WO2022059698A1 - 分光システムおよび分光方法 - Google Patents

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WO2022059698A1
WO2022059698A1 PCT/JP2021/033890 JP2021033890W WO2022059698A1 WO 2022059698 A1 WO2022059698 A1 WO 2022059698A1 JP 2021033890 W JP2021033890 W JP 2021033890W WO 2022059698 A1 WO2022059698 A1 WO 2022059698A1
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spectroscopic
sample
irradiation
passage
light
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PCT/JP2021/033890
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English (en)
French (fr)
Inventor
正輝 谷口
奏 龍▲崎▼
Original Assignee
国立大学法人大阪大学
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means

Definitions

  • the present invention relates to a spectroscopic system and a spectroscopic method.
  • the conventional spectroscopic system includes an irradiation device that irradiates a sample with an electromagnetic wave such as light, a spectroscopic device that separates and detects light from the sample by irradiation of the electromagnetic wave, and spectroscopic data showing the spectroscopy detected by the spectroscopic device. It is equipped with a storage device for storing the light.
  • Floating spectroscopy which performs spectroscopy on a sample passing through a certain measurement position while flowing the sample, is a technique that has been required for a long time because it can measure a large number of samples at high speed.
  • the floating spectroscopy does not know when the sample to be measured passes the measurement position. Therefore, it is necessary to keep storing the spectral data in the storage device for the period during which the sample is considered to have passed the measurement position, and the storage device has an enormous storage capacity (for example, 100 to 1000 MB per second). There is a need.
  • One aspect of the present invention has been made in view of the above problems, and provides a spectroscopic system capable of realizing floating spectroscopy.
  • the spectroscopic system includes an irradiation device that irradiates a sample with laser light and a spectroscopic device that separates and detects light from the sample due to the irradiation of the laser light.
  • a storage device for storing spectroscopic data indicating the spectroscopy detected by the spectroscopic device is provided, and the irradiation device is capable of passing the sample and irradiating the laser beam.
  • the storage device includes a passage unit and a detection unit that detects the passage of the sample in the passage unit, and the storage device stores the spectral data corresponding to the timing detected by the detection unit of the irradiation device.
  • the spectroscopic method has an irradiation step of irradiating a sample with a laser beam, the sample can pass through, and the laser beam can be irradiated.
  • a detection step for detecting the passage of the sample in the passing portion a spectroscopic step for detecting the light from the sample by irradiation with the laser beam, and spectroscopic data showing the spectroscopy detected in the spectroscopic step.
  • the storage step of storing the spectral data corresponding to the timing detected in the detection step is included.
  • floating spectroscopy can be realized.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a schematic configuration of a Raman spectroscopic system 100 (spectral system) according to an embodiment of the present invention.
  • the Raman spectroscopy system 100 includes a laser light source 101, an irradiation device 110, a spectroscopy device 130, and a storage device 150.
  • Raman spectroscopy system 100 applies Raman spectroscopy to particles P (sample). That is, the Raman spectroscopy system 100 irradiates the particles P with the laser beam L, and detects the Raman spectroscopy data from the Raman scattered light D of the particles P generated by the laser beam L.
  • an example of applying a floating spectroscopy method in which a moving particle P is irradiated with a laser beam L and Raman spectroscopy data is detected as the Raman spectroscopy system 100 will be described.
  • the particle P is an arbitrary nanoparticle.
  • the shape of the particle P is a sphere, but the shape is not limited to this.
  • the shape of the particles P may be any shape as long as the particles P can pass through the hole 113a described later.
  • the laser light source 101 emits a laser beam L having a wavelength required for generating Raman scattered light D from the particles P.
  • the laser beam L propagates to the irradiation device 110 via an optical fiber or the like. Since a known laser light source 101 can be used, the details thereof will be omitted.
  • the irradiation device 110 includes a beam splitter 112, a base material 113, a detection unit 114, a trigger generation unit 115, a first electrode 116, a second electrode 117, and a voltage source 118.
  • a beam splitter 112 a base material 113
  • a detection unit 114 a trigger generation unit 115
  • a first electrode 116 a second electrode 117
  • a voltage source 118 a voltage source 118.
  • the irradiation device 110 may irradiate the hole 113a, which will be described later, with the laser beam L by any method conceivable by those skilled in the art, and send the Raman scattered light D to the spectroscopic device 130.
  • the laser beam L from the laser light source 101 enters the microscope and is emitted to the objective lens via the beam splitter 112.
  • the laser beam L is focused by the objective lens and is irradiated toward the hole 113a of the base material 113, which will be described later.
  • the base material 113 is fixed on the stage of the microscope so that the main surface of the base material 113 is orthogonal to the irradiation direction of the laser beam L from the objective lens.
  • the base material 113 is an insulator, for example, a thin film of Si 3 N 4 (Si 3 N 4 membrane). As an example, the thickness of the base material 113 is 50 nm.
  • the base material 113 has a hole portion 113a (passing portion) penetrating along the thickness direction of the base material 113.
  • the hole 113a is provided in the base material 113 so that the particles P can pass in the moving direction A in FIG. 1.
  • the specific configuration of the hole 113a will be described later.
  • the laser beam L focused by the objective lens is applied to the hole 113a. That is, the laser beam L irradiates the particles P passing through the hole 113a.
  • the particles P irradiated with the laser beam L emit scattered light including Raman scattered light D.
  • the scattered light incident on the objective lens becomes parallel light and is applied to the beam splitter 112.
  • the beam splitter 112 passes only the Raman scattered light D among the scattered light from the objective lens and propagates to the spectroscope 130 via the optical fiber.
  • the relative position of the stage with respect to the objective lens is adjusted so that the laser beam L is irradiated toward the hole 113a of the base material 113 on the stage by a function of a known microscope.
  • the first electrode 116 and the second electrode 117 are arranged so that the base material 113 is interposed between them.
  • the first electrode 116 and the second electrode 117 function as a negative electrode and a positive electrode, respectively.
  • the voltage source 118 and the detection unit 114 are connected to the first electrode 116 and the second electrode 117, respectively.
  • the negative electrode of the voltage source 118 is connected to the first electrode 116.
  • the positive pole of the voltage source 118 is grounded.
  • one terminal of the detection unit 114 is connected to the second electrode 117. The other terminal of the detection unit 114 is grounded.
  • a voltage of a predetermined magnitude is applied between the first electrode 116 and the second electrode 117 by the voltage source 118. Due to this voltage, an ion current flows from the first electrode 116 toward the second electrode 117. Since the base material 113 is an insulator, the ionic current flows through the hole 113a.
  • the particles P When the particles P are negatively charged, the particles P existing on the first electrode 116 side are guided to the pore portion 113a by the ionic current. Therefore, when the particles P are negatively charged, the Raman scattered light D of a large number of particles P can be detected sequentially and at high speed by the above configuration.
  • the irradiation device 110 may change the first electrode 116 to a positive electrode and the second electrode 117 to a negative electrode. Further, when the particles P are neutral, the particles P can be guided to the pore 113a by pressure or fluid.
  • the detection unit 114 is an ammeter that measures the ion current.
  • the detection unit 114 detects a decrease in the ion current when the particle P passes through the pore portion 113a. That is, the detection unit 114 can detect the passage timing T1 of the particle P in the hole portion 113a by detecting the decrease in the ion current (see FIG. 5).
  • the trigger generation unit 115 generates a trigger signal at the passage timing T1 of the particle P detected by the detection unit 114. For example, the trigger generation unit 115 generates a trigger signal at the timing when the ion current becomes equal to or less than a predetermined threshold value, as described later. The trigger generation unit 115 transmits a trigger signal to the storage device 150.
  • FIG. 2 is a diagram showing an example in which the hole 113a of the Raman spectroscopy system 100 is a nanoscale hole.
  • the z-axis is a coordinate axis parallel to the thickness direction of the base material 113.
  • the z-axis direction is opposite to the irradiation direction of the laser beam L from the objective lens.
  • the z-axis direction is referred to as an upper direction
  • the direction opposite to the z-axis direction is referred to as a lower direction.
  • an arbitrary axis on a plane perpendicular to the z-axis is represented as an r-axis.
  • the hole 113a is a nanoscale hole (nanopore).
  • the cross-sectional shape of the hole 113a including the r-axis is circular, but the cross-sectional shape is not limited to this.
  • FIG. 3 is a graph showing the ion current measured by the detection unit 114.
  • the vertical axis represents the ion current Iion measured by the detection unit 114
  • the horizontal axis represents the displacement Z of the particle P.
