JP2006125860A - 表面プラズモンセンサ及び表面プラズモン測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、測定精度向上と低廉化を実現した表面プラズモンセンサの提供を目的とする。
【解決手段】 インコヒーレント光源を用い、光源から出射される光の波長の中心帯域を、金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと被検試料に含まれる被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂから決定し、角度分解能が低下しない構成としたので、安価なコヒーレント光源を使用しても高精度の測定が可能となり、高価なレーザ光源を使用せずに安価で高精度の測定が可能なセンサを実現できる。また、前記比Ａ/Ｂが１０以上の値であれば、測定精度をより向上できる。また、インコヒーレント光源からの光をシングルモード光ファイバに入射、伝搬して空間コヒーレンスの高い光をシングルモード光ファイバから射出して金属薄膜に照射することにより、レーザ光源を用いた場合に比べてコヒーレントノイズが少なくなり、高い測定精度を持つセンサが実現できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、臨床診断分析や環境分析などに利用される表面プラズモンセンサ及び表面プラズモン測定装置に関する。

表面プラズモンセンサは、表面プラズモン共鳴（以下、ＳＰＲと記載する）を用いて金属薄膜上の物質の誘電率を測定するもので、感度が高いことと、その場で観察ができることなどから、近年、物質センサとして頻繁に用いられている。
この表面プラズモンセンサ（以下、ＳＰＲセンサと記載する）は、金属薄膜上の物質の誘電率（または、屈折率）をモニタすることにより、この誘電率の変化で金属薄膜上の物質の量を測定する。ＳＰＲは、金属表面の電子の励振モードである。この励振モードと外部から入力した電磁波を既知の構成を用いて結合させ、その励振モードの波数変化を反射光の強度変化としてとらえる。
このＳＰＲセンサは、当初金属薄膜の膜厚、誘電率測定などに応用が試みられていたが、現在は生体物質間の相互作用をｉｎ ｓｉｔｕ観察する用途が支配的である。これは、金属薄膜上に特定の蛋白質、糖などと結合する試薬を塗布しておき、この金属薄膜上にサンプルを流し、サンプル中にターゲットとする物質が存在すれば、金属薄膜上で試薬と蛋白の特異的結合が起こり、この結合の時間変化をそのまま見ることができるためである。このように、反応の過程をｉｎ ｓｉｔｕで観察できる測定器は従来存在しなかったため、生化学の研究分野でＳＰＲセンサは普及した。

現在主として用いられているＳＰＲセンサは全反射減衰法（以下、ＡＴＲ法と記載する）と呼ばれる方法のものである。このＡＴＲ法は、図３に示すように、光照射部７から出射された光を、プリズム２を用いて被検試料９が接触している金属薄膜３に集光し、その反射光をＣＣＤ、ＣＭＯＳ又はＰＤのアレイ等を用いた図示しない受光部８で角度成分に分解して測定する。
ここで、ＳＰＲセンサの光源としては、波長が６００〜８５０ｎｍのものが適しており、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、発光ダイオード（ＬＥＤ）、面発光レーザ、端面発光レーザ等があげられる。この際、特定の角度のみが、ＳＰＲのために全反射せず、暗線のピークとなって現れる。図２は、典型的なＳＰＲスペクトルを示すグラフである。このグラフ上に示された暗線のピークの位置を測定するのがＳＰＲセンサの仕組みである。

