JP2003057174A - 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 構成が単純で加工が容易であるため安価であ
り、測定精度が良く、さらに、多数の試料を同時に計測
するためにマルチ化容易な光ファイバ型表面プラズモン
共鳴センサ装置を提供する。 【解決手段】 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ
装置２０は、表面プラズモン共鳴を起こす薄膜３２が配
設され且つ該表面プラズモン共鳴が生じる角度θに加工
された先端面３１を備える少なくとも一つの光ファイバ
３０と、光ファイバ３０の先端面３１に対して単色の光
ビームを照射する光源部４０と、光源部４０と光ファイ
バ３０との間に介装されたビームスプリッタ５０と、光
ファイバ３０の先端面３１で反射され、ビームスプリッ
タ５０を介して導かれた光ビームの反射光を検出する光
強度検出器６０とを備える。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、生化学計測の対象
となる液体試料の微少質量変化を検出するするために、
表面プラズモン共鳴現象を利用した表面プラズモン共鳴
センサ装置に関し、特に、光ファイバを利用した光ファ
イバ型表面プラズモン共鳴センサ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、生化学的反応の進行に伴う物
質の物理化学的な変化量を検出する方法として、表面プ
ラズモン共鳴現象を用いた表面プラズモン共鳴センサ装
置が知られている。これは、例えば、図３に示すよう
に、回折格子を備えた平行ガラス基板（またはガラスプ
リズム）１の表面に金や銀等の金属薄膜２を真空蒸着等
の成膜技術を用いて形成し、ガラス基板１の側から金属
薄膜２との界面に向かって全反射条件を満足する角度で
レーザ光線３を照射すると、特定の入射角θの時に、金
属薄膜２に表面プラズモン共鳴が励起されるというもの
である。

【０００３】表面プラズモン共鳴が励起されると、金属
薄膜２上のプラズモン波に光エネルギが吸収されるた
め、平行ガラス基板１と金属薄膜２との界面で反射する
反射光５の強度が鋭く低下する。図４に、入射角θと反
射光５の強度との関係を示す。ここで、表面プラズモン
共鳴が生じる入射角θは、金属薄膜２と接触している測
定部４の試料溶液など媒質の密度（すなわち、金属薄膜
表面の質量）に依存するという関係がある。

【０００４】従って、この光学系から反射され反射光５
が特異的に低下する反射角を求めることにより、表面プ
ラズモン共鳴現象の有無、並びに、表面プラズモン共鳴
現象が生じている時の入射角θを求めることができ、結
果として媒質の密度、すなわち、金属薄膜表面の質量の
変化を求めることが可能となる。

【０００５】このように、金属薄膜表面の質量の微少変
化は、金属薄膜の表面プラズモン共鳴吸収による大きな
光量変化として鋭敏に検知することができるようにな
る。従って、この表面プラズモン共鳴現象を応用した計
測法では、非常に微少な量を対象として計測が可能とな
り、通常、１ピコグラムの質量変化をも検出できる。そ
れゆえ、一般的な計測方法では計測できない微少量を扱
う生化学分にも応用されている。例えば、図４のよう
に、測定部４（図３参照）におけるＤＮＡ結合の有無
が、反射光５の強度が低下する入射角θの違いとなって
現れるので、ＤＮＡの結合による質量の微少変化を検知
することができる。

【０００６】表面プラズモン共鳴センサとしては、種々
のものが用いられているが、その一つに光ファイバを利
用したものがある。その一例としては、特開平１１−２
２３５９７号公報に開示されている光ファイバ表面プラ
ズモンセンサーがある。図５を用いて簡単に説明する
と、この光ファイバ表面プラズモンセンサーは、光ファ
イバ１０のクラッド層１１を一定長さ除去し、コアファ
イバ部分１２の表面を露出させ、この露出表面を覆うよ
うに金属薄膜１３を形成し、さらにこの金属薄膜１３の
表面に感受性誘電体層等を形成することにより作成され
る。光ファイバ１０の端面には、銀やアルミニウム等を
蒸着して形成した反射材１４が取付けられる。

【０００７】このような構成の光ファイバ表面プラズモ
ンセンサーを用いて被検体を検査するには、被検体であ
る試料１５を所定位置に置き、白色光をファイバ１０に
導入し、反射光の波長分散を調べる。これは、表面プラ
ズモン共鳴の光の波長依存性を利用したもので、入射角
θが一定でも波長の変化により、図４と同様な共振スペ
クトルを示す図が得られる。従って、表面プラズモン共
鳴減少が生じている部分の波長を計測・解析すれば、上
述したように、例えばＤＮＡの結合による質量の微小変
化を検知することができる。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、光ファ
イバ１０のクラッド層１１を完全に排除して、内部のコ
アファイバ部分１２のみを露出させるのは、非常に困難
であり、また、仮にできたとしても、非常に手間が掛か
ってしまい、測定精度を維持することが困難であると共
に非常にコストが嵩み、現実的ではないという課題があ
る。

