JPH09257698A

JPH09257698A - 表面プラズモン共鳴センサ

Info

Publication number: JPH09257698A
Application number: JP6356496A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uchiyama; 兼一内山; Taiji Osada; 泰二長田; Katsumi Yoneda; 勝實米田; Haruo Tajima; 晴雄田島
Original assignee: NIPPON LASER DENSHI KK; Toto Ltd
Current assignee: NIPPON LASER DENSHI KK; Toto Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 1997-10-03

Abstract

(57)【要約】【課題】表面プラズモン共鳴センサの小型化及び低コ
スト化を図る。【解決手段】光源ユニットは、基板７７に搭載された
複数のＬＥＤチップ７９、８１と、このＬＥＤチップ７
９、８１からの光をそれぞれ所定の焦点位置へ集光する
複数の屈折率分布型レンズ（ＧＬＩＮレンズ）６５ａ、
６５ｂと、それらの光を偏光する偏光フィルム８３とか
ら構成される。光源ユニットから射出された光は、光透
過媒体１に入り、この媒体１の表面上に形成された表面
プラズモン共鳴を起こすための金属薄膜に全反射角で入
射する。光透過媒体１は、例えばアクリル板を用いた複
数枚の導光板１ａ、１ｂを積層したものである。ＧＬＩ
Ｎレンズ６５ａ、６５ｂとして、多数のＧＬＩＮレンズ
を一列に配列したＧＬＩＮレンズアレイ６８を利用する
ことができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光透過媒体の金属
薄膜を有した検出表面での表面プラズモン共鳴現象を利
用して金属薄膜に接した液体やガスなどの試料の屈折率
を測定する表面プラズモン共鳴センサに関わり、特に、
光源からの光を検出表面へ「くさび」状に集光するため
の光学系の改良に関する。

【０００２】

【従来の技術】ガラスのような高い屈折率を持つ媒質内
を進む光が、外部との界面に入射したとき、その入射角
が全反射するようなものであったならば、その光は界面
で全反射する。しかし、その反射面に金属の薄膜が接し
ていると、全反射する入射角範囲のうちある角度で入射
した光は、表面プラズモン共鳴現象を起こして金属膜に
吸収されてしまうため、その反射光の強度が低下する。
この様な減光がみられる入射角は、金属薄膜に接してい
る外部の溶液やガスなどの媒質の屈折率に依存してい
る。この現象を利用して、溶液やガスなどの試料の屈折
率及びその変動を計る装置が表面プラズモン共鳴センサ
である。試料の屈折率の変動はその試料中の物質量の変
動を反映しているから、例えば生化学や分子生物学や医
療検査等の分野で用いられるバイオセンサとして表面プ
ラズモン共鳴センサを利用することができる。

【０００３】表面プラズモン共鳴センサは、基本的に、
光源と、金属薄膜に接した検出表面を持つガラスやアク
リル等の高屈折率の光透過媒体と、光検出器とを備え
る。光源ユニットは光透過媒体の検出面に全反射条件を
満たす入射角で光を入射し、その反射光を光検出ユニッ
トが受ける。減光の生じる入射角を知るには、様々な入
射角度を試す必要がある。この様々な入射角度を同時に
試すための賢明な方法は、「くさび」型に光を入射する
ことである。即ち、検出表面上に焦点を合わされた集光
レンズを用いて、光源からの光を検出表面上の焦点へ
「くさび」型に入射させ、そして、その焦点からの反射
光をアレイ型の光検出器で受ける。従って、「くさび」
型の開き角度に対応した入射角範囲を同時に測定するこ
とができる。

【０００４】従来、光源からの光を「くさび」状に集光
するために、球面レンズや非球面レンズが用いられ、１
枚又は複数枚のレンズの組み合わせにより光学系が構成
されている。また、光源には金属パッケージに収納され
たＬＥＤやＬＤ、又はプラスチックモールドされたＬＥ
Ｄランプが用いられている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】表面プラズモン共鳴セ
ンサは、表面プラズモン共鳴現象が温度依存性を有する
ので、不均一な温度分布が装置内に存在するような大サ
イズの装置は好ましくない。また、バイオセンサとして
の用途の面からも、出来るだけ小型であることが望まし
い。光学系を取上げてみると、レンズの直径が１ｍｍ程
度になるまで小型化したい。一方、光学系には極めて高
精度の結像特性が要求される。

