专利名称：利用光电场增强设备的光的测量方法及测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于测量通过使用具有能够对局域等离体子进行诱发的微细凹凸金属结构的光电场增强设备增强后的检测光的测量方法和测量装置。
背景技术：
已知利用在金属表面上的局部等离体子共振现象的电场增强效应的、诸如传感器设备和拉曼(Raman)光谱设备等的电场增强设备。拉曼光谱法是一种用于通过对在物质上照射单波长光而获得的散射光进行分光，来获得拉曼散射光谱(拉曼光谱)的方法，并且拉曼光谱用于识别物质等。
拉曼光谱法包括为了增强弱拉曼散射光而利用通过局部等离体子共振而增强的光电场的被称为表面增强拉曼光谱法(SERS)的方法(参见非专利文献I)。表面增强拉曼光谱法(SERS)利用了以下原理:如果光照射到金属体上，尤其是表面上具有纳米级凹凸图案的金属体上并且物质接触该表面的状态下，则由于局部等离体子共振而出现光电场增强，并且接触金属体表面的样品的拉曼散射光的强度增强。通过使用表面上具有凹凸金属结构的基板作为用于承载被检体的载体(基板)可以实施表面增强拉曼光谱法。
对于表面上具有微细凹凸金属结构的基板，主要使用通过在Si基板表面上形成凹凸图案并且在该凹凸图案的表面上形成金属膜而制成的基板(参见专利文献I至3)。
进一步地，还提出了一种通过对Al基板的表面进行阳极化处理以使一部分变成金属氧化物(Al2O3)层并且在阳极化处理过程中在金属氧化物层中自然形成的、在金属氧化物层的表面开口的多个微细孔中填充金属而制作的基板(参见专利文献4)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:特表2006-514286号公报
专利文献2:特许4347801号公报
专利文献3:特开2006-145230号公报
专利文献4:特开2005-172569号公报
非专利文献
非专利文献I:0ptics Express Vol.17, N0.2118556发明内容
技术问题
专利文献1-4中所公开的传统光电场增强基板被构造为使得在诸如Si或Al的不透明基板表面上形成微细凹凸结构，并且在微细凹凸结构的表面上形成金属膜或者在凹部中嵌入金属。专利文献4描述了一种示例性情况:使用诸如玻璃基板等的透明基板，但是微细凹凸结构本身由诸如硅或锗等的不透明材料制成。
传统拉曼光谱装置被构造为使得从样品的正面侧检测拉曼散射光。但是，在具有微米量级以上尺寸的样品用作被检体的情况下，样品本身充当拉曼散射光的遮挡体，所以难以以高信噪比接收弱拉曼散射光。
鉴于上述情况，做出了本发明，并且本发明的目的是提供一种在利用局部等离体子的光电场增强效应来增强并检测弱光的测量方法和测量装置中，能够以提高的信噪比执行测量的测量方法和测量装置。
技术方案
本发明的测量方法是一种使用光电场增强设备的方法，该光电场增强设备包括表面上具有透明的微细凹凸结构的透明基板以及在该表面上的微细凹凸结构表面上形成的金属膜，所述测量方法包括以下步骤:。
将被检体放置在所述光电场增强设备的所述金属膜上；
将激励光照射到所述光电场增强设备的放置有所述被检体的区域上；以及
从所述透明基板的背面侧检测通过照射所述激励光而生成的光。
当向光电场增强设备的放置有被检体的区域上照射激励光时，可以从相对于所设备的任意方向照射激励光，例如，可以从金属膜的正面侧或透明基板的背面侧照射激励光。
优选地，从所述透明基板的背面侧照射所述激励光。
可以检测拉曼散射光、荧光以及高阶谐波中的任意一方作为通过照射所述激励光而生成的光。
进一步地，还可以检测通过照射激励光而生成的瑞利散射光、或米氏散射光等。
本发明的测量装置是包括以下设备的装置:
光电场增强设备，其包括表面上具有透明的微细凹凸结构的透明基板以及在该表面的微细凹凸结构表面上形成的金属膜，其中，被检体放置在形成有所述金属膜的正面侧上；
激励光照射部，其向所述光电场增强设备的放置有所述被检体的区域照射激励光；以及
