JP3303100B2 - 光学センサー - Google Patents
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- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/41—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length
- G01N21/43—Refractivity; Phase-affecting properties, e.g. optical path length by measuring critical angle
- G01N2021/436—Sensing resonant reflection
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/21—Polarisation-affecting properties
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- General Physics & Mathematics (AREA)
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- Pathology (AREA)
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Description
【０００１】
【発明の分野】本発明は光学センサーに、そして化学的
サンプルの試験方法に関する。
サンプルの試験方法に関する。
【０００２】
【従来技術及びその課題】体液を免疫学的に試験する装
置の場合、次の基準を満足する必要がある。サンプル調
製が不要である。所要体液量が少量である（ピンプリッ
ク−ｐｉｎｐｒｉｃｋ−サンプル）。多数の（例えば
３）分析物を同時に試験できる。試験部材が低コスト
で、使い捨てできる。読み取り時間が短い。デスクトッ
プ形である。
置の場合、次の基準を満足する必要がある。サンプル調
製が不要である。所要体液量が少量である（ピンプリッ
ク−ｐｉｎｐｒｉｃｋ−サンプル）。多数の（例えば
３）分析物を同時に試験できる。試験部材が低コスト
で、使い捨てできる。読み取り時間が短い。デスクトッ
プ形である。
【０００３】これら基準を満足する分析システムは外科
手術等に特に有用である上にスポット分析を可能にす
る。これは病気を迅速に診断かつ治療できるだけでな
く、患者にとっても都合がよく好ましいものである。現
在この分野では多くのテクノロジーが開発中であり、例
をあげるなら単一クローン系抗体からなる生物学的検知
層と併用する音響装置、電流測定装置、電気化学的装置
や光学的装置がある。
手術等に特に有用である上にスポット分析を可能にす
る。これは病気を迅速に診断かつ治療できるだけでな
く、患者にとっても都合がよく好ましいものである。現
在この分野では多くのテクノロジーが開発中であり、例
をあげるなら単一クローン系抗体からなる生物学的検知
層と併用する音響装置、電流測定装置、電気化学的装置
や光学的装置がある。
【０００４】免疫検知法では、異物を確認するために生
体の免疫系が使用する方法を利用する。生体は抗体とし
て知られている蛋白質分子を産生するが、この抗体は非
常に特異な結合方法により異物、即ち抗原に結合でき
る。分子量が２５０以上の化学物質の多くは細菌や寄生
体等の大きな構造体があると抗体を産生でき、多数の抗
体を産生するが、それぞれが構造体への結合部位が異な
っている。従って、抗体は特異的な抗原を確認かつ検出
する非常に強力な手段として使用できる。
体の免疫系が使用する方法を利用する。生体は抗体とし
て知られている蛋白質分子を産生するが、この抗体は非
常に特異な結合方法により異物、即ち抗原に結合でき
る。分子量が２５０以上の化学物質の多くは細菌や寄生
体等の大きな構造体があると抗体を産生でき、多数の抗
体を産生するが、それぞれが構造体への結合部位が異な
っている。従って、抗体は特異的な抗原を確認かつ検出
する非常に強力な手段として使用できる。
【０００５】これら抗体の主要用途には体液を臨床的に
検定して病気や異常を発見することや、薬剤治療過程の
モニターがある。ところが、抗体−抗原結合反応を発見
するのは難しい。抗体分子は例えば大きさが僅か５０〜
１００Ａであるため、直接的な手段によって検出するの
は非常に難しい。多くの検定の場合、抗体分子を標識化
することによって行っている。代表的な標識は放射性分
子、蛍光性分子や酵素である。これらを用いる方法の場
合、例えば１０-6〜１０-15モルの濃度範囲で検定を正
確に実施できるが、余りにも大容量のサンプルが必要な
上に、操作が複雑なため、実験室で熟練した者が行う必
要がある。これら試験が簡単になることは臨床検定の大
きな発展になる。
検定して病気や異常を発見することや、薬剤治療過程の
モニターがある。ところが、抗体−抗原結合反応を発見
するのは難しい。抗体分子は例えば大きさが僅か５０〜
１００Ａであるため、直接的な手段によって検出するの
は非常に難しい。多くの検定の場合、抗体分子を標識化
することによって行っている。代表的な標識は放射性分
子、蛍光性分子や酵素である。これらを用いる方法の場
合、例えば１０-6〜１０-15モルの濃度範囲で検定を正
確に実施できるが、余りにも大容量のサンプルが必要な
上に、操作が複雑なため、実験室で熟練した者が行う必
要がある。これら試験が簡単になることは臨床検定の大
きな発展になる。
【０００６】ところで、バイオセンサーの場合や、時に
はオプチカルファイバーを使用して遠隔的に吸光、蛍
光、散乱、屈折率変化を測定することによって反応をモ
ニターする場合には光学的方法が利用されている。特
に、免疫検定の場合、エバネッセント光学センサーに強
い関心が示されている。これらを用いた場合、各種の基
質に抗体を単分子層の形で固定化できる。ある装置の表
面に抗体を固定化すると、光のエバネッセント場が抗体
