JPH0650883A - 表面素励起共振測定器 - Google Patents

表面素励起共振測定器

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JPH0650883A
JPH0650883A JP5171127A JP17112793A JPH0650883A JP H0650883 A JPH0650883 A JP H0650883A JP 5171127 A JP5171127 A JP 5171127A JP 17112793 A JP17112793 A JP 17112793A JP H0650883 A JPH0650883 A JP H0650883A
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JP
Japan
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block
layer
angle
electromagnetic radiation
radiation source
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JP5171127A
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Inventor
David A King
ディビット・エー・キング
Jens-Peter Seher
イエンス・ペータ・ゼーア
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55—Specular reflectivity
    • G01N21/552—Attenuated total reflection
    • G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons

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  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【目的】機械疲労や精密なアライメントを必要とする可
動性部品のない構成の表面プロズモン共振測定器。 【構成】本発明の表面素励起測定器は、電気的にまたは
音響的に共振を生成し、反射波を固定された検出器で検
出する。本発明のー実施例では、電磁放射ビームを透過
する材料のブロックより成り、該ブロックは電磁放射ビ
ームを内部反射させる表面と表面上の金属層を備えてい
る。放射源から電磁放射ビームをビーム誘導デバイスへ
投射させ，調整可能な入射角度でブロックの表面に向け
てビームを透過させる。該表面で反射したビームをダイ
オードアレイ等の検出器アレイで検出する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は一般に測定器に関し、特
に、化学成分又は生化学成分を測定するための、表面素
励起（プラスモン）共振（surface plasmon resonance,
ＳＰＲ）を利用し、可動機械部を有しない測定器に関す
るものである。
【０００２】
【従来の技術】表面プラズモン共振はバイオセンサおい
て、免疫および核酸の検出等の分野で利用されている。
基本的には、表面プラズモンは、導電性材料と非導電性
材料の間の界面に沿って生成する電磁波である。このよ
うな表面プラスモンを生成させる典型的な技術は、電磁
放射ビームを臨界角度以上の入射角でガラス・プリズム
へと誘導することにより、内部で全反射を起こさせる。
このような内部反射によって、表面付近のプリズムの外
側の領域に消散電磁波(evanescent electromagnetic wa
ce)が生成する。プリズムの表面上に導電性薄膜がディ
ポジットされると、表面プラスモンが形成される。表面
プラズモン共振は、消散電磁波の運動量（電磁波のベク
トル）とエネルギ（周波数）を表面プラスモンの運動量
及びエネルギとそれぞれ適合するように形成された場合
に生ずるものである。反射ビームの強度が急激に低下す
るで特徴づけられ、これは、反射ビームのエネルギが共
振により表面プラスモンへ伝達されるからである。
【０００３】消散電磁波の波ベクトルは次の式によって
定義される。 Ｋe=（ω/C ）n ｓｉｎΘ ここで、ωは入射ビームの角周波数であり、C は真空に
おける光の速度であり、n はガラスの屈折率であり、Θ
は入射角である。表面プラスモンの波ベクトルは次の方
程式によって定義される。 Ｋsp=（ω／C ）√（１／εm + １/εs) ここで、εmは金属の誘電率の実数であり、εs は金属
を囲む被試験物質の（または物質が存在しない場合には
