JP2013019747A - 光学デバイス及びそれを用いた検出装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 光学デバイス20は、少なくとも片面を導体面221とする基材200と、導体面に形成された1〜1000nmの凸部220を有する金属ナノ構造222と、導体面と接続された電源端子221A,221Bと、有する。光学デバイス20を用いる検出装置100は、光学デバイスが配置される空間に流体試料が導入されるチャンバー10と、光学デバイスに光を照射する光源50と、光学デバイスから出射される光を検出する光検出部60と、電源端子を介して導体面と接続される電源80とを有する。
【選択図】 図4
Description
少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された1〜1000nmの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面と接続された電源端子と、
を有する光学デバイスに関する。
光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置され、流体試料が導入されるチャンバーと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前記光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
電源と、
を有し、
前記光学デバイスは、
少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された1〜1000nmの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面及び前記電源と接続された電源端子と、
を有する検出装置に関する。
図1は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図1において、検出装置100は、チャンバー10と、光学デバイス20と、光源50と、光検出部60とを有する。光学デバイス20と、光源50及び/又は光検出部60との間に、光学系30を設けることができる。また、光源50の光路はシャッター51により開閉できる。
図1に示す光学デバイス20の一例を図4に示す。この光学デバイス20は、少なくとも片面を少なくとも10nm以上の厚さの導体面221とする基材200と、導体面221に形成された1〜1000nmの凸部220を有する金属ナノ構造222と、導体面221と接続される電源端子221A,221Bと、を有する。電源端子221A,221Bは、検出装置100の電源80に接続される。光学デバイス20はさらに導体面221と接続される計測端子221C,221Dを有することができる。計測端子221C,221Dは、検出装置100の計測部90に接続される。
図5(A)〜図5(C)を用いて、流体試料を反映した光検出原理の一例としてラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図5(A)に示すように、光学デバイス20に吸着される検査対象の試料分子1に入射光(振動数ν)が照射される。一般に、入射光の多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光に対して変化しない。入射光の一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数(ν−ν’及びν+ν’)又は波長は、試料分子1の振動数ν’(分子振動)が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の試料分子1を反映した光である。入射光の一部は、試料分子1を振動させてエネルギーを失うが、試料分子1の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト(ν’)をラマンシフトと呼ぶ。
4.1.第2モード(脱離モード)での利用
図2に示す第2モード(脱離モード)では、制御部71の制御により、図2に示す電源80から光学デバイス20に電力を供給することができる。それにより、光学デバイス20の金属ナノ構造222に、電源端子221A,221B及び導体面221を介して電流が流れて電気エネルギーが付加される。それにより、導体面221及び金属ナノ構造222が抵抗器として機能して、ジュール熱が発生する(図7(A)参照)。このジュール熱により、脱離するのに十分なエネルギーを得るとことで、光学デバイス20への吸着分子の脱離が促進され、やがては脱離が完了する(図7(B)参照)。図8はジュール熱による脱離曲線を示している。図8の通り、ジュール熱による温度の大きさによって、脱離速度を大きくすることができる。
式(1)にて、ρは金属の伝導率(Ωm)、Aは金属の断面積(m2)、Lは金属部の陽極陰極間の距離(m)である。金属ナノ構造222がAgの場合、密度10490kg/m3、導体面(Ag薄膜)221は5mm角で膜厚30nm、電気伝導率は1.59×10‐8Ωmである。金属ナノ構造222はナノメートルスケールであるため、式(1)においては無視し、ここではあくまで導体面(Ag薄膜)221のみを扱う。導体面(Ag薄膜)221の抵抗値は式(1)より、0.53Ωとなる。電流値上昇に起因したジュール熱により導体面(Ag薄膜)221は発熱する。このとき、基材200から散逸される仕事量Qは以下のようになる。
Qc=SH(Th−TL) …(3)
Qr=Sσε(Th4−TL 4) …(4)
ここで、Qcは雰囲気空気への対流伝熱量、Qrは雰囲気への黒体輻射である。Sは導体面(Ag薄膜)221の表面積(m2)、hは空気への熱伝達係数(W/m2・℃)、Thは基材200側の温度(K)、TLは空気の温度(K)、σは放射率、εはステファンボルツマン係数(5.67×10‐8W/m2・K4)である。
第1モードでは、制御部71の制御により電源80からの電力を光学デバイス20に供給して、一定の電圧・電流値(上述したI=0.206A)を維持すると共に、計測部90が光学デバイス20の抵抗値を常に監視することができる。第1モードにおいて金属ナノ構造222への流体試料の吸着量の増加に伴い、抵抗値が図9の矢印A2に示すように上昇する。
図13及び図14は、光源50及びシャッター51からのレーザー強度(光強度)制御と、計測部90での電流または電圧制御とを示している。図13及び図14に示すように、光源50及びシャッター51からのレーザー強度(光強度)は、第1モードの途中にて所定数の吸着分子が確保されて光学デバイス20の電気抵抗値が増大した時から、第1モードの終了までの強度L2が大きく、それ以外での強度L1は小さい。強度L1は零としても良い。
図15は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図15に示される検出装置100も、図1に示すチャンバー10、光学デバイス20と、光学系30と、吸引駆動部40と、光源50と、光検出部60と、制御部71を含む処理部70(図15では省略)と、電源80(図15では省略)及び計測部90とを有している。
Claims (8)
- 少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された1〜1000nmの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面と接続された電源端子と、
を有することを特徴とする光学デバイス。 - 請求項1において、
前記導体面と接続された計測端子をさらに有することを特徴とする光学デバイス。 - 光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置され、流体試料が導入されるチャンバーと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前記光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
電源と、
を有し、
前記光学デバイスは、
少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された1〜1000nmの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面及び前記電源と接続される電源端子と、
を有することを特徴とする検出装置。 - 請求項3において、
前記光学デバイスは、前記導体面と接続された計測端子をさらに有し、
前記検出装置は、前記計測端子と接続され、電流及び電圧の一方を制御して前記光学デバイスの電気抵抗値を計測する計測部をさらに有することを特徴とする検出装置。 - 請求項4において、
前記計測部からの出力に基づいて、前記光検出部にて検出する期間を含む第1モードと、前記金属ナノ構造に吸着された前記流体試料を離脱する第2モードとを実行制御する制御部をさらに有することを特徴とする検出装置。 - 請求項5において、
前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の減少に基づいて、前記第2モードから前記第1モードに切り換えることを特徴とする検出装置。 - 請求項5または6において、
前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の増加に基づいて、前記第1モードにて前記光源からの光照射を開始制御することを特徴とする検出装置。 - 請求項3乃至7のいずれかにおいて、
前記光学デバイスは、前記金属ナノ構造側に前記光源からの光が入射され、前記流体試料を反映した光は前記導体表面で反射されることを特徴とする検出装置。
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