JPH09292335A - 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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JPH09292335A
JPH09292335A JP10936796A JP10936796A JPH09292335A JP H09292335 A JPH09292335 A JP H09292335A JP 10936796 A JP10936796 A JP 10936796A JP 10936796 A JP10936796 A JP 10936796A JP H09292335 A JPH09292335 A JP H09292335A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
light beam
light
prism
surface plasmon
interface
Prior art date
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Pending
Application number
JP10936796A
Other languages
English (en)
Inventor
Masayuki Naya
昌之 納谷
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fujifilm Holdings Corp
Original Assignee
Fuji Photo Film Co Ltd
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Filing date
Publication date
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
Priority to JP10936796A priority Critical patent/JPH09292335A/ja
Publication of JPH09292335A publication Critical patent/JPH09292335A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons

Landscapes

  • 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】 プリズムと金属膜との界面に入射角が種々変
わるように光ビームを入射させ、この界面で全反射した
光ビームの強度を測定して、金属膜に接している試料中
の物質を分析する表面プラズモンセンサーにおいて、上
記界面に入射させる光ビームの強度を入射角によらず一
定に保って、高い分析精度を得る。 【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、界面10aで全反射した光ビーム13を検出
する光検出手段19とを備えてなる表面プラズモンセンサ
ーにおいて、プリズムに10に入射する前の光ビーム13
を、光偏向器17により、界面10aに対する入射角が変化
する方向に偏向させる。

