JP3796660B2 - 全反射減衰を利用した測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーに関し、特に詳細には、全反射減衰によって測定光に生じる暗線を光検出手段を用いて検出する全反射減衰を利用したセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサーが種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られ、かつ表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変えて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化にしたがって反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【０００７】
なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００８】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角θＳＰから表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ とεＳ をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００９】
【数１】
試料の誘電率εＳ が分かれば、所定の較正曲線等に基づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上記反射光強度が低下する入射角θＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。この漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られ、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１１】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したタイプの従来の表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサー等の全反射減衰を利用した測定装置は、一般に厳密な温度管理をされていない室内等で用いられることが多い。このような環境下では、大体２０℃程度の温度変動が想定される。
【００１３】
しかしながら、従来の測定装置においては、装置内の測定系を支える支柱、すなわち誘電体ブロックに光ビームを入射させる光源等を備えた光入射部と、誘電体ブロックと、誘電体ブロックと薄膜層との界面で反射した光ビームを検出する光検出部とをそれぞれ別個に支持する３本の支柱に用いられている部材が、２０℃程度の温度変動に対して１０数μｍ程度の機械的ズレを生じてしまうため、光入射部、誘電体ブロックおよび光検出部の相対位置が変化し、測定結果に誤差を生じてしまう。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止した全反射減衰を利用した測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、
この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第２の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる金属膜を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の全反射減衰を利用した測定装置は、クラッド層、およびクラッド層上に形成されて試料に接触させられる光導波層を有する誘電体プレートと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
そのためには、２本の支柱の熱膨張係数と長さの関係を、上記条件を満たすように規定すればよい。以下、その理由を説明する。
【００１９】
全反射減衰を利用した測定装置において、誘電体ブロックからの垂線と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線Ｌとのなす角度、すなわち前記界面における光ビームの反射角θを大凡の実用範囲（３０≦θ≦６０）の中間値である４５℃、環境温度変動ΔＴを２０℃としたとき、誘電体ブロックを保持する支柱と光検出手段を保持する支柱との長さの差ｙの変動Δｙによる角度変化Δθは（２）式のようになり、１００ＲＵ（分子量１０００）以下の解像度を維持するためには、熱膨張係数αは１０−５以下でなければならない。
【００２０】
そのため、上記第１から第３の全反射減衰を利用した測定装置において、２本の支柱は、熱膨張係数が１０−５以下の部材により構成されていることが好ましい。
【００２１】
また、２本の支柱は、それぞれ異なる部材により構成されていてもよく、その場合、誘電体ブロックを保持する支柱の熱膨張係数をα１、この支柱の長さをＬ１（単位ｍｍ）、光検出手段を保持する支柱の熱膨張係数をα２、この支柱の長さをＬ２（単位ｍｍ）としたとき、としたとき、誘電体ブロックを保持する支柱と光入射部もしくは光検出手段を保持する支柱との長さの差ｙによる角度変化Δθは（３）式のようになる。
【００２２】
ここで一般的にｙ≦８００ｍｍであるため（４）式のようになる。
【００２３】
α１・Ｌ１−α２・Ｌ２≦１０−４・Δθ （４）
そのため、１００ＲＵ（分子量１０００）以下の解像度を維持するためには、（５）式のようになる。
【００２４】
α１・Ｌ１−α２・Ｌ２≦１０−２＝０．０１（ｍｍ） （５）
そのため、２本の支柱を、それぞれ異なる部材により構成する場合には、α１・Ｌ１とα２・Ｌ２との誤差が０．０１ｍｍ以下となるように（式α１・Ｌ１≒α２・Ｌ２を満足するよう）に構成されていることが好ましい。
【００２５】
また、上記目的を達成するためには、２本の別個の支柱を用いず、誘電体ブロックおよび光検出手段を一つの支持板の面上に固定してもよい。
【００２６】
本発明の第４から第６の全反射減衰を利用した測定装置は、そのような形態を持つものであり、本発明の第４の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第５の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる金属膜を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第６の全反射減衰を利用した測定装置は、クラッド層、および該クラッド層上に形成されて試料に接触させられる光導波層を有する誘電体プレートと、
光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の第１から第３の全反射減衰を利用した測定装置は、誘電体ブロックおよび光検出手段が、前記測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成された３本の支柱により保持されているため、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。
【００３０】
また、本発明の第４から第６の全反射減衰を利用した測定装置は、誘電体ブロックおよび光検出手段が、支持板の同一面上に保持されているため、温度変動により支持板が伸縮しても、支持板は全体的に面として伸縮するので、その面上の各点を結ぶ線のなす角度は変化しない。したがって、誘電体ブロックからの垂線と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が変化せず、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の第１の実施形態の全反射減衰を利用した測定装置は、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。
