JP2001242072A

JP2001242072A - 光吸収応答型ｓｐｒセンサーおよびその測定方法と装置

Info

Publication number: JP2001242072A
Application number: JP2000057442A
Authority: JP
Inventors: Koji Suzuki; 鈴木　　孝治; Kazuyoshi Kurihara; 一嘉栗原
Original assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Corp
Current assignee: Kanagawa Academy of Science and Technology; Japan Science and Technology Agency
Priority date: 2000-03-02
Filing date: 2000-03-02
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】光吸収変化に基づくセンシングを可能にし、
従来の吸光法に対して、高感度、高速応答のセンシング
を可能とする新規な吸光に基づいた測定法を提供する。【解決手段】本発明は、光吸収応答型のＳＰＲセンサ
ーの理論式を組み立て、計算機シュミレーションを行
い、光吸収変化の測定方法とその測定方法を実現する装
置に関する。測定方法は、２通りある。一つは、光の吸
収最大波長に入射波長を実質的に一致させ、反射強度変
化から、光吸収変化を測定する方法である。もう一つ
は、入射波長を、光の吸収は起こるが、吸収最大波長と
異なるものとし、光吸収変化を屈折率変化として測定す
るものである。前者は、反射光をＰ偏光とＳ偏光の成分
に分けて測定し、本発明で展開した理論式に基づいた解
析方法を行うことを特徴とする。後者は、従来のＳＰＲ
センサーで使われている装置と同様な光学配置を有する
ものであり、本発明で展開した理論式に基づいた解析方
法を行うことを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン共
鳴（Surface Plasmon Resonance）現象を使ったＳＰＲ
センサーに関する。本発明は、光の吸収特性の変化に伴
う複素屈折率変化を観測してセンシングすることを特徴
とするＳＰＲセンサー、それを用いた測定方法、及びそ
のための装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＳＰＲセンサーは、ラベルフリーかつリ
アルタイムに蛋白質などの生体物質の分子間相互作用を
測定できる装置である。１９９０年代初めから使われ始
め、１０年足らずの間に、生化学分野の研究者の間でポ
ピュラーな分析機器の一つになった。その最も大きな原
因の一つは、ＳＰＲセンサーがラベルフリーの測定が可
能なことにある。ＳＰＲセンサーの登場以前には、生体
物質間相互作用を観測するには、多くの場合、色素・酵
素・放射性元素などを生体物質にラベル化する必要があ
った。ラベル化は、手続きが面倒であるばかりでなく、
本来の生体物質間相互作用を歪めてしまい、ラベル化自
体に問題があることが長いこと指摘されていた。ＳＰＲ
センサーは、そのラベル化の問題を解決し、本来の生体
物質間相互作用を観測することを可能とした。

【０００３】ラベルフリーの測定を可能とする、ＳＰＲ
センサーの測定原理は、測定面から数百ナノメートル範
囲の屈折率変化を、表面プラズモンの光共鳴現象を利用
して、測定することにある。リガンドを測定面に固定化
し、アナライトを外部より供給し、リガンドとアナライ
トとの間の分子間相互作用を測定面上で起こす。その結
果起こる屈折率変化をＳＰＲ現象を使って検出する。表
面プラズモンは、金属中の自由電子によるプラズマ振動
と結合した光であるため、屈折率変化に敏感に応答を示
し、金属表面を伝播する波であるために、測定面上の数
百ナノメートルという狭い範囲の屈折率変化に応答を示
す。

【０００４】ラベルフリーの測定を可能とするＳＰＲセ
ンサーの登場には、表面プラズモンの長く地道な研究の
歴史がある。表面プラズモンの現象は、２０世紀初め、
回折格子からの反射に暗線が生じるウッドのアノマリー
として観測されていた。初期の表面プラズモンの研究
は、電子散乱の手法により行われた。電子ビームを金属
薄膜に打ち込み、散乱された電子ビームの解析により、
表面プラズモンのエネルギー状態が調べられた。光によ
って表面プラズモンを共鳴励起する現象、つまり、表面
プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を使って、表面プラズモ
ンを研究することは、１９６０年代末になって始まる。
ＳＰＲ現象は、電子散乱の手法を用いた表面プラズモン
の詳細な研究の末に発見された。クレッチマンは、プリ
ズム上に金属薄膜を形成し、表面プラズモンをＳＰＲ現
象を使って研究をした先駆的な研究者の一人である。そ
の光学配置は、現在、クレッチマン配置と呼ばれてお
り、ＳＰＲセンサーを構成する上で、本質的な機構の一
つとなっている。１９６０年代末にＳＰＲ現象が発見さ
れて、１９８０年代初めにＳＰＲセンサーが登場するま
での約１５年間、ＳＰＲ現象の理論の確立や、ＳＰＲ現
象を使った単分子膜や薄膜の物性研究が中心として行わ
れた。そうした研究の流れの中でＳＰＲセンサーは、Ｓ
ＰＲ現象を使ってセンシングするという自然な流れの中
で生じた。最初の報告は、単に、ガスの屈折率を計ると
いう単純なものであった。その後、ＳＰＲセンサーにお
いて、抗原−抗体反応を利用した免疫学的な手法を導入
するなどの先駆的な研究が行われることになる。ＳＰＲ
センサーが、現在のようにポピュラーな分析装置となっ
たのは、スウェーデン王国ファルマシア社によってＳＰ
Ｒセンサー装置が販売されてからである。その装置は、
オートメション化されており、ＳＰＲ現象の原理的な理
解なくして、ラベルフリーの生体分子間相互作用の実験
ができるため、高価な製品であるにも関わらず、生化学
分野の研究者に喜んで受け入れられた。現在のＳＰＲセ
ンサーの研究動向は、蛋白質などの生体分子を選択的に
検出するセンサーチップの作製に重点が置かれ、物理的
な観点より、化学や生化学的な観点で研究が進んでい
る。