空気の）誘電率である。
【０００４】共振時には消散電磁波の波ベクトルは表面
プラスモンと同じなので、表面から電磁波は反射されな
い。従って、表面プラスモン共振は次の式において生じ
ることになる。 Ｋe = Ｋsp
【０００５】金属薄膜層に格子又は表面音波のような周
期的構造が供給されると、上記の式は以下のようにな
る。 Ｋe ＋Ｋ=Ｋsp ここで、Ｋは周期構造に起因する波ベクトルである。
【０００６】上記の式によって、異なる材料のεs の値
の差を測定する有効な手段を得ることができる。また、
物質のεs の値を変化させる物質に存在するトレース表
面化学成分を検出する有効な手段も得ることができる。
共波時に、Ｋe の差を測定することにより、εs の変化
を決定することができる。上記の等式条件を利用した従
来から周知の表面プラスモン共振測定器は全て、共振を
検出するために図２に示すように、Θを変化させ、異な
るΘの値で反射ビームを検出することにより、Ｋe の差
を測定するものであった。このような従来の表面プラス
モン共振測定器では、３つの周知の方法で異なるΘの値
で反射ビームの検出が行われていた。
【０００７】第１の方法では、電磁放射源の位置は固定
されている。Θの値を変化させるためにプリズムが回転
される。反射ビームを検出するための検出器も２Θの角
度だけ回転されている。第２の方法では、１９７８年の
「Optics Communications」の第２６巻第１号に、E.Kre
tschmannによって記載されている「The ATR Method wit
h Focused Light - Application to Guided Waves on a
Grating"（集束光を用いたＡＴＲ方式−格子における
きょう動波の応用)及び米国特許第４，９９７，２７８
号「Biological Sensors」（生物学的センサ）に記載さ
れているように、放射源とプリズムの両方が固定されて
いる。そして、入射光をΘの値が異なる光ビームの円錐
内に拡散させるために屈折光学素子が利用される。反射
ビームがダイオードアレイによって検出される。また、
欧州特許出願第８９３０４５７０．８号に開示されてい
る第３の方法では、光源とプリズムの両方の位置が固定
されている。光源からの光を異なる入射角でプリズムへ
と誘導するために回転ミラーが使用される。光源からの
ビームの反射が別の曲面ミラーによって検出器内へと偏
向される。
【０００８】上述のすべての方法は表面プラズモン共振
を生成または検出するための可動機械部品を利用したも
のである。可動機械部品に依存することの欠点は明白で
ある。すなわち、疲労、磨耗、および磨損しやすく、確
保および維持することが困難な精密な許容差が要求され
ていることである。第２の方法には他の付加的な欠点が
伴う。入射ビームが拡散するので、その強度減少する。
ところが、典型的な適用例では、ビームはさらに蛍光等
の強度に依存する現象を生成するために用いられ、従っ
てこの方法から生じる強度の減少は機器に悪響を及ぼ
す。第３の方法にも他の付加適な欠点が伴う。ビームは
異なる角度で検出器に入射するので、検出器は異なる方
向からの反射ビームを検出する必要がある。従って、収
集立体角が大きい(large coection solid angle)検出器
が必要になり、このような能力を備えた検出器は一般に
高価であるか、感度が低い。また、検出器を曲面ミラー
の焦点に配置することが必要である。これは不便で、シ
ステム全体において位置合わせ誤差が生じやすい。
【０００９】表面プラスモン共振を利用した従来の測定
器は他にもあるが、これらは測定の実施には適していな
い。必要とされているのは、表面プラスモン共振を利用
して、その誘電率を測定し、化学成分の測定に用いられ
る、可動機械部品を使用しない測定器である。
【００１０】
【発明の目的】本発明の目的は、上述の問題点を解消
し、可動性部品を使用しない表面プラスモン共振（ＳＰ
Ｒ）測定器を提供することである。
【００１１】
【発明の概要】本発明は可動性部品のない表面プラスモ
ン共振（ＳＰＲ）測定器に関するものである。本発明の
一実施例では、測定器は電磁放射ビームを透過する材料
のブロックより構成される。この材料ブロックは、電磁
放射ビームを内部反射させる表面と、表面上の金属層を
有している。この測定器は電磁放射ビームをビーム誘導
デバイスへ投射する放射源を有している。ビーム誘導デ
バイスは放射源からのビームを受光し、これを調整可能
な表面入射角でブロックへ透過させる。反射ビームの検
出は検出器のアレイを通して行われる。
【００１２】第２の実施例では、可動性部品のない表面
プラスモン共振（ＳＰＲ）測定器は、電磁放射ビームを
内部反射させる手段を備えており、この手段は電磁放射
ビームを内部反射させる表面と表面上の金属層を備える