層を透過する。適当な装置としてはプリズム、導波管、
格子やファイバーがある。抗体層でなんらかの結合反応
が生じると、エバネッセント場、従って装置の光学特性
に影響がでる。検出要素としてエバネッセント波を利用
した場合、多くの利点が得られる。例えば、 ａ）光路が“湿った”生化学体から分離されている。 ｂ）光が調べるのはサンプル全体ではなく、その表面層
のみである。 ｃ）所要液量はエバネッセント波が占める量、すなわち
数ナノリッターに過ぎない。
はオプチカルファイバーを使用して遠隔的に吸光、蛍
光、散乱、屈折率変化を測定することによって反応をモ
ニターする場合には光学的方法が利用されている。特
に、免疫検定の場合、エバネッセント光学センサーに強
い関心が示されている。これらを用いた場合、各種の基
質に抗体を単分子層の形で固定化できる。ある装置の表
面に抗体を固定化すると、光のエバネッセント場が抗体
層を透過する。適当な装置としてはプリズム、導波管、
格子やファイバーがある。抗体層でなんらかの結合反応
が生じると、エバネッセント場、従って装置の光学特性
に影響がでる。検出要素としてエバネッセント波を利用
した場合、多くの利点が得られる。例えば、 ａ）光路が“湿った”生化学体から分離されている。 ｂ）光が調べるのはサンプル全体ではなく、その表面層
のみである。 ｃ）所要液量はエバネッセント波が占める量、すなわち
数ナノリッターに過ぎない。
【０００７】このようにすれば、サンプル全体が検定部
位を横断する光路や抗体検定層の光に干渉することがな
く、従って血液サンプル中の細胞を取出す必要がなくな
る。小容量とはピンプリックサンプルが使用できること
を意味し、特に測定を繰り返し行う場合、患者の不快感
が少なくなる。
位を横断する光路や抗体検定層の光に干渉することがな
く、従って血液サンプル中の細胞を取出す必要がなくな
る。小容量とはピンプリックサンプルが使用できること
を意味し、特に測定を繰り返し行う場合、患者の不快感
が少なくなる。
【０００８】結合反応は、抗体分子の吸光や蛍光をその
ままか、あるいは標識を介して検出するエバネッセント
方法を使用してモニターされている。最近になって、結
合反応については、厚みや屈折率の変化の結果である、
結合層を透過する光の位相へのその作用を測定して検出
するようになってきた。このための装置としては表面プ
ラズモン共鳴センサーや導波管装置、そして共鳴ミラー
装置がある。
ままか、あるいは標識を介して検出するエバネッセント
方法を使用してモニターされている。最近になって、結
合反応については、厚みや屈折率の変化の結果である、
結合層を透過する光の位相へのその作用を測定して検出
するようになってきた。このための装置としては表面プ
ラズモン共鳴センサーや導波管装置、そして共鳴ミラー
装置がある。
【０００９】表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサー及
び共鳴ミラーセンサーはいずれも薄膜における共鳴効
果、ＳＰＲにおける金属（通常は銀）フィルム内の電子
のプラズモン共鳴や、共鳴ミラーにおける誘電フィルム
中の光学的共鳴を利用するものである。光は装置内へ結
合し、ある特定の入射角度で共鳴を励起する。ＳＰＲ装
置の場合、共鳴電子がエネルギーを放射すると、共鳴に
より金属フィルムが光を吸収し、そして装置から反射し
た光は大きく減衰する。入射角度を走査している間に反
射光の強度をモニターすることにより、共鳴の位置を測
定する。
び共鳴ミラーセンサーはいずれも薄膜における共鳴効
果、ＳＰＲにおける金属（通常は銀）フィルム内の電子
のプラズモン共鳴や、共鳴ミラーにおける誘電フィルム
中の光学的共鳴を利用するものである。光は装置内へ結
合し、ある特定の入射角度で共鳴を励起する。ＳＰＲ装
置の場合、共鳴電子がエネルギーを放射すると、共鳴に
より金属フィルムが光を吸収し、そして装置から反射し
た光は大きく減衰する。入射角度を走査している間に反
射光の強度をモニターすることにより、共鳴の位置を測
定する。
【００１０】共鳴ミラー装置の場合、光の共鳴減衰はほ
とんどない。ところが、反射光の位相はπラジアン程度
シフトするが、これは各種の干渉測定法によって測定す
ることができ、従って共鳴位置を測定することができ
る。
とんどない。ところが、反射光の位相はπラジアン程度
シフトするが、これは各種の干渉測定法によって測定す
ることができ、従って共鳴位置を測定することができ
る。
【００１１】上記いずれの装置の場合も、共鳴場のエバ
ネッセント領域内に結合反応が生じると、位相がさらに
変化する。この結果、共鳴が生じる角度が変化するの
で、これを測定すれば結合反応を検出する手段になる。
ネッセント領域内に結合反応が生じると、位相がさらに
変化する。この結果、共鳴が生じる角度が変化するの
で、これを測定すれば結合反応を検出する手段になる。
【００１２】これら測定は（装置構成に応じた）広い波
長範囲で行え、標識を使用しなくても、いかなる抗体−
抗原反応に適用できる。これら装置は構成及び使用法が
簡単なので、コストの低い使い捨てセンサーとして好適
なものである。ところが、共鳴ミラー装置はＳＰＲ装置
と比較した場合、大きな利点をもっている。共鳴ミラー
における共鳴構造は損失が極めて低いので、共鳴幅が非
常に狭い（因に、現在利用されている装置の場合、この
幅は３分程で、代表的なＳＰＲでは１〜１．５度であ
る）。このため、結合により生じる共鳴の角位相を極め
て正確に解像できる。観測された角位相差と組合わせた
場合、感度はＳＰＲ装置の１０倍になり、最適化状態で
は感度は１００倍にもなる。さらに、以下に説明するよ
うに、共鳴ミラーは２つの顕著な共鳴を示す。即ち、ひ
とつは入射面で偏光した光についてであり、もうひとつ
は入射面に対して直交する光についてである。このた
め、結合層の屈折率及び厚みを測定できる。ＳＰＲは入
射面内で偏光した光により励起されるだけなので、利用
できる情報量が減り、これら測定ができなくなる。
