(57)【要約】  マイクロフルイディックセルであって、流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネル（３２）と、マイクロフルイディックセルに隣接して設けられたセンサ（３０）とを有し、センサは、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥（３４）を有するダイヤモンド材料から成る、マイクロフルイディックセル。使用にあたり、流体サンプルをマイクロフルイディックセル中に装入し、量子スピン欠陥を利用した磁気共鳴により流体を分析する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフルイディックセルであって、
流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネルと、
前記マイクロフルイディックチャネルに隣接して設けられたセンサとを有し、
前記センサは、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料から成る、マイクロフルイディックセル。
【請求項２】
前記ダイヤモンド材料は、単結晶ダイヤモンド材料である、請求項１記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項３】
前記ダイヤモンド材料は、単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料である、請求項１記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項４】
前記単結晶ダイヤモンド材料は、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上又は３ｍｍ以上の少なくとも１つの寸法を有する単結晶ダイヤモンドから成る、請求項２又は３記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項５】
前記ダイヤモンド材料の少なくとも１つの部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下、又は０．５ｐｐｂ以下の中性単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されている、請求項１〜４のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項６】
前記少なくとも一部分は、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上又は５００μｍ以上の厚さを備えた層を有する、請求項５記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項７】
前記ダイヤモンド材料の少なくとも１つの別の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度、０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ以上又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度及び自然存在比の13Ｃのうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されている、請求項５又は６記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項８】
前記少なくとも１つの別の部分は、前記少なくとも１つの部分の少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも２０倍、少なくとも５０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍又は少なくとも１００００倍の中性単一置換窒素濃度を有する、請求項７記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項９】
前記少なくとも１つの別の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の中性単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ、２０ｐｐｂ若しくは１０ｐｐｂに等しく又は５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下若しくは１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する、請求項７又は８記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１０】
前記ダイヤモンド材料は、前記少なくとも１つの部分と前記少なくとも１つの別の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで形成され、それにより、前記部分は、前記単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合される、請求項５〜９のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１１】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、１つ又は２つ以上のＮＶ-欠陥を含む、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１２】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、打ち込み又は内部成長量子スピン欠陥を含む、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１３】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、前記マイクロフルイディックチャネルから１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下の距離を置いたところに配置されている、請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１４】
複数の量子スピン欠陥が前記マイクロフルイディックチャネルに沿って前記マイクロフルイディックチャネルから１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下の距離を置いたところに配置されている、請求項１〜１３のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１５】
前記複数の量子スピン欠陥は、前記マイクロフルイディックチャネルに実質的に平行な線、帯又は層をなして配置されている、請求項１４記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１６】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、前記マイクロチャネルの２つ以上の側部に設けられている、請求項１〜１５のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１７】
前記マイクロフルイディックチャネルは、１ｍｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ〜１ｍｍ、オプションとして５００ｎｍ〜５００μｍの少なくとも１つの寸法を有する、請求項１〜１６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１８】
前記ダイヤモンド材料は、前記マイクロフルイディックチャネルを構成する壁の少なくとも一部分を形成している、請求項１〜１７のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１９】
前記マイクロフルイディックチャネルは、前記ダイヤモンド材料を貫通する穴によって構成されている、請求項１〜１８のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２０】
前記マイクロフルイディックチャネルの少なくとも一部分は、前記単結晶ダイヤモンド材料とは異なる材料で形成されている、請求項１〜１９のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２１】
前記センサは、単結晶ダイヤモンド材料の２つ又は３つ以上の片を有し、前記マイクロフルイディックチャネルは、前記片相互間に配置されている、請求項１〜２０のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２２】
前記マイクロフルイディックセルは、複数のマイクロフルイディックチャネルを有する、請求項１〜２１のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２３】
前記複数のマイクロフルイディックチャネルは、互いに異なるサイズのチャネルを含む、請求項２２記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２４】
取り出し構造体が光の取り出しを増加させるために前記ダイヤモンド材料の表面のところに形成されている、請求項１〜２３のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２５】
前記取り出し構造体は、前記ダイヤモンド材料の表面内に形成され、前記取り出し構造体は、前記ダイヤモンド材料の前記ダイヤモンド表面によって一体に形成されている、請求項２４記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２６】
前記取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成る、請求項２４又は２５記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項２７】
請求項１〜２６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセルを製造する方法であって、前記方法は、
化学気相成長技術を利用してダイヤモンド材料を成長させるステップと、
前記ダイヤモンド材料中に１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を形成するステップと、
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接してマイクロフルイディックチャネルを形成するステップとを有する、方法。
【請求項２８】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を前記ダイヤモンド材料中に形成するステップは、前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を打ち込むステップから成る、請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
前記打ち込みは、前記マイクロフルイディックチャネルの形成前又は後に実施される、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を前記単結晶ダイヤモンド中に形成する前記ステップは、化学気相成長段階中、前記量子スピン欠陥を前記単結晶ダイヤモンド中に成長させるステップから成る、請求項２７記載の方法。
【請求項３１】
