JP5373478B2 - 化学物質センサ - Google Patents

Description

本発明は、表面プラズモン共鳴を用いて、化学物質の量、濃度等をセンシングする化学物質センサに関する。

まず、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance）について説明する。表面プラズモンとは、物体の表面（または、境界面）において、境界条件を満たす自由電荷（ほとんどの場合は電子）の集団震動のことである。電磁波が境界面で全反射する時には、エバネッセント波が発生するが、このエバネッセント波と表面プラズモンの位相速度が一致する場合に、表面プラズモンを共鳴的に励起する。この現象を表面プラズモン共鳴という。なお、表面プラズモン共鳴が起こった場合には、入射波のエネルギーは表面プラズモンの励起によって奪われるため、反射率は低下する。また、表面プラズモンの共鳴条件は、物体の表面の屈折率変化に対して敏感に応答する。例えば、金属膜表面の屈折率が変化した場合には、これに応答して表面プラズモン共鳴の生じる電磁波の入射角度、波長及び周波数等が変化する。これを利用した表面プラズモン共鳴構造（以下、ＳＰＲ構造という。）が化学物質センサ等に応用されている。

ＳＰＲ構造を利用した従来技術として、特許文献１がある。特許文献１の化学物質センサ１００は、表面プラズモン共鳴を利用し、分子認識機能性物質に対して特異的反応を示す試料溶液６中の化学物質の測定等を行う。図９は、特許文献１記載の化学物質センサ１００の構成を示す図である。プリズム１の一面に金属膜２、分子認識機能膜５及び試料溶液６の流れる流路７が配置されている。白色光光源８からの入射光３を、偏光子１０がｐ偏光の光波にし、更にコリメーターレンズ１１が平行光にする。入射光３は、金属膜２が配置されたプリズム１の表面で全反射する角度範囲で入射される。その際、入射角度を変化させながら入射される。そして、ある特定の角度のときには、表面プラズモンの励起によって反射光４の強度が低下する。ここで、試料溶液６中の化学物質が分子認識機能膜５に付着した場合には、分子認識機能膜５の屈折率が変化する。金属膜表面の分子認識機能膜５の屈折率等の変化により、表面プラズモンの励起される入射角度が変化する。この変化を検知して試料溶液６中の測定対象の化学物質の濃度等を測定することができる。この化学物質センサは、斜め入射配置を必要とする。また、角度分解可能な検出器アレイ、または、検出器の角度制御機構を必要とする。そのため、精密な角度分解能を必要とする。例えば、１０^−６オーダーの屈折率変化を測定するために、１０^−５°オーダーの角度分解能を必要とする。

この問題を解決した従来技術として、非特許文献１記載の光集積回路型プラズモン素子２１０を利用した化学物質センサがある。非特許文献１記載の光集積回路型プラズモン素子２１０の構造を図１０に示す。なお、図９と対応する構成要素については、同様の符号を付す。この光集積回路型プラズモン素子２１０は、表面プラズモンを生ずる平面多層構造２２０に覆われた光導波路２３０と光導波路基板２４０からなる。平面多層構造２２０は、表面プラズモン共鳴を起こす金属膜２（例えば、金）と、接着を促進する層２２１（例えば、クロム）やセンサの動作範囲の調整等を行う層２２２（例えば、五酸化タンタル）と、その上に吸着形成される図示しない分子認識機能膜を含む。

なお、試料溶液６の流れる流路７は、分子認識機能膜に接するように配置される。光は、光導波路２３０を伝播し、導波モードと表面プラズモンの位相速度が一致する場合、多層構造２２０内で表面プラズモンを励起する。光集積回路型プラズモン素子２１０の導波モードと表面プラズモンの位相速度が一致する条件は、狭いスペクトル帯に限られ、広帯域光３が光導波路２３０に送り出された場合、出力光４のスペクトルは、狭いくぼみを示す。非特許文献１の実験結果の一例を図１１に示す。このくぼみは、光エネルギーが表面プラズモンの励起によって奪われるためである。表面プラズモン伝搬定数はエバネッセント場内での屈折率分布の変化にとても感度がよい。分子認識機能膜に化学物質が付着し、分子認識機能膜の屈折率が変化し、それに伴い、くぼみの位置も変化する。よって、非特許文献１記載の化学物質センサは、くぼみの位置の変化を検知して試料溶液６中の化学物質の濃度等を測定することができる。

