(57)【要約】液体試料の成分分析方法は、平坦な水平面上に液体試料を滴下する滴下ステップ（Ｓ１）と、水平面上に形成された液体試料の液滴を静置状態で乾燥させることによって、水平面上に、互いに異なる粒径を有する成分からなり同心円状に配列する複数のリング状の堆積物を得る乾燥ステップ（Ｓ２）と、堆積物を１つのみ含む領域において振動スペクトルを測定することによって、複数の堆積物の振動スペクトルを個別に取得する測定ステップ（Ｓ５）とを含む。
2016088236.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平坦な水平面上に液体試料を滴下する滴下ステップと、
該滴下ステップによって前記水平面上に形成された前記液体試料の液滴を静置状態で乾燥させることによって、前記水平面上に、互いに異なる粒径を有する成分からなり同心円状に配列する複数のリング状の堆積物を得る乾燥ステップと、
前記堆積物を１つのみ含む領域において振動スペクトルを測定することによって、前記複数の堆積物の振動スペクトルを個別に取得する測定ステップとを含む液体試料の成分分析方法。
【請求項２】
前記複数の堆積物を半径方向に横断する線分に沿って振動スペクトルを測定し、前記線分上の位置とその位置において取得された振動スペクトルの強度とを対応付けた強度プロファイルを得る予備測定ステップと、
該予備測定ステップにおいて得られた強度プロファイルに基づいて前記線分を、前記堆積物を１つずつ含む複数の区画に前記半径方向に分割し、前記区画毎に測定領域を設定する測定領域設定ステップとを含み、
前記測定ステップにおいて、前記測定領域設定ステップにおいて設定された測定領域毎に振動スペクトルを測定する請求項１に記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項３】
既知の粒径を有する標準成分を含む標準液を使用して前記水平面上に前記堆積物を形成し、得られた前記標準成分からなる前記堆積物の前記水平面上における分布を示す標準マップを作成する標準マップ作成ステップを含み、
前記測定ステップにおいて、前記標準マップに基づいて、前記振動スペクトルを測定する領域を決定する請求項１に記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項４】
前記測定ステップにおいて取得された前記振動スペクトルを多変量解析によって複数のクラスタに分類する分類ステップと、
該分類ステップにおいて各前記クラスタに分類された振動スペクトルと、予め取得された既知の成分の振動スペクトルとに基づいて、前記液体試料に含まれる成分を同定する同定ステップとを含む請求項１から請求項３のいずれかに記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項５】
前記水平面上に、該水平面の表面を被覆する金属膜層と、該金属膜層の上に形成され、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子からなる金属粒子層と、前記金属膜層と前記金属粒子層との間に介在し前記金属粒子を前記金属膜層に固定するスペーサ層とが形成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項６】
前記滴下ステップの前に、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子を前記液体試料に混合する金属粒子混合ステップを含む請求項１から請求項５のいずれかに記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項７】
前記滴下ステップの前に、マイクロメートルサイズの粒径を有し、表面に抗体が固定化された抗体修飾粒子を前記液体試料に混合する抗体修飾粒子混合ステップを含む請求項１から請求項６のいずれかに記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項８】
前記抗体修飾粒子混合ステップにおいて、互いに異なる粒子成分を標的とする抗体が表面に固定化され、かつ、互いに異なる粒径を有する複数種類の前記抗体修飾粒子を前記液体試料に混合する請求項７に記載の液体試料の成分分析方法。
【請求項９】
前記抗体修飾粒子混合ステップにおいて、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子が表面に固定化され、前記抗体修飾粒子と略同一の粒径を有する金属修飾粒子を前記液体試料に混合する請求項７または請求項８に記載の液体試料の成分分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、液体試料の成分分析方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、生体から採取した体液や、細胞または組織の培養液等の液体試料に含まれる細胞、細菌、タンパク質、ウイルス等の粒子成分の分析には、生化学的手法および光学的手法が用いられている。
生化学手法としては、タンパク質の抗原抗体反応に基づく発色または発光を検出するＥＬＩＳＡ法や、メッセンジャーＲＮＡを増幅および定量するＰＣＲ法、ＤＮＡ切断断片の二次元電気泳動法等が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。このような生化学的手法には、分析精度が高いという利点がある。【０００３】
