JP4053236B2 - Sensor using total reflection attenuation - Google Patents

Description

試料の誘電率ε_ｓ 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θ_ＳＰ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】
ところで、従来提供されている表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーにおいては、光源として用いられている半導体レーザ等のレーザ光源から発せられる光ビームに含まれているコヒーレントノイズや、測定面のごみ等により測定面上で細かいノイズが発生する場合があり、表面プラズモン共鳴信号のＳ／Ｎ低下の原因となっていた。
【００１３】
本発明は上記の事情に鑑みて、コヒーレントノイズ等による細かいノイズの影響を受けず、高いＳ／Ｎで信号を測定することができる全反射減衰を利用したセンサーを提供することを提供することを目的とする。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明の全反射減衰を利用したセンサーは、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薄膜層と、
光ビームを発生させる光源と、
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、
前記界面で反射した光ビームの前記光検出手段に至る光路上に配された、該光ビームを拡散させる拡散板とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１５】
本発明による別の全反射減衰を利用したセンサーは、特に前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものであり、
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、
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、
前記界面で反射した光ビームの前記光検出手段に至る光路上に配された、該光ビームを拡散させる拡散板とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本発明によるさらに別の全反射減衰を利用したセンサーは、特に前述の漏洩モードセンサーとして構成されたものであり、
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、
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、
前記界面で反射した光ビームの前記光検出手段に至る光路上に配された、該光ビームを拡散させる拡散板とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１７】
上記各全反射減衰を利用したセンサーにおいては、前記光検出手段を、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームを受光する方向に複数の受光素子が並設されてなるもの、すなわち、複数の受光素子が全反射した光ビームの反射角の違いより生じる広がり方向に並設されてなるものとし、前記拡散板を、前記受光素子の並設方向にのみ光を散乱させるものであることが望ましい。このような拡散板としては、例えば、回折格子から構成されるものを用いることができる。
【００１８】
なお、光検出手段としては、エリアセンサ、ラインセンサ等を用いることができ、より具体的には、２分割フォトダイオード、フォトダイオードアレイ等を好適に用いることができる。
【００１９】
【発明の効果】
本発明による全反射減衰を利用したセンサーにおいては、界面で全反射された光ビームの光検出手段への光路上に拡散板を設けたことにより、光ビームがこの拡散板により拡散される際に、光ビームに含まれるコヒーレントノイズや界面等に存在するごみなどによる細かいノイズが平均化されることとなり、光ビームの強度を受光する際におけるこの細かいノイズによる強度分布への影響を除去することができ、結果として、高いＳ／Ｎで測定することができる。
【００２０】
また、光検出手段が、複数の受光素子が前記界面において種々の反射角で全反射した光ビームの成分をそれぞれ異なる受光素子で受光するように並設されてなるものであり、拡散板が、受光素子の並設方向にのみ光を散乱させるものであれば、受光素子の並設方向への拡散を抑えて、光ビームの光検出手段へ入射する光量の低減が少なくてすみ、よりよい感度の信号を得ることができる。
【００２１】
【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。図１は、本発明の第１の実施形態の全反射減衰を利用したセンサーであり、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の側面形状を示すものである。この表面プラズモンセンサーは、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。
【００２２】
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。
【００２３】
誘電体ブロック10は金属膜12とともに、使い捨ての測定チップを構成しており、例えばターンテーブル31に複数設けられたチップ保持孔31ａに１個ずつ嵌合固定される。誘電体ブロック10がこのようにターンテーブル31に固定された後、ターンテーブル31が一定角度ずつ間欠的に回動され、所定位置に停止した誘電体ブロック10に対して液体試料11が滴下され、該液体試料11が試料保持部10ａ内に保持される。その後さらにターンテーブル31が一定角度回動されると、誘電体ブロック10がこの図１に示した測定位置に送られ、そこで停止する。
【００２４】
本実施形態の表面プラズモンセンサーは、上記誘電体ブロック10に加えてさらに、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レーザ光源14と、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光学系15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と、この平行光化された光ビーム13を検出する光検出手段17と、コリメータレンズ16と光検出手段17との間に配された光ビーム13を拡散させる拡散板27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20と、この信号処理部20に接続された表示手段21とを備えている。
【００２５】
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上で集束する。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。なお、上記光学系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（例えば前記暗線の位置測定）の誤差が平均化されて、測定精度が高められる。
【００２６】
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、波長板や偏光板で光ビーム13の偏光の向きを制御してもよい。
【００２７】
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、拡散板27を経て光検出手段17により検出される。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。
【００２８】
