(57)【要約】【課題】表面の状態を鋭敏に検知できる表面プラズモン素子とこれを用いた検査装置を提供する。【解決手段】光透過基材１１０の表面を周回する周回表面１１１の上には表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜１２０が形成されている。光ファイバ２４０の表面には媒体膜１２０に対向する対向表面２４１が含まれている。入力光が光ファイバ２４０を透過し、対向表面２４１に導かれると、周回表面１１１に沿って周回表面１１１の内側を周回する回廊波が発生する。回廊波は媒体膜１２０にて表面プラズモンを発生させる。回廊波は対向表面２４１を介して光ファイバ２４０に伝達される。【選択図】　　図２
2004061370.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を透過する光透過部材と、
この光透過部材に対向している、光を透過する光透過基材と、
この光透過基材の表面を周回する周回表面と、
この周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜と、
前記光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する対向表面と、
を備えており、
入力光が前記光透過部材を透過して前記対向表面に導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
この回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させたこの回廊波は前記対向表面を介して前記光透過部材に伝達されて、前記光透過部材を透過する出力光になることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項２】
前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれていることを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモン素子。
【請求項３】
前記対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記入力光の波長以下であ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素子。
【請求項４】
前記光透過部材は、光ファイバを含んでいることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面プラズモン素子。
【請求項５】
前記光透過部材は、光導波路を含んでいることを特徴とする請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面プラズモン素子。
【請求項６】
光を透過する第１の光透過部材と、
光を透過する第２の光透過部材と、
第１及び第２の光透過部材に対向している、光を透過する光透過基材と、
この光透過基材の表面を周回する周回表面と、
この周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜と、
前記第１の光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する第１の対向表面と、
前記第２の光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する第２の対向表面と、
を備えており、
入力光が前記第１の光透過部材を透過して前記第１の対向表面に導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
この回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させたこの回廊波は前記第２の対向表面を介して前記第２の光透過部材に伝達されて、第２の光透過部材を透過する出力光になることを特徴とする表面プラズモン素子。
【請求項７】
前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれていることを特徴とする請求項６に記載の表面プラズモン素子。
【請求項８】
前記第１の対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は前記入力光の波長以下であり、前記第２の対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記出力光の波長以下であることを特徴とする請求項６又は７に記載の表面プラズモン素子。
【請求項９】
前記第１の光透過部材と前記第２の光透過部材との少なくとも一方は、光ファイバを含んでいることを特徴とする請求項６乃至８いずれか１項に記載の表面プラズモン素子。
【請求項１０】
前記光透過基材の形状は筒状であり、前記周回表面は光透過基材の長さ方向に垂直な面内で延びていることを特徴とする請求項１乃至９いずれか１項に記載の表面プラズモン素子。
【請求項１１】
請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面プラズモン素子であって、前記表面プラズモン媒体膜には被検体が付着させられる表面プラズモン素子と、
前記光透過部材に入力光を入射してこの入力光を前記対向表面に導く入力光導入手段と、
前記出力光を検出する出力光検出手段と、
を備えていることを特徴とする検査装置。
【請求項１２】
前記光透過部材は、光ファイバを含んでいることを特徴とする請求項１１に記載の検査装置。
【請求項１３】
前記対向表面は前記光ファイバの一端と他端の間に位置しており、前記入力光導入手段は光ファイバの一端側から入力光を対向表面に導き、前記出力光検出手段は対向表面から光ファイバの他端に向かう出力光を検出することを特徴とする請求項１２に記載の検査装置。
【請求項１４】
前記検査装置は、前記光ファイバの一端側に設けられていて、この光ファイバを透過しこの一端側に向かう光を反射して、この光を光ファイバの他端側に向かわせる反射体をさらに備えており、
前記対向表面は前記光ファイバの一端と他端の間に位置しており、