【００３２】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、誘電体ブロック10および金属膜12からなる測定チップ２と、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）、および上記光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系15からなる光入射部１と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ16、および平行光化された光ビーム13を検出する光検出手段17からなる光検出部３と、光検出手段17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部（ＣＰＵ）20とを備えている。
【００３３】
測定チップ２は、例えば概略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12とを有している。誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等からなり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた形とされ、この嵩上げされた部分10ａは液体の試料11を貯える試料保持部として機能する。なお本例では、金属膜12の上にセンシング媒体30が固定されるが、このセンシング媒体30については後述する。
【００３４】
入射光学系15は、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面10ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されている。
【００３５】
光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより上述のように集光されるので、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系15は、光ビーム13を界面10ｂにデフォーカス状態で入射させるように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態検出の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【００３６】
なお光ビーム13は、界面10ｂに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。
【００３７】
図２に、本実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置の構造を示す。本実施の形態による全反射減衰を利用した測定装置において、光入射部１、測定チップ２および光検出部３は、それぞれ固定台４に固着された支柱５、支柱６および支柱７に保持される。なお、測定チップ２を、図示しないホルダーにより保持するものとした場合は、支柱６はこのホルダーを保持するようにすればよい。
【００３８】
ここで、支柱５、支柱６および支柱７は、アンバー（Invar）により構成される。ここで用いられるアンバーの熱膨張係数は１０−５以下であるため、測定装置が使用される環境下で想定される温度変動を２０℃程度とし、各支柱の長さを数ｃｍ〜１０数ｃｍとした場合、各支柱の熱による伸縮を１μｍ以下とすることが可能であるため、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。なお、各支柱に用いる部材としては、上記アンバー以外にも熱膨張係数が１０−５以下のものであればどのようなものを用いてもよい。
【００３９】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。図１に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束する。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００４０】
界面10ｂで全反射した後、コリメーターレンズ16によって平行光化された光ビーム13は、光検出手段17により検出される。なお、本実施の形態において測定は、図２に示すように、光ビーム13の光検出手段17の検出面における信号強度が最大になるタイミングで行われる。本例における光検出手段17は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、図１の図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。したがって、上記界面10ｂにおいて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。
【００４１】
図３は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力されるマルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジタル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20からの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコントローラ26から構成されている。なお、信号処理部20からコントローラ26への指示は、信号処理部20からシャッター50への指示と連動して行われる。上記フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００４２】
各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して信号処理部20に入力する。
【００４３】
図４は、界面10ｂで全反射した光ビーム13の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度Ｉとの関係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとする。
【００４４】
界面10ｂにある特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜12と液体試料11との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθＳＰが全反射解消角であり、この角度θＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この反射光強度Ｉの低下は、図１にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。
【００４５】
また図４の（２）は、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００４６】
そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。
【００４７】
信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射解消角θＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図４の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その値を表示手段21に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００４８】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補正処理を受けてから表示手段21に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜12に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それに応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜12に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができる。
