JP2007232456A - 光学素子、屈折率センサ、および化学センサ - Google Patents
光学素子、屈折率センサ、および化学センサ Download PDFInfo
- Publication number
- JP2007232456A JP2007232456A JP2006052157A JP2006052157A JP2007232456A JP 2007232456 A JP2007232456 A JP 2007232456A JP 2006052157 A JP2006052157 A JP 2006052157A JP 2006052157 A JP2006052157 A JP 2006052157A JP 2007232456 A JP2007232456 A JP 2007232456A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- light
- optical element
- side direction
- light source
- arrangement pitch
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
【課題】表面プラズモンを利用した光学素子において、S/Nを高め、複数の波長領域に対するフィルタ機能を実現する。
【解決手段】光学素子100は、金属薄膜101と、金属薄膜101の面内に形成された複数の矩形開口102からなる開口アレイ103とを有している。複数の矩形開口102は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口102で共通の長辺方向寸法Lおよび短辺方向寸法Sを有している。複数の矩形開口102は、また、矩形開口102の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチPLで配列され、かつ、矩形開口102の短辺方向に沿って長辺方向配列ピッチPLと異なる短辺方向配列ピッチPSで配列されている。長辺方向配列ピッチPLは短辺方向寸法Sに応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチPSは長辺方向寸法Lに応じて選択されている。
【選択図】図1
【解決手段】光学素子100は、金属薄膜101と、金属薄膜101の面内に形成された複数の矩形開口102からなる開口アレイ103とを有している。複数の矩形開口102は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口102で共通の長辺方向寸法Lおよび短辺方向寸法Sを有している。複数の矩形開口102は、また、矩形開口102の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチPLで配列され、かつ、矩形開口102の短辺方向に沿って長辺方向配列ピッチPLと異なる短辺方向配列ピッチPSで配列されている。長辺方向配列ピッチPLは短辺方向寸法Sに応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチPSは長辺方向寸法Lに応じて選択されている。
【選択図】図1
Description
本発明は光学素子に関し、また、その光学素子を利用した屈折率センサ、および化学センサに関する。
近年、医療における診断や食品の検査等において、バイオセンサの需要がますます増大しており、小型かつ低コストで、高速センシングの可能なバイオセンサの開発が求められている。このため、電極やFETを用いて電気化学的検出を行うバイオセンサが開発されてきた。
また、さらなる集積化、低コスト化が可能で、かつ測定環境を選ばないセンサが求められており、表面プラズモン共鳴をトランスジューサとして用いたバイオセンサが有望視されている。これは、全反射型プリズム表面に設けた金属薄膜に発生させた表面プラズモン共鳴を用い、抗原抗体反応における抗原の吸着の有無など、物質の吸着の有無を検出するものである。
特許文献1には、金属開口アレイにおける光の異常透過現象が述べられている。これは、金属薄膜上に光の波長以下の大きさの微小開口をアレイ状に配列させることで、入射光のフラックスに微小開口の面積をかけたものよりも多くの光が透過する現象である。この現象は、光が金属薄膜に入射すると光の波長に対応する表面プラズモンが励起され、プラズモンの形態で微小開口を透過し、入射面と反対の面で再び光として放射されることによって発生すると考えられている。特許文献1に記載の技術は、透過強度の増大に着目したものである。
特許文献2には、表面プラズモンの特性を利用して屈折率を測定する化学センサ装置が開示されている。ここで用いられているセンサ素子は、1つの透過ピーク波長によってセンシングをおこなう。
特許第3008931号公報
特開2003−270132号公報
金属薄膜上の開口アレイは、もっぱら局在プラズモン共鳴による透過強度の増大の点で注目されていた。開口アレイは一方でフィルタとしての特性も備えているが、S/N(信号対ノイズ比)が必ずしも高くなかった。また、開口アレイを屈折率センサに適用する場合、測定精度を高めるためには複数の波長領域に対するフィルタ機能を備えているのが有利であるが、そのような装置はいまだ実現されていない。
そこで、本発明は、S/Nを高め、複数の波長領域に対するフィルタ機能を実現できる、表面プラズモンを利用した光学素子を提供することを目的とする。また、本発明は、このような光学素子を用いた屈折率センサ、および化学センサを提供することを目的とする。
本発明の光学素子は、金属薄膜と、金属薄膜の面内に形成された複数の矩形開口からなる開口アレイとを有している。複数の矩形開口は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口で共通の長辺方向寸法および短辺方向寸法を有している。複数の矩形開口は、また、矩形開口の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチで配列され、かつ、矩形開口の短辺方向に沿って長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列されている。長辺方向配列ピッチは短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチは長辺方向寸法に応じて選択されている。
