(57)【要約】      （修正有）【課題】定常状態にて反応性が低い分子であっても、その分子を基板に化学吸着させて十分なＳＥＲＳ感度を得ることができる検出装置を提供する。【解決手段】流体試料中の標的分子を検出する検出装置１０は、標的分子の基底状態と最低励起状態とのエネルギー差に対応する励起エネルギーを有する第一励起光３１Ａを流体試料に照射する第一光源３１と、第一励起光により励起された標的分子が吸着される金属ナノ構造を有するセンサーチップ２０と、センサーチップに第二励起光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、を有する。【選択図】図１
2014190908.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試料中の標的分子を検出する検出装置であって、
前記標的分子の基底状態と最低励起状態とのエネルギー差に対応する励起エネルギーを有する第一励起光を、前記流体試料に照射する第一光源と、
前記第一励起光により励起された前記標的分子が吸着される金属ナノ構造を有するセンサーチップと、
前記センサーチップ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、
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、
前記第一励起光の波長が、１５０ｎｍ以上で３５０ｎｍ未満であることを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項２において、
前記第二励起光の波長が、３５０ｎｍ以上で１２００ｎｍ以下であることを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記第二励起光の波長は、化学吸着状態にある前記標的分子と前記金属ナノ構造との複合体の吸光度が最大となる波長を含む半値幅の範囲に設定されることを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記第一光源は、前記金属ナノ構造と接触する前の前記流体試料に前記第一励起光を照射することを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記流体試料を前記センサーチップと接触させる流体通路と、
前記流体通路に前記流体試料を吸引する吸引通路と、
前記流体通路から前記流体試料を排出する排出通路と、
前記流体通路と前記吸引通路との間に設けられた第１シャッターと、
前記流体通路と前記排出通路との間に設けられた第２シャッターと、
をさらに有することを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記標的分子は、アセトンであることを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記金属ナノ構造は、金属ナノ粒子の集合体または微細加工技術で形成されたエッジ部を含む金属構造体であることを特徴とする検出装置。
【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検出装置等に関する。
【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を持つ金属表面で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標的分子を同定することが可能となる（定性分析）。
【０００３】
高感度ＳＥＲＳセンシングでは、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。
【０００４】
ＳＥＲＳでは基板との吸着力が強い分子でＳＥＲＳシグナル強度が強い傾向があり、例えば金センサー表面に化学吸着されるピリジン分子では強いＳＥＲＳシグナルが得られることが知られている。
【０００５】
このような吸着力の強い分子では問題ないが、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チップ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）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００７−１４７４２０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、このようなセンサーチップ表面の改質は蛋白質などの高分子では効果が見られるが、低分子の吸着力向上には効果が低い。なぜなら、表面改質では主に物理吸着を利用しており、吸着面積が狭い低分子では十分な吸着力が得られないからである。
【０００８】
