特開 2024-121304 ナノタグ検知器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024121304

(43)【公開日】2024-09-06

(54)【発明の名称】ナノタグ検知器

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/65 20060101AFI20240830BHJP

【ＦＩ】

G01N21/65

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023028334

(22)【出願日】2023-02-27

(71)【出願人】

【識別番号】523069795

【氏名又は名称】アーカイラス株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】505032148

【氏名又は名称】株式会社ラムダビジョン

(71)【出願人】

【識別番号】300076068

【氏名又は名称】福岡 隆夫

(74)【代理人】

【識別番号】100098969

【弁理士】

【氏名又は名称】矢野 正行

(72)【発明者】

【氏名】福岡 隆夫

(72)【発明者】

【氏名】柴田 卓哉

(72)【発明者】

【氏名】清水 健太

(72)【発明者】

【氏名】清水 健彦

(72)【発明者】

【氏名】安永 峻也

(72)【発明者】

【氏名】山口 明啓

【テーマコード（参考）】

2G043

【Ｆターム（参考）】

2G043AA01

2G043EA03

2G043FA06

2G043HA09

2G043JA01

2G043KA01

2G043KA05

2G043KA09

2G043LA01

(57)【要約】      （修正有）

【課題】貴金属ナノ粒子のプラズモンを利用したナノタグを簡便に検知する小型で安価なナノタグ検知器が必要である。
【解決手段】スマートフォンに接続した光学系とカメラを用いて、ナノタグ等からの表面増強ラマン散乱光を光学系の回折格子によって１００ｃｍ^－１程度の低分解能で撮像し、ひとつ以上のピークに対応する特定波長の光に対応する像の強度を数値化してスペクトル分布を得て、既知の表面増強ラマン散乱スペクトルと比較して、対応するナノタグの有無の検出およびナノタグの種類の識別を行う。
【選択図】図７

【特許請求の範囲】

【請求項1】

測定対象物にレーザー光を照射する光源と、前記測定対象物によるラマン散乱光を分光する光学系と、前記ラマン散乱光のスペクトル分布を測定する検出器とを含むナノタグ検知器において、
前記測定対象物が前記レーザー光によって表面増強ラマン散乱を発するナノタグ等のナノ構造体であり、
前記光学系が、レーザー、光学レンズ、光学フィルター、スリット、透過型あるいは反射型回折格子を有する小型分光ユニットであり、
前記検出器が、スマートフォンにて操作可能なカメラであり、
前記回折格子と検出器の距離が５ｃｍ以下であり、
前記検出器においてスペクトル画像を撮像することにより、ひとつ以上のピークに対応する特定波長の光に対応する像の強度を数値化してスペクトル分布とし、
前記撮像に要する時間が０．１秒以上１８０秒以下であり、
スペクトル分布における前記ピークの波数分解能が５０ｃｍ^－１以上１５０ｃｍ^－１以下であり、
前記ピークを既知の表面増強ラマン散乱スペクトルと比較して、対応するナノタグの有無の検出及び／又はナノタグの種類の識別を行うことを特徴とするナノタグ検知器。

【請求項2】

前記カメラが、スマートフォンに内蔵されている、又は無線もしくは有線でスマートフォンに外付け接続されている、請求項１に記載のナノタグ検知器。

【請求項3】

前記回折格子と検出器の距離が３ｃｍ以下である、請求項１に記載のナノタグ検知器。

【請求項4】

前記撮像に要する時間が１秒以上１０秒以下である、請求項１に記載のナノタグ検知器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、貴金属ナノ粒子のプラズモンを利用したナノタグを簡便かつ安価に検知する技術に関する。

【背景技術】

【0002】

光の波長よりも小さな貴金属ナノ粒子には、粒子の形状、凝集状態、周辺の誘電率等に依存して光と強く相互作用する現象が知られている。大英博物館に所蔵のLycurgusコップの色調は、金ナノ粒子および銀ナノ粒子の局在プラズモン共鳴によるものである。

【0003】

特許文献１には、この局在プラズモン共鳴を利用したナノタグの例が記載されている。特許文献１によれば、貴金属ナノ粒子をナノタグとして利用し、それが発現する近赤外領域の表面増強ラマン散乱スペクトルを、ラマン分光器を用いて検知する。 また特許文献２には該ナノタグから発現する表面増強ラマン散乱スペクトルのうち注目するラマン光をバンドパスフィルターで検出する小型検出器の概念が開示されている。

