JP2015102455A - センサ装置および測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光源強度や、光結合度、外的環境の変動による影響を受けずに表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置を提供する。
【解決手段】センサ装置（１）は、光源（７）と、光源からの光を導波するコアおよびコアを被覆するクラッドを含む光導波路（３，３’）と、コアに接するように配置され、光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層（４０）と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜（４１）と、光導波路からの出射光の強度分布を検知する出射光検知部（８）と、出射光検知部により検知された強度分布から得られる出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部（１１）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、センサ装置および測定方法に関する。

多重反射を用いる光導波路型のＳＰＲセンサが知られている（例えば、特許文献１，２を参照）。ＳＰＲセンサは、表面プラズモン共鳴（Surface Plasmon Resonance）現象を利用した屈折率センサであり、例えば、サンプル溶液の濃度の測定や免疫反応の検出といった、化学分析や生物化学分析に用いられる。表面プラズモン共鳴は、サンプル溶液に接触している金属層の内表面に全反射角度以上で光が入射したときに、サンプル溶液の屈折率に応じた波長の光が吸収される現象である。

図１６は、従来の光導波路型のＳＰＲセンサ１００の模式図である。ＳＰＲセンサ１００は、光導波路１０３と、金属層１４０と、センサ膜１４１と、光源１０７と、光センサ１０８とを有する。光導波路１０３は、例えば円形断面を有する光ファイバであり、コア１３０とクラッド１３１を有する。金属層１４０とセンサ膜１４１は、コア１３０の一部の表面を取り囲むように重ねて形成されている。光導波路１０３の周囲には、センサ膜１４１に接触するようにサンプル溶液１０６が滴下される。

測定時には、光源１０７から光導波路１０３に光を入射させる。入射光が光導波路１０３内で全反射を繰り返しながら伝搬するときに、特定の波長の光により金属層１４０において表面プラズモン共鳴が発生する。センサ膜１４１は、サンプル溶液１０６に含まれる被測定物質を抗原として認識する抗体膜であり、被測定物質と特異的に結合する性質を有し、金属層表面のエバネッセント波が染み出した領域での屈折率を変化させる。このとき、金属層１４０では、コア１３０の屈折率、サンプル溶液１０６の屈折率および光の波長で決まる量の光吸収が生じる。以下では、表面プラズモン共鳴による金属層１４０での光の吸収量のことを「ＳＰＲ吸収量」という。光導波路１０３を通る光は、金属層１４０でＳＰＲ吸収により減衰し、最終的に出射面から出射され、光センサ１０８で検出される。

図１７（Ａ）は、入射光の波長λと光導波路の透過率Ｔとの関係を示すグラフである。表面プラズモン共鳴を発生させる波長は、サンプル溶液の屈折率によって異なる。図１７（Ａ）に示すように、サンプル溶液の屈折率ｎが増加すると、ＳＰＲ吸収のピーク波長が長波長側にシフトする。

図１７（Ｂ）は、波長６６０ｎｍの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率ｎと透過率Ｔとの関係を示すグラフである。図１７（Ａ）に示すように、波長６６０ｎｍは、ＳＰＲ吸収のピーク波長より短波長の光である。ＳＰＲ吸収のピーク波長より短波長の光を光導波路に入射させた場合、サンプル溶液の屈折率ｎが増加すると、透過率Ｔが増加し、光導波路からの出射光強度が強くなる。

このため、光導波路からの出射光を光センサで検出し、透過光量や入射光に対する出射光のスペクトル変化を見ることにより、サンプル溶液による屈折率変化が測定される。さらに、サンプル溶液の屈折率はその濃度に依存するため、サンプル溶液の屈折率からサンプル溶液の濃度が求められる。すなわち、特定の波長の光を入射させたときの出射光強度を光センサで測定することで、透過率の値から、サンプル溶液中に含まれる被測定物質の量が求められる。

一般に、ＳＰＲセンサで測定を行う際は、まずサンプル溶液を滴下する前の状態で出射光強度を測定し、その測定値をリファレンスとする。その後で、センサ膜にサンプル溶液を滴下し、出射光強度を測定する。そして、サンプル溶液の測定値とリファレンスとの差を求めることでサンプル溶液に基づくＳＰＲ吸収量を求め、予め測定された検量線、すなわちサンプル溶液中の被測定物質の量とＳＰＲ吸収量との関係を用いて、被測定物質を定量する。

一方、被測定物質がある状態で取得されたリファレンス値を用いてスペクトル差分から被測定物質を測定する方法が知られている。例えば、特許文献３には、内部反射回数が異なる条件で表面状態を測定すべきウエハなどの基板に赤外線を入射し、それぞれの条件について多重内部反射スペクトルを測定し、内部反射回数が少ない内部多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数が多いものをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求める表面状態測定装置が記載されている。

特許文献３の装置では、異なる２つの入射角度で光を入射し、それらの出射光の相対的な強度変化を比較する。この装置では、実時間でリファレンスを取得するため、測定中に発生する変動要因を打ち消すことができる。特許文献３の装置は、シリコンウエハ上に付着した有機物質による汚染状態を把握するためにシリコンウエハを光導波路としてＳＰＲセンサを構成したものであるが、シリコンウエハをガラスやポリマーの光導波路と置き換えれば、液体中で用いられる光導波路型のＳＰＲセンサと考えられる。

