(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透光性を有する誘電体基板と、
前記誘電体基板上に形成され、検出対象を含む液体または気体を接触させた金からなる金属膜であって、その表面に所定の分子を吸着する吸着層が形成されている金属膜と、
前記金属膜において前記液体または前記気体が接触している面とは反対側の前記金属膜の面に光ビームを照射する光源とを有する、前記液体または前記気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーにおいて、
前記誘電体基板が、前記表面プラズモンセンサーから着脱可能であり、
前記光ビームの波長が、１０５４ｎｍ〜１５５０ｎｍであるとともに、
前記金属膜の膜厚が、前記検出対象を含まない前記液体または前記気体を接触させた該金属膜に対する前記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄより薄く、さらに、前記金属膜の膜厚と前記膜厚ｄとの差が、１０ｎｍ〜１５ｎｍであることを特徴とする表面プラズモンセンサー。
【請求項２】
前記検出対象を含む前記液体または前記気体の消衰係数が０から所定値の範囲で前記光ビームの反射率が減少し、当該所定値以降で前記反射率が増加することにより、光を吸収する検出対象の屈折率を検出することを特徴とする請求項１に記載の表面プラズモンセンサー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面プラズモン共鳴を利用して、検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、表面プラズモン共鳴を利用した表面プラズモンセンサーが多く開発されている。表面プラズモンセンサーは、検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出するためのものであり、溶液の濃度測定、蛋白質・高分子の検出等に広範に用いられている。また、表面プラズモンセンサーは、検出対象を含む液体または気体の屈折率の時間変化を追うことにより、金属膜の該検出対象を吸着する吸着層への該検出対象の吸着過程や反応の時間変化等も検出することができる。
【０００３】
ここで、溶液の濃度を測定するための表面プラズモンセンサーを例として、表面プラズモンセンサーの具体的な構成について説明する。表面プラズモンセンサーは、誘電体基板上に金属膜が形成されており、該金属膜の該誘電体基板が形成されている側とは反対側の面に、検出対象、例えば所定の分子が吸着可能な吸着層が形成されており、該吸着層に対し上記分子を含む溶液を接触させることにより、該分子を該吸着層に吸着させる。そして、上記表面プラズモンセンサーは、光源から出射された光ビームを上記金属膜の上記吸着層が形成されている面とは反対側の面に照射することにより、上記溶液の屈折率を検出する。さらに、上記表面プラズモンセンサーは、上記溶液の屈折率の検出と同様に、上記分子を含まない溶媒の屈折率も検出し、上記溶媒の屈折率と上記溶液の屈折率との屈折率変化から、上記溶液の濃度を求める。
【０００４】
上記表面プラズモンセンサーでは、上記屈折率を検出するために、表面プラズモン共鳴を利用している。表面プラズモン共鳴とは、誘電体基板上の金属膜に適切な偏光方向および入射角で光ビームを入射させた場合、該光ビームの該金属膜に平行な方向の波数と、表面プラズモンの波数とが一致すると、共鳴を起こす現象のことである。なお、表面プラズモンとは、金属表面の自由電子が、金属表面に平行な方向に振動する粗密波である。
【０００５】
すなわち、上記表面プラズモンセンサーでは、上記光ビームを上記金属膜に照射したとき、該光ビームが適切な入射角および偏光方向で該金属膜に入射されると、該光ビームは該金属膜上において表面プラズモンに変換される。そのため、上記光ビームの上記金属膜に対する反射率は、表面プラズモンに変換された分だけエネルギーが利用されるために小さくなる。
【０００６】
上記光ビームを適切な入射角および偏光方向で上記金属膜に入射した場合の入射角と反射率との関係を、横軸を入射角、縦軸を反射率としたグラフとして表現すると、反射率がある入射角で低下していることが分かる。この反射率が低下した部分を、ｄｉｐという。以下の説明においては、上記ｄｉｐにおける反射率の最小値を反射率Ｒｍｉｎとし、このときの入射角を入射角θｍｉｎとする。
【０００７】
すなわち、上記適切な入射角とは、上記光ビームのほとんどが上記金属膜上で表面プラズモンに変換される入射角θｍｉｎである。また、上記適切な偏光方向とは、上記誘電体基板と上記金属膜との間に形成された界面の法線と上記光ビームの光軸とを含む面を入射面とし、該入射面に対して平行な偏光方向（ｐ偏光）である。なお、上記光ビームの偏光方向が、上記入射面に対して垂直な偏光方向（ｓ偏光）では、上記表面プラズモン共鳴は起こらない。
【０００８】
上記表面プラズモンセンサーは、表面プラズモン共鳴を利用して入射角θｍｉｎを求めることにより、予め計算された入射角θｍｉｎと上記溶液の屈折率との関係から、該溶液の屈折率を算出することができる。
【０００９】
また、非特許文献１には、上記金属膜の膜厚および上記入射角θｍｉｎは、上記金属膜上に接触する媒質の屈折率に依存していると記載されている。したがって、上記入射角と上記反射率との関係は、上記金属膜上に接触する溶媒または溶液の屈折率に応じて異なる。そのため、上記表面プラズモンセンサーは、上記分子を含まない溶媒を上記金属膜に接触させた場合と、上記分子を含む溶液を上記金属膜に接触させた場合とにおける屈折率変化を検出することができる。
【００１０】
そして、上記表面プラズモンセンサーは、上記屈折率変化を用いて、予め計算された屈折率と上記溶液の濃度との関係から、該溶液の濃度を算出することができる。
【００１１】
表面プラズモンセンサーの金属膜の膜厚は、一般に、検出対象を含む液体または気体の正確な屈折率を検出するために、検出対象を含まない液体または気体を金属膜に接触させた場合における、光ビームの該金属膜に対する反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなるように選択される。以下の説明においては、反射率Ｒｍｉｎが最も小さくなる金属膜の膜厚を膜厚ｄと呼ぶ。