【0004】

非特許文献１にはスマートフォンに取り付けるラマン分光器の例が記載されている。非特許文献１の図1によれば、スマートフォンと同じ大きさの筐体に、レーザー、レンズ、光学フィルター、フォーカスミラーやコリメーターなどの光学ミラー群、回折格子、CCD検出器からなる光学系を内蔵したラマン分光器を組み込み、組み込んだ筐体をスマートフォンに接続し、分光器の制御とラマン分光スペクトルの表示と試料の同定をスマートフォンで行う機構が開示されている。

【0005】

非特許文献２にはスマートフォンのカメラを検出器とするラマン分光器の例が記載されている。非特許文献２の図２および図３によれば、外付けのレーザー、レンズ、スリット、透過型の回折格子をスマートフォン前に配置し、分光されたスペクトルをスマートフォンのカメラで約３分間撮像させることによりラマン分光を行う長さ約１５ｃｍの機構が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0006】

【特許文献1】WO2020/171010「数値情報の表現方法」

【特許文献2】特開2017-156086「ナノタグ検知器」

【非特許文献】

【0007】

【非特許文献1】Fanyu Zeng, Taotao Mou, Chengchen Zhang, Xiaoqing Huang, Bing Wang, Xing Ma, Jinhong Guo, Paper-based SERS analysis with smartphones as Raman spectral analyzers, Analyst, 144(1), 137-142(2018)．

【非特許文献2】Dinesh Dhankhar, Anushka Nagpal, and Peter M. Rentzepis, Cell-phone camera Raman spectrometer, Review of Scientific Instruments 92, 054101(2021)．

【非特許文献3】Gaurav Pal Singh and Neha Sardana, Smartphone-based Surface Plasmon Resonance Sensors: a Review, Plasmonics (2022)．https://doi.org/10.1007/s11468-022-01672-1．

【非特許文献4】Iftak Hussain and Audrey K. Bowden, Smartphone-based optical spectroscopic platforms for biomedical applications: A review, Biomed. Opt. Express, 12(4), 1974-1998(2021)．

【非特許文献5】R. F. Wolffenbuttel, State-of-the-Art in Integrated Optical Microspectrometers, IEEE Trans. Instrum. Meas., 53(1), 197-202 (2004)．

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

貴金属ナノ粒子のプラズモンを利用したナノタグを簡便かつ迅速に検知する技術を実現させるためには、小型で安価なナノタグ検知器が必要である。近年、スマートフォンを利用した分光器の小型化簡易化は非特許文献３および４に示すように活発であり、スマートフォンで写真を撮るだけでラマンスペクトルが得られるラマン分光器を実現できればナノタグ検知器として便利である。しかしスマートフォンのように小型な装置で分光しようとすると、分光を行う回折格子と検出を行うCCDあるいはカメラとの距離である光路長Ｌが短くなる。光路長Lとピークの幅△λの関係は非特許文献５に示されている。波長λ、格子定数ａのときの光学分解能Ｒ＝λ／△λは次の式１にしたがって低下する。
Ｒ＝（λＬ）^０．５／ａ （式１）
Rが低下するとピークの幅△λ＝λ／Rが大きくなり、近接するラマンピークの分離が困難になる。したがって、ラマン分光器を小型化するには複数の光学ミラーを設けて反射を繰り返させることにより光路長を長くする工夫が必要で、部品点数の少ない安価なラマン分光器の実現は難しい。事実、非特許文献１に例示された分光器は反射型コリメータ、反射型回折格子、フォーカシングミラーを精密に配置し複数回の反射を行う複雑な機構であり高価である。

【0009】

また非特許文献２に例示された分光器では、レンズ口径２．５mmのカメラの直前に透過型回折格子を置く配置でスペクトル分布を撮像することにより、光路長が約１ｃｍ未満でもR ＝２０００を達成している。大型のラマン分光器よりも幅の狭い１５０μｍのスリットを用いて約５０ｃｍ^－１の波数分解能を得たと主張する。しかし分解能を上げるためにスリット幅を狭くするとカメラに届く光量が減り、ラマン光の検出に３分間の撮像時間を要している。また、集光レンズを加えたり収差を抑えるなどの必要性のために光学系は約１５ｃｍの長さとなり、携帯性に欠け持ち運びに適さない。

