JP2020034501A

JP2020034501A - 分光装置

Info

Publication number: JP2020034501A
Application number: JP2018163206A
Authority: JP
Inventors: 笹木　敬司; Takashi Sasaki; 敬司笹木; 藤原　英樹; Hideki Fujiwara; 英樹藤原; 一石原; Hajime Ishihara
Original assignee: Hokkaido University NUC; University Public Corporation Osaka
Current assignee: Hokkaido University NUC; University Public Corporation Osaka
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2020-03-05

Abstract

【課題】ナノサイズの粒子について吸収・共鳴情報を得ること。【解決手段】光圧分光装置１は、光の入射部分である入力部１１ａ，１１ｂを有するテーパファイバ１１と、入力部１１ａに対して共鳴光を出力するレーザー１２と、入力部１１ｂに対して非共鳴光を出力するレーザー１３と、ナノ粒子の位置を検出する位置検出部（ＣＣＤカメラ１５、対物レンズ１４、及びレーザー３０）と、レーザー１２，１３の光出力を制御し、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出するＰＣ１６と、を備え、ＰＣ１６は、共鳴光の強度を一定とすると共に波長が変化するようにレーザー１２を制御することにより、ナノ粒子における光吸収に応じた光圧を変化させて粒子運動を誘起し、粒子運動を誘起した後における、上記位置検出部によって検出されたナノ粒子の位置を考慮して、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。【選択図】図１

Description

本発明は、分光装置に関する。

従来、分光測定法として、吸収分光法が知られている（例えば特許文献１参照）。吸収分光法では、例えば、光を被測定物に照射し、照射強度及び透過強度の比に基づき評価を行う。

特開２０００−１３１２２８号公報

ナノサイズの粒子の場合、微弱な光吸収しか起きないため、透過強度の変化を高精度に検出する必要があるが、単一粒子レベルでの当該検出は極めて困難である。このため、単一粒子の分光測定法としては、単一分子分光などの発光を光子統計的に計測する方法が用いられる。しかしながら、このような手法は、励起過程を観察するのではなく、励起準位からの緩和過程を測定するものであるため、電子準位などの吸収・共鳴情報を得ることができない。このように、従来、ナノサイズの粒子について吸収・共鳴情報を得ることが困難であった。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであり、ナノサイズの粒子について吸収・共鳴情報を得ることを目的とする。

本発明の一態様に係る分光装置は、光の入射部分である第１の入力部及び第２の入力部と、該第１及び第２の入力部間において他の領域よりも小径に形成されたくびれ部と、を有する光ファイバと、第１の入力部に対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴する波長の光である共鳴光を出力する第１の光源モジュールと、第２の入力部に対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴しない波長の光である非共鳴光を出力する第２の光源モジュールと、ナノ粒子分散溶液に浸漬した光ファイバに対するナノ粒子の位置を検出する位置検出部と、第１の光源モジュール及び第２の光源モジュールの光出力を制御し、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する制御部と、を備え、第２の光源モジュールは、第１の光源モジュールから出力されて第１の入力部に入射する共鳴光に対向して第２の入力部に入射するように、非共鳴光を出力し、制御部は、共鳴光の強度を一定とすると共に波長が変化するように第１の光源モジュールを制御することにより、ナノ粒子における光吸収に応じた光圧を変化させて粒子運動を誘起し、粒子運動を誘起した後における、位置検出部によって検出されたナノ粒子の位置を考慮して、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。

本発明の一態様に係る分光装置では、ナノ粒子分散溶液に浸漬した光ファイバの第１の入力部に対して共鳴光が入射し、第２の入力部に対して共鳴光に対向するように非共鳴光が入射している。このような状態で、共鳴光について強度が一定とされると共に波長が変化させられると、ナノ粒子における光吸収が変化することに応じてナノ粒子の粒子運動が誘起される。このため、本分光装置のように、ナノ粒子の位置が検出されることにより、ナノ粒子の粒子運動の状態を適切に把握し、ナノ粒子における光吸収の状態（吸収スペクトル）を適切に推定することができる。このような手法によれば、透過強度の変化を高精度に検出する必要等がなく、従来の吸収分光法では吸収・共鳴情報を得ることが困難であったナノサイズの粒子についても、吸収・共鳴情報を適切に得ることができる。

