えば図７（Ａ）等に示される吸引流路４２１も、螺旋構造を有してもよい。
【００９１】
２．４．光デバイス（フォトリソグラフィー法による金属ナノ構造）
図８（Ａ）、図８（Ｂ）、図８（Ｃ）、図８（Ｄ）、図８（Ｅ）は、フォトリソグラフィー法の概要説明図を示す。図８（Ａ）の例では、紫外レーザーを利用した光干渉露光装置の概要を示され、光源として、例えば波長２６６ｎｍ、出力２００ｍＷを有する連続発振（CW:Contimuous Wave）レーザー用いることができる。紫外レーザーからの光は、シャッターを経由してミラーで折り返し、ハーフミラーで両側に分岐する。ハーフミラーから分岐される２つの光の各々は、ミラーで折り返し対物レンズ及びピンホールを経由し、これにより、光のビーム径が広がる。ビーム径が広がった紫外レーザーからの光をマスクに照射させることで露光パターンを作り、レジストを塗布した基板１００に露光パターンを照射させることができる。この時、両側のマスクからの露光パターンが互いに干渉することにより、干渉パターンをレジスト（基板１００）に形成することが可能になる。また、露光パターンを例えばハーフミラー及びＣＣＤカメラを介してモニタで確認することもできる。
【００９２】
所与の干渉パターン（広義には所与の露光パターン）をレジスト（基板１００）に露光した後、レジストを現像し、必要な部分のみのレジストを残すことができる。その後、基板１００をエッチングする溶液に浸漬するか、ドライエッチングで必要な量だけエッチングすることができる。エッチング後、基板１００上に残っているレジストを除去することができる。これにより、基板１００の表面を微細な凹凸状に加工することができる。その後、基板１００の表面に電気伝導体として例えば金属微粒子を付加し、金属ナノ構造を形成することができる。金属ナノ構造の製造プロセスの概要については、後述する（図９（Ａ）〜図９（Ｅ）参照）。
【００９３】
図８（Ｂ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が平面図及び断面図で示されている。この例では、基板１００（金属ナノ構造）は、複数の突起１１０で構成される突起群１１５を有し、複数の突起１１０（金属微粒子２０）は、１次元の周期で配置される。
【００９４】
また、図８（Ｃ）の例でも、金属ナノ構造を有する基板１００が平面図及び断面図で示されている。この例では、複数の突起１１０（金属微粒子２０）は、２次元の周期で配置される。図８（Ｄ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が斜視で示される電子顕微鏡写真が示され、例えば図８（Ｃ）に対応している。図８（Ｄ）の例では、金属ナノ構造を有する基板１００が平面視で示されるＳＥＭ写真が示され、例えば図８（Ｃ）に対応している。例えば金（Ａｕ）で構成される複数の突起１１０の周期（ピッチ）は、例えば約１４０ｎｍである。
【００９５】
なお、光干渉露光装置の代わりに例えば電子ビーム露光装置を用いて金属ナノ構造を形成してもよい。電子ビーム露光装置は、光干渉露光装置と比べて露光の自由度が高いという利点を有する一方、光干渉露光装置は、電子ビーム露光装置と比べて光デバイスの量産性が高いという利点を有する。
【００９６】
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）、図９（Ｄ）、図９（Ｅ）は、金属ナノ構造の製造プロセスの概要説明図を示す。以下では、図８（Ｂ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。例えば図８（Ｃ）等で示される金属ナノ構造は、具体的には、以下のように製造することができる。図９（Ａ）で示すように、基板１００は、レジスト１０１を有する。レジスト１０１は、例えばスピンコートによって基板１００に塗布され、その後、乾燥される。レジスト１０１に所与のパターンを露光するには、例えば図８（Ａ）で示されるような光干渉露光装置を用いることができる。レジスト１０１は、例えばポジ型レジストを使用することができ、レジスト１０１の膜厚は、例えば１μｍである。図９（Ａ）の例では、２つの方向から光をレジスト１０１に照射し、２つの光の各々は、例えば格子状の露光パターンを有する。２つの光が交差する角度によって、様々な干渉パターンを形成することができる。なお、干渉パターンの大きさは、光干渉露光装置の例えば紫外レーザーの波長の半分まで小さくすることができる。干渉パターンによる潜像をレジスト１０１内に形成し、レジスト１０１を現像すると、例えば図９（Ｂ）に示すようなレジストパターンを形成することができる。
【００９７】
図９（Ｂ）に示されるように、基板１００は、レジストパターンで保護されている部分とレジストパターンで保護されていない部分とを有する。その後、レジストパターンで保護されていない部分をエッチングして、例えば図９（Ｃ）に示されるように、基板１００に凹部１０４が形成される。その後、基板１００に残ったレジスト１０１を除去することで、例えば図９（Ｄ）に示すような基板１００の凸部１０５が露出する。その後、例えばスパッター装置で金属微粒子２０による金属膜を基板１００に形成する。初期状態では基板１００全体に薄く金属膜が形成されるが、凸部１０５付近に多く金属微粒子２０が徐々に付着し、例えば図９（Ｅ）に示されるような金属膜で複数の突起１１０（金属ナノ構造）を形成することができる。
【００９８】