図２は、光ビーム13が界面10ｂで反射した後、光検出手段17に至るまでの光学系を模式的に示したものである。図２（１）は図１に示すものと同様の側面図であり、同図（２）は光学系を図１に示す矢印Ａから見た上面図である。ここで用いられている拡散板27は、光検出手段17の各フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向（矢印Ｘ方向）にのみ拡散させる回折格子から構成されたものである。したがって、界面10ｂで反射した光ビーム13は、コリメータレンズ16で平行光化され拡散板27に入射し、該拡散板27で矢印Ｘ方向に拡散させられた後光検出手段17により検出される。光検出手段17は複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が矢印Ｘ方向に並設されているため、拡散板27によりこのＸ方向に広がった光ビーム17を十分に受光可能である。一方、光ビーム13は、Ｘ方向に直交する方向（矢印Ｙ方向）へは拡散することなく平行光として光検出手段17へ入射する。矢印Ｙ方向への光検出手段17の幅は狭いため、Ｘ方向と同様に拡散してしまうと光検出手段17へ入射する光ビーム13の光量が減少してしまうという問題があるが、拡散板27でＹ方向へ拡散せず、平行光のままで光検出手段17に入射するので光ビーム13を十分受光することができる。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
界面10ｂにある特定の入射角θ_ＳＰで入射した光は、金属膜12と試料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θ_ＳＰが全反射解消角であり、この角度θ_ＳＰ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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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θ_ＳＰ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。
【００３７】
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（図１参照）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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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’を求めて表示する他、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。
【００４２】
なお、測定に当たって、各フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ…の各出力からの信号により得られた図４（３）に示す曲線は、理想的な曲線を示しているが、実際には、レーザ光源14から発せられる光ビーム13に伴うコヒーレントノイズや、界面10ｂに存在する僅かなごみ等により従来は図５（１）のように細かなノイズが生じていた。本実施形態においては、図１および図２に示すように拡散板27を設け、光ビーム13をこの拡散板27を通すことにより、光ビーム13に含まれる細かなノイズが平均化されるため、光ビームの強度を受光する際におけるこの細かいノイズによる強度分布への影響を除去することができ、同図（２）のように滑らかな曲線を得ることができる。すなわち、Ｓ／Ｎのよい信号を得ることができ、信頼性の高い測定結果を得ることができる。
【００４３】
上記実施形態においては、図６に示すように、コリメータレンズ16の代わりにシリンドリカルレンズ28を用いてもよい。図６は、光ビーム13が界面10ｂで反射した後、光検出手段17に至るまでの光学系を模式的に示したものであり、同図（１）光学系の側面図、同図（２）光学系の上面図である。この場合、シリンドリカルレンズ28は、光検出手段17のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並列方向（矢印Ｘ方向）と直交する方向（矢印Ｙ方向）にのみ屈折力を有するものである。図６（１）に示すように、界面10ｂで反射した光ビーム13は、Ｘ方向については発散光状態で拡散板27に入射し、該拡散板27において拡散された状態で光検出手段17に入射する。他方、図６（２）に示すように、界面10ｂで反射した光ビーム13は、シリンドリカルレンズ28によりＹ方向のみ拡散板27上で収束され、その後Ｘ方向については発散光状態で光検出手段17に入射する。光ビーム13が拡散板27で拡散されて該光ビーム13に含まれる細かいノイズが平均化されてその影響が除去され、Ｓ／Ｎよく信号を得ることができるようになる。また、拡散板27は、光ビーム13を矢印Ｘ方向にのみ拡散させる回折格子であるため、図１および図２に示した光学系の場合と同様に、拡散による光検出手段17への光ビーム13の入射光量の低減を抑えることができる。
【００４４】
さらに、図７に、上記第１の実施形態の表面プラズモンセンサーの、界面10ｂから光検出手段17に至る光学系の別の形態を模式的に示す。図７（１）は光学系の側面図、同図（２）は光学系の上面図である。ここでは、界面10ｂで全反射した光ビーム13が光検出手段17に至るまでの光学系が、界面10ｂで全反射した光ビーム13を一方向にのみ収束させるシリンドリカルレンズ34と、光を２次元方向に拡散させる拡散板35と、この拡散板35により拡散された光ビーム13を一方向にのみ収束させるシリンドリカルレンズ36とから構成されている。シリンドリカルレンズ34、36は、光検出手段17のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の並列方向（矢印Ｙ方向）と直交する方向（矢印Ｘ方向）にのみ屈折力を有するものである。また、拡散板35は、図１で示したものと異なり、２次元方向に光ビームを拡散させるものである。
【００４５】
図７（１）に示すように、界面10ｂで反射した光ビーム13は、Ｘ方向については発散光状態で拡散板35に入射し、該拡散板35において拡散された状態で光検出手段17に入射する。他方、図７（２）に示すように、光ビーム13のＹ方向については、シリンドリカルレンズ34により拡散板35上で収束され、その後、発散光となるが、さらにシリンドリカルレンズ36により検出器17上に収束される。光ビーム13が拡散板35を通ることにより該光ビーム13に含まれる細かいノイズが平均化されてその影響が除去され、Ｓ／Ｎよく信号を得ることができるようになる。また、拡散板35により拡散された光ビーム13をＹ方向についてシリンドリカルレンズ36を用いて光検出手段17上に収束させるため、光ビーム13を効率良く光検出手段17により検出することができる。受光素子のＹ方向の幅は非常に狭いため、シリンドリカルレンズを用いることが効果的である。
【００４６】
次に、図８を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図８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。
【００４７】
この第２実施形態の全反射減衰を利用したセンサーは、先に説明した漏洩モードセンサーであり、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。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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、試料11の屈折率や、それに関連する試料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’に基づいて試料11の特性を分析することもできる。
【００５１】
この第２の実施形態についても、界面10ｂから光検出手段17に至る光学系に拡散板27を設けたことにより、界面10ｂで反射した光ビーム13に含まれる細かいノイズが平均化されてしてその影響が除去され、Ｓ／Ｎよく信号を得ることができるようになる。
【００５２】
また、第２の実施形態のセンサーにおいても、界面10ｂから光検出手段17に至る光学系として、図６もしくは図７に示した形態のものを用いることができる。
【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】界面から光検出手段に至る光学系を示す模式図
【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】拡散板によるノイズ除去の効果を説明するための図
【図６】界面から光検出手段に至る光学系の別の形態を示す模式図
【図７】界面から光検出手段に至る光学系の別の形態を示す模式図
