JP5954066B2

JP5954066B2 - Detection apparatus and detection method

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Publication number: JP5954066B2
Application number: JP2012199161A
Authority: JP
Inventors: 山田　耕平; 耕平山田; 明子山田
Original assignee: Seiko Epson Corp
Current assignee: Seiko Epson Corp
Priority date: 2012-09-11
Filing date: 2012-09-11
Publication date: 2016-07-20
Anticipated expiration: 2032-09-11
Also published as: JP2014055781A

Description

本発明は、標的分子を検出する検出装置及び検出方法等に関する。 The present invention relates to a detection apparatus and a detection method for detecting a target molecule.

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、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ：Surface Plasmon Resonance）特に局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ：Localized Surface Plasmon Resonance）を利用した表面増強ラマン散乱（ＳＥＲＳ：Surface Enhanced Raman Scattering）分光が注目されている。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例えば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）を分光検出し指紋スペクトルを得る。その指紋スペクトルから試料分子を同定し、さらには試料分子を定量評価することが可能となる。 In recent years, surface-enhanced Raman scattering using surface plasmon resonance (SPR), particularly localized surface plasmon resonance (LSPR), is one of the highly sensitive spectroscopic techniques for detecting low concentrations of sample molecules. (SERS: Surface Enhanced Raman Scattering) spectroscopy has attracted attention. SERS is a phenomenon in which Raman scattered light is enhanced by, for example, 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 spectrum (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. The sample molecule can be identified from the fingerprint spectrum, and further, the sample molecule can be quantitatively evaluated.

近年、環境汚染物質のモニタリングや、呼気中に含まれる微量成分の検出による病気の診断等、気相中の極微量の化学種の分析が重要になっており、ＳＥＲＳを気相中で簡便に用いることが望まれている。例えば、溶液だけでなく大気中で安定的なＳＥＲＳ基板について提案されている（特許文献１）。気相中に存在する極微量の化学種（分子あるいは分子の集合であるクラス）の振動分光を行なうためには、その化学種をＳＥＲＳセンサー基板に吸着させる必要がある。 In recent years, it has become important to analyze trace amounts of chemical species in the gas phase, such as monitoring environmental pollutants and diagnosing diseases by detecting trace components in exhaled breath. It is desired to use it. For example, a SERS substrate that is stable not only in a solution but also in the atmosphere has been proposed (Patent Document 1). In order to perform vibrational spectroscopy of a very small amount of chemical species (molecules or class that is a group of molecules) present in the gas phase, the chemical species must be adsorbed on the SERS sensor substrate.

特開２００５−０７７３６２号公報Japanese Patent Laying-Open No. 2005-077362

しかしながら、数時間に及ぶモニタリングにおいては、これらのセンサー基板を使用していると、大気中や呼気中に含まれる様々な有機分子（汚染分子）が金属表面を覆って吸着する。それによって、ノイズシグナルだけが大きくなり、標的分子感度が低下するという課題があった。それゆえ、これまでのＳＥＲＳセンサー基板は長時間に及ぶモニタリング用途には採用されていなかった。 However, in monitoring over several hours, when these sensor substrates are used, various organic molecules (contaminating molecules) contained in the atmosphere or exhaled air are adsorbed over the metal surface. As a result, only the noise signal becomes large, and there is a problem that the target molecule sensitivity is lowered. Therefore, the conventional SERS sensor substrate has not been adopted for long-time monitoring applications.

なお、ＳＥＲＳに代表されるような極微量物質センシングにおいて、表面の汚染分子を取り除く方法としては、通常一般的な有機溶媒を用いて洗い流す方法は不可能である。有機溶媒には汚染分子が１ｐｐｍ（０．０００１％）〜１００ｐｐｍ（０．０１％）程度は必ず溶け込んでいる。有機溶媒が蒸発した後にこれらの汚染分子がセンサー基板上に固着し、その結果感度低下を引き起こすためである。 In ultra-trace substance sensing represented by SERS, as a method of removing contaminant molecules on the surface, it is usually impossible to wash away using a general organic solvent. In the organic solvent, about 1 ppm (0.0001%) to 100 ppm (0.01%) of contaminating molecules are always dissolved. This is because these contaminating molecules adhere to the sensor substrate after the organic solvent evaporates, resulting in a decrease in sensitivity.

本発明の幾つかの態様は、センサー部表面に付着した汚染分子を除去することで、標的分子を長時間モニタリング可能な検出装置及び検出方法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 a detection apparatus and a detection method capable of monitoring a target molecule for a long time by removing contaminating molecules attached to the surface of a sensor unit.

（１）本発明の一態様は、
流体試料に含まれる標的分子を検出する検出装置であって、
光源と、
前記光源からの光が照射される領域に金属ナノ粒子を有し、前記金属ナノ粒子へ前記流体試料が導入される光学デバイスと、
前記金属ナノ粒子に吸着された前記標的分子と汚染分子とを反映する光を検出する検出部と、
前記光学デバイスに、前記金属ナノ粒子への吸着能力が前記汚染分子よりも高い標準分子を供給する供給部と、
前記供給部からの前記標準分子の供給の開始と停止を制御する供給制御部と、
前記供給制御部が前記標準分子の供給を停止させた後に、前記金属ナノ粒子から前記標準分子を脱離させる脱離部と、
を有する検出装置に関する。 (1) One aspect of the present invention is
A detection device for detecting a target molecule contained in a fluid sample,
A light source;
An optical device having metal nanoparticles in a region irradiated with light from the light source, wherein the fluid sample is introduced into the metal nanoparticles;
A detection unit for detecting light reflecting the target molecules and contaminant molecules adsorbed on the metal nanoparticles;
A supply unit for supplying the optical device with a standard molecule having a higher adsorption ability to the metal nanoparticles than the contaminating molecule;
A supply control unit for controlling the start and stop of the supply of the standard molecule from the supply unit;
A desorption unit for desorbing the standard molecule from the metal nanoparticles after the supply control unit stops supplying the standard molecule;
It is related with the detection apparatus which has.

ここで、流体試料中に含まれる標的分子を検出する際、流体試料中には汚染分子が時に含まれる。汚染分子は、金属ナノ粒子に対して、標的分子よりも比較的よく吸着する。このため、標的分子の吸着が妨げられ、標的分子を検出できなくなってしまう。 Here, when detecting target molecules contained in the fluid sample, contaminant molecules are sometimes contained in the fluid sample. Contaminating molecules adsorb to metal nanoparticles relatively better than target molecules. For this reason, adsorption of the target molecule is hindered and the target molecule cannot be detected.

供給部から光学デバイスに供給される標準分子は、金属ナノ粒子への吸着能力が汚染分子よりも高いものが選択される。標準分子が光学デバイスに供給されると、吸着能力の高い標準分子は、一旦金属ナノ粒子に吸着された汚染分子を標準分子に置換することができる。 As the standard molecules supplied from the supply unit to the optical device, those having higher adsorption ability to the metal nanoparticles than the contaminating molecules are selected. When the standard molecule is supplied to the optical device, the standard molecule having a high adsorption ability can replace the contaminating molecule once adsorbed on the metal nanoparticle with the standard molecule.

本発明の一態様では、流体試料中の標的分子を例えば長期に亘って検出部にてモニタリングする際に、供給制御部の制御により供給部から標準分子を光学デバイスに供給することができる。その後、供給制御部の制御により供給部から光学デバイスへの標準分子の供給を停止することができる。さらにその後、脱離部により、金属ナノ粒子から標準分子を脱離させることで、金属ナノ粒子の表面が汚染分子により汚染されていないリフレッシュされた状態とすることができる。それにより、金属ナノ粒子に標的分子を吸着させて、標的分子の検出が可能となる。 In one aspect of the present invention, when the target molecule in the fluid sample is monitored by, for example, the detection unit over a long period of time, the standard molecule can be supplied from the supply unit to the optical device under the control of the supply control unit. Thereafter, the supply of the standard molecule from the supply unit to the optical device can be stopped by the control of the supply control unit. Furthermore, after that, by desorbing the standard molecules from the metal nanoparticles, the surface of the metal nanoparticles can be brought into a refreshed state that is not contaminated by the contaminating molecules. Accordingly, the target molecule can be detected by adsorbing the target molecule to the metal nanoparticles.

（２）本発明の一態様では、前記供給制御部は、前記流体試料中の前記標的分子の信号強度と前記汚染分子の信号強度との少なくとも一方に基づいて、前記標準分子を前記光学デバイスに供給させ、前記汚染分子の信号強度と前記標準分子の信号強度との少なくとも一方に基づいて、前記標準分子の供給を停止させることができる。 (2) In one aspect of the present invention, the supply control unit supplies the standard molecule to the optical device based on at least one of the signal intensity of the target molecule and the signal intensity of the contaminating molecule in the fluid sample. The supply of the standard molecule can be stopped based on at least one of the signal intensity of the contaminating molecule and the signal intensity of the standard molecule.

このように、流体試料中の標的分子を検出部にてモニタリングする際に、標的分子よりも吸着能力が高い汚染分子の信号強度が高まり、あるいはそれに起因して標的分子の信号強度が低下する。つまり、金属ナノ粒子が汚染分子に汚染された時に、供給制御部の制御により供給部から標準分子が光学デバイスに供給することができる。その後、吸着能力がさらに高い標準分子の信号強度が高まり、あるいはそれに起因して汚染分子の信号強度が低下する。つまり、金属ナノ粒子の表面が汚染分子から標準分子に置換された時に、供給制御部の制御により供給部から光学デバイスへの標準分子の供給を停止することができる。 As described above, when the target molecule in the fluid sample is monitored by the detection unit, the signal intensity of the contaminating molecule having higher adsorption ability than the target molecule is increased, or the signal intensity of the target molecule is decreased. That is, when the metal nanoparticles are contaminated with contaminating molecules, the standard molecules can be supplied from the supply unit to the optical device under the control of the supply control unit. Thereafter, the signal intensity of the standard molecule having a higher adsorption capacity is increased, or the signal intensity of the contaminating molecule is lowered due to this. That is, when the surface of the metal nanoparticle is replaced with the standard molecule from the contaminating molecule, the supply of the standard molecule from the supply unit to the optical device can be stopped by the control of the supply control unit.

