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JP6414407B2 - Raman spectroscopic device and electronic device - Google Patents

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JP6414407B2
JP6414407B2 JP2014152045A JP2014152045A JP6414407B2 JP 6414407 B2 JP6414407 B2 JP 6414407B2 JP 2014152045 A JP2014152045 A JP 2014152045A JP 2014152045 A JP2014152045 A JP 2014152045A JP 6414407 B2 JP6414407 B2 JP 6414407B2
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哲雄 眞野
哲雄 眞野
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  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Description

本発明は、測定方法、ラマン分光装置、および電子機器に関する。   The present invention relates to a measurement method, a Raman spectroscopic device, and an electronic apparatus.

近年、医療診断や食物の検査等における需要がますます増大し、小型で高速なセンシング技術の開発が求められている。電気化学的な手法をはじめさまざまなタイプのセンサーが検討されているが、集積化が可能、低コスト、そして、測定環境を選ばないといった理由から、表面プラズモン共鳴(SPR:Surface Plasmon Resonance)を用いたセンサーに対する関心が高まっている。例えば、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させたSPRを用いて、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものが知られている。この手法は、SPRによる消光波長が、検出対象分子の吸着前後でシフトするのを検出することで、検出対象分子の存在をセンシングする。   In recent years, demand for medical diagnosis, food inspection, and the like has been increasing, and development of a small and high-speed sensing technology has been demanded. Various types of sensors, including electrochemical techniques, have been studied. However, surface plasmon resonance (SPR) is used because it can be integrated, is low-cost, and does not choose the measurement environment. There is growing interest in sensors. For example, there is known one that detects the presence or absence of substance adsorption, such as the presence or absence of antigen adsorption in an antigen-antibody reaction, using SPR generated on a metal thin film provided on the surface of a total reflection prism. This technique senses the presence of a molecule to be detected by detecting that the extinction wavelength by SPR shifts before and after the adsorption of the molecule to be detected.

また、低濃度の分子を検出する高感度分光技術の1つとして、SPRを利用した表面増強ラマン散乱(SERS:Surface Enhanced Raman Scattering)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10倍〜10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分子に照射すると、励起光の波長から分子の振動エネルギー分だけ僅かにずれた波長の光(ラマン散乱光)が散乱される。この散乱光を分光処理すると、分子種に固有のスペクトル(指紋スペクトル)が得られる。この指紋スペクトルの形状を分析することで、分子を同定することが可能となる。 As one of high-sensitivity spectroscopic techniques for detecting a low concentration of molecules, attention is focused on surface enhanced Raman scattering (SERS) using SPR. The SERS, a phenomenon that the Raman scattering light at the metal surface having an uneven structure of nanometer scale is 10 doubled to 10 4 times enhanced. When a molecule such as a laser is irradiated with excitation light having a single wavelength, light having a wavelength slightly shifted from the wavelength of the excitation light by the vibration energy of the molecule (Raman scattered light) is scattered. When the scattered light is spectrally processed, a spectrum (fingerprint spectrum) unique to the molecular species is obtained. By analyzing the shape of this fingerprint spectrum, it becomes possible to identify the molecule.

例えば特許文献1,2および非特許文献1には、上記のようなSERSを利用したセンサーチップが記載されている。   For example, Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 describe sensor chips using SERS as described above.

特表2007−538264号公報Special table 2007-538264 gazette 特開2008−14933号公報JP 2008-14933 A OPTICS EXPRESS,Vol.17,No.20,2009,17234−17241OPTICS EXPRESS, Vol. 17, no. 20, 2009, 17234-17241

ここで、検出対象となる標的物質がセンサーチップ(電場増強素子)の金属ナノ粒子(金属微細構造体)に吸着すると、標的物質の屈折率に依存して、局在型表面プラズモン共鳴(LSPR:Localized Surface Plasmon Resonance)の共鳴波長がシフトすることが知られている。そのため、金属微細構造体に吸着した標的物質の量、またはその屈折率に応じて、SERSの増強度は、増減してしまう。したがって、特許文献1,2および非特許文献1に記載の技術では、標的物質を正確に定量することができない場合がある。   Here, when the target substance to be detected is adsorbed to the metal nanoparticle (metal microstructure) of the sensor chip (electric field enhancing element), depending on the refractive index of the target substance, localized surface plasmon resonance (LSPR: It is known that the resonance wavelength of Localized Surface Plasmon Resonance shifts. For this reason, the SERS enhancement strength increases or decreases depending on the amount of the target substance adsorbed on the metal microstructure or its refractive index. Therefore, the techniques described in Patent Documents 1 and 2 and Non-Patent Document 1 may not be able to accurately quantify the target substance.

本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、標的物質を正確に定量することができる測定方法を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、標的物質を正確に定量することができるラマン分光装置を提供することにある。また、本発明のいくつかの態様に係る目的の1つは、上記のラマン分光装置を含む電子機器を提供す
ることにある。
One of the objects according to some embodiments of the present invention is to provide a measurement method capable of accurately quantifying a target substance. Another object of some embodiments of the present invention is to provide a Raman spectroscopic device capable of accurately quantifying a target substance. Another object of some embodiments of the present invention is to provide an electronic apparatus including the above-described Raman spectroscopic device.

本発明に係る測定方法は、
電場増強素子に白色光を照射して、第1反射スペクトルを取得する工程と、
前記電場増強素子の表面に、標的物質を曝露する工程と、
前記標的物質が曝露された前記電場増強素子に前記白色光を照射して、第2反射スペクトルを取得する工程と、
前記第1反射スペクトルおよび前記第2反射スペクトルに基づいて、前記標的物質を前記電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求める工程と、
前記電場増強素子にレーザー光を照射して、ラマンスペクトルを取得する工程と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求める工程と、
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する工程と、
を含む。
The measurement method according to the present invention includes:
Irradiating the electric field enhancing element with white light to obtain a first reflection spectrum;
Exposing a target substance to the surface of the electric field enhancing element;
Irradiating the electric field enhancing element exposed to the target substance with the white light to obtain a second reflection spectrum;
Obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after exposing the target substance to the electric field enhancing element based on the first reflection spectrum and the second reflection spectrum;
Irradiating the electric field enhancing element with laser light to obtain a Raman spectrum;
Obtaining a peak intensity of a peak caused by the target substance based on the Raman spectrum;
Quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
including.

本発明に係る測定方法では、標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めることにより、標的物質を曝露した後の電場増強素子における電場増強度を考慮して、標的物質を定量することができる。これにより、本発明に係る測定方法では、標的物質を正確に定量することができる。   In the measurement method according to the present invention, the amount of electric field enhancement in the electric field enhancement element after exposure of the target substance is taken into account by determining the amount of shift in the resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after exposure of the target substance to the electric field enhancement element. Thus, the target substance can be quantified. Thereby, in the measuring method according to the present invention, the target substance can be accurately quantified.

本発明に係る測定方法において、
前記標的物質を定量する工程は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求めて行われてもよい。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In the measurement method according to the present invention,
The step of quantifying the target substance comprises:
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the laser light and the electric field at the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product E i 2 × E s 2 of the square of the enhancement and
Based on the following formula (1), the number N of molecules of the target substance may be obtained.
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the laser beam,
C is a constant.

本発明に係る測定方法では、標的物質を正確に定量することができる。   In the measurement method according to the present invention, the target substance can be accurately quantified.

本発明に係る測定方法は、
電場増強素子に波長が時間的に変化する第1レーザー光を照射して、第1反射スペクトルを取得する工程と、
前記電場増強素子の表面に、標的物質を曝露する工程と、
前記標的物質が曝露された前記電場増強素子に前記第1レーザー光を照射して、第2反射スペクトルを取得する工程と、
前記第1反射スペクトルおよび前記第2反射スペクトルに基づいて、前記標的物質を前記電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求める工程と、
前記電場増強素子に波長が時間的に変化しない第2レーザー光を照射して、ラマンスペクトルを取得する工程と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求める工程と、
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する工程と、
を含む。
The measurement method according to the present invention includes:
Irradiating an electric field enhancing element with a first laser beam having a wavelength that changes with time to obtain a first reflection spectrum;
Exposing a target substance to the surface of the electric field enhancing element;
Irradiating the electric field enhancing element exposed to the target substance with the first laser light to obtain a second reflection spectrum;
Obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after exposing the target substance to the electric field enhancing element based on the first reflection spectrum and the second reflection spectrum;
Irradiating the electric field enhancing element with a second laser beam whose wavelength does not change with time, and acquiring a Raman spectrum;
Obtaining a peak intensity of a peak caused by the target substance based on the Raman spectrum;
Quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
including.

本発明に係る測定方法では、標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めることにより、標的物質を曝露した後の電場増強素子における電場増強度を考慮して、標的物質を定量することができる。これにより、本発明に係る測定方法では、標的物質を正確に定量することができる。   In the measurement method according to the present invention, the amount of electric field enhancement in the electric field enhancement element after exposure of the target substance is taken into account by determining the amount of shift in the resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after exposure of the target substance to the electric field enhancement element. Thus, the target substance can be quantified. Thereby, in the measuring method according to the present invention, the target substance can be accurately quantified.

本発明に係る測定方法において、
前記標的物質を定量する工程は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記第2レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求めて行われてもよい。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記第2レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In the measurement method according to the present invention,
The step of quantifying the target substance comprises:
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the second laser light and the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product of the square of the electric field enhancement of E i 2 × E s 2 ,
Based on the following formula (1), the number N of molecules of the target substance may be obtained.
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the second laser beam,
C is a constant.

本発明に係る測定方法では、標的物質を正確に定量することができる。   In the measurement method according to the present invention, the target substance can be accurately quantified.

本発明に係るラマン分光装置は、
標的物質が曝露される電場増強素子と、
白色光またはレーザー光を照射する光源と、
前記電場増強素子に前記白色光または前記レーザー光が照射されたときに、前記電場増強素子が放射する光を検出する光検出器と、
前記電場増強素子に前記白色光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する反射スペクトル取得部と、
前記反射スペクトルに基づいて、前記電場増強素子に前記標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めるシフト量算出部と、
前記電場増強素子に前記レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得するラマンスペクトル取得部と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求めるピーク強度算出部と
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する定量部と、
を含む。
The Raman spectroscopic device according to the present invention is:
An electric field enhancing element to which the target substance is exposed;
A light source that emits white light or laser light;
A photodetector for detecting light emitted by the electric field enhancement element when the electric field enhancement element is irradiated with the white light or the laser beam;
Based on the detection result of the photodetector when the electric field enhancing element is irradiated with the white light, a reflection spectrum acquisition unit that acquires a reflection spectrum;
Based on the reflection spectrum, a shift amount calculation unit for obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancing element;
Based on the detection result of the photodetector when the electric field enhancing element is irradiated with the laser light, a Raman spectrum acquisition unit that acquires a Raman spectrum;
A peak intensity calculation unit for obtaining a peak intensity of a peak due to the target substance based on the Raman spectrum; a quantification unit for quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
including.

本発明に係るラマン分光装置では、標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めることにより、標的物質を曝露した後の電場増強素子における電場増強度を考慮して、標的物質を定量することができる。これにより、本発明に係るラマン分光装置では、標的物質を正確に定量することができる。   In the Raman spectroscopic device according to the present invention, the electric field enhancement intensity in the electric field enhancement element after the target substance is exposed is obtained by determining the shift amount of the resonance wavelength of the surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancement element. In consideration, the target substance can be quantified. Thereby, in the Raman spectroscopic device according to the present invention, the target substance can be accurately quantified.

本発明に係るラマン分光装置において、
前記光源は、
前記白色光を発生させる第1発光素子と、
前記レーザー光を発生させる第2発光素子と、
を有していてもよい。
In the Raman spectroscopic device according to the present invention,
The light source is
A first light emitting element for generating the white light;
A second light emitting element for generating the laser beam;
You may have.

本発明に係るラマン分光装置では、光源は、電場増強素子に、白色光、またはレーザー光を照射することができる。   In the Raman spectroscopic device according to the present invention, the light source can irradiate the electric field enhancing element with white light or laser light.

本発明に係るラマン分光装置において、
前記定量部は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求めてもよい。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In the Raman spectroscopic device according to the present invention,
The quantitative unit is
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the laser light and the electric field at the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product E i 2 × E s 2 of the square of the enhancement and
The number N of molecules of the target substance may be obtained based on the following formula (1).
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the laser beam,
C is a constant.

本発明に係るラマン分光装置は、標的物質を正確に定量することができる。   The Raman spectroscopic device according to the present invention can accurately quantify the target substance.

本発明に係るラマン分光装置は、
標的物質が曝露される電場増強素子と、
波長が時間的に変化する第1レーザー光、または波長が時間的に変化しない第2レーザー光を照射する波長可変レーザー光源と、
前記電場増強素子に前記第1レーザー光または前記第2レーザー光が照射されたときに、前記電場増強素子が放射する光を検出する光検出器と、
前記電場増強素子に前記第1レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する反射スペクトル取得部と、
前記反射スペクトルに基づいて、前記電場増強素子に前記標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めるシフト量算出部と、
前記電場増強素子に前記第2レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得するラマンスペクトル取得部と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求めるピーク強度算出部と
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する定量部と、
を含む。
The Raman spectroscopic device according to the present invention is:
An electric field enhancing element to which the target substance is exposed;
A tunable laser light source that irradiates a first laser beam whose wavelength changes with time or a second laser beam whose wavelength does not change with time;
A photodetector for detecting light emitted by the electric field enhancement element when the electric field enhancement element is irradiated with the first laser light or the second laser light;
A reflection spectrum acquisition unit for acquiring a reflection spectrum based on a detection result of the photodetector when the electric field enhancement element is irradiated with the first laser beam;
Based on the reflection spectrum, a shift amount calculation unit for obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancing element;
A Raman spectrum acquisition unit that acquires a Raman spectrum based on a detection result of the photodetector when the second laser beam is irradiated onto the electric field enhancement element;
A peak intensity calculation unit for obtaining a peak intensity of a peak due to the target substance based on the Raman spectrum; a quantification unit for quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
including.

