(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
プリズムと、
このプリズムの一面に形成されて、試料に接触させられる金属膜と、
複数の発光部を有し、各発光部からそれぞれ光ビームを、互いに平行に進行する状態に発する半導体レーザーアレイと、
この半導体レーザーアレイから発せられた複数本の光ビームを前記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、各光ビームの中で種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、
前記界面で全反射した各光ビームの強度を、前記種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサーであって、
前記半導体レーザーアレイが、その複数の発光部から同時に光ビームを発するように駆動され、
前記光学系が、前記複数の発光部から発せられた光ビームを前記界面に対する入射面内のみで集光するシリンドリカルレンズと、前記光ビームの各々をそのビーム軸を含んで前記入射面と直交する面内のみで平行光化して該界面の互いに別の位置に導くシリンドリカルレンズとからなる入射側光学系、および、前記界面で全反射した前記光ビームを前記入射面内のみで平行光化するシリンドリカルレンズと、該光ビームの各々をそのビーム軸を含んで前記入射面と直交する面内のみで集光するシリンドリカルレンズとからなる出射側光学系を有して、前記界面で全反射した複数の光ビームを互いに別の位置に集光するように構成され、
前記光検出手段として、集光された前記複数の光ビームをそれぞれ別個に受光する、各光ビーム毎に専用の受光素子列が、光ビームの並び方向に複数並設されてなるものが用いられていることを特徴とする表面プラズモンセンサー。
【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物質を定量分析する表面プラズモンセンサーに関し、特に詳細には、一度に複数試料についての分析を行なえるようにした表面プラズモンセンサー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、プリズムと、このプリズム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、上記光ビームをプリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して種々の入射角が得られるように入射させる光学系と、上記の界面で全反射した光ビームの強度を種々の入射角毎に検出可能な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で集束するように入射させてもよい。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、プリズムと金属膜との界面で全反射した光の強度が鋭く低下する。
【０００７】
この現象が生じる入射角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。
【０００８】
【数１】
0003926409.tif 000002
【０００９】
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】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、以上説明したタイプの表面プラズモンセンサーを使用する場合、作業能率を高めるために、複数の試料についての分析を一度にまとめて行ないたいという要求がある。そのために、１つの光源から発生させた光ビームを複数本に分割し、それら複数本の光ビームをプリズムの金属膜形成面に同時入射させてマルチチャンネル化することが考えられる。
【００１１】
しかし、そのようにした場合は各チャンネルの光量を十分に確保できず、光検出信号のＳ／Ｎが低下し、分析精度が悪くなってしまうため、チャンネル数を余り多く設定できない場合がある。
【００１２】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、多数の試料についての分析を一度にまとめて行なうことができ、そして各チャンネルに対するビーム光量を十分に確保して、高い分析精度を得ることができる表面プラズモンセンサーを提供することを目的とするものである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明による表面プラズモンセンサーは、前述したようなプリズムと、金属膜と、光ビームを発生させる光源と、光学系と、光検出手段とを備えてなる表面プラズモンセンサーにおいて、光源として複数の発光部を備えた半導体レーザーアレイを用い、そこから発せられた複数本の光ビームを利用して複数チャンネルについての分析を同時に、あるいはほぼ同時に行なえるようにしたものである。
