JP5879783B2

JP5879783B2 - Detection device

Info

Publication number: JP5879783B2
Application number: JP2011152733A
Authority: JP
Inventors: 山田　耕平; 耕平山田; 小林　正直; 正直小林
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-07-11
Publication date: 2016-03-08
Anticipated expiration: 2031-07-11
Also published as: JP2013019747A

Description

本発明は、検出装置等に関する。 The present invention relates to a device such as a detect.

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１０^２〜１０^１４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。 In recent years, as one of highly sensitive spectroscopic techniques for detecting a low concentration of sample molecules, SPR (Surface Plasmon Resonance), particularly SERS (Surface) using LSPR (Localized Surface Plasmon Resonance) is used. Enhanced Raman Scattering (surface enhanced Raman scattering) spectroscopy has attracted attention (Patent Documents 1 and 2). SERS is a phenomenon in which Raman scattered light is enhanced 10 ² to 10 ¹⁴ times on a metal surface having a nanometer scale uneven structure. A sample molecule is irradiated with excitation light having a single wavelength such as a laser. A scattered wavelength (Raman scattered light) slightly deviated from the wavelength of the excitation light by the amount of molecular vibration energy of the sample molecule is spectrally detected to obtain a fingerprint spectrum of the sample molecule. The sample molecule can be identified from the shape of the fingerprint spectrum.

特許第３７１４６７１号公報Japanese Patent No. 3714671 特開２０００−３５６５８７号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2000-356587

この種の表面プラズモン共鳴センサーは、基板上に金や銀等の金属微粒子を基板上に固定したものである。このセンサーを備えた検出装置は、表面プラズモン共鳴センサーの金属ナノ粒子に吸着された試料分子に光を照射し、増強されたラマン散乱光を検出する。 This type of surface plasmon resonance sensor is obtained by fixing metal fine particles such as gold and silver on a substrate. A detection apparatus equipped with this sensor irradiates sample molecules adsorbed on metal nanoparticles of a surface plasmon resonance sensor with light, and detects enhanced Raman scattered light.

ここで、表面プラズモン共鳴センサーの用途の一つとして、例えば環境汚染物質のモニタリングが挙げられている。汚染物質をモニタリングするには、リアルタイムで汚染物質を検出しなければならない。 Here, as one of uses of the surface plasmon resonance sensor, for example, monitoring of environmental pollutants is cited. In order to monitor contaminants, they must be detected in real time.

しかし、上述した検出装置では、表面プラズモン共鳴センサーの金属ナノ粒子に吸着された試料分子が汚染物質であるか否かは検出できるが、一回の検出に止まる。同一装置で継続して検出するためには、金属ナノ粒子に吸着された試料分子を次回の検出前に脱離させなければならない。 However, the above-described detection apparatus can detect whether or not the sample molecule adsorbed on the metal nanoparticles of the surface plasmon resonance sensor is a contaminant, but it can be detected only once. In order to continuously detect with the same apparatus, the sample molecules adsorbed on the metal nanoparticles must be desorbed before the next detection.

本発明の幾つかの態様は、金属ナノ粒子に吸着された試料分子を確実に脱離させることができ、リアルタイム検出も可能となる光学デバイス及びそれを用いた検出装置を提供することを目的とする。 An object of some aspects of the present invention is to provide an optical device capable of reliably desorbing sample molecules adsorbed on metal nanoparticles and capable of real-time detection, and a detection apparatus using the same. To do.

（１）本発明の一態様は、
少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面と接続された電源端子と、
を有する光学デバイスに関する。 (1) One aspect of the present invention is
A base material having at least one surface as a conductor surface;
A metal nanostructure having a convex part of 1 to 1000 nm formed on the conductor surface;
A power supply terminal connected to the conductor surface;
It is related with the optical device which has.

本発明の一態様によれば、１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造を備えているので、金属ナノ構造の凸部の周囲に増強電場が形成される。それにより、この光学デバイスは、増強電場で増強される検出対象物質を反映した光、例えばラマン散乱光の信号強度を強くするセンサーとして利用できる。この光学デバイスは、金属ナノ構造及び電源端子と接続される導体面を含んでいるので、外部電源から電源端子及び導体面を介して金属ナノ構造に通電することができる。それにより、金属ナノ構造からジュール熱が発生する。このジュール熱により、光学デバイスに吸着された流体試料にエネルギーを付与して流体試料を脱離させることができる。脱離時以外の時には、電源からの電力供給を遮断することができる。 According to one embodiment of the present invention, since the metal nanostructure having a convex portion of 1 to 1000 nm is provided, an enhanced electric field is formed around the convex portion of the metal nanostructure. Accordingly, this optical device can be used as a sensor that increases the signal intensity of light reflecting the detection target substance that is enhanced by the enhanced electric field, for example, Raman scattered light. Since the optical device includes a conductor surface connected to the metal nanostructure and the power supply terminal, the metal nanostructure can be energized from the external power supply through the power supply terminal and the conductor surface. Thereby, Joule heat is generated from the metal nanostructure. By this Joule heat, energy can be given to the fluid sample adsorbed by the optical device to desorb the fluid sample. At times other than the time of detachment, the power supply from the power source can be cut off.

（２）本発明の一態様では、前記導体面と接続された計測端子をさらに有することができる。 (2) In one mode of the present invention, it can further have a measurement terminal connected to the conductor surface.

ここで、光学デバイスに流体試料の分子が吸着されると、電力供給される導体表面を移動する電子の動きが阻害されて、光学デバイスの電気抵抗が増大する。逆に、光学デバイスより吸着分子が離脱されると、電力供給される導体表面を移動する電子の動きを阻害する要因が少なくなり、光学デバイスの電気抵抗が減少する。この現象を利用して、計測端子を介して計測される電気抵抗は、流体試料中の分子の吸着または脱離を検出することに利用できる。なお、電源端子を計測端子として兼用しても良い。また、計測端子は結果として電気抵抗が検出できるものであれば良く、電圧一定の下では光学デバイスに流れる電流を計測することは、電気抵抗を計測していることと同義である。 Here, when molecules of the fluid sample are adsorbed on the optical device, the movement of electrons moving on the surface of the conductor to which power is supplied is hindered, and the electrical resistance of the optical device increases. On the contrary, when the adsorbed molecule is detached from the optical device, the factor that obstructs the movement of electrons moving on the surface of the conductor to be supplied with power decreases, and the electrical resistance of the optical device decreases. Using this phenomenon, the electrical resistance measured through the measurement terminal can be used to detect the adsorption or desorption of molecules in the fluid sample. The power supply terminal may be used as a measurement terminal. The measurement terminal may be any terminal as long as the electrical resistance can be detected as a result, and measuring the current flowing through the optical device under a constant voltage is synonymous with measuring the electrical resistance.

（３）本発明の他の態様は、
光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置され、流体試料が導入されるチャンバーと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前記光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
電源と、
を有し、
前記光学デバイスは、
少なくとも片面を導体面とする基材と、
前記導体面に形成された１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造と、
前記導体面及び前記電源と接続された電源端子と、
を有する検出装置に関する。 (3) Another aspect of the present invention is:
An optical device;
A chamber in which the optical device is disposed and a fluid sample is introduced;
A light source for irradiating the optical device with light;
A light detection unit for detecting light emitted from the optical device;
Power supply,
Have
The optical device is
A base material having at least one surface as a conductor surface;
A metal nanostructure having a convex part of 1 to 1000 nm formed on the conductor surface;
A power supply terminal connected to the conductor surface and the power supply;
It is related with the detection apparatus which has.

