(57)【要約】【課題】全反射光を利用した測定装置において、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な測定装置を実現する。【解決手段】測定チップ１１Ａ…へ試料液９を供給し、レーザ光源３１から射出された光ビーム３０を回転ミラー３２を回転させることにより走査し、入射光学系３３を介して測定チップ１１Ａ…の誘電体ブロックと薄膜層の界面へ順次入射させ、界面で反射された光ビーム３０を、３枚のシリンドリカルレンズからなる収束光学系４１によりフォトダイオードアレイ４２へ収束させる。フォトダイオードアレイ４０の各フォトダイオードで個別に受光した光ビーム３０の光強度に基づいて、各測定チップ毎の全反射減衰角を検出する。光ビーム３０の走査により、短時間で複数の測定チップの測定を可能とする。また光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ収束させる部位の可動部材を不要化する。【選択図】　　　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
試料に接触させられる薄膜層を一面に形成された誘電体ブロックと、
前記誘電体ブロックに対して、前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる角度で光ビームを入射させ、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する測定手段とを備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記界面上で、前記入射する光ビームと全反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記界面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【請求項２】
前記走査手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、前記走査手段における面倒れを補正する面倒れ補正光学系を有するものであることを特徴とする請求項１記載の測定装置。
【請求項３】
前記光検出手段により検出された検出信号に信号処理を施すことにより、異常な測定結果による測定誤差を低減する測定誤差低減手段をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
【請求項４】
前記走査手段が、前記光ビームを偏向することにより前記走査を行う偏向手段であり、
前記偏向手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、偏向された前記光ビームを前記界面上において等速走査せしめるｆθレンズを備えたことを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】
試料に対して、光ビームを入射させ、前記試料の表面で反射した光ビームの強度を測定する測定手段を備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記表面上で、前記入射する光ビームと反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記表面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とする測定装置。
【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物質の特性を分析する表面プラズモン測定装置等の反射光を利用した測定装置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、試料の特性を分析する表面プラズモン測定装置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測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されて液体試料などの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、上記光ビームを誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して表面プラズモン共鳴の状態、つまり全反射減衰の状態を検出する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入射角を変化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に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。前者の場合は、入射した光ビームの入射角の変化に従って、反射角が変化する光ビームを、反射角の変化方向に沿って延びるライン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ライン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測定装置において、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、誘電体ブロック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。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。なお上記の共鳴は、入射ビームがｐ偏光のときにだけ生じる。したがって、光ビームがｐ偏光で入射するように予め設定しておく必要がある。
【０００７】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角、すなわち全反射減衰角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】
