(57)【要約】      （修正有）【課題】基板表面への物理吸着が主体的である標的分子であっても、増強電場の大きな金属微細構造の周囲に標的分子を吸着させて検出感度を向上させることができるセンサー基板、検出装置及び電子機器を提供する。【解決手段】流体試料に含まれる標的分子を検出する検出装置１０は、センサー基板２０と、センサー基板に第一励起光３１Ａを照射する第一光源３１と、センサー基板に第二励起光３２Ａを照射して、表面増強ラマン散乱を出現させる第二光源３２と、表面増強ラマン散乱光を検出する光検出器５０と、を有する。センサー基板は、第一励起光３１Ａによる光触媒反応により電子正孔対が励起される金属化合物と、金属化合物の表面に形成される複数の金属微細構造と、金属化合物の表面を電子正孔対の一方の電位に帯電させる帯電部と、を有する。【選択図】図１
2014190911.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試料に含まれる標的分子を検出する検出装置であって、
センサー基板と、
前記センサー基板に第一励起光を照射する第一光源と、
前記センサー基板に第二励起光を照射して、表面増強ラマン散乱を出現させる第二光源と、
表面増強ラマン散乱光を検出する光検出器と、
を有し、
前記センサー基板は、
前記第一励起光により電子正孔対が励起される金属化合物と、
前記金属化合物の表面に形成された複数の金属ナノ構造と、
前記金属化合物の表面を前記電子正孔対の一方の電位に帯電させる帯電部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記帯電部は、
前記金属化合物の下地面に積層された第一導電体と、
前記第一導体の下地面に積層された絶縁体と、
前記絶縁体の下地面に積層された第二導電体と、
前記第一導電体、前記絶縁体及び前記第二導電体で形成される電荷容量に電荷を充電させる充電部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記帯電部は、
前記金属化合物の下地面に積層された第一導電体と、
前記流体試料の流路を挟んで前記金属化合物と対向配置される第二導電体と、
前記第一導電体及び前記第二導電体を含む電荷容量に電荷を充電させる充電部と、
を有することを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれか１項において、
前記帯電部は、第1モードでは前記金属化合物の前記表面を前記電子正孔対の一方の電位に帯電させ、第２モードでは前記金属化合物の前記表面を前記電子正孔対の他方に帯電させることを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項４において、
前記帯電部は、前記第１モードと前記第２モードのどちらか一方を選択できる切換用スイッチを含むことを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項５において、
前記第１モードは、前記金属化合物の前記表面を負電位に帯電させて、前記複数の金属ナノ構造を還元させ、
前記第２モードは、前記金属化合物の前記表面を正電位に帯電させて、前記標的分子を静電吸着力にて前記金属化合物の前記表面に吸着させることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項５において、
前記第１モードは、前記金属化合物の前記表面を正電位に帯電させて、前記標的分子を静電吸着力にて前記金属化合物の前記表面に吸着させ、
前記第２モードは、前記金属化合物の前記表面を負電位に帯電させて、前記標的分子を静電反発力にて前記金属化合物の前記表面から離脱させることを特徴とする検出装置。
【請求項８】
第一励起光により電子正孔対が励起される金属化合物と、
前記金属化合物の表面に形成され、第二励起光により増強電場が形成される複数の金属ナノ構造と、
前記金属化合物の裏面に積層される導電体と、
を有することを特徴とするセンサー基板。
【請求項９】
請求項１乃至７のいずれか１項に記載の検出装置と、
前記検出装置からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を備えたことを特徴とする電子機器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標的分子を検出するためのセンサー基板、検出装置及び電子機器等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の標的分子を検出する高感度分光技術の１つとして、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）特に局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）を利用した表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）分光が注目されている。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造に含まれる金属ナノ構造間に増強電場が形成され、その増強電場によりラマン散乱光が例えば１０２〜１０１４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を標的分子に照射する。励起光の波長から標的分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれた散乱波長（ラマン散乱光）を分光検出し指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルからごく微量の標的分子を同定することが可能となる。
【０００３】
表面増強ラマン分光を利用したセンサーでは、より強いラマン信号を測定するには、標的分子をセンサー基板の表面近傍の増強電場にとどめる必要がある。そのために、増強電場の大きな金属ナノ構造の周囲に、標的分子を吸着させることが重要である。吸着には物理吸着と化学吸着があり、基板―標的分子間で結合を有さない物理吸着、例えば双極子-双極子相互作用やファンデルワールス力分子間相互作用などでは、吸着力が弱い。一方、基板-標的分子間で結合を有する化学吸着、例えば配位結合などでは吸着力が大きい。しかし、物理吸着主体の反応性の低い標的分子を増強電場にとどめることは困難である。また、金属ナノ構造が自然酸化すると、増強電場が弱まるという課題もある。
【０００４】
もともと基板との吸着力が弱い分子では、吸着力を上げるためにセンサー基板表面を標的分子と吸着性が良くなるよう改質するなどの工夫がなされてきた（特許文献１）。しかし、表面改質では主に物理吸着を利用しており、例えば吸着面積が狭い低分子では十分な吸着力が得られない。
【０００５】
