(57)【要約】      （修正有）【課題】生体に含有される生体成分の濃度を測定する方法【解決手段】光源と、周期構造を有する金属部材１３を具備し、光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する基板３と、基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、金属部材は、第１の方向１４に第１の間隔１６で配列され、第２の方向１５に第２の間隔１７で配列され、第１の間隔１６は、光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、第２の間隔１７は、第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、かつ、第２の間隔１７は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定され、光源からの光を基板３に照射し、表面増強ラマン散乱を発生した表面増強ラマン散乱を分光手段により検出し、検出された表面増強ラマン散乱に基づき、生体成分の濃度を算出する。【選択図】図２
2013142546.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
生体成分濃度測定装置を用いて生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程：
（ａ）測定装置を準備する工程、ここで、
前記測定装置は、
光源と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、
かつ、第２の間隔は、２５０〜４００ｎｍの範囲で設定され、
（ｂ）前記光源からの光を前記基板に照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程、
（ｃ）前記発生された表面増強ラマン散乱を分光手段により検出する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）により検出された表面増強ラマン散乱に基づき、生体成分の濃度を算出する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２】
前記測定装置が、前記光源の光の偏光方向を制御する偏光手段を具備し、
（ｂ’）前記光源からの光の偏光方向を前記第１の方向に略一致するように光を前記基板に照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１の方向と前記第２の方向が直交していることを特徴とする請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記基板が前記生体成分を含む被検溶液中に配置され、前記被検溶液中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記基板が前記生体成分を含む生体の皮下に埋め込まれ、前記生体中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の方法。
【請求項６】
前記生体成分がグルコースであることを特徴とする請求項４または５に記載の方法。
【請求項７】
生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程：
（ａ）測定装置を準備する工程、ここで、
前記測定装置は、
光源と、
前記光源の光の偏光方向を制御する偏光制御手段と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する、生体の皮下に埋め込まれた基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、
かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定され、
（ｂ）前記光源からの光の偏光方向を前記第１の方向に略一致するように光を前記基板に照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程、
（ｃ）前記発生された表面増強ラマン散乱を分光手段により検出する工程、
（ｄ）前記工程（ｃ）により得られた表面増強ラマン散乱の強度を記憶する工程、
（ｅ）前記偏光板制御手段により前記偏光方向を変更し、前記光源からの光を照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程、
（ｆ）前記工程（ｅ）により発生した表面増強ラマン散乱を検出する工程、
（ｇ）前記工程（ｆ）により得られた表面増強ラマン散乱の強度を記憶する工程、
（ｈ）前記工程（ｇ）により記憶された表面増強ラマン散乱の強度と前記工程（ｄ）で記憶された表面増強ラマン散乱の強度を比較し、前記表面ラマン散乱の強度の大小を判断し記憶する工程、
（ｉ）前記工程（ｅ）から前記工程（ｈ）までを繰り返すことにより表面増強ラマン散乱の強度の最大値を算出する工程、
