JP2003227792A

JP2003227792A - 全反射減衰を利用したセンサー

Info

Publication number: JP2003227792A
Application number: JP2002025602A
Authority: JP
Inventors: Hitoshi Shimizu; 清水　　仁
Original assignee: Fuji Photo Film Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Holdings Corp
Priority date: 2002-02-01
Filing date: 2002-02-01
Publication date: 2003-08-15

Abstract

(57)【要約】【課題】全反射減衰を利用したセンサーにおいて、試
料の屈折率に係わらず、精度良く全反射減衰の状態を測
定する。【解決手段】光ビーム13を、誘電体ブロック10と金属
膜12との界面10ｂに対して種々の入射角が得られるよう
に入射させ、界面10ｂで全反射した光ビーム13をフォト
ダイオードアレイ17により検出して、試料液11の特性を
分析するセンサーにおいて、測定に先立ち、以下の暗線
位置調整動作を行う。まず、入射角制御部34において、
光ビーム13のプロファイルを検出し、このプロファイル
における全反射減衰の状態を示す暗線Ｄの相対位置を求
める。暗線Dがプロファイルの中央へくるように、アク
チュエータ35により、光源14および集光レンズ15を移動
して、ビーム13が界面10ｂへ入射する入射角度を調整す
る。試料液11の屈折率に係わらず、暗線Ｄがプロファイ
ルの中央にくる状態で測定を行うことを可能にする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモンの
発生を利用して試料中の物質の特性を分析する表面プラ
ズモンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーに
関し、特に詳細には、全反射減衰によって測定光に生じ
る暗線を光検出手段を用いて検出する全反射減衰を利用
したセンサーに関する。

【０００２】

【従来の技術】金属中においては、自由電子が集団的に
振動して、プラズマ波と呼ばれる粗密波が生じる。そし
て、金属表面に生じるこの粗密波を量子化したものは、
表面プラズモンと呼ばれている。

【０００３】従来より、この表面プラズモンが光波によ
って励起される現象を利用して、試料中の物質の特性を
分析する表面プラズモンセンサーが種々提案されてい
る。そして、それらの中で特に良く知られているものと
して、 Kretschmann配置と称される系を用いるものが挙
げられる（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。

【０００４】上記の系を用いる表面プラズモンセンサー
は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロ
ックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて試料に
接触させられる金属膜と、光ビームを発生させる光源
と、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体
ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるよう
に種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射
した光ビームの強度を検出する光検出手段と、この光検
出手段の検出結果に基づいて表面プラズモン共鳴の状
態、つまり全反射減衰の状態を測定する測定手段とを備
えてなるものである。

【０００５】なお上述のように種々の入射角を得るため
には、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界
面に入射させてもよいし、あるいは光ビームに種々の角
度で入射する成分が含まれるように、比較的太い光ビー
ムを上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射
させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射
角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、上記
反射角の変化に同期して移動する小さな光検出器によっ
て検出したり、反射角の変化方向に沿って延びるエリア
センサによって検出することができる。一方後者の場合
は、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光でき
る方向に延びるエリアセンサによって検出することがで
きる。

【０００６】上記構成の表面プラズモンセンサーにおい
て、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射
角θ_ＳＰで入射させると、該金属膜に接している試料中
に電界分布をもつエバネッセント波が生じ、このエバネ
ッセント波によって金属膜と試料との界面に表面プラズ
モンが励起される。エバネッセント波の波数ベクトルが
表面プラズモンの波数と等しくて波数整合が成立してい
るとき、両者は共鳴状態となり、光のエネルギーが表面
プラズモンに移行するので、誘電体ブロックと金属膜と
の界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。この光強
度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検
出される。

【０００７】なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光の
ときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入
射するように予め設定しておく必要がある。

【０００８】この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角
θ_ＳＰより表面プラズモンの波数が分かると、試料の誘
電率が求められる。すなわち表面プラズモンの波数をＫ
_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光
速、ε_ｍとε_ｓをそれぞれ金属、試料の誘電率とする
と、以下の関係がある。

【０００９】

【数１】試料の誘電率ε_ｓが分かれば、所定の較正曲線等に基
づいて試料中の特定物質の濃度が分かるので、結局、上
記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θ
_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率に
関連する特性を求めることができる。

【００１０】なおこの種の表面プラズモンセンサーにお
いては、上記全反射減衰角θ_ＳＰを精度良く、しかも大
きなダイナミックレンジで測定することを目的として、
特開平１１−３２６１９４号に示されるように、アレイ
状の光検出手段を用いることが考えられている。この光
検出手段は、複数の受光素子が所定方向に並設されてな
り、前記界面において種々の反射角で全反射した光ビー
ムの成分をそれぞれ異なる受光素子が受光する向きにし
て配設されたものである。

