(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
センサーチップと、
試料分子を含む流体試料を吸引し前記センサーチップに吸着させる吸引部と、
前記センサーチップに光を照射する光源と、
前記センサーチップへ照射する光強度を調整する光強度調整部と、
前記センサーチップ上に吸着した試料分子を反映する光を用いて前記試料分子を検出する光検出部と、
前記吸引部及び前記光強度調整部を制御する制御部と、を有し、
前記光検出部が検出する期間を含む第１モードにおける前記センサーチップ上での前記流体試料の流速をＶ１とし、第２モードでは、前記センサーチップ上での前記流体試料の流速をＶ２とするとき、前記吸引部は、Ｖ２＞Ｖ１となるように前記流体試料の流速を制御し、
前記第１モードにおける前記センサーチップ上の前記光源からの光強度をＬ１とし、前記第２モードにおける前記センサーチップ上の前記光強度をＬ２とするとき、前記光強度調整部は、Ｌ２＞Ｌ１となるように前記光強度を制御し、
前記光検出部からの信号に基づいて前記制御部は前記第１モードと前記第２モードとを切り替えることを特徴とする検出装置。
【請求項２】
請求項１に記載の検出装置において、
前記センサーチップは、前記流体試料のラマン散乱光を発生させ、
前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質のラマン散乱光を検出することを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項１または２に記載の検出装置において、
前記光強度調整部は光学フィルターを備え、前記光学フィルターを切り替えて光強度を調整することを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記吸引部は負圧発生部を含み、
前記制御部は前記負圧発生部の駆動条件を制御することを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記制御部は、前記光検出部が出力する信号レベルを第１判定値と比較し、前記信号レベルが前記第１判定値以上となった時に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項５に記載の検出装置において、
前記制御部は、前記光検出部が出力する信号レベルが第２判定値以下となった時に、前記第２モードから前記第１モードに切り替えることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記第１モードで標準試料を前記流体試料を介して前記センサーチップに供給する供給部をさらに有し、
前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質とは異なる波長にて、前記標準試料を反映する光を検出し、
前記制御部は、前記光検出部が出力する前記検査対象の物質を反映した信号が前記第１判定値未満であっても、前記標準試料を反映した信号が第３判定値以上となった時に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えることを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項７に記載の検出装置において、
前記制御部は、前記光検出部が出力する前記検査対象の物質を反映した信号が前記第２判定値よりも高くても、前記標準試料を反映した信号が第４判定値以下となった時に、前記第２モードから前記第１モードに切り替えることを特徴とする検出装置。
【請求項９】
請求項７または８に記載の検出装置において、
前記供給部は、前記第１モード中に前記標準試料を一定量だけ供給することを特徴とする検出装置。
【請求項１０】
請求項７〜９のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記標準試料は、ヘテロ環、ベンゼン環、ＣＯＯＨ基、ＯＨ基、ＣＨＯ基、Ｓ原子、Ｎ原子の少なくとも１つを有する分子であることを特徴とする検出装置。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか一項に記載の検出装置において、
前記制御部は、少なくとも前記第２モードと前記第１モードとを繰り返して切り替え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、検出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance：表面プラズモン共鳴）、特にＬＳＰＲ（Localized Surface Plasmon Resonance：局在表面プラズモン共鳴）を利用したＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering：表面増強ラマン散乱）分光が注目されている（特許文献１，２）。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１０2〜１０14倍増強される現象である。レーザー等の単一波長の励起光を試料分子に照射する。励起光の波長から試料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、試料分子の指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルの形状から、試料分子を同定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第３７１４６７１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５６５８７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この種の表面プラズモン共鳴センサーは、基板上に金や銀等の金属微粒子を基板上に固定したものである。このセンサーを備えた検出装置は、表面プラズモン共鳴センサーの金属ナノ粒子に吸着された試料分子に光を照射し、増強されたラマン散乱光を検出する。
【０００５】