特許文献２は、金属化合物（ＡｇＯ）にて形成されたセンサー膜を有し、レーザー光照射により金属化合物の還元によってセンサー膜中に微粒子（Ａｇ）を析出させ、その金属微粒子が発生する局在プラズモンによるラマン光増幅を利用して、ラマン分光分析を行う分子センサーを開示している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４７４２０号公報
【特許文献２】特開２００２−２７７３９７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、特許文献２にはセンサー膜（金属化合物）に標的分子を如何にして吸着させるかについて無言である。また、センサー膜に標的分子が吸着したとしても、センサー膜の外表面に吸着する標的分子と、センサー膜中の金属微粒子との間には距離がある。増強電場Ｅは金属微粒子からの距離ｒの２乗に反比例し、ラマン光強度Iは増強電場Ｅの４乗に比例するため、検出感度の向上には限界がある。
【０００８】
本発明の幾つかの態様は、基板表面への物理吸着が主体的である標的分子であっても、増強電場の大きな金属ナノ構造の周囲に標的分子を吸着させて検出感度を向上させることができるセンサー基板、検出装置及び電子機器を提供することを目的とする。
本発明の他の幾つかの態様は、センサー基板の表面を帯電させることで、基板表面への標的分子の吸着、基板表面からの標的分子の脱離、あるいは金属ナノ構造の自然酸化膜の除去の少なくとも一つを実施することができるセンサー基板、検出装置及び電子機器を提供することを目的とする。
本発明のさらに他の幾つかの態様は、センサー基板の表面の帯電状態を切り換えて、標的分子の吸着機能と他の機能とを併せ持つことができるセンサー基板、検出装置及び電子機器を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
（１）本発明の一態様は、
流体試料に含まれる標的分子を検出する検出装置であって、
センサー基板と、
前記センサー基板に第一励起光を照射する第一光源と、
前記センサー基板に第二励起光を照射して、表面増強ラマン散乱を出現させる第二光源と、
表面増強ラマン散乱光を検出する光検出器と、
を有し、
前記センサー基板は、
前記第一励起光により電子正孔対が励起される金属化合物と、
前記金属化合物の表面に形成された複数の金属ナノ構造と、
前記金属化合物の表面を前記電子正孔対の一方の電位に帯電させる帯電部と、
を有する検出装置に関する。
【００１０】
本発明の一態様では、センサー基板に第一励起光が照射されると、センサー基板の金属化合物の光触媒反応により、金属化合物中に電子正孔対が励起される。帯電部は、例えば電界をかけることで電子と正孔とを分離させ、金属化合物の表面を電子正孔対の一方の電位に帯電させる。
【００１１】
金属化合物の表面を電子正孔対の一方の電位に帯電させると、検出装置に新たな機能が付加される。例えば、金属化合物の表面を正電位に帯電させると、金属化合物の表面（基板表面）に、電気陰性度を有する標的分子を静電吸引力により吸着することができる。例えば０.５Ｄ（デバイ）以上の双極子モーメント（負電荷から正電荷に向かうベクトル量）を有する標的分子を静電吸引力により基板表面に吸着できる。基板表面上の金属ナノ構造の周囲には増強電場が形成されているので、金属ナノ粒子の周囲の基板表面に標的分子を吸着させることで、光検出器での検出感度を向上させる。なお、帯電部により電子と正孔との再結合が阻害されるので、第一励起光の照射を停止させても、金属化合物の表面の帯電状態を維持できる。
【００１２】
あるいは、金属化合物の表面を負電位に帯電させると、複数の金属ナノ構造を還元させることで、金属ナノ構造に形成された自然酸化膜を除去できる。あるいは、金属化合物の表面に標的分子が吸着された状態で、基板表面を負電位に帯電させると、電気陰性度を有する標的分子を静電反発力により基板表面から脱離させることができる。
【００１３】
（２）本発明の一態様では、前記帯電部は、前記金属化合物の下地面に積層された第一導電体と、前記第一導体の下地面に積層された絶縁体と、前記絶縁体の下地面に積層された第二導電体と、前記第一導電体、前記絶縁体及び前記第二導電体で形成される電荷容量に電荷を充電させる充電部と、を有することができる。
【００１４】
こうすると、帯電部が容量に電荷を充電させると、第一導電体の表面電荷によって、金属化合物の表面の帯電状態が一義的に定まる。しかも、帯電部は充電によって金属化合物の表面を帯電させることができるので、消費電力が低減する。
【００１５】
（３）本発明の一態様では、  前記帯電部は、前記金属化合物の下地面に積層された第一導電体と、前記流体試料の流路を挟んで前記金属化合物と対向配置される第二導電体と、前記第一導電体及び前記第二導電体を含む電荷容量に電荷を充電させる充電部と、を有することができる。
【００１６】
上述の（２）の構造とは相違して、第二導電体は流体試料の流路を挟んで金属化合物と対向配置され、流路と金属化合物とが容量中の誘電体となる。この場合も、第一導電体の表面電荷によって、金属化合物の表面の帯電状態が一義的に定まる。加えて、第一、第二導電体に電位差を付与することで、流体試料の流路を横切って電界が生ずる。その電界により、標的分子の向きを、基板表面に静電吸引力により吸着され易い向きに制御することができる。
【００１７】
（４）本発明の一態様では、前記帯電部は、第1モードでは前記金属化合物の前記表面を前記電子正孔対の一方の電位に帯電させ、第２モードでは前記金属化合物の前記表面を前記電子正孔対の他方に帯電させることができる。この結果、検出装置は、第１，第２モードの一方で標的分子を吸着し、第１，第２モードの他方では標的分子の吸着機能以外の機能を実現することができる
【００１８】
（５）本発明の一態様では、前記帯電部は、前記第１モードと前記第２モードのどちらか一方を選択できる切換用スイッチを含むことができる。このスイッチは、金属化合物の表面（基板表面）を正電位と負電位とに択一的に切り替えるものである。
【００１９】
（６）本発明の一態様では、前記第１モードは、前記金属化合物の前記表面を負電位に帯電させて、前記複数の金属ナノ構造を還元させ、前記第２モードは、前記金属化合物の前記表面を正電位に帯電させて、前記標的分子を静電吸着力にて前記金属化合物の前記表面に吸着させることができる。この場合、標的分子の吸着機能以外の機能として、複数の金属ナノ構造を還元させることで、金属ナノ構造に形成された自然酸化膜を除去できる。それにより、増強電場の形成能力が維持され、検出感度向上に寄与する。
【００２０】
（７）本発明の一態様では、前記第１モードは、前記金属化合物の前記表面を正電位に帯電させて、前記標的分子を静電吸着力にて前記金属化合物の前記表面に吸着させ、前記第２モードは、前記金属化合物の前記表面を負電位に帯電させて、前記標的分子を静電反発力にて前記金属化合物の前記表面から離脱させることができる。この場合、標的分子の吸着機能以外の機能として、標的分子に脱離活性化エネルギーを付与して標的分子を強制的に脱離させることができる。それにより、センサー基板をフレッシュにして、次の検出に備えることができる。