複数の突起１１０（金属ナノ構造）を有する突起群１１５に例えば直線偏光のレーザー光を照射すると、レーザー光の偏光方向により局在プラズモンが励起され、突起群１１５の隣り合う突起１１０間のギャップに強い増強電場が形成される。突起群１１５の隣り合う突起１１０間のギャップは、金属膜の膜厚によって制御することができ、このギャップの大小が増強電場の強さを主に支配する要因となる。
【００９９】
金属微粒子２０又は金属膜は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）又は白金（Ｐｔ）で構成することができ、また、これらの合金（組み合わせ）で構成することができる。好ましくは、金属微粒子２０又は金属膜は、金（Ａｕ）又は銀（Ａｇ）で構成し、局在プラズモン、増強電場又は表面増強ラマン散乱を発現し易くすることができる。
【０１００】
図１０（Ａ）、図１０（Ｂ）、図１０（Ｃ）は、金属ナノ構造で形成される増強電場の概要説明図を示す。以下では、図２（Ｄ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。標的分子（気体試料）は、例えば図３に示す吸引口４００から誘導部４２０の内部に吸引され、センサーチップ３００（広義には光デバイス４）付近の流路４２２に到達する。図１０（Ａ）の例では、光デバイス４は、金属ナノ構造を有し、金属ナノ構造に光源からの光Ｌｉｎ（入射光）を照射すると、凸部１０５のギャップに増強電場が形成される。図１０（Ｂ）の例では、光Ｌｉｎ（入射光）の照射範囲が点線で示されている。なお、増強電場に標的分子が入った場合には、その標的分子の振動数の情報を含んだラマン散乱光が生じる。また、そのラマン散乱光が増強電場によって増強され、表面増強ラマン散乱が生じる。図１０（Ａ）の例では、光デバイス４の裏側（基板１００側）から入射光が照射されているが、図１０（Ｃ）に示されるように、センサーチップ３００の表側（凸部１０５側）から入射光を照射してもよい。
【０１０１】
凸部１０５のギャップが小さく、凸部１０５の高さ（凹部１０４の深さ）が大きくなると、例えば図１０（Ａ）等で示される増強電場は、一般に、強くなる。また、光Ｌｉｎ（入射光）の強度が強ければ、増強電場も強くなる。但し、凸部１０５のギャップが狭すぎると、標的分子がギャップ（増強電場）に入る確率も低くなるので、凸部１０５のギャップは、例えば数ｎｍ〜１０数ｎｍに設定することができる。また、凸部１０５の高さ（凹部１０４の深さ）が大きくなると、標的分子がギャップ（増強電場）に一旦入った後に、ギャップ（増強電場）を出る時間を長くさせ、ラマン散乱光を表す検出信号又はラマンスペクトルは、安定する。
【０１０２】
また、金属ナノ構造の金属の種類によって光Ｌｉｎ（入射光）の波長を選択することができる。金属ナノ構造が例えば金（Ａｕ）で構成される場合、光Ｌｉｎの波長を例えば６３３ｎｍに設定することができる。また、金属ナノ構造が例えば銀（Ａｇ）で構成される場合、光Ｌｉｎの波長を例えば５１４ｎｍに設定することができる。また、標的分子の種類によって光Ｌｉｎの波長を選択することもできる。なお、気体試料が標的分子以外の不純物を含む場合、不純物の蛍光を抑制するために、光Ｌｉｎの波長を例えば７８０ｎｍ程度に設定してもよい。
【０１０３】
２．５．表面プラズモン共鳴ピーク
例えば図１０（Ｃ）等に示される光デバイス４の金属ナノ構造（広義には電気伝導体）に光Ｌｉｎ（入射光）を照射する時、一般には、ブロードな表面プラズモン共鳴ピークがひとつしか存在しないため、励起波長（レイリー散乱波長と等しい）とラマン散乱波長に対して、共鳴ピークの位置を適切な位置に設定する必要がある。そのため、共鳴ピーク波長を励起波長とラマン散乱波長の間に設定すれば、励起過程とラマン散乱過程の両方で電場増強効果を期待できる。しかしながら、共鳴ピークがブロードであるため、個々の過程では共鳴の強さが弱くなり、過程全体の増強度は十分とは言えないこともある。そこで、光デバイス４に入射光を斜めに入射して共鳴ピークを２つ生じさせ、その２つの共鳴ピークを励起波長とラマン散乱波長に設定することで、検出感度又はセンサー感度を向上させることができる。
【０１０４】
表面増強ラマン散乱を応用した高感度なセンサーチップ３００（広義には光デバイス４）を実現するためには、局所電場の増強度（以下、増強度と適宜省略する）ができるだけ大きいことが望ましい。増強度αは、下式（１）で表される（M.Inoue, K.Ohtaka, J.Phys.Soc.Jpn., 52, 3853 (1983)）。ここで、αｒａｙは、励起波長における増強度であり、αｒａｍは、ラマン散乱波長における増強度である。
α＝αｒａｙ×αｒａｍ （１）
上式（１）より、励起過程における増強度とラマン散乱過程における増強度の両方を同時に高め、表面増強ラマン散乱過程における増強度を高めることができる。そのため例えば図１１に示すように、励起波長及びラマン散乱波長の近傍だけに強い２つの共鳴ピークを発生させる。これにより、両散乱過程の相乗効果によって、局所電場の増強効果を高めることができる。
【０１０５】
図１２は、センサーチップの構成例の斜視図である。図１２に示されるように、センサーチップ３００は、基板１００（基材）及び突起群１１５（第１の突起群）を含む。複数の突起１１０を有する突起群１１５は、電気伝導体で構成され、電気伝導体は、典型的には金属（例えば、金（Ａｕ））であるが、半導体（例えばポリシリコン）等でもよい。
【０１０６】
