検出装置
【課題】 定性分析される極微量物質を定量分析することができる検出装置を提供すること。
【解決手段】 検出装置は、流体試料１の流路４１と、流路に流体試料を吸引する吸引部４０と、流路内に配置される光学デバイス２０と、光学デバイスに光を照射する光源５０と、光学デバイスから出射される光を検出する光検出部６０と、流路内に配置される発振電極を圧電基板に形成したマイクロバランスセンサーチップ３０と、光検出部及びマイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部７０Ａとを有する。光学デバイス２０は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、金属ナノ構造吸着される流体試料を反映した光を出射する。
【解決手段】 検出装置は、流体試料１の流路４１と、流路に流体試料を吸引する吸引部４０と、流路内に配置される光学デバイス２０と、光学デバイスに光を照射する光源５０と、光学デバイスから出射される光を検出する光検出部６０と、流路内に配置される発振電極を圧電基板に形成したマイクロバランスセンサーチップ３０と、光検出部及びマイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部７０Ａとを有する。光学デバイス２０は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、金属ナノ構造吸着される流体試料を反映した光を出射する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定性分析される極微量物質を定量分析する検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance：表面プラズモン共鳴）、特にＬＳＰＲ（Localized Surface Plasmon Resonance：局在表面プラズモン共鳴）の利用したＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering：表面増強ラマン散乱）分光が注目されている（特許文献１，２）。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が１０２〜１０１４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を試料分子に照射する。励起光の波長から試料分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれた散乱波長（ラマン散乱光）を分光検出し、試料分子の指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルの形状から、試料分子を同定することが可能となる。
【０００３】
表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）は局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）の電場増強効果により、極微量濃度の気体分子における定性検出が可能であるが、定量分析は実現できていない。この１つの原因は、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）で発生する増強電場強度が最大増強場から指数関数的に減衰していくからである。非特許文献１によると、増強電場によって発生するＳＥＲＳ強度Iは、増強場表面からの距離rとは以下の関係にあると実験的に算出している。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここでaは金属ナノ粒子の半径である。式（１）は、ＳＥＲＳ強度は分子の数とは関係なく変動することを示唆している。表面吸着分子の数が多い（被覆率が大きい）場合、アンサンブル平均化された信号から定量評価することは可能であるが、被覆率が小さい場合、個々の分子が式（１）の強度を与えるため、定量評価は難しい。
【０００６】
例えば特許文献３では、ＳＥＲＳ定量分析に関する提案がなされているが、これは同一基板内に予めＳＥＲＳスペクトルが既知の分子試料を固定しており、そのスペクトル強度と比較することで定量分析する、とある。しかし、目的検出分子の表面被覆率が小さいと増強スポットへの吸着分子数が減り、式（１）の効果が顕著になってＳＥＲＳ強度が大きく変動する。そのため、この提案方法は検出目的分子の吸着被覆率の小さいとき（極低濃度試料や曝露時間が短いときなど）では成立しない。
【０００７】
一方、特許文献４では、全反射減衰型の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）とＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance：水晶天秤）を複合させた定量検出装置を提案している。特許文献４では、ＳＰＲとＱＣＭとの定量分析精度が共に約１ｎｇ／ｃｍ２であると指摘し（段落０００３，０００５）、その２つの定量分析信号が相補的であると指摘するが（段落０１０２）、２つの信号から如何にして定量分析するか、特に極微量物質を如何にして定量分析するかについての具体的に説明がない。しかも、全反射減衰型の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）でもＱＣＭでも定量すべき試料分子の指紋スペクトルを測定できないため、試料分子を定性検出することも技術的に不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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２００９−１０３６５１号公報
【特許文献４】特表２００８−５１３７７２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】プラズモンナノ材料の設計と応用技術 ＣＭＣ出版P.181
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の幾つかの態様によれば、定性分析される極微量物質を定量分析する検出装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、
流体試料の流路と、
前記流路に前記流体試料を吸引する吸引部と、
前記流路内に配置される光学デバイスと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前期光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
発振電極が形成されている圧電基板を有し、前記流路内に配置されるマイクロバランスセンサーチップと、
前記光検出部及び前記マイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部と、
を有し、
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、前記金属ナノ構造に吸着される前記流体試料を反映した光を出射する検出装置に関する。
【００１２】
本発明では、光学デバイスからの光を検出する光検出部は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、金属ナノ構造に吸着される流体試料を反映した光を出射する。このため、試料固有の指紋スペクトルを検出するので、試料を定性分析できる。このスペクトル強度は、試料の定量情報となり得るが、金属粒子に吸着する試料分子の数が少ないと平均化されずに、式（１）中のパラメータｒに依存し、金属粒子に吸着される分子の数は同一でもスペクトル強度が区々になる。併設したマイクロバランスチップにより検出される質量の増減に基づいて、光検出部からの出力強度に基づいて定量分析の良否を判定でき、定量分析の信頼性が高まる。なお、流路内に配置される光学デバイスやマイクロバランスセンサーチップとは、その一面が、試料流体と接触できるように、流路に臨んで配置されているものを含む。
【００１３】
本発明の一態様では、前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとは、前記流路内に平面視で並設されても良いし、前記流路内に積層されていてもよい。光学デバイスとマイクロバランスセンサーチップを積層したハイブリッドチップは、光学デバイスの金属ナノ構造を、マイクロバランスセンサーチップの発振電極上に形成することができる。こうすると、ハイブリッドチップの部材点数が減少し、チップ単体であるので取り扱いが容易となる。
【００１４】
本発明の一態様では、前記マイクロバランスセンサーチップの前記圧電基板を水晶とすることができ、特に前記マイクロバランスセンサーチップは、ＳＡＷ（表面弾性波）発振デバイスとすることができる。ＳＡＷ発振デバイスはＧＨｚオーダーで駆動できる。センサーの感度は、Ｓａｕｅｂｒｅｙの式から周波数の二乗に比例するので、周波数を高くして使用することが感度を向上させる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、同じ増減挙動を示したときに、前記光検出部からの出力強度に基づいて定量分析することができる。この場合、光検出部からのスペクトル強度は、式（１）中のパラメータｒの依存度が低く、試料分子の吸着挙動を反映した定量情報となり得る。
【００１６】