本発明の他の態様によれば、本発明の一態様に係る光学デバイスを用いて検出装置を構成することができる。特に、光学デバイスに吸着された流体試料にエネルギーを付与して脱離させることができるので、脱離モードの終了制御を的確に実施することができる。 According to another aspect of the present invention, a detection apparatus can be configured using the optical device according to one aspect of the present invention. In particular, energy can be applied to and desorbed from the fluid sample adsorbed by the optical device, so that termination control of the desorption mode can be performed accurately.

（４）本発明の他の態様では、前記光学デバイスは、前記導体面と接続された計測端子をさらに有し、前記検出装置は、前記計測端子と接続され、電流及び電圧の一方を制御して前記光学デバイスの電気抵抗値を計測する計測部をさらに有することすることができる。この検出装置では、計測された電気抵抗値は、流体試料中の分子の吸着または脱離を検出することに用いることができる。しかも、計測部が電流及び電圧の一方を制御することで、脱離モードでは電流及び電圧の一方を高くしてジュール熱を発生させ、吸着モードでは電流及び電圧の一方を低くしてジュール熱を抑制しながら抵抗値を計測することができる。 (4) In another aspect of the invention, the optical device further includes a measurement terminal connected to the conductor surface, and the detection device is connected to the measurement terminal and controls one of current and voltage. And a measuring unit that measures the electrical resistance value of the optical device. In this detection device, the measured electrical resistance value can be used to detect the adsorption or desorption of molecules in the fluid sample. In addition, when the measurement unit controls one of the current and voltage, in the desorption mode, one of the current and voltage is increased to generate Joule heat, and in the adsorption mode, one of the current and voltage is decreased to generate Joule heat. The resistance value can be measured while suppressing.

（５）本発明の他の態様では、前記計測部からの出力に基づいて、前記光検出部にて検出する期間を含む第１モードと、前記金属ナノ構造に吸着された前記流体試料を離脱する第２モードとを実行制御する制御部をさらに有することができる。光学デバイスの電気抵抗値は、流体試料中の分子の吸着または脱離を反映することから、制御部は、分子の吸着を伴う第１モードと、分子の脱離を伴う第２モードとの各状況を、計測部からの出力に基づいて取得することができる。 (5) In another aspect of the present invention, based on the output from the measurement unit, the first mode including a period detected by the light detection unit, and the fluid sample adsorbed on the metal nanostructure are removed. It is possible to further include a control unit that controls execution of the second mode. Since the electrical resistance value of the optical device reflects the adsorption or desorption of molecules in the fluid sample, the control unit performs each of the first mode involving the adsorption of molecules and the second mode involving the desorption of molecules. The situation can be acquired based on the output from the measurement unit.

（６）本発明の他の態様では、前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の減少に基づいて、前記第２モードから前記第１モードに切り換えることができる。光学デバイスの電気抵抗値の増加は、光学デバイスからの分子の脱離を反映するからである。 (6) In another aspect of the invention, the control unit can switch from the second mode to the first mode based on a decrease in the electrical resistance value of the optical device. This is because an increase in the electrical resistance value of the optical device reflects the desorption of molecules from the optical device.

（７）本発明の他の態様では、前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の増加に基づいて、前記第１モードにて前記光源からの光照射を開始制御することができる。光学デバイスの電気抵抗値の増加は、光学デバイスへの分子の吸着を反映するので、光学デバイスに分子が吸着しているタイミングで光照射を開始できる。 (7) In another aspect of the invention, the control unit can start and control light irradiation from the light source in the first mode based on an increase in the electrical resistance value of the optical device. Since the increase in the electrical resistance value of the optical device reflects the adsorption of molecules to the optical device, light irradiation can be started at the timing when the molecules are adsorbed to the optical device.

（８）本発明の他の態様では、前記光学デバイスは、前記金属ナノ構造側に前記光源からの光が入射され、前記流体試料を反映した光を前記導体表面で反射させることができる。導体表面は光を通し難いので、金属ナノ構造側に光源からの光が入射され、流体試料を反映した光の反射面として導体表面を兼用できる。 (8) In another aspect of the present invention, the optical device allows light from the light source to be incident on the metal nanostructure side and reflect the light reflecting the fluid sample on the surface of the conductor. Since the surface of the conductor is difficult to transmit light, light from the light source is incident on the metal nanostructure side, and the surface of the conductor can also be used as a light reflecting surface reflecting the fluid sample.

本発明の一実施形態に係る検出装置の概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the detection apparatus which concerns on one Embodiment of this invention. 第１モードと第２モードとを示すタイムチャートである。It is a time chart which shows the 1st mode and the 2nd mode. 第１モードと第２モードでのＳＥＲＳ強度の推移を示す図である。It is a figure which shows transition of SERS intensity | strength in 1st mode and 2nd mode. 本発明の一実施形態に係る光学デバイスの概要を示す図である。It is a figure which shows the outline | summary of the optical device which concerns on one Embodiment of this invention. 図５（Ａ）は光学デバイスの拡大断面図、図５（Ｂ）及び図５（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。5A is an enlarged cross-sectional view of the optical device, and FIGS. 5B and 5C are a cross-sectional view and a plan view showing formation of an enhanced electric field in the optical device. 図６（Ａ）〜図６（Ｅ）は光学デバイスの製造工程を示す図である。6 (A) to 6 (E) are diagrams showing a manufacturing process of the optical device. 図７（Ａ）（Ｂ）はジュール熱による流体試料の脱離の促進を模式的に示す図である。FIGS. 7A and 7B are diagrams schematically illustrating promotion of desorption of a fluid sample by Joule heat. ジュール熱による脱離曲線を示す図である。It is a figure which shows the desorption curve by Joule heat. 被覆率と抵抗値の変化との関係を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the relationship between a coverage and the change of resistance value. 図１０（Ａ）（Ｂ）は流体試料の吸着の前後で電気抵抗が変化する理由を移動電子の数で説明した説明図である。FIGS. 10A and 10B are explanatory diagrams illustrating the reason why the electrical resistance changes before and after adsorption of the fluid sample in terms of the number of mobile electrons. 標的分子である硫化ジメチルのラマンシフトを示す特性図である。It is a characteristic view which shows the Raman shift of dimethyl sulfide which is a target molecule. 図１２（Ａ）は光照射前の第１モードを示す図であり、図１２（Ｂ）は光照射後の第１モードを示す図である。FIG. 12A is a diagram illustrating a first mode before light irradiation, and FIG. 12B is a diagram illustrating a first mode after light irradiation. 計測部での電圧制御を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the voltage control in a measurement part. 計測部での電流制御を示す特性図である。It is a characteristic view which shows the current control in a measurement part. 検査装置の全体概要を示すブロック図である。It is a block diagram which shows the whole outline | summary of an inspection apparatus.

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。 Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail. The present embodiment described below does not unduly limit the contents of the present invention described in the claims, and all the configurations described in the present embodiment are indispensable as means for solving the present invention. Not necessarily.