本発明に係るラマン分光装置では、発光素子の数を減らすことができる。   In the Raman spectroscopic device according to the present invention, the number of light emitting elements can be reduced.

本発明に係るラマン分光装置において、
前記定量部は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記第2レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求めてもよい。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記第2レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In the Raman spectroscopic device according to the present invention,
The quantitative unit is
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the second laser light and the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product of the square of the electric field enhancement of E i 2 × E s 2 ,
The number N of molecules of the target substance may be obtained based on the following formula (1).
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the second laser beam,
C is a constant.

本発明に係るラマン分光装置は、標的物質を正確に定量することができる。   The Raman spectroscopic device according to the present invention can accurately quantify the target substance.

本発明に係るラマン分光装置において、
前記シフト量と前記積との相関の情報を記憶する記憶部を含んでいてもよい。
In the Raman spectroscopic device according to the present invention,
A storage unit that stores information on the correlation between the shift amount and the product may be included.

本発明に係るラマン分光装置では、定量部は、記憶部に記憶された、標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量と、積E ×E と、の相関の情報を用いて、標的物質を定量することができる。 In the Raman spectroscopic device according to the present invention, the quantification unit stores the shift amount of the resonance wavelength of the surface plasmon resonance and the product E i 2 × E s stored in the storage unit before and after exposing the target substance to the electric field enhancement element. 2 can be used to quantify the target substance.

本発明に係るラマン分光装置において、
前記シフト量と前記積との相関の情報を、外部の記憶装置から取得する相関情報取得部を含んでいてもよい。
In the Raman spectroscopic device according to the present invention,
A correlation information acquisition unit that acquires information on the correlation between the shift amount and the product from an external storage device may be included.

本発明に係るラマン分光装置では、定量部は、相関情報取得部によって取得された、標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量と、積E ×E と、の相関の情報を用いて、標的物質を定量することができる。 In the Raman spectroscopic device according to the present invention, the quantification unit obtains the resonance wavelength shift amount of the surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancement element and the product E i 2 × acquired by the correlation information acquisition unit. The target substance can be quantified using information on the correlation with E s 2 .

本発明に係る電子機器は、
本発明に係るラマン分光装置と、
前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む。
The electronic device according to the present invention is
A Raman spectroscopic device according to the present invention;
A computing unit that computes health and medical information based on detection information from the photodetector;
A storage unit for storing the health care information;
A display unit for displaying the health care information;
including.

このような電子機器では、本発明に係るラマン分光装置を含むため、高精度な健康医療情報を提供することができる。   Since such an electronic device includes the Raman spectroscopic device according to the present invention, highly accurate medical information can be provided.

本実施形態に係るラマン分光装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るラマン分光装置の電場増強素子を模式的に示す平面図。The top view which shows typically the electric field enhancement element of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係るラマン分光装置の電場増強素子を模式的に示す断面図。Sectional drawing which shows typically the electric field enhancing element of the Raman spectroscopic device which concerns on this embodiment. 波長に対する反射率および電場増強素子における電場増強度を示すグラフ。The graph which shows the reflectance with respect to a wavelength, and the electric field enhancement intensity in an electric field enhancement element. ピリジンのラマンスペクトル。Raman spectrum of pyridine. 標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量と、積E ×E と、の相関を説明するためのグラフ。Graph illustrating the shift amount of the resonance wavelength of surface plasmon resonance of the before and after exposing the target substance to the electric field amplification elements, a product E i 2 × E s 2, a correlation. 標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量と、電場強度Eと、の相関を説明するためのグラフ。Graph illustrating the shift amount of the resonance wavelength of surface plasmon resonance of the before and after exposing the target substance to the electric field enhancement device, and the electric field strength E i, a correlation. 標的物質を電場増強素子に曝露する前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量と、電場強度Eと、の相関を説明するためのグラフ。Graph illustrating the shift amount of the resonance wavelength of surface plasmon resonance of the before and after exposing the target substance to the electric field enhancement device, and the electric field strength E s, the correlation. 本実施形態に係る測定方法を説明するためのフローチャート。The flowchart for demonstrating the measuring method which concerns on this embodiment. 本実施形態の第1変形例に係るラマン分光装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on the 1st modification of this embodiment. 本実施形態の第2変形例に係るラマン分光装置の機能ブロック図。The functional block diagram of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on the 2nd modification of this embodiment. 本実施形態に係るラマン分光装置の具体的な構成を説明するための図。The figure for demonstrating the specific structure of the Raman spectroscopy apparatus which concerns on this embodiment. 本実施形態に係る電子機器を模式的に示す図。1 is a diagram schematically illustrating an electronic apparatus according to an embodiment. ピリジンの濃度と強度ISERSとの関係を示すグラフ。The graph which shows the relationship between the density | concentration of pyridine, and intensity | strength I SERS . ピリジンに起因するラマンシフト1014cm−1のピーク強度ISERSを示すグラフ。The graph which shows peak intensity | strength I SERS of the Raman shift 1014cm < -1 > resulting from a pyridine. ピリジンの分子数Nを求めたグラフ。The graph which calculated | required the molecular number N of a pyridine.

以下、本発明の好適な実施形態について、図面を用いて詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態は、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い。また、以下で説明される構成の全てが本発明の必須構成要件であるとは限らない。   DESCRIPTION OF EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The embodiments described below do not unduly limit the contents of the present invention described in the claims. In addition, not all of the configurations described below are essential constituent requirements of the present invention.

1. ラマン分光装置
まず、本実施形態に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図1は、本実施形態に係るラマン分光装置100の機能ブロック図である。ラマン分光装置100は、図1に示すように、光源10と、電場増強素子20と、光検出器30と、フィルター40と、操作部50と、表示部52と、記憶部54と、記憶媒体56と、処理部60と、を含む。
1. Raman Spectroscopic Device First, a Raman spectroscopic device according to this embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a functional block diagram of a Raman spectroscopic device 100 according to this embodiment. As shown in FIG. 1, the Raman spectroscopic device 100 includes a light source 10, an electric field enhancement element 20, a photodetector 30, a filter 40, an operation unit 50, a display unit 52, a storage unit 54, and a storage medium. 56 and a processing unit 60.

光源10は、電場増強素子20に、白色光L1またはレーザー光L2を照射する。光源10は、白色光L1を発生させる第1発光素子12と、レーザー光L2を発生させる第2発光素子14と、を有している。第1発光素子12は、例えば、白色LED(Light
Emitting Diode)である。白色光は、例えば、互いに異なる複数の波長を有する光である。第2発光素子14は、例えば、半導体レーザー、気体レーザーであり、第1光L1は、レーザー光である。第1光L1の波長は、例えば、350nm以上1000mn以下であり、具体的には633nmである。図示の例では、光L1,L2は、ハーフミラー2を介して、電場増強素子20に入射する。
The light source 10 irradiates the electric field enhancing element 20 with white light L1 or laser light L2. The light source 10 includes a first light emitting element 12 that generates white light L1 and a second light emitting element 14 that generates laser light L2. The first light emitting element 12 is, for example, a white LED (Light
Emitting Diode). White light is, for example, light having a plurality of different wavelengths. The second light emitting element 14 is, for example, a semiconductor laser or a gas laser, and the first light L1 is laser light. The wavelength of the first light L1 is, for example, not less than 350 nm and not more than 1000 mn, and specifically 633 nm. In the illustrated example, the lights L1 and L2 enter the electric field enhancing element 20 through the half mirror 2.

電場増強素子20には、光L1,L2が入射する。電場増強素子20は、光L1,L2を受けて、光を放射する。電場増強素子20から放射される光は、散乱光であり、例えば、電場増強素子20において反射される反射光を含んでいる。ここで、図2は、電場増強素子20を模式的に示す平面図である。図3は、電場増強素子20を模式的に示す図2のIII−III線断面図である。電場増強素子20は、図2および図3に示すように、基板22と、金属微細構造体24と、を有している。   Lights L <b> 1 and L <b> 2 are incident on the electric field enhancing element 20. The electric field enhancing element 20 receives the lights L1 and L2 and emits light. The light emitted from the electric field enhancing element 20 is scattered light and includes, for example, reflected light reflected by the electric field enhancing element 20. Here, FIG. 2 is a plan view schematically showing the electric field enhancing element 20. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III of FIG. 2 schematically showing the electric field enhancing element 20. As shown in FIGS. 2 and 3, the electric field enhancing element 20 includes a substrate 22 and a metal microstructure 24.

基板22は、例えば、ガラス基板、シリコン基板、樹脂基板である。なお、図示はしないが、基板22と金属微細構造体24との間には、基板22上に設けられた金属層、および該金属層上に設けられた誘電体層、が配置されていてもよい。   The substrate 22 is, for example, a glass substrate, a silicon substrate, or a resin substrate. Although not shown, a metal layer provided on the substrate 22 and a dielectric layer provided on the metal layer are disposed between the substrate 22 and the metal microstructure 24. Good.

金属微細構造体24は、基板22上に設けられている。金属微細構造体24の形状は、特に限定されず、例えば、円柱状、粒子状、角柱、球、回転楕円体である。図3に示す例では、金属微細構造体24の平面形状は、円形である。平面視において、金属微細構造体24の大きさ(例えば直径)は、電場増強素子20に照射されるレーザー光L2の波長以下である。具体的は、金属微細構造体24の大きさは、10nm以上1μm以下であり、好ましくは、40nm以上700nm以下である。金属微細構造体24の厚さは、例えば、1nm以上500nm以下であり、好ましくは、10nm以上100nm以下である。   The metal microstructure 24 is provided on the substrate 22. The shape of the metal microstructure 24 is not particularly limited, and examples thereof include a columnar shape, a particle shape, a prism, a sphere, and a spheroid. In the example shown in FIG. 3, the planar shape of the metal microstructure 24 is a circle. In a plan view, the size (for example, the diameter) of the metal microstructure 24 is equal to or less than the wavelength of the laser beam L2 irradiated to the electric field enhancing element 20. Specifically, the size of the metal microstructure 24 is not less than 10 nm and not more than 1 μm, and preferably not less than 40 nm and not more than 700 nm. The thickness of the metal microstructure 24 is, for example, not less than 1 nm and not more than 500 nm, preferably not less than 10 nm and not more than 100 nm.

金属微細構造体24は、例えば、複数設けられている。金属微細構造体24の数は、特
に限定されない。図示の例では、複数の金属微細構造体24の形状は、互いに同じであるが、互いに異なっていてもよい。図示の例では、複数の金属微細構造体24は、周期的に設けられているが、周期的に設けられていなくてもよい。隣り合う金属微細構造体24の間の距離は、例えば、1nm以上500nm以下である。
For example, a plurality of metal microstructures 24 are provided. The number of metal microstructures 24 is not particularly limited. In the illustrated example, the shapes of the plurality of metal microstructures 24 are the same as each other, but may be different from each other. In the illustrated example, the plurality of metal microstructures 24 are provided periodically, but may not be provided periodically. The distance between the adjacent metal microstructures 24 is, for example, 1 nm or more and 500 nm or less.

金属微細構造体24の材質は、金、銀、アルミニウム、銅である。金、銀、アルミニウム、および銅は、紫外〜可視光領域における誘電率の虚部が小さい金属であり、電場増強効果を高めることができる。   The material of the metal microstructure 24 is gold, silver, aluminum, or copper. Gold, silver, aluminum, and copper are metals that have a small imaginary part of dielectric constant in the ultraviolet to visible light region, and can enhance the electric field enhancement effect.

金属微細構造体24は、例えば、真空蒸着法やスパッタ法等によって薄膜を形成した後にパターニングを行う方法、マイクロコンタクトプリント法、ナノインプリント法などによって形成される。   The metal microstructure 24 is formed by, for example, a patterning method after forming a thin film by a vacuum deposition method, a sputtering method, or the like, a microcontact printing method, a nanoimprinting method, or the like.

金属微細構造体24は、光が照射されると表面プラズモン共鳴(SPR)を生じる。具体的には、金属微細構造体24は、局在型プラズモン共鳴(LSPR)を生じる。LSPRとは、光の波長以下の金属構造体に光を入射させると、金属内に存在する自由電子が光の電場成分により集団的に振動し、外部に局在電場を誘起する現象である。この局在電場により、ラマン散乱光を増強することができる。このように、SPRにより誘起される電場によって、ラマン散乱光が増強されることを電場増強効果という。SPRによって増強されるラマン散乱光(SERS光)の強度は、SPRにより増強された電場の4乗に比例する。   The metal microstructure 24 generates surface plasmon resonance (SPR) when irradiated with light. Specifically, the metal microstructure 24 generates localized plasmon resonance (LSPR). LSPR is a phenomenon in which, when light is incident on a metal structure having a wavelength equal to or less than the wavelength of light, free electrons existing in the metal collectively vibrate due to the electric field component of the light and induce a localized electric field outside. This localized electric field can enhance Raman scattered light. The enhancement of Raman scattered light by the electric field induced by SPR is referred to as an electric field enhancement effect. The intensity of Raman scattered light (SERS light) enhanced by SPR is proportional to the fourth power of the electric field enhanced by SPR.