本発明の一態様では、前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、逆の挙動を示す場合と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動がない場合は、定量分析を禁止することができる。この場合、光検出部からのスペクトル強度は、式（１）中のパラメータｒの依存度が高く、試料分子の吸着挙動を反映せずに定量情報とはなり得ない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（Ａ）は吸引部と光学デバイス（センサーチップ）の拡大断面図、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は光学デバイスでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）はマイクロバランスセンサーチップの断面図及び平面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は吸着分子の位置に依存したＳＥＲＳ強度と位置依存性のないＱＣＭ信号の説明図である。
【図４】ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動に基づく試料の定量分析手法の一例を示す図である。
【図５】２つのチップを並設した検出装置の全体概要を示すブロック図である。
【図６】検査装置の制御系ブロック図である。
【図７】定量分析を行う処理系のブロック図である。
【図８】２つのチップを積層した検出装置の全体概要を示すブロック図である。
【図９】２つのチップが積層されたハイブリッドチップの断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、試料分子の挙動を示す図である。
【図１１】図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）の時のＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動を示す特性図である。
【図１２】試料分子のＳＥＲＳ強度スペクトルを示す特性図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、試料分子の他の挙動を示す図である。
【図１４】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）の時のＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の一実施形態に係る検出装置１０Ａでは、図５または図６に示すように、２つのセンサーチップが設けられ、一つは光学デバイスであるＳＥＲＳセンサーチップ２０であり、他の一つはマイクロバランスセンサーチップ３０である。先ず、これら２つのセンサーチップ２０，３０について説明する。
【００２０】
１．ＳＥＲＳセンサーチップ（光学デバイス）
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）を用いて、光を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光学デバイスとして、ラマン散乱光を検出するセンサーチップ２０について説明する。原理の説明図を示す。なお、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。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、センサーチップ２０に吸着される流体試料中の検査対象物質である試料分子１に入射光（振動数ν）が照射される。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又は波長は入射光に対して変化しない。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、流路４１内の試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、試料分子１を含む流体試料を反映した光である。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。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のセンサーチップ２０の拡大図である。図１（Ａ）に示すように入射光が基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。センサーチップ２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板２００上に、レジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化している。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図１（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００２３】
複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。なお、金属微粒子２２０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗのいずれかの単体金属、もしくはそれらの合金の膜であってもよい。結果として、センサーチップ２０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２００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。
【００２４】
図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子２２０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ナノ粒子２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０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ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００２５】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）では、センサーチップ２０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)が生ずる。つまり、増強電場２３０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２３０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、試料分子が極微量であっても、検出感度を高めることができる。なお、金属ナノ構造は周期構造であってもよい。
【００２６】
ＳＥＲＳセンサーチップ２０から発生する流体試料のラマン散乱光のうち、試料分子１を反映する波長のみ取り出すことができるので、検出されるＳＥＲＳ信号は試料分子１を反映した指紋スペクトルである。
【００２７】
２．マイクロバランスセンサーチップ
マイクロバランスセンサーチップ３０は、図２（Ａ）（Ｂ）に示す通り、水晶の圧電ウエハ３００の２つの表面に、面積が例えば１ｃｍ２の金属電極３１０，３１０を有するＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）にて構成される。圧電ウエハ３００の変化は、逆圧電効果による交流電界によって機械的な共鳴に励起され得る。共鳴周波数は、金属電極３１０へ吸着された分子の質量に応じて変化する。Sauerbreyの式によると、質量変化量△ｍ、Ｆ０を基本周波数、Ａを電極面積、μｑを水晶のせん断応力（２．９４７×１０１０ｋｇ／ｍ・ｓ２）、ρｑを水晶の密度（２６４８ｋｇ／ｍ３）とすると、周波数変化量△Ｆは、次の通りとなる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
共鳴周波数は、質量増加時は小さくなり、質量減少時は大きくなる。圧電ウエハ３００を水晶ＡＴ板とすると、水晶ＡＴ板が２７ＭＨｚの基準振動数で１Ｈｚの振動変動を検知した場合、ＱＣＭ信号は式（２）から１７．７ｎｇ／ｃｍ２の質量変動を検知できることになる。圧電ウエハ３００が水晶ＳＡＷ（表面弾性波）デバイスであると、１ＧＨｚの基準振動数で同じく１Ｈｚの振動変位を検知した場合、ＱＣＭ信号として０．４４ｐｇ／ｃｍ２の質量変動を検知できる。このように、センサーの感度は、Ｓａｕｅｂｒｅｙの式から周波数の二乗に比例するので、周波数を高くして使用することが有効となる。マイクロバランスセンサーチップ３０としてＧＨｚオーダーの周波数で駆動されるＳＡＷ発振デバイスを用いると、より微量の質量変化を検出できる。ＳＡＷ発振デバイスは、例えば特開２００９−１３０８０６や特開２００５−１８４４９６に開示されたものを使用することができる。
【００３０】
３．２つのセンサーチップを併用した定量分析
