JP2007263736A - Measuring system using surface plasmon resonance sensor - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a measuring system using a surface plasmon resonance sensor capable of measuring a refractive index to be measured with high resolving power and high sensitivity even if the refractive index is within a wide range by providing constitution that a plurality of sensors are provided to a single chip. <P>SOLUTION: A sensor array is constituted by providing a plurality of the sensor to the signal chip. Fiber arrays 8 are connected to the light waveguide of the sensor array and one of them is connected to a light source to guide light while the other one of them is connected to a detector. A metal thin film and a refractive index adjusting layer 7 are appropriately provided to a sensing part 5. A film thickness and a dielectric constant are adjusted with respect to the metal thin film and the refractive index adjusting layer 7 at every sensor to adjust the manufacturing condition of the light waveguide. When lights of the same wavelength are thrown the respective sensors (respective channels), operation different in refractive index causing resonance is obtained. In the signal chip, the wavelength related to measurement becomes a narrow range in each of the channels and the measurement of the refractive index can be set to a wide range. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システムに関するもので、より具体的には、表面プラズモン共鳴センサは複数を備える構成とし、屈折率などの測定システムについて測定範囲の拡大と感度および分解能などの性能面の改良に関する。   The present invention relates to a measurement system using a surface plasmon resonance sensor, and more specifically, the surface plasmon resonance sensor includes a plurality of sensors, and the measurement system such as a refractive index has an enlarged measurement range, sensitivity, resolution, and the like. It is related with the improvement of the performance side.

図1は、表面プラズモン共鳴センサの従来の一例を示し、プリズム型SPRセンサの構成図である。SPRは表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance)の略記である。   FIG. 1 shows a conventional example of a surface plasmon resonance sensor and is a configuration diagram of a prism type SPR sensor. SPR is an abbreviation for Surface Plasmon Resonance.

プリズム型SPRセンサは、プリズム100の一面に金属薄膜4を形成し、プリズム100の他の一面側に光源102を配置して他方の一面側には検出器103を配置する構成を採り、金属薄膜4の上には被測定物質6を載せて光源102の光を入射するとともに、他方の一面から出射した反射光を検出器103に取り込むようになっている。   The prism type SPR sensor has a configuration in which the metal thin film 4 is formed on one surface of the prism 100, the light source 102 is disposed on the other surface side of the prism 100, and the detector 103 is disposed on the other surface side. 4, the substance 6 to be measured is placed thereon, the light from the light source 102 is incident thereon, and the reflected light emitted from the other surface is taken into the detector 103.

光源102の光は金属薄膜4の面で全反射する角度で入射させる。反射面では被測定物質6内にエバネッセント波がしみだし、その波数kevは入射光の自由空間での波数と入射角度により決まる。金属薄膜4の表面では表面プラズモンが生じ、その波数kspは被測定物質6の屈折率と金属薄膜4の誘電率により決まる。エバネッセント波の波数kevと表面プラズモン波の波数kspが一致するとき、エバネッセント波のエネルギは表面プラズモン波を励起するのに使われ、反射光の強度が減少する。すなわち入射角度を変えながら反射光強度をモニタするか、もしくは入射光の波長を変えながら反射光強度をモニタするか、もしくは白色光を入射して反射光の分光強度をモニタすることで共鳴波数を得ることができ、これにより被測定物質6の屈折率を知ることができる。   The light from the light source 102 is incident at an angle that totally reflects the surface of the metal thin film 4. On the reflecting surface, an evanescent wave oozes out in the substance 6 to be measured, and its wave number kev is determined by the wave number and incident angle of the incident light in free space. Surface plasmons are generated on the surface of the metal thin film 4, and the wave number ksp is determined by the refractive index of the substance 6 to be measured and the dielectric constant of the metal thin film 4. When the wave number kev of the evanescent wave and the wave number ksp of the surface plasmon wave match, the energy of the evanescent wave is used to excite the surface plasmon wave, and the intensity of the reflected light decreases. In other words, the reflected wave intensity is monitored by changing the incident angle, the reflected light intensity is monitored while changing the wavelength of the incident light, or the spectral intensity of the reflected light is monitored by incident white light. Thus, the refractive index of the substance 6 to be measured can be known.

また図2に示すように、金属薄膜4の上に誘電体薄膜7を付与し、そこへ被測定物質6を接触させると、誘電体薄膜7がない場合とは異なる共鳴条件になる。あるいは誘電体薄膜7の材質(誘電率)や膜厚を変えることでも共鳴条件を変えることができる。誘電体薄膜7の材質は、測定に使用する光の波長において透明(吸収が少ない)であること求められる。具体的にはTa,TiO,TiN,Siなどを使用する。以下では共鳴条件を変える目的のため金属薄膜4の上に付与した誘電体薄膜7の膜層を屈折率調整層と呼ぶことにする。 As shown in FIG. 2, when a dielectric thin film 7 is provided on the metal thin film 4 and a substance to be measured 6 is brought into contact therewith, the resonance condition is different from that when the dielectric thin film 7 is not present. Alternatively, the resonance condition can also be changed by changing the material (dielectric constant) and film thickness of the dielectric thin film 7. The material of the dielectric thin film 7 is required to be transparent (low absorption) at the wavelength of light used for measurement. Specifically, Ta 2 O 5 , TiO 2 , TiN, Si or the like is used. Hereinafter, for the purpose of changing the resonance condition, the film layer of the dielectric thin film 7 applied on the metal thin film 4 is referred to as a refractive index adjusting layer.

図3は、表面プラズモン共鳴センサの従来の他例を示し、導波路型SPRセンサの斜視図(a)および断面図(b)である。導波路型にあっては、コア1と、そのコア1の周囲を取り囲む低屈折率の媒質(クラッド2)を備えてコア1に入射した光を閉じ込め伝播させる光導波路3とし、クラッド2の一部を開口して、そこへ金属薄膜4を付与してセンシング部5を形成し、このセンシング部(開口面)に被測定物質6を接触させる構成になっている。   FIG. 3 shows another example of a conventional surface plasmon resonance sensor, and is a perspective view (a) and a sectional view (b) of a waveguide type SPR sensor. In the waveguide type, an optical waveguide 3 having a core 1 and a low refractive index medium (cladding 2) surrounding the core 1 and confining and propagating light incident on the core 1 is provided. A part is opened, a metal thin film 4 is applied thereto to form a sensing part 5, and a substance 6 to be measured is brought into contact with the sensing part (opening surface).