複数の突起１１０は、基板１００の平面（広義には仮想平面）に沿った第１の方向Ｄ１に周期的に配置される。ここで、基板１００の平面は、例えば突起群１１５が形成される側の基板１００の表面１２０であり、表面１２０に平行な面でもよい。より具体的には、突起群１１５の各突起１１０は、突起の配列方向（第１の方向Ｄ１）の断面形状が基材１００の表面１２０から凸形状に形成される。凸形状は、矩形や台形、円弧等であり、例えば図８（Ｄ）、図９（Ｅ）等で示されるような複雑な曲線で定義される断面形状を有してもよい。例えば、図１２に示すように、突起群１１５は、基板１００に対する平面視において、第１の方向Ｄ１に直交する第２の方向Ｄ２に平行な縞状に形成される。
【０１０７】
図１３は、図１２のセンサーチップの断面図を示す。この断面図の断面は、基板１００の平面に垂直な面であり、突起群１１５の配列方向（第１の方向Ｄ１）に平行な面である。図１３に示すように、基板１００の平面の法線方向を第３の方向Ｄ３とする。
【０１０８】
図１３の例では、基板１００は、ガラス基板１３０と、ガラス基板１３０の上に形成された金属薄膜１４０とを有する。例えば、金属薄膜１４０の厚さは１５０ｎｍ以上である。図１３の例では、突起群１１５の断面形状は矩形（略矩形）であり、第１の高さＨ１の突起１１０が、第１の方向Ｄ１に沿って第１の周期Ｐ１で配列される。この金属薄膜１４０と突起群１１５とにより金属格子１５０（周期的な金属凹凸構造）が形成される。第１の周期Ｐ１は例えば１００〜１０００ｎｍの範囲に設定され、第１の高さＨ１は例えば１０〜１００ｎｍの範囲に設定されることが望ましい。なお、ガラス基板１３０は、例えば石英基板、サファイア基板等でもよく。基板１００は、例えば金属からなる平板を用いてもよい。
【０１０９】
センサーチップ３００には、直線偏光を含む入射光Ｌｉｎを入射することができる。直線偏光の偏光方向（偏光方位）は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して平行な方向である。図１３の例では、入射光Ｌｉｎは、金属薄膜１４０と突起群１１５による金属格子１５０（広義には電気伝導体）に対して傾斜させて入射させる。具体的には、傾斜角をθとすると、θ＞０であり、図１３に示す断面において入射方向と第３の方向Ｄ３の反対方向との角度(基板１００の平面に向う垂線に対する角度)がθとなるように入射光を入射させる。
【０１１０】
好ましくは、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して平行である。しかしながら、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に対して非平行であってもよい。言い換えれば、直線偏光は、第１の方向Ｄ１と第３の方向Ｄ３に平行な面に平行な偏光成分を含んでいればよい。なお、直線偏光の偏光方向は、例えば図３の偏光制御素子３３０、図５（Ｂ）の歪み付加部等で設定することができる。
【０１１１】
図１４は、センサーチップの反射光強度の特性例を示す。図１４は、金属格子１５０を銀（Ａｇ）により形成し、金属格子１５０に対する光の入射角度θが３度であり、光の偏光方向が金属格子１５０の溝方向（第２の方向Ｄ２）と直交し、突起１１０の断面が矩形（略矩形）であり、第１の周期Ｐ１が５００ｎｍであり、第１の高さＨ１が２０ｎｍである場合の特性例である。図１４の例では、横軸は反射光の波長を表し、縦軸は反射光強度（入射光強度に対する比率）を表す。
【０１１２】
図１４の例では、金属格子１５０には、表面プラズモンポラリトン（SPP:Surface Plasmon Polariton）の共鳴ピークが２つ存在する。例えば、１つの共鳴ピーク波長λｐ１は、５１５ｎｍ付近に位置し、もう１つの共鳴ピーク波長λｐ２は、５５５ｎｍ付近に位置する。この２つの共鳴ピーク波長λｐ１及びλｐ２を、それぞれ、励起波長λ１及びラマン散乱波長λ２の近傍に合わせる又は一致させることにより、大きな増強ラマン散乱効果が期待できる。例えば、波長５１５ｎｍのアルゴンレーザーを励起波長λ１として用いた場合、波長５５５ｎｍ近傍のラマン散乱光（ラマンシフト１２００〜１６００ｃｍ−１）を強く増強させることが可能となる。
【０１１３】
図１５は、表面プラズモンポラリトンの励起条件の説明図を示す。図１５に示すＣ１は、表面プラズモンポラリトンの分散曲線（例えば、空気と金（Ａｕ）の境界面での分散曲線）を表し、Ｃ２は、ライトラインを表す。図１５では、金属格子１５０の周期を第１の周期Ｐ１とし、この場合の格子ベクトルの波数２π／Ｐ１を横軸上に示す。
【０１１４】
まず、金属格子１５０と励起条件の関係について説明する。入射光Ｌｉｎの波数をｋｉとし、入射角度をθとすると、金属格子１５０の配列方向（図１３に示す第１の方向Ｄ１、または第１の方向Ｄ１の反対方向）における１次のエバネッセント波の波数は、２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθである。表面プラズモンポラリトンは、このエバネッセント波の波数２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθと表面プラズモンの波数が一致した場合に励起される。すなわち、表面プラズモンポラリトンの励起条件は、エバネッセント波の生成条件を表す直線と表面プラズモンポラリトンの分散曲線との交点により表される。
【０１１５】
図１５のＣ３に、比較例として、金属格子１５０に対して垂直（θ＝０）に光を入射させた場合のエバネッセント波の生成条件を表す直線を示す。Ｃ３に示すように、この場合のエバネッセント波の波数は２π／Ｐ１で表される。この直線Ｃ３は、格子ベクトルの波数の位置から上へ延ばした線であり、表面プラズモンポラリトンの分散曲線Ｃ１と交わる。このとき、交点は１つであり、周波数ω０（角周波数）に対応する共鳴ピークが現れる。
