(57)【要約】【課題】  流体試料を反映した光を増強して標的物質を特定し、あるいは検量することが可能な光学デバイス、検出装置及び検出方法を提供すること。【解決手段】  光学デバイス５０は、第１部材（例えば浮上ヘッド）２０と、第１部材と対向する第２部材（例えば回転盤）３０と、第１部材と第２部材との間にギャップＧを形成するギャップ形成機構２５と、第１部材と第２部材との間に流体試料を吸引させる吸引流Ｓを形成する吸引流形成機構４０と、を有し、第１部材は、ギャップに臨む面に１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、流体試料を反映した光を出射する。【選択図】      図２
2012220432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１部材と、
前記第１部材と対向する第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間にギャップを形成するギャップ形成機構と、
前記第１部材と前記第２部材との間に流体試料を吸引させる吸引流を形成する吸引流形成機構と、
を有し、
前記第１部材は、前記ギャップに臨む面に１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、光が照射されることで前記流体試料を反映した光を出射することを特徴とする光学デバイス。
【請求項２】
請求項１において、
前記第１部材及び前記第２部材の一方が回転盤であり、前記吸引流形成機構は、前記回転盤を回転駆動する回転駆動部であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項３】
請求項２において、
前記第２部材が前記回転盤であり、
前記第１部材が浮上ヘッドであり、
前記ギャップ形成機構は、前記浮上ヘッドを可動に支持し、前記吸引流により生ずる揚力によって、前記浮上ヘッドを前記回転盤と前記ギャップを隔てて浮上させる浮上ヘッド支持機構であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項４】
請求項２において、
前記第１部材が前記回転盤であり、
前記第２部材が浮上ヘッドであり、
前記ギャップ形成機構は、前記浮上ヘッドを可動に支持し、前記吸引流により生ずる揚力によって、前記浮上ヘッドを前記回転盤と前記ギャップを隔てて浮上させる浮上ヘッド支持機構であることを特徴とする光学デバイス。
【請求項５】
請求項２において、
前記回転盤は、前記ギャップに臨む面に凹溝が形成されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項６】
請求項３において、
前記第２部材は、前記ギャップに臨む面にて、凹溝が周方向に沿って形成され、
前記第１部材は、前記凹溝と対向する位置にて前記金属ナノ構造の前記凸部を周方向に沿って配置していることを特徴とする光学デバイス。
【請求項７】
請求項４において、
前記第１部材は、前記ギャップに臨む面に凹溝が形成され、
前記金属ナノ構造の前記凸部は、前記凹溝内に配置されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれかにおいて、
前記光が照射されることで前記金属ナノ構造の前記凸部の周囲に増強電場が形成され、
前記増強電場が前記第２部材に到達する染み出し距離を有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項９】
請求項２乃至７のいずれかにおいて、
前記回転盤の回転停止時に、前記第２部材と前記金属ナノ構造の前記凸部とが干渉することを防止するスペーサー部材をさらに有することを特徴とする光学デバイス。
【請求項１０】
請求項１乃至９のいずれかにおいて、
前記第１部材及び前記第２部材の一方には、既知の参照物質が固定されていることを特徴とする光学デバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至１０のいずれか記載の光学デバイスと、
前記光学デバイスの前記第１部材及び前記第２部材を収容し、導入口と導出口とを有する試料導入部と、
前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記導出口を開閉する第２シャッターと、
前記導出口を介して前記試料導入部内を負圧にする吸引駆動部と、
を有することを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光学デバイスユニットと、
光源と、
前記流体試料を反映した光を検出する光検出部とを含むことを特徴とする検出装置。
【請求項１３】
請求項１２において、
前記流体試料を反映した光はラマン散乱光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、光学的に試料を分析する光学デバイス、光学デバイスユニット及び検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や飲食物の検査などに用いられるセンサーの需要が増大しており、高感度かつ小型のセンサーの開発が求められている。このような要求に応えるために、電気化学的な手法をはじめ様々なタイプのセンサーが検討されている。これらの中で、集積化が可能であり、低コスト、さらに測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）を用いたセンサーに対する関心が高まっている。
【０００３】
