JP5894049B2 - 光センシングデバイスユニットおよび光センシング装置 - Google Patents

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用いて、増強された検出光を測定する光センシング装置に関するものである。

また本発明は、上述のような光センシング装置を構成するための光センシングデバイスユニットに関するものである。

従来、例えば特許文献１に示されているように、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用いて、増強された検出光すなわち表面増強ラマン光や表面増強蛍光を検出する光センシング装置が公知となっている。

この種の光センシング装置においては、微細な金属凹凸構造を備えた光電場増強デバイスとして、透明基板の上に金属凹凸構造を形成してなるものを用いて、増強された検出光をデバイスの裏側つまり基板の側から検出することが提案されており、特許文献１にもそのような構成を有する光センシング装置の例が示されている。

また上記の光電場増強デバイスを用いる光センシング装置においては、被測定物質を含んでいる可能性が有る液体試料を測定対象とすることも多く、その場合は一般に、液体試料を光電場増強デバイスに接するように流通させる流路を備えた試料セル（フローセル）が適用される。特許文献１には、そのようなフローセルを適用した光センシング装置の例も示されている。

特開2012-063294号公報

しかし特許文献１に示された光センシング装置において、光電場増強デバイスはフローセル内に固定されているので、光電場増強デバイスを用いた測定が完了すると、その使用済みの光電場増強デバイスはフローセルごと廃棄されることになる。このように１回の測定の都度、フローセル全体を光電場増強デバイスと共に廃棄すると、測定コストが高くついてしまう。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、光電場増強デバイスにより増強された検出光をデバイスの裏側つまり基板の側から検出可能で、しかも、光電場増強デバイスを固定している部分の少なくとも一部を再利用可能とする光センシング装置、並びにそのような光センシング装置を実現できる光センシングデバイスユニットを提供することを目的とする。

本発明による光センシングデバイスユニットは、
透明基板の上に金属からなる微細凹凸構造を有する光電場増強デバイスと、
この光電場増強デバイスを透明基板側から支持する支持部を有する第一支持体と、
光電場増強デバイスを前記第一支持体の支持部に押し当てて固定する第二支持体とを備えてなる光センシングデバイスユニットであって、
第一支持体において前記支持部が開口の周囲に形成され、
第二支持体に、その外部から内部を経て外部に出るように液体を案内する流路および、この流路と連通して、固定している光電場増強デバイスに前記液体を接触させる空間が形成され、
第二支持体が、光電場増強デバイスを固定する状態と解放した状態とを取り得るように、前記第一支持体に対して装着・離脱可能とされていることを特徴とするものである。

なお、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、第二支持体の空間が、第二支持体が第一支持体に対して装着された状態下で、第一支持体の前記支持部より内側に有る状態に形成されていることが望ましい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、第一支持体の光電場増強デバイスを支持する側の表面において、前記開口の周囲に、開口の外側から該開口内への液体流入を阻止する環状の突部が形成されていることが望ましい。

なお上記環状の突部は、第一支持体の前記支持部としても機能するように形成されているのが望ましい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、第一支持体に、送風用の流路が設けられていることが望ましい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットは、固定された光電場増強デバイスの近辺を設定温度に調節する温度調節手段をさらに備えていることが望ましい。そのような温度調節手段は、電熱線またはペルチェ素子を備えてなるものであることが望ましい。

さらに、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、第二支持体が、光電場増強デバイスを第一支持体の支持部に押し当てる方向を回転軸として該第一支持体に螺合するネジ部を有し、全体的に回転されて螺進退することにより第一支持体に対して装着・離脱可能とされていることが望ましい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットは、第二支持体を第一支持体側に押圧する押さえ手段をさらに備えていてもよい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、第二支持体に形成された流路が、前記空間に接続する部分の近傍において、幅が連続的に変化する形状とされていることが望ましい。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいては、固定された光電場増強デバイスと第二支持体との間において、該第二支持体の前記空間を取り囲むシール材が配置されていることが望ましい。

そのようなシール材としては、少なくとも一部が、ゴム、樹脂からなるものが好適に使用され得る。

また第一支持体は、ステンレス鋼またはアルミニウム、もしくはそれらの少なくとも一方を成分とする合金から形成されたものであることが望ましい。

さらに、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて、光電場増強デバイスは、金属の水酸化物または金属酸化物の水酸化物からなる透明微細凹凸構造上に、金属膜が形成されたものであることが望ましい。そして、そのような光電場増強デバイスとする場合透明微細凹凸構造は、より具体的には、バイヤーライト（Al（OH）₃）またはベーマイト（AlOOH）からなるものであることが望ましい。

他方、本発明による第１の光センシング装置は、
以上説明した本発明の光センシングデバイスユニットと、
前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
励起光の照射を受けることにより被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備えたことを特徴とするものである。

また、本発明による第２の光センシング装置は、
以上説明した本発明の光センシングデバイスユニットと、
前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
励起光の照射を受けることにより被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備え、
第一支持体の内部または該第一支持体に近接した位置に送風用流路が形成され、
この送風用流路に熱風または乾燥気体を供給する手段が設けられたことを特徴とするものである。

さらに、本発明による第３の光センシング装置は、
以上説明した本発明の光センシングデバイスユニットと、
前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
励起光の照射を受けることにより被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備え、
光電場増強デバイスに向かう励起光を集光する集光レンズが設けられ、
この集光レンズと光電場増強デバイスとの間に液体が満たされていることを特徴とするものである。