（ｊ）前記工程（ｉ）で得られた前記表面増強ラマン散乱の強度の最大値に基づき、生体成分の濃度を算出する工程、を含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
前記第１の方向と前記第２の方向が直交していることを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記基板が前記生体成分を含む被検溶液中に配置され、前記被検溶液中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１０】
前記基板が前記生体成分を含む生体の皮下に埋め込まれ、前記生体中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項７または８に記載の方法。
【請求項１１】
前記生体成分がグルコースであることを特徴とする請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
光源と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定されることを特徴とする、生体成分濃度測定装置。
【請求項１３】
前記測定装置が、前記光源の光の偏光方向を制御する偏光手段を具備することを特徴とする請求項１２に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項１４】
前記第１の方向と前記第２の方向が直交していることを特徴とする請求項１２または１３に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項１５】
前記基板が前記生体成分を含む被検溶液中に配置され、前記被検溶液中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項１６】
前記基板が前記生体成分を含む生体の皮下に埋め込まれ、前記生体中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１２〜１４のいずれかに記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項１７】
前記生体成分がグルコースであることを特徴とする請求項１５または１６に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項１８】
光源と、
前記光源の光の偏光方向を制御する偏光制御手段と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する、生体の皮下に埋め込まれた基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定され、
かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定されている基板を具備することを特徴とする生体成分濃度測定装置。
【請求項１９】
前記第１の方向と前記第２の方向が直交していることを特徴とする請求項１８に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項２０】
前記基板が前記生体成分を含む被検溶液中に配置され、前記被検溶液中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１８または１９に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項２１】
前記基板が前記生体成分を含む生体の皮下に埋め込まれ、前記生体中の前記生体成分の濃度を測定することを特徴とする請求項１９または２０に記載の生体成分濃度測定装置。
【請求項２２】
前記生体成分がグルコースであることを特徴とする請求項２０または２１に記載の生体成分濃度測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、生体成分の濃度を測定する方法及び当該方法に用いられる測定装置に関し、特に、生体に含有されるグルコースのような生体成分の濃度を測定する方法及び当該方法に用いられる測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
生体に照射された光の反射光、散乱光、または透過光に基づいて、当該生体に含有されるグルコースのような生体成分の濃度が計測される。より具体的には、生体成分のラマン散乱光が観測され、当該ラマン散乱光の強度に基づいて生体成分の濃度が算出される。
【０００３】
従来より、ラマン分光法は様々な応用に用いられており、例えば、ラマン分光法を用いて生体成分の濃度を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献１参照）。ラマン分光法を用いることにより、生体成分中の特性成分の濃度を消耗品である試薬、試験紙片及び酵素などを不要にし、さらにはそれらの消耗品の使用前の保存安全性や使用後の廃棄の問題、誤差を生じる原因となる煩雑な操作や他の成分による干渉作用などの問題をなくし、さらに多成分を同時に定量測定することができる。
【０００４】