矩形開口が長辺方向寸法と短辺方向寸法を持つ場合、すなわち正方形以外の長方形である場合、各方向の辺長の相違によって、各方向に偏光された入射光によって励起されるプラズモン共鳴ピーク波長は異なったものとなり、透過ピーク波長は偏光依存性を持つ。同様に、開口が各方向に長辺方向配列ピッチ、および長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列されている場合にも、プラズモン共鳴ピーク波長はこれらの配列ピッチに依存して異なったものとなる。本発明では、長辺方向配列ピッチは短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、短辺方向配列ピッチは長辺方向寸法に応じて選択されている。このため、矩形開口の開口寸法で決まるプラズモン共鳴ピーク波長と、矩形開口の配列ピッチで決まるプラズモン共鳴ピーク波長とを相関させ、入射光の透過特性を改善することができる。これによって、フィルタとしてのS/Nを高めることができる。また、長辺方向配列ピッチと短辺方向寸法とに依存するプラズモン共鳴ピーク波長は、短辺方向配列ピッチと長辺方向寸法とに依存するプラズモン共鳴ピーク波長とは独立に設定することができる。このため、異なる波長領域に対するフィルタ機能を実現することも可能となる。
図1に、本発明の光学素子の概略構成図を示す。光学素子100は、金属薄膜101と、金属薄膜101の面内に二次元状に形成された複数の矩形開口102からなる開口アレイ103とを有している。本発明の光学素子100は、異方性を備えた、矩形開口102の配列からなる開口アレイ103が、入射光の偏光方向によって異なる透過スペクトルを有する性質を利用したものである。
金属薄膜101の材料は金属一般から選択できるが、鋭い共振ピークを得るためには、金、銀などのプラズモン共鳴が強く起きる金属、またはその合金が好適である。金属の種類によって励起されるプラズモン共鳴ピークの波長λsppが異なるので、ある光の波長の帯域で開口アレイの特性を利用したい場合、開口アレイの形状の他に、材料の選択という自由度もある。開口アレイは、フリースタンディングに形成する場合や、透明基板上に形成する場合が考えられる。
矩形開口102は、透過する光の波長よりも小さく形成されている。矩形開口102は長辺方向寸法Lおよび短辺方向寸法Sを有し、長辺方向寸法Lは短辺方向寸法Sより長い。したがって、開口アレイ103をなす個々の矩形開口102は、開口自身の特性として、薄膜平面内で異方性を持っている。この開口形状によって、特定の透過スペクトルで、平面内の任意の方向に偏波した光を透過させることが可能となる。長辺方向寸法Lおよび短辺方向寸法Sは、各矩形開口102で共通である。
矩形開口102は、矩形開口102の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチPLで配列されている。矩形開口102は、矩形開口102の短辺方向に沿って短辺方向配列ピッチPSで配列されている。長辺方向配列ピッチPLおよび短辺方向配列ピッチPSは、隣接する矩形開口102の中心間距離で定義される。短辺方向配列ピッチPSは長辺方向配列ピッチPLと異なっている。
本発明の光学素子100では、長辺方向配列ピッチPLは短辺方向寸法Sに応じて選択され、短辺方向配列ピッチPSは長辺方向寸法Lに応じて選択されている。特に、個々の開口による透過スペクトルの偏波特性と、開口アレイ103の配列ピッチによる偏波特性が一致するような構造のパラメータとすることで、S/Nのよい優れた偏波特性を実現できる。
具体的には、長辺方向に偏光した光が入射する場合、短辺方向寸法Sに応じて、矩形開口102を透過する光のピーク波長が決まる。同様に、長辺方向配列ピッチPLに応じて、矩形開口102を透過する光のピーク波長が決まる。そして、両者のピーク波長が一致するように、短辺方向寸法Sおよび長辺方向配列ピッチPLが選択される。一方、短辺方向に偏光した光が入射する場合、長辺方向寸法Lに応じて、矩形開口102を透過する光のピーク波長が決まる。同様に、短辺方向配列ピッチPSに応じて、矩形開口102を透過する光のピーク波長が決まる。そして、両者のピーク波長が一致するように、長辺方向寸法Lおよび短辺方向配列ピッチPSが選択される。
このように、開口の寸法および配列ピッチがX,Y方向で異なる開口アレイに、ブロードなスペクトルのいわゆる白色光を平面波,ないしガウシアンビーム等のビームとして照射すると、光によって励起されるプラズモン波長λsppが偏光方向に応じて異なる。その理由を以下に説明する。なお、X方向およびY方向は、図1で定義されている。
まず、単一の矩形開口に対する特性を説明する。光(電磁波)が開口を透過する時、開口は光束の断面積を制限することで光量を変化させる。開口の大きさが波長よりも充分大きな場合は開口の面積と光量との間には線形性がある。しかし、開口の大きさが小さくなり、波長と同程度になると透過光量は急激に減少する。これは、光の回折限界のためだと説明できる。このため、通常の伝搬光は波長サイズ以下の開口をほとんど透過することができない。しかし、入射光が金属表面でいったんプラズモンに変換された場合は、この光は開口を透過できる。入射光が金属表面でプラズモンに変換されるためには、開口の形状がプラズモンの励起を促進するような形状である必要がある。X方向とY方向の開口の形状の相違によって、X方向とY方向の偏光で励起されるプラズモンの波長が異なり、透過ピーク波長が偏光依存性を持つ。以上が、単一の矩形開口の有する性質である。
一方、異方性を持たない円形開口が異方性をもって周期的に配列している場合も、透過ピーク波長が偏光依存性を持つ。この場合、個々の開口は偏光依存性を持っていなくても、配列ピッチが異方性を持つことで偏光依存性が発現できる。このような構造では、X方向の周期構造に対しては、X方向の偏光での励起によって表面プラズモン共鳴が起こり、Y方向の周期構造に対しては、Y方向の偏光での励起によって表面プラズモン共鳴が起こる。ここで述べているように、周期的な配列構造の配列ピッチがX方向とY方向とで異なっている場合には、X方向偏光での表面プラズモン共鳴の波長と、Y方向偏光での表面プラズモン共鳴の波長とが異なったものになるのである。これが開口の配列ピッチによる性質である。