前記マイクロフルイディックチャネルは、前記ダイヤモンド材料中へのレーザによる切断形成により又は前記ダイヤモンド材料中へのエッチングによって前記単結晶ダイヤモンド中に形成される、請求項２７〜３０のうちいずれか一に記載の方法。
【請求項３２】
スピン共鳴装置であって、
請求項１〜２６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセルを受け入れるセル受け入れベイと、
前記セル受け入れるベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記マイクロフルイディックチャネル内に配置されたサンプル内の量子スピンを操作する第１の可変振動フィールド発生器と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を操作する第２の可変振動フィールド発生器と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を光学的にポンピングする光源と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の１つ又は２つ以上の崩壊量子スピン欠陥からの放出光を検出する検出器とを有する、スピン共鳴装置。
【請求項３３】
前記第１の可変振動フィールド発生器及び前記第２の可変振動フィールド発生器は、磁場又は電場発生器である、請求項３２記載のスピン共鳴装置。
【請求項３４】
前記第１の可変振動フィールド発生器は、高周波発生器であり、前記第２の可変振動フィールド発生器は、マイクロ波発生器である、請求項３２又は３３記載のスピン共鳴装置。
【請求項３５】
静的フィールド発生器を更に有する、請求項３２〜３４のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項３６】
前記静的フィールド発生器は、磁場又は電場発生器である、請求項３５記載のスピン共鳴装置。
【請求項３７】
前記セル受け入れベイの周りに設けられた磁気遮蔽体を更に有する、請求項３２〜３６のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項３８】
放出光データを受け取って処理するよう前記検出器に結合された１つ又は２つ以上のプロセッサを更に有する、請求項３２〜３７のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項３９】
前記１つ又は２つ以上のプロセッサに結合されていて、結果を出力する出力部を更に有する、請求項３８記載のスピン共鳴装置。
【請求項４０】
前記出力部は、前記放出光データから前記１つ又は２つ以上のプロセッサによって生成されたスピン共鳴データを表示するディスプレイスクリーンを含む、請求項３９記載のスピン共鳴装置。
【請求項４１】
前記出力部は、スピン共鳴データを処理して表示する外部装置にデータを伝送するよう構成されている、請求項３９又は４０記載のスピン共鳴装置。
【請求項４２】
前記セル受け入れベイは、前記マイクロフルイディックセルを取り外し可能に取り付けるよう構成されている、請求項３２〜４１のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項４３】
前記セル受け入れベイは、前記マイクロフルイディックセルを一体的に取り付けるよう構成されている、請求項３２〜４１のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項４４】
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに流体サンプルを前記マイクロフルイディックセル中に注入するよう構成された注入ポートを更に有する、請求項３２〜４３のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項４５】
前記セル受け入れベイ内に設けられた請求項１〜２６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセルを有する、請求項３２〜４４のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項４６】
量子スピン欠陥を前記マイクロフルイディックチャネルに沿って別々にアドレスして前記量子スピン欠陥が前記マイクロフルイディックチャネルに沿って下方に進んでいるときに化学的プロセスをモニタするよう構成されている、請求項３２〜４５のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置。
【請求項４７】
流体サンプルを分析してスピン共鳴データを生成する方法であって、前記方法は、
流体サンプルを請求項１〜２６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル中に装入するステップと、
請求項３２〜４６のうちいずれか一に記載のスピン共鳴装置を用いて前記流体サンプルを分析し、それにより前記サンプルについてスピン共鳴データを生成するステップとを有する、方法。
【請求項４８】
前記スピン共鳴データは、核磁気共鳴（ＮＭＲ）データである、請求項４７記載の方法。
【請求項４９】
前記ＮＭＲデータは、化学シフト情報を示すＮＭＲスペクトルである、請求項４８記載の方法。
【請求項５０】
前記ＮＭＲデータは、磁気共鳴画像である、請求項４８記載の方法。
【請求項５１】
前記スピン共鳴データは、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）データである、請求項４７記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロフルイディックセル及びマイクロフルイディックセルに用いられるスピン共鳴装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロフルイディックセルは、一般に、１ｍｍ以下、より好ましくは１００ｎｍ〜１ｍｍの少なくとも１つの寸法を備えた１つ又は２つ以上のチャネルを有する。使用にあたり、流体サンプルをセルの１つ又は２つ以上のチャネル中に導入し、この中で分析する。分析では、例えば、セル内に設けられていてセル中に導入されたサンプルの少なくとも一部分と反応するよう構成された１種類又は２種類以上の試薬を用いる。したがって、マイクロフルイディックセルは、一体形の携帯可能な分析物と装置となることができ、それにより時間のかかる実験室分析手順が省かれる。
【０００３】
また、マイクロフルイディックセルを他の装置、例えばタンパク配列及び質量分析計に結合して分析機能を一段と高めることが知られている。一体形マイクロフルイディック技術に関する記事が、デー・エリックソン（D. Erickson ）及びドンキン・リー（Donqing Li），「インテグレーテッド・マイクロフルイディック・デバイスズ（Integrated microfluidic devices）」，５０７，アナリティカ・キミカ・アクタ（Analytica Chimica Acta），２００４年，ｐ．１１‐２６によって提供されている。
【０００４】
ＮＭＲ分光法及び／又はＮＭＲイメージング用の核磁気共鳴を利用してマイクロリットル量の流体サンプルを分析する装置を提供することが提案された。上述したようなマイクロフルイディックセルを有する携帯型分析装置へのＮＭＲ装置の組み込みと関連した幾つかの問題がある。
【０００５】
ＮＭＲ装置は、周知である。ＮＭＲ装置は、或る特定の核が磁場を発生させる量子スピンを有するという原理で機能する。静磁場をサンプルに印加することにより、これら核のスピンは、優先的に加えられた磁場と整列する。次に、振動高周波磁場をサンプルに加え、そして周波数を変化させる。振動磁場が核スピンと共鳴状態になると、振動磁場は、核スピンを反転させてこれを静磁場の方向とは逆に差し向ける。この移行により、検出可能な局所磁場が変化する。互いに異なる核は、周りの電子の局所遮蔽効果及び密に間隔を置いて位置した核スピン相互間のスピン‐スピン相互作用に起因して印加された振動磁場の互いに異なる周波数でスピン反転する。局所化学環境に起因した核スピンの共鳴周波数のこの変化は、ＮＭＲ化学シフトと呼ばれている。したがって、サンプルの化学構造に関する情報は、化学シフトデータを示すＮＭＲスペクトルを介して導き出せる。さらに、例えば空間中で変化する磁場の印加によってサンプル中の多くの互いに異なる位置のところで測定値を取った場合、サンプルのＮＭＲ画像を磁気共鳴イメージング（ＭＲＩ）の場合のように生成することができる。
【０００６】
標準型ＮＭＲ装置は、振動磁場を発生させると共に核スピンが印加された磁場との共鳴状態になったときに核スピンのスピン反転に起因してＮＭＲ信号によって磁場の変化を検出するよう誘導高周波（ｒｆ）ピックアップコイルを用いている。しかしながら、かかるピックアップコイルは、感度が極めて悪く、かくして、信号強度を高めると共にＮＭＲ化学シフトを解像する能力を高めるために比較的多量のサンプル及び典型的には超伝導磁石により生じる高い磁場強度が用いられる。この結果、標準型ＮＭＲ装置は、極めて大きく、小型の携帯可能な分析装置及び／又は少量のサンプルを用いる装置への組み込みには不向きである。
【０００７】
誘導ｒｆピックアップコイルの使用の代替手段がＮＭＲ信号センサとして用いられるものとして知られている。例えば、磁力計、例えば超伝導量子干渉デバイス（ＳＱＵＩＤ）及びアルカリ‐蒸気原子磁力計が示唆される。しかしながら、この場合も又、これら装置は、小型の携帯可能な分析装置中への組み込みには不向きである。と言うのは、ＳＱＵＩＤは、極低温冷却を必要とし、アルカリ‐蒸気原子磁力計は、加熱状態の蒸気セルを必要とするからである。
【０００８】
国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレットは、マイクロフルイディックセル中への公知のＮＭＲ装置構成の組み込みに関する上述の問題を確認しており、そしてソリッドステート磁気抵抗センサを用いる代替手段を示唆している。磁気抵抗センサは、磁場が電流の流れ方向に垂直に加えられると、抵抗の変化が生じる鉄材料の薄いストリップから成っている。抵抗の変化を測定し、この変化は、局所磁場の変化を表している。このように、磁気抵抗センサを静磁場によって分極したマイクロフルイディックチャネルに密接して配置し、そして例えば振動高周波磁場を加えることによって核スピンを繰り返し反転させると、磁場強度の過渡的変化を検出することができる。かかる技術は、電子スピン共鳴（ＥＳＲ）を利用して類似した仕方で核スピンというよりはむしろ電子スピンの分析にも利用できる。
【０００９】
国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレットに記載された構成に関する１つの問題は、磁気抵抗センサをマイクロフルイディックセル中への組み込みを可能にするよう小型に作ることができるが、磁気抵抗センサは、強力な（＞１テスラ）均一磁場の印加なしで正確な化学シフト情報を分析するほど十分には感度が良くないということにある。精度の低い測定に関しては小型化を容易にするためにより単純な磁石が用いられる場合があることが示唆されている（これについては、国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレットの段落３５を参照されたい）。しかしながら、国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレットの教示から言えることとして、磁気抵抗センサは、精度の高い化学シフト情報が、強力な均一磁場がかかる情報を分析する要件に起因して望ましい場合、かかる小型化を容易にするほど感度が高くない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の特定の実施形態の目的は、マイクロフルイディックセル中へのスピン共鳴センサの組み込みのために国際公開第２００９／０４６３５０号パンフレットに示唆された構成とは別の構成を提供することにある。もう１つの目的は、低い印加磁場強度で詳細な化学シフト情報を分析するほど十分感度が高く、それにより機能の低下なしに小型化を容易にする構成を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の観点によれば、マイクロフルイディックセルであって、
