スペクトル情報を得るための装置および方法
【課題】 スペクトル情報を得るための装置および方法を提供することである。
【解決手段】 スペクトル情報を得る方法は、表面の増強された試料に第１の励起周波数で第１の励起と第２の周波数の第２の励起とを少なくとも起こすことを具備する。更なる方法は、前記第１および第２の励起周波数の１つを変えることと、出力信号強度を有する出力信号を検出することと、出力信号ピークを特定することとを具備する。加えて、方法は、スペクトル情報を得るために特定された出力信号を第１および第２の励起周波数に関連させることを含み、表面の増強された試料基板は第１および第２の励起の少なくとも１つに、または、この試料に起こされた出力フィールドに対応するフィールドを増強するように構成される。
【解決手段】 スペクトル情報を得る方法は、表面の増強された試料に第１の励起周波数で第１の励起と第２の周波数の第２の励起とを少なくとも起こすことを具備する。更なる方法は、前記第１および第２の励起周波数の１つを変えることと、出力信号強度を有する出力信号を検出することと、出力信号ピークを特定することとを具備する。加えて、方法は、スペクトル情報を得るために特定された出力信号を第１および第２の励起周波数に関連させることを含み、表面の増強された試料基板は第１および第２の励起の少なくとも１つに、または、この試料に起こされた出力フィールドに対応するフィールドを増強するように構成される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル情報を得るための装置および方法に関する。
【０００２】
分光分析のためのラマン効果の使用は、周知である。その効果において最も単純な形は、レーザー光線が試料（ｓａｍｐｌｅ）に入射されるときに観測される。大部分の入射光は、弾性的に散乱し、しかしながら、光子の小さい集団は、振動状態へ、あるいは、振動状態からの励起の結果として、非弾性的に散乱され、そして、その後、それぞれ、低いか（ストークス）、より高い（反ストークス）エネルギで放射される光子を生じて減衰する。試料分子の振動モードのエネルギの測定によるエネルギの違いは、ラマンスペクトルの設備に試料の構造および組成を特定する強力な技術の提供を可能にする。
【背景技術】
【０００３】
共鳴Ｒａｍａｎスペクトル法は、電子的共鳴の近傍の可視ビームを調整することによって、および、散乱された信号を増加させることによって、『通常の』ラマン分光法の感度問題を改良する。散乱を刺激（ｓｔｉｍｕｌａｔｅ）するために付加的な可視ビームを加えることは、誘導ラマン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を与える。より容易に、誘導ビームからラマン散乱ビームを区別するために、ＣＡＲＳ（コヒーレント反Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ散乱：ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、どの強度のビームパルスが入力ビームに異なる周波数でＣＡＲＳ信号を提供するかについて開発された。ＣＡＲＳは、非共鳴（ｎｏｎ−ｒｅｓｏｎａｎｔ）、共鳴（ｒｅｓｏｎａｎｔ）、または「プレ共鳴（ｐｒｅ−ｒｅｓｏｎａｎｔ）」で実行されることができる。しかしながら、共鳴ＣＡＲＳは、特に共鳴のときに、感度を制限するスライドガラスのような非試料材料（ｎｏｎ―ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）からの非共鳴バックグラウンド問題に苦しむ。
【０００４】
更なる開発において、非常に増強されたレスポンスが、参照によってここに組み込まれる化学学会レビュー（Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ）、１９９８、ボリューム２７、ページ２４１〜２５０に記載されているキャンピオンその他（Ｃａｍｐｉｏｎ ｅｔ ａｌ，）による「表面増強Ｒａｍａｎ散乱（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）」に記載される表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に際して、使用されることが判る。この技術によれば、ラマン効果の強化は、表面が入射のレーザフィールドを増強し、それゆえに、ラマン散乱されるフィールドを増加させるので、ラフな金属ナノパーティクルまたは表面の境界となる分子に対して検出されることが判る。たとえばナノパーティクルの場合、レーザフィールドはプラズモン振動をナノパーティクル内にてドライブし、および、もしパーティクルがラフなエッジを有するならば、これらのエッジの近くのプラズモンからのフィールドは入射のレーザフィールドよりさらに高い。パーティクルがレーザフィールド周波数の近くでプラズモン共鳴を有するときに、表面フィールドはさらにより大きい。したがって、分子はパーティクルの表面でより高いフィールドを経験し、ラマン散乱は増加する。たとえば、このような技術に関する更なる議論は、Ｃｈｅｗその他の「コロイド球体によるコヒーレント反Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ散乱の表面強化（ａ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ Ｓｐｈｅｒｅｓ）」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ Ｂ／Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．１／１９８４年３月、ページ５６−６６、および、ヴァンダーハムその他の「表面−プラズモン励起による和周波数収率の巨大強化（Ｇｉａｎｔ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｍ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｙｉｅｌｄ ｂｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｐｌａｓｍｏｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ Ｂ／Ｖｏｌ．１６（Ｎｏ．７／１９９９年７月ページ１１４６〜１１５２）で発見される。
【０００５】
これらの配置の全てにおいて、増加された感度が提供される反面、制限されたスペクトル情報は表面増強スペクトロスコピー、例えば表面増強ラマン分光法を使用して利用できる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、請求項において示される。第１および第２の可変波長励起ビームが表面増強構成上に入射するので、出力スペクトル情報によってスペクトルに関する多次元情報が導き出されることを可能にする。
【０００７】
例えば、本発明は、更に記載されている図面を参照される。
【０００８】
概要において、多次元スペクトロスコピーは、提供される。方法は、多重の励起を、表面増強スペクトロスコピーために準備される試料に、例えば適切な表面に吸着された試料分子、もしくは、銀のような表面基板、または、ナノパーティクルの表面に適用することによって付加的なスペクトル情報を得る。得られたスペクトル情報は、たとえば、それぞれの軸上の互いに対する各々の励起に対して、周波数ドメインのスペクトラムをプロットするように二次元のスペクトロスコピー技術を使用して分析されることができる。したがって、得られる表面から、試料の構造に関する詳細情報は、導き出されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明によるスペクトロスコピーの方法を実行する装置である。
【図２】図２は、４波混合相互作用（ｆｏｕｒ−ｗａｖｅｓ ｍｉｘｉｎｇ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）の遷移を示している図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
