JP4955993B2 - 表面プラズモン共鳴センサー素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えば、バイオセンサー、光センサー、ガスセンサー、濃度センサー、イオンセンサー等に用いられる表面プラズモン共鳴センサー素子に関するものである。

近年、表面プラズモン共鳴を利用して、バイオセンサー、光センサー、ガスセンサー、濃度センサー、イオンセンサー等の各種センサーが提案されている。

前記表面プラズモン共鳴とは、例えば、ガラスプリズムの一面にナノメートルオーダーの厚さの金属薄膜を形成しておき、該金属薄膜の裏面側から全反射条件にて入射光を照射したときに、該金属薄膜の表面に沿って発生するエバネッセント波が該金属薄膜の反対側に達して、該エバネッセント波と波数が一致する表面プラズモンを共鳴励起する現象である。尚、前記金属薄膜は、所定間隔で均一に分布している金属微粒子からなる金属微粒子状薄膜であってもよく、この場合に金属微粒子の表面に共鳴励起される表面プラズモンは局在表面プラズモンと呼ばれることがある。

前記エバネッセント波の波数は前記入射光の入射角により変化するので、該入射角を調整することにより、前記金属薄膜の反対側で前記表面プラズモンを強制的に共鳴励起させることができる。一方、前記入射光は、前記エバネッセント波が前記表面プラズモンを共鳴励起することによりエネルギーを消費するので、反射光の強度低下（反射率低下）が生じる。前記強度低下が最も強く生じる角度は共鳴角と呼ばれ、前記表面プラズモンの波数と直接的な関係がある。また、共鳴励起される前記表面プラズモンの波数は、前記金属薄膜の該表面プラズモンが励起される表面の特性により変化する。

従って、前記反射光の強度の角度分布から前記共鳴角を求め、該共鳴角の変化を把握することにより、前記金属薄膜表面における物質の特性、変化等を検知することが可能になる。また、前記共鳴角の変化に代えて、反射光の吸収スペクトルの変化、反射強度の変化等を把握することによっても、前記金属薄膜表面における物質の特性、変化等を検知することができる。そして、前記原理を応用することにより前記各種センサーを構成することができる。

従来、前記表面プラズモン共鳴を利用するセンサーとして、光ファイバーの導光コアの先端部を導光方向に沿って先鋭化し、先鋭化された該先端部に金属薄膜を形成したものが知られている（例えば特許文献１参照）。

前記センサーは、前記光ファイバーの導光コアの先端部を導光方向に沿って先鋭化して測定面とすることにより、該測定面と該導光コアによる導光方向との間に、前記表面プラズモン共鳴に必要な所定の光の入射角を設定する。前記センサーでは、光源から照射されたレーザー光等の光線を前記光ファイバーにより、該光ファイバー先端部の先鋭化された測定面に導くと、入射光は測定対象物質に応じて反射される。そこで、前記測定対象物質に応じて反射された反射光の強度変化を検出することにより、測定対象物質の特性、変化等を検知する。

前記共鳴角の変化を把握して測定対象物質の特性、変化等を検知する方法によれば、入射光の角度を変化させる必要があるため、装置が大型化、高価格化するという問題がある。この点、前記光ファイバーの導光コアの先端部を導光方向に沿って先鋭化して測定面としたセンサーによれば、入射光を導光コアを介して前記測定面に案内すると共に、該測定面で反射された反射光を該導光コアを介して検出器に導き、該反射光の強度変化を検出すればよいので、装置構成が簡略化される。

しかしながら、前記従来のセンサーによれば、前記光ファイバーの導光コアの先端部を導光方向に沿って先鋭化して測定面としているために、該測定に有効な面積が限定され、十分な測定精度を得ることが難しいという不都合がある。
特開２００１−１６５８５２号公報

