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JP2009109395A - Fine structure manufacturing method, fine structure, Raman spectroscopic device, Raman spectroscopic apparatus, analyzer, detector, and mass spectrometer - Google Patents

Fine structure manufacturing method, fine structure, Raman spectroscopic device, Raman spectroscopic apparatus, analyzer, detector, and mass spectrometer Download PDF

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JP2009109395A
JP2009109395A JP2007283290A JP2007283290A JP2009109395A JP 2009109395 A JP2009109395 A JP 2009109395A JP 2007283290 A JP2007283290 A JP 2007283290A JP 2007283290 A JP2007283290 A JP 2007283290A JP 2009109395 A JP2009109395 A JP 2009109395A
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Japan
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metal
fine particles
film
light
metal fine
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JP2007283290A
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Japanese (ja)
Inventor
Naoki Murakami
直樹 村上
Shizunami Ri
静波 李
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Fujifilm Corp
Original Assignee
Fujifilm Corp
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Publication date
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    • G01MEASURING; TESTING
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    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method of manufacturing a fine structure which enables easy production of a fine structure capable of forming a hot spot near metal fine particles without a step of densely disposing the metal fine particles with several-ten-nm or smaller gap therebetween. <P>SOLUTION: The method of manufacturing a fine structure is characterized by a step of dispersing and fixing the plurality of metal fine particles having a size capable of inducing localized plasmon on a surface of a substrate, a step of forming a metal film in a gap between the plurality of metal fine particles, wherein the metal fine particles have a portion in which an area of a cross-section of a cut face parallel to a surface of the substrate gets maximum, and have a shape such that the cross-sectional area reduces toward the surface of the substrate from the portion in which the cross-sectional area gets maximum, and wherein the metal fine particles get spaced apart from the metal film. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、局在プラズモン増強機能を有する微細構造体の作製方法、および微細構造体、ならびに、この微細構造体を備えるラマン分光用デバイス、ラマン分光装置、分析装置、検出装置、および質量分析装置に関するものである。   The present invention relates to a manufacturing method of a fine structure having a localized plasmon enhancement function, a fine structure, and a Raman spectroscopic device, a Raman spectroscopic apparatus, an analysis apparatus, a detection apparatus, and a mass spectrometry apparatus including the fine structure. It is about.

金属表面における局在プラズモン共鳴現象による電場増強効果を利用したセンサデバイスやラマン分光用デバイス等の電場増強デバイスが知られている。例えばラマン分光法は、物質に単波長光を照射して生じる散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得る方法である。ラマン分光法には、微弱なラマン散乱光を増強するために、表面増強ラマン(SERS)と呼ばれる、局在プラズモン共鳴によって増強された電場を利用したラマン分光法が知られている。   There are known electric field enhancement devices such as a sensor device and a Raman spectroscopic device using an electric field enhancement effect by a localized plasmon resonance phenomenon on a metal surface. For example, Raman spectroscopy is a method of obtaining a spectrum (Raman spectrum) of Raman scattered light by dispersing scattered light generated by irradiating a substance with single wavelength light. Raman spectroscopy is known as Raman spectroscopy that uses an electric field enhanced by localized plasmon resonance, called surface enhanced Raman (SERS), in order to enhance weak Raman scattered light.

また、金属微粒子が数10nm以下に近接することにより、金属微粒子の間隙において電場が非常に増強されることが知られている。この非常に増強された電場が生じる領域は、ホットスポットと呼ばれ、このホットスポットに測定物質を配置することにより、表面増強ラマン散乱測定において高い増強効果を得ることができる。   It is also known that the electric field is greatly enhanced in the gap between the metal fine particles when the metal fine particles are close to several tens of nm or less. The region where the highly enhanced electric field is generated is called a hot spot, and a high enhancement effect can be obtained in the surface-enhanced Raman scattering measurement by arranging a measurement substance in the hot spot.

特許文献1には、基板上に密に配置した誘電体あるいは半導体の微粒子を異方性ドライエッチング処理により縮小させ、蒸着もしくはスパッタリングにより金属もしくは半導体を微粒子上に半球状に付着させることにより隣り合った微粒子の金属どうしの間隙を任意の距離に制御して形成する二次元配列構造体基板、およびその作製方法が記載されている。   In Patent Document 1, the dielectric or semiconductor fine particles densely arranged on the substrate are reduced by anisotropic dry etching, and the metal or semiconductor is deposited in a hemispherical shape on the fine particles by vapor deposition or sputtering. In addition, a two-dimensional array structure substrate formed by controlling the gap between fine metal particles to an arbitrary distance and a method for manufacturing the same are described.

また、非特許文献1には、角度分解ナノスフィアリソグラフィ技術(AR-NSL)を利用して、ガラス基板上に形成されたポリスチレン(PS)粒子の単層膜の上から、異なる角度でAgの蒸着を行ない、次いで、ポリスチレン粒子を取り除くことにより、Agナノドット2量体の層を形成することが記載されている。
特開2005−144569号公報 ”J.AM.CHEM.SOC.” 2007,129,1658-1662
Further, in Non-Patent Document 1, using angle-resolved nanosphere lithography technology (AR-NSL), a single layer film of polystyrene (PS) particles formed on a glass substrate is used to form Ag at different angles. It is described that a layer of Ag nanodot dimer is formed by performing vapor deposition and then removing the polystyrene particles.
JP-A-2005-144568 “J.AM.CHEM.SOC.” 2007,129,1658-1662

ところで、特許文献1に記載の方法では、基板上に微粒子を密に固定配置する必要があるが、微粒子を非常に近接した状態に配置しようとすると、微粒子の凝集が生じる。この微粒子の凝集を防ぎながら、微粒子を密に配置することは非常に困難である。従って、特許文献1に記載の方法では、隣り合った微粒子の金属どうしの間隙を数10nm以下に近接することが困難である。
また、非特許文献1に記載の方法では、基板上に形成されたポリスチレンの単分子層をマスクとして用いているが、非特許文献1に記載の方法でも、微粒子の金属どうしの間隙を数10nm以下に密に近接させることは困難である。
By the way, in the method described in Patent Document 1, it is necessary to densely fix and arrange fine particles on the substrate. However, if the fine particles are arranged in a very close state, the fine particles are aggregated. It is very difficult to densely arrange the fine particles while preventing the fine particles from aggregating. Therefore, with the method described in Patent Document 1, it is difficult to bring the gap between adjacent fine metal particles close to several tens of nm or less.
Further, in the method described in Non-Patent Document 1, a polystyrene monomolecular layer formed on a substrate is used as a mask. However, even in the method described in Non-Patent Document 1, the gap between fine metal particles is several tens of nm. It is difficult to closely approach the following.

このように、従来の技術では、金属微粒子どうしを数10nm以下に近接させることが非常に困難であり、ホットスポットを密に形成することが容易ではなかった。従って、従来の方法で作製した構造体をラマン分光用デバイスとして用いても、SERS効果を十分に得ることができないという問題があった。   As described above, in the conventional technique, it is very difficult to bring the metal fine particles close to several tens of nm or less, and it is not easy to form hot spots densely. Therefore, there is a problem that the SERS effect cannot be sufficiently obtained even when a structure manufactured by a conventional method is used as a Raman spectroscopic device.

本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、金属微粒子を数10nm以下に密に配置する工程を行わずに、金属微粒子の近傍においてホットスポットを形成可能な微細構造体を容易に作製する微細構造体の作製方法を提供することにある。また、この微細構造体の作製方法により作製された微細構造体を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、この微細構造体を備えるラマン分光デバイス、ラマン分光装置、分析装置、検出装置、および質量分析装置を提供することにある。
The object of the present invention is to solve the above-mentioned problems of the prior art and easily produce a microstructure capable of forming a hot spot in the vicinity of the metal fine particles without performing a step of densely arranging the metal fine particles to several tens of nm or less. It is an object of the present invention to provide a method for manufacturing a fine structure. Another object of the present invention is to provide a microstructure manufactured by this method for manufacturing a microstructure.
Another object of the present invention is to provide a Raman spectroscopic device, a Raman spectroscopic device, an analysis device, a detection device, and a mass spectroscope provided with this fine structure.

上記目的を達成するために、本発明の第1の態様は、局在プラズモンを誘起しうる大きさの複数の金属微粒子を基材表面に分散した状態で配置して固定する工程と、前記複数の前記金属微粒子の間隙に金属膜を成膜する工程とを有し、前記金属微粒子は、前記基材表面と平行な切断面の断面積が最大となる部分をもち、前記断面積が最大となる部分から前記基材表面に向かうにつれて前記断面積が減少する形状であり、前記金属膜と離間することを特徴とする微細構造体の作製方法を提供するものである。   In order to achieve the above object, a first aspect of the present invention includes a step of arranging and fixing a plurality of metal fine particles having a size capable of inducing localized plasmons in a dispersed state on a substrate surface, Forming a metal film in the gap between the metal fine particles, and the metal fine particles have a portion where the cross-sectional area of the cut surface parallel to the substrate surface is maximum, and the cross-sectional area is maximum. In another aspect of the present invention, there is provided a method for manufacturing a microstructure having a shape in which the cross-sectional area decreases from the portion to the surface of the base material and is separated from the metal film.

本発明の第1の態様において、前記金属微粒子の有効粒径をRe、前記金属膜の前記基材表面からの有効高さをheとするとき、前記金属膜を成膜する工程は、前記金属微粒子と離間し、he <Re /2の関係を満たす前記金属膜を成膜することが好ましい。   In the first aspect of the present invention, when the effective particle diameter of the metal fine particles is Re and the effective height of the metal film from the substrate surface is he, the step of forming the metal film includes the metal It is preferable to form the metal film which is separated from the fine particles and satisfies the relationship of he <Re / 2.

また、さらに、前記金属膜を成膜する工程の後に、熱処理により前記金属膜の構成金属を凝集させて粒子化させることにより、前記複数の金属微粒子の間隙に、前記金属微粒子と離間するとともに、局在プラズモンを誘起しうる大きさの少なくとも1つの膜状金属および/または複数の塊状金属を形成する熱処理工程を有することが好ましく、また、前記熱処理工程において、前記熱処理の温度を、前記金属の融点以上かつ前記基材の融点未満とすることがより好ましい。   Further, after the step of forming the metal film, the constituent metals of the metal film are aggregated into particles by heat treatment, thereby separating the metal fine particles into the gaps between the plurality of metal fine particles, It is preferable to have a heat treatment step of forming at least one film-like metal and / or a plurality of massive metals having a size capable of inducing localized plasmons, and in the heat treatment step, the temperature of the heat treatment is set to More preferably, the melting point is equal to or higher than the melting point and lower than the melting point of the base material.

また、本発明の第2の態様は、基材と、前記基材表面に分散した状態で配置固定された、局在プラズモンを誘起しうる大きさの複数の金属微粒子と、前記金属微粒子の間隙に、前記金属微粒子と離間しかつ近接した状態で前記基材表面に配置され、局在プラズモンを誘起しうる大きさの少なくとも1つの膜状金属および/または複数の塊状金属とを有することを特徴とする微細構造体を提供するものである。   Further, the second aspect of the present invention includes a base material, a plurality of metal fine particles having a size capable of inducing localized plasmons arranged and fixed in a dispersed state on the surface of the base material, and a gap between the metal fine particles. And at least one film-like metal and / or a plurality of massive metals arranged on the surface of the base material in a state of being separated from and close to the metal fine particles and capable of inducing localized plasmons. It is intended to provide a fine structure.