金属微細構造体24には、検出対象となる標的物質を含む試料(例えば気体試料)が曝露される。これにより、金属微細構造体24には、標的物質が吸着される。標的物質は、例えば、ピリジン、アニリン、トルエン、エチルアルコール、メチルアルコールである。   A sample (for example, a gas sample) containing a target substance to be detected is exposed to the metal microstructure 24. As a result, the target substance is adsorbed on the metal microstructure 24. The target substance is, for example, pyridine, aniline, toluene, ethyl alcohol, or methyl alcohol.

金属微細構造体24に標的物質が吸着した状態で電場増強素子20にレーザー光L2を照射すると、レーザー光L2と同じ波長を有するレイリー散乱光と、レーザー光L2とは異なる波長を有するラマン散乱光と、が発生する。ラマン散乱光のエネルギーは、標的物質の構造に応じた特有の振動エネルギーに対応している。そのため、ラマン散乱光の波数(振動数)とレーザー光L2の波数との差であるラマンシフトを求めることにより、標的物質を特定することができる。さらに、ラマンシフトおよび強度から標的物質の濃度を知ることができる。   When the electric field enhancing element 20 is irradiated with the laser light L2 in a state where the target substance is adsorbed on the metal microstructure 24, Rayleigh scattered light having the same wavelength as the laser light L2 and Raman scattered light having a wavelength different from the laser light L2. Occurs. The energy of the Raman scattered light corresponds to a specific vibration energy corresponding to the structure of the target substance. Therefore, the target substance can be specified by obtaining the Raman shift that is the difference between the wave number (frequency) of the Raman scattered light and the wave number of the laser light L2. Furthermore, the concentration of the target substance can be known from the Raman shift and the intensity.

光検出器30は、図1に示すように、白色光L1またはレーザー光L2を電場増強素子20に照射したときに、電場増強素子20が放射する光を検出する。すなわち、光検出器30は、白色光L1またはレーザー光L2が電場増強素子20に照射されることによって電場増強素子20が放射する光を検出する。図示の例では、光検出器30は、2つ設けられている。一方の光検出器(第1光検出器)30aは、白色光L1を電場増強素子20に照射したときに、電場増強素子20が放射する光を検出する。他方の光検出器(第2光検出器)30bは、レーザー光L2を電場増強素子20に照射したときに、電場増強素子20が放射する光を検出する。光検出器30は、CCD(Charge Coupled Device)、光電子増倍管、フォトダイオード、イメージングプレートなどを含んで構成されていてもよい。   As shown in FIG. 1, the photodetector 30 detects light emitted from the electric field enhancement element 20 when the electric field enhancement element 20 is irradiated with white light L <b> 1 or laser light L <b> 2. That is, the photodetector 30 detects the light emitted by the electric field enhancing element 20 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the white light L1 or the laser light L2. In the illustrated example, two photodetectors 30 are provided. One light detector (first light detector) 30a detects light emitted by the electric field enhancing element 20 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the white light L1. The other photodetector (second photodetector) 30b detects light emitted by the electric field enhancing element 20 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the laser light L2. The photodetector 30 may include a CCD (Charge Coupled Device), a photomultiplier tube, a photodiode, an imaging plate, and the like.

フィルター40は、例えば、電場増強素子20と第2光検出器30bとの間に設けられている。レーザー光L2を電場増強素子20に照射したときに、電場増強素子20が放射する光は、第2光検出器30bに入射する前にフィルター40に入射する。第2光検出器30bは、フィルター40を通過した光を検出する。フィルター40は、例えば、バンドストップフィルターである。フィルター40は、レーザー光L2と同じ波長のレイリー散
乱光を除去することができる。なお、図1に示すように、電場増強素子20と第1光検出器30aとの間には、フィルター40は設けられていない。
For example, the filter 40 is provided between the electric field enhancing element 20 and the second photodetector 30b. When the electric field enhancing element 20 is irradiated with the laser light L2, the light emitted by the electric field enhancing element 20 enters the filter 40 before entering the second photodetector 30b. The second photodetector 30b detects the light that has passed through the filter 40. The filter 40 is, for example, a band stop filter. The filter 40 can remove Rayleigh scattered light having the same wavelength as the laser light L2. As shown in FIG. 1, the filter 40 is not provided between the electric field enhancing element 20 and the first photodetector 30a.

操作部50は、ユーザーによる操作に応じた操作信号を取得し、処理部60に信号を送る処理を行う。操作部50は、例えば、ボタン、キー、タッチパネル型ディスプレイ、マイクなどである。   The operation unit 50 performs a process of acquiring an operation signal corresponding to the operation by the user and sending the signal to the processing unit 60. The operation unit 50 is, for example, a button, a key, a touch panel display, a microphone, or the like.

表示部52は、処理部60から入力される表示信号に基づいて、処理部60の処理結果等を表示する。表示部52は、例えば、処理部60の処理結果を文字で表示する。表示部52は、例えば、LCD(Liquid Crystal Display)、CRT(Cathode Ray Tube)、タッチパネル型ディスプレイなどである。   The display unit 52 displays the processing result of the processing unit 60 based on the display signal input from the processing unit 60. For example, the display unit 52 displays the processing result of the processing unit 60 in characters. The display unit 52 is, for example, an LCD (Liquid Crystal Display), a CRT (Cathode Ray Tube), a touch panel type display, or the like.

記憶部54は、処理部60が各種の計算処理や制御処理を行うためのプログラムやデータ等を記憶している。記憶部54は、さらに、処理部60の作業領域として用いられ、操作部50から入力された操作信号、記憶媒体等から読み出されたプログラムやデータ、処理部60が各種プログラムに従って実行した算出結果等を一時的に記憶する。記憶部54には、データベース55が記憶されている。   The storage unit 54 stores programs, data, and the like for the processing unit 60 to perform various types of calculation processing and control processing. The storage unit 54 is further used as a work area of the processing unit 60. The operation signal input from the operation unit 50, the program and data read from the storage medium, and the calculation results executed by the processing unit 60 according to various programs. Etc. are temporarily stored. A database 55 is stored in the storage unit 54.

データベース55には、分析の対象となる標的物質に関するデータが登録されている。具体的には、データベース55には、ラマンシフトから標的物質を特定するための(定性するための)データや、ラマンスペクトルの強度から標的物質の濃度を特定するための(定量するための)データが登録されている。   In the database 55, data related to the target substance to be analyzed is registered. Specifically, the database 55 includes data for specifying (qualifying) the target substance from the Raman shift, and data for specifying (quantifying) the concentration of the target substance from the intensity of the Raman spectrum. Is registered.

処理部60は、記憶部54に記憶されているプログラムや記憶媒体等に記憶されているプログラムに従って、各種の計算処理を行う。本実施形態では、処理部60は、記憶部54に記憶されているプログラムを実行することで、反射スペクトル取得部61と、シフト量算出部62と、ラマンスペクトル取得部63と、ピーク強度算出部64と、定量部65と、相関情報取得部66として機能する。処理部60の機能は、各種プロセッサ(CPU、DSP等)、ASIC(ゲートアレイ等)などのハードウェアや、プログラムにより実現できる。なお、処理部60の少なくとも一部をハードウェア(専用回路)で実現してもよい。   The processing unit 60 performs various types of calculation processing in accordance with programs stored in the storage unit 54 and programs stored in a storage medium. In the present embodiment, the processing unit 60 executes a program stored in the storage unit 54 to thereby obtain a reflection spectrum acquisition unit 61, a shift amount calculation unit 62, a Raman spectrum acquisition unit 63, and a peak intensity calculation unit. 64, a quantification unit 65, and a correlation information acquisition unit 66. The function of the processing unit 60 can be realized by hardware such as various processors (CPU, DSP, etc.), ASIC (gate array, etc.), and programs. Note that at least a part of the processing unit 60 may be realized by hardware (a dedicated circuit).

反射スペクトル取得部61は、電場増強素子20に白色光L1が照射されたときの第1光検出器30aの検出結果に基づいて、反射スペクトル(反射率スペクトル)を取得する。具体的には、反射スペクトル取得部61は、第1光検出器30aから出力された信号を受けて、反射スペクトルを取得する。反射スペクトル取得部61は、例えば、標的物質が電場増強素子20に曝露される前の第1反射スペクトルを取得し、その後、標的物質が電場増強素子20に曝露された後の第2反射スペクトルを取得する。   The reflection spectrum acquisition unit 61 acquires a reflection spectrum (reflectance spectrum) based on the detection result of the first photodetector 30a when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the white light L1. Specifically, the reflection spectrum acquisition unit 61 receives the signal output from the first photodetector 30a and acquires the reflection spectrum. The reflection spectrum acquisition unit 61 acquires, for example, a first reflection spectrum before the target substance is exposed to the electric field enhancement element 20, and then acquires a second reflection spectrum after the target substance is exposed to the electric field enhancement element 20. get.

ここで、図4は、波長に対する反射率(反射スペクトル)および電場増強素子における電場増強度を示すシミュレーションの結果である。シミュレーションとしては、FDTDシミュレーションを用いた。反射率としては、電場増強素子に入射する光の強度と、電場増強素子から反射される光の強度と、の比を求めた。電場増強度としては、入射する光の電場と、SPRにより金属微細構造体表面に誘起された電場の最大値との比を求めた。   Here, FIG. 4 shows the result of the simulation showing the reflectance (reflection spectrum) with respect to the wavelength and the electric field enhancement intensity in the electric field enhancement element. As a simulation, an FDTD simulation was used. As the reflectance, a ratio between the intensity of light incident on the electric field enhancing element and the intensity of light reflected from the electric field enhancing element was obtained. As the electric field enhancement intensity, the ratio between the electric field of the incident light and the maximum value of the electric field induced on the surface of the metal microstructure by SPR was obtained.

図4では、標的物質を電場増強素子に曝露する前(標的物質が金属微細構造体に吸着する前)の反射率および電場増強度と、屈折率nが1.3の標的物質を電場増強素子に曝露した後(標的物質が金属微細構造体に吸着する後)の反射率および電場増強度と、屈折率nが1.47の標的物質を電場増強素子に曝露した後の反射率および電場増強度と、を示している。シミュレーションに用いた電場増強素子では、金属微細構造体の材質を金とし
、金属微細構造体の平面視における大きさを96nmとし、金属微細構造体の厚さを30nmとした。
In FIG. 4, the reflectance and electric field enhancement intensity before the target substance is exposed to the electric field enhancing element (before the target substance is adsorbed to the metal microstructure), and the target substance having a refractive index n of 1.3 are applied to the electric field enhancing element. Reflectivity and electric field enhancement intensity after exposure to the target (after the target substance is adsorbed to the metal microstructure), and reflectivity and electric field enhancement after the target substance having a refractive index n of 1.47 is exposed to the electric field enhancement element Degree. In the electric field enhancing element used in the simulation, the material of the metal microstructure was gold, the size of the metal microstructure in plan view was 96 nm, and the thickness of the metal microstructure was 30 nm.

図4に示すように、反射スペクトルは、横軸が波長、縦軸が反射率として表される。反射スペクトルは、図4に示すように、吸収領域を有する。吸収領域とは、SPR(具体的にはLSPR)による光の吸収が起きることによって、反射スペクトルが変化する領域であり、具体的には反射スペクトルの反射率が落ち込む領域である。言い換えると、励起光(入射光)の照射によってLSPRが発生すると、共鳴による吸収が起き反射率が低下して吸収領域が出現する。吸収領域の最小点(反射率が最小となる点)における波長を、表面プラズモン共鳴の共鳴波長という。反射率の値がゼロに近いほど、電場増強度が強いという関係があるため、反射率をSPRによる電場増強度の指標とすることができる。   As shown in FIG. 4, the reflection spectrum is expressed as a wavelength on the horizontal axis and a reflectance on the vertical axis. The reflection spectrum has an absorption region as shown in FIG. The absorption region is a region where the reflection spectrum changes due to light absorption by SPR (specifically, LSPR), and specifically, a region where the reflectance of the reflection spectrum falls. In other words, when LSPR is generated by the irradiation of excitation light (incident light), absorption due to resonance occurs, the reflectance decreases, and an absorption region appears. The wavelength at the minimum point of the absorption region (the point at which the reflectance is minimum) is called the resonance wavelength of surface plasmon resonance. Since the electric field enhancement is stronger as the reflectance value is closer to zero, the reflectance can be used as an index of the electric field enhancement by SPR.

シフト量算出部62は、反射スペクトル取得部61で取得された反射スペクトルに基づいて、電場増強素子20に標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長(以下、単に「共鳴波長」ともいう)のシフト量Δλ(以下、単に「シフト量Δλ」ともいう)を求める。具体的には、シフト量算出部62は、反射スペクトル取得部61で取得された第1反射スペクトルから反射率が最小となる波長を読み取り、電場増強素子20に標的物質が曝露される前の第1共鳴波長を取得する。さらに、シフト量算出部62は、反射スペクトル取得部61で取得された第2反射スペクトルから反射率が最小となる波長を読み取り、電場増強素子20に標的物質が曝露される後の第2共鳴波長を取得する。そして、第1共鳴波長と第2共鳴波長との差から、共鳴波長のシフト量Δλを求める。図4に示すように、電場増強素子に標的物質が曝露されると、共鳴波長は、長波長側にシフトする。例えば、屈折率n=1.3の標的物質が曝露された場合、共鳴波長のシフト量は、Δλ1であり、屈折率n=1.47の標的物質が曝露された場合、共鳴波長のシフト量は、Δλ1よりも大きいΔλ2である。   Based on the reflection spectrum acquired by the reflection spectrum acquisition unit 61, the shift amount calculation unit 62 is a surface plasmon resonance resonance wavelength (hereinafter simply referred to as “resonance wavelength”) before and after the target substance is exposed to the electric field enhancement element 20. Shift amount Δλ (hereinafter also simply referred to as “shift amount Δλ”). Specifically, the shift amount calculation unit 62 reads the wavelength at which the reflectance is minimized from the first reflection spectrum acquired by the reflection spectrum acquisition unit 61, and the first amount before the target substance is exposed to the electric field enhancement element 20. One resonance wavelength is acquired. Further, the shift amount calculation unit 62 reads the wavelength at which the reflectance is minimized from the second reflection spectrum acquired by the reflection spectrum acquisition unit 61, and the second resonance wavelength after the target substance is exposed to the electric field enhancement element 20. To get. Then, the shift amount Δλ of the resonance wavelength is obtained from the difference between the first resonance wavelength and the second resonance wavelength. As shown in FIG. 4, when the target substance is exposed to the electric field enhancing element, the resonance wavelength shifts to the long wavelength side. For example, when a target substance having a refractive index n = 1.3 is exposed, the shift amount of the resonance wavelength is Δλ1, and when a target substance having a refractive index n = 1.47 is exposed, the shift amount of the resonance wavelength. Is Δλ2, which is larger than Δλ1.