【００２１】
（８）本発明の他の態様は、
第一励起光による光触媒反応により電子正孔対が励起される金属化合物と、
前記金属化合物の表面に形成され、第二励起光により増強電場が形成される複数の金属ナノ構造と、
前記金属化合物の裏面に積層される導電体と、
を有するセンサー基板に関する。本発明の他の態様では、第一励起光により光触媒反応が起きる金属化合物中に電子正孔対が励起され、導電体の電位によって電子と正孔が分離されて、金属化合物の表面（基板表面）は、正電位または負電位の一方に帯電される。それにより、基板表面に静電吸引力によって標的分子を吸着させることができる。
【００２２】
（９）本発明のさらに他の態様は、
（１）〜（７）のいずれかに記載の検出装置と、
前記検出装置からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を備えた電子機器に関する。この電子機器は、医療診断や飲食物の検査等に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】本発明の一実施形態である検出装置の概略図である。
【図２】図２（Ａ）はセンサー基板の拡大断面図、図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）はセンサー基板での増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るセンサー基板の断面図である。
【図４】金属化合物内に電子正孔対を励起する工程を示す図である。
【図５】金属化合物の表面に正孔を裏面に電子を帯電させる工程を示す図である。
【図６】金属化合物の表面に標的分子を吸着させる工程を示す図である。
【図７】図７（Ａ）〜図７（Ｅ）はセンサー基板の製造工程を示す図である。
【図８】図８（Ａ）〜図８（Ｄ）は図７（Ｅ）に続いて行われるセンサー基板の製造工程を示す図である。
【図９】第１実施形態に係るセンサー基板の変形例を示す図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係るセンサー基板の断面図である。
【図１１】金属化合物内に光励起された電子正孔対を分離する工程を示す図である。
【図１２】金属ナノ構造の自然酸化膜を還元により除去する工程を示す図である。
【図１３】金属化合物の表面に正孔を裏面に電子を帯電させる工程を示す図である。
【図１４】金属化合物の表面に標的分子を吸着させる工程を示す図である。
【図１５】金属化合物の表面から標的分子を脱離させる工程を示す図である。
【図１６】本発明の第３実施形態に係るセンサー基板の断面図である。
【図１７】図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）は第二導電体が設けられる第２基材の製造工程を示す図である。
【図１８】第２実施形態に係るセンサー基板の変形例を示す図である。
【図１９】図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）は電子機器を示す図である。
【図２０】電子機器のブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお以下に説明する本実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の内容を不当に限定するものではなく、本実施形態で説明される構成の全てが本発明の解決手段として必須であるとは限らない。
【００２５】
１．検出装置の概要
図１は、本実施形態の検出装置１０の構成例を示す。図１において、検出装置１０は、センサー基板２０と、光源３０と、光学系４０と、光検出器５０とを有することができる。光源３０は、第一光源３１と第二光源３２とを含む。
【００２６】
センサー基板２０は、標的分子を含む流体試料の流路６０に設けられる。第一光源３１は、センサー基板２０に第一励起光３１Ａを照射する。第一励起光３１Ａは単波長であり、センサー基板２０にて光触媒反応を励起させる波長帯域、例えば紫外線領域から可視光領域の波長とされ、好ましくは紫外線領域の波長とされる。第二光源３２は、センサー基板２０に第二励起光３２Ａを照射して、センサー基板２０にて表面増強ラマン散乱を出現させる。第二励起光３２Ａも単波長であり、例えば３５０〜１２００ｎｍの中で第一励起光３１Ａとは異なる波長とされる。第二励起光３２Ａは、例えば紫外線領域の第一励起光３１Ａの波長（例えば２７５ｎｍ、３６８ｎｍ等）よりも好ましくは２００ｎｍ以上さらに好ましくは２６０ｎｍ以上離れた、例えば可視光領域の波長（例えば６３３ｎｍ）とすることができる。
【００２７】
光学系４０は、レンズ及びミラー４１Ａ，４１Ｂ，４２，４３，４４を含む。コリメータレンズ４１Ａ，４１Ｂは第一光源３１及び第２光源３２から第一励起光３１Ａ及び第２励起光３２Ａをそれぞれ平行光にする。これらの平行光はハーフミラー４２で反射され、対物レンズ４３で集光されて、センサー基板２０に照射される。
【００２８】
センサー基板２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ４３を通過し、ハーフミラー４２０を透過し、集光レンズ４４０で集光されて、光検出器５０に入射される。光検出器５では、フィルターや分光器により標的分子のラマン散乱光が取り出されて受光素子にて受光される。
【００２９】
２．ラマン散乱光の検出原理とセンサー基板
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）を用いて、ラマン散乱光の検出原理を説明する。図２（Ａ）に示すように、標的分子１を含む流体試料が導入される流路６０に臨んでセンサー基板２０が配置され、第二光源３２からの第二励起光（振動数ν）３２Ａがセンサー基板２０に照射される。第二励起光３２Ａの多くは、レイリー散乱光として散乱され、レイリー散乱光の振動数ν又は波長は入射光３２Ａに対して変化しない。第二励起光３２Ａの一部は、ラマン散乱光として散乱され、ラマン散乱光の振動数（ν−ν’及びν＋ν’）又は波長は、標的分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、検査対象の標的分子１を反映した光である。第二励起光３２Ａの一部は、標的分子１を振動させてエネルギーを失うが、標的分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギー又は光エネルギーに付加されることもある。このような振動数のシフト（ν’）をラマンシフトと呼ぶ。
【００３０】
図２（Ｂ）は、図１のセンサー基板２０上の金属ナノ構造３００の拡大図である。図２（Ａ）に示すように入射光３２Ａが基板３１０の平坦面から入射される。本実施形態では、基板３１０は、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成される。センサー基板２０は、金属ナノ構造３００の構造として、複数の金属粒子層を有する。
