(57)【要約】【課題】簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定でき、これにより小型化及び低価格化を実現する。【解決手段】センサプレート１２は、外面に表面プラズモン励起用の金薄膜２０が設けられた光路部２２と、外から入射された光を光路部２２へ導く入射面２４と、光路部２２を透過してきた光を外へ出射する出射面２６とを有する。発光ダイオード１４は、センサプレート１２の入射面２４に対向設置されるとともに、励起光Ｐ１を入射面２４へ入射させる。発光ダイオード１６は、センサプレート１２の入射面２４に対向設置されるとともに、励起光Ｐ２を入射面２４へ入射させる。励起光Ｐ１の波長λ１と励起光Ｐ２の波長λ２とは異なる。フォトダイオード１８は、出射面２６に対向設置されるとともに、出射面２６から出射された励起光Ｐ１，Ｐ２を電気信号に変換する。【選択図】　　　　図１
2004053551.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を前記光路部へ導く入射面と、前記光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有するセンサプレートを用意し、
被測定物質を前記薄膜に接触させた状態で、励起光を前記入射面から入射させ前記光路部を透過させて前記出射面から出射させ、
この出射面から出射された前記励起光の透過光量に基づき、前記被測定物質の屈折率又は当該屈折率に対応する物性を測定するとともに、
前記励起光は、前記被測定物質の屈折率の増加に応じて前記透過光量が増加するか減少するかのどちらか一方の性質を有する、
屈折率測定方法。
【請求項２】
前記励起光は、前記被測定物質の屈折率が変化する範囲において前記透過光量の変化が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、
請求項１記載の屈折率測定方法。
【請求項３】
前記励起光の前記透過光量は前記被測定物質の屈折率に応じて線形に変化する、
請求項１又は２記載の屈折率測定方法。
【請求項４】
外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を前記光路部へ導く入射面と、前記光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有するセンサプレートを用意し、
被測定物質を前記薄膜に接触させた状態で、第一及び第二の励起光をそれぞれ別々に、前記入射面から入射させ前記光路部を透過させて前記出射面から出射させ、
この出射面から出射された前記第一及び第二の励起光の透過光量の差に基づき、前記被測定物質の屈折率又は当該屈折率に対応する物性を測定するとともに、前記第一の励起光は、前記被測定物質の屈折率の増加に応じて前記透過光量が増加する性質を有し、
前記第二の励起光は、前記第一の励起光と異なる波長を有するとともに、前記被測定物質の屈折率の増加に応じて前記透過光量が減少する性質を有する、
屈折率測定方法。
【請求項５】
前記第一及び第二の励起光は、前記被測定物質の屈折率が変化する範囲において前記透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、
請求項４記載の屈折率測定方法。
【請求項６】
前記第一及び第二の励起光の前記透過光量は、それぞれ前記被測定物質の屈折率に応じて線形に変化する、
請求項４又は５記載の屈折率測定方法。
【請求項７】
外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を前記光路部へ導く入射面と、前記光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有するセンサプレートと、
前記入射面に対向設置されるとともに第一の励起光を当該入射面へ入射させる第一の発光素子と、
前記入射面に対向設置されるとともに前記第一の励起光と波長の異なる第二の励起光を当該入射面へ入射させる第二の発光素子と、
前記出射面に対向設置されるとともに当該出射面から出射された前記第一又は第二の励起光を電気信号に変換する受光素子と、
を備えた光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項８】
前記第一の励起光は前記薄膜に接する被測定物質の屈折率の増加に応じて透過光量が増加する性質を有し、前記第二の励起光は前記被測定物質の屈折率の増加に応じて透過光量が減少する性質を有する、
請求項７記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項９】
前記第一及び第二の励起光は、前記被測定物質の屈折率が変化する範囲において前記透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、
請求項７又８記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１０】
前記第一及び第二の励起光の前記透過光量は、それぞれ前記被測定物質の屈折率に応じて線形に変化する、
請求項７乃至９のいずれかに記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１１】
前記センサプレートが透明な板材からなる
請求項７乃至１０のいずれかに記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１２】
前記第一及び第二の発光素子はそれぞれ発光ダイオードであり、前記受光素子はフォトダイオードである、
