JP7143949B2

JP7143949B2 - 分光分析装置、分光分析方法及びプログラム

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Publication number: JP7143949B2
Application number: JP2021520048A
Authority: JP
Inventors: 賢司宮崎
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 2019-05-20
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2022-09-29
Anticipated expiration: 2040-01-30
Also published as: WO2020235142A1; JPWO2020235142A1

Description

本発明は、分光分析装置、分光分析方法及びコンピュータ可読媒体に関する。

表面増強ラマン散乱分光（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）を利用して観測対象物の分子情報を取得する分光分析装置が知られている（特許文献１参照）。

例えば、ＳＥＲＳの強度は金属ＮＰと観測対象物の分子との化学吸着の度合いによって変わる。しかし、分子のよって強く化学吸着する金属ＮＰの種類が異なる場合がある。このため、単一金属ＮＰを用いた単一励起波長構成の測定では観測対象物が複数の分子で構成されている場合、一度の測定で、十分な分子情報が得られない虞がある。

特開２０１７－２１１３９５号公報

上記分光分析装置において、例えば、観測対象物が複数の分子で構成されている場合、一度の測定で、十分な分子情報が得られない虞がある。一方、複数回の測定を行う場合、測定作業の効率が低下する虞がある。

本開示の目的は、上述した課題のいずれかを解決する分光分析装置、分光分析方法及びコンピュータ可読媒体を提供することにある。

上記目的を達成するための一態様は、
複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射する照射手段と、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得する情報取得手段と、
を備えることを特徴とする分光分析装置
である。
上記目的を達成するための一態様は、
複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射するステップと、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする分光分析方法
であってもよい。
上記目的を達成するための一態様は、
複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射する処理と、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得する処理と、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするプログラムを格納するコンピュータ可読媒体
であってもよい。

本開示によれば、上述した課題のいずれかを解決する分光分析装置、分光分析方法及びコンピュータ可読媒体を提供することができる。

実施形態１に係る分光分析装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。複数のＳＥＲＳ基板材料が平行に隣接して配置された構成を示す図である。複数のＳＥＲＳ基板材料が平行に隣接して配置された構成を示す図である。実施形態１に係る分光分析装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。実施形態１に係る分光分析方法のフローを示すフローチャートである。実施形態２に係る分光分析装置の概略的な構成を示す概略図である。観測対象物がＳＥＲＳ基板材料に挟み込まれるようにして配置された構成を示す図である。

実施形態１
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態１に係る分光分析装置は、表面増強ラマン散乱光（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）を利用して観測対象物Ｘの分子情報を取得する。観測対象物Ｘは、例えば、複数の分子からなるポリスチレン、細菌（大腸菌、クレブシエラ菌、枯草菌、酵母、麹菌等）などである。

図１は、実施形態１に係る分光分析装置の概略的なシステム構成を示すブロック図である。本実施形態１に係る分光分析装置１は、観測対象物Ｘに励起光を照射するレーザ光源部２と、光を導光及び集光する光学系３と、ラマン散乱光を分光する分光部４と、観測対象物Ｘの分子情報を取得する情報取得部５と、を備えている。

ＳＥＲＳ基板材料は、ガラスなどの基質上に微粒子状に形成されている。粒子は、例えば、金、銀、銅、ナトリウムなどである。ＳＥＲＳ基板材料の粒子は、例えば、基質上に蒸着されている。

基質上に、図２Ａに示す如く、複数のＳＥＲＳ基板材料が平行に隣接して配置されている。例えば、各ＳＥＲＳ基板材料は、所定幅（数十μｍ程度）で相互に平行かつ隣接して配置されている。観測対象物Ｘは、各ＳＥＲＳ基板材料に接して配置されている。

なお、図２Ａに示す一例では、基質上に銀、金、及び銅の３種類のＳＥＲＳ基板材料が配置されているが、これに限定されない。例えば、基質上に２種類あるいは、４種類以上のＳＥＲＳ基板材料が配置されてもよく、配置されるＳＥＲＳ基板材料の種類数は任意でよい。

レーザ光源部２は、照射手段の一具体例である。レーザ光源部２は、例えば、半導体レーザとして構成されている。レーザ光源部２は、各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を所定時間毎に切替えて照射する。例えば、各ＳＥＲＳ基板材料に対し、ＳＥＲＳを起こし易い波長の励起光が対応付けられている。

