JP3462179B2 - 表面プラズモン共鳴現象測定装置 - Google Patents

表面プラズモン共鳴現象測定装置

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JP3462179B2 JP2001015567A JP2001015567A JP3462179B2 JP 3462179 B2 JP3462179 B2 JP 3462179B2 JP 2001015567 A JP2001015567 A JP 2001015567A JP 2001015567 A JP2001015567 A JP 2001015567A JP 3462179 B2 JP3462179 B2 JP 3462179B2
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    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
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    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、光学系を用いて非
測定溶液中の特定物質を定量あるいは定性的に測定する
表面プラズモン共鳴現象測定装置に関し、特に、被測定
物に接した金属薄膜での表面プラズモン共鳴現象を利用
し、液体やガスなどの被測定物の屈折率の変化を検知し
定性・定量測定を行う表面プラズモン共鳴現象測定装置
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、化学プロセス計測や環境計測ある
いは臨床検査等において、呈色反応や免疫反応を利用し
た測定が行われているが、この測定方法では被測定物を
サンプル抽出する必要があるばかりか、煩雑な操作や標
識物質を必要とする等の問題あった。このため、標識物
質を必要とすることなく、高感度で被測定物中の化学物
質の定性・定量測定の可能なセンサとして光励起表面プ
ラズモン共鳴現象を利用したセンサが提案され、実用化
されている。
【０００３】図６は従来の表面プラズモン共鳴（Surfac
e Plasmon Resonance 以下、ＳＰＲと略称する）現象測
定装置のモデル図である。同図において、１は単色光の
光源であって、この光源１から放射された光が偏光子２
を通過すると、ｐ偏光光のみが通過する。このｐ偏光光
は、入射側レンズ３５で集光されてプリズム４に入射さ
れる。プリズム４の底面には被測定物４０に接する金属
薄膜５が設けられており、偏光子２を通過したｐ偏光光
をこのプリズム４に入射角θで入射させ、金属薄膜５を
照射することによって、金属薄膜５からの反射光の強度
変化を光検出器であるＣＣＤラインセンサ８で検出して
いる。
【０００４】すなわち、光源１から放射された光は、プ
リズム４と金属薄膜５の境界でエバネッセント波とな
り、その波数は次式により表される。 Ｋev＝Ｋpｎpｓｉｎθ ここで、Ｋpは入射光の波数、ｎpはプリズム４の屈折
率、θは入射角である。一方、金属膜表面では、表面プ
ラズモン波が生じ、その波数は次式により表される。 Ｋsp＝（ｃ／ｗ）・√（εｎ2／（ε＋ｎ2）） ここで、ｃは光速、ｗは角振動数、εは金属薄膜の誘電
率、ｎは被測定物の屈折率である。
【０００５】このエバネッセント波と表面プラズモン波
の波数が一致する入射角θのとき、エバネッセント波は
表面プラズモンの励起に使われ、反射光として計測され
る光量が減少する。ＳＰＲ現象はプリズム４に設けた金
属薄膜５に接する被測定物４０の屈折率に依存するため
に、例えば被測定物４０を水とした場合、図７に示すよ
うに、ある角度で極小を有する曲線として検出すること
ができ、被測定物４０の濃度変化による屈折率変化を測
定するばかりか、金属薄膜５上に抗体などを固定するこ
とにより、抗原との結合による抗体の屈折率変化を測定
することにより、特定物質の定量を行うことができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】近年、ＳＰＲ現象測定
装置はその応用範囲が広まり、屋外での携帯センサとし
ての使用が考えられ、小型化・低価格化が求められてい
る。しかしながら、上述した従来の表面プラズモン共鳴
現象測定装置においては、図６に示すように、細長く形
成されたＣＣＤラインセンサ８を照射するビーム形状２
３が円形となるので、ラインセンサ８を照射する光の効
率が低下する。したがって、小型化をするとＣＣＤライ
ンセンサ８の感度が低下するという問題があり、そのた
めには各光学構成部品の精度を上げざるを得ず、低価格
化が困難となっていた。また、小型化された装置では、
マルチチャンネル計測ができないという問題もあった。
