光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法
【課題】 対象となる生体（人間や動物など）や環境雰囲気から流体試料を簡易にかつ確実に採取できる光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法を提供すること。
【解決手段】 光学デバイスユニット６０は、導入口１４Ａと導出口１４Ｂとを有し、流体試料が導入される試料導入部１０と、試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部１１と、試料導入部内に配置され、光透過部を介して入射する光を受けて流体試料を反映した光を発する光学デバイス５０と、試料導入部１０の導入口１４Ａを開閉する第１シャッター２０Ａと、試料導入部１０の導出口１４Ｂを開閉する第２シャッター２０Ｂと、導出口１４Ｂを介して試料導入部１０内を負圧にする負圧発生部３０と、有する。
【解決手段】 光学デバイスユニット６０は、導入口１４Ａと導出口１４Ｂとを有し、流体試料が導入される試料導入部１０と、試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部１１と、試料導入部内に配置され、光透過部を介して入射する光を受けて流体試料を反映した光を発する光学デバイス５０と、試料導入部１０の導入口１４Ａを開閉する第１シャッター２０Ａと、試料導入部１０の導出口１４Ｂを開閉する第２シャッター２０Ｂと、導出口１４Ｂを介して試料導入部１０内を負圧にする負圧発生部３０と、有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や農水産物・食品などの検出などに用いられるセンサーの需要が増大しており、小型で高速にセンシング可能なセンサー技術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：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】
ここで、表面プラズモンとは、表面固有の境界条件により光とカップリングを起こす電子波の振動モードである。表面プラズモンを励起する方法としては、金属表面に回折格子を刻み、光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用する方法がある。例えば、ＳＰＲを利用したセンサーとしては、全反射型プリズムと、そのプリズムの表面に形成された試料に接触する金属膜と、を具備して構成されるものがある。このような構成により、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、試料分子の吸着の有無を検出している。
【０００４】
ところで、金属表面に伝播型の表面プラズモンが存在する一方、金属微粒子には局在型の表面プラズモンが存在する。局在型の表面プラズモン、つまり、表面の微細構造上に局在する表面プラズモン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。
【０００５】
さらに、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）によって形成される増強電場にラマン散乱光が照射されると表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）現象によってラマン散乱光が増強されることが知られており、高感度のセンサー（検出装置）が提案されている（特許文献１，２）。この原理を用いることで、各種の微量な物質を検出することが可能になる。
【０００６】
検出対象の例として、大気中に含まれる微量な物質を検出することや、人間の呼気中に含まれる微量な物質を検出することで、その物質と相関のある病気の危険度診断をするなどの提案がなされている。後者の例として、特許文献１では、一定濃度のアルコールを摂取した後に呼気中のアセトアルデヒド濃度の経時変化を測定し、アセトアルデヒド濃度を急激な上昇がある場合に扁平上皮癌の発生危険度を判定している。この例では、呼気を採取する方法として、サンプルバッグに呼気を直接吹く込む方法が示されている。物質を検出する原理は異なっているが、生体から気体試料を採取する点では共通の課題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７１４６７１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献３】特開２００５−２１４８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３では、気体試料を採取した後に速やかに物質を検出することは困難である。特許文献３では、生体（人間）の皮膚や粘膜などの表面から放出される気体試料を採取する器具が示されている。この場合、気体試料を皮膚表面から採取した後、検出装置又は分析装置へ入れて検出又は分析するという操作が必要になる。従って、多くの人の皮膚ガスを順次採取して検出又は分析するには、気体採取器具を再度パージガスなどでリフレッシュしてから使用することになるため、時間を要するという課題があった。
【０００９】
さらに、これらの一連の操作は手動であるため、そもそも時間を要するという課題もあった。これらの事情は、皮膚ガスの場合だけではなく、生体の呼気ガスや大気中のガスでも事情は同じである。このことは、気体試料を採取する場合に使用されるサンプリングバッグを用いる場合でも同様である。採取した気体試料をシリンジなどでサンプルバッグから抜き取り、ガスクロマトグラフのような検出装置に送り込む操作を行ってから物質を検出することになるからである。
【００１０】
本発明の幾つかの態様は、対象となる生体（人間や動物など）や環境雰囲気から流体試料を簡易にかつ確実に採取できる光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法を提供することができる。
【００１１】
本発明の他の幾つかの態様は、検出時に光学デバイスに悪影響を与える外光を排除してＳ／Ｎを向上させながらも、流体試料を効率よく採取できる光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明の一態様は、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する光学デバイスユニットに関する。
【００１３】
本発明の一態様では、第１シャッター及び第２シャッターを開放して、流体試料を試料導入部内に導入する第１状態と、第１シャッター及び第２シャッターを閉鎖して、流体試料を試料導入部内に閉じ込めた第２状態とを実現することができる。第２の状態にて、光透過部を介して光を入射して検出を実施すれば、試料導入部内に閉じ込められた流体試料は排出されずに検出に寄与させることができる。また、検出時に試料導入部内に外光が取り込まれることを低減し、Ｓ／Ｎを向上できる。なお、試料導入部内に配置される光学デバイスとは、光学デバイスの一面が、試料流体と接することができるように、試料導入部の流体導入空間に臨んで配置されるものも含む。
【００１４】
（２）本発明の一態様では、一端に外気と連通する供給口を有し、他端が前記導入口と連通する試料供給流路と、一端に外気と連通する排出口を有し、他端が前記導出口と連通する試料排出流路と、さらに有し、前記試料供給流路は、前記供給口から直進する外光を遮光する壁部を含み、前記試料排出流路は、前記排出口から直進する外光を遮光する壁部を含むことができる。
【００１５】
こうすると、試料供給流路及び試料排出流路が外光の遮光機能を有するので、可動部である第１，第２シャッターでの遮光性を低くすることができる。
【００１６】
（３）本発明の一態様では、前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えることができる。こうすると、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の信号強度が増強電場で増強される。
【００１７】
（４）本発明の一態様では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくする機構を有することができる。
【００１８】
こうすると、開口面積が小さい導入口付近での気体流速を速くすることができる。上述した第１，第２開口面積の関係は、第２シャッターを全開状態として、導入口の開口面積を導出口の開口面積よりも小さくすることで成立させることができる。この他、第１シャッターを部分開放するなど、第１，第２シャッターの駆動制御により上述の関係を成立させても良い。なお、上述した第１，第２開口面積の関係を実現する手段としては、例えば、第１シャッターを駆動する第１駆動ギアへの第１駆動伝達系に対して減速ギアを設け、第２シャッターを駆動する第２駆動ギアへの第２駆動伝達系に対しては減速ギアを設けず、あるいは増速ギアを設けて、駆動ギアの回転によるシャッター移動量において第２シャッターのほうが大きくなるような機構とすることができる。
【００１９】
（５）本発明の一態様では、前記試料導入部は円周内壁を有し、前記導出口は、平面視にて、前記円周内壁の中心と前記導入口とを結ぶ線上から外れた位置に配置することができる。
【００２０】
こうすると、導入口から直ちに導出口に向かう気体は少なく、円周内周に沿って気体の旋回流が生ずる。これにより、導入された試料が光学デバイスと接触する機会が増大される。
【００２１】
（６）本発明の一態様では、前記試料供給流路及び前記試料排出流路は、前記円周内壁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、少なくとも前記試料導入部との連結端側に有することができる。
【００２２】
こうすると、導入口及び導出口付近の気体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。
【００２３】
（７）本発明の一態様では、前記流体試料を反映した光はラマン散乱光とすることができる。ラマン散乱光は検出対象の物質を反映した信号の一例であり、流体試料中にて検出対象の物質の有無を判定できる。
【００２４】
（８）本発明の他の態様は、
上述した（１）〜（７）のいずれかの光学デバイスユニットと、
前記光源と、
前記光学デバイスからの前記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。
【００２５】
本発明の他の態様では、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取り込む第１状態の後に、第１，第２シャッターを閉鎖して流体試料を試料導入部に閉じ込めた第２状態を作り出すことができ、第２状態にて流体試料を閉じ込めたまま遮光性を高くして検出することができる。
【００２６】
（９）本発明のさらに他の態様は、
光学デバイスユニットと、前記光学デバイスユニットに向けて光を発する光源と、前記光学デバイスユニットからの光を検出する光検出部とを有し、
前記光学デバイスユニットが、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射される光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する検出装置での検出方法であって、
前記負圧発生部を駆動し、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを開放して、前記流体試料を前記試料導入部内に導入する第１工程と、
前記第１シャッター及び前記第２シャッターを閉鎖して、前記流体試料を前記試料導入部内に閉じ込めた状態にて、前記光源から光を発して検出する第２工程と、
を有する検出方法に関する。
【００２７】
本発明のさらに他の態様によれば、第２工程では流体試料を試料導入部内に閉じ込めた状態で検出することができる。第１工程で検出しようとすると、流体試料は試料導入部内に導入される一方で排出され続ける。よって、流体試料中の検出対象が特に吸着力の弱い物質では、効率が悪い。第２工程では試料導入部内から流体試料が漏れない状態を確保できるので、導入された流体試料を有効活用できる。また、第１，第２シャッターを閉じたとしても、シャッター閉鎖直前に移動していた流体試料は、シャッター閉鎖後も慣性力で浮遊するので、光学デバイス上の金属膜や金属微粒子等の金属ナノ構造との接触機会は確保される。さらに、第２工程では外光の遮光効果が高まるので、Ｓ／Ｎが向上して検出精度が高まる。加えて、第２工程での検出前には必ず第１工程が実施され、検出前の第１工程により光学デバイスをクリーンアップすることも可能となる。
