JPH09292334A - 表面プラズモンセンサー - Google Patents

表面プラズモンセンサー

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JPH09292334A
JPH09292334A JP10936696A JP10936696A JPH09292334A JP H09292334 A JPH09292334 A JP H09292334A JP 10936696 A JP10936696 A JP 10936696A JP 10936696 A JP10936696 A JP 10936696A JP H09292334 A JPH09292334 A JP H09292334A
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JP
Japan
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light
light beam
prism
surface plasmon
interface
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JP10936696A
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English (en)
Inventor
Masayuki Naya
昌之 納谷
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Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Publication date
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • 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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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 光検出部の構造が簡素化されて、比較的安価
に形成され得る表面プラズモンセンサーを得る。 【解決手段】 プリズム10と、その一面に形成されて試
料11に接触させられる金属膜12と、光ビーム13を発生さ
せる光源14と、光ビーム13をプリズム10に通し、プリズ
ム10と金属膜12との界面10a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15と、界面10aで全反射
した光ビーム13を検出する光検出手段とを備えてなる表
面プラズモンセンサーにおいて、上記光検出手段とし
て、第1の反射角範囲にある光ビーム13の光量を検出す
る第1の光検出手段16と、第2の反射角範囲にある光ビ
ーム13の光量を検出する第2の光検出手段17とを設け、
それらから各々出力された光量検出信号S1、S2を比
較器18によって比較する。

