JP5463960B2 - 計測装置 - Google Patents
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Description
本発明は、計測装置に関し、特に、表面プラズモン共鳴を利用した計測装置に関する。
従来の計測装置としては、例えば、特許文献１に記載の減衰全反射型薄膜評価装置（以下、評価装置と称す）が知られている。該評価装置は、光結合用プリズムを介して被評価薄膜に測定用光ビームを照射して、減衰全反射（以下、ＡＴＲと称す）による分析評価を行う。そして、プリズムを、被評価薄膜が配置される面を底面とするその両側の底角が共に鋭角であって、互いに異なる角度に選択されている。該評価装置によれば、雑音の小さい確実な評価を行うことが可能となっている。
しかしながら、特許文献１に記載の評価装置では、ＡＴＲスペクトルを精度よく測定することが困難である。より詳細には、該評価装置では、光ビームの入射角を変化させて、各入射角における被評価薄膜での光ビームの反射率を測定している。ここで、光ビームは、特許文献１の図１に示すように、所定の面に対して垂直に入射することにより、プリズム内に入射することがある。この場合には、光ビームの一部は、所定の面においてレーザー側に反射される。その結果、レーザーから照射された光ビームにノイズが混入してしまう。
そこで、本発明の目的は、表面プラズモン共鳴を利用した計測装置において、ノイズによる測定精度の低下を抑制することである。
本発明の一形態に係る計測装置は、 表面プラズモン共鳴を利用した計測装置であって、入射面及び底面を有するプリズムと、被測定物質と接触する金属薄膜であって、前記底面上に設けられている金属薄膜と、前記入射面を介して前記プリズムに対して光を入射させる光源と、前記金属薄膜において反射した光、又は、該金属薄膜に光が照射されることにより前記被測定物質にて発生した光を受光する受光素子と、前記入射面に対する前記光源からの光の入射角を、０°と重ならない第１の角度範囲で変化させたときにおける前記受光素子の極大値又は極小値を検知する検知手段と、を備えており、前記入射面と前記底面とがなす角度は、９０°を除き、かつ、該入射面に対する前記光源からの光の入射角が前記第１の角度範囲内を変化したときにおいて、前記金属薄膜に対する入射角が変化する第２の角度範囲外であること、を特徴とする。
本発明によれば、表面プラズモン共鳴を利用した計測装置において、ノイズによる測定精度の低下を抑制することができる。
以下に、本発明の一実施形態に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。図１は、一実施形態に係る計測装置１の構成図である。
計測装置１は、表面プラズモン共鳴法（ＳＰＲ法）により、検体中に含まれる抗原の量を測定するための装置である。計測装置１は、図１に示すように、本体２、ポンプ３，４、プリズム１２ａ、金属薄膜１４、光源１６、受光素子１８及び検知部２０を備えている。
本体２は、内部に流路Ｒを有している。ポンプ３は、流路Ｒの一端に設けられ、流路Ｒ内に検体を送り込む。ポンプ４は、流路Ｒの他端に設けられ、流路Ｒ内の検体を流路Ｒから吸い出す。
プリズム１２ａは、図１に示すように、底面Ｓ１、入射面Ｓ２及び出射面Ｓ３を有している三角形のプリズムである。底面Ｓ１と入射面Ｓ２との間の角度は、αである。プリズム１２ａは、ガラスや樹脂等透明誘電体材料により作製されている。
金属薄膜１４は、プリズム１２ａの底面Ｓ１上に設けられており、例えば、Ａｕ，Ａｇ又はＡｌ等の表面プラズモン共鳴を生じる金属により作製されている。金属薄膜１４の厚みは、５０ｎｍである。また、金属薄膜１４のプリズム１２ａと接触している反対側の面には、抗体３０が塗布されている。金属薄膜１４の抗体３０が塗布されている面は、流路Ｒに露出しており、検体と接触している。抗体３０は、検体中に含まれている抗原３２に対して特異的に反応して、抗原３２と結合する。これにより、金属薄膜１４は、抗体３０及び抗原３２と接触する。
光源１６は、例えば、レーザダイオードにより構成され、例えば、６３５ｎｍの波長を有する光Ｂ１を出射する。光Ｂ１は、入射面Ｓ２を介してプリズム１２ａ内に入射する。光Ｂ１は、プリズム１２ａ内に入射した後、金属薄膜１４において全反射し、出射面Ｓ３を介してプリズム１２ａ外に出射する。図１において光源１６が２つ記載されているが、これは、光源１６が移動可能であることを示している。より詳細には、光源１６は、光Ｂ１の入射面Ｓ２に対する入射角γをγ１からγ２の第１の角度範囲内において変化させることができる。そして、図１に示すように、γ１からγ２の第１の角度範囲は、光Ｂ１が入射面Ｓ２に対して垂直に入射するときの入射角γ（＝０°）とは重なっていない。