【００２８】
（１０）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることができる。上述した通り、開口面積が小さい導入口付近での流速を速くすることができる。
【００２９】
（１１）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記第１シャッターよりも早く前記第２シャッターの開放を開始することができる。
【００３０】
こうすると、第１工程前に試料導入部内を予備排気することができる。
【００３１】
（１２）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記負圧発生部を連続駆動中に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを複数回に亘って断続的に開閉することができる。
【００３２】
第１工程に試料を吸引すると、流体的な流れが層流（レイノルズ数が小さく、乱れが少ない流れ）になるが、断続的に吸引すると流体の流れが一旦止まるため、乱れが生じて攪拌させる効果をもたらすと考えられる。流体試料中の検出対象物質が不均一に含まれている場合には、流体採取方法として有効な方法と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、シャッターの閉鎖状態、部分開放状態及び開放状態を示す図である。
【図２】歯車駆動のシャッターを有する試料導入部の概略平面図である。
【図３】磁石駆動のシャッターを有する試料導入部の概略平面図である。
【図４】検出方法を示すタイミングチャートである。
【図５】他の検出方法を示すタイミングチャートである。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、表面増強ラマン光の検出原理の説明図である。
【図７】検出装置の全体を示す説明図である。
【図８】検出装置の制御系ブロック図である。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
１．シャッター付の試料導入部を備えた光学デバイスユニット及び検出方法の概要
１．１．シャッター付の試料導入部を備えた光学デバイスユニット
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、本発明の実施形態にかかる光学デバイスユニットに設けられる試料導入部１０のシャッターの開閉状態を模式的に説明した図である。図１（Ａ）はシャッター閉鎖状態を、図１（Ｂ）はシャッターの部分開放状態を、図１（Ｃ）はシャッターの開放状態をそれぞれ示している。図２は、２つのシャッターを備えた試料導入部１０の概略構成を示す平面図である。本実施形態では、流体試料は例えば人体の呼気や大気等であり、検出対象の物質は流体試料中の特定気体分子（試料分子）とすることができるが、これに限定されない。
【００３６】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）及び図２において、試料導入部１０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１（Ａ）〜図１（Ｃ）は試料導入部１０の一側面を示しているが、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、試料導入部１０の例えば側壁１２には開口１４が形成されている。試料導入部１０の側壁１２には少なくとも２つの開口１４が形成されている。試料導入側の開口１４を導入口１４Ａと称し、試料導出側の開口１４を導出口１４Ｂと称する。
【００３７】
２つの開口１４を開閉する２つのシャッター２０が設けられている。導入口１４Ａを開閉するシャッター２０を第１シャッター２０Ａと称し、導出口１４Ｂを開閉するシャッター２０を第２シャッター２０Ｂと称する。図２では、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは、試料導入部１０の側壁１２に沿って移動可能に設けられている。
【００３８】
図２に示すように、導出口１４Ｂを介して試料導入部１０内を負圧にする負圧発生部であるファン３０が設けられている。負圧発生部３０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１０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。よって、ファン３０が駆動され、かつ、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが開放されていれば（図１（Ｂ）または図１（Ｃ）の状態）、導入口１４Ａを介して、人体の呼気や大気等の流体試料が試料導入部１０内に吸引されて導入される。
【００３９】
ここで、本実施形態に係る光学デバイスユニットには、試料導入部１０内に配置され、光源からの光を受けて流体試料を反映した光を発する光学デバイス５０（後述する図６（Ｄ）参照）が設けられる。この光学デバイス５０は、流体試料を吸着する金属膜や金属ナノ粒子を有する金属ナノ構造を、試料導入部１０の流体導入空間に臨んで配置することができる。上述の通りにして試料導入部１０内に流体試料が吸引導入されれば、金属膜や金属微粒子に試料分子を含む流体試料を吸着させることができる。試料分子が吸着された光学デバイス５０に光を照射することで、その光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用するなどして、検出対象物質である試料分子を検出することができる。
【００４０】
ここで、試料分子等の「吸着」という現象は、試料分子が光学デバイス５０の金属ナノ粒子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。吸着エネルギーは試料分子の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り越えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。また、光学デバイス５０に流体試料を吸引することとは、換言すると、その内部に光学デバイス５０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、流体試料を光学デバイス５０に接触させることである。
【００４１】
そして、本実施形態の光学デバイスユニットでは、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを開放して、流体試料を試料導入部１０内に導入する第１状態と、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを閉鎖して、流体試料を試料導入部１０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出を実施すれば、試料導入部１０内に閉じ込められた流体試料は排出されずに検出に寄与させることができる。また、検出時に試料導入部１０内に外光が取り込まれることを低減できる。
【００４２】
図２に示すように、試料導入部１０には、試料供給流路４０Ａと試料排出流路４０Ｂを設けることができる。試料供給流路４０Ａは、一端に外気と連通する供給口４１Ａを有し、他端が導入口１４Ａと連通している。試料排出流路４０Ｂは、一端に外気と連通する排出口４１Ｂを有し、他端が導出口１４Ｂと連通している。
【００４３】
本実施形態では、図２に示すように、試料導入部１０の側壁１２は円周壁であり、側壁１２と対向する円周内壁１６を有している。導入口１４Ａ及び導出口１４Ｂは、側壁１２と円周内壁１６とを貫通している。
【００４４】
ここで、導出口１４Ｂは、平面視にて、円周内壁１６の中心Ｐと導入口１４Ａ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１４Ａから直ちに導出口１４Ｂに向かう流体試料は少なく、円周内周１６に沿うＣ方向にむかう流体試料の旋回流が生ずる。これにより、導入された流体試料が光学デバイス５０の金属膜または金属微粒子等と接触する機会が増大される。
【００４５】
図２に示すように、試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂは、円周内壁１６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１０との連結端側に有することができる。こうすると、導入口１４Ａ及び導出口１４Ｂ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。
【００４６】
また、第１シャッター２０Ａが導入口１４Ａを開放する時の第１開口面積を、第２シャッター２０Ｂが導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることができる。こうすると、導入口１４Ａ側の流路が絞られるので、流体試料の導入流速を速くすることができる。それにより、上述した旋回流がより発生し易くなる等の利点がある。
【００４７】
なお、上述した第１，第２開口面積の関係は、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを図１（Ｃ）の通り全開状態として、導入口１４Ａの開口面積を導出口１４Ｂの開口面積よりも小さくしておくことで成立させることができる。この他、第１シャッター２０Ａを図１（Ｂ）に示すように部分開放するなど、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの駆動制御により上述の関係を成立させても良い。
【００４８】
１．２．シャッターの駆動方式
図２には、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの駆動方式の一例が示されている。第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは、第１，第２弾性体（バネ）２１Ａ，２１Ｂにより図示Ａ，Ｂ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２０Ａ，２０Ｂには第１，第２ラック２２Ａ，２２Ｂが固定されている。これら第１，第２ラック２２Ａ，２２Ｂに第１，第２のシャッター駆動歯車２３Ａ，２３が噛合している。第１，第２シャッター駆動歯車２３Ａ，２３Ｂを駆動することで、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは第１，第２弾性体２１Ａ，２１Ｂ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への駆動力を解除すれば、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは第１，第２弾性体２１Ａ，２１Ｂにより閉鎖駆動される。
【００４９】
なお、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは側壁１２に沿って移動できるが、両者の間隙は狭く、流体試料や光を十分に遮断できる構造や材質となっている。また、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂはそれぞれ独立に開閉が可能であることが望ましいが、両者が同時に開閉する機構でもよい。
【００５０】
図３には、図２の剛体である第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂに代えて、弾性体ないしは柔軟材からなる第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂが、導入口１４Ａ，導出口１４Ｂを開閉可能に配置されている。第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂは一端が側壁１２に設けられた固定端２５Ａ，２５Ｂであり、自由端である他端に第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂが固定されている。
