(57)【要約】【課題】  表面プラズモン共鳴測定装置の小型軽量化、及び高集積・並列検出機構を有する表面プラズモン共鳴測定装置を提供する。【解決手段】  本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、金属表面上への物質を表面プラズモンポラリトン共鳴によって検出する表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、一層以上の金属膜と一層以上の誘電体膜からなる２次元平面導波路６と撮像器を組み合わせ、撮像された画像中の光線の軌跡から共鳴結合角を計測する測角機構４を有することを特徴とする。【選択図】      図２
2007071615.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属表面上の物質へ光線を照射して、表面プラズモンポラリトン共鳴を測定する表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、
一層以上の金属膜上に一層以上の誘電体膜を設け、この誘電体膜に入力光結合部、２次元平面導波路、検知部とを備え、かつ、
誘電体膜内の光線の軌跡から共鳴結合角を計測する測角機構を備える
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項２】
請求項１に記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、検知部が直線状に配列した溝又は孔構造を有し、その底面及び側面で検知する
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、直線状に配列した溝又は孔構造の直線形状を測角時の基準線として利用する
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項４】
請求項１ないし３のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、平面導波路中での導波光線の伝搬方向を特定方位に屈曲させるために、誘電体膜面内に屈折率の異なる誘電体の領域を、それらの界面が２次曲線として表されるように配置し、屈折現象により屈曲された導波光線が、検知部の一部に収束する屈曲機構を有する
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項５】
請求項１ないし４のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、２次元導波路中に導波光線を結合させる入力光結合部として、誘電体と溝による構造の側端面を結合部として機能させる機構を採用している
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項６】
請求項５に記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、溝と隣接する誘電体コア構造を一組と考え、導波光への結合のための位相整合条件：Ｋ＋ｋilluｍ・sinθ≒ｎave・ｋilluｍ（ここで、Ｋは２π／（一組の溝と誘電体の断面幅の和）の値、ｋilluｍは外部入射光の波数で、ｎaveそれぞれの屈折率と容積分率の積の和から求めた平均屈折率に補正項（０．９〜１．１）を積して求めた値とする。）の関係を満たす
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項７】
請求項５又は６に記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
入力光結合部への入力結合光線は、ビーム径を入力光結合部の相互作用長の１から１０倍にする
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【請求項８】
請求項１ないし７のいずれかに記載の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、
前記表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、
金属膜は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔの元素を主成分と、
誘電体膜は、透明な酸化物、弗化物又は有機高分子を主成分とする