【０００５】以上のような歴史的な経緯を経て、ＳＰＲ
センサーはラベルフリー測定の分析装置として開発され
てきた。その測定原理は、測定面から数百ナノメートル
領域の屈折率変化をＳＰＲ現象を使い測定することにあ
る。生体物質間相互作用の観測メカニズムは、測定面に
固定化したリガンドが、外部より供給されるアナライト
を分子認識し、非共有結合を起こした結果を、測定領域
における屈折率変化として検出する、一連の過程であ
る。生体物質間相互作用を屈折率変化として検出するこ
とに、ラベルフリー測定を可能とする測定の秘策があ
る。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、表面プ
ラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象に立ち戻って、現状のＳＰ
Ｒセンサーを再考すると、原理的に限られた使われ方し
かしていないことが判明する。つまり、現状のＳＰＲセ
ンサーは、屈折率の実部しか観測していないのである。
一般に、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象は、屈折率
の実部だけでなく虚部にも応答を示す。屈折率の虚部
は、光の吸収変化により起こるので、光吸収応答型のＳ
ＰＲセンサーが可能になる。

【０００７】光吸収応答型ＳＰＲセンサーにおける光吸
収の原因は、外部から測定領域に来るもの、及び、測定
領域にあるものが光吸収変化を示すものと２通りに分け
られる。前者の例は、固有な光吸収スペクトルを持つ被
測定物質や、被測定物質にラベルした色素などの光吸収
を示す物質である。特に、光吸収の原因として、被測定
物質の固有な光吸収スペクトルを使う場合、測定領域に
は、被測定物質を選択的に認識するリガンドを必要とし
ない、リガンドフリーの特徴を持つセンシングが可能に
なる。また、後者の例は、被測定物質が原因となって光
吸収特性が変化するセンシング層を使う場合である。従
来の光吸収に基づくセンシングは、感度を上げるために
は、光の通過距離を長くする必要があった。しかし、Ｓ
ＰＲ現象を使った光吸収センシングでは、測定領域が数
百ナノメートルと非常に薄いため、高価なセンシング材
料も少量で済み、また、応答時間も速い、という特徴を
持つ。以上のように、光吸収応答型のＳＰＲセンサー
は、従来にない、新規なセンシングを可能にする。

【０００８】本発明は、光吸収応答型のＳＰＲセンサー
の測定方法を提供するものである。クレッチマン配置に
よるＳＰＲ現象について、光の吸収特性が変化した場合
を理論的に考察し、光吸収変化に基づくセンシングの方
法を提供し、その測定法を実現する装置の例を提示する
ものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、光吸収応
答型のＳＰＲセンサーの理論式を組み立て、計算機シュ
ミレーションをしたところ、光吸収変化の観測方法に主
に２通りあることを見出した。一つは、光の吸収最大波
長に入射波長を実質的に一致させ、反射強度変化から、
光吸収変化を測定する方法である。もう一つは、入射波
長を、光の吸収は起こるが、吸収最大波長と異なるもの
とし、光吸収変化を屈折率変化として測定するものであ
る。特に、後者の方法は、従来のＳＰＲセンサーで使わ
れている測定方法であり、従来の測定方法が光吸収変化
を観測する場合にも有効であることが判明した。

【００１０】本発明は、クレッチマン光学配置による表
面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を利用したセンシング
において、測定領域に被測定物質が存在又は接触するこ
とが原因となって該測定領域の光吸収特性が変化するこ
とによる該光吸収特性変化に伴う複素屈折率変化を観測
することからなる光吸収応答型ＳＰＲセンサーに関す
る。また、本発明は、前記の光吸収応答型ＳＰＲセンサ
ーにおいて、入射光を単色光とし、その波長を光吸収の
最大波長と一致させ、測定領域における光吸収特性変化
に伴う複素屈折率の変化を複素屈折率の虚部だけに起こ
るようにすることによって、該複素屈折率の虚部の観測
から被測定物質を同定若しくは検出する測定方法、又
は、測定領域の光吸収特性が均一に変化する、前記した
光吸収応答型ＳＰＲセンサーにおいて、入射光を単色光
とし、その波長を光吸収の最大波長と異なるが光吸収が
起こる波長にして、測定領域における光吸収特性変化に
伴う複素屈折率の変化を複素屈折率の虚部だけでなく実
部にも起こるようにすることによって、該複素屈折率の
虚部の観測だけでなく実部の観測からも被測定物質を同
定又は検出する測定方法に関する。本発明の方法は、測
定領域の吸収物質のモル濃度で定量する方法にも関す
る。さらに、本発明は前記した光吸収応答型ＳＰＲセン
サー装置、より詳細には前記した測定方法を実施するた
めのＳＰＲセンサー装置に関する。

【００１１】光吸収応答型ＳＰＲセンサーの測定方法の
概略について説明する。図１に光吸収応答型のＳＰＲセ
ンサーのデバイスモデルを示す。光学配置は、クレッチ
マン配置と呼ばれているものである。表面プラズモン共
鳴励起のメカニズムは次のように説明される。プリズム
側から入射したＰ偏光の光がエバネッセント波を金属薄
膜中に発生し、そのエバネッセント波と表面プラズモン
の波数が一致したとき、表面プラズモンが共鳴励起され
る。共鳴励起の結果、ある入射角の光が吸収され、反射
光に暗線が生じる。その暗線を解析することにより、測
定領域の光吸収変化を決定する。

【００１２】暗線の詳しい解析をするには、理論的な検
討と計算機シュミレーションが非常に有効である。フレ
ネルの式と、薄膜による多波干渉の式を組み合わせるこ
とにより、シュミレーションが可能になる。初めに、Ｓ
ＰＲセンサーの理論において、最も基本になる３層モデ
ルを考察する。３層モデルは、図２に示すように、プリ
ズム／金属薄膜／光吸収変化層から構成される。以下
に、具体的な理論式を示す。ここでは、各層の誘電率に
ついて詳細する。入射光の波長λの角振動数ωは、真空
中の光速度ｃ＝２．９９７９２４５８×１０^８ｍ／ｓを
用いて、 ω＝２πｃ／λ （１）と書ける。まず、プリズムの誘電率ε_ｐは、プリズムの
屈折率をｎ_ｐとすると、 ε_ｐ＝ｎ_ｐ ^２（２）と書ける。次に、金属の誘電率は、古典的なモデルの範
囲においてドルーデの理論で扱われ、

