JP2005147891A - Surface plasmon resonance sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、検知対象物質であるターゲットの定性及び定量測定を行うための表面プラズモン共鳴センサに関し、特に回折格子を利用してコンパクトな構造にしたものであって、更に迷光を防止してS/N比の向上を図った表面プラズモン共鳴センサに関する。 The present invention relates to a surface plasmon resonance sensor for performing qualitative and quantitative measurement of a target as a detection target substance, and more particularly to a compact structure using a diffraction grating, which further prevents stray light and prevents S / S. The present invention relates to a surface plasmon resonance sensor with an improved N ratio.
表面プラズモン共鳴センサは、例えば生体分子の相互作用を分子レベルで測定するため、相互作用を起こす生体分子の一方がセンサチップ面に固定され、これに作用する分子を含んだサンプル液がマイクロ流路等を介してセンサチップ表面に流される。2分子間の結合・解離に伴うセンサチップ面近傍での微量な屈折率変化が表面プラズモン共鳴シグナルとして検出され、このシグナルの経時変化がセンサグラムと呼ばれるグラフとして表示される。そして、センサチップ表面での分子の相互作用をリアルタイムにモニタすることにより、このセンサチップに対して特異的に認識するターゲット(微量物質など)の検出を可能としている。 In the surface plasmon resonance sensor, for example, in order to measure the interaction of biomolecules at the molecular level, one of the biomolecules that cause the interaction is fixed on the sensor chip surface, and the sample liquid containing the molecules that act on this is flown through the microchannel. And so on through the sensor chip surface. A minute change in refractive index near the sensor chip surface due to the binding / dissociation between two molecules is detected as a surface plasmon resonance signal, and the change with time of this signal is displayed as a graph called a sensorgram. Then, by monitoring the interaction of molecules on the surface of the sensor chip in real time, it is possible to detect a target (such as a trace substance) that is specifically recognized for the sensor chip.
こうした表面プラズモン共鳴を利用した測定装置には光学系の配置の違いなどからいくつかの方式がある。それらについては「生体物質相互作用のリアルタイム解析実験方法(永田和宏、半田宏、編集シュプリンガーフェアラーク東京(株)発行)」に記載されている。一方、表面プラズモン共鳴測定装置に関する特許文献としては、例えば特開平9−292333号公報に、多数のサンプル液についての分析を一度にまとめて行い、高い分析精度を得ることができる表面プラズモン共鳴センサが提案されている。ここで図6及び図7は、同公報に記載された表面プラズモン共鳴センサの平面形状、側面形状をそれぞれ示した図である。 There are several methods for measuring devices using such surface plasmon resonance because of differences in the arrangement of optical systems. These are described in “Real-time analysis experiment method of biological material interaction (Kazuhiro Nagata, Hiroshi Handa, edited by Springer Fairlark Tokyo Co., Ltd.)”. On the other hand, as a patent document relating to a surface plasmon resonance measuring apparatus, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-292333 discloses a surface plasmon resonance sensor capable of performing analysis on a large number of sample solutions at once and obtaining high analysis accuracy. Proposed. Here, FIGS. 6 and 7 are diagrams showing the planar shape and the side surface shape of the surface plasmon resonance sensor described in the publication.
この表面プラズモン共鳴センサ200では、5本の光ビーム240が、入射側シリンドリカルレンズ221から、平面視状態で平行光にする入射側シリンドリカルレンズ222を介し、更に入射側シリンドリカルレンズ223によって集光させてプリズム230と5個の金属膜210との界面に同時に照射される。
一方、金属膜210とプリズム230との界面231で全反射した光ビーム240は、平行光化する出射側シリンドリカルレンズ224と集光する出射側シリンドリカルレンズ225を介して光検出手段250によって検出される。
In the surface
On the other hand, the
そして、光検出手段250の各受光素子列毎に出力される光検出信号Sm は、全反射した光ビーム240の強度Iを入射角θ毎に示すものとなる。また、特定の入射角θSPで入射した光は、金属膜210とサンプル液260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。そのため光検出手段250の各受光素子毎に出力される光検出信号Sを用いれば上記入射角θSPが分かり、このθSPの時間的変化からサンプル液260中の特定物質の定量性や親和性を分析することができる。
The light detection signal Sm output for each light receiving element array of the light detection means 250 indicates the intensity I of the totally reflected
また、5つの金属膜210に向けてそれぞれ光ビーム240が照射されるので、光検出手段250の各受光素子列毎に光検出信号S1、S2、S3、S4、S5が出力され、各金属膜210に接触している5個のサンプル液260の分析を同時に行うことができ、複数のサンプル液260について短い時間間隔で一度にまとめて行なえる。
しかしながら、特許文献1に記載するような従来の表面プラズモン共鳴センサ200は、光ビーム240の進行方向である図面の左右にかけて半導体レーザーアレイ220、プリズム230、シリンドリカルレンズ221〜225及び光検出手段250が一方向に並べられて配置されている。そのため、測定位置である金属膜210を挟んで表面プラズモン共鳴センサ200の構成部品が広く配置された構成になってしまい、表面プラズモン共鳴センサ200を大型化させていた。
However, the conventional surface