【０００６】しかし、上述した従来の構成においては、
高精度を維持しつつそれ程までに光源及び光学系のサイ
ズを小型化することは難しい。即ち、球面レンズや非球
面レンズを用いた光学系では、高精度かつ小型のレンズ
の製作、レンズサイズに合せた小型のレンズホルダの製
作、及びホルダへのレンズのアッセンブルのいずれもが
困難である。そのため、従来の構成の下で小型のセンサ
を実現しようとするとコストが高くなる。

【０００７】従って、本発明の目的は、高精度で小型な
表面プラズモン共鳴センサを低コストで実現するための
改良を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサは、光源からの光を検出表面上の焦点に集光
させるためのレンズとして、屈折率分布型レンズ（Ｇra
dient Index Lens ＝ＧＲＩＮレンズ）を用いることを
特徴とする。ＧＲＩＮレンズは一般に円筒形であり、そ
の長さを調節することにより所望の結像特性を持ったレ
ンズが容易に得られ、かつ、直径１ｍｍ程度の小型なも
のが容易かつ安価に得られる。しかも、単純な円筒型で
あるため、そのホルダの製造も容易である。結果とし
て、小型で高精度の光学系が容易かつ安価に実現でき、
ひいてはセンサ全体の小型化と低コスト化につながる。
センサが小型化すると、センサ内の不均一な温度分布も
減るため、測定精度の向上も期待できる。

【０００９】光源とＧＬＩＮレンズとを共通のホルダに
固定して単一の光源ユニットに構成することができる。
これにより、光源と光学系とを小型にまとめることがで
きる。

【００１０】また、光源として、ＬＥＤのウェハチップ
を基板に搭載したものや、チップＬＥＤと呼ばれる表面
実装用のユニットを用いると、小型化が一層容易にな
る。

【００１１】ＧＬＩＮレンズと、導光板を用いた光透過
媒体とを組み合わせて用いることが望ましい。導光板は
光透過媒体を薄く小型にすることを可能にし、これとＧ
ＬＩＮレンズとを組み合わせることにより、センサ全体
が小型化する。

【００１２】ＧＬＩＮレンズと導光板とを組み合わせた
構造を複数セット積層する事により、小型のマルチチャ
ネル型のセンサを作ることができる。このマルチチャネ
ル型のセンサでは、複数のＧＬＩＮレンズをフレーム内
に一列に並べて成るＧＬＩＮレンズアレイユニットを用
いることができる。このレンズアレイユニットは容易に
得ることができると共に、導光板の厚みとレンズアレイ
ユニットのレンズのピッチとが一致しない場合でも、導
光板間にスぺーサを入れたり、レンズアレイユニット内
のＧＬＩＮレンズを一つおきに使うなどの方法で、各導
光板と各ＧＬＩＮレンズとの位置合せを容易に行うこと
ができる。従って、低コストでセンサを製作できる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の表面プラズモン共
鳴センサの実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。

【００１４】図１は、本発明に従う２チャネル型の表面
プラズモン共鳴センサの一実施形態の全体構成図であ
る。

【００１５】２枚の導光板１ａ、１ｂは各々、例えば名
刺程度の平面サイズと１〜数ｍｍ程度の厚みをもち両側
面にクロム薄膜が蒸着されたアクリル板であり、入射し
た光の波動を内部に閉じこめて伝送する。この２枚の導
光板１ａ、１ｂが各々の一側面同士で接合されて積層さ
れ、２チャネルの導光板１を構成している。この２チャ
ネル導光板１の図中の上端面には、Ａｕのような金属の
薄膜３が蒸着されている。この金属膜３の表面が試料と
接する検出表面である。バイオセンサとして用いる場
合、この検出表面上には、検出対象たる特定の物質と生
物化学的反応を起こすための生体物質が固定化されたリ
ガンド層が形成される。また、この２チャネル導光板１
の図中の左側の端面と右側の側面にそれそれ対向して、
光源ユニット５及び受光センサ７が設けられている。