【００１２】
しかしながら、従来の表面プラズモンセンサーは、吸収がある検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出する場合には、金属膜の膜厚を膜厚ｄとしたとしても、検出対象の光吸収特性の変化に伴い入射角θｍｉｎの値が変化してしまう。その結果、従来の表面プラズモンセンサーでは、検出対象を含む液体または気体の正しい屈折率を算出することができないという問題があった。
【００１３】
吸収がある検出対象を含む液体または気体の正確な屈折率を検出するためには、所定の濃度の検出対象を含む液体または気体について、消衰係数に対する入射角θｍｉｎと屈折率との関係を予め算出または測定しておく必要がある。
【００１４】
しかしながら、入射角θｍｉｎと屈折率との関係はほぼ線形であるが、消衰係数と入射角θｍｉｎとの関係は線形ではないため、消衰係数の細かい変化に対する入射角θｍｉｎを予め算出または測定する必要がある。そのため、入射角θｍｉｎから、検出対象を含む液体または気体の屈折率、消衰係数および濃度を算出するための計算が非常に複雑となってしまう。
【００１５】
そこで、上記問題の解決手段として、特許文献１では、以下の２つの方法が提案されている。第１の方法は、光源の波長を検出対象の吸収最大波長とし、光吸収変化が原因で起こる屈折率変化を測定する方法である。第２の方法は、入射角θｍｉｎから屈折率を、反射率の変化から消衰係数を求める方法である。
【特許文献１】特開２００１−２４２０７２号公報（公開日：２００１年９月７日）
【非特許文献１】Surface Plasmons on smooth and rough surfaces and on gratings, Heinz Raether, Springer-Verlag, 1988 p.118〜p.123
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、特許文献１に記載された第１の方法および第２の方法には、それぞれ以下のような問題点がある。
【００１７】
まず、第１の方法は、光源の波長を検出対象の吸収最大波長としているが、光源の波長が検出対象の吸収最大波長近傍のときのみ有効であり、光源の波長が検出対象の吸収最大波長と大きく異なる場合には適用することはできない。したがって、上記第１の方法では、光源の波長を常に検出対象の吸収最大波長に合わせる必要がある。しかしながら、光源の波長には制限があり、かつ、自由に波長を設定することはできないために、上記第１の方法は実用的でないという問題があった。
【００１８】
また、第２の方法では、入射角θｍｉｎから屈折率、反射強度から消衰係数を求めているが、入射角θｍｉｎは消衰係数にも依存するため、正確な屈折率を検出することができない。また、消衰係数の増加に伴い、反射率Ｒｍｉｎも増加するために、ｄｉｐが判別しにくくなり、入射角θｍｉｎを検出するときのＳ／Ｎが悪化してしまう。このように、上記第２の方法では、吸収のある検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出する場合には、光吸収の影響を受けるために正確な屈折率を検出することができず、検出精度が悪くなってしまう。
【００１９】
さらに、上記第２の方法では、消衰係数を算出するためには反射強度を正確に求める必要があり、ｐ偏光とｓ偏光の両方で測定するとともに、上記各偏光方向に対する透過率等を各入射角に対して補正しなければならず、作業が非常に煩雑となってしまう。
【００２０】
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、簡易な構成で、吸収がある検出対象の屈折率を、光吸収の影響を受けずに測定できる表面プラズモンセンサーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明の表面プラズモンセンサーは、上記課題を解決するために、透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体または気体を接触させた金属膜に対し、光源から出射された光ビームを該金属膜の該液体または該気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該液体または該気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーであって、上記金属膜の膜厚は、上記検出対象を含まない上記液体または上記気体を接触させた該金属膜に対する上記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄより薄いことを特徴としている。
【００２２】
従来の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄとしていた。上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄとした場合は、消衰係数が０のときに上記光ビームの上記金属膜に対する反射率の最小値Ｒｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎにおける上記光ビームの上記金属膜に対する入射角θｍｉｎとが最小値となる。すなわち、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０のとき最小値となり、消衰係数の増加に伴い単調増加していく。そのため、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎの変化を所定の範囲内に抑えるためには、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。
【００２３】
そこで、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄよりも薄くすることにより、所定の消衰係数の値で上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎを最小とすることができる。すなわち、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０から所定値までで一度減少し、所定値以降で増加していく。