ことを特徴とする表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光導波路や光回路作製技術を応用して開発され、小型軽量・高集積並列解析を可能とし、ＤＮＡ、たんぱく質、糖鎖など生体分子間の相互作用等の電気化学反応解析や液体／気体成分分析に用いられる表面プラズモン共鳴を測定する表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
表面プラズモンポラリトンとは、金属表面に発生する光の表面波モードであり、金属表面の伝導電子密度波と入射光の共鳴現象に伴って、光波を金属表面のごく近傍にエバネッセント界として局在分布させられる（例えば、非特許文献１を参照。）。位相・界分布など表面プラズモンポラリトンとなった光波の状態は表面状態が変化すればそれに応じて敏感に変化するので、金属表面近傍での試料物質（分子など）の吸着・離脱、あるいは金属表面に固定された結合種との選択的結合・解離などが検知できる（例えば、非特許文献２等を参照。）。
【０００３】
したがって、表面プラズモン共鳴は、金属表面極近傍状態の変化を敏感に検知することができ、また、ラベリング等によって生理学的な状態を変えることなく、生理学的、生化学的、化学的または物理的計測を可能にしており、物質の吸着・離脱又は結合・解離、あるいは相転移や構造変化の計測に応用されている（例えば、特許文献１を参照。）。
【０００４】
従来の表面プラズモン共鳴センサーの基本構成は、図１に示すようであり、約０．５〜１０ｃｍ程度の寸法を持つプリズム結合部とそれを取り囲む配置で測角器に光源を取り付け、光線を入射させて表面プラズモンポラリトンを金属薄膜表面のセンサー検知部に発生させる。入射光と表面プラズモンポラリトンとの間の位相が整合する条件となった時、入射光は表面プラズモンポラリトンに変換され金属表面に分布するため、その分だけ反射光強度が減少する。この反射光強度の減少を全反射減衰（ＡＴＲ）という。検知部で試料物質の吸着・離脱又は結合・解離があると、検知部近傍での等価屈折率が変化するので入射光と表面プラズモンポラリトンの間の位相整合条件も変化し、ＡＴＲ強度に変化が現れる。詳細に、ＡＴＲ強度変化を検出するスペクトル計測を行い、スペクトル中の減衰ピークの変化のリアルタイムな計測から、試料の検知部からの吸着・離脱、結合・解離、あるいは相転移や分子配向など構造変化の量や、それらの速度係数などを求めることができる。
【０００５】
従来の表面プラズモン共鳴センサーは、プリズム結合部や、入射角や検出角を決める測角機構が装置全体の容積・重量の大きな割合を占めている。高精度な計測を実現するために、光入射位置や焦点ずれを生じさせずに０．０１°以下の精度で入射角や検出角を掃引する必要があるので、測角機械、光学系などの基本構成だけでも装置の大容積・増重量化が避けられない。また、スクリーニング計測のように複数条件下での試料の特性を高速に調べるためにセンサー検知部を基板上に並列配置して計測を一度に行う場合、プリズム結合部を介しての光入射・測角となるため、基板上の任意位置で同照射条件の計測を行うように調整するのは難しく、測定位置ごとの照射ビーム径など光照射条件の変動による差異が計測に含まれることになる。そのため、解析結果の妥当性が保証された高集積、並列計測を実施することは難しい。
【０００６】
【特許文献１】特開２００５−９８７８８号公報
【非特許文献１】福井  万寿夫、大津  元一著  光ナノテクノロジーの基礎  オーム社  ２００３年
【非特許文献２】六車  仁志  著  バイオセンサー入門  コロナ社  ２００３年
【非特許文献３】D. F. P. Pile aｎd D. K. Graｍotｎev, Chaｎｎelplasｍoｎ&#8211;polaritoｎ iｎ a triaｎgular groove oｎ a ｍetal surface,  Optics Letters, Vol.２９ No.１０ （２００４） p.１０６９
【非特許文献４】西原  浩,春名  正光,栖原  敏明  著  光集積回路（改訂増補版）オーム社  １９９３年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した問題点から、表面プラズモン共鳴測定装置は、ＡＴＲ角スペクトル測定の適用領域を広げるために、装置が容積・重量を取らず配置する場所の制限が少ないことが求められる。そして試料を多数の条件下での測定を同一基板内で並列に実施させるために、同一条件下で計測可能なセンサー検知部を基板上に高集積に複数配置できることが求められる。