ここで、表面プラズモン共鳴センサーの用途の１つとして、例えば、環境汚染物質のモニタリングが挙げられている。汚染物質をモニタリングするには、リアルタイムで連続して汚染物質を検出しなければならない。しかし、上述した検出装置では、表面プラズモン共鳴センサーの金属ナノ粒子に吸着された試料分子が汚染物質であるか否かは検出できるが、一回の検出に止まる。よって、例えば、空間中の試料分子の有無をリアルタイムで何度も検出したとき、試料分子がある濃度以上で確実に存在するか、あるいはある濃度以下で確実に存在しないかを信頼性を高めて検出することができなかった。そこで、信頼性が高く連続した計測が可能な検出装置が求められていた。尚、この連続した計測は、クリーニング期間と物質検出期間とを合わせて計測期間としたときに計測期間が連続することを示す。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、上述の課題の少なくとも一部を解決するためになされたものであり、以下の形態または適用例として実現することが可能である。
【０００７】
［適用例１］本適用例にかかる検出装置は、センサーチップと、試料分子を含む流体試料を吸引し前記センサーチップに吸着させる吸引部と、前記センサーチップに光を照射する光源と、前記センサーチップへ照射する光強度を調整する光強度調整部と、前記センサーチップ上に吸着した試料分子を反映する光を用いて前記試料分子を検出する光検出部と、前記吸引部及び前記光強度調整部を制御する制御部と、を有し、前記光検出部が検出する期間を含む第１モードにおける前記センサーチップ上での前記流体試料の流速をＶ１とし、第２モードでは、前記センサーチップ上での前記流体試料の流速をＶ２とするとき、前記吸引部は、Ｖ２＞Ｖ１となるように前記流体試料の流速を制御し、前記第１モードにおける前記センサーチップ上の前記光源からの光強度をＬ１とし、前記第２モードにおける前記センサーチップ上の前記光強度をＬ２とするとき、前記光強度調整部は、Ｌ２＞Ｌ１となるように前記光強度を制御し、前記光検出部からの信号に基づいて前記制御部は前記第１モードと前記第２モードとを切り替えることを特徴とする。
【０００８】
本適用例によれば、第１モードでは、流速Ｖ１で吸引される流体試料中の試料分子をセンサーチップに吸着することができる。この第１モードで、センサーチップに光源からの光を光強度Ｌ１で照射すると、センサーチップに吸着された試料分子が反映された光が生ずる。光検出部はセンサーチップからの光を検出することができる。一方、第２モードでは、第１モードでの流速Ｖ１よりも大きい流速Ｖ２に設定され、且つ光強度がＬ１よりも大きいＬ２に設定される。よって、第２モードではセンサーチップに吸着された試料を光エネルギー供与に由来する熱エネルギーと流体試料が流動する力によって効率的に脱離させることができる。
【０００９】
このように、第１モードと第２モードとを交互に実施すると、一旦センサーチップに吸着された試料を脱離させることができる。こうして、検査後にセンサーチップをクリーンアップすることができ、前回検査した時の影響を残すことなく次回の検査を繰り返し実施することが可能となる。よって、第１モードと第２モードを切り替えることにより、連続して検査することが可能となる。しかも、検査後にセンサーチップをクリーンアップできる。そして、光検出部からの信号に基づいて第１モードと第２モードとを切り替えている為、信頼性が高く連続した計測を行うことができる。尚、連続した計測は第１モードと第２モードとを合わせて計測期間としたときに計測期間が連続することを示す。
【００１０】
［適用例２］上記適用例に記載の検出装置では、前記センサーチップは、前記流体試料のラマン散乱光を発生させ、前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質のラマン散乱光を検出することが好ましい。
本適用例によれば、ラマン散乱光は検査対象の物質を反映した信号であり、流体試料中にて検査対象の物質の有無を判定することができる。
【００１１】
［適用例３］上記適用例に記載の検出装置では、前記光強度調整部は光学フィルターを備え、前記光学フィルターを切り替えて光強度を調整することが好ましい。
本適用例によれば、透過率の異なるフィルターを切り替えることで光強度を調整している。このとき、フィルターの光透過率を機械的に制御することによって光強度調整部を通過する光強度を簡単に変化させることができる。
【００１２】
［適用例４］上記適用例に記載の検出装置では、前記吸引部は負圧発生部を含み、前記制御部は前記負圧発生部の駆動条件を制御することが好ましい。
本適用例によれば、負圧発生部の駆動条件、例えば、単位時間あたりの流体輸送量を調整制御することで、センサーチップ上における流体試料の流速を制御することができる。
【００１３】
［適用例５］上記適用例に記載の検出装置では、前記制御部は、前記光検出部が出力する信号レベルを第１判定値と比較し、前記信号レベルが前記第１判定値以上となった時に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えることが好ましい。
【００１４】
本適用例によれば、第１モードにて吸引される流体試料中の試料分子がセンサーチップに吸着され、それに伴い光検出部からの信号の強度が大きくなる。この信号レベルが第１判定値に達する前に試料分子の有無の検査を実施する。そして、光検出部の信号レベルが第１判定値以上となれば、第１モードから第２モードに切り替えている。そして、第２モードでは吸着された試料分子を脱離させている。従って、センサーチップのクリーンアップを開示する時期を判断することができる。
【００１５】
［適用例６］上記適用例に記載の検出装置では、前記制御部は、前記光検出部からの信号レベルが第２判定値以下となった時に、前記第２モードから前記第１モードに切り替えることが好ましい。
本適用例によれば、第２モードにてセンサーチップから試料分子を脱離させている。光検出部からの信号レベルが第２判定値以下であれば充分に脱離が行われたと判断し、第２モードを終了し、第１モードに移行している。従って、センサーチップのクリーンアップを終了する時期を判断することができる。
【００１６】
［適用例７］上記適用例に記載の検出装置では、前記第１モードで標準試料を前記流体試料を介して前記センサーチップに供給する供給部をさらに有し、前記光検出部は、前記流体試料中に存在し得る検査対象の物質とは異なる波長にて、前記標準試料を反映する光を検出し、前記制御部は、前記物質を反映した信号が前記第１判定値未満であっても、前記標準試料を反映した信号レベルが第３判定値以上となった時に、前記第１モードから前記第２モードに切り替えることが好ましい。
【００１７】
本適用例によれば、標準試料を反映した信号と第３判定値との対比に基づく制御を併行して実施することにより、第１モードから第２モードに移行する時期を判断している。従って、例えばトリニトロトルエン（ＴＮＴ）分子のように試料分子が通常時は存在しないか極微量である場合でも第１モードから第２モードに移行する時期を判断することができる。