【００２４】
そのため、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄとする場合と比較して、所定の範囲内の消衰係数において、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎの変化を半分程度にすることができる。そのため、吸収がある検出対象を用いた場合でも、上記入射角θｍｉｎは消衰係数にほとんど依存しない。したがって、従来の装置の金属膜厚を薄くするだけという簡易な構成で、光吸収の影響を受けずに吸収がある検出対象の屈折率を正確に検出することができる。
【００２５】
さらに、本発明の表面プラズモンセンサーは、消衰係数の増加に伴う反射率Ｒｍｉｎの変動も抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。また、入射角θｍｉｎと屈折率との関係および屈折率と濃度との関係は線形であるため、非常に単純な計算により、入射角から上記液体または上記気体の屈折率だけでなく、濃度を求めることができる。
【００２６】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜は、金からなることが好ましい。
【００２７】
上記検出対象を含む液体または気体は、上記金属膜に直接接触する。そのため、上記金属膜は上記液体または上記気体によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。そのため、本発明の表面プラズモンセンサーの金属膜として金を用いることにより、上記検出対象を含む上記液体または上記気体によって化学反応を起こさず、該液体または該気体の屈折率を高い分解能で検出するとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。
【００２８】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記光源の波長は、約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍであってもよい。
【００２９】
金属膜上に表面プラズモンを励起させるためには、光源から出射される光ビームの波長が重要である。上述したように、上記金属膜は金から構成されていることがもっとも望ましいが、金から構成された該金属膜上に表面プラズモンを励起するためには、約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビームを該金属膜に照射することが望ましい。上記光源から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビームを金から構成された上記金属膜に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で上記検出対象を含んだ上記液体または上記気体の屈折率を検出することができる。
【００３０】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚と上記膜厚ｄとの差が、約２０ｎｍ以下であってもよい。
【００３１】
上記金属膜の膜厚が上記膜厚ｄである場合、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎの変化を所定の範囲内に抑えるためには、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。
【００３２】
また、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄよりも大きく異なる値にした場合には、該金属膜の膜厚を該膜厚ｄにした場合と同様に、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。
【００３３】
そこで、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚と上記膜厚ｄとの差を約２０ｎｍ以下にすることにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を、膜厚ｄの場合よりも抑えることができる。また、反射率Ｒｍｉｎの変動も、膜厚ｄの場合よりも抑えることができるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。
【００３４】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚と上記膜厚ｄとの差が、約１０ｎｍ〜約１５ｎｍであってもよい。
【００３５】
上記構成により、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を十分に小さく、例えばｄｉｐの１／１０程度にまで抑えること可能である。そのため、上記検出対象を含んだ上記液体または上記気体の正確な屈折率が検出可能な、検出対象の消衰係数の範囲を最大限にすることができる。また、この消衰係数の範囲における反射率Ｒｍｉｎの変動も、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄとした場合と比較して、半分以下に抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。
【００３６】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記誘電体基板は、上記表面プラズモンセンサーから着脱可能な構成であってもよい。
【００３７】
金属膜を形成した誘電体基板が、表面プラズモンセンサーから着脱可能であることにより、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の検出対象の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属膜が形成された誘電体基板と取り替えることにより、上記表面プラズモンセンサーの感度や測定範囲等を変えることができる。
