JP2015184114A - 増強ラマン分光装置 - Google Patents

Abstract

【課題】気体、液体に拘わらず、高いＳ／Ｎで信号を検出可能な増強ラマン分光装置を提供する。
【解決手段】増強ラマン分光装置において、流体試料を流下させる流路１１ａと、流路１１ａ内壁の少なくとも一部に設けられた金属微細凹凸構造１１ｂを有する流路デバイス１１と、流路デバイス１１の流路１１ａ内において流体試料を流動させるための流動機構１３と、流路１１ａ中の金属微細凹凸構造１１ｂに向けて励起光を照射するための励起光学系２０ａと、励起光の照射により生じた光を検出する検出部２９とを備え、励起光学系２０ａを流路デバイス１１の流路１１ａの延びる方向に励起光を延伸照射するものとする。
【選択図】図２

Description

本発明は、局在プラズモンを誘起しうる微細な金属凹凸構造を備えた光電場増強デバイスを備えた増強ラマン分光装置に関するものであり、特には、光電場増強デバイスを流路内に備えてなる増強ラマン分光装置に関するものである。

ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られ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）を得る方法であり、物質の同定等に利用されている。

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: Surface Enhanced Raman Scattering）と呼ばれる、局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用したラマン分光法がある。そして、このような増強ラマン分光法に用いられる、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生じさせる電場増強デバイス（所謂、ＳＥＲＳ基板）が知られている。

増強ラマン分光法は、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による表面増強電場が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものである。蛍光よりも桁違いに強度が小さいラマン光においては、ハイパワーな励起光源および長い検出時間を要していた測定系を、表面増強電場を用いることにより低出力な半導体レーザで数秒以下の短時間測定の測定系とすることが可能となることから、その効果は非常に大きなものとなっている。

しかし、表面増強電場強度は金属表面から対数的に減少していくため、その増強された電場と検体を相互作用させるためには、検体を金属表面から１０ｎｍ近傍に配置する必要がある。金属との親和性の高い検体においては、限られた励起領域においても十分な表面増強ラマン光を検出することが可能であるが、親和性の低い検体では、金属微細凹凸構造上に近づいたほんの僅かな瞬間にラマン光を放つことはあるが、時間が経つと金属表面から離れ、信号が検出されなくなってしまう。

非特許文献１においては、中空ファイバー内に金属微細凹凸構造を形成し、その中を検体含む液体で満たすことで、金属微細凹凸構造と検体が接する面積を増やし、高感度なＳＥＲＳ検出を行っている。
特許文献１、あるいは非特許文献２においては、流路デバイス中に金属微細凹凸構造を形成し、液体を流動させＳＥＲＳ計測を行っている。

特開２０１２−２３００４２号公報

Chao Shi 他、"Inner wall coated hollow core waveguide sensor based on double substrate surface enhanced Raman scattering" Applied Physics Letters 93, 153101(2008) Gang L. Liu 他、"Nanowell surface enhanced Raman scattering arrays fabricated by soft-lithography for label-free biomolecular detections in integrated microfluidics" Applied Physics Letters 87, 074101(2005)

金属との親和性が低い検体においても高感度な信号を得るため、次の２つの手段が考えられる。一つが、低い確率で金属表面に近づく検体の信号を捉える確率を増やすため、金属微細凹凸構造と検体が接する面積を増やす。２つ目が、検体を流動させ、強制的に金属微細凹凸構造表面に近づける方法である。

非特許文献１の装置では、中空ファイバー内において微細凹凸構造が内壁全体に形成されているので、検体が微細凹凸構造と接触する面積を増やすことができる。一方で、中空ファイバー内に液体を導入する方法として、毛細管現象を利用している。液体を注入後、測定を行っており、検体に大きな動きがなく、アクディブに金属表面に近づく状態にない。また、気体では毛細管現象が起こらないため、気体分子を検出することはできない。