前記入力光導入手段は前記光ファイバの他端側から入力光を前記対向表面に導き、
前記出力光検出手段は、前記対向表面から前記光ファイバの一端側に向かい、前記反射体にて反射し、この光ファイバの他端側に向かう出力光を検出することを特徴とする請求項１２に記載の検査装置。
【請求項１５】
光を透過し、所定の経路に沿って光を導く光透過部材と、
光を透過する１以上の光透過基材であって、この所定の経路上に配置されていて、前記光透過部材に対向している光透過基材と、
前記それぞれの光透過基材の表面を周回する周回表面と、
前記それぞれの周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜であって、に被検体が付着させられる表面プラズモン媒体膜と、
前記光透過部材の表面に含まれていて、前記表面プラズモン媒体膜にそれぞれ対向する対向表面と、
前記光透過部材に入力光を入射してこの入力光を前記対向表面の少なくとも１つに導く入力光導入手段であって、対向表面に入射光が導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
前記回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させた前記回廊波は対向表面を介して光透過部材に伝達されて、光透過部材を透過する出力光になる入力光導入手段と、
前記出力光を検出する出力光検出手段と、
を備えていることを特徴とする検査装置。
【請求項１６】
前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれていることを特徴とする請求項１５に記載の検査装置。
【請求項１７】
前記対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記入力光の波長以下であることを特徴とする請求項１５又は１６に記載の検査装置。
【請求項１８】
前記光透過部材は、前記所定の経路に沿って延びている光導波路を含んでいることを特徴とする請求項１５乃至１７いずれか１項に記載の検査装置。
【請求項１９】
前記検査装置は光導波路に設けられた光スイッチをさらに備えていることを特徴とする請求項１８に記載の検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン素子及びこれを用いた検査装置に関する。より詳細には、表面プラズモンと回廊波を利用した表面プラズモン素子、及び表面プラズモン素子に付着した被検体を検査する検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、表面プラズモンを利用した表面プラズモン素子が盛んに使用されている。表面プラズモン素子は、しばしば化学物質を検査する検査装置に用いられている。特開平１０−２６７９３０には、平坦な金属膜を有する表面プラズモン素子と、これを用いて免疫反応を検査する検査装置が開示されている。図１０は表面プラズモン素子の概略的な断面図である。平坦な透明基板５４０上には金属膜５２０が設けられている。金属膜５２０の上には有機珪素膜５６０を介して抗体５３０が固定されている。
【０００３】
透明基板５４０に光を入射すると、光は透明基板５４０の金属膜５２０側で反射する。金属膜５２０の表面近傍にはこの表面に沿ってエバネッセント波が形成される。このとき、金属膜５２０の表面には表面プラズモンが発生する。発生し得る表面プラズモンの位相速度は金属膜５２０の表面の状態により変化する。エバネッセント波の金属膜表面方向の位相速度と発生し得る表面プラズモンの位相速度が一致すると、いわゆる表面プラズモン共鳴が起こり、光のエネルギーの多くが表面プラズモンの発生に使われる。この結果、光の反射強度が低下する。
【０００４】
光の入射角を変化させると、エバネッセント波の金属膜膜表面方向の位相速度が変化するので、表面プラズモンの発生に用いられるときにのみ光のエネルギーが変化する。即ち、反射強度が変化する。図１１は入射角に対する反射強度のグラフである。グラフは谷をもつ。反射強度が谷の底である、即ち反射強度が極小であるとき、表面プラズモン共鳴が起こっている。
【０００５】
このような表面プラズモン素子は検査装置に取り付けられる。検査装置は、入射角を変えながらこの素子に光を照射する光源と、素子で反射した光の強度を検出する光検出器とを備えている。抗体５３０の付着した面は抗原を含んだ液体に浸される。抗体５３０に抗原が結合すると、金属膜５２０の表面の状態が変化する。この結果、発生し得る表面プラズモンの位相速度が変化するので、表面プラズモン共鳴が起こる入射角が変化する。即ち、反射強度の谷の底がずれる。この谷の底のずれを検出すれば、液体中の抗原の濃度が分かる。
【０００６】
また、光ファイバを用いた表面プラズモン素子が知られている。光ファイバの表面には金属膜が形成されている。光ファイバ内を伝搬する光は金属膜にて反射する。光ファイバ内を伝搬する光の波長を変えながら、金属膜にて反射した光の強度が検出される。波長に対する検出された光の強度のグラフは、図１０の表面プラズモン素子と同様に、谷をもつ。谷の底に対応する波長をもった光が表面プラズモン共鳴に携わっている。谷の底の位置から金属膜の表面の状態を検知することができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
従来の検査装置では、測定対象の数と同じ数の表面プラズモン素子（プリズム）が必要か、或いは検査の度に素子表面の洗浄が求められる。特に、多数のプリズムを用意してそれぞれに異なる処理を施すには、プリズムは一般に小型化が困難で実用上問題が多い。
【０００８】
光ファイバを用いた表面プラズモン素子では、光ファイバ内を伝搬し、金属膜にて反射する光の入射角は比較的大きい幅をもつ。入射角の幅が大きいと、波長に対する金属膜にて反射する光の強度のグラフの谷の幅は大きくなる。従って、図１０の表面プラズモン素子と同様に、金属膜の表面の状態を鋭敏に検知することができない。
【０００９】
図１０の表面プラズモン素子を検査装置に取り付ける際には、光源と光検出器に対して表面プラズモン素子を位置決めする必要がある。一般に、検査される抗体の数は極めて多数であることが多い。多数の抗体を検査する場合には表面プラズモン素子の位置決めを行う回数が極めて多くなる。
【００１０】