特開２０１３−００７６８７号公報 特開２０１２−１２２９１５号公報 特許第４７９２２６７号公報

光導波路型のＳＰＲセンサでは、光源強度の変動や、光源と光導波路と光センサの間における光結合度の変動（アライメントのズレ）、温度・湿度などの外的環境の変化によって出射光強度が変化し、それが測定誤差となる。本来、リファレンスの測定とサンプルの測定は同時刻に行う必要があるが、実際には異なる時刻に行われるため、リファレンスを測定してからサンプルを測定するまでの間に生じた変動や、サンプルの測定中に生じた変動が測定誤差となる。

特許文献３の装置のようにサンプルがある状態でリファレンス値を取得する場合でも、２つの光路を交互に測定するため、厳密には異なる時刻における２つのスペクトルを用いて変動を打ち消すことになり、結局は測定誤差を含む可能性がある。同時刻に２つの光路におけるスペクトルを得るには、予め目的の光路に設置された２組の光源と赤外線分析装置が必要であり、コストが増加するとともに装置が大型化してしまう。

そこで、本発明の目的は、光源強度や、光結合度、外的環境などの変動による影響を受けずに表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置を提供することである。また、本発明の目的は、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することである。

本発明に係るセンサ装置は、光源と、光源からの光を導波するコアおよびコアを被覆するクラッドを含む光導波路と、コアに接するように配置され、光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、光導波路からの出射光の強度分布を検知する出射光検知部と、出射光検知部により検知された強度分布から得られる出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部とを有することを特徴とする。

本発明に係るセンサ装置では、制御部は、出射光の出射角度と強度との関係を記述する理論式のパラメータを強度分布から決定することにより、出射光の出射角度に対する金属層での光の吸収量の変化を求めることが好ましい。

本発明に係るセンサ装置では、出射光検知部は、光導波路の出射面上で出射光を受光する２次元イメージセンサであることが好ましい。

本発明に係るセンサ装置では、光導波路は光ファイバであり、制御部は、２次元イメージセンサにより取得された円対称のパターンにおける径方向の強度分布から、出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得することが好ましい。

本発明に係るセンサ装置では、光導波路は基板の表面に形成された角型断面を有する光導波路であり、制御部は、２次元イメージセンサにより取得されたパターンにおける、金属層に垂直な方向の強度分布から、出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得することが好ましい。

本発明に係るセンサ装置では、光源はランバート分布の出射光強度を有するＬＥＤ光源であることが好ましい。

本発明に係る測定方法は、光源と、光源からの光を導波するコアおよびコアを被覆するクラッドを含む光導波路と、コアに接するように配置され、光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、光導波路からの出射光の強度分布を検知するステップと、検知された強度分布から得られる出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップとを有することを特徴とする。

本発明によれば、光源強度や、光結合度、外的環境の変動による影響を受けずに表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置を提供することが可能になる。また、本発明によれば、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することが可能になる。

センサ装置１の模式図である。 検出部４の例を示す断面図である。 フローセル型のセンサチップ２Ａの模式図である。 角型断面の光導波路３’を有するセンサチップ２Ｂの模式図である。 センサ装置１による測定原理を説明するための図である。 入射光の波長λに対する光導波路からの出射光強度Ｐｏの変化と、ＳＰＲ吸収のピーク波長λ_０よりも短い波長λ_Ｓの光源を用いた場合における、光導波路からの出射角度ψに対する出射光強度Ｐｏの変化を示したグラフである。 角度θで全反射しながらコア３０を導波する光を示す図である。 ランバート分布である光源強度分布Ｉ（ψ）を示す図である。 ランバート分布をもつ光源を用いた場合の、光源強度分布Ｉ（ψ）、光の反射回数Ｎ（ψ）、ＳＰＲ部分の透過率Ｔｍ（ψ）および出射光強度Ｐｏ（ψ）の例を示すグラフである。 ＳＰＲ吸収のピーク波長が長波長側にシフトして透過率Ｔｍが増加した場合と、光源強度Ｉが増加した場合の出射光強度Ｐｏ（ψ）の変化を示すグラフである。 円形断面の光ファイバである光導波路３を用いた場合にイメージセンサ１０で取得されたパターンの例を示す図である。 イメージセンサ１０で取得されたパターンから出射光強度Ｐｏ（ψ）のパラメータＩ_０，αを求める方法の例を示すフローチャートである。 センサチップ２Ｂを使用したときにイメージセンサ１０で取得された出射光強度のパターンを示す図である。 イメージセンサ１０で取得された出射光強度のパターンにおける、ｙ方向の強度変化を示すグラフである。 図１４（Ｃ）の出射光強度Ｐ_ｒｅｆ（ｙ）の各グラフを最小二乗法により直線近似して求めた傾きαとサンプル溶液の濃度との関係を示すグラフである。 従来の光導波路型のＳＰＲセンサ１００の模式図である。 入射光の波長λと光導波路の透過率Ｔとの関係を示すグラフと、波長６６０ｎｍの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率ｎと透過率Ｔとの関係を示すグラフである。

以下、添付図面を参照して、本発明に係るセンサ装置および測定方法について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。

図１は、センサ装置１の模式図である。センサ装置１は、特に、局在表面プラズモン共鳴(Localized Surface Plasmon Resonance)を利用して被測定物質を定量するＳＰＲセンサである。センサ装置１は、センサチップ２と、光源７と、光センサ８と、制御部１１と、光源駆動回路１２と、表示装置１３とを有する。以下では、光源７から光センサ８に向かう方向をｚ方向とし、図１に示すようにｘ，ｙ，ｚ軸を定義する。