表面増強ラマン分光測定方法としては、分析対象物質と量論関係をなすラマン活性物質に、群をなしている貴金属コロイドからなる表面増強ラマン散乱の基質を共存させて、その増強電場による表面増強ラマン散乱を測定する技術が開示されている（例えば、特許文献２参照）。本技術によると、表面増強ラマン散乱を近赤外領域の光の波長を用いて高効率で励起でき、近赤外領域の光で励起することにより、近赤外領域においてラマン分光法によって分析することにより、分析対象物が含有されるマトリックス中のきょう雑物の光吸収や蛍光といった影響を排除して、分析対象物の検出において特異性・選択性を向上させることが可能となる。
【０００５】
特許文献３は、励起周波数ωと平面モードωｓｐｐと局在化表面プラズモンモードωＬＳＰが等しくなるように、ナノ構造のサイズ、形状、および、ナノ構造間の間隔を設定することにより、平面モードωｓｐｐと局在化表面プラズモンモードωＬＳＰの両方を励起する。これにより、平面モードと局在化表面プラズモンモードは互いに建設的に干渉し、局在化表面プラズモンモード、または、平面モードのいずれかの単独によって生成される強化電界よりも大きな電界を有する電磁波を生成する。
【０００６】
非特許文献１は、金属ナノ粒子を正方格子状に配列することにより、表面増強ラマン散乱光の増強度を増大させる方法を開示している。当該方法によれば、金属ナノ粒子間の距離を適切に設定することにより、表面増強ラマン散乱を励起するレーザ光の電場をグレーティング効果によるプラズモン共鳴により増大させ、かつ、発生するラマン散乱光の波長域の位置に金属ナノ粒子そのものによる局在化表面プラズモン共鳴の波長域を合わせるように金属ナノ粒子を設けることにより、表面増強ラマン散乱光は非常に強く増強される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開平９−０７９９８２号公報
【特許文献２】特表２００４−２０５４３５号公報
【特許文献３】特表２０１０−５３１９９５号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】Yizhuo Chu, Mohamad G. Banaee, and Kenneth B. Crozier, "Double-Resonance Plasmon Substrates for Surface-Enhanced Raman Scattering with Enhancement at Excitation and Stokes Frequencies", ACS Nano, Vol. 4, No. 5, 2804-2810, 2010
【非特許文献２】Melissa F. Mrozek, and Michael J. Weaver, "Detection and Identification of Aqueous Saccharides by Using Surface-Enhanced Raman Spectroscopy", Analytical Chemistry, Vol. 74, No. 16, 4069-4075, 2002
【非特許文献３】Chanda Ranjit Yonzon, Cristy L. Haynes, Xiaoyu Zhang, Joseph T. Walsh, Jr., Richard P. Van Duyne, "A Glucose Biosensor Based on Surface-Enhanced Raman Scattering: Improved Partition Layer, Temporal Stability, Reversibility, and Resistance to Serum Protein Interference", Analytical Chemistry, Vol. 76, 78-85, 2004
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明の目的は、向上された計測精度を有する生体成分濃度測定方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、生体成分濃度測定装置を用いて、生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｄ）を具備する：
測定装置を準備する工程（ａ）、ここで、
前記測定装置は、
光源と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、
かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定され、
前記光源からの光を前記基板に照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程（ｂ）、
前記発生された表面増強ラマン散乱を分光手段により検出する工程（ｃ）、
前記工程（ｃ）により検出された表面増強ラマン散乱に基づき、生体成分の濃度を算出する工程（ｄ）を有する方法を提供する。
【００１１】
さらに、本発明は、
生体成分の濃度を測定する方法であって、以下の工程（ａ）〜（ｊ）を具備する：
測定装置を準備する工程（ａ）、ここで、
前記測定装置は、
光源と、
