JP2008191053A - Ｓｐｒセンサ装置およびｓｐｒセンサヘッド - Google Patents

Abstract

【課題】低コストで有意な測定結果を安定して得ることができるＳＰＲセンサヘッドおよびＳＰＲセンサ装置を提供する。
【解決手段】ＳＰＲセンサヘッド２０は、光ファイバ２１，コリメートレンズ２２，偏光ビームスプリッタ２３，１／２波長板２４，プリズム２５，反射鏡２６，平板２７および金属膜２８を含む。プリズム２５の第１平面２５ａに入射された光は、プリズム２５内部を進み、プリズム２５の第２平面２５ｂおよび平板２７の第１主面２７ａを経て、平板２７の第２主面２７ｂで全反射される。全反射された光は、平板２７の第１主面２７ａおよびプリズム２５の第２平面２５ｂを経て、プリズム２５内部を進み、プリズム２５の第３平面２５ｃから外部へ出射される。外部へ出射された光は、反射鏡２６に垂直入射して反射鏡２６により反射される。平板２７はプリズム２５に対して着脱自在である。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴現象を利用したＳＰＲセンサ装置およびＳＰＲセンサヘッドに関するものである。

ＳＰＲセンサ装置は、表面プラズモン共鳴（Surface PlasmonResonance、以下「ＳＰＲ」という。）現象を利用した測定装置である（特許文献１参照）。このＳＰＲセンサ装置は、測定対象物の微小な屈折率変化を測定することができ、例えば、免疫反応等の細胞内での蛋白質の相互作用を測定することができる。ＳＰＲセンサ装置において用いられるＳＰＲセンサヘッドは、具体的な構成としては種々のものが提案されているが、一例としては、１平面に金属膜が形成されたプリズムを含む構成とされる。

このような金属膜が形成された平面に対してプリズム内部から光が入射されて全反射され、その全反射された光のスペクトルが測定される。その全反射の際に特定波長においてＳＰＲ現象が生じるので、測定された光のスペクトルは該特定波長において急激な減衰を示す。また、その特定波長は、金属膜に接している測定対象物の屈折率に依存する。したがって、スペクトルにおいて急激な減衰を示す特定波長に基づいて、測定対象物の屈折率や屈折率変化が測定され得る。
特開２００２−３４０７９０号公報

ところで、ＳＰＲセンサ装置により生体組織の反応や相互作用を測定する際には、一度使用されたＳＰＲセンサヘッドは廃棄されることが望ましい。また、ＳＰＲセンサヘッドの全体が廃棄されることになるとコスト高になるので、ＳＰＲセンサヘッドの一部（測定対象物が接する領域を含む部分）が廃棄される一方で、残部が繰返して利用されることが望ましい。

しかし、ＳＰＲセンサヘッドにおいて、繰返して使用される第１構成部分に対して、１回限り使用される第２構成部分を着脱自在な構成とした場合、第１構成部分に対する第２構成部分の取り付け誤差や第２構成部分の形状バラツキに因り、測定の度に測定条件が異なる可能性があり、それ故、有意な測定結果が安定して得られない可能性がある。

本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、低コストで有意な測定結果を安定して得ることができるＳＰＲセンサヘッドおよびＳＰＲセンサ装置を提供することを目的とする。

本発明に係るＳＰＲセンサヘッドは、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象を利用したＳＰＲセンサ装置において用いられるＳＰＲセンサヘッドであって、(1) 互いに平行な第１主面および第２主面を有し、第２主面上に金属膜が形成された平板と、(2) 入射端に入射した光を出射端から出射する入射光学系と、(3)第１平面，第２平面および第３平面を有し、平板の第１主面が第２平面に密着され、入射光学系の出射端から出射された光が第１平面に入射され、その第１平面に入射された光を内部で伝播させ第２平面を経て平板の第２主面で全反射させ、その平板の第２主面で全反射させた光を第２平面を経て内部で伝播させて第３平面から外部へ出射するプリズムと、(4) プリズムの第３平面から外部へ出射された光が垂直入射され、その入射された光を反射させ、その反射させた光をプリズムの第３平面に入射させる反射鏡と、を備えることを特徴とする。さらに、本発明に係るＳＰＲセンサヘッドは、入射光学系の出射端，プリズムおよび反射鏡の相対的位置関係が固定され、プリズムに対して平板が着脱自在であることを特徴とする。

