JP2001516017A - 波長及び角感度を有する略垂直入射式光学的検定方法及びシステム - Google Patents

波長及び角感度を有する略垂直入射式光学的検定方法及びシステム

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Abstract

(57)【要約】 回折格子センサ（２５０）を有する検出システムを用いて試料（１５０）中の物質（１４０）を光学的に検定する方法及びシステム（１０）に関する。前記システム及び方法には、垂直に近い入射角で光ビームに前記センサを暴露し、生じた異常角（θ1、θ2）間の角度差を判定することにより目標物質の濃度を定量的に測定することが記載されている。また、本発明は、生じた異常波長間の波長距離を判定することにより目標物質の濃度を定量的に測定するシステム及び方法も予想している。本発明の利点は、感度の向上、及び従来の回折格子センサよりも機械的動作及び熱変化によるシステムのドリフトを受け難いことを含む。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 （発明の技術分野） 本発明は、一般に光学的検出の分野に関し、より詳しくは、化学物質及び生物
学的物質を検定する方法及び装置に関する。
【０００２】 （発明の背景技術） 最近、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）として知られている効果を利用して高感
度光学センサが構成されている。これらのセンサは、１リットル当たりピコモル
もの低濃度の多種多様な物質の存在を検出することができる。ＳＰＲセンサは、
ジニトロフェニル、アオガイヘモシアニン、α−フェトプロテイン、免疫グロブ
リンＥ、免疫グロブリンＧ、ウシ及びヒト血清アルブミン、グルコース、尿素、
アビジン、レクチン、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、ハプ
テン、ヒト免疫不全ウイルス（ＨＩＶ）抗体、ヒトトランスフェリン、及びキモ
トリプシノーゲンなどの多数の生体分子を検出するよう構成されている。更に、
化学物質（例えば、ポリアズレンや、ハロセイン、トリクロロエタン及び四塩化
炭素などの各種ガス）を検出するＳＰＲセンサも構成されている。
【０００３】 ＳＰＲセンサは、特定の物質に対する基板の表面を増感させることにより構成
される。基板の表面は通常、銀、金又はアルミニウムなどの金属の薄膜で被覆さ
れている。次に、前記薄膜の表面には、補体抗原などの受容体の単分子層が共有
結合されている。こうして、薄膜は、所定の化学的、生化学的又は生物学的物質
と相互作用可能となる。ＳＰＲセンサが目標物質を含む試料に暴露されると、そ
の物質は受容体に付着し、前記センサの表面における有効屈折率を変化させる。
目標物質の検出は、ＳＰＲセンサの表面の光学的性質を観測することにより行わ
れる。
【０００４】 最も一般的なＳＰＲセンサでは、ガラスプリズムを通った光ビームに前記セン
サの表面を暴露する工程を伴う。特定の入射角においては、共鳴角として知られ
ているように、センサ表面の平面内における光ビームの波動ベクトルの成分が前
記薄膜内の表面プラズモンの波動ベクトルと一致して、エネルギーの伝達効率が
大幅に増大して薄膜内の表面プラズモンの励起が生じる。その結果、共鳴角にお
いて、センサ表面からの反射光量が変化する。一般的に、急激な減衰又は増幅を
示し、ＳＰＲセンサの共鳴角を容易に検出することができる。目標物質がセンサ
表面に付着すると、センサ表面における屈折率の変化により共鳴角の変化が生じ
る。目標物質の濃度の定量基準は、共鳴角の変化の大きさに応じて算出すること
ができる。
【０００５】 また、ＳＰＲセンサは、プリズムの代わりに金属化回折格子を用いて構成され
ている。ＳＰＲ格子センサの場合、入射光の偏光成分が前記格子の溝方向に垂直
で入射角がエネルギー伝達及び金属薄膜の励起に適しているときに共鳴が生じる
。プリズム型センサの場合、入射角が共鳴角と等しいときに反射光量の変化が観
測される。前述のＳＰＲ格子センサは、方形波又は正弦波の溝輪郭を有している
。
【０００６】 現在のＳＰＲセンサは、物質濃度を正確に計算するために共鳴角の変化の絶対
値を正確に測定する必要がある。この技法による固有の欠点の一つは、センサの
僅かな機械的変化入射角に影響を及ぼして共鳴変化が不正確になるという点であ
る。更に、入射光の波長の僅かなずれが、共鳴角の変動を引き起こして誤った結
果になる場合がある。その上、従来のＳＰＲセンサは、光伝送用の多数の窓を要
する大きな入射角（例えば、４５°）用に設計されている。上述の如き理由、及
び本発明を理解する際に当業者に明白となる後述の他の理由により、高感度でシ
ステムが変動し難いコンパクトな表面プラズモン共鳴センサが業界で必要とされ
ている。
【０００７】 （発明の開示） 一実施形態において、本発明は、試料中の物質に対する感度を高める回折格子
センサを用いて試料中の物質を検定するシステムである。光源は、第１及び第２
の範囲の入射角にわたって光ビームに前記センサを暴露する。前記第１の範囲の
角度は前記センサ表面の垂線に対して正角であり、前記第２の範囲の角度は前記
垂線に対して負角である。前記システムは、前記第１の複数の入射角の各角度及
び前記第２の複数の入射角の各角度に対して前記センサから反射した光に感応す
る検出器を含む。制御器は、前記検出器に連結され、反射光の第１の変化を検出
する前記第１の複数の入射角の角度と反射光の第２の変化を検出する前記第２の
複数の入射角の角度との間の角度差の関数として前記試料中の物質の基準を算出
する。
【０００８】 前記システムの前記光源はレーザ源でもよく、前記システムは、前記光ビーム
を第１の光ビーム及び第２の光ビームに分割し、前記ビームスプリッタが前記第
１の光ビームを前記センサに向けるビームスプリッタを含むことができる。前記