（３）本発明の一態様では、前記供給制御部は、前記検出部で得られる前記汚染分子の信号が、第１の信号強度を超えた時に前記標準分子の供給を開始させることができる。 (3) In one aspect of the present invention, the supply control unit can start the supply of the standard molecule when a signal of the contaminating molecule obtained by the detection unit exceeds a first signal intensity.

このようにして、汚染分子が金属ナノ粒子を汚染していることを判定して、標準分子の供給を開始することができる。 In this way, it can be determined that the contaminating molecule is contaminating the metal nanoparticles, and the supply of the standard molecule can be started.

（４）本発明の一態様では、前記供給制御部は、前記検出部で得られる前記標的分子の信号が、第１の信号強度を下回った時に前記標準分子の供給を開始制させることができる。
を特徴とする検出装置。 (4) In one aspect of the present invention, the supply control unit can start supply of the standard molecule when the signal of the target molecule obtained by the detection unit falls below the first signal intensity. .
A detection device characterized by.

このようにしても、汚染分子が金属ナノ粒子を汚染している結果として、標的分子の信号強度が低下することから、標準分子の供給を開始することができる。 Even in this case, since the signal intensity of the target molecule decreases as a result of the contaminating molecule contaminating the metal nanoparticles, the supply of the standard molecule can be started.

（５）本発明の一態様では、前記供給制御部は、前記標準分子の供給の開始後に、前記検出部で得られる前記汚染分子の信号が、第２の信号強度を下回った時に、前記標準分子の供給を停止させることができる。 (5) In one aspect of the present invention, the supply control unit, when the signal of the contaminating molecule obtained by the detection unit falls below a second signal intensity after the start of the supply of the standard molecule, The supply of molecules can be stopped.

このようにして、金属ナノ粒子に吸着されていた汚染分子が標準分子に置換されたことを判定して、標準分子の供給を停止させることができる。 In this way, the supply of the standard molecule can be stopped by determining that the contaminating molecule adsorbed on the metal nanoparticle has been replaced with the standard molecule.

（６）本発明の一態様では、前記供給制御部は、前記標準分子の供給の開始後に、前記検出部で得られる前記標準分子の信号が、第２の信号強度を超えた時に、前記標準分子の供給を停止させることができる。 (6) In one aspect of the present invention, the supply control unit, when the signal of the standard molecule obtained by the detection unit exceeds a second signal intensity after the start of the supply of the standard molecule, The supply of molecules can be stopped.

このようにしても、金属ナノ粒子に吸着されていた汚染分子が標準分子に置換されたことを判定することができ、それにより標準分子の供給を停止させることができる。 Even in this case, it is possible to determine that the contaminating molecule adsorbed on the metal nanoparticle has been replaced with the standard molecule, thereby stopping the supply of the standard molecule.

（７）本発明の一態様では、前記脱離部は、前記検出部で得られる前記標準分子の信号が、第３の信号強度を下回るまで、前記金属ナノ粒子から前記標準分子を脱離させることができる。 (7) In one aspect of the present invention, the desorption unit desorbs the standard molecule from the metal nanoparticles until the signal of the standard molecule obtained by the detection unit falls below a third signal intensity. be able to.

このようにして、標準分子の脱離を判定することにより、脱離動作を終了させることができる。 In this way, the desorption operation can be terminated by determining the desorption of the standard molecule.

（８）本発明の一態様では、前記脱離部は、前記光源の光強度を、第１の光強度と、前記第１の光強度よりも大きい第２の光強度とに調整する光強度調整部を含み、前記光強度調整部は、前記光源の光強度を前記第２の光強度に調整して、前記金属ナノ粒子から前記標準分子を脱離させることができる。 (8) In one aspect of the present invention, the detachment unit adjusts the light intensity of the light source to a first light intensity and a second light intensity that is greater than the first light intensity. The light intensity adjusting unit may include an adjusting unit, and adjust the light intensity of the light source to the second light intensity to desorb the standard molecule from the metal nanoparticles.

標準分子を脱離させるには脱離活性化エネルギーを標準分子に付与すればよく、種々の方法があるが、光源光を利用した光脱離が最も簡便である。 In order to desorb the standard molecule, desorption activation energy may be applied to the standard molecule, and there are various methods. Photodesorption using light from the light source is the simplest.

（９）本発明の一態様では、前記光強度調整部は、前記光強度を前記第２の光強度に設定して前記金属ナノ粒子から前記標準分子を脱離させた後に、前記光強度を前記第２の光強度から前記第１の光強度に戻すことができる。 (9) In one aspect of the present invention, the light intensity adjusting unit sets the light intensity to the second light intensity and desorbs the standard molecule from the metal nanoparticles, and then adjusts the light intensity. The second light intensity can be returned to the first light intensity.

それにより、金属ナノ粒子の表面が汚染分子に汚染されていないフレッシュな状態で、標的分子の検出動作を再開することができる。 Thereby, the detection operation of the target molecule can be resumed in a fresh state where the surface of the metal nanoparticle is not contaminated with the contaminating molecule.

（１０）本発明の一態様では、前記金属ナノ粒子がＡｇであり、前記標的分子が前記金属ナノ粒子より脱離するのに必要な脱離活性化エネルギーＥｄは、気体定数をＲ、絶対温度をＴ、反応次数が１のときの前指数因子をν1としたとき、ｌｎ［ν１］＋２．２≦Ｅｄ／ＲＴ≦ｌｎ［ν１］＋３．８を満たすことができる。 (10) In one aspect of the present invention, the metal nanoparticle is Ag, and the desorption activation energy Ed required for the target molecule to desorb from the metal nanoparticle is R, the absolute temperature, Is T and the pre-exponential factor when the reaction order is 1 is ν1, ln [ν1] + 2.2 ≦ Ed / RT ≦ ln [ν1] +3.8 can be satisfied.

この不等式を満足することで、汚染分子よりもＡｇに対する吸着能力が高く、しかも脱離しやすい標準分子を選択することができる。 By satisfying this inequality, it is possible to select a standard molecule that has a higher adsorption ability to Ag than a contaminating molecule and is easily desorbed.

（１１）本発明の一態様では、前記金属ナノ粒子がＡｇであり、前記標的分子が前記金属ナノ粒子より脱離するのに必要な脱離活性化エネルギーＥｄは、気体定数をＲ、絶対温度をＴ、反応次数が１のときの前指数因子ν１を１０^１３としたとき、３２．０≦Ｅｄ／ＲＴ≦３３．７を満たすことができる。 (11) In one aspect of the present invention, the metal nanoparticle is Ag, and the desorption activation energy Ed required for the target molecule to desorb from the metal nanoparticle has a gas constant of R, an absolute temperature Is T and the pre-exponential factor ν1 when the reaction order is 1 is 10 ¹³ , 32.0 ≦ Ed / RT ≦ 33.7 can be satisfied.

この不等式を満足することでも、汚染分子よりもＡｇに対する吸着能力が高く、しかも脱離しやすい標準分子を選択することができる。 Satisfying this inequality can also select a standard molecule that has a higher adsorption ability to Ag than a contaminating molecule and is easily desorbed.

（１２）本発明の一態様では、前記標準分子は、ＳＨ基及びＣＯＯＨ基のいずれかを有することができる。 (12) In one aspect of the present invention, the standard molecule may have either an SH group or a COOH group.

ＣＯＯＨ基、ＳＨ基などの官能基を有する分子は、イソプレンなどのＣ＝Ｃ系分子（汚染分子）よりも金属ナノ粒子の表面に強固に吸着される吸着能力を有し、光照射に起因した分子間重合反応が起きないため標準分子として適している。 Molecules having functional groups such as COOH groups and SH groups have an adsorption ability that is more strongly adsorbed on the surface of metal nanoparticles than C = C-based molecules (contamination molecules) such as isoprene, and are caused by light irradiation. Since intermolecular polymerization reaction does not occur, it is suitable as a standard molecule.

（１３）本発明の他の態様は、
流体試料に含まれる標的分子を検出する検出方法であって、
光学デバイスの金属ナノ粒子に前記流体試料を導入する工程と、
光学デバイスの金属ナノ粒子に光を照射して、前記金属ナノ粒子に吸着した標的分子と汚染分子を反映する光を検出する工程と、
前記汚染分子よりも前記金属ナノ粒子への吸着能力が高い標準分子を前記光学デバイスに供給する工程と、
前記標準分子の供給後に、前記汚染分子の信号強度と前記標準分子の信号強度との少なくとも一方に基づいて、前記標準分子の供給を停止する工程と、
前記標準分子の供給停止後に、前記標準分子を前記金属ナノ粒子から脱離させる工程と、
を有する検出方法に関する。 (13) Another aspect of the present invention is:
A detection method for detecting a target molecule contained in a fluid sample,
Introducing the fluid sample into metal nanoparticles of an optical device;
Irradiating the metal nanoparticles of the optical device with light, and detecting light reflecting the target molecules and the contaminating molecules adsorbed on the metal nanoparticles;
Supplying a standard molecule having a higher adsorption ability to the metal nanoparticles than the contaminating molecule to the optical device;
After supplying the standard molecule, stopping the supply of the standard molecule based on at least one of the signal intensity of the contaminating molecule and the signal intensity of the standard molecule;
Desorbing the standard molecule from the metal nanoparticles after the supply of the standard molecule is stopped;
It is related with the detection method which has.

本発明の他の態様によれば、金属ナノ粒子の表面が汚染分子に汚染されていないフレッシュな状態で、標的分子の検出動作を継続することができる。 According to another aspect of the present invention, the target molecule detection operation can be continued in a fresh state where the surface of the metal nanoparticle is not contaminated with the contaminating molecule.

