JP2004309341A - 光ファイバ型表面プラズモンセンサおよびそれを用いた測定装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能かつ小型化も可能な光ファイバ型表面プラズモンセンサおよび測定装置を提供する。
【解決手段】本発明に係る測定装置は、光ファイバ部２０ａ，２０ｂに融着接合され、光ファイバ部２０ａ，２０ｂが伝送する光の少なくとも一部をコア２１の外部に導くヘテロ・コア部３と、ヘテロ・コア部３の表面に設けられ、この表面におけるヘテロ・コア部３内の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜５０と、金属膜５０の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体６０とを有し、分子識別媒体６０が識別した分子に応じた表面プラズモンを発生する光ファイバ型表面プラズモンセンサと、このセンサに入射した光の強度変化に基づいて、測定対象物の濃度を測定する測定手段とを有する。
【選択図】 図２
【解決手段】本発明に係る測定装置は、光ファイバ部２０ａ，２０ｂに融着接合され、光ファイバ部２０ａ，２０ｂが伝送する光の少なくとも一部をコア２１の外部に導くヘテロ・コア部３と、ヘテロ・コア部３の表面に設けられ、この表面におけるヘテロ・コア部３内の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜５０と、金属膜５０の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体６０とを有し、分子識別媒体６０が識別した分子に応じた表面プラズモンを発生する光ファイバ型表面プラズモンセンサと、このセンサに入射した光の強度変化に基づいて、測定対象物の濃度を測定する測定手段とを有する。
【選択図】 図２
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンを利用して測定対象を検出する光ファイバ型表面プラズモンセンサ、および、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象の検出に表面プラズモン現象を利用した表面プラズモンセンサが知られている。
表面プラズモンセンサの一種として、クレッチマン型の表面プラズモンセンサが知られている。クレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス製の平板に金属膜を設け、この金属膜を測定対象試料に接触させる構成になっている。そして、ガラスを介して金属膜に光を入射させると、金属膜に対する光の入射角と金属膜に接触している測定対象試料の屈折率とが所定の関係を満たすときに、表面プラズモン共鳴が発生して反射光の強度が低下する。したがって、反射光が減衰する入射角を検出することによって得られる測定対象試料の屈折率を、測定対象の測定に利用することができる。
【０００３】
ところが、上述のクレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス板に光を入射させて、反射光が減衰するときの入射角を調べる必要があるため、たとえば遠隔地におけるｉｎ ｓｉｔｕ測定（その場測定）は困難であり、小型化も難しい。そのため、光ファイバを用いた表面プラズモンセンサも開発されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、光ファイバの中途部に、コア径が異なるヘテロ・コア部と呼ばれる部分を融着接合して設け、ヘテロ・コア部の表面に表面プラズモンを発生させるための金属膜を設けたセンサが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３５０３３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、クレッチマン型および光ファイバ型のいずれの表面プラズモンセンサにおいても、従来は感度が比較的低かった。金属膜の部分の面積を広くすれば感度は向上するが、センサを小型化・微小化することが困難になる。
また、従来の光ファイバ型表面プラズモンセンサに特定の測定対象物を検出する選択性を付与することは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、小型化も可能な光ファイバ型表面プラズモンセンサを提供することにある。また、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、センサ部の小型化も可能な測定装置を提供することも本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサは、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、該光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、該光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体とを有し、前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する。
【０００８】
また、本発明に係る測定装置は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、当該光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、該光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体とを有し、前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する光ファイバ型表面プラズモンセンサと、前記光ファイバ型表面プラズモンセンサに入射して前記表面プラズモンを発生させる測定用の光の所定の特性の変化に基づいて、前記測定対象物に関する所定の情報を測定する測定手段とを有する。
【０００９】
本発明においては、光ファイバ部が、入射された光をコア中において伝送する。光ファイバ部の中途部に融着接合されている光透過部材は、コア中の光の少なくとも一部をコアの外部に導く。また、金属膜の表面側に設けられた分子識別媒体は、測定対象物の分子を選択的に識別する。コアの外部に導かれた光が光透過部材とその表面に設けられた金属膜との境界において反射することにより、分子識別媒体が識別した分子に応じた表面プラズモンが金属膜に発生する。
分子識別媒体が識別した分子に応じた表面プラズモンを発生させる光の所定の特性の変化に基づいて、測定対象物に関する所定の情報を測定する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
【００１１】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
図１に示す測定装置１０は、光源６と、分光器７と、光ファイバ２０と、測定手段としての光検出器２５とを有する。
光源６は分光器７に接続される。分光器７に光ファイバ２０の一方の端部が接続され、光ファイバ２０の他方の端部は光検出器２５に接続される。
【００１２】
光源６としては、たとえば、全ての波長の光を含む白色光を発する光源を用いる。
分光器７は、光源６が放射する光を回折格子によって分光し、これを回転することによって任意の単色光を取り出す。
【００１３】
分光器７から発せられた単色光は光ファイバ２０に入射する。分光器７から発せられた単色光の光の強度は、図示しないディテクタ等の強度測定手段によって測定しておく。
光ファイバ２０は、使用状況に応じてその長さが適宜定められる。たとえば、研究室や実験室において測定対象試料中の測定対象物の定量を行なう場合では、数十ｃｍの長さにすればよい。また、たとえば化学プラントの配管からの漏れを測定する場合には、数百ｍの長さとすることも可能である。
【００１４】
光ファイバ２０は、その中途部にセンサ部ＳＰを有する。
図２は、第１実施形態に係るセンサ部ＳＰの構成を示すための、光ファイバ２０のセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
光ファイバ２０は、コア２１と、その周りに積層されるクラッド２２とを有する。分光器７からの光はコア２１に入射される。