  • the displacement Z represents the displacement of the base material 113 from the center in the z-axis direction.
  • the detection unit 114 can detect the passage timing T1 of the particle P in the hole portion 113a by detecting the decrease in the ion current Iion.
  • the trigger generation unit 115 may generate a trigger signal at the timing when the ion current Iion becomes 6.0 nA or less, for example.
  • the spectroscope 130 includes a spectroscope 131 and an image pickup device 1.
  • the spectroscopic device 130 separates and detects the light incident from the irradiation device 110.
  • the incident light from the irradiation device 110 includes the background light.
  • the incident light from the irradiation device 110 includes background light and Raman scattered light D.
  • the spectroscope 131 decomposes (splits) the light incident from the irradiation device 110 into components for different wavelengths.
  • the spectroscope 131 irradiates the image pickup apparatus 1 with the dispersed light.
  • the image pickup apparatus 1 receives the light dispersed by the spectroscope 131 and converts it into a voltage signal.
  • the image pickup device 1 outputs the voltage signal as spectral data (spectral data) to the storage device 150.
  • the image pickup device 1 is an image pickup device using a plurality of photoelectric conversion elements such as a CCD (Charge Coupled Device) and a CMOS (Complementary Metal Oxide Semiconductor). The detailed configuration of the image pickup apparatus 1 will be described later.
  • the storage device 150 includes a ring buffer 151 (buffer), a read control unit 152 (control unit), and a memory 153.
  • the storage device is, for example, a digital oscilloscope.
  • the ring buffer 151 sequentially writes the spectral data output from the image pickup apparatus 1 to each address. When the data is stored in all the addresses, the ring buffer 151 writes the newest data to the address to which the oldest data is written in a form of overwriting.
  • the read control unit 152 reads a part or all of the spectral data from the ring buffer 151 based on the trigger signal from the trigger generation unit 115 of the irradiation device 110. Specifically, the read control unit 152 acquires the passage timing T1 of the particles P detected by the detection unit 114 by a trigger signal. Further, the read-out control unit 152 acquires the timing T2 from the image pickup device 1 in which the spectral data corresponding to the incident light received by the image pickup device 1 at the passage timing T1 is output to the ring buffer 151. The read control unit 152 reads, for example, the spectroscopic data written in the period of several tens of ms before and after the timing T2 from the ring buffer 151 as Raman spectroscopic data.
  • the read control unit 152 writes the read Raman spectroscopic data to the memory 153.
  • the memory 153 stores various data, and has a capacity (at least about 256 kB) for storing the Raman spectral data such as a RAM (RandomAccessMemory), a flash memory (registered trademark), and an HDD (HardDiskDrive). Any storage device can be used.
  • the read control unit 152 may transmit the Raman spectroscopic data to an external analysis PC (Personal Computer). Further, the Raman spectroscopic data read by the read control unit 152 includes a component contributed by the background light and the Raman scattered light D. The components to which the background light contributes can be eliminated by any method conceivable by those skilled in the art.
  • FIG. 4 is a flowchart showing the flow of spectroscopic processing (spectral method) in the Raman spectroscopic system 100 having the above configuration.
  • the irradiation device 110 when the laser beam L irradiates the hole 113a (irradiation step) and the detection unit 114 detects that the particles P have passed through the hole 113a (S101) (S101). Detection step), the trigger generation unit 115 transmits the trigger signal to the storage device 150 (S102). After that, the process returns to step S101 and the above operation is repeated.
  • the spectroscopic device 130 the light from the particles P due to the irradiation of the laser beam L is separated and detected (spectral step). Further, in the storage device 150, when the read control unit 152 receives the trigger signal from the irradiation device 110 (S111), a part or all of the spectroscopic data indicating the spectroscopy detected by the spectroscopic device 130 is read from the ring buffer 151. Then, it is written to the memory 153 as Raman spectroscopic data (S112) (storage step). After that, the process returns to step S111 and the above operation is repeated.
  • S111 Raman spectroscopic data
  • the detection unit 114 detects the passage of the sample P in the hole portion 113a. That is, the detection unit 114 detects the timing at which the laser beam L irradiates the sample P.
  • the storage device 150 since the storage device 150 stores the spectral data corresponding to the timing detected by the detection unit 114 of the irradiation device 110 in the memory 153, only the spectral data for a predetermined period including the timing when the laser beam L irradiates the sample P is stored. Can be memorized. Therefore, in the storage device 150, a huge storage capacity becomes unnecessary, and as a result, floating spectroscopy can be realized.
  • the pores of the pore portion 113a are nanoscale pores, one molecule, one nanoscale particle, or the like can be used as the sample P.
  • the detection unit 114 detects the passage of the sample P in the hole 113a by the change of the ion current flowing through the hole 113a, the passage can be reliably detected, and as a result, the floating spectroscopy method can be used. Can be reliably realized.
  • the storage device 150 can surely acquire the spectral data for a predetermined period including the timing from the ring buffer 151 and store it in the memory 153.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a schematic configuration of the image pickup device 1 in the spectroscopic device 130.
  • the image pickup apparatus 1 includes a one-dimensional CCD image sensor 11, a switching circuit group 12, and a control unit 13.
  • the one-dimensional CCD image sensor 11 is arranged linearly and includes a plurality of pixels that perform photoelectric conversion, and a signal processing circuit.
  • the signal processing circuit includes a shift register that sequentially moves a plurality of pixel charges from the plurality of pixels, and a conversion circuit that converts the pixel charges transferred to the output unit of the shift register into pixel voltage and amplifies it.
  • a series of voltage signals indicating a plurality of pixel voltages in sequence are output from the conversion circuit, and this is repeated.
  • the switching circuit group 12 includes a plurality of switching circuits.
  • the control unit 13 comprehensively controls the operation of various configurations of the image pickup apparatus 1.
  • the control unit 13 may be configured by, for example, a computer including a CPU (Central Processing Unit) and a memory, or may be configured by an FPGA (Field Programmable Gate Array).
  • each of the plurality of groups 20 includes a pixel group 21, a shift register 22 (signal processing circuit), a conversion circuit 23 (signal processing circuit), a switching circuit 24, and an output terminal 25.
  • the number of groups 20 is set to 8, but the number of groups 20 is not limited to this.
  • the pixel group 21 includes a predetermined number (for example, 256) of the above pixels. That is, in the one-dimensional CCD image sensor 11, the pixels of the product (for example, 2048) of the predetermined number and the number of the group 20 are linearly arranged.
  • the shift register 22 is a CCD (charge coupled device) and is arranged along the pixel group 21.
  • the shift register 22 stores a plurality of pixel charges from the pixel group 21 individually in synchronization with the transfer gate pulse from the control unit, and synchronizes the stored plurality of pixel charges with the shift pulse from the control unit 13. Then, the electric charge is sequentially transferred in the direction A of the output unit.
  • the conversion circuit 23 is connected to the output unit of the shift register 22 and includes an amplifier that converts the pixel charge of the output unit into a pixel voltage and amplifies it. Therefore, the conversion circuit 23 outputs a series of voltage signals sequentially indicating a plurality of pixel voltages corresponding to the plurality of pixel charges from the pixel group 21.
  • the series of voltage signals includes a reference voltage (base voltage) between the pixel voltages and / or during a period not including the pixel voltage. Using the reference voltage, the value of the pixel voltage can be determined from the series of voltage signals.
  • Examples of the above amplifier include a floating diffusion amplifier, a floating gate amplifier, a CDS (correlated double sampling) circuit, an A / D converter, and the like. Further, a part or all of the conversion circuit may be provided outside the one-dimensional CCD image sensor 11. Further, a part of the conversion circuit may be provided on the output side of the switching circuit 24.
  • the switching circuit 24 is provided between the conversion circuit 23 and the output terminal 25, and opens and closes (off / on) the continuity between the conversion circuit 23 and the output terminal 25.
  • the switching circuit group 12 opens and closes all the switching circuits 24 at the same time based on the instruction from the control unit 13.
  • the control unit 13 transmits a drive signal for driving the one-dimensional CCD image sensor 11 to the one-dimensional CCD image sensor 11.
  • Examples of the drive signal include the transfer gate pulse, the shift pulse, the summing gate pulse, the reset gate pulse, and the like.
  • control unit 13 transmits an off signal to the switching circuit group 12 in synchronization with the drive signal indicating the start of the output cycle (for example, the transfer gate pulse).
  • the plurality of shift registers 22 and the plurality of conversion circuits 23 in the plurality of groups 20 simultaneously start the operation (signal processing operation), and the switching circuit group 12 simultaneously turns off the plurality of switching circuits 24. ..
