JP2006214881A - 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の従来技術では、センサ部分の極微小な屈折率変化を検出する場合には波長分解能と波長精度の高い高精度の高価な分光器などが必要となり、極微小な変化を検出にはコストがかかること、多チャンネル化を考慮すると、各センサに対してそれぞれ分光器を用いる必要があり、さらに高コストとなるという課題があった。
【解決手段】 そこで本発明では、光ファイバに表面プラズモン共鳴センサ部を構成し、この光ファイバに光源から光を導入して上記センサ部を経た検出光を検出部により検出する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置において、光源は、スペクトル線幅の狭い波長を掃引可能な構成とすると共に、検出部は、光源の波長掃引動作に対応して、各波長の検出光の光強度を測定可能な構成とした光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を提案している。
【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ部における表面プラズモンの励起を利用して被測定物質の検出を行う光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置に関するものである。

従来、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。このうち全反射減衰法は、クレッチマン（Kretschmann）配置として称される光学系を用い、高屈折率のプリズムを介して表面プラズモンを光学的に励起させ、プリズムに入射させる角度の変化による反射光強度の変化を検出することによってセンサ部分の被検出物質の屈折率変化及び厚さの物理化学的変化を検出することができる。

この表面プラズモン共鳴センサ装置に関する従来技術を以下に説明する。

まず特許文献１は、十分な断面積を有する平行光束である光ビームを、誘電体プリズム上の金属薄膜との界面で全反射条件が得られる角度で入射させると共に、反射光を波長選択部により、上記界面において全反射した光ビームから、所定の波長の光ビームを選択し、その光強度分布を検出することにより迷光を除去するものである。

また非特許文献１は、光ファイバ型の表面プラズモン共鳴センサ装置を開示するもので、この装置では、白色光をファイバに導入し、反射光の波長分散により、表面プラズモンが励起される波長の変化を測定している。

また特許文献２は、光ファイバ型の表面プラズモン共鳴センサ装置を開示するもので、この装置では、光ファイバの端部においてコアをクラッドから露出させると共に、露出したコアの周面に金属薄膜を形成した光ファイバ化学物質センサが開示されている。このセンサは、金属薄膜を化学物質と接触せしめることにより、その厚みが変化して、結果的にその反射特性が変化することを利用して試料を検出している。

また特許文献３は、光ファイバを用いた屈折率測定装置が開示されており、この装置では光源に単色光のレーザを用い、光ファイバ表面上に金膜層を形成することにより、その波長での屈折率に応答するセンサ、特にアミンに対するより高い感度を持ったセンサを構築したというものである。

また特許文献４では、角度走査及び波長走査する場合のプリズム型、プレーナ導波路型、グレーティング導波路型の表面プラズモンセンサが開示されている。
特開２００４−１１７２９８号公報 特許第２９３８９７３号公報 特開２００４−１９１１１０号公報 特許第３４３７１７０号公報 Jiri Homola；"Optical fiberbased on surface plasmon excitation"；Sensors and Actuators B 29（1995）；p401-405

以上の従来技術では、以下に示すような課題がある。

１．特許文献１では、誘電体プリズムにP偏光の光を入射して表面プラズモンを励起させるためには、共鳴する角度に合わせる必要があり、装置が大きくなる。また、角度を合わせる手段と波長を掃引する２つの手段が必要となり、装置が大型かつ複雑になる。

２．非特許文献１では、センサ部分の極微小な屈折率変化を検出する場合には波長分解能と波長精度の高い高精度の高価な分光器などが必要となり、極微小な変化を検出にはコストがかかる。さらに、多チャンネル化を考慮すると、各センサに対してそれぞれ分光器を用いる必要があり、さらに高コストとなる。

３．特許文献３では、センサ部分の屈折率変化による表面プラズモンの共鳴波長を直接検出するのではなく、ある単一波長での強度変化のみを検出しているため、微小な変化を検出する場合には、外乱による影響を受けた場合の変化なのか、被検出物質の屈折率変化によるものかどうかを判別することが難しくなり、信頼性に欠ける。

４．特許文献４では、プリズム型、導波路型の場合には装置が大型になり、多チャンネルにするには適していない。

そこで本発明では、このような従来の課題を解決することを目的とするものである。

上述した課題を解決するために、本発明では、まず、光ファイバに表面プラズモン共鳴センサ部を構成し、この光ファイバに光源から光を導入して上記センサ部を経た検出光を検出部により検出する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置において、光源は、スペクトル線幅の狭い波長を掃引可能な構成とすると共に、検出部は、光源の波長掃引動作に対応して、各波長の検出光の光強度を測定可能な構成とした光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を提案する。