基板との吸着力が弱い低分子の中で特に、アセトンなどのケトン類は反応性が低く分子が単体で安定である。そのために、ケトン類はセンサー基板表面との間で結合を持ちにくく、吸着形態は物理吸着が支配的である。しかし、ケトン類は低分子であるために、物理吸着力が弱く、十分なＳＥＲＳ感度が得られていなかった。
【０００９】
本発明の幾つかの態様は、定常状態にて反応性が低い分子であっても、その分子を基板に化学吸着させて十分なＳＥＲＳ感度を得ることができる検出装置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】
【００１０】
（１）本発明の一態様は、流体試料中の標的分子を検出する検出装置であって、
前記標的分子の基底状態と最低励起状態とのエネルギー差に対応する励起エネルギーを有する第一励起光を、前記流体試料に照射する第一光源と、
前記第一励起光により励起された前記標的分子が吸着される金属ナノ構造を有するセンサーチップと、
前記センサーチップ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、
を有する検出装置に関する。
【００１１】
本発明の一態様では、流体試料中の標的分子は第一励起光により選択的に、基底状態から最低励起状態に励起される。基底状態から最低励起状態への励起とは、フロンティア軌道理論でのＨＯＭＯ（Highest occupied molecular orbital）からＬＵＭＯ（Lowest unoccupied molecular orbital：最低空軌道）に遷移することに相当する。それにより標的分子はエネルギー準位の高い状態となって反応性が高くなり、センサーチップの金属ナノ構造に化学吸着される。金属ナノ構造に吸着された標的分子を第二励起光により振動励起させて、表面増強ラマン散乱を出現させる。それにより、標的分子のラマン散乱光が増強され、そのラマン散乱光を検出することで標的分子を検出（同定）することができる。
【００１２】
（２）本発明の一態様では、前記第一励起光の波長は、１５０ｎｍ以上で３５０ｎｍ未満とすることができる。物理吸着力が小さい低分子を基底状態から最低励起状態に励起するための第一励起光は、１５０ｎｍ以上で３５０ｎｍ未満の波長となる。
【００１３】
（３）本発明の一態様では、前記第二励起光の波長は、３５０ｎｍ以上で１２００ｎｍ以下とすることができる。ここで、金属ナノ構造として、銀や金が好適に使用できる。銀では波長３５０ｎｍ〜１０００ｎｍ程度、金では波長５００ｎｍ〜１２００ｎｍ程度の第二励起光で、表面プラズモンを出現させることができる。こうして、第一励起光とは異なる波長の第二励起光を用いることができるので、第一励起光がノイズとなることを防止できる。より好ましくは、標的分子が最低励起状態から基底状態に戻る時に出す蛍光が、第二励起光のノイズとならないように、第二励起光の波長（例えば第一励起光よりも１００ｎｍ以上離れた波長）を設定することができる。
【００１４】
（４）本発明の一態様では、前記第二励起光の波長は、前記第一励起光により化学吸着状態にある前記標的分子と前記金属ナノ構造との複合体の吸光度が最大となる波長を含む半値幅の範囲に設定することができる。それにより、共鳴ラマン効果を利用して表面増強ラマン散乱分光の増強度をさらに増すことができる。
【００１５】
（５）本発明の一態様では、前記第一光源は、前記金属ナノ構造と接触する前の前記流体試料に前記第一励起光を照射することができる。こうすると、第一励起光はセンサーチップに照射されないので、第一励起光がラマン分光検出の際のノイズとならない。
【００１６】
（６）本発明の一態様では、前記流体試料を前記センサーチップと接触させる流体通路と、前記流体通路に前記流体試料を吸引する吸引通路と、前記流体通路から前記流体試料を排出する排出通路と、前記流体通路と前記吸引通路との間に設けられた第１シャッターと、前記流体通路と前記排出通路との間に設けられた第２シャッターと、をさらに有することができる。こうすると、流体通路に流体試料を導入した後に第１，第２シャッターを閉鎖することができ、それにより流体通路を閉鎖して、流体通路内に滞留した流体試料をセンサーチップと接触させた状態を維持することができる。こうして、標的分子がセンサーチップに吸着される機会を増大させ、標的分子がセンサーチップから脱離される機会を減少させることができる。
【００１７】
（７）本発明の一態様では、前記標的分子は、アセトンとすることができる。アセトンは、低分子の中でも反応性が低く安定なケトン類の代表例であり、物理吸着力は弱い。アセトンを第一励起光により励起することで、アセトンを化学吸着させてＳＥＲＳシグナルを検出することが可能となる。呼気ガス中に含まれるアセントを検出することで、例えば脂肪燃焼量の測定などを行うことができる。ただし、本発明の一態様は、アセトン以外のケトン類を標的分子とすることができる他、有機・無機を問わず低分子を標的分子とする検出装置に広く適用できる。
【００１８】
