(57)【要約】【課題】ナノ粒子を簡便に検出することが可能な光計測装置を提供すること。【解決手段】光計測装置は、第１レーザー光を放射する第１レーザー１０と、第１レーザー光とは波長の異なる第２レーザー光を放射する第２レーザー１１と、第１レーザー光と第２レーザー光を同軸に合波するビームスプリッタ１２と、その合波されたレーザー光のビーム形状をリング状とするアキシコンレンズ１３と、ナノ粒子に集光して照射する対物レンズ１４と、ナノ粒子からの散乱光を集光する対物レンズ１５と、散乱光を受光する光受光器１６と、を有し、第１レーザー光と第２レーザー光の差周波数が、ナノ粒子の音響振動の周波数に設定されている。入射光から散乱光を分離して受光することができ、簡便にナノ粒子を検出することができる。【選択図】図１
2020085605.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ナノ粒子を検出する光計測装置において、
第１レーザー光を放射する第１レーザーと、
第１レーザー光とは波長の異なる第２レーザー光を放射する第２レーザーと、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を同軸に合波し、その合波されたレーザー光のビーム形状をリング状とし、前記ナノ粒子に集光して照射する照射部と、
前記ナノ粒子からの散乱光を受光する受光部と、
を有し、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光の差周波数が、前記ナノ粒子の音響振動の周波数に設定されている、
ことを特徴とする光計測装置。
【請求項２】
前記照射部は、アキシコンレンズを有し、前記アキシコンレンズを用いてビーム形状をリング状とする、ことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
【請求項３】
前記照射部は、レーザー光の中心部分を透過させない局所ビームストップを有し、前記局所ビームストップによりビーム形状をリング状とする、ことを特徴とする請求項１に記載の光計測装置。
【請求項４】
前記照射部は、リング状のビーム形状のレーザー光を前記ナノ粒子に集光する第１対物レンズを有し、
前記受光部は、前記ナノ粒子からの散乱光を集光する第２対物レンズを有し、
前記第１対物レンズの開口数は、第２対物レンズの開口数よりも大きい、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項５】
前記第１対物レンズと前記第２対物レンズとの間に基板を有し、
前記基板の前記第２対物レンズ側の面に前記ナノ粒子が配置され、
前記第１対物レンズと前記基板との間に、前記基板と屈折率が等しい液体である屈折率整合液体が満たされ、
前記基板と前記第２対物レンズとの間の屈折率は、前記屈折率整合液体の屈折率よりも低い、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項６】
前記第１対物レンズと前記第２対物レンズとの間に基板を有し、
前記基板の前記第２対物レンズ側の面に前記ナノ粒子が配置され、
前記基板のナノ粒子を配置する側の面に、厚さ１００ｎｍ以下の金属薄膜を有する、
ことを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項７】
ナノ粒子を検出する光計測装置において、
第１レーザー光を放射する第１レーザーと、
前記第１レーザー光とは波長の異なる第２レーザー光を放射する第２レーザーと、
前記ナノ粒子を配置する基材と、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光を同軸に合波し、前記基材の界面において全反射以上の角度で照射する照射部と、
前記基材の前記平面上方で前記ナノ粒子からの散乱光を受光する受光部と、
を有し、
前記第１レーザー光と前記第２レーザー光の差周波数が、前記ナノ粒子の音響振動の周波数に設定されている、
ことを特徴とする光計測装置。
【請求項８】
前記基材の前記平面に、厚さ１００ｎｍ以下の金属薄膜を有する、ことを特徴とする請求項７に記載の光計測装置。
【請求項９】
前記照射部は、前記レーザー光をラジアル偏光とするラジアル偏光コンバータを有する、ことを特徴とする請求項１ないし請求項８のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項１０】
前記第１レーザー光および前記第２レーザー光は、線幅が１００ＭＨｚ以下であり、周波数差は５００ＧＨｚ以下である、ことを特徴とする請求項１ないし請求項９のいずれか１項に記載の光計測装置。
【請求項１１】