【００５１】
閉鎖状態にある第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂの第１，第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂと対向して、第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂが側壁１２に固定されている。通常は、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂに取り付けられた第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂが第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂの磁極に吸引されて、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂ閉状態を維持している。第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂを所定の通電方向に通人して駆動すると、第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂを反発させる力を作用させると、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂは図示Ｄ，Ｅ方向に開放される。この場合も、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂと側壁１２との隙間は狭く、流体試料や光を十分に遮断できる構造や材質となっている。また、また、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂはそれぞれ独立に開閉が可能であることが望ましいが、両者が同時に開閉する機構でもよい。
【００５２】
１．３．検出方法
１．３．１．検出方法の概要
上述したシャッター付の試料導入部を用いる本実施形態に係る検出方法を、図２の例を用いて説明する。図３の例でも、シャッター駆動方式が異なるだけで、図２と同様に実施できる。
【００５３】
この検出方法では、ファン３０を駆動し、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを開放して、流体試料を試料導入部１０に導入する第１工程に加えて、次の第２工程を設けることができる。第２工程では、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを閉鎖して、流体試料を試料導入部１０内に閉じ込めた状態にて、光源から光を発して検出する。
【００５４】
第１工程では、試料導入部１０に導入口１４Ａを介して流体試料が導入される一方で、導出口１４Ｂを介して流体試料が導出されている。そのため、吸引流速に従って移動する流体試料の吸着が効率的とは言えない。そこで、第２工程では流体試料を試料導入部１０内に閉じ込めた状態で、検出するようにしている。第１，第２シャッターを閉じたとしても、シャッター閉鎖直前に移動していた流体試料は、シャッター閉鎖後も慣性力で浮遊するので、光学デバイス５０上の金属膜や金属微粒子との接触機会は確保される。なにより、試料導入部１０から流体試料が漏れない状態を確保できるので導入された流体試料を有効活用できる。
【００５５】
第２工程の他の利点として、外光の遮光効果が高まることである。光学デバイス５０から発せられる光以外の外光は、Ｓ／Ｎを悪化させて検出精度の劣化の要因となりうるので、検出時の遮光は検出精度の向上につながる。
【００５６】
さらに加えて、第２状態での検出前には必ず第１工程が実施されるので、検出前の第１工程により光学デバイスをクリーンアップすることも可能となる。そりにより、繰り返し検出しても、毎回フレッシュな流体試料に基づいて検出を実施することが可能となる。
【００５７】
１．３．２．検出方法の具体例１
図４及び図５は、本実施形態の検出方法を示すイミングチャートである。先ず、図４の検出方法を説明する。
【００５８】
先ず、ファン２０を動作させる。次に、導出口１４Ｂ側の第２シャッター２０Ｂを動作させてシャッターＢを開口させる。次に第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを開放して第１工程を実施する。その際、導出口１４Ｂ側の第２シャッター２０Ｂを第１シャッター２０Ａよりも先に開放開始することが好ましい。こうすると、第１工程前に試料導入部１０内を予備排気することができる。予備排気により、試料導入部１０内にあった流体試料が排出され、試料導入部１０内がクリーンアップされる。
【００５９】
第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが共に開放状態となると、供給口４１Ａ、試料供給流路４０Ａ及び導入口１４Ａを介して、流体試料が試料導入部１０内に導入される第１工程が開始される。このとき、図２に示すように試料導入部１０内では図示Ｃ方向に旋回流が生ずる。特に、第１シャッター２０Ａを図１（Ｂ）の部分開放状態とし、第２シャッター２０Ｂを図１（Ｃ）の全開状態とすると、流速が速くなって旋回流が強まる。これらにより、試料導入部１０内の試料分子を含む流体試料が光学デバイス５０と接触する機会が増大し、検出感度が高まる。
【００６０】
その後、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを閉鎖して、第１工程を終了させ、第２工程を開始する。このとき、図４に示すように、第１シャッター２０Ａよりも第２シャッター２０Ｂを遅れて閉鎖駆動することができる。こうすると、旋回流の維持に役立つ。ただし、第１工程の終期で、第１シャッター２０Ａが閉鎖状態で第２シャッター２０Ｂが開放状態である期間が長いと、第１工程の終期で試料導入部１０内に導入された流体試料が排出されてしまうので、注意を要する。逆に、第１工程の終期では第２シャッター２０Ｂを先に閉鎖しても、第１シャッター２０Ａが開放されている間に慣性力で流体試料が試料導入部１０内に導入され、試料濃度を高められる可能性がある。
【００６１】
第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが共に閉鎖されると、流体試料は試料導入部１０内に閉じ込められ、慣性力で旋回流が維持される。それにより、光学デバイス５０の金属膜又は金属微粒子に試料分子を含む流体試料が吸着される機会を増大できる。また、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの閉鎖により、試料導入部１０は外光から遮光された状態となる。
【００６２】
次に、図４に示すように光源をＯＮさせ、光学デバイス５０へ例えば直線偏光のレーザー光を照射する。それにより、光とプラズモンと結合させ、あるいはエバネッセント波を利用して、光学デバイス５０が試料分子を含む流体試料を反映した光を発することができる。それにより、その検出対象の試料分子に特有のスペクトルが得られ、試料分子の検出が完了する。
【００６３】
図４では、検出終了後に第３工程を実施して、次の検出に備えている。第３工程では、一連の流路に残留する試料分子を含む流体試料除外するために、再度ファン３０を動作させ、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを開放している。
【００６４】
１．３．３．検出方法の具体例２
図５には、他の検出方法が示されている。図５の方法は、図４のように第１工程にて連続的に流体試料を吸引するのではなく、複数の第１工程を断続的に実施して流体試料を吸引する例である。人間を含む動物が臭いを嗅ぐ時に、「クンクン」という断続的な動作と同じように、流体試料を吸引する。
【００６５】
図４のように連続的に吸引する場合には、流体的な流れが層流（レイノルズ数が小さく、乱れが少ない流れ）になるが、図５のように断続的に吸引すると流体の流れが一旦止まるため、乱れが生じて攪拌させる効果をもたらすと考えられる。流体試料中の試料分子が不均一に含まれている場合には、流体採取方法として有効な方法と考えられる。
【００６６】
２．試料の検出原理
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図６（Ａ）はラマン分光について説明され、試料分子１を含む流体試料に入射光（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１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。
【００６７】
図６（Ｂ）には、試料分子１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６（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。しかしながら、試料分子１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１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６（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。
【００６８】
図６（Ｃ）の例では、金属微粒子（金属ナノ粒子）５３に入射光（照射光）を照射した時に形成される増強電場５４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）５３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５３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５３内に励起され、金属微粒子５３の近傍に入射光の電場よりも強い増強電場５４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微粒子５３に特有の現象である。
【００６９】
図６（Ｄ）は、光学デバイス５０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)について説明している。光学デバイス５０は、例えば基板５１を有し、基板５１の凸部５２に金属微粒子５３を形成する。複数の凸部５２上の構造として、複数の凸部５２には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）５３が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、光学デバイス５０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５１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も形成できる。
【００７０】
このような光学デバイス５０に入射光を照射することで、金属微粒子５３間に増強電場５４を形成することができる。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ナノ粒子５３の電気伝導体に特有の現象である。
【００７１】
増強電場５４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５４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。
【００７２】
図６（Ｄ）の例では、光学デバイス５０の表側（金属微粒子５３側）から入射光が照射されているが、デバイス５０の裏側（基板５１側）から入射光を照射してもよい。
【００７３】
２．検出装置の全体構成