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. 図２（Ａ）は光学デバイスの拡大断面図、図２（Ｂ）及び図２（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。2A is an enlarged cross-sectional view of the optical device, and FIGS. 2B and 2C are a cross-sectional view and a plan view showing formation of an enhanced electric field in the optical device. 検出装置の具体的構造を示す図である。It is a figure which shows the specific structure of a detection apparatus. 検出方法を示すタイミングチャートである。It is a timing chart which shows a detection method. 汚染分子であるイソプレンのＳＥＲＳ信号を示す図である。It is a figure which shows the SERS signal of isoprene which is a contaminating molecule. 第１モードでの汚染分子と標的分子の信号強度の変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the change of the signal strength of the pollution molecule | numerator and target molecule | numerator in 1st mode. 標的分子の供給後の標的分子の信号強度の経時的変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the signal strength of the target molecule after supply of a target molecule. 第２モードでの汚染分子と標準分子の信号強度の変化を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the change of the signal strength of the contaminating molecule | numerator in a 2nd mode, and a standard molecule | numerator. 光強度を増加させた後の標準分子の信号強度の経時的変化を示す図である。It is a figure which shows the time-dependent change of the signal intensity | strength of the standard molecule | numerator after increasing light intensity. 脱離活性化エネルギーＥｄの説明図である。It is explanatory drawing of desorption activation energy Ed. 脱離活性化エネルギーＥｄと被覆率θとの相関を示す特性図である。FIG. 6 is a characteristic diagram showing a correlation between desorption activation energy Ed and coverage θ. ＱＣＭによるＡｇ表面に対するアセトンの脱離特性を示す図である。It is a figure which shows the desorption characteristic of acetone with respect to the Ag surface by QCM. 指数関数曲線になり始めるときの周波数と脱離し終えて平衡状態になったときの周波数を示す図である。It is a figure which shows the frequency when it begins to become an exponential function curve, and the frequency when it complete | finishes detachment | desorption and it will be in an equilibrium state. 式（５）で変換したアセトンの脱離特性を示す図である。It is a figure which shows the detachment | desorption characteristic of acetone converted by Formula (5). ＱＣＭによって測定したイソプレン、ＨＤＴのＡｇに対する脱離特性を示す図である。It is a figure which shows the desorption characteristic with respect to Ag of isoprene and HDT measured by QCM. 式（５）にて異なる絶対温度Ｔについて求めた脱離率を示す図である。It is a figure which shows the desorption rate calculated | required about different absolute temperature T by Formula (5). 標準分子の満たすべきＥｄ／ＲＴの上限及び下限を示す図である。It is a figure which shows the upper limit and lower limit of Ed / RT which a standard molecule should satisfy | fill.

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
１．１．検出装置の概要
図１は、本実施形態の検出装置１０の構成例を示す。図１において、検出装置１０は、光学デバイス２０と、光源３０と、検出部５０と、標準分子供給部（供給部）６０と、供給制御部７０と、脱離部の一例である光強度調整部８０とを有する。光学デバイス２０と、光源３０及び／又は検出部５０との間に、光学系４０を設けることができる。 1. Detection apparatus 1.1. Overview of Detection Device FIG. 1 shows a configuration example of a detection device 10 of this embodiment. In FIG. 1, the detection apparatus 10 includes an optical device 20, a light source 30, a detection unit 50, a standard molecule supply unit (supply unit) 60, a supply control unit 70, and light intensity adjustment that is an example of a desorption unit. Part 80. An optical system 40 can be provided between the optical device 20 and the light source 30 and / or the detection unit 50.

光学デバイス２０は、光源３０からの光が照射される領域に金属ナノ粒子（図１では省略）を有し、金属ナノ粒子への吸着能力が標的分子よりも高い汚染分子を含む流体試料が、例えばファンまたはポンプ１４０等により吸引されて導入される。光学デバイス２０は、光源３０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。本実施形態では、流体試料は例えば呼気であり、検査対象の標的分子は呼気中の例えばアセトン分子とすることができる。ただし、流体試料や標的分子については、これに限定されない。 The optical device 20 has metal nanoparticles (not shown in FIG. 1) in a region irradiated with light from the light source 30, and a fluid sample containing contaminant molecules whose adsorption ability to the metal nanoparticles is higher than that of the target molecule. For example, it is sucked and introduced by a fan or pump 140 or the like. The optical device 20 emits light reflecting the adsorbed fluid sample when irradiated with light from the light source 30. In the present embodiment, the fluid sample is, for example, exhaled breath, and the target molecule to be examined can be, for example, acetone molecules in the exhaled breath. However, the fluid sample and the target molecule are not limited to this.

光源３０は例えば単波長光源であり、例えば６３２ｎｍのレーザー光源を用いることができる。光源３０は、例えば光学系４０を構成する例えばハーフミラー４２０と対物レンズ４３０を介して、光学デバイス２０に光を照射する。検出部５０は、光学デバイス２０の金属ナノ粒子に吸着された流体試料が反映された光を、ハーフミラー４２０及び対物レンズ４３０を介して検出する。 The light source 30 is, for example, a single wavelength light source, and for example, a 632 nm laser light source can be used. The light source 30 irradiates light to the optical device 20 through, for example, the half mirror 420 and the objective lens 430 that constitute the optical system 40. The detection unit 50 detects light reflected by the fluid sample adsorbed on the metal nanoparticles of the optical device 20 via the half mirror 420 and the objective lens 430.

標準分子供給部（供給部）６０、供給制御部７０及び光強度調整部（脱離部）８０は、光学デバイス２０の金属ナノ粒子に汚染分子が吸着されたことを判定して、その汚染分子を除去するために設けられている。 The standard molecule supply unit (supply unit) 60, the supply control unit 70, and the light intensity adjustment unit (desorption unit) 80 determine that the contaminating molecules are adsorbed on the metal nanoparticles of the optical device 20, and the contaminating molecules. Is provided to remove

例えば呼気（流体試料）中に含まれるアセトン分子（標的分子）を検出する際、呼気中に同時に含まれるイソプレンなどのＣ＝Ｃ系分子が汚染分子として作用する。Ｃ＝Ｃ系の分子は、金属ナノ粒子の材料であるＡｇなどの貴金属に対して、標的分子よりも比較的よく吸着する。このため、アセトン分子（標的分子）の吸着が妨げられ、アセトン分子を検出できなくなってしまう。 For example, when detecting acetone molecules (target molecules) contained in exhaled air (fluid sample), C═C-based molecules such as isoprene simultaneously contained in exhaled air act as contaminant molecules. C = C-based molecules adsorb relatively well to noble metals such as Ag, which is a material of metal nanoparticles, compared to target molecules. For this reason, adsorption of acetone molecules (target molecules) is hindered, and acetone molecules cannot be detected.

供給部６０から光学デバイス２０に供給される標準分子は、金属ナノ粒子への吸着能力が汚染分子よりも非常に高いものが選択される。例えば、ＣＯＯＨ基、ＳＨ基などの官能基を有する分子は、イソプレンなどのＣ＝Ｃ系分子（汚染分子）よりも金属ナノ粒子の表面に強固に吸着される特性を有する。標準分子が光学デバイス２０に供給されると、吸着能力の高い標準分子は、一旦金属ナノ粒子に吸着された汚染分子を標準分子に置換することができる。 The standard molecule supplied from the supply unit 60 to the optical device 20 is selected so that the adsorption ability to the metal nanoparticles is much higher than the contaminating molecule. For example, a molecule having a functional group such as a COOH group or an SH group has a property of being more strongly adsorbed on the surface of the metal nanoparticle than a C═C molecule (contamination molecule) such as isoprene. When the standard molecule is supplied to the optical device 20, the standard molecule having a high adsorption capability can replace the contaminating molecule once adsorbed on the metal nanoparticle with the standard molecule.

本実施形態では、呼気（流体試料）中のアセトン分子（標的分子）を例えば長期に亘って検出部５０にてモニタリングする際に、汚染分子の信号強度が高まり、あるいはそれに起因して標的分子の信号強度が低下した時に、供給制御部７０の制御により供給部６０から標準分子を光学デバイス２０に供給することができる。その後、標準分子の信号強度が高まり、あるいはそれに起因して汚染分子の信号強度が低下した時に、供給制御部７０の制御により供給部６０から光学デバイス２０への標準分子の供給を停止することができる。その後、脱離部８０により、金属ナノ粒子から標準分子を脱離することで、金属ナノ粒子の表面が汚染分子により汚染されていないフレッシュな状態とすることができる。それにより、金属ナノ粒子に標的分子を吸着させて、標的分子の検出が可能となる。 In this embodiment, when the acetone molecule (target molecule) in the breath (fluid sample) is monitored by the detection unit 50 for a long period of time, for example, the signal intensity of the contaminating molecule is increased, or the target molecule When the signal intensity decreases, the standard molecule can be supplied from the supply unit 60 to the optical device 20 under the control of the supply control unit 70. Thereafter, when the signal intensity of the standard molecule increases or the signal intensity of the contaminating molecule decreases due to this, the supply of the standard molecule from the supply unit 60 to the optical device 20 may be stopped by the control of the supply control unit 70. it can. Thereafter, the standard molecules are desorbed from the metal nanoparticles by the desorbing unit 80, whereby the surface of the metal nanoparticles can be brought into a fresh state that is not contaminated by the contaminating molecules. Accordingly, the target molecule can be detected by adsorbing the target molecule to the metal nanoparticles.

ここで、脱離部８０は金属ナノ粒子に吸着された標準分子に脱離活性化エネルギーを付与するものである。脱離部の一例である光強度調整部８０は光学デバイス２０に入射される光強度を高めることで、標準分子に脱離活性化エネルギーを付与することができる。 Here, the desorption part 80 gives desorption activation energy to the standard molecule adsorbed on the metal nanoparticles. The light intensity adjusting unit 80, which is an example of a desorbing unit, can impart desorption activation energy to the standard molecule by increasing the light intensity incident on the optical device 20.

１．２．光検出の原理と光学デバイスの一例
図２（Ａ）〜図２（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２（Ａ）に示すように、光学デバイス２０に吸着される呼気（流体試料）中の試料分子１に光源３０からの入射光（振動数ν）が照射される。ここで、試料分子１は、標的分子、汚染分子及び標準分子の総称である。試料分子１は一般に、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。 1.2. Principle of Light Detection and Example of Optical Device An explanatory diagram of the principle of detection of Raman scattered light is shown as an example of a light detection principle reflecting a fluid sample using FIGS. 2 (A) to 2 (C). As shown in FIG. 2A, the incident light (frequency ν) from the light source 30 is irradiated to the sample molecules 1 in the breath (fluid sample) adsorbed by the optical device 20. Here, the sample molecule 1 is a general term for a target molecule, a contamination molecule, and a standard molecule. In general, the sample molecule 1 is mostly 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２（Ｂ）は、図１の光学デバイス２０の拡大図である。図２（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。光学デバイス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２（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。 FIG. 2B is an enlarged view of the optical device 20 of FIG. When incident light is incident from the flat surface of the substrate 200 as shown in FIG. 2A, the substrate 200 is made of a material that is transparent to the incident light. The optical device 20 has a plurality of convex portions 210 made of a dielectric as a first structure on the substrate 200. In this embodiment, a resist is formed on a substrate 200 made of glass such as quartz, quartz, borosilicate glass or silicon as a dielectric transparent to incident light, and the resist is, for example, far ultraviolet ( DUV) patterning using photolithography. By etching the substrate 200 with the patterned resist, for example, a plurality of convex portions 210 are two-dimensionally arranged as shown in FIG. In addition, you may form the board | substrate 200 and the convex part 210 with a different material.

