(57)【要約】      （修正有）【課題】測定精度向上と低廉化、小型化を実現したＳＰＲセンサーの提供。【解決手段】被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜１２が一面に設けられたプリズム１３を有するセンサーチップ１１と、該センサーチップの金属薄膜に光を照射するＬＤ１４と、前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部１７とを備え、ＬＤからセンサーチップの金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする表面プラズモンセンサー１０Ａ。【選択図】  図３
2006112807.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が一面に設けられたプリズムを有するセンサー部と、該センサー部の金属薄膜に光を照射する光源と、前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備えた表面プラズモンセンサーにおいて、光源からセンサー部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする表面プラズモンセンサー。
【請求項２】
さらに金属薄膜から受光部までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサー。
【請求項３】
前記導波路に屈折率分布レンズが含まれていることを特徴とする請求項１又は２に記載の表面プラズモンセンサー。
【請求項４】
前記導波路に偏光子の機能を持つ偏波保持ファイバが含まれていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の表面プラズモンセンサー。
【請求項５】
直線偏光を出力として持たない光源を用い、偏光子の機能を有する偏波保持ファイバを有する表面プラズモンセンサーであって、光源と偏波保持ファイバの間に偏波保持機能を持たない一切の素子を含まないことを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の表面プラズモンセンサー。
【請求項６】
光源が偏波保持ファイバをピグテールとする半導体レーザダイオードであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面プラズモンセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、臨床診断分析や環境分析などに適用される表面プラズモンセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモンセンサーは、表面プラズモン共鳴を用いて金属薄膜上の物質の誘電率を測定するもので、感度が高いこと、その場観察ができることなどから、近年、物質センサーとして頻繁に用いられている。
表面プラズモンセンサー（以下、ＳＰＲセンサーと記す。）は、センサー上の物質の誘電率（または、屈折率）をモニターすることにより、この誘電率の変化でセンサー上の物質の量を測定する。表面プラズモンは、金属表面の電子の励振モードである。この励振モードと外部から入力した電磁波を既知の構成を用いて結合させ、その励振モードの波数変化を反射光の強度変化としてとらえる。
【０００３】
図１は、従来のＳＰＲセンサーの一例を示す図である（特許文献１参照。）。
この従来のＳＰＲセンサーは、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜３が一面に設けられたプリズム２を有するセンサー部１と、該センサー部１の金属薄膜３に光を照射する光源４、偏光子５及びレンズ６からなる光照射部７と、金属薄膜３で反射した光の強度変化を検出する受光部８とを備えて構成されている。このＳＰＲセンサーを用いて特定物質の量をセンシングする場合には、センサー部１の金属薄膜３の表面に特定の反応試薬をコーティングする。次に、この部分をセンサープローブとして誘電体内部から金属薄膜３に対し、その全反射角以上の角度で特定の波長の光を入射する。光の入射角を変え、入射角による反射率の変化を調べると、ある特定の入射角において金属薄膜３での吸収が起こり、全反射を起こさなくなる。この特定の入射角は、金属とそれに接している物質の誘電率によって固有の値となる。ＳＰＲセンサーは、この原理を用いて金属に接している物質の量を求めることができる。
【０００４】
