JP6134975B2 - 測定用デバイス、測定装置および方法 - Google Patents

Description

本発明は、光測定および質量分析との両方に用いられる測定用デバイス、その測定用デバイスを用いて光測定および質量分析との両方を行う測定装置および方法に関するものである。

従来、物質の同定等に用いられる分析法において、基板の表面に付着した被分析物質を基板表面から脱離させ、イオン化させてその物質の質量と荷電の比によって物質を同定する、質量分析方法が知られている（特許文献１から特許文献３参照）。たとえば、飛行時間型質量分析法（Time of Flight Mass Spectroscopy : TOF-MS）は、イオン化した被分析物質を高電圧電極間で所定距離飛行させて、その飛行時間により物質の質量を分析するものである。

このような質量分析法における被分析物質の脱離、イオン化の一つとして、レーザ照射を用いたレーザ脱離イオン化法があり、このようなレーザ脱離イオン化法の一つとして、ＳＥＬＤＩ法（Surface-Enhanced Laser Desorption ／ Ionization）が提案されている。

ＳＥＬＤＩ法は、チップ表面に固定した化学官能基や分子を利用して、試料中に存在している特定の性質を持つ被分析物質をチップ上に捕捉、精製し、その後レーザ照射をすることで捕捉された被分析物質の脱離、イオン化を行う手法である。

一方、上述したような物質の質量分析と同様に、物質の同定を行う方法として、ラマン分光法が知られている。ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）を得る方法であり、このスペクトルを解析することによって物質の同定などを行うことができる。

上述したラマン分光法として、微弱なラマン散乱光を増強するために局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用した、いわゆる表面増強ラマン（ＳＥＲＳ）と呼ばれる方法がある。

この方法は、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度が増強されるという原理を利用するものである。

特許第５０６９４９７号公報 特開２０１２−１１７２４５号公報 特開２００８−１０７２０９号公報

ここで、上述した質量分析法は、試料に対してレーザ照射を行うことによって被分析物質を基板表面から脱離させ、イオン化させる方法であるため、たとえば試料が生体の細胞などである場合には、その細胞内部および表面を含めたトータルな物質量の情報が得られることになる。

一方で、上述したＳＥＲＳ法は、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光強度を検出するものであるため、試料の金属体表面との接触面近傍の情報が取得されることになり、たとえば細胞からしみ出して金属体の表面に付着した代謝物などの情報を取得することができ、質量分析法とは異なる情報が取得されることが期待される。

しかしながら、同一の試料について、たとえば上述したＳＥＬＤＩ法とＳＥＲＳ法との両方の測定を行う場合、ＳＥＬＤＩ法は、試料を分子オーダの微量で基板上に固着する必要があるので、上述したような代謝物を放出するような分厚い細胞などを試料として計測することができない。

また、ＳＥＬＤＩ法による測定を行った場合、その測定によって基板上の試料が全て離脱して消失してしまい、その後にＳＥＲＳ法による測定ができない場合がある。

なお、上述した特許文献１〜特許文献３には、質量分析とＳＥＲＳ法のような光測定との両方を行うことについては何も提案されていない。

本発明は、上記事情に鑑み、同一試料を用いて質量分析とＳＥＲＳ法のような光測定との両方を行うことができ、これにより試料のトータルな物質量の情報と試料の表面近傍の情報との両方を取得することができる測定用デバイスとその測定用デバイスを用いた測定装置および方法とを提供することを目的とする。

本発明の測定用デバイスは、表面に透明な微細凹凸構造を有する誘電体からなる透明誘電体基板と、微細凹凸構造表面に金属膜を形成して構成された金属微細凹凸構造層とを備え、金属微細凹凸構造層がその金属微細凹凸構造層内において導通しているものであり、金属微細凹凸構造層に対して電圧を印加するための電圧印加電極が設けられていることを特徴とする。

また、上記本発明の測定用デバイスは、金属微細凹凸構造層の表面抵抗率を、１０^７Ω／ｃｍ以下とできる。

また、微細凹凸構造を、ベーマイトから形成することができる。

また、金属膜を、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔおよびこれらを主成分とする合金からなる群より選択される少なくとも１種の金属から形成することができる。

