(57)【要約】センサ面上の標本区域を光学分析するための二次元撮像型表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）装置を提供する。この装置は、遊離電子金属、例えば金、銀またはアルミニウムなどの表面プラズモンを支援することのできる導電性物質のセンサ表面層と、前記センサ表面層の前側または後側から二次元表面区域を照射する２つ以上の波長の電磁ビーム光源と、前記二次元表面区域から出た２つ以上の波長の反射強度を同時的にまたは疑似同時的に検出して、前記表面区域の２つ以上の二次元映像であって、前記表面区域上の各点の有効屈折率の関数を成す二次元映像を生じさせる検出器とを備えている。前記二次元映像を組み合わせてカラー映像を生じさせる。この装置は生理学的、生化学的、化学的または物理的な試験に適している。
2004500571.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
表面プラズモンを支援することのできる導電性物質のセンサ表面層と、前記センサ表面層の前側または後側から二次元表面区域を照射する２つ以上の波長の電磁ビーム光源と、前記二次元表面区域から出た２つ以上の波長の反射強度を同時的にまたは疑似同時的に検出して、前記表面区域の２つ以上の二次元映像であって、前記表面区域上の各点の有効屈折率の関数を成す２つ以上の二次元映像を生じさせる検出器とを備えたことを特徴とする二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置。
【請求項２】
前記導電性物質は遊離電子金属であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記遊離電子金属は金、銀およびアルミニウムからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
前記センサ表面層は格子状をなしていることを特徴とする、請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
前記センサ表面層の支持体としてプリズムが設けられていることを特徴とする、請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記センサ表面層は、前記プリズムに対して光学的に取り付けられた平面透明基板上に支持されていることを特徴とする、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
前記平面透明基板はガラスおよびプラスチックの中から選択されたものであり、また、前記の光学的な取り付けは屈折率整合流体、ゲルまたは接着剤によって行われることを特徴とする、請求項６に記載の装置。
【請求項８】
前記光源は、（ａ）１つまたは複数の単色光源、（ｂ）グロー放電フィラメントランプおよび（ｃ）電荷放電ランプからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
前記光源（ａ）は発光ダイオードおよびレーザからなるグループから選択され、前記光源（ｂ）はタングステンランプであり、また、前記光源（ｃ）はキセノンまたは水銀ランプであることを特徴とする、請求項８に記載の装置。
【請求項１０】
前記光源からの光がレンズ、光ファイバまたはミラーによって前記センサ表面層に結合されることを特徴とする、請求項１乃至９のいずれかに記載の装置。
【請求項１１】
前記光源は可変の入射角度を与えることを特徴とする、請求項１乃至１０のいずれかに記載の装置。
【請求項１２】
前記光源からの光がコリメート集光されることを特徴とする、請求項１乃至１１のいずれかに記載の装置。
【請求項１３】
前記光源からの相異なる波長の光が前記センサ層上に回転フィルタによって疑似同時的に衝突し、前記検出器と同期化されることを特徴とする、請求項１乃至１２のいずれかに記載の装置。
【請求項１４】
前記検出器は、二次元アレーカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）、光ダイオードアレー検出器（ＰＤＡ）、光倍増管およびＣＭＯＳセンサからなるグループから選択されることを特徴とする、請求項１乃至１３のいずれかに記載の装置。
【請求項１５】
前記検出器はモザイクフィルタを有することを特徴とする、請求項１乃至１４のいずれかに記載の装置。
【請求項１６】
２つ以上の検出器が設けられ、これらの検出器が相異なるスペクトル特性を測定することができるように、ビームスプリッターおよび干渉フィルタなどのフィルタが取り付けられていることを特徴とする、請求項１乃至１５のいずれかに記載の装置。
【請求項１７】
前記フィルタは調節可能であることを特徴とする、請求項１５または１６に記載の装置。
【請求項１８】
前記検出器が光ファイバ束を介して接続されることを特徴とする、請求項１乃至１７のいずれかに記載の装置。
【請求項１９】
前記検出器は写真フィルムであることを特徴とする、請求項１乃至１８のいずれかに記載の装置。
【請求項２０】
映像を拡大または縮小するために固定焦点距離またはズームなどのレンズシステムが使用されることを特徴とする、請求項１乃至１９のいずれかに記載の装置。
【請求項２１】
前記装置は、表面プラズモンで見られた、反射率と波長との関係または反射率と有効屈折率との関係において、ディップの最高傾斜の波長またはこれに近い波長で作動することを特徴とする、請求項１乃至２０のいずれかに記載の装置。