長範囲で行え、標識を使用しなくても、いかなる抗体−
抗原反応に適用できる。これら装置は構成及び使用法が
簡単なので、コストの低い使い捨てセンサーとして好適
なものである。ところが、共鳴ミラー装置はＳＰＲ装置
と比較した場合、大きな利点をもっている。共鳴ミラー
における共鳴構造は損失が極めて低いので、共鳴幅が非
常に狭い（因に、現在利用されている装置の場合、この
幅は３分程で、代表的なＳＰＲでは１〜１．５度であ
る）。このため、結合により生じる共鳴の角位相を極め
て正確に解像できる。観測された角位相差と組合わせた
場合、感度はＳＰＲ装置の１０倍になり、最適化状態で
は感度は１００倍にもなる。さらに、以下に説明するよ
うに、共鳴ミラーは２つの顕著な共鳴を示す。即ち、ひ
とつは入射面で偏光した光についてであり、もうひとつ
は入射面に対して直交する光についてである。このた
め、結合層の屈折率及び厚みを測定できる。ＳＰＲは入
射面内で偏光した光により励起されるだけなので、利用
できる情報量が減り、これら測定ができなくなる。
【００１３】本発明で使用する共鳴ミラー装置は各種の
誘電体から製作でき、このために各種方法が使用でき
る。また、これら装置は研磨したガラス基体に標準的な
光学的コーティング材を真空蒸着することにより製作で
き、低屈折率層（例えばフッ化マグネシウム又はシリ
カ）を薄い高屈折率層（例えばジルコニア又はチタニ
ア）で被覆した構成である。この場合、研磨したガラス
基体の屈折率をガラスプリズムに合わせると、光を基体
に結合できる。装置は１０ｍｍ×１２ｍｍなので、楔形
ビームで照射することができ、それぞれを異なる抗体で
被覆することができる装置全体の多くの領域を同時にモ
ニターできる。このため、必要に応じて、ひとつのサン
プルについて多数の試験を実施できる。使い捨て装置の
場合には、結合要素を基体と一体化するのが好ましい。
基体はガラス、ポリマーのいずれでもよく、結合を可能
にするにはプリズム構成、格子構成のいずれでもよい。
誘電体層無機材料、ポリマーのいずれでもよく、基体の
性質に応じて、真空ゾルゲル蒸着法や真空溶剤蒸着法に
よって蒸着すればよい。
誘電体から製作でき、このために各種方法が使用でき
る。また、これら装置は研磨したガラス基体に標準的な
光学的コーティング材を真空蒸着することにより製作で
き、低屈折率層（例えばフッ化マグネシウム又はシリ
カ）を薄い高屈折率層（例えばジルコニア又はチタニ
ア）で被覆した構成である。この場合、研磨したガラス
基体の屈折率をガラスプリズムに合わせると、光を基体
に結合できる。装置は１０ｍｍ×１２ｍｍなので、楔形
ビームで照射することができ、それぞれを異なる抗体で
被覆することができる装置全体の多くの領域を同時にモ
ニターできる。このため、必要に応じて、ひとつのサン
プルについて多数の試験を実施できる。使い捨て装置の
場合には、結合要素を基体と一体化するのが好ましい。
基体はガラス、ポリマーのいずれでもよく、結合を可能
にするにはプリズム構成、格子構成のいずれでもよい。
誘電体層無機材料、ポリマーのいずれでもよく、基体の
性質に応じて、真空ゾルゲル蒸着法や真空溶剤蒸着法に
よって蒸着すればよい。
【００１４】光はある境界から全内面反射すると、位相
が変化する。位相変化の大きさは結合物質の屈折率、光
の波長及び入射角に依存する。境界でなんらかの変化、
例えば抗体−抗原反応が生じると、位相変化が変わる。
ところが、簡単な高／低屈折率境界の場合、位相変化は
ごく僅かであり、したがって装置の感度はあまり強くな
い。高感度にするためには、共鳴ミラー装置の境界に高
／低屈折率対の誘電体層からなる共鳴構造を組み込む。
が変化する。位相変化の大きさは結合物質の屈折率、光
の波長及び入射角に依存する。境界でなんらかの変化、
例えば抗体−抗原反応が生じると、位相変化が変わる。
ところが、簡単な高／低屈折率境界の場合、位相変化は
ごく僅かであり、したがって装置の感度はあまり強くな
い。高感度にするためには、共鳴ミラー装置の境界に高
／低屈折率対の誘電体層からなる共鳴構造を組み込む。
【００１５】誘電体層対はこの場合むしろファブリー・
ペロキャビティーとして作用する。このキャビティーの
ひとつの“ミラー”は２つの高屈折率物質により結合し
た低屈折率層で構成する。低屈折率側境界から反射した
光の一部はエバネッセント場を介して高屈折率層に“ト
ンネル貫通する”。この過程はフラストレイテッドトー
タルリフレクションとして知られている。従って、この
層は部分透過ミラーとして作用し、その透過度は低屈折
率（即ち、結合）層の厚みによって定まる。上記キャビ
ティーの第２の“ミラー”は全内面反射が生じる上の高
屈折率／低屈折率境界である。この境界は反射率が１０
０％である。
ペロキャビティーとして作用する。このキャビティーの
ひとつの“ミラー”は２つの高屈折率物質により結合し
た低屈折率層で構成する。低屈折率側境界から反射した
光の一部はエバネッセント場を介して高屈折率層に“ト
ンネル貫通する”。この過程はフラストレイテッドトー
タルリフレクションとして知られている。従って、この
層は部分透過ミラーとして作用し、その透過度は低屈折
率（即ち、結合）層の厚みによって定まる。上記キャビ
ティーの第２の“ミラー”は全内面反射が生じる上の高
屈折率／低屈折率境界である。この境界は反射率が１０
０％である。
【００１６】ファブリー・ペロキャビティーの場合と同
様に、ミラー間の往復（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ）位相遅れ
は２πラジアンの倍数に等しい。共鳴があると、キャビ
ティー中の光の強さが高いが、それ以外では実質的にゼ
ロである。キャビティーがひとつの全反射境界をもって
いるので、共鳴がある場合もない場合も、すべての光が
共鳴ミラー装置から反射する。ところが、反射光の位相
は共鳴があるとさらにπラジアン変化する。共鳴ミラー
装置がモニターするのはこの反射光の位相である。
様に、ミラー間の往復（ｒｏｕｎｄｔｒｉｐ）位相遅れ