請求項７乃至１１のいずれかに記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１３】
前記第一及び第二の発光素子と前記入射面との間に、第一及び第二の励起光を同じ光路に導くプリズムが設けられた、
請求項７乃至１２のいずれかに記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１４】
前記プリズムは多数の微小な三角柱からなる平板状を呈する、
請求項１３記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【請求項１５】
前記プリズムと前記入射面との間に偏光板が設けられた、
請求項１３又は１４記載の光導波路型ＳＰＲセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ゲル、液体、気体などの被測定物質（以下、「サンプル」という。）の屈折率そのもの又は屈折率に対応する物性を測定する方法、及びこれに用いられる光導波路型ＳＰＲセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、バイオテクノロジの発展に伴い、抗原抗体反応を直接測定できる簡素かつ安価なバイオセンサへの要求が高まっている。そのような要求に応えるため、特に光を利用したセンサの開発が盛んになっている。その中でも表面プラズモン共鳴（Ｓｕｒｆａｃｅ　Ｐｌａｓｍｏｎ　Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ：ＳＰＲ）を利用したＳＰＲセンサは、抗原抗体反応をリアルタイムかつ高感度で測定できるという特長を持っている。このＳＰＲセンサは、検体の屈折率を測定することにより、検体内の抗原濃度を知るものである。検体の屈折率と検体内の抗原濃度とは、一対一に対応するからである。
【０００３】
クレッシュマン型ＳＰＲセンサは、発光素子、プリズム及び受光素子等によって構成される光学部品を用い、共振角を求めることにより、サンプルの屈折率を求めるものである。しかし、クレッシュマン型ＳＰＲセンサでは、発光素子、プリズム及び受光素子の位置関係に高い精度が要求されるとともに、構造上ある程度の大きさが必要である。そのため、製造コスト低減及び小型化が困難であった。これに加え、共振角を求めるために高価な演算用マイクロコンピュータが必要であった。安価な制御用マイクロコンピュータでは、計算能力が足りないからである。
【０００４】
光ファイバ型ＳＰＲセンサは、光ファイバのコアを剥き出しにしてそのコアに金を蒸着するとともに、光ファイバの先端を研磨加工してその先端に銀を蒸着した光学部品を用い、光ファイバへ入れる光と光ファイバから出てきた光とをビームスプリッタによって分離し、光ファイバから出てきた光を分光器にかけて得られたスペクトルにより、サンプルの屈折率を求めるものである。光ファイバ型ＳＰＲセンサでは、光ファイバを用いたことにより、ある程度の小型化を達成している。しかし、光ファイバに微細な加工を施さなければならないので、かなりの製造コストを要する。これに加え、ビームスプリッタ、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も必要であるので、極めて高価なものになっていた。しかも、サンプルの種類に応じて、コアの屈折率を変えた専用の光ファイバを用意する必要がある。しかし、そのような光ファイバを安価に入手することは、極めて困難であった。
【０００５】
光ファイバの代わりにマルチモードの光導波路を使用したものが、光導波路型ＳＰＲセンサである。このマルチモードの光導波路は、一般に市販されているガラス板をそのまま使用することができる。しかも、光導波路は平板であることから抗原抗体反応を観察するのに適しており、なおかつ重力の影響も受けないので、バイオセンサへの応用も期待される。更に、サンプルの種類に合わせてガラス板の屈折率を幅広く選ぶことができることから、測定対象の範囲を広げることができる。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の光導波路型ＳＰＲセンサでは、白色光源や分光器を用いているなど、簡素化及び低価格化に対してまだまだ改善の余地があった。
【０００７】
【発明の目的】
そこで、本発明の目的は、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定でき、これにより小型化及び低価格化を実現した、屈折率測定方法及びこれに用いられる光導波路型ＳＰＲセンサ（以下、単に「ＳＰＲセンサ」という。）を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る屈折率測定方法（請求項１）は、まず、外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を光路部へ導く入射面と、光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有するセンサプレートを用意する。続いて、サンプルを薄膜に接触させた状態で、励起光を入射面から入射させ光路部を透過させて出射面から出射させる。最後に、出射面から出射された励起光の透過光量に基づき、サンプルの屈折率又は当該屈折率に対応する物性を測定する。ただし、励起光は、サンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が増加するか減少するかの、どちらか一方の性質を有する。
【０００９】