１．検出装置の基本構成
図１は、本実施形態の検出装置の構成例を示す。図１において、検出装置１００は、チャンバー１０と、光学デバイス２０と、光源５０と、光検出部６０とを有する。光学デバイス２０と、光源５０及び／又は光検出部６０との間に、光学系３０を設けることができる。また、光源５０の光路はシャッター５１により開閉できる。 1. Basic Configuration of Detection Device FIG. 1 shows a configuration example of a detection device according to this embodiment. In FIG. 1, the detection apparatus 100 includes a chamber 10, an optical device 20, a light source 50, and a light detection unit 60. The optical system 30 can be provided between the optical device 20 and the light source 50 and / or the light detection unit 60. The optical path of the light source 50 can be opened and closed by the shutter 51.

チャンバー１２０には、光学デバイス２０が配置され、かつ流体試料が導入される。光学デバイス２０は、光源５０からの光が照射されることで、吸着している流体試料を反映した光を出射するものである。本実施形態では、流体試料は例えば大気であり、検査対象の物質は大気中の特定気体分子（試料分子）とすることができるが、これに限定されない。 In the chamber 120, the optical device 20 is disposed and a fluid sample is introduced. The optical device 20 emits light reflecting the adsorbed fluid sample when irradiated with light from the light source 50. In this embodiment, the fluid sample is, for example, the atmosphere, and the substance to be inspected can be a specific gas molecule (sample molecule) in the atmosphere, but is not limited thereto.

光源５０は、例えば光学系３０を構成する例えばハーフミラー３２０と対物レンズ３３０を介して、光学デバイス２０に光を照射する。光検出部６０は、光学デバイス２０に吸着された流体試料が反映された光を、ハーフミラー３２０及び対物レンズ３３０を介して検出する。 The light source 50 irradiates the optical device 20 with light through, for example, the half mirror 320 and the objective lens 330 that constitute the optical system 30. The light detection unit 60 detects light reflecting the fluid sample adsorbed on the optical device 20 via the half mirror 320 and the objective lens 330.

検出装置１００は、制御部７１と電源８０と計測部９０とを有することができる。電源８０と計測部９０については後述する。制御部７１は、光検出部６０からの信号に基づいて、図２に示す第１，第２モードを切換え制御する。ここで、第１モードとは、光検出部６０にて検出する期間を含む。制御部７１は、第１モードでは例えば光学デバイス２０上での流体試料の吸引流速ＶをＶ１(ｍ／分)とし、第２モードでは吸引流速をＶ２（Ｖ２＞Ｖ１）とするように、負圧発生部例えばファン４０を駆動制御する。負圧発生部４０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、チャンバー１０内にて負圧を発生させて流体試料を吸引できるものであれば良い。ファン４０は、図２に示すように、第１モードでは流体輸送量（流速）がＬ１（ｍｌ／分）であり、第２モードでは流体輸送量（流速）がＬ２（ｍｌ／分）であり、Ｌ２＞Ｌ１を満たす。吸引速度の制御は、上述の通りファン４０を対象としても良いし、バルブやシャッターの開口面積を変化させても良い。制御の結果として、光学デバイス２０上の流体試料の吸引速度を可変できれば良い。 The detection apparatus 100 can include a control unit 71, a power source 80, and a measurement unit 90. The power supply 80 and the measurement unit 90 will be described later. The control unit 71 performs switching control between the first and second modes illustrated in FIG. 2 based on the signal from the light detection unit 60. Here, the first mode includes a period detected by the light detection unit 60. In the first mode, the control unit 71 is negative so that, for example, the suction flow velocity V of the fluid sample on the optical device 20 is V1 (m / min), and in the second mode, the suction flow velocity is V2 (V2> V1). The pressure generating unit, for example, the fan 40 is driven and controlled. The negative pressure generating unit 40 is not limited to a fan, and may be any one that can generate a negative pressure in the chamber 10 and suck a fluid sample, such as a pump such as a tube pump or a diaphragm pump. As shown in FIG. 2, the fan 40 has a fluid transport amount (flow velocity) of L1 (ml / min) in the first mode, and a fluid transport amount (flow velocity) of L2 (ml / min) in the second mode. , L2> L1 is satisfied. The suction speed may be controlled for the fan 40 as described above, or the opening area of the valve or shutter may be changed. It is only necessary that the suction speed of the fluid sample on the optical device 20 can be varied as a result of the control.

本実施形態では、第１モードでは、流速Ｖ１で吸引される流体試料を光学デバイス２０に吸着することができ、第１モードを吸着モードとも称することができる。この第１モードで、光学デバイス２０に光源５０からの光を照射すると、光学デバイス２０に吸着された流体試料が反映された光が生ずる。光検出部６０は光学デバイス２０からの光を検出することができる。その意味で、第１モードは検出が実施される検出モードとも称することができる。 In the present embodiment, in the first mode, the fluid sample sucked at the flow velocity V1 can be adsorbed to the optical device 20, and the first mode can also be referred to as an adsorption mode. In this first mode, when the optical device 20 is irradiated with light from the light source 50, light reflecting the fluid sample adsorbed on the optical device 20 is generated. The light detection unit 60 can detect light from the optical device 20. In that sense, the first mode can also be referred to as a detection mode in which detection is performed.

第２モードでは、第１モード（吸着モードまたは検出モード）での流速Ｖ１よりも大きい流速Ｖ２に設定される。よって、第２モードでは光学デバイス２０に吸着された流体試料の脱離を促進させることができ、第２モードを脱離モードと称することができる。 In the second mode, the flow velocity V2 is set higher than the flow velocity V1 in the first mode (adsorption mode or detection mode). Therefore, in the second mode, desorption of the fluid sample adsorbed on the optical device 20 can be promoted, and the second mode can be referred to as a desorption mode.

このように、第１モードと第２モードとを交互に実施すると、一旦光学デバイス２０に吸着された流体試料を脱離させることができる。こうして、検査後に光学デバイス２０をクリーンアップすることができ、前回検査時の影響を残すことなく次回の検査を繰り返し実施することが可能となる。例えば図２に示すように第１モードに先駆けて第２モードを実施すると、常にフレッシュな光学デバイス２０に流体試料を吸着させて検査することができる。第１，第２モードを交互に繰り返し実施することにより、リアルタイム検査が可能となる。なお、第１，第２モードにて光学デバイス２０上の流体試料の吸引速度を可変することは、本発明では必須ではない。試料流体の吸着、脱離は、流体試料の吸引速度を可変しなくても実施されるからである。 As described above, when the first mode and the second mode are alternately performed, the fluid sample once adsorbed to the optical device 20 can be desorbed. Thus, the optical device 20 can be cleaned up after the inspection, and the next inspection can be repeatedly performed without leaving the influence of the previous inspection. For example, as shown in FIG. 2, when the second mode is performed prior to the first mode, the fluid sample can be always adsorbed and inspected by the fresh optical device 20. By executing the first and second modes alternately, real-time inspection can be performed. Note that it is not essential in the present invention to vary the suction speed of the fluid sample on the optical device 20 in the first and second modes. This is because the adsorption and desorption of the sample fluid is performed without changing the suction speed of the fluid sample.