【図８】本発明の第２の実施形態による漏洩モードセンサーの側面図
【符号の説明】
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 レーザ光源
15 光学系
16 コリメーターレンズ
17 光検出手段（フォトダイオードアレイ）
17ａ、17ｂ、17ｃ…… 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
27 拡散板（回折格子）
28 シリンドリカルレンズ
30 センシング媒体
31 ターンテーブル
34, 36 シリンドリカルレンズ
35 拡散板
40 クラッド層
41 光導波層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a sensor using total reflection attenuation, such as a surface plasmon sensor that quantitatively analyzes a substance in a sample by using generation of surface plasmons, and more particularly, a dark line generated in measurement light due to total reflection attenuation. The present invention relates to a sensor using total reflection attenuation detected using a light detection means.
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon sensors that quantitatively analyze a substance in a sample using a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called a Kretschmann arrangement is particularly well known (see, for example, JP-A-6-167443).
[0004]
A surface plasmon sensor using the above system basically includes, for example, a dielectric block formed in a prism shape, a metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample, and a light source that generates a light beam. The light beam is incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the metal film, and total reflection attenuation due to surface plasmon resonance can occur. It comprises an optical system and light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the surface plasmon resonance state, that is, the state of total reflection attenuation.
[0005]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be incident on the interface by changing the incident angle, or a component incident on the light beam at various angles is included. As described above, a relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state. In the former case, a light beam whose reflection angle changes according to the change in the incident angle of the incident light beam is detected by a small photodetector that moves in synchronization with the change in the reflection angle, or the direction in which the reflection angle changes Can be detected by an area sensor extending along the line. On the other hand, the latter case can be detected by an area sensor extending in a direction in which all components of the light beam reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon sensor having the above-described configuration, the specific incident angle θ is greater than the total reflection angle with respect to the metal film. _SP The evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample in contact with the metal film, and surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent wave. When the wave number vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state and the energy of the light is transferred to the surface plasmon, so that the entire energy is transferred to the interface between the dielectric block and the metal film. The intensity of the reflected light decreases sharply. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detection means.
[0007]
The resonance described above occurs only when the incident beam is p-polarized light. Therefore, it is necessary to set in advance so that the light beam is incident as p-polarized light.
[0008]
Incident angle θ at which this total reflection attenuation (ATR) occurs _SP From the surface plasmon wave number, the dielectric constant of the sample can be determined. In other words, the wave number of surface plasmon is K _SP , Ω is the angular frequency of the surface plasmon, c is the speed of light in vacuum, ε _m And ε _s Are the metal and the dielectric constant of the sample, respectively.
