JP5866832B2

JP5866832B2 - 検出装置及び検出方法

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Publication number: JP5866832B2
Application number: JP2011152734A
Authority: JP
Inventors: 山田　耕平; 耕平山田
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Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2016-02-24
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: JP2013019748A

Description

本発明は、特に微量物質の検出に適する検出装置及び検出方法等に関する。

近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance：表面プラズモン共鳴）、特にＬＳＰＲ（Localized Surface Plasmon Resonance：局在表面プラズモン共鳴）の利用したＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering：表面増強ラマン散乱）分光が注目されている（特許文献１）。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が１０^２〜１０^１４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を試料分子に照射する。励起光の波長から試料分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれた散乱波長（ラマン散乱光）を分光検出し、試料分子の指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルの形状から、試料分子を同定することが可能となる。

特許文献１によれば、溶液だけでなく大気中で安定的なＳＥＲＳ基板について提案されている。これによって試料分子が気体状態でも検出できるようになった。しかし、気体状の標的分子を短時間で効率的に検出する方法については一切触れられていない。つまり、標的分子が自然に吸着されるのを待って検出していた。効率的な気体分子の分析方法として、特許文献２に開示された技術がある。

特許第３７１４６７１号公報特表２００３−５２１６８８号公報

しかし、特許文献２では、気体を圧縮しカラム（管）への供給するものであり、カラムに気体を通すことが前提となっているため、検出作業時間の短縮には限界があった。

そこで、本発明の幾つかの態様では、標的分子が光学デバイスを被覆する時間を短縮することで、検出時間を短縮することができる検出装置及び検出方法を提供することを目的とする。

（１）本発明の一態様は、
光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置される空間の容積が可変であるチャンバーと、
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、
前記チャンバーの容積を可変駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
を有し、
前記光学デバイスは、該光学デバイスを被覆する流体試料を反映する光を出射し、
前記制御部は、前記チャンバーから前記流体試料を排出する第１モードと、前記第１モード後に前記チャンバーに前記流体試料を吸引する第２モードと、前記第２モード後に前記チャンバーを気密状態として前記光検出部にて検出する第３モードを有し、前記第１，第２モードでは前記チャンバーの容積をＶ１とし、前記第３モードでは気密状態にされた前記チャンバーの容積をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）とする検出装置に関する。

本発明の一態様によれば、光デバイスが流体試料により被覆される所定の被覆率に到達する時間ｔが、流体試料分子の衝突頻度Ｚに反比例し、衝突頻度Ｚはチャンバー内での流体試料の分圧Ｐと比例することに着目した。チャンバー内での流体試料の分圧Ｐを大きくするために、光検出部にて検出する第３モードでは、チャンバーを気密状態としてチャンバーの容積を、第１，第２モードでのチャンバーの開放時（流体試料の吸引及び排出時）のチャンバーの容積Ｖ１よりも小さい容積Ｖ２（Ｖ２＜Ｖ１）とした。これにより、第３モードにて、光デバイスが流体試料により被覆されて所定の被覆率に到達する時間ｔが短縮され、もって検出時間を短縮できる。

（２）本発明の一態様では、前記光学デバイスは、前記流体試料のラマン散乱光を発生させ、前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質のラマン散乱光を検出することができる。ラマン散乱光は検査対象の物質を反映した信号の一例であり、流体試料中にて検査対象の物質の有無を判定できる。

（３）本発明の一態様では、前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えることができる。こうすると、金属ナノ構造の凸部の周囲に増強電場が形成され、増強電場で増強されるラマン散乱光の信号強度が強くなる。

（４）本発明の一態様では、前記チャンバーに前記流体試料を吸引する吸引駆動部をさらに有し、前記制御部は、前記第１モードでは、前記光学デバイス上での前記流体試料の吸引流速をｖ１とし、前記第２モードでは、前記光学デバイス上での前記流体試料の吸引流速をｖ２（ｖ２＜ｖ１）に設定することができる。