また、本実施形態に係るセンサ部ＳＰは、ヘテロ・コア部３と、金属膜５０と、分子識別媒体６０とを有する。
【００１５】
ヘテロ・コア部３は、本発明における光透過部材の一実施態様である。
本実施形態においては、たとえば、光ファイバ２０を中途部において切断し、その一方の光ファイバ部２０ａと他方の光ファイバ部２０ｂとの間に、数ｍｍから数ｃｍの微小なヘテロ・コア部３を挟装している。
【００１６】
図２には、光ファイバ２０と同じく、コア３１と、その周りに積層されたクラッド３２とを有するヘテロ・コア部３が示されている。
図２に示すヘテロ・コア部３においては、コア３１の径ｂｌは光ファイバ２０のコア２１の径ａｌよりも十分に小さく、例えば、ａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍであるとする。このように、コア３１の径ｂｌが光ファイバ２０のコア２１の径ａｌと異なっているため、コア３１およびクラッド３２とはヘテロ・コア部と呼ばれる。
また、ヘテロ・コア部３の長さｃｌは、例えば５ｍｍであるとする。
光ファイバ部２０ａ，２０ｂとヘテロ・コア部３は、長手方向に直交する界面４においてコア同士が接触するように同軸に接合されている。この接合には、好適には、汎用化されている放電による融着手法を用いる。
なお、光ファイバ２０およびヘテロ・コア部３としては、シングル・モード光ファイバおよびマルチ・モード光ファイバのどちらをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００１７】
金属膜５０は、ヘテロ・コア部３の外側を被覆するように任意の方法によってコーティングする。本実施形態においては、たとえば、金を蒸着によりヘテロ・コア部３のクラッド３２の外側表面に直接コーティングする。金製の金属膜５０の膜厚は、たとえば、５０ｎｍである。
【００１８】
分子識別媒体６０は、金属膜５０のさらに外部の表面側に設ける。
分子識別媒体６０は、それ自体の構造に応じた所定の対象物質の分子に対して選択的に反応または結合することによって、対象物質の分子を識別する。
分子識別媒体６０の一例として、たとえば、リン酸結合タンパク質を挙げることができる。
【００１９】
遺伝子レベルで改変してＮ末にＨｉｓ（ヒスチジン）のタグ（Ｔａｇ）とＣｙｓ（システイン）とを導入したリン酸結合タンパク質を生成する。このリン酸結合タンパク質は、Ｃｙｓが備えるチオール基によって金製の金属膜５０の表面と反応して金−システアミン（Ａｕ−Ｓ）結合を形成する。これにより、金製の金属膜５０の表面にリン酸結合タンパク質の単分子膜が形成されて、リン酸結合タンパク質が金属膜５０に固定される。
【００２０】
以上のように、チオール基を有する分子識別媒体６０であれば、Ａｕ−Ｓ結合によって金製の金属膜５０の表面に単分子膜として分子識別媒体６０を容易に形成することができる。
チオール基を持たない分子識別媒体６０を用いる場合には、金属膜５０に分子識別媒体６０を固定化するために、分子識別媒体６０に化学的または遺伝子工学的にチオール基を導入する。
【００２１】
図２において、△印がリン酸分子ＰＭを表わし、○および□印が他の物質の分子ＯＭを表わしているとする。
リン酸結合タンパク質は、図２に示すようにリン酸分子ＰＭに選択的に結合し、他の分子ＯＭとは結合しない。このため、リン酸結合タンパク質を用いればリン酸を選択的に識別することができる。
【００２２】
光検出器２５は、光ファイバ２０に入射され、センサ部ＳＰを通過した光を受光する。
光検出器２５には、たとえば、光電子倍増管を用いる。光電子倍増管は、受光した光量に応じて１μｓ以下の応答速度で光電流を発生する。この光電流を増幅して、測定における信号処理に利用する。
【００２３】
ここで、表面プラズモンを利用した測定対象物の従来の検出・測定の原理について図８を参照しながら述べる。図８において、（ａ）はクレッチマン型とよばれる従来の表面プラズモンセンサの概略構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す表面プラズモンセンサによって得られる測定結果の一例を示すグラフである。
【００２４】
クレッチマン型表面プラズモンセンサにおいては、表面に金属の薄膜５０を貼り付けたガラスＧＲの板に、光源７１から光を入射させる。光源７１から出射された光は、プリズムＰＲを介してガラスＧＲに入射する。ガラスＧＲに入射した光は、ガラスＧＲと金属薄膜５０との界面において反射する。ガラスＧＲおよびプリズムＰＲを透過した反射光を、光電子倍増管等の光学系検出器７２によって検出する。
【００２５】
ガラスＧＲに入射した光がガラスＧＲと金属薄膜５０との界面において全反射するときに、エバネッセント波と呼ばれる、界面のみを伝わる波が非常にわずかに発生する。一方、金属薄膜５０の表面にも、表面プラズモンと呼ばれる表面波が生じ得る。
ここで、エバネッセント波の波数ｋｅ、および表面プラズモンの波数ｋｓｐはそれぞれ下記式によって表わすことができる。
【００２６】
【数１】
【００２７】
上式において、λはガラスＧＲへの入射光の波長であり、θはガラスＧＲと金属薄膜５０との界面への入射光の入射角である。また、ωは角振動数、ｃは光速度、εは金属薄膜５０の誘電率、ｎは金属薄膜５０に接している媒質の屈折率である。
【００２８】
エバネッセント波の波数ｋｅと表面プラズモンの波数ｋｓｐとが一致するときには共鳴が起こり、光のエネルギーの一部が表面プラズモンを励起するために使われるため、反射光が減少する。したがって、反射光の強度を測定し、反射光が減少するときの入射角θを求めることによって、入射角θと媒質の屈折率ｎとの関係から、屈折率ｎを得ることができる。
【００２９】
実際には、図８（ａ）に示すように、光源７１からくさび型の入射光ＬＴＩを入射させ、様々な方向への反射光ＬＴＲの強度を光学系検出器７２によって一括して測定する。反射光ＬＴＲの強度を一括して測定することにより、ある入射角に対して谷を持った反射光強度曲線が得られる。図８（ｂ）が、この反射光強度曲線の一例を示すグラフである。
図８（ｂ）において、横軸は入射角θを表わし、縦軸は反射光ＬＴＲの強度を表わしている。たとえば、図８（ｂ）におけるプロットＰＩ，ＰＩＩは、最も低い強度を示す反射光が図８（ａ）における位置Ｉ，ＩＩに位置する場合の反射光強度曲線をそれぞれ表わしている。
図８（ｂ）のグラフに示すように反射光強度曲線の谷がずれたならば、金属薄膜５０に触れている媒質の濃度が変化したことが分かる。
【００３０】
表面プラズモン共鳴は金属薄膜５０の表面における現象であるため、金属薄膜５０から非常に近い位置（たとえば、金属薄膜５０の表面から１μｍ以内）にある媒質からしか影響を受けない。金属薄膜５０に非常に近い位置においてたとえば媒質の濃度変化が起きると、この濃度変化が屈折率に反映し、反射光強度を減少させる入射角θが変化する。したがって、測定対象とする媒質の濃度と反射光強度を減少させる入射角θとの関係を予め既知にしておけば、反射光強度を減少させる入射角θから媒質の濃度を測定することができる。
【００３１】
ここで、図１および図２に戻り、本実施形態に係る測定装置１０における、表面プラズモンの原理を利用した測定の手順について述べる。以下では、リン酸の濃度を測定する場合を一例として挙げる。
本実施形態に係るセンサ部ＳＰは、たとえば、測定容器１１中の、測定対象物質としてのリン酸が含有されている測定対象溶液１２中に浸漬される。
この形態に限らず、たとえば配管からの漏れなどを検出したい場合には、配管のその測定希望位置にセンサ部ＳＰは設置される。
【００３２】
光ファイバ２０のコア２１中を進行する光は、光ファイバ部２０ａ，２０ｂの部分では、コア２１とクラッド２２との境界で実質的に全反射してコア２１中をそのまま進行する。しかし、図２に示すように、光ファイバ部２０ａ，２０ｂのコア２１とヘテロ・コア部３のコア３１の径とが異なっていると、光の一部が界面４においてヘテロ・コア部３のクラッド３２にリークする。その結果、クラッド３２と金属膜５０との境界において、前述したエバネッセント波が発生する。また、金属膜５０と分子識別媒体としてのリン酸結合タンパク質の単分子膜６０との境界において、表面プラズモンが発生する。
【００３３】
前述のように、表面プラズモンには金属膜５０に非常に近い位置における媒質の濃度に係る屈折率が反映される。そして、金属膜５０に固着している単分子膜６０はリン酸と選択的に結合する。このため、測定対象溶液１２中のリン酸の濃度変化に起因する屈折率の変化のみを、表面プラズモンの波数ｋｓｐに反映させることができる。