【００１８】
［適用例８］上記適用例に記載の検出装置では、前記制御部は、前記検査対象である試料分子に対応する前記光検出部からの信号レベルが前記第２判定値よりも高くても、前記標準試料に対応する前記光検出部からの信号レベルが第４判定値以下となった時に、前記第２モードから前記第１モードに切り替えることが好ましい。
【００１９】
本適用例によれば、標準試料を反映した信号と第４判定値との対比に基づく制御を併行して実施することにより、第２モードから第１モードに移行する時期を判断している。従って、例えばトリニトロトルエン（ＴＮＴ）分子のように試料分子が通常時は存在しないか極微量である場合でも第２モードから第１モードに移行する時期を判断することができる。
【００２０】
［適用例９］上記適用例に記載の検出装置では、前記供給部は、前記第１モード中に前記標準試料を一定量だけ供給することが好ましい。
本適用例によれば、供給部から流体試料中に一定量の標準試料が供給される。標準試料の総量を一定量とすることで、精度良く第１モードから第２モードに切り替えることができる。その結果、検査対象の物質が検出できない低濃度の場合でも、検査対象の物質の検出に適切な時間を第１モードに割り当てることができる。
【００２１】
［適用例１０］上記適用例に記載の検出装置では、前記標準試料は、ヘテロ環、ベンゼン環、ＣＯＯＨ基、ＯＨ基、ＣＨＯ基、Ｓ原子、Ｎ原子の少なくとも１つを有する分子であることが好ましい。
本適用例によれば、これらの官能基及び原子は比較的金属と吸着結合しやすく、確実に検出できる分子である。そのため標準試料として機能させることができる。
【００２２】
［適用例１１］上記適用例に記載の検出装置では、前記制御部は、少なくとも前記第２モードと前記第１モードとを繰り返して切り替えることが好ましい。
本適用例によれば、このように、第１モードの前に実施される第２モードにより、センサーチップはクリーンアップされる。これにより、検出装置の検出精度が高められる。そして、第１モードの後に実施される第２モードにより、次回の試料分子の検出前にセンサーチップをクリーンアップすることができる。従って、断続的に精度良く試料分子の検出を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】検出装置の構成を示すブロック図。
【図２】第１モード及び第２モードを説明するためのグラフ。
【図３】光エネルギーの供与とセンサーチップからの分子の脱離との関係を示す特性図。
【図４】第１モードにおける試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフ。
【図５】第２モードにおける試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフ。
【図６】ラマン散乱光の検出原理を説明するための模式図。
【図７】検出装置の構成を示す模式平面図。
【図８】検出装置の制御系ブロック図。
【図９】第１モードと第２モードとを示すタイムチャート。
【図１０】試料分子の測定結果の例を示すグラフ。
【図１１】ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。
【図１２】ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。
【図１３】変形例にかかる検出装置の構成を示す模式平面図。
【図１４】第１モードにおける試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフ。
【図１５】第２モードにおける試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフ。
【図１６】ＴＮＴ分子のＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。
【図１７】第１モード及び第２モードを説明するためのグラフ。
【図１８】ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフ。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。尚、以下の各図においては、各部材を認識可能な程度の大きさにするため、各部材の尺度を実際とは異ならせしめている。尚、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総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】
（実施形態）
１．検出装置の基本構成
図１は、本実施形態の検出装置の構成を示すブロック図である。図１に示すように、検出装置１０は、センサーチップ（光デバイス）２０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０と、制御部７１と、光強度調整部２９０とを有する。センサーチップ２０と光源５０との間及びセンサーチップ２０と光検出部６０との間には光学系３０が設置されている。本実施形態では、流体試料は例えば大気であり、検査対象の物質は大気中の特定気体分子（試料分子）とすることができるが、これに限定されない。
【００２６】
吸引部４０は負圧発生部、例えばファン４５０を備え、流体試料を吸引する。負圧発生部はファンに限らずチューブポンプ、ダイヤフラム式ポンプ等のポンプなど、吸引部４０にて負圧を発生させて流体試料を吸引できるものであれば良い。そして、吸引した流体試料に含まれる検査対象の物質をセンサーチップ２０に吸着させる機能を備えている。光源５０から射出された光は、光強度調整部２９０及び光学系３０を介してセンサーチップ２０を照射する。光強度調整部２９０は、例えば、減光フィルター等の光学フィルターから成っている。そして、光強度調整部２９０は光学フィルターを切り替えることにより、センサーチップ２０を照射する光強度を調整する。光学系３０は、例えば、ハーフミラー３２０及び対物レンズ３３０等から構成されている。センサーチップ２０に吸着された試料分子に照射され散乱した光はＬＳＰＲ（局在表面プラズモン共鳴）で増強され、ＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）光となって射出される。射出されたＳＥＲＳ光は対物レンズ３４およびハーフミラー３２を通過する。そして、通過した光は光検出部６０に集光され、光検出部６０は光を検出する。
【００２７】