【００１１】そしてその場合は、上記アレイ状の光検出
手段の各受光素子が出力する光検出信号を、該受光素子
の並設方向に関して微分して出力する微分手段が設けら
れ、この微分手段が出力する微分値、特に暗線部分に対
応した微分値に基づいて試料の屈折率に関連する特性を
求めることが多い。

【００１２】また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類
似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻第
１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７
頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。こ
の漏洩モードセンサーは基本的に、例えばプリズム状に
形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一
面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形
成されて、試料に接触させられる光導波層と、光ビーム
を発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロッ
クに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で
全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光
学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を検出す
る光検出手段と、この光検出手段の検出結果に基づいて
導波モードの励起状態、つまり全反射減衰の状態を測定
する測定手段とを備えてなるものである。

【００１３】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して
全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層
を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を
有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するよう
になる。こうして導波モードが励起されると、入射光の
ほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全
反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
この光強度の低下は、一般に光検出手段により暗線とし
て検出される。そして導波光の波数は光導波層の上の試
料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特
定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに
関連する試料の特性を分析することができる。

【００１４】上述した表面プラズモンセンサーや漏洩モ
ードセンサーは、創薬研究分野等において、所望のセン
シング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスク
リーニングへ使用されることがあり、この場合には前記
薄膜層（表面プラズモンセンサーの場合は金属膜であ
り、漏洩モードセンサーの場合はクラッド層および光導
波層）上にセンシング物質を固定し、該センシング物質
上に種々の物質の溶液（試料液）を添加し、所定時間が
経過する毎に前述の微分値を測定している。添加した物
質が、センシング物質と結合するものであれば、この結
合によりセンシング物質の屈折率が時間経過に伴って変
化する。したがって、所定時間経過毎に上記微分値を測
定し、この微分値に変化が生じているか否か測定するこ
とにより、添加した物質とセンシング物質の結合が行わ
れているか否か、すなわち添加した物質がセンシング物
質と結合する特定物質であるか否かを判定することがで
きる。この場合には、センシング物質と試料液の双方
が、分析対象の試料となる。このような特定物質とセン
シング物質との組み合わせとしては、例えば抗原と抗体
が挙げられ、そのようなものに関する具体的な測定とし
ては、一例として、センシング物質をウサギ抗ヒトＩｇ
Ｇ抗体とし、被検体中のヒトＩｇＧ抗体との結合の有無
検出とその定量分析を行う測定が挙げられる。

【００１５】なお、被検体とセンシング物質の結合状態
を測定するためには、必ずしも全反射減衰角θ_ＳＰの角
度そのものを検出する必要はない。例えばセンシング物
質に試料液を添加し、その後の全反射減衰角θ_ＳＰの角
度変化量を測定して、その角度変化量の大小に基づいて
結合状態を測定することもできる。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】図９の（ａ）は、従来
の表面プラズモンセンサーの簡略構成図であり、図９の
（ｂ）は、光ビーム13の界面10ｂへの入射角θと、フォ
トダイオードアレイ17で検出した、誘電体ブロックと金
属膜の界面10ｂで全反射した光ビーム13の反射光強度Ｉ
との関係を示す図である。誘電体ブロック10の界面10ｂ
に、全反射減衰角θ_ＳＰで入射した光は、金属膜12と試
料９との界面に表面プラズモンを励起させるので、この
光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。この反射光
強度Ｉの低下は、図９の（ａ）においては、反射光中の
暗線Ｄとして観察される。また図９の（ｂ）に示すよう
に、光ビーム13のプロファイルにおいては、反射光強度
Ｉが大きく低下している暗線として検出される。この暗
線において反射光強度Ｉが最小となる反射角θ、すなわ
ちに全反射減衰角θ_ＳＰに基づいて、全反射減衰の状態
を測定することができる。

【００１７】一方試料としては、種々のものが使用され
るため、その屈折率はそれぞれ異なる。例えば図９に使
用された試料９とは屈折率が大きく異なる試料９’を用
いた場合には、図１０の（ａ）に示すように暗線Ｄの位
置が、光ビーム13の中心から大きく外れてしまう場合が
ある。このような場合には、光ビーム13の入射角θと、
該光ビーム13の反射光強度Ｉとの関係は、図１０の
（ｂ）に示すような関係となり、光ビーム13のプロファ
イルの中心部分から暗線が外れてしまい、全反射減衰角
θ_ＳＰを精度良く検出できず、測定精度が低下する虞が
ある。

