JP2014163869A - 光学素子、分析装置、分析方法、および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい光学素子を提供する。
【解決手段】本発明に係る光学素子１００は、第１方向を厚さ方向とする金属層１０と、金属層１０から第１方向に離間して設けられた金属粒子３０と、金属層１０と金属粒子３０を離間する透光層２０と、を含み、金属粒子３０は、第１方向と直交する第２方向、並びに第１方向および第２方向と直交する第３方向に格子状配置として、前記第２方向の間隔と前記第３方向の間隔とがともに間隔Ｓで配置され、Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学素子、分析装置、分析方法、および電子機器に関する。

医療・健康分野をはじめ、環境、食品、公安等の分野において、微量の物質を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するセンシング技術が求められている。センシングの対象となる微量の物質は非常に多岐にわたっており、例えば、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物がセンシングの対象となる。従来、微量物質の検知は、サンプリング、分析、解析を経て行われているが、専用の装置が必要で、検査作業者の熟練を要するため、その場での分析は困難な場合が多かった。そのため、検査結果を得るまでに長期間（数日以上）を要している。センシング技術において、迅速かつ簡便であることの要求は非常に強く、その要求に応えることのできるセンサーの開発が望まれている。

例えば、集積化が比較的容易で、検査・測定環境に影響を受けにくいとの期待から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）を利用するセンサーや、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を利用したセンサーの関心が高まっている。

このようなセンサーとして、特許文献１には、基板上に形成された高反射層と、高反射層上に形成された誘電体層と、誘電体層上に形成され、金属微粒子を有する増強電磁場形成層と、を備えたＧＳＰＰ（Ｇａｐ ｔｙｐｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｐｏｌａｒｉｔｏｎ）構造を有するセンサーが開示されている。このようなセンサーは、光照射により励起される表面プラズモン（ＳＰ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）に基づく光の増強度が大きいことが望ましい。

特開２０１２−１３２８０４号公報

上記特許文献１では、金属微粒子が、例えば２次元的にランダムに配置され、その断面粒径が３０〜４００ｎｍ、厚さが５〜７０ｎｍ、および誘電体層の厚さが６０〜９０ｎｍであることが記載されている。

しかしながら、上記のような粒子等を備えた特許文献１のセンサーでは、光照射により励起される表面プラズモンに基づいて、光の増強度を大きくする効果は、必ずしも十分であるとはいえない。

本発明は、上記の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、そのいくつかの態様に係る目的の１つは、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい光学素子および分析方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の１つは、上記光学素子を含む分析装置および電子機器を提供することにある。

本発明に係る光学素子は、
第１方向を厚さ方向とする金属層と、
前記金属層から前記第１方向に離間して設けられた金属粒子と、
前記金属層と前記金属粒子を離間する透光層と、
を含み、
前記金属粒子は、前記第１方向と直交する第２方向、並びに前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に格子状配置として、前記第２方向の間隔と前記第３方向の間隔とがともに間隔Ｓで配置され、
前記Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい。

本発明に係る光学素子において、
前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦２０ｎｍの関係を満たしてもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記透光層は、酸化珪素を含み、
前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの関係を満たしてもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記透光層は、酸化珪素を含み、
前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの関係を満たし、
前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、２２０ｎｍ≦Ｇ≦２８０ｎｍの関係を満たしてもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記透光層は、正の誘電率を有する誘電体であって、
前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの関係を満たし、
２次ピーク増強度ＳＱＲＴは、１次ピーク増強度ＳＱＲＴよりも大きい、または、同等であり、
前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、前記２次ピークの増強度ＳＱＲＴでの厚さとしてもよい。

このような光学素子によれば、透光層の厚さを、屈折率が安定した厚さである２次ピークの増強度ＳＱＲＴでの厚さにすることによって、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、より確実に大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記金属粒子の前記第２方向の大きさＤは、
３０ｎｍ≦Ｄ＜５４ｎｍの関係を満たしてもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記金属粒子の前記第１方向の大きさＴは、
４ｎｍ≦Ｔ＜２０ｎｍの関係を満たしてもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる。

本発明に係る光学素子において、
前記金属粒子の前記第１方向の大きさおよび前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する光が照射されると、ラマン散乱光を増強してもよい。

このような光学素子によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい。

本発明に係る分析装置は、
本発明に係る光学素子と、
前記光学素子に光を照射する光源と、
前記光源からの光の照射による前記光学素子からの光を検出する検出器と、
を含む。

このような分析装置によれば、本発明に係る分析装置を含むため、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出してもよい。

このような分析装置によれば、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析装置において、
前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の前記第１方向の大きさおよび前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する光を照射してもよい。

このような分析装置によれば、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る分析方法は、
光学素子の検出領域に分析対象物を含む物質を導入し、前記光学素子に光を照射し、前記光の照射による前記光学素子からの光を検出して分析する分析方法であって、
前記光学素子は、
第１方向を厚さ方向とする金属層と、
前記金属層から前記第１方向に離間して設けられた金属粒子と、
前記金属層と前記金属粒子を離間する透光層と、
を含み、
前記金属粒子は、前記第１方向と直交する第２方向、並びに前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に格子状配置として、前記第２方向の間隔と前記第３方向との間隔がともに間隔Ｓで配置され、
前記Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす。

このような分析方法によれば、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を大きくすることができ、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

本発明に係る電子機器は、
本発明に係る分析装置と、
前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む。

このような電子機器によれば、本発明に係る分析装置を含むため、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。