以下にて説明する試料分子１の「吸着」という現象は、試料分子１が金属ナノ粒子２２０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１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（センサーチップ）２０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（センサーチップ）２０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２０に接触させることである。
【００３１】
試料分子１は、ＳＥＲＳセンサーチップ２０のナノ構造を有する金属微粒子２２０の表面に吸着して、ＳＥＲＳ光を発生し検出される。図３（Ａ）に、吸着部位の違いによるＳＥＲＳ信号の強度変化を示す。金属ナノ構造間に試料分子１Ａが吸着したとき、局在増強電場の影響を最も受けることになり（式（１）でr→0）、ＳＲＥＳ信号は最大となる。試料分子１Ｂ，１Ｃ，１Ｄのように増強電場スポットから離れるに従い、それらのＳＥＲＳ強度は式（１）中のｒの値が増大することから減衰する。金属微粒子２２０に吸着する分子の数が多くなり金属微粒子２２０の被覆率が大きい場合、全ての吸着分子が照射スポット内で平均化されて取得できるため、ＳＥＲＳセンサーチップ２０での吸着分子の定量評価は信頼性が高い。
【００３２】
しかし、金属微粒子２２０に吸着する分子の数が少なく、被覆率が小さい場合（例えばppb濃度領域以下のときや、試料気体を曝露して間もないとき）、図３（Ａ）に示すように個々の分子はその吸着部位に応じたＳＥＲＳ信号を出力し、平均化されていない信号を観測することになる。このとき、ＳＥＲＳセンサーチップ２０単体では、正確に定量することができない。
【００３３】
そこで本実施形態では、ＳＥＲＳ強度の変化が、定量増減に起因したものか、あるいは図３（Ａ）に示すように吸着部位に応じた式（１）の強度変化であるかを、マイクロバランスチップセンサー３０の出力から判定することにしている。図３（Ａ）のような分子の吸着状態のとき、ＳＥＲＳ信号及びＱＣＭ信号は図３（Ｂ）の通りとなる。図３（Ｂ）に示すように、ＳＥＲＳ信号は、４つの試料分子１Ａ〜１Ｄの吸着部位に応じた強度を反映するため、４つの試料分子１Ａ〜１Ｄを正しく定量していない値となる。一方、ＱＣＭ信号には４つの試料分子１Ａ〜１Ｄの吸着部位の相違は反映されない。ただし、ＱＣＭ信号は、図３（Ａ）には示されていない分子、つまり試料分子１以外の吸着分子の質量も計測されるので、ＱＣＭ信号だけで吸着された試料分子１の質量を計測することはできない。
【００３４】
このように、指紋スペクトルであるＳＥＲＳ信号は試料分子を定性評価できるが、定量評価するには信頼性に劣る。この信頼性を、質量変化を正しく反映するＱＣＭ信号を併用することで担保している。
【００３５】
図４は、ＳＥＲＳ強度とＱＣＭ変動との組み合わせから得られる定量出力処理の一例を示している。ＳＲＥＳ強度が＋方向に変動したとき、ＱＣＭ変動も＋方向であるときのみ、試料分子１の吸着数が増加したと判定し、ＳＥＲＳ強度出力から定量評価できる。同様に、ＳＲＥＳ強度が−方向に変動したとき、ＱＣＭ変動も−方向であるときのみ、試料分子１の吸着数が減少したと判定し、ＳＥＲＳ強度出力から定量評価できる。
【００３６】
上記２つ以外の組み合わせでは、ＳＥＲＳ強度の変化は図３（Ａ）に示すように吸着部位に応じた式（１）の強度変化であると判定し、ＳＥＲＳ強度を定量評価に用いない。この場合には再測定となる。
【００３７】
このように、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが、共に同じ増減挙動を示したときのみ、ＳＥＲＳ強度から定量表示する。一方、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが、逆の挙動を示す場合と、ＱＣＭ変動がない場合は、式（１）の影響であると判断し、再測定を行う。再測定により、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが共に同じ挙動を示すまで、定量表示は禁止される。
【００３８】
４．検出装置の構成例１
検出装置１０Ａは、図５に示すように、吸引部４０の流路４１内にＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを、平面視で並設することができる。検出装置１０Ａは、２つのセンサーチップ２０，３０と吸引部４の他に、光源５０、光検出部６０、処理部７０と、マイクロバランス計測部８０と、電力供給部９０とを有する。ＳＥＲＳセンサーチップ２０と、光源５０及び／又は光検出部６０との間に、光学系１１０を設けることができる。
【００３９】
負圧発生部例えばファン４５０の駆動により試料が吸引される吸引部４０には、流路４１が形成されている。負圧発生部４５０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、吸引部４０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。センサーチップ２０は、流路４１内に図１（Ａ）に示す金属微粒子２２０が周期的に配列される構造を有する。光源５０は、例えば光学系１１０を構成する例えばハーフミラー１１１と対物レンズ１１２を介して、センサーチップ２０に光を照射する。
【００４０】
センサーチップ２０は、光源５０からの光の照射により局在表面プラズモン共鳴が誘起され、金属微粒子２２０に吸着される流体試料から発せられるラマン散乱光が増強される。光検出部５０は、ハーフミラー１１１及び対物レンズ１１２を介してラマン散乱光を検出する。
【００４１】
マイクロバランスセンサーチップ３０は、流路４１に対して図２（Ａ）の通りに配置され、電極３１０に吸着した分子を定量する。マイクロバランスセンサーチップ３０には計測部８０が接続される。
【００４２】
吸引部４０は、吸引口４２と排出口４３との間に流路４１を有する。流体試料中の試料分子１は、標的物は、吸引口４２（搬入口）から流路４１に導入され、排出口４３から排出される。吸引口４２側に除塵フィルター４４を設けることができる。ファン４５０が排出口４２付近に設けられ、ファン４５０を作動させると、流路４１内の圧力（気圧）が低下する。これにより、気体と共に試料が流路４１に吸引される。試料は、センサーチップ２０，３０付近の流路４１を経由して排出される。このとき、試料分子１の一部がセンサーチップ２０，３０の表面（電気伝導体）に吸着する。
【００４３】
検査対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができる。
【００４４】
光源５０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。
【００４５】
光源５０からの光は、光学系１１０を構成するコリメーターレンズ１１３により平行光にされる。コリメーターレンズ１１３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５０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。
【００４６】
コリメーターレンズ１１３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）１１１によりＳＥＲＳセンサーチップ２０の方向に導かれ、対物レンズ１１２で集光され、ＳＥＲＳセンサーチップ２０に入射する。ＳＥＲＳセンサーチップ２０には、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示す金属微粒子２２０が形成される。ＳＥＲＳセンサーチップ２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。ＳＥＲＳセンサーチップ２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ１１２を通過し、ハーフミラー１１１によって光検出器６０の方向に導かれる。
【００４７】
ＳＥＲＳセンサーチップ２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ１１４で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（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６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０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６２０を通過する光の波長は、処理部７０により制御（選択）することができる。受光素子６３０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。
【００４８】
検出装置１０Ａは、筐体１００を有し、筐体１００に上述した各部２０〜８０を有する他、電力供給部９０、通信接続部７０Ａ及び電源接続部９０Ａを含むことができる。電力供給部９０は、電源接続部９０Ａからの電力を、光源５０、光検出部６０、処理部７０、計測部８０及びファン４５０等に供給する。電力供給部９０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７０Ａは処理部７０と接続され、処理部７０に対してデータや制御信号等を媒介する。
【００４９】