ＳＰＲとは界面固有の境界条件により光と結合を起こす電子粗密波の振動モードである。ＳＰを励起する方法としては、回折格子やプリズムを用いる方法が知られている。例えば、ＳＰＲを応用したセンサーとしては、全反射型プリズムを用いるものがある。同プリズムの表面に形成された金属膜へ標的物質を接触させ、空気と金属膜の界面に励起される伝播型ＳＰに起因する吸光度の変化から標的物質の吸着の有無を検出する。標的物質を吸着させる手段として、抗原抗体反応等が利用されている。金属表面に伝播型のＳＰが存在する一方で、金属微粒子には局在型のＳＰが存在する。局在型のＳＰ、つまり、表面の微細構造上に局在するＳＰが励起された際には、著しく増強された電場が誘起されることが知られている。そこで、センサー感度の向上を目的として、金属微粒子や金属ナノ構造を用いた局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）を利用したセンサーが提案されている（特許文献１〜６）。この構成によれば、金属微細構造が有する電場増強作用を利用して、表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）を発現させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献２】特開２００３−２６８５９２号公報
【特許文献３】特開２００３−２７０１３２号公報
【特許文献４】特開２００７−２４０３６１号公報
【特許文献５】特開２００７−２４８２８４号公報
【特許文献６】特開２００７−３０３９７３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
物質の特定や検量に要する強いＳＥＲＳ信号を得るには、被検出分子が、十分に長い時間、金属ナノ構造の表面近傍に滞留するか、もしくは、その表面に吸着されなければならない。そのために、従来は選択吸着膜が利用されていた。しかし、被検出分子が金属表面に吸着すると（１）固有振動のスペクトルピークが消える、あるいは、（２）スペクトルピークがシフトする、という現象が生じるため、物質の特定や検量が困難となる場合が少なくなかった。また、検査終了後には、次の検査に備えて吸着分子を全て脱離する必要もある。
【０００６】
本発明の幾つかの態様は、流体試料を反映した光を増強して、流体試料中の標的物質を特定し、あるいは検量することが可能な光学デバイス、光学デバイスユニット及び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】
【０００７】
（１）本発明の一態様は、
第１部材と、
前記第１部材と対向する第２部材と、
前記第１部材と前記第２部材との間にギャップを形成するギャップ形成機構と、
前記第１部材と前記第２部材との間に前記流体試料を吸引させる吸引流を形成する吸引流形成機構と、
を有し、
前記第１部材は、前記ギャップに臨む面に１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、光が照射されることで前記流体試料を反映した光を出射する光学デバイスに関する。
【０００８】
本発明の一態様では、第１，第２部材がギャップ形成機構により形成されたギャップを隔てて対向し、そのギャップに臨んで金属ナノ構造が配置される。吸引流形成機構により形成される吸引流により、ギャップに流体試料を吸引させて、金属ナノ構造に流体試料を接触させる。光学デバイスに光を照射すると、金属ナノ構造の凸部の周囲に増強電場が形成され、流体試料を反映した光が増強電場にて増強されて出力される。吸引流により第１，第２部材の一方に揚力を作用させて、ギャップを形成してもよい。
【０００９】
（２）本発明の一態様では、前記第１部材及び前記第２部材の一方が回転盤であり、前記吸引流形成機構は、前記回転盤を回転駆動する回転駆動部とすることができる。
【００１０】
こうすると、吸引流形成機構である回転駆動部が、回転盤を回転駆動することで吸引流が形成される。
【００１１】
（３）本発明の一態様では、前記第２部材が前記回転盤であり、前記第１部材が浮上ヘッドであり、前記ギャップ形成機構は、前記浮上ヘッドを可動に支持し、前記吸引流により生ずる揚力によって、前記浮上ヘッドを前記回転盤と前記ギャップを隔てて浮上させる浮上ヘッド支持機構とすることができる。
【００１２】
こうすると、回転盤が回転駆動部により回転駆動されて、回転盤と浮上ヘッドとの間に吸引流が形成され、浮上ヘッド支持機構にて可動に支持され、かつ金属ナノ構造を備えた浮上ヘッドが揚力により浮上して、回転盤及び浮上ヘッド間にギャップが形成される。
【００１３】
（４）本発明の一態様では、前記第１部材が前記回転盤であり、前記第２部材が浮上ヘッドであり、前記ギャップ形成機構は、前記浮上ヘッドを可動に支持し、前記吸引流により生ずる揚力によって、前記浮上ヘッドを前記回転盤と前記ギャップを隔てて浮上させる浮上ヘッド支持機構とすることができる。
【００１４】
こうすると、金属ナノ構造を備えた回転盤が回転駆動部により回転駆動されて、回転盤と浮上ヘッドとの間に吸引流が形成され、浮上ヘッド支持機構にて可動に支持された浮上ヘッドが揚力により浮上して、回転盤及び浮上ヘッド間にギャップが形成される。
【００１５】
（５）本発明の一態様では、前記第２部材（回転盤）は、前記ギャップに臨む面に凹溝を形成することができる。
【００１６】
凹溝の深さやパターンを変更することで、ギャップの大きさを調整することができる。
【００１７】