また、測定位置を示すための位置マーカを設けることができる。

また、位置マーカを、電圧印加電極に設けることができる。

また、位置マーカを、電圧印加電極に設けられた空隙とできる。

本発明の測定装置は、上記本発明の測定用デバイスと、測定用デバイスの金属膜に対して透明誘電体基板側から第１の光を照射し、その照射により金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、その表面に増強された光電場を発生させる第１の光照射部と、測定用デバイスへの第１の光の照射により発生し、透明誘電体基板側から射出された光を検出する光検出部と、金属微細凹凸構造層に電圧印加電極を介して電圧印加した状態において、金属微細凹凸構造層の表面に設置された試料およびその試料上に供給されたマトリクス剤に対して、第１の光の照射側とは反対側から第２の光を照射し、その照射により試料中の質量分析の被分析物質を表面から脱離させる第２の光照射部と、その脱離した被分析物質を検出してその被分析物質の質量を分析する分析部とを備えたことを特徴とする。

また、上記本発明の測定装置においては、第１の光および第２の光によって測定用デバイス上を２次元状に走査させる走査機構を設けることができる。

また、測定用デバイスとして上記位置マーカが設けられた測定用デバイスを用いる場合には、測定用デバイスに設けられた位置マーカの検出結果に基づいて、光検出部の検出結果に基づいて生成された光スペクトル分布画像と、分析部の分析結果に基づいて生成された質量スペクトル分布画像との位置合わせを行う位置合わせ部を設けることができる。

また、測定用デバイスの電圧印加電極に電圧を印加する電圧印加部を設けることができる。

本発明の測定方法は、上記本発明の測定用デバイスの金属膜に対して透明誘電体基板側から第１の光を照射し、その照射により金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、その表面に増強された光電場を発生させて透明誘電体基板側から射出された光を検出し、金属微細凹凸構造層に電圧印加電極を介して電圧印加した状態において、金属微細凹凸構造層の表面に設置された試料およびその試料上に供給されたマトリクス剤に対して、第１の光の照射側とは反対側から第２の光を照射し、その照射により試料中の質量分析の被分析物質を表面から脱離させ、その脱離した被分析物質を検出してその被分析物質の質量を分析することを特徴とする。

本発明の測定用デバイス、測定装置および方法によれば、透明誘電体基板を備えた測定用デバイスの金属膜に対して透明誘電体基板側から第１の光を照射し、その照射により金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、その表面に増強された光電場を発生させて透明誘電体基板側から射出された光を検出し、かつ、金属微細凹凸構造層に電圧印加電極を介して電圧印加した状態において、金属微細凹凸構造層の表面に設置された試料およびその試料上に供給されたマトリクス剤に対して、第１の光の照射側とは反対側から第２の光を照射し、その照射により試料中の質量分析の被分析物質を表面から脱離させ、その脱離した被分析物質を検出してその被分析物質の質量を分析することができる。

すなわち、本発明の測定用デバイス、測定装置および方法によれば、同一試料を用いて質量分析とＳＥＲＳ法のような光測定との両方を行うことができ、これにより試料のトータルな物質量の情報と試料の表面近傍の情報との両方を取得することができる。

このような２つの情報を組み合わせることによって、たとえばマウスの脳のような組織を試料として用いてＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を測定した場合、その組織内部の物質量だけでなく、その物質の組織による保持されやすさに関する情報も得ることができる。

また、試料上にマトリクス剤を供給して質量分析を行う、いわゆるＭＡＬＤＩ（Matrix Assisted Laser Desorption / Ionization）法を用いるようにしたので、比較的分厚いサンプルを測定することができる。また、これにより質量分析の後に、試料が焼失してしまうのを防止することができ、ＳＥＲＳ法のような光測定も続けて行うことができる。

本発明の測定装置の一実施形態の概略構成を示す図 本発明の測定用デバイスの一実施形態を示す側断面図および上面図 本発明の測定用デバイスの一実施形態の作製方法の各工程を示す図 微細凹凸構造および金属微細凹凸構造層の一部拡大図 測定対象である試料Ｓとマトリクス剤Ｍとを示す図 本発明の測定装置のその他の実施形態の概略構成を示す図 本発明の測定用デバイスのその他の実施形態を示す上面図 図７に示す測定用デバイスの作製方法の各工程を示す図 位置マーカのその他の実施形態を示す図 位置マーカのその他の実施形態を示す図 本発明の測定装置のその他の実施形態の概略構成を示す図

以下、本発明の測定用デバイス、測定装置および方法の一実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態の測定装置１の概略構成を示すブロック図である。

本実施形態の測定装置１は、測定用デバイス１０の裏側（透明誘電体基板１１側）から励起光を照射し、その励起光の照射により金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によってその表面に増強された光電場を発生させ、測定用デバイス１０の透明誘電体基板１１から射出されたラマン散乱光を検出し、かつ、測定用デバイス１０の金属微細凹凸構造層１４の表面に設置された試料に対してその試料側から測定光を照射し、試料中の質量分析の被分析物質を表面から脱離させ、その脱離した被分析物質を検出して被分析物質の質量を分析するものである。すなわち、本実施形態の測定装置１は、測定用デバイス１０に設置された試料のラマン散乱光の検出と、同じ試料中の被分析物質の質量分析との両方を行うことができるものである。