システムは、前記センサから反射した光を集めてその反射光を前記検出器に向け
るレンズを更に含むこともできる。
【０００９】 前記センサは、溝輪郭に形成された表面を有する基板と、前記基板から外側に
形成された薄い金属層と、前記薄い金属層から外側に形成された増感層とを含む
ことができる。前記増感層は抗原の層を含むことができる。更に、ガラス窓を用
いて、前記基板に実質的に垂直な入射角で前記光ビームを受容層に通すことがで
きる。前記溝輪郭は周期的でもよく、その輪郭は正弦波形、台形、三角形又はよ
り複雑な関数でもよい。
【００１０】 別の実施形態において、前記光源は波長可変レーザ源でもよく、前記制御器が
前記レーザ源を同調させることにより前記光ビームの波長を設定するように前記
制御器を前記検出器及びレーザ源に連結してもよい。更に、前記制御器は、前記
センサを前記試料に暴露したときに前記第１の複数の入射角の異常角と前記第２
の複数の入射角の異常角との間の角度差が一定のままであるように前記レーザ源
を同調させることもできる。前記制御器は、前記同調された波長の関数として前
記試料中の物質の基準を算出する。
【００１１】 別の実施形態において、検出システムは、回折異常を示すことができる第１の
構造物と、この第１の構造物に近接し、回折異常を示すことができる第２の構造
物とを有するセンサを含む。光源は、前記センサの前記第１の構造物から反射し
た光が前記センサの前記第２の構造物に入射するように複数の入射角にわたって
光ビームに前記センサの前記第１の構造物を暴露する。検出器は、前記センサの
前記第２の構造物から反射した光に感応する。制御器は、前記検出器に連結され
、前記センサの前記第１の構造物に対する異常角及び前記センサの前記第２の構
造物に対する異常角を判定する。前記制御器は、前記センサの第１の格子の異常
角又は前記センサの第２の格子の異常角の何れかの変化の関数として前記試料中
の物質の基準を算出する。
【００１２】 更に、前記第１の構造物は前記試料の物質に対する感度を高める一方、前記第
２の構造物は前記試料と相互作用する感度を悪くすることもできる。前記光源は
波長可変レーザ源でもよく、前記制御器は、前記センサの前記第２の構造物の異
常角に基づいて前記光ビームの波長を同調させることができる。こうして、前記
第２の構造物の異常角は前記制御器に対して基準を与える。
【００１３】 別の実施形態において、本発明は、回折格子表面を有する表面プラズモン共鳴
センサを用いて試料中の物質を検定する方法である。この方法は、複数の入射角
にわたって光ビームに前記センサの１回目の暴露を行うステップと、前記１回目
の暴露ステップ中に少なくとも２つの異常角を検出するステップと、前記センサ
を試料と相互作用させるステップと、複数の入射角にわたって光ビームに前記セ
ンサの２回目の暴露を行うステップと、前記２回目の暴露ステップ中に少なくと
も２つの異常角を検出するステップと、前記１回目の暴露ステップの前記異常角
間の角度差及び前記２回目の暴露ステップの前記異常角間の角度差の関数として
前記試料中の物質の基準を判定するステップとを含む。
【００１４】 前記入射角は、第１の複数の入射角及び第２の複数の入射角を含んでもよく、
前記第１の複数の入射角が前記センサ表面の垂線に対して正角であり、前記第２
の複数の入射角が前記垂線に対して負角である。前記１回目の暴露ステップの前
記異常角を検出するステップは、（ｉ）前記第１の複数の入射角の各角度及び前
記第２の複数の入射角の各角度に対して前記１回目の暴露ステップ中に前記セン
サから反射した光を検出するステップと、（ｉｉ）第１の異常角及び第２の異常
角を判定するステップであって、前記第１の異常角が前記１回目の暴露ステップ
中に反射光の変化を検出する前記第１の複数の入射角の角度であり、前記第２の
異常角が前記１回目の暴露ステップ中に反射光の変化を検出する前記第２の複数
の入射角の角度であるステップとを含むことができる。前記２回目の暴露ステッ
プの前記異常角を検出するステップは、（ｉ）前記第１の複数の入射角の各角度
及び前記第２の複数の入射角の各角度に対して前記２回目の暴露ステップ中に前
記センサから反射した光を検出するステップと、（ｉｉ）第３の異常角及び第４
の異常角を判定するステップであって、前記第３の異常角が前記２回目の暴露ス
テップ中に反射光の変化を検出する前記第１の複数の入射角の角度であり、前記
第４の異常角が前記２回目の暴露ステップ中に反射光の変化を検出する前記第２
の複数の入射角の角度であるステップとを含むことができる。
【００１５】 別の実施形態において、前記判定ステップは、前記第１の異常角と前記第２の
異常角との間の角度差及び前記第３の異常角と前記第４の異常角との間の角度差
の関数として前記試料中の物質の基準を算出するステップを含むことができる。
【００１６】 別の実施形態において、前記光源は波長可変レーザ源でもよく、前記判定ステ
ップは、前記第３の異常角と前記第４の異常角との間の角度差が前記第１の異常
角と前記第２の異常角との間の角度差と実質的に等しくなるように前記レーザ源
を同調させることにより前記光ビームの波長を調整するステップと、前記同調さ
れた波長の関数として前記試料中の物質の基準を算出するステップとを含むこと
ができる。
【００１７】 別の実施形態において、本発明は、センサの第１の回折格子から反射した光が
前記センサの第２の回折格子に入射する前記第１の回折格子及び前記第２の回折
格子を有する表面プラズモン共鳴センサと光源とを含む検出システムを用いて試
料中の物質を検定する方法である。この方法は、前記センサの前記第１の格子か
ら反射した光が前記センサの前記第２の格子に入射するように複数の入射角にわ
たって光ビームに前記センサの前記第１の格子の１回目の暴露を行うステップと
、前記センサの前記第２の格子から反射した光を検出するステップと、前記セン
サの前記第１の格子に対する第１の異常角を判定するステップと、前記センサの