本発明は、かかる不都合を解消して、優れた測定精度を備える表面プラズモン共鳴センサー素子を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために、本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子は、一端から入射された光を他端に導く光ファイバーと、該光ファイバーの他端部に、該光ファイバーの導光コアを球状化させ該導光コアと一体に形成され、導かれた光を閉じ込めて共振させる直径が数μｍ〜数１０μｍの微小球と、該微小球の表面に形成された表面プラズモンを励起可能な金属薄膜とを備えることを特徴とする。

本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子では、前記光ファイバーの一端から入射した入射光は、該光ファイバーにより前記微小球に導かれ、該微小球内に閉じ込められて繰り返し回転することにより共振する。このとき、前記入射光が前記微小球内で回転することにより、該微小球の表面に沿ってエバネッセント波が発生し、該エバネッセント波が、該金属薄膜の外表面に表面プラズモンを共鳴励起させる。

ここで、前記入射光は前記微小球内でその表面に沿って、例えば１０^９回／ｍｓ程度の割合で、１〜１０ｍｓの間、回転する。この結果、前記物質の特性、変化等の測定に有効な面積は、前記入射光が前記微小球内部を回転する数に比例して、該微小球の実際の表面積の１０^９〜１０^１０倍となり、測定精度が著しく増大される。従って、本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子によれば、測定時の有効面積を増大することによって優れた測定精度を得ることができる。

本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子において、前記光ファイバーは、石英ファイバーであってもよく、プラスチックファイバーであってもよい。

前記金属薄膜は、前記微小球の表面全面を被覆して形成された１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを備える被覆層により構成されていることが好ましい。前記金属薄膜は、厚さが１０ｎｍ未満では均一な被覆層を形成することが難しくなることがあり、１００ｎｍを超えるとエバネッセント波が該被覆層を透過しにくくなり、表面プラズモンを共鳴励起させることが難しくなることが考えられる。

前記被覆層は、例えば、金、銀、銅、アルミニウムからなる群から選択される１種以上の金属により構成することができる。

また、前記金属薄膜は、平均粒子径５０ｎｍ以下の金属微粒子が１０〜１００ｎｍの範囲の間隔で均一に分布している金属微粒子状薄膜により構成されていることがさらに好ましい。前記金属薄膜が前記金属微粒子状薄膜である場合には、前記被覆層に比較して、前記物質の特性、変化等の測定に有効な面積がさらに増大され、測定精度をさらに著しく増大させることができる。

前記金属微粒子状薄膜によれば、前記表面プラズモン共鳴と同一の原理により局在表面プラズモン共鳴が起きるが、該金属微粒子の平均粒子径が５０ｎｍを超えると、該局在表面プラズモン共鳴が起きにくくなることが考えられる。一方、前記金属微粒子の間隔が１０ｎｍ未満では、平均粒子径５０ｎｍ以下の金属微粒子を独立して形成することが難しく、該金属微粒子の間隔が１００ｎｍを超えると、前記物質の特性、変化等の測定に有効な面積を増大させる効果が十分に得られなくなることが考えられる。

前記金属微粒子状薄膜は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される１種以上の金属により構成することができる。

次に、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態についてさらに詳しく説明する。図１は本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子の一態様の構成を示す説明的断面図であり、図２は本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子を用いる測定装置の構成例を示すシステム構成図であり、図３は図１に示す表面プラズモン共鳴センサー素子の作動説明図であり、図４は表面プラズモン共鳴の検出方法を示すグラフである。また、図５は本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子の他の態様の構成を示す説明的断面図であり、図６は図１、図５に示す表面プラズモン共鳴センサー素子の変形例を示す説明的断面図である。

まず、図１を参照して、本実施形態の一態様の表面プラズモン共鳴センサー素子１ａの構成について説明する。本態様において、表面プラズモン共鳴センサー素子１ａは、光ファイバー２と、光ファイバー２の先端部に形成された微小球３と、微小球３の表面に形成された金属薄膜からなる被覆層４とを備える。

光ファイバー２は、中心をなす導光コア５と、導光コア５の周囲を包囲するクラッド６とからなり、導光コア５の長さ方向に沿って光を伝達できるようになっている。前記光ファイバー２は、石英ファイバーであってもよく、またはポリカーボネート等のプラスチックからなるプラスチックファイバーであってもよい。