このＳＰＲセンサヘッドでは、入射光学系の出射端から出射された光は、プリズムの第１平面に入射され、プリズム内部を進み、プリズムの第２平面および平板の第１主面を経て、平板の第２主面で全反射される。その平板の第２主面で全反射された光は、平板の第１主面およびプリズムの第２平面を経て、プリズム内部を進み、プリズムの第３平面から外部へ出射される。プリズムの第３平面から外部へ出射された光は、反射鏡に垂直入射して反射鏡により反射される。その反射鏡により反射された光は、往路と同じ経路を逆方向に辿る復路を経て戻って行く。そして、この戻って来た光のスペクトルに基づいて、ＳＰＲ現象が発現した光波長が求められ、平板の金属膜に接している測定対象物の誘電率または屈折率が求められる。

特に、本発明のＳＰＲセンサヘッドでは、入射光学系の出射端，プリズムおよび反射鏡の相対的位置関係が固定されている一方で、プリズムに対して平板が着脱自在とされている。このことから、ＳＰＲセンサヘッドのうち平板以外の部分を繰返し使用することができる一方で、平板のみを一度使用した後に廃棄することができるので、低コストで測定を行うことができる。また、プリズムの第１平面と第２平面とがなす角と、第３平面と第２平面とがなす角とを互いに等しくしておくと、平板の取り付け誤差や厚み誤差が存在したとしても、また、光の波長が変化したとしても、同一条件で測定を行うことが可能であり、それ故に、有意な測定結果を安定して得ることができる。さらに、往路および復路それぞれで同一位置においてＳＰＲ現象を発現させることができるので、高感度な測定が可能である、

本発明に係るＳＰＲセンサヘッドは、入射光学系からプリズムの第１平面への光の入射方向がプリズムの第２平面と平行であり、プリズムの第３平面から外部への光の出射方向がプリズムの第２平面と平行であるのが好適である。また、このとき、入射光学系は、(a) プリズムの第２平面に垂直に進行する光が入射され、その入射光のうちｓ偏光成分をプリズムの第２平面に平行に出射する偏光ビームスプリッタと、(b)その偏光ビームスプリッタから出射されたｓ偏光の光を入力し、その光をｐ偏光として、そのｐ偏光の光をプリズムの第１平面に入射させる１／２波長板と、を含むのが好適である。この場合には、ＳＰＲセンサヘッドの組立および調整が容易である。

本発明に係るＳＰＲセンサヘッドでは、入射光学系は、(a) プリズムの第１平面に入射させるべき光を導光する光ファイバと、(b)その光ファイバの先端から出射される光をコリメートするコリメートレンズと、を含むのが好適である。この場合には、光源部や測定部を含む装置本体とＳＰＲセンサヘッドとの間が光ファイバにより光学的に接続されて、光源部から出力された光は光ファイバを経てＳＰＲセンサヘッドに導入され、ＳＰＲセンサヘッドにおいてＳＰＲ現象の影響を受けた光は光ファイバを経て測定部によりスペクトルが測定される。

本発明に係るＳＰＲセンサ装置は、(1) 上記の本発明に係るＳＰＲセンサヘッドと、(2)ＳＰＲセンサヘッドに含まれるプリズムの第１平面に入射させるべき光を出力し、ＳＰＲセンサヘッドに含まれる入射光学系の入射端に該光を入射させる光源と、(3) ＳＰＲセンサヘッドに含まれるプリズムの第１平面から出射された光を受光して、その受光した光のスペクトルを測定する測定部と、を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低コストで有意な測定結果を安定して得ることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図において、ＳＰＲセンサヘッド２０を説明する際の便宜の為に、ｘｙｚ直交座標系が示されている。