図７は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図７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２０Ａ，２０Ｂ（図７では省略）や歯車２３Ａ，２３Ｂ等を備えた試料導入部１０、ファン３０、試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂ、光学デバイス５０等を備えた光学デバイスユニット６０を有する。光学デバイス５０には、試料導入部１０の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部１１を介して光が入射される。検出装置２００の筐体７０は、ヒンジ部７２により開閉可能なセンサーカバー７１を備える。光学デバイスユニット６０は、センサーカバー７１内にて、筐体７０に対して着脱自在に配置される。光学デバイスユニット６０が装着／非装着状態は、センサー７３により検出できる。なお、試料供給流路４０Ａの供給口４１Ａには、除塵フィルター４２が設けられる。
【００７４】
試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂは、試料導入部１０の円周内壁１６（図２及び図３）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４０Ａは、供給口４１Ａから直進する外光を遮光する壁部４３Ａを含み、試料排出流路４０Ｂは、排出口４１Ｂから直進する外光を遮光する壁部４３Ｂを有する。これにより、外光が試料導入部１０内に入射し難い構造となっている。
【００７５】
なお、流体試料を吸引及び排出する経路形状については、外部からの光がセンサーに入らないように、かつ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるように、夫々考慮されたものなっている。外光が光学デバイス５０に入らないようにすることで、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入らず、信号のＳ/Ｎ比が向上する。流路形状と共に、流路を形成する材料も、光を反射し難いような材料、色、表面形状を選択することが必要となる。また、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるようにすることで、この装置の近傍の流体試料を多く収集でき、高感度な検出が可能になる。流路の形状は、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部での滞留がなくなる。また、負圧発生部３０としては、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンやポンプを選択することも必要である。
【００７６】
筐体７０内には、光源８０、光学系９０と、光検出部１００と、信号処理・制御部１１０と、電力供給部１２０とが設けられている。筐体７０内にはさらに、光学デバイスユニット６０内の第１，第２駆動歯車２３Ａ，２３Ｂに駆動力を付与して第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂ（図２及び図３）を駆動するシャッター駆動部１３０，１３１を有する。
【００７７】
図７において、光源８０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。
【００７８】
光源８０からの光は、光学系９０を構成するコリメーターレンズ９１により平行光にされる。コリメーターレンズ９１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８０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。
【００７９】
コリメーターレンズ９１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）９２により光学デバイス５０の方向に導かれ、対物レンズ９３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９３を通過し、ハーフミラー９２によって光検出部１００の方向に導かれる。
【００８０】
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９４で集光されて、光検出部１００に入力される。光検出部１００では先ず、光フィルター１０１に到達する。光フィルター１０１（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１０２を介して受光素子１０３にて受光される。分光器１０２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１０２を通過する光の波長は、信号処理・制御回路１１０により制御（選択）することができる。受光素子１０３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。
【００８１】
電力供給部１２０は、電源接続部１２１からの電力を、光源８０、光検出部１００、信号処理・制御部１１０及びファン３０等に供給する。電力供給部１２０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１１１は信号処理・制御部１１０と接続され、信号処理・制御部１１０に対してデータや制御信号等を媒介する。
【００８２】
図７の例では、信号処理・制御部１１０は、図７に示される光源８０以外の光検出部１００、ファン３０等への命令を送ることができる。さらに、信号処理・制御部１１０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、信号処理・制御部１１０は、試料分子１を特定することができる。なお、信号処理・制御部１１０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１１１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。
【００８３】
図８は、図７の検出装置２００の制御系ブロック図である。図８に示されるように、検出装置２００は、例えばインターフェース１４０、表示部１５０及び操作部１６０等をさらに含むことができる。また、図７に示される信号処理・制御部１１０は、図８に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）１１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１４等を有することができる。さらに、検出装置２００は、図７に示す各部を駆動する光源ドライバー８０Ａ、分光器ドライバー１０２Ａ、受光回路１０３Ａ、ファンドライバー３０Ａ、第１，第２シャッタードライバー１３０Ａ，１３１Ａ等を含むことができる。
【００８４】
３．分光分析
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図９（Ａ）は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図９（Ａ）の例では、第１のピーク（８８３ｃｍ−１）と第２のピーク（１４５３ｃｍ−１）が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ（第１のピークのラマンシフト及び光強度、第２のピークのラマンシフト及び光強度等）と照合することで、流体試料中の検出対象物質を特定することができる。
【００８５】
図９（Ｂ）は、解像度が粗い（４０ｃｍ−１）分光器１０２で受光素子１０３が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。図９（Ｃ）は、解像度が細かい（１０ｃｍ−１）分光器１０２で受光素子１０３が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。１０ｃｍ−１程度で解像度が細かい場合には、第２のピークのラマンシフト（黒丸）を正確に特定し易くなる。
【００８６】
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であろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学デバイス、検出装置、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 試料分子、１０ 試料導入部、１１ 光透過部、１２ 側壁、１４ 開口、１４Ａ 導入口、１４Ｂ 導出口、１６ 内周壁、２０Ａ，２０Ｂ 第１，第２シャッター、３０ 吸引駆動部（ファン）、４０Ａ 試料供給流路、４０Ｂ 試料排出流路、４１Ａ 供給口、４１Ｂ 排出口、４３Ａ，４３Ｂ 壁部、５０ 光学デバイス、５１ 基板、５２ 凸部、５３ 金属微粒子、５４ 増強電場、６０ 光学デバイスユニット、７０ 筐体、７１ センサーカバー、７２ ヒンジ部、７３ センサー、８０ 光源、９０ 光学系、１００ 光検出部、１１０ 信号処理・制御部、１２０ 電力供給部、１３０，１３１ シャッター駆動部、２００ 検出装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医療診断や農水産物・食品などの検出などに用いられるセンサーの需要が増大しており、小型で高速にセンシング可能なセンサー技術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：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】
ここで、表面プラズモンとは、表面固有の境界条件により光とカップリングを起こす電子波の振動モードである。表面プラズモンを励起する方法としては、金属表面に回折格子を刻み、光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用する方法がある。例えば、ＳＰＲを利用したセンサーとしては、全反射型プリズムと、そのプリズムの表面に形成された試料に接触する金属膜と、を具備して構成されるものがある。このような構成により、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、試料分子の吸着の有無を検出している。
【０００４】
ところで、金属表面に伝播型の表面プラズモンが存在する一方、金属微粒子には局在型の表面プラズモンが存在する。局在型の表面プラズモン、つまり、表面の微細構造上に局在する表面プラズモン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。
【０００５】
さらに、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）によって形成される増強電場にラマン散乱光が照射されると表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）現象によってラマン散乱光が増強されることが知られており、高感度のセンサー（検出装置）が提案されている（特許文献１，２）。この原理を用いることで、各種の微量な物質を検出することが可能になる。
【０００６】
検出対象の例として、大気中に含まれる微量な物質を検出することや、人間の呼気中に含まれる微量な物質を検出することで、その物質と相関のある病気の危険度診断をするなどの提案がなされている。後者の例として、特許文献１では、一定濃度のアルコールを摂取した後に呼気中のアセトアルデヒド濃度の経時変化を測定し、アセトアルデヒド濃度を急激な上昇がある場合に扁平上皮癌の発生危険度を判定している。この例では、呼気を採取する方法として、サンプルバッグに呼気を直接吹く込む方法が示されている。物質を検出する原理は異なっているが、生体から気体試料を採取する点では共通の課題を有している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特許第３７１４６７１号公報
【特許文献２】特開２０００−３５６５８７号公報
【特許文献３】特開２００５−２１４８５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献３では、気体試料を採取した後に速やかに物質を検出することは困難である。特許文献３では、生体（人間）の皮膚や粘膜などの表面から放出される気体試料を採取する器具が示されている。この場合、気体試料を皮膚表面から採取した後、検出装置又は分析装置へ入れて検出又は分析するという操作が必要になる。従って、多くの人の皮膚ガスを順次採取して検出又は分析するには、気体採取器具を再度パージガスなどでリフレッシュしてから使用することになるため、時間を要するという課題があった。