そして本発明では、この構成において、光源は、光源本体と波長掃引部とから構成することを提案する。

この場合、光源は、波長可変レーザのように、光源本体と波長掃引部を一体に構成することができる。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段として回折格子を備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段としてモノクロメータを備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段として波長可変フィルタを備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段として液晶波長可変フィルタを備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段として光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）を備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段として音響光学素子と、光路の変化を補正するための補正プリズムを備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、波長掃引部は、波長可変手段としてファブリペローエタロンを備えた構成とすることを提案する。

また本発明では、上記の構成において、センサ部は、光ファイバの端部において、コアをクラッドから露出させると共に、露出したコアの周面に金属薄膜を形成した反射型センサとして構成することを提案する。

また本発明では、上記の構成において、センサ部は、光ファイバの中間部において、コアをクラッドから露出させると共に、露出したコアの周面に金属薄膜を形成した透過型センサとして構成することを提案する。

また本発明では、上記の構成において、光源と検出部間に、透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを並列に設置して多チャンネル化した光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を提案する。

また本発明では、上記の構成において、光源と検出部間に、透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを直列に接続して多チャンネル化した光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を提案する。

以上の構成の本発明では、光源からスペクトル線幅の狭い光を取り出し、その波長を掃引して、センサ部を構成した光ファイバに導入することにより、被検出物質の屈折率変化による表面プラズモンの励起される共鳴波長の変化を直接検出することができる。

このように単一波長のみで光強度の検出を行うものではなく、掃引した複数の波長における光強度の変化を検出するため、理論曲線とのフィッティングを行なうことができ、従って外乱などによる変化との違いを明確にすることができ、高精度かつ信頼性を高めることができる。

また、本発明では、高価な高分解能、且つ高精度の分光器を必要とせずに廉価な検出器にて検出することができる。

また、本発明では、掃引する波長を微小にすることによって極微小な屈折率変化を検出できるため、高感度化が期待できる。

また透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを、光源と検出部間に並列又は直列に設置することにより容易に多チャンネル化を図ることができる。

次に本発明を、実施例を示す図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明を適用した光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の実施例を模式的に示す系統図である。
符号１は光ファイバであり、この光ファイバ１の端部には、図中拡大して示しているように、その先端において、クラッド２を除去してコア３を露出させ、その露出したコア３の表面に金属薄膜４を形成してセンサ部５を構成している。金属薄膜４は端面側を厚めに成膜して光を反射するように構成している。即ち、このセンサ部５は反射型のセンサを構成するものである。

こうして先端にセンサ部５を構成した光ファイバ１は、カップラ６を介して光源部７側の光ファイバ１ａと検出部８側の光ファイバ１ｂに接続して光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を構成している。光源部７は光源本体と波長掃引部を構成しており、光源部７からの光は、レンズ及びレンズ付きファイバ用コネクタ９により、光ファイバ１ａに入射させる構成としている。このように光源部７はスペクトル線幅の狭い波長を掃引可能な構成であるが、当然のこととして、その安定性も満足するものとする。符号１０は光源部７における波長掃引部の光学素子を制御して波長を掃引する動作を行い、またこの光源の波長掃引動作に同期して、検出部８により測定した各波長の検出光の光強度のデータを記録するための記録動作を行うための制御記録装置である。

以上の構成において、光源部７からの光は、レンズ及びレンズ付きファイバ用コネクタ９により光ファイバ１ａに入射させる。光ファイバ１ａに入射した光はカップラ６を経て光ファイバ１を伝搬し、その先端部のセンサ部５において図中矢印に示すように全反射し、反射した光は、次いでカップラ６を経て光ファイバ１ｂに伝搬し、検出部８において、その光強度が測定される。

この際、本発明では、制御記録装置１０により、光源部７における波長掃引部の光学素子を制御して波長を掃引する動作を行うと共に、この光源の波長掃引動作に同期して、検出部８により測定した各波長の検出光の光強度のデータを記録するための記録動作を行う。

こうして本発明では、上述したとおり、光源からスペクトル線幅の狭い光を取り出し、その波長を掃引して、センサ部を構成した光ファイバに導入することにより、被検出物質の屈折率変化による表面プラズモンの励起される共鳴波長の変化を直接検出することができる。