なお、標的物質が曝露される前の第1共鳴波長は、予め記憶部54に記憶されていてもよい。そして、シフト量算出部62は、第2反射スペクトルから取得した標的物質が曝露される後の第2共鳴波長と、予め記憶部54に記憶された第1共鳴波長と、を用いて、共鳴波長のシフト量Δλを求めてもよい。   The first resonance wavelength before the target substance is exposed may be stored in the storage unit 54 in advance. Then, the shift amount calculation unit 62 uses the second resonance wavelength after the target substance acquired from the second reflection spectrum is exposed and the first resonance wavelength stored in the storage unit 54 in advance to use the resonance wavelength. May be obtained.

ラマンスペクトル取得部63は、電場増強素子20にレーザー光L2が照射されたときの第2光検出器30bの検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得する。具体的には、ラマンスペクトル取得部63は、標的物質が曝露された後の電場増強素子20にレーザー光L2が照射されたときに、第2光検出器30bから出力された信号を受けて、ラマンスペクトルを取得する。ラマンスペクトル取得部63は、例えば、シフト量算出部62においてシフト量が求められた後に、ラマンスペクトルを取得する。   The Raman spectrum acquisition unit 63 acquires a Raman spectrum based on the detection result of the second photodetector 30b when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the laser light L2. Specifically, the Raman spectrum acquisition unit 63 receives a signal output from the second photodetector 30b when the electric field enhancing element 20 after the target substance is exposed to the laser beam L2, and receives the signal. Acquire a Raman spectrum. For example, the Raman spectrum acquisition unit 63 acquires a Raman spectrum after the shift amount is calculated by the shift amount calculation unit 62.

ここで、図5は、標的物質であるピリジンのラマンスペクトル(SERSスペクトル)である。図5に示すラマンスペクトルを取得するための実験では、電場増強素子の金属微細構造体の材質を金とし、金属微細構造体の平面視における大きさを96nmとし、金属微細構造体の厚さを30nmとした。図5に示すように、ラマンスペクトルは、横軸がラマンシフト、縦軸が強度(SERS強度)として表される。   Here, FIG. 5 is a Raman spectrum (SERS spectrum) of pyridine as a target substance. In the experiment for obtaining the Raman spectrum shown in FIG. 5, the material of the metal microstructure of the electric field enhancement element is gold, the size of the metal microstructure in plan view is 96 nm, and the thickness of the metal microstructure is 30 nm. As shown in FIG. 5, the Raman spectrum is expressed as a Raman shift on the horizontal axis and the intensity (SERS intensity) on the vertical axis.

ピーク強度算出部64は、ラマンスペクトル取得部63で取得されたラマンスペクトルに基づいて、標的物質に起因するピークのピーク強度を求める。以下、ピーク強度算出部64の処理について、具体的に説明する。   Based on the Raman spectrum acquired by the Raman spectrum acquisition unit 63, the peak intensity calculation unit 64 obtains the peak intensity of the peak due to the target substance. Hereinafter, the processing of the peak intensity calculation unit 64 will be specifically described.

まず、ピーク強度算出部64は、第1範囲S1の間での最大強度IMAXを取得する。第1範囲S1は、標的物質に応じて予め設定されており、記憶部54に記憶されている。
ユーザーが操作部50を介して表示部52に表示されている物質としてピリジンを選択した場合、例えば、第1範囲S1は、1008cm−1〜1016cm−1である。
First, the peak intensity calculation unit 64 acquires the maximum intensity I MAX between the first ranges S1. The first range S1 is preset according to the target substance and is stored in the storage unit 54.
When the user selects pyridine as the substance displayed on the display unit 52 via the operation unit 50, for example, the first range S1 is 1008 cm −1 to 1016 cm −1 .

次に、ピーク強度算出部64は、強度がIMAXとなるラマンシフト(例えばピリジンの場合1014cm−1)の周辺のベースラインの平均強度を求める。具体的には、ピーク強度算出部64は、第2範囲S2の平均強度と、第3範囲S3の平均強度と、を取得し、両値の平均強度IAVEを求める。第2範囲S2のラマンシフトは、第1範囲S1のラマンシフトよりも小さく、第3範囲S3のラマンシフトは、第1範囲S1のラマンシフトよりも大きい。第2範囲S2および第3範囲S3は、標的物質に応じて予め設定されており、記憶部54に記憶されている。ユーザーがピリジンを選択した場合、例えば、第2範囲S2は、950cm−1〜980cm−1であり、第3範囲S3は、1050cm−1〜1080cm−1である。 Next, the peak intensity calculation unit 64 obtains the average intensity of the baseline around the Raman shift (for example, 1014 cm −1 in the case of pyridine) where the intensity is I MAX . Specifically, the peak intensity calculation unit 64 acquires the average intensity of the second range S2 and the average intensity of the third range S3, and calculates the average intensity I AVE of both values. The Raman shift in the second range S2 is smaller than the Raman shift in the first range S1, and the Raman shift in the third range S3 is larger than the Raman shift in the first range S1. The second range S2 and the third range S3 are set in advance according to the target substance, and are stored in the storage unit 54. When the user selects pyridine, for example, the second range S2 is 950 cm −1 to 980 cm −1 , and the third range S3 is 1050 cm −1 to 1080 cm −1 .

次に、ピーク強度算出部64は、強度IMAXからベースラインの平均強度IAVEを引いて、標的物質に起因するピークのピーク強度ISERSを求める。 Next, the peak intensity calculator 64 subtracts the baseline average intensity I AVE from the intensity I MAX to obtain the peak intensity I SERS of the peak caused by the target substance.

なお、上記の例では、強度IMAXからベースラインの平均強度IAVEを引いてピーク強度ISERSを求めたが、ピーク強度算出部64は、強度IMAXおよびベースラインの平均強度IAVEに基づいて標的物質に起因するピークのピーク面積(例えば図5で示す斜線領域の面積)を求め、該ピーク面積をピーク強度ISERSとしてもよい。ピーク面積は、例えば、半値幅法を用いて求められる。 In the above example, the peak intensity I SERS was obtained by subtracting the baseline average intensity I AVE from the intensity I MAX , but the peak intensity calculation unit 64 is based on the intensity I MAX and the baseline average intensity I AVE . Then, the peak area of the peak caused by the target substance (for example, the area of the hatched region shown in FIG. 5) may be obtained, and the peak area may be used as the peak intensity I SERS . The peak area is determined using, for example, the half width method.

定量部65は、シフト量算出部62で求めたシフト量Δλ、およびピーク強度算出部64で求めたピーク強度ISERSに基づいて、標的物質を定量する。以下、定量部65の処理について、具体的に説明する。 The quantification unit 65 quantifies the target substance based on the shift amount Δλ obtained by the shift amount calculation unit 62 and the peak intensity I SERS obtained by the peak intensity calculation unit 64. Hereinafter, the process of the fixed_quantity | quantitative_assay part 65 is demonstrated concretely.

まず、定量部65は、シフト量算出部62で求めたシフト量Δλに基づいて、標的物質を曝露した後の電場増強素子20における、レーザー光L2の波長での電場増強度Eの2乗と、標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度Eの2乗と、の積E ×E を求める。例えば、記憶部54は、図6に示すように、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を記憶している。該情報を参照して、シフト量算出部62は、シフト量Δλから、積E ×E を求めることができる。 First, based on the shift amount Δλ obtained by the shift amount calculation unit 62, the quantification unit 65 squares the electric field enhancement intensity E i at the wavelength of the laser light L2 in the electric field enhancement element 20 after the target substance is exposed. When obtains the square and the degree of electric field enhancement E s of the wavelength of the Raman scattered light due to the target substance, the product E i 2 × E s 2. For example, as illustrated in FIG. 6, the storage unit 54 stores information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 . With reference to the information, the shift amount calculation unit 62 can obtain the product E i 2 × E s 2 from the shift amount Δλ.

シフト量Δλと積E ×E との相関の情報は、標的物質に固有の情報である。ユーザーが操作部50を介して表示部52に表示されている物質として例えばピリジンを選択した場合、定量部65は、ピリジンに応じた(選択された物質に応じた)シフト量Δλと積E ×E との相関の情報から、積E ×E を求める。 Information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 is information specific to the target substance. When the user selects, for example, pyridine as the substance displayed on the display unit 52 via the operation unit 50, the quantification unit 65 uses the shift amount Δλ corresponding to pyridine (according to the selected substance) and the product E i. from 2 × information correlated with the E s 2, determining the product E i 2 × E s 2.

ここで、記憶部54に記憶されている、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を取得する手順について説明する。まず、例えば図4に示すように、標的物質の濃度(屈折率)を変化させて、波長に対する反射率および電場増強度を求める。次に、求めた反射率から共鳴波長のシフト量Δλを求める。次に、図7に示すように、求めたシフト量Δλと、電場増強素子20に入射する波長(レーザー光L2の波長、例えば633nm)での電場増強度Eと、の関係をシミュレーションにより求める。次に、図8に示すように、求めたシフト量Δλと、標的物質に起因するラマン散乱光の波長(例えばピリジンなら、ラマンシフト1014cm−1に起因する676nm)での電場増強度Esと、の関係をシミュレーションにより求める。そして、電場増強度Eおよび電場増強度Eより、図6に示すように、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を取得することができる。なお、図4には、波長633nmおよび676nmを破線で示している。 Here, a procedure for acquiring information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 stored in the storage unit 54 will be described. First, as shown in FIG. 4, for example, the concentration (refractive index) of the target substance is changed to obtain the reflectance and the electric field enhancement with respect to the wavelength. Next, the shift amount Δλ of the resonance wavelength is obtained from the obtained reflectance. Next, as shown in FIG. 7, the relationship between the obtained shift amount Δλ and the electric field enhancement intensity E i at the wavelength incident on the electric field enhancing element 20 (the wavelength of the laser light L2, for example, 633 nm) is obtained by simulation. . Next, as shown in FIG. 8, the obtained shift amount Δλ and the electric field enhancement Es at the wavelength of Raman scattered light caused by the target substance (for example, 676 nm caused by Raman shift 1014 cm −1 in the case of pyridine), Is obtained by simulation. Then, it is possible from the electric field enhancement E i and the electric field enhancement E s, as shown in FIG. 6, to acquire the information of the correlation between the shift amount Δλ and product E i 2 × E s 2. In FIG. 4, wavelengths 633 nm and 676 nm are indicated by broken lines.

なお、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報は、電場増強素子20に固有の値である。したがって、例えば電場増強素子20が消耗して、新しい電場増強素子20と交換する場合は、新しい電場増強素子20について、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を取得しなおすことが好ましい。 Note that the information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 is a value unique to the electric field enhancing element 20. Therefore, for example, when the electric field enhancement element 20 is consumed and replaced with a new electric field enhancement element 20, information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 is acquired for the new electric field enhancement element 20. It is preferable to correct it.

次に、定量部65は、下記式(1)に基づいて、標的物質の分子数(例えば、ホットサイトに吸着した分子の数)Nを求める。   Next, the quantification unit 65 obtains the number of molecules of the target substance (for example, the number of molecules adsorbed on the hot site) N based on the following formula (1).

ただし、式(1)において、Eは、レーザー光L2の波長での電場増強度であり、Eは、標的物質に起因するラマン散乱光の波長であり、ISERSは、ピーク強度であり、Iは、レーザー光L2の強度であり、Cは、定数である。 However, in the formula (1), E i is the degree of electric field enhancement at the wavelength of the laser beam L2, E s is the wavelength of the Raman scattered light due to the target substance, I SERS is an peak intensity , I 0 is the intensity of the laser beam L2, and C is a constant.

式(1)において、ピーク強度ISERSは、ピーク強度算出部64において求められる。積E ×E は、定量部65において求められる。Iは、例えば、予め記憶部54に記憶されている。Cは、ラマン分光装置100の検出感度および標的物質1個当たりのラマン散乱光の散乱のしやすさによって決まる比例定数である。Cは、Iを一定とし、分子数Nと、ピーク強度ISERSの関係を示す検量線の傾きから求めることができる。また、Cは、下記式(2)に基づき、Iを一定とし、分子数Nと、ラマン散乱強度IRamanの関係を示す検量線の傾きから求めることもできる。 In the formula (1), the peak intensity I SERS is obtained by the peak intensity calculator 64. The product E i 2 × E s 2 is obtained by the quantification unit 65. I 0 is stored in the storage unit 54 in advance, for example. C is a proportionality constant determined by the detection sensitivity of the Raman spectroscopic device 100 and the ease of scattering of the Raman scattered light per target substance. C can be obtained from the slope of a calibration curve indicating the relationship between the number of molecules N and the peak intensity I SERS , with I 0 being constant. Further, C is based on the following formula (2), and constant I 0, can also be determined and molecular number N, from the slope of the calibration curve showing the relationship between the Raman scattering intensity I Raman.