これらの機能は単独でも利用することができるが、さらに高い偏光依存性を実現するために、本発明では、矩形開口の配列ピッチに異方性を持たせている。このため、単一の矩形開口による透過ピーク波長の偏光依存性と、配列ピッチによる透過ピーク波長の偏光依存性とを重畳的に利用することができる。そして、上述のように、個々の矩形開口が持つ2つの透過ピーク波長と周期配列が持つ2つの透過ピーク波長がそれぞれ重なるようなパラメータとすることで、偏光特性を高めることが可能になる。
このように構成した開口アレイにX偏光が入射した場合には、開口のうちX方向に直交する、すなわち開口のY方向の内壁11にプラズモンが励起される(図1参照)。そのため、図2(a)に示すように、開口のY方向の長さとX方向の開口の周期(ピッチ)とを反映した透過スペクトルを示す。また、同様にY偏光を入射させた場合は、図2(b)に示すように、開口のX方向の長さとY方向の開口の周期(ピッチ)とを反映した透過スペクトルを示す。
なお、上記の説明では、金属薄膜中に形成する開口の形状として、矩形を例に挙げて説明したが、本発明の概念は、長辺と短辺を有するような開口形状であれば良く、一例として、角丸の長方形、長円、楕円の開口形状も本発明の概念に含まれる。
以上説明したように、本発明の光学素子は、X方向の偏光に対する透過ピーク波長とY方向の偏光に対する透過ピーク波長が異なる開口アレイである。
(第1の実施形態)
図3(a)には、本発明の第1の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源301が設けられ、光路上の、光源301に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ302が配置されている。開口アレイ302の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物303が、開口アレイ302に密着して設けられている。光源301から放射された光は、開口アレイ302に入射し、透過する。光路上の、開口アレイ302に対して光進行方向側には、開口アレイ302を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ304が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ304に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ304から出射した光の透過スペクトルを求めるマルチチャンネルアナライザ305、306が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。マルチチャンネルアナライザ305、306は、それぞれ紙面に平行な偏光と紙面に垂直な偏光についての透過スペクトルを取得する。
図3(a)には、本発明の第1の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源301が設けられ、光路上の、光源301に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ302が配置されている。開口アレイ302の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物303が、開口アレイ302に密着して設けられている。光源301から放射された光は、開口アレイ302に入射し、透過する。光路上の、開口アレイ302に対して光進行方向側には、開口アレイ302を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ304が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ304に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ304から出射した光の透過スペクトルを求めるマルチチャンネルアナライザ305、306が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。マルチチャンネルアナライザ305、306は、それぞれ紙面に平行な偏光と紙面に垂直な偏光についての透過スペクトルを取得する。
直交する2つの偏光成分について同様の処理を行うことで、同時に2つの異なる波長にピークを持つスペクトルを得ることができる。本実施形態の構成によれば、2つの偏光成分についての透過スペクトルを同時測定することが可能になり、例えば被測定物の屈折率の時間変化を追跡することが容易になる。
必要に応じて、光路途中に光学素子を付加してもよい。例えば、バンドパスフィルタ307によって狭帯域化したり、NDフィルタ308によって光量調節をおこなったり、絞り309によって迷光の除去をおこなうことなどが考えられる。また、マルチチャンネルアナライザ305、306の様にスペルトル全体を取得する検出器の代わりに、分光器とフォトディテクタからなる検出系を用いても、スペクトルを取得することができる。
開口アレイ302の表面と接する被測定物303の屈折率が変化すると、開口アレイ302の表面においてプラズモン共鳴の起こる波長が変化する。結果として、透過ピークの位置がシフトする。図3(b)に、X偏光で受光するときの、被測定物303の屈折率がnのときの透過率スペクトル(実線)と、n+Δnのときの透過率スペクトル(破線)とを示す。また図3(c)に、Y偏光で受光するときの、被測定物303の屈折率がnのときの透過率スペクトル(実線)と、n+Δnのときの透過率スペクトル(破線)とを示す。
そこで、逆に透過スペクトルのピークシフト量を知ることができれば、これから被測定物303の屈折率を知ることができる。特に本実施形態のように、二つの異なる透過スペクトルピークのピークシフト量を独立に測定することで、屈折率検知のS/Nを改善し、測定精度を高めることができる。