測定装置１は、図１に示すように、試料Ｓが設置される測定用デバイス１０と、試料Ｓの質量分析を行う測定系２０と、試料Ｓのラマン散乱光を測定する測定系３０とを備えている。

まず、本実施形態の測定用デバイス１０について説明する。図２は、本実施形態の測定用デバイス１０の側断面図（上図）と上面図（下図）を示すものである。

測定用デバイス１０は、図２に示すように、表面に微細凹凸構造１３を備えた透明誘電体基板１１と、その微細凹凸構造１３の表面に金属膜を形成して構成された金属微細凹凸構造層１４と、金属微細凹凸構造層１４に電圧印加するための電圧印加電極１５とを備えたものである。

この測定用デバイス１０は、金属微細凹凸構造層１４の金属膜に励起光Ｌ１が照射されることによって、局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により金属膜の表面に増強された光電場を発生するものである。

透明誘電体基板１１は、ガラスなどの透明な誘電体からな基板本体１２と、基板本体１２とは異なる材料からなる微細凹凸構造１３とから構成されている。なお、透明とは、励起光とラマン散乱光とに対して透過率が５０％以上であることをいい、好ましくは７５％以上、さらに好ましくは９０％以上である。

本実施形態における微細凹凸構造１３は、ベーマイトから形成されるものである。微細凹凸構造１３は、その表面の金属微細凹凸構造層１４の凸部の深さの平均およびピッチの平均が、励起光Ｌ１の波長より短くなるように形成されるものであるが、金属微細凹凸構造層１４の表面に局在プラズモンを生じさせうるものであればよい。特に、微細凹凸構造１３は、凸部頂点から隣接する凹部の底部までの深さの平均が２００ｎｍ以下、凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士のピッチの平均が２００ｎｍ以下であることが望ましい。

金属微細凹凸構造層１４は、励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属からなるものであればよいが、たとえば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔおよびこれらを主成分とする合金からなる群より選択される少なくとも１種の金属からなるものである。特には、ＡｕあるいはＡｇが好ましい。

金属微細凹凸構造層１４の厚さは、微細凹凸構造１３の表面に形成されたときに、金属微細凹凸構造として励起光の照射を受けて局在プラズモンを生じうる凹凸形状を維持することができる程度の厚みであれば特に制限はないが、１０〜１００ｎｍであることが好ましい。

金属微細凹凸構造層１４は、上述した質量分析の際には電圧印加されるものであり、導電性を有するものである。金属微細凹凸構造層１４は、その表面抵抗率が１０^７Ω/ｃｍ以下であることが望ましい。表面抵抗率は、金属微細凹凸構造層１４と電圧印加電極１５との任意の２点にプローブをあててテスターで測定された値である。

電圧印加電極１５は、金属微細凹凸構造層１４に接続され、金属微細凹凸構造層１４に電圧印加するために用いられるものである。電圧印加電極１５は、たとえばＣｒ、Ａｕ、ＡｌまたはＡｇなどから形成されるものである。

ここで、図３を用いて、本実施形態における測定用デバイス１０の作製方法について説明する。図３は、測定用デバイス１０の各作製工程における側断面図（上図）および上面図（下図）を示すものである。

まず、板状の基板本体１２を用意し、その基板本体１２を純水洗浄する。その後、基板本体１２の表面にマスクを用いてスパッタ法によりアルミニウム１３ａを数十ｎｍ程度成膜する。

その後、純水を沸騰させた中に、アルミニウム１３ａ付き基板本体１２を浸水させ、数分（５分程度）後に取り出す。この煮沸処理（ベーマイト処理）により、アルミニウム１３ａは透明化し、微細凹凸構造１３が形成される。

次に、微細凹凸構造１３上に金属膜を蒸着させる。金属膜が微細凹凸構造１３に沿って形成されることによって金属微細凹凸構造層１４が構成される。図４は、微細凹凸構造１３上に金属微細凹凸構造層１４を形成した状態の一部拡大図を示すものである。なお、上述したように金属微細凹凸構造層１４は導電性を有するように構成でされるが、一実施例として表面抵抗率が１０^−１Ω／ｃｍのものが作製できた。

次いで、微細凹凸構造１３および金属微細凹凸構造層１４が形成されていない基板本体１２の表面の一部の範囲と、金属微細凹凸構造層１４の表面の端部とにマスクを用いてスパッタ法により電極材料が成膜され、これにより電圧印加電極１５が形成される。