【００４９】
特に本実施形態では金属膜12に、液体試料11の中の特定物質と結合するセンシング媒体30を固定しており、それらの結合状態に応じてセンシング媒体30の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、液体試料11およびセンシング媒体30の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング媒体30との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００５０】
以上の説明から明かなように本実施形態では、光検出手段17として複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイを用いているので、液体試料11に応じて図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形である程度大きく変化しても、暗線検出が可能である。つまり、このようなアレイ状の光検出手段17を用いることにより、測定のダイナミックレンジを大きく確保することができる。
【００５１】
なお、複数の差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……からなる差動アンプアレイ18を用いる代わりに１つの差動アンプを設け、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力をマルチプレクサで切り替えて、それらのうちの隣接する２つの出力をこの１つの差動アンプに順次入力するようにしても構わない。
【００５２】
なお、液体試料11の中の特定物質とセンシング媒体30との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、第１の実施の形態から、支柱５，支柱６および支柱７を変更したものである。
【００５４】
なお本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５５】
本実施の形態において、支柱５、支柱６および支柱７は、各支柱の熱膨張係数をそれぞれα５、α６、α７、各支柱の長さをそれぞれＬ５、Ｌ６、Ｌ７としたとき、式α５・Ｌ５≒α６・Ｌ６≒α７・Ｌ７を満足するように構成されている。そのため、温度変動が生じた場合であっても、各支柱が伸縮する長さは略同じとなるため、支柱５、支柱６および支柱７の位置関係は変わらない。
【００５６】
上記第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、第１の実施の形態の支柱５，支柱６および支柱７を、支持板に変更したものである。
【００５８】
なお本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５９】
図５に、本実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置の構造を示す。本実施の形態による全反射減衰を利用した測定装置において、光入射部１、測定チップ２および光検出部３は、それぞれ固定台４に固着された支持板８の同一面（保持面）上に保持される。
【００６０】
支持板８の保持面は、温度変動により伸縮する場合、２次元的に膨張または収縮するため、支持板８の保持面上に保持された光入射部１、測定チップ２および光検出部３の位置関係は、支持板８が伸縮した場合であっても、相似関係を維持するため、全反射減衰の角度の検出に支障をきたすことはない。
【００６１】
上記第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、上述の第１から第３の実施の形態の表面プラズモンセンサーにおいては、一部構成を変更することにより漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を用いて説明する。
【００６３】
図６は、漏洩モードセンサーの一例を示す図である。なおこの図６において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００６４】
この全反射減衰を利用したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更したものであり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いるように構成されている。この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）にはクラッド層40が形成され、さらにその上には光導波層41が形成されている。
【００６５】
誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層40は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層41は、クラッド層40よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層40の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5ｎｍ、光導波層41の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００６６】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とクラッド層40との界面10ｂで全反射するが、クラッド層40を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層41を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層41に取り込まれるので、上記界面10ｂで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００６７】
光導波層41における導波光の波数は、該光導波層41の上の液体試料11の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、液体試料11の屈折率や、それに関連する液体試料11の特性を分析することができる。そして、上記特定入射角の近傍における反射光強度Ｉや、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微分値Ｉ’に基づいて液体試料11の特性を分析することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーの構造を示す図
【図３】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図
【図４】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図
【図５】本発明の第３の実施形態による表面プラズモンセンサーの構造を示す図
【図６】本発明の漏洩モードセンサーの側面図
【符号の説明】
１ 光入射部
２ 測定チップ
３ 光検出部
４ 固定台
５、６、７ 支柱
８ 支持板
10 誘電体ブロック
10ａ 誘電体ブロックの試料保持部
10ｂ 誘電体ブロックと金属膜との界面
11 試料
12 金属膜
13 光ビーム
14 半導体レーザ等