本発明は上記問題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、表面の状態を鋭敏に検知でき、かつ小型で扱いの容易な表面プラズモン素子を提供することである。本発明のもう１つの目的は、化学物質などの被検体を感度良く検査する検査装置を提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の請求項１に係わる表面プラズモン素子は、
光を透過する光透過部材と、
この光透過部材に対向している、光を透過する光透過基材と、
この光透過基材の表面を周回する周回表面と、
この周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜と、
前記光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する対向表面と、
を備えており、
入力光が前記光透過部材を透過して前記対向表面に導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
この回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させたこの回廊波は前記対向表面を介して前記光透過部材に伝達されて、前記光透過部材を透過する出力光になる。
【００１２】
本発明の請求項２に係わる表面プラズモン素子では、前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれている。
【００１３】
本発明の請求項３に係わる表面プラズモン素子では、前記対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記入力光の波長以下である。
【００１４】
本発明の請求項４に係わる表面プラズモン素子では、前記光透過部材は、光ファイバを含んでいる。
【００１５】
本発明の請求項５に係わる表面プラズモン素子では、前記光透過部材は、光導波路を含んでいる。
【００１６】
本発明の請求項６に係わる表面プラズモン素子は、
光を透過する第１の光透過部材と、
光を透過する第２の光透過部材と、
第１及び第２の光透過部材に対向している、光を透過する光透過基材と、
この光透過基材の表面を周回する周回表面と、
この周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜と、
前記第１の光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する第１の対向表面と、
前記第２の光透過部材の表面に含まれていて、この表面プラズモン媒体膜に対向する第２の対向表面と、
を備えており、
入力光が前記第１の光透過部材を透過して前記第１の対向表面に導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
この回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させたこの回廊波は前記第２の対向表面を介して前記第２の光透過部材に伝達されて、第２の光透過部材を透過する出力光になる。
【００１７】
本発明の請求項７に係わる表面プラズモン素子では、前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれている。
【００１８】
本発明の請求項８に係わる表面プラズモン素子では、前記第１の対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は前記入力光の波長以下であり、前記第２の対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記出力光の波長以下である。
【００１９】
本発明の請求項９に係わる表面プラズモン素子では、前記第１の光透過部材と前記第２の光透過部材との少なくとも一方は、光ファイバを含んでいる。
【００２０】
本発明の請求項１０に係わる表面プラズモン素子では、前記光透過基材の形状は筒状であり、前記周回表面は光透過基材の長さ方向に垂直な面内で延びている。
【００２１】
本発明の請求項１１に係わる検査装置は、
請求項１乃至３いずれか１項に記載の表面プラズモン素子であって、前記表面プラズモン媒体膜に被検体が付着させられる表面プラズモン素子と、
前記光透過部材に入力光を入射してこの入力光を前記対向表面に導く入力光導入手段と、
前記出力光を検出する出力光検出手段と、
を備えている。
【００２２】
本発明の請求項１２に係わる検査装置では、前記光透過部材は、光ファイバを含んでいる。
【００２３】
本発明の請求項１３に係わる検査装置では、前記対向表面は前記光ファイバの一端と他端の間に位置しており、前記入力光導入手段は光ファイバの一端側から入力光を対向表面に導き、前記出力光検出手段は対向表面から光ファイバの他端に向かう出力光を検出する。
【００２４】
本発明の請求項１４に係わる検査装置は、前記光ファイバの一端側に設けられていて、この光ファイバを透過しこの一端側に向かう光を反射して、この光を光ファイバの他端側に向かわせる反射体をさらに備えており、
前記対向表面は前記光ファイバの一端と他端の間に位置しており、
前記入力光導入手段は前記光ファイバの他端側から入力光を前記対向表面に導き、
前記出力光検出手段は、前記対向表面から前記光ファイバの一端側に向かい、前記反射体にて反射し、この光ファイバの他端側に向かう出力光を検出する。
【００２５】
本発明の請求項１５に係わる検査装置は、
光を透過し、所定の経路に沿って光を導く光透過部材と、
光を透過する１以上の光透過基材であって、この所定の経路上に配置されていて、前記光透過部材に対向している光透過基材と、
前記それぞれの光透過基材の表面を周回する周回表面と、
前記それぞれの周回表面の上に形成されていて、表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜であって、に被検体が付着させられる表面プラズモン媒体膜と、
前記光透過部材の表面に含まれていて、前記表面プラズモン媒体膜にそれぞれ対向する対向表面と、
前記光透過部材に入力光を入射してこの入力光を前記対向表面の少なくとも１つに導く入力光導入手段であって、対向表面に入射光が導かれると、前記周回表面に沿って周回表面の内側を周回する回廊波が発生し、
