(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光を発生させる光源と、
該レーザ光に対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記レーザ光を相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、該平行光束を、前記誘電体ブロックを通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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーンを経て拡散された前記可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とする測定装置。
【請求項２】
レーザ光を発生させる光源と、
該レーザ光に対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された金属膜である薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記レーザ光を相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、該平行光束を、前記誘電体ブロックを通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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーンを経て拡散された前記可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とする測定装置。
【請求項３】
レーザ光を発生させる光源と、
該レーザ光に対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層とその上に形成された光導波層とからなる薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記レーザ光を相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、該平行光束を、前記誘電体ブロックを通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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーンを経て拡散された前記可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とする測定装置。
【請求項４】
前記スクリーンが拡散板からなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
【請求項５】
前記スクリーンが蛍光板からなることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の測定装置。
【請求項６】
前記薄膜層上に、試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体が配されていることを特徴とする請求項１から５いずれか１項記載の測定装置。
【請求項７】
前記試料保持機構が、液体試料を保持する液だめ部を有する容器状に形成されていることを特徴とする請求項１から６いずれか１項記載の測定装置。
【請求項８】
前記試料保持機構の一部に、液体試料が前記センシング媒体に接触しつつ流入出するための流路が設けられていることを特徴とする請求項６記載の測定装置。
【請求項９】
前記誘電体ブロックが、前記レーザ光の入射端面および出射端面を有する第１の部分と、前記薄膜層が形成される面を有する前記第１の部分とは別体に構成された第２の部分とからなり、前記第２の部分と前記試料保持機構とが一体化されており、
前記第２の部分が、前記第１の部分と屈折率マッチング手段を介して接合されるものであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の測定装置。
【請求項１０】
前記測定ユニットの誘電体ブロック、薄膜層および試料保持機構が一体化されているものであることを特徴とする請求項１から８いずれか１項記載の測定装置。
【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中の特定物質の分析を行う表面プラズモンセンサー等の測定装置に関し、特に詳細には、平行光束を用いて二次元的な広がりを有する測定領域を同時に検出する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】
従来より、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センサー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（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモンセンサーは基本的に、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となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように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表面プラズモン共鳴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】
上記構成の表面プラズモンセンサーにおいて、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鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【０００６】
