JP2014038031A - ラマン散乱光測定装置および方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ラマン散乱光の測定をしながら高速かつ高精度にピーク波長の信号を抽出する。
【解決手段】被検体Ｓに対して励起光Ｌ１を照射する励起光照射部２０と、励起光Ｌ１の照射によって被検体において発生したラマン散乱光Ｌ２が入射されるバンドパスフィルタ３１を有し、そのバンドパスフィルタ３１の中心波長とラマン散乱光Ｌ２に含まれる被検体に特有のピーク波長とを、そのピーク波長がバンドパスフィルタ３１の帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによってラマン散乱光に対して周波数変調を施す変調部３０と、周波数変調が施されたラマン散乱光を検出して光強度信号を出力する光検出器４０と、光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するロックインアンプ５０とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検体に特有のピーク波長を有するラマン散乱光を測定するラマン散乱光測定装置および方法に関するものである。

従来、被検体を構成する物質の同定などを行う方法としてラマン分光法が提案されている。ラマン分光法は、物質に単波長光を照射して得られる散乱光を分光して、ラマン散乱光のスペクトル（ラマンスペクトル）を得る方法であり、このスペクトルのピーク波長を解析することによって物質の同定などを行うことができる。

上述したラマン分光法としては、微弱なラマン散乱光を増強するため、局在プラズモン共鳴によって増強された光電場を利用した、いわゆる表面増強ラマン（SERS）と呼ばれる方法がある（特許文献１、非特許文献１〜３参照））。

この方法は、金属体、特に表面にナノオーダの凹凸を有する金属体に物質を接触させた状態で光を照射すると、局在プラズモン共鳴による光電場増強が生じ、金属体表面に接触された試料のラマン散乱光の強度が増強されるという原理を利用したものである。被検体を担持する担体（基板）として、表面に金属凹凸構造を備えた基板を用いることにより表面増強ラマン分光法を実施することができる。

特表２００６−５１４２８６号公報

戸田、半那、谷著、日本写真学会誌 70,38(2007)、 Optics Express Vol.17, No.21 18556 Nano Letters, vol.19 No.6, 2343

ここで、上述したようなラマン分光法においては、被検体からのラマン散乱光だけでなく、基板から発せられた蛍光も分光器によって検出されることになるので、分光器によって検出される信号には、図４に示すように、ラマン散乱光のピーク波長だけでなく、広い波長帯域に亘るバックグラウンドの信号が含まれることになる。

したがって、従来は、このバックグラントを含むスペクトルの信号に対して、たとえばフィルタ処理などの信号処理を施すことによってピーク波長の信号を抽出するようにしていたが、フィルタ処理による信号抽出には精度に限界があり、高精度にピーク波長の信号を抽出することが困難であった。

また、上述したような信号処理によってピーク波長の信号を抽出する場合には、分光器によって広い波長帯域に亘って信号検出した後にピーク波長の信号抽出が行われるため、そのピーク波長の信号抽出までに要する時間が長くなるという問題がある。特に、基板上に設置された被検体に対して２次元状に光を走査し、各走査点についてピーク波長の信号を取得するような場合には、各走査点について広い波長帯域に亘る信号検出を行う必要があるため、全ての走査点についてピーク波長の信号抽出が終了するまでに、かなりの時間を要するという問題がある。たとえば１５ｍｍ×２０ｍｍの範囲を数１００μｍのピッチで光を走査する際、１つの走査点について１秒の時間を要するとすると、全ての走査点について信号抽出を終了するまでに数時間を要することになる。

本発明は、上記事情に鑑み、ラマン散乱光の測定をしながら高速にピーク波長の信号を検出できるとともに、高精度にピーク波長の信号を抽出することができるラマン散乱光測定装置および方法を提供することを目的とする。

本発明のラマン散乱光測定装置は、被検体に対して励起光を照射する励起光照射部と、励起光の照射によって被検体において発生したラマン散乱光が入射されるバンドパスフィルタを有し、そのバンドパスフィルタの中心波長とラマン散乱光に含まれる被検体に特有のピーク波長とを、そのピーク波長がバンドパスフィルタの帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによってラマン散乱光に対して周波数変調を施す変調部と、周波数変調が施されたラマン散乱光を検出して光強度信号を出力する光検出部と、光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得する信号取得部とを備えたことを特徴とする。