前記回廊波は前記表面プラズモン媒体膜にて表面プラズモンを発生させ、
表面プラズモンを発生させた前記回廊波は対向表面を介して光透過部材に伝達されて、光透過部材を透過する出力光になる入力光導入手段と、
前記出力光を検出する出力光検出手段と、
を備えている。
【００２６】
本発明の請求項１６に係わる検査装置では、前記光透過基材の表面の少なくとも一部は球面であり、前記周回表面はこの球面に含まれている。
【００２７】
本発明の請求項１７に係わる検査装置では、前記対向表面と前記表面プラズモン媒体膜との間隔は、前記入力光の波長以下である。
【００２８】
本発明の請求項１８に係わる検査装置では、前記光透過部材は、前記所定の経路に沿って延びている光導波路を含んでいる。
【００２９】
本発明の請求項１９に係わる検査装置は、光導波路に設けられた光スイッチをさらに備えている。
【００３０】
【発明の実施の形態】
図１〜図９を参照して、本発明の実施の形態に係わる表面プラズモン素子及び検査装置を説明する。先ず、図１を参照して本発明の第１の実施の形態の表面プラズモン素子とこの表面プラズモン素子を有する検査装置とを説明する。図１は、表面プラズモン素子の概略的な側面図である。
【００３１】
光を透過する球状の光透過基材１１０の表面には表面プラズモンが発生する材料で形成されている表面プラズモン媒体膜１２０が設けられている。図１では媒体膜１２０はこれの一部が切りかかれるようにして示されている。本実施の形態では媒体膜１２０には金属膜１２０が用いられている。金属膜１２０は好ましくは５００Åの金の膜で形成される。光透過基材１１０はガラスで形成されている。球状である光透過基材１１０の直径は数十μｍ〜数ｍである。光透過基材１１０をその他の材料で形成しても良い。光透過基材１１０と金属膜１２０とは伝搬部材１００を形成している。
【００３２】
光透過基材１１０は光を透過する平板状の光透過部材１４０に対向している。図１では光透過部材１４０は厚さ方向に切断されている。光透過部材１４０の一面が光透過基材１１０に向けられている。
【００３３】
光透過部材１４０の表面には金属膜１２０に対向する対向表面１４２が含まれている。ここで、「対向する」とは、「接する」ことと、「間隔をおいている」こととを含む。本実施の形態では、光透過基材１１０は光透過部材１４０に接しており、対向表面１４２は金属膜１２０に接している。
【００３４】
対向表面１４２に対向する光透過基材１１０の部分と光透過基材１１０の中心とを含む平面を考える。図１ではこの平面が紙面に平行にされている。この平面と光透過基材１１０の表面との交線に沿って光透過基材１１０の表面を周回する部分を周回表面１１１として用いる。周回表面１１１の上には上述した金属膜１２０が形成されている。
【００３５】
光透過基材１１０とは反対側の光透過部材１４０の面に、矢印Ｉの方向に沿って入力光が入射すると、入力光は光透過部材１４０を透過して対向表面１４２に導かれ、ここに入射する。入力光が入射する光透過部材１４０の部分は入射部１４３として用いられている。図１に示された光の光路は紙面に平行である。
【００３６】
対向表面１４２に導かれた入力光は、周回表面１１１に沿って周回表面１１１の内側を周回する回廊波を発生する。回廊波はＷＧＭ共鳴（ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ　ｍｏｄｅ　ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）が起こるときに発生する光である。ＷＧＭ共鳴については、Ｍ．Ｃａｉ，Ｇ．Ｈｕｎｚｉｋｅｒ，ａｎｄＫ．Ｖａｈａｌａ，ＩＥＥＥ　Ｐｈｏｔｏｎ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｌｅｔｔ．１１，６８６（１９９９）に詳細に説明されている。回廊波は金属膜１２０にて表面プラズモンを発生させる。金属膜１２０にて発生し得る表面プラズモンの位相速度が回廊波の位相速度と等しいとき、金属膜１２０に表面プラズモンが発生する。光透過基材１１０の屈折率は、回廊波の位相速度が金属膜１２０にて発生する表面プラズモンの位相速度と等しくなるよう設定されている。回廊波は周回表面１１１に沿って矢印Ｗの向きに伝搬する。表面プラズモンは金属膜１２０の表面の状態に応じて変化する。表面プラズモンを発生させた回廊波は対向表面１４２を介して光透過部材１４０に伝達されて、光透過部材１４０を透過する出力光になる。
【００３７】
出力光は光透過部材１４０を透過して光透過基材１１０とは反対側の光透過部材１４０の面から矢印Ｏの方向に出射する。光が出射する光透過部材１４０の部分は出射部１４４として用いられている。平坦な金属膜５２０に表面プラズモンを発生させる従来の表面プラズモン素子（図１０参照）のように、出射部１４４から出射した光の状態、例えば強度又は位相は入射角に依存する。この従来の表面プラズモン素子と同様に、金属膜１２０の表面の状態に応じて光の強度又は位相の谷の底がずれる。即ち、金属膜１２０の表面の状態に応じて光の状態が変化する。
【００３８】
周回表面１１１を周回する回廊波の位相速度の広がりは小さい。このために、それによって励起される表面プラズモンの位相速度の広がりも比較的小さい。
【００３９】
上述したように出射部１４４から出射した出力光の状態は対向表面１４２に導かれた入力光の入射角に依存するが、出力光の状態は入力光の波長にも依存する。波長に対する出力光の強度又は位相のグラフも谷をもつ。金属膜１２０の表面の状態に応じてこの谷の底はずれる。
【００４０】
本実施の形態では金属膜１２０は対向表面１４２に接しているが、間隔をおいていても良い。この場合、対向表面１４２と金属膜１２０との間隔は、入力光の波長以下である。好ましくは、この間隔は光の波長の数分の１以下である。また、入射部１４３と出射部１４４の少なくとも一方にはレンズやプリズムなどの光学素子が設けられていても良い。また、金属膜１２０は光透過基材１１０の表面の全体に設けられずに、周回表面１１１の少なくとも一部に設けられていても良い。特に、対向表面１４２に接する、金属膜１２０の部分１２１が切り欠かれていて、周回表面１１１が露出していても良い。この場合、回廊波が発生しやすくなる。また、本実施の形態では光透過基材１１０は球状であるが、光透過基材１１０は、これの表面の少なくとも一部が球面であるよう成形されていても良い。例えば、光透過基材１１０の形状は、一部が切り欠かれた球の形状であっても良い。球面を有するリング状であっても良い。光透過基材１１０の形状は筒状であっても良い。光透過基材の表面を周回する周回表面は、光透過基材の長さ方向に垂直な面内で延びる。光透過基材１１０の内部には空洞があっても良い。この場合、この空洞は、回廊波が周回表面１１１の内側を安定して伝搬できるよう、周回表面１１１から離れていても良い。