【0010】

このようにラマン散乱スペクトルを測定するにはじゅうぶんに長い光路長や測定時間が必要であり、スマートフォンで写真を撮るだけでラマンスペクトルが得られるラマン分光器はまだ実現されていない。スマートフォンの携帯性を利用した小型で迅速に検出できる安価なナノタグ検知器はまだ実現されていない。

【課題を解決するための手段】

【0011】

測定対象物にレーザー光を照射する光源と、前記測定対象物によるラマン散乱光を分光する光学系と、前記ラマン散乱光のスペクトル分布を測定する検出器とを含むナノタグ検知器において、
前記測定対象物が前記レーザー光によって表面増強ラマン散乱を発するナノタグ等のナノ構造体であり、
前記光学系が、レーザー、光学レンズ、光学フィルター、スリット、透過型あるいは反射型回折格子を有する小型分光ユニットであり、
前記検出器が、スマートフォンに内蔵されたカメラ、又は無線もしくは有線でスマートフォンに接続した外付けカメラであり、
前記回折格子と検出器の距離が５ｃｍを越えておらず、より好ましくは３ｃｍを越えておらず、
前記検出器においてスペクトル画像を撮像することにより、ひとつ以上のピークに対応する特定波長の光に対応する像の強度を数値化してスペクトル分布とし、
スペクトル分布における前記ピークの波数分解能が５０ｃｍ^－１以上１５０ｃｍ^－１以下であり、
前記撮像に要する時間が０．１秒以上１８０秒以下であり、
前記ピークを既知の表面増強ラマン散乱スペクトルと比較して、対応するナノタグの有無の検出およびナノタグの種類の識別を行う。

【0012】

既知の表面増強ラマン散乱光に対応するナノタグの有無の検出およびナノタグの種類の識別を行う目的であれば、必ずしも光路長が長く分解能の優れたラマン分光器である必要はない。また表面増強ラマン散乱の強度は通常のラマン散乱強度よりもはるかに強いので、短時間で検出が可能である。発明者は表面増強ラマン散乱についての長年の研究実績に基づいてこの解決法を発案し、実際に小型分光ユニットを試作してスマートフォンiPhone（登録商標）13proに取付け、スマートフォンのカメラでナノタグからの表面増強ラマン散乱スペクトルを１秒で撮像することに成功し、本発明を完成させた。

【発明の効果】

【0013】

高価で大きなラマン分光装置を必要とせずに、スマートフォンの携帯性を損なうことなく、スマートフォンで写真を撮るだけで、貴金属ナノ粒子のプラズモンを利用したナノタグを簡便に検知する小型で安価で簡便迅速なナノタグ検知器を実現できる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】図１は、ナノタグ検知器の光学系について反射型回折格子を用いた一例を示す模式図である。

【0015】

【図2】図２は、ナノタグ検知器の光学系について透過型回折格子を用いた一例を示す模式図である。

【0016】

【図3】図３は、ナノタグ検知器の光学系について反射型回折格子を用いた他の一例を示す模式図である。

【0017】

【図4】図４は、ナノタグ検知器の光学系について透過型回折格子を用いた他の一例を示す模式図である。

【0018】

【図5】図５は、５３２nmのレーザーを備えたナノタグ検知器で実測したダイヤモンドのｓｐ３のラマンスペクトルを示す図である。

【0019】

【図6】図６は、５３２nmのレーザーを備えたラムダビジョン製顕微ラマン分光器microRAM300/532で測定したアデニン粉末のラマンスペクトル（破線）と５３２nmのレーザーを備えたナノタグ検知器で実測したアデニン粉末からのスペクトル（実線）を併記した図である。

【0020】

【図7】図７は、５３２nmのレーザーを備えたラムダビジョン製顕微ラマン分光器microRAM300/532で測定した４，４’ービピリジン入りナノタグのラマンスペクトル（破線）と５３２nmのレーザーを備えたナノタグ検知器で実測した該ナノタグからのスペクトル（実線）を併記した図である。

【発明を実施するための形態】

【0021】

本発明におけるレーザー光によって表面増強ラマン散乱を発するナノタグ等のナノ構造体とは、例えば、特許文献１に開示された局在プラズモン共鳴を利用したナノタグである。該ナノタグでは貴金属ナノ粒子からなるナノ構造体にラマン活性な分子があらかじめ添加されており、ラマン活性な分子特有の、それゆえに既知の表面増強ラマン散乱光を発する。ナノ構造体を構成する貴金属としては、レーザーの発振波長が５３２nmのときには銀を、７８５ｎｍのときには金または銀を用いることができる。特許文献１に開示されたナノ構造体に限定されるものではなく、表面増強ラマン散乱を発するナノ構造体であればよい。

