JP5065119B2 - 表面プラズモンセンサー - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して、検出対象を含む液体又は気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーに関するものである。

近年、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が多く開発されている。表面プラズモンセンサーは、検出対象を含む液体又は気体（以下、単に「試料」と言い、検出対象を含まない液体又は気体は、「試料」とは呼ばないこととする。）の屈折率を検出するためのものであり、溶液の濃度測定、蛋白質・高分子の検出等に広範に用いられている。また、表面プラズモンセンサーは、検出対象を含む液体又は気体の屈折率の時間変化を追うことにより、金属膜の該検出対象を吸着する吸着層への該検出対象の吸着過程や反応の時間変化等も検出することができる。

ここで、従来の溶液の濃度を測定するための表面プラズモンセンサーを例として、表面プラズモンセンサーの具体的な構成について説明する。表面プラズモンセンサーは、石英やガラスなどの誘電体基板上に金属膜が形成されており、該金属膜の該誘電体基板が形成されている側とは反対側の面に、検出対象、例えば所定の分子が吸着可能な吸着層が形成されており、該吸着層に対し上記分子を含む溶液を接触させることにより、該分子を該吸着層に吸着させる。

そして、上記表面プラズモンセンサーは、光源から出射された光ビームを上記金属膜の上記吸着層が形成されている面とは反対側の面に照射することにより、上記溶液の屈折率を検出する。さらに、上記表面プラズモンセンサーは、上記溶液の屈折率の検出と同様に、上記分子を含まない溶媒の屈折率も検出し、上記溶媒の屈折率と上記溶液の屈折率との屈折率変化から、上記溶液の濃度を求めるものである。

上記表面プラズモンセンサーでは、上記屈折率を検出するために、表面プラズモン共鳴を利用している。表面プラズモン共鳴とは、誘電体基板上の金属膜に適切な偏光方向及び入射角で光ビームを入射させた場合、該光ビームの該金属膜に平行な方向の波数と、表面プラズモンの波数とが一致すると、共鳴を起こす現象のことである。なお、表面プラズモンとは、金属表面の自由電子が、金属表面に平行な方向に振動する粗密波である。

すなわち、上記表面プラズモンセンサーでは、上記光ビームを上記金属膜に照射したとき、該光ビームが適切な入射角及び偏光方向で該金属膜に入射されると、該光ビームは該金属膜上において表面プラズモンに変換される。そのため、上記光ビームの上記金属膜に対する反射率は、表面プラズモンに変換された分だけエネルギーが利用されるために小さくなる。

上記光ビームを適切な入射角及び偏光方向で上記金属膜に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で低下していることが分かる。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、上記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。

すなわち、上記適切な入射角とは、上記光ビームのほとんどが上記金属膜上で表面プラズモンに変換される入射角θｍｉｎである。また、上記適切な偏光方向とは、上記誘電体基板と上記金属膜との間に形成された界面の法線と上記光ビームの光軸とを含む面を入射面とし、該入射面に対して平行な偏光方向（ｐ偏光）である。なお、上記光ビームの偏光方向が、上記入射面に対して垂直な偏光方向（ｓ偏光）では、上記表面プラズモン共鳴は起こらない。

上記表面プラズモンセンサーは、表面プラズモン共鳴を利用して入射角θｍｉｎを求めることにより、予め計算された入射角θｍｉｎと上記溶液の屈折率との関係から、該溶液の屈折率を算出することができる。

非特許文献１には、上記金属膜の膜厚及び上記入射角θｍｉｎは、上記金属膜上に接触する媒質の屈折率に依存していると記載されている。したがって、上記入射角θｍｉｎと上記反射率との関係は、上記金属膜上に接触する溶媒又は溶液の屈折率に応じて異なる。そのため、上記表面プラズモンセンサーは、上記分子を含まない溶媒を上記金属膜に接触させた場合と、上記分子を含む溶液を上記金属膜に接触させた場合とにおける屈折率変化を検出することができる。

そして、上記表面プラズモンセンサーは、上記屈折率変化を用いて、予め計算された屈折率と上記溶液の濃度との関係から、該溶液の濃度を算出することができる。

上記表面プラズモンセンサーの金属膜の膜厚は、一般に、検出対象を含む液体又は気体の正確な屈折率を検出するために、検出対象を含まない液体又は気体を金属膜に接触させた場合における、光ビームの該金属膜に対する反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなるように選択される。以下の説明においては、反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなる金属膜の膜厚を膜厚ｄと呼ぶ。

ところで、上記従来の表面プラズモンセンサーには、次の問題点がある。

光路中の光学部品のゴミや光源自体の持つ光の強度分布により、各入射角での入射光量が異なり、この結果、上記反射率が正確に測定できないことである。より具体的に説明すると、金属膜への光ビームの入射角は、その適切な角度を探すために、レンズによって様々な角度を持たせて入射させる。このとき、光路中の光学部品のゴミや光源自体の持つ光の強度分布により、各入射角での入射光量が異なり、この結果、上記反射率が正確に測定できないという問題点である。

そこで、上記問題点の解決方法として、特許文献１では、このような光強度の不均一分布を除くため、金属膜がなく、試料が接しない領域を作り、ここからの反射光をもとに、反射率を得ている。

また、特許文献２では、このような光強度の不均一分布を除くため、ｐ偏光の反射光強度とｓ偏光の反射光強度とから反射率を得ている。

また、特許文献３では、校正用の領域として、測定試料と反応しない参照領域を設け、２本の光ビームをそれぞれの領域に照射することで、測定領域の結果を校正している。
特開２００７−１２７６７０号公報（２００７年 ５月２４日公開） 特開２００１− ４１８８１号公報（２００１年 ２月１６日公開） 特開２００５−２５７４５５号公報（２００７年１０月 ４日公開） Surface Plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Heinz Raether, Springer-Verlag, 1988 p.118〜p.123

しかしながら、上記従来技術には、さらに、以下のような問題点が存在する。

特許文献１では、金属膜と、金属膜のない領域とにまたがって光を照射すると、このエッジ部分では、試料の接触が均一でなくなるという問題点がある。光を金属膜と、金属膜のない領域に光の照射スポットを移動させるためには、別に移動機構を設ける必要があるとともに、光スポットを移動させることで入射角などがずれる虞があるという問題点もある。また、試料が接しない領域を設けるためには、ガイドなどが必要となるという問題点もある。

また、特許文献２では、ｐ偏光の場合及びｓ偏光の場合の２回の測定を行わなければならないという問題点がある。さらに、ｐ偏光とｓ偏光とでは、反射率が異なるため、光学系内の多重干渉による干渉縞が演算後にもノイズ成分として残ってしまうという問題点もある。

また、特許文献３では、測定領域と参照領域のそれぞれの対応した光ビーム及び検出器を設けており、装置の大型化やコストアップを招くという問題点がある。さらに、２本の光ビームを用いているため、それぞれの光ビームの光路は異なっており、各光路中の光学部品のゴミによる影響が各光路によって異なっているという問題点もある。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、屈折率を正確に測定できる表面プラズモンセンサーを提供することである。

本発明の表面プラズモンセンサーは、上記課題を解決するために、光源から出射される光ビームの波長において透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体を接触させた金属膜と、上記光ビームの各入射角に対する上記金属膜からの反射光を検出する検出手段とを備えており、上記光源から出射された光ビームを上記金属膜の上記液体又は上記気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、上記液体又は上記気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーにおいて、上記金属膜と、上記光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない薄膜とが、誘電体基板上に互いに近接して形成されていることを特徴としている。

ここで、光ビームを適切な入射角及び偏光方向で金属膜に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で、急激に低下して極小となることが分かる。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、前記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。