【００４１】
次に、図１を参照して第１の実施の形態の検査装置を説明する。検査装置は第１の実施の形態の表面プラズモン素子を用いている。検査装置は、光透過部材１４０に入力光を入射して入力光を対向表面１４２に導く入力光導入手段と、出射部１４４から出射する出力光を検出する出力光検出手段とを備えている。入力光導入手段は光源１５０を有している。出力光検出手段は光検出器１６０を有している。光源１５０は対向表面１４２に導かれた入力光の入射角と波長を変えることができる。光源１５０は対向表面１４２に全反射角よりも大きい入射角で入力光を入射させる。
【００４２】
光透過部材１４０から取り外された伝搬部材１００の金属膜１２０には化学物質などの被検体が付着させられる。この後、伝搬部材１００は光透過部材１４０に取り付けられる。付着させられた被検体の種類や状態に応じて金属膜１２０の表面状態が変化すると、金属膜１２０にて発生した表面プラズモンの状態が変化する。この結果、出射部１４４から出射した出力光の状態が変化する。尚、出射部１４４からは出力光以外の光、例えば入射部１４３から対向表面１４２に入射した入力光の内、対向表面１４２にて直接反射した光なども出射する。出力光の状態の変化は、入力光の内、表面プラズモンを発生させた、特定の波長をもつ光の強度が低下することなどに起因する。出力光の状態の変化は光検出器１６０に接続された処理部１６１に渡される。処理部１６１は、出力光の状態に基づいて被検体の種類や状態を決定する。
【００４３】
表面プラズモン素子から出射した出力光の状態は金属膜１２０の表面の状態を鋭敏に反映するので、被検体が感度良く検査される。
【００４４】
特定の場所にて被検体を伝搬部材１００に付着させた後、別の場所で伝搬部材１００を光透過部材１４０に取り付けて検査を行っても良い。生体物質、例えば動物の消化液を検査するときには、伝搬部材１００を動物に飲み込ませ、これを排泄させる。配設された伝搬部材１００は光透過部材１４０に取り付けられる。
【００４５】
次に、図２及び図３を参照して本発明の第２の実施の形態の表面プラズモン素子を説明する。図２は表面プラズモン素子の概略的な側面図である。本実施の形態の表面プラズモン素子は、第１の実施の形態の表面プラズモン素子の伝搬部材１００と基本的に同じものを有している。特に、本実施の形態の表面プラズモン素子の光透過基材の屈折率は、第１の実施の形態の表面プラズモン素子のものと同じである。第１の実施の形態の伝搬部材１００の構成部材と実質的に同一の構成部材は、第１の実施の形態の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。伝搬部材１００には光透過部材として用いられている光ファイバ２４０が接している。光ファイバ２４０の表面には金属膜１２０に対向する対向表面２４１が含まれている。本実施の形態では対向表面２４１は金属膜１２０に接している。対向表面２４１近傍において、光ファイバ２４０は周回表面１１１に囲まれている平面と平行に延びている。
【００４６】
入力光が光ファイバ２４０を矢印Ｌの方向に透過して、対向表面２４１に導かれると、矢印Ｗの方向に周回表面１１１に沿って周回する回廊波が発生する。回廊波は金属膜１２０にて表面プラズモンを発生させる。表面プラズモンを発生させた回廊波は対向表面２４１を介して光ファイバ２４０に伝達されて、光ファイバ２４０を透過する出力光になる。出力光は矢印Ｌの方向に向かう。第１の実施の形態の表面プラズモン素子と同様に、出力光の状態、例えば強度又は位相は金属膜１２０の表面の状態に応じて変化する。
【００４７】
光ファイバ２４０は、光ファイバ２４０を透過する光の波数ベクトルの方向が光ファイバ２４０にほぼ沿うよう比較的細くされている。これにより、光ファイバ２４０を透過する光の波数ベクトルの方向は、周回表面１１１の接線方向とほぼ一致する。このため、入力光が対向表面２４１に導かれると、周回表面１１１の内側を周回する回廊波が発生する。回廊波の周回中に回廊波が金属膜１２０に表面プラズモンを発生させると、回廊波は減衰する。
【００４８】
伝搬部材１００と光ファイバ２４０は保持部材２７０にて保持されている。図３は図２の３Ｃ−３Ｃ断面線にて切断された表面プラズモン素子の断面図である。図２では保持部材２７０は省略されている。保持部材２７０は、下を向いた伝搬部材１００の部分、即ち光ファイバ２４０に対向する部分と、側方に向いた伝搬部材１００の部分を囲んでいる。下を向いた伝搬部材１００の部分を囲む保持部材２７０の部分には溝２７１が形成されている。溝２７１には光ファイバ２４０入れられている。
【００４９】
光透過基材１１０の内部には光吸収部材２８０が入れられている。光吸収部材２８０は周回表面１１１から離れている。光吸収部材２８０は周回表面１１１を周回する回廊波以外の光を吸収する。光吸収部材２８０の形状は、回廊波以外の光が効率よく吸収されるよう、適切に設定されている。本実施の形態では光吸収部材２８０の形状は球状であり、光吸収部材２８０は球状である光透過基材１１０のほぼ中心に位置しているが、本発明はこれに限定されない。
【００５０】
本実施の形態では対向表面２４１は金属膜１２０に接しているが、対向表面２４１は金属膜１２０と間隔をおいていても良い。この場合、対向表面２４１と金属膜１２０との間隔は好ましくは入力光の波長以下、より好ましくは入力光の波長の数分の１以下である。
【００５１】