以上により、定量部65は、標的物質を定量することができる。   As described above, the quantification unit 65 can quantitate the target substance.

なお、上記では、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報(図6参照)が記憶部54に記憶されている例について説明したが、該情報は記憶部54に記憶されておらず、記憶部54には、シフト量Δλと電場増強度Eとの相関の情報(図7参照)、およびシフト量Δλと電場増強度Eとの相関の情報(図8参照)が記憶されていてもよい。この場合、定量部65は、シフト量Δλと電場増強度Eとの相関の情報を参照して、電場増強度Eを求め、シフト量Δλと電場増強度Eとの相関の情報を参照して、電場増強度Eを求める。そして、式(1)に基づいて、標的物質を定量することができる。 In the above description, the example in which the correlation information (see FIG. 6) between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 is stored in the storage unit 54 has been described. In the storage unit 54, information on the correlation between the shift amount Δλ and the electric field enhancement E i (see FIG. 7) and information on the correlation between the shift amount Δλ and the electric field enhancement E s (see FIG. 8). ) May be stored. In this case, the quantification section 65 refers to the information of the correlation between the shift amount Δλ and degree of electric field enhancement E i, determine the degree of electric field enhancement E i, the information of the correlation between the shift amount Δλ and degree of electric field enhancement E s Referring to determine the degree of electric field enhancement E s. And based on Formula (1), a target substance can be quantified.

相関情報取得部66は、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を、外部の記憶装置から取得する。相関情報取得部66は、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を、ネットワークと介して外部の記憶装置から取得してもよいし、記憶媒体を介して外部の記憶装置から取得してもよい。この場合、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報は、記憶部54に記憶されていなくてもよい。 The correlation information acquisition unit 66 acquires information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 from an external storage device. The correlation information acquisition unit 66 may acquire correlation information between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 from an external storage device via a network, or may store external information via a storage medium. You may acquire from an apparatus. In this case, information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 may not be stored in the storage unit 54.

ラマン分光装置100は、例えば、以下の特徴を有する。   The Raman spectroscopic device 100 has the following features, for example.

ラマン分光装置100では、反射スペクトル取得部61で取得された反射スペクトルに基づいて、電場増強素子20に標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量Δλを求めるシフト量算出部62と、ラマンスペクトル取得部63で取得
されたラマンスペクトルに基づいて、標的物質に起因するピークのピーク強度ISERSを求めるピーク強度算出部64と、シフト量算出部62で求められたシフト量Δλ、およびピーク強度算出部64で求められたピーク強度ISERSに基づいて、標的物質を定量する定量部65と、を含む。そのため、ラマン分光装置100では、シフト量Δλを求めることにより、標的物質を曝露した後の電場増強素子20における電場増強度E,Eを考慮して、標的物質を定量することができる。これにより、ラマン分光装置100では、標的物質を正確に定量することができる。すなわち、ラマン分光装置100では、高い確度で標的物質を定量することができる。
In the Raman spectroscopic device 100, based on the reflection spectrum acquired by the reflection spectrum acquisition unit 61, a shift amount calculation for obtaining a shift amount Δλ of the resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancing element 20. Unit 62, peak intensity calculation unit 64 for obtaining peak intensity I SERS of the peak due to the target substance based on the Raman spectrum acquired by Raman spectrum acquisition unit 63, and shift amount obtained by shift amount calculation unit 62 And a quantification unit 65 that quantifies the target substance based on Δλ and the peak intensity I SERS obtained by the peak intensity calculation unit 64. Therefore, the Raman spectrometer 100, by determining the shift amount [Delta] [lambda], the electric field enhancement E i in an electric field enhancement device 20 after exposure of the target substance, in consideration of the E s, can be quantified target substance. Thereby, in the Raman spectroscopic device 100, the target substance can be accurately quantified. That is, the Raman spectroscopic device 100 can quantify the target substance with high accuracy.

ここで、電場増強度は、金属微細構造体の周囲の屈折率、すなわち標的物質の濃度や分子数に応じて、ピークがシフトする(例えば図4参照)。そのため、標的物質を曝露した後の電場増強素子における電場増強度を考慮しないと、標的物質を正確に定量することができない場合がある。ラマン分光装置100では、電場増強度E,Eの変動を補正し、標的物質を正確に定量することができる。 Here, the peak of the electric field enhancement intensity shifts according to the refractive index around the metal microstructure, that is, the concentration of the target substance and the number of molecules (see, for example, FIG. 4). Therefore, the target substance may not be accurately quantified without considering the electric field enhancement intensity in the electric field enhancing element after the target substance is exposed. In Raman spectroscopy apparatus 100, the electric field enhancement E i, the variation of E s is corrected, it is possible to accurately quantify the target substance.

ラマン分光装置100では、光源10は、白色光L1を発生させる第1発光素子12と、レーザー光L2を発生させる第2発光素子14と、を有する。そのため、光源10は、電場増強素子20に、白色光L1、またはレーザー光L2を照射することができる。   In the Raman spectroscopic device 100, the light source 10 includes a first light emitting element 12 that generates white light L1 and a second light emitting element 14 that generates laser light L2. Therefore, the light source 10 can irradiate the electric field enhancing element 20 with the white light L1 or the laser light L2.

ラマン分光装置100では、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を記憶する記憶部54を含む。そのため、定量部65は、記憶部54に記憶された、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を用いて、標的物質を定量することができる。 The Raman spectroscopic device 100 includes a storage unit 54 that stores information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 . Therefore, the quantification unit 65 can quantitate the target substance using information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 stored in the storage unit 54.

ラマン分光装置100では、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を、外部の記憶装置から取得する相関情報取得部66を含む。そのため、定量部65は、相関情報取得部66によって取得された、シフト量Δλと積E ×E との相関の情報を用いて、標的物質を定量することができる。 The Raman spectroscopic device 100 includes a correlation information acquisition unit 66 that acquires information on the correlation between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 from an external storage device. Therefore, the quantification unit 65 can quantitate the target substance using the correlation information between the shift amount Δλ and the product E i 2 × E s 2 acquired by the correlation information acquisition unit 66.

なお、電場増強素子は、Q値(Quality Factor)が高い。共鳴のQ値とは下記式(3)で求められ、共鳴の鋭さを示す値であり、また光の閉じこめ効果の高さを示す。ここで、ω、ω、ωは、それぞれ、共鳴ピークでの周波数、共振ピークの低エネルギー側において共鳴エネルギーがピークの半値となる周波数、共振ピークの高エネルギー側において共鳴エネルギーがピークの半値となる周波数を示す(すなわち、ω−ωは、半値幅のことである)。 The electric field enhancing element has a high Q factor (Quality Factor). The Q value of resonance is a value obtained by the following formula (3), which indicates the sharpness of resonance, and indicates the height of the light confinement effect. Here, ω 0 , ω 1 , and ω 2 are the frequency at the resonance peak, the frequency at which the resonance energy is half the peak at the low energy side of the resonance peak, and the resonance energy at the peak at the high energy side of the resonance peak, respectively. The frequency which becomes a half value is shown (that is, ω 2 −ω 1 is a half value width).

上記の共鳴のQ値は、SPRに基づく振動の状態を表す無次元数である。ある波長の光を金属微細構造体に照射すると、SPRに基づき金属微細構造他の表面において電子振動が誘起される。しかしながら、この電子振動は、電子同士の衝突や電子とフォノンの散乱等により減衰する。この減衰項を変化させることによりQ値が変化する。一般的に振動が開始された後、振動が長く続くことをQ値が高いと言う。Q値が高いほど、電子振動によって誘起される局在電場も強くなるため、SERSに適した電場増強素子といえる。一方で、Q値が高いほど波長依存性が強く、波長がずれると、増強度が大きく増減することを示唆している。したがって、ラマン分光装置100の電場増強素子20は、波長がずれると、増強度が大きく増減する傾向があり、上記のように、標的物質を曝露した後の電場増強素子20における電場増強素子E,Eを考慮して、標的物質を定量することが、特
に有効である。
The resonance Q value is a dimensionless number representing the state of vibration based on SPR. When light of a certain wavelength is irradiated onto the metal microstructure, electronic vibration is induced on the other surface of the metal microstructure based on SPR. However, this electronic vibration is attenuated by collision between electrons or scattering of electrons and phonons. By changing this attenuation term, the Q value changes. In general, after the vibration is started, if the vibration continues for a long time, the Q value is said to be high. The higher the Q value, the stronger the localized electric field induced by electronic vibration. Therefore, it can be said that the electric field enhancing element is suitable for SERS. On the other hand, the higher the Q value, the stronger the wavelength dependency, suggesting that the intensity increases greatly when the wavelength shifts. Therefore, the electric field enhancing element 20 of the Raman spectroscopic device 100 tends to increase or decrease greatly when the wavelength shifts. As described above, the electric field enhancing element E i in the electric field enhancing element 20 after the target substance is exposed as described above. , taking into account the E s, is possible to quantify the target substance, it is particularly effective.

2. 測定方法
次に、本実施形態に係る測定方法について、図面を参照しながら説明する。図9は、本実施形態に係る測定方法を説明するためのフローチャートである。以下では、本実施形態に係る測定方法として、ラマン分光装置100を用いた測定方法について説明する。
2. Measurement Method Next, a measurement method according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 9 is a flowchart for explaining the measurement method according to the present embodiment. Hereinafter, a measurement method using the Raman spectroscopic device 100 will be described as a measurement method according to the present embodiment.

例えば、ユーザーが操作部50を介して、標的物質を定量するための処理を要求すると、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、処理を開始する。例えば、ユーザーは、処理を要求する際に、標的物質の種類を入力する。   For example, when the user requests a process for quantifying the target substance via the operation unit 50, the processing unit 60 receives the operation signal from the operation unit 50 and starts the process. For example, the user inputs the type of the target substance when requesting the processing.

まず、処理部60は、第1反射スペクトルを取得するための処理を行う(ステップS102)。具体的には、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、第1発光素子12に白色光L1を照射するための信号を出力する。第1発光素子12は、処理部60からの信号を受けて、電場増強素子20に白色光L1を照射する。第1光検出器30aは、電場増強素子20から放射される光を検出する。反射スペクトル取得部61は、第1光検出器30aで検出された光の強度から、第1反射スペクトルを取得する。その後、処理部60は、例えば、表示部52に、第1反射スペクトルを表示するための信号を出力する。   First, the processing unit 60 performs a process for acquiring the first reflection spectrum (step S102). Specifically, the processing unit 60 receives an operation signal from the operation unit 50 and outputs a signal for irradiating the first light emitting element 12 with the white light L1. The first light emitting element 12 receives the signal from the processing unit 60 and irradiates the electric field enhancing element 20 with the white light L1. The first photodetector 30 a detects light emitted from the electric field enhancing element 20. The reflection spectrum acquisition unit 61 acquires the first reflection spectrum from the intensity of the light detected by the first photodetector 30a. Thereafter, the processing unit 60 outputs a signal for displaying the first reflection spectrum on the display unit 52, for example.

次に、ユーザーは、電場増強素子20の表面に、標的物質を曝露する(ステップS104)。具体的には、ユーザーは、電場増強素子20の表面付近を通る流路に設けられた吸引機構(後述する「4. ラマン分光装置の具体的な構成」参照)を作動させることにより、電場増強素子20の表面に、標的物質を曝露する。   Next, the user exposes the target substance to the surface of the electric field enhancing element 20 (step S104). Specifically, the user operates the suction mechanism (see “4. Specific Configuration of Raman Spectrometer” described later) provided in the flow path passing near the surface of the electric field enhancing element 20 to enhance the electric field. A target substance is exposed to the surface of the element 20.

次に、処理部60は、第2反射スペクトルを取得するための処理を行う(ステップS106)。具体的には、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、第1発光素子12に白色光L1を照射するための信号を出力する。第1発光素子12は、処理部60からの信号を受けて、標的物質が曝露された電場増強素子20に白色光L1を照射する。第1光検出器30aは、標的物質が曝露された電場増強素子20から放射される光を検出する。反射スペクトル取得部61は、第1光検出器30aで検出された光の強度から、第2反射スペクトルを取得する。その後、処理部60は、例えば、表示部52に、第2反射スペクトルを表示するための信号を出力する。   Next, the process part 60 performs the process for acquiring a 2nd reflection spectrum (step S106). Specifically, the processing unit 60 receives an operation signal from the operation unit 50 and outputs a signal for irradiating the first light emitting element 12 with the white light L1. The first light emitting element 12 receives the signal from the processing unit 60 and irradiates the electric field enhancing element 20 to which the target substance is exposed with the white light L1. The first photodetector 30a detects light emitted from the electric field enhancing element 20 to which the target substance is exposed. The reflection spectrum acquisition unit 61 acquires a second reflection spectrum from the intensity of light detected by the first photodetector 30a. Thereafter, the processing unit 60 outputs a signal for displaying the second reflection spectrum on the display unit 52, for example.

次に、シフト量算出部62は、反射スペクトル取得部61で取得した第1反射スペクトルおよび第2反射スペクトルに基づいて、標的物質を電場増強素子20に曝露する前後でのSPRの共鳴波長のシフト量Δλを求める(ステップS108)。その後、処理部60は、例えば、表示部52に、シフト量Δλを表示するための信号を出力する。   Next, the shift amount calculation unit 62 shifts the resonance wavelength of the SPR before and after exposing the target substance to the electric field enhancing element 20 based on the first reflection spectrum and the second reflection spectrum acquired by the reflection spectrum acquisition unit 61. An amount Δλ is obtained (step S108). Thereafter, the processing unit 60 outputs, for example, a signal for displaying the shift amount Δλ on the display unit 52.