光学的手法としては、Ｄｒｏｐ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙや、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）法、表面増強赤外吸収（ＳＥＩＲＡ）法が知られている（例えば、非特許文献１および特許文献２，３参照。）。非特許文献１および特許文献２，３のように、試料の振動スペクトルを測定する光学的手法は、一般に高速な分析が可能であるが、生化学的手法に比べて分析感度が劣る。そこで、液体試料に金、銀、銅等の金属ナノ粒子を混合し、金属ナノ粒子とプローブ光とのプラズモン共鳴作用によって液体試料中の粒子成分からの振動スペクトルを増強している。さらに、Ｄｒｏｐ  ｃｏａｔｉｎｇ  ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ  ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙにおいては、液体試料を基板上に滴下および乾燥させて液体試料中の粒子成分を濃縮させることで、検出感度を高めている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特表２００６−５１５４２０号公報
【特許文献２】米国特許第７８８９３３４号明細書
【特許文献３】特表平１１−５０７７２４号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】Jacob Filik、他１名、“Drop coating depositionRaman spectroscopy of protein mixtures”、Analyst、2007年4月23日、132、p.544-550
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、生化学的手法は、高価な試薬を使用した化学的な前処理が必要であり、また、複数の粒子成分を一度に分析することが困難である。したがって、分析コストが高くなるとともに、分析時間が長くなるという問題がある。【０００７】
光学的手法においては、金属ナノ粒子によるラマン散乱または赤外吸収の高い増強効果を得るために、形状や殻構造が制御された金属ナノ粒子を配列させることによって増強電場を発生させている。しかし、このような特殊な金属ナノ粒子の配列構造の製造は技術的に高度で大量生産が簡単ではなく、製造コストが高くなるという問題がある。プローブ光の波長を金属ナノ粒子のプラズモン共鳴波長帯へ同調することによっても信号を増強することができるが、複数のレーザ光源または高価な波長可変レーザ光源が必要となり、装置コストが高くなるという問題がある。【０００８】
さらにより大きな問題は、体液や培養液のような液体試料には、細胞や、細菌、ウイルス、タンパク質等の様々な成分が混在していることである。この様な状況においては、分析対象の粒子成分由来の振動スペクトルと、他の粒子成分由来の振動スペクトルとが重畳された混合物の振動スペクトルが検出されてしまい、取得された振動スペクトルに基づいて粒子成分を同定することが一般に困難である。この問題を回避するための方法の一つに、特徴的な振動スペクトルを有する標識物質によって分析対象成分を標識する方法があるが、この方法は、分析対象の種類の数に応じて標識物質も複数種類準備しなければならず、また、抗体等の特別な試薬や化学的な前処理が必要となるため、汎用性に欠ける。また、このような問題を回避または低減するための別の方法として、混合物の振動スペクトルを多変量解析し、混合物の振動スペクトルを、その構成要素である様々な粒子成分由来の振動スペクトルへと数値処理でスペクトル分解（波形分解）する方法がある。しかし、このような方法は、解析対象である混合物が様々な粒子成分を含めば含む程、その振動スペクトルは複雑化するために、スペクトル分解結果の精度が低下するか、誤った結果を与える可能性がある。したがって、このような方法を採用する場合、混合物の振動スペクトルが出来るだけ簡潔化されていることが望ましい。【０００９】
本発明は、上述した事情に鑑みてなされたものであって、様々な種類の成分を含む液体試料の成分分析を、簡便、高速かつ高感度に行うことができる液体試料の成分分析方法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】
上記目的を達成するため、本発明は以下の手段を提供する。
本発明の一態様は、平坦な水平面上に液体試料を滴下する滴下ステップと、該滴下ステップによって前記水平面上に形成された前記液体試料の液滴を静置状態で乾燥させることによって、前記水平面上に、互いに異なる粒径を有する成分からなり同心円状に配列する複数のリング状の堆積物を得る乾燥ステップと、前記堆積物を１つのみ含む領域において振動スペクトルを測定することによって、前記複数の堆積物の振動スペクトルを個別に取得する測定ステップとを含む液体試料の成分分析方法である。【００１１】
本態様によれば、滴下ステップにおいて水平面上に形成した液体試料の液滴を、乾燥ステップにおいて乾燥させると、液滴中の成分がコーヒーステイン現象によって液滴の外縁に沿って堆積することによって、液滴の乾燥痕には、リング状の堆積物が得られる。ここで、乾燥痕における成分の堆積位置はその粒径に応じて異なり、大きな粒子成分は中心側に、小さな粒子成分は半径方向外側に、それぞれ堆積する。したがって、乾燥ステップによって、液滴中の様々な粒子成分がその粒径に応じて２次元平面上で空間的に分離される。【００１２】