15 光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段（アバランシェフォトダイオードアレイ）
17ａ、17ｂ、17ｃ…… アバランシェフォトダイオード
18 差動アンプアレイ
18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示手段
22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路
23 マルチプレクサ
24 Ａ／Ｄ変換器
25 駆動回路
26 コントローラ
30 センシング媒体
31 ターンテーブル
40 クラッド層
41 光導波層
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモンの発生を利用して試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーに関し、特に詳細には、全反射減衰によって測定光に生じる暗線を光検出手段を用いて検出する全反射減衰を利用したセンサーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
金属中においては、自由電子が集団的に振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そして、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、表面プラズモンと呼ばれている。
【０００３】
従来より、この表面プラズモンが光波によって励起される現象を利用して、試料中の物質を定量分析する表面プラズモンセンサーが種々提案されている。そして、それらの中で特に良く知られているものとして、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られ、かつ表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【０００５】
なお上述のように種々の入射角を得るためには、比較的細い光ビームを入射角を変えて上記界面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビームを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化にしたがって反射角が変化する光ビームを、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によって検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリアセンサによって検出することができる。一方後者の場合は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光できる方向に延びるエリアセンサによって検出することができる。
【０００６】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズモンが励起される。エバネッセント光の波数ベクトルが表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立しているとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【０００７】
なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００８】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角θＳＰから表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、εｍ とεＳ をそれぞれ金属、試料の誘電率とすると、以下の関係がある。
【０００９】
【数１】
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。この漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られ、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得るように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１１】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１２】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したタイプの従来の表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサー等の全反射減衰を利用した測定装置は、一般に厳密な温度管理をされていない室内等で用いられることが多い。このような環境下では、大体２０℃程度の温度変動が想定される。
【００１３】
しかしながら、従来の測定装置においては、装置内の測定系を支える支柱、すなわち誘電体ブロックに光ビームを入射させる光源等を備えた光入射部と、誘電体ブロックと、誘電体ブロックと薄膜層との界面で反射した光ビームを検出する光検出部とをそれぞれ別個に支持する３本の支柱に用いられている部材が、２０℃程度の温度変動に対して１０数μｍ程度の機械的ズレを生じてしまうため、光入射部、誘電体ブロックおよび光検出部の相対位置が変化し、測定結果に誤差を生じてしまう。
【００１４】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止した全反射減衰を利用した測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明の第１の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、
この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１６】
本発明の第２の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる金属膜を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１７】
本発明の第３の全反射減衰を利用した測定装置は、クラッド層、およびクラッド層上に形成されて試料に接触させられる光導波層を有する誘電体プレートと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、この２本の支柱が、測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成されていることを特徴とするものである。
【００１８】
そのためには、２本の支柱の熱膨張係数と長さの関係を、上記条件を満たすように規定すればよい。以下、その理由を説明する。
【００１９】
全反射減衰を利用した測定装置において、誘電体ブロックからの垂線と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線Ｌとのなす角度、すなわち前記界面における光ビームの反射角θを大凡の実用範囲（３０≦θ≦６０）の中間値である４５℃、環境温度変動ΔＴを２０℃としたとき、誘電体ブロックを保持する支柱と光検出手段を保持する支柱との長さの差ｙの変動Δｙによる角度変化Δθは（２）式のようになり、１００ＲＵ（分子量１０００）以下の解像度を維持するためには、熱膨張係数αは１０−５以下でなければならない。
【００２０】
【００２１】
また、２本の支柱は、それぞれ異なる部材により構成されていてもよく、その場合、誘電体ブロックを保持する支柱の熱膨張係数をα１、この支柱の長さをＬ１（単位ｍｍ）、光検出手段を保持する支柱の熱膨張係数をα２、この支柱の長さをＬ２（単位ｍｍ）としたとき、としたとき、誘電体ブロックを保持する支柱と光入射部もしくは光検出手段を保持する支柱との長さの差ｙによる角度変化Δθは（３）式のようになる。