ここで、前述したＳＰＲセンサに使用される光源の中で、レーザのような狭帯域光源は単色性が高いため、ＳＰＲ角度に出る暗線が非常にシャープで測定精度が高く、また、空間コヒーレンスが高いため、レンズを使用した角度測定においては非常に高い角度分解能が得られる。
その一方で、レーザ光は、一般に時間コヒーレンスが高く取り扱いが難しいものであるとともに、レーザ特有のモードホップという現象によって波長が不安定になる傾向があり、側定時のノイズの要因となっていた。
他方、ＳＰＲセンサに使用される光源にランプ類やＬＥＤ等の広帯域光源を使用した場合、これらの光はコヒーレンスが非常に低く、多少の散乱光や迷光があってもＳＮ比の低下は小さいというメリットがあり、波長の安定性もレーザを上回る。
その一方で、ランプ類やＬＥＤ等の広帯域光源は、単色性が低くＳＰＲ角度測定において生じる暗線ピークが幅広の状態となることと、光のパワーも不足する傾向があり、測定精度の面で不利であった。また、レンズを使用して光源からの出射光を集光する場合、空間コヒーレンスが低いために十分な角度分解能が得られず、測定精度の向上が困難であった。
表１に、広帯域光源と狭帯域光源の特性の比較を示す。

これらの問題点を解決するため、これまでに以下のようなことが提案されてきた。
まず、波長安定化機能を有する単一モード半導体レーザを用いて測定精度を向上させたＳＰＲセンサが提案されている（例えば、特許文献１）。また、スーパールミネッセントダイオード（以下、ＳＬＤと記載する）を用いて測定精度を向上させたＳＰＲセンサが提案されている（例えば、特許文献２）。これらの特許文献では、狭帯域光源の波長の安定性、広帯域光源の適正な帯域幅について、測定精度の観点から述べられている。
特許第３３９０３５５号公報 特開２００２−２５７７２２号公報

しかしながら、上記従来技術では、例えば波長を安定させたレーザを用いた場合、波長が安定したことによってさらに時間コヒーレントが上昇して干渉距離が長くなり、コヒーレントノイズが一層大きくなり、高い角度分解能が得られる反面、測定ノイズも増大するという問題があった。
一方、ＳＬＤ等の誘導放出を利用したスーパールミネッセンス領域を利用した光源は、放射部の面積が面発光のＬＥＤよりも小さいことから、ＬＥＤに比べれば角度分解能は若干向上する。しかしながら、該光源はレーザ等のように光がモードを持つ状態では無く、放射部端面からインコヒーレントに放射されるため、レーザ光源を使用した場合に比べると、角度分解能は低かった。これは、例えば、単一モード面発光レーザ光源（ＶＣＳＥＬ）を用いた場合、ＳＬＤよりも優れた角度分解能と空間コヒーレンスが得られることからも明らかである。
また、ＳＬＤを光源に使用した場合、ＳＬＤはＬＥＤに比べて単色性が優れているため、ＬＥＤを光源に使用した場合に比べて角度分解能は高くなるものの、レーザ光源に比べれば単色性はかなり劣るため、角度分解能もレーザ光源を使用した場合に比べて低かった。
以上、説明したように、レーザ光源を使用し、且つ、レーザ光源の波長の安定化を行った場合、出射する光の時間コヒーレントが良くなるため、相対的にコヒーレントノイズが大きくなって測定精度が低下する。この問題を回避するため、現状では、高精度の角度測定を行う場合、ＬＥＤを始めとするインコヒーレント光源が用いられている。
しかしながら、実際にＬＥＤを光源に用いた場合、上述したように、単色性が低くＳＰＲ角度測定で現れる暗線のピークが幅広となり、測定精度低下の要因となっていた。
一方、ＳＬＤ等のように、インコヒーレント光源の出射面積を小さくしても、光の空間コヒーレントが小さいために十分は角度分解能が得られず、また、単色性の点でも角度分解能の向上に限界があった。
このため、従来、ＡＴＲ法によるＳＰＲセンサにおいて、ノイズが少なく、且つ、高い角度分解能が得られる光源は存在しなかった。

本発明はこれらの事情に鑑みてなされ、測定精度向上と低廉化を実現したＳＰＲセンサ及びＳＰＲ測定装置の提供を目的とする。

前記課題を解決するため、本発明は、被検試料を接触させるＳＰＲ励起用の金属薄膜が設けられたセンサ部と、該センサ部の金属薄膜に光を照射する光源と、前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備えたＳＰＲセンサにおいて、光源としてインコヒーレント光源を用い、該インコヒーレント光源の出射光中心波長が、前記金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと前記被検試料に含有される被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂから決定され、該比が出射光の波長帯域にかかわらず、角度分解能が低下しないような大きさに設定されていることを特徴とするＳＰＲセンサを提供する。

