JP2007024870A - センサ、センシング装置、及びセンシング方法 - Google Patents

Abstract

【課題】構成が簡易で検出感度が良好な新規のセンサを提供する。
【解決手段】センサＳ１は、測定光Ｌ１の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と、透光体２０と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えてなり、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０が、試料に接触させられると共に試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、第１の反射体１０の平均複素屈折率と、第２の反射体３０の平均複素屈折率と、透光体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性を含む光学特性により測定光Ｌ１の特性が変化されて、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０から出射光Ｌ２が出射されるものであり、上記光学特性に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性が検出されるものである。
【選択図】図１

Description

本発明は、測定光が入射されると共に測定光が試料によって物理特性の異なる出射光となって出射され検出されるセンサ、これを用いたセンシング装置及びセンシング方法に関するものである。

生体分子の分析等に使用されるセンサとして、表面プラズモン共鳴によって特定波長の反射光の光強度が減衰する現象を利用するセンサが提案されており、プリズム状の誘電体ブロックとその表面に形成され試料に接触させられる金属膜とを基本構成とする表面プラズモンセンサが開示されている（特許文献１等）。このセンサは、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、表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じるようにセンサに測定光を照射し、上記界面で全反射した反射光の強度を測定して全反射減衰の状態を検出することで、試料の屈折率や濃度、試料の同定等を実施するものである。

上記表面プラズモンセンサではプリズム状の誘電体ブロックが必要であるため、高コストで、また構造上の制約が大きく小型化や多数試料の同時分析への対応が難しい。そこで、局在プラズモン共鳴によって特定波長の反射光の光強度が減衰する現象を利用するセンサが提案されており、基板の表面に局在プラズモン共鳴を効果的に起こす金属微細凹凸構造を有する局在プラズモンセンサが開示されている（特許文献２、非特許文献１等）。
特開平０６−１６７４４３号公報 特開２００４−２３２０２７号公報 Takayuki Okamoto and Ichirou Yamaguchi, "Local plasmon sensor with gold colloid monolayers deposited upon glass substrates", OPTICS LETTERS, Vol.25, No.6, 2000年3月15日, p.372-374

上記局在プラズモンセンサでは、プリズム状の誘電体ブロックを必要としないため、表面プラズモンセンサに比して構成が簡易であり、安価で構造上の制約が少ない。しかしながら、局在プラズモンセンサでは、表面プラズモンセンサに比して検出感度が良好でなく高精度分析を行うことが難しい。
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、表面プラズモンセンサに比して構成が簡易でしかも検出感度が良好な新規のセンサ、これを用いたセンシング装置及びセンシング方法を提供することを目的とするものである。

本発明のセンサは、測定光が入射されると共に、該測定光が試料によって物理特性の異なる出射光となって出射され検出されるセンサにおいて、
前記測定光の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備えてなり、
前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
前記第１の反射体の平均複素屈折率と、前記第２の反射体の平均複素屈折率と、前記透光体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性を含む光学特性により前記測定光の特性が変化されて、前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体から前記出射光が出射されるものであり、
前記光学特性に応じて変化する前記出射光の物理特性が検出されるものであることを特徴とするものである。

本明細書において、「半透過半反射性」とは透過性と反射性を共に有することを意味し、透過率と反射率は任意である。

本発明のセンサにおいて、前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体は、前記測定光の波長よりも小さい凹凸構造を有するものであることが好ましい。
本明細書において、「測定光の波長よりも小さい凹凸構造」とは、凸部及び凹部（ここで言う「凹部」には反射体を厚み方向に貫通する空隙も含まれる）の平均的な大きさ（ここで言う「大きさ」は最大幅を示す）と平均的なピッチが測定光の波長よりも小さいことを意味する。

本発明のセンサの好適な態様としては、前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が、前記透光体の表面に金属がパターン形成された金属パターン層からなるものが挙げられる。
かかる態様では、前記吸収特性と前記金属パターン層における局在プラズモン共鳴現象とによって前記測定光の特性が変化されるセンサを提供することができる。

本発明のセンサの他の好適な態様としては、前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が、前記透光体の表面に複数の金属粒子が固着された金属粒子層からなるものが挙げられる。
かかる態様では、前記吸収特性と前記金属粒子層における局在プラズモン共鳴現象とによって前記測定光の特性が変化されるセンサを提供することができる。

本発明のセンサの他の好適な態様としては、前記第１の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
前記透光体は、前記第１の反射体側の面において開口した前記測定光の波長よりも小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体からなり、
前記第１の反射体は、前記透光体の表面形状に沿って複数の微細孔を有して形成された金属層からなるものが挙げられる。

本発明のセンサの他の好適な態様としては、前記第１の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
前記透光体は、前記第１の反射体側の面において開口した前記測定光の波長よりも小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体からなり、前記第１の反射体は、前記透光体の表面形状に沿って複数の微細孔を有して形成された金属層からなり、
前記透光体の前記複数の微細孔の内部に、部分的に金属が充填されたものが挙げられる。
かかる態様では、前記吸収特性と、前記第１の反射体、前記第２の反射体、及び前記透光体の前記複数の微細孔の内部に部分的に充填された前記金属のうち、少なくとも一つで起こる局在プラズモン共鳴現象とによって、前記測定光の特性が変化されるセンサを提供することができる。

上記吸収特性は光の干渉効果によるものであるので、上記態様等では、光の干渉効果と局在プラズモン共鳴現象とによって測定光の特性が変化されるセンサを提供することができる。かかるセンサ自体も新規であり、本発明に含まれる。

本発明の試料セル付きセンサは、上記の本発明のセンサが前記試料を充填可能な試料セルに固定された試料セル付きセンサであって、前記センサの前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が前記試料セル内の前記試料に接触するよう、前記センサが前記試料セルに固定されたものであることを特徴とするものである。

本発明のセンシング装置は、上記の本発明のセンサと、前記センサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、前記出射光の前記物理特性を検出する検出手段とを備えたことを特徴とするものである。
前記検出手段としては、前記出射光の光強度又は光強度の変化量、前記センサにより吸収される光の吸収波長又は吸収波長のシフトのうち少なくとも一つを検出するものが好ましい。
本発明のセンシング装置では、前記試料の屈折率及び／又は濃度を分析することができ、前記試料の屈折率を分析して前記試料を同定することもできる。

本発明のセンシング方法は、上記の本発明のセンサの前記試料の接触側に特定物質と特異的に結合する結合物質を固定してから前記試料を接触させ、該センサに対して前記測定光を照射し、前記出射光の前記物理特性を検出して、前記試料に含まれる前記特定物質の有無及び／又は前記特定物質の量を分析することを特徴とするものである。

本発明のセンサは、測定光の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備えたものである。

かかる構成では、第１の反射体を透過して透光体に入射した光が第１の反射体と第２の反射体との間で反射を繰り返して多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こる。本発明のセンサにおいて、多重干渉条件は第１の反射体の平均複素屈折率と第２の反射体の平均複素屈折率と透光体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、第１の反射体及び／又は第２の反射体から吸収特性に応じた測定光と異なる物理特性の出射光が出射される。