なお、上述した煮沸処理による微細凹凸構造作製工程において水熱反応させる金属としては、上述したアルミニウムに代えてアルミナ（Ａｌ（ＯＨ）_３）のような金属酸化物を用いてもよい。アルミニウムおよびアルミナは、水熱反応させることにより、バイヤーマイト（Ａｌ[ＯＨ]_３）またはベーマイト（ＡｌＯＯＨ）のいずれか、または両方からなる複雑な三角錐構造を有する微細凹凸構造を基板上に形成することができる。なお、アルミニウムの他、チタン（Ｔｉ）など、同様に水熱反応により微細凹凸構造を形成する金属も用いることができる。

また、金属あるいは金属酸化物を基板本体１２に成膜する方法は、スパッタ法に限らず、加熱蒸着法やゾルゲル法を用いてもよい。

また、水熱反応としては、煮沸処理に限らず、金属または金属酸化物が成膜された基板を高温の水蒸気に曝して金属または金属酸化物を高温の水蒸気と反応させる処理を行ってもよい。

また、微細凹凸構造１３は、ベーマイト以外の透明な材料により構成されていてもよい。たとえばアルミニウム基体に対して、陽極酸化処理を施してその上層部に多数の微細孔を有する陽極酸化アルミナを作製し、陽極酸化されていないアルミニウム部分を除去した陽極酸化アルミナを微細凹凸構造１３とし、これをガラスなどの基板本体１２上に固定して透明誘電体基板１１を構成するようにしてもよい。

また、微細凹凸構造は基板本体と異なる材料により構成されたもののみならず、基板本体の表面を加工することにより基板本体と同一の材料により構成されていてもよい。たとえばガラス基板の表面をリソグラフィーとドライエッチング処理することにより、表面に微細凹凸構造を形成したものを透明誘電体基板として用いてもよい。

次に、図１に戻り、本実施形態の測定装置１における質量分析測定系２０について説明する。質量分析測定系２０は、いわゆる飛行時間型質量分析装置（ＴＯＦ−ＭＳ）である。

質量分析測定系２０は、測定用デバイス１０の金属微細凹凸構造層１４の表面に設置された試料Ｓおよびその試料Ｓ上に供給されたマトリクス剤Ｍに対して測定光Ｌ３（第２の光）を照射して、試料中の質量分析の被分析物質を測定用デバイス１０の表面から脱離させる測定光照射部６０（第２の光照射部）と、脱離した被分析物質を検出して被分析物質の質量を分析する分析部２５とを備えている。

また、測定用デバイス１０と分析部２５との間には、測定用デバイス１０の表面に対向する位置に配された引き出しグリッド２３と、引き出しグリッド２３の測定用デバイス１０側の面と反対側の面に対向して配されたエンドプレート２４とが設けられている。

また、測定用デバイス１０の電圧印加電極１５に対して電圧を印加する電圧印加部２９を備えている。

測定光照射部６０は、測定光Ｌ３を射出する半導体レーザ光源２１と、半導体レーザ光源２１から射出された測定光Ｌ３を試料に対して集光する集光光学系２２とを備えている。測定光Ｌ３としては、たとえば波長３３７ｎｍ、パルス幅５０ｐｓ〜５０ｎｓ程度のパルスレーザ光を用いることができる。

分析部２５は、測定光Ｌ３の照射により測定用デバイス１０の表面から脱離され、引き出しグリッド２３およびエンドプレート２４の中央の孔を通過して飛行してきた被分析物質を検出する検出器２６と、検出器２６の出力を増幅するアンプ２７と、アンプ２７からの出力信号を処理するデータ処理部２８とを備えている。

次に、本実施形態の測定装置１におけるラマン散乱光測定系３０について説明する。

ラマン散乱光測定系３０は、図１に示すように、測定用デバイス１０の裏面側（透明誘電体基板１１側）から励起光Ｌ１（第１の光）を照射する励起光照射部４０（第１の光照射部）と、測定用デバイス１０の金属微細凹凸構造層１４近傍の物質から発せられ、光電場増強効果によって増強されたラマン散乱光Ｌ２を測定用デバイス１０の裏面側から検出するための光検出部５０とを備えている。