前記第２の格子に対する第１の異常角を判定するステップと、前記センサを試料
と相互作用させるステップと、前記センサの前記第１の格子から反射した光が前
記センサの前記第２の格子に入射するように複数の入射角にわたって光ビームに
前記センサの前記第１の格子の２回目の暴露を行うステップと、前記センサの前
記第２の格子から反射した光を検出するステップと、前記センサの前記第１の格
子に対する第２の異常角を判定するステップと、前記センサの前記第２の格子に
対する第２の異常角を判定するステップと、前記センサの前記第１の格子の前記
第１及び第２の異常角又は前記センサの前記第２の格子の前記第１及び第２の異
常角の何れかの変化の関数として前記試料中の物質の基準を算出するステップと
を含む。前記光源は波長可変レーザ源でもよく、前記センサの前記第２の構造物
の前記異常角に基づいて前記光ビームの波長を同調させるように前記第２の格子
は前記試料と相互作用する感度を悪くすることもできる。
【００１８】 （詳細な説明） 以下の詳細な説明においては、本発明を実施可能な特定の実施形態を示す添付
図面を参照する。前記実施形態については、本発明の精神と範囲に反することな
く、電気的、機械的及び構造的な変更を行うことができる。よって、以下の詳細
な説明は限定的な意味に解釈されず、本発明の範囲は、添付の請求項及びそれら
の均等物により定まるものである。
【００１９】 図１は、本発明による検出システム１０を示す。図１について説明すると、前
記検出システム１０は、光源２０、ビームスプリッタ３０、レンズ４０、光学セ
ンサ５０及び検出器アレイ６０を含む。ある実施形態では、センサ５０は、金属
化回折格子を有する表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）回折格子センサである。別の
実施形態では、センサ５０は、詳細に後述する回折異常センサである。光源２０
は、ビームスプリッタ３０に向けられる第１の光ビーム２５を生成する。光源２
０は、レーザビームを発射可能なレーザ源であることが好ましい。ビームスプリ
ッタ３０は、第１の光ビーム２５を第２の光ビーム３２及び第３の光ビーム３４
に分割する。レンズ４０は、入射角の範囲にわたって第２の光ビーム３２をセン
サ５０に集束させるが、第３の光ビーム３４は検出システム１０で使用されない
。この意味では、ビームスプリッタ３０及びレンズ４０は本発明にとって重要で
ないが、これらの部品３０及び４０により可動部分を要することなく検出システ
ム１０をコンパクトに構成することができる。例えば、別の実施形態では、セン
サ５０を第２の光ビーム３２に垂直な軸に沿って回転させ、これにより、入射角
を変えてレンズ４０の必要性を無くしている。別の実施形態では、光源２０を回
転させ、これにより、第２の光ビーム３２のセンサ５０に対する入射角を変えて
いる。
【００２０】 詳しく後述するように、垂直に近い角度の範囲にわたる第２の光ビーム３２に
よる暴露により、小さい正負両方の入射角で回折異常が生じるようにセンサ５０
を設計することもできる。換言すれば、光ビーム３２がセンサ５０に垂直な軸か
ら小さい正負両方の角度でセンサ５０に入射すると、センサ５０の零次反射率が
変化する。例えば、センサ５０はより大きい正負の角度にわたって作動するよう
設計することもできるが、ある実施形態では、垂直から最大±２０°までの角度
で光ビーム３２をセンサ５０に向けている。しかし、例えば垂直から最大±１０
°までのより小さい角度範囲にわたって光ビーム３２を向けることが好ましい。
前記回折異常が生じる正負の入射角は、図１にθ1及びθ2で示してあり、正負異
常角と以下呼ぶことにする。
【００２１】 目標物質を含有する試料にセンサ５０を暴露すると、その物質がセンサ５０の
表面に付着してセンサ５０表面における有効屈折率が変化する。屈折率の当該変
化は、両方の異常角θ1及びθ2を変化させる。よって、第２の光ビーム３２が固
定波長の場合、正負異常角間の角度差は、試料中に存在する目標物質の量に大き
く左右される。目標物質の定量基準は、前記異常角間の角度差を測定することに
より算出可能である。より詳しくは、センサ５０を試料に暴露した後、垂直に近
い入射角の範囲にわたって第２の光ビーム３２をセンサ５０に向けることにより
新たな異常角θ1及びθ2を測定する。レンズ４０は、センサ５０からの回折光を
集めて、その光を平行にして偏光ビームスプリッタ８０に入射する光ビーム７０
とする。偏光ビームスプリッタ８０は、センサ５０表面の溝に平行な偏光ベクト
ルを有する成分８５とセンサ５０表面の溝に垂直な偏光ベクトルを有する成分９
０とに光ビーム７０を分割する。成分８５及び９０は、検出器アレイ６０及び検
出器アレイ６５にそれぞれ入射する。
【００２２】 検出器アレイ６０及び６５は各々、複数の検出素子を含む。制御器（図示せず
）は、検出器アレイ６０及び６５の検出素子を監視して、検出器アレイ６０及び
６５の該当する検出素子に対する光成分８５及び光成分９０の強さを絶えず比率
で表す。この方法では、光源の光の変動、又は試料内のリプルなどの他のシステ
ムの変動は、試料中の目標物の計算に影響を及ぼさない。検出器アレイ６０及び
６５の各検出素子に対して計算された比率に基づいて、前記制御器は、最新の異
常角θ1及びθ2を測定し、これらの異常角間の角度差に基づいて試料中の目標物
質の基準を算出する。他の実施形態では、制御器は、異常角θ1及びθ2を監視し
、目標物質の前記基準が所定の閾値を超えたときに警報を発する。検出完了後、
センサ５０を処分したり、洗浄して再使用してもよい。
【００２３】 この技法の利点の一つは、検出システム１０及びセンサ５０の感度が従来のＳ
ＰＲセンサの実質上二倍である点に存する。従来のＳＰＲセンサは、単一の共鳴
角の変化を測定している。しかし、検出システム１０では、２つの異常角間の角
度差を測定することにより精度を一層向上させることができる。