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。結果として、光学デバイス２０は、平面視で１〜１０００ｎｍのサイズを有する金属ナノ構造を有することができる。１〜１０００ｎｍのサイズ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。 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. As a result, the optical device 20 can have a metal nanostructure having a size of 1 to 1000 nm in plan view. The metal nanostructure having a size of 1 to 1000 nm means that the upper surface of the substrate 200 is processed so as to have a convex structure (with a substrate material) of the size, and metal fine particles of the size are deposited and sputtered on the substrate. It can also be formed by a method such as fixing by a method such as forming a metal film having an island structure on the substrate.

図２（Ｂ）及び図２（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のサイズ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 FIG. 2B and FIG. 2C, in the region 240 where the incident light is incident on the two-dimensionally patterned 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 electrical conductors such as metal nanoparticles 220 having a size of 1 to 1000 nm smaller than the wavelength of incident light.

図２（Ａ）〜図２（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、その標的分子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高くなる。このような表面増強ラマン散乱では、試料分子１が標的分子のように微量であっても、検出感度を高めることができる。 2A to 2C, 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 target molecule 1 is enhanced by the enhanced electric field 230, and the signal intensity of the Raman scattered light increases. In such surface-enhanced Raman scattering, even if the sample molecule 1 is a very small amount like the target molecule, the detection sensitivity can be increased.

ここで、試料分子１等の「吸着」という現象は、化学吸着を意味し、エネルギー的安定な状態で吸着が維持される。その安定状態から脱離しやすいかし難いかで、吸着能力が低いか高いかが決まる。「脱離」は外力により吸着を解除することを意味する。 Here, the phenomenon of “adsorption” of the sample molecule 1 or the like means chemical adsorption, and the adsorption is maintained in an energetically stable state. Whether the adsorption capacity is low or high is determined depending on whether it is easy or difficult to desorb from the stable state. “Desorption” means releasing adsorption by an external force.

１．３．検出装置の具体的構成
図３は、本実施形態の検出装置の具体的な構成例を示す。図３に示される検出装置１０では、図１に示す光学デバイス２０と、光源３０と、光学系４０と、検出部５０と、標準分子供給部６０と、脱離部である光強度調整部８０と、それらを保持する筐体１００とを示し、制御系である供給制御部７０は示されていない。 1.3. Specific Configuration of Detection Device FIG. 3 shows a specific configuration example of the detection device of the present embodiment. In the detection apparatus 10 illustrated in FIG. 3, the optical device 20, the light source 30, the optical system 40, the detection unit 50, the standard molecule supply unit 60, and the light intensity adjustment unit 80 that is a desorption unit illustrated in FIG. 1. And the housing 100 that holds them, and the supply control unit 70 that is a control system is not shown.

図３において、光源３０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、これに限定されない。 In FIG. 3, the light source 30 is, for example, a laser, and a vertical cavity surface emitting laser can be preferably used from the viewpoint of miniaturization, but is not limited thereto.

光源３０からの光は、光学系４０を構成するコリメーターレンズ４１０により平行光にされる。コリメーターレンズ４１０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３０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。 Light from the light source 30 is collimated by a collimator lens 410 constituting the optical system 40. A polarization control element may be provided downstream of the collimator lens 410 and converted to linearly polarized light. However, if, for example, a surface emitting laser is employed as the light source 30 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４１０により平行光された光は、光強度調整部例えば例えば透過率９５％と透過率２０％のＮＤ（Neutral Density）フィルター８０を通過する。光強度調整部８０は、標準分子を脱離させるときに透過率９５％に設定されて光強度を増強させて、標準分子に脱離活性化エネルギーを付与する。それ以外の時には、光強度調整部８０は透過率２０％に設定される。なお、光強度調整部８０は、光源３０のパワーを制御するものでも良い。 The light collimated by the collimator lens 410 passes through a light intensity adjusting unit, for example, an ND (Neutral Density) filter 80 having a transmittance of 95% and a transmittance of 20%. The light intensity adjusting unit 80 is set to a transmittance of 95% when desorbing the standard molecule, enhances the light intensity, and gives desorption activation energy to the standard molecule. At other times, the light intensity adjusting unit 80 is set to a transmittance of 20%. The light intensity adjusting unit 80 may control the power of the light source 30.

光強度調整部８０を通過した光は、ハーフミラー（ダイクロイックミラー）４２０により光学デバイス２０の方向に導かれ、対物レンズ４３０で集光され、光学デバイス２０に入射される。光学デバイス２０には、図２（Ａ）〜図２（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４３０を通過し、ハーフミラー４２０によって検出部５０の方向に導かれる。 The light that has passed through the light intensity adjusting unit 80 is guided toward the optical device 20 by a half mirror (dichroic mirror) 420, collected by the objective lens 430, and incident on the optical device 20. In the optical device 20, metal nanoparticles 220 shown in FIGS. 2A to 2C 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 430 and are guided toward the detection unit 50 by the half mirror 420.

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４４０で集光されて、検出部５０に入力される。検出部５０では先ず、光フィルター５１０に到達する。光フィルター５１０（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５２０を介して受光素子５３０にて受光される。分光器５２０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５２０を通過する光の波長は、検出される標的分子、汚染分子または標準分子のラマン散乱光の波長に制御（選択）することができる。受光素子５３０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として標的分子、汚染分子または標準分子の信号強度を検出することができる。 Rayleigh scattered light and Raman scattered light from the optical device 20 are collected by the condenser lens 440 and input to the detection unit 50. First, the detection unit 50 reaches the optical filter 510. Raman scattered light is extracted by an optical filter 510 (for example, a notch filter). This Raman scattered light is further received by the light receiving element 530 via the spectroscope 520. The spectroscope 520 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 520 can be controlled (selected) to the wavelength of the Raman scattered light of the target molecule, contaminant molecule or standard molecule to be detected. The light receiving element 530 obtains a Raman spectrum peculiar to the sample molecule 1, and compares the obtained Raman spectrum with previously stored data to detect the signal intensity of the target molecule, the contaminating molecule or the standard molecule as the sample molecule 1. can do.

光源３０、光学系４０及び検出部５０が収容される筐体１００に対して、支点１１２の廻りに矢印Ａ方向に開閉可能のセンサーカバー１１０が設けられている。センサーカバー１１０に設けられる吸引部１２０は、吸引口１２２と排出口１２４の間に誘導部１２６を有する。試料分子１を含む流体試料は、吸引口１２２（搬入口）から誘導部１２６の内部に導入され、排出口１２４から誘導部１２６の外部に排出される。吸引口１２２側に除塵フィルター１３０を設けることができる。 A sensor cover 110 that can be opened and closed in the direction of arrow A is provided around a fulcrum 112 with respect to the housing 100 in which the light source 30, the optical system 40, and the detection unit 50 are accommodated. The suction part 120 provided in the sensor cover 110 has a guide part 126 between the suction port 122 and the discharge port 124. The fluid sample including the sample molecule 1 is introduced into the induction unit 126 from the suction port 122 (carrying-in port), and discharged from the discharge port 124 to the outside of the induction unit 126. A dust removal filter 130 can be provided on the suction port 122 side.

図３では、検出装置１０は、ファンまたはポンプ１４０を排出口１２４付近に有し、ファンまたはポンプ１４０を作動させると、誘導部１２６の吸引流路１２６Ａ、光学デバイス２０付近の流路１２６Ｂ及び排出流路１２６Ｃ内の圧力（気圧）が低下する。これにより、流体試料が誘導部１２６に吸引される。流体試料は、吸引流路１２６Ａを通り、光学デバイス２０付近の流路１２６Ｂを経由して排出流路１２６Ｃ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。試料を吸引及び排出する経路１２６Ａ〜１２６Ｃは、外部からの光が光デバイス２０に入らないように、且つ、流体試料に対する流体抵抗が小さくなる構造となっている。 In FIG. 3, the detection apparatus 10 has a fan or pump 140 in the vicinity of the discharge port 124, and when the fan or pump 140 is operated, the suction flow path 126 </ b> A of the guiding portion 126, the flow path 126 </ b> B near the optical device 20, and the discharge. The pressure (atmospheric pressure) in the flow path 126C decreases. As a result, the fluid sample is sucked into the guiding portion 126. The fluid sample passes through the suction channel 126A and is discharged from the discharge channel 126C via the channel 126B in the vicinity of 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. The paths 126A to 126C for sucking and discharging the sample have a structure in which light from the outside does not enter the optical device 20 and fluid resistance to the fluid sample is reduced.

標準分子供給部６０は、例えば標準分子を液体で格納する格納庫であり、センサーカバー１１０内に配置される。本実施形態では、標準分子としてＳＨ基を有するヘキサデカンチオール（ＣＨ_３−（ＣＨ_２）_１５−ＳＨ、以下ＨＤＴと記す）を用いている。標準分子格納庫６０には、揮発したＨＤＴ分子が飽和蒸気圧（室温でおよそ１００ｐｐｍ）で存在している。標準分子格納庫６０は、誘導部１２６に臨んで配置される格納庫開閉シャッター６２を有する。格納庫開閉シャッター６２が開くことでＨＤＴ分子の蒸気が光学デバイス２０に供給され、格納庫開閉シャッター６２が閉じることでＨＤＴ分子の供給が停止される。 The standard molecule supply unit 60 is a hangar that stores standard molecules as a liquid, for example, and is disposed in the sensor cover 110. In this embodiment, hexadecanthiol (CH ₃ — (CH ₂ ) ₁₅ —SH, hereinafter referred to as HDT) having an SH group is used as a standard molecule. In the standard molecule storage 60, volatilized HDT molecules are present at a saturated vapor pressure (approximately 100 ppm at room temperature). The standard molecule hangar 60 has a hangar opening / closing shutter 62 arranged facing the guiding portion 126. When the hangar opening / closing shutter 62 is opened, the vapor of HDT molecules is supplied to the optical device 20, and when the hangar opening / closing shutter 62 is closed, the supply of HDT molecules is stopped.