励起光は、センサプレートの入射面から導かれ、光路部を全反射を繰り返しながら伝搬し、出射面から出てくる。励起光がセンサプレート内を伝搬する際に、薄膜上に表面プラズモンと呼ばれる電子の疎密波を励起するため、光のエネルギが減衰する。このときの減衰量は、薄膜と接するサンプルの屈析率と相関を持っている。したがって、励起光の透過光量を測定することにより、サンプルの屈折率を知ることができる。また、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定できる。なお、励起光の透過光量はサンプルの屈折率に応じて線形に変化することが望ましい（請求項３）。どの屈折率に対しても均一の分解能が得られるからである。
【００１０】
励起光は、サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の変化が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、としてもよい（請求項２）。このとき、最も大きい透過光量の変化が得られるので、屈折率測定の感度が更に向上する。
【００１１】
本発明に係る屈折率測定方法（請求項４）は、まず、外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を光路部へ導く入射面と、光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有するセンサプレートを用意する。続いて、センサプレートの薄膜にサンプルを接触させた状態で、第一及び第二の励起光をそれぞれ別々に、入射面から入射させ光路部を透過させて出射面から出射させる。最後に、出射面から出射された第一及び第二の励起光の透過光量の差に基づき、サンプルの屈折率又は屈折率に対応する物性を測定する。ただし、第一の励起光は、サンプルの屈折率の増加に応じて前記透過光量が増加する性質を有する。第二の励起光は、第一の励起光と異なる波長を有するとともに、サンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が減少する性質を有する。
【００１２】
第一及び第二の励起光の透過光量は、サンプルの屈折率に応じて互いに逆に変化する。つまり、第一及び第二の励起光の透過光量の差の変化は、第一及び第二の励起光の透過光量それぞれの変化に比べて、大きくなる。したがって、第一及び第二の励起光の透過光量の差をとることにより、屈折率測定の感度が向上する。しかも、温度や電源電圧の変動などに起因して励起光の強度が変化しても、第一及び第二の励起光の透過光量の差をとることにより、それらの影響が排除される。また、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定できる。なお、第一及び第二の励起光の各透過光量はサンプルの屈折率に応じて線形に変化することが望ましい（請求項６）。どの屈折率に対しても均一の分解能が得られるからである。
【００１３】
第一及び第二の励起光は、サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、としてもよい（請求項５）。このとき、最も大きい透過光量の差が得られるので、屈折率測定の感度が更に向上する。
【００１４】
本発明に係るＳＰＲセンサ（請求項７）は、センサプレート、第一及び第二の発光素子、並びに受光素子を備えたものである。センサプレートは、外面に表面プラズモン励起用の薄膜が設けられた光路部と、外から入射された光を光路部へ導く入射面と、光路部を透過してきた光を外へ出射する出射面とを有する。第一の発光素子は、センサプレートの入射面に対向設置されるとともに、第一の励起光をこの入射面へ入射させる。第二の発光素子は、センサプレートの入射面に対向設置されるとともに、第二の励起光をこの入射面へ入射させる。第一及び第二の励起光は、互いに波長が異なる。受光素子は、出射面に対向設置されるとともに、この出射面から出射された第一又は第二の励起光を電気信号に変換する。
【００１５】
センサプレートの薄膜にサンプルを接触させた後、例えば第一の発光素子のみを動作させて、第一の励起光を出射する。この第一の励起光は、センサプレートの入射面から導かれ、光路部を全反射を繰り返しながら伝搬し、出射面から出て受光素子に入力される。続いて、第二の発光素子のみを動作させて、第二の励起光を出射する。この第二の励起光も、センサプレートの入射面から導かれ、光路部を全反射を繰り返しながら伝搬し、出射面から出て受光素子に入力される。励起光がセンサプレート内を伝搬する際に、薄膜上に表面プラズモンと呼ばれる電子の疎密波を励起するため、光のエネルギが減衰する。このときの減衰量は、薄膜と接するサンプルの屈析率と相関を持っている。したがって、励起光の透過光量を測定することにより、サンプルの屈折率を知ることができる。また、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、構成が極めて簡素である。
【００１６】
第一の励起光は薄膜に接するサンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が増加する性質を有し、第二の励起光はサンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が減少する性質を有する、としてもよい（請求項８）。このとき、第一及び第二の励起光の透過光量は、サンプルの屈折率の変化に応じて互いに逆方向に変化する。つまり、第一及び第二の励起光の透過光量の差は、第一及び第二の励起光の透過光量それぞれの変化に比べて、大きく変化する。したがって、第一及び第二の励起光の透過光量の差をとることにより、屈折率測定の感度が向上する。しかも、温度や電源電圧の変動などに起因して励起光の強度が変化しても、第一及び第二の励起光の透過光量の差をとることにより、それらの影響が排除される。