また従来のように、単一波長のみで光強度の検出を行うものではなく、複数の波長における光強度の変化を検出するため、理論曲線とのフィッティングを行なうことができ、従って外乱などによる変化との違いを明確にすることができ、高精度かつ信頼性を高めることができる。

また本発明では、高価な高分解能、且つ高精度の分光器を必要とせずに廉価な検出器にて検出することができる。

また、本発明では、掃引する波長を微小にすることによって極微小な屈折率変化を検出できるため、高感度化が期待できる。

以上の動作を行わせるための光源部７は、上述したとおり、光源本体と波長掃引部を一体に構成したものや、これらを別体として構成したものを使用することができる。前者の例としては波長可変光源が挙げられ、また後者の例は、以下に説明する。尚、以下に示す実施例は、光源部７の構成、特に波長掃引部における波長可変手段に関するものであるから、図１の構成要素と同様な構成要素には同一の符号を付して重複する説明は省略する。

図２の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段として回折格子を備えた構成としており、即ち、光源本体１１からの光を回折格子１２へ入射し、回折格子１２の角度を、上記制御記録装置１０により制御して変えることによって反射光の波長掃引を行なう構成である。

図３の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段としてモノクロメータを備えた構成としており、即ち、光源本体１１からの光を、レンズ１３を経て、選択した波長を掃引することができるモノクロメータ１４へ入射し、波長掃引を行なう構成である。この構成においても掃引の制御は上記制御記録装置１０により行う。

図４の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段として波長可変フィルタを備えた構成としており、即ち、光源本体１１からの光をレンズ１３によりコリメートし、角度を変えることによって波長掃引を行なう波長可変フィルタ１５へ入射することによって波長掃引を行なう構成である。この構成においても掃引の制御は上記制御記録装置１０により行う。

図５の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段として液晶波長可変フィルタを備えた構成としており、即ち、光源本体１１からの光をレンズ１３によりコリメートし、外部信号によって波長掃引を行なう液晶波長可変フィルタ１６へ入射することによって波長掃引を行なう構成である。この構成においても掃引の制御は上記制御記録装置１０により行う。

図６の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段として光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）を備えた構成としており、即ち光源本体１１からの光はレンズ１３を経て光源側の光ファイバ１ｃに入射され、カップラ１７を経て光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）１８に入射し、外部信号によって反射する波長が掃引され、こうして掃引された反射光がカップラ１７を経て光ファイバ１ａに入射される構成である。この構成においても掃引の制御は上記制御記録装置１０により行う。

図７の実施例では、波長掃引部は、波長可変手段として音響光学素子と、光路の変化を補正するための補正プリズムを備えた構成としており、即ち、光源本体１１からの光をレンズ１３によりコリメートして、音響光学素子１９に入射させ、この音響光学素子１９によって波長を掃引すると共に、掃引されて光路がずれた分を補正プリズム２０で補正し、ミラー２１で反射させることによって光軸が補正し、このようにして掃引された光をレンズ及びレンズ付きファイバ用コネクタ９を経て光ファイバ１ａに入射させる構成である。この構成においても掃引の制御は上記制御記録装置１０により行う。

以上に説明した実施例では、センサ部５は、光ファイバ１の端部において、コア３をクラッド２から露出させると共に、露出したコア３の周面に金属薄膜４を形成した反射型センサとして構成しているが、次の実施例では、光ファイバにより透過型センサを構成している。

図８は本発明を適用した光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の他の実施例を模式的に示す系統図である。
この実施例では、センサ部５は、光ファイバ１の中間部において、コア３をクラッド２から露出させると共に、露出したコア３の周面に金属薄膜４を形成した透過型センサとして構成したものである。

そして図９は図８に示す透過型センサとしてのセンサ部５を構成した複数の光ファイバ１を並列に設置して多チャンネル化した光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置を示すものである。この装置では、光源部７からの光はレンズ２２により分岐して複数の光ファイバ１に入射させ、夫々の光ファイバ１のセンサ部５を透過した透過光を検出部８としての、ＰＤ（フォトダイオード）やＣＣＤ素子等の素子のアレイ状の検出部に入射させて夫々の光強度を検出することができる。

こうして本発明では、透過型センサとしてのセンサ部５を構成した多数の光ファイバ１を、光源部７と検出部８間に並列に設置することにより容易に多チャンネル化を図ることができる。同様に、光源部７と検出部８間に直列に設置、例えば夫々の光ファイバ１の端部に構成した光コネクタにより順次接続することにより、容易に多チャンネル化を図ることができる。