次に、図４を参照して第２の実施の形態の検査装置を説明する。図４は検査装置の構成を示す概略図である。検査装置は第２の実施の形態の表面プラズモン素子を用いている。光ファイバ２４０の一端には比較的太い光ファイバ２４２が接続されている。光ファイバ２４０の他端には比較的太い光ファイバ２４３が接続されている。光ファイバ２４０の対向表面２４１（図２参照）は光ファイバ２４０の一端と他端の間に位置している。光ファイバ２４２，２４３の光ファイバ２４０と接続されている部分にはテーパが設けられている。比較的太い光ファイバ２４２，２４３は光を挿入しやすく減衰も少ない。一方、上述のように光ファイバ２４０は細くされている。従って、光ファイバ２４０は折れやすいので保持部材２７０（図示せず）にて保持されている。
【００５２】
光ファイバ２４０とは反対側にある光ファイバ２４２の端には、光源２５０が接続されている。光源２５０は波長を変えながら入力光を光ファイバ２４２に入射する。光源２５０には白色光を出射できるものを用いても良いし、複数の波長の光を出射できるものを用いても良い。光源２５０は光ファイバ２４０の一端側から光を対向表面２４１（図２参照）に導く入力光導入手段として用いられている。光ファイバ２４０とは反対側にある光ファイバ２４３の端には、光検出器２６０が接続されている。光検出器２６０は、対向表面２４１から光ファイバ２４０の他端に向かう出力光を検出する出力光検出手段として用いられている。光検出器２６０に検出された光の状態は、光検出器２６０に接続された処理部２６１に渡される。処理部１６１は、光の状態に基づいて被検体の種類や状態を決定する。
【００５３】
処理部２６１では、入力光の波長に対する出力光の状態、例えば強度又は位相のグラフが作成される。処理部２６１はこのグラフの谷の底のずれに基づいて被検体の種類や状態を決定する。上述したように、伝搬部材１００には周回する回廊波以外の光を吸収する光吸収部材２８０が設けられている。回廊波以外の光が伝搬部材１００から光ファイバ２４０に伝達されて、この光が出力光に混じると、出力光の強度又は位相のグラフはより複雑になる。グラフが複雑になると、グラフの谷の底のずれに基づいて被検体の種類や状態を決定することが難しくなる。検査装置には光吸収部材２８０が用いられているので、被検体は感度良く検査される。
【００５４】
次に、図５を参照して本発明の第３の実施の形態の検査装置を説明する。検査装置は第２の実施の形態の表面プラズモン素子を用いている。図５は検査装置の構成を示す概略図である。本実施の形態の検査装置の構成は、基本的に第２の実施の形態の検査装置のものと同じである。本実施の形態において、図４を参照して説明した第２の実施の形態の検査装置の構成部材と実質的に同一の構成部材は、第２の実施の形態の検査装置の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５５】
本実施の形態の検査装置では、光検出器２６０の代わりに、光ファイバ２４３の端に反射体２４６が接続されている。即ち、反射体２４６は、光源２５０とは反対側にある光ファイバ２４０の一端側に設けられている。反射体２４６は、光ファイバ２４０を透過しこの一端側に向かう光を反射して、この光を光ファイバ２４０の他端側に向かわせる。対向表面２４１は光ファイバ２４０の一端と他端の間に位置している。光源２５０と光ファイバ２４２の間には光ファイバ２４４とともに光を分岐する光分岐素子２４５が配置されている。光分岐素子２４５は光ファイバ２４７を介して光検出器２６０が接続されている。
【００５６】
光源２５０は光ファイバ２４０の他端側から入力光を対向表面２４１（図２参照）に導く。即ち、光源２５０により光ファイバ２４４に入射された入力光は、光分岐素子２４５、光ファイバ２４２を通過して光ファイバ２４０の対向表面２４１に導かれる。出力光は対向表面２４１から光ファイバ２４０の一端側に向かい、反射体２４６にて反射し、光ファイバ２４０の他端側に向かう。この出力光は光分岐素子２４５により、光源２５０に向かう光と光検出器２６０に向かう光とに分岐される。光検出器２６０により検出された出力光の状態は処理部２６１に渡される。
【００５７】
第２及び第３の実施の形態の検査装置は、光ファイバを有する第２の実施の形態の表面プラズモン素子を用いた検査装置の一例である。その他、多様な光学系設計が許される。
【００５８】
次に、図６を参照して本発明の第３の実施の形態の表面プラズモン素子を説明する。図６は表面プラズモン素子の概略的な側面図である。本実施の形態の表面プラズモン素子の構成は、基本的に第２の実施の形態の表面プラズモン素子のものと同じである。本実施の形態において、図２及び図３を参照して説明した第２の実施の形態の表面プラズモン素子の構成部材と実質的に同一の構成部材は、第２の実施の形態の表面プラズモン素子の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００５９】
本実施の形態の表面プラズモン素子はさらに光ファイバ２９０を有している。第２の実施の形態の表面プラズモン素子に用いられていた光ファイバ２４０、対向表面２４１はそれぞれ本実施の形態では第１の光透過部材、第１の対向表面として用いられている。光ファイバ２９０は第２の光透過部材として用いられている。光ファイバ２９０は伝搬部材１００に接している。光ファイバ２９０の表面には金属膜１２０に対向する第２の対向表面２９１が含まれている。本実施の形態では第２の対向表面２９１は金属膜１２０に接している。周回表面１１１、第１の対向表面２４１の近傍にある光ファイバ２４０の部分、及び第２の対向表面２９１の近傍にある光ファイバ２９０の部分は同一平面内で延びている。
【００６０】
入力光が矢印Ｌ１の方向に光ファイバ２４０を透過して第１の対向表面２４１に導かれると、矢印Ｗの方向に周回表面１１１の内側を周回する回廊波が発生する。回廊波は金属膜１２０にて表面プラズモンを発生させる。表面プラズモンを発生させた回廊波は前記第２の対向表面２９１を介して光ファイバ２９０に伝達されて、光ファイバ２９０を矢印Ｌ２の方向に透過する出力光になる。
【００６１】
第２の実施の形態の表面プラズモン素子では、入力光と出力光がともに１つの光ファイバ２４０を透過するが、本実施の形態の表面プラズモン素子では入力光と出力光がそれぞれ個別の光ファイバ２４０，２９０を透過する。
【００６２】
本実施の形態では第２の対向表面２９１は金属膜１２０に接しているが、第２の対向表面２９１は金属膜１２０と間隔をおいていても良い。この場合、第２の対向表面２９１と金属膜１２０との間隔は好ましくは出力光の波長以下、より好ましくは出力光の波長の数分の１以下である。