【０００７】本発明は上記した従来の問題に鑑みてなさ
れたもので、第１の目的は低価格化を図ることにある。
第２の目的は小型化を図ることにある。第３の目的はマ
ルチチャンネルの測定を可能にすることにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に、請求項１に係る発明は、光源と、この光源からの光
を偏光するための偏光子と、この偏光子を通過した光を
集光するシリンダーレンズと、このシリンダーレンズか
らの光が入射され、表面プラズモン共鳴現象を計測する
ための金属薄膜が形成されたプリズムと、このプリズム
から反射された光を計測するＣＣＤラインセンサとを備
えた表面プラズモン共鳴現象測定装置において、前記光
源をレーザー光源とし、このレーザー光源の平行光が拡
げられ、このレーザ光源からの光を複数の線形のビーム
形状に変換する光学回析素子を設け、前記プリズムから
の円形ビーム形状の光を線形ビーム形状に変えて前記Ｃ
ＣＤラインセンサに導くシリンダーレンズを設けたもの
である。また、請求項２に係る発明は、光源と、この光
源からの光が入射され、表面プラズモン共鳴現象を計測
するための金属薄膜が形成されたプリズムと、このプリ
ズムから反射された光を偏光するための偏光子と、この
偏光子を通過した光を集光するレンズと、このレンズか
ら出射された光を計測するＣＣＤラインセンサとを備え
た表面プラズモン共鳴現象測定装置において、前記光源
をレーザー光源とし、このレーザー光源の平行光が拡げ
られ、このレーザ光源からの光を複数の線形のビーム形
状に変換する光学回析素子を設け、前記プリズムからの
円形ビーム形状の光を線形ビーム形状に変えて前記ＣＣ
Ｄラインセンサに導くシリンダーレンズを設けたもので
ある。したがって、１個の光源で複数の光が放射され
る。
【０００９】
【００１０】
【００１１】
【００１２】
【００１３】
【００１４】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図を
用いて説明する。図１は本発明に係る表面プラズモン共
鳴現象測定装置のモデル図である。同図において、上述
した図６に示す従来技術において説明した同一または同
等の部材については同一の符号を付し詳細な説明は適宜
省略する。本発明の特徴とするところは、出射側の集光
レンズ６とＣＣＤラインセンサ８との間に、円形のビー
ム形状の光を線形のビーム形状に変換するシリンダーレ
ンズ７を設けた点にある。
【００１５】このように構成することにより、プリズム
４で反射した光は、出射側レンズ６上のビーム形状２２
が円形になり、この光がシリンダーレンズ７を通過する
と、ＣＣＤラインセンサ８上のビーム形状２３が線形に
なる。したがって、ＣＣＤラインセンサ８の検出表面の
外形形状とビーム形状２３とがほぼ一致するので、ＣＣ
Ｄラインセンサ８上に効率よく光が照射される。このた
め、ＣＣＤラインセンサ８での感度が向上することによ
り、ＳＰＲ現象測定装置１を構成する各種の部品の精度
を上げることなく小型化しても検出の精度を低下させる
ことがないので、製造コストを増大させることなく小型
化を図ることができる。
【００１６】また、この第１の実施の形態では、入射側
レンズ３もシリンダーレンズとし、入射側レンズ上の円
形のビーム形状２０を、金属薄膜５上のビーム形状２１
が線形になるように変換している。このように構成する
ことにより、光源１から放射された光がシリンダーレン
ズ３によって、拡散することなく絞られ、光源１からの
光が効率よく金属薄膜５の表面に照射されるので、ＣＣ
Ｄラインセンサ８による検出精度が向上する。
【００１７】図２および図３は本発明の第２の実施の形
態を示し、図２はモデル図、図３は構成図である。この
第２の実施の形態においては、入射側レンズをシリンダ
ーレンズ３１と集光レンズ３２に分けるとともに、出射
側レンズもシリンダーレンズ６１と集光レンズ６２に分
けたものである。また、集光レンズ６２とシリンダーレ
ンズ７との間に、シリンダーレンズ７によって光を圧縮
する方向と直交する方向に延在するスリット孔２４を有
するスリット板１０を設けている。図３において、１２
は筺体であって、プリズム４が取り付けられた部位に金
属薄膜５が臨む窓１３が穿設され、筺体１２内には光の
光路を変える４枚のミラー１４ａないし１４ｄと偏光子
１５とが設けられている。
【００１８】全体を符号１６で示すものは、ミラー１４
ａ、シリンダーレンズ３１、ミラー１４ｂおよび集光レ
ンズ３２から構成される入射系であって、この入射系１
６を介して光源１からの光がプリズム４に入射角度θで
入射する。全体を符号１７で示すものは、シリンダーレ
ンズ６１、偏光子１５、集光レンズ６２、ミラー１４
ｃ、スリット板１０、ミラー１４ｄおよびシリンダーレ
ンズ７から構成される反射系であって、この反射系１７
を介してプリズム４からの光が反射角度θで反射する。