また、上記本発明のラマン散乱光測定装置においては、変調部を、バンドパスフィルタを回転させる回転駆動部を有するものとし、回転駆動部によりバンドパスフィルタを回転させることによってバンドパスフィルタの中心波長を変更して上記走査を行うものとできる。

また、バンドパスフィルタを、回転駆動部に対して着脱可能に構成することができる。

また、バンドパスフィルタが着脱可能に設置され、その設置されたバンドパスフィルタを支持する支持部材を有するものとし、支持部材を、回転駆動部に対して着脱可能に構成することができる。

また、変調部を、励起光を射出する励起光源を制御することによって励起光の中心波長を変更して上記走査を行うものとできる。

また、励起光源として、半導体レーザ光源を用いることができる。

また、信号取得部を、ロックインアンプを有するものとし、そのロックインアンプを用いて変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得することができる。

また、信号取得部を、変調周波数以下の周波数成分の信号を除去するハイパスフィルタを有するものとし、そのハイパスフィルタを用いて変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得することができる。

また、信号取得部を、変調周波数の２倍の周波数成分の信号を取得するものとできる。

また、励起光によって被検体上が２次元状に走査されるものとし、信号取得部を、被検体上の励起光の各走査点について、光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するものとできる。

また、透明な微細凹凸構造を備えた透明基板と、前記微細凹凸構造表面に形成された金属膜とを備えた光電場増強デバイスを有するものとし、励起光照射部を、光電場増強デバイスの金属膜上に配置された被検体に対して励起光を照射するものとできる。

本発明のラマン散乱光測定方法は、被検体に対して励起光を照射し、その励起光の照射によって被検体において発生したラマン散乱光をバンドパスフィルタに入射させ、かつそのバンドパスフィルタの中心波長とラマン散乱光に含まれる被検体に特有のピーク波長とを、そのピーク波長がバンドパスフィルタの帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによってラマン散乱光に対して周波数変調を施し、その周波数変調が施されたラマン散乱光を検出することによって光強度信号の時間的な変化を取得し、その時間的に変化する光強度信号に基づいて、周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得することを特徴とする。

本発明のラマン散乱光測定装置および方法によれば、被検体に対して励起光を照射し、その励起光の照射によって被検体において発生したラマン散乱光をバンドパスフィルタに入射させ、かつそのバンドパスフィルタの中心波長とラマン散乱光に含まれる被検体に特有のピーク波長とを、そのピーク波長がバンドパスフィルタの帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによってラマン散乱光に対して周波数変調を施し、その周波数変調が施されたラマン散乱光を検出することによって光強度信号の時間的な変化を取得し、その時間的に変化する光強度信号に基づいて、周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するようにしたので、従来のように、分光器による広い波長帯域に亘る信号検出を行う必要がなく、ラマン散乱光の検出を行いながら上述した高い周波数成分の信号をピーク波長の信号として抽出することができるので、高速な測定を実現することができる。

また、従来のようなフィルタ処理などの信号処理ではなく、周波数信号処理によって上述した高い周波数成分の信号をピーク波長の信号として抽出するようにしたので、バックグラウンドの信号を含むことなく、ピーク波長の信号強度を高精度に抽出することができる。

本発明のラマン散乱光測定装置の第１の実施形態の概略構成を示す図 図１に示すラマン散乱光測定装置に備えられた光電場増強基板を示す斜視図 図２Ａに示した光電場増強基板の側面の一部IIＢの拡大図 ピーク波長に対するバンドパスフィルタの中心波長の走査を説明するための図 ラマンスペクトルの一例とそのラマンスペクトルにおけるバンドパスフィルタの中心波長の走査範囲を示す図 ロックインアンプによって取得される光強度信号の時間的な変化の一例を示す図 回転駆動部に対して着脱可能なバンドパスフィルタおよび軸受けアタッチメントの一例を示す図 本発明のラマン散乱光測定装置の第２の実施形態の概略構成を示す図 バンドパスフィルタの中心に対するピーク波長の走査を説明するための図 本発明のラマン散乱光測定装置の第１の実施形態においてハイパスフィルタ処理部を用いた概略構成を示す図 本発明のラマン散乱光測定装置の第２の実施形態においてハイパスフィルタ処理部を用いた概略構成を示す図 本発明のラマン散乱光測定装置の第１の実施形態に対して光電場増強基板を移動させる移動ステージを設けた図

以下、本発明のラマン散乱光測定装置および方法の第１の実施形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。図１は、本実施形態のラマン散乱光測定装置１の概略構成を示すブロック図である。