本発明の第2の態様において、前記金属微粒子は、前記基材表面と平行な切断面の断面積が最大となる部分を持ち、前記断面積が最大となる部分から前記基材表面に向かうにつれて前記断面積が減少する形状を有し、前記金属微粒子の有効高さをHe 、および前記膜状金属および/または前記塊状金属の有効高さをheとするとき、He /2>heの関係を満たすことが好ましい。
また、前記金属微粒子の有効高さHeおよび前記膜状金属および/または前記塊状金属の有効高さheは、前記基材表面からの高さを複数点で測定した結果のうち、頻度が高い高さの値として測定されることが好ましい。
また、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の主成分は、それぞれ、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Tiおよびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属であることが好ましい。
また、前記金属微粒子と当該金属微粒子に近接している前記膜状金属および/または前記塊状金属との距離が、前記金属微粒子の平均粒子径以下であることが好ましい。
In the second aspect of the present invention, the metal fine particles have a portion where the cross-sectional area of the cut surface parallel to the substrate surface is maximum, and from the portion where the cross-sectional area is maximum toward the substrate surface. When the effective height of the metal fine particles is He and the effective height of the film metal and / or the bulk metal is he, the relationship of He / 2> he is obtained. It is preferable to satisfy.
The effective height He of the metal fine particles and the effective height he of the film-like metal and / or the bulk metal are high in frequency among the results of measuring the height from the surface of the substrate at a plurality of points. It is preferably measured as a value of thickness.
Further, the main component of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal is at least one selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Ti and alloys thereof. It is preferable that it is a metal.
Moreover, it is preferable that the distance between the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal adjacent to the metal fine particles is equal to or less than an average particle diameter of the metal fine particles.

また、本発明の第3の態様は、散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトルを得るラマン分光法に用いられ、測定光が照射され散乱される光散乱面を有するラマン分光用デバイスであって、本発明の第2の態様の微細構造体を備え、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面を前記光散乱面とすることを特徴とするラマン分光用デバイスを提供するものである。   The third aspect of the present invention is a Raman spectroscopic device having a light scattering surface that is used for Raman spectroscopy to obtain a spectrum of Raman scattered light by dispersing scattered light and is irradiated with measurement light and scattered. The microstructure of the second aspect of the present invention is provided, and the surface of the microstructure including the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal is used as the light scattering surface. A device for Raman spectroscopy is provided.

また、本発明の第4の態様は、本発明の第3の態様のラマン分光用デバイスと、前記ラマン分光用デバイスの前記光散乱面に測定光を照射する光照射手段と、前記光散乱面で生じる散乱光を分光し、前記ラマン散乱光のスペクトルを得る分光手段とを備えることを特徴とするラマン分光装置を提供するものである。   According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the Raman spectroscopic device according to the third aspect of the present invention, a light irradiation means for irradiating the light scattering surface of the Raman spectroscopic device with measurement light, and the light scattering surface. And a spectroscopic means for obtaining a spectrum of the Raman scattered light.

また、本発明の第5の態様は、本発明の第3の態様の微細構造体と、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射する光照射手段と、前記微細構造体の表面から照射される信号を検出する信号検出手段とを備えることを特徴とする分析装置を提供するものである。   Further, a fifth aspect of the present invention is the measurement on the surface of the fine structure including the fine structure of the third aspect of the present invention and the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal. It is an object of the present invention to provide an analyzing apparatus comprising a light irradiating means for irradiating light and a signal detecting means for detecting a signal irradiated from the surface of the fine structure.

また、本発明の第6の態様は、本発明の第3の態様の微細構造体と、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射する光照射手段と、前記微細構造体の表面で生じる光の物理特性を検出する検出手段とを備える検出装置を提供するものである。   Further, a sixth aspect of the present invention is the measurement on the surface of the fine structure including the fine structure of the third aspect of the present invention and the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal. The present invention provides a detection apparatus including light irradiation means for irradiating light and detection means for detecting physical characteristics of light generated on the surface of the fine structure.

また、本発明の第7の態様は、本発明の第3の態様の微細構造体と、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射して、前記微細構造体の表面に配置される測定試料をイオン化するとともに、前記微細構造体の表面から脱離させる光照射手段と、前記微細構造体の表面から脱離され、イオン化された前記測定試料の質量を検出する検出手段とを備える質量分析装置を提供するものである。   Further, a seventh aspect of the present invention is the measurement on the surface of the fine structure including the fine structure of the third aspect of the present invention and the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal. Irradiating light to ionize the measurement sample placed on the surface of the microstructure, and light irradiation means for desorption from the surface of the microstructure, and desorption from the surface of the microstructure, ionization And a detection device for detecting the mass of the measured sample.

本発明の第1の態様の微細構造体の作製方法によれば、基材の表面と平行な切断面の断面積が基材表面から離れるにつれて増大し、その断面積が極大となる部分を有する複数の金属微粒子を基材に分散した状態で配置固定した後に、金属微粒子の間隙に金属膜を成膜することにより、金属微粒子と金属膜とを近接させた状態で配置することができ、この近接した領域にホットスポットを形成することができる微細構造体を容易に作製することができる。   According to the manufacturing method of the microstructure of the first aspect of the present invention, the cross-sectional area of the cut surface parallel to the surface of the base material increases as the distance from the base material surface increases, and the cross-sectional area has a maximum portion. After arranging and fixing a plurality of metal fine particles dispersed in a base material, a metal film is formed in the gap between the metal fine particles, so that the metal fine particles and the metal film can be arranged close to each other. A microstructure capable of forming a hot spot in an adjacent region can be easily manufactured.

また、本発明の第2の態様の微細構造体によれば、基材表面に分散した状態で配置された複数の金属微粒子の間隙に、金属微粒子と離間しかつ近接した状態で基材表面に配置された膜状金属および/または塊状金属とを有することにより、相互に近接した金属微粒子と膜状金属および/または塊状金属との間に、ホットスポットを形成することができる。
特に、金属微粒子の有効高さをHe、および膜状金属および/または塊状金属の有効高さをheとが、He/2>heの関係を満たすことにより、金属微粒子と、膜状金属および/または塊状金属とが近接した状態で配置され、この近接した領域にホットスポットを形成することができる。
Further, according to the microstructure of the second aspect of the present invention, the surface of the base material in the state of being separated from and close to the metal fine particles is disposed in the gap between the plurality of metal fine particles arranged in a dispersed state on the surface of the base material. By having the arranged film-like metal and / or massive metal, a hot spot can be formed between the metal fine particles and the film-like metal and / or massive metal adjacent to each other.
In particular, when the effective height of the metal fine particles satisfies He and the effective height of the film-like metal and / or bulk metal satisfies the relationship He / 2> he, the metal fine particles, the film-like metal, and / or Or it arrange | positions in the state which adjoined the lump metal, and a hot spot can be formed in this adjacent area | region.

また、本発明の第3の態様のラマン分光用デバイスによれば、本発明の第2の態様の微細構造体を備え、金属微粒子および膜状金属および/または塊状金属の表面を含む微細構造体の表面を光散乱面とすることにより、表面増強ラマン散乱効果を好適に得ることができる。
また、本発明の第4の態様のラマン分光装置によれば、本発明の第3の態様のラマン分光用デバイスを備えることにより、表面増強ラマン散乱効果を好適に得ることができ、高精度なラマン分光測定が可能となる。
According to the Raman spectroscopic device of the third aspect of the present invention, the microstructure includes the fine structure of the second aspect of the present invention and includes the surface of metal fine particles and film-like metal and / or bulk metal. The surface-enhanced Raman scattering effect can be suitably obtained by using the surface of the light scattering surface.
According to the Raman spectroscopic apparatus of the fourth aspect of the present invention, the surface-enhanced Raman scattering effect can be suitably obtained by providing the Raman spectroscopic device of the third aspect of the present invention. Raman spectroscopic measurement is possible.

また、本発明の第5の態様の分析装置によれば、本発明の第3の態様の微細構造体を備えることにより、測定対象物質の分析を高精度に行うことができる。
また、本発明の第6の態様の検出装置によれば、本発明の第3の態様の微細構造体を備えることにより、金属微粒子および膜状金属および/または塊状金属の表面を含む微細構造体の表面で生じる光の物理特性を好適に検出することができる。
また、本発明の第7の態様の質量分析装置によれば、本発明の第3の態様の微細構造体を備えることにより、微細構造体の表面に配置される測定試料のイオン化および脱離を好適に行うことができ、この測定試料の質量を好適に検出することができる。
Moreover, according to the analyzer of the 5th aspect of this invention, by providing the microstructure of the 3rd aspect of this invention, a measurement object substance can be analyzed with high precision.
In addition, according to the detection device of the sixth aspect of the present invention, the fine structure including the surface of the metal fine particles and the film-like metal and / or the bulk metal by including the fine structure of the third aspect of the present invention. The physical characteristics of light generated on the surface of the film can be suitably detected.
Further, according to the mass spectrometer of the seventh aspect of the present invention, by providing the fine structure according to the third aspect of the present invention, ionization and desorption of the measurement sample arranged on the surface of the fine structure can be performed. This can be suitably performed, and the mass of the measurement sample can be suitably detected.

以下に、本発明に係る微細構造体の作製方法および微細構造体を、添付の図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
図1は、本発明に係る微細構造体の一実施形態を模式的に示す斜視図である。また、図2は、本発明に係る微細構造体の作製方法の一実施形態として、図1に示す微細構造体の作製工程を示す工程図である。
Hereinafter, a fine structure manufacturing method and a fine structure according to the present invention will be described in detail based on preferred embodiments shown in the accompanying drawings.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing one embodiment of a microstructure according to the present invention. FIG. 2 is a process diagram showing a manufacturing process of the microstructure shown in FIG. 1 as an embodiment of the manufacturing method of the microstructure according to the present invention.

図1に示す微細構造体10は、基材12と、基材12の表面12sに分散固定された複数の金属微粒子14および金属微粒子14の上部に形成された金属膜20からなる金属微粒子複合体18と、表面12sの金属微粒子14の間隙に、金属微粒子14と分離(離間)し、かつ、近接した状態で形成された金属膜20とを有する。
微細構造体10は、金属微粒子複合体18(金属微粒子14)と金属膜20とが近接して配置されており、この間隙でホットスポットを形成することができる。
なお、本明細書において、金属微粒子複合体18は、金属微粒子14の上部に金属膜16が形成された状態の金属微粒子のことであり、金属微粒子14と特に区別する場合以外は、単に、金属微粒子18ともいう。
A microstructure 10 shown in FIG. 1 includes a base metal 12, a plurality of metal fine particles 14 dispersed and fixed on the surface 12s of the base 12, and a metal fine particle composite formed on the metal fine particles 14. 18 and a metal film 20 that is separated (separated) from the metal fine particles 14 and formed in a close proximity in the gap between the metal fine particles 14 on the surface 12s.
In the microstructure 10, the metal fine particle composite 18 (metal fine particle 14) and the metal film 20 are arranged close to each other, and a hot spot can be formed in this gap.
In the present specification, the metal fine particle composite 18 is a metal fine particle in a state in which the metal film 16 is formed on the metal fine particle 14, and is simply a metal unless otherwise distinguished from the metal fine particle 14. Also referred to as fine particles 18.