【００１８】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、試料の屈折率に係わらず、精度良く、全反射減
衰の状態を測定することのできる全反射減衰を利用した
センサーを提供することを目的とするものである。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の全反射減
衰を利用したセンサーは、光ビームを発生させる光源
と、前記光ビームに対して透明な誘電体ブロックと、該
誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触させら
れる薄膜層と、前記光ビームを前記誘電体ブロックに対
して、該誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射
条件が得られるように種々の入射角で入射させる光学系
と、前記界面で全反射した光ビームの強度を検出する光
検出手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて全反射
減衰の状態を測定する測定手段とを備えてなる全反射減
衰を利用したセンサーにおいて、前記界面で全反射した
光ビームのプロファイルを検出し、該プロファイルにお
ける前記全反射減衰を示す暗線の相対的位置を求め、該
相対的位置に基づいて、前記光ビームが前記界面に入射
する入射角を、前記暗線の位置が前記プロファイルの略
中央にくるように調整する入射角度調整手段をさらに備
えたことを特徴とするものである。

【００２０】このようなセンサーとしては、金属膜を上
記薄膜層として用いる前述の表面プラズモンセンサー
や、誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、
このクラッド層の上に形成された光導波層とからなる層
を上記薄膜層として用いる前述の漏洩モードセンサー等
がある。

【００２１】また、「界面で全反射した光ビームのプロ
ファイルを検出する」とは、例えば比較的太い光ビーム
を上記界面に収束光状態であるいは発散光状態で入射さ
せて、種々の反射角で反射した各光ビームを全て受光で
きる方向に延びるエリアセンサによって検出すること
や、比較的細い光ビームを入射角を変化させて上記界面
に入射させて、反射角の変化方向に沿って延びるエリア
センサによって検出したり、あるいは入射した光ビーム
の入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビーム
を、上記反射角の変化に同期して移動する小さな光検出
器によって検出することを含むものである。

【００２２】上記入射角度調整手段としては、前記光源
または前記光学系を移動することにより、前記入射角を
調整するものを用いることができる。また、入射角度調
整手段としては、前記光ビームが存在する平面に垂直な
軸を回転軸として、前記誘電体ブロックを回転させるこ
とにより、前記入射角を調整するものも用いることがで
きる。

【００２３】

【発明の効果】本発明の全反射減衰を利用したセンサー
は、界面で全反射した光ビームのプロファイルにおける
暗線の相対的位置を求め、この相対的位置に基づいて、
光ビームが界面に入射する入射角を、暗線の位置がプロ
ファイルの略中央にくるように調整する入射角度調整手
段を備えることにより、個々の試料の屈折率に応じて、
光ビームのプロファイルにおける暗線の相対的位置を調
整することができるので、試料の屈折率に係わらず、精
度良く、全反射減衰の状態を測定することができる。

【００２４】上記入射角度調整手段としては、前記光源
または前記光学系を移動することにより、前記入射角を
調整するものを用いる場合には、簡易な構成により入射
角を調整することができる。

【００２５】また、入射角度調整手段としては、前記光
ビームが存在する平面に垂直な軸を回転軸として、前記
誘電体ブロックを回転させることにより、前記入射角を
調整するものを用いる場合には、光ビームの入射光路は
変化しないため、容易に調整を行うことができる。

【００２６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施の形態を詳細に説明する。本発明の第１の実施形態の
全反射減衰を利用したセンサーは、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であり、図１は表面
プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。

【００２７】この表面プラズモンセンサーは、例えば概
略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロ
ック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）
に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等から
なる金属膜12とを有している。

【００２８】誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等から
なり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた
形とされ、この嵩上げされた部分は試料液11を貯える試
料保持部10ａとして機能する。なお本例では、金属膜12
の上にセンシング物質40が固定されるが、このセンシン
グ物質40については後述する。

【００２９】誘電体ブロック10は金属膜12とともに、使
い切りの測定チップを構成しており、例えばテーブル41
に設けられたチップ保持孔42に嵌合固定される。誘電体
ブロック10がこのようにテーブル41に固定された後、誘
電体ブロック10に対して試料液11が滴下され、該試料液
11が試料保持部10ａ内に保持される。

【００３０】本実施形態の表面プラズモンセンサーは、
上記誘電体ブロック10に加えてさらに、１本の光ビーム
13を発生させる半導体レーザ等からなる光源14と、上記
光ビーム13を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロッ
ク10と金属膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が
得られるように入射させる光学系としての集光レンズ15
と、上記界面10ｂで全反射した光ビーム13を検出するフ
ォトダイオードアレイ17と、フォトダイオードアレイ17
に接続された差動アンプアレイ18と、同じくフォトダイ
オードアレイ17に接続されたアンプアレイ19と、ドライ
バ20と、コンピュータシステム等からなる信号処理部30
と、この信号処理部30に接続された表示部31と、光源14
および集光レンズ15を移動して、光ビーム13が界面10ｂ
へ入射する入射角度を変更するアクチュエータ32とを備
えている。