このＳＰＲセンサーは、当初金属薄膜の膜厚、誘電率測定などに応用が試みられていたが、現在は生体物質間の相互作用をｉｎ  ｓｉｔｕ観察する用途が支配的である。これは、金属薄膜上に特定の蛋白質、糖などと結合する試薬を塗布しておき、（これをセンサーチップと称する。）このチップ上にサンプルを流すとターゲットとする物質が存在すれば、チップ上で試薬と蛋白の特異的結合が起こり、この結合の時間変化をそのまま見ることができるためである。このように、反応の過程をｉｎ  ｓｉｔｕで観察できる測定器は従来存在しなかったため、生化学の研究分野ではＳＰＲセンサーは普及した。
また近年、ＳＰＲセンサーは反応速度解析だけでなく、濃度測定にも用いられはじめている。しかし濃度測定では、従来の反応速度解析以上の測定精度が要求される。これは、反応速度の解析においては反応時における金属表面の屈折率の相対変化が安定して測定できれば良いのに対して、濃度測定では反応が平衡状態になったときの屈折率の絶対値を読むため、その読み値の精度が直接、濃度の測定精度になるからである。
【０００５】
現在主として用いられているＳＰＲの測定方法は、図１に示すように発光ダイオード（以下、ＬＥＤと記す）を光源としてレンズ６を用いて金属薄膜３上に集光し、その反射光をＣＣＤまたはＣＭＯＳまたはＰＤのアレイなどを用いた受光部８で角度成分に分解して測定する。この際、特定の角度のみが、ＳＰＲのために全反射せずに暗線となって現れる。図２は、典型的なＳＰＲスペクトルを示すグラフである。この暗線の位置を測定するのがＳＰＲセンサーの仕組みである。
しかし、この測定方法では以下の２点の問題があり測定精度の向上と装置の小型化は望めないことが明らかである。
【０００６】
（１）ＬＥＤ光源に関する問題
ＳＰＲによって発生する暗線を正確に測定するためには、使用する光源の単色性が良いことが必要である。これは、使用する金属の誘電率が使用する光の波長によって変化するために、用いる光の波長によって暗線の位置が変動するからである。従って、ＬＥＤを用いた場合の暗線の半値幅（図２参照）は、レーザダイオード（以下、ＬＤと記す）などの狭帯域光源を用いた場合に比べ大きくなる。つまり、ＬＥＤを用いていると暗線がぼやけるので、測定精度が低下する問題がある。この問題については、単一モード発振のＤＦＢレーザに外部共振器を組み合わせた狭帯域レーザ光源を用いることによって、より測定精度を向上させる技術が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。しかし、光源としてレーザを用いると、その干渉性の良さから、光路中の反射点や散乱体の影響を強く受ける事がわかっているので、その扱いが難しくなることが予想される。
【０００７】
（２）自由空間伝搬に関する問題
狭帯域光源を用いたときには、光の干渉性が高くレンズ、偏光子での反射、チップでの反射によって発生した反射光が光源に戻り、光源が不安定になったり、二つ以上の反射点によって多重反射が引き起こされ、測定値に悪影響を及ぼす問題がある。また、光路に埃が混入することによって散乱が発生し、散乱光によって測定値にノイズが入り込み、測定精度が低下する問題がある。
これらの問題を解決するため、各部品の端面に無反射処理を施し装置全体を気密容器の中に封止するなどの対策が取られている。しかし、これらの対策によって各部品のコスト上昇を招き、また装置自体も大型になってしまう問題がある。
【特許文献１】特許第３４３７６１９号公報
【特許文献２】特許第３３９０３５５号公報
【特許文献３】特許第２９３８９７３号公報
【特許文献４】特開平１０−１９７６８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
前述した通り、従来のＳＰＲセンサーにおいて、測定精度向上のためにレーザ光源を用いると、反射、散乱の影響を受け、装置全体の大きさ、コストが犠牲になる。ＬＥＤを用いる場合ももちろん反射、散乱は少ない方が望ましい。
この課題を解決する方法は、光源から発せられた光を導波路の中のみで伝搬させ金属薄膜に照射することである。この解決法は簡潔で明快であるが、以下の問題点がありこれまでは、実現することができなかった。
【０００９】
すなわち、光源から導波路に入れることはできても、レンズ、偏光子、チップ（プリズム）の表面での反射は避けられないので、導波路を用いるメリットが生かせなかった。
偏光子、レンズを使用せず導波路を直接チップに接触させればよいが、そうすると、以下の問題が起きることになる。
偏光子をなくすと、信号のＳ／Ｎ比が劣化する。これは、Ｐ偏光（ＴＭ偏光）の光でしかＳＰＲが発生しないためである。
レンズを使用しないで入射角度を変化させることは、機械動作部分が必要となりコスト、測定精度の両面で悪影響をおよぼす。また仮に角度を一定にして使用する場合においても、レンズを使用せずに金属薄膜に照射すると照射面積が大きくなり、センサーチップが大きくなり、検体の量も増加する結果となる。