上記構成によれば、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記光ビームの各入射角に対する上記金属膜からの反射光を検出する検出手段を備えている。それゆえ、光源から出射された光ビームを検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体を接触させた金属膜に照射することによって、生じた反射光を該検出手段が検出することにより、各金属膜における入射角θｍｉｎを測定することができるようになっている。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、金属膜と、上記光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない薄膜とが、誘電体基板上に互いに近接して形成されている。なお、測定の際には、上記金属膜からの反射光だけでなく、上記薄膜からの反射光も測定するようにする。

ここで、薄膜は、金属材料であっても良いし、非金属材料であっても良い。ただし、材料の選択又は膜厚の選定により、上記薄膜は、上記光ビームの波長及び測定範囲の入射角において表面プラズモンが励起されない膜とする。

なお、規格化に用いるためには、金属膜及び薄膜に入射する光の入射角の角度範囲で、薄膜からの反射率がほぼ一定であることが好ましい。反射率をほぼ一定にするには、薄膜が金属材料からなる場合には、入射角が臨界角以上で、かつ入射角範囲で表面プラズモンが励起されなければよい。一方、非金属材料からなる場合には、入射角が臨界角以上であればよい。また、この臨界角は、基板、薄膜、試料のいずれかの組み合わせの屈折率比で決まる。

このような構成により、薄膜部分による反射光では、表面プラズモンの励起による損失が無い状態での反射光（≒入射光）の強度分布を測定できる。

なお、上記強度分布には、光ビームの光路中に設けられた光学部品のゴミや光源自体の持つ光の強度分布などの影響が含まれる。

一方、上記金属膜部分による反射光では、光路中に設けられた光学部品のゴミや光源自体の持つ光の強度分布などの影響に加えて、表面プラズモンの励起による損失がある。

なお、本発明の表面プラズモンセンサーの測定対象は、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体の屈折率であるが、本質的には、上記反射光強度における表面プラズモンの励起による損失である。

よって、表面プラズモンの励起による損失の無い上記薄膜部分による反射光を用いて、上記金属膜部分による反射光の強度を規格化することが可能となるので、検出結果から光源自身の光の強度分布であるガウス分布の影響及びレンズやプリズムなどの光学部品に付着したごみ等による不均一な強度分布の影響によるバックグラウンドノイズを排除することができる。このため、上記屈折率を正確に測定することができる。

また、金属膜と薄膜とが互いに近接して形成されているため、金属膜及び薄膜に入射される光ビームが、ほぼ同じ光学系を通過するようにすることができる。よって、金属膜による反射光の光路と、薄膜による反射光の光路とで、共通の光学部品の点数を多くできるので、装置の大型化やコストアップを招かずに済む。

なお、「金属膜と薄膜とが互いに近接して」とは、金属膜と薄膜とが互いに接触せずに近接している場合、及び金属膜と薄膜とが互いに接触して並列している場合の双方を含む概念である。

また、金属膜による反射光と、薄膜による反射光とは、共通の光学部品の点数が多く、上記光学系による影響をほぼ同等に受けることになるので、金属膜による反射光の光路と、薄膜による反射光の光路とが大きく異なることに起因するノイズを規格化の際にほとんど考慮する必要がない。また、共通の光学部品の点数が多いので、光学系の調整を簡単に行なうことができる。

また、金属膜と、薄膜とを、誘電体基板上に互いに近接して形成するだけで良いので、上記共通の光学部品の点数が多い点も考慮すると、表面プラズモンセンサーを含む装置全体の構成を簡易にすることができる。

以上より、簡易な構成で、屈折率を正確に測定できる表面プラズモンセンサーを提供することができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記金属膜と上記薄膜とは、互いに接した状態で、上記誘電体基板上に並列して形成されており、上記光ビームが上記金属膜と上記薄膜とにまたがって照射されることが好ましい。

ここで、光ビームを金属膜及び薄膜に照射する際、各膜に順番に照射してもよいが、光ビームの移動機構が必要であるとともに、光ビームを移動させることで入射角などがずれる虞がある。

しかしながら、上記構成では、金属膜と薄膜とが、誘電体基板上に互いに接した状態で、並列して形成されており、また、上記光ビームが上記金属膜と上記薄膜とにまたがって照射されるようになっている。よって、金属膜による反射光と薄膜による反射光が共通となり、光学系を共通の構成とすることができるので、装置の大型化やコストアップを招かずに済む。

また、金属膜による反射光と、薄膜による反射光とは、共通であり、上記光学系による影響を同等に受けることになるので、金属膜による反射光の光路と、薄膜による反射光の光路とが大きく異なることに起因するノイズを規格化の際に考慮する必要がない。また、共通の光学系なので、光学系の調整が一度で済む。

さらに、光ビームが金属膜と薄膜とにまたがって照射されるようになっているので、移動機構を設ける必要がなく、測定時間も短くすることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記金属膜と上記薄膜との境界線が、上記光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行に形成されていることが好ましい。

上記構成によれば、金属膜及び薄膜間に形成された境界線は、光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されているので、光ビームを金属膜と、薄膜とにまたがって照射すると共に、該光ビームの入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、金属膜及び薄膜の両方に対して、その測定範囲が最も広くなるようにすることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記金属膜の材料は、金を主成分とすることが好ましい。

上記構成によれば、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体は、金属膜に直接接触させる。そのため、金属膜は上記液体又は上記気体によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。

この点、金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。

このため、本発明の表面プラズモンセンサーの金属膜として金を用いることにより、上記検出対象を含む液体又は上記検出対象を含む気体によって化学反応を起こさず、該液体又は該気体の屈折率を高い分解能で検出するとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。

なお、金には不純物が含まれていてもよいが、一般に不純物濃度が高くなると、反射率のｄｉｐが広くなり、検出分解能を下げることになるため、金の純度は高い方が好ましい。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記光源の波長は、６００ｎｍ以上、１５５０ｎｍ以下であることが好ましい。

ここで、金属膜上に表面プラズモンを励起させるためには、光源から出射される光ビームの波長が重要である。上述したように、上記金属膜は金から構成されていることがもっとも望ましいが、金から構成された該金属膜上に表面プラズモンを励起するためには、６００ｎｍ〜１５５０ｎｍの波長の光ビームを該金属膜に照射することが望ましい。

上記光源から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビームを金から構成された上記金属膜に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で上記検出対象を含む液体又は上記検出対象を含む気体の屈折率を検出することができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記薄膜は、金属材料で構成されており、上記光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない膜厚に設定されていても良い。

上記構成により、表面プラズモンが励起される金属膜からの反射光を、表面プラズモンが励起されない膜厚に設定された薄膜からの反射光で規格化することで、バックグラウンドノイズに影響されないようにすることができる。

したがって、検出結果から光源自身の光の強度分布であるガウス分布の影響及びレンズやプリズムなどの光学部品に付着したごみ等による不均一な強度分布の影響によるバックグラウンドノイズを排除することができる。

上記薄膜の金属材料を金属膜と同じ材料とする場合、あらかじめ金属の膜を製膜（成膜）しておき、その一部を薄くすることで、その部分を上記金属膜又は上記薄膜とすることができ、製造が簡易である。また、上記薄膜の金属材料を上記金属膜と異なる材料として該薄膜の膜厚を適宜調整して表面プラズモンが励起されない膜としても良い。このように、上記薄膜の金属材料を上記金属膜と異なる材料にした場合、同じ膜厚で薄膜を表面プラズモンが励起されない状態にすることもできる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記薄膜は、屈折率が上記誘電体基板の屈折率より小さい、または上記液体又は上記気体の屈折率より大きい誘電体材料で構成されていることが好ましい。

上記構成によれば、金属膜で表面プラズモンが励起される（すなわちｄｉｐが生じる）入射角範囲において、薄膜からの反射率を１とすることができる。よって、薄膜からの反射光より入射光の強度分布自体を測定でき、反射光強度を補正する必要がないので、金属膜の反射光強度を、薄膜からの反射光強度によって容易に規格化することができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記薄膜の膜厚は、上記金属膜の膜厚と等しいことが好ましい。