本発明のＳＰＲセンサにおいて、前記比Ａ／Ｂが１０以上であることが好ましい。

本発明のＳＰＲセンサにおいて、前記センサ部の金属薄膜に照射される光が、インコヒーレント光源からの出射光をシングルモード光ファイバに結合し、該シングルモード光ファイバ中を所定の距離伝搬させることによって空間コヒーレンスを向上させた光であることが好ましい。

本発明のＳＰＲセンサにおいて、前記シングルモード光ファイバから出射される光が前記センサ部に直接照射されるように構成することが好ましい。

本発明のＳＰＲセンサにおいて、前記シングルモード光ファイバが、該シングルモード光ファイバの出射光が前記センサ部に直接照射できる開き角が得られるようなコア径とコア−クラッド屈折率差を有するように構成することが好ましい。

本発明のＳＰＲセンサにおいて、前記インコヒーレント光源は端面発光型発光ダイオードであることが好ましい。

また、本発明は、上述したＳＰＲセンサが備えられたＳＰＲ測定装置を提供する。

本発明のＳＰＲセンサは、インコヒーレント光源を用い、光源から出射される光の波長の中心帯域を、金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと被検試料に含まれる被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂから決定し、角度分解能が低下しない構成としたので、安価なインコヒーレント光源を使用しても高精度の測定が可能となり、高価なレーザ光源を使用せずに安価で高精度の測定が可能なセンサを実現できる。
また、前記比Ａ/Ｂが１０以上の値であれば、測定精度をより向上できる。
また、インコヒーレント光源からの光をシングルモード光ファイバに入射、伝搬して空間コヒーレンスの高い光をシングルモード光ファイバから射出して金属薄膜に照射することにより、レーザ光源を用いた場合に比べてコヒーレントノイズが少なくなり、高い測定精度を持つセンサが実現できる。
また、シングルモード光ファイバのコア径とコア−クラッドの屈折率差の設定によって、出射光の開き角度をＳＰＲ測定における測定範囲としていることにより、レンズによる集光を必要とせず、シングルモード光ファイバの出射光を金属薄膜に直接照射することができるため、ＳＰＲセンサの低廉化と小型化を同時に実現できる。
また、インコヒーレント光源に端面発光型発光ダイオードを使用することによって、インコヒーレント光源と光ファイバとの結合が容易となり、安価な構成で高い精度を持つセンサが実現できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、本発明に係るＳＰＲセンサの実施形態を示す構成図であり、この図中、符号１０はＳＰＲセンサ、１１はセンサ部を構成する金属薄膜、１２はインコヒーレント光源である発光ダイオード（ＬＥＤ）、１３はシングルモード光ファイバ、１４は受光部、２０は測定対象となる被測定物２１が含有された被検試料である。

本実施形態におけるＳＰＲセンサ１０は、被検試料２０を接触させる試料面１１ａ及び光の反射面１１ｂが設けられたＳＰＲ励起用の金属薄膜１１と、金属薄膜１１に光を照射するＬＥＤ１２と、金属薄膜１１で反射した光の強度変化を検出する受光部１４とを備えおり、光源としてインコヒーレント光源であるＬＥＤ１２を用い、これをシングルモード光ファイバ１３により空間コヒーレントを向上させた光とし、センサ部に照射することを特徴としている。