また、特許文献１においては、検体を流動させつつ検出を行うものであり、検体を微細凹凸構造表面に近づける効果が得られる。しかし、励起およびＳＥＲＳ信号を検出している領域が対物レンズで集光された限られた領域（スポット）となっており、十分なＳ／Ｎを得られているとは言えない。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、気体、液体に拘わらず、高いＳ／Ｎで信号を検出可能な増強ラマン分光装置を提供することを目的とするものである。

本発明の増強ラマン分光装置は、流体試料を流下させる流路と、流路の内壁の少なくとも一部に設けられた金属微細凹凸構造を有する流路デバイスと、
流路デバイスの流路内において流体試料を流動させるための流動機構と、
流路中の金属微細凹凸構造に向けて励起光を照射するための励起光学系と、
励起光の照射により生じた光を検出する検出部とを備え、
励起光学系が流路デバイスの流路の延びる方向に励起光を延伸照射するものであることを特徴とする。

なお、ここで、金属微細凹凸構造は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる微細凹凸構造を有するものである。なお、局在プラズモンを生じうる微細凹凸構造とは、一般に、凹凸構造をなす凸部および凹部の平均的な大きさと平均的なピッチが励起光の波長よりも小さい凹凸構造である。
また、流路デバイスの流路の延びる方向とは、流体試料の流動方向であり、金属微細凹凸構造は、この流路の延びる方向に沿って所定領域に設けられている。

励起光学系は、流路の延びる方向に対して垂直方向から、励起光を矩形または楕円状に金属微細凹凸構造上に集光するものであってもよい。

流路デバイスが、流路に屈曲部を有するものである場合、励起光学系は、励起光を屈曲部から金属微細凹凸構造が形成されている流路部分に向けて流路部分の延びる方向に光軸を一致させて励起光を照射するものであってもよい。

金属微細凹凸構造が形成されている流路部分に、流体試料の流れを乱すための突起構造が配置されていることが好ましい。

金属微細凹凸構造において、２つ以上の互いに異なるセンシング領域が設けられていてもよい。

２つ以上の互いに異なるセンシング領域とは、同一検体に対して異なるラマンシフトを生じる領域であってもよいし、異なる検体に対して親和性を有し、多検体検出を可能とするものであってもよい。

金属微細凹凸構造は、２つ以上の互いに異なるセンシング領域として、互いに異なる金属から構成された２つ以上の領域を有していてもよい。

あるいは、金属微細凹凸構造は、２つ以上の互いに異なるセンシング領域として、その凹凸構造上への表面修飾の有無および／または種類が異なる２以上の領域を有していてもよい。

表面修飾は、無機層であってもよいし、有機層であってもよく、試料流動中の被検体に応じて適宜選択すればよい。

本発明の増強ラマン分光装置は、流体試料を流下させる流路と、流路の内壁の少なくとも一部に設けられた金属微細凹凸構造を有する流路デバイスと、流路デバイスの流路内において流体試料を流動させるための流動機構とを備え、検体を含む流体試料を流動させつつ測定することができるので、検体を強制的に金属微細凹凸構造表面に近づける効果を得ることができる。また、流動機構を備えているので、流体試料が液体、気体であるかを問わず、流路内を流下させることができる。さらに、励起光学系が流路デバイスの流路の延びる方向に励起光を延伸照射するものであることから、励起光のスポット照射時と比べて、検出可能な面積を増やすことができる。従って、金属との親和性が低い検体についても、高感度なセンシングが可能となる。