前記第１レーザー光および前記第２レーザー光の波長は、１４６０〜１６５０ｎｍである、ことを特徴とする請求項１ないし請求項１０のいずれか１項に記載の光計測装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ナノ粒子を光によって検出する光計測装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
ナノ粒子は、バルクにはない特有の物性を有することから、さかんに研究、開発が進められている。ナノ粒子などの微小物を捕捉、検出する方法としては、特許文献１、非特許文献１〜３がある。
【０００３】
非特許文献１には、超音波によって微小物の検出を行う方法が示されている。
【０００４】
特許文献１、非特許文献２には、周波数の異なる２つのレーザー光を微小物に照射して微小物の検出を行う方法が記載されている。２つのレーザー光の周波数差（ビート周波数）が微小物の音響共鳴周波数と一致した場合、微小物は機械的に共鳴振動する。そこで微小物からの散乱光の強度を計測することにより微小物を捕捉、検出することができる。非特許文献２では、入射光から散乱光を分離するために、回折限界よりも小さなナノ微小開口を用い、近接場を介して透過してくる光を検出している。
【０００５】
非特許文献３には、フェムト秒レーザーなどの短パルスレーザーを用いたポンププローブ法において、微小物に短パルスレーザーを照射した際の時間応答から音響周波数を抽出し、微小物の同定を行う方法が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開２０１５／０３３０９５１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】B. Hammarstrom, B. Nilson, T. Laurell, J. Nilsson, and S. Ekstrom, "Acoustic Trapping for Bacteria Identification in Posive Blood Cultures with MALDI-TOF MS," Anal. Chem. 86,10560-10567(2014)
【非特許文献２】S. Wheaton, R. M. Gelfand, and R. Gordon, "Probing the Raman-active acoustic vibrations of nanoparticles with extraordinary spectral resolution," Nature Photonics 9,68-72(2015)
【非特許文献３】P. V. Rujigrok, A. L. Tchebotareva, and M. Orrit, "Damping of Acoustic Vibrations of Single Gold Nanoparticles Optically in Water," Nano Lett. 12,1063-1069(2012)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、非特許文献１に記載された超音波による微小物の検出方法では、超音波の周波数が概ね１ＧＨｚ以下であるため、マイクロサイズの粒子の捕捉、検出には好適であるが、ナノ粒子の捕捉、検出には適していない。
【０００９】
また、特許文献１、非特許文献２に記載された微小物の検出方法では、入射光から散乱光を分離するためにナノ微小開口を用いているが、ナノ微小開口を作製することは難しく、簡便に散乱光を分離することが困難であった。
【００１０】
また、非特許文献３に記載された方法では、時間応答の測定は、精緻に構築されたディレイラインを調整することで行う必要があり、また、極めて高価で大がかりな短パルスレーザーの使用を前提としており、簡便にナノ粒子の捕捉、検出ができるとは言い難い。
【００１１】
そこで本発明の目的は、簡便にナノ粒子を検出可能な光計測装置を実現することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１態様は、ナノ粒子を検出する光計測装置において、第１レーザー光を放射する第１レーザーと、第１レーザー光とは波長の異なる第２レーザー光を放射する第２レーザーと、第１レーザー光と第２レーザー光を同軸に合波し、その合波されたレーザー光のビーム形状をリング状とし、ナノ粒子に集光して照射する照射部と、ナノ粒子からの散乱光を受光する受光部と、を有し、第１レーザー光と第２レーザー光の差周波数が、ナノ粒子の音響振動の周波数に設定されている、ことを特徴とする光計測装置である。
【００１３】
