JP2009019893A - Sensing method and sensing device - Google Patents

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健太郎 古澤
Akira Kuroda
亮 黒田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To improve the accuracy of sensing using surface plasmon resonance or localized surface plasmon resonance. <P>SOLUTION: Collimated output light from a light source 101 is condensed onto a plasmon element 105 via a parabolic mirror 104, and reflected light from the plasmon element 105 is collimated again by the parabolic mirror 104. The collimated light from the parabolic mirror 104 is processed by a slit 106, which parallel to the incident surface into the plasmon element 105 and a diffraction grating 107 for imparting dispersion in a direction vertical to the slit 106, and is detected by a two-dimensional detector 108. In an image detected by the two-dimensional detector 108, the dependence on the reflected light by the plasmon element 105 with respect to the wavenumber of incident light into the plasmon element 105 appears in a direction parallel to the incident surface, and dependence with respect to the frequency appears in the direction vertical to the incident surface, and each dependence is analyzed vectorially. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、屈折率、温度などの表面状態の変化、特に、抗原抗体反応などによる表面状態の変化をモニターするために用いられるプラズモンセンサーによるセンシング方法、およびセンシング装置に関する。   The present invention relates to a sensing method and a sensing apparatus using a plasmon sensor used for monitoring changes in surface conditions such as refractive index and temperature, particularly changes in surface conditions caused by antigen-antibody reaction.

従来、プラズモン共鳴の波長依存性、波数依存性(すなわち入射角依存性)、またはその両方を計測するプラズモンセンサーによって高感度な計測が行われてきた。平面表面プラズモン共鳴(SPR)の分散関係は   Conventionally, high-sensitivity measurement has been performed by a plasmon sensor that measures wavelength dependency, wave number dependency (that is, incident angle dependency) of plasmon resonance, or both. The dispersion relation of planar surface plasmon resonance (SPR) is

で近似的に与えられる。ここで、ε1mはそれぞれトランスデューサー界面を形成する誘電体と金属の誘電率、λは波長である。トランスデューサー界面での入射光の波数がkspと等しくなる(位相整合)と、入射光のエネルギーはプラズモンと結合し、表面プラズモンの伝搬に伴う損失が反射光の損失として観測される。平面表面プラズモンの空間的な染み出しは、誘電体と金属の界面を形成する物質の誘電率によって決まり、可視域において数百nm以下のオーダーである。これが、トランスデューサー感度をもつ空間レンジを決める。 Is given approximately. Here, ε 1 and ε m are the dielectric constants of the dielectric and metal that form the transducer interface, and λ is the wavelength. When the wave number of incident light at the transducer interface becomes equal to k sp (phase matching), the energy of the incident light is combined with plasmons, and the loss associated with the propagation of surface plasmons is observed as the loss of reflected light. The spatial exudation of planar surface plasmons is determined by the dielectric constant of the material that forms the interface between the dielectric and the metal, and is in the order of several hundred nm or less in the visible range. This determines the spatial range with transducer sensitivity.

一方、2次元金属周期構造でのプラズモン相互作用では、金属のユニット・セル内の境界条件によってプラズモン電磁界が局所化し、局所的表面プラズモン(LSPR)が誘起される。その位相整合条件は1次近似的に以下のように示される。   On the other hand, in a plasmon interaction in a two-dimensional periodic metal structure, a plasmon electromagnetic field is localized by a boundary condition in a metal unit cell, and a local surface plasmon (LSPR) is induced. The phase matching condition is expressed in a first-order approximation as follows.

ここでm,nはそれぞれ整数で、2π/Λは与えられた構造のフーリエ主成分の周波数である。LSPRの電磁界染み出しは、局在化によってSPRのそれに比べて小さくすることができ、トランスデューサーとして、より表面近傍に感度が高いセンサーを実現する手段として期待されている。
特開2003-177089号公報 Review of Scientific Instruments Vol.67, pp.3039-3043 (1998) Physical Review Letters Vol.92, 107401 (2004)
Here, m and n are integers, and 2π / Λ is the frequency of the Fourier principal component of the given structure. The LSPR electromagnetic field leakage can be made smaller than that of SPR by localization, and is expected as a means to realize a sensor with higher sensitivity near the surface as a transducer.
JP2003-177089 Review of Scientific Instruments Vol.67, pp.3039-3043 (1998) Physical Review Letters Vol.92, 107401 (2004)

従来のSPRセンサーでは、金属界面での吸着または反応によるSPRの位相整合条件変化が検出される。反射率変化ΔRは信号の強度変化ΔIを観測することで測定されるので、最小検出能は、究極的にはショットノイズで制限される。   A conventional SPR sensor detects a change in phase matching condition of SPR due to adsorption or reaction at a metal interface. Since the reflectance change ΔR is measured by observing the signal intensity change ΔI, the minimum detectability is ultimately limited by shot noise.

ここで、eは素電荷、Pは入射光パワー、ηは光検出器の量子効率、Δfは検出のバンド幅、hνは光子エネルギーである。すなわち、ショットノイズ限界では反射率変化の最小検出能は入射光パワーの平方根に比例する。しかし、プラズモン素子は損失がある系なので、入射光パワーを大きくすると金属吸収に由来する素子自身の温度上昇が生じる。したがって、これが原因で生じる分散曲線のシフトを、モニター対象とする反応などによるセンサーの応答と区別できるようにすることが望まれる。   Here, e is the elementary charge, P is the incident light power, η is the quantum efficiency of the photodetector, Δf is the detection bandwidth, and hν is the photon energy. That is, at the shot noise limit, the minimum detectability of the reflectance change is proportional to the square root of the incident light power. However, since the plasmon element is a lossy system, when the incident light power is increased, the temperature of the element itself rises due to metal absorption. Therefore, it is desirable to be able to distinguish the shift of the dispersion curve caused by this from the response of the sensor due to the reaction to be monitored.