以上述べた本発明の光センシング装置においては、励起光学系および検出光学系が、表面増強ラマン分光法により表面増強ラマン光を検出するように構成されていることが望ましい。

あるいは、上記励起光学系および検出光学系が、表面プラズモン励起増強蛍光分光法により表面増強蛍光を検出するように構成されていてもよい。

本発明の光センシングデバイスユニットにおいては、第一支持体において光電場増強デバイスを透明基板側から支持する支持部が開口の周囲に形成され、第二支持体に、その外部から内部を経て外部に出るように液体を案内する流路および、この流路と連通して、固定している光電場増強デバイスに液体を接触させる空間が形成されているので、この光センシングデバイスユニットを用いる光センシング装置においては、上記開口を通して励起光を光電場増強デバイスに向けて照射し、また光電場増強デバイスに接している液体中の被測定物質から発せられて該デバイスの作用により増強された検出光を、上記開口を通して光電場増強デバイスの透明基板側から検出することができる。

また本発明の光センシングデバイスユニットにおいては、光電場増強デバイスを第一支持体に押し当てる第二支持体が、光電場増強デバイスを固定する状態と解放した状態とを取り得るように、第一支持体に対して装着・離脱可能とされているので、第二支持体を第一支持体から離脱させれば、使用済みの光電場増強デバイスを簡単に取り出すことができる。そこで、この光センシングデバイスユニットを用いる光センシング装置においては、基本的に使用済みの光電場増強デバイスのみを廃棄し、また第二支持体の交換が必要なときだけ使用済みの第二支持体も廃棄すればよく、主要部品であって基本的に液体に接することがない第一支持体は継続使用することができる。そうであれば、測定に要するコストを確実に軽減可能となる。

またこの光センシングデバイスユニットを用いる光センシング装置においては、第一支持体が有する開口を通して、励起光照射系あるいは検出光検出系のレンズを光電場増強デバイスに近接配置することもできるので、種々の測定に対応可能となる。

また本発明の光センシングデバイスユニットにおいては、液体を光電場増強デバイスに接触させるための流路および空間が第二支持体に形成されているので、光電場増強デバイスがどのような厚さであっても、第二支持体で該光電場増強デバイスを押さえさえすれば、液体を光電場増強デバイスに接触させることが可能になる。つまり、光電場増強デバイスを押さえ付ける部材と、そこに液体を接触させるための流路とが別体になっている場合に必要な、光電場増強デバイスの厚さに応じてその流路の高さ位置を調整する作業が不要になる。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、第二支持体の空間が、第二支持体が第一支持体に対して装着された状態下で、第一支持体の前記支持部より内側に有る状態に形成されている場合は、固定される光電場増強デバイスの端部が歪んでしまうことを防止できる。その詳しい理由は、後に実施形態に即して詳しく説明する。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、第一支持体の光電場増強デバイスを支持する側の表面において、前記開口の周囲に、開口の外側から該開口内への液体流入を阻止する環状の突部が形成されている場合は、第二支持体と光電場増強デバイスとの間から液体が漏出したり、光電場増強デバイスの取り替え時に液体が第一支持体の上に滴下したりしても、その液体が上記開口内から下に流れ落ちることが無く、よって光センシングデバイスユニットの下に配置されているレンズ等がその液体で汚損されることを防止できる。

なお上記環状の突部が特に、第一支持体の前記支持部としても機能するように形成されている場合は、第一支持体の構造を簡素化することができる。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、第一支持体に送風用の流路が設けられている場合は、その流路を通して第一支持体の近傍部分に乾燥空気や熱風を吹き付けることが可能になる。そのようにすれば、第一支持体に装着されている第二支持体の流路を流れる液体の温度と周囲気温との差に起因して、固定されている光電場増強デバイスや、近くのレンズ等に結露が生じることを防止可能となる。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、固定された光電場増強デバイスの近辺を設定温度に調節する温度調節手段が設けられている場合も、上述のようにして発生し得る結露を防止することができる。

さらに、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、第二支持体が、光電場増強デバイスを第一支持体の支持部に押し当てる方向を回転軸として該第一支持体に螺合するネジ部を有し、全体的に回転されて螺進退することにより第一支持体に対して装着・離脱可能とされている場合は、第二支持体をキャップスクリュー状に全体的に回転させるだけで上記装着・離脱を簡単に行うことが可能になる。そうであれば、第二支持体を押さえ付けるための部品を不要にすることができる。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、第二支持体に形成された流路が、前記空間に接続する部分の近傍において、幅が連続的に変化する形状とされている場合は、この流路に液体の渦流や縮流が発生することを防止して、流速ストレスや流れ方の不均一を抑制することができる。

また、本発明による光センシングデバイスユニットにおいて特に、固定された光電場増強デバイスと第二支持体との間において、該第二支持体の前記空間を取り囲むシール材が配置されている場合は、光電場増強デバイスと第二支持体との間から液体が漏出することを防止できる。

他方、本発明による第１の光センシング装置は、以上説明した本発明の光センシングデバイスユニットを用いるものであるから、前述した通り、検出光を光電場増強デバイスの透明基板側から検出することができる、使用済みの光電場増強デバイスを簡単に取り出すことができる、測定に要するコストを軽減できる、といった効果を奏することができる。これは、本発明による第２、第３の光センシング装置においても同様である。

また本発明による第２の光センシング装置は特に、第一支持体の内部または該第一支持体に近接した位置に送風用流路が形成され、この送風用流路に熱風または乾燥気体を供給する手段が設けられたものであるから、第二支持体の流路を流れる液体の温度と周囲気温との差に起因して、固定されている光電場増強デバイスや、近くのレンズ等に結露が生じることを防止可能となる。