たとえば、第１および第２の励起ビームは、好ましくはお互い異なり、たとえば赤外線であり得るそれぞれ第１および第２の波長ω１、および、ω２で試料上への入射を提供される。その結果、振動のコヒーレンスは、図２のエネルギー帯ｃとして示される組合せ励起帯を生成している試料に誘導される。可視であり得る第３の励起ビームω３が、仮想からのラマン状の遷移の結果として、潜在的にプレ共鳴な状態ｄ（２０６）から振動準位ｂ（２０４）へと、各々のω１からω３へと異なる周波数で、散乱された出力ビームω４を提供するビーム上へ入射する。
【００１１】
下で更に詳細に議論されるように、ω１、および、ω２の少なくとも１つの変動は組合せバンドレベルを変える。すなわち、ω４が共鳴に遭うときに、より大きい信号はリターンし、これはω１、および、ω２に関する情報を提供する。特に、共鳴はω１、および、ω２に対してプロットされることができ、このようなプロットに示されるさまざまな共鳴は試料の分子の「フィンガープリント（ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ）」を提供することができる。効果が表面によって非常に増強される点に、たとえば、その場合と、一般的にω３、および、ω４の少なくとも１つ（および、多くの場合、それらが、同じ強化バンドによって受け入れられ得る両方）を増強するように変えられた場合との間で調整される増強構成に注意される。加えて、または代わりに、強化は、また、再び表面増強スペクトロスコピーの重要な付加情報を提供しているω１またはω２に関して達成されることができる。その結果、強い信号は、低い試料濃度さえ得られることができる。
【００１２】
図１を参照し、多次元表面増強スペクトロスコピーを得る装置は、試料１０を含むように、一般に遷移モード（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ）に示される。そして、励起ソースが一般的に赤外バンド、および、検出器１４における放射を放出するレーザー１２、１８を具備する。たとえば、調整できるレーザー１２、および、１８はそれぞれの波長／波数３１６４ｃｍ−１（ω１）および２２５３ｃｍ−１（ω２）の励起ビームを放射し、それは試料１０の分子構造の１つ以上の振動モードを励起し、多次元データが周波数を調整するかまたは可変時間遅延を提供することによって得られることを可能にする。第３の励起または読出しビーム（ｒｅａｄ−ｏｕｔ ｂｅａｍ）は効果的に散乱する入力ビームの形で出力または読出しを提供するために第３のレーザー１６によって生成される。そして、周波数が試料１０の構造をとの相互作用によってシフトされる（および、厳密に、第４のビームとして生成される）。下で更に詳細に議論されているように、第３のビームの周波数（ω３）は好ましくは可視域において可変的か、または、たとえば７９５ｎｍで固定される状態であることができる。検出信号は一般的に可視であるか例えば７４０ｎｍで電磁スペクトルの近赤外線の部分にある。そして、赤外線から紫外部までのエネルギの光子を具備する。
【００１３】
試料１０の１つ以上の振動モードを励起するために調整できるレーザー１２、および、１８を使用するように本発明がここで示されるが、それはこの技術用語も試料１０内で振動のコヒーレンスを誘導して包含することを当業者によって理解される。
【００１４】
多次元データを得るために、試料は、時間領域（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）において間隔を置かれる連続したビームによって励起される。しかしながら、たとえば時間領域よりむしろ周波数ドメインの入力を変化することによって、何らかの適切な多次元分光技術は、採用されることができる。同様に、多くのディメンションは、時間領域の付加パルスまたは周波数ドメインの付加的な周波数によって得られることができる。当然、配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、また、何らかの遷移または反射の形で、および、たとえば、同一直線上のビームを使用して提供されることができる。
【００１５】
たとえば、上で記載されている型の二次元のスペクトロスコピー方法は、参照によってこれと共に一般に特定され、ここに組み込まれたものとする国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００４６９３において提示される。核磁気スペクトロスコピー（ＮＭＲ）のフィールドの二次元のスペクトロスコピーに関する更なる議論は、それらの教示が、Ｆｒｉｅｂｏｌｉｎにて記載される「基本的な１次および２次元のＮＭＲスペクトロスコピー（Ｂａｓｉｃ ｏｎｅ− ａｎｄ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＮＭＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ第２版（１９９３年４月）と同様に適用され、ここに組み込まれる。
【００１６】
試料および／または試料基板自体は、表面増強多次元スペクトロスコピー（ＳＥＭ：ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を得させるために、何らかの適切な方法も準備されることができる。１つの実施形態において、微視的な（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ）基板は、レーザ励起法周波数でプラズモン振動を有して設計される。硬貨金属（Ｃｏｉｎａｇｅ ｍｅｔａｌｓ）がコロイド懸濁、粗い電気化学的チップまたは表面浸食がされたどの形状でも使われることができ、それは分析物（ａｎａｌｙｔｅ）、および、基板の両方の表面化学が確実にされ、ナノパーティクルの寄せ集めおよび／または分析物の寄せ集めを回避するのに十分強くなければならない分析物とナノパーティクルとの間の相互作用として、その分析物が基板と安定して結合するような方法で設計される。たとえば、基板は、それが特定の分析物を結合することが可能にするために、別の材料でコーティングされることができる。
【００１７】
詳細な説明がここで必要でないように、当業者に明瞭であるように、コロイド状試料の前処理はいかなる慣用的方法でも実行されることができる。たとえば、硝酸銀法のクエン酸塩還元（ｃｉｔｒａｔｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｖｅｒ ｎｉｔｒａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ）は、Ｐ．Ｃ． Ｌｅｅ、および、Ｄ．Ｍｅｉｓｅｌ、日本物理学化学会（Ｊ Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．）８６、ｐ３３９１（１９８２）にて説明したように、適用されることができる。同様に、表面は、たとえばＬ． Ｇｕｎｎａｒｓｓｏｎその他にて説明したように、何らかの適切な方法も、応用物理学会レター（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ）７８、ｐ８０２、２００１にて準備されることができる。それらのリファレンスに記載されている技術は、本願明細書に引用したものとする。
【００１８】
最適な試料を設計をするために、試料が位相整合に対して厚さを適切にすることを確保することは必要であり、それでプラズモン共鳴周波数は、マルチ光波混合周波数ω１、ω２、ω３、ω４の１つと一致する。
【００１９】
マルチディメンションのスペクトロスコピー、および、表面増強スペクトロスコピーの組合せによって提供される強化のレベルは、根底にある物理機構に関する議論から、更に理解されることができる。
【００２０】
効果は、実際に四波混合手順に依存する。十分な強度の３回変化するフィールドは周波数ω４で振動する非線形分極化を誘導するときに、四波混合は分極可能な（ｐｏｌａｒｉｓａｂｌｅ）メディアに起こる。
【数１】
【００２１】
ラマン分光法の場合、相互作用は、非弾性散乱を生じるエネルギーレベルの摂動を作成する黒体光子によって作成される２つの付加的なフィールドと相互に作用している単一ビーム間で起こる。誘導ラマン散乱において、付加的なフィールドの１つは、その代わりに共鳴ビームによって提供される。上記のように、基板の試料表面上のラマン分光法を実行することによって、これらのフィールドは、表面で局所電場によって増強される。
【００２２】