【００２２】
【００２３】
α１・Ｌ１−α２・Ｌ２≦１０−４・Δθ （４）
そのため、１００ＲＵ（分子量１０００）以下の解像度を維持するためには、（５）式のようになる。
【００２４】
α１・Ｌ１−α２・Ｌ２≦１０−２＝０．０１（ｍｍ） （５）
そのため、２本の支柱を、それぞれ異なる部材により構成する場合には、α１・Ｌ１とα２・Ｌ２との誤差が０．０１ｍｍ以下となるように（式α１・Ｌ１≒α２・Ｌ２を満足するよう）に構成されていることが好ましい。
【００２５】
また、上記目的を達成するためには、２本の別個の支柱を用いず、誘電体ブロックおよび光検出手段を一つの支持板の面上に固定してもよい。
【００２６】
本発明の第４から第６の全反射減衰を利用した測定装置は、そのような形態を持つものであり、本発明の第４の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２７】
本発明の第５の全反射減衰を利用した測定装置は、試料に接触させられる金属膜を有する誘電体ブロックと、光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２８】
本発明の第６の全反射減衰を利用した測定装置は、クラッド層、および該クラッド層上に形成されて試料に接触させられる光導波層を有する誘電体プレートと、
光ビームを発生させる光源、および光ビームを誘電体ブロックに対して、誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、少なくとも誘電体ブロックおよび光検出手段が、一つの支持板の面上に保持されたものであることを特徴とするものである。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の第１から第３の全反射減衰を利用した測定装置は、誘電体ブロックおよび光検出手段が、前記測定装置が使用される環境下で、誘電体ブロックを保持する支柱の長手方向と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が所定の許容範囲内に維持されるように構成された３本の支柱により保持されているため、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。
【００３０】
また、本発明の第４から第６の全反射減衰を利用した測定装置は、誘電体ブロックおよび光検出手段が、支持板の同一面上に保持されているため、温度変動により支持板が伸縮しても、支持板は全体的に面として伸縮するので、その面上の各点を結ぶ線のなす角度は変化しない。したがって、誘電体ブロックからの垂線と、誘電体ブロックと光検出手段とを結ぶ線とのなす角度が変化せず、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。本発明の第１の実施形態の全反射減衰を利用した測定装置は、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は表面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。
【００３２】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、誘電体ブロック10および金属膜12からなる測定チップ２と、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14（以下、レーザ光源14という）、および上記光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射させる入射光学系15からなる光入射部１と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ16、および平行光化された光ビーム13を検出する光検出手段17からなる光検出部３と、光検出手段17に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コンピュータシステム等からなる信号処理部（ＣＰＵ）20とを備えている。
【００３３】
測定チップ２は、例えば概略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12とを有している。誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等からなり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた形とされ、この嵩上げされた部分10ａは液体の試料11を貯える試料保持部として機能する。なお本例では、金属膜12の上にセンシング媒体30が固定されるが、このセンシング媒体30については後述する。
【００３４】
入射光学系15は、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面10ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されている。
【００３５】
光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより上述のように集光されるので、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。なお、上記入射光学系15は、光ビーム13を界面10ｂにデフォーカス状態で入射させるように構成されてもよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態検出の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【００３６】
なお光ビーム13は、界面10ｂに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。
【００３７】
図２に、本実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置の構造を示す。本実施の形態による全反射減衰を利用した測定装置において、光入射部１、測定チップ２および光検出部３は、それぞれ固定台４に固着された支柱５、支柱６および支柱７に保持される。なお、測定チップ２を、図示しないホルダーにより保持するものとした場合は、支柱６はこのホルダーを保持するようにすればよい。
【００３８】
ここで、支柱５、支柱６および支柱７は、アンバー（Invar）により構成される。ここで用いられるアンバーの熱膨張係数は１０−５以下であるため、測定装置が使用される環境下で想定される温度変動を２０℃程度とし、各支柱の長さを数ｃｍ〜１０数ｃｍとした場合、各支柱の熱による伸縮を１μｍ以下とすることが可能であるため、温度変動による機械的ズレにより生じる測定誤差の発生を防止することができる。なお、各支柱に用いる部材としては、上記アンバー以外にも熱膨張係数が１０−５以下のものであればどのようなものを用いてもよい。
【００３９】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。図１に示す通り、レーザ光源14から発散光状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束する。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００４０】
界面10ｂで全反射した後、コリメーターレンズ16によって平行光化された光ビーム13は、光検出手段17により検出される。なお、本実施の形態において測定は、図２に示すように、光ビーム13の光検出手段17の検出面における信号強度が最大になるタイミングで行われる。本例における光検出手段17は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイであり、図１の図示面内において、平行光化された光ビーム13の進行方向に対してフォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。したがって、上記界面10ｂにおいて種々の反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。