また、図4に示すように、光源401の直後に偏光子404を導入してもよい。この場合、まず、紙面に平行な偏光を、光源側表面に被測定物403が密着している開口アレイ402に照射して、マルチチャネルアナライザ405で透過スペクトルを測定する。次に、偏光子404を90度回転させて、紙面に垂直な偏光を開口アレイ402に照射して、マルチチャネルアナライザ405で透過スペクトルを測定する。これによって、2つの偏光成分に対応するスペクトルを得ることができる。本実施形態は、同時測定はできないが、機器の構成部品数が少なくできるというメリットがある。
(第2の実施形態)
図5(a)には、本発明の第2の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源501が設けられ、光路上の、光源501に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ502が配置されている。光源501から放射された光は、開口アレイ502に入射される。開口アレイ502の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物503が、開口アレイ502に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ502に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ504が配置されている。バンドパスフィルタ504は、開口アレイ502の2つの透過ピーク波長の中間に透過波長を有している。光路上の、バンドパスフィルタ504に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ504を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ505が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ505に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ505から出射した光を受ける2つのフォトダイオード506,507が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。さらに、フォトダイオード506,507に接続され、フォトダイオード506,507の出力信号の差分を計算する演算器508が設けられている。
図5(a)には、本発明の第2の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源501が設けられ、光路上の、光源501に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ502が配置されている。光源501から放射された光は、開口アレイ502に入射される。開口アレイ502の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物503が、開口アレイ502に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ502に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ504が配置されている。バンドパスフィルタ504は、開口アレイ502の2つの透過ピーク波長の中間に透過波長を有している。光路上の、バンドパスフィルタ504に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ504を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ505が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ505に対して光進行方向側には、偏光ビームスプリッタ505から出射した光を受ける2つのフォトダイオード506,507が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。さらに、フォトダイオード506,507に接続され、フォトダイオード506,507の出力信号の差分を計算する演算器508が設けられている。
X方向、Y方向それぞれの偏光を偏光ビームスプリッタ505で分離すると、X方向偏波の光の透過スペクトル(図5(b)参照)と、Y方向偏波の光の透過スペクトル(図5(c)参照)を、バンドパスフィルタ504の透過波長で観測できる。これらの透過光を二つのフォトダイオード506,507に入射させることでX方向、Y方向の透過スペクトルのうち、バンドパスフィルタの透過波長(観測波長)での強度の信号を得ることができる。開口アレイ502上の被測定物503の屈折率がnからn+Δnに増大して、X方向,Y方向それぞれの透過ピーク波長が長波長側にシフトしたときには、それによってフォトダイオード506が受光する強度は減少する(図5(b))。また、フォトダイオード507が受光する強度は増加する(図5(c))。演算器508によって、フォトダイオード506の出力信号からフォトダイオード507の出力信号を引き算することで、両偏波に共通の変動ノイズ成分をキャンセルし、より感度よく測定することができる。このような構成にすることにより、分光器を必要とせずに透過スペクトルの変化量を正確に測定することができ、被測定物503の屈折率の変化量を知ることができる。さらに差演算の前に適切な重みづけを行うことで、ノイズ成分を効果的にキャンセルすることができる。
(第3の実施形態)