本実施形態のラマン散乱光測定装置１は、図１に示すように、被検体Ｓを支持する光電場増強基板１０と、光電場増強基板１０の裏面側から被検体配置箇所へ励起光Ｌ１を照射する励起光照射部２０と、被検体Ｓから発せられ光電場増強基板１０の作用により増強されたラマン散乱光Ｌ２が入射されるバンドパスフィルタ３１を有し、そのバンドパスフィルタ３１の中心波長とラマン散乱光Ｌ２に含まれる被検体Ｓに特有のピーク波長とを相対的に走査することによってラマン散乱光Ｌ２に対して周波数変調を施す変調部３０と、変調部３０によって周波数変調の施されたラマン散乱光Ｌ２を検出して光強度信号を出力する光検出器（光検出部に相当する）４０と、光検出器４０から出力された光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、上記周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するロックインアンプ５０（信号取得部に相当する）と、変調部３０における周波数変調の変調周波数が設定される周波数設定部６０と、周波数設定部６０において設定された変調周波数に基づいて、変調部３０の回転駆動部３２を制御する回転制御部７０とを備えている。

まず、光電場増強基板１０について説明する。図２Ａは、光電場増強基板１０を示す斜視図であり、図２Ｂは、図２Ａに示した光電場増強基板１０の側面の一部IIＢの拡大図である。

光電場増強基板１０は、図２Ａおよび図２Ｂに示すように、ガラスなどからなる透明基板１１と、透明基板１１の表面に形成された微細凹凸構造１２と、微細凹凸構造１２の表面に形成された金属膜１３とからなるものである。

本実施形態における微細凹凸構造１２は、ベーマイトから形成されるものである。微細凹凸構造１２は、その表面に金属膜１３を形成した場合の金属微細凹凸構造の凸部の深さの平均およびピッチの平均が、励起光Ｌ１の波長より短くなるように形成されるものであるが、金属微細凹凸構造の表面に局在プラズモンを生じさせうるものであればよい。特に、微細凹凸構造１２は、凸部頂点から隣接する凹部の底部までの深さの平均が２００ｎｍ以下、凹部を隔てた最隣接凸部の頂点同士のピッチの平均が２００ｎｍ以下であることが望ましい。

金属膜１３は、微細凹凸構造１２の表面に沿って形成されるものであり、これにより上述した金属微細凹凸構造が形成される。そして、光電場増強基板１０は、この金属微細凹凸構造によって局在プラズモン共鳴による光電増強効果を得ることができるものである。

具体的には、光電場増強基板１０は、金属膜１３が形成された微細凹凸構造１２（金属微細凹凸構造）への励起光Ｌ１の照射によって局在プラズモン共鳴が誘起され、この局在プラズモン共鳴により金属膜１３の表面に増強された光電場を生じさせるものである。

金属膜１３は、励起光Ｌ１の照射を受けて局在プラズモンを生じうる金属からなるものであればよいが、例えば、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、およびこれらを主成分とする合金からなる群より選択される少なくとも１種の金属からなるものである。特には、ＡｕあるいはＡｇが好ましい。

金属膜１３の膜厚は、金属膜１３が微細凹凸構造１２の表面に形成された場合に、金属微細凹凸構造として励起光Ｌ１の照射を受けて局在プラズモンを生じうる凹凸形状を維持することができる程度の厚みであれば特に制限はないが、１０ｎｍ〜１００ｎｍであることが好ましい。

励起光照射部２０は、たとえばピーク波長７８５ｎｍの励起光Ｌ１を射出する半導体レーザ光源２１（励起光源に相当する）と、この半導体レーザ光源２１から射出された励起光Ｌ１を光電場増強基板１０に向けて反射するミラー２２と、そのミラー２２により反射された励起光Ｌ１を透過し、かつ励起光Ｌ１の照射により被検体Ｓにおいて発生し増強されたラマン散乱光Ｌ２を含む光電場増強基板１０側からの光を、光検出器４０に向けて反射するハーフミラー２３と、ハーフミラー２３を透過した励起光Ｌ１を光電場増強基板１０の被検体Ｓが載置された領域に集光し、かつ被検体Ｓ側からの光を平行光化するレンズ２４とを備えている。

励起光照射部２０と変調部３０との間には、ノッチフィルタ２５が設けられている。ノッチフィルタ２５は、ハーフミラー２３により反射された光のうち励起光Ｌ１を除去し、それ以外の光を透過するものである。