【００１３】

【数１】

【００１４】と書ける。ｉは虚数単位である。ここで、
ω_ｐは固体における長波長のプラズマ角振動数、ω_ｃは
衝突振動数と呼ばれている。ω_ｃは、プラズマ振動の緩
和時間τと次式の関係がある。 ω_ｐ＝２π／τ （４）光の吸収特性の変化によりセンシングをする光吸収変化
層の誘電率ε_ｓは、ローレンツモデルにより記述でき
る。

【００１５】

【数２】

【００１６】ここで、電子の電荷ｅ＝１．６０２１７７
３３×１０^−１９Ｃ、電子の質量ｍ _ｅ＝９．１０９３８
９７×１０^−３１ｋｇ、真空中の誘電率ε_０＝１０^７／
４πｃ^２（＝８．８５４１８７８１７・・・）である。
また、ωは入射光の角振動数、ω_０は吸収の角振動数、
γは吸収の振動緩和を表し、吸収スペクトルの半値全幅
に相当する。ε_∞は、入射光の角振動数ω→∞の場合に
おける、光吸収変化層の誘電率であり、多くの場合、現
象論的に導入される。ｆは振動子強度であり、吸収の強
さを表すパラメータである。Ｎは、色素などの吸収物質
の個数である。モル吸収係数を決める実験を行うと、ラ
ンベルト−ベールの法則を使って、ｆをモル吸収係数、
Ｎを吸収物質の濃度と関係づけることができる。

【００１７】ここでは、フレネルの式について説明す
る。光が２つの均一等方な媒質の境界面に入射した場
合、一部は反射し、一部は屈折するが、フレネルの式
は、光の振幅反射係数と振幅透過係数を表す式であり、
１８２３年にA.J.Fresnelによって導き出された。フレ
ネルの式は入射光の偏光によって異なり、特に、入射波
の電場が入射面内にあるＰ偏光の場合にＳＰＲ現象が生
じるので、Ｐ偏光のフレネルの式がＳＰＲセンサーのシ
ュミレーションでは重要である。図３に示したような光
学配置および光学定数では、振幅反射係数ｒ_１２と振幅
透過係数ｔ_１２は、それぞれ次式のように記述できる。ｒ_１２＝（ｎ_２ｃｏｓθ_１−ｎ_１ｃｏｓθ_２）／（ｎ_２ｃｏｓθ_１＋ｎ_１ｃｏｓθ_２）（６）ｔ_１２＝（２ｎ_１ｃｏｓθ_１）／（ｎ_１ｃｏｓθ_１＋ｎ_２ｃｏｓθ_２）（７）特に、式（６）は、入射光の波数の垂直成分ｋ_１ｚと、
透過光の波数の垂直成分ｋ_２ｚを使うと、次式のように
書き直せる。ｒ_１２＝（ε_１ｋ_２ｚ−ε_２ｋ_１ｚ）／（ε_１ｋ_２ｚ＋ε_２ｋ_１ｚ）（８）ここで、ｋ_１ｚとｋ_２ｚは、

【００１８】

【数３】

【００１９】である。式（９）と（１０）において、ｋ
_ｘは入射光の波数の水平成分であり、

【００２０】

【数４】

【００２１】と書ける。式（８）は、誘電率で表記され
ており、シュミレーションに便利な形に整理されてい
る。

【００２２】ここでは、フレネルの反射式を使った多波
干渉の理論について説明する。図４に示したような単層
膜の多波干渉について考察する。各層は、シュミレーシ
ョンに適用できるように、プリズム（ε_ｐ）／金属薄膜
（ε_ｍ）／光吸収変化層（ε _ｓ）の誘電率を使う。単層
膜の厚さはｄとする。プリズムから金属薄膜に入射する
振幅反射係数ｒ_ｐｍと振幅透過係数ｔ_ｐｍ、及び、金属
薄膜からプリズムに入射する振幅反射係数ｒ_ｍｐと振幅
透過係数ｔ_ｍｐ、金属薄膜から光吸収変化層に入射する
振幅反射係数ｒ_ｍｓを使うと、単層膜の振幅反射率ｒ
_ｐｓは、次式のように書ける。

【００２３】

【数５】

【００２４】ここで、２δは隣り合う波の間の位相差で
あり、

【００２５】

【数６】

【００２６】である。一方、式（６）を参考にすると、ｒ_ｍｐ＝−ｒ_ｐｍ（１４）であり、式（７）を参考にすると、ｔ_ｐｍ＝ｔ_ｍｐ（１５）である。さらに、反射率と透過率の和は１になることに
注目すれば、ｔ_ｐｍ ^２＝１−ｒ_ｐｍ ^２（１６）である。式（１４）−（１６）を使うと、式（１２）
は、以下のように変形をされる。

【００２７】

【数７】

【００２８】第２項以降は、初項がｒ_ｍｓ（１−ｒ_ｐｍ
^２）ｅ^２ｉδ、公比（−ｒ_ｐｍｒ_ｍ _ｓｅ^２ｉδ）がこの
等比数列の無限級数和であるから、結局、ｒ_ｐｓ＝（ｒ_ｐｍ＋ｒ_ｍｓｅ^２ｉδ）／（１＋ｒ_ｐｍｒ_ｍｓｅ^２ｉδ）（１７）と整理される。式（１７）において、ｒ_ｐｍとｒ
_ｍｓは、式（８）を参考にすると、ｒ_ｐｍ＝（ε_ｐｋ_ｍｚ−ε_ｍｋ_ｐｚ）／（ε_ｐｋ_ｍｚ＋ε_ｍｋ_ｐｚ）（１８）ｒ_ｍｓ＝（ε_ｍｋ_ｓｚ−ε_ｓｋ_ｍｚ）／（ε_ｍｋ_ｓｚ＋ε_ｓｋ_ｍｚ）（１９）であることが導かれる。式（１８）と（１９）の、ｋ
_ｐｚ、ｋ_ｍｚ、ｋ_ｓｚは、式（９）と（１０）を参考に
すると、

