JP2002207006A - 全反射減衰を利用したセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全反射減衰を利用したセンサーにおいて、誘
電体ブロックや薄膜層の特性バラツキによる測定感度の
違いを補償して、正確な試料分析を可能にする。 【解決手段】 誘電体ブロック10と、その一面に形成さ
れた薄膜層12と、光ビーム13を誘電体ブロック10に対し
て、それと薄膜層12との界面10ｂで全反射条件が得られ
るように種々の角度で入射させる光学系15と、上記界面
10ｂにおいて全反射した光ビームを検出するアレイ状光
検出手段17と、この光検出手段17の各受光素子が出力す
る光検出信号を、受光素子の並設方向に関して微分する
微分手段18と、この微分手段18による微分値を、試料の
特性を求めるための特性値として採用する信号処理手段
20とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおい
て、アレイ状光検出手段17の受光素子並設方向に亘る相
異なる位置に関する複数の微分値についての変化率を求
め、上記特性値として採用する微分値をこの変化率によ
って除算する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモンの
発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズ
モンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーに関
し、特に詳細には、全反射減衰によって測定光に生じる
暗線を、複数の受光素子が所定方向に並設されてなるア
レイ状の光検出手段を用いて検出するタイプの、全反射
減衰を利用したセンサーに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】金属中においては、自由電子が集団的に
振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そし
て、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、
表面プラズモンと呼ばれている。

【０００３】従来より、この表面プラズモンが光波によ
って励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分
析する表面プラズモンセンサーが種々提案されている。
そして、それらの中で特に良く知られているものとし
て、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げ
られる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。

【０００４】上記の系を用いる表面プラズモンセンサー
は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロ
ックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に
接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源
と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体
ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られ、かつ
表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ得るように
種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射し
た光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状
態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを
備えてなるものである。

【０００５】なお上述のように種々の入射角を得るため
には、比較的細い光ビームを偏向させて上記界面に入射
させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射
する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記
界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させても
よい。前者の場合は、光ビームの偏向にともなって反射
角が変化する光ビームを、光ビームの偏向に同期移動す
る小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方
向に沿って延びるエリアセンサによって検出することが
できる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各
光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサに
よって検出することができる。

【０００６】上記構成の表面プラズモンセンサーにおい
て、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射
角θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中
に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネ
ッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズ
モンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが
表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立してい
るとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面
プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜と
の界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強
度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検
出される。

【０００７】なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光の
ときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入
射するように予め設定しておく必要がある。

【０００８】この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角
θ_ＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘
電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ
_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光
速、ε_ｍ とε_ｓ をそれぞれ金属、試料の誘電率とす
ると、以下の関係がある。

【０００９】

【数１】 試料の誘電率ε_ｓ が分かれば、所定の較正曲線等に基
づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上
記反射光強度が低下する入射角θ_ＳＰを知ることによ
り、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求め
ることができる。

【００１０】なおこの種の表面プラズモンセンサーにお
いては、全反射解消角θ_ＳＰを精度良く、しかも大きな
ダイナミックレンジで測定することを目的として、特開
平１１−３２６１９４号に示されるように、アレイ状の
光検出手段を用いることが考えられている。この光検出
手段は、複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、
前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの
成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配
設されたものである。

【００１１】そしてその場合は、上記アレイ状の光検出
手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素子
の並設方向に関して微分する微分手段が設けられ、この
微分手段が出力する微分値に基づいて試料の屈折率に関
連する特性を求めることが多い。

【００１２】また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類
似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第
１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７
頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。こ
の漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に
形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一
面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形
成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビーム
を発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロッ
クに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で
全反射条件が得られ、かつ光導波層での導波モードの励
起による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射
させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度
を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状
態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。

【００１３】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して
全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層
を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を
有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するよう
になる。こうして導波モードが励起されると、入射光の
ほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全
反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依
存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知る
ことによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の
特性を分析することができる。