ヘテロ・コア部３にリークして表面プラズモンを発生させた光は、再び光ファイバ部２０ａまたは２０ｂのコア２１内に入射し、光検出器２５側に伝播する。
【００３４】
センサ部ＳＰを含む光ファイバ２０内においては、光の屈折角度はほぼ一定であり、ヘテロ・コア部３のクラッド３２と金属膜５０との境界への光の入射角θもほぼ一定である。したがって、式（１）および式（２）に示すエバネッセント波の波数ｋｅおよび表面プラズモンの波数ｋｓｐが一致する共鳴条件において、入射角θが一定であるとして、媒質の屈折率ｎと入射光の波長λとの関係から屈折率ｎを求める。詳細には、光ファイバ２０に入射させる測定用の光の波長を分光器７によって変化させて掃引し、各波長の光の強度を光検出器２５によって検出する。図示しないディテクタによって予め測定しておいた、光ファイバ２０へ入射する前の光強度と、検出した光強度とを、波長の異なる光毎に比較することによって、表面プラズモン共鳴に起因して減衰が生じた光の波長を判別することができる。これにより、屈折率ｎとして反映される測定対象溶液１２中のリン酸の濃度と、強度が減少する光の波長との関係を予め既知にしておけば、減衰が生じた波長からリン酸の濃度を測定し、定量することができる。
【００３５】
第１実施形態においては、センサ部ＳＰが有するヘテロ・コア部３に、金属膜５０を介してたとえばリン酸結合タンパク質を分子識別媒体６０として固着させている。リン酸結合タンパク質がリン酸に選択的に結合することにより、リン酸の濃度のみを高い選択性で高精度に測定することができる。このように、本実施形態によれば、光ファイバ型の表面プラズモンセンサにおいて高い選択性を持たせることができる。また、リン酸結合タンパク質の単分子膜６０がリン酸と結合することによる屈折率の変化に基づいてリン酸の濃度を測定するため、センサ部ＳＰにはリン酸結合タンパク質の単分子膜６０がある程度固着していればよく、センサ部ＳＰを小型化することが可能である。
本実施形態においては、チオール基を導入したリン酸結合タンパク質を用いて、Ａｕ−Ｓ結合を利用して金製の金属膜５０にリン酸結合タンパク質の単分子膜６０を固定化している。Ａｕ−Ｓ結合により、均一な単分子膜６０を容易に固着させることができる。また、汎用化されている融着手法によりヘテロ・コア部３を光ファイバ２０ａ，２０ｂに接合するため、安価かつ容易な製造が可能である。細いコア３１だけでなく、その周りのクラッド３２も存在し、センサ部ＳＰの太さを光ファイバ部２０ａ，２０ｂの太さと同じにできるため、光ファイバ２０の強度も高くなる。以上のことから、センサ部ＳＰの精度にばらつきが少なく高品質で、配管における漏れや破断のｉｎ ｓｉｔｕ測定等の使用に耐え得る実用的な光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびこのセンサを用いた測定装置を、安価に提供することができる。
【００３６】
変形形態
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るセンサ部ＳＰの変形形態の構成を示す断面図である。
図３（ａ）は、図２を参照して述べたヘテロ・コア部３のコア径ｂｌを、光ファイバ部２０ａ，２０ｂのコア径ａｌよりも大きくした構造のセンサ部ＳＰを示している。また、図３（ｂ）は、たとえば、光ファイバ２０のクラッド２２と同等の屈折率を持つ光伝送部材３０を、ヘテロ・コア部３の代わりの光透過部材として用いた構造のセンサ部ＳＰを示している。
図３（ａ），（ｂ）に示すセンサ部ＳＰの上記以外の点は、図２に示す第１実施形態に係るセンサ部ＳＰと同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００３７】
上述の変形形態に示すように、本発明に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサの構造には、種々の形態を採用することが可能である。これにより、測定対象物や測定用途等の種々の条件に応じて適宜最適なセンサ部ＳＰを構成することができ、測定条件に対応して高い測定能力を実現することができる。
【００３８】
第２実施形態
図４は、本発明の第２実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
第２実施形態に係る測定装置１００は、センサ部ＳＰを有する光ファイバ２０を複数本束ねた光ファイバ束を有する構成の測定装置である。測定装置１００のそれ以外の点は第１実施形態に係る測定装置１０と同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００３９】
光ファイバ束として束ねられる複数の光ファイバ２０は、その一端が分光器７を介して光源６に個々に接続される。
また、光ファイバ束の各光ファイバ２０の他端は、光検出器２５に個々に接続される。
光ファイバ束は、各光ファイバ２０のセンサ部ＳＰを集めたセンサ群部ＳＰＧを除き、ほぼ全体的に被覆７０によって覆うことが、取り扱い性を向上させる点から好ましい。被覆７０には、たとえば、ビニール等の樹脂を用いる。
センサ群部ＳＰＧが、本発明におけるセンサ束の一実施態様である。
センサ群部ＳＰＧが、測定容器や配管の測定希望位置等の、測定対象物との接触を可能とする位置に配置される。
【００４０】
図５は、図４に示すセンサ群部ＳＰＧの部分の拡大図である。センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰも、第１実施形態のセンサ部ＳＰと同様に、光ファイバ部２０ａ，２０ｂの間に融着接合されたヘテロ・コア部３を有する。そして、ヘテロ・コア部３の外側に、金属膜５０および分子識別媒体６０を有する。
センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰに設けられる分子識別媒体６０は、全て同じ分子を識別するものであってもよいし、異なる分子を識別するものであってもよい。図５には、４つのセンサ部ＳＰのうちの２つに同じ分子を識別する分子識別媒体６０ａを用い、残りの２つのセンサ部ＳＰに分子識別媒体６０ａが識別する分子とは異なる分子をそれぞれ識別する分子識別媒体６０ｂおよび６０ｃをそれぞれ用いた例を挙げている。
【００４１】
分子識別媒体としては、第１実施形態において述べたリン酸結合タンパク質の他に、核酸、糖、あるいはクラウンエーテル等の分子識別能力を持つ物質を適宜用いることができる。これらの分子識別媒体は識別する分子をそれぞれ異ならせることができるため、これらの分子識別媒体を用いることにより、センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰに、異なる分子を識別する機能を与えることができる。
なお、これら種々の分子識別媒体は、前述のように、分子識別媒体自体が有するチオール基、または、分子識別媒体に化学的または遺伝子工学的に導入したチオール基によって、金製の金属膜５０に固着させることができる。
【００４２】
センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰにおいては、備える分子識別媒体の種類に応じて、これらの分子識別媒体が識別する分子の濃度に起因する屈折率に応じた表面プラズモンが発生する。光ファイバ束を構成する各光ファイバ２０からの測定用の光の出力強度を、光検出器２５を用いて検出することによって、第１実施形態において述べた原理から、各分子識別媒体が識別する分子の濃度をそれぞれ測定することができる。
【００４３】
表面プラズモン共鳴によって生じる測定用の光の減衰の程度は、金属膜５０および分子識別媒体を備えるヘテロ・コア部３の表面積および長さに依存する。第２実施形態のように複数のセンサ部ＳＰを有する場合に、同じ分子識別媒体を用いれば、ヘテロ・コア部３の表面積が実質的に大きくなり、センサ群部ＳＰＧ全体としての測定用の光の減衰量が大きくなる。このため、反射強度曲線の谷を捉え易くなり、感度が向上する。
同じ分子識別媒体を用いてヘテロ・コア部３の表面積を実質的に増やすことによって、同じ感度を得る場合のヘテロ・コア部３の長さを小さくすることができる。このため、センサ群部ＳＰＧを小型化することが可能である。
以上により、コンパクトかつ高感度な光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびそれを用いた測定装置を提供することができる。