  • the timing circuit that generates the drive signal and transmits it to the one-dimensional CCD image sensor 11 may be provided inside the control unit 13 or outside the control unit 13.
  • control unit 13 receives the voltage signal from each conversion circuit 23 as a feedback signal.
  • the control unit 13 detects the first pixel voltage (first pixel voltage) in the voltage signal from the received feedback signal. Further, when the control unit 13 detects the first pixel voltage from all the conversion circuits 23, the control unit 13 transmits an on signal to the switching circuit group 12. As a result, the switching circuit group 12 turns on a plurality of switching circuits 24 at the same time.
  • the control unit 13 may transmit an on signal or an off signal to the switching circuit group 12 via the buffer. With the above buffer, the timing at which the switching circuit group 12 operates can be adjusted.
  • FIG. 6 is a flowchart showing a flow of processing executed by the control unit 13 in the image pickup apparatus 1 having the above configuration in one output cycle.
  • the control unit 13 repeatedly executes the process.
  • the control unit 13 first starts the operations (signal processing operations) of the plurality of shift registers 22 and the plurality of conversion circuits 23 in the plurality of groups 20 at the same time (S11), and the plurality of switching circuits 24 Are turned off at the same time (S12). Next, when the control unit 13 detects the first pixel voltage from all the conversion circuits 23 (S13), the control unit 13 turns on the plurality of switching circuits 24 at the same time (S14).
  • step S12 may be executed after step S15.
  • FIG. 7 is a timing chart showing an example of the operation of the image pickup apparatus 1 having the above configuration. Note that FIG. 7 shows only the transfer gate pulse TG as the signal for driving the one-dimensional CCD image sensor 11.
  • the control unit 13 transmits the transfer gate pulse TG to the one-dimensional CCD image sensor 11 at the time point t0.
  • the processing in the one-dimensional CCD image sensor 11 is started, and the plurality of pixel charges photoelectrically converted by the plurality of pixels in each pixel group 21 are output as a series of voltage signals via the shift register 22 and the conversion circuit 23. Will be done.
  • the control unit 13 receives the feedback signal from the conversion circuit 23 of each group, and detects the start timing at which the conversion circuit 23 of each group starts outputting the voltage signal.
  • the conversion circuit 23h of the eighth group starts the output of the voltage signal first
  • the conversion circuit 23a of the first group finally starts the output of the voltage signal. do. Therefore, the period from the time point t1 to the time point t2 is the timing difference of the voltage signal caused by the individual difference of the conversion circuits 23a to 23h.
  • the control unit 13 transmits an on signal to the switching circuit group 12 at the time point t3 after the period from the time point t1 to the time point t2.
  • all the switching circuits 24a to 24h are turned on, and at the time point t4, voltage signals are output from the conversion circuits 23a to 23h of all groups to the outside via the output terminals 25a to 25h.
  • each group completes the output of the voltage signal indicating the pixel voltage corresponding to all the pixel charges.
  • the control unit 13 transmits the transfer gate pulse TG to the one-dimensional CCD image sensor 11 at the next time point t0, and the above operation is repeated. Therefore, the period from the time point t0 to the next time point t0 is one cycle (one output cycle) of the output from the one-dimensional CCD image sensor 11, and the reciprocal of the above period is the number of times (line rate) of the above output in one second. Become.
  • the plurality of switching circuits 24 are simultaneously turned on based on a predetermined timing. As a result, a plurality of pixel voltages in the plurality of groups 20 are output at the same time.
  • an external device that receives a series of voltage signals can specify the next pixel voltage by using the pixel voltage output at the same time as a trigger, and by repeating this, it is possible to specify a plurality of pixel voltages corresponding to a plurality of pixels.
  • the external device can specify a plurality of pixel voltages corresponding to a plurality of pixels included in the plurality of groups 20 without aligning the output timings of the plurality of voltage signals in the plurality of groups 20, and all the pixels. All pixel voltages corresponding to can be specified. Therefore, the period required to output all the pixel voltages (output period, period from time point t0 to time point t5 shown in FIG. 7) can be further shortened. As a result, the period of the one output cycle can be further shortened, and the line rate can be further improved.
  • control unit 13 detects the first pixel voltage first output from the conversion circuit 23 for each of the plurality of groups 20, and the control unit 13 determines the predetermined timing of the plurality of groups 20. This is the timing after the detection of the plurality of first pixel voltages (time point t3 shown in FIG. 7). Thereby, even if the output timing of at least one of the plurality of conversion circuits 23 is unstable or unknown, the image pickup apparatus 1 can simultaneously and surely output the plurality of pixel voltages in the plurality of groups 20.
  • FIG. 8 is a graph showing the time change of the voltage signal output from a certain group 20 in the image pickup apparatus 1.
  • This graph is measurement data (Raman spectroscopic data) in which the light from the sample P is separated by the spectroscope 131, converted into a voltage signal by the one-dimensional CCD image sensor 11, and stored in the memory 153.
  • the vertical axis indicates voltage, that is, light intensity
  • the horizontal axis indicates time.
  • the time corresponds to the wavelength of the dispersed light.
  • the time points t0, t4, and t5 in the above graph are the same as those shown in FIG.
  • the measurement data from the time point t0 to the time point t4 is white noise because the switching circuit 24 is in the off state.
  • the pulse-shaped measurement data generated immediately before the time point t4 is the switching noise when the switching circuit 24 changes from the off state to the on state.
  • the voltage signal (the component contributed by the background light and the Raman scattered light D) output from the conversion circuit 23 and the white noise are superimposed.
  • This white noise can be removed by any method that one of ordinary skill in the art can conceive. Since the output of the voltage signal is completed at the time point t5, the measurement data from the time point t5 to the time point t0 of the next output cycle becomes white noise again.
  • the above one output cycle is 33 ⁇ s, that is, the line rate is 30 kHz.
  • the line rate of a commercially available image pickup device that outputs a series of voltage signals from one output terminal is about 5 kHz at the maximum.
  • the image pickup apparatus 1 of the present embodiment outputs a series of voltage signals from the eight output terminals 25, a simple calculation shows that the line rate is about 40 kHz at the maximum. Therefore, it can be understood that the image pickup apparatus 1 of this embodiment brings out the performance well. In addition, it can be understood that the measurement of up to 30,000 samples P can be performed per second.
  • the measurement data in the period from the time point t4 to the time point t5 in FIG. 8 is a part of the spectrum of the light irradiated to the pixel group 21. Further, the measurement data as shown in FIG. 8 is measured in each of the groups 20a to 20h. Therefore, by stitching together the measurement data in the period from the time point t4 to the time point t5 measured in the groups 20a to 20h, the spectral spectrum with improved wavelength resolution can be obtained at high speed as compared with the conventional imaging device. can do.
  • the Raman spectroscopic system 100 of the present embodiment has a different shape of the base material 113 in the irradiation device 110 as compared with the Raman spectroscopic system 100 shown in FIGS. 1 to 8, and other configurations are the same.
  • FIG. 9 is a plan view showing a schematic configuration of the base material 113.
  • the z-axis is the same coordinate axis as in FIG. Further, the axis perpendicular to the z-axis and the positive movement direction of the particle P is the r-axis.
  • a nanoscale groove portion 113b (passing portion) is formed on the base material 113 of the present embodiment.
  • the sample P passes through the groove portion 113b, and the laser beam L is irradiated at the central portion of the groove portion 113b.
  • the moving direction A of the sample P and the irradiation direction (Z direction) of the laser beam L may be the same as shown in FIGS. 1 and 2, or may be different as shown in FIG. May be good.
  • the shape of the passage portion formed on the base material 113 any shape can be used as long as the sample P can pass through and the laser beam L can be irradiated. Examples of the shape include a tubular shape and a spiral shape. Further, the width of the passage portion may be changed.
  • the Raman spectroscopy system 100 capable of realizing floating spectroscopy can be applied to an inspection system for biological particles such as viruses.
  • the Raman spectroscopy system 100 can quickly acquire information on the surface protein of each biological particle by performing floating spectroscopy on one biological particle.
  • the Raman spectroscopy system 100 can also be applied to a single molecule inspection system.
  • a single molecule sample include viruses, biological particles, bacteria, fungi, DNA, proteins, organic molecules, metal fine particles, PM2.5 (fine particulate matter) and the like.
  • the Raman spectroscopy system 100 can function as a DNA sequencer.
  • the Raman spectroscopy system 100 can perform structural analysis of one protein molecule.
