(57)【要約】【課題】薄膜層の上に試料中の特定物質と結合するセンシング物質が固定された表面プラズモン共鳴測定装置等の測定装置において、より多くの試料を並行して分析可能にする。【解決手段】誘電体ブロック１０と、その一面に形成されて試料３０に接触させられる薄膜層１２と、その上に形成されたセンシング物質１１と、光ビーム３を発生させる光源４と、光ビーム３を誘電体ブロック１０に対して、それと薄膜層１２との界面１０ａで全反射可能に入射させる入射光学系１５と、全反射した光ビーム３の強度を検出する２次元光検出手段２０とを備えてなる測定装置において、薄膜層１２および／またはセンシング物質１１を、薄膜層１２に対する光ビーム３の入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層１２と光ビーム３との相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが上記相互作用長よりも小さい形状とした上で、上記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設ける。【選択図】          図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
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試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該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ように入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
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回折格子と、
この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
前記薄膜層が金属膜からなる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】
前記薄膜層が、前記誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層および、さらにその上に形成された光導波層からなることを特徴とする請求項１または２記載の測定装置。
【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試料の物性を求める表面プラズモン共鳴測定装置等の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、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共鳴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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモン共鳴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試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の金属膜と、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入射角で入射させる入射光学系と、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偏向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、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共鳴測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θＳＰ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、図２に示すように鋭く低下する。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。
【０００７】
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。
【０００８】
この全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角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。
【０００９】
【数１】
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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入射角θＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率や、それに対応する物性を求めることができる。
【００１０】
また、前記金属膜の上に、検体中の特定物質と特異的に結合するセンシング物質を固定しておいた場合は、金属膜の上に供給された検体中にその特定物質が含まれるとその結合によりセンシング物質の屈折率が変化するので、この屈折率変化を検出することにより、上記特定物質の有無を検出することもできる。