特開平６−５８８７３号公報

J.Dostalek、外８名、"Surface plasmon resonance biosensor based on integrated optical waveguide", SENSORS AND ACTUATORS B:CHEMICAL, Elsevier, 1 June 2001, Volume 76, Issues 1-3, Pages 8-12

近年、微量な化学物質に対するセンシングのニーズが大きくなっている。例えば、病理センシングの分野においては従来の採血や体組織採取による患者の負担・苦痛が大きい検査ではなく、汗・尿・呼気等による非侵襲センシングが求められている。このような非侵襲センシングは一般的に測定対象の化学物質の量・濃度が小さく、非常に高感度なセンシング技術が必要となる。例えば、図１１に示すように、非特許文献１記載の化学物質センサは、１０^−２オーダーの屈折率変化（屈折率ｎが１．３３から１．３４に変化した場合）を測定するために、約２０ｎｍ（ナノメータ）のくぼみの現れる波長のシフト（波長が８００ｎｍから８２０ｎｍにシフトする）を感知する必要がある。ここで、１０^−１１オーダーの屈折率変化（屈折率が１．３３から１．３３＋１０^−１１に変化した場合）を測定するために、約２０ａｍ（アトメータ）の波長のシフトを感知する必要がある。このように屈折率変化が小さくなると、波長のシフトも小さくなり、正確にその変化を求めることが困難となる。
本発明は、高感度な化学物質センサを提供することを目的とする。

本発明にかかる化学物質センサは、光共振器内の光エネルギーの一部が表面プラズモン共鳴によって失われるように具備されたＳＰＲ構造を有するレーザ光源部と、もう一つの基準となるレーザ光を出力する基準レーザ光源部と、レーザ光源部からの出力光と基準レーザ光源部からの出力光とを合波する手段と、その合波された光を検出する光検出器と、その光検出器の出力を受けて合波された光のビート周波数を測定する周波数測定器を備える。

本発明によれば、レーザ光源部からの射出光と基準レーザ光源部からの射出光との結合光のビート周波数を検知することにより、従来にない高感度な化学物質センサを実現することができる。例えば、１０^−１１オーダーの屈折率変化を測定するために、１０ｋＨｚオーダーのビート周波数を測定することができればよい。

実施例１の化学物質センサの構成例を示す図。 利得率曲線と反射率曲線の関係を示す図。 基準レーザ光源部３３０がレーザ光源部３２０の金属膜２に化学物質の付着していない場合に射出する光が持つ周波数と同様の周波数を有する光を射出する場合の構成例を示す図。 金属膜２表面の屈折率の変化と検出されるビート周波数との関係を示す図。 実施例２の化学物質センサ４００の構成例を示す図。 実施例３の化学物質センサ５００の構成例を示す図。 変形例１の化学物質センサ５００’の構成例を示す図。 変形例２の化学物質センサ５００”の構成例を示す図。 特許文献１記載の化学物質センサ１００の構成を示す図。 非特許文献１記載の光集積回路型プラズモン素子２１０の構造を示す図。 非特許文献１の実験結果の一例を示す図。

ここで、本発明の実施例について述べる。

実施例１の化学物質センサの構成例を図１に示す。なお、図９と対応する構成要素については、同様の符号を付す。化学物質センサ３００は、ＳＰＲ構造３１０を含むレーザ光源部３２０と、基準レーザ光源部３３０と、結合手段３４０と光検出器３４１及び周波数測定器３５０を有する。レーザ光源部３２０は、ＳＰＲ構造３１０と、利得媒体３２１とを、光共振器３２２の内部に有する。