光检测部，其设置在所述光电场增强设备的背面侧并且从所述透明基板的背面侧检测通过照射所述激励光而生成的光。
优选地，所述激励光照射部设置在所述光电场增强设备的背面侧，从所述透明基板的背面侧照射所述激励光。
本发明的测量方法和测量装置中所使用的光电场增强设备的金属膜形成在微细凹凸结构的表面上，并且在金属膜表面上具有与透明的微细凹凸结构相对应的微细凹凸结构。金属膜表面上的微细凹凸结构可以是能够通过接收光而生成局部等离体子任何事物。通常地，能够生成局部等离体子的微细凹凸结构是构成凹凸结构的凸部与凹部的平均尺寸和平均间距(pitch)小于光波长的凹凸结构。
优选地，凸部和凹部的平均间距以及凸部顶点和凹部底部之间的距离(深度)不大于 200nm。
通过用SEM (扫描电子显微镜)对微细凹凸结构的表面进行摄像，然后通过图像处理对图像进行数字化，并执行统计处理，获得凸部和凹部的平均间距。
通过用AFM (原子力显微镜)测量表面形状并执行统计处理，获得凸部和凹部的平均深度。
这里所使用的术语“透明”指的是对于照射到微细凹凸结构上的光以及通过照射光从被检体生成的光，具有50%以上的透过率。优选地，对于这些光束的透过率不小于75%，更优选地是不小于90%。
在上述光电场增强设备中，透明基板可以由透明基板本体和设置在该透明基板本体的表面上的微细凹凸结构层形成，其中，所述微细凹凸结构层由与所述透明基板本体的材料不同的材料制成，并且构成所述微细凹凸结构。
尤其，所述微细凹凸结构层可以优选地由勃姆石制成。
金属膜可以是由通过接收上述光生成局部等离体子的金属制成的任意膜，但是从由Au、Ag、Cu、Al、Pt以及基于这些金属的合金组成的组选择的至少一种金属是优选的。其中，Au和Ag是尤其优选的。
优选地,所述金属膜具有10至IOOnm的膜厚。
所述测量装置可以包括在光电场增强设备的所述透明基板的背面上、充当防反射膜的透明的第二微细凹凸结构。
这里，优选的是，所述第二微细凹凸结构由勃姆石所制成的微细凹凸结构层形成。
上述光电场增强设备可以形成为具有用于在所述透明基板的所述金属膜上保持液体样品的液体样品保持部件的样品池(sample cell)。
进一步地，上述光电场增强设备可以是流体池(flow cell)型的样品池，其中，所述液体样品保持部件具有液体的流入部和流出部。
技术效果
本发明的测量方法和测量装置使用包括表面上具有透明微细凹凸结构的透明基板和形成在该表面的微细凹凸结构表面上的金属膜的光电场增强设备，并且被构造为从透明基板的背面侧检测通过向该设备的上面放置有被检体的区域上照射激励光而生成的光(检测光)。
光电场增强设备包括上面设置有金属膜的透明凹凸结构，由此，金属膜本身形成为凹凸图案。这使得通过向金属膜上照射激励光在金属膜的表面上有效诱发局部等离体子，并且可以获得局部等离体子的光电场增强效应。进一步地，如果基板放置在光电场增强设备上并且光照射到设备的上面放置有被检体的区域上，则通过光电场增强效应使从被检体生成的光增强，由此可以以高灵敏度检测光。
尤其，在本发明的测量方法和装置中，因为从透明基板的背面侧检测从被检体生成的光(检测光)，所以可以在不被被检体遮挡的情况下检测金属膜的表面上具有最大强度的增强光电场增强的光。因此，可以以良好的信噪比测量光。
图1是例示了根据本发明的测量装置的第一实施方式的拉曼光谱装置的构造的示意图。
图2A是图1中所示的拉曼光谱装置中所设置的光电场增强基板的立体图。
图2B是图2A中所示的光电场增强基板侧面的一部分IIB的放大图。
图3示出了光电场增强基板的制造方法，该图例示了基板在该方法各步骤中的截面图。
图4A是光电场增强基板的设计变型例的立体图。
图4B是图4A中所示的光电场增强基板的侧面的下部IVB的放大图。
图5是示出了根据本发明的测量装置的第二实施方式的拉曼光谱装置的构造的示意图。
图6A是图5中所示的拉曼光谱装置中所设置的光电场增强样品单元的平面图。