（８）本発明の一態様では、前記金属ナノ構造は、金属ナノ粒子の集合体または微細加工技術で形成されたエッジ部を含む金属構造体である。これらの金属ナノ構造体にレーザー光線等の励起光が照射されると形成される局所電場による大きな増強度を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【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】標的分子の一例であるアセトン分子の構造を示す図である。
【図３】アセトン単体の吸収スペクトルと、アセトン−銀の複合体の吸収スペクトルを示す特性図である。
【図４】アセトンを励起させる第一励起光を説明する図である。
【図５】図５（Ａ）はセンサーチップの拡大断面図、図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）はセンサーチップでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図６】脱離活性化エネルギーＥｄの説明図である。
【図７】脱離活性化エネルギーＥｄと被覆率θとの相関を示す特性図である。
【図８】ＱＣＭによるＡｇ表面に対するアセトンの脱離特性を示す図である。
【図９】指数関数曲線になり始めるときの周波数と脱離し終えて平衡状態になったときの周波数を示す図である。
【図１０】式（５）で変換したアセトンの脱離特性を示す図である。
【図１１】ＵＶ照射の有無の各アセトンについてＱＣＭによって測定した脱離特性を示す図である。
【図１２】第一励起光照射の有り無しの各アセトンについて測定したＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【図１３】第二励起光の波長を変化させて測定したアセトンのピーク強度を示す図である。
【図１４】アセトン以外のケトン類であるメチルエチルケトン（ＭＥＫ）分子の構造を示す図である。
【図１５】ＭＥＫ単体での吸収波長と、ＭＥＫ−銀複合体の吸収波長とを示す図である。
【図１６】第一励起光照射の有り無しの各ＭＥＫについて測定したＳＥＲＳスペクトルを示す図である。
【図１７】アンモニア単体での吸収波長と、アンモニア−銀複合体の吸収波長とを示す図である。
【図１８】金属ナノ構造が銀である時の第二励起光の波長範囲を示す図である。
【図１９】金属ナノ構造が金である時の第二励起光の波長範囲を示す図である。
【図２０】検出装置の具体的構成を示す図である。
【図２１】第１，第２シャッターがさらに付加された検出装置の具体的構成を示す図である。
【図２２】図２１に示す検出装置での検出方法を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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、センサーチップ２０と、第一光源３１と、第二光源３２と、光学系４０と、検出部５０とを有することができる。
【００２２】
第一光源３１は例えば単波長光源であるＵＶランプであり、センサーチップ２０に供給される流体試料に第一励起光３１Ａを照射する。この第一励起光３１Ａは、流体試料中の標的分子に応じた波長に設定され、標的分子に照射されることで標的分子を反応し易くする。
【００２３】
図２に、標的分子の一例であるアセトン分子の構造を示す。アセトンのようなケトン類は、通常ケト体とエノール体の構造をとり得るが、通常では安定なケト体で存在し、反応性の高いエノール体は０．１％以下である。
【００２４】
図３に、アセトン気体単体での可視―紫外領域の吸収スペクトルを示す。図３に示すように、アセトン気体分子の吸収波長は２７８ｎｍ付近に存在する。この波長は、図４に示すように、アセトンの基底状態と最低励起状態のエネルギー差に対応している。２７８ｎｍ付近の第一励起光３１Ａの照射により、酸素原子のｎ軌道からＣ−Ｏのπ＊軌道へと電子の遷移が起こり、さらに分子内水素原子の引き抜き反応により、図２に示すケト体からエノール体に変化する。このように流体試料中の標的分子であるアセトンは、２７８ｎｍ付近の第一励起光３１Ａにより選択的に、基底状態から最低励起状態に励起され、エノール体に変化する。それにより、アセトンを反応し易くさせることができる。
【００２５】
センサーチップ２０は、第二光源３２からの第二励起光３２Ａが照射される領域に金属ナノ構造（図１では省略）を有する。流体試料は、例えばファンまたはポンプ１４０等により吸引されてセンサーチップ２０に導入される。第一励起光３１Ａの照射により反応し易くなったアセトンは、センサーチップ２０の金属ナノ構造に化学吸着される。センサーチップ２０は、第二光源３２からの第二励起光３２Ａが照射されることで、金属ナノ構造に吸着されたアセトンを振動励起させて、表面増強ラマン散乱を出現させる。
【００２６】
第二光源３２は例えば単波長光源であるレーザー光源を用いることができる。第二光源３２は、例えば光学系４０を構成する例えばハーフミラー４２０と対物レンズ４３０を介して、センサーチップ２０に第二励起光３２Ａを照射する。検出部５０は、センサーチップ２０からのラマン散乱光を、ハーフミラー４２０及び対物レンズ４３０を介して検出する。