【００３１】
複数の金属粒子層として、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属が例えば蒸着、スパッタ等により金属粒子膜を形成し、この金属粒子膜の上にレジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化して、パターン化されたレジストによりエッチングすることで、複数の金属粒子層が二次元的に配置される。結果として、センサー基板２０は、金属粒子層の膜厚方向からの平面視で１〜１０００ｎｍのサイズの金属ナノ構造３００を有することができる。
【００３２】
図２（Ｂ）及び図２（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ構造３００に入射光３２Ａが入射された領域３では、隣り合う金属ナノ構造３００間のギャップＧに、増強電場２が形成される。特に、入射光３２Ａの波長よりも小さな金属ナノ構造３００に対して入射光３２Ａを照射する場合、入射光３２Ａの電場は、金属ナノ構造３００の表面に存在する自由電子に作用し、共鳴を引き起こす。これにより、自由電子による電気双極子が金属ナノ構造３００内に励起され、入射光３２Ａの電場よりも強い増強電場２が形成される。これは、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）とも呼ばれる。この現象は、入射光３２Ａの波長よりも小さな１〜１０００ｎｍのサイズを有する金属ナノ構造３００等の電気伝導体に特有の現象である。
【００３３】
図２（Ａ）〜図２（Ｃ）では、センサー基板２０に入射光３２Ａを照射した時に表面増強ラマン散乱(ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering)が生ずる。つまり、増強電場２に標的分子１が入り込むと、その標的分子１によるラマン散乱光は増強電場２で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、標的分子１が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００３４】
３．センサー基板
３．１．第１実施形態
３．１．１．センサー基板の構造
図３は、第１実施形態に係るセンサー基板２０Ａを示している。センサー基板２０Ａは、基板３１０の表面３１０Ａに複数の金属ナノ構造３００が形成される。金属ナノ構造３００は、第二励起光３２Ａの波長よりも小さいサイズであり、平面視で１〜１０００ｎｍ好ましくは５〜８００ｎｍの大きさである。隣り合う金属ナノ構造３００間の間隔は１〜８００ｎｍとすることができるが。金属ナノ構造３００は、例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、パラジウム（Ｐｄ）、ニッケル（Ｎｉ）、白金（Ｐｔ）、モリブデン（Ｍｏ）、クロム（Ｃｒ）もしくはこれらの合金或いは複合体で形成される。金属ナノ構造３００を複素誘電率成分が０に近い金属とすることで、ＬＳＰＲを生じやすくなる。
【００３５】
基板２００の表面３１０Ａは、金属化合物３１１にて形成される。つまり、複数の金属ナノ構造３００は金属化合物３１１の表面３１０Ａに形成される。金属化合物３１１は、第二励起光３２Ａの照射により光触媒反応を呈し、電子正孔対が励起される。金属化合物３１１は、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃｄからなる群より選択される少なくとも１種の金属を含む化合物、例えば金属酸化物である。
【００３６】
センサー基板２０は、金属化合物３１１の表面３１０Ａを電子正孔対の一方の電位、例えば負電位に帯電させる帯電部３２０Ａを有する。第１実施形態では、帯電部３２０Ａは、金属化合物３１１の裏面に積層される第一導電体３１２と、第一導体３１２に積層される絶縁体３１３と、絶縁体３１３に積層される第二導電体３１４と、充電部３３０Ａとを有する。各層３１１〜３１４は、基材例えばガラス基板３１５上に積層して形成される。充電部３３０Ａは、第一導電体３１２、絶縁体３１３及び第二導電体３１４で形成される容量（コンデンサ）３３１Ａに電荷を充電させるもので、電源３３２とスイッチ３３３とを含んでいる。
【００３７】
第一及び第二の導電体３１２，３１４は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、ＩＴＯからなる群より選択される少なくとも１種の導電体とすることができる。ＩＴＯは第一及び第二励起光３１Ａ，３２Ａに対して透明である。第一及び第二導電体３１２，３１４の膜厚は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下であり、第一及び第二導電体３１２，３１４の面積は２５００μｍ２以上１ｍｍ２以下とすることができる。こうすると、標的分子１を基板表面３１０Ａ近傍に引き付ける静電吸引力を与える電荷を蓄えることができる。絶縁体３１３は、ケイ素酸化物、アルミ酸化物、ニオブ酸化物、バリウム酸化物、チタン酸化物からなる群より選択される少なくとも１種の酸化物とすることができる。絶縁体３１３の膜厚は、１００ｎｍ以上１０μｍ以下とすると、絶縁破壊を起こさず電荷を蓄えることができる。
【００３８】
３．１．２．センサー基板の動作
図４〜図６を参照して、第１実施形態のセンサー基板２０Ａの動作を説明する。センサー基板２０Ａに第二励起光３２Ａを照射すると、金属化合物３１１は光触媒反応を呈して、金属化合物３１１内に電子正孔対４を生成する（図４））。
【００３９】
帯電部３２０Ａでは、充電部３３０Ａのスイッチ３３３を閉じて、第一及び第二導電体３１２，３１４に電源３３２を接続して電位差を与えることにより、容量３３１Ａに電荷が蓄えられる。この時、容量３３１Ａの一方の電極である第一導電体３１２に正電荷が蓄えられ、他方の電極である第二導電体３１４に負電荷が蓄えられる。
【００４０】
金属化合物３１１に積層された第一導電体３１１が正電位となることで、金属化合物３１１内の電子正孔対４が静電相互作用を受け、金属化合物３１１内を移動する（図５）。第一導電体３１２に正電荷が蓄えられた場合、蓄えられた電荷との静電相互作用により、電子正孔対４の電子は金属化合物３１１の裏面（第一導電体３１２と接する面）近傍へ、正孔は金属化合物３１１の表面３１０Ａ近傍へ偏る（図５）。双極子モーメントの大きい標的分子（例えばアセトン、アセトアルデヒド、エタノールなど）１は、基板表面３１０Ａに多数存在している正電荷との静電相互作用により、基板表面３１０Ａに吸着されて止まることになる（図６）。
【００４１】