図１は、本実施形態に係るＳＰＲセンサ装置１の構成図である。図２は、本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０の斜視図である。本実施形態に係るＳＰＲセンサ装置１は、装置本体１０およびＳＰＲセンサヘッド２０を備える。装置本体１０は、光源１１，測定部１２，表示部１３，ビームスプリッタ１４および集光レンズを含む。また、ＳＰＲセンサヘッド２０は、光ファイバ２１，コリメートレンズ２２，偏光ビームスプリッタ２３，１／２波長板２４，プリズム２５，反射鏡２６，平板２７および金属膜２８を含む。

装置本体１０では、光源１１から出力された光は、ビームスプリッタ１４により反射され、レンズ１５により集光され、光ファイバ２１の第１端２１ａに入射されて、光ファイバ２１により導光されて行く。また、光ファイバ２１により導光されて来て第１端２１ａから出射された光は、レンズ１５により集光され、ビームスプリッタ１４を透過し、測定部１２により受光されて、そのスペクトルが測定部１２により測定される。そして、その測定されたスペクトルは表示部１３により表示される。

装置本体１０に対し光学的に接続されたＳＰＲセンサヘッド２０は、装置本体１０から出力された光をプリズム２５に入射させる為の入射光学系として、光ファイバ２１，コリメートレンズ２２，偏光ビームスプリッタ２３および１／２波長板２４を含む。光ファイバ２１の第１端２１ａが入射光学系の入射端に相当する。また、１／２波長板２４の出射側が入射光学系の出射端に相当する。

光ファイバ２１は、装置本体１０から出力された光を第１端２１ａに入射し、その光を導光して第２端２１ｂから出射する。コリメートレンズ２２は、その光ファイバ２１から出射された光をコリメートして出力する。なお、光ファイバ２１の第２端２１ｂからの光の出射方向およびコリメートレンズ２２の光軸方向をｚ方向とする。

偏光ビームスプリッタ２３は、コリメートレンズ２２によりコリメートされた光を入力し、その光をｓ偏光成分とｐ偏光成分とに偏波分離して、そのうちｓ偏光の光をｘ方向に出力する。１／２波長板２４は、偏光ビームスプリッタ２３からｘ方向に出力されたｓ偏光の光を入力し、その光をｐ偏光としてｘ方向に出力する。

プリズム２５は、第１平面２５ａ，第２平面２５ｂおよび第３平面２５ｃを有し、例えば石英ガラス等の透明材料からなる。プリズム２５の第２平面２５ｂはｘｙ面に平行である。プリズム２５の第１平面２５ａおよび第３平面２５ｃそれぞれはｘｚ面に垂直である。プリズム２５の第１平面２５ａは、１／２波長板２４からｘ方向に出力されたｐ偏光の光が入射される。また、プリズム２５の第３平面２５ｃは、光をｘ方向に出力して、その光を反射鏡２６に入射させる。

反射鏡２６は、ｙｚ面に平行な反射面を有し、プリズム２５の第３平面２５ｃから外部へｘ方向に出射された光が垂直入射される。そして、この反射鏡２６は、その入射された光を反射させ、その反射させた光をプリズム２５の第３平面２５ｃに入射させる。

平板２７は、互いに平行な第１主面２７ａおよび第２主面２７ｂを有し、例えば石英ガラス等の透明材料からなる。平板２７の第１主面２７ａは、直接に又はマッチングオイルを介して、プリズム２５の第２平面２５ｂに密着される。平板２７の第２主面２７ｂ上には金属膜２８が形成されている。金属膜２８は、例えば金や銀の蒸着膜であり、厚さが数十ｎｍである。

ここで、ＳＰＲセンサヘッド２０において、光ファイバ２１の第２端２１ｂ，コリメートレンズ２２，偏光ビームスプリッタ２３，１／２波長板２４，プリズム２５および反射鏡２６は、相対的位置関係が固定されている。一方、平板２７はプリズム２５に対して着脱自在である。