【０００８】
そこで、本発明は、上記事情に鑑みてなされたもので、表面プラズモン共鳴測定装置の小型軽量化、及び高集積・並列検出機構を有する表面プラズモン共鳴測定装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記課題を解決する手段である本発明の特徴を以下に挙げる。
本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、金属表面上への物質を表面プラズモンポラリトン共鳴を測定する表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置において、一層以上の金属膜上に一層以上の誘電体膜を設け、この誘電体膜に入力光結合部、２次元平面導波路、検知部とを備え、かつ、誘電体膜内の光線の軌跡から共鳴結合角を計測する測角機構を備えることを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、検知部が直線状に配列した溝又は孔構造を有し、その底面及び側面で検知することを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、直線状に配列した溝又は孔構造の直線形状を測角時の基準線として利用することを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、平面導波路中での導波光線の伝搬方向を特定方位に屈曲させるために、誘電体膜面内に屈折率の異なる誘電体の領域を、それらの界面が２次曲線として表されるように配置し、屈折現象により屈曲された導波光線が、検知部の一部に収束する機構を有することを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、２次元導波路中に導波光線を結合させる入力光結合部として、誘電体と溝による構造の側端面を結合部として機能させる機構を採用していることを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、溝と隣接する誘電体コア構造を一組と考え、導波光への結合のための位相整合条件：Ｋ＋ｋilluｍ・sinθ≒ｎave・ｋilluｍ（ここで、Ｋは２π／（一組の溝と誘電体の断面幅の和）の値、ｋilluｍは外部入射光の波数で、ｎaveそれぞれの屈折率と容積分率の積の和から求めた平均屈折率に補正項（０．９〜１．１）を積して求めた値とする。）の関係を満たすことを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、入力光結合部への入力結合光線は、ビーム径を入力光結合部の相互作用長の１から１０倍にすることを特徴とする。
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、金属膜は、Ａｇ、Ｃｕ、Ａｕ、Ｐｔの元素を主成分とし、誘電体膜は、透明誘電体であって、酸化物、弗化物又は有機高分子である
ことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
以上説明したように、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置によれば、平面導波路コア中の溝や孔の底面や側面を検知部とすることで、センサー光学系の２次元面内配置が可能となり、単純な構成とすることが出来る。そのため光線の導波制御や外部との入力光結合部の設計及び製造が容易となる効果が得られる。図１のような従来のＡＴＲ角スペクトル検出法では、入射光の光軸が検知部平面の垂直断面上に無いと、入射角を変動させた時に入射光の偏光やスポットサイズが変動したり、光軸が反射光の検出器から外れたりすることでピーク角検出の誤差要因となるが、平面導波路を採用することで、常に光軸は平面導波路に対し平行を保つので、この問題が生じなくなる効果が得られる。また基板上に形成された流路と結合させて利用することも容易であるため、本発明は化学チップ、生体チップなど多方面へ利用が可能となる。光線のスポットサイズは導波路厚さ程度に抑えられ、更に１次元プラズモンポラリトンのような光の回折限界以下の感度分布を実現させることで、極微量試料検出のための感度向上が期待できる。
【００１１】
また、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置によれば、平面導波路内に偏向機構を作りこむことで、外部入射光の入射角を変動させることなく検知部への入射角度の掃引が可能となる。それにより大型測角器を用いなくて済むため、装置の小型軽量化を発展させる効果が得られる。