センサチップ２は、光導波路３と、サンプル溶液保持部５とを有する。図１では、ｙｚ面内におけるセンサチップ２の断面を示している。光導波路３は、ガラスまたはポリマーから構成される光ファイバである。光導波路３のクラッドの一部が除去されて、その部分に検出部４が形成されている。サンプル溶液保持部５は、内部にサンプル溶液６を保持する。

図２（Ａ）〜図２（Ｃ）は、検出部４の例を示す断面図である。図２（Ａ）〜図２（Ｃ）では、光導波路３の一部も示している。光導波路３は、コア３０と、コア３０を被覆しコア３０より屈折率の低いクラッド３１とを有する。光導波路３は、円形断面を有し、コア３０内に光を閉じ込める。

まず、図２（Ａ）を参照すると、検出部４は、金属層４０と、センサ膜４１とを有し、ｚ方向に延びる中心軸に関して回転対称に形成されている。

金属層４０は、光が入射することで表面プラズモン共鳴が生じる層であり、エッチングなどによりクラッド３１の一部が除去されて露出したコア３０の上に形成されている。金属層４０は、例えば、金、銀、白金、銅、アルミニウム、またはこれらの合金などの金属粒子により構成された層（金属粒子層）である。検出部４では、金属層４０に含まれる微細な金属粒子にて局在表面プラズモン共鳴が生じる。金属層４０では、各金属粒子は、厚み方向に互いに積層されず、平面方向にも、互いに接触しないようにわずかに間隔を隔てて配置されることが好ましい。また、検出部４の検出精度を良好にするためには、各金属粒子の粒子径は、５〜３００ｎｍ程度であることが好ましい。

センサ膜４１は、被測定物質と特異的に結合する抗原や、抗体、レセプターなどで形成される。センサ膜４１は、金属層４０を構成する金属粒子の表面に形成される。

図２（Ｂ）は、検出部４の別の例を示す断面図である。図２（Ｂ）の検出部４Ａは、金属粒子で構成された金属層４０Ａと、センサ膜４１とを有する。図２（Ａ）の検出部４との違いは、各金属粒子の間のコア３０上にもセンサ膜４１が形成されている点である。図２（Ａ）の検出部４は、予めセンサ膜４１が表面に設けられた金属粒子で構成される金属層４０を有するが、図２（Ｂ）の検出部４Ａのように、金属粒子を含む金属層４０Ａを形成した後で、金属層４０Ａの上にセンサ膜４１を形成してもよい。

図２（Ｃ）は、検出部４のさらに別の例を示す断面図である。図２（Ｃ）の検出部４Ｂは、コア３０の表面に形成された極めて薄い島状の金属層４０Ｂと、金属層４０Ｂの上に形成されたセンサ膜４１とを有する。金属層４０Ｂの厚さは、例えば数ｎｍ〜数１０ｎｍ程度であることが好ましい。検出部４Ｂでは、金属層４０Ｂに含まれる微細な各島にて局在表面プラズモン共鳴が生じる。

光源７には、例えばＬＥＤ光源が用いられる。光源７と光導波路３の間隔は、光の利用効率を上げるためにできるだけ接近させることが好ましく、必要に応じて接触させてもよい。位置ずれが生じても入射光強度が変動しにくくなるように、光源７の発光面のサイズは光導波路３のコア径よりも大きくすることが好ましい。また、出射角度に対する光源７の出射光強度の分布は、ランバート分布であることが好ましい。

光センサ８は、ＳＰＲ吸収量を測定するために、光導波路３からの出射光を検知する（透過率を測定する）２次元光センサである。光センサ８は、レンズ９と、イメージセンサ１０とを有する。レンズ９は、光導波路３から出射された光を平行光に変換する。ただし、レンズ９に代えて、ホログラフィック素子などの光学素子を用いてもよい。イメージセンサ１０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサなどの２次元イメージセンサであり、光導波路３からの出射光の２次元強度分布を２次元パターンとして検知する。イメージセンサ１０は、出射光検知部の一例である。

制御部１１は、内部にビデオインターフェイスと情報処理回路とを有する。制御部１１は、イメージセンサ１０で検知された２次元パターンをビデオインターフェイスから情報処理回路に取り込む。そして、制御部１１は、情報処理回路を用いて、後述する手順により、２次元パターンから得られる光導波路からの出射光の出射角度と強度との関係に基づいてＳＰＲ吸収量を求めることで、サンプル溶液中の被測定物質を定量する。定量とは、例えば、サンプル溶液中の被測定物質の濃度や屈折率を求めることである。また、制御部１１は、光源駆動回路１２や表示装置１３の動作を制御する。

光源駆動回路１２は、光源７を駆動するための回路である。表示装置１３は、制御部１１にて求められた測定結果を表示する。

図３は、フローセル型のセンサチップ２Ａの模式図である。センサ装置１では、図１のセンサチップ２に代えて、図３に示すフローセル型のセンサチップ２Ａを用いてもよい。

センサチップ２Ａは、フローセル５０を有する。フローセル５０は、図１のサンプル溶液保持部５に流入口５１と流出口５２を設けたものである。サンプル溶液６は、シリンジポンプ５３によりサンプル溶液保持部５に送り込まれ、センサ膜４１と接触して反応した後で、リザーバー５４に排出される。