本発明の第２態様は、ナノ粒子を検出する光計測装置において、第１レーザー光を放射する第１レーザーと、第１レーザー光とは波長の異なる第２レーザー光を放射する第２レーザーと、ナノ粒子を配置する基材と、第１レーザー光と第２レーザー光を同軸に合波し、基材の界面において全反射角以上の角度で照射する照射部と、基材の平面上方でナノ粒子からの散乱光を受光する受光部と、を有し、第１レーザー光と第２レーザー光の差周波数が、ナノ粒子の音響振動の周波数に設定されている、ことを特徴とする光計測装置である。
【００１４】
本発明の第１態様において、ビーム形状をリング状とする手段として、たとえばアキシコンレンズを用いたり、レーザー光の中心部分を透過させない局所ビームストップを用いたりすることができる。
【００１５】
本発明の第１態様において、照射部は、リング状のビーム形状のレーザー光をナノ粒子に集光する第１対物レンズを有し、受光部は、ナノ粒子からの散乱光を集光する第２対物レンズを有し、第１対物レンズの開口数は、第２対物レンズの開口数よりも大きい、としてもよい。散乱光をより精度よく分離することができる。
【００１６】
本発明の第１態様において、第１対物レンズと第２対物レンズとの間に基板を有し、基板の第２対物レンズ側の面にナノ粒子が配置され、第１対物レンズと基板との間に、基板と屈折率が等しい液体である屈折率整合液体が満たされ、基板と第２対物レンズとの間の屈折率は、屈折率整合液体の屈折率よりも低い、としてもよい。散乱光をより精度よく分離することができる。
【００１７】
本発明の第１態様において、第１対物レンズと第２対物レンズとの間に基板を有し、基板の第２対物レンズ側の面にナノ粒子が配置され、基板のナノ粒子を配置する側の面に、厚さ１００ｎｍ以下の金属薄膜を有する、としてもよい。また、本発明の第２態様においても同様に、基材の平面に金属薄膜を設けてもよい。表面プラズモンを利用してナノ粒子の音響振動をより効率的に励起させることができる。
【００１８】
また本発明において、照射部は、レーザー光をラジアル偏光とするラジアル偏光コンバータを有していてもよい。光軸方向に強い電場を発生させることができ、ナノ粒子の音響振動をより効率的に励起させることができる。また、より効率的に表面プラズモンを励起させることができる。
【００１９】
また本発明において、第１レーザー光および第２レーザー光は、線幅が１００ＭＨｚ以下であり、周波数差は５００ＧＨｚ以下である、ことが好ましい。より効率的にナノ粒子の音響振動を励起させることができる。
【００２０】
また本発明において、第１レーザー光および第２レーザー光の波長は、１４６０〜１６５０ｎｍである、ことが好ましい。より効率的にナノ粒子の音響振動を励起させることができる。また、１４６０〜１６５０ｎｍは通信波長帯のＣバンドに相当し、半導体レーザー、ディテクタ、光アンプを入手しやすいという利点がある。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、ナノ粒子の共鳴振動による散乱光を簡便に分離することができるので、ナノ粒子の検出を簡便に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】実施例１の光計測装置の構成を示した図。
【図２】実施例１の光計測装置の構成の変形例を示した図。
【図３】実施例１の光計測装置の構成の変形例を示した図。
【図４】対物レンズ１４と基板Ｓの領域を拡大して示した図。
【図５】基板Ｓの構成を示した図。
【図６】ナノ粒子ＮＰの直径とＢｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数との関係を示したグラフ。
【図７】ピエゾマッピングにより取得したナノ粒子の光学像を示した図。
【図８】ビート周波数と光強度との関係を示したグラフ。
【図９】ビート周波数と光強度との関係を示したグラフ。
【図１０】ＮＡｉと光受光器１６に到達する光強度との関係を示したグラフ。
【図１１】ＮＡｉと基板Ｓ直上での電場強度との関係を示したグラフ。
【図１２】実施例２の光計測装置の構成を示した図。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明の具体的な実施例について図を参照に説明するが、本発明は実施例に限定されるものではない。
【実施例１】
【００２４】
図１は、実施例１の光計測装置の構成を示した図である。実施例１の光計測装置は、ナノ粒子の音響振動を励起し、ナノ粒子による散乱光を検出することで、ナノ粒子の捕捉、検出が可能な装置である。図１のように、実施例１の光計測装置は、第１レーザー１０と、第２レーザー１１と、ビームスプリッタ１２と、アキシコンレンズ１３と、対物レンズ１４、１５と、光受光器１６と、を有している。ビームスプリッタ１２、アキシコンレンズ１３、対物レンズ１４は、本発明の照射部に相当し、対物レンズ１５、光受光器１６は、本発明の受光部に相当する。