【００１４】なおこの漏洩モードセンサーにおいても、
全反射減衰によって反射光に生じる暗線の位置を検出す
るために、前述したアレイ状の光検出手段を用いること
ができ、またそれと併せて前述の微分手段が適用される
ことも多い。

【００１５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した表
面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーにおいて
は、誘電体ブロックが、光ビームの入射面、出射面およ
び前記薄膜層（表面プラズモンセンサーの場合は金属膜
であり、漏洩モードセンサーの場合はクラッド層および
光導波層）が形成される一面の全てを含む１つのブロッ
クとして形成され、この誘電体ブロックに薄膜層が一体
化されて測定チップとして構成されることがある（例え
ば本出願人による特願２０００−２１２１２５号参
照）。このように誘電体ブロックをチップ化したもの
は、使い捨ての形態で使用するのに好適で、試料分析の
能率向上に寄与するものとなる。

【００１６】しかし、そのように使い捨てされる測定チ
ップは、それぞれを構成する誘電体の屈折率の差や、薄
膜層の膜厚の差等に起因して、個体間で感度にバラツキ
が生じやすいものとなっている。そのように感度のバラ
ツキが有る測定チップを用いると、当然、試料分析を正
確に行なうことが不可能となる。

【００１７】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、誘電体ブロックや薄膜層の特性バラツキによる
測定感度の違いを補償して試料分析を正確に行なうこと
ができる、全反射減衰を利用したセンサーを提供するこ
とを目的とする。

【００１８】

【課題を解決するための手段】本発明による一つの全反
射減衰を利用したセンサーは、前述したように、誘電体
ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて、
試料に接触させられる薄膜層と、光ビームを発生させる
光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘
電体ブロックと上記薄膜層との界面で全反射条件が得ら
れるように種々の角度で入射させる光学系と、複数の受
光素子が所定方向に並設されてなり、上記界面において
種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異
なる受光素子が受光する向きにして配設された光検出手
段と、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信
号を、該受光素子の並設方向に関して微分する微分手段
とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおい
て、上記受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関す
る複数の微分値についての変化率を求め、試料の特性を
求めるために採用する微分値をこの変化率によって除算
する補正手段を備えたことを特徴とするものである。

【００１９】本発明による別の全反射減衰を利用したセ
ンサーは、特に前述の表面プラズモンセンサーとして構
成されたものであり、誘電体ブロックと、この誘電体ブ
ロックの一面に形成されて、試料に接触させられる金属
膜からなる薄膜層と、光ビームを発生させる光源と、上
記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロッ
クと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々
の角度で入射させる光学系と、複数の受光素子が所定方
向に並設されてなり、上記界面において種々の反射角で
全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子が
受光する向きにして配設された光検出手段と、この光検
出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素
子の並設方向に関して微分する微分手段とを備えてなる
全反射減衰を利用したセンサーにおいて、上記受光素子
の並設方向に亘る相異なる位置に関する複数の微分値に
ついての変化率を求め、試料の特性を求めるために採用
する微分値をこの変化率によって除算する補正手段を備
えたことを特徴とするものである。

【００２０】また、本発明によるさらに別の全反射減衰
を利用したセンサーは、特に前述の漏洩モードセンサー
として構成されたものであり、誘電体ブロックと、この
誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層、および
このクラッド層の上に形成されて試料に接触させられる
光導波層からなる薄膜層と、光ビームを発生させる光源
と、上記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘
電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得ら
れるように種々の角度で入射させる光学系と、複数の受
光素子が所定方向に並設されてなり、上記界面において
種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異
なる受光素子が受光する向きにして配設された光検出手
段と、この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信
号を、該受光素子の並設方向に関して微分する微分手段
とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおい
て、上記受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関す
る複数の微分値についての変化率を求め、試料の特性を
求めるために採用する微分値をこの変化率によって除算
する補正手段を備えたことを特徴とするものである。