[0009]
[Expression 1]

Dielectric constant of sample ε _s Is known, the concentration of the specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, and eventually, the incident angle θ at which the reflected light intensity decreases. _SP By knowing, it is possible to obtain the characteristics related to the dielectric constant, that is, the refractive index of the sample.
[0010]
Moreover, as a similar sensor using total reflection attenuation (ATR), for example, a leak mode sensor described in pages 21 to 23 and pages 26 to 27 of “Spectroscopy” Vol. 47 No. 1 (1998) is also available. Are known. This leakage mode sensor is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer to be brought into contact with a sample. An optical waveguide layer, a light source that generates a light beam, and a total reflection condition at the interface between the dielectric block and the cladding layer with respect to the dielectric block. An optical system that is incident at various angles so that total reflection attenuation due to wave mode excitation can occur, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured to determine the excitation state of the waveguide mode, that is, the total reflection attenuation state. And a light detecting means for detecting.
[0011]
In the leaky mode sensor having the above configuration, when a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an incident angle greater than the total reflection angle, the light waveguide layer transmits a specific wave number after passing through the cladding layer. Only light having a specific incident angle is propagated in the guided mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface is sharply reduced. Since the wave number of guided light depends on the refractive index of the sample on the optical waveguide layer, the refractive index of the sample and its related sample characteristics are analyzed by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. be able to.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
By the way, in the conventional surface plasmon sensor and leakage mode sensor, measurement is performed by coherent noise contained in a light beam emitted from a laser light source such as a semiconductor laser used as a light source, dust on a measurement surface, or the like. Fine noise may occur on the surface, which causes a reduction in S / N of the surface plasmon resonance signal.
[0013]
In view of the above circumstances, the present invention provides a sensor using total reflection attenuation that can measure a signal with a high S / N without being affected by fine noise such as coherent noise. Objective.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
A sensor using total reflection attenuation of the present invention includes a dielectric block,
A thin film layer formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation;
And a diffusing plate for diffusing the light beam, which is disposed on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface.
[0015]
Another total reflection attenuation sensor according to the present invention is particularly configured as the aforementioned surface plasmon sensor,
A dielectric block;
A metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the metal film;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation associated with surface plasmon resonance;
And a diffusing plate for diffusing the light beam, which is disposed on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface.
[0016]
Further, another sensor using the total reflection attenuation according to the present invention is particularly configured as the above-described leakage mode sensor,
A dielectric block;
A clad layer formed on one surface of the dielectric block;
An optical waveguide layer formed on the cladding layer and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that makes the light beam incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the cladding layer;
A light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting a state of total reflection attenuation accompanying excitation of a waveguide mode in the optical waveguide layer;
And a diffusing plate for diffusing the light beam, which is disposed on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface.
[0017]
In the sensor using each of the total reflection attenuation, the light detection unit is formed by arranging a plurality of light receiving elements in parallel in a direction of receiving a light beam totally reflected at various reflection angles at the interface, A plurality of light receiving elements are arranged in parallel in a spreading direction resulting from a difference in reflection angle of a light beam totally reflected, and the diffuser plate scatters light only in the direction in which the light receiving elements are arranged in parallel. Is desirable. As such a diffusing plate, for example, a plate composed of a diffraction grating can be used.
[0018]
As the light detection means, an area sensor, a line sensor, or the like can be used. More specifically, a two-divided photodiode, a photodiode array, or the like can be preferably used.
[0019]
【The invention's effect】
In the sensor using the total reflection attenuation according to the present invention, when the light beam is diffused by the diffusion plate by providing the diffusion plate on the optical path to the light detection means of the light beam totally reflected at the interface. This means that fine noise due to coherent noise contained in the light beam and dust existing at the interface will be averaged, and the influence of this fine noise on the intensity distribution when receiving the intensity of the light beam can be removed. As a result, it can be measured with high S / N.
[0020]
Further, the light detection means is a plurality of light receiving elements arranged in parallel so as to receive light beam components totally reflected at various reflection angles at the interface by different light receiving elements, If light is scattered only in the direction in which the light receiving elements are arranged side by side, diffusion of the light receiving elements in the direction in which the light receiving elements are arranged side by side is suppressed, and the amount of light incident on the light detection means is reduced. Can be obtained.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a sensor using total reflection attenuation according to the first embodiment of the present invention, and shows a side shape of a surface plasmon sensor using surface plasmon resonance. The surface plasmon sensor includes, for example, a dielectric block 10 having a shape in which a part of a substantially quadrangular pyramid is cut off, and formed on one surface (the upper surface in the drawing) of the dielectric block 10, for example, gold, silver, And a metal film 12 made of copper, aluminum, or the like.