【００３１】信号処理部30は、実際の測定を行う測定部
33と、実際の測定を行う前に光ビーム13の入射角を調整
するための制御処理を行う入射角度制御部34とを備えて
いる。また、光源14、ドライバ20およびアクチュエータ
32は、信号処理部30に接続されている。

【００３２】光ビーム13は、集光レンズ15により界面10
ｂに集光されるので、界面10ｂに対して種々の入射角θ
で入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θ
は、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビーム13
は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13には、
種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。

【００３３】なお光ビーム13は、界面10ｂに対してｐ偏
光で入射させる。そのようにするためには、予め光源14
をその偏光方向が所定方向となるように配設すればよ
い。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制御し
てもよい。

【００３４】図２は、この表面プラズモンセンサーの電
気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドラ
イバ20は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホ
ールド回路21ａ、21ｂ、21ｃ……、これらのサンプルホ
ールド回路21ａ、21ｂ、21ｃ……の各出力が入力される
マルチプレクサ22、マルチプレクサ22とサンプルホール
ド回路21ａ、21ｂ、21ｃ……とを駆動する駆動回路23、
アンプアレイ19の各アンプ19ａ、19ｂ、19ｃ……の出力
をサンプルホールドするサンプルホールド回路24ａ、24
ｂ、24ｃ……、これらのサンプルホールド回路24ａ、24
ｂ、24ｃ……の各出力が入力されるマルチプレクサ25、
マルチプレクサ25とサンプルホールド回路24ａ、24ｂ、
24ｃ……とを駆動する駆動回路26、マルチプレクサ22ま
たはマルチプレクサ25の出力をデジタル化して信号処理
部30に入力するＡ／Ｄ変換器27、および信号処理部30か
らの指示に基づいて駆動回路23または26を動作させるコ
ントローラ28から構成されている。

【００３５】なお、フォトダイオードアレイ17、アンプ
アレイ19、サンプルホールド回路24ａ、24ｂ、24ｃ…
…、マルチプレクサ25、駆動回路26、Ａ／Ｄ変換器27、
入射角度制御部34およびアクチュエータ32は、本発明の
入射角度調整手段として機能するものである。

【００３６】以下、上記構成の表面プラズモンセンサー
による試料分析方法について説明する。センシング物質
40上に試料液11を滴下した後、測定に先立ち、全反射減
衰により生じる暗線Ｄが光ビーム13のプロファイルの中
央へくるように、暗線位置を調整する暗線位置調整動作
を行う。まず光ビーム13のプロファイルを検出し、この
プロファイルにおける暗線Ｄの相対位置を求め、暗線Ｄ
がプロファイルの中央に位置するように、光源14および
集光レンズ15を移動して、光ビーム13が界面10ｂへ入射
する入射角度を調整する。以下この暗線位置調整動作の
詳細を説明する。

【００３７】まず、図１に示す通り、光源14を駆動して
光源14から光ビーム13を射出させる。光源14から発散光
状態で出射した光ビーム13は、集光レンズ15の作用によ
り、誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束
する。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々
の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの
入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光
ビーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム
13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることに
なる。

【００３８】界面10ｂで全反射した後、光ビーム13は、
フォトダイオードアレイ17により検出される。本例にお
けるフォトダイオードアレイ17は、複数のフォトダイオ
ード17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設されてなり、図
１の図示面内において、光ビーム13の進行方向に対して
フォトダイオード並設方向がほぼ直角となる向きに配設
されている。したがって、上記界面10ｂにおいて種々の
反射角で全反射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異
なるフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光する
ことになる。

【００３９】暗線位置調整動作を行う際には、信号処理
部30は、コントローラ28を介して、駆動回路26を動作さ
せる。フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力
は、アンプアレイ19の各アンプ19ａ、19ｂ、19ｃ……に
入力され増幅される。各アンプ19ａ、19ｂ、19ｃ……の
出力は、それぞれサンプルホールド回路24ａ、24ｂ、24
ｃ……により所定のタイミングでサンプルホールドさ
れ、マルチプレクサ25に入力される。マルチプレクサ25
は、サンプルホールドされた各アンプ19ａ、19ｂ、19ｃ
……の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器27に入
力する。Ａ／Ｄ変換器27により、これらの出力はデジタ
ル化されて信号処理部30の入射角度制御部34に入力され
る。