ＳＰＲ構造３１０は、プリズム１の表面に金属膜２が形成されてなる構造である。金属膜２は、測定対象の化学物質が付着する面と光が照射される面を有する。光３は、金属膜２に対してプリズム１側から０度でない所定の入射角を有して入射する。化学物質の付着を受ける面において、測定対象の化学物質と選択的に反応する物質を塗布してなる分子認識機能膜５が形成されてもよい。これにより、化学物質のセンシングに選択性を持たせることができる。なお、金属膜２と分子認識機能膜５との間に、センサの動作範囲の調整等を行う調整層（図示しない）を有してもよい。測定対象の化学物質と選択的に反応する物質の組合せとしては、例えば、抗原と抗体との反応を用いた反応系や、ＤＮＡのハイブリダイゼーションによる反応系等が挙げられる。なお、必要に応じて、試料溶液６の流れる流路７が、金属膜２、又は、分子認識機能膜５（若しくは上記調整層）に接するように配置されてもよい。この分子認識機能膜５、上記調整層、試料溶液６及び流路７については、以下で説明する他の実施例においても有していてもよい。

表面プラズモン共鳴によって、付着した化学物質の量に依存してＳＰＲ構造３１０の光に対する周波数特性が変化する。例えば、ＳＰＲ構造３１０の反射光４のスペクトルは、ある特定の周波数（例えば、３７５ＴＨｚ）において、表面プラズモン共鳴の条件を満たし、反射率が低下する。金属膜２表面に化学物質が付着した場合には、その屈折率が変化する（例えば、屈折率１．３３から１．３３＋１０^−１１に変化する）。表面プラズモン共鳴の条件は、金属膜表面の屈折率の変化に敏感に反応するため、反射率の低下する周波数も変化する（例えば、３７５ＴＨｚから３７４．９９９９９９９９ＴＨｚに変化する）。

利得媒体３２１は、光共振器３２２内で光を放出・増幅してレーザ発振を起こすが、このレーザ装置のタイプは、例えばガスレーザでも、半導体レーザでも、その他いかなる種類のレーザとしてこのレーザ光源部３２０を構成してもよい。光共振器３２２は、実施例１においては、全反射鏡３２３と一部透過性鏡３２４とのミラー対で構成するのが好適である。この光共振器３２２に、ＳＰＲ構造３１０が、共振器内を伝播する光がそのＳＰＲ構造３１０を介して往復するように備えられ、光共振器３２２内の光は、ＳＰＲ構造３１０で生じる表面プラズモン共鳴によってエネルギーの一部を失うようにされる。このような装置の条件でレーザ発振した光が、一部透過性鏡３２４から出力される。

図１に示す実施例１では、プリズム型のＳＰＲ構造３１０と利得媒体３２１とが、全反射鏡３２３と一部透過性鏡３２４の間に配置される。利得媒体３２１が放出する光を、ＳＰＲ構造３１０で反射し、２枚の鏡３２３，３２４の間で利得媒体３２１、ＳＰＲ構造３１０を介して、光が往復するように配置される。なお、配置の順序は、鏡３２３，３２４に挟まれた利得媒体３２１とＳＰＲ構造３１０が逆の配置でもよく、これは他の実施例においても同様である。利得媒体３２１はポンピングにより、吸収よりも誘導放出の方が優勢な、いわゆる反転分布状態を形成する。光共振器３２２内の光は利得媒体３２１を通過するたびに誘導放出により増幅される。ただし、表面プラズモンを励起する周波数では、ＳＰＲ構造３１０を通過するたびに表面プラズモンの励起にエネルギーを奪われる。

化学物質センサの初期設定において、利得媒体３２１の利得率曲線５０とＳＰＲ構造３１０による反射率曲線６０が、図２の（Ａ）や（Ｂ）のような関係となるように設定する。ＳＰＲ構造３１０による反射率曲線６０の減衰のスロープの中点をカットオフ６１と定義する。カットオフ６１と利得媒体３２１の利得率曲線５０のピーク５１との差をΔカットオフと定義する。例えば、図２（Ａ）（Ｂ）は、それぞれΔカットオフが５ＴＨｚ（波長次元では、１０ｎｍ）、１５ＴＨｚ（波長次元では、３０ｎｍ）の場合を表している。このとき、金属膜２表面に化学物質が付着していない場合には、レーザ光源部３２０は、利得率と反射率の積が最大となる周波数ν（以下「発振周波数」という）において発振する。金属膜２表面に化学物質が付着した場合には、その付着量に応じて、反射率が低下する周波数が変化し、併せて、発振周波数も変化する。変化後の反射率曲線を６０’、発振周波数をν’とする。なお、通常は、金属膜２表面に化学物質が付着した場合には、当該の個所の屈折率が増加し、図１１のように表面プラズモン共鳴を生じる波長は右にシフトする。図２は、横軸を波長ではなく、周波数としているため、反射率曲線は左にシフトする。だが、化学物質が付着した場合に屈折率が低下し、反射率曲線が右にシフトする場合でも、当然に本発明の技術的思想の範囲内である。このように、化学物質の付着量の変化を発振周波数に反映することができるのは、共振器３２２内にＳＰＲ構造３１０を設けているためである。