２．検出方法
本実施形態の検出方法を図４に示す。本実施形態の検出方法では、図４の横軸に示す時間軸に沿って、第１モード（標的分子／汚染分子の検出モード）と、第２モード（標準分子の供給モード）と、第３モード（標準分子の脱離モード）とがその順番で繰り返される。図４の縦軸は光強度（ｍＷ）を示し、光強度調整部８０にて第１の光強度Ｌ１と第２の光強度Ｌ２とに切り換えられている。第１，第２モードでは第１の光強度Ｌ１に設定され、第３モード（標準分子の脱離モード）では第２の光強度Ｌ２に設定される。 2. Detection Method FIG. 4 shows the detection method of this embodiment. In the detection method of the present embodiment, the first mode (target molecule / contaminant molecule detection mode), the second mode (standard molecule supply mode), the third mode along the time axis shown on the horizontal axis of FIG. The mode (desorption mode of the standard molecule) is repeated in that order. The vertical axis in FIG. 4 indicates the light intensity (mW), and the light intensity adjusting unit 80 switches between the first light intensity L1 and the second light intensity L2. In the first and second modes, the first light intensity L1 is set, and in the third mode (standard molecule desorption mode), the second light intensity L2 is set.

２．１．第１モード（標的分子／汚染分子の検出モード）
図４の時刻０から開始される第１モードでは、光学デバイス２０に流体試料が吸引され、光源３０からの波長６３２ｎｍの光が、透過率２０％に設定された光強度調整部８０を通過することで、光学デバイス２０に例えば第１の光強度Ｌ１＝１ｍＷにて照射される。光学デバイス２０では、金属ナノ粒子２２０に吸着された試料分子１に由来の波長のラマン散乱光が増強される。検出部５０では、試料分子１のラマン散乱光の信号強度が検出される。このとき、分光器５２０にて標的分子（アセトン分子の）のラマン散乱光の波長（ラマンシフトで例えば７８７ｃｍ^−１）が選択されると、標的分子のラマン散乱光の信号強度をモニタリングすることができる。 2.1. First mode (target molecule / contamination molecule detection mode)
In the first mode starting from time 0 in FIG. 4, the fluid sample is sucked into the optical device 20, and light having a wavelength of 632 nm from the light source 30 passes through the light intensity adjusting unit 80 set to 20% transmittance. Thus, the optical device 20 is irradiated with, for example, the first light intensity L1 = 1 mW. In the optical device 20, Raman scattered light having a wavelength derived from the sample molecule 1 adsorbed on the metal nanoparticle 220 is enhanced. In the detection unit 50, the signal intensity of the Raman scattered light of the sample molecule 1 is detected. At this time, when the wavelength of the Raman scattered light of the target molecule (of the acetone molecule) is selected by the spectroscope 520 (for example, 787 cm ^{−1 in} Raman shift), the signal intensity of the Raman scattered light of the target molecule can be monitored. it can.

ここで、流体試料である例えば呼気中に含まれるアセトン分子を標的分子として検出する際、呼気中に同時に含まれるイソプレンなどのＣ＝Ｃ系分子が汚染分子として作用する。Ｃ＝Ｃ系の分子は金属ナノ粒子２２０の材料であるＡｇなどの貴金属に比較的よく吸着するため、標的分子であるアセトンは吸着が妨げられ検出できなくなってしまう。イソプレンは、図５に示すように１６００ｃｍ^−１に鋭いＣ＝Ｃ振動を由来としたＳＥＲＳ信号を与える。なお、図５に示すデータは、波長は６３２ｎｍ、光源の光強度をＬ１＝１ｍＷ、露光時間１０ｓｅｃで照射して測定された。このように、汚染分子であるイソプレンは、標的分子であるアセトン分子の波長とは異なる１６００ｃｍ^−１にて特徴的な強い信号を有する。汚染分子が金属ナノ粒子２２０の表面に吸着していると、測りたい標的分子であるアセトン分子の吸着を阻害し、感度低下を引き起こす。そのため、金属ナノ粒子２２０の表面を洗浄する必要がある。ここで、分光器５２０にてイソプレンのラマン散乱光の波長（１６００ｃｍ^−１）が選択されると、イソプレンのラマン散乱光の信号強度をモニタリングすることができる。 Here, when detecting, for example, acetone molecules contained in a breath sample, which is a fluid sample, as target molecules, C═C-based molecules such as isoprene simultaneously contained in the breath act as contaminant molecules. Since the C = C-based molecule adsorbs relatively well to a noble metal such as Ag which is a material of the metal nanoparticle 220, the target molecule acetone is prevented from being adsorbed and cannot be detected. Isoprene gives a SERS signal derived from a sharp C = C vibration at 1600 cm ⁻¹ as shown in FIG. The data shown in FIG. 5 was measured by irradiating with a wavelength of 632 nm, a light intensity of the light source of L1 = 1 mW, and an exposure time of 10 sec. Thus, the isoprene that is a contaminating molecule has a characteristic strong signal at 1600 cm ^−1, which is different from the wavelength of the acetone molecule that is the target molecule. When the contaminating molecule is adsorbed on the surface of the metal nanoparticle 220, the adsorption of the acetone molecule, which is the target molecule to be measured, is inhibited and the sensitivity is lowered. Therefore, it is necessary to clean the surface of the metal nanoparticles 220. Here, when the wavelength (1600 cm ⁻¹ ) of the isoprene Raman scattered light is selected by the spectroscope 520, the signal intensity of the isoprene Raman scattered light can be monitored.

第１モードにて比較的長期に亘ってモニタリングされた後の図４の時刻Ｔ１以降では、標的分子よりも金属ナノ粒子２２０に対する吸着能力が高い汚染分子が、金属ナノ粒子２２０にて支配的に吸着されるようになる。図６の曲線Iｄは、時刻Ｔ１以降での汚染分子のＳＥＲＳ信号強度が増大している様子を模式的に示している。汚染分子のＳＥＲＳ信号強度が増大することで、図６の曲線Iｔに模式的に示すように標的分子のＳＥＲＳ信号強度は低下する。 After time T1 in FIG. 4 after being monitored for a relatively long period in the first mode, contaminating molecules having a higher adsorption ability to the metal nanoparticles 220 than the target molecules are dominant in the metal nanoparticles 220. It becomes adsorbed. A curve Id in FIG. 6 schematically shows an increase in the SERS signal intensity of the contaminating molecules after time T1. As the SERS signal intensity of the contaminating molecule increases, the SERS signal intensity of the target molecule decreases as schematically shown by the curve It in FIG.

例えば、供給制御部７０は、１６００ｃｍ^−１の汚染分子の第１信号強度Ｉ１Ａ（図６）として例えば１５００カウントに設定する。汚染分子の測定開始時刻Ｔ１から徐々に汚染分子の信号強度Ｉｄが上昇し、時刻Ｔ２に第１の信号強度Ｉ１Ａを超える。こうして、供給制御部７０は、金属ナノ粒子２２０の汚染度を判定して、第１モードを終了させることができる。 For example, the supply control unit 70 sets, for example, 1500 counts as the first signal intensity I1A (FIG. 6) of the contaminating molecule of 1600 cm ⁻¹ . The signal intensity Id of the contaminating molecule gradually increases from the measurement start time T1 of the contaminating molecule, and exceeds the first signal intensity I1A at the time T2. Thus, the supply control unit 70 can determine the degree of contamination of the metal nanoparticles 220 and end the first mode.

あるいは、供給制御部７０は、標的分子の第１信号強度Ｉ１Ｂ（図６）を設定する。標的分子の測定開始時刻Ｔ１から徐々に標的分子の信号強度Ｉｔが減少し、時刻Ｔ２に第１の信号強度Ｉ１Ｂを下回る。こうして、供給制御部７０は、金属ナノ粒子２２０の汚染度を判定して、第１モードを終了させることができる。 Alternatively, the supply control unit 70 sets the first signal intensity I1B (FIG. 6) of the target molecule. The signal intensity It of the target molecule gradually decreases from the measurement start time T1 of the target molecule, and falls below the first signal intensity I1B at time T2. Thus, the supply control unit 70 can determine the degree of contamination of the metal nanoparticles 220 and end the first mode.

あるいは、供給制御部７０は、時間軸で切り換えて計測される汚染分子と標的分子の信号強度の比率（Ｉｔ／ＴｄまたはＩｄ／Ｉｔ）を予め設定された第１の信号強度と比較して、金属ナノ粒子２２０の汚染度を判定して、第１モードを終了させても良い。 Alternatively, the supply control unit 70 compares the ratio (It / Td or Id / It) of the signal intensity between the contaminating molecule and the target molecule, which are measured by switching on the time axis, with the first signal intensity set in advance, The degree of contamination of the metal nanoparticles 220 may be determined to end the first mode.

２．２．第２モード（標準分子の供給モード）
イソプレンのようなＣ＝Ｃ系を有する分子は一般的に光重合しやすく、強い光を照射するとその分子同士が重合反応を起こし、結果的に大きな分子となって金属ナノ粒子表面に固着してしまう。そのため、標準分子（例えばＨＤＴ分子）を用いて置換脱離させる必要がある。 2.2. Second mode (standard molecule supply mode)
Molecules having a C═C system such as isoprene are generally easily photopolymerized, and when irradiated with strong light, the molecules undergo a polymerization reaction, resulting in large molecules adhering to the surface of the metal nanoparticles. End up. Therefore, it is necessary to perform displacement elimination using a standard molecule (for example, HDT molecule).