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すなわち、上記反射光強度が低下する入射角である全反射減衰角θｓｐを知ることにより、試料の誘電率εｓ　、つまりは屈折率に関連する特性を求めることができる。
【０００９】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば「分光研究」第４７巻　第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、例えばプリズム状に形成された誘電体ブロックと、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層と、このクラッド層の上に形成されて、液体試料に接触させられる光導波層と、光ビームを発生させる光源と、上記光ビームを上記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブロックとクラッド層との界面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させる光学系と、上記界面で全反射した光ビームの強度を測定して導波モードの励起状態、つまり全反射減衰状態を検出する光検出手段とを備えてなるものである。
【００１０】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビームを誘電体ブロックを通してクラッド層に対して全反射角以上の入射角で入射させると、このクラッド層を透過した後に光導波層においては、ある特定の波数を有する特定入射角の光のみが導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層に取り込まれるので、上記界面で全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。そして導波光の波数は光導波層の上の試料の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、試料の屈折率や、それに関連する試料の特性を分析することができる。
【００１１】
なお、表面プラズモン測定装置もしくは漏洩モード測定装置等の全反射を利用した測定装置としては、光を界面に全反射条件が得られる入射角で入射させ、その光によるエバネッセント波の発生により、界面で全反射した光の状態の変化を測定することにより試料の特性分析等を行うに際して、前述の全反射減衰を生じる特定入射角の測定をする装置のほか、複数の波長の光ビームを界面に入射させ、角波長毎の全反射減衰の程度を検出する装置、あるいは、光ビームを界面に入射させるとともに、この光ビームの一部を、界面入射前に分割し、この分割した光ビームを界面で反射した光ビームと干渉させて、該干渉の状態を測定する装置等種々のタイプがある。
【００１２】
上述した表面プラズモン測定装置や漏洩モード測定装置等の測定装置は、創薬研究分野等において、所定のセンシング物質に結合する特定物質を見いだすランダムスクリーニングに使用されることがある。この場合には前記薄膜層（表面プラズモン共鳴測定装置の場合は金属膜であり、漏洩モード測定装置の場合はクラッド層および光導波層）上にセンシング物質を固定した複数の測定チップを用意し、各測定チップのセンシング物質上に異なる被検体を含む液体試料をそれぞれ滴下し、各測定チップ毎に測定を行い、被検体がセンシング物質と結合する特定物質であるか否かの判定を行う。このような測定のスループットを向上させるためには、短時間で多数の領域の測定を行うことのできる測定系が望ましい。例えば本出願人により出願された特願平２００２−９５７０６では、６個の光源から射出された光ビームを、６個の測定チップへそれぞれ入射させ、各測定チップの界面で全反射させ、６個のアレイセンサを用いて、各光ビームの光強度を測定している。
【００１３】
また、上記測定装置は、前記誘電体ブロックと前記薄膜層の界面における試料の特性を２次元で測定する装置として構成されるものもある。このような場合にも、やはり複数の領域の測定を行うことができる測定系が必要である。例えば特開平２−１７４３１号公報では、光源、光検出素子および光学系を組み込んだ測定ヘッドを移動させることにより、光ビームを走査させて、複数領域の測定を行う測定装置や、光源および光検出素子を固定し、光源および光検出素子間の光路上に２つのポリゴンミラーを設けて、複数領域の測定を行う測定装置が示されている。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、複数領域の測定を行うために、上記特願平２００２−９５７０６に示すように、測定領域数と同数の光源およびアレイセンサを配置する場合には、装置の大型化を招くという問題がある。一方、例えば特開平２−１７４３１号公報に示されたような測定ヘッドを移動させて測定を行う装置では、測定系の小型化は可能であるが、測定系の移動時の振動などの影響により、測定精度が悪化するという問題があった。また、２つのポリゴンを使用する場合には、小型化は可能であるが、２つのポリゴンを同期させて駆動することが困難であり、やはり測定精度の悪化を招くという問題がある。
【００１５】
本発明は上記の事情に鑑みて、良好な測定精度で、複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な測定装置を提供することを目的とする。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明の測定装置は、試料に接触させられる薄膜層を一面に形成された誘電体ブロックと、
前記誘電体ブロックに対して、前記誘電体ブロックと前記薄膜層との界面で全反射条件が得られる角度で光ビームを入射させ、前記界面で全反射した光ビームの強度を測定する測定手段とを備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記界面上で、前記入射する光ビームと全反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記界面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００１７】