流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネルと、
マイクロフルイディックチャネルに隣接して設けられたセンサとを有し、
センサは、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料から成ることを特徴とするマイクロフルイディックセルが提供される。
【００１３】
本発明の第２の観点によれば、上述のマイクロフルイディックセルを製造する方法であって、この方法は、
化学気相成長技術を利用してダイヤモンド材料を成長させるステップと、
ダイヤモンド材料中に１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を形成するステップと、
１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接してマイクロフルイディックチャネルを形成するステップとを有することを特徴とする方法が提供される。
【００１４】
本発明の第３の観点によれば、スピン共鳴装置であって、
本明細書において説明するマイクロフルイディックセルを受け入れるセル受け入れベイと、
セル受け入れるベイ内に設けられたときにマイクロフルイディックセルのマイクロフルイディックチャネル内に配置されたサンプル内の量子スピンを操作する第１の可変振動フィールド（なお、本明細書では、「フィールド」という用語は、磁場と電場の両方を意味する場合がある）発生器と、
セル受け入れベイ内に設けられたときにマイクロフルイディックセルのセンサ内の１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を操作する第２の可変振動フィールド発生器と、
セル受け入れベイ内に設けられたときにマイクロフルイディックセルのセンサ内の１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を光学的にポンピングする光源と、
セル受け入れベイ内に設けられたときにマイクロフルイディックセルのセンサ内の１つ又は２つ以上の崩壊量子スピン欠陥からの放出光を検出する検出器とを有することを特徴とするスピン共鳴装置が提供される。
【００１５】
本発明の第４の観点によれば、本明細書において説明するマイクロフルイディックセルを有する本明細書において説明するスピン共鳴装置が提供される。
【００１６】
本発明の第５の観点によれば、流体サンプルを分析してスピン共鳴データを生成する方法であって、この方法は、
流体サンプルを本明細書において説明するマイクロフルイディックセル中に装入するステップと、
流体サンプルを分析してサンプルについてスピン共鳴データを生成するステップとを有することを特徴とする方法が提供される。
【００１７】
次に、本発明の良好な理解を得ると共に本発明をどのようにすれば実施することができるかを示すために、添付の図面を参照して本発明の実施形態について説明するが、これは例示に過ぎない。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１ａ】ＮＶ-欠陥の原子構造を示す図である。
【図１ｂ】ＮＶ-欠陥の電子構造を示す図である。
【図２ａ】変化するマイクロ波周波数により操作される複数のＮＶ-欠陥から得られた固有蛍光スペクトルを示す図である。
【図２ｂ】ダイヤモンド結晶中の４本の結晶ＮＶ-軸の方位を示す図である。
【図３】本発明の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを示す図である。
【図４】本発明の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。
【図５】本発明の実施形態としてのスピン共鳴装置のより詳細な略図である。
【図６】本発明の実施形態としてのダイヤモンドセンサを有するマイクロフルイディックセル中に装入された流体サンプルを分析する入力及び出力信号を示す図である。
【図７】本発明の別の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを示す図である。
【図８】本発明の実施形態としてのダイヤモンド利用マイクロフルイディックセルを形成する段階的プロセスを示す図である。
【図９】本発明の別の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを示す図である。
【図１０】本発明の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを形成する別の方法を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを形成する更に別の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
ダイヤモンド磁力計は、近年、磁場顕微鏡及び磁気イメージングへの使用が提案されている。これについては、例えば、シー・エル・デーゲン（C. L. Degen），「スキャニング・マグネチック・フィールド・マイクロスコープ・ウィズ・ア・ダイヤモンド・シングル‐スピン・センサ（Scanning magnetic field microscope with a diamond single-spin sensor）」，２４３１１１，アプライド・フィジックス・レター（Applied Physics Letters）９２，２００８年、スタイナート等（Steinert et al.），「ハイ・センシティビティ・マグネチック・イメージング・ユージング・アン・アレイ・オブ・スピンズ・イン・ダイヤモンド（High sensitivity magnetic imaging using an array of spins in diamond）」，０４３７０５，レビュー・オブ・サイエンティフィック・インスツルメンツ（Review of Scientific Instruments）８１，２０１０年（以下、「スタイナート等」という場合がある）、国際公開第２００９／０７３７３６号パンフレット及び国際公開第２００９／０７３７４０号パンフレットを参照されたい。
【００２０】
上述の先行技術文献は、磁場を検出するプローブスピンとして高純度単結晶ダイヤモンド材料中の窒素空孔（nitrogen-vacancy：ＮＶ-）欠陥の使用及び光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）を用いたプローブスピンのモニタを提案している。スタイナート等に記載されているように、ダイヤモンド中のＮＶ-欠陥は、図１ａに示されているように炭素空孔に隣接して位置する置換窒素原子から成る。その２つの不対電子は、電子基底状態のスピントリプレット（3Ａ）を形成し、縮退度ｍs＝±１副準位は、２．８７ＧＨｚだけｍs＝０準位から隔てられている。ＮＶ-欠陥の電子構造がスタイナート等に記載された図１ｂに示されている。ｍs＝０副準位は、光学的にポンピングされたときに高い蛍光レートを示す。これとは対照的に、欠陥がｍs＝±１準位で励起されると、この欠陥は、非発光一重項状態（1Ａ）にクロスオーバし、その後ｍs＝０に緩和する高い確率を示す。その結果、スピン状態を光学的に読み取ることができ、ｍs＝０状態は、「明るい（bright）」状態であり、ｍs＝±１状態は、「暗い」（dark）」状態である。外部磁場を加えると、スピン副準位ｍs＝±１の縮退がゼーマン分裂により壊される。これにより、共鳴線が加えられる磁場の大きさ及びその方向に応じて分かれる。この依存性は、ベクトル磁気測定法に利用できる。と言うのは、共鳴スピン遷移は、マイクロ波（ＭＷ）周波数をスイープし、その結果、スタイナート等の図２ａに示されているように光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルの固有のディップを生じさせることにより調査できる。
【００２１】
スタイナート等は、イオン打ち込みを採用して負に帯電したＮＶ-センタの均質層を超高純度［１００］型ＩＩａダイヤモンド中に作った。アンサンブルＮＶ-センサは、複数の検出スピンからの増幅蛍光信号に起因して高い磁気感度を提供することが分かった。別のオプションは、ベクトル再構成である。と言うのは、ダイヤモンド格子は、スタイナート等の図２ｂに示されているように別々の四面体ＮＶ-方位を課すからである。これら軸の各々に沿う磁場投影像を単一複合スペクトルとして測定することができ、数値アルゴリズムを用いると、全磁場ベクトルを再構成することができる。外部磁場の大きさ（Ｂ）及び包囲（θB，ψB）は、非制約最小二乗アルゴリズムに基づいてＯＤＭＲスペクトルを分析することによって計算できる。
【００２２】
本発明者は、スタイナート等に開示された原理をマイクロフルイディックデバイスの原理及びスピン共鳴装置の原理と組み合わせると、低い印加磁場強度で詳細な化学シフト情報を分析するのに十分に感度が高いスピン共鳴装置を提供することができ、したがって機能が失われない状態で小型化が容易になるという知見を得た。したがって、本発明は、小型で携帯可能なマイクロフルイディックスピン共鳴装置の構成を可能にするような仕方でダイヤモンドセンサをマイクロフルイディックセル中に組み込むことができるという知見にある。
【００２３】
本発明の或る特定の実施形態は、マイクロフルイディックセルであって、流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネルと、マイクロフルイディックチャネルに隣接して設けられたセンサとを有し、センサは、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料から成ることを特徴とするマイクロフルイディックセルを提供する。或る特定の実施形態は、化学気相成長技術を利用してダイヤモンド材料を成長させるステップと、ダイヤモンド材料中に１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を形成するステップと、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接してマイクロフルイディックチャネルを形成するステップとを有することを特徴とする方法を利用して製造できる。
【００２４】
ダイヤモンドセンサ材料
【００２５】
センサのダイヤモンド材料は、好ましくは、単結晶ダイヤモンド材料である。ただし、多結晶ダイヤモンド材料も又、別のオプションとして想定される。単結晶ダイヤモンド材料は、０．５ｍｍ以上、１ｍｍ以上、２ｍｍ以上又は３ｍｍ以上の少なくとも１つの寸法を有する単結晶ダイヤモンドから成るのが良い。ダイヤモンド材料は、化学気相成長（ＣＶＤ）技術を用いて形成できる。
【００２６】
適当なダイヤモンド材料及びダイヤモンドセンサのためのかかる材料を製造する方法は、国際公開第２０１０／０１０３５２号パンフレット、同第２０１０／０１０３４４号パンフレット、同第２００９／１０５８１４号パンフレット、同第２００９／１０５８１５号パンフレット、同第２０１０／００３１７９号パンフレット及び米国特許出願公開第２００９／０２１４１６９号明細書に記載されている。
【００２７】
好ましくは、ダイヤモンド材料は、例えば国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されているような高品質「量子等級」ダイヤモンド材料であるべきである。「量子等級」ダイヤモンドという用語は、本明細書においては、材料の量子スピン特性を利用した用途における使用に適したダイヤモンド材料について用いられる。具体的に説明すると、量子等級ダイヤモンド材料の高い純度により、当業者に知られている光学技術を用いて単一欠陥中心を隔離することが可能である。