本発明に係る電子機器において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含んでもよい。

このような電子機器によれば、有用な健康医療情報を提供することができる。

本実施形態に係る光学素子を模式的に示す斜視図。 本実施形態に係る光学素子を模式的に示す平面図。 本実施形態に係る光学素子を模式的に示す断面図。 本実施形態に係る光学素子を模式的に示す断面図。 Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕの誘電率の波長特性を示すグラフ。 ＡｌおよびＰｔの誘電率の波長特性を示すグラフ。 本実施形態に係る分析装置を模式的に示す図。 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。 実験例に係るモデルを模式的に示す断面図。 実験例に係るモデルのＳｉＯ₂層の厚さと増強度との関係を示すグラフ。 実験例に係るモデルのＡｇ粒子の間隔と反射率との関係を示すグラフ。 実験例に係るモデルのＡｇ粒子のピッチおよび厚さと増強度との関係を示すグラフ。

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではない。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。

１． 光学素子
まず、本実施形態に係る光学素子について、図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す斜視図である。図２は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す平面図である。図３は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す図２のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面図である。図４は、本実施形態に係る光学素子１００を模式的に示す図２のＩＶ−ＩＶ線断面図である。

なお、図１〜４および以下に示す図８では、互いに直交する３つの軸として、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸を図示している。また、以下では、Ｘ軸に平行な方向をＸ軸方向（第２方向）、Ｙ軸に平行な方向をＹ軸方向（第３方向）、Ｚ軸に平行な方向をＺ軸方向（第１方向）という。

光学素子１００は、図１〜図４に示すように、金属層１０と、金属粒子３０と、を含む。さらに、光学素子１００は、基板１と、透光層２０と、を含むことができる。

１．１． 金属層
金属層１０は、光を透過しない金属の表面を提供するものであれば、特に限定されず、例えば、厚板状であってもよいし、フィルム、層または膜の形状を有してもよい。金属層１０は、例えば基板１の上に設けられてもよい。基板１としては、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板などが挙げられる。基板１の金属層１０が設けられる面の形状は、特に限定されない。基板１は、金属層１０の表面に規則構造を形成する場合にはその規則構造に対応する表面を有してもよいし、金属層１０の表面を平面とする場合には平坦な表面（平面）を有していてもよい。図示の例では、基板１の表面（平面）の上に金属層１０が設けられている。

ここで、平面との表現を用いているが、係る表現は、表面が、わずかの凹凸もなく平坦（スムース）な数学的に厳密な平面を指すものではない。例えば、表面には、構成する原子に起因する凹凸や、構成する物質の二次的な構造（結晶、粒塊、粒界等）に起因する凹凸などが存在する場合が有り、微視的にみれば厳密な平面ではない場合がある。しかし、そのような場合でも、より巨視的な視点でみれば、これらの凹凸は目立たなくなり、表面を平面と称しても差し支えない程度に観測される。したがって、本明細書では、このようなより巨視的な視点でみた場合に平面と認識できれば、これを平面と称することとする。

また、本明細書では、金属層１０の厚さ方向をＺ軸方向（第１方向）と定義する。例えば、金属層１０が基板１の表面に設けられる場合には、基板１の表面の法線方向がＺ軸方向である。

金属層１０は、例えば、蒸着、スパッタ、鋳造、機械加工等の手法により形成することができる。金属層１０は、基板１の表面の全面に設けられてもよいし、基板１の表面の一部に設けられてもよい。金属層１０の厚さは、例えば、１０ｎｍ以上１ｍｍ以下、好ましくは２０ｎｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは３０ｎｍ以上１μｍ以下とすることができる。

金属層１０は、入射光により与えられる電場と、その電場によって誘起される分極とが逆位相で振動するような電場が存在する金属、すなわち、特定の電場が与えられた場合に、誘電関数の実数部が負の値を有し（負の誘電率を有し）、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。可視光領域におけるこのような誘電率を有しうる金属の例としては、金、銀、アルミニウム、銅、およびそれらの合金等を挙げることができる。また、金属層１０の表面（第１方向の端面）は、特定の結晶面であってもなくてもよい。金属層１０中にナノ粒子が疑似的に形成され、該ナノ粒子と金属粒子３０との間で、局在型プラズモンを励起させることができる。

１．２． 透光層
透光層２０は、金属層１０上に設けられ、金属層１０と金属粒子３０との間に設けられている。透光層２０は、金属層１０と金属粒子３０とを離間している。透光層２０は、フィルム、層または膜の形状を有することができる。透光層２０は、金属層１０と金属粒子
３０とを隔てることができる。透光層２０は、金属層１０からＺ軸方向に金属粒子３０を離間する厚さＧを有している。

透光層２０は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）、各種コーティング等の手法により形成することができる。透光層２０は、金属層１０の表面の全面に設けられていてもよいし、金属層１０の表面の一部に設けられていてもよい。透光層２０は、Ｚ軸方向を厚さ方向としている。

透光層２０の厚さＧは、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍ、または、２２０ｎｍ≦Ｇ≦２８０ｎｍの関係を満たすことができる。これにより、光学素子１００は、光の増強度を大きくすることができる（詳細は後述する実験例参照）。

また、２次ピークの増強度ＳＱＲＴは、１次ピークの増強度ＳＱＲＴよりも大きい、または、同等であり、透光層２０の厚さＧは、２次ピークの増強度ＳＱＲＴでの厚さとしてもよい。すなわち、透光層２０の厚さＧを、２次ピークの増強度ＳＱＲＴを有するときの厚さとしてもよい。なお、１次ピークおよび２次ピークについての定義等は、後述する。

透光層２０は、酸化珪素（ＳｉＯ₂）を含む。透光層２０は、正の誘電率を持てばよく、材質は、ＳｉＯ₂であってもよいし、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＭｇＦ、ＩＴＯ、高分子でもよい。さらに、透光層２０は、材質の互いに異なる複数の層から構成されていてもよいし複合膜でもよい。