【００４４】
異なる分子を識別する複数の分子識別媒体を用いる場合には、１つのセンサ群部ＳＰＧによって複数の測定対象物を測定することが可能になる。このため、センサ群部ＳＰＧおよび測定装置１００の小型化が可能である。
また、複数の測定対象物を同時に測定することができるため、多成分測定に要する測定時間の短縮に効果的である。
さらに、第２実施形態のように光ファイバ２０を束ねて光ファイバ束とし、光ファイバ２０毎に個々に測定用の光の入射および強度測定を行なうことにより、汎用的な光源６を用いて測定に必要な光の強度を確保し易くなり、測定装置１００のコスト上昇を抑制可能である。
【００４５】
第３実施形態
図６は、本発明の第３実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびそれを用いた測定装置の概略構成図である。
第３実施形態に係る測定装置２００は、一本の光ファイバ２０から分岐した複数のセンサ部ＳＰを有する構造の測定装置である。測定装置２００のそれ以外の点は第１実施形態に係る測定装置１０と同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００４６】
複数のセンサ部ＳＰに分岐した光ファイバ２０は、分岐後再び一本に戻る。分岐により形成された複数のセンサ部ＳＰを中途部に有する光ファイバ２０の一端は分光器７に接続され、他端は光検出器２５に接続される。
【００４７】
図７は、一本の光ファイバ２０から分岐した複数のセンサ部ＳＰの構造を示す部分拡大断面図である。
図７に示すように、センサ部ＳＰを各々備える複数の分岐部２０ｐが、一本の光ファイバ２０から分岐して設けられている。
分岐部２０ｐと光ファイバ２０との接続には、センサ部ＳＰにおけるヘテロ・コア部３の接続と同様に融着手法を用いてもよいし、慣用されている光コネクタ等の接続装置を用いてもよい。
【００４８】
複数の分岐部２０ｐのセンサ部ＳＰに用いる分子識別媒体は、第２実施形態と同様に、全て同じ分子を識別するものであってもよいし、異なる分子を識別するものであってもよい。図７においては、図示されている３つのセンサ部ＳＰのうち、２つに同じ分子を識別する分子識別媒体６０ａを用い、残りの１つのセンサ部ＳＰに分子識別媒体６０ａが識別する分子とは異なる分子を識別する分子識別媒体６０ｂを用いた例を挙げている。
【００４９】
第３実施形態においても、第２実施形態と同様に複数のセンサ部ＳＰを設けてそれぞれのセンサ部ＳＰに同じ分子、または異なる分子を識別する分子識別媒体を設ける。このため、第２実施形態と同様に、光ファイバ型表面プラズモンセンサおよびそれを用いた測定装置の高感度化、小型化、および多成分測定の測定時間の短縮等の効果がある。
さらに、第３実施形態においては、光ファイバ２０の中途部に複数のセンサ部ＳＰを分岐させて設けるため、必要とする光ファイバの増加を抑制可能であるという効果がある。
【００５０】
なお、本発明は上記の実施形態ならびに図面に記載の内容に限定されず、特許請求の範囲内において様々な変更が可能である。
たとえば、第２実施形態および第３実施形態に係るセンサ部ＳＰに、図３に示す第１実施形態の変形形態に係るセンサ部ＳＰの構造を適用してもよい。
また、第１実施形態において一本の光ファイバ２０の中途部に複数のセンサ部ＳＰを設けてもよいし、第２、第３実施形態に係るセンサ群部ＳＰＧおよび分岐した複数のセンサ部ＳＰは、複数個設けてもよい。第２実施形態の光ファイバ束に含まれる各光ファイバ２０に、第３実施形態に示す分岐した複数のセンサ部ＳＰを設けてもよい。このように複数のセンサ部ＳＰを設けると、たとえば、工場や化学プラントの配管からの化学物質の漏れなどを検出する場合に、簡便な構造の測定装置で広い範囲における測定を統合的に行なうことができる。
【００５１】
さらに、光ファイバ２０に白色光を入射し、センサ部ＳＰを通過した白色光を分光器によって分光して、減衰が生じる波長を検出する構造にしてもよい。
ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて光の入射と受光を１つの装置によって行なうこともできる。この形態では、ＯＴＤＲからの光を分光器で分光して光ファイバ２０に入射し、光検出器２５を用いることなく、センサ部ＳＰにおいて表面プラズモンを発生させた光の後方散乱光を再びＯＴＤＲで受光する。ＯＴＤＲを用いる場合には、光ファイバ２０の端部を光検出器２５に接続する必要がなく、センサ部ＳＰを含んでいれば光ファイバ２０を任意の位置で切断したままでよい。従って、測定装置の構造がさらに簡単、かつ取り扱いが簡便になり、たとえば持ち運びが可能になるなど、測定装置の利用範囲が広がる。
また、表面プラズモンを発生させるための金属膜５０としては、チオール基と結合する金属であれば、金以外の銀やその他の金属を用いることも可能である。ただし、反射光強度曲線の谷の鋭さを表わす共鳴角特性や、空気中における耐酸化性等の安定性などの諸条件を鑑みると、実用的には金が優れている。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、小型化も可能な光ファイバ型表面プラズモンセンサを提供することができる。
また、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、センサ部の小型化も可能な測定装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るセンサ部の構成を示す長手方向の断面図である。
【図３】第１実施形態に係るセンサ部の変形形態の構成を示す断面図であり、（ａ）はへテロ・コア部のコア径が光ファイバ部のコア径よりも大きい場合を示しており、（ｂ）は光ファイバのクラッドと同等の屈折率を持つ光伝送部材をヘテロ・コア部の代わりの光透過部材として用いた構造を示している。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図５】図４に示すセンサ群部の拡大図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図７】図６に示す一本の光ファイバから分岐した複数のセンサ部の構造を示す部分拡大断面図である。
【図８】（ａ）は従来のクレッチマン型表面プラズモンセンサの概略構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す表面プラズモンセンサによって得られる測定結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，１００，２００…測定装置
３…ヘテロ・コア部
６…光源
７…分光器
２０…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
２５…光検出器
５０…金属膜
６０，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ…分子識別媒体
ＳＰ…センサ部
ＳＰＧ…センサ群部
【発明の属する技術分野】
本発明は、光ファイバを用いて表面プラズモンを発生させ、この表面プラズモンを利用して測定対象を検出する光ファイバ型表面プラズモンセンサ、および、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
測定対象の検出に表面プラズモン現象を利用した表面プラズモンセンサが知られている。
表面プラズモンセンサの一種として、クレッチマン型の表面プラズモンセンサが知られている。クレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス製の平板に金属膜を設け、この金属膜を測定対象試料に接触させる構成になっている。そして、ガラスを介して金属膜に光を入射させると、金属膜に対する光の入射角と金属膜に接触している測定対象試料の屈折率とが所定の関係を満たすときに、表面プラズモン共鳴が発生して反射光の強度が低下する。したがって、反射光が減衰する入射角を検出することによって得られる測定対象試料の屈折率を、測定対象の測定に利用することができる。
【０００３】
ところが、上述のクレッチマン型表面プラズモンセンサは、ガラス板に光を入射させて、反射光が減衰するときの入射角を調べる必要があるため、たとえば遠隔地におけるｉｎ ｓｉｔｕ測定（その場測定）は困難であり、小型化も難しい。そのため、光ファイバを用いた表面プラズモンセンサも開発されている（たとえば、特許文献１参照）。