また、入射角γがγ１であるときには、光Ｂ１は、金属薄膜１４に対して、θ１の大きさの入射角θで入射する。入射角γがγ２であるときには、光Ｂ１は、金属薄膜１４に対して、θ２の大きさの入射角θで入射する。そして、図１に示すように、θ１からθ２の第２の角度範囲は、光Ｂ１が入射面Ｓ２に対して垂直に入射するときの入射角θ（＝α）とは重なっていない。
受光素子１８は、例えば、フォトダイオード等の光電変換素子により構成され、プリズム１２ａの出射面Ｓ３から出射してきた光Ｂ２を受光する。受光素子１８は、光Ｂ２の光量に応じた電圧を有する電気信号を出力信号として生成する。本実施形態では、光Ｂ２の光量が大きくなるにしたがって、出力信号の電圧が大きくなる。図１において受光素子１８が２つ記載されているが、これは、受光素子１８が移動可能であることを示している。
検知部２０は、受光素子１８から出力されてくる出力信号に基づいて、ＳＰＲ共鳴角を検知する。以下に、ＳＰＲ共鳴角の検知について説明する。図２は、入射角θと出力信号の電圧値との関係を示したグラフである。なお、実線は、抗原３２を含まない検体を用いた場合の関係を示し、点線は、抗原３２を含む検体を用いた場合の関係を示している。
プリズム１２ａから金属薄膜１４の界面に光Ｂ１が入射すると、光の電場によって、金属薄膜１４内にプラズモンと呼ばれる自由電子の集団運動が励起される。ここで、プリズム１２ａの屈折率をｎとし、金属薄膜１４の誘電率をεmとし、抗体３０及び抗原３２の誘電率をεsとする。また、光速をｃとし、光の角速度をωとする。以下に示す式（１）が成立するときに、光Ｂ１とプラズモンとの共鳴が起こる。この共鳴を表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）と呼ぶ。そして、このときの入射角θをＳＰＲ共鳴角と呼ぶ。
ｎ（ω／ｃ）ｓｉｎθ＝（ω／ｃ）［εmεs／（εm＋εs）］1/2・・・（１）
表面プラズモン共鳴が生じるのは全反射条件のときであり、光Ｂ１のエネルギーは、金属薄膜１４内の自由電子の運動に結合し金属薄膜１４に吸収される。よって、金属薄膜１４にて反射した光Ｂ２が減衰する。そこで、検知部２０は、図２に示すように、受光素子１８から出力されてくる出力信号の電圧の極小値を検知することにより、ＳＰＲ共鳴角（図２では、θa）と判定する。
更に、金属薄膜１４に塗布されている抗体３０に対して抗原３２が結合すると、抗原３２の結合量に応じて、抗体３０及び抗原３２の誘電率εsが変化する。そのため、ＳＰＲ共鳴角がθaからθbへと変化する。そこで、検知部２０は、抗原３２を含まない検体により試験を行った際のＳＰＲ共鳴角（例えば、θa）と、抗原３２を含む検体により試験を行った際のＳＰＲ共鳴角（例えば、θb）との差Δθを検知することにより、検体に含まれている抗原３２の量を算出できる。
（効果）
前記計測装置１によれば、ノイズによる測定精度の低下を抑制することができる。より詳細には、特許文献１に記載の評価装置では、ＡＴＲスペクトルを精度よく測定することが困難である。より詳細には、該評価装置では、光ビームの入射角を変化させて、各入射角における被評価薄膜での光ビームの反射率を測定している。ここで、光ビームは、特許文献１の図１に示すように、所定の面に対して垂直に入射することにより、プリズム内に入射することがある。この場合には、光ビームは、所定の面においてレーザー側に反射される。その結果、レーザーから照射された光ビームにノイズが混入してしまう。
前記計測装置１によれば、ノイズによる測定精度の低下を抑制することができる。より詳細には、特許文献１に記載の評価装置では、ＡＴＲスペクトルを精度よく測定することが困難である。より詳細には、該評価装置では、光ビームの入射角を変化させて、各入射角における被評価薄膜での光ビームの反射率を測定している。ここで、光ビームは、特許文献１の図１に示すように、所定の面に対して垂直に入射することにより、プリズム内に入射することがある。この場合には、光ビームは、所定の面においてレーザー側に反射される。その結果、レーザーから照射された光ビームにノイズが混入してしまう。
一方、計測装置１では、ＳＰＲ共鳴角の測定時に、光Ｂ１の入射面Ｓ２に対する入射角γをγ１からγ２の第１の角度範囲内において変化させる。そして、図１に示すように、γ１からγ２の第１の角度範囲は、光Ｂ１が入射面Ｓ２に対して垂直に入射するときの入射角γ（＝０°）とは重なっていない。そのため、光源１６が出射した光Ｂ１が入射面Ｓ２において反射したとしても、光源１６に戻ることはない。その結果、光源１６が出射した光Ｂ１にノイズが混入することが抑制され、ノイズによるＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下が抑制される。