励起光照射部４０は、励起光Ｌ１を射出する半導体レーザ光源３１と、この半導体レーザ光源３１から射出された励起光Ｌ１を平行光化するレンズ３２と、レンズ３２によって平行光化された励起光Ｌ１を透過するとともに、かつその励起光Ｌ１の照射により測定用デバイス１０の金属微細凹凸構造層１４近傍の物質から射出されたラマン散乱光Ｌ２を含む光を光検出部５０側へ反射するハーフミラー３４と、ハーフミラー３４を透過した励起光Ｌ１を金属微細凹凸構造層１４近傍に集光するとともに、ラマン散乱光Ｌ２を平行光化するレンズ３３とを備えている。

光検出部５０は、ハーフミラー３４により反射されてきた光のうち励起光Ｌ１を除去し、それ以外の光を透過するノッチフィルタ３５と、ノッチフィルタ３５を透過したラマン散乱光Ｌ２を集光するためのレンズ３６と、レンズ３６によって集光されたラマン散乱光Ｌ２を分光器まで３８まで導光する導光部３７と、導光部３７によって導光されたラマン散乱光Ｌ２を検出する分光器３８とを備えている。

次に、本実施形態の測定装置１の質量分析測定系２０を用いた質量分析と、ラマン散乱光測定系３０を用いたラマン散乱光の検出について説明する。

まず、図５に示すように、本実施形態の測定用デバイス１０が用意され、その測定用デバイス１０の金属微細凹凸構造層１４の表面に、質量分析の被分析物質を含む試料Ｓが供給され、その試料Ｓの上にマトリクス剤Ｍが供給される。

このマトリクス剤Ｍは、測定光Ｌ３を吸収して熱エネルギーに変換し、その熱エネルギーによって試料Ｓ中における被分析物質をマトリクス剤Ｍとともに気化させ、次いでマトリクス剤Ｍと被分析物質との間でのプロトン移動が起こって被分析物質をイオン化させるものである。まず、試料Ｓとして、被分析物質Ａを含む試料とマトリクス剤Ｍとの混合試料を用意する。

マトリクス剤Ｍとしては、従来のＭＡＬＤＩ法で用いられている既知のマトリクス剤を用いることができる。具体的には、ニコチン酸、ピコリン酸、3-ヒドロキシピコリン酸、3-アミノピコリン酸、2,5-ジヒドロキシ安息香酸、α-シアノ-4-ヒドロキシ桂皮酸、シナピン酸、2-（４-ヒドロキシフェニルアゾ）安息香酸、2-メルカプトベンゾチアゾール、5-クロロ-２-メルカプトベンゾチアゾール、2,6-ジヒドロキシアセトフェノン、2,４,６-トリヒドロキシアセトフェノン、ジスラノール、ベンゾ[a]ピレン、9-ニトロアントラセン、2-[(2E)-3-(4-tret-ブチルフェニル)-2-メチルプロプ-2-エニリデン]マロノ二トリルなどをマトリクス剤Ｍとして用いることができる。

そして、試料Ｓとマトリクス剤Ｍとが供給された測定用デバイス１０の電圧印加電極１５に対して、電圧印加部２９によって所定の電圧が印加され、測定光照射部６０から測定光Ｌ３が測定用デバイス１０の表面に照射される。マトリクス剤Ｍによって測定光Ｌ３が吸収されて熱エネルギーに変換され、その熱エネルギーによって試料Ｓ中における被分析物質がマトリクス剤Ｍとともに気化され、測定用デバイス１０の表面から離脱され、同時にイオン化される。

脱離された被分析物質は、測定用デバイス１０の電圧印加された金属微細凹凸構造層１４と接地された引き出しグリッド２３との電位差により引き出しグリッド２３の方向に引き出されて加速し、中央の孔を通ってエンドプレート２４の方向にほぼ直進して飛行し、さらにエンドプレート２４の孔を通過して検出器２６に到達して検出される。

脱離後の被分析物質の飛行速度は物質の質量に依存し、質量が小さいほど速いため、質量の小さいものから順に検出器２６により検出される。

検出器２６からの出力信号は、アンプ２７により所定レベルに増幅され、その後データ処理部２８に入力される。データ処理部２８では、アンプ２７からの出力信号に基づいて被分析物質の飛行時間が求められ、その飛行時間から質量を導出して質量スペクトルが得られる。

次に、本実施形態の測定装置１のラマン散乱光測定系３０を用いて、試料Ｓから放出された代謝物などのラマンスペクトルを測定する方法について説明する。なお、このラマンスペクトルの測定は、上述した質量分析と同時に行うようにしてもよいし、質量分析の前または後で行うようにしてもよい。

まず、上述したようにして試料Ｓとマトリクス剤Ｍが供給された測定用デバイス１０に向けて、励起光照射部４０の半導体レーザ光源３１から励起光Ｌ１が射出され、励起光Ｌ１はレンズ３２およびハーフミラー３４を透過し、レンズ３３で集光されて測定用デバイス１０上の金属微細凹凸構造層１４近傍に照射される。