１．３． 金属粒子
金属粒子３０は、金属層１０からＺ軸方向に離間して設けられる。図示の例では、金属層１０の上に透光層２０が設けられ、その上に金属粒子３０が形成されることにより、金属層１０と金属粒子３０とがＺ軸方向で離間して配置されている。

金属粒子３０の形状は、特に限定されず、Ｚ軸方向に投影した場合に（Ｚ軸方向からの平面視において）、円形、楕円形、多角形、不定形、またはそれらを組み合わせた形であることができる。図示の例では、金属粒子３０は、Ｚ軸方向に中心軸を有する円柱状の形状であり、金属粒子３０の平面形状（Ｚ軸方向から見た形状）は、円形である。

金属粒子３０のＸ軸方向の大きさＤｘは、Ｘ軸に垂直な平面によって金属粒子３０を切ることができる区間の長さを指し、３０ｎｍ≦Ｄｘ＜５４ｎｍの関係を満たす。さらに、Ｄｘは、４６ｎｍ≦Ｄｘ≦５０ｎｍの関係を満たすことができる。金属粒子３０のＹ軸方向の大きさＤｙは、Ｙ軸に垂直な平面によって金属粒子３０を切ることができる区間の長さを指し、３０ｎｍ≦Ｄｙ＜５４ｎｍの関係を満たす。さらに、Ｄｘは、４６ｎｍ≦Ｄｙ≦５０ｎｍの関係を満たすことができる。

図示の例では、ＤｘとＤｙとは、同じ大きさＤであり、金属粒子３０の直径（円柱状の金属粒子３０の底面の直径）である。すなわち、直径Ｄは、３０ｎｍ≦Ｄ＜５４ｎｍの関係を満たし、より好ましくは、４６ｎｍ≦Ｄ≦５０ｎｍの関係を満たすことができる。これにより、光学素子１００は、光の増強度を大きくすることができる（詳細は後述する実験例参照）。

金属粒子３０のＺ軸方向の大きさＴは、４ｎｍ≦Ｔ＜２０ｎｍの関係を満たし、より好ましくは、４ｎｍ≦Ｔ≦１２ｎｍの関係を満たすことができる。これにより、光学素子１００は、光の増強度を大きくすることができる（詳細は後述する実験例参照）。図示の例では、Ｔは、金属粒子３０の厚さ（高さ）である。

金属粒子３０は、複数設けられている。金属粒子３０は、Ｘ軸方向にピッチＰｘで配置され、Ｙ軸方向にピッチＰｙで配置されている。図示の例では、ＰｘおよびＰｙは、同じ大きさＰである。すなわち、金属粒子３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に等ピッチＰを有して格子状に（行列状に）配置されている。Ｐは、４０ｎｍ≦Ｐ＜７０ｎｍの関係を満たすことができる。

なお、「ピッチＰｘ」とは、Ｘ軸方向において隣り合う金属粒子３０の重心間の距離である。同様に、「ピッチＰｙ」とは、Ｙ軸方向において隣り合う金属粒子３０の重心間の距離である。

金属粒子３０は、Ｘ軸方向に間隔Ｓｘで配置され、Ｙ軸方向に間隔Ｓｙで配置されている。図示の例では、ＳｘおよびＳｙは、同じ大きさＳである。すなわち、金属粒子３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に等間隔Ｓを有して格子状に（行列状に）配置されている。言い換えると、金属粒子３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に格子状配置として、Ｘ軸方向の間隔とＹ軸方向の間隔とがともに間隔Ｓで配置されている。Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たし、より好ましくは、１０ｎｍ≦Ｓ≦２０ｎｍの関係を満たし、さらにより好ましくは、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの関係を満たす。これにより、光学素子１００は、光の増強度を大きくすることができる（詳細は後述する実験例参照）。

なお、「間隔Ｓｘ」とは、Ｘ軸方向において隣り合う金属粒子３０間の最短距離である。同様に、「間隔Ｓｙ」とは、Ｙ軸方向において隣り合う金属粒子３０間の最短距離である。

金属粒子３０は、金属層１０と同様に、負の誘電率を有し、虚数部の誘電率が実数部の誘電率の絶対値よりも小さい誘電率を有することのできる金属によって構成される。さらに、虚数部の誘電率がゼロに近いほどよく、電子がプラズマ振動する際のエネルギーロスがなくなり増強効果は増大する。より具体的には、金属粒子３０の材質としては、例えば、金、銀、アルミニウム、銅、白金、およびそれらの合金あるいは多層構造等を挙げることができる。

金属粒子３０は、例えば、スパッタ、蒸着等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成することができる。また、金属粒子３０は、コロイド化学的手法によって形成することができ、これを適宜の手法によって金属層１０から離間した位置に配置してもよい。

金属粒子３０は、局在型プラズモン（ＬＳＰ：Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ）を発生させる機能を有している。金属粒子３０に、所定の条件で入射光を照射することにより、金属粒子３０の周辺に局在型プラズモンを発生させることができる。

１．４． 局在型プラズモン
金属粒子３０に光が照射されたとき、金属粒子３０内の自由電子は、集団的に振動し電気分極を生じるが、それに伴う表面電荷により反分極電場が発生する。反分極電場とは、外部電場が金属粒子３０に印加された場合に、金属粒子３０内に発生する外部電場とは逆方向の電場のことである。反分極電場は、自由電子に影響を及ぼし、自由電子の振動の様子は、変化する。これにより、金属粒子３０特有の振動が励起される。この金属粒子３０特有の振動が、局在型プラズモンである。