光源１１から出力され光ファイバ２１により導光されて光ファイバ２１の第２端２１ｂからｚ方向に出射された光は、コリメートレンズ２２によりコリメートされて偏光ビームスプリッタ２３に入射される。偏光ビームスプリッタ２３に入射された光のうちｓ偏光の光は、偏光ビームスプリッタ２３からｘ方向に出射され、１／２波長板２４によりｐ偏光とされる。１／２波長板２４によりｐ偏光とされてｘ方向に出力された光は、プリズム２５の第１平面２５ａに入射される。

外部からプリズム２５の第１平面２５ａに入射された光は、プリズム２５内部を進み、プリズム２５の第２平面２５ｂおよび平板２７の第１主面２７ａを経て、平板２７の第２主面２７ｂで全反射される。その平板２７の第２主面２７ｂで全反射された光は、平板２７の第１主面２７ａおよびプリズム２５の第２平面２５ｂを経て、プリズム２５内部を進み、プリズム２５の第３平面２５ｃから外部へｘ方向に出射される。なお、外部からｘ方向に進んでプリズム２５の第１平面２５ａに入射した光が平板２７の第２主面２７ｂで全反射されるよう、プリズム２５および平板２７それぞれの屈折率に応じてプリズム２５の形状が定められる。

プリズム２５の第３平面２５ｃから外部へ出射された光は、反射鏡２６に垂直入射して反射鏡２６により反射される。その反射鏡２６により反射された光は、光ファイバ２１の第２端２１ｂから反射鏡２６に到るまでの往路と同じ経路を逆方向に辿る復路を経て、光ファイバ２１の第２端２１ｂに入射される。

光ファイバ２１の第２端２１ｂに入射された光は、光ファイバ２１により導光され測定部１２により受光されてスペクトルが測定される。その測定されたスペクトルは表示部１３により表示される。そして、その測定されたスペクトルは表示部１３により表示される。

図３は、本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０におけるＳＰＲ現象の説明図である。この図には、プリズム２５，平板２７および金属膜２８が示されている他、プリズム２５と平板２７との間のマッチングオイル２９も示されており、また、金属膜２８に接して配置された測定対象物９も示されている。

平板２７から反射膜２８へ光が入射する際の入射角が臨界角以上であると、その光は平板２７と反射膜２８との界面（すなわち、平板２７の第２主面２７ｂ）で全反射され、また、その全反射によりエバネセント波が平板２７の第２主面２７ｂの外側に生じる。さらに、所定の条件下では、自由電子が存在する金属膜２８と、誘電体である測定対象物９との界面において、電磁波である光と自由電子との結合により電子の粗密波が励起される。この電子の粗密波が表面プラズモンと呼ばれる。

表面プラズモンのエネルギは、界面に強く集中しているので、測定対象物９の屈折率または誘電率に敏感である。また、表面プラズモンの励起は、光の入射角や波長に強く依存している。すなわち、特定の入射角および波長において、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象が発現する。ＳＰＲセンサ装置１は、このようなＳＰＲ現象を利用して、金属膜２８に接して配置される測定対象物９の屈折率や屈折率変化を測定し、例えば、免疫反応等の細胞内での蛋白質の相互作用を測定することができる。

ＳＰＲ現象が生じる条件は、平板２７から反射膜２８へｐ偏光の光が入射して全反射した際に生じるエバネセント波のｘ方向の波数ｋ_ｐｘと表面プラズモンの波数ｋ_ｓｐとが互いに一致することである。表面プラズモンの波数ｋ_ｓｐは下記(1)式で表される。また、エバネセント波の界面に平行な方向の波数成分ｋ_ｐｘは下記(2)式で表される。ここで、ωは光の角周波数であり、λは光の波長であり、ｃは真空中の光速であり、θは平板２７から金属膜２８への光の入射角である。また、ｎ_ｐは平板２７の屈折率であり、ε_ｍは金属膜２８の誘電率であり、ε_ｓは測定対象物９の誘電率である。