【００４１】
図３は、この表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドライバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力されるマルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジタル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20からの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコントローラ26から構成されている。なお、信号処理部20からコントローラ26への指示は、信号処理部20からシャッター50への指示と連動して行われる。上記フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考えることができる。
【００４２】
各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して信号処理部20に入力する。
【００４３】
図４は、界面10ｂで全反射した光ビーム13の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力との関係を説明するものである。ここで、光ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度Ｉとの関係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとする。
【００４４】
界面10ｂにある特定の入射角θＳＰで入射した光は、金属膜12と液体試料11との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθＳＰが全反射解消角であり、この角度θＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この反射光強度Ｉの低下は、図１にＤで示すように、反射光中の暗線として観察される。
【００４５】
また図４の（２）は、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応している。
【００４６】
そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との関係は、同図（３）に示すようなものとなる。
【００４７】
信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射解消角θＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図４の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その値を表示手段21に表示させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在することもあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。
【００４８】
以後、所定時間が経過する毎に上記選択された差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補正処理を受けてから表示手段21に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜12に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化すると、それに応じて上下する。したがって、この微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金属膜12に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができる。
【００４９】
特に本実施形態では金属膜12に、液体試料11の中の特定物質と結合するセンシング媒体30を固定しており、それらの結合状態に応じてセンシング媒体30の屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。つまりこの場合は、液体試料11およびセンシング媒体30の双方が、分析対象の試料となる。そのような特定物質とセンシング媒体30との組合せとしては、例えば抗原と抗体等が挙げられる。
【００５０】
以上の説明から明かなように本実施形態では、光検出手段17として複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなるフォトダイオードアレイを用いているので、液体試料11に応じて図４（１）に示す曲線が左右方向に移動する形である程度大きく変化しても、暗線検出が可能である。つまり、このようなアレイ状の光検出手段17を用いることにより、測定のダイナミックレンジを大きく確保することができる。
【００５１】
なお、複数の差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……からなる差動アンプアレイ18を用いる代わりに１つの差動アンプを設け、フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力をマルチプレクサで切り替えて、それらのうちの隣接する２つの出力をこの１つの差動アンプに順次入力するようにしても構わない。
【００５２】
なお、液体試料11の中の特定物質とセンシング媒体30との結合状態の変化の様子を時間経過とともに調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’を求めて表示してもよい。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。この第２の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、第１の実施の形態から、支柱５，支柱６および支柱７を変更したものである。
【００５４】
なお本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５５】
本実施の形態において、支柱５、支柱６および支柱７は、各支柱の熱膨張係数をそれぞれα５、α６、α７、各支柱の長さをそれぞれＬ５、Ｌ６、Ｌ７としたとき、式α５・Ｌ５≒α６・Ｌ６≒α７・Ｌ７を満足するように構成されている。そのため、温度変動が生じた場合であっても、各支柱が伸縮する長さは略同じとなるため、支柱５、支柱６および支柱７の位置関係は変わらない。
【００５６】
上記第２の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５７】
次に、本発明の第３の実施の形態について説明する。この第３の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、第１の実施の形態の支柱５，支柱６および支柱７を、支持板に変更したものである。
【００５８】
なお本実施の形態において、第１の実施の形態と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００５９】
図５に、本実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置の構造を示す。本実施の形態による全反射減衰を利用した測定装置において、光入射部１、測定チップ２および光検出部３は、それぞれ固定台４に固着された支持板８の同一面（保持面）上に保持される。