クラッド2は完全に開口させる必要はなく、エバネッセント波が被測定物質6内に発生し得る厚さであればよい。コア1を伝播する光はセンシング部5では被測定物質6にまでエバネッセント波として光がしみだし、その波数kevは光導波路3を伝播する光の波数により決まる。金属薄膜4の表面では表面プラズモンが生じ、その波数kspは被測定物質6の屈折率と金属薄膜4の誘電率により決まる。エバネッセント波の波数kevと表面プラズモン波の波数kspが一致するとき、エバネッセント波のエネルギは表面プラズモン波の励起するのに使われ、出射光の強度は減少する。すなわち、出射光の強度と波長との関係から、被測定物質6の屈折率を測定することができる。   The clad 2 does not need to be completely opened, and may be any thickness as long as an evanescent wave can be generated in the substance 6 to be measured. The light propagating through the core 1 oozes out as an evanescent wave to the substance 6 to be measured in the sensing unit 5, and the wave number kev is determined by the wave number of the light propagating through the optical waveguide 3. Surface plasmons are generated on the surface of the metal thin film 4, and the wave number ksp is determined by the refractive index of the substance 6 to be measured and the dielectric constant of the metal thin film 4. When the wave number kev of the evanescent wave coincides with the wave number ksp of the surface plasmon wave, the energy of the evanescent wave is used to excite the surface plasmon wave, and the intensity of the emitted light decreases. That is, the refractive index of the substance 6 to be measured can be measured from the relationship between the intensity of the emitted light and the wavelength.

具体的には、入射光の波長を変えながら出射光の強度をモニタするか、もしくは白色光を入射させて出射光を分光することで共鳴波長を得て被測定物質6の屈折率を知る(以下では分光法と呼ぶことにする)。また、被測定物質6の屈折率によって共鳴波長が変わることを利用し、単色光をセンサに入射してセンサからの出射光の強度から被測定物質6の屈折率を特定する手法もある(以下では強度法と呼ぶことにする)。   Specifically, the intensity of the emitted light is monitored while changing the wavelength of the incident light, or white light is incident and the emitted light is dispersed to obtain a resonance wavelength to know the refractive index of the substance 6 to be measured ( In the following, this will be referred to as spectroscopy). In addition, there is a method of specifying the refractive index of the substance 6 to be measured from the intensity of the emitted light from the sensor by making use of the fact that the resonance wavelength changes depending on the refractive index of the substance 6 to be measured (hereinafter referred to as “resonance wavelength”). Let's call it the strength method).

導波路型においても、プリズム型と同様に、屈折率調整層を付与することで同一波長の光でも共鳴条件を変えることができる。また、光導波路3の製作条件によっても共鳴条件は変わる。例えば、光導波路3の実効的な屈折率を変えることでコア1中を伝播する光の波長が変わることから、共鳴条件が変わる。   Also in the waveguide type, as in the prism type, the resonance condition can be changed even with light of the same wavelength by providing a refractive index adjustment layer. In addition, the resonance condition varies depending on the manufacturing conditions of the optical waveguide 3. For example, changing the effective refractive index of the optical waveguide 3 changes the wavelength of the light propagating through the core 1, so that the resonance condition changes.

しかしながら、そうした従来のSPRセンサでは以下に示すような問題がある。プリズム型SPRセンサでは入射角度を変えるための機構が必要であり、プリズム100やレンズなどの構成要素を適正に組み付けしなければ機能せず、小型化が困難でコスト低減にも限界がある。   However, such conventional SPR sensors have the following problems. The prism-type SPR sensor requires a mechanism for changing the incident angle, and does not function unless components such as the prism 100 and the lens are properly assembled, making it difficult to reduce the size and limiting the cost reduction.

導波路型SPRセンサはセンシング部5の小型化が行えるが、分光法により広範囲の屈折率を測定しようとすると、測定光の波長範囲が広くなる。これは、線状の光導波路3、特にシングルモード光導波路においては、その原理上、光導波路3を適正に伝播し得る波長範囲が限定されるため、単一のセンサでは広範囲の屈折率を測定することができない。   The waveguide type SPR sensor can reduce the size of the sensing unit 5, but if it is intended to measure a wide range of refractive index by spectroscopy, the wavelength range of the measurement light becomes wide. This is because, in the case of a linear optical waveguide 3, particularly a single mode optical waveguide, the wavelength range in which the optical waveguide 3 can be properly propagated is limited in principle, so a single sensor measures a wide range of refractive indexes. Can not do it.

また、導波路型SPRセンサによる強度法は、分光光学系が不要となるため、コスト低減および小型化し得るように見えるが、単色光による測定なので屈折率の範囲が共鳴の特性曲線幅の範囲に限られてしまう。そして、光源の強度変動やセンサの感度変動、コネクタでの接続損失のばらつきなどの要因によりセンサ出力が変動するため、正確な測定系を構成するには光源やセンサを安定化させる機構が必要となり、コスト低減,小型化のメリットは必ずしも望めない。   In addition, the intensity method using the waveguide type SPR sensor does not require a spectroscopic optical system, so it seems that the cost can be reduced and the size can be reduced. However, since the measurement is performed using monochromatic light, the refractive index range is within the resonance characteristic curve width range. It will be limited. And because sensor output fluctuates due to factors such as light source intensity fluctuation, sensor sensitivity fluctuation, and connector connection loss fluctuation, a mechanism that stabilizes the light source and sensor is required to configure an accurate measurement system. The benefits of cost reduction and miniaturization are not always expected.