図５の例では、処理部７０は、図５に示される光源５０以外の光検出器６０、ファン４５０等への命令を送ることができ、処理部７０は、光源５０だけでなく、光検出器６０、ファン４５０等も制御することができる。さらに、処理部７０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行する。処理部７０は、光検出部６０からのＳＥＲＳ強度と計測部８０からのＱＣＭ信号から図４に従って試料分子の定量分析を行うことができる。なお、処理部７０は、定量分析結果等を例えば通信接続部７０Ａ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。
【００５０】
図６は、図５の検出装置１０Ａの制御系ブロック図である。図６に示されるように、検出装置１０Ａは、例えばインターフェース１２０、表示部１３０及び操作部１４０等をさらに含むことができる。また、図５に示される処理部７０は、図６に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３等を有することができる。さらに、検出装置１０Ａは、例えば、光源ドライバー５２、分光ドライバー６２２、受光回路６３２及びファンドライバー４５２を含むことができる。
【００５１】
図７は、定量分析を行う回路ブロックを示している。マイクロバランス計測部８０は、マイクロバランスセンサーチップ３０に接続される発振回路８１と、マイクロバランスセンサーチップ３０での共振周波数をカウントする周波数カウンター８２とを有する。処理部７０のＲＡＭ７２はメモリ７２Ａ〜７２Ｄに示す領域を有し、処理部７０のＣＰＵ７１は定量分析部７１Ａを有する。
【００５２】
光検出部６０から時系列で出力されるＳＥＲＳ信号は、スイッチＳＷ１により切り換えられて、メモリ７２Ａ，７２Ｂに交互に記憶される。周波数カウンター８２から時系列で出力されるＱＣＭ信号は、スイッチＳＷ２により切り換えられて、メモリ７２Ｃ，７２Ｄに記憶される。定量分析部７１Ａは、メモリ７２Ａ，７２Ｂ内の前回と今回のＳＥＲＳ信号からＳＲＥＳ強度変動を取得する。また、定量分析部７１Ａは、メモリ７２Ｃ，７２Ｄ内の前回と今回のＱＣＭ信号からＱＣＭ変動を取得する。そして、定量分析部７１Ａは、取得されたＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動から、図４に示す手法に従って定量解析を実施することができる。
【００５３】
５．検出装置の構成例２
図８は、他の検出装置１０Ｂを示している。図８の検出装置１０Ｂが図５と相違する点は、流路４１の臨むＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを積層したことである。つまり、ＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを複合させたハイブリッドチップを用いている。
【００５４】
このハイブリッドチップは、図９に示すように、マイクロバランスセンサーチップ３０のうち、流路４１に臨む一方の発振電極３１０上に電極微粒子２２０の金属ナノ構造を形成することで、マイクロバランスセンサーチップ３０上に積層されるＳＥＲＳセンサーチップ２０を構成している。ＳＥＲＳ信号の検出中、圧電基板３００はＭＨｚ〜ＧＨｚで振動することになるが、露光時間はｍｓｅｃ〜ｓｅｃレベルなので、ＱＣＭの振動が光学的ノイズとしてＳＥＲＳセンサーチップ２０に悪影響する心配はない。このハイブリッドチップは部品点数が少なく、しかも単体チップとして取り扱われるため、チップ設定作業時間の短縮が図れる。
【００５５】
６．実施例
図５または図８に示す検出装置１０Ａ，１０Ｂの流路４１に流体試料を流し、各センサーチップ２０，３０に曝露させたときの経過時間後との吸着分子の状態を図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に、検出されるＳＥＲＳ強度とＱＣＭ信号とを図１１に示す。流したガスは硫化ジメチル（ＤＭＳ:CH3SCH3）を用いた。また、このとき検出されたＳＥＲＳスペクトルを図１２に示す。
【００５６】
図１２はＤＭＳ分子に帰属されるピークである（定性検出）。６７６ｃｍ-1のピークはＣ−Ｓの対称伸縮振動を表し、最も強いピークを与えた。このピークに着目し、曝露時間別のＳＥＲＳ強度を図１１にプロットしてある。
【００５７】
一方、マイクロバランスチップ３０は電極面積４ｍｍ２の励振電極３１０が圧電基板３００に形成された１ＧＨｚの水晶デバイスを使用する。図１１に示す１Ｈｚの周波数変化は質量で０．０１８ｐｇの変化を検出したことになる。分子の数に直すと、励振電極３１０表面にＤＭＳ分子が１．６４×１０８個吸着した計算となる。このとき、図１（Ｃ）に示すＳＥＲＳ照射スポット２４０の領域φ２μｍ中には、１２５個の分子が存在することになる。
【００５８】
一方、ＳＥＲＳ活性な場所（hot siteと呼ぶ）は金属微粒子２２０間のギャップＧ（図１（Ｂ）参照）に位置し、５ｎｍ×２０ｎｍ程度であることが知られている。図１に示すＳＥＲＳ照射スポット２４０の領域φ２μｍ中では、このようなサイトがおよそ２８０個存在する。この考察から１つの増強電場スポット２３０（図１（Ｂ）（Ｃ）参照）には、図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に示すように１〜２個程度の拡散分子が入ってくる計算となる。この数量では平均化されないシグナルとなり、式（１）のパラメータｒに依存したＳＥＲＳ強度が観測されることになる。例えば、図１１のように、ＳＥＲＳ信号は、受光器６３０（図５または図８参照）に曝露時間にほぼ比例した数のフォトンが検出される。一方ＱＣＭにおける変動も図１１に示すように質量増加が認められたときには、図４の手法に従いＳＥＲＳの増加は定量的なものであると判断される。よって、検出されたＳＥＲＳ強度に基づいて定量分析される。
【００５９】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）とは異なり、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示す試料分子１の挙動であるときの測定結果を図１４に示す。図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示す試料分子１の挙動は、金属微粒子２２０への吸着位置が変化しているが、吸着分子の数の変更はない。
【００６０】
この場合、式（１）のパラメータｒに依存したＳＥＲＳ強度が観測され、ＳＥＲＳ強度は激しく増減を繰り返したが、ＱＣＭは変化を示さなかった。このとき、ＳＥＲＳ強度の増減は吸着分子の表面拡散による式（１）の影響を受けたものであると判断される。その結果、図４の手法に従い再測定と判定され、ＳＥＲＳ・ＱＣＭの同時測定が再度行われることになる。
【００６１】
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】
【００６２】
１ 試料分子、１Ａ〜１Ｂ 吸着位置が異なる吸着分子、１０Ａ，１０Ｂ 検出装置、２０ 光学デバイス、３０ マイクロバランスセンサーチップ、４１ 流路、５０ 光源、６０ 光検出部、７０Ａ 定量分析部、８０ マイクロバランス計測部、２２０ 金属微粒子、３００ 圧電基板、３１０ 発振電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、定性分析される極微量物質を定量分析する検出装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、低濃度の試料分子を検出する高感度分光技術の１つとして、ＳＰＲ（Surface Plasmon Resonance：表面プラズモン共鳴）、特にＬＳＰＲ（Localized Surface Plasmon Resonance：局在表面プラズモン共鳴）の利用したＳＥＲＳ（Surface Enhanced Raman Scattering：表面増強ラマン散乱）分光が注目されている（特許文献１，２）。ＳＥＲＳとは、ナノメートルスケールの凸凹構造を持つ金属表面でラマン散乱光が１０２〜１０１４倍増強される現象である。レーザーなどの単一波長の励起光を試料分子に照射する。励起光の波長から試料分子の分子振動エネルギー分だけ僅かにずれた散乱波長（ラマン散乱光）を分光検出し、試料分子の指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルの形状から、試料分子を同定することが可能となる。
【０００３】
表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ）は局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）の電場増強効果により、極微量濃度の気体分子における定性検出が可能であるが、定量分析は実現できていない。この１つの原因は、局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）で発生する増強電場強度が最大増強場から指数関数的に減衰していくからである。非特許文献１によると、増強電場によって発生するＳＥＲＳ強度Iは、増強場表面からの距離rとは以下の関係にあると実験的に算出している。
【０００４】
【数１】
【０００５】
ここでaは金属ナノ粒子の半径である。式（１）は、ＳＥＲＳ強度は分子の数とは関係なく変動することを示唆している。表面吸着分子の数が多い（被覆率が大きい）場合、アンサンブル平均化された信号から定量評価することは可能であるが、被覆率が小さい場合、個々の分子が式（１）の強度を与えるため、定量評価は難しい。