【請求項２２】
前記検出器に衝突する光は偏光子によってｐ−偏光されていることを特徴とする、請求項１乃至２１のいずれかに記載の装置。
【請求項２３】
合成された二次元映像がカラー映像を生じさせることを特徴とする、請求項１乃至２２のいずれかに記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明はセンサ面上の標本区域に対する光学的な表面分析のための装置に関するものである。本発明は特に生理学的、生化学的、化学的および物理学的な試験において使用するのに適した２次元撮像型表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）装置に関するものである。
【０００２】
発明の背景
分子の相互作用を量子化するために表面感応技術に注目が集まっている。注目されている特性は例えば溶液中の遊離検体濃度、センサ表面上の分子の表面濃度、相互作用物質間の反応動力学、前記物質の親和性、アロステリック効果またはエピトープ・マッピングである。相互作用物質の例としては抗原−抗体、タンパク質−タンパク質、リセプタ−リガンド、ＤＮＡ−ＤＮＡ、ＤＮＡ−ＲＮＡ、ペプチド−タンパク質、炭水化物−タンパク質、糖タンパク質−タンパク質などが挙げられる。
【０００３】
このような作業に適した多くの技術が存在する。例えば、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）、共鳴ミラー、格子カプラー、干渉計、表面弾性波（ＳＡＷ）、石英結晶マイクロバランス（ＱＣＭ）などである。これまでのところ、ＳＰＲが支配的な技術となっている。
【０００４】
応用分野としては例えば生理学的研究、生化学的研究、化学的研究、食品診断、環境測定などにおける物質濃度の測定が挙げられる。ｋｏｎおよびｋｏｆｆなどの反応速度定数を決定するために運動測定を使用することができる。親和力とともに平衡結合定数（ＫＡ）または平衡解離定数（ＫＤ）を決定するためにアフィニティ測定を使用することができる。
【０００５】
ＳＰＲはプラズマの界面における電子振動による結合電磁波から成る公知の現象である。表面プラズモンは前記プラズマ（例えば金属）と誘電体との界面にのみ存在する。誘電体の光学定数の変動は表面プラズモンの伝搬定数を変化させる。界面に対して平行な光の伝搬定数が表面プラズモンの伝搬定数に等しくまたはこれに近ければ、表面プラズモンが光によって励起されることができる。通常、クレッチマン構造［文献１］が使用され、この場合には測定される標本よりも高い屈折率を有するプリズムの上に薄い金属フィルムが被着される。そこで、全内部反射で、すなわち、臨界角より大きな、表面に対して垂直の入射角度で、表面プラズモンが一時的に励起される。一定の入射角度において、表面に対して平行な波ベクトルの成分が１つの表面プラズモンの複合波ベクトルの実数部に遭遇し、従って光が表面プラズモンの中で結合し、前記プラズマと前記誘導体との界面において伝搬する。表面プラズモンがプリズムの中に再放射され、前記プラズマの特定の厚さで弱め合う干渉が生じ、反射光がゼロまたはゼロに近い強度に達する。前記プラズマの平滑面の場合には、結合された光が前記プラズマの中に吸収されて熱を発生するであろう。
【０００６】
分子が（表面プラズモンのプローブ深さの範囲内で）界面に近接して結合すれば、相互作用が表面プラズモンの共鳴条件のシフトとして検出される。これは反射光の強度のシフトとして検出される。
【０００７】
マイクロスコピーとも呼ばれる撮像モードにおいてＳＰＲセンサを使用することができる。これは最初に１９８７年にイートマン（Ｙｅａｔｍａｎ）によって提案された［文献２］。他の構造がベングト・イバーソン（Ｂｅｎｇｔ Ｉｖａｒｓｓｏｎ）の欧州特許ＥＰ９５８４９４Ａ１号公報（分析方法および装置）［文献３、４］またはＧＷＣインスツルメンツ社のＳＰＲｉｍａｇｅｒ［文献５］によって提案されている。
【０００８】
表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）現象はすでに１９５９年に［文献６］に記載され、薄い接着層分析用のＳＰＲ装置は１９６８年以来、［文献１、７］にて完全に説明されている。バイオセンシング用のＳＰＲ機構は最初に１９８３年に［文献８］に記載され、その撮像用途に関しては１９８７年に［文献２、９］に記載されている。ＳＰＲマイクロスコピーとも呼ばれる撮像用ＳＰＲについては、新規な用途、例えばラベルフリー−リアルタイム−マルチスポット生化学分析が生じ［文献１０、１１］、この用途は生産量を著しく増大させる。撮像用ＳＰＲに関する先駆的研究はクノール（Ｋｎｏｌｌ）などによって着手され、彼らはラングミュア・ブロジェット・フィルムのパタン面を研究した［文献１２、１３］。また、彼らは水平方向の分解能を含む、本技術の物理的なアスペクトを研究し［文献１４］、各種の機構、例えば回転式格子カプラーを提案した［文献１５］。
【０００９】
原則的に、ＳＰＲの伝搬定数の変動を測定するために相異なる３つ方法が存在する。第１の方法は、一定の波長および入射角度におけるＳＰＲディップの側部での反射強度（反射率）を測定するものである。第２の方法は、反射光の強度と入射光の角度との関係を測定するものである（角度応答）。第３の方法は、一定の入射角度における相異なる波長の反射光の強度を測定するものである（波長応答）。
【００１０】