何れのセンサであっても、センシング部の金属薄膜4や屈折率調整層7の膜厚や誘電率を選ぶことにより、共鳴の特性曲線の半値幅を広げることができ、屈折率の範囲をある程度は広げることもできる。しかし、その場合は分解能や感度が低下してしまう。   In any sensor, by selecting the film thickness and dielectric constant of the metal thin film 4 and the refractive index adjustment layer 7 in the sensing part, the half-value width of the resonance characteristic curve can be widened, and the range of the refractive index is limited to some extent. Can also be expanded. However, in that case, resolution and sensitivity are lowered.

この発明は上記した課題を解決するもので、その目的は、単一チップに複数のセンサを設ける構成とすることにより、測定要求がある屈折率が広範囲でも高い分解能で高感度に測定でき、小型化およびコストの低減が行える表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システムを提供することにある。   The present invention solves the above-described problems. The purpose of the present invention is to provide a structure in which a plurality of sensors are provided on a single chip. An object of the present invention is to provide a measurement system using a surface plasmon resonance sensor that can be reduced in cost and cost.

上記した目的を達成するために、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システムは、コアと当該コアを覆うクラッドからなりコアへ入射した光を伝播する光導波路に、金属薄膜を付与し、光導波路を伝播する光のエバネッセント光が金属薄膜に接触した媒質内に生じる構成とし、金属薄膜に接触した媒質について、表面プラスモン共鳴により屈折率の測定が行える表面プラズモン共鳴センサを構成し、その表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイとし、各センサについて、金属薄膜は誘電率または膜厚の何れかを相違させ、もしくは誘電率および膜厚の両者が異なる設定とする。   In order to achieve the above-described object, a measurement system using a surface plasmon resonance sensor according to the present invention provides a metal thin film to an optical waveguide that includes a core and a clad covering the core and propagates light incident on the core. The surface plasmon resonance sensor that can measure the refractive index by surface plasmon resonance is configured for the medium in contact with the metal thin film, and the evanescent light of the light propagating through the optical waveguide is generated in the medium in contact with the metal thin film. The surface plasmon resonance sensor is a sensor array in which a plurality are arranged and integrated, and for each sensor, the metal thin film is set to have either a dielectric constant or a film thickness different, or both the dielectric constant and the film thickness are set differently. .

また、コアと当該コアを覆うクラッドからなりコアへ入射した光を伝播する光導波路に、金属薄膜を付与するとともに、当該金属薄膜上には誘電体薄膜を付与して薄膜を2層とし、光導波路を伝播する光のエバネッセント光が誘電体薄膜に接触した媒質内に生じる構成とし、誘電体薄膜に接触した媒質について、表面プラスモン共鳴により屈折率の測定が行える表面プラズモン共鳴センサを構成し、その表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイとし、各センサについて、金属薄膜の膜厚または誘電率、または誘電体薄膜の誘電率または膜厚の何れか1つ以上を相違させる設定としてもよい。。   In addition, a metal thin film is applied to an optical waveguide that is composed of a core and a clad covering the core and propagates light incident on the core, and a dielectric thin film is applied on the metal thin film to form a thin film having two layers. A surface plasmon resonance sensor that can measure the refractive index by surface plasmon resonance is configured for the medium in contact with the dielectric thin film, and the evanescent light propagating through the waveguide is generated in the medium in contact with the dielectric thin film. The surface plasmon resonance sensor is a sensor array in which a plurality of the surface plasmon resonance sensors are arranged and integrated, and for each sensor, one or more of the film thickness or dielectric constant of the metal thin film or the dielectric constant or film thickness of the dielectric thin film is made different. It is good also as a setting. .

また、光導波路は、製作条件が異なる複数を配列させる構成としたり、あるいは光導波路の実効屈折率が異なる複数を配列させる構成とするとよい。   In addition, the optical waveguide may have a configuration in which a plurality of different manufacturing conditions are arranged, or a configuration in which a plurality of optical waveguides having different effective refractive indexes are arranged.

また、センサアレイにはファイバアレイを接続し、センサアレイにおける各センシング部の配列ピッチをファイバアレイにおける各光路の配列ピッチよりも狭い設定とすることができる。また、センサアレイにはパワースプリッタを接続し、当該パワースプリッタにより光源からの光を分岐させて各センサへ供給するように構成すると良い。   Further, a fiber array can be connected to the sensor array, and the arrangement pitch of the sensing units in the sensor array can be set to be narrower than the arrangement pitch of the optical paths in the fiber array. In addition, a power splitter may be connected to the sensor array, and the light from the light source may be branched by the power splitter and supplied to each sensor.

また、パワースプリッタは光導波路型パワースプリッタとし、さらにはパワースプリッタとセンサアレイとは同一チップに一体化させて形成するとなお良い。また、センサアレイには少なくとも1つ以上の較正用センサを設け、当該較正用センサは被測定物質とは表面プラズモン共鳴を起こさない構成とし、較正用センサの出力をモニタして得られた出力変動のデータに応じて他のセンサの出力を較正することができる。   The power splitter is an optical waveguide power splitter, and the power splitter and the sensor array are preferably formed integrally on the same chip. In addition, at least one calibration sensor is provided in the sensor array, the calibration sensor is configured not to cause surface plasmon resonance with the substance to be measured, and output fluctuation obtained by monitoring the output of the calibration sensor. The output of the other sensor can be calibrated according to the data.

また、較正用センサは測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、そして被測定物質とは反応しない構成とし、当該較正用センサについて、センシング部の誘電体薄膜の屈折率が温度により変化することをモニタして得られた温度特性のデータに応じて被測定物質の屈折率を較正するようにしても良い。   In addition, the calibration sensor has a structure that causes surface plasmon resonance at the measurement wavelength and does not react with the substance to be measured, and for the calibration sensor, monitors the refractive index of the dielectric thin film in the sensing section to change with temperature. The refractive index of the substance to be measured may be calibrated according to the temperature characteristic data obtained in this way.