本発明に係る記載された励起法の場合に、ω１、および、ω２は上で記載されているアーキテクチャの外部のレーザー光線によって生成され、赤外線領域が好ましく、各々のレーザー１２、１８によって、試料１０の振動共鳴を分離するように調和されている。第３のレーザー１６は、好ましくは可視域にある周波数ω３のビームを作成する。もしω３が可視域にあるならば、作成されるω４もまた、可視域にあることができる。そして、それを光子計数の単純な方法によって検出可能にさせる。
【００２３】
それ故、上で記載されている分極化は、また、ω４で振動するフィールドを発射する。実際のところ、ω４を作成するために使用するフィールドは、サブナノ秒のレーザパルスである。方程式１）で異なる記号は、さまざまなω４周波数を生じ、必要とされるω４が運動量保存ルールまたは出力信号のスペクトル分散によって選ばれるように、レーザパルス（位相整合）の間の角度を導入することによって選ばれることができる。
【００２４】
上記のように、１つ以上のレーザフィールドが探索される試料１０の電子的または振動共鳴の特徴を介して周波数レーザーωｌａｓｅｒにおいて調整されるときに、四波混合はスペクトロスコピーになる。分極化は、共鳴の周辺で非常に大きくなり、四波混合信号が次式のように増加される。
【数２】
【００２５】
Ａは定数であり、ωｒｅｓは、共鳴の周波数であって、Γは誘導された分極化の寿命である。
【００２６】
好ましい実施態様において、本発明は、Ｗｅｉ Ｚｈａｏ、および、Ｊｏｈｎ Ｃ Ｗｒｉｇｈｔによって「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、２０００、８４（７）、１４１１〜１４１４」に記載されているように、２倍に振動的に増強された四波混合（ＤＯＶＡ−ＦＷＭ：Ｄｏｕｂｌｙ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｏｕｒ ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ）を使用する。ω１、および、ω２が試料、ｖ１、ｖ２、および、ｖ３の中で連成振動（ｃｏｕｐｌｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ）によって共鳴するときに、ＤＯＶＡ−ＦＷＭは起こる。この場合、次式として信号が増加させる。
【数３】
【００２７】
ここの信号は、共鳴項の「プロダクト」であり、および、それ故、方程式２の共鳴項の合計より大きい。ω１、および、ω２の全ての組合せ信号のマッピングは、探索される材料の連成振動の２Ｄマップを与える。
【００２８】
作成される出力ビームが、いずれか入力ビームと異なる周波数、ω４であるという理由のために、強い信号は、ＤＯＶＥ―ＦＷＭによって作成され、それゆえに、それは、容易に検出される。
【００２９】
表わすエネルギー準位図は、エネルギを増加させる順に基底状態２００、振動準位２０２、組合せバンド２０４、および、仮想、潜在的にプレ共鳴状態２０６を含んで図２に示される。その結果、４つの可能な遷移は、利用でき、基底状態、振動準位、組合せバンド、および、仮想状態は、ａ、ｂ、ｃ、ｄそれぞれラベルをつけられμａｂ、μａｃ、μｃｄ、μｄｂであり、μが遷移双極子モーメントである。四波混合信号の強度は、表されることができる。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３０】
ここでＮは分析物の濃度であり、Ｌは試料（ｓａｍｐｌｅ）の厚さ、および、Ｆ／Ｆ’は一般的に１−２である局所フィールド補正係数（ｌｏｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ）であり、Δｉｊは周波数依存離調ファクタ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｔｕｎｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ）＝ωｇａ−ωｌａｓｅｒ−ｉΓｇａである、Γｇａはコヒーレンス寿命であり、Δｋは試料の位相ミスマッチである。これは入力ビームの運動量、および、出力の運動量の違いである。そして、屈折率の変動に対して修正される。
【００３１】
μａｂ、および、μａｃは基本的な線形吸収の赤外線の遷移双極子モーメントを具備し、組合せバンドμｃｄ、および、μｄｂはラマン状の遷移の電気遷移双極子モーメントである。「Ｉｎ（内に）」は、入力周波数と異なる周波数も同じである。励起が計時されて、および、ＤＯＶＥ―ＲａｍａｎまたはＤＯＶＥ―ＩＲ構成を作成するよう命じられるかどうか、同じ効果がＤＯＶＥ―ＦＷＮ内において観測されることができることはいうまでもない。
【００３２】
ここでソースがコヒーレント励起読み出しビームを作成し、例えば、上で記載されている構成のように、何らかの強化が、ＦＷＭの所望の形を作成するように所望の相互作用「経路（ｐａｔｈｗａｙ）」を正確に選ぶ能力と同様に驚くほど高増大因子を提供して二乗される点に注意される。
【００３３】
上で記載されているアプローチは、ホモダインまたはヘテロダインスペクトロスコピーに関して適用されることができる。定義として、本発明を含んでいる全ての分光方法は、その強度が以下の式の通りに規定されることができる信号を放射する：
【数７】
【００３４】
ここで、ＥＨＯは試料からのホモダイン信号であり、および、ＥＬＯは「局部発振器（ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）」のフィールドである。２つのフィールドは、同一周波数であるが、固定された位相差φを有する。標準のホモダイン検波方式において、局部発振器フィールドがなく、および、強度は単にホモダイン項ＥＨＯ２である。そして、それは二次曲線的に試料の濃度によって変化する。ヘテロダイン検波において、分離の局部発振器は当業者の読者に明瞭である何らかの周知の方法によって作成され、操られる。それでクロス項（ｃｒｏｓｓ ｔｅｒｍ）は、方程式を支配するようにされ得る。出力フィールドは、それで試料濃度において線形である。これが、試料濃度が低い実施形態において使われることができ、より強い出力信号を作成することは、望ましいある。
【００３５】
たとえば、従来の光学的ヘテロダインは、更なるアプローチにおいて採用されることができ、従前通りの光学的ヘテロダイニングは、局部発振器フィールドが試料の外部で作成され、試料フィールドで検出器上への入射に向けられて採用されることができる。このような局部発振器生成は、例えば、一部の可視ビームによって適切な液体または固体内で連続性の生成によってなされる。その場合、外部信号の特定のパラメータは、制御され、それで、上で更に詳細に議論されるように、線形の寄与（コントリビューション）が浸される（ｓｗａｍｐｅｄ）従来の光学的ヘテロダイニングシステムとは対照的に、その関連した項は、上の方程式（１）において支配的である。（ＥＬＯ）２項の除去は、それで単にそれ（「チョッパー」）のスロットを有する機械的なホイールが励起ビームに導入されることによってロックイン検出器を使用して達成される。スロットがビーム（基準周波数）をブロックする繰返し速度は、基本的に周波数フィルタであり、ロックイン検出器に通過される。それは検出器から到着している全正味の信号を測定し、基準周波数で生じる信号の成分を引き出す。もし基準周波数が局部発振器信号が生じるビームの繰返し数と異なっているならば、局部発振器だけのための正味の信号の成分は、減算される。それで、ＥＬＯ２項は消え、ＥＨＯ２項はごくわずかであり、クロス項は濃度において線形である。
【００３６】
更なる実施形態において、Ｍｕｌｌｅｒその他の「複合ＣＡＲＳスペクトロスコピーによる脂質膜の熱力学状態のイメージング（Ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｌｉｐｉｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ＣＡＲＳ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」物理化学会（Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．）Ｂ．１０６、３７１５−３７２３記載されているタイプの「多重化（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）」は、参照によってここに組み込まれ、赤外線の広帯域パルスの使用によって達成される。そして、それらを取り囲んでいる試料、および、スペクトル部分内の赤外遷移を同時に励起するために超高速のパルスによって作成される。ビームの入力角度の適切な選択によって、入力周波数に対応する独特な方向は、達成されることができる。その結果、出力信号は、空間中のスペクトル情報の全てを含んでいる射線錐（ｃｏｎｅ ｏｆ ｒａｙｓ）である；検出器１４は、この場合、２Ｄアレー検出器、例えば空間ディメンションにコード化されるスペクトル情報を取り込む電荷結合デバイス（ＣＣＤ）であることができる。もう一度スペクトラムの改良された分解能を得るために、空間ディメンションに加えて、試料によって生成されるスペクトルに関して、さらに他の、完全な詳細な情報を伝えるために上で更に詳細に議論されるように、付加的なディメンションはパルスの時間遅延によって又は周波数変動によって導入される。