【００１７】
第一及び第二の励起光は、サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである、としてもよい（請求項９）。このとき、最も大きい透過光量の差が得られるので、屈折率測定の感度が更に向上する。なお、第一及び第二の励起光の各透過光量はサンプルの屈折率に応じて線形に変化することが望ましい（請求項１０）。どの屈折率に対しても均一の分解能が得られるからである。
【００１８】
センサプレートが透明な板材からなる、としてもよい（請求項１１）。例えば、センサプレートを安価なガラス板とすることができる。また、板材であることにより、金属（Ａｕ、Ａｇなど）の成膜（蒸着、スパッタなど）が容易であるので、薄膜の形成が容易である。
【００１９】
第一及び第二の発光素子はそれぞれ発光ダイオードであり、受光素子はフォトダイオードである、としてもよい（請求項１２）。いずれも、他の光源（ハロゲンランプ、レーザなど）に比べて、安価かつ小型で入手も容易である。
【００２０】
第一及び第二の発光素子と入射面との間に、第一及び第二の励起光を同じ光路に導くプリズムが設けられた、としてもよい（請求項１３）。このとき、第一及び第二の励起光が同じ光路を進むので、光路差による誤差が排除される。また、プリズムは多数の微小な三角柱からなる平板状を呈する（請求項１４）、とすることにより、小型化が容易になる。
【００２１】
プリズムと入射面との間に偏光板が設けられた（請求項１５）、としてもよい。このとき、表面プラズモンの励起に寄与しない光が遮断されるので、ＳＮ比の向上が図られる。
【００２２】
換言すれば、本発明に係るＳＰＲセンサは、入射面と出射面とが設けられたセンサプレートに表面プラズモン励起用の薄膜が設けられ、第一の励起光が前記入射面から入射し前記センサプレートを通って前記出射面から出射し、第二の励起光が前記入射面から入射し前記センサプレートを通って前記出射面から出射し、前記第一の励起光は前記薄膜に接するサンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が増加する性質を有し、前記第二の励起光は前記サンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が減少する性質を有する、というものである。
【００２３】
更に換言すると、本発明に係るＳＰＲセンサでは、光源に二個の発光ダイオードを用い、光の検出に一個のフォトダイオードを用いる構成とした。光源の波長によって表面プラズモンの励起条件が異なるため、センサ応答はサンプルが同一であっても光源の波長により異なる。そこで、測定範囲に応じて、使用する二つの光源の組み合わせを工夫することにより、二単色光源による高感度化を検討した。
【００２４】
【発明の実施の形態】
図１は本発明に係るＳＰＲセンサの一実施形態を示し、図１［１］は一部を切り欠いた平面図、図１［２］は図１［１］におけるセンサプレートのＩＩ−ＩＩ線縦断面図である。
【００２５】
本実施形態のＳＰＲセンサ１０は、センサプレート１２、発光ダイオード１４，１６及びフォトダイオード１８を備えたものである。センサプレート１２は、外面に表面プラズモン励起用の金薄膜２０が設けられた光路部２２と、外から入射された光を光路部２２へ導く入射面２４と、光路部２２を透過してきた光を外へ出射する出射面２６とを有する。発光ダイオード１４は、センサプレート１２の入射面２４に対向設置されるとともに、励起光Ｐ１を入射面２４へ入射させる。発光ダイオード１６は、センサプレート１２の入射面２４に対向設置されるとともに、励起光Ｐ２を入射面２４へ入射させる。励起光Ｐ１の波長λ１と励起光Ｐ２の波長λ２とは異なる。フォトダイオード１８は、出射面２６に対向設置されるとともに、出射面２６から出射された励起光Ｐ１，Ｐ２を電気信号に変換する。
【００２６】
また、ＳＰＲセンサ１０には、プリズム２８、偏光板３０、レンズ３２等が付設されている。プリズム２８は、微小な三角柱からなる平板状を呈し、発光ダイオード１４，１６と入射面２４との間に設けられ、励起光Ｐ１，Ｐ２を屈折させて同じ光路に導く。偏光板３０は、プリズム２８と入射面２４との間に設けられ、表面プラズモンの励起に寄与しない光を遮断する。プリズム２８は、発光ダイオード１４，１６の固定位置精度の粗さを軽減できるとともに、平板状ゆえに偏光板３０と一体化できるので省スペース化を実現できる。レンズ３２は、出射面２６とフォトダイオード３２との間に設けられ、出射面２６から出射された励起光Ｐ１，Ｐ２を集光する。なお、このような平板状のプリズム２８は、一般に「プリズムシート」と呼ばれている。
【００２７】
センサプレート１２は、二枚のガラス板３４，３６、ガラス板３４，３６に挟持された楕円状のラバーパッキング３８、ガラス板３４，３６及びラバーパッキング３８によって囲まれた空間内にサンプルＳを注入する注入口４０、ガラス板３４，３６及びラバーパッキング３８によって囲まれた空間内からサンプルＳを排出する排出口４２等からなる。
【００２８】
ガラス板３４，３６は、それぞれ細長く扁平な直方体状を呈する。ガラス板３４の最も大きい面積の二面の少なくとも一方に、帯状の金薄膜２０が形成されている。ガラス板３４の最も小さい面積の二面が、それぞれ入射面２４及び出射面２６となっている。なお、ガラス板３４と金薄膜２０との間には、密着力を上げるために膜厚約１ｎｍのＣｒ薄膜を設けてもよい。励起光Ｐ１，Ｐ２は、金薄膜２０とガラス板３４との界面で、全反射する。このとき、金薄膜２０上に表面プラズモンが励起する。そのため、ガラス板３４の屈析率はサンプルＳの屈折率よりも大きくなければならない。センサプレート１２の材質は、ガラスに限らず、透明な材料であれぱよく、例えば樹脂、石英、サファイアなどでもよい。