また、従来の多くのSPR/LSPRセンサーにおいては波長を固定し、入射角度を掃引していたため、測定時間を要し、また、機械的要素部品による動作精度によって、測定精度に制約が生じる。   In addition, in many conventional SPR / LSPR sensors, the wavelength is fixed and the incident angle is swept, so that measurement time is required and the measurement accuracy is limited by the operation accuracy of mechanical element parts.

さらに、上述のように、従来技術の多くは、波長または角度スペクトルの一方を計測していたので、トランスデューサーから得られる情報に限界があった。すなわち、トランスデューサーの、環境的な温度変化などの外乱要素による成分を、センサー応答としての成分から分離することができなかった。   Furthermore, as described above, many of the conventional techniques measure one of the wavelength and the angle spectrum, and thus there is a limit to the information obtained from the transducer. That is, a component due to a disturbance element such as an environmental temperature change of the transducer cannot be separated from a component as a sensor response.

本発明は、表面プラズモン共鳴、または局在表面プラズモン共鳴を用いた、より高精度のセンシング方法、およびセンシング装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide a sensing method and a sensing device with higher accuracy using surface plasmon resonance or localized surface plasmon resonance.

上述の目的を達成するため、本発明のセンシング方法は、金属薄膜上または2次元金属周期構造上に試料が配置されたプラズモン素子における表面プラズモン共鳴、または局在表面プラズモン共鳴を用いるセンサシング方法において、プラズモン素子の反射率または透過率の、プラズモン素子への入射光の波数と波長に対する依存性の変化を測定する工程と、波数と波長に対する依存性の変化を、波数に対する依存性に関する量と、波長に対する依存性に関する量とを成分とするベクトルによって表されるシフトとして解析する工程と、を有することを特徴とする。   In order to achieve the above object, the sensing method of the present invention is a sensoring method using surface plasmon resonance in a plasmon element in which a sample is arranged on a metal thin film or a two-dimensional metal periodic structure, or localized surface plasmon resonance. Measuring the change in the dependency of the plasmon element on the wave number and the wavelength of the incident light to the plasmon element, the change in the dependency on the wave number and the wavelength, And a step of analyzing as a shift represented by a vector whose component is an amount related to dependency on wavelength.

本発明によれば、波数に対する依存性に関する量と、波長に対する依存性に関する量とを成分とするベクトルを用いた解析によって、モニター対象とする反応などによるセンサーの応答と、外乱による応答とを区別することができる。それによって、高精度のセンシングが可能となる。   According to the present invention, a sensor response due to a reaction to be monitored and a response due to disturbance are distinguished by an analysis using a vector whose components are a dependency on the wavenumber and a dependency on the wavelength. can do. Thereby, highly accurate sensing is possible.

図1と図2(非特許文献2より)はそれぞれ(1)式と(2)式に対応するSPRとLSPRの分散(波長と波数の)関係を示している。暗部で示される部分では入射光とプラズモンが位相整合しやすい波長と波数の関係となっており、分散曲線を反映している。SPRの位相整合条件は波長と波数が反比例する関係になっているが、LSPRの位相整合条件は周期構造を有するためブリルアン・ゾーン内で規定される。重要なことはLSPRの分散曲線はSPRのそれに比して複雑でかつ複数のモードが存在することである。また、この分散曲線は周期構造構成要素の個々の形状に強く依存する。   FIG. 1 and FIG. 2 (from Non-Patent Document 2) show the dispersion (wavelength and wave number) relationship between SPR and LSPR corresponding to equations (1) and (2), respectively. In the portion indicated by the dark portion, the relationship between the wavelength and the wave number where the incident light and the plasmon are easily phase-matched, and the dispersion curve is reflected. The phase matching condition of SPR has a relationship in which the wavelength and the wave number are inversely proportional, but the phase matching condition of LSPR is defined in the Brillouin zone because it has a periodic structure. What is important is that the dispersion curve of LSPR is more complex than that of SPR and there are multiple modes. Also, this dispersion curve strongly depends on the individual shape of the periodic structure component.

金属薄膜上(SPR)または2次元金属周期構造上(LSPR)に試料が配置されたプラズモン素子において、実際のモニター対象とする反応による試料の変化(表面状態の変化)は局所的に生じる。金属構造界面において、ある物質が吸着することを考える。その屈折率と厚みの変化量をそれぞれΔd,Δlとすると、実効的な変化量Δsは   In a plasmon element in which a sample is arranged on a metal thin film (SPR) or on a two-dimensional metal periodic structure (LSPR), a sample change (change in surface state) due to a reaction to be actually monitored locally occurs. Consider the adsorption of a substance at the metal structure interface. When the amount of change in refractive index and thickness is Δd and Δl, respectively, the effective amount of change Δs is

とかける。固定された測定条件下で反射率の変化ΔRは、プラズモン素子への入射光の入射角をθ、波長をλとして、 Call it. The change in reflectance ΔR under fixed measurement conditions is defined as θ, the incident angle of incident light to the plasmon element, and λ,