また、第1の較正用センサは測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、その共鳴波長は測定波長よりも短波長側に存在する構成とし、第2の較正用センサは測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、その共鳴波長は測定波長よりも長波長側に存在する構成とし、第1較正用センサおよび第2較正用センサは被測定物質と反応しない構成とし、これら較正用センサの出力をモニタして得られた出力変動のデータに応じて他のセンサの出力を較正するようにしてもよい。   Further, the first calibration sensor causes surface plasmon resonance at the measurement wavelength, and the resonance wavelength exists on the shorter wavelength side than the measurement wavelength, and the second calibration sensor causes surface plasmon resonance at the measurement wavelength. The resonance wavelength is present on the longer wavelength side than the measurement wavelength, the first calibration sensor and the second calibration sensor are configured not to react with the substance to be measured, and the outputs of these calibration sensors are monitored. The output of another sensor may be calibrated in accordance with the output fluctuation data.

係る構成にすることにより本発明では、表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイに構成し、各センサ毎に光導波路の製作条件やセンシング部の金属薄膜、または屈折率調整層の材質(誘電率)や膜厚を変える構成を採る。このため、各センサ(各チャネル)に同一波長の光を入射したとき、それぞれでは共鳴が起きる屈折率が相違する動作となる。したがって、単一チップにおいて、各チャネルでは測定に係る波長は狭範囲としつつ、屈折率の測定は広範囲とすることができる。   With this configuration, in the present invention, the surface plasmon resonance sensor is configured as an integrated sensor array in which a plurality of surface plasmon resonance sensors are arranged, and for each sensor, the manufacturing conditions of the optical waveguide, the metal thin film of the sensing unit, or the refractive index adjustment layer The material (dielectric constant) and film thickness are changed. For this reason, when light of the same wavelength is incident on each sensor (each channel), the refractive index at which resonance occurs is different. Therefore, in a single chip, the measurement wavelength can be narrow in each channel, and the refractive index can be measured in a wide range.

また、光導波路は線状とすることで各チャネルのセンシング部を接近させて配置できる。このため、センサアレイを小型化することができ、被測定物質が微量であっても全チャネルで同時に測定が行える。   Moreover, the optical waveguide can be arranged in a line by bringing the sensing portions of the respective channels close to each other. For this reason, a sensor array can be reduced in size and even if a to-be-measured substance is a trace amount, it can measure simultaneously with all the channels.

本発明に係る表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システムでは、表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイに構成し、各センサ毎に金属薄膜および屈折率調整層について膜厚,誘電率を調整し、光導波路の製作条件を調整するので、測定要求がある屈折率が広範囲でも高い分解能で高感度に測定が行える。その結果、小型化およびコストの低減が行える。   In the measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to the present invention, the surface plasmon resonance sensor is configured as a sensor array in which a plurality of the surface plasmon resonance sensors are arranged and integrated. Since the refractive index is adjusted and the optical waveguide fabrication conditions are adjusted, measurement can be performed with high resolution and high sensitivity even in a wide range of refractive indexes requiring measurement. As a result, downsizing and cost reduction can be achieved.

以下、本発明の好適な実施の形態について説明する。   Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described.

*複数センサによる基本構成
図4は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサの基本的な構成例1を示す構成図である。同図に示す表面プラズモン共鳴センサは3チャネルの構成例であり、単一チップに3本の光導波路を有し、チャネル毎に光導波路の製作条件やセンシング部5の金属薄膜、または屈折率調整層の材質(誘電率)や膜厚を変えてある。このため、各チャネルに同一波長の光を入射したとき、それぞれでは共鳴が起きる屈折率が相違し、図5に示すように動作する。例えば、被測定物質6の屈折率が点Aのとき、チャネル1は共鳴を起こして出力が下がり他のチャネル2,3は光源の強度がそのまま出力する。そして、被測定物質の屈折率が点Bのときはチャネル2が共鳴して出力は下がり他のチャネル1,3は光源の強度がそのまま出力することになる。これにより、単一チップにおいて、各チャネルでは測定に係る波長は狭範囲としつつ、屈折率の測定は広範囲とすることができる。
* Basic Configuration with Multiple Sensors FIG. 4 is a configuration diagram showing a basic configuration example 1 of the surface plasmon resonance sensor according to the present invention. The surface plasmon resonance sensor shown in the figure is a three-channel configuration example, and has three optical waveguides on a single chip. The optical waveguide fabrication conditions, the metal thin film of the sensing unit 5 or the refractive index adjustment for each channel The material (dielectric constant) and film thickness of the layer are changed. For this reason, when light of the same wavelength is incident on each channel, the refractive indexes at which resonance occurs are different, and the operation is as shown in FIG. For example, when the refractive index of the substance 6 to be measured is point A, the channel 1 resonates and the output decreases, and the other channels 2 and 3 output the light source intensity as it is. When the refractive index of the substance to be measured is point B, the channel 2 resonates and the output decreases, and the other channels 1 and 3 output the light source intensity as it is. Thereby, in a single chip, the measurement wavelength can be narrow in each channel, and the refractive index can be measured in a wide range.

また、光導波路は線状に形成したため、各チャネルのセンシング部5を接近させて配置できる。このため、センサアレイを小型化することができ、被測定物質6が微量であっても全チャネルで同時に測定が行える。そして、全チャネルについて被測定物質6の温度のばらつきはほとんどないと考えてよく、温度のばらつきにした誤差を低減できる。   Moreover, since the optical waveguide is formed in a linear shape, the sensing portions 5 of the respective channels can be arranged close to each other. For this reason, a sensor array can be reduced in size and even if the to-be-measured substance 6 is a trace amount, it can measure simultaneously by all the channels. Then, it may be considered that there is almost no variation in temperature of the substance 6 to be measured for all channels, and errors due to the variation in temperature can be reduced.

*導波路型SPRセンサの製造
図6(a),(b)は、導波路型SPRセンサの製造方法を説明する斜視図である。センサチップの製造には、光導波路を製造するための一般的な製造技術を適用することができ、製造上の困難は特になく製造は容易に行える。なお、同図には1チャネルについての製造を示している。
* Manufacture of Waveguide SPR Sensor FIGS. 6A and 6B are perspective views for explaining a method of manufacturing a waveguide SPR sensor. For manufacturing the sensor chip, a general manufacturing technique for manufacturing the optical waveguide can be applied, and there is no particular difficulty in manufacturing, and the manufacturing can be easily performed. In the figure, manufacturing for one channel is shown.