従って、センサー表面の金属薄膜まで導波路を使って光を伝搬させ、なおかつ偏光子、レンズを使用することが望ましいが、従来はこれらの要求を満たす構造は提供されていなかった。
一方で、導波路を使ってＳＰＲ実現するもう一つの方法として、導波路型センサーチップという提案も数多くなされており、この提案によって信号のＳ／Ｎ比の向上などが報告されている（例えば、特許文献３，４参照。）。
この従来技術は、本発明と一見似ており、区別する必要があるのでその違いを説明する。従来の導波路センサーは、光源より導波路に入射し導波路中を適当な距離だけ伝搬させる。導波路は、中心部が周辺部よりも屈折率が高いことを特徴としていて、伝搬する距離はたいてい光源と被測定物の距離である。そして、センサー部分も光を誘導する導波路とほぼ同一の構造をもち、かつ連続的に光を誘導することができる。しかし、センサー部分は導波路の周囲を形成している屈折率が中心よりも低い部分（通常クラッドと呼ばれる）を物理的、または化学的に除去し、コアに近接した部分に金属薄膜を形成することを特徴としている。このセンサーにおいて金属薄膜に表面プラズモンを励起するのは、導波路中を伝搬することができる導波モードと呼ばれる特定の角度で導波路の内部を多重に反射しながら伝搬する光である。しかし、すでに述べたように表面プラズモンを励起できる反射の角度は、光の波長によって一意的に定まるので、導波路を伝搬することができる導波モードの反射角度と一致しなければセンサーとして機能することができない。この点がこのタイプのセンサーの大きな欠点でもある。一方で本発明のセンサーでは、光をセンサー部まで誘導する部分は従来と同じであるが、センサー部に入射する部分においてレンズを用いて反射の角度を固定された一つの角度からある範囲に分散した角度範囲へと変換しているのである。このようなことが可能である理由として、金属薄膜を有する透明体（誘電体）部分は導波路部分と異なり屈折率が均一であり、金属薄膜と透明体との境界部分を除いては反射面を持たないことが挙げられる。この結果、レンズを通過した光は均一体（透明体）の内部を自由伝搬することが可能となり、角度範囲を有する放射光となるはずである。均一体の内部を自由伝搬するのは、後述する「空間伝搬させる」とは異なる概念である。本発明においては、このように光の伝搬する領域に対して十分広い領域にわたって屈折率が均一で反射、屈折の影響がない透明体（均一体）も導波路と見なしている。
【００１０】
本発明は前記事情に鑑みてなされ、測定精度向上と低廉化、小型化を実現したＳＰＲセンサーの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するため、本発明は、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が一面に設けられたプリズムを有するセンサー部と、該センサー部の金属薄膜に光を照射する光源と、前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備えたＳＰＲセンサーにおいて、光源からセンサー部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とするＳＰＲセンサーを提供する。
本発明のＳＰＲセンサーにおいて、さらに金属薄膜から受光部までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成することが好ましい。
本発明のＳＰＲセンサーにおいて、前記導波路に屈折率分布レンズが含まれていることが好ましい。
本発明のＳＰＲセンサーにおいて、前記導波路に偏光子の機能を持つ偏波保持ファイバが含まれていることが好ましい。
本発明のＳＰＲセンサーにおいて、直線偏光を出力として持たない光源を用い、偏光子の機能を有する偏波保持ファイバを有するＳＰＲセンサーであって、光源と偏波保持ファイバの間に偏波保持機能を持たない一切の素子を含まない構成とすることもできる。
本発明のＳＰＲセンサーにおいて、光源が偏波保持ファイバをピグテールとする半導体ＬＤであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明のＳＰＲセンサーは、光源からセンサー部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したものなので、光源から入射し導波路の中で単一モード、単一偏波になったビームを導波型の屈折率レンズを用いて自由空間を伝搬させることなしにセンサー部表面の金属薄膜に照射することができ、ＳＰＲセンサーの測定精度向上と低廉化、小型化を同時に実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。