制御部は、共鳴光の波長を変化させて粒子運動を誘起した後において、位置検出部によって検出されたナノ粒子の位置に基づき、ナノ粒子の運動が停止するように、第２の光源モジュールから出力される非共鳴光の強度を調整することを、共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、共鳴光の波長の変化に応じた非共鳴光の強度の変化に基づいて、ナノ粒子における光の吸収力を導出し、共鳴光の各波長と、対応する吸収力とに基づき、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出してもよい。上述したように、共鳴光の波長を変化させることによってナノ粒子の粒子運動が誘起される。これに対して、ナノ粒子の運動が停止する（波長を変化させる前の停止した状態にする）ように非共鳴光の強度が調整されることにより、共鳴光の波長の変化に応じた非共鳴光の強度の変化を適切に導出することができる。そして、非共鳴光の強度の変化量は、吸収力の変化量に応じた値となるため、非共鳴光の強度の変化に基づいてナノ粒子における光の吸収力を高精度に導出することができる。これにより、共鳴光の各波長と対応する吸収力とが適切に導出され、ナノ粒子の吸収スペクトルを高精度に導出することが可能となる。

制御部は、粒子運動を誘起した後における、位置検出部によって検出されたナノ粒子の位置に基づき、粒子運動に係るナノ粒子の速度を導出することを、共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液の粘度に基づき、ナノ粒子における光の吸収力を導出し、共鳴光の各波長と、対応する吸収力とに基づき、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出してもよい。このように、ナノ粒子の位置からは、粒子運動を行うナノ粒子の速度を適切に導出することができる。そして、ナノ粒子における光の吸収力は、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液の粘度等と相関があるため、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液の粘度から吸収力を高精度に導出することができる。これにより、共鳴光の各波長と対応する吸収力とが適切に導出され、ナノ粒子の吸収スペクトルを高精度に導出することが可能となる。

位置検出部は、ナノ粒子に対してプローブ光を出力する第３の光源モジュールと、プローブ光が照射されたナノ粒子からの散乱光を捕集しナノ粒子の位置を画像で検出する受光部と、を有していてもよい。これにより、ナノ粒子の位置検出を容易且つ確実に行うことができる。

本発明によれば、ナノサイズの粒子について吸収・共鳴情報を得ることができる。

本発明の第１実施形態に係る光圧分光装置を模式的に示す図である。光学モジュールの詳細な構成を模式的に示す図である。第１実施形態に係る測定方法のフローチャートである。レーザー光（非共鳴光）の強度を変化させることによってナノ粒子の動きを制御する例について示す図である。吸収特性が互いに異なる粒子について個別に動きを制御する例について示す図である。波長を変化させた場合における、ポリスチレンナノ粒子及び金ナノ粒子の動きの一例を示す図である。本発明の第２実施形態に係る測定方法のフローチャートである。

以下、実施形態について図面を参照しつつ詳細に説明する。説明において、同一要素又は同一機能を有する要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

［第１実施形態］
まず、図１及び図２を参照して、第１実施形態に係る光圧分光装置１を説明する。図１は、第１実施形態に係る光圧分光装置１を模式的に示す図である。図１に示されるように、光圧分光装置１は、テーパファイバ１１（光ファイバ）と、レーザー１２（第１の光源モジュール），１３（第２の光源モジュール）と、対物レンズ１４（位置検出部，受光部）と、ＣＣＤカメラ１５（位置検出部，受光部）と、ＰＣ１６（制御部）と、を備える。なお、図１においては、光圧分光装置１の一部の構成のみを示しており、光学モジュールの詳細な構成については、図２に示している。