まず、クラッド2に対してコア1の部分を形成する方法としては、ガラス材や樹脂を堆積させた後にエッチングしてコア1を形成する方法、ガラス材を光屈折率にさせるイオン種をイオン交換法で注入する方法、感光樹脂を積層した後にUV光を照射し、現像して形成する方法、ガラス材や樹脂を堆積させた後に型を押しつけし、硬化させることで形成する方法(転写法)などがある。   First, as a method of forming the core 1 portion with respect to the clad 2, a glass material or resin is deposited and then etched to form the core 1, and ion exchange that makes the glass material have a refractive index is ion-exchanged. Method of injecting by method, method of forming by irradiating with UV light after laminating photosensitive resin, developing, method of forming by pressing mold after glass material or resin is deposited and curing (transfer method) and so on.

そして、上部層となるクラッド2およびセンシング部5となる開口を形成する方法としては、ガラス材や樹脂を堆積させた後にエッチングしてセンシング部5となる開口を形成する方法、クラッド2としてUV感光樹脂を積層した後にUV光を照射し、現像して開口を形成する方法、樹脂材を積層した後に当該樹脂が流動性にある状態で型を押しつけし、これを固化させて開口を形成する方法、開口を有するガラス板や樹脂板を接合させる方法などがある。   As a method for forming the cladding 2 as the upper layer and the opening as the sensing portion 5, a method of forming an opening as the sensing portion 5 by depositing a glass material or a resin and depositing the glass material or resin, and UV sensing as the cladding 2. A method of forming an opening by irradiating with UV light after laminating a resin and developing it, and a method of forming an opening by pressing a mold in a state where the resin is fluid after laminating a resin material and solidifying the mold There is a method of bonding a glass plate or a resin plate having an opening.

また、センシング部5に設ける金属薄膜4は、図6(a)に示すように、上部層のクラッド2を形成する前に成膜する方法があり、図6(b)に示すように、上部層のクラッド2および開口を形成した後に成膜する方法などがある。   Further, as shown in FIG. 6A, the metal thin film 4 provided in the sensing unit 5 may be formed before forming the upper clad 2, and as shown in FIG. There is a method of forming a film after forming the cladding 2 and the opening of the layer.

*屈折率調整層の構成例
本発明にあっては光導波路は複数を配列させて形成し、多数チャネルの構成にする。つまり、図7に示す導波路型SPRセンサは3本の光導波路を線状に配列して単一チップとし、3チャネルの構成にしている。センサアレイの光導波路にはファイバアレイ8を接続し、一方は光源へ接続させて単色光を導く入力側となり、他方は検出器へ接続させて出力側となる。光導波路および金属薄膜4は全て同一条件に製作するが、金属薄膜4の上に設ける屈折率調整層7は各チャネルで膜厚を変える。例えば、第1チャネルではセンシング部5に屈折率調整層7を形成せず、第2チャネルでは屈折率調整層7を厚さ60nmに形成し、第3チャネルでは屈折率調整層7を厚さ120nmに形成する。金属薄膜4の厚さは、例えば10nmから80nm程度とする。
* Structural Example of Refractive Index Adjusting Layer In the present invention, a plurality of optical waveguides are formed by arranging a plurality of optical waveguides. That is, the waveguide type SPR sensor shown in FIG. 7 has a three-channel configuration in which three optical waveguides are linearly arranged to form a single chip. A fiber array 8 is connected to the optical waveguide of the sensor array. One is connected to a light source to be an input side for guiding monochromatic light, and the other is connected to a detector to be an output side. The optical waveguide and the metal thin film 4 are all manufactured under the same conditions, but the refractive index adjusting layer 7 provided on the metal thin film 4 has a different thickness in each channel. For example, the refractive index adjustment layer 7 is not formed in the sensing unit 5 in the first channel, the refractive index adjustment layer 7 is formed in a thickness of 60 nm in the second channel, and the refractive index adjustment layer 7 is formed in a thickness of 120 nm in the third channel. To form. The thickness of the metal thin film 4 is, for example, about 10 nm to 80 nm.

ここで、各チャネルに同一波長の単色光を入射させたとき、被測定物質の屈折率(濃度)に対して各チャネルでは、図8に示すように、出力光の強度変化を得ることができる。このとき、各チャネルのセンシング部5では狭い範囲の屈折率しか測定できないが、多数を配列してアレイ化することで広範囲の測定が行える。   Here, when monochromatic light having the same wavelength is incident on each channel, the intensity change of the output light can be obtained in each channel with respect to the refractive index (concentration) of the substance to be measured, as shown in FIG. . At this time, the sensing unit 5 of each channel can measure only a narrow range of refractive index, but a wide range of measurements can be performed by arranging a large number of arrays.

なお、ここではチャネル毎に屈折率調整層7の膜厚を変えているが、他の構成としては、金属薄膜4の誘電率や膜厚、屈折率調整層7の誘電率、光導波路の製作条件を変えることにより、チャネル毎に共鳴条件を変えることができる。   Here, the film thickness of the refractive index adjustment layer 7 is changed for each channel, but other configurations include the dielectric constant and film thickness of the metal thin film 4, the dielectric constant of the refractive index adjustment layer 7, and the production of the optical waveguide. By changing the conditions, the resonance conditions can be changed for each channel.

*センサアレイの構成例
図9〜図12は、本発明に係るセンサアレイの構成例3〜6を示す構成図である。これらは、光導波路型のパワースプリッタ9を用い、センサアレイの各チャネルに光を供給する構成にしている。
* Configuration Example of Sensor Array FIGS. 9 to 12 are configuration diagrams showing configuration examples 3 to 6 of the sensor array according to the present invention. These use an optical waveguide type power splitter 9 to supply light to each channel of the sensor array.