第１，第２モードの切換えは、光検出部６０の出力に基づいて行うことができる。第１，第２モード間では、流体試料の吸着または脱離によって光検出信号が変化するからである。図３は、時刻Ｔ１〜Ｔ２の第１モード（吸着モードまたは検出モード）と時刻Ｔ２〜Ｔ３の第２モード（脱離モード）において、光検出部６０の出力として、例えば流体試料中の検査対象の試料分子のＳＥＲＳ強度の変化を示している。時刻Ｔ１から開始される第１モードでは、光学デバイス２０に吸着される試料分子が多くなる。従って、第１モードではＳＥＲＳ強度が増加する。よって、図３に示す第１閾値Ｉ１をＳＥＲＳ強度が上回る時刻Ｔ２にて、第１モードを終了することができる。時刻Ｔ２から開始される第２モードでは、光学デバイス２０から脱離される試料分子が多くなる。よって、第２モードではＳＥＲＳ強度が低下する。よって、第２閾値Ｉ２をＳＥＲＳ強度が下回った時刻Ｔ３にて、第２モードを終了することができる。ただし、この制御を行うためには、第１モードだけでなく、第２モードでも光源５０から光照射をする必要がある。後述する通り、本実施形態ではＳＥＲＳ強度に頼らずに、第２モードから第１モードに切り換えることを可能にしている。 Switching between the first and second modes can be performed based on the output of the light detection unit 60. This is because the light detection signal changes between the first and second modes due to adsorption or desorption of the fluid sample. FIG. 3 shows, for example, an inspection target in a fluid sample as an output of the light detection unit 60 in the first mode (adsorption mode or detection mode) at times T1 to T2 and the second mode (desorption mode) at times T2 to T3. It shows the change in SERS intensity of the sample molecules. In the first mode started from time T1, more sample molecules are adsorbed on the optical device 20. Therefore, the SERS intensity increases in the first mode. Therefore, the first mode can be terminated at time T2 when the SERS intensity exceeds the first threshold value I1 shown in FIG. In the second mode starting from time T2, the number of sample molecules desorbed from the optical device 20 increases. Therefore, the SERS intensity is reduced in the second mode. Therefore, the second mode can be terminated at time T3 when the SERS intensity falls below the second threshold value I2. However, in order to perform this control, it is necessary to irradiate light from the light source 50 not only in the first mode but also in the second mode. As will be described later, in the present embodiment, it is possible to switch from the second mode to the first mode without depending on the SERS intensity.

２．光学デバイス
図１に示す光学デバイス２０の一例を図４に示す。この光学デバイス２０は、少なくとも片面を少なくとも１０ｎｍ以上の厚さの導体面２２１とする基材２００と、導体面２２１に形成された１〜１０００ｎｍの凸部２２０を有する金属ナノ構造２２２と、導体面２２１と接続される電源端子２２１Ａ，２２１Ｂと、を有する。電源端子２２１Ａ，２２１Ｂは、検出装置１００の電源８０に接続される。光学デバイス２０はさらに導体面２２１と接続される計測端子２２１Ｃ，２２１Ｄを有することができる。計測端子２２１Ｃ，２２１Ｄは、検出装置１００の計測部９０に接続される。 2. Optical Device An example of the optical device 20 shown in FIG. 1 is shown in FIG. The optical device 20 includes a substrate 200 having at least one surface of a conductor surface 221 having a thickness of at least 10 nm, a metal nanostructure 222 having a convex portion 220 of 1 to 1000 nm formed on the conductor surface 221, and a conductor surface. 221A and 221B connected to the H.221. The power supply terminals 221A and 221B are connected to the power supply 80 of the detection apparatus 100. The optical device 20 can further have measurement terminals 221C and 221D connected to the conductor surface 221. The measurement terminals 221C and 221D are connected to the measurement unit 90 of the detection apparatus 100.

３．光検出の原理と光学デバイス構造
図５（Ａ）〜図５（Ｃ）を用いて、流体試料を反映した光検出原理の一例としてラマン散乱光の検出原理の説明図を示す。図５（Ａ）に示すように、光学デバイス２０に吸着される検査対象の試料分子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、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、検査対象の試料分子１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。 3. Principle of optical detection and optical device structure FIGS. 5A to 5C are explanatory diagrams of the principle of detection of Raman scattered light as an example of a light detection principle reflecting a fluid sample. As shown in FIG. 5A, incident light (frequency ν) is irradiated to the sample molecule 1 to be inspected that is adsorbed to the optical device 20. In general, most of the incident light is scattered as Rayleigh scattered light, and the frequency ν or wavelength of the Rayleigh scattered light does not change with respect to the incident light. A part of the incident light is scattered as Raman scattered light, and the frequency (ν−ν ′ and ν + ν ′) or wavelength of the Raman scattered light reflects the frequency ν ′ (molecular vibration) of the sample molecule 1. That is, the Raman scattered light is light reflecting the sample molecule 1 to be inspected. A part of the incident light causes the sample molecule 1 to vibrate and loses energy, but the vibration energy of the sample molecule 1 may be added to the vibration energy or light energy of the Raman scattered light. Such a frequency shift (ν ′) is called a Raman shift.

図５（Ｂ）は、図１及び図５（Ａ）の光学デバイス２０の拡大図である。図５（Ａ）に示すように入射光が基材２００とは逆側から入射される場合、基材２００は入射光に対して透明な材料を用いる必要はない。光学デバイス２０は、基材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、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材２００上に、レジスト２０１を形成し（図６（Ａ）参照）、そのレジスト２０１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（図６（Ｂ）参照）。パターン化されたレジスト２０２により基材２００をエッチングしてレジスト２０２を除去することで（図６（Ｃ）（Ｄ）参照）、例えば図５（Ｃ）に示すように複数の凸部２１０が二次元的に配置される。 FIG. 5B is an enlarged view of the optical device 20 of FIGS. 1 and 5A. As shown in FIG. 5A, when incident light is incident from the side opposite to the base material 200, the base material 200 does not need to use a material transparent to the incident light. The optical device 20 has a plurality of convex portions 210 made of a dielectric material as a first structure on the substrate 200. In this embodiment, a resist 201 is formed on a base material 200 formed of glass such as quartz, quartz, borosilicate glass or silicon as a dielectric (see FIG. 6A), and the resist 201 is formed. For example, patterning is performed using a deep ultraviolet (DUV) photolithography method (see FIG. 6B). By etching the base material 200 with the patterned resist 202 and removing the resist 202 (see FIGS. 6C and 6D), for example, as shown in FIG. Dimensionally arranged.

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。また、その工程により凸部２１０の周囲の基材２００の表面が例えば厚さ３０ｎｍの導体面２２１とされる（図６（Ｅ）参照）。結果として、光学デバイス２０は、導体面２２１上にサイズが１〜１０００ｎｍの凸部２２０を有する金属ナノ構造２２２を有することができる。１〜１０００ｎｍの凸部２２０を有する金属ナノ構造２２２と導体面２２１とは、基材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、基材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。 As the second structure on the plurality of protrusions 210, metal nanoparticles (metal fine particles) 220 such as Au or Ag are formed on the plurality of protrusions 210, for example, by vapor deposition, sputtering, or the like. Moreover, the surface of the base material 200 around the convex part 210 is made to be a conductor surface 221 having a thickness of 30 nm, for example (see FIG. 6E). As a result, the optical device 20 can have a metal nanostructure 222 having a protrusion 220 having a size of 1 to 1000 nm on the conductor surface 221. The metal nanostructure 222 having the convex portion 220 of 1 to 1000 nm and the conductor surface 221 are a metal film having metal particles of the size fixed on the base material by vapor deposition / sputtering or having an island structure on the base material. It can also be formed by a method such as forming.