こうすると、第１モードでは、比較的速い流速ｖ１に設定されるので、光学デバイスを被服しまたは吸着された流体試料を脱離させることができ、第１モードを脱離モードと称することができる。第２モードは、比較的遅い流速ｖ２で吸引される流体試料を光学デバイスにて被覆しまたは吸着することができ、第２モードを吸着モードとも称することができる。なお、第３モードは検出モードと称することができる
このように、第１モード、第２モード及び第３モードを交互に繰り返し実施すると、一旦光学デバイスに吸着された流体試料を脱離させることができる。こうして、検出後に光学デバイスをクリーンアップすることができ、前回検出時の影響を残すことなく次回の検査を繰り返し実施することが可能となる。よって、第１，第２，第３モードを交互に繰り返し実施することにより、リアルタイム検査が可能となる。しかも、検出後に光学デバイスをクリーンアップできるので、流体試料中の検査対象の物質が所定の濃度以上で存在するかしないかの判定を信頼性高く行うことができる。

（５）本発明の一態様では、予め決められた時間で周期的に、第１モード、第２モード、第３モードの順にモードを切換えることができる。これにより、連続計測ができ、且つ短時間周期で検出を実現できる。

（６）本発明の一態様では、前記制御部は、前記光検出部からの信号レベルに基づいて前記第１，第２，第３モードを切換えることができる。第１，第２，第３モードでは、光学デバイスに被覆または吸着される流体試料の量の変化が異なるので、光検出部からの信号レベルに基づいて第１，第２，第３モードを切換え、周期的に連続計測することができる。

（７）本発明の一態様では、前記制御部は、前記信号レベルが第１閾値以下となった時に前記第１モードから前記第２モードに切換え、前記信号レベルが前記第１閾値よりも高い第２閾値以上となった時に前記第２モードから前記第３モードに切換え、前記信号レベルが前記第２閾値よりも高い第３閾値以上となった時に前記第３モードから前記第１モードに切換えることができる。第１，第２，第３モードでは、光学デバイスに被覆または吸着される流体試料の量の変化が異なるからである。

（８）本発明の一態様では、前記チャンバーは、チャンバー壁の一部が気密状態を維持して伸縮する伸縮部を含み、前記駆動部は前記伸縮部を伸縮させて前記チャンバーの容積を可変とすることができる。この種の伸縮部として、ベローズや弾性体例えばゴム等を挙げることができる。

（９）本発明の他の態様は、
光学デバイスが配置されたチャンバーを開放して、前記チャンバーから流体試料を排出する第１工程と、
前記チャンバーに流体試料を吸引する第２工程と、
前記流体試料が導入された前記チャンバーを気密状態として、前記光学デバイスに光を照射し、前記光学デバイスから出射される光を検出する第３工程と、
を有し、
前期第１工程及び第２工程では前記チャンバーの容積をＶ１とし、前記第３工程では前記チャンバーの容積をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）とする検出方法に関する。

本発明の他の態様では、本発明の一態様と同様にして、第３工程の時間を短縮でき、もって検出時間を短縮できる。

本発明の一実施形態に係る検出装置の概要を示す図である。図２（Ａ）（Ｂ）は第１〜第３モードでのチャンバー容積と流体試料の速度を示す特性図である。チャンバー容積を変化した時のパラメーターを説明するための図である。第１〜第３モードでのＳＥＲＳ強度の推移を示す特性図である。図５（Ａ）は吸引部と光学デバイスの拡大断面図、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）は光学デバイスでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。硫化ジメチルのラマンシフトを示す特性図である。チャンバー体積変化をパラメーターとした被覆率の曝露時間依存性を示す特性図である。図８（Ａ）（Ｂ）は、第１，第２モードと第３モードでのＳＥＲＳ信号の発生の様子を示す概略説明図である。検査装置の全体概要を示すブロック図である。検査装置の制御系ブロック図である。表面増強赤外分光法に用いられる光学デバイスの概略説明図である。図１１の光学デバイスに入射する赤外線の特性図である。図１１の光学デバイスにて反射される赤外線の特性図である。

以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本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く、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。