【００２８】
好ましくは、ダイヤモンドセンサの少なくとも一部分を成長させるには、分子窒素として計算して２５０ｐｐｂ（十億分率）以下、２００ｐｐｂ以下、１５０ｐｐｂ以下又は１２０ｐｐｂ以下の窒素濃度を有する気相を用いる。ＣＶＤ反応器内におけるガスの窒素含有量の減少の結果として、ＣＶＤダイヤモンド材料中の窒素含有量が減少し、したがって吸収係数が低くなると共にデコヒーレンス時間が長くなる。ＣＶＤ反応器内ガス中の窒素含有量は、０．００１ｐｐｂ（十億分率）を超え、０．０１ｐｐｂを超え、０．１ｐｐｂを超え、１ｐｐｂを超え又は１０ｐｐｂを超えるのが良い。
【００２９】
ＣＶＤ成長プロセスは、高い化学的純度に加えて高い同位体純度の原料ガスを用いるのが良い。例えば、炭素原料ガスは、９９％、９９．３％、９９．６％、９９．９％、９９．９９％又は９９．９９９％以上であるよう増大した12Ｃフラクションを有するのが良い。これにより、単一格子エミッタのデコヒーレンス時間を一段と長くすることができる。ただし、12Ｃの自然存在比を用いても良いことが想定される。
【００３０】
上記の内容に照らして、ダイヤモンドセンサは、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下、又は０．５ｐｐｂ以下の中性単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する少なくとも１本の高純度部分を有するダイヤモンド材料で形成されるのが良い。ダイヤモンドセンサは、０．１μｍ以上、１μｍ以上、１０μｍ以上、１００μｍ以上、２００μｍ以上又は５００μｍ以上の厚さを備えた層の形態をしたかかる材料の少なくとも一部分を有するのが良い。
【００３１】
ＣＶＤ成長プロセスで用いられるガス組成物は、色中心の形成又はこれらの電荷安定化に関連した他の不純物、例えば珪素又は亜リン酸を更に含む場合がある。しかしながら、低窒素濃度に加えて或る特定の実施形態によれば、ＣＶＤ成長プロセスは、好ましくは、ＣＶＤ成長の間に単結晶ダイヤモンド中に混入される場合のある極めて低い濃度の他の不純物を有するガス組成物を使用する。したがって、ダイヤモンド材料の少なくとも一部分は、好ましくは、１００ｐｐｂ以下の硼素濃度、１００ｐｐｂ以下の珪素濃度、１ｐｐｍ以下の常磁性欠陥の濃度、５ｐｐｍ以下の任意の単一非水素不純物の濃度、窒素及びその同位体を除く１０ｐｐｍ以下の全不純物含有量及び単結晶ダイヤモンドホスト材料中の１０18ｃｍ-3以下の水素不純物の濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する。高純度材料は又、好ましくは、低い転位濃度を有する。例えば、高純度単結晶ダイヤモンド材料は、１０6転位ｃｍ-2、１０4転位ｃｍ-2、３×１０3転位ｃｍ-2、１０3転位ｃｍ-2、１０2転位ｃｍ-2又は１０転位ｃｍ-2以下の転位束密度を有するのが良い。これは、注意深い基体の調製及びもし上述したように構成しなければ高純度単結晶ダイヤモンドの第２の層中に伝搬する転位の形成を阻止するための第１の成長段における窒素の使用によって達成できる。
【００３２】
また、低い表面粗さＲｑを達成するようダイヤモンドホスト材料の表面を処理することが望ましい。国際公開第２０１０／０１０３４４号パンフレット及び同第２０１０／０１０３５２号パンフレットに記載されているように、ホスト材料として本発明の合成ダイヤモンド材料を用いて高いＴ２値及び高いスペクトル安定性を得ることができ、この場合、量子スピン欠陥は、かかる処理済み表面から１００μｍの以下の距離を置いたところに位置決めされるべきである。本発明の実施形態によれば、量子スピン欠陥は、好ましくは、かかる処理済み表面から１００μｍ以下、好ましくは５０μｍ、好ましくは２０μｍ、好ましくは１０μｍ、好ましくは１μｍ、好ましくは５００ｎｍ、好ましくは２００ｎｍ、好ましくは５０ｎｍ、好ましくは２０ｎｍ又は好ましくは１０ｎｍの距離のところに位置決めされるべきである。量子スピン欠陥のこの位置決めは、量子スピン欠陥を例えば導波路への光結合によって特徴付けると共に「読み出す」ことができるよう最終用途にとって容易に接近可能であることを意味している。かくして、量子等級単結晶ダイヤモンド中に量子スピン欠陥（単一格子源）を形成することが有利であり、この場合、ダイヤモンド材料の表面は、中心が量子スピン欠陥の形成される場所の最も近くに位置する表面上の点上に位置する半径が約５μｍの円によって定められる領域内の単結晶ダイヤモンドの表面粗さＲｑが約１０ｎｍ、５ｎｍ、１ｎｍ又は０．５ｎｍ以下であるよう処理される。この表面は、量子スピン欠陥の形成前又は形成後に処理されるのが良い。本明細書において説明するＳＩＬ構成例では、量子スピン欠陥は、平坦な表面の中央のところ又はその近くのＳＩＬの平坦な表面の近くに形成される。したがって、平坦な表面は、少なくとも低い表面粗さを有するよう量子スピン欠陥に隣接した部分が処理されるべきである。
【００３３】
量子スピン欠陥の近くの表面のところの表面粗さが小さいことに加えて、表面下損傷が量子スピン欠陥／単一格子エミッタの近くでは低いようにすることも又有用である。表面下欠陥をエッチングによって、例えばプラズマエッチングを用いて減少させることができる。また、ダイヤモンドが量子スピン欠陥に悪影響を及ぼすような仕方で相互作用する種を末端基とはしないようにするよう量子スピン欠陥の近くでダイヤモンド表面のところの末端の形式を制御することが有用な場合がある。さらに、量子スピン欠陥の近くのダイヤモンド表面がゼロではないスピンを有する種、例えば窒素以外のスピンゼロ種、例えば酸素又は幾つかの表面電荷再分布プロセス（例えば、水素で起こることが知られているプロセス）をもたらす場合のある種を末端基とするようにすることが有用な場合がある。
【００３４】
高純度（化学的及び／又は同位体的）ダイヤモンド材料は、デコヒーレンス時間として好ましく、かくして、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥の感度は、単結晶ダイヤモンド材料内の他のスピン活性種の存在によって影響を受ける。低転移密度も又、重要である。と言うのは、ダイヤモンド結晶中の歪も又、デコヒーレンス時間、及びかくして１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥の感度に影響を及ぼす場合があるからである。低転移密度は又、歪を減少させると共に良好な品質のチャネルを単結晶ダイヤモンド材料中に形成することができるようにする上で重要な場合がある。低く且つ一様な歪が１つの量子スピン欠陥から次の量子スピン欠陥への量子スピン欠陥光学的放出のシュタルク広がり又はシフトを回避するのに望ましい。一形態では、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、電場の尺度としての役目も果たすことができる。かかる形態では、歪が小さく且つ一様であることも又望ましい。
【００３５】
センサは、多段成長プロセスを用いて形成でき、それにより、センサは、この中に設けられる低品質と高品質のダイヤモンド材料を有し、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、高品質のダイヤモンド材料中に設けられる。例えば、単結晶ダイヤモンド材料の第１の層の成長は、窒素分子として計算して３００ｐｐｂ（十億分率）以上且つ５ｐｐｍ（百万分率）以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われるのが良い。第２の層の成長は、窒素分子として計算して０．００１ｐｐｂ以上且つ２５０ｐｐｂ以下の窒素濃度を有する気相を用いて行われるのが良い。第２の層は又、自然存在比又は炭素原料ガスの全Ｃ含有量のうちの少なくとも９９％の量の12Ｃを有する炭素原料ガスを含む気相を用いて行われるのが良い。第２の層は、上述した高純度量子等級ダイヤモンド材料から成るのが良い。第１の層は、ダイヤモンド材料の少なくとも１つの別の部分を構成する低級ダイヤモンド材料から成り、この少なくとも１つの別の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度、０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ以上又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度及び自然存在比の13Ｃのうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成される。少なくとも１つの別の部分は、少なくとも１つの部分の少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも２０倍、少なくとも５０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍又は少なくとも１００００倍の中性単一置換窒素濃度を有する。少なくとも１つの別の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の中性単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ、２０ｐｐｂ若しくは１０ｐｐｂに等しく又は５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下若しくは１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する。ダイヤモンド材料は、少なくとも１つの部分と少なくとも１つの別の部分の両方を含む単結晶ダイヤモンドで形成され、それにより、部分は、単結晶ダイヤモンド中に組み込まれることによって互いに結合される。
【００３６】
打ち込みか現場成長かのいずれかによって１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を第２の層中に形成するのが良い。次に、第１の層の場合と同一の成長条件を用いて第３の層を第２の層上に成長させるのが良い。次に、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に実質的に平行に且つこの近くでチャネルを複合ダイヤモンド構造中に形成し、それによりマイクロフルイディックセルを形成するのが良い。
【００３７】
上述の方式に関する１つの問題は、チャネルがダイヤモンド結晶を貫通する穴を切断形成し又はエッチングすることによって形成する場合、チャネルの内壁を研磨することが困難であるということにある。１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接して低粗さ表面を提供することが有利なので、一手段としては、ＣＶＤダイヤモンドの高純度層を成長させ、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥中に打ち込み又は成長させ、そして表面を研磨することである。この研磨された表面は、マイクロフルイディックチャネルの１つの壁を形成することになる。ダイヤモンド又は他の何らかの材料で作られる場合のある追加の要素を次に研磨ダイヤモンド表面に結合してマイクロフルイディックチャネルを形成するのが良い。
【００３８】
変形例として、動作パラメータ、例えば横方向速度及びパルス速度を選択して所望の表面仕上がりを与えるレーザトレパニングを利用してチャネルへの滑らかな表面の形成を達成することができる。さらに変形例として、レーザにより作られた後に、例えばダイヤモンドワイヤ絞り成形ダイの製作に用いられる技術によりチャネルの内面を処理しても良く、例えば微細ダイヤモンド粉末のスラリ中の通過直径よりも僅かに小さい直径を有する往復動ワイヤを用いて内面を研磨しても良い。