インコヒーレント光源であるＬＥＤ１２から出射される光３０の波長は、金属薄膜１１を形成する金属の誘電率の絶対値Ａと、被検試料２０に含まれ測定のターゲットとなる被測定物２１の誘電率の絶対値Ｂの比Ａ／Ｂによって決定する。この比Ａ/Ｂは、照射される光３０の波長によって変化するが、この比Ａ／Ｂが大きい程、光３０の波長の変化によるＳＰＲ共鳴角の変化は小さくなり、ＬＥＤ１２から出射される光３０の波長帯域にかかわらず、角度分可能は大きく変化せず安定する。このため、ＬＥＤ１２から出射される光３０の波長帯域の中心波長を、前記比Ａ/Ｂが十分に大きくなる程度に設定し、その波長帯域の範囲で波長が変化してもＳＰＲ共鳴角の変化が極めて小さく無視し得る程度となるため、高い角度分解能を維持することが出来る。
上述の金属の誘電率と光の波長との関係は、文献により明らかになっている（「ＨａｎｄＢｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ Ｖｏｌ．２」Ｍｉｃｈａｅｌ Ｂａｓｓ著、ＭｃＧｒｏｗ−Ｈｉｌｌ Ｉｎｃ．）。

インコヒーレント光源であるＬＥＤ１２の出射端には、シングルモード光ファイバ１３の一端である入射端面１３ａが接続され、このシングルモード光ファイバ１３の他端である出射端面１３ｂは、金属薄膜１１の反射面１１ｂに向けて構成される。また、反射面１１ｂによって光が反射する方向には、この反射光が入射される受光部１４が設けられている。

金属薄膜１１は、十分な反射率と化学的安定性を持つ板状の金属材料からなり、センサ部として機能する。この金属薄膜１１の材質としては、例えば金、銀、アルミニウム等の薄膜が好ましい。また、この金属薄膜１１の厚さとしては、１０ｎｍ〜１００ｎｍ程度であることが、測定精度上、好ましい。
なお、図１に示したように、本実施形態においては、センサ部を金属薄膜１１及びこの金属薄膜１１が片面に設けられるセンサチップ１５とで構成している。このセンサチップ１５は、例えば石英ガラス等からなるものであり、センサチップ１５の一方の面に金属薄膜１１を成膜する。

ＬＥＤ１２は、コヒーレント長がレーザ等の光源と比較して非常に短いという特性を有するインコヒーレント光源である。その中心波長は、５５０ｎｍ〜１３１０ｎｍの範囲のものを用いることが望ましい。
受光部１４は、ＣＣＤやＣＭＯＳ又はＰＤのアレイ等が用いられ、金属薄膜１１の反射面１１ａで反射した光の入射角度や強度変化を検出して角度成分に分解して測定するものである。
プリズム４０は、例えば石英ガラス等、センサチップ１５と同じ材料からなり、シングルモード光ファイバ１３から出射された光３０は、プリズム４０を通ってセンサチップ１５に成膜された金属薄膜１１の反射面１１ｂに照射されるとともに、反射面１１ｂで反射した光３０はプリズム４０を通って受光部１４へ入射される。
被検試料２０は、例えば蛋白質や糖分等を含む生体物質であり、測定のターゲットとなる被測定物２１を含有しているか、又は含有している可能性がある物質である。

ＬＥＤ１２から出射された光３０は、前記ＬＥＤ１２に接続された入射端面１３ａからシングルモード光ファイバ１３に入射し、該シングルモード光ファイバ１３内を伝搬して前記出射端面１３ｂに至る。前記光３０はこの出射端面１３ｂに接続されたプリズム４０に入射され、プリズム４０に接触しているセンサチップ１５上に成膜された金属薄膜１１の反射面１１ａに照射される。この反射面１１ａに照射された光３０は、反射面１１ａ表面で反射してプリズム４０を通り、受光部１４に入射される。この際、金属薄膜１１の試料面１１ａに接触させられた被検試料２０に含有される被測定物２１の特性によって、反射面１１ａで反射して受光部１４に入射される光３０の入射角度や強度が異なったものとなるが、受光部１４がこの入射角度や強度を角度成分に分解して測定する。

インコヒーレント光源であるＬＥＤ１２から出射した光３０は、シングルモード光ファイバ１３に入射した後、シングルモード光ファイバ１３内で一定以上の距離を伝搬させることによって光３０は単一モード化され、空間コヒーレンスの高い光となって、金属薄膜１１に照射される。シングルモード光ファイバ１３内で伝搬させる距離については、１０ｍｍ以上であることが好ましい。この距離が１０ｍｍ未満であると、空間コヒーレンスの高い光が得られない可能性がある。

