JP2002296176A

JP2002296176A - 全反射減衰を利用したセンサー

Info

Publication number: JP2002296176A
Application number: JP2001286616A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Mukai; 厚史向井; Toshiaki Fukunaga; 敏明福永
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2001-01-25
Filing date: 2001-09-20
Publication date: 2002-10-09

Abstract

(57)【要約】【課題】全反射減衰を利用したセンサーの測定におい
て精密な測定を行う。【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フ
ォトダイオードアレイ１７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、９５０ｎｍの波長の光ビー
ムを発生させる光源を用い、この９５０ｎｍの波長の光
ビームを用いて測定を行う。

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
ンサー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成分を全て受光
できる方向に延びるエリアセンサー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θＳＰ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
θＳＰ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、εｍとεＳ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εＳ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θＳＰ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、光ビームとして、一般には、可視光域、もし
くは近赤外域の波長の光が用いられている。しかしなが
ら、波長の短い光ビームを用いた場合、試料や光学素
子、あるいは誘電体ブロックにおいて光ビームの吸収や
蛍光の発生が起こり、それがノイズの原因となる場合が
ある。また、可視光域（もしくはその近傍）の波長のた
め室内光などの影響も受けやすく、室内光によるノイズ
が発生するという欠点を有している。

【００１３】本発明は上記の事情に鑑みて、ノイズを低
減して、Ｓ／Ｎの高い測定を行うことができる、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。

【００１４】

【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、前記光ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を
用いたことを特徴とするものである。

【００１５】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、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
ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を用いたこと
を特徴とするものである。

【００１６】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該
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、前記光ビームとして、８５０ｎｍ以上の
波長の光を用いたことを特徴とするものである。

【００１７】なお、上記各全反射減衰を利用したセンサ
ーにおいては、前記光ビームの、前記界面から前記光検
出手段に至る光路上に、８５０ｎｍ以上の波長の光のみ
を透過させるフィルタを備えていることが望ましい。

【００１８】また、上記各全反射減衰を利用したセンサ
ーにおいては、前記光ビームとして９５０ｎｍ近傍の波
長の光を用いることがより好ましい。

【００１９】前記誘電体ブロックは、前記光ビームの入
射端面および出射端面と、前記薄膜層が形成される面と
を全て有する１つのブロックとして形成されたものであ
ってもよいし、前記光ビームの入射端面および出射端面
を有する部分と、前記薄膜層が形成される面を有する部
分の２つが、屈折率マッチング手段を介して接合されて
なるものであってもよい。

【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、エリアセンサー、ラ
インセンサー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
用いることができる。

【００２１】また、上記光検出手段としては、使用され
る光ビームの測定波長帯域における光学吸収係数が１０
０（cm^−１）以上である半導体結晶材料を受光素子材料
として用いた赤外線センサーも好適である。なお、光学
吸収係数とは、結晶材料に入射した光の光強度が１／ｅ
になる距離の逆数である。半導体結晶材料としては、Ｇ
ｅ、ＩｎＧａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、Ｉ
ｎＳｂ、ＰｂＳおよびＰｂＳｅからなる群から選択され
たものを用いることができる。なお、ＩｎＧａＡｓＰと
しては、ＩｎＰ基板に格子整合するように作成されたＩ
ｎＧａＡｓＰを使用することが望ましく、またＡｌＧａ
ＡｓＳｂとしては、ＧａＳｂ基板に格子整合するように
作成されたＡｌＧａＡｓＳｂを使用することが望まし
い。また、前記光ビームとしては、１．４μｍ以下の波
長を有するものであってもよい。

【００２２】

【発明の効果】本発明の全反射減衰を利用したセンサー
は、光ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を用い
ており、短い波長の光ビームを用いた場合に発生する、
試料や光学素子、あるいは誘電体ブロックにおける光ビ
ームの吸収や蛍光の発生を抑え、ノイズの原因を除去す
ることができる。また、８５０ｎｍ以上の波長の光、す
なわち赤外光であるため室内光などの可視光による影響
を受けにくくノイズ低減を図ることができる。

【００２３】また、前記界面と前記光検出手段との間
に、８５０ｎｍ以上の波長の光のみを透過させるフィル
タを備えれば、さらに室内光などのノイズを除去する効
果が向上し、よりＳ／Ｎよく測定を行うことができる。

【００２４】さらに、光ビームとして９５０ｎｍ近傍の
波長の光を用いることとすれば、この波長域の光源とし
て、発振波長が安定化された、例えばＤＦＢレーザーが
既に市販されており、光源を安価に入手することができ
るため信頼性の向上と共に低コスト化が可能となる。