は２πラジアンの倍数に等しい。共鳴があると、キャビ
ティー中の光の強さが高いが、それ以外では実質的にゼ
ロである。キャビティーがひとつの全反射境界をもって
いるので、共鳴がある場合もない場合も、すべての光が
共鳴ミラー装置から反射する。ところが、反射光の位相
は共鳴があるとさらにπラジアン変化する。共鳴ミラー
装置がモニターするのはこの反射光の位相である。
【００１７】共鳴が生じる入射角については、高屈折率
層の２つの境界間の距離プラス各境界における反射によ
る位相変化からなる往復位相遅れが波長の全数に等しく
なるようにする。上面になんらかの結合反応が生じる
と、上の境界で反射による位相変化が変わる。共鳴を実
現するためには、入射角を変えて、これを補償する必要
がある。低損失系では、共鳴位相変化が生じる角度範囲
は非常にせまく、従って検出できるのは、小さな表面変
化に対応する共鳴角における非常に小さな変化である。
層の２つの境界間の距離プラス各境界における反射によ
る位相変化からなる往復位相遅れが波長の全数に等しく
なるようにする。上面になんらかの結合反応が生じる
と、上の境界で反射による位相変化が変わる。共鳴を実
現するためには、入射角を変えて、これを補償する必要
がある。低損失系では、共鳴位相変化が生じる角度範囲
は非常にせまく、従って検出できるのは、小さな表面変
化に対応する共鳴角における非常に小さな変化である。
【００１８】本発明の目的は、誘電キャビティーをもつ
光学的エバネッセント波センサー装置に生じる共鳴によ
る位相変化を従来より容易に測定できるようにすること
である。
光学的エバネッセント波センサー装置に生じる共鳴によ
る位相変化を従来より容易に測定できるようにすること
である。
【００１９】すなわち、本発明による光学的センサーは
コヒーレントなＴＥ及びＴＭ成分をもつ光のビームを発
生する手段、誘電キャビティーをもち、そして該光ビー
ムを結合するように該光ビームの光路中に設けた光学的
エバネッセント波センサー装置、及び該装置から反射し
た光のビームの該成分を入力して、該成分の一つが該装
置に共鳴を励起した場合に、明バンド及び／又は暗バン
ドを発生する分析手段で構成する。
コヒーレントなＴＥ及びＴＭ成分をもつ光のビームを発
生する手段、誘電キャビティーをもち、そして該光ビー
ムを結合するように該光ビームの光路中に設けた光学的
エバネッセント波センサー装置、及び該装置から反射し
た光のビームの該成分を入力して、該成分の一つが該装
置に共鳴を励起した場合に、明バンド及び／又は暗バン
ドを発生する分析手段で構成する。
【００２０】さらに、本発明は生化学サンプルを試験す
るさいに、誘電キャビティー及び少なくとも一部が該サ
ンプルによって検知される検知層をもつ光学的エバネッ
セント波センサー装置を使用し、該装置にコヒーレント
なＴＥ及びＴＭ成分をもつ光のビームを結合して、該装
置に共鳴を励起し、そして該装置から反射した光ビーム
の該成分を分析手段に投射入力して、明バンド及び／又
は暗バンドを発生することからなる生化学サンプルの試
験方法を提供するものでもある。
るさいに、誘電キャビティー及び少なくとも一部が該サ
ンプルによって検知される検知層をもつ光学的エバネッ
セント波センサー装置を使用し、該装置にコヒーレント
なＴＥ及びＴＭ成分をもつ光のビームを結合して、該装
置に共鳴を励起し、そして該装置から反射した光ビーム
の該成分を分析手段に投射入力して、明バンド及び／又
は暗バンドを発生することからなる生化学サンプルの試
験方法を提供するものでもある。
【００２１】本明細書において、ＴＥ成分とは電気ベク
トルが光ビームの入射面に直交する成分を意味し、また
ＴＭ成分とは電気ベクトルが光ビームの入射面内にある
成分を意味する。
トルが光ビームの入射面に直交する成分を意味し、また
ＴＭ成分とは電気ベクトルが光ビームの入射面内にある
成分を意味する。
【００２２】本発明の具体化したものである光学センサ
ーに使用することができる共鳴ミラー装置は構成が簡単
である。即ち、一つの屈折率の高い誘電体フィルムと一
つの屈折率の低い誘電体フィルムを付着処理したプリズ
ム構造である。これらフィルムがプリズムの全内面反射
面に共鳴キャビティーを形成する。被検出種の抗体をこ
の面に固定化する。光はプリズム内のこの面で反射し、
反射光の位相をモニターする。被検出種が抗体層に結合
すると、共鳴が生じる角度が変化するので、試験サンプ
ル中の被検出種の濃度の尺度としてこれを検出できる。
適当な角度でコリメートした多色光を装置に照射する
と、一つの波長のみが共鳴状態になる。共鳴が励起した
波長をモニターしても生化学サンプルを試験することが
できるが、この場合には回折格子や高分散プリズム等の
波長デマルチプレクシング用出力光学手段が必要であ
る。回転源からのコリメートしたビームを装置に照射し
た場合には、共鳴はある特定角度で生じる。この波長を
モニターしてもサンプルを試験できる。
ーに使用することができる共鳴ミラー装置は構成が簡単
である。即ち、一つの屈折率の高い誘電体フィルムと一
つの屈折率の低い誘電体フィルムを付着処理したプリズ
ム構造である。これらフィルムがプリズムの全内面反射
面に共鳴キャビティーを形成する。被検出種の抗体をこ
の面に固定化する。光はプリズム内のこの面で反射し、
反射光の位相をモニターする。被検出種が抗体層に結合
すると、共鳴が生じる角度が変化するので、試験サンプ
ル中の被検出種の濃度の尺度としてこれを検出できる。
適当な角度でコリメートした多色光を装置に照射する
と、一つの波長のみが共鳴状態になる。共鳴が励起した
波長をモニターしても生化学サンプルを試験することが
できるが、この場合には回折格子や高分散プリズム等の
波長デマルチプレクシング用出力光学手段が必要であ
る。回転源からのコリメートしたビームを装置に照射し
た場合には、共鳴はある特定角度で生じる。この波長を
モニターしてもサンプルを試験できる。
【００２３】共鳴が上記成分のいずれについても励起す
るように、光ビームの光路に装置を設けることができ
る。