【０００６】
例えば特許文献３では、ＳＥＲＳ定量分析に関する提案がなされているが、これは同一基板内に予めＳＥＲＳスペクトルが既知の分子試料を固定しており、そのスペクトル強度と比較することで定量分析する、とある。しかし、目的検出分子の表面被覆率が小さいと増強スポットへの吸着分子数が減り、式（１）の効果が顕著になってＳＥＲＳ強度が大きく変動する。そのため、この提案方法は検出目的分子の吸着被覆率の小さいとき（極低濃度試料や曝露時間が短いときなど）では成立しない。
【０００７】
一方、特許文献４では、全反射減衰型の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）とＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance：水晶天秤）を複合させた定量検出装置を提案している。特許文献４では、ＳＰＲとＱＣＭとの定量分析精度が共に約１ｎｇ／ｃｍ２であると指摘し（段落０００３，０００５）、その２つの定量分析信号が相補的であると指摘するが（段落０１０２）、２つの信号から如何にして定量分析するか、特に極微量物質を如何にして定量分析するかについての具体的に説明がない。しかも、全反射減衰型の表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）でもＱＣＭでも定量すべき試料分子の指紋スペクトルを測定できないため、試料分子を定性検出することも技術的に不可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【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２００９−１０３６５１号公報
【特許文献４】特表２００８−５１３７７２号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】プラズモンナノ材料の設計と応用技術 ＣＭＣ出版P.181
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の幾つかの態様によれば、定性分析される極微量物質を定量分析する検出装置を提供することができる。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様は、
流体試料の流路と、
前記流路に前記流体試料を吸引する吸引部と、
前記流路内に配置される光学デバイスと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前期光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
発振電極が形成されている圧電基板を有し、前記流路内に配置されるマイクロバランスセンサーチップと、
前記光検出部及び前記マイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部と、
を有し、
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、前記金属ナノ構造に吸着される前記流体試料を反映した光を出射する検出装置に関する。
【００１２】
本発明では、光学デバイスからの光を検出する光検出部は、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備え、金属ナノ構造に吸着される流体試料を反映した光を出射する。このため、試料固有の指紋スペクトルを検出するので、試料を定性分析できる。このスペクトル強度は、試料の定量情報となり得るが、金属粒子に吸着する試料分子の数が少ないと平均化されずに、式（１）中のパラメータｒに依存し、金属粒子に吸着される分子の数は同一でもスペクトル強度が区々になる。併設したマイクロバランスチップにより検出される質量の増減に基づいて、光検出部からの出力強度に基づいて定量分析の良否を判定でき、定量分析の信頼性が高まる。なお、流路内に配置される光学デバイスやマイクロバランスセンサーチップとは、その一面が、試料流体と接触できるように、流路に臨んで配置されているものを含む。
【００１３】
本発明の一態様では、前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとは、前記流路内に平面視で並設されても良いし、前記流路内に積層されていてもよい。光学デバイスとマイクロバランスセンサーチップを積層したハイブリッドチップは、光学デバイスの金属ナノ構造を、マイクロバランスセンサーチップの発振電極上に形成することができる。こうすると、ハイブリッドチップの部材点数が減少し、チップ単体であるので取り扱いが容易となる。
【００１４】
本発明の一態様では、前記マイクロバランスセンサーチップの前記圧電基板を水晶とすることができ、特に前記マイクロバランスセンサーチップは、ＳＡＷ（表面弾性波）発振デバイスとすることができる。ＳＡＷ発振デバイスはＧＨｚオーダーで駆動できる。センサーの感度は、Ｓａｕｅｂｒｅｙの式から周波数の二乗に比例するので、周波数を高くして使用することが感度を向上させる。
【００１５】
本発明の一態様では、前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、同じ増減挙動を示したときに、前記光検出部からの出力強度に基づいて定量分析することができる。この場合、光検出部からのスペクトル強度は、式（１）中のパラメータｒの依存度が低く、試料分子の吸着挙動を反映した定量情報となり得る。
【００１６】
本発明の一態様では、前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、逆の挙動を示す場合と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動がない場合は、定量分析を禁止することができる。この場合、光検出部からのスペクトル強度は、式（１）中のパラメータｒの依存度が高く、試料分子の吸着挙動を反映せずに定量情報とはなり得ない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１（Ａ）は吸引部と光学デバイス（センサーチップ）の拡大断面図、図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は光学デバイスでの増強電場の形成を示す断面図及び平面図である。
【図２】図２（Ａ）及び図２（Ｂ）はマイクロバランスセンサーチップの断面図及び平面図である。
【図３】図３（Ａ）及び図３（Ｂ）は吸着分子の位置に依存したＳＥＲＳ強度と位置依存性のないＱＣＭ信号の説明図である。
【図４】ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動に基づく試料の定量分析手法の一例を示す図である。
【図５】２つのチップを並設した検出装置の全体概要を示すブロック図である。
【図６】検査装置の制御系ブロック図である。
【図７】定量分析を行う処理系のブロック図である。
【図８】２つのチップを積層した検出装置の全体概要を示すブロック図である。
【図９】２つのチップが積層されたハイブリッドチップの断面図である。
【図１０】図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）は、試料分子の挙動を示す図である。
【図１１】図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）の時のＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動を示す特性図である。
【図１２】試料分子のＳＥＲＳ強度スペクトルを示す特性図である。
【図１３】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）は、試料分子の他の挙動を示す図である。
【図１４】図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）の時のＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動を示す特性図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
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。
【００１９】
本発明の一実施形態に係る検出装置１０Ａでは、図５または図６に示すように、２つのセンサーチップが設けられ、一つは光学デバイスであるＳＥＲＳセンサーチップ２０であり、他の一つはマイクロバランスセンサーチップ３０である。先ず、これら２つのセンサーチップ２０，３０について説明する。
【００２０】
１．ＳＥＲＳセンサーチップ（光学デバイス）
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）を用いて、光を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光学デバイスとして、ラマン散乱光を検出するセンサーチップ２０について説明する。原理の説明図を示す。なお、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。
【００２１】