【００２１】上記除算後の微分値は、そのまま表示手段
に表示して試料の特性分析に使われるようにしてもよい
し、そこから自動的に全反射解消角θ_ＳＰを求めて、そ
の全反射解消角θ_ＳＰを表示手段に表示するようにして
もよい。またこの微分値から、所定時間経過に伴う微分
値の変化量を求め、その変化量に基づいて試料分析する
こともできる。さらには、全反射解消角θ_ＳＰおよび、
予め用意された所定の較正曲線等に基づいて試料中の特
定物質を自動的に定量分析して、その分析結果をリアル
タイムで表示手段に表示させるようにしてもよい。

【００２２】なお、本発明の全反射減衰を利用したセン
サーにおいては、誘電体ブロックが、前記光ビームの入
射面、出射面および前記薄膜層が形成される一面の全て
を含む１つのブロックとして形成され、この誘電体ブロ
ックに前記薄膜層が一体化されて測定チップとして構成
されていることが望ましい。

【００２３】一方微分手段としては、光検出手段の相隣
接する受光素子が出力する光検出信号の差分値を求める
ものを好適に用いることができる。また光検出手段とし
ては、例えばフォトダイオードアレイ等を好適に用いる
ことができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明による全反射減衰を利用したセン
サーにおいては、複数の受光素子が並設されてなるアレ
イ状の光検出手段を用い、この光検出手段の各受光素子
が出力する光検出信号を、微分手段によって該受光素子
の並設方向に関して微分しているが、その微分値に着目
すると、受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関す
る複数の微分値についての変化率は、測定感度を示して
いる。つまり測定感度が高いほど、この変化率は大きく
なる。

【００２５】そこで、試料に関する特性を求めるための
微分値をこの変化率により除算して規格化すれば、その
除算後の微分値は、誘電体ブロックや薄膜層による感度
のバラツキを補償したものとなる。したがってこの除算
後の微分値に基づいて試料に関する特性を求めれば、上
記感度のバラツキの影響を排除して、正確に試料分析を
行なうことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。図１は、本発明の第１の実
施形態による表面プラズモンセンサーの側面形状を示す
ものである。この表面プラズモンセンサーは、例えば概
略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロ
ック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）
に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等から
なる金属膜12とを有している。

【００２７】誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等から
なり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた
形とされ、この嵩上げされた部分10ａは液体の試料11を
貯える試料保持部として機能する。なお本例では、金属
膜12の上にセンシング媒体30が固定されるが、このセン
シング媒体30については後述する。

【００２８】誘電体ブロック10は金属膜12とともに、使
い捨ての測定チップを構成しており、例えばターンテー
ブル31に複数設けられたチップ保持孔31ａに１個ずつ嵌
合固定される。誘電体ブロック10がこのようにターンテ
ーブル31に固定された後、ターンテーブル31が一定角度
ずつ間欠的に回動され、所定位置に停止した誘電体ブロ
ック10に対して液体試料11が滴下され、該液体試料11が
試料保持部10ａ内に保持される。その後さらにターンテ
ーブル31が一定角度回動されると、誘電体ブロック10が
この図１に示した測定位置に送られ、そこで停止する。

【００２９】本実施形態の表面プラズモンセンサーは、
上記誘電体ブロック10に加えてさらに、１本の光ビーム
13を発生させる半導体レーザ等からなるレーザ光源14
と、上記光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電
体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の
入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記界
面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化するコリメー
ターレンズ16と、この平行光化された光ビーム13を検出
する光検出手段17と、この光検出手段17に接続された差
動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシス
テム等からなる信号処理部20と、この信号処理部20に接
続された表示手段21とを備えている。

【００３０】図２は、この表面プラズモンセンサーの電
気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドラ
イバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホ
ールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホ
ールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力される
マルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジ
タル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マ
ルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22
ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20か
らの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコント
ローラ26から構成されている。

【００３１】図１に示す通り、レーザ光源14から発散光
状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、
誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で集束す
る。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々の
入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入
射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビ
ーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13
には、種々の反射角で反射する成分が含まれることにな
る。

【００３２】なお光ビーム13は、界面10ｂに対してｐ偏
光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ
光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すれ
ばよい。その他、波長板や偏光板で光ビーム13の偏光の
向きを制御してもよい。