ゼロ次元ＳＰＲ（単一スポットの測定）の場合、前記の角度または波長応答はＳＰＲディップの位置の瞬間的な測定を成すために少なくとも１つの一次元（線形）検出器を必要とする。一次元ＳＰＲ（単一線の測定）の場合、前記の角度または波長応答はＳＰＲディップの瞬間的な測定を成すために少なくとも１つの二次元（マトリックス）検出器を必要とする。この場合、長さスケール（実映像）について１つの次元が使用され、ディップ（角度または波長）について１つの次元が使用される。二次元ＳＰＲ測定が行われる場合、原則としてディップは分解することができない。すなわち、二次元検出器を使用すれば、すなわち二次元スケールに対して原則的に強度測定のみを行うことができる。これは、（角度または波長における）ＳＰＲディップの限定された延長の故に、ダイナミックレンジ（標本の有効屈折率）の限定された部分のみが測定されることを意味する。狭いレンジにおいてのみＳＰＲディップの傾斜が高くなり、これは高感度範囲が限定されていることを意味する。
【００１１】
これらの問題点を解決するため、本発明は例えば、多波長光源とカラーカメラとを使用することにより、１セットの波長が同時的に（または疑似同時的に）使用され得る二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置を提供する。
【００１２】
発明の簡単な説明
撮像用の新規な多波長表面プラズモン共鳴装置（ＳＰＲ）が提供される。この装置は、バイオセンシングにおいて、例えばラベルフリー分子の化学的および生理学的な反応のリアルタイム監視のために使用することができる。担体金属として金を使用するクレッチマン構造の固定の入射角度による構成が理論的および実験的に記載される。金の個別に記録された光学（偏光解析）データに基づいたセンサ応答のシミュレーションは、三次元認識層（バルク）が波長の増大と共に増大することを示している。二次元認識層（接着層）の場合、限定された波長範囲内で最大感度が得られる。この状態において、例えば温度変動から生じるバルク擾乱の拒絶が波長の増大と共に減少する。ＳＰＲ撮像の場合、空間的な分解能は波長の増大と共に低減する。従って、空間的な分解能と、バルク擾乱の拒絶と、感度との間に常に妥協が存在する。最も重要なことは、多波長を同時的に使用することにより広いダイナミックレンジにわたって高度の感度と精度とを保持することができることにある。さらに、我々のシミュレーションは、感度がプリズムの屈折率とは無関係であることを示している。
【００１３】
本発明の主要な利点は、下記のとおり、撮像型表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）の性能を改良することにある。
【００１４】
同時的に２つ以上の波長を使用することにより、ＳＰＲディップの両側面を追跡することができ、従ってディップの幅と深さとを検出することができる。これは測定の正確さと精度とを増進する。吸収性物質（例えばコロイド金）がディップの幅と深さの変動を誘発する。
【００１５】
２つ以上の波長を同時的に使用することにより、測定範囲が拡大される。
【００１６】
２つ以上の波長を同時的に使用することにより、より幅広い測定範囲にわたって高感度を得ることができる。
【００１７】
２つ以上の波長を同時的に使用することにより、相異なる有効屈折率を有するセンサ面上の相異なる点を同時的に、高感度と、高精度と、高精密度とをもって測定することができる。
【００１８】
２つ以上の波長の同時的な使用は感度、精密度および精度を改良するのみならず、分析速度を改良する。すなわち、生産性が増大される。
【００１９】
以下、図面および実験を参照して本発明の実施の形態について説明するが、本発明は、このようにして開示される特定の実施の形態に限定されるべきものと理解されるべきではない。
【００２０】
発明の詳細な説明
本発明は、表面プラズモンを支援することのできる導電性物質のセンサ表面層と、前記センサ表面層の前側または後側から二次元表面区域を照射する２つ以上の波長の電磁ビーム光源と、前記二次元表面区域から出た２つ以上の波長の反射強度を同時的にまたは疑似同時的に検出して、前記表面区域の２つ以上の二次元映像であって、前記表面区域上の各点の有効屈折率の関数を成す２つ以上の二次元映像を生じさせる検出器とを備えたことを特徴とする二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置を提供する。
【００２１】
本発明の好ましい実施態様において、前記導電性物質は遊離電子金属である。前記遊離電子金属は金、銀およびアルミニウムからなるグループから選択される。前記センサ表面層は格子状をなしている。
【００２２】
本発明の好ましい実施態様において、前記センサ表面層の支持体としてプリズムが設けられる。前記センサ表面層は、前記プリズムに対して光学的に取り付けられた平面透明基板上に支持され、前記平面透明基板はガラスおよびプラスチックの中から選択されたものであり、また、前記光学的な取り付けは屈折率整合流体、ゲルまたは接着剤によって行われる。
【００２３】
本発明の装置において使用される光源は、（ａ）発光ダイオードやレーザなどの１つまたは複数の単色光源、（ｂ）タングステンランプなどのグロー放電フィラメントランプおよび（ｃ）キセノンまたは水銀ランプなどの電荷放電ランプからなるグループから選択される。
【００２４】
本発明の一実施態様において、前記光源からの光がレンズ、光ファイバまたはミラーによって前記センサ表面層に結合される。