次の、測定ステップにおいては、同心円状に配列する複数の堆積物の振動スペクトルを、堆積物毎に個別に測定することによって、特定の粒子成分の振動スペクトルを測定することができる。
このように、液滴を形成および乾燥させるだけの簡単な操作のみで、液滴中の様々な粒子成分を空間的に分離することで、観測される混合試料の振動スペクトルの波形を簡潔化し、さらに粒子成分を濃縮することで、微量な粒子成分を高感度に分析することができる。また、少量の液滴は短時間で乾燥するので、高速に分析することができる。【００１３】
上記態様においては、前記複数の堆積物を半径方向に横断する線分に沿って振動スペクトルを測定し、前記線分上の位置とその位置において取得された振動スペクトルの強度とを対応付けた強度プロファイルを得る予備測定ステップと、該予備測定ステップにおいて得られた強度プロファイルに基づいて前記線分を、前記堆積物を１つずつ含む複数の区画に前記半径方向に分割し、前記区画毎に測定領域を設定する測定領域設定ステップとを含み、前記測定ステップにおいて、前記測定領域設定ステップにおいて設定された測定領域毎に振動スペクトルを測定してもよい。
このようにすることで、線分上の堆積物が存在する位置において振動スペクトルが強くなるので、強度プロファイルにおける振動スペクトルの強度に基づいて、乾燥痕内の複数の堆積物の位置を特定することができる。そして、１つの区画に１つのみ堆積物が含まれるように区画を設定し、区画毎に測定領域を設定することによって、堆積物毎に測定領域を設定して成分分析のための振動スペクトルを測定することができる。【００１４】
上記態様においては、既知の粒径を有する標準成分を含む標準液を使用して前記水平面上に前記堆積物を形成し、得られた前記標準成分からなる前記堆積物の前記水平面上における分布を示す標準マップを作成する標準マップ作成ステップを含み、前記測定ステップにおいて、前記標準マップに基づいて、前記振動スペクトルを測定する領域を決定してもよい。
このようにすることで、分析対象の粒子成分の粒径と標準成分の粒径との大小関係から、標準マップを用いて分析対象の粒子成分が堆積物を形成する位置を特定し、分析対象の粒子成分の振動スペクトルの測定を効率的に行うことができる。【００１５】
上記態様においては、前記測定ステップにおいて取得された前記振動スペクトルを多変量解析によって複数のクラスタに分類する分類ステップと、該分類ステップにおいて各前記クラスタに分類された振動スペクトルと、予め取得された既知の成分の振動スペクトルとに基づいて、前記液体試料に含まれる成分を同定する同定ステップとを含んでいてもよい。
このようにすることで、堆積物から得られた多数の振動スペクトルは、類似するもの同士が同一のクラスタに属するように多変量分析によって分類される。そして、各クラスタに属する振動スペクトルと、既知の成分の振動スペクトルとの比較によって、堆積物を構成する粒子成分を同定することができる。【００１６】
上記態様においては、前記水平面上に、該水平面の表面を被覆する金属膜層と、該金属膜層の上に形成され、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子からなる金属粒子層と、前記金属膜層と前記金属粒子層との間に介在し前記金属粒子を前記金属膜層に固定するスペーサ層とが形成されていてもよい。
このようにすることで、粒子成分が金属粒子と近接することによって、当該粒子成分からの振動スペクトル強度を増強し、分析感度をさらに高めることができる。また、金属粒子の近傍に形成された金属膜によって、振動スペクトルをさらに増強することができる。【００１７】
上記態様においては、前記滴下ステップの前に、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子を前記液体試料に混合する金属粒子混合ステップを含んでいてもよい。
このようにすることで、液体試料に混合された金属粒子が、液体試料中の粒子成分に非特異的に結合する。これにより、粒子成分からの振動スペクトルを当該粒子成分に結合している金属粒子によって効果的に増強し、分析感度をさらに高めることができる。【００１８】
上記態様においては、前記滴下ステップの前に、マイクロメートルサイズの粒径を有し、表面に抗体が固定化された抗体修飾粒子を前記液体試料に混合する抗体修飾粒子混合ステップを含んでいてもよい。
このようにすることで、特定の粒子成分がマイクロメートルサイズの抗体修飾粒子の表面に抗体を介して固定化され、乾燥ステップにおいて抗体修飾粒子の粒径に基づいて分離される。これにより、特定の粒子成分と他の粒子成分、特に同等の粒径を有する他の粒子成分との空間分離能を高めることができる。【００１９】
上記態様においては、前記抗体修飾粒子混合ステップにおいて、互いに異なる粒子成分を標的とする抗体が表面に固定化され、かつ、互いに異なる粒径を有する複数種類の前記抗体修飾粒子を前記液体試料に混合してもよい。
このようにすることで、抗体修飾粒子の粒径の違いに基づいて、同等の粒径を有する粒子成分同士の空間分離能を高めることができる。【００２０】
上記態様においては、前記抗体修飾粒子混合ステップにおいて、ナノメートルサイズの粒径を有する金属粒子が表面に固定化され、前記抗体修飾粒子と略同一の粒径を有する金属修飾粒子を前記液体試料に混合していてもよい。