なおここで走査手段とは、光ビームを走査する手段であればいかなるものであってもよく、例えは光源から射出された光ビームを回転ミラー等を用いて偏向することにより走査を行うものや、光ビームを射出する光源そのものを移動あるいは回転させることにより走査を行うものなどがある。
【００１８】
上記測定装置は、上記走査手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、前記走査手段における面倒れを補正する面倒れ補正光学系を有するものであってもよい。
【００１９】
また、前記光検出手段により検出された検出信号に信号処理を施すことにより、異常な測定結果による測定誤差を低減する測定誤差低減手段をさらに備えたものであってもよい。
【００２０】
上記走査手段が、前記光ビームを偏向することにより前記走査を行う偏向手段であれば、前記偏向手段と前記誘電体ブロックの間に配置され、偏向された前記光ビームを前記界面上において等速走査せしめるｆθレンズを備えたものであってもよい。
【００２１】
また、本発明による測定装置は、試料に対して、光ビームを入射させ、前記試料の表面で反射した光ビームの強度を測定する測定手段を備えてなる測定装置において、
前記測定手段が、前記光ビームを前記表面上で、前記入射する光ビームと反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、
複数の受光素子が前記平面に平行かつ前記界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、
前記表面上で走査された前記光ビームを常に前記光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えたことを特徴とするものである。
【００２２】
上記測定装置は、上記薄膜層を、金属膜からなるものとし、前述の表面プラズモン共鳴による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２３】
また、上記測定装置は、上記薄膜層を、誘電体ブロックの前記上面に形成されたクラッド層と該クラッド層上に形成された光導波層からなるものとし、該光導波層における導波モードの励起による効果を利用して測定を行なうように構成されたものとしてもよい。
【００２４】
さらに、本発明による測定装置においては、光検出手段により前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して試料の分析を行うには種々の方法があり、例えば、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる種々の入射角で入射させ、各入射角に対応した位置毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、全反射減衰により発生した暗線の位置（角度）を検出することにより分析を行ってもよいし、Ｄ．Ｖ．Ｎｏｏｒｔ，Ｋ．ｊｏｈａｎｓｅｎ，Ｃ．−Ｆ．Ｍａｎｄｅｎｉｕｓ，　Ｐｏｒｏｕｓ　Ｇｏｌｄ　ｉｎ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ，　ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ　ＸＩＩＩ，　１９９９，　ｐｐ．５８５−５８８　に記載されているように、複数の波長の光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの強度を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することにより分析を行ってもよい。
【００２５】
またＰ．Ｉ．Ｎｉｋｉｔｉｎ，Ａ．Ｎ．Ｇｒｉｇｏｒｅｎｋｏ，Ａ．Ａ．Ｂｅｌｏｇｌａｚｏｖ，Ｍ．Ｖ．Ｖａｌｅｉｋｏ，Ａ．Ｉ．Ｓａｖｃｈｕｋ，Ｏ．Ａ．Ｓａｖｃｈｕｋ，　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ　Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ｆｏｒ　Ｍｉｃｒｏ−Ａｒｒａｙ　Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ，　ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ　ＸＩＩＩ，　１９９９，　ｐｐ．２３５−２３８　に記載されているように、光ビームを前記界面で全反射条件が得られる入射角で入射させるとともに、この光ビームの一部を、この光ビームが前記界面に入射する前に分割し、この分割した光ビームを、前記界面で全反射した光ビームと干渉させて、その干渉後の光ビームの強度を測定することにより分析を行ってもよい。
【００２６】
【発明の効果】
本発明の測定装置においては、光ビームを界面上で、入射する光ビームと全反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、複数の受光素子が平面に平行かつ界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、界面上で走査された光ビームを常に光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数の光検出手段が不要であり、小型化が容易である。また光ビームを光検出手段へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビームを界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な全反射光を用いた測定装置を実現することができる。
【００２７】
上記測定装置が、走査手段と誘電体ブロックの間に配置され、走査手段における面倒れを補正する面倒れ補正光学系を有するものであれば、走査手段の面倒れに起因する光ビームの入射位置ずれを補正することができる。