第2の実施形態におけるバンドパスフィルタ504を偏光ビームスプリッタ505の手前に配置する代わりに、複数のバンドパスフィルタを用いる構成も可能である。図6(a)には、本発明の第3の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源601が設けられ、光路上の、光源601に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ602が配置されている。開口アレイ602の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物603が、開口アレイ602に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ602に対して光進行方向側には、開口アレイ602を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ604が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ604に対して光進行方向側には、2つのバンドパスフィルタ605,606が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。光路上の、バンドパスフィルタ605,606に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ605,606を透過した光を受ける2つのフォトダイオード607,608が配置されている。さらに、フォトダイオード607,608に接続され、フォトダイオード607,608の出力信号の差分を計算する演算器609が設けられている。
第2の実施形態におけるバンドパスフィルタ504を偏光ビームスプリッタ505の手前に配置する代わりに、複数のバンドパスフィルタを用いる構成も可能である。図6(a)には、本発明の第3の実施形態に係る屈折率センサの構成図を示す。光源601が設けられ、光路上の、光源601に対して光進行方向側に、上述した光学素子である開口アレイ602が配置されている。開口アレイ602の光源側の表面と開口部には、屈折率が測定される被測定物603が、開口アレイ602に密着して設けられている。光路上の、開口アレイ602に対して光進行方向側には、開口アレイ602を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光ビームスプリッタ604が配置されている。光路上の、偏光ビームスプリッタ604に対して光進行方向側には、2つのバンドパスフィルタ605,606が、光の2つの分離方向に応じて各々配置されている。光路上の、バンドパスフィルタ605,606に対して光進行方向側には、バンドパスフィルタ605,606を透過した光を受ける2つのフォトダイオード607,608が配置されている。さらに、フォトダイオード607,608に接続され、フォトダイオード607,608の出力信号の差分を計算する演算器609が設けられている。
このように、本実施形態では、バンドパスフィルタ605が偏光ビームスプリッタ604とフォトダイオード607との間に挿入され、バンドパスフィルタ606が偏光ビームスプリッタ604とフォトダイオード608との間に挿入されている。バンドパスフィルタ605の透過波長とバンドパスフィルタ606の波長とが一致している必要はない。バンドパスフィルタ605の透過強度の変化が最大になるように、バンドパスフィルタ605の透過波長は、図6(b)に示すように、ピークの長波長側の肩部に設定されることが望ましい。同時に、バンドパスフィルタ606の透過強度の変化が最大になるように、バンドパスフィルタ606の透過波長は、図6(c)に示すように、ピークの短波長側の肩部に設定されることが望ましい。被測定物の屈折率変化を精度よく測定するためには、このようなバンドパスフィルタ605,606の組み合わせが好適である。
あるいは、図6(d)に示すようにして、二つのバンドパスフィルタ605,606の波長を選定することも可能である。すなわち、屈折率変化の範囲Iでは、主にフォトダイオード607(図中、PD1と表記)の出力が大きく変化するがフォトダイオード608(図中、PD2と表記)の出力変動は小さい。そして、さらに屈折率変化が大きくなって範囲IIに入ると、主にフォトダイオード608からの出力が大きく変化し、フォトダイオード607からの出力変動は小さい。この場合には、2つのフォトダイオード607,608の出力信号の差を求めることで、測定可能な屈折率範囲を広げるという効果が得られる。なお、差演算の前に重み付けを調整することで、センサ出力の線形性を高めることができる。
(第4の実施形態)
上記の屈折率センサの構造にいくつかの要素を付加することで、化学センサが実現される。図7は、上述の屈折率センサを化学センサであるマイクロ化学分析システム(μ-TAS:MicroTotalAnalysisSystemやLab-on-a-chipとも呼ばれる)に一体形成した例を示している。
上記の屈折率センサの構造にいくつかの要素を付加することで、化学センサが実現される。図7は、上述の屈折率センサを化学センサであるマイクロ化学分析システム(μ-TAS:MicroTotalAnalysisSystemやLab-on-a-chipとも呼ばれる)に一体形成した例を示している。
図7に示すマイクロ化学分析システム701において、試料液注入部702から注入された被検査液が流路704を通って、反応液注入部703から注入された反応液と反応したのち、検出部705に到達する。検出部705には、図に拡大して示した、本発明の原理に基づく検出用の開口アレイ706が設けられている。被検査液は開口アレイ706に密着して供給され、開口アレイ706の表面および開口内部でセンサ材料と反応する。この検出部705に対して光源からの励起光707が照射され、開口アレイ706からの透過光708をバンドパスフィルタ709を介して、偏光ビームスプリッタ710で偏光分離する。それぞれの偏光の光強度を、フォトディテクタ711,712で検出し、これらの信号から、第2の実施形態のように屈折率を知ることができる。この屈折率から、被検査液中の検体の濃度がわかる。