さらに、本発明による第３の光センシング装置は特に、光電場増強デバイスに向かう励起光を集光する集光レンズと光電場増強デバイスとの間に液体が満たされているので、光電場増強デバイスに沿って流れる液体の温度と、集光レンズの周辺の気温と間に差が有っても、該集光レンズや光電場増強デバイスに結露が生じることを防止できる。

本発明の第１実施形態による光センシングデバイスユニットの一部破断側面図 本発明の第１実施形態による光センシングデバイスユニットの平面図 本発明に用いられる光電場増強デバイスを示す斜視図 図３の光電場増強デバイスの概略側面図 本発明の第２実施形態による光センシング装置の一部破断側面図 本発明の第３実施形態による光センシングデバイスユニットの一部破断側面図 本発明の第３実施形態による光センシングデバイスユニットの平面図 光センシングデバイスユニット内の液体の流れを説明する図 本発明の第４実施形態による光センシングデバイスユニットの一部破断側面図 本発明の第４実施形態による光センシングデバイスユニットの平面図 本発明の第５実施形態による光センシングデバイスユニットの一部破断側面図 本発明の第６実施形態による光センシングデバイスユニットの一部破断側面図 本発明の第６実施形態による光センシングデバイスユニットの底面図 本発明の第７実施形態による光センシング装置の一部破断側面図 本発明の第８実施形態による光センシング装置の一部破断側面図 本発明の第９実施形態による光センシング装置の一部破断側面図

以下、図面を参照して本発明の実施形態を詳細に説明する。

《第１の実施形態》
図１および図２はそれぞれ、本発明の第１の実施形態による光センシングデバイスユニット１０を示す一部破断側面図および平面図である。この光センシングデバイスユニット１０は、透明基板の上に金属からなる微細凹凸構造を有する光電場増強デバイス２０と、この光電場増強デバイス２０を支持する支持部１ａを有する第一支持体１と、光電場増強デバイス２０を上記支持部１ａに押し当てて固定する第二支持体２と、第二支持体２を上から押さえる押さえ蓋４とを備えている。この構成により、光電場増強デバイス２０を第一支持体１と第二支持体２との間に挟み込み、第二支持体２を押さえる押さえ蓋４を４本のネジ５により第一支持体１に固定することにより、光電場増強デバイス２０を所定位置に保持することが可能になっている。

ここで図３および図４を参照して、光電場増強デバイス２０について説明する。図３はこの光電場増強デバイス２０の概略全体形状を示し、図４はその概略側面形状を示している。図示の通りこの光電場増強デバイス２０は、透明基板１１の上に、金属からなる微細凹凸構造１４が形成されてなるものである。透明基板１１は、例えば光学ガラスからなる透明基板本体１２の上に、バイヤーライト（Al（OH）₃）またはベーマイト（AlOOH）からなる透明微細凹凸構造１３が形成されたものである。

そしてこの透明微細凹凸構造１３の上に沿って金属膜が成膜されることにより、金属からなる微細凹凸構造１４が形成されている。上記金属膜は、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を含む群から選択される少なくとも１種の金属からなるものが好ましく、特にＡｕあるいはＡｇからなるものが好ましい。

以上のように金属からなる微細凹凸構造１４が表面に形成された光電場増強デバイス２０は、局在プラズモン共鳴による光電場増強効果を得ることができるものとなっている。またこの光電場増強デバイス２０は、透明基板１１が適用されているため、局在プラズモン共鳴により増強された光を裏側、つまり透明基板１１側から測定することを可能にしている。なお、この種の光電場増強デバイスを作製する方法については、特開2012-63294号公報や特開2010-19765号公報等に開示がなされており、本例の光電場増強デバイス２０もそのような公知の方法を適宜利用して作製可能である。

第一支持体１は例えばアルミニウムから形成され、後述のようにして保持する液体の量に見合った容積を有する有底容器状とされたもので、底板に四角形の開口１ｂを有している。そして底板の上表面には、開口１ｂの周囲を取り囲むようにして前述した支持部１ａが環状に形成されている。この支持部１ａは、例えば断面が山形の突部とされており、後述するように開口１ｂの外側から該開口内に液体が流入することを阻止する機能も有する。なお、第一支持体１を形成する好ましい材料としては、上記アルミニウムの他にステンレス鋼や、あるいは、アルミニウムまたはステンレス鋼を成分とする合金が挙げられる。ステンレス鋼の中では特に、熱膨張係数が小さいインバーが好ましい。

一方、第二支持体２は例えばアクリル、塩化ビニール、ポリスチレン等の樹脂製で、第一支持体１の筒状の部分内に収容可能な形状とされている。この第二支持体２には、その外部から内部を経て外部に出るように液体を案内する流路２ａおよび、この流路２ａと連通して、固定している光電場増強デバイス２０に上記液体を接触させる空間２ｂが形成されている。本例では、上記流路２ａの一端および他端にそれぞれ、液体導入管６、液体排出管７が接続されており、これらの管６、７は、押さえ蓋４に形成された孔を通って押さえ蓋４よりも外側に突出するようになっている。

前述した通り第二支持体２は、それを押さえる押さえ蓋４を４本のネジ５により第一支持体１に固定することにより、第一支持体１に装着されて光電場増強デバイス２０を固定する状態となる。また、ネジ５を緩めて押さえ蓋４を外すことにより第二支持体２は、第一支持体１から離脱して光電場増強デバイス２０を解放する状態となる。