基板表面３１０Ａ上の金属ナノ構造３００の周囲には増強電場２（図２（Ｂ）参照）が形成されているので、金属ナノ構造３００の周囲の基板表面３１０Ａに標的分子１を吸着させることで、光検出器５０での検出感度を向上させる。なお、帯電部３２０Ａにより電子と正孔との再結合が阻害されるので、第一励起光３１Ａの照射を停止させても、金属化合物３１１の表面３１０Ａの帯電状態を維持できる。よって、第一及び第二励起光３１Ａ，３２Ａを同時にセンサー基板２０Ａに照射しなくても良い。ただし、第一及び第二励起光３１Ａ，３２Ａを同時にセンサー基板２０Ａに照射しても良い。上述した通り第一及び第二励起光３１Ａ，３２Ａの各波長が例えば２００ｎｍ以上離れていれば、第一励起光３１ＡがＳＥＲＳ検出のノイズとなる虞が少ないからである。
【００４２】
ここで、絶縁体３１３の誘電率をε、絶縁体３１３の膜厚をｄ、第一及び第二導電体３１２，３１４の面積をＳとすると、絶縁体３１３、第一及び第二導電体３１２，３１４からなるコンデンサ３３１Ａの静電容量Ｃは、以下の通りとなる。
【数１】
2014190911.tif 000003
【００４３】
ここで第一及び第二導電体３１２，３１４に電位差Ｖを与えると、コンデンサ３３１Ａに蓄えられる電荷Ｑは、以下の通りとなる。
【数２】
2014190911.tif 000004
【００４４】
ここで金属化合物（光触媒）３１１に第一励起光３１Ａを照射すると、コンデンサ３３１Ａに蓄えられた電荷により、生成した電子または正孔（本実施形態では正孔）を基板表面３１０Ａに誘起することができる。コンデンサ３３１Ａに蓄えられた電荷の１／Ａの電子が基板表面３１０Ａに誘起されるとすると、基板表面３１０Ａからｒの距離に誘起される電界強度Ｅは、以下の通りとなる。
【数３】
2014190911.tif 000005
【００４５】
よって、分子双極子モーメントＤを持つ標的分子１が、基板表面３１０Ａからｒの距離に存在する場合の静電ポテンシャルＵは、以下の通りとなる。
【数４】
2014190911.tif 000006
【００４６】
ここで、分子双極子モーメントを０.５〜３.０Ｄ（デバイ）の範囲で定めるとき、強い増強電場２（図２（Ｂ）参照）が生じている基板表面３１０Ａから２０ｎｍ以内の領域で、標的分子１が静電引力により基板表面３１０Ａに引き付けられるための条件は、絶縁体３１３の膜厚は１００ｎｍ〜１０μｍ、第一及び第二導電体３１２，３１４の膜厚を１００ｎｍ以上１０μｍ以下、第一及び第二導電体３１２，３１４の面積が２５００μｍ２以上１ｍｍ２以下である。
【００４７】
分子双極子モーメントの高い標的分子１は、アセトン（２．３９Ｄ）、アセトアルデヒド（２．７０Ｄ）、ホルムアルデヒド（２．３３Ｄ）、ピリジン（２．２０Ｄ）、エタノール（１．７０Ｄ）、メタノール（１．４７Ｄ）、フェノール（１．４５Ｄ）などが挙げられる。例えば、絶縁体３１３の材質をＳｉＯ２、絶縁体３１３の膜厚を１０μｍ、絶縁体３１３の比誘電率を４.０、第一及び第二導電体３１２，３１４をＡｕ、第一及び第二導電体３１２，３１４の膜厚を２００ｎｍ、面積Ｓを２５００μｍ２、第一及び第二の導電体３１２，３１４間に印加する電圧を１０ｍＶとする。分子双極子モーメントが２.３９Ｄであるアセトンが、基板表面３１０Ａから５ｎｍの位置にある場合を考える。このとき、第二励起光３１Ａの照射により、第一導電体３１２に蓄えられる電荷の１％の電荷が基板表面３１０Ａに現れていると仮定すると、アセトン分子の静電ポテンシャルは１．４１×１０−１９Ｊとなる。ここで、温度３００Ｋの時のアセトン分子の運動エネルギーは、気体の運動方程式から、６.２１×１０−２１Ｊとなる。よって、アセトン分子の運動エネルギーよりも、誘起される電界による静電ポテンシャルが大きくなるため、アセトン分子は基板表面３１０Ａへ引き付けられる。よって、標的分子１が増強電場の強い領域に引き付けられることにより、センサー基板２０Ａの感度を向上させることができる。
【００４８】
３．１．３．センサー基板の製造方法
図７（Ａ）に示すように、基材として例えば石英基板３１５を用意する。ただし、他の材質の基板でも同様に形成することが可能であり、石英に限定するものではない。図７（Ｂ）に示すように、石英基板３１５に第二導電体３１４の平坦な膜を形成する。次に、図７（Ｃ）に示すように、第二導電体膜３１４の上に絶縁体３１３を形成する。次に、図７（Ｄ）に示すように、絶縁体３１３の上に第一導電体３１２を形成する。第一、第二導電体３１２，３１４は、例えばスパッタ法でＡｕの膜をおよそ１００ｎｍ以上１０μｍ以下で形成する。その他、真空蒸着法、金属ナノ粒子の焼成等で第二導電体３１４を成膜することが出来る。絶縁体３１３は、ケイ素酸化物、アルミ酸化物、ニオブ酸化物、バリウム酸化物、チタン酸化物などが適しており、その厚さは、およそ１００ｎｍ以上１０μｍ以下が望ましい。
【００４９】
次に、図７（Ｅ）に示すように、第一導電体３１１膜の上に光触媒作用を有する金属化合物３１１を形成する。金属化合物３１１は、Ｔｉ、Ｗ、Ｚｎ、Ｃｄのうちの少なくとも１種の金属の化合物であることが望ましい。特にＴｉ酸化物は安定性が高く、長期間の使用が可能なため、特に好ましい。さらに金属化合物３１１が第二励起光３１２Ａの波長を透過する材質であって、第二励起光３２Ａの波長をλ、金属化合物３１１の屈折率をｎ、金属化合物３１１の膜厚をｄとして、ｍを自然数とすると、以下の式が成り立つ時、金属化合物３１１は共振構造となる。
【数５】
2014190911.tif 000007
【００５０】
この場合、金属化合物５１１の光学膜厚が、第二励起光３２Ａの波長λの整数倍（ｍ倍）に第二励起光３２Ａの半波長を足した長さとなる。それにより、金属化合物３１１内で第二励起光３２Ａが共振することとなり、効率的に局在表面プラズモン共鳴を誘起することが可能となる。ここで第二励起光３２Ａを６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザー、金属化合物３１１を酸化チタン（ルチル型）とすると、λ＝６３３ｎｍ、ｎ＝２．７となることから、金属化合物３１１の膜厚ｄが１１７ｎｍであれば、第二励起光３２Ａが共振する条件となる。
【００５１】
次に、図８（Ａ）〜図８（Ｄ）に示すように、金属化合物３１１の上に複数の金属ナノ構造３００から成る金属微細構造を形成する。先ず、図８（Ａ）に示すように、金属化合物３１１の上にレジスト３１６をスピンコートなどで塗布し乾燥させる。レジスト３１６に所望のパターンを作るために、レーザー干渉露光法や電子ビーム露光法などでレジスト３１６を露光する。本実施形態では、干渉露光の光源として連続発振のＹＶＯ４レーザー（波長２６６ｎｍ、最大出力２００ｍＷ）を用いた。ポジ型レジストを使用し、レジスト３１６の膜厚は０．３〜１．０μｍとした。レジスト３１６の露光パターンは、一方のパターンを格子状とし、他方のパターンも格子状として、両者の交差する角度によっていろいろなパターンを形成することができ、レーザーの波長の半分の大きさまで小さくすることが可能である。また、比較的大きな基板３１５を一括して露光できるため、生産性の高い露光方法である。両者の干渉縞の潜像をレジスト３１６に形成し、図８（Ｂ）に示すようにレジスト３１６を現像して所望のレジストパターン３１７を形成する。