本実施形態においては、シングルモード光ファイバ１３から出射される単一モード化された光３０の出射の開き角度がＳＰＲ測定の測定範囲となるように、シングルモード光ファイバ１３のコア径とコア−クラッド間の屈折率差を決定し、単一モード化された光３０が、シングルモード光ファイバ１３の出射端面１３ｂから、レンズを用いずにプリズム４０を通り、センサチップ１５上に成膜された金属薄膜１１に照射されるように構成している。

以下に、本発明に係るＳＰＲセンサ１０を用いた被検試料２０の測定方法の１例を説明する。
まず、金属薄膜１１の試料面１１ａの表面に図示しない特定の反応試薬をコーティングする。次に、測定対象となる被検試料２０を前記反応試薬がコーティングされた金属薄膜１１上に接触させる。ここで、被検試料２０中にターゲットとなる被測定物２１が存在すれば、金属薄膜１１上において前記反応試薬と被測定物２１との間で特異的結合が起こり、ターゲットとなる被測定物２１の量に応じて、この金属薄膜１１に接触している被測定物２１の誘電率が変化する。次に、金属薄膜１１の反射面１１ａに対して、上述したように、光源であるＬＥＤ１２から出射され、シングルモード光ファイバ１３を伝搬して単一モードとなった光３０を、その全反射角以上の角度で照射する。金属薄膜１１で反射した光３０は受光部１４に入射され、この受光部１４において入射した光３０を角度成分に分解して測定する。ここで、ある特定の入射角において、金属薄膜１１での吸収が起こり、全反射を起こさなくなり、暗線ピークが観測される。この特定の入射角は、金属薄膜１１を形成する金属とこの金属に接している被測定物２１の誘電率によって固有の値となる。この原理を用いて金属に接している物質の量を求める。

本実施形態においては、前述したように、インコヒーレント光源であるＬＥＤ１２から出射される光３０の中心波長について、次のようにして決定している。
まず、金属薄膜１１を形成する金属の誘電率の絶対値Ａと、被検試料２０に含まれ測定のターゲットとなる被測定物２１の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂを求める。この比Ａ/Ｂは、照射される光３０の波長によって変化するものだが、この比Ａ／Ｂが大きい程、光３０の波長の変化によるＳＰＲ共鳴角の変化は小さくなり、測定上無視しうる程度となるため、ＬＥＤ１２から出射される光３０の波長帯域にかかわらず、角度分可能は大きく変化せず安定する。このため、ＬＥＤ１２から出射される光３０の波長帯域の中心波長を、前記比Ａ/Ｂが十分に大きくなる程度に設定することにより、その波長帯域の範囲で波長が変化してもＳＰＲ共鳴角の変化が極めて小さく、無視し得る程度となるため、高い角度分解能を維持することが出来る。前記比Ａ／Ｂについては、１０以上であれば更に好ましい。この比Ａ／Ｂが１０未満となるように光３０の中心波長を設定した場合、この比Ａ／Ｂが１０以上である場合と比べ、光３０が波長帯域の範囲で波長が変化した際にＳＰＲ共鳴角の変化が大きくなり、測定精度が低下する可能性がある。
ＬＥＤ１２のようなインコヒーレント光源は、レーザーダイオード（ＬＤ）等のレーザ光源と比較してコヒーレント長が非常に短いため、コヒーレントノイズを低減することができる。一方、前述したＬＥＤ１２から出射される光３０の波長帯域の中心波長の設定により、角度分解能が低下せず、安定した測定が可能となる。