【００４０】入射角度制御部34では、界面10ｂで全反射
した光ビーム13の入射角θとフォトダイオードアレイ17
で検出した反射光強度Ｉとの関係を求め、光ビーム13の
反射光強度Ｉのプロファイルに含まれる暗線Ｄのパター
ンを解析する。プロファイルのパターンは、大きく分け
ると、図３の（ａ）〜（ｄ）に示す４つのパターンに分
類される。

【００４１】図３の（ａ）は、暗線Ｄが反射光強度Ｉの
プロファイルの中心に位置するパターンＡである。図３
の（ｂ）は、暗線Ｄがプロファイルの中心から左側に外
れているパターンＢである。図３の（ｃ）は、暗線Ｄが
プロファイルの中心から右側に外れているパターンＣで
ある。図３の（ｄ）は、暗線Ｄがプロファイル内に含ま
れていない場合、すなわち、暗線Ｄの位置が大きくずれ
ているため、暗線Ｄを観察することができない場合に生
じるパターンＤである。

【００４２】解析したプロファイルのパターンがパター
ンＡであれば、改めて光ビーム13の入射角を調整する必
要はないため、直ちに測定を開始する。

【００４３】プロファイルのパターンがパターンＢであ
る場合には、アクチュエータ32により、光源14および集
光レンズ15を移動して、光ビーム13が界面10ｂへ入射す
る入射角度を変更する。すなわち、パターンＢの場合に
は、図４の（ａ）に点線で占めすような位置に、光源14
および集光レンズ15が位置している。この光源14および
集光レンズ15を実線で示す位置に移動させると、光ビー
ム13が界面10ｂに入射する角度が変化し、光ビーム13の
反射光の角度も変化する。一方、暗線Ｄが生じる全反射
減衰角θ_ＳＰは、変化しないため、暗線Ｄの位置は変化
しない。すなわち光ビーム13のプロファイルは図４の
（ｂ）に矢印で示す方向に変化する。入射角度調整部34
では、暗線Ｄの位置が図４の（ｂ）に実線で示すよう
に、反射光強度Ｉのプロファイルの略中心にくるまで、
アクチュエータ32により光源14および集光レンズ15を移
動させる。反射光強度Ｉのプロファイルのパターンがパ
ターンＡとなった状態で、測定を開始する。なお、アク
チュエータ32は、光ビーム13が界面10ｂに入射する位置
は変化させず、入射角のみを変化させるように、光源14
および集光レンズ15を移動する。

【００４４】プロファイルのパターンがパターンＣであ
る場合には、アクチュエータ32により、パターンＢの場
合と逆方向に光源14および集光レンズ15を移動して、光
ビーム13が界面10ｂへ入射する入射角度を変更し、プロ
ファイルがパターンＡに変化した状態で、測定を開始す
る。

【００４５】プロファイルのパターンがパターンＤであ
る場合には、表示部31に測定が不可能であることを表示
する。あるいは、光源14および集光レンズ15を最大移動
可能範囲で移動させて、光ビーム13の入射角を最小角か
ら最大角まで変化させ、暗線Ｄがプロファイル内に入れ
ば測定を開始し、暗線Ｄがプロファイル内に入らなけれ
ば測定が不可能であることを表示させてもよい。

【００４６】実際の測定を行う際には、信号処理部30
は、コントローラ28を介して、駆動回路23を動作させ
る。フォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力
は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18
ｃ……に入力される。差動アンプアレイ18においては、
互いに隣接する２つのフォトダイオードの出力が、共通
の差動アンプに入力される。したがって各差動アンプ18
ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、複数のフォトダイオード
17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出信号を、それら
の並設方向に関して微分したものと考えることができ
る。

【００４７】各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力
は、それぞれサンプルホールド回路21ａ、21ｂ、21ｃ…
…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マ
ルチプレクサ22に入力される。マルチプレクサ22は、サ
ンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ…
…の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器27に入力
する。Ａ／Ｄ変換器27はこれらの出力をデジタル化して
信号処理部30の測定部33に入力する。

【００４８】図５は、界面10ｂで全反射した光ビーム13
の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ
……の出力との関係を説明するための模式図である。こ
こで、光ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度
Ｉとの関係は、同図（ａ）のグラフに示すようなもので
あるとする。

【００４９】前述したように、界面10ｂにある特定の入
射角θ_ＳＰで入射した光は、金属膜12とセンシング物質
40との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光
については反射光強度Ｉが鋭く低下する。つまりθ_ＳＰ
が全反射減衰角であり、この角度θ_ＳＰにおいて反射光
強度Ｉは減少から増加へ転じる。