変調部３０は、ノッチフィルタ２５を透過したラマン散乱光Ｌ２が入射されるバンドパスフィルタ３１と、バンドパスフィルタ３１を回転させる回転駆動部３２とを備えている。本実施形態のバンドパスフィルタ３１は干渉フィルタであって、回転駆動部３２によって回転させられることによって、入射されるラマン散乱光Ｌ２に対してその中心波長が変化するものである。

具体的には、本実施形態のバンドパスフィルタ３１は、その光入射面に対してラマン散乱光Ｌ２が垂直に入射する位置に配置された状態において、その中心波長がラマン散乱光Ｌ２に含まれる被検体Ｓに特有のピーク波長Ｐλとなるように構成されたものである。

そして、バンドパスフィルタ３１は、回転駆動部３２によって回転し、この回転によってラマン散乱光Ｌ２の入射面の傾きが変更され、これにより図３に示すようにラマン散乱光Ｌ２のピーク波長Ｐλに対するバンドパスフィルタ３１の中心波長がΔλの範囲で変更されるものである。具体的には、バンドパスフィルタ３１としては、たとえばラマン散乱光Ｌ２のピーク波長Ｐλが８２５ｎｍ近傍であると予想される場合には、０度入射で８３０ｎｍの中心波長、１ｎｍの帯域幅、５度の角度変化で８２０ｎｍ〜８３０ｎｍの中心波長変化のものが用いられる。なお、バンドパスフィルタ３１の帯域幅は、被検体Ｓに特有のピーク波長の帯域幅よりも小さい方がよい。図４は、ラマン散乱光Ｌ２のラマンスペクトルと、そのラマンスペクトルにおける被検体Ｓに特有のピーク波長Ｐλと、バンドパスフィルタ３１の中心波長の走査範囲Δλを示すものである。

本実施形態におけるバンドパスフィルタ３１は、その光入射面とラマン散乱光Ｌ２の入射方向（光軸方向）とが垂直になる位置を回転初期位置（図１に示す点線位置）とし、図１において矢印Ａで示すように、その回転初期位置から時計回りに５度回転した後、反時計回りに回転して回転初期位置に一旦戻った後、さらにその回転初期位置から反時計回りに５度回転し、その後、再び時計回りに回転して回転初期位置に戻る。そして、この５度の時計回りと反時計回りとが交互に繰り返されることによって、バンドパスフィルタ３１の中心波長が、図３および図４に示す走査範囲Δλで往復走査される。なお、本実施形態においては、上述したように１８０度の時計回りと反時計回りとを交互に繰り返してバンドパスフィルタ３１を回転させるようにしたが、これに限らず、被検体Ｓに特有のピーク波長Ｐλが、バンドパスフィルタ３１の透過帯域を少なくとも２回透過するような回転方法であればその他の回転方法でもよく、たとえばバンドパスフィルタ３１を３６０度時計回りまたは反時計回りに回転させるようにしてもよい。

回転駆動部３２は、バンドパスフィルタ３１を上述したように回転させるものであり、たとえばガルバノモータなどから構成されるものである。

回転駆動部３２の回転速度は、回転制御部７０によって制御されるものであり、回転制御部７０は、周波数設定部６０において設定された周波数に基づいて回転駆動部３２の回転速度を制御するものである。

周波数設定部６０は、変調部３０における周波数変調の変調周波数ｆが設定されるものである。この変調周波数ｆは、ユーザによって所定の入力部（図示省略）を用いて設定される。そして、周波数設定部６０に周波数ｆが設定された場合、回転制御部７０は、回転速がｆ（回転数／秒）となるように回転駆動部３２を制御し、ロックインアンプ５０は、周波数２ｆの信号を検出するように設定される。なお、本実施形態でいう１回転とは、１８０度の時計回りと反時計回りとがそれぞれ１回行われることをいう。

変調部３０と光検出器４０との間には、ノイズ光を除去するためのピンホール３４ａが設けられたピンホール板３４と、変調部３０によって変調後のラマン散乱光Ｌ３をピンホール３４ａへ集光するためのレンズ３３と、ピンホール３４ａを透過した変調後のラマン散乱光Ｌ３を平行光化するレンズ３５とが設けられている。