【００６０】
支持板８の保持面は、温度変動により伸縮する場合、２次元的に膨張または収縮するため、支持板８の保持面上に保持された光入射部１、測定チップ２および光検出部３の位置関係は、支持板８が伸縮した場合であっても、相似関係を維持するため、全反射減衰の角度の検出に支障をきたすことはない。
【００６１】
上記第３の実施の形態においても第１の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００６２】
なお、上述の第１から第３の実施の形態の表面プラズモンセンサーにおいては、一部構成を変更することにより漏洩モードセンサーとすることができる。以下、図面を用いて説明する。
【００６３】
図６は、漏洩モードセンサーの一例を示す図である。なおこの図６において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００６４】
この全反射減衰を利用したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更したものであり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いるように構成されている。この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）にはクラッド層40が形成され、さらにその上には光導波層41が形成されている。
【００６５】
誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層40は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層41は、クラッド層40よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層40の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で36.5ｎｍ、光導波層41の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００６６】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とクラッド層40との界面10ｂで全反射するが、クラッド層40を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層41を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層41に取り込まれるので、上記界面10ｂで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００６７】
光導波層41における導波光の波数は、該光導波層41の上の液体試料11の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、液体試料11の屈折率や、それに関連する液体試料11の特性を分析することができる。そして、上記特定入射角の近傍における反射光強度Ｉや、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微分値Ｉ’に基づいて液体試料11の特性を分析することもできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーの構造を示す図
【図３】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示すブロック図
【図４】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図
【図５】本発明の第３の実施形態による表面プラズモンセンサーの構造を示す図
【図６】本発明の漏洩モードセンサーの側面図
【符号の説明】
１ 光入射部
２ 測定チップ
３ 光検出部
４ 固定台
５、６、７ 支柱
８ 支持板
10 誘電体ブロック
10ａ 誘電体ブロックの試料保持部
10ｂ 誘電体ブロックと金属膜との界面
11 試料
12 金属膜
13 光ビーム
14 半導体レーザ等
15 光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段（アバランシェフォトダイオードアレイ）
17ａ、17ｂ、17ｃ…… アバランシェフォトダイオード
18 差動アンプアレイ
18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ
19 ドライバ
20 信号処理部
21 表示手段
22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路
23 マルチプレクサ
24 Ａ／Ｄ変換器
25 駆動回路
26 コントローラ
30 センシング媒体
31 ターンテーブル
40 クラッド層
41 光導波層
Claims (4)
- 試料に接触させられる薄膜層を有する誘電体ブロックと、
光ビームを発生させる光源、および前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用した測定装置において、
少なくとも前記誘電体ブロックおよび前記光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、
該２本の支柱が、前記誘電体ブロックを保持する支柱の熱膨張係数をα １ 、該支柱の長さをＬ １ 、前記光検出手段を保持する支柱の熱膨張係数をα ２ 、該支柱の長さをＬ ２ としたとき、式α １ ・Ｌ １ ≒α ２ ・Ｌ ２ を満足するように構成されていることを特徴とする全反射減衰を利用した測定装置。 - 試料に接触させられる金属膜を有する誘電体ブロックと、
光ビームを発生させる光源、および前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、
少なくとも前記誘電体ブロックおよび前記光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、
該２本の支柱が、前記誘電体ブロックを保持する支柱の熱膨張係数をα １ 、該支柱の長さをＬ １ 、前記光検出手段を保持する支柱の熱膨張係数をα ２ 、該支柱の長さをＬ ２ としたとき、式α １ ・Ｌ １ ≒α ２ ・Ｌ ２ を満足するように構成されていることを特徴とする全反射減衰を利用した測定装置。 - クラッド層、および該クラッド層上に形成されて試料に接触させられる光導波層を有する誘電体ブロックと、
光ビームを発生させる光源、および前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと前記クラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系からなる光入射部と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、前記光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、
少なくとも前記誘電体ブロックおよび前記光検出手段が、固定台に固着された２本の支柱によりそれぞれ保持され、
該２本の支柱が、前記誘電体ブロックを保持する支柱の熱膨張係数をα １ 、該支柱の長さをＬ １ 、前記光検出手段を保持する支柱の熱膨張係数をα ２ 、該支柱の長さをＬ ２ としたとき、式α １ ・Ｌ １ ≒α ２ ・Ｌ ２ を満足するように構成されていることを特徴とする全反射減衰を利用した測定装置。 - 前記２本の支柱が、熱膨張係数が１０−５以下の部材により構成されていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の全反射減衰を利用したセンサー。
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