第１の実施形態に係る増強ラマン分光装置の概略構成を示す図である。 図１に示す増強ラマン分光装置の流路系の概略構成を示す図である。 図２に示す流路デバイスのIIIA-IIIA断面図、IIIB-IIIB断面図および流路デバイス内の励起光量分布を示す図である。 ＳＥＲＳ基板を示す斜視図である。 図４に示したＳＥＲＳ基板の側面の一部を拡大した図である。 図４に示すＳＥＲＳ基板の作製工程を示す図である。 設計変更例１の流路デバイスを示す断面模式図である。 設計変更例２の流路デバイスを示す断面模式図である。 設計変更例３の流路デバイスを示す断面模式図である。 設計変更例４の流路デバイスを示す断面模式図である。 筒状流路デバイスの設計変更例を示す図である。 第２の実施形態に係る増強ラマン分光装置の概略構成を示す図である。 図１２に示す流路デバイスを示す断面模式図である。 設計変更例の流路デバイスを示す断面模式図である。 筒状流路デバイスを用い、励起光方向を増加させる構成を示す模式図である。 第３の実施形態に係る増強ラマン分光装置の概略構成を示す図である。 励起光の光軸Ｌaxisと流路の流動軸Ｆaxisとの関係および流動軸方向における励起光の光量分布を模式的に示す図である。 設計変更例の流路デバイスを示す断面模式図である。

以下、図面を参照して本発明の光電場増強デバイスの製造方法の実施形態について説明する。なお、視認しやすくするため、図面中の各構成要素の縮尺等は実際のものとは適宜異ならせてある。

図１は本発明の第１の実施形態の増強ラマン分光装置１の概略構成を示す図である。増強ラマン分光装置１は、一部に金属微細凹凸構造を備えた流路デバイス１１を含む流路系１０と、流路デバイス１１に測定光を照射して、被検体から生じたラマン光を検出する光学センシング系２０を備えている。

光学センシング系２０は、励起光学系２０ａとラマン光検出光学系２０ｂとからなる。励起光学系２０ａは、後述する流路デバイス中の金属微細凹凸構造に向けて励起光を照射するための光学系であり、ラマン光検出光学系２０ｂは励起光の照射により生じたラマン光を検出するための分光検出器２９を含む光学系である。

本実施形態において、光学センシング系２０は、レーザ光を射出するレーザ光源２１と、光源２１からのレーザ光をコリメートするコリメートレンズ２２、レーザ光のスペクトルを狭帯域化するためのレーザラインフィルター２３、レーザ光を楕円化するためのシリンドリカルレンズ２４、レーザ光である励起光を反射し、励起光よりも長波長のラマン光を透過するダイクロイックミラー２５、ダイクロイックミラー２５により反射された励起光を後述の流路デバイス１１の金属微細凹凸構造上に集光するための集光レンズ２６、ダイクロイックミラー２５を通過した光から励起光を取り除くシャープカットロングウェーブレングスパスフィルター２７、ラマン光を分光検出する分光検出器２９および分光検出器にラマン光を入射させるレンズ２８からなる。

励起光学系２０ａは、レーザ光源２１、コリメートレンズ２２、レーザラインフィルター２３、シリンドリカルレンズ２４、ダイクロイックミラー２５、集光レンズ２６から構成され、ラマン光検出光学系２０ｂは、集光レンズ２６、ダイクロイックミラー２５、シャープカットロングウェーブレングスパスフィルター２７、レンズ２８および分光検出器２９から構成される。ダイクロイックミラー２５および集光レンズ２６は励起光学系２０ａおよびラマン光検出光学系２０ｂの両方の要素を兼ねている。

図２は流路系１０の概略構成を示す図である。図２に示すように、流路系１０は、内部に金属微細凹凸構造を備えた流路デバイス１１、流体試料を流動させるための流動機構である吸引ポンプ１３、吸引した液体試料を溜める廃液容器１４、液体試料を貯留する貯留容器１５備え、貯留容器１５、流路デバイス１１、廃液容器１４、吸引ポンプ１３の順にチューブ１６で接続されている。

吸引ポンプ１３の作用により、貯留容器１５の液体試料は、チューブ１６を介して流路デバイス１１中の流路１１ａを流動され、さらにチューブ１６を介して廃液容器１４へと流動される。