一方、本出願人は、こうした大型化の問題を解消すべく、先に出願した特願2003−160234において、回折格子を使用して光を偏向させる表面プラズモン共鳴センサを提案した。ところが、光の偏向に回折格子を使用した場合、表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに役立つ次数の回折光だけが受光部に到達すればよいが、それ以外の回折光が迷光となって反射を繰り返し、その一部が受光部に入ってしまってセンサのS/N比を低下させるという新たな問題が発生した。特に、透過率が悪くなる関係から光を傾けて回折格子に入射させた場合、強度の大きい0次光が迷光となって受光部に入ってしまいセンサのS/N比を低下させることが大きな問題となった。 On the other hand, the present applicant has proposed a surface plasmon resonance sensor that deflects light using a diffraction grating in Japanese Patent Application No. 2003-160234, which has been filed earlier, in order to solve such an increase in size. However, when a diffraction grating is used for deflecting light, only the diffracted light of the order that is useful for generating the surface plasmon resonance phenomenon needs to reach the light receiving part, but other diffracted light is reflected as stray light. Repeatedly, a new problem that a part of the light enters the light receiving portion and the S / N ratio of the sensor is lowered occurs. In particular, when light is tilted and made incident on the diffraction grating due to the deterioration of transmittance, the 0th-order light having high intensity becomes stray light and enters the light receiving unit, which greatly reduces the S / N ratio of the sensor. It became a problem.
そこで、本発明は、かかる課題を解決すべく、S/N比を向上させたコンパクトな表面プラズモン共鳴センサを提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide a compact surface plasmon resonance sensor having an improved S / N ratio in order to solve such a problem.
本発明の表面プラズモン共鳴センサは、センサ本体を構成する平行な面をもった透明なチップ基板と、そのチップ基板の一の面に設けられた感応膜と金属膜とから構成される表面プラズモン共鳴検知面と、入射光を所定角度で表面プラズモン共鳴検知面に入射させるようにチップ基板の他の面に設けられた回折格子と、前記表面プラズモン共鳴検知面を反射した反射光の強度を出力すべく前記チップ基板の他の面に取り付けられた受光手段と、前記回折格子によって回折した光のうち、表面プラズモン共鳴現象を発生させるために使用する次数以外の光が前記受光手段に対してノイズとして入射するのを防止すべく、当該ノイズとなる光を吸収、干渉または反射する迷光防止手段と、を有することを特徴とする。 The surface plasmon resonance sensor of the present invention is a surface plasmon resonance composed of a transparent chip substrate having parallel surfaces constituting a sensor body, and a sensitive film and a metal film provided on one surface of the chip substrate. A detection surface, a diffraction grating provided on the other surface of the chip substrate so that incident light is incident on the surface plasmon resonance detection surface at a predetermined angle, and the intensity of reflected light reflected from the surface plasmon resonance detection surface are output. Therefore, light other than the order used to generate the surface plasmon resonance phenomenon among the light diffracted by the light receiving means attached to the other surface of the chip substrate and the diffraction grating as noise to the light receiving means. In order to prevent the light from entering, it has stray light preventing means for absorbing, interfering or reflecting the light that becomes the noise.
また、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、前記表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに使用する回折光が1次光であって、前記迷光防止手段が、前記チップ基板内の0次光が通る光路上に配置された光吸収材であることを特徴とする。
また、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、前記迷光防止手段が、前記チップ基板の一の面側には前記表面プラズモン共鳴検知面を挟む2箇所の位置と、前記チップ基板の他の面側には表面プラズモン共鳴検知面と対面する位置とにそれぞれ凹部が形成され、そこに光吸収材が充填されたものであることを特徴とする。
In the surface plasmon resonance sensor of the present invention, the diffracted light used to generate the surface plasmon resonance phenomenon is primary light, and the stray light preventing means transmits light through which zero-order light in the chip substrate passes. It is a light absorption material arranged on the road.
In the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, the stray light preventing means may be disposed at two positions on the one surface side of the chip substrate with the surface plasmon resonance detection surface sandwiched between the other surface side of the chip substrate. Is characterized in that concave portions are formed at positions facing the surface plasmon resonance detection surface and filled with a light absorbing material.