【００２５】
（第１レーザー１０および第２レーザー１１について）
第１レーザー１０および第２レーザー１１は、波長可変レーザーである。第１レーザー１０、第２レーザー１１の少なくとも一方の波長を掃引することで、第１レーザー１０から放射される第１レーザー光と、第２レーザー１１から放射される第２レーザー光との差周波数（ビート周波数）を走査可能としている。
【００２６】
なお、第１レーザー光、第２レーザー光の波長λ１、λ２は特に限定されないが、好ましくは１４６０〜１６５０ｎｍである。この範囲であれば、ナノ粒子の音響振動を効率的に励起することができ、ナノ粒子の捕捉、検出がより容易となる。また、同様の理由により、第１レーザー光および第２レーザー光の線幅は１００ＭＨｚ以下が好ましく、第１レーザー光と第２レーザー光の周波数差は５００ＧＨｚ以下が好ましい。より好ましい周波数差は３００ＧＨｚ以下である。また、１４６０〜１６５０ｎｍは通信波長帯のＣバンドに相当し、半導体レーザー、ディテクタ、光アンプを入手しやすいという利点がある。
【００２７】
また、実施例１では第１レーザー１０、第２レーザー１１の双方を波長可変としているが、一方のみを波長可変レーザーとし、他方は波長固定のレーザーとしてもよい。
【００２８】
第１レーザー１０からの第１レーザー光は、偏波保持ファイバーＯＦ１に結合し、レンズＬ１により平行光とされた後、ビームスプリッタ１２に入力される。同様に、第２レーザー１１からの第２レーザー光は、偏波保持ファイバーＯＦ２に結合し、レンズＬ２により平行光とされた後、ビームスプリッタ１２に入力される。
【００２９】
（ビームスプリッタ１２について）
ビームスプリッタ１２は、第１レーザー１０および第２レーザー１１からの２つのレーザー光を同軸に合波するためのものである。ビームスプリッタ１２に入力された第１レーザー光および第２レーザー光は、同軸に合波されて出力される。なお、合波手段はビームスプリッタに限らず、光ファイバーカプラなどを用いてもよい。ビームスプリッタ１２から出力されたレーザー光は、光チョッパＯＣによって周期的に遮断された後、ミラーＭ１に反射されてアキシコンレンズ１３に入力される。
【００３０】
（アキシコンレンズ１３について）
アキシコンレンズ１３は、ビーム形状（光軸に垂直な面での光強度分布の形状）をリング状とするためのものである。アキシコンレンズ１３には、ミラーＭ１からのレーザー光が入力され、そのビーム形状は円形である。そして、アキシコンレンズ１３によってビーム形状は円形からリング状に変換され、ビーム形状がリング状のレーザー光が出力される。アキシコンレンズ１３から出力されたレーザー光は、レンズＬ３によって平行光とされた後、ミラーＭ２によって反射され、対物レンズ１４に入力される。
【００３１】
なお、実施例１ではビーム形状をリング状に変換するためにアキシコンレンズ１３を用いているが、他の方法によりビーム形状をリング状に変換してもよい。たとえば、図２の構成によりビーム形状をリング状に変換することができる。図２では、アキシコンレンズ１３に替えてレンズＬ４を用い、レンズＬ３とミラーＭ２の間に局所ビームストップ１７を設けている。他の構成は実施例１と同様である。
【００３２】
レンズＬ４は、集光レンズであり、レンズＬ３との組み合わせでミラーＭ１からのレーザー光のビーム径を拡大させる。局所ビームストップ１７は、レーザー光を透過するガラス基板上に、レーザー光を透過させない円形の不透過膜（たとえば黒色アルミニウム膜）を接着したものである。黒色アルミニウム膜の中心とレーザー光の光軸が一致するように配置し、また黒色アルミニウム膜の直径はレーザー光の直径よりも小さく設定する。レンズＬ３から局所ビームストップ１７にビーム形状が円形のレーザー光が入射するが、レーザー光の中心部分（光軸近傍）は黒色アルミニウム膜によって透過できず、外周部分のみが透過する。その結果、局所ビームストップ１７から出力されるレーザー光は、ビーム形状がリング状となる。
【００３３】
また、レンズＬ３に替えて、アキシコンレンズ１８を設け、アキシコンレンズ１３と対向するように配置し、アキシコンレンズ１８を光軸方向に移動可能としてもよい。アキシコンレンズ１３と他方のアキシコンレンズ１８との距離を制御することで、ビーム形状におけるリングの直径（内径および外径）を変化させることができる。
【００３４】
レーザー光のリング状のビーム形状は、以下のようにすることが好ましい。リングの内径は、対物レンズ１４に入射する内径部分のＮＡｉが対物レンズ１５のＮＡ以上となるようにすることが好ましい。リングの内径は、対物レンズ１４に入射する内径部分のＮＡｉが対物レンズ１４のＮＡ以下であれば任意である。また、ＮＡｆとＮＡｉの差は、ＮＡｉが対物レンズ１５のＮＡ以上という条件のもとで、なるべく大きくすることが好ましい。これにより集光スポット径を小さくすることが可能となる。