【０００９】
さらに、これらの一連の操作は手動であるため、そもそも時間を要するという課題もあった。これらの事情は、皮膚ガスの場合だけではなく、生体の呼気ガスや大気中のガスでも事情は同じである。このことは、気体試料を採取する場合に使用されるサンプリングバッグを用いる場合でも同様である。採取した気体試料をシリンジなどでサンプルバッグから抜き取り、ガスクロマトグラフのような検出装置に送り込む操作を行ってから物質を検出することになるからである。
【００１０】
本発明の幾つかの態様は、対象となる生体（人間や動物など）や環境雰囲気から流体試料を簡易にかつ確実に採取できる光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法を提供することができる。
【００１１】
本発明の他の幾つかの態様は、検出時に光学デバイスに悪影響を与える外光を排除してＳ／Ｎを向上させながらも、流体試料を効率よく採取できる光学デバイスユニット、検出装置及び検出方法を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
（１）本発明の一態様は、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する光学デバイスユニットに関する。
【００１３】
本発明の一態様では、第１シャッター及び第２シャッターを開放して、流体試料を試料導入部内に導入する第１状態と、第１シャッター及び第２シャッターを閉鎖して、流体試料を試料導入部内に閉じ込めた第２状態とを実現することができる。第２の状態にて、光透過部を介して光を入射して検出を実施すれば、試料導入部内に閉じ込められた流体試料は排出されずに検出に寄与させることができる。また、検出時に試料導入部内に外光が取り込まれることを低減し、Ｓ／Ｎを向上できる。なお、試料導入部内に配置される光学デバイスとは、光学デバイスの一面が、試料流体と接することができるように、試料導入部の流体導入空間に臨んで配置されるものも含む。
【００１４】
（２）本発明の一態様では、一端に外気と連通する供給口を有し、他端が前記導入口と連通する試料供給流路と、一端に外気と連通する排出口を有し、他端が前記導出口と連通する試料排出流路と、さらに有し、前記試料供給流路は、前記供給口から直進する外光を遮光する壁部を含み、前記試料排出流路は、前記排出口から直進する外光を遮光する壁部を含むことができる。
【００１５】
こうすると、試料供給流路及び試料排出流路が外光の遮光機能を有するので、可動部である第１，第２シャッターでの遮光性を低くすることができる。
【００１６】
（３）本発明の一態様では、前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えることができる。こうすると、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の信号強度が増強電場で増強される。
【００１７】
（４）本発明の一態様では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくする機構を有することができる。
【００１８】
こうすると、開口面積が小さい導入口付近での気体流速を速くすることができる。上述した第１，第２開口面積の関係は、第２シャッターを全開状態として、導入口の開口面積を導出口の開口面積よりも小さくすることで成立させることができる。この他、第１シャッターを部分開放するなど、第１，第２シャッターの駆動制御により上述の関係を成立させても良い。なお、上述した第１，第２開口面積の関係を実現する手段としては、例えば、第１シャッターを駆動する第１駆動ギアへの第１駆動伝達系に対して減速ギアを設け、第２シャッターを駆動する第２駆動ギアへの第２駆動伝達系に対しては減速ギアを設けず、あるいは増速ギアを設けて、駆動ギアの回転によるシャッター移動量において第２シャッターのほうが大きくなるような機構とすることができる。
【００１９】
（５）本発明の一態様では、前記試料導入部は円周内壁を有し、前記導出口は、平面視にて、前記円周内壁の中心と前記導入口とを結ぶ線上から外れた位置に配置することができる。
【００２０】
こうすると、導入口から直ちに導出口に向かう気体は少なく、円周内周に沿って気体の旋回流が生ずる。これにより、導入された試料が光学デバイスと接触する機会が増大される。
【００２１】
（６）本発明の一態様では、前記試料供給流路及び前記試料排出流路は、前記円周内壁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、少なくとも前記試料導入部との連結端側に有することができる。
【００２２】
こうすると、導入口及び導出口付近の気体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。
【００２３】
（７）本発明の一態様では、前記流体試料を反映した光はラマン散乱光とすることができる。ラマン散乱光は検出対象の物質を反映した信号の一例であり、流体試料中にて検出対象の物質の有無を判定できる。
【００２４】
（８）本発明の他の態様は、
上述した（１）〜（７）のいずれかの光学デバイスユニットと、
前記光源と、
前記光学デバイスからの前記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。
【００２５】
本発明の他の態様では、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取り込む第１状態の後に、第１，第２シャッターを閉鎖して流体試料を試料導入部に閉じ込めた第２状態を作り出すことができ、第２状態にて流体試料を閉じ込めたまま遮光性を高くして検出することができる。
【００２６】
（９）本発明のさらに他の態様は、
光学デバイスユニットと、前記光学デバイスユニットに向けて光を発する光源と、前記光学デバイスユニットからの光を検出する光検出部とを有し、
前記光学デバイスユニットが、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射される光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する検出装置での検出方法であって、
前記負圧発生部を駆動し、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを開放して、前記流体試料を前記試料導入部内に導入する第１工程と、
前記第１シャッター及び前記第２シャッターを閉鎖して、前記流体試料を前記試料導入部内に閉じ込めた状態にて、前記光源から光を発して検出する第２工程と、
を有する検出方法に関する。
【００２７】
本発明のさらに他の態様によれば、第２工程では流体試料を試料導入部内に閉じ込めた状態で検出することができる。第１工程で検出しようとすると、流体試料は試料導入部内に導入される一方で排出され続ける。よって、流体試料中の検出対象が特に吸着力の弱い物質では、効率が悪い。第２工程では試料導入部内から流体試料が漏れない状態を確保できるので、導入された流体試料を有効活用できる。また、第１，第２シャッターを閉じたとしても、シャッター閉鎖直前に移動していた流体試料は、シャッター閉鎖後も慣性力で浮遊するので、光学デバイス上の金属膜や金属微粒子等の金属ナノ構造との接触機会は確保される。さらに、第２工程では外光の遮光効果が高まるので、Ｓ／Ｎが向上して検出精度が高まる。加えて、第２工程での検出前には必ず第１工程が実施され、検出前の第１工程により光学デバイスをクリーンアップすることも可能となる。
【００２８】
（１０）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることができる。上述した通り、開口面積が小さい導入口付近での流速を速くすることができる。
【００２９】
（１１）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記第１シャッターよりも早く前記第２シャッターの開放を開始することができる。
【００３０】
こうすると、第１工程前に試料導入部内を予備排気することができる。
【００３１】
（１２）本発明のさらに他の態様では、前記第１工程では、前記負圧発生部を連続駆動中に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを複数回に亘って断続的に開閉することができる。
【００３２】
第１工程に試料を吸引すると、流体的な流れが層流（レイノルズ数が小さく、乱れが少ない流れ）になるが、断続的に吸引すると流体の流れが一旦止まるため、乱れが生じて攪拌させる効果をもたらすと考えられる。流体試料中の検出対象物質が不均一に含まれている場合には、流体採取方法として有効な方法と考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、シャッターの閉鎖状態、部分開放状態及び開放状態を示す図である。
【図２】歯車駆動のシャッターを有する試料導入部の概略平面図である。
【図３】磁石駆動のシャッターを有する試料導入部の概略平面図である。
【図４】検出方法を示すタイミングチャートである。
【図５】他の検出方法を示すタイミングチャートである。
【図６】図６（Ａ）〜図６（Ｄ）は、表面増強ラマン光の検出原理の説明図である。
【図７】検出装置の全体を示す説明図である。
【図８】検出装置の制御系ブロック図である。
【図９】図９（Ａ）〜図９（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００３４】
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。
【００３５】
１．シャッター付の試料導入部を備えた光学デバイスユニット及び検出方法の概要
１．１．シャッター付の試料導入部を備えた光学デバイスユニット
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）は、本発明の実施形態にかかる光学デバイスユニットに設けられる試料導入部１０のシャッターの開閉状態を模式的に説明した図である。図１（Ａ）はシャッター閉鎖状態を、図１（Ｂ）はシャッターの部分開放状態を、図１（Ｃ）はシャッターの開放状態をそれぞれ示している。図２は、２つのシャッターを備えた試料導入部１０の概略構成を示す平面図である。本実施形態では、流体試料は例えば人体の呼気や大気等であり、検出対象の物質は流体試料中の特定気体分子（試料分子）とすることができるが、これに限定されない。
【００３６】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）及び図２において、試料導入部１０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１（Ａ）〜図１（Ｃ）は試料導入部１０の一側面を示しているが、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、試料導入部１０の例えば側壁１２には開口１４が形成されている。試料導入部１０の側壁１２には少なくとも２つの開口１４が形成されている。試料導入側の開口１４を導入口１４Ａと称し、試料導出側の開口１４を導出口１４Ｂと称する。
【００３７】
２つの開口１４を開閉する２つのシャッター２０が設けられている。導入口１４Ａを開閉するシャッター２０を第１シャッター２０Ａと称し、導出口１４Ｂを開閉するシャッター２０を第２シャッター２０Ｂと称する。図２では、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは、試料導入部１０の側壁１２に沿って移動可能に設けられている。
【００３８】
図２に示すように、導出口１４Ｂを介して試料導入部１０内を負圧にする負圧発生部であるファン３０が設けられている。負圧発生部３０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１０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。よって、ファン３０が駆動され、かつ、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが開放されていれば（図１（Ｂ）または図１（Ｃ）の状態）、導入口１４Ａを介して、人体の呼気や大気等の流体試料が試料導入部１０内に吸引されて導入される。