また、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、前記迷光防止手段が、前記チップ基板の平行な面に対して、前記表面プラズモン共鳴検知面、回折格子及び受光手段が配置された箇所を除く部分に反射防止膜が設けられたものであることを特徴とする。
また、本発明の表面プラズモン共鳴センサは、前記表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに使用する回折光が1次光であって、前記迷光防止手段が、前記チップ基板の0次光が到達する前記チップ基板の一の面に設けられた当該0次光を該0次光の入射方向に向けて反射させる反射面であることを特徴とする。
Further, in the surface plasmon resonance sensor of the present invention, the stray light preventing means reflects on a portion other than a place where the surface plasmon resonance detection surface, the diffraction grating, and the light receiving means are arranged with respect to a parallel surface of the chip substrate. It is characterized in that a prevention film is provided.
In the surface plasmon resonance sensor of the present invention, the diffracted light used to generate the surface plasmon resonance phenomenon is first-order light, and the stray light preventing means is configured to receive the zero-order light from the chip substrate. It is a reflection surface that reflects the zero-order light provided on one surface of the chip substrate toward the incident direction of the zero-order light.
よって、本発明の表面プラズモン共鳴センサでは、回折格子を通った回折光を表面プラズモン共鳴検知面へ所定の角度で入射させ、その反射光が受光手段に到達することにより、サンプル液内のターゲットが表面プラズモン共鳴検知面に相互作用している場合の反射光強度の変化から微量物質の定性及び定量が測定できる。その際、表面プラズモン共鳴現象を発生させるために1次回折光が使用され、それ以外の次数の回折光が迷光となってチップ基板内で反射を繰り返し、受光手段に対して1次回折光と重なるように入射すると、それがノイズとなってS/N比を低下させる。そのため、1次光以外の回折光、特に強度の大きい0次光が反射を繰り返し、受光手段に対して1次光と重なるようにして入射するのを防止する必要がある。この点、本発明の表面プラズモンセンサでは、チップ基板内で迷光となって反射を繰り返す光を光吸収材で吸収、あるいは干渉フィルタなどの反射防止膜によって透過、あるいは反射面で該光の入射方向に反射させ、受光手段に到達しないか、或いは到達してもノイズとして問題にならない程度に非常に強度が小さいものとなる。 Therefore, in the surface plasmon resonance sensor of the present invention, the diffracted light that has passed through the diffraction grating is incident on the surface plasmon resonance detection surface at a predetermined angle, and the reflected light reaches the light receiving means, whereby the target in the sample liquid is The qualitative and quantitative determination of trace substances can be measured from the change in reflected light intensity when interacting with the surface plasmon resonance detection surface. At that time, the first-order diffracted light is used to generate the surface plasmon resonance phenomenon, and the other orders of diffracted light become stray light and repeatedly reflected in the chip substrate, so that the light-receiving means overlaps with the first-order diffracted light. , It becomes noise and lowers the S / N ratio. Therefore, it is necessary to prevent the diffracted light other than the primary light, in particular, the 0th-order light having a high intensity from being repeatedly reflected and entering the light receiving means so as to overlap the primary light. In this respect, in the surface plasmon sensor of the present invention, the light that is repeatedly reflected as stray light in the chip substrate is absorbed by the light absorbing material, transmitted by the antireflection film such as an interference filter, or the incident direction of the light on the reflecting surface. The intensity is very small so that it does not reach the light receiving means or does not pose a problem as noise even if it reaches.
よって、本発明によれば、透明なチップ基板の一の面に表面プラズモン共鳴検知面を設け、他の面には回折格子と受光手段とを設けるようにしたので、可動装置を用いることなく、また光学レンズ系を複雑にする必要もなくなって、コンパクトな表面プラズモン共鳴センサを提供することができた。そして、回折格子によって回折した光のうち、表面プラズモン共鳴現象を発生させるために使用する次数以外の回折光が前記受光手段に対してノイズとして入射するのを防止すべく、当該ノイズとなる光を吸収、干渉または反射する迷光防止手段を有するので、S/N比を向上させた表面プラズモン共鳴センサを提供することが可能になった。 Therefore, according to the present invention, since the surface plasmon resonance detection surface is provided on one surface of the transparent chip substrate and the diffraction grating and the light receiving means are provided on the other surface, without using a movable device, Further, it is not necessary to complicate the optical lens system, and a compact surface plasmon resonance sensor can be provided. Then, in order to prevent the diffracted light other than the order used for generating the surface plasmon resonance phenomenon from being diffracted by the diffraction grating, the light that becomes the noise is prevented from entering the light receiving means as noise. It has become possible to provide a surface plasmon resonance sensor having an improved S / N ratio because it has means for preventing stray light that absorbs, interferes with or reflects.