【００２９】

【数８】

【００３０】であることが理解される。式（２０）−
（２２）のｋ_ｘは、式（１１）で与えられている。ま
た、式（２０）のε_ｐは式（２）で、式（２１）のε_ｍ
は式（３）で、式（２２）のε_ｓは式（５）で与えられ
る。さらに、式（１７）のδは、式（１３）と式（２
１）を参考にすると、 δ＝ｋ_ｍｚ（２３）となる。最終的に実験観測される反射率Ｒは、

【００３１】

【数９】

【００３２】で与えられる。この式に具体的な数値を代
入して、シュミレーションすることにより、吸収応答型
ＳＰＲセンサーにおいて、光学応答の検出方法の重要な
手がかりを得ることが可能となる。

【００３３】シュミレーションの各種パラメータは、次
の仮定に基づいて与えた。仮定１：金属薄膜は、５０ｎｍの金とする。ｄ＝５０×１０^−９、ω_ｐ＝１．１１９×１０^１６、ω
_ｃ＝２．１０８×１０^１４仮定２：プリズムは、波長分散を無視できる高屈折率ガ
ラスとする。ｎ_ｐ＝１．７９仮定３：光吸収変化層の吸収物質は色素とする。最大吸
収波長λ_ｍａｘを６３０ｎｍ、半値全幅δλを１００ｎ
ｍとする。また、振動子強度ｆは１とする。

【００３４】

【数１０】

【００３５】仮定４：光吸収変化層は、屈折率１．４の
ポリマー膜を膜材とするセンシング膜とする。光吸収変
化層の膜厚は、３層モデルに扱える程度に十分厚いもの
とする。 ε_∞＝１．４^２仮定５：光吸収変化層の吸収物質は、被測定物質に応答
して、吸収増加を示すものとする。吸収物質のモル濃度
をχとすると、吸収物質の個数Ｎは、アボガドロ数Ｎ_Ａ
を用いて、次のように書ける。Ｎ＝１０^３・Ｎ_Ａ・χ

【００３６】図５は、入射光の波長を吸収物質の最大吸
収波長と同じにした場合、つまり、ω＝ω_０の場合にお
けるシュミレーション結果である。吸収物質のモル濃度
χは、０、１０^−２、５×１０^−２、１０^−１、２×１
０^−１について計算した。図から理解されることは、以
下の２点である。（１）反射率が最小となる共鳴角が、各モル濃度χにつ
いて同一である。（２）共鳴角の反射率が、吸収物質のモル濃度χの増加
に従って、増加する。このようなＳＰＲカーブの振る舞いを利用して、吸収物
質のモル濃度χを定量することが可能となる。

【００３７】図６は、入射光の波長を６８０ｎｍとし、
吸収物質の吸収はあるが、最大吸収波長より長波長にし
た場合である。これは、

【００３８】

【数１１】

【００３９】の場合に相当する。ω＝ω_０の場合と同様
に、吸収物質のモル濃度χは、０、１０^−２、５×１０
^−２、１０^−１、２×１０^−１について計算した。図か
ら理解されることは、以下の２点である。（１）反射率が最小となる共鳴角は、吸収物質のモル濃
度χの増加に従って、高角度に移動する。（２）共鳴角における反射率が、吸収物質のモル濃度χ
の増加に従って、増加する。この場合においても、ＳＰＲカーブの振る舞いを利用し
て、吸収物質のモル濃度χを定量することが可能とな
る。

【００４０】図７は、入射光の波長を５８０ｎｍとし、
吸収物質の吸収はあるが、最大吸収波長より短波長にし
た場合である。これは、 ω〜ω_０＋γ／２の場合に相当する。ω＝ω_０の場合と同様に、吸収物質
のモル濃度は、０、１０ ^−２、５×１０^−２、１
０^−１、２×１０^−１について計算した。図から理解さ
れることは、以下の２点である。（１）反射率が最小となる共鳴角は、吸収物質のモル濃
度χの増加に従って、低角度に移動する。（２）共鳴角における反射率が、吸収物質のモル濃度χ
の増加に従って、増加する。この場合においても全く同様に、ＳＰＲカーブの振る舞
いを利用して、吸収物質のモル濃度χを定量することが
可能となる。

【００４１】以上のシュミレーションは、入射光の波長
と吸収物質の波長について、典型的な３つの場合におい
て計算した。個々の場合は、定数を変更して計算するこ
とが可能である。しかし、シュミレーション結果に対し
て、物理描像を与えることは、光吸収応答型ＳＰＲセン
サーの原理を理解するために極めて重要な作業である。

【００４２】ここから、従来使われてきた屈折率応答型
ＳＰＲセンサーのメカニズムに対して、物理描像を与え
る。そのためには、式（５）で与えられる光吸収変化層
の誘電率ε_ｓに対し、屈折率ｎ_ｓだけの変化を仮定す
る。つまり、 ε_ｓ＝ｎ_ｓ ^２（２５）をしばらくの間、仮定する。この場合、式（２４）は、
式（３）の金属の誘電率が

【００４３】

【数１２】

【００４４】という条件の下で、次のように変形され
る。

【００４５】

【数１３】

【００４６】ここで、ｋ_ｓｐは表面プラズモンの波数で
あり、前記式（２７）のように与えられる。式（２７）
のｋ_０は金属薄膜の厚さが無限大の波数であり、ｋ_Ｒは
金属薄膜の厚さが有限の場合に生じる波数の補正項であ
る。ここで、