【００２９】
発光ダイオード１４，１６は、それぞれガラスボール１５，１７に嵌め込まれている。図示しないが、ガラスボール１５，１７は任意の向きに回転する機構になっているので、発光ダイオード１４，１６の光軸を微調整することができる。
【００３０】
なお、発光ダイオード１４，１６のどちらか一方を特定して点灯させる制御信号を出力するとともに、フォトダイオード１８から出力された電気信号を入力するコントローラ（図示せず）を付設してもよい。このコントローラは、例えば制御用マイクロコンピュータ、Ａ／Ｄコンバータ、ＬＥＤ駆動回路等からなり、励起光Ｐ１，Ｐ２に対応した透過光量を自動的に測定する。つまり、発光ダイオード１４を点灯させる制御信号を出力している時に、フォトダイオード１８から入力した電気信号は励起光Ｐ１の透過光量である。同様に、発光ダイオード１６を点灯させる制御信号を出力している時に、フォトダイオード１８から入力した電気信号は励起光Ｐ２の透過光量である。
【００３１】
次に、ＳＰＲセンサ１０の動作の概略を説明する。
【００３２】
例えば、発光ダイオード１４のみを動作させて、励起光Ｐ１を出射する。励起光Ｐ１は、センサプレート１２の入射面２４から導かれ、光路部２２を全反射を繰り返しながら伝搬し、出射面２６から出てフォトダイオード１８に入力される。続いて、発光ダイオード１６のみを動作させて、励起光Ｐ２を出射する。励起光Ｐ２も、センサプレート１２の入射面２４から導かれ、光路部２２を全反射を繰り返しながら伝搬し、出射面２６から出てフォトダイオード１８に入力される。励起光Ｐ１，Ｐ２がセンサプレート１２内を伝搬する際に、金薄膜２０上に表面プラズモンと呼ばれる電子の疎密波を励起するため、光のエネルギが減衰する。このときの減衰量は、金薄膜２０と接するサンプルＳの屈析率と相関を持っている。したがって、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量を測定することにより、サンプルＳの屈折率を知ることができる。また、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、構成が極めて簡素である。
【００３３】
これに加え、励起光Ｐ１は金薄膜２０に接するサンプルＳの屈折率の増加に応じて透過光量が増加する性質を有し、励起光Ｐ２はサンプルＳの屈折率の増加に応じて透過光量が減少する性質を有する。このような励起光Ｐ１，Ｐ２は、サンプルＳの屈折率が変化する範囲において透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から選ばれたものである。このとき、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量は、サンプルＳの屈折率の変化に応じて互いに逆方向に変化する。つまり、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量の差は、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量それぞれの変化に比べて、大きく変化する。したがって、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量の差をとることにより、屈折率測定の感度が向上する。しかも、温度や電源電圧の変動などに起因して励起光Ｐ１，Ｐ２の強度が変化しても、励起光Ｐ１，Ｐ２の透過光量の差をとることにより、それらの影響が排除される。
【００３４】
【実施例】
次に、本発明を更に具体化した一実施例について説明する。まず、図１に基づき、ＳＰＲセンサ１０の構造を説明する。
【００３５】
今回作製したＳＰＲセンサ１０では、マルチモードの光導波路を１０ｍｍ×６０ｍｍ×０．４ｍｍのガラス板３４によって構築している。ガラス板３４は、商品名が「パイレックス」であり、屈折率が１．４７４となっている。ガラス板３４の上面には、厚さ５０ｎｍの金薄膜２０が蒸着されている。サンプルＳは、体積が約０．１ｍｌであり、金薄膜２０上に光路に沿って５ｃｍの長さで接触している。これにより、ガラス板３４／金薄膜２０／サンプルＳの三層構造が実現されている。
【００３６】
図２は、光導波路における表面プラズモンの励起を示す説明図である。図３はＳＰＲセンサの測定原理を示す説明図であり、図３［１］はエヴァネッセント波と表面プラズモンとの分散関係を示すグラフ、図３［２］はＳＰＲスペクトルを示すグラフである。以下、図１乃至図３に基づき、ＳＰＲセンサ１０の測定原理を説明する。
【００３７】
励起光Ｐ１，Ｐ２のいずれか一方を励起光Ｐとする。表面プラズモンＳＰの波数（分散曲線）ｋｓｐは、金薄膜２０の誘電率をεｍ、サンプルＳの誘電率をεｓ、励起光Ｐの波長をλとすると、マックスウェルの式から、次の式（１）のように表わされる。
【００３８】
ｋｓｐ＝（２π／λ）√｛（εｍ・εｓ）／（εｍ＋εｓ）｝　・・・（１）
【００３９】
ガラス板３４において励起光Ｐ（ｐ偏光した単色光）を金薄膜２０の表面に臨界角以上の角度θで入射させると、励起光Ｐ１は金薄膜２０の表面で全反射され、ガラス板３４／金薄膜２０界面にエヴァネッセント波Ｅが生じる。金薄膜２０の厚みが薄い場合、エヴァネッセント波Ｅの作る電場は、金薄膜２０表面までしみだすことになる（図２）。
【００４０】
エヴァネッセント波Ｅの波数ｋｅｖは、ガラス板３４の誘電率εｇ（＝ｎｇ２：ｎｇはガラス板３４の屈折率）、励起光Ｐの入射角度をθとすると、次の式（２）で与えられる。