（６）本発明の一態様では、前記回転盤は、前記ギャップに臨む面にて、凹溝が周方向に沿って形成され、前記第１部材（浮上ヘッド）は、前記凹溝と対向する位置にて前記金属ナノ構造の前記凸部を周方向に沿って配置することができる。
【００１８】
こうすると、回転中のギャップを狭くしても、金属ナノ構造は凹溝と常に対向しているので、金属ナノ構造の凸部が回転盤と接触しない。
【００１９】
（７）本発明の一態様では、前記第１部材（回転盤）は、前記浮上ヘッドと対向する面に凹溝が形成され、前記金属ナノ構造の前記凸部は、前記凹溝内に配置することができる。
【００２０】
この場合も、回転中のギャップを狭くしても、金属ナノ構造子が凹溝内に配置されるので、金属ナノ構造の凸部が浮上ヘッドと接触しない。
【００２１】
（８）本発明の一態様では、前記光が照射されることで前記金属ナノ構造の前記凸部の周囲に増強電場が形成され、前記増強電場が前記第２部材に到達する染み出し距離を有することができる。
【００２２】
こうすると、ギャップ内に吸引された流体試料が増強電場内に確実に入り込むので、流体試料を反映した光が増強電場で確実に増強される。
【００２３】
（９）本発明の一態様では、前記回転盤の回転停止時に、前記第２部材と前記金属ナノ構造の前記凸部とが干渉することを防止するスペーサー部材をさらに有することができる。
【００２４】
こうるすと、揚力がなくなっても金属ナノ構造の凸部が第２部材と干渉しなくなり、金属ナノ構造を保護できる。
【００２５】
（１０）本発明の一態様では、前記第１部材及び前記第２部材の一方には、既知の参照物質を固定することができる。
【００２６】
こうすると、既知の参照物質を反映した光をモニターすることができる。参照物質と検出対象物質をそれぞれ反映した光の信号比を算出すれば、光学デバイスに照射される光強度が変動しても、信号比は変動しない。よって、流体試料中の検出対象物質の定量解析を高い精度で算出できる。
【００２７】
（１１）本発明の他の態様は、
上述した光学デバイスと、
前記光学デバイスの前記第１部材及び前記第２部材を収容し、導入口と導出口とを有する試料導入部と、
前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記導出口を開閉する第２シャッターと、
前記導出口を介して前記試料導入部内を負圧にする吸引駆動部と、
を有する光学デバイスユニットに関する。
【００２８】
この光学デバイスは、第１，第２シャッターを開放して試料導入部内に流体試料を導入し、その後第１，第２シャッターを開放して光学デバイスに光を照射すれば、試料導入部内の流体試料を繰り返しギャップに吸引して、流体試料を反映した光を発生させることができる。
【００２９】
（１２）本発明のさらに他の態様は、
上述した光学デバイスユニットと、
光源と、
前記流体試料を反映した光を検出する光検出部とを含む検出装置に関する。
【００３０】
この検出装置は、上述した光学デバイス及び光学デバイスユニットの特性を生かして、流体試料中の検出対象物質を定性的又は定量的に検出することができる。
【００３１】
（１３）本発明のさらに他の態様では、前記流体試料を反映した光をラマン散乱光とすることができる。こうすると、流体試料中の検出対象物質によるラマン散乱光を検出することで、検出対象物質を検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、表面増強ラマン光の検出原理の説明図である。
【図２】光学デバイスの要部を説明する図である。
【図３】回転盤と浮上ヘッドを有する光学デバイスの平面図である。
【図４】回転盤の凹溝とギャップとの相関を示す特性図である。
【図５】増強電場の染み出し距離を説明するための図である。
【図６】金属ナノ粒子と試料分子との距離と、ラマン散乱光強度との相関を示す特性図である。
【図７】図７（Ａ）は光学デバイスの要部の断面図であり、図７（Ｂ）は増強電場を説明するための図である。
【図８】回転盤に形成される凹溝と金属ナノ粒子の配置を説明するための図である。
【図９】浮上ヘッドに形成される凹溝と、金属ナノ粒子の配置を説明するための図である。
【図１０】図１０（Ａ）（Ｂ）は凹溝のパターンを示す図である。
【図１１】光学デバイスユニットの平面図である。
【図１２】図１２（Ａ）（Ｂ）は光学デバイスユニットのシャッターの開閉動作を示す図である。
【図１３】検出装置の概略図である。
【図１４】回転停止時の増強電場と試料分子の位置を説明する図である。
【図１５】総回転数の相違によるスペクトル強度の差を説明するための図である。
【図１６】参照物質を備えた回転盤を示す図である。
【図１７】試料分子の検出ピークと参照物質の参照ピークとを示す図である。
【図１８】図１８（Ａ）はレーザー出力の変動を示し、図１８（Ｂ）は検出ピークと参照ピークとの信号比を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
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。
【００３４】
以下にて説明する本実施形態の光学デバイスは、光源からの光が照射されることで、吸着している流体試料を反映した光を出射するものである。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。
【００３５】
１．試料の検出（定性検出）原理