【０００９】また、一般的な表面プラズモン共鳴センサ
装置は、一つの検出部位で行われる生化学反応を対象と
して個々に計測を行なうため、計測の作業効率が悪い。
そのため、多数の試料を同時に計測するための開発が行
われているが、上述した特開平１１−２２３５９７号公
報に開示されている光ファイバ表面プラズモンセンサー
のように、光ファイバの側面に試料を置いて計測するも
のでは、多数試料を同時に取扱うことが現実的ではない
という不具合があった。

【００１０】従って、本発明は、上述した従来の技術の
問題を解決するためになされたもので、構成が単純で加
工が容易であるため安価であり、測定精度が良く、さら
に、多数の試料を同時に計測するためにマルチ化容易な
光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を提供する
ことを主な目的とするものである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上述の目的を達成するた
め、請求項１に記載の本発明に係る光ファイバ型表面プ
ラズモン共鳴センサ装置は、表面プラズモン共鳴を起こ
す薄膜が配設され且つ該表面プラズモン共鳴が生じる角
度に加工された先端面を備える少なくとも一つの光ファ
イバと、該光ファイバの先端面に対して単色の光ビーム
を照射する光源部と、該光源部と前記光ファイバとの間
に介装されたビームスプリッタと、前記光ファイバの前
記先端面で反射され、前記ビームスプリッタを介して導
かれた前記光ビームの反射光を検出する光強度検出器
と、を備えることを特徴とする。

【００１２】前記光源部は、単色の光ビームを照射する
少なくとも一つの光源と、該光源からの光ビームを前記
光ファイバの前記先端面における検出領域全体を覆う広
さのビーム幅の平行光にする少なくとも一つのレンズと
を備えていることが好ましい。また、前記光ファイバの
先端面と反対側の端面は、斜めに加工されていることも
望ましい。さらに、前記薄膜上に、試料に接触する生化
学的反応検出部位を配設することもできる。なお、前記
薄膜は、金属薄膜、あるいは、半導体薄膜で形成するこ
とができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】次に、本発明の好適な実施の形態
を、添付図面を参照しながら説明するが、図中、同一符
号は、同一又は対応部分を示すものとする。

【００１４】まず、図１を用いて、本発明に係る光ファ
イバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の第一の実施の形
態を説明する。光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ
装置２０は、光ファイバ３０と、光源部４０と、ビーム
スプリッタ５０と、そして、光強度検出器６０とを備え
ている。

【００１５】これらを詳述するに、光ファイバ３０に
は、先端面３１上に表面プラズモン共鳴を起こす金や銀
などの金属薄膜３２が、例えば、イオンプレーティング
法、スパッタ法、蒸着法等の周知の方法を用いて成膜さ
れている。薄膜としては、金属だけでなく、例えばシリ
コンからなるような半導体薄膜を使用することもでき
る。

【００１６】金属薄膜３２の上側、すなわち開放面側に
は、計測対象の液体の試料３４と接触する生化学的反応
検出部位３３が設けられている。生化学的反応検出部位
３３は、金属薄膜３２の上に、特定の物質（試薬）を付
着することにより形成される。生化学的反応検出部位３
３に予め付着させておく物質としては、抗体や酵素等の
タンパク質、ＤＮＡ等の生体由来物質、あるいは、その
他の物質を選択的に吸着あるいは物体と反応する様々な
物質が考えられる。また、生化学的反応検出部位３３
は、直接金属薄膜３２の上に塗布することもできるし、
金属薄膜３２の上に試料３４を配置させた後に、試薬を
滴下させることによっても形成することができる。

【００１７】金属薄膜３２が蒸着した光ファイバ３０の
先端面３１は、光源部４０から照射される光ビームの光
反射面として機能する。また、先端面３１は、その法線
が光ファイバ３０の長手方向軸線に対して所定の角度θ
だけ傾斜するように角度を付けて加工されている。この
角度θは、計測すべき試料における表面プラズモン共鳴
が励起される共鳴角、すなわち、光ビームの特定の入射
角となるようにする。なお、共鳴角は、試料毎に特定の
値である。

【００１８】光ファイバ３０の先端面３１と反対側の端
面３５は、ほぼ先端面３１と同じ角度に斜めに加工され
ている。このように斜めにすることにより、先端面３１
において反射した反射光による多重干渉の影響を受ける
ことがなく、光強度検出器６０で検出する信号の強度差
への影響を無くすことができる。そのため、測定精度が
向上する。このようにして形成された光ファイバ型表面
プラズモン共鳴センサとしての光ファイバ３０は、両端
面を斜めに加工するだけで形成できるので、加工が非常
に容易であり、コストも安価にできる。そのため、この
センサとしての光ファイバを再利用することなく、使い
捨てにすることもできる。また、センサとしての光ファ
イバ３０は、全体の装置に対して着脱自在に取付けられ
ている。