图6B是图6A中所示的光电场增强样品单元的、沿线VIB-VIB取得的截面图。
图7是示出了根据本发明的测量装置的第三实施方式的拉曼光谱装置的构造的示意图。
图8示出了示出了示例的测量样品的制造步骤的示意性截面图。
图9是例示了用于测量拉曼散射光的位置的测量样品的截面图。
图10是例示了从测量样品获得的拉曼偏移光谱分布的图。
具体实施方式
此后，将参照附图描述本发明的测量方法和测量装置的实施方式。附图中的各组件不必按比例绘制，以便于视觉识别。
(第一实施方式)
作为本发明的测量方法和测量装置的第一实施方式，将描述拉曼光谱方法和拉曼光谱装置100。图1是例示了根据第一实施方式的拉曼光谱装置100的构造的示意图。
如图1所示，拉曼光谱装置100包括用于支撑被检体S的光电场增强基板I ;用于从基板I的背面侧向光电场增强基板I的上面放置有被检体S的区域上照射激励光LI的激励光照射部140 ;以及用于从光电场增强基板I的背面侧检测从被检体S发出的并通过光电场增强基板I的作用增强的拉曼散射光L2的光检测部150。
首先将描述光电场增强基板I。图2A是光电场增强基板I的立体图，而图2B是图2A中所示的光电场增强基板I侧面的一部分IIB的放大图。
如图2A和图2B所不,光电场增强基板I包括表面上具有微细凹凸结构22的透明基板10和在微细凹凸结构22表面上形成的金属膜24。金属膜24沿微细凹凸结构22形成，使得形成金属的微细凹凸结构。由此，光电场增强基板I在表面上包括微细凹凸金属结构，并且可以起到能够通过局部等离体子共振获得光电场增强效应的光电场增强设备的作用。
光电场增强基板I被构造为使得照射到上面形成有金属膜24的微细凹凸结构22(微细凹凸金属结构)上的光(激励光)诱发局部等离体子共振，并且通过局部等离体子共振在金属膜24的表面上产生增强后的光电场。
微细凹凸结构22是具有使通过在微细凹凸结构22上形成金属膜24而设置的金属微细结构上的凹凸图案的凸部的平均尺寸和间距小于激励光的波长的尺寸的凹凸结构，但是微细凹凸结构22可以是任何事物，只要其能够生成局部等离体子。尤其，优选的是，微细凹凸结构22中，从凸部顶点到相邻凹部的底部的平均深度不大于200nm，并且隔着凹部的最相邻凸部的顶点之间的平均间距不大于200nm。
在本实施方式中，透明基板10由玻璃等制成的透明基板本体11和由与本体11不同的材料制成并构成微细凹凸结构22的勃姆石层(此后，称为“勃姆石层22”或“微细凹凸结构层22”)形成。
金属膜24可以是由通过接收上述光生成局部等离体子的金属制成的任意膜，但是从由Au、Ag、Cu、Al、Pt以及基于这些金属的合金组成的组选择的至少一种金属是优选的。其中，Au和Ag是尤其优选的。
对于金属膜24的厚度，当形成在微细凹凸结构层22的表面时只要其能够保持能够通过接收激励光产生局部等离体子的凹凸结构形状而作为微细凹凸金属结构即可，没有任何特定限制，并且10至IOOnm的厚度是优选的。
激励光照射部140包括半导体激光器141，其发出激励光LI ;反射镜142，其朝向基板I反射从半导体激光器141发出的光LI ;半反射镜144，其使从反射镜142反射的激励光LI透过并且朝向光检测部150反射来自基板I的、包括通过接收激励光LI从被检体S生成的且被增强的拉曼散射光L2的光；以及透镜146，其将透过半反射镜144的激励光LI会聚在光电场增强基板I的、上面放置有被检体S的区域上，并且使来自被检体S侧的光平行。
光检测部150包括陷波滤波器151，其吸收从半反射镜144反射的光中所包括的激励光LI并且使除了激励光之外的光透过；针孔板153，其具有用于除去噪声光的针孔152 ；透镜154，其将从被检体S发出的、并透过透镜146和陷波滤波器151的增强后的拉曼散射光会聚在针孔152上；透镜156，其使通过针孔152的拉曼散射光平行；以及分光镜158，其检测增强后的拉曼散射光。
现在将描述利用上述拉曼光谱装置100来测量被检体S的拉曼光谱的拉曼光谱方法。