本発明のセンサにおいては、第１の反射体及び／又は第２の反射体が、試料に接触させられると共に試料によって平均複素屈折率が変化するものである。かかる構成では、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わるので、吸収特性によって変化する出射光の物理特性を検出することで、試料の分析を行うことができる。

本発明のセンサは透光体を２種類の反射体で挟んだデバイス構造を有しており、表面プラズモンセンサに比してはるかに構成が簡易であり、安価で構造上の制約が少ない。
本発明のセンサでは、多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光に対して強い吸収が起こるので、従来の局在プラズモンセンサに比して検出感度も高く、高精度分析を実施できる。

「センサの第１実施形態」
図１を参照して、本発明に係る第１実施形態のセンサについて説明する。図１（ａ）は斜視図、図１（ｂ）は厚み方向断面図（Ａ−Ａ’断面図）、図１（ｃ）は出射光のスペクトル例である。

図１に示す如く、本実施形態のセンサＳ１は、測定光Ｌ１の入射側（図示上側）から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と、透光体２０と、完全反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有する。測定光Ｌ１は単波長光でもブロード光でもよく、検出する物理特性に応じて選択される。

透光体２０は透光性平坦基板からなり、第１の反射体１０は透光体２０の一方の面に金属細線１１が規則的な格子状パターンで形成された金属パターン層からなり、第２の反射体３０は透光体２０の他方の面に形成されたベタ金属層からなる。
透光体２０の材質は特に制限なく、ガラスやアルミナ等の透光性セラミック、アクリル樹脂やカーボネート樹脂等の透光性樹脂等が挙げられる。

第１の反射体１０及び第２の反射体３０の材質としては、任意の反射性金属を使用でき、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が挙げられる。第１の反射体１０及び第２の反射体３０はこれら反射性金属を２種以上含むものであってもよい。

ベタ金属層である第２の反射体３０は、例えば金属蒸着等により成膜できる。第１の反射体１０は例えば、金属蒸着等によりベタ金属層を成膜した後、公知のフォトリソグラフィー加工を実施することで形成できる。

第１の反射体１０は反射性金属からなるが、空隙であるパターン間隙１２を複数有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。第１の反射体１０の金属細線１１の線幅及びピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計されており、第１の反射体１０は測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有するものとなっている。かかる測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造の第１の反射体１０は、いわゆる電磁メッシュシールド効果により光に対しては半透過半反射性の薄膜として作用する。

本実施形態のセンサＳ１では、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が、接触した試料によって平均複素屈折率が変わるセンシング体であり、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に試料を接触させて試料の分析を行うことができる。

特に、第１の反射体１０は、金属細線１１とパターン間隙１２との測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有しているので、第１の反射体１０の試料による平均複素屈折率の変化がより高い感度で起こる。これは、第１の反射体１０の凹凸構造によって測定光Ｌ１の振動等が効果的に起こることなどによると考えられる。したがって、少なくとも第１の反射体１０側に試料を接触させて試料の分析を行うことが好ましい。

金属細線１１のピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には例えば２００ｎｍ以下が好ましい。金属細線１１のピッチは小さい方が感度の点で好ましい。

金属細線１１の線幅は特に制限なく、感度の点で小さい方が好ましい。金属細線１１の線幅は光によって金属中で振動する電子の平均自由行程以下であることが好ましく、具体的には５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。

金属細線１１のピッチ及び線幅が小さい方が、１本の金属細線１１に占める表面の割合が相対的に大きくなるため、金属細線１１の表面特性が第１の反射体１０の全体特性に反映されやすくなり、より高い感度が得られる。具体的には、金属細線１１のピッチ及び線幅が小さい方が、試料の相違による第１の反射体１０の誘電率変化がより大きくなり、試料の相違による第１の反射体１０の平均複素屈折率（実効複素屈折率）の変化がより大きくなり、より高い感度が得られる。

図１（ｂ）に示す如く、センサＳ１に測定光Ｌ１が入射すると、第１の反射体１０の透過率と反射率に応じて、一部は第１の反射体１０の表面で反射され（図示略）、一部は第１の反射体１０を透過して透光体２０に入射する。透光体２０に入射した光は、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返す。すなわち、センサＳ１は、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で多重反射が起こる共振構造を有している。

かかるデバイスでは、多重反射光による多重干渉が起こり、特定波長の光が選択的に吸収される吸収特性を示す。多重干渉条件は第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。そして、吸収特性に応じた測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。本実施形態のセンサＳ１は、第２の反射体３０が完全反射性を有するので、出射光Ｌ２が第１の反射体１０からのみ出射される反射型センサである。

第１の反射体１０の平均複素屈折率をｎ_１−ｉｋ_１、透光体２０の平均複素屈折率をｎ_２、第２の反射体３０の平均複素屈折率をｎ_３−ｉｋ_３、透光体２０の厚みをｄとする（ｋ_１及びｋ_３は消衰係数であり、−ｉｋ_１及び−ｉｋ_３は虚数部を示す。本実施形態では、透光体２０の平均複素屈折率の虚数部は０である。）。
本発明者は、測定光Ｌ１が略垂直入射光の場合、多重干渉により吸収される光のピーク波長（吸収ピーク波長）λは、透光体２０の平均複素屈折率ｎ_２と厚みｄとに大きく依存し、これらは概ね下記式の関係にあることを見出している。すなわち、本発明者は、多重干渉による吸収ピーク波長λは下記式で表される波長の付近に現れ、下記式で表される波長の付近で、第１の反射体１０の平均複素屈折率ｎ_１−ｉｋ_１と、第２の反射体３０の平均複素屈折率ｎ_３−ｉｋ_３と、透光体２０の平均複素屈折率ｎ_２及び厚みｄとに応じて変わることを見出している。
ｎ_２ｄ≒（ｍ＋１）／２×λ、
λ≒（ｍ＋１）×２ｎ_２ｄ
式中、ｍは任意の整数（０，±１，±２，・・・・）である。

特に、第１の反射体１０、透光体２０、第２の反射体３０のうち少なくとも１つを複素誘電率の虚数部が０でない光吸収体により構成すると、吸収ピークがシャープになり、特定波長の光に対して強い吸収を示すものとなる。本実施形態では、金属層である第１の反射体１０及び第２の反射体３０が虚数部が０でない光吸収体である。

透光体２０の厚みｄは制限なく、多重干渉による可視光波長領域の吸収ピーク波長が１つとなり検出が容易なことから３００ｎｍ以下が好ましく、多重反射が効果的に起こりかつ多重干渉による吸収ピーク波長が可視光域で検出が容易なことから１００ｎｍ以上が好ましい。

センサＳ１では、透光体２０内における多重反射回数（フィネス）が最大となるよう、光インピーダンスマッチングを取ったデバイス構造とすることが好ましい。かかる構成とすることで、吸収ピークがシャープになり、より高精度な分析を実施でき、好ましい。