図２には、この全反射減衰現象が生じた際の入射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。ここに示す入射角θＳＰが、上述の全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角である。
【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】
0003945636.tif 000002
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、試料中の特定物質を定量分析することができる。
【００１０】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。この漏洩モードセンサーは基本的に、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。
【００１１】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、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分析することができる。
【００１２】
また、上述した表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーによる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、試料の二次元的な物性情報を得たい場合等があり、これらに応用することも考えられている。例えば表面プラズモンセンサーによる試料の二次元的な物性分析を例に挙げると、前記界面に対する光ビーム入射角と全反射光強度との関係は、前述の通り、概略図２に示すようなものとなり、θＳＰで示すのが全反射解消角である。この関係は、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ので、界面の二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、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、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の前後ではやはり反射光の強度が低くなるため、所定の入射角で界面に入射して反射され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）の二次元的な屈折率分布を示すものとなる。
【００１３】
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、漏洩モードセンサーにおいても同様に認められるから、漏洩モードセンサーを適用して同じように試料の二次元物性を求めることも可能である。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上述のようにして平行ビームを界面に入射させて反射光の断面の光強度分布を検出するようにした測定装置においては、従来レーザ光源が用いられており、レーザ光に伴うコヒーレントノイズにより光検出手段（二次元センサー）上で検出される光ビームの光強度分布の測定精度が損なわれることがあった。特に、二次元画像センサーとしてＣＣＤセンサーを用いた場合には、ＣＣＤセンサーの受光面に一般に設けられている保護膜内においてコヒーレントノイズによる多重の干渉が起こり像面に干渉縞が生じる場合があり、コヒーレントノイズによる影響が多大であった。
【００１５】
本発明は上記の事情に鑑みて、レーザ光を相当の大きさの断面積をもった平行光束として界面に入射させてその反射光を検出する場合においても測定精度の高い、測定装置を提供することを目的とするものである。
【００１６】
【課題を解決するための手段】
本発明による一つの測定装置は、
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、前記該平行光束を、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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーン上の可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本発明による別の測定装置は、特に前述の表面プラズモンセンサーとして構成されたものであり、
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成された金属膜である薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、前記該平行光束を、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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーン上の可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本発明によるさらに別の測定装置は、特に前述の漏洩モードセンサーとして構成されたものであり、
光ビームを発生させる光源と、
該光ビームに対して透明な誘電体ブロック、この誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層とその上に形成された光導波層とからなる薄膜層、およびこの薄膜層上に試料を保持する試料保持機構を備えてなる測定ユニットと、