【００３７】
１つの実施形態において、ω１、および、ω２は、ＤＯＶＥ―ＦＷＭを与えるために選ばれ、もし電子的共鳴がω１、および、ω２が探査される振動に結合するならば、ω３は励起周波数ωｅの電子的共鳴の近くで調整され、更なる乗法的強化（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）は、方程式３）の両方の項にされることができる。技術は、電子的／振動のカップリングの３Ｄマップに与える。たとえば、ＤＯＶＥ―ＩＲ場合は、以下になる：
【数８】
【００３８】
もしω１、および、ω２によって探索される振動が電子状態に結合しないならば、電子的強化が方程式２）によって記載され、したがって、方程式５）のそれより非常に弱い。
【００３９】
レーザパルスの間の遅延は、非共鳴または単独共鳴信号を抑制し、関連するさまざまな可能なＦＷＭ信号を選ぶ。この方法は、「Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ、２００１、２６６、１７７−１９５」のＪｏｈｎ Ｗｒｉｇｈｔによって、更に議論される。強い出力信号、および、最小の非共鳴バックグラウンドノイズを提供する反面、既存の技術は、２つ以上のディメンションの振動スペクトロスコピーのために、可視レーザ光線の強い電子的吸収を利用しない。
【００４０】
さらに、ヘテロダイニングを使用しない他の実施形態、紫外線または可視励起は、順番に、電子エネルギーレベルの間の遷移によって生じられる蛍光を生じる電子的共鳴を励起する。これは、上で議論されるタイプの直接の赤外線の励起と組み合わされる。その場合、レーザー１６から付加的な「読出し（ｒｅａｄ ｏｕｔ）」信号は、必要でない。入力赤外線、および、紫外線ビーム、および、変化している時延の同調は、再び、上で更に詳細に記載されている方法で、しかし集団スペクトロスコピー（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に基づいて、多次元データを生ずる。
【００４１】
反射するモードスペクトロスコピーが使用され、それは反射が試料の表面に制限されず、それゆえに、この技術用語も消え去っていくモードスペクトロスコピーを包含することは当業者によって理解される。作成される反射信号の性質は、入力ビーム浸入度（ｉｎｐｕｔ ｂｅａｍ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）によって変化する。浸入度を決定するファクタは、第３の周波数入力ビームの入射角度、および、フィールドの分極化を含む。
【００４２】
本発明は、アプリケーションの範囲内で、特に、直接または間接的に、測定している多次元光学スペクトロスコピー内のいかなるエリア内で実現されることができ、振動／振動カップリングは、分子識別および／または構造を調査する光または時間遅延の２つ以上の可変周波数を用いて適切になされる。
【００４３】
当業者は、何らかの適切な特定の成分および技術が本発明を実現するために採用されることができると認める。一般的に赤外線の少なくとも１つの調整できるレーザ光源および紫外線、可視または赤外線の少なく１つの他の調整できるレーザ光源は、採用することができる。何らかの適切なレーザーは、使用され、または、実際に他の何らかの適切な励起源が使用される。更なる固定されたか調整できる周波数ビームは、また、上記のように２本の赤外線の励起ビームの場合に組み込まれることができる。別の形態として、ＦＷＭ実験のために市販のサブナノ秒のレーザーシステムは３つの独立した調整できるビームを含んでいる単一のレーザーシードソースから分離の周波数を生成するのに使用される。
【００４４】
何らかの適切な検出器、たとえばＣＣＤまたは２Ｄ ＩＲスペクトロスコピー技術から周知の他の検出器が採用されることができる。
【００４５】
レーザー１２、および、１８によって作成される励起波長の範囲は、通常、赤外線であるとして上記しているが、分析される構造の振動モードを励起することを必要とするいかなる適切な波長であることができる。同様に、第３のレーザー（１６）によって作成される波長は、通常、可視であると記載されるが、分析される構造の電子的共鳴モードを励起することを必要とするいかなる適切な波長でもあることができる。上記の考察が主に２次元または３次元解析に関するが、多くのディメンションは入力励起のパラメータ、例えば周波数、時間遅延／パルス数または他のいかなる適切なパラメータをも適切に変えて導入されることができる。
【００４６】
四波混合が記載されているが、三波混合のような代わりの他のモードは出力が後方赤外線において実現されることができる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、スペクトル情報を得るための装置および方法に関する。
【０００２】
分光分析のためのラマン効果の使用は、周知である。その効果において最も単純な形は、レーザー光線が試料（ｓａｍｐｌｅ）に入射されるときに観測される。大部分の入射光は、弾性的に散乱し、しかしながら、光子の小さい集団は、振動状態へ、あるいは、振動状態からの励起の結果として、非弾性的に散乱され、そして、その後、それぞれ、低いか（ストークス）、より高い（反ストークス）エネルギで放射される光子を生じて減衰する。試料分子の振動モードのエネルギの測定によるエネルギの違いは、ラマンスペクトルの設備に試料の構造および組成を特定する強力な技術の提供を可能にする。
【背景技術】
【０００３】
共鳴Ｒａｍａｎスペクトル法は、電子的共鳴の近傍の可視ビームを調整することによって、および、散乱された信号を増加させることによって、『通常の』ラマン分光法の感度問題を改良する。散乱を刺激（ｓｔｉｍｕｌａｔｅ）するために付加的な可視ビームを加えることは、誘導ラマン散乱（ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）を与える。より容易に、誘導ビームからラマン散乱ビームを区別するために、ＣＡＲＳ（コヒーレント反Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ散乱：ｃｏｈｅｒｅｎｔ ａｎｔｉ−Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）は、どの強度のビームパルスが入力ビームに異なる周波数でＣＡＲＳ信号を提供するかについて開発された。ＣＡＲＳは、非共鳴（ｎｏｎ−ｒｅｓｏｎａｎｔ）、共鳴（ｒｅｓｏｎａｎｔ）、または「プレ共鳴（ｐｒｅ−ｒｅｓｏｎａｎｔ）」で実行されることができる。しかしながら、共鳴ＣＡＲＳは、特に共鳴のときに、感度を制限するスライドガラスのような非試料材料（ｎｏｎ―ｓａｍｐｌｅ ｍａｔｅｒｉａｌ）からの非共鳴バックグラウンド問題に苦しむ。
【０００４】