このようにすることで、特定の粒子成分が固定化された抗体修飾粒子と金属修飾粒子とが、同一の堆積物内に近接して共存するので、特定の粒子成分からの振動スペクトルを金属粒子によって増強し、分析感度をさらに高めることができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、様々な種類の成分を含む液体試料の成分分析を、簡便、高速かつ高感度に行うことができるという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法に使用される液体分析装置の全体構成図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法において使用される基板を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法を示すフローチャートである。
【図４】図３の乾燥ステップにおける液体試料の乾燥過程を示す側面図である。
【図５】図３の乾燥過程にける粒子成分の移動を模式的に示す図である。
【図６】乾燥ステップによって平坦面上に形成された液滴の乾燥痕を示す基板の平面図である。
【図７】予備測定ステップによって得られた強度プロファイルである。
【図８】測定領域設定ステップにおいて設定された測定領域を示す基板の平面図である。
【図９】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法の第１の変形例において使用される基板の平坦面の構造を示す側面図である。
【図１０】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法の第１の変形例を示すフローチャートである。
【図１１】図９の平坦面上に粒子成分が沈降した様子を示す図である。
【図１２】本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法の第２の変形例を示すフローチャートである。
【図１３】図１２の抗体修飾粒子混合ステップにおいて使用される３種類の抗体修飾されたマイクロ粒子を示す図である。
【図１４】図１３の３種類のマイクロ粒子が形成する堆積リングの平面図である。
【図１５】図１２の抗体修飾粒子混合ステップにおいて使用される３種類の金属修飾されたマイクロ粒子を示す図である。
【図１６】図１３の３種類のマイクロ粒子および図１５の３種類のマイクロ粒子が形成する堆積リングの平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下に、本発明の一実施形態に係る液体試料の成分分析方法について図面を参照して説明する。
まず、本実施形態に係る液体の成分分析方法を実施するための液体分析装置１について説明する。
液体分析装置１は、図１に示されるように、試料の振動スペクトルを取得する顕微鏡２と、該顕微鏡２によって取得された振動スペクトルを解析するとともに解析結果に基づいて顕微鏡２を制御する制御装置３とを備える。
【００２４】
基板４は、図２に示されるように、平滑な平坦面４ａを有し、該平坦面４ａには、液体試料Ｓの滴下すべき位置を示す所定の滴下範囲Ｑが設定されている。平坦面４ａの表面は、少なくとも滴下範囲Ｑにおいて高い親水性および高い濡れ性を有し、滴下範囲Ｑに滴下された液体試料Ｓが平坦面４ａ上で等方的に広がるようになっている。高い濡れ性を有する基板４としては、例えば、石英ガラス製の基板や、表面が金、銀、アルミ等の金属でコーティングされた基板を好適に使用することができる。濡れ性を高めるために、平坦面４ａの表面は、水酸基やアミノ基等の親水基によって被覆されるように化学修飾が施されていてもよく、あるいは、表面積が増大するようにナノメートルサイズの微小な凹凸構造が形成されていてもよい。
【００２５】
液体試料Ｓは、生体から採取した涙、唾液、汗等の体液、または、細胞や組織の培養液である。液体試料Ｓには、細胞、細菌、マイコプラズマ、ウイルス、タンパク質（生体高分子）等の、粒径の異なる複数種類の粒子成分が含まれている。
【００２６】
顕微鏡２は、基板４を載置面上に載置するステージ５と、ステージ５の上方に載置面と対向して配置された集光レンズ６と、試料に含まれる粒子成分からの信号光Ｌ’を検出する検出器７とを備えている。図示しないレーザ光源から可視または赤外の波長域のレーザ光がプローブ光Ｌとして出力され、該プローブ光Ｌが集光レンズ６によって基板４上の試料に集光される。プローブ光Ｌの照射によって試料から発せられる信号光Ｌ’は、検出器７によって検出および分光される。信号光Ｌ’は、例えば、ラマン散乱光または試料によって一部吸収された赤外光である。これにより、ラマン散乱スペクトルや赤外吸収スペクトル等の振動スペクトルが取得されるようになっている。集光レンズ６およびステージ５は、水平方向に相対移動可能に設けられており、集光レンズ６から試料へのプローブ光Ｌの照射位置を水平方向に移動可能となっている。
【００２７】
制御装置３は、例えば、ＣＰＵ（中央処理装置）と記憶装置とを備えるコンピュータであり、顕微鏡２によって取得された振動スペクトルのデータに対して所定の処理を実行し、処理結果に基づいて顕微鏡２の次の動作を決定および実行するためのプログラムが記憶装置に記憶されている。
【００２８】
本実施形態に係る液体試料の成分分析方法は、図３に示されるように、平坦面４ａ上に液体試料Ｓを滴下する滴下ステップＳ１と、平坦面４ａ上に形成された液体試料Ｓの液滴を乾燥させることによって滴下範囲Ｑ内に粒子成分の堆積物Ｒを形成する乾燥ステップＳ２と、滴下範囲Ｑ内における堆積物Ｒの空間的な分布を測定する予備測定ステップＳ３と、該予備測定ステップＳ３の測定結果に基づいて測定領域を設定する測定領域設定ステップＳ４と、測定領域において振動スペクトルを測定する測定ステップＳ５と、取得された振動スペクトルを多変量解析によって分類する分類ステップＳ６と、振動スペクトルから粒子成分を同定する同定ステップＳ７とを含む。