テーパファイバ１１は、光ファイバを高温で溶融させながら、その一部の直径が光の波長よりも小さくなるまで引き延ばしたデバイスである。より詳細には、テーパファイバ１１は以下の手順により作成される。すなわち、まず、一般的なシングルモードファイバの被覆を剥ぎ、ファイバ両端をそれぞれ電動ステージ上に固定する。つづいて、電動ステージ間に配置したセラミックヒーターによりファイバを加熱しながら電動ステージによりファイバを伸長させることにより、他の領域よりも小径に形成されたテーパ部１１ｃ（くびれ部）を形成する。ヒーター温度、ステージ移動速度、及び伸長時間を調整することにより、例えば、波長５３２ｎｍにおいて高透過率で単一モード伝搬が可能なテーパファイバ１１が生成される。当該テーパファイバ１１のテーパ部１１ｃの直径は、例えば４００ｎｍ以下とされる。テーパファイバ１１は、図２に示されるように、例えばスライドガラス２５上にＵＶ硬化性樹脂２２により固定される。

テーパファイバ１１は、光の入射部分である入力部１１ａ（第１の入力部），入力部１１ｂ（第２の入力部）を有する。入力部１１ａ，１１ｂは、テーパファイバ１１の軸方向両端部分に形成されている。また、テーパファイバ１１は、入力部１１ａ，１１ｂ間において、他の領域よりも小径に形成されたテーパ部１１ｃを有する。テーパファイバ１１では、テーパ部１１ｃにおいてのみエバネッセント場が発生する。テーパファイバ１１におけるテーパ部１１ｃ以外の通常のファイバ内では、コアとクラッド界面での全反射により光がコア内を伝搬するのに対して、テーパ部１１ｃでは、コアを伝搬した光がテーパ部１１ｃと周辺溶液の界面で全反射する。これにより、テーパ部１１ｃ周辺の溶液側にエバネッセント場が染み出し、粒子と作用することが可能となっている。

テーパファイバ１１は、溶液保持用チャンバー２０に設けられている。溶液保持用チャンバー２０は、ナノ粒子分散溶液２１を満たすためのセルである。溶液保持用チャンバー２０には、テーパファイバ１１を固定したスライドガラス２５上にテーパファイバ１１と平行に延びる直径１ｍｍのガラス棒（不図示）が設けられている。なお、溶液保持用チャンバー２０の構成はこれに限定されず、テーパファイバ１１を固定すると共にナノ粒子分散溶液２１を保持できるチャンバーであればよい。溶液保持用チャンバー２０では、テーパファイバ１１が水中に浸漬するまでナノ粒子分散溶液２１が滴下された後、カバーガラスで蓋がされる。ナノ粒子分散溶液２１は、例えばダイヤモンドナノ粒子を水中に適量分散させた水溶液である。ナノ粒子分散溶液２１には、テーパファイバ１１を水中に浸漬するために少量の界面活性剤が添加されている。溶液保持用チャンバー２０は、例えばＣＣＤカメラ１５の直下に配置される。そして、溶液保持用チャンバー２０に設けられたテーパファイバ１１の両端の入力部１１ａ，１１ｂには、レーザー１２，１３から出力されたレーザー光（ナノ粒子を捕捉するための２つのレーザー光）が入射する。

レーザー１２は、テーパファイバ１１の入力部１１ａに対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴する波長（蛍光性ダイヤモンドに吸収のある波長）のレーザー光である共鳴光を出力する。レーザー１２は、波長可変レーザーである。レーザー１２は、例えば波長が５３２ｎｍの共鳴光を最初に出力し、その後、波長を変化させながら連続的に共鳴光を出力する。レーザー１２は、ＰＣ１６からの制御信号に応じて共鳴光を出力する。

レーザー１３は、テーパファイバ１１の入力部１１ｂに対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴しない波長（蛍光性ダイヤモンドに吸収のない波長）のレーザー光である非共鳴光を出力する。レーザー１３は、波長固定レーザーである。レーザー１３は、例えば波長が１０６４ｎｍの非共鳴光を、レーザー１２によって出力されて入力部１１ａに入射する共鳴光に対向して入力部１１ｂに入射するように出力する。

入力部１１ａに対する入射光の状態（強度及びテーパ部１１ｃでの偏光状態）をコントロールするため、レーザー１２の出射口からテーパファイバ１１の端面（入力部１１ａ側端面）の間には、強度コントロール用のＮＤフィルター４３（図２参照）、偏光状態コントロール用のλ／２、λ／４波長板（不図示）、及び、特定の波長の光のみを反射しその他の波長の光を透過するダイクロイックミラー４５がそれぞれ配置されている。なお、レーザー１３の出射口からテーパファイバ１１の入力部１１ｂ側端面の間にも、同様に、ＮＤフィルター４３等が設けられていてもよい。