【００１１】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば非特許文献１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、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、かつ光導波層での導波モードの励起による全反射減衰が生じ得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。
【００１２】
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測定することができる。
【００１３】
なお、前記界面で全反射した光ビームの強度を光検出手段により測定して試料の分析を行なうには種々の方法があり、非特許文献２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に対して全反射条件が得られる入射角で入射させ、この界面で全反射した光ビームの強度を各波長毎に測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することによって試料分析を行なってもよい。
【００１４】
さらには、非特許文献３に記載されているように、光ビームを前記界面に対して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それ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、その干渉後の光ビームの強度を検出することにより試料分析を行なってもよい。
【００１５】
なお、試料の物性の分析においては、複数の試料について同一条件で測定したい場合や、試料の２次元的な物性情報を得たい場合等があり、上述した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置はこれらに応用することも可能である（例えば特許文献２および３参照）。表面プラズモン共鳴測定装置を例に挙げると、前記図２に示す関係は、金属膜上に存在する物質の屈折率が変化すると同図で横軸方向に移動する形で変化する。したがって、前記界面の２次元的な広がりを有する領域に所定の入射角で光ビームを入射させた場合、該領域のうちその入射角で全反射減衰を生じる屈折率となっている部分、すなわち、ある特定の物質が金属膜上に存在する部分に入射した光成分が暗線として検出される。そこで、ある程度広いビーム断面を有する平行光を用い、前記界面で全反射した光ビームの断面の光強度分布を検出すれば、上記界面に沿った面内での特定物質の分布を測定することができる。また、図２に示すように、所定の入射角θＳＰの前後ではやはり全反射光の強度が低くなるので、所定の入射角で界面に入射して全反射した光ビームの断面の光強度分布は、金属膜上に存在する物質（試料）の２次元的な屈折率分布を示すものとなる。
【００１６】
上述のことは、全反射減衰が表面プラズモン共鳴によって生じる代わりに、前記導波層での導波モードの励起によって生じるという点が異なるだけで、漏洩モード測定装置においても同様に認められるから、漏洩モード測定装置を適用して同じように試料の２次元物性を求めることも可能である。
【００１７】
なお上記のように「試料の２次元物性を求める」ということは、本明細書においては、１つの試料の２次元物性を求めることの他、薄膜層上に２次元的に配置された同一種類あるいは異なる種類の複数の試料の各物性を、互いに独立して求めることも含めて指すものとする。
【００１８】
また、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、誘電体ブロックと薄膜層（前者にあっては金属膜であり、後者にあってはクラッド層および光導波層）との界面で光ビームを全反射させることにより、この全反射時に生じるエバネッセント波と表面プラズモンあるいは導波モードとを結合させているものであるが、誘電体ブロックの一面で光ビームを全反射させる代わりに該一面に回折格子を形成して、同様の表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置を構成することもできる。つまりその場合は、誘電体ブロック側からその回折格子に光ビームを入射させると、回折により生じて薄膜層側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンあるいは導波モードとが結合するので、誘電体ブロック側に反射回折する光の強度が減衰する。そこで、この減衰が生じたときの回折格子に対する光ビームの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。
【００１９】
さらに、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる光ビームの入射角θが、試料の屈折率に応じて変化することを利用して試料分析するものであるが、入射角θを一定にしておいても同様の試料分析を行うことができる。つまり光ビームの入射角θが一定の場合は、図３に示すようにその光ビームの波長λがある特定値λＳＰのときに、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる。そして、この全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる特定波長λＳＰは試料の屈折率に依存するので、この特定波長λＳＰを検出することにより、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。
【００２０】
このような方式の測定装置は、試料の２次元物性を求める上で特に有利なものとなる。つまりその場合は、ある波長幅を有する例えば白色光等からなる光ビームを発生させる光源が用いられるとともに、全反射光あるいは反射回折光を分光検出する２次元光検出手段が用いられ、前記界面や回折格子に対する光ビームの入射角を変化させる必要が無いので、試料の一定個所を安定して照射することが可能になる。