局在型プラズモンは、金属粒子３０の近傍領域に局在化したプラズモンであるため強度が大きい。特に、金属粒子３０が複数存在し、隣り合う金属粒子３０の間隔が所定の値を
満たすと、隣り合う金属粒子３０間に、特に強いプラズモンが励起される。その結果、光のエネルギーが金属粒子３０表面のプラズモンとなって非常に狭い領域（ホットスポット）に強く集約される。このプラズモンの存在する領域では、光と分子の相互作用が強力に増幅され、ラマン散乱光を強力に増幅するＳＥＲＳを生み出すことになる。

ホットスポットは、金属粒子３０において、入射光の偏光方向に発生する。すなわち、入射光がＸ軸方向に偏光する成分を有している場合には、ホットスポットは、金属粒子３０のＸ軸方向に発生する。ここで、入射光がＸ軸方向に偏光する成分を有している場合において、入射光の波長が、金属粒子３０の厚さおよびＸ軸方向の大きさＤｘよりも大きいと、局在型プラズモンが励起される。すなわち、金属粒子３０の厚さおよびＸ軸方向の大きさＤｘよりも、大きい波長を有する光が照射されると局在型プラズモンが励起される。さらに、Ｘ軸方向において隣り合う金属粒子３０のピッチＰｘが入射光の波長以下であれば、局在型プラズモンの強度は、いっそう大きくなる。

なお、本明細書において、「プラズモンの強度」とは、光照射により励起される表面プラズモン（局在型プラズモンが主体である。）に基づく光の増強度であり、具体的には、ホットスポットの電場強度のことである。

表面プラズモンは、金属粒子３０を構成する金属の誘電関数（誘電率）の実数部が負の値をとるような光の波長で存在する。ここで、「誘電関数（誘電率）の実数部が負の値」とは、金属粒子３０内に発生する外部電場と、該外部電場によって誘起される分極が逆位相で振動することに対応しており、ある波長で、誘電率の虚数部ε２が誘電率の実数部ε１の絶対値よりも小さい金属であれば、表面プラズモンは励起される。さらに、誘電率の虚数部ε２がゼロに近づくと電子のプラズマ振動のロスが無くなり、増強度は無限大となる。すなわち、プラズモンが起きる物質は、誘電率の実数部ε１が負で大きく、虚数部ε２がゼロに近いほど大きなプラズモン強度を得ることができる。

より具体的には、金属粒子３０に局在型プラズモンを生じさせる条件は、誘電率の実数部により、
Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２ε
で与えられる。周辺の屈折率ｎを１とすると誘電率の実数部ε１＝ｎ²−κ²＝１なので、Ｒｅａｌ［ε（ω）］＝−２となる。ここで、ωは、金属粒子３０に入射される入射光の角振動数、ε（ω）は、金属粒子３０を構成する金属の誘電率、εは、周辺の誘電率である。なお、誘電率の虚数部ε２は、ε２＝２ｎκで与えられる。

図５に、Ａｇ、Ａｕ、およびＣｕ金属の誘電率の波長特性を示した。また、図６に、ＡｌおよびＰｔ金属の誘電率の波長特性を示した。上記のプラズモン励起条件を満足する金属および波長は、Ａｇは３５０ｎｍ以上の波長、Ａｕは５００ｎｍ以上の波長、Ｃｕは５５０ｎｍ以上の波長、Ａｌは４２０ｎｍ以下であり、これらの波長を有する金属の各々でプラズモンが励起される。Ａｇの虚数部ε２が最もゼロに近い。一方、Ｐｔは、虚数部ε２の値が大きく、紫外から赤外の波長帯ではプラズモンが励起しないことが導かれる。図５に示すように、少なくとも３５０ｎｍ以上の波長において、ε２の絶対値は、ε１の絶対値よりも小さい。すなわち、金属粒子３０の材質が銀である場合に、局在型プラズモンを励起させる場合には、金属粒子３０に３５０ｎｍ以上の波長の光を照射する必要がある。

なお、ＡｇがＲｅａｌ［ε（ω）］＝−２を満足する波長は、図５より、３７０ｎｍ近傍であるが、上記のように、複数の金属粒子３０（Ａｇ粒子）がナノオーダーで近づく場合や、金属粒子３０と金属層１０（Ａｕ膜等）が透光層２０によって隔てられて配置された場合には、そのギャップの影響により、局在型プラズモンの励起ピーク波長は、レッド
シフト（長波長側へシフト）する。このシフト量は、金属粒子３０の径Ｄｘ，Ｄｙ、金属粒子３０の厚さＴ、金属粒子３０のピッチＰｘ，Ｐｙ、透光層２０の厚さＧ等のディメンジョンに依るが、例えば、５００ｎｍ〜１２００ｎｍに局在型プラズモンがピークとなる波長特性を示すことになる。

１．５． 被覆層
光学素子１００は、必要に応じて被覆層を有してもよい。図示しないが、被覆層は、金属粒子３０を覆うように形成されることができる。また、被覆層は、金属粒子３０を露出させて、その他の構成を被覆するように形成されてもよい。

被覆層は、例えば、金属粒子３０やその他の構成を環境から、機械的、化学的に保護する機能を有する。さらに、被覆層は、センシングの対象となる微量の物質を固着する機能を有することもある。被覆層は、例えば、蒸着、スパッタ、ＣＶＤ、各種コーティング等の手法により形成することができる。被覆層の材質は、特に制限はなく、例えば、ＳｉＯ₂、Ａｌ₂Ｏ₃、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｓｉ₃Ｎ₄等絶縁体だけでなく、ＩＴＯ等透明導電膜やＣｕ、Ａｌなどの金属、及び高分子、などで形成することができるが、厚さは数ナノ以下と薄いことが好ましい。