【００２７】
センサーチップ２０の金属ナノ構造を例えば銀とする。図３に示すように、化学吸着状態にあるアセトン−銀の複合体の吸収スペクトルは、４０５ｎｍ付近に存在している。この吸収波長付近の光でＳＥＲＳを励起すると、共鳴ラマン効果を奏することができる。共鳴ラマンとは、入射光のエネルギーが電子吸収バンドのエネルギーに近い時、ラマン散乱の断面積が急激に増大する現象をいう。
【００２８】
２．ラマン散乱光の検出原理とセンサーチップの一例
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を用いて、ラマン散乱光の検出原理を説明する。図５（Ａ）に示すように、センサーチップ２０に化学吸着された呼気（流体試料）中の標的分子１に第二光源３２からの第二励起光（振動数ν）３２Ａが照射される。入射光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。入射光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。入射光の一部は、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。
【００２９】
図５（Ｂ）は、図１のセンサーチップ２０の拡大図である。図５（Ａ）に示すように入射光３２Ａが基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。センサーチップ２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、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た基板２００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いる。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図５（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００３０】
複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ構造（金属微粒子構造）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、センサーチップ２０は、平面視で１〜１０００ｎｍのサイズを有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍのサイズを有する金属ナノ構造とは、基板２００の上面を当該サイズの凸部構造（基板材で）を持つように加工する他に、基板上に当該サイズの金属微粒子を蒸着・スパッタ等で固着させる、または、基板２００上にアイランド構造を有する金属膜を形成する等の方法でも形成できる。
【００３１】
図５（Ｂ）及び図５（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ構造２２０に入射光３２Ａが入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ構造２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ構造２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ構造２２０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２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０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２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００３２】
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）では、センサーチップ２０に入射光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２３０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２３０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。
【００３３】
ここで、標的分子１等の「吸着」という現象は、本実施形態では第一励起光３１Ａの照射により反応し易くなった標的分子１の化学吸着を意味し、エネルギー的安定な状態で吸着が維持される。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。
【００３４】
３．第一励起光の照射による吸着効果
