JP2003065946A - 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、Ｓ
／Ｎを向上させる。 【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、
光検出手段６，７としてアバランシェフォトダイオード
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、光検出手段として一般にＣＣＤやフォトダイ
オード等が用いられてきたが、上記素子はいずれもＳ／
Ｎが十分ではなく、測定精度を向上させることが出来な
かった。そのため、測定精度を向上させるために更なる
Ｓ／Ｎの向上が望まれている。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、従来のものと比較してさらに高Ｓ／Ｎな全反射
減衰を利用したセンサーを提供することを目的とするも
のである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による第１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、光ビーム
を誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層と
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、
光検出手段として、自己増倍機能を有する素子を用いた
ことを特徴とするものである。

【００１５】また、本発明による第２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金属膜
と、光ビームを発生させる光源と、光ビームを前記誘電
体ブロックに対して、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、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、光検出手段として、自己増倍機能を
有する素子を用いたことを特徴とするものである。

【００１６】さらに、本発明による第３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、光ビームを前記誘電
体ブロックに対して、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、前記界面で全反射した光ビームの強度を
測定して、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、光検出手段として、
自己増倍機能を有する素子を用いたことを特徴とするも
のである。

【００１７】上記第１から第３の全反射減衰を利用した
センサーにおいて、自己増倍機能を有する素子は、アバ
ランシェフォトダイオードもしくはフォトトランジスタ
とすることが望ましい。

【００１８】

【発明の効果】本発明の全反射減衰を利用したセンサー
は、光検出手段として自己増倍機能を有する素子を用い
ている。このような半導体素子を用いて微弱光を検出す
る場合には、光検出手段の電気回路のノイズにより検出
限界が決定されるが、アバランシェフォトダイオードや
フォトトランジスタのような自己増倍機能を有する素子
を用いた場合においては、素子から増倍された信号が出
力されるため、電気回路のノイズの寄与分を等価的に増
倍率の逆数とすることが可能となる。

【００１９】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、光検出手段として自己増倍機能を有
する素子を用いたことにより、従来のものと比較してさ
らに高Ｓ／Ｎな全反射減衰を利用したセンサーを実現さ
せることができる。

【００２０】

【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。

【００２１】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を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以
下、レーザ光源14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。

【００２２】入射光学系15は、レーザ光源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。

【００２３】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。

【００２４】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、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制
御してもよい。

【００２５】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分割アバランシェフォトダ
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。

【００２６】上述のように、本実施形態においてはプリ
ズム１と金属膜３との界面１ｂで反射した光ビーム13を
検出する光検出手段として、アバランシェフォトダイオ
ードを用いているため、検出した光量に応じた信号を自
己増倍機能により増幅して出力するため、Ｓ／Ｎを向上
させることができる。

【００２７】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。

【００２８】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。

【００２９】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。

【００３０】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。

【００３１】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。

【００３２】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。

【００３３】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。

【００３４】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。

【００３５】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。

【００３６】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。

【００３７】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。

【００３８】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。

【００３９】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光源14（以下、
レーザ光源14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。

【００４０】図４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。

【００４１】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、
複数のアバランシェフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……が１列に並設されてなるアバランシェフォトダイオ
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アバランシェフォ
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
アバランシェフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が
受光することになる。

【００４２】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。

【００４３】上記アバランシェフォトダイオード17ａ、
17ｂ、17ｃ……の各出力は、差動アンプアレイ18の各差
動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、
互いに隣接する２つのアバランシェ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、複数のアバ
ランシェフォトダイオード17ａ、17ｂ、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。

【００４４】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。

【００４５】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。

【００４６】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。

【００４７】また図６の（２）は、アバランシェフォト
ダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示してお
り、先に説明した通り、これらのアバランシェフォトダ
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。

【００４８】そしてアバランシェフォトダイオード17
ａ、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。

【００４９】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。

【００５０】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。

【００５１】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。

【００５２】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として複数のアバランシェフォトダイ
オード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるア
バランシェ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。

【００５３】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、アバランシェフォトダイオード17
ａ、17ｂ、17ｃ……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。

【００５４】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。

【００５５】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。

【００５６】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。

【００５７】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。

【００５８】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。

【００５９】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。

【００６０】上記第２および第３の実施形態においても
光検出手段として第１の実施の形態と同様にアバランシ
ェフォトダイオードを用いており、高Ｓ／Ｎが実現され
る。

【００６１】また、上記第１から第３の実施の形態にお
いて、光検出手段に用いる自己増倍機能を有する素子と
して、アバランシェフォトダイオード以外にも、例えば
フォトトランジスタ等を用いても、同様の効果を得るこ
とができる。

【００６２】さらに、光検出手段に、光電子増倍管等の
自己増倍機能を有する検出器を用いても、同様の効果を
得ることができる。

【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

【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 ６、７ 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 半導体レーザ等 15 光学系 16 コリメーターレンズ 17 光検出手段（アバランシェフォトダイオードアレ
イ） 17ａ、17ｂ、17ｃ…… アバランシェフォトダイオー
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） 2F065 AA30 CC31 DD04 FF42 GG06 HH03 HH12 JJ02 JJ08 JJ18 JJ25 LL46 MM04 PP13 QQ01 QQ03 QQ13 QQ25 QQ42 2G059 AA01 BB04 BB12 CC16 DD12 EE02 EE05 FF04 GG01 GG04 JJ11 JJ12 JJ17 JJ19 JJ20 JJ26 KK01 KK02 KK03 MM01 MM03 MM09 MM11 MM12 PP04

Claims (5)

【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、 前記光検出手段として、自己増倍機能を有する素子を用
   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、 前記光検出手段として、自己増倍機能を有する素子を用
   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、 前記光検出手段として、自己増倍機能を有する素子を用
   いたことを特徴とする全反射減衰を利用したセンサー。
4. 【請求項４】 前記自己増倍機能を有する素子が、アバ
   ランシェフォトダイオードであることを特徴とする請求
   項１から３のいずれか１項記載の全反射減衰を利用した
   センサー。
5. 【請求項５】 前記自己増倍機能を有する素子が、フォ
   トトランジスタであることを特徴とする請求項１から３
   のいずれか１項記載の全反射減衰を利用したセンサー。