【００６３】
次に、図７を参照して本発明の第４の実施の形態の検査装置を説明する。図７は検査装置の概略的な側面図である。本実施の形態の検査装置の構成は、基本的に第１の実施の形態の検査装置のものと同じである。本実施の形態において、図１を参照して説明した第１の実施の形態の検査装置の構成部材と実質的に同一の構成部材は、第１の実施の形態の検査装置の対応する構成部材を指示していた参照符号と同じ参照符号を付して詳細な説明を省略する。
【００６４】
本実施の形態の検査装置はさらに光ファイバ２９０を有している。第１の実施の形態の検査装置に用いられていた光透過部材１４０、対向表面１４２はそれぞれ本実施の形態では第１の光透過部材、第１の対向表面として用いられている。光ファイバ２９０は第２の光透過部材として用いられている。光ファイバ２９０は伝搬部材１００に接している。光ファイバ２９０の表面には金属膜１２０に対向する第２の対向表面２９１が含まれている。本実施の形態では第２の対向表面２９１は金属膜１２０に接している。周回表面１１１、第２の対向表面２９１の近傍にある光ファイバ２９０の部分は同一平面内で延びている。
【００６５】
光源１５０からの入力光が第１の対向表面１４２に導かれると、矢印Ｗの方向に周回表面１１１の内側を周回する回廊波が発生する。回廊波は金属膜１２０にて表面プラズモンを発生させる。対向表面１４２に導かれた入力光の一部は対向表面１４２で直接反射して出射部１４４から出射する。表面プラズモンを発生させた回廊波は前記第２の対向表面２９１を介して光ファイバ２９０に伝達されて、光ファイバ２９０を矢印Ｌ２の方向に透過する出力光になる。出力光は光ファイバ２９０に接続された光検出器２６０により検出される。
【００６６】
第１の実施の形態の検査装置では、光検出器１６０には出力光だけでなく、対向表面１４２で直接反射した入力光も入射する。本実施の形態では出力光に入力光が混じらないので、検出された出力光の強度（及び／又は位相）のＳ／Ｎが向上する。
【００６７】
本実施の形態では光ファイバ２９０は伝搬部材１００に接しているが、光ファイバ２９０は伝搬部材１００と間隔をおいていても良い。この場合、第２の対向表面２９１と金属膜１２０との間隔は好ましくは出力光の波長以下、より好ましくは出力光の波長の数分の１である。この間隔が出力光の波長の数分の１であると、回廊波は、表面プラズモンの影響を受けながら多数回、周回表面１１１を周回した後、光ファイバ２９０に伝達されて出力光になる。これにより、出力光は金属膜１２０の表面の状態をより良く反映する。
【００６８】
次に、図８を参照して本発明の第５の実施の形態の検査装置を説明する。図８は検査装置の斜視図である。基板３７０上には、所定の経路に沿って延びている光導波路３４０が形成されている。光導波路３４０は光を透過し、所定の経路に沿って光を導く光透過部材として用いられている。光透過部材として光導波路３４０の代わりに光ファイバを用いても良い。光導波路３４０の経路の形状ははしご形である。光導波路３４０は互いに並列している主光導波路３４１，３４２を有している。主光導波路３４１，３４２の間には、１以上の副光導波路３４３がわたっている。光導波路３４０には光スイッチ３４４が設けられている。光スイッチ３４４は主光導波路３４１，３４２と副光導波路３４３との交点に配置されている。光導波路３４０は光を透過し、所定の経路に沿って光を導く光透過部材として用いられている。光スイッチ３４４は配線３７１を介して図示しない駆動回路に接続されている。本実施の形態では光導波路３４０の経路の形状ははしご形であるが、経路の形状はこれに限定されない。
【００６９】
光導波路３４０の経路上には、第１の実施の形態の表面プラズモン素子に用いられている伝搬部材１００と同じものが１以上配置されている。伝搬部材１００には、第２の実施の形態の表面プラズモン素子のように光吸収部材が設けられていても良い。伝搬部材１００はそれぞれの副光導波路３４３に１つずつ接している。それぞれの副光導波路３４３の表面には伝搬部材１００の金属膜１２０（図１参照）に対向する対向表面３４３ａが含まれている。本実施の形態では対向表面３４３ａは金属膜１２０に接している。
【００７０】
主光導波路３４１には光源３５０が接続されている。光源３５０は、光導波路３４０に光を入射して光を対向表面３４３ａの少なくとも１つに導く入力光導入手段として用いられている。主光導波路３４２には光検出器３６０が接続されている。光検出器３６０はそれぞれの対向表面３４３ａから出力される出力光を検出する出力光検出手段として用いられている。
【００７１】
この検査装置を用いれば、複数の種類の被検体を一度に検査することができる。被検体を検査する検査方法を説明する。先ず、基板３７０から取り外されたそれぞれの伝搬部材１００の金属膜１２０に被検体を付着させる。この後、伝搬部材１００は基板３７０に取り付けられる。これらの被検体の種類は全て異なっていても良い。また、同じ種類の被検体が複数の伝搬部材１００の金属膜１２０にそれぞれ付着させられても良い。第１の実施の形態の表面プラズモン素子のように、特定の場所にてそれぞれの被検体をこれらの伝搬部材１００に付着させた後、別の場所で伝搬部材１００を一括して基板３７０に取り付けて検査を行っても良い。
【００７２】
基板３７０には伝搬部材１００が嵌合する窪みが形成されていても良い。この場合、伝搬部材１００がこの窪みに嵌合したときに対向表面３４３ａが金属表面１２０に接するよう、副光導波路３４３は窪みの表面に沿って延びる。基板３７０上に伝搬部材１００をまき散らせば、容易に伝搬部材１００を窪みに嵌合させることができる。
【００７３】
次に、入力光を所望の対向表面３４３ａに導く。このとき、光源３５０を用いて主光導波路３４１に入力光を入射し、光スイッチ３４４を駆動して所望の対向表面３４３ａを有する副光導波路３４３に入力光を導く。所望の対向表面３４３ａに入力光が導かれると、第１の実施の形態の表面プラズモン素子と同様に対向表面３４３ａから出力光が出力される。出力光は光スイッチ３４４及び主光導波路３４２を介して光スイッチ３４４に至る。
【００７４】
光スイッチとは、電気的に光の伝搬を入切したり、或いは伝搬経路を変えたりすることができる素子や部品を総称しており、一般に良く知られた多くの素子や部品があるので、ここでは説明を行わない。