第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０（好ましくは第１の反射体１０）に試料を接触させると、反射体と試料との相互作用等によって試料が接触した反射体の平均複素屈折率（実効複素屈折率）が変わり、多重干渉条件が変わる。すなわち、試料によって多重干渉による吸収特性が変わる。

測定光Ｌ１として白色光を照射し、第１の反射体１０に異なる試料Ａ、Ｂを接触させたときの反射光スペクトル例（出射光スペクトル例）を図１（ｃ）に示す。図１（ｃ）には、試料を変えることで、吸収ピーク波長λがλ１からλ２に変化する様子が示されている。

センサＳ１では、吸収特性によって変化する出射光Ｌ２の物理特性を検出することで、試料の分析を行うことができる。吸収特性によって変化する出射光Ｌ２の物理特性としては、出射光Ｌ２の光強度又は光強度の変化量、センサＳ１により吸収される光の吸収波長又は吸収波長のシフト等が挙げられる。具体的なセンシング装置の構成例については後記する。

本実施形態のセンサＳ１では、試料の屈折率及び／又は濃度を分析することができ、試料の屈折率を分析して試料を同定することもできる。また、試料を接触させる反射体（第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０）に特定物質と特異的に結合する結合物質を固定してから試料を接触させ、センサＳ１に対して測定光Ｌ１を照射し出射光Ｌ２を検出することで、試料に含まれる特定物質の有無及び／又は特定物質の量を分析することもできる。特定物質／結合物質の組合せとしては抗原／抗体（いずれを結合物質としてもよい）等が挙げられ、本実施形態では抗原抗体反応等の経時的な分析も可能である。

本実施形態のセンサＳ１は以上のように構成されている。

本実施形態のセンサＳ１は、測定光Ｌ１の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と透光体２０と完全反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたものである。

かかる構成では、第１の反射体１０を透過して透光体２０に入射した光が第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返して多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こる。本実施形態のセンサＳ１において、多重干渉条件は第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて変わるので、これらファクターに応じて特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、第１の反射体１０から吸収特性に応じた測定光Ｌ１と異なる物理特性の出射光Ｌ２が出射される。

本実施形態のセンサＳ１においては、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０が、試料に接触させられると共に試料によって平均複素屈折率が変化するものである。かかる構成では、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わるので、吸収特性によって変化する出射光Ｌ２の物理特性を検出することで、試料の分析を行うことができる。

本実施形態のセンサＳ１は透光体２０を２種類の反射体１０、３０で挟んだデバイス構造を有しており、表面プラズモンセンサに比してはるかに構成が簡易であり、安価で構造上の制約が少ない。
本実施形態のセンサＳ１では、多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光に対して強い吸収が起こるので、従来の局在プラズモンセンサに比して検出感度も高く、高精度分析を実施できる。

本実施形態のセンサＳ１ではまた、金属パターン層からなる第１の反射体１０の表面で局在プラズモン共鳴を効果的に起こすことができる。
局在プラズモン共鳴は、金属の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで電場を生じる現象である。特に凹凸構造を有する金属層では、凸部の自由電子が光の電場に共鳴して振動することで凸部周辺に強い電場を生じ、局在プラズモン共鳴が効果的に起こるとされている。本実施形態では、第１の反射体１０が測定光Ｌ１の波長より小さい凹凸構造を有するので、局在プラズモン共鳴が効果的に起こる。

局在プラズモン共鳴が生じる波長については、測定光Ｌ１の散乱や吸収が著しく増大し、この特定波長については反射光の強度が著しく低くなる。この局在プラズモン共鳴が生じる光波長（共鳴ピーク波長）、及び測定光Ｌ１の散乱や吸収の程度は、センサＳ１の表面にある試料の屈折率等に依存する。

本実施形態では、光の干渉効果による上記吸収特性と、第１の反射体１０における局在プラズモン共鳴現象とによって測定光Ｌ１の特性が変化されるセンサを提供することができる。かかるセンサでは、光の干渉効果による上記吸収特性に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性１と、局在プラズモン共鳴現象に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性２との双方を検出して、試料の分析を行うことができる。また、これらの物理特性１と物理特性２との相関関係を検出して、試料の分析を行うことができる。

通常、多重干渉による吸収ピークと局在プラズモン共鳴による吸収ピークとは異なる波長に現れるので、本実施形態のセンサＳ１では、多重干渉現象と局在プラズモン共鳴現象による物理変化を各々検出することで、より高精度な分析を実施することが可能である。図１（ｃ）では局在プラズモン共鳴による吸収ピークを省略してある。なお、多重干渉による吸収ピークと局在プラズモン共鳴による吸収ピークは重なる場合もある。

第１の反射体１０及び第２の反射体３０の材質としては、上記の如く、局在プラズモン共鳴によるセンシングも実施できることから金属が好ましいが、金属以外の反射性材料を用いてもよい。

本実施形態では、第１の反射体１０が規則的な格子状パターンの場合について説明したが、第１の反射体１０のパターン形状は任意であり、ランダムパターンでもよい。ただし、構造規則性が高い方が共振構造の面内均一性が高く、特性が集約されるので、感度等の点で好ましい。

「センサの第２実施形態」
図２を参照して、本発明に係る第２実施形態のセンサについて説明する。図２（ａ）は第１実施形態の図１（ｂ）に対応する断面図、図２（ｂ）は出射光のスペクトル例である。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。

図２（ａ）に示す如く、本実施形態のセンサＳ２は、第１実施形態と同様、測定光Ｌ１の入射側から、第１の反射体１０と透光体２０と第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有する。本実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態では第２の反射体３０がベタ金属層からなり完全反射性を有する反射体であったのに対して、第２の反射体３０が第１の反射体１０と同様に、金属細線３１が規則的な格子状パターンで形成された金属パターン層からなり半透過半反射性を有する点である（第２の反射体３０の斜視図は図１（ａ）の第１の反射体１０と同様）。

本実施形態のセンサＳ２においても、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が、接触した試料によって平均複素屈折率が変わるセンシング体であり、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に試料を接触させて試料の分析を行うことができる。本実施形態では、第１の反射体１０及び第２の反射体３０がいずれも、測定光Ｌ１の波長より小さい凹凸構造を有するので、いずれに試料を接触させても、試料による反射体の平均複素屈折率の変化が高感度に起こる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に試料を接触させると、試料を接触させた反射体の平均複素屈折率（実効複素屈折率）が変わるので、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わる。したがって、第２の反射体３０が半透過半反射性を有する場合も、吸収特性によって変化する出射光Ｌ２の物理特性を検出することで、試料の分析を行うことができる。

第２の反射体３０が完全反射性を有する第１実施形態では反射型センサのみが得られるのに対し、第２の反射体３０が半透過半反射性を有する本実施形態では、第１の反射体１０の平均複素屈折率と第２の反射体３０の平均複素屈折率と透光体２０の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、第１の反射体１０からのみ出射光Ｌ２が出射される反射型センサ、第２の反射体３０からのみ出射光Ｌ２が出射される透過型センサ、第１の反射体１０及び第２の反射体３０から測定光Ｌ２が出射される半透過半反射型センサのいずれかとなる。