【００２５】
本発明の他の好ましい実施態様において、光源は可変の入射角度を与える。
【００２６】
本発明のさらに他の実施態様において、前記光源からの光がコリメート集光される。
【００２７】
本発明のさらに他の実施態様において、前記光源からの相異なる波長の光が前記センサ層上に回転フィルタによって疑似同時的に衝突し、前記検出器と同期化される。
【００２８】
本発明の装置において使用される前記検出器は、二次元アレーカメラ、電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）、光ダイオードアレー検出器（ＰＤＡ）、光倍増管およびＣＭＯＳセンサからなるグループから選択されるとよい。
【００２９】
本発明の一実施態様において、前記検出器はモザイクフィルタを有する。
【００３０】
本発明の他の実施態様において、２つ以上の検出器が設けられ、これらの検出器が相異なるスペクトル特性を測定することができるように、ビームスプリッターおよび干渉フィルタなどのフィルタが取り付けられている。
【００３１】
本発明のさらに他の実施態様において、前記フィルタは調節可能である。
【００３２】
本発明のさらに他の実施態様において、前記検出器が光ファイバ束を介して接続される。
【００３３】
本発明の好ましい実施態様において、前記検出器は写真フィルムである。
【００３４】
本発明の装置は、映像を拡大または縮小するために固定焦点距離またはズームなどのレンズシステムが使用される。
【００３５】
本発明の最も好ましい実施態様において、前記装置は、表面プラズモンで見られた反射率と波長との関係または反射率と有効屈折率との関係において、ディップの最高傾斜の波長またはこれに近い波長で作動する。
【００３６】
本発明のさらに他の実施態様において、前記検出器に衝突する光は偏光子によってｐ−偏光される。
【００３７】
本発明の他の好ましい実施態様において、合成された二次元映像がカラー映像を生じさせる。
【００３８】
以下、図面を参照して本発明について詳細に説明する。
【００３９】
図１ａは本発明の装置の一実施態様を示し、ここで、コリメーション放射光１１０が照射システム１００からセンサユニット２００上に放出される。このセンサユニットは好ましくはプリズム（等辺形、直角形、半球形または非球面形）２１０とする。前記センサユニットから出た反射光は撮像システム５００上に投射される。
【００４０】
図１ｂは撮像システム５００に接続されたコンピュータ９００とアナログ−デジタル変換器８００とを有する本発明の装置を概略図示するものである。
【００４１】
図２ａは図１ａのプリズム２１０を示し、このプリズム２１０上に金属フィルム２２０が（加熱またはスパッタリングにより）蒸着されている。プリズム２１０は透明である（ガラスまたはポリマー）。ガラスプリズムは高屈折率から成り、例えばフリントガラスまたは標準ガラス、例えばクラウンガラスで形成することができる。ポリマープリズムは非結晶性プラスチック、例えばポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、スチレン、ＳＡＮ、グリコール変性ＰＥＴで形成することができる。このような金属フィルムセンサは、高化学的耐性が望ましければ、金とする。また、金属フィルムセンサは、高感度が望まれるが化学的耐性が決定的に重要でなければ、銀とすることができる。金属フィルムは好ましくは（熱的にまたはスパッタリングにより）蒸着された接着層２３０上に蒸着される。接着層２３０は好ましくはクロムまたはチタンとする。接着層は代表的には０．５ｍｍの厚さを有する。接着層はその制限された厚さの故に、全面被覆フィルムではない。厚すぎる層は装置の感度を低下させるであろう。前記金フィルムの厚さは代表的には４５〜５０ｎｍである。前記銀フィルムの厚さは代表的には５６ｎｍである。金属層２２０はパタン形状を有することができる。このパタンは光リソグラフィー法を使用する反応性エッチングによって形成することができる。金属層はリンカー層２４０によって被覆することができる。このリンカー層はアルカンチオールとすることができる。アルカンチオールは特定の分子２５０ａ、２５０ｂなどに対するハンドルとして機能することができる。これらの固着された特定の分子は他のスピーシズ２６０ａ、２６０ｂに対して親和性を有することができる。リンカー層２４０はパタン形状を有することができる。不活性フィルム２７０を使用してパタンを成すことができる。不活性フィルム２７０は感光性ベンゾシクロブテン（フォトＢＣＢ）とすることができる。
【００４２】
図２ｂはプリズム２１０のベース、または透明基材３００（図２ｄ）を示す。
【００４３】
図２ｃはフローセル２８０が取り付けられたプリズム２１０を示す。漏れを防止するため、プリズム２１０とフローセル２８０との間にシール２９０を配置することができる。フローセル２８０はプラスチック物質（ポリメチルメタクリレート、ポリカーボネート、スチレン、ポリ塩化ビニル、ポリエーテルエーテルケトン、ポリアミドなど）で形成することができる。このフローセルはフローシステム２９５に取り付けることができる。このフローシステムは図１ｂに示すようにポンプ２９７（例えばシリンジポンプまたは蠕動ポンプ）、弁およびチュービングを含むことができる。
【００４４】