金属に分子が吸着すると、エネルギー的安定な状態で吸着が維持される。その安定状態から脱離しやすいかし難いかで、吸着能力が低いか高いかが決まる。図６に示すように、吸着状態から脱離に至るまでの脱離活性化エネルギーＥｄが大きいと吸着能力が高く、脱離活性化エネルギーＥｄが低いと吸着能力は低い。脱離現象の速度論的考察によると、脱離速度は次のＷｉｇｎｅｒ−Ｐｏｌａｎｙｉ型の速度式（１）で記述される。
【００３５】
【数１】
2014190908.tif 000003
【００３６】
ここで、θは被覆率、νｎは反応次数ｎのときの前指数因子、Ｅｄは脱離活性化エネルギー、Ｔは絶対温度、Ｒは気体定数、ｔは時間である。反応次数について、空きサイト１つを利用して吸着するものが１次、酸化現象のように酸素分子が２つの酸素原子に解離して吸着するような、空きサイト２つを利用して吸着するものが２次となる。有機分子は金属に対して１次吸着するものが多く、ここでは１次のみを考える。式（１）をｎ＝１で解き、脱離残量σ（ｔ）を用いて表すと、式（２）になる。下記式中のＣは気体吸着量、θ０は初期被覆率、である。
【００３７】
【数２】
2014190908.tif 000004
【００３８】
気体定数Ｒは、アボガドロ数をＮＡとし、ボルツマン定数をｋｂとし、絶対温度Ｔの単位をＫ（ケルビン）とすると、Ｒ＝ＮＡ×ｋｂ＝８．３１４（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）と一定値である。前指数因子ν1は吸着分子と吸着材によって変わるが、一般的には１０１３〜１０１４である。そこで、前指数因子ν１＝１０１３、絶対温度Ｔ＝３００Ｋとして、上記式から被覆率θ（ｔ）（＝脱離残量／初期吸着量）と脱離活性化エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を求めると、図７に示すようになる。脱離活性化エネルギーＥｄが大きいほど、被覆率θ（ｔ）は大きくなることが分かる。つまり、脱離活性化エネルギーＥｄが大きいほど、標準分子が金属に吸着し続け、標準分子により金属表面が被覆される被覆率が高まることが分かる。
【００３９】
Ｅｄを実測で求める方法としては、最も代表的なものでは水晶マイクロ天秤（ＱＣＭ；Quartz Crystal Microbalance）によるものがある。ＱＣＭは圧電ウエハと計測部から構成される。圧電ウエハは、２つの表面に配置された金属電極を有する水晶振動子を基板として用いた。水晶振動子の発振は、逆圧電効果による交流電界によって機械的な共鳴に励起される。共鳴周波数は、表面電極へ吸着された分子の質量に応じて変化する。Sauerbreyの式によると、質量変化量Δｍ、Ｆ０を基本周波数、Ａを電極面積、μqを水晶のせん断応力、ρqを水晶の密度とすると、周波数変化量ΔＦは、次の式（３）で表される。
【００４０】
【数３】
2014190908.tif 000005
【００４１】
共鳴周波数は、質量増加時は小さくなり、質量減少時は大きくなる。水晶ＡＴ板２７ＭＨｚの基準振動数で１Ｈｚの振動変動を検知した場合、１７．７ｎｇ／ｃｍ２の質量変動を検知できることになる。Ａｇ電極を有したＱＣＭチップに例えばアセトン蒸気を５分以上の十分な時間で曝露させ、アセトン蒸気曝露をすばやく停止させる。すると図８のような曲線が得られる。図８の曲線には、Ａｇ電極に吸着した第１層のアセトンとその上に多層吸着したアセトンが含まれている。知りたいのはＡｇに直接吸着している第１層のアセトンのＥｄであるので、図８から多層吸着分の寄与を除く必要がある。多層吸着の脱離特性は式（１）の反応次数ｎ＝０に相当する。式（１）にｎ＝０を代入して解くと、式（４）となる。
【００４２】
【数４】
2014190908.tif 000006
【００４３】
つまり多層吸着分子の脱離特性は１次関数で与えられ、第１層吸着の式（２）の指数関数とは区別できることがわかる。よって図８の脱離特性から１次関数挙動部分を除き、指数関数部分のみを抽出することで第１層吸着の脱離特性を知ることができる。式（３）を用いて周波数変化ΔＦから被覆率θに下記の式（５）を用いて変換する。
【００４４】
【数５】
2014190908.tif 000007
【００４５】
図９に示しているように、Ｆｍｉｎは破線で示す一次関数から指数関数曲線になり始めるときの周波数を、ＦＭａｘは脱離し終えて平衡状態になったときの周波数を表す。式（５）で変換したアセトンのＡｇ表面からの脱離特性は、図９の実線曲線ようになる。図９の縦軸は脱離率で１−被覆率θ（ｔ）を表す。この曲線に式（２）を、Ｅｄを変数としてフィッティングさせることでＥｄを求めることができる。ν１＝１０１３、温度Ｔ＝２９３ＫとしてフィッティングさせるとＥｄ＝６８．２ｋＪ／ｍｏｌとなる。フィッティングさせた曲線を図１０の点線で示した。
【００４６】