図２は、第１モード及び第２モードを説明するためのグラフである。図２において、切替え線３５は流速と光強度との推移を示している。切替え線３５が示すように、制御部７１は、光検出部６０からの信号に基づいて、第１モード２と第２モード３を切り替える制御を行う。そして、制御部７１は、第２モード３と第１モード２とを繰り返して切り替える。ここで、第１モード２は、センサーチップ２０に流体試料中の検査対象の物質を吸着させて、光検出部６０にて散乱光を検出する。第１モード２ではセンサーチップ２０上での流体試料の流速ＶがＶ１（ｍ／分）となるように制御部７１がファン４５０を制御する。さらに、制御部７１は、光源５０から射出される光の光強度がＬ１（ｍＷ）となるように光源５０を制御する。
【００２８】
第２モード３は、センサーチップ２０から流体試料中の検査対象の物質を脱離させる。第２モード３では流速がＶ２（Ｖ２＞Ｖ１）となるように制御部７１がファン４５０を制御する。さらに、光源５０から射出される光の光強度がＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）となるように光源５０を制御する。このとき、制御部７１は、光強度調整部２９０の減光フィルターを光路から外すよう駆動制御する。
【００２９】
ファン４５０は、第１モード２では流体試料輸送量がＷ１（ｍｌ／分）であり、第２モード３では流体試料輸送量がＷ２（ｍｌ／分）であり、Ｗ２＞Ｗ１を満たす。流体試料輸送量の制御は、ファン４５０を制御しても良いし、他にもバルブやシャッターを設置して、バルブやシャッターの開口面積を変化させても良い。ファン４５０、バルブ、シャッター等の制御の結果として、センサーチップ２０上の検査対象の物質を運搬する流体試料の速度を制御できれば良い。
【００３０】
光強度調整部２９０は、第１モード２では光源５０から出力される光の光強度がＬ１（ｍＷ）であり、第２モード３では光強度がＬ２（ｍＷ）であるとき、Ｌ２＞Ｌ１を満たす。光源５０から出力される光の光強度の制御は、上述の通り減光フィルターでの調整を対象としても良いし、光源自体の発光強度を調整してもよい。制御の結果としてセンサーチップ２０上の光強度を可変できれば何れの方法でも良い。
【００３１】
図３は、光エネルギーの供与とセンサーチップからの検査対象の分子の脱離との関係を示す特性図である。図３において、第１推移線４は光強度が２ｍＷのときにセンサーチップ２０から試料分子が脱離する推移を示している。そして、第２推移線５は光強度が０．１ｍＷのときにセンサーチップ２０から試料分子が脱離する推移を示している。横軸は積算照射時間を示している。縦軸は光検出部６０が検出する信号の強さを示し、センサーチップ２０に吸着する試料分子の密度に対応する量となっている。
【００３２】
第１推移線４及び第２推移線５は積算照射時間が推移するのに従って、試料分子の密度が下降している。これは、センサーチップ２０から試料分子が離脱していることを示している。そして、第１推移線４の方が、第２推移線５より変化率が大きくなっている。つまり、Ｌ２＞Ｌ１とすることで光エネルギー供与によるセンサーチップ２０への試料分子の脱離性能が向上することを示している。
【００３３】
脱離特性が向上する理由は、励起光強度を増加させることで金属ナノ粒子に発現する自由電子の集団的振動（ＬＳＰＲ）によるジュール熱が増加するため、金属ナノ粒子に吸着した分子はそのジュール熱を得て脱離することができると考えられる。従って励起光強度を制御することによって脱離特性を制御することができる。
【００３４】
本実施形態では、第１モード２では、流速がＶ１で流動される流動試料中に含まれる検査対象の物質をセンサーチップ２０に吸着させることができる。この第１モード２を吸着モードとも称することができる。この第１モード２において、センサーチップ２０に光強度調整部２９０を介した光強度がＬ１の光を照射するとき、センサーチップ２０に吸着された検査対象の物質の特性が反映された光が生ずる。そして、この光が光検出部６０に集光されることにより、光検出部６０はセンサーチップ２０からの光を検出することができる。その意味で、第１モード２は検査が実施される検査モードとも称することができる。
【００３５】
一方、第２モード３では、第１モード２（吸着モードまたは検査モード）での流速がＶ１よりも大きいＶ２に設定され、且つ、光強度調整部２９０が作動して光源５０からの光強度がＬ２（Ｌ２＞Ｌ１）に設定される。よって、第２モード３ではセンサーチップ２０に吸着された検査対象の物質を流体により押し流す力と光エネルギーとにより効率的に脱離させることができる。従って、第２モード３を脱離モードと称することができる。
【００３６】
このように、第１モード２と第２モード３とを交互に実施すると、一旦センサーチップ２０に吸着された検査対象の物質を脱離させることができる。こうして、検査後にセンサーチップ２０をクリーンアップすることができ、前回検査時の影響を残すことなく次回の検査を繰り返し実施することが可能となる。例えば、図２に示すように第１モード２に先駆けて第２モード３を実施すると、常にフレッシュなセンサーチップ２０に検査対象の物質を吸着させて検査することができる。第１モード２、第２モード３を交互に繰り返し実施することにより、リアルタイムで連続した検査が可能となる。
【００３７】
ここで、第１モード２、第２モード３の各流速であるＶ１及びＶ２はセンサーチップ２０上での流体試料の流速であり、この流速がＶ１、Ｖ２となるようにファン４５０が駆動される。その際、第１モード２と第２モード３とを交互に繰り返し実施する場合には、第１モード２でのファン４５０の駆動を停止してもよい。この場合、第２モード３での流量や慣性を利用して、センサーチップ２０上での流体試料の流速Ｖ１（Ｖ１≠０）を確保できる。
【００３８】
第１モード２と第２モード３との切り替えは、光検出部６０の出力に基づいて行うことができる。第１モード２と第２モード３との間では、検査対象の物質の吸着または脱離によって光検出部６０が検出する光が変化するので、光検出部６０が出力する光検出信号が変化する。従って、光検出信号を用いて試料分子の吸着状況を検出することができる。
【００３９】