図４は、角型断面の光導波路３’を有するセンサチップ２Ｂの模式図である。センサ装置１では、図１のセンサチップ２に代えて、図４に示すセンサチップ２Ｂを用いてもよい。

図１のセンサチップ２では光導波路３として円形断面の光ファイバを用いているが、センサチップ２Ｂは、光ファイバに代えて角型断面の光導波路３’を有する。光導波路３’は、コア３０’と、クラッド３１’と、ベース基板３２’とを有する。ベース基板３２’は、クラッドを兼ねた平板状の基板であり、その上にコア３０’とクラッド３１’が形成されている。コア３０’は、上面が露出するようにベース基板３２’に埋め込まれ、ベース基板３２’の幅方向（ｘ方向）の中央でベース基板３２’の長手方向（ｚ方向）に平行に配置されている。コア３０’は、ｘｙ面に沿った断面が長方形状を有する。クラッド３１’は、コア３０’の両脇に、ベース基板３２’の上面を覆うように配置されている。

検出部４は、クラッド３１’の一部を取り除いて形成されており、クラッド３１’が取り除かれた部分のベース基板３２’の上面と、コア３０’の一部の上面とを覆うように配置されている。検出部４には、センサチップ２と同様の金属層４０とセンサ膜４１が形成されている。なお、センサチップ２Ｂでも、図２（Ｂ）の検出部４Ａまたは図２（Ｃ）の検出部４Ｂを用いてもよい。

なお、図４のセンサチップ２Ｂを、図３に示すようなフローセル型のセンサチップとしてもよい。

センサ装置１を用いてサンプル溶液中の被測定物質を定量する方法の概略を説明する。まず、未知量の被測定物質を含むサンプル溶液をシリンジなどでサンプル溶液保持部５に必要量滴下して、検出部４をサンプル溶液６で覆う。そして、光源駆動回路１２を用いて光源７を発光させて、光導波路に光を入射させる。入射光は全反射を繰り返し徐々に減衰しながら光導波路を伝搬していき、検出部４でサンプル溶液の屈折率に応じたＳＰＲ吸収を生じさせ、最終的に光導波路の出射面から出射される。

この出射光の強度分布を、光センサ８のイメージセンサ１０により検知する。そして、イメージセンサ１０で検知された２次元パターンを制御部１１に取り込み、後述する方法によりＳＰＲ吸収量を求める。これにより、サンプル溶液の屈折率や、サンプル溶液中の被測定物質の濃度が求められる。なお、センサ装置１を用いた測定では、サンプル溶液を滴下させる前のリファレンス測定は不要になる。

以下では、センサ装置１による測定原理について説明する。説明は、円形断面の光ファイバである光導波路３を用いて行うが、角型断面の光導波路３’を用いる場合も同様である。

図５は、センサ装置１による測定原理を説明するための図である。図５では、太い実線、細い実線および細い破線の矢印により、光源７からの入射角度が異なる３本の光線を示している。これら３本の光線は、波長が異なるのではなく、光導波路３への入射角度が異なる光線である。入射角度により、検出部４での反射回数と、光導波路３からの出射角度が異なることがわかる。入射角度が大きいほど反射回数が多くなり、ＳＰＲ吸収量は大きくなる。

図６（Ａ）および図６（Ｂ）は、入射光の波長λに対する光導波路からの出射光強度Ｐｏの変化と、ＳＰＲ吸収のピーク波長λ_０よりも短い波長λ_Ｓの光源を用いた場合における、光導波路からの出射角度ψに対する出射光強度Ｐｏの変化を示したグラフである。

図６（Ａ）の左側のグラフは、入射光の波長λと出射光強度Ｐｏとの関係を示す。太さが異なる３本の実線のグラフは、被測定物質を含まないサンプル溶液（例えば純水）を滴下した場合の出射光強度である。

水平方向に延びる細い実線は、光導波路からの出射角度ψが０のときの出射光強度を示す。出射角度ψが０の場合、光は近似的には光導波路に沿って直線的に進むため、金属層での反射が起こらない。このため、出射光強度Ｐｏは波長λによらず一定となる。また、やや太い実線の曲線は、出射角度ψが比較的小さいψ_１のときの出射光強度を示す。この場合、出射光強度Ｐｏの曲線は、ＳＰＲ吸収により、波長λ_０にて金属層での反射回数に比例した深さのピークをもつ下に凸の形状になる。また、最も太い実線の曲線は、出射角度ψが比較的大きいψ_２（＞ψ_１）のときの出射光強度を示す。ψ＝ψ_２のときは、ψ＝ψ_１のときと比べて、出射角度ψが大きい分だけＳＰＲ吸収のピークも大きくなる。

また、破線は、被測定物質を含むサンプル溶液を滴下し、被測定物質がセンサ膜に結合して、ＳＰＲ吸収のピーク波長がλ_０から長波長側のλ_１にシフトした場合の出射光強度である。出射角度ψが０のときは波長シフトがあっても出射光強度は変化しないが、出射角度ψがψ_１のときとψ_２のときは、図中矢印ｂで示したように、それぞれ実線の曲線から破線の曲線に出射光強度が変化する。