【００４１】
ｋｅｖ＝（２π／λ）（√εｇ）ｓｉｎθ　・・・（２）
【００４２】
式（１）と式（２）とが一致したとき、すなわちエヴァネッセント波Ｅの波数と表面プラズモンＳＰの波数とが一致したとき、これらが共鳴してガラス板３４／金薄膜２０界面（誘電体／金属界面）に表面プラズモンＳＰが励起される（図３［１］）。この共鳴の際、全反射される励起光Ｐのエネルギの一部が使われることにより、その反射光の強度が減少する。
【００４３】
励起光Ｐの入射角度θは、光導波路の伝搬条件により決定されるので、自由に変えることはできない。更に、励起光Ｐの入射角度θの範囲は小さいので、単一の波長λの励起光Ｐの入射角度θを変えることにより、表面プラズモンＳＰの励起条件を見つけることは困難である。そこで、表面プラズモンＳＰの励起条件が励起光Ｐの波長λとサンプルＳの屈折率（誘電率）とに依存している点に注目する（図３［２］）。すなわち、同じ入射角度θかつ同じ波長λ（単色光）の励起光Ｐでも、サンプルＳの屈折率によって表面プラズモンＳＰの励起条件が異なるため、サンプルＳの屈折率変化を検出することができる。
【００４４】
図４は、本実施例におけるＳＰＲセンサシステムを示す構成図である。以下、この図面に基づき説明する。ただし、図１と同じ部分は同じ符号を付すことにより説明を省略する。
【００４５】
ＳＰＲセンサシステム５０は、ＳＰＲセンサ１０、パーソナルコンピュータ５２、ポンプ５４等から構成される。ＳＰＲセンサ１０とパーソナルコンピュータ５２とはＲＳ−２３２Ｃインタフェースで接続され、フォトダイオード１８で受光されたデータはパーソナルコンピュータ５２に取り込まれる。サンプルＳの出し入れにはポンプ５４を用いた。ポンプ５４の代わりに注射器を用いることもできる。ここでは、センサプレート１２の洗浄に便利であるので、ポンプ５４を使うことにした。
【００４６】
ＳＰＲセンサ１０の特徴は、二つの発光ダイオード１４，１６を使って測定することである。ＳＰＲセンサ１０には、図示しないＣＰＵボードが搭載されており、二つの発光ダイオード１４，１６を交互に点滅させて、センサプレート１２（光導波路）に導くように制御している。フォトダイオード１８もそれに合わせて、光導波路からの透過光量をそれぞれの発光ダイオード１４，１６に対して検出する。
【００４７】
発光ダイオード１４，１６は、次の表１に示す８種類を用いた。これらのうちの二個ずつを選んで測定に用いた。これらの発光ダイオードは、集束特性を持った金属製球状ホルダに収められている。
【００４８】
表１．測定に用いた発光ダイオード
番号　　　中心波長
１　　　　５２５ｎｍ（スタンレー製ＤＧ３８０３Ｘ）
２　　　　５６２ｎｍ（東芝製ＴＬＰＧＥ１６０）
３　　　　５９０ｎｍ（スタンレー製）
４　　　　６０５ｎｍ（スタンレー製ＥＦＡ３８６３Ｘ）
５　　　　６１２ｎｍ（東芝製ＴＬＯＥ１６０Ａ）
６　　　　６２６ｎｍ（スタンレー製ＥＦＲ３８６３Ｘ）
７　　　　６４４ｎｍ（東芝製ＴＬＲＥ１６０Ａ）
８　　　　６６０ｎｍ（スタンレー製ＫＲ３３０８Ｓ）
【００４９】
次に、ＳＰＲセンサシステム５０を用いた測定について、図４乃至図８に基づき詳細に説明する。
【００５０】
［Ａ−１．測定方法］
測定方法は、次のとおりである。
１．センサープレート１２にサンプルＳがない状態（空気の状態）で、その透過光量（光強度）を測定する（リファレンスをとる。）
２．センサープレート１２にサンプルＳを入れる。
３．センサープレート１２にサンプルＳを入れた状態で、その透過光量（光強度）を測定する。
４．センサープレート１２にサンプルＳを入れた状態での光強度を、サンプルＳのない状態（空気の状態）での光強度で規格化する。
【００５１】
［Ａ−２．再現性］
ＳＰＲセンサ１０による測定結果の再現性を調べるために、次の表２に示す条件で実験を行った。中心波長６４４ｎｍの発光ダイオード１４を用い、サンプルＳを水又はエタノール１２．５ｗｔ％とした場合を、各々四回連続して測定した。このとき、一回の測定毎に水で洗浄した。その結果を図５に示す。
【００５２】
表２．測定条件
サンプルの量　　　　　　　　０．４ｍｌ
洗浄水の量　　　　　　　　　１．２ｍｌ
ポンプの流速（サンプル）　　２０ｐｐｍ
ポンプの流速（洗浄）　　　　４０ｐｐｍ
温度　　　　　　　　　　　　２３〜２５℃
【００５３】
［Ａ−３．エタノール水溶液の測定］
表２で示した条件を使って、次の表３で示すエタノール水溶液を測定した。測定に使用する８つの発光ダイオードの中心波長は表１に示してある。その測定結果を図６［１］に示す。
【００５４】
表３．エタノール水溶液の濃度と屈折率
濃度［ｗｔ％］　　　　屈折率
０　　　　　　　１．３３３
６．２５　　　　１．３３７
１２．５　　　　　１．３４１
１８．７５　　　　１．３４６
２５　　　　　　　１．３５０
３７．５　　　　　１．３７５
５０　　　　　　　１．３６２
【００５５】
［Ｂ．数値計算］
ガラス板３４／金薄膜２０／サンプルＳの三層構造における反射率を、特性マトリックス法による数値計算で求めた。励起光Ｐの波長λ毎に各入射角度θに対する反射率を計算し、モード密度により重み付けをして積分した。このとき、光導波路内で光が反射する回数を考慮した。その計算結果を図６［２］に示す。計算に用いたパラメータを、次の表４に示す。
【００５６】
表４．計算に用いたパラメータ
ガラス板の屈折率　　　　　　　１．４７４
ガラス板の厚さ　　　　　　　　４００μｍ
センシング長　　　　　　　　　５０ｍｍ
金の膜厚　　　　　　　　　　　５０ｎｍ
励起光の波長　　　　　　　　　５２５ｎｍ〜６６０ｎｍ
励起光の入射角度　　　　　　　８５°〜９０°