【００２９】
まず、滴下ステップＳ１において、水平に配置された平坦面（水平面）４ａの滴下範囲Ｑ内に、ピペットのような滴下装置８を用いて少量の液体試料Ｓを滴下し、滴下範囲Ｑ内に液滴を形成する。このときに、平坦面４ａ上に滴下された液体試料Ｓは、平坦面４ａとの接触角θが所定の大きさになるまで平坦面４ａ上で等方的に広がり、液滴を形成する。
【００３０】
接触角θは、Ｙｏｕｎｇの式（１）によって定義されている。
（１）      γＳＶ＝γＬＶ＊ｃｏｓθ＋γＳＬ
ここで、γＳＶは平坦面４ａと空気との間の表面張力、γＬＶは液体試料Ｓと空気との間の表面張力、γＳＬは平坦面４ａと液体試料Ｓとの間の表面張力である。本実施形態において、接触角θが小さい程、液体試料Ｓ中の粒子成分の空間分離能（後述）が高くなるので、接触角θはより小さいことが好ましい。平坦面４ａの表面の親水性および濡れ性を高めて、平坦面４ａと液体試料Ｓとの間の表面張力γＳＬを小さくすることによって、接触角θを１０度以下まで小さくすることができる。
【００３１】
次に、乾燥ステップＳ２において、液滴が形成された基板４を動かすことなく静置し続けることによって、液滴を乾燥させる。液滴の乾燥時間を短縮するために、基板４を穏やかに加熱するか、または、基板４を密閉空間内に静置して該密閉空間内を吸湿してもよい。
【００３２】
液滴の乾燥の過程において、図４に示されるように、接触線Ｃが固定されたまま液体試料Ｓが蒸発することによって、液滴には、その中心から接触線Ｃへ半径方向外方に向かう放射状の液体の流れが発生する。接触線Ｃは、液滴と平坦面４ａとの境界面における、液滴の円形の外縁である。液滴内の放射状の流れによって、液体に含まれる溶質や粒子成分は接触線Ｃへ向かって輸送され、輸送された粒子成分は接触線Ｃの近傍に堆積する。これにより、液滴の乾燥痕には、接触線Ｃと略同心状のリング状の堆積物（以下、「堆積リング」という。）Ｒが形成される。この現象は、コーヒーステイン現象として知られており、接触線Ｃ近傍における液体の蒸発速度が、液滴の中央部における液体の蒸発速度よりも大きいために、液滴の中央部から接触線Ｃへ向かう液体流が生ずることに起因して発生する。
【００３３】
ここで、液体試料Ｓには、上述したように、細胞、細菌、マイコプラズマ、ウイルス、タンパク質等の、様々な粒径の粒子成分が含まれる。液滴中を輸送される粒子成分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の半径方向の輸送位置は、図５に示されるように、その粒子成分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３の粒径に依存し、粒径の小さい粒子成分程、接触線Ｃに近い位置まで輸送される。したがって、互いに異なる粒径を有する粒子成分Ｐ１，Ｐ２，Ｐ３は、互いに径方向に異なる位置において堆積し、互いに異なる半径を有する堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３を形成する。
【００３４】
その結果、液滴の乾燥痕には、図６に示されるように、互いに異なる半径を有し、同心状に配列する複数の堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３が形成される。例えば、内側から順に、細胞からなる堆積リングＲ１と、細菌からなる堆積リングＲ２と、ウイルスおよびタンパク質からなる堆積リングＲ３とが形成される。このようにして、乾燥ステップＳ２においては、液体試料Ｓに含まれていた粒子成分を、その粒径に応じて平坦面４ａ上で空間的に分離することができる。
【００３５】
より具体的に、粒径Ｄａを有する粒子成分Ｐａと、粒径Ｄｂ(ただし、Ｄｂ＞Ｄａ)を有する粒子成分Ｐｂについて考える。粒子成分Ｐａから形成される堆積リングＲａと、粒子成分Ｐｂから形成される堆積リングＲｂとは、互いに異なる半径ｒａ，ｒｂを有し、堆積リングＲａと堆積リングＲｂとの間には、半径方向に距離ｄ＝ｒａ−ｒｂが生じる。距離ｄは接触角θに依存し、距離ｄと接触角θとの関係はおおよそ下式（２）によって表されると定式化できる。
（２）      （Ｄｂ−Ｄａ）／ｄ＝ｔａｎ（θ／２）
【００３６】
式（２）は、接触角θが小さい程、距離ｄが大きくなり、粒子成分Ｐａ，Ｐｂ同士の空間分離能が高くなることを示している。具体的には、接触角θが１０度である場合、上記関係式（２）から、細胞からなる堆積リングＲ１と細菌からなる堆積リングＲ２との間の距離ｄは約１００μｍ〜２００μｍ、細菌からなる堆積リングＲ２とウイルスおよびタンパク質からなる堆積リングＲ３との間の距離ｄは約１０μｍと算出される。ただし、細胞の粒径を１０μｍ〜２０μｍ、細菌の粒径を１μｍ、ウイルスの粒子径を０．１μｍ、およびタンパク質の粒径を０．０１μｍ未満と仮定している。このように、各種類の粒子成分が形成する堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３間には、顕微鏡２の空間分解能と比べて十分に大きい距離ｄが生じる。
【００３７】