図１（Ａ）に示すように、センサーチップ２０に吸着される流体試料中の検査対象物質である試料分子１に入射光（振動数ν）が照射される。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又は波長は入射光に対して変化しない。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、流路４１内の試料分子１の振動数ν’（分子振動）が反映される。つまり、ラマン散乱光は、試料分子１を含む流体試料を反映した光である。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。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）のセンサーチップ２０の拡大図である。図１（Ａ）に示すように入射光が基板２００の平坦面から入射される場合、基板２００は入射光に対して透明な材料が用いられる。センサーチップ２０は、基板２００上の第１構造として、誘電体から成る複数の凸部２１０を有する。本実施形態では、入射光に対して透明な誘電体としての石英、水晶、硼珪酸ガラスなどのガラスまたはシリコン等で形成された基板２００上に、レジストを形成し、そのレジストを例えば遠紫外線（ＤＵＶ）フォトリソグラフィー法を用いてパターン化している。パターン化されたレジストにより基板２００をエッチングすることで、例えば図１（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。なお、基板２００と凸部２１０とを異なる材料で形成しても良い。
【００２３】
複数の凸部２１０上の第２構造として、複数の凸部２１０には、例えばＡｕまたはＡｇ等の金属ナノ粒子（金属微粒子）２２０が例えば蒸着、スパッタ等により形成される。なお、金属微粒子２２０は、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｎｉ、Ｍｏ、Ｗのいずれかの単体金属、もしくはそれらの合金の膜であってもよい。結果として、センサーチップ２０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２００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。
【００２４】
図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）に示すように、二次元パターン状の金属ナノ粒子２２０に入射光が入射された領域２４０では、隣り合う金属ナノ粒子２２０間のギャップＧに、増強電場２３０が形成される。特に、入射光の波長よりも小さな金属ナノ粒子２２０に対して入射光を照射する場合、入射光の電場は、金属ナノ粒子２２０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ナノ粒子２２０内に励起され、入射光の電場よりも強い増強電場２３０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ナノ粒子２２０等の電気伝導体に特有の現象である。
【００２５】
図１（Ａ）〜図１（Ｃ）では、センサーチップ２０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)が生ずる。つまり、増強電場２３０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２３０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、試料分子が極微量であっても、検出感度を高めることができる。なお、金属ナノ構造は周期構造であってもよい。
【００２６】
ＳＥＲＳセンサーチップ２０から発生する流体試料のラマン散乱光のうち、試料分子１を反映する波長のみ取り出すことができるので、検出されるＳＥＲＳ信号は試料分子１を反映した指紋スペクトルである。
【００２７】
２．マイクロバランスセンサーチップ
マイクロバランスセンサーチップ３０は、図２（Ａ）（Ｂ）に示す通り、水晶の圧電ウエハ３００の２つの表面に、面積が例えば１ｃｍ２の金属電極３１０，３１０を有するＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）にて構成される。圧電ウエハ３００の変化は、逆圧電効果による交流電界によって機械的な共鳴に励起され得る。共鳴周波数は、金属電極３１０へ吸着された分子の質量に応じて変化する。Sauerbreyの式によると、質量変化量△ｍ、Ｆ０を基本周波数、Ａを電極面積、μｑを水晶のせん断応力（２．９４７×１０１０ｋｇ／ｍ・ｓ２）、ρｑを水晶の密度（２６４８ｋｇ／ｍ３）とすると、周波数変化量△Ｆは、次の通りとなる。
【００２８】
【数２】
【００２９】
共鳴周波数は、質量増加時は小さくなり、質量減少時は大きくなる。圧電ウエハ３００を水晶ＡＴ板とすると、水晶ＡＴ板が２７ＭＨｚの基準振動数で１Ｈｚの振動変動を検知した場合、ＱＣＭ信号は式（２）から１７．７ｎｇ／ｃｍ２の質量変動を検知できることになる。圧電ウエハ３００が水晶ＳＡＷ（表面弾性波）デバイスであると、１ＧＨｚの基準振動数で同じく１Ｈｚの振動変位を検知した場合、ＱＣＭ信号として０．４４ｐｇ／ｃｍ２の質量変動を検知できる。このように、センサーの感度は、Ｓａｕｅｂｒｅｙの式から周波数の二乗に比例するので、周波数を高くして使用することが有効となる。マイクロバランスセンサーチップ３０としてＧＨｚオーダーの周波数で駆動されるＳＡＷ発振デバイスを用いると、より微量の質量変化を検出できる。ＳＡＷ発振デバイスは、例えば特開２００９−１３０８０６や特開２００５−１８４４９６に開示されたものを使用することができる。
【００３０】
３．２つのセンサーチップを併用した定量分析
以下にて説明する試料分子１の「吸着」という現象は、試料分子１が金属ナノ粒子２２０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１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（センサーチップ）２０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（センサーチップ）２０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２０に接触させることである。
【００３１】
試料分子１は、ＳＥＲＳセンサーチップ２０のナノ構造を有する金属微粒子２２０の表面に吸着して、ＳＥＲＳ光を発生し検出される。図３（Ａ）に、吸着部位の違いによるＳＥＲＳ信号の強度変化を示す。金属ナノ構造間に試料分子１Ａが吸着したとき、局在増強電場の影響を最も受けることになり（式（１）でr→0）、ＳＲＥＳ信号は最大となる。試料分子１Ｂ，１Ｃ，１Ｄのように増強電場スポットから離れるに従い、それらのＳＥＲＳ強度は式（１）中のｒの値が増大することから減衰する。金属微粒子２２０に吸着する分子の数が多くなり金属微粒子２２０の被覆率が大きい場合、全ての吸着分子が照射スポット内で平均化されて取得できるため、ＳＥＲＳセンサーチップ２０での吸着分子の定量評価は信頼性が高い。
【００３２】
しかし、金属微粒子２２０に吸着する分子の数が少なく、被覆率が小さい場合（例えばppb濃度領域以下のときや、試料気体を曝露して間もないとき）、図３（Ａ）に示すように個々の分子はその吸着部位に応じたＳＥＲＳ信号を出力し、平均化されていない信号を観測することになる。このとき、ＳＥＲＳセンサーチップ２０単体では、正確に定量することができない。
【００３３】
そこで本実施形態では、ＳＥＲＳ強度の変化が、定量増減に起因したものか、あるいは図３（Ａ）に示すように吸着部位に応じた式（１）の強度変化であるかを、マイクロバランスチップセンサー３０の出力から判定することにしている。図３（Ａ）のような分子の吸着状態のとき、ＳＥＲＳ信号及びＱＣＭ信号は図３（Ｂ）の通りとなる。図３（Ｂ）に示すように、ＳＥＲＳ信号は、４つの試料分子１Ａ〜１Ｄの吸着部位に応じた強度を反映するため、４つの試料分子１Ａ〜１Ｄを正しく定量していない値となる。一方、ＱＣＭ信号には４つの試料分子１Ａ〜１Ｄの吸着部位の相違は反映されない。ただし、ＱＣＭ信号は、図３（Ａ）には示されていない分子、つまり試料分子１以外の吸着分子の質量も計測されるので、ＱＣＭ信号だけで吸着された試料分子１の質量を計測することはできない。
【００３４】
このように、指紋スペクトルであるＳＥＲＳ信号は試料分子を定性評価できるが、定量評価するには信頼性に劣る。この信頼性を、質量変化を正しく反映するＱＣＭ信号を併用することで担保している。
【００３５】
図４は、ＳＥＲＳ強度とＱＣＭ変動との組み合わせから得られる定量出力処理の一例を示している。ＳＲＥＳ強度が＋方向に変動したとき、ＱＣＭ変動も＋方向であるときのみ、試料分子１の吸着数が増加したと判定し、ＳＥＲＳ強度出力から定量評価できる。同様に、ＳＲＥＳ強度が−方向に変動したとき、ＱＣＭ変動も−方向であるときのみ、試料分子１の吸着数が減少したと判定し、ＳＥＲＳ強度出力から定量評価できる。
【００３６】
上記２つ以外の組み合わせでは、ＳＥＲＳ強度の変化は図３（Ａ）に示すように吸着部位に応じた式（１）の強度変化であると判定し、ＳＥＲＳ強度を定量評価に用いない。この場合には再測定となる。
【００３７】