図２に示されるように、光圧分光装置１は、さらにレーザー３０（位置検出部，第３の光源モジュール）を備えている。レーザー３０は、ナノ粒子に対してプローブ光を出力する。当該プローブ光は、ナノ粒子の位置をＣＣＤカメラ１５で検出するためのレーザー光であり、レーザー１２，１３から出力されるレーザー光とは別波長の微弱なレーザー光であり、例えば入力部１１ａに入射する。

対物レンズ１４は、溶液保持用チャンバー２０内のテーパファイバ１１のテーパ部１１ｃの直上に位置するように配置されており、レーザー３０から出力されるプローブ光の散乱光を捕集する。ＣＣＤカメラ１５は、対物レンズ１４が捕集した散乱光のイメージを記録する。このように、ＣＣＤカメラ１５、対物レンズ１４、及びレーザー３０は、ナノ粒子分散溶液に浸漬したテーパファイバ１１に対するナノ粒子の位置を検出する位置検出部として機能する。また、ＣＣＤカメラ１５及び対物レンズ１４は、プローブ光が照射されたナノ粒子からの散乱光を捕集しナノ粒子の位置を画像で検出する受光部として機能する。なお、ナノ粒子を捕捉するためのレーザー光（すなわちレーザー１２から出力される共鳴光及びレーザー１３から出力される非共鳴光）の散乱については、フィルター５１（図２参照）によりカットされる。また、プローブ光がカットされることにより、蛍光の確認を行い、蛍光・非蛍光性粒子の確認を行うことができる。

ＰＣ１６は、レーザー１２，１３の光出力を制御し、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。ＰＣ１６は、共鳴光の強度を一定とすると共に波長が変化するようにレーザー１２を制御することにより、ナノ粒子における光吸収に応じた光圧を変化させて粒子運動を誘起する。ＰＣ１６は、粒子運動を誘起した後における、ＣＣＤカメラ１５で検出されたナノ粒子の位置を考慮して、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。具体的には、ＰＣ１６は、共鳴光の波長を変化させて粒子運動を誘起した後において、ＣＣＤカメラ１５によって検出されたナノ粒子の位置に基づき、ナノ粒子の運動が停止するように、レーザー１３から出力される非共鳴光の強度を調整することを、共鳴光の波長を変えながら繰り返し行う。そして、ＰＣ１６は、共鳴光の波長の変化に応じた非共鳴光の強度の変化に基づいて、ナノ粒子における光の吸収力を導出し、共鳴光の各波長と、対応する吸収力とに基づき、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する（詳細は後述）。

次に、図３を参照して、光圧分光装置１を用いた測定方法を説明する。図３は、第１実施形態に係る測定方法のフローチャートである。

図３に示されるように、まず、ＰＣ１６が、レーザー１２，１３を制御することにより、レーザー１２から共鳴光が出力され、レーザー１３から該共鳴光に対向する非共鳴光が出力される（ステップＳ１）。共鳴光はテーパファイバ１１の入力部１１ａに入射し、非共鳴光はテーパファイバ１１の入力部１１ｂに入射する。

つづいて、ＰＣ１６は、共鳴光について、強度一定のまま波長が変化するように、レーザー１２を制御する（ステップＳ２）。波長が変化することによって、ナノ粒子における吸収が変化し、レーザー１２からの共鳴光によってナノ粒子にかかる光圧が変化する。これにより、ナノ粒子における光圧のバランスが崩れ、ナノ粒子に係る粒子運動が誘起される。

つづいて、ＰＣ１６は、再度ナノ粒子の運動が停止するように、レーザー１３から出力される非共鳴光の強度（パワー）を調整する（ステップＳ３）。具体的には、ＰＣ１６は、ＣＣＤカメラ１５によって検出されたナノ粒子の位置を取得し、ナノ粒子の運動が停止するように非共鳴光の強度を調整する。図４においては、横軸が領域、縦軸が時間を示しており、図中の輝点（白い点）が、検出したナノ粒子の位置を示している。図４に示される例では、ナノ粒子に対して共鳴・非共鳴光を対向入射し、その入射パワーのバランスを変化させることにより、粒子運動を対向ビームで自在にコントロールできることを示している。図４に示されるように、０ｓ〜８ｓの期間において図中右方向に遷移していたナノ粒子は、ＰＣ１６の制御によってレーザー１３から出力される非共鳴光の強度が大きくされることにより、８ｓ〜１６ｓの期間においては図中左方向に遷移している。このように、レーザー１３から出力される逆伝搬レーザー光である非共鳴光の入射パワーを変化させることによって、テーパファイバ１１上のナノ粒子の動きを制御することができる。