  • the Raman spectroscopy system 100 can also be applied to an inspection system using one microscale particle, cells, bacteria, or the like as a sample.
  • the hole 113a of the Raman spectroscopy system 100 may be formed on the base material 113 as a microscale hole.
  • the groove portion 113b of the Raman spectroscopy system 100 may be formed on the base material 113 as a groove portion on a microscale.
  • the spectroscopic system is detected by an irradiation device that irradiates a sample with laser light, a spectroscopic device that disperses and detects light from the sample by irradiation of the laser light, and the spectroscopic device.
  • a storage device for storing spectroscopic data indicating spectroscopy is provided, and the irradiation device includes a passing portion through which the sample can pass and a passing portion through which the laser light can be irradiated, and the passing portion in the passing portion.
  • the storage device includes a detection unit that detects the passage of a sample, and the storage device stores the spectral data corresponding to the timing detected by the detection unit of the irradiation device.
  • the detection unit detects the passage of the sample in the passage unit. That is, the detection unit detects the timing at which the laser beam is applied to the sample.
  • the storage device stores the spectral data corresponding to the timing detected by the detection unit of the irradiation device, only the spectral data for a predetermined period including the timing at which the laser beam is applied to the sample is stored. Can be done. Therefore, a huge storage capacity is not required in the storage device, and as a result, floating spectroscopy can be realized.
  • the passage portion may be a nanoscale or microscale hole portion, or may be a nanoscale or microscale groove portion.
  • the passing portion is a nanoscale hole or groove, one molecule, one nanoscale particle, or the like can be used as a sample.
  • the passing portion is a microscale hole or groove, one microscale particle, a cell, a bacterium, or the like can be used as a sample.
  • the detection unit may detect the passage by the change of the ion current flowing through the passage unit.
  • the passage can be reliably detected, and as a result, floating spectroscopy can be reliably realized.
  • the storage device has a buffer for temporarily storing the spectroscopic data, a memory for storing various data, and the spectroscopic data corresponding to the timing detected by the detection unit of the irradiation device. May be provided with a control unit that reads from the buffer and stores the data in the memory. In this case, the spectral data for a predetermined period including the timing can be reliably acquired from the buffer and stored in the memory.
  • the spectroscopic device includes an image pickup device that receives the spectrum, converts it into a voltage signal, and outputs it as the spectroscopic data, and the image pickup device is provided for each of a plurality of groups.
  • a signal processing circuit that converts a plurality of pixels that perform photoelectric conversion, a plurality of pixel charges from the plurality of pixels into a plurality of pixel voltages, and outputs a series of voltage signals, and a voltage from the signal processing circuit.
  • a switching circuit for turning on / off the output of a signal is provided, and a plurality of signal processing circuits in the plurality of groups are instructed to start the processing at the same time, and then the plurality of groups are instructed to start the processing at a predetermined timing.
  • a control unit may be provided instructing the plurality of switching circuits in the above to be turned on at the same time.
  • the line rate of the image pickup apparatus is improved. Further, since a plurality of pixel voltages in a plurality of groups are output at the same time, a plurality of pixel voltages corresponding to a plurality of pixels included in the plurality of groups can be specified, and all pixel voltages corresponding to all the pixels can be specified. Can be identified. As a result, it is not necessary to adjust the output timing, so that the period (output period) required to output all the pixel voltages can be further shortened. As a result, floating spectroscopy can be realized with high resolution and high speed.
  • the spectroscopic method includes an irradiation step of irradiating a sample with a laser beam and a passage portion of the sample through which the sample can pass and the laser beam can pass through.