図３は、本発明のＳＰＲセンサーの第１実施形態を示す構成図であり、この図中符号１０ＡはＳＰＲセンサー、１１はセンサー部（以下、センサーチップと記す。）、１２は金属薄膜、１３はプリズム、１４は光源であるＬＤ、１５は偏波保持ファイバ、１６は屈折率分布レンズ、１７は受光部である。
【００１４】
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａは、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜１２が一面に設けられたプリズム１３を有するセンサーチップ１１と、このセンサーチップ１１の金属薄膜１２に光を照射するＬＤ１４と、金属薄膜１２で反射した光の強度変化を検出する受光部１７とを備え、ＬＤ１４から金属薄膜１２までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するようになっている。光源であるＬＤ１４の出射端には、偏波保持ファイバ１５の一端が接続され、この偏波保持ファイバ１５の他端は、屈折率分布レンズ１６の一端面に接続され、この屈折率分布レンズ１６の他端面はプリズム１３の入射面に固定されている。また、プリズム１３の出射面は、受光部１７に直接固定されている。
【００１５】
前記センサーチップ１１のプリズム１３としては、屈折率分布レンズ１６の光軸部分の屈折率と等しい屈折率を持った透明材料、例えば、Ｇｅ添加石英ガラスなどから作られている。なお、図３の例示では、断面台形状のプリズムを用いているが、金属薄膜１２成膜面、入射面及び反射光出射面を有し、ＳＰＲセンシングが可能であればよく、プリズム形状は限定されず、図１に示すような断面三角形の直角プリズムであっても良い。
前記金属薄膜１２は、十分な反射率と化学的安定性を持つ金属材料からなり、例えば金、白金、銀、アルミニウム、銅などの薄膜が好ましい。
【００１６】
本実施形態では、狭帯域光源であるＬＤ１４から出射したレーザ光を金属薄膜１２に導くための導波路として、ＬＤ１４側から偏波保持ファイバ１５、屈折率分布レンズ１６を介し、屈折率分布レンズ１６の端面をプリズム１３の入射面に接続した導波路を用いている。これによって、ＬＤ１４から出射したレーザ光を空間伝搬させず、この導波路内を通して金属薄膜１２に導くことができ、さらにレーザ光を偏波保持ファイバ１５及び屈折率分布レンズ１６を通して伝搬することで、偏光子を用いることなく単一横モード、単一偏波のビームを金属薄膜１２に照射することができる。
【００１７】
単一横モードは、市販のファイバピグテール付きの半導体ＬＤを用いることで実現することができる。また、単一偏波のビームも偏波保持ファイバ１５をピグテールとする半導体ＬＤを用いたり、偏波保持ファイバ１５上にファイバグレーティングを形成すれば安易に実現することができる。また、ＬＥＤなどの無偏光光源を用いる場合は、偏波保持ファイバ１５などの偏光依存損失が大きな導波路を用いることによって、無偏光を単一偏光に変換することができる。
また、この偏波保持ファイバ１５は、適当な曲率半径で曲げを加えることで、偏光子の機能を持たせることができる。例えば、モード複屈折率が１０−４以上の偏波保持ファイバ１５を曲率半径１００ｍｍ以下に屈曲させ、ＨＥ１１ｘモードの損失とＨＥｙモードの挿入損失差が１０ｄＢ以上となるように調整されたものを偏光子として利用することができる。
【００１８】
偏波保持ファイバ１５を通して伝搬される単一偏波、単一モードのビームは、偏波保持ファイバ１５の他端に融着接続又は突き合わせ接続された屈折率分布レンズ１６に送られ、ここで集光されてセンサーチップ１１の入射面から金属薄膜１２に向けて照射される。従来技術において単一偏波、単一モードのビームを集光する手段は、一旦自由空間に放射を行い、それを凸レンズを用いて集光するしかなかった。本発明では、径方向に屈折率分布を持たせることによって、形状は導波路でありながら集光することができる導波路型の屈折率分布レンズ１６を導波路に直接固定し、かつこのレンズ１６とセンサーチップ１１を固定することで、自由空間を伝搬させることなしに、センサー表面の金属薄膜１２に集光されたビームを照射できるように構成している。換言すれば、従来、光源、レンズ、偏光子、チップという各構成部材を空間上に配置していた光学系を、本発明ではすべて導波路の内部に形成している。
【００１９】