[0022]
The dielectric block 10 is made of, for example, a transparent resin and has a raised shape around the portion where the metal film 12 is formed. The raised portion 10a functions as a sample holding unit for storing the liquid sample 11. In this example, the sensing medium 30 is fixed on the metal film 12, and the sensing medium 30 will be described later.
[0023]
The dielectric block 10 constitutes a disposable measuring chip together with the metal film 12, and is fitted and fixed, for example, one by one into a plurality of chip holding holes 31a provided in the turntable 31. After the dielectric block 10 is fixed to the turntable 31 in this way, the turntable 31 is intermittently rotated by a fixed angle, and the liquid sample 11 is dropped on the dielectric block 10 stopped at a predetermined position, The liquid sample 11 is held in the sample holder 10a. Thereafter, when the turntable 31 is further rotated by a certain angle, the dielectric block 10 is sent to the measurement position shown in FIG. 1 and stops there.
[0024]
In addition to the dielectric block 10, the surface plasmon sensor of the present embodiment further includes a laser light source 14 made of a semiconductor laser or the like that generates one light beam 13, and the light beam 13 is passed through the dielectric block 10. An optical system 15 that is incident on the interface 10b between the dielectric block 10 and the metal film 12 so as to obtain various incident angles, and a collimator that collimates the light beam 13 totally reflected at the interface 10b. A lens 16, a light detection means 17 for detecting the collimated light beam 13, a diffusion plate 27 for diffusing the light beam 13 disposed between the collimator lens 16 and the light detection means 17, and a light detection A differential amplifier array 18 connected to the means 17, a driver 19, a signal processing unit 20 including a computer system or the like, and a display means 21 connected to the signal processing unit 20 are provided.
[0025]
As shown in FIG. 1, the light beam 13 emitted from the laser light source 14 in a divergent light state is focused on the interface 10 b between the dielectric block 10 and the metal film 12 by the action of the optical system 15. Therefore, the light beam 13 includes components incident on the interface 10b at various incident angles θ. In addition, this incident angle (theta) shall be an angle more than a total reflection angle. Therefore, the light beam 13 is totally reflected at the interface 10b, and the reflected light beam 13 includes components reflected at various reflection angles. The optical system 15 may be configured to cause the light beam 13 to enter the interface 10b in a defocused state. By doing so, errors in surface plasmon resonance state detection (for example, measurement of the position of the dark line) are averaged, and measurement accuracy is improved.
[0026]
The light beam 13 is incident on the interface 10b as p-polarized light. In order to do so, the laser light source 14 may be disposed in advance so that the polarization direction thereof is a predetermined direction. In addition, the direction of polarization of the light beam 13 may be controlled by a wave plate or a polarizing plate.
[0027]
After total reflection at the interface 10b, the light beam 13 converted into parallel light by the collimator lens 16 is detected by the light detection means 17 through the diffusion plate 27. The light detection means 17 in this example is a photodiode array in which a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are arranged in a line, and a light beam that has been collimated in the plane shown in FIG. The photodiodes are arranged so that the direction in which the photodiodes are juxtaposed is substantially perpendicular to the 13 traveling directions. Therefore, different photodiodes 17a, 17b, 17c,... Receive each component of the light beam 13 totally reflected at various reflection angles at the interface 10b.
[0028]
FIG. 2 schematically shows an optical system from the light beam 13 reflected from the interface 10b to the light detection means 17. 2 (1) is a side view similar to that shown in FIG. 1, and FIG. 2 (2) is a top view of the optical system viewed from the arrow A shown in FIG. The diffusion plate 27 used here is composed of a diffraction grating that diffuses only in the direction in which the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Therefore, the light beam 13 reflected by the interface 10b is collimated by the collimator lens 16, enters the diffusion plate 27, is diffused in the arrow X direction by the diffusion plate 27, and is detected by the light detection means 17. In the light detection means 17, a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are arranged in the arrow X direction, so that the light beam 17 spread in the X direction can be sufficiently received by the diffusion plate 27. On the other hand, the light beam 13 is incident on the light detection means 17 as parallel light without diffusing in the direction orthogonal to the X direction (arrow Y direction). Since the width of the light detection means 17 in the direction of the arrow Y is narrow, there is a problem in that the amount of light beam 13 incident on the light detection means 17 decreases if diffused in the same manner as in the X direction. In 27, the light beam 13 is sufficiently diffused because it is not diffused in the Y direction and enters the light detecting means 17 as parallel light.