基準レーザ光源部３３０は、上記レーザ光源部３２０の発振周波数の変化を見るための基準となるもう一つのレーザ光を出力する。例えば、レーザ光源部３２０からＳＰＲ構造３１０を除いた場合に得られる周波数を有する光を出力する。また、図３に示すように、レーザ光源部３２０の金属膜２に化学物質の付着していない場合に射出する光が持つ周波数と同様の周波数を有する光を射出するものであってもよい。レーザ光源部３２０と同様の構成を有し、ＳＰＲ構造３１０’には、参照用の金属膜２’を設け、化学物質等が付着しないように配置する。他にも、レーザ光源部３２０の発振周波数に近くて、化学物質の付着と無関係な、基準となる周波数を有する光を出力するものであればよいが、レーザ光源部３２０の発振周波数が温度等の環境によって変動する場合には、基準レーザ光源部３３０も、レーザ光源部３２０と略同一の環境にあって略同一の周波数変動を生じるものが好適である。なお、レーザ光源部３２０、基準レーザ光源部３３０は、何れも発振周波数が可変であってもよい。以下で説明する他の実施例においても同様である。

レーザ光源部３２０からの出力光と基準レーザ光源部３３０からの出力光とを合波する手段としては、両出力光を光検出器の受光面上で重ね合わせる方法も可能であるが、両出力光の一部ずつを取り出して光路を結合するプリズム（半透鏡）などの結合手段３４０を用いて、その形成する合波光束を光検出器３４１に入射させる形態が好適である。周波数の異なる２つの光を重ね合わせると、その差周波に等しい光のうなりを生じる。このうなりの周波数を「ビート周波数」という。周波数測定器３５０は、光検出器３４１の出力を受けてそのビート周波数を測定する。

基準レーザ光源部３３０の出力する光の周波数をν_０とし、レーザ光源部３２０の化学物質付着前の出力する光の周波数をνとし、付着後の出力する光の周波数をν’とすると、周波数測定装置３５０において測定されるビート周波数は、｜ν_０−ν｜から｜ν_０−ν’｜に変化する。

本発明では、このビート周波数の変化を測定して試料溶液６中の測定対象の化学物質等をセンシングすることができる。このビート周波数の変化を測定することで、従来よりも高感度の化学物質センサを実現することができる。例えば、基準レーザ光源部３３０の発振周波数（例えば、３７５ＴＨｚ）とレーザ光源部３２０の金属膜２に化学物質が付着していない場合の発振周波数を同じにすると、１０^−１１オーダーの屈折率の変化があった場合に（例えば、屈折率が１．３４から１．３４＋１０^−１１に変化した場合）、ビート周波数は、｜ν_０−ν｜（例えば、３７５ＴＨｚ−３７５ＴＨｚ＝０）から｜ν_０−ν’｜（例えば、３７５ＴＨｚ−３７４．９９９９９９９９ＴＨｚ＝１０ｋＨｚ）に変化するので、１０ｋＨｚオーダーのビート周波数を測定することによって、１０^−１１オーダーの屈折率変化に相当する化学物質の付着を検出する高感度センシングが可能となる。