【００２４】 異常角θ1及びθ2間の角度差を測定する別の利点は、従来のＳＰＲセンサより
も機械的動作及び熱変化によるシステムのドリフトをより受け難い点にある。従
来システムは絶対角度の正確な測定に左右されるので、入射角の機械的ドリフト
により読取りを間違う場合がある。異常角間の角度差を測定することにより、検
出システム１０は、絶対測定に左右されず、異常角θ1及びθ2の「比較」測定に
左右される。よって、機械的ドリフトの影響は実質的に相殺される。
【００２５】 検出システム１０の更なる利点は、光源２０から第２の光ビーム３２を受け、
回折光７０がレンズ４０及び最終的には検出器アレイ６０の方へ回避可能な窓（
図示せず）が１つしか必要でない点にある。従来のＳＰＲ格子センサは大きい入
射角（例えば、４５°）用に設計されているため、光路用の窓が多数必要となる
。
【００２６】 ある実施形態において、センサ５０は、図２に示すように本発明での使用に適
したＳＰＲ回折格子センサである。センサ５０は、溝輪郭に形成された表面１０
５を有する基板１００を含む。典型的な例示の目的上、表面１０５は実質的に周
期的な正方形の輪郭として示してある。正弦波形、台形及び三角形を含む他の表
面の輪郭形状が考えられる。表面１０５の周期は、０．４μｍ未満でも２．０μ
ｍを超えてもよい。詳しく後述するように、表面１０５の溝輪郭の周期を調節す
ることにより、垂直に近い入射光で表面プラズモンを励起させて回折異常を引き
起こすことができる。
【００２７】 薄い金属層１１０は、基板１００の表面１０５から外側に形成され、アルミニ
ウム、金又は銀などの任意の適当な金属から成る。ある実施形態では、前記層１
１０は、厚さが約１００ｎｍの銀から成る。増感層１３０は、前記層１１０から
外側に形成されている。増感層１３０は、試料１５０中に含まれる所定の化学的
、生化学的又は生物学的物質１４０と相互作用するよう選択される。ある実施形
態では、増感層１３０は、補体抗体を捕捉可能な抗原の層から成る。最近、例え
ば多孔質シリカゾル−ゲルやヒドロゲル母材を用いたスピンコーティングにより
層１１０に受容体として抗原を付着させる技術が幾つか開発されている。増感層
１３０の厚さは１００ｎｍ未満であることが好ましい。
【００２８】 ガラス窓１３５により、第２の光ビーム３２がセンサ５０に入るようにし、回
折光７０がセンサ５０を回避してレンズ４０及び最終的には検出器アレイ６０の
方へ進むようにすることができる。第２の光ビーム３２に及ぼす窓１３５により
生じたあらゆる屈折の影響は、第２の光ビーム３２が空気／ガラス間の境界で窓
１３５に実質的に垂直であるため最小になる。更に、光学的影響を一層低減する
ために窓１３５を反射防止材で被覆することが好ましい。
【００２９】 センサ５０がＳＰＲ回折格子センサである場合、次の一般的な数式を用いて、
表面プラズモン共鳴が生じる異常角を判定することができる。
【００３０】
【数１】
【００３１】 この数式では、φSPは表面１０５の溝に対する第２の光ビーム３２の方位角、
ｎ0は試料１５０の屈折率、ｎm＋ｉＫmは金属層１１０用の屈折率、λは第２の 光ビーム３２の波長、ｐは表面１０５の溝の周期、ｍは整数である。第２の光ビ
ーム３２の入射面が表面１０５の溝に垂直である、即ちφSPが０°に等しい場合
、一般的な数式を次のような数式に単純化して異常角θ1及びθ2を計算すること
ができる。
【００３２】
【数２】
【００３３】 この数式では、ｎ0は試料１５０の屈折率、ｎm＋ｉＫmは金属層１１０用の屈 折率、λは第２の光ビーム３２の波長、ｄは基板１００の表面１０５の溝の周期
、ｍは整数である。
【００３４】 別の実施形態において、センサ５０は、図３に示すような回折異常センサであ
る。センサ５０は、表面１６５、及び図２のＳＰＲ回折格子センサにおけるもの
と実質的に同一の薄い金属層１７０を有する基板１６０を含む。誘電層１８０は
、金属層１７０から外側に形成され、これにより、酸化及び普通の劣化から金属
層１７０を保護する。この方法では、金属層１７０は、任意の適当な金属から構
成してもよく、感度を最適化するように選択してもよい。ある実施形態では、金
属層１７０は、厚さが約１００ｎｍの銀から成る。センサ５０で示された回折異
常は、誘電層１８０の厚さにより直接影響を受ける。誘電層１８０の厚さは少な
くとも５０ｎｍが好ましく、より好ましくは少なくとも１３０ｎｍである。ある
実施形態では、増感層１９０は、図３に示すような誘電層１８０から外側に形成
されている。増感層１９０は、試料中に含まれる所定の化学的、生化学的又は生
物学的物質１４０と相互作用するよう選択される。別の実施形態では、物質１４
０と直接相互作用するように誘電層１８０を選択して、これにより、増感層１９
０の必要性を無くしている。
【００３５】 従来のＳＰＲ格子センサとは違って、回折異常センサ５０は、表面１６５の溝
に平行な偏光に対して反射率の変化を示す。光ビーム２５がセンサ５０に対して
回折異常角と等しい入射角である場合、回折光ビーム７０は検出器アレイ６０で
受けられず、誘電層１８０の内部に伝搬する。この方法では、誘電層１８０は導
波管としての機能を果たし、反射率の変化を制御器で容易に検出できる。
【００３６】 次のような数式を用いて、表面１６５の溝に平行な偏光を有する成分８５に対
して回折異常角θSPが生じるように誘電層１８０を選択することができる。反復
法を用いて、回折異常共鳴ｋXに対する波動ベクトルを次式から計算することが できる。
【００３７】
【数３】
【００３８】 この数式では、ε0は物質上の媒体（例えば、空気や水など）の誘電率、ε1は
誘電層の誘電率、ε2は金属膜の誘電率である。更に、ｋ0は真空中の入射光の波
動ベクトルで２π／λに等しい。最後に、ｄは誘電層の厚さである。
【００３９】 回折異常共鳴に対する波動ベクトルを一旦求めると、次の数式を用いて回折異
常角θSPの解が得られる。
【００４０】
【数４】
【００４１】 この数式では、φSPは表面１６５の溝に対する第２の光ビーム３２の方位角（