Ａｇを表面に蒸着したＱＣＭチップを用いて、Ａｇ表面に対するアセトン気体（ＵＶなし）のＥｄ値と、２７８ｎｍ付近のＵＶを照射した際のアセトン気体のＥｄ値を上記のようにして求める。まず、ＱＣＭによって測定したアセトン（ＵＶなし）とアセトン（ＵＶ照射）のＡｇに対する脱離特性を図１１に示す。ＵＶ光源（第一光源）は重水素ランプを用い、干渉フィルターを用いて２７８ｎｍ付近の光のみを取り出したものである。図１１に示す特性から、ν１＝１０１３としたときのアセトン（ＵＶなし）のＥｄ値は６８．２ｋＪ／ｍｏｌであったのが、ＵＶを照射したアセトンのＥｄ値が８０．８ ｋＪ／ｍｏｌと大幅に大きくなる。このことから、ＵＶ照射によりアセトンの吸着力が向上していることが確認できる。
【００４７】
４．第一、第二励起光の照射によるＳＥＲＳシグナル強度の向上
ＳＥＲＳセンサーチップ２０として、ガラス基板上に銀を１０ｎｍ蒸着して、ガラス基板上に銀が直径約７０ｎｍ程度、高さ約２０ｎｍ程度、構造体間距離約５ｎｍのアイランド構造の金属ナノ構造２２０が形成されているものを用いた。アセトンの気体分子をＳＥＲＳセンサーチップ２０に曝露して、ＳＥＲＳスペクトルを観測した。測定は、０．５ｍＷ、６３２．８ｎｍのレーザーを用いて、露光時間を３０秒とした。また同様にして、アセトン気体に２７８ｎｍ付近のＵＶ（第一励起光３１Ａ）を照射した際のＳＥＲＳ測定も行った。ＵＶ光源（第一光源３１）は重水素ランプを用い、干渉フィルターを用いて２７８ｎｍ付近の光のみを取り出したものを用いた。ＵＶ光はセンサーチップ２０表面に接触する前のアセトン気体にのみ照射し、センサーチップ２０表面に照射されないようにして測定した。
【００４８】
観測されたＳＥＲＳスペクトルの結果を図１２に示す。図１２中にて矢印で示した位置に、ＵＶ無しでは観測できなかったアセトン分子の化学吸着由来のピーク（９３３ｃｍ−１）がＵＶ照射した時のみ観測された。ＵＶ照射により、アセトンの吸着力が大きくなり、ＳＥＲＳシグナル強度が向上したと言える。
【００４９】
図３で示したようにアセトン−銀複合体の吸収スペクトルは４０５ｎｍ付近に存在する。この４０５ｎｍ付近の第二励起光（ＳＥＲＳ励起光）３２Ａを用いると共鳴ラマン効果によりＳＥＲＳシグナルを増強させることができる。図１３に第二励起光３２Ａを変化させた時の、アセトンの９３３ｃｍ−１ピークの強度の測定結果を示す。第二励起光３２Ａが４０５ｎｍ時に最もＳＥＲＳカウント数が大きくなっている。つまり、４０５ｎｍ付近の第二励起光３２Ａを用いた共鳴ラマン効果により、ＳＥＲＳ強度が向上していることがわかる。
【００５０】
５．他の標的分子への適用例
５．１．アセトン以外のケトン類
アセトン以外のケトン類として、例えば図１４に示すメチルエチルケトンを挙げることができる。メチルエチルケトン(ＭＥＫ)はアセトンと同種のケトン類に属し、通常は安定なケト体が大部分で存在し、反応性の高いエノール体はごくわずかである。図１５に示すように、ＭＥＫ単体での吸収波長は２８０ｎｍ付近、ＭＥＫが銀表面に化学吸着した状態（ＭＥＫ−銀複合体）での吸収波長は４００ｎｍ付近に存在する。ＭＥＫに２８０ｎｍ付近の第一励起光３１Ａを照射することで、アセトンと同様にエノール体の割合が増えて、銀表面への吸着力が大きくなることが予想される。
【００５１】
ＳＥＲＳセンサーチップ２０にＭＥＫ気体分子のみを曝露した際のスペクトルと、ＭＥＫ気体に２８０ｎｍ付近のＵＶ光（第一励起光）を照射しながら曝露したＳＥＲＳスペクトルとを測定した結果を、図１６に示す。図１６での測定条件として、第二光源３２のレーザー強度０．５ｍＷ、そのレーザー波長６３２．８ｎｍ、露光時間を３０秒とした。ＵＶ照射した時のみ、矢印で示した９３０ｃｍ−１付近のピークが観測された。ＵＶ（第一励起光）照射により、ＭＥＫの銀への吸着力が大きくなり、ＳＥＲＳシグナル強度が向上したと言える。
【００５２】
５．２．ケトン類以外の低分子
ケトン類以外のその他の分子についても、分子単体での吸収波長に対応する第一励起光を照射することで、化学吸着させることができる。例えば無機低分子であるアンモニア気体の吸収スペクトルは図１７に示すように、１９０ｎｍ付近に存在する。そのため、１９０ｎｍ付近の第一励起光を照射することで、アンモニア気体分子を励起させることができる。励起状態では、ＨＯＭＯ（Highest occupied molecular orbital）の電子がＬＵＭＯ（Lowest unoccupied molecular orbital）に遷移する。励起状態においては、エネルギー準位の高いＬＵＭＯに電子が存在するため反応性が高くなり、吸着性が向上すると言える。
【００５３】
次に、アンモニアが銅に吸着した際のアンモニア−銅の複合体の吸収は図１７に示すように３９０ｎｍ〜５００ｎｍ付近に広く存在する。アンモニアを第一励起光（１９０ｎｍ近傍）で励起してセンサーチップ２０表面（最表面を銅にする）に吸着させ、３９０ｎｍ〜５００ｎｍ付近の第二励起光で励起すれば、共鳴ラマン効果により高感度なＳＥＲＳ検出が可能になる。
【００５４】
６．第一、第二励起光の波長