図４に示す第１モード終了後の第２モードでは、供給制御部７０により図３の格納庫開閉シャッター６２が開放駆動されて、標準分子格納庫６０から標準分子（ＨＤＴ分子）が供給される。光学デバイス２０にＨＤＴ分子を曝露したスペクトル経過を図７に示す。図７に示すＨＤＴ分子の信号強度Ｉｓ０，Ｉｓ１，Ｉｓ２，Ｉｓ３，Ｉｓ４は、ＨＤＴ分子の供給開始時刻Ｔ２からの経過時間が、それぞれ０秒、３０秒、１分、２分、５分のときの信号強度である。ラマンシフトが６３５ｃｍ^−１にある特徴的なピークは、ＨＤＴ分子由来のピークである。 In the second mode after the end of the first mode shown in FIG. 4, the supply controller 70 opens and opens the hangar opening / closing shutter 62 in FIG. 3, and the standard molecule (HDT molecule) is supplied from the standard molecule hangar 60. FIG. 7 shows the spectrum of the optical device 20 exposed to HDT molecules. The signal strengths Is0, Is1, Is2, Is3, and Is4 of the HDT molecule shown in FIG. 7 are obtained when the elapsed time from the supply start time T2 of the HDT molecule is 0 seconds, 30 seconds, 1 minute, 2 minutes, and 5 minutes, respectively. Signal strength. The characteristic peak with a Raman shift at 635 cm ⁻¹ is a peak derived from the HDT molecule.

図８にＨＤＴ分子由来の６３５ｃｍ^−１のピーク信号強度Ｉｓと、イソプレン分子由来の１６００ｃｍ^−１のピーク信号強度Ｉｄの時間推移を示す。ＨＤＴ分子の信号強度Ｉｓが時間とともに増加している一方で、汚染分子の信号強度Ｉｄは減衰していることがわかる。すなわち、ＨＤＴ分子が汚染分子を引き剥がし、汚染分子がＨＤＴ分子に置換されてＨＤＴ分子が支配的に吸着されることが分かる。 FIG. 8 shows time transitions of the peak signal intensity Is of 635 cm ⁻¹ derived from HDT molecules and the peak signal intensity Id of 1600 cm ⁻¹ derived from isoprene molecules. It can be seen that the signal intensity Is of the HDT molecule increases with time, while the signal intensity Id of the contaminating molecule is attenuated. That is, it can be seen that the HDT molecule peels off the contaminating molecule, the contaminating molecule is replaced with the HDT molecule, and the HDT molecule is adsorbed predominantly.

図８に示すように、供給制御部７０は、時刻Ｔ３(時刻Ｔ２から例えば５分後)に１６００ｃｍ^−１の汚染分子の信号強度Ｉｄが例えば第２信号強度Ｉ２Ａ＝５０カウントを下回ると、図３の格納庫開閉シャッター６２を閉じて、標準分子ＨＤＴの供給を停止制御することができる。それにより、第２モードを終了させることができる。 As shown in FIG. 8, when the signal intensity Id of the contaminating molecule at 1600 cm ⁻¹ falls below, for example, the second signal intensity I2A = 50 counts at time T3 (for example, 5 minutes after time T2), the supply control unit 70 3, the hangar opening / closing shutter 62 can be closed to stop the supply of the standard molecule HDT. Thereby, the second mode can be terminated.

あるいは、供給制御部７０は、図８に示すように標準分子（ＨＤＴ分子）の第２信号強度Ｉ２Ｂを設定する。標準分子の測定開始時刻Ｔ２から徐々に標準分子の信号強度Ｉｓが増加し、時刻Ｔ３に第２の信号強度Ｉ２Ｂを超える。こうして、供給制御部７０は、第２モードを終了させることができる。 Alternatively, the supply control unit 70 sets the second signal intensity I2B of the standard molecule (HDT molecule) as shown in FIG. The signal intensity Is of the standard molecule gradually increases from the measurement start time T2 of the standard molecule, and exceeds the second signal intensity I2B at time T3. Thus, the supply controller 70 can end the second mode.

２．３．第３モード（標準分子の脱離モード）
図４に示す第３モードでは、光強度調整部８０によって、光強度が第１の光強度Ｌ１から第２の光強度Ｌ２に増加される。例えば第２の光強度Ｌ２は５ｍＷとすることができる。図４の時刻Ｔ３に光強度が１の光強度Ｌ１から第２の光強度Ｌ２に切り替わるとすぐに、図９に示すようにＨＤＴ分子の信号強度Ｉｓが低下していく。つまり光脱離が生ずる。光照射によって金属ナノ粒子２２０では局在表面プラズモン共鳴（ＬＳＰＲ）が励起され、その自由電子の集団励起によるジュール熱がＨＤＴ分子の脱離に起因していると考えられる。 2.3. Third mode (standard molecule desorption mode)
In the third mode shown in FIG. 4, the light intensity adjustment unit 80 increases the light intensity from the first light intensity L1 to the second light intensity L2. For example, the second light intensity L2 can be 5 mW. As soon as the light intensity L1 is switched from the first light intensity L1 to the second light intensity L2 at time T3 in FIG. 4, the signal intensity Is of the HDT molecule decreases as shown in FIG. That is, photodetachment occurs. It is considered that localized surface plasmon resonance (LSPR) is excited in the metal nanoparticles 220 by light irradiation, and Joule heat due to collective excitation of free electrons is caused by desorption of HDT molecules.

例えば、図９に示す第３の信号強度Ｉ３を５０カウントとする。ＨＤＴ分子の信号強度Ｉｓが時刻Ｔ４（時刻Ｔ３から例えば２分後）に第３の信号強度Ｉ３に到達すると、光強度調整部８０によって、第２の光強度Ｌ２（５ｍＷ）から第１の光強度Ｌ１（１ｍＷ）へと減光される。それにより、第３モードが終了され、第１モードに切り替えられる。第１モードへの切り替え後には、光学デバイス２０では図５で示した汚染分子（イソプレン）の信号は確認されず、金属ナノ粒子２２０の表面がリフレッシュされている。従って、標的分子であるアセトン分子の検出を再開することが可能となる。 For example, the third signal intensity I3 shown in FIG. When the signal intensity Is of the HDT molecule reaches the third signal intensity I3 at time T4 (for example, 2 minutes after time T3), the light intensity adjustment unit 80 causes the first light from the second light intensity L2 (5 mW). It is dimmed to an intensity L1 (1 mW). Thereby, the third mode is ended and switched to the first mode. After switching to the first mode, the signal of the contaminating molecule (isoprene) shown in FIG. 5 is not confirmed in the optical device 20, and the surface of the metal nanoparticle 220 is refreshed. Therefore, it is possible to resume detection of acetone molecules as target molecules.

３．標的分子が金属ナノ粒子より脱離するのに必要な脱離活性化エネルギーＥｄ
金属ナノ粒子２２０には、エネルギー的安定な状態で分子の吸着が維持される。その安定状態から脱離しやすいかし難いかで、吸着能力が低いか高いかが決まる。図１０に示すように、吸着状態から脱離に至るまでの脱離活性化エネルギーＥｄが大きいと吸着能力が高く、脱離活性化エネルギーＥｄが低いと吸着能力は低い。脱離現象の速度論的考察によると、脱離速度は次のＷｉｇｎｅｒ−Ｐｏｌａｎｙｉ型の速度式（１）で記述される。 3. Desorption activation energy Ed required for the target molecule to desorb from the metal nanoparticles
The metal nanoparticles 220 maintain molecular adsorption in an energetically stable state. Whether the adsorption capacity is low or high is determined depending on whether it is easy or difficult to desorb from the stable state. As shown in FIG. 10, when the desorption activation energy Ed from the adsorption state to desorption is large, the adsorption capability is high, and when the desorption activation energy Ed is low, the adsorption capability is low. According to the kinetic consideration of the desorption phenomenon, the desorption rate is described by the following Wigner-Polanii type velocity equation (1).

ここで、θは被覆率、νｎは反応次数ｎのときの前指数因子、Ｅｄは脱離活性化エネルギー、Ｔは絶対温度、Ｒは気体定数、ｔは時間である。被覆率θを時間ｔで微分した式（１）の左辺は被覆速度を示す。反応次数について、空きサイト１つを利用して吸着するものが１次、酸化現象のように酸素分子が２つの酸素原子に解離して吸着するような、空きサイト２つを利用して吸着するものが２次となる。有機分子は金属に対して１次吸着するものが多く、ここでは１次のみを考える。式（１）をｎ＝１で解き、脱離残量σ（ｔ）を用いて表すと、式（２）になる。下記式（２）中のＣは気体吸着量、θ_０は初期被覆率である。 Here, θ is the coverage, νn is a pre-exponential factor when the reaction order is n, Ed is the desorption activation energy, T is the absolute temperature, R is the gas constant, and t is the time. The left side of the equation (1) obtained by differentiating the coverage θ with respect to time t indicates the coating speed. As for the reaction order, one adsorbing using one empty site is primary, and adsorbing using two empty sites where oxygen molecules dissociate and adsorb into two oxygen atoms as in the oxidation phenomenon. Things become secondary. Many organic molecules adsorb primarily on metals, and only the primary is considered here. When equation (1) is solved with n = 1 and expressed using desorption residual amount σ (t), equation (2) is obtained. In the following formula (2), C is the gas adsorption amount, and θ ₀ is the initial coverage.

気体定数Ｒは、アボガドロ数をＮＡとし、ボルツマン定数をｋｂとし、絶対温度Ｔの単位をＫ（ケルビン）とすると、Ｒ＝ＮＡ×ｋｂ＝８．３１４（Ｊ／ｍｏｌ・Ｋ）と一定値である。前指数因子ν1は吸着分子と吸着材によって変わるが、一般的には１０^１３〜１０^１４である。そこで、前指数因子ν１＝１０^１３、絶対温度Ｔ＝３００Ｋとして、上記式から被覆率θ（ｔ）（＝脱離残量／初期吸着量）と脱離活性化エネルギー（ｋＪ／ｍｏｌ）との関係を求めると、図１１に示すようになる。脱離活性化エネルギーＥｄが大きいほど、被覆率θ（ｔ）は大きくなることが分かる。つまり、標準分子の脱離活性化エネルギーＥｄが大きいほど（吸着能力が高いほど）、標準分子が金属ナノ粒子２２０に吸着し続け、金属表面への被覆率が高まることが分かる。 The gas constant R is a constant value of R = NA × kb = 8.314 (J / mol · K), where the Avogadro number is NA, the Boltzmann constant is kb, and the unit of the absolute temperature T is K (Kelvin). is there. The pre-exponential factor ν1 varies depending on adsorbed molecules and adsorbents, but is generally 10 ¹³ to 10 ¹⁴ . Therefore, assuming that the pre-exponential factor ν1 = 10 ¹³ and the absolute temperature T = 300K, the coverage θ (t) (= remaining desorption / initial adsorption amount) and desorption activation energy (kJ / mol) The relationship is as shown in FIG. It can be seen that the coverage θ (t) increases as the desorption activation energy Ed increases. That is, it can be seen that the higher the desorption activation energy Ed of the standard molecule (the higher the adsorption capacity), the more the standard molecule continues to be adsorbed on the metal nanoparticles 220 and the higher the coverage on the metal surface.