本実施形態にしたがって被測定物(被検物質)を検出するためには、被検物質がアクティブな領域(開口アレイ近傍)に近接する必要がある。そのため、被検物質と選択吸着するセンサ材料を開口アレイに予め結合させておくことで、より感度よく測定できる。センサ材料としては、センサ材料と被検査物が反応して膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化のいずれかまたは複数を起こすものであればよい。アレイの表面で膜厚の変化を起こす被測定物の測定では、膜厚が薄い場合は、アクティブな領域中に被測定物が占める体積の割合は少なく、開口アレイはほとんど被測定物の屈折率を感じないので、溶液の屈折率が支配的である。膜厚が厚くなると、アクティブな領域中に被測定物が占める体積の割合が高くなり、被測定物の屈折率が支配的である。この場合、膜厚の変化を測定するために、アクティブな領域での実効的な屈折率の変化を測定していることになる。この機構を利用することにより、開口アレイの金属表面に吸着や析出する物質の有無や濃度をセンシングしたり、化学変化によって屈折率が変化する物質のセンシングができる。化学センシングをおこなうためには、バッチ系や流路系などがあるが、流路系の場合はさらに、被検物質をアクティブな領域(開口アレイ表面近傍)まで輸送する機能が加わる。
化学センサの構成の発展形として、バイオ物質の選択的特異吸着する性質を利用してバイオ物質のセンシングが可能になる。被検物質と選択的特異吸着するセンサ材料を予め開口アレイに結合させておくことで、被検物質を開口アレイ近傍に吸着する。その反応の結果生じる膜厚変化、屈折率変化、吸収スペクトル変化のいずれかまたは複数の結果で生じる透過スペクトルの変化を測定することで、バイオ物質をセンシングすることができる。選択的特異吸着する物質には抗原抗体反応やDNAのハイブリダイゼイションがあり、これらをセンシングすることで、疾病の診断をおこなうことが可能になる。
100 光学素子
101 金属薄膜
102 矩形開口
103 開口アレイ
L 長辺方向寸法
S 短辺方向寸法
PL 長辺方向配列ピッチ
PS 短辺方向配列ピッチ
301 光源
302 開口アレイ
303 被測定物
304 偏光ビームスプリッタ
305,306 マルチチャンネルアナライザ
504 バンドパスフィルタ
506,507 フォトダイオード
508 演算器
101 金属薄膜
102 矩形開口
103 開口アレイ
L 長辺方向寸法
S 短辺方向寸法
PL 長辺方向配列ピッチ
PS 短辺方向配列ピッチ
301 光源
302 開口アレイ
303 被測定物
304 偏光ビームスプリッタ
305,306 マルチチャンネルアナライザ
504 バンドパスフィルタ
506,507 フォトダイオード
508 演算器
Claims (9)
- 金属薄膜と、
前記金属薄膜の面内に形成された複数の矩形開口からなる開口アレイと、
を有し、
前記複数の矩形開口は、透過する光の波長よりも小さく、かつ、各矩形開口で共通の長辺方向寸法および短辺方向寸法を有し、
前記複数の矩形開口は、該矩形開口の長辺方向に沿って長辺方向配列ピッチで配列され、かつ、該矩形開口の短辺方向に沿って該長辺方向配列ピッチと異なる短辺方向配列ピッチで配列され、
前記長辺方向配列ピッチは前記短辺方向寸法に応じて選択され、かつ、前記短辺方向配列ピッチは前記長辺方向寸法に応じて選択されている、
光学素子。 - 上記短辺方向寸法と上記長辺方向配列ピッチとは、前記長辺方向に偏光した光が入射するときに、該短辺方向寸法によって定まる、前記矩形開口を透過する光のピーク波長と、該長辺方向配列ピッチによって定まる、該矩形開口を透過する光のピーク波長とが一致するように選択されている、請求項1に記載の光学素子。
- 上記長辺方向寸法と上記短辺方向配列ピッチとは、前記短辺方向に偏光した光が入射するときに、該長辺方向寸法によって定まる、前記矩形開口を透過する光のピーク波長と、該短辺方向配列ピッチによって定まる、該矩形開口を透過する光のピーク波長とが一致するように選択されている、請求項1に記載の光学素子。
- 前記金属薄膜は金属単体または合金から製造されている、請求項1から3のいずれか1項に記載の光学素子。
- 光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項1から4のいずれか1項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置され、該光学素子を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の2つの分離方向に応じて各々配置され、該偏光分離手段から出射した光の透過スペクトルを求める2つの光スペクトル検出手段と、
を有する、
屈折率センサ。 - 光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項1から4のいずれか1項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置されたバンドパスフィルタと、
光路上の、前記バンドパスフィルタに対して光進行方向側に配置され、該バンドパスフィルタを透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の2つの分離方向に応じて各々配置され、該偏光分離手段から出射した光を受ける2つの受光器と、
前記2つの受光器に接続され、該2つの受光器の出力信号の差分を計算する演算手段と、
を有する屈折率センサ。 - 光源と、
光路上の、前記光源に対して光進行方向側に配置され、該光源側の表面が、被測定物が密着配置されるように構成された、請求項1から4のいずれか1項に記載の光学素子と、
光路上の、前記光学素子に対して光進行方向側に配置され、該光学素子を透過した光を2つの偏波成分に分離する偏光分離手段と、
光路上の、前記偏光分離手段に対して光進行方向側に、光の2つの分離方向に応じて各々配置された2つのバンドパスフィルタと、
光路上の、前記2つのバンドパスフィルタに対して光進行方向側に配置され、該バンドパスフィルタを透過した光を各々が受ける2つの受光器と、
前記2つの受光器に接続され、該2つの受光器の出力信号の差分を計算する演算手段と、
を有する屈折率センサ。 - 請求項5から7のいずれか1項に記載の屈折率センサと、
前記被測定物を前記光学素子に密着して供給する流路装置と、
を有する、化学センサ。 - 前記光学素子を構成する前記金属薄膜の前記光源側の表面に、選択された前記被測定物を特異吸着する物質が固定されている、請求項8に記載の化学センサ。