前記光ビームを相当の大きさの断面積をもった平行光束とし、前記該平行光束を、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角度で入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した平行光束の光路中に配され、該平行光束の断面における光強度分布を可視像に変換するスクリーンと、
該スクリーン上の可視像が結像される二次元センサと、
前記スクリーン上の可視像を前記二次元センサ上に結像する結像光学系とを備えてなることを特徴とするものである。
【００１９】
上記各測定装置において、「相当の大きさの断面積」とは、界面の所望の測定領域に対して同時に光を入射させるために平行光束にとって必要な大きさの断面積を意味するものである。
【００２０】
なお、二次元センサにより前記界面で全反射した平行光束の断面における光強度分布を測定して屈折率分布等の試料の分析を行うに際しては、さらに、D.V.Noort,K.johansen,C.-F.Mandenius, Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.585-588 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で全反射条件が得られる入射角で入射させ、各波長毎に前記界面で全反射した光ビームの光強度分布を測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出するようにしてもよい。
【００２１】
また、P.I.Nikitin,A.N.Grigorenko,A.A.Beloglazov,M.V.Valeiko,A.I.Savchuk,O.A.Savchuk, Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array Biosensing, EUROSENSORS XIII, 1999, pp.235-238 に記載されているように、光ビームを前記界面で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、この光ビーム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て、その干渉後の光ビームの断面積の光強度分布を測定するようにしてもよい。
【００２２】
前記スクリーンとしては、具体的には、拡散板からなるもの、蛍光板からなるもの等を用いることができる。蛍光板とは、例えば、支持体の表面に蛍光物質が塗布されて構成されたものをいう。
【００２３】
なお、前記薄膜層上に、試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体を配するようにしてもよい。この際、薄膜上の異なる部分に同一のもしくは異なる種類の複数のセンシング媒体を配してもよい。複数のセンシング媒体を配する際、上述の「相当の大きさの断面積」はこの複数のセンシング媒体に亘って同時に光ビームを照射することができる程度の断面積をいう。
【００２４】
前記試料保持機構は、薄膜層上に試料を保持するためのもので、液体試料を保持する液だめ部を有する容器状に形成されていてもよいし、一部に、液体試料が前記センシング媒体に接触しつつ流入出するための流路が設けられていてもよい。
【００２５】
前記誘電体ブロックは、前記光ビームの入射端面および出射端面を有する第１の部分と、前記薄膜層が形成される面を有する前記第１の部分とは別体に構成された第２の部分とからなり、前記第２の部分と前記試料保持機構とが一体化されており、前記第２の部分が、前記第１の部分と屈折率マッチング手段を介して接合されるように構成されていてもよい。すなわち、一体化された第２の部分と試料保持機構とが第１の部分に対して交換可能となっている。
【００２６】
また、前記測定ユニットの誘電体ブロック、薄膜層および試料保持機構が一体化されているものを用いてもよい。
【００２７】
【発明の効果】
本発明の測定装置は、光ビームを相当の断面積を有する平行光束として界面に入射させるものであり、界面で反射した平行光束を一旦スクリーン上で可視像化し拡散させて、その後に二次元センサ上に結像させているため、従来のスクリーンを備えない装置において光ビームとしてレーザ光を用いた際に生じていたコヒーレントノイズを除去することができ、精度よく測定することができる。従って、試料の二次元的な物性情報の測定、もしくは複数の試料についての同時測定を高い精度で行うことができる。
【００２８】
なお、薄膜層上に、試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体が配するようにして、試料保持機構の一部に、液体試料がセンシング媒体に接触しつつ流入出するための流路が設けたものとすれば、測定時に液体試料を流入出させることができるので、液体試料中の特定物質とセンシング媒体とが徐々に反応した場合にも液体試料の濃度を一定に保つことができる。
【００２９】
また、薄膜層上の異なる位置に複数のセンシング媒体を配しておけば、該複数のセンシング媒体とそれぞれ相互作用する、試料中の異なる特定物質を同時に検出することができ測定効率が向上する。
【００３０】
【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。図１は、本発明の第１の実施形態による、測定装置の概略側面形状を示すものである。
【００３１】
本実施形態の装置は前述した表面プラズモンセンサーとして形成されたものである。本表面プラズモンセンサーにおいて、測定ユニット10は、ＰＭＭＡ等の合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスを用いて例えば三角柱状に形成された透明誘電体プリズム11と、この誘電体プリズム11の上面に形成された例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属薄膜13とを有していており、分析対象の試料15は、この金属薄膜13の上に配置される。