  • the detection step for detecting the passage the spectroscopic step for detecting the light from the sample by the irradiation of the laser beam by spectroscopy, and the spectroscopic data showing the spectroscopy detected in the spectroscopic step, which are the spectroscopic data shown in the detection step. It comprises a storage step of storing the spectroscopic data corresponding to the detected timing.
  • the present invention is applied to the Raman spectroscopy system 100 that implements Raman spectroscopy, but the present invention is applied to a spectroscopy system that implements arbitrary spectroscopy such as absorption spectroscopy and fluorescence spectroscopy. Can be applied.

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Abstract

フローティング分光法を実現する。ラマン分光システム（１００）は、試料にレーザ光を照射する照射装置（１１０）と、レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光装置（１３０）と、分光装置（１３０）にて検出された分光を示す分光データを記憶する記憶装置（１５０）と、を備え、照射装置（１１０）は、試料が通過可能となっていると共に、レーザ光が照射可能となっている孔部（１１３ａ）と、孔部（１１３ａ）における試料の通過を検出する検出部（１１４）と、を備え、記憶装置（１５０）は、検出部（１１４）が検出したタイミングに基づき、分光データを記憶する。

Description

分光システムおよび分光方法
　本発明は分光システムおよび分光方法に関する。
　ラマン分光法などの各種分光法は、試料の化学組成に関する情報が得られるため、すでに幅広く用いられている計測技術である。従来の分光システムは、試料に光などの電磁波を照射する照射装置と、電磁波の照射による試料からの光を分光して検出する分光装置と、該分光装置にて検出された分光を示す分光データを記憶する記憶装置とを備える。
日本国公表特許公報「特表２０１０－５０７０７０号公報」
　試料を流しつつ、或る測定位置を通過している試料に対して分光を行うフローティング分光法は、多数の試料を高速に測定できるため、以前から要求されている技術である。しかしながら、上記フローティング分光法は、測定すべき試料が上記測定位置をいつ通過するか分からない。このため、試料が上記測定位置を通過したと考えられる期間の分光データを記憶装置に記憶し続ける必要があり、該記憶装置は、膨大な記憶容量（例えば、１秒間に１００～１０００ＭＢ）を有する必要がある。この問題点を回避するには、分光装置が検出する分光の波長の分解能を低下させることが考えられるが、この場合、試料の同定、試料の構造の特定などが困難となる。従って、上記フローティング分光法は、現在まで実現できていなかった。
　本発明の一態様は、上記の問題点を鑑みてなされたものであり、フローティング分光法を実現することができる分光システムを提供する。
　上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る分光システムは、試料にレーザ光を照射する照射装置と、前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光装置と、該分光装置にて検出された分光を示す分光データを記憶する記憶装置と、を備え、前記照射装置は、前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部と、前記通過部における前記試料の通過を検出する検出部と、を備え、前記記憶装置は、前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する前記分光データを記憶する。
　上記の課題を解決するために、本発明の他の態様に係る分光方法は、試料にレーザ光を照射する照射ステップと、前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部における前記試料の通過を検出する検出ステップと、前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光ステップと、該分光ステップにて検出された分光を示す分光データであって、前記検出ステップにて検出されたタイミングに対応する前記分光データを記憶する記憶ステップと、を含む。
　本発明の一態様によれば、フローティング分光法を実現することができる。
本発明の一実施形態に係るラマン分光システムの概略構成を示すブロック図である。 上記ラマン分光システムにおける照射装置の通路部がナノスケールの孔部である一例を示す図である。 上記照射装置の検出部が測定するイオン電流を示すグラフである。 上記ラマン分光システムにおける分光処理の流れを示すフローチャートである。 上記ラマン分光システムの分光装置における撮像装置の概略構成を示すブロック図である。 上記撮像装置における制御部が、１出力サイクルにて実行する処理の流れを示すフローチャートである。 上記撮像装置の動作の一例を示すタイミングチャートである。 上記撮像装置が出力する電圧信号の測定データを示すグラフである。 本発明の他の実施形態に係るラマン分光システムにおける照射装置の通路部がナノスケールの溝部である一例を示す図である。
　〔実施形態１〕
　図１は、本発明の一実施形態に係るラマン分光システム１００（分光システム）の概略構成を示すブロック図である。ラマン分光システム１００は、レーザ光源１０１、照射装置１１０、分光装置１３０、および記憶装置１５０を備える。ラマン分光システム１００は、粒子Ｐ（試料）に対してラマン分光法を適用する。すなわち、ラマン分光システム１００は、粒子Ｐに対してレーザ光Ｌを照射し、レーザ光Ｌにより生じた粒子Ｐのラマン散乱光Ｄからラマン分光データを検出する。特に、本実施形態では、ラマン分光システム１００として、移動する粒子Ｐに対してレーザ光Ｌを照射し、ラマン分光データを検出するフローティング分光法を適用する例について説明する。
　また、本実施形態では、粒子Ｐは、任意のナノ粒子である。なお、図面では、粒子Ｐの形状を球体としているが、これに限定されるものではない。粒子Ｐの形状は、当該粒子Ｐが後述の孔部１１３ａを通過できるものであれば、任意の形状であってもよい。
　（レーザ光源１０１の構成）
　レーザ光源１０１は、粒子Ｐからラマン散乱光Ｄが発生するのに必要な波長のレーザ光Ｌを出射する。該レーザ光Ｌは、光ファイバ等を介して照射装置１１０に伝搬する。なお、レーザ光源１０１としては、公知のものを利用できるので、その詳細を省略する。
　（照射装置１１０の構成）
　照射装置１１０は、ビームスプリッタ１１２、基材１１３、検出部１１４、トリガ生成部１１５、第１電極１１６、第２電極１１７、および電圧源１１８を備える。なお、本実施形態では、照射装置１１０に顕微鏡の光学系を使用する例について説明するが、照射装置１１０としてはこれに限定されない。照射装置１１０は、当業者が想到し得る任意の方法によってレーザ光Ｌを後述する孔部１１３ａに照射し、ラマン散乱光Ｄを分光装置１３０に送ってもよい。
　レーザ光源１０１からのレーザ光Ｌは、顕微鏡に入射し、ビームスプリッタ１１２を介して対物レンズへ出射する。レーザ光Ｌは、対物レンズにより集光され、後述する基材１１３の孔部１１３ａに向けて照射される。
　基材１１３は、基材１１３の主面が対物レンズからのレーザ光Ｌの照射方向と直交するように、顕微鏡のステージ上に固定される。基材１１３は絶縁体であり、例えば、Ｓｉ３Ｎ４の薄膜（Ｓｉ３Ｎ４メンブレン）である。一例として、基材１１３の厚さは、５０ｎｍである。
　基材１１３は、基材１１３の厚さ方向に沿って貫通する孔部１１３ａ（通過部）を有する。孔部１１３ａは、粒子Ｐが図１の移動方向Ａに通過可能となるように基材１１３に設けられる。なお、孔部１１３ａの具体的な構成については後述する。
　対物レンズにより集光されたレーザ光Ｌは、孔部１１３ａに照射される。すなわち、レーザ光Ｌは、孔部１１３ａを通過する粒子Ｐに照射される。レーザ光Ｌが照射された粒子Ｐは、ラマン散乱光Ｄを含む散乱光を出射する。該散乱光のうち、対物レンズに入射した散乱光は、平行な光となり、ビームスプリッタ１１２に照射される。ビームスプリッタ１１２は、対物レンズからの散乱光のうちラマン散乱光Ｄのみを通過して、光ファイバを介して分光装置１３０に伝搬する。なお、ステージの対物レンズに対する相対位置は、公知の顕微鏡の機能により、レーザ光Ｌがステージ上の基材１１３の孔部１１３ａに向けて照射されるように調整される。
　第１電極１１６および第２電極１１７は、それらの間に基材１１３を介在させるように配置させる。図１および図２の例では、第１電極１１６および第２電極１１７はそれぞれ、負極および正極として機能する。また、電圧源１１８および検出部１１４はそれぞれ、第１電極１１６および第２電極１１７と接続されている。具体的には、電圧源１１８の－極は、第１電極１１６に接続されている。電圧源１１８の＋極は、接地されている。また、検出部１１４の一方の端子は、第２電極１１７に接続されている。検出部１１４のもう一方の端子は、接地されている。
　電圧源１１８によって、第１電極１１６と第２電極１１７との間に所定の大きさの電圧が印加される。当該電圧により、第１電極１１６から第２電極１１７に向かってイオン電流が流れる。なお、基材１１３は絶縁体であるため、イオン電流は、孔部１１３ａを通して流れる。
　粒子Ｐが負の電荷を帯電している場合、第１電極１１６側に存在する粒子Ｐはイオン電流により孔部１１３ａに誘導される。このため、粒子Ｐが負の電荷を帯電している場合、上記構成により、多数の粒子Ｐのラマン散乱光Ｄを順次かつ高速で検出することができる。なお、粒子Ｐが正の電荷を帯電している場合、照射装置１１０は、第１電極１１６を正極に、第２電極１１７を負極にそれぞれ変更すればよい。また、粒子Ｐが中性の場合、当該粒子Ｐは、圧力または流体により孔部１１３ａに誘導され得る。