激励光LI从光照射部140的半导体激光器141发出，被反射镜142朝向基板I反射，透过半反射镜144，被透镜146会聚，并且照射到光电场增强基板I上。
将激励光LI照射到光电场增强基板I上使得在微细凹凸金属结构中诱发局部等离体子共振，并且在金属膜24的表面上产生增强后的光电场。从被检体S发出的并通过增强后的光电场增强的拉曼散射光L2透过透镜146，被半反射镜144朝向分光镜158反射。这里，半反射镜144将从光电场增强基板I反射的激励光LI朝向分光镜158反射，并且激励光LI被陷波滤波器151截止。同时，具有与激励光的波长不同的波长的光透过陷波滤波器151，被透镜154会聚，通过针孔152，再次被透镜156平行，并且入射在分光镜158上。在拉曼光谱装置中，瑞利(Rayleigh)散射光(或米氏(Mie)散射光)具有与激励光LI相同的波长，使得被陷波滤波器151截止并从不入射在分光镜158上。拉曼散射光L2入射在分光镜158上，并且执行拉曼光谱测量。
本实施方式的拉曼光谱装置100是利用光电场增强基板I构造的，并且有效进行拉曼增强，使得可以执行数据可靠性高并且数据再现性高的高精度拉曼光谱测量。由于光电场增强基板I表面上的凹凸结构具有高面内均匀性，所以即使当通过改变光照射位置对于同一样品重复测量时，也可以获得可再现的数据。因此，通过改变光照射位置对同一样品获得多个数据，可以提高数据可靠性。
如在本实施方式的拉曼光谱装置100中，即使当被检体是如同细胞那样大的样品时，采用从光电场增强基板I的背面侧执行检测的构造允许在没有被被检体遮挡的情况下从透明基板的背面侧检测在金属膜和被检体之间的界面处最强地发生的增强拉曼散射光。本发明人已经确认可以在不受金属膜影响的情况下，从透明基板的背面侧检测增强后的拉曼散射光(后面要描述的示例)。
上述实施方式具有激励光照射部140和光检测部150都设置在光电场增强基板I的背面侧上并且从背面侧照射激励光的构造。但是，可以采用激励光照射部140设置在光电场增强基板I的正面侧(上面放置有被检体的表面侧)上并且从正面侧照射激励光的构造。不管激励光从正面侧还是背面侧入射，都可以以类似方式在光电场增强基板的微细凹凸金属结构上诱发局部等离体子，并且可以获得光电场增强效应。
进一步地，在上述实施方式中，已经对微细凹凸结构层22由勃姆石制成的情况进行了描述，但是该层可以由除了勃姆石之外的透明材料制成。例如，通过在铝基板上执行阳极化处理，以在铝基板的上层中制造具有多个细孔的阳极化后的氧化铝；除去未阳极化铝的部分以获得阳极化后的氧化铝层作为微细凹凸结构层22 ;并且将微细凹凸结构层22固定在由玻璃等制成的透明基板本体11上，也可以形成透明基板10。
微细凹凸结构不限于由与透明基板本体不同的材料制成的结构，而可以通过对透明基板本体表面进行加工由与基板本体相同的材料制成。例如，通过对玻璃基板表面进行光刻和干蚀刻处理在表面上形成有微细凹凸结构的玻璃基板可以用作透明基板。
由于通过简单方法形成，所以微细凹凸结构22最优选地由勃姆石制成。
现在将参照图3描述根据本实施方式的光电场增强基板I的制造方法。图3例示了光电场增强基板I在各制造步骤的截面图。
制备板状的透明基板本体11。然后，用纯水清洗透明基板本体11。此后，通过溅射在透明基板本体11上形成具有大约几十纳米厚度的铝20。然后，将具有铝20的透明基板本体11浸入沸腾的纯水中，并且在几分钟(大约五分钟)之后取出。该煮沸处理(勃姆石处理)使铝20变为构成微细凹凸结构的透明勃姆石层22。接着，在勃姆石层22上形成金属膜24。这样，产生光电场增强基板I。
将描述用于本实施方式的拉曼光谱装置100的光电场增强基板I的设计变更示例。图4A是设计变更示例的光电场增强基板2的立体图，而图4B是图4A中所示的光电场增强基板2侧面的下部IVB的放大图。
光电场增强基板2包括在上述`光电场增强基板I背面上的透明的第二微细凹凸结构层28。