微小球３は、後述の方法に従って、光ファイバー２の先端部からクラッド６を除去した後、導光コア５を球状化させることにより、導光コア５と一体に形成されたものであり、導光コア５により導かれた光を閉じ込めて共振させることができる大きさを備えている。微小球３の大きさは導かれる光の波長によっても異なるが、例えば導かれる光がレーザー光であるときには、数μｍ〜数１０μｍの直径とされる。

被覆層４は、微小球３の全表面を被覆して形成された金属薄膜であり、１０〜１００ｎｍの範囲の厚さを備えることにより、表面プラズモンを励起可能とされている。被覆層４は、例えば、金、銀、銅、アルミニウムからなる群から選択される単一の金属または合金により形成されている。

次に、本態様の表面プラズモン共鳴センサー素子１ａの製造方法について、説明する。表面プラズモン共鳴センサー素子１ａを製造する際には、まず、光ファイバー２の先端部からクラッド６を除去すると共に導光コア５の先端部を細線化する。前記細線化は、光ファイバー２が石英ファイバーの場合には、加熱による引き伸ばし、または化学的薬品を用いたエッチングにより行われる。

前記エッチングはＨＦ等の導光コア５とクラッド６とを溶解することができる成分を含むエッチング液、例えば、４０％フッ化アンモニウム水溶液：５０％ＨＦ：Ｈ_２Ｏ＝Ｘ：１：１（重量比）の組成を備えるエッチング液を用いて行うことができる。前記エッチングにより、クラッド６が除去されると同時に、導光コア５が細線化される。前記エッチング液によるエッチングレートは４０％フッ化アンモニウム水溶液の濃度に依存し、Ｘの値が大きくなるほど遅くなる。前記エッチングレートは、例えばＸ＝１０の場合には８μｍ／時となる。

一方、光ファイバー２がプラスチックファイバーの場合には、前記細線化は、加熱による引き伸ばし、またはアセトン、酢酸メチル等の有機溶剤を用いた溶解により行われる。

前述のようにして導光コア５の先端部が細線化されたならば、次に導光コア５の細線化された部分に、例えばＣＯ_２レーザー等のレーザー光を照射して、高いエネルギー密度で該部分を溶解させて球状化させ、微小球３を形成する。導光コア５の細線化された部分は、前述のようにして溶解させると、石英またはプラスチックの高い表面張力によって自己形成的に球状化し、高い真球度を備える微小球３が形成される。

導光コア５の細線化された部分は、ガスバーナー等により加熱して溶解させるようにしてもよいが、該部分は微小であるので前記ＣＯ_２レーザー等のレーザー光を照射して加熱する方が適している。ＣＯ_２レーザーの照射による場合、そのパワー密度は石英ファイバーに対しては約１０００Ｗ／ｃｍ^２とし、プラスチックファイバーに対しては約１００Ｗ／ｃｍ^２とすることが適している。また、微小球３の大きさは、導光コア５の細線化された部分の長さを調整することにより制御することができる。

次に、前述のようにして形成された微小球３の表面全面に被覆層４を形成する。微小球３の表面に被覆層４を形成する方法は、特に限定されず、真空蒸着、スパッタリング、メッキ等のそれ自体公知の方法により行うことができる。例えば、前記真空蒸着により被覆層４の形成を行う場合には、微小球３を回転させながら行うことにより、微小球３の表面に均一な厚さに金属を蒸着させることができる。また、光ファイバー２がプラスチックファイバーである場合には、プラスチックファイバーが損傷を受けないように低温蒸着を行うことが好ましい。