サンプルの屈折率　　　　　　　１．３３０〜１．３６０
【００５７】
［Ｃ．結果と検討］
図５から明らかなように、エタノール水溶液を測定した後は、空気の状態に戻り切っていない。しかし、エタノール水溶液を測定した後、水を流すことによって、初めて空気の状態に戻すことができた。したがって、測定後に水を流すことによって、再現性を確保できる。
【００５８】
図６［２］から明らかなように、光強度（透過光量）の最小値が、発光ダイオード１４の波長の増大とともに、高屈折率側にシフトしている。この傾向は、図６［１］の測定結果においても対応している。これは、サンプルＳの屈折率が大きくなっていくにつれ、ＳＰＲ共鳴波長が長波長側にシフトしていくことを示している。これにより、ＳＰＲセンサ１０はＳＰＲセンサとして正しく動作していることがわかる。なお、理論と実験との不一致は、発光ダイオード１４の波長分布を計算に取り込んでいないからである。また、図６［２］に示されるような数値計算シミュレーションを使えば、測定対象に合った条件（ガラス板３４の屈折率など）を推定することができる。
【００５９】
［Ｄ．二単色光による高感度化の検討］
図６［１］からわかるように、屈折率の測定範囲に応じて使用する発光ダイオード１４の波長を変えれば、広範囲のセンシングが可能である。例えば、屈折率１．３４５〜１．３５０の範囲において波長５９０ｎｍのラインは線形であるので、この範囲において波長５９０ｎｍによるセンシングができる。また、図６［１］において正の傾きを持つものと負の傾きを持つものとを組み合わせてそれらの差を取れば、更に感度を向上させることができる。感度の良さは直線の傾きの絶対値に依存する。このことを考慮すると、発光ダイオード１４，１６の最適な組み合わせは、次の表５のようになる。
【００６０】
表５．測定範囲に対する発光ダイオードの組み合わせ
測定範囲（屈折率）　　　　　発光ダイオードの組み合わせ（波長）
１．３３３〜１．３４６　　　５９０ｎｍ＆６２６ｎｍ
１．３４６〜１．３５０　　　６１２ｎｍ＆６４４ｎｍ
１．３５０〜１．３６２　　　６０５ｎｍ＆６６０ｎｍ
【００６１】
一方、表３に示すサンプルＳよりも更に濃度変化が小さい（約１／３の濃度変化）サンプルＳを、次の表６及び表７に示すように作成した。
表６．屈折率１．３３１〜１．３４１のサンプル
濃度（ｗｔ％）　　　屈折率
０　　　　　　　　　１．３３３
１．５６２５　　　　１．３３４
３．１２５　　　　　１．３３５
４．６８７５　　　　１．３３６
６．２５　　　　　　１．３３７
９．３７５　　　　　１．３３９
１２．５　　　　　　　１．３４１
【００６２】
表７．屈折率１．３４６〜１．３５０のサンプル
濃度（ｗｔ％）　　　屈折率
１８．７５　　　　　　１．３４６
２０．３１２５　　　　１．３４７
２１．８７５　　　　　１．３４８
２３．４３７５　　　　１．３４９
２５　　　　　　　　　１．３５０
【００６３】
表５に示す５９０ｎｍ＆６２６ｎｍの発光ダイオードを用いて、表６に示すサンプルＳに対する透過光量を測定した。その結果を図７［１］に示す。表５に示す６１２ｎｍ＆６４４ｎｍの発光ダイオードを用いて、表７に示すサンプルＳに対する透過光量を測定した。その結果を図７［２］に示す。図７［１］のデータに基づき５９０ｎｍ＆６２６ｎｍによる透過光量の差を求めた結果を、図８［１］に示す。図８［１］には、比較用として、５９０ｎｍのみによる透過光量も示す。図７［２］のデータに基づき６１２ｎｍ＆６４４ｎｍによる透過光量の差を求めた結果を、図８［２］に示す。図８［２］には、比較用として、６１２ｎｍのみによる透過光量も示す。
【００６４】
図８［１］，［２］からわかるように、二つ単色光の組み合わせにおいて、屈折率変化に対して透過光量が線形に変化する領域が存在する。また、一つの単色光を用いた場合よりも二つ単色光を用いた方が感度が向上していることがわかる。この結果から０．００１の屈折率変化（エタノール水溶液の濃度で言えば約１．５ｗｔ％の差）の検出が可能となった。したがって、屈折率の測定範囲に対して最適な光源の組み合わせを用いることによって、高感度な検出が実現できる。このことから、一つの単色光よりも二つの単色光を用いた方が高感度になることが確認された。
【００６５】
［Ｅ．まとめ］
エタノール水溶液の測定後、水を流すことによって再現性を確保することができた。８種類の発光ダイオードによるエタノール水溶液の測定結果から、測定範囲によって発光ダイオードの最適な組み合わせを求めた。実際にその組み合わせを用いることにより、０．００１の屈折率変化（エタノール水溶液の濃度で言えばと約１．５％の差）を検出することができた。
【００６６】
【発明の効果】
本発明に係る屈折率測定方法（請求項１）によれば、サンプル付きのセンサプレートに励起光を入射させ、その透過光量に基づきサンプルの屈折率や物性を測定することにより、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定できる。したがって、簡素かつ安価なバイオセンサを実現できる。
【００６７】
サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の変化が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から励起光を選ぶことにより、最も大きい透過光量の変化が得られるので、屈折率測定の感度を更に向上できる（請求項２）。
【００６８】
サンプルの屈折率に応じて透過光量が線形に変化する励起光を用いることにより、どの屈折率に対しても均一の分解能を得ることができる（請求項３）。
【００６９】