【００４７】

【数１４】

【００４８】である。ｋ_ｘは式（１１）で与えられたも
ので、再記すると、

【００４９】

【数１５】

【００５０】である。式（２６）は、ローレンツ型共鳴
曲線により表現された形になっている。実験的に観測さ
れる暗線は、式（２６）の最小値を与える付近で生じ
る。式（２６）の最小値を与える入射角θ_ｍｉｎは、共
鳴角であり、ｋ_ｘ＝ｋ’_ｓｐ（３０）を満たすθ_ｐとして与えられる。式（３０）の物理的な
解釈は、入射光の生じるエバネッセント波の波数と、表
面プラズモンの波数が一致することを意味しており、運
動量保存則と同値である。式（３０）は、さらに、

【００５１】

【数１６】

【００５２】と近似することができ、屈折率応答型ＳＰ
Ｒセンサーの感度を議論する式として用いられる。ま
た、式（２６）より、共鳴角θ_ｍｉｎにおける反射率Ｒ
_ｍｉｎは、

【００５３】

【数１７】

【００５４】と表すことができる。ここで、ηは、 η≡ｋ”_０／ｋ”_Ｒ（３３）として定義した。図８に式（３２）の関数を示す。一
方、反射率Ｒ_ｍｉｎの半値全幅θ_１／２は、

【００５５】

【数１８】

【００５６】で与えられる。これは、共鳴の鋭さを与え
る。

【００５７】屈折率応答型ＳＰＲセンサーは、共鳴角θ
_ｍｉｎのシフトにより、屈折率変化を検出する。式（３
１）を使うと、共鳴角θ_ｍｉｎは、

【００５８】

【数１９】

【００５９】として与えられる。式（３５）は、

【００６０】

【数２０】

【００６１】であるから、

【００６２】

【数２１】

【００６３】と、さらに近似できる。屈折率変化Δｎ_ｓ
に対する共鳴角変化Δθ_ｍｉｎは、

【００６４】

【数２２】

【００６５】として与えられる。感度Ｓは、

【００６６】

【数２３】

【００６７】として与えられる。また、屈折率応答型Ｓ
ＰＲセンサーの反射率Ｒ_ｍｉｎについても考察する。式
（３３）より、Ｒ_ｍｉｎを決めるためには、ηを決めれ
ば良い。ｋ”_０は、式（２８）に、

【００６８】

【数２４】

【００６９】を使うと

【００７０】

【数２５】

【００７１】と求められる。ｋ”_Ｒは、式（２９）を、

【００７２】

【数２６】

【００７３】と

【００７４】

【数２７】

【００７５】を使って、近似する。

【００７６】

【数２８】

【００７７】ここで、式（４０）において、実験的な
値、

【００７８】

【数２９】

【００７９】及び、φを以下のように定義し、実験的な
値

【００８０】

【数３０】

【００８１】を使った。詳細を述べると、

【００８２】

【数３１】

【００８３】

【数３２】

【００８４】であり、さらに、式（４２）において、次
の典型的な実験的な値

【００８５】

【数３３】

【００８６】を仮定すると、

【００８７】

【数３４】

【００８８】となり、実験的な値

【００８９】

【数３５】

【００９０】が得られる。反射率Ｒ_ｍｉｎを決めるη
は、

【００９１】

【数３６】

【００９２】となり、屈折率ｎ_ｓは一次の微小量として
だけ、式（４７）に入ってきている。したがって、反射
率Ｒ_ｍｉｎは、屈折率ｎ_ｓにほとんど依存しなく、一定
と考えてよい。上記で仮定したシュミレーションのパラ
メータを使うと、波長６３０ｎｍの時、式（４７）の値
は、η＝１．０１５となり、そのとき、Ｒ_ｍｉｎ＝５．
５×１０^−５となる。ηは、ほとんどの場合、

【００９３】

【数３７】

【００９４】となる。条件

【００９５】

【数３８】

【００９６】は、以下の議論で重要となる。

【００９７】以上、屈折率応答型ＳＰＲセンサーの理論
を踏まえて、以下では、光吸収応答型ＳＰＲセンサーの
理論を展開する。ここでは、準備として、光吸収変化層
の複素屈折率

【００９８】

【数３９】

【００９９】を導入する。ｎ_ｓは一般的な屈折率であ
り、ｋ_ｓは消衰係数と呼ばれるものである。複素屈折率
Ｎ_ｓと誘電率ε_ｓは、（ｎ_ｓ＋ｉｋ_ｓ）^２＝ε_ｓ（４８）の関係がある。誘電率ε_ｓに対し、

【０１００】

【数４０】

【０１０１】を定義すると、式（４８）より ε’_ｓ＝ｎ_ｓ ^２−ｋ_ｓ ^２（５０） ε”_ｓ＝２ｎ_ｓｋ_ｓ（５１）が導かれる。一般的なε’_ｓ＞＞ε”_ｓの条件では、式
（５０）は、

【０１０２】

【数４１】

【０１０３】と近似できる。ここで、ε’_ｓとε”
_ｓを、誘電率ε_ｓの式（５）から具体的に示すと、

【０１０４】

【数４２】

【０１０５】である。式（５３）と式（５４）を、
（ｉ）ω＝ω_０の場合、（ｉｉ）ω＜ω_０の場合、（ｉ
ｉｉ）ω＞ω_０の場合に分けて考察する。（ｉ）ω＝ω_０の場合（入射光の波長と最大吸収波長が
一致する場合）式（５３）と式（５４）は、

【０１０６】

【数４３】

【０１０７】となる。ε’_ｓ＞＞ε”_ｓの条件では、式
（５２）より、

【０１０８】

【数４４】

【０１０９】となり、屈折率ｎ_ｓは、吸収変化に関わら
ず、一定となる。さらに、式（５１）より、

【０１１０】

【数４５】

【０１１１】となり、吸収変化の増加に比例して消衰係
数ｋ_ｓが増加する。（ｉｉ）ω＜ω_０の場合、及び、
（ｉｉｉ）ω＞ω_０の場合の屈折率ｎ_ｓと消衰係数ｋ_ｓ
は、式（５１）−（５４）より、