【００３９】
ここで、本実施形態に係る光学デバイスユニットには、試料導入部１０内に配置され、光源からの光を受けて流体試料を反映した光を発する光学デバイス５０（後述する図６（Ｄ）参照）が設けられる。この光学デバイス５０は、流体試料を吸着する金属膜や金属ナノ粒子を有する金属ナノ構造を、試料導入部１０の流体導入空間に臨んで配置することができる。上述の通りにして試料導入部１０内に流体試料が吸引導入されれば、金属膜や金属微粒子に試料分子を含む流体試料を吸着させることができる。試料分子が吸着された光学デバイス５０に光を照射することで、その光とプラズモンを結合させる方法やエバネッセント波を利用するなどして、検出対象物質である試料分子を検出することができる。
【００４０】
ここで、試料分子等の「吸着」という現象は、試料分子が光学デバイス５０の金属ナノ粒子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。吸着エネルギーは試料分子の運動エネルギーに依存し、ある値を乗り越えると衝突して「吸着」現象を呈し、吸着には外力は不要である。また、光学デバイス５０に流体試料を吸引することとは、換言すると、その内部に光学デバイス５０を配置した流路に吸引流を生じさせることで、流体試料を光学デバイス５０に接触させることである。
【００４１】
そして、本実施形態の光学デバイスユニットでは、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを開放して、流体試料を試料導入部１０内に導入する第１状態と、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを閉鎖して、流体試料を試料導入部１０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出を実施すれば、試料導入部１０内に閉じ込められた流体試料は排出されずに検出に寄与させることができる。また、検出時に試料導入部１０内に外光が取り込まれることを低減できる。
【００４２】
図２に示すように、試料導入部１０には、試料供給流路４０Ａと試料排出流路４０Ｂを設けることができる。試料供給流路４０Ａは、一端に外気と連通する供給口４１Ａを有し、他端が導入口１４Ａと連通している。試料排出流路４０Ｂは、一端に外気と連通する排出口４１Ｂを有し、他端が導出口１４Ｂと連通している。
【００４３】
本実施形態では、図２に示すように、試料導入部１０の側壁１２は円周壁であり、側壁１２と対向する円周内壁１６を有している。導入口１４Ａ及び導出口１４Ｂは、側壁１２と円周内壁１６とを貫通している。
【００４４】
ここで、導出口１４Ｂは、平面視にて、円周内壁１６の中心Ｐと導入口１４Ａ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１４Ａから直ちに導出口１４Ｂに向かう流体試料は少なく、円周内周１６に沿うＣ方向にむかう流体試料の旋回流が生ずる。これにより、導入された流体試料が光学デバイス５０の金属膜または金属微粒子等と接触する機会が増大される。
【００４５】
図２に示すように、試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂは、円周内壁１６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１０との連結端側に有することができる。こうすると、導入口１４Ａ及び導出口１４Ｂ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。
【００４６】
また、第１シャッター２０Ａが導入口１４Ａを開放する時の第１開口面積を、第２シャッター２０Ｂが導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることができる。こうすると、導入口１４Ａ側の流路が絞られるので、流体試料の導入流速を速くすることができる。それにより、上述した旋回流がより発生し易くなる等の利点がある。
【００４７】
なお、上述した第１，第２開口面積の関係は、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを図１（Ｃ）の通り全開状態として、導入口１４Ａの開口面積を導出口１４Ｂの開口面積よりも小さくしておくことで成立させることができる。この他、第１シャッター２０Ａを図１（Ｂ）に示すように部分開放するなど、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの駆動制御により上述の関係を成立させても良い。
【００４８】
１．２．シャッターの駆動方式
図２には、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの駆動方式の一例が示されている。第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは、第１，第２弾性体（バネ）２１Ａ，２１Ｂにより図示Ａ，Ｂ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２０Ａ，２０Ｂには第１，第２ラック２２Ａ，２２Ｂが固定されている。これら第１，第２ラック２２Ａ，２２Ｂに第１，第２のシャッター駆動歯車２３Ａ，２３が噛合している。第１，第２シャッター駆動歯車２３Ａ，２３Ｂを駆動することで、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは第１，第２弾性体２１Ａ，２１Ｂ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への駆動力を解除すれば、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは第１，第２弾性体２１Ａ，２１Ｂにより閉鎖駆動される。
【００４９】
なお、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂは側壁１２に沿って移動できるが、両者の間隙は狭く、流体試料や光を十分に遮断できる構造や材質となっている。また、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂはそれぞれ独立に開閉が可能であることが望ましいが、両者が同時に開閉する機構でもよい。
【００５０】
図３には、図２の剛体である第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂに代えて、弾性体ないしは柔軟材からなる第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂが、導入口１４Ａ，導出口１４Ｂを開閉可能に配置されている。第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂは一端が側壁１２に設けられた固定端２５Ａ，２５Ｂであり、自由端である他端に第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂが固定されている。
【００５１】
閉鎖状態にある第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂの第１，第２永久磁石２５Ａ，２５Ｂと対向して、第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂが側壁１２に固定されている。通常は、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂに取り付けられた第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂが第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂの磁極に吸引されて、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂ閉状態を維持している。第１，第２電磁石２７Ａ，２７Ｂを所定の通電方向に通人して駆動すると、第１，第２永久磁石２６Ａ，２６Ｂを反発させる力を作用させると、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂは図示Ｄ，Ｅ方向に開放される。この場合も、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂと側壁１２との隙間は狭く、流体試料や光を十分に遮断できる構造や材質となっている。また、また、第１，第２シャッター２４Ａ，２４Ｂはそれぞれ独立に開閉が可能であることが望ましいが、両者が同時に開閉する機構でもよい。
【００５２】
１．３．検出方法
１．３．１．検出方法の概要
上述したシャッター付の試料導入部を用いる本実施形態に係る検出方法を、図２の例を用いて説明する。図３の例でも、シャッター駆動方式が異なるだけで、図２と同様に実施できる。
【００５３】
この検出方法では、ファン３０を駆動し、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを開放して、流体試料を試料導入部１０に導入する第１工程に加えて、次の第２工程を設けることができる。第２工程では、第１シャッター２０Ａ及び第２シャッター２０Ｂを閉鎖して、流体試料を試料導入部１０内に閉じ込めた状態にて、光源から光を発して検出する。
【００５４】
第１工程では、試料導入部１０に導入口１４Ａを介して流体試料が導入される一方で、導出口１４Ｂを介して流体試料が導出されている。そのため、吸引流速に従って移動する流体試料の吸着が効率的とは言えない。そこで、第２工程では流体試料を試料導入部１０内に閉じ込めた状態で、検出するようにしている。第１，第２シャッターを閉じたとしても、シャッター閉鎖直前に移動していた流体試料は、シャッター閉鎖後も慣性力で浮遊するので、光学デバイス５０上の金属膜や金属微粒子との接触機会は確保される。なにより、試料導入部１０から流体試料が漏れない状態を確保できるので導入された流体試料を有効活用できる。
【００５５】
第２工程の他の利点として、外光の遮光効果が高まることである。光学デバイス５０から発せられる光以外の外光は、Ｓ／Ｎを悪化させて検出精度の劣化の要因となりうるので、検出時の遮光は検出精度の向上につながる。
【００５６】
さらに加えて、第２状態での検出前には必ず第１工程が実施されるので、検出前の第１工程により光学デバイスをクリーンアップすることも可能となる。そりにより、繰り返し検出しても、毎回フレッシュな流体試料に基づいて検出を実施することが可能となる。
【００５７】
１．３．２．検出方法の具体例１
図４及び図５は、本実施形態の検出方法を示すイミングチャートである。先ず、図４の検出方法を説明する。
【００５８】
先ず、ファン２０を動作させる。次に、導出口１４Ｂ側の第２シャッター２０Ｂを動作させてシャッターＢを開口させる。次に第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを開放して第１工程を実施する。その際、導出口１４Ｂ側の第２シャッター２０Ｂを第１シャッター２０Ａよりも先に開放開始することが好ましい。こうすると、第１工程前に試料導入部１０内を予備排気することができる。予備排気により、試料導入部１０内にあった流体試料が排出され、試料導入部１０内がクリーンアップされる。
【００５９】
第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが共に開放状態となると、供給口４１Ａ、試料供給流路４０Ａ及び導入口１４Ａを介して、流体試料が試料導入部１０内に導入される第１工程が開始される。このとき、図２に示すように試料導入部１０内では図示Ｃ方向に旋回流が生ずる。特に、第１シャッター２０Ａを図１（Ｂ）の部分開放状態とし、第２シャッター２０Ｂを図１（Ｃ）の全開状態とすると、流速が速くなって旋回流が強まる。これらにより、試料導入部１０内の試料分子を含む流体試料が光学デバイス５０と接触する機会が増大し、検出感度が高まる。