【００３９】
量子スピン欠陥
【００４０】
１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、好ましくは、ＮＶ-欠陥である。ただし、原理的には、かかる量子スピン欠陥は、単結晶ダイヤモンド材料中の他の形式の量子スピン欠陥を含んでいても良い。本明細書で用いられる「量子スピン欠陥」という用語は、磁場又は電場を検出するのに適した量子スピンを備える単結晶ダイヤモンド材料内の欠陥を意味している。本発明の実施形態において用いるのに関心のある他の考えられるダイヤモンド欠陥としては、例えば水素、クロム、ニッケル、シリコン又は燐に基づく外因的欠陥や例えば空孔、隙間及び空孔対又はクラスタのような内因的欠陥が挙げられる。しかしながら、ＮＶ-欠陥は、これらを室温で基底状態電子スピン形態中に光学的にポンピングしてセンサをプライミングすることができ、この際、電子状態の熱的分布状態を考慮に入れるよう極低温冷却を必要としないので特に有用であることが判明した。さらに、ＮＶ-欠陥の電子スピン状態は、マイクロ波を用いて操作でき、そしてスタイナート等に上述されているように蛍光スペクトルの変化を検出することによって読み出すことができる。さらに又、ＮＶ-欠陥は、長いデコヒーレント時間Ｔ2を有し、この長いデコヒーレント時間は、サンプル中の磁場又は電場の変化に対する感度がデコヒーレント時間に関連付けられるので有用である。１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、０．０５ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上、５ｍｓ以上又は１５ｍｓ以上のデコヒーレント時間Ｔ2を有するのが良く、対応のＴ2*の値は、４００μｓ以下、２００μｓ以下、１５０μｓ以下、１００μｓ以下、７５μｓ以下、５０μｓ以下、２０μｓ以下又は１μｓ以下である。
【００４１】
１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、マイクロフルイディックチャネルから１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下の距離を置いたところに配置されるのが良い。量子スピン欠陥がサンプル内の磁場又は電場の変化に対する感度を高めるために量子スピン欠陥をマイクロフルイディックチャネルに近接して位置決めすることが有利であると言える。さらに、複数の量子スピン欠陥が設けられる場合、量子スピン欠陥とマイクロフルイディックチャネルの内容物との間の空間距離は、量子スピン欠陥からの分解分離データの複雑さを最小限に抑えるためにできるだけ一定に取られるのが良い。これを行うために多くの幾何学的形状を想定することができ、かかる幾何学的形状のうちの多くは、本明細書において後で詳細に説明するように多段成長及び処理を必要とする。１つの判断基準は、マイクロフルイディックチャネルからの量子スピン欠陥の制御領域の分離及びマイクロフルイディックチャネルに平行ではない方向における量子スピン欠陥の制御領域の広がりが、好ましくは、マイクロフルイディックチャネルそれ自体の直径とほぼ同じ桁のものであるということである。これは、チャネルを極めて細くする１つの理由である。
【００４２】
量子スピン欠陥、例えばＮＶ-を当該技術分野において知られているように打ち込み技術により内部成長させ又は作ることができる。成長だけでなく打ち込み及びアニーリングを用いて作られるＮＶ-欠陥と関連した幾つかの際立った特性が存在する。これら特性としては、例えば、７４１ｎｍにおいて空孔中心（ＧＲ１）が存在し、これは、ＮＶ-欠陥を作るための打ち込みルートの副生物である。
【００４３】
１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥をマイクロフルイディックチャネルに隣接して位置するセンサの表面の近くでダイヤモンド材料層中に打ち込むのが良い。量子スピン欠陥をチャネルの形成前又は後に打ち込むのが良い。変形例として、量子スピン欠陥を化学気相成長段階中、ダイヤモンド材料中に成長させても良い。打ち込み法を用いた場合の一利点は、マイクロフルイディックチャネル内に位置したサンプル内の磁場又は電場の変化を検出するためにマイクロフルイディックチャネルに対する１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥の存在場所を最適化するために１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥をマイクロフルイディックチャネルに対して正確に位置決めすることができるということにある。例えば、欠陥の線、帯又は層をマイクロフルイディックチャネル内のサンプル中の磁場又は電場の変化を検出するためにチャネルに近接して形成するのが良い。変形例として、センサのダイヤモンド材料を製造するための化学気相成長法の実施中に１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥をダイヤモンド材料中に成長させても良い。この方式の一利点は、ダイヤモンド材料が損傷を受けないということにあり、かかる損傷は、打ち込み技術の実施中に起こる場合がある。かかる損傷は、例えばデコヒーレンス時間Ｔ2を減少させることによって量子スピン欠陥の品質に悪影響を及ぼす場合があり、かくしてセンサの感度に悪影響を及ぼす。しかしながら、マイクロフルイディックチャネルを量子スピン欠陥に対して所望の配置場所に位置決めすることは、困難な場合がある。この点に関し、量子スピン欠陥を含む領域の濃度及び体積は、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥がマイクロフルイディックチャネルに対して所望の位置のところ又はその近くに配置されることが統計学的に確からしいように選択されるのが良い。
【００４４】
高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンドを成長させ、量子スピン欠陥の線、帯又は層を高純度単結晶ＣＶＤダイヤモンド中に形成し（打ち込み又は現場成長によって）、そして量子スピン欠陥の線、帯又は層から１００ｎｍ以下の距離を置いたところで量子スピン欠陥の線、帯又は層に実質的に平行なチャネルを形成することによってダイヤモンド検出素子を形成することができる。１つ又は２つ以上の量子欠陥とチャネルの相対位置は、チャネルが１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に対して形成される位置を制御することによって制御できる。例えば、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を単結晶ダイヤモンド材料中に配置し、次にチャネルを１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接した適当な位置に形成するのが良い。変形例として、チャネルを形成し、次に１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥をチャネルに隣接した適当な位置に形成しても良い。例えば、開放溝をダイヤモンド材料中に形成し、そして１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を溝の長さに沿う溝の壁中に直接打ち込んでも良い。次に、ダイヤモンド又は他の何らかの材料である場合がある別の材料層を開放溝を覆って設けて溝を封止し、そしてマイクロフルイディックチャネルを形成しても良い。
【００４５】
マイクロフルイディックチャネル周りへの量子スピン欠陥の種々の考えられる分布状態を想定することができる。複数の量子スピン欠陥をマイクロフルイディックチャネルの長さに沿って設けることにより、感度を向上させることができる。リング状に配置された量子スピン欠陥をマイクロフルイディックチャネルの周りにマイクロフルイディックチャネルに沿う１つ又は２つ以上の場所に設けると、チャネルに沿う１つ又は２つ以上の特定の場所のところでの測定値を取る良好な空間解像度を与えることができる。さらに、実質的に量子スピン欠陥のないダイヤモンド層を所々に配置した量子スピン欠陥を有する間隔を置いて設けられた層を含む層状ダイヤモンド構造を形成することができる。次に、層状構造体を貫通して穴を形成してマイクロフルイディックチャネルを形成しても良い。かかるマイクロフルイディックチャネルは、その長さに沿うリング状に互いに間隔を置いて配置された量子スピン欠陥によって包囲されることにある。これは、例えば化学反応の進展をモニタするためにマイクロフルイディックチャネルに沿う流体サンプルの流れ及び時間間隔を置いた測定値が必要な構成例について有利な場合がある。
【００４６】
上述したことに加えて、量子スピン欠陥を用いて必要とされる測定時間が極めて短い（ミリ秒（ｍｓ）オーダ以下）ことが注目されるべきである。したがって、流れ条件下における流体の測定値を取ることが可能である。これにより、複数の時間間隔を置いた測定値を化学反応の進展をモニタするためにマイクロフルイディックチャネルに沿って取ることができる。化学反応は、マイクロフルイディックセルへの入口のところで進行中であるのが良く、追加の化学的性質に関して供給するマイクロフルイディックセル内の第２のチャネルによって開始され、或いは、光、熱若しくはダイヤモンドを介して及ぼすことができる他の何らかの外部影響によって開始されるのが良い。
【００４７】
マイクロフルイディックセル構造
【００４８】
センサを形成するダイヤモンド材料は、好ましくは、マイクロフルイディックチャネルを構成する壁の少なくとも一部分を形成する。マイクロフルイディックチャネルは、ダイヤモンド材料を貫通した穴によって形成されるのが良く、マイクロフルイディックチャネルは、これが穴によって構成されるようダイヤモンド材料を貫通して設けられた穴によって形成されるのが良い。チャネルは、例えば、レーザを用いてダイヤモンド材料中に切断形成され又はエッチングによって形成されるのが良い。したがって、マイクロフルイディックセルは、全体が又は少なくとも大部分がダイヤモンド材料で形成されるのが良い。変形例として、セルは、異なる材料の基体から成っていても良く、チャネルは、基体上に構成され、ダイヤモンドセンサは、チャネルに隣接して基体上に位置決めされる。別の基体材料層が頂部層を形成してチャネルを構成しても良く、ダイヤモンドセンサは、基体材料層相互間に且つチャネルに隣接して設けられる。さらに別の変形例では、チャネルをダイヤモンドセンサの表面中に形成してチャネルを基体材料層で完全なものにする。マイクロフルイディックチャネルの一方の側に位置した基体材料は、マイクロフルイディックチャネルの他方の側の基体材料と同種であっても良く又は異種であっても良い。
【００４９】
マイクロフルイディックセルを形成する他の構成例を想到できる。唯一の制約は、量子スピン欠陥がダイヤモンド材料中に存在することである。しかしながら、任意他の材料がマイクロフルイディックセルを構成するために用いられる場合、これは、核スピンからの疑似信号を生じさせることがないので有利である。例えば、原理的には、マイクロフルイディックチャネルをダイヤモンド以外の材料中に形成することができ、センサにはダイヤモンドの薄膜銀が用いられる。実際には、他の材料には、好ましくは、核スピンがないはずであり、これは、ダイヤモンドをマイクロフルイディックチャネルとセンサの両方を形成する良好な材料にしている。核スピンを有する材料であればどのようなものでもマイクロフルイディックセルの構成に利用されるが、かかる材料は、好ましくは、干渉を避けるためにダイヤモンド材料中の量子スピン欠陥から間隔を置いて配置されるべきである。もう１つの検討事項としては、有利には、マイクロフルイディックチャネルは、容易にクリーニングされて再使用される材料で作られるべきである。ダイヤモンドは、これが化学的且つ熱的に頑丈であり、かくして酸クリーニング及び／又は使用相互間のオートクレーブ処理を受けることができるので特に有用である。