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａを用いて特定物質の量をセンシングする場合には、センサーチップ１１の金属薄膜３表面に特定の反応試薬をコーティングする。次に、金属薄膜１２上にサンプルを流す。ターゲットとする物質が存在すれば、金属薄膜１２上で試薬との特異的結合が起こり、物質の量に応じて誘電率が変化する。次に、この部分をセンサープローブとして、金属薄膜１２に対してＬＤ１４、偏波保持ファイバ１５、屈折率分布レンズ１６及びプリズム１３を通して単一偏波、単一モードの狭帯域波長光をその全反射角以上の角度で金属薄膜１２に照射する。金属薄膜１２で反射した光は、プリズム１３の反射光出射面を経て、ＣＣＤまたはＰＤのアレイなどを用いた受光部１７に入射され、この受光部１７において角度成分に分解して測定する。そうすると、ある特定の入射角において金属薄膜１２での吸収が起こり全反射を起こさなくなる。この特定の入射角は、金属とそれに接している物質の誘電率によって固有の値となる。この原理を用いて金属に接している物質の量を求める。センサーチップの大きさが十分に大きくないときにはセンサーチップに透明体をつけ、この透明体を通してＣＣＤまたはＰＤアレイに光を誘導しても良いし、また透明体に反射防止膜を付与した後にその防止膜を介して空間に放射し、ＣＣＤ，ＰＤアレイに照射されるよう適宜調整してもよい。
【００２０】
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａにおいて、屈折率分布レンズ１６と偏波保持ファイバ１５の接合部分に空隙があると、反射の発生要素となり、導波路で光路を形成する意味がなくなるが、この接続部分は融着接続または光コネクタ等を用いた突き合わせ接続のいずれの方法を用いても、接続点からの反射減衰量を２０ｄＢ以上にすることが可能である。
また、偏波保持ファイバ１５で単一偏光にした光が、その後の屈折率分布レンズ１６とプリズム１３部分で偏光が解消される可能性も調査したが、屈折率分布レンズ１６とプリズム１３の材料に複屈折率を持たない材料を用い、加工時に残留応力が少なくなるように調整すれば、偏光は保持されることを確認した。
また、仮に複屈折率を持ったとしても、加工時に加わる最大主応力方向が偏光軸と平行または垂直に合うように調整することで偏光を保持することが可能である。
さらに、受光部１７はプリズム１３の反射光出射面に密着状態で配置するだけに限定されず、プリズム１３の反射光出射面から受光部１７を離して構成することもできる。
【００２１】
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａは、光源であるＬＤ１４からセンサーチップ１１の金属薄膜１２までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したものなので、ＬＤ１４から入射し導波路の中で単一モード、単一偏波になったビームを導波型の屈折率分布レンズ１６を用いて自由空間を伝搬させることなしにセンサーチップ１１表面の金属薄膜１２に照射することができ、ＳＰＲセンサー１０Ａの測定精度向上と低廉化、小型化を同時に実現することができる。
【００２２】
図４は、本発明のＳＰＲセンサーの第２実施形態を示す構成図である。本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ｂは、前述した第１実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａとほぼ同様の構成要素を備えて構成されており、同一の構成要素には同一符号を付してある。
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ｂは、センサーチップ１１と受光部１７とが離れており、プリズム１３の反射光出射面に第２の屈折率分布レンズ１８を接続したことを特徴としている。
【００２３】
本実施形態のＳＰＲセンサー１０Ｂは、前記第１実施形態のＳＰＲセンサー１０Ａと同様の効果を得ることができ、さらにセンサーチップ１１の反射光出射側にも屈折率分布レンズ１８を設けて受光部１７と結合させたことにより、外部からの迷光が信号に混入するのを防ぐことができ、検出精度をより向上することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】従来のＳＰＲセンサーの構造を示す概略図である。
【図２】典型的なＳＰＲスペクトルを表すグラフである。
【図３】本発明のＳＰＲセンサーの第１実施形態を示す構成図である。
【図４】本発明のＳＰＲセンサーの第２実施形態を示す構成図である。
【符号の説明】
【００２５】
１０Ａ，１０Ｂ…ＳＰＲセンサー、１１…センサーチップ（センサー部）、１２…金属薄膜、１３…プリズム、１４…ＬＤ（光源）、１５…偏波保持ファイバ、１６，１８…屈折率分布レンズ、１７…受光部。
【図１】
2006112807.tif 000003
【図２】
2006112807.tif 000004
【図３】
2006112807.tif 000005
【図４】
2006112807.tif 000006