反射型センサ又は半透過半反射型センサにおいて、第１の反射体１０から出射される出射光Ｌ２（反射光）のスペクトル例は第１実施形態と同様である。透過型センサ又は半透過半反射型センサにおいて、第２の反射体３０側から出射される出射光Ｌ２（透過光）のスペクトル例を図２（ｂ）に示す。図２（ｂ）は吸収スペクトルである。図２（ｂ）には、試料を変えることで、吸収ピーク波長λがλ１からλ２に変化する様子が示されている。

本実施形態のセンサＳ２では、第１の反射体１０と第２の反射体３０とがいずれも金属パターン層からなるので、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０の表面で局在プラズモン共鳴を効果的に起こすことができる。したがって、本実施形態では、光の干渉効果による上記吸収特性と、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０における局在プラズモン共鳴現象とによって測定光Ｌ１の特性が変化されるセンサを提供することができる。かかるセンサでは、光の干渉効果による上記吸収特性に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性１と、局在プラズモン共鳴現象に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性２との双方を検出して、試料の分析を行うことができる。また、これらの物理特性１と物理特性２との相関関係を検出して、試料の分析を行うことができる。

本実施形態のセンサＳ２は以上のように構成されており、第２の反射体３０が半透過半反射性を有する点を除けば第１実施形態と基本的な構成は同様であるので、第１実施形態と同様の効果を奏する。本実施形態では、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が同一パターンからなる場合について説明したが、異なるパターンでもよい。

「センサの第３実施形態」
図３を参照して、本発明に係る第３実施形態のセンサについて説明する。図３（ａ）は第１実施形態の図１（ａ）に対応する斜視図、図３（ｂ）はセンサの上面図である。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。

図３に示す如く、本実施形態のセンサＳ３は、第１実施形態と同様、測定光Ｌ１の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と透光体２０と完全反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有する。

本実施形態が第１実施形態と異なる点は、第１実施形態では第１の反射体１０がパターン形成された金属層であったのに対して、第１の反射体１０が透光体２０の表面に略同一径の複数の金属粒子１３がマトリクス状に規則配列して固着された金属粒子層からなる点である。金属粒子１３の材質は制限なく、第１実施形態の第１の反射体１０と同様の金属が例示できる。

上記第１の反射体１０は例えば、透光体２０の表面に金属粒子１３の分散溶液をスピンコート法等により塗布し乾燥することで形成できる。分散溶液に樹脂や蛋白質等のバインダを含有させ、バインダを介して金属粒子１３を透光体２０の表面に固着させることが好ましい。バインダとして蛋白質を用いる場合には、蛋白質同士の結合反応を利用して、金属粒子１３を透光体２０の表面に固着させることも可能である。

第１の反射体１０は反射性金属からなるが、空隙である粒子間隙１４を複数有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。金属粒子１３の径及びピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さく設計されており、第１の反射体１０は測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有するものとなっている。本実施形態においても、第１の反射体１０は、いわゆる電磁メッシュシールド効果により光に対しては半透過半反射性の薄膜として作用する。

本実施形態のセンサＳ３においても、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が、接触した試料によって平均複素屈折率が変わるセンシング体であり、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に試料を接触させて試料の分析を行うことができる。

特に、第１の反射体１０は、金属粒子１３と粒子間隙１４との測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有しているので、第１実施形態と同様の理由で、第１の反射体１０の試料による平均複素屈折率の変化がより高い感度で起こる。したがって、少なくとも第１の反射体１０側に試料を接触させて試料の分析を行うことが好ましい。

金属粒子１３のピッチは測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には例えば２００ｎｍ以下が好ましい。金属粒子１３のピッチは小さい方が感度の点で好ましい。

金属粒子１３の径は特に制限なく、感度の点で小さい方が好ましい。金属粒子１３の径は光によって金属中で振動する電子の平均自由行程以下であることが好ましく、具体的には５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。

第１実施形態の金属細線１１と同様、金属粒子１３のピッチ及び径が小さい方が、１個の金属粒子１３に占める表面の割合が相対的に大きくなるため、金属粒子１３の表面特性が第１の反射体１０の全体特性に反映されやすくなり、より高い感度が得られる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返して多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。本実施形態においても、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０の平均複素屈折率（実効複素屈折率）が試料によって変わり、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わるので、第１実施形態と同様に、試料の分析を行うことができる。

本実施形態のセンサＳ３ではまた、金属粒子層からなる第１の反射体１０の表面で局在プラズモン共鳴を効果的に起こすことができる。したがって、本実施形態では、第１実施形態と同様に、光の干渉効果による上記吸収特性と、第１の反射体１０における局在プラズモン共鳴現象とによって測定光Ｌ１の特性が変化されるセンサを提供することができる。かかるセンサでは、光の干渉効果による上記吸収特性に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性１と、局在プラズモン共鳴現象に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性２との双方を検出して、試料の分析を行うことができる。また、これらの物理特性１と物理特性２との相関関係を検出して、試料の分析を行うことができる。

本実施形態のセンサＳ３は以上のように構成されている。

本実施形態のセンサＳ３は、第１の反射体１０が金属粒子層からなる点を除けば第１実施形態と基本的な構成は同様であるので、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本実施形態では、第１の反射体１０が略同一径の複数の金属粒子１３がマトリクス状に規則配列して固着された金属層からなる場合について説明したが、金属粒子１３は径に分布があってもよく、配列パターンも任意であり、ランダム配列でもよい。また、第２の反射体３０がベタ金属層からなる場合について説明したが、第２の反射体３０についても第１の反射体１０と同様に金属粒子層により構成することができる。この場合には、第２の反射体３０が半透過反射性を有するものとなり、第２実施形態と同様に分析を実施できる。

「センサの第４実施形態」
図４及び図５を参照して、本発明に係る第４実施形態のセンサについて説明する。図４はセンサの斜視図、図５は製造工程図である。本実施形態において、第１実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。

図４に示す如く、本実施形態のセンサＳ４は、第１実施形態と同様、測定光Ｌ１の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と透光体２０と完全反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有する。

本実施形態では、第１実施形態と異なり、透光体２０は図５に示す被陽極酸化金属体（Ａｌ）４０の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体（Ａｌ_２Ｏ_３）４１からなり、第２の反射体３０は図５に示す被陽極酸化金属体４０の非陽極酸化部分（Ａｌ）４２からなる。第２の反射体３０は完全反射性を有する。

透光体２０は、第１の反射体１０側から第２の反射体３０側に延びる略ストレートな複数の微細孔２１が開孔された透光性微細孔体である。複数の微細孔２１は第１の反射体１０側の面において開口し、第２の反射体３０側は閉じられている。透光体２０において、複数の微細孔２１は測定光Ｌ１の波長より小さい径及びピッチで略規則的に配列されている。