なお、本化学物質センサの初期設定における図２（Ａ）（Ｂ）に示したΔカットオフの値の選び方により、金属膜２表面の屈折率の変化と検出されるビート周波数との関係は図４のようになる。Δｎは、変化前後の屈折率の差である。線分７０は、図２（Ａ）の、Δカットオフの値が５ＴＨz（波長次元では、１０ｎｍ）の場合である。線分７１は、図（Ｂ）の、Δカットオフの値が１５ＴＨｚ（波長次元では、３０ｎｍ）の場合である。図４にも示されるとおり、この領域では、Δカットオフを大きな値とすることにより、化学物質センサの分解能は向上する。Δカットオフの設定にあたっては、測定レンジ内での屈折率変化とレーザ光源部３２０の発振周波数との単調な関係を確保するように化学物質センサを設計した上で、有利な分解能が得られる値を選択すべきである。

ところで、近年、周期的なトポグラフィ（金属膜または金属膜及びそれと界面を接する誘電体の両方に設けられる、凹凸や開口などの周期的な形状変化の分布）を導入した“ＳＰＲ増強構造”を用いることにより、ＳＰＲ効果が増強され、ＳＰＲ共鳴ピークのＱ値を向上できることが明らかになり、注目を集めている。この回折格子として作用する周期的な凹凸等を有する“ＳＰＲ増強構造”においては、光の金属膜面への垂直入射を利用することができ、またその反射光のみならず透過光にもＳＰＲの共鳴ピークが出現する特徴があり、いくつかのセンサへの応用が提案されている（特開２００５−１６９６３号公報、特開２００５−３０８６５８号公報）。

本発明の化学物質センサにおいては、この“ＳＰＲ増強構造”を、レーザ光源部３２０の光共振器３２２を構成するミラー対の片側として、具体的には、全反射鏡と一部透過性鏡とのミラー対を用いる場合の全反射鏡に置換して用いることができる。その実施例２の化学物質センサの構成例を、図５に示す。金属膜２は、周期的なトポグラフィを有し、ＳＰＲ構造３１０’の金属膜であって、かつ、光共振器３２２のミラーの一つである。このＳＰＲ構造３１０’の金属膜２が構成するミラー面２と、そのミラー面に対向して設けられる他の一部透過性ミラー３２４とで光共振器３２２を構成する。この光共振器３２２の内部を伝播する光は、ＳＰＲ構造３１０’の金属膜２に対して垂直入射する。なお、実施例１と同様、レーザ装置のタイプは、ガスレーザでも、半導体レーザでも、その他いかなる種類のレーザであってもよい。

この実施例２の構成においては、図５に示すとおり、光学系の直線的配置が可能となって、構造の簡略化が図られる。また、ＳＰＲ増強により、図２（Ａ）（Ｂ）に示した反射率曲線６０，６０’の急峻化、すなわち共振器としての利得曲線のピークの急峻化が期待できるため、レーザ発振の安定性向上の点からも有利である。

図６に実施例３の化学物質センサ５００の構成例を示す。なお、図９、１０、１及び５と対応する構成要素については、同様の符号を付す。実施例１と異なる部分のみ説明する。ＳＰＲ構造は、光導波路基板２４０の光導波路２３０を有する面において、金属膜２が光導波路２３０を覆う構造を備える光集積回路型プラズモン素子２１０である。なお、金属膜２（例えば、金）に、接着を促進する層２２１（例えば、クロム）やセンサの動作範囲の調整等を行う分子認識機能膜５等を積層し、平面多層構造２２０としても良い。なお、試料溶液６の流れる流路７は、分子認識機能膜５に接するように配置してもよいが、図６には、図示していない。

レーザ光源部５２０は、全反射ミラー素子５２３と一部透過性ミラー素子５２４とを光導波手段５５０で相互に接続してなる光共振器５２２の光路中に、光集積回路型プラズモン素子２１０と、利得光導波手段３２１’とを、直列に介挿して構成される。つまり、レーザ光源部５２０は、全反射ミラー素子５２３と一部透過性ミラー素子５２４との間に、光集積回路型プラズモン素子２１０と、利得媒体を含有する光導波手段である利得光導波手段３２１’とが一列に配され、それらとミラー素子５２３、５２４との間をすべて光導波手段５５０で接続して光導波手段型のレーザ光源を構成する。ここで光導波手段とは、光導波路や光ファイバ等であり、上記の利得光導波手段は、内部に利得媒体を備えて光を放出することのできる光導波路や光ファイバの形態の素子である。なお、全反射ミラー素子５２３と一部透過性ミラー素子５２４との少なくとも一方は、光集積回路型プラズモン素子２１０または利得光導波手段３２１’の何れかの一つの端面として構成されてもよい。