このように、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが、共に同じ増減挙動を示したときのみ、ＳＥＲＳ強度から定量表示する。一方、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが、逆の挙動を示す場合と、ＱＣＭ変動がない場合は、式（１）の影響であると判断し、再測定を行う。再測定により、ＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動とが共に同じ挙動を示すまで、定量表示は禁止される。
【００３８】
４．検出装置の構成例１
検出装置１０Ａは、図５に示すように、吸引部４０の流路４１内にＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを、平面視で並設することができる。検出装置１０Ａは、２つのセンサーチップ２０，３０と吸引部４の他に、光源５０、光検出部６０、処理部７０と、マイクロバランス計測部８０と、電力供給部９０とを有する。ＳＥＲＳセンサーチップ２０と、光源５０及び／又は光検出部６０との間に、光学系１１０を設けることができる。
【００３９】
負圧発生部例えばファン４５０の駆動により試料が吸引される吸引部４０には、流路４１が形成されている。負圧発生部４５０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、吸引部４０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。センサーチップ２０は、流路４１内に図１（Ａ）に示す金属微粒子２２０が周期的に配列される構造を有する。光源５０は、例えば光学系１１０を構成する例えばハーフミラー１１１と対物レンズ１１２を介して、センサーチップ２０に光を照射する。
【００４０】
センサーチップ２０は、光源５０からの光の照射により局在表面プラズモン共鳴が誘起され、金属微粒子２２０に吸着される流体試料から発せられるラマン散乱光が増強される。光検出部５０は、ハーフミラー１１１及び対物レンズ１１２を介してラマン散乱光を検出する。
【００４１】
マイクロバランスセンサーチップ３０は、流路４１に対して図２（Ａ）の通りに配置され、電極３１０に吸着した分子を定量する。マイクロバランスセンサーチップ３０には計測部８０が接続される。
【００４２】
吸引部４０は、吸引口４２と排出口４３との間に流路４１を有する。流体試料中の試料分子１は、標的物は、吸引口４２（搬入口）から流路４１に導入され、排出口４３から排出される。吸引口４２側に除塵フィルター４４を設けることができる。ファン４５０が排出口４２付近に設けられ、ファン４５０を作動させると、流路４１内の圧力（気圧）が低下する。これにより、気体と共に試料が流路４１に吸引される。試料は、センサーチップ２０，３０付近の流路４１を経由して排出される。このとき、試料分子１の一部がセンサーチップ２０，３０の表面（電気伝導体）に吸着する。
【００４３】
検査対象物質である試料分子１は、例えば麻薬やアルコールや残留農薬等の希薄な分子や、ウイルス等の病原体等を想定することができる。
【００４４】
光源５０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。
【００４５】
光源５０からの光は、光学系１１０を構成するコリメーターレンズ１１３により平行光にされる。コリメーターレンズ１１３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５０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。
【００４６】
コリメーターレンズ１１３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）１１１によりＳＥＲＳセンサーチップ２０の方向に導かれ、対物レンズ１１２で集光され、ＳＥＲＳセンサーチップ２０に入射する。ＳＥＲＳセンサーチップ２０には、図１（Ａ）〜図１（Ｃ）に示す金属微粒子２２０が形成される。ＳＥＲＳセンサーチップ２０から例えば表面増強ラマン散乱によるレイリー散乱光及びラマン散乱光が放射される。ＳＥＲＳセンサーチップ２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、対物レンズ１１２を通過し、ハーフミラー１１１によって光検出器６０の方向に導かれる。
【００４７】
ＳＥＲＳセンサーチップ２０からのレイリー散乱光及びラマン散乱光は、集光レンズ１１４で集光されて、光検出部６０に入力される。光検出部６０では先ず、光フィルター６１０に到達する。光フィルター６１０（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６２０を介して受光素子６３０にて受光される。分光器６２０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６２０を通過する光の波長は、処理部７０により制御（選択）することができる。受光素子６３０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。
【００４８】
検出装置１０Ａは、筐体１００を有し、筐体１００に上述した各部２０〜８０を有する他、電力供給部９０、通信接続部７０Ａ及び電源接続部９０Ａを含むことができる。電力供給部９０は、電源接続部９０Ａからの電力を、光源５０、光検出部６０、処理部７０、計測部８０及びファン４５０等に供給する。電力供給部９０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７０Ａは処理部７０と接続され、処理部７０に対してデータや制御信号等を媒介する。
【００４９】
図５の例では、処理部７０は、図５に示される光源５０以外の光検出器６０、ファン４５０等への命令を送ることができ、処理部７０は、光源５０だけでなく、光検出器６０、ファン４５０等も制御することができる。さらに、処理部７０は、ラマンスペクトルによる分光分析を実行する。処理部７０は、光検出部６０からのＳＥＲＳ強度と計測部８０からのＱＣＭ信号から図４に従って試料分子の定量分析を行うことができる。なお、処理部７０は、定量分析結果等を例えば通信接続部７０Ａ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。
【００５０】
図６は、図５の検出装置１０Ａの制御系ブロック図である。図６に示されるように、検出装置１０Ａは、例えばインターフェース１２０、表示部１３０及び操作部１４０等をさらに含むことができる。また、図５に示される処理部７０は、図６に示すように制御部としての例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）７１、ＲＡＭ（Random Access Memory）７２、ＲＯＭ（Read Only Memory）７３等を有することができる。さらに、検出装置１０Ａは、例えば、光源ドライバー５２、分光ドライバー６２２、受光回路６３２及びファンドライバー４５２を含むことができる。
【００５１】
図７は、定量分析を行う回路ブロックを示している。マイクロバランス計測部８０は、マイクロバランスセンサーチップ３０に接続される発振回路８１と、マイクロバランスセンサーチップ３０での共振周波数をカウントする周波数カウンター８２とを有する。処理部７０のＲＡＭ７２はメモリ７２Ａ〜７２Ｄに示す領域を有し、処理部７０のＣＰＵ７１は定量分析部７１Ａを有する。
【００５２】
光検出部６０から時系列で出力されるＳＥＲＳ信号は、スイッチＳＷ１により切り換えられて、メモリ７２Ａ，７２Ｂに交互に記憶される。周波数カウンター８２から時系列で出力されるＱＣＭ信号は、スイッチＳＷ２により切り換えられて、メモリ７２Ｃ，７２Ｄに記憶される。定量分析部７１Ａは、メモリ７２Ａ，７２Ｂ内の前回と今回のＳＥＲＳ信号からＳＲＥＳ強度変動を取得する。また、定量分析部７１Ａは、メモリ７２Ｃ，７２Ｄ内の前回と今回のＱＣＭ信号からＱＣＭ変動を取得する。そして、定量分析部７１Ａは、取得されたＳＥＲＳ強度変動とＱＣＭ変動から、図４に示す手法に従って定量解析を実施することができる。
【００５３】
５．検出装置の構成例２
図８は、他の検出装置１０Ｂを示している。図８の検出装置１０Ｂが図５と相違する点は、流路４１の臨むＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを積層したことである。つまり、ＳＥＲＳセンサーチップ２０とマイクロバランスセンサーチップ３０とを複合させたハイブリッドチップを用いている。
【００５４】
このハイブリッドチップは、図９に示すように、マイクロバランスセンサーチップ３０のうち、流路４１に臨む一方の発振電極３１０上に電極微粒子２２０の金属ナノ構造を形成することで、マイクロバランスセンサーチップ３０上に積層されるＳＥＲＳセンサーチップ２０を構成している。ＳＥＲＳ信号の検出中、圧電基板３００はＭＨｚ〜ＧＨｚで振動することになるが、露光時間はｍｓｅｃ〜ｓｅｃレベルなので、ＱＣＭの振動が光学的ノイズとしてＳＥＲＳセンサーチップ２０に悪影響する心配はない。このハイブリッドチップは部品点数が少なく、しかも単体チップとして取り扱われるため、チップ設定作業時間の短縮が図れる。
【００５５】
６．実施例
図５または図８に示す検出装置１０Ａ，１０Ｂの流路４１に流体試料を流し、各センサーチップ２０，３０に曝露させたときの経過時間後との吸着分子の状態を図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に、検出されるＳＥＲＳ強度とＱＣＭ信号とを図１１に示す。流したガスは硫化ジメチル（ＤＭＳ:CH3SCH3）を用いた。また、このとき検出されたＳＥＲＳスペクトルを図１２に示す。