【００２１】
【特許文献１】
特開平６−１６７４４３号公報
【００２２】
【特許文献２】
特開２００１−２５５２６７号公報
【００２３】
【特許文献３】
特開２００１−５１１２４９号公報
【００２４】
【非特許文献１】
「分光研究」、１９９８年、第４７巻、第１号、第２１〜２３頁および第２６〜２７頁
【００２５】
【非特許文献２】
Ｄ．Ｖ．Ｎｏｏｒｔ，Ｋ．Ｊｏｈａｎｓｅｎ，Ｃ．Ｆ．Ｍａｎｄｅｎｉｕｓ，“Ｐｏｒｏｕｓ  Ｇｏｌｄ  ｉｎ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ”ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ  ＸＩＩＩ，１９９９年，第５８５−５８８頁
【００２６】
【非特許文献３】
Ｐ．Ｉ．Ｎｉｋｉｔｉｎ，Ａ．Ｎ．Ｇｒｉｇｏｒｅｎｋｏ，Ａ．Ａ．Ｂｅｌｏｇｌａｚｏｖ，Ｍ．Ｖ．Ｖａｌｅｉｋｏ，Ａ．Ｉ．Ｓａｖｃｈｕｋ，Ｏ．Ａ．Ｓａｖｃｈｕｋ，“Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ  ｆｏｒ  Ｍｉｃｒｏ−ＡｒｒａｙＢｉｏｓｅｎｓｉｎｇ”ＥＵＲＯＳＥＮＳＯＲＳ  ＸＩＩＩ，  １９９９年，第２３５−２３８頁
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のセンシング物質を用いて試料中の特定物質の有無を検出可能に構成された表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置においては、薄膜層（表面プラズモン共鳴測定装置にあっては金属膜であり、漏洩モード測定装置にあってはクラッド層および光導波層である）の上にセンシング物質が固定される。その場合、特に同一種類あるいは異なる種類の複数の試料の各物性を、互いに独立して相並行して測定可能とするために、一様に広がる薄膜層の上に、同一あるいは互いに異なる種類のセンシング物質を互いに分離した状態で複数固定しておくことが考えられている。あるいは、互いに分離した複数の薄膜層を誘電体ブロックの上に形成し、それらの上に一様に広がるセンシング物質や、あるいは各薄膜層に対応して互いに分離したセンシング物質を固定した構造でも、表面プラズモンや導波モードの励起が各薄膜層毎に独立してなされるから、各薄膜層単位で複数の試料の各物性を求めることができる。
【００２８】
しかし従来の表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置を上記のように構成した場合は、互いに分離した状態で誘電体ブロックに固定するセンシング物質あるいは薄膜層の数を十分に多くすることができず、そのため、相並行して分析できる試料の数が比較的少数に限られてしまう。
【００２９】
本発明は上記の事情に鑑みて、センシング物質を利用して試料分析する表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置において、多数の試料を相並行して分析可能にすることを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の測定装置は、先に説明した全反射光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
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試料に接触させられる、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、該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ように入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明による第２の測定装置は、先に説明した反射回折光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
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回折格子と、
この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とするものである。
【００３２】
なおより具体的に、上記薄膜層を金属膜から形成すれば前述の表面プラズモン共鳴測定装置が構成され、また該薄膜層を誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層および、さらにその上に形成された光導波層から形成すれば、前述の漏洩モード測定装置が構成される。
【００３３】
また、上記薄膜層および／またはセンシング物質の、前記入射面と直交する方向のサイズは、形成数を多くする上ではより小さいほど好ましいが、光学系の分解能を超えるほどに小さくしては測定が不可能になるから、この光学系の分解能以上、最も好ましくは該分解能と同じサイズとされる。
【００３４】
【発明の効果】
表面プラズモン共鳴測定装置において、エバネッセント波と表面プラズモンとが結合するためには、金属膜に沿った方向（光ビームの金属膜に対する入射面内で金属膜と平行に延びる方向）に亘るある程度の相互作用長が必要である。また漏洩モード測定装置においても、エバネッセント波と導波モードが結合するために、クラッド層および光導波層に沿った方向（光ビームのクラッド層に対する入射面内でクラッド層と平行に延びる方向）に亘るある程度の相互作用長が必要である。