るように、光ビームの光路に装置を設けることができ
る。
【００２４】好ましい実施例では、光ビームの入力光学
手段をレンズとし、このレンズを上記偏光ビームの光路
内に設けた光ビームを装置上にフォーカスすることによ
り、該光ビームが該装置内に結合するある範囲の入射角
度を同時に与える。
手段をレンズとし、このレンズを上記偏光ビームの光路
内に設けた光ビームを装置上にフォーカスすることによ
り、該光ビームが該装置内に結合するある範囲の入射角
度を同時に与える。
【００２５】また好ましくは、光ビームの光路に偏光子
を設けて、ＴＥ及びＴＭ成分をもつ光ビームを線形偏光
する。
を設けて、ＴＥ及びＴＭ成分をもつ光ビームを線形偏光
する。
【００２６】ＴＥ及びＴＭ成分が等しい光を得るために
はＴＥ及びＴＭ伝搬軸にたいして４５°の角度で偏光子
を設け、そして視野平面に上記明バンドを与えるために
は偏光子に対して９０°の角度で分析装置を設ければよ
い。
はＴＥ及びＴＭ伝搬軸にたいして４５°の角度で偏光子
を設け、そして視野平面に上記明バンドを与えるために
は偏光子に対して９０°の角度で分析装置を設ければよ
い。
【００２７】センサー装置はＰＣＴ／ＧＢ８９／０１４
６１に開示されているような格子構造であればよい。こ
の構造の場合、誘電共鳴キャビティー及び光学的格子を
誘電キャビティーの主平面の一つに設けて光を該キャビ
ティー内に結合する。
６１に開示されているような格子構造であればよい。こ
の構造の場合、誘電共鳴キャビティー及び光学的格子を
誘電キャビティーの主平面の一つに設けて光を該キャビ
ティー内に結合する。
【００２８】あるいは、共鳴ミラー装置を結合手段と組
み合わせて構成してセンサー装置内に光を結合するよう
にしてもよい。このミラー装置及び結合手段に一例はＧ
Ｂ２１７４８０２Ｂに開示されている。
み合わせて構成してセンサー装置内に光を結合するよう
にしてもよい。このミラー装置及び結合手段に一例はＧ
Ｂ２１７４８０２Ｂに開示されている。
【００２９】好ましい実施例では、上記結合手段は上記
装置と共にプリズム又は回折格子を回転台に配置して構
成する。即ち、上記装置と共にプリズム又は回折格子を
手動操作できるバーニヤ（Ｖｅｒｎｉｅｒ）回転台を設
けると、共鳴角度を測定できる。好ましくは、上記共鳴
ミラー装置はプリズム又は回折格子の一つの表面に設け
る。
装置と共にプリズム又は回折格子を回転台に配置して構
成する。即ち、上記装置と共にプリズム又は回折格子を
手動操作できるバーニヤ（Ｖｅｒｎｉｅｒ）回転台を設
けると、共鳴角度を測定できる。好ましくは、上記共鳴
ミラー装置はプリズム又は回折格子の一つの表面に設け
る。
【００３０】反射光の出力光学手段は補償手段を上記分
析手段に隣接して設けて構成し、ＴＥ、ＴＭ成分間に全
内面反射により、また複屈折により装置になんらかの位
相差が導入された場合にはこれを排除するようにする。
析手段に隣接して設けて構成し、ＴＥ、ＴＭ成分間に全
内面反射により、また複屈折により装置になんらかの位
相差が導入された場合にはこれを排除するようにする。
【００３１】明バンド又は暗バンドについては、共鳴が
上記装置に励起される入射角度に対応する位置において
視野面に形成すればよい。センサー装置はさらにＣＣＤ
アレイをＣＲＯに接続してそのスクリーンに該明バンド
又は暗バンドを表示してもよい。
上記装置に励起される入射角度に対応する位置において
視野面に形成すればよい。センサー装置はさらにＣＣＤ
アレイをＣＲＯに接続してそのスクリーンに該明バンド
又は暗バンドを表示してもよい。
【００３２】ＴＥ、ＴＭ成分をもつ線形偏光ビームはレ
ーザー及びこのレーザーが発生する光ビームの光路に半
波長板によって発生すればよい。
ーザー及びこのレーザーが発生する光ビームの光路に半
波長板によって発生すればよい。
【００３３】以下例示のみを目的として本発明を添付図
面について説明する。図１は共鳴ミラー装置と共に使用
する本発明光学的センサーを示す図であり、図２はＴ
Ｅ、ＴＭ反射波についての反射による位相シフトと角度
との関係を示すグラフであり（なお、共鳴に関連するス
テップ（２）はいずれも高さが２πで、オフセット
（１）があっても小さく、補償手段によって補正でき
る）、図３は図２から導いたＴＥ、ＴＭ成分と角度との
関係を示す強度信号グラフであり、そして図４は図２と
同様なＴＥ成分についての位相と角度との関係、及び検
知フィルムの対応する光強度を示す複曲線グラフであり
（位相ステップの幅と共鳴幅と同じであることを示すも
ので、矢印は各曲線についての適切な縦座標を示す）。
面について説明する。図１は共鳴ミラー装置と共に使用
する本発明光学的センサーを示す図であり、図２はＴ
Ｅ、ＴＭ反射波についての反射による位相シフトと角度
との関係を示すグラフであり（なお、共鳴に関連するス
テップ（２）はいずれも高さが２πで、オフセット
（１）があっても小さく、補償手段によって補正でき
る）、図３は図２から導いたＴＥ、ＴＭ成分と角度との
関係を示す強度信号グラフであり、そして図４は図２と
同様なＴＥ成分についての位相と角度との関係、及び検
知フィルムの対応する光強度を示す複曲線グラフであり
（位相ステップの幅と共鳴幅と同じであることを示すも
ので、矢印は各曲線についての適切な縦座標を示す）。
【００３４】図について説明すると、共鳴ミラー装置と
これに隣接する結合装置は回転台に取り付ける。回転台
を手動操作式バーニヤ回転台にすると、装置内の共鳴角
度を測定できるので好ましい。図示のように、結合装置
はプリズム２である。このプリズム２は光ビームに対す
る回転台の角位置に依存する入射角で装置内に光を結合
する。プリズムの代わりに回折格子を使用して装置内に
光を結合してもよい。
これに隣接する結合装置は回転台に取り付ける。回転台
を手動操作式バーニヤ回転台にすると、装置内の共鳴角
度を測定できるので好ましい。図示のように、結合装置
はプリズム２である。このプリズム２は光ビームに対す
る回転台の角位置に依存する入射角で装置内に光を結合