次に、予備測定ステップＳ３において、乾燥痕内に設定された線分ＭＮに沿って顕微鏡２によって振動スペクトルを測定し、取得された振動スペクトルから制御装置３によって強度プロファイルを作成する。線分ＭＮは、複数の堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３を径方向に横断するように、乾燥痕内に半径方向に真っすぐに設定される。顕微鏡２は、プローブ光を線分ＭＮに沿って走査しながら乾燥痕に照射し、線分ＭＮ上の各位置における振動スペクトルを測定する。制御装置３は、顕微鏡２によって取得された振動スペクトルにおける任意の周波数帯域の強度を線分ＭＮ上の測定位置と対応付けてプロットすることによって、図７に示されるように、線分ＭＮ上における振動スペクトルの強度を示す強度プロファイルを作成する。
【００３８】
強度プロファイルにおける振動スペクトルの強度は粒子成分の密度に対応するので、強度プロファイルから、滴下範囲Ｑ内における堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３の空間的な分布を認識し、堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３の位置を特定することができる。線分ＭＮは、例えば、顕微鏡２によって滴下範囲Ｑの明視野画像を取得し、取得された画像を表示部に表示し、表示された画像に対して、ユーザがグラフィカルユーザインタフェース（ＧＵＩ）を用いて線分ＭＮを入力することによって、設定可能となっている。
【００３９】
次に、測定領域設定ステップＳ４において、制御装置３は、強度プロファイルに基づき、各区画１，２，３に堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３が１つずつ含まれるように、線分ＭＮを複数の区画１，２，３に分割する。例えば、振動スペクトルの強度が極小となっている位置を区画１，２，３の境界に設定する。次に、各区画１，２，３内に、好ましくは振動スペクトルの強度が極大となっている位置を含むように、測定領域１，２，３を設定する。測定領域１，２，３の設定は、制御装置３によって自動設定されてもよく、ユーザによって手動設定されてもよい。また、測定領域１，２，３は、図８に示されるように、線分ＭＮに交差する方向にも寸法を有する２次元的な領域であってもよい。
【００４０】
次に、測定ステップＳ５において、顕微鏡２によって、設定された測定領域１，２，３において振動スペクトルを順番に測定する。これにより、液体試料Ｓ中に含まれていた様々な成分の振動スペクトルを粒径毎に別々に測定することができる。例えば、測定領域１において細胞の振動スペクトルを、測定領域２において細菌の振動スペクトルを、測定領域３においてタンパク質およびウイルスの振動スペクトルを、それぞれ測定することができる。ここで、各測定領域１，２，３内においてプローブ光Ｌを走査しながら多数の測定位置において振動スペクトルを測定することによって、各測定領域１，２，３について多数の振動スペクトルを取得する。
【００４１】
次に、分類ステップＳ６において、測定ステップＳ５によって測定領域１，２，３の各々から得られた多数の振動スペクトルを多変量解析によって複数のクラスタに分類する。多変量解析は、例えば、Ｋ平均法やＨＣＡ（Ｈｉｅｒａｒｃｈｙ  ｃｌｕｓｔｅｒ  ａｎａｌｙｓｉｓ）法等のクラスタリング法か、または、ＮＭＦ（Ｎｏｎｎｅｇａｔｉｖｅ  Ｍａｔｒｉｘ  Ｆａｃｔｏｒｉｚａｔｉｏｎ）法である。このような多変量解析によって、測定ステップＳ５によって取得された多数の振動スペクトルのデータを、類似する波形の振動スペクトル同士が同一のクラスタに属するように、複数のクラスタへ分類する。
【００４２】
次に、同定ステップＳ７において、各クラスタに分類された振動スペクトルを、既知の成分の振動スペクトルと比較することによって粒子成分を同定する。液体試料Ｓに含まれ得る細胞や細菌、ウイルス、タンパク質等の粒子成分の標準的な振動スペクトルは、予め取得されてデータベースとして制御装置３に記憶されている。同定ステップＳ７においては、各クラスタに分類された振動スペクトルと波形が一致または類似する振動スペクトルをデータベース内で検索することによって、粒子成分を特定する。
【００４３】
このように、本実施形態に係る液体試料の成分分析方法によれば、平坦面４ａ上に液体試料Ｓを滴下した後に液滴が乾燥するまで待つだけで、液体試料Ｓに含まれる粒子成分が粒径毎に空間的に分離される。したがって、細胞、細菌、ウイルス、タンパク質等の様々な粒径を有し、かつ化学的に異なる成分を含む混合試料を分析するにおいて、観測される混合試料の複雑な振動スペクトルを簡略化することで、高い分析能を達成することができる。このようにすれば、従来、液体の分析の前処理として行われていた、遠心分離やクロマトグラフィの等の生化学的な分離精製操作が不要であり、小型かつ低コストな装置を用いて比較的簡便に成分分析を行うことができるという利点がある。
【００４４】
また、液滴の体積は少量（数μＬから数百μＬ）であるので、液滴の乾燥に要する時間は数分程度である。このように、非常に短時間で粒子成分を空間的に分離することができ、迅速に成分分析を行うことができるという利点がある。さらに、コーヒーリング現象を用いることによって、液体試料Ｓ中の粒子成分が、堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３の小さい体積に集積し、堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３において粒子成分が濃縮される。したがって、液体試料Ｓ中に微量しか含まれていない粒子成分であっても、高感度に分析することができるという利点がある。
【００４５】