図６（Ａ）の右側のグラフは、ＳＰＲ吸収のピーク波長λ_０よりも短い波長λ_Ｓの光源を用いた場合の出射角度ψと出射光強度Ｐｏとの関係を示す。実線と破線のグラフは、それぞれ図６（Ａ）の左側の実線と破線のグラフに対応している。グラフが示すように、出射角度ψの増加とともに出射光強度Ｐｏは減少する。そして、波長シフトがある場合、図中矢印ｃで示したように、出射光強度Ｐｏは実線のグラフから破線のグラフに変化する。出射角度ψが０の光は出射光強度は変化しないが、出射角度ψが大きいほど出射光強度の変化量は大きくなる。

また、図６（Ｂ）の左側のグラフは、図６（Ａ）と同様に、光源の波長λと出射光強度Ｐｏとの関係を示す。実線のグラフは図６（Ａ）と同じものであるが、破線のグラフは、光源強度が何らかの要因で増加した場合の出射光強度である。この場合、図中矢印ｆで示したように、出射角度によらず一律に、それぞれ実線の曲線から破線の曲線に出射光強度が増加する。

図６（Ｂ）の右側のグラフは、図６（Ａ）と同様に、ＳＰＲ吸収のピーク波長λ_０よりも短い波長λ_Ｓの光源を用いた場合の出射角度ψと出射光強度Ｐｏとの関係を示す。実線と破線のグラフは、それぞれ図６（Ａ）の左側の実線と破線のグラフに対応している。実線のグラフは図６（Ａ）と同じものであるが、破線のグラフは、光源強度が増加した場合の出射光強度である。光源強度が増加した場合、出射角度によらずに出射光強度が増加し、図中矢印ｇで示したように曲線全体が上向きに移動する。

以上説明したように、出射光強度の出射角度依存性のグラフ形状から、出射光強度の変化が波長シフトに起因するのか、光源強度または光結合の変化に起因するのかを区別することができる。

出射角度に対する出射光強度の変化量は、光源強度とその角度分布や、光導波路との光結合度、光ファイバの特性（開口数や、コアとクラッドの屈折率など）、金属層で１回反射するごとのＳＰＲ吸収量から理論的に求められる。後述するように、出射光強度の出射角度依存性は、ＳＰＲ吸収量の変化のパラメータと、光源強度の変化のパラメータを含む理論式で表される。センサ装置１では、２次元イメージセンサを用いて光導波路からの出射光強度の出射角度依存性を取得し、出射角度と出射光強度を対応付けたデータを理論式にフィッティングすることにより、その理論式に含まれるパラメータを精度よく求めることができる。このため、測定中に光源強度が変動しても、それとは独立にＳＰＲ吸収量の変化を求めて、精度よく被測定物質を定量することが可能になる。

以下では、出射光強度の出射角度依存性を記述する理論式について説明する。

図７は、角度θで全反射しながらコア３０を導波する光を示す図である。光導波路のコア径をＤ、検出部４のｚ方向の長さをＬとする。光源（図７では図示せず）から光導波路への入射角度をψ、光導波路内を伝搬する光がコア−クラッド界面で反射する際の角度をθとする。入射角度ψは光導波路端面に垂直な方向（ｚ方向）を０と定義し、反射角度θは光導波路の長手方向（ｚ方向）を０と定義する。

光源から光導波路に入射した光は光導波路の端面で屈折するため、空気の屈折率をｎ１、コアの屈折率をｎ２とすると、θとψの関係は（１）式で表される。

光の反射回数をＮ（ψ）、１回反射するごとのＳＰＲ吸収量をａとすると、光導波路３のうち、検出部４が設けられておりＳＰＲ吸収が起こる部分（「ＳＰＲ部分」という）の透過率Ｔｍ（ψ）は、（２）式で表される。

θに対する反射回数Ｎ（θ）は（３）式で表されるので、（１）式を使ってθをψに置き換えると、ψに対する反射回数Ｎ（ψ）は（４）式で表される。

したがって、光源強度の角度依存性をＩ（ψ）とすると、光導波路からの出射光強度Ｐｏ（ψ）は（５）式で表される。

光源強度分布はどのようなものでもよいが、例えばチップ実装型のＬＥＤでは、ランバート分布が一般的である。ランバート分布の場合、（６）式に示すように、光源強度分布Ｉ（ψ）は出射角度ψのｃｏｓで表される。

図８は、ランバート分布である光源強度分布Ｉ（ψ）を示す図である。図９は、ランバート分布をもつ光源を用いた場合の、光源強度分布Ｉ（ψ）、光の反射回数Ｎ（ψ）、ＳＰＲ部分の透過率Ｔｍ（ψ）および出射光強度Ｐｏ（ψ）の例を示すグラフである。

光源強度分布Ｉ（ψ）は、（６）式に従い、出射角度ψに対してｃｏｓで減少する。反射回数Ｎ（ψ）は整数なので、出射角度ψに対して図９のように階段状に増加する。これに伴い、透過率Ｔｍ（ψ）は、出射角度ψに対して階段状の曲線を描きながら指数関数的に減少する。その結果、出射光強度Ｐｏ（ψ）は、出射角度ψに対して階段状の曲線を描きながらほぼ直線的に減少する。

見通しをよくするため、反射回数Ｎ（ψ）を実数として扱うと、図９で階段状に変化していた出射光強度Ｐｏ（ψ）はほぼ直線で表される。そこで、以下では、計算量を減らすために、出射光強度Ｐｏ（ψ）を直線近似する。