先ず、流体試料を反映した光、例えばラマン散乱光に基づく物質の同定技術について説明する。図１（Ａ）〜図１（Ｄ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図１（Ａ）はラマン分光について説明され、流体試料中の試料分子に入射光（振動数ν）が照射されると、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又は波長は変化しない。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’）又は波長は、試料分子の振動数ν’（分子振動）が反映される。入射光の一部は、試料分子を振動させてエネルギーを失うが、試料分子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。
【００３６】
図１（Ｂ）には、流体試料中の検出対象の試料分子が例えばアセトアルデヒド分子である場合のラマンスペクトルが示されている。言い換えれば、図１（Ｂ）に示すラマンスペクトルを分析することで、例えばアセトアルデヒド分子を特定することができる（定性検出）。しかしながら、試料分子が微量である場合、ラマン散乱光は、一般に微弱であり、試料分子を検出又は特定することは困難である。そこで、増強電場を提供し、ラマン散乱光を増強電場によって増強することが好ましい。なお、図１（Ｂ）のラマンスペクトルは、ラマンシフトを波数で表している。
【００３７】
図１（Ｃ）の例では、金属微粒子（金属ナノ粒子）１３に入射光（照射光）を照射した時に形成される増強電場１４について説明される。入射光の波長よりも小さな金属微粒子（金属ナノ粒子）１３に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属微粒子１３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微粒子１３内に励起され、金属微粒子１３の近傍に入射光の電場よりも強い増強電場１４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の凸部を有する金属微粒子１３等の電気伝導体に特有の現象である。
【００３８】
図１（Ｄ）は、ＳＥＲＳセンサー１０に入射光を照射した時の表面増強ラマン散乱(SERS: Surface Enhanced Raman Scattering)について説明している。ＳＥＲＳセンサー１０は、例えば基板１１を有し、基板１１の凸部１２に金属微粒子１３を形成する。結果として、ＳＥＲＳセンサー１０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１１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１１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１１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。
【００３９】
このようなＳＥＲＳセンサー１０に入射光を照射することで、金属微粒子（金属ナノ構造の凸部）１３の周囲近傍に増強電場１４を形成することができる。増強電場１４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１４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。
【００４０】
図１（Ｄ）の例では、ＳＥＲＳセンサー１０の表側（金属ナノ粒子１３側）から入射光が照射されているが、ＳＥＲＳセンサー１０の裏側（基板１１側）から入射光を照射してもよい。
【００４１】
２．光学デバイス
２．１．基本的構成
図２は、本発明の一実施形態に係る光学デバイス５０の要部を示している。図２に示す光学デバイス５０は、図１（Ａ）〜図１（Ｄ）にて説明した通り、光が照射されることで流体試料の分子振動数が反映されたラマン散乱光を発生するものである。
【００４２】
図２に示す光学デバイス５０は、図１（Ｄ）に示すＳＥＲＳセンサー１０を搭載した第１部材２０と、第１部材２０と対向する第２部材３０とを有する。さらに光学デバイス５０は、第１部材２０と第２部材３０との間にギャップＧを形成するギャップ形成機構と、第１部材２０と第２部材３０との間に試料分子１を吸引させる吸引流Ｓを形成する吸引流形成機構と、を有する。
【００４３】
ここで、ギャップ形成機構及び吸引流形成機構について、図３も参照して説明する。図３では、第１，第２部材２０，３０の一方、例えば第２部材３０を回転盤としたとき、吸引流形成機構は、回転盤３０を回転駆動する回転駆動部４０にて形成している。回転駆動部４０は例えばスピンドルモーターにて形成され、回転盤３０を５０００〜１５０００ｒｐｍ、例えば１２０００ｒｐｍにて回転方向Ａに高速回転駆動する。こうすると、回転駆動部４０は、図３に示す吸引流Ｓを形成することができる。なお、回転盤３０が第１部材２０と対向する面に、凹溝３１を形成することができる。凹溝３１は、例えば周方向に連続して形成することができる。
【００４４】
一方、回転盤（第２部材）３０と対向させてＳＥＲＳセンサー１０を搭載した第１部材２０は、浮上ヘッドとすることができる。この場合、ギャップ形成機構は、自由端に浮上ヘッド２０が固定されたアーム２１の基端をヒンジ部２２にて可動に支持している浮上ヘッド支持機構とすることができる。
【００４５】
ここで、回転ディスクに対して情報を記録／再生する磁気ヘッドスライダーの浮上原理を用いれば、回転盤（第２部材）３０を回転駆動部４０により回転駆動すると、吸引流とともに揚力が生じ、浮上ヘッド支持機構２５にて可動に支持された浮上ヘッド（第１部材）２０は、揚力により図２に示すＢ方向に浮上する。これにより、第１部材（浮上ヘッド）２０と第２部材（回転盤）３０との間にギャップＧが形成され、しかも回転中はギャップＧが一定に維持される。つまり、回転盤３０を回転駆動する回転駆動部４０が吸引流形成機構として機能することと協働して、浮上ヘッド支持機構２５は浮上ヘッド（第１部材）２０と第２部材（回転盤）３０との間にギャップＧを形成するギャップ形成機構として機能する。