次に、以上の装置における各構成要素の実施例を説明する。

まず検出部８は、上述したように、フォトダイオード、CCD素子など廉価な素子で構成することができ、このような廉価な素子であっても、センサ部５に被検出物質が接触した際に光ファイバ１を透過する、各波長の光量の変化を、掃引に対応して、例えば同期して時間的に測定し、表面プラズモン共鳴の励起された共鳴波長および各波長の強度変化を測定することができ、その変化量から屈折率を決定することができる。

また光源部７における波長掃引部の光学素子を制御して波長を掃引する動作を行い、またこの光源の波長掃引動作に同期して、検出部８により測定した各波長の検出光の光強度のデータを記録するための記録動作を行うための制御記録装置１０は、波長掃引する光源及び波長掃引する光学素子の掃引開始波長や掃引時間をコンピュータによってプログラム制御し、検出部８での時間を波長の変化に対応させることによって各波長の強度変化になるように制御することのできる装置として適宜に構成することができる。

本発明の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサは、以上のとおり、光ファイバに表面プラズモン共鳴センサ部を構成し、この光ファイバに光源から光を導入して上記センサ部を経た検出光を検出部により検出する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置において、光源は、スペクトル線幅の狭い波長を掃引可能な構成とすると共に、検出部は、光源の波長掃引動作に対応して、各波長の検出光の光強度を測定可能な構成としているので、以下に示すような数々の特徴があり、産業上の利用可能性が大である。

１．光ファイバセンサ部の被検出物質の屈折率変化による表面プラズモンの共鳴波長変化を、センサにファイバを用いることや、高価な高分解能且つ高精度の分光器を必要とせずに廉価な検出器にて高精度かつ信頼性高く検出することができる。
２．本発明では、掃引する波長を微小にすることによって極微小な屈折率変化を検出できるため、高感度化が期待できる。
３．透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを、光源と検出部間に並列又は直列に設置することにより容易に多チャンネル化を図ることができる。

本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。 本発明を適用する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置の更に他の実施例を模式的に示す概略図である。

符号の説明

１ 光ファイバ
２ クラッド
３ コア
４ 金属薄膜
５ センサ部
６ カップラ
７ 光源部
８ 検出部
９ レンズ及びレンズ付きファイバ用コネクタ
１０ 制御記録装置
１１ 光源本体
１２ 回折格子
１３ レンズ
１４ モノクロメータ
１５ 波長可変フィルタ
１６ 液晶波長可変フィルタ
１７ カップラ
１８ 光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）
１９ 音響光学素子
２０ 補正プリズム
２１ ミラー

Claims (15)

1. 光ファイバに表面プラズモン共鳴センサ部を構成し、この光ファイバに光源から光を導入して上記センサ部を経た検出光を検出部により検出する光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置において、光源は、スペクトル線幅の狭い波長を掃引可能な構成とすると共に、検出部は、光源の波長掃引動作に対応して、各波長の検出光の光強度を測定可能な構成としたことを特徴とする光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
2. 光源は、光源本体と波長掃引部とから構成したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
3. 光源本体と波長掃引部は一体に構成したことを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
4. 光源は、波長可変レーザとしたことを特徴とする請求項３に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
5. 波長掃引部は、波長可変手段として回折格子を備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
6. 波長掃引部は、波長可変手段としてモノクロメータを備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
7. 波長掃引部は、波長可変手段として波長可変フィルタを備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
8. 波長掃引部は、波長可変手段として液晶波長可変フィルタを備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
9. 波長掃引部は、波長可変手段として光ファイバグレーティング（ＦＢＧ）を備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
10. 波長掃引部は、波長可変手段として音響光学素子と、光路の変化を補正するための補正プリズムを備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
11. 波長掃引部は、波長可変手段としてファブリペローエタロンを備えた構成とすることを特徴とする請求項２に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置。
12. センサ部は、光ファイバの端部において、コアをクラッドから露出させると共に、露出したコアの周面に金属薄膜を形成した反射型センサとして構成したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置
13. センサ部は、光ファイバの中間部において、コアをクラッドから露出させると共に、露出したコアの周面に金属薄膜を形成した透過型センサとして構成したことを特徴とする請求項１に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置
14. 光源と検出部間に、透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを並列に設置して多チャンネル化したことを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置
15. 光源と検出部間に、透過型センサとしてのセンサ部を構成した多数の光ファイバを直列に接続して多チャンネル化したことを特徴とする請求項１３に記載の光ファイバ型表面プラズモン共鳴センサ装置
    

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