【０１１６】
Ｃ４とＣ５に、エバネッセント波の生成条件を表す直線を示す。金属格子１５０に対して角度θ（θ＞０）で光を入射させる場合、エバネッセント波の波数は２π／Ｐ１±ｋｉ・ｓｉｎθで表される。直線Ｃ４は、２π／Ｐ１＋ｋｉ・ｓｉｎθに対応し、直線Ｃ５は、２π／Ｐ１−ｋｉ・ｓｉｎθに対応する。これらの直線Ｃ４とＣ５は、格子ベクトルの波数の位置から角度θで斜め上に延ばした線であり、表面プラズモンポラリトンの分散曲線Ｃ１と２点（周波数ω＋，ω−）で交わる。従って、周波数ω＋，ω−に対応する２つの共鳴ピークが、共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２で現れる。
【０１１７】
表面プラズモンポラリトンの励起条件を利用して２つの共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２を設定し、その２つの共鳴ピーク波長λｐ１，λｐ２を表面増強ラマン散乱に利用することができる。具体的には、まず厳密結合波解析（RCWA:Rigorous Coupled Wave Analysis）により分散曲線Ｃ１を求める（L.Li and C.W.Haggans,J.Opt.Soc.Am.,A10,1184-1189(1993)）。分散曲線Ｃ１は、金属の種類や、媒質の種類や、金属格子１５０の断面形状に固有の曲線である。次に、所与の格子周期（例えば第１の周期Ｐ１）と所与の入射角度θを、標的物のラマンシフトに応じて決定する。すなわち、第１の共鳴ピーク波長λｐ１を励起波長λ１（レイリー散乱波長）の近傍に設定し、第２の共鳴ピーク波長λｐ２（λｐ２＞λｐ１）をラマン散乱波長λ２の近傍に設定する。そして、分散曲線Ｃ１とω＝ω＋（λ＝λｐ１）の交点を直線Ｃ４が通り、分散曲線Ｃ１とω＝ω−（λ＝λｐ２）の交点を直線Ｃ５が通るように、所与の第１の周期Ｐ１と所与の入射角度θを設定することができる。
【０１１８】
図１４の例では、第１の共鳴ピーク波長λｐ１を含む第１の共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１は、表面増強ラマン散乱における励起波長λ１を含む。第２の共鳴ピーク波長λｐ２を含む第２の共鳴ピーク波長帯域ＢＷ２は、表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長λ２を含む。共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１，ＢＷ２がそれぞれ共鳴ピーク波長λ１，λ２を含むように第１の周期Ｐ１及び入射角度θ等が設定されることで、励起波長λ１における電場増強度とラマン散乱波長λ２における電場増強度を向上できる。
【０１１９】
ここで、共鳴ピーク波長帯域ＢＷ１，ＢＷ２は、所与の反射光強度での帯域幅であり、例えばピークの半値幅でもよい。なお、図１４では、λ１＝λｐ１、λ２＝λｐ２としているが、λ１とλｐ１は異なってもよく、λ２とλｐ２は異なってもよい。
【０１２０】
図１６は、センサーチップの反射光強度の他の特性例を示す。図１６は、金属格子１５０を金（Ａｕ）により形成し、金属格子１５０に対する光の入射角度θが５度であり、光の偏光方向が金属格子１５０の溝方向（第２の方向Ｄ２）と直交し、突起１１０の断面が矩形（略矩形）であり、第１の周期Ｐ１が５００ｎｍであり、第１の高さＨ１が４０ｎｍである場合の特性例である。
【０１２１】
図１６の例では、１つの共鳴ピーク波長λｐ１は、５４５ｎｍ付近に位置し、もう１つの共鳴ピーク波長λｐ２は、６００ｎｍ付近に位置する。この２つの共鳴ピーク波長λｐ１及びλｐ２を、それぞれ、励起波長λ１及びラマン散乱波長λ２の近傍に合わせる又は一致させることにより、大きな増強ラマン散乱効果が期待できる。
【０１２２】
図１６の例では、図１４の例と比べて、２つの共鳴ピークがややブロードであり、且つ浅くなっている。しかしながら、共鳴ピークを１つしか利用しない場合と比べて、表面増強ラマン散乱の信号を増強する効果は優れている。また、金（Ａｕ）を用いることで、酸化や硫化等による表面劣化を抑止できる。
【０１２３】
図１７は、図１２のセンサーチップの変形例の斜視図を示す。以下では、図１２等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図１２の例では、入射光Ｌｉｎとして、偏光方向の基板１００の平面に平行な成分（偏光方向の基板１００の平面に対する正射影）と第１の突起群１１５の配列方向（第１の方向Ｄ１）とが平行である直線偏光が入射されることが好ましい。このようにすれば、直線偏光によって自由電子プラズマの粗密波が第１の方向Ｄ１に沿った方向に誘起され、第１の突起群１１５の配列方向に沿って伝搬する表面プラズモンを励起できる。
【０１２４】
図１７の例では、第１の突起群１１５の頂面２２０に、金属により形成される第２の突起群２０５を含むことができる。第２の突起群２０５の複数の突起２００の各々は、基板１００の平面に平行な方向（第１の方向Ｄ１）に沿って、第１の周期Ｐ１よりも短い第２の周期Ｐ２（Ｐ２＜Ｐ１）で配列される。
【０１２５】