【００１６】光源ユニット５は、２つの光源モジュール
５ａ、５ｂを有し、２つの光源モジュール５ａ、５ｂは
選択的に点灯される。一方の光源モジュール５ａから射
出された光線束は一方の導光板１ａに入り、他方の光源
モジュール５ａからの光線束は他方の導光板１ｂに入
る。各光線束は、各導光板１ａ、１ｂを通って、金属膜
３上の各々の焦点に全反射する角度で「くさび」状に入
射する。金属膜３で反射した各光線束は、「逆くさび」
状に拡がりながら各導光板１ａ、１ｂを通って、共通の
受光センサ７に入射する。受光センサ７は、光線束の拡
がる方向（つまり、図中の上下方向）に沿って一列に配
列された多数の受光素子を有するＣＣＤラインセンサで
ある。この受光センサ７の出力信号は図示しない信号処
理装置に入力される。

【００１７】金属膜３に入射した「くさび」状の光線束
は、金属膜３で全反射して受光センサ７に入射する。こ
の光線束のうち、検出表面上の媒質の屈折率で決まる特
定の角度で入射した光線のみは、検出表面で表面プラズ
モン共鳴を生じさせて吸収され、その反射光量が減少す
る。従って、その入射角度に対応した受光センサ７の位
置で、受光信号レベルの低下が観測される。このレベル
低下の観測された位置から、検出表面上の媒質の屈折率
がわかり、結果として試料中の測定対象物質が検出でき
る。

【００１８】この２チャネルのセンサは、次のように利
用することができる。例えば、金属膜３上の第１のチャ
ネル側の部分に活性な生体物質を固定したリガンド層を
形成し、第２のチャネル側の部分には非活性な生体物質
を固定化したリガンド層を形成する。そして、第１のチ
ャネルを対象物質の測定に用い、第２のチャネルを参照
基準として用い、第１チャネルからの測定値に対する温
度補償を、第２チャネルからの参照基準値を用いて行
う。結果として、温度依存性の高い表面プラズモン共鳴
センサにおいて、温度補償された高精度な測定結果が得
られる。また、例えば、２つのチャネルを２つの異なる
対象物質の測定に利用することにより、複数の物質を同
時に検査したり、比較検査したりすることができる。

【００１９】尚、この実施形態と同様の態様で任意の枚
数の導光板を積層しかつ同数の光源モジュールを並べる
ことにより、任意の数のチャネルをもつセンサが容易に
製造できる。勿論、単チャネルのセンサも容易に製造で
きる。

【００２０】図２は、本発明の実施形態で利用できる単
チャネル用の光源ユニットの一例を示す断面図である。
この光源ユニットを２本並べれば、図１に示した２チャ
ネル用の光源ユニット５が構成できる。

【００２１】図２に示すように、一つの筒形のレンズホ
ルダ１１内に、円柱状の屈折率分布形レンズ（ＧＬＩＮ
レンズ）１７が固定的に保持されている。レンズホルダ
１１の基端面には、光源としてのＬＥＤのウェハチップ
（以下、ＬＥＤチップという）１３を実装した回路基板
１５が接着され、レンズホルダ１１の先端面には、偏光
フィルム１９が接着されている。ＧＬＩＮレンズ１７
は、例えば正立等倍像を結像するタイプのものである。
ＬＥＤチップ１３は、ＧＬＩＮレンズ１７のほぼ中心軸
線上に配置され、その像はＧＬＩＮレンズ１７によって
光源ユニットから所定距離だけ先方の焦点ｆの位置に結
像される。

【００２２】回路基板１５は、ガラスエポキシ、セラミ
ック、紙フェノール等の通常の電子機器に用いられる基
板である。ＬＥＤチップ１３は、３００μｍ程度のサイ
ズを有し、ダイボンド又はワイヤボンド等によって回路
基板１５に実装される。AlGaAsダブルヘテロタイプのＬ
ＥＤが好適であるが、他のタイプでも構わない。望まし
くは、光の取り出し効率を上げるためのシリコーン樹脂
製のプリコート剤でＬＥＤチップ１３の表面をコーティ
ングする。基板１５に搭載したＬＥＤチップ１３に代え
て、チップＬＥＤと呼ばれる表面実装用のユニットを用
いることもできる。チップＬＥＤは、外部接続端子をも
つ基体にＬＥＤチップをマウントしたもので、１ｍｍ程
度のサイズのものがある。また、ＬＥＤに代えて、ＬＤ
（半導体レーザ）のような単一波長の光を発する他の発
光素子を用いることもできる。

【００２３】偏光フィルム１９は、表面プラズモンを励
起するための偏光を作るためのものであるから、その位
置は、ＬＥＤチップ１３と金属膜３（図１参照）との間
であれば、図示の位置に限定されるものではない。レン
ズホルダ１１は、例えば黒色の樹脂又は黒色アルマイト
されたアルミニウム円筒管で作られるが、その材質は要
するに光源の光を反射しにくい材料であれば良く、色も
黒色に限定されるものではない。