する。プリズムの代わりに回折格子を使用して装置内に
光を結合してもよい。
【００３５】使用する出力光学手段は光の楔形ビームを
出力するので、ある範囲の入射角をモニターできる。入
力光ビームについては、波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅ
レーザー等のレーザー３によって発生する。光ビームは
レーザー３から反射器５を介して偏光子４に至る。偏光
子はＴＥ波、ＴＭ波の２成分をもつ線形偏光を発生す
る。偏光子はＴＥ、ＴＭ伝搬軸に対して４５°の角度に
設定するので、ＴＥ、ＴＭ光の等しい成分を与えること
ができる。あるいは、ＴＥ、ＴＭ成分をもつ偏光ビーム
は偏光形レーザー及び半波長板によって得ることも可能
である。ＴＥ成分は反射により位相変化し、この点でＴ
Ｍ成分と異なっている。
出力するので、ある範囲の入射角をモニターできる。入
力光ビームについては、波長が６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅ
レーザー等のレーザー３によって発生する。光ビームは
レーザー３から反射器５を介して偏光子４に至る。偏光
子はＴＥ波、ＴＭ波の２成分をもつ線形偏光を発生す
る。偏光子はＴＥ、ＴＭ伝搬軸に対して４５°の角度に
設定するので、ＴＥ、ＴＭ光の等しい成分を与えること
ができる。あるいは、ＴＥ、ＴＭ成分をもつ偏光ビーム
は偏光形レーザー及び半波長板によって得ることも可能
である。ＴＥ成分は反射により位相変化し、この点でＴ
Ｍ成分と異なっている。
【００３６】すべてのＳＰ及び共鳴ミラー装置の場合と
同様に、ある角度“０”で共鳴が起こるが、この角度で
は構造体に入射する平面波が共鳴フィルムにおいて最大
強度に達する。例えば、それ以外の入射角度で得られる
強度の百倍以上（１０2＋）になる。すべての光は任意
の入射角度で反射するので、反射波の位相への作用によ
り共鳴が検出される。例えば、共鳴とこの結果生じる位
相を示す図２を参照。尚、幅“０”は両曲線について同
じである。光の電気成分はその磁気成分と異なる影響を
受けるので、ＴＥ、ＴＭ入力波については異なる角度で
共鳴が生じる。通常の場合と同様に、ＴＥ、ＴＭ間の角
度間隔がその角度幅に比較して大きいと想定するなら、
各成分の位相は図２に示す通りである。ＴＥ又はＴＭに
ついてのステップ高さは図２に示す通り２πである。
又、図１に示す通り、全角度“０”では曲線間に“バッ
クグラウンド”位相差があるが、これは補償手段により
排除できる。この場合、位相差は２π＝０（図４参照）
なので、図３に示す曲線が得られる。これを書き換える
と、次のようになる。 （１−Ｃｏｓ（位相ＴＥ−位相ＴＭ））／２
同様に、ある角度“０”で共鳴が起こるが、この角度で
は構造体に入射する平面波が共鳴フィルムにおいて最大
強度に達する。例えば、それ以外の入射角度で得られる
強度の百倍以上（１０2＋）になる。すべての光は任意
の入射角度で反射するので、反射波の位相への作用によ
り共鳴が検出される。例えば、共鳴とこの結果生じる位
相を示す図２を参照。尚、幅“０”は両曲線について同
じである。光の電気成分はその磁気成分と異なる影響を
受けるので、ＴＥ、ＴＭ入力波については異なる角度で
共鳴が生じる。通常の場合と同様に、ＴＥ、ＴＭ間の角
度間隔がその角度幅に比較して大きいと想定するなら、
各成分の位相は図２に示す通りである。ＴＥ又はＴＭに
ついてのステップ高さは図２に示す通り２πである。
又、図１に示す通り、全角度“０”では曲線間に“バッ
クグラウンド”位相差があるが、これは補償手段により
排除できる。この場合、位相差は２π＝０（図４参照）
なので、図３に示す曲線が得られる。これを書き換える
と、次のようになる。 （１−Ｃｏｓ（位相ＴＥ−位相ＴＭ））／２
【００３７】偏光子４が発生する線形偏光をレンズ６に
よって装置１にフォーカスする。装置１にフォーカスさ
れた光ビームは図示のように楔形なので、ある範囲の角
度を同時に操作できる。プリズム２を取り付けた台は回
転できるので、両成分が装置内に結合できる入射角を調
節できる。プリズムを回転すると、装置内に結合したビ
ームがＴＥ、ＴＭ成分の少なくとも一方について共鳴が
励起する入射角で装置に入射する。またプリズムについ
ては、ＴＥ、ＴＭ両成分について共鳴が励起する位置ま
で回動できる。
よって装置１にフォーカスする。装置１にフォーカスさ
れた光ビームは図示のように楔形なので、ある範囲の角
度を同時に操作できる。プリズム２を取り付けた台は回
転できるので、両成分が装置内に結合できる入射角を調
節できる。プリズムを回転すると、装置内に結合したビ
ームがＴＥ、ＴＭ成分の少なくとも一方について共鳴が
励起する入射角で装置に入射する。またプリズムについ
ては、ＴＥ、ＴＭ両成分について共鳴が励起する位置ま
で回動できる。
【００３８】屈折率が１．６３９のコーニングガラス基
体、屈折率が１．３８のフッ化マグネシウム結合層、屈
折率が２．０５の酸化ジルコニウム層及び屈折率が１．
３３の水性オーバーレイ層を含む共鳴ミラー装置の場
合、ＴＥ共鳴は６０°４４′の角度、共鳴幅４．２′で
生じる。また、ＴＭ共鳴は５６°５８′の角度、共鳴幅
２４′で生じる。この構造に、蛋白質イミュノグロブリ
ンＣ（Ｔｇ）の単分子層に相当する屈折率が１．４３
６、厚みが６０Ａの層を設ける。この場合、共鳴角度変
化はＴＥについては９．０′、ＴＭについては４．５′
である。プリズム２及び装置１を設けたバーニヤ回転台
に設けたポインター／スケールで共鳴角度を測定するこ
とができる。
体、屈折率が１．３８のフッ化マグネシウム結合層、屈
折率が２．０５の酸化ジルコニウム層及び屈折率が１．
３３の水性オーバーレイ層を含む共鳴ミラー装置の場
合、ＴＥ共鳴は６０°４４′の角度、共鳴幅４．２′で
生じる。また、ＴＭ共鳴は５６°５８′の角度、共鳴幅
２４′で生じる。この構造に、蛋白質イミュノグロブリ
ンＣ（Ｔｇ）の単分子層に相当する屈折率が１．４３
６、厚みが６０Ａの層を設ける。この場合、共鳴角度変