【００２８】
また、前記光検出手段により検出された検出信号に信号処理を施すことにより、異常な測定結果による測定誤差を低減する測定誤差低減手段をさらに備えたものであれば、振動などの影響により、入射位置ずれが生じたり、界面角度にずれが生じて、異常な測定値が測定された場合で合っても、測定誤差を低減することができ、測定結果の信頼性を向上させることができる。
【００２９】
走査手段が、光ビームを偏向することにより走査を行う偏向手段であり、偏向手段と誘電体ブロックの間に配置され、偏向された光ビームを前記界面上において等速走査せしめるｆθレンズを備えた場合には、光検出手段から検出信号を取り出すタイミングを容易に制御することができる。またそれぞれの領域に入射する光ビームの径を容易に均一化することができる。
【００３０】
本発明の他の測定装置においては、光ビームを試料の表面上で、入射する光ビームと反射した光ビームを含む平面と略直交する方向へ走査する走査手段と、複数の受光素子が平面に平行かつ界面に対抗する方向に列設されてなる光検出手段と、試料の表面上で走査された光ビームを常に光検出手段へ入射するように収束させる収束光学手段とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数の光検出手段が不要であり、小型化が容易である。また光ビームを光検出手段へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビームを試料の表面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な反射光を用いた測定装置を実現することができる。
【００３１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。本発明の実施の形態の全反射減衰を利用した測定装置は、光ビームを回転ミラーを用いて走査して、複数の測定チップに順次入射させて、１つのフォトダイオードアレイにより光ビームの光強度を測定して試料の分析を行う表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモン測定装置であり、図１は本発明の実施の形態の表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図であり、図２はこの表面プラズモン測定装置の側面形状を示すものである。
【００３２】
表面プラズモン測定装置は、１２個の測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…からなる測定チップアレイ１０と、光ビーム３０を出射するレーザ光源３１と、図示しないモータにより回転せしめられて、この光ビーム３０を所定の方向に偏向する回転ミラー３２と、偏向された光ビーム３０を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…に対して走査せしめる入射光学系３３と、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０を入射してこの光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ向けて収束する収束光学系４１と、光検出手段としてのフォトダイオードアレイ４０と、該フォトダイオードアレイ４０から出力された出力信号Ｓをデジタル信号に変換するＡ／Ｄ変換器５０と、Ａ／Ｄ変換器５０から出力された出力信号Ｓを受け後述の処理を行うコンピュータシステム等からなる信号処理部５１と、この信号処理部５１に接続された表示部６０と、始点検出部６１とを備えている。
【００３３】
測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…は、同様な構成を有するものであり、１例として測定チップ１１Ａの構成を図２に示す。測定チップ１１Ａは、概略四角錐形状とされた誘電体ブロック１３と、この誘電体ブロック１３の上面に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる薄膜層１４と、この薄膜層１４の上に側方が閉じられた空間を画成する筒状部材からなる試料液保持枠１５とを備えている。試料液保持枠１５の部分は、その内面が薄膜層１４から上方に離れるにつれて側外方に離れるテーパ形状とされ、この試料液保持枠１５内のテーパ形状の空間は、試料液９を貯える試料保持部１６として機能している。
【００３４】
測定チップ１１Ａは、誘電体ブロック１３と試料液保持枠１５とを、例えば透明樹脂等から一体整形し、蒸着により薄膜層１４を形成したものである。薄膜層１４の上にセンシング物質１７が固定され、試料液９の中には被検体が含まれている。なお、上記センシング物質１７および試料液９の両者が発明の試料として機能するものである。
【００３５】
測定チップアレイ１０は、上記測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…が並べて配置されている。また、測定チップアレイ１０としては、図３に示すように、各測定チップの誘電体ブロック１３および試料液保持枠１５が隣接する測定チップの誘電体ブロックおよび試料液保持枠とそれぞれ一体的に構成されたものであってもよい。
【００３６】
入射光学系３３は、回転ミラー３２により偏向された光ビーム３０を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の誘電体ブロック１３と薄膜層１４の界面１４ａの所定領域へ、全反射条件が得られる種々の角度で入射せしめると共に、主走査方向Ｘについて等速走査せしめる光学系であり、２枚のレンズからなるｆθレンズ３４（ｆθ第一レンズ３４ａ，ｆθ第二レンズ３４ｂ）と、このｆθレンズ３４を通過した光ビーム３０の進行方向を測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の界面へ向けて変えるレンズ３５、光ビーム３０を界面の所定領域へ収束する集光レンズ３６とから構成させる。