【００３５】
（対物レンズ１４、１５について）
対物レンズ１４は、ミラーＭ２からのレーザー光を集光してナノ粒子に照射するものである。対物レンズ１４の集光点付近に基板Ｓが配置され、その基板Ｓ上（対物レンズ１４側の表面とは反対側の表面上）に試料であるナノ粒子ＮＰが配置されている。ここでナノ粒子とは、粒径が１〜１００ｎｍオーダーの粒子である。たとえば、金属粒子、樹脂粒子、ウイルス、ＤＮＡ、などである。対物レンズ１４のＮＡは、たとえば１．４である。基板Ｓは、３軸ピエゾステージ（図示しない）上に固定されていて、基板Ｓに対するレーザー光の照射位置を３次元的に調整可能となっている。
【００３６】
対物レンズ１５は、光軸方向において対物レンズ１４と対向して設けられている。対物レンズ１５は、ナノ粒子ＮＰによる散乱光を集光して出力するものである。レーザー光のビーム形状がリング状であるため、ナノ粒子ＮＰを透過する透過光が直接対物レンズ１５に到達して集光されてしまうことが抑制されている。対物レンズ１５のＮＡは、たとえば０．６であり、対物レンズ１４よりも開口数が小さいものを用いている。
【００３７】
対物レンズ１４と基板Ｓの隙間には、図４のように、屈折率整合液体１９を満たしてもよい。屈折率整合液体１９は、基板Ｓと屈折率が同一の材料からなる液体である。基板Ｓと対物レンズ１５との間は空気であるため、基板Ｓよりも屈折率は低くなる。対物レンズ１４と対物レンズ１５との間をこのような屈折率分布とすることで、透過光が対物レンズ１５に入射することをより抑制することができる。なお、基板Ｓと対物レンズ１５の間は、屈折率整合液体１９および基板Ｓよりも屈折率が低くければよく、空気でなくともよい。
【００３８】
また、図５のように、基板Ｓの表面に、厚さ１００ｎｍ以下の金属薄膜Ｍを設け、金属薄膜Ｍ上にナノ粒子ＮＰを設けるようにしてもよい。金属薄膜Ｍの材料は、たとえばＡｕ、Ａｇ、Ａｌ、ＴｉＮ（窒化チタン）、ＨｆＮ（窒化ハフニウム）である。この金属薄膜Ｍに対して全反射角以上の角度でｐ偏光を入射させることで、エバネッセント波によって金属薄膜Ｍに表面プラズモンを励起させることができる。表面プラズモンは金属薄膜Ｍに垂直な方向に増強された光電場を有するため、これにより金属薄膜Ｍ上のナノ粒子ＮＰの音響振動を効率的に励起させることができる。
【００３９】
また、上記のように表面プラズモンを利用する場合、レーザー光はラジアル偏光とすることが好ましい。ここでラジアル偏光は、光軸断面での偏光の空間分布が半径方向の分布である偏光状態である。レーザー光をラジアル偏光とすることで、金属薄膜Ｍに集光されて入射するレーザー光の偏光を全てｐ偏光とすることができ、効率的に表面プラズモンを励起することができる。また、ラジアル偏光は集光点において光軸方向に強い電場を発生させることができるので、より効率的に表面プラズモンを励起させることができる。第１レーザー１０および第２レーザー１１からのレーザー光は直線偏光であるため、直線偏光をラジアル偏光に変換するための装置（ラジアル偏光コンバータ）が必要である。レーザー形状をリング状とする前にラジアル偏光とすることが好ましく、実施例１においては、ビームスプリッタ１２とアキシコンレンズ１３との間にラジアル偏光コンバータを挿入するとよい。
【００４０】
また、ラジアル偏光とすることは、表面プラズモンを利用しない場合にも有効である。基板Ｓ表面に直交する方向（つまり光軸方向）に強い電場を発生させることができるため、ナノ粒子ＮＰの音響振動を効率的に励起可能である。
【００４１】
また、対物レンズ１４、１５の開口数は、上記の値に限るものではないが、実施例１のように対物レンズ１５の開口数を対物レンズ１４の開口数よりも小さくすることが好ましい。これにより、対物レンズ１５に透過光が入射することをより抑制することができる。
【００４２】
（光受光器１６について）
光受光器１６は、ナノ粒子ＮＰからの散乱光を受光する装置である。対物レンズ１５によって集光された散乱光は、ミラーＭ３によって反射され、結像レンズＩＬによって集光された後、光受光器１６に入力される。そして、光受光器１６から散乱光の強度に応じた電流信号が出力される。電流信号は、電流電圧変換アンプ（図示しない）によって電圧信号に変換され、ロックインアンプ（図示しない）に入力され、光チョッパＯＣの周期遮断信号を用いて位相同期光検出が行われ、散乱光の強度が測定される。
【００４３】
（光計測装置の動作）
次に、実施例１の光計測装置によりナノ粒子ＮＰを検出する動作について説明する。
【００４４】
実施例１の光計測装置では、第１レーザー１０からの第１レーザー光と、第２レーザー１１からの第２レーザー光の周波数差によるうなり（ビート周波数）を、ナノ粒子ＮＰの音響振動（機械振動）の励起に用いる。