ＰＣ１６は、ＣＣＤカメラ１５によって検出されるナノ粒子の位置に基づき、ナノ粒子の運動が停止していることを確認すると、レーザー１２から出力される共鳴光の現在の波長と、レーザー１３から出力される非共鳴光の現在の強度とを対応付けて記録する（ステップＳ４）。

つづいて、ＰＣ１６は、共鳴光についての波長変更を所定回数だけ行ったか否かを判定する（ステップＳ５）。所定回数行っている場合には、ステップＳ６に移行する。一方で、所定回数行っていない場合には、ＰＣ１６は、再度ステップＳ２の処理を実行する。

ステップＳ６では、ＰＣ１６は、非共鳴光の強度の変化量から、吸収により変化した光圧を見積もることにより、吸収断面積を計算し、単一ナノ粒子の吸収スペクトルを得る（ステップＳ６）。

ステップＳ６の処理について詳細に説明する。まず、ナノ粒子の運動が停止している状態とは、レーザー１２から出力される共鳴光によりナノ粒子に作用する力Ｆ_１と、レーザー１３から出力される非共鳴光によりナノ粒子に作用する力Ｆ_２とが等しくなっている状態をいう。Ｆ_１及びＦ_２は以下の（１），（２）式により示される。

上記（１），（２）式において、Ｆ_scaは散乱によりナノ粒子に作用する力（散乱力）を、F_absは吸収によりナノ粒子に作用する力（吸収力）を、ｃは光速を、n₂は周辺媒質の屈折率を、Ｉは照射レーザー強度を、σ_scaは散乱断面積を、σ_absは吸収断面積を、それぞれ示している。また、σ_scaは以下の（３）式により示される。

上記（３）式において、k₀は真空中の波数（＝２π／λ：波長）を、ｒはナノ粒子の半径を、n₁はナノ粒子の屈折率を、それぞれ示している。

共鳴光の波長が変化すると、吸収ピーク付近では吸収量が大きく変化しＦ_１に係る吸収断面積σ_absが変化する。Ｆ_１とＦ_２が釣り合うように、Ｆ_２に係る照射レーザー強度Ｉが変化させられるため、Ｆ_１とＦ_２が釣り合う非共鳴光の照射レーザー強度Ｉの変化量ΔＩに対応する散乱力の変化量ΔＦ_sca＝ΔＦ_２が、共鳴光により誘起される吸収力の変化量ΔF_absになる。吸収のない波長から共鳴光の走査を行うとすると、吸収ピーク付近でのΔＦ_２がそのままσ_absによる吸収力F_absを計測したこととなり、上記（１）〜（３）式に基づき、共鳴光の波長及び対応する非共鳴光の強度のセット毎に（すなわち共鳴光の異なる波長毎に）吸収断面積σ_absを導出することができる。そして、縦軸を吸収断面積σ_abs、横軸を共鳴波長として導出結果をプロットすることにより、吸収スペクトルを得ることができる。

次に、第１実施形態に係る光圧分光装置１の作用効果について説明する。

上述したように、本実施形態に係る光圧分光装置１は、光の入射部分である入力部１１ａ，１１ｂと、入力部１１ａ，１１ｂ間において他の領域よりも小径に形成されたテーパ部１１ｃと、を有するテーパファイバ１１と、入力部１１ａに対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴する波長の光である共鳴光を出力するレーザー１２と、入力部１１ｂに対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴しない波長の光である非共鳴光を出力するレーザー１３と、ナノ粒子分散溶液２１に浸漬したテーパファイバ１１に対するナノ粒子の位置を検出する位置検出部（ＣＣＤカメラ１５、対物レンズ１４、及びレーザー３０）と、レーザー１２，１３の光出力を制御し、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出するＰＣ１６と、を備え、レーザー１３は、レーザー１２から出力されて入力部１１ａに入射する共鳴光に対向して入力部１１ｂに入射するように、非共鳴光を出力し、ＰＣ１６は、共鳴光の強度を一定とすると共に波長が変化するようにレーザー１２を制御することにより、ナノ粒子における光吸収に応じた光圧を変化させて粒子運動を誘起し、粒子運動を誘起した後における、上記位置検出部によって検出されたナノ粒子の位置を考慮して、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。