光検出器４０は、ピンホール３４ａを透過し、レンズ３５によって平行光化された変調後の増強ラマン散乱光Ｌ３を検出し、その検出した光の強度に応じた光強度信号を出力するものである。光検出器４０としては、入射した光を光電変換して電気信号としての光強度信号を出力するものであれば如何なるものでもよい。

ロックインアンプ５０は、光検出器４０から出力された光強度信号が入力されるものであり、その光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、変調部３０における周波数変調の変調周波数ｆよりも高い周波数成分の信号を取得するものである。

具体的には、上述したようにバンドパスフィルタ３１の回転速度をｆ（回転数／秒）に設定した場合、光検出器４０から出力される光強度信号の時間的な変化は、図５に示すようなものとなる。すなわち、バンドパスフィルタ３１を透過した被検体Ｓに特有のピーク波長の信号が２ｆの周波数成分の信号として現れることになる。したがって、ロックインアンプ５０は、図５に示すような光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号から２ｆの周波数成分の信号を抽出して取得するものである。これにより被検体Ｓに特有のピーク波長の信号のみを精度よく抽出することができる。

次に、本実施形態のラマン散乱光測定装置１を用いたラマン散乱光のピーク波長の測定方法について説明する。

まず、光電場増強基板１０の金属膜１３上に所定の被検体Ｓが設置される。そして、励起光照射部２０の半導体レーザ光源２１から励起光Ｌ１が射出され、励起光Ｌ１はミラー２２において光電場増強基板１０側に反射され、ハーフミラー２３を透過してレンズ２４によって集光されて、光電場増強基板１０上の被検体Ｓが配置された箇所に照射される。

励起光Ｌ１の照射により、光電場増強基板１０の金属微細凹凸構造において局在プラズモン共鳴が誘起され、金属膜１３表面に増強された光電場が生じる。この増強光電場により増強された、被検体Ｓから発せられたラマン散乱光Ｌ２は、レンズ２４を透過して、ハーフミラー２３で光検出器４０側に反射される。なお、このとき、光電場増強基板１０で反射された励起光Ｌ１もハーフミラー２３により反射されて光検出器４０側に反射されるが、励起光Ｌ１はノッチフィルタ２５で除去される。

そして、ノッチフィルタ２５を透過したラマン散乱光Ｌ２は、変調部３０のバンドパスフィルタ３１に入射される。このときバンドパスフィルタ３１は、回転駆動部３２によって回転速度ｆ（回転数／秒）で回転し、これによりバンドパスフィルタ３１に入射されたラマン散乱光Ｌ２に対して変調周波数ｆの周波数変調が施される。

そして、変調部３０において周波数変調の施されたラマン散乱光Ｌ３はレンズ３３によって集光され、ピンホール３４ａを透過した後、レンズ３５によって平行光化され、光検出器４０へ入射される。

変調後のラマン散乱光Ｌ３は、光検出器４０によって検出され、光検出器４０から検出した光の強度に応じた光強度信号が出力され、ロックインアンプ５０に入力される。ロックインアンプ５０は、光検出器４０から出力された光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の中から２ｆの周波数成分の信号を抽出し、その抽出した信号を被検体Ｓに特有のピーク波長の信号として出力する。

上記実施形態のラマン散乱光測定装置１によれば、励起光Ｌ１の照射によって被検体Ｓにおいて発生したラマン散乱光Ｌ２をバンドパスフィルタ３１に入射させ、かつそのバンドパスフィルタ３１の中心波長を被検体Ｓに特有のピーク波長Ｐλに対して走査することによってラマン散乱光Ｌ２に対して周波数変調を施し、その周波数変調が施されたラマン散乱光Ｌ３を検出することによって光強度信号の時間的な変化を取得し、その時間的に変化する光強度信号に基づいて、周波数変調の変調周波数（ｆ）よりも高い周波数成分（２ｆ）の信号を取得するようにしたので、従来のように、分光器による広い波長帯域に亘る信号検出を行う必要がなく、ラマン散乱光Ｌ２の検出を行いながら上述した高い周波数成分（２ｆ）の信号をピーク波長の信号として抽出することができるので、高速な測定を実現することができる。

また、従来のようなフィルタ処理などの信号処理ではなく、周波数信号処理によって上述した高い周波数成分（２ｆ）の信号をピーク波長の信号として抽出するようにしたので、バックグラウンドの信号を含むことなく、ピーク波長の信号強度を高精度に取得することができる。