【００４５】
ナノ粒子ＮＰの音響振動周波数は、Ｌａｍｂの理論で知られているように解析的に求めることができる。音響振動のモードのうち最低次モードはＢｒｅａｔｈｉｎｇモードと呼ばれ、ナノ粒子ＮＰの膨張収縮に伴うものである。Ｂｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数νは、ν＝χn ｃL ／２πＲにより求められる。ここでｃL はＬｏｎｇｉｔｕｄｉｎａｌ方向の音速、Ｒはナノ粒子ＮＰの半径である。また、χn は、χn ＝１−（χn ｃL ／２ｃT ）2 により求まる固有値であり、ｃT はＴｒａｎｓｖｅｒｓｅ方向の音速である。ｃT 、ｃL はナノ粒子ＮＰの材料などによって決まる値である。
【００４６】
ナノ粒子ＮＰのＢｒｅａｔｈｉｎｇモード周波数の具体例を示す。図６は、各ナノ粒子ＮＰの直径とＢｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数との関係を示したグラフである。図６のように、直径が大きくなるにしたがってＢｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数は減少していくことがわかる。ポリスチレンからなる球形のナノ粒子ＮＰのｃT 、ｃL はそれぞれ２３５０ｍ／ｓ、１１２０ｍ／ｓであり、直径が１００ｎｍの場合、Ｂｒｅａｔｈｉｎｇモード周波数は１７ＧＨｚである。金からなる球形のナノ粒子ＮＰのｃT 、ｃL はそれぞれ１２００ｍ／ｓ、３２４０ｍ／ｓであり、直径が１００ｎｍの場合、Ｂｒｅａｔｈｉｎｇモード周波数は３０ＧＨｚである。また、参考文献（Phys. Rev. E73, 011901(2006)）に見られる球形ウイルスのｃT 、ｃL はそれぞれ９１５ｍ／ｓ、１８１７ｍ／ｓであり、直径１００ｎｍでＢｒｅａｔｈｉｎｇモード周波数は１６ＧＨｚとなる。
【００４７】
第１レーザー光と第２レーザー光の差周波数（ビート周波数）がナノ粒子ＮＰの音響振動の周波数に一致する場合、ナノ粒子ＮＰの音響振動が共鳴的に励起される。ナノ粒子ＮＰの音響振動が励起されると、そのナノ粒子ＮＰの音響振動と入射光（第１レーザー光または第２レーザー光）との相互作用によって、散乱光が生じる。散乱光の角周波数は、ω１＋Ω、ω１−Ω、ω２＋Ω、ω２−Ωなどである。ここで、ω１は第１レーザー光の角周波数、ω２は第２レーザー光の角周波数、Ωはナノ粒子ＮＰの音響振動の角周波数である。この散乱光を集光して光受光器１６により受光し、散乱光の強度を測定する。
【００４８】
ここで、ナノ粒子ＮＰに照射されるレーザー光のビーム形状はリング状であるため、ナノ粒子への入射光のうち、ナノ粒子ＮＰと相互作用せずにそのまま透過する透過光は円錐状に広がっていく。そのため、対物レンズ１５には透過光が到達しにくくなる。一方でナノ粒子ＮＰによる散乱光は等方的に放射されるので、直接的に対物レンズ１５に到達する。つまり、透過光から散乱光を分離して集光することができる。特に、実施例１の光計測装置では、対物レンズ１５の開口数を対物レンズ１４の開口数よりも小さくしているため、透過光を対物レンズ１５に入射しないようにできる。さらに、リング状のビーム形状において、リングの内径部分のＮＡが対物レンズ１５のＮＡ以下となるようにリングの内径を設定すれば、対物レンズ１５への透過光の入射は０とすることができる。
【００４９】
また、対物レンズ１５の後ろ側焦点面に局所ビームストップもしくはピンホールを設け、散乱光のみを透過させることによって、光受光器１６への透過光の入射がより抑制されるようにしてもよい。
【００５０】
実施例１の光計測装置では、第１レーザー１０あるいは第２レーザー１１の波長を走査して、ビート周波数を走査する。ビート周波数を走査しながら散乱光の強度を測定することで、ビート周波数と散乱光の強度との関係（ビートスペクトル）を測定することができる。このビートスペクトルは、音響振動の周波数においてピークを有し、ナノ粒子ＮＰの粒径や材料などによってスペクトル形状（ピーク位置）が定まる。よって、ビートスペクトルを解析することで、ナノ粒子ＮＰの粒径や材料を測定することが可能である。
【００５１】
（変形例）
実施例１では、ビート周波数を走査することでナノ粒子のビートスペクトルを測定しているが、測定対象のナノ粒子ＮＰの材料や粒径が決まっている場合には、ビート周波数をナノ粒子ＮＰの音響振動の周波数に固定し、散乱光の強度によってナノ粒子ＮＰの検出を行ってもよい。
【００５２】
また、実施例１では、ナノ粒子ＮＰの透過側に放射される散乱光を対物レンズ１５によって集光しているが、ナノ粒子ＮＰの反射側に放射される散乱光を対物レンズ１４によって集光して散乱光の強度を測定してもよい。
