JPH1078392A - 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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Publication number
JPH1078392A
JPH1078392A JP23386896A JP23386896A JPH1078392A JP H1078392 A JPH1078392 A JP H1078392A JP 23386896 A JP23386896 A JP 23386896A JP 23386896 A JP23386896 A JP 23386896A JP H1078392 A JPH1078392 A JP H1078392A
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JP
Japan
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light
light beam
substrate
incident
angle
Prior art date
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Pending
Application number
JP23386896A
Other languages
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
Application filed by Fuji Photo Film Co Ltd filed Critical Fuji Photo Film Co Ltd
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Priority to EP06001541A priority patent/EP1650548A3/en
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Priority to EP97107066A priority patent/EP0805347A3/en
Priority to EP06001543A priority patent/EP1650550B1/en
Priority to EP06001540A priority patent/EP1650547B1/en
Priority to US08/841,620 priority patent/US5907408A/en
Publication of JPH1078392A publication Critical patent/JPH1078392A/ja
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Priority to US09/069,119 priority patent/US5917608A/en
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】 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おいて、光
の多重反射干渉を防ぎ、かつ光学系を小型に構成する。 【解決手段】 表面プラズモンセンサーを、光ビーム13
を発生させる光源1と、ガラス基板5と、光ビーム13を
ガラス基板5に入射せしめる光学系と、光ビーム13を回
折してガラス基板5内に入射させる、ガラス基板5の一
面一部に形成された入力用グレーティング6と、ガラス
基板5の他面に形成されて、試料11に接触させられる金
属膜10と、ガラス基板5と金属膜10との界面10a で全反
射した光ビーム13を回折させてガラス基板5から出射さ
せる、ガラス基板5の一面(図中の上面)に形成された
出力用グレーティング7と、ガラス基板5から出射され
た光ビーム13を検出する光検出手段15とから構成する。