レーザ光源部２は、各波長の励起光を、微小時間毎（例えば、１００ｍｓ毎）に交互に照射する。より具体的には、図２Ａに示す如く、レーザ光源部２は、基質上に銀のＳＥＲＳ基板材料に対し、第１レーザ光を１００ｍｓ照射する。レーザ光源部２は、第１レーザ光から第２レーザ光に切替え、基質上に金のＳＥＲＳ基板材料に対し、第２レーザ光を１００ｍｓ照射する。レーザ光源部２は、第２レーザ光から第３レーザ光に切替え、基質上に銅のＳＥＲＳ基板材料に対し、第３レーザ光を１００ｍｓ照射する。レーザ光源部２は、上記レーザ光の照射を繰り返す。

なお、図２Ａにおいて、各ＳＥＲＳ基板材料の所定幅は、数十μｍ程度と広い。このため、レーザ光源部２は、各ＳＥＲＳ基板材料に対し、第１乃至第３レーザ光を個別に照射している。

しかし、各ＳＥＲＳ基板材料の所定幅は、数十～数百ｎｍ程度と狭くてもよい。この場合、図２Ｂに示す如く、レーザ光源部２は、第１乃至第３レーザ光を、略同一の領域に対し照射してもよい。

上記可能となる理由として、それぞれのＳＥＲＳ基板材料は表面プラズモン共鳴する波長が異なる。このため、例え同時に３つのＳＥＲＳ基板材料にレーザ光が照射されてもＳＥＲＳ効果を発揮するＳＥＲＳ基板材料はそのレーザ波長に対応したＳＥＲＳ基板材料だけであり、そのＳＥＲＳ基板材料に化学的に吸着された分子からのＳＥＲＳ光が得られるからである。

光学系３は、レーザ光源部２からの励起光を集光し、観測対象物Ｘへ導光する。光学系３は、ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光を分光部４に導光する。光学系３は、例えば、レンズ、ミラー、ダイクロイックミラーなどで構成されている。

分光部４は、励起光に対してＳＥＲＳ基板材料から放射されるラマン散乱光を分光する。分光部４は、例えば、回折格子を組み込んだポリクロメータなどで構成されている。

情報取得部５は、情報取得手段の一具体例である。情報取得部５は、分光部４で分光されたラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成する。情報取得部５は、生成したラマンスペクトルに基づいて、観測対象物Ｘの分子情報を取得する。情報取得部５は、例えば、観測対象物Ｘを構成する各分子の構造、結晶性、残留応力などの情報を取得することができる。

情報取得部５は、例えば、演算処理等を行うＣＰＵ（Central Processing Unit）５１、ＣＰＵ５１によって実行される演算プログラム等が記憶されたＲＯＭ（Read Only Memory）やＲＡＭ（Random Access Memory）からなるメモリ５２、外部と信号の入出力を行うインターフェイス部（Ｉ／Ｆ）５３、などからなるマイクロコンピュータを中心にして、ハードウェア構成されている。ＣＰＵ５１、メモリ５２、及びインターフェイス部５３は、データバスなどを介して相互に接続されている。

ところで、観測対象物Ｘが複数の分子で構成されている場合、一度の測定で、十分な分子情報が得られない虞がある。一方、複数回の測定を行う場合、測定作業の効率が低下する虞がある。

これに対し、本実施形態１に係る分光分析装置１は、図３に示す如く、複数のＳＥＲＳ基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物Ｘに対して、各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射するレーザ光源部２と、励起光に対するＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、生成したラマンスペクトルに基づいて、観測対象物Ｘの分子情報を取得する情報取得部５と、を備えている。

これにより、励起光の波長毎のラマン散乱光を取得できるため、観測対象物Ｘの分子情報の取得量を増加させることができる。また、１回の観測対象物Ｘの測定準備で済むため、測定作業の効率が低下することもない。
図４は、実施形態１に係る分光分析方法のフローを示すフローチャートである。

レーザ光源部２は、複数の分子からなる観測対象物Ｘに対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射する（ステップＳ４０１）。

分光部４は、レーザ光源部２の励起光に対するＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光を分光する（ステップＳ４０２）。

情報取得部５は、分光部４により分光されたラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成する（ステップＳ４０３）。

情報取得部５は、生成したラマンスペクトルに基づいて、観測対象物Ｘの分子情報を取得する（ステップＳ４０４）。

以上、本実施形態１に係る分光分析装置１は、複数の分子からなる観測対象物Ｘに対して、各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射するレーザ光源部２と、励起光に対するＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、生成したラマンスペクトルに基づいて、観測対象物Ｘの分子情報を取得する情報取得部５と、を備えている。