光源強度分布Ｉ（ψ）として（６）式のランバート分布を用いた（５）式の出射光強度Ｐｏ（ψ）を級数展開して、ψの１次の項までとると、（７）式が得られる。

Ｌ、Ｄ、ｎ１、ｎ２、ａは全て定数なので、（８）式のようにψの１次の項の係数をαとおくと、出射光強度Ｐｏ（ψ）は（９）式で表される。

αはＳＰＲ吸収量の変化を示すパラメータであり、Ｉ_０は光源強度の変化を表すパラメータである。出射光強度Ｐｏ（ψ）は、これらのパラメータＩ_０，αで決まる直線で表される。

図１０は、ＳＰＲ吸収のピーク波長が長波長側にシフトして透過率Ｔｍが増加した場合と、光源強度Ｉが増加した場合の出射光強度Ｐｏ（ψ）の変化を示すグラフである。図１０では、出射光強度Ｐｏ（ψ）を直線近似した（９）式をプロットしている。

太い実線は、ピーク波長のシフトや光源強度の変動が起こる前の出射光強度Ｐｏ（ψ）のグラフである。図６（Ａ）および図６（Ｂ）で説明したように、ＳＰＲ吸収のピーク波長がシフトした場合の出射光強度Ｐｏ（ψ）は、細い実線のグラフのように傾きが緩やかになり、光源強度Ｉが増加した場合の出射光強度Ｐｏ（ψ）は、破線のグラフのように出射角度ψによらずに増加する（縦方向に平行移動される）。図１０のグラフから、ピーク波長のシフトは（９）式のパラメータαの変化に、光源強度Ｉの変化は（９）式のパラメータＩ_０の変化にそれぞれ対応していることがわかる。

次に、イメージセンサ１０で取得されたパターンから出射光強度Ｐｏ（ψ）のパラメータＩ_０，αを求める方法について説明する。

図１１は、円形断面の光ファイバである光導波路３を用いた場合にイメージセンサ１０で取得されたパターンの例を示す図である。円形断面の光ファイバを光導波路に用いると、出射パターンもおおよそ円対称になり、同じ出射角度の画素は同心円状に分布する。

なお、角型断面の光導波路３’を用いる場合は、金属層は基板の表面にのみ形成されているので、コア３０’の表面と裏面で反射しながら進む光（進行方向がｙ成分をもつ光）にのみＳＰＲ吸収が生じる。したがって、図示しないが、角型断面の光導波路３’を用いる場合のイメージセンサのパターンでは、出射光強度の出射角度依存性はｙ方向にのみ現れる。

図１２は、イメージセンサ１０で取得されたパターンから出射光強度Ｐｏ（ψ）のパラメータＩ_０，αを求める方法の例を示すフローチャートである。図１２に示したフローは、制御部１１内のメモリに予め記憶されたプログラムに従って、制御部１１内のＣＰＵにより実行される。

最初に、パターン上の原点Ｏを求める（Ｓ１）。原点Ｏは、パターン上で、光導波路から真っ直ぐ出射した光が当たる位置とする。原点Ｏを求めるには、最も出射光強度が大きい位置を探せばよい。その際は、予め空間的な平均化処理を行ってノイズを取り除いておくとよい。

原点Ｏが求められたら、パターン上の各画素に対応する出射角度を求める（Ｓ２）。光導波路からの出射角度は、パターン上における原点Ｏからの空間的な距離に比例する。このため、パターン上の各画素に対応する出射角度を求めるには、原点Ｏからその画素までの距離を求めればよい。

一般に、２次元イメージセンサの画素座標は、画面左上に原点をとり、水平方向右向きにｘ軸をとり、垂直方向下向きにｙ軸をとる。原点Ｏの画素座標を（ｘ_０、ｙ_０）とし、点ｐ_ｉの画素座標を（ｘ_ｉ、ｙ_ｉ）とすると、画素間距離ｄ_ｉは（１０）式で求められる。

画素間距離ｄ_ｉと出射角度は比例関係にあるので、その比例係数は（９）式のパラメータαに含められる。したがって、点ｐ_ｉにおける出射角度ψ_ｉの値には、相対値を用いてよい。

なお、画素間距離ｄ_ｉと出射パターン上の空間的な距離が比例しない場合であっても、予め校正することで両者を比例関係にすることは容易である。また、距離と出射角度の関係が比例しない場合も考えられるが、この場合も、両者の関係は光センサ８の光学設計から求められるので、必要に応じて補正すれば、両者を比例関係にすることは容易である。

パターン上の各画素について出射角度が求められたら、各画素について、出射角度ψ_ｉと出射光強度Ｐｏ_ｉとを対応付けたデータを作成する（Ｓ３）。光ファイバである光導波路３を用いる場合は、出射パターンが円対称になり同じ出射角度の画素は同心円状に分布するので、原点Ｏを中心とする径方向の強度分布から出射角度ψ_ｉと出射光強度Ｐｏ_ｉとを対応付けたデータを作成する。また、角型断面を有する光導波路３’を用いる場合は、イメージセンサ１０により取得されたパターンにおけるｙ方向の強度分布から、出射角度ψ_ｉと出射光強度Ｐｏ_ｉとを対応付けたデータを作成する。