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、光ビームのカップ
リング手段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
れて試料に接触せしめられる金属膜と、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
るエリアセンサー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ーによって検出
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、P偏光(センサー面に垂直な偏光)の光ビームを金
属膜に対して全反射角以上の入射角θで入射させると、
反射面の金属膜中にエバネッセント波といわれる「にじ
み波」が生じる。このエバネッセント波の波数がベクト
ルが上述の表面プラズモンの波数と等しく波数整合が成
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してプラズモンが励起される。
この光のエネルギーの移行のために全反射した光の強度
は著しく低下する。
【0007】それ故、この全反射した光の強度の測定に
より、反射強度が著しく低下する現象が生じる時の入射
角θsp(全反射解消角)が得られ、この全反射入射角θ
spと入射光の波数ベクトルK1 から共鳴波数Kspが、K
sp=K1sinθspの関係から導かれる。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
表面プラズモンの角周波数をω、真空中の光速をc、金
属、試料の誘電率をそれぞれεm とεs 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全反射解消角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、光ビームの
界面へのカップリングにプリズムを用いているため、プ
リズム内部での多重反射干渉がノイズの原因となり分析
精度が低くなるという問題がある。また、ビームの入射
角が大きい条件の場合には光学系の大きさが大きくなっ
てしまうという欠点がある。
【0011】本発明は上記の事情に鑑みてなされたもの
であり、光の多重反射干渉を生ぜしめることなく、光学
系を小型化に構成す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】本発明の表面プラズモン
センサーは、光を透過する基板と、前記基板に入射する
光ビームを発生させる光源と、前記基板に対して前記光
ビームを入射せしめる光学系と、前記基板の前記光ビー
ムが入射される側の面の一部に形成され、前記光ビーム
を回折させて前記基板内に入射させる入力用グレーティ
ングと、前記基板の前記面とは反対側の面に形成され、
試料と接触させられる金属膜からなるセンサー部と、前
記基板と前記センサー部との界面によって反射された前
記光ビームを回折させて前記基板より出射する、前記基
板の前記光ビームが入射される側の面の他の一部に形成
された出力用グレーティングと、該出射された光ビーム
の強度を検出可能な光検出手段とを備えてなり、前記検
出された光ビームの強度から、前記センサー部と前記試
料との界面に発生する表面プラズモンの波数を特定し
て、試料中の物質を定量分析することを特徴とするもの
である。
【0013】ここで、前記光ビームは前記光学系により
前記基板に対して入射され、この入射された光ビームが
入力用グレーティングで回折され、基板を透過してセン
サー部と試料との界面に入射される。
【0014】前記「光を透過する基板」とは、例えばガ
ラス基板であり、基板は一片からなるものであってもよ
いし、複数の片からなるものであってもよい。「複数の
片からなるものであってもよい」とは、例えば具体的に
は、入力用および出力用グレーティングを形成された一
片のガラス板とセンサー部を形成された他の一片のガラ
ス板とを屈折率マッチング液を介して密着させて構成さ
れた基板であってもよいとの趣旨である。
【0015】
【発明の効果】本発明の表面プラズモンセンサーは、基
板に形成された入力用グレーティングおよび出力用グレ
ーティングによりセンサー部への光のカップリングを行
う構成としたため、カップリングにプリズムを用いる場
合に生じる多重反射干渉を防ぐことができる。
【0016】また、プリズムを用いないで光のカップリ
ング部を平行平面化したため、装置の小型化が可能とな
り、光軸の調整も容易となる。
【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、一本の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等
からなる光源1と、ガラス基板5と、光ビーム13を回折
してガラス基板5内に入射させる、ガラス基板5の一面
(図中の上面)の一部に形成された入力用グレーティン
グ6と、ガラス基板5の他面に形成されて、試料11に接
触させられる例えば金、銀等からなるセンサー部(金属
膜)10と、ガラス基板5と金属膜10との界面10a で全反
射した光ビーム13を回折させてガラス基板5から出射さ
せる、ガラス基板5の一面(図中の上面)に形成された
出力用グレーティング7と、ガラス基板5から出射され
た光ビーム13を検出する光検出手段15とからなる。
【0018】なお、光源1は図示しないゴニオメーター
で回転させられる構成をとっており、これによってガラ
ス基板5への光ビーム13の入射角、ひいては金属膜10へ
の入射角を種々の角度にとることが可能である。即ち、
この実施形態においては、ゴニオメーターが上記請求の
範囲の「光学系」に相当する。図中に金属膜10への最小
入射角θ1 と最大入射角θ2 とを例示するように、ガラ
ス基板5と金属膜10との界面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
射臨界角以上の角度に設定し、光ビーム13は界面10a で
全反射されるようにする。
【0019】一方光検出手段15としては、上記入射角の
変化に応じて界面10aより反射される光ビーム13の反射
角が変化するため、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ラインセンサー等
が用いられている。
【0020】なお、上記ゴニオメーターを用いる代わり
に、特願平8−109367号に記載のガルバノミラーを用い
た光ビームの偏向によって種々の入射角を得ることも可
能である。また、光源の回転による反射角度の変化に応
じて光検出手段15をもゴニオメーターによって回転させ
て光ビームの強度を検出する構成としてもよい。
【0021】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10に接触する状態に配置される。そしてP
偏光に設定された光ビーム13が、ゴニオメーターにより
種々の入射角でガラス基板5に入力用グレーティング6
から入射される。光ビーム13は、入力用グレーティング
6によって回折されて金属膜10に対して角度θで入射さ
れる。光ビーム13はさらにこの金属膜10とガラス基板5
との界面10a で全反射され、出力用グレーティング7で
回折されてガラス基板5から出射される。そして、この
出射された光ビーム13が光検出手段15によって検出され
る。
【0022】光検出手段15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をガラ
ス基板5と金属膜10との界面10a への入射角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。
【0023】ここで、ある特定の入射角(全反射解消
角)θspで入射した光は、金属膜10と試料11との界面10
a 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15の各受光
素子毎に出力される光検出信号Sを用いれば全反射解消
角θspが分かり、この全反射解消角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。
【0024】上記実施形態における構成の他に、図3に
示すように光学系としてコリメタレンズ2と集光レンズ
3とを用いて金属膜面10a に集束ビームを照射する構成
としてもよい。集束ビームは、図中に最小入射角θ1
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ものである。それ
故、界面10a で全反射した光ビーム13には種々の反射角
で反射された成分が含まれることとなる。この時、光検
出手段としてCCD、フォトダイオード、特願平8−10
9366号記載の2分割フォトダイオード、フォトダイオー
ドアレイ等を用いて光ビーム13の強度を検出し、先の実
施形態と同様に検出された光検出信号を用いて全反射解
消角θspを求め試料11中の特定物質を定量分析すること
ができる。
【0025】なお、上記のように種々の入射角からの反
射強度から全反射解消角θspを得る方法の他に、一定入
射角度における反射強度が全反射解消角θspの値に応じ
て変化することを利用して、例えば光ビームの入射角を
全反射解消角θspよりも小さい一定の角度に設定し、こ
の時の反射強度に基づき全反射解消角θspを求めること
も可能である。
【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
【図3】本発明の他の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】
1 光源 5 ガラス基板 6 入力用グレーティング 7 出力用グレーティング 10 センサー部(金属膜) 10a ガラス基板と金属膜との界面 11 試料 13 光ビーム 15 光検出手段