また、図１７の例では、第１の突起群１１５が配列される面であって第１の突起群１１５の隣り合う突起１１０間の面（第１の突起群１１５の隣り合う突起１１０間の底面２３０）に、金属により形成される第３の突起群２１５を含むことができる。第３の突起群２１５の複数の突起２１０の各々は、基板１００の平面に平行な方向（第１の方向Ｄ１）に沿って、第１の周期Ｐ１よりも短い第３の周期Ｐ３（Ｐ３＜Ｐ１）で配列される。
【０１２６】
このようにすれば、第１の突起群１１５により伝搬型の表面プラズモンが励起され、その伝搬型の表面プラズモンにより第２の突起群２０５や第３の突起群２１５に局在型の表面プラズモンが励起される。これにより、励起波長λ１とラマン散乱波長λ２における電場増強度をさらに向上できる。
【０１２７】
第２の突起群２０５と第３の突起群２１５の各突起２００，２１０は、突起２００，２１０の配列方向（第１の方向Ｄ１）の断面形状が頂面２２０と底面２３０から凸形状に形成される。凸形状は、矩形や台形、円弧等である。例えば、図１７に示すように、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５は、基板１００に対する平面視において、第２の方向Ｄ２に平行な縞状に形成される。この第２の突起群２０５と第３の突起群２１５は、第１の突起群１１５と同じ金属により形成されてもよく、異なる金属により形成されてもよい。
【０１２８】
図１８に、図１７のセンサーチップの断面図を示す。この断面図の断面は、基板１００の平面に垂直な面であり、第１の方向Ｄ１に平行な面である。図１８に示すように、頂面２２０からの第２の高さＨ２の突起２００（第２の突起群２０５）が、第１の周期Ｐ１より短い第２の周期Ｐ２で配列される。底面２３０からの第３の高さＨ３の突起２１０（第３の突起群２１５）は、第１の周期Ｐ１より短い第３の周期Ｐ３で配列される。例えば、第２の周期Ｐ２や第３の周期Ｐ３は、５００ｎｍ以下に設定することが望ましく、第２の高さＨ２や第３の高さＨ３は、２００ｎｍ以下に設定することが望ましい。なお、第３の高さＨ３は、Ｈ３＞Ｈ１であってもよく、Ｈ３≦Ｈ１であってもよい。
【０１２９】
図１８の例では、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の配列方向が、第１の突起群１１５と同じ配列方向（第１の方向Ｄ１）である。しかしながら、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の配列方向は、第１の方向Ｄ１と異なる方向であってもよい。この場合、第２の周期Ｐ２や第３の周期Ｐ３は、第１の方向Ｄ１における配列周期となる。
【０１３０】
上述のように、第１の突起群１１５により、励起波長λ１（レイリー散乱波長）とラマン散乱波長λ２に２つの共鳴ピークをもつ伝搬型の表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンは、金属格子１５０の表面に沿って伝搬し、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５に局在型の表面プラズモンを励起する。そして、この局在型の表面プラズモンは、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の突起２００，２１０間に増強電場を励起し、その増強電場と標的物との相互作用により表面増強ラマン散乱が生じる。このとき、第２の突起群２０５や第３の突起群２１５の突起２００，２１０間隔が狭いため、突起２００，２１０間に強い増強電場が励起される。そのため、突起２００，２１０間に吸着した標的物が１個〜数個であっても、その増強電場によって強い表面増強ラマン散乱を生じさせることができる。
【０１３１】
２．６．入射角
図１９（Ａ）、図１９（Ｂ）は、センサーチップに入射光を傾斜させて入射させるための手法の説明図を示す。以下では、図１（Ｂ）等で説明した構成要素と同一の構成要素には同じ符号を付し、適宜説明を省略する。図１９（Ａ）の例では、光源の光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２からずらすことで、センサーチップ３００に対して入射光Ｌｉｎを傾斜させる。図１９（Ｂ）の例では、光源の光軸Ｌａｘ１を対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２と一致させ、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に対してセンサーチップ３００を傾斜させて配置することで、センサーチップ３００に対して入射光Ｌｉｎを傾斜させる。
【０１３２】
図１９（Ａ）の例では、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に対して垂直にセンサーチップ３００を支持部４３０上に配置する。そして、有効になった１つの光源の光軸Ｌａｘ１を所与の距離だけ対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２から離して、対物レンズ３の光軸Ｌａｘと平行に入射光Ｌｉｎを対物レンズ３に入射する。所与の距離は、センサーチップ３００に対する入射光Ｌｉｎの入射角度が対物レンズ３の屈折によってθとなる距離である。センサーチップ３００から光Ｌｏｕｔは、対物レンズ３に入射され、対物レンズ３によって例えば図１のハーフミラー２等へ導かれる。
【０１３３】