Priority Applications (4)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006052157A JP2007232456A (ja) | 2006-02-28 | 2006-02-28 | 光学素子、屈折率センサ、および化学センサ |
US12/158,147 US20090310133A1 (en) | 2006-02-28 | 2007-02-26 | Method for designing light transmission device, optical element and sensor |
PCT/JP2007/054108 WO2007100112A1 (en) | 2006-02-28 | 2007-02-26 | Method for designing light transmission device, optical element and sensor |
EP07737720A EP1991891A1 (en) | 2006-02-28 | 2007-02-26 | Method for designing light transmission device, optical element and sensor |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2006052157A JP2007232456A (ja) | 2006-02-28 | 2006-02-28 | 光学素子、屈折率センサ、および化学センサ |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2007232456A true JP2007232456A (ja) | 2007-09-13 |
Family
ID=38553193
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2006052157A Pending JP2007232456A (ja) | 2006-02-28 | 2006-02-28 | 光学素子、屈折率センサ、および化学センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2007232456A (ja) |
Cited By (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2149802A1 (en) | 2008-07-28 | 2010-02-03 | Ricoh Company, Limited | Wavelength selection filter, filter unit, light source device, optical apparatus, and refractive index sensor |
WO2010110415A1 (ja) * | 2009-03-27 | 2010-09-30 | 株式会社村田製作所 | 被測定物の特性を測定する方法、回折現象を伴う構造体および測定装置 |
JP2011014857A (ja) * | 2009-06-05 | 2011-01-20 | Nec Corp | 光学素子とこれを用いた光子発生装置、光発生装置、光記録装置および光検出装置 |
WO2010108086A3 (en) * | 2009-03-20 | 2011-02-03 | Nanolambda, Inc. | Nano-optic filter array based sensor |
JP5605372B2 (ja) * | 2009-12-09 | 2014-10-15 | 株式会社村田製作所 | 空隙配置構造体が保持された分光測定用デバイス、それに用いられる枠部材、および、分光器 |
JP2017097121A (ja) * | 2015-11-20 | 2017-06-01 | シャープ株式会社 | 分光デバイス及び撮像装置 |
Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003270132A (ja) * | 2002-01-11 | 2003-09-25 | Canon Inc | 化学センサ装置・媒体およびそれを用いた検査方法 |
-
2006
- 2006-02-28 JP JP2006052157A patent/JP2007232456A/ja active Pending
Patent Citations (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003270132A (ja) * | 2002-01-11 | 2003-09-25 | Canon Inc | 化学センサ装置・媒体およびそれを用いた検査方法 |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
EP2149802A1 (en) | 2008-07-28 | 2010-02-03 | Ricoh Company, Limited | Wavelength selection filter, filter unit, light source device, optical apparatus, and refractive index sensor |
US8213083B2 (en) | 2008-07-28 | 2012-07-03 | Ricoh Company, Ltd. | Wavelength selection filter, filter unit, light source device, optical apparatus, and refractive index sensor |
WO2010108086A3 (en) * | 2009-03-20 | 2011-02-03 | Nanolambda, Inc. | Nano-optic filter array based sensor |