本態様の表面プラズモン共鳴センサー素子１ａは、例えば図２（ａ）に示す測定装置１１に用いることができる。測定装置１１は、光ファイバー２の一端部に接続された光源１２と、光ファイバー２の他端部にスプライサー１３を介して接続された表面プラズモン共鳴センサー素子１ａとを備え、さらに光ファイバー２の途中に配設されたファイバーカプラー１４と、ファイバーカプラー１４に接続された光検出器１５とを備えている。表面プラズモン共鳴センサー素子１ａは、測定対象に接触されており、例えば測定対象が容器１６に収容された溶液１７である場合には溶液１７中に浸漬されている。尚、表面プラズモン共鳴センサー素子１ａは、スプライサー１３を介して光ファイバー２に接続されることにより、使い捨てが可能になる。

次に、図２乃至図４を参照して、測定装置１１の作動について、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子１ａを用いて抗原抗体反応を検出する場合を例として説明する。

測定装置１１では、まず、図２に示す光源１２からチタン−サファイアレーザー等の周波数可変または一定のレーザー光１８を、光ファイバー２に照射する。すると、図３（ａ）に示すように、レーザー光１８は、導光コア５を介して光ファイバー２の先端の微小球３に案内される。そこで、光源１２によりレーザー光１８の波長を調整すると、レーザー光１８が微小球３内に閉じ込められて繰り返し回転し、これにより共振する光閉じ込めモード（ＷＧ（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−Ｇａｒｅｌｌｙ）ｍｏｄｅ）が発現する。前記ＷＧモードが発現すると、微小球３の表面に沿ってエバネッセント波（図示せず）が発生し、金属薄膜からなる被覆層４を透過した該エバネッセント波が、被覆層４の外表面に表面プラズモンを共鳴励起させる。前記ＷＧモードにおいて、レーザー光１８は微小球３内でその表面に沿って、１０^９回／ｍｓ程度の割合で、１〜１０ｍｓの間、回転する。

このとき、図３（ｂ）に拡大して示すように、金属薄膜からなる被覆層４の表面に、非特異的な吸着を無くすための自己組織化単分子膜１９を形成し、自己組織化単分子膜１９上に抗体２０をリガンドとして固定しておく。一方、図２に示す溶液１７には、抗体２０に対し特異的に反応する抗原２１をアクセプターとして一定割合で含有させておく。

この状態で、溶液１７に浸漬された表面プラズモン共鳴センサー素子１ａ上の抗体２０と、溶液１７中の抗原２１との間で特異的抗原抗体反応が起き、抗体２０に抗原２１が結合（分子吸着）すると、反応前の状態に比べて金属薄膜からなる被覆層４の表面における誘電定数（反射・屈折率）が変化する。この結果、金属薄膜からなる被覆層４の表面における表面プラズモンの共鳴励起条件が変化して、前記ＷＧモードとなっているレーザー光１８に変化が起きる。そこで、前記レーザー光１８の変化を光検出器８により検出することにより、前記抗原抗体反応を検出することができる。

図２（ａ）の光源１２として例えば周波数可変単一周波数レーザーを用いる場合には、光検出器１５として例えば光強度検出器を用いることにより、レーザー光１８の変化をレーザー光１８の反射光により検出することができる。この場合、図４（ａ）に示すように、反応（分子吸着）前には特定の周波数で反射光強度が大きく低減しているが、反応（分子吸着）後には前記ＷＧモードの変化により、特定の周波数での反射光強度の低減が小さくなる。

また、図２（ａ）の光源１２として例えばパルス幅１ｐｓの波長可変超短パルスレーザーを用いる場合には、光検出器１５として例えば超高速光オシロスコープまたはストリークカメラを用いることにより、レーザー光１８の変化を反射光強度が消失するまでの時間により検出することができる。この場合、図４（ｂ）に示すように、反応（分子吸着）前には反射光強度が消失するまで１ｍｓ以上の時間を要していたものが、反応（分子吸着）後には前記ＷＧモードの変化（プラズモン共鳴によるＷＧモードの消失）により、１ｎｓ程度と急激に短くなる。

さらに、前記レーザー光の変化は、表面プラズモンによる発光強度を検出することにより検知するようにしてもよい。この場合には、図２（ｂ）に示すように、試料溶液１７の容器１６の壁面等の表面プラズモンによる発光を検出できる位置にアダプター２２を設け、アダプター２２に光ファイバー２３を介して光検出器１５を接続する。