センサーチップ２０からはＬＳＰＲ（局在表面プラズモン共鳴）を利用したＳＥＲＳ（表面増強ラマン散乱）光が射出される。図４は、第１モードにおける試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフである。図４において、第１ＳＥＲＳ強度推移線６は、時刻Ｔ１〜時刻Ｔ２の第１モード２（吸着モードまたは検査モード）における光検出部６０が出力する検査対象物質である試料分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。時刻Ｔ１から開始される第１モード２では、センサーチップ２０に吸着される試料分子が増加する。従って、第１モード２ではＳＥＲＳ強度が増加する。よって、第１ＳＥＲＳ強度推移線６が上昇し第１判定値７をＳＥＲＳ強度が上回る時刻Ｔ２にて、制御部７１は第１モード２を終了することを判断する。そして、制御部７１は第１モード２から第２モード３へ移行させる。つまり、検出装置１０は光検出部６０が検出する信号レベルが第１判定値７以上となったときに第１モード２から第２モード３へ切り替えている。
【００４０】
図５は、第２モードにおける検査対象物質である試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフである。第２ＳＥＲＳ強度推移線８は、第２モード３（脱離モード）での光検出部６０が出力する試料分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。時刻Ｔ２から開始される第２モード３では、センサーチップ２０から脱離される試料分子が増加する。よって、第２モード３では試料分子のＳＥＲＳ強度が低下する。よって、図５に示す第２判定値９をＳＥＲＳ強度が下回った時刻Ｔ３にて、制御部７１は第２モード３を終了することを判断する。そして、制御部７１は第２モード３から第１モード２へ移行させる。つまり、検出装置１０は光検出部６０が検出する信号レベルが第２判定値９以下となったときに第２モード３から第１モード２へ切り替えている。
【００４１】
尚、ＳＥＲＳ強度は光検出部６０の受光素子にて受光されるフォトンの数に基づく値である。第１判定値７及び第２判定値９の値は特に限定されないが、本実施形態では例えば、第１判定値７はフォトン数で２００であり、第２判定値９はフォトン数で１００に設定している。
【００４２】
２．光検出の原理と構造の一例
次に、図６（ａ）〜図６（ｃ）を用いて、試料を反映した光検出原理の一例としてラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図６は、ラマン散乱光の検出原理を説明するための模式図である。図６（ａ）に示すように、センサーチップ２０に吸着される検査対象物質である試料分子１に入射光（振動数ν）が照射される。一般に、入射光の多くは、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または波長は入射光に対して変化しない。入射光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’）または波長には試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は試料分子１の特性を反映した光である。入射光の一部は試料分子１を振動させてエネルギーを失うが、試料分子１の振動エネルギーがラマン散乱光の振動エネルギーまた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。
【００４３】
図６（ｂ）は、センサーチップの要部模式拡大図である。図６（ｂ）に示すように入射光が基板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構造物として、誘電体からなる複数の凸部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、硼珪酸ガラス等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を用いて基板２００をエッチングすることで、例えば、図６（ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。尚、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００４４】
複数の凸部２１０上の第２構造物として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）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、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍの凸部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形成できる。
【００４５】
図６（ｂ）及び図６（ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子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粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子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粒子２２０内に励起され、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）により、入射光の電場よりも強い増強電場２３０が形成される。この現象は、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００４６】
図６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）光が生ずる。つまり、増強電場２３０に試料分子１が入り込むと、その試料分子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、強くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子１が微量であっても、検出感度を高めることができる。
【００４７】
以下にて説明する試料分子の「吸着」という現象は、試料分子が金属ナノ粒子２２０に衝突する衝突分子の数（分圧）が支配的である現象であり、物理吸着及び化学吸着の一方又は双方を含む。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。吸着エネルギーは気体分子の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り超えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。一方、脱離には外力が必要である。また、センサーチップ２０に流体試料を吸引することとは、換言すると、その内部にセンサーチップ２０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、流体試料をセンサーチップ２０に接触させることである。