第二微细凹凸结构层28与设置在透明基板10正面上的第一微细凹凸结构层22相同，并且可以由勃姆石层制成。设置在背面上的微细凹凸结构层28在照射光时起到防反射膜的作用。
在第一实施方式的光电场增强基板I的制造方法中，通过在透明基板的背面以及正面上形成铝，其后执行煮沸处理，可以获得光电场增强基板2。通过纯水中的煮沸处理，基板的正面和背面上的铝变成勃姆石，并且光电场增强基板2可以在正面和背面上分别具有类似的微细凹凸结构22、28。
对于具有通过在基板上溅射50nm厚度的铝并且进行煮沸处理五分钟而形成的勃姆石层的透明基板(BK-7, 2— 二 > ^'社制造的Eagle2000),本发明人已经确认当使光从勃姆石层的正面侧相对于该表面以直角入射时，实现了大约0.1%的反射率。例如，通过改变最初溅射形成的铝的厚度并控制干涉，可以调整反射率变为最小的波长。
(第二实施方式)
将描述根据本发明的第二实施方式的拉曼光谱方法和拉曼光谱装置110。图5是例示了根据第二实施方式的拉曼光谱装置110的构造的示意图。
如图5所示，拉曼光谱装置110与图1中所示的拉曼光谱装置100的不同之处在于拉曼光谱装置Iio包括流体池(flow cell)型光电场增强样品池3，而不是光电场增强基板I。提供这样的流体池(flow cell)型光电场增强设备允许在作为被检体的液体样品流下的同时测量拉曼光谱。在图5中，与第一实施方式中相同的组件给予相同的附图标记，并且在此将不进行详细说明。拉曼光谱法也与使用第一实施方式的拉曼光谱装置100的拉曼光谱法相同。
现在将描述拉曼光谱装置110的光电场增强样品池3。图6A是光电场增强样品池3的平面图，而图6B是图6A中所示的光电场增强样品池3沿线VIB-VIB取得的截面图。
本实施方式的光电场增强样品池3包括:光电场增强基板30,其具有透明基板本体31、设置在本体表面上的透明微细凹凸结构32、以及设置在微细凹凸结构32上的金属膜34、以及用于保持设置在金属膜34上的液体样品的液体样品保持部件35。
光电场增强基板30的结构与第一实施方式的光电场增强基板I的结构大致相同。即，微细凹凸结构32和金属膜34与图2B中所不的微细凹凸结构22和金属膜24相同，并且它们的组成材料和形成方法也相同。
例如，液体样品保持部件35可以由间隔体36和诸如玻璃板等的透明上板38形成，其中，间隔体36用于在金属膜34上保持液体样品并且形成流路36a ;透明上板38具有用于注入液体样品的注入口(流入口)38a和用于排出从流路36a流下的液体样品的排出口(流出口) 38b
可以通过由与第一实施方式的基板I相同的方法来制造光电场增强基板30并且将间隔体36与上板接合到基板30，获得本实施方式的光电场增强样品池3。
注意的是，可以一体形成间隔体36和上板38。另选地，可以将间隔体36与透明基板本体31 —体形成。
在上述实施方式中，已经描述了具有流入口和流出口的流路状样品池(流体池)型的光电场增强设备。但是，其可以被构造为仅用于在金属膜上保持液体样品的光电场增强样品池，而不是能够流入和流出液体的池。
进一步地，如在上述光电场增强基板2中一样，起到防反射膜作用的透明的第二微细凹凸结构层可以设置在光电场增强基板30的背面中与金属膜34的区域相对应的区域上。
当在液体样品流下的同时测量拉曼散射光时，液体样品对拉曼散射光的透过率和吸收率可以随着液体样品的移动而变化，如在本实施方式中，从基板30的背面侧检测拉曼散射光的构造因为与传统方法中从样品侧(金属膜表面侧)检测拉曼散射光的情况相比，可以减小因液体样品的移动而产生的变动的影响，所以是优选的。
(第三实施方式)
将描述根据本发明的第三实施方式的拉曼光谱方法和拉曼光谱装置120。图7是例示了根据第三实施方式的拉曼光谱装置120的构造的示意图。
如图7所示，拉曼光谱装置120在第二实施方式的拉曼光谱装置110中还包括第二光检测部150’。