ものである。放射源からの電磁放射ビームは表面に投射
される。内部反射を提供する手段はさらに屈折率の調整
可能な手段として提供される。表面プラスモン共振は媒
体の屈折率を調整することによって生成される。検出器
アレイは、放射源からのビームを検出するために用いら
れる。
【００１３】第３の実施例では、可動性機械部品のない
表面プラスモン共振（ＳＰＲ）測定器は、電磁放射ビー
ムを透過し、この電磁放射ビームを内部反射させる表面
を備えるブロックより構成される。周期的構造(periodi
c structure)の層が前記表面上に配置され、この周期的
構造層の上に導電材料層が設けられる。放射源はブロッ
クの表面に電磁放射ビームを供給して、内部反射を生じ
させる。周期構造はＫの値を調整することによって表面
プラスモン共振を生成させるために用いられる。表面か
ら反射される放射ビームを検出するために電磁放射検出
器がブロックと連結する。
【００１４】
【発明の実施例】
Ａ．電磁放射偏向によるＳＰＲ 図１は本発明の一実施例の可動性機械部品のないＳＰＲ
(surface plasmon resonance)測定器１００を示してい
る。この測定器１００はガラス・プリズム等の（電磁波
を透過する）透明材料からなるブロック１０１より構成
される。ブロック１０１は、、電磁放射ビームの内部反
射を提供する表面１０２を備えている。この反射は、こ
のような電磁放射ビームが適切な入射角で表面１０２に
投射されるとき、提供される。透過ブロック１０１の表
面１０２の上には好ましくは５０nmの厚さの金属層１０
３が設けられている。この金属層１０３の上には、試験
サンプル１０４が設置される。
【００１５】電磁放射ビームはダイオード・レーザ等の
放射源１０５により放射される。放射源１０５からの電
磁放射ビームはそれがブロック１０１に入射する前にビ
ーム誘導デバイス１０６を通過する。電磁放射ビームが
臨界角度以上の入射角で表面１０２に入射すると、ビー
ムは内部反射され、金属層１０３と試験サンプル１０４
との界面に沿って表面プラスモンを生成する。表面１０
２におけるビームの入射角は、ビーム偏向デバイス（ビ
ーム誘導デバイス）１０６を調整することによって調整
自在である。
【００１６】第１の実施例において、ビーム偏向デバイ
ス１０６は、厚さ数センチの石英等の電気光学材料層か
ら成る。表面１０２における放射源の入射角は、デバイ
ス１０６に１ないし２キロワットの電圧の信号を印加
し、信号の電圧を変化させることによって調整可能であ
る。次に、表面１０２におけるビームの入射角を印加電
圧の関数として決定することができる。（１９７６年、
ニューヨークのHolt,Rhinehart and Winston発行の、A.
Yariv著「Introduction to Optical electronics」２６
７ページ参照）。入射角が異なっていてもビームが表面
１０２の同一点に投射されるように、付加的な電気光学
セルの層を使用することができる。実際には、デバイス
１０６は一つの電源（図示せず）と接続する層１０６ａ
と、別の電源（図示せず）に接続する別の層１０６ｂか
ら構成される。入射点ならびに入射角はどちらも２つの
別個の電源によって印加された電圧を変化させることに
よって調整することができる。
【００１７】他の実施例では、ビーム偏向デバイス１０
６は厚さ数センチの音響光学材料の層より構成される。
この方法によるビーム偏向は従来から周知のものであ
る。（上記のA.Yariv著「Introduction to Optical ele
ctronics」の第３４９−３５１ページ参照）表面１０２
におけるビームの入射角は、音響光学材料に５０〜２０
０メガヘルツの周波数の電気信号を印加し、信号の周波
数を変化させることによって調整することができる。そ
して、表面における入射角を周波数の関数として決定す
ることができる。入射角が異なる場合でもビームを表面
１０２の同一の点へ投射させるには、付加的な電気光学
セルの層を用いる。実際には、デバイス１０６は電源
（図示せず）に接続する層１０６ａと、他の電源（図示
せず）と接続する他の層１０６ｂから成る。入射点およ
び入射角はいずれも２つの別個の電源によって印加され
る電圧を変化させることによって調整することができ
る。
【００１８】反射ビームはダイオードアレイ１０７等の
検出器アレイによって受光される。あれい１０７内の各
ダイオードは、反射ビームを受信すると反射ビームの強
度と比例する電流を生成する。そして、反射ビームの強
度を生成された電流の関数として測定することができ
る。入射角を変えて、ダイオードアレイ１０７からの電
流を連続的に検出することによって、共振を検出するこ
とができる。
【００１９】Ｂ．屈折率の変更によるＳＰＲの生成 図２には、可動性機械部品のない、表面プラズモン共振