光学素子１００は、例えば、以下の特徴を有する。

光学素子１００では、金属粒子３０は、Ｘ軸方向およびＹ軸方向に間隔Ｓを有して格子ス状に配置され、間隔Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす。そのため、光学素子１００では、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい（詳細は後述の実験例参照）。これにより、光学素子１００は、高い増強度を有するため、例えば、医療・健康、環境、食品、公安等の分野において、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、各種抗原・抗体などの生体関連物質や、無機分子、有機分子、高分子を含む各種の化合物を高感度、高精度、迅速かつ簡便に検知するためのセンサーに用いることができる。例えば、光学素子１００の金属粒子３０に抗体を結合してこのときの増強度を求めておき、該抗体に抗原が結合した場合の増強度の変化に基づいて抗原の有無や量を調べることができる。また、光学素子１００の光の増強度を利用して、微量物質のラマン散乱光の増強に用いることができる。

光学素子１００では、金属粒子３０の間隔Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦２０ｎｍの関係を満たし、透光層２０の厚さＧは、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの関係を満たすことができる。さらに、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍ、かつ２２０ｎｍ≦Ｇ≦２８０ｎｍの関係を満たすことができる。さらに、透光層２０が酸化珪素層の場合に、金属粒子３０の大きさＤは、３０ｎｍ≦Ｄ＜５４ｎｍの関係を満たし、金属粒子３０の厚さＴは、４ｎｍ≦Ｔ＜２０ｎｍの関係を満たすことができる。そのため、光学素子１００では、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度を、よりいっそう大きくすることができる（詳細は後述の実験例参照）。

２． 分析装置
次に、本実施形態に係る分析装置１０００について、図面を参照しながら説明する。図７は、本実施形態に係る分析装置１０００の要部を模式的に示す図である。分析装置１０００は、本発明に係る光学素子を含むことができる。以下では、本発明に係る光学素子として上記の光学素子１００を含む分析装置１０００について説明する。

分析装置１０００は、図７に示すように、光学素子１００と、入射光を照射する光源２００と、光学素子１００から放射される光を検出する検出器３００と、を含む。分析装置１０００は、図示せぬその他の適宜な構成を含んでいてもよい。

光学素子１００は、分析装置１０００において、光を増強する作用、およびセンサーとしての作用を担う。光学素子１００は、分析装置１０００の分析の対象となる試料に接触させて用いられる。分析装置１０００における光学素子１００の配置は、特に制限されず、設置角度等の調節可能なステージ等に設置されてもよい。

光源２００は、光学素子１００に対して入射光を照射する。光源２００は、光学素子１００に、金属粒子３０の厚さＴ、および金属粒子３０の大きさＤｘ，Ｄｙよりも大きい波長を入射する。光源２００から照射される入射光の入射角θは、光学素子１００の表面プラズモンの励起条件に応じて適宜変化させることができるようにしてもよい。光源２００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。

光源２００が照射する光は、光学素子１００の表面プラズモンを励起することができれば、特に限定されず、紫外光、可視光、赤外光を含む、電磁波とすることができる。光源２００が照射する光は、金属粒子３０の大きさが３０ｎｍ以上５０ｎｍ未満となる方向に、偏光する成分を有することができる。より具体的には、光源２００が照射する光は、Ｘ軸方向に偏光する成分を有している。さらに、光源２００が照射する光は、Ｙ軸方向に偏光する成分を有していてもよい。また、光源２００が照射する光は、コヒーレントな光であってもなくてもよい。具体的には、光源２００としては、半導体レーザー、気体レーザー、ハロゲンランプ、高圧水銀灯、キセノンランプなどを例示することができる。

光源２００からの光が入射光となって、光学素子１００から増強された光が放射される。これにより、試料のラマン散乱光の増幅や、光学素子１００と相互作用した物質の検出を行うことができる。

検出器３００は、光源２００からの光の照射に応じて、光学素子１００から放射された光を検出する。具体的には、検出器３００は、光学素子１００によって増強されたラマン散乱光を検出することができる。検出器３００としては、例えば、ＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ
Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ）、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを用いることができる。

検出器３００は、光学素子１００から放射される光を検出できる位置に設けられればよく、光源２００との位置関係も特に制限はない。また、検出器３００は、ゴニオメーター等に設置されてもよい。

分析装置１０００では、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい光学素子１００を含む。そのため、分析装置１０００は、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

３．分析方法
次に、本実施形態に係る分析方法について、図面を参照しながら説明する。本実施形態に係る分析方法は、本発明に係る分析装置を用いることができる。以下では、本発明に係る分析装置として上記の分析装置１０００を用いる分析方法について説明する。

本実施形態に係る分析方法は、図７に示すように、光学素子１００の検出領域に分析対象物を含む物質を導入し、光学素子１００に入射光を照射し、該入射光の照射に応じて光学素子１００から放射される光を検出して、光学素子１００表面に付着させた対象物を分析する分析方法である。

本実施形態に係る分析方法では、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の
増強度が大きい光学素子１００を用いる。そのため、微量物質の検出、測定を容易に行うことができる。

４． 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器２０００について、図面を参照しながら説明する。図８は、本実施形態に係る電子機器２０００を模式的に示す図である。電子機器２０００は、本発明に係る分析装置を含むことができる。以下では、本発明に係る分析装置として上記の分析装置１０００を含む電子機器２０００について説明する。

電子機器２０００は、図８に示すように、分析装置１０００と、検出器３００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部２０１０と、健康医療情報を記憶する記憶部２０２０と、健康医療情報を表示する表示部２０３０と、を含む。