【００２５】光検出手段として、使用される前記光ビー
ムの測定波長帯域における光学吸収係数が１００（cm
^−１）以上である半導体結晶材料を受光素子材料として
用いた赤外線センサーをもちいれば、光ビームの強度を
効率良く検出することができる。すなわち、従来の全反
射減衰を利用したセンサーにおいては、光ビームの波長
帯域が可視光領域近傍であったため、受光素子材料とし
てＳｉを用いた光センサーが用いられることが多かっ
た。しかし、半導体結晶の光学吸収係数は一般的に波長
依存性が大きく、図６に示すように、Ｓｉの光学吸収係
数は、１μｍを越えると、１００以下となるため、光ビ
ームの波長帯域が赤外領域である場合には、Ｓｉを受光
素子材料として用いた光センサーでは、十分な感度が得
られない。一方例えばＧｅを受光素子材料として使用し
た光センサーにおいては、図６に示すように、８５０nm
から１．６μｍの波長帯域において、光学吸収係数が１
００以上となり、この波長帯域において、十分な感度を
得ることができ、効率良く光ビームの強度を検出するこ
とができる。

【００２６】また、ＩｎＧａＡｓＰまたはＡｌＧａＡｓ
Ｓｂを受光素子材料として用いた赤外線センサーにおい
ては、８５０ｎｍから１．７μｍまでの波長帯域におい
て、光学吸収係数が１００以上となり、十分な感度を得
ることができ、効率良く光ビームの強度を検出すること
ができる。

【００２７】また、ＩｎＡｓを受光素子材料として用い
た赤外線センサーにおいては、８５０ｎｍから４．０μ
ｍまでの波長帯域において、光学吸収係数が１００以上
となり、十分な感度を得ることができ、効率良く光ビー
ムの強度を検出することができる。

【００２８】同様に、ＩｎＳｂを受光素子材料として用
いた赤外線センサーにおいては、８５０ｎｍから８．０
μｍまでの波長帯域において、ＰｂＳを受光素子材料と
して用いた赤外線センサーにおいては、８５０ｎｍから
５．５μｍまでの波長帯域において、ＰｂＳｅを受光素
子材料として用いた赤外線センサーにおいては、８５０
ｎｍから５．０μｍまでの波長帯域において、光学吸収
係数が１００以上となり、十分な感度を得ることがで
き、効率良く光ビームの強度を検出することができる。

【００２９】また、図７は水の吸収スペクトルを示した
もので、波長帯域が１．４μｍを越えると、水による光
吸収が大きくなることがわかる。このため、上記光ビー
ムとして、１．４μｍより長い波長の光を使用すると、
空気中に含まれる水蒸気あるいは誘電体ブロックや光学
系等に付着した水分などにより、測定値が影響を受ける
ことがある。光ビームの波長帯域を１．４μｍ以下とす
れば、このような水による光吸収の影響を受ける可能性
が低減し、信頼性の高い測定結果を得ることができる。

【００３０】

【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
側面形状を示すものである。

【００３１】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。すなわち、この誘電体ブ
ロック10は、後述の光ビームの入射端面および出射担面
と、薄膜層（金属膜）が形成される面とを全て有する１
つのブロックとして形成されたものである。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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、波長９５０ｎｍ
の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を検出する赤外線センサーであるフォトダイオード
アレイ１７と、コリメータレンズ16とフォトダイオード
アレイ１７との間に配された波長８５０ｎｍ以上の光の
みを透過させるフィルタ27と、フォトダイオードアレイ
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。

【００３５】入射光学系15は、光源14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。

【００３６】図１に示す通り、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。な
お、上記光学系15は、光ビーム13を界面10ｂ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。

【００３７】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、フィルタ
27を経てフォトダイオードアレイ１７により検出され
る。本例におけるフォトダイオードアレイ１７は、半導
体結晶材料であるＧｅを受光素子材料として使用したフ
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。

【００３８】光源14として、上述のように、波長９５０
ｎｍの光ビームを発生させるものを用い、この波長９５
０ｎｍの光ビームを用いて測定を行う。これにより、比
較的短い波長の光ビームを用いて測定を行った場合に
は、試料11や光学素子等において吸収あるいは蛍光が発
生し、それがノイズの原因となることがあったが、９５
０ｎｍという長波長の光ビームを用いたことによりこの
光ビームの吸収や蛍光の発生を抑えることができ、ノイ
ズの発生源を除去することができる。また、波長９５０
ｎｍの赤外の光ビームであるため室内光等の可視光によ
る影響も少なくなり、８５０ｎｍ以上の波長の光のみを
透過するフィルタ27を設けたことにより、さらに可視光
によるノイズを効果的に除去することができ、結果とし
てＳ／Ｎのよい信号を得ることができる。

【００３９】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。

【００４０】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。

【００４１】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。

【００４２】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。

【００４３】界面10ｂにある特定の入射角θＳＰ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θＳＰが全反射解消角であり、この
角度θＳＰ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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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θＳＰ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。

【００４７】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。

【００４８】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。

【００４９】以上の説明から明かなように本実施形態で
は、フォトダイオードアレイ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フォトダイオードアレイ
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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【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、
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。

【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】次に、図５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３においても、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。

【００５８】この第３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５は、そ
の側面形状を示すものである。