測定器の他の実施例が示されている。ＳＰＲ測定器２０
０はガラス・プリズム等の透明ブロック２０１から構成
される。ブロック２０１の表面２０２の上には、調整可
能な屈折率をもつ材料層２０６が設けられている。層２
０６上には金属層２０３が設けられている。金属層２０
３の上には試験サンプル２０４が配置される。金属層２
０３と試験サンプル２０４との界面は、電磁放射ビーム
が適切な入射角で表面２０２に投射されるとき、表面プ
ラスモンを生成する金属誘電界面を提供するものであ
る。このような電磁放射ビームは放射源２０５から供給
される。
【００２０】層２０６は一般に屈折率を変化させること
ができる金属から成る。このような金属の例には石英等
の結晶質材料がある。しかし、石英は放射源からの光の
偏向に影響を及ぼさない角度でカットされることが好ま
しい。層２０６の形成に、液晶フィルムを使用すること
が有利で、いくつかの液晶は、０．０５と高い値まで屈
折率を変化させることができるからである。調整可能な
電気信号が信号源２０８より層２０６に印加される。層
２０６内の材料の屈折率は、信号の振幅の関数として変
化する。信号２０８を調整することによって、共振を生
成する条件を保持することができる。（上述の文献参
照）
【００２１】他の材料を用いて、層２０６を形成するこ
とができる。例えば、１９８８年の「Elect. Lett. 」
の２４、６０３にT.Hsuらによって「Amplitude and pha
se modulation in a 4um-thick GaAs/AlGaAs Multipe Q
uantum Well Modulator（厚さ４μｍのＧａＡｓ／Ａｌ
ＧａＡｓ多重量子ウェル変調器における振幅と位相変
調）」に記載されている多重量子ウェル構造を利用する
ことができる。開示されているウェル構造は約１０ボル
トの印加電圧で０．０４の値まで屈折率を変化させるこ
とができる。
【００２２】半導体材料も層２０６を形成するために用
いることができる。その屈折率は、電荷キャリヤの密度
の関数として変化するからである。この密度は電圧の印
加またはエネルギがバンドギャップよりも大きい光照射
によって変化させることができる。
【００２３】１９８４年Wiley出版のY.R.Shenら著の「T
he Principles of Lase Optics」に記載されているよう
に、光に露出されるとその屈折率が変化するBaTiO3を用
いることもできる。屈折率は照射される光の強度の関数
として変化する。共振を検出するために、ダイオードア
レイ等の検出器あれい２０７を使用して、反射ビームの
強度を検出する。
【００２４】Ｃ．周期構造の材料によるＳＰＲの生成 図３は可動性機械部品のない表面プラスモン共振測定器
の他の実施例である。ＳＰＲ測定器３００は、ガラス・
プリズム等の透明ブロック３０１から構成される。表面
３０２の上には基板３０３が設けられる。ブロックの表
面３０２と基板３０３との間には、屈折率を整合させる
液体を設けることが好ましい。基板３０３の上には、試
験サンプル３０５が設置される。金属層３０４と試験サ
ンプル３０５との界面は、適切な入射角で電磁放射ビー
ムが表面３０２に投射されるとき、表面プラスモンを生
成する金属−誘電体の界面である。このビームは放射源
３０９から供給される。
【００２５】基板３０３の上には複数のＩＤ変換器(int
erdigital translducer)３０７が設けられている。信号
発生器３０８がＩＤ変換器３０７と接続する。信号発生
器３０８は正弦波信号を生成し、この信号はＩＤ変換器
３０７を通過し、基板３０３に表面音波を生成する。基
板３０３は、LiNbO3 等の材料から成るものである。LiN
bO3 を用いることによって、３．５ＧＨｚ以上の中心周
波数を基板３０３に生成することができる。個別のＩＤ
変換器３０７の間隔は均一でない方が好ましく、これに
より、基板３０３における表面音波の周波数を少なくと
も１０％ないし２０％だけ調整することを可能にする。
表面音波はまた半導体表面におけるレーザ・ビーム等の
２つの光ビームの干渉によっても生成することができ
る。干渉によって生じる電子と正孔の弛緩によって、局
部的な加熱と表面音波が生じ、その波長は干渉の周期性
によって定められる。従って、表面プラスモン共振は波
ベクトルＫを調整することによって生成することがで
き、一方、波ベクトルは２つのレーザ・ビームの波長を
制御または変化させることによって調整することができ
る。
【００２６】Ｅ．ＳＰＲを生成する別の方法 図４に、可動性機械部品のない表面プラズモン測定器の
他の実施例４００を示す。プリズム４１０は分散性の材
料からなるものを使用する。光の波ベクトルは、表面４
０２に入射する光の周波数に依存する。代わりに、プリ