１．検出装置の基本構成
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、制御部７１と、駆動部８０とを有する。チャンバー１０は、光学デバイス２０が配置される空間の容積が可変である。このため、チャンバー１０は、チャンバー壁部の一部が伸縮する伸縮部例えばベローズや弾性体（例えばゴム材）１１を有する。チャンバー１０は、吸気バルブ１２と排気バルブ１３を有し、制御部７１の制御によるバルブ１２，１３の駆動により、開放／気密の各状態に設定される。光源５０は、光学デバイス２０に光を照射する。光検出部６０は、光学デバイス２０から出射される光を検出する。駆動部８０は、制御部７１の制御に基づいてベローズ１１を伸縮駆動してチャンバー１０の容積を可変駆動する。なお、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、チャンバー１０の排気側には吸引駆動部例えばファン４０を有することができる。

光学デバイス２０は、光源５０からの光が照射されることで、吸着している流体試料を反映した光を出射するものである。本実施形態では、流体試料は例えば大気であり、検査対象の物質は大気中の特定気体分子（試料分子）とすることができるが、これに限定されない。

吸引駆動部であるファン４０は、流体試料をチャンバー１０内に吸引する。光源５０は、例えば光学系３０を構成する例えばハーフミラー３２０と対物レンズ３３０を介して、光学デバイス２０に光を照射する。光検出部６０は、光学デバイス２０に吸着された流体試料が反映された光を、ハーフミラー３２０及び対物レンズ３３０を介して検出する。

２．制御モード
制御部７１は、制御モードとして、図２（Ａ）（Ｂ）に示す第１，第２，第３モードを有する。第１モードは、チャンバー１０から流体試料を排出するモードであり、第１工程とも称する。第２モードとは、第１モード後にチャンバー１０に流体試料をチャンバー１０内に吸引する吸引モードであり、第２工程とも称する。第３モードとは、第２モード後にチャンバー２０を気密状態として光検出部６０にて検出する検出モードであり、第３工程とも称する。制御部７１は、光検出部６０からの信号に基づいて、図２に示す第１，第２，第３モードを切換え制御することもできる。

２．１．チャンバー容積の可変制御
制御部７１は、駆動部８０を駆動制御することでベローズ１１を伸縮させて、第１，第２モードでは、開放されたチャンバー１０の容積をＶ１とし、第３モードでは気密状態にされたチャンバー１０の容積をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）とする。こうすることで、第３モードにて光学デバイス２０を試料流体により所定の被覆率以上で被覆して、光学デバイス２０に流体試料を吸着させるまでに要する時間を短縮し、もって検出時間を短縮している。その理由について、以下にて説明する。

通常、表面への気体分子の衝突頻度Ｚ（個/ｍ^２・ｓｅｃ）は以下のように表される。

ここで、Ｐは気体の分圧[Ｐａ]、ｍは分子１個の質量［ｋｇ］であり、式（１）ではｍ＝分子量Ｍ（ｇ／ｍｏｌ）／ＮＡ（アボガドロ係数：６×１０^２３個／ｍｏｌ）が代入されている。ＫＢはボルツマン定数［１．３８ｅ^−２３Ｊ／ｍｏｌ］、Ｔは絶対温度［Ｋ］である。分子の吸着確率はＺと吸着確率の積で与えられることから、センサ表面へ分子を効率よく吸着させる１つの方法は、衝突頻度Ｚを増加させればよい。本実施形態は、第３モード（第３工程）にてチャンバー１０の容積ＶをＶ１からＶ２に収縮させることによって、分子の分圧Ｐを増加させ、結果的に衝突頻度Ｚの増加を促進させている。

次に、図３に示すように、チャンバー１０の容積ＶをＶ１からＶ２に収縮させることによって、分子の分圧Ｐ１を分圧Ｐ２に増加させることができる。先ず、図３に示す２つの状態での各状態方程式から、
Ｐ１×Ｖ１＝ｎＲＴ１…（２）
Ｐ２×Ｖ２＝ｎＲＴ２…（３）
が成立する。

体積変化を緩やかに実施すると、体積収縮時に自然放熱して、Ｔ１≒Ｔ２となるので、式（２）（３）を変形すると、
Ｐ２／Ｐ１＝Ｖ１／Ｖ２…（４）
となる。ここで、Ｖ１＞Ｖ２であるから、Ｐ２／Ｐ１＝Ｖ１／Ｖ２＞１となり、
Ｐ２＞Ｐ１ …（５）
が成立することが分かる。つまり、チャンバー１０の容積ＶをＶ１からＶ２に収縮させることによって、分子の分圧Ｐ１を分圧Ｐ２に増加させることができる。それにより、式（１）から衝突頻度Ｚを大きくすることができることが分かる。