【００４８】
３．検出装置の具体的な構成
図７は、検出装置の構成を示す模式平面図である。図７に示すように、検出装置１０はセンサーチップ２０と、光強度切替用の減光フィルターを有する光強度調整部２９０、光学系３０と、吸引部４０と、光源５０と、光検出部６０と、制御部７１を含む処理部７０を有している。
【００４９】
光源５０は例えばレーザーであり、小型化の観点から好ましくは垂直共振型面発光レーザーを用いることができるが、これに限定されない。光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０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、光源５０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。
【００５０】
コリメーターレンズ３１０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）３２０によりセンサーチップ２０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、センサーチップ２０に入射する。センサーチップ２０には、図６に示す金属ナノ粒子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３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。
【００５１】
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３４０で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０ではまず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（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６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０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６２０を通過する光の波長は、制御部７１により制御（選択）することができる。受光素子６３０によって、試料分子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、試料分子１を特定することができる。
【００５２】
吸引部４０は、吸引口４００と排出口４１０との間に誘導部４２０を有する。試料分子１を含む流体試料は、吸引口４００（搬入口）から誘導部４２０の内部に導入され、排出口４１０から誘導部４２０の外部に排出される。吸引口４００側に除塵フィルター４０１を設けることができる。検出装置１０は、排気するファン４５０を排出口４１０付近に有し、ファン４５０を作動させると、誘導部４２０の吸引流路４２１、センサーチップ２０付近の流路４２２及び排出流路４２３内の圧力（気圧）が低下する。これにより、流体試料と共に試料分子１が誘導部４２０に吸引される。流体試料は、吸引流路４２１を通り、センサーチップ２０付近の流路４２２を経由して排出流路４２３から排出される。このとき、試料分子１の一部がセンサーチップ２０の表面（電気伝導体）に付着する。
【００５３】
検査対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができ、特に本実施形態はこれらの試料分子１をリアルタイムで連続して検出するのに適している。
【００５４】
検出装置１０は、筐体１００を有し、筐体１００内に例えば光学系３０、光源５０、光検出部６０及び処理部７０を有する。さらに、検出装置１０は、筐体１００に電力供給部８０、通信接続部９０及び電源接続部９２を含むことができる。電力供給部８０は、電源接続部９２からの電力を、光源５０、光検出部６０、処理部７０及びファン４５０等に供給する。電力供給部８０は、例えば２次電池で構成することができ、１次電池、ＡＣアダプター等で構成してもよい。通信接続部９０は処理部７０と接続され、処理部７０に対してデータや制御信号等を媒介する。検出装置１０は、カバー１１０を有し、カバー１１０は、センサーチップ２０等を格納することができる。
【００５５】
処理部７０は光源５０以外の光検出部６０、ファン４５０等への命令を送ることができる。さらに、処理部７０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行することができ、処理部７０は、標的物である試料分子１を特定することができる。尚、処理部７０は、ラマン散乱光による検出結果、ラマンスペクトルによる分光分析結果等を例えば通信接続部９０に接続される外部機器（図示せず）に送信することができる。
【００５６】
図８は、検出装置の制御系ブロック図である。図８に示すように、検出装置１０は制御部７１を備えている。制御部７１には、インターフェイス１２０、表示部１３０及び操作部１４０等をさらに含むことができる。また、処理部７０は、例えばＣＰＵ７２（Central Processing Unit）、ＲＡＭ７３（Random Access Memory）、ＲＯＭ７４（Read Only Memory）等を有することができる。さらに、制御部７１は、例えば、光源ドライバー５２、分光ドライバー６２２、受光回路６３２、ファンドライバー４５２及び光調整ドライバー２９２を含むことができる。
【００５７】
光源ドライバー５２は光源５０を駆動し、分光ドライバー６２２は分光器６２０を駆動する。受光回路６３２は受光素子６３０を駆動し、受光素子６３０が受光する光に応じた信号を増幅して処理部７０に出力する。ファンドライバー４５２はファン４５０を駆動する。そして、光調整ドライバー２９２は光強度調整部２９０を駆動する。
【００５８】
４．第１モードと第２モードとの切り替えの説明