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を定量分析する表面プラズ
モンセンサーに関し、特に詳細には、光検出部の構造を
簡素化した表面プラズモンセンサーに関するものであ
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、試料中の物質を定量分
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、プリズムと、このプリズムの一面に形成さ
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、上記光ビームをプリズムに通し、該プリズ
ムと金属膜との界面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、上記の界面で全反射した光ビ
ームの強度を種々の入射角毎に検出可能な光検出手段と
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偏向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
界面で集束するように入射させてもよい。前者の場合
は、光ビームの偏向にともなって反射角が変化する光ビ
ームを、光ビームの偏向に同期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θSP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。エバネッセント光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、プリズム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。
【0007】この現象が生じる入射角θSP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KSP、表面プラズモン
の角周波数をω、cを真空中の光速、εm とεs 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。
【0008】
【数1】
【0009】試料の誘電率εs 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θSPを知る
ことにより、試料中の特定物質を定量分析することがで
きる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したタイプの
従来の表面プラズモンセンサーにおいては、プリズムと
金属膜との界面で反射した光ビームの強度を検出するた
めに、前述したように光ビームの偏向に同期移動する光
検出器や、広い受光面を有するCCDエリアセンサ等を
用いる必要があるため、装置コストが高くなりがちであ
るという問題が認められている。
【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、光検出部の構造が簡素化されて、比較的安価に
形成され得る表面プラズモンセンサーを提供することを
目的とするものである。
【0012】
【課題を解決するための手段】本発明による表面プラズ
モンセンサーは、前述したようなプリズムと、金属膜
と、光ビームを発生させる光源と、光学系と、光検出手
段とを備えてなる表面プラズモンセンサーにおいて、上
記の光検出手段として、プリズムと金属膜との界面で全
反射した光ビームのうち、第1の反射角範囲にある光ビ
ームと、それとは別の第2の反射角範囲にある光ビーム
の光量を各々検出する第1の光検出手段、第2の光検出
手段を用いた上で、この第1の光検出手段から出力され
た光量検出信号と、第2の光検出手段から出力された光
量検出信号とを比較する比較器を設けたことを特徴とす
るものである。
【0013】なお上記第1の光検出手段、第2の光検出
手段としては、例えば2分割フォトダイオード等を用い
ることができる。
【0014】
【発明の効果】前述したプリズムと金属膜との界面に光
ビームが入射してそこで全反射する場合、その入射角θ
と反射光強度Iとの関係は、概ね図2の(A)、(B)
に曲線a、bで示すようなものとなる。これらの図中の
θSPが、表面プラズモンの励起により反射光強度Iが鋭
く低下する入射角である。
【0015】一方、上記第1の反射角範囲と第2の反射
角範囲とが例えば連続していて、それら両範囲の境界の
反射角がθM であるとすると、入射角θM よりも入射角
が小さい範囲、大きい範囲の光が各々第1、第2の光検
出手段の一方、他方に検出される。
【0016】一例として、θM よりも入射角が小さい範
囲の光が第1の光検出手段によって検出され、θM より
も入射角が大きい範囲の光ビームが第2の光検出手段に
よって検出されるものとすると、第1の光検出手段は図
2の(A)、(B)でそれぞれ斜線を付した範囲の光を
検出することになり、その検出光量は(A)の場合より
も(B)の場合の方が大きくなる。反対に、第2の光検
出手段による検出光量は(A)の場合よりも(B)の場
合の方が小さくなる。このように、第1の光検出手段の
検出光量と第2の光検出手段の検出光量は、入射角θと
反射光強度Iとの関係に応じた特有の差異を生じること
になる。
【0017】したがって、予め求めてある各試料毎の検
量線等を参照すれば、第1、第2の光検出手段から出力
された各光量検出信号を前記比較器に通して得られる差
分信号等に基づいて、分析試料に関する入射角θSPや、
入射角θと反射光強度Iとの関係曲線を推定可能とな
り、該試料中の物質を定量分析できるようになる。
【0018】なお以上は、第1の反射角範囲と第2の反
射角範囲とが連続している場合について説明したが、そ
れら両範囲が連続していない場合でも、第1の光検出手
段の検出光量と第2の光検出手段の検出光量は、入射角
θと反射光強度Iとの関係に応じた特有の差異を生じる
から、同様にして試料中の物質を定量分析できる。
【0019】以上説明した通り本発明による表面プラズ
モンセンサーは、簡単な2分割フォトダイオード等から
なる第1、第2の光検出手段によって光検出部が構成さ
れたもので、またそれらと組み合わされる比較器も簡単
なものであるから、移動する光検出器や、広い受光面を
有するCCDエリアセンサ等を用いる従来の表面プラズ
モンセンサーと比べると、極めて安価に形成可能であ
る。
【0020】
【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。図1は、本発明の1つの実
施形態であ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。図示されるようにこの表面プラズモンセン
サーは、紙面に垂直な方向に長軸が延びる半円柱形のプ
リズム10と、このプリズム10の一面(図中の下面)に形
成されて、試料11に接触させられる例えば金、銀等から
なる金属膜12と、1本の光ビーム13を発生させる半導体
レーザー等からなる光源14と、上記光ビーム13をプリズ
ム10に通し、該プリズム10と金属膜12との界面10a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
15と、上記界面10aで全反射した光ビーム13の光量を検
出する第1の光検出手段16および第2の光検出手段17
と、これらの光検出手段16、17に接続された比較器18と
を備えている。
【0021】光学系15は、光源14から発散光状態で出射
した光ビーム13をプリズム10の長軸に垂直な面内のみで
集束させるシリンドリカルレンズ22および24と、この光
ビーム13を矢印A方向から見た状態で平行光化するシリ
ンドリカルレンズ23とから構成されている。
【0022】光ビーム13は、シリンドリカルレンズ22お
よび24の作用により上述のように集束するので、図中に
最小入射角θ1 と最大入射角θ2 とを例示するように、
界面10a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10a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。
【0023】一方、第1の光検出手段16および第2の光
検出手段17は、一例として2分割フォトダイオード等か
らなる。第1の光検出手段16は上記界面10aで全反射し
た光ビーム13のうち、第1の反射角範囲(比較的低角度
の範囲)にある成分の光量を検出するように配され、第
2の光検出手段17は上記界面10aで全反射した光ビーム
13のうち、第2の反射角範囲(比較的高角度の範囲)に
ある成分の光量を検出するように配されている。なお図
中では、上記2つの反射角範囲の各光ビーム13に斜線を
付してある。
【0024】以下、上記構成の表面プラズモンセンサー
による試料分析について説明する。分析対象の試料11は
金属膜12に接触する状態に保持される。そしてシリンド
リカルレンズ22および24の作用で上述のように集束する
光ビーム13が、金属膜12に向けて照射される。この金属
膜12とプリズム10との界面10aで全反射した光ビーム13
は、第1の光検出手段16および第2の光検出手段17によ
って検出される。
【0025】このとき第1の光検出手段16が出力する光
量検出信号S1と、第2の光検出手段17が出力する光量
検出信号S2は比較器18に入力され、比較器18はそれら
両信号S1、S2の差分を示す差分信号Sを出力する。
【0026】ここで、界面10aにある特定の入射角θSP
で入射した光は、金属膜12と試料11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、全反射した光ビーム13の強
度Iと入射角θとの関係は、概ね図2の(A)、(B)
にそれぞれ曲線a、bで示すようなものとなる。この入
射角θSPや、反射光強度Iと入射角θとの関係曲線が分
かれば、試料11中の特定物質を定量分析することができ
る。
【0027】従来の表面プラズモンセンサーは、CCD
エリアセンサ等を用いて、図1の矢印B方向についての
反射光強度分布を検出することにより、上記入射角θSP
や関係曲線を求めるようにしているが、本装置において
は比較器18が出力する差分信号Sに基づいて、上記入射
角θSPや関係曲線を求めることができる。その理由は、
先に詳しく説明した通りである。
【0028】以上のようにこの表面プラズモンセンサー
は、簡単な2分割フォトダイオード等からなる第1、第
2の光検出手段17、18によって光検出部が構成されたも
ので、またそれらと組み合わされる比較器18も簡単なも
のであるから、低コストで形成可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態である表面プラズモンセン
サーの側面図
【図2】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射
角と、光検出手段による検出光強度との概略関係を示す
グラフ
【符号の説明】
10 プリズム 10a プリズムと金属膜との界面 11 試料 12 金属膜 13 光ビーム 14 光源 15 光学系 16 第1の光検出手段 17 第2の光検出手段 18 比較器 22、23、24 シリンドリカルレンズ

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プリズムと、 このプリズム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、 前記光ビームを前記プリズムに通し、該プリズムと金属
    膜との界面に対して、種々の入射角が得られるように入
    射させる光学系と、 前記界面で全反射した光ビームのうち、第1の反射角範
    囲にある光ビームの光量を検出する第1の光検出手段
    と、 前記界面で全反射した光ビームのうち、前記第1の反射
    角範囲とは異なる第2の反射角範囲にある光ビームの光
    量を検出する第2の光検出手段と、 前記第1の光検出手段から出力された光量検出信号と、
    第2の光検出手段から出力された光量検出信号とを比較
    する比較器とを備えてなる表面プラズモンセンサー。
JP10936696A 1996-04-30 1996-04-30 表面プラズモンセンサー Pending JPH09292334A (ja)

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