JP2002257722A - 全反射減衰を利用したセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面プラズモンセンサーの測定において精密
な測定を行う。 【解決手段】 プリズム１と、その一面に形成された金
属膜３と、光ビーム13をプリズム１に対して、該プリズ
ム１と金属膜３との界面１ｂ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１ｂ
において全反射した光ビームを検出する光検出手段６，
７とを備えた全反射減衰を利用したセンサーにおいて、
光ビーム13を発生させる光源としてスーパールミネッセ
ントダイオード14を用いる。

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
暗線を光検出手段を用いて検出する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入射角を変えて上記界面に
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、入射した光ビームの入射角の
変化にしたがって反射角が変化する光ビームを、上記反
射角の変化に同期して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から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】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。

【００１１】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。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したタイプの
従来の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、光源として一般にレーザが用いられてきた。
特に単一モードのレーザを用いると、全反射減衰のカー
ブが鋭くなり、感度の高い測定が可能になる。しかしな
がら、レーザの発振波長は外界の影響等を受けやすく容
易に変動し、それにより測定において高い精度が得難い
という問題があった。つまり、レーザの発振波長が変動
すると、それが表面プラズモンの発生条件（もしくは導
波モードの励起条件）に影響して検出信号（誘電体ブロ
ックと薄膜層との界面で全反射した光の強度検出信号）
にノイズを発生させ、それが測定精度の低下につながっ
ていた。

【００１３】そこで、この問題を避けるためにスペクト
ル線幅が広く、波長変動の影響が無い発光ダイオード
（ＬＥＤ）を光源として用いた装置が提案されている。
しかしながら、スペクトル線幅が広すぎてＳＰＲの感度
が悪いという問題があるほか、ＬＥＤは発光面積が大き
いためＡＴＲの角度分解能が悪く、偏光が直線偏光でな
いので偏光板の使用が必要となりそれによって測定光の
パワーが低下するなどの欠点を有している。

【００１４】本発明は上記の事情に鑑みて、測定精度の
高い、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。

【００１５】

【課題を解決するための手段】本発明の全反射減衰を利
用したセンサーは、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、前記界面で全反射した光ビームの
強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手
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、前記光源として、スーパーラディアンスにより発光
することを特徴とする半導体発光素子を用いたことを特
徴とするものである。

【００１６】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、前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に伴う全反射減
衰の状態を検知する光検出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、前記光源として、スー
パーラディアンスにより発光することを特徴とする半導
体発光素子を用いたことを特徴とするものである。

【００１７】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、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、前記界面で全反射した
光ビームの強度を測定して、前記光導波層での導波モー
ドの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段
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、前記光源として、スーパーラディアンスにより発光
することを特徴とする半導体発光素子を用いたことを特
徴とするものである。

【００１８】「スーパーラディアンスにより発光する」
とは、素子の反射型構造により誘導放出を行うが、レー
ザ発振ではない発光を行うことをいう（例えば、特開平
１１−７４５５９号、特願平９−２３２１８０号参
照）。

【００１９】スーパーラディアンスにより発光すること
を特徴とする半導体発光素子としては、例えば、端面発
光型ＬＥＤやスーパールミネッセントダイオード（ＳＬ
Ｄ）が挙げられる。ＳＬＤの基本的なデバイス構成は、
半導体レーザとほぼ同様であるが、端面の反射率が１％
以下と低く、単一モードの選択性が低いので、広いスペ
クトル幅の光が出射される。したがって、ＬＥＤのよう
に広いスペクトル幅の低コヒーレンスな光を出射し、か
つ半導体レーザ並の小さな端面から光を出射するデバイ
スである。例えば、アンリツ社製のスーパールミネッセ
ントダイオード（ＡＳ２Ｃ２１１）は、光の出射端面が
４μｍ×１μｍ程度と点光源であるが、スペクトル線幅
は約１７ｎｍである。

【００２０】なお、上記各全反射減衰を利用したセンサ
ーにおいては、光検出手段として、エリアセンサ、ライ
ンセンサ等を用いることができ、より具体的には、２分
割フォトダイオード、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。