【００３２】
図示の表面プラズモンセンサーは、光ビームＬを発するレーザ光源２と、発散光状態で発せられたこの光ビームＬを相当の断面積を有する平行光束としてプリズム11の一面から入射させる入射光学系を構成するコリメーターレンズ４と、プリズム11の他の一面から出射された平行光束の光路中に配され、該平行光束Ｌの断面の光強度分布を可視像化する拡散板からなるスクリーン６と、該スクリーン６上の可視像が結像される二次元センサーであるＣＣＤエリアセンサー８と、スクリーン６上の可視像をＣＣＤエリアセンサー８上に結像する結像レンズ７とが設けられている。
【００３３】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーの作用について説明する。レーザ光源２から発せられたレーザ光は、コリメーターレンズ４によって相当の断面積を有する平行光束とされて誘電体プリズム11の一面から入射されて、該プリズム11と金属薄膜13との界面11ａに所定の角度で入射する。このときの光ビームＬの界面11ａに対する入射角θは、該界面11ａにおいて全反射条件が得られ、かつ、試料中の特定物質が金属薄膜13上に存在する時に表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰が検出される値とする。
【００３４】
また光ビームＬは、表面プラズモン共鳴を励起するためには前述の通り界面11ａに対してｐ偏光で入射する必要がある。そのようにするためには、予めレーザ光源２の向きをそのように設定すればよい。その他、波長板や偏光板で光ビームＬの偏光の向きを制御してもよい。
【００３５】
界面11ａに入射した光ビームＬはそこで全反射し、全反射した光ビームＬは誘電体プリズム11から出射し、その断面の光強度分布がスクリーン６上で可視像化される。このスクリーン６で可視像化され、拡散される像が結像レンズ７によってＣＣＤエリアセンサー８の撮像面上に結像されて撮像される。この光ビームＬがスクリーン上で一旦可視像化されて拡散されることにより、結果としてＣＣＤエリアセンサー８上にレーザ光に起因するコヒーレントノイズを生じることなくＳ／Ｎよい画像を得ることができる。
【００３６】
上述のように界面11ａで光ビームＬが全反射するとき、界面11ａから金属薄膜13側にエバネッセント波が浸み出す。この光ビームＬが金属薄膜13上に特定物質が存在する箇所に入射した場合、このエバネッセント波が金属薄膜13の表面に励起する表面プラズモンと共鳴するので、この光については反射光強度Ｉが鋭く減衰する。すなわち、本実施形態においては、被検体たる試料15中の特定物質が金属薄膜上に存在する場合に表面プラズモン共鳴が起こりうる所定の入射角で光ビームＬを界面11ａに入射させることにより、金属薄膜13上に試料中の特定物質が存在する箇所では表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰が観測されることとなるため、全反射減衰を利用して試料中の特定物質の二次元的な分布を観測することができ、さらに、入射角θの前後の角度が全反射解消角であるような物質の分布、すなわち試料の屈折率分布等の試料の二次元的な物性を検出することができる。具体的には、例えば、電気泳動に用いられたゲルシート等の試料を金属薄膜上に載置して測定を行うことにより、試料に分布している特定物質（分析対象物質）の二次元物性情報を得ることができる。
【００３７】
なお、ＣＣＤエリアセンサー８が出力する映像信号ＳをＣＲＴや液晶表示パネル等の画像表示手段に入力して、該映像信号Ｓによる像を再生表示すれば、試料15中の二次元的な物性を観測することができる。また、この映像信号Ｓを光走査記録装置等に入力して、該映像信号Ｓによる像をハードコピーとして再生することもできる。
【００３８】
なお、拡散体からなるスクリーン６の代わりに蛍光体等からなるスクリーンを用いてもよい。
【００３９】
次に、図３を参照して本発明の第２の実施形態について説明する。なおこの図３において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、それらについての説明は特に必要の無い限り省略する（以下、同様）。
【００４０】
この第２の実施形態の測定装置も表面プラズモンセンサーであり、本装置は図１のものと比べると、その測定ユニット20の形状が異なるものである。本実施形態において測定ユニット20は、誘電体プリズム21と、液体試料を保持する液だめ部を有する容器状部27とからなり、容器状部27の底面部27ａとプリズム21とは同一屈折率であり、両者は屈折率マッチング手段22を介して接合されている。容器状部27の底面部27ａの液だめ部側には金属膜23が配されており、金属膜23上に液体試料25が充填される。なお、試料交換時には容器状部27ごと交換すればよい。
【００４１】
平行光束とされた光ビームＬは、誘電体プリズム21の一面から入射され、該プリズム、屈折率マッチング手段22および容器状部27の底部27ａを透過してこの底部28ａと金属膜23との界面27ｂの所定の領域（光ビームの断面積に応じた領域）に入射し、該界面27ｂで反射されてプリズム21の他面から出射される。その後、反射光の断面の光強度分布が反射光の光路中に配されているスクリーン６上で可視像化される。この像の撮像や、それに基づく試料25の屈折率分布の測定等は、第１実施形態におけるものと同様である。
【００４２】
次に、図４を参照して本発明の第３の実施形態について説明する。この第３の実施形態の測定装置も表面プラズモンセンサーであり、本装置は図１のものと比べると、その測定ユニット30の形状が異なるものである。本実施形態において測定ユニット30は、誘電体プリズム31と、この誘電体プリズム31の上面に形成された例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属薄膜33と、金属薄膜33上の異なる箇所に配された異なる種類の複数のセンシング媒体34ａ、34ｂ…と、液体試料35をこのセンシング媒体34ａ、34ｂ…に接触させつつ流入出するための流路を有した試料保持部37とを有している。