【００１２】
また、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置によれば、平面導波路中に入力光結合部３を作りこむことで、大型のプリズム結合部や導波路調芯機構を用いずに高効率に導波光を結合させられる。コア下面が金属であるため基板側への結合回折がなく、金属膜がない場合よりもコア上面からの光入出力の結合効率を高める効果が得られる。また、溝と誘電体構造の屈折率差を大きくとることで短い相互作用長の結合部とすることができコンパクトな結合部とすることができ、溝が光の波長よりも薄いことで外部入射光結合の入射角に対する条件を緩やかにする効果が得られる。
コア上面からの光入力であるため平面導波路中の任意の位置に結合部を配置することが出来る。そのためプリズム結合や端面結合の機構と比べて、角スペクトル測定機構の設計自由度を高めることができる。その寸法も一つの結合部あたり一辺１μｍ〜１ｍｍ程度で済むため、センサーの集積・並列化も容易となる効果が得られる。
【００１３】
また、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置によれば、光線の軌跡を直接読み取ることで、角スペクトル情報を得ることができる。従来のプリズム結合器を用いたＡＴＲ角スペクトル検出法では測定面の位置や傾きなど光学系の精密な調整が必要となる。本発明では、製造時に厳密に偏向機構や結合部を設計・作製することで、測定時の調整を軽減する効果が得られる。
また、測定時の照射スポットサイズや照射位置の変動を直接観測して、ＡＴＲピーク角変動におけるそれらの影響を確認しながら評価できるので、測定結果の信頼性が向上する効果が得られる。
コンピュータ−による画像処理や画像計測技術などとの組み合わせたけ計測や、蛍光、吸収、表面増強ラマン散乱信号の分布計測など他の顕微分光技術との組み合わせも可能となる効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下に、本発明を実施するための最良の形態を図面に基づいて説明する。なお、いわゆる当業者は特許請求の範囲内における本発明を変更・修正をして他の実施形態をなすことは容易であり、これらの変更・修正はこの特許請求の範囲に含まれるものであり、以下の説明はこの発明における最良の形態の例であって、この特許請求の範囲を限定するものではない。
【００１５】
図２は、本発明の一実施形態を示す斜視図である。図３は、本発明の一実施形態を示す断面図である。本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置によれば、表面プラズモン共鳴検知部や結合部の配置、及びＡＴＲ角スペクトルの検出方法について、図２に示す。斜視図ような金属５−誘電体平面導波路６と、その中に作りこまれた検知部１、面内屈曲機構２、入力光結合部３とからなり、さらに、表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置として顕微鏡及び撮像器からなり測角機構４を備える。
表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置による計測の概略を述べると、図２及び図３中の１の検知部での試料の吸着・離脱又は結合・解離を検出するために、外部入射光線（主にレーザー光）７が入力光結合部３で導波光線に変換され、その光線が面内屈曲機構２で特定の入射角に変換されて、検知部１に照射される。外部入射光線（主にレーザー光）７の入射位置を水平に結合部３に沿って掃引して、入射角毎の検知部１での反射、透過など光線の応答特性を測角機構４で観測して、共鳴結合角を測定する。
【００１６】
本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置では、２次元平面導波路６の構造中に検知部１として機能する構造の配置構成を発明した。ここで表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置とは、１層以上の金属（Ａｇ、Ａｕ、Ｃｕ、Ａｌ等）が堆積した金属膜５上に、１層以上の透明誘電体（ＳｉＯ２、ＭｇＦ２など無機化合物、高分子など有機物）による平面導波路６が堆積されたもので、透明誘電体を導波路コアとして光線を導波するものである。金属膜は１層以上であっても良い。また、同様に、誘電体膜６も１層以上であっても良い。特に、平面導波路６として機能するために、誘電体膜６の屈折率や厚さによって導波モードのカットオフが選定され、各測定に適した厚さ及び屈折率分布に調整することができる。この導波路６中に励起される導波モードの偏光を定義すると、導波路６平面に平行な電界成分をもつＴＥモードと垂直な電界成分をもつＴＭモードが考えられる。本発明においては、ＴＥ、ＴＭの各偏光の最低次モードを利用することが好ましい。導波モードの偏光は入射光の偏光状態で制御することができる。