励起光Ｌ１の照射によって金属微細凹凸構造層１４において局在プラズモン共鳴が誘起され、金属微細凹凸構造層１４の表面に増強された光電場が発生する。そして、金属微細凹凸構造層１４近傍の物質から発せられ、光電場により増強されたラマン散乱光Ｌ２が、レンズ３３を透過して、ハーフミラー３４によって分光器３８側に反射される。なお、このとき、測定用デバイス１０で反射された励起光Ｌ１もハーフミラー３４によって反射されて分光器３８側に反射されるが、励起光Ｌ１はノッチフィルタ３５によって除去される。

一方、励起光Ｌ１とは波長が異なる光はノッチフィルタ３５を透過し、レンズ３６によって導光部３７に集光され、導光部３７によって導光された光が分光器３８へ入射され、分光器３８によってラマンスペクトル測定が行われる。

上記実施形態の測定装置１によれば、同一試料を用いて質量分析とＳＥＲＳ法のような光測定との両方を行うことができ、これにより試料のトータルな物質量の情報と試料の表面近傍の情報との両方を取得することができる。

このような２つの情報を組み合わせることによって、たとえばマウスの脳のような組織を試料として用いてＡＴＰ（アデノシン三リン酸）を測定した場合、その組織内部の物質量だけでなく、その物質の組織による保持されやすさに関する情報も得ることができる。

また、試料上にマトリクス剤を供給して質量分析を行う、いわゆるＭＡＬＤＩ法を用いるようにしたので、比較的分厚いサンプルを測定することができる。また、これにより質量分析の後に、試料が焼失してしまうのを防止することができ、ＳＥＲＳ法のような光測定も続けて行うことができる。

また、上記実施形態の測定装置１において、励起光Ｌ１および測定光Ｌ３によって試料Ｓ上を２次元状に走査し、試料Ｓ上の励起光Ｌ１の各走査点についてラマンスペクトルを取得するとともに、測定光Ｌ３の各走査点について質量スペクトルを取得するようにしてもよい。

具体的には、たとえば、図６に示すように、上記実施形態の測定装置１において、測定用デバイス１０を保持するとともに、図６に示すＸ方向およびＹ方向（紙面厚さ方向）に測定用デバイス１０を移動させる移動ステージ１００を設け、この移動ステージ１００によって測定用デバイス１０を移動させることによって、測定用デバイス１０を励起光Ｌ１および測定光Ｌ３によって２次元状に走査するようにしてもよい。

なお、励起光Ｌ１および測定光Ｌ３を２次元状に走査する走査機構としてはこれに限らず、測定用デバイス１０は固定した状態とし、たとえばガルバノミラーなどを用いることによって測定用デバイス１０を励起光Ｌ１および測定光Ｌ３によって２次元状に走査するようにしてもよい。

また、上記実施形態の測定装置１における質量分析測定系２０とラマン散乱光測定系３０とは、図１および図６に示すように一体化して構成するようにしてもよいし、これらの測定系を別々に構成するようにしてもよい。

質量分析測定系２０とラマン散乱光測定系３０とを一体化して構成する場合には、質量分析測定系２０の少なくともアンプ２７とデータ処理部２８とを除く構成と、ラマン散乱光測定系３０の各構成とが、真空状態にされた真空ボックス内に配置される。

また、上述した質量分析測定系２０とラマン散乱光測定系３０を別々に構成する場合には、質量分析測定系２０の少なくともアンプ２７とデータ処理部２８とを除く構成が真空ボックス内に配置され、同一の測定用デバイス１０を用いて質量分析とラマン散乱光の検出とがそれぞれ行われることになる。

ここで、上述したように測定系を別々に構成した場合や、測定系を一体化した構成において各測定系における測定を別々のタイミングで行う場合、上述したように測定用デバイス１０を２次元状に走査して測定を行う際には、各測定系における測定位置を一致させる必要がある。

そこで、測定用デバイス１０に位置マーカを設け、その位置マーカの検出結果を用いて各測定系における測定位置を一致させるようにしてもよい。

図７は、測定用デバイス１０の電圧印加電極１５に位置マーカ１６を形成した例を示すものである。図７に示す測定用デバイス１０は、図７に示す主走査方向（Ｘ方向）に励起光Ｌ１および測定光Ｌ３が走査されるとともに、その主走査方向への走査が副走査方向（Ｙ方向）に向けて順次繰り返して行われるものである。そして、位置マーカ１６は、主走査方向に直交する副走査方向に所定の間隔を空けて点状に形成されたものである。位置マーカ１６の各点の間隔は副走査方向への走査間隔と同じ間隔とすることが望ましい。