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、光照射系が改良さ
れ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、光ビームの照射系を回転させるいわゆるゴニオメ
ーター(例えば特開平6−50882号参照)が用いら
れたり、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る光学系が用いられる。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、光ビーム
を、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ために、前述のゴニオメータ
ーや、あるいは光ビームを上記界面で集束させる光学系
が用いられるが、前者の場合は装置構造が複雑化すると
いう難点があり、後者の場合は入射角毎に光強度が異な
ることがあり、その光強度ばらつきのために分析精度が
低くなるという問題がある。後者の場合、光強度ばらつ
きを補償する信号処理によって分析精度を向上させるこ
ともできるが、そのようにすると複雑な信号処理手段が
必要になって、装置コストが高くついてしまう。
【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、プリズムと金属膜との界面に入射させる光ビー
ムの強度を、入射角によらず一定に保って、高い分析精
度を得ることができ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、上記プリズムを通り該プリズムと金属膜との界面に
入射する光ビームを発生させる光源と、この界面で全反
射した光ビームの強度を検出する光検出手段とを備えて
なる表面プラズモンセンサーにおいて、プリズムに入射
する前の光ビームを、上記界面に対する入射角が変化す
る方向に偏向させる光偏向器が設けられたことを特徴と
するものである。
【0013】上記構成を有する本発明による表面プラズ
モンセンサーにおいて、光検出手段としては、偏向に応
じて上記界面からの反射角が変化する光ビームを終始受
光できるように、この反射角の変化方向に沿って延びる
受光部を有するものが好適に用いられる。
【0014】また、受光部が上述のように延びるもので
はない光検出手段を用いる場合は、偏向に応じて前記界
面からの反射角が変化する光ビームを、その反射角によ
らず1点に集束させる集束光学系を設けた上で、光検出
手段の受光部を上記集束の位置に配するのがよい。
【0015】
【発明の効果】上述の通り本発明の表面プラズモンセン
サーにおいては、プリズムに入射する前の光ビームを光
偏向器により偏向させて、プリズムと金属膜との界面に
対する光ビームの入射角を変化させているので、光ビー
ムの強度は基本的にこの入射角によらず一定に保たれ
る。そこで、前述した光強度ばらつきがなくなり、高い
分析精度が得られるようになる。
【0016】またガルバノミラー等の光偏向器は、一般
に、光ビームの照射系全体を回転させるような機構と比
べれば安価なものであるから、本発明の表面プラズモン
センサーは、前述したゴニオメーター等を用いる従来装
置よりも低廉なコストで形成できるものとなる。
【0017】
【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、本発明の第1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、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、光
ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ15と、平行
光化された光ビーム13を集束させる集光レンズ16と、こ
の集光レンズ16による光ビーム13の集束位置に鏡面が位
置するように配されたガルバノミラー17と、このガルバ
ノミラー17で反射した光ビーム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において集束させ
る集光レンズ18と、上記界面10aで全反射した光ビーム
13を検出する光検出手段19とを有している。
【0018】ガルバノミラー17は、光ビーム13を矢印A
方向に偏向させる。したがって光ビーム13は、この偏向
にともなって、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
全反射する。
【0019】一方光検出手段19としては、上記偏向に応
じて界面10aからの反射角が変化する光ビーム13を終始
受光できるように、この反射角の変化方向に沿って受光
素子が並設されてなる、例えばCCDラインセンサ等が
用いられている。
【0020】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。分析に供される試料
11は、金属膜12に接触する状態に配置される。そして光
ビーム13が、ガルバノミラー17により前述のように偏向
させつつ、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、
光検出手段19によって検出される。
【0021】光検出手段19の各受光素子毎に出力される
光検出信号Sは、全反射した光ビーム13の強度Iを入射
角θ毎に示すものとなる。そしてこの反射光強度Iと入
射角θとの関係は、概ね図2に示すようなものとなる。
【0022】ここで、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。光検出手段19の各受光素子毎に出力される光検
出信号Sを用いれば上記入射角θSPが分かり、このθSP
の値に基づいて試料11中の特定物質を定量分析すること
ができる。その理由は、先に詳しく説明した通りであ
る。
【0023】この表面プラズモンセンサーにおいては、
光ビーム13をガルバノミラー17により偏向させて、界面
10aに対する光ビーム13の入射角θを変化させているの
で、光ビーム13の強度はこの入射角θによらず一定に保
たれる。そこで、前述した光強度ばらつきがなくなり、
高い分析精度が得られるようになる。
【0024】次に、本発明の別の実施形態について説明
する。図3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。図示され
るようにこの第2の実施形態においては、プリズム10と
金属膜12との界面10aで全反射した光ビーム13を、その
反射角によらず1点に集束させる集束レンズ20が設けら
れている。また光検出手段21としては、小さな受光部を
有する例えばフォトダイオード等が用いられ、この光検
出手段21は集束レンズ20による光ビーム13の集束位置に
受光部が位置するように配されている。
【0025】この第2の実施形態においては、光検出手
段21から連続的な光検出信号St が出力されるが、該光
検出信号St はガルバノミラー17による光ビーム13の偏
向にともなって、つまり界面10aに対する光ビーム13の
入射角θに応じて、時系列で変化するものとなる。そこ
で、この光検出信号St を用いれば、全反射した光ビー
ム13の強度Iと入射角θとの関係が分かるので、試料11
中の特定物質を定量分析することができる。
【0026】なお、前述した第1の実施形態のように、
プリズム10から出射した光ビーム13を一定位置に集束さ
せない構成においては、CCDラインセンサ等の画素分
割されている光検出手段19に代えて、1つの大きな受光
面を有する光電子増倍管等の光検出手段を用いてもよ
い。その場合、光検出手段の光検出信号は、上記光検出
信号St と同様に入射角θに応じて時系列で変化するも
のとなり、該光検出信号に基づいて試料11中の特定物質
を定量分析することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1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
【図3】本発明の第2実施形態である表面プラズモンセ
ンサーの側面図
【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 コリメーターレンズ 16 集光レンズ 17 ガルバノミラー 18 集光レンズ 19 光検出手段 20 集光レンズ 21 光検出手段

Claims (3)

    【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、 前記プリズムを通り該プリズムと金属膜との界面に入射
    する光ビームを発生させる光源と、 前記プリズムに入射する前の光ビームを、前記界面に対
    する入射角が変化する方向に偏向させる光偏向器と、 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
    手段とを備えてなる表面プラズモンセンサー。
  2. 【請求項2】 前記光検出手段が、前記偏向に応じて前
    記界面からの反射角が変化する光ビームを終始受光でき
    るように、この反射角の変化方向に沿って延びる受光部
    を有するものであることを特徴とする請求項1記載の表
    面プラズモンセンサー。
  3. 【請求項3】 前記偏向に応じて前記界面からの反射角
    が変化する光ビームを、その反射角によらず1点に集束
    させる集束光学系が設けられ、 前記光検出手段の受光部が前記集束の位置に配されてい
    ることを特徴とする請求項1記載の表面プラズモンセン
    サー。
JP10936796A 1996-04-30 1996-04-30 表面プラズモンセンサー Pending JPH09292335A (ja)

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A02 Decision of refusal

Effective date: 20040511

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