特許文献１においては、光ファイバの中途部に、コア径が異なるヘテロ・コア部と呼ばれる部分を融着接合して設け、ヘテロ・コア部の表面に表面プラズモンを発生させるための金属膜を設けたセンサが開示されている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００２−３５０３３５号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、クレッチマン型および光ファイバ型のいずれの表面プラズモンセンサにおいても、従来は感度が比較的低かった。金属膜の部分の面積を広くすれば感度は向上するが、センサを小型化・微小化することが困難になる。
また、従来の光ファイバ型表面プラズモンセンサに特定の測定対象物を検出する選択性を付与することは困難であった。
【０００６】
本発明の目的は、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、小型化も可能な光ファイバ型表面プラズモンセンサを提供することにある。また、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、センサ部の小型化も可能な測定装置を提供することも本発明の目的である。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサは、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、該光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、該光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体とを有し、前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する。
【０００８】
また、本発明に係る測定装置は、コア中で光を伝送する光ファイバ部と、当該光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、該光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、該金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体とを有し、前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する光ファイバ型表面プラズモンセンサと、前記光ファイバ型表面プラズモンセンサに入射して前記表面プラズモンを発生させる測定用の光の所定の特性の変化に基づいて、前記測定対象物に関する所定の情報を測定する測定手段とを有する。
【０００９】
本発明においては、光ファイバ部が、入射された光をコア中において伝送する。光ファイバ部の中途部に融着接合されている光透過部材は、コア中の光の少なくとも一部をコアの外部に導く。また、金属膜の表面側に設けられた分子識別媒体は、測定対象物の分子を選択的に識別する。コアの外部に導かれた光が光透過部材とその表面に設けられた金属膜との境界において反射することにより、分子識別媒体が識別した分子に応じた表面プラズモンが金属膜に発生する。
分子識別媒体が識別した分子に応じた表面プラズモンを発生させる光の所定の特性の変化に基づいて、測定対象物に関する所定の情報を測定する。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態について、添付図面を参照しながら述べる。
【００１１】
第１実施形態
図１は、本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
図１に示す測定装置１０は、光源６と、分光器７と、光ファイバ２０と、測定手段としての光検出器２５とを有する。
光源６は分光器７に接続される。分光器７に光ファイバ２０の一方の端部が接続され、光ファイバ２０の他方の端部は光検出器２５に接続される。
【００１２】
光源６としては、たとえば、全ての波長の光を含む白色光を発する光源を用いる。
分光器７は、光源６が放射する光を回折格子によって分光し、これを回転することによって任意の単色光を取り出す。
【００１３】
分光器７から発せられた単色光は光ファイバ２０に入射する。分光器７から発せられた単色光の光の強度は、図示しないディテクタ等の強度測定手段によって測定しておく。
光ファイバ２０は、使用状況に応じてその長さが適宜定められる。たとえば、研究室や実験室において測定対象試料中の測定対象物の定量を行なう場合では、数十ｃｍの長さにすればよい。また、たとえば化学プラントの配管からの漏れを測定する場合には、数百ｍの長さとすることも可能である。
【００１４】
光ファイバ２０は、その中途部にセンサ部ＳＰを有する。
図２は、第１実施形態に係るセンサ部ＳＰの構成を示すための、光ファイバ２０のセンサ部ＳＰ近傍での長手方向の断面図である。
光ファイバ２０は、コア２１と、その周りに積層されるクラッド２２とを有する。分光器７からの光はコア２１に入射される。
また、本実施形態に係るセンサ部ＳＰは、ヘテロ・コア部３と、金属膜５０と、分子識別媒体６０とを有する。
【００１５】
ヘテロ・コア部３は、本発明における光透過部材の一実施態様である。
本実施形態においては、たとえば、光ファイバ２０を中途部において切断し、その一方の光ファイバ部２０ａと他方の光ファイバ部２０ｂとの間に、数ｍｍから数ｃｍの微小なヘテロ・コア部３を挟装している。
【００１６】
図２には、光ファイバ２０と同じく、コア３１と、その周りに積層されたクラッド３２とを有するヘテロ・コア部３が示されている。
図２に示すヘテロ・コア部３においては、コア３１の径ｂｌは光ファイバ２０のコア２１の径ａｌよりも十分に小さく、例えば、ａｌ＝５０μｍ、ｂｌ＝３μｍであるとする。このように、コア３１の径ｂｌが光ファイバ２０のコア２１の径ａｌと異なっているため、コア３１およびクラッド３２とはヘテロ・コア部と呼ばれる。
また、ヘテロ・コア部３の長さｃｌは、例えば５ｍｍであるとする。
光ファイバ部２０ａ，２０ｂとヘテロ・コア部３は、長手方向に直交する界面４においてコア同士が接触するように同軸に接合されている。この接合には、好適には、汎用化されている放電による融着手法を用いる。
なお、光ファイバ２０およびヘテロ・コア部３としては、シングル・モード光ファイバおよびマルチ・モード光ファイバのどちらをも使用可能であり、これらを組み合わせて使用してもよい。
【００１７】
金属膜５０は、ヘテロ・コア部３の外側を被覆するように任意の方法によってコーティングする。本実施形態においては、たとえば、金を蒸着によりヘテロ・コア部３のクラッド３２の外側表面に直接コーティングする。金製の金属膜５０の膜厚は、たとえば、５０ｎｍである。
【００１８】
分子識別媒体６０は、金属膜５０のさらに外部の表面側に設ける。
分子識別媒体６０は、それ自体の構造に応じた所定の対象物質の分子に対して選択的に反応または結合することによって、対象物質の分子を識別する。
分子識別媒体６０の一例として、たとえば、リン酸結合タンパク質を挙げることができる。
【００１９】
遺伝子レベルで改変してＮ末にＨｉｓ（ヒスチジン）のタグ（Ｔａｇ）とＣｙｓ（システイン）とを導入したリン酸結合タンパク質を生成する。このリン酸結合タンパク質は、Ｃｙｓが備えるチオール基によって金製の金属膜５０の表面と反応して金−システアミン（Ａｕ−Ｓ）結合を形成する。これにより、金製の金属膜５０の表面にリン酸結合タンパク質の単分子膜が形成されて、リン酸結合タンパク質が金属膜５０に固定される。
【００２０】
以上のように、チオール基を有する分子識別媒体６０であれば、Ａｕ−Ｓ結合によって金製の金属膜５０の表面に単分子膜として分子識別媒体６０を容易に形成することができる。
チオール基を持たない分子識別媒体６０を用いる場合には、金属膜５０に分子識別媒体６０を固定化するために、分子識別媒体６０に化学的または遺伝子工学的にチオール基を導入する。
【００２１】
図２において、△印がリン酸分子ＰＭを表わし、○および□印が他の物質の分子ＯＭを表わしているとする。
リン酸結合タンパク質は、図２に示すようにリン酸分子ＰＭに選択的に結合し、他の分子ＯＭとは結合しない。このため、リン酸結合タンパク質を用いればリン酸を選択的に識別することができる。