なお第二支持体２の空間２ｂは、第二支持体２が第一支持体１に対して装着された状態下で、第一支持体１の支持部１ａより内側に有る状態に形成されている。したがって、この状態のとき支持部１ａに当たっている光電場増強デバイス２０の部分は、その裏側（上側）において、空間２ｂの周囲部分で受け止められることになる。このようになっていれば、第一支持体１と第二支持体２とに挟まれて保持される光電場増強デバイス２０の端部が歪んでしまうことがなくなる。それに対して、支持部１ａに当たっている光電場増強デバイス２０の部分の裏側に空間が有って（つまり、光電場増強デバイス２０を受け止める第二支持体２の部分が支持部１ａよりも外側に有って）、この部分が裏側から受け止められなければ、光電場増強デバイス２０が歪みやすくなる。

また本実施形態では、固定された光電場増強デバイス２０と第二支持体２との間に、該第二支持体２の空間２ｂを取り囲む四角い環状のシール材８が配置されている。それにより、光電場増強デバイス２０と第二支持体２との間が液密状態に保たれるので、後述するように空間２ｂ内に保持される液体が両者の間から漏出することが防止される。このシール材８は、少なくとも一部が、柔軟性が高くてシール性に優れたゴムまたは樹脂等から形成されるのが好ましく、そのような好適な材料としてより具体的には、シリコーンゴム、アクリルゴム、フッ素樹脂等が挙げられる。

《第２の実施形態》
次に、本発明の第２の実施形態による光センシング装置１２０について説明する。図５はこの光センシング装置１２０の概略構成を示す正面図である。なおこの図５において、既に説明した図１〜４中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。この光センシング装置１２０は、一例として前記第１の実施形態による光センシングデバイスユニット１０が適用されて、表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ: Surface Enhanced Raman Spectroscopy）を利用した測定を行うものであり、ラマン分光測定系と照明観察系とを有している。

この測定を行う際、まず光センシングデバイスユニット１０の第一支持体１に対して第二支持体２が離脱した状態とされ、第一支持体１の上に光電場増強デバイス２０が載置され、次に第二支持体２を第一支持体１に装着させて両者の間に光電場増強デバイス２０が保持される。そしてこの状態下で、検出対象の被測定物質Ｓを含む可能性の有る液体Ｗが、例えばポンプ等を用いて液体導入管６から第二支持体２の流路２ａ内に連続的に導入される。この液体Ｗは空間２ｂにおいて光電場増強デバイス２０の微細凹凸構造１４と接触する状態となり、その後流路２ａを経て液体排出管７から第二支持体２の外に流出する。

上記ラマン分光測定系は、例えばＤＦＢ（分布帰還型）半導体レーザからなる励起光源３１から発せられた波長７８５ｎｍの励起光Ｌ１を、そのスペクトルを先鋭化するレーザラインフィルター３２に通し、ダイクロイックミラー３３、３４で順次反射させて集光レンズ３５に導き、集光された励起光Ｌ１を光電場増強デバイス２０に照射する構成（励起光学系）と、後述のようにして表面増強ラマン光Ｌ２を分光検出する構成（検出光学系）とを有する。

ダイクロイックミラー３３は波長７９８ｎｍより長波長の光を９５％以上透過させ、波長７８６ｎｍより短波長の光を９０％以上反射する特性を有する。一方ダイクロイックミラー３４は、波長７００ｎｍ以下の光を９０％以上透過させ、波長７５０ｎｍ以上の光を９５％以上反射する特性を有する、一般にＨＯＴＭＩＲＲＯＲと呼ばれるミラーである。集光レンズ３５には、例えばオリンパス（株）製の倍率６０倍、ＮＡ０．７の対物レンズが用いられている。この集光レンズ３５に入射した励起光Ｌ１は、光センシングデバイスユニット１０に保持されている光電場増強デバイス２０の微細凹凸構造１４に集光される。

光電場増強デバイス２０は、金属からなる上記微細凹凸構造１４に照射された励起光Ｌ１により局在プラズモン共鳴を誘起させ、この局在プラズモン共鳴により、微細凹凸構造１４の表面に増強された光電場を生じさせる。

液体Ｗに含まれる被測定物質Ｓは、上記励起光Ｌ１の照射を受けるとラマン散乱光を発する。このラマン散乱光は光電場増強デバイス２０の作用により増強される。こうして増強された表面増強ラマン光Ｌ２は、集光レンズ３５により集光され、ダイクロイックミラー３４で反射した後ダイクロイックミラー３３、励起光カット用のノッチフィルター３６および迷光カット用のレンズ対３７およびスリット３８を通り、分光検出器３９によって分光検出される。

照明観察系は、キセノンランプ等からなる照明光源４０から発せられた照明光Ｌ３をコリメートレンズ４１により平行化した上で光電場増強デバイス２０上の液体Ｗに照射する構成を有する。さらにこの照明観察系は、液体Ｗで散乱した後に光電場増強デバイス２０、集光レンズ３５、およびダイクロイックミラー３４を透過した照明光Ｌ３をミラー４２により直角に反射させ、集光レンズ４３により集光してＣＣＤ４４に導き、このＣＣＤ４４が撮像した照明光Ｌ３による画像を図示外の画像表示装置に表示させる構成を有する。