次に、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサの一実施形態について図面を参照しながら以下に説明する。
先ず、表面プラズモン共鳴センサの構造及び原理について簡単に説明する。図1は表面プラズモン共鳴センサの一部を簡略化して示した図である。この表面プラズモン共鳴センサ100は、ガラスなどからなる透明なチップ基板111の一面に金膜112が45nm程度成膜されている。表面プラズモン共鳴させるには、金や銀などのある種の金属が必要だからである。一般的には、化学的不活性、表面プラズモン共鳴シグナルの発生効率の良さなどの理由から金が用いられている。なお、金属層上には、特定の検出種と相互作用して特異的に結合する結合物質(リガンド、分子認識素子)が塗布されている。
Next, an embodiment of a surface plasmon resonance sensor according to the present invention will be described below with reference to the drawings.
First, the structure and principle of the surface plasmon resonance sensor will be briefly described. FIG. 1 is a simplified view of a part of a surface plasmon resonance sensor. In the surface
表面プラズモン共鳴センサ100では、図示するようにある角度θで入射光114が与えられると、チップ基板111と金膜112との境界面で反射した反射光115の強度が測定できる。そこで、この表面プラズモン共鳴センサ100を使用した測定装置では、レーザーダイオードなどの光源から、図1に示すように入射光114を入射させ、全反射した反射光115を不図示のフォトダイオードアレイなどの受光手段で受光させて、その反射光115の強度を検出するようにしている。
The surface
チップ基板111と金膜112との界面で全反射するように光が照射されると、エバネッセント波が励起される。特定の入射角において、エバネッセント波の振動周期と金膜112表面に発生する表面プラズモン波の周期が等しくなり、共鳴現象により表面プラズモンが励起される。その結果、入射光のエネルギが表面プラズモン共鳴に使われるため、反射光115の強度が著しく低下する。ここで図2は、表面プラズモン共鳴センサによって検出される反射光強度の入射角度依存性を示した表面プラズモン共鳴曲線であるが、図示するように反射光強度の入射角度依存性を測定すると、ある特定の角度において反射光115の強度が減衰した「光の谷」が認められる。この光学現象が表面プラズモン共鳴である。表面プラズモン共鳴は入射光の波長及び角度に依存しており、励起されると特定の入射角又は特定の波長を有する光成分の光エネルギーが表面プラズモン波へ移行し、対応する入射角又は波長を有する反射光が減少する。
When light is irradiated so as to be totally reflected at the interface between the
また、表面プラズモン共鳴は金属層の表面におけるサンプル液の屈折率にも依存しており、サンプル液の屈折率が変化すれば波長一定の場合には共鳴角が変化し、入射角度一定の場合には共鳴波長が変化する。したがって、反射光の強度に基づき共鳴角或いは共鳴波長を調べることにより、金属層の表面におけるサンプル液の屈折率を分析することができる。金膜112表面の屈折率が変化し、図2に示すようにAからBのように共鳴角がシフトした場合、このシフト量の時間的変化を検出すれば、サンプル液などについてその定性情報及び定量情報を得ることができる。そこで、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサは、例えば図2において入射角をθ1に固定し、シフトした反射光強度の変化ΔIからサンプル液中のターゲットの定性及び定量を測定するようにした。
Surface plasmon resonance also depends on the refractive index of the sample liquid on the surface of the metal layer. If the refractive index of the sample liquid changes, the resonance angle changes when the wavelength is constant, and when the incident angle is constant. Changes the resonance wavelength. Therefore, the refractive index of the sample liquid on the surface of the metal layer can be analyzed by examining the resonance angle or the resonance wavelength based on the intensity of the reflected light. When the refractive index on the surface of the
続いて、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサについて説明する。図3は、第1実施形態の表面プラズモン共鳴センサを示した断面図である。この表面プラズモン共鳴センサ1は、シリコン基板などで作られたセンサ基板11、反射防止膜12、それにガラスなどの透明なチップ基板13、そして反射防止膜14が層状に重ねられている。そして、反射防止膜12の層には光路偏向手段として等間隔の回折格子15が設けられ、もう一方の反射防止膜14の層にはプラズモン共鳴検知面16が設けられている。センサ基板11は、チップ基板13へ光を誘導する円形、多角形或いは切りかき等の開口部17が穿設されており、照射された光からある決まった角度の直進光のみを取り出すため、迷光をカットするアパーチャ18をその入口に取り付けることもできる。
Then, the surface plasmon resonance sensor of this embodiment is demonstrated. FIG. 3 is a cross-sectional view showing the surface plasmon resonance sensor of the first embodiment. The surface
表面プラズモン共鳴センサ1への入射光7は、例えば光源として設けられた赤色レーザからのレーザ光であり、その入射光(以下、「レーザ光」とする)7が開口部17を通って導かれたチップ基板13の一面には光路偏向手段として回折格子15が設けられている。すなわち、この回折格子15が、レーザ光7を偏向させてプラズモン共鳴検知面16へ所定の角度で光を入射させる。
ところで、その入射角は、共鳴角が測定するターゲットによって異なるため、適した入射光及び反射光が得られるように設計する必要がある。特に本実施形態では、図2で示すように、反射光強度の変化ΔIをとるための共鳴角(入射角)を固定するが、変化ΔIが大きくなるように入射角θ1が設定される。
The
By the way, since the incident angle differs depending on the target to be measured, it is necessary to design so that suitable incident light and reflected light can be obtained. In particular, in the present embodiment, as shown in FIG. 2, the resonance angle (incident angle) for taking the change ΔI in reflected light intensity is fixed, but the incident angle θ1 is set so that the change ΔI becomes large.