【００４６】
図４は、凹溝３１の深さと、ギャップＧの大きさとの関係を示す特性図である。なお、図４に示す数値は一例であり、浮上ヘッド２０の重量、凹溝３１の深さやパターン等の条件変更により数値を適宜変更することができる。図４から、溝深さが０、つまり凹溝３１が存在しなくてもギャップＧを形成できることが分かる。また図４から、凹溝３１が深いほどギャップＧは大きくなり、凹溝３１が浅いほどギャップＧは小さくなることが分かる。つまり、凹溝３１の深さやパターンを調整して、ギャップＧの大きさを例えば１００ｎｍ以下、好ましくは５０ｎｍ以下の範囲で調整できる。
【００４７】
浮上ヘッド２０と回転盤３０との間にギャップＧが形成される理由は、図２に示すように、浮上ヘッド支持機構２５により支持された浮上ヘッド２０と回転盤３０との間に吸引流Ｓが形成されるからである。この吸引力Ｓにより浮上ヘッド２０が図２のＢ方向に浮上することを浮上ヘッド支持機構２５が案内することで、ギャップＧが形成される。
【００４８】
２．２．ラマン散乱光の増強原理
図５、図６、図７（Ａ）及び図７（Ｂ）は、本実施形態にてラマン散乱光を増強できる原理を示している。先ず、図７（Ａ）に示すように、吸引流Ｓは揚力を生ずるだけでなく、センサー空間内の試料分子１を、例えば１００ｎｍ以下の非常に狭いギャップＧに次々と搬送することができる。つまり、センサー空間内の同一試料分子１が、回転盤３０の時間あたりの回転数例えば１２０００ｒｐｍと比例する回数にて、ギャップＧを繰り返し通過する。試料分子１は、１回転する間に少なくとも1回、ギャップＧの中を通過できる。例えば、回転盤３０の回転数を１２０００ｒｐｍとすれば、１０秒間に、試料分子１はギャップＧの中を２０００回も通過することになる。通過するたびに、ラマン散乱光が発生するため、例えば１０秒間に積算された強いＳＥＲＳ信号が得られることになる。
【００４９】
しかも、図７（Ｂ）に示すように、光照射領域１５には、図１（Ｃ）（Ｄ）にて説明した通り、金属微粒子１３の周囲に増強電場１４が形成されている。この増強電場１４は、図７（Ａ）に示すようにギャップＧ内に形成される。
【００５０】
よって、ギャップＧを繰り返し通過する試料分子１は、金属微粒子１３に吸着されなくても、増強電場１４中を通過する確率が格段に高まる。増強電場１４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１４で増強されて、ラマン散乱光の信号強度は、強くなる。本実施形態では、以上の原理により流体試料を反映する光（ラマン散乱光）を増強して、ラマンスペクトル強度を高めている。
【００５１】
ここで、図５に示すように、浮上ヘッド２０側に設けた金属微粒子１３の周囲に形成される増強電場１４が、回転盤３０に到達する染み出し距離Ｈ０を有する。このことは、図６から説明される。図６は、金属微粒子１３と試料分子１との距離を横軸とし、ラマン散乱光の強度を縦軸に示している。図６に示すように、金属微粒子１３と試料分子１との距離が１００ｎｍを越える付近から、ラマン散乱光の強度が急激に低下してほぼ一定で推移している。換言すれば、金属微粒子１３から染み出す増強電場１４の距離Ｈ０（図５）は、１００ｎｍ程度確保されていることになる。上述した通り、浮上ヘッド２０が浮上する距離であるギャップＧは１００ｎｍ以下であるので、増強電場１４が回転盤３０に到達する染み出し距離Ｈ０を有することになる。
【００５２】
このようにすると、図６の通りギャップＧの高さ領域全域まで増強電場１４が染み出すため、ギャップＧを通過する試料分子１は増強電場１４中を通過することになり、ラマンスペクトル強度がさらに高まる。
【００５３】
なお、図２において、ＳＥＲＳセンサー１０に対して、レーザーを上からあるいは下から照射することができる。浮上ヘッド２０及び回転円盤３０は、不透明部材の他、レーザー光を通過させる場合には透明部材にて形成できである。また、ＳＥＲＳセンサー１０の主要素である金属微粒子１３に関し、ナノオーダーの金属突起が回転方向Ａに対して所定の角度で一次元または二次元にて周期的に配列させることができる。
【００５４】
２．３．スペーサー部材
図７（Ａ）では、回転盤３０の回転停止時に金属微粒子１３と回転盤３０とが干渉することを防止するスペーサー部材２３を、例えば浮上ヘッド２０側に設けている。スペーサー部材２３の高さＨ２は、金属微粒子（金属ナノ構造の凸部）１３の高さＨ１よりも高い（Ｈ２＞Ｈ１）。こうすると、図２に示すＢ方向への揚力がなくなっても、金属微粒子１３は回転盤３０と接触することがない。よって、金属微粒子１３をスペーサー部材２３により保護できる。
【００５５】
図８は、回転盤３０の周方向に沿って、深さＤの凹溝３１を形成している。なお、図８の回転盤３０の回転接線方向は、紙面と直交する方向である。そして、金属微粒子（金属ナノ構造の凸部）１３は、凹溝３１と対向する領域に形成されている。凹溝３１は複数設けられ、各凹溝３１と対向させて金属微粒子１３を配置できる。この場合、スペーサー部材２３の高さＨ２は、金属微粒子１３の高さＨ１よりも低くできる（Ｈ２＜Ｈ１）。ただし、Ｈ２＋Ｄ＞Ｈ１を満たす必要がある。なお、図７及び図８において、スペーサー部材２３は回転盤３０側に固定しても良い。
【００５６】
２．４．光学デバイスの変形例