以下、微細構造体10の作製方法を説明するとともに、微細構造体10についてさらに詳細に説明する。
本実施形態の微細構造体10の作製方法では、図2(A)に示すように、まず、基材12を用意する。基材12は、その表面12sに配設される、複数の金属微粒子複合体18および金属膜20を支持する、絶縁性の板状部材である。
基材12は、金属膜20および金属微粒子複合体18を電気的に絶縁して支持可能なものであれば、特に制限されず、シリコン、ガラス、イットリウム安定化ジルコニア(YSZ)、サファイヤ、およびシリコンカーバイド等が挙げられる。
Hereinafter, a manufacturing method of the fine structure 10 will be described, and the fine structure 10 will be described in more detail.
In the manufacturing method of the microstructure 10 of the present embodiment, first, the base material 12 is prepared as shown in FIG. The base material 12 is an insulating plate-like member that supports the plurality of metal fine particle composites 18 and the metal film 20 disposed on the surface 12s thereof.
The substrate 12 is not particularly limited as long as it can electrically insulate and support the metal film 20 and the metal fine particle composite 18, and silicon, glass, yttrium stabilized zirconia (YSZ), sapphire, and silicon. Carbide etc. are mentioned.

次に、図2(B)に示す、基材12の表面12sに金属微粒子14を分散させた状態で固定する。本実施形態では、シランカップリングによって、金属微粒子14を基材12の表面12sに分散固定する。
ここで、表面12sの面積に対する金属微粒子14の充填率は、特に制限されず、金属微粒子14が凝集することがないように、金属微粒子14の大きさおよび材質、基材12の材質や表面状態等に応じて、シランカップリングの条件を適宜設定すればよい。
なお、金属微粒子14が凝集しない充填率の範囲で、金属微粒子14を密に配置することが好ましく、これにより単位面積あたりの金属微粒子14の数を増大させることができ、ホットスポットの数を増大させることができる。
Next, it fixes in the state which disperse | distributed the metal microparticle 14 to the surface 12s of the base material 12 shown to FIG. 2 (B). In the present embodiment, the metal fine particles 14 are dispersed and fixed on the surface 12 s of the substrate 12 by silane coupling.
Here, the filling rate of the metal fine particles 14 with respect to the area of the surface 12s is not particularly limited, and the size and material of the metal fine particles 14 and the material and surface state of the base material 12 so that the metal fine particles 14 do not aggregate. The conditions for silane coupling may be appropriately set according to the above.
In addition, it is preferable that the metal fine particles 14 are densely arranged within a range of the filling rate in which the metal fine particles 14 do not aggregate. This can increase the number of the metal fine particles 14 per unit area and increase the number of hot spots. Can be made.

金属微粒子14は、その大きさ(粒径)が、局在プラズモンを誘起可能な大きさであればよく、局在プラズモンを励起させる励起光の波長の半分以下であればよい。具体的には、微細構造体10をラマン分光用デバイス等のセンサデバイスとして使用することを考慮すると、金属微粒子14は、測定光の波長の半分以下であればよい。
また、金属微粒子14は、その主成分として、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Tiおよびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が挙げられ、電場増強効果の高いAu、Ag等が特に好ましい。
The metal fine particles 14 need only have a size (particle diameter) that can induce localized plasmons, and may be less than or equal to half the wavelength of excitation light that excites localized plasmons. Specifically, considering that the microstructure 10 is used as a sensor device such as a Raman spectroscopic device, the metal fine particles 14 may be half or less of the wavelength of the measurement light.
The metal fine particles 14 include, as a main component, at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Ti, and alloys thereof, and has a high electric field enhancing effect. Au, Ag and the like are particularly preferable.

ここで、金属微粒子14は、模式的に完全な球状として示しているが、本発明ではこれに限定されず、粒状のものであり、表面12sに配置された状態で、表面12sと平行な切断面の断面積が最大となる部分をもち、断面積が最大となる部分から表面12sに向かうにつれて断面積が減少する形状を有するものであればよい。なお、断面積が減少する形状とは、金属微粒子14の形状を球状と近似したとき、断面積が基材12に向かうにつれて減少することをいう。金属微粒子14は、断面積が最大となる部分よりも、基材12の表面12sとの接点においてその断面積が小さくなっている。   Here, the metal fine particle 14 is schematically shown as a perfect sphere, but the present invention is not limited to this, and is in a granular form and cut parallel to the surface 12s in a state of being arranged on the surface 12s. What is necessary is just to have the shape which has the part where the cross-sectional area of a surface becomes the largest, and a cross-sectional area decreases as it goes to the surface 12s from the part where a cross-sectional area becomes the largest. Note that the shape in which the cross-sectional area decreases means that the cross-sectional area decreases toward the base material 12 when the shape of the metal fine particles 14 is approximated to be spherical. The metal fine particle 14 has a smaller cross-sectional area at the contact point with the surface 12 s of the base material 12 than a portion where the cross-sectional area is maximum.

また、複数の金属微粒子14のそれぞれが、完全に同一の形状を有するものであることに限定されない。
ここで、金属微粒子14の粒径として有効粒径を定義する。有効粒径は、実際に使用する複数の金属微粒子について測定された粒径の平均値とする。
あるいは、有効粒径は、金属微粒子の体積を球体に換算したときの球体の径とし、この有効粒径を複数の金属微粒子14に関して平均した値を平均粒径としてもよい。
Further, each of the plurality of metal fine particles 14 is not limited to having the completely same shape.
Here, the effective particle diameter is defined as the particle diameter of the metal fine particles 14. The effective particle diameter is an average value of the particle diameters measured for a plurality of metal fine particles actually used.
Alternatively, the effective particle diameter may be the sphere diameter when the volume of the metal fine particles is converted to a sphere, and the average particle diameter may be a value obtained by averaging the effective particle diameters with respect to the plurality of metal fine particles 14.

次に、図2(C)に示すように、基材12上に分散固定された複数の金属微粒子14の間隙に金属膜20を成膜する。金属膜20は、基材12の表面12s側から、すなわち図中の上方から、蒸着により成膜する。また、金属微粒子14の上部に金属膜16が成膜され、金属微粒子複合体18が形成される。   Next, as shown in FIG. 2C, a metal film 20 is formed in the gaps between the plurality of fine metal particles 14 dispersed and fixed on the base material 12. The metal film 20 is formed by vapor deposition from the surface 12s side of the substrate 12, that is, from above in the drawing. A metal film 16 is formed on the metal fine particles 14 to form a metal fine particle composite 18.

金属膜20は、基板12sの金属微粒子14が配置されていない領域に配置された膜状金属および/または塊状金属である。塊状金属は、島状構造や粒子状のものを含む。金属膜20は、複数の膜状金属および/または塊状金属が、互いに分離した状態で、表面12sに分散して配置されていてもよく、表面12sの略前面にわたって一体的に形成された膜状金属であってもよい。なお、金属膜20の膜状金属および塊状金属のそれぞれが、局在プラズモンを誘起しうる大きさであることが好ましい。
金属膜20は、その主成分として、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Tiおよびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属が挙げられ、電場増強効果の高いAu、Ag等が特に好ましい。
The metal film 20 is a film-like metal and / or a massive metal arranged in a region where the metal fine particles 14 are not arranged on the substrate 12s. The massive metal includes island-like structures and particles. The metal film 20 may have a plurality of film-like metals and / or bulk metals dispersed and arranged on the surface 12s in a state of being separated from each other. It may be a metal. In addition, it is preferable that each of the film-like metal and the massive metal of the metal film 20 has a size capable of inducing localized plasmons.
The metal film 20 includes, as its main component, at least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Ti and alloys thereof, Au having a high electric field enhancing effect, Ag and the like are particularly preferable.

ここで、図3を参照して、金属膜20を形成する際の条件について説明する。図3に示すように、基材12に既に分散固定されている金属微粒子14の有効粒径Re、金属膜20の表面12sからの有効高さheとして、表面12sに対して垂直方向に金属を堆積させた場合、金属膜20の成膜条件は、Re/2>heとする。
なお、金属膜20の有効高さheは、成膜された金属膜20の膜厚の平均値であり、表面12sからの高さの平均値とする。
Here, the conditions for forming the metal film 20 will be described with reference to FIG. As shown in FIG. 3, as the effective particle diameter Re of the metal fine particles 14 already dispersed and fixed on the base material 12 and the effective height he from the surface 12s of the metal film 20, the metal is perpendicular to the surface 12s. When deposited, the film forming condition of the metal film 20 is Re / 2> he.
The effective height he of the metal film 20 is an average value of the film thickness of the formed metal film 20, and is an average value of the height from the surface 12s.

これにより、分散固定された金属微粒子14の間に、金属微粒子14と分離かつ近接した状態で金属膜20を形成することができる。金属膜20の膜厚(高さ)を調整することにより、金属微粒子14と金属膜20とを近接させることができ、その間隙にホットスポットを形成することができる(図3の破線で示す領域)。
ここで、金属微粒子14と金属膜20との距離を、金属微粒子14の粒径(有効粒径)以下とすることにより、金属微粒子14の近接場光と、金属膜20の近接場光とが重なる領域を設けることができ、ホットスポットを形成することができる。
Thus, the metal film 20 can be formed between the dispersed and fixed metal fine particles 14 in a state of being separated from and close to the metal fine particles 14. By adjusting the film thickness (height) of the metal film 20, the metal fine particles 14 and the metal film 20 can be brought close to each other, and a hot spot can be formed in the gap (a region indicated by a broken line in FIG. 3). ).
Here, by setting the distance between the metal fine particles 14 and the metal film 20 to be equal to or smaller than the particle size (effective particle size) of the metal fine particles 14, the near-field light of the metal fine particles 14 and the near-field light of the metal film 20 are reduced. Overlapping regions can be provided and hot spots can be formed.

金属膜20の成膜は、例えば、予め成膜速度を実験等により把握しておき、使用する金属微粒子の有効粒径(平均粒径)に応じて、上記の条件を満たす範囲で成膜時間を設定することにより行えばよい。   The metal film 20 is formed, for example, by knowing in advance the film formation speed through experiments, etc., and in accordance with the effective particle diameter (average particle diameter) of the metal fine particles to be used, the film formation time is within a range that satisfies the above conditions. This can be done by setting.

図2に示す微細構造体の作製方法により、具体的に、基材12にガラス基板を用い、粒径が30nmの金(Au)の金属微粒子(田中貴金属製、サンプル名:Au30nm A060819−2E、平均粒径:30.29nm)を、ガラス基板上にシランカップリングにより分散させ、その後、金を5nm蒸着して金属膜20を成膜して微細構造体10を作製することができる。   2, specifically, using a glass substrate as the base material 12 and gold (Au) metal fine particles having a particle diameter of 30 nm (made by Tanaka Kikinzoku, sample name: Au 30 nm A06080819-2E, The average particle size: 30.29 nm) is dispersed on a glass substrate by silane coupling, and then gold is deposited to a thickness of 5 nm to form the metal film 20 to produce the microstructure 10.