次に、吸着現象を速度論的に説明する。Langmuir型と呼ばれる吸着モデルによると、吸着速度ｒは、時間t、光学デバイス２０の例えば金属表面の吸着サイトの被覆率（占有率）θ、衝突頻度Ｚを用いると、

と表される。初期吸着確率s₀は、例えば１００個の分子が表面に衝突し、そのうち５０個の分子が吸着した場合０．５となる。この微分方程式を被覆率（占有率）θについて解くと以下のようになる。

つまり、吸着速度ｒを大きくとるには、衝突頻度Ｚを大きくすることが重要である。衝突頻度Ｚとは、ある気体分子の単位表面積への毎時間当りの衝突分子数［個/ｍ^２・ｓｅｃ］であり式（１）である。（７）式を時間ｔについて変形すると、

となり、時間ｔは衝突頻度Ｚに反比例することが分かる。単純に衝突頻度Ｚが２倍になれば同じ被覆率に到達する時間ｔは半分になることが分かる。衝突頻度Ｚは式（１）により、気体分圧Ｐ［Ｐａ］に比例する。そのため、分圧Ｐを増加させることで、衝突頻度Ｚを増加させ、時間ｔを短縮できることが分かる。

２．２．流体試料の吸引速度制御
図２（Ｂ）は、上述した第１，第２，第３モードでの光学デバイス２０上での流体試料の吸引速度の変化を示している。本実施形態では、上述した第１，第２，第３モードを設定するために、制御部７１は吸引駆動部であるファン４０を駆動制御して、第１，第２，第３モードにて流体試料の吸引速度（単位時間当たりの気体輸送量）を制御することができる。ただし、第３モードでは、図１のバルブ１２，１３が制御部７１により閉鎖されてチャンバー１０が密閉されるので、ファン４０の駆動に拘わらず、光学デバイス２０上での流体試料の吸引速度（または単位時間当たりの気体輸送量）は零である。

制御部７１は、第１モードでは光学デバイス２０上での流体試料の吸引流速（単位時間当たりの気体輸送量）ｖを最大速度ｖ１(ｍｌ／分)とし、第２モードでは吸引流速をｖ２（ｖ２＞ｖ１）とし、第３モードでは吸引速度ｖ３は零となる。例えば、ｖ２＝１０００ｍｌ／ｓｅｃに設定できる。吸引駆動部４０はチャンバー１０内に負圧を発生させる負圧発生部として機能する。吸引駆動部（負圧発生部）４０は、ファンに限らず、チューブポンプ、ダイアフラム式ポンプ等のポンプなど、吸引駆動部４０にて負圧を発生させて流体試料を吸引できるものであれば良い。吸引速度の制御は、上述の通りファン４０を対象としても良いし、バルブやシャッターの開口面積を変化させても良い。制御の結果として、光学デバイス２０上の流体試料の吸引速度を可変できれば良い。

本実施形態では、第１モード（脱離モード）では、第２モード（吸着モード）での流速ｖ２よりも大きい流速ｖ１に設定される。よって、第１モードでは光学デバイス２０に過去に吸着された流体試料を脱離させることができる。第２モード（吸着モード）では、比較的緩やかな流速ｖ２で吸引される流体試料を光学デバイス２０に吸着することができる。チャンバー２０を密閉した第３モード（検出モード）では、流速ｖ３は零であるが、上述したようにチャンバー１０の容積が収縮されて被覆率が高まる。このとき光学デバイス２０に光源３０からの光を照射すると、光学デバイス２０に吸着された流体試料が反映された光が生ずる。光検出部６０は光学デバイス２０からの光を検出することができる。

このように、第１，第２，第３モードを交互に実施すると、一旦光学デバイス２０に吸着された流体試料を検出前に脱離させることができる。こうして、検査後に光学デバイス２０をクリーンアップすることができ、前回検査時の影響を残すことなく次回の検査を繰り返し実施することが可能となる。