陽極酸化は、被陽極酸化金属体４０を陽極とし陰極と共に電解液に浸漬させ、陽極陰極間に電圧を印加することで実施できる。被陽極酸化金属体４０の形状は制限されず、板状等が好ましい。また、支持体の上に被陽極酸化金属体４０が層状に成膜されたものなど、支持体付きの形態で用いることも差し支えない。陰極としてはカーボンやアルミニウム等が使用される。電解液としては制限されず、硫酸、リン酸、クロム酸、シュウ酸、スルファミン酸、ベンゼンスルホン酸、アミドスルホン酸等の酸を、１種又は２種以上含む酸性電解液が好ましく用いられる。

図５に示す如く、被陽極酸化金属体４０を陽極酸化すると、表面４０ｓから該面に対して略垂直方向に酸化反応が進行し、金属酸化物体（Ａｌ_２Ｏ_３）４１が生成される。陽極酸化により生成される金属酸化物体４１は、多数の平面視略正六角形状の微細柱状体４１ａが隙間なく配列した構造を有するものとなる。各微細柱状体４１ａの略中心部には、表面４０ｓから深さ方向に略ストレートに延びる微細孔２１が開孔され、各微細柱状体４１ａの底面は丸みを帯びた形状となる。陽極酸化により生成される金属酸化物体の構造は、益田秀樹、「陽極酸化法によるメソポーラスアルミナの調製と機能材料としての応用」、材料技術Vol.15,No.10、1997年、p.34等に記載されている。

規則配列構造の金属酸化物体４１を生成する場合の好適な陽極酸化条件例としては、電解液としてシュウ酸を用いる場合、電解液濃度０．５Ｍ、液温１４〜１６℃、印加電圧４０〜４０±０．５Ｖ等が挙げられる。この条件で生成される微細孔２１は例えば、径が５〜２００ｎｍ、ピッチが１０〜４００ｎｍである。

本実施形態において、第１の反射体１０は透光体２０への金属蒸着等により成膜され、透光体２０の表面形状に沿って形成された金属層からなる。透光体２０の微細孔２１の開口箇所には金属が成膜されないので、第１の反射体１０は略中心部に微細孔１６を有する平面視略正六角状の金属体１５が隙間なく配列した形状を呈する。第１の反射体１０の微細孔１６は透光体２０の微細孔２１と同じパターンで開孔されるので、微細孔１６は測定光Ｌ１の波長より小さい径及びピッチで略規則的に配列されたものとなる。

第１の反射体１０は反射性金属からなるが、空隙である微細孔１６を複数有しているので光透過性を有し、半透過半反射性を有する。第１の反射体１０は、略中心部に微細孔１６を有する測定光Ｌ１の波長より小さい大きさの平面視略正六角状の金属体１５が略規則的に配列されたものであるので、測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有するものとなっている。本実施形態においても、第１の反射体１０は、いわゆる電磁メッシュシールド効果により光に対しては半透過半反射性の薄膜として作用する。

本実施形態のセンサＳ４においても、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が、接触した試料によって平均複素屈折率が変わるセンシング体であり、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に試料を接触させて試料の分析を行うことができる。

特に、第１の反射体１０は、平面視略正六角状の金属体１５と微細孔１６との測定光Ｌ１の波長よりも小さい凹凸構造を有しているので、第１実施形態と同様の理由で、第１の反射体１０の試料による平均複素屈折率の変化がより高い感度で起こる。したがって、少なくとも第１の反射体１０側に試料を接触させて試料の分析を行うことが好ましい。

金属体１５のピッチ（微細孔１６のピッチ）は測定光Ｌ１の波長よりも小さい条件を充足すれば特に制限なく、測定光Ｌ１として可視光を用いる場合には例えば２００ｎｍ以下が好ましい。金属体１５のピッチが小さい方が感度の点で好ましい。

隣接する微細孔１６の離間距離（隣接する微細孔１６の間にある金属体１５の幅Ｗ）は特に制限なく、感度の点で小さい方が好ましい。幅Ｗは、第１、第３実施形態の金属細線１１の幅、金属粒子１３の径に相当する。幅Ｗは、光によって金属中で振動する電子の平均自由行程以下であることが好ましく、具体的には５０ｎｍ以下、特に３０ｎｍ以下であることが好ましい。

第１実施形態の金属細線１１と同様、金属体１５のピッチ及び幅Ｗが小さい方が、金属体１５の表面特性が第１の反射体１０の全体特性に反映されやすくなり、より高い感度が得られる。

本実施形態においても、第１実施形態と同様に、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返して多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。本実施形態においても、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０の平均複素屈折率（実効複素屈折率）が試料によって変わり、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わるので、第１実施形態と同様に、試料の分析を行うことができる。

本実施形態のセンサＳ４は以上のように構成されている。

本実施形態のセンサＳ４は、透光体２０が第１の反射体１０側の面において開口した複数の微細孔２１を有する透光性微細孔体からなり、第１の反射体１０が透光体２０の表面形状に沿って複数の微細孔１６を有して形成された金属層からなる点を除けば、第１実施形態と基本的な構成は同様であるので、第１実施形態と同様の効果を奏する。

本実施形態のセンサＳ４は、陽極酸化を利用して製造されたものであるので、透光体２０の微細孔２１及び第１の反射体１０の微細孔１６が略規則配列されたセンサＳ４を簡易に製造でき、好ましい。ただし、これら微細孔の配列はランダム配列でもよい。

本実施形態では、透光体２０の製造に用いる被陽極酸化金属体４０の主成分としてＡｌのみを挙げたが、陽極酸化可能で生成される金属酸化物が透光性を有するものであれば、任意の金属が使用できる。Ａｌ以外では、Ｔｉ、Ｔａ、Ｈｆ、Ｚｒ、Ｓｉ、Ｉｎ、Ｚｎ等が使用できる。被陽極酸化金属体４０は、陽極酸化可能な金属を２種以上含むものであってもよい。

本実施形態では、第２の反射体３０が完全反射性を有する場合について説明したが、被陽極酸化金属体４０の全体を陽極酸化する、あるいは、被陽極酸化金属体４０の一部を陽極酸化し、さらに被陽極酸化金属体４０の非陽極酸化部分４２及びその近傍部分を除去することで、微細孔２１が透光体２０を貫通する透光体２０が得られる。微細孔２１が透光体２０を貫通する透光体２０に透光体２０の表面形状に沿って第２の反射体３０を形成すれば、第１の反射体１０と同様に微細孔を有し半透過反射性を有する第２の反射体３０を形成することができ、第２実施形態と同様に分析を実施できる。

「センサの第５実施形態」
図６を参照して、本発明に係る第５実施形態のセンサについて説明する。図６はセンサの斜視図であり、本実施形態において、第４実施形態と同じ構成要素には同じ参照符号を付して、説明は省略する。

本実施形態のセンサＳ５は、第４実施形態のセンサＳ４と基本構成は同様であり、透光体２０に開孔された複数の微細孔２１の底部に金属２２が充填されたものでる。
例えば、第１の反射体１０を金属蒸着により成膜する際に、同時に微細孔２１内にも金属が蒸着される条件で、第１の反射体１０を成膜することで、透光体２０の微細孔２１の底部に第１の反射体１０の構成金属と同種の金属２２を充填することができる。
また、上記のように同種の金属で第１の反射体１０の成膜と金属２２の充填とを実施した後、第１の反射体１０を除去し、新たに別種の金属で金属蒸着を行って第１の反射体１０を成膜すれば、第１の反射体１０と透光体２０の微細孔２１に充填される金属２２の種類を異ならせることも可能である。