【００３７】
光ビーム３０は、集光レンズ３６により上述のように集光されるので、界面１４ａ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。そのため、界面１４ａで全反射した反射光ビーム３０には、種々の反射角で全反射された成分が含まれることになる。
【００３８】
なお光ビーム３０は、界面１４ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ光源３１をその偏光方向が上記所定の方向となるように配設すればよい。その他、光ビーム３０を界面１４ａに対してｐ偏光で入射させるには波長板で光ビーム３０の偏光の向きを制御するようにしてもよい。
【００３９】
また、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６すなわち入射光学系３３によりいわゆる面倒れ補正光学系が構成され、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合に、界面１４ａへの光ビーム３０の入射点が変動することが防止される。光源３１から射出され、回転ミラー３２により偏向せしめられた光ビーム３０は、ｆθレンズ３４により界面１４ａ上において等速度で走査される一方、回転ミラー３２の面倒れにより図２における水平方向に走査位置が変動する。この水平方向に変動する光ビーム３０は、入射光学系３３により面倒れ補正がなされる。なお、入射光学系としては、例えば、本出願人により出願された平１０−１９７８３２２号公報に記載されているような、ｆθレンズおよび面倒れ補正光学系として機能するインミラーレンズから構成される入射光学系等を用いることもできる。なお、回転ミラー３２およびレンズ３５は本発明の走査手段として機能している。
【００４０】
フォトダイオードアレイ４０は、多数のフォトダイオードが列設されて構成され、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…から同一距離となる位置に、フォトダイオードの列設方向が、界面へ入射する光ビーム３０と、界面で全反射した光ビーム３０とを含む平面に平行で、かつ界面に対抗する方向、すなわち図２に示すＸ方向となるように配置されている。
【００４１】
収束光学系４１は、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０を収束して、フォトダイオードアレイ４０へ入射せしめる光学系であり、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…で反射された光ビーム３０をＸ方向へ平行光化するコリメートレンズ４２、このＸ方向へ平行光化された光ビーム３０の進行方向をフォトダイオード４０へ向けて変えるレンズ４３、レンズ４３を透過した光ビーム３０をＸ方向へ収束・発散させてフォトダイオードアレイ４０へ入射せしめる集光レンズ４４とから構成されている。なお、コリメートレンズ４２、レンズ４３および集光レンズ４４は、シリンドリカルレンズであり、コリメートレンズ４２は、図１および図２に示すように、Ｘ方向へ凸面が形成され、かつ凸面がフォトダイオードアレイ４０と対向するように配置され、レンズ４３はコリメートレンズ４２と直交する方向に凸面が形成され、かつ凸面が測定チップと対向するように配置され、集光レンズ４４は、コリメートレンズ４２と同方向へ凸面が形成され、かつ凸面が測定チップと対向するように配置されている。
【００４２】
信号処理部５１は、予め、後述する始点検出部６１から出力された頭出し信号Ｆの出力タイミングを基準として、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…における測定タイミングが記憶されている。測定時には、この測定タイミングに従って、フォトダイオードアレイ４０における各フォトダイオート゛の検出値（出力信号Ｓ）を読み出し、各測定チップ毎に後述する全反射減衰角θＳＰを算出する。なお、信号処理部５１は、測定誤差低減手段としても機能するものであり、上記全反射減衰角θＳＰを測定する際には、光ビーム３０の走査を続けて１０回繰り返し、各測定チップ毎に１０回の測定値の平均値を算出し、全反射減衰角θＳＰとして、表示部６０へ出力するものである。
【００４３】
始点検出部６１は、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６の端部を透過した光ビーム３０の進行方向を偏向するミラー６２と、該ミラー６２により偏向された光ビーム３０が入射する位置に配置され、光ビーム３０が入射した際に、頭出し信号Ｆを信号処理部５１へ出力する始点検出フォトディテクター６３とから構成されている。
【００４４】
以下、上記構成の表面プラズモン測定装置を用いて行う測定動作について説明する。まず、測定チップアレイ１０の各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の各試料液保持部１６に不図示の試料液供給手段により試料液９が供給される。この際それぞれの測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ供給される試料液９には、異なる種類の被検体が含まれている。信号処理部５１からの指令でレーザ光源３１が駆動され、光ビーム３０が射出される。
【００４５】
図１に示す通り、レーザ光源３１から射出された光ビーム３０は、回転ミラー３２に入射する。回転ミラー３２は、不図示のモータにより、反時計回りに回転されており、回転ミラー３２に入射した光ビーム３０は、回転ミラー３２の回転に伴って、反時計方向に走査されながら、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６を透過して、まず始点検出部６１のミラー６２に入射し、その後、順次測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…の界面へ入射する。なお、ｆθレンズ３４の作用により、光ビーム３０は、等速走査されて、測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ順次入射する。ミラー６２で反射した光ビーム３０は、始点検出フォトディテクター６３へ入射し、始点検出フォトディテクター６３から頭出し信号Ｆが信号処理部５１へ出力される。