【００５２】
その後、図８（Ｃ）に示すようにレジストパターン３１７の上から金属３００Ａを形成し、レジストパターン３１７をリフトオフすることで、図８（Ｄ）に示すように複数の金属ナノ構造３００から成る金属微細構造を得る。金属微細構造に用いられる金属３００Ａは、複素誘電率の虚数成分が０に近いほど局在表面プラズモンを強く励起することが出来る。例えば、Ａｇ、Ａｕといった金属がＬＳＰＲ励起に適している。また、金属ナノ構造３００Ａの大きさは、第二励起光３２Ａの波長よりも小さい場合に局在表面プラズモン共鳴を起こすため、可視光で励起する場合には８００ｎｍ未満であることが望ましい。なお、金属ナノ構造３００が小さすぎると、照射される光に追随して集団振動する電子の量が少なくなり、誘起される局在表面プラズモン共鳴が弱くなる。このため、金属ナノ粒子３００の大きさは５０ｎｍ以上であることが望ましい。また、金属ナノ構造３００の間隔は、１ｎｍ以上２０ｎｍ以下の場合に、隣接する金属ナノ構造３００内のプラズモン同士が相互作用することで、金属ナノ構造３００間に強い増強電場を形成することが出来る。また、金属ナノ構造３００を周期配列とすると、伝搬型表面プラズモンを誘起することが可能となる。この時の金属ナノ構造３００の間隔は、可視光の光源を利用する場合には８００ｎｍ以下で効率的に伝搬型表面プラズモンを誘起できる。
【００５３】
３．１．４．センサー基板の変形例
金属化合物３１１は、図９に示すように、複数の金属ナノ構造３００の側面を覆うように形成されてよい。つまり、金属化合物３１１の表面と複数の金属ナノ構造３００の表面とは、基板表面３１０Ａと面一である。こうすると、金属化合物３１１の表面に誘起される電荷により、ＬＳＰＲ励起によるラマン増強電場の強い領域である金属ナノ構造３００の端面近傍に標的分子１が吸着する。それにより、センサー感度がさらに向上する。この場合、金属化合物３１１は金属ナノ離粒子３００の上面を被覆してもよい。ただし、ラマン増強電場の強い領域は金属ナノ構造３９９に近いほど高くなるため、金属ナノ離粒子３００の上面を被覆する金属化合物３１１の膜厚は５ｎｍ以下、より好ましくは０．５ｎｍ以下であることが望ましい。
【００５４】
３．２．第２実施形態
３．２．１．センサー基板の構造
図１０は、第２実施形態に係るセンサー基板２０Ｂを示している。このセンサー基板２０Ｂは、第１実施形態のセンサー基板２０Ａと比較して、帯電部３２０Ｂが異なる。帯電部３２０Ｂは、基板３１０に設けられた容量３３１Ａを充電して金属化合物３１１の表面３１０Ａを帯電させる点では、第１実施形態の帯電部３２０Ａと同一である。しかし、帯電部３２０Ｂに設けられた充電部３３０Ｂが、第１実施形態の帯電部３１０Ａに設けられた充電部３３０Ａと異なる。
【００５５】
図１０に示す充電部３３０Ｂは、それぞれ３ステートに切り換えられる３ステートスイッチ３３３Ａ，３３３Ｂを有する。３ステートスイッチ３３３Ａは、第一導電体３１２を電源３３２のプラス端子またはマイナス端子と接続し、あるいはフローティング状態とする。同様に、３ステートスイッチ３３３Ｂは、第二導電体３１４を電源３３２のマイナス端子またはプラス端子と接続し、あるいはフローティング状態とする。
【００５６】
３．２．２．センサー基板の動作
スイッチ３３３Ａ，３３３Ｂを有する帯電部３２０Ｂは、第1モードでは金属化合物３１１の表面３１０Ａを電子正孔対の一方の電位に帯電させ、第２モードでは金属化合物３１１の表面３１０Ａを電子正孔対の他方に帯電させることができる。この結果、第１，第２モードの一方で標的分子１を吸着し、第１，第２モードの他方では標的分子１の吸着機能以外の機能を実現することができる
【００５７】
例えば、金属ナノ構造３００が自然酸化していた場合、図１１及び図１２に示すようにして自然酸化膜を還元により除去することができる。検出モード（図１３及び図１４）である第２モードの前に、第１モード（図１１及び図１２）が実施される。第１モードでは、図１１及び図１２に示すように、帯電部３２０Ｂにより第一導電体３１２は電源３３２のマイナス端子と接続され、第二導電体３１４は電源３３２のプラス端子に接続される。そうすると、図１１に示すように第一励起光３１Ａが照射されることで金属化合物３１１内に生じた電位正孔対は、図１１及び図１２のように分離される。つまり、基板表面３１０Ａが負電位に帯電され、光励起された電子が金属化合物３１１と金属ナノ構造３３０との界面に集められることとなる。ここで金属ナノ構造３３０の材質であるＡｇまたはＡｕのイオン化平衡状態は、標準還元電位を用いて次のように表される。
【数６】
2014190911.tif 000008
【数７】
2014190911.tif 000009
【００５８】
ＡｇとＡｕは金属の中でもイオン化傾向が小さいので、電子が多数存在する条件では、上記各式にて平衡が右に傾いて還元されやすい。このため、光触媒の励起により金属化合物３１１の表面に電子が多数存在する状況を作れば、図１２に示すように自然酸化された金属ナノ構造３００を還元することができる。その後、スイッチ３３３Ａ，３３３Ｂを切り換えて電界印加方向を変えれば、金属化合物３１１の表面３１０Ａに誘起される電荷を切り替えることができる（図１３及び図１４）。第２実施形態の図１３及び図１４は第１実施形態の図５及び図６と同じであり、第２モードとしてラマン散乱光を検出できる。この時、金属ナノ構造３００の自然酸化膜が除去されていることから、増強磁場Ｅが弱められることがなく、Ｅ４に比例する検出感度を向上させることができる。
【００５９】
他の態様として、第１モードで図１３及び図１４の通りに設定してラマン散乱光を検出した後に、スイッチ３３３Ａ，３３３Ｂを切り換えて電界印加方向を変え、第２モードとして図１５のように設定して標的分子１を脱離させても良い。図１４では静電吸引力にて基板表面３１０Ａに吸着していた標的分子１は、図１５では静電反発力により基板表面３１０Ａが強制的に脱離される。それにより、センサー基板をフレッシュにして、次の検出に備えることができる。なお、図１１と図１５とは電界印加方向が同じであるので、図１５の第２モードでは静電反発力による標的分子１の強制的な脱離動作と、金属ナノ構造３００の自然酸化膜の還元除去動作とが同時に行われる。
【００６０】
３．３．第３実施形態
３．３．１．センサー基板の構造
図１６は、本発明の第３実施形態に係るセンサー基板２０Ｃを示している。なお、図１６において、第１，第２実施形態と同一機能を有する部材について同一符号を付してその説明を省略する。図１６に示すセンサー基板２０Ｃは、第１基材３１５Ａと第２基材３１５Ｂとを対向配置し、その間に流体試料の流路６１を形成している。第１基材３１５Ａに設けられた第一導電体３１２と、第２基材３１５Ｂに設けられた第二導電体３１４に充電部３３０Ａが接続されている。帯電部３２０Ｃは、充電部３３０Ａを有する点で第１実施形態と共通するが、容量３３１Ｂが第１実施形態と異なる。容量３３１Ｂでは、第一、第二導電体３１２，３１４の間の流路６１及び金属化合物３１１が、誘電体となる。なお、第１実施形態の充電部３３０Ａに代えて第２実施形態の充電部３３０Ｂを採用しても良い。