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光を透過する基板と、 前記基板に入射する光ビームを発生させる光源と、 前記基板に対して前記光ビームを入射せしめる光学系
    と、 前記基板の前記光ビームが入射される側の面の一部に形
    成され、前記光ビームを回折させて前記基板内に入射さ
    せる入力用グレーティングと、 前記基板の前記面とは反対側の面に形成され、試料と接
    触させられる金属膜からなるセンサー部と、 前記基板と前記センサー部との界面によって反射された
    前記光ビームを回折させて前記基板より出射する、前記
    基板の前記光ビームが入射される側の面の他の一部に形
    成された出力用グレーティングと、 該出射された光ビームの強度を検出可能な光検出手段と
    を備えてなり、 前記検出された光ビームの強度から、前記センサー部と
    前記試料との界面に発生する表面プラズモンの波数を特
    定して、前記試料中の物質を定量分析することを特徴と
    する表面プラズモンセンサー。
JP23386896A 1996-04-30 1996-09-04 表面プラズモンセンサー Pending JPH1078392A (ja)

Priority Applications (9)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23386896A JPH1078392A (ja) 1996-09-04 1996-09-04 表面プラズモンセンサー
EP06001541A EP1650548A3 (en) 1996-04-30 1997-04-29 Surface plasmon sensor
EP06001542A EP1650549A3 (en) 1996-04-30 1997-04-29 Surface plasmon sensor
EP97107066A EP0805347A3 (en) 1996-04-30 1997-04-29 Surface plasmon sensor
EP06001543A EP1650550B1 (en) 1996-04-30 1997-04-29 Surface plasmon sensor
EP06001540A EP1650547B1 (en) 1996-04-30 1997-04-29 Surface plasmon sensor
US08/841,620 US5907408A (en) 1996-04-30 1997-04-30 Surface plasmon sensor
US09/069,118 US5856873A (en) 1996-04-30 1998-04-29 Ellipso sensor using a prism
US09/069,119 US5917608A (en) 1996-04-30 1998-04-29 Surface plasmon sensor

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JP23386896A JPH1078392A (ja) 1996-09-04 1996-09-04 表面プラズモンセンサー

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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH05504626A (ja) * 1990-03-02 1993-07-15 ファイソンズ ピーエルシー 化学又は生化学試験に用いる試料セル
JPH06167443A (ja) * 1992-10-23 1994-06-14 Olympus Optical Co Ltd 表面プラズモン共鳴を利用した測定装置
JPH1078391A (ja) * 1996-09-04 1998-03-24 Fuji Photo Film Co Ltd 表面プラズモンセンサー

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Legal Events

Date Code Title Description
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Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A02

Effective date: 20040330