図３には、図２に示す流路デバイス１１のIIIＡ−IIIＡ断面図（Ａ）およびIIIＢ−IIIＢ断面図（Ｂ）を示している。本実施形態の流路デバイス１１は、流体試料を流下させる流路１１ａと、流路１１ａの内壁の少なくとも一部に設けられた金属微細凹凸構造１１ｂを有する。流路デバイス１１は、長さ方向に沿って形成された溝１７ａを有する流路部材１７と、流路部材１７の溝１７ａを覆う蓋板となるＳＥＲＳ基板１８とから構成されている。ＳＥＲＳ基板１８は、透明基材１８ａ、透明基材１８ａの一面に形成された透明な微細凹凸構造層１８ｂおよび金属微細凹凸構造層１８ｃから構成されている。溝１７ａの壁面およびＳＥＲＳ基板１８の基材１８ａにより流路１１ａの内壁が構成されている。

流路部材１７は、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５０ｍｍのＰＤＭＳ(polydimethylsiloxane)からなるロッドの中央に１ｍｍ×２ｍｍ角の溝が形成されてなるものであり、溝が流路となる。ＳＥＲＳ基板１８は、例えば、特開２０１２−０６３９３号公報に記載のＳＥＲＳ基板であり、１０ｍｍ×５０ｍｍ×厚み１ｍｍのガラス基板上に、ベーマイトが形成され、その上に金を蒸着したものを用いることができる。

図４は、ＳＥＲＳ基板１８を示す斜視図であり、図５は図４に示したＳＥＲＳ基板１８の側面の一部Ｖの拡大図である。

図４および図５に示すように、ＳＥＲＳ基板１８は、透明基材１８ａと、透明な微細凹凸構造層１８ｂと、その微細凹凸構造表面に形成された金属膜１８ｃとからなる。ＳＥＲＳ基板１８は、金属膜１８ｃが透明な微細凹凸構造層の表面に沿って形成されて金属の微細凹凸構造を構成するものとなり、金属微細凹凸構造に照射された光（以下において、励起光とする。）により、局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により金属微細凹凸構造の表面に増強された光電場を生じさせるものである。

金属微細凹凸構造は、凹凸の凸部の平均的な大きさおよび平均ピッチが励起光の波長より短いものとなる程度の微細な凹凸構造であるが、金属微細凹凸構造の表面に局在プラズモンを生じさせうるものであればよい。特には、金属微細凹凸構造は、凸部頂点から隣接する凹部の底部までの平均深さが２００ｎｍ以下、凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士の平均ピッチが２００ｎｍ以下であることが望ましい。

金属膜１８ｃは、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属からなるものであればよいが、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、およびこれらを主成分とする合金からなる群より選択される少なくとも１種の金属からなるものである。特には、ＡｕあるいはＡｇが好ましい。

金属膜１８ｃの膜厚は、透明微細凹凸構造層１８ｂの表面に形成されたときに、金属微細凹凸構造として励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる凹凸形状を維持することができる程度の厚みであれば特に制限はないが、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。

透明微細凹凸構造層１８ｂは、アルミナの水和物を主成分とする材料から構成されていることが好ましく、具体的には、ベーマイトまたはバイヤーライトであることが好ましい。

図６を参照してＳＥＲＳ基板１８の作製方法を説明する。
板状の透明基材（透明基板）１８ａを用意し、透明基材１８ａは純水洗浄する。
その後、透明基材１８ａの表面にスパッタ法によりアルミニウム８を数十ｎｍ程度成膜する。
その後、純水を沸騰させた中に、アルミニウム８付き透明基材１８ａを浸水させ、数分（５分程度）後に取り出す。この煮沸処理（ベーマイト処理）により、アルミニウム８は透明化し、ベーマイト層からなる透明微細凹凸構造層１８ｂとなる。
透明微細凹凸構造層１８ｂ上に金属膜１８ｃを蒸着することにより金属微細凹凸構造を表面に有するＳＥＲＳ基板１８を得ることができる。