このようにして作製された微細構造体10において、表面12sからの高さを複数点で測定し、図4に示すように、横軸を計測された高さの値、縦軸を計測された頻度としてグラフを作成すると、図示されるように、2つのピークを得ることができる。
ここで、金属微粒子複合体18の有効高さHeを定義する(図3参照)。有効高さHeは、金属微粒子複合体18の表面12sからの高さの平均値とする。あるいは、有効高さHeは、金属微粒子複合体18の体積を球体に換算したときの球体の径としてもよい。
In the microstructure 10 thus manufactured, the height from the surface 12s was measured at a plurality of points, and as shown in FIG. 4, the horizontal axis was measured for the height value, and the vertical axis was measured. When a graph is created as the frequency, two peaks can be obtained as illustrated.
Here, the effective height He of the metal fine particle composite 18 is defined (see FIG. 3). The effective height He is the average value of the height from the surface 12 s of the metal fine particle composite 18. Alternatively, the effective height He may be the diameter of a sphere when the volume of the metal fine particle composite 18 is converted to a sphere.

金属微粒子複合体18の有効高さHeおよび金属膜20の有効高さheは、計測頻度が高い値として測定され、この有効高さHeとheは、He/2>heの関係にある。すなわち、微細構造体10は、基材12の表面12sからの高さを複数箇所で測定することにより、金属微粒子複合体18の有効高さHeおよび金属膜20の有効高さheを特定することができ、これらの関係がHe/2>heの関係を満たすものとして微細構造体10を特定することができる。   The effective height He of the metal fine particle composite 18 and the effective height he of the metal film 20 are measured as values having a high measurement frequency, and the effective heights He and he have a relationship of He / 2> he. That is, the fine structure 10 specifies the effective height He of the metal fine particle composite 18 and the effective height he of the metal film 20 by measuring the height from the surface 12 s of the substrate 12 at a plurality of locations. The microstructure 10 can be specified as those relationships satisfying the relationship of He / 2> he.

本実施形態の微細構造体の作製方法によれば、複数の金属微粒子14を基材12の表面12sに分散固定した状態とした後に、複数の金属微粒子14の間隙に金属膜20を成膜することにより、金属微粒子14と金属膜20とをホットスポットを形成可能な距離まで近接させることが容易である。   According to the microstructure manufacturing method of the present embodiment, after the plurality of metal fine particles 14 are dispersed and fixed on the surface 12 s of the substrate 12, the metal film 20 is formed in the gaps between the plurality of metal fine particles 14. Thus, it is easy to bring the metal fine particles 14 and the metal film 20 close to a distance at which a hot spot can be formed.

また、金属微粒子の有効粒径Reのとき、金属膜20の基材12の表面12sからの有効高さheが、he<Re/2を満たす範囲で、金属膜20の成膜を行うことにより、金属微粒子14および金属膜20を分離した状態で、ホットスポットを形成可能な距離まで近接させることができる。   In addition, when the metal fine particle has an effective particle size Re, the metal film 20 is formed so that the effective height he from the surface 12s of the base material 12 of the metal film 20 satisfies he <Re / 2. In a state where the metal fine particles 14 and the metal film 20 are separated, they can be brought close to a distance where a hot spot can be formed.

このような作製方法で作製された微細構造体は、上述のように、基材の表面と平行な切断面の断面積が最大となる部分をもち、断面積が最大となる部分から表面に向かうにつれて断面積が減少する金属微粒子(金属微粒子複合体)を有し、金属微粒子(金属微粒子複合体)の有効高さHeおよび金属膜の有効高さheが、He/2>heの関係を満たすものとして特定することができる。   As described above, the microstructure manufactured by such a manufacturing method has a portion where the cross-sectional area of the cut surface parallel to the surface of the substrate is maximum, and the portion where the cross-sectional area is maximum is directed to the surface. And the metal fine particles (metal fine particle composite) have an effective height He and the metal film effective height he satisfy the relationship He / 2> he. It can be specified as a thing.

また、本発明の微細構造体の作製方法によれば、凝集しない程度の充填率で金属微粒子14を基材12の表面12s上に分散させればよく、金属微粒子14を密に充填する必要がないため、金属微粒子14の分散を容易に行うことができ、微細構造体10を容易に作製することができる。
また、シランカップリングにより金属微粒子14を分散させた後に、蒸着により金属膜20を形成して、微細構造体10を作製することができるので、大サイズの微細構造体10であっても容易に作製するこができる。
In addition, according to the method for manufacturing a microstructure of the present invention, the metal fine particles 14 may be dispersed on the surface 12s of the substrate 12 with a filling rate that does not agglomerate, and the metal fine particles 14 need to be densely packed. Therefore, the fine metal particles 14 can be easily dispersed and the fine structure 10 can be easily manufactured.
In addition, since the fine metal body 14 can be formed by vapor deposition after the metal fine particles 14 are dispersed by silane coupling, the fine structure 10 can be manufactured. Can be made.

ここで、本実施形態では、複数の金属微粒子14を基材12の表面12sに分散した状態とするのに、シランカップリングを用いるとしたが、本発明はこれに限定されず、シランカップリングにおけるクエン酸をCTAB(界面活性剤)に置換した処理液を、表面12sに塗布した後に自然蒸発させてもよい。
また、金属微粒子14を含有する溶液を表面12sに塗布した後に自然蒸発させてもよい。この場合、溶液中の金属微粒子14の濃度は、表面12sに塗布した際に、金属微粒子14が凝集しない濃度とする。
また、蒸着やスパッタにより、表面12sに金属膜を形成した後に、電子線(EB)リソグラフィや各種のエッチング技術を用いて金属膜を削り、表面12s上に金属微粒子14を作製してもよい。
Here, in this embodiment, the silane coupling is used to disperse the plurality of metal fine particles 14 on the surface 12s of the substrate 12, but the present invention is not limited to this, and the silane coupling is not limited thereto. The treatment liquid in which the citric acid in CTAB is replaced with CTAB (surfactant) may be naturally evaporated after being applied to the surface 12s.
Alternatively, the solution containing the metal fine particles 14 may be naturally evaporated after being applied to the surface 12s. In this case, the concentration of the metal fine particles 14 in the solution is set such that the metal fine particles 14 do not aggregate when applied to the surface 12s.
Alternatively, after forming a metal film on the surface 12s by vapor deposition or sputtering, the metal film 14 may be formed on the surface 12s by scraping the metal film using electron beam (EB) lithography or various etching techniques.

また、本実施形態では、複数の金属微粒子14の間隙に金属膜20を成膜するのに、表面12sの上方から蒸着を行うとしたが、蒸着の際の角度は、表面12sの直交方向に限定されず、直交方向に対して角度をもつ斜め蒸着を行ってもよい。
斜め蒸着を行う場合、金属微粒子14の有効粒径や金属微粒子14の充填率等に応じて、金属微粒子14の間に金属膜20を高い効率で形成できるように、斜め蒸着の角度を設定すればよい。斜め蒸着を行う場合では、斜め蒸着時の蒸着角度θを、表面12sの直交方向からの角度とすると、金属微粒子14の有効粒径Re、金属膜20の有効高さheが、Re(1−sinθ)/2>heを満たすように成膜することにより、ホットスポットを形成可能な程度に金属微粒子14と金属膜20とを近接させることができる。
また、本実施形態では、蒸着により金属膜20を成膜するとしたが、本発明はこれに限定されず、スパッタにより金属膜20を成膜してもよい。
In this embodiment, the metal film 20 is formed in the gap between the plurality of metal fine particles 14 by vapor deposition from above the surface 12s. However, the angle at the time of vapor deposition is perpendicular to the surface 12s. It is not limited, You may perform diagonal vapor deposition which has an angle with respect to an orthogonal direction.
When performing oblique vapor deposition, the angle of oblique vapor deposition is set so that the metal film 20 can be formed between the metal fine particles 14 with high efficiency in accordance with the effective particle size of the metal fine particles 14, the filling rate of the metal fine particles 14, and the like. That's fine. In the case of performing oblique vapor deposition, if the vapor deposition angle θ during oblique vapor deposition is an angle from the orthogonal direction of the surface 12s, the effective particle diameter Re of the metal fine particles 14 and the effective height he of the metal film 20 are Re (1− By forming the film so as to satisfy sin θ) / 2> he, the metal fine particles 14 and the metal film 20 can be brought close to each other to the extent that a hot spot can be formed.
In the present embodiment, the metal film 20 is formed by vapor deposition. However, the present invention is not limited to this, and the metal film 20 may be formed by sputtering.

また、それ以外の方法として、金属膜20の材料となる金属を非常に薄い濃度で溶液中に分散させた金属含有溶液を、複数の金属微粒子14が分散固定された状態の表面12s上に流しこんだ後、溶媒を乾燥させる方法がある。これにより、複数の金属微粒子14の間に、膜状金属あるいは塊状金属が分散されて配置された金属膜20を形成して、この膜状金属あるいは塊状金属と金属微粒子14とを近接させることができ、ホットスポットを形成することができる。
また、金属微粒子14の隙間に金属を堆積させるためのマスクを用いるリソグラフィにより、金属膜20を形成してもよい。
As another method, a metal-containing solution in which a metal as a material of the metal film 20 is dispersed in a solution at a very thin concentration is flowed on the surface 12s in a state where a plurality of metal fine particles 14 are dispersed and fixed. There is a method of drying the solvent after it has been sunk. As a result, a metal film 20 in which film-like metal or bulk metal is dispersed and formed between the plurality of metal fine particles 14 is formed, and the film-like metal or bulk metal and the metal fine particles 14 are brought close to each other. And hot spots can be formed.
Alternatively, the metal film 20 may be formed by lithography using a mask for depositing metal in the gaps between the metal fine particles 14.

ここで、図2に示す、微細構造体10の作製方法の後に、さらに、アニール処理(熱処理)を施してもよい。
アニール処理により、金属膜20の構成元素を凝集させて粒子化させることにより、図5に示すように、複数の金属微粒子22の間隙に、局在プラズモンを誘起しうる大きさの膜状金属および/または塊状金属を含む金属体24を形成することができる。アニール処理の温度は、金属膜20の融点以上かつ基材12の融点未満である。
Here, after the method for manufacturing the microstructure 10 shown in FIG. 2, an annealing treatment (heat treatment) may be further performed.
The constituent elements of the metal film 20 are agglomerated and formed into particles by annealing treatment, and as shown in FIG. 5, a film-like metal having a size capable of inducing localized plasmons in the gaps between the plurality of metal fine particles 22 and A metal body 24 including / or a bulk metal can be formed. The annealing temperature is not lower than the melting point of the metal film 20 and lower than the melting point of the substrate 12.

なお、金属微粒子22は、アニール処理を施された金属微粒子複合体18であり、最終的に基材12の表面12sに形成された金属微粒子である。図示例では、金属微粒子14と金属膜16が一体化した球体として模式的に示しているが、本発明では一体化しているものに限定されない。   The metal fine particles 22 are the metal fine particle composites 18 that have been annealed, and are metal fine particles that are finally formed on the surface 12 s of the substrate 12. In the illustrated example, the metal fine particles 14 and the metal film 16 are schematically illustrated as an integrated sphere, but the present invention is not limited to the integrated sphere.

ここで、金属体24は、その底面の端部が表面12sに接触しているものとして図5に示しているが、本発明の金属体の形状はこれに限定されず、端部が浮いた形状の金属体26も含む。金属膜20の材質や、基材12の材質および表面12sの表面状態などの基材12の性状に依存する濡れ性や、アニール処理の条件等によって、金属体24および金属体26のいずれかの形状をとる。   Here, although the metal body 24 is shown in FIG. 5 as the end of the bottom surface contacting the surface 12s, the shape of the metal body of the present invention is not limited to this, and the end floats. A shaped metal body 26 is also included. Depending on the material of the metal film 20, the wettability depending on the properties of the substrate 12 such as the material of the substrate 12 and the surface state of the surface 12 s, any one of the metal body 24 and the metal body 26 Take shape.