【００２２】
光検出器２５は、光ファイバ２０に入射され、センサ部ＳＰを通過した光を受光する。
光検出器２５には、たとえば、光電子倍増管を用いる。光電子倍増管は、受光した光量に応じて１μｓ以下の応答速度で光電流を発生する。この光電流を増幅して、測定における信号処理に利用する。
【００２３】
ここで、表面プラズモンを利用した測定対象物の従来の検出・測定の原理について図８を参照しながら述べる。図８において、（ａ）はクレッチマン型とよばれる従来の表面プラズモンセンサの概略構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す表面プラズモンセンサによって得られる測定結果の一例を示すグラフである。
【００２４】
クレッチマン型表面プラズモンセンサにおいては、表面に金属の薄膜５０を貼り付けたガラスＧＲの板に、光源７１から光を入射させる。光源７１から出射された光は、プリズムＰＲを介してガラスＧＲに入射する。ガラスＧＲに入射した光は、ガラスＧＲと金属薄膜５０との界面において反射する。ガラスＧＲおよびプリズムＰＲを透過した反射光を、光電子倍増管等の光学系検出器７２によって検出する。
【００２５】
ガラスＧＲに入射した光がガラスＧＲと金属薄膜５０との界面において全反射するときに、エバネッセント波と呼ばれる、界面のみを伝わる波が非常にわずかに発生する。一方、金属薄膜５０の表面にも、表面プラズモンと呼ばれる表面波が生じ得る。
ここで、エバネッセント波の波数ｋｅ、および表面プラズモンの波数ｋｓｐはそれぞれ下記式によって表わすことができる。
【００２６】
【数１】
上式において、λはガラスＧＲへの入射光の波長であり、θはガラスＧＲと金属薄膜５０との界面への入射光の入射角である。また、ωは角振動数、ｃは光速度、εは金属薄膜５０の誘電率、ｎは金属薄膜５０に接している媒質の屈折率である。
【００２８】
エバネッセント波の波数ｋｅと表面プラズモンの波数ｋｓｐとが一致するときには共鳴が起こり、光のエネルギーの一部が表面プラズモンを励起するために使われるため、反射光が減少する。したがって、反射光の強度を測定し、反射光が減少するときの入射角θを求めることによって、入射角θと媒質の屈折率ｎとの関係から、屈折率ｎを得ることができる。
【００２９】
実際には、図８（ａ）に示すように、光源７１からくさび型の入射光ＬＴＩを入射させ、様々な方向への反射光ＬＴＲの強度を光学系検出器７２によって一括して測定する。反射光ＬＴＲの強度を一括して測定することにより、ある入射角に対して谷を持った反射光強度曲線が得られる。図８（ｂ）が、この反射光強度曲線の一例を示すグラフである。
図８（ｂ）において、横軸は入射角θを表わし、縦軸は反射光ＬＴＲの強度を表わしている。たとえば、図８（ｂ）におけるプロットＰＩ，ＰＩＩは、最も低い強度を示す反射光が図８（ａ）における位置Ｉ，ＩＩに位置する場合の反射光強度曲線をそれぞれ表わしている。
図８（ｂ）のグラフに示すように反射光強度曲線の谷がずれたならば、金属薄膜５０に触れている媒質の濃度が変化したことが分かる。
【００３０】
表面プラズモン共鳴は金属薄膜５０の表面における現象であるため、金属薄膜５０から非常に近い位置（たとえば、金属薄膜５０の表面から１μｍ以内）にある媒質からしか影響を受けない。金属薄膜５０に非常に近い位置においてたとえば媒質の濃度変化が起きると、この濃度変化が屈折率に反映し、反射光強度を減少させる入射角θが変化する。したがって、測定対象とする媒質の濃度と反射光強度を減少させる入射角θとの関係を予め既知にしておけば、反射光強度を減少させる入射角θから媒質の濃度を測定することができる。
【００３１】
ここで、図１および図２に戻り、本実施形態に係る測定装置１０における、表面プラズモンの原理を利用した測定の手順について述べる。以下では、リン酸の濃度を測定する場合を一例として挙げる。
本実施形態に係るセンサ部ＳＰは、たとえば、測定容器１１中の、測定対象物質としてのリン酸が含有されている測定対象溶液１２中に浸漬される。
この形態に限らず、たとえば配管からの漏れなどを検出したい場合には、配管のその測定希望位置にセンサ部ＳＰは設置される。
【００３２】
光ファイバ２０のコア２１中を進行する光は、光ファイバ部２０ａ，２０ｂの部分では、コア２１とクラッド２２との境界で実質的に全反射してコア２１中をそのまま進行する。しかし、図２に示すように、光ファイバ部２０ａ，２０ｂのコア２１とヘテロ・コア部３のコア３１の径とが異なっていると、光の一部が界面４においてヘテロ・コア部３のクラッド３２にリークする。その結果、クラッド３２と金属膜５０との境界において、前述したエバネッセント波が発生する。また、金属膜５０と分子識別媒体としてのリン酸結合タンパク質の単分子膜６０との境界において、表面プラズモンが発生する。
【００３３】
前述のように、表面プラズモンには金属膜５０に非常に近い位置における媒質の濃度に係る屈折率が反映される。そして、金属膜５０に固着している単分子膜６０はリン酸と選択的に結合する。このため、測定対象溶液１２中のリン酸の濃度変化に起因する屈折率の変化のみを、表面プラズモンの波数ｋｓｐに反映させることができる。
ヘテロ・コア部３にリークして表面プラズモンを発生させた光は、再び光ファイバ部２０ａまたは２０ｂのコア２１内に入射し、光検出器２５側に伝播する。
【００３４】
センサ部ＳＰを含む光ファイバ２０内においては、光の屈折角度はほぼ一定であり、ヘテロ・コア部３のクラッド３２と金属膜５０との境界への光の入射角θもほぼ一定である。したがって、式（１）および式（２）に示すエバネッセント波の波数ｋｅおよび表面プラズモンの波数ｋｓｐが一致する共鳴条件において、入射角θが一定であるとして、媒質の屈折率ｎと入射光の波長λとの関係から屈折率ｎを求める。詳細には、光ファイバ２０に入射させる測定用の光の波長を分光器７によって変化させて掃引し、各波長の光の強度を光検出器２５によって検出する。図示しないディテクタによって予め測定しておいた、光ファイバ２０へ入射する前の光強度と、検出した光強度とを、波長の異なる光毎に比較することによって、表面プラズモン共鳴に起因して減衰が生じた光の波長を判別することができる。これにより、屈折率ｎとして反映される測定対象溶液１２中のリン酸の濃度と、強度が減少する光の波長との関係を予め既知にしておけば、減衰が生じた波長からリン酸の濃度を測定し、定量することができる。
【００３５】
第１実施形態においては、センサ部ＳＰが有するヘテロ・コア部３に、金属膜５０を介してたとえばリン酸結合タンパク質を分子識別媒体６０として固着させている。リン酸結合タンパク質がリン酸に選択的に結合することにより、リン酸の濃度のみを高い選択性で高精度に測定することができる。このように、本実施形態によれば、光ファイバ型の表面プラズモンセンサにおいて高い選択性を持たせることができる。また、リン酸結合タンパク質の単分子膜６０がリン酸と結合することによる屈折率の変化に基づいてリン酸の濃度を測定するため、センサ部ＳＰにはリン酸結合タンパク質の単分子膜６０がある程度固着していればよく、センサ部ＳＰを小型化することが可能である。
本実施形態においては、チオール基を導入したリン酸結合タンパク質を用いて、Ａｕ−Ｓ結合を利用して金製の金属膜５０にリン酸結合タンパク質の単分子膜６０を固定化している。Ａｕ−Ｓ結合により、均一な単分子膜６０を容易に固着させることができる。また、汎用化されている融着手法によりヘテロ・コア部３を光ファイバ２０ａ，２０ｂに接合するため、安価かつ容易な製造が可能である。細いコア３１だけでなく、その周りのクラッド３２も存在し、センサ部ＳＰの太さを光ファイバ部２０ａ，２０ｂの太さと同じにできるため、光ファイバ２０の強度も高くなる。以上のことから、センサ部ＳＰの精度にばらつきが少なく高品質で、配管における漏れや破断のｉｎ ｓｉｔｕ測定等の使用に耐え得る実用的な光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびこのセンサを用いた測定装置を、安価に提供することができる。
【００３６】
変形形態
図３（ａ），（ｂ）は、本発明の第１実施形態に係るセンサ部ＳＰの変形形態の構成を示す断面図である。
図３（ａ）は、図２を参照して述べたヘテロ・コア部３のコア径ｂｌを、光ファイバ部２０ａ，２０ｂのコア径ａｌよりも大きくした構造のセンサ部ＳＰを示している。また、図３（ｂ）は、たとえば、光ファイバ２０のクラッド２２と同等の屈折率を持つ光伝送部材３０を、ヘテロ・コア部３の代わりの光透過部材として用いた構造のセンサ部ＳＰを示している。