　検出部１１４は、イオン電流を測定する電流計である。粒子Ｐが孔部１１３ａを通過するとき、当該粒子Ｐによってイオン電流が流れ難くなる。このため、検出部１１４は、粒子Ｐが孔部１１３ａを通過するときに、イオン電流の減少を検出する。すなわち、検出部１１４は、イオン電流の減少を検出することにより、孔部１１３ａにおける粒子Ｐの通過タイミングＴ１を検出することができる（図５参照）。
　トリガ生成部１１５は、検出部１１４が検出した粒子Ｐの通過タイミングＴ１にトリガ信号を生成する。例えば、トリガ生成部１１５は、後述のように、イオン電流が所定の閾値以下となったタイミングにトリガ信号を生成する。トリガ生成部１１５は、記憶装置１５０にトリガ信号を送信する。
　（孔部１１３ａの具体的な構成）
　図２は、ラマン分光システム１００の孔部１１３ａがナノスケールの孔部である一例を示す図である。図２において、ｚ軸は、基材１１３の厚さ方向に平行な座標軸である。ｚ軸方向は、対物レンズからのレーザ光Ｌの照射方向とは逆向きである。以下、ｚ軸方向を上、ｚ軸方向とは逆の方向を下とする。また、ｚ軸に垂直な平面上の任意の軸をｒ軸として表す。
　図２の例では、孔部１１３ａはナノスケールの孔部（ナノポア）である。典型的には、孔部１１３ａのｒ軸を含む断面における断面形状は円形であるが、これに限らない。孔部１１３ａは、基材１１３（ナノポアチップ）において、その内径がｚ軸方向に向かって漸次広くなるように形成される。また、孔部１１３ａは、基材１１３において、その下面における内径Ｒｂが粒子Ｐの直径ｄｐｓよりも大きくなるように形成される。一例として、Ｒｂ＝３００ｎｍであり、ｄｐｓ＝１００ｎｍである。このような構成により、粒子Ｐは孔部１１３ａを移動方向Ａに向かって通過可能となる。
　（イオン電流）
　図３は、検出部１１４が測定するイオン電流を示すグラフである。図３のグラフにおいて、縦軸は検出部１１４が測定するイオン電流Ｉｉｏｎを、横軸は粒子Ｐの変位Ｚを表す。ここで、変位Ｚは、ｚ軸方向における基材１１３の中心からの変位を表す。
　図３に示すように、粒子Ｐが孔部１１３ａの上方に存在するとき（Ｚ＝２００ｎｍのとき）、イオン電流Ｉｉｏｎは約６．３ｎＡで安定している。次に、粒子Ｐが孔部１１３ａを通過しているとき（Ｚ＝０ｎｍのとき）、イオン電流Ｉｉｏｎは約５．８ｎＡに低下する。そして、粒子Ｐが孔部１１３ａの下方に存在するとき（Ｚ＝－２００ｎｍのとき）、イオン電流Ｉｉｏｎは約６．３ｎＡで安定する。このように、検出部１１４は、イオン電流Ｉｉｏｎの減少を検出することにより、孔部１１３ａにおける粒子Ｐの通過タイミングＴ１を検出することができる。トリガ生成部１１５は、例えば、イオン電流Ｉｉｏｎが６．０ｎＡ以下となったタイミングにトリガ信号を生成すればよい。
　（分光装置１３０の構成）
　図１に示すように、分光装置１３０は、分光器１３１および撮像装置１を備える。分光装置１３０は、照射装置１１０から入射した光を分光して検出する。なお、粒子Ｐが孔部１１３ａを通過していないとき、照射装置１１０からの入射光は背景光を含む。また、粒子Ｐが孔部１１３ａを通過しているとき、照射装置１１０からの入射光は背景光およびラマン散乱光Ｄを含む。
　分光器１３１は、照射装置１１０から入射した光を異なる波長ごとの成分に分解する（分光する）。分光器１３１は分光された光を撮像装置１に照射する。
　撮像装置１は、分光器１３１によって分光された光を受光して電圧信号に変換する。撮像装置１は、当該電圧信号を分光データ（スペクトルデータ）として記憶装置１５０に出力する。撮像装置１は、例えばＣＣＤ（Charge Coupled Device）、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）など、複数の光電変換素子を用いた撮像装置である。なお、撮像装置１の詳細な構成については後述する。
　（記憶装置１５０の構成）
　記憶装置１５０は、リングバッファ１５１（バッファ）、読出し制御部１５２（制御部）、およびメモリ１５３を備える。記憶装置は、例えばデジタルオシロスコープである。
　リングバッファ１５１は、撮像装置１から出力される分光データを各アドレスに順次書込む。リングバッファ１５１は、全てのアドレスにデータが記憶されているとき、最も古いデータが書き込まれたアドレスに最も新しいデータを上書保存する形で書き込む。
　読出し制御部１５２は、照射装置１１０のトリガ生成部１１５からのトリガ信号に基づき、分光データの一部または全部をリングバッファ１５１から読み出す。具体的には、読出し制御部１５２は、検出部１１４が検出した粒子Ｐの通過タイミングＴ１をトリガ信号により取得する。また、読出し制御部１５２は、通過タイミングＴ１において撮像装置１に受光された入射光に対応する分光データがリングバッファ１５１に出力されるタイミングＴ２を撮像装置１から取得する。読出し制御部１５２は、例えば、タイミングＴ２の前後数十ｍｓの期間に書き込まれた分光データをラマン分光データとしてリングバッファ１５１から読み出す。
　読出し制御部１５２は、読み出したラマン分光データをメモリ１５３に書き込む。メモリ１５３は、各種データを記憶するものであり、ＲＡＭ（Random Access Memory）、フラッシュメモリ（登録商標）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）など、上記ラマン分光データを記憶する容量（少なくとも約２５６ｋＢ）を有する任意の記憶デバイスを利用できる。なお、読出し制御部１５２は、上記ラマン分光データを、外部の分析用ＰＣ（Personal Computer）に送信してもよい。また、読出し制御部１５２が読み出したラマン分光データは、背景光およびラマン散乱光Ｄが寄与する成分を含む。背景光が寄与する成分は当業者が想到し得る任意の方法によって排除され得る。
　図４は、上記構成のラマン分光システム１００における分光処理（分光方法）の流れを示すフローチャートである。図４に示すように、まず、照射装置１１０では、レーザ光Ｌが孔部１１３ａに照射され（照射ステップ）、粒子Ｐが孔部１１３ａを通過したことを検出部１１４が検出すると（Ｓ１０１）（検出ステップ）、トリガ生成部１１５がトリガ信号を記憶装置１５０に送信する（Ｓ１０２）。その後、ステップＳ１０１に戻って、上記動作を繰り返す。
　一方、分光装置１３０では、レーザ光Ｌの照射による粒子Ｐからの光が分光されて検出される（分光ステップ）。また、記憶装置１５０では、読出し制御部１５２が照射装置１１０から上記トリガ信号を受信すると（Ｓ１１１）、分光装置１３０にて検出された分光を示す分光データの一部または全部をリングバッファ１５１から読み出して、ラマン分光データとしてメモリ１５３に書き込む（Ｓ１１２）（記憶ステップ）。その後、ステップＳ１１１に戻って、上記動作を繰り返す。
　上記構成によれば、照射装置１１０において、孔部１１３ａを試料Ｐが通過する時に、レーザ光Ｌが試料Ｐに照射されることになる。また、検出部１１４は孔部１１３ａにおける試料Ｐの通過を検出する。すなわち、検出部１１４は、レーザ光Ｌが試料Ｐに照射されるタイミングを検出することになる。
　一方、記憶装置１５０は、照射装置１１０の検出部１１４が検出したタイミングに対応する分光データをメモリ１５３に記憶するので、レーザ光Ｌが試料Ｐに照射されるタイミングを含む所定期間の分光データのみを記憶することができる。従って、記憶装置１５０において、膨大な記憶容量は不要となり、その結果、フローティング分光法を実現することができる。
　また、孔部１１３ａの孔は、ナノスケールの細孔であるため、１分子、ナノスケールの１粒子などを試料Ｐとすることができる。
　また、検出部１１４は、孔部１１３ａを流れるイオン電流の変化により、孔部１１３ａにおける試料Ｐの通過を検出しているので、上記通過を確実に検出することができ、その結果、フローティング分光法を確実に実現することができる。
　また、記憶装置１５０が分光データをリングバッファ１５１に一時的に記憶することにより、前記タイミングを含む所定期間の分光データを、リングバッファ１５１から確実に取得してメモリ１５３に記憶することができる。
　（撮像装置１の構成例）
　図５は、分光装置１３０における撮像装置１の概略構成を示すブロック図である。図５に示すように、撮像装置１は、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１、スイッチング回路群１２、および制御部１３を備える。
　１次元ＣＣＤイメージセンサ１１は、直線状に配列され、光電変換を行う複数の画素と、信号処理回路とを備える。該信号処理回路は、上記複数の画素からの複数の画素電荷を順次移動させるシフトレジスタと、該シフトレジスタの出力部に移動した画素電荷を画素電圧に変換し増幅する変換回路とを備える。これにより、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１では、複数の画素電圧を順次示す一連の電圧信号が上記変換回路から出力され、これが繰り返される。
　スイッチング回路群１２は、複数のスイッチング回路を備える。制御部１３は、撮像装置１の各種構成の動作を統括的に制御する。制御部１３は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）及びメモリを含むコンピュータによって構成されてもよいし、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array、書替え可能ゲートアレイ）によって構成されてもよい。
　本実施形態では、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１およびスイッチング回路群１２に含まれる各種構成は、複数のグループ２０に分けられる。すなわち、複数のグループ２０のそれぞれは、画素群２１、シフトレジスタ２２（信号処理回路）、変換回路２３（信号処理回路）、スイッチング回路２４、および出力端子２５を備える。以下、説明の便宜上、グループ２０の数を８とするが、グループ２０の数としてはこれに限定されるものではない。
　画素群２１は、所定数（例えば２５６）の上記画素を含む。すなわち、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１では、上記所定数とグループ２０の数との積（例えば２０４８）の画素が線状に配置されている。
　シフトレジスタ２２は、ＣＣＤ（電荷結合素子）であり、画素群２１に沿って配置されている。シフトレジスタ２２は、画素群２１からの複数の画素電荷を、制御部からの転送ゲートパルスに同期して、個別に格納し、格納した複数の画素電荷を、制御部１３からのシフトパルスに同期して、出力部の方向Ａに順次転送する。