演算部２０１０は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末（ＰＤＡ：Ｐｅｒｓｏｎａｌ Ｄｉｇｉｔａｌ Ａｓｓｉｓｔａｎｃｅ）であり、検出器３００から送出される検出情報（信号等）を受取り、これに基づく演算を行う。また、演算部２０１０は、分析装置１０００の制御を行ってもよい。例えば、演算部２０１０は、分析装置１０００の光源２００の出力、位置等の制御や、検出器４００の位置の制御などを行ってもよい。演算部２０１０は、検出器３００からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算することができる。そして、演算部２０１０によって演算された健康医療情報は、記憶部２０２０に記憶される。

記憶部２０２０は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部２０１０と一体的に構成されてもよい。記憶部２０２０に記憶された健康医療情報は、表示部２０３０に送出される。

表示部２０３０は、例えば、表示板（液晶モニター等）、プリンター、発光体、スピーカー等により構成される。表示部２０３０は、演算部２０１０によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。

電子機器２０００では、光照射により励起される表面プラズモンに基づく光の増強度が大きい光学素子１００を含む。そのため、電子機器２０００は、微量物質の検出を容易に行うことができ、高精度な健康医療情報を提供することができる。さらに、電子機器２０００は、有用な健康医療情報を提供することができる。

５． 実験例
以下に実験例を示し、本発明をさらに説明するが、本発明は以下の例によってなんら限定されるものではない。以下の例は、計算機によるシミュレーションである。

５．１． 計算モデル
図９は、シミュレーションに用いるモデルＭの基本構造を模式的に示す断面図である。実験例の計算に用いたモデルＭは、図９に示すように、光が透過しない程度に十分厚いＡｕ層（金属層）上にＳｉＯ₂層（透光層）を形成し、ＳｉＯ₂層上にＡｇ粒子（金属粒子）を形成したものである。Ａｇ粒子の形状は、Ｚ軸方向を中心軸とする円柱とし、複数のＡｇ粒子を、等間隔ＳでＸ軸方向およびＹ軸方向に格子状に配置した。

本実験例において、計算は、サイバネットシステム株式会社のＦＤＴＤ ｓｏｆｔ Ｆｕｌｌｗａｖｅを用いた。また、用いたメッシュの条件は、１ｎｍ最小メッシュとし、計算時間ｃＴは１０μｍとした。また、周辺屈折率を１とし、入射光は、Ｚ軸方向からの垂直入射で、Ｘ軸方向に直線偏光とした。

本実験例では、上記のようなモデルＭにおいて、Ａｇ粒子の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）Ｔ、Ａｇ粒子の直径（底面の直径、Ｘ軸方向の大きさおよびＹ軸方向の大きさ）Ｄ、Ａｇ粒子のピッチＰ、Ａｇ粒子の間隔Ｓ、およびＳｉＯ₂層の厚さ（Ｚ軸方向の大きさ）Ｇを変化させて、増強度を計算した。

なお、本実験例において「増強度」とは、モデルＭに入射する光の強度に対する、モデルＭから放射される光の強度の割合であり、ＳＱＲＴ（Ｅｘ²＋Ｅｚ²）で表すこととする。これは、モデルＭにおいて近接場（Ｎｅｒ ｆｉｅｌｄ）特性を計算したところ、ホットスポット（最大増強位置）がＹｅｅＣｅｌｌの位置が最低メッシュサイズの半分ずれるだけで、電場ベクトルの向きが大きく変化するケースがあることがわかった。そこで電場をスカラーで表記するとＹｅｅＣｅｌｌの位置の影響が少なくなることが判明したためである。ここで、Ｅｘは、Ｘ軸方向の電場強度を示し、Ｅｚは、Ｚ軸方向の電場強度を示す。なお、この場合には、Ｙ軸方向の電場強度は小さいので考慮していない。

５．２． 実験例１
Ａｇ粒子のピッチＰを６０ｎｍ、Ａｇ粒子の厚さＴを１２ｎｍ、および励起波長（プラズモンを励起させる光の波長、モデルＭに入射する光の波長）を６３３ｎｍに固定した。そして、Ａｇ粒子の直径Ｄを、４０ｎｍ、４６ｎｍ、５０ｎｍ、５４ｎｍとして、ＳｉＯ₂層の厚さＧと増強度との関係を調べた。その結果を図１０に示す。

図１０に示すように、Ｄ＝４０ｎｍ、４６ｎｍ、５０ｎｍのモデルにおいて、増強度は、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの範囲で１つ目のピーク（１次ピーク）を有し、２２０ｎｍ≦Ｇ≦２８０ｎｍの範囲で２つ目のピーク（２次ピーク）を有した。さらに、１次ピークおよび２次ピークの値は、いずれも３０より大きかった。一方、Ｄ＝５４ｎｍのモデルにおいては、他のモデルのように明確な１次ピークおよび２次ピークを有さず、増強度は３０程度と小さかった。Ｐ＝６０ｎｍであるため、Ｄ＝４０ｎｍ、４６ｎｍ、５０ｎｍ、５４ｎｍのモデルのＡｇ粒子間隔Ｓは、それぞれ、Ｓ＝２０ｎｍ、１４ｎｍ、１０ｎｍ、６ｎｍである。

したがって、図１０より、増強度は、６ｎｍ＜Ｓ≦２０ｎｍ（４０ｎｍ≦Ｄ＜５４ｎｍ）の範囲で大きくなり、さらに、１０ｎｍ≦Ｓ≦２０ｎｍ（４０ｎｍ≦Ｄ≦５０ｎｍ）の範囲でより大きくなり、さらに、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの範囲で、よりいっそう大きくなることが判明した。