前記光源の光の偏光方向を制御する偏光制御手段と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する、生体の皮下に埋め込まれた基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、
かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定され、
前記光源からの光の偏光方向を前記第１の方向に略一致するように光を前記基板に照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程（ｂ）、
前記発生された表面増強ラマン散乱を分光手段により検出する工程（ｃ）、
前記工程（ｃ）により得られた表面増強ラマン散乱の強度を記憶する工程（ｄ）、
前記偏光板制御手段により前記偏光方向を変更し、前記光源からの光を照射し、表面増強ラマン散乱を発生させる工程（ｅ）、
前記工程（ｅ）により発生した表面増強ラマン散乱を検出する工程（ｆ）、
前記工程（ｆ）により得られた表面増強ラマン散乱の強度を記憶する工程（ｇ）、
前記工程（ｇ）により記憶された表面増強ラマン散乱の強度と前記工程（ｄ）で記憶された表面増強ラマン散乱の強度を比較し、前記表面ラマン散乱の強度の大小を判断し記憶する工程（ｈ）、
前記工程（ｅ）から前記工程（ｈ）までを繰り返すことにより表面増強ラマン散乱の強度の最大値を算出する工程（ｉ）、
前記工程（ｉ）で得られた前記表面増強ラマン散乱の強度の最大値に基づき、生体成分の濃度を算出する工程（ｊ）を有する、方法を提供する。
【００１２】
さらに、本発明は、
光源と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定されている基板を具備し、かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定される、生体成分濃度測定装置を提供する。
【００１３】
さらに、本発明は、
光源と、
前記光源の光の偏光方向を制御する偏光制御手段と、
周期構造を有する金属部材を具備し、前記光源から照射された光により表面増強ラマン散乱光を発生する、生体の皮下に埋め込まれた基板と、
前記基板から発生した表面増強ラマン散乱光を分光・検出する分光手段とを備え、
前記金属部材は、第１の方向に第１の間隔で配列され、第２の方向に第２の間隔で配列され、
前記第１の間隔は、前記光源により照射された光の位相と整合することにより表面プラズモンが発生するように設定され、
前記第２の間隔は、前記第１の間隔よりも小さく設定され、
かつ、第２の間隔は、３００〜３５０ｎｍの範囲で設定されている基板を具備する生体成分濃度測定装置を提供する。
【発明の効果】
【００１４】
本発明は、向上された計測精度を有する生体成分濃度測定方法を提供する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施の形態１に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図２】微粒子チップ３を示す図である。
【図３】微粒子チップ３の別の構成例を示す図である。
【図４】微粒子チップ３の反射率測定結果の一例である。
【図５】表面増強ラマン散乱光測定結果の一例である。
【図６】本発明の実施の形態２に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【図７】本発明の実施の形態３に係る計測装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
（実施の形態１）
実施の形態１による生体成分の濃度を測定する方法が、図面を参照しながら、以下、説明される。
【００１７】
・工程（ａ）
工程（ａ）では、測定装置が準備される。図１に示されるように、測定装置は、光源９、および分光器７を具備する。測定装置は、必要に応じて、バンドパスフィルタ１０、レンズ系１１、ビームスプリッター１２、およびコンピュータ８を具備する。微粒子チップ３は、あらかじめ、図１に示すように真皮組織２に埋め込まれている。
図２は、微粒子チップ３とその一部拡大図を示す。微粒子チップ３の表面には、金属粒子１３が配置されている。金属粒子１３は、第１の方向１４に第１の間隔１６、第２の方向１５に第２の間隔１７で配置されている。ここで、第１の間隔１６は、光源９からの光の位相と整合し、グレーティング効果により表面プラズモンが発生するように設定されている。具体的には、以下の等式（Ｉ）により決定される。
【００１８】
【数１】
2013142546.tif 000003
【００１９】
ａ：第１の間隔１６、
λ０：光源から放射される光の波長、
Ｎ：実効屈折率、
ここで、実効屈折率Ｎは、微粒子チップ３の基材の材料の屈折率、微粒子チップ３の周辺の屈折率により決定される。
【００２０】
例えば、光源９から放射される光の波長が７８５ｎｍ、実効屈折率が１．３５の場合、第１の間隔１６は、約５８０ｎｍとなる。このようにすることにより、光源９から放射される励起光７８５ｎｍに対して、表面増強ラマン散乱光を発生されるために必要な表面プラズモンが、式（Ｉ）に記述された表面プラズモンの波数ベクトルと、光源９から発せられた励起光が約５８０ｎｍに配置された金属粒子１３による回折により発生した回折光の波数ベクトルが整合することにより発生する。このとき、表面プラズモンを発生させるとき、光源９からの光の偏光成分が、第１の方向１４と一致する成分が含まれている必要がある。