図１９（Ｂ）の例では、センサーチップ３００の平面（基板１００の平面）の法線と、対レンズ３の光軸Ｌａｘ２との成す角度をθに配置する。そして、対物レンズ３の光軸Ｌａｘ２に沿って、有効になった１つの光源からの入射光Ｌｉｎを入射させる。そうすると、入射光Ｌｉｎは対物レンズ３によって屈折されず、センサーチップ３００に対して入射角度θで入射される。センサーチップ３００を傾斜させるために、図１９（Ｂ）に示すように支持部４３０を傾斜させることができる。なお、図１９（Ｂ）の例を変形して、支持部４３０の支持面を傾斜面としてもよい。
【０１３４】
２．７．光デバイス（蒸着による金属ナノ構造）
図２０（Ａ）、図２０（Ｂ）は、電気伝導体の製造方法の概要説明図を示す。例えば図８（Ａ）等で示すフォトリソグラフィー法で作製する金属ナノ構造はトップダウン法とも言われ、金属ナノ構造は、規則的な配列構造を持ち、増強電場が形成される間隙部も揃っている。それに対して、蒸着によって形成される独立したアイランド状の金属ナノ構造は、大きさや形が均一ではなく、増強電場が形成される間隙部も均一にならない。つまり、増強電場の強いところと弱いところ、入射光Ｌｉｎの偏光方向も自由度がある。しかし、この蒸着による金属ナノ構造では、どこかに強い増強電場を形成する条件を含んでいるため、製造バラツキを吸収できるというメリットがある。
【０１３５】
例えば真空蒸着機を利用して、蒸着による金属ナノ構造を製作することができる。蒸着条件の１例は、基板１００に硼珪酸ガラスを採用することができる。また、蒸着金属として、銀（Ａｇ）を採用し、銀（Ａｇ）を基板１００に加熱蒸着させることができる。この時、基板１００は、加熱する必要はなく、加熱蒸着のレートは、例えば０．０３〜０．０５ｎｍ/ｓｅｃに設定することができる。
【０１３６】
図２０（Ａ）には、島状のアイランドが形成されていく過程を模式的に示してある。蒸着アイランドの初期では、基板１００上に銀（Ａｇ）の核が形成される。蒸着アイランドの成長期では、核を中心に銀（Ａｇ）が成長し大きくなる。蒸着アイランドの完成期では、隣接するアイランド同士の隣接する距離が小さくなるが、隣接するアイランドがくっ付かない段階で真空蒸着を止めることができる。
【０１３７】
図２０（Ｂ）には実際に製作した金属ナノ構造の電子顕微鏡写真を示してある。おおよそ２５ｎｍ程度のＡｇアイランドが形成され、それぞれが独立していることが分かる。これ以上蒸着を継続するとＡｇアイランド同士が繋がってきて、ついには膜状になってしまう。通常は均一な膜状に蒸着することが求まれるが、この場合にはできるだけ独立したＡｇアイランドが狭く高密度に形成されることが望ましい。
【０１３８】
このような金属ナノ構造に直線偏光の光を照射すると、蒸着アイランド間のギャップ近傍に強い増強電場が形成されるが、ギャップの位置や向きなどは一定に揃っていない。増強電場に寄与するのは、そのギャップの向きに合った入射光Ｌｉｎの内のｐ偏光波であり、偏光方向によって強く増強電場が形成される場合と、少し弱くなる場合がある。
【０１３９】
２．８．分光分析
図２１（Ａ）、図２１（Ｂ）、図２１（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図２１（Ａ）は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図２１（Ａ）の例では、第１のピーク（８８３ｃｍ−１）と第２のピーク（１４５３ｃｍ−１）が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ（第１のピークのラマンシフト及び光強度、第２のピークのラマンシフト及び光強度等）と照合することで、標的物を特定することができる。
【０１４０】
図２１（Ｂ）は、解像度が粗い（４０ｃｍ−１）分光素子３７０で受光素子３８０が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。図２１（Ｃ）は、解像度が細かい（１０ｃｍ−１）分光素子３７０で受光素子３８０が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。１０ｃｍ−１程度で解像度が細かい場合には、第２のピークのラマンシフト（黒丸）を正確に特定し易くなる。
【０１４１】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光デバイス、検出装置、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【０１４２】
２ ハーフミラー、３ 対物レンズ、４ 光デバイス、５ 検出器、７ 制御部、
１５ 光源ドライバー、２０ 金属微粒子（金属ナノ粒子）、１００ 基板、
１０１ レジスト、１０４ 凹部、１０５ 凸部、１１０，２１０，３１０ 突起、
１１５ 突起群（第１の突起群）、１２０ 表面、１３０ ガラス基板、
１４０ 金属薄膜、１５０ 金属格子、２０５ 第２の突起群、２１５ 第３の突起群、
２２０ 頂面、２３０ 底面、３００ センサーチップ、３０５ 識別コード、
３１０ センサーチップ検出素子、３１５ 検出回路、３２０ コリメーターレンズ、
３３０ 偏光制御素子、３６０ 集光レンズ、３６５ 光フィルター、
３７０ 分光素子、３７５ 分光ドライバー、３８０ 受光素子、３８５ 受光回路、
４００ 吸引口（搬入口）、４１０ 排出口、４２０ 誘導部（搬送部）、
４２１ 吸引流路、４２２ センサーチップ付近の流路、４２２ａ 内周面、
４２２ｂ 平面、４２２ｃ 内側球面、４２３ 排出流路、４２３ａ 中継経路、
４２４，４２５ 封止部材、４２６，４２７ フィルター、４３０ 支持部、
４４０ カバー、４５０ ファン、４５５ ファンドライバー、４６０ 処理部、