そこで、上記画像表示装置に表示された画像を観察して液体Ｗ中の被測定物質Ｓの位置を確認し、それに応じて光電場増強デバイス２０を（より具体的には光センシングデバイスユニット１０を）該デバイス２０の基板面内方向に動かすことで、励起光Ｌ１の集光位置に被測定物質Ｓを配置して表面増強ラマン分光測定を行うことができる。

この測定が終了したならば、第二支持体２を第一支持体１から離脱させ、第二支持体２および光電場増強デバイス２０だけを新しいものに交換すれば、また次の測定を行うことができる。その際、第二支持体２と比べてコストの高い第一支持体１は光センシング装置１２０から取り外す必要はなく、そのまま継続使用することができる。

また、液体Ｗを光電場増強デバイス２０に接触させるための流路２ａおよび空間２ｂが第二支持体２自体に形成されているので、光電場増強デバイス２０がどのような厚さであっても、第二支持体２で該光電場増強デバイス２０を押さえさえすれば、液体Ｗを光電場増強デバイス２０に接触させることが可能になる。それに対して、光電場増強デバイス２０を押さえ付ける部材と、そこに液体Ｗを接触させるための流路とが別体になっている場合は、光電場増強デバイス２０の厚さに応じてその流路の高さ位置を調整する作業が必要になる。

また本実施形態においては、光電場増強デバイス２０の基板として透明基板１１が用いられると共に、第一支持体１には開口１ｂが形成されているので、表面増強ラマン光Ｌ２の検出並びに散乱照明光の検出を、光電場増強デバイス２０の裏側つまり透明基板１１の側から行うことが可能になっている。散乱照明光の検出に関しては、このように透明基板１１の側から検出することにより、被測定物質Ｓやその周辺の環境（この場合は特に液体Ｗ）による影響を排除することができる。

また第一支持体１には、光電場増強デバイス２０を支持する側の表面において、開口１ｂの周囲に環状の突部である支持部１ａが形成されているので、該開口１ｂの外側から開口内への液体流入を阻止することができる。したがって、万一光電場増強デバイス２０と第二支持体２との間から液体Ｗが漏れた場合でも、開口１ｂの下側に設置されている機器類が液体Ｗによって汚損することを防止できる。

さらに、光電場増強デバイス２０を交換する際に、該光電場増強デバイス２０や第二支持体２に付着している液体Ｗが第一支持体１の底板上に垂れ落ちたとしても、それが開口１ｂ内に流入して落下し、機器類を汚損させることを防止できる。

また、第一支持体１が前述したように剛性の高いステンレス鋼等の金属で形成されていれば、光電場増強デバイス２０の交換を行っても、該光電場増強デバイス２０の位置を容易に再現することができ、光軸の再調整を簡単にすることができる。

《第３の実施形態》
次に図６および図７を参照して、本発明の第３の実施形態について説明する。図６および図７はそれぞれ、本発明の第３の実施形態による光センシングデバイスユニット１３０を示す一部破断側面図および平面図である。この光センシングデバイスユニット１３０は図１および図２に示した光センシングデバイスユニット１０と比べると基本的に、第二支持体２に形成された流路２ａの形状の点で異なるものである。すなわちこの光センシングデバイスユニット１３０における流路２ａは、平面視状態で図７に示す通り、空間２ｂに接続する部分ではこの空間２ｂと同じ幅とされ、そこから離れるに従って幅が連続的に狭くなる形状とされている。

ここで図８に、図１および図２に示した光センシングデバイスユニット１０における流路２ａと空間２ｂとの関係をモデル化した構造を示し、そこを液体Ｗが流れる状態について考察する。この図８の構造は、狭幅の流路２ａから広幅の空間２ｂに接続する部分を拡大流路１３１で、また広幅の空間２ｂから狭幅の流路２ａに接続する部分を縮小流路１３２でモデル化したものである。また同図では、液体Ｗの流れを矢印で示し、特に渦流は実線の矢印で示している。

拡大流路１３１においては、液体Ｗが狭幅の流路から広幅の流路に流入すると、広幅の流路における側壁面近くで渦流１３３が発生する。また縮小流路１３２においては、液体Ｗが広幅の流路から狭幅の流路に流入すると、広幅の流路および狭幅の流路の双方の側壁面近くで渦流１３３が発生し、さらに狭幅の流路中央部には縮流１３４が生じる。このような渦流および縮流は流速ストレスとなり、さらには、液体Ｗの流れに不均一が生じる原因となる。

上述のような渦流と縮流は、流路断面積の変化を緩やかにすることで防ぐことができる。流路断面積の変化を緩やかにする構造は一般にディフューザーと呼ばれており、図７に示した空間２ｂに接続する部分の流路２ａもこのディフューザーを構成している。

生体サンプルのように、培地溶液を環流させる必要があり、かつ流速ストレスや流れ方の不均一に対して測定結果が敏感に反応するサンプルについて測定を行う場合は、図７に示すディフューザーを構成する流路２ａを用いて、液体Ｗの流れ方を制御するのが好ましい。そのようにすれば、流路２ａから空間２ｂに液体Ｗが流入した際、および空間２ｂから流路２ａに液体Ｗが流出した際に、前述した渦流や縮流が発生することを防止して、流速ストレスや流れ方の不均一を抑制することができる。

《第４の実施形態》
次に図９および図１０を参照して、本発明の第４の実施形態について説明する。図９および図１０はそれぞれ、本発明の第４の実施形態による光センシングデバイスユニット１４０を示す一部破断側面図および平面図である。この光センシングデバイスユニット１４０は、先に説明した第１の実施形態による光センシングデバイスユニット１０と比べると基本的に、第二支持体を第一支持体に対して装着・離脱可能とする構造の点で異なるものである。