ここで、金属膜と薄膜との膜厚が異なると、金属膜及び薄膜上に吸着層を設ける場合、吸着層の分子が膜の段差部分で斜めになり、試料が均一に吸着されない。また、吸着層を設けない場合でも同様に、試料が均一に接触しなくなるという問題点がある。

上記構成によれば、金属膜と薄膜との膜厚を等しくすることにより、このような問題点を解決し、試料が均一に接触又は吸着するようにすることで、光ビームを金属膜と薄膜とにまたがって照射した場合でも、誤差の少ない測定を行なうことができる。

なお、現実的には、金属膜及び薄膜を作成する際に、想定通りの膜厚にすることや、膜内において膜厚差がまったくない状態にすることは困難である。現在の成膜装置においては、膜厚制御は、領域の大きさにも依るが、膜厚の±５％程度である。よって、金属膜とび薄膜との膜厚差は、金属膜及び薄膜のいずれかの膜厚の５％以下であることが好ましい。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記金属膜の膜厚は、上記検出対象を含まない上記液体又は上記気体を接触させた上記金属膜に対する上記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄであることが好ましい。

上記構成のように、金属膜の膜厚を膜厚ｄとした場合は、光ビームの金属膜に対する反射率の最小値Ｒｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎにおける光ビームの金属膜に対する入射角θｍｉｎとが最小値となる。したがって、金属膜からの反射光強度測定の際、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎを高くすることができ、測定感度を高めることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサーは、上記構成に加えて、上記誘電体基板は、上記表面プラズモンセンサーから着脱可能であることが好ましい。

上記構成によれば、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の検出対象の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属膜が形成された誘電体基板と取り替えることにより、上記表面プラズモンセンサーの感度や測定範囲・測定対象等を適宜変更することができる。

本発明の表面プラズモンセンサーは、以上のように、金属膜と、光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない薄膜とが、誘電体基板上に互いに近接して形成されているものである。

それゆえ、簡易な構成で、屈折率を正確に測定できる表面プラズモンセンサーを提供するという効果を奏する。

本発明の一実施形態について図１〜図１０に基づいて説明すれば以下の通りである。

ここで、図１〜図１０に基づき本発明の一実施形態である表面プラズモンセンサー１について説明する。

〔表面プラズモンセンサーの全体構成〕
まず、表面プラズモンセンサー１の全体構成について図１を参照して説明する。図１は、表面プラズモンセンサー１の全体構成の概略を示す図である。

表面プラズモンセンサー１は、図１に示すように、光源２、コリメートレンズ３、集光レンズ４、プリズム（誘電体基板）５、金属膜６、薄膜１６、第１レンズ７、第２レンズ８、光検出器９、光源駆動回路１０、算出回路１１、及びモニター１２を備えている。

なお、上記構成の他、本来、Ａ／Ｄ変換回路（アナログ／デジタル変換回路）、Ｄ／Ａ変換回路（デジタル／アナログ変換回路）、及び各回路を制御するＣＰＵ（central processing unit）など（不図示）が必要であるが、本発明の目的とはあまり関係がないので、以下では、このような回路やＣＰＵなどに関する説明は省略する。

なお、本実施形態における表面プラズモンセンサー１は、プリズム５上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体（以下、簡単のため「試料」と言い、検出対象を含まない液体又は気体は「試料」とは呼ばないことにする）を接触させた金属膜６に対し、光源２から出射された光ビーム１３を金属膜６の該試料が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該試料の屈折率を検出するものである。なお、以下、同様な説明は省略する。

ここで、センシングを行なうための金属膜６と、上記光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない薄膜１６とが、プリズム５上に近接し、又は互いに接触して並列して形成されている点が、本実施形態における表面プラズモンセンサー１を理解するためのポイントである。

以上の構成によれば、後で詳細を説明するように、金属膜６からの反射光を、薄膜１６からの反射光で規格化することが可能となるため、バックグラウンドノイズに影響されにくい表面プラズモンセンサー１を構成することができる。

また、表面プラズモンセンサー１は、金属膜６及び薄膜１６に接する試料（検出対象を含む液体又は気体）１４（図示せず）の屈折率を正確に検出するものである。

ここで、光ビーム１３を適切な入射角及び偏光方向で金属膜６に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で、急激に低下して極小となることが分かる（図４などを参照）。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、前記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。

また、試料１４としては、検出対象を含む液体又は気体が挙げられる。なお、以下では、検出対象を含まない液体又は気体は、試料とは呼ばないこととする。

以下、本実施形態の表面プラズモンセンサー１のその他の構成の詳細について説明する。

光源２は、光ビーム１３を出射するものであり、半導体レーザや発光ダイオード等が好適に用いられる。光源２から出射された光ビーム１３は、金属膜６に照射されることにより、金属膜６の表面において表面プラズモンを励起する。

ここで、光ビーム１３が複数の波長を含んでいる場合、各波長によって、表面プラズモンの励起条件が異なる。よって、光ビーム１３が複数の波長を含んでいると、光ビーム１３が金属膜６によって反射された反射光の入射角依存性が異なってしまうため、分析が複雑になってしまう。

したがって、光源２の波長領域は、できるだけ狭いことが望ましく、単一波長であることがより好ましい。なお、発光ダイオードなどの波長範囲が広い光源を使用する場合は、分光するなどの工夫が必要となる。

また、光源２から出射された光ビーム１３の偏光方向は、プリズム５と金属膜６との間に形成された界面の法線と、光ビーム１３の光軸を含む面とを入射面としたとき、該入射面に対して平行な偏光方向、すなわちｐ偏光が望ましい。

光ビーム１３は、偏光方向をｐ偏光とすることにより、金属膜６の表面において表面プラズモンを励起することができる。なお、光ビーム１３の偏光方向が上記入射面に対して垂直な偏光方向、すなわちｓ偏光の場合は、光ビーム１３は金属膜６の表面において表面プラズモンを励起することができない。

コリメートレンズ３は、光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換するものである。コリメートレンズ３の焦点距離は、短ければ短いほど、光源２から出射された光ビーム１３の利用効率が上がる。

集光レンズ４は、光源２から出射された光ビーム１３を、一度にある範囲の入射角で、金属膜６上の微小領域に集光するものである。コリメートレンズ３によって光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換しておくことにより、集光レンズ４は効率よく光ビーム１３を金属膜６上に集光することができる。

また、コリメートレンズ３を通った光が発散若しくは集束光であれば、集光レンズ４の位置を調整することにより、様々な入射角で光ビーム１３を金属膜６へ入射させることができる。

集光レンズ４としては、全方位を集光する平凸レンズ等のレンズを用いてもよいし、一方向のみ集光するシリンドリカルレンズ等のレンズを用いてもよい。集光レンズ４として全方位を集光するレンズを用いた場合は、金属膜６への入射角が複雑となるが、照射面積を小さくすることができる。そのため、全方位を集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の局所的な情報を得ることが可能となる。

また、集光レンズ４として一方向のみ集光するレンズを用いた場合は、集光しない方向は元のビームサイズのままであるため、金属膜６への入射角は集光した方向にのみ依存する。そのため、一方向のみを集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の解析が容易となるが、光ビーム１３の照射面積が大きくなる。

金属膜６への入射角の角度範囲は、集光レンズ４の開口数で決まるが、金属膜６上で表面プラズモンが励起される角度が含まれるように決定する必要がある。さらに、金属膜６への入射角の角度範囲を、全ての光ビーム１３が全反射するような範囲にすることも好ましい。なお、コリメートレンズ３及び集光レンズ４は、それぞれ一度平行光にしてから集光する構成にしているが、有限系のレンズ１つで代用してもよい。

プリズム５は、誘電体基板であり、光源２から出射された光ビーム１３を通過させることにより、任意の入射角で光ビーム１３を金属膜６に照射し、金属膜６の表面に表面プラズモンを励起するものである。