アニール処理を施すことにより、金属体24が、図5、図6のいずれの形状であっても、局在プラズモンを誘起しうる金属微粒子22と金属体24または26とを近接させることができ、ホットスポット(図5、図6中に破線で示す)を形成することができるので、より大きなラマン増強効果を得ることができる。   By performing the annealing treatment, the metal particles 24 capable of inducing localized plasmons and the metal body 24 or 26 can be brought close to each other regardless of the shape of the metal body 24 shown in FIGS. Since hot spots (indicated by broken lines in FIGS. 5 and 6) can be formed, a greater Raman enhancement effect can be obtained.

次に、図7に基づいて、上述の上記微細構造体10をラマン分光用デバイスとして用いる、本発明のラマン分光装置の一実施形態について説明する。
本実施形態のラマン分光装置50は、ラマン分光用デバイスとしての微細構造体10と、特定波長の光を照射する光照射手段52と、散乱光を分光する分光手段54とを備える。
Next, an embodiment of the Raman spectroscopic apparatus of the present invention using the above-described fine structure 10 as a Raman spectroscopic device will be described with reference to FIG.
The Raman spectroscopic device 50 according to the present embodiment includes the fine structure 10 as a Raman spectroscopic device, a light irradiation unit 52 that irradiates light of a specific wavelength, and a spectroscopic unit 54 that splits scattered light.

微細構造体10(以下、ラマン分光用デバイス10ともいう)は、基板12の表面12s側の面である微細構造体の表面を光散乱面として、この光散乱面に測定試料(図示略)を配置した状態で、図示しない保持手段により保持されている。   The fine structure 10 (hereinafter also referred to as a Raman spectroscopic device 10) uses a surface of the fine structure, which is a surface on the surface 12s side of the substrate 12, as a light scattering surface, and a measurement sample (not shown) is placed on the light scattering surface. In the arranged state, it is held by holding means (not shown).

なお、本明細書では、微細構造体10の表面は、基材12の表面12s、ならびに、基材12の表面12s側に配設されている金属微粒子複合体18および金属膜20(あるいは、金属微粒子22および金属体24、26)の表面を総称するものである。また、微細構造体をラマン分光用デバイスとして使用する場合には、微細構造体10の表面を光散乱面ともいう。   In this specification, the surface of the fine structure 10 includes the surface 12s of the base material 12, and the metal fine particle composite 18 and the metal film 20 (or metal metal) disposed on the surface 12s side of the base material 12. The surfaces of the fine particles 22 and the metal bodies 24, 26) are collectively referred to. When the fine structure is used as a Raman spectroscopic device, the surface of the fine structure 10 is also referred to as a light scattering surface.

光照射手段52は、レーザ等の光源と光源から出射される光を導光する導光系とからなり、ラマン分光用デバイス10の光散乱面に特定波長の光を照射するよう構成されている。
分光手段54は分光検出器等からなり、ラマン分光用デバイス10の光散乱面で発生する散乱光を分光し、ラマン散乱光のスペクトル(ラマンスペクトル)を得るものである。分光手段54は、ラマン分光用デバイス10の光散乱面で発生する散乱光が入射するよう構成されている。
The light irradiation means 52 includes a light source such as a laser and a light guide system that guides light emitted from the light source, and is configured to irradiate the light scattering surface of the Raman spectroscopic device 10 with light having a specific wavelength. .
The spectroscopic means 54 comprises a spectroscopic detector or the like, and spectrally scatters scattered light generated on the light scattering surface of the Raman spectroscopic device 10 to obtain a spectrum of Raman scattered light (Raman spectrum). The spectroscopic means 54 is configured such that scattered light generated on the light scattering surface of the Raman spectroscopic device 10 is incident thereon.

なお、図示しないが、ラマン分光装置50は、ラマン分光用デバイス10、光照射手段52、および分光手段54を覆う筐体や、ラマン分光装置50の内部で発生した迷光を除去するフィルタ等の各種の光学部材や、ラマン分光装置50の動作を制御する制御部といった、ラマン分光装置50に必要な各種の部材を備えるものである。   Although not shown, the Raman spectroscopic device 50 includes various devices such as a case that covers the Raman spectroscopic device 10, the light irradiation unit 52, and the spectroscopic unit 54, and a filter that removes stray light generated inside the Raman spectroscopic device 50. And various members necessary for the Raman spectroscopic device 50, such as an optical member and a control unit that controls the operation of the Raman spectroscopic device 50.

以上の構成の本実施形態のラマン分光装置50では、光照射手段52から照射された特定波長の光が、測定試料に面したラマン分光用デバイス10の光散乱面で散乱され、発生する散乱光が分光手段54に入射し、分光手段54により散乱光が分光されて、ラマンスペクトルが生成される。測定する試料の種類によってラマンスペクトルが変わるので、物質の同定等が実施できる。   In the Raman spectroscopic device 50 of the present embodiment having the above-described configuration, the light having a specific wavelength irradiated from the light irradiation means 52 is scattered by the light scattering surface of the Raman spectroscopic device 10 facing the measurement sample and generated scattered light. Is incident on the spectroscopic means 54, and the scattered light is split by the spectroscopic means 54 to generate a Raman spectrum. Since the Raman spectrum changes depending on the type of sample to be measured, identification of substances can be performed.

なお、本実施形態において、ラマン分光用デバイス10の光散乱面(表面)へ測定試料を配置する方法は特に制限されず、測定試料を光散乱面に直接配置してもよい。
また、測定試料と特異的に結合する表面修飾を光散乱面に施しておき、この表面修飾に結合させた状態で(すなわち、表面修飾を介して)測定試料をラマン分光用デバイスの光散乱面に配置してもよい。
ここで、例えば、測定試料に抗原が含まれる場合、その抗原と特異的に結合可能な抗体を光散乱面に修飾しておき、抗原抗体反応により抗原である測定試料と、抗体(表面修飾)とを結合させて、光散乱面に抗体を介して測定資料を配置してもよい。抗原抗体反応を利用して、測定試料を捕捉して光散乱面に配置することにより、光散乱面に配置される被分析物質の量を増大させることができ、ラマン分光測定の感度を向上させることができる。
In the present embodiment, the method for disposing the measurement sample on the light scattering surface (surface) of the Raman spectroscopic device 10 is not particularly limited, and the measurement sample may be directly disposed on the light scattering surface.
In addition, a surface modification that specifically binds to the measurement sample is applied to the light scattering surface, and the measurement sample is attached to the surface modification (that is, via the surface modification) to the light scattering surface of the Raman spectroscopic device. You may arrange in.
Here, for example, when the measurement sample contains an antigen, an antibody that can specifically bind to the antigen is modified on the light scattering surface, and the measurement sample that is the antigen by the antigen-antibody reaction and the antibody (surface modification) And measurement data may be arranged on the light scattering surface via an antibody. By using the antigen-antibody reaction to capture the measurement sample and place it on the light scattering surface, the amount of analyte to be placed on the light scattering surface can be increased, improving the sensitivity of Raman spectroscopic measurement. be able to.

このように、ラマン分光用デバイス10の光散乱面に既知の抗体を固定して測定を行えば、測定試料に抗原が含まれると、両者の結合が生じて、得られるラマンスペクトルが変化するので、抗原の同定が実施できる。光散乱面に既知の抗原を固定すれば、抗体の同定も同様に実施できる。
なお、ラマン分光用デバイス(微細構造体)10を容器の内部に収容し、その容器に測定試料を含む溶液を充填して、ラマン分光用デバイスを浸漬させ、溶液中でのラマン分光測定を行うようにしてもよい。
In this way, when a known antibody is immobilized on the light scattering surface of the Raman spectroscopic device 10 and measurement is performed, if an antigen is contained in the measurement sample, the binding between the two occurs and the resulting Raman spectrum changes. The antigen can be identified. If a known antigen is immobilized on the light scattering surface, the antibody can be identified in the same manner.
The Raman spectroscopic device (fine structure) 10 is housed in a container, the container is filled with a solution containing a measurement sample, the Raman spectroscopic device is immersed, and Raman spectroscopic measurement is performed in the solution. You may do it.

本実施形態のラマン分光装置50は、ラマン分光用デバイス10を用いて構成されたものであるので、大きなラマン増強効果を得ることができ、よりデータ信頼性が高く、データ再現性が良好な高精度のラマン分光測定を実施できる。
ラマン分光装置50では、ラマン分光用デバイス10の面内の略全域に、ホットスポットが形成されており、同一試料に対して、光照射箇所を変えて測定を実施しても、再現性のよいデータが得られる。したがって、同一試料に対して、光照射箇所を変えて複数のデータを取り、データの信頼性を上げることも可能である。
Since the Raman spectroscopic apparatus 50 according to the present embodiment is configured using the Raman spectroscopic device 10, it can obtain a large Raman enhancement effect, has higher data reliability, and high data reproducibility. Accurate Raman spectroscopy can be performed.
In the Raman spectroscopic apparatus 50, hot spots are formed in substantially the entire area of the Raman spectroscopic device 10, and the reproducibility is good even if the same sample is measured by changing the light irradiation location. Data is obtained. Therefore, it is possible to take a plurality of data by changing the light irradiation location for the same sample, and to improve the reliability of the data.

微細構造体10の光散乱面(表面)からの散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトルを得る分光手段を備えるラマン分光装置50について説明したが、本発明はこれに限定されず、微細構造体10の表面で生じる光の物理特性を検出する検出手段を有する各種の検出装置にも本発明の微細構造体を好適に適用可能である。ここで、微細構造体10の表面で生じる光の物理特性とは、測定資料からの散乱光、反射光、発光および吸収光の物理特性である。また、散乱光として、上述のラマン散乱光の他にレイリー散乱光が例示される。また、発光として、蛍光、燐光および自然発光が例示される。   Although the Raman spectroscopic device 50 including the spectroscopic means that obtains the spectrum of the Raman scattered light by dispersing the scattered light from the light scattering surface (surface) of the fine structure 10 has been described, the present invention is not limited to this, and the fine structure The microstructure of the present invention can also be suitably applied to various detection devices having detection means for detecting the physical characteristics of light generated on the surface of the body 10. Here, the physical characteristics of light generated on the surface of the fine structure 10 are physical characteristics of scattered light, reflected light, emitted light, and absorbed light from the measurement material. In addition to the above-described Raman scattered light, Rayleigh scattered light is exemplified as the scattered light. Examples of light emission include fluorescence, phosphorescence and spontaneous light emission.

より具体的には、微細構造体10の光散乱面で発生する反射光を検出し、測定試料からの反射光強度変化を測定する検出装置や、測定試料からの発光を測定する検出手段を備え、測定試料からの発光を測定する検出装置にも本発明の微細構造体を好適に適用可能である。また、反射光の吸収スペクトル(吸収光)を検出する検出装置にも本発明の微細構造体を好適に適用可能である。測定試料からの反射光強度変化を測定する検出装置としては、ローカルプラズモン装置が例示される。
いずれの場合であっても、微細構造体10の光散乱面に形成されたホットスポットの増強電場効果により、光散乱面で発生する散乱光、反射光、および測定試料からの発光の強度を増大させることができ、散乱光、反射光、および発光の検出を好適に行うことができる。
More specifically, a detection device that detects reflected light generated on the light scattering surface of the microstructure 10 and measures a reflected light intensity change from the measurement sample, and a detection unit that measures light emission from the measurement sample are provided. The microstructure of the present invention can also be suitably applied to a detection device that measures luminescence from a measurement sample. Moreover, the microstructure of the present invention can be suitably applied to a detection device that detects an absorption spectrum (absorbed light) of reflected light. A local plasmon device is exemplified as a detection device that measures a change in reflected light intensity from a measurement sample.
In any case, the intensity of the scattered light generated on the light scattering surface, the reflected light, and the light emission from the measurement sample is increased by the enhanced electric field effect of the hot spot formed on the light scattering surface of the microstructure 10. Therefore, detection of scattered light, reflected light, and light emission can be suitably performed.