以上、説明したように、本発明のＳＰＲセンサは、インコヒーレント光源を用い、光源から出射される光の波長の中心帯域を、金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと被検試料に含まれる被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂから決定し、角度分解能が低下しない構成としたので、安価なコヒーレント光源を使用しても高精度の測定が可能となり、高価なレーザ光源を使用せずに安価で高精度の測定が可能なセンサを実現できる。
また、前記比Ａ/Ｂが１０以上の値であれば、測定精度をより向上できる。
また、インコヒーレント光源からの光をシングルモード光ファイバに入射、伝搬して空間コヒーレンスの高い光をシングルモード光ファイバから射出して金属薄膜に照射することにより、レーザ光源を用いた場合に比べてコヒーレントノイズが少なくなり、高い測定精度を持つセンサが実現できる。
また、シングルモード光ファイバのコア径とコア−クラッドの屈折率差の設定によって、出射光の開き角度をＳＰＲ測定における測定範囲としていることにより、レンズによる集光を必要とせず、シングルモード光ファイバの出射光を金属薄膜に直接照射することができるため、ＳＰＲセンサの低廉化と小型化を同時に実現できる。
また、インコヒーレント光源に端面発光型発光ダイオードを使用することによって、インコヒーレント光源と光ファイバとの結合が容易となり、安価な構成で高い精度を持つセンサが実現できる。

なお、本実施形態においては、インコヒーレント光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）１２を使用して説明しているが、これには限定されず、上述した端面発光型発光ダイオードの他、例えばスーパールミネッセントダイオード（ＳＬＤ）を用いても同様の効果が得られる。

また、本実施形態においては、ＬＥＤ１２から出射された光３０をシングルモード光ファイバ１３に入射して伝搬させているが、光３０を伝搬して単一モードの光にして出射する条件を備えているものであれば、例えば基板型の光導波路等、他の光導波路であっても良い。

また、インコヒーレント光源であるＬＥＤやＳＬＤ等の半導体光源とシングルモード光ファイバを結合する方法としては、公知の技術を用いることができる。

なお、金属薄膜１１の材質については、上述したアルミニウムを用いる場合、誘電率の実数部と虚数部との関係から、光の波長が紫外域の光源を用いることが好ましい。

次に、本実施形態における実施例を以下に示す。

本例においては、金属薄膜の材質として金（Ａｕ）を用いて図１に示すＳＰＲセンサを作製した。この金薄膜は、ガラスチップの一方の面上にスパッタ法によって成膜したものであり、その厚さは４０ｎｍである。
被検試料としては、蛋白質を多量に含む水溶液を測定した。この場合、被検試料に含有される被測定物は蛋白質である。
蛋白質や水溶液の誘電率Ｂは、１．７〜２．０（屈折率は１．３〜１．４）であり、これらの値は、光の波長が６００ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲においては大きく変化しない。従って厳密に被測定物の誘電率Ｂが不明であっても、有効数字２桁程度の大まかな値が、光の波長変動に伴って変化することは無い。
なお、本例における光の波長の範囲の根拠としては、本出願人が知りうる文献等によれば、金属薄膜に金を用いる場合、誘電率の実数部と虚数部の関係から、６００ｎｍ以下ではＳＰＲ共鳴現象をＡＴＲ法で測定することは困難であることが知られている。
一方、金を用いた金属薄膜の誘電率Ａは、この光の波長範囲６００ｎｍ〜１０００ｎｍにおいて、−１０（絶対値１０）から−４５（絶対値４５）へと大きく変化する。この際、使用する光の波長ができるだけ長い方が測定精度の上で好ましいため、少なくとも８００ｎｍ以上とすると、金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂは少なくとも１０以上となり、広帯域な発光波長を持つＬＥＤやＳＬＤのような光源を用いても、ＡＴＲ法における角度測定分解能は０．０１〜０．００６°と、ほとんど低下しなかった。

さらに、上記の光の波長設定に加え、波長８５０ｎｍのＳＬＤを光源として用い、このＳＬＤの出射光をシングルモード光ファイバに結合させ、１０ｍｍ以上伝搬させた後に金を用いた金属薄膜に照射したところ、シングルモード光ファイバを伝搬させない場合と比べ、ＡＴＲ法における角度分解能が０．００６〜０．００１°へと、著しく向上した。