図３（ａ），（ｂ）に示すセンサ部ＳＰの上記以外の点は、図２に示す第１実施形態に係るセンサ部ＳＰと同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００３７】
上述の変形形態に示すように、本発明に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサの構造には、種々の形態を採用することが可能である。これにより、測定対象物や測定用途等の種々の条件に応じて適宜最適なセンサ部ＳＰを構成することができ、測定条件に対応して高い測定能力を実現することができる。
【００３８】
第２実施形態
図４は、本発明の第２実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
第２実施形態に係る測定装置１００は、センサ部ＳＰを有する光ファイバ２０を複数本束ねた光ファイバ束を有する構成の測定装置である。測定装置１００のそれ以外の点は第１実施形態に係る測定装置１０と同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００３９】
光ファイバ束として束ねられる複数の光ファイバ２０は、その一端が分光器７を介して光源６に個々に接続される。
また、光ファイバ束の各光ファイバ２０の他端は、光検出器２５に個々に接続される。
光ファイバ束は、各光ファイバ２０のセンサ部ＳＰを集めたセンサ群部ＳＰＧを除き、ほぼ全体的に被覆７０によって覆うことが、取り扱い性を向上させる点から好ましい。被覆７０には、たとえば、ビニール等の樹脂を用いる。
センサ群部ＳＰＧが、本発明におけるセンサ束の一実施態様である。
センサ群部ＳＰＧが、測定容器や配管の測定希望位置等の、測定対象物との接触を可能とする位置に配置される。
【００４０】
図５は、図４に示すセンサ群部ＳＰＧの部分の拡大図である。センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰも、第１実施形態のセンサ部ＳＰと同様に、光ファイバ部２０ａ，２０ｂの間に融着接合されたヘテロ・コア部３を有する。そして、ヘテロ・コア部３の外側に、金属膜５０および分子識別媒体６０を有する。
センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰに設けられる分子識別媒体６０は、全て同じ分子を識別するものであってもよいし、異なる分子を識別するものであってもよい。図５には、４つのセンサ部ＳＰのうちの２つに同じ分子を識別する分子識別媒体６０ａを用い、残りの２つのセンサ部ＳＰに分子識別媒体６０ａが識別する分子とは異なる分子をそれぞれ識別する分子識別媒体６０ｂおよび６０ｃをそれぞれ用いた例を挙げている。
【００４１】
分子識別媒体としては、第１実施形態において述べたリン酸結合タンパク質の他に、核酸、糖、あるいはクラウンエーテル等の分子識別能力を持つ物質を適宜用いることができる。これらの分子識別媒体は識別する分子をそれぞれ異ならせることができるため、これらの分子識別媒体を用いることにより、センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰに、異なる分子を識別する機能を与えることができる。
なお、これら種々の分子識別媒体は、前述のように、分子識別媒体自体が有するチオール基、または、分子識別媒体に化学的または遺伝子工学的に導入したチオール基によって、金製の金属膜５０に固着させることができる。
【００４２】
センサ群部ＳＰＧの各センサ部ＳＰにおいては、備える分子識別媒体の種類に応じて、これらの分子識別媒体が識別する分子の濃度に起因する屈折率に応じた表面プラズモンが発生する。光ファイバ束を構成する各光ファイバ２０からの測定用の光の出力強度を、光検出器２５を用いて検出することによって、第１実施形態において述べた原理から、各分子識別媒体が識別する分子の濃度をそれぞれ測定することができる。
【００４３】
表面プラズモン共鳴によって生じる測定用の光の減衰の程度は、金属膜５０および分子識別媒体を備えるヘテロ・コア部３の表面積および長さに依存する。第２実施形態のように複数のセンサ部ＳＰを有する場合に、同じ分子識別媒体を用いれば、ヘテロ・コア部３の表面積が実質的に大きくなり、センサ群部ＳＰＧ全体としての測定用の光の減衰量が大きくなる。このため、反射強度曲線の谷を捉え易くなり、感度が向上する。
同じ分子識別媒体を用いてヘテロ・コア部３の表面積を実質的に増やすことによって、同じ感度を得る場合のヘテロ・コア部３の長さを小さくすることができる。このため、センサ群部ＳＰＧを小型化することが可能である。
以上により、コンパクトかつ高感度な光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびそれを用いた測定装置を提供することができる。
【００４４】
異なる分子を識別する複数の分子識別媒体を用いる場合には、１つのセンサ群部ＳＰＧによって複数の測定対象物を測定することが可能になる。このため、センサ群部ＳＰＧおよび測定装置１００の小型化が可能である。
また、複数の測定対象物を同時に測定することができるため、多成分測定に要する測定時間の短縮に効果的である。
さらに、第２実施形態のように光ファイバ２０を束ねて光ファイバ束とし、光ファイバ２０毎に個々に測定用の光の入射および強度測定を行なうことにより、汎用的な光源６を用いて測定に必要な光の強度を確保し易くなり、測定装置１００のコスト上昇を抑制可能である。
【００４５】
第３実施形態
図６は、本発明の第３実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサ、およびそれを用いた測定装置の概略構成図である。
第３実施形態に係る測定装置２００は、一本の光ファイバ２０から分岐した複数のセンサ部ＳＰを有する構造の測定装置である。測定装置２００のそれ以外の点は第１実施形態に係る測定装置１０と同じであるため、同一構成要素には同一符号を付し、詳細な記述は省略する。
【００４６】
複数のセンサ部ＳＰに分岐した光ファイバ２０は、分岐後再び一本に戻る。分岐により形成された複数のセンサ部ＳＰを中途部に有する光ファイバ２０の一端は分光器７に接続され、他端は光検出器２５に接続される。
【００４７】
図７は、一本の光ファイバ２０から分岐した複数のセンサ部ＳＰの構造を示す部分拡大断面図である。
図７に示すように、センサ部ＳＰを各々備える複数の分岐部２０ｐが、一本の光ファイバ２０から分岐して設けられている。
分岐部２０ｐと光ファイバ２０との接続には、センサ部ＳＰにおけるヘテロ・コア部３の接続と同様に融着手法を用いてもよいし、慣用されている光コネクタ等の接続装置を用いてもよい。
【００４８】
複数の分岐部２０ｐのセンサ部ＳＰに用いる分子識別媒体は、第２実施形態と同様に、全て同じ分子を識別するものであってもよいし、異なる分子を識別するものであってもよい。図７においては、図示されている３つのセンサ部ＳＰのうち、２つに同じ分子を識別する分子識別媒体６０ａを用い、残りの１つのセンサ部ＳＰに分子識別媒体６０ａが識別する分子とは異なる分子を識別する分子識別媒体６０ｂを用いた例を挙げている。
【００４９】
第３実施形態においても、第２実施形態と同様に複数のセンサ部ＳＰを設けてそれぞれのセンサ部ＳＰに同じ分子、または異なる分子を識別する分子識別媒体を設ける。このため、第２実施形態と同様に、光ファイバ型表面プラズモンセンサおよびそれを用いた測定装置の高感度化、小型化、および多成分測定の測定時間の短縮等の効果がある。
さらに、第３実施形態においては、光ファイバ２０の中途部に複数のセンサ部ＳＰを分岐させて設けるため、必要とする光ファイバの増加を抑制可能であるという効果がある。
【００５０】
なお、本発明は上記の実施形態ならびに図面に記載の内容に限定されず、特許請求の範囲内において様々な変更が可能である。
たとえば、第２実施形態および第３実施形態に係るセンサ部ＳＰに、図３に示す第１実施形態の変形形態に係るセンサ部ＳＰの構造を適用してもよい。