【００１４】
すなわち本発明による第１の表面プラズモンセンサーは、より具体的には、
プリズムと、
このプリズムの一面に形成されて、試料に接触させられる金属膜と、
複数の発光部を有し、各発光部からそれぞれ光ビームを発する半導体レーザーアレイと、
この半導体レーザーアレイから発せられた複数本の光ビームを上記プリズムに通し、該プリズムと金属膜との界面に対して、各光ビームの中で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各光ビームの強度を、上記種々の入射角毎に検出可能な光検出手段とを備えてなるものである。
【００１５】
そして、本発明による上記第１の表面プラズモンセンサーにおいて、さらに詳しくは、
半導体レーザーアレイが、その複数の発光部から同時に光ビームを発するように駆動され、
上記光学系が、前記複数の発光部から発せられた光ビームを前記界面に対する入射面内のみで集光するシリンドリカルレンズと、前記光ビームの各々をそのビーム軸を含んで前記入射面と直交する面内のみで平行光化して該界面の互いに別の位置に導くシリンドリカルレンズとからなる入射側光学系、および、前記界面で全反射した前記光ビームを前記入射面内のみで平行光化するシリンドリカルレンズと、該光ビームの各々をそのビーム軸を含んで前記入射面と直交する面内のみで集光するシリンドリカルレンズとからなる出射側光学系を有して、プリズムと金属膜との界面で全反射した複数の光ビームを互いに別の位置に集光するように構成され、
光検出手段として、集光された複数の光ビームをそれぞれ別個に受光する、各光ビーム毎に専用の受光素子列が、光ビームの並び方向に複数並設されてなるものが用いられる。
【００１７】
【発明の効果】
本発明の表面プラズモンセンサーにおいては、半導体レーザーアレイから発せられた複数本の光ビームを利用できるので、多数の試料についての分析を一度にまとめて同時に、あるいはほぼ同時に行なうことができる。
【００１８】
そして各チャンネルにおいて使用される光ビームは、本来１本の光ビームを複数本に分割したようなものではなく、半導体レーザーアレイの複数の発光部から各々発せられたものであるから、それぞれの光量を十分に確保して、高い分析精度を得ることができる。
【００１９】
なお、本発明による第１の表面プラズモンセンサーにおいては、半導体レーザーアレイから発せられる複数本の光ビームを並列的に使用して、複数チャンネルについての分析を同時に行なうことができる。
【００２０】
一方、本発明による第２の表面プラズモンセンサーにおいては、複数チャンネルについての分析を全く同時に行なうことはできないが、光検出手段として、複数の光ビームに対して共通の受光部を有する簡単な構成のものが用いられるから、この表面プラズモンセンサーは比較的低コストで作製可能となる。
【００２１】
【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および図２はそれぞれ、本発明の１つの実施形態である表面プラズモンセンサーの平面形状、側面形状を示すものである。
【００２２】
図示されるようにこの表面プラズモンセンサーは、半円柱形のプリズム10と、このプリズム10の一面（図２中の下面）に形成されて、試料11に接触させられる例えば金、銀等からなる金属膜12と、一例として５個の発光部（ストライプ）14ａを有してそれらから各々光ビーム13を発生させる半導体レーザーアレイ14と、上記光ビーム13をプリズム10に通し、該プリズム10と金属膜12との界面10ａに対して、１本の光ビーム13毎に種々の入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記界面10ａで全反射した光ビーム13の強度を検出する光検出手段16とを備えている。
【００２３】
光学系15は、半導体レーザーアレイ14の各発光部14ａから発散光状態で出射した光ビーム13をプリズム10の長軸に垂直な面内のみで集光する入射側シリンドリカルレンズ22、24と、この光ビーム13を平面視状態で平行光化する入射側シリンドリカルレンズ23と、全反射して上記面内で発散光状態となった光ビーム13を平行光化する出射側シリンドリカルレンズ25と、この光ビーム13を平面視状態で集光する出射側シリンドリカルレンズ26とから構成されている。なおシリンドリカルレンズ26による５本の光ビーム13の集光位置は、互いに異なるものとされている。
【００２４】