【００２１】
ここで、表面増強ラマン散乱光の強度は、励起光の電場強度の２乗、および、ラマン放射域の電場強度の２乗に比例し、かつ、表面増強ラマン散乱光を発生する分子数に比例することが知られている。
【００２２】
次に、第２の間隔について考える。第２の間隔１７を第１の間隔１６より狭めることにより、光源９から放射される励起光により照明される金属粒子１３の数が増加する。これにより、表面増強ラマン散乱光を発生する分子数が増加する。このように、第２の間隔１７を第１の間隔１６より狭く設定することにより、金属粒子１３の配置密度が向上することにより、表面増強ラマン散乱光を発生する分子数が増加し、表面増強ラマン光６の強度が増大する。
【００２３】
金属粒子１３の一例は、およそ１３０ｎｍの直径、およびおよそ３０ｎｍの高さを有する金ナノディスクである。金ナノディスクに代えて、金または銀のような金属によって被覆した表面を有する誘電体粒子が用いられ得る。当該誘電体の例はシリカである。
当該金属粒子１３は、７８５ｎｍの表面プラズモン共鳴波長、および、８６０ｎｍの局在化共鳴プラズモン共鳴波長を有する。本明細書において用いられる用語「表面プラズモン共鳴波長」、および、「局在化表面プラズモン共鳴波長」は、基板の反射率を測定した際に観測される表面プラズモン共鳴、または、局在化表面プラズモン共鳴による反射率の減少ピークの波長を意味する。
【００２４】
基板は、およそ１００μｍの直径およびおよそ１００μｍの厚みを有する。基板の材料の例は、アクリルなどの樹脂、ガラス、またはシリコンである。また、図３が示すように、基板上に導電体層４２を形成し、その上に誘電体層４１を形成し、その上に当該金属微粒子１３が設けられていてもよい。このようにすることにより、金属微粒子１３と導電体層４２の間で、電気四重極共鳴が発生し、発生した局在化表面プラズモンによる電場がより、金属微粒子近傍に閉じ込められる結果、電場増強効果がより期待できるため好ましい。
【００２５】
例えば、導電体層４２として、金、銀、白金、誘電体層４１として、酸化シリコン、酸化チタン、酸化アルミ等の材料を利用することができる。例えば、導電体層４２の一例として、金、誘電体層４１の一例として、酸化シリコンを利用することができる。金薄膜の厚さの一例として、１００ｎｍ、酸化シリコン薄膜の厚さの一例として、３０ｎｍとすることができる。また、さらに導電体層４２と基板間の接着性を向上されるために、導電体層４２と基板の間にチタン、チタンタングステン、クロム等の金属薄膜を備えていても良い。
【００２６】
図４は、微粒子チップ３の水中における反射率測定結果を示している。図４中の破線は、金ナノディスクが正方格子状に配列された従来例を再現した微粒子チップの反射率（第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝５８０ｎｍ）、実線、および、１点鎖線は、本実施の形態で利用されている微粒子チップ３の反射率（実線：第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝３００ｎｍ、１点鎖線：第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝３５０ｎｍ）を示している。ここで、微粒子チップは、基板上に金薄膜１００ｎｍ、酸化シリコン薄膜３０ｎｍが形成され、酸化シリコン薄膜上に金ナノディスクが作製されている。ここで、７８５ｎｍ付近の反射率の減少は、表面プラズモン共鳴波長位置を示し、８６０ｎｍ付近の反射率の減少は、局在化表面プラズモン共鳴波長位置を示している。反射率が小さいということは、表面プラズモン共鳴、および、局在化表面プラズモン共鳴による電場増強効果が大きいことを示している。図４から、本実施の形態の微粒子チップ３の反射率は、従来例よりも小さいことがわかる。従って、本実施の形態の微粒子チップ３のほうが、従来例に比較して電場増強効果が大きいことが分かる。
【００２７】
図５には、表面増強ラマン散乱光測定結果の一例として、微粒子チップ３の水中における４−アミノチオフェノールの測定結果を示している。図５中の破線は、金ナノディスクが正方格子状に配列された従来例を再現した微粒子チップにおける４−アミノチオフェノールの表面増強ラマン散乱測定結果（第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝５８０ｎｍ）、実線、および、１点鎖線は、本実施の形態で利用されている微粒子チップ３における４−アミノチオフェノールの表面増強ラマン散乱測定結果（実線：第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝３００ｎｍ、１点鎖線：第１の間隔＝５８０ｎｍ、第２の間隔＝３５０ｎｍ）を示している。図４で説明したとおり、本実施の形態の微粒子チップ３のほうが従来例の微粒子チップに比較して、電場増強効果が高いため、表面増強ラマン散乱光の増強度も高くなっていることがわかる。