図５（Ｂ）及び図５（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。 As shown in FIGS. 5B and 5C, in the region 240 where the incident light is incident on the two-dimensional pattern of the metal nanoparticles 220, an enhanced electric field is formed in the gap G between the adjacent metal nanoparticles 220. 230 is formed. In particular, when the incident light is irradiated onto the metal nanoparticles 220 smaller than the wavelength of the incident light, the electric field of the incident light acts on free electrons existing on the surface of the metal nanoparticles 220 to cause resonance. Thereby, electric dipoles due to free electrons are excited in the metal nanoparticles 220, and an enhanced electric field 230 stronger than the electric field of incident light is formed. This is also called Localized Surface Plasmon Resonance (LSPR). This phenomenon is a phenomenon peculiar to an electric conductor such as the metal nanoparticle 220 having a convex portion of 1 to 1000 nm smaller than the wavelength of incident light.

図５（Ａ）〜図５（Ｃ）では、光学デバイス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１が微量であっても、検出感度を高めることができる。 5A to 5C, surface enhanced Raman scattering (SERS) occurs when the optical device 20 is irradiated with incident light. That is, when the sample molecule 1 enters the enhanced electric field 230, the Raman scattered light from the sample molecule 1 is enhanced by the enhanced electric field 230, and the signal intensity of the Raman scattered light becomes strong. In such surface-enhanced Raman scattering, the detection sensitivity can be increased even if the amount of sample molecules 1 is very small.

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。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。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。一方、脱離には外力が必要である。また、光学デバイス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、流体試料を光デバイス２０に接触させることである。 The phenomenon of “adsorption” of the sample molecule 1 described below is a phenomenon in which the number (partial pressure) of collision molecules with which the sample molecule 1 collides with the metal nanoparticles 220 is dominant. Includes one or both. “Desorption” means releasing adsorption by an external force. The adsorption energy depends on the kinetic energy of the sample molecule 1, and when it exceeds a certain value, it collides and exhibits an “adsorption” phenomenon, and no external force is required for the adsorption. On the other hand, external force is required for detachment. In addition, sucking the fluid sample into the optical device 20 is, in other words, bringing the fluid sample into contact with the optical device 20 by generating a suction flow in the flow path in which the optical device 20 is disposed. .

４．光学デバイスの電気抵抗の利用
４．１．第２モード（脱離モード）での利用
図２に示す第２モード（脱離モード）では、制御部７１の制御により、図２に示す電源８０から光学デバイス２０に電力を供給することができる。それにより、光学デバイス２０の金属ナノ構造２２２に、電源端子２２１Ａ，２２１Ｂ及び導体面２２１を介して電流が流れて電気エネルギーが付加される。それにより、導体面２２１及び金属ナノ構造２２２が抵抗器として機能して、ジュール熱が発生する（図７（Ａ）参照）。このジュール熱により、脱離するのに十分なエネルギーを得るとことで、光学デバイス２０への吸着分子の脱離が促進され、やがては脱離が完了する（図７（Ｂ）参照）。図８はジュール熱による脱離曲線を示している。図８の通り、ジュール熱による温度の大きさによって、脱離速度を大きくすることができる。 4). Use of electrical resistance of optical device 4.1. Utilization in Second Mode (Desorption Mode) In the second mode (desorption mode) shown in FIG. 2, electric power can be supplied from the power source 80 shown in FIG. . Thereby, electric current flows through the power supply terminals 221A and 221B and the conductor surface 221 to the metal nanostructure 222 of the optical device 20 to add electric energy. Accordingly, the conductor surface 221 and the metal nanostructure 222 function as resistors, and Joule heat is generated (see FIG. 7A). By obtaining energy sufficient for desorption by this Joule heat, desorption of adsorbed molecules to the optical device 20 is promoted, and the desorption is eventually completed (see FIG. 7B). FIG. 8 shows a desorption curve by Joule heat. As shown in FIG. 8, the desorption rate can be increased depending on the temperature due to Joule heat.

ここで、外部から与えた電力Ｐ（Ｗ）は下記の式（１）にて表される。 Here, the power P (W) given from the outside is expressed by the following equation (1).

Ｐ＝ＲＩ^２＝ρ×Ｌ×Ｉ^２／Ａ…（１）
式（１）にて、ρは金属の伝導率（Ωｍ）、Ａは金属の断面積(ｍ^２)、Ｌは金属部の陽極陰極間の距離（ｍ）である。金属ナノ構造２２２がＡｇの場合、密度１０４９０ｋｇ／ｍ^３、導体面（Ａｇ薄膜）２２１は５ｍｍ角で膜厚３０ｎｍ、電気伝導率は１．５９×１０^‐８Ωｍである。金属ナノ構造２２２はナノメートルスケールであるため、式（１）においては無視し、ここではあくまで導体面（Ａｇ薄膜）２２１のみを扱う。導体面（Ａｇ薄膜）２２１の抵抗値は式（１）より、０．５３Ωとなる。電流値上昇に起因したジュール熱により導体面（Ａｇ薄膜）２２１は発熱する。このとき、基材２００から散逸される仕事量Ｑは以下のようになる。 P = RI ² = ρ × L × I ² / A (1)
In equation (1), ρ is the conductivity (Ωm) of the metal, A is the cross-sectional area (m ² ) of the metal, and L is the distance (m) between the anode and cathode of the metal part. When the metal nanostructure 222 is Ag, the density is 10490 kg / m ³ , the conductor surface (Ag thin film) 221 is 5 mm square, the film thickness is 30 nm, and the electric conductivity is 1.59 × 10 ⁻⁸ Ωm. Since the metal nanostructure 222 is on a nanometer scale, it is ignored in the formula (1), and only the conductor surface (Ag thin film) 221 is handled here. From the equation (1), the resistance value of the conductor surface (Ag thin film) 221 is 0.53Ω. The conductor surface (Ag thin film) 221 generates heat due to Joule heat resulting from the current value increase. At this time, the work amount Q dissipated from the substrate 200 is as follows.

Ｑ＝Ｑｃ＋Ｑｒ …（２）
Ｑｃ＝ＳＨ（Ｔｈ−Ｔ_Ｌ） …（３）
Ｑｒ＝Ｓσε（Ｔｈ^４−Ｔ_Ｌ ^４） …（４）
ここで、Ｑｃは雰囲気空気への対流伝熱量、Ｑｒは雰囲気への黒体輻射である。Ｓは導体面（Ａｇ薄膜）２２１の表面積（ｍ^２)、ｈは空気への熱伝達係数(Ｗ／ｍ^２・℃)、Ｔｈは基材２００側の温度（Ｋ）、Ｔ_Ｌは空気の温度（Ｋ）、σは放射率、εはステファンボルツマン係数（５．６７×１０^‐８Ｗ／ｍ^２・Ｋ^４）である。 Q = Qc + Qr (2)
Qc = SH (Th− _TL ) (3)
^{_{^{Qr = Sσε (Th 4 -T L}}} 4) ... (4)
Here, Qc is the amount of convection heat transfer to the atmosphere air, and Qr is the black body radiation to the atmosphere. S is the surface area (m ² ) of the conductor surface (Ag thin film) 221, h is the heat transfer coefficient to the air (W / m ² · ° C.), Th is the temperature (K) on the substrate 200 side, and _TL is the air Temperature (K), σ is an emissivity, and ε is a Stefan-Boltzmann coefficient (5.67 × 10 ⁻⁸ W / m ² · K ⁴ ).