４６１ ＣＰＵ、４６２ ＲＡＭ、４６３ ＲＯＭ、４７０ 電力供給部、
４８０ ヒンジ部、４９０ 接続部、５００ 筐体、５１０ 通信接続口、
５２０ 電源接続口、５３０ インターフェース、５４０ 表示部、５５０ 操作部、
Ａ 光源、ＢＷ１，ＢＷ２ 共鳴ピーク波長帯域、Ｄ１ 第１の方向、
Ｄ２ 第２の方向、Ｄ３ 第３の方向、ＤＡ 偏光方向、Ｌａｘ１ 光源の光軸、
Ｌａｘ２ 対物レンズの光軸（光学系の光軸）、Ｌｉｎ 光源からの光（入射光）、
Ｌｏｕｔ 光デバイスからの光（散乱光、反射光）、Ｈ１ 第１の高さ、
Ｈ２ 第２の高さ、Ｐ１ 第１の周期、Ｐ２ 第２の周期、Ｐ３ 第３の周期、
λ１ 励起波長、λ２ ラマン散乱波長、λｐ１，λｐ２ 共鳴ピーク波長、
θ 入射角度
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、
電気伝導体を有し、前記検出装置の光源からの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイスと、
前記光デバイスに気体試料を誘導する第１の誘導部とを含むことを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の誘導部は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有し、
前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイスとの間に、外光の入射線を遮る内壁面を有することを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の流路に空気中の浮遊物を除去するフィルターをさらに含み、
前記フィルターは、前記外光を遮光することを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記検出装置によって読み取り可能であり、且つ前記光デバイスを識別する識別コードをさらに含むことを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項５】
請求項２又は３において、
前記第１の誘導部は、前記第１の流路と連結する第２の流路を有し、
前記第２の流路は、前記光デバイスに臨む領域で、前記気体試料を旋回させることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光デバイスユニットと、
前記第１の誘導部と接続可能な第２の誘導部と、
前記光源と、
前記前記光源からの前記光を前記光デバイスの前記電気伝導体に入射させる第１の光学系と、
前記電気伝導体により散乱または反射された光の中から前記ラマン散乱光を検出する検出器とを含み、
前記第２の誘導部は、前記気体試料を排出口に誘導することを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第１の突起群を有し、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の前記仮想平面に対して平行な方向に沿って、第１の周期で配列され、
前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第１の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第１の光学系は、前記光源からの前記光を前記第１の突起群に入射させることを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記第１の突起群の頂面で、電気伝導体により形成される第２の突起群を有し、
前記第１の突起群の前記複数の突起のいずれか１つに対応する前記第２の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第２の周期で配列されることを特徴とする検出装置。
【請求項９】
請求項７又は８において、
前記第１の突起群が配列される面であって前記第１の突起群の隣り合う突起間の面に、電気伝導体により形成される第３の突起群を有し、
前記第３の突起群の複数の突起の各々は、前記第１の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第３の周期で配列されることを特徴とする検出装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかにおいて、
前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で生じ、
前記第１の共鳴ピーク波長を有する第１の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有し、
前記第２の共鳴ピーク波長を有する第２の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有することを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれかにおいて、
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第２の光学系をさらに含み、
前記検出器は、前記第２の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光することを特徴とする検出装置。
【請求項１】