【００５０】また図５の（ｂ）は、フォトダイオード17
ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明
した通り、これらのフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……の並設方向位置は上記入射角θと一義的に対応して
いる。

【００５１】そしてフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……の並設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ
18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分
値）との関係は、同図（ｃ）に示すようなものとなる。

【００５２】信号処理部30の測定部33では、Ａ／Ｄ変換
器27から入力された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動ア
ンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の中から、全反射減衰角θ
_ＳＰに対応する微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られ
ているもの（図５の例では差動アンプ18ｄとなる）を選
択し、それが出力する微分値Ｉ’の値を表示部31に表示
させる。なお、場合によっては微分値Ｉ’＝０を出力し
ている差動アンプが存在することもあり、そのときは当
然その差動アンプが選択される。

【００５３】以後、所定時間が経過する毎に上記選択さ
れた差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、表示部31
に表示される。この微分値Ｉ’は、測定チップの金属膜
12に接している物質の誘電率つまりは屈折率が変化し
て、図５の（ａ）に示す曲線が左右方向に移動する形で
変化すると、それに応じて上下する。したがって、この
微分値Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることによ
り、金属膜12に接している物質の屈折率変化、つまりは
特性の変化を調べることができる。

【００５４】特に本実施形態では金属膜12に、試料液11
の中の特定物質と結合するセンシング物質40を固定して
おり、それらの結合状態に応じてセンシング物質40の屈
折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続けるこ
とにより、この結合状態の変化の様子を調べることがで
きる。つまりこの場合は、試料液11およびセンシング物
質40の双方が、分析対象の試料となる。

【００５５】なお、試料液11の中の特定物質とセンシン
グ物質40との結合状態の変化の様子を時間経過とともに
調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’を
求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)と
所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差ΔＩ’
を求めて表示してもよい。

【００５６】以上の説明から明かなように本実施の形態
による全反射減衰を利用したセンサーによれば、測定に
先立ち、界面10ｂで全反射した光ビーム13のプロファイ
ルにおける暗線Ｄの相対的位置を求め、暗線がプロファ
イルの中心から外れていた場合には、光源14および集光
レンズ15を移動して、暗線の位置がプロファイルの略中
央にくるように調整するので、試料の屈折率に係わら
ず、常に暗線Ｄが光ビーム13のプロファイルの中央に存
在する状態から測定を開始することができるので、精度
良く、金属膜12に接している物質の屈折率変化、つまり
は特性の変化を調べることができる。また、本実施の形
態のように、センシング物質40の屈折率の経時変化を観
察する場合には、時間の経過に伴い、屈折率が変化して
も、暗線が光ビーム13のプロファイルから完全に外れる
ことはほとんどなく、測定終了まで、精度良く測定を行
うことができる。なお、アクチュエータ32を用いて光源
14および集光レンズ15を移動させる構成としたため、簡
易な構成により入射角を調整することができる。なお、
本実施の形態においては、光源14および集光レンズ15を
連動して移動させたが、調整角度が小さい場合等には、
光源14または集光レンズ15のどちらか一方を移動させる
ことにより、調整を行ってもよく、いっそう簡易な構成
で入射角を調整することができる。また、本実施の形態
においては、暗線Ｄの位置が光ビーム13のプロファイル
の中央にくるように、光ビーム13の入射角を調整した
が、これに限定されるものではなく、暗線Ｄの位置は、
多少プロファイルの中央からずれていても、全反射減衰
角θ_ＳＰを精度良く検出できる程度に中央に近いもので
あればよい。また、例えば経時変化に伴う暗線Ｄの移動
を考慮して、測定開始時には、暗線Ｄの位置が光ビーム
13のプロファイルの中央から若干ずれた位置にくるよう
に、入射角を調整してもよい。

【００５７】次に、図６を参照して本発明の第２の実施
形態について説明する。なお図６において、図１中の要
素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについ
ての説明は特に必要の無い限り省略する。

【００５８】図６は、本発明の第２の実施形態による表
面プラズモンセンサーの側面形状を示すものである。こ
の表面プラズモンセンサーは、第１の実施形態に用いら
れたアクチュエータの代わりに、光ビーム13が存在する
平面に垂直で、かつ光ビーム13が界面10ｂに入射する位
置を通る軸を回転軸として、誘電体ブロック10を回転さ
せる回転部35を備えるものである。

【００５９】第１の実施の形態と同様に、測定に先立
ち、光ビーム13の反射光強度Ｉのプロファイルを取得し
て、入射角度制御部34においてこのプロファイルの解析
を行う。