ここで、図８を用いて、図７に示す測定用デバイス１０の作製方法について説明する。なお、ここでは位置マーカ１６の形成方法を中心に説明する。

まず、板状の基板本体１２の一辺の端部に対して、フォトリソグラフィおよびリフトオフによって位置マーカ１６の部分が空隙となるマーカ付電極パターン１５ａを形成する。

次いで、マーカ付電極パターン１５ａが形成された後、上記実施形態と同様にして、ベーマイトからなる微細凹凸構造１３が形成される。そして、その微細凹凸構造１３上に金属膜を蒸着させることによって金属微細凹凸構造層１４が構成される。

次いで、マーカ付電極パターン１５ａと、金属微細凹凸構造層１４の表面の端部との間に蒸着により接続電極パターン１５ｂが形成され、マーカ付電極パターン１５ａと接続電極パターン１５ｂとから電圧印加電極１５が形成される。

なお、位置マーカ１６のパターンとしては、図７に示すパターン以外のパターンでもよい。また、位置マーカ１６を形成する場所は、電圧印加電極１５に限らす、たとえば、基板本体１２の全体に、図９Ａに示すようなストライプ状の金属パターンを形成するようにしてもよいし、図９Ｂに示すような格子状の金属パターンを形成するようにしてもよい。

図１０は、上述したように測定用デバイス１０に設けられた位置マーカ１６を検出し、その検出結果に基づいて、各測定系における測定結果の位置合わせを行う測定装置１の構成を示すものである。

図１０に示す測定装置１におけるラマン散乱光測定系３０においては、測定用デバイス１０の位置マーカ１６が設けられた電圧印加電極１５の範囲まで励起光Ｌ１によって走査され、位置マーカ１６が設けられた電圧印加電極１５からの反射光が分光器３８によって検出され、その検出結果がラマン散乱光の検出結果と同様に位置合わせ部８０に入力される。なお、電圧印加電極１５からの反射光は、ノッチフィルタ３５によって大部分がカットされるが完全にカットされる訳ではなく、一部が通過するのでこれを分光器３８によって検出することができる。

位置合わせ部８０においては、各走査点において測定されたラマンスペクトルに基づいて、特定物質のラマンスペクトル分布画像が作成されるが、このとき位置マーカ１６の画像が、ラマンスペクトル分布画像の座標空間上において予め設定された位置に配置されるようにして作成される。

一方、図１０に示す測定装置１における質量分析測定系２０においては、測定光Ｌ３の測定用デバイス１０上における反射光を検出する光検出器７０が設けられている。

そして、測定用デバイス１０の位置マーカ１６が設けられた電圧印加電極１５の範囲まで測定光Ｌ３によって走査され、位置マーカ１６が設けられた電圧印加電極１５からの反射光が光検出器７０によって検出され、その検出結果が位置合わせ部８０に入力される。

位置合わせ部８０においては、各走査点において測定された質量スペクトルに基づいて、特定物質の質量スペクトル分布画像が作成されるが、このとき位置マーカ１６の画像が、質量スペクトル分布画像の座標空間上において予め設定された位置に配置されるようにして作成される。

そして、上述した２つの分布画像の座標空間上の予め設定された位置をそれぞれの座標空間上で同じ位置にすることによって、これらの２つの分布画像の位置合わせを行うことができる。

位置合わせ部８０によって生成された２つの分布画像は、所定の表示装置（図示省略）に出力され、表示装置において表示される。

なお、上記説明では、電圧印加電極１５に位置マーカ１６として形成された空隙の反射パターンを検出するようにしたが、位置マーカ１６としてはこのような空隙に限らず、電圧印加電極１５よりも励起光Ｌ１や測定光Ｌ３に対して反射率が高い材料や、吸収率が高い材料を用いて位置マーカ１６を形成するようにしてもよい。または、励起光Ｌ１および測定光Ｌ３の照射によって蛍光を発する材料を用いて位置マーカ１６を形成するようにしてもよい。ただし、上述したように空隙から位置マーカ１６を形成した場合には、電圧印加電極１５の製造工程と同時に形成することができるので、新たな製造工程を設ける必要がなく、より好ましい。

なお、上記実施形態の測定装置１においては、質量分析を行うとともに、ラマン散乱光を検出するようにしたが、ラマン散乱光に限らず、プラズモン増強蛍光検出法によって蛍光を検出するようにしてもよい。さらには、ラマン散乱光、蛍光の測定のみならず、励起光Ｌ１の照射を受けた金属膜近傍の物質から生じるレーリー散乱光、ミー散乱光、あるいは第２高調波などの測定装置および方法においても、上述の測定用デバイス１０を用いることができる。