化はＴＥについては９．０′、ＴＭについては４．５′
である。プリズム２及び装置１を設けたバーニヤ回転台
に設けたポインター／スケールで共鳴角度を測定するこ
とができる。
【００３９】装置１からの反射光は反射器７、レンズ８
及び補償板９を介して分析器１１にいたる。分析器１１
は偏光子に対して９０°の角度で配設する。両成分は分
析器で干渉するので、共鳴による位相変化を検出でき
る。共鳴のない状態では、両成分は全内面反射により同
じ位相シフトを示すので、成分間の相対位相を補償板に
よって調節して、分析器への伝搬をゼロにすることがで
きる。これは近共鳴を除く全角度についていえる。いず
れの成分も近共鳴すると、ＴＥ、ＴＭ成分間の位相シフ
トが角度と共に急変し、この結果、光全部が伝搬した場
合、共鳴状態で分析器の処理量が最大になる。楔形ビー
ムを使用して、ある範囲の角度を一度に走査する場合に
は、暗いバックグラウンドで明るい線が視野平面に投射
される。分析器が９０°回転すると、視野平面の明るい
バックグラウンドに暗バンドが現れる。偏光ビームスプ
リッターを使用すると、視野平面に明・暗バンドの両方
を与えることができる。共鳴角度が変化すると、視野平
面の明バンド及び／又は暗バンドの位置も変化する。
及び補償板９を介して分析器１１にいたる。分析器１１
は偏光子に対して９０°の角度で配設する。両成分は分
析器で干渉するので、共鳴による位相変化を検出でき
る。共鳴のない状態では、両成分は全内面反射により同
じ位相シフトを示すので、成分間の相対位相を補償板に
よって調節して、分析器への伝搬をゼロにすることがで
きる。これは近共鳴を除く全角度についていえる。いず
れの成分も近共鳴すると、ＴＥ、ＴＭ成分間の位相シフ
トが角度と共に急変し、この結果、光全部が伝搬した場
合、共鳴状態で分析器の処理量が最大になる。楔形ビー
ムを使用して、ある範囲の角度を一度に走査する場合に
は、暗いバックグラウンドで明るい線が視野平面に投射
される。分析器が９０°回転すると、視野平面の明るい
バックグラウンドに暗バンドが現れる。偏光ビームスプ
リッターを使用すると、視野平面に明・暗バンドの両方
を与えることができる。共鳴角度が変化すると、視野平
面の明バンド及び／又は暗バンドの位置も変化する。
【００４０】出力光学手段のレンズ８は装置から焦点距
離のところに、また視野平面から焦点距離のところに設
ける。これは、回折効果があってもこれを排除した状態
で、ビームをイクスパンドかつコリメートする。補償板
９は２まいの四分の一波長板からなり、これらを手動調
節して、ＴＥ、ＴＭ成分間に全内面反射により、そして
光路内に複屈折によりなんらかの位相差が導入された場
合にはこれを排除する。
離のところに、また視野平面から焦点距離のところに設
ける。これは、回折効果があってもこれを排除した状態
で、ビームをイクスパンドかつコリメートする。補償板
９は２まいの四分の一波長板からなり、これらを手動調
節して、ＴＥ、ＴＭ成分間に全内面反射により、そして
光路内に複屈折によりなんらかの位相差が導入された場
合にはこれを排除する。
【００４１】分析器からの光の明バンドは電荷結合素子
（ＣＣＤ）アレイ１０上に投射することができる。即
ち、ＣＣＤアレイの明バンドの位置は共鳴角度に相当す
る。従って、ＣＣＤアレイ上の明バンドの位置シフトは
共鳴角度のシフトに対応する。ＣＣＤの出力は陰極線オ
シロスコープ（ＣＲＯ）１２に送り、スクリーンに表示
する。プリズムを取り付けたバーニヤを使用してＣＲＯ
スクリーンの目盛りを較正すると、共鳴の角度幅を計算
できる。
（ＣＣＤ）アレイ１０上に投射することができる。即
ち、ＣＣＤアレイの明バンドの位置は共鳴角度に相当す
る。従って、ＣＣＤアレイ上の明バンドの位置シフトは
共鳴角度のシフトに対応する。ＣＣＤの出力は陰極線オ
シロスコープ（ＣＲＯ）１２に送り、スクリーンに表示
する。プリズムを取り付けたバーニヤを使用してＣＲＯ
スクリーンの目盛りを較正すると、共鳴の角度幅を計算
できる。
【図１】共鳴ミラー装置と共に使用する本発明光学的セ
ンサーを示す図である。
ンサーを示す図である。
【図２】ＴＥ、ＴＭ反射波についての反射による位相シ
フトと角度との関係を示すグラフである（なお共鳴に関
連するステップ（２）はいずれも高さが２で、オフセッ
ト（１）があっても小さく、補償手段によって補正でき
る）。
フトと角度との関係を示すグラフである（なお共鳴に関
連するステップ（２）はいずれも高さが２で、オフセッ
ト（１）があっても小さく、補償手段によって補正でき
る）。
【図３】図２から導いたＴＥ、ＴＭ成分と角度との関係
を示す強度信号グラフである。
を示す強度信号グラフである。
【図４】図２と同様なＴＥ成分についての位相と角度と
の関係、及び検知フィルムの対応する光強度を示す複曲
線グラフである（位相ステップの幅と共鳴幅と同じであ
ることを示すもので、矢印は各曲線についての適切な縦
座標を示す）。
の関係、及び検知フィルムの対応する光強度を示す複曲
線グラフである（位相ステップの幅と共鳴幅と同じであ
ることを示すもので、矢印は各曲線についての適切な縦
座標を示す）。
１ 共鳴ミラー装置 ２ プリズム ３ Ｈｅ−Ｎｅレーザー ４ 偏光子 ５ 反射器 ６ ホーカシングレンズ ７ 反射器 ８ レンズ ９ 補償板 １０ ＣＣＤアレイ １１ 分析器 １２ ＣＲＯ