なお、本実施形態においては、液滴の乾燥痕において振動スペクトルを予備測定し、取得された強度プロファイルに基づいて測定領域を設定することとしたが、これに代えて、ステップＳ１〜Ｓ７の実施に先立って、既知の粒径の標準成分からなる堆積リングの滴下範囲Ｑ内における空間的な分布を示す標準マップを事前に作成しておき（標準マップ作成ステップ）、標準マップに基づいて、測定領域１，２，３を設定してもよい。
【００４６】
具体的には、サブナノメートルからマイクロメートルの既知の粒径を有する複数種類の粒子を水等の液体に分散させた標準液を調製し、調製された標準液を用いて滴下ステップＳ１および乾燥ステップＳ２を行い、平坦面４ａ上に形成された堆積リングＲ１，Ｒ２，Ｒ３の分布を計測することで、標準マップを作成する。このようにすることで、分析対象の粒子成分が滴下範囲Ｑ内のいずれの位置に堆積リングを形成するかを標準マップから推定することができるので、分析対象の粒子成分が含まれる堆積リングの振動スペクトルを選択的に測定することができる。
【００４７】
また、本実施形態においては、滴下範囲Ｑが狭い場合には、滴下範囲Ｑ全体にプローブ光を同時にかつ一様に照射して、滴下範囲Ｑ全体の２次元的な強度プロファイルを取得してもよい。例えば、基板４としてのプリズムにプローブ光を入射させ、プローブ光を平坦面４ａにおいて全反射させることによって平坦面４ａ近傍にエバネッセント光を発生させ、該エバネッセント光によって発生するララマン散乱スペクトルまたは赤外吸収スペクトルを測定する方法、すなわちＡＴＲ測定法を実施しても良い。あるいは、滴下範囲Ｑ内においてプローブ光を２次元的に走査し、各位置において得られた振動スペクトルの強度を画素値として２次元画像化することで、２次元的な強度プロファイルを取得してもよい。
【００４８】
次に、本実施形態の変形例について説明する。
（第１の変形例）
本実施形態の第１の変形例において、平坦面４ａ上に、図９に示されるように、該平坦面４ａ側から順に、分子膜層９と、金属粒子層１０とが形成された基板４を使用する。分子膜層９は、例えば、平坦面４ａ上に形成されたアルカンチオール分子等の自己組織化単分子膜であり、好ましくは、数ｎｍ程度の薄い膜厚を有する。分子膜層９を構成する分子は、平坦面４ａとは反対側の末端に水酸基やアミノ基のような親水基を有している。金属粒子層１０は、金属、銀、銅等の金属からなり、単一粒子または複合粒子として存在する金属粒子１１からなる。金属粒子１１の粒径は、１０ｎｍ〜数１０ｎｍが好ましい。金属粒子１１は、分子膜層９の末端に結合することによって、平坦面４ａ上に固定化されている。
【００４９】
金属粒子１１は、その近傍に増強電場を発生させ、金属粒子１１に接触または近接している粒子成分のラマン散乱または赤外吸収を大幅に増強させる。したがって、粒子成分からの振動スペクトルを短時間で、かつ、高い感度で測定することができる。
本変形例においては、平坦面４ａ上に該平坦面４ａの表面を被覆する金属膜層１２が形成され、該金属膜層１２上に分子膜層（スペーサ層）９と金属粒子層１０とが平坦面４ａ側から順に形成されていてもよい。このようにすることで、金属膜層１２と金属粒子１１との間のギャップおよびその近傍における電場をさらに増強し、振動スペクトルをさらに増強することができる。
【００５０】
本変形例においては、図１０に示されるように、滴下ステップＳ１の前に、ナノメートルサイズの金属粒子を液体試料Ｓに混合する金属粒子混合ステップＳ８を行い、金属粒子を含む液体試料Ｓを滴下ステップＳ１において使用してもよい。金属粒子混合ステップＳ８には、上述した金属粒子層１０に使用される金属粒子１１と同様の金属粒子を使用することができる。金属粒子は、液体試料Ｓ中において、細菌やウイルス、タンパク質等の粒子成分に非特異的に吸着する。このような液体試料Ｓを使用することで、図１１に示されるように、金属粒子１１’が吸着した粒子成分Ｐが平坦面４ａ上の金属粒子層１０と接触または近接することによって増強電場が発生し、振動スペクトルをさらに増強することができる。金属粒子１１’が混合された液体試料Ｓを使用する場合には、金属粒子層１０および金属膜層１２が形成されていない基板４を使用してもよい。
【００５１】
（第２の変形例）
本実施形態の第２の変形例においては、図１２に示されるように、滴下ステップＳ１の前に、マイクロメートルサイズの粒径を有し、表面が抗体で修飾されたマイクロ粒子（抗体修飾粒子）Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩを液体試料Ｓに混合する抗体修飾粒子混合ステップＳ９を行い、マイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩを含む液体試料Ｓを滴下ステップＳ１において使用する。
【００５２】
マイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩは、例えば、ポリスチレン、ポリメタクリル酸メチル（ＰＭＭＡ）、またはシリカからなる球状の粒子である。マイクロ粒子の粒径は、数μｍから１００μｍ程度が好ましい。マイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩの表面には、液体試料Ｓ中の分析対象の粒子成分と特異的に結合する抗体が固定化されており、液体試料Ｓ中のマイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩの表面に、分析対象の粒子成分が抗体を介して固定化されるようになっている。
【００５３】