【００３５】
この相互作用長は、表面プラズモン共鳴測定装置の場合は表面プラズモンの伝搬長Ｌであり、Ｌ＝（２ｋｘ″）−１である。ここで、
【数２】
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である。なお上式において、
ω：光の角周波数
ｃ：真空中の光速
ε１′：金属膜の誘電率の実数部
ε１″：金属膜の誘電率の虚数部
ε２：金属膜と接する媒質の誘電率
である。
【００３６】
上記相互作用長（伝搬長Ｌ）は、例えば金属膜がＡｕ（金）から形成され、入射させる光ビームの波長が６３０ｎｍである表面プラズモン共鳴測定装置においては、ε１′＝−１２．７、ε１″＝１．４１より、ε２＝１．７であるとするとＬ＝４．５μｍとなる。また、金属膜がＡｇ（銀）から形成された表面プラズモン共鳴測定装置においては、同様の条件においてＬ＝２４μｍとなる。
【００３７】
なお、上記の金属膜と接する媒質は一般には検体溶液であり、通常よく用いられるものとしてはＰＢＳ（リン酸緩衝溶液）が挙げられる。そのような検体溶液の誘電率ε２は、溶液調製の仕方によって通常１．７〜１．８の範囲内の値とされるのが一般的である。
【００３８】
また、前述した漏洩モード測定装置における相互作用長は、光を光導波層において伝搬させていることから、一般に表面プラズモン共鳴測定装置の場合よりも長くなる。
【００３９】
上記の相互作用長を確保する点から、従来装置においては、誘電体ブロックに薄膜層あるいはセンシング物質を互いに独立した状態に複数形成する場合、それらの各々のサイズを縦横とも相互作用長と同等あるいはそれを上回る値としていた。つまり上記例の表面プラズモン共鳴測定装置では、複数形成される薄膜層あるいはセンシング物質の各サイズは、最小でも２４×２４μｍとされる。
【００４０】
しかし上記のような相互作用長は、エバネッセント波が進行する薄膜層に沿った方向、つまり光ビームの入射面と平行な方向に確保されていればよいものであって、光ビームの入射面と直交する方向には確保されていなくても、表面プラズモンや導波モードの励起は正常に行われ得る。
【００４１】
この知見に鑑みて、本発明の測定装置では、薄膜層および／またはセンシング物質の、上記入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さくされているので、同一サイズの誘電体ブロックについて考えれば、この方向に並設する薄膜層および／またはセンシング物質の数を従来装置と比べてより多くすることができる。たとえば上記例の表面プラズモン共鳴測定装置において、薄膜層および／またはセンシング物質の上記入射面と直交する方向のサイズを１μｍとし、それらを互いに１μｍの間隔を置いて並設するものとすると、従来装置では上記方向に１個しか薄膜層および／またはセンシング物質を配置できない幅２４μｍの領域に、１２個の薄膜層および／またはセンシング物質を並設できることになる。
【００４２】
このようにして、本発明の測定装置においては、互いに分離した状態で誘電体ブロックに固定するセンシング物質あるいは薄膜層の数を十分に多くすることができるので、多数の試料を相並行して分析可能となる。
【００４３】
【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。
【００４４】
図１は、本発明の第１の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。本実施形態の装置は一例として前述した表面プラズモン共鳴測定装置であって、透明合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスから形成されて例えばほぼ台形の断面形状を有する誘電体ブロック１０と、この誘電体ブロック１０の一面（図中の上面）に互いに独立して形成された、例えば銀からなる複数の金属膜１２と、これらの金属膜１２の上に各々固定された複数のセンシング物質１１と、単色の光ビーム３を発するレーザ光源４と、この光源４から発散光状態で発せられた光ビーム３を平行光化した上で、上記金属膜１２に向けて誘電体ブロック１０に入射させる入射光学系１５とを有している。
【００４５】
さらにこの表面プラズモン共鳴測定装置は、上記誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ａで全反射した光ビーム３が入射する位置に配されて、この光ビーム３の強度をそのビーム断面内に亘って２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ２０を有している。このＣＣＤエリアセンサ２０の出力信号は制御部２４に入力され、該制御部２４が後述のようにして求めた分析結果は表示手段２５に表示される。
【００４６】
なお界面１０ａに対する光ビーム３の入射角θは、臨界角以上でかつ表面プラズモンを励起させる範囲の角度とされる。そこで、光ビーム３は界面１０ａで全反射する。また光ビーム３は、界面１０ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、例えばレーザ光源４の向きを所定の向きに設定したり、あるいは光ビーム３の光路に波長板や偏光板を組み込んで、その偏光の向きを制御すればよい。
【００４７】
誘電体ブロック１０の上において、金属膜１２は図４の平面図、およびその中の領域ａを拡大した図５に示すように、アレイ状にパターン化されている。つまり各金属膜１２は、それに対する光ビーム３の入射面（図１の紙面と平行な面）と平行な方向のサイズが該金属膜１２と光ビーム３との相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが上記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、上記入射面と平行な方向には５個、そして上記入射面と直交する方向には数十個並べて設けられている。