プリズム５を構成する材料としては、光源２から出射される光ビーム１３の波長に応じて、光ビーム１３を透過させることができる材料とすれば良く、金属膜６上に表面プラズモンを励起できる材料であれば特に限定されないが、ガラスや樹脂等が好適に用いられる。なお、光源２から出射される光ビーム１３の波長が、赤外であれば、プリズム５を構成する材料としては、シリコンを選択しても良い。

金属膜６の表面に表面プラズモンを効率よく励起するためには、光ビーム１３を入射角が約４５度で金属膜６に照射することが望ましい。しかしながら、光ビーム１３をプリズム５ではなく平行基板を介して、約４５度の入射角で金属膜６に入射させることは困難である。そのため、本実施形態の表面プラズモンセンサー１では、プリズム５を用いることにより、金属膜６に入射角約４５度で光ビーム１３を照射している。

プリズム５としては、図１においては三角プリズムが用いられているが、台形、楔形、半円柱型、及び半球型プリズム等も好適に用いられる。

例えば、プリズム５として半円柱型や半球型プリズムを用いた場合は、半円柱及び半球の中心に向かって光ビーム１３を入射すると、プリズムの入射面への入射角がほぼ直角となるため、この面での反射率が小さくなり、光の利用効率が高くなる。

また、プリズム５として三角プリズムを用いた場合は、入射面での屈折により、プリズムへの入射角と金属膜６への入射角とが異なる角度となってしまうが、半円柱型プリズムに比べ安価であるため、一般的に利用されている。プリズム５は、上述した構成に限られず、金属膜６に適切な角度で光ビーム１３を入射させることができればよいため、他の形状でもよいし、導波路でもよい。

金属膜６は、光源２から照射された光ビーム１３により、表面プラズモンを発生させるものであり、スパッタや蒸着で形成することができる。金属膜６は、プリズム５の所定の一面上に直接形成されていても良い。また、金属膜６をプリズム５と同程度の屈折率を有した誘電体基板上に形成し、該誘電体基板の金属膜６が形成されている側とは反対側の面を、プリズム５の所定の一面上にインデックスマッチング剤を挟んでのせてもよい。

該インデックスマッチング剤としては、市販されている液体やジェル等を用いてもよいし、ＵＶ硬化樹脂を用いてもよい。ただし、金属膜６が形成された上記誘電体基板が傾くと、入射角に誤差が生じるため、該誘電体基板をプリズム５上に安定して固定することが可能なインデックスマッチング剤を用いる必要がある。また、上記誘電体基板又はプリズム５との密着性の向上や、金属膜６の面精度を上げるために、上記誘電体基板又はプリズム５と金属膜６との間に下地層を設けてもよい。

また、金属膜６が形成された上記誘電体基板をプリズム５に対して着脱可能にしておくことにより、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の試料１４の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の組み合わせの膜厚を有する金属膜６が形成された誘電体基板と取り替えることにより、表面プラズモンセンサー１の感度や測定範囲、測定対象等を変えることができる。

なお、プリズム５の所定の一面上とは、プリズム５が図１に示す三角プリズムの場合は三角形の底辺を含む面であり、プリズム５が半円柱型又は半球型プリズムの場合は半円柱又は半球の中心を含む面であり、プリズム５によって光ビーム１３を入射角約４５度で金属膜６に入射させることが可能な面である。

また、金属膜６の表面にさらに特定の分子を吸着できる吸着層を設け、試料１４中の特定の分子を検出する構成としてもよい。試料１４には、検出対象以外の物質が混入している場合、表面プラズモンセンサー１によって試料１４の屈折率を検出すると、上記検出対象及び上記物質が含まれた屈折率が検出されてしまう。そこで、金属膜６に上記吸着層を設けることにより、検出対象のみを吸着させることができ、該検出対象のみの屈折率を検出することが可能となる。

金属膜６を構成する材料としては、表面プラズモンを励起可能な金属又は合金であればよく、例えば、銀、銅、アルミニウム、白金、及び金等が好適に用いられる。金属膜６は、酸化などの経時変化の起こらない、安定した金属から構成されていることが望ましい。

上述した金属のうち、金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。そのため、表面プラズモンセンサー１の金属膜として、金（Ａｕ）は最も好適に用いられる。金属膜６として金を用いることにより、試料１４によって化学反応を起こさず、高い分解能で屈折率を検出することができるとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。なお、金には不純物が含まれていてもよいが、一般に不純物濃度が高くなると、反射率のｄｉｐが広くなり、検出分解能を下げることになるため、金の純度は高い方が好ましい。

金属膜６が金から構成されている場合、金属膜６上に表面プラズモンを励起するためには、約６００ｎｍ以上の波長の光ビーム１３を金属膜６に照射することが望ましい。光源２から約６００ｎｍ以上の波長の光ビーム１３を金から構成された金属膜６に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で試料１４の屈折率を検出することができる。なお、金属膜６が金以外の酸化しやすい材料から構成されている場合、上に誘電体による保護膜を設けることで、酸化を防いでもよい。

また、金属膜６の膜厚は、非特許文献１に記載されているように、主に４つの要素、すなわちプリズム５、金属膜６、試料１４の材料（すなわち屈折率）、及び光源２の波長により、表面プラズモンを励起するための膜厚ｄが決定され、通常、数１０ｎｍ程度である。薄膜１６は、表面プラズモンが励起されない領域を設けるためのものである。規格化に用いるためには、金属膜６及び薄膜１６に入射する光の入射角の角度範囲で、薄膜１６からの反射率がほぼ一定であることが要求される。

薄膜１６の膜厚は、金属膜６の膜厚と等しいことが好ましい。金属膜６及び薄膜１６の膜厚が等しい場合、特に金属膜６上に吸着層を設ける場合、吸着層を均一に設けることができる。特許文献１のように、薄膜１６を設けない構成の場合、金属膜６のエッジ部周辺に、吸着層の吸着分子が斜め又は金属膜６の膜面に対して面内方向を向いてしまい、吸着分子及びこれに吸着する試料の分子が均一にならず、検出誤差を生む。したがって、薄膜１６の膜厚は、金属膜６の膜厚と等しく、かつ表面プラズモンが励起されず、反射率がほぼ一定となる材料を選ぶ。この選定方法については、後に説明するが、金属膜６を誘電体で構成することが好ましい。

また、表面プラズモンセンサー１では、金属膜６と薄膜１６とで形成された境界線は、光ビーム１３の入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されていることが好ましい。金属膜６と薄膜１６とは、互いに近接して形成されていればよい。

これにより、従来の表面プラズモンセンサーの、金属膜６の一部の領域を薄膜１６とすることで、後述の通り、バックグラウンドノイズに影響されにくい表面プラズモンセンサー１を構成することができる。

さらに、図１及び図２に示すように、本実施形態の表面プラズモンセンサー１では、金属膜６及び薄膜１６は、誘電体基板上に互いに接した状態で、並列して形成されている。すなわち、金属膜６及び薄膜１６は、両者ともプリズム（誘電体基板）５上に接しており、かつ互いに接していることが好ましい。

この際、光ビーム１３は、金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射される。光ビーム１３を金属膜６及び薄膜１６に照射する際、各膜に順番に照射してもよいが、光ビーム１３の移動機構が必要であるとともに、光ビーム１３を移動させることで入射角などがずれる虞がある。

金属膜６及び薄膜１６に同時に照射すると、測定時間が短くなるとともに、移動機構が不必要な分、装置の大型化やコストアップを招くことがない。すなわち、従来の表面プラズモンセンサーにおける金属膜の一部の領域を薄膜１６とし、光ビームが金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射されるように構成するだけで、装置の大型化やコストアップを招くこともなく、バックグラウンドノイズに影響されにくい表面プラズモンセンサーを構成することができる。