【００２１】

【発明の効果】本発明の全反射減衰を利用したセンサー
は、光ビームを発生する光源としてスーパーラディアン
スにより発光することを特徴とする半導体発光素子を用
いており、この素子は、半導体レーザと同様に点発光光
源であるため、ＡＴＲ測定において角度高分解能が得ら
れ、かつ、半導体レーザを用いた際の測定精度低下の原
因になっていた発振波長変動（モードホップ）が生じな
いため、発振波長変動による測定信号に発生するノイズ
を防止することができ、試料分析に関して高い測定精度
が実現される。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較
するとスペクトル線幅が狭く、ＬＥＤを光源として使用
した装置と比較すると高感度となり、また、直線偏光で
あるため、ＬＥＤの場合には必要であった偏光板等を使
用する必要もないため、パワーロスが生じず、感度を向
上させることができる。さらに、半導体レーザを光源と
して用いた場合、光ビームはコヒーレント光であり、そ
のために生じるコヒーレントノイズによるＳ／Ｎの低下
が問題となる場合があるが、本半導体発光素子から発せ
られる光ビームはインコヒーレント光であるため干渉ノ
イズがでにくいため、Ｓ／Ｎの向上を図ることができ
る。

【００２２】すなわち、本発明の全反射減衰を利用した
センサーにおいて、光源としてスー−パールミネッセン
トダイオードに代表されるスーパーラディアンスにより
発光することを特徴とする半導体発光素子を用いたこと
により、ＬＥＤもしくは半導体レーザを光源として用い
た場合と比較して、十分に高い測定精度が実現される。

【００２３】

【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。本発明の第１の実施形態の
全反射減衰を利用したセンサーは、表面プラズモン共鳴
を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は、そ
の入射光学系およびセンサー部の平面形状を示すもので
あり、図２はその表面プラズモン検出部の側面形状を示
すものである。

【００２４】図示されるようにこの表面プラズモンセン
サーは、誘電体であるガラスから形成されて、図２の紙
面に垂直な方向（図１中では上下方向）に長軸が延びる
三角柱形のプリズム１（誘電体ブロックの一形態）と、
このプリズム１の一面に形成されて、試料２に接触させ
られる例えば金、銀等からなる金属膜３と、１本の光ビ
ーム13を発生させるスーパールミネッセントダイオード
からなる光源14（以下、ＳＬＤ14という）と、上記光ビ
ーム13をプリズム１に通し、該プリズム１と金属膜３と
の界面１ｂ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１ｂで全反射した光ビー
ム13の光量を検出する第１の光検出手段６および第２の
光検出手段７と、これらの光検出手段６、７に接続され
た比較器８とを備えている。

【００２５】入射光学系15は、ＳＬＤ14から発散光状態
で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレン
ズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面１ｂ
上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されている。

【００２６】光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより上述
のように集光されるので、図２中に最小入射角θ_１ と
最大入射角θ_２ とを例示するように、界面１ｂ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１ｂ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。なお、上記光学系15は、光ビーム13を界面
１ｂにデフォーカス状態で入射させるように構成されて
もよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態
検出（例えば前記暗線の位置測定）の誤差が平均化され
て、測定精度が高められる。

【００２７】なお光ビーム13は、界面１ｂ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ＳＬＤ
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、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御し
てもよい。

【００２８】一方、第１の光検出手段６および第２の光
検出手段７は、一例として２分割フォトダイオードから
なる。第１の光検出手段６は上記界面１ｂで全反射した
光ビーム13のうち、第１の反射角範囲（比較的低角度の
範囲）にある成分の光量を検出するように配され、第２
の光検出手段７は上記界面１ｂで全反射した光ビーム13
のうち、第２の反射角範囲（比較的高角度の範囲）にあ
る成分の光量を検出するように配されている。

【００２９】上述のように、本実施形態においては光ビ
ーム13を発生する光源としてスーパールミネッセントダ
イオード（ＳＬＤ）14を用いており、このＳＬＤ14は、
半導体レーザと同様の点発光光源であるため、ＡＴＲ測
定において角度高分解能が得られ、かつ、半導体レーザ
を用いた際の測定精度低下の原因になっていた発振波長
変動（モードホップ）が生じないため、発振波長変動に
よる測定信号に発生するノイズを防止することができ
る。また、発光ダイオード（ＬＥＤ）と比較するとスペ
クトル線幅が狭く、ＬＥＤを光源として使用した装置と
比較すると高感度となり、また、直線偏光であるため、
ＬＥＤの場合には必要であった偏光板等を使用する必要
もないため、パワーロスが生じず、感度を向上させるこ
とができる。さらに、半導体レーザを光源として用いた
場合、光ビームはコヒーレント光であり、そのために生
じるコヒーレントノイズによるＳ／Ｎの低下が問題とな
る場合があるが、ＳＬＤから発せられる光ビームはイン
コヒーレント光であるため干渉ノイズがでにくいため、
Ｓ／Ｎの向上を図ることができる。