１ 測定装置
１０ 測定用デバイス
１１ 透明誘電体基板
１２ 基板本体
１３ 微細凹凸構造
１４ 金属微細凹凸構造層
１５ 電圧印加電極
１５ａ マーカ付電極パターン
１５ｂ 接続電極パターン
１６ 位置マーカ
２０ 質量分析測定系
２１ 半導体レーザ光源
２５ 分析部
２６ 検出器
２８ データ処理部
２９ 電圧印加部
３０ ラマン散乱光測定系
３１ 半導体レーザ光源
３４ ハーフミラー
３８ 分光器
４０ 励起光照射部
５０ 光検出部
６０ 測定光照射部
７０ 光検出器
８０ 位置合わせ部
１００ 移動ステージ

Claims (12)

1. 表面に透明な微細凹凸構造を有する誘電体からなる透明誘電体基板と、
   該微細凹凸構造表面に金属膜を形成して構成された金属微細凹凸構造層とを備え、
   前記金属微細凹凸構造層が該金属微細凹凸構造層内において導通しているものであり、
   前記金属微細凹凸構造層に対して該電圧を印加するための電圧印加電極が設けられていることを特徴とする測定用デバイス。
2. 前記金属微細凹凸構造層の表面抵抗率が、１０^７Ω／ｃｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の測定用デバイス。
3. 前記微細凹凸構造が、ベーマイトからなるものであることを特徴とする請求項１または２記載の測定用デバイス。
4. 前記金属膜が、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔおよびこれらを主成分とする合金からなる群より選択される少なくとも１種の金属からなるものであることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定用デバイス。
5. 測定位置を示すための位置マーカが設けられていることを特徴とする請求項１から４いずれか１項記載の測定用デバイス。
6. 前記位置マーカが、前記電圧印加電極に設けられていることを特徴とする請求項５記載の測定用デバイス。
7. 前記位置マーカが、前記電圧印加電極に設けられた空隙であることを特徴とする請求項６記載の測定用デバイス。
8. 請求項１から７いずれか１項記載の測定用デバイスと、
   該測定用デバイスの前記金属膜に対して前記透明誘電体基板側から第１の光を照射し、該照射により前記金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、該表面に増強された光電場を発生させる第１の光照射部と、
   前記測定用デバイスへの前記第１の光の照射により発生し、前記透明誘電体基板側から射出された光を検出する光検出部と、
   前記金属微細凹凸構造層に前記電圧印加電極を介して電圧印加した状態において、前記金属微細凹凸構造層の表面に設置された試料および該試料上に供給されたマトリクス剤に対して、前記第１の光の照射側とは反対側から第２の光を照射し、該照射により前記試料中の質量分析の被分析物質を前記表面から脱離させる第２の光照射部と、
   前記脱離した被分析物質を検出して該被分析物質の質量を分析する分析部とを備えたことを特徴とする測定装置。
9. 前記第１の光および前記第２の光によって前記測定用デバイス上を２次元状に走査させる走査機構を備えたことを特徴とする請求項８記載の測定装置。
10. 請求項５から７いずれか１項記載の測定用デバイスを備え、
    前記測定用デバイスに設けられた位置マーカの検出結果に基づいて、前記光検出部の検出結果に基づいて生成された光スペクトル分布画像と、前記分析部の分析結果に基づいて生成された質量スペクトル分布画像との位置合わせを行う位置合わせ部を備えたことを特徴とする請求項８または９記載の測定装置。
11. 前記測定用デバイスの前記電圧印加電極に電圧を印加する電圧印加部を備えたことを特徴とする請求項８から１０いずれか１項記載の測定装置。
12. 請求項１から７いずれか１項記載の測定用デバイスの前記金属膜に対して前記透明誘電体基板側から第１の光を照射し、
    該照射により前記金属膜の表面に誘起された局在プラズモンの光電場増強効果によって、該表面に増強された光電場を発生させて前記透明誘電体基板側から射出された光を検出し、
    前記金属微細凹凸構造層に前記電圧印加電極を介して電圧印加した状態において、前記金属微細凹凸構造層の表面に設置された試料および該試料上に供給されたマトリクス剤に対して、前記第１の光の照射側とは反対側から第２の光を照射し、
    該照射により前記試料中の質量分析の被分析物質を前記表面から脱離させ、
    該脱離した被分析物質を検出して該被分析物質の質量を分析することを特徴とする測定方法。

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