なお、計測装置１では、γ１からγ２の角度範囲が０°と重ならないようにするために、プリズム１２ａの底面Ｓ１と入射面Ｓ２とのなす角度αがθ１からθ２の角度範囲と重ならないようにしている。
（変形例）
次に、第１の変形例に係るプリズムについて図面を参照しながら説明する。図３は、第１の変形例に係るプリズム１２ｂの構成図である。
次に、第１の変形例に係るプリズムについて図面を参照しながら説明する。図３は、第１の変形例に係るプリズム１２ｂの構成図である。
プリズム１２ｂは、プリズム１２ａの入射面Ｓ２及び出射面Ｓ３がカットされた形状をなしている。より詳細には、プリズム１２ｂは、底面Ｓ１、入射面Ｓ１２及び出射面Ｓ１３を有している。入射面Ｓ１２及び出射面Ｓ１３と底面Ｓ１とのなす角度は、図３に示すように、略９０°である。
以上のようなプリズム１２ｂによれば、入射角γが０°のときには、光Ｂ１は、金属薄膜１４に平行に進行するので、金属薄膜１４に入射しない。よって、ＳＰＲ共鳴角の測定のために入射角γを変化させる際に、光Ｂ１を入射面Ｓ１２に対して０°の入射角γで入射させることはありえない。その結果、プリズム１２ｂが用いられた計測装置１においても、ノイズによるＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下が抑制される。
次に、第２の変形例に係るプリズムについて図面を参照しながら説明する。図４は、第２の変形例に係るプリズム１２ｃの構成図である。
プリズム１２ｃでは、プリズム１２ａの入射面Ｓ２及び出射面Ｓ３のそれぞれに突起５２，５４が設けられている。突起５２，５４はそれぞれ、底面Ｓ１と直交する入射面Ｓ２２及び出射面Ｓ２３を有している。そして、光源１６が出射した光Ｂ１は、入射面Ｓ２２を介してプリズム１２ｃ内に入射する。
以上のようなプリズム１２ｃによれば、入射角γが０°のときには、光Ｂ１は、金属薄膜１４に平行に進行するので、金属薄膜１４に入射しない。よって、ＳＰＲ共鳴角の測定のために入射角γを変化させる際に、光Ｂ１を入射面Ｓ２２に対して０°の入射角γで入射させることはありえない。その結果、プリズム１２ｃが用いられた計測装置１においても、ノイズによるＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下が抑制される。
（その他の実施形態）
以下に、その他の実施形態に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。本発明に係る計測装置は、表面プラズモン共鳴を利用していればよい。そのため、図１に示す計測装置１のようにＳＰＲ法によりＳＰＲ共鳴角を測定するのではなく、増強蛍光法（ＳＰＦＳ法）によりＳＰＲ共鳴角を測定してもよい。図５は、ＳＰＦＳ法によりＳＰＲ共鳴角を測定する計測装置１'の構成図である。図５では、本体２は省略してある。
以下に、その他の実施形態に係る計測装置について図面を参照しながら説明する。本発明に係る計測装置は、表面プラズモン共鳴を利用していればよい。そのため、図１に示す計測装置１のようにＳＰＲ法によりＳＰＲ共鳴角を測定するのではなく、増強蛍光法（ＳＰＦＳ法）によりＳＰＲ共鳴角を測定してもよい。図５は、ＳＰＦＳ法によりＳＰＲ共鳴角を測定する計測装置１'の構成図である。図５では、本体２は省略してある。
ＳＰＦＳ法では、図５に示すように、抗原３２'に蛍光標識が施されている。そして、入射角θがＳＰＲ共鳴角となったときには、光Ｂ１が金属薄膜１４に照射されることにより、金属薄膜１４においてエバネッセント光が発生し、抗原３２'の蛍光物質が発光する。受光素子１８'は、金属薄膜１４に対してプリズム１２ａの反対側に設けられ、抗原３２'にて発生した光Ｂ３を受光する。
検知部２０は、受光素子１８'からの出力信号に基づいて、ＳＰＲ共鳴角を検知する。なお、光Ｂ３の強度は、ＳＰＲ共鳴角において大きくなるので、検知部２０は、受光素子１８'からの出力信号の極大値を検知することにより、ＳＰＲ共鳴角を検知する。
以上のように構成された計測装置１'においても、計測装置１と同様に、ＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下を抑制できる。