よって、金属膜６及び薄膜１６は、図１及び図２に示すように、プリズム５上に互いに接した状態で、並列して形成されていることが好ましい。金属膜６と薄膜１６との境界線は、光ビームの入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されているので、それぞれの金属膜に対して、最も測定範囲が広くなるようにすることができる。

第１レンズ７及び第２レンズ８は、プリズム５と金属膜６との間に形成された界面において反射した光ビーム１３を、光検出器９へ集光させて入射させるためのものである。第１レンズ７及び第２レンズ８は、上記界面からの反射光をそれぞれ一度平行光にしてから光検出器９に集光する構成であるが、本実施形態の表面プラズモンセンサー１ではこれに限られず、１つの有限系のレンズを用いてもかまわない。

光検出器９は、プリズム５及び金属膜６の間に形成された界面において光ビーム１３が反射した反射光の強度を検出するものである。光検出器９としては、ＣＣＤ（charge-coupled device）若しくはＣＭＯＳ（complementary metal-oxide semiconductor）イメージや、又はアレイ状検出器を用いることにより、反射光を一度に取り込むことが好ましい。特に、光検出器９としてＣＣＤ又はＣＭＯＳを用いれば、光ビーム１３を撮像した画像領域のうち、どの領域を測定に用いるかを選択することができる。

光源駆動回路１０は、光源２を駆動するものであり、図示しない電源から電圧の供給を受けて光源２に電流を流すことにより、光源２を駆動する。なお、光源２の破壊を防ぐために、光源駆動回路１０には光源２に流す電流値に上限値を設けておくことが好ましい。
算出回路１１は、光検出器９の測定結果から正確な反射率を算出するものであり、ＬＳＩ（large-scale integration）やＩＣ（integrated circuit）などの半導体チップ、又は、これらを複合化したコンピュータなどを用いればよい。具体的な算出方法は、後で述べる。

モニター１２は、算出回路１１に記憶された測定結果や、該測定結果から算出した正確な反射率等の種々の結果を表示するものである。モニター１２としては、例えば、ＣＲＴ（cathode-ray tube）や液晶ディスプレイ等が好適に用いられる。

表面プラズモンセンサー１の金属層６及び薄膜１６に対する試料１４の接触方法を、図２及び図３を用いて説明する。本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、試料１４の屈折率の検出を行うために、試料１４を金属層６及び薄膜１６の表面に接触させる。例えば、試料１４として液体を用いた場合には、図２に示すように、金属層６及び薄膜１６のプリズム５が設けられている側とは反対側の面に液滴として接触させる。

また、例えば、試料１４として液体又は気体を用いた場合には、図３に示すように、金属層６及び薄膜１６表面に設けられたマイクロ流路１５に液体又は気体を流して接触させる。試料１４を金属層６及び薄膜１６表面に接触させる方法としては、上述した方法に限られず、試料１４が金属層６及び薄膜１６表面に接触可能な構成であれば構わない。

〔規格化の原理〕
次に、本実施形態の表面プラズモンセンサー１を用いて、光検出器９及び算出回路１１により、正確な反射率を算出する際の算出方法について図１０を用いて説明する。

図１０は、光検出器９で検出される金属膜６及び薄膜１６からの反射光の強度から１ラインを取り出し、その入射角依存性を示した図（グラフ）である。また、図１０は、算出回路１１の算出結果を示している（なお、これらの結果は、それぞれの結果を分離してみせるために、縦軸方向にずらして掲載している）。

金属膜６及び薄膜１６表面に試料１４がある場合、金属膜６には、ある入射角で表面プラズモンが励起されるため、図１０の実線ｂのように、表面プラズモンの励起された角度で鋭い吸収が起きた強度分布が光検出器９で検出される。

薄膜１６では表面プラズモンが励起されないため、反射光の強度分布は、図１０の破線ａのように光源２自身の強度分布であるガウス分布となるが、レンズ３，４，７及び８やプリズム５などの光学部品に付着したゴミなどで、不均一な強度分布となる。ここで、薄膜１６からの反射光強度分布は、入射光の強度分布そのものであると考えられる。

よって、これを基に、各入射角の入射光量を規格化することができる。また、別の測定時と比較して、入射光の強度変動が起きていないことを確認することもできる。算出回路１１による算出は単純に、実線ｂの破線ａに対する比（実線ｂ／破線ａ）又は実線ｂと破線ａとの差を取ればよい。

この算出結果が、図１０の実線ｃであり、図１０の実線ａにおける光源２のガウス分布による影響（図１０の実線ｂや、破線ａの反射分布強度の全体的傾向）やゴミなどの不均一さ（図１０の実線ｂや、破線ａの反射分布強度の入射角４０度及び４５度附近の小さいピーク）を除くことができる。

ただし、薄膜１６での反射率が１でない場合は、係数をかけるなどして、反射強度を補正をすることが好ましい。

以上、算出回路１１により求められた上記入射角を用いて、試料１４の正確な反射率を求めることができる。その結果、試料１４の屈折率を求めることができ、物質の検知を行うことができる。また、規定物質の濃度を測定する場合には、予め、各濃度に対する上記入射角の関係を測定しておけば、濃度を容易に求めることができる。さらに、正確な反射率から上記入射角を自動算出する構成としてもよい。

上記の構成を有する表面プラズモンセンサー１は、光源２の温度変化や経時変化のみならず、光源駆動回路１０の温度変化などの要因により、入射光の強度変動が起きた場合にも、正確な反射率を得ることができる。

また、金属膜６及び薄膜１６で反射する光がほぼ同じ光路を通るため、上記の要因に加え、光路上の影響にも対応可能である。また、従来に比べて、部品点数を少なくすることができ、低コストとすることができる。

〔薄膜１６の材料の選定〕
次に、薄膜１６の材料の選定方法について、図４〜図９を参照して説明する。

薄膜１６の膜厚は、金属膜６の膜厚と等しいことが好ましいが、上述したように、金属膜６の膜厚は、４つの要素、すなわちプリズム５、金属膜６、試料１４の検出対象を含まない状態の材料（すなわち屈折率）、及び光源２の波長により、種々の構成を選択することができる。以下に、その代表的な例について説明する。

プリズム５の屈折率としては、一般にプリズムに用いられる石英の屈折率１．４６と、高屈折率な誘電体の屈折率２．０とを用いる。

なお、プリズム５の材料としては、石英だけでなくガラスも好適に用いられるが、一般的なガラスの屈折率は約１．５であり、石英の場合とほぼ同様の結果となる。

金属膜６の屈折率は、金属膜６を構成する材料に依存しており、金属膜６を構成する材料は、上述したように種々の材料が考えられる。ただし、以下の説明においては、金属膜６の材料としてＡｕを用いる。Ａｕは、既に述べたように酸化による経時劣化が小さいため、好適に用いられる。

試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率としては、試料１４が検出対象を含む液体である場合と、検出対象を含む気体である場合が考えられる。そのため、試料１４が検出対象を含む液体である場合、検出対象を水に溶かした状態で測定することを想定し、検出対象を溶かす前の溶媒、すなわち水の屈折率１．３３を用いる。また、試料１４が検出対象を含む気体である場合、検出対象を空気又は真空中に溶かした状態を想定し、検出対象を溶かす前の屈折率１．０を用いる。

金属膜６を構成する材料をＡｕとした場合、光源２の波長としては、金属膜６上に表面プラズモンを励起するのに適した赤色から赤外域が用いられる。具体的に、以下の説明においては、半導体レーザの波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、ＹＡＧ（イットリウムアルミニウムガーネット）レーザの波長１０５４ｎｍを用いる。

以下に、上記４つの要素を組み合わせた場合における薄膜１６の材料の選定について第１実施例〜第３実施例を挙げて説明する。

（第１実施例）
まず、薄膜１６の材料の選定の第１実施例について図４及び図５を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を選択した場合における薄膜１６の材料の選定について説明する。