【００４８】
上記相互作用長は、一例として金属膜１２が銀から形成され、光ビーム３の波長が６３０ｎｍの場合は、２４μｍとなる。本実施形態では、図５に示す通り、金属膜１２の上記入射面と平行な方向のサイズＬは、例えば上記相互作用長と等しい２４μｍとされ、上記入射面と直交する方向のサイズＷは１μｍとされている。また、上記入射面と直交する方向の金属膜１２の配置ピッチは２μｍとされている。センシング物質１１は、このように形成された金属膜１２の各々の上に固定されている。
【００４９】
以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置の作用について説明する。本装置により試料分析する際には、誘電体ブロック１０を試料液中に浸漬させたり、あるいは試料液を少量点着する等により、分析対象の試料３０がセンシング物質１１の上に配される。この状態でレーザ光源４が点灯され、そこから発せられた光ビーム３が誘電体ブロック１０内に入射する。この光ビーム３は誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ａで全反射し、誘電体ブロック１０から出射してＣＣＤエリアセンサ２０に受光される。ＣＣＤエリアセンサ２０は、光ビーム３の強度をビーム断面内の各位置毎に検出し、その検出光強度を示す光検出信号Ｓを制御部２４に入力する。
【００５０】
このとき、光ビーム３の界面１０ａに対する入射角θが適切に設定されていれば、先に図２に示したように、ある特定の入射角θＳＰにおいて表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ、それはＣＣＤエリアセンサ２０において、検出光強度の著しい低下として検出される。そして図２の曲線は、金属膜１２に固定されているセンシング物質１１の屈折率が変化すると、図２において左右方向に移動する形で変化する。そこで、センシング物質１１に試料３０中の特定物質が結合したか否かに応じてその屈折率が変わることにより、全反射光の強度が変化するので、ＣＣＤエリアセンサ２０の光検出信号Ｓに基づいて上記結合の有無、つまり試料３０中の特定物質の有無を検出することができる。制御部２４は、このようにして試料３０中の特定物質の有無を検出し、その検出結果が表示手段２５に表示される。
【００５１】
そして、金属膜１２とセンシング物質１１との組合せが互いに独立して複数設けられているので、各センシング物質１１毎に上記特定物質の有無を検出可能である。なお、互いに独立して複数設けられるセンシング物質１１を互いに異なる種類のものとしておく場合は、ある特定物質がどのようなセンシング物質１１と結合するのかを求めることができる。また、互いに独立して複数設けられるセンシング物質１１を互いに同種類のものとしておく場合は、それらに相異なる試料３０を供給して、そのセンシング物質１１にはどのような特定物質が結合するのかを求めることができる。上述のようなセンシング物質と特定物質との組合せとしては、例えば各種抗体と抗原との組合せを挙げることができる。
【００５２】
本実施の形態では、金属膜１２のサイズを前述の通りとしているので、従来装置と比較して、誘電体ブロック１０の上により多くの金属膜１２を配置可能となっている。すなわち、従来装置では図６の平面図およびその中の領域ｂを拡大した図７に示すように、金属膜１２は、それに対する光ビーム３の入射面と平行な方向のサイズＬおよび直交する方向のサイズＷが共に、最小でも前記相互作用長と等しい値とされていた。つまり、前述のように金属膜１２が銀から形成され、光ビーム３の波長が６３０ｎｍの場合は、Ｌ＝Ｗ＝２４μｍとされていた。それに比べると本実施の形態では、図７に示した１つの金属膜１２が配置されるスペースに、１２個の金属膜１２を配置可能である。
【００５３】
以上のようにして、誘電体ブロック１０の上により多くの数の金属膜１２を配置できれば、多数の試料３０を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００５４】
なお、金属膜１２およびセンシング物質１１のサイズは上記の値に限られるものではなく、金属膜１２を構成する材料や、使用する光ビームの波長等に応じて定まる相互作用長に基づいて適宜設定すればよい。
【００５５】
また、本実施の形態のように、金属膜１２およびセンシング物質１１を共に互いに独立させて複数設ける他、金属膜１２は一様に広く形成してその上に複数のセンシング物質１１を互いに独立させて複数設けても、あるいはその反対に、金属膜１２を互いに独立させて複数設けて、その上に一様に広くセンシング物質１１を形成しても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。本実施形態の装置も一例として前述した表面プラズモン共鳴測定装置であって、透明合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスから形成されて例えばほぼ台形の断面形状を有する誘電体ブロック１０と、この誘電体ブロック１０の一面（図中の上面）に互いに独立して形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる複数の金属膜１２と、これらの金属膜１２の上に各々固定された複数のセンシング物質１１と、白色光１３を発する光源１４と、この光源１４から発散光状態で発せられた白色光１３を平行光化し、平行光となった光ビーム１３Ｂを上記金属膜１２に向けて誘電体ブロック１０に入射させる入射光学系１５とを有している。
【００５７】