【００１７】
この平面導波路６内に溝又は孔構造を形成し、その側面や底面を検知部１として利用する。検知部１は試料の吸着・離脱又は結合・解離が可能なように開放されており、測定自身は固体に対しても可能であるが、試料を含む気体や液体などを満たす。図４は、本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。図４のように、平面導波路６中に線上の溝１構造を形成し、その溝１に試料溶液を入れて、使用する。
また、図５は、本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。図５のように、多数の微細な孔構造の検知部１に配置して気体試料の吸着・離脱を検出したりする。導波モードの偏光成分によって検知部１で発生する表面プラズモンポラリトンの伝搬定数や界分布が異なり、検出感度や感度分布が異なることになる。導波モードがＴＭ成分である場合、コア下面の金属膜５によってＴＭ最低次モードは表面プラズモンポラリトンと同様の界分布、伝搬定数を持つため、検知部１では下面金属膜５近傍の試料の吸着・離脱が観測されることになる。
また、図６は、本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。導波モードがＴＥ成分である場合、図６のように検知部１の側面に表皮厚さより薄い（厚さ１〜６０ｎｍ）の金属（Ａｕ、Ａｇ等）膜を堆積し、いわゆるKretschmann配置のような測定構成とする。この場合側端面膜近傍の試料の吸着・離脱を検出することになる。また図６のように側端面と下面の金属膜５を検知部１として利用すると、検知部１の角隅に１次元的に局在した界分布を持つ一次元プラズモンポラリトンのモードも存在する。
用いる検知部１の形態や導波モードを選択することで、検出感度や感度分布の大きさを調整できる。
【００１８】
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置では、角スペクトル測定のために、平面導波路面６内で検知部１への入射角掃引を容易に実行するための機構を用いた。導波路６中に二次曲線（楕円弧、あるいは放物線、双曲線など）の一部の形状、あるいは分散補正やビーム形状補正を目的とした修正が加わった二次曲線に近い形状で異なる屈折率の領域を作製し、光の屈折現象を利用して光線の進行方向を変え任意の入射角で検知部１へと導く。図６のように、導波光線は屈折率が変化する界面でスネルの法則に基づき下式の関係を満たして屈曲する。
ｎ１sinθ１＝ｎ２sinθ２            （１）式
（ここで、ｎ１は界面入射側の等価屈折率、θ１は入射角、ｎ２は界面出射側の等価屈折率、θ２は出射角である。）
この現象を利用して平面導波路中の二次曲線の焦点近傍に検知部１を配置することで、外部入射光源７の入射角は固定したままで角スペクトル測定を行うことが出来る。
【００１９】
さらに、本発明の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置では、金属５−誘電体の平面導波路６中への光結合のために、溝−誘電体構造の入力光結合部３を１〜１００個程度並べて配置し、それによる高効率な入射光を得ることができる。本発明では、誘電体構造の側端面から結合させるためこれを入力光結合部３と呼称する。
図２又は図３に示すように、平面導波路６中の任意の位置に深さが金属面近傍まで届く溝を作製する、あるいは平面導波路６とは異なる材料で誘電体構造を作製することで、入力光結合部３とする。その溝による誘電体コア構造の側端部に適当なビーム径、入射角で光入射することで導波光（p偏光入射では、表面プラズモンポラリトン）を発生させることができる。溝の部分は真空や空気など屈折率が誘電体構造よりも小さい気体、液体、あるいは固体が占めているものとする。通常、小型で高効率な結合部とするため溝と誘電体コア構造の屈折率差ができるだけ大きくなるように、溝の部分は屈折率が１に近い空気などが占める。
【００２０】