金属２２の充填は第１の反射体１０の成膜と同様に実施できるので、金属２２としては第１実施形態で挙げた第１の反射体１０の構成金属と同様の金属を用いることができる。すなわち、金属２２としては任意の金属を使用でき、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｌ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｔｉ、及びこれらの合金等が挙げられる。金属２２はこれら金属を２種以上含むものであってもよい。

本実施形態においても、第４実施形態と同様に、第１の反射体１０と第２の反射体３０との間で反射を繰り返して多重反射（共振）が効果的に起こり、多重反射光による多重干渉が効果的に起こり、特定波長の光を吸収する吸収特性を示す。本実施形態においても、第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０の平均複素屈折率（実効複素屈折率）が試料によって変わり、試料によって多重干渉条件が変わり吸収特性が変わるので、第４実施形態と同様に、試料の分析を行うことができる。

本実施形態ではまた、第１の反射体１０、第２の反射体３０、及び透光体２０の複数の微細孔２１の内部に部分的に充填された金属２２のうち少なくとも一つの表面で、局在プラズモン共鳴を起こすことができる。本発明者は特に、透光体２０の複数の微細孔２１に部分的に充填された金属２２の表面で、局在プラズモン共鳴を効果的に起こすことができることを見出している。

本実施形態では、第１実施形態と同様に、光の干渉効果による上記吸収特性と、局在プラズモン共鳴現象とによって測定光Ｌ１の特性が変化されるセンサを提供することができる。かかるセンサでは、光の干渉効果による上記吸収特性に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性１と、局在プラズモン共鳴現象に応じて変化する出射光Ｌ２の物理特性２との双方を検出して、試料の分析を行うことができる。また、これらの物理特性１と物理特性２との相関関係を検出して、試料の分析を行うことができる。

「設計変更例」
本発明のセンサは上記実施形態に限らず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲内において適宜設計変更できる。
本発明のセンサにおける第１の反射体１０及び第２の反射体３０の構成やこれらの組合せは適宜設計変更できる。例えば、第１〜第４実施形態を組み合わせて第１の反射体１０及び第２の反射体３０を構成し、本発明のセンサを構成することができる。

「試料セル付きセンサの実施形態」
図７（ａ）を参照して、本発明に係る実施形態の試料セル付きセンサの構成について説明する。図７（ａ）は図１（ｂ）等に対応した概略断面図である（センサのハッチングは省略）。

センサＳは上記実施形態のセンサＳ１〜Ｓ５のうちいずれかであり、測定光Ｌ１の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体１０と、透光体２０と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体３０とを順次備えたデバイス構造を有するものである。

センサＳは、第２の反射体３０が完全反射性を有するとき、出射光Ｌ２が第１の反射体１０から出射される反射型センサとなる。センサＳは、第２の反射体３０が半透過半反射性を有するとき、出射光Ｌ２が第１の反射体１０からのみ出射される反射型センサ、第２の反射体３０からのみ出射光Ｌ２が出射される透過型センサ、第１の反射体１０及び第２の反射体３０から測定光Ｌ２が出射される半透過半反射型センサのいずれかとなる。本実施形態の試料セル付きセンサＣ１は、いずれのタイプのセンサＳにも対応可能なものである。

試料セル付きセンサＣ１は、センサＳの第１の反射体１０及び第２の反射体３０が試料セル５０内の試料Ｘに接触するよう、センサＳが試料セル５０内に固定されたものである（固定構造については図示略）。センサＳは、試料セル５０に対して完全固定でも着脱自在でもよい。

試料セル５０は、試料Ｘが充填可能な金属等の非透光性材料からなるセル本体５１を主とし、セル本体５１に透光性窓５２、５３が嵌め込まれたものである。透光性窓５２、５３は各々、センサＳの第１の反射体１０、第２の反射体３０の対向部分に嵌め込まれている。

試料セル付きセンサＣ１では、測定光Ｌ１は試料セル５０の外側から透光性窓５２を介してセンサＳの第１の反射体１０に入射される。反射型センサでは、出射光Ｌ２である反射光が透光性窓５２を介して試料セル５０の外側に出射されて検出され、透過型センサでは、出射光Ｌ２である透過光が透光性窓５３を介して試料セル５０の外側に出射されて検出され、半透過半反射型センサでは、出射光Ｌ２である反射光及び／又は透過光が透光性窓５２及び／又は透光性窓５３を介して試料セル５０の外側に出射されて検出される。

本実施形態では、第１の反射体１０及び第２の反射体３０が試料セル５０内の試料Ｘに接触するよう、センサＳが試料セル５０内に固定されているので、試料Ｘによって第１の反射体１０及び第２の反射体３０の平均複素屈折率が変わり、試料Ｘの分析を実施できる。

本実施形態では、センサＳの第１の反射体１０及び／又は第２の反射体３０に特定物質と特異的に結合する結合物質を固定してから試料セル５０内に試料Ｘを充填し、出射光Ｌ２の検出を行うことで、試料Ｘに含まれる特定物質の有無及び／又は特定物質の量を分析することができる。特定物質／結合物質の組合せとしては抗原／抗体（いずれを結合物質としてもよい）等が挙げられ、本実施形態では抗原抗体反応の経時的な分析も容易に実施できる。
センサＳを試料セル付きセンサＣ１の形態で使用することで、バイオ分析等を簡易に効率よく高精度に実施できる。

本実施形態では、セル本体５１の第１の反射体１０、第２の反射体３０の対向部分に透光性窓５２、５３が各々嵌め込まれた構成について説明したが、第１の反射体１０から出射光Ｌ２が出射される反射型センサ又は半透過半反射型センサでは、少なくとも透光性窓５２を設ける構成とすればよく、第２の反射体３０から出射光Ｌ２が出射される透過型センサ又は半透過半反射型センサでは、少なくとも透光性窓５３を設ける構成とすればよい。

第１の反射体１０から出射光Ｌ２が出射される反射型センサ又は半透過半反射型センサでは、図７（ｂ）に示す如く、第２の反射体３０のみが試料セル５０内の試料Ｘに接触するよう、センサＳを試料セル５０内に固定し、出射光Ｌ２である反射光を検出する構成とすることもできる。
かかる構成では、測定光Ｌ１と出射光Ｌ２がいずれも試料Ｘを通ることなく検出を実施できるので、試料Ｘによる分析への影響が抑えられ、より高精度な分析を実施できる。例えば、試料Ｘの液温等の変化によって、センサＳの試料Ｘに接した部分の屈折率が僅かながらも変化して測定精度に影響を与える恐れがあるが、図７（ｂ）に示す構成では、第１の反射体１０側は試料Ｘに接しないので、試料Ｘの液温等の変化による第１の反射体１０の屈折率の変化が抑制され、高精度な分析を実施できる。