【００４３】
センシング媒体34ａ、34ｂ…は、それぞれ異なる特定物質と相互作用するものであり、各特定物質とセンシング媒体との組合せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。すなわち、ここでは、異なる複数のセンシング媒体34ａ、34ｂ…を配し、各センシング媒体34ａ、34ｂ…と相互作用する特定物質が試料35中に存在するか否か等を検査することができる。
【００４４】
また、液体試料35の測定においては、センシング媒体と試料中の特定物質とが反応するために、試料の濃度が変化してしまうという問題が考えられるが、本実施形態のように液体試料35をセンシング媒体34ａ、34ｂ…に接触させつつ流入出させることにより、液体試料35の濃度変化を防ぎ、常に液体試料35の濃度を一定に保った状態で、すなわち常に同一条件下で測定を行うことができる。
【００４５】
平行光束とされた光ビームＬはプリズム31と金属薄膜33との界面31ａに入射されるが、この際、光ビームの断面積は、金属薄膜33上の複数のセンシング媒体34ａ、34ｂ…が配されている範囲に亘って照射される程度の大きさとされている。界面から反射された光ビームＬはその断面積の光強度分布をスクリーン６において可視像化され、その後ＣＣＤエリアセンサー８により撮像される。ＣＣＤエリアセンサー８上の各センシング媒体34ａ、34ｂ…に対応する箇所における光強度により特定物質の有無、もしくは濃度等を検出することができる。
【００４６】
次に、図５を参照して本発明の第４の実施形態について説明する。この第４の実施形態の測定装置も表面プラズモンセンサーであり、本装置は図１のものと比べると、用いている測定ユニット40の形状が異なるものである。本実施形態の測定ユニット40は、光ビームが入出力される部分と液体試料45を保持する容器状部41ａとが一体化された、概略四角錐の一部が切り取られた形状のブロック41と、このブロック41の容器状部41ａの底面に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜43とを有しており、さらに、金属膜43の上にセンシング媒体44が固定されている。
【００４７】
本実施形態においても、レーザ光源２から発せられた後、コリメーターレンズ４によって平行光とされた光ビームＬはブロック41の一面から入射して、該ブロック41を透過し、それと金属薄膜43との界面41ｂに入射する。このときの光ビームＬの界面41ｂに対する入射角θは、該界面41bにおいて光ビームＬの全反射条件が得られ、かつ、表面プラズモン共鳴が生じ得る値とされる。
【００４８】
界面41ｂに入射した光ビームＬはそこで全反射し、全反射した光ビームＬはブロック41の他面出射する。ブロック41から出射した光ビームＬはスクリーン６でその断面の光強度分布が可視像化され、拡散板であるスクリーン６によって拡散される。スクリーン６上の像の撮像や、それに基づく試料45の二次元物性の測定等は、第１実施形態におけるものと同様である。
【００４９】
この構成においては、試料45中の特定物質とセンシング媒体44との結合状態に応じて、このセンシング媒体44の屈折率が変化する。そこで、界面から反射された光ビームＬの断面の光強度分布をＣＣＤエリアセンサー８によって撮像し、その画像を利用すれば、センシング媒体44の屈折率分布つまりは試料45中の特定物質とセンシング媒体44との結合状態の分布を求めることができる。
【００５０】
次に、図６を参照して本発明の第５の実施形態について説明する。この第５の実施形態の装置は先に説明した漏洩モードセンサーであり、本実施形態において測定ユニット20’は、誘電体プリズム21と、液体試料を保持する液だめ部を有する容器状部27とからなり、容器状部27の底面部27ａとプリズム21とは同一屈折率であり、両者は屈折率マッチング手段22を介して接合されている。容器状部27の底面部27ａの液だめ部側にはクラッド層51およびこのクラッド層51上に配された光導波層52が形成されており、この光導波層52上に液体試料55が充填される。すなわち、金属薄膜の代わりにクラッド層51および光導波層52を備えるものとしたという点で上述の第２の実施形態の構成と異なり、それ以外は同様に構成されている。
【００５１】
なお、本実施形態において誘電体プリズム21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51は、誘電体プリズム21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52は、クラッド層51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51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52の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００５２】
上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、レーザ光源２から発せられた光ビームＬを、誘電体プリズム21、屈折率マッチング手段22および容器状部27の底面部27ａを通して、該底面部27ａとクラッド層51との界面27ｂの所定の領域に対して全反射角以上の入射角θで入射させると、該光ビームＬが界面27ｂで全反射するが、クラッド層51を透過して光導波層52に特定入射角で入射した特定波数の光は、該光導波層52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52に取り込まれるので、上記界面27ｂ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。