本例においては、金属薄膜の材質として銀（Ａｇ）を用いて図１に示すＳＰＲセンサを作製した。この銀薄膜はガラスチップの一方の面上にスパッタ法によって成膜したものであり、その厚さは５０ｎｍである。
被検試料としては、二酸化炭素等を含む気体を測定した。この場合、被検試料に含有される被測定物は二酸化炭素である。
気体の誘電率Ｂは、１．０〜１．２（屈折率は１．０〜１．１）であり、これらの値は、光の波長が５５０ｎｍ〜１０００ｎｍの範囲においては大きく変化しない。
なお、本出願人が知りうる文献等によれば、金属薄膜に銀を用いる場合、誘電率の実数部と虚数部の関係から、５５０ｎｍ以下ではＳＰＲ共鳴現象をＡＴＲ法で測定することは困難であることが知られている。
一方、銀を用いた金属薄膜の誘電率Ａは、この光の波長範囲５５０ｎｍ〜１０００ｎｍにおいて、−１０（絶対値１０）から−４５（絶対値４５）へと大きく変化する。この際、使用する光の波長ができるだけ長い方が測定精度の上で好ましいため、少なくとも６００ｎｍ以上とすると、金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂは少なくとも１０以上となり、広帯域な発光波長を持つＬＥＤやＳＬＤのような光源を用いても、ＡＴＲ法における角度測定分解能は０．０１〜０．００６°へと、若干の変化に留まり、ほとんど低下しなかった。

さらに、上記の光の波長設定に加え、波長８５０ｎｍのＳＬＤを光源として用い、このＳＬＤの出射光をシングルモード光ファイバに結合させ、１０ｍｍ以上伝搬させた後に金を用いた金属薄膜に照射したところ、シングルモード光ファイバを伝搬させない場合と比べ、ＡＴＲ法における角度分解能が０．００６〜０．００１°へと、著しく向上した。

本発明のＳＰＲセンサの実施形態を示す概略図である。 典型的なＳＰＲスペクトルを表すグラフである。 従来のＳＰＲセンサの構造を示す概略図である。

符号の説明

１０…表面プラズモンセンサ（ＳＰＲセンサ）、１１…金属薄膜、１２…発光ダイオード(ＬＥＤ)、１３…シングルモード光ファイバ、１４…受光部、２０…被検試料、２１…被測定物、３０…光

Claims (7)

1. 被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が設けられたセンサ部と、該センサ部の金属薄膜に光を照射する光源と、前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備えた表面プラズモンセンサにおいて、
   光源としてインコヒーレント光源を用い、該インコヒーレント光源の出射光中心波長が、前記金属薄膜の誘電率の絶対値Ａと前記被検試料に含有される被測定物の誘電率の絶対値Ｂとの比Ａ／Ｂから決定され、該比が出射光の波長帯域にかかわらず、角度分解能が低下しないような大きさに設定されていることを特徴とする表面プラズモンセンサ。
2. 前記比Ａ／Ｂが１０以上であることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサ。
3. 前記センサ部の金属薄膜に照射される光が、インコヒーレント光源からの出射光をシングルモード光ファイバに結合し、該シングルモード光ファイバ中を所定の距離伝搬させることによって空間コヒーレンスを向上させた光であることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面プラズモンセンサ。
4. 前記シングルモード光ファイバから出射される光が前記センサ部に直接照射されることを特徴とする請求項３に記載の表面プラズモンセンサ。
5. 前記シングルモード光ファイバは、該シングルモード光ファイバの出射光が前記センサ部に直接照射できる開き角が得られるようなコア径とコア−クラッド屈折率差を有していることを特徴とする請求項３又は４に記載の表面プラズモンセンサ。
6. 前記インコヒーレント光源は端面発光型発光ダイオードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
7. 請求項１〜６のいずれかに記載の表面プラズモンセンサが備えられた表面プラズモン測定装置。
   
   

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