すなわち本実施形態における第一支持体１０１は概略、円筒状部分と底板部分を有する有底容器状に形成され、円筒状部分の内周面には雌ネジ１０１ｃが形成されている。また底板部分に形成された支持部１０１ａは円環状の突部とされ、その内側の開口１０１ｂは円形のものとされている。これらの支持部１０１ａおよび開口１０１ｂもそれぞれ、図１の光センシングデバイスユニット１０における支持部１ａおよび開口１ｂと同様に機能する。

一方第二支持体１０２は概略円柱状に形成され、その外周面には上記雌ネジ１０１ｃに螺合可能な雄ネジ１０２ｃが形成されている。そこでこの第二支持体１０２は、その雄ネジ１０２ｃを上記雌ネジ１０１ｃに螺合させて、キャップスクリュー状に全体的に回転させれば、その回転軸（これは光電場増強デバイス２０を第一支持体１０１の支持部１０１ａに押し当てる方向と平行である）に沿って螺進退するので、該第二支持体１０２を第一支持体１０１に装着させて光電場増強デバイス２０を押圧保持したり、あるいは第二支持体１０２を第一支持体１０１から離脱させて光電場増強デバイス２０を取り出すことができる。このような構成を採用することにより、第二支持体を押さえ付けるための部品、つまり図１に示した押さえ蓋４やネジ５等を不要にすることができる。

《第５の実施形態》
次に図１１を参照して、本発明の第５の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第５の実施形態による光センシングデバイスユニット１５０を示す一部破断側面図である。この光センシングデバイスユニット１５０は、先に説明した第１の実施形態による光センシングデバイスユニット１０と比べると基本的に、固定された光電場増強デバイス２０の近辺を温度調節する手段が設けられた点が異なるものである。

すなわち第一支持体１の底板の下面には、開口１ｂを取り囲む状態にして筒状の電熱線保持部５０が取り付けられ、その保持部５０の周囲に電熱線５１が巻回保持されている。この電熱線５１は図示外の電源から電流供給を受けて発熱し、またその電流量が図示外の温度検出手段が検出した温度に基づいて調節されることにより、固定されている光電場増強デバイス２０および対物レンズ３５の近辺を、液体Ｗの温度と近い設定温度に維持する。これにより、液体Ｗを液温制御しながら灌流させた際に液温と周辺の空気との温度差に起因して光電場増強デバイス２０や対物レンズ３５に結露が生じることを防止可能となる。

なお電熱線５１に代えて、その他の加熱手段を用いることもできる。さらには、加熱手段に代えてペルチェ素子等の冷却手段を用いて、所望部分を設定温度に維持するようにしてもよい。

《第６の実施形態》
次に図１２および図１３を参照して、本発明の第６の実施形態について説明する。図１２および図１３はそれぞれ、本発明の第６の実施形態による光センシングデバイスユニット１６０を示す一部破断側面図および底面図である。この光センシングデバイスユニット１６０は、先に説明した第１の実施形態による光センシングデバイスユニット１０と比べると基本的に、第一支持体１の底板裏面に、送風用流路１ｄが形成されている点で異なるものである。

この光センシングデバイスユニット１６０においては、送風用流路１ｄが形成されていることにより、後述するようにして光電場増強デバイス２０の近辺に結露防止用の気体を送風することが可能になる。なお第一支持体１の底板裏面に送風用流路１ｄを形成する代わりに、第一支持体１の近接する送風用チューブ（管路）を新たに設けてもよい。

《第７の実施形態》
次に図１４を参照して、本発明の第７の実施形態について説明する。図１４は、本発明の第７の実施形態による光センシング装置１７０を示す一部破断側面図である。この光センシング装置１７０は、図５に示した光センシング装置１２０と比べると基本的に、光センシングデバイスユニット１０に代えて上記第６の実施形態の光センシングデバイスユニット１６０が適用された上で、送風用ダクト７０および送風システム７１が追加された点で異なるものである。

送風システム７１は例えばガスボンベからなるものであり、一例として乾燥した窒素ガス等の気体を２方向に送り出す。この２方向に送り出された気体はそれぞれ送風用ダクト７０から光センシングデバイスユニット１６０の送風用流路１ｄを流れ、第一支持体１の開口１ｂ近辺に両側から吹き付けられる。これにより、液体Ｗの温度と周囲気温との差異に起因して、集光レンズ３５や光電場増強デバイス２０に結露が生じることを防止可能となる。

なお、本実施形態においては乾燥した窒素ガスを使用しているが、湿度が測定部（光電場増強デバイス２０が設置されている部分）の雰囲気の飽和水蒸気量よりも低く保たれていれば、大気を使用してもよい。また本実施形態においては、湿度が低く保たれた気体を使用しているが、液体Ｗの温度と近い温度とした気体を使用することによっても、上記結露を防ぐことができる。さらに、送風システム７１にはガスボンベを使用しているが、ブロワを使用してもよく、また送風気体から吸湿する機能や、送風気体を温度調節する機能を持つ送風システムを用いてもよい。

《第８の実施形態》
次に図１５を参照して、本発明の第８の実施形態について説明する。図１５は、本発明の第８の実施形態による光センシング装置１８０を示す一部破断側面図である。この光センシング装置１８０は、図５に示した光センシング装置１２０と比べると基本的に、通常の集光レンズ３５に代えて液浸型の集光レンズ１３５が適用されている点が異なるものである。