図９に示すように、金属微粒子１３を配列した第１部材２０を回転盤とし、第１部材２０と対向する第２部材３０を浮上ヘッドとしても良い。この場合には、回転盤（第１部材）２０を回転させることで、浮上ヘッド（第２部材）３０が浮上して、回転盤（第１部材）２０と浮上ヘッド（第２部材）３０との間にギャップＧが形成される。
【００５７】
このとき、回転盤（第１部材）２０に凹溝２４を設けることができる。さらに、その凹溝２４内に金属微粒子１３を配置することができる。この場合、図９に示すスペーサー部材２３の高さＨ２は、凹溝２４の深さをＤとすると、図８と同じく、スペーサー部材２３の高さＨ２は、金属微粒子１３の高さＨ１よりも低くできる（Ｈ２＜Ｈ１）。ただし、Ｈ２＋Ｄ＞Ｈ１を満たす必要がある。なお、図９において、スペーサー部材２３は浮上ヘッド３０側に固定しても良い。
【００５８】
また、回転盤（第１部材）２０に凹溝２４を設けない場合には、図７と同じく、スペーサー部材２３の高さＨ２は、金属微粒子１３の高さＨ１よりも高くすればよい（Ｈ２＞Ｈ１）。
【００５９】
図８に示す回転盤（第２部材）３０に形成される凹溝３１は、揚力が発生しないときにスペーサー部材２３により金属微粒子１３と回転盤（第２部材）３０との干渉を常に避けるためには、円周溝とする必要があった。
【００６０】
しかし、図９の場合などでは、凹溝２４の形状は問わない。図１０（Ａ）（Ｂ）は、凹溝２４の各種パターンを示している。図１０（Ａ）に示すように、直線状または曲線状の凹溝２４に対して、回転方向（回転接線方向）Ａは凹溝２４と平行でも良いし直交しても良い。このことから、図１０（Ｂ）に示すように、回転方向Ａとは無関係に格子状の凹溝２４としても良い。
【００６１】
３．光学デバイスユニット
次に、上述した光学デバイス５０を用いて構成される光学デバイスユニット１００につい、図１１及び図１２（Ａ）（Ｂ）を参照して説明する。図１１及び図１２（Ａ）（Ｂ）に示すように、光学デバイスユニット１００は、光学デバイス５０の第１部材２０及び第２部材３０を収容し、導入口６４Ａと導出口６４Ｂとを有する試料導入部６０と、導入口６４Ａ及び導出口６４Ｂを開閉するシャッター７０（第１シャッター７０Ａ及び第２シャッター７０Ｂ）と、導出口６４Ｂを介して試料導入部６０内を負圧にする吸引駆動部であるファン８０と、を有する。
【００６２】
試料導入部６０は、流体試料が導入される空間部を有する中空箱型を呈している。図１２（Ａ）（Ｂ）は試料導入部６０の一側面を示しているが、図１２（Ｂ）に示すように、試料導入部６０の例えば側壁６２には開口６４が形成されている。試料導入部６０の側壁６２には少なくとも２つの開口６４が形成されている。試料導入側の開口６４を導入口６４Ａと称し、試料導出側の開口６４を導出口６４Ｂと称する。
【００６３】
２つの開口６４を開閉する２つのシャッター７０が設けられている。導入口６４Ａを開閉するシャッター７０を第１シャッター７０Ａと称し、導出口６４Ｂを開閉するシャッター７０を第２シャッター７０Ｂと称する。図１１では、第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂは、試料導入部６０の側壁６２に沿って移動可能に設けられている。
【００６４】
図１１に示すように、導出口６４Ｂを介して試料導入部６０内を負圧にする吸引駆動部であるファン８０が設けられている。よって、ファン８０が駆動され、かつ、第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂが開放されていれば（図１２（Ｂ）の状態）、導入口６４Ａを介して、人体の呼気や環境雰囲気中の流体試料が試料導入部６０に吸引されて導入される。なお、吸引駆動部は、ファンに限らず、チューブポンプ、ダイアフラム式ポンプ等のポンプなど、試料導入部６０内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。
【００６５】
そして、本実施形態の光学デバイスユニット１００では、第１シャッター７０Ａ及び第２シャッター７０Ｂを開放して、流体試料を試料導入部６０内に導入する第１状態と、第１シャッター７０Ａ及び第２シャッター７０Ｂを閉鎖して、流体試料を試料導入部６０内に閉じ込めた第２状態とを実現することができる。第２の状態にて、光源より光を発して検査を実施すれば、試料導入部６０内に閉じ込められた流体試料は排出されずに、吸引流Ｓにより流体試料をギャップＧに何度も通過させて検査に寄与させることができる。また、検査時に試料導入部６０内に外光が取り込まれることを低減できる。
【００６６】
図１１に示すように、試料導入部６０には、試料供給流路９０Ａと試料排出流路９０Ｂを設けることができる。試料供給流路９０Ａは、一端に外気と連通する供給口９１Ａを有し、他端が導入口６４Ａと連通している。試料排出流路９０Ｂは、一端に外気と連通する排出口９１Ｂを有し、他端が導出口６４Ｂと連通している。
【００６７】
本実施形態では、図１１に示すように、試料導入部６０の側壁６２は円周壁であり、側壁６２と対向する円周内壁６６を有している。導入口６４Ａ及び導出口６４Ｂは、側壁６２と円周内壁６６とを貫通している。
【００６８】
ここで、導出口６４Ｂは、平面視にて、円周内壁６６の中心Ｐと導入口６４Ａとを結ぶ線Ｌ上から外れた位置に配置されることが好ましい。こうすると、導入口６４Ａから直ちに導出口６４Ｂに向かう流体試料は少なく、円周内壁６６に沿うＸ方向に向かう流体試料の旋回流が生ずる。
【００６９】