本発明に係る屈折率測定方法（請求項４）によれば、サンプルの屈折率に応じて透過光量が互いに逆に変化する第一及び第二の励起光を、サンプル付きのセンサプレートに別々に入射させ、その透過光量の差に基づきサンプルの屈折率や物性を測定することにより、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定できる。また、第一及び第二の励起光の透過光量の差の変化は、第一及び第二の励起光の透過光量それぞれの変化に比べて大きくなるので、屈折率測定の感度を更に向上できる。しかも、温度や電源電圧の変動などに起因して励起光の強度が変化しても、それらの影響が排除されるので、これによっても屈折率測定の感度を更に向上できる。したがって、簡素かつ安価で、しかも高感度のバイオセンサを実現できる。
【００７０】
サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から第一及び第二の励起光を選ぶことにより、最も大きい透過光量の差が得られるので、屈折率測定の感度を更に向上できる（請求項５）。
【００７１】
サンプルの屈折率に応じて透過光量が線形に変化する第一及び第二の励起光を用いることにより、どの屈折率に対しても均一の分解能を得ることができる（請求項６）。
【００７２】
本発明に係るＳＰＲセンサ（請求項７）によれば、第一及び第二の発光素子から第一及び第二の励起光を、サンプル付きのセンサプレートに入射させ、その透過光量を受光素子で測定することにより、光ファイバに対する微細な加工、ビームスプリッタ、白色光源、分光器、演算用マイクロコンピュータ等も不要であるので、簡素な構成でありながら屈折率を正確に測定できる。したがって、簡素かつ安価なバイオセンサを実現できる。
【００７３】
サンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が増加する第一の励起光と、サンプルの屈折率の増加に応じて透過光量が減少する第二の励起光とを用いた場合は、第一及び第二の励起光の透過光量の差が第一及び第二の励起光の透過光量それぞれの変化に比べて大きく変化するので、屈折率測定の感度を向上できる（請求項８）。
【００７４】
サンプルの屈折率が変化する範囲において透過光量の差が最も大きくなるように、波長の異なる複数の光の中から第一及び第二の励起光を選ぶことにより、最も大きい透過光量の差が得られるので、屈折率測定の感度を更に向上できる（請求項９）。
【００７５】
サンプルの屈折率に応じて透過光量が線形に変化する第一及び第二の励起光を用いることにより、どの屈折率に対しても均一の分解能を得ることができる（請求項１０）。
【００７６】
センサプレートが透明な板材からなる場合は、安価なガラス板を用いることができるとともに、薄膜の形成を容易化できる（請求項１１）。
【００７７】
第一及び第二の発光素子を発光ダイオード、受光素子をフォトダイオードとした場合は、これらが小型で安価であることから、小型化及び低価格化を達成できる（請求項１２）。
【００７８】
第一及び第二の発光素子と入射面との間に、第一及び第二の励起光を同じ光路に導くプリズムを設けた場合は、第一及び第二の励起光が同じ光路を進むことにより、光路差による誤差を排除できるので、測定精度を向上できる（請求項１３）。また、このプリズムを多数の微小な三角柱からなる平板状を呈するものとした場合は、他の部材と一体化できるなど、小型化を達成できる（請求項１４）。
【００７９】
プリズムと入射面との間に偏光板を設けた場合は、表面プラズモンの励起に寄与しない光を遮断できるので、ＳＮ比を向上できる（請求項１５）。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＳＰＲセンサの一実施形態を示し、図１［１］は一部を切り欠いた平面図、図１［２］は図１［１］におけるセンサプレートのＩＩ−ＩＩ線縦断面図である。
【図２】光導波路における表面プラズモンの励起を示す説明図である。
【図３】図１のＳＰＲセンサの測定原理を示す説明図であり、図３［１］はエヴァネッセント波と表面プラズモンとの分散関係を示すグラフ、図３［２］はＰＲスペクトルを示すグラフである。
【図４】図１のＳＰＲセンサを用いたＳＰＲセンサシステムを示す構成図である。
【図５】図１のＳＰＲセンサの実施例における再現性を示すグラフである。
【図６】図１のＳＰＲセンサの実施例に関し、図６［１］は測定結果を示すグラフ、図６［２］は数値計算結果を示すグラフである。
【図７】図１のＳＰＲセンサの実施例における測定結果を示すグラフであり、図７［１］は波長５９０ｎｍ及び波長６２６ｎｍの発光ダイオードを用いた場合、図７［２］は波長６１２ｎｍ及び波長６４４ｎｍの発光ダイオードを用いた場合である。
【図８】図１のＳＰＲセンサの実施例における測定結果を示すグラフであり、図８［１］は波長５９０ｎｍ及び波長６２６ｎｍの発光ダイオードを用いた場合、図８［２］は波長６１２ｎｍ及び波長６４４ｎｍの発光ダイオードを用いた場合である。
【符号の説明】
１０　ＳＰＲセンサ
１２　センサプレート
１４，１６　発光ダイオード
１８　フォトダイオード
２０　金薄膜
２２　光路部
２４　入射面
２６　出射面
Ｐ１，Ｐ２　励起光
２８　プリズム
３０　偏光板
３２　レンズ
【図１】
2004053551.tif 000003
【図２】
2004053551.tif 000004
【図３】
2004053551.tif 000005
【図４】
2004053551.tif 000006
【図５】
2004053551.tif 000007
【図６】
2004053551.tif 000008
【図７】
2004053551.tif 000009
【図８】
2004053551.tif 000010