特に、本発明は、以下に説明するように、ＳＰＦＳ法が適用された計測装置１'において、ＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下を抑制することに有用である。ＳＰＦＳ法が適用された計測装置では、入射角θをＳＰＲ共鳴角付近において変化させながら、光源に光を出射させる。そのため、入射角γが０°となるときの入射角θがＳＰＲ共鳴角に近いと、入射角θがＳＰＲ共鳴角付近であるときに、光Ｂ１にノイズが混入してしまう。その結果、計測装置は、ＳＰＲ共鳴角を精度よく検知することができない。このように、ＳＰＦＳ法が適用された計測装置では、ＳＰＲ法が適用された計測装置よりも、ノイズによるＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下の問題が大きい。
そこで、計測装置１'では、ＳＰＲ共鳴角の測定時に、光Ｂ１の入射面Ｓ２に対する入射角γをγ１からγ２の第１の角度範囲内において変化させている。そして、図５に示すように、γ１からγ２の第１の角度範囲は、光Ｂ１が入射面Ｓ２に対して垂直に入射するときの入射角γ（＝０°）とは重なっていない。これにより、光源１６が出射した光Ｂ１にノイズが混入することが抑制され、ノイズによるＳＰＲ共鳴角の測定精度の低下が抑制される。
本発明は、計測装置に有用であり、特に、表面プラズモン共鳴を利用した計測装置において、ノイズによる測定精度の低下を抑制することができる点において優れている。
Ｓ１ 底面
Ｓ２，Ｓ１２，Ｓ２２ 入射面
Ｓ３，Ｓ１３、Ｓ２３ 出射面
１，１' 計測装置
２ 本体
３，４ ポンプ
１２ａ〜１２ｃ プリズム
１４ 金属薄膜
１６ 光源
１８，１８' 受光素子
２０ 検知部
３０ 抗体
３２，３２' 抗原
５２，５４ 突起
Ｓ２，Ｓ１２，Ｓ２２ 入射面
Ｓ３，Ｓ１３、Ｓ２３ 出射面
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１６ 光源
１８，１８' 受光素子
２０ 検知部
３０ 抗体
３２，３２' 抗原
５２，５４ 突起
Claims (4)
- 表面プラズモン共鳴を利用した計測装置であって、
入射面及び底面を有するプリズムと、
被測定物質と接触する金属薄膜であって、前記底面上に設けられている金属薄膜と、
前記入射面を介して前記プリズムに対して光を入射させる光源と、
前記金属薄膜において反射した光、又は、該金属薄膜に光が照射されることにより前記被測定物質にて発生した光を受光する受光素子と、
前記入射面に対する前記光源からの光の入射角を、０°と重ならない第１の角度範囲で変化させたときにおける前記受光素子の極大値又は極小値を検知する検知手段と、
を備えており、
前記入射面と前記底面とがなす角度は、９０°を除き、かつ、該入射面に対する前記光源からの光の入射角が前記第１の角度範囲内を変化したときにおいて、前記金属薄膜に対する入射角が変化する第２の角度範囲外であること、
を特徴とする計測装置。 - 前記金属薄膜は、Ａｕ、Ａｇ又はＡｌにより構成されていること、
を特徴とする請求項１に記載の計測装置。 - 前記受光素子は、前記金属薄膜において反射した光を受光し、
前記検知手段は、前記受光素子の出力の極小値を検知することにより、前記ＳＰＲ共鳴角を検知すること、
を特徴とする請求項１又は請求項２のいずれかに記載の計測装置。 - 前記第２の角度範囲は、以下の式で表されるθを含んでいること、
を特徴とする請求項１に記載の計測装置。
ｎ（ω／ｃ）ｓｉｎθ＝（ω／ｃ）［εmεs／（εm＋εs）］1/2
プリズムの屈折率：ｎ
金属薄膜の誘電率：εm
被測定物質の誘電率：εs
光速：ｃ
光の角速度：ω
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2010047594A JP5463960B2 (ja) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | 計測装置 |
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| JP2010047594A JP5463960B2 (ja) | 2010-03-04 | 2010-03-04 | 計測装置 |
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Country Status (1)
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2010
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