センサアレイに対してパワースプリッタ9の接合は、図9に示すように直接に接合する構成としたり、図10に示すようにファイバアレイ8を間に設けて接合する構成としたり、図11に示すように、センサアレイとパワースプリッタ9の両者を同一チップに一体に形成する構成を採る。   The power splitter 9 is joined to the sensor array directly as shown in FIG. 9, or the fiber array 8 is joined between them as shown in FIG. 10, or as shown in FIG. As described above, a configuration is adopted in which both the sensor array and the power splitter 9 are integrally formed on the same chip.

また、図12に示すように、センシング部5の配列ピッチは狭く設定することもよい。この場合、パワースプリッタ9と一体化したセンサアレイには、ピッチ変換のための光導波路を設けて、センシング部5は極めて接近させた配列とし、当該部位下側の光導波路が光学的に干渉しない距離までは近接させてよい。これにより、例えば10nl以下のより微量のサンプルであっても測定が行えるようにできる。   Further, as shown in FIG. 12, the arrangement pitch of the sensing units 5 may be set narrow. In this case, the sensor array integrated with the power splitter 9 is provided with an optical waveguide for pitch conversion, and the sensing unit 5 is arranged so as to be very close to each other, and the optical waveguide below the part does not interfere optically. The distance may be close. As a result, measurement can be performed even with a smaller amount of sample of, for example, 10 nl or less.

パワースプリッタ9を使用することにより光源はただ1つで済み、測定装置のコストが低減でき、小型化することができる。   By using the power splitter 9, only one light source is required, and the cost of the measuring apparatus can be reduced and the size can be reduced.

*反射型SPRセンサ
図13は、反射型SPRセンサを用いた測定装置を示す構成図である。上述した導波路型SPRセンサは、出力側に反射膜10を設ける構成として反射型のセンサアレイとすることができる。そして、測定装置の本体は、LD光源11、アイソレータ13、光ファイバ12、パワースプリッタ9およびフォトダイオードアレイ14を順に接続して構成し、反射型のセンサアレイとはテープファイバ15を介して接続する。
* Reflective SPR Sensor FIG. 13 is a configuration diagram showing a measuring apparatus using a reflective SPR sensor. The above-described waveguide SPR sensor can be a reflective sensor array in which the reflective film 10 is provided on the output side. The main body of the measuring device is configured by sequentially connecting the LD light source 11, the isolator 13, the optical fiber 12, the power splitter 9, and the photodiode array 14, and is connected to the reflective sensor array via the tape fiber 15. .

*変動影響の除去
強度法によれば、分光光学系が不要となるので測定装置のコスト低減が行えて小型化が期待できる。しかし、光源の強度変動や波長変動、検出器の感度変動、コネクタ等における接続損失のばらつきなどによりセンサ出力が変動してしまう問題がある。すなわち、SPR以外の要因による強度変化を除去する手段が必要となり、例えばペルチェ素子を使った温度調整装置や光源強度のモニタリングなどが必要になる。
* Elimination of fluctuation effects The intensity method eliminates the need for a spectroscopic optical system, so the cost of the measuring apparatus can be reduced and the size can be reduced. However, there is a problem that the sensor output fluctuates due to variations in the intensity and wavelength of the light source, fluctuations in the sensitivity of the detector, variations in connection loss in the connector and the like. That is, a means for removing intensity changes caused by factors other than SPR is required, and for example, a temperature adjusting device using a Peltier element, light source intensity monitoring, and the like are required.

そこで図14に示すように、センサアレイ内の光導波路のうち、少なくとも1本にはセンシング部5を設けないて入射光をそのまま検出器へ伝播させる構成を採る。これにより、光源,検出器などにおける変動をモニタリングすることができ、SPR以外の要因による強度変化を除去することができる。したがって、測定装置のコスト低減および小型化が行える。   Therefore, as shown in FIG. 14, at least one of the optical waveguides in the sensor array is not provided with the sensing unit 5, and the configuration in which the incident light is directly propagated to the detector is adopted. Thereby, the fluctuation | variation in a light source, a detector, etc. can be monitored, and the intensity | strength change by factors other than SPR can be removed. Therefore, the cost and size of the measuring device can be reduced.

図15は、光源の波長変動の影響を除去するようにした構成例8を示し、図16は測定波長の変動を説明するグラフ図である。センサアレイ内の第1チャネル,第2チャネルのセンシング部5には測定波長において共鳴する誘電体材料を付与するとともに、誘電体材料の材質(屈折率)を適宜に選定することにより、第1チャネルの共鳴波長は測定波長よりもやや短波長側に設定し、第2チャネルの共鳴波長は測定波長よりもやや長波長側に設定する。さらに、第3チャネルには、屈折率の温度依存性が大きい物質(測温材料と呼ぶことにする)を付設し、測温材料は測定波長において共鳴するような選定を採り、例えば高分子材料を用いる。これら第1〜3チャンネルは被測定物質と共鳴しない構造にしてある。   FIG. 15 shows a configuration example 8 in which the influence of the wavelength variation of the light source is removed, and FIG. 16 is a graph for explaining the variation of the measurement wavelength. The sensing unit 5 of the first channel and the second channel in the sensor array is provided with a dielectric material that resonates at the measurement wavelength, and by appropriately selecting the material (refractive index) of the dielectric material, the first channel The resonance wavelength of the second channel is set slightly shorter than the measurement wavelength, and the resonance wavelength of the second channel is set slightly longer than the measurement wavelength. Further, the third channel is provided with a substance (referred to as a temperature measuring material) having a large temperature dependence of the refractive index, and the temperature measuring material is selected so as to resonate at the measurement wavelength. Is used. These first to third channels have a structure that does not resonate with the substance to be measured.

光源の波良が長波長側に変動すると、第1チャネルの強度は大きくなるが、第2チャネル2の強度は小さくなる。もし強度変動であれば、第1チャネル,第2チャネルともに同一方向に変動するが、波長変動であれば逆方向に変動するので強度変動,波長変動による影響を分離できる。   When the wave quality of the light source fluctuates to the longer wavelength side, the intensity of the first channel increases, but the intensity of the second channel 2 decreases. If the intensity varies, both the first channel and the second channel vary in the same direction. However, if the wavelength varies, the effects vary due to the intensity variation and the wavelength variation.