ここで、第１〜第３モードの流速ｖ１，ｖ２，ｖ３は光学デバイス２０上での流体試料の流速（単位時間当たりの気体輸送量）であり、流速ｖ１，ｖ２が得られるようにファン４０が駆動される。その際、第１，第２モードを交互に繰り返し実施する場合には、第２モードでのファン４５０の駆動を停止してもよい。この場合、第２モードでの風量や慣性を利用して、光学デバイス２０上での流体試料の流速ｖ２（ｖ２≠０）を確保できる。

２．３．第１〜第３モードの切り換え制御
第１，第２，第３モードの切換えは、光検出部６０の出力に基づいて行うことができる。第１，第２，第３モード間では、流体試料の脱離、吸着または被覆率の増大によって光検出信号が変化するからである。図４は、時刻０〜Ｔ２において、光検出部６０の出力として、例えば流体試料中の検査対象の試料分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。時刻０から開始される第１モードでは、光学デバイス２０に吸着されていた試料分子が脱離されるため、第１モードではＳＥＲＳ強度は低下する。よって、図３に示す第１閾値Ｉ１をＳＥＲＳ強度が下回る時刻Ｔ０にて、第１モードから第２モードに切り換えることができる。

次に、第２モードでは光学デバイス２０に吸着される試料分子が徐々に多くなる。従って、第２モードではＳＥＲＳ強度が増加する。よって、図３に示す第２閾値Ｉ２（Ｉ２＞Ｉ１）をＳＥＲＳ強度が上回る時刻Ｔ１にて、第２モードから第３モードに切り換えることができる。

次に、第３モードでは、チャンバー１０の体積収縮により被覆率が高まり、光学デバイス２０に吸着される試料分子が比較的急激に増加する。従って、第３モードでは第２モードよりもさらにＳＥＲＳ強度が増加する。よって、図３に示す第３閾値Ｉ３（Ｉ３＞Ｉ２）をＳＥＲＳ強度が上回る時刻Ｔ２にて、検出モードを終了させて、第３２モードから第１モードに切り換えることができる。

なお、ＳＥＲＳ強度は図１に示す光検出部６０の受光素子にて受光されるフォトンの数に基づく値である。例えば、第１閾値Ｉ１＝１０カウント（ノイズレベル）、第２閾値Ｉ２＝３０カウント、第３閾値Ｉ３＝１０００カウント（ピークカウント）に設定できる。

本実施形態では、予め決められた時間で第１モード→第２モード→第３モード→第１モード→…と周期的にモードを切換えることができる。それにより、連続計測ができ且つ短時間周期で検出を実現できる。例えば、図２において、Ｔ０＝３０ｓｅｃ、Ｔ１＝４０ｓｅｃ、Ｔ２＝６０ｓｅｃとすることができる。この場合、６０ｓｅｃという短い周期で標的分子の有無を高い信頼性で調べることができる。

３．光検出の原理と構造の一例
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。

図５（Ｂ）は、図１及び図５（Ａ）の光学デバイス２０の拡大図である。図５（Ａ）に示すように入射光が基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。光学デバイス２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板２００上に、レジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化している。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図５（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。

複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、光学デバイス２０は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造とは、基板２００の上面を当該サイズの凸部構造（基板材で）を持つように加工する他に、基板上に当該サイズの金属微粒子を蒸着・スパッタ等で固着させる、または、基板上にアイランド構造を有する金属膜を形成する等の方法でも形成できる。

図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子２２０の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ粒子２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光の波長よりも小さな１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）では、光学デバイス２０に入射光を照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ: Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場２３０に試料分子１が入り込むと、その試料分子１によるラマン散乱光は増強電場２３０で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子１が微量であっても、検出感度を高めることができる。

以下にて説明する試料分子１の「吸着」という現象は、試料分子１が金属ナノ粒子２２０に衝突する衝突分子の数（分圧）が支配的である現象であり、物理吸着及び化学吸着の一方又は双方を含む。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。吸着エネルギーは試料分子１の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り越えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。一方、脱離には外力が必要である。また、光学デバイス２０に流体試料を吸引することとは、換言すると、その内部に光学デバイス２０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、流体試料を光デバイス２０に接触させることである。