図９は、第１モードと第２モードとを示すタイムチャートであり、図１０は、検査対象物質である試料分子１の測定結果の例を示すグラフである。図９に示す第１モード２（吸着モード）と第２モード３（脱離モード）とを切り替える切替え線１１に従って、試料分子を硫化ジメチル（ＤＭＳ）気体分子としたときの実際の測定結果を図１０に示す。図１０において横軸はラマンシフト（ｃｍ-1）であり、縦軸はスペクトル強度である。ＤＭＳ分子はラマンシフトが６７６ｃｍ-1の信号が最も強い。この後の説明ではラマンシフトが６７６ｃｍ-1のピーク強度に着目することにする。光源５０には、励起波長が６３２．８ｎｍ、強度が２ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザーが用いられている。センサーチップ２０の材質はＡｇである。第１モード２（吸着モード）でのファン４５０の流体輸送量であるＷ１は２０ｍｌ／ｍｉｎ、光強度Ｌ１は０．１ｍＷ、光検出部６０での計測露光時間は２０秒とした。
【００５９】
第２モード３（脱離モード）でのファン４５０の流体輸送量＝Ｗ２：２００ｍｌ／ｍｉｎ、光強度Ｌ２は２．０ｍＷ、光検出部６０での計測露光時間は１０秒とした。切替え線１１に示すように、３０秒間の第２モード３（脱離モード）から開始した。３０秒後にＷ１：２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｌ１＝０．１ｍＷの第１モード２（吸着モード）に切り替えた。切り替えて１０秒後に測定したＳＥＲＳスペクトルを図１０に示す。図１０は、ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフである。図１０に示すように、第１強度分布線１２においてラマンシフトが６７６ｃｍ-1に明確なピークが確認できる。
【００６０】
図１１及び図１２は、ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフであり、ラマンシフトが６７６ｃｍ-1の場所を拡大したグラフである。図１１において、第２強度分布線１３は第１モード２（吸着モード）開始１０秒後の分布を示し、第３強度分布線１４は第１モード２（吸着モード）開始１分後の分布を示している。ラマンシフトが６７６ｃｍ-1付近のＤMＳ分子のピークは、第１モード２（吸着モード）開始１０秒後では第２強度分布線１３に示すように確認できる程度であるがまだ弱い。第１モード２（吸着モード）開始６０秒後を測定モードとしてＳＥＲＳ測定を行うと、第３強度分布線１４に示すようにラマンシフトが６７６ｃｍ-1付近でＤＭＳ分子のピークが大きく明確となることが確認できる。このことは、吸着が進んだ証拠となっている。
【００６１】
その後、気体輸送量＝Ｗ２：２００ｍｌ／ｍｉｎ、Ｌ２＝２ｍＷの第２モード３（脱離モード）に切り替わり、脱離が促される。図１２において、第３強度分布線１５は第２モード３（脱離モード）開始直後の分布を示し、第４強度分布線１６は第２モード３（脱離モード）開始１分後の分布を示している。第２モード３（脱離モード）開始直後に測定したスペクトルでは、第３強度分布線１５に示すように明確な強いピークを確認できる。尚、強度が吸着モードよりも大きくなっているのは励起光強度が０．１ｍＷから２ｍＷに増加したためであり、吸着分子が増えたためではない。第２モード３開始から１分経過すると、第４強度分布線１６に示すように明確だったＤＭＳのピークは大幅に減衰している。尚、ここに記した時間はあくまで例であり、センサーチップ２０の材質や試料分子に合わせて随時変更する必要がある。従って、予め実験を行って適切な時間を設定するのが好ましい。
【００６２】
切替え線１１の例では、当初の第２モード３（脱離モード）が３０秒間、その後の第１モード２（吸着モード）が９０秒間、次の第２モード３（脱離モード）は１２０秒に設定されているが、実際には図２、図４、図５に示すように、ＳＥＲＳ強度を第１判定値７及び第２判定値９と比較してモード切り替えが実施される。
【００６３】
（変形例）
５．標準分子を併用する変形例
次に、本発明を具体化した検出装置の一変形例について図１３〜１８を用いて説明する。本変形例が上記実施形態と異なる点は標準分子格納庫を備えた点にある。尚、上記実施形態と同じ点については説明を省略する。
【００６４】
５．１．全体構造
例えば港湾等において、爆薬の成分分子であるＴＮＴ分子を検査対象物質として検出することを想定する。ＴＮＴ分子は通常時には空気中に存在しない。よって、上述した実施形態に従ってＴＮＴ分子を試料分子として検出すると、何時までたっても第１モード２（吸着モード）が終了しない。第１モード２（吸着モード）になっても、通常時はＴＮＴ分子のＳＥＲＳ強度は第１判定値７を超えない可能性が高いからである。こうなると、第２モード３（脱離モード）が開始されない。そうすると、他の分子によりセンサーチップ２０の表面が汚染され、センサーチップ２０の表面に位置する吸着サイトが飽和して検査対象物質であるＴＮＴ分子を吸着できなくなる。つまり、試料分子が確実に存在しないか極微量であるとの判定への信頼性が低下する。本実施形態は、ＴＮＴ分子のように通常時は存在しないか極微量である場合でも、繰り返し脱離モードに移行できるようにしたものである。
【００６５】
図１３は、変形例にかかる検出装置の構成を示す模式平面図である。図１３において、検出装置１７は流体試料中に試料分子１の他に標準分子も検出し、試料分子１及び標準分子の検出信号に基づいて第１モード２と第２モード３とを切り替える。検出装置１７は、図７の検出装置１０に追加して、吸引部４０のセンサーチップ２０よりも上流側に、標準分子格納庫１５０を設けている。
【００６６】
標準分子格納庫１５０には標準分子が格納され、例えば標準分子が蒸気の状態になっている。標準分子格納庫１５０は誘導部４２０に標準分子を吐出する吐出口１５１を有する。標準分子格納庫１５０には吐出駆動部１６０が設けられる。吐出駆動部１６０は、第１モード２（吸着モード）が開始する時に一定量の標準分子を吐出口１５１から誘導部４２０に吐出する。吐出駆動部１６０は吸引流路４２１を流動する気体の流速や標準分子格納庫１５０内の蒸気圧に応じて吐出する時間を調整する。これにより、吐出駆動部１６０は吐出口１５１から一定量の標準分子を気体中に供給するようになっている。標準分子格納庫１５０、吐出口１５１及び吐出駆動部１６０等から構成される供給部は標準分子を供給する供給部の一例である。ここで、標準分子は、試料分子とは異なる波長にてラマン散乱光を検出できることが条件となる。なお、流体試料の状態は気体を想定して標準分子を蒸気としたが、流体試料が液体の場合、標準分子の状態は液体が望ましい。
【００６７】
分光器６２０は、例えば、エタロンのように取り出される帯域波長が可変か、または回折格子のように複数波長を同時に取り出せるものであり、試料分子と標準分子の双方のラマン散乱光を取り出せる装置である。受光素子６３０は、試料分子と標準分子のＳＥＲＳ強度を検出する素子である。
【００６８】