【0022】

本発明におけるレーザー、光学レンズ、光学フィルター、スリット、透過型あるいは反射型回折格子からなる小型分光ユニットとは、図１、図２、図３、図４の模式図が示す光学系が代表的である。本発明におけるレーザーとは、前述のナノタグの局在プラズモン共鳴を励起する波長のレーザーであって、好ましくは４８８nm、５３２nm、６３３nm、７８５nmのいずれか、またはその近傍の波長に発振波長を有することが好ましい。またナノタグを構成する貴金属が銀のときには発振波長が４８８nm、５３２nm、６３３nm、７８５nmなどのレーザーを用いることができる。ナノタグを構成する貴金属が金のときには発振波長が６３３nm、７８５nmなどのレーザーを用いることができる。スリット幅は特に限定されないが、撮像の時間と分解能のバランスを見て選ぶことができる。透過型あるいは反射型回折格子については特に限定されないが、小型にするために検出器との距離を短くする光学配置が望ましく、回折格子と検出器の距離が５ｃｍを越えないことが望ましい。より好ましくは３ｃｍを越えないことが望ましい。小型分光ユニットにはミラーを含んでもよいが、その数は２枚以下、より好ましくは１枚以下であることが望ましい。

【0023】

本発明における検出器としては、スマートフォンに内蔵されたカメラ、あるいは無線あるいは有線でスマートフォンに接続した外付けカメラを用いることができる。スマートフォンiPhone（登録商標）13pro背面の外向けカメラは可視領域に感度を持つので、例えば５３２nmのレーザーで励起する表面増強ラマン散乱光の撮像に好ましい。またiPhone（登録商標）13proの内向きのフェイスカメラでは近赤外領域にも感度を持つので、例えば７８５nmのレーザーで励起する表面増強ラマン散乱光の撮像に好ましい。

【0024】

本発明においては、低分解能で分光したスペクトル分布をカメラ画像として撮像する。撮像に要する時間は０．１秒以上１８０秒以下が好ましいが、１秒以上１０秒以下がスマートフォンで写真を撮るように使えるのでより好ましい。

【0025】

本発明の実施においてはラマン活性な分子の種類は決まっているのでナノタグの表面増強ラマン散乱は既知である。本発明における、ひとつ以上のピークに対応する特定波長の光とは、ナノタグの種別つまり添加されたラマン活性な分子の種類に応じて特定的に決まる表面増強ラマン散乱光である。取得されたカメラ画像からその光に対応する像の強度を既知の手法により数値化して、ひとつ以上のピークに対応する特定波長を決めることができる。

【0026】

本発明での既知の表面増強ラマン散乱スペクトルとは、４，４‘－ビピリジンを含むナノタグの例で説明すれば、図７の破線であり、特定波長には１０４０、１３１０、１６２０ ｃｍ^－１などのピークが該当する。もちろんこの事例に限定されるものではない。ナノタグの発する表面増強ラマン散乱スペクトルは、ナノタグ製造時にあらかじめ決まるので、用いる光源の波長に応じて出現するスペクトルに応じて、ひとつまたはそれ以上の特定波長を選べばよい。

【0027】

図７で明らかように、１３１０、１６２０ ｃｍ^－１近傍のピークは半値幅が大きく、波数分解能が約１００ｃｍ^－１であってもピークとして認識が可能である。このようにして、分光が低解像であっても既知の表面増強ラマン散乱光に対応するナノタグの有無の検出およびナノタグの種類の識別はじゅうぶん行うことができる。