検出装置に着脱可能な光デバイスユニットであって、
電気伝導体を有し、前記検出装置の光源からの光を受けて生じたラマン散乱光を増強可能な光デバイスと、
前記光デバイスに気体試料を誘導する第１の誘導部とを含むことを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１の誘導部は、前記気体試料を取り込み口から取り込む第１の流路を有し、
前記第１の流路は、前記取り込み口と前記光デバイスとの間に、外光の入射線を遮る内壁面を有することを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記第１の流路に空気中の浮遊物を除去するフィルターをさらに含み、
前記フィルターは、前記外光を遮光することを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記検出装置によって読み取り可能であり、且つ前記光デバイスを識別する識別コードをさらに含むことを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項５】
請求項２又は３において、
前記第１の誘導部は、前記第１の流路と連結する第２の流路を有し、
前記第２の流路は、前記光デバイスに臨む領域で、前記気体試料を旋回させることを特徴とする光デバイスユニット。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載の光デバイスユニットと、
前記第１の誘導部と接続可能な第２の誘導部と、
前記光源と、
前記前記光源からの前記光を前記光デバイスの前記電気伝導体に入射させる第１の光学系と、
前記電気伝導体により散乱または反射された光の中から前記ラマン散乱光を検出する検出器とを含み、
前記第２の誘導部は、前記気体試料を排出口に誘導することを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項６において、
前記光デバイスの前記電気伝導体は、複数の突起を有する第１の突起群を有し、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記電気伝導体の前記仮想平面に対して平行な方向に沿って、第１の周期で配列され、
前記光源からの前記光が有する偏光方向の前記仮想平面に平行な成分と前記第１の突起群の配列方向とが平行になるように、前記第１の光学系は、前記光源からの前記光を前記第１の突起群に入射させることを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記第１の突起群の前記複数の突起の各々は、前記第１の突起群の頂面で、電気伝導体により形成される第２の突起群を有し、
前記第１の突起群の前記複数の突起のいずれか１つに対応する前記第２の突起群の複数の突起の各々は、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第２の周期で配列されることを特徴とする検出装置。
【請求項９】
請求項７又は８において、
前記第１の突起群が配列される面であって前記第１の突起群の隣り合う突起間の面に、電気伝導体により形成される第３の突起群を有し、
前記第３の突起群の複数の突起の各々は、前記第１の突起群の前記隣り合う突起間で、前記仮想平面に平行な前記方向に沿って、前記第１の周期よりも短い第３の周期で配列されることを特徴とする検出装置。
【請求項１０】
請求項７乃至９のいずれかにおいて、
前記光源からの前記光の進行方向を前記仮想平面に向かう垂線に対して傾斜させた場合の表面プラズモン共鳴が、第１の共鳴ピーク波長と第２の共鳴ピーク波長の各々で生じ、
前記第１の共鳴ピーク波長を有する第１の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面プラズモン共鳴に起因する表面増強ラマン散乱における励起波長を有し、
前記第２の共鳴ピーク波長を有する第２の共鳴ピーク波長帯域は、
前記表面増強ラマン散乱におけるラマン散乱波長を有することを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
請求項６乃至１０のいずれかにおいて、
前記ラマン散乱光を前記検出器に導く第２の光学系をさらに含み、
前記検出器は、前記第２の光学系を介して前記ラマン散乱光を受光することを特徴とする検出装置。
【図１】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２】
【図８】
【図１０】
【図２０】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２１】
【図２】
【図８】
【図１０】
【図２０】
【公開番号】特開２０１２−６３１５５（Ｐ２０１２−６３１５５Ａ）
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２０５５１０（Ｐ２０１０−２０５５１０）
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月２９日（２０１２．３．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月１４日（２０１０．９．１４）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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