ここで０°は溝方向に垂直な入射面に対応する）、ｎ0は試料の屈折率、λは第 ２の光ビーム３２の波長、ｐは表面１６５の溝の周期、ｍは整数である。よって
、センサ５０の表面１６５の溝に平行な偏光を有する光ビーム成分８５を抑制す
るように、適当な誘電率を有する誘電層を容易に選択することができる。
【００４２】 図４は、第２の光ビーム３２に対する入射角の範囲にわたって計算されたセン
サ５０の反射率をグラフで表す。より詳しくは、０°（垂直）から２°の範囲の
入射角及び０°の方位角に対してセンサ５０の反射率が図示されている。更に、
センサ５０の増感層１３０の屈折率（ｎ）及び第２の光ビーム３２の波長（λ）
が様々な場合の反射率が図示されている。図４から分かるように、７８２．５ｎ
ｍの波長に固定した場合、センサ５０の増感層１３０の屈折率が１．４から１．
５９に増加すると、異常角が約０．２５°だけ変化する。
【００４３】 回折格子センサは、入射角に加えて波長のばらつきが大きいことが認められて
いる。上述の実施形態では、波長を固定した入射光の異常角の変化を観測するこ
とにより目標物質の濃度を測定している。目標物質の濃度は、入射角を固定した
入射光ビームの波長の範囲にわたって光学センサの反射率を観測することにより
測定することもできる。この方法の下では、波長可変レーザを用いて物質を検出
することができ、これにより、入射角を修正するための可動部分の必要性を無く
すことができる。
【００４４】 垂直に近い入射角を固定したときに零次反射率の変化が２つの異なる波長で生
じることが更に認められている。図５は、入射角を固定した入射光ビームに対す
る波長の範囲にわたって回折格子センサの反射率を作図している。より詳しくは
、図５は、７６０ｎｍから８１０ｎｍまでの波長の範囲にわたって反射率対波長
を作図している。更に、種々の屈折率（ｎ）に対して反射率を作図している。図
５について説明すると、垂直に近い入射角において、反射光の第１の異常が波長
Ｒ１で生じ、第２の異常が波長Ｒ２で生じる。増感層１３０の屈折率を１．４か
ら１．５まで増加させると、前記第１及び第２の異常が生じる波長がＲ１及びＲ
２からＲ１´及びＲ２´にそれぞれ変わる。しかし、第１及び第２の異常間の波
長の離間距離は一定のままである。目標物質の定量基準は、異常波長間の変化を
測定することにより算出することができる。図５から分かるように、屈折率が１
．４から１．５９まで増加すると、異常波長はＲ１からＲ１´まで変化し、その
変化は約５ｎｍで容易に検出可能である。
【００４５】 図６は、本発明による異常波長の変化を検出することにより吸収物質を検出可
能な検出システム２１０を示す。図６について説明すると、前記検出システム２
１０は、光源２２０、ビームスプリッタ２３０、回折格子センサ２５０及び検出
器２６０を含む。光源２２０は、垂直に近い入射角でビームスプリッタ２３０を
介してセンサ２５０の方に向けられる光ビーム２２５を生成する。ビームスプリ
ッタ２３０は重要でないが、検出システム２１０をよりコンパクトに実現するこ
とができるため図示してある。光源２２０は波長可変レーザ源であることが好ま
しく、これにより、回折異常が生じる波長の検出が容易になる。センサ２５０は
、光ビーム２３２を回折して、偏光ビームスプリッタ２８０に入射する回折光ビ
ーム２７０を生成する。偏光ビームスプリッタ２８０は、光ビーム２７０をセン
サ２５０表面の溝に平行な波動ベクトルを有する成分２８５とセンサ２５０表面
の溝に垂直な波動ベクトルを有する成分２９０とに分割する。前記成分２８５及
び２９０は、検出器２６５及び検出器２６０にそれぞれ入射する。検出器２６０
及び２６５は各々、受光量に比例した出力信号を生成する。
【００４６】 第２の光ビーム２２５の波長が異常波長Ｒ１又はＲ２の何れかに等しくなるよ
うに光源２２０を同調させると、反射率の変化が生じ、例えば成分２９０の反射
率の急激な減衰又は増幅が検出器２６０により観測される。上述のように、目標
物質を含有する試料にセンサ２５０を暴露すると、その物質はセンサ２５０の表
面に付着してセンサ２５０の表面における有効屈折率を変化させる。屈折率の当
該変化は、両方の異常波長Ｒ１及びＲ２を変化させる。制御器（図示せず）は、
光源２２０を制御して光を所望の波長範囲にわたって発し、検出器２６０及び２
６５からの対応する出力信号を監視することにより最新の異常波長を測定する。
前記制御器は、検出器２６０及び２６５からの出力信号を比率で表し、センサ５
０からの反射率の変化に対応する新たな異常波長を測定し、異常波長の変化の大
きさに基づいて試料中に存在する目標物質の量を算出する。
【００４７】 上述の本発明の各種実施形態を単一の検出システムに簡単に組合せ可能である
ことが考えられる。例えば、図１について説明すると、別の実施形態において、
検出システム１０の光源２０は波長可変半導体レーザ源であり、これにより、異
常波長の検出が容易になる。上述したように、センサ５０を試料に暴露する前に
、制御器（図示せず）は、垂直に近い入射角の範囲にわたってセンサ５０に第２
の光ビーム３２を向けて最新の減衰角θ1及びθ2を測定する。センサ５０を試料
に暴露した後、制御器は、異常角θ1及びθ2間の角度差が変わらないように光源
２０を同調させることにより第２の光ビーム３２の波長を同調させる。制御器は
、同調された波長の関数として試料中の物質の濃度を算出する。更に、異常波長
間の変化の測定値を用いて、入射角が変化しなかったことを確認したり、変化が
生じた場合にそのような変化を修正したりすることもできる。こうして、検出シ
ステムの感度と精度を最大にすることができる。
【００４８】 上述のように、光学センサ及び半導体レーザ源を含む検出システムの欠点の一
つは、熱変化による波長ドリフトの影響をシステムが受け易い点にある。図７は
、この影響を除去する検出システムの一実施形態を示す。図７について説明する