ＳＰＲ現象が生じる条件下では、光のエネルギが表面プラズモンのエネルギに変化する。したがって、平板２７から金属膜２８へ入射する光が単色光である場合、特定の入射角θでＳＰＲ現象が強く発現するので、その入射角において全反射の際の反射率が急激に小さくなる。或いは、平板２７から金属膜２８へ入射する光が白色光である場合、特定の波長λでＳＰＲ現象が強く発現するので、その波長λにおいて全反射の際の反射率が急激に小さくなる。

本実施形態に係るＳＰＲセンサ装置１は、光源１１から白色光をＳＰＲセンサヘッド２０へ出力するとともに、ＳＰＲセンサヘッド２０から戻って来た光のスペクトルを受光部１２により測定して、その測定したスペクトルにおいて大きく減衰している波長を求める。そして、その波長に基づいて測定対象物９の誘電率または屈折率を求め、ひいては、測定対象物９における反応等を測定することができる。

特に、本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０においては、光ファイバ２１の第２端２１ｂ，コリメートレンズ２２，偏光ビームスプリッタ２３，１／２波長板２４，プリズム２５および反射鏡２６は、相対的位置関係が固定されている。その一方で、平板２７はプリズム２５に対して着脱自在とされている。したがって、ＳＰＲセンサヘッド２０のうち平板２７以外の部分を繰返し使用することができる一方で、平板２７のみを一度使用した後に廃棄することができるので、低コストで測定を行うことができる。

また、平板２７を取り替えるときに、平板２７の第１主面２７ａとプリズム２５の第２平面２５ｂとを密着させるだけであるので、その密着の際に両者の間の間隔に誤差が存在したとしても、往路（光ファイバ２１の第２端２１ｂから反射鏡２６に到るまでの経路）を経た光は、反射鏡２６に垂直入射して、往路と同じ経路を逆方向に辿る復路を経る。また、平板２７の厚みに誤差が存在したとしても、同様に、往路を経た光は、反射鏡２６に垂直入射して、往路と同じ経路を逆方向に辿る復路を経る。このように、平板２７の取り付け誤差や厚み誤差が存在したとしても、同一条件で測定を行うことが可能であり、それ故に、有意な測定結果を安定して得ることができる。さらに、往路および復路それぞれで同一位置においてＳＰＲ現象を発現させることができるので、高感度な測定が可能である、

さらに、本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０においては、光ファイバ２１の第２端２１ｂと偏光ビームスプリッタ２３との間の光学系の光軸がｚ方向に平行（プリズム２５の第２平面２５ｂに垂直）であり、偏光ビームスプリッタ２３とプリズム２５の第１平面２５ａとの間の光学系の光軸がｘ方向に平行であり、プリズム２５の第３平面２５ｃと反射鏡２６との間の光学系の光軸がｘ方向に平行である。このように、互いに直交するｘ方向またはｚ方向に平行となるように部品間の光学系の光軸が設定されているので、ＳＰＲセンサヘッド２０の組立および調整が容易である。

本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、種々の変形が可能である。例えば、プリズム２５および平板２７それぞれの材料は、石英ガラスであるのが好適であるが、他の透明ガラスであってもよいし、透明樹脂であってもよい。平板２７は、透明樹脂からなり可撓性を有するフィルムであってもよい。

上記実施形態では、ＳＰＲセンサヘッド２０内に設けられた偏光ビームスプリッタ２３および１／２波長板２４により、プリズム２５に入射させるべき光をｐ偏光とした。しかし、偏光ビームスプリッタ２３および１／２波長板２４に替えて、反射鏡および偏光子が用いられてもよい。また、装置本体１０内からｐ偏光の光を出力することとし、光ファイバ２１として偏波保持光ファイバを用いてもよい。後者の場合、光ファイバ２１の第２端２１ｂから出射される光は既にｐ偏光であるので、光ファイバ２１の第２端２１ｂからコリメートレンズ２２を経てプリズム２５の第１平面２５ａに到る光学系の光軸はｘ方向に平行とされる。