「センシング装置」
図８に基づいて、本発明に係る第１〜第３実施形態のセンシング装置の構成について説明する。反射型センサ又は半透過半反射型センサを用い、反射光を検出する反射型のセンシング装置を例として説明する。

図８（ａ）〜（ｃ）に示すセンシング装置Ａ１〜Ａ３はいずれも、上記実施形態のＳ１〜Ｓ５のうちいずれかであるセンサＳと、センサＳに測定光Ｌ１を照射する測定光照射手段６０と、出射光Ｌ２である反射光の物理特性を検出する検出手段７０とから構成されており、測定光照射手段６０と検出手段７０との組合せが各々異なっている。同じ構成要素には同じ参照符号を付してある。

センシング装置Ａ１は、測定光照射手段６０がハロゲンランプ、キセノンランプ、クリプトンランプ等のブロード光源６１からなり、検出手段７０が分光器７１及びデータ処理部７２からなる装置である。測定光照射手段６０には必要に応じて、光源６１からの出射光を平行光束とするコリメータレンズ及び／又は集光レンズ等を含む導光光学系が備えられる。

センシング装置Ａ１は、測定光照射手段６０によってセンサＳに測定光Ｌ１としてブロード光を照射し、検出手段７０によって出射光Ｌ２である反射光の分光スペクトルを得、センサＳにより吸収される光の吸収ピーク波長λ又は基準条件からの吸収ピーク波長λのシフトを検出して、試料の分析を行うものである（分光スペクトル及び吸収ピーク波長λは図１（ｃ）を参照）。

センシング装置Ａ２は、測定光照射手段６０がレーザ、発光ダイオード等の単波長光源６２からなり、検出手段７０がフォトダイオード等の光強度検出器７３及びデータ処理部７２からなる装置である。センシング装置Ａ２においても、測定光照射手段６０には必要に応じてコリメータレンズ及び／又は集光レンズ等を含む導光光学系が備えられる。

センシング装置Ａ２は、測定光照射手段６０によってセンサＳに測定光Ｌ１として単波長光を照射し、検出手段７０によって出射光Ｌ２である反射光の光強度を検出して、試料の分析を行うものである。測定光Ｌ１の波長は任意である。図１（ｃ）には、任意のある波長に着目したとき、試料によって該波長の光強度が変わることが示されている。換言すれば、図１（ｃ）には、任意の波長の測定光Ｌ１について出射光Ｌ２の光強度を検出することで、試料の分析を実施できることが示されている。

センシング装置Ａ２においては、測定光照射手段６０として単波長光源６２を用いる代わりに、測定光照射手段６０をブロード光源６１及び光源６１からの出射光から特定波長光のみを取り出す分光器等の波長分布可変手段とから構成しても、同様に試料の分析を行うことができる。

センシング装置Ａ３は、測定光照射手段６０が、ブロード光源６１及び光源６１からの出射光から特定波長光のみを取り出しかつ取り出す特定波長光の波長を経時的に変化させることが可能な分光器等の波長分布変化手段６３からなり、検出手段７０が光強度検出器７３及びデータ処理部７２からなる装置である。データ処理部７２には、波長分布変化手段６３から取り出される特定波長光の波長データと光強度検出器７３による光強度のデータとが入力され、データ処理が行われる。センシング装置Ａ３においても、測定光照射手段６０には必要に応じてコリメータレンズ及び／又は集光レンズ等を含む導光光学系が備えられる。

センシング装置Ａ３は、測定光照射手段６０によってセンサＳに測定光Ｌ１として単波長光を照射すると共に経時的に照射する単波長光の波長を変化させ、検出手段７０によって出射光Ｌ２である反射光の光強度の変化を経時的に測定して、図１（ｃ）に示した分光スペクトルと同様のスペクトルを得、センサＳにより吸収される光の吸収ピーク波長λ又は基準条件からの吸収ピーク波長λのシフトを検出して、試料の分析を行うものである。

以上例示したように、検出手段７０により、出射光Ｌ２の光強度又はその変化量、センサＳにより吸収される光の吸収ピーク波長λ又はそのシフトのうち少なくとも一つを検出することで、試料の分析が実施できる。

センシング装置Ａ１〜Ａ３では、試料の屈折率及び／又は濃度を分析することができ、試料の屈折率を分析して試料を同定することもできる。また、センサＳの試料の接触側に特定物質と特異的に結合する結合物質を固定してから試料を接触させ、センサＳに対して測定光Ｌ１を照射し出射光Ｌ２を検出することで、試料に含まれる特定物質の有無及び／又は特定物質の量を分析することもできる。

反射型のセンシング装置Ａ１〜Ａ３では、検出手段７０は、第１の反射体１０から出射された出射光Ｌ２の散乱光等の非正反射成分のみを受光して出射光Ｌ２の検出を行う構成とすることが好ましい。正反射成分は光強度が強すぎて本来検出したい特性が良好に検出されない恐れがあるが、散乱光等の微弱な光を検出することで、より高精度な分析を実施することができる。また、同様の理由から、反射型のセンシング装置Ａ１〜Ａ３では、測定光照射手段６０がセンサＳの光入射面に対して非垂直方向から測定光Ｌ１を照射する位置に配置されていることが好ましい。

反射型のセンシング装置についてのみ例示したが、透過型センサ又は半透過半反射型センサを用い、透過光を検出する透過型のセンシング装置では、検出手段７０を第２の反射体３０側に配置するなどして、検出手段７０が透過光を検出するように構成すればよい。

本発明に係る実施例について説明する。

（実施例１、２）
第４実施形態のセンサＳ４（実施例１）と第５実施形態のセンサＳ５（実施例２）について、ＦＤ−ＴＤ法による電磁場解析シミュレーションソフトを用いて、それぞれ反射光スペクトルをシミュレーションした。微細孔２１内に水を充填したという条件で、計算を実施した。計算条件は以下の通りとした。
＜計算条件＞
第１の反射体１０：Ａｕ（２０ｎｍ厚）、
透光体２０：Ａｌ_２Ｏ_３（２００ｎｍ厚）、微細孔２１のピッチ:１００ｎｍ、微細孔２１の孔径：５０ｎｍ、
第２の反射体３０：Ａｌ、
実施例２のセンサにおいて、微細孔２１内に充填する金属２２：Ａｕ（２０ｎｍ厚）、
測定光Ｌ１：白色光（垂直入射）。

物質の複素屈折率は入射光の波長によって異なる。透光体２０は微細孔２１の開口率とその内部の充填物（実施例１では水、実施例２では水とＡｕ）とを考慮して算出した。第１の反射体１０の平均複素屈折率は、微細孔２１の開口率を考慮して算出した。第２の反射体３０は孔がないので、その平均複素屈折率はＡｌの複素屈折率と同じである。