更なる開発において、非常に増強されたレスポンスが、参照によってここに組み込まれる化学学会レビュー（Ｃｈｅｍｉｃａｌｓ Ｓｏｃｉｅｔｙ Ｒｅｖｉｅｗｓ）、１９９８、ボリューム２７、ページ２４１〜２５０に記載されているキャンピオンその他（Ｃａｍｐｉｏｎ ｅｔ ａｌ，）による「表面増強Ｒａｍａｎ散乱（Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ）」に記載される表面増強ラマン分光法（ＳＥＲＳ：Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｒａｍａｎ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に際して、使用されることが判る。この技術によれば、ラマン効果の強化は、表面が入射のレーザフィールドを増強し、それゆえに、ラマン散乱されるフィールドを増加させるので、ラフな金属ナノパーティクルまたは表面の境界となる分子に対して検出されることが判る。たとえばナノパーティクルの場合、レーザフィールドはプラズモン振動をナノパーティクル内にてドライブし、および、もしパーティクルがラフなエッジを有するならば、これらのエッジの近くのプラズモンからのフィールドは入射のレーザフィールドよりさらに高い。パーティクルがレーザフィールド周波数の近くでプラズモン共鳴を有するときに、表面フィールドはさらにより大きい。したがって、分子はパーティクルの表面でより高いフィールドを経験し、ラマン散乱は増加する。たとえば、このような技術に関する更なる議論は、Ｃｈｅｗその他の「コロイド球体によるコヒーレント反Ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ散乱の表面強化（ａ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｈｅｒｅｎｔ Ａｎｔｉ−ｓｔｏｋｅｓ Ｒａｍａｎ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ Ｃｏｌｌｏｉｄａｌ Ｓｐｈｅｒｅｓ）」Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ Ｂ／Ｖｏｌ．１、Ｎｏ．１／１９８４年３月、ページ５６−６６、および、ヴァンダーハムその他の「表面−プラズモン励起による和周波数収率の巨大強化（Ｇｉａｎｔ Ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｓｕｍ−Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｙｉｅｌｄ ｂｙ Ｓｕｒｆａｃｅ−Ｐｌａｓｍｏｎ Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ）」、Ｊ．Ｏｐｔ．Ｓｏｃ．Ａｍ Ｂ／Ｖｏｌ．１６（Ｎｏ．７／１９９９年７月ページ１１４６〜１１５２）で発見される。
【０００５】
これらの配置の全てにおいて、増加された感度が提供される反面、制限されたスペクトル情報は表面増強スペクトロスコピー、例えば表面増強ラマン分光法を使用して利用できる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明は、請求項において示される。第１および第２の可変波長励起ビームが表面増強構成上に入射するので、出力スペクトル情報によってスペクトルに関する多次元情報が導き出されることを可能にする。
【０００７】
例えば、本発明は、更に記載されている図面を参照される。
【０００８】
概要において、多次元スペクトロスコピーは、提供される。方法は、多重の励起を、表面増強スペクトロスコピーために準備される試料に、例えば適切な表面に吸着された試料分子、もしくは、銀のような表面基板、または、ナノパーティクルの表面に適用することによって付加的なスペクトル情報を得る。得られたスペクトル情報は、たとえば、それぞれの軸上の互いに対する各々の励起に対して、周波数ドメインのスペクトラムをプロットするように二次元のスペクトロスコピー技術を使用して分析されることができる。したがって、得られる表面から、試料の構造に関する詳細情報は、導き出されることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明によるスペクトロスコピーの方法を実行する装置である。
【図２】図２は、４波混合相互作用（ｆｏｕｒ−ｗａｖｅｓ ｍｉｘｉｎｇ ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎ）の遷移を示している図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
たとえば、第１および第２の励起ビームは、好ましくはお互い異なり、たとえば赤外線であり得るそれぞれ第１および第２の波長ω１、および、ω２で試料上への入射を提供される。その結果、振動のコヒーレンスは、図２のエネルギー帯ｃとして示される組合せ励起帯を生成している試料に誘導される。可視であり得る第３の励起ビームω３が、仮想からのラマン状の遷移の結果として、潜在的にプレ共鳴な状態ｄ（２０６）から振動準位ｂ（２０４）へと、各々のω１からω３へと異なる周波数で、散乱された出力ビームω４を提供するビーム上へ入射する。
【００１１】
下で更に詳細に議論されるように、ω１、および、ω２の少なくとも１つの変動は組合せバンドレベルを変える。すなわち、ω４が共鳴に遭うときに、より大きい信号はリターンし、これはω１、および、ω２に関する情報を提供する。特に、共鳴はω１、および、ω２に対してプロットされることができ、このようなプロットに示されるさまざまな共鳴は試料の分子の「フィンガープリント（ｆｉｎｇｅｒｐｒｉｎｔ）」を提供することができる。効果が表面によって非常に増強される点に、たとえば、その場合と、一般的にω３、および、ω４の少なくとも１つ（および、多くの場合、それらが、同じ強化バンドによって受け入れられ得る両方）を増強するように変えられた場合との間で調整される増強構成に注意される。加えて、または代わりに、強化は、また、再び表面増強スペクトロスコピーの重要な付加情報を提供しているω１またはω２に関して達成されることができる。その結果、強い信号は、低い試料濃度さえ得られることができる。
【００１２】
図１を参照し、多次元表面増強スペクトロスコピーを得る装置は、試料１０を含むように、一般に遷移モード（ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｍｏｄｅ）に示される。そして、励起ソースが一般的に赤外バンド、および、検出器１４における放射を放出するレーザー１２、１８を具備する。たとえば、調整できるレーザー１２、および、１８はそれぞれの波長／波数３１６４ｃｍ−１（ω１）および２２５３ｃｍ−１（ω２）の励起ビームを放射し、それは試料１０の分子構造の１つ以上の振動モードを励起し、多次元データが周波数を調整するかまたは可変時間遅延を提供することによって得られることを可能にする。第３の励起または読出しビーム（ｒｅａｄ−ｏｕｔ ｂｅａｍ）は効果的に散乱する入力ビームの形で出力または読出しを提供するために第３のレーザー１６によって生成される。そして、周波数が試料１０の構造をとの相互作用によってシフトされる（および、厳密に、第４のビームとして生成される）。下で更に詳細に議論されているように、第３のビームの周波数（ω３）は好ましくは可視域において可変的か、または、たとえば７９５ｎｍで固定される状態であることができる。検出信号は一般的に可視であるか例えば７４０ｎｍで電磁スペクトルの近赤外線の部分にある。そして、赤外線から紫外部までのエネルギの光子を具備する。
【００１３】
試料１０の１つ以上の振動モードを励起するために調整できるレーザー１２、および、１８を使用するように本発明がここで示されるが、それはこの技術用語も試料１０内で振動のコヒーレンスを誘導して包含することを当業者によって理解される。
【００１４】
多次元データを得るために、試料は、時間領域（ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ）において間隔を置かれる連続したビームによって励起される。しかしながら、たとえば時間領域よりむしろ周波数ドメインの入力を変化することによって、何らかの適切な多次元分光技術は、採用されることができる。同様に、多くのディメンションは、時間領域の付加パルスまたは周波数ドメインの付加的な周波数によって得られることができる。当然、配置（ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）は、また、何らかの遷移または反射の形で、および、たとえば、同一直線上のビームを使用して提供されることができる。
【００１５】
たとえば、上で記載されている型の二次元のスペクトロスコピー方法は、参照によってこれと共に一般に特定され、ここに組み込まれたものとする国際出願番号ＰＣＴ／ＧＢ２００４／００４６９３において提示される。核磁気スペクトロスコピー（ＮＭＲ）のフィールドの二次元のスペクトロスコピーに関する更なる議論は、それらの教示が、Ｆｒｉｅｂｏｌｉｎにて記載される「基本的な１次および２次元のＮＭＲスペクトロスコピー（Ｂａｓｉｃ ｏｎｅ− ａｎｄ ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＮＭＲ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」、ジョン・ワイリー・アンド・サンズ第２版（１９９３年４月）と同様に適用され、ここに組み込まれる。