で与えられる。センサーの感度を上げるためには、反射率Rに対する変微分項を最大化するθ1/2とλ1/2に注目し、反射率の変化率Aが最大化されるように観測するのが望ましい。それによって、最高性能でセンシングを行うことが可能となる。一般に用いられるSPRセンサーは上記平方根内第1項か第2項のみしか用いていない(図1,2の1成分への射影)。また特許文献1および非特許文献1で開示される技術ではθとλに対する反射率の依存性を測定できるが、上式の解釈に注目してセンシングを行う手法は開示されていない。(5)式から、センサー応答ベクトルを以下のように定義する。 Given in. In order to increase the sensitivity of the sensor, focus on θ 1/2 and λ 1/2 that maximize the variable differential term with respect to the reflectance R, and observe so that the reflectance change rate A is maximized. desirable. As a result, sensing can be performed with the highest performance. Generally used SPR sensors use only the first or second term in the square root (projection to one component in Figs. 1 and 2). In addition, the techniques disclosed in Patent Document 1 and Non-Patent Document 1 can measure the dependence of reflectance on θ and λ, but do not disclose a technique for sensing by paying attention to the interpretation of the above formula. From the equation (5), the sensor response vector is defined as follows.

ここで、センサー応答ベクトルpは任意の外乱応答ベクトルqと異なることを示しておく。例として、素子自身の温度の変化が生じ、それによって外乱が生じたと仮定する。この場合の外乱応答ベクトルは金属の屈折率と吸収の温度変化と依存するが、これらは誘電率変化と置き換えることができ、それによって生じる反射率変化は   Here, it is shown that the sensor response vector p is different from an arbitrary disturbance response vector q. As an example, assume that a change in the temperature of the element itself has occurred, thereby causing a disturbance. The disturbance response vector in this case depends on the refractive index of the metal and the temperature change of absorption, but these can be replaced by the change in dielectric constant, and the resulting change in reflectance is

となる。これによって生じるバンドイメージの変化は It becomes. The resulting band image change

となる。これは一般にベクトルpとは方向が異なるので、温度変化とセンサー応答は区別できることになる。当然のことながら、この効果は金属のプラズマ周波数に近い波長であるほど大きい。センサー応答ベクトルpが大きい領域と外乱応答ベクトルqが大きい領域が同じイメージ内に収まるように測定すれば、外乱の効果を見分けやすい。ここで外乱要素は温度変化として例証したが、外乱要素が複数含まれていても、イメージの変化はそれらの線形和として反映される。外乱の起源が明確にわかっているときは、新たな外乱要素ベクトルを定義してそのベクトル要素を抽出することも可能である。 It becomes. This is generally different in direction from the vector p, so that temperature changes and sensor responses can be distinguished. As a matter of course, this effect becomes larger as the wavelength is closer to the plasma frequency of the metal. If measurement is performed so that the region where the sensor response vector p is large and the region where the disturbance response vector q is large are included in the same image, it is easy to distinguish the effect of the disturbance. Here, the disturbance element is illustrated as a temperature change, but even if a plurality of disturbance elements are included, the image change is reflected as a linear sum of them. When the source of the disturbance is clearly known, it is possible to define a new disturbance element vector and extract the vector element.

なお、本実施形態では、プラズモン素子の反射率Rに着目して説明するが、透過率に着目してもほぼ同様の議論が成立する。   In the present embodiment, the description will be made with attention paid to the reflectance R of the plasmon element, but the same argument can be made even if attention is paid to the transmittance.

(実施例1)
本実施形態のセンシング方法においては、波長と角度の機械的掃引機構を無くした装置でプラズモンバンドイメージを測定し、そのバンドイメージのベクトル的なシフトに対して解析を行う。測定に対しては、直入射と斜入射で以下の方法が考えられる。ただし、LSPRセンサーの場合はブリルアン・ゾーン内を調べればよいことを考えると、高NAの入射光を用いて直入射でも十分と考えられるが、バンド端でのセンサー応答の感度がよく、その情報をクローズアップしたい場合、斜入射も考えられる。
(Example 1)
In the sensing method of this embodiment, a plasmon band image is measured with an apparatus that eliminates the mechanical sweep mechanism of wavelength and angle, and analysis is performed on the vector shift of the band image. For measurement, the following methods can be considered for normal incidence and oblique incidence. However, in the case of an LSPR sensor, considering that it is only necessary to examine the Brillouin zone, direct incidence using high NA incident light is considered sufficient, but the sensitivity of the sensor response at the band edge is good, and the information When it is desired to close up, oblique incidence is also conceivable.

図3,4は、本実施形態のセンシング方法を実行するセンシング装置の例を示している。   3 and 4 show an example of a sensing device that executes the sensing method of the present embodiment.

直入射の場合、図3で示すように、コリメートされた光を出力する光源100からの出力光をポラライザー(または波長板:光源の性質による)102で応答のよい偏光軸に調整し、ハーフミラー103を通した後、放物面鏡104を用いてプラズモン素子105上に集光する。プラズモン素子105からの反射光は放物面鏡104で再びコリメートされ、その、ハーフミラー103によって反射された成分がプラズモン素子105への入射面に平行なスリット106を通される。そして、スリット106と垂直な方向に分散を与える回折格子107を介して生成された像を2次元検出器108で検出する。   In the case of normal incidence, as shown in FIG. 3, the output light from the light source 100 that outputs collimated light is adjusted to a polarization axis with a good response by a polarizer (or wave plate: depending on the nature of the light source) 102, and a half mirror After passing through 103, the light is condensed on the plasmon element 105 using the parabolic mirror 104. The reflected light from the plasmon element 105 is collimated again by the parabolic mirror 104, and the component reflected by the half mirror 103 passes through the slit 106 parallel to the incident surface to the plasmon element 105. The two-dimensional detector 108 detects an image generated through a diffraction grating 107 that gives dispersion in a direction perpendicular to the slit 106.