レーザ光源部５２０の一部透過性ミラー素子５２４及び基準レーザ光源部３３０の出射端の各々を光導波手段５５０で、光導波手段型の結合器である光カプラ３４０’、すなわち光導波路の分岐結合器や光ファイバカプラに接続し、その光カプラ３４０’から光検出器３４１までも光導波手段５５０で接続する。こうして、センサの光学系がすべて光導波手段で構成され、必要ならオールファイバ化も可能となって、装置の安定性や取扱いの向上が図られる。

［変形例１］
図７に変形例１の化学物質センサ５００’の構成例を示す。なお、図９、１０、１、５及び６と対応する構成要素については、同様の符号を付す。全反射ミラー素子５２３を光集積回路型プラズモン素子２１０の一つの端面として集積形成し、光集積回路型プラズモン素子２１０の他の端面と利得光導波手段３２１’を光ファイバ５５１で接続する。このような構成にすることによって、光集積回路型プラズモン素子２１０は、光ファイバ５５１のケーブルを介して、化学物質センサ５００’の残余の部分に対し移動自在に結合されるセンシング部を構成する。化学物質センサ５００’全体では、それを設置ないし移動させて対象を測定することが物理的に困難な場合であっても、光集積回路型プラズモン素子２１０をサンプルに接触させ、化学物質の測定をすることができる。

［変形例２］
図８に変形例２の化学物質センサ５００”の構成例を示す。なお、図９、１０、１、５、６及び７と対応する構成要素については、同様の符号を付す。化学物質センサ５００”において、レーザ光源部５２０、基準レーザ光源部３３０及び光導波路型の光カプラ３４０”は、すべて１つの光導波路基板５６０上に設けられる。また、光検出器３４１も同じ基板上に搭載される。ここでそれらを相互に接続する光導波手段は、すべてその基板上に形成される光導波路５５２である。このような構成とすることで、半導体レーザやフォトダイオードを同一の光導波路基板上に集積するような工程と同様の工程により化学物質センサ５００”を作製できる。構成全体を集積化することにより、高精度な組み立て作業は必要なくなり、さらなる小型化、低価格化も可能である。さらに、変形例２では、基準レーザ光源部３３０は、レーザ光源部５２０と同様の構成を有し、共振器５２２及び利得光導波手段３２１’を、レーザ光源部５２０と基準レーザ光源部３３０によって共用することによって、さらなる小型化、低価格化を可能としている。この場合、基準レーザ光源部３３０のＳＰＲ構造２１０’の金属膜２’は、測定対象の化学物質が付着しないようにする。なお、基準レーザ光源部３３０は、別途、光導波路基板５６０上に半導体レーザ等を設けたものであってもよい。また、利得光導波手段３２１’として化合物半導体を用いてもよい。

なお、本発明における化学物質センサは、液体中の化学物質のセンシングのみではなく、気体中の化学物質のセンシングに用いることもできる。以上本発明の実施の形態を説明したが、本発明は上記実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲、及び明細書と図面に記載された技術的思想の範囲内において種々の変形が可能である。

１ プリズム ２ 金属膜 ５ 分子認識機能膜
１００、３００、４００、５００，５００’、５００” 化学物質センサ
２１０ 光集積回路型プラズモン素子 ２２０ 平面多層構造
２３０ 光導波路 ２４０ 光導波路基板 ３１０ ＳＰＲ構造
３２０，５２０ レーザ光源部 ３２１ 利得媒体
３２１’ 利得光導波手段 ３２２，５２２ 光共振器
３３０ 基準レーザ光源部 ３４０ 結合手段
３４０’、３４０” 光カプラ ３４１ 光検出器
３５０ 周波数測定器 ５５０ 光導波手段
５５１ 光ファイバ ５５２ 光導波路

Claims (9)