【００５０】
図３は、特許請求の範囲に記載された本発明の一実施形態としてのダイヤモンド利用マイクロフルイディックセルの実施形態を示している。マイクロフルイディックセルは、流体サンプルを収納することができるチャネル３２に隣接して位置決めされた少なくとも１つのダイヤモンドセンサ３０を有している。少なくとも１つのダイヤモンドセンサ３０は、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥３４、例えばＮＶ-欠陥を有し、かかる欠陥は、チャネル３２内に配置されたサンプル内の磁場及び／又は電場の変化を検出するようチャネル３２に隣接して位置決めされている。図示の実施形態は、チャネル３２の互いに反対側の側部に設けられた２つのダイヤモンド検出素子３０を有している。しかしながら、マイクロフルイディックセルは、たった１つのダイヤモンド検出素子又は変形例として複数のダイヤモンド検出素子を有しても良いことが想定される。
【００５１】
マイクロフルイディックチャネルは、好ましくは、１ｍｍ以下、特に１００ｎｍ〜１ｍｍ、オプションとして５００ｎｍ〜５００μｍの少なくとも１つの寸法を有する。マイクロフルイディックチャネルのサイズは、或る特定の種について選択的であるよう選択されるのが良い。２本以上のチャネルを設けるのが良い。互いに異なるチャネルは、互いに異なる種のサイズの差に基づいて互いに異なる種について選択的であるよう互いに異なるサイズを有するのが良い。
【００５２】
マイクロフルイディックチャネルをダイヤモンド中に切断形成する多くの可能な技術が知られている。通路、特に分析通路の直径についての下限は、これらの製作に用いられる技術によって決まる。ダイヤモンドの場合、一技術は、イットリウム‐アルミニウム‐ガーネット（ＹＡＧ）レーザを約１μｍの波長で用いることである。かかるレーザを用いると、チャネルの最小理論長さは、回折限界スポットにより得られるサイズ、即ち、波長にほぼ等しい。しかしながら、実際の下限は、約５μｍである。別の実施形態では、チャネルを製作するために約１９３ｎｍの波長で紫外線を生じさせるＫｒＦエキシマーレーザが用いられる。ＹＡＧレーザと比較して短い波長により、通路は、小さな直径、場合によっては、０．５μｍという小さい直径のものとなることができる。
【００５３】
通路を製作するのにＹＡＧレーザを用いることが好ましいが、このようにすると、別の技術、例えば波長３倍３５５ｎｍソリッドステートレーザ、他のソリッドステートレーザ、色素レーザ又は他のレーザシステムを使用できなくなる。別の代替手段は、ダイヤモンド中に極めて微細な穴を生じさせることができる当業界において知られている電子ビームの使用である。変形例として、マスク・エッチング技術を利用することによりチャネルを形成しても良い。
【００５４】
スピン共鳴装置
【００５５】
上述のマイクロフルイディックセルに用いられるスピン共鳴装置は、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を含むダイヤモンドセンサを有するマイクロフルイディックセルを受け入れるセル受け入れベイと、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を光学的にポンピングする光源と、１つ又は２つ以上の崩壊量子スピン欠陥からの放出光又は発光を検出する検出器とを有する。
【００５６】
かかる構成例は、図４に示されており、この構成例は、少なくとも１つのダイヤモンドセンサ４２を含むマイクロフルイディックセル４０と、マイクロフルイディックセル４０の少なくとも１つのダイヤモンドセンサ４２中の１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥４６を励起するよう構成された光源４４、例えばレーザ源と、１つ又は２つ以上の崩壊量子スピン欠陥からの放出光又は発光を検出する検出器４８とを有している。
【００５７】
図５は、本発明の実施形態としてのスピン共鳴装置の略図である。スピン共鳴装置は、静磁場発生器（Ｂ0）、第１の可変振動磁場発生器（Ｂ1）及び第２の可変振動磁場発生器（Ｂ2）を有する。第１の可変振動磁場発生器（Ｂ1）は、好ましくは、高周波発生器であり、第２の可変振動磁場発生器（Ｂ2）は、好ましくは、マイクロ波発生器である。スピン共鳴装置は、セル受け入れベイ５４の周りに設けられた磁気遮蔽体５２を更に有するのが良い。一構成例では、地磁界（磁場）は、静磁場として用いられ、かくして、追加の静磁場発生器は不要である。かかる構成例では、遮蔽体は、センサを外部振動場から遮蔽するが、静磁場に対してはそうではないように構成されているのが良い。かかる遮蔽体は、当業者には知られている。スピン共鳴装置は、セル受け入れベイ５４内に設けられたダイヤモンド利用マイクロフルイディックセル中の量子スピン欠陥を励起するよう構成された光源５６及びダイヤモンド利用マイクロフルイディックセル中の量子スピン欠陥からの光出力信号を検出する光学検出器５８を更に有する。光源は、レーザ光源であるのが良い。光源は、マイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置での流体の分析を可能にするようマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で量子スピン欠陥を選択的に励起するよう構成されているのが良い。代替的に又は追加的に、検出器は、マイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置での流体の分析を可能にするようマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で量子スピン欠陥からの放出光を選択的に検出するよう構成されていても良い。
【００５８】
別の構成例では、上述の磁場発生器に代えて電場発生器を用いても良い。欠陥、例えばＮＶ中心の電子構造は、本発明の実施形態を用いて電場を磁場の代替手段として又はこれに加えて測定することができるようなものである。
【００５９】
１つ又は２つ以上のプロセッサ６０が放出光データを受け入れたり処理したりするよう検出器５８に連係した状態スピン共鳴装置内に設けられるのが良い。１つ又は２つ以上のプロセッサ６０は、結果を出力する出力部６２に連係されるのが良い。出力部６２は、スピン共鳴データを表示するディスプレイスクリーンを含むのが良い。１つ又は２つ以上のプロセッサ６０及びディスプレイ６２は、スピン共鳴装置中に組み込まれるのが良い。代替的に又は追加的に、出力部６２は、データを処理したり表示する外部装置、例えばラップトップ型又はデスクトップ型コンピュータにデータを伝送するようになっていても良い。
【００６０】
本発明の別の観点によれば、スピン共鳴装置は、一体型マイクロフルイディックセルを備える。一構成例によれば、流体サンプルをマイクロフルイディックセル中に注入し、次に、マイクロフルイディックセルをサンプルの分析のためにスピン共鳴装置内に配置するのが良い。別の構成例によれば、マイクロフルイディックセルは、スピン共鳴装置内に設けられ、サンプルをスピン共鳴装置内の注入ポートを通ってマイクロフルイディックセル中に注入する。後者の場合、スピン共鳴装置は、流体サンプルをスピン共鳴装置内に設けられたマイクロフルイディックセル中に注入するよう構成された注入ポートを有するようになっている。
【００６１】
マイクロフルイディックスピン共鳴装置は、次のように機能する。
【００６２】
マイクロフルイディックチャネル内のサンプルに静磁場Ｂ0を作用させる。静磁場Ｂ0をサンプルに加えることによって、サンプル内の核のスピンは、優先的に、加えられた磁場と整列する。次に、振動高周波磁場Ｂ1をサンプルに加え、周波数を変化させる。振動磁場Ｂ1が核スピンと共鳴状態になると、かかる磁場は、核スピンを反転させてこれを静磁場Ｂ0の方向とは逆の方向に配向させる。この遷移により、検知したり検出したりすることができる局所磁場の変化が生じる。互いに異なる核は、周りの電子の局所作用効果及び密に間隔を置いた核スピン相互間のスピン‐スピン相互作用に起因して加えられた振動磁場Ｂ1の互いに異なる周波数でスピン反転することになる。
【００６３】
これまでのところ、上述の装置は、標準型ＮＭＲ装置のように機能するが、極めて小さなサンプル量で且つ極めて小さい静磁場で機能し、それにより、小型磁石の使用を可能にし（又は、事実、地磁界が用いられる場合磁石を不要にし）、かくして装置の全体としての小型化を可能にする。標準型ＮＭＲ装置とは対照的に、核スピン反転に起因して生じる局所磁場の変化は、ＮＶ-欠陥を参照して以下に説明するようにマイクロフルイディックチャネルに隣接して設けられた高純度ダイヤモンド材料中に存在する１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を用いて検出される。
【００６４】
ＮＶ-欠陥は、上述の静磁場Ｂ0内に配置される。したがって、ＮＶ-欠陥内の電子スピン状態の縮退ｍs＝±１がスタイナート等に説明されているような仕方で分割される。ＮＶ-欠陥は、５３２ｎｍの光学レーザ源で励起され、3Ａ基底状態から3Ｅ励起状態への電子の励起が生じる。励起されたｍs＝０電子は、遷移の際に発光を行う基底状態に戻った際に蛍光を呈し、この蛍光を検出する。振動マイクロ波場をＮＶ-欠陥に加え、周波数を変化させる。振動マイクロ波場がＮＶ-中心の電子スピンと共鳴状態になると、これにより、電子は、遷移を行ってｍs＝±１状態になる。共鳴スピン遷移を調べるには、マイクロ波（ＭＷ）周波数をスイープし、その結果、図２ａを参照してスタイナート等によって上述されているように光学検出磁気共鳴（ＯＤＭＲ）スペクトルの固有のディップを生じさせるのが良い。
【００６５】
いまや、ｍs＝±１状態のエネルギーは、静磁場Ｂ0に依存するが、かかるエネルギーを振動ｒｆ磁場により引き起こされるサンプル中の核スピン反転によって生じる磁場の局所変化によって摂動させる。したがって、電子スピン共鳴がＮＶ-欠陥中で生じるマイクロ波周波数は、サンプル中の核スピンが振動ｒｆ磁場と共鳴状態になると、シフトされる。これらの変化は、蛍光が生じるディップのシフトによって検出される。したがって、マイクロフルイディックサンプル中の核スピン共鳴は、ＮＶ-欠陥中の電子スピン共鳴の変化により光学的に検出される。かくして、光信号を処理すると、ＮＭＲデータを生成することができる。これは、化学シフトデータを示すＮＭＲスペクトルの形態をしているのが良い。代替的に又は追加的に、複数の光学読みがマイクロフルイディックチャネルに沿う種々の位置で取られた場合、サンプルについて磁気共鳴画像（ＭＲＩ）を生じさせることができる。代替的に又は追加的に、電場の変化は、この技術を利用して測定できる。
【００６６】
データをスピン共鳴装置のディスプレイスクリーン上に表示するのが良い。変形例として、データをワイヤード又はワイヤレスかのいずれかにより処理及び表示のための外部装置、例えばラップトップ型又はデスクトップ型コンピュータに伝送しても良い。この場合、スピン共鳴装置内の処理及び表示は、単純化できると共にサイズ及びコストを減少させることができる。適当なコンピュータプログラムを提供してこれが携帯型スピン共鳴装置により収集されたデータを受け入れ、処理し、そして表示するために標準型コンピュータ上でランするのが良い。
【００６７】
図６は、本発明の実施形態としてのダイヤモンドセンサを有するマイクロフルイディックセル中に装入された流体サンプルを分析する入力及び出力信号を示す図である。入力信号は、ダイヤモンドセンサの量子スピン欠陥中のｍs＝±１電子スピン状態の縮退を分割し、流体サンプル中のディジェネレート核スピン状態を分割する静磁場（Ｂ0）、流体サンプル中の核スピン状態を操作する可変高周波磁場（ＲＦ）、ダイヤモンドサンプル中の電子スピン状態を操作する可変マイクロ波周波数磁場（ＭＷ）、ダイヤモンドセンサ中の量子スピン欠陥内の電子を励起状態に励起する励起光源（ＬＳ）及び量子スピン欠陥中の崩壊スピン状態からの蛍光信号（ＦＳ）を含む。