また、上述の微細構造体10を利用して、試料の特性を分析する分析装置の一例として、ラマン分光装置50について説明したが、これに限定されず、微細構造体10による増強電場を用いて、微細構造体10の表面に配置された測定試料をイオン化して、イオン化した測定試料の質量mを電荷の価数zで割った値であるm/zを検出し、測定試料の質量mを特定する質量分析装置にも本発明の微細構造体を好適に適用可能である。   Further, although the Raman spectroscopic device 50 has been described as an example of an analysis device that analyzes the characteristics of a sample using the fine structure 10 described above, the invention is not limited thereto, and an enhanced electric field generated by the fine structure 10 is used. Then, the measurement sample arranged on the surface of the fine structure 10 is ionized, and m / z, which is a value obtained by dividing the mass m of the ionized measurement sample by the charge valence z, is detected. The microstructure of the present invention can also be suitably applied to a specified mass spectrometer.

このような質量分析装置においても、微細構造体10の表面へ測定試料を配置する方法は特に制限されず、測定試料を微細構造体10の表面に直接配置してもよい。
また、測定資料を捕捉可能であり、測定光の照射により測定試料を脱離可能な表面修飾を、微細構造体10の表面に施して、この表面修飾に結合した状態で測定試料を微細構造体10の表面に配置してもよい。また、測定試料が抗原を含む場合、その抗原と特異的に結合可能な抗体を微細構造体10の表面に修飾しておいてもよい。これにより、微細構造体の表面に配置された測定試料の量を増大させることができ、質量分析測定の感度を向上させることができる。
いずれの場合でも、微細構造体10の表面に形成されるホットスポットの増強電場により、測定試料を効率よくイオン化することができ、測定試料を微細構造体10の表面から効率よく脱離させることができる。
Also in such a mass spectrometer, the method for arranging the measurement sample on the surface of the fine structure 10 is not particularly limited, and the measurement sample may be arranged directly on the surface of the fine structure 10.
Moreover, the surface of the fine structure 10 is subjected to surface modification that can capture measurement data and can be detached by irradiation of the measurement light, and the measurement sample is bonded to the surface modification. You may arrange | position to 10 surfaces. When the measurement sample contains an antigen, an antibody that can specifically bind to the antigen may be modified on the surface of the fine structure 10. Thereby, the quantity of the measurement sample arrange | positioned on the surface of a fine structure can be increased, and the sensitivity of a mass spectrometry measurement can be improved.
In any case, the measurement sample can be efficiently ionized by the enhanced electric field of the hot spot formed on the surface of the microstructure 10, and the measurement sample can be efficiently desorbed from the surface of the microstructure 10. it can.

ここで、図8(A)は、表面修飾の好ましい形態を示す図である。図では視認しやすくするために表面修飾Rおよび表面修飾Rの構成要素は拡大して示してある。また、図では簡単のため微細構造体10の表面を単に平面として示している。
微細構造体10の表面に、測定試料Sと結合する第1のリンカー機能部Aと、被分析物質Sと結合する第2のリンカー機能部Cと、第1のリンカー機能部Aと第2のリンカー機能部Cとの間に介在し、測定光L1の照射により生じる電場で分解する分解機能部Bとを有するものである。図示例では、測定試料Sは、表面修飾Rを介して、微細構造体10の表面(表面の近傍)に配置されている。
Here, FIG. 8A is a diagram showing a preferred form of surface modification. In the figure, the surface modification R and the components of the surface modification R are shown enlarged for easy visual recognition. In the drawing, the surface of the fine structure 10 is simply shown as a plane for simplicity.
On the surface of the microstructure 10, a first linker function part A that binds to the measurement sample S, a second linker function part C that binds to the analyte S, the first linker function part A, and the second linker function part A It has a decomposition function part B that is interposed between the linker function part C and decomposes by an electric field generated by irradiation of the measurement light L1. In the illustrated example, the measurement sample S is arranged on the surface (near the surface) of the microstructure 10 via the surface modification R.

なお、表面修飾Rは、第1のリンカー機能部Aと、分解機能部Bと、第2のリンカー機能部Cとを全て備えた一つの物質であってもよいし、それぞれが異なる物質からなっていてもよい。また、第1のリンカー機能部Aと分解機能部B、あるいは、分解機能部Bと第2のリンカー機能部Cが一つの物質であってもよい。   The surface modification R may be one substance that includes all of the first linker function part A, the decomposition function part B, and the second linker function part C, and each of them is made of a different substance. It may be. Further, the first linker function part A and the decomposition function part B, or the decomposition function part B and the second linker function part C may be one substance.

図8(B)は、微細構造体10が、図8(A)に示すような表面修飾Rを有する場合に、測定光L1の照射により被分析物質Sが脱離される様子を示した図である。微細構造体10に測定光L1が照射されると、その表面において電場が増強される。測定光L1の光エネルギは、表面において増強された電場により、表面付近において高められ、その高められたエネルギにより表面修飾Rの分解機能部Bが分解され、測定試料Sに第2のリンカー機能部Cが結合されたものが、表面から脱離される。また、測定試料Sは、上記の表面付近において高められたエネルギにより、イオン化される。   FIG. 8B is a view showing a state in which the analyte S is desorbed by irradiation with the measurement light L1 when the microstructure 10 has the surface modification R as shown in FIG. 8A. is there. When the microstructure 10 is irradiated with the measurement light L1, the electric field is enhanced on the surface thereof. The optical energy of the measurement light L1 is increased in the vicinity of the surface by the electric field enhanced on the surface, and the decomposition function part B of the surface modification R is decomposed by the increased energy, and the second linker function part is added to the measurement sample S. Those to which C is bonded are detached from the surface. Further, the measurement sample S is ionized by the increased energy near the surface.

以下、本発明の質量分析装置について、図9に示す一実施形態に基いて説明する。本実施形態の質量分析装置は、飛行時間型質量分析法(Time of Flight Mass Spectroscopy:TOF−MS)を利用する飛行時間型質量分析装置である。図9は、質量分析装置の構成を示す構成図である。   Hereinafter, the mass spectrometer of the present invention will be described based on an embodiment shown in FIG. The mass spectrometer of the present embodiment is a time-of-flight mass spectrometer that uses time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS). FIG. 9 is a configuration diagram showing the configuration of the mass spectrometer.

質量分析装置100は、真空に保たれたボックス68内に、上記実施形態の微細構造体10(以下、質量分析用デバイス10ともいう)と、質量分析用デバイス10を保持するデバイス保持手段60と、質量分析用デバイス10の表面に配置された測定試料Sに測定光L1を照射して、測定試料Sを脱離させる光照射手段61と、脱離した測定試料Sを検出して測定試料Sの質量を分析する質量分析手段64とを備え、質量分析用デバイス10と質量分析手段64との間に、質量分析用デバイス10の表面に対向する位置に配された引き出しグリッド62と、引き出しグリッド62の質量分析用デバイス10側の面と反対側の面に対向して配されたエンドプレート63とを備えた構成としている。   The mass spectrometer 100 includes a fine structure 10 according to the above-described embodiment (hereinafter also referred to as a mass analysis device 10), a device holding unit 60 that holds the mass analysis device 10, and a box 68 kept in a vacuum. The measurement sample S arranged on the surface of the mass spectrometric device 10 is irradiated with the measurement light L1 to desorb the measurement sample S, and the desorbed measurement sample S is detected and the measurement sample S is detected. And a drawer grid 62 disposed between the mass analyzing device 10 and the mass analyzing means 64 at a position facing the surface of the mass analyzing device 10, and a drawer grid. 62 is configured to include an end plate 63 disposed to face a surface opposite to the surface on the mass spectrometry device 10 side.

光照射手段61は、レーザ等の単波長光源を備えており、光源から出射される光を導光するミラーなどの導光系を備えていてもよい。単波長光源としては、例えば、波長337nm、パルス幅50ps〜50ns程度のパルスレーザが挙げられる。   The light irradiation means 61 includes a single wavelength light source such as a laser, and may include a light guide system such as a mirror that guides light emitted from the light source. Examples of the single wavelength light source include a pulse laser having a wavelength of 337 nm and a pulse width of about 50 ps to 50 ns.

質量分析手段64は、測定光L1の照射により質量分析用デバイス10の表面から脱離され、引き出しグリッド62およびエンドプレート63の中央の孔を通過して飛行してきた測定試料Sを検出する検出部65と、検出部65の出力を増幅させるアンプ66と、アンプ66からの出力信号を処理するデータ処理部67により概略構成されている。   The mass spectrometric means 64 detects a measurement sample S that is detached from the surface of the mass spectrometric device 10 by irradiation with the measurement light L1 and flies through the central hole of the extraction grid 62 and the end plate 63. 65, an amplifier 66 that amplifies the output of the detection unit 65, and a data processing unit 67 that processes an output signal from the amplifier 66.

このように構成された質量分析装置100を用いた質量分析について説明する。
まず、測定試料Sが配置された質量分析用デバイス10に電圧Vsが印加され、所定のスタート信号により光照射手段61から、特定波長の測定光L1が、質量分析用デバイス10の表面に照射される。測定光L1の照射により、質量分析用デバイス10の表面において電場が増強されるとともに、その電場により増強された測定光L1の光エネルギにより測定試料Sがイオン化されるとともに表面から脱離される。
Mass spectrometry using the mass spectrometer 100 configured as described above will be described.
First, the voltage Vs is applied to the mass spectrometry device 10 on which the measurement sample S is arranged, and the surface of the mass spectrometry device 10 is irradiated with the measurement light L1 having a specific wavelength from the light irradiation means 61 by a predetermined start signal. The By irradiation with the measurement light L1, the electric field is enhanced on the surface of the mass spectrometry device 10, and the measurement sample S is ionized and desorbed from the surface by the optical energy of the measurement light L1 enhanced by the electric field.

脱離された測定試料Sは、質量分析用デバイス10と引き出しグリッド62との電位差Vsにより引き出しグリッド62の方向に引き出されて加速し、中央の孔を通ってエンドプレート63の方向に略直進して飛行し、更にエンドプレート63の孔を通過して検出器65に到達して検出される。   The desorbed measurement sample S is extracted in the direction of the extraction grid 62 due to the potential difference Vs between the mass spectrometry device 10 and the extraction grid 62, accelerates, and travels substantially straight in the direction of the end plate 63 through the central hole. And then passes through the hole of the end plate 63 and reaches the detector 65 to be detected.