図２（ｂ）の光源１２としては、例えば、周波数可変単一周波数レーザーを用いることができ、光検出器１５としては、例えば、分光器と光強度検出器とからなるものを用いることができる。この場合、図４（ｃ）に示すように、反応（分子吸着）前に非共鳴のため観測されなかった発光が、反応（分子吸着）後にはエバネッセント光と表面プラズモンが共鳴するようになり、表面プラズモン特有の発光（例えば、金の微粒子ならば波長６３０ｎｍ程度の赤色発光）を示すようになる。

本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子１ａでは、前記ＷＧモードにおいて、レーザー光１８が微小球３内でその表面に沿って、１０^９回／ｍｓ程度の割合で、１〜１０ｍｓの間、回転しているので、前記レーザー光１８の変化を検出するために有効な面積が、微小球３の実際の表面積に対して１０^９〜１０^１０倍となっている。従って、表面プラズモン共鳴センサー素子１ａによれば、前記レーザー光１８の変化、換言すれば前記抗原抗体反応の測定精度を著しく増大させることができる。

次に、図５を参照して、本実施形態の他の態様の表面プラズモン共鳴センサー素子１ｂの構成について説明する。本態様において、表面プラズモン共鳴センサー素子１ｂは、光ファイバー２と、光ファイバー２の先端部に形成された微小球３と、微小球３の表面に形成された金属微粒子２４からなる金属微粒子状薄膜２５とを備える。

光ファイバー２及び微小球３の構成、微小球３の形成方法は、図１に示す表面プラズモン共鳴センサー素子１ａの場合と全く同一である。

金属微粒子２４は、平均粒子径５０ｎｍ以下であり、微小球３の表面に１０〜１００ｎｍの範囲の間隔で均一に分布して、金属微粒子状薄膜２５を形成している。金属微粒子２４は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される単一の金属または合金により形成されている。

金属微粒子２４は、例えば、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される単一の金属または合金の金属酸化物薄膜を形成した後、該金属酸化物薄膜を水素含有ガスで還元処理することにより、微小球３の表面に形成することができる。

前記金属酸化物薄膜の製膜法は特に限定されないが、真空製膜法を採用するのが好ましい。真空製膜法としては、従来公知のＲＦ反応性マグネトロン・スパッタリングなどのＤＣ型スパッタリング、真空蒸着、イオンプレーティング等の何れを用いてもよい。成膜するための装置は特に限定されない。

製膜時の金属酸化物の組成は、真空製膜法で使用される酸素ガス濃度によって決定され、酸素濃度が高い場合には酸素リッチな酸化物薄膜が、酸素濃度が低い場合には金属リッチな薄膜が得られる。また、酸素ガス濃度または酸素ガス導入量が水素含有ガスによる還元後の金属微粒子状薄膜２５を形成する金属微粒子２４の粒子径を決定する基本的な因子となるので、所望の粒子径を備える金属微粒子２４が得られるように、酸素ガス濃度とその導入量を予め定めておくことが好ましい。前述のようにして形成される金属酸化物薄膜の膜厚は特に限定されないが、通常１〜１０００ｎｍ程度である。

次に、前述のようにして製膜された金属酸化物薄膜を水素含有ガスで還元処理する。水素含有ガスとしては、水素ガス単独の他に、酸素やアルゴン等の希ガスとの混合ガスを用いることができる。

前記還元処理としては、ＨＦ溶液等による湿式還元法も可能であるが、水素還元処理は真空装置を用いた低圧力下で行うことにより安全であり、また加熱を必要としないため、光ファイバー２がプラスチックファイバーである場合には、広面積に均一に還元処理が可能で非常に有効である。このため、前記水素含有ガスによる反応性イオンエッティング法が最も好ましい。

前記反応性イオンエッチング法に使用する電力量は、電極間の距離と大きさで決定されるため、特に限定されるものではないが、１００Ｗ程度で充分である。入力電力は、酸素によって金属が取り除かれることなく、所望とする金属微粒子状薄膜２５を得ることができるように設定する。