一方、本実施形態では表面プラズモン共鳴センサ1では、回折格子15で発生する回折光(0次光、1次光、2次光…)のうち、表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに役立つ光として1次光S1が利用される(一般的にも1次光S1が利用される)。従って、その1次光S1が入射角θ1でプラズモン共鳴検知面16に入射するようにしなければならない。そこで、1次光S1を入射角θ1で入射させるため、本実施形態では、レーザ光7を回折格子15に対してθ2の角度で入射するようにしている。
On the other hand, in the present embodiment, the surface
平行な面を上下にもつチップ基板13には、その一面に回折格子15が設けられ、反対の面には、金膜20と感応膜21とが重ねられたプラズモン共鳴検知面16が設けられている。更に、このチップ基板13には、回折格子15と同じ面に受光手段としてフォトダイオード22が設けられている。そして、チップ基板13の上下両面には回折格子15やプラズモン共鳴検知面16、更にフォトダイオード22を除く部分に反射防止膜12,14が設けられている。これは光路偏向手段として用いた回折格子15によって、表面プラズモン共鳴に利用する1次光S1以外の回折光がチップ基板13内で反射を繰り返して迷光になるのを防ぐためである。
A
すなわち、この表面プラズモン共鳴センサ1では、前述したように回折格子15で発生した回折光(0次光、1次光、2次光…)のうち表面プラズモン共鳴現象を発生させる光として1次光S1が利用される。そして、それ以外の次数の回折光は迷光となってチップ基板13内を反射することになるが、それがフォトダイオード22へ1次光と重なって入ると、ノイズとなってセンサのS/N比を低下させてしまうことになる。特に、回折していない0次光S0は1次光S1に比べて強度が大きいため、センサのS/N比を低下させる大きな原因となる。そこで本実施形態では、こうした問題に対応するべく、チップ基板13の上下両面に反射防止膜12,14を設けることとした。
That is, in the surface
続いて、以上のような構成による表面プラズモン共鳴センサ1の作用について以下に説明する。
この表面プラズモン共鳴センサ1には、所定の角度θ2で開口部17に入射するレーザ光7が、不図示の偏光板によってP偏光のみ選択され回折格子15に照射される。回折格子15により回析したレーザ光7は、その1次光S1がチップ基板13内を進み、プラズモン共鳴検知面16に対してθ1の角度で入射する。
Next, the operation of the surface
In the surface
プラズモン共鳴検知面16において表面プラズモン共鳴を発生させた反射光が、フォトダイオード22で受光されると、そこで反射光の強度に比例した出力電圧が生ずる。そしてフォトダイオード22から出力されたその測定信号が不図示の演算処理装置へと送信され、この測定信号に基づいた定性及び定量情報が反射光強度の変化ΔIに基づいて解析される。
When the reflected light that has generated surface plasmon resonance on the plasmon
本実施形態では、プラズモン共鳴検知面16への入射角θ1がレーザ光7の入射角θ2と回折格子15によって設定されており、図2に示すように、その角度θ1における反射光強度の情報が得られる。そのため、感応膜21におけるターゲットの有無により屈折率が変化して共鳴角がΔθだけシフトすることで、共鳴角θ1における反射光強度にもΔIの変化が生じることになる。従って、この差を測定信号によって検出することができ、その結果ターゲットの定性及び定量が情報として得られる。
In the present embodiment, the incident angle θ1 to the plasmon
一方、チップ基板13内には回折格子15を通して0次光S0が入射するが、これはプラズモン共鳴検知面16に直接当たることなく、隣りに設けられた反射防止膜14へと当たる。干渉フィルタからなるこの反射防止膜14では、0次光S0が全て透過してしまうわけではなく一部が反射する。それが更に反対の反射防止膜12を透過し、こうした透過を繰り返すうちに0次光S0の強度が小さくなる。これは0次光に限るものではなく、回折格子15によって生じた回折光が、反射防止膜12,14での透過を繰り返すこによって弱められ、その結果、チップ基板13内での迷光が抑制される。
On the other hand, the 0th-order light S0 is incident on the
よって、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサ1は、回折格子15を利用し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる1次光S1を、同じチップ基板13に形成したプラズモン共鳴検知面16を反射させフォトダイオード22に入射させるようにしたので、センサ全体をコンパクトにすることができた。
更に、本実施形態では、回折格子15を使用することによって、チップ基板13内では回折光が反射を繰り返して迷光となりうるが、チップ基板13の上下両面に設けた反射防止膜12,14によって透過させるようにしたので、ノイズの原因となる0次光S0がフォトダイオード22に到達する量が抑えられ、S/N比の向上を図ることができた。
Therefore, the surface