脱離後の測定試料Sの飛行速度は、測定試料Sの質量mを、イオン化された測定試料Sの電荷の価数zで割ったm/zの値に依存し、m/zの値が大きいほど遅く、小さいほど速くなる。本実施形態の質量分析装置100では、測定試料Sが、質量分析用デバイス10の表面から脱離してイオン化した後に、質量分析用デバイス10から検出器65までの所定距離を飛翔し、検出器65に検出されるまでの時間を求めることにより、m/zの値を得ることができる。   The flight speed of the measurement sample S after desorption depends on the value of m / z obtained by dividing the mass m of the measurement sample S by the charge valence z of the ionized measurement sample S, and the value of m / z is Larger is slower, smaller is faster. In the mass spectrometer 100 of the present embodiment, after the measurement sample S is desorbed from the surface of the mass spectrometry device 10 and ionized, the measurement sample S flies a predetermined distance from the mass spectrometry device 10 to the detector 65 to detect the detector 65. The value of m / z can be obtained by obtaining the time until it is detected.

検出器65からの出力信号は、アンプ66により所定のレベルに増幅され、その後データ処理部67に入力される。データ処理部67では、上記スタート信号と同期する同期信号が入力されており、この同期信号とアンプ66からの出力信号とに基いて被分析物質Sの飛行時間を求めることができるので、その飛行時間から、m/zの値を得ることができる。また、測定試料に応じて、電荷の価数zの値を決めることができるので、測定試料の質量mの値を得ることができる。   An output signal from the detector 65 is amplified to a predetermined level by the amplifier 66 and then input to the data processing unit 67. In the data processing unit 67, a synchronization signal synchronized with the start signal is input, and the flight time of the analyte S can be obtained based on the synchronization signal and the output signal from the amplifier 66. From time, the value of m / z can be obtained. Further, since the value of the charge valence z can be determined according to the measurement sample, the value of the mass m of the measurement sample can be obtained.

以上、質量分析装置100が、上述のような飛行時間型質量分析法(TOF−MS)を利用したものである場合を例に説明したが、これに限定されず、質量分析デバイス10の表面に発生する増強電場を利用して、その表面に配置された測定試料をイオン化して脱離させるものであれば特に限定されず、その他の質量分析方法を利用する分析装置にも適用可能である。   As described above, the case where the mass spectrometer 100 uses time-of-flight mass spectrometry (TOF-MS) as described above has been described as an example. However, the present invention is not limited to this, and the surface of the mass spectrometry device 10 is not limited thereto. The method is not particularly limited as long as the measurement sample placed on the surface is ionized and desorbed by using the generated enhanced electric field, and the present invention can also be applied to analyzers using other mass spectrometry methods.

以下、微細構造体10における電場増強効果に関するシミュレーションについて、図10〜図14を参照して説明する。
図10および図11に示すように、金属球を基材上に格子状に配置した。金属球の直径(粒径)Rは、30nm、球間距離Xは、30nmとした。この金属球の間に金属の楕円球を配置した。この楕円球は、長さDが30nmであり、幅Lが10、20、30nmのいずれか、高さhが8、15nmのいずれかの値を持つものとした。すなわち、本シミュレーションは、6種類の楕円球についてそれぞれシミュレーションを行った。また、図10に示す、金属楕円球が配置されていない状態を比較例としてシミュレーションを行った。
Hereinafter, the simulation regarding the electric field enhancement effect in the fine structure 10 will be described with reference to FIGS.
As shown in FIG. 10 and FIG. 11, the metal spheres were arranged in a grid pattern on the substrate. The diameter (particle diameter) R of the metal spheres was 30 nm, and the intersphere distance X was 30 nm. A metal ellipsoidal sphere was placed between the metal spheres. The elliptic sphere has a length D of 30 nm, a width L of 10, 20, or 30 nm, and a height h of 8, 15 nm. That is, in this simulation, simulation was performed for each of six types of elliptic spheres. In addition, a simulation was performed using a state in which the metal ellipsoidal sphere illustrated in FIG. 10 is not disposed as a comparative example.

本シミュレーションでは、ある波長の入射光が入射した際に、2つの金属球に挟まれた高さ30nm、幅30nm、長さ30nmの立体内に発生する電場Eの強度の4乗の平均値を算出した。また、500〜1000nmの範囲の複数の波長の入射光について算出した。   In this simulation, the average value of the fourth power of the intensity of the electric field E generated in a solid with a height of 30 nm, a width of 30 nm and a length of 30 nm sandwiched between two metal spheres when incident light of a certain wavelength enters. Calculated. Moreover, it calculated about the incident light of the some wavelength of the range of 500-1000 nm.

ここで、上記立体内の電場Eの強度の4乗の平均値を算出した理由について説明する。
”Hongxing Xu et.al,Phys.Rev.E vol.62,p4318-4324,(2000)”には、表面増強ラマン散乱強度に関して記載されている。上記文献には、下記数式(1)〜(3)が記載されており、この数式(1)に、数式(2)または数式(3)を代入することで、表面増強ラマン散乱強度が、金属による局所電場の4乗に比例することが示される。したがって、本シミュレーションでは、入射光の波長に対して、増強電場Eと表面増強ラマン散乱強度との関係を理解しやすいように、増強電場Eの4乗の値を算出している。
Here, the reason why the average value of the fourth power of the intensity of the electric field E in the solid is calculated will be described.
“Hongxing Xu et.al, Phys. Rev. E vol. 62, p4318-4324, (2000)” describes the surface enhanced Raman scattering intensity. In the above document, the following mathematical formulas (1) to (3) are described. By substituting the mathematical formula (2) or the mathematical formula (3) into the mathematical formula (1), the surface-enhanced Raman scattering intensity is reduced to a metal. Is proportional to the fourth power of the local electric field. Therefore, in this simulation, the value of the fourth power of the enhanced electric field E is calculated so that the relationship between the enhanced electric field E and the surface enhanced Raman scattering intensity can be easily understood with respect to the wavelength of the incident light.

以下、シミュレーションの結果を、[D=30nm、L=10nm、h=8nm]のときを結果1とし、[D=30nm、L=10nm、h=15nm]のときを結果2とし、[D=30nm、L=20nm、h=8nm]のときを結果3とし、[D=30nm、L=20nm、h=15nm]のときを結果4とし、[D=30nm、L=30nm、h=8nm]のときを結果5とし、[D=30nm、L=30nm、h=15nm]のときを結果6とし、楕円球がない場合を結果7とし、シミュレーションの結果を図12に示した。図12のグラフは、横軸を波長とし、縦軸を上記立体内に発生する電場Eの強度の4乗の平均値とした。   Hereinafter, the simulation results are set as a result 1 when [D = 30 nm, L = 10 nm, h = 8 nm], as a result 2 when [D = 30 nm, L = 10 nm, h = 15 nm], and [D = 30 nm, L = 20 nm, h = 8 nm] as a result 3, and [D = 30 nm, L = 20 nm, h = 15 nm] as a result 4, [D = 30 nm, L = 30 nm, h = 8 nm] The result of 5 is the result 5, the result 6 is [D = 30 nm, L = 30 nm, h = 15 nm], the result is 7 when there is no elliptic sphere, and the simulation result is shown in FIG. In the graph of FIG. 12, the horizontal axis is the wavelength, and the vertical axis is the average value of the fourth power of the intensity of the electric field E generated in the solid.

図12のグラフから、金属球のみが配置された場合の結果7と比較して、楕円球が配置された場合の結果1〜6の方が、電場増強度が高いことがわかった。すなわち、金属球の間に楕円球を近接させた状態で配置することにより、電場増強度が向上することを示す結果を得た。また、高さh=8の場合の結果1、3および5と、高さh=15の場合の結果2、4および6とを比較すると、高さh=15の場合、すなわち、金属球と楕円球との距離がより近接している場合の方が、電場増強度が向上することを示す結果を得た。   From the graph of FIG. 12, it was found that the results 1 to 6 in the case where the elliptic sphere was arranged had higher electric field enhancement strength than the result 7 in the case where only the metal sphere was arranged. That is, a result showing that the electric field enhancement is improved by arranging the ellipsoidal spheres close to each other between the metal spheres was obtained. Further, when the results 1, 3 and 5 in the case of the height h = 8 are compared with the results 2, 4 and 6 in the case of the height h = 15, the case of the height h = 15, that is, the metal sphere The results showed that the electric field enhancement was improved when the distance from the ellipsoid was closer.

また、金属球および楕円球の周囲に発生する電場の強度をシミュレーションにより算出した。本シミュレーションでは、入射光の波長が610〜1000nmの範囲について、30nm間隔で、電場の強度を算出した。
また、本シミュレーションでは、楕円球がなく金属球のみの場合の結果を結果8として図13(A)に示し、[D=30nm、L=20nm、h=8nm]の楕円球が配置されているときの結果を結果9として図13(B)に示し、[D=30nm、L=20nm、h=15nm]の楕円球が配置されているときの結果を結果10として図13(C)に示した。
In addition, the electric field strength generated around the metal sphere and the elliptic sphere was calculated by simulation. In this simulation, the intensity of the electric field was calculated at intervals of 30 nm in the range where the wavelength of incident light was 610 to 1000 nm.
Further, in this simulation, the result when there is no ellipsoidal sphere and only a metal sphere is shown as a result 8 in FIG. 13A, and an ellipsoidal sphere of [D = 30 nm, L = 20 nm, h = 8 nm] is arranged. FIG. 13B shows the result when the elliptical sphere of [D = 30 nm, L = 20 nm, h = 15 nm] is arranged, and the result 10 is shown in FIG. 13C. It was.

ここで、図13は、電場の強度を濃淡で表現した図であり、本来、白い領域を中心として、電場が強い領域、および弱い領域を、それぞれ異なる色で表わしていた図を、一色の濃淡で表した図として本明細書に添付した。図13の理解を助けるために、図13において電場が強い領域として示された領域を図14に示した。
図13、図14に示すように、金属球のみの場合の結果8よりも、楕円球が配置された場合の結果9および結果10において、電場の強い領域が多いことがわかる。また、図14に示すように、金属球と楕円球とが近接する領域に電場の強い領域が形成されている、すなわちホットスポットが形成されていることがわかる。
Here, FIG. 13 is a diagram expressing the intensity of the electric field with shading. Originally, a diagram in which a region where the electric field is strong and a region where the electric field is strong with a white color as a center is represented by different colors. It attached to this specification as a figure expressed with these. In order to help understanding of FIG. 13, regions shown as regions where the electric field is strong in FIG. 13 are shown in FIG. 14.
As shown in FIGS. 13 and 14, it can be seen that there are more regions with a strong electric field in the results 9 and 10 when the ellipsoidal sphere is arranged than the result 8 when only the metal sphere is used. Further, as shown in FIG. 14, it can be seen that a region having a strong electric field is formed in a region where the metal sphere and the elliptical sphere are close to each other, that is, a hot spot is formed.

上記シミュレーションから、金属球に近接した状態で金属の楕円球を配置した場合に、その近接した位置の周辺において、電場が増強されるホットスポットが形成されることがわかった。また、楕円球の高さが高いほど、金属球と楕円球との距離が小さくなり、電場増強効果が向上することがわかった。   From the above simulation, it has been found that when a metal ellipsoid is placed in the vicinity of the metal sphere, a hot spot that enhances the electric field is formed around the close position. It was also found that the higher the height of the ellipsoid, the smaller the distance between the metal sphere and the ellipsoid and the electric field enhancement effect is improved.