図４において、第２の間隔が３００ｎｍの場合と、３５０ｎｍの場合を比較すると、励起光の波長である７８５ｎｍ付近の表面プラズモンによる共鳴位置における反射率は、第２の間隔が３５０ｎｍであるほうが小さい。したがって、励起光の電場増強効果による表面増強ラマン散乱光の増強効果は、３５０ｎｍのほうが大きい。しかし、８５０〜８７０ｎｍのラマン放射域における局在化表面プラズモンによる共鳴位置における反射率は、第２の間隔が３００ｎｍのほうが小さい。したがって、局在化表面プラズモン共鳴による電場増強効果による表面増強ラマン散乱光の増強効果は、３００ｎｍのほうが大きい。さらに、第２の間隔が３００ｎｍのほうが、励起光に照明される金属粒子１３の数が多いことから、第２の間隔が３００ｎｍであるほうが効果が大きい。以上より、第２の間隔として、３００〜３５０ｎｍを選択することができ、さらには、３００ｎｍが好適である。
【００２８】
・工程（ｂ）または、工程（ｂ’）
工程（ｂ）では、図１に示されるように、光源９から放射された励起光５が、バンドパスフィルタ１０を透過した後、皮膚の表面を透過する。皮膚に埋め込まれた粒子チップ３は透過した光によって照射され、表面増強ラマン光６をそこで発生させる。
【００２９】
ここで、光源９から放射された励起光５の偏光方向が第１の方向１４と合う必要があるため、光源９は、無偏光の光を放射する光源が選定される、または、特定の偏光方向の光を放射する光源９が利用される場合は、あらかじめ励起光５の偏光方向を第１の方向に合うように設定される（工程（ｂ‘））。
【００３０】
ここで、偏光制御手段としては、例えば、無偏光の光を放射する光源９を利用する場合は、公知の偏光子を利用することができ、また、特定の偏光方向の光を放射する光源９を利用する場合には、例えばモータ等の回転装置を利用し、光源を回転させることにより、偏光を制御することができる。
【００３１】
・工程（ｃ）
工程（ｃ）では、図１に示されるように、発生した表面増強ラマン光６は、レンズ系１１による集光され、ビームスプリッター１２により、反射され、レンズ系１１により、集光された後に、分光器７により検出される。
【００３２】
ここで、分光器７としては、公知の技術を特に限定なく利用することができる。例えば、ツェルニーターナー型分光器、エシェル型分光器、フラットフィールド型分光器、フィルタ型分光器等が利用できる。
【００３３】
図１に示すように、皮膚は、表皮組織１、真皮組織２、および皮下組織４を具備する。これらの表皮組織１、真皮組織２、および皮下組織４はこの順に積層されている。
【００３４】
表皮組織１は生体の表面に位置する。表皮組織１は、およそ０．２〜およそ０．５ｍｍの厚さを有する。真皮組織２は、およそ０．５〜２ｍｍの厚さを有する。粒子チップ３は、真皮組織２に埋め込まれ、組織細胞間の体液である細胞間質液（interstitial fluid）に浸されて維持されている。皮下組織４は、主に脂肪組織から構成される。
【００３５】
真皮組織２は複数の毛細血管を有するので、体液は当該毛細血管中の生体成分を含有している。特にグルコースは高い浸透性を有するので、体液中のグルコース濃度は、血糖値との高い相関性を有する。
【００３６】
図１に示されるように、金属粒子８を具備する面が表皮組織１と平行になる様に、粒子チップ３は真皮組織２中に埋め込まれる。表皮組織１から粒子チップ３までの距離は、およそ１．５ｍｍである。
【００３７】
励起光５によって粒子チップ３が照射されると、金属粒子１３上で表面プラズモン共鳴が生じ、金属粒子１３の近傍における電磁場強度を増強する。これは、金属粒子１３の近傍（０．５〜３０ｎｍ以内）に位置する生体物質のラマン散乱光の増強をもたらす。このようにして、表面増強ラマン散乱光６が発生する。表面増強ラマン散乱光６の増強効果は、励起光５の電場増強効果と、ラマン散乱波長の電場増強効果の積に比例するため、表面プラズモン共鳴波長を励起光５の波長、かつ、局在化共鳴プラズモン共鳴波長を、例えばグルコースのラマン散乱波長に合わせることが好ましい。
【００３８】
また、グルコースの表面増強ラマン散乱光を測定するためには、非特許文献３が示すとおり、グルコースを金属粒子１３近傍に一時的に保持するために、例えば、金属粒子１３上に１１−メルカプトウンデカノールトリエチレングリコールエーテルの自己組織化単層膜を設けることが好ましい。このようにすることにより、グルコースを金属粒子１３近傍に保持するだけでなく、生体中に多数存在するタンパク質が微粒子チップ３に吸着することを防止できる。
【００３９】
表面増強ラマン散乱光の強度は、通常のラマン散乱光の強度の１０４倍〜１０９倍大きい。従って、金属粒子８の近傍で発生する表面増強ラマン散乱光は、皮膚表面（角質層を含む）、表皮組織１、または真皮組織２において発生するラマン散乱光よりも遥かに大きい強度を有する。これは、金属粒子１３の近傍の体液に含有されている生体成分由来のラマン散乱光が選択的に増強されていることを意味する。このようにして、迷光および妨害成分の影響が低減される。
【００４０】