【００６８】
ダイヤモンド材料中の１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥のデコヒーレンス時間を向上させるよう高純度量子等級単結晶ダイヤモンド材料の使用の代替手段として又はこれに加えて、デコヒーレンス時間を増加させるよう適当なパルス順序を選択して利用するのが良い。したがって、スピン共鳴装置は、パルス信号をセンサ中の１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に与えてデコヒーレンス時間を増加させ、かくして感度を向上させるよう構成されているのが良い。代表的なパルス順序は、π／２パルス及び次のπパルス及び次の別のπ／２パルスを含む。
【００６９】
別のマイクロフルイディックセル構造
【００７０】
図７は、本発明の別の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを示している。この構成例では、少なくとも１つのダイヤモンド検出素子７０が１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥７４が内蔵された高純度量子等級ダイヤモンド層７２で構成されている。少なくとも１つのダイヤモンド検出素子７０は、低等級ダイヤモンド材料７６の第２の層を更に有する。低級ダイヤモンド材料７６及び高級ダイヤモンド材料７２は、好ましくは、単結晶ダイヤモンド材料を形成する。かかる構成例は、図８に示されているような多段ＣＶＤ成長プロセスを利用して製造されるのが良い。
【００７１】
図８は、本発明の実施形態としてのダイヤモンド利用マイクロフルイディックセンサを形成する段階的プロセスを示している。
【００７２】
ステップ（Ａ）では、比較的低純度単結晶ダイヤモンド材料の層８２を基体８０上で成長させる。
【００７３】
ステップ（Ｂ）では、高純度量子等級ダイヤモンドの第２の層８４を単結晶ＣＶＤダイヤモンドの低級層８２上に現場で成長させる。
【００７４】
ステップ（Ｃ）では、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥８６を量子等級ダイヤモンド材料の上面の近くに形成する。これは、打ち込み又は直接的成長によって、例えば、窒素濃度を増大させてＮＶ-欠陥をＣＶＤダイヤモンド材料中に成長させることによって行われるのが良い（アニールを８００℃で又はこれを超える温度で実施して空孔欠陥を動かしてこれら空孔欠陥が窒素欠陥と対をなし、それによりＮＶ-中心を形成するようになっている）。
【００７５】
結果的に得られた単結晶ＣＶＤダイヤモンドを除去し、そしてこれを処理して１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥に隣接して低い表面粗さ仕上げを形成し、そしてセルのチャネルに隣接したマイクロフルイディックセル中に組み込むのが良い。変形例として、別のＣＶＤダイヤモンド成長ステップを実施しても良い。例えば、ステップ（Ｄ）では、高純度ＣＶＤダイヤモンドの別の層８８を成長させ、次にステップ（Ｅ）に示されているように低級単結晶ダイヤモンド材料の別の層９０を成長させる。ステップ（Ｆ）では、ＣＶＤ単結晶層状構造を基体から除去し、次に、チャネル９２を１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥８０内に隣接してダイヤモンド結晶中に切断形成し、それによりマイクロフルイディックセルを形成する。
【００７６】
取り出し構造体を設けて感度を向上させるのが良い。取り出し構造体は、センサのダイヤモンド本体の形成後に形成されても良く、或いは、センサのダイヤモンド本体を形成するプロセスの一体部分としてセンサのダイヤモンド本体の形成中に形成しても良い。取り出し構造体を例えばセンサのダイヤモンド表面内に形成しても良く、即ち、取り出し構造体をセンサのダイヤモンド表面により一体に形成する。図９は、ダイヤモンドセンサ９４、チャネル９６、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥９８及び取り出し構造体１００を有するマイクロフルイディックセルの別の実施形態を示している。図示の実施形態は、図７に示された実施形態の場合と同様、低純度及び高純度単結晶ダイヤモンド層１０２，１０４を備えたダイヤモンドセンサを有する。しかしながら、当然のことながら、ダイヤモンドセンサは、取り出し構造体と組み合わされた例えば図３に示されているより単純な構造体を有しても良い。
【００７７】
取り出し構造体は、凸面、マイクロレンズアレイ、固体浸漬レンズ（ＳＩＬ）、複数の表面窪み又はナノ構造体、回折格子、フレネルレンズ及び例えば反射防止膜のような被膜のうちの１つ又は２つ以上から成るのが良い。さらに、取り出し構造体は、高品質単結晶ダイヤモンド材料の一部分内に配置された１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥からの光の取り出し量を増大させるよう位置決めされているのが良い。鏡、例えばブラッグ（Bragg）ミラーを更にセンサの表面上に取り付け、被着させ又はエッチングにより設けて検出器に向かう取り出し量を増大させるのが良い。
【００７８】
図１０及び図１１は、本発明の実施形態としてのマイクロフルイディックセルを形成する方法の別の例を示している。両方の図は、量子スピン欠陥を打ち込むのではなく成長させるステップを有する方法を示しており、これら方法は、マイクロフルイディックチャネルと量子スピン欠陥との間の間隔をどのように調節するかの問題に取り組んでいる。
【００７９】
図１０は、複数のマイクロフルイディックチャネル及び複数の欠陥線を備えたマイクロフルイディックを形成する方法を示している。各チャネルは、その長さに沿ってチャネルから一様に間隔を置いて位置した少なくとも１本の欠陥線を有している。
【００８０】
ステップ（Ａ）では、ダイヤモンド材料の層状スタックをＣＶＤの利用により成長させる。スタック１０の各水平線１１０は、量子スピン欠陥を有するダイヤモンドの薄い層を表している。例えば、成長中、窒素含有量を周期的に増加させてＮＶ-欠陥を含む一連の薄い層を形成する。これら薄い量子スピン欠陥を含む層を固有ダイヤモンド層１１２によって互いに分離するのが良い。
【００８１】
層状構造体いったん形成すると、これを例えばレーザ切断によって垂直線１１４に沿って劈開させ、それにより量子スピン欠陥の一連の線を含む層を形成する。
【００８２】
ステップ（Ｂ）では、上述の層を基体として用いてこの上に高純度ダイヤモンド層１１６を成長させる。次に、この層を水平線１１８に沿って劈開させて高純度ダイヤモンド層１１６を生じさせ、量子スピン欠陥の線を含む薄い層をこの高純度ダイヤモンド層１１６上に被着させる。劈開は、レーザを用いて又は打ち込み解除機構を用いて実施されるのが良い。打ち込み解除は、特に、これが極めて薄い層を生じさせることができるので有用な場合がある。
【００８３】
ステップ（Ｃ）では、一連のチャネル又は溝１２０を薄い層中に切断形成し、その結果、各チャネル１２０が量子スピン欠陥の少なくとも１本の線１１０に平行にしかもこれから短く且つ一様な距離を置いて延びるようにする。
【００８４】
最後に、ステップ（Ｄ）において、別の層１２２をチャネル１２０上に被着させてチャネルを封止すると共にマイクロフルイディックセルを形成する。
【００８５】
図１１は、マイクロフルイディックチャネルの周りに設けられたリング状に配列された量子スピン欠陥を有するマイクロフルイディックセルを形成する方法を示している。
【００８６】
ステップ（Ａ）では、ダイヤモンド材料層１３０を提供する。これは、高純度ダイヤモンド材料であるのが良い。
【００８７】
ステップ（Ｂ）では、リング形の溝／チャネル１３２をダイヤモンド層１３０の表面中に切断形成する。
【００８８】
ステップ（Ｃ）において、量子スピン欠陥を有する層１３４を層１３０上に被着させる。
【００８９】
ステップ（Ｄ）において、量子スピン欠陥の層を平坦化して量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料だけがリング形溝内に残るようにし、かくして、リング状の量子スピン欠陥を含むダイヤモンド材料１３６が形成される。
【００９０】
最後に、ステップ（Ｅ）において、リング状の量子スピン欠陥を含むダイヤモンド材料を貫通して延びるチャネル１３８を形成する。
【００９１】
実施例合成
【００９２】
（００１）の約５°の範囲内の１対のほぼ平行な主要面を備えた合成型１ｂＨＰＨＴダイヤモンドプレートを選択した。このプレートを以下のステップを含む方法によって単結晶ＣＶＤダイヤモンド材料のホモエピタキシャル合成に適した正方形基体の状態に作製した。
ｉ）基体をレーザ切断して全て＜１００＞エッジを備えたプレートを作製し、
ｉｉ）成長が起こる予定の主要表面をラップ仕上げすると共に研磨し、ラップ仕上げされると共に研磨された部分は、全ての結晶面｛１００｝を備えた厚さ５３５μｍの約３．６ｍｍ×３．６ｍｍの寸法を有している。
【００９３】
基体表面のところ又はこれよりも下に位置する欠陥レベルは、欧州特許第１，２９２，７２６号明細書、及び同第１，２９０，２５１号明細書に開示されているように基体の注意深い調製によって最小限に抑えられる。露呈（revealing）プラズマエッチングを用いることによりこの方法によって導入された欠陥レベルを露呈させることができる。露呈エッチング後に測定可能な欠陥の密度が主として材料の品質に依存し、５×１０3ｍｍ-2未満、一般的には１０2ｍｍ-2未満である基体を作製することが慣例的に可能である。基体を基体キャリヤに取り付けた。次に、基体及びそのキャリヤをＣＶＤ反応器チャンバ内に導入し、ガスを以下のようにチャンバ内に送り込むことによってエッチング及び成長サイクルを開始させた。
【００９４】
最初に、現場酸素プラズマエッチングを１６５トル圧力及び８０３℃の基体温度で実施し、次に、水素エッチングを行い、酸素をこの段階でガス流から除去した。次に、第１段成長プロセスを４０ｓｃｃｍ（毎分標準立方センチメートル）でメタンの追加によって開始させた。窒素を加えて気相中に７００ｐｐｂのレベルを達成した。水素は又、プロセスガス中にも存在した。この段階での基体温度は、８６６℃であった。次に、メタン含有量を１７５ｓｃｃｍまで増大させた。これら成長条件は、先のテストランに基づいて２．０±０．２の範囲のαパラメータ値を与えるよう選択された。
【００９５】
段階１の実施後、成長層は、厚さ１．７ｍｍに達し、気相に追加された窒素を除去することによって段階２の成長を開始させた。段階２の成長層が厚さ０．９ｍｍに達した後、成長を終了させた。
【００９６】
成長したＣＶＤダイヤモンドプレートの研究結果として明らかになったことは、この成長したＣＶＤダイヤモンドプレートには（００１）結晶面にツイン及びクラックが実質的になく、＜１１０＞側部によって境界付けられ、ツイン自由頂部（００１）結晶面の合成後寸法を５．４ｍｍ×５．４ｍｍまで増大させた。
【００９７】
次に、上述の方法によって作られたＣＶＤダイヤモンド材料を、ＮＶ-欠陥の層を打ち込み、このＮＶ-欠陥の層に隣接した表面を研磨し、そして研磨表面に隣接してマイクロフルイディックチャネルを形成することによってセンサ中に加工するのが良い。
【００９８】
産業上の利用分野
【００９９】