【００６１】
３．３．２．センサー基板の動作
第３実施形態では、第１，第２実施形態での動作に、さらに次の動作が付加される。第一及び第二導電体３１２，３１４に電荷を蓄えることで、流路６１を横切る電界が生ずる。それにより、双極子モーメントの大きい標的分子１の向きをあらかじめ制御することが可能となる。基板表面３１０Ａの近傍にある標的分子１は、基板表面３１０Ａからの静電吸引力を受けやすい方向に向くこととなり、効率的に標的分子１を基板表面３１０Ａの近傍に引き付けることが可能となる。
【００６２】
３．３．３．センサー基板の製造方法
センサー基板２０Ｃの製造方法、特に第２基材３１５Ｂ及びそれに形成される第二導電体３１４の製造方法について、図１７（Ａ）〜図１７（Ｄ）を参照して説明する。石英基板３１５Ｃ上に例えばスピン塗布されたレジストを、レーザー干渉露光または電子ビーム露光などで露光し、その後現像することでレジストパターン３１８を形成する。干渉露光の光源として第１実施形態と同じＹＶＯ４レーザーを用いた。
【００６３】
次に、図１７（Ｂ）に示すように、レジストパターン３１８をマスクとして、石英基板３１５Ｃをエッチングする。エッチングには、例えば異方性ドライエッチングを用いることが出来る。エッチングガスには、例えばＣＨ４やＣＨＦ３、Ｃ２Ｆ６を用いることが出来る。エッチング深さは、エッチング時間の長短により調節し、所望の深さまでエッチングすることが出来る。
【００６４】
次に、エッチング後に残されたレジストパターン３１８をアッシングすることで、図１７（Ｃ）に示すように突起群を有する第２基材３１５Ｂを作製することが出来る。次に、突起群を有する第２基材３１５Ｂ上に、図１７（Ｄ）に示すように第二導電体３１４を形成する。第二導電体３１４の形成方法は、例えばスパッタ法などが挙げられる。なお、第２基材３１５Ｂの突起群の上にも第二導電体３１４が形成されるが、特に支障がない限り除去する必要はない。こうして出来た第２基材３１５Ｂを第１基材３１５Ａに接合することで、図１６に示すセンサー基板２０Ｃが完成する。この接合方法は、陽極接合、パルスレーザー圧着などの方法などが挙げられる。
【００６５】
３．３．４．センサー基板の変形例
第３実施形態でも、第１実施形態の図９と同様にして、金属化合物３１１を図１８に示すように複数の金属ナノ構造３００の側面を覆うように形成されてよい。つまり、金属化合物３１１の表面と複数の金属ナノ構造３００の表面とは、基板表面３１０Ａと面一である。
【００６６】
４．電子機器
電子機器１００として、生体ガスに含まれるアセトン濃度を検出し、検出したアセトン濃度と相関がある体脂肪の燃焼量を検出する物質検出装置を例に挙げて説明する。物質検出装置１００は、図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）に示すように、検出試料採取部１１０と検出部１３０と表示部２３０とが、ケース１２０と風防ガラス１２１によって構成される空間内に格納されている。検出試料採取部１１０は、人の皮膚に接触する側（ケース１２０の裏面側）に配置され、検出部１３０はケース１２０の内部に、表示部２３０は被験者が視認可能な位置（ケース１２０の表面側）に配置されている。
【００６７】
検出試料採取部１１０は、人の皮膚と密着する透過膜としての第１透過膜１１１と、第１透過膜１１１とは空間１１３を有して配置される第２透過膜１１２とを有している。人の皮膚に密着する第１透過膜１１１は、汗などの水分が検出部１３０内に直接入らないように、水に対して撥水性を有し、且つ皮膚から発生する生体ガス（なお、生体ガスを皮膚ガスと表すことがある）を透過することが可能な膜によって形成されている。第１透過膜１１１は、生体ガスを検出部１３０内に取込む際に、後述するセンサー部１３１に生体ガスに含まれる水分等が付着することを防止するために設けられている。
【００６８】
第２透過膜１１２は、第１透過膜１１１と同様な機能を有しており、第１透過膜１１１との二重構造にすることにより、第１透過膜１１１の上記機能をさらに強化するために設けられている。従って、透過膜を二重構造にすることは必要条件ではなく、物質検出装置１００の身体への装着部位の発汗量等に応じて選択することができる。
【００６９】
第１透過膜１１１と第２透過膜１１２とは、ケース２０の人体側に取付けられ、装着ベルト２２０によって第１透過膜１１１が皮膚に密着するように取り付けられる。なお、図１９（Ａ）〜図１９（Ｃ）に示す物質検出装置１００は、手首部に装着する場合の構成を例示している。
【００７０】
検出部１３０の構成について説明する。図１９（Ａ）（Ｂ）に示すように、検出部１３０は、センサー室１１４と検出室１１５とに分けられている。センサー室１１４は、腕から放散された生体ガスが収容される空間であって、内部にセンサー部１３１が配置されている。センサー部１３１は、ラマン散乱光を増強する光学デバイス１１０を含む。
【００７１】
検出室１１５には、光源２００と、光源２００から照射される光をセンサー部１３１に集光する第１レンズ群と、センサーチップ１３２から散乱される増強されたラマン散乱光（増強ラマン散乱光という）を集光する第２レンズ群と、を備えている。光源２００は、図１に示す第一光源３１及び第二光源３２を含んでいる。
【００７２】
第１レンズ群は、光源２００から射出される光を平行光に変換するレンズ１４２と、この平行光をセンサー部１３１に向かって反射するハーフミラー１４３と、ハーフミラー１４３で反射された光をセンサー部１３１に集光するレンズ１４１とから構成されている。第２レンズ群は、レンズ１４１及びハーフミラー１４３を介してセンサー部１３１で増強されたラマン光を集光するレンズ１４４と、集光されたラマン光を平行光に変換するレンズ１４５とから構成されている。
【００７３】
さらに、検出室１１５には、集光された散乱光からレイリー散乱光を除去する光学フィルター１５０と、増強ラマン散乱光をスペクトルに分光する分光器１６０と、分光されたスペクトルを電気信号に変換する受光素子（光検出器）１７０と、分光されたスペクトルを生体ガスから検出した物質に特有の指紋スペクトルの情報として電気信号に変換する信号処理制御回路部１８０と、電力供給部１９０と、を備えている。指紋スペクトルは信号処理制御回路部１８０に予め内蔵されている。
【００７４】
電力供給部１９０としては、１次電池、２次電池などが利用できる。１次電池の場合には、規定の電圧以下になったことを、ＣＰＵ１８１がＲＯＭに格納されている情報と得られた１次電池の電圧情報とを比較して規定以下であれば、表示部２３０に電池交換の指示を表示する２次電池の場合には、規定の電圧以下になったことを、ＣＰＵ１８１がＲＯＭに格納されている情報と得られた２次電池の電圧情報を比較して規定以下であれば、表示部２３０に充電指示を表示する。被験者は、その表示を見て、接続部（図示せず）に充電器を接続して規定の電圧になるまで、充電をすることで繰返し使用することができる。