生体に含有されるグルコースのような生体成分の量は、生体に含有される妨害成分の量よりもずっと低い。従って、グルコースの通常のラマン散乱光は、皮膚表面（表皮組織１の角質層）、表皮組織１、または真皮組織２に含有される妨害成分のラマン散乱光と比べて極めて小さい強度を有する。このような理由から、グルコースの通常のラマン散乱光を抽出することは難しい。
【００４１】
しかし、粒子チップ３により、真皮組織２中の体液に含まれる金属粒子８の近傍のグルコースのラマン散乱光が選択的に増強され得る。これが、グルコースのラマン散乱光の強度が妨害物質のラマン散乱光の強度と比較して選択的に大きくなることをもたらす。グルコースの表面増強ラマン散乱光の強度は、グルコースの濃度に比例するため、グルコースの表面増強ラマン散乱光の強度より、グルコースの濃度が算出され得る。
【００４２】
・工程（ｄ）
グルコースの濃度の算出の一例が以下に説明される。
【００４３】
非特許文献３の図１は、グルコースの表面増強ラマン散乱光スペクトルを示す。非特許文献３の図１に示されているように、グルコースの表面増強ラマン散乱光スペクトルは、１０００ｃｍ−１〜１５００ｃｍ−１であるラマンシフトの範囲に、グルコース特有の複数のピークを有する。
【００４４】
当該複数のピークの中でも、ラマンシフトが１１２０（ｃｍ−１）にあるピークは、アルブミンおよびクレアチニンのラマン散乱光スペクトルのピークに重ならない。従って、当該ラマンシフトが１１２０（ｃｍ−１）にある表面増強ラマン散乱光の強度は、グルコースの濃度にのみ比例する。
【００４５】
励起光５が７８５ｎｍの波長を有する場合、８６０．７ｎｍの波長を有する光が透過するフィルタ１３が利用される。８６０．７ｎｍの波長は、７８５ｎｍの波長に対応する波数よりも１１２０ｃｍ−１だけ小さい波数に対応する。
【００４６】
波長λと波数ｋとの間の関係は以下の等式（ＩＩ）を充足する。
【００４７】
ｋ（ｃｍ−１）＝１０７／λ（ｎｍ）・・・（ＩＩ）
【００４８】
７８５ｎｍの波長λを波数ｋに換算した値は１２７３９（ｃｍ−１）である。グルコース特有のピークの波数は、１２７３９（ｃｍ−１）よりも１１２０（ｃｍ−１）だけ小さい。よって、当該波数は、以下の等式によって計算される：１２７３９（ｃｍ−１）−１１２０（ｃｍ−１）＝１１６１９（ｃｍ−１）。波長に換算された１１６１９（ｃｍ−１）の波数の値は８６０．７ｎｍである。
【００４９】
これらの表面増強ラマン散乱光６の分光は、分光器７にて実施される。分光器７にて分光された、例えば、グルコースに特有な１０００〜１５００ｃｍ−１の分光スペクトルを、あらかじめ用意された検量線を利用することにより、グルコース濃度を算出することができる。検量線を作成する方法としては、例えば、部分最小２乗法アルゴリズム（Partial Least Square）を利用することができる。
【００５０】
以上のように、実施の形態１による計測装置を用いることによって、生体成分の濃度、例えば、グルコースの濃度を算出することができる。
【００５１】
（実施の形態２）
実施の形態２による生体成分の濃度を測定する方法を、図５を参照しながら、以下、説明される。図６において、図１と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。
【００５２】
図６は、本実施の形態に係る計測装置の構成を示す概略図を示している。
【００５３】
・工程（ａ）および工程（ｂ）
工程（ａ）では、測定装置が準備される。図６に示されるように、測定装置は、光源９、偏光子２１、コンピュータ８、および分光器７を具備する。測定装置は、必要に応じて、バンドパスフィルタ１０、レンズ系１１、および、ビームスプリッター１２を具備する。微粒子チップ３は、あらかじめ、図６に示すように真皮組織２に埋め込まれている。微粒子チップ３は、実施の形態１と同じものを利用することができる。
【００５４】
ここで、偏光子２１はステッピングモータ等の回転装置を具備し（図示せず）、かつコンピュータ８は接続され、本発明における偏光制御手段を構成している。
【００５５】
ここで、偏光制御手段としては、例えば、無偏光の光を放射する光源９を利用する場合は、公知の偏光子を利用することができる。また、特定の偏光方向の光を放射する光源９を利用する場合には、例えばモータ等の回転装置を利用し、光源を回転させることにより、偏光を制御することができる（図示せず）。
【００５６】
ここで、コンピュータ８は、偏光子２１を駆動し、初期位置に移動される。このとき、偏光子２１の初期位置は、第１の方向１４と略一致していることが、計測時間を短縮できるため、好ましい。
【００５７】
工程（ｂ）では、図６に示されるように、光源９から放射された励起光５が、バンドパスフィルタ１０、偏光子２１を透過した後、皮膚の表面を透過する。皮膚に埋め込まれた粒子チップ３は透過した光によって照射され、表面増強ラマン光６をそこで発生させる。
【００５８】
・工程（ｃ）〜工程（ｇ）
工程（ｃ）では、工程（ｂ）により発生した表面増強ラマン散乱光６を分光器７により検出する。
【００５９】
工程（ｄ）では、工程（ｃ）により検出された表面増強ラマン散乱光の強度をコンピュータ８により記憶する。
【００６０】
工程（ｅ）では、コンピュータ８からの命令に基づき、モータを駆動することにより、偏光子２１を駆動する。このようにすることにより、光源９から放射された励起光５の偏光状態は、変更される。この状態で再び微粒子チップ３に励起光５を照射し、表面増強ラマン散乱光６を発生させる。