脱離活性化エネルギーＥｄを実測で求める方法としては、最も代表的なものでは水晶マイクロ天秤（ＱＣＭ：Quartz Crystal Microbalance）によるものがある。ＱＣＭは圧電ウエハと計測部から構成される。圧電ウエハは、２つの表面に配置された金属電極を有する水晶振動子を基板として用いた。水晶振動子の発振は、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る。共鳴周波数は、表面電極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Δｍ、Ｆ_０を基本周波数、Ａを電極面積、μqを水晶のせん断応力、ρqを水晶の密度とすると、周波数変化量ΔＦは、次の式（３）で表される。 As a method for obtaining the desorption activation energy Ed by actual measurement, the most typical one is by a quartz microbalance (QCM). The QCM is composed of a piezoelectric wafer and a measurement unit. As the piezoelectric wafer, a crystal unit having metal electrodes arranged on two surfaces was used as a substrate. The oscillation of the crystal resonator is excited by mechanical resonance by an alternating electric field due to the inverse piezoelectric effect. The resonance frequency changes according to the mass of the molecule adsorbed on the surface electrode. According to Sauerbrey's equation, if the mass variation Δm, F ₀ is the fundamental frequency, A is the electrode area, μq is the shear stress of the crystal, and ρq is the density of the crystal, the frequency variation ΔF is given by the following equation (3): expressed.

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。水晶ＡＴ板２７ＭＨｚの基準振動数で１Ｈｚの振動変動を検知した場合、１７．７ｎｇ／ｃｍ^２の質量変動を検知できることになる。Ａｇ電極を有したＱＣＭチップに例えばアセトン蒸気を５分以上の十分な時間で曝露させ、アセトン蒸気曝露をすばやく停止させる。すると図１２のような曲線が得られる。図１２の曲線には、Ａｇ電極に吸着した第１層のアセトンとその上に多層吸着したアセトンが含まれている。知りたいのはＡｇに直接吸着している第１層のアセトンの脱離活性化エネルギーＥｄであるので、図１２から多層吸着分の寄与を除く必要がある。多層吸着の脱離特性は式（１）の反応次数ｎ＝０に相当する。式（１）にｎ＝０を代入して解くと、式（４）となる。 The resonance frequency decreases when the mass increases and increases when the mass decreases. When a vibration fluctuation of 1 Hz is detected at the reference frequency of the quartz AT plate 27 MHz, a mass fluctuation of 17.7 ng / cm ² can be detected. For example, acetone vapor is exposed to a QCM chip having an Ag electrode for a sufficient time of, for example, 5 minutes or more, and acetone vapor exposure is quickly stopped. Then, a curve as shown in FIG. 12 is obtained. The curve in FIG. 12 includes the first layer of acetone adsorbed on the Ag electrode and the multilayer adsorbed acetone thereon. What we want to know is the desorption activation energy Ed of the first layer of acetone adsorbed directly on Ag, so it is necessary to remove the contribution of multilayer adsorption from FIG. The desorption characteristics of multilayer adsorption correspond to the reaction order n = 0 in the equation (1). When solving by substituting n = 0 into equation (1), equation (4) is obtained.

つまり多層吸着分子の脱離特性は１次関数で与えられ、第１層吸着の式（２）の指数関数とは区別できることがわかる。よって図１２の脱離特性から１次関数挙動部分を除き、指数関数部分のみを抽出することで、第１層吸着の脱離特性を知ることができる。式（３）を用いて周波数変化ΔＦから被覆率θに下記の式（５）を用いて変換する。 That is, it can be seen that the desorption characteristics of the multilayer adsorbed molecules are given by a linear function and can be distinguished from the exponential function of the first layer adsorption equation (2). Accordingly, the desorption characteristic of the first layer adsorption can be known by removing only the exponential function part from the desorption characteristic of FIG. 12 and extracting only the exponential function part. Using the equation (3), the frequency change ΔF is converted into the coverage θ using the following equation (5).

図１３に示しているように、Ｆ_ｍｉｎは破線で示す一次関数から指数関数曲線になり始めるときの周波数を、Ｆ_Ｍａｘは脱離し終えて平衡状態になったときの周波数を表す。式（５）で変換したアセトンのＡｇ表面からの脱離特性は、図１４の実線曲線ようになる。図１４の縦軸は脱離率で１−被覆率θ（ｔ）を表す。この曲線に式（２）を、脱離活性化エネルギーＥｄを変数としてフィッティングさせることで、脱離活性化エネルギーＥｄを求めることができる。ν１＝１０^１３、温度Ｔ＝２９３Ｋとしてフィッティングさせると、Ｅｄ＝６８．２ｋＪ／ｍｏｌとなる。フィッティングさせた曲線を図１４の点線で示した。 As shown in FIG. 13, F _min represents the frequency at which the linear function indicated by the broken line starts to become an exponential function curve, and F _Max represents the frequency at which the desorption is completed and the equilibrium state is reached. The desorption characteristic of acetone converted from the formula (5) from the Ag surface is as shown by a solid curve in FIG. The vertical axis | shaft of FIG. 14 represents 1-coverage (theta) (t) by a desorption rate. By fitting equation (2) to this curve using the desorption activation energy Ed as a variable, the desorption activation energy Ed can be obtained. When fitting with ν1 = 10 ¹³ and temperature T = 293 K, Ed = 68.2 kJ / mol. The fitted curve is shown by a dotted line in FIG.

汚染分子であるイソプレン、標準分子であるＨＤＴのＡｇ表面に対する脱離活性化エネルギーＥｄを上記のようにして求める。まず、ＱＣＭによって測定したイソプレン、ＨＤＴのＡｇに対する脱離特性を図１５に示す。この特性から、ν１＝１０^１３としたときのそれぞれの脱離活性化エネルギーＥｄは、イソプレンが７９．７５ｋＪ／ｍｏｌ、ＨＤＴが８３．５ｋＪ／ｍｏｌであった。したがって、ＨＤＴはイソプレンより吸着能力が高いことを表している。 The desorption activation energy Ed for the contaminated molecule isoprene and the standard molecule HDT Ag surface is determined as described above. First, the desorption characteristics of isoprene and HDT with respect to Ag measured by QCM are shown in FIG. From these characteristics, the respective desorption activation energies Ed when ν1 = 10 ¹³ were 79.75 kJ / mol for isoprene and 83.5 kJ / mol for HDT. Therefore, HDT represents a higher adsorption capacity than isoprene.

上記式（４）に絶対温度Ｔがパラメーターとして存在することから、温度が変われば被覆率θは変化する。例えば、上記式（４）にて前指数因子ν１＝１０^１３、脱離活性化エネルギーＥｄ＝８３．５ｋＪ／ｍｏｌとしたとき、絶対温度Ｔが２７３Ｋと、２９３Ｋと、３５０Ｋとの３種類について脱離率を求めると、図１６に示すようになる。 Since the absolute temperature T exists as a parameter in the above equation (4), the coverage θ changes as the temperature changes. For example, when the pre-exponential factor ν1 = 10 ¹³ and the desorption activation energy Ed = 83.5 kJ / mol in the above formula (4), the absolute temperature T is desorbed for three types: 273K, 293K, and 350K. FIG. 16 shows the separation rate.

そこで、式（２）において温度を含むＥｄ／ＲＴをパラメーター値として扱うと、吸着能力（被覆率または脱離率）を数値化することができる。ここで、パラメーター値Ｅｄ／ＲＴに絶対温度Ｔ＝３００Ｋ及び脱離活性化エネルギーＥｄ＝８３．５ｋＪ／ｍｏｌを代入すると、Ｅｄ／ＲＴ＝３３．５となる。 Accordingly, if Ed / RT including temperature is treated as a parameter value in Equation (2), the adsorption capacity (coverage or desorption rate) can be quantified. Here, when the absolute temperature T = 300 K and the desorption activation energy Ed = 83.5 kJ / mol are substituted for the parameter value Ed / RT, Ed / RT = 33.5.

標準分子となりうるＥｄ値は汚染分子イソプレンよりも大きな値を有することが必須となる。ν１を１０^１３としたとき、３００Ｋでイソプレンの脱離活性化エネルギーＥｄ＝７９．７５ｋＪ／ｍｏｌとなる。よって、イソプレンについてＥｄ／ＲＴ＝３１．９であることから、標準分子についてはＥｄ／ＲＴ≧３２．０が必須となる。また、脱離活性化エネルギーＥｄが大きすぎると光照射で脱離しにくくなる。事実、Ｅｄ＝８５ｋＪ／ｍｏｌの安息香酸は６３２ｎｍ励起、５ｍＷでも光脱離しないことを確認している。このときのＥｄ／ＲＴ＝３４．０８である。よって十分光脱離できる標準分子のＥｄ値の上限を、Ｅｄ＝８４．２５ｋＪ／ｍｏｌとする。このときＥｄ／ＲＴ＝３３．７８であり、上限をＥｄ／ＲＴ≦３３．７とすることができる。つまり、３２．０≦Ｅｄ／ＲＴ≦３３．７の不等式を満たすことで、汚染分子よりもＡｇに対する吸着能力が高く、しかも脱離しやすい標準分子を選択することができる。 It is essential that the Ed value that can be a standard molecule has a value larger than that of the contaminating molecule isoprene. when ν1 was a ^{10 13,} the desorption activation energy Ed = 79.75kJ / mol of isoprene at 300K. Therefore, since Ed / RT = 31.9 for isoprene, Ed / RT ≧ 32.0 is essential for the standard molecule. On the other hand, if the desorption activation energy Ed is too large, it becomes difficult to desorb by light irradiation. In fact, it has been confirmed that benzoic acid with Ed = 85 kJ / mol does not undergo photodetachment even at 632 nm excitation and 5 mW. At this time, Ed / RT = 34.08. Therefore, the upper limit of the Ed value of a standard molecule that can be sufficiently photodetached is set to Ed = 84.25 kJ / mol. At this time, Ed / RT = 33.78, and the upper limit can be set to Ed / RT ≦ 33.7. That is, by satisfying the inequality of 32.0 ≦ Ed / RT ≦ 33.7, it is possible to select a standard molecule that has a higher adsorption ability to Ag than a contaminating molecule and is easily desorbed.