【００３０】以下、上記構成の表面プラズモンセンサー
による試料分析について説明する。分析対象の試料２は
金属膜３に接触する状態に保持される。そして上述のよ
うに集光された光ビーム13が、金属膜３に向けて照射さ
れる。この金属膜３とプリズム１との界面１ｂで全反射
した光ビーム13は、第１の光検出手段６および第２の光
検出手段７によって検出される。

【００３１】このとき第１の光検出手段６が出力する光
量検出信号Ｓ１と、第２の光検出手段７が出力する光量
検出信号Ｓ２は比較器８に入力され、比較器８はそれら
両信号Ｓ１、Ｓ２の差分を示す差分信号Ｓを出力する。

【００３２】ここで、界面１ｂにある特定の入射角θ
_ＳＰで入射した光は、金属膜３と試料２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、全反射した光ビーム13
の強度Ｉと入射角θとの関係は概ね図３の（Ａ）、
（Ｂ）にそれぞれ曲線ａ、ｂで示すようなものとなる。
この全反射減衰（ＡＴＲ）入射角θ_ＳＰや、反射光強度
Ｉと入射角θとの関係曲線が分かれば、試料２中の特定
物質を定量分析することができる。以下、その理由を詳
しく説明する。

【００３３】上記第１の反射角範囲と第２の反射角範囲
とが例えば連続していて、それら両範囲の境界の反射角
がθ_Ｍ であるとすると、入射角θ_Ｍ よりも入射角が
小さい範囲、大きい範囲の光が各々光検出手段６、７の
一方、他方によって検出される。

【００３４】一例として、θ_Ｍ よりも入射角が小さい
範囲の光が第１の光検出手段６によって検出され、θ
_Ｍ よりも入射角が大きい範囲の光ビームが第２の光検
出手段７によって検出されるものとすると、第１の光検
出手段６は図３の（Ａ）、（Ｂ）でそれぞれ斜線を付し
た範囲の光を検出することになり、その検出光量は
（Ａ）の場合よりも（Ｂ）の場合の方が大きくなる。反
対に、第２の光検出手段７による検出光量は（Ａ）の場
合よりも（Ｂ）の場合の方が小さくなる。このように、
第１の光検出手段６の検出光量と第２の光検出手段７の
検出光量は、入射角θと反射光強度Ｉとの関係に応じた
特有の差異を生じることになる。

【００３５】したがって、予め求めてある各試料毎の検
量線等を参照すれば、第１の光検出手段６が出力する光
量検出信号Ｓ１と、第２の光検出手段７が出力する光量
検出信号Ｓ２との差を示す比較器８の出力、すなわち差
分信号Ｓに基づいて、分析試料２に関する全反射減衰
（ＡＴＲ）入射角θ_ＳＰや、入射角θと反射光強度Ｉと
の関係曲線を推定可能となり、該試料２中の物質を定量
分析できるようになる。

【００３６】なお以上は、第１の反射角範囲と第２の反
射角範囲とが連続している場合について説明したが、そ
れら両範囲が連続していない場合でも、第１の光検出手
段６の検出光量と第２の光検出手段７の検出光量は、入
射角θと反射光強度Ｉとの関係に応じた特有の差異を生
じるから、同様にして試料２中の物質を定量分析するこ
とができる。

【００３７】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。

【００３８】この第２実施形態の全反射減衰を利用した
センサーは、第１の実施形態と同様表面プラズモン共鳴
を利用した表面プラズモンセンサーであり、図４はその
側面形状を示すものである。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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を発生させるスーパールミネッセントダイオードから
なる光源14（以下、ＳＬＤ14という）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、コリメーターレンズ16と光検出手段17との間に配さ
れた光ビーム13を拡散させる拡散板27と、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。