[0029]
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon sensor. As shown in the figure, the driver 19 samples and holds the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Of the differential amplifier array 18, and these sample-hold circuits 22a, 22b. , 22c... Are input to the multiplexer 23, the A / D converter 24 which digitizes the output of the multiplexer 23 and inputs it to the signal processing unit 20, the multiplexer 23 and the sample hold circuits 22a, 22b, 22c. And a controller 26 that controls the operation of the drive circuit 25 based on an instruction from the signal processing unit 20.
[0030]
The outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Are input to the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,. At this time, the outputs of two photodiodes adjacent to each other are input to a common differential amplifier. Therefore, it can be considered that the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Are obtained by differentiating the photodetection signals output from the plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,.
[0031]
The outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c... Are sampled and held at predetermined timings by the sample hold circuits 22a, 22b, 22c. The multiplexer 23 inputs the sampled and held outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c,... Into the A / D converter 24 in a predetermined order. The A / D converter 24 digitizes these outputs and inputs them to the signal processing unit 20.
[0032]
FIG. 4 explains the relationship between the light intensity for each incident angle θ of the light beam 13 totally reflected at the interface 10b and the outputs of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. Here, it is assumed that the relationship between the incident angle θ of the light beam 13 on the interface 10b and the light intensity I is as shown in the graph of FIG.
[0033]
Specific incident angle θ at the interface 10b _SP Since the light incident on the surface excites surface plasmons at the interface between the metal film 12 and the sample 11, the reflected light intensity I sharply decreases for this light. That is, θ _SP Is the total reflection elimination angle, and this angle θ _SP The reflected light intensity I takes a minimum value. This decrease in the reflected light intensity I is observed as a dark line in the reflected light, as indicated by D in FIG.
[0034]
(2) in FIG. 4 shows the direction in which the photodiodes 17a, 17b, 17c... Are arranged, and as described above, the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c. It uniquely corresponds to the incident angle θ.
[0035]
The relationship between the positions of the photodiodes 17a, 17b, 17c..., That is, the incident angle θ, and the output I ′ (differential value of the reflected light intensity I) of the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. As shown in FIG.
[0036]
Based on the value of the differential value I ′ input from the A / D converter 24, the signal processing unit 20 selects the total reflection elimination angle θ from among the differential amplifiers 18a, 18b, 18c. _SP Is selected (the differential amplifier 18d is the differential amplifier 18d in the example of FIG. 4), and a predetermined correction process is applied to the differential value I 'output from the differential value I' = 0. Then, the value is displayed on the display means 21. In some cases, there may be a differential amplifier that outputs a differential value I ′ = 0. In this case, the differential amplifier is naturally selected.
[0037]
Thereafter, every time a predetermined time elapses, the differential value I ′ output from the selected differential amplifier 18d is displayed on the display means 21 after receiving a predetermined correction process. This differential value I ′ is a form in which the dielectric constant, that is, the refractive index of the substance in contact with the metal film 12 (see FIG. 1) of the measuring chip changes, and the curve shown in FIG. If it changes in, it goes up and down accordingly. Therefore, by continuously measuring this differential value I ′ with the passage of time, it is possible to investigate a change in the refractive index of the substance in contact with the metal film 12, that is, a change in characteristics.
[0038]
In particular, in the present embodiment, the sensing medium 30 that binds to a specific substance in the liquid sample 11 is fixed to the metal film 12, and the refractive index of the sensing medium 30 changes according to the binding state, so that the above differentiation By continuing to measure the value I ′, it is possible to examine the state of change in the coupling state. That is, in this case, both the liquid sample 11 and the sensing medium 30 are samples to be analyzed. Examples of the combination of the specific substance and the sensing medium 30 include an antigen and an antibody.
[0039]
As is apparent from the above description, in this embodiment, a photodiode array in which a plurality of photodiodes 17a, 17b, 17c,... Accordingly, even if the curve shown in FIG. 4 (1) is changed to a certain extent by moving in the left-right direction, the dark line can be detected. That is, by using such an array-like light detection means 17, a large measurement dynamic range can be secured.
[0040]
Instead of using the differential amplifier array 18 composed of a plurality of differential amplifiers 18a, 18b, 18c..., One differential amplifier is provided, and the outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c. Of these, two adjacent outputs may be sequentially input to this one differential amplifier.
[0041]
In order to examine the change in the binding state between the specific substance in the liquid sample 11 and the sensing medium 30 over time, the differential value I ′ is obtained and displayed every time a predetermined time elapses. Alternatively, the difference ΔI ′ between the measured differential value I ′ (0) and the differential value I ′ (t) measured when a predetermined time has elapsed may be obtained and displayed.