本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子１ｂは、共鳴励起されるのが局在表面プラズモンである点を除いて、図１に示す表面プラズモン共鳴センサー素子１ａと全く同一に用いることができる。そして、本実施形態の表面プラズモン共鳴センサー素子１ｂによれば、前記局在表面プラズモンが、金属微粒子状薄膜２５を構成する個々の金属微粒子２４に共鳴励起されるので、表面プラズモン共鳴センサー素子１ａの金属薄膜からなる被覆層４に比較して、前記物質の特性、変化等の測定に有効な面積をさらに増大させることができ、測定精度をさらに著しく増大させることができる。

本実施形態では、図１、図５に示すように、直線形状の導光コア５の先端に微小球３を備える表面プラズモン共鳴センサー素子１ａ，１ｂについて説明しているが、図６に示すように導光コア５は先端ほど細くなるテーパー形状とされていてもよい。前記テーパー形状は、例えば導光コア５を細線化する際のエッチングまたは加熱引き伸ばしの条件を調整することにより得ることができる。このテーパー形状を形成することによって、微小球内への光閉じ込め効果をより一層増大させることが可能となり、測定精度をさらに著しく増大させることができる。

導光コア５が前記テーパー形状とされている場合、表面プラズモン共鳴センサー素子１ａ，１ｂは、図６（ａ）に示すように、該テーパー形状の導光コアの先端部に単一の微小球３を備えていてもよく、図６（ｂ）に示すように、該テーパー形状の導光コア５の側面に複数の微小球３を備えていてもよい。前記テーパー形状の導光コア５の側面に複数の微小球３を備えるようにするには、別途製造された微小球３をピエゾ位置決め装置を用いて導光コア５の先端部側面に接近させればよい。このようにすると、微小球３はファン・デル・ワールス力により導光コア５の先端部側面に自然に接着する。

図６（ａ）、図６（ｂ）に示す微小球３に対する被覆層４、金属微粒子状薄膜２５の形成は、前述と全く同一の手順により行うことができる。

本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子の一態様の構成を示す説明的断面図。 表面プラズモン共鳴センサー素子を用いる測定装置の一構成例を示すシステム構成図。 図１に示す表面プラズモン共鳴センサー素子の作動説明図。 表面プラズモン共鳴の検出方法を示すグラフ。 本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子の他の態様の構成を示す説明的断面図。 本発明の表面プラズモン共鳴センサー素子の変形例を示す説明的断面図。

符号の説明

１ａ，１ｂ…表面プラズモン共鳴センサー素子、 ２…光ファイバー、 ３…微小球、 ４…被覆層、 ５…コア、 ２５…微粒子状薄膜。

Claims (7)

1. 一端から入射された光を他端に導く光ファイバーと、
   該光ファイバーの他端部に、該光ファイバーの導光コアを球状化させ該導光コアと一体に形成され、導かれた光を閉じ込めて共振させる直径が数μｍ〜数１０μｍの微小球と、
   該微小球の表面に形成された表面プラズモンを励起可能な金属薄膜とを備えることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサー素子。
2. 前記光ファイバーは、石英ファイバーであることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。
3. 前記光ファイバーは、プラスチックファイバーであることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。
4. 前記金属薄膜は、前記微小球の表面全面を被覆して形成された１０〜１００ｎｍの範囲の厚さの被覆層により構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。
5. 前記被覆層は、金、銀、銅、アルミニウムからなる群から選択される１種以上の金属により構成されていることを特徴とする請求項４記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。
6. 前記金属薄膜は、平均粒子径５０ｎｍ以下の金属微粒子が１０〜１００ｎｍの範囲の間隔で均一に分布している金属微粒子状薄膜により構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。
7. 前記金属微粒子状薄膜は、金、銀、銅、白金、パラジウムからなる群から選択される１種以上の金属により構成されていることを特徴とする請求項６記載の表面プラズモン共鳴センサー素子。

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