これにより、励起光の波長毎のラマン散乱光を取得できるため、観測対象物Ｘの分子情報の取得情報量を増加させることができる。また、１回の観測対象物Ｘの測定準備で済むため、測定作業の効率が低下することもない。すなわち、観測対象物Ｘの分子情報の取得量を増加させつつ、測定作業の効率化を図ることができる。

実施形態２
図５は、実施形態２に係る分光分析装置の概略的な構成を示す概略図である。本実施形態２に係る分光分析装置１において、基質は、ＳＥＲＳ基板材料の微粒子が蒸着したテープ（以下、基質テープと称す）Ｘ１である。

図５に示す如く、筐体８内には、レーザ光源部２と、光学系３と、分光部４と、情報取得部５と、第１及び第２ロール６、７と、が配置されている。筐体８には通気口８１が設けられている。通気口８１には、開閉式のカバー８２が設けられている。カバー８２が開状態になると、例えば、ファンなどの吸引装置により吸引された外気が通気口８１を介して、筐体８内に流入する。

基質テープＸ１は、例えば、ポリエステルなどで構成されている。第１ロール６から繰り出された基質テープＸ１は、第２ロール７に巻き取られる。筐体８の通気口８１内に流入した細菌などの観測対象物Ｘは、第１ロール６と第２ロール７との間の基質テープＸ１に付着する。

レーザ光源部２は、第１ロール６と第２ロール７との間で基質テープＸ１に付着した観測対象物Ｘに対し、励起光を連続的に照射する。情報取得部５は、観測対象物Ｘからのラマン散乱光に基づいて、連続的に観測対象物Ｘの分子情報を取得する。

例えば、第１ロール６は基質テープＸ１を一定の時間間隔で繰り出し、第２ロール７はその基質テープＸ１を巻き取る。これにより、一定時間に渡って連続的に、その基質テープＸ１に付着した観測対象物Ｘのラマン散乱光に基づいて観測対象物Ｘの分子情報を取得できる。また、観測対象物Ｘが付着した基質テープＸ１を第２ロール７で巻き取り、筐体８内に保管することができる。

光学系３は、第１レンズ３１と、第１及び第２ダイクロイックミラー３２、３３と、第２レンズ３４と、第１ミラー３５と、第３レンズ３６と、を有している。

レーザ光源部２と、第１レンズ３１と、第１及び第２ダイクロイックミラー３２、３３と、第２レンズ３４とは、例えば、同一光軸上に配置されている。レーザ光源部２から出射された励起光は、第１レンズ３１で集光され、第１及び第２ダイクロイックミラー３２、３３を透過する。そして、その透過した励起光は、第２レンズ３４で集光されて、基質テープＸ１に付着した観測対象物Ｘに対して、照射される。

第２ダイクロイックミラー３３は、観測対象物Ｘからのラマン散乱光の一部を、略９０°偏向し、第１ミラー３５に向けて反射する。第１ミラー３５と、分光部４と、情報取得部５とは同一光軸上に配置されている。第１ミラー３５は、例えば、回折格子（グレーティング）として構成されている。第１ミラー３５は、第２ダイクロイックミラー３３からのラマン散乱光を、略９０°偏向し、分光部４に向けて反射する。分光部４は、例えば、レンズとして構成されている。分光部４は、第１ミラー３５からのラマン散乱光を分光する。情報取得部５は、エリアセンサとして構成されている。情報取得部５は、分光部４により分光されたラマン散乱光のラマンスペクトルを生成し、観測対象物Ｘの分子情報を取得する。

観測対象物Ｘからのラマン散乱光の他部分は、第２ダイクロイックミラー３３を透過する。透過した光の一部は、第１ダイクロイックミラー３２で反射され、第３レンズ３６で集光され、ラインセンサ９に入射する。ラインセンサ９は、観測対象物Ｘの位置や形状などを取得する。光学系３を上記のような構成及び配置にすることで、各部材を筐体８内にコンパクトに収納し、分光分析装置１の小型化を図ることができる。

実施形態３
実施形態３において、観測対象物Ｘは、ＳＥＲＳ基板材料に挟み込まれるようにして配置されている。

例えば、図６に示す如く、下側の第１基質の表面上に銀のナノ粒子Ｒ１が蒸着されている。上側の第２基質の表面上に金のナノ粒子Ｒ２が蒸着されている。観測対象物Ｘは、第１基質の銀ナノ粒子Ｒ１と第２基質の金ナノ粒子Ｒ２とに接触し挟み込まれている。