【００２４】ＧＬＩＮレンズ１７は直径１ｍｍ程度の小
型に製造することが容易である。ＧＬＩＮレンズ１７は
円柱形であるから、レンズホルダ１１も単純な筒形とす
ることができ、レンズホルダ１１の製造も容易である。
また、このような形状的な単純性に加え、ＧＬＩＮレン
ズ１７は接着剤でレンズホルダ１１に固定できるので、
レンズホルダ１１への組込も容易である。更に、ＬＥＤ
チップ１３は、３００μｍ程度と小型であり、基板１５
表面への実装も容易であり、更に、その基板５をレンズ
ホルダ１１の端部への取付けることも容易である。これ
らの理由から、小型で高精度の光源ユニットが低コスト
で容易に製造できる。チップＬＥＤを用いた場合も、１
ｍｍ程度と小型であるから、やはり小型の光源ユニット
が容易に得られる。

【００２５】図３は、本発明の実施形態で利用できる別
の単チャネル用の光源ユニットの例を示す断面図であ
る。この光源ユニットは、図２に示した単一のＧＬＩＮ
レンズ１７の代りに、コリメート用のＧＬＩＮレンズ２
１と集光用のＧＬＩＮレンズ２３とを用いたものであ
る。２つのＧＬＩＮレンズ２１、２３の結像特性を別々
に選択できるので、光源ユニットの結像特性の選択肢が
図２のものより拡がる。

【００２６】図４は、本発明の実施形態で利用できる２
チャネル用の光源ユニットの例を示す断面図である。レ
ンズホルダ３１は平行な２本の円柱形空洞５１、５３を
有し、その中に同一特性を有する２個のＧＬＩＮレンズ
３３、３５が填め込まれている。レンズホルダ３１の基
端面には回路基板３７が接着され、この回路基板３７上
の、２つのＧＬＩＮレンズ３３、３５の中心軸線にそれ
それ対応した位置に、２つのＬＥＤチップ３９、４１が
マウントされている。また、レンズホルダ３１の先端面
には、偏光フィルム４３が接着されている。このように
して、２つの光源モジュール５５、５７が一ユニットに
まとめられている。

【００２７】この２チャネル用光源ユニットは、図１に
示した２枚の導光板１ａ、１ｂに対し図５に示すように
配置される。即ち、２つの光源モジュール５５、５７
が、２枚の導光板１ａ、１ｂの幅の中心にそれそれ位置
するように、配置される。

【００２８】３チャネル以上用の光源ユニットも同様な
構成で製造することができる。

【００２９】図６は、マルチチャネル用の光源ユニット
を作るのに好適なＧＬＩＮレンズアレイ６７を示す斜視
図である。２枚のフレーム板６１、６３の間に、多数の
ＧＬＩＮレンズ６５が一列に等ピッチで精密に配列され
ている。レンズ６５間の隙間には、フレア光を除去する
ための黒色のシリコーン樹脂が充填されている。シリコ
ーン樹脂はレンズ６５にストレスを与えないようにゴム
状になっている。フレーム板６１、６３は、レンズ６５
の熱膨張とほぼ同じ特性を持つガラス布基材エポキシ樹
脂の黒色積層板である。この構成より、レンズ６５に対
する熱歪みが減少し、かつ、ＧＬＩＮレンズアレイ６７
全体の強度が増す。

【００３０】図７は、このＧＬＩＮレンズアレイ６７を
用いた、２チャネル用の光源ユニットの構成例を示す断
面図である。この例では、導光板１ａ、１ｂの各々の厚
さがＧＬＩＮレンズ６５の直径の２倍であり、そのた
め、ＧＬＩＮレンズアレイ６７の内の１個おきのＧＬＩ
Ｎレンズ６５ａ、６５ｂのみをレンズとして使用してい
る。