また、上記実施形態におけるバンドパスフィルタ３１を、回転駆動部３２に着脱可能に構成するようにしてもよい。このように構成することによって、種々の被検体Ｓに特有のピーク波長Ｐλに応じてバンドパスフィルタ３１を交換して回転駆動部３２に設けることができる。

図６は、上述したようにバンドパスフィルタ３１を回転駆動部３２に対して着脱可能に構成した場合の一例を示すものである。バンドパスフィルタ３１には回転軸３１ａが設けられている。一方、回転駆動部３２側には、回転駆動部３２に対して着脱可能に構成されるとともに、バンドパスフィルタ３１を着脱可能な軸受けアタッチメント３１ｂが設けられている。この軸受けアタッチメント３１ｂには、バンドパスフィルタ３１の回転軸３１ａが嵌合する穴３１ｃが形成されている。そして、軸受けアタッチメント３１ｂは、その穴３１ｃにバンドパスフィルタ３１の回転軸３１ａが嵌合されるものであり、回転駆動部３２によってバンドパスフィルタ３１が回転した際、バンドパスフィルタ３１がその回転中心がぶれることなくバランス良く回転するようにバランス調整されて構成されている。

種々のバンドパスフィルタ３１を交換可能にするともに、その種々のバンドパスフィルタ３１に応じてバランス調整された種々の軸受けアタッチメント３１ｂを回転駆動部３２に取り付けることによって、どのバンドパスフィルタ３１を用いた場合でも、そのバンドパスフィルタ３１をバランス良く回転させることができる。

次に、本発明のラマン散乱光測定装置および方法の第２の実施形態について説明する。図７は、本実施形態のラマン散乱光測定装置２の概略構成を示すブロック図である。上述した第１の実施形態のラマン散乱光測定装置１と第２の実施形態のラマン散乱光測定装置２とは変調部の構成が異なる。

第１の実施形態のラマン散乱光測定装置１においては、被検体Ｓから発せられたラマン散乱光Ｌ２を回転するバンドパスフィルタ３１に透過させることによってラマン散乱光に対して周波数変調を施すようにしたが、第２の実施形態のラマン散乱光測定装置２においては、バンドパスフィルタ３１をラマン散乱光Ｌ２が垂直に入射するように固定された状態とし、半導体レーザ光源２１を制御して半導体レーザ光源２１から射出される励起光Ｌ１の中心波長を変更することによってラマン散乱光Ｌ２に変調を施すものである。

具体的には、第２の実施形態のラマン散乱光測定装置２は、図７に示すように、半導体レーザ光源２１を制御して励起光Ｌ１の中心波長を走査する変調部８０が設けられている。

ここで、上述したように励起光Ｌ１の中心波長を変更した場合、被検体Ｓから発せられたラマン散乱光Ｌ２の中心波長も励起光Ｌ１の中心波長の移動した量だけ変更されることになる。

そして、上述したように本実施形態においては、バンドパスフィルタ３１は固定された状態であるので、そのバンドパスフィルタ３１の帯域ＢＷの中心波長に対して、図８に示すようにラマン散乱光Ｌ２のピーク波長が走査されることになる。

本実施形態においては、バンドパスフィルタ３１の帯域ＢＷの中心波長を中心としてΔλの範囲でラマン散乱光Ｌ２のピーク波長が走査されるものとする。この走査範囲Δλは、第１の実施形態における図３に示した走査範囲Δλと同じ範囲である。すなわち、第１の実施形態においては、ラマン散乱光Ｌ２のピーク波長に対してバンドパスフィルタ３１の中心波長を走査することによってラマン散乱光Ｌ２に対して変調を施すようにしたが、第２の実施形態においては、逆にバンドパスフィルタ３１の中心波長に対してラマン散乱光Ｌ２の中心波長を走査することによってラマン散乱光Ｌ２に対して変調を施すようにしたものである。

そして、周波数設定部６０において設定された周波数ｆが変調部８０に出力され、変調部８０は、上記第１の実施形態においてバンドパスフィルタ３１が１回転する時間、すなわち１／ｆ時間の間に、図８に示す走査範囲Δλをラマン散乱光Ｌ２のピーク波長が２回走査されるように半導体レーザ光源２１を制御する。

バンドパスフィルタ３１を透過した変調後のラマン散乱光Ｌ２は、第１の実施形態と同様に、光検出器４０によって検出され、光検出器４０から出力された光強度信号がロックインアンプ５０に入力されることになるが、第２の実施形態においても、図５に示すような光強度信号の時間的な変化がロックインアンプ５０によって取得されることになる。