筺体１２内には、これら入射系１６と反射系１７とを、
入射角度θと反射角度θとが同一の状態に保たれたま
ま、同期して駆動する図示を省略した駆動装置が設けら
れている。このように、入射系１６と反射系１７とを同
期して駆動するようにしたことにより、光の入射角度と
反射角度を同期して可変できるので、各種の被測定物の
測定を容易かつ短時間で行うことが可能になる。
【００１９】このような構成とすることによっても、入
射側レンズでの円形のビーム形状２０を、金属薄膜５の
表面上のビーム形状２１を線形に変換している。また、
スリット板１０のスリット孔２４によって、一旦、シリ
ンダーレンズ７による光の圧縮方向と直交する方向に出
射光を圧縮していることにより、出射光が拡散すること
なく絞られるので、光源１からの光が効率よくＣＣＤラ
インセンサ８上に照射される。したがって、ＣＣＤライ
ンセンサ８の感度が向上するので、ＣＣＤラインセンサ
８による検出精度が向上する。
【００２０】図４は本発明の第３の実施の形態を示すモ
デル図である。この第３の実施の形態では、光源１をレ
ーザー光源とし、この光源１の平行光を拡げて線形のビ
ーム形状とする光学回析素子１８を設け、この光学回析
素子１８による光の拡張方向を、シリンダーレンズ３１
と集光レンズ３２による光の圧縮方向と直交するように
した点に特徴を有している。また、集光レンズ６２とＣ
ＣＤラインセンサ８との間には、シリンダーレンズ７を
設けずに、スリット孔２４が小孔に形成されたスリット
板１０を設けている。
【００２１】このような構成とすることにより、光源１
から放射された平行光は、光学回析素子１８によって拡
張され、入射側レンズ上のビーム形状２０が線形とな
り、さらにシリンダーレンズ３１と集光レンズ３２とに
よって、プリズム４上のビーム形状２１が点に変換され
る。プリズム４から反射した光は、シリンダーレンズ６
１と集光レンズ６２上のビーム形状２２が線形になるの
で、スリット板１０のスリット孔２４を通過した光は、
ＣＣＤラインセンサ８でのビーム形状２３が線形とな
る。
【００２２】したがって、ＣＣＤラインセンサ８の検出
表面の外形形状とビーム形状２３とが対応するので、Ｃ
ＣＤラインセンサ８上に効率よく光が照射される。この
ため、ＣＣＤラインセンサ８での感度が向上することに
より、ＳＰＲ現象測定装置１を構成する各種の部品の精
度を上げることなく小型化しても検出の精度を低下させ
ることがないので、製造コストを増大させることなく小
型化を図ることができる。
【００２３】また、光源１の円形形状をしたビーム光
を、光学回析素子１８とシリンダーレンズ３１および集
光レンズ３２とによって２回絞り、金属薄膜５上のビー
ムの形状２１を点状としたことにより、光源１から放射
された光が、拡散することなく絞られる。したがって、
光源１からの光が効率よく金属薄膜５の表面に照射され
るので、ＣＣＤラインセンサ８による検出精度が向上す
る。
【００２４】図５は本発明の第４の実施の形態を示すモ
デル図である。この第４の実施の形態においては、符号
１９で示す光学回析素子によって、レーザー光の光源１
の平行光が拡げられ、入射側レンズ上のビームの形状２
０が３本の線形のビームに形成される点に特徴を有す
る。このような構成によれば、シリンダーレンズ３１と
集光レンズ３２とを通過し、プリズム４に入射して金属
薄膜５を照射する光のビーム形状２１は３個の点状にな
り、金属薄膜５で反射した光は出射側レンズ上のビーム
形状２２が３本の線形のビームとなる。スリット板１０
にはこれら３本の線形のビームに対応して３個の小孔２
４が穿孔されており、これら小孔２４を通過した光は、
ＣＣＤラインセンサ８上のビーム形状が３本の線形ビー
ムとなる。
【００２５】したがって、ＣＣＤラインセンサ８におい
ては、これら３本の線形ビームを同時に検出することが
できるので、金属薄膜５上の複数点でのマルチチャンネ
ル測定が可能になる。また、光学回析素子１９とシリン
ダーレンズ３１および集光レンズ３２とによってビーム
形状を２回絞り、金属薄膜５上のビームの形状２１を点
としたことにより、ビーム内で出射光量はほぼ均一にな
る。したがって，ＣＣＤラインセンサ８の長手方向の両
端において光量が低下するようなことがないので、ＣＣ
Ｄラインセンサ８のいずれの部位においてもＳＰＲの測
定の感度が良好になる。
【００２６】
【実施例】筺体１２の外形寸法を９０×１４０ｍｍとし
た。また、第１および第２の実施の形態における単色光
の光源１は赤色ＬＥＤを用いた。また、入射角度θを６
８±５°とした。
【００２７】第３および第４の実施の形態における光学
回析素子１８，１９をロッドレンズとしてもよい。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
複数点でのマルチチャンネル測定が可能になる。また、