上記の金属微細凹凸構造の形成方法は非常に簡単な方法であり、上記方法によれば、透明基材が板状でなくても、例えば、湾曲面に対しても同様の手法により金属微細凹凸構造を容易に形成することができる。

本実施形態の増強ラマン分光装置１においては、光源２１から射出されたレーザ光がレンズ２２、フィルタ２３を経てシリンドリカルレンズに２４により一方向に延伸されて楕円状に成形された後、ダイクロイックミラー２５により流路デバイス１１に向けて反射され、レンズ２６により流路デバイス１１の金属微細凹凸構造１１ｂに照射される。このとき、図２に示すように、レーザ光の延伸方向（楕円状照射野の長軸方向）と流路１１ａの延びる方向とが一致しており、励起光が流路の広い範囲に亘って同時に照射される。この励起光の照射範囲に存在する検体からのラマン光はＳＥＲＳ基板により増強され、ラマン光検出光学系２０ｂの分光検出器２９で検出される。

図３のｃは、流路デバイス１１の流動方向における励起光量を示すグラフである。図３のｃに示されているように、励起光は、流動方向の広い範囲に亘って励起光が延伸されて照射されている。

本実施形態の増強ラマン分光装置１によれば、流路デバイス１１の流路１１ａ中を流体試料を流動させることにより、流動試料中の検体を金属微細構造に近接する機会を多くさせると共に、広い範囲に励起光を照射することにより、より多くのラマン光を検出することを可能とし、高感度な検出が可能となる。

流路デバイスの設計変更例について説明する。以下の設計変更例については、主として上述の流路デバイス１１と異なる点について説明するものとし、同一要素は同一符号を付し説明を省略する。

図７は、設計変更例１の流路デバイス３１の長さ方向の断面図（Ａ）および長さ方向に垂直な断面図（Ｂ）を示す。
図７に示す流路デバイス３１は、流路内に突起１９ａが設けられており、流路を流れる流体に乱流を生じさせる構成となっている。突起１９ａは、流路となる溝を有する流路部材１９の溝底面に設けられている。この乱流発生させる機構（突起構造）を有することにより、流体試料中の検体がＳＥＲＳ基板１８の金属表面に近づく確率を高めることができ、高感度化により好ましい構造となっている。なお、突起構造の突起は流路の断面積（流路軸に垂直な面）に対し、１％以上の面積を占有する程度の大きさを有するものとする。

図８は、設計変更例２の流路デバイス３２の長さ方向の断面図を示す。
図８に示す流路デバイス３２は、上述の流路デバイス１１とは、ＳＥＲＳ基板の構成が一部異なる。流路デバイス３２の蓋板となるＳＥＲＳ基板１８Ａは、金属微細凹凸構造が異なる金属から構成された２つの領域を有している。透明基材１８ａ表面に設けられた透明微細凹凸構造層１８ｂの表面の一領域３３ａは金、他の領域３３ｂは白金からなる金属膜１８ｃ、１８ｄをそれぞれ備えた構成となっている。

このようにＳＥＲＳ基板の金属によって得られるラマンスペクトルがシフトする検体（詳細は、Analytical Chemistry, Vo.73 5953 (2001)参照されたい。）においては、単純なピークが複雑化（ダブルピーク）し、特異性を高めることが可能となり、特に夾雑物中でピークが重なるようなサンプルでは、物質同定を高めることが可能となる。異なる領域３３ａ、３３ｂからの信号は分光検出器において同時に検出され、スペクトル形状で切り分けて分析に供される。