図１１に示すように、試料供給流路９０Ａ及び試料排出流路９０Ｂは、円周内壁６６の一つの接線方向と平行な方向に沿って互いに同じ向きに延びる部分を、少なくとも試料導入部６０との連結端側に有することができる。こうすると、導入口６４Ａ及び導出口６４Ｂ付近の流体試料は接線方向と平行に流れるので、上述の旋回流がより発生し易くなる。
【００７０】
第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂは、第１，第２弾性体（バネ）７１Ａ，７１Ｂにより図示Ｙ，Ｚ方向（シャッター閉鎖方向）に付勢されている。第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂには第１，第２ラック７２Ａ，７２Ｂが固定されている。これら第１，第２ラック７２Ａ，７２Ｂに第１，第２のシャッター駆動歯車７３Ａ，７３Ｂが噛合している。第１，第２シャッター駆動歯車７３Ａ，７３Ｂを駆動することで、第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂは第１，第２弾性体７１Ａ，７１Ｂの付勢力に抗して開放される。第１，第２シャッター駆動歯車７３Ａ，７３Ｂへの駆動力を解除すれば、第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂは第１，第２弾性体７１Ａ，７１Ｂにより閉鎖駆動される。
【００７１】
４．検出装置
図１３は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図１３に示される検出装置２００は、図２に示す第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂ（図１３では省略）や歯車９３Ａ，９３Ｂ等を備えた試料導入部６０、ファン８０、試料供給流路９０Ａ及び試料排出流路９０Ｂ、光学デバイス５０等を備えた光学デバイスユニット１００を有する。検出装置２００の筐体２１０は、ヒンジ部２１２により開閉可能なセンサーカバー２１１を備える。光学デバイスユニット１００は、センサーカバー２１１内にて、筐体２１０に対して着脱自在に配置される。光学デバイスユニッ１００が装着／非装着状態は、センサー２１３により検出できる。なお、試料供給流路９０Ａの供給口９１Ａには、除塵フィルター９２が設けられる。
【００７２】
試料供給流路９０Ａ及び試料排出流路９０Ｂは、試料導入部６０の円周内壁６６（図１１）の接線方向と平行に水平に延び、そこから上方に延び、さらに水平に延びている。よって、試料供給流路９０Ａは、供給口９１Ａから直進する外光を遮光する壁部９３Ａを含み、試料排出流路９０Ｂは、排出口９１Ｂから直進する外光を遮光する壁部９３Ｂを有する。これにより、外光が試料導入部６０内に入射し難い構造となっている。
【００７３】
筐体２１０内には、光源１１０、光学系１２０と、光検出部１３０と、信号処理・制御部１４０と、電力供給部１５０とが設けられている。筐体２１０内にはさらに、光学デバイスユニット１００内の第１，第２駆動歯車７３Ａ，７３Ｂに駆動力を付与して第１，第２シャッター７０Ａ，７０Ｂ（図１１）を駆動するシャッター駆動部１６０，１６１を有する。
【００７４】
図１３において、光源１１０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、これに限定ざれない。
【００７５】
光源１１０からの光は、光学系１２０を構成するコリメーターレン１２１により平行光にされる。コリメーターレンズ１２１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１１０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。
【００７６】
コリメーターレンズ１２１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）１２２により光学デバイス５０の方向に導かれ、対物レンズ１２３で集光され、光学デバイス５０に入射する。光学デバイス５０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ１２３を通過し、ハーフミラー１２２によって光検出部１３０の方向に導かれる。
【００７７】
光学デバイス５０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ１２４で集光されて、光検出部１３０に入力される。光検出部１３０では先ず、光フィルター１３１に到達する。光フィルター１３１（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１３２を介して受光素子１３３にて受光される。分光器１３２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１３２を通過する光の波長は、信号処理・制御回路１４０により制御（選択）することができる。受光素子１３３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。
【００７８】
電力供給部１５０は、光源１１０、光検出部１３０、信号処理・制御部１４０及びファン８０等に供給する。電力供給部１５０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。
【００７９】
５．定量検出
５．１．定量検出精度
本実施形態では、図１３の受光素子１３３から得られる図１（Ｂ）に示す試料分子の振動数を反映したラマン散乱光のスペクトル強度から、試料分子の濃度を定量検出することも可能である。試料分子１の数が多いほど、図１（Ｂ）の特定試料分子のスペクトル強度は高くなるからである。