【００６０】
その後、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを閉鎖して、第１工程を終了させ、第２工程を開始する。このとき、図４に示すように、第１シャッター２０Ａよりも第２シャッター２０Ｂを遅れて閉鎖駆動することができる。こうすると、旋回流の維持に役立つ。ただし、第１工程の終期で、第１シャッター２０Ａが閉鎖状態で第２シャッター２０Ｂが開放状態である期間が長いと、第１工程の終期で試料導入部１０内に導入された流体試料が排出されてしまうので、注意を要する。逆に、第１工程の終期では第２シャッター２０Ｂを先に閉鎖しても、第１シャッター２０Ａが開放されている間に慣性力で流体試料が試料導入部１０内に導入され、試料濃度を高められる可能性がある。
【００６１】
第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂが共に閉鎖されると、流体試料は試料導入部１０内に閉じ込められ、慣性力で旋回流が維持される。それにより、光学デバイス５０の金属膜又は金属微粒子に試料分子を含む流体試料が吸着される機会を増大できる。また、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂの閉鎖により、試料導入部１０は外光から遮光された状態となる。
【００６２】
次に、図４に示すように光源をＯＮさせ、光学デバイス５０へ例えば直線偏光のレーザー光を照射する。それにより、光とプラズモンと結合させ、あるいはエバネッセント波を利用して、光学デバイス５０が試料分子を含む流体試料を反映した光を発することができる。それにより、その検出対象の試料分子に特有のスペクトルが得られ、試料分子の検出が完了する。
【００６３】
図４では、検出終了後に第３工程を実施して、次の検出に備えている。第３工程では、一連の流路に残留する試料分子を含む流体試料除外するために、再度ファン３０を動作させ、第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂを開放している。
【００６４】
１．３．３．検出方法の具体例２
図５には、他の検出方法が示されている。図５の方法は、図４のように第１工程にて連続的に流体試料を吸引するのではなく、複数の第１工程を断続的に実施して流体試料を吸引する例である。人間を含む動物が臭いを嗅ぐ時に、「クンクン」という断続的な動作と同じように、流体試料を吸引する。
【００６５】
図４のように連続的に吸引する場合には、流体的な流れが層流（レイノルズ数が小さく、乱れが少ない流れ）になるが、図５のように断続的に吸引すると流体の流れが一旦止まるため、乱れが生じて攪拌させる効果をもたらすと考えられる。流体試料中の試料分子が不均一に含まれている場合には、流体採取方法として有効な方法と考えられる。
【００６６】
２．試料の検出原理
図６（Ａ）、図６（Ｂ）、図６（Ｃ）及び図６（Ｄ）は、ラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図６（Ａ）はラマン分光について説明され、試料分子１を含む流体試料に入射光（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１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。
【００６７】
図６（Ｂ）には、試料分子１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６（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。しかしながら、試料分子１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１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６（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。
【００６８】
図６（Ｃ）の例では、金属微粒子（金属ナノ粒子）５３に入射光（照射光）を照射した時に形成される増強電場５４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）５３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５３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５３内に励起され、金属微粒子５３の近傍に入射光の電場よりも強い増強電場５４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微粒子５３に特有の現象である。
【００６９】
図６（Ｄ）は、光学デバイス５０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)について説明している。光学デバイス５０は、例えば基板５１を有し、基板５１の凸部５２に金属微粒子５３を形成する。複数の凸部５２上の構造として、複数の凸部５２には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）５３が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。結果として、光学デバイス５０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５１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も形成できる。
【００７０】
このような光学デバイス５０に入射光を照射することで、金属微粒子５３間に増強電場５４を形成することができる。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ナノ粒子５３の電気伝導体に特有の現象である。
【００７１】
増強電場５４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５４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。
【００７２】
図６（Ｄ）の例では、光学デバイス５０の表側（金属微粒子５３側）から入射光が照射されているが、デバイス５０の裏側（基板５１側）から入射光を照射してもよい。
【００７３】
２．検出装置の全体構成
図７は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図７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２０Ａ，２０Ｂ（図７では省略）や歯車２３Ａ，２３Ｂ等を備えた試料導入部１０、ファン３０、試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂ、光学デバイス５０等を備えた光学デバイスユニット６０を有する。光学デバイス５０には、試料導入部１０の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部１１を介して光が入射される。検出装置２００の筐体７０は、ヒンジ部７２により開閉可能なセンサーカバー７１を備える。光学デバイスユニット６０は、センサーカバー７１内にて、筐体７０に対して着脱自在に配置される。光学デバイスユニット６０が装着／非装着状態は、センサー７３により検出できる。なお、試料供給流路４０Ａの供給口４１Ａには、除塵フィルター４２が設けられる。
【００７４】
試料供給流路４０Ａ及び試料排出流路４０Ｂは、試料導入部１０の円周内壁１６（図２及び図３）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４０Ａは、供給口４１Ａから直進する外光を遮光する壁部４３Ａを含み、試料排出流路４０Ｂは、排出口４１Ｂから直進する外光を遮光する壁部４３Ｂを有する。これにより、外光が試料導入部１０内に入射し難い構造となっている。
【００７５】
なお、流体試料を吸引及び排出する経路形状については、外部からの光がセンサーに入らないように、かつ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるように、夫々考慮されたものなっている。外光が光学デバイス５０に入らないようにすることで、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入らず、信号のＳ/Ｎ比が向上する。流路形状と共に、流路を形成する材料も、光を反射し難いような材料、色、表面形状を選択することが必要となる。また、流体試料に対する流体抵抗が小さくなるようにすることで、この装置の近傍の流体試料を多く収集でき、高感度な検出が可能になる。流路の形状は、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部での滞留がなくなる。また、負圧発生部３０としては、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンやポンプを選択することも必要である。
【００７６】
筐体７０内には、光源８０、光学系９０と、光検出部１００と、信号処理・制御部１１０と、電力供給部１２０とが設けられている。筐体７０内にはさらに、光学デバイスユニット６０内の第１，第２駆動歯車２３Ａ，２３Ｂに駆動力を付与して第１，第２シャッター２０Ａ，２０Ｂ（図２及び図３）を駆動するシャッター駆動部１３０，１３１を有する。
【００７７】
図７において、光源８０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。
【００７８】
光源８０からの光は、光学系９０を構成するコリメーターレンズ９１により平行光にされる。コリメーターレンズ９１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８０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。
【００７９】
コリメーターレンズ９１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）９２により光学デバイス５０の方向に導かれ、対物レンズ９３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９３を通過し、ハーフミラー９２によって光検出部１００の方向に導かれる。
【００８０】
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９４で集光されて、光検出部１００に入力される。光検出部１００では先ず、光フィルター１０１に到達する。光フィルター１０１（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１０２を介して受光素子１０３にて受光される。分光器１０２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１０２を通過する光の波長は、信号処理・制御回路１１０により制御（選択）することができる。受光素子１０３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。
【００８１】
電力供給部１２０は、電源接続部１２１からの電力を、光源８０、光検出部１００、信号処理・制御部１１０及びファン３０等に供給する。電力供給部１２０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１１１は信号処理・制御部１１０と接続され、信号処理・制御部１１０に対してデータや制御信号等を媒介する。
【００８２】
図７の例では、信号処理・制御部１１０は、図７に示される光源８０以外の光検出部１００、ファン３０等への命令を送ることができる。さらに、信号処理・制御部１１０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、信号処理・制御部１１０は、試料分子１を特定することができる。なお、信号処理・制御部１１０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１１１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。