光源からの光を光学回析素子と入射側レンズによってビ
ーム光を２回絞り、金属薄膜上のビームの形状を点とし
たことにより、ビーム内の出射光量がほぼ均一になる。
したがって，ＣＣＤラインセンサの長手方向の両端にお
いて光量が低下するようなことがないので、光検出器の
いずれの部位においてもＳＰＲの測定の感度が良好にな
る。
【００２９】
【００３０】
【００３１】
【００３２】
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係る表面プラズモン共鳴現象測定装
置のモデル図である。
【図２】 本発明の第２の実施の形態のモデル図であ
る。
【図３】 本発明の第２の実施の形態の構成図である。
【図４】 本発明の第３の実施の形態を示すモデル図で
ある。
【図５】 本発明の第４の実施の形態を示すモデル図で
ある。
【図６】 従来の表面プラズモン共鳴現象測定装置のモ
デル図である。
【図７】 ＳＰＲ現象をグラフで表した図である。
【符号の説明】
１…光源、２…偏光子、３，３１，６１…シリンダーレ
ンズ、４…プリズム、５…金属薄膜、６…集光レンズ、
７…シリンダーレンズ、８…ＣＣＤラインセンサ、１０
…スリット板、１２…筺体、１６…入射系、１７…反射
系、１８，１９…光学回析素子、２０…入射側レンズ上
のビーム形状、２１…プリズム上のビーム形状、２２…
反射側レンズ上のビーム形状、２３…ラインセンサ上の
ビーム形状、２４…スリット孔。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 浅野 泰一 青森県八戸市大字田面木字上野平16番地 １ 高専宿舎202 (72)発明者 正留 隆 福岡県大牟田市東萩尾町150 (72)発明者 今任 稔彦 福岡県福岡市早良区南庄二丁目８番８号 307 (72)発明者 伏貫 義十 鹿児島県鹿児島市武岡一丁目３番地16 (72)発明者 岩崎 弦 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 丹羽 修 東京都千代田区大手町二丁目３番１号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 田部井 久男 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ 株式会社内 (72)発明者 飛田 達也 東京都新宿区西新宿二丁目１番１号 エ ヌ・ティ・ティ・アドバンステクノロジ 株式会社内 (56)参考文献 特開 平７−159319（ＪＰ，Ａ) 特開 平９−262332（ＪＰ，Ａ) 特開2001−255267（ＪＰ，Ａ) 特開2002−48707（ＪＰ，Ａ) 特開2002−195944（ＪＰ，Ａ) 特表 平４−501462（ＪＰ，Ａ) 特表2001−526386（ＪＰ，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 ＰＡＴＯＬＩＳ

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 光源と、 この光源からの光を偏光するための偏光子と、 この偏光子を通過した光を集光するシリンダーレンズ
    と、 このシリンダーレンズからの光が入射され、表面プラズ
    モン共鳴現象を計測するための金属薄膜が形成されたプ
    リズムと、 このプリズムから反射された光を計測するＣＣＤライン
    センサとを備えた表面プラズモン共鳴現象測定装置にお
    いて、前記光源をレーザー光源とし、このレーザー光源の平行
    光が拡げられ、このレーザ光源からの光を複数の線形の
    ビーム形状に変換する光学回析素子を設け、 前記プリズ
    ムからの円形ビーム形状の光を線形ビーム形状に変えて
    前記ＣＣＤラインセンサに導くシリンダーレンズを設け
    たことを特徴とする表面プラズモン共鳴現象測定装置。
  2. 【請求項２】 光源と、 この光源からの光が入射され、表面プラズモン共鳴現象
    を計測するための金属薄膜が形成されたプリズムと、 このプリズムから反射された光を偏光するための偏光子
    と、 この偏光子を通過した光を集光するレンズと、 このレンズから出射された光を計測するＣＣＤラインセ
    ンサとを備えた表面プラズモン共鳴現象測定装置におい
    て、前記光源をレーザー光源とし、このレーザー光源の平行
    光が拡げられ、このレーザ光源からの光を複数の線形の
    ビーム形状に変換する光学回析素子を設け、 前記プリズ
    ムからの円形ビーム形状の光を線形ビーム形状に変えて
    前記ＣＣＤラインセンサに導くシリンダーレンズを設け
    たことを特徴とする表面プラズモン共鳴現象測定装置。
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