図２ｄは透明基材３００上に蒸着された金属フィルム２２０を有するプリズム２１０を示す。この透明基材３００はプラスチック物質、ガラスまたは半導体とすることができる。この基材３００は好ましくはプリズム２１０と同一または類似の光学定数を有する。プリズムと前記透明基材３００との間にすぐれた光学接触を得るため、光学インタフェース３１０が使用される。この光学インタフェース３１０は前記プリズムおよび前記透明基材と同等または近接した光学定数を有していなければならない。この光学インタフェース３１０は屈折率整合流体、ゲルまたは接着剤とすることができる。
【００４５】
図３はオットー構造と呼ばれる構造３２０を示す。このオットー構造は表面プラズモンを一時的に励起するために空気または液体ギャップを利用する。
【００４６】
図４は多波長ＳＰＲが波形金属フィルム（格子）によって励起される構造を示す。この場合、金属フィルムセンサは薄くなくてもよい。
【００４７】
図１ａについて述べれば、照明システム１００は光源１２０を含む。この光源は白熱フィラメント、例えばタングステン・ハロゲンランプ、または電弧放電ランプ、例えばキセノンランプ、またはレーザ光源、例えばダイオードレーザや色素レーザなど、または光放射ダイオード（ＬＥＤ）とすることができる。このような光源からの放射線はレンズシステム１３０によって集光され、このレンズシステムはコリメーション放射（平行）光線１１０を形成する。レンズシステム１３０は正レンズ、例えばｆ＝１５０ｍｍのレンズ、またはコンデンサーシステム、またはさらに複雑なレンズシステムとすることができる。前記照明システムのビーム中のある箇所において、偏光子１４０が挿入される。前記偏光子は二色シート、グラン・トンプソン偏光プリズム、グラン・テイラー偏光プリズムまたはウォラストンプリズムとすることができる。前記偏光子または偏光器は光を入射面に対して平行に伝達しなければならない（ｐ−偏光またはＴＭ）。偏光子を使用すれば、性能が改良されるがこれは必ずしも必要ではない。表面プラズモンはｐ−偏光によってのみ励起されるので、入射面に対して横方向に偏光された光（ｓ−偏光またはＴＥ）はセンサ表面において反射されるであろう。従って偏光子がなければ、ＳＰＲディップの深さを低減させるが、これは撮像システム５００において情報信号であるＳＰＲ信号に対して非情報信号が加えられるので望ましくない。
【００４８】
撮像システム５００は少なくとも１つの面検出器５１０を使用し、この検出器は撮影フィルム、例えばカラーフィルム（ネガまたはダイアポジティブ）、電子フォトデバイス、例えばフォトダイオードアレーや電荷結合素子（ＣＣＤ）、電荷注入素子（ＣＩＤ）、ＣＭＯＳアレーなどとすることができる。面検出器５１０はカラーデバイスとすることができる。カラーデバイスはモザイクカラーフィルタを含むことができる。
【００４９】
図５に示す撮像システム５００は各波長に対して１つずつの複数の面検出器５１０ａ、５１０ｂ、５１０ｃから成る。この場合、反射光線４９０は市販の３ＣＣＤビデオカメラにおいて使用されるものと同様のビームスプリッター５５０とカラーフィルタ５６０ａ、５６０ｂ、５６０ｃとによって分割される。これらのカラーフィルタは狭くて波長重畳を示さないようにする他、波長重畳を示す程度に広くすることができる。
【００５０】
図６は撮像レンズ５２０を使用することによって映像品質を改良するための機構を示す。撮像レンズ５２０は通常の焦点カメラレンズとすることができ、また、円柱レンズ５３０をさらに加えることによって改良することができる。第２プリズム５４０または円柱形レンズを加えることによって、または面検出器を傾斜させることによって映像の制限が可能である。
【００５１】
図７は、照明システム１００をプリズム２１０に対して回転させることによって、光線１１０の入射角度を変動させる実施態様を示す。撮像システム５００は、プリズム２１０と同一角度だけ、しかし反対方向に回転する。回転は、ゴニオメーター、すなわち、θ−２θシステムによって行われる。なお、θ−２θシステムにおいては、照明システムが固定された状態で、プリズムが角度θだけ回転し、また撮像システムは２θだけ回転する。
【００５２】
図８ａは、図７について述べた多波長の特徴がフィルタ装置６００を使用して疑似同時的に実現される実施形態を示す。フィルタ装置６００は図８ｂに示すような回転フィルタホイールとすることができる。回転フィルタ６００はバンドパスフィルタ６１０ａ、６１０ｂ、６１０ｃなどとすることができる。前記のバンドパスフィルタは干渉フィルタとすることができる。波長を変更させる他の方法として、ファブリ・ペローセルなどの電気光学素子を使用することができる。フィルタの変更は検出器と同期して行われる。
【００５３】
本発明による二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置は任意の方向（垂直、水平またはその間の任意の角度）に配置することができる。センサ面は上方、下方または空間中の任意の方向に向けることができる。
【００５４】
実験の説明
カラーカメラを使用してＳＰＲ撮像をどのように行うかを説明する。カメラは種々の波長における同時的な強度測定を可能とし、これはダイナミックレンジを増大させ、また検知媒体の広範囲の屈折率にわたって感度と精度とを増大させる。検知媒体は三次元バルク物質または二次元接着層とすることができる。後者の場合には、接着層と包囲媒体との屈折率が知られていれば、厚さの変動を監視することができる。
【００５５】