実際の出射光強度とイメージセンサから得られるデータとは比例関係にあるので、その比例係数は（９）式のパラメータＩ_０に含められる。したがって、点ｐ_ｉにおける出射光強度Ｐｏ_ｉの値にも、相対値を用いてよい。

そして、ステップＳ３で求めたデータから、最小二乗法により（９）式のパラメータＩ_０，αを求める（Ｓ４）。イメージセンサ１０で取得されたパターンから出射光強度Ｐｏ（ψ）のパラメータＩ_０，αを求める方法は、以上で終了する。

センサ装置１では、イメージセンサ１０の画素数に相当する多数のデータを、誤差が最も少なくなるように最小二乗法により理論式にフィッティングして、ＳＰＲ吸収量の変化を求める。このため、異なる２つの角度の光で測定された出射光強度のデータを用いる場合と比べて、高精度にＳＰＲ吸収量変化を求めることができる。

また、センサ装置１では、出射角度に対する出射光強度Ｐｏの変化を１次式で表し、ＳＰＲ吸収量の変化と光源強度の変化を、それぞれ別のパラメータα，Ｉ_０として求める。光源強度の変化や、入射側のアライメントずれに伴う出射光強度の変動の影響は、パラメータＩ_０に含められる。また、出射側の光導波路と光センサとのアライメントずれに伴う出射光強度変動は、イメージセンサ１０で取得されたパターン上で光導波路の位置（原点Ｏ）を求めてから角度依存性を計算することで、打ち消すことができる。このため、光源の強度変動や、アライメントずれに伴う出射光強度の変動があったとしても、センサ装置１では、それらの影響を受けずにＳＰＲ吸収量の変化を求めることができる。

また、上記の方法は、１次式へのフィッティングであるから、計算量を減らせる点でも有用である。

さらに、センサ装置１では光源７としてＬＥＤ光源を用いており、ビーム光源やレンズなどの光学系は必要ない。ＬＥＤ光源自体がもつ光源強度の角度分布を利用することから、センサ装置１では、入射角度の異なる複数の光源を設けたり、光源の入射角度を変化させる機構を設けたりする必要もない。また、光センサ８として２次元イメージセンサを用いており、分光器などの高価で大型の機器は必要ない。このため、センサ装置１は、装置を小型化かつ低価格化することができる。

図４に示す角型断面の光導波路３’を有するセンサチップ２Ｂを使い、エチレングリコールを被測定物質として、センサ装置１でサンプル溶液の濃度を測定する実験を行った。光導波路３’にはポリマー製のものを使用し、光源には波長６６０ｎｍのＬＥＤ光源を使用した。

図１３（Ａ）および図１３（Ｂ）は、センサチップ２Ｂを使用したときにイメージセンサ１０で取得された出射光強度のパターンを示す図である。図１３（Ａ）はサンプル溶液を滴下する前のパターンを、図１３（Ｂ）は被測定物質を含まない純水をサンプル溶液として滴下した後のパターンを示す。図中の黒い点は、出射光強度が強い位置に対応する。

図１３（Ａ）のパターンは等方的であり、中心から遠ざかるにつれてｘ方向もｙ方向も同じように強度が減少していく。これに対し、図１３（Ｂ）のパターンは、図１３（Ａ）のパターンと比べて全体的に出射光強度が低下しており、特にｙ方向の出射光強度が図１３（Ａ）のパターンと比べて大きく低下していることがわかる。これは、コア３０’の表面と裏面で反射しながら進む光（進行方向がｙ成分をもつ光）がＳＰＲ吸収されることに相当している。

図１４（Ａ）〜図１４（Ｃ）は、イメージセンサ１０で取得された出射光強度のパターンにおける、ｙ方向の強度変化を示すグラフである。

まず、図１４（Ａ）は、サンプル溶液なしのとき（ＡＩＲ）と、被測定物質としてエチレングリコールをそれぞれ０％、１％、３％、５％含むサンプル溶液を滴下したときの出射光強度Ｐｏ（ｙ）のグラフを示す。なお、０％とは、サンプル溶液として純水を加えた場合に相当する。出射光強度Ｐｏ（ｙ）は、イメージセンサのパターン上の原点Ｏを通るｙ方向の直線上における、ｙ方向の画素位置に対する出射光強度の変化である。ただし、原点Ｏを通る１ラインだけのデータではノイズ（ばらつき）が出るため、原点Ｏを中心とするｙ方向に平行な計２１ライン（原点Ｏを通るラインと±ｘ方向の各１０画素についてのｙ方向に平行なライン）について平均化したデータをプロットした。

サンプル溶液なしの場合、金属層はセンサ膜を介してサンプル溶液より屈折率の小さい空気と接しているため、ＳＰＲ吸収のピーク波長は短波長側に大きくシフトし、光源波長６６０ｎｍではほとんどＳＰＲ吸収が起こらない。一方、サンプル溶液がセンサ膜に接すると、ＳＰＲ吸収のピークが７００ｎｍ付近に生じるため、光源波長６６０ｎｍにおいて大きなＳＰＲ吸収が生じて、透過率が減少する。エチレングリコールを加えたサンプル溶液では、濃度とともにピーク波長が長波長側にシフトするため、透過率が増加する。このため、エチレングリコールの濃度が０％、１％、３％、５％と高くなるにつれて、出射光強度Ｐｏ（ｙ）は増加する。