フロントページの続き (72)発明者 ウィリアム ジェームズ スチュワート 英国 エヌエヌ12 ８アールイー，ノー ザンプトンシア，ブレイクスリー，ハイ ストリート，ザ メナー ハウス （番地なし) (56)参考文献 特開 平５−346398（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−60692（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−138443（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−261846（ＪＰ，Ａ) 特開 昭63−271162（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−308946（ＪＰ，Ａ) 実開 平２−118247（ＪＰ，Ｕ) 特表 平６−505794（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−506998（ＪＰ，Ａ) 英国特許出願公開2156970（ＧＢ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) G01N 21/00 - 21/01 G01N 21/17 - 21/61 G01N 21/62 - 21/74 実用ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) 特許ファイル（ＰＡＴＯＬＩＳ) ＷＰＩ／Ｌ（ＱＵＥＳＴＥＬ) ＥＰＡＴ（ＱＵＥＳＴＥＬ)
Claims (7)
- 【請求項１】 生化学サンプルを試験する光学センサー
であって、該光学センサーは、光のビームを発生する手
段、前記光のビームの光路に設けてコヒーレントなＴＥ
及びＴＭ成分を有する該光のビームを線形偏光する偏光
手段、前記偏光された光のビームの光路に設けられ、誘
電キャビティー及び少なくとも一部が前記サンプルによ
って検知される検知層を有する光学的エバネッセント波
センサー装置、コヒーレントなＴＥ及びＴＭ成分を有す
る前記光のビームを前記センサー装置に結合する結合手
段、及び、前記装置から反射した光のビームの前記成分
を入力するように設けられ、前記成分の少なくとも一つ
が前記装置に共鳴を励起した場合に、明バンド及び暗バ
ンドの少なくとも一つを発生する分析手段とからなり、
前記光のビームは前記キャビティーの表面でＴＥ及びＴ
Ｍ伝搬軸に対してほぼ４５°に偏光されることを特徴と
する光学センサー。 - 【請求項２】 前記光のビームの光路にレンズを設けて
光のビームを前記装置にフォーカシングすることによっ
て前記光のビームが前記装置に結合するある範囲の入射
角度を同時に与える請求項１記載のセンサー。 - 【請求項３】 前記結合手段は、プリズム及び回折格子
の一つである請求項１記載のセンサー。 - 【請求項４】 前記装置は、前記プリズム及び回折格子
の一つの表面に設けられている請求項３記載のセンサ
ー。 - 【請求項５】 前記プリズム及び回折格子の一つを前記
装置と共に手動操作バーニヤ回転台に取り付けて共鳴角
度を測定できるようにした請求項４記載のセンサー。 - 【請求項６】 補償手段を前記分析手段に隣接して設け
て、ＴＥ及びＴＭ成分間に導入される共鳴のない位相差
を排除する請求項１記載のセンサー。 - 【請求項７】 前記明バンド及び暗バンドの一つをモニ
ターするＣＣＤアレイを含む請求項１記載のセンサー。
Applications Claiming Priority (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| GB9020965A GB2248497B (en) | 1990-09-26 | 1990-09-26 | An optical sensor |
| GB9020965.1 | 1990-09-26 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04282435A JPH04282435A (ja) | 1992-10-07 |
| JP3303100B2 true JP3303100B2 (ja) | 2002-07-15 |
Family
ID=10682791
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP27186991A Expired - Fee Related JP3303100B2 (ja) | 1990-09-26 | 1991-09-25 | 光学センサー |
Country Status (4)
| Country | Link |
|---|---|
| US (1) | US5229833A (ja) |
| EP (1) | EP0478137A3 (ja) |
| JP (1) | JP3303100B2 (ja) |
| GB (1) | GB2248497B (ja) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US8970838B2 (en) | 2011-04-29 | 2015-03-03 | Avolonte Health LLC | Method and apparatus for evaluating a sample through variable angle Raman spectroscopy |
| US9041923B2 (en) | 2009-04-07 | 2015-05-26 | Rare Light, Inc. | Peri-critical reflection spectroscopy devices, systems, and methods |
Families Citing this family (80)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| GB9102646D0 (en) * | 1991-02-07 | 1991-03-27 | Fisons Plc | Analytical device |
| WO1992015706A1 (en) * | 1991-03-09 | 1992-09-17 | Fisons Plc | Analytical methods and devices |
| GB9120000D0 (en) * | 1991-09-19 | 1991-11-06 | British Gas Plc | Optical sensing |
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