【００５９】本装置は図１のものと比べると、用いてい
る誘電体ブロックの構成が異なるものである。すなわち
本実施形態では、図１の装置で用いられていた誘電体ブ
ロック10に代えて、誘電体であるガラスから形成され
て、図５の紙面に垂直な方向に延びる三角柱のプリズム
50と、このプリズム50上面に屈折率マッチングオイル52
を介して接合された誘電体プレート55とからなるものが
用いられている。プリズム50は光ビーム13の入射端面50
ａおよび出射端面50ｂを有するものであり、一方誘電体
プレート55上には金属薄膜56が形成されており、光ビー
ム13はこの誘電体プレート55と金属薄膜56との界面57に
おいて全反射する構成となっている。なお、この金属薄
膜56が形成された誘電体プレート55上に試料58が載置さ
れ、この誘電体プレート55ごと交換可能とされている。

【００６０】上記第２および第３の実施形態の全反射減
衰を利用したセンサーにおいても、第１の実施形態の場
合と同様に、光源14として、波長９５０ｎｍの光ビーム
を発生させるものを用い、この波長９５０ｎｍの光ビー
ムを用いて測定を行っており、試料や、光学素子等にお
いての光ビームの吸収あるいは蛍光の発生を抑え、ノイ
ズの発生源を除去することができる。また、波長９５０
ｎｍの赤外の光ビームを用いるため室内光等の可視光に
よる影響も低減され、また、フィルタ27を設けたことに
より、さらに可視光によるノイズを効果的に除去するこ
とができ、Ｓ／Ｎのよい信号を得ることができる。

【００６１】さらに、光検出手段として、９５０ｎｍに
おいて光学吸収係数が１００（cm⁻ ^１）以上であるＧｅ
を受光素子材料として使用したフォトダイオードアレイ
１７を用いているため、９５０ｎｍの光ビームに対し
て、十分な感度を得ることができ、効率良く光ビームの
強度を検出することができる。

【００６２】また、光ビームの波長帯域が、１．４μｍ
以下であるため、空気中に含まれる水蒸気あるいは誘電
体ブロックや光学系等に付着した水分などにより、測定
値が影響を受ける可能性が少なく、信頼性の高い測定結
果を得ることができる。

【００６３】なお、各実施の形態においては、フォトダ
イオードアレイ１７の受光素子材料としては、Ｇｅを用
いたがこれに限定されるものではなく、例えば、ＩｎＧ
ａＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｐ
ｂＳまたはＰｂＳｅ等の半導体結晶を使用することがで
きる。また、使用される光ビームの波長も９５０ｎｍに
限定されるものではなく、８５０ｎｍ以上の任意の波長
帯域を使用することができ、この使用波長帯域に合わせ
て、適切な半導体結晶を受光素子材料として用いたフォ
トダイオードアレイを選択することが望ましい。

【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

【図５】本発明の第３の実施形態による表面プラズモン
センサーの側面図

【図６】ＳｉおよびＧｅにおける光の吸収スペクトルを
示す図

【図７】水における光の吸収スペクトルを示す図

【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 光源 15 光学系 16 コリメーターレンズ 17 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 50 プリズム 52 屈折率マッチングオイル 55 誘電体プレート 56 金属膜 57 誘電体プレートと金属膜との界面 58 試料

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G059 AA01 DD12 DD13 EE02 EE12 FF03 HH01 JJ02 JJ11 JJ12 JJ21 KK04 MM01 MM09 NN01

Claims

【特許請求の範囲】

【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、前記光ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を用い
たことを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【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、前記光ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を用い
たことを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【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
び該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、前記光ビームとして、８５０ｎｍ以上の波長の光を用い
たことを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
【請求項４】前記光ビームの、前記界面から前記光検
出手段に至る光路上に、８５０ｎｍ以上の波長の光のみ
を透過させるフィルタを備え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。
【請求項５】前記誘電体ブロックが、前記光ビームの
入射端面および出射端面と、前記薄膜層が形成される面
とを全て有する１つのブロックとして形成されたもので
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。
【請求項６】前記誘電体ブロックが、前記光ビームの
入射端面および出射端面を有する部分と、前記薄膜層が
形成される面を有する部分の２つが、屈折率マッチング
手段を介して接合されてな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。
【請求項７】前記光検出手段が、使用される前記光ビ
ームの測定波長帯域における光学吸収係数が１００（cm
^−１）以上である半導体結晶材料を受光素子材料として
用いた赤外線センサーであることを特徴とする請求項１
から６いずれか１項記載の全反射減衰を利用したセンサ
ー。
【請求項８】前記半導体結晶材料が、Ｇｅ、ＩｎＧａ
ＡｓＰ、ＡｌＧａＡｓＳｂ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、Ｐｂ
ＳおよびＰｂＳｅからなる群から選択されたものである
ことを特徴とする請求項７記載の全反射減衰を利用した
センサー。
【請求項９】前記光ビームが、１．４μｍ以下の波長
を有するものであることを特徴とする請求項１から８い
ずれか１項記載の全反射減衰を利用したセンサー。