図９は、設計変更例３の流路デバイス３４の長さ方向の断面図を示す。
図９に示す流路デバイス３４は、上述の流路デバイス１１とは、ＳＥＲＳ基板の構成が一部異なる。流路デバイス３４の蓋板となるＳＥＲＳ基板１８Ｂは、金属微細凹凸構造上に検体に対する親和性が異なる２つの領域３５ａ、３５ｂを有している。透明基材１８ａ表面に設けられた透明微細凹凸構造層１８ｂの表面に一様に金属膜１８ｃが形成されており、その一領域３５ｂにのみＳＡＭ（自己組織化単分子膜）による修飾１８ｅが施されている。

ＳＡＭ形成領域に対する特異吸着などを利用し、多検体の検出が可能となる。また、金膜上にＳＨ（チオール）を用いて表面修飾を施した場合、Ｓと金の結合で生じる２つのラマンシフトピークの強度比が溶液のｐＨに依存するため、同時にｐＨをモニターすることができる。

表面修飾は、ＳＡＭに限定されるものではなく、無機層であってもよい。また本例では、表面修飾をしない領域３５ａと表面修飾した領域３５ｂとを設けたが、異なる種類の表面修飾領域を２以上設けてもよい。異なる領域３５ａ、３５ｂからの信号は分光検出器において同時に検出され、スペクトル形状で切り分けて分析に供される。

図１０は、設計変更例４の流路デバイス３６の長さ方向の断面図（Ａ）および長さ方向に垂直な断面図（Ｂ）を示す。

図１０に示す流路デバイス３６は、筒状流路デバイスである。筒状流路デバイス３６は半円筒流路部材３６Ａ，３６Ｂを貼り合わせて構成されている。筒状流路デバイスは内部に円筒形の流路３６ａを有し、流路３６ａの内壁のほぼ全域に亘って金属微細凹凸構造３６ｂを備えている。この金属微細凹凸構造３６ｂは上述のＳＥＲＳ基板作製における微細凹凸構造形成および金属膜蒸着工程により作製することができる。また、筒状流路３６ａには、流路長さ方向に所定間隔で突起３７が設けられており、流路３６ａ中を流動する流体に乱流を生じさせるものとなっている。

なお、この筒状流路デバイス３６においては、内壁面または外壁面に励起光反射用のコーティングを施すことにより、効率よく増強場を励起することが可能となる。例えば、図１１に示すように、筒状流路デバイス３６の励起光入射領域を除く外周領域に励起光反射用コーティング３９を施しておく、この構成により、レンズ１２を経て流路デバイス３６内に照射された励起光は流路内部で反射するため、励起効果を高めることができる。

図１２に本発明の第２の実施形態の増強ラマン分光装置２の概略構成図を示す。以下においては、第１の実施形態の装置１と同一の要素は同一の符号を付し詳細な説明は省略し、第１の実施形態の装置１と異なる点について主として説明する。

第２の実施形態の増強ラマン分光装置２においては、光学センシング系２０が２つ備えられており、流路デバイス４０を２方向から励起するよう構成されている。励起光を楕円化して照射することにより励起光密度の減少が生じることから、光源を増やすことで励起光密度の減少を補う構成となっている。２つの光学センシング系２０において、分光検出器２９は共有となっており、各検出光学系２０ｂのレンズ２８を経たラマン光はそれぞれラインバンドルファイバー３０により集光され、２本のバンドルファイバー３０は途中でバンドルされてから、分光検出器２９に接続されている。

図１３は、本実施形態に用いられている流路デバイス４０の流路長さ方向の断面図（Ａ）長さ方向に垂直な断面図（Ｂ）を示している。
流路デバイス４０は、流路となる開口４１ａを備えた流路部材４１と流路部材４１の上下に配置された２枚のＳＥＲＳ基板１８とからなる。すなわち、本流路デバイス４０においては、流路の上下にそれぞれ金属微細凹凸構造を有するセンシング領域が形成された構成となっている。

本構成の増強ラマン分光装置２によれば、金属微細凹凸構造と接触する面積を増加させると共に、２つの光学センシング系２０により励起光量を増加させているため、より高感度なセンシングを実現することができる。