標的分子は、揮発性硫黄化合物の一種硫化ジメチル（ＤＭＳ：ＣＨ_３ＳＣＨ_３）とする。ＤＭＳ分子のＡｇ表面から脱離するのに必要なエネルギーは、Ａｇの状態にもよるが例えば２１．５ｋｃａｌ／ｍｏｌ（＝９０ｋＪ／ｍｏｌ）である（計測値）。分子の速度論的脱離特性は下記の式で表される。 The target molecule is a volatile sulfur compound, dimethyl sulfide (DMS: CH ₃ SCH ₃ ). The energy required to desorb the DMS molecule from the Ag surface is, for example, 21.5 kcal / mol (= 90 kJ / mol) although it depends on the Ag state (measured value). The kinetic desorption characteristics of a molecule are represented by the following formula.

θはＤＭＳ分子のＡｇ表面上の被覆率（占有率）、θ₀は初期被覆率であり、ここではθ₀＝１（全サイトが占有されている）とする。ν₀は頻度因子で10¹²ｓ^−１とした。ｔは時間（ｓｅｃ）、Ｅ_ｄｅｓはＤＭＳ分子の脱離活性化エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）、Ｒは気体定数（８．３１４５Ｊ／Ｋ・ｍｏｌ）、Ｔは絶対温度（Ｋ）である。Ｅｄｅｓ＝９０ｋＪ／ｍｏｌ、温度２９３Ｋ、３８３Ｋとしたときの脱離特性を図８に示す。温度を上げると脱離速度は大幅に速くなることがわかる。

θ is the coverage (occupancy) of the DMS molecules on the Ag surface, and θ ₀ is the initial coverage, where θ ₀ = 1 (all sites are occupied). ν ₀ is a frequency factor of 10 ¹² s ⁻¹ . t is the time (sec), E _des is the desorption activation energy (kJ / mol) of the DMS molecule, R is the gas constant (8.3145 J / K · mol), and T is the absolute temperature (K). FIG. 8 shows the desorption characteristics when Edes = 90 kJ / mol,

temperatures

293K, and 383K. It can be seen that the desorption rate is significantly increased as the temperature is increased.

光学デバイス２０に吸着された流体試料を例えば１０ｓｅｃで脱離させるため、光学デバイス２０が３８３Ｋになるような電力を与えることを考える。基材２００から空気(Ｔｏ＝２９３Ｋ)へ散逸される仕事量Ｑは、式（３）からＱｃ＝１４ｍＷ、式(４)からＱｒ＝８ｍＷとなり（σ＝０．５）、式（２)からＱ＝２２ｍＷとなる。つまり、２２ｍＷを供給すれば基材２００は３８３Ｋを維持される。さて、導体面（Ａｇ薄膜）２２１の抵抗は０．５３Ωであることから、式（１）より、Ｉ＝０．２０６Ａと導かれる。 Consider that power is applied to the optical device 20 so that the optical device 20 becomes 383K in order to desorb the fluid sample adsorbed on the optical device 20 in 10 seconds, for example. The amount of work Q dissipated from the substrate 200 to the air (To = 293K) is Qc = 14 mW from the equation (3), Qr = 8 mW from the equation (4) (σ = 0.5), and from the equation (2). Q = 22 mW. That is, if 22 mW is supplied, the substrate 200 is maintained at 383K. Now, since the resistance of the conductor surface (Ag thin film) 221 is 0.53Ω, I = 0.206A is derived from the equation (1).

そして、その電流値０．２０６Ａで一定にして、抵抗値の変動を監視する。脱離によって図９の矢印Ａ１のように抵抗値が小さくなる。なお、図９は横軸が流体試料による金属ナノ構造２２２の被覆率であり、縦軸は抵抗変動量ΔＲと初期抵抗値Ｒとの比である。抵抗変動量がゼロになったとき電流値０．２０６Ａを元に戻し、下記にて説明する第１モードでの制御に移行することになる。 And the fluctuation | variation of resistance value is monitored by making it constant with the current value 0.206A. Due to the detachment, the resistance value becomes small as indicated by an arrow A1 in FIG. In FIG. 9, the horizontal axis represents the coverage of the metal nanostructure 222 with the fluid sample, and the vertical axis represents the ratio between the resistance fluctuation amount ΔR and the initial resistance value R. When the resistance fluctuation amount becomes zero, the current value of 0.206 A is returned to the original, and the control shifts to the first mode described below.

４．２．第１モード（吸着・検出モード）での利用
第１モードでは、制御部７１の制御により電源８０からの電力を光学デバイス２０に供給して、一定の電圧・電流値（上述したＩ＝０．２０６Ａ）を維持すると共に、計測部９０が光学デバイス２０の抵抗値を常に監視することができる。第１モードにおいて金属ナノ構造２２２への流体試料の吸着量の増加に伴い、抵抗値が図９の矢印Ａ２に示すように上昇する。 4.2. Use in the first mode (adsorption / detection mode) In the first mode, power from the power source 80 is supplied to the optical device 20 under the control of the control unit 71, and a constant voltage / current value (I = 0. 206A), and the measurement unit 90 can always monitor the resistance value of the optical device 20. In the first mode, as the amount of fluid sample adsorbed to the metal nanostructure 222 increases, the resistance value increases as indicated by an arrow A2 in FIG.

その理由について、図１０（Ａ）（Ｂ）を参照して定性的に説明する。図１０（Ａ）は、金属ナノ構造２２２に流体試料が吸着されていない状態にて、導体面（Ａｇ薄膜）２２１を流れる電子（電流）２Ａを示している。 The reason will be described qualitatively with reference to FIGS. FIG. 10A shows electrons (current) 2 </ b> A flowing through the conductor surface (Ag thin film) 221 in a state where the fluid sample is not adsorbed on the metal nanostructure 222.

一方図１０（Ｂ）は、金属ナノ構造２２２に流体試料例えば標的分子１であるピリジン分子が吸着された状態にて、導体面（Ａｇ薄膜）２２１を流れる電子（電流）２Ａを示している。図１０（Ｂ）において、白抜きで示す電子２Ｂは、吸着分子１によって移動が束縛された電子である。図１０（Ａ）（Ｂ）は共に同一電流の状態であるが、図１０（Ｂ）では移動する電子２Ａの総数Ｎ２が図１０（Ａ）中の移動電子２Ａの総数Ｎ１よりも少ないので（Ｎ１＞Ｎ２）、図１０（Ｂ）では見かけ上の抵抗値が上昇している。 On the other hand, FIG. 10B shows electrons (current) 2A flowing through the conductor surface (Ag thin film) 221 in a state where the fluid sample, for example, pyridine molecules as the target molecule 1 are adsorbed on the metal nanostructure 222. In FIG. 10B, an electron 2 </ b> B indicated by white is an electron whose movement is restricted by the adsorbed molecule 1. FIGS. 10A and 10B are in the same current state, but in FIG. 10B, the total number N2 of moving electrons 2A is smaller than the total number N1 of moving electrons 2A in FIG. N1> N2). In FIG. 10B, the apparent resistance value is increased.

次に、抵抗値変動量ΔＲは式（６）にて定量的に表される（参考文献：国立情報学研究所電子図書北大触媒研究所戸谷富之氏の講義ノートから引用）。 Next, the resistance value fluctuation amount ΔR is quantitatively expressed by Equation (6) (reference: quoted from the lecture book by Toshiyuki Totani, the National Institute of Informatics Electronic Library, Hokkaido University).