そしてこの液浸型の集光レンズ１３５と光電場増強デバイス２０との間は、例えば水や油等の液体８０で満たされる。こうすることにより、光電場増強デバイス２０の上を流れる液体Ｗの温度と、集光レンズ１３５の周辺の気温と間に差が有っても、該集光レンズ１３５や光電場増強デバイス２０に結露が生じることを防止できる。

《第９の実施形態》
次に図１６を参照して、本発明の第９の実施形態について説明する。図１６は、本発明の第９の実施形態による光センシング装置１９０を示す一部破断側面図である。この光センシング装置１９０は、図５に示した光センシング装置１２０と比べると、表面プラズモン励起増強蛍光分光法（ＳＰＦＳ：Surface Plasmon-field enhanced Fluorescence Spectroscopy）による測定を行う構成とされている点が異なるものである。すなわちこの光センシング装置１９０は、蛍光増強測定系と照明観察系の２つを有している。

測定を行う際には、図５に示した光センシング装置１２０におけるのと同様にして光電場増強デバイス２０が固定され、また検出対象の被測定物質Ｓを含む可能性の有る液体Ｗが第二支持体２の流路２ａ内に連続的に導入される。この液体Ｗは空間２ｂにおいて光電場増強デバイス２０の微細凹凸構造１４と接触する状態となり、その後流路２ａを経て液体排出管７から第二支持体２の外に流出する。

上記蛍光増強測定系は、励起光源３１から発せられた波長４８８ｎｍの励起光Ｌ１を、ダイクロイックミラー３３、３４で順次反射させて集光レンズ３５に導き、集光された励起光Ｌ１を光電場増強デバイス２０に照射する構成（励起光学系）と、後述のようにして表面増強蛍光Ｌ４を分光検出する構成（検出光学系）とを有する。

ダイクロイックミラー３３、３４は波長５３０ｎｍ以下の光を９０％以上透過させ、波長５００ｎｍ以上の光を９５％以上反射する特性を有する。集光レンズ３５には、例えばオリンパス（株）製の倍率６０倍、ＮＡ０．７の対物レンズが用いられている。この集光レンズ３５に入射した励起光は、光センシングデバイスユニット１０に保持されている光電場増強デバイス２０の微細凹凸構造１４に集光される。

光電場増強デバイス２０は、金属からなる上記微細凹凸構造１４に照射された励起光Ｌ１により局在プラズモン共鳴を誘起させ、この局在プラズモン共鳴により、微細凹凸構造１４の表面に増強された光電場を生じさせる。

液体Ｗに含まれる被測定物質Ｓは、上記励起光Ｌ１の照射を受けると蛍光を発し、この蛍光は光電場増強デバイス２０の作用により増強される。こうして増強された表面増強蛍光Ｌ４は、集光レンズ３５により集光され、ダイクロイックミラー３４で反射した後ダイクロイックミラー３３、ロングパスフィルター９１を透過し、光電子増倍管９２によって分光検出される。この光センシング装置１９０によれば、例えばAcridine orangeで染色した生体サンプルが発する蛍光を測定することができる。

照明観察系は、図８の装置におけるものと同様のものであって、キセノンランプ等からなる照明光源４０から発せられた照明光Ｌ３をコリメートレンズ４１により平行化した上で光電場増強デバイス２０上の液体Ｗに照射する構成を有する。さらにこの照明観察系は、液体Ｗで散乱した後に光電場増強デバイス２０、集光レンズ３５、およびダイクロイックミラー３４を透過した照明光Ｌ３をミラー４２により直角に反射させ、集光レンズ４３により集光してＣＣＤ４４に導き、このＣＣＤ４４が撮像した照明光Ｌ３による画像を図示外の画像表示装置に表示させる構成を有する。

この照明観察系が設けられていることにより、上記画像表示装置に表示された画像を観察して液体Ｗ中の被測定物質Ｓの位置を確認し、それに応じて光電場増強デバイス２０を（より具体的には光センシングデバイスユニット１０を）該デバイス２０の基板面内方向に動かすことで、励起光Ｌ１の集光位置に被測定物質Ｓを配置して表面増強蛍光測定を行うことができる。

この測定が終了したならば、第二支持体２を第一支持体１から離脱させ、第二支持体２および光電場増強デバイス２０だけを新しいものに交換すれば、また次の測定を行うことができる。その際、第二支持体２と比べてコストの高い第一支持体１は光センシング装置１９０から取り外す必要はなく、継続使用することができる。

また本実施形態においては、光電場増強デバイス２０の基板として透明基板１１が用いられると共に、第一支持体１には開口１ｂが形成されているので、表面増強蛍光Ｌ４の検出並びに散乱照明光の検出を、光電場増強デバイス２０の裏側つまり透明基板１１の側から行うことが可能になっている。散乱照明光の検出に関しては、このように透明基板１１の側から検出することにより、被測定物質Ｓやその周辺の環境（この場合は特に液体Ｗ）による影響を排除することができる。

また第一支持体１には、光電場増強デバイス２０を支持する側の表面において、開口１ｂの周囲に環状の突部である支持部１ａが形成されているので、この場合も、開口１ｂを通って液体Ｗが落下することを無くして、該開口１ｂの下側に設置されている機器類が液体Ｗによって汚損することを防止できる。