このように、光圧分光装置１では、ナノ粒子分散溶液２１に浸漬したテーパファイバ１１の入力部１１ａに対して共鳴光が入射し、入力部１１ｂに対して共鳴光に対向するように非共鳴光が入射している。このような状態で、共鳴光について強度が一定とされると共に波長が変化させられると、ナノ粒子における光吸収が変化することに応じてナノ粒子の粒子運動が誘起される。このため、本光圧分光装置１のように、ナノ粒子の位置が検出されることにより、ナノ粒子の粒子運動の状態を適切に把握し、ナノ粒子における光吸収の状態（吸収スペクトル）を適切に推定することができる。このような手法によれば、従来の吸収分光法では吸収・共鳴情報を得ることが困難であったナノサイズの粒子についても、吸収・共鳴情報を適切に得ることができる。

ＰＣ１６は、共鳴光の波長を変化させて粒子運動を誘起した後において、ＣＣＤカメラ１５によって検出されたナノ粒子の位置に基づき、ナノ粒子の運動が停止するように、レーザー１３から出力される非共鳴光の強度を調整することを、共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、共鳴光の波長の変化に応じた非共鳴光の強度の変化に基づいて、ナノ粒子における光の吸収力を導出し、共鳴光の各波長と、対応する吸収力とに基づき、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。上述したように、共鳴光の波長を変化させることによってナノ粒子の粒子運動が誘起される。これに対して、ナノ粒子の運動が停止する（波長を変化させる前の停止した状態にする）ように非共鳴光の強度が調整されることにより、共鳴光の波長の変化に応じた非共鳴光の強度の変化を適切に導出することができる。そして、非共鳴光の強度の変化量は、吸収力の変化量に応じた値となるため、非共鳴光の強度の変化に基づいてナノ粒子における光の吸収力を高精度に導出することができる。これにより、共鳴光の各波長と対応する吸収力とが適切に導出され、ナノ粒子の吸収スペクトルを高精度に導出することが可能となる。

なお、例えば図５に示されるように、特性（吸収特定）が互いに異なるナノ粒子が存在している場合（図５に示される例では、「１」「４」の〇で囲われた蛍光性ダイヤモンドナノ粒子、及び、「２」「３」の〇で囲われた非蛍光性ダイヤモンドナノ粒子が存在している）、非共鳴光の強度を調整すると、粒子間の吸収特性の違いに応じて、各粒子が異なる動きをしており、具体的には、蛍光性ダイヤモンドナノ粒子と非蛍光性ダイヤモンドナノ粒子とが互いに反対の方向に遷移している。このように、本実施形態の手法によれば、ナノ粒子の機能の違いで選別して、特定のナノ粒子だけ特定の輸送を行う（或いは停止させる、輸送の向きを変える、輸送速度を変える）等が可能になる。このような、異なるナノ粒子を選別する手法を応用して、複数のテーパファイバを並べ、それぞれ特定のナノ粒子を選別して輸送することにより、様々な（複数の）種類のナノ粒子を選別することができるナノ流体デバイスが構成される。

そして、ナノ粒子を捕らえて任意の方向にナノ粒子の動きを制御する手法は、生体イメージングに有用である。生体イメージングでは、ナノ粒子の動きを捕らえることが重要である。この点、ダイヤモンドナノ粒子は、安全性が確認された蛍光機能を有しており、プラズモン共鳴を用いることにより微弱な光で高輝度の蛍光を得ることができるため、生体イメージングにおける上述した手法に好適に適用することができる。