さらにこの表面プラズモン共鳴測定装置は、上記誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ａで全反射した光ビーム１３Ｂが入射する位置に配された回折格子１６と、この回折格子１６を光ビーム１３Ｂの入射角が変化する方向（矢印Ａ方向）に回転させる回折格子駆動手段１７と、回折格子１６で反射回折した光ビーム１３Ｂを収束させる集光レンズ１８と、この集光レンズ１８による光ビーム１３Ｂの収束位置に配されたピンホール板１９と、このピンホール板１９のピンホール１９ａを通過した光ビーム１３Ｂを２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ２０とを有している。
【００５８】
上記回折格子駆動手段１７の作動は、制御部２４によって制御される。また上記ＣＣＤエリアセンサ２０の出力信号はこの制御部２４に入力され、該制御部２４が後述のようにして求めた分析結果は表示手段２５に表示される。
【００５９】
なお界面１０ａに対する光ビーム１３Ｂの入射角θは、臨界角以上でかつ表面プラズモンを励起させる範囲の角度とされる。そこで、光ビーム１３Ｂは界面１０ａで全反射する。また光ビーム１３Ｂは、界面１０ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、例えば光源１４内に波長板や偏光板を組み込んで、白色光１３の偏光の向きを制御すればよい。
【００６０】
誘電体ブロック１０の上における金属膜１２およびセンシング物質１１の配置状態は、図１に示した装置におけるのと同様とされている。つまり各金属膜１２は、それに対する光ビーム１３Ｂの入射面（図８の紙面と平行な面）と平行な方向のサイズが該金属膜１２と光ビーム１３Ｂとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが上記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、上記入射面と平行な方向には５個、そして上記入射面と直交する方向には数十個並べて設けられている。
【００６１】
以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置の作用について説明する。本装置により試料分析するに当たり、分析対象の試料３０はセンシング物質１１の上に配される。この状態で光源１４が点灯され、平行光とされた白色光である光ビーム１３Ｂが誘電体ブロック１０に入射する。この光ビーム１３Ｂは誘電体ブロック１０と金属膜１２との界面１０ａで全反射し、誘電体ブロック１０から出射して回折格子１６において反射回折する。なお、このときの回折角は光ビーム１３Ｂの波長λに応じて異なるので、光ビーム１３Ｂは空間的に分光された状態で回折格子１６から出射する。
【００６２】
分光された光ビーム１３Ｂは集光レンズ１８によって集光され、その収束位置に配されたピンホール板１９のピンホール１９ａを通過して、ＣＣＤエリアセンサ２０に入射する。ＣＣＤエリアセンサ２０は、光ビーム１３Ｂの強度をビーム断面内の各位置毎に検出し、その検出光強度を示す光検出信号Ｓを制御部２４に入力する。
【００６３】
上述した通り、ピンホール板１９に入射する光ビーム１３Ｂは空間的に分光されているので、ある狭い波長領域の光のみがピンホール１９ａを通過することになる。そして、試料分析に際しては回折格子１６が前述のように回転され、それにより、ピンホール１９ａを通過する光ビーム１３Ｂの波長が掃引される。ＣＣＤエリアセンサ２０は、こうして掃引される各波長毎に上記光強度を検出する。
【００６４】
このとき、掃引する波長範囲が適切に設定されていれば、先に図３に示したように、ある特定の波長λＳＰにおいて表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ、それはＣＣＤエリアセンサ２０において、検出光強度の著しい低下として検出される。上記特定波長λＳＰの値はセンシング物質１１の屈折率と一義的に対応し、そしてその屈折率は該センシング物質１１と試料３０中の特定物質との結合の有無に応じて変わるので、上記全反射減衰が生じたときの波長λＳＰの値つまりは回折格子１６の回転位置に基づいて、上記センシング物質１１と特定物質との結合の有無を求めることができる。そこで制御部２４は、光検出信号Ｓと、自身が制御する回折格子１６の回転位置とに基づいて、センシング物質１１と特定物質との結合の有無を各センシング物質１１毎に求める。こうして制御部２４が求めた分析結果は、表示手段２５に表示される。
【００６５】
本実施の形態でも、従来装置と比べて、誘電体ブロック１０の上により多くの数の金属膜１２を配置できるので、多数の試料３０を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００６６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は本発明の第３の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。なおこの図９において、図８中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００６７】
この第３実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図８に示した測定装置と比べると、誘電体ブロック１０に代えて、上面（金属膜１２が形成される面）に回折格子７１が形成された誘電体ブロック７０が用いられた点が異なるものである。なお回折格子７１は誘電体ブロック７０の上面に凹凸を形成してなるもので、その凹凸の高さおよびピッチは、典型的にはそれぞれ数十ｎｍ、１μｍ程度である。
【００６８】