なお、その他、図７において上記第１の実施形態と同じ符号を示した構成要素については、上記第１の実施形態と同様である。

また、上記第１および第２の実施形態のラマン散乱光測定装置１，２においては、光検出器４０から出力された光強度信号の時間的な変化をロックインアンプ５０によって取得し、ロックインアンプ５０によって変調周波数ｆの２倍の周波数である２ｆの周波数成分の信号を取得するようにしたが、図９および図１０に示すように、ハイパスフィルタ処理部１００によって光強度信号の時間的な変化を取得するようにしてもよい。ハイパスフィルタ処理部１００は、変調周波数ｆ以下の周波数成分の信号をカットし、２ｆの周波数成分の信号を透過させるハイパスフィルタ処理を施すものである。ハイパスフィルタは、ハードウェアで構成するようにしてもよいし、ソフトウェアで構成するようにしてもよい。

また、上記第１の実施形態のラマン散乱光測定装置１においては、走査範囲Δλの中心をラマン散乱光Ｌ２の中心波長とし、第２の実施形態のラマン散乱光測定装置２においては、走査範囲Δλの中心をバンドパスフィルタ３１の中心波長とすることによって、光検出器４０によって検出される光強度信号の時間的な変化の中に２ｆの周波数成分の信号が現れるようにしたが、走査範囲Δλは必ずしも上記のように設定する必要はなく、走査範囲Δλの中心が、ラマン散乱光Ｌ２の中心波長やバンドパスフィルタ３１の中心波長からずれていてもよい。この場合、光検出器４０によって検出される光強度信号の時間的な変化の中に２ｆ以外の周波数成分の信号が現れることになるが、この信号の周波数は、必ず変調周波数ｆよりも高い所望の周波数となるので、その所望の周波数の信号を取得するようにすれば良い。この場合、複数種類の周波数の信号が含まれることになるので、上述したハイパスフィルタ処理部１００によって信号検出することが好ましい。

また、上記第１および第２の実施形態のラマン散乱光測定装置１，２において、励起光Ｌ１によって被検体Ｓ上を２次元状に走査し、被検体Ｓ上の励起光Ｌ１の各走査点について、上述したように光強度信号の時間的な変化を取得し、その取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、周波数変調の変調周波数（ｆ）よりも高い周波数成分（２ｆ）の信号をピーク波長の信号としてそれぞれ取得するようにしてもよい。

具体的には、たとえば、図１１に示すように、第１の実施形態のラマン散乱光測定装置１において、光電場増強基板１０を保持するとともに、図１１に示すＸ方向およびＹ方向（紙面厚さ方向）に光電場増強基板１０を移動させる移動ステージ２００を設け、この移動ステージ２００によって光電場増強基板１０を移動させることによって、光電場増強基板１０の被検体Ｓ上を励起光Ｌ１によって２次元状に走査するようにしてもよい。

なお、励起光Ｌ１を２次元状に走査する構成としてはこれに限らず、光電場増強基板１０は固定した状態とし、たとえばガルバノミラーなどを用いることによって被検体Ｓ上を励起光Ｌ１によって２次元状に走査するようにしてもよい。

また、第２の実施形態のラマン散乱光測定装置２においても、上記と同様の構成を用いることにより励起光Ｌ１によって被検体Ｓ上を２次元状に走査することができる。

また、上記第１および第２の実施形態においては、励起光照射部２０を光電場増強基板１０の裏面側に配置し、光電場増強基板１０の裏面側から励起光Ｌ１を照射する構成であるが、これに限らず、励起光照射部２０を、光電場増強基板１０の表面側（被検体配置面側）に配置し、光電場増強基板１０の表面側から励起光Ｌ１を照射する構成としてもよい。光電場増強基板１０の金属微細凹凸構造に対しては、表裏のいずれから励起光Ｌ１が入射されても同様に局在プラズモン共鳴を誘起することができ、光電場増強効果を得ることができる。

また、上記第１および第２の実施形態においては、光電場増強基板１０の微細凹凸構造１２は、ベーマイトにより構成されるものとしたが、ベーマイト以外の透明な材料により構成されていてもよい。例えば、アルミニウム基体に対して、陽極酸化処理を施してその上層部に多数の微細孔を有する陽極酸化アルミナを作製し、陽極酸化されていないアルミニウム部分を除去した陽極酸化アルミナ層を微細凹凸構造１２とし、これを透明基板１１上に固定してもよい。