なお、１次ピークは、Ａｇ粒子とＡｕ金属層ギャップ間の局在型プラズモンに基づくピークであり、２次ピークは、干渉効果に基づくピークであると考えられる。１次ピークは、透光層の厚さＧが小さい側に出現する増強度のピークであり、２次ピークは、透光層の厚さＧが大きい側に出現する増強度のピークである。ここで、「干渉効果」とは、ＳｉＯ₂層の上面（ＳｉＯ₂層のＡｇ粒子との接触面）で反射した光と、ＳｉＯ₂層の下面（ＳｉＯ₂層のＡｕ層との接触面）で反射した光とが、互いに干渉を起こし、光の位相が一致すると強度が強まり、ずれると強度が弱まるという現象のことである。

図１０により、透光層の主な材質がＳｉＯ₂の場合、２０ｎｍ≦Ｇ≦８０ｎｍ、または、２００ｎｍ≦Ｇ≦３００ｎｍの範囲で、増強度は大きくなることを例示する。

干渉効果を利用した透光層の厚さＧに対する増強度ＳＱＲＴの増強度が高くなる条件は透光層の厚さＧと屈折率ｎと波長λが、Ｇ≒ｍ・λ／（２・ｎ） ｍ＝±１、±２、・・・である。ｍ＝１の場合、Ｇ＝λ／（２・ｎ）としてλ＝６３３ｎｍ、ｎ＝１．４５を代入するとＧｄ＝２１８ｎｍとなる。これは、Ｄ＝５０ｎｍのときにピークを示す透光層の厚さＧに、ほぼ一致している。Ｄ＝４６ｎｍのときは、２４０ｎｍで２ｎｄピークを取っている。実効屈折率は、ｎeff＝６３３／（２×２４０）＝１．３２となる。実効屈折率は、開口面積が広がる（Ｐ＝６０ｎｍ，Ｄ＝５０ｎｍからＰ＝６０ｎｍ，Ｄ＝４６ｎｍとなる）と低下するからであると考えられる。

以上のことから、透光層がＳｉＯ₂の屈折率＝１．４５より大きなＡｌ₂Ｏ₃＝１．７６やＴｉＯ₂＝２．５２とした場合は、透光層の屈折率の大きさに反比例し透光層の厚さＧに対する増強度ピークは、透光層の厚さＧが薄い側へシフトする。しかし、透光層の厚さの１ｓｔ ｐｅａｋ（１次ピーク）、２ｎｄ ｐｅａｋ（２次ピーク）による効果は同じである。つまり、１ｓｔ ｐｅａｋ ＳＱＲＴ（Ｅｘ²＋Ｅｚ²）≦２ｎｄ ｐｅａｋ ＳＱＲＴ（Ｅｘ²＋Ｅｚ²）が成り立っていることを新たに発見した。すなわち、透光層は、正の誘電率を有する誘電体であって、２次ピークの増強度ＳＱＲＴは、１次ピーク増強度ＳＱＲＴよりも大きい、または、同等である。

Ｄ＝５４ｎｍ（Ｓ＝６ｎｍ）のモデルのように、間隔Ｓを６ｎｍ以下にすると、入射光がＡｕ層に届きにくくなり、ＳｉＯ₂層の効果を利用することができないため、増強度が小さくなると考えられる。

５．３． 実験例２
Ａｇ粒子の直径Ｄを３０ｎｍ、Ａｇ粒子の厚さＴを４ｎｍ、ＳｉＯ₂層の厚さＧを１０ｎｍ〜５０ｎｍに振った。そして、Ａｇ粒子のピッチＰを、４０ｎｍ、５０ｎｍ、６０ｎｍ、７０ｎｍ、８０ｎｍとして（すなわち、Ａｇ粒子の間隔Ｓを１０ｎｍ、２０ｎｍ、３０ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍとして）、Ａｇ粒子の間隔Ｓと最も反射率が低いＧにおける反射率（Ｒｅｆｌｅｃｔａｎｃｅ）との関係を調べた。その結果を図１１および表１に示す。

なお、図１１および表１に示す「反射率」とは、モデルに光を入射し、該モデルから反射された光の反射率であり、図１１および表１では、反射率の波長特性（Ｆａｒ ｆｉｅｌｄ特性）において、反射率が落ち込んだときの値（反射率の最小値）をプロットしたものである。近接場（Ｎｅａｒ ｆｉｅｌｄ）において光が増強して閉じ込められた場合は、Ｆａｒ ｆｉｅｌｄ特性の反射率が落ち込む。すなわち、Ｆａｒ ｆｉｅｌｄ特性において反射率が落ち込むということは、表面プラズモンにより光が増強されていることを示している。

図１１および表１に示すように、Ｓ＝５０ｎｍのモデルでは、反射率は、急激に増加した。図１１および表１より、反射率は、１０ｎｍ≦Ｓ＜４０ｎｍの範囲で、０．０１程度
と小さく、該範囲で増強度は、大きくなることが判明した。すなわち、実験例１の図１０および本実験例２の図１１，表１より、増強度は、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの範囲で大きくなることが判明した。

５．４． 実験例３
Ａｇ粒子のピッチＰを６０ｎｍまたは１２０ｎｍ、および励起波長を６３３ｎｍに固定した（ただし、Ｄ＝８０ｎｍのモデルは、励起波長６８０ｎｍ）。そして、Ａｇ粒子の直径Ｄを、３０ｎｍ、４０ｎｍ、４６ｎｍ、５０ｎｍ、５４ｎｍ、８０ｎｍとし（すなわち、Ａｇ粒子の間隔Ｓをそれぞれ、３０ｎｍ、２０ｎｍ、１４ｎｍ、１０ｎｍ、６ｎｍ、４０ｎｍとし）、Ａｇ粒子の厚さＴをそれぞれ、４ｎｍ、６ｎｍ、１２ｎｍ、１２ｎｍ、１２ｎｍ、２０ｎｍとして、ＳｉＯ₂層の厚さＧと増強度との関係を調べ、各モデルにおける１次ピーク値および２次ピーク値（実験例１参照）をプロットした。その結果を、図１２および表２に示す。