Furthermore, in this embodiment, by using the
以上、第1実施形態の表面プラズモン共鳴センサ1では、コンパクト化を可能とするとともに、回折格子15を使用したことにより引き起こされたS/N比の低下という弊害を、反射防止膜12,14によって解決している。更に続いて、より効果的に0次光S0を激減させてS/N比の向上を図った表面プラズモン共鳴センサについて、図面を示しながら以下に説明する。図4は、その第2実施形態の表面プラズモンセンサを示した断面図である。なお、第1実施形態のものと同様の構成要素については同じ符号を付し、詳細な説明は省略する。
As described above, in the surface
表面プラズモン共鳴センサ2は、シリコン基板などで作られたセンサ基板11とガラスなどの透明なチップ基板13が層状に重ねられたものであり、その間には回折格子15とフォトダイオード22が設けられ、チップ基板13の反対側の面にはプラズモン共鳴検知面16が設けられている。センサ基板11には開口部17が穿設され、そこには迷光をカットするアパーチャ18が取り付けられている。そして、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサ2では、S/N比の低下を防止するためチップ基板13の中に光吸収ブロック31〜33が設けられている。
The surface
光吸収ブロック31〜33は、チップ基板13の所定の箇所に立方体形状の凹部35〜37が形成され、その凹部35〜37に光吸収材が充填されている。光吸収ブロック31〜33を構成する光吸収材には、照射される光7によって適当なものが選択され、例えば光源に赤色レーザが使用される場合には、赤色レーザ光の波長に対応したものが選択される。赤色レーザに対する具体例としては、例えば株式会社トスコ製のSDA8303 (フタロシアニン−金属錯体染料)などがある。従って、それがチップ基板13の凹部35〜37に充填されて光吸収ブロック31〜33が形成される。なお、光吸収材は、黒色や使用しているレーザー光を吸収する色(赤色レーザー使用なら緑色)の物質なら良く、使いやすさ、入手のしやすさから考慮して黒色のシリコーン接着剤などでも良い。
In the light absorption blocks 31 to 33, cubic
本実施形態では、こうしてチップ基板13内に光吸収ブロック31を設けることにより、コンパクトに形成された表面プラズモン共鳴センサ2を大きくすることなく、しかも光吸収ブロック31〜33とチップ基板13の上下面との距離を短くして、反射の繰り返し回数を増やすことで効率よく迷光の吸収を行うように構成されている。
また、本実施形態では、チップ基板13内に設けた光吸収ブロック31〜33を図示するように位置をずらして3箇所に設けている。これは、表面プラズモン共鳴現象を生じさせるための光として1次光S1を利用するが、この1次光S1だけが回折格子15からプラズモン共鳴検知面16を反射してフォトダイオード22へと到達する1次光S1の光路を形成する一方、それ以外の次数の回折光にとっては光路を遮るものとなるように配置されている。
In this embodiment, by providing the
Further, in the present embodiment, the light absorption blocks 31 to 33 provided in the
なお、本実施形態ではチップ基板13内に3つの光吸収ブロック31〜33を設けているが、全てを必ず設ける必要はなく、一部だけであっても有効に機能する。すなわち、ノイズの原因となるのは強度の大きい0次光であるため、これがチップ基板13内を反射して迷光となるのを防止する必要がある。従って、0次光S0に直接作用する光吸収ブロック31があれば、0次光S0はこれに対して反射を繰り返すため、ノイズを抑えてS/N比の低下を防止できる。そのため、チップ基板13には最低限、光吸収ブロック31だけが設けられたものであってもよい。
In the present embodiment, the three light absorption blocks 31 to 33 are provided in the
続いて、このような構成からなる本実施形態の表面プラズモン共鳴センサ2について、その作用を説明する。
表面プラズモン共鳴センサ2へ照射されたレーザ光7は、チップ基板13の一方の面に設けられた回折格子15で回折される。回折光のうち、特に1次光S1がチップ基板13内に設けらた光吸収ブロック31〜33の間を抜けて、プラズモン共鳴検知面16に対して所定の角度で入射する。そして、プラズモン共鳴検知面16を反射した反射光が入射側の回折格子15と同一平面にある受光側のフォトダイオード22へ入る。
Then, the effect | action is demonstrated about the surface
The
プラズモン共鳴検知面16において表面プラズモン共鳴を発生させた反射光は、その後フォトダイオード22で受光されるが、そこでは反射光の強度に比例した出力電圧が生ずる。そしてフォトダイオード22から出力されたその測定信号が不図示の演算処理装置へと送信され、この測定信号に基づいた定性及び定量情報が反射光強度の変化ΔIに基づいて解析される。
図2に示すようにθ1の入射角が入射光角度と回折格子15によって設定されており、その角度における反射光強度の情報が得られる。そのため、感応膜21におけるターゲットの有無により屈折率が変化して共鳴角がΔθだけシフトすることで、共鳴角θ1における反射光強度にもΔIの変化が生じることになる。従って、この差を測定信号によって検出することができ、その結果ターゲットの定性及び定量が情報として得られる。