第二光检测部150’包括会聚透镜146’，其会聚从被检体S发出的光；反射镜142’，其朝向直角方向反射透过会聚透镜146’的光；陷波滤波器151’，其吸收激励光LI并使除了激励光LI之外的光透过；针孔板153’，其具有用于去除噪声光的针孔152’ ；透镜154’，其将从被检体S发出的、并透过透镜146’和陷波滤波器151’的增强拉曼散射光L2会聚在针孔152’上；透镜156’，其使通过针孔152的拉曼散射光平行；以及分光镜158’，其检测增强后的拉曼散射光。
现在将描述利用本实施方式的拉曼光谱装置测量被检体S的拉曼光谱的拉曼光谱方法。
激励光LI从光照射部140的半导体激光器141发出，被反射镜142朝向基板30反射，透过半反射镜144，被透镜146会聚，并且照射到与作为光电场增强基板30的被检体的液体样品S接触的金属膜34上。
照射激励光LI使得在光电场增强基板30的微细凹凸金属结构中诱发局部等离体子共振，并且在金属膜34的表面上产生增强后的光电场。从被检体S发出的并被增强后的光电场增强的拉曼散射光L2从基板30的背面侧透过透镜146，被半反射镜144朝向分光镜158反射。同时，从金属膜34的正面侧透过被检体S的光L2，进一步透过透镜146’并被反射镜142’朝向分光镜158’反射。这里，从光电场增强基板30反射的激励光LI被半反射镜144朝向分光镜158反射，并且被陷波滤波器151截止。同时，具有与激励光的波长不同的波长的光透过陷波滤波器151，被透镜154会聚，通过针孔152，再次被透镜156平行化，并且入射在分光镜158上。类似地，透过光电场增强基板30的激励光LI透过透镜146’并被反射镜142’朝向分光镜158’反射,并且被陷波滤波器151’截止。同时，具有与激励光的波长不同的波长的光透过陷波滤波器151’，被透镜154’会聚，通过针孔152’，再次被透镜156’平行化,并且入射在分光镜158’上。
如在本实施方式中，在光电场增强装置的透明基板的正面侧和背面侧上设置光检测部150、150’，通过借助未示出的数据处理部对两个分光镜158和158’获得的信号进行加合，使得检测灵敏度增大。
根据上述各实施方式的拉曼光谱装置和方法使用包括具有透明凹凸结构的透明基板和设置在凹凸结构表面上的金属膜的光电场增强基板1、2或30，其中，被检体放置在微细凹凸金属结构上，然后激励光照射到上面放置有被检体的位置上，并且从透明基板的背面侧检测通过照射激励光从被检体生成的光。这允许检测通过在微细凹凸金属结构表面上最强地发生的光电场增强效应增强的拉曼散射光(检测光)，而不论被检体的类型或尺寸如何。
拉曼光谱方法和拉曼光谱装置已经作为本发明的测量方法和测量装置的实施方式进行了描述，但是本发明的测量方法和测量装置还可以应用于等离体子增强荧光检测法和荧光检测装置。在荧光检测装置中，使用光电场增强基板I或2、或光电场增强样品池3，然后被检体放置在金属膜上，并且从被检体侧或从透明基板侧照射激励光，从而可以从基板的背面侧检测增强荧光。
进一步地，在用于不仅测量拉曼散射光或荧光、还测量从已经接收激励光的被检体生成的瑞利散射光、米氏散射光、或第二谐波的测量方法和测量装置中，使用光电场增强基板I或2、或光电场增强样品池3，然后被检体放置在金属膜上，并且从被检体侧或从透明基板侧照射激励光，从而可以生成与局部等离体子共振关联的增强光电场并且可以检测增强光。
示例
此后，将描述根据本发明的第一实施方式的拉曼光谱装置中所设置的光电场增强基板I的特定示例，以及使用测量样品的拉曼光谱测量结果。
光电场增强基板的制造方法
将玻璃基板(BK-7，-一二 > 7社制造的Eagle2000)用作透明基板本体11。然后，用纯水通过超声波清洗(45kHz，3分钟)来清洗基板。使用溅射系统(々 ' 厂八彳、；Ws'社制造的)在清洗后的玻璃基板11上层叠厚度为50nm的铝20。使用表面光度仪(TENCOR社制造的)测量铝的厚度，并且证实厚度为50nm (±10%)。然后，将装有纯水的容器放置在热板上，以使纯水沸腾。把具有铝20的玻璃基板11浸入沸腾水中，然后五分钟后取出。这里，确认了铝在浸入沸腾水中大约I分钟或2分钟后变成透明。该煮沸处理(勃姆石处理)将铝20变成勃姆石层22。最后，将Au以40nm的厚度沉积在勃姆石层22上，作为金属膜24。