【実施例0028】

図１、図２、図３、図４にこの発明の具体的な光学系の例を示す。
図１は、ナノタグ検知器の光学系について反射型回折格子を用いた一例を示す模式図であり、（i）は測定対象物にレーザーを照射する光源、（ii）はレーザー光を絞るレンズ、（iii）は測定対象物であるナノタグである。（iv）（v）（vii）（ix）はラマン散乱光のレンズであるが必ずしも無くても良い。（vi）はスリット、（viii）は反射型回折格子、（x）はカメラである。
図２は、ナノタグ検知器の光学系について透過型回折格子を用いた一例を示す模式図であり、（i）は測定対象物にレーザーを照射する光源、（ii）はレーザー光を絞るレンズ、（iii）は測定対象物であるナノタグである。（iv）（v）（vii）はラマン散乱光のレンズであるが必ずしも無くても良い。（vi）はスリット、（viii）は透過型回折格子、（ix）はレンズ、（x）はカメラである。
図３は、ナノタグ検知器の光学系ノタグ検知器の光学系について反射型回折格子を用いた他の一例を示す模式図であり、（i）は測定対象物にレーザーを照射する光源、（ii）はレーザー光を絞るレンズ、（iii）は測定対象物であるナノタグである。（iv）（v）（vii）はラマン散乱光のレンズであるが必ずしも無くても良い。（vi）はスリット、（viii）は反射型回折格子、（ix）はミラー、（x）はレンズ、（xi）はカメラである。
図４は、ナノタグ検知器の光学系ノタグ検知器の光学系について透過型回折格子を用いた他の一例を示す模式図であり、（i）は測定対象物にレーザーを照射する光源、（ii）はレーザー光を絞るレンズ、（iii）（vi）はフィルター、（iv）はビームスプリッターあるはフィルター、（vii）は測定対象物であるナノタグである。（v）（vi）（ix）はレンズ、（viii）はスリット、（x）は透過型回折格子、（xi）はカメラである。

【0029】

［実施例１］
図１の光学系に基づいて実際に小型分光ユニットを試作してスマートフォンiPhone（登録商標）13proに取付けた。５３２nmのレーザーをダイヤモンドに照射し、スマートフォン背面の外向けカメラを用いてダイヤモンドからのラマン散乱スペクトルを１秒で撮像し、像の強度を数値化してダイヤモンドのｓｐ３ピークに対応するピークを示すスペクトル（図５の実線）現れた。一方ダイヤモンドの無いときのバックグラウンド（図５の破線）には該当するピークが現れなかった。本発明による低解像のカメラ撮像でもラマン散乱ピークが検知できる可能性が示された。

【0030】

［実施例２］
実施例１の光学系を取付けたスマートフォンiPhone（登録商標）13proを用いた。アデニン粉末に５３２nmのレーザーを１秒間照射し、スマートフォン背面の外向けカメラを用いてラマン散乱スペクトルを１秒で撮像し、カメラ画像を数値化した。８２０、１３７５、１５２０ｃｍ^－１の近傍に幅広いピークが現れた（図６の実線）。対照実験として、ラムダビジョン製microRAM300/532を用いて５３２ｎｍのレーザーをアデニン粉末に１秒間照射し、アデニンの明瞭なラマン散乱スペクトルを得た。対照実験では７５５、１２７０、１３５０、１５００ｃｍ^－１の近傍にピークが現れた（図６の破線）。本発明による低解像のカメラ撮像でもアデニンのラマン散乱と思われる１３７５、１５２０ｃｍ^－１の近傍のピークが検知できたが、物質を同定する目的には信頼性が乏しいように思われた。

【0031】

［実施例３］
実施例１の光学系を取付けたスマートフォンiPhone（登録商標）13proを用いた。４，４’ービピリジンを添加した銀ナノ粒子から調製したナノタグに５３２nmのレーザーを１秒間照射し、スマートフォン背面の外向けカメラを用いてラマン散乱スペクトルを１秒で撮像し、カメラ画像を数値化した。１３２５、１６５０ｃｍ^－１の近傍に幅広いピークが現れた（図７の実線）。対照実験として、ラムダビジョン製microRAM300/532を用いて５３２ｎｍのレーザーを該ナノタグに１秒間照射し、特徴的な表面増強ラマン散乱スペクトルを得た。ピークの半値幅が大きく、波数分解能が約１００ｃｍ^－１であってもピークとして認識が可能であった。対照実験では１０４４、１３１０、１６２０ｃｍ^－１の近傍にピークが現れた（図７の破線）。図７から、低解像のカメラ撮像で得られた１３２５、１６５０ｃｍ^－１のピークは、４，４’ービピリジンの表面増強ラマン散乱の１３１０、１６２０ｃｍ^－１に対応すると推定された。このようにして、本発明による低解像のカメラ撮像であっても既知の表面増強ラマン散乱光に対応するナノタグの有無の検出およびナノタグの種類の識別はじゅうぶん行うことができることが示された。

【産業上の利用可能性】

【0032】

貴金属ナノ粒子のプラズモンを利用したナノタグを小型で安価な装置で簡便迅速に検知できる。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】