角度応答（図１１、反射率と入射角度との関係）におけるＳＰＲ装置の動作に関して、シミュレーション（フレネル方程式によるシミュレーション）および測定は、有効屈折率に対して、例えば接着層の形成（図１１のケース２）によって共鳴角度θｓｐがΔθｓｐだけ増大することを示している。図１１のケース１は接着層のない場合である。すなわち、センサによって比較的低い有効屈折率が見られる。波長応答において作動する装置について、シミュレーション（フレネル方程式）および測定は、共鳴波長が有効屈折率の増大（例えば接着層の形成）と共に増大することを示している（図１２）。この実施例において使用される条件は、５０ｎｍに等しい厚さｄｍの金フィルム、６７度に等しい入射角度θ、およびＢＫ７ガラスから成るプリズム２１０である。図１２の曲線は、１．３３から１．３７の範囲内の有効屈折指数ｎａに対する反射率と波長との関係を示す。
【００５６】
図１３およびフレネル計算法について述べれば、誘電体、例えば接着層の有効屈折率ｎａを増大させるのに従って、ＳＰＲディップ・バレーが右上方向に移動する。ディップ・バレーの曲率は金属の分散から生じるＳＰＲ分散関係の効果（すなわち波長の関数としての誘電定数の変化）である。入射角度、波長、プリズム２１０の屈折率およびＳＰＲ撮像機器の標本の有効屈折率は（表面プラズモンの分散関係の故に）相互に関係がある。図１３には２つの相異なる機構からの曲線が図示されている。すなわち、一方の曲線はＢＫ７ガラス（近似的に１．５に等しい屈折率）から成るプリズム２１０に対応し、また、他方の曲線はＳＦ１１ガラス（近似的に１．５に等しい屈折率）から成るプリズム２１０に対応する。図１２と同一条件で、３波長（７００、８００および９００ｎｍ）を使用して、標本の屈折率に対して入射角度をプロットした（図１４）。好ましくは、入射角度と波長とは、反射率と有効屈折率との関係（図１４）についての導関数（図１５）が最大となるように選択される。３種の相異なる波長（７００、８００および９００ｎｍ）および相異なる有効屈折率に対する入射角度６７゜における５０ｎｍ金フィルムの標本の、反射率と有効屈折率との関係についての導関数を図１５に示す。
【００５７】
入射角度６８゜およびＢＫ７ガラスから成るプリズムを使用してそれぞれ波長６３４、６９２および７５１ｎｍに対して金フィルム２２０上に個別のセンサスポットを有するセンサ表面の例を図１６に示す。この標本の有効屈折率は近似的に１．３３である。
【００５８】
実施例１
本発明の二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置を示す図９は、３００Ｗキセノン電弧灯８００（Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｃ．，Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ，ＣＴ，ＵＳＡ）を含む白色光源を、Ｆ／１集光レンズ組立体８２０（Ｏｒｉｅｌ）を収容したハウジング８１０（Ｏｒｉｅｌ）内に配置して使用するものである。コリメーション放射された光が、ｆ＝１５０ｍｍの正レンズ（Ｏｒｉｅｌ）８３０によって４００ｍピンホール８４０（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ Ｉｎｃ．）上に収束される。ｆ＝１５０ｍｍの第２レンズ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）８５０がコリメーション放射光線８７５を生じ、この光線がフィルタホイール８６０によって濾過される。このフィルタホイールは、それぞれの中心波長が６３４、６９２および７５１ｎｍである３種類の干渉フィルタから成る。これらのすべてのフィルタは１０ｎｍの帯域幅を有する。前記のコリメーション放射された光線は二色シート偏光器８７０（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）によって面偏光される。コリメーション放射光線８７５は次にＢＫ７ガラスから成る等辺プリズム（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）８８０上に衝突する。前記プリズム上に、屈折率整合流体（Ｃａｒｇｉｌｌｅ Ｉｎｃ．）によってガラス基板８８３が固着されている。このガラス基板は表面プラズモン共鳴を支援する金属フィルムを含む。前記プリズム８８０からの反射光８７７がＢＫ７ガラスから成る直角プリズム８９０（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）に指向される。前記プリズム８９０は映像を再構築する。前記直角プリズム８９０とカメラレンズ（Ｎｉｋｏｎ　ｍｉｃｒｏ，　ｆ＝６０ｍｍ，ｆ／２．８）９１０との間に円柱レンズ（ｆ＝１００ｍｍ）が挿入される。センサ面からの映像がＣＣＤカメラ９２０（Ｏｒｂｉｓ ２， Ｓｐｅｃｔｒａ ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｃ．）上に投影される。
【００５９】
実施例２