【００５３】
以上、実施例１の光計測装置によれば、レーザー光のビーム形状をリング状としているため、ナノ粒子からの散乱光を透過光から精度よく分離することができ、簡便にナノ粒子の捕捉、検出を行うことができる。
【００５４】
（実験例１）
次に、実施例１の光計測装置を用いて、サンプルを測定した結果を説明する。まず、ホウケイ酸カバーガラス上に、ポリスチレンナノ粒子（平均粒径１００ｎｍ）の水分散液をポリエチレン製ニードルを用いて極微小液滴として配置した。その後、ホットプレート上にカバーガラスを配置して６０℃に加熱し、ゆるやかに乾燥させてサンプルを調製した。
【００５５】
次に、サンプルを３軸ピエゾステージに固定し、ピエゾステージのｘｙ方向（光軸をｚ軸方向とする）への駆動と光受光器１６の読み取り値とを同期させるマッピングにより、カバーガラス上に単独で存在するポリスチレンナノ粒子の場所を同定した。図７は、そのマッピングイメージを示している。
【００５６】
次に、第１レーザー１０からの第１レーザー光の波長は１５３０．００ｎｍに固定し、第２レーザー１１からの第２レーザー光の波長は外部共振器により１５３０．１５ｎｍ付近で変化させ、第１レーザー光と第２レーザー光の差周波数（ビート周波数）を変化させた。そして、各ビート周波数において散乱光の光強度を測定した。図８は、ビート周波数と光強度との関係を示したグラフである。図８のように、１７．８ＧＨｚにおいて明確なピークを検出した。Ｌａｍｂの理論により解析的に求められる粒径１００ｎｍのポリスチレンナノ粒子の音響振動のうち、Ｂｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数は１７ＧＨｚであり、実施例１の光計測装置によって測定した実験値１７．８ＧＨｚとよく一致していた。
【００５７】
（実験例２）
ポリスチレンナノ粒子に替えて金ナノ粒子（平均粒径３０ｎｍ）を用い、実験１と同様にして実施例１の光計測装置により散乱光の光強度を測定し、ビート周波数と光強度との関係を求めた。図９のグラフがその結果である。図９のように、１０４．２ＧＨｚにおいて明確なピークを検出した。Ｌａｍｂの理論により解析的に求められる粒径３０ｎｍの金ナノ粒子の音響振動のうち、Ｂｒｅａｔｈｉｎｇモードの周波数は１０１ＧＨｚであり、実施例１の光計測装置によって測定した実験値１０４．２ＧＨｚとよく一致していた。
【００５８】
実験例１、２の結果、実施例１の光計測装置により、ナノ粒子ＮＰの粒径を精度よく測定可能であることが示された。
【００５９】
（実験例３）
基板Ｓ上にナノ粒子を配置しない場合に、対物レンズ１５を経て光受光器１６に結合しうる光の光強度を数値計算により求めた。対物レンズ１４のＮＡを１．４、対物レンズ１５のＮＡを０．６、基板Ｓは屈折率１．５のカバーガラスとし、カバーガラスと対物レンズとの間に、カバーガラスと同じ屈折率の屈折率整合液体１９を満たした。対物レンズ１４に入射する光のビーム形状はリング状でｐ偏光とし、内径領域のＮＡをＮＡｉ、外径領域のＮＡをＮＡｆとし、ＮＡｆは１．４に固定し、ＮＡｉを０〜１．０に変化させたときの光強度を算出した。
【００６０】
図１０は、その計算結果を示したグラフである。縦軸は、入射光の電場強度に対する、光受光器１６に到達しうる光の電場強度の割合である。図１０のように、ＮＡｉが増加すると、光受光器１６に到達する光の強度はおよそ線形に減少していき、ＮＡｉが０．６以上では光強度は０となった。
【００６１】
また、基板Ｓ直上での電場強度を算出した。測定点は、光軸上であって基板Ｓ裏面（対物レンズ１５側の面）からλ／１００離れた位置とした。
【００６２】
図１１は、その計算結果を示したグラフである。縦軸は、入射光の電場強度の最大値に対する、測定点における電場強度の最大値の割合である。以下、その割合を相対的電場強度と呼ぶことにする。図１１のように、相対的電場強度は、ＮＡｉの増加とともにゆるやかに増加していくことがわかった。
【００６３】
以上、実験例３から、対物レンズ１４への入射光のビーム形状をリング状とすることで、入射光が光受光器１６に到達するのを抑制することができ、かつナノ粒子ＮＰによる散乱光を発生させるために必要な基板Ｓ直上の電場強度を維持、あるいは増大させることが可能であることが示された。また、実験例３から、リング状のビーム形状において、内径はなるべく大きくすることが好ましいとわかった。
【００６４】
（実験例４）
実験例３において、基板Ｓ裏面に金属薄膜Ｍを形成し、基板Ｓ直上での電場強度を算出した。入射光はｐ偏光とし、対物レンズ１４に入射する入射光のＮＡは、ＮＡｉ＝１．０、ＮＡｆ＝１．４とした。また、金属薄膜Ｍは５０ｎｍとし、材料はＡｕとした。他の条件は実験例３と同様とした。
【００６５】