【００７５】
光スイッチ３４４を用いて出力光を検出する。この後、出力光の状態に基づいて所望の対向表面３４３ａに接した伝搬部材１００の被検体の種類や状態を決定する。決定は、光検出器３６０に接続された処理部３６１により行われる。
【００７６】
別の対向表面３４３ａに入力光が導かれるよう光スイッチ３４４を駆動して光導波路３４０の光路を変更した後、出力光を検出すれば、この別の対向表面３４３ａに接した伝搬部材１００の被検体の種類や状態を決定できる。光路の変更と出力光の検出を順次行えば、それぞれの被検体の種類や状態を順次決定できる。
【００７７】
この検査装置は、被検体の種類が多い場合に有効である。特にタンパク質の特定に有効である。本実施の形態の検査装置を用いれば、このような検査を短時間で行うことができる。極めて多くの種類の被検体を一度に検査することができる。
【００７８】
本実施の形態では対向表面３４３ａは伝搬部材１００の金属膜１２０（図１参照）に接しているが、対向表面３４３ａは金属膜１２０と間隔をおいていても良い。この場合、対向表面３４３ａと金属膜１２０との間隔は好ましくは入力光の波長以下、より好ましくは入力光の波長の数分の１以下である。
【００７９】
次に、図９を参照して本発明の第６の実施の形態の検査装置を説明する。図９は検査装置の斜視図である。基板４７０上には、１以上の光導波路４４０が形成されている。光導波路３４０は並列している。光導波路３４０は光透過部材として用いられている。光透過部材として光ファイバを用いても良い。
【００８０】
基板４７０の上には筒状の光透過基材４１０が配置されている。光透過基材４１０は光導波路３４０に接している。筒状の光透過基材４１０の表面には金属膜４２０が形成されている。光透過基材４１０の表面上には光透過基材４１０の表面を周回する１以上の周回表面４１１がある。それぞれの周回表面４１１は、光透過基材４１０の長さ方向に垂直な面内で延びている。それぞれの周回表面４１１上の金属膜４２０には被検体が付着させられる。それぞれの周回表面４１１上の金属膜４２０には光導波路３４０の表面に含まれている対向表面４２１が対向している。本実施の形態では対向表面４２１は金属膜４２０に接している。
【００８１】
光導波路４４０には、対向表面４２１に入力光を導く光源４５０が接続されている。入力光が対向表面４２１に導かれると、周回表面４１１に沿って周回表面４１１の内側を周回する回廊波が発生する。回廊波は金属膜４２０にて表面プラズモンを発生させる。表面プラズモンを発生させた回廊波は対向表面４２１を介して光導波路４４０に伝達されて、光導波路４４０を透過する出力光になる。出力光は光導波路４４０に接続された光検出器４６０により検出される。光検出器４６０に接続された処理部４６１は、出力光の状態に基づいて被検体の種類や状態を決定する。対向表面４２１に順次光を導けば、第３の実施の形態の検査装置の検査方法と同様にして極めて多くの種類の被検体を一度に検査できる。
【００８２】
本実施の形態では対向表面４２１は金属膜４２０に接しているが、対向表面４２１は金属膜４２０と間隔をおいていても良い。この場合、対向表面４２１と金属膜４２０との間隔は好ましくは出力光の波長以下、より好ましくは出力光の波長の数分の１以下である。
【００８３】
尚、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲内において種々の変形や応用が可能であることは勿論である。
【００８４】
【発明の効果】
本発明に従った表面プラズモン素子は、表面プラズモン素子の表面プラズモン媒体膜の表面の状態を鋭敏に検知できるとともに、小型で扱いが容易である。また、本発明に従った検査装置を用いれば、化学物質などの被検体を感度良く検査できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態における表面プラズモン素子及びこの表面プラズモン素子を用いた第１の実施の形態における検査装置の概略的な側面図。
【図２】本発明の第２の実施の形態における表面プラズモン素子の概略的な側面図。
【図３】図２の３Ｃ−３Ｃ断面線にて切断された表面プラズモン素子の断面図。
【図４】本発明の第２の実施の形態における検査装置の構成を示す概略図。
【図５】本発明の第３の実施の形態における検査装置の構成を示す概略図。
【図６】本発明の第３の実施の形態における表面プラズモン素子の概略的な側面図。
【図７】本発明の第４の実施の形態における検査装置の概略的な側面図。
【図８】本発明の第５の実施の形態における検査装置の斜視図。
【図９】本発明の第６の実施の形態における検査装置の斜視図。
【図１０】従来の表面プラズモン素子の概略的な断面図。
【図１１】
図１０の表面プラズモン素子における入射角に対する反射強度のグラフ。
【符号の説明】
１００…伝搬部材
１１０…光透過基材
１１１…周回表面
１２０…金属膜（表面プラズモン媒体膜）
１４０…光透過部材
１４２…対向表面，第１の対向表面
１５０…光源（入力光導入手段）
１６０…光検出器（出力光検出手段）
２４０…光ファイバ
２４１…対向表面，第１の対向表面
２４６…反射体
２５０…光源（入力光導入手段）
２６０…光検出器（出力光検出手段）
２８０…光吸収部材
２９０…光ファイバ
２９１…第２の対向表面
３４０…光導波路（光透過部材）
３４３ａ…対向表面
３４４…光スイッチ
３５０…光源
３６０…光検出器
４１０…光透過基材
４１１…周回表面
４２０…金属膜（表面プラズモン媒体膜）
４２１…対向表面
４４０…光導波路（光透過部材）
４５０…光源（入力光導入手段）
４６０…光検出器（出力光検出手段）
【図１】
2004061370.tif 000003
【図２】
2004061370.tif 000004
【図３】
2004061370.tif 000005
【図４】
2004061370.tif 000006
【図５】
2004061370.tif 000007
【図６】
2004061370.tif 000008
【図７】
2004061370.tif 000009
【図８】
2004061370.tif 000010
【図９】
2004061370.tif 000011
【図１０】
2004061370.tif 000012
【図１１】
2004061370.tif 000013