The reflected light that has generated surface plasmon resonance at the plasmon
As shown in FIG. 2, the incident angle of θ1 is set by the incident light angle and the
一方、こうした測定が行われる中、回折格子15によって回折した0次光S0は、光吸収ブロック31へと進んで多くが吸収され、更に一部反射したものが繰り返し光吸収ブロック31〜33によって吸収される。すなわち、ノイズとして最も注意すべきは強度の大きい0次光S0であり、これを光吸収ブロック31で吸収する必要がある。ただし、全てが一度に吸収されてしまうるわけではなく、一部は反射してしまう。反射した0次光S0の光は更にその一部がチップ基板13を透過し、また一部は反射して再び光吸収ブロック31において吸収される。こうした吸収の繰り返しは光吸収ブロック31〜33によって行われ、フォトダイオード22に到達するときには強度が非常に小さくなって、ノイズとして極めて低く抑えられたものとなる。
On the other hand, while such measurement is performed, the 0th-order light S0 diffracted by the
また、その他の1次光S1を除く回折光も光吸収ブロック31〜33によって吸収が繰り返されて弱められ、その結果、同じようにチップ基板13内での迷光が抑制される。そして、フォトダイオード22に到達するときには強度が非常に小さくなって、ノイズとして極めて低く抑えられたものとなる。
特に、本実施形態では、光吸収ブロック31〜33の厚みが大きいため光の吸収効率が良く、また光吸収ブロック31〜33とチップ基板13の表面との距離が狭いので、反射による吸収の繰り返し回数が多くなって吸収効果が高くなっている。
Further, the diffracted light other than the primary light S1 is also absorbed and weakened by the light absorption blocks 31 to 33. As a result, stray light in the
In particular, in the present embodiment, the light absorption blocks 31 to 33 are large in thickness, so that the light absorption efficiency is good, and the distance between the light absorption blocks 31 to 33 and the surface of the
よって、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサ2は、前記第1実施形態と同様に回折格子15を利用し、表面プラズモン共鳴現象を発生させる1次光S1を、同じチップ基板13に形成したプラズモン共鳴検知面16で反射させフォトダイオード22に入射させるようにしたので、センサ全体をコンパクトにすることができた。
また、本実施形態でも迷光防止によりS/N比の向上を図っているが、チップ基板13の中に光吸収ブロック31〜33を設けた構成としたので、前述したように、その厚みによって光の吸収効率が良く、またチップ基板13の表面との距離が狭いため吸収の繰り返し回数が多くなって吸収効果が高くなった。そのため、ノイズの原因となる0次光S0がフォトダイオード22に到達する量を抑えることができ、S/N比を向上させることが可能になった。更に、光吸収ブロック31,32が、回折格子15で生じた1次光S1以外の回折光の光路を遮るように配置されているので、この点でも効果的に迷光を防止することができ、S/N比の向上に寄与している。
Therefore, the surface
In this embodiment, the S / N ratio is improved by preventing stray light. However, since the light absorption blocks 31 to 33 are provided in the
以上、表面プラズモン共鳴センサの一実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されることなく、その趣旨を逸脱しない範囲で様々な変更が可能である。
前記実施形態では、迷光防止手段として干渉フィルタを利用した反射防止膜や光吸収材を充填してチップ基板内に形成した光防止ブロックを提案した。すなわち、これらは光の透過や吸収によって迷光を防止しようとしたものであるが、これ以外にも例えば、図5に示すように特にノイズとして注意しなければならない0次光S0を該0次光S0の入射方向に向けて反射させるべく、チップ基板13に反射面40を形成するようにしてもよい。
As mentioned above, although one Embodiment of the surface plasmon resonance sensor was described, this invention is not limited to this, A various change is possible in the range which does not deviate from the meaning.