【００４６】
測定チップ１１Ａにおいては、光ビーム３０が前述したように収束する状態で、誘電体ブロック１３と薄膜層１４との界面１４ａに入射する。この界面１４ａで全反射した光ビーム３０は、コリメートレンズ４２により平行光化された後、レンズ４３により進行方向をフォトダイオード４０の方向へ変えられ、集光レンズ４３により収束・発散されて、フォトダイオードアレイ４０へ入射せしめられる。
【００４７】
なお、ｆθレンズ３４、レンズ３５および集光レンズ３６すなわち入射光学系３３によりいわゆる面倒れ補正光学系が構成されているため、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合であっても、界面１４ａへの光ビーム３０の入射点が変動することはない。
【００４８】
光ビーム３０は、上述の通り収束光状態で誘電体ブロック１３に入射するので、上記界面１４ａ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３０は界面１４ａで全反射し、この反射した光ビーム３０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。
【００４９】
このように光ビーム３０が全反射するとき、界面１４ａから薄膜層１４側にエバネッセント波がしみ出す。そして、光ビーム３０が界面１４ａに対してある特定の入射角θＳＰで入射した場合は、このエバネッセント波が薄膜層１４の表面に励起する表面プラズモンと共鳴するので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。なお図４には、この全反射減衰現象が生じた際の入射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。
【００５０】
そこで、信号処理手段５１において、全反射減衰の状態として、フォトダイオードアレイ４０が出力する出力信号Ｓから各フォトダイオードの検出光量を調べ、暗線を検出したフォトダイオードの位置に基づいて上記入射角（全反射減衰角）θＳＰを求める。
【００５１】
なお、信号処理部５１は、予め記憶された測定タイミングに従って、フォトダイオードアレイ４０におけるフォトダイオート゛の検出値（出力信号Ｓ）を読み出し、全反射減衰角θＳＰを算出する。
【００５２】
その後、順次測定チップ１１Ｂ、１１Ｃ…においても、同様の測定が行われ、各測定チップ毎に全反射減衰角θＳＰが算出される。
【００５３】
なお、上記の測定動作は、続けて１０回繰り返され、信号処理部５１では、各測定チップ毎に１０回の全反射減衰角θＳＰの測定値の平均値を算出し、全反射減衰角θＳＰとして、表示部６０へ出力する。
【００５４】
また、本実施形態では薄膜層１４上にセンシング物質１７が固定され、試料液９の中の被検体との結合状態に応じてセンシング物質１７の屈折率が変化するので、上記全反射減衰角θＳＰを測定し続けることにより、この結合状態の変化の様子を調べることができる。
【００５５】
すなわち、時間経過とともに、全反射減衰角θＳＰの角度が変化する場合には、試料液９中の被検体がセンシング物質１７と結合する物質であると判定することができ、全反射減衰角θＳＰの角度に変化が生じない場合には、試料液９中の被検体は、センシング物質と結合する物質ではないと判定することができる。信号処理部５１は、以上の原理に基づいて上記結合の有無を判定し、その判定結果を表示部６０に表示する。
【００５６】
以上の説明であきらかなように、本発明の表面プラズモン測定装置においては、光ビーム３０を測定チップの界面上で、入射する光ビーム３０と全反射した光ビーム３０を含む平面と略直交する方向へ走査する回転ミラー３２およびレンズ３５と、界面上で走査された光ビームを常にフォトダイオードアレイ４０へ入射するように収束させる収束光学系４１とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数のフォトダイオードアレイが不要であり、小型化が容易である。また光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビーム３０を界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な表面プラズモン測定装置を実現することができる。
【００５７】
また、入射光学系３３が面倒れ光学系を構成するので、回転ミラー３２に面倒れが生じた場合であっても、測定チップの界面に対する光ビーム３０の入射位置がずれることが防止され、さらに測定精度を向上させることができる。
【００５８】
さらに、同一の測定を１０回繰り返し、その平均値を求めることにより、振動などの影響により、瞬間的に、光ビーム３０が界面１４ａに入射する入射位置のずれが生じたり、界面１４ａの角度にずれが生じて、異常な測定値が測定されても、平均化により測定誤差を低減することができ、測定結果の信頼性を向上させることができる。なお、例えば異常な測定値を除いて平均値を算出したり、あるいは時系列的に前後の測定値と比較して異常な測定値を除く等の、異常値排除処理を行ってもよく、一層測定結果の信頼性が向上する。
【００５９】
光ビームを測定チップの界面上において等速走査せしめるｆθレンズ３４を備えたので、フォトダイオードアレイ４０から出力信号Ｓを取り出すタイミングを容易に制御することができる。またそれぞれの測定チップの界面に入射する光ビーム３０の径を容易に均一化することができる。
【００６０】
また、例えば回転ミラー３２による走査角度を小さくし、１つの測定チップ内において、多数回の測定を行えば、測定チップにおける走査方向の直線領域のセンシング物質１７の屈折率分布を測定することができる。また、測定チップを図２における水平方向へ僅かに移動させながら測定を繰り返せば、図２における水平方向の直線領域のセンシング物質１７の屈折率を測定することができる。すなわち、上記の測定を組み合わせれば、センシング物質１７の２次元屈折率分布を測定することができる。