【００６０】解析したプロファイルのパターンが図３に
示すパターンＡであれば、改めて光ビーム13の入射角を
調整する必要はないため、直ちに測定を開始する。

【００６１】プロファイルのパターンがパターンＢであ
る場合には、回転部35により、誘電体ブロック10を回転
させ、光ビーム13が界面10ｂへ入射する入射角度を変更
する。すなわち、パターンＢの場合には、図７の（ａ）
に点線で占めすような位置に、誘電体ブロック10が位置
している。この誘電体ブロック10を実線で示す位置まで
角度θ１回転させると、光ビーム13が界面10ｂに入射す
る角度が変化し、光ビーム13の反射光の角度は２・θ１
変化する。一方、暗線Ｄが生じる全反射減衰角θ
_ＳＰは、変化しないので、暗線Ｄの反射角は角度θ１だ
け変化する。このため、回転前には集光レンズ15の下端
を透過した光ビームにより生じていた暗線Ｄは、誘電体
ブロック10が図７の（ａ）に矢印で示した方向に回転す
ると、集光レンズ15の中心部分を透過した光ビーム13に
より生じることとなる。このように、誘電体ブロック10
を回転させることにより、プロファイルのパターンを図
７の（ｂ）に実線で示すようにパターンＡへと変換する
ことができる。なお、図７の（ｂ）の横軸は、光ビーム
13が界面10ｂに入射する入射角θであるため、フォトダ
イオードアレイ17上の光ビーム13の検出位置とは一致し
ていない。

【００６２】回転部35により、誘電体ブロック10を回転
させ、反射光強度Ｉのプロファイルのパターンがパター
ンＡとなった状態で測定を開始する。

【００６３】プロファイルのパターンがパターンＣであ
る場合には、回転部35により、パターンＢの場合と逆方
向に誘電体ブロック10を回転させ、光ビーム13が界面10
ｂへ入射する入射角度を変更し、プロファイルのパター
ンがパターンＡに変化した状態で、測定を開始する。

【００６４】プロファイルのパターンがパターンＤであ
る場合には、表示部31に測定が不可能であることを表示
する。あるいは、誘電体ブロック10を最大回転可能範囲
まで回転させて、光ビーム13の入射角を最小角から最大
角まで変化させ、暗線Ｄがプロファイル内に入れば測定
を開始し、暗線Ｄがプロファイル内に入らなければ測定
が不可能であることを表示させてもよい。

【００６５】以上の説明から明かなように本実施の形態
による全反射減衰を利用したセンサーによれば、測定に
先立ち、界面10ｂで全反射した光ビーム13のプロファイ
ルにおける暗線の相対的位置を求め、暗線がプロファイ
ルの中心から外れていた場合には、誘電体ブロック10を
回転させて、暗線の位置がプロファイルの略中央にくる
ように調整するので、第１の実施の形態と同様に、試料
の屈折率に係わらず、常に暗線Ｄが光ビーム13のプロフ
ァイルの略中央部に存在する状態から測定を開始するこ
とができるので、精度良く、金属膜12に接している物質
の屈折率変化、つまりは特性の変化を調べることができ
る。なお、回転部35を用いて誘電体ブロック10を回転さ
せることにより、入射角を調整する構成としたため、光
ビーム13の入射光路が変化しないため、容易に調整を行
うことができる。

【００６６】次に、図８を参照して本発明の第３の実施
の形態について説明する。なおこの図８において、図１
中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それら
についての説明は特に必要の無い限り省略する。

【００６７】この第３の実施の形態の全反射減衰を利用
したセンサーは、第１の実施の形態で説明した表面プラ
ズモンセンサーを漏洩モードセンサーに変更したもので
あり、本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を
用いるように構成されている。この誘電体ブロック10の
一面（図中の上面）にはクラッド層50が形成され、さら
にその上には光導波層51が形成されている。

【００６８】誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢ
Ｋ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラ
ッド層50は、誘電体ブロック10よりも低屈折率の誘電体
や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また
光導波層51は、クラッド層50よりも高屈折率の誘電体、
例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されてい
る。クラッド層50の膜厚は、例えば金薄膜から形成する
場合で36.5ｎｍ、光導波層51の膜厚は、例えばＰＭＭＡ
から形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

【００６９】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック10を通
してクラッド層50に対して全反射角以上の入射角で入射
させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とクラッド
層50との界面10ｂで全反射するが、クラッド層50を透過
して光導波層51に特定入射角で入射した特定波数の光
は、該光導波層51を導波モードで伝搬するようになる。
こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんど
が光導波層51に取り込まれるので、上記界面10ｂで全反
射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。