In the above-described embodiment, the light-preventing block formed in the chip substrate by filling the anti-reflection film or the light absorbing material using the interference filter as the stray light preventing means is proposed. That is, they are intended to prevent stray light by transmitting and absorbing light, but in addition to this, for example, as shown in FIG. The
1,2 表面プラズモン共鳴センサ
11 センサー基板
12,14 反射防止膜
13 チップ基板
15 回折格子
16 プラズモン共鳴検知面
18 アパーチャ
19 入射光
20 金膜
21 感応膜
22 フォトダイオード
31,32,33 光吸収ブロック
S0 0次光
S1 1次光
1, 2 Surface
Claims (5)
そのチップ基板の一の面に設けられた感応膜と金属膜とから構成される表面プラズモン共鳴検知面と、
入射光を所定角度で表面プラズモン共鳴検知面に入射させるようにチップ基板の他の面に設けられた回折格子と、
前記表面プラズモン共鳴検知面を反射した反射光の強度を出力すべく前記チップ基板の他の面に取り付けられた受光手段と、
前記回折格子によって回折した光のうち、表面プラズモン共鳴現象を発生させるために使用する次数以外の光が前記受光手段に対してノイズとして入射するのを防止すべく、当該ノイズとなる光を吸収、干渉または反射する迷光防止手段と、を有することを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。 A transparent chip substrate having parallel surfaces constituting the sensor body, and
A surface plasmon resonance detection surface composed of a sensitive film and a metal film provided on one surface of the chip substrate;
A diffraction grating provided on the other surface of the chip substrate so that incident light is incident on the surface plasmon resonance detection surface at a predetermined angle;
Light receiving means attached to the other surface of the chip substrate to output the intensity of the reflected light reflected from the surface plasmon resonance detection surface;
Of the light diffracted by the diffraction grating, in order to prevent light other than the order used for generating the surface plasmon resonance phenomenon from entering the light receiving means as noise, the light that becomes the noise is absorbed, A surface plasmon resonance sensor comprising: stray light preventing means for interference or reflection.
前記表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに使用する回折光が1次光であって、前記迷光防止手段は、前記チップ基板内の0次光が通る光路上に配置された光吸収材であることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。 In the surface plasmon resonance sensor according to claim 1,
The diffracted light used to generate the surface plasmon resonance phenomenon is primary light, and the stray light preventing means is a light absorbing material disposed on an optical path through which zero-order light in the chip substrate passes. A surface plasmon resonance sensor.
前記迷光防止手段は、前記チップ基板の一の面側には前記表面プラズモン共鳴検知面を挟む2箇所の位置と、前記チップ基板の他の面側には表面プラズモン共鳴検知面と対面する位置とにそれぞれ凹部が形成され、そこに光吸収材が充填されたものであることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。 In the surface plasmon resonance sensor according to claim 2,
The stray light preventing means includes two positions sandwiching the surface plasmon resonance detection surface on one surface side of the chip substrate, and a position facing the surface plasmon resonance detection surface on the other surface side of the chip substrate. The surface plasmon resonance sensor is characterized in that a recess is formed in each of which is filled with a light absorbing material.
前記迷光防止手段は、前記チップ基板の平行な面に対して、前記表面プラズモン共鳴検知面、回折格子及び受光手段が配置された箇所を除く部分に反射防止膜が設けられたものであることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。 In the surface plasmon resonance sensor according to claim 1,
The stray light preventing means includes an antireflection film provided on a portion of the chip substrate other than the surface where the surface plasmon resonance detecting surface, the diffraction grating, and the light receiving means are disposed with respect to the parallel surface of the chip substrate. A featured surface plasmon resonance sensor.
前記表面プラズモン共鳴現象を発生させるのに使用する回折光が1次光であって、前記迷光防止手段は、前記チップ基板の0次光が到達する前記チップ基板の一の面に設けられた当該0次光を該0次光の入射方向に向けて反射させる反射面であることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。 In the surface plasmon resonance sensor according to claim 1,
The diffracted light used to generate the surface plasmon resonance phenomenon is first-order light, and the stray light preventing means is provided on one surface of the chip substrate where the zero-order light of the chip substrate reaches. A surface plasmon resonance sensor characterized in that the surface plasmon resonance sensor is a reflecting surface that reflects zero-order light toward an incident direction of the zero-order light.
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- 2003-11-17 JP JP2003386905A patent/JP2005147891A/en not_active Withdrawn
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