【０１１２】

【数４６】

【０１１３】である。以下、式（５９）−（６０）をも
とに、（ｉｉ）と（ｉｉｉ）を分けて考察する。（ｉｉ）ω＜ω_０の場合（入射光の波長が最大吸収波長
より長波長側に位置する場合）式（５９）より、吸収増加に従って、屈折率ｎ_ｓは、一
次関数の平方根の関数として増加する。特に、

【０１１４】

【数４７】

【０１１５】の時に、屈折率ｎ_ｓの変化が大きくなる。
一方、式（６０）より、消衰係数ｋ_ｓは、基本的にはω
＝ω_０の場合の式（５８）と同じように、吸収変化の増
加に比例する。しかし、屈折率ｎ_ｓの増加に従って、増
加の割合が減少する。（ｉｉｉ）ω＞ω_０の場合（入射光の波長が最大吸収波
長より低波長側に位置する場合）式（５９）より、吸収増加に従って、屈折率ｎ_ｓは、一
次関数の平方根の関数として減少する。特に、

【０１１６】

【数４８】

【０１１７】の時に、屈折率ｎ_ｓの変化が大きくなる。
一方、式（６０）より、消衰係数ｋ_ｓは、基本的には式
（５８）によるω＝ω _０の場合と同じように、吸収変化
の増加に比例する。しかし、屈折率ｎ_ｓの減少に従っ
て、増加の割合が増加する。

【０１１８】光吸収応答型ＳＰＲセンサーの理論の場
合、光吸収変化層の誘電率ε_ｓに対し、式（５）を使え
ば良い。この場合も、

【０１１９】

【数４９】

【０１２０】の範囲で、式（２６）−（２９）が成り立
つ。共鳴角θ_ｍｉｎは、式（３０）−（３１）に近似式
（５２）を使うと、

【０１２１】

【数５０】

【０１２２】となる。この式は、屈折率応答型ＳＰＲセ
ンサーの理論式（３６）と全く同じ形になる。したがっ
て、物理的な解釈も同じになり、式（６１）は、共鳴角
θ_ｍｉ _ｎは、光吸収変化層の屈折率（複素屈折率の実
部）によって決まることを意味している。特に、入射光
の波長と最大吸収波長の関係において議論する。（ｉ）ω＝ω_０の場合（入射光の波長と最大吸収波長が
一致する場合）、屈折率ｎ_ｓは、式（５７）より吸収変
化に関わらず一定なので、共鳴角θ_ｍｉｎの変化は起き
ない。従って、共鳴角θ_ｍｉｎの変化により、吸収変化
を観測することはできない。（ｉｉ）ω＜ω_０の場合（入射光の波長が最大吸収波長
より長波長側に位置する場合）屈折率ｎ_ｓは、一次関数
の平方根の関数として増加する。従って、共鳴角θ
_ｍｉｎの変化により、吸収変化を観測することが可能で
ある。（ｉｉｉ）ω＞ω_０の場合（入射光の波長が最大吸収波
長より低波長側に位置する場合）屈折率ｎ_ｓは、一次関
数の平方根の関数として減少する。従って、共鳴角θ
_ｍｉｎの変化により、吸収変化を観測することが可能で
ある。以上の結果は、入射光の波長が光吸収物質の吸収領域に
あるが、最大吸収波長が一致しない場合、共鳴角θ
_ｍｉｎの変化により、吸収変化を観測することが可能で
あると、まとめることができる。

【０１２３】さらに、光吸収応答型ＳＰＲセンサーにお
ける反射率Ｒ_ｍｉｎの理論式を導く。ｋ”_０は、式（２
８）に、

【０１２４】

【数５１】

【０１２５】及びε’_ｓ＞＞ε”_ｓを使うと、

【０１２６】

【数５２】

【０１２７】となる。この式は、ε”_ｓ→０の極限で、
式（３９）と一致する。また、式（６２）は、式（５
１）−（５２）を使えば、

【０１２８】

【数５３】

【０１２９】と変形できる。ｋ”_Ｒに関しては、式（４
０）の議論が全て当てはまり、

【０１３０】

【数５４】

【０１３１】となる。従って、反射率Ｒ_ｍｉｎを決める
ηは、

【０１３２】

【数５５】

【０１３３】となる。吸収が増加するに従って消衰係数
ｋ_ｓが増加するから、ηは吸収増加につれて増加する。
また、ほとんどの場合、消衰係数ｋ_ｓ→０において

【０１３４】

【数５６】

【０１３５】となる。一方、図８に示すように、反射率
Ｒ_ｍｉｎの式（３２）は

【０１３６】

【数５７】

【０１３７】の範囲で増加関数となる。よって、共鳴角
θ_ｍｉｎにおける反射率Ｒ_ｍｉｎは、吸収が増加するに
つれて、増加する。また、反射率Ｒ_ｍｉｎに関する以上
の議論は、入射光の波長と最大吸収波長の関係にあまり
依存しない。その理由は、式（６５）のηが、屈折率ｎ
_ｓに大きく依存した式でないからである。しかしなが
ら、入射光の波長と最大吸収波長の関係による屈折率ｎ
_ｓの効果は、ηに影響を与え、反射率Ｒ_ｍｉｎの測定で
十分観測される程度に大きい。

【０１３８】以上のシュミレーション及び理論展開は、
プリズム／金属薄膜／光吸収変化層からなる３層モデル
で議論した。しかし、多くの場合、光吸収変化層が有限
である場合が多い。特に、光吸収変化層が数百ナノメー
トル程度に薄い場合、プリズム／金属薄膜／光吸収変化
層／外部環境の４層モデルで議論しなければならない。
しかし、幸いなことに、シュミレーションにおいて、３
層モデルから４層モデルへの拡張は容易に行える。その
シュミレーション結果から理解されることは、２つあ
る。一つは、吸収を観測するのに、共鳴角θ_ｍｉｎの変
化により屈折率変化を測定することは、無効になるこ
と。もう一つは、吸収を観測するのに、反射率Ｒ_ｍｉｎ
の変化により消衰係数ｋ_ｓを測定することは、依然とし
て有効であること。このことから、反射率Ｒ_ｍｉｎの測
定は吸収変化を観測するのに、より一般的な方法である
ことが理解される。