被測定物質が液体の場合、屈折率の温度依存性が小さくなく、被測定物質やセンシング部5の温度を一定化する機構を付与したり、もしくは液体の温度をモニタリングして温度較正を行う。液体温度のモニタリングのためには、SPRセンサの近辺に温度センサを付与するのが望ましい。例えば抵抗体などをSPRセンサに付設し、その抵抗値の変化を電気的にモニタすることで温度測定する方法などがある。そうした場合、SPRセンサに光ファイバと電気配線の両方が必要となり、特にセンサアレイを測定装置本体から離して遠隔測定する構成では、電気配線のためにコスト高になる問題がある。   When the substance to be measured is a liquid, the temperature dependence of the refractive index is not small, and a mechanism for stabilizing the temperature of the substance to be measured and the sensing unit 5 is provided, or the temperature of the liquid is monitored to perform temperature calibration. For monitoring the liquid temperature, it is desirable to provide a temperature sensor in the vicinity of the SPR sensor. For example, there is a method of measuring the temperature by attaching a resistor or the like to the SPR sensor and electrically monitoring the change in the resistance value. In such a case, both the optical fiber and the electrical wiring are required for the SPR sensor. In particular, in the configuration in which the sensor array is remotely measured away from the measuring apparatus main body, there is a problem that the cost is increased due to the electrical wiring.

しかし本発明にあっては、第3チャネルには屈折率の温度依存性が大きい物質(測温材料)を付設するので、被測定物質の温度に応じて測温材料の屈折率が変化し、第3チャネルの出力が変化する動作になり、温度測定が行える。このため、光ファイバの配線だけで温度モニタが行えてコストを低減できる。   However, in the present invention, the third channel is provided with a substance (temperature measuring material) having a large temperature dependence of the refractive index, so that the refractive index of the temperature measuring material changes according to the temperature of the substance to be measured, The operation of the third channel is changed, and temperature measurement can be performed. For this reason, the temperature can be monitored only with the optical fiber wiring, and the cost can be reduced.

表面プラズモン共鳴センサの従来の一例を示し、プリズム型SPRセンサの構成図である。It is a block diagram of a prism type SPR sensor, showing an example of a conventional surface plasmon resonance sensor. プリズム型SPRセンサの他例を示す構成図である。It is a block diagram which shows the other example of a prism type SPR sensor. 表面プラズモン共鳴センサの従来の他例を示し、導波路型SPRセンサの斜視図(a)および断面図(b)である。The other example of the conventional surface plasmon resonance sensor is shown, The perspective view (a) and sectional drawing (b) of a waveguide type | mold SPR sensor. 本発明に係る表面プラズモン共鳴センサの基本的な構成例1を示す構成図である。It is a block diagram which shows the basic structural example 1 of the surface plasmon resonance sensor which concerns on this invention. 被測定物質の屈折率と各チャネルの出力との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the refractive index of a to-be-measured substance, and the output of each channel. 導波路型SPRセンサの製造方法を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the manufacturing method of a waveguide type SPR sensor. 導波路型SPRセンサに屈折率調整層を備える構成例2を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example 2 provided with a refractive index adjustment layer in a waveguide type | mold SPR sensor. 被測定物質の屈折率と各チャネルの出力との関係を示すグラフ図である。It is a graph which shows the relationship between the refractive index of a to-be-measured substance, and the output of each channel. 本発明に係るセンサアレイの構成例3を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example 3 of the sensor array which concerns on this invention. 本発明に係るセンサアレイの構成例4を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example 4 of the sensor array which concerns on this invention. 本発明に係るセンサアレイの構成例5を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example 5 of the sensor array which concerns on this invention. 本発明に係るセンサアレイの構成例6を示す構成図である。It is a block diagram which shows the structural example 6 of the sensor array which concerns on this invention. 反射型SPRセンサを用いた測定装置を示す構成図である。It is a block diagram which shows the measuring apparatus using a reflection type SPR sensor. 変動影響を除去するようにした構成例7の構成図である。It is a block diagram of the structural example 7 which removed the influence of a fluctuation | variation. 光源の波長変動の影響を除去するようにした構成例8の構成図である。It is a block diagram of the structural example 8 which removed the influence of the wavelength variation of a light source. 測定波長の変動を説明するグラフ図である。It is a graph explaining the fluctuation | variation of a measurement wavelength.

符号の説明Explanation of symbols

1 コア
2 クラッド
3 光導波路
4 金属薄膜
5 センシング部
6 被測定物質
7 誘電体薄膜(屈折率調整層)
8 ファイバアレイ
9 パワースプリッタ
10 反射膜
11 LD光源
12 光ファイバ
13 アイソレータ
14 フォトダイオードアレイ
15 テープファイバ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Core 2 Clad 3 Optical waveguide 4 Metal thin film 5 Sensing part 6 Measured substance 7 Dielectric thin film (refractive index adjustment layer)
8 Fiber array 9 Power splitter 10 Reflective film 11 LD light source 12 Optical fiber 13 Isolator 14 Photodiode array 15 Tape fiber

Claims (11)