【００１９】光源部４０は、光源４１と、レンズ４２と
を備えており、レンズ４２と光りファイバ３０の端面３
５との間には、ビームスプリッタ５０が介装されてい
る。光源４１は、単色の光ビームを照射し、レンズ４２
は、光源４１から照射された光ビームを、ビームスプリ
ッタ５０を介して光ファイバ３０の先端面３１に形成さ
れた生化学的反応検出部位３３の試料全体を覆う広さの
ビーム幅の平行光にする。

【００２０】ビームスプリッタ５０は、光源４１から照
射される光ビームの光軸に対して斜めに配設されてい
る。このビームスプリッタ５０は、光源４１からの光ビ
ームは、総て透過するが、光ファイバ３０からの出射さ
れる反射光は、総て反射するように構成されているのが
好ましい。

【００２１】光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装
置２０の最後の構成要素は、光ファイバ３０の先端面３
１において反射され、ビームスプリッタ５０を介して導
かれた光ビームの反射光を受光する光強度検出器６０で
ある。光強度検出器は、一般的なものでよく、例えばＣ
ＣＤ検出器等を使用することができる。

【００２２】なお、光源４１及び光強度検出器６０は、
図示しない計測部、演算部等へ電気的に接続されてお
り、光強度検出器６０で検出された反射光の強度から、
表面プラズモン共鳴が励起されたか否かを解析すること
により、試料３４の中にＤＮＡの特定の成分が存在する
か否かを識別することができるようになっている。

【００２３】次に、上述したように構成された本発明に
係る光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を用い
た計測方法を説明する。最初に、検査すべき試料３４を
付けた光ファイバ３０を所定位置にセットする。次に、
光源４１から単色の光ビームを照射する。レンズ４２を
通過した光ビームは、ビームスプリッタ５０を介して端
面３５から光ファイバ３０に入射し、計測すべき試料３
４が載せられた生化学的反応検出部位３３に対して角度
θの入射角で入射して、金属薄膜３２と先端面３１との
界面で反射する。

【００２４】反射した光ビームは、光ファイバ３０から
出射して、ビームスプリッタ５０で反射して光強度検出
器６０で受光される。そして、受光した反射光の強度
を、計測すべき試料３４毎に特有の共振スペクトル線図
（図４参照）と比較して、表面プラズモン共鳴が生じた
か否かを解析する。すなわち、表面プラズモン共鳴の有
無により、試料３４の中に、生化学的反応検出部位３３
に付着した試薬に反応するＤＮＡの特定の成分が存在し
たか否かを識別する。

【００２５】次に、上述した光ファイバを多数用いて、
一度に多数の試料を同時に計測するための多点計測用の
光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を説明す
る。図２に示すように、多点計測用の光ファイバ型表面
プラズモン共鳴センサ装置２０’は、構成要素として
は、図１に示すものと同様であるが、３行３列からなる
９個の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサとしての
光ファイバ３０の束を備えている点が特徴である。

【００２６】光ファイバ３０の束は、束として加工がで
きるため、非常にマルチ化が容易である。すなわち、所
望の数の光ファイバ３０を束ねて、その先端面を所望の
角度θに足るように同時に加工でき、また、このため測
定精度が一定になる。この実施形態では、９個の光ファ
イバ３０を用いているが、いかなる個数の光ファイバを
束ねることも可能であり、例えば、行または列だけのラ
イン状に整列させることも可能である。

【００２７】光ファイバ３０の束に光ビームを入射させ
るために、複数の光源（図示せず）及びレンズ４２を備
えた光源部を配設する。レンズ４２は、光ファイバの数
に対応した数だけ設ければよく、本実施例では、９個配
設されている。しかしながら、別個独立したレンズを複
数個用いることなく、１個あるいは適宜の個数のレンズ
アレイを使用することもできる。また、光源も同様であ
り、光ファイバの数に対応する数だけ設けることなく、
１個あるいは適宜の個数の光源から照射される光ビーム
をレンズアレイを介して所望数の光ビームに分光するこ
ともできる。構成要素を少なくすれば、装置全体の構造
が単純となり、組立が容易になると共に、製造コストが
安くなる。

【００２８】多点計測用の光ファイバ型表面プラズモン
共鳴センサ装置２０’の光強度検出器（図示せず）は、
上述したように、一般的なものを使用することができる
が、光ファイバの数に対応した数だけ配設する必要があ
る。しかしながら、例えば、光ファイバが、一列（ライ
ン）状に並んでいれば、アレイセンサを用いることが好
ましい。また、光ファイバが面状（複数行、複数列）に
配列されていれば、二次元アレイセンサを用いることが
好ましい。上述したように、構造が単純となり、組立が
容易になると共に、製造コストが安くなる。