斜入射の場合、図4で示すように点光源201からの出力光をポラライザー(または波長板:光源の性質による)202を通した後、プラズモン素子204上に楕円面鏡203を用いて集光し再結像する。その反射光を放物面鏡205でコリメートし、プラズモン素子の入射面に平行なスリット206と、それに垂直な方向に分散を与える回折格子207を介することで生成される像を2次元検出器208で検出する。   In the case of oblique incidence, as shown in FIG. 4, the output light from the point light source 201 passes through a polarizer (or wave plate: depending on the nature of the light source) 202, and then condenses using an ellipsoidal mirror 203 on the plasmon element 204. Then re-image. The reflected light is collimated by a parabolic mirror 205, and an image generated by passing through a slit 206 parallel to the incident surface of the plasmon element and a diffraction grating 207 that gives dispersion in a direction perpendicular thereto is displayed as a two-dimensional detector 208. Detect with.

これらのセンシング装置によって、プラズモン素子104,204への入射面に平行な方向に入射角に対する依存性(したがって波数kに対する依存性)、反射面と入射面に垂直な方向に波長λに対する依存性をマッピングしている(図5参照)。すなわち、2次元検出器208によって検出される像において、プラズモン素子104,204への入射面に平行な方向に、入射角を変化させた時の反射光の変化が現れ、入射面に垂直な方向に、波長を変化させた時の反射光の変化が現れる。したがって、機械的な稼動部分を用いることなく、得られる2次元像の解析によって、入射角、すなわち波数に対する依存性と、波長に対する依存性を一括して求めることができる。すなわち、プラズモン素子のバンドイメージを高速に計測でき、また、機械的な稼動部分の動作精度が測定精度に影響することがなくなる。   With these sensing devices, dependency on the incident angle in the direction parallel to the incident surface to the plasmon elements 104 and 204 (thus, dependency on the wave number k), and dependency on the wavelength λ in the direction perpendicular to the reflection surface and the incident surface. Mapping (see Figure 5). That is, in the image detected by the two-dimensional detector 208, a change in reflected light appears when the incident angle is changed in a direction parallel to the incident surface to the plasmon elements 104 and 204, and a direction perpendicular to the incident surface. Then, a change in reflected light appears when the wavelength is changed. Therefore, the dependence on the incident angle, that is, the wave number and the dependence on the wavelength can be obtained collectively by analyzing the obtained two-dimensional image without using a mechanical working part. That is, the band image of the plasmon element can be measured at high speed, and the operation accuracy of the mechanically operating portion does not affect the measurement accuracy.

ここで重要な点をまとめる。
a)角度走査することなしに一括計測するために点光源像を、必要な偏光に調整してプラズモン素子に再結像させ、プラズモン素子からの反射光をコリメートして、入射面に平行な方向に入射角に対する依存性が現れるようにする。
b)コリメートされた反射光に対して入射面に平行なスリットと、グルーブが入射面に平行になるように配置された回折格子によって入射面と垂直な方向に角度分散を与え、2次元検出器上に結像させる。
Here is a summary of important points.
a) A point light source image is adjusted to the required polarization and re-imaged on the plasmon element for batch measurement without angular scanning, and the reflected light from the plasmon element is collimated, parallel to the incident surface. Dependence on the incident angle appears.
b) A two-dimensional detector that gives angular dispersion in the direction perpendicular to the incident surface by a slit parallel to the incident surface and a diffraction grating arranged so that the groove is parallel to the incident surface with respect to the collimated reflected light. Image on top.

図3,4では機能を明確化するために、簡略図を示したが、それぞれの機能をより高機能化するために様々な付加的な機能をつけることができる。例えば、光源はハロゲンランプベースファイバ光源でもよいし、素子の余剰加熱を抑えるためにスーパーコンティニュウム光源でもよい。しかし、後者の場合は楕円面鏡のかわりにコリメートされた光を放物面鏡で絞ってもかまわない。特許文献1では角度の一括測定にレンズ系を指定しているが、ここでは広い波長範囲のバンドイメージを取得することも考慮し、反射光学系を利用している。しかし、バンドイメージの波長レンジが狭ければレンズ系でもかまわない。スリットに関しては、プラズモン素子からの反射光がイメージング分光器の入射スリットに結像されているだけでもよい。また、バンドイメージのある特定の場所を高分解能でクローズアップしたければ、波長分散方向をコリメートする光学素子を入れてから拡大光学系を挿入してもよい(例えば、図3,4のレンズ系109,209)。LSPRにおいては、バンド中心やバンド端では群速度が実効的に遅くなるので、より大きな相互作用を得ることができる。すなわち素子のデザインによってはセンサー感度が高いところがバンド端にあり、斜入射光学系が有効になる場合も考えられる。   In FIGS. 3 and 4, simplified diagrams are shown to clarify the functions, but various additional functions can be added in order to enhance the functions of the respective functions. For example, the light source may be a halogen lamp-based fiber light source, or a supercontinuum light source to suppress excessive heating of the element. However, in the latter case, the collimated light may be reduced by a parabolic mirror instead of the ellipsoidal mirror. In Patent Document 1, a lens system is specified for collective measurement of angles, but here, a reflection optical system is used in consideration of obtaining a band image in a wide wavelength range. However, a lens system may be used if the wavelength range of the band image is narrow. Regarding the slit, the reflected light from the plasmon element may only be imaged on the entrance slit of the imaging spectrometer. In addition, if it is desired to close up a specific place in the band image with high resolution, an optical element that collimates the wavelength dispersion direction may be inserted before inserting the magnifying optical system (for example, the lens system in FIGS. 109,209). In LSPR, the group velocity is effectively reduced at the band center and band edge, so that a larger interaction can be obtained. That is, depending on the design of the element, there is a case where the sensor sensitivity is high at the band edge and the oblique incidence optical system is effective.