【００６１】
工程（ｆ）では、工程（ｅ）により発生した表面増強ラマン散乱光６を分光器７により検出する。
【００６２】
工程（ｇ）では、工程（ｆ）により検出された表面増強ラマン散乱光の強度をコンピュータ８により記憶する。
【００６３】
・工程（ｈ）
工程（ｈ）では、工程（ｇ）により記憶された表面増強ラマン散乱の強度と工程（ｄ）で記憶された表面増強ラマン散乱の強度を比較し、表面ラマン散乱光６の強度の大小を判断し、そのときの偏光子２１の状態と表面増強ラマン散乱光の強度を関連付けて記憶する。
【００６４】
・工程（ｉ）
工程（ｉ）では、工程（ｅ）から前記工程（ｈ）までを繰り返すことにより表面増強ラマン散乱の強度の最大値を算出する。
【００６５】
・工程（ｊ）
工程（ｊ）では、前記工程（ｉ）で得られた前記表面増強ラマン散乱の強度の最大値に基づき、グルコースの濃度を算出する。このとき、グルコース濃度を算出する方法は、実施の形態１の工程（ｄ）と同じ手法を用いることができる。
【００６６】
本実施の形態において、無偏光の光源９を利用し、偏光子２１を駆動することにより、励起光５の偏光状態を変更する方法について説明したが、偏光状態を変更する方法として、上記のとおり、特定の偏光方向の光を放射する光源９を利用する場合には、例えばモータ等の回転装置を利用し、光源を回転させることにより、偏光を制御する方法も利用することができる。
【００６７】
本実施の形態では、励起光５の偏光状態を変更しながら表面増強ラマン散乱光６を測定し、その最大値をグルコース濃度の算出に利用することにより、より高精度の測定が可能となる。
【００６８】
（実施の形態３）
実施の形態３による生体成分の濃度を測定する方法を、図７を参照しながら、以下、説明される。図７において、図１と同じ構成要素については、同じ符号を用い、説明を省略する。図７は、本実施の形態に係る計測装置の構成を示す概略図を示している。
【００６９】
実施の形態１とは、微粒子チップ３が、セル３１中に配置され、被検溶液３２中の生体成分濃度を測定する点が異なる。
【００７０】
セル３１は、スペーサ３３、カバーガラス３４、基材３５、被検溶液３２をセル３１に注入する注入口（図示せず）と被検溶液３２をセル３１中から排出する排出口（図示せず）を備え、基材３５は、微粒子チップ３をはめ込む溝を備え、前記溝中に微粒子チップ３が配置され、スペーサ３３、カバーガラス３４、基材３５で形成された空間中に、被検溶液３２が満たされている。
【００７１】
ここで、カバーガラス３４は、励起光５、および、表面増強ラマン散乱光６に対して透明であれば特に限定なく利用することができる。さらに、カバーガラス３４界面での励起光５の反射、および、表面増強ラマン散乱光６の反射を最小限にするため、反射防止加工が施されていることが好ましい。
【００７２】
スペーサ３３、基材３５は、被検溶液３２を保持するための機械的強度、および、被検溶液３２に対する化学的安定性が確保でき、公知の滅菌方法による安定性が確保できる材料であれば特に限定なく公知のものを利用することができる。
【００７３】
その他の構成については、実施の形態１、または、実施の形態２と同様であるため、説明を省略する。
【００７４】
ここで、被検溶液３２は、生体から摘出された体液を利用することができる。例えば、全血、血漿、血清、汗、涙、尿、唾液等を被検溶液として測定することができる。
また、生体成分の濃度としては、グルコースだけでなく、アルブミン、コレステロール、トリグリセライド、クレアチニン、クレアチン等の生体代謝産物、および、抗体、ホルモン等、金属粒子１３の表面を測定する生体成分に適した処理を行うことにより、特に限定なく測定することができる。
【００７５】
本実施の形態に係る生体成分の濃度を測定する方法の動作に関しては、実施の形態１、または、実施の形態２と同じものを利用できるため、省略する。
【産業上の利用可能性】
【００７６】
本発明は、生体におけるグルコース等の生体成分濃度を測定するために用いられ得る。
【符号の説明】
【００７７】
１    表皮組織
２    真皮組織
３    粒子チップ
４    皮下組織
５    励起光
６    表面増強ラマン散乱光
７    分光器
８    コンピュータ
９    光源
１０  バンドパスフィルタ
１１  レンズ系
１２  ビームスプリッター
１３  金属粒子
１４  第１の方向
１５  第２の方向
１６  第１の間隔
１７  第２の間隔
２１  偏光子
３１  セル
３２  被検溶液
３３  スペーサ
３４  カバーガラス
３５  基材
４１  誘電体層
４２  導電体層
【図１】
2013142546.tif 000004
【図２】
2013142546.tif 000005
【図３】
2013142546.tif 000006
【図４】
2013142546.tif 000007
【図５】
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【図６】
2013142546.tif 000009
【図７】
2013142546.tif 000010