また、第１実施形態ではダイヤモンドナノ粒子を用いる例を説明したが、例えば図６に示されるように、ポリスチレンナノ粒子を用いた場合や、金ナノ粒子を用いた場合においても、粒子を入射ビームで捕捉し、輸送することができた。

位置検出部は、ナノ粒子に対してプローブ光を出力するレーザー３０と、プローブ光が照射されたナノ粒子からの散乱光を捕集しナノ粒子の位置を画像で検出するＣＣＤカメラ１５と、を有している。これにより、ナノ粒子の位置検出を容易且つ確実に行うことができる。

［第２実施形態］
以下、本発明の第２実施形態について説明する。第２実施形態の説明では、第１実施形態と異なる点を主に説明し、重複する説明を省略する。

第２実施形態においても、第１実施形態と同様に、光圧分光装置１が用いられる。第１実施形態では、非共鳴光の強度を調整（バランスパワーの調整）によって分光測定が行われたのに対して、第２実施形態では、粒子運動の速度が解析（運動解析）されることによって分光測定が行われる。

具体的には、ＰＣ１６が、粒子運動を誘起した後における、ＣＣＤカメラ１５によって検出されたナノ粒子の位置に基づき、粒子運動に係るナノ粒子の速度を導出することを、共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液２１の粘度に基づき、ナノ粒子における光の吸収力を導出し、共鳴光の各波長と、対応する吸収力とに基づき、ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する。このように、ナノ粒子の位置からは、粒子運動を行うナノ粒子の速度を適切に導出することができる。そして、ナノ粒子における光の吸収力は、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液２１の粘度等と相関があるため、ナノ粒子の速度及びナノ粒子分散溶液の粘度から吸収力を高精度に導出することができる。これにより、共鳴光の各波長と対応する吸収力とが適切に導出され、ナノ粒子の吸収スペクトルを高精度に導出することが可能となる。

以下、図７を参照して、光圧分光装置１を用いた測定方法を説明する。図７は、第２実施形態に係る測定方法のフローチャートである。

図７に示されるように、まず、ＰＣ１６が、レーザー１２，１３を制御することにより、レーザー１２から共鳴光が出力され、レーザー１３から該共鳴光に対向する非共鳴光が出力される（ステップＳ１１）。共鳴光はテーパファイバ１１の入力部１１ａに入射し、非共鳴光はテーパファイバ１１の入力部１１ｂに入射する。

つづいて、ＰＣ１６は、共鳴光について、強度一定のまま波長が変化するように、レーザー１２を制御する（ステップＳ１２）。波長が変化することによって、ナノ粒子における吸収が変化し、レーザー１２からの共鳴光によってナノ粒子にかかる光圧が変化する。これにより、ナノ粒子における光圧のバランスが崩れ、ナノ粒子に係る粒子運動が誘起される。

つづいて、ＰＣ１６は、ＣＣＤカメラにより検知されたナノ粒子の画像（図４参照）を解析することにより、ナノ粒子に係る粒子運動の速度を導出する（ステップＳ１３）。具体的には、例えば図４に示されるような画像における輝点について、各フレーム毎に、画像解析ソフトによって２次元ガウス関数でフィッティングし、関数の中心位置を得る。該中心位置が粒子の中心位置となる。このような処理を各フレーム毎に行うことによって粒子の位置変化及び速度を得ることができる。

つづいて、ＰＣ１６は、ナノ粒子に係る吸収力を導出する（ステップＳ１４）。まず、元々ナノ粒子に作用している光圧のバランスがとれていた状態から、共鳴波長のシフトによる吸収の差によって粒子運動が誘起されていることから、吸収力の変化量と、溶液中を運動するナノ粒子の粘性抵抗力とは釣り合うこととなる。吸収力の変化量ΔＦ_absは以下の（４）式により示され、ナノ粒子の粘性抵抗力は６πηrvにより示される。なお、ηは溶液の粘性係数を、rはナノ粒子の半径を、vはナノ粒子の運動速度を、それぞれ示している。

いま、粒子運動の速度が導出できており、上記（４）式で示される吸収力の変化量ΔＦ_absとナノ粒子の粘性抵抗力６πηrvとが釣り合っていることから、光圧のバランスがとれていた状態から別の共鳴波長にシフトした場合の吸収断面積σ_absの変化量を導出することができる。吸収のない波長から共鳴光の走査を行うとすると、変化量がそのまま吸収量の絶対値となる。