　変換回路２３は、シフトレジスタ２２の出力部に接続され、出力部の画素電荷を画素電圧に変換し増幅するアンプを備える。従って、変換回路２３は、画素群２１からの複数の画素電荷に対応する複数の画素電圧を順次示す一連の電圧信号を出力する。上記一連の電圧信号には、画素電圧どうしの間、および／または、画素電圧を含まない期間に、基準電圧（ベース電圧）が含まれている。該基準電圧を用いて、上記一連の電圧信号から上記画素電圧の値を決定することができる。
　なお、上記アンプの一例としては、フローティングディフュージョンアンプ、フローティングゲートアンプ、ＣＤＳ（相関二重サンプリング）回路、Ａ／Ｄコンバータなどが挙げられる。また、変換回路の一部または全部は、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１の外部に設けられていてもよい。また、変換回路の一部は、スイッチング回路２４の出力側に設けられていてもよい。
　スイッチング回路２４は、変換回路２３と出力端子２５との間に設けられ、変換回路２３と出力端子２５との間の導通を開閉（オフ・オン）するものである。スイッチング回路群１２は、制御部１３からの指示に基づき、全てのスイッチング回路２４を同時に開閉する。
　制御部１３は、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１を駆動するための駆動信号を１次元ＣＣＤイメージセンサ１１に送信する。上記駆動信号の一例としては、上記転送ゲートパルス、上記シフトパルス、サミングゲートパルス、リセットゲートパルスなどが挙げられる。
　さらに、制御部１３は、出力サイクルの開始を示す駆動信号（例えば、上記転送ゲートパルス）に同期して、スイッチング回路群１２にオフ信号を送信する。これにより、複数のグループ２０における複数のシフトレジスタ２２および複数の変換回路２３は、動作（信号処理動作）を同時に開始すると共に、スイッチング回路群１２は、複数のスイッチング回路２４を同時にオフ状態とする。なお、上記駆動信号を生成して１次元ＣＣＤイメージセンサ１１に送信するタイミング回路を、制御部１３の内部に設けてもよいし、制御部１３の外部に設けてもよい。
　また、制御部１３は、各変換回路２３からの電圧信号をフィードバック信号として受信する。制御部１３は、受信したフィードバック信号から、上記電圧信号における最初の画素電圧（第１の画素電圧）を検出する。さらに、制御部１３は、全ての変換回路２３から上記最初の画素電圧を検出した場合に、スイッチング回路群１２にオン信号を送信する。これにより、スイッチング回路群１２は、複数のスイッチング回路２４を同時にオン状態とする。
　なお、制御部１３は、バッファを介してスイッチング回路群１２にオン信号またはオフ信号を送信してもよい。上記バッファにより、スイッチング回路群１２が動作するタイミングを調整することができる。
　（１出力サイクルの流れ）
　図６は、上記構成の撮像装置１における制御部１３が、１出力サイクルにて実行する処理の流れを示すフローチャートである。制御部１３は、当該処理を繰り返し実行する。
　図６に示すように、制御部１３は、まず、複数のグループ２０における複数のシフトレジスタ２２および複数の変換回路２３の動作（信号処理動作）を同時に開始させ（Ｓ１１）、複数のスイッチング回路２４を同時にオフ状態とする（Ｓ１２）。次に、制御部１３は、全ての変換回路２３から最初の画素電圧を検出すると（Ｓ１３）、複数のスイッチング回路２４を同時にオン状態とする（Ｓ１４）。
　そして、全ての変換回路２３から全ての画素電圧が出力されると（Ｓ１５）、上記処理を終了する。なお、ステップＳ１２は、ステップＳ１５の後に実行してもよい。
　（撮像装置１の動作例）
　図７は、上記構成の撮像装置１における動作の一例を示すタイミングチャートである。なお、図７では、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１を駆動する信号として、転送ゲートパルスＴＧのみを示している。
　図７に示すように、制御部１３は、時点ｔ０において転送ゲートパルスＴＧを１次元ＣＣＤイメージセンサ１１に送信する。これにより、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１における処理が開始され、各画素群２１における複数の画素にて光電変換された複数の画素電荷がシフトレジスタ２２および変換回路２３を介して一連の電圧信号として出力される。
　しかしながら、シフトレジスタ２２および変換回路２３はアナログ回路であるため、各グループの変換回路２３が出力する電圧信号の出力タイミングにバラツキが生じることになる。
　そこで、制御部１３は、各グループの変換回路２３からのフィードバック信号を受信して、各グループの変換回路２３が電圧信号の出力を開始する開始タイミングを検出する。図７の例では、時点ｔ１にて、第８グループの変換回路２３ｈが最初に電圧信号の出力を開始し、時点ｔ２にて、第１グループの変換回路２３ａが最後に電圧信号の出力を開始する。従って、時点ｔ１から時点ｔ２までの期間が、変換回路２３ａ～２３ｈの個体差によって生じる電圧信号のタイミングのずれとなる。
　このとき、制御部１３は、時点ｔ１から時点ｔ２までの期間以後の時点ｔ３にてオン信号をスイッチング回路群１２に送信する。これにより、全てのスイッチング回路２４ａ～２４ｈがオン状態となり、時点ｔ４にて全グループの変換回路２３ａ～２３ｈから電圧信号が出力端子２５ａ～２５ｈを介して外部に出力されることになる。
　そして、時点ｔ５にて、各グループは、全ての画素電荷に対応する画素電圧を順次示す電圧信号の出力が完了する。その後、制御部１３は、次の時点ｔ０において転送ゲートパルスＴＧを１次元ＣＣＤイメージセンサ１１に送信し、上記動作が繰り返される。従って、時点ｔ０から次の時点ｔ０までの期間が１次元ＣＣＤイメージセンサ１１からの出力の１サイクル（１出力サイクル）となり、上記期間の逆数が、１秒間における上記出力の回数（ラインレート）となる。
　従って、本実施形態の撮像装置１では、所定のタイミングに基づいて複数のスイッチング回路２４が同時にオン状態となる。これにより、複数のグループ２０における複数の画素電圧が同時に出力されることになる。
　従って、一連の電圧信号を受信する外部装置は、同時に出力された画素電圧をトリガとして次の画素電圧を特定でき、これを繰り返すことにより、複数の画素に対応する複数の画素電圧を特定できる。
　これにより、複数のグループ２０における複数の電圧信号の出力タイミングを揃えなくても、上記外部装置は、複数のグループ２０に含まれる複数の画素に対応する複数の画素電圧を特定でき、全ての画素に対応する全ての画素電圧を特定できる。従って、全ての画素電圧を出力するのに必要な期間（出力期間、図７に示す時点ｔ０から時点ｔ５までの期間）をさらに短縮することができる。その結果、上記１出力サイクルの期間をさらに短縮することができ、上記ラインレートをさらに向上することができる。
　また、制御部１３は、複数のグループ２０のそれぞれについて、変換回路２３から最初に出力される第１の画素電圧を検出しており、上記所定のタイミングは、制御部１３が複数のグループ２０の複数の第１の画素電圧を検出した以後のタイミング（図７に示す時点ｔ３）である。これにより、複数の変換回路２３の少なくとも１つの出力タイミングが不安定または不明であっても、撮像装置１は、複数のグループ２０における上記複数の画素電圧を同時かつ確実に出力することができる。
　（実施例）
　図８は、撮像装置１における或るグループ２０から出力される電圧信号の時間変化を示すグラフである。このグラフは、試料Ｐからの光を分光器１３１にて分光し、１次元ＣＣＤイメージセンサ１１にて電圧信号に変換され、メモリ１５３に記憶された測定データ（ラマン分光データ）である。
　図８のグラフにおいて、縦軸は電圧、すなわち光強度を示し、横軸は時間を示している。上記グラフの場合、上記時間は、分光された光の波長に対応する。また、上記グラフにおける時点ｔ０・ｔ４・ｔ５は、図７に示すものと同様である。
　図８に示すように、時点ｔ０から時点ｔ４までの測定データは、スイッチング回路２４がオフ状態であるので、ホワイトノイズである。時点ｔ４の直前に発生しているパルス状の測定データは、スイッチング回路２４がオフ状態からオン状態となるときのスイッチングノイズである。
　時点ｔ４から時点ｔ５までの測定データは、変換回路２３から出力された電圧信号（背景光およびラマン散乱光Ｄが寄与する成分）と上記ホワイトノイズとが重畳されている。このホワイトノイズは当業者が想到し得る任意の方法によって除去され得る。時点ｔ５にて電圧信号の出力が完了するので、時点ｔ５から次の出力サイクルの時点ｔ０までの測定データは、再びホワイトノイズとなる。
　図８に示すように、上記１出力サイクルは３３μｓであり、すなわち、ラインレートは３０ｋＨｚである。これに対し、１つの出力端子から一連の電圧信号を出力する市販の撮像装置のラインレートは、最大で５ｋＨｚ程度である。一方、本実施例の撮像装置１は、８つの出力端子２５から一連の電圧信号を出力しているので、単純計算すると、ラインレートが最大で４０ｋＨｚ程度となる。従って、本実施例の撮像装置１は、性能を良好に引き出していることが理解できる。また、１秒間に最大３万個の試料Ｐの測定を実行できることが理解できる。
　図８における時点ｔ４から時点ｔ５までの期間における測定データは、画素群２１に照射された光のスペクトルの一部である。また、図８に示すような測定データは、グループ２０ａ～２０ｈのそれぞれにおいて測定される。従って、グループ２０ａ～２０ｈにおいてそれぞれ測定される時点ｔ４から時点ｔ５までの期間における測定データを繋ぎ合わせることで、従来の撮像装置に比べて、波長の分解能を向上させた分光のスペクトルを高速に取得することができる。
　従って、図５～図８に示す撮像装置１を利用することにより、フローティング分光法を高分解能かつ高速で実現することができる。
　〔実施形態２〕
　本発明の他の実施形態について、以下に説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。本実施形態のラマン分光システム１００は、図１～図８に示すラマン分光システム１００に比べて、照射装置１１０における基材１１３の形状が異なり、その他の構成は同様である。
　図９は、基材１１３の概略構成を示す平面図である。図９において、ｚ軸は図２と同様の座標軸である。また、ｚ軸に垂直であり、粒子Ｐの移動方向を正とする座標軸をｒ軸とする。