1. 測定対象の化学物質が付着する面と光が照射される面を有する金属膜を備え、付着した前記化学物質の量に依存して前記光に対する周波数特性が変化する表面プラズモン共鳴構造（以下「ＳＰＲ構造」という）を用いた化学物質センサであって、
   光共振器と、光共振器の内部に収容される利得媒体と、光共振器の内部を伝播する光のエネルギーの一部が表面プラズモン共鳴によって失われるように具備される前記ＳＰＲ構造とを有してなり、前記金属膜に付着した前記化学物質の量に依存した発振周波数でレーザ発振した光を出力するレーザ光源部と、
   基準となる光を出力するもう一つのレーザ光源である基準レーザ光源部と、
   前記レーザ光源部からの出力光と前記基準レーザ光源部からの出力光とを合波する手段と、
   その合波された光を検出する光検出器と、
   前記光検出器の出力を受けて前記合波された光のビート周波数を測定する周波数測定器と、
   を備える化学物質センサ。
2. 請求項１に記載される化学物質センサにおいて、
   前記ＳＰＲ構造は、プリズムの表面に前記金属膜が形成された構造であり、
   前記光共振器の内部を伝播する光は、前記金属膜に対してプリズム側から０度でない所定の入射角を有して入射する
   ことを特徴とする化学物質センサ。
3. 請求項１に記載される化学物質センサにおいて、
   前記ＳＰＲ構造の金属膜は、周期的なトポグラフィを有し、前記光共振器は、前記ＳＰＲ構造の前記金属膜が構成するミラー面と該ミラー面に対向して設けられる他の一部透過性ミラーとでなる光共振器であり、前記光共振器の内部を伝播する光は、前記ＳＰＲ構造の前記金属膜が構成するミラー面に対して垂直入射することを特徴とする化学物質センサ。
4. 請求項１に記載される化学物質センサにおいて、
   前記ＳＰＲ構造は、光導波路基板の光導波路を有する面において、前記金属膜が該光導波路を覆う構造である光集積回路型プラズモン素子であり、
   前記レーザ光源部は、全反射ミラー素子と一部透過性ミラー素子とを光導波手段で相互に接続してなる光共振器の光路中に、前記光集積回路型プラズモン素子と、前記利得媒体を含有する光導波手段である利得光導波手段とを、直列に介挿して構成され、
   前記合波する手段は、光導波手段でなる光カプラであり、
   前記レーザ光源部の前記一部透過性ミラー素子及び前記基準レーザ光源部の出射端の各々と前記光カプラ、並びに前記光カプラと前記光検出器とは、すべて光導波手段で相互に接続されていることを特徴とする化学物質センサ。
5. 請求項４に記載される化学物質センサにおいて、
   前記全反射ミラー素子と一部透過性ミラー素子との少なくとも一方は、前記光集積回路型プラズモン素子または前記利得光導波手段の何れかの一つの端面であることを特徴とする化学物質センサ。
6. 請求項５に記載される化学物質センサにおいて、
   前記全反射ミラー素子は、前記光集積回路型プラズモン素子の一つの端面であり、
   前記光集積回路型プラズモン素子の他の端面と前記利得光導波手段とを接続する光導波手段は、光ファイバであり、
   前記光集積回路型プラズモン素子は、その光ファイバのケーブルを介して、化学物質センサの残余の部分に対し移動自在に結合されるセンシング部を構成することを特徴とする化学物質センサ。
7. 請求項４又は５に記載される化学物質センサにおいて、
   前記レーザ光源部、前記光カプラ及び前記光検出器は、すべて１つの基板上に設けられ、それらを相互に接続する前記光導波手段は、すべてその基板上に形成される光導波路であることを特徴とする化学物質センサ。
8. 請求項１から７の何れかに記載される化学物質センサにおいて、
   前記基準レーザ光源部は、前記レーザ光源部の前記金属膜に化学物質の付着していない場合に射出する光がもつ周波数と同一の周波数を有する光を射出することを特徴とする化学物質センサ。
9. 請求項１から８の何れかに記載される化学物質センサにおいて、
   前記ＳＰＲ構造において、前記金属膜は、前記化学物質の付着を受ける面において測定対象の化学物質と選択的に反応する物質を塗布した分子認識機能膜を有することを特徴とする化学物質センサ。
   

Images