【００３３】界面10ｂで全反射した後、コリメーターレ
ンズ16によって平行光化された光ビーム13は、光検出手
段17により検出される。本例における光検出手段17は、
複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に
並設されてなるフォトダイオードアレイであり、図１の
図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方
向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる
向きに配設されている。したがって、上記界面10ｂにお
いて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、
それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……
が受光することになる。

【００３４】上記フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ…
…の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18
ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接
する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アン
プに入力される。したがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、
18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード17ａ、17
ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それらの並設方
向に関して微分したものと考えることができる。

【００３５】各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力
は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ…
…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マ
ルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サ
ンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ…
…の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力
する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して
信号処理部20に入力する。

【００３６】図３は、界面10ｂで全反射した光ビーム13
の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ
……の出力との関係を説明するものである。ここで、光
ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度Ｉとの関
係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとす
る。

【００３７】界面10ｂにある特定の入射角θ_ＳＰで入射
した光は、金属膜12と試料11との界面に表面プラズモン
を励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭
く低下する。つまりθ_ＳＰが全反射解消角であり、この
角度θ_ＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この
反射光強度Ｉの低下は、図１にＤで示すように、反射光
中の暗線として観察される。

【００３８】また図３の（２）は、フォトダイオード17
ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明
した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応して
いる。

【００３９】そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ
18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分
値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。

【００４０】信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力
された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の中から、全反射解消角θ_ＳＰに対応する
微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図
３の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出
力する微分値Ｉ’に後述の補正処理を施してから、その
値を表示手段21に表示させる。なお、場合によっては微
分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在すること
もあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。

【００４１】以後、所定時間が経過する毎に上記選択さ
れた差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、上記補正
処理を受けてから表示手段21に表示される。この微分値
Ｉ’は、測定チップの金属膜12（図１参照）に接してい
る物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図３（１）
に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それ
に応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ’を時間
の経過とともに測定し続けることにより、金属膜12に接
している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べ
ることができる。

【００４２】特に本実施形態では金属膜12に、液体試料
11の中の特定物質と結合するセンシング媒体30を固定し
ており、それらの結合状態に応じてセンシング媒体30の
屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続ける
ことにより、この結合状態の変化の様子を調べることが
できる。つまりこの場合は、液体試料11およびセンシン
グ媒体30の双方が、分析対象の試料となる。そのような
特定物質とセンシング媒体30との組合せとしては、例え
ば抗原と抗体等が挙げられる。

【００４３】以上の説明から明かなように本実施形態で
は、光検出手段17として複数のフォトダイオード17ａ、
17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオー
ドアレイを用いているので、液体試料11に応じて図３
（１）に示す曲線が左右方向に移動する形である程度大
きく変化しても、暗線検出が可能である。つまり、この
ようなアレイ状の光検出手段17を用いることにより、測
定のダイナミックレンジを大きく確保することができ
る。

【００４４】なお、複数の差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ
……からなる差動アンプアレイ18を用いる代わりに１つ
の差動アンプを設け、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17
ｃ……の各出力をマルチプレクサで切り替えて、それら
のうちの隣接する２つの出力をこの１つの差動アンプに
順次入力するようにしても構わない。

【００４５】次に、微分値Ｉ’に対してなされる上述の
補正処理について詳しく説明する。誘電体ブロック10お
よび金属膜12からなる測定チップにおいては、ブロック
材料である合成樹脂の屈折率や、金属膜12の膜厚にバラ
ツキが存在し得る。そのようなチップ特性の差異は、測
定感度の違いとなって表れる。上記補正処理は、この測
定感度のバラツキを補償するためになされるものであ
る。

【００４６】図２に示した信号処理部20は、前述したよ
うに差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……から出力（微分
値）Ｉ’を受けたとき、その最大値を示した差動アンプ
と最小値を示した差動アンプの間における複数の微分値
Ｉ’についての変化率（フォトダイオード17ａ、17ｂ、
17ｃ……の並設方向に亘る変化率）を求める。例えば図
３（３）に示す場合ならば、丸囲み数字の３，４，５お
よび６の信号線から出力される微分値Ｉ’に関する変化
率が求められる。