１、１０１ 第一支持体
１ａ、１０１ａ 第一支持体の支持部
１ｂ、１０１ｂ 第一支持体の開口
１ｄ 第一支持体の送風用流路
２、１０２ 第二支持体
２ａ、１０２ａ 第二支持体の流路
２ｂ、１０２ｂ 第二支持体の空間
４ 押さえ蓋
５ ネジ
６ 液体導入管
７ 液体排出管
８ シール材
１０、１３０、１４０、１５０、１６０ 光センシングデバイスユニット
１１ 透明基板
１２ 透明基板本体
１３ 透明微細凹凸構造
１４ 金属からなる微細凹凸構造
２０ 光電場増強デバイス
３１ 励起光源
３２ レーザラインフィルター
３３、３４ ダイクロイックミラー
３５、４３、１３５ 集光レンズ
３６ ノッチフィルター
３７ レンズ対
３８ スリット
３９ 分光検出器
４０ 照明光源
４１ コリメートレンズ
４２ ミラー
４４ ＣＣＤ
５１ 電熱線
７０ 送風用ダクト
７１ 送風システム
９１ ロングパスフィルター
９２ 光電子増倍管
１０１ｃ 第一支持体の雌ネジ
１０２ｃ 第二支持体の雄ネジ
１２０、１７０、１８０、１９０ 光センシング装置
Ｌ１ 励起光
Ｌ２ 表面増強ラマン光
Ｌ３ 表面増強蛍光
Ｌ４ 照明光
Ｓ 被測定物質
Ｗ 液体

Claims (18)

1. 透明基板の上に金属からなる微細凹凸構造を有する光電場増強デバイスと、
   この光電場増強デバイスを透明基板側から支持する支持部を有する第一支持体と、
   前記光電場増強デバイスを前記第一支持体の支持部に押し当てて、該支持部から離脱可能に固定する第二支持体とを備えてなる光センシングデバイスユニットであって、
   前記第一支持体において前記支持部が開口の周囲に形成され、
   前記第二支持体に、その外部から内部を経て外部に出るように液体を案内する流路および、この流路と連通して、固定している光電場増強デバイスに前記液体を接触させる空間が形成され、
   前記第二支持体が、前記光電場増強デバイスを固定する状態と解放した状態とを取り得るように、前記第一支持体に対して装着・離脱可能とされていることを特徴とする光センシングデバイスユニット。
2. 前記第二支持体の空間が、第二支持体が第一支持体に対して装着された状態下で、第一支持体の前記支持部より内側に有る状態に形成されていることを特徴とする請求項１記載の光センシングデバイスユニット。
3. 前記第一支持体の光電場増強デバイスを支持する側の表面において、前記開口の周囲に、開口の外側から該開口内への液体流入を阻止する環状の突部が形成されていることを特徴とする請求項１または２記載の光センシングデバイスユニット。
4. 前記環状の突部が、第一支持体の前記支持部としても機能するものであることを特徴とする請求項３記載の光センシングデバイスユニット。
5. 前記第一支持体に、送風用の流路が設けられていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
6. 固定された前記光電場増強デバイスの近辺を設定温度に調節する温度調節手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
7. 前記温度調節手段が、電熱線またはペルチェ素子を備えてなるものであることを特徴とする請求項６記載の光センシングデバイスユニット。
8. 前記第二支持体が、光電場増強デバイスを第一支持体の支持部に押し当てる方向を回転軸として該第一支持体に螺合するネジ部を有し、全体的に回転されて螺進退することにより第一支持体に対して装着・離脱可能とされていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
9. 前記第二支持体を、前記第一支持体側に押圧する押さえ手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１から７いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
10. 前記流路が、前記空間に接続する部分の近傍において、幅が連続的に変化する形状とされていることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
11. 固定された光電場増強デバイスと前記第二支持体との間において、該第二支持体の前記空間を取り囲むシール材が配置されていることを特徴とする請求項１から１０いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
12. 前記シール材の少なくとも一部が、ゴム、樹脂からなることを特徴とする請求項１１記載の光センシングデバイスユニット。
13. 前記第一支持体がステンレス鋼またはアルミニウム、もしくはそれらの少なくとも一方を成分とする合金から形成されていることを特徴とする請求項１から１２いずれか１項記載の光センシングデバイスユニット。
14. 請求項１から１３いずれか１項記載の光センシングデバイスユニットと、
    前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
    励起光の照射を受けることにより前記被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備えたことを特徴とする光センシング装置。
15. 請求項１から１３いずれか１項記載の光センシングデバイスユニットと、
    前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
    励起光の照射を受けることにより前記被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備え、
    前記第一支持体の内部または該第一支持体に近接した位置に送風用流路が形成され、
    この送風用流路に熱風または乾燥気体を供給する手段が設けられたことを特徴とする光センシング装置。
16. 請求項１から１３いずれか１項記載の光センシングデバイスユニットと、
    前記光電場増強デバイスに対してその微細凹凸構造側に存在する被測定物質に励起光を照射する励起光学系と、
    励起光の照射を受けることにより前記被測定物質が発した光を、前記透明基板側から検出する検出光学系とを備え、
    光電場増強デバイスに向かう前記励起光を集光する集光レンズが設けられ、
    この集光レンズと光電場増強デバイスとの間に液体が満たされていることを特徴とする光センシング装置。
17. 前記励起光学系および検出光学系が、表面増強ラマン分光法により表面増強ラマン光を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１４から１６いずれか１項記載の光センシング装置。
18. 前記励起光学系および検出光学系が、表面プラズモン励起増強蛍光分光法により表面増強蛍光を検出するように構成されていることを特徴とする請求項１４から１６いずれか１項記載の光センシング装置。

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