次に、処理部60は、ラマンスペクトルを取得するための処理を行う(ステップS110)。具体的には、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、第2発光素子14にレーザー光L2を照射するための信号を出力する。第2発光素子14は、処理部60からの信号を受けて、電場増強素子20にレーザー光L2を照射する。第2光検出器30bは、電場増強素子20から放射される光を検出する。ラマンスペクトル取得部63は、第2光検出器30bで検出された光の強度から、ラマンスペクトルを取得する。その後、処理部60は、例えば、表示部52に、ラマンスペクトルを表示するための信号を出力する。   Next, the processing unit 60 performs a process for acquiring a Raman spectrum (step S110). Specifically, the processing unit 60 receives an operation signal from the operation unit 50 and outputs a signal for irradiating the second light emitting element 14 with the laser light L2. The second light emitting element 14 receives the signal from the processing unit 60 and irradiates the electric field enhancing element 20 with the laser light L2. The second photodetector 30b detects the light emitted from the electric field enhancing element 20. The Raman spectrum acquisition unit 63 acquires a Raman spectrum from the intensity of light detected by the second photodetector 30b. Thereafter, the processing unit 60 outputs a signal for displaying a Raman spectrum on the display unit 52, for example.

次に、ピーク強度算出部64は、ラマンスペクトル取得部63で取得したラマンスペクトルに基づいて、標的物質に起因するピークのピーク強度ISERSを求める(ステップS112)。その後、処理部60は、例えば、表示部52に、ピーク強度ISERSを表
示するための信号を出力する。
Next, the peak intensity calculation unit 64 obtains the peak intensity I SERS of the peak caused by the target substance based on the Raman spectrum acquired by the Raman spectrum acquisition unit 63 (step S112). Thereafter, the processing unit 60 outputs a signal for displaying the peak intensity I SERS on the display unit 52, for example.

次に、定量部65は、シフト量算出部62で求めたシフト量Δλ、およびピーク強度算出部64で求めたピーク強度ISERSに基づいて、標的物質を定量する(ステップS114)。具体的には、定量部65は、シフト量Δλに基づいて、積E ×E を求め、上記式(1)に基づいて、標的物質の分子数Nを求める。そして、処理部60は、表示部52に、標的物質の分子数Nを表示するための信号を出力し、処理を終了する。 Next, the quantification unit 65 quantifies the target substance based on the shift amount Δλ obtained by the shift amount calculation unit 62 and the peak intensity I SERS obtained by the peak intensity calculation unit 64 (step S114). Specifically, the quantification unit 65 obtains a product E i 2 × E s 2 based on the shift amount Δλ, and obtains the number N of molecules of the target substance based on the above formula (1). Then, the processing unit 60 outputs a signal for displaying the number N of molecules of the target substance on the display unit 52, and ends the processing.

なお、図示はしないが、ステップS106,S108の前に、ステップS110,S112を行ってもよい。   Although not shown, steps S110 and S112 may be performed before steps S106 and S108.

本実施形態に係る測定方法は、例えば、以下の特徴を有する。   The measurement method according to the present embodiment has the following features, for example.

本実施形態に係る測定方法では、電場増強素子20に白色光L1を照射して、第1反射スペクトルを取得する工程と、電場増強素子20の表面に、標的物質を曝露する工程と、標的物質が曝露された電場増強素子20に白色光L1を照射して、第2反射スペクトルを取得する工程と、第1反射スペクトルおよび第2反射スペクトルに基づいて、標的物質を電場増強素子20に曝露する前後でのシフト量Δλを求める工程と、電場増強素子20にレーザー光L2を照射して、ラマンスペクトルを取得する工程と、ラマンスペクトルに基づいて、標的物質に起因するピークのピーク強度ISERSを求める工程と、シフト量Δλおよびピーク強度ISERSに基づいて、標的物質を定量する工程と、を含む。そのため、本実施形態に係る測定方法では、シフト量Δλを求めることにより、標的物質を曝露した後の電場増強素子20における電場増強度E,Eを考慮して、標的物質を定量することができる。これにより、本実施形態に係る測定方法では、標的物質を正確に定量することができる。 In the measurement method according to the present embodiment, the step of irradiating the electric field enhancing element 20 with the white light L1 to acquire the first reflection spectrum, the step of exposing the target substance to the surface of the electric field enhancing element 20, and the target substance Irradiating the electric field enhancing element 20 exposed to the white light L1 to obtain the second reflection spectrum, and exposing the target substance to the electric field enhancing element 20 based on the first reflection spectrum and the second reflection spectrum. The step of obtaining the shift amount Δλ before and after, the step of irradiating the electric field enhancing element 20 with the laser light L2 to acquire the Raman spectrum, and the peak intensity I SERS of the peak caused by the target substance based on the Raman spectrum And a step of quantifying the target substance based on the shift amount Δλ and the peak intensity I SERS . Therefore, in the measuring method according to the present embodiment, by determining the shift amount [Delta] [lambda], the electric field enhancement E i in an electric field enhancement device 20 after exposure of the target substance, in consideration of the E s, quantitating the target substance Can do. Thereby, in the measuring method according to the present embodiment, the target substance can be accurately quantified.

3. ラマン分光装置の変形例
3.1. 第1変形例
次に、本実施形態の第1変形例に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図10は、本実施形態の第1変形例に係るラマン分光装置200の機能ブロック図である。以下、ラマン分光装置200において、上述したラマン分光装置100の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
3. 3. Modification of Raman spectroscopic device 3.1. First Modification Next, a Raman spectroscopic device according to a first modification of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 10 is a functional block diagram of a Raman spectroscopic device 200 according to a first modification of the present embodiment. Hereinafter, in the Raman spectroscopic device 200, members having the same functions as the constituent members of the Raman spectroscopic device 100 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

上述したラマン分光装置100では、図1に示すように、光検出器30は、2つ設けられていた。これに対し、ラマン分光装置200では、図10に示すように、光検出器30は、1つ設けられている。   In the Raman spectroscopic device 100 described above, as shown in FIG. 1, two photodetectors 30 are provided. On the other hand, in the Raman spectroscopic device 200, as shown in FIG. 10, one photodetector 30 is provided.

ラマン分光装置200では、ハーフミラー2を2つ設けることにより、白色光L1が照射されることによって電場増強素子20から放射される光と、レーザー光L2が照射されることによって電場増強素子20から放射される光と、を1つの光検出器によって検出することができる。   In the Raman spectroscopic device 200, by providing two half mirrors 2, light emitted from the electric field enhancing element 20 when irradiated with the white light L1 and from the electric field enhancing element 20 when irradiated with the laser light L2. The emitted light can be detected by a single photodetector.

ラマン分光装置200では、光源10から白色光L1が照射されるときは、フィルター40を電場増強素子20と光検出器30との間に位置しないように配置させ、光源10からレーザー光L2が照射されるときは、フィルター40を電場増強素子20と光検出器30との間に位置するに配置させる。図10に示す例では、フィルター40が電場増強素子20と光検出器30との間に位置する状態を図示している。   In the Raman spectroscopic device 200, when the white light L1 is emitted from the light source 10, the filter 40 is disposed so as not to be positioned between the electric field enhancing element 20 and the photodetector 30, and the laser light L2 is emitted from the light source 10. When this is done, the filter 40 is placed between the electric field enhancement element 20 and the photodetector 30. In the example shown in FIG. 10, a state in which the filter 40 is located between the electric field enhancing element 20 and the photodetector 30 is illustrated.

フィルター40の位置の移動は、光源10からレーザー光L2が照射される際に、ユー
ザーによって手動で行われてもよいし、フィルター40を移動させるための駆動部を設け、処理部60から該駆動に信号を出力して、フィルター40を移動させてもよい。また、フィルター40は、常に、電場増強素子20と光検出器30との間に位置し、白色光L1は透過し、レーザー光L2が照射されたときのみ、バンドストップフィルターとして機能するフィルターであってもよい。
The movement of the position of the filter 40 may be manually performed by the user when the laser light L2 is emitted from the light source 10, or a drive unit for moving the filter 40 is provided, and the drive from the processing unit 60 is performed. The filter 40 may be moved by outputting a signal. The filter 40 is always located between the electric field enhancing element 20 and the photodetector 30, transmits white light L1, and functions as a band stop filter only when irradiated with the laser light L2. May be.

ラマン分光装置200では、反射スペクトル取得部61は、電場増強素子20に白色光L1が照射されたときの光検出器30の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する。ラマンスペクトル取得部63は、電場増強素子20にレーザー光L2が照射されたときの光検出器30の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する。   In the Raman spectroscopic device 200, the reflection spectrum acquisition unit 61 acquires a reflection spectrum based on the detection result of the photodetector 30 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the white light L1. The Raman spectrum acquisition unit 63 acquires a reflection spectrum based on the detection result of the photodetector 30 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the laser light L2.

ラマン分光装置200では、光検出器30は、1つ設けられている。したがって、ラマン分光装置200では、ラマン分光装置100に比べて、光検出器30の数を減らすことができる。   In the Raman spectroscopic device 200, one photodetector 30 is provided. Therefore, in the Raman spectroscopic device 200, the number of photodetectors 30 can be reduced as compared with the Raman spectroscopic device 100.

3.2. 第2変形例
次に、本実施形態の第2変形例に係るラマン分光装置について、図面を参照しながら説明する。図11は、本実施形態の第2変形例に係るラマン分光装置300の機能ブロック図である。以下、ラマン分光装置300において、上述したラマン分光装置100,200の構成部材と同様の機能を有する部材については同一の符号を付し、その詳細な説明を省略する。
3.2. Second Modified Example Next, a Raman spectroscopic device according to a second modified example of the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG. 11 is a functional block diagram of a Raman spectroscopic device 300 according to a second modification of the present embodiment. Hereinafter, in the Raman spectroscopic device 300, members having the same functions as the constituent members of the Raman spectroscopic devices 100 and 200 described above are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.

上述したラマン分光装置100では、図1に示すように、光源10は、白色光L1を発生させる第1発光素子12と、レーザー光L2を発生させる第2発光素子14と、を有していた。これに対し、ラマン分光装置300では、光源10は、波長可変レーザー光源であり、波長が時間的に変化する第1レーザー光L1、または波長が時間的に変化しない第2レーザー光L2を照射する。具体的には、波長可変レーザー光源10は、第1レーザー光L1または第2レーザー光L2を照射する第3発光素子16を有している。   In the Raman spectroscopic device 100 described above, as shown in FIG. 1, the light source 10 has the first light emitting element 12 that generates the white light L1 and the second light emitting element 14 that generates the laser light L2. . On the other hand, in the Raman spectroscopic device 300, the light source 10 is a wavelength tunable laser light source and irradiates the first laser light L1 whose wavelength changes with time or the second laser light L2 whose wavelength does not change with time. . Specifically, the wavelength tunable laser light source 10 includes a third light emitting element 16 that irradiates the first laser light L1 or the second laser light L2.

ラマン分光装置300では、ラマン分光装置200と同様に、光検出器30は、1つ設けられている。反射スペクトル取得部61は、電場増強素子20に第1レーザー光L1が照射されたときの光検出器30の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する。ラマンスペクトルは、電場増強素子20に第2レーザー光L2が照射されたときの光検出器30の検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得する。定量部65は、シフト量Δλに基づいて、標的物質を曝露した後の電場増強素子20における、第2レーザー光L2の波長での電場増強度Eの2乗と、標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度Eの2乗と、の積E ×E を求め、上記式(1)に基づいて、標的物質の分子数Nを求める。この場合、上記式(1)において、Iは、第2レーザー光L2の強度である。 In the Raman spectroscopic device 300, as in the Raman spectroscopic device 200, one photodetector 30 is provided. The reflection spectrum acquisition unit 61 acquires a reflection spectrum based on the detection result of the photodetector 30 when the electric field enhancing element 20 is irradiated with the first laser light L1. The Raman spectrum is acquired based on the detection result of the photodetector 30 when the second laser beam L2 is irradiated onto the electric field enhancing element 20. Based on the shift amount Δλ, the quantification unit 65 squares the electric field enhancement E i at the wavelength of the second laser light L2 in the electric field enhancement element 20 after exposing the target substance, and the Raman caused by the target substance. square and of the electric field enhancement E s at the wavelength of the scattered light, the product E i 2 × E s 2 calculated based on the equation (1), determine the number of molecules N of the target substance. In this case, in the above formula (1), I 0 is the intensity of the second laser beam L2.

ラマン分光装置300では、反射スペクトルを取得する際には、例えば、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、第3発光素子16に第1レーザー光L1を照射するための信号を出力する。ラマンスペクトルを取得する際には、例えば、処理部60は、操作部50からの操作信号を受けて、第3発光素子16に第2レーザー光L2を照射するための信号を出力する。   In the Raman spectroscopic device 300, when acquiring the reflection spectrum, for example, the processing unit 60 receives an operation signal from the operation unit 50 and irradiates the first laser beam L1 to the third light emitting element 16. Is output. When acquiring the Raman spectrum, for example, the processing unit 60 receives an operation signal from the operation unit 50 and outputs a signal for irradiating the second laser beam L2 to the third light emitting element 16.

ラマン分光装置300では、波長が時間的に変化する第1レーザー光L1、または波長が時間的に変化しない第2レーザー光L2を照射する波長可変レーザー光源10を含む。そのため、ラマン分光装置300では、ラマン分光装置100のように発光素子を2つ設ける必要がなく、発光素子の数を減らすことができる。   The Raman spectroscopic device 300 includes the tunable laser light source 10 that irradiates the first laser light L1 whose wavelength changes with time or the second laser light L2 whose wavelength does not change with time. Therefore, in the Raman spectroscopic device 300, it is not necessary to provide two light emitting elements as in the Raman spectroscopic device 100, and the number of light emitting elements can be reduced.