【００１６】
試料および／または試料基板自体は、表面増強多次元スペクトロスコピー（ＳＥＭ：ｓｕｒｆａｃｅ ｅｎｈａｎｃｅｄ ｍｕｌｔｉ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）を得させるために、何らかの適切な方法も準備されることができる。１つの実施形態において、微視的な（ｎａｎｏｓｃｏｐｉｃ）基板は、レーザ励起法周波数でプラズモン振動を有して設計される。硬貨金属（Ｃｏｉｎａｇｅ ｍｅｔａｌｓ）がコロイド懸濁、粗い電気化学的チップまたは表面浸食がされたどの形状でも使われることができ、それは分析物（ａｎａｌｙｔｅ）、および、基板の両方の表面化学が確実にされ、ナノパーティクルの寄せ集めおよび／または分析物の寄せ集めを回避するのに十分強くなければならない分析物とナノパーティクルとの間の相互作用として、その分析物が基板と安定して結合するような方法で設計される。たとえば、基板は、それが特定の分析物を結合することが可能にするために、別の材料でコーティングされることができる。
【００１７】
詳細な説明がここで必要でないように、当業者に明瞭であるように、コロイド状試料の前処理はいかなる慣用的方法でも実行されることができる。たとえば、硝酸銀法のクエン酸塩還元（ｃｉｔｒａｔｅ ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ｓｉｌｖｅｒ ｎｉｔｒａｔｅ ｍｅｔｈｏｄ）は、Ｐ．Ｃ． Ｌｅｅ、および、Ｄ．Ｍｅｉｓｅｌ、日本物理学化学会（Ｊ Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．）８６、ｐ３３９１（１９８２）にて説明したように、適用されることができる。同様に、表面は、たとえばＬ． Ｇｕｎｎａｒｓｓｏｎその他にて説明したように、何らかの適切な方法も、応用物理学会レター（Ａｐｐｌ． Ｐｈｙｓ． Ｌｅｔｔ）７８、ｐ８０２、２００１にて準備されることができる。それらのリファレンスに記載されている技術は、本願明細書に引用したものとする。
【００１８】
最適な試料を設計をするために、試料が位相整合に対して厚さを適切にすることを確保することは必要であり、それでプラズモン共鳴周波数は、マルチ光波混合周波数ω１、ω２、ω３、ω４の１つと一致する。
【００１９】
マルチディメンションのスペクトロスコピー、および、表面増強スペクトロスコピーの組合せによって提供される強化のレベルは、根底にある物理機構に関する議論から、更に理解されることができる。
【００２０】
効果は、実際に四波混合手順に依存する。十分な強度の３回変化するフィールドは周波数ω４で振動する非線形分極化を誘導するときに、四波混合は分極可能な（ｐｏｌａｒｉｓａｂｌｅ）メディアに起こる。
【数１】
【００２１】
ラマン分光法の場合、相互作用は、非弾性散乱を生じるエネルギーレベルの摂動を作成する黒体光子によって作成される２つの付加的なフィールドと相互に作用している単一ビーム間で起こる。誘導ラマン散乱において、付加的なフィールドの１つは、その代わりに共鳴ビームによって提供される。上記のように、基板の試料表面上のラマン分光法を実行することによって、これらのフィールドは、表面で局所電場によって増強される。
【００２２】
本発明に係る記載された励起法の場合に、ω１、および、ω２は上で記載されているアーキテクチャの外部のレーザー光線によって生成され、赤外線領域が好ましく、各々のレーザー１２、１８によって、試料１０の振動共鳴を分離するように調和されている。第３のレーザー１６は、好ましくは可視域にある周波数ω３のビームを作成する。もしω３が可視域にあるならば、作成されるω４もまた、可視域にあることができる。そして、それを光子計数の単純な方法によって検出可能にさせる。
【００２３】
それ故、上で記載されている分極化は、また、ω４で振動するフィールドを発射する。実際のところ、ω４を作成するために使用するフィールドは、サブナノ秒のレーザパルスである。方程式１）で異なる記号は、さまざまなω４周波数を生じ、必要とされるω４が運動量保存ルールまたは出力信号のスペクトル分散によって選ばれるように、レーザパルス（位相整合）の間の角度を導入することによって選ばれることができる。
【００２４】
上記のように、１つ以上のレーザフィールドが探索される試料１０の電子的または振動共鳴の特徴を介して周波数レーザーωｌａｓｅｒにおいて調整されるときに、四波混合はスペクトロスコピーになる。分極化は、共鳴の周辺で非常に大きくなり、四波混合信号が次式のように増加される。
【数２】
【００２５】
Ａは定数であり、ωｒｅｓは、共鳴の周波数であって、Γは誘導された分極化の寿命である。
【００２６】
好ましい実施態様において、本発明は、Ｗｅｉ Ｚｈａｏ、および、Ｊｏｈｎ Ｃ Ｗｒｉｇｈｔによって「Ｐｈｙｓ．Ｒｅｖ．Ｌｅｔｔ、２０００、８４（７）、１４１１〜１４１４」に記載されているように、２倍に振動的に増強された四波混合（ＤＯＶＡ−ＦＷＭ：Ｄｏｕｂｌｙ Ｖｉｂｒａｔｉｏｎａｌｌｙ Ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｏｕｒ ｗａｖｅ ｍｉｘｉｎｇ）を使用する。ω１、および、ω２が試料、ｖ１、ｖ２、および、ｖ３の中で連成振動（ｃｏｕｐｌｅｄ ｖｉｂｒａｔｉｏｎｓ）によって共鳴するときに、ＤＯＶＡ−ＦＷＭは起こる。この場合、次式として信号が増加させる。
【数３】
【００２７】
ここの信号は、共鳴項の「プロダクト」であり、および、それ故、方程式２の共鳴項の合計より大きい。ω１、および、ω２の全ての組合せ信号のマッピングは、探索される材料の連成振動の２Ｄマップを与える。
【００２８】
作成される出力ビームが、いずれか入力ビームと異なる周波数、ω４であるという理由のために、強い信号は、ＤＯＶＥ―ＦＷＭによって作成され、それゆえに、それは、容易に検出される。
【００２９】
表わすエネルギー準位図は、エネルギを増加させる順に基底状態２００、振動準位２０２、組合せバンド２０４、および、仮想、潜在的にプレ共鳴状態２０６を含んで図２に示される。その結果、４つの可能な遷移は、利用でき、基底状態、振動準位、組合せバンド、および、仮想状態は、ａ、ｂ、ｃ、ｄそれぞれラベルをつけられμａｂ、μａｃ、μｃｄ、μｄｂであり、μが遷移双極子モーメントである。四波混合信号の強度は、表されることができる。
【数４】
【数５】
【数６】
【００３０】
ここでＮは分析物の濃度であり、Ｌは試料（ｓａｍｐｌｅ）の厚さ、および、Ｆ／Ｆ’は一般的に１−２である局所フィールド補正係数（ｌｏｃａｌ ｆｉｅｌｄ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｆａｃｔｏｒｓ）であり、Δｉｊは周波数依存離調ファクタ（ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｄｅｐｅｎｄｅｎｔ ｄｅｔｕｎｉｎｇ ｆａｃｔｏｒｓ）＝ωｇａ−ωｌａｓｅｒ−ｉΓｇａである、Γｇａはコヒーレンス寿命であり、Δｋは試料の位相ミスマッチである。これは入力ビームの運動量、および、出力の運動量の違いである。そして、屈折率の変動に対して修正される。
【００３１】
μａｂ、および、μａｃは基本的な線形吸収の赤外線の遷移双極子モーメントを具備し、組合せバンドμｃｄ、および、μｄｂはラマン状の遷移の電気遷移双極子モーメントである。「Ｉｎ（内に）」は、入力周波数と異なる周波数も同じである。励起が計時されて、および、ＤＯＶＥ―ＲａｍａｎまたはＤＯＶＥ―ＩＲ構成を作成するよう命じられるかどうか、同じ効果がＤＯＶＥ―ＦＷＮ内において観測されることができることはいうまでもない。
【００３２】
ここでソースがコヒーレント励起読み出しビームを作成し、例えば、上で記載されている構成のように、何らかの強化が、ＦＷＭの所望の形を作成するように所望の相互作用「経路（ｐａｔｈｗａｙ）」を正確に選ぶ能力と同様に驚くほど高増大因子を提供して二乗される点に注意される。
【００３３】
上で記載されているアプローチは、ホモダインまたはヘテロダインスペクトロスコピーに関して適用されることができる。定義として、本発明を含んでいる全ての分光方法は、その強度が以下の式の通りに規定されることができる信号を放射する：