【００６１】
なお、本実施の形態においては、入射光学系として、各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…に対して走査された光ビーム３０が平行に入射するテレセントリック系を用いているが、入射光学系はこのようなテレセントリック系に限定されるものではない。例えば走査された光ビーム３０が、光ビーム間の間隔を拡げながら各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ入射する、あるいは光ビーム間の間隔を狭めながら各測定チップ１１Ａ、１１Ｂ、１１Ｃ…へ入射する非テレセントリック系を用いてもよく、このような場合には、入射光学系に対応する収束光学系を適宜用いればよい。
【００６２】
次に、図１および図５参照して本発明の第２の実施形態について説明する。第２の実施の形態の全体構成は第１の実施形態とほぼ同様であるため、図１において、異なる構成部の番号のみ図中に付記する。また図５においては、図２中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する。
【００６３】
この第２の実施の形態の測定装置は、先に説明した漏洩モード測定装置であり、測定チップ９０Ａ、９０Ｂ、９０Ｃ…からなる測定チップアレイ８９を用いるように構成されている。図５に示すように、測定チップ９０Ａの誘電体ブロック１３の上面にはクラッド層９１が形成され、さらにその上には光導波層９２が形成されている。また光導波層９２の表面上にはセンシング物質１７が固定されている。
【００６４】
誘電体ブロック１３は、例えば合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて形成されている。一方クラッド層９１は、誘電体ブロック１３よりも低屈折率の誘電体や、金等の金属を用いて薄膜状に形成されている。また光導波層９２は、クラッド層９１よりも高屈折率の誘電体、例えばＰＭＭＡを用いてこれも薄膜状に形成されている。クラッド層９１の膜厚は、例えば金薄膜から形成する場合で３６．５ｎｍ、光導波層９２の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００６５】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源３１から出射した光ビーム３０を誘電体ブロック１３を通してクラッド層９１に対して全反射角以上の入射角で入射させると、該光ビーム３１が誘電体ブロック１３とクラッド層９１との界面９１ａで全反射するが、クラッド層９１を透過して光導波層９２に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層９２を導波モードで伝搬するようになる。こうして導波モードが励起されると、入射光のほとんどが光導波層９２に取り込まれるので、上記界面９１ａで全反射する光の強度が鋭く低下する全反射減衰が生じる。
【００６６】
光導波層９２における導波光の波数は、該光導波層９２の上のセンシング物質１７の屈折率に依存するので、全反射減衰が生じる上記特定入射角を知ることによって、センシング物質１７の屈折率を測定することができ、試料液９中の被検体とセンシング物質１７との結合状態を知ることができる。
【００６７】
第１の実施の形態と同様に、本実施形態においても、入射光学系３３と収束光学系４１とを備えるようにしたので、多数の光源や、多数のフォトダイオードアレイが不要であり、小型化が容易である。また光ビーム３０をフォトダイオードアレイ４０へ収束させる部位に、可動部材が不要であるため、測定精度の悪化が防止できる。さらに、光ビーム３０を界面上で走査することができるため、短時間で複数領域の測定を行うことができる。すなわち、良好な測定精度で、短時間で複数領域の測定を行うことができ、かつ小型化可能な表面プラズモン測定装置を実現することができる。また、他の効果も第１の実施の形態と同様に得られる。
【００６８】
なお、各実施の形態においては、光検出手段としてフォトダイオードアレイ４０を用いたがこれに限定されるものではなく、１列あるいは数列の受光素子がライン状に配置されているものでればよく、ＣＣＤアレイなどであってもよい。また、回転ミラー３２の代わりに、ポリゴンミラーあるいはガルバノメータミラー等を用いてもよい。
【００６９】
さらに、上記各実施の形態においては、全反射光を用いた測定装置について説明を行ったが、これに限定されるものではなく、例えば赤外分光装置等の反射光を用いて試料の特性を分析する測定装置においても、本発明は適用可能であり、同様の効果を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態による表面プラズモン測定装置の概略構成を示す平面図
【図２】表面プラズモン測定装置の要部の側面形状を示す図
【図３】測定チップアレイの概略構成図
【図４】光ビームの界面への入射角と光強度との関係を示す図
【図５】本発明の第２の実施形態による漏洩モード測定装置の要部の側面形状を示す図
【符号の説明】
９　　　　試料液
１０，８９　測定チップアレイ
１１Ａ，１１Ｂ，１１Ｃ…　　測定チップ
９０Ａ，９０Ｂ，９０Ｃ…　　測定チップ
１３　　　誘電体ブロック
１４　　　薄膜層
１４ａ　　誘電体ブロックと薄膜層との界面
１５　　　試料液保持枠
１６　　　試料保持部
１７　　　センシング物質
３０　　　光ビーム
３１　　　レーザ光源
３２　　　回転ミラー
３３　　　入射光学系
３４　　　ｆθレンズ
４０　　　フォトダイオード
４１　　　収束光学系
５１　　　信号処理部
６０　　　表示部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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