本発明の或る特定の実施形態は、流体サンプルを分析する小型で頑丈な携帯できるスピン共鳴装置、好ましくは手持ち型装置を提供する。本発明の一観点は、マイクロフルイディックセルであって、マイクロフルイディックセルのチャネル内に入れられた流体サンプルからのスピン共鳴信号を検出するのに適したダイヤモンドセンサを有するマイクロフルイディックセルに関する。本発明の別の観点は、マイクロフルイディックセルに用いられるよう構成されたスピン共鳴装置に関する。スピン共鳴装置は、核スピン共鳴（ＮＭＲ）装置及び／又は電子スピン共鳴（ＥＳＲ）装置であるのが良い。マイクロフルイディックセルは、スピン共鳴装置の一体コンポーネントとして提供されても良く、或いは、スピン共鳴装置は、マイクロフルイディックセルをスピン共鳴装置内に取り外し可能に設けることができるよう構成されていても良い。
【０１００】
本発明の実施形態は、広範な考えられる利用分野を有する。例えば、或る特定の実施形態は、現場で、医師の外科手術の際及び患者の診断及び迅速な治療のための新たな機会を開く世界中の病院で利用できる装置を提供するよう特定の分析実験室でしか現在利用できないものに取って代わる手持ち型医療診断装置を提供することができる。基本的技術は、低コストであり、ダイヤモンドデータを有用な分析データに変換するのに必要な較正データは、既に存在している。
【０１０１】
実際には、携帯可能な低コストＮＭＲ機械は、少なからず、過酷な化学的及び物理的環境がダイヤモンドを優れた選択肢にするインサイチューダウンウェル（in-situ down well）分析について他の多くの利点を有する可能性が多分にある。この特性をダイヤモンド利用電気化学センサに結びつけることができる。
【０１０２】
マイクロフルイディックセル内で検出材料としてダイヤモンドを用いた場合の利点としては、次のことが挙げられる。
（ａ）ダイヤモンドの生体適合性
（ｂ）ダイヤモンド機能の他の観点を例えば人に用いられる場合、電気化学滅菌のための硼素ドープト先端部に組み込むことができる。
（ｃ）ダイヤモンドの機械的頑丈さ
（ｄ）ダイヤモンドの一般的不活性
（ｅ）ダイヤモンド中の欠陥の安定性
（ｆ）ダイヤモンド中の欠陥の温度不敏感性
本発明の或る特定の実施形態によれば、感度と空間解像度の前例のない組み合わせにより電子及び核スピンにより生じる磁場及び／又は電場を測定する方法を提供する。ＭＲＩ及び／又はＮＭＲ装置を大きな磁場の必要なく、ダイヤモンドチップ中に組み込むことができる。ダイヤモンド利用マイクロフルイディックセルを用いると、ＮＶ-欠陥のアンサンブルによって少量の液体を通すことができ、ＭＲＩ及び／又はＮＭＲスキャンをサンプルに対して実施することができる。かかるスキャナは、生物医学的用途から廃水処理管理までの用途範囲で用いることができる。例えば、血液のＮＭＲ分析は、血液サンプルが分析のために遠くに送られる日常的な測定として既に用いられている。例えば、Liposcience（商標）は、ＮＭＲを用いて低密度リポタンパクの濃度を測定する。リポタンパクは、動脈壁と相互作用し、アテローム性動脈硬化症を招く事象の連鎖現象を生じさせる。ダイヤモンド利用マイクロフルイディックセルを有するコンパクトなスキャナが血液に対して現場でＭＲＩ／ＮＭＲを実施し、それにより迅速な医学的診断及び治療応答を可能にする。
【０１０３】
本発明を好ましい実施形態に関して図示すると共に具体的に説明したが、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲から逸脱することなく、形態及び細部の種々の変更を行うことができることは当業者には理解されよう。
【図１（ａ）】
2013537303.tif 000003
【図１（ｂ）】
2013537303.tif 000004
【図２ａ】
2013537303.tif 000005
【図２ｂ】
2013537303.tif 000006
【図３】
2013537303.tif 000007
【図４】
2013537303.tif 000008
【図５】
2013537303.tif 000009
【図６】
2013537303.tif 000010
【図７】
2013537303.tif 000011
【図８】
2013537303.tif 000012
【図９】
2013537303.tif 000013
【図１０（Ａ）−１０（Ｄ）】
2013537303.tif 000014
【図１１（ａ）−１１（ｅ）】
2013537303.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成25年5月2日(2013.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロフルイディックセルであって、
流体サンプルを受け入れるマイクロフルイディックチャネルと、
前記マイクロフルイディックチャネルに隣接して設けられたセンサとを有し、
前記センサは、１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を有するダイヤモンド材料から成り、
前記ダイヤモンド材料は、前記マイクロフルイディックチャネルを構成する壁の少なくとも一部分を形成し、
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、前記マイクロフルイディックチャネルの前記壁から１００ｎｍ以下の距離を置いたところに配置され、
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、０．０５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ2を有する、マイクロフルイディックセル。
【請求項２】
前記ダイヤモンド材料の少なくとも１つの部分は、２０ｐｐｂ以下、１０ｐｐｂ以下、５ｐｐｂ以下、１ｐｐｂ以下、又は０．５ｐｐｂ以下の中性単一置換窒素濃度、０．１５ｐｐｂ以下、０．１ｐｐｂ以下、０．０５ｐｐｂ以下、０．００１ｐｐｂ以下、０．０００１ｐｐｂ以下又は０．００００５ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度及び０．９％以下、０．７％以下、０．４％以下、０．１％以下、０．０１％以下又は０．００１％以下の13Ｃの全濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されている、請求項１記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項３】
前記ダイヤモンド材料の少なくとも１つの別の部分は、３０ｐｐｂ以上、５０ｐｐｂ以上、１００ｐｐｂ以上、２００ｐｐｂ以上、３００ｐｐｂ以上、５００ｐｐｂ以上、７００ｐｐｂ以上又は８００ｐｐｂ以上の単一置換窒素濃度、０．３ｐｐｂ以上、０．５ｐｐｂ以上、１ｐｐｂ以上、２ｐｐｂ以上、３ｐｐｂ以上、５ｐｐｂ以上、７ｐｐｂ以上又は８ｐｐｂ以上のＮＶ-濃度及び自然存在比の13Ｃのうちの１つ又は２つ以上を有する単結晶ダイヤモンド材料で形成されている、請求項２記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項４】
前記少なくとも１つの別の部分は、前記少なくとも１つの部分の少なくとも５倍、少なくとも１０倍、少なくとも２０倍、少なくとも５０倍、少なくとも１００倍、少なくとも５００倍、少なくとも１０００倍又は少なくとも１００００倍の中性単一置換窒素濃度を有する、請求項３記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項５】
前記少なくとも１つの別の部分は、５ｐｐｍ以下、２ｐｐｍ以下又は１ｐｐｍ以下の中性単一置換窒素濃度及び５０ｐｐｂ、２０ｐｐｂ若しくは１０ｐｐｂに等しく又は５０ｐｐｂ以下、２０ｐｐｂ以下若しくは１０ｐｐｂ以下のＮＶ-濃度のうちの１つ又は２つ以上を有する、請求項３又は４記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項６】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、１つ又は２つ以上のＮＶ-欠陥を含む、請求項１〜５のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項７】
複数の量子スピン欠陥が前記マイクロフルイディックチャネルに沿って前記マイクロフルイディックチャネルから１００ｎｍ以下、８０ｎｍ以下、５０ｎｍ以下、３０ｎｍ以下、２０ｎｍ以下又は１０ｎｍ以下の距離を置いたところに配置されている、請求項１〜６のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項８】
取り出し構造体が光の取り出しを増加させるために前記ダイヤモンド材料の表面のところに形成されている、請求項１〜７のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項９】
前記取り出し構造体は、前記ダイヤモンド材料の表面内に形成され、前記取り出し構造体は、前記ダイヤモンド材料の前記ダイヤモンド表面によって一体に形成されている、請求項８記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１０】
前記壁の前記一部分は、スピンゼロ種を末端基としている、請求項１〜９のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１１】
前記壁の前記一部分は、酸素を末端基としている、請求項１〜１０のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１２】
前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥は、０．１ｍｓ以上、０．１ｍｓ以上、０．３ｍｓ以上、０．６ｍｓ以上、１ｍｓ以上、５ｍｓ以上又は１５ｍｓ以上のデコヒーレンス時間Ｔ2を有する、請求項１〜１１のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセル。
【請求項１３】
スピン共鳴システムであって、
請求項１〜１２のうちいずれか一に記載のマイクロフルイディックセルと、
前記マイクロフルイディックセルを受け入れるセル受け入れベイを有するスピン共鳴装置とを有し、前記スピン共鳴装置は、
前記セル受け入れるベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記マイクロフルイディックチャネル内に配置されたサンプル内の量子スピンを操作する第１の可変振動フィールド発生器と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を操作する第２の可変振動フィールド発生器と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の前記１つ又は２つ以上の量子スピン欠陥を光学的にポンピングする光源と、
前記セル受け入れベイ内に設けられたときに前記マイクロフルイディックセルの前記センサ内の１つ又は２つ以上の崩壊量子スピン欠陥からの放出光を検出する検出器とを有する、スピン共鳴システム。
【請求項１４】
前記第１の可変振動フィールド発生器及び前記第２の可変振動フィールド発生器は、磁場又は電場発生器である、請求項１３記載のスピン共鳴システム。
【請求項１５】
静的フィールド発生器を更に有する、請求項１３又は１４記載のスピン共鳴システム。
【請求項１６】
前記セル受け入れベイは、前記マイクロフルイディックセルを取り外し可能に取り付けるよう構成されている、請求項１３〜１５のうちいずれか一に記載のスピン共鳴システム。
【請求項１７】
量子スピン欠陥を前記マイクロフルイディックチャネルに沿って別々にアドレスして前記量子スピン欠陥が前記マイクロフルイディックチャネルに沿って下方に進んでいるときに化学的プロセスをモニタするよう構成されている、請求項１３〜１６のうちいずれか一に記載のスピン共鳴システム。
【国際調査報告】
2013537303.tif 000016
2013537303.tif 000017
2013537303.tif 000018
2013537303.tif 000019
2013537303.tif 000020