【数７】
【００３４】
ここで、ＥＨＯは試料からのホモダイン信号であり、および、ＥＬＯは「局部発振器（ｌｏｃａｌ ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）」のフィールドである。２つのフィールドは、同一周波数であるが、固定された位相差φを有する。標準のホモダイン検波方式において、局部発振器フィールドがなく、および、強度は単にホモダイン項ＥＨＯ２である。そして、それは二次曲線的に試料の濃度によって変化する。ヘテロダイン検波において、分離の局部発振器は当業者の読者に明瞭である何らかの周知の方法によって作成され、操られる。それでクロス項（ｃｒｏｓｓ ｔｅｒｍ）は、方程式を支配するようにされ得る。出力フィールドは、それで試料濃度において線形である。これが、試料濃度が低い実施形態において使われることができ、より強い出力信号を作成することは、望ましいある。
【００３５】
たとえば、従来の光学的ヘテロダインは、更なるアプローチにおいて採用されることができ、従前通りの光学的ヘテロダイニングは、局部発振器フィールドが試料の外部で作成され、試料フィールドで検出器上への入射に向けられて採用されることができる。このような局部発振器生成は、例えば、一部の可視ビームによって適切な液体または固体内で連続性の生成によってなされる。その場合、外部信号の特定のパラメータは、制御され、それで、上で更に詳細に議論されるように、線形の寄与（コントリビューション）が浸される（ｓｗａｍｐｅｄ）従来の光学的ヘテロダイニングシステムとは対照的に、その関連した項は、上の方程式（１）において支配的である。（ＥＬＯ）２項の除去は、それで単にそれ（「チョッパー」）のスロットを有する機械的なホイールが励起ビームに導入されることによってロックイン検出器を使用して達成される。スロットがビーム（基準周波数）をブロックする繰返し速度は、基本的に周波数フィルタであり、ロックイン検出器に通過される。それは検出器から到着している全正味の信号を測定し、基準周波数で生じる信号の成分を引き出す。もし基準周波数が局部発振器信号が生じるビームの繰返し数と異なっているならば、局部発振器だけのための正味の信号の成分は、減算される。それで、ＥＬＯ２項は消え、ＥＨＯ２項はごくわずかであり、クロス項は濃度において線形である。
【００３６】
更なる実施形態において、Ｍｕｌｌｅｒその他の「複合ＣＡＲＳスペクトロスコピーによる脂質膜の熱力学状態のイメージング（Ｉｍａｇｉｎｇ ｔｈｅ Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃ Ｓｔａｔｅ ｏｆ Ｌｉｐｉｄ Ｍｅｍｂｒａｎｅｓ ｗｉｔｈ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘ ＣＡＲＳ Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）」物理化学会（Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．）Ｂ．１０６、３７１５−３７２３記載されているタイプの「多重化（ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）」は、参照によってここに組み込まれ、赤外線の広帯域パルスの使用によって達成される。そして、それらを取り囲んでいる試料、および、スペクトル部分内の赤外遷移を同時に励起するために超高速のパルスによって作成される。ビームの入力角度の適切な選択によって、入力周波数に対応する独特な方向は、達成されることができる。その結果、出力信号は、空間中のスペクトル情報の全てを含んでいる射線錐（ｃｏｎｅ ｏｆ ｒａｙｓ）である；検出器１４は、この場合、２Ｄアレー検出器、例えば空間ディメンションにコード化されるスペクトル情報を取り込む電荷結合デバイス（ＣＣＤ）であることができる。もう一度スペクトラムの改良された分解能を得るために、空間ディメンションに加えて、試料によって生成されるスペクトルに関して、さらに他の、完全な詳細な情報を伝えるために上で更に詳細に議論されるように、付加的なディメンションはパルスの時間遅延によって又は周波数変動によって導入される。
【００３７】
１つの実施形態において、ω１、および、ω２は、ＤＯＶＥ―ＦＷＭを与えるために選ばれ、もし電子的共鳴がω１、および、ω２が探査される振動に結合するならば、ω３は励起周波数ωｅの電子的共鳴の近くで調整され、更なる乗法的強化（ｍｕｌｔｉｐｌｉｃａｔｉｖｅ ｅｎｈａｎｃｅｍｅｎｔ）は、方程式３）の両方の項にされることができる。技術は、電子的／振動のカップリングの３Ｄマップに与える。たとえば、ＤＯＶＥ―ＩＲ場合は、以下になる：
【数８】
【００３８】
もしω１、および、ω２によって探索される振動が電子状態に結合しないならば、電子的強化が方程式２）によって記載され、したがって、方程式５）のそれより非常に弱い。
【００３９】
レーザパルスの間の遅延は、非共鳴または単独共鳴信号を抑制し、関連するさまざまな可能なＦＷＭ信号を選ぶ。この方法は、「Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｐｈｙｓ、２００１、２６６、１７７−１９５」のＪｏｈｎ Ｗｒｉｇｈｔによって、更に議論される。強い出力信号、および、最小の非共鳴バックグラウンドノイズを提供する反面、既存の技術は、２つ以上のディメンションの振動スペクトロスコピーのために、可視レーザ光線の強い電子的吸収を利用しない。
【００４０】
さらに、ヘテロダイニングを使用しない他の実施形態、紫外線または可視励起は、順番に、電子エネルギーレベルの間の遷移によって生じられる蛍光を生じる電子的共鳴を励起する。これは、上で議論されるタイプの直接の赤外線の励起と組み合わされる。その場合、レーザー１６から付加的な「読出し（ｒｅａｄ ｏｕｔ）」信号は、必要でない。入力赤外線、および、紫外線ビーム、および、変化している時延の同調は、再び、上で更に詳細に記載されている方法で、しかし集団スペクトロスコピー（ｐｏｐｕｌａｔｉｏｎ ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ）に基づいて、多次元データを生ずる。
【００４１】
反射するモードスペクトロスコピーが使用され、それは反射が試料の表面に制限されず、それゆえに、この技術用語も消え去っていくモードスペクトロスコピーを包含することは当業者によって理解される。作成される反射信号の性質は、入力ビーム浸入度（ｉｎｐｕｔ ｂｅａｍ ｐｅｎｅｔｒａｔｉｏｎ ｄｅｐｔｈ）によって変化する。浸入度を決定するファクタは、第３の周波数入力ビームの入射角度、および、フィールドの分極化を含む。
【００４２】
本発明は、アプリケーションの範囲内で、特に、直接または間接的に、測定している多次元光学スペクトロスコピー内のいかなるエリア内で実現されることができ、振動／振動カップリングは、分子識別および／または構造を調査する光または時間遅延の２つ以上の可変周波数を用いて適切になされる。
【００４３】
当業者は、何らかの適切な特定の成分および技術が本発明を実現するために採用されることができると認める。一般的に赤外線の少なくとも１つの調整できるレーザ光源および紫外線、可視または赤外線の少なく１つの他の調整できるレーザ光源は、採用することができる。何らかの適切なレーザーは、使用され、または、実際に他の何らかの適切な励起源が使用される。更なる固定されたか調整できる周波数ビームは、また、上記のように２本の赤外線の励起ビームの場合に組み込まれることができる。別の形態として、ＦＷＭ実験のために市販のサブナノ秒のレーザーシステムは３つの独立した調整できるビームを含んでいる単一のレーザーシードソースから分離の周波数を生成するのに使用される。
【００４４】
何らかの適切な検出器、たとえばＣＣＤまたは２Ｄ ＩＲスペクトロスコピー技術から周知の他の検出器が採用されることができる。
【００４５】
レーザー１２、および、１８によって作成される励起波長の範囲は、通常、赤外線であるとして上記しているが、分析される構造の振動モードを励起することを必要とするいかなる適切な波長であることができる。同様に、第３のレーザー（１６）によって作成される波長は、通常、可視であると記載されるが、分析される構造の電子的共鳴モードを励起することを必要とするいかなる適切な波長でもあることができる。上記の考察が主に２次元または３次元解析に関するが、多くのディメンションは入力励起のパラメータ、例えば周波数、時間遅延／パルス数または他のいかなる適切なパラメータをも適切に変えて導入されることができる。