と、検出システム３１０は、光源３２０、第１の光学センサ３５０、第２の光学
センサ３５５、及び検出器３６０を含む。光源３２０は、第１のセンサ３５０に
入射する光ビーム３２５を生成する。光源３２０は波長可変半導体レーザ源であ
ることが好ましく、これにより、異常波長の検出が容易になる。光ビーム３２５
は、第１のセンサ３５０で反射され、このセンサ３５０の近くに設置された第２
のセンサ３５５に進み、最終的には偏光ビームスプリッタ３７０に進む。偏光ビ
ームスプリッタ３７０は、光ビーム３１０をセンサ３５０表面の溝に平行な波動
ベクトルを有する成分３８５とセンサ３５０表面の溝に垂直な波動ベクトルを有
する成分３９０とに分割する。前記成分３８５及び３９０は、検出器３６５及び
検出器３６０にそれぞれ入射する。検出器３６０及び３６５は各々、受光量に比
例した出力信号を生成する。
【００４９】 第１のセンサ３５０は、図２に示して前述したセンサ５０と同様である。しか
し、第２のセンサ３５５は、試料と相互作用する感度を悪くする。ある実施形態
では、図８に示すように、センサ３５５は、周期的な台形溝輪郭に形成された表
面４０５を有する基板４００、及び前記表面４０５から外側に形成された薄い金
属層４１０を含む。センサ３５０は、前記層４１０から外側に形成された誘電層
４２０を更に含み、これにより、試料との相互作用からセンサ３５０を絶縁して
いる。誘電層４２０は、窒化珪素（Ｓｉ3Ｎ4）などの任意の適当な誘電体から成
り、その厚さは少なくとも１５０ｎｍが好ましい。別の実施形態（図示せず）に
おいて、センサ３５５は、基板４００及び薄い金属層４１０から成り、増感層や
誘電層を含まない。この構成では、センサ３５５は試料と相互作用しない。しか
し、この実施形態は、金属層４１０が試料に暴露されて劣化する場合があるとい
う欠点を有する。
【００５０】 図７について再度説明すると、センサ３５０に対する光ビーム３２５の入射角
を変えると、センサ３５５からの反射光で２つの異常が生じる。反射光の第１の
異常は、光ビーム３２５の入射角がセンサ３５０の異常角に等しいときに生じる
。第２の異常は、センサ３５５で反射した光の入射角がセンサ３５５の異常角に
等しいときに生じる。こうして、センサ３５０及びセンサ３５５は、二重異常格
子を構成する。
【００５１】 センサ３５０及びセンサ３５５の対応する異常角は、光ビーム３２５の波長の
ドリフトに影響を受ける。しかし、センサ３５０の異常角のみが、目標物質との
相互作用により変化する。更に、ＳＰＲセンサ３５５の異常角は試料との相互作
用に影響されないので、センサ３５５の異常角は、光源３２０を較正する基準を
与え、これにより、光ビーム３２５が所望の波長と実質的に同様な波長を確実に
有するようにできる。こうして、波長ドリフトの影響を最小にする。制御器（図
示せず）は、検出器３６０及び３６５を監視して、成分３８５及び成分３９０の
強さを絶えず比率で表す。前記比率の強さに基づいて、制御器は、最新の減衰角
を判定し、異常角間の角度差を測定することにより目標物質の濃度の定量基準を
算出する。
【００５２】 波長及び角感度を有する回折格子センサを用いて試料中の物質を検定する方法
及びシステムの種々の実施形態について説明してきた。ある実施形態において、
本発明は、小さい正負の（垂直に近い）入射角で光ビームを用いて回折格子セン
サを励起し、生じた異常角間の角度差を判定することにより目標物質の濃度を定
量的に測定する。別の実施形態において、本発明は、垂直に近い入射角で光ビー
ムを用いて回折格子センサを励起し、生じた異常波長間の波長距離を判定するこ
とにより目標物質の濃度を定量的に測定する。別の実施形態において、本発明は
、異常角間の角度差が前記格子を試料に暴露した後に一定のままであるように波
長を同調させることにより前記物質を定量的に測定する。
【００５３】 本発明の利点を幾つか説明してきたが、これらの利点は、感度の向上、及び従
来の回折格子センサよりも機械的動作及び熱変化によるシステムのドリフトを受
け難いことを含む。更に、本発明によれば、光路用の単一の窓を要するコンパク
トな回折格子センサが容易になる。その上、本発明によれば、入射角を変えるの
に回転部材やその他の可動部分を必要としない回折格子センサを構成することも
できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 垂直に近い入射光に回折格子センサを暴露して異常角間の離間距
離の変化を測定することにより物質を検出する検出システムの一実施形態を示す
。
【図２】 本発明に用いたＳＰＲ回折格子センサの一実施形態を示す。
【図３】 本発明に用いた保護誘電層を有する回折異常センサの一実施形態
を示す。
【図４】 入射光の波長を固定して入射角を様々に変えた場合の、図１の検
出システムに組み込まれた回折格子センサの反射率を計算して示したグラフであ
る。
【図５】 入射角を固定して波長をある範囲で変えた場合の、図１の検出シ
ステムに組み込まれた回折格子センサの反射率を計算して示したグラフである。
【図６】 垂直に近い入射光に回折格子センサを暴露して異常波長の変化を
測定することにより物質を検出する検出システムの一実施形態を示す。
【図７】 波長ドリフトにより生じた影響を除去する二重異常格子を有する
回折格子センサを含む検出システムの一実施形態を示す。
【図８】 試料と相互作用するセンサの感度を低下させる厚い誘電層を有す
る回折格子センサの一実施形態を示す。
【符号の説明】
１０ 検出システム ２０ 光源 ２５ 光ビーム ３０ ビームスプリッタ ３２ 光ビーム ４０ レンズ ５０ センサ ６０，６５ 検出器 ７０ 光ビーム ８０ 偏光ビームスプリッタ １００ 基板 １１０ 金属層 １３０ 増感層 １４０ 物質 １５０ 試料 １７０ 金属層 １８０ 誘電層
【手続補正書】特許協力条約第３４条補正の翻訳文提出書
【提出日】平成１２年２月１８日（２０００．２．１８）