【００８３】
図８は、図７の検出装置２００の制御系ブロック図である。図８に示されるように、検出装置２００は、例えばインターフェース１４０、表示部１５０及び操作部１６０等をさらに含むことができる。また、図７に示される信号処理・制御部１１０は、図８に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）１１２、ＲＡＭ（Random Access Memory）１１３、ＲＯＭ（Read Only Memory）１１４等を有することができる。さらに、検出装置２００は、図７に示す各部を駆動する光源ドライバー８０Ａ、分光器ドライバー１０２Ａ、受光回路１０３Ａ、ファンドライバー３０Ａ、第１，第２シャッタードライバー１３０Ａ，１３１Ａ等を含むことができる。
【００８４】
３．分光分析
図９（Ａ）、図９（Ｂ）、図９（Ｃ）は、ラマンスペクトルのピーク抽出の概要説明図を示す。図９（Ａ）は、ある物質に励起レーザーを照射した時に検出されるラマンスペクトルを示し、ラマンシフトを波数で表している。図９（Ａ）の例では、第１のピーク（８８３ｃｍ−１）と第２のピーク（１４５３ｃｍ−１）が特徴的と考えられる。得られたラマンスペクトルと予め保持するデータ（第１のピークのラマンシフト及び光強度、第２のピークのラマンシフト及び光強度等）と照合することで、流体試料中の検出対象物質を特定することができる。
【００８５】
図９（Ｂ）は、解像度が粗い（４０ｃｍ−１）分光器１０２で受光素子１０３が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。図９（Ｃ）は、解像度が細かい（１０ｃｍ−１）分光器１０２で受光素子１０３が第２のピークの周辺のスペクトルを検出した時の信号強度（白丸）を示す。１０ｃｍ−１程度で解像度が細かい場合には、第２のピークのラマンシフト（黒丸）を正確に特定し易くなる。
【００８６】
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であろう。従って、このような変形例はすべて本発明の範囲に含まれるものとする。例えば、明細書又は図面において、少なくとも一度、より広義又は同義な異なる用語と共に記載された用語は、明細書又は図面のいかなる箇所においても、その異なる用語に置き換えることができる。また光学デバイス、検出装置、分析装置等の構成、動作も本実施形態で説明したものに限定に限定されず、種々の変形実施が可能である。
【符号の説明】
【００８７】
１ 試料分子、１０ 試料導入部、１１ 光透過部、１２ 側壁、１４ 開口、１４Ａ 導入口、１４Ｂ 導出口、１６ 内周壁、２０Ａ，２０Ｂ 第１，第２シャッター、３０ 吸引駆動部（ファン）、４０Ａ 試料供給流路、４０Ｂ 試料排出流路、４１Ａ 供給口、４１Ｂ 排出口、４３Ａ，４３Ｂ 壁部、５０ 光学デバイス、５１ 基板、５２ 凸部、５３ 金属微粒子、５４ 増強電場、６０ 光学デバイスユニット、７０ 筐体、７１ センサーカバー、７２ ヒンジ部、７３ センサー、８０ 光源、９０ 光学系、１００ 光検出部、１１０ 信号処理・制御部、１２０ 電力供給部、１３０，１３１ シャッター駆動部、２００ 検出装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
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２】
請求項１において、
一端に外気と連通する供給口を有し、他端が前記導入口と連通する試料供給流路と、
一端に外気と連通する排出口を有し、他端が前記導出口と連通する試料排出流路と、
をさらに有し、
前記試料供給流路は、前記供給口から直進する外光を遮光する壁部を含み、
前記試料排出流路は、前記排出口から直進する外光を遮光する壁部を含むことを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えること特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくする機構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５】
請求項２乃至４のいずれかにおいて、
前記試料導入部は円周内壁を有し、
前記導出口は、平面視にて、前記円周内壁の中心と前記導入口とを結ぶ線上から外れた位置に配置されることを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項６】
請求項５において、
前記試料供給流路及び前記試料排出流路は、前記円周内壁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、少なくとも前記試料導入部との連結端側に有することを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項７】
請求項６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光学デバイスユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか記載の光学デバイスユニットと、
前記光源と、
前記光学デバイスからの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９】
光学デバイスユニットと、前記光学デバイスユニットに向けて光を発する光源と、前記光学デバイスユニットからの光を検出する光検出部とを有し、
前記光学デバイスユニットが、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する検出装置での検出方法であって、
前記負圧発生部を駆動し、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを開放して、前記流体試料を前記試料導入部に導入する第１工程と、
その後に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを閉鎖して、前記流体試料を前記試料導入部内に閉じ込めた状態にて、前記光源から光を発して検出する第２工程と、
を有することを特徴とする検出方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第１工程では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることを特徴とする検出方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記第２工程では、前記第１シャッターよりも早く前記第２シャッターの開放を開始することを特徴とする検出方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
前記第１工程では、前記負圧発生部を連続駆動中に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを複数回に亘って断続的に開閉することを特徴とする検出方法。
【請求項１】
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
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２】
請求項１において、
一端に外気と連通する供給口を有し、他端が前記導入口と連通する試料供給流路と、
一端に外気と連通する排出口を有し、他端が前記導出口と連通する試料排出流路と、
をさらに有し、
前記試料供給流路は、前記供給口から直進する外光を遮光する壁部を含み、
前記試料排出流路は、前記排出口から直進する外光を遮光する壁部を含むことを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項３】
請求項２において、
前記光学デバイスは、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えること特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項４】
請求項２または３において、
前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくする機構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５】
請求項２乃至４のいずれかにおいて、
前記試料導入部は円周内壁を有し、
前記導出口は、平面視にて、前記円周内壁の中心と前記導入口とを結ぶ線上から外れた位置に配置されることを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項６】
請求項５において、
前記試料供給流路及び前記試料排出流路は、前記円周内壁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、少なくとも前記試料導入部との連結端側に有することを特徴とする光学デバイスユニット。
【請求項７】
請求項６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光学デバイスユニット。
【請求項８】
請求項１乃至７のいずれか記載の光学デバイスユニットと、
前記光源と、
前記光学デバイスからの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９】
光学デバイスユニットと、前記光学デバイスユニットに向けて光を発する光源と、前記光学デバイスユニットからの光を検出する光検出部とを有し、
前記光学デバイスユニットが、
導入口と導出口とを有し、流体試料が導入される試料導入部と、
前記試料導入部の少なくとも一部に設けられ光を透過する光透過部と、
前記試料導入部内に配置され、前記光透過部を介して入射する光を受けて前記流体試料を反映した光を発する光学デバイスと、
前記試料導入部の前記導入口を開閉する第１シャッターと、
前記試料導入部の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負圧発生部と、
を有する検出装置での検出方法であって、
前記負圧発生部を駆動し、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを開放して、前記流体試料を前記試料導入部に導入する第１工程と、
その後に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを閉鎖して、前記流体試料を前記試料導入部内に閉じ込めた状態にて、前記光源から光を発して検出する第２工程と、
を有することを特徴とする検出方法。
【請求項１０】
請求項９において、
前記第１工程では、前記第１シャッターが前記導入口を開放する時の第１開口面積を、前記第２シャッターが前記導出口を開放する時の第２開口面積よりも小さくすることを特徴とする検出方法。
【請求項１１】
請求項９または１０において、
前記第２工程では、前記第１シャッターよりも早く前記第２シャッターの開放を開始することを特徴とする検出方法。
【請求項１２】
請求項９乃至１１のいずれかにおいて、
前記第１工程では、前記負圧発生部を連続駆動中に、前記第１シャッター及び前記第２シャッターを複数回に亘って断続的に開閉することを特徴とする検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図８】
【図９】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−２２０４３３（Ｐ２０１２−２２０４３３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８９１４（Ｐ２０１１−８８９１４）
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１３日（２０１１．４．１３）
【出願人】（０００００２３６９）セイコーエプソン株式会社 (51,324)
【Ｆターム（参考）】
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