結果を図９に示す。
微細孔２１内に金属２２を充填しない実施例１のセンサと、微細孔２１内に金属２２を充填した実施例２のセンサのいずれについても、いずれも４００〜５００ｎｍと８５０〜９５０ｎｍの範囲に多重干渉による吸収ピークが見られた。微細孔２１内に金属２２を充填した実施例２のセンサでは、干渉による上記吸収ピークに加えて、７００ｎｍ付近に局在プラズモン共鳴による吸収ピークが見られた。
本発明者は、いずれのセンサについても微細孔２１内に充填する試料を変えることでスペクトルが変化し、実施例１、２のセンサにより試料の分析が可能であることを確認している。

本発明のセンサは、バイオセンサ等として好ましく利用できる。

（ａ）は本発明に係る第１実施形態のセンサの斜視図、（ｂ）は厚み方向断面図、（ｃ）は出射光のスペクトル例 （ａ）は本発明に係る第２実施形態のセンサの厚み方向断面図、（ｂ）は出射光のスペクトル例 （ａ）は本発明に係る第３実施形態のセンサの斜視図、（ｂ）は上面図 本発明に係る第４実施形態のセンサの斜視図 （ａ）〜（ｃ）は図４のセンサの製造工程図 本発明に係る第５実施形態のセンサの斜視図 （ａ）は本発明に係る実施形態の試料セル付きセンサの構成を示す概略断面図、（ｂ）は設計変更例を示す図 （ａ）〜（ｃ）は本発明に係る第１〜第３実施形態のセンシング装置の構成を示す図 実施例１、２のシミュレーション結果を示す図

符号の説明

Ｓ１〜Ｓ５、Ｓ センサ
１０ 第１の反射体
１１ 金属細線
１２ パターン間隙
１３ 金属粒子
１４ 粒子間隙
１６ 微細孔
２０ 透光体
２１ 微細孔
２２ 金属
３０ 第２の反射体
３１ 金属細線
３２ パターン間隙
４０ 被陽極酸化金属体
４１ 金属酸化物体
４２ 非陽極酸化部分
Ｃ１ 試料セル付きセンサ
５０ 試料セル
Ａ１〜Ａ３ センシング装置
６０ 測定光照射手段
７０ 検出手段
Ｌ１ 測定光
Ｌ２ 出射光
Ｘ 試料

Claims (19)

1. 測定光が入射されると共に、該測定光が試料によって物理特性の異なる出射光となって出射され検出されるセンサにおいて、
   前記測定光の入射側から、半透過半反射性を有する第１の反射体と、透光体と、完全反射性又は半透過半反射性を有する第２の反射体とを順次備えてなり、
   前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
   前記第１の反射体の平均複素屈折率と、前記第２の反射体の平均複素屈折率と、前記透光体の平均複素屈折率及び厚みとに応じて、特定波長の光を吸収する吸収特性を示し、該吸収特性を含む光学特性により前記測定光の特性が変化されて、前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体から前記出射光が出射されるものであり、
   前記光学特性に応じて変化する前記出射光の物理特性が検出されるものであることを特徴とするセンサ。
2. 前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体は、前記測定光の波長よりも小さい凹凸構造を有するものであることを特徴とする請求項１に記載のセンサ。
3. 前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体は、前記透光体の表面に金属がパターン形成された金属パターン層からなることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
4. 前記吸収特性と前記金属パターン層における局在プラズモン共鳴現象とによって、前記測定光の特性が変化されるものであることを特徴とする請求項３に記載のセンサ。
5. 前記試料に接触させられる前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体は、前記透光体の表面に複数の金属粒子が固着された金属粒子層からなることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
6. 前記吸収特性と前記金属粒子層における局在プラズモン共鳴現象とによって、測定光の特性が変化されるものであることを特徴とする請求項５に記載のセンサ。
7. 前記第１の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
   前記透光体は、前記第１の反射体側の面において開口した前記測定光の波長よりも小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体からなり、前記第１の反射体は、前記透光体の表面形状に沿って複数の微細孔を有して形成された金属層からなることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
8. 前記第１の反射体が、前記試料に接触させられると共に該試料によって平均複素屈折率が変化するものであり、
   前記透光体は、前記第１の反射体側の面において開口した前記測定光の波長よりも小さい径の複数の微細孔を有する透光性微細孔体からなり、前記第１の反射体は、前記透光体の表面形状に沿って複数の微細孔を有して形成された金属層からなり、
   前記透光体の前記複数の微細孔の内部に、部分的に金属が充填されたものであることを特徴とする請求項２に記載のセンサ。
9. 前記吸収特性と、前記第１の反射体、前記第２の反射体、及び前記透光体の前記複数の微細孔の内部に部分的に充填された前記金属のうち、少なくとも一つで起こる局在プラズモン共鳴現象とによって、前記測定光の特性が変化されるものであることを特徴とする請求項８に記載のセンサ。
10. 前記透光体は被陽極酸化金属体の一部を陽極酸化して得られる金属酸化物体からなり、前記第２の反射体は前記被陽極酸化金属体の非陽極酸化部分からなり、前記第１の反射体は前記透光体に成膜された金属層からなることを特徴とする請求項７〜９のいずれかに記載のセンサ。
11. 測定光が入射されると共に、該測定光が試料によって物理特性の異なる出射光となって出射され検出されるセンサにおいて、
    光の干渉効果と局在プラズモン共鳴現象とによって前記測定光の特性が変化されて、前記出射光が出射されるものであることを特徴とするセンサ。
12. 請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサが前記試料を充填可能な試料セルに固定された試料セル付きセンサであって、
    前記センサの前記第１の反射体及び／又は前記第２の反射体が前記試料セル内の前記試料に接触するよう、前記センサが前記試料セルに固定されたものであることを特徴とする試料セル付きセンサ。
13. 請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサと、
    前記センサに前記測定光を照射する測定光照射手段と、
    前記出射光の前記物理特性を検出する検出手段とを備えたことを特徴とするセンシング装置。
14. 前記検出手段は、前記出射光の光強度又は光強度の変化量、前記センサにより吸収される光の吸収波長又は吸収波長のシフトのうち少なくとも一つを検出するものであることを特徴とする請求項１３に記載のセンシング装置。
15. 前記センサは、少なくとも前記第１の反射体から前記出射光が出射されるものであり、前記検出手段は、前記第１の反射体から出射された前記出射光の非正反射成分のみを受光して前記物理特性を検出するものであることを特徴とする請求項１３又は１４に記載のセンシング装置。
16. 前記測定光照射手段は、前記センサの光入射面に対して非垂直方向から前記測定光を照射する位置に配置されていることを特徴とする請求項１３〜１５のいずれかに記載のセンシング装置。
17. 前記試料の屈折率及び／又は濃度を分析するものであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載のセンシング装置。
18. 前記試料の屈折率を分析して、前記試料を同定するものであることを特徴とする請求項１３〜１６のいずれかに記載のセンシング装置。
19. 請求項１〜１１のいずれかに記載のセンサの前記試料の接触側に特定物質と特異的に結合する結合物質を固定してから前記試料を接触させ、該センサに対して前記測定光を照射し、前記出射光の前記物理特性を検出して、前記試料に含まれる前記特定物質の有無及び／又は前記特定物質の量を分析することを特徴とするセンシング方法。

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