式（６）中、Ｒは初期抵抗値、ｄは金属薄膜電極の厚さ、ｌは平均自由路、Ｐは金属薄膜表面で電子の鏡面反射される確率である（初期値をＰ０、吸着によってＰ’に変化する）。式（６）は、伝導電子は吸着分子によってトラップされすぐに金属内に再放射される、という過程によって散乱されるのでＰの大きさは減少して抵抗は大きくなることを意味している。

In Equation (6), R is the initial resistance value, d is the thickness of the metal thin film electrode, l is the mean free path, and P is the probability of specular reflection of electrons on the surface of the metal thin film (initial value is P0, P '). Equation (6) means that the conduction electron is scattered by the process of being trapped by the adsorbed molecule and immediately re-radiated into the metal, so that the size of P decreases and the resistance increases.

ΔＲ／Ｒが図９の例えば３．５％（閾値）未満である期間では、制御部７１の制御により図１のシャッター５１が閉状態とされる。そのため、図１１（Ａ）に示すように吸着分子１が存在しても、光が照射されないので、ＳＥＲＳ信号は検出されない。 In the period in which ΔR / R is less than, for example, 3.5% (threshold value) in FIG. 9, the shutter 51 in FIG. 1 is closed by the control of the control unit 71. Therefore, as shown in FIG. 11 (A), even if the adsorbed molecule 1 exists, no light is irradiated, so the SERS signal is not detected.

ΔＲ／Ｒが図９の３．５％（閾値）を超えたとき、制御部７１の制御により図１のシャッター５１が開かれ、図１１（Ｂ）に示すように、レーザー光Ｌが光学デバイス２０上の金属ナノ構造２２２に一定時間照射される。そこで発生したＳＥＲＳ光を分光検出し、図１２に示すような指紋スペクトルが検出される。この指紋スペクトルより、標的分子であるＤＭＳ分子を検出認識することができる。測定時間は１０ｓｅｃである。図１２に示すＤＭＳ分子のラマンシフトによれば、６７６ｃｍ^−１と２９１７ｃｍ^−１の先鋭なピークが特徴である。ＳＥＲＳ測定が終了すると、シャッター５１は閉じられ、光照射は中断される。このように、レーザー光をＳＥＲＳ測定時のみ照射することで、吸着エネルギーの小さい分子でも、連続光照射による熱エネルギー上昇によって脱離させることなく検出することができる。また、レーザー光のＯＮ／ＯＦＦは光強度安定性に影響があるため、シャッター５１で照射ＯＮ／ＯＦＦを制御している。 When ΔR / R exceeds 3.5% (threshold value) in FIG. 9, the shutter 51 in FIG. 1 is opened by the control of the control unit 71, and the laser light L is emitted from the optical device as shown in FIG. The metal nanostructure 222 on 20 is irradiated for a certain time. The generated SERS light is spectrally detected, and a fingerprint spectrum as shown in FIG. 12 is detected. From this fingerprint spectrum, the target molecule DMS molecule can be detected and recognized. The measurement time is 10 seconds. According to the Raman shift of the DMS molecule shown in FIG. 12, sharp peaks at 676 cm ⁻¹ and 2917 cm ⁻¹ are characteristic. When the SERS measurement is completed, the shutter 51 is closed and the light irradiation is interrupted. In this way, by irradiating laser light only at the time of SERS measurement, even a molecule having a small adsorption energy can be detected without being desorbed due to an increase in thermal energy due to continuous light irradiation. Further, since ON / OFF of the laser beam affects the light intensity stability, irradiation ON / OFF is controlled by the shutter 51.

５．光源と計測部の制御方法
図１３及び図１４は、光源５０及びシャッター５１からのレーザー強度（光強度）制御と、計測部９０での電流または電圧制御とを示している。図１３及び図１４に示すように、光源５０及びシャッター５１からのレーザー強度（光強度）は、第１モードの途中にて所定数の吸着分子が確保されて光学デバイス２０の電気抵抗値が増大した時から、第１モードの終了までの強度Ｌ２が大きく、それ以外での強度Ｌ１は小さい。強度Ｌ１は零としても良い。 5. Control Method of Light Source and Measuring Unit FIGS. 13 and 14 show laser intensity (light intensity) control from the light source 50 and the shutter 51 and current or voltage control in the measuring unit 90. FIG. As shown in FIGS. 13 and 14, the laser intensity (light intensity) from the light source 50 and the shutter 51 increases the electrical resistance value of the optical device 20 by securing a predetermined number of adsorbed molecules in the middle of the first mode. The intensity L2 from the time until the end of the first mode is large, and the intensity L1 at other times is small. The intensity L1 may be zero.

一方、計測部９０では、図１３及び図１４のどちらか一方の制御が必要である。第１モードでは光学的デバイス２０の電気抵抗値を測定するに足る低い電圧Ｖ１または電流ｉ１とすることができ。一方、第２モードでは吸着分子を脱離させるのに必要なジュール熱を発生させる比較的高い電圧Ｖ２または電流ｉ２としている。 On the other hand, the measurement unit 90 needs to control either one of FIG. 13 and FIG. In the first mode, the voltage V1 or the current i1 that is low enough to measure the electric resistance value of the optical device 20 can be set. On the other hand, in the second mode, a relatively high voltage V2 or current i2 that generates Joule heat necessary for desorbing adsorbed molecules is used.

６．検出装置の具体的な構成
図１５は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図１５に示される検出装置１００も、図１に示すチャンバー１０、光学デバイス２０と、光学系３０と、吸引駆動部４０と、光源５０と、光検出部６０と、制御部７１を含む処理部７０（図１５では省略）と、電源８０（図１５では省略）及び計測部９０とを有している。 6). Specific Configuration of Detection Device FIG. 15 shows a specific configuration example of the detection device of the present embodiment. 15 is also a processing unit including the chamber 10, the optical device 20, the optical system 30, the suction drive unit 40, the light source 50, the light detection unit 60, and the control unit 71 shown in FIG. 70 (omitted in FIG. 15), a power source 80 (omitted in FIG. 15), and a measuring unit 90.

図１５において、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。 In FIG. 15, the light source 50 is a laser, for example, and a vertical cavity surface emitting laser can be preferably used from the viewpoint of miniaturization, but is not limited thereto.

光源５０からの光は、光学系３０を構成するコリメーターレンズ３１０により平行光にされる。コリメーターレンズ３１０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。 The light from the light source 50 is collimated by the collimator lens 310 constituting the optical system 30. A polarization control element may be provided downstream of the collimator lens 310 and converted to linearly polarized light. However, if, for example, a surface emitting laser is employed as the light source 50 and light having linearly polarized light can be emitted, the polarization control element can be omitted.

コリメーターレンズ３１０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）３２０により光学デバイス２０の方向に導かれ、対物レンズ３３０で集光され、光学デバイス２０に入射する。光学デバイス２０には、図５（Ａ）〜図５（Ｃ）に示す金属ナノ粒子２２０が形成される。光学デバイス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。光学デバイス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３３０を通過し、ハーフミラー３２０によって光検出部６０の方向に導かれる。 The light collimated by the collimator lens 310 is guided by the half mirror (dichroic mirror) 320 toward the optical device 20, collected by the objective lens 330, and incident on the optical device 20. In the optical device 20, metal nanoparticles 220 shown in FIGS. 5A to 5C are formed. Rayleigh scattered light and Raman scattered light by, for example, surface-enhanced Raman scattering are emitted from the optical device 20. Rayleigh scattered light and Raman scattered light from the optical device 20 pass through the objective lens 330 and are guided toward the light detection unit 60 by the half mirror 320.