まず、上記４つの要素のうち光源２の各波長における、光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係について図４を参照して説明する。図４は、上記４つの要素で、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図中の点線（短い破線）は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、長い破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長におけるＡｕ膜の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を４０ｎｍとしている。これより、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、ｄｉｐのでる入射角が最も小さいことがわかる。

図５は、光源２の波長として１０５４ｎｍを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を選択した場合における、Ａｕ及びその他の材料（膜厚４０ｎｍ）に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

なお、ｎ＝２は屈折率２．０の誘電体であり、ｎ＝１．４６は屈折率１．４６の誘電体である。これより、金属膜６の材質であるＡｕがｄｉｐを持つ範囲において、反射率がほぼ一定になる材料があること、また、この反射率が１であるものと、それ以外になるものがあることがわかる。材料が誘電体の場合、入射角が臨界角（約４１．７度）以上の範囲で、プリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差により全反射が起こり、反射率が１になっている。

表面プラズモン共鳴が起こるのは、プリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差により全反射が起こる入射角の範囲であるため、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より十分薄い場合は、薄膜１６の屈折率に関わらずプリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差による全反射が起こる。一方、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より厚い場合は、薄膜１６の屈折率を、プリズム５の屈折率より小さく、または試料１４の屈折率より大きくし、ｄｉｐのでる入射角の範囲において、全反射が起こるようにしておく。これらより、薄膜１６からの反射率は理論上１となる。

図５では、ｎ＝１．４６（石英）を例として挙げている。一方、金属ではＡｌが、反射率がほぼ一定になっているが、消衰係数を持つため、金属内部で光が減衰し、反射率は１にはならず、これを用いて規格化する場合は、反射強度の補正が必要である。よって、薄膜１６として試料１４の屈折率より大きい屈折率の誘電体を使用すれば、薄膜１６からの反射率が１となり、この反射光を基に、金属膜６からの反射光を規格化することができる。

また、光源２の他の波長（６３５ｎｍ，７８０ｎｍ）の場合、Ａｕのｄｉｐは、光源２の波長が１０５４ｎｍのときよりも大きな入射角にでる。また、誘電体の屈折率はこの波長範囲でほとんど変わらないため、これらの誘電体を使用することで、同様の効果が得られることがわかる。

（第２実施例）
次に、薄膜１６の材料の選定の第２実施例について図６及び図７を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における薄膜１６の材料の選定について説明する。

まず、上記４つの要素のうち光源２の各波長における、光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係について図６を参照して説明する。図６は、上記４つの要素で、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図６中の点線（短い破線）は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、長い破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長におけるＡｕ膜の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を３５ｎｍとしている。これより、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、ｄｉｐのでる入射角が最も小さいことがわかる。

図７は、光源２の波長として１０５４ｎｍを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における、Ａｕ及びその他の材料（膜厚３５ｎｍ）に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

なお、ｎ＝２は屈折率２．０の誘電体であり、ｎ＝１．４６は屈折率１．４６の誘電体である。これより、金属膜６の材質であるＡｕがｄｉｐを持つ範囲において、反射率がほぼ一定になる材料があること、また、この反射率が１であるものと、それ以外になるものがあることがわかる。

材料が誘電体の場合、入射角が臨界角（約３０．０度）以上の範囲で、プリズム５の屈折率と試料１４との屈折率の差により全反射が起こり、反射率が１になっている。表面プラズモン共鳴が起こるのは、プリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差により全反射が起こる入射角の範囲であるため、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より十分薄い場合は、薄膜１６の屈折率に関わらずプリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差による全反射が起こる。一方、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より厚い場合は、薄膜１６の屈折率を、プリズム５の屈折率より小さく、または試料１４の屈折率より大きくし、ｄｉｐのでる入射角の範囲において、全反射が起こるようにしておく。これらより、薄膜１６からの反射率は理論上１となる。

図７では、ｎ＝１．４６（石英）を例として挙げている。一方、金属ではＡｌが、反射率がほぼ一定になっているが、消衰係数を持つため、金属内部で光が減衰し、反射率は１にはならず、これを用いて規格化する場合は、反射強度の補正が必要である。よって、薄膜１６として試料１４の屈折率より大きい屈折率の誘電体を使用すれば、薄膜１６からの反射率が１となり、この反射光を基に、金属膜６からの反射光を規格化することができる。

また、光源２の他の波長（６３５ｎｍ，７８０ｎｍ）の場合、Ａｕのｄｉｐは、光源２の波長が１０５４ｎｍのときよりも大きな入射角に出る。また、誘電体の屈折率はこの波長範囲でほとんど変わらないため、これらの誘電体を使用することで、同様の効果が得られることがわかる。

（第３実施例）
次に、薄膜１６の材料の選定の第３実施例について図８及び図９を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として１．４６を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における薄膜１６の材料の選定について説明する。

まず、上記４つの要素のうち光源２の各波長における、光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係について図８を参照して説明する。図８は、上記４つの要素で、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、及び１０５４ｎｍの光ビーム１３のＡｕ膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。なお、図８中の点線（短い破線）は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、長い破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。

また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長におけるＡｕ膜の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合はＡｕ膜の膜厚を３５ｎｍとしている。これより、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、ｄｉｐのでる入射角が最も小さいことがわかる。

図９は、光源２の波長として１０５４ｎｍを、プリズム５の屈折率として１．４６を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における、Ａｕ及びその他の材料（膜厚３５ｎｍ）に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。

なお、ｎ＝２は屈折率２．０の誘電体であり、ｎ＝１．４６は屈折率１．４６の誘電体である。これより、金属膜６の材質であるＡｕがｄｉｐを持つ範囲において、反射率がほぼ一定になる材料があること、また、この反射率が１であるものと、それ以外になるものがあることがわかる。

材料が誘電体の場合、入射角が臨界角（約４３．２度）以上の範囲で、プリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差により全反射が起こり、反射率が１になっている。表面プラズモン共鳴が起こるのは、プリズム５の屈折率と試料１４の屈折率の差により全反射が起こる入射角の範囲であるため、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より十分薄い場合は、薄膜１６の屈折率に関わらずプリズム５の屈折率と試料１４の屈折率との差による全反射が起こる。一方、薄膜１６の膜厚が入射光の波長より厚い場合は、薄膜１６の屈折率を、プリズム５の屈折率より小さく、または試料１４の屈折率より大きくし、ｄｉｐのでる入射角の範囲において、全反射が起こるようにしておく。これらより、薄膜１６からの反射率は理論上１となる。

図９では、ｎ＝２．０を例として挙げている。一方、金属ではＡｌが、反射率がほぼ一定になっているが、消衰係数を持つため、金属内部で光が減衰し、反射率は１にはならず、これを用いて規格化する場合は、反射強度の補正が必要である。よって、薄膜１６として試料１４の屈折率より大きい屈折率の誘電体を使用すれば、薄膜１６からの反射率が１となり、この反射光を基に、金属膜６からの反射光を規格化することができる。

また、光源２の他の波長（６３５ｎｍ，７８０ｎｍ）の場合、Ａｕのｄｉｐは、光源２の波長が１０５４ｎｍのときよりも大きな入射角に出る。また、誘電体の屈折率はこの波長範囲でほとんど変わらないため、これらの誘電体を使用することで、同様の効果が得られることがわかる。

以上の結果により、センシングするための金属膜と、光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない薄膜が、誘電体基板上に並列して形成することで、上記金属膜からの反射光を、上記薄膜からの反射光で規格化し、バックグラウンドノイズの影響を抑えることができる表面プラズモンセンサー１を構成できることが検証された。