本発明に係る微細構造体の一実施形態を模式的に示す断面図である。It is sectional drawing which shows typically one Embodiment of the microstructure based on this invention. 本発明に係る微細構造体の作製方法の一実施形態を模式的に示す工程図である。It is process drawing which shows typically one Embodiment of the manufacturing method of the microstructure based on this invention. 本発明に係る微細構造体において、金属微粒子と金属膜との位置関係を説明する説明図である。In the microstructure according to the present invention, it is an explanatory view for explaining the positional relationship between metal fine particles and a metal film. 本発明に係る微細構造体の基材表面からの高かさを測定した場合の測定値と測定頻度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the measured value at the time of measuring the height from the base-material surface of the microstructure based on this invention, and a measurement frequency. 本発明に係る微細構造体の他の実施形態の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of other embodiment of the microstructure based on this invention. 本発明に係る微細構造体の他の実施形態の要部を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the principal part of other embodiment of the microstructure based on this invention. 本発明に係るラマン分光装置の一実施形態を示す断面図である。It is sectional drawing which shows one Embodiment of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on this invention. (A)は、質量分析用デバイスの表面修飾の一例を模式的に示す構成図であり、(B)は、測定光照射により被分析物質が脱離される様子を示す説明図である。(A) is a block diagram which shows typically an example of the surface modification of the device for mass spectrometry, (B) is explanatory drawing which shows a mode that a to-be-analyzed substance is desorbed by measurement light irradiation. 本発明に係る分析装置の一実施形態である質量分析装置を模式的に示す構成図である。It is a block diagram which shows typically the mass spectrometer which is one Embodiment of the analyzer which concerns on this invention. シミュレーションにおける金属球の位置を示すz−x面断面図である。It is zx plane sectional drawing which shows the position of the metal sphere in simulation. (A)は、図10に示す金属球の間に楕円球を配置した場合のz−x面断面図であり、(B)は、(A)をz方向から見た上面図である。(A) is zx plane sectional drawing at the time of arrange | positioning an ellipsoid between the metal spheres shown in FIG. 10, (B) is the top view which looked at (A) from the z direction. 横軸を波長、縦軸を電場Eの4乗として、シミュレーションの結果を示すグラフである。It is a graph which shows the result of a simulation by making a horizontal axis into a wavelength and a vertical axis | shaft to the 4th power of the electric field E. 金属球の周辺の電場の強度に関するシミュレーションの結果を示す側面図である。It is a side view which shows the result of the simulation regarding the intensity | strength of the electric field around a metal sphere. 図13において電場が増強されている領域を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the area | region where the electric field is reinforced in FIG.

符号の説明Explanation of symbols

10 微細構造体
12 基材
12s 表面
14、22 金属微粒子
16 金属膜
18 金属微粒子複合体
20、24、26 (基材表面に形成された)金属膜
50 ラマン分光装置
52 光照射手段
54 分光手段
60 デバイス保持手段
61 光照射手段
62 引き出しグリッド
63 エンドプレート
64 質量分析手段
65 検出器
66 アンプ
67 データ処理部
68 ボックス
100 質量分析装置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 Fine structure 12 Base material 12s Surface 14, 22 Metal microparticle 16 Metal film 18 Metal microparticle composite 20, 24, 26 Metal film (formed on base material surface) 50 Raman spectroscopic device 52 Light irradiation means 54 Spectroscopic means 60 Device holding means 61 Light irradiation means 62 Drawer grid 63 End plate 64 Mass analysis means 65 Detector 66 Amplifier 67 Data processing unit 68 Box 100 Mass spectrometer

Claims (14)

局在プラズモンを誘起しうる大きさの複数の金属微粒子を基材表面に分散した状態で配置して固定する工程と、
前記複数の前記金属微粒子の間隙に金属膜を成膜する工程とを有し、
前記金属微粒子は、前記基材表面と平行な切断面の断面積が最大となる部分をもち、前記断面積が最大となる部分から前記基材表面に向かうにつれて前記断面積が減少する形状であり、前記金属膜と離間することを特徴とする微細構造体の作製方法。
Arranging and fixing a plurality of fine metal particles having a size capable of inducing localized plasmons in a dispersed state on the substrate surface;
Forming a metal film in the gap between the plurality of metal fine particles,
The metal fine particles have a portion where the cross-sectional area of the cut surface parallel to the substrate surface is maximum, and the cross-sectional area decreases from the portion where the cross-sectional area is maximum toward the substrate surface. A method for manufacturing a fine structure, which is separated from the metal film.
前記金属微粒子の有効粒径をRe、前記金属膜の前記基材表面からの有効高さをheとするとき、前記金属膜を成膜する工程は、前記金属微粒子と離間し、he <Re /2の関係を満たす前記金属膜を成膜する請求項1に記載の微細構造体の作製方法。   When the effective particle diameter of the metal fine particle is Re and the effective height of the metal film from the substrate surface is he, the step of forming the metal film is separated from the metal fine particle, and he <Re / The method for manufacturing a microstructure according to claim 1, wherein the metal film satisfying the relationship 2 is formed. さらに、前記金属膜を成膜する工程の後に、熱処理により前記金属膜の構成金属を凝集させて粒子化させることにより、前記複数の金属微粒子の間隙に、前記金属微粒子と離間するとともに、局在プラズモンを誘起しうる大きさの少なくとも1つの膜状金属および/または複数の塊状金属を形成する熱処理工程を有する請求項1または2に記載の微細構造体の作製方法。   Further, after the step of forming the metal film, the constituent metals of the metal film are aggregated into particles by heat treatment to be separated from the metal fine particles in the gaps between the metal fine particles and localized. The method for producing a microstructure according to claim 1, further comprising a heat treatment step of forming at least one film-like metal and / or a plurality of massive metals having a size capable of inducing plasmons. 前記熱処理工程において、前記熱処理の温度を、前記金属の融点以上かつ前記基材の融点未満とする請求項3に記載の微細構造体の作製方法。   4. The method for manufacturing a microstructure according to claim 3, wherein in the heat treatment step, the temperature of the heat treatment is set to be equal to or higher than a melting point of the metal and lower than a melting point of the base material. 基材と、
前記基材表面に分散した状態で配置固定された、局在プラズモンを誘起しうる大きさの複数の金属微粒子と、
前記金属微粒子の間隙に、前記金属微粒子と離間しかつ近接した状態で前記基材表面に配置され、局在プラズモンを誘起しうる大きさの少なくとも1つの膜状金属および/または複数の塊状金属とを有することを特徴とする微細構造体。
A substrate;
A plurality of fine metal particles having a size capable of inducing localized plasmons arranged and fixed in a dispersed state on the substrate surface;
At least one film-like metal and / or a plurality of massive metals arranged on the surface of the base material in a state of being spaced apart from and close to the metal fine particles and capable of inducing localized plasmons A fine structure characterized by comprising:
前記金属微粒子は、前記基材表面と平行な切断面の断面積が最大となる部分を持ち、前記断面積が最大となる部分から前記基材表面に向かうにつれて前記断面積が減少する形状を有し、
前記金属微粒子の有効高さをHe 、および前記膜状金属および/または前記塊状金属の有効高さをheとするとき、He /2>heの関係を満たす請求項5に記載の微細構造体。
The metal fine particles have a portion where the cross-sectional area of the cut surface parallel to the substrate surface is maximum, and the cross-sectional area decreases from the portion where the cross-sectional area is maximum toward the substrate surface. And
The microstructure according to claim 5, wherein the effective height of the metal fine particles is He and the effective height of the film metal and / or the bulk metal is he, and satisfies the relationship of He / 2> he.
前記金属微粒子の有効高さHeおよび前記膜状金属および/または前記塊状金属の有効高さheは、前記基材表面からの高さを複数点で測定した結果のうち、頻度が高い高さの値として測定される請求項6に記載の微細構造体。   The effective height He of the metal fine particles and the effective height he of the film-like metal and / or the massive metal are high in frequency among the results of measuring the height from the substrate surface at a plurality of points. The microstructure according to claim 6, which is measured as a value. 前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の主成分は、それぞれ、Au、Ag、Cu、Al、Pt、Ni、Tiおよびこれらの合金からなる群より選択される少なくとも1種の金属である請求項5〜7のいずれかに記載の微細構造体。   At least one metal selected from the group consisting of Au, Ag, Cu, Al, Pt, Ni, Ti, and alloys thereof is used as the main component of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal, respectively. The microstructure according to any one of claims 5 to 7. 前記金属微粒子と当該金属微粒子に近接している前記膜状金属および/または前記塊状金属との距離が、前記金属微粒子の平均粒子径以下である請求項5〜8のいずれかに記載の微細構造体。   The microstructure according to any one of claims 5 to 8, wherein a distance between the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal adjacent to the metal fine particles is equal to or less than an average particle diameter of the metal fine particles. body. 散乱光を分光してラマン散乱光のスペクトルを得るラマン分光法に用いられ、測定光が照射され散乱される光散乱面を有するラマン分光用デバイスであって、
請求項5〜9のいずれかに記載の微細構造体を備え、前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面を前記光散乱面とすることを特徴とするラマン分光用デバイス。
A Raman spectroscopic device having a light scattering surface that is used in Raman spectroscopy to obtain a spectrum of Raman scattered light by dispersing scattered light and is irradiated with measurement light and scattered.
A surface of the microstructure including the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal is provided as the light scattering surface. A device for Raman spectroscopy.
請求項10に記載のラマン分光用デバイスと、
前記ラマン分光用デバイスの前記光散乱面に測定光を照射する光照射手段と、
前記光散乱面で生じる散乱光を分光し、前記ラマン散乱光のスペクトルを得る分光手段とを備えることを特徴とするラマン分光装置。
The Raman spectroscopic device according to claim 10;
A light irradiation means for irradiating the light scattering surface of the Raman spectroscopic device with measurement light;
A Raman spectroscopic apparatus comprising: a spectroscopic unit that spectrally scatters scattered light generated on the light scattering surface to obtain a spectrum of the Raman scattered light.
請求項5〜9のいずれかに記載の微細構造体と、
前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射する光照射手段と、
前記微細構造体の表面から生じた信号を検出する信号検出手段とを備えることを特徴とする分析装置。
The fine structure according to any one of claims 5 to 9,
A light irradiating means for irradiating the surface of the microstructure including the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal with measurement light;
An analyzer comprising: signal detection means for detecting a signal generated from the surface of the fine structure.
請求項5〜9のいずれかに記載の微細構造体と、
前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射する光照射手段と、
前記微細構造体の表面で生じる光の物理特性を検出する検出手段とを備える検出装置。
The fine structure according to any one of claims 5 to 9,
A light irradiating means for irradiating the surface of the microstructure including the surface of the metal fine particles and the film metal and / or the bulk metal with measurement light;
And a detection unit that detects a physical property of light generated on the surface of the fine structure.
請求項5〜9のいずれかに記載の微細構造体と、
前記金属微粒子および前記膜状金属および/または前記塊状金属の表面を含む前記微細構造体の表面に測定光を照射して、前記微細構造体の表面に配置される測定試料をイオン化するとともに、前記微細構造体の表面から脱離させる光照射手段と、
前記微細構造体の表面から脱離され、イオン化された前記測定試料の質量を検出する検出手段とを備える質量分析装置。
The fine structure according to any one of claims 5 to 9,
Irradiating measurement light onto the surface of the fine structure including the surfaces of the metal fine particles and the film-like metal and / or the bulk metal to ionize the measurement sample disposed on the surface of the fine structure, and Light irradiation means for desorption from the surface of the microstructure,
A mass spectrometer comprising: detection means for detecting the mass of the measurement sample desorbed and ionized from the surface of the microstructure.
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