【００４６】
四波混合が記載されているが、三波混合のような代わりの他のモードは出力が後方赤外線において実現されることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面の増強された試料に第１の励起周波数で第１の励起と第２の周波数で第２の励起とを少なくとも起こすことと；
前記第１および第２の励起周波数の１つを変えることと；
出力信号強度を有する出力信号を検出することと；
出力信号ピークを特定することと；
スペクトル情報を得るために前記出力信号ピークを前記第１および第２の励起周波数に関連させることとを具備し、
前記の増強された試料基板は、少なくとも１つの前記第１および第２の励起に、または、前記試料に起こされた出力フィールドに対応するフィールドを増強するように構成される、スペクトル情報を得る方法。
【請求項２】
第３の励起周波数で第３の励起を起こすことを更に具備する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および／または第２の励起は、スペクトルの赤外線の部分の励起ビームによって起こされる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起は、それぞれのコヒーレント励起ビームソースによって起こされる先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第３の励起は、スペクトルの可視部分のビームを具備する請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記表面の増強された試料基板は、スペクトルの可視部分の表面強化のために調整される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基板のプラズモン共振周波数は、前記励起または出力周波数の少なくとも１つと一致する先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
試料に第１の励起を起こすように配置された第１の励起ソースと；
前記試料からの出力ビームを検出するように配置された第２の励起ソースおよび検出器とを具備し、
前記試料は、前記試料に誘導される励起または出力フィールドの少なくとも１つに対応するフィールドを増強するように構成される、スペクトロスコピー装置。
【請求項９】
前記試料に第３の励起を起こすようにに配置された第３の励起ソースを更に具備する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の励起ソースの少なくとも１つの周波数の変化を制御するためのコントローラを更に具備する請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は、遷移または反射モードの１つの出力ビームを生成するように配置される請求項８〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の励起ソースは、コヒーレントソースである請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
マルチディメンションのスペクトロスコピー装置の励起または出力フィールドの少なくとも１つに対応するフィールドを増強するように構成される表面の増強された試料基板。
【請求項１４】
図面に関してここで記載されている方法と装置。
【請求項１】
表面の増強された試料に第１の励起周波数で第１の励起と第２の周波数で第２の励起とを少なくとも起こすことと；
前記第１および第２の励起周波数の１つを変えることと；
出力信号強度を有する出力信号を検出することと；
出力信号ピークを特定することと；
スペクトル情報を得るために前記出力信号ピークを前記第１および第２の励起周波数に関連させることとを具備し、
前記の増強された試料基板は、少なくとも１つの前記第１および第２の励起に、または、前記試料に起こされた出力フィールドに対応するフィールドを増強するように構成される、スペクトル情報を得る方法。
【請求項２】
第３の励起周波数で第３の励起を起こすことを更に具備する請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１および／または第２の励起は、スペクトルの赤外線の部分の励起ビームによって起こされる請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記励起は、それぞれのコヒーレント励起ビームソースによって起こされる先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項５】
前記第３の励起は、スペクトルの可視部分のビームを具備する請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記表面の増強された試料基板は、スペクトルの可視部分の表面強化のために調整される請求項５に記載の方法。
【請求項７】
前記基板のプラズモン共振周波数は、前記励起または出力周波数の少なくとも１つと一致する先行する請求項のいずれかに記載の方法。
【請求項８】
試料に第１の励起を起こすように配置された第１の励起ソースと；
前記試料からの出力ビームを検出するように配置された第２の励起ソースおよび検出器とを具備し、
前記試料は、前記試料に誘導される励起または出力フィールドの少なくとも１つに対応するフィールドを増強するように構成される、スペクトロスコピー装置。
【請求項９】
前記試料に第３の励起を起こすようにに配置された第３の励起ソースを更に具備する請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記第１および第２の励起ソースの少なくとも１つの周波数の変化を制御するためのコントローラを更に具備する請求項８または９に記載の装置。
【請求項１１】
前記装置は、遷移または反射モードの１つの出力ビームを生成するように配置される請求項８〜１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記第１および第２の励起ソースは、コヒーレントソースである請求項８〜１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
マルチディメンションのスペクトロスコピー装置の励起または出力フィールドの少なくとも１つに対応するフィールドを増強するように構成される表面の増強された試料基板。
【請求項１４】
図面に関してここで記載されている方法と装置。
【図１】
【図２】
【図２】
【公表番号】特表２００９−５３７８４１（Ｐ２００９−５３７８４１Ａ）
【公表日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５１１５７４（Ｐ２００９−５１１５７４）
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００１９０３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３８２６７
【国際公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（５０５１６７５４３）インペリアル・イノベ−ションズ・リミテッド (23)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年１０月２９日（２００９．１０．２９）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年５月２３日（２００７．５．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＧＢ２００７／００１９０３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１３８２６７
【国際公開日】平成１９年１２月６日（２００７．１２．６）
【出願人】（５０５１６７５４３）インペリアル・イノベ−ションズ・リミテッド (23)
【Ｆターム（参考）】
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