なお、角型断面の光導波路３’を用いる場合、金属層が形成されていない光導波路の側面を反射してくる光（ｘｚ面内を進む光）はＳＰＲ吸収を起こさないため、透過率が減少しないはずである。しかしながら、ポリマー製の光導波路は、寸法精度や表面粗さなどの特性がガラス製の光導波路と比べて悪いことから、光導波路の端面に細かい凹凸ができやすく、コア−クラッド界面のゆらぎや散乱により光の進行方向がランダムに変化する。このため、ポリマー製の光導波路を用いる場合は、ｘｚ面内を進み出射した光でもＳＰＲ吸収が生じ、イメージセンサのパターンにはｙ方向だけでなくｘ方向にも強度分布が見られると同時に、出射角度が０の光でもＳＰＲ吸収による透過率の減少が生じる。この現象を、ここでは混合現象と呼ぶことにする。この混合現象の影響を取り除くため、図１４（Ａ）における出射光強度Ｐｏ（ｙ）の各グラフのピーク位置をそろえる処理を行う。

図１４（Ｂ）は、図１４（Ａ）における各グラフについて、ｚ方向に直進しｙ方向の原点でピークをとる光の強度（ピーク位置の出射光強度）が１になるように出射光強度Ｐｏ（ｙ）を相対化した出射光強度Ｐ_ｒｅｆ（ｙ）のグラフを示す。この処理は出射光強度Ｉ_０の変化と考えられるため、このように相対化してもよいことは（９）式から明らかである。

図１４（Ｃ）は、図１４（Ｂ）の部分拡大図である。図１４（Ｂ）では、出射光強度の出射角度依存性を表すパラメータαに対応する出射光強度Ｐ_ｒｅｆ（ｙ）のグラフの傾きは、サンプル溶液の濃度によってほとんど変化しないように見える。しかしながら、図１４（Ｃ）の部分拡大図では、サンプル溶液の濃度が高くなるほど、パラメータαに対応する出射光強度Ｐ_ｒｅｆ（ｙ）のグラフの傾きが変化していることがわかる。

図１５は、図１４（Ｃ）の出射光強度Ｐ_ｒｅｆ（ｙ）の各グラフを最小二乗法により直線近似して求めた傾きαとサンプル溶液の濃度との関係を示すグラフである。横軸はサンプル溶液中のエチレングリコールの濃度Ｃ（％）であり、縦軸は各濃度に対する傾きαの値である。

図１４（Ｃ）のｙ画素位置５２０が出射角度０に相当し、それより左側のｙ画素位置が小さい領域で傾きを求めているため、傾きαは正の値になっている。図１５に示すように、サンプル溶液の濃度Ｃが増加するにつれて傾きαは減少している。すなわち、ＳＰＲ吸収量が相対的に減少しており、理論通りであることがわかる。このようにして得られたサンプル溶液の濃度Ｃに対するパラメータαの関係を検量線として用いることで、未知の濃度の被測定物質を定量することが可能である。

角型断面の光導波路３’については、特にポリマー製の光導波路を用いる場合、いわゆる混合現象が生じるため、一般に、（９）式に示すパラメータＩ_０がサンプル溶液の濃度によって大きく変化し、かつ出射角度依存パラメータαが小さい値になる。しかしながら、センサ装置１の測定方法では、光源強度Ｉ_０の変化量が打ち消されるため、パラメータＩ_０が大きく変動する場合であっても、パラメータαからＳＰＲ吸収量を定量することが可能である。

１ センサ装置
２，２Ａ，２Ｂ センサチップ
３，３’ 光導波路
４，４Ａ，４Ｂ 検出部
６ サンプル溶液
７ 光源
８ 光センサ
１１ 制御部
３０，３０’ コア
３１，３１’ クラッド
４０，４０Ａ，４０Ｂ 金属層
４１ センサ膜

Claims (7)

1. 光源と、
   前記光源からの光を導波するコアおよび前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、
   前記コアに接するように配置され、前記光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、
   前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、
   前記光導波路からの出射光の強度分布を検知する出射光検知部と、
   前記出射光検知部により検知された強度分布から得られる前記出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部と、
   を有するセンサ装置。
2. 前記制御部は、前記出射光の出射角度と強度との関係を記述する理論式のパラメータを前記強度分布から決定することにより、前記出射光の出射角度に対する前記金属層での光の吸収量の変化を求める、請求項１に記載のセンサ装置。
3. 前記出射光検知部は、前記光導波路の出射面上で前記出射光を受光する２次元イメージセンサである、請求項２に記載のセンサ装置。
4. 前記光導波路は光ファイバであり、
   前記制御部は、前記２次元イメージセンサにより取得された円対称のパターンにおける径方向の強度分布から、前記出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得する、請求項３に記載のセンサ装置。
5. 前記光導波路は基板の表面に形成された角型断面を有する光導波路であり、
   前記制御部は、前記２次元イメージセンサにより取得されたパターンにおける、前記金属層に垂直な方向の強度分布から、前記出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得する、請求項３に記載のセンサ装置。
6. 前記光源はランバート分布の出射光強度を有するＬＥＤ光源である、請求項１〜５のいずれか一項に記載のセンサ装置。
7. 光源と、前記光源からの光を導波するコアおよび前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、前記コアに接するように配置され、前記光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、
   前記光導波路からの出射光の強度分布を検知するステップと、
   検知された強度分布から得られる前記出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップと、
   を有する測定方法。