[0042]
In the measurement, the curve shown in FIG. 4 (3) obtained from the signals from the respective outputs of the photodiodes 17a, 17b, 17c,... Is an ideal curve. Conventionally, fine noise has occurred as shown in FIG. 5 (1) due to coherent noise accompanying the light beam 13 emitted from 14 and slight dust existing at the interface 10b. In the present embodiment, as shown in FIG. 1 and FIG. 2, a diffusion plate 27 is provided, and by passing the light beam 13 through the diffusion plate 27, fine noise included in the light beam 13 is averaged. The influence on the intensity distribution due to this fine noise when receiving the intensity of the light beam can be removed, and a smooth curve can be obtained as shown in FIG. That is, a signal with a good S / N can be obtained, and a highly reliable measurement result can be obtained.
[0043]
In the above embodiment, a cylindrical lens 28 may be used instead of the collimator lens 16 as shown in FIG. FIG. 6 schematically shows an optical system from the light beam 13 reflected from the interface 10b to the light detecting means 17, and FIG. 6A is a side view of the optical system, and FIG. FIG. 3 is a top view of the optical system. In this case, the cylindrical lens 28 has refractive power only in the direction (arrow Y direction) orthogonal to the parallel direction (arrow X direction) of the photodiodes 17a, 17b, 17c. As shown in FIG. 6 (1), the light beam 13 reflected by the interface 10b is incident on the diffusion plate 27 in the divergent light state in the X direction, and enters the light detection means 17 in the state diffused in the diffusion plate 27. Incident. On the other hand, as shown in FIG. 6 (2), the light beam 13 reflected at the interface 10b is converged on the diffusion plate 27 only in the Y direction by the cylindrical lens 28, and thereafter the light detecting means 17 in the divergent light state in the X direction. Is incident on. The light beam 13 is diffused by the diffusing plate 27, the fine noise contained in the light beam 13 is averaged and the influence is removed, and a signal can be obtained with good S / N. Further, since the diffusing plate 27 is a diffraction grating that diffuses the light beam 13 only in the direction of the arrow X, as in the case of the optical system shown in FIG. 1 and FIG. The reduction in the amount of incident light of 13 can be suppressed.
[0044]
Further, FIG. 7 schematically shows another form of the optical system from the interface 10b to the light detection means 17 in the surface plasmon sensor of the first embodiment. 7A is a side view of the optical system, and FIG. 7B is a top view of the optical system. Here, the optical system until the light beam 13 totally reflected at the interface 10b reaches the light detection means 17, the cylindrical lens 34 that converges the light beam 13 totally reflected at the interface 10b only in one direction, and two-dimensional light. A diffusing plate 35 that diffuses in a direction and a cylindrical lens 36 that converges the light beam 13 diffused by the diffusing plate 35 in only one direction. The cylindrical lenses 34 and 36 have refractive power only in the direction (arrow X direction) orthogonal to the parallel direction (arrow Y direction) of the photodiodes 17a, 17b, 17c. Further, unlike the one shown in FIG. 1, the diffusion plate 35 diffuses the light beam in a two-dimensional direction.
[0045]
As shown in FIG. 7 (1), the light beam 13 reflected at the interface 10b is incident on the diffusion plate 35 in the divergent light state in the X direction, and enters the light detection means 17 in the state diffused in the diffusion plate 35. Incident. On the other hand, as shown in FIG. 7 (2), the Y direction of the light beam 13 is converged on the diffusion plate 35 by the cylindrical lens 34, and then becomes divergent light. To converge. When the light beam 13 passes through the diffusion plate 35, the fine noise included in the light beam 13 is averaged and the influence is removed, and a signal can be obtained with good S / N. Further, since the light beam 13 diffused by the diffusing plate 35 is converged on the light detection means 17 using the cylindrical lens 36 in the Y direction, the light beam 13 can be efficiently detected by the light detection means 17. Since the width of the light receiving element in the Y direction is very narrow, it is effective to use a cylindrical lens.
[0046]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In FIG. 8, the same elements as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless particularly required.
[0047]
The sensor using the total reflection attenuation of the second embodiment is the leakage mode sensor described above, and is configured to use the dielectric block 10 formed as a measurement chip in this example as well. A clad layer 40 is formed on one surface (upper surface in the figure) of the dielectric block 10, and an optical waveguide layer 41 is further formed thereon.