標的分子がアセトン、メチルエチルケトンまたはアンモニアである時の第一励起光３１Ａの波長は、２７８ｎｍ付近、２８０ｎｍ付近または１９０ｎｍ付近であった。このように、標的分子が低分子であると、第一励起光３１Ａの波長は１５０ｎｍ以上３５０ｎｍ未満とすることができる。
【００５５】
一方、第二励起波長３２Ａの波長は、金属ナノ構造２２０の材料にも依存する。表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を励起する材料としては、主に銀や金が使われる。図１８及び図１９に銀および金の表面プラズモン共鳴波長をＦＤＴＤ（Finite-difference time-domain：時間領域差分）法により計算した結果を示す。
【００５６】
共鳴波長は、金属ナノ構造の粒子数や粒子間隔、粒子径を変えると変化する。例えば粒径５ｎｍの銀ナノ粒子では、粒子数と粒子間隔を変えることで、図１８に示すように波長のピーク値が３６０ｎｍ付近から５４０ｎｍ付近まで変化する。図１８に示すように、金属ナノ粒子の粒子数や粒子間隔、粒子径を変えることで、ほぼ３５０ｎｍ〜１０００ｎｍの波長範囲で表面プラズモンを励起できることがわかる。
【００５７】
同様に金属ナノ構造が金である場合には、図１９より、ほぼ３５０ｎｍ〜１２００ｎｍの波長範囲で表面プラズモンを励起できることがわかる。よって、第二光源３２からの第二励起光３２Ａの波長範囲は、３５０ｎｍ〜１２００ｎｍが適している。この範囲には、図１７に示すように、金属ナノ構造が銅である場合の第二励起光３２Ａの波長も含まれる。しかも、第一励起光３１Ａとは異なる波長の第二励起光３２Ａを用いることができるので、第一励起光３１Ａがノイズとなることを防止できる。好ましくは、第一励起光３１Ａにより化学吸着状態にある標的分子１と金属ナノ構造２２０との複合体の吸光度が最大となる波長を含む半値幅の範囲に、第二励起光３２Ａの波長を設定することができる。それにより、共鳴ラマン効果を利用して表面増強ラマン散乱分光の増強度をさらに増すことができる。より好ましくは、標的分子１が最低励起状態から基底状態に戻る時に出す蛍光が、第二励起光３２Ａのノイズとならないように、第二励起光３２Ａの波長（例えば第一励起光３１Ａよりも１００ｎｍ以上離れた波長）を設定することができる。
【００５８】
７．検出装置の具体的構成
図２０は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図２０に示される検出装置１０Ａでは、図１に示すセンサーチップ２０、光源３０、光学系４０及び検出部５０に加え、それらを保持する筐体１００が示されている。
【００５９】
図２０において、第一光源３１はセンサーチップ２０よりも上流の流体通路に設けられている。第二光源３２からの光は、光学系４０を構成するコリメーターレンズ４１０により平行光にされる。コリメーターレンズ４１０の下流に偏光制御素子を設け、直線偏光に変換しても良い。ただし、第二光源３２として例えば面発光レーザーを採用し、直線偏光を有する光を発光可能であれば、偏光制御素子を省略することができる。
【００６０】
コリメーターレンズ４１０により平行光された光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）４２０によりセンサーチップ２０の方向に導かれ、対物レンズ４３０で集光され、センサーチップ２０に入射される。センサーチップ２０には、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す金属ナノ構造２２０が形成される。センサーチップ２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。センサーチップ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４３０を通過し、ハーフミラー４２０によって検出部５０の方向に導かれる。
【００６１】
センサーチップ２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ４４０で集光されて、検出部５０に入力される。検出部５０では先ず、光フィルター５１０に到達する。光フィルター５１０（例えばノッチフィルター）によりラマン散乱光が取り出される。このラマン散乱光は、さらに分光器５２０を介して受光素子５３０にて受光される。分光器５２０は、例えばファブリペロー共振を利用したエタロン等で形成されて通過波長帯域を可変とすることができる。分光器５２０を通過する光の波長は、検出される標的分子、汚染分子または標準分子のラマン散乱光の波長に制御（選択）することができる。受光素子５３０によって、標的分子１に特有のラマンスペクトルが得られ、得られたラマンスペクトルと予め保持するデータと照合することで、標的分子１の信号強度を検出することができる。
【００６２】