また、第１実施形態において一本の光ファイバ２０の中途部に複数のセンサ部ＳＰを設けてもよいし、第２、第３実施形態に係るセンサ群部ＳＰＧおよび分岐した複数のセンサ部ＳＰは、複数個設けてもよい。第２実施形態の光ファイバ束に含まれる各光ファイバ２０に、第３実施形態に示す分岐した複数のセンサ部ＳＰを設けてもよい。このように複数のセンサ部ＳＰを設けると、たとえば、工場や化学プラントの配管からの化学物質の漏れなどを検出する場合に、簡便な構造の測定装置で広い範囲における測定を統合的に行なうことができる。
【００５１】
さらに、光ファイバ２０に白色光を入射し、センサ部ＳＰを通過した白色光を分光器によって分光して、減衰が生じる波長を検出する構造にしてもよい。
ＯＴＤＲ（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｉｍｅ−Ｄｏｍａｉｎ Ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｅｒ）を用いて光の入射と受光を１つの装置によって行なうこともできる。この形態では、ＯＴＤＲからの光を分光器で分光して光ファイバ２０に入射し、光検出器２５を用いることなく、センサ部ＳＰにおいて表面プラズモンを発生させた光の後方散乱光を再びＯＴＤＲで受光する。ＯＴＤＲを用いる場合には、光ファイバ２０の端部を光検出器２５に接続する必要がなく、センサ部ＳＰを含んでいれば光ファイバ２０を任意の位置で切断したままでよい。従って、測定装置の構造がさらに簡単、かつ取り扱いが簡便になり、たとえば持ち運びが可能になるなど、測定装置の利用範囲が広がる。
また、表面プラズモンを発生させるための金属膜５０としては、チオール基と結合する金属であれば、金以外の銀やその他の金属を用いることも可能である。ただし、反射光強度曲線の谷の鋭さを表わす共鳴角特性や、空気中における耐酸化性等の安定性などの諸条件を鑑みると、実用的には金が優れている。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、小型化も可能な光ファイバ型表面プラズモンセンサを提供することができる。
また、この光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた、選択性を向上させて高感度に測定対象物を検出して測定可能であり、かつ、センサ部の小型化も可能な測定装置を提供することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図２】第１実施形態に係るセンサ部の構成を示す長手方向の断面図である。
【図３】第１実施形態に係るセンサ部の変形形態の構成を示す断面図であり、（ａ）はへテロ・コア部のコア径が光ファイバ部のコア径よりも大きい場合を示しており、（ｂ）は光ファイバのクラッドと同等の屈折率を持つ光伝送部材をヘテロ・コア部の代わりの光透過部材として用いた構造を示している。
【図４】本発明の第２実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図５】図４に示すセンサ群部の拡大図である。
【図６】本発明の第３実施形態に係る光ファイバ型表面プラズモンセンサを用いた測定装置の概略構成図である。
【図７】図６に示す一本の光ファイバから分岐した複数のセンサ部の構造を示す部分拡大断面図である。
【図８】（ａ）は従来のクレッチマン型表面プラズモンセンサの概略構成を示す図であり、（ｂ）は（ａ）に示す表面プラズモンセンサによって得られる測定結果の一例を示すグラフである。
【符号の説明】
１０，１００，２００…測定装置
３…ヘテロ・コア部
６…光源
７…分光器
２０…光ファイバ
２１，３１…コア
２２，３２…クラッド
２５…光検出器
５０…金属膜
６０，６０ａ，６０ｂ，６０ｃ…分子識別媒体
ＳＰ…センサ部
ＳＰＧ…センサ群部
Claims (10)
- コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、
前記光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体と
を有し、
前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する
光ファイバ型表面プラズモンセンサ。 - 前記分子識別媒体自体が有するチオール基、または、前記分子識別媒体に化学的または遺伝子工学的に導入したチオール基によって前記分子識別媒体を前記金属膜に固定した
請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモンセンサ。 - 複数の前記光ファイバ部を束ねた光ファイバ束を有し、
前記光ファイバ束の各光ファイバ部にそれぞれ前記光透過部材と、前記金属膜と、前記分子識別媒体とを設けた
請求項１または２に記載の光ファイバ型表面プラズモンセンサ。 - 一本の光ファイバから分岐した複数の前記光ファイバ部を有し、当該光ファイバ部のそれぞれに前記光透過部材と、前記金属膜と、前記分子識別媒体とを設けた
請求項１または２に記載の光ファイバ型表面プラズモンセンサ。 - 前記複数の光ファイバ部に対して、識別する前記分子が異なる複数の前記分子識別媒体を設けた
請求項３または４に記載の光ファイバ型表面プラズモンセンサ。 - コア中で光を伝送する光ファイバ部と、
前記光ファイバ部の中途部に融着接合され、前記光ファイバ部が伝送する光の少なくとも一部を前記コアの外部に導く光透過部材と、
前記光透過部材の表面に設けられ、該表面における前記光透過部材中の光の反射により表面プラズモンを発生する金属膜と、
前記金属膜の表面側に設けられ、測定対象物の分子を選択的に識別する分子識別媒体と
を有し、前記分子識別媒体が識別した前記分子に応じた前記表面プラズモンを発生する光ファイバ型表面プラズモンセンサと、
前記光ファイバ型表面プラズモンセンサに入射して前記表面プラズモンを発生させる測定用の光の所定の特性の変化に基づいて、前記測定対象物に関する所定の情報を測定する測定手段と
を有する測定装置。 - 前記分子識別媒体自体が有するチオール基、または、前記分子識別媒体に化学的または遺伝子工学的に導入したチオール基によって前記分子識別媒体を前記金属膜に固定した
請求項６に記載の測定装置。 - 複数の前記光ファイバ型表面プラズモンセンサを束ねたセンサ束を有する
請求項６または７に記載の測定装置。 - 一本の光ファイバから分岐した複数の前記光ファイバ型表面プラズモンセンサを有する
請求項６または７に記載の測定装置。 - 前記複数の光ファイバ型表面プラズモンセンサの前記分子識別媒体は、異なる前記分子を識別する
請求項８または９に記載の測定装置。
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|---|---|---|---|
| JP2003104116A JP2004309341A (ja) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | 光ファイバ型表面プラズモンセンサおよびそれを用いた測定装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
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| JP2003104116A Pending JP2004309341A (ja) | 2003-04-08 | 2003-04-08 | 光ファイバ型表面プラズモンセンサおよびそれを用いた測定装置 |
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| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2004309341A (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010084523A1 (ja) * | 2009-01-20 | 2010-07-29 | 学校法人創価大学 | 湿度センサ及び湿度測定装置 |
| CN111122456A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-08 | 桂林电子科技大学 | 一种错位异质结构光纤表面等离子体共振传感器 |
-
2003
- 2003-04-08 JP JP2003104116A patent/JP2004309341A/ja active Pending
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