【００４３】図４に示す通り、ＳＬＤ14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上で収束する。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。

【００４４】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４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。

【００４５】図５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。

【００４６】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。

【００４７】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。

【００４８】図６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。

【００４９】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４にＤで示すように、反射光
中の暗線として観察される。

【００５０】また図６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。

【００５１】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。

【００５２】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
６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’に所定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。

【００５３】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、所定の補
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６
（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。

【００５４】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。

【００５５】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６
（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。

【００５６】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。

【００５７】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’
を求めて表示するほか、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Δ
Ｉ’を求めて表示してもよい。

【００５８】次に、図７を参照して本発明の第３の実施
形態について説明する。なおこの図７において、図１ま
たは図４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。

【００５９】この第３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。

【００６０】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。

【００６１】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
ＳＬＤ14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。

【００６２】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。

【００６３】上記第２および第３の実施形態においても
光源として第１の実施形態と同様にＳＬＤ14を用いてお
り、試料分析に関して高い測定精度が実現される。

【００６４】ＳＬＤ14の具体的な構造図を図８に示す。
ウェハーの作製には、ＭＯＶＰＥ法が用いられる。n-In
P基板101上に量子井戸活性層102、p-InPクラッド層10
3、図示しないp-InGaAsコンタクト層が堆積されてい
る。導波路両側の溝は幅10μｍで、ウェットエッチング
により活性層上約0.3μｍの深さまで形成されている。
ｐ側電極104の下には図示しないSiO₂膜がリッジ部以外
の領域をカバーしている。後方の反射率を低減するため
に光吸収領域を設けるとともに、両端面106、107に反射
率約0.2％のSiO₂の単層ARコートが施されている。素子
サイズは活性領域長Ｌａが700μｍ、吸収領域長Ｌｂが4
00μｍ、リッジ幅2.9μｍである。

【００６５】前述の通り、ＳＬＤの基本的なデバイス構
成は、半導体レーザとほぼ同様であるが、端面の反射率
が１％以下と低く、単一モードの選択性が低いので、広
いスペクトル幅の光が出射される。したがって、ＬＥＤ
のように広いスペクトル幅の低コヒーレンスな光を出射
し、かつ半導体レーザ並の小さな端面から光を出射する
デバイスである。このようなデバイスを用いれば、単一
モードで発振するレーザで問題となるモードホッピング
による変動や、干渉によるノイズが発生しないため、Ａ
ＴＲ測定においても安定な信号が得られる。また、端面
のサイズが小さく、発光源が点光源であるため、ＡＴＲ
のように角度を測定するときには角度不確定性が小さく
なり、精密なＡＴＲ角度測定が可能となる。

【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
センサーの一部を示す平面図

【図２】本発明の第１の実施形態による表面プラズモン
センサーの一部を示す側面図

【図３】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射
角と、光検出手段による検出光強度との概略関係を示す
グラフ

【図４】本発明の第２の実施形態による表面プラズモン
センサーの側面図

【図５】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６】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７】本発明の第３の実施形態による漏洩モードセン
サーの側面図

【図８】スーパールミネッセントダイオードの構造図を
示す斜視図

【符号の説明】

１ プリズム １ｂ プリズムの金属膜との界面 ２ 試料 ３ 金属膜 ５，６ 光検出手段 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 スーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ） 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

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 BA01 BB01 BB06 BC07 HA04 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 DD12 EE02 EE05 FF04 GG01 GG04 JJ11 JJ12 JJ17 JJ19 JJ20 KK03 KK04 LL04 MM01 MM09 MM10 MM11 MM12 MM15 NN01 PP04

Claims (3)

【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、 前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反
   射減衰の状態を検知する光検出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、 前記光源として、スーパーラディアンスにより発光する
   ことを特徴とする半導体発光素子を用いたことを特徴と
   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、 前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面
   プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検
   出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、 前記光源として、スーパーラディアンスにより発光する
   ことを特徴とする半導体発光素子を用いたことを特徴と
   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、 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、 前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、前記
   光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態
   を検知する光検出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、 前記光源として、スーパーラディアンスにより発光する
   ことを特徴とする半導体発光素子を用いたことを特徴と
   する全反射減衰を利用したセンサー。