次に上述の装置を用いて得られたバンドイメージの解析を行う。第一の手順は、波数と波長とを成分とする2次元空間における高感度領域の同定を行うことである。次に、第二の手順として、同定された高感度領域に注目してセンサー応答を判別する。単純に高感度領域における画像の輝度の総和をセンサー応答とすることもできるが、各イメージ要素に対して所定の条件を課し、それに従って画像プロセシングを行い、センサー応答ベクトルpや外乱ベクトルqを抽出することも可能である。以下にいくつかの例を示す。   Next, the band image obtained using the above-described apparatus is analyzed. The first procedure is to identify a high-sensitivity region in a two-dimensional space whose components are wave number and wavelength. Next, as a second procedure, the sensor response is determined by paying attention to the identified high sensitivity region. The sum of the brightness of the image in the high-sensitivity region can be simply used as the sensor response, but a predetermined condition is imposed on each image element, image processing is performed accordingly, and the sensor response vector p and disturbance vector q are It is also possible to extract. Some examples are shown below.

(高感度位置の同定)
まずセンサー応答が無い状態において、参照イメージRij(i=1〜M,j=1〜N)を測定する。このイメージ対して、k,λに対してそれぞれ偏微分を行っておく(Dk ij, Dλij;図6参照)。次にあるiに対する、参照イメージRijとセンサー応答イメージFijのスライスイメージに対してそれぞれの極値を評価し、k方向のシフト量を求めることで、N個のシフトベクトルSk jができる(図7参照)。同様の操作をあるjに対して行うとλ方向へのM個のシフトベクトルSλiが求まる。シフト量の計算には偏微分イメージの極値を用いてもよい。シフトベクトルの分布が顕著に変わることで、センサー応答が非線形であるか、または別の要因が含まれているかを判断することができることが重要である。k方向シフトベクトルと同一の列要素をもつk方向シフトマトリクス(Sk ij)、λ方向シフトベクトルと同一の行要素をもつλ方向シフトマトリクス(Sλij)を定義し、以下のイメージを作る。
(Identification of high sensitivity position)
First, in a state where there is no sensor response, the reference image R ij (i = 1 to M, j = 1 to N) is measured. This image is subjected to partial differentiation with respect to k and λ (D k ij and Dλ ij ; see FIG. 6). Next, N shift vectors S k j can be obtained by evaluating the extreme values of the slice image of the reference image R ij and sensor response image F ij for a certain i and calculating the shift amount in the k direction. (See Figure 7.) When the same operation is performed on a certain j, M shift vectors Sλ i in the λ direction are obtained. The extreme value of the partial differential image may be used for the calculation of the shift amount. It is important to be able to determine whether the distribution of the shift vector is significantly changed, so that the sensor response is non-linear or another factor is included. A k-direction shift matrix (S k ij ) having the same column elements as the k-direction shift vector and a λ-direction shift matrix (Sλ ij ) having the same row elements as the λ-direction shift vector are defined, and the following image is created.

これはシフトが一様に生じたという仮定のもとでの(5)式に対応している。すなわち、Pijが最大化される領域が(5)式のAが最大化される領域に対応し、高感度な領域を与える。図8は(7)式によって生成されたイメージである。この場合、1μm付近の波長でPijが最大値をとっており、センサー応答が相対的に高感度になっていることがわかる。(7)式において、偏微分イメージDijの変わりに、参照イメージとセンサー応答イメージの差分イメージ(Gij=Rij-Fij)を用いると、これには全微分情報しか含まれていないため、直接(5)式には対応しない。 This corresponds to equation (5) under the assumption that the shift occurred uniformly. That is, the region where P ij is maximized corresponds to the region where A in Equation (5) is maximized, and gives a highly sensitive region. FIG. 8 is an image generated by equation (7). In this case, P ij has a maximum value at a wavelength near 1 μm, and it can be seen that the sensor response is relatively sensitive. In equation (7), if the differential image (G ij = R ij -F ij ) between the reference image and the sensor response image is used instead of the partial differential image D ij , this includes only total differential information. It does not directly correspond to equation (5).