【００５３】
光導波層52における導波光の波数は、該光導波層52の上の試料25の屈折率に依存する。そこでこの場合も、界面からの反射光の断面の光強度分布による像をＣＣＤエリアセンサー８によって撮像し、その画像を再生すれば、全反射減衰を利用して試料35中の屈折率分布を測定することが可能になる。
【００５４】
また、この場合も反射光の断面の光強度分布が反射光の光路中に配されているスクリーン６上で可視像化され一旦拡散されて、その後ＣＣＤエリアセンサー８上に結像されるため、レーザ光に起因するコヒーレントノイズを防止し、精度よい測定が可能となる。
【００５５】
なお、上述の各実施形態の測定装置は、光源からの光ビームを界面に対して、所定の屈折率で全反射減衰を生じる所定の角度で入射させ、該界面からの反射光を測定し暗線となる箇所に基づいて二次元的な屈折率分布、あるいは、被検体とセンシング媒体との結合状態の二次元的な分布を得るものであるが、光ビームの入射角度を界面で全反射条件を満たす所定の角度とし、種々の波長を有する光ビームを入射させる、もしくは入射させる光ビームの波長を変化させ、界面からの反射光を測定し、各波長毎の全反射減衰の状態により被検体とセンシング媒体との結合状態を得るようにしてもよい。
【００５６】
また、さらに別の全反射光を利用した測定装置を第６の実施形態として以下に説明する。
【００５７】
本実施形態の測定装置は、図７に示すように、第４の実施形態の測定装置の測定ユニットと同様の測定ユニット40を備え、該測定ユニットの誘電体ブロック部41の光ビーム入射面側および出射面側にそれぞれ、光源320とＣＣＤ360とが配設されており、これら光源320とＣＣＤ360との間には、コリメータレンズ350、干渉光学系、スクリーン６、集光レンズ355およびアパーチャー356が配設されている。
【００５８】
上記干渉光学系は、偏光フィルタ351、ハーフミラー352、ハーフミラー353およびミラー354により構成されている。
【００５９】
さらに、ＣＣＤ360は信号処理部361に接続されており、信号処理部361は表示部362に接続されている。
【００６０】
以下、本実施の形態の表面プラズモンセンサーにおける試料の測定について説明する。
【００６１】
光源320が駆動されて光ビーム330が発散光の状態で出射される。この光ビーム330はコリメータレンズ350により平行光化されて偏光フィルタ351に入射する。偏光フィルタ351を透過して界面41ｂに対してｐ偏光で入射するようにされた光ビーム330は、ハーフミラー352により一部がレファレンス光ビーム330Ｒとして分割され、ハーフミラー352を透過した残りの光ビーム330Ｓは界面41ｂに入射する。界面41ｂで全反射した光ビーム330およびミラー354で反射したレファレンス光ビーム330Ｒはハーフミラー353に入射して合成される。合成された光ビーム330´は拡散板６を通過して、集光レンズ355により集光され、アパーチャー356を通過してＣＣＤ360によって検出される。このとき、ＣＣＤ360で検出される光ビーム330´は、光ビーム330Ｓとレファレンス光ビーム330Ｒとの干渉の状態に応じて干渉縞を発生させる。
【００６２】
ここで、金属薄膜43の表面に固定されているセンシング媒体44は、試料45中の特定物質と結合するものである。このような特定物質とセンシング媒体44との組合せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。その場合は、試料45分注後から継続的に測定し、ＣＣＤ360により検出される干渉縞の変化を検出することにより、抗原抗体反応等の結合の有無を検出することができる。つまりこの場合は、上記特定物質とセンシング媒体44との結合状態に応じてセンシング媒体44の屈折率が変化すると、界面41ｂで全反射した光ビーム330Ｓおよびレファレンス光ビーム330Ｒがハーフミラー353により合成される際に、干渉の状態が変化するため、上記干渉縞の変化に応じて抗原抗体反応等の結合状態を検出することができる。なおこの場合は、試料45およびセンシング媒体44の双方が、分析対象の試料となる。本実施形態の場合、界面における光ビームの照射範囲の２次元的な情報がＣＣＤ360上に干渉縞として現れ、干渉させない場合よりも微妙な変化を検出することができる。
【００６３】
信号処理部361は、以上の原理に基づいて上記反応の有無を検出し、その結果が表示部362に表示される。
【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センサーの側面図
【図２】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射角と、光検出手段による検出光強度との概略関係を示すグラフ
【図３】本発明の第２の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図４】本発明の第３の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図５】本発明の第４の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【図６】本発明の第５の実施形態による漏洩モードセンサーの側面図
【図７】本発明の第６の実施形態による表面プラズモンセンサーの側面図
【符号の説明】
２    レーザ光源
４    コリメーターレンズ
６    スクリーン
７    結像レンズ
８    ＣＣＤエリアセンサー
10,20,30,40    測定ユニット
11,21,31    透明誘電体プリズム
13,23,33,43    金属薄膜
15,25,35,45,55    試料
Ｌ    光ビーム
【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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