【００７５】
また、本実施形態の物質検出装置１００は、センサー室１１４内に採取した生体ガスを外部に排出する採取試料排出手段２１０を有している。採取試料排出手段２１０は、一方の端部がセンサー室１１４に連通し、他方の端部が排出口２１１ａに連通する弾性を有する排出チューブ２１２と、複数の回転ローラー２１３と、を有している。採取試料排出手段２１０は、回転ローラー２１３でセンサー室１１４側から排出口２１１ａ側に向かって排出チューブ２１２を押圧していくことでセンサー室１１４内の気体を外部へ排出することができるいわゆるチューブポンプである。
【００７６】
チューブポンプは、手動で回転させる構造であってもモーターで駆動する構造であってもよい。なお、採取試料排出手段としてはチューブポンプ以外の気体排出手段を適宜選択して用いることが可能である。また、生体ガスをセンサー室１１４から排出する排出口は、生体ガスを素早く排出させるために複数個所に設ける構造にすればなお好ましい。また、生体ガスをセンサー室１１４から排出する排出口は、生体ガスを素早く排出させるために複数個所に設ける構造にすればなお好ましい。
【００７７】
次に、図１９（Ｃ）を参照して、表示部２３０の表示内容について説明する。表示部２３０は、液晶表示素子などの電気光学表示素子を用いている。主たる表示内容としては図１９（Ｃ）に示すように、現在時刻、測定開始からの経過時間、脂肪燃焼量として１分当たりの燃焼量や積算値、これらの変化を表すグラフ表示などが上げられる。また、脂肪燃焼量の測定の後、センサー室１１４内の気体を排除する必要があり（つまり、センサーチップ１３２のリフレッシュ）、そのことを操作者に知らしめる表示も含まれる。例えば、「リフレッシュ」が表示されている場合には、採取試料排出操作を実行する。
【００７８】
次に、制御系を含めた物質検出装置１００の構成と作用について図２０を参照して説明する。図２０は、本実施形態に係る物質検出装置１００の主要構成を示すブロック図である。物質検出装置１００は、制御系の全体を制御する信号処理制御回路部１８０を有し、信号処理制御回路部１８０は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１８１と、ＲＡＭ（Random Access Memory）１８２と、ＲＯＭ（Read Only Memory）１８３と、を含む。
【００７９】
前述したセンサー室１１４の内部には、センサーチップと、センサーチップの有無検出とコードを読み取るためのセンサー検出器（図示せず）を備えており、センサー検出回路を経由してその情報がＣＰＵ１８１に送られる。その情報が入力された状態は、検出開始可能な状態であるため、ＣＰＵ１８１から表示部２３０へ操作可能であることを入力し、表示部２３０で表示する。
【００８０】
操作部１２２から検出開始の信号をＣＰＵ１８１が受けると、光源駆動回路１８４から光源作動の信号を出力して、光源２００を作動させる。なお、光源駆動回路１８４による第一光源３１及び第二光源３２の制御と同期させて、図３のスイッチ３３３や、図１０の３ステートスイッチ３３３Ａ，３３３Ｂが切り換え制御される。光源２００には、温度センサーや光量センサーが内蔵されており、光源２００が安定状態であることを確認できる。光源２００が安定した時に生体ガスをセンサー室１１４内に採取する。なお、生体ガス採取には、図示しない吸引ポンプを用いてもよい。
【００８１】
光源２００は、ＣＰＵ１８１からの信号により光源駆動回路１８４により駆動され、光を射出する。この光は、レンズ１４２、ハーフミラー１４３、レンズ１４１を経由してセンサーチップ１３２に照射される。上述した通り、光源２００の第一光源３１からは第一励起光３１Ａが照射され、光源２００の第二光源３２からは第二励起光３２Ａが照射される（図１参照）。レイリー光と増強電場によって増強されたラマン散乱光（ＳＥＲＳ：表面増強ラマン散乱）がレンズ１４１、ハーフミラー１４３、レンズ１４４、レンズ１４５、光学フィルター１５０、分光器１６０を経由して受光素子１７０へ入ってくる。分光器１６０は、分光器駆動回路１８５で制御される。また、受光素子１７０は受光回路１８６によって制御される。
【００８２】
光学フィルター１５０ではレイリー光を遮断し、ＳＥＲＳ光だけが分光器１６０へ入る。分光器１６０として、ファブリペロー共振を利用した波長可変エタロンを採用する場合には、透過する光の帯域（λ１〜λ２）と半値幅とが設定されており、λ１から始まって半値幅ずつ順次透過する波長を変化させて、λ２まで繰返し受光素子１７０でその半値幅の光信号の強度を電気信号へ変換する。そうすることで、検出されたＳＥＲＳ光のスペクトルが得られる。
【００８３】
こうして得られた被検出物質（ここではアセトン）のＳＥＲＳ光のスペクトルは、信号処理制御回路部１８０のＲＯＭ１８３に格納されている指紋スペクトルと照合して、標的物質を特定し、アセトンの濃度を検出する。そして、演算部としても機能する信号処理制御回路部１８０はアセトン濃度から脂肪燃焼量（健康医療情報）を算出し、記憶部であるＲＡＭ１８２に記憶する。この算出結果を被験者に知らせるため、ＣＰＵ１８１から表示部２３０へ結果情報が表示される。結果情報の一例を図１９（Ｃ）に示す。
【００８４】
測定時間を計測する時計機能は、周知の時計機能回路１８７によって、予めセットした時刻から現在時刻と、脂肪燃焼開始の信号を受けて、脂肪燃焼測定開始時刻と終了時刻を表示する。また、１分間当たりの脂肪燃焼量、脂肪燃焼測定開始からの積算量などを表示するための時計機能を有している。
【００８５】
本発明の新規事項および効果から実体的に逸脱しない多くの変形が可能であることは当業者には容易に理解できるであろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また、検出装置１０、センサー基板２０Ａ〜２０Ｃまたは電子機器１００等の構成及び動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。また、本発明は表面増強ラマン分光のほか、表面増強赤外吸収分光センサー等にも適用できる。
【符号の説明】
【００８６】
１  標的分子、２  増強電場、１０  検出装置、２０Ａ〜２０Ｃ  センサー基板、３１  第一光源、３１Ａ  第一励起光、３２  第二光源、３２Ａ  第二励起光、４０光学系、５０  光検出器、１８０  演算部、１８２  記憶部、２３０  表示部、３００  金属ナノ構造、３１１  金属化合物、３１２  第一導電体（導電体）、３１３  絶縁体、３１４  第二導電体、３２０Ａ，３２０Ｂ  帯電部、３３０Ａ，３３０Ｂ  充電部、３３１Ａ，３３１Ｂ  容量、３３２  電源、３３３Ａ，３３３Ｂ  スイッチ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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