【００５６】
図１２はＤＭＳ分子に帰属されるピークである（定性検出）。６７６ｃｍ-1のピークはＣ−Ｓの対称伸縮振動を表し、最も強いピークを与えた。このピークに着目し、曝露時間別のＳＥＲＳ強度を図１１にプロットしてある。
【００５７】
一方、マイクロバランスチップ３０は電極面積４ｍｍ２の励振電極３１０が圧電基板３００に形成された１ＧＨｚの水晶デバイスを使用する。図１１に示す１Ｈｚの周波数変化は質量で０．０１８ｐｇの変化を検出したことになる。分子の数に直すと、励振電極３１０表面にＤＭＳ分子が１．６４×１０８個吸着した計算となる。このとき、図１（Ｃ）に示すＳＥＲＳ照射スポット２４０の領域φ２μｍ中には、１２５個の分子が存在することになる。
【００５８】
一方、ＳＥＲＳ活性な場所（hot siteと呼ぶ）は金属微粒子２２０間のギャップＧ（図１（Ｂ）参照）に位置し、５ｎｍ×２０ｎｍ程度であることが知られている。図１に示すＳＥＲＳ照射スポット２４０の領域φ２μｍ中では、このようなサイトがおよそ２８０個存在する。この考察から１つの増強電場スポット２３０（図１（Ｂ）（Ｃ）参照）には、図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）に示すように１〜２個程度の拡散分子が入ってくる計算となる。この数量では平均化されないシグナルとなり、式（１）のパラメータｒに依存したＳＥＲＳ強度が観測されることになる。例えば、図１１のように、ＳＥＲＳ信号は、受光器６３０（図５または図８参照）に曝露時間にほぼ比例した数のフォトンが検出される。一方ＱＣＭにおける変動も図１１に示すように質量増加が認められたときには、図４の手法に従いＳＥＲＳの増加は定量的なものであると判断される。よって、検出されたＳＥＲＳ強度に基づいて定量分析される。
【００５９】
図１０（Ａ）〜図１０（Ｄ）とは異なり、図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示す試料分子１の挙動であるときの測定結果を図１４に示す。図１３（Ａ）〜図１３（Ｄ）に示す試料分子１の挙動は、金属微粒子２２０への吸着位置が変化しているが、吸着分子の数の変更はない。
【００６０】
この場合、式（１）のパラメータｒに依存したＳＥＲＳ強度が観測され、ＳＥＲＳ強度は激しく増減を繰り返したが、ＱＣＭは変化を示さなかった。このとき、ＳＥＲＳ強度の増減は吸着分子の表面拡散による式（１）の影響を受けたものであると判断される。その結果、図４の手法に従い再測定と判定され、ＳＥＲＳ・ＱＣＭの同時測定が再度行われることになる。
【００６１】
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】
【００６２】
１ 試料分子、１Ａ〜１Ｂ 吸着位置が異なる吸着分子、１０Ａ，１０Ｂ 検出装置、２０ 光学デバイス、３０ マイクロバランスセンサーチップ、４１ 流路、５０ 光源、６０ 光検出部、７０Ａ 定量分析部、８０ マイクロバランス計測部、２２０ 金属微粒子、３００ 圧電基板、３１０ 発振電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体試料の流路と、
前記流路に前記流体試料を吸引する吸引部と、
前記流路内に配置される光学デバイスと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前期光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
発振電極が形成されている圧電基板を有し、前記流路内に配置されるマイクロバランスセンサーチップと、
前記光検出部及び前記マイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部と、
を有し、
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、前記金属ナノ構造に吸着される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検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとが、前記流路内に平面視で並設されていることを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとが、前記流路内に積層されていることを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記光学デバイスの前記金属微粒子は、前記マイクロバランスセンサーチップの前記発振電極上に形成されていることを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記圧電基板は水晶であることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記マイクロバランスセンサーチップは、ＳＡＷ（表面弾性波）発振デバイスであることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、同じ増減挙動を示したときに、前記光検出部からの出力強度に基づいて定量分析することを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、逆の挙動を示す場合と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動がない場合は、定量分析を禁止することを特徴とする検出装置。
【請求項１】
流体試料の流路と、
前記流路に前記流体試料を吸引する吸引部と、
前記流路内に配置される光学デバイスと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前期光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
発振電極が形成されている圧電基板を有し、前記流路内に配置されるマイクロバランスセンサーチップと、
前記光検出部及び前記マイクロバランスセンサーチップからの出力に基づいて前記試料を定量分析する定量分析部と、
を有し、
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、前記金属ナノ構造に吸着される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検出装置。
【請求項２】
請求項１において、
前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとが、前記流路内に平面視で並設されていることを特徴とする検出装置。
【請求項３】
請求項１において、
前記光学デバイスと前記マイクロバランスセンサーチップとが、前記流路内に積層されていることを特徴とする検出装置。
【請求項４】
請求項３において、
前記光学デバイスの前記金属微粒子は、前記マイクロバランスセンサーチップの前記発振電極上に形成されていることを特徴とする検出装置。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかにおいて、
前記圧電基板は水晶であることを特徴とする検出装置。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかにおいて、
前記マイクロバランスセンサーチップは、ＳＡＷ（表面弾性波）発振デバイスであることを特徴とする検出装置。
【請求項７】
請求項１乃至６のいずれかにおいて、
前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、同じ増減挙動を示したときに、前記光検出部からの出力強度に基づいて定量分析することを特徴とする検出装置。
【請求項８】
請求項７において、
前記質量分析部は、前記光検出部からの出力強度変動と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動とが、逆の挙動を示す場合と、前記マイクロバランスセンサーチップからの出力変動がない場合は、定量分析を禁止することを特徴とする検出装置。
【図２】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１】
【図３】
【図１０】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１１】
【図１２】
【図１４】
【図１】
【図３】
【図１０】
【図１３】
【公開番号】特開２０１２−２２０３９６（Ｐ２０１２−２２０３９６Ａ）
【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２０１１−８７９５１（Ｐ２０１１−８７９５１）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【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１２日（２０１１．４．１２）
【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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