【００７０】光導波層51における導波光の波数は、該光
導波層51の上のセンシング物質40の屈折率に依存するの
で、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによ
って、センシング物質40の屈折率を知ることができる。
また、差動アンプアレイ18の各差動アンプが出力する微
分値Ｉ’に基づいてセンシング物質40と試料液11の中の
特定物質との結合状態の変化の様子を調べることができ
る。また、上記第３の実施の形態においても、測定に先
立ち暗線位置調整動作を行うものであり、第１の実施の
形態と同様の効果を得ることができる。また、変型例と
して、第２の実施形態に用いた回転部35を備え、誘電体
ブロック10を回転させることにより暗線位置調整動作を
行うものも考えられる。

【００７１】なお、各実施の形態においては、フォトダ
イオード17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出力を差動アンプア
レイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……に入力する
ことにより、複数のフォトダイオード17ａ、17ｂ、17ｃ
……が出力する光検出信号を、それらの並設方向に関し
て微分した微分値Ｉ’に基づいて、全反射減衰の状態を
測定したが、これに限定されるものではなく、反射光強
度Ｉに基づいて全反射減衰の状態を測定することもでき
る。この場合には、各差動アンプアレイ18、サンプルホ
ールド回路21ａ、21ｂ、21ｃ……、マルチプレクサ22等
が不要になり、簡単な構成で測定を行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態による表面プラズモ
ンセンサーの側面図

【図２】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示
すブロック図

【図３】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と反射光強度との関係の説明図

【図４】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と反射光強度との関係の説明図

【図５】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と
光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図

【図６】本発明の第２の実施の形態による表面プラズモ
ンセンサーの側面図

【図７】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と反射光強度との関係の説明図

【図８】本発明の第３の実施の形態による漏洩モードセ
ンサーの側面図

【図９】従来の表面プラズモンセンサーにおける光ビー
ム入射角と反射光強度との関係の説明図

【図１０】従来の表面プラズモンセンサーにおける光ビ
ーム入射角と反射光強度との関係の説明図

【符号の説明】

９、９’、11、11’ 試料液 10 誘電体ブロック 10ａ試料保持部 10ｂ界面 12 金属膜 13 光ビーム 14 光源 15 集光レンズ 17 フォトダイオードアレイ 17ａ、17ｂ、17ｃ…… フォトダイオード 18 差動アンプアレイ 18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ 19 アンプアレイ 19ａ、19ｂ、19ｃ…… アンプ 20 ドライバ 21ａ、21ｂ、21ｃ……24ａ、24ｂ、24ｃ…… サンプ
ルホールド回路 22、25 マルチプレクサ 23、26 駆動回路 27 Ａ／Ｄ変換器 28 コントローラ 30 信号処理部 31 表示部 32 アクチュエータ 33 測定部 34 入射角制御部 35 回転部 40 センシング物質 41 テーブル 50 クラッド層 51 光導波層

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 2G057 AA02 AB04 AB07 AC01 BA01 BB06 BC07 HA04 2G059 AA01 AA05 BB04 BB12 CC16 DD12 EE02 EE05 GG01 GG04 JJ11 JJ19 JJ20 KK04 MM01 MM09 MM11 PP04

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光ビームを発生させる光源と、前記光ビームに対して透明な誘電体ブロックと、該誘電体ブロックの一面に形成されて、試料に接触させ
られる薄膜層と、前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該誘電体
ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる
ように種々の入射角で入射させる光学系と、前記界面で全反射した光ビームの強度を検出する光検出
手段と、該光検出手段の検出結果に基づいて全反射減衰
の状態を測定する測定手段とを備えてなる全反射減衰を
利用したセンサーにおいて、前記界面で全反射した光ビームのプロファイルを検出
し、該プロファイルにおける前記全反射減衰を示す暗線
の相対的位置を求め、該相対的位置に基づいて、前記光
ビームが前記界面に入射する入射角を、前記暗線の位置
が前記プロファイルの略中央にくるように調整する入射
角度調整手段をさらに備えたことを特徴とする全反射減
衰を利用したセンサー。
【請求項２】前記入射角度調整手段が、前記光源また
は前記光学系を移動することにより、前記入射角を調整
するものであることを特徴とする請求項１記載の全反射
減衰を利用したセンサー。
【請求項３】前記入射角度調整手段が、前記光ビーム
が存在する平面に垂直な軸を回転軸として、前記誘電体
ブロックを回転させることにより、前記入射角を調整す
るものであることを特徴とする請求項１記載の全反射減
衰を利用したセンサー。