コアと当該コアを覆うクラッドからなり前記コアへ入射した光を伝播する光導波路に、金属薄膜を付与し、
前記光導波路を伝播する光のエバネッセント光が前記金属薄膜に接触した媒質内に生じる構成とし、
前記金属薄膜に接触した媒質について、表面プラスモン共鳴により屈折率の測定が行える表面プラズモン共鳴センサを構成し、
前記表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイとし、
各センサについて、前記金属薄膜は誘電率または膜厚の何れかを相違させ、もしくは誘電率および膜厚の両者が異なる設定とすることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。
A metal thin film is applied to an optical waveguide that is composed of a core and a clad covering the core and propagates light incident on the core,
The evanescent light of the light propagating through the optical waveguide is generated in a medium in contact with the metal thin film,
Constructing a surface plasmon resonance sensor capable of measuring the refractive index by surface plasmon resonance for the medium in contact with the metal thin film,
The surface plasmon resonance sensor is a sensor array in which a plurality are arranged and integrated,
A measuring system using a surface plasmon resonance sensor, wherein each metal thin film has a dielectric constant or a film thickness different from each other, or both the dielectric constant and the film thickness are set differently.
コアと当該コアを覆うクラッドからなり前記コアへ入射した光を伝播する光導波路に、金属薄膜を付与するとともに、当該金属薄膜上には誘電体薄膜を付与して薄膜を2層とし、
前記光導波路を伝播する光のエバネッセント光が前記誘電体薄膜に接触した媒質内に生じる構成とし、
前記誘電体薄膜に接触した媒質について、表面プラスモン共鳴により屈折率の測定が行える表面プラズモン共鳴センサを構成し、
前記表面プラズモン共鳴センサは複数を配列させて一体化したセンサアレイとし、各センサについて、前記金属薄膜の膜厚または誘電率、または前記誘電体薄膜の誘電率または膜厚の何れか1つ以上を相違させる設定とすることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。
A metal thin film is applied to an optical waveguide consisting of a core and a clad covering the core and propagating light incident on the core, and a dielectric thin film is applied on the metal thin film to form two thin films.
The evanescent light of the light propagating through the optical waveguide is generated in a medium in contact with the dielectric thin film,
Constructing a surface plasmon resonance sensor capable of measuring the refractive index by surface plasmon resonance for the medium in contact with the dielectric thin film,
The surface plasmon resonance sensor is a sensor array in which a plurality of the surface plasmon resonance sensors are arranged and integrated, and for each sensor, at least one of the film thickness or dielectric constant of the metal thin film or the dielectric constant or film thickness of the dielectric thin film is obtained. A measurement system using a surface plasmon resonance sensor, characterized in that the setting is different.
前記光導波路は、製作条件が異なる複数を配列させる構成であることを特徴とする請求項1または2に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to claim 1, wherein the optical waveguide has a configuration in which a plurality of different manufacturing conditions are arranged. 前記光導波路は、実効屈折率が異なる複数を配列させる構成であることを特徴とする請求項1または2に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to claim 1, wherein the optical waveguide has a configuration in which a plurality of different effective refractive indexes are arranged. 前記センサアレイにはファイバアレイを接続し、前記センサアレイにおける各センシング部の配列ピッチを前記ファイバアレイにおける各光路の配列ピッチよりも狭い設定とすることを特徴とする請求項1から4の何れか1項に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The fiber array is connected to the sensor array, and the arrangement pitch of the sensing units in the sensor array is set to be narrower than the arrangement pitch of the optical paths in the fiber array. A measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to item 1. 前記センサアレイにはパワースプリッタを接続し、当該パワースプリッタにより光源からの光を分岐させて各センサへ供給することを特徴とする請求項1から5の何れか1項に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   6. The surface plasmon resonance sensor according to claim 1, wherein a power splitter is connected to the sensor array, and light from a light source is branched by the power splitter and supplied to each sensor. Measuring system using. 前記パワースプリッタは、光導波路型パワースプリッタとすることを特徴とする請求項6に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The measurement system using a surface plasmon resonance sensor according to claim 6, wherein the power splitter is an optical waveguide power splitter. 前記パワースプリッタと前記センサアレイとは同一チップに一体化させて形成することを特徴とする請求項6あるいは7の何れかに記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The measurement system using a surface plasmon resonance sensor according to claim 6, wherein the power splitter and the sensor array are integrally formed on the same chip. 前記センサアレイには少なくとも1つ以上の較正用センサを設け、当該較正用センサは被測定物質とは表面プラズモン共鳴を起こさない構成とし、前記較正用センサの出力をモニタして得られた出力変動のデータに応じて他のセンサの出力を較正することを特徴とする請求項1から8の何れか1項に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The sensor array is provided with at least one calibration sensor, the calibration sensor does not cause surface plasmon resonance with the substance to be measured, and the output fluctuation obtained by monitoring the output of the calibration sensor The measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to any one of claims 1 to 8, wherein the output of another sensor is calibrated according to the data. 前記較正用センサは測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、そして被測定物質とは反応しない構成とし、当該較正用センサについて、センシング部の誘電体薄膜の屈折率が温度により変化することをモニタして得られた温度特性のデータに応じて被測定物質の屈折率を較正することを特徴とする請求項9に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。   The calibration sensor is configured to cause surface plasmon resonance at the measurement wavelength and not to react with the substance to be measured, and for the calibration sensor, monitor that the refractive index of the dielectric thin film of the sensing unit changes with temperature. The measurement system using a surface plasmon resonance sensor according to claim 9, wherein the refractive index of the substance to be measured is calibrated according to the obtained temperature characteristic data. 前記較正用センサの第1は測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、かつ共鳴波長は測定波長よりも短波長側に存在する構成とし、第2の較正用センサは測定波長において表面プラズモン共鳴を起こし、かつ共鳴波長は測定波長よりも長波長側に存在する構成とし、
前記第1較正用センサおよび前記第2較正用センサは被測定物質と反応しない構成とし、これら較正用センサの出力をモニタして得られた出力変動のデータに応じて他のセンサの出力を較正することを特徴とする請求項9または10に記載の表面プラズモン共鳴センサを用いた測定システム。
The first calibration sensor causes surface plasmon resonance at the measurement wavelength, and the resonance wavelength is present on the shorter wavelength side than the measurement wavelength, and the second calibration sensor causes surface plasmon resonance at the measurement wavelength. And the resonance wavelength is configured to exist on the longer wavelength side than the measurement wavelength,
The first calibration sensor and the second calibration sensor are configured not to react with the substance to be measured, and the outputs of other sensors are calibrated in accordance with output fluctuation data obtained by monitoring the outputs of the calibration sensors. The measurement system using the surface plasmon resonance sensor according to claim 9 or 10.
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