光源１１から出力される光は、連続光であってもよいし、ディザが施された光であってもよく、後者の場合にはスペックル雑音を低減することができる。

本実施形態に係るＳＰＲセンサ装置１の構成図である。 本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０の斜視図である。 本実施形態に係るＳＰＲセンサヘッド２０におけるＳＰＲ現象の説明図である。

符号の説明

１…ＳＰＲセンサ装置、１０…装置本体、１１…光源、１２…測定部、１３…表示部、１４…ビームスプリッタ、１５…集光レンズ、２０…ＳＰＲセンサヘッド、２１…光ファイバ、２２…コリメートレンズ、２３…偏光ビームスプリッタ、２４…１／２波長板、２５…プリズム、２６…反射鏡、２７…平板、２８…金属膜、２９…マッチングオイル。

Claims (5)

1. 表面プラズモン共鳴（以下「ＳＰＲ」という。）現象を利用したＳＰＲセンサ装置において用いられるＳＰＲセンサヘッドであって、
   互いに平行な第１主面および第２主面を有し、前記第２主面上に金属膜が形成された平板と、
   入射端に入射した光を出射端から出射する入射光学系と、
   第１平面，第２平面および第３平面を有し、前記平板の前記第１主面が前記第２平面に密着され、前記入射光学系の前記出射端から出射された光が前記第１平面に入射され、その前記第１平面に入射された光を内部で伝播させ前記第２平面を経て前記平板の前記第２主面で全反射させ、その前記平板の前記第２主面で全反射させた光を前記第２平面を経て内部で伝播させて前記第３平面から外部へ出射するプリズムと、
   前記プリズムの前記第３平面から外部へ出射された光が垂直入射され、その入射された光を反射させ、その反射させた光を前記プリズムの前記第３平面に入射させる反射鏡と、
   を備え、
   前記入射光学系の前記出射端，前記プリズムおよび前記反射鏡の相対的位置関係が固定され、
   前記プリズムに対して前記平板が着脱自在である、
   ことを特徴とするＳＰＲセンサヘッド。
2. 前記入射光学系から前記プリズムの前記第１平面への光の入射方向が前記プリズムの前記第２平面と平行であり、
   前記プリズムの前記第３平面から外部への光の出射方向が前記プリズムの前記第２平面と平行である、
   ことを特徴とする請求項１記載のＳＰＲセンサヘッド。
3. 前記入射光学系は、
   前記プリズムの前記第２平面に垂直に進行する光が入射され、その入射光のうちｓ偏光成分を前記プリズムの前記第２平面に平行に出射する偏光ビームスプリッタと、
   その前記偏光ビームスプリッタから出射されたｓ偏光の光を入力し、その光をｐ偏光として、そのｐ偏光の光を前記プリズムの前記第１平面に入射させる１／２波長板と、
   を含むことを特徴とする請求項２記載のＳＰＲセンサヘッド。
4. 前記入射光学系は、
   前記プリズムの前記第１平面に入射させるべき光を導光する光ファイバと、
   その光ファイバの先端から出射される光をコリメートするコリメートレンズと、
   を含むことを特徴とする請求項１記載のＳＰＲセンサヘッド。
5. 請求項１〜４の何れか１項に記載のＳＰＲセンサヘッドと、
   前記ＳＰＲセンサヘッドに含まれる前記プリズムの前記第１平面に入射させるべき光を出力し、前記ＳＰＲセンサヘッドに含まれる前記入射光学系の前記入射端に該光を入射させる光源と、
   前記ＳＰＲセンサヘッドに含まれる前記プリズムの前記第１平面から出射された光を受光して、その受光した光のスペクトルを測定する測定部と、
   を備えることを特徴とするＳＰＲセンサ装置。

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