図１２および表２に示すように、Ｓ＝６ｎｍ（Ｄ＝５４ｎｍ）およびＳ＝４０ｎｍ（Ｄ＝１２０ｎｍ）のモデルは、増強度が３０程度であり、Ｓ＝１０ｎｍ〜３０ｎｍ（Ｄ＝３０ｎｍ〜５０ｎｍ）のモデルに比べて、増強度が小さかった。したがって、図１２および表２により、実験例２と同様に、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの範囲で、増強度は、４０以上と大きくなることが判明した。より具体的には、図１２および表２に示すように、１０ｎｍ≦Ｓ≦３０ｎｍ（３０ｎｍ≦Ｄ≦５０ｎｍ）の範囲で、増強度は大きくなった。

さらに、図１２および表２より、Ｓ＝１０ｎｍ〜３０ｎｍ（Ｄ＝３０ｎｍ〜５０ｎｍ）のモデルでは、Ａｇ粒子の厚さＴは、小さくなるほど増強度は大きくなることが判明した。Ｄ＝５０ｎｍかつＴ＝１２ｎｍのモデルにおいても、増強度は４０以上と大きく、４ｎｍ≦Ｔ≦１２ｎｍの範囲で、増強度は大きくなるといえる。

なお、図１２および表２に示すように、Ｔ＝２０ｎｍのモデルの増強度は、３０程度であり、上記のように、Ｔは、小さくなるほど増強度は大きくなることから、Ｔが２０ｎｍより小さくなると、増強度は、３０より大きくなるといえる。したがって、４ｎｍ≦Ｔ≦２０ｎｍの範囲でも、増強度は十分に大きいといえる。

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成（例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成）を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することが
できる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構成を含む。

１…基板、１０…金属層、２０…透光層、３０…金属粒子、１００…光学素子、２００…光源、３００…検出器、１０００…分析装置、２０００…電子機器、２０１０…演算部、２０２０…記憶部、２０３０…表示部

Claims (14)

1. 第１方向を厚さ方向とする金属層と、
   前記金属層から前記第１方向に離間して設けられた金属粒子と、
   前記金属層と前記金属粒子を離間する透光層と、
   を含み、
   前記金属粒子は、前記第１方向と直交する第２方向、並びに前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に格子状配置として、前記第２方向の間隔と前記第３方向の間隔とがともに間隔Ｓで配置され、
   前記Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす、光学素子。
2. 請求項１において、
   前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦２０ｎｍの関係を満たす、光学素子。
3. 請求項１または請求項２において、
   前記透光層は、酸化珪素を含み、
   前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、２０ｎｍ≦Ｇ≦６０ｎｍの関係を満たす、光学素子。
4. 請求項１または請求項２において、
   前記透光層は、酸化珪素を含み、
   前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの関係を満たし、
   前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、２２０ｎｍ≦Ｇ≦２８０ｎｍの関係を満たす、光学素子。
5. 請求項１または請求項２において、
   前記透光層は、正の誘電率を有する誘電体であって、
   前記Ｓは、１０ｎｍ≦Ｓ≦１４ｎｍの関係を満たし、
   ２次ピーク増強度ＳＱＲＴは、１次ピーク増強度ＳＱＲＴよりも大きい、または、同等であり、
   前記透光層の前記第１方向の厚さＧは、前記２次ピークの増強度ＳＱＲＴでの厚さとした、光学素子。
6. 請求項１ないし請求項５のいずれか１項において、
   前記金属粒子の前記第２方向の大きさＤは、
   ３０ｎｍ≦Ｄ＜５４ｎｍの関係を満たす、光学素子。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか１項において、
   前記金属粒子の前記第１方向の大きさＴは、
   ４ｎｍ≦Ｔ＜２０ｎｍの関係を満たす、光学素子。
8. 請求項１ないし請求項７のいずれか１項において、
   前記金属粒子の前記第１方向の大きさおよび前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する光が照射されると、ラマン散乱光を増強する、光学素子。
9. 請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光学素子と、
   前記光学素子に光を照射する光源と、
   前記光源からの光の照射による前記光学素子からの光を検出する検出器と、
   を含む、分析装置。
10. 請求項９において、
    前記検出器は、前記光学素子によって増強されたラマン散乱光を検出する、分析装置。
11. 請求項９または請求項１０において、
    前記光源は、前記光学素子に、前記金属粒子の前記第１方向の大きさおよび前記第２方向の大きさよりも、大きい波長を有する光を照射する、分析装置。
12. 光学素子の検出領域に分析対象物を含む物質を導入し、前記光学素子に光を照射し、前記光の照射による前記光学素子からの光を検出して分析する分析方法であって、
    前記光学素子は、
    第１方向を厚さ方向とする金属層と、
    前記金属層から前記第１方向に離間して設けられた金属粒子と、
    前記金属層と前記金属粒子を離間する透光層と、
    を含み、
    前記金属粒子は、前記第１方向と直交する第２方向、並びに前記第１方向および前記第２方向と直交する第３方向に格子状配置として、前記第２方向の間隔と前記第３方向との間隔がともに間隔Ｓで配置され、
    前記Ｓは、６ｎｍ＜Ｓ＜４０ｎｍの関係を満たす、分析方法。
13. 請求項９ないし請求項１１のいずれか１項に記載の分析装置と、
    前記検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
    前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
    前記健康医療情報を表示する表示部と、
    を含む、電子機器。
14. 請求項１３において、
    前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体からなる群より選択される少なくとも１種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも１種の化合物の、有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。