拉曼散射光测量
在以上述方式制造的光电场增强基板上，使用附着了染料(罗丹明6G)的测量样品作为被检体，从基板的正面侧和背面侧测量拉曼散射光。
(测量样品的制造方法)
将参照图8描述测量样品的制造方法。
使用通过在光电场增强基板的制造方法中，当通过气相沉积在透明微细凹凸结构层上形成金属膜时在透明基板的周边部上设置掩模，并且在沉积后除去掩模而制成的光电场增强基板。由此，在测量样品用的光电场增强基板的被遮挡区域上不形成金属膜。
首先，如图8中左图所示，在形成金膜24的区域和未形成金膜24的区域上滴下含有染料(罗丹明6G)的溶液(R6G/乙醇:10mM)。
然后，通过使液滴干燥，如图8中右图所示，获得在具有金属膜24的区域和没有金属膜24的区域上都固定有染料41的测量样品。
(拉曼散射光测量方法)
将激励光照射到图9中所示的测量样品的七个测量点上，即，勃姆石的正面侧B_a、金膜的正面侧Au_a、金膜的背`面侧Au_b、金膜上染料的正面侧SAu_a、金膜上颜料的背面侧SAu_b、勃姆石上染料的正面侧S_a、以及勃姆石上染料的背面侧S_b，并且测量拉曼散射光。
使用显微拉曼光谱装置(拉曼5)检测拉曼散射光。例如，金属膜上染料的正面侧的测量是从金属膜上染料的正面侧照射激励光并且从金属膜上染料的正面侧检测拉曼散射光的测量。对于激励光，使用具有785nm的峰值波长的激光，并且放大20倍来执行观察。
(测量结果)
图10是例示了显微拉曼光谱装置检测的各位置的拉曼偏移光谱分布的图。
从勃姆石的正面侧B_a、勃姆石上固定的染料的正面侧S_a、以及勃姆石上染料的背面侧S_b，几乎检测不到拉曼散射光的信号。如上所述，已知从正面侧或从背面侧测得未设置金膜的位置处的信号很低。
对于在金膜上固定有染料的位置，在各检测中从正面侧SAu_a和背面侧SAu_b获得高强度光谱，但是背景都较高。在图10中，虚线示出了可以被认为是背景的部分。通过减去背景而获得的信号可以是纯拉曼位移信号。在从金膜上染料的正面侧3八1!_&和背面侧5八11_13的检测之间的相应的位置处检测到的拉曼位移信号的强度相等。
至今为止，没有从基板的背面侧检测到拉曼信号的拉曼测量的情况，而且本发明人已经发现通过利用本发明的光电场增强装置的上述拉曼测量，可以从基板的背面侧检测拉曼信号。
根据测量结果，本发明人假设通过照射到微细凹凸金属结构上的光所产生的局部等离体子而增强的光电场与样品相互作用，并且进一步地，在微细凹凸金属结构和拉曼散射光之间的某种相互作用使得从背面侧获得信号，该信号的强度与从正面侧获得的信号的强度等同。
在本示例中，使用干燥并固定的染料作为测量样品的被检体，S卩，被检体的厚度非常薄，使得金膜上染料的正面侧和背面侧之间的信号的强度几乎相同。但是，在针对诸如细胞等的具有一个微米量级的厚度的样品执行拉曼光谱法的情况下，可能更有利的是，从背面侧检测具有高增强效应的金膜和样品之间的界面附近的信号。
借助利用具有透明基板本体和微细凹凸结构的光电场增强装置的测量方法和测量装置，首次实现这样的从基板的背面侧检测拉曼信号。对于使用传统光电场增强基板(该传统光电场增强基板被构造为使得凹凸结构设置在不透明基板上或者由不透明材料制成的凹凸结构设置在透明基板上)的测量方法和测量装置，难以从基板的背面侧检测拉曼散射光。
至今为止，由于从未考虑可以从基板的背面侧检测通过在凹凸金属结构表面中所产生的增强光电场所增强的拉曼光，所以用透明材料制造基板和凹凸结构的想法本身首先不存在，并且不存在基板本体和微细凹凸结构两者都由透明材料制成的增强拉曼装置(光电场增强基板)。