4. ラマン分光装置の具体的な構成
次に、本実施形態に係るラマン分光装置の具体的な構成について、図面を参照しながら説明する。以下では、本実施形態に係る検出装置の具体的な構成として、ラマン分光装置100の具体的な構成について説明する。図12は、ラマン分光装置100の具体的な構成を説明するための図である。
4). Specific Configuration of Raman Spectroscopic Device Next, a specific configuration of the Raman spectroscopic device according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. Hereinafter, a specific configuration of the Raman spectroscopic device 100 will be described as a specific configuration of the detection apparatus according to the present embodiment. FIG. 12 is a diagram for explaining a specific configuration of the Raman spectroscopic device 100.

ラマン分光装置100は、図12に示すように、気体試料保持部120と、検出部130と、制御部140と、検出部130および制御部140を収容している筐体150と、を含む。   As shown in FIG. 12, the Raman spectroscopic device 100 includes a gas sample holding unit 120, a detection unit 130, a control unit 140, and a casing 150 that houses the detection unit 130 and the control unit 140.

気体試料保持部120は、電場増強素子20と、電場増強素子20を覆うカバー122と、吸引流路124と、排出流路126と、を有している。検出部130は、光源10と、レンズ4a,4b,4c,4dと、ハーフミラー2と、光検出器30と、フィルター40と、を有している。制御部140は、例えば、操作部50、表示部52、記憶部54、および処理部60を有している。制御部140は、図12に示すように、外部との接続を行うための接続部146と電気的に接続されていてもよい。   The gas sample holding unit 120 includes an electric field enhancing element 20, a cover 122 that covers the electric field enhancing element 20, a suction channel 124, and a discharge channel 126. The detection unit 130 includes a light source 10, lenses 4 a, 4 b, 4 c, 4 d, a half mirror 2, a photodetector 30, and a filter 40. The control unit 140 includes, for example, an operation unit 50, a display unit 52, a storage unit 54, and a processing unit 60. As shown in FIG. 12, the control unit 140 may be electrically connected to a connection unit 146 for connecting to the outside.

ラマン分光装置100では、排出流路126に設けられている吸引機構127を作動させると、吸引流路124および排出流路126内が負圧になり、吸引口123から標的物質を含んだ気体試料が吸引される。吸引口123には除塵フィルター125が設けられており、比較的大きな粉塵や一部の水蒸気などを除去することができる。気体試料は、吸引流路124および排出流路126を通り、排出口128から排出される。気体試料は、係る経路を通る際に、電場増強素子20に接触する。   In the Raman spectroscopic device 100, when the suction mechanism 127 provided in the discharge channel 126 is operated, the inside of the suction channel 124 and the discharge channel 126 becomes negative pressure, and the gas sample containing the target substance from the suction port 123. Is sucked. The suction port 123 is provided with a dust removal filter 125, which can remove relatively large dust, some water vapor, and the like. The gas sample passes through the suction channel 124 and the discharge channel 126 and is discharged from the discharge port 128. The gas sample contacts the electric field enhancing element 20 when passing through such a path.

吸引流路124および排出流路126の形状は、外部からの光が電場増強素子20に入射しないような形状である。これにより、ラマン散乱光以外の雑音となる光が入射しないため、信号のS/N比を向上させることができる。流路124,126を構成する材料は、例えば、光を反射し難いような材料や色である。   The shape of the suction flow path 124 and the discharge flow path 126 is such that light from the outside does not enter the electric field enhancing element 20. Thereby, since the light which becomes noise other than a Raman scattered light does not enter, the S / N ratio of a signal can be improved. The material constituting the flow paths 124 and 126 is, for example, a material or color that hardly reflects light.

吸引流路124および排出流路126の形状は、気体試料に対する流体抵抗が小さくなるような形状である。これにより、高感度な検出が可能になる。例えば、流路124,126の形状を、できるだけ角部をなくし滑らかな形状にすることで、角部における気体試料の滞留をなくすことができる。吸引機構127としては、例えば、流路抵抗に応じた静圧、風量のファンモーターやポンプを用いる。   The shape of the suction channel 124 and the discharge channel 126 is such that the fluid resistance to the gas sample is reduced. Thereby, highly sensitive detection becomes possible. For example, retention of the gas sample at the corners can be eliminated by making the shapes of the channels 124 and 126 as smooth as possible by eliminating the corners. As the suction mechanism 127, for example, a fan motor or a pump having a static pressure and an air volume corresponding to the flow path resistance is used.

ラマン分光装置100では、光源10から射出された光は、レンズ4aで集光された後、ハーフミラー2およびレンズ4bを介して、電場増強素子20に入射する。電場増強素子20から放射される光は、レンズ4b、ハーフミラー2、およびレンズ4c,4dを介して、光検出器30に至る。レーザー光L2が照射されることによって電場増強素子20から放射される光は、フィルター40を通過して、光検出器30(具体的には第2光検出器30b)に至る。   In the Raman spectroscopic device 100, the light emitted from the light source 10 is collected by the lens 4a, and then enters the electric field enhancing element 20 via the half mirror 2 and the lens 4b. The light emitted from the electric field enhancing element 20 reaches the photodetector 30 through the lens 4b, the half mirror 2, and the lenses 4c and 4d. The light emitted from the electric field enhancement element 20 by being irradiated with the laser light L2 passes through the filter 40 and reaches the photodetector 30 (specifically, the second photodetector 30b).

光検出器30に至る光は、光検出器30の分光器32を介して受光素子34にて受光される。分光器32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おり、通過波長帯域を可変とすることができる。受光素子34としては、例えば、フォトダイオードを用いる。   The light reaching the light detector 30 is received by the light receiving element 34 via the spectroscope 32 of the light detector 30. The spectroscope 32 is formed of, for example, an etalon using Fabry-Perot resonance, and the pass wavelength band can be made variable. For example, a photodiode is used as the light receiving element 34.

5. 電子機器
次に、本実施形態に係る電子機器400について、図面を参照しながら説明する。図1
3は、本実施形態に係る電子機器400を模式的に示す図である。電子機器400は、本発明に係るラマン分光装置を含むことができる。以下では、本発明に係るラマン分光装置としてラマン分光装置100を含む例について説明する。
5. Next, an electronic device 400 according to the present embodiment will be described with reference to the drawings. FIG.
FIG. 3 is a diagram schematically illustrating the electronic apparatus 400 according to the present embodiment. The electronic apparatus 400 can include a Raman spectroscopic device according to the present invention. Hereinafter, an example including the Raman spectroscopic device 100 as a Raman spectroscopic device according to the present invention will be described.

電子機器400は、図13に示すように、ラマン分光装置100と、光検出器30からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部410と、健康医療情報を記憶する記憶部420と、健康医療情報を表示する表示部430と、を含む。   As shown in FIG. 13, the electronic device 400 includes a Raman spectroscopic device 100, a calculation unit 410 that calculates health information based on detection information from the photodetector 30, and a storage unit 420 that stores health information. A display unit 430 for displaying health and medical information.

演算部410は、例えば、パーソナルコンピューター、携帯情報端末(PDA:Personal Digital Assistance)であり、光検出器30から送出される検出情報(信号等)を受け取る。演算部410は、光検出器30からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する。演算された健康医療情報は、記憶部420に記憶される。   The calculation unit 410 is, for example, a personal computer or a personal digital assistant (PDA), and receives detection information (signals or the like) transmitted from the photodetector 30. The calculation unit 410 calculates health care information based on the detection information from the photodetector 30. The calculated health and medical information is stored in the storage unit 420.

記憶部420は、例えば、半導体メモリー、ハードディスクドライブ等であり、演算部410と一体的に構成されてもよい。記憶部420に記憶された健康医療情報は、表示部430に送出される。   The storage unit 420 is, for example, a semiconductor memory, a hard disk drive, or the like, and may be configured integrally with the calculation unit 410. The health care information stored in the storage unit 420 is sent to the display unit 430.

表示部430は、例えば、表示板(液晶モニター等)、プリンター、発光体、スピーカー等により構成されている。表示部430は、演算部410によって演算された健康医療情報等に基づいて、ユーザーがその内容を認識できるように、表示または発報する。   The display unit 430 includes, for example, a display board (liquid crystal monitor or the like), a printer, a light emitter, a speaker, and the like. The display unit 430 displays or issues information based on the health care information calculated by the calculation unit 410 so that the user can recognize the contents.

健康医療情報としては、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも1種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含むことができる。   The health information includes the presence or amount of at least one biological substance selected from bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Information about can be included.

電子機器400では、ラマン分光装置100を含む。そのため、電子機器400では、高精度な健康医療情報を提供することができる。   The electronic apparatus 400 includes the Raman spectroscopic device 100. Therefore, the electronic device 400 can provide highly accurate health care information.

6. 実験例
以下に実験例を示し、本発明をより具体的に説明する。なお、本発明は、以下の実験例によって何ら限定されるものではない。
6). Experimental Example An experimental example is shown below to describe the present invention more specifically. The present invention is not limited by the following experimental examples.

6.1. 第1実験例
標的物質であるピリジンを含む気体試料において、ピリジンの濃度を変化させて、ピリジンに起因するラマンシフトの強度ISERSを調べた。本実験では、下記式(4)を用いて、ISERSを算出した。
6.1. First Experimental Example In a gas sample containing pyridine as a target substance, the concentration of pyridine was varied, and the Raman shift intensity I SERS caused by pyridine was examined. In this experiment, I SERS was calculated using the following formula (4).

ただし、式(4)において、Nは、ピリジンの分子数であり、E(λin)は、電場増強素子における、レーザー光(ラマンスペクトルを取得するための入射光)の波長での電場増強度であり、E(λscat)は、電場増強素子における、ピリジンに起因するラマン散乱光の波長での電場増強度であり、Iは、上記レーザー光の波長である。本実験では、電場増強素子の金属微細構造体の材質を金とし、金属微細構造体の平面視における大きさを96nmとし、金属微細構造体の厚さを30nmとした。 However, in Formula (4), N is the number of pyridine molecules, and E (λ in ) is the electric field enhancement factor at the wavelength of laser light (incident light for obtaining a Raman spectrum) in the electric field enhancement element. E (λ scat ) is the electric field enhancement intensity at the wavelength of Raman scattered light caused by pyridine in the electric field enhancing element, and I 0 is the wavelength of the laser beam. In this experiment, the material of the metal microstructure of the electric field enhancement element was gold, the size of the metal microstructure in plan view was 96 nm, and the thickness of the metal microstructure was 30 nm.

図14は、ピリジンの濃度と強度ISERSとの関係を示すグラフである。具体的には
、図14は、電場増強度E(λin),E(λscat)として、電場増強素子にピリジンを曝露する前の電場増強度を代入して求めたプロット(補正無し)と、ラマン分光装置100のように、電場増強素子に白色光を照射して共鳴波長のシフト量Δλを求め、シフト量Δλからピリジンを曝露した後の電場増強度を代入して求めたプロット(補正有り)と、を示すグラフである。
FIG. 14 is a graph showing the relationship between the concentration of pyridine and the intensity I SERS . Specifically, FIG. 14 is a plot (uncorrected) obtained by substituting the electric field enhancement before exposure of pyridine to the electric field enhancement element as the electric field enhancement E (λ in ) and E (λ scat ). As in the Raman spectroscopic device 100, a plot obtained by irradiating the electric field enhancing element with white light to obtain the resonance wavelength shift amount Δλ and substituting the electric field enhancement after exposure of pyridine from the shift amount Δλ (correction) A).

図14に示すように、補正有りの方が補正無しに比べて直線性がよく、濃度に対するISERSの関係を適正にプロットできていることがわかった。 As shown in FIG. 14, it was found that with correction, the linearity was better than without correction, and the relationship of I SERS against density could be plotted appropriately.

6.2. 第2実験例
標的物質であるピリジンを搬送するキャリア気体の屈折率を変化させて、ピリジンに起因するラマンシフトの強度ISERSを調べた。ピリジンの分子数Nは、一定とし、キャリア気体G1の屈折率n1は、キャリア気体G2の屈折率n2よりも小さい(n1<n2)ものとした。ピリジンを含むキャリア気体G1,G2を電場増強素子に曝露させ、ラマン分光装置100のように、電場増強素子に白色光を照射して共鳴波長のシフト量Δλを求めた。キャリア気体G1を用いた場合は、シフト量Δλ=17nmであった。キャリア気体G2を用いた場合は、シフト量Δλ=37nmであった。なお、本実験例で用いた電場増強素子の金属微細構造体の材質、大きさ、厚さは、第1実験例で用いた電場増強素子と同じである。
6.2. Second Experimental Example The intensity I SERS of the Raman shift caused by pyridine was examined by changing the refractive index of the carrier gas carrying pyridine as the target substance. The number N of pyridine molecules was constant, and the refractive index n1 of the carrier gas G1 was smaller than the refractive index n2 of the carrier gas G2 (n1 <n2). Carrier gases G1 and G2 containing pyridine were exposed to an electric field enhancement element, and the electric field enhancement element was irradiated with white light as in the Raman spectroscopic device 100 to determine the resonance wavelength shift amount Δλ. When the carrier gas G1 was used, the shift amount was Δλ = 17 nm. When carrier gas G2 was used, the shift amount was Δλ = 37 nm. The material, size, and thickness of the metal microstructure of the electric field enhancing element used in this experimental example are the same as those of the electric field enhancing element used in the first experimental example.