実際に硫化ジメチル(dimethyl sulfide:DMS)分子を用いて測定した結果を図６に示す。硫化ジメチルのＳＥＲＳスペクトルは６７６ｃｍ^−１に鋭いピークを有する。ＤＭＳ分子はＬＳＰＲ増強電場内に吸着して、ＳＥＲＳ信号が検出される。安定的なＳＥＲＳ信号を得るためには吸着被覆率が０．５以上、例えば０．６を閾値として設定すると、体積収縮がない場合（Ｖ２＝Ｖ１）では、図７に示すように、曝露から６ｓｅｃ以上かかることになる。検出時間を短時間化させるためには効率よく吸着させることが重要である。

そこで、図８（Ａ）に示す第１，第２モードでの体積Ｖ１から、図８（Ｂ）に示すように第３モードでの体積Ｖ３に収縮させる。こうすると、図８（Ｂ）に示すように試料分子１の分圧が高くなり、ＳＥＲＳ強度が増大する。事実、図７に示すように、Ｖ２＝Ｖ１／２の体積収縮では閾値０．６に到達するのに４ｓｅｃとなり、Ｖ２＝Ｖ１／４の体積収縮では閾値０．６に到達するのに２ｓｅｃ未満に短縮される。このように、図７の特性は、上述した式（１）〜（８）を反映している。

４．検出装置の具体的な構成
図９は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図９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９では省略）と、駆動部８０とを有している。

図９において、光源５０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定ざれない。

光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０の下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、光源５０として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。

コリメーターレンズ３１０により平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）３２０により光学デバイス２０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、光学デバイス２０に入射する。光学デバイス２０には、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す金属ナノ粒子２２０が形成される。光学デバイス２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。

光学デバイス２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ３４０で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０は、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器６２０を通過する光の波長は、制御部７１により制御（選択）することができる。受光素子６３０によって、試料分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、試料分子１を特定することができる。

チャンバー１０は、吸引口１４Ａと接続される吸引流路１４Ｂと、排出口１５Ａと接続される排出流路１５Ｂとを有する。試料分子１を含む流体試料は、吸引口１４Ａ（搬入口）からチャンバー１０の内部に導入され、排出口１５Ａからチャンバー１０の外部に排出される。吸引口１４Ａ側に除塵フィルター１４Ｃを設けることができる。図９では、検出装置１０は、ファン４０を排出口１５Ａ付近に有し、ファン４０を作動させると、チャンバー１０内の圧力（気圧）が低下する。これにより、試料分子１と共に流体試料がチャンバー１０に吸引される。流体試料は、吸引流路１４Ｂを通り、光学デバイス２０付近の流路を経由して排出流路１５Ｂから排出される。このとき、試料分子１の一部が光学デバイス２０の表面（電気伝導体）に吸着する。

検査対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができ、特に本実施形態はこれらの試料分子１をリアルタイムで検出するのに適している。

図１０は、図９の検出装置１０の制御系ブロック図である。図１０に示されるように、検出装置１００は、例えばインターフェース１２０、表示部１３０及び操作部１４０等をさらに含むことができる。また、処理部７０は、図１０に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３等を有することができる。さらに、検出装置１０は、例えば、バルブ駆動部１６、光源ドライバー５２、分光ドライバー６２２、受光回路６３２及びファンドライバー４５２を含むことができる。処理部７０は、図９に示される光源５０以外の光検出部６０、ファン４５０等への命令を送ることができる。さらに、処理部７０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、処理部７０は、標的物である試料分子１を特定することができる。なお、処理部７０は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続部９０に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。

５．その他の変形例
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できる。

本発明は、ＳＥＲＳ強度を検出するものに限らない。例えば、表面増強赤外分光法（ＳＥＩＲＡＳ：Surface Enhanced Infrared Absorption Spectroscopy）を用いることができる。この場合、図１または図９に示す光学デバイス２０を図１１に示す光学デバイス１７０に置き換える。この光学デバイス１７０は、例えば直角プリズム１７１の底面に金属薄膜１７２を形成したものである。直角プリズム１７１は、例えばＣａＦ_２等の赤外線を通過させる材料で形成される。金属薄膜１７２の材料はＡｇ，Ｃｕ等の金属薄膜であれば良い。