図１４は、第１モードにおける標準分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフであり、標準分子格納庫１５０から標準分子を供給中の光検出部６０の出力を示す。図１４において、第３ＳＥＲＳ強度推移線２１は、標準分子格納庫１５０から標準分子を供給中に光検出部６０が出力する標準分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。時刻Ｔ１にて吐出口１５１から一定量の標準分子が流体試料中に供給される。そして、第３ＳＥＲＳ強度推移線２１が示すように標準分子の供給開始からの時間経過と共にセンサーチップ２０に吸着される標準分子が多くなる。従って、標準分子の供給を第１モード２（吸着モード）で実施すれば、標準分子のＳＥＲＳ強度が増加する。よって、第３ＳＥＲＳ強度推移線２１に示す第３判定値２２を標準分子のＳＥＲＳ強度が上回る時刻Ｔ２にて、第１モード２を終了する判断を行うことができる。標準試料の供給を停止する時期は、第１モード２の終了時とすることができる。つまり、制御部７１は、検査対象物質である試料分子１を反映した信号レベルが第１判定値７未満であっても、標準分子を反映した信号レベルが第３判定値２２以上となった時に、第１モード２から第２モード３に切り替える。
【００６９】
図１５は、第２モードにおける標準試料分子のＳＥＲＳ強度の推移を示すグラフである。図１５において、第４ＳＥＲＳ強度推移線２３は、第２モード３（脱離モード）で光検出部６０が同様に出力する標準分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。第４ＳＥＲＳ強度推移線２３が示すように時刻Ｔ２から開始される第２モード３では、標準分子が供給されていない上に流速が速いので、センサーチップ２０から脱離させられる標準分子が多くなる。よって、第２モード３ではＳＥＲＳ強度が時間推移と共に低下する。よって、標準分子のＳＥＲＳ強度が第４判定値２４より下回った時刻Ｔ３にて、第２モード３を終了する判断を行うことができる。つまり、制御部７１は、検査対象物質である試料分子１に対応する光検出部６０からの信号レベルが第２判定値９よりも高くても、標準分子に対応する光検出部６０からの信号レベルが第４判定値２４以下となった時に、第２モード３から第１モード２に切り替える。
【００７０】
ここで、標準試料は、ヘテロ環、ベンゼン環、ＣＯＯＨ基、ＯＨ基、ＣＨＯ基、Ｓ原子、Ｎ原子の少なくとも１つを有する分子で構成できる。例えば、ヘテロ環の一例としてピリジンを挙げることができる。図１６は、ＴＮＴ分子のＳＥＲＳスペクトルを示すグラフである。図１６に示すように、ＴＮＴ分子は８００ｃｍ-1付近にピークを有する。従って、ＴＮＴ分子が試料分子であるとき標準試料としてのピリジンは１０１０ｃｍ-1と１０３５ｃｍ-1とに鋭いピークを持つため、ＴＮＴ分子と標準試料とはラマン散乱光のピークが重ならないようにすることができる。
【００７１】
５．２．実験例２
図１７は、第１モード及び第２モードを説明するためのグラフである。図１７に示すように、第１モード２（吸着モード）と第２モード（脱離モード）とを交互に行う切替え線２５に沿って実験を行った。尚、実験例２では検査対象物質である試料分子１は策定していない。光源５０は、励起波長が６３２．８ｎｍ、強度が２ｍＷのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた。センサーチップ２０の材質にはＡｇを採用した。第１モード２（吸着モード）でのファン４５０の流体輸送量Ｗ１は２０ｍｌ／ｍｉｎとし、センサーチップ２０上での励起光強度はＬ１＝０．１ｍＷ、光検出部６０での計測露光時間は２０秒とした。第２モード３（脱離モード）でのファン４５０の流体輸送量Ｗ２は２００ｍｌ／ｍｉｎとし、センサーチップ２０上での励起光強度はＬ２＝２ｍＷ、光検出部６０での計測露光時間は１０秒とした。
【００７２】
切替え線２５に示すように、３０秒間の第２モード３（脱離モード）から開始した。３０秒後に第１モード２（吸着モード）に切り替えた。第１モード２（吸着モード）の条件はＷ１＝２０ｍｌ／ｍｉｎ、Ｌ１＝０．１ｍＷである。モードを切り替えた直後に標準分子であるピリジンの供給が開始される。標準分子の供給時間を１０秒とした。測定したピリジン分子のＳＥＲＳスペクトルを図１８に示す。図１８は、ＳＥＲＳスペクトルを示すグラフであり、切替え線２５に従って、標準分子をピリジン分子としたときの測定結果を示している。第５強度分布線２６は第１モード２（吸着モード）に切り替えて１０秒後のＳＥＲＳスペクトルを示す。第６強度分布線２７は第１モード２（吸着モード）に切り替えて３０秒後のＳＥＲＳスペクトルを示す。第７強度分布線２８は第２モード３（脱離モード）に切り替えて３０秒後のＳＥＲＳスペクトルを示す。第８強度分布線２９は第２モード３（脱離モード）に切り替えて６０秒後のＳＥＲＳスペクトルを示す。
【００７３】
第５強度分布線２６及び第６強度分布線２７に示すように、１０１０ｃｍ-1付近のピリジン分子のピークは、吸着モード開始１０秒後でも３０秒後でも明確に認められる。その後、検出装置１７の駆動条件を第２モード３（脱離モード）に切り替える。これにより、Ｗ２＝２００ｍｌ／ｍｉｎ、Ｌ２＝２ｍＷの脱離モードに切り替わり、センサーチップ２０からピリジン分子の脱離が促される。第７強度分布線２８に示すように、脱離モード開始３０秒後に測定したスペクトルには減衰が観測されている。第８強度分布線２９に示すように、脱離モード開始６０秒後ではさらに大幅にピークが減衰している。尚、ここに記した時間はあくまで例であり、センサーチップ２０の材質や試料分子に合わせて随時変更する必要がある。
【００７４】
図１７に示す切替え線２５の実験例では、当初の脱離モードが３０秒間、その後の吸着モードが６０秒間、脱離モードは９０秒に設定されている。実際には図１４及び図１５に示すように、標準分子のＳＥＲＳ強度を第３判定値２２及び第４判定値２４と比較してモード切り替えが実施される。
【符号の説明】
【００７５】
７…第１判定値、９…第２判定値、１０，１７…検出装置、２０…センサーチップ、２２…第３判定値、２４…第４判定値、４０…吸引部、５０…光源、６０…光検出部、７１…制御部、１５０…供給部としての標準分子格納庫、１５１…供給部としての吐出口、１６０…供給部としての吐出駆動部、２９０…光強度調整部、４５０…ファン。
【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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