入力光結合部３の誘電体コア構造の厚さが充分（波長／[４×コア物質の屈折率]以上）な厚さを持ち、かつ溝の底が金属層に届くかそれに近い場合における外部入射光と導波光の位相整合条件の解析法を述べる。溝と、その隣り合う誘電体コア構造を一組と考え、その一組のうちの溝と誘電体の容積分率δを用いて次式のように平均屈折率を求める。
ｎave＝a[（δ−１）×ｎ０＋δ×ｎ１]        （２）式
（ここで、δ＝溝の容積／（溝の容積＋誘電体の容積）、ｎ０は溝を占める物質の屈折率、ｎ１は誘電体構造の屈折率、aは等価屈折率の補正項で、コアの厚さや金属の種類、測定波長、モード、偏光に拠るが０.９〜１.１程度の値である。）これを用いて、次の位相整合の関係に合うように入射角、溝と誘電体の長さを設定することで入射光は導波光に変換する。
Ｋ＋ｋilluｍsinθ＝ｎaveｋilluｍ        （３）式
ここで、Ｋは２π／（一組の溝と誘電体の断面幅:図３の８参照）で逆格子定数に相当する。ｋilluｍは外部入射光の波数、θは外部入射光の入射角で、右辺は導波光の伝搬定数を表している。ここで、溝と誘電体コア構造を複数配置する場合、断面幅や配置する間隔は必ずしも一定でなくても良く、溝と誘電体構造の一組について求めた平均屈折率が各々（３）式の関係を満たしたランダム構造でもよい。また効率は劣るが一組の溝と誘電体コア構造だけでも入力光結合部３として利用できる。更に溝と誘電体コア構造の端面が垂直ではなくて、端面が傾斜を持っていても良い。特に同じ構造を一定周期で配置した場合には、回折格子結合器（グレーティングカプラ）とみなせ、この場合には高次の位相整合条件についても同様に（３）式の関係から解析できる。
溝が入射光の波長よりも浅い場合（３）式の関係を厳密に満たしていなくても導波光との結合は生じ、設計値に対して実施時の各パラメータの許容誤差を比較的大きくとれる。
【００２１】
結合効率を向上させるために、位相条件（３）式と合わせて入射ビームの界分布を最適化することが必要となり、それは入射光線のビーム径を調整することで実施される。
入射ビーム界分布の最適条件は、その結合部３からの出射光の界分布と合同の空間分布であり、入射光のビーム径を入力光結合部３の相互作用長と同程度の寸法となるように調整することで８０％程度の入力結合効率が実現可能である。出力結合時の入力光結合部３における導波モードの放射損失係数をαrad[μｍ−１]とすると、金属の吸収による導破損失係数αabs<<αradであればガウス分布の入射光の場合でビーム径＝１.３〜１.４×αrad−１で最大効率となる。これらの関係は誘電体導波路の回折格子結合部と同様である。電界分布の整合についても上記の最適条件でなくても入射光を導波光に結合させることが出来る。むしろ最適分布よりやや太めの光線を用いて入射光掃引駆動による振動やクリープ等による照射位置の変動や、基板平面の水平からの傾きの影響を緩和させ、測定の安定性を保持させる。
【００２２】
本発明の結合部一般的な使用法は、平面導波路に、図７のように直線状の入力光結合部３を配置して使用する。図７は、本発明の面内屈曲機構及び入力光結合部の一実施形態を示す平面図である。
この場合、外部入射光を直線状に掃引すれば、面内屈曲機構２により任意の入射角に導波光線を偏向させることができる。図８は、本発明の面内屈曲機構２及び入力光結合部の一実施形態を示す射視図である。入力光結合部３を２次曲線状に配置して、屈曲機構２の機能も併せて持たせている。この面内屈曲機構２は、平面導波路６中での導波光線の伝搬方向を特定方位に屈曲させるために、誘電体膜６面内に屈折率の異なる誘電体の領域を、それらの界面が２次曲線として表されるように配置したものである。この配置により、入射光の屈折現象が生じ、屈曲された導波光線が、検知部１の一部に収束させることができる。
図８のように２次曲線形状に入力光結合部３を配置して、導波光の入力光結合部３と入射角屈曲の両方の機能を担わせる方法もある。この場合、作製も容易となり、より小型な角スペクトル測定機構となるが、外部入力光の掃引を２次曲線に沿って行うか、入力光結合部３を含む平面内をラスタースキャンする事が必要となる。２次曲線形状としては、具体的には、円弧状、楕円状、放物線状、双曲線状の形状を挙げることができる。
【００２３】