采用从不仅用于测量拉曼光谱还用于测量荧光、二次谐波、米氏散射光和瑞利散射光的光电场增强基板的透明基板的背面侧检测光的构造，允许在不被被检体遮蔽的情况下检测在金属膜表面上从被检体生成的且被增强的光，借此可以实现高信号强度测量。
权利要求
1.一种使用光电场增强设备的测量方法，该光电场增强设备包括表面上具有透明的微细凹凸结构的透明基板、以及在该表面的微细凹凸结构表面上形成的金属膜，所述测量方法包括以下步骤: 将被检体放置在该光电场增强设备的所述金属膜上； 将激励光照射到所述光电场增强设备的放置有所述被检体的区域上；以及 从所述透明基板的背面侧检测通过照射所述激励光而生成的光。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，从所述透明基板的背面侧照射所述激励光。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其中，检测拉曼散射光、荧光以及高阶谐波中的任意一方，作为通过照射所述激励光而生成的光。
4.一种测量装置，该测量装置包括: 光电场增强设备，其包括表面上具有透明的微细凹凸结构的透明基板以及在该表面的微细凹凸结构表面上形成的金属膜，其中，被检体放置在形成有该金属膜的正面侧； 激励光照射部，其向所述光电场增强设备的放置有所述被检体的区域照射激励光；以及 光检测部，其设置在所述光电场增强设备的背面侧并且从所述透明基板的背面侧检测通过照射所述激励光而生成的光。
5.根据权利要求4所述的测量装置，其中，所述激励光照射部设置在所述光电场增强设备的背面侧，从所述透明基板的背面侧照射所述激励光。
6.根据权利要求4或5所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备的所述透明基板由透明基板本体和设置在所述透明基板本体的表面上的微细凹凸结构层形成，其中，所述微细凹凸结构层由与所述透明基板本体的材料不同的材料制成，并且构成所述微细凹凸结构。
7.根据权利要求6所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备的所述微细凹凸结构层由勃姆石制成。
8.根据权利要求4至7中任一项所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备的所述金属膜具有10至IOOnm的膜厚。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的测量装置，其中，所述测量装置包括在所述光电场增强设备的所述透明基板的背面上、充当防反射膜的透明的第二微细凹凸结构层。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备的所述第二微细凹凸结构层由勃姆石制成。
11.根据权利要求4至10中任一项所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备包括用于在所述透明基板的所述金属膜上保持液体样品的液体样品保持部件。
12.根据权利要求11所述的测量装置，其中，所述光电场增强设备的所述液体样品保持部件具有液体的流入部和流出部。
全文摘要
为了在局部等离体子的光增强效应用于增强并检测从被检体生成的微弱光的测量方法中，实现具有提高的信噪比的测量。利用光电场增强设备(1)，该设备设置有表面上具有透明微细凹凸结构(22)的透明基板(10)和形成在该表面上的微细凹凸结构(22)表面上的金属膜(24)，其中，被检体(S)放置在光电场增强设备(1)的金属膜(24)上，激励光(L1)照射到光电场增强设备(1)的放置有被检体(S)的区域上，并且从透明基板(10)的背面侧检测通过照射激励光(L1)所生成的光。
文档编号G01N21/64GK103109178SQ20118004447
公开日2013年5月15日 申请日期2011年9月5日 优先权日2010年9月17日
发明者纳谷昌之, 白田真也 申请人:富士胶片株式会社