図１４は、設計変更例の流路デバイス４２の長さ方向の断面図（Ａ）および長さ方向に垂直な断面図（Ｂ）を示す。
図１４に示す流路デバイス４２は、流路内に突起４３ａが設けられており、流路を流れる流体に乱流を生じさせる構成となっている。突起４３ａは、流路部材４３の流路となる開口内に壁面間をつなぐ橋状に設けられている。

本流路デバイス４２は、ＳＥＲＳ基板間に乱流を生じさせるための突起４３ａを流路内部に設けることで流体試料中の検体が流路の上下面を構成しているＳＥＲＳ基板の金属表面に近づく確率を高めたものであり、高感度化により好ましい構造となっている。

さらに、図１０に示した筒状の流路デバイス３６を用い、図１５に示すように、４方向から励起光を照射する構成とすれば、さらに励起方向（励起光量）を増やし、高感度化することができる。

図１６に本発明の第３の実施形態の増強ラマン分光装置３の概略構成図を示す。
本実施形態では光学センシング系１２０は、第１の実施形態の光学センシング系２０と異なり、シリンドリカルレンズを備えておらず、励起光自体は延伸させず、円形の励起光を流路デバイスに照射する構成である。

本実施形態の流路系１３０においては、流路デバイス１３５の形状が第１の実施形態の流路デバイス１１と異なる。円筒型状の流路と、流体の流動方向が変化する屈曲部１３６を有している。より詳細には、流路デバイス１３５は、内壁に微細凹凸構造が形成された流路部１３８と直交する方向に延びる流路部１３９とが、屈曲部１３６で接続された構成であり、流路１３５ａは屈曲部１３６で直角に曲がっている。流路部１３８の延びる方向に垂直な壁面１３７（屈曲部１３６の一側面）には、励起光の集光窓を構成するフラットな面を有している。このような特殊な構造は、ＰＤＭＳを金型成型することで作製することができる。流路デバイスは２つ以上のパーツとして成形した後に、組立て構成することができる。

流路デバイス１３５の内壁には金属微細凹凸構造１３５ｂが形成されている。この金属微細凹凸構造１３５ｂの作製方法は、上述ＳＥＲＳ基板の作製方法と同様であり、内壁面にアルミニウムを含む膜を成膜後、水熱処理を施して透明微細凹凸構造膜を形成し、その透明微細凹凸構造膜上に金を蒸着する方法である。このとき、アルミニウムを含む膜を成膜する前に、内壁に銀をコーティングしている。この銀のコーティングはその後のアルミニウムを含む膜の成膜、水熱処理等の後にも特に変化しない。

図１７は、励起光の光軸Ｌaxisと流路の流動軸Ｆaxisとの関係および流動軸方向における励起光の光量分布を模式的に示す図である。図１７中において、流路デバイス１３５中の流体の流動軸Ｆaxisを破線で、励起光の光軸Ｌaxisを一点鎖線で示している。流動軸Ｆaxisは屈曲部１３６で直角に変化している。

光学センシング系１２０の集光レンズ２６を介して励起光は流路内に照射される。このとき、励起光の光軸Ｌaxisが、金属微細凹凸構造１３５ｂが形成されている流路部１３８における流体の流動軸Ｆaxisと一致するように励起光は屈曲部１３６の側壁１３７から流路１３５ａ中に入射される。励起光は、流路内の銀のコーティングにより、励起光流路内を導波し、結果として励起光は流路の延びる方向に延伸照射されることとなる。すなわち、流路部１３８の広い範囲に亘って金属微細凹凸構造１３５ｂに励起光が照射されることとなる。ここで、延伸照射は励起光の照射野形状を楕円や矩形にして一軸方向に延伸させた形状として照射するのではなく、光を導波させることにより、流路の延びる方向に照射領域を広げる（延伸させる）構成である。すなわち、本発明において、励起光を延伸照射するとは、このように流路内を励起光を導波させることにより、広範囲の金属微細凹凸構造に励起光を照射させる場合を含むものである。
このとき、励起光の光量は、図１７に示すように、流路内の光入射側で最も大きく、入射位置から離れるにしたがって、励起光量は減少する。