また、ＡＴＲ強度の角スペクトル情報を得るために、平面導波路６中の光線の軌跡を測角機構４により検出する構成を備える。測角機構４にはＣＣＤカメラやＣＭＯＳカメラ、フォトダイオードアレイなどを用いる。細線ビームを平面導波路６内に伝搬させた時、平面導波路のコア面上部から観測すると輝線が観測される。輝線は金属膜５の表面粗さやコア内の屈折率揺らぎによる散乱で生じており、コア下面の金属鏡面が上面から輝線を観測し易くしている。図２及び図３に示す構成で、レンズを用いて拡大した像を観測し、検知部１に発生した共鳴結合光成分や反射・透過光成分の輝線強度を測定することで、角スペクトルの解析を行うことが出来る。この際、直線に配置した検知部１など、入射角や透過・反射角を計測する際の基準となる構造があると解析が容易となる。
【００２４】
また、図９は、本発明の一実施形態を示す斜視図である。検知部１に対して表面プラズモンポラリトン共鳴結合角の近傍を詳細に計測できるように入力光結合部３の向きを調整してある。図１０は、本発明の一実施形態を示す斜視図である。検知部１に対して表面プラズモンポラリトン共鳴結合角の近傍を詳細に計測できるように入力光結合部３の向きを調整してある。
上述の他に、より実用的な形態の表面プラズモン共鳴角スペクトル測定装置は、平面導波路６内の入射光結合部３、検知部１、面内屈曲機構２について、図９及び図１０のように、結合部３の形状や配置位置を、予測される結合共鳴角に合わせて設計し、共鳴角近傍の角スペクトルをより詳細に測定出来るよう作製したものである。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
はじめに金属−誘電体コアによる導波路、入力光結合部、測角機構を含めた装置の設計、動作検証の実施例を示す。
石英ガラス基板上にスパッタリング法によりＡｇ薄膜を厚さ１５０ｎｍ堆積させ、その上から保護層としてＳｉＯ２が１０ｎｍ堆積されている。その上に、透明ポリマー（日本ゼオン株式会社製電子線リソグラフィ用レジストＺＥＰ５２０、屈折率１.５４）をスピンコート法により厚さ３００ｎｍ堆積させ、２次元平面導波路６を作製した。入力光結合部３の寸法・形状については（３）式や電磁場数値解析のコンピュータシミュレーション等で特性を予測して設計した。設計したパターンを電子線描画装置によりパターン転写して、現像後に残ったレジスト膜パターンをそのまま２次元平面導波路の誘電体膜６として用いた。測角機構４は、市販の１／４インチ２６万画素インターライン方式のＣＣＤカメラであり、２０倍の対物レンズを用いて観測した。
【００２６】
例として最も単純な形態である、溝と誘電体の容積分率が１：１、入力結合部３として、一定ピッチのエッジ（回折格子）結合部の場合について示す。図１１は、本発明の入力光結合部の一実施例を示す写真である。図１１に示すように、幅４μｍ、長さ２５０μｍの直線導波路とその両端に入力光結合部３のパターンを作製した。一方を入力結合部、他方を出力結合部として結合効率の評価を実施している。格子定数Λ１２００ｎｍ、１５００ｎｍ、２０００ｎｍで結合部全体の長さ７５mｍの場合について、波長７８０ｎｍビーム径３０mｍの入射光を用いて、それぞれの入射角に対する出力結合部からの強度を検出した結果、図１２のように求まった。図１２は、本発明の入力光結合部の結合効率評価の一実施例のグラフである。
このとき平均屈折率ｎaveは１.２４であり、それぞれの格子定数Λ及びピーク角度は、（３）式の関係を満たしている。図１３は、本発明の入力光結合部の結合効率解析のコンピュータシミュレーションの一実施例のグラフである。図１３に示すように、時間領域有限差分法によるシミュレーションの結果で、ピーク角など特徴が実験結果と一致している。以上から本発明で用いられる機構で導波光線を結合・導波する様子が確認され、設計に近い機能を有していることが確認された。但しシミュレーションから見積もられる結合効率は最大８０％と求められているが、実験においては入射ビーム径の最適化を行っておらず２０％程度であった。
【００２７】
（実施例２）
表面プラズモンポラリトン共鳴によるＡＴＲ角計測の一実施形態例を、図１４に示す。図１４は、本発明の写真である。これは、図８の形態の表面プラズモン共鳴測定装置を作製したものである。上記同様の製法で、半径１００μｍの半円弧状に入力光結合部３と、円弧の焦点近傍に幅３.５μｍ、長さ２００μｍに渡って格子定数５００ｎｍで直径２５０ｎｍの孔を六方格子状に並べている。この多数開けられた孔表面（底面：ＳｉＯ２、側面：ポリマー）への吸着水量の湿度による変化の検出を試みた。
【００２８】