【００８０】
ここで、本実施形態装置にて検出される特定試料分子の定量検出精度について考察する。図１４は、回転盤３０が停止した直後の状態を模式的に示している。増強電場１４を通過しなかった試料分子１は、ラマン散乱光の発生に寄与せず、図１３の受光素子１３３ではカウントされなかった分子である。一方、増強電場１４を通過した試料分子１は、ラマン散乱光の発生に寄与し、図１３の受光素子１３３でカウントされた分子である。
【００８１】
測定時間をΔＴとし、一回転時間をｔとすると、増強電場１４を横切る回数はＲ＝ΔＴ／ｔとなる。一回転中にギャップＧを通過する試料分子１の数をＮ個とし、図１４のように回転停止時にカウントされない試料分子１の数をｎ個（０≦ｎ≦Ｎ）とする。このとき、図１３の受光素子１３３で得られる試料分子１のラマン散乱光の強度Ｉは（ＲＮ−ｎ）に比例する。本実施形態では、回転数Ｒが充分に大きいので、カウントされない試料分子１の数ｎ個による誤差は無視できる。よって、回転停止位置精度に依存した誤差は無視できることが分かる。
【００８２】
図１５は、回転停止時までの回転数Ｒとラマン散乱光の強度ＩとギャップＧを通過する試料分子１のカウント数との関係を示している。図１５において、一回転中にギャップＧを通過する試料分子１の数をＮ個とすると、回転数Ｒ回でのラマン散乱光の強度Ｉはカウント分子数ＲＮに比例し、回転数（Ｒ−１）回でのラマン散乱光の強度Ｉはカウント分子数（Ｒ−１）Ｎに比例する。回転数Ｒ回と回転数（Ｒ−１）回との各々の強度Ｉを比較した時、回転数Ｒが１０００回点を越えるレベルであれば（Ｒ＞１０００）、回転数Ｒ回と回転数（Ｒ−１）回との強度Ｉによるラマン散乱光の強度Ｉの誤差は０．１％以下である。よって、回転停止位置精度に依存した誤差は無視でき、ラマン散乱光の強度Ｉに基づいた定量分析が可能となる。
【００８３】
このように、回転停止位置精度に依存した誤差や、総回転数に依存した誤差は、総回転数が充分に大きければいずれも無視でき、ラマン散乱光の強度Ｉに基づいた定量分析が可能となる。
【００８４】
５．２．レーザー出力などの変動に基づく検出精度
図１３に示す光源１１０であるレーザー出力が変動すれば、ラマン散乱光の強度Ｉも変動し、それにより定量分析精度が悪化することが懸念される。そのために、図１６に示すように、例えば回転盤３０の例えば凹溝３１に、参照物質３２を例えばナノインプリント等で形成する。なお、浮上ヘッド２０に参照物質３２を固定しても良い。
【００８５】
こうすると、回転盤３０の回転に従い、図７のレーザー照射領域１５内に参照物質３２が搬入される毎に、参照物質３２の分子振動数を反映したラマン散乱光が増強電場１４で増強されて出力される。図１７は、試料分子１の検出ピークＩ１と、参照物質３２の参照ピークＩ２を示している。
【００８６】
図１８（Ａ）は、図１３に示す光源１１０であるレーザー出力の変動を示している。ここで、図１７に示す試料分子１の検出ピークＩ１と、参照物質３２の参照ピークＩ２との信号比（Ｉ１／Ｉ２またはＩ２／Ｉ）を考える。図１８（Ａ）に示すレーザー出力が低下すれば、Ｉ１，Ｉ２が共に低下するので、信号比は変化しない。同様に、図１８（Ａ）に示すレーザー出力が増加すれば、Ｉ１，Ｉ２が共に増加するので、信号比は変化しない。
【００８７】
このように、図１８（Ａ）に示すレーザー出力の変動があっても、図１８（Ｂ）に示すように信号比は変化しない。このことから、レーザー出力などが変動しても、検出精度を維持することができる。よって、定量分析精度も向上する。
【００８８】
なお、上記のように本実施形態について詳細に説明したが、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。
【符号の説明】
【００８９】
１  試料分子、１０  ＳＲＥＳセンサー、１３  金属微粒子、１４  増強電場、２０  第１部材（浮上ヘッド）、２１  アーム、２２  ヒンジ部、２３  スペーサー部材、２４  凹溝、２５  ギャップ形成機構（浮上ヘッド支持機構）、３０  第２部材（回転盤）、３１  凹溝、３２  固定された参照試料、４０  吸引流形成機構（回転駆動部）、５０  光学デバイス、６０  試料導入部、６４Ａ  導入口、６４Ｂ  導出口、７０Ａ  第１シャッター、７０Ｂ  第２シャッター、８０  吸引駆動部（ファン）、９０Ａ  試料供給流路、９０Ｂ  試料排出流路、１００  光学デバイスユニット、１１０  光源、１３０  光検出部、２００  検出装置
【図２】
2012220432.tif 000003
【図３】
2012220432.tif 000004
【図４】
2012220432.tif 000005
【図５】
2012220432.tif 000006
【図６】
2012220432.tif 000007
【図７】
2012220432.tif 000008
【図８】
2012220432.tif 000009
【図９】
2012220432.tif 000010
【図１０】
2012220432.tif 000011
【図１１】
2012220432.tif 000012
【図１２】
2012220432.tif 000013
【図１３】
2012220432.tif 000014
【図１４】
2012220432.tif 000015
【図１５】
2012220432.tif 000016
【図１６】
2012220432.tif 000017
【図１７】
2012220432.tif 000018
【図１８】
2012220432.tif 000019
【図１】
2012220432.tif 000020