つづいて、ＰＣ１６は、共鳴光についての波長変更を所定回数だけ行ったか否かを判定する（ステップＳ１５）。所定回数行っている場合には、ステップＳ１６に移行する。一方で、所定回数行っていない場合には、ＰＣ１６は、再度ステップＳ１２の処理を実行する。

ステップＳ１６では、ＰＣ１６は、各波長に対応する吸収量から吸収断面積を計算し、縦軸を吸収断面積σ_abs、横軸を共鳴波長として導出結果をプロットすることにより、吸収スペクトルを得る。以上が、第２実施形態に係る測定方法である。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、レーザー３０からナノ粒子に対してプローブ光を出力し、ＣＣＤカメラ１５でナノ粒子の位置を検出するとして説明したがこれに限定されず、他の方法によってナノ粒子の位置が検出されてもよい。また、本手法は、吸収以外の波長依存性を持つ場合にも同様に適用でき、その場合は、単一粒子の吸収スペクトルの測定ではなく、吸光度あるいは消光断面積のスペクトルを測定すればよい。

１…光圧分光装置、１１…テーパファイバ、１１ａ，１１ｂ…入力部、１１ｃ…テーパ部、１２，１３…レーザー、１４…対物レンズ、１５…ＣＣＤカメラ、１６…ＰＣ、２１…ナノ粒子分散溶液、３０…レーザー。

Claims

光の入射部分である第１の入力部及び第２の入力部と、該第１及び第２の入力部間において他の領域よりも小径に形成されたくびれ部と、を有する光ファイバと、
前記第１の入力部に対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴する波長の光である共鳴光を出力する第１の光源モジュールと、
前記第２の入力部に対して、ナノ粒子がエバネッセント場において共鳴しない波長の光である非共鳴光を出力する第２の光源モジュールと、
ナノ粒子分散溶液に浸漬した前記光ファイバに対するナノ粒子の位置を検出する位置検出部と、
前記第１の光源モジュール及び前記第２の光源モジュールの光出力を制御し、前記ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する制御部と、を備え、
前記第２の光源モジュールは、前記第１の光源モジュールから出力されて前記第１の入力部に入射する前記共鳴光に対向して前記第２の入力部に入射するように、前記非共鳴光を出力し、
前記制御部は、
前記共鳴光の強度を一定とすると共に波長が変化するように前記第１の光源モジュールを制御することにより、前記ナノ粒子における光吸収に応じた光圧を変化させて粒子運動を誘起し、
前記粒子運動を誘起した後における、前記位置検出部によって検出された前記ナノ粒子の位置を考慮して、前記ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する、分光装置。
前記制御部は、
前記共鳴光の波長を変化させて前記粒子運動を誘起した後において、前記位置検出部によって検出された前記ナノ粒子の位置に基づき、前記ナノ粒子の運動が停止するように、前記第２の光源モジュールから出力される前記非共鳴光の強度を調整することを、前記共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、
前記共鳴光の波長の変化に応じた前記非共鳴光の強度の変化に基づいて、前記ナノ粒子における光の吸収力を導出し、前記共鳴光の各波長と、対応する前記吸収力とに基づき、前記ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する、請求項１記載の分光装置。
前記制御部は、
前記粒子運動を誘起した後における、前記位置検出部によって検出された前記ナノ粒子の位置に基づき、前記粒子運動に係る前記ナノ粒子の速度を導出することを、前記共鳴光の波長を変えながら繰り返し行い、
前記ナノ粒子の速度及び前記ナノ粒子分散溶液の粘度に基づき、前記ナノ粒子における光の吸収力を導出し、前記共鳴光の各波長と、対応する前記吸収力とに基づき、前記ナノ粒子の吸収スペクトルを導出する、請求項１記載の分光装置。
前記位置検出部は、
前記ナノ粒子に対してプローブ光を出力する第３の光源モジュールと、
前記プローブ光が照射された前記ナノ粒子からの散乱光を捕集し前記ナノ粒子の位置を画像で検出する受光部と、を有する、請求項１〜３のいずれか一項記載の分光装置。