ズム４１０を非分散性材料から生成することもあるが、
分散性材料層４１２は試験サンプル４１４と接触するよ
うにプリズム表面と金属層４１１との間にディポジット
することもできる。表面プラスモンは、電磁放射ビーム
を適切な入射角でプリズム内に投射することによって生
成される。層４１２なしにプリズム４１０が分散性であ
る場合及びプリズム４１０は分散性ではないが分散層４
１２が使用されるどちらの場合でも、表面プラスモン共
振は調整可能な放射源４０５からの電磁放射の周波数を
調整することによって生成される。現在では、広範囲に
わたって調整可能な固体電磁放射源を入手することがで
きる。
【００２７】図５のＳＰＲ測定器４００はさらに金属層
４１１またはプリズム４１０のどちらかの温度を変化さ
せることによって構成することもできる。温度変化によ
ってプリズム１０の屈折率又は金属層１１の誘電率が変
化する。プリズムの温度に影響をほとんと及ぼさずに、
電源（図示せず）より電流を流すことによって局部的に
温度変化を生じさせる。温度はまたプリズムおよび金属
層を加熱するために用いられる放射源５００等の源によ
って変化させることができる。所望であれば、その代わ
りにプリズムまたｈ金属層もしくは両方を冷却する冷却
手段を用いることが可能であることは明らかである。以
上、本発明もついて特定のパラメータと実施例を基づい
て説明してきたが、多くの変更がなされることは当業者
にとって自明ことである。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように、本願発明では従来
の可動性部品はなく、より簡単な構成であることから、
疲労や磨耗等を低減し、高精度なアライメントの必要が
ない表面素励器検出器を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である表面素励起の概略図。
【図２】本発明の他の実施例である表面素励起の概略
図。
【図３】本発明の他の実施例である表面素励起の概略
図。
【図４】本発明の他の実施例である表面素励起の概略
図。
【図５】従来の表面素励起の概略図。
【符号の説明】
１００、２００、３００、４００：ＳＰＲ測定器 １０１、２０１、３０１：ブロック １０３、２０３、３０４、４１１：金属層 １０４、２０４、３０５、４１４：試験サンプル １０６：ビーム偏向デバイス １０５、２０５、３０９、５００：放射源 ３０７：ＩＤ変換器 ３０３：基板 ４０５：光源 ４１０：プリズム ４１２：分散性材料層源

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】電磁波放射ビームを透過させる材料からな
    るブロックと、前記ブロックは前記電磁波放射ビームの
    内部反射を供給する表面を有するものであり、前記ブロ
    ックの前記表面の上に被測定試料と接触する導電材料の
    層と、電磁波放射ビーム供給する源と、前記表面へある
    入射角で、前記ブロックが受信および前記ブロックから
    送信するビーム誘導デバイスと、前記ブロックと接続す
    る、前記放射ビームの反射を検出する電磁波放射の検出
    器から成ることを特徴とする表面素励起共振器。
JP5171127A 1992-06-17 1993-06-17 表面素励起共振測定器 Pending JPH0650883A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US900,217 1986-08-26
US07/900,217 US5351127A (en) 1992-06-17 1992-06-17 Surface plasmon resonance measuring instruments

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0650883A true JPH0650883A (ja) 1994-02-25

Family

ID=25412178

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5171127A Pending JPH0650883A (ja) 1992-06-17 1993-06-17 表面素励起共振測定器

Country Status (3)

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US (1) US5351127A (ja)
EP (1) EP0577285A1 (ja)
JP (1) JPH0650883A (ja)

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