【００４７】例えば、微分値Ｉ’＝０またはそれに最も
近い値を出力している差動アンプと、それに隣接する１
つの差動アンプの出力を利用する場合、つまり図３
（３）の例ならば丸囲み数字の３および４の信号線の出
力を利用する場合は、それらが示す２つの微分値Ｉ’の
差δＩ’の、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の
並設ピッチＬに対する比Ｒ＝δＩ’／Ｌが変化率とされ
る。ここで微分値Ｉ’は、通常は各差動アンプの出力電
圧Ｖで規定される。

【００４８】なお、微分値Ｉ’＝０またはそれに最も近
い値を出力している差動アンプの両側の差動アンプの出
力、つまり図３（３）の例ならば丸囲み数字の３および
５の信号線の出力を利用して、それらが示す２つの微分
値Ｉ’の差を、上記比Ｒを求める上でのδＩ’として規
定しても構わない。

【００４９】信号処理部20は、以上のようにして求めた
変化率Ｒを図示外の記憶手段に記憶しておき、前述のよ
うに微分値を表示手段21に表示させる際には、微分値
Ｉ’をこの変化率Ｒで除算して規格化し、Ｉ’／Ｒの値
を表示手段21に表示させる。このようにすることによ
り、測定チップの特性バラツキによる測定感度の違いが
補償されて、正確な試料分析が可能となる。

【００５０】なお、液体試料11の中の特定物質とセンシ
ング媒体30との結合状態の変化の様子を時間経過ととも
に調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’
を求めて表示する他、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と
所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’
を求めて表示してもよい。そのようにする場合でも、こ
のΔＩ’を前記変化率Ｒで除算して規格化すれば、同様
に測定チップの特性バラツキによる測定感度の違いが補
償されて、正確な試料分析が可能となる。

【００５１】また、以上説明した実施形態においては、
誘電体ブロック10が金属膜12とともに、使い捨てされる
測定チップを構成しているが、誘電体ブロック10がチッ
プ化されずに表面プラズモンセンサー本体に組み込まれ
る場合でも、その個体間に屈折率のバラツキが存在した
り、また金属膜12の膜厚にバラツキが存在することがあ
り、したがってそのような場合に本発明を適用しても、
同様の効果を奏することができる。

【００５２】次に、図４を参照して本発明の第２の実施
形態について説明する。なおこの図４において、図１中
の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらに
ついての説明は特に必要の無い限り省略する。

【００５３】この第２実施形態の全反射減衰を利用した
センサーは、先に説明した漏洩モードセンサーであり、
本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いる
ように構成されている。この誘電体ブロック10の一面
（図中の上面）にはクラッド層40が形成され、さらにそ
の上には光導波層41が形成されている。

【００５４】誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢ
Ｋ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラ
ッド層40は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体
や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また
光導波層41は、クラッド層40よりも高屈折率の誘電体、
例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されてい
る。クラッド層40の膜厚は、例えば金薄膜から形成する
場合で36.5ｎｍ、光導波層41の膜厚は、例えばＰＭＭＡ
から形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

【００５５】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック
10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角
で入射させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とク
ラッド層40との界面10ｂで全反射するが、クラッド層40
を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数
の光は、該光導波層41を導波モードで伝搬するようにな
る。こうして導波モードが励起されると、入射光のほと
んどが光導波層41に取り込まれるので、上記界面10ｂで
全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じ
る。

【００５６】光導波層41における導波光の波数は、該光
導波層41の上の試料11の屈折率に依存するので、全反射
減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料
11の屈折率や、それに関連する試料11の特性を分析する
ことができる。そして、上記特定入射角の近傍における
反射光強度Ｉや、差動アンプアレイ18の各差動アンプが
出力する微分値Ｉ’に基づいて試料11の特性を分析する
こともできる。