図１５は、本発明の、湿度２５％の場合の一実施結果の写真である。図１６は、本発明の、湿度８０％以上の場合の一実施結果の写真である。図１５、１６に共鳴角計測実施結果を示すように、円弧状結合部にｐ偏光、波長７８０ｎｍ、ビーム径３０μｍのレーザー光を入射角４５°から入射して、検知部１での応答を測角機構４で観測している。試料は室温２５℃、相対湿度それぞれ２５％と８０％以上の環境に置かれている。以下に、入射角度を固定して試料の吸着が無い場合とある場合の差異を検出した結果を示す。（１）式の関係に従い、円弧上の４８°の位置に照射した場合に導波光線は検知部１に入射角２９°で入射される。直線に並んだ検知部１を角度計測の基準として、入射光線の輝線の中心を通る直線が取る角度を入射角として入射角を求めた。
図１５では検知部への入射角２８°に調整された時、入射光線は検知部１の孔構造による回折放射モードと結合してＡＴＲのピーク角となり、このとき検知部１の列に沿って散乱放射が強く生じている一方、透過光、反射光の成分は微弱となっている様子が確認される。一方、図１６は入射角２９°での観測結果であるが、検知部１への吸着水量の増大によりＡＴＲピーク角が広角側にシフトしたために、放射モードと非結合の光線が透過して導波しているのが強く観測された。このように湿度に応じてＡＴＲ特性が変化する様子が確認され、大気中の水分、吸着水量の変化を検知することが出来た。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本発明によって得られる小型軽量かつ集積・並列配置を特徴とする表面プラズモン共鳴検知機構により、従来の主要な応用例であった生体分子間相互作用のリアルタイム解析の大容量、超高速化、測定・解析の信頼性向上、チップ化による量産性の向上によるコスト低下などの効果がもたらされると考えられる。それにより例えば医療・製薬分野における抗原−抗体相互作用、たんぱく質機能解析などスクリーニング計測用バイオチップのセンサーとしての利用が期待できる。それ以外にもチップ内センサーとして保健衛生や環境分野における病原体の特定、水質／大気成分解析、燃料電池や充電池などの電極反応によるイオン電流解析や電池寿命モニターなど多産業への利用展開が期待される。特に小型軽量化が可能な点を活かして、ポータブルな表面プラズモン共鳴センサーとして屋外での利用や組込み機器として利用することが可能となり、例えばロボットの超高感度嗅覚、味覚センサーとして利用するなど新規応用分野への利用も考えられる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】従来技術を示す斜視図である。
【図２】本発明の一実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明の一実施形態を示す断面図である。
【図４】本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。
【図５】本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。
【図６】本発明の検知部の一実施形態を示す平面図および断面図である。
【図７】本発明の面内屈曲機構及び入力光結合部の一実施形態を示す平面図である。
【図８】本発明の面内屈曲機構及び入力光結合部の一実施形態を示す射視図である。入力光結合部を２次曲線状に配置して、屈曲機構の機能も併せて持たせている。
【図９】本発明の一実施形態を示す斜視図である。検知部に対して表面プラズモンポラリトン共鳴結合角の近傍を詳細に計測できるように入力光結合部の向きを調整してある。
【図１０】本発明の一実施形態を示す斜視図である。検知部に対して表面プラズモンポラリトン共鳴結合角の近傍を詳細に計測できるように入力光結合部の向きを調整してある。
【図１１】本発明の入力光結合部の一実施例を示す写真である。
【図１２】本発明の入力光結合部の結合効率評価の一実施例のグラフである。
【図１３】本発明の入力光結合部の結合効率解析のコンピュータシミュレーションの一実施例のグラフである。
【図１４】本発明の写真である。
【図１５】本発明の、湿度２５％の場合の一実施結果の写真である。
【図１６】本発明の、湿度８０％以上の場合の一実施結果の写真である。
【符号の説明】
【００３１】
１  検知部
２  屈曲機構
３  入力光結合部
４  測角機構
５  金属膜
６  誘電体膜
７  外部入射光源
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１１】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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