【０１３９】ここでは、シュミレーションに用いた４層
モデルの数式を記す。４層モデルは、図９に示したよう
に、プリズム（ε_ｐ）／金属薄膜（ε_ｍ）／光吸収変化
層（ε_ｓ）／外部環境（ε_ｅ）からなる。ここで、カッ
コ内はそれぞれの誘電率である。金属薄膜の厚さをｄ、
光吸収変化層をｔとする。また、外部環境の屈折率ｎ _ｅ
は、誘電関数ε_ｅと、 ε_ｅ＝ｎ_ｅ ^２（６６）の関係がある。最終的に実験観測される反射率Ｒは、

【０１４０】

【数５８】

【０１４１】で与えられる。ここで、

【０１４２】

【数５９】

【０１４３】である。式（６８）において、

【０１４４】

【数６０】

【０１４５】である。式（６８）において、

【０１４６】

【数６１】

【０１４７】である。さらに、式（６９）−（７２）に
おいて、

【０１４８】

【数６２】

【０１４９】である。式（７１）−（７４）において

【０１５０】

【数６３】

【０１５１】である。

【０１５２】

【発明の実施の形態】以下に本発明のＳＰＲ装置及びＳ
ＰＲの測定方法についての実施の形態を具体的に説明す
るが、本発明はこれらの具体的な装置及び方法に限定さ
れるものではなく、本発明の測定思想に基づくＳＰＲ装
置及びその方法並びにそれに付帯する技術の一切は本発
明の技術的範囲に属するものである。

【０１５３】光吸収応答型ＳＰＲセンサーは、上記の理
論またはシュミレーション結果に基づき、光吸収変化
を、主に２つの方法により測定するものである。第１
は、光吸収を、共鳴角の変化により屈折率変化として測
定する方法である。第２は、光吸収を、共鳴角におけ
る反射率の変化により消衰係数変化として測定する方法
である。光吸収変化層の厚さが、十分厚くない場合は、
第１の方法は使えない。以下では、それぞれの場合に対
して、測定法を実現する光学配置の例を示す。

【０１５４】ここでは、第１の測定方法を実現するＳＰ
Ｒ装置の例を示す。第１の測定方法は、共鳴角の変化に
よって、光吸収変化が原因で起こる屈折率変化を測定す
る方法である。共鳴角の変化によって屈折率変化を測定
するのは、従来のＳＰＲセンサーと同じである。異なる
点は、従来のＳＰＲセンサーでは、屈折率変化は、非共
有結合が主な原因となって起こる物質移動により生じる
が、光吸収応答型ＳＰＲセンサーでは、屈折率変化が光
吸収変化により起こることである。そのため、第１の測
定方法を実現するＳＰＲ装置は、従来のＳＰＲ装置を使
うことが可能である。ただし、最大吸収波長と入射光の
波長は異なるが近い範囲にあることや、共鳴角における
反射率が大きく変化するために従来のＳＰＲ装置におけ
る共鳴角を決定するアルゴリズムが無効になるなどの問
題点が存在する。しかしながら、光学系に関しては、図
１０に代表されるような従来のＳＰＲ装置に使われてい
るものと同一のもので良い。解析アルゴリズムに関して
は、式(59)を使って、光吸収物質の個数を求める事、及
び、それと同等なことを行う必要がある。

【０１５５】次に、第２の測定方法を実現するＳＰＲ装
置の例を示す。第２の測定方法は、共鳴角における反射
率を正確に決めることが重要となる。そのため、図１０
に示したような共鳴角を測定する従来のＳＰＲセンサー
は、光源強度の角度分布が不均一であるため、反射率を
十分精度良く決められない。そのためには、図１１に示
したような光学配置からなるＳＰＲセンサーを構築する
ことが望ましい。図１１の光学配置は、反射光をＰ偏光
とＳ偏光に分け、それぞれの反射光を電子デバイスの検
出器により取り込み、Ｐ偏光の反射光角度分布をＳ偏光
の反射光角度分布で割り、ＳＰＲカーブを実験的に決め
るものである。ＳＰＲ現象は、Ｐ偏光の励起においてし
か起こらないので、Ｐ偏光の反射光をＳ偏光の反射光で
割ることによって、不均一な光源強度の角度分布を補正
することができる。しかも、得られた像は、反射率の角
度分布を反映したものである。共鳴角における反射率
は、近似的に、光吸収物質の量に一次関数的に変化す
る。特に、３層モデルの場合は、厳密に、式（３２）と
式（６５）を使って、光吸収物質の量を決めることがで
きる。

【０１５６】以上説明してきたように、本発明は測定領
域の光吸収特性が変化することによる該光吸収特性変化
に伴う複素屈折率変化を観測することからなる光吸収応
答型ＳＰＲセンサーという、ＳＰＲの測定分やにおける
全く新しい概念による測定方法を提供するものであり、
ＳＰＲの応用範囲を格段に広げるものである。したがっ
て、本発明による光吸収応答型ＳＰＲセンサーは、屈折
率実部における変化のみならず、その虚部のみにおいて
も、測定領域の光吸収特性が変化することにより複素屈
折率の変化を伴うものであれば、これを測定可能にした
ものであり、測定領域における色の変化（可視領域の光
吸収の変化）やその他の波長領域における吸収波長の変
化によるＳＰＲセンサーでの測定を可能とするものであ
る。