各光ビーム13は、入射側シリンドリカルレンズ22および24の作用により上述のように集光されて集束するので、図２に最小入射角θ１  と最大入射角θ２  とを例示するように、界面10ａに対して種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、各光ビーム13は界面10ａで全反射し、この反射した光ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれることになる。
【００２５】
一方光検出手段16としては、種々の反射角で反射した全部の光ビーム13を受光できる方向、つまり図２の矢印Ａ方向に多数の受光素子が並設されるとともに、このような受光素子列が図１の矢印Ｂ方向に５本並設されてなる、例えばＣＣＤエリアセンサ等が用いられている。この光検出手段16は、上記５本の受光素子列がそれぞれ、シリンドリカルレンズ26による５本の光ビーム13の集光位置と整合するように配置されている。
【００２６】
そこで、該光検出手段16の各受光素子列毎に出力される光検出信号Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 、Ｓ4 、Ｓ5 は、５本の光ビーム13の強度を個別に示すものとなる。また１組の光検出信号Ｓm （ｍ＝１、２、３、４、５）における各受光素子毎の光検出信号は、上記種々の反射角毎に（つまり、種々の入射角毎に）光ビーム13の強度を示すものとなる。
【００２７】
以下、上記構成の表面プラズモンセンサーによる試料分析について説明する。金属膜12は複数（一例として５個）設けられており、各金属膜12に対してそれぞれ別個の試料11を接触させておくことができる。複数の金属膜12は、全て同じものが用いられても、あるいは互いに別のものが用いられてもよい。
【００２８】
試料分析に際しては、入射側シリンドリカルレンズ22および24の作用で前述のように集束する５本の光ビーム13が、それぞれ金属膜12に向けて同時に照射される。この金属膜12とプリズム10との界面10ａで全反射した光ビーム13は、光検出手段16によって検出される。
【００２９】
前述の通り、光検出手段16の各受光素子列毎に出力される光検出信号Ｓm は、全反射した光ビーム13の強度Ｉを入射角θ毎に示すものとなる。そしてこの反射光強度Ｉと入射角θとの関係は、概ね図３に示すようなものとなる。
【００３０】
ここで、ある特定の入射角θSPで入射した光は、金属膜12と試料11との界面に表面プラズモンを励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭く低下する。光検出手段16の各受光素子毎に出力される光検出信号Ｓを用いれば上記入射角θSPが分かり、このθSPの値に基づいて試料11中の特定物質を定量分析することができる。その理由は、先に詳しく説明した通りである。
【００３１】
そして、５つの金属膜12に向けてそれぞれ光ビーム13が照射されるので、光検出手段16の各受光素子列毎に光検出信号Ｓ1 、Ｓ2 、Ｓ3 、Ｓ4 、Ｓ5 が出力され、各金属膜12に接触している５個の試料11の分析が同時になされ得る。このようにして、本装置によれば、複数の試料11についての分析を短い時間間隔で一度にまとめて行なえるようになる。
【００３２】
また、各チャンネルにおいて使用される光ビーム13は、本来１本の光ビームを複数本に分割したようなものではなく、半導体レーザーアレイ14の複数の発光部14ａから各々発せられたものであるから、それぞれの光量を十分に確保して、高い分析精度を得ることができる。
【００３３】
なお半導体レーザーアレイ14は、その複数の発光部14ａから時間間隔を置いて順次光ビーム13を発するように駆動されてもよい。その場合は、前記界面10ａで全反射した複数の光ビーム13を互いに共通の位置に集光するように光学系を形成すれば、光検出手段16として、集光された複数の光ビーム13に対して共通の受光部を有する比較的簡単な構成のものを用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態である表面プラズモンセンサーの平面図
【図２】上記表面プラズモンセンサーの側面図
【図３】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の出力との概略関係を示すグラフ
【符号の説明】
10    プリズム
10ａ    プリズムと金属膜との界面
11    試料
12    金属膜
13    光ビーム
14    半導体レーザーアレイ
14ａ    半導体レーザーアレイの発光部
15    光学系
16    光検出手段
22、23、24    入射側シリンドリカルレンズ
25、26  出射側シリンドリカルレンズ
【図１】
0003926409.tif 000003
【図２】
0003926409.tif 000004
【図３】
0003926409.tif 000005