ここで、図１３に示されるように、互いに異なる粒径を有する３種類のマイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩが同時に液体試料Ｓに混合される。マイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩには、粒径毎に異なる種類のタンパク質を標的とする抗体α，β，γが固定化されている。例えば、粒径Ｄｉのマイクロ粒子Ｉにはタンパク質Ａに対する抗体α、粒径Ｄｉｉのマイクロ粒子ＩＩにはタンパク質Ｂに対する抗体β、粒径Ｄｉｉｉのマイクロ粒子ＩＩＩにはタンパク質Ｃに対する抗体γが固定化されているものとする。ここで、Ｄｉ、ＤｉｉおよびＤｉｉｉの大小関係は、Ｄｉｉｉ＜Ｄｉｉ＜Ｄｉであるとする。
【００５４】
このような液体試料Ｓの液滴の乾燥痕においては、図１４に示されるように、中心から接触線Ｃに向かって半径方向に順に、タンパク質Ａが結合したマイクロ粒子Ｉからなる堆積リングＲａ、タンパク質Ｂが結合したマイクロ粒子ＩＩからなる堆積リングＲｂ、および、タンパク質Ｃが結合したマイクロ粒子ＩＩＩからなる堆積リングＲｃが配列する。
【００５５】
タンパク質の粒径は、数ナノメートルから数十ナノメートルのサイズであるので、本手法によって、タンパク質の粒径の差異のみを利用して異なる種類のタンパク質同士を空間的に分離することが難しい。そこで、タンパク質よりも大きな粒径のマイクロ粒子を使用し、タンパク質Ａ，Ｂ，Ｃを種類毎に粒径の異なるマイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩに結合させることによって、略同一の粒径のタンパク質同士を空間的に明確に分離することができる。これにより、抗体α，β，γ毎に異なる標識物質で標識せずとも、３種類のタンパク質Ａ，Ｂ，Ｃの振動スペクトルを互いに区別して高い精度で測定することができる。
【００５６】
さらに、マイクロ粒子Ｉとして、該粒子Ｉの振動スペクトルが目的とするタンパク質の振動スペクトルの観測を妨害しないような材質のものを選ぶか、マイクロ粒子Ｉのみの振動スペクトルを予め取得しておき、堆積リングＲａから取得した振動スペクトルとマイクロ粒子Ｉのみの振動スペクトルとの差分を検出することで、タンパク質Ａ由来の振動スペクトルを得ることができる。同様にして、マイクロ粒子ＩＩのみの振動スペクトルを用いてタンパク質Ｂ由来の振動スペクトルを得ることができ、マイクロ粒子ＩＩＩのみの振動スペクトルを用いてタンパク質Ｃ由来の振動スペクトルを得ることができる。
【００５７】
本変形例においては、抗体修飾粒子混合ステップＳ９において、マイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩと一緒に、図１５に示されるように、表面にナノメートルサイズの金属粒子１１’が固定化されたマイクロ粒子（金属修飾粒子）Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’を液体試料Ｓに混合してもよい。マイクロ粒子Ｉ’は、マイクロ粒子Ｉと略同一の粒径を有し、マイクロ粒子ＩＩ’は、マイクロ粒子ＩＩと略同一の粒径を有し、マイクロ粒子ＩＩＩ’は、マイクロ粒子ＩＩＩと略同一の粒径を有する。金属粒子１１’は、マイクロ粒子Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’の表面を被覆する分子膜９’を介してマイクロ粒子Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’に固定化されている。分子膜９’は、例えば、自己組織化単分子膜であり、上述した分子膜層９と同様のものが用いられる。
【００５８】
このようにマイクロ粒子Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩとマイクロ粒子Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’とが混合された液体試料Ｓの液滴の乾燥痕においては、図１６に示されるように、マイクロ粒子Ｉとマイクロ粒子Ｉ’とが同一の堆積リングＲａを形成し、マイクロ粒子ＩＩとマイクロ粒子ＩＩ’とが同一の堆積リングＲｂを形成し、マイクロ粒子ＩＩＩとマイクロ粒子ＩＩＩ’とが同一の堆積リングＲｃを形成する。これにより、各堆積リングＲａ，Ｒｂ，Ｒｃ内において分析対象の粒子成分の近傍に金属粒子１１’が存在することによって、振動スペクトルを増強し、分析感度をさらに高めることができる。
【符号の説明】
【００５９】
４ａ  平坦面（水平面）
９  分子膜層（スペーサ層）
１０  金属粒子層
１１  金属粒子
１２  金属膜層
Ｓ  液体試料
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒａ，Ｒｂ，Ｒｃ  堆積リング（堆積物）
Ｉ，ＩＩ，ＩＩＩ  マイクロ粒子（抗体修飾粒子）
Ｉ’，ＩＩ’，ＩＩＩ’  マイクロ粒子（金属修飾粒子）
Ｓ１  滴下ステップ
Ｓ２  乾燥ステップ
Ｓ３  予備測定ステップ
Ｓ４  測定領域設定ステップ
Ｓ５  測定ステップ
Ｓ６  分類ステップ
Ｓ７  同定ステップ
Ｓ８  金属粒子混合ステップ
Ｓ９  抗体修飾粒子混合ステップ
【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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【国際調査報告】
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