(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
長軸を持つプリズムと、
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、
１本の光ビームを発生させる光源と、
前記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、前記長軸に略垂直な面内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において、
前記プリズムに入射する前の光ビームを、該プリズムへの入射位置が前記長軸に沿った方向に変化して、前記界面の相異なる箇所に順次入射するように偏向させる光偏向手段が設けられ、
前記光学系は、
前記１本の光ビームを前記光偏向手段において集束させる集光レンズと、
前記光偏向手段から発散光状態で出射した光ビームを、前記プリズムの長軸に略垂直な面内のみで集束させる入射側シリンドリカルレンズと、
前記界面で全反射して前記長軸に略垂直な面内で発散光状態となった光ビームを平行光化する出射側シリンドリカルレンズと、
この出射側シリンドリカルレンズから出射して平行光となった前記光ビームを、前記長軸に略垂直な面内では平行光の状態を保つ一方、この面に対して垂直な面内では前記光検出手段の受光面上で集束するように集光する集光レンズとを備えて、
前記界面で全反射した光ビームを、その偏向の角度によらず前記受光面上の一定の位置に集光するように構成さ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】
0004043538.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たり、複数の発光部を有する特殊な光源を用いる等により、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、光ビームの光量がチャンネル間でばらつくことがあり、そのために分析誤差が生じるおそれがある。また、特に１つの光源から発生させた光ビームを複数本に分割して利用する場合は、各チャンネルの光量を十分に確保するための制約から、チャンネル数を余り多くすることができないという問題もある。複数の発光部を有する光源を用いる場合は、このような問題は起きないが、その代わり、特殊な光源を用いることから装置コストが高くなるという問題がある。
【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、またチャンネル間の光量ばらつきを無くして高い分析精度を確保でき、そして比較的低コストで形成され得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】
本発明による第１の表面プラズモンセンサーは、請求項１に記載の通り、長軸を持つ前述したようなプリズムと、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、１本の光ビームを発生させる光源と、前記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、前記長軸に略垂直な面内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において、
プリズムに入射する前の光ビームを、該プリズムへの入射位置が前記長軸に沿った方向に変化して、前記界面の相異なる箇所に順次入射するように偏向させる光偏向手段が設けられた上で、
前記光学系として、
前記１本の光ビームを前記光偏向手段において集束させる集光レンズと、
前記光偏向手段から発散光状態で出射した光ビームを、前記プリズムの長軸に略垂直な面内のみで集束させる入射側シリンドリカルレンズと、
前記界面で全反射して前記長軸に略垂直な面内で発散光状態となった光ビームを平行光化する出射側シリンドリカルレンズと、
この出射側シリンドリカルレンズから出射して平行光となった前記光ビームを、前記長軸に略垂直な面内では平行光の状態を保つ一方、この面に対して垂直な面内では前記光検出手段の受光面上で集束するように集光する集光レンズとを備えて、
前記界面で全反射した光ビームを、その偏向の角度によらず前記受光面上の一定の位置に集光するように構成されたものが適用されたことを特徴とするものである。
【００１５】
【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、光偏向手段によって偏向された光ビームが、プリズムと金属膜との界面の相異なる箇所に順次入射するようになるので、各箇所に対応する金属膜にそれぞれ試料を接触させておけば、それらの試料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。
【００１６】
また本発明の表面プラズモンセンサーは、複数チャンネルについての分析を、共通の１本の光ビームを利用して行なうように構成されているから、光ビームの光量がチャンネル間でばらつくことがなく、高い分析精度を確保できるものとなる。
【００１７】
そして、このように複数チャンネルに対して共通の１本の光ビームを用いるのであれば、複数チャンネル用に１本の光ビームを分割して用いる場合のように光ビームの光量が低下することもないから、チャンネル数をかなり多くすることも可能である。
【００１８】
さらに本発明の表面プラズモンセンサーは、１本の光ビームを発生する一般的な光源を用いるものであるから、複数の発光部を有する特殊な光源を用いる場合と比べれば、比較的低コストで形成可能である。
【００１９】
また、本発明の第２の表面プラズモンセンサーにおいては、光学系が、プリズムと金属膜との界面で全反射した光ビームを、その偏向の角度によらず一定の位置に集光するように構成されているから、光検出手段が１つで済み、特に低コストで形成可能となる。
【００２０】
【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。
【００２１】
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、１本の光ビーム13を発生させる半導体レーザー等からなる光源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、種々の入射角が得られるように入射させる光学系15と、上記の界面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、光ビーム13を図１の矢印Ａ方向に偏向させるガルバノミラー17とを備えている。
【００２２】
光学系15は、光ビーム13を整形するビーム整形光学系20と、平行光化された光ビーム13をガルバノミラー17の鏡面上で集束させる集光レンズ21と、ガルバノミラー17の鏡面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束させる入射側シリンドリカルレンズ22、23、24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、光検出手段16の受光面上に光ビーム13を集光する集光レンズ26とから構成されている。
【００２３】
光ビーム13は、入射側シリンドリカルレンズ22、23および24の作用により上述のように集束するので、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、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。
【００２４】
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を受光できる方向に受光部が延びる、例えばＣＣＤラインセンサ等が用いられている。そこで、この光検出手段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。
【００２５】
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。
【００２６】
試料分析に際しては、入射側シリンドリカルレンズ22、23および24の作用で上述のように集束する光ビーム13が、金属膜12に向けて照射される。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。
【００２７】
前述の通り、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。
【００２８】
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。
【００２９】
以上説明した定量分析操作は、まず図１中の最下位の金属膜12に光ビーム13を照射してなされる。つまり、この最下位の金属膜12に接触している試料11の分析がなされる。そしてガルバノミラー17は段階的あるいは連続的に駆動され、それにより光ビーム13は図１の矢印Ａ方向に偏向する。そこで、他の４個の金属膜12が形成されている箇所にも順次光ビーム13が照射され、それらの金属膜12に接触している他の試料11についても同様の分析がなされ得る。
【００３０】
このようにして、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。またこの表面プラズモンセンサーは、複数チャンネルについての分析を、共通の１本の光ビーム13を利用して行なうものであるから、光ビームの光量がチャンネル間でばらつくことがなく、高い分析精度を確保できるものとなる。
【００３１】
そして、このように複数チャンネルに対して共通の１本の光ビーム13を用いているので、１本の光ビームを分割して用いる場合のように光ビームの光量が低下することがなく、チャンネル数をかなり多くすることも可能である。
【００３２】
さらにこの表面プラズモンセンサーは、１本の光ビーム13を発生する一般的な光源14を用いるものであるから、複数の発光部を有する特殊な光源を用いる場合と比べれば、比較的低コストで形成可能である。
【００３３】
またこの表面プラズモンセンサーにおいては、光学系15が入射側シリンドリカルレンズ22、23、24と出射側シリンドリカルレンズ25、および集光レンズ26を備えて、界面10ａで全反射した光ビーム13を、その偏向の角度によらず一定の位置に集光するように構成されている。そこで、この表面プラズモンセンサーはマルチチャンネルタイプでありながら１つの光検出手段16を用いるだけで済み、特に低コストで形成可能となる。
【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    光源
15    光学系
16    光検出手段
17    ガルバノミラー
21    集光レンズ
22、23、24    入射側シリンドリカルレンズ
25    出射側シリンドリカルレンズ
26    集光レンズ
【図１】
0004043538.tif 000003
【図２】
0004043538.tif 000004
【図３】
0004043538.tif 000005