上記の条件で基板Ｓ直上に生じる電場強度を算出した。相対的電場強度は、金属薄膜Ｍがない場合は１．２３、金属薄膜Ｍがある場合は１．２６であった。
【００６６】
以上、実験例４から、基板Ｓに金属薄膜Ｍを設けることで、入射光のｐ偏光成分により表面プラズモンを励起させることが可能であり、基板Ｓ直上に大きな電場を生じさせることが可能であることがわかった。したがって、より効率的にナノ粒子ＮＰの音響振動を励起可能であることがわかった。
【００６７】
（実験例５）
実験例４において、レーザー光を直線偏光からラジアル偏光とし、それ以外は同一の条件として、基板Ｓ直上での電場強度を算出した。その結果、相対的電場強度は１．６９であり、直線偏光とした実験例４に比べて大きく向上していることがわかった。
【００６８】
また、対物レンズ１４に入射する入射光のＮＡを、ＮＡｉ＝１．０、ＮＡｆ＝１．１に変更したところ、相対的電場強度は２．３０であり、さらに向上することがわかった。これは、金属薄膜Ｍに表面プラズモンをクリティカルに励起できる範囲がＮＡ＝１．０〜１．１の間の狭いラインであるため、ＮＡｉとＮＡｆを上記のように変更することで、より効率的に表面プラズモンを励起することができたものである。
【００６９】
以上、実験例５のように、入射光をラジアル偏光とすることにより、基板Ｓ直上により大きな電場を生じさせることが可能であり、表面プラズモンをより効率的に励起させることが可能であることがわかった。したがって、より効率的にナノ粒子ＮＰの音響振動を励起可能であることがわかった。また、入射光のＮＡｆを対物レンズ１４のＮＡよりも小さくすることで、表面プラズモンをさらに効率的に励起可能であることもわかった。
【実施例２】
【００７０】
図１２は、実施例２の光計測装置の構成を示した図である。図１２のように、実施例２の光計測装置は、実施例１の光計測装置における光チョッパＯＣより後段の構成を、次のように置き換えたものである。
【００７１】
光チョッパＯＣの後段にはレンズＬ５が配置され、レンズＬ５によって光チョッパＯＣからのレーザー光は集光される。基材Ｓ’は、直角二等辺三角形状のプリズムである。ここで、基材Ｓ’の直角二等辺三角形を成す３つの平面のうち、底辺の平面をＳ１、等しい２辺の平面をＳ２、Ｓ３とする。ナノ粒子ＮＰは、基材Ｓ’の平面Ｓ１上に配置されている。また、基材Ｓ’は、レンズＬ４からのレーザー光が基材Ｓ’の平面Ｓ２、Ｓ３の一方に入射するように配置され、平面Ｓ１においてレーザー光が全反射するように配置されている。
【００７２】
対物レンズ１５は、基板Ｓ’の平面Ｓ１側であって、平面Ｓ１に垂直な方向に離間して配置されている。ナノ粒子ＮＰからの散乱光は、等方的に放射されるため、基材Ｓ’側だけでなく、平面Ｓ１上方（対物レンズ１５側）へも放射される。この平面Ｓ１上方に放射される散乱光は、対物レンズ１５によって集光される。対物レンズ１５によって集光された散乱光は、結像レンズＩＬによって集光された後、光受光器１６に入力される。
【００７３】
実施例２の光計測装置では、レーザー光を基材Ｓ’の平面Ｓ１で全反射させているため、基板Ｓ’の平面Ｓ１上方側へは入射光が透過してこない。一方、ナノ粒子ＮＰによる散乱光は、等方的に放射されるため、基板Ｓ’の平面Ｓ１上方側へも放射される。したがって、入射光から散乱光を分離して受光することができる。
【００７４】
なお、実施例１において述べた各種変形例は、実施例２においても適用することができる。
【００７５】
また、実施例２では、基材としてプリズムを用いることで、ナノ粒子ＮＰが配置された平面において入射したレーザー光を全反射させているが、他の方法によって全反射させてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、金属粒子、樹脂粒子、ウイルス、ＤＮＡなどの各種ナノ粒子の検出に利用することができる。
【符号の説明】
【００７７】
１０：第１レーザー
１１：第２レーザー
１２：ビームスプリッタ
１３、１８：アキシコンレンズ
１４、１５：対物レンズ
１６：光受光器
ＮＰ：ナノ粒子
Ｓ：基板
【図１】
2020085605.tif 000003
【図２】
2020085605.tif 000004
【図３】
2020085605.tif 000005
【図４】
2020085605.tif 000006
【図５】
2020085605.tif 000007
【図６】
2020085605.tif 000008
【図７】
2020085605.tif 000009
【図８】
2020085605.tif 000010
【図９】
2020085605.tif 000011
【図１０】
2020085605.tif 000012
【図１１】
2020085605.tif 000013
【図１２】
2020085605.tif 000014