レーザ光源部２は、例えば、枯草菌などの観測対象物Ｘに対して、金ナノ粒子Ｒ２に対応する赤レーザと、銀ナノ粒子Ｒ１に対応する緑レーザとを、微小時間毎に交互に照射する。情報取得部５は、赤レーザ及び緑レーザのラマン散乱光に基づいて、夫々のラマンスペクトルを生成し、観測対象物Ｘの分子情報を取得する。

本実施形態３によれば、より簡易な構成で、観測対象物Ｘの分子情報の取得量を増加させ、測定作業の効率化を図ることができる。

実施形態４
上記実施形態１乃至３において、ＳＥＲＳ基板材料は、基質上に微粒子状に形成されている。この場合、微粒子の粒径、形状等を厳密に制御するのが困難となり得る。

これに対し、本実施形態４において、ＳＥＲＳ基板材料は基質として構成され、ＳＥＲＳ基板材料の表面に複数の微細な凹状が形成されている。微細な凹状を成形する制御は、微粒子を成形する制御と比較して、その制御が容易である。このため、ＳＥＲＳ基板材料の表面に微細な凹状をより高精度に加工でき、その再現性に優れている。

また、ＳＥＲＳ基板材料上において、例えば、凹状を同心円状、同心多角形状、あるいは波型に配置するなど、任意の形状に精度よく配置できる。さらに、観測対象物Ｘに応じて、凹状の配置を変えてもよい。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他のさまざまな形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

本発明は、例えば、図４に示す処理を、ＣＰＵにコンピュータプログラムを実行させることにより実現することも可能である。

プログラムは、様々なタイプの非一時的なコンピュータ可読媒体（non-transitory computer readable medium）を用いて格納され、コンピュータに供給することができる。非一時的なコンピュータ可読媒体は、様々なタイプの実体のある記録媒体（tangible storage medium）を含む。非一時的なコンピュータ可読媒体の例は、磁気記録媒体（例えばフレキシブルディスク、磁気テープ、ハードディスクドライブ）、光磁気記録媒体（例えば光磁気ディスク）、ＣＤ－ＲＯＭ（Read Only Memory）、ＣＤ－Ｒ、ＣＤ－Ｒ／Ｗ、半導体メモリ（例えば、マスクＲＯＭ、ＰＲＯＭ（Programmable ROM）、ＥＰＲＯＭ（Erasable PROM）、フラッシュＲＯＭ、ＲＡＭ（random access memory））を含む。

プログラムは、様々なタイプの一時的なコンピュータ可読媒体（transitory computer readable medium）によってコンピュータに供給されてもよい。一時的なコンピュータ可読媒体の例は、電気信号、光信号、及び電磁波を含む。一時的なコンピュータ可読媒体は、電線及び光ファイバ等の有線通信路、又は無線通信路を介して、プログラムをコンピュータに供給できる。
この出願は、２０１９年５月２０日に出願された日本出願特願２０１９－０９４６０４を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

１分光分析装置
２レーザ光源部
３光学系
４分光部
５情報取得部
６第１ロール
７第２ロール
８筐体
９ラインセンサ
３１第１レンズ
３２第１ダイクロイックミラー
３３第２ダイクロイックミラー
３４第２レンズ
３５第１ミラー
３６第３レンズ
８１通気口
８２カバー

Claims

複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射する照射手段と、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得する情報取得手段と、
を備えることを特徴とする分光分析装置。
請求項１記載の分光分析装置であって、
前記複数のＳＥＲＳ基板材料は、平行に隣接して配置されており、前記観測対象物は、前記各ＳＥＲＳ基板材料に接して配置されている、
ことを特徴とする分光分析装置。
請求項１記載の分光分析装置であって、
前記観測対象物は、前記ＳＥＲＳ基板材料に挟み込まれるようにして配置されている、
ことを特徴とする分光分析装置。
請求項１乃至３のうちいずれか１項記載の分光分析装置であって、
前記ＳＥＲＳ基板材料は基質として構成され、該ＳＥＲＳ基板材料の表面に複数の凹状が形成されている、
ことを特徴とする分光分析装置。
複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射するステップと、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得するステップと、
を含む、ことを特徴とする分光分析方法。
複数のＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering）基板材料に接して配置された複数の分子からなる観測対象物に対して、該各ＳＥＲＳ基板材料に対応する波長の励起光を切替えて照射する処理と、
該励起光に対する前記ＳＥＲＳ基板材料からのラマン散乱光に基づいて、ラマンスペクトルを生成し、該生成したラマンスペクトルに基づいて、前記観測対象物の分子情報を取得する処理と、
をコンピュータに実行させる、ことを特徴とするプログラム。