本装置においては、光ビーム１３Ｂが回折格子７１で反射回折して折り返す。そしてこの場合も、光ビーム１３Ｂの波長λがある特定値λＳＰを取るとき、回折により生じて金属膜１２側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンとが結合して、誘電体ブロック７０側に反射回折する光ビーム１３Ｂの強度が鋭く減衰する。そこでこの装置においても、図８の装置と同様にして、センシング物質１１と特定物質との結合の有無を求めることができる。
【００６９】
本実施の形態でも、金属膜１２およびセンシング物質１１の配置状態は、図８に示した装置におけるのと同様とされている。そこで、誘電体ブロック１０の上により多くの数の金属膜１２およびセンシング物質１１を配置できるので、多数の試料３０を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００７０】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１０は本発明の第４の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第４実施形態の装置は先に説明した漏洩モード測定装置であり、図８に示した測定装置と比べると、金属膜１２に代えて、誘電体ブロック１０の上面にクラッド層８０および光導波層８１がこの順に形成されている点が異なるものである。クラッド層８０および光導波層８１の配置状態は、図８の装置における金属膜１２の配置状態と基本的に同様とされている。
【００７１】
誘電体ブロック１０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８０は、誘電体ブロック１０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８１は、クラッド層８０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８０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８１の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で７００ｎｍ程度とされる。
【００７２】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビーム１３Ｂを誘電体ブロック１０を通してクラッド層８０に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光ビーム１３Ｂが誘電体ブロック１０とクラッド層８０との界面１０ｃで全反射するが、クラッド層８０を透過して光導波層８１に入射した特定波長の光は、該光導波層８１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８１に取り込まれるので、上記界面１０ｃ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。
【００７３】
光導波層８１における導波光の波数は、該光導波層８１の上のセンシング物質１１の屈折率に依存し、そしてその屈折率は該センシング物質１１と試料３０中の特定物質との結合の有無に応じて変わるので、上記全反射減衰が生じたときの波長λＳＰの値つまりは回折格子１６の回転位置に基づいて、上記センシング物質１１と特定物質との結合の有無を求めることができる。そこで制御部２４は、光検出信号Ｓと、自身が制御する回折格子１６の回転位置とに基づいて、センシング物質１１と特定物質との結合の有無を各センシング物質１１毎に求める。こうして制御部２４が求めた分析結果は、表示手段２５に表示される。
【００７４】
本実施の形態でも、従来装置と比べて、誘電体ブロック１０の上により多くの数のクラッド層８０、光導波層８１およびセンシング物質１１を配置できるので、多数の試料３０を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図
【図２】表面プラズモン共鳴測定装置における測定光入射角と検出光強度との関係を示すグラフ
【図３】表面プラズモン共鳴測定装置における測定光波長と検出光強度との関係を示すグラフ
【図４】図１の装置における金属膜の配置状態を示す平面図
【図５】図４の一部を拡大して示す平面図
【図６】従来装置における金属膜の配置状態を示す平面図
【図７】図６の一部を拡大して示す平面図
【図８】本発明の第２の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図
【図９】本発明の第３の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図
【図１０】本発明の第４の実施形態による漏洩モード測定装置を示す概略側面図
【符号の説明】
３、１３Ｂ    光ビーム
４    レーザ光源
１０、７０    誘電体ブロック
１０ａ  誘電体ブロックと金属膜との界面
１０ｃ  誘電体ブロックとクラッド層との界面
１１    センシング物質
１２    金属膜
１３    白色光
１３Ｂ    光ビーム
１４    白色光源
１５    入射光学系
１６    回折格子
１７    回折格子駆動手段
１８    集光レンズ
１９    ピンホール板
２０    ＣＣＤエリアセンサ
２４    制御部
２５    表示手段
７１    回折格子
８０    クラッド層
８１    光導波層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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