ところで、より簡便な処理方法としてGijを用いて高感度領域の同定を行うことを考えると、近似的に By the way, considering the identification of the high sensitivity region using G ij as a simpler processing method,

として高感度な領域を同定してもよい。この操作によって得られるイメージの例を図9に示す。この場合Pijが最大値をとっている波長は900nm付近である。ただし、この場合では、全微分項と変微分項が独立でないので、直交要素の掛け算がなされる結果として感度が擬似的に増強される部位が発生する可能性がある。k,λどちらかへのシフトが非常に少ない場合でも、その方向へのプロファイルがシャープでさえあれば、高感度部位となってしまうからである。 A highly sensitive region may be identified. An example of an image obtained by this operation is shown in FIG. In this case, the wavelength at which P ij takes the maximum value is around 900 nm. However, in this case, since the total differential term and the variable differential term are not independent, there is a possibility that a portion where the sensitivity is artificially increased is generated as a result of multiplication of orthogonal elements. This is because even if the shift to either k or λ is very small, if the profile in that direction is sharp, it becomes a highly sensitive part.

本論に戻ると、高感度領域が同定された上で、Pijが最大値をとる点での差分強度をセンサー応答の指標としてもよい。あるいは、ある範囲(i,j: Pij>Pc:const)を定義して、その範囲でのGijを積分したものを、絶対的な応答として算出してもよい。後者の場合、要素数の平方根に反比例してノイズの効果を低減できる。 Returning to this discussion, after the high sensitivity region is identified, the difference intensity at the point where P ij takes the maximum value may be used as an index of the sensor response. Alternatively, a certain range (i, j: P ij > P c : const) may be defined, and a value obtained by integrating G ij in the range may be calculated as an absolute response. In the latter case, the effect of noise can be reduced in inverse proportion to the square root of the number of elements.

(要素抽出を行った後でのセンサー応答判別)
線形演算での射影として捕らえられる範囲では、抽出される分散曲線(ピーク点から形成される稜線)に対して、多項式近似を行い、その射影ベクトルの大きさを取ることもできる。例えば参照イメージとセンサー応答イメージから抽出される分散曲線がそれぞれ、
(Sensor response discrimination after element extraction)
In a range that can be captured as a projection in a linear operation, a polynomial approximation can be performed on the extracted dispersion curve (ridge line formed from peak points) to obtain the size of the projection vector. For example, the dispersion curves extracted from the reference image and sensor response image are

と近似できたとき、 When we can approximate

としてセンサー応答ベクトルを定義し、そのノルム Define the sensor response vector as

をセンサー応答として用いることもできる。このベクトルからはずれるセンサー応答には、外乱が含まれている可能性を判別することができる。この場合、(9)式の近似にN個のデータ点を用いれば√N倍ノイズを減らすことができ、多数のサンプル点に対して適用することで、高感度化を図れる。(9)式の近似には、前述の高感度領域範囲外のデータ点を用いることもできる。これを同様に偏微分イメージに応用すると、擬似的に1つのモードに対して複数の分散曲線が定義できるので、さらなるノイズ低減をすることができる。 Can also be used as a sensor response. It is possible to determine the possibility that the sensor response deviating from this vector includes a disturbance. In this case, if N data points are used in the approximation of equation (9), the noise can be reduced by √N times, and high sensitivity can be achieved by applying to a large number of sample points. For approximation of equation (9), data points outside the above-described high sensitivity region range can also be used. If this is similarly applied to a partial differential image, a plurality of dispersion curves can be defined for one mode in a pseudo manner, so that further noise reduction can be achieved.

(差分のピーク曲線からベクトルエレメント抽出と分解)
上記のセンサー応答判別では、センサー応答ベクトルの複数要素を線形独立なものに分離しているがその構成要素の同定はしていない。以下ではより一般的な解析手法として、差分イメージから直交要素を抽出することを考える。これにはセンサー応答に対する単位ベクトル(要素は整数からなる)
(Vector element extraction and decomposition from differential peak curve)
In the sensor response determination described above, a plurality of elements of the sensor response vector are separated into linearly independent elements, but the constituent elements are not identified. In the following, as a more general analysis method, consider extracting orthogonal elements from a difference image. This is a unit vector for sensor response (elements are integers)

と、外乱応答に対する単位ベクトル And the unit vector for the disturbance response

が含まれていると仮定すると、差分イメージの成分は摂動に対する全微分であると考えられるので、 , The difference image component is considered to be the total derivative with respect to the perturbation, so

となる。サンプル濃度を例えばa倍にして同様の差分イメージをとると、 It becomes. Taking the same difference image with the sample concentration a times, for example,

が得られる。外乱要素として例えば温度を変化させておいてから同様に差分イメージをとると、 Is obtained. Taking a difference image in the same way after changing the temperature as a disturbance element, for example,

を得る。上述のΔS1,ΔS2より Get. From the above ΔS 1 and ΔS 2

となるので、dkr,dkp,dλr,dλp12T1212の11個の変数を含む代数方程式に帰着できる。ここで知りたい分散曲面上の変数パラメータはdkr,dkp,dλr,dλpの4つだけなので、分散曲線(差分イメージの極値によって形成される曲線)に沿った(kil)(l=1...N)に対してその近傍から4N+7点を選べばよいことになる。LSPRの場合は、一番感度のよい(センサー応答ベクトルpのノルムが大きい)モードの分散曲線に着目してもよいし、n個のモードに対して上式を適用してもよいが、バンドイメージの分解能、信号のSNRに応じて適宜範囲を選ぶべきである。aの値をいくつか変えて、検量線マップを予め作っておくと、分散曲線の位置とベクトルの向きを同時に一致させるようにフィッティングできるため、センサー応答ベクトルpが濃度に対して非線形であっても対応できる。フィッティングは各ピクセルに対する線形和 Therefore, it can be reduced to an algebraic equation including 11 variables of dk r , dk p , dλ r , dλ p , β 1 , β 2 , β T , α 1 , α 2 , κ 1 , κ 2 . Since there are only four variable parameters on the dispersion surface, dk r , dk p , dλ r , and dλ p , that we want to know here, along the dispersion curve (the curve formed by the extreme values of the difference image) (k i , λ For l ) (l = 1 ... N), 4N + 7 points should be selected from the neighborhood. In the case of LSPR, attention may be paid to the dispersion curve of the most sensitive mode (the norm of the sensor response vector p is large), or the above equation may be applied to n modes. An appropriate range should be selected according to the resolution of the image and the SNR of the signal. If a calibration curve map is created in advance by changing several values of a, the sensor response vector p is nonlinear with respect to the concentration because the position of the dispersion curve and the vector direction can be fitted simultaneously. Can also respond. Fitting is a linear sum for each pixel

を定義し、センサー応答イメージと参照イメージの差分(図10)に対してfをフィッティングさせる(図11参照)。なお、図10は、差分イメージの例であり、左が純粋なセンサー応答、右が金属の誘電率変化に伴う応答である。図10を参照すると、局所的な最大(白)と最小(黒)があるのが分かり、また、金属の誘電率変化に伴う応答では、変化が短波長側に偏っている。 And fit f to the difference between the sensor response image and the reference image (Fig. 10) (see Fig. 11). FIG. 10 is an example of a difference image, where the left is a pure sensor response and the right is a response accompanying a change in the dielectric constant of the metal. Referring to FIG. 10, it can be seen that there is a local maximum (white) and minimum (black), and in the response accompanying the change in the dielectric constant of the metal, the change is biased toward the short wavelength side.

フィッティングエラーの最小となるセンサー応答ベクトルpと外乱応答ベクトルqのペアを選択し、それに対するX1をセンサー応答とする。フィッティングエラーがある所定の標準偏差内に収まっていなければエラーとしてもう一度測定することもできる。さらに、外乱ベクトルに比べてセンサー応答ベクトルpが小さい場合であっても、外乱応答ベクトルqの時間変化がk-l面上で等方的であるときは、M回の測定をした後に観測ベクトルの時系列に対して総和をとってもよい。それによって、外乱応答ベクトルqがキャンセルされセンサー応答ベクトルpのみが残ることを利用して、センサー応答を抽出することもできる。 A pair of a sensor response vector p and a disturbance response vector q that minimizes the fitting error is selected, and X 1 corresponding thereto is taken as a sensor response. If the fitting error does not fall within a certain standard deviation, it can be measured again as an error. Furthermore, even when the sensor response vector p is smaller than the disturbance vector, if the time change of the disturbance response vector q is isotropic on the kl plane, the M A sum may be taken for the series. Accordingly, the sensor response can be extracted by utilizing the fact that the disturbance response vector q is canceled and only the sensor response vector p remains.

以上の説明ではイメージにセンサー応答ベクトルpと外乱応答ベクトルqが一要素ずつ含まれているという仮定を用いた。しかし、例えば複数の外乱要素が含まれているといったように、上述以外の様々な仮定を用いても、バンドイメージを処理することが可能である。   In the above explanation, it is assumed that the sensor response vector p and the disturbance response vector q are included in the image one element at a time. However, it is possible to process a band image using various assumptions other than those described above, for example, a plurality of disturbance elements are included.

平面表面プラズモンのバンド構造を反映した波長、波数依存の反射率の例(縦軸:波長λ、横軸:波数k)。An example of wavelength and wave number dependent reflectivity reflecting the band structure of a planar surface plasmon (vertical axis: wavelength λ, horizontal axis: wave number k). 局在平面表面プラズモンのバンド構造を反映した波長、波数依存の反射率の例。An example of wavelength and wavenumber dependent reflectivity reflecting the band structure of localized planar surface plasmons. 直入射の場合の一例のセンシング装置を示す模式図。The schematic diagram which shows the sensing apparatus of an example in the case of direct incidence. 斜入射の場合の一例のセンシング装置を示す模式図。The schematic diagram which shows an example of a sensing apparatus in the case of an oblique incidence. スリット直前と2次元検出器面上での概念的なイメージ。Conceptual image just before the slit and on the 2D detector surface. k方向とλ方向の変微分イメージ(縦軸:波長λ、横軸:波数k)。Variable differential image in k direction and λ direction (vertical axis: wavelength λ, horizontal axis: wave number k). シフトベクトル抽出の概念図。The conceptual diagram of shift vector extraction. (6)式によって生成されたイメージ(縦軸:波長λ、横軸:波数k)。An image generated by equation (6) (vertical axis: wavelength λ, horizontal axis: wave number k). (7)式による処理によって生成されたイメージ(縦軸:波長λ、横軸:波数k)。An image generated by the processing according to equation (7) (vertical axis: wavelength λ, horizontal axis: wave number k). 差分イメージの例。Example of difference image. 差分イメージの各ピクセルに対応するベクトル関数和表現。Vector function sum expression corresponding to each pixel of the difference image.

符号の説明Explanation of symbols

101 光源
102 ポラライザー(または波長板)
103 ハーフミラー
104 放物面鏡
105 プラズモン素子
106 スリット
107 回折格子
108 2次元検出器
201 点光源
202 ポラライザー(または波長板)
203 楕円面鏡
204 プラズモン素子
205 放物面鏡
206 スリット
207 回折格子
208 2次元検出器
101 light source
102 Polarizer (or wave plate)
103 half mirror
104 Parabolic mirror
105 Plasmon element
106 slits
107 diffraction grating
108 2D detector
201 Point light source
202 Polarizer (or wave plate)
203 Ellipsoidal mirror
204 Plasmon element
205 parabolic mirror
206 Slit
207 diffraction grating
208 2D detector

Claims (5)

金属薄膜上または2次元金属周期構造上に試料が配置されたプラズモン素子における表面プラズモン共鳴、または局在表面プラズモン共鳴を用いるセンシング方法において、
前記プラズモン素子の反射率または透過率の、前記プラズモン素子への入射光の波数と波長に対する依存性の変化を測定する工程と、
前記波数と波長に対する依存性の変化を、波数に対する依存性に関する量と、波長に対する依存性に関する量とを成分とするベクトルによって表されるシフトとして解析する工程と、
を有することを特徴とするセンシング方法。
In a sensing method using surface plasmon resonance in a plasmon element in which a sample is arranged on a metal thin film or a two-dimensional metal periodic structure, or localized surface plasmon resonance,
Measuring a change in dependence of the reflectance or transmittance of the plasmon element on the wave number and wavelength of light incident on the plasmon element;
Analyzing the change in the dependence on the wave number and the wavelength as a shift represented by a vector whose components are the quantity relating to the dependence on the wave number and the quantity relating to the dependence on the wavelength;
A sensing method characterized by comprising:
波数と波長とを成分とする2次元空間で、前記波数と波長に対する依存性が変化する時の、前記プラズモン素子の反射率または透過率の変化率が最大となった領域を求め、その領域で前記ベクトルのシフトの解析を行う、請求項1に記載のセンシング方法。   In a two-dimensional space having wave number and wavelength as components, obtain a region where the change rate of the reflectance or transmittance of the plasmon element is maximum when the dependence on the wave number and wavelength changes, and in that region The sensing method according to claim 1, wherein the vector shift is analyzed. 前記表面プラズモン共鳴、または前記局在表面プラズモン共鳴の複数のピーク点のシフトを同時に計測する、請求項1または2に記載のセンシング方法。   The sensing method according to claim 1 or 2, wherein shifts of a plurality of peak points of the surface plasmon resonance or the localized surface plasmon resonance are simultaneously measured. 請求項1から3のいずれか1項に記載のセンシング方法を実行するセンシング装置であって、
コリメートされた光を出力する光源と、
前記光源からの出力光が通されるポラライザーまたは波長板と、
前記ポラライザーまたは波長板を通った光を前記プラズモン素子の上に集光し、該プラズモン素子からの反射光を再びコリメートする放物面鏡と、
前記ポラライザーまたは波長板と、前記放物面鏡との間に配置されたハーフミラーと、
前記放物面鏡でコリメートされ前記ハーフミラーで反射された光が通される、前記プラズモン素子の入射面に平行なスリットと、
前記スリットを通された光に対して、前記スリットに垂直な方向に分散を与える回折格子と、
前記回折格子からの光を検出する2次元検出器と、
を有するセンシング装置。
A sensing device that executes the sensing method according to any one of claims 1 to 3,
A light source that outputs collimated light;
A polarizer or wave plate through which the output light from the light source is passed;
A parabolic mirror that condenses the light that has passed through the polarizer or wave plate on the plasmon element and collimates the reflected light from the plasmon element;
A half mirror disposed between the polarizer or wave plate and the parabolic mirror;
A slit parallel to the incident surface of the plasmon element, through which light collimated by the parabolic mirror and reflected by the half mirror is passed;
A diffraction grating that provides dispersion in a direction perpendicular to the slit with respect to the light passed through the slit;
A two-dimensional detector for detecting light from the diffraction grating;
A sensing device.
請求項1から3のいずれか1項に記載のセンシング方法を実行するセンシング装置であって、
点光源と、
前記点光源からの出力光が通されるポラライザーまたは波長板と、
前記ポラライザーまたは波長板を通った光を前記プラズモン素子の上に集光する楕円面鏡と、
前記プラズモン素子からの反射光をコリメートする放物面鏡と、
前記放物面鏡でコリメートされた光が通される、前記プラズモン素子の入射面に平行なスリットと、
前記スリットを通された光に対して、前記スリットに垂直な方向に分散を与える回折格子と、
前記回折格子からの光を検出する2次元検出器と、
を有するセンシング装置。
A sensing device that executes the sensing method according to any one of claims 1 to 3,
A point light source,
A polarizer or wave plate through which the output light from the point light source passes,
An ellipsoidal mirror for condensing the light passing through the polarizer or wave plate on the plasmon element;
A parabolic mirror for collimating the reflected light from the plasmon element;
A slit parallel to the incident surface of the plasmon element, through which light collimated by the parabolic mirror is passed;
A diffraction grating that provides dispersion in a direction perpendicular to the slit with respect to the light passed through the slit;
A two-dimensional detector for detecting light from the diffraction grating;
A sensing device.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2010007811A1 (en) * 2008-07-15 2010-01-21 オリンパス株式会社 Optical unit
US9091591B2 (en) 2011-10-10 2015-07-28 Samsung Electronics, Co., Ltd. Infrared thermal detector and method of manufacturing the same
US9121761B2 (en) 2011-11-08 2015-09-01 Samsung Electronics Co., Ltd. Infrared detectors

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