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】特許請求の範囲
【補正方法】変更
【補正内容】
【特許請求の範囲】

Claims (18)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 試料中の物質と相互作用する感度を高めるセンサ（５０）と
    、 第１及び第２の複数の入射角にわたって光ビームに前記センサを暴露する光源
    （２０）であって、前記第１の複数の入射角が前記センサ表面の垂線に対して正
    角であり、前記第２の複数の入射角が前記垂線に対して負角である光源と、 前記第１及び第２の複数の入射角の各角度に対して前記センサから反射した光
    （７０）に感応する検出器（６０）と、 前記第１の検出器に連結され、反射光の第１の変化を検出する前記第１の複数
    の入射角の異常角θ1と反射光の第２の変化を検出する前記第２の複数の入射角 の異常角θ2との間の角度差の関数として前記試料中の物質の基準を算出する制 御器と、 を含む、試料（１５０）中の物質（１４０）を検定するシステム（１０）。
  2. 【請求項２】 試料中の物質に対する感度を高める回折格子センサ（２５０
    ）と、 第１及び第２の複数の入射角にわたって光ビームに前記センサを暴露する波長
    可変レーザ源（２２０）であって、前記第１の複数の入射角が前記センサ表面の
    垂線に対して正角であり、前記第２の複数の入射角が前記垂線に対して負角であ
    るレーザ源と、 前記センサから反射した光に感応する検出器（２６０）と、 前記検出器及び前記レーザ源に連結された制御器であって、前記第１の複数の
    入射角の異常角と前記第２の複数の入射角の異常角との間の角度差が一定のまま
    であるように前記レーザ源を同調させることにより前記光ビームの波長を設定し
    、更に同調された波長の関数として前記試料中の物質の基準を算出する制御器と
    、 を含む、試料中の物質を検定するシステム（２１０）。
  3. 【請求項３】 前記センサが表面プラズモン共鳴センサである、請求項１又
    は２記載のシステム。
  4. 【請求項４】 前記センサが、少なくとも１つの入射角に対する入射光の零
    次反射率を抑制する誘電層（１８０）を有する回折異常センサである、請求項１
    又は２記載のシステム。
  5. 【請求項５】 前記光ビームを第１の光ビーム及び第２の光ビームに分割す
    るビームスプリッタ（３０、２３０）を更に含み、前記ビームスプリッタが前記
    第１の光ビームを前記センサに向ける、請求項１又は２記載のシステム。
  6. 【請求項６】 前記センサが、 実質的に周期的な溝輪郭に形成された表面（１０５）を有する基板（１００）
    と、 前記基板から外側に形成された薄い金属層（１１０）と、 前記薄い金属層から外側に形成された増感層（１３０）であって、前記物質と
    相互作用可能な増感層と、 を更に含む、請求項１又は２記載のシステム。
  7. 【請求項７】 前記検出器が、 反射光を受けてその反射光を第１の成分（８５、２８５）及び第２の成分（９
    ０、２９０）に分割する偏光ビームスプリッタ（８０、２８０）であって、前記
    第１の成分が前記基板の溝に平行な偏光ベクトルを有し、前記第２の成分が前記
    基板の溝に垂直な偏光ベクトルを有する偏光ビームスプリッタと、 前記反射光の前記第１の成分を受ける第１の検出器（６０、２６５）であって
    、前記第１の成分の強さを示す出力信号を有する第１の検出器と、 前記反射光の前記第２の成分を受ける第２の検出器（６５、２６０）であって
    、前記第２の成分の強さを示す出力信号を有し、前記制御器が前記第１の検出器
    の前記出力信号及び前記第２の検出器の前記出力信号を比率で表し、更に前記制
    御器が前記出力信号の比率に基づいて異常角（θ1、θ2）を判定する第２の検出
    器と、 を更に含む、請求項６記載のシステム。
  8. 【請求項８】 前記増感層が抗原の層を含み、その輪郭形状を正弦波形、台
    形及び三角形の組から選択する、請求項６記載のシステム。
  9. 【請求項９】 回折異常を示すことができ、試料中の物質に対する感度を高
    める第１の構造物（３５０）と、この第１の構造物に近接し、回折異常を示すこ
    とができ、試料中の物質に対する感度を悪くする第２の構造物（３５５）とを含
    むセンサと、 前記センサの前記第１の構造物から反射した光が前記センサの前記第２の構造
    物に入射するように複数の入射角にわたって光ビームに前記センサの前記第１の
    構造物を暴露する光源（３２０）と、 前記センサの前記第２の構造物から反射した光に感応する検出器（３６０）と
    、 前記検出器に連結され、前記センサの前記第１の構造物に対する異常角及び前
    記センサの前記第２の構造物に対する異常角を判定する制御器であって、前記セ
    ンサの第１の格子の異常角又は前記センサの第２の格子の異常角の何れかの変化
    の関数として前記試料中の物質の基準を算出する制御器と、 を含む、試料中の物質を検定するシステム（３１０）。
  10. 【請求項１０】 前記光源が波長可変レーザ源であり、前記制御器が前記セ
    ンサの前記第２の構造物の異常角に基づいて前記光ビームの波長を同調させる、
    請求項９記載のシステム。
  11. 【請求項１１】 前記第１及び第２の構造物が表面プラズモン共鳴センサで
    あり、前記第１及び第２の構造物が金属格子（４１０）上に形成された対応する
    誘電層（４２０）を含み、前記誘電層が少なくとも１つの入射角に対する入射光
    の零次反射率を抑制可能である、請求項９記載のシステム。
  12. 【請求項１２】 前記検出器が、 反射光を受けてその反射光を第１の成分（３８５）及び第２の成分（３９０）