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

１，２ ラマン散乱光測定装置
１０ 光電場増強基板
１１ 透明基板
１２ 微細凹凸構造
１３ 金属膜
２０ 励起光照射部
３０ 変調部
３１ バンドパスフィルタ
３１ｂ 軸受けアタッチメント
３２ 回転駆動部
４０ 光検出器
５０ ロックインアンプ
６０ 周波数設定部
７０ 回転制御部
８０ 変調部
１００ ハイパスフィルタ処理部
２００ 移動ステージ

Claims (12)

1. 被検体に対して励起光を照射する励起光照射部と、
   前記励起光の照射によって前記被検体において発生したラマン散乱光が入射されるバンドパスフィルタを有し、該バンドパスフィルタの中心波長と前記ラマン散乱光に含まれる前記被検体に特有のピーク波長とを、該ピーク波長が前記バンドパスフィルタの帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによって前記ラマン散乱光に対して周波数変調を施す変調部と、
   前記周波数変調が施されたラマン散乱光を検出して光強度信号を出力する光検出部と、
   前記光強度信号の時間的な変化を取得し、該取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、前記周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得する信号取得部とを備えたことを特徴とするラマン散乱光測定装置。
2. 前記変調部が、前記バンドパスフィルタを回転させる回転駆動部を有し、該回転駆動部により前記バンドパスフィルタを回転させることによって該バンドパスフィルタの中心波長を変更して前記走査を行うものであることを特徴とする請求項１記載のラマン散乱光測定装置。
3. 前記バンドパスフィルタが、前記回転駆動部に対して着脱可能に構成されたものであることを特徴とする請求項２記載のラマン散乱光測定装置。
4. 前記バンドパスフィルタが着脱可能に設置され、該設置されたバンドパスフィルタを支持する支持部材を有し、
   該支持部材が、前記回転駆動部に対して着脱可能に構成されたものであることを特徴とする請求項３記載のラマン散乱光測定装置。
5. 前記変調部が、前記励起光を射出する励起光源を制御することによって前記励起光の中心波長を変更して前記走査を行うものであることを特徴とする請求項１記載のラマン散乱光測定装置。
6. 前記励起光源が、半導体レーザ光源であることを特徴とする請求項５記載のラマン散乱光測定装置。
7. 前記信号取得部が、ロックインアンプを有し、
   該ロックインアンプを用いて前記変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のラマン散乱光測定装置。
8. 前記信号取得部が、前記変調周波数以下の周波数成分の信号を除去するハイパスフィルタを有し、
   該ハイパスフィルタを用いて前記変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するものであることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載のラマン散乱光測定装置。
9. 前記信号取得部が、前記変調周波数の２倍の周波数成分の信号を取得するものであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載のラマン散乱光測定装置。
10. 前記励起光によって前記被検体上が２次元状に走査され、
    前記信号取得部が、前記被検体上の前記励起光の各走査点について、前記光強度信号の時間的な変化を取得し、該取得した光強度信号の時間的な変化に基づいて、前記周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得するものであることを特徴とする請求項１から９いずれか１項記載のラマン散乱光測定装置。
11. 透明な微細凹凸構造を備えた透明基板と、前記微細凹凸構造表面に形成された金属膜とを備えた光電場増強デバイスを有し、
    前記励起光照射部が、前記光電場増強デバイスの前記金属膜上に配置された被検体に対して前記励起光を照射するものであることを特徴とする請求項１から１０いずれか１項記載のラマン散乱光測定装置。
12. 被検体に対して励起光を照射し、
    該励起光の照射によって前記被検体において発生したラマン散乱光をバンドパスフィルタに入射させ、かつ該バンドパスフィルタの中心波長と前記ラマン散乱光に含まれる前記被検体に特有のピーク波長とを、該ピーク波長が前記バンドパスフィルタの帯域を少なくとも２回透過する範囲で相対的に走査することによって前記ラマン散乱光に対して周波数変調を施し、
    該周波数変調が施されたラマン散乱光を検出することによって光強度信号の時間的な変化を取得し、該時間的に変化する光強度信号に基づいて、前記周波数変調の変調周波数よりも高い周波数成分の信号を取得することを特徴とするラマン散乱光測定方法。

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