【０１５７】

【発明の効果】本発明は、表面プラズマ共鳴の理論に基
づいて、光吸収に基づいたＳＰＲセンサーの装置とその
測定方法を提供するものである。従来のＳＰＲセンサー
は、被測定物質の移動による屈折率変化を測定するセン
シングであったが、本発明の光吸収応答型ＳＰＲセンサ
ーは、光吸収変化に基づくセンシングを可能にする。そ
のため、従来のＳＰＲセンサーでは不可能であった被測
定物質のセンシングが可能になる。また、本発明の光吸
収応答型ＳＰＲセンサーは、従来の吸光法に対して、高
感度、高速応答のセンシングを可能とする新規な吸光法
を提供する。そのため、センシング分野において従来知
られている吸光法の全てに対して、高感度、高速応答な
どの性能向上に貢献することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は、クレッチマン配置と呼ばれている、Ｓ
ＰＲセンサーの光学配置である。

【図２】図２は、理論検討と計算機シュミレーションに
使う、プリズム/金属薄膜/光吸収変化層から構成される
３層モデルの光学配置である。

【図３】図３は、Ｐ偏光の振幅反射率と振幅透過率を与
える、フレネルの式を説明するための光学配置である。

【図４】図４は、単層膜による多波干渉を説明する光学
モデルである。

【図５】図５は、入射光の波長と吸収物質の吸収最大波
長が一致した場合の計算シュミレーショ結果である。図
中のＸの値は、吸収物質のモル濃度である。

【図６】図６は、入射光の波長が、吸収物質の吸収最大
波長より長波長側にある場合の計算シュミレーション結
果である。図中のＸの値は、吸収物質のモル濃度であ
る。

【図７】図７は、入射光の波長が、吸収物質の吸収最大
波長より短波長側にある場合の計算シュミレーション結
果である。図中のＸの値は、吸収物質のモル濃度であ
る。

【図８】図８は、共鳴角における反射率の特性関数のグ
ラフである。

【図９】図９は、計算機シュミレーションに使う、プリ
ズム/金属薄膜/光吸収変化層/外部環境から構成される
４層モデルの光学配置である。

【図１０】図１０は、従来よく使われているＳＰＲセン
サーの光学配置の一つである。

【図１１】図１１は、共鳴角における反射率を測定する
ことによって、光吸収応答型ＳＰＲセンサーを実現する
光学配置の一つである。

【符号の説明】

１表面プラズモン２エバネッセント波３入射光４反射光５入射角６Ｐ偏光７金属薄膜８プリズム９空気１０暗線１１光吸収変化層１２金属の誘電率１３プリズムの誘電率１４光吸収変化層の誘電率１５外部環境１６外部環境の誘電率１７金属薄膜の厚さ１８光吸収変化層の厚さ２１入射波２２反射波２３透過波２４入射角２５屈折角２６媒質１の屈折率２７媒質２の屈折率３１プリズム３２金属薄膜３３光吸収変化層３４金属薄膜の厚さ３５入射光３６第１反射光３７第２反射光３８第３反射光３９第１透過光４０第２透過光４１第３透過光５１金属薄膜５２試料セル５２ａ試料セルのチューブ５２ｂ試料セルのチューブ５３プリズム５４光源５５直線偏光子５６レンズ５７レンズ５８検出器５９データ処理装置６０偏光ビームスプリッター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者栗原一嘉神奈川県中原区井田杉山町13−22 みやこ荘202 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB12 CC16 EE02 EE05 FF12 HH01 HH02 HH03 JJ11 JJ12 JJ19 JJ22 KK01 KK03 MM01 MM14

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】クレッチマン光学配置による表面プラズ
モン共鳴（ＳＰＲ）現象を利用したセンシングにおい
て、測定領域に被測定物質が存在又は接触することが原
因となって該測定領域の光吸収特性が変化することによ
る該光吸収特性変化に伴う複素屈折率変化を観測するこ
とからなる光吸収応答型ＳＰＲセンサー。
【請求項２】光吸収特性変化に伴う複素屈折率変化を
観測が、入射光に対する反射光の光学特性の変化を測定
するものである請求項１に記載の光吸収応答型ＳＰＲセ
ンサー。
【請求項３】被測定物質に固有な光吸収スペクトルを
利用して、該被測定物質を同定又は検出する請求項１又
は２に記載の光吸収応答型ＳＰＲセンサー。
【請求項４】被測定物質又は測定領域に固定された物
質にラベルした色素などの光吸収を示す物質を利用する
ものである請求項１〜３のいずれかに記載の光吸収応答
型ＳＰＲセンサー。
【請求項５】被測定物質を選択的に認識し、その事が
原因となって吸収特性の変化を起こすセンシング層を測
定領域に設け、該センシング層の光吸収特性の変化によ
って、該光吸収特性変化に伴う複素屈折率変化を観測す
るものである請求項１〜４のいずれかに記載の光吸収応
答型ＳＰＲセンサー。
【請求項６】請求項１〜５のいずれかに記載の光吸収
応答型ＳＰＲセンサーにおいて、入射光を単色光とし、
その波長を光吸収の最大波長と一致させ、測定領域にお
ける光吸収特性変化に伴う複素屈折率の変化を複素屈折
率の虚部だけに起こるようにすることによって、該複素
屈折率の虚部の観測から被測定物質を同定又は検出する
測定方法。
【請求項７】測定領域の光吸収特性が均一に変化す
る、請求項１〜５のいずれかに記載の光吸収応答型ＳＰ
Ｒセンサーにおいて、入射光を単色光とし、その波長を
光吸収の最大波長と異なるが光吸収が起こる波長にし
て、測定領域における光吸収特性変化に伴う複素屈折率
の変化を複素屈折率の虚部だけでなく実部にも起こるよ
うにすることによって、該複素屈折率の虚部の観測だけ
でなく実部の観測からも被測定物質を同定又は検出する
測定方法。
【請求項８】請求項６の測定方法において、共鳴角に
おける反射率を測定することを特徴とする光吸収応答型
ＳＰＲセンサー装置。
【請求項９】請求項７の測定方法において、共鳴角を
測定することを特徴とする光吸収応答型ＳＰＲセンサー
装置。