なお、ここでは、流路内壁面に銀コーティングが施されていているものとしたが、銀コーティングは金属微細凹凸構造が形成されている領域の外壁面に施されていても同様の効果が得られる。

図１８に設計変更例の流路デバイス１４０を示す。
流路デバイス１４０においては、円筒形状の流路と、流体の流動方向が変化する屈曲部１４５を有している。流路１４０ａが屈曲部１４５近傍で広がる広がり部１４２を有しており、屈曲部の角の一面１４３が解放されており、光学センシング系１２０の集光レンズ２６によってフタがされる構造となっている。流路の側壁による反射、収差などの影響を回避することが可能となる。

また、本実施形態および設計変更例の流路デバイスにおいては、上述の第２の実施形態の設計変更例、あるいは第３の実施形態の設計変更例の場合と同様に、乱流を発生させる突起を設けることが好ましい。さらに、ＳＥＲＳ基板上に、異なる金属からなる微細凹凸構造が形成されていること、または、それら金属表面に有機または無機材料による修飾が施されていることが好ましい。

１、２、３ 増強ラマン分光装置
１０，１３０ 流路系
１１，３１，３２，３４，３６,４０,１３５,１４０ 流路デバイス
１１ａ， 流路
１１ｂ 金属微細凹凸構造
１３ 吸引ポンプ
１４ 廃液容器
１５ 貯留容器
１６ チューブ
１７ 流路部材
１８，１８Ａ，１８Ｂ ＳＥＲＳ基板
２０，１２０ 光学センシング系
２０ａ 励起光学系
２０ｂ 光検出光学系
２１ 光源
２４ シリンドリカルレンズ
２６ 集光レンズ
２９ 分光検出器

Claims (7)

1. 流体試料を流下させる流路と、該流路の内壁の少なくとも一部に設けられた金属微細凹凸構造を有する流路デバイスと、
   該流路デバイスの前記流路内において流体試料を流動させるための流動機構と、
   前記流路中の前記金属微細凹凸構造に向けて励起光を照射するための励起光学系と、
   前記励起光の照射により生じた光を検出する検出部とを備え、
   前記励起光学系が前記流路デバイスの前記流路の延びる方向に励起光を延伸照射するものであることを特徴とする増強ラマン分光装置。
2. 前記励起光学系が、前記流路の延びる方向に対して垂直方向から、前記励起光を矩形または楕円状に前記金属微細凹凸構造上に集光する請求項１記載の増強ラマン分光装置。
3. 前記流路デバイスが、前記流路に屈曲部を有するものであり、
   前記励起光学系が、前記励起光を前記屈曲部の流路外壁から前記金属微細凹凸構造が形成されている流路部分に向けて該流路部分の延びる方向に平行に励起光を照射する請求項１記載の増強ラマン分光装置。
4. 前記金属微細凹凸構造が形成されている流路部分に、前記流体試料の流れを乱すための突起構造が配置されている請求項１から３いずれか１項記載の増強ラマン分光装置。
5. 前記金属微細凹凸構造が、２つ以上の互いに異なるセンシング領域を備えている請求項１から４いずれか１項記載の増強ラマン分光装置。
6. 前記金属微細凹凸構造が、前記２つ以上の互いに異なるセンシング領域として、互いに異なる金属から構成された２つ以上の領域を有している請求項５記載の増強ラマン分光装置。
7. 前記金属微細凹凸構造が、前記２つ以上の互いに異なるセンシング領域として、前記金属微細凹凸構造上への表面修飾の有無および／または種類が異なる２以上の領域を有している請求項５記載の増強ラマン分光装置。

Images