　図９に示すように、本実施形態の基材１１３には、ナノスケールの溝部１１３ｂ（通過部）が形成されている。試料Ｐは、溝部１１３ｂを通過するようになっており、溝部１１３ｂの中央部にてレーザ光Ｌが照射されるようになっている。
　このように、試料Ｐの移動方向Ａとレーザ光Ｌの照射方向（Ｚ方向）とは、図１および図２に示すように同じであってもよいし、図９に示すように異なっていてもよい。また、基材１１３に形成される通路部の形状は、試料Ｐが通過可能であり、かつ、レーザ光Ｌを照射可能であれば、任意の形状を利用することができる。当該形状の例としては、筒状、渦巻き状などが挙げられる。また、上記通路部の幅が変化してもよい。
　（応用例）
　フローティング分光法を実現できるラマン分光システム１００は、ウイルス等の生体粒子の検査システムに適用することができる。例えば、ラマン分光システム１００は、１生体粒子に対してフローティング分光を行うことにより、１生体粒子ごとの表面タンパク質の情報を速やかに取得することができる。
　また、ラマン分光システム１００は、１分子検査システムに適用することもできる。１分子の検体として、例えば、ウイルス、生体粒子、バクテリア、菌、ＤＮＡ、タンパク質、有機分子、金属微粒子、およびＰＭ２．５（微小粒子状物質）などが挙げられる。１分子の検体がＤＮＡである場合、ラマン分光システム１００は、ＤＮＡシークエンサとして機能することができる。また、１分子の検体が１タンパク質分子である場合、ラマン分光システム１００は、１タンパク質分子の構造解析を行うことができる。
　さらに、ラマン分光システム１００は、マイクロスケールの１粒子、細胞、細菌類などを試料とする検査システムに適用することもできる。この場合、ラマン分光システム１００の孔部１１３ａを、マイクロスケールの孔部として基材１１３に形成すればよい。または、ラマン分光システム１００の溝部１１３ｂを、マイクロスケールの溝部として基材１１３に形成すればよい。
　（まとめ）
　本発明の一態様に係る分光システムは、試料にレーザ光を照射する照射装置と、前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光装置と、該分光装置にて検出された分光を示す分光データを記憶する記憶装置と、を備え、前記照射装置は、前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部と、前記通過部における前記試料の通過を検出する検出部と、を備え、前記記憶装置は、前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する前記分光データを記憶する。
　上記構成によれば、照射装置において、通過部を試料が通過する時に、レーザ光が前記試料に照射されることになる。また、検出部は前記通過部における前記試料の通過を検出する。すなわち、前記検出部は、前記レーザ光が前記試料に照射されるタイミングを検出することになる。
　一方、記憶装置は、前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する分光データを記憶するので、前記レーザ光が前記試料に照射されるタイミングを含む所定期間の分光データのみを記憶することができる。従って、記憶装置において、膨大な記憶容量は不要となり、その結果、フローティング分光法を実現することができる。
　本態様に係る分光システムでは、前記通過部は、ナノスケールまたはマイクロスケールの孔部であってもよいし、ナノスケールまたはマイクロスケールの溝部であってもよい。通過部がナノスケールの孔部または溝部である場合、１分子、ナノスケールの１粒子などを試料とすることができる。また、通過部がマイクロスケールの孔部または溝部である場合、マイクロスケールの１粒子、細胞、細菌類などを試料とすることができる。
　本態様に係る分光システムでは、前記検出部は、前記通過部を流れるイオン電流の変化により、前記通過を検出してもよい。この場合、前記通過を確実に検出することができ、その結果、フローティング分光法を確実に実現することができる。
　本態様に係る分光システムでは、前記記憶装置は、前記分光データを一時的に記憶するバッファと、各種データを記憶するメモリと、前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する前記分光データを、前記バッファから読み出して前記メモリに記憶する制御部と、を備えてもよい。この場合、前記タイミングを含む所定期間の分光データを前記バッファから確実に取得して前記メモリに記憶することができる。
　本態様に係る分光システムでは、前記分光装置は、前記分光を受光して電圧信号に変換し、前記分光データとして出力する撮像装置を備えており、該撮像装置は、複数のグループのそれぞれについて、光電変換を行う複数の画素と、該複数の画素からの複数の画素電荷を複数の画素電圧に変換し、一連の電圧信号として出力する処理を行う信号処理回路と、該信号処理回路からの電圧信号の出力をオン・オフするスイッチング回路と、を備え、前記複数のグループにおける複数の信号処理回路に対し前記処理を同時に開始するように指示し、それから所定のタイミングに基づいて、前記複数のグループにおける複数のスイッチング回路に対し、同時にオンするように指示する制御部を備えてもよい。
　この場合、複数のグループから複数の電圧信号が出力されるので、撮像装置のラインレートが向上する。また、複数のグループにおける複数の画素電圧が同時に出力されることになるので、複数のグループに含まれる複数の画素に対応する複数の画素電圧を特定でき、全ての画素に対応する全ての画素電圧を特定できる。その結果、出力タイミングの調整が不要となるので、全ての画素電圧を出力するのに必要な期間（出力期間）をさらに短縮することができる。その結果、フローティング分光法を高分解能かつ高速で実現することができる。
　本発明の他の態様に係る分光方法は、試料にレーザ光を照射する照射ステップと、前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部における前記試料の通過を検出する検出ステップと、前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光ステップと、該分光ステップにて検出された分光を示す分光データであって、前記検出ステップにて検出されたタイミングに対応する前記分光データを記憶する記憶ステップと、を含む。
　上記の分光方法によれば、上述の分光システムと同様の効果を奏することができる。
　（付記事項）
　本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
　例えば、上記実施形態では、ラマン分光法を実施するラマン分光システム１００に本発明を適用しているが、吸収分光法、蛍光分光法などに、任意の分光法を実施する分光システムに本発明を適用することができる。
１　撮像装置
１１　１次元ＣＣＤイメージセンサ
１２　スイッチング回路群
１３　制御部
２０　グループ
２１　画素群
２２　シフトレジスタ（信号処理回路）
２３　変換回路（信号処理回路）
２４　スイッチング回路
２５　出力端子
１００　ラマン分光システム（分光システム）
１０１　レーザ光源
１１０　照射装置
１１２　ビームスプリッタ
１１３　基材
１１３ａ　孔部（通過部）
１１３ｂ　溝部（通過部）
１１４　検出部
１１５　トリガ生成部
１１６　第１電極
１１７　第２電極
１１８　電圧源
１３０　分光装置
１３１　分光器
１５０　記憶装置
１５１　リングバッファ（バッファ）
１５２　読出し制御部（制御部）
１５３　メモリ

Claims (7)

  1. 　分光システムであって、
    　試料にレーザ光を照射する照射装置と、
    　前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光装置と、
    　該分光装置にて検出された分光を示す分光データを記憶する記憶装置と、を備え、
    　前記照射装置は、
    　　前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部と、
    　　前記通過部における前記試料の通過を検出する検出部と、を備え、
    　前記記憶装置は、前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する前記分光データを記憶する分光システム。
  2. 　前記通過部はナノスケールまたはマイクロスケールの孔部である、請求項１に記載の分光システム。
  3. 　前記通過部はナノスケールまたはマイクロスケールの溝部である、請求項１に記載の分光システム。
  4. 　前記検出部は、前記通過部を流れるイオン電流の変化により、前記通過を検出する、請求項１から３の何れか１項に記載の分光システム。
  5. 　前記記憶装置は、
    　前記分光データを一時的に記憶するバッファと、
    　各種データを記憶するメモリと、
    　前記照射装置の前記検出部が検出したタイミングに対応する前記分光データを、前記バッファから読み出して前記メモリに記憶する制御部と、を備える、請求項１から４の何れか１項に記載の分光システム。
  6. 　前記分光装置は、前記分光を受光して電圧信号に変換し、前記分光データとして出力する撮像装置を備えており、
    　該撮像装置は、
    　複数のグループのそれぞれについて、
    　　光電変換を行う複数の画素と、
    　　該複数の画素からの複数の画素電荷を複数の画素電圧に変換し、一連の電圧信号として出力する処理を行う信号処理回路と、
    　　該信号処理回路からの電圧信号の出力をオン・オフするスイッチング回路と、を備え、
    　前記複数のグループにおける複数の信号処理回路に対し前記処理を同時に開始するように指示し、それから所定のタイミングに基づいて、前記複数のグループにおける複数のスイッチング回路に対し、同時にオンするように指示する制御部を備える、請求項１から５の何れか１項に記載の分光システム。
  7. 　分光方法であって、
    　試料にレーザ光を照射する照射ステップと、
    　前記試料が通過可能となっていると共に、前記レーザ光が照射可能となっている通過部における前記試料の通過を検出する検出ステップと、
    　前記レーザ光の照射による試料からの光を分光して検出する分光ステップと、
    　該分光ステップにて検出された分光を示す分光データであって、前記検出ステップにて検出されたタイミングに対応する前記分光データを記憶する記憶ステップと、を含む分光方法。
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