以上の説明のように、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、光ビーム１３の各入射角に対する金属膜６からの反射光を検出する検出器９を備えている。それゆえ、光源２から出射された光ビーム１３を検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体を接触させた金属膜６に照射することによって、生じた反射光を検出器９が検出することにより、金属膜６における入射角θｍｉｎを測定することができるようになっている。

また、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、金属膜６と、光ビーム１３の波長において表面プラズモンが励起されない薄膜１６とが、プリズム５上に互いに近接して形成されており、薄膜１６からの反射光も測定するものである。

ここで、薄膜１６は、金属材料であっても良いし、非金属材料であっても良い。ただし、薄膜１６は、材料の選択又は膜厚の選定により、光ビーム１３の波長において表面プラズモンが励起されない膜とする。

また、本実施形態の表面プラズモンセンサー１の薄膜１６を、金属材料で構成し、光ビーム１３の波長において表面プラズモンが励起されない膜厚に設定しても良い。

これにより、表面プラズモンが励起される金属膜６からの反射光を、表面プラズモンが励起されない膜厚に設定された薄膜１６からの反射光で規格化することで、バックグラウンドノイズに影響されないようにすることができる。

以上のような構成により、薄膜１６部分による反射光では、表面プラズモンの励起による損失が無い状態での反射光（≒入射光）の強度分布を測定できる。

なお、上記強度分布には、光ビーム１３の光路中に設けられた光学部品（コリメートレンズ３など）のゴミや光源２自体の持つ光の強度分布などの影響が含まれる。

一方、金属膜６部分による反射光では、光路中に設けられた光学部品のゴミや光源２自体の持つ光の強度分布などの影響に加えて、表面プラズモンの励起による損失がある。

なお、表面プラズモンセンサー１の測定対象は、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体の屈折率であるが、本質的には、上記反射光強度における表面プラズモンの励起による損失である。

よって、薄膜１６部分による反射光を用いて、金属膜６部分による反射光の強度を規格化することが可能となるので、検出結果から光源２自身の光の強度分布であるガウス分布などの影響及びコリメートレンズ３やプリズム５などの光学部品に付着したごみ等による不均一な強度分布の影響によるバックグラウンドノイズを排除することができる。このため、上記屈折率を正確に測定することができる。

また、金属膜６と薄膜１６とが互いに近接して形成されているため、金属膜６及び薄膜１６に入射される光ビーム１３を、金属膜６と薄膜１６に同時に照射することができ、光ビーム１３のうち、金属膜６と薄膜１６に照射される部分は、ほぼ同じ光学系を通過するようにすることができる。よって、金属膜６による反射光の光路と、薄膜１６による反射光の光路とで、共通の光学部品の点数を多くできるので、表面プラズモンセンサー１の大型化やコストアップを招かずに済む。

なお、「金属膜６と薄膜１６とが互いに近接して」とは、金属膜６と薄膜１６とが互いに接触せずに近接している場合、及び金属膜６と薄膜１６とが互いに接触して並列している場合の双方を含む概念である。

また、金属膜６による反射光と、薄膜１６による反射光とは、共通の光学部品の点数が多く、上記光学系による影響をほぼ同等に受けることになるので、金属膜６による反射光の光路と、薄膜１６による反射光と光路とが大きく異なることに起因するノイズを規格化の際にほとんど考慮する必要がない。また、共通の光学部品の点数が多いので、光学系の調整を簡単に行なうことができる。

また、金属膜６と、薄膜１６とを、プリズム５上に互いに近接して形成するだけで良いので、上記共通の光学部品の点数が多い点も考慮すると、表面プラズモンセンサー１全体の構成を簡易にすることができる。

また、本発明の表面プラズモンセンサー１は、金属膜６と薄膜１６とは、互いに接した状態で、プリズム５上に並列して形成されており、光ビーム１３が金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射されることが好ましい。

ここで、光ビーム１３を金属膜６及び薄膜１６に照射する際、各膜に順番に照射してもよいが、光ビーム１３の移動機構が必要であるとともに、光ビーム１３を移動させることで入射角などがずれる虞がある。

しかしながら、上記構成では、金属膜６と薄膜１６とが、プリズム５上に互いに接した状態で、並列して形成されており、また、光ビーム１３が金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射されるようになっている。よって、金属膜６による反射光と薄膜１６による反射光が共通となり、光学系を共通の構成とすることができるので、表面プラズモンセンサー１の大型化やコストアップを招かずに済む。

また、金属膜６による反射光と、薄膜１６による反射光とは、共通であり、上記光学系による影響を同等に受けることになるので、金属膜６による反射光の光路と、薄膜１６による反射光の光路とが大きく異なることに起因するノイズを規格化の際に考慮する必要がない。また、共通の光学系なので、光学系の調整が一度で済む。

さらに、光ビーム１３が金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射されるようになっているので、移動機構を設ける必要がなく、測定時間も短くすることができる。

また、表面プラズモンセンサー１は、金属膜６と薄膜１６との境界線が、光ビーム１３の入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行に形成されていることが好ましい。

これにより、金属膜６及び薄膜１６間に形成された境界線は、光ビーム１３の入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行となるように構成されているので、光ビーム１３を金属膜６と、薄膜１６とにまたがって照射すると共に、光ビーム１３の入射角を変化させて複数の測定を行なう場合に、金属膜６及び薄膜１６の両方に対して、その測定範囲が最も広くなるようにすることができる。

また、表面プラズモンセンサー１は、金属膜６の材料は、金を主成分とすることが好ましい。

ここで、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体は、金属膜６に直接接触させる。そのため、金属膜６は上記液体又は上記気体によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。

この点、金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。

このため、表面プラズモンセンサー１の金属膜６として金を用いることにより、上記検出対象を含む液体又は上記検出対象を含む気体によって化学反応を起こさず、該液体又は該気体の屈折率を高い分解能で検出するとともに、金属膜６の酸化による経時劣化を防ぐことができる。

なお、金には不純物が含まれていてもよいが、一般に不純物濃度が高くなると、反射率のｄｉｐが広くなり、検出分解能を下げることになるため、金の純度は高い方が好ましい。

また、表面プラズモンセンサー１は、光源２の波長は、約６００ｎｍ以上、約１５５０ｎｍ以下であることが好ましい。

ここで、金属膜６上に表面プラズモンを励起させるためには、光源２から出射される光ビーム１３の波長が重要である。上述したように、金属膜６は金から構成されていることがもっとも望ましいが、金から構成された該金属膜６上に表面プラズモンを励起するためには、約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金属膜６に照射することが望ましい。

光源２から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金から構成された金属膜６に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で上記検出対象を含む液体又は上記検出対象を含む気体の屈折率を検出することができる。

また、表面プラズモンセンサー１は、薄膜６は、金属材料で構成されており、光ビーム１３の波長において表面プラズモンが励起されない膜厚に設定されていても良い。

これにより、表面プラズモンが励起される金属膜６からの反射光を、表面プラズモンが励起されない膜厚に設定された薄膜１６からの反射光で規格化することで、バックグラウンドノイズに影響されないようにすることができる。

金属膜６をＡｕ、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用いたとき、金属膜６の膜厚を変えたときの反射率カーブを図１１に示す。これより、膜厚を変えるだけで表面プラズモンが励起されない状態にすることができる。プリズム・金属膜・試料の材料を変えても、同様であることは明らかである。

したがって、薄膜１６を金属膜６と同じ材料とし、膜厚を変えるだけで、薄膜１６からの反射光で規格化することで、バックグラウンドノイズに影響されないようにすることができる。この場合、あらかじめ金属膜６を製膜（成膜）しておき、その一部をエッチングなどの手法により薄くすることで、その部分を金属膜６又は薄膜１６とすることができ、製造が簡易である。また、薄膜１６を金属膜６と異なる金属材料とし、薄膜１６の膜厚を適宜調整して表面プラズモンが励起されない膜としても良い。このように、薄膜１６の金属材料を金属膜６と異なる材料にした場合、同じ膜厚で薄膜１６を表面プラズモンが励起されない状態にすることもできる。