光学デバイス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３４０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、制御部７１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。 Rayleigh scattered light and Raman scattered light from the optical device 20 are collected by the condenser lens 340 and input to the light detection unit 60. First, the light detection unit 60 reaches the optical filter 610. Raman scattered light is extracted by an optical filter 610 (for example, a notch filter). This Raman scattered light is further received by the light receiving element 630 via the spectroscope 620. The spectroscope 620 is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance, and the pass wavelength band can be made variable. The wavelength of light passing through the spectroscope 620 can be controlled (selected) by the control unit 71. The light receiving element 630 obtains a Raman spectrum peculiar to the sample molecule 1, and the sample molecule 1 can be specified by collating the obtained Raman spectrum with previously stored data.

チャンバー１０は、吸引口１４Ａと接続される吸引流路１４Ｂと、排出口１５Ａと接続される排出流路１５Ｂとを有する。試料分子１を含む流体試料は、吸引口１４Ａ（搬入口）からチャンバー１０の内部に導入され、排出口１５Ａからチャンバー１０の外部に排出される。吸引口１４Ａ側に除塵フィルター１４Ｃを設けることができる。図１５では、検出装置１０は、ファン４０を排出口１５Ａ付近に有し、ファン４０を作動させると、チャンバー１０内の圧力（気圧）が低下する。これにより、試料分子１と共に流体試料がチャンバー１０に吸引される。流体試料は、吸引流路１４Ｂを通り、光学デバイス２０付近の流路を経由して排出流路１５Ｂから排出される。このとき、試料分子１の一部が光学デバイス２０の表面（電気伝導体）に吸着する。 The chamber 10 includes a suction channel 14B connected to the suction port 14A and a discharge channel 15B connected to the discharge port 15A. The fluid sample including the sample molecule 1 is introduced into the chamber 10 through the suction port 14A (carrying-in port), and is discharged out of the chamber 10 through the discharge port 15A. A dust filter 14C can be provided on the suction port 14A side. In FIG. 15, the detection device 10 has the fan 40 in the vicinity of the discharge port 15 </ b> A, and when the fan 40 is operated, the pressure (atmospheric pressure) in the chamber 10 decreases. Thereby, the fluid sample is sucked into the chamber 10 together with the sample molecule 1. The fluid sample passes through the suction channel 14B and is discharged from the discharge channel 15B via the channel near the optical device 20. At this time, a part of the sample molecule 1 is adsorbed on the surface (electrical conductor) of the optical device 20.

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、特に本実施形態はこれらの試料分子１をリアルタイムで検出するのに適している。 The sample molecule 1 that is a test target substance can be assumed to be a rare molecule such as narcotics, alcohol or residual agricultural chemicals, or a pathogen such as a virus. In particular, this embodiment detects these sample molecules 1 in real time. Suitable for doing.

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。 Although the present embodiment has been described in detail as described above, those skilled in the art can easily understand that many modifications can be made without departing from the novel matters and effects of the present invention.

１０チャンバー、２０光学デバイス、３０光学系、４０ファン、５０光源、５１シャッター、６０光検出部、７１制御部、８０電源、９０計測部、１００検出装置、２００基材、２２０金属ナノ粒子（凸部）、２２１導体面、２２１Ａ，２２１Ｂ電源端子、２２１Ｃ，２２１Ｄ計測端子、２２２金属ナノ構造 10 chambers, 20 optical devices, 30 optical systems, 40 fans, 50 light sources, 51 shutters, 60 light detection units, 71 control units, 80 power supplies, 90 measurement units, 100 detection devices, 200 base materials, 220 metal nanoparticles (convex) Part), 221 conductor surface, 221A, 221B power supply terminal, 221C, 221D measurement terminal, 222 metal nanostructure

Claims

電源と、
少なくとも片面を導体面とする基材と、前記導体面に形成された１〜１０００ｎｍの凸部を有する金属ナノ構造と、前記導体面及び前記電源と接続される電源端子と、前記電源端子に接続され、前記金属ナノ構造または前記導体面にジュール熱を発生させる電圧を前記電源端子に印加することが可能な電源と、前記導体面と接続された計測端子と、を含む光学デバイスと、
前記光学デバイスが配置され、流体試料が導入されるチャンバーと、
前記光学デバイスに光を照射する光源と、
前記光学デバイスから出射される光を検出する光検出部と、
前記計測端子と接続され、電流及び電圧の一方を制御して前記光学デバイスの電気抵抗値を計測する計測部と、
前記計測部からの出力に基づいて、前記光検出部にて検出する期間を含む第１モードと、前記金属ナノ構造に吸着された前記流体試料を離脱する第２モードとを実行制御する制御部と、
前記流体試料の流速を制御する負圧発生部とを有し、
前記制御部は、前記第１モードにおける前記流体試料の吸引流速をＶ１、第２モードにおける前記流体試料の吸引流速をＶ２（Ｖ２＞Ｖ１）となるように、前記負圧発生部を駆動制御すること、を特徴とする検出装置。 Power supply,
A base material having at least one surface as a conductor surface, a metal nanostructure having a projection of 1 to 1000 nm formed on the conductor surface, a power source terminal connected to the conductor surface and the power source, and connected to the power source terminal An optical device comprising: a power supply capable of applying a voltage that generates Joule heat to the metal nanostructure or the conductor surface to the power supply terminal; and a measurement terminal connected to the conductor surface ;
A chamber in which the optical device is disposed and a fluid sample is introduced;
A light source for irradiating the optical device with light;
A light detection unit for detecting light emitted from the optical device;
A measurement unit connected to the measurement terminal and controlling one of a current and a voltage to measure an electric resistance value of the optical device;
A control unit that executes and controls a first mode including a period detected by the light detection unit and a second mode for detaching the fluid sample adsorbed on the metal nanostructure based on an output from the measurement unit. When,
A negative pressure generator for controlling the flow rate of the fluid sample,
The control unit drives and controls the negative pressure generating unit so that the suction flow rate of the fluid sample in the first mode is V1, and the suction flow rate of the fluid sample in the second mode is V2 (V2> V1). it, detecting apparatus according to claim.

請求項２において、
前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の減少に基づいて、前記第２モードから前記第１モードに切り換えることを特徴とする検出装置。 In claim 2,
The control unit switches from the second mode to the first mode based on a decrease in electrical resistance value of the optical device.

請求項１または２において、
前記制御部は、前記光学デバイスの電気抵抗値の増加に基づいて、前記第１モードにて前記光源からの光照射を開始制御することを特徴とする検出装置。 In claim 1 or 2,
The control unit controls the start of light irradiation from the light source in the first mode based on an increase in an electrical resistance value of the optical device.

請求項１乃至３のいずれかにおいて、
前記光学デバイスは、前記金属ナノ構造側に前記光源からの光が入射され、前記流体試料を反映した光は前記導体表面で反射されることを特徴とする検出装置。 In any one of Claims 1 thru | or 3 ,
In the optical device, the light from the light source is incident on the metal nanostructure side, and the light reflecting the fluid sample is reflected on the conductor surface.