【００５７】本実施形態でも、信号処理部20において上
記微分値Ｉ’に対して第１実施形態におけるのと同様の
補正処理がなされる。それにより本実施形態でも、誘電
体ブロック10、クラッド層40および光導波層41からなる
測定チップの特性バラツキによる測定感度の違いが補償
されて、正確な試料分析が可能となる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモン
センサーの側面図

【図２】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示
すブロック図

【図３】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と
光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図

【図４】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセン
サーの側面図

【符号の説明】

10 誘電体ブロック 10ａ 誘電体ブロックの試料保持部 10ｂ 誘電体ブロックと金属膜との界面 11 試料 12 金属膜 13 光ビーム 14 レーザ光源 15 光学系 16 コリメーターレンズ 17 光検出手段（フォトダイオードアレイ） 17ａ、17ｂ、17ｃ…… フォトダイオード 18 差動アンプアレイ 18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ 19 ドライバ 20 信号処理部 21 表示手段 22ａ、22ｂ、22ｃ……サンプルホールド回路 23 マルチプレクサ 24 Ａ／Ｄ変換器 25 駆動回路 26 コントローラ 30 センシング媒体 31 ターンテーブル 40 クラッド層 41 光導波層

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 誘電体ブロックと、 この誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触さ
   せられる薄膜層と、 光ビームを発生させる光源と、 前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体
   ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる
   ように種々の角度で入射させる光学系と、 複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面
   において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそ
   れぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された
   光検出手段と、 この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、
   該受光素子の並設方向に関して微分する微分手段とを備
   えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、 前記受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関する複
   数の微分値についての変化率を求め、試料の特性を求め
   るために採用する微分値をこの変化率によって除算する
   補正手段を備えたことを特徴とする全反射減衰を利用し
   たセンサー。
2. 【請求項２】 誘電体ブロックと、 この誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触さ
   せられる金属膜からなる薄膜層と、 光ビームを発生させる光源と、 前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体
   ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるよう
   に種々の角度で入射させる光学系と、 複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面
   において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそ
   れぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された
   光検出手段と、 この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、
   該受光素子の並設方向に関して微分する微分手段とを備
   えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、 前記受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関する複
   数の微分値についての変化率を求め、試料の特性を求め
   るために採用する微分値をこの変化率によって除算する
   補正手段を備えたことを特徴とする全反射減衰を利用し
   たセンサー。
3. 【請求項３】 誘電体ブロックと、 この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層、お
   よびこのクラッド層の上に形成されて試料に接触させら
   れる光導波層からなる薄膜層と、 光ビームを発生させる光源と、 前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体
   ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られる
   ように種々の角度で入射させる光学系と、 複数の受光素子が所定方向に並設されてなり、前記界面
   において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそ
   れぞれ異なる受光素子が受光する向きにして配設された
   光検出手段と、 この光検出手段の各受光素子が出力する光検出信号を、
   該受光素子の並設方向に関して微分する微分手段とを備
   えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、 前記受光素子の並設方向に亘る相異なる位置に関する複
   数の微分値についての変化率を求め、試料の特性を求め
   るために採用する微分値をこの変化率によって除算する
   補正手段を備えたことを特徴とする全反射減衰を利用し
   たセンサー。
4. 【請求項４】 前記誘電体ブロックが、前記光ビームの
   入射面、出射面および前記薄膜層が形成される一面の全
   てを含む１つのブロックとして形成され、 この誘電体ブロックに前記薄膜層が一体化されて測定チ
   ップとして構成されていることを特徴とする請求項１か
   ら３いずれか１項記載の全反射減衰を利用したセンサ
   ー。
5. 【請求項５】 前記微分手段が、前記光検出手段の相隣
   接する受光素子が出力する光検出信号の差分値を求める
   ものであることを特徴とする請求項１から４いずれか１
   項記載の全反射減衰を利用したセンサー。
6. 【請求項６】 前記光検出手段がフォトダイオードアレ
   イであることを特徴とする請求項１から５いずれか１項
   記載の全反射減衰を利用したセンサー。