本発明の他の二次元撮像型表面プラズモン共鳴装置を示す図１０は、３００Ｗキセノン電弧灯８００（Ｏｒｉｅｌ Ｉｎｃ．，Ｓｔｒａｔｆｏｒｄ，ＣＴ，ＵＳＡ）を含む白色光源を、Ｆ／１集光レンズ組立体８２０（Ｏｒｉｅｌ）を収容したハウジング８１０（Ｏｒｉｅｌ）内に配置して使用するものである。コリメーション放射された光が、ｆ＝１５０ｍｍの正レンズ（Ｏｒｉｅｌ）８３０によって４００ｍピンホール８４０（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ Ｉｎｃ．）上に収束される。ｆ＝１５０ｍｍの第２レンズ（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）８５０がコリメーション放射光線８７５を生じ、この光線がフィルタホイール８６０によって濾過される。このフィルタホイールはそれぞれの中心波長が６３４、６９２および７５１ｎｍである３種類の干渉フィルタから成る。これらのすべてのフィルタは１０ｎｍの帯域幅を有する。前記のコリメーション放射された光線は二色シート偏光器８７０（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）によって面偏光される。コリメーション放射光線８７５は次にＢＫ７ガラスから成る等辺プリズム（Ｍｅｌｌｅｓ Ｇｒｉｏｔ）８８０上に衝突する。前記プリズム上に、屈折率整合流体（Ｃａｒｇｉｌｌｅ Ｉｎｃ．）によってガラス基板８８３が固着されている。このガラス基板は表面プラズモン共鳴を支援する金属フィルムを含む。前記プリズム８８０からの反射光８７７がＣＣＤカメラ９２０（Ｏｒｂｉｓ ２， Ｓｐｅｃｔｒａ ｓｏｕｒｃｅ Ｉｎｃ．）上に投影される。このカメラは映像を再構築するように傾斜されている。
【００６０】
この明細書に引用されたすべての文献はここに参考として含められる。
［文献１］ Ｅ． Ｋｒｅｔｓｃｈｍａｎｎ， Ｄｉｅ Ｂｅｓｔｉｍｍｕｎｇ Ｏｐｔｉｓｃｈｅｒ Ｋｏｎｓｔａｎｔｅｎ ｖｏｎ Ｍｅｔａｌｌｅｎ Ｄｕｒｃｈ Ａｎｒｅｇｕｎｇ ｖｏｎ Ｏｂｅｒｆｌａｃｈｅｎｐｌａｓｍａｓｃｈｗｉｎｇｕｎｇｅｎ， Ｚ． Ｐｈｙｓｉｋ， Ｖｏｌ． ２４１， （１９７１）， ３１３−３２４．
［文献２］ Ｅ． Ｙｅａｔｍａｎ ａｎｄ Ｅ． Ａｓｈ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ， Ｖｏｌ． ２３， （１９８７）， １０９１−１０９２．
文献３］ Ｂ． Ｉｖａｒｓｓｏｎ， Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ Ａｐｐａｒａｔｕｓ， Ｐａｔｅｎｔ ＥＰ９５８４９４Ａ１．
［文献４］ Ｂ． Ｉｖａｒｓｓｏｎ， Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｍｅｔｈｏｄ ａｎｄ ａｐｐａｒａｔｕｓ， Ｐａｔｅｎｔ Ｗ０９８３４０９８Ａ１．
［文献５］ Ｂ． Ｐ． Ｎｅｌｓｏｎ， Ａ． Ｇ． Ｆｒｕｔｏｓ， Ｊ． Ｍ． Ｂｒｏｃｋｍａｎ ａｎｄ Ｒ． Ｍ． Ｃｏｒｎ， Ｎｅａｒ−Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｕｌｔｒａｔｈｉｎ Ｆｉｌｍｓ． １． Ａｎｇｌｅ Ｓｈｉｆｔ ａｎｄ ＳＰＲ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ， Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｖｏｌ． ７１， （１９９９）， ３９２８−３９３４．
［文献６］ Ｔ． Ｔｕｒｂａｄａｒ， Ｃｏｍｐｌｅｔｅ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｆ Ｌｉｇｈｔ ｂｙ Ｔｈｉｎ Ｍｅｔａｌ Ｆｉｌｍｓ， Ｐｒｏｃ． Ｐｈｙｓ． Ｓｏｃ． Ｌｏｎｄ．， Ｖｏｌ． ７３， （１９５９）， ４０−４４．
［文献７］ Ａ． Ｏｔｔｏ， Ｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ ｏｆ Ｎｏｎｒａｄｉａｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍａ Ｗａｖｅｓ Ｉｎ Ｓｉｌｖｅｒ ｂｙ ｔｈｅ Ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ Ｆｒｕｓｔｒａｔｅｄ Ｔｏｔａｌ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ， Ｚ． Ｐｈｙｓｉｋ， Ｖｏｌ． ２１６， （１９６８）， ３９８−４１０．
［文献８］ Ｂ． Ｌｉｅｄｂｅｒｇ， Ｃ． Ｎｙｌａｎｄｅｒ ａｎｄ Ｉ． Ｌｕｎｄｓｔｒｏｍ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｆｏｒ Ｇａｓ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， Ｖｏｌ． ４， （１９８３）， ２９９−３０４．
［文献９］ Ｅ． Ｍ． Ｙｅａｔｍａｎ ａｎｄ Ｅ． Ａ． Ａｓｈ， Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ， Ｖｏｌ． ８９７， （１９８８）， １００−１０７．
［文献１０］ Ｃ． Ｅ． Ｊｏｒｄａｎ ａｎｄ Ｒ． Ｍ． Ｃｏｒｎ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｂｉｏｐｏｌｙｍｅｒ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ｏｎｔｏ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇｏｌｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｖｏｌ． ６９， （１９９７）， １４４９−１４５６．