ここで、ν１を１０^１３に固定して脱離活性化エネルギーＥｄ値を算出していたが、本来ν１は基板表面と吸着分子によって決定される係数である。ν１は例えば昇温脱離分光特性によるアレニウスプロットによって求めることができる。たとえば文献「ベーシック表面化学Ｐ．１０１表６．６化学同人社出版」に実験的に求められたν１が記載されている。また、例えば図１５のようなＱＣＭで得られた実測の脱離カーブに式（２）をフィッティングさせる場合、解として、ある１つのν１につき１つのＥｄ／ＲＴが決定される。すなわち（ν１、Ｅｄ／ＲＴ）というν１とＥｄ／ＲＴを組合せた表現で決定される。いま、ν１を１０^１２から１０^１４まで変えて、ν１＝１０^１３のときの標準分子の必要吸着能力として、３２．０≦Ｅｄ／ＲＴ≦３３．７を代入した式（４）の曲線で、解（ν１、Ｅｄ／ＲＴ）の組合せを調べてみると、図１７のようになる。すなわち、図１７に示す２つのｙ式の第１項の係数（傾き）はほぼ１とみなすことができるので、
下限；Ｅｄ／ＲＴ＝ｌｎ［ν１］＋２．２
上限；Ｅｄ／ＲＴ＝ｌｎ［ν１］＋３．８
と、直線で表現できる。標準分子の満たすべき脱離活性化エネルギーＥｄを実験的に求めたν１に対応した、ｌｎ[ν１]＋２．２≦Ｅｄ／ＲＴ≦ｌｎ［ν１］＋３．８として表現することができる。この不等式を満たすことで、汚染分子よりもＡｇに対する吸着能力が高く、しかも脱離しやすい標準分子を、さらに分子間で光重合反応が起き難いという条件を追加することで選択することができる。 Here, ν1 is fixed at 10 ¹³ and the desorption activation energy Ed value is calculated, but ν1 is originally a coefficient determined by the substrate surface and adsorbed molecules. ν1 can be obtained by, for example, an Arrhenius plot based on temperature programmed desorption spectral characteristics. For example, ν1 obtained experimentally is described in the document “Basic Surface Chemistry P.101 Table 6.6 Chemical Doujinsha Publishing”. Further, for example, when the equation (2) is fitted to an actually measured desorption curve obtained by the QCM as shown in FIG. 15, one Ed / RT is determined for one certain ν1 as a solution. That is, it is determined by an expression (ν1, Ed / RT) that combines ν1 and Ed / RT. Now, by changing ν1 from 10 ¹² to 10 ¹⁴ and substituting 32.0 ≦ Ed / RT ≦ 33.7 as the necessary adsorption capacity of the standard molecule when ν1 = 10 ¹³ , When the combination of solutions (ν1, Ed / RT) is examined, it is as shown in FIG. That is, since the coefficient (slope) of the first term of the two y-expressions shown in FIG.
Lower limit: Ed / RT = ln [ν1] +2.2
Upper limit: Ed / RT = ln [ν1] +3.8
And can be expressed as a straight line. The desorption activation energy Ed to be satisfied by the standard molecule can be expressed as ln [ν1] + 2.2 ≦ Ed / RT ≦ ln [ν1] +3.8 corresponding to ν1 obtained experimentally. By satisfying this inequality, it is possible to select a standard molecule that has a higher adsorption ability to Ag than a contaminating molecule and that is easily desorbed by adding a condition that a photopolymerization reaction does not easily occur between molecules.

また、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、検出装置等の構成及び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。例えば、本発明はＳＥＲＳ分析のみならず、極微量物質分析におけるセンサー基板の洗浄に幅広く適用可能である。 In addition, it will be readily understood by those skilled in the art that many modifications can be made without substantially departing from the novel matters and effects of the present invention. Accordingly, all such modifications are intended to be included in the scope of the present invention. For example, a term described with a different term having a broader meaning or the same meaning at least once in the specification or the drawings can be replaced with the different term in any part of the specification or the drawings. Further, the configurations and operations of the optical device, the detection apparatus, and the like are not limited to those described in this embodiment, and various modifications can be made. For example, the present invention can be widely applied not only to SERS analysis but also to cleaning of a sensor substrate in trace substance analysis.

また、上述の実施形態では標準分子としてＨＤＴ分子を用いたが、例えばＡｇに対しては、ＣＯＯＨ基を有する酢酸（ＣＨ_３ＣＯＯＨ）、ＳＨ基を有する例えばオクタンチオール（ＣＨ_３−（ＣＨ_２）_７−ＳＨ）、プロパンチオール（ＣＨ_３−ＣＨ_２−ＣＨ_２−ＳＨ）、がそれぞれ強固に吸着し、かつ分子間同士で光重合反応も起きないため有効である。 In the above-described embodiment, HDT molecules are used as standard molecules. For example, for Ag, acetic acid (CH ₃ COOH) having a COOH group, for example, octanethiol (CH _3- (CH ₂ ) having an SH group, is used. _7- SH) and propanethiol (CH ₃ —CH ₂ —CH ₂ —SH) are adsorbed firmly and are effective because no photopolymerization reaction occurs between molecules.

１試料分子（標的分子、汚染分子、標準分子）、１０検出装置、２０光学デバイス、３０光源、４０光学系、５０検出部、６０供給部、７０供給制御部、８０脱離部（光強度調整部）、２２０金属ナノ粒子 1 sample molecule (target molecule, contamination molecule, standard molecule), 10 detection device, 20 optical device, 30 light source, 40 optical system, 50 detection unit, 60 supply unit, 70 supply control unit, 80 desorption unit (light intensity adjustment) Part), 220 metal nanoparticles

Claims

A detection device for detecting a target molecule contained in a fluid sample,
A light source;
An optical device having metal nanoparticles in a region irradiated with light from the light source, wherein the fluid sample is introduced into the metal nanoparticles;
A detection unit for detecting light reflecting the target molecules and contaminant molecules adsorbed on the metal nanoparticles;
A supply unit for supplying the optical device with a standard molecule having a higher adsorption ability to the metal nanoparticles than the contaminating molecule;
A supply control unit for controlling the start and stop of the supply of the standard molecule from the supply unit;
A desorption unit for desorbing the standard molecule from the metal nanoparticles after the supply control unit stops supplying the standard molecule;
A detection apparatus comprising:

In claim 1,
The supply control unit supplies the standard molecule to the optical device based on at least one of the signal intensity of the target molecule and the signal intensity of the contaminating molecule in the fluid sample, and the signal intensity of the contaminating molecule A detection apparatus, wherein the supply of the standard molecule is stopped based on at least one of the signal intensity of the standard molecule.

In claim 2,
The supply control unit starts the supply of the standard molecule when a signal of the contaminating molecule obtained by the detection unit exceeds a first signal intensity.

In claim 2,
The supply control unit starts the supply of the standard molecule when a signal of the target molecule obtained by the detection unit falls below a first signal intensity.

In claim 3 or 4,
The supply control unit stops the supply of the standard molecule when the signal of the contaminating molecule obtained by the detection unit falls below a second signal intensity after the supply of the standard molecule is started. Detection device.

In claim 3 or 4,
The supply control unit stops the supply of the standard molecule when the signal of the standard molecule obtained by the detection unit exceeds a second signal intensity after the start of the supply of the standard molecule. Detection device.

In any one of Claims 1 thru | or 6,
The desorption unit desorbs the standard molecule from the metal nanoparticle until the signal of the standard molecule obtained by the detection unit falls below a third signal intensity.

In any one of Claims 1 thru | or 7,
The detaching unit includes a light intensity adjusting unit that adjusts the light intensity of the light source to a first light intensity and a second light intensity that is larger than the first light intensity, and the light intensity adjusting unit Comprises adjusting the light intensity of the light source to the second light intensity to desorb the standard molecule from the metal nanoparticles.

In claim 8,
The light intensity adjusting unit sets the light intensity to the second light intensity and desorbs the standard molecule from the metal nanoparticles, and then changes the light intensity from the second light intensity to the first light intensity. The detection device characterized by returning to the light intensity of.

In any one of Claims 1 thru | or 9,
The metal nanoparticle is Ag, and the desorption activation energy Ed required for the target molecule to desorb from the metal nanoparticle is the gas constant R, the absolute temperature T, and the reaction order 1 A detection apparatus characterized by satisfying ln [ν1] + 2.2 ≦ Ed / RT ≦ ln [ν1] +3.8 when the pre-exponential factor is ν1.

In any one of Claims 1 thru | or 9,
The metal nanoparticle is Ag, and the desorption activation energy Ed required for the target molecule to desorb from the metal nanoparticle is the gas constant R, the absolute temperature T, and the reaction order 1 3. A detection apparatus characterized by satisfying 32.0 ≦ Ed / RT ≦ 33.7 when the pre-exponential factor ν1 is 10 ¹³ .

In any one of Claims 1 thru | or 11,
The standard molecule has either an SH group or a COOH group.

A detection method for detecting a target molecule contained in a fluid sample,
Introducing the fluid sample into metal nanoparticles of an optical device;
Irradiating the metal nanoparticles of the optical device with light, and detecting light reflecting the target molecules and the contaminating molecules adsorbed on the metal nanoparticles;
Supplying a standard molecule having a higher adsorption ability to the metal nanoparticles than the contaminating molecule to the optical device;
After supplying the standard molecule, stopping the supply of the standard molecule based on at least one of the signal intensity of the contaminating molecule and the signal intensity of the standard molecule;
Desorbing the standard molecule from the metal nanoparticles after the supply of the standard molecule is stopped;
A detection method characterized by comprising: