JP3051166B2 - 表面プラズモン共鳴測定を行うための方法およびその測定において使用されるセンサ - Google Patents
表面プラズモン共鳴測定を行うための方法およびその測定において使用されるセンサInfo
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Description
【発明の詳細な説明】 本発明は、種々の物質を解析するために表面プラズモ
ン共鳴現象を利用する方法に関し、さらに、その方法を
行うためのセンサに関する。
ン共鳴現象を利用する方法に関し、さらに、その方法を
行うためのセンサに関する。
表面プラズモンは、金属の表面に沿って伝搬する特別
な種類の電磁波である（H.Raether,“Surface plasmons
on smooth and rough surfaces and on gratings",Spr
inger−Verlag,Berlin,1988）。表面プラズモンの光励
起は、ｐ−偏光であってコリメートされた光ビームが、
薄い金属フィルムでコートされたガラス物質の表面上で
全反射を受ける場合に、達成される（いわゆるクレッシ
ュマンの構成（Kretschmann configuration））。これ
を可能にするためには、光子の運動量が金属層の反射面
上の表面プラズモンと合致しなければならない。これは
所定の光入射臨界角で所定の波長について生ずる。入射
角が変化する際、反射された光の強度の中で鋭い極小と
して、この現象が観測される。この凹みが生ずる角度ま
たは波長は、金属層上部の表面層の特性に決定的に依存
し、それゆえこの現象は、たとえば特定の化学反応や生
化学反応または表面近傍でのある物質の濃度変化などに
よって引き起こされる表面層上の変化をモニターするた
めに用いられる。
な種類の電磁波である（H.Raether,“Surface plasmons
on smooth and rough surfaces and on gratings",Spr
inger−Verlag,Berlin,1988）。表面プラズモンの光励
起は、ｐ−偏光であってコリメートされた光ビームが、
薄い金属フィルムでコートされたガラス物質の表面上で
全反射を受ける場合に、達成される（いわゆるクレッシ
ュマンの構成（Kretschmann configuration））。これ
を可能にするためには、光子の運動量が金属層の反射面
上の表面プラズモンと合致しなければならない。これは
所定の光入射臨界角で所定の波長について生ずる。入射
角が変化する際、反射された光の強度の中で鋭い極小と
して、この現象が観測される。この凹みが生ずる角度ま
たは波長は、金属層上部の表面層の特性に決定的に依存
し、それゆえこの現象は、たとえば特定の化学反応や生
化学反応または表面近傍でのある物質の濃度変化などに
よって引き起こされる表面層上の変化をモニターするた
めに用いられる。
原理的には、負の誘電関数を持つ全ての材料がプラズ
モンの励起のために使用され得る。大部分の金属は、可
視波長の範囲でこの要件を満足する。理想的な材料（SP
R材料）は、負の係数の実数部を有する誘電率を持ち、
この係数の絶対値ができるだけ大きく、同時に虚数部の
絶対値ができるだけ小さいことが必要である。SPR現象
を利用する従前の方法では、通常、反射された光の強度
の吸光ができるだけ完全で、最も鋭いピークが得られる
基準を満足するように、金属およびその厚さが選択され
る。この理由によって、多く用いられる金属は銀と金で
あり、銀は最も鋭いピークを与える。一定の入射角が用
いられる場合、この急峻なカーブのため、この方法の感
度が良好となる。目的が、この方法の動特性を改良する
ことである場合、同時強度測定を行うために、いくつか
の入射角が追加的に使用される。この種の方法は、たと
えば英国特許出願2,197,065号において開示されてい
る。これは、ピークの位置も観測することが可能であ
り、すなわち、この測定は互いに独立したより多くのデ
ータを与える。
モンの励起のために使用され得る。大部分の金属は、可
視波長の範囲でこの要件を満足する。理想的な材料（SP
R材料）は、負の係数の実数部を有する誘電率を持ち、
この係数の絶対値ができるだけ大きく、同時に虚数部の
絶対値ができるだけ小さいことが必要である。SPR現象
を利用する従前の方法では、通常、反射された光の強度
の吸光ができるだけ完全で、最も鋭いピークが得られる
基準を満足するように、金属およびその厚さが選択され
る。この理由によって、多く用いられる金属は銀と金で
あり、銀は最も鋭いピークを与える。一定の入射角が用
いられる場合、この急峻なカーブのため、この方法の感
度が良好となる。目的が、この方法の動特性を改良する
ことである場合、同時強度測定を行うために、いくつか
の入射角が追加的に使用される。この種の方法は、たと
えば英国特許出願2,197,065号において開示されてい
る。これは、ピークの位置も観測することが可能であ
り、すなわち、この測定は互いに独立したより多くのデ
ータを与える。
さらに、SPR材料は、望ましい感度を達成するため
に、試験材料に対して一定の親和力を有する特定の表面
層でコートされている。この層で生ずる変化が測定のた
めの基本原理を形成している。
に、試験材料に対して一定の親和力を有する特定の表面
層でコートされている。この層で生ずる変化が測定のた
めの基本原理を形成している。
本発明の目的は、上述の方法に対する改良を提供する
ことであり、SPR方法の利用分野を拡大することが可能
な方法およびセンサを提供することである。
ことであり、SPR方法の利用分野を拡大することが可能
な方法およびセンサを提供することである。
この目的を達成するために、本発明に従う方法は、電
磁放射のビーム（12）が、それに対して透明な部品
（４）を通って、半対面で試験材料と接触する材料層
（５）の表面（5a）上に向けられ、共鳴現象によって生
ずる、反射された電子放射の強度変化が試験材料の解析
のために利用される表面プラズモン共鳴測定を行うため
の方法において、 材料層が、表面プラズモン共鳴に適合した電磁放射の
使用波長において負の実数部を有する誘導率を持ち、か
つ試験材料が関与する化学反応にさらに触媒作用を及ぼ
すことが可能な触媒材料から成り、 材料自体の触媒特性によって材料層の材料の反対面
（5b）の上に蓄積される試験材料濃度に起因する変化
が、反射された電磁放射の強度において検出可能なよう
に、表面（5a）上への電磁放射の波長および入射角
（φ）で測定が行われることを特徴とする表面プラズモ
ン共鳴測定を行うための方法である。
磁放射のビーム（12）が、それに対して透明な部品
（４）を通って、半対面で試験材料と接触する材料層
（５）の表面（5a）上に向けられ、共鳴現象によって生
ずる、反射された電子放射の強度変化が試験材料の解析
のために利用される表面プラズモン共鳴測定を行うため
の方法において、 材料層が、表面プラズモン共鳴に適合した電磁放射の
使用波長において負の実数部を有する誘導率を持ち、か
つ試験材料が関与する化学反応にさらに触媒作用を及ぼ
すことが可能な触媒材料から成り、 材料自体の触媒特性によって材料層の材料の反対面
（5b）の上に蓄積される試験材料濃度に起因する変化
が、反射された電磁放射の強度において検出可能なよう
に、表面（5a）上への電磁放射の波長および入射角
（φ）で測定が行われることを特徴とする表面プラズモ
ン共鳴測定を行うための方法である。
また本発明は、材料の典型的な共鳴カーブに不明瞭な
極小点がある材料が、材料層（５）の材料として使用さ
れることを特徴とする。
極小点がある材料が、材料層（５）の材料として使用さ
れることを特徴とする。
また本発明は、材料がパラジウムであることを特徴と
する。
する。
また本発明は、試験材料が、水素を含有する材料、ま
たは有機物質であることを特徴とする。
たは有機物質であることを特徴とする。
なお、水素を含有する材料として、水素ガス、アンモ
ニア、硫化水素などがあり、有機物質としてアルコー
ル、炭化水素などがある。
ニア、硫化水素などがあり、有機物質としてアルコー
ル、炭化水素などがある。
本発明に従うセンサは、電磁放射の源（１）と、 反対面に試験材料を層表面に接触させるための手段を
有する材料層の表面（5a）であって、表面プラズモン共
鳴現象を実現する入射角（φ）で電磁放射が表面に到達
するように、電磁放射の源（１）が相対的に向けられる
前記表面（5a）と、 表面（5a）から反射し、共鳴を受けた光ビームの強度
を測定するための検出器と、その強度値を取扱うための
素子（９）をさらに備えた、請求の範囲第１項に従う方
法を行うためのセンサにおいて、 材料層が、試験材料に露出した層表面（5b）を含み、
電磁放射の使用波長において負の実数部を有する誘電率
を持ち、かつ試験材料が関与する化学反応に触媒作用を
及ぼすことが可能な触媒材料からなることを特徴とする
センサである。
有する材料層の表面（5a）であって、表面プラズモン共
鳴現象を実現する入射角（φ）で電磁放射が表面に到達
するように、電磁放射の源（１）が相対的に向けられる
前記表面（5a）と、 表面（5a）から反射し、共鳴を受けた光ビームの強度
を測定するための検出器と、その強度値を取扱うための
素子（９）をさらに備えた、請求の範囲第１項に従う方
法を行うためのセンサにおいて、 材料層が、試験材料に露出した層表面（5b）を含み、
電磁放射の使用波長において負の実数部を有する誘電率
を持ち、かつ試験材料が関与する化学反応に触媒作用を
及ぼすことが可能な触媒材料からなることを特徴とする
センサである。
触媒活性材料が、この材料として使用される場合、触
媒特性および材料のSPR特性が、解析の新しい可能性を
生み出すように組み合わされる。
媒特性および材料のSPR特性が、解析の新しい可能性を
生み出すように組み合わされる。
この方法とセンサが、比較的大きな光吸収を有する材
料を利用することも可能である。この種の材料は、たと
え幅広のピークを生み出す場合であっても、適切に選ば
れた入射角および波長において解析が行われるという前
提条件の下で、SPRセンサの中で使用され得る。
料を利用することも可能である。この種の材料は、たと
え幅広のピークを生み出す場合であっても、適切に選ば
れた入射角および波長において解析が行われるという前
提条件の下で、SPRセンサの中で使用され得る。
以下、添付した図面を参照しつつ、本発明がより詳細
に説明されよう。ここに、図１は、本発明のセンサ材料
を用いて得られた典型的な共鳴カーブを示す。図２は、
本発明に従う方法の原理を示す。図３は、本発明に従う
センサを用いて行われた試験データを示す。図４は、従
来のセンサを用いて行われた試験データを示す。図５
は、本発明およびこれに関連する補助装置に従うセンサ
を示す。
に説明されよう。ここに、図１は、本発明のセンサ材料
を用いて得られた典型的な共鳴カーブを示す。図２は、
本発明に従う方法の原理を示す。図３は、本発明に従う
センサを用いて行われた試験データを示す。図４は、従
来のセンサを用いて行われた試験データを示す。図５
は、本発明およびこれに関連する補助装置に従うセンサ
を示す。
SPR測定の成功は、主に２つの要因に依存する。
第１に、材料層の材料は、SPRコンパチブルでなけれ
ばならず、すなわち、それが前述で議論された、ある所
定の誘電特性を持たなければならない。良好な感度を確
立するために、入射角の関数として強度を示すカーブ
が、十分に急峻な部分を少なくとも１つ持たなければな
らず、その結果、この部分において、材料層の反射面で
の変化に起因して生ずるカーブの小さなシフトが、でき
るだけ大きな強度変化を引き起こすようになるであろ
う。
ばならず、すなわち、それが前述で議論された、ある所
定の誘電特性を持たなければならない。良好な感度を確
立するために、入射角の関数として強度を示すカーブ
が、十分に急峻な部分を少なくとも１つ持たなければな
らず、その結果、この部分において、材料層の反射面で
の変化に起因して生ずるカーブの小さなシフトが、でき
るだけ大きな強度変化を引き起こすようになるであろ
う。
第２に、材料層の他の面において、試験材料が、十分
大きな強度変化を引き起こすための変化をもたらさなけ
ればならない。この種の変化は、物質の表面近傍におけ
る濃度変化に起因する表面の誘電特性における変化によ
って生じ得る。
大きな強度変化を引き起こすための変化をもたらさなけ
ればならない。この種の変化は、物質の表面近傍におけ
る濃度変化に起因する表面の誘電特性における変化によ
って生じ得る。
本発明に従えば、測定のための材料層が、一方では、
SPRコンパチブルの材料であり、他方では、その材料層
が、試験材料が関与するある化学反応に対して触媒とし
て働くことが可能な触媒材料から成るという事実によっ
て、電磁放射から離れた反対面が、試験材料によって影
響を受ける特性変化が生ずる領域を構成する。たとえ、
この反応が前記表面上で生じなかったとしても、試験物
質に面した材料の触媒特性が、材料層の表面上に試験材
料の蓄積を、この測定技術を用いてSPR状態中の変化を
検出するのを可能にする十分高い濃度で生じさせるであ
ろう。
SPRコンパチブルの材料であり、他方では、その材料層
が、試験材料が関与するある化学反応に対して触媒とし
て働くことが可能な触媒材料から成るという事実によっ
て、電磁放射から離れた反対面が、試験材料によって影
響を受ける特性変化が生ずる領域を構成する。たとえ、
この反応が前記表面上で生じなかったとしても、試験物
質に面した材料の触媒特性が、材料層の表面上に試験材
料の蓄積を、この測定技術を用いてSPR状態中の変化を
検出するのを可能にする十分高い濃度で生じさせるであ
ろう。
一方、たとえば金属など、触媒活性材料であって、同
時にSPRコンパチブルである材料がいくつか存在するこ
とが明らかである。他方、少なくとも１つのSPRコンパ
チブルの材料が不均一系触媒現象における触媒作用を及
ぼすことが可能である反応に関与する物質がいくつか存
在する。この触媒現象において、触媒と反応性材料とは
異なる相状態となる。この方法で用られる不均一系触媒
は、試験材料および触媒のSPRコンパチビリティに従っ
て選択され得る。不均一系触媒現象において、一般に使
用され、しかも負の実数部を有する誘電率を持ついくつ
かの材料の例は、チタン、コバルト、ニッケル、プラチ
ナ、アルミニウムおよびパラジウムである、従来のSPR
方法（たとえば、鋭い強度極小を起こす入射角での、明
瞭なピークの欠如）にとって、２つの貧弱な特性は、前
記材料が本発明に従って適用される場合に、もはや障害
ではない。注目すべきことは、純粋な金属が上述のよう
に例示されるとともに、触媒活性合金および半導体が使
用され得ることであり、この場合、これらが負の実数部
を有する誘電率を持つことが条件となる。次の表は、所
定の波長における、ある金属の誘電率を掲げるものであ
る。
時にSPRコンパチブルである材料がいくつか存在するこ
とが明らかである。他方、少なくとも１つのSPRコンパ
チブルの材料が不均一系触媒現象における触媒作用を及
ぼすことが可能である反応に関与する物質がいくつか存
在する。この触媒現象において、触媒と反応性材料とは
異なる相状態となる。この方法で用られる不均一系触媒
は、試験材料および触媒のSPRコンパチビリティに従っ
て選択され得る。不均一系触媒現象において、一般に使
用され、しかも負の実数部を有する誘電率を持ついくつ
かの材料の例は、チタン、コバルト、ニッケル、プラチ
ナ、アルミニウムおよびパラジウムである、従来のSPR
方法（たとえば、鋭い強度極小を起こす入射角での、明
瞭なピークの欠如）にとって、２つの貧弱な特性は、前
記材料が本発明に従って適用される場合に、もはや障害
ではない。注目すべきことは、純粋な金属が上述のよう
に例示されるとともに、触媒活性合金および半導体が使
用され得ることであり、この場合、これらが負の実数部
を有する誘電率を持つことが条件となる。次の表は、所
定の波長における、ある金属の誘電率を掲げるものであ
る。
この測定で使用される電磁放射の波長および入射角
は、SPR材料および試験材料に従って選ばれる。光は原
則としてSPR方法に関連して言及されるが、注目すべき
は、いくつかの適切な波長が、可視光の外側であって赤
外領域の範囲内に位置され得ることである。
は、SPR材料および試験材料に従って選ばれる。光は原
則としてSPR方法に関連して言及されるが、注目すべき
は、いくつかの適切な波長が、可視光の外側であって赤
外領域の範囲内に位置され得ることである。
図１に示されるように、比較的大きな光吸収を持つ金
属にとって、共鳴カーブ（入射角の関数である強度）の
ピークが幅広であって、それゆえ極小点が不明瞭であ
る。本発明に従えば、このような幅広のSPR応答を有す
る金属は、金属の触媒特性を利用する場合、SPR測定に
おいて有用である。その結果、入射角の関数である強度
を示すカーブが試験材料の測定範囲において、できるだ
け互いに明確に分離されるような入射角において、測定
が常に良好な感度で行われる。この場合、たとえば共鳴
カーブの下方傾斜部が用いられ、前記傾斜部は共鳴状態
の変化によって多くの影響を受ける。カーブ全体の形状
および極小点の位置の決定は、限定された濃度範囲内で
測定が行われる場合には、必要でない。
属にとって、共鳴カーブ（入射角の関数である強度）の
ピークが幅広であって、それゆえ極小点が不明瞭であ
る。本発明に従えば、このような幅広のSPR応答を有す
る金属は、金属の触媒特性を利用する場合、SPR測定に
おいて有用である。その結果、入射角の関数である強度
を示すカーブが試験材料の測定範囲において、できるだ
け互いに明確に分離されるような入射角において、測定
が常に良好な感度で行われる。この場合、たとえば共鳴
カーブの下方傾斜部が用いられ、前記傾斜部は共鳴状態
の変化によって多くの影響を受ける。カーブ全体の形状
および極小点の位置の決定は、限定された濃度範囲内で
測定が行われる場合には、必要でない。
その代わりに、強度値の変化の速度が、絶対的な強度
値による濃度決定の代わりに決定され得る。すなわち、
表面が試験材料と接触する時から開始する強度の時間導
関数が決定される。このことは、たとえ測定の最終段に
おけるカーブの平坦部が、使用した入射角の範囲にシフ
トしたとしても、材料の濃度を示すであろう。
値による濃度決定の代わりに決定され得る。すなわち、
表面が試験材料と接触する時から開始する強度の時間導
関数が決定される。このことは、たとえ測定の最終段に
おけるカーブの平坦部が、使用した入射角の範囲にシフ
トしたとしても、材料の濃度を示すであろう。
図２は、本発明の材料の１つであるパラジウムを用い
て行われた実験を示す。13.4nm厚さのパラジウム層が、
層の数が２つから８つに増加するように、単分子のCd−
ベヘネート（Cd−behenate）層でコートされた。SPR測
定が、各一対の層の付加の後に行われ、入射角の関数で
ある強度を示すカーブが記録された。１つのCd−ベヘネ
ート層の厚さは3nmであった。図２において、露出した
パラジウム表面を用いて得られたカーブが文字Ａで示さ
れ、２層のカーブが文字Ｂで、４層のカーブが文字Ｃ
で、そして８層のカーブが文字Ｄで示される。図２にお
いて、表面上で生ずる変化が、カーブの下方傾斜部の位
置をかなりシフトさせていることが明らかに判る。その
結果、試験材料の測定範囲内で得られる各カーブにおけ
る下方傾斜部の範囲内に位置する適切な入射角において
測定が行われる際に、傾斜部が互いに十分離れて、結果
として、強度値の最大変化および良好な感度が得られ
る。図２は、ある先入観のためにSPR材料として使用さ
れない材料もまた、もしこれらの触媒特性を同時に利用
するものであれば、この目的のために十分使用され得る
ということを明らかにしている。
て行われた実験を示す。13.4nm厚さのパラジウム層が、
層の数が２つから８つに増加するように、単分子のCd−
ベヘネート（Cd−behenate）層でコートされた。SPR測
定が、各一対の層の付加の後に行われ、入射角の関数で
ある強度を示すカーブが記録された。１つのCd−ベヘネ
ート層の厚さは3nmであった。図２において、露出した
パラジウム表面を用いて得られたカーブが文字Ａで示さ
れ、２層のカーブが文字Ｂで、４層のカーブが文字Ｃ
で、そして８層のカーブが文字Ｄで示される。図２にお
いて、表面上で生ずる変化が、カーブの下方傾斜部の位
置をかなりシフトさせていることが明らかに判る。その
結果、試験材料の測定範囲内で得られる各カーブにおけ
る下方傾斜部の範囲内に位置する適切な入射角において
測定が行われる際に、傾斜部が互いに十分離れて、結果
として、強度値の最大変化および良好な感度が得られ
る。図２は、ある先入観のためにSPR材料として使用さ
れない材料もまた、もしこれらの触媒特性を同時に利用
するものであれば、この目的のために十分使用され得る
ということを明らかにしている。
パラジウムがSPR材料として使用され得るため、SPR解
析にとって、ある新しい可能性をもたらす。水素を含有
する物質に面するパラジウムの触媒特性が、これらの物
質の解析を考慮することに大きな関心を引き起こす。パ
ラジウムは、その表面上で水素を解離し、水素を含有す
るある物質に対して良好な親和力を持つ。この特性は、
水素含有の分子の濃度を測定する半導体センサにおい
て、従前から利用されている。この型のセンサ中のパラ
ジウムを用いて測定され得る物質は、硫化水素、アルコ
ール、エチレン等である（J.Lundstrｍ、M.Armgarth,
A.Spetz,F.Windguist,“Gas sensors based on catalyt
ic metal−gate fild−effect devices",Sensors and A
ctuators,10,399−421（1986））。
析にとって、ある新しい可能性をもたらす。水素を含有
する物質に面するパラジウムの触媒特性が、これらの物
質の解析を考慮することに大きな関心を引き起こす。パ
ラジウムは、その表面上で水素を解離し、水素を含有す
るある物質に対して良好な親和力を持つ。この特性は、
水素含有の分子の濃度を測定する半導体センサにおい
て、従前から利用されている。この型のセンサ中のパラ
ジウムを用いて測定され得る物質は、硫化水素、アルコ
ール、エチレン等である（J.Lundstrｍ、M.Armgarth,
A.Spetz,F.Windguist,“Gas sensors based on catalyt
ic metal−gate fild−effect devices",Sensors and A
ctuators,10,399−421（1986））。
図３は、パラジウムを用いて行われたSPR試験データ
を示す。この試験において、水素ガス、空気およびヘリ
ウムが連続的にパラジウムの表面に導入された。図３の
カーブは、本発明の方法を用いて得られる強度値を時間
の関数として示している。図から明らかなように、水素
に対するパラジウムの感度が明瞭であり、さらにこの現
象は可逆である。１つの特別な現象は、水素によって引
き起こされる強度値の上昇である。水素ガスが空気より
小さな屈折率を有するため、パラジウム表面近傍に導入
されるガス状の水素に起因して、強度値が減少している
であろう。しかしながら、強度値がかなり上昇し、この
ことから、パラジウムの接触特性のために、水素がパラ
ジウム自身の表面層の特性を変化させるという事実が暗
示される。さらに、ヘリウムによって生じる小さな凹み
がカーブ中に観測されており、このことは水素に対する
パラジウムの感度を十分に説明している。
を示す。この試験において、水素ガス、空気およびヘリ
ウムが連続的にパラジウムの表面に導入された。図３の
カーブは、本発明の方法を用いて得られる強度値を時間
の関数として示している。図から明らかなように、水素
に対するパラジウムの感度が明瞭であり、さらにこの現
象は可逆である。１つの特別な現象は、水素によって引
き起こされる強度値の上昇である。水素ガスが空気より
小さな屈折率を有するため、パラジウム表面近傍に導入
されるガス状の水素に起因して、強度値が減少している
であろう。しかしながら、強度値がかなり上昇し、この
ことから、パラジウムの接触特性のために、水素がパラ
ジウム自身の表面層の特性を変化させるという事実が暗
示される。さらに、ヘリウムによって生じる小さな凹み
がカーブ中に観測されており、このことは水素に対する
パラジウムの感度を十分に説明している。
図４は、図３のスケールで、従来の材料である金を用
いて行われたSPR試験データを示す。パラジウムと比較
されるかなりの差は、期待したように、水素が強度値の
減少をもたらすためである他のガス、たとえば二酸化炭
素およびヘリウムを用いた結果もまた、期待したものと
一致している。
いて行われたSPR試験データを示す。パラジウムと比較
されるかなりの差は、期待したように、水素が強度値の
減少をもたらすためである他のガス、たとえば二酸化炭
素およびヘリウムを用いた結果もまた、期待したものと
一致している。
図５は、本発明に従う方法において、特によく適合す
るセンサを示す。このセンサは、単色光源１と、光源１
から発する光ビームを平行にし、かつ、偏光子３を通っ
て、所定の入射角φで金属層の表面5aと出合うように向
けるためのコリメート光学系２を備える。金属表面は、
ガラスプリズムなどの透明な誘電材料４の上に固定され
た金属フィルムの内面から構成される。この表面で生ず
る全反射は、光ビームを検出器６へ導く。光ビーム１、
光学系２およびプリズム４は、コリメートされた光ビー
ムが、プリズムの境界面および金属層に、最適の入射角
φで到達するように配置され、成功する測定のために重
要な濃度値に対するカーブ全体の急峻な部分がその入射
角度で位置するように、入射角が試験材料の測定範囲内
に決められる。このようにして、濃度に比例した強度値
または強度値の時間導関数を得ることが可能になる。
るセンサを示す。このセンサは、単色光源１と、光源１
から発する光ビームを平行にし、かつ、偏光子３を通っ
て、所定の入射角φで金属層の表面5aと出合うように向
けるためのコリメート光学系２を備える。金属表面は、
ガラスプリズムなどの透明な誘電材料４の上に固定され
た金属フィルムの内面から構成される。この表面で生ず
る全反射は、光ビームを検出器６へ導く。光ビーム１、
光学系２およびプリズム４は、コリメートされた光ビー
ムが、プリズムの境界面および金属層に、最適の入射角
φで到達するように配置され、成功する測定のために重
要な濃度値に対するカーブ全体の急峻な部分がその入射
角度で位置するように、入射角が試験材料の測定範囲内
に決められる。このようにして、濃度に比例した強度値
または強度値の時間導関数を得ることが可能になる。
金属層５の他方の面5bの上に、解析されるべき材料が
位置する。金属層としてパラジウムを用いる場合、この
材料は水素を含有する物質である。たとえば、スルーフ
ローセルがこの領域で用いられ、この領域もまた、仮に
検査される周囲が、材料層の材料が触媒特性を示す他の
物質を含有する場合に、解析されるべき物質だけを透過
させる薄膜などの選択的分離層８を用いることによっ
て、周囲から分離することができる。金属層の表面上に
水分子が凝縮するのを防止する輻射ヒータが、図中符号
７によって示される。
位置する。金属層としてパラジウムを用いる場合、この
材料は水素を含有する物質である。たとえば、スルーフ
ローセルがこの領域で用いられ、この領域もまた、仮に
検査される周囲が、材料層の材料が触媒特性を示す他の
物質を含有する場合に、解析されるべき物質だけを透過
させる薄膜などの選択的分離層８を用いることによっ
て、周囲から分離することができる。金属層の表面上に
水分子が凝縮するのを防止する輻射ヒータが、図中符号
７によって示される。
入射角φに対して正確な値が、金属層の厚さ、光の波
長、この波長での誘電材料４および金属５の誘電率など
のいくつかの要因に基づいて計算される。たとえば、金
属層５の材料として、パラジウムが用いられ、波長632.
8nmの光源としてHe−Neレーザが用いられ、BK−７の光
学ガラスから成るプリズムが用いられ、パラジウム層の
厚さが13nmで、入射角42.7゜である。
長、この波長での誘電材料４および金属５の誘電率など
のいくつかの要因に基づいて計算される。たとえば、金
属層５の材料として、パラジウムが用いられ、波長632.
8nmの光源としてHe−Neレーザが用いられ、BK−７の光
学ガラスから成るプリズムが用いられ、パラジウム層の
厚さが13nmで、入射角42.7゜である。
精度および選択度が、同一の光源から発する２つの光
ビームを有する、いわゆる差分測定を使用することによ
っても改善され、これらの光ビームのうちの１つは、SP
R表面の活性部に向けられ、他方は同じ面の不活性部に
向けられる。反射された光ビームの強度差は、絶対強度
というよりも測定データとして用いられる。
ビームを有する、いわゆる差分測定を使用することによ
っても改善され、これらの光ビームのうちの１つは、SP
R表面の活性部に向けられ、他方は同じ面の不活性部に
向けられる。反射された光ビームの強度差は、絶対強度
というよりも測定データとして用いられる。
いわゆる固定角度法（fixed−angle method）は前述
したように（１つの入射角のみ）、敏感でかつ安価なセ
ンサによって実現され得る。しかしながら、より良好な
測定の動特性のために同時にいくつかの入射角を利用す
る方法においてもまた、本発明が適用され得る。本発明
はまた、本出願人による従前の特許出願901186号におい
て開示されたセンサ型においても適用され得る。
したように（１つの入射角のみ）、敏感でかつ安価なセ
ンサによって実現され得る。しかしながら、より良好な
測定の動特性のために同時にいくつかの入射角を利用す
る方法においてもまた、本発明が適用され得る。本発明
はまた、本出願人による従前の特許出願901186号におい
て開示されたセンサ型においても適用され得る。
前述の方法において得られた全ての測定データは、検
出器に接続され、光源の変調および検出器との同期が可
能であるマイクロプロセッサ９によって処理される。
出器に接続され、光源の変調および検出器との同期が可
能であるマイクロプロセッサ９によって処理される。
上述の全ての場合において、センサは、入手可能な電
気光学部品（LED、検出器、ヒータ）およびファイバー
光結合を用いることによって容易に小型化され得る。
気光学部品（LED、検出器、ヒータ）およびファイバー
光結合を用いることによって容易に小型化され得る。
本発明に従う方法は、新しいセンサ材料を使用可能に
し、かつSPR現象に基づく測定によって新しい物質を解
析可能にする。本発明は、極めて広い範囲は、たとえば
医療診断、木材産業、処理制御、環境条件の監視、漏れ
検出などに適用され得る。
し、かつSPR現象に基づく測定によって新しい物質を解
析可能にする。本発明は、極めて広い範囲は、たとえば
医療診断、木材産業、処理制御、環境条件の監視、漏れ
検出などに適用され得る。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/77 G01N 21/47
Claims (7)
- 【請求項１】電磁放射のビーム（12）が、それに対して
透明な部品（４）を通って、半対面で試験材料と接触す
る材料層（５）の表面（5a）上に向けられ、共鳴現象に
よって生ずる、反射された電子放射の強度変化が試験材
料の解析のために利用される表面プラズモン共鳴測定を
行うための方法において、 材料層が、表面プラズモン共鳴に適合した電磁放射の使
用波長において負の実数部を有する誘電率を持ち、かつ
試験材料が関与する化学反応にさらに触媒作用を及ぼす
ことが可能な触媒材料から成り、 材料自体の触媒特性によって材料層の材料の反対面（5
b）の上に蓄積される試験材料濃度に起因する変化が、
反射された電磁放射の強度において検出可能なように、
表面（5a）上への電磁放射の波長および入射角（φ）で
測定が行われることを特徴とする表面プラズモン共鳴測
定を行うための方法。 - 【請求項２】材料の典型的な共鳴カーブに不明瞭な極小
点がある材料が、材料層（５）の材料として使用される
ことを特徴とする請求の範囲第１項に記載の方法。 - 【請求項３】材料がパラジウムであることを特徴とする
請求の範囲第２項に記載の方法。 - 【請求項４】試験材料が、水素を含有する材料、または
有機物質であることを特徴とする請求の範囲第３項に記
載の方法。 - 【請求項５】電磁放射の源（１）と、 反対面に試験材料を層表面に接触させるための手段を有
する材料層の表面（5a）であって、表面プラズモン共鳴
現象を実現する入射角（φ）で電磁放射が表面に到達す
るように、電磁放射の源（１）が相対的に向けられる前
記表面（5a）と、 表面（5a）から反射し、共鳴を受けた光ビームの強度を
測定するための検出器と、その強度値を取扱うための素
子（９）をさらに備えた、請求の範囲第１項に従う方法
を行うためのセンサにおいて、 材料層が、試験材料に露出した層表面（5b）を含み、電
磁放射の使用波長において負の実数部を有する誘電率を
持ち、かつ試験材料が関与する化学反応に触媒作用を及
ぼすことが可能な触媒材料からなることを特徴とするセ
ンサ。 - 【請求項６】材料層（５）の材料が、材料の典型的な共
鳴カーブに不明瞭な極小点がある材料からなることを特
徴とする請求の範囲第５項に記載のセンサ。 - 【請求項７】材料がパラジウムからなることを特徴とす
る請求の範囲第６項に記載のセンサ。
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| FI903357 | 1990-07-04 | ||
| FI903357A FI85768C (fi) | 1990-07-04 | 1990-07-04 | Foerfarande foer utfoerning av ytplasmonresonansmaetning samt i foerfarandet anvaendbar givare. |
| PCT/FI1991/000210 WO1992001217A1 (en) | 1990-07-04 | 1991-07-04 | Method for carrying out surface plasmon resonance measurement and sensor for use in the method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH06501546A JPH06501546A (ja) | 1994-02-17 |
| JP3051166B2 true JP3051166B2 (ja) | 2000-06-12 |
Family
ID=8530741
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3511656A Expired - Fee Related JP3051166B2 (ja) | 1990-07-04 | 1991-07-04 | 表面プラズモン共鳴測定を行うための方法およびその測定において使用されるセンサ |
Country Status (7)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5322798A (ja) |
| EP (1) | EP0537252B1 (ja) |
| JP (1) | JP3051166B2 (ja) |
| AU (1) | AU8183191A (ja) |
| DE (1) | DE69116366T2 (ja) |
| FI (1) | FI85768C (ja) |
| WO (1) | WO1992001217A1 (ja) |
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