図１２に示す特性を有するＰ偏光の赤外線ＩＲ１を、例えば第１反射ミラー１８０にて反射させて、光学デバイス１７０に対して金属薄膜１７２の法線Ｌに対して角度θで入射させる。入射赤外線ＩＲ１を金属薄膜１７２で全反射させて得られる反射赤外線ＩＲ２には、その界面から試料側に少しもぐり込んだ位置で反射されるエバネッセント波が存在し、それにより試料分子や標準分子のスペクトルを計測できる。この反射赤外線ＩＲ２の特性を図１３に示す。反射赤外線ＩＲ２は、第２反射ミラー１８１で反射されて、図６等に示す光検出部６０に入射される。

１０チャンバー、１１伸縮部、１２，１３バルブ、２０，１７０光学デバイス、３０光学系、４０吸引駆動部（ファン）、５０光源、６０光検出部、７０処理部、７１ＣＰＵ（制御部）、８０駆動部、１００検出装置、Ｖ１，Ｖ２チャンバー容積、ｖ１，ｖ２流速（輸送量）、Ｉ１第１閾値、Ｉ２第２閾値、Ｉ３第３閾値

Claims

光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置される空間の容積が可変であるチャンバーと、
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、
前記チャンバーの容積を可変駆動する駆動部と、
前記駆動部を制御する制御部と、
を有し、
前記光学デバイスは、該光学デバイスを被覆する流体試料を反映する光を出射し、
前記制御部は、前記チャンバーから前記流体試料を排出する第１モードと、前記第１モード後に前記チャンバーに前記流体試料を吸引する第２モードと、前記第２モード後に前記チャンバーを気密状態として前記光検出部にて検出する第３モードを有し、前記第１，第２モードでは前記チャンバーの容積をＶ１で保持し、前記第３モードでは気密状態にされた前記チャンバーの容積をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）で所定時間保持することを特徴とする検出装置。
請求項１において、
前記光学デバイスは、前記流体試料のラマン散乱光を発生させ、
前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質のラマン散乱光を検出することを特徴とする検出装置。
請求項２において、
前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えることを特徴とする検出装置。
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記チャンバーに前記流体試料を吸引する吸引駆動部をさらに有し、
前記制御部は、前記第１モードでは、前記光学デバイス上での前記流体試料の吸引流速をｖ１とし、前記第２モードでは、前記光学デバイス上での前記流体試料の吸引流速をｖ２（ｖ２＜ｖ１）に設定することを特徴とする検出装置。
請求項４において、
前記制御部は、予め決められた時間毎に周期的に、前記第１モード、前記第２モード、前記第３モードの順にモードを切換えることを特徴とする検出装置。
請求項４において、
前記制御部は、前記光検出部からの信号レベルに基づいて前記第１，第２，第３モードを切換えることを特徴とする検出装置。
請求項６において、
前記制御部は、前記信号レベルが第１閾値以下となった時に前記第１モードから前記第２モードに切換え、前記信号レベルが前記第１閾値よりも高い第２閾値以上となった時に前記第２モードから前記第３モードに切換え、前記信号レベルが前記第２閾値よりも高い第３閾値以上となった時に前記第３モードから前記第１モードに切換えることを特徴とする検出装置。
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記チャンバーは、チャンバー壁の一部が気密状態を維持して伸縮する伸縮部を含み、
前記駆動部は前記伸縮部を伸縮させて前記チャンバーの容積を可変とすることを特徴とする検出装置。
光学デバイスが配置されたチャンバーを開放して、前記チャンバーに対して流体試料を吸引及び排出する第１工程と、
前記流体試料が導入された前記チャンバーを気密状態として、前記光学デバイスに光を照射し、前記光学デバイスから出射される光を検出する第２工程と、
を有し、
前記第１工程では、前記チャンバーの容積をＶ１で保持し、前記第２工程では、前記チャンバーの容積をＶ２（Ｖ２＜Ｖ１）で所定時間保持して、前記光検出部からの信号に基づいて前記第１，第２工程を切換えることを特徴とする検出方法。