【００３１】図７に示すように、２本の円柱形空洞７
３、７５をもつホルダ７１の基端面に回路基板７７が接
着され、この回路基板７７上に２つのＬＥＤチップ７
９、８１が搭載され、各ＬＥＤチップ７９、８１は各空
洞７３、７５の中心軸線に対応した位置に配置されてい
る。ホルダ７１の先端面には、ＧＬＩＮレンズアレイ６
７が固定され、このアレイ６７内の２つのレンズ６５
ａ、６５ｂが、その中心軸線を空洞７３、７５のそれに
一致させて配置されている。ＧＬＩＮレンズアレイ６７
内の使用されない３つのレンズ６５ｃ、６５ｄ、６５ｅ
の先端面には、光を遮蔽するようにスペーサ８１が接着
されている。尚、スペーサ８１は、ＧＬＩＮレンズの光
入射側に配置しても良い。スペーサ８１の先端面には偏
光フィルム８３が接着されている。

【００３２】各ＬＥＤチップ７９、８１からの光は１つ
おきのＧＬＩＮレンズ６５ａ、６５ｂに入射し、偏光フ
ィルム８３により偏光されて、それぞれに対応した導光
板１ａ、１ｂに入射する。

【００３３】尚、ＧＲＩＮレンズ６５の直径と導光板１
ａ、１ｂの厚さが同じ場合には、ホルダ７１の仕切り壁
の厚さを薄くすることによって、ＧＬＩＮレンズアレイ
６７内の連続するＧＬＩＮレンズをレンズとして用いる
ことができる。又、レンズの直径と導光板の厚さが異な
っている場合は、導光板１ａ、１ｂ間の適当な幅のスペ
ーサを入れることにより、各光源モジュールと各導光板
１ａ、１ｂとの位置合せができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
表面プラズモン共鳴センサを容易に小型化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】２チャネル型の表面プラズモン共鳴センサの
一実施形態を示す斜視図。

【図２】本発明の実施形態に利用できる光源ユニット
の構成例を示す断面図。

【図３】別の光源ユニットの構成例を示す断面図。

【図４】２チャネル用の光源ユニットの構成例を示す
断面図。

【図５】図４の光源ユニットの各光源モジュールと各
導光板トの位置関係を示す正面図。

【図６】ＧＬＩＮレンズアレイを示す斜視図。

【図７】ＧＬＩＮレンズアレイを用いた２チャネル用
の光源ユニットを示す断面図。

【符号の説明】

１導光板３金属膜５光源ユニット７受光センサ１１、３１レンズホルダ１３、３９、４１、７９、８１ＬＥＤチップ１５、３７、７７回路基板１７、２１、２３、３３、３５、６５屈折率分布型レ
ンズ（ＧＲＩＮレンズ）１９、４３、８３偏光フィルム

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者長田泰二福岡県北九州市小倉北区中島２丁目１番１号東陶機器株式会社内 (72)発明者米田勝實愛知県名古屋市天白区保呂町2318 日本レーザ電子株式会社内 (72)発明者田島晴雄愛知県名古屋市天白区保呂町2318 日本レーザ電子株式会社内

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、光源からの光を受け表面プラズモ
ン共鳴を起こす検出表面を有した光透過媒体とを備えた
表面プラズモン共鳴センサにおいて、前記光源と前記検出表面との間に配置され、前記光源か
らの光を前記検出表面へ集光するための屈折率分布型レ
ンズを備えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴セン
サ。
【請求項２】請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、前記光源と前記屈折率分布型レンズとを共通のホルダに
固定してなる光源ユニットを備えたことを特徴とする表
面プラズモン共鳴センサ。
【請求項３】請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて前記光透過媒体が、前記屈折率分布型レンズを通過した
光を前記検出媒体へ導くための導光板であることを特徴
とする表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項４】請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、前記屈折率分布型レンズと前記光透過媒体とを組合せた
セットを複数備えたマルチチャネル型の表面プラズモン
共鳴センサ。
【請求項５】請求項４記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、前記複数のセットの各々における前記光透過媒体が、前
記屈折率分布型レンズを通過した光を前記検出媒体へ導
くための導光板であり、複数の前記導光板が積層されるようにして、前記複数の
セットが並列的に配置されていることを特徴とするマル
チチャネル型の表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項６】請求項５記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、複数の前記屈折率分布型レンズが共通のフレーム内に一
列に配列されてなるレンズアレイを備えたことを特徴と
するマルチチャネル型の表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項７】請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、前記光源が、回路基板に搭載されたＬＥＤのウェハチッ
プであることを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ。
【請求項８】請求項１記載の表面プラズモン共鳴センサ
に於いて、前記光源が、チップＬＥＤであることを特徴とする表面
プラズモン共鳴センサ。