光源３０、光学系４０及び検出部５０が収容される筐体１００に対して、支点１１２の廻りに矢印Ａ方向に開閉可能のセンサーカバー１１０が設けられている。センサーカバー１１０は、吸引口１２２と排出口１２４の間に、吸引通路１２６Ａ、流体通路１２６Ｂ及び排出通路１２６Ｃを有する。標的分子１を含む流体試料は、吸引口１２２（搬入口）から導入され、排出口１２４から外部に排出される。吸引口１２２側に除塵フィルター１３０を設けることができる。
【００６３】
図２０では、検出装置１０Ａは、ファンまたはポンプ１４０を排出口１２４付近に有し、ファンまたはポンプ１４０を作動させると、吸引通路１２６Ａ、流体通路１２６Ｂ及び排出通路１２６Ｃ内の圧力（気圧）が低下する。これにより、流体試料が吸引される。流体試料を吸引及び排出する経路１２６Ａ〜１２６Ｃは、外部からの光がセンサーチップ２０に入らないように、且つ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなる構造となっている。
【００６４】
図２１に示す検出装置１０Ｂは、吸引通路１２６Ａと流体通路１２６Ｂとの間に設けられた第１シャッター１５１と、流体通路１２６Ｂと排出通路１２６Ｃとの間に設けられた第２シャッター１５２とをさらに有することができる。
【００６５】
８．検出方法
図２１に示す検出装置１０Ｂでの検出方法を図２２に示す。本実施形態の検出方法では、図２２の横軸に示す時間軸に沿って、第１モード（試料吸引モード）と、第２モード（ＳＥＲＳ測定モード）と、第３モード（試料排出モード）とがその順番で繰り返される。図２２の左縦軸、右縦軸は第一、第二励起光３１Ａ，３２Ａの光強度（ｍＷ）を示す。第一励起光３１Ａの強度Ｌ１は例えば零であり、強度Ｌ１’はＬ１’＞Ｌ１を満たす。同様に、第二励起光３２Ａの強度Ｌ２は例えば零であり、強度Ｌ２’はＬ２’＞Ｌ２を満たす。第１モードで強度［Ｌ１’：Ｌ２］に、第２モードでは強度［Ｌ１’：Ｌ２’］に、第３モードでは強度［Ｌ１：Ｌ２］に設定される。
【００６６】
図２２の時刻Ｔ１から開始される第１モードでは、第１，第２シャッター１５１，１５２を解放させた状態でファン１４０を駆動することで、センサーチップ２０に流体試料が吸引される。また、第一光源３１からの第一励起光３１Ａが強度Ｌ１’で流体試料に照射される。それにより、流体試料中の標的分子１が反応し易くなり、標的分子１は金属ナノ構造２２０に化学吸着される。
【００６７】
図２２の時刻Ｔ２から開始される第２モードでは、時刻Ｔ２にて第１，第２シャッター１５１，１５２が閉鎖される。時刻Ｔ２の前後いずれかで、ファン１４０の駆動を停止することができる。流体試料は第１，第２シャッター１５１，１５２間の流体通路１２６Ｂに滞留される。それにより、金属ナノ構造２２０に化学吸着された標的分子１に脱離エネルギーが付与され難くなり、金属ナノ構造２２０への標的分子１の化学吸着が促進される。
【００６８】
また、時刻Ｔ２に第二光源３２から第二励起光３２Ａが強度Ｌ２’にて照射される。それにより、金属ナノ構造２２０に吸着されていた標的分子１に由来の波長のラマン散乱光が増強される。検出部５０では、標的分子１のラマン散乱光の信号強度が検出される。このとき、分光器５２０にて標的分子（アセトン分子）１のラマン散乱光の波長が選択されると、標的分子のラマン散乱光の信号強度をモニタリングすることができる。
【００６９】
図２２の時刻Ｔ３から開始される第３モードでは、時刻Ｔ３にて第１，第２シャッター１５１，１５２が開放される。その際にファン１４０が作動していると、流体試料は流体通路１２６Ｂから排出通路１２６Ｃを経て排出される。また、時刻Ｔ３では第一光源３１がオフされる（強度Ｌ１）。それにより、新たに導入される流体試料中の標的分子１は化学吸着されない。その流体試料の移動により、金属ナノ構造２２０に化学吸着された標的分子１に脱離エネルギーが付与され、金属ナノ構造２２０から標的分子１が脱離される。
【００７０】
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。またセンサーチップ２０、第一光源３１、第２光源３２、検出装置１０，１０Ａ，１０Ｂ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。
【符号の説明】
【００７１】
１  標的分子、１０，１０Ａ，１０Ｂ  検出装置、２０  センサーチップ、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  検出部、１５１  第１シャッター、１５２  第２シャッター、１２６Ａ  吸引通路、１２６Ｂ  流体通路、１２６Ｃ  排出通路、２２０  金属ナノ構造
【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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【図２１】
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【図２２】
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