図１２に、金属膜６をＡｕ、薄膜１６をＡｌ、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用いたときの反射率カーブを示す。金属膜６、薄膜１６はともに４５ｎｍである。これより、薄膜１６が金属膜６と異なる金属材料であれば、同じ膜厚で薄膜１６を表面プラズモンが励起されない状態にすることができることがわかる。プリズム・金属膜・試料の材料を変えても、同様であることは明らかである。

したがって、検出結果から光源２自身の光の強度分布であるガウス分布の影響及びコリメートレンズ３やプリズム５などの光学部品に付着したごみ等による不均一な強度分布の影響によるバックグラウンドノイズを排除することができる。

表面プラズモンセンサー１は、薄膜１６は、屈折率がプリズム５より小さい、または試料１４より大きい誘電体材料で構成されていることが好ましい。

これにより、金属膜６で表面プラズモンが励起される（すなわちｄｉｐが生じる）入射角範囲において、薄膜１６からの反射率を１とすることができる。よって、薄膜１６からの反射光より入射光の強度分布自体を測定でき、反射光強度を補正する必要がないので、金属膜６の反射光強度を、薄膜１６からの反射光強度によって容易に規格化することができる。

表面プラズモンセンサー１は、薄膜１６の膜厚は、金属膜６の膜厚と等しいことが好ましい。

ここで、金属膜６と薄膜１６との膜厚が異なると、金属膜６及び薄膜１６上に吸着層を設ける場合、吸着層の分子が膜の段差部分で斜めになり、試料が均一に吸着されない。また、吸着層を設けない場合でも同様に、試料が均一に接触しなくなるという問題点がある。

上記構成によれば、金属膜６と薄膜１６との膜厚を等しくすることにより、このような問題点を解決し、試料が均一に接触又は吸着するようにすることで、光ビーム１３を金属膜６と薄膜１６とにまたがって照射した場合でも、誤差の少ない測定を行なうことができる。

なお、現実的には、金属膜６及び薄膜１６を作成する際に、想定通りの膜厚にすることや、膜内において膜厚差がまったくない状態にすることは困難である。現在の成膜装置においては、膜厚制御は、領域の大きさにも依るが、膜厚の±５％程度である。よって、金属膜６と薄膜１６との膜厚差は、金属膜６及び薄膜１６のいずれかの膜厚の５％以下であることが好ましい。

また、表面プラズモンセンサー１は、金属膜６の膜厚は、上記検出対象を含まない上記液体又は上記気体を接触させた金属膜６に対する光ビーム１３の反射率の最小値が最小となる膜厚ｄであることが好ましい。

このように、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合は、光ビーム１３の金属膜６に対する反射率の最小値Ｒｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎにおける光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎとが最小値となる。したがって、金属膜６からの反射光強度測定の際、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎを高くすることができ、測定感度を高めることができる。

また、表面プラズモンセンサー１は、プリズム５は、表面プラズモンセンサー１から着脱可能であることが好ましい。

これにより、検出対象に応じて金属膜６をプリズム５ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの表面プラズモンセンサー１を用いて、多種の検出対象の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属膜６が形成されたプリズム５と取り替えることにより、表面プラズモンセンサー１の感度や測定範囲・測定対象等を適宜変更することができる。

以上より、簡易な構成で、屈折率を正確に測定できる表面プラズモンセンサー１を提供することができる。

以上、金属膜６及び薄膜１６が、プリズム５上に並列して形成されていることにより、正確な屈折率が測定できる表面プラズモンセンサー１について説明した。

本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。

本発明は、検出対象を含む液体又は気体の屈折率を検出するものであり、上記液体又は上記気体の濃度測定、蛋白質や高分子等の検出等に好適に用いられる。

本発明における表面プラズモンセンサーの一実施形態の全体構成の概略を示す概略図である。 上記表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の一例を示す概略図である。 上記表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の他の例を示す概略図である。 上記金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用いた場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。 プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、入射角と、種々の薄膜からの反射率との関係を示した図（グラフ）である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用いた場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図（グラフ）である。 プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、入射角と、種々の薄膜からの反射率との関係を示した（グラフ）図である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用いた場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す（グラフ）図である。 プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、入射角と、種々の薄膜からの反射率との関係を示した（グラフ）図である。 金属膜にて表面プラズモンが励起され、薄膜にて表面プラズモンが励起されない構成とした場合の測定結果及び算出結果を示す図（グラフ）である。 金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。 金属膜の材質としてＡｕを、薄膜の材質としてＡｌを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、金属膜及び薄膜の膜厚を４５ｎｍとし、光源から出射された波長６３５ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示す図である。

符号の説明

１ 表面プラズモンセンサー
２ 光源
３ コリメートレンズ
４ 集光レンズ
５ プリズム（誘電体基板）
６ 金属膜
７ 第１レンズ
８ 第２レンズ
９ 光検出器
１０ 光源駆動回路
１１ 算出回路
１２ モニター
１３ 光ビーム
１４ 試料（検出対象を含む液体又は気体）
１５ マイクロ流路
１６ 薄膜

Claims (12)

1. 光源から出射される光ビームの波長において透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体を接触させた金属膜と、上記光ビームの各入射角に対する上記金属膜からの反射光を検出する検出手段とを備えており、
   上記光源から出射された光ビームを上記金属膜の上記液体又は上記気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、上記液体又は上記気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーにおいて、
   上記金属膜と、上記光ビームの波長及び測定範囲の入射角において表面プラズモンが励起されない薄膜とが、上記誘電体基板上に互いに近接して形成されており、
   上記検出対象を含む液体又は検出対象を含む気体が、さらに上記薄膜に接触しており、
   上記光源から出射された上記光ビームの各入射角は、臨界角以上であり、
   上記光源から出射された光ビームは、さらに、上記薄膜の上記液体又は上記気体が接触している面とは反対側の面に照射され、
   上記検出手段は、さらに、上記光ビームの各入射角に対する上記薄膜からの反射光を検出することを特徴とする表面プラズモンセンサー。
2. 上記金属膜と上記薄膜とは、互いに接した状態で、上記誘電体基板上に並列して形成されており、上記光ビームが上記金属膜と上記薄膜とにまたがって照射されることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサー。
3. 上記金属膜と上記薄膜との境界線が、上記光ビームの入射角の変化が最も大きくなる方向に対して平行に形成されていることを特徴とする請求項２に記載の表面プラズモンセンサー。
4. 上記金属膜の材料は、金を主成分とすることを特徴とする請求項１から３までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
5. 上記光源の波長は、６００ｎｍ以上、１５５０ｎｍ以下であることを特徴とする請求項４に記載の表面プラズモンセンサー。
6. 上記薄膜は、金属材料で構成されており、上記光ビームの波長において表面プラズモンが励起されない膜厚に設定されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
7. 上記薄膜は、屈折率が上記誘電体基板の屈折率より小さい誘電体材料で構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
8. 上記薄膜は、屈折率が上記液体又は上記気体の屈折率より大きい誘電体材料で構成されていることを特徴とする請求項１から５までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
9. 上記薄膜の膜厚は、上記金属膜の膜厚と等しいことを特徴とする請求項７または８に記載の表面プラズモンセンサー。
10. 上記金属膜の膜厚は、上記検出対象を含まない上記液体又は上記気体を接触させた上記金属膜に対する上記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄであることを特徴とする請求項１から９までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
11. 上記誘電体基板は、上記表面プラズモンセンサーから着脱可能であることを特徴とする請求項１から１０までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。
12. 上記検出手段が検出した上記金属膜からの反射光の強度分布を、上記検出手段が検出した上記薄膜からの反射光の強度分布を用いて規格化した検出データを算出する算出手段を備えていることを特徴とする請求項１から１１までのいずれか１項に記載の表面プラズモンセンサー。

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