レーザー光(ラマンスペクトルを取得するための入射光)の波長での電場増強度、およびピリジンに起因するラマン散乱光の波長での電場増強度は、FDTDシミュレーションにより、シフト量Δλに応じて、それぞれ、上述した図7,図8のようになった。   The electric field enhancement at the wavelength of the laser beam (incident light for acquiring the Raman spectrum) and the electric field enhancement at the wavelength of the Raman scattered light caused by pyridine are respectively determined according to the shift amount Δλ by FDTD simulation. FIG. 7 and FIG. 8 described above.

ラマン分光装置100のように、キャリア気体G1,G2が曝露された電場増強素子にレーザー光を照射して、ラマンスペクトルを取得し、ピーク強度ISERSを求めた。図15は、ピリジンに起因するラマンシフト1014cm−1のピーク強度ISERSを示すグラフである。 As in the Raman spectroscopic device 100, the electric field enhancing element to which the carrier gases G1 and G2 were exposed was irradiated with laser light to obtain a Raman spectrum, and the peak intensity I SERS was obtained. FIG. 15 is a graph showing the peak intensity I SERS at a Raman shift of 1014 cm −1 due to pyridine.

図16は、図15のピーク強度ISERSを、上記式(4)に示す積E(λin×E(λscatで割って、ピリジンの分子数Nを求めたグラフである。図16において、補正有りは、上記のように求めたシフト量Δλから、ピリジンが曝露された後の積E(λin×E(λscatを代入したものである。補正無しは、シフト量Δλを考慮せず、ピリジンが曝露される前の積E(λin×E(λscatを代入したものである。 FIG. 16 is a graph obtained by dividing the peak intensity I SERS of FIG. 15 by the product E (λ in ) 2 × E (λ scat ) 2 shown in the above formula (4) to determine the number N of pyridine molecules. In FIG. 16, “with correction” is obtained by substituting the product E (λ in ) 2 × E (λ scat ) 2 after exposure of pyridine from the shift amount Δλ obtained as described above. Without correction, the shift amount Δλ is not taken into account, and the product E (λ in ) 2 × E (λ scat ) 2 before pyridine is exposed is substituted.

図16に示すように、ピリジンの分子数は一定にも関わらず、補正無しの場合は、ピーク強度ISERSの違いから、キャリア気体G2に比べてキャリア気体G1の方が、ピリジンの分子数Nが多いという結果が得られてしまった。一方、補正有りの場合は、キャリア気体G1とキャリア気体G2とにおける分子数Nの差は小さく、分子数Nは、ほぼ同数であることがわかった。 As shown in FIG. 16, although the number of pyridine molecules is constant, in the case of no correction, due to the difference in peak intensity I SERS , the carrier gas G1 has a pyridine molecule number N compared to the carrier gas G2. The result that there was much is obtained. On the other hand, in the case of correction, it was found that the difference in the number of molecules N between the carrier gas G1 and the carrier gas G2 was small, and the number of molecules N was almost the same.

上述した実施形態および変形例は一例であって、これらに限定されるわけではない。例えば、各実施形態および各変形例を適宜組み合わせることも可能である。   The above-described embodiments and modifications are merely examples, and the present invention is not limited to these. For example, it is possible to appropriately combine each embodiment and each modification.

本発明は、実施の形態で説明した構成と実質的に同一の構成(例えば、機能、方法及び結果が同一の構成、あるいは目的及び効果が同一の構成)を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成の本質的でない部分を置き換えた構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成と同一の作用効果を奏する構成又は同一の目的を達成することができる構成を含む。また、本発明は、実施の形態で説明した構成に公知技術を付加した構
成を含む。
The present invention includes configurations that are substantially the same as the configurations described in the embodiments (for example, configurations that have the same functions, methods, and results, or configurations that have the same objects and effects). In addition, the invention includes a configuration in which a non-essential part of the configuration described in the embodiment is replaced. In addition, the present invention includes a configuration that exhibits the same operational effects as the configuration described in the embodiment or a configuration that can achieve the same object. Further, the invention includes a configuration in which a known technique is added to the configuration described in the embodiment.

2…ハーフミラー、4a,4b,4c,4d…レンズ、10…光源、12…第1発光素子、14…第2発光素子、16…第3発光素子、20…電場増強素子、22…基板、24…金属微細構造体、30…光検出器、30a…第1光検出器、30b…第2光検出器、32…分光器、34…受光素子、40…フィルター、50…操作部、52…表示部、54…記憶部、55…データベース、60…処理部、61…反射スペクトル取得部、62…シフト量算出部、63…ラマンスペクトル取得部、64…ピーク強度算出部、65…定量部、66…相関情報取得部、100…ラマン分光装置、120…気体試料保持部、122…カバー、123…吸引口、124…吸引流路、125…除塵フィルター、126…排出流路、127…吸引機構、128…排出口、130…検出部、140…制御部、146…接続部、150…筐体、200,300…ラマン分光装置、400…電子機器、410…演算部、420…記憶部、430…表示部 2 ... half mirror, 4a, 4b, 4c, 4d ... lens, 10 ... light source, 12 ... first light emitting element, 14 ... second light emitting element, 16 ... third light emitting element, 20 ... electric field enhancing element, 22 ... substrate, 24 ... Metal microstructure, 30 ... Photo detector, 30a ... First photo detector, 30b ... Second photo detector, 32 ... Spectroscope, 34 ... Light receiving element, 40 ... Filter, 50 ... Operation unit, 52 ... Display unit 54 ... Storage unit 55 ... Database 60 ... Processing unit 61 ... Reflection spectrum acquisition unit 62 ... Shift amount calculation unit 63 ... Raman spectrum acquisition unit 64 ... Peak intensity calculation unit 65 ... Determination unit 66 ... correlation information acquisition unit, 100 ... Raman spectroscopic device, 120 ... gas sample holding unit, 122 ... cover, 123 ... suction port, 124 ... suction channel, 125 ... dust removal filter, 126 ... discharge channel, 127 ... suction mechanism , 128 ... Outlet, 130 ... detector, 140 ... controller, 146 ... connection section, 150 ... housing, 200, 300 ... Raman spectrometer, 400 ... electronic device, 410 ... operation unit, 420 ... storage unit, 430 ... display unit

Claims (12)

標的物質が曝露される電場増強素子と、
白色光およびレーザー光を照射する光源と、
前記電場増強素子に前記白色光および前記レーザー光が照射されたときに、前記電場増強素子が放射する光を検出する光検出器と、
前記電場増強素子に前記白色光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する反射スペクトル取得部と、
前記反射スペクトルに基づいて、前記電場増強素子に前記標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めるシフト量算出部と、
前記電場増強素子に前記レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得するラマンスペクトル取得部と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求めるピーク強度算出部と、
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する定量部と、
を含む、ラマン分光装置。
An electric field enhancing element to which the target substance is exposed;
A light source that emits white light and laser light;
A photodetector for detecting light emitted by the electric field enhancing element when the electric field enhancing element is irradiated with the white light and the laser light;
Based on the detection result of the photodetector when the electric field enhancing element is irradiated with the white light, a reflection spectrum acquisition unit that acquires a reflection spectrum;
Based on the reflection spectrum, a shift amount calculation unit for obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancing element;
Based on the detection result of the photodetector when the electric field enhancing element is irradiated with the laser light, a Raman spectrum acquisition unit that acquires a Raman spectrum;
Based on the Raman spectrum, a peak intensity calculation unit for obtaining a peak intensity of a peak caused by the target substance;
A quantification unit for quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
Including a Raman spectroscopic apparatus.
請求項1において、
前記光源は、
前記白色光を発生させる第1発光素子と、
前記レーザー光を発生させる第2発光素子と、
を有する、ラマン分光装置。
In claim 1,
The light source is
A first light emitting element for generating the white light;
A second light emitting element for generating the laser beam;
A Raman spectroscopic apparatus.
請求項1または2において、
前記定量部は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求める、ラマン分光装置。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In claim 1 or 2,
The quantitative unit is
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the laser light and the electric field at the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product E i 2 × E s 2 of the square of the enhancement and
A Raman spectroscopic device for obtaining the number N of molecules of the target substance based on the following formula (1).
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the laser beam,
C is a constant.
標的物質が曝露される電場増強素子と、
波長が時間的に変化する第1レーザー光、および波長が時間的に変化しない第2レーザー光を照射する波長可変レーザー光源と、
前記電場増強素子に前記第1レーザー光および前記第2レーザー光が照射されたときに、前記電場増強素子が放射する光を検出する光検出器と、
前記電場増強素子に前記第1レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、反射スペクトルを取得する反射スペクトル取得部と、
前記反射スペクトルに基づいて、前記電場増強素子に前記標的物質が曝露された前後での表面プラズモン共鳴の共鳴波長のシフト量を求めるシフト量算出部と、
前記電場増強素子に前記第2レーザー光が照射されたときの前記光検出器の検出結果に基づいて、ラマンスペクトルを取得するラマンスペクトル取得部と、
前記ラマンスペクトルに基づいて、前記標的物質に起因するピークのピーク強度を求めるピーク強度算出部と、
前記シフト量および前記ピーク強度に基づいて、前記標的物質を定量する定量部と、
を含む、ラマン分光装置。
An electric field enhancing element to which the target substance is exposed;
A wavelength-tunable laser light source first laser beam, and the wavelength irradiates the second laser light does not change temporally wavelength changes with time,
A photodetector for detecting light emitted by the electric field enhancement element when the electric field enhancement element is irradiated with the first laser light and the second laser light;
A reflection spectrum acquisition unit for acquiring a reflection spectrum based on a detection result of the photodetector when the electric field enhancement element is irradiated with the first laser beam;
Based on the reflection spectrum, a shift amount calculation unit for obtaining a shift amount of a resonance wavelength of surface plasmon resonance before and after the target substance is exposed to the electric field enhancing element;
A Raman spectrum acquisition unit that acquires a Raman spectrum based on a detection result of the photodetector when the second laser beam is irradiated onto the electric field enhancement element;
Based on the Raman spectrum, a peak intensity calculation unit for obtaining a peak intensity of a peak caused by the target substance;
A quantification unit for quantifying the target substance based on the shift amount and the peak intensity;
Including a Raman spectroscopic apparatus.
請求項4において、
前記定量部は、
前記シフト量に基づいて、前記標的物質を曝露した後の前記電場増強素子における、前記第2レーザー光の波長での電場増強度の2乗と、前記標的物質に起因するラマン散乱光の波長での電場増強度の2乗と、の積E ×E を求め、
下記式(1)に基づいて、前記標的物質の分子数Nを求める、ラマン分光装置。
ただし、式(1)において、
SERSは、前記ピーク強度であり、
は、前記第2レーザー光の強度であり、
Cは、定数である。
In claim 4,
The quantitative unit is
Based on the shift amount, the electric field enhancement element after the target substance is exposed to the square of the electric field enhancement intensity at the wavelength of the second laser light and the wavelength of the Raman scattered light caused by the target substance. Find the product of the square of the electric field enhancement of E i 2 × E s 2 ,
A Raman spectroscopic device for obtaining the number N of molecules of the target substance based on the following formula (1).
However, in Formula (1),
I SERS is the peak intensity,
I 0 is the intensity of the second laser beam,
C is a constant.
請求項3または5において、
前記シフト量と前記積との相関の情報を記憶する記憶部を含む、ラマン分光装置。
In claim 3 or 5,
A Raman spectroscopic apparatus including a storage unit that stores information on a correlation between the shift amount and the product.
請求項3または5において、
前記シフト量と前記積との相関の情報を、外部の記憶装置から取得する相関情報取得部を含む、ラマン分光装置。
In claim 3 or 5,
A Raman spectroscopic device including a correlation information acquisition unit that acquires information of correlation between the shift amount and the product from an external storage device.
請求項1ないしのいずれか1項に記載のラマン分光装置において、
前記光源から射光された光を前記電場増強素子に導き、且つ前記電場増強素子から放射される光を前記光検出器に導くハーフミラーをさらに備える、ラマン分光装置。
The Raman spectroscopic apparatus according to any one of claims 1 to 3 ,
A Raman spectroscopic apparatus, further comprising a half mirror that guides light emitted from the light source to the electric field enhancement element and guides light emitted from the electric field enhancement element to the photodetector.
請求項8に記載のラマン分光装置において、
複数の前記ハーフミラーを備える、ラマン分光装置。
The Raman spectroscopic apparatus according to claim 8,
A Raman spectroscopic device comprising a plurality of the half mirrors.
請求項1ないし9のいずれか1項に記載のラマン分光装置において、
前記電場増強素子から放射される光からレイリー散乱光を除外する光学フィルターをさらに備える、ラマン分光装置。
The Raman spectroscopic device according to any one of claims 1 to 9,
The Raman spectroscopic apparatus further comprising an optical filter that excludes Rayleigh scattered light from the light emitted from the electric field enhancing element.
請求項1ないし10のいずれか1項に記載のラマン分光装置と、
前記光検出器からの検出情報に基づいて健康医療情報を演算する演算部と、
前記健康医療情報を記憶する記憶部と、
前記健康医療情報を表示する表示部と、
を含む、電子機器。
The Raman spectroscopic device according to any one of claims 1 to 10,
A computing unit that computes health and medical information based on detection information from the photodetector;
A storage unit for storing the health care information;
A display unit for displaying the health care information;
Including electronic equipment.
請求項11に記載の電子機器において、
前記健康医療情報は、細菌、ウィルス、タンパク質、核酸、および抗原・抗体から選択される少なくとも1種の生体関連物質、または、無機分子および有機分子から選択される少なくとも1種の化合物の有無若しくは量に関する情報を含む、電子機器。
The electronic device according to claim 11,
The health care information includes the presence or absence or amount of at least one compound selected from bacteria, viruses, proteins, nucleic acids, and antigens / antibodies, or at least one compound selected from inorganic molecules and organic molecules. Electronic equipment, including information about.
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