[0048]
The dielectric block 10 is formed using, for example, synthetic resin or optical glass such as BK7. On the other hand, the cladding layer 40 is formed in a thin film shape using a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 10 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 41 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than that of the cladding layer 40, such as PMMA. The thickness of the cladding layer 40 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the thickness of the optical waveguide layer 41 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0049]
In the leakage mode sensor configured as described above, when the light beam 13 emitted from the laser light source 14 is incident on the cladding layer 40 through the dielectric block 10 at an incident angle equal to or greater than the total reflection angle, the light beam 13 is incident on the dielectric block 10. The light having a specific wave number that is totally reflected at the interface 10b between the first and second cladding layers 40 and is incident on the optical waveguide layer 41 at a specific incident angle after passing through the cladding layer 40 propagates through the optical waveguide layer 41 in a waveguide mode. It becomes like this. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer 41, and total reflection attenuation occurs in which the intensity of light totally reflected at the interface 10b sharply decreases.
[0050]
Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 41 depends on the refractive index of the sample 11 on the optical waveguide layer 41, knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs, the refractive index of the sample 11, The associated properties of the sample 11 can be analyzed. The characteristics of the sample 11 can also be analyzed based on the reflected light intensity I in the vicinity of the specific incident angle and the differential value I ′ output from each differential amplifier of the differential amplifier array 18.
[0051]
Also in the second embodiment, by providing the diffusing plate 27 in the optical system from the interface 10b to the light detection means 17, the fine noise contained in the light beam 13 reflected at the interface 10b is averaged. The influence is removed, and a signal with good S / N can be obtained.
[0052]
Also in the sensor of the second embodiment, the optical system extending from the interface 10b to the light detection means 17 can be the one shown in FIG. 6 or FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a side view of a surface plasmon sensor according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic diagram showing an optical system from the interface to the light detection means.
FIG. 3 is a block diagram showing an electrical configuration of the surface plasmon sensor.
FIG. 4 is a schematic diagram showing the relationship between the light beam incident angle and the detected light intensity and the relationship between the light beam incident angle and the differential value of the light intensity detection signal in the surface plasmon sensor.
FIG. 5 is a diagram for explaining the effect of noise removal by the diffusion plate;
FIG. 6 is a schematic diagram showing another form of the optical system from the interface to the light detection means.
FIG. 7 is a schematic view showing another form of the optical system from the interface to the light detection means.
FIG. 8 is a side view of a leakage mode sensor according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10 Dielectric block
10a Sample holder for dielectric block
10b Interface between dielectric block and metal film
11 samples
12 Metal film
13 Light beam
14 Laser light source
15 Optical system
16 Collimator lens
17 Photodetection means (photodiode array)
17a, 17b, 17c …… Photodiode
18 Differential amplifier array
18a, 18b, 18c ... Differential amplifier
19 Drivers
20 Signal processor
21 Display means
22a, 22b, 22c ... Sample hold circuit
23 Multiplexer
24 A / D converter
25 Drive circuit
26 Controller
27 Diffuser (Diffraction grating)
28 Cylindrical lens
30 Sensing media
31 Turntable
34, 36 Cylindrical lens
35 Diffuser
40 Clad layer
41 Optical waveguide layer

Claims (6)

A dielectric block;
A thin film layer formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
A light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation;
A sensor using total reflection attenuation, comprising a diffusion plate arranged on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface and diffusing the light beam. A dielectric block;
A metal film formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that causes the light beam to enter the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the metal film;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting the state of total reflection attenuation associated with surface plasmon resonance;
A sensor using total reflection attenuation, comprising a diffusion plate arranged on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface and diffusing the light beam. A dielectric block;
A clad layer formed on one surface of the dielectric block;
An optical waveguide layer formed on the cladding layer and brought into contact with the sample;
A light source that generates a light beam;
An optical system that makes the light beam incident on the dielectric block at various angles so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the cladding layer;
A light detecting means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface and detecting a state of total reflection attenuation accompanying excitation of a waveguide mode in the optical waveguide layer;
A sensor using total reflection attenuation, comprising a diffusion plate arranged on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface and diffusing the light beam. A plurality of light receiving elements are arranged in parallel in the direction in which the light detection means receives light beams totally reflected at various reflection angles at the interface,
The sensor using total reflection attenuation according to any one of claims 1 to 3, wherein the diffusing plate scatters light only in a direction in which the light receiving elements are arranged in parallel.   The sensor using total reflection attenuation according to claim 4, wherein the diffusion plate is formed of a diffraction grating. 6. The sensor using total reflection attenuation according to claim 1, wherein the diffusion plate is disposed only on an optical path leading to the light detection means of the light beam reflected at the interface. .

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