US9395473B2 (en) | 2009-03-20 | 2016-07-19 | Nanolambda, Inc. | Nano-optic filter array based sensor |
WO2010110415A1 (ja) * | 2009-03-27 | 2010-09-30 | 株式会社村田製作所 | 被測定物の特性を測定する方法、回折現象を伴う構造体および測定装置 |
US8269967B2 (en) | 2009-03-27 | 2012-09-18 | Murata Manufacturing Co., Ltd. | Method for measuring characteristic of object to be measured, structure causing diffraction phenomenon, and measuring device |
JPWO2010110415A1 (ja) * | 2009-03-27 | 2012-10-04 | 株式会社村田製作所 | 被測定物の特性を測定する方法、回折現象を伴う構造体および測定装置 |
JP2011014857A (ja) * | 2009-06-05 | 2011-01-20 | Nec Corp | 光学素子とこれを用いた光子発生装置、光発生装置、光記録装置および光検出装置 |
JP5605372B2 (ja) * | 2009-12-09 | 2014-10-15 | 株式会社村田製作所 | 空隙配置構造体が保持された分光測定用デバイス、それに用いられる枠部材、および、分光器 |
JP2017097121A (ja) * | 2015-11-20 | 2017-06-01 | シャープ株式会社 | 分光デバイス及び撮像装置 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US20090310133A1 (en) | Method for designing light transmission device, optical element and sensor | |
CA2765972C (en) | A surface plasmon resonance sensing method and sensing system | |
JP3816072B2 (ja) | 光導波路型センサおよびそれを用いた測定装置 | |
JP4842930B2 (ja) | 寄生反射を低減する光呼掛け装置および寄生反射を除去する方法 | |
US8564781B2 (en) | SPR sensor | |
EP2449363B1 (en) | Optical sensing device and method for detecting samples | |
JP2003270132A (ja) | 化学センサ装置・媒体およびそれを用いた検査方法 | |
EP2699891B1 (en) | Method of detecting molecules and optical sensor | |
JP2005016963A (ja) | 化学センサ、化学センサ装置 | |
JP2007264610A (ja) | 光透過装置の設計方法、光学素子、撮像素子、光スイッチング素子、及び化学センサ装置 | |
US20090187350A1 (en) | Biosensing apparatus and system | |
JP2007232456A (ja) | 光学素子、屈折率センサ、および化学センサ | |
US9658164B2 (en) | Optical sensing chip having three-dimensional nanostructure array | |
US11366060B2 (en) | Apparatus for detecting fluorescent light emitted from a sample, a biosensor system, and a detector for detecting supercritical angle fluorescent light | |
JP2007286045A (ja) | 検出装置、検出素子用基板、検出素子、検出素子用キット及び検出方法 | |
US11933732B2 (en) | Interferometric sensor based on slab waveguide | |
US20100221842A1 (en) | Sensor device for the detection of target components | |
US12000785B2 (en) | Apparatus and method for detecting photoluminescent light emitted from a sample | |
CN209894697U (zh) | 一种双束p偏振棱镜SPR重金属离子传感器 | |
JP4030796B2 (ja) | 測定チップ | |
EP2626691A1 (en) | Surface Wave Sensing | |
JP2007192841A (ja) | 全反射減衰を利用した測定方法および測定装置 | |
CN115735114A (zh) | 用于确定目标分子的存在或浓度的装置 | |
WO2011151778A1 (en) | Sample carrier with light refracting structures | |
Güner | Novel miniaturized sensors for on-site biological and chemical detection |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20071206 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101013 |
|
A02 | Decision of refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02 Effective date: 20110223 |