    に分割する偏光ビームスプリッタ（３７０）であって、前記第１の成分が前記基
    板の溝に平行な偏光ベクトルを有し、前記第２の成分が前記基板の溝に垂直な偏
    光ベクトルを有する偏光ビームスプリッタと、 前記反射光の前記第１の成分を受ける第１の検出器（３６５）であって、前記
    第１の成分の強さを示す出力信号を有する第１の検出器と、 前記反射光の前記第２の成分を受ける第２の検出器（３６０）であって、前記
    第２の成分の強さを示す出力信号を有し、前記制御器が前記第１の検出器の前記
    出力信号及び前記第２の検出器の前記出力信号を比率で表し、更に前記制御器が
    前記出力信号の比率に基づいて前記異常角を判定する第２の検出器と、 を更に含む、請求項９記載のシステム。
  13. 【請求項１３】 複数の入射角にわたって光ビームに光学センサの１回目の
    暴露を行うステップと、 前記１回目の暴露ステップ中に少なくとも２つの異常角を検出するステップと
    、 前記センサを試料と相互作用させるステップと、 複数の入射角にわたって光ビームに前記センサの２回目の暴露を行うステップ
    と、 前記２回目の暴露ステップ中に少なくとも２つの異常角を検出するステップと
    、 前記１回目の暴露ステップの前記異常角間の角度差及び前記２回目の暴露ステ
    ップの前記異常角間の角度差の関数として前記試料中の物質の基準を判定するス
    テップと、 を含む、回折格子を有する光学センサを用いて試料中の物質を検定する方法。
  14. 【請求項１４】 前記入射角が第１の複数の入射角及び第２の複数の入射角
    を含み、前記第１の複数の入射角が前記センサ表面の垂線に対して正角、及び前
    記第２の複数の入射角が前記垂線に対して負角であり、更に前記１回目の暴露ス
    テップの前記異常角を検出するステップが、 （ｉ） 前記第１の複数の入射角の各角度及び前記第２の複数の入射角の各角度
    に対して前記１回目の暴露ステップ中に前記センサから反射した光を検出するス
    テップと、 （ｉｉ） 第１の異常角及び第２の異常角を判定するステップであって、前記第
    １の異常角が前記１回目の暴露ステップ中に反射光の変化を検出する前記第１の
    複数の入射角の角度であり、前記第２の異常角が前記１回目の暴露ステップ中に
    反射光の変化を検出する前記第２の複数の入射角の角度であるステップとを含み
    、 前記２回目の暴露ステップの前記異常角を検出するステップが、 （ｉ） 前記第１の複数の入射角の各角度及び前記第２の複数の入射角の各角度
    に対して前記２回目の暴露ステップ中に前記センサから反射した光を検出するス
    テップと、 （ｉｉ） 第３の異常角及び第４の異常角を判定するステップであって、前記第
    ３の異常角が前記２回目の暴露ステップ中に反射光の変化を検出する前記第１の
    複数の入射角の角度であり、前記第４の異常角が前記２回目の暴露ステップ中に
    反射光の変化を検出する前記第２の複数の入射角の角度であるステップとを含む
    、請求項１３記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記物質の基準を判定するステップが、前記第１の異常角
    と前記第２の異常角との間の角度差及び前記第３の異常角と前記第４の異常角と
    の間の角度差の関数として前記試料中の物質の基準を算出するステップを含む、
    請求項１４記載の方法。
  16. 【請求項１６】 前記光源が波長可変レーザ源であり、前記物質の基準を判
    定するステップが、 前記第３の異常角と前記第４の異常角との間の角度差が前記第１の異常角と前
    記第２の異常角との間の角度差と実質的に等しくなるように前記レーザ源を同調
    させることにより前記光ビームの波長を調整するステップと、 前記同調された波長の関数として前記試料中の物質の基準を算出するステップ
    とを含む、請求項１４記載の方法。
  17. 【請求項１７】 センサの第１の回折格子から反射した光が前記センサの第
    ２の回折格子に入射するように複数の入射角にわたって光ビームに前記センサの
    前記第１の格子の１回目の暴露を行うステップと、 前記センサの前記第２の格子から反射した光を検出するステップと、 前記センサの前記第１の格子に対する第１の異常角を判定するステップと、 前記センサの前記第２の格子に対する第１の異常角を判定するステップと、 前記センサを試料と相互作用させるステップと、 前記センサの前記第１の格子から反射した光が前記センサの前記第２の格子に
    入射するように複数の入射角にわたって光ビームに前記センサの前記第１の格子
    の２回目の暴露を行うステップと、 前記センサの前記第２の格子から反射した光を検出するステップと、 前記センサの前記第１の格子に対する第２の異常角を判定するステップと、 前記センサの前記第２の格子に対する第２の異常角を判定するステップと、 前記センサの前記第１の格子の前記第１及び第２の異常角又は前記センサの前
    記第２の格子の前記第１及び第２の異常角の何れかの変化の関数として前記試料
    中の物質の基準を算出するステップと、 を含む、センサの第１の回折格子から反射した光が前記センサの第２の回折格子
    に入射する前記第１の回折格子及び前記第２の回折格子を有するセンサと光源と
    を含む検出システムを用いて試料中の物質を検定する方法。
  18. 【請求項１８】 前記光源が波長可変レーザ源であり、前記第２の格子が前
    記試料と相互作用する感度を悪くし、前記センサの前記第２の構造物の前記第１
    又は第２の異常角の何れかに基づいて前記光ビームの波長を同調させるステップ
    を更に含む、請求項１７記載の方法。
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