【００２９】図２の多点計測用の光ファイバ型表面プラ
ズモン共鳴センサ装置２０’も、図１の場合と全く同様
の方法で計測が行われ、光強度検出器で検出された反射
光の強度から、個々の光ファイバ３０において表面プラ
ズモン共鳴が励起されたか否かを解析することにより、
個々の試料３４の中にＤＮＡの特定の成分が存在するか
否かを、同時に光ファイバの個数分識別することができ
る。そのため、計測の作業効率が非常に向上する。

【００３０】本実施形態においては、生化学的反応検出
部位３３に付着した試薬に反応したＤＮＡの特定の成分
が、試料３４の中に存在したか否かを識別したが、上述
したように、生化学的反応検出部位３３に付着させた物
質（試薬）の種類により、タンパク質や核酸のハイブリ
ダイゼーション、抗体アッセイ、ＤＮＡチップ（あるい
はＤＮＡアレイ）を検出することができる。

【００３１】

【発明の効果】本発明に係る光ファイバ型表面プラズモ
ン共鳴センサ装置は、先端面を表面プラズモン共鳴が生
じる角度に加工するだけの単純な構成の少なくとも一つ
の光ファイバと、該光ファイバに対して単色の光ビーム
を照射する光源部と、該光源部と前記光ファイバとの間
に介装されたビームスプリッタと、前記光ファイバの前
記先端面で反射され、前記ビームスプリッタを介して導
かれた前記光ビームの反射光を検出する光強度検出器と
を備えるているため、光ファイバの加工が容易であると
共に、マルチ化が容易であり、さらに、構成が非常に単
純で製造コストが安くなるものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の一実施形態に係る光ファイバ用いた
光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の概要図で
ある。

【図２】 図１のセンサを多数使用した多点同時計測用
の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の斜視図
である。

【図３】 表面プラズモン共鳴を利用した検出原理の概
要図である。

【図４】 図３における表面プラズモン共鳴における光
入射角と反射光強度との関係を示す特性図である。

【図５】 従来の多種類の試料成分の表面プラズモン共
鳴角を検出する装置の概要図である。

【符号の説明】

１…ガラス基板、２…金属薄膜、３…レーザ光線、４…
測定部、５…反射光、１０…光ファイバ、１１…クラッ
ド層、１２…コアファイバ部分、１３…金属薄膜、１４
…反射材、１５…試料、２０，２０’…光ファイバ型表
面プラズモン共鳴センサ装置、３０…光ファイバ、３１
…先端面、３２…金属薄膜、３３…生化学的反応検出部
位、３４…試料、３５…端面、４０…光源部、４１…光
源、４２…レンズ、５０…ビームスプリッタ、６０…光
強度検出器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 後藤 崇之 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 犬塚 博誠 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 (72)発明者 田原 諭 神奈川県横浜市金沢区幸浦一丁目８番地１ 三菱重工業株式会社基盤技術研究所内 Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB12 CC16 EE02 FF11 JJ11 JJ17 JJ22 KK04

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 表面プラズモン共鳴を起こす薄膜が配設
   され且つ該表面プラズモン共鳴が生じる角度に加工され
   た先端面を備える少なくとも一つの光ファイバと、 該光ファイバの先端面に対して単色の光ビームを照射す
   る光源部と、 該光源部と前記光ファイバとの間に介装されたビームス
   プリッタと、 前記光ファイバの前記先端面で反射され、前記ビームス
   プリッタを介して導かれた前記光ビームの反射光を検出
   する光強度検出器と、を備える光ファイバ型表面プラズ
   モン共鳴センサ装置。
2. 【請求項２】 前記光源部は、単色の光ビームを照射す
   る少なくとも一つの光源と、該光源からの光ビームを前
   記光ファイバの前記先端面における検出領域全体を覆う
   広さのビーム幅の平行光にする少なくとも一つのレンズ
   とを備える請求項１記載の光ファイバ型表面プラズモン
   共鳴センサ装置。
3. 【請求項３】 前記光ファイバの先端面と反対側の端面
   は、斜めに加工されている請求項１または２記載の光フ
   ァイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
4. 【請求項４】 さらに、前記薄膜上には、試料に接触す
   る生化学的反応検出部位が配設されている請求項１乃至
   ３の内のいずれか１項記載の光ファイバ型表面プラズモ
   ン共鳴センサ装置。
5. 【請求項５】 前記薄膜は、金属薄膜である請求項１乃
   至４の内のいずれか１項記載の光ファイバ型表面プラズ
   モン共鳴センサ装置。
6. 【請求項６】 前記薄膜は、半導体薄膜である請求項１
   乃至４の内のいずれか１項記載の光ファイバ型表面プラ
   ズモン共鳴センサ装置。