［文献１１］ Ｃ． Ｅ． Ｊｏｒｄａｎ， Ａ． Ｇ． Ｆｒｕｔｏｓ， Ａ． Ｊ． Ｔｈｉｅｌ ａｎｄ Ｒ． Ｍ． Ｃｏｒｎ， Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ Ｉｍａｇｉｎｇ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ＤＮＡ Ｈｙｂｒｉｄｉｚａｔｉｏｎ Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｓｔｒｅｐｔａｖｉｄｉｎ／ＤＮＡ Ｍｕｌｔｉｌａｙｅｒ Ｆｏｒｍａｔｉｏｎ ａｔ Ｃｈｅｍｉｃａｌｌｙ Ｍｏｄｉｆｉｅｄ Ｇｏｌｄ Ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ， Ｖｏｌ． ６９， （１９９７）， ４９３９−４９４７．
［文献１２］ Ｂ． Ｒｏｔｈｅｎｈａｕｓｌｅｒ ａｎｄ Ｗ． Ｋｎｏｌｌ， Ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｌａｓｍｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ， Ｎａｔｕｒｅ， Ｖｏｌ． ３３２， （１９８８）， ６１５−６１７．
［文献１３］ Ｗ． Ｈｉｃｋｅｌ， Ｂ． Ｒｏｔｈｅｎｈａｕｓｌｅｒ ａｎｄ Ｗ． Ｋｎｏｌｌ， Ｓｕｒｆａｃｅ ｐｌａｓｍｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ ｅｘｔｅｒｎａｌ ｓｕｒｆａｃｅｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ， Ｖｏｌ． ６６， （１９８９）， ４８３２
４８３６．
［文献１４］ Ｂ． Ｒｏｔｈｅｎｈａｕｓｌｅｒ ａｎｄ Ｗ． Ｋｎｏｌｌ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｉｃ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｗａｖｅ ｖｅｃｔｏｒ ｏｆ ｐｌａｓｍｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ｐｏｌａｒｉｔｏｎｓ， Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆＡｍｅｒｉｃａ Ｂ， Ｖｏｌ．５， （１９８８）， １４０１−１４０５．
［文献１５］ Ｕ． Ｆｅｒｎａｎｄｅｚ， Ｔ． Ｍ． Ｆｉｓｃｈｅｒ ａｎｄ Ｗ． Ｋｎｏｌｌ， Ｓｕｒｆａｃｅ−ｐｌａｓｍｏｎ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ ｗｉｔｈ ｇｒａｔｉｎｇ ｃｏｕｐｌｅｒｓ， Ｏｐｔｉｃｓ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ， Ｖｏｌ． １０２， （１９９３）， ４９−５２
【図面の簡単な説明】
【図１ａ】
多波長撮像型ＳＰＲ機構を示す図（パラメータについては本文中に説明）。
【図１ｂ】
アナログ−デジタル変換器、コンピュータ、および対応のフローシステム（ポンプなど）を有するフローセルを備えた装置を示す概略図。
【図２ａ】
プリズム、金属フィルムおよび表面ケミストリーを含むクレッチマン（背面照明）構成のセンサユニットを示す図。
【図２ｂ】
６×７＝４２の測定スポットを有するパターン化されたセンサユニットを示す図。
【図２ｃ】
センサユニットに取り付けられたフローセルを示す図。
【図２ｄ】
交換自在のセンサチップを有する例を示す図。
【図３】
オットー構造（正面照明）のセンサユニットを示す図。
【図４】
格子カプラーを有する装置を示す図。
【図５】
多数の検出器を備えた構成を示す図。
【図６】
撮像システムを示す図。
【図７】
入射角度が変更可能である撮像システムを示す図。
【図８ａ】
（疑似同時的に）交換自在のフィルタを有する機構を示す図。
【図８ｂ】
回転フィルタホイールを示す図。
【図９】
複雑な撮像システムを有する実験用の機構を示す図。
【図１０】
簡単な撮像システムを有する実験用の機構を示す図。
【図１１】
ＳＰＲディップの角度応答を示すグラフ。
【図１２】
ＳＰＲディップの波長応答を示すグラフ。
【図１３】
２つのプリズム材料としてＢＫ７とＳＦ１１とを使用して、ＳＰＲ状態の入射角度と金の波長との関係（すなわち分散関係）を示すグラフ。
【図１４】
センサ表面（金）における入射角度６７゜の相異なる３波長に対する、反射率と有効屈折率との関係を示すグラフ。
【図１５】
センサ表面（金）における入射角度６７°の相異なる３波長に対する、感度と有効屈折率との関係を示すグラフ（図１５の曲線は図１４の曲線の導関数である）。
【図１６】
金をセンサ金属層として使用し、水を誘電体として使用して、入射角度６８゜およびそれらの波長６３４、６９２および７５１ｎｍにおいて得られた、実験用の機構による反射率の映像を示す写真。
【図１ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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