【００３８】
また、本発明の表面プラズモンセンサーでは、金属膜表面に、特定の分子を吸着する吸着層を備えていてもよい。
【００３９】
上記検出対象を含む液体または気体には、上記検出対象以外の物質が混入している可能性がある。その場合、表面プラズモンセンサーによって上記液体または上記気体の屈折率を検出すると、上記検出対象および上記物質が含まれた濃度が検出されてしまう。
【００４０】
そこで、本発明の上記構成にすることにより、検出対象である、所定の分子のみを吸着することができ、該分子のみの濃度を知ることが可能となる。
【発明の効果】
【００４１】
本発明の表面プラズモンセンサーは、以上のように、誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体または気体を接触させた金属膜に対し、光源から出射された光ビームを該金属膜の該液体または該気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該液体または該気体の屈折率を検出する表面プラズモンセンサーであって、上記金属膜の膜厚は、上記検出対象を含まない上記液体または上記気体を接触させた該金属膜に対する上記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄより薄いことを特徴としている。
【００４２】
そこで、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄよりも薄くすることにより、所定の消衰係数の値で上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎを最小とすることができる。すなわち、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０から所定値までで一度減少し、所定値以降で増加していく。
【００４３】
そのため、本発明の表面プラズモンセンサーでは、上記金属膜の膜厚を上記膜厚ｄとする場合と比較して、所定の範囲内の消衰係数において、上記入射角θｍｉｎおよび上記反射率Ｒｍｉｎの変化を半分程度にすることができる。そのため、吸収がある検出対象を用いた場合でも、上記入射角θｍｉｎは消衰係数にほとんど依存しない。したがって、従来の装置の金属膜厚を薄くするだけという簡易な構成で、光吸収の影響を受けずに吸収がある検出対象の屈折率を正確に検出することができる。
【００４４】
さらに、本発明の表面プラズモンセンサーは、消衰係数の増加に伴う反射率の変動も抑えられるため、入射角検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。また、入射角と屈折率との関係および屈折率と濃度との関係は線形であるため、非常に単純な計算により、入射角から上記液体または上記気体の屈折率だけでなく、濃度を求めることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４５】
本発明の一実施形態について図１〜図１６に基づいて説明すると以下の通りである。
【００４６】
本発明の表面プラズモンセンサーは、透光性を有する誘電体基板上に形成されており、かつ、検出対象を含む液体または気体を接触させた金属膜に対し、光源から出射された光ビームを該金属膜の該液体または該気体が接触している面とは反対側の面に照射することにより、該液体または該気体の屈折率を検出するものである。
【００４７】
本発明では、上記金属膜の膜厚が、上記検出対象を含まない上記液体または上記気体を接触させた該金属膜における上記光ビームの反射率の最小値が最小となる膜厚ｄより薄いことを特徴としている。
【００４８】
〔表面プラズモンセンサーの全体構成〕
まず、本発明に係る表面プラズモンセンサーの一実施形態の全体構成について図１〜図３を参照して説明する。図１は、本発明に係る表面プラズモンセンサーの一実施形態の全体構成の概略を示す図である。
【００４９】
表面プラズモンセンサー１は、図１に示すように、光源２と、コリメートレンズ３と、集光レンズ４と、プリズム（誘電体基板）５と、金属膜６と、第１レンズ７と、第２レンズ８と、光検出器９と、光源駆動回路１０と、算出回路１１と、モニター１２とを備えている。
【００５０】
本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、試料（検出対象を含む液体または気体）１４の屈折率を検出するものであり、試料１４の濃度測定、蛋白質や高分子等の検出等に好適に用いられる。なお、試料１４としては、検出対象を含む液体または気体が挙げられる。
【００５１】
光源２は、光ビーム１３を出射するものであり、半導体レーザや発光ダイオード等が好適に用いられる。光源２から出射された光ビーム１３は、金属膜６に照射されることにより、金属膜６表面において表面プラズモンを励起する。ここで、光ビーム１３が複数の波長を含んでいる場合、各波長における表面プラズモンの励起条件が異なる。そのため、光ビーム１３が金属膜６によって反射された反射光の入射角依存性が異なり、分析が複雑になってしまう。したがって、光源２の波長領域は、できるだけ狭いことが望ましい。
【００５２】
また、光源２から出射された光ビーム１３の偏光方向は、プリズム５と金属膜６との間に形成された界面の法線と、光ビーム１３の光軸を含む面とを入射面としたとき、該入射面に対して平行な偏光方向、すなわちｐ偏光が望ましい。光ビーム１３は、偏光方向をｐ偏光とすることにより、金属膜６表面において表面プラズモンを励起することができる。なお、光ビーム１３の偏光方向が上記入射面に対して垂直な偏光方向、すなわちｓ偏光の場合は、光ビーム１３は金属膜６表面において表面プラズモンを励起することができない。
【００５３】
コリメートレンズ３は、光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換するものである。コリメートレンズ３の焦点距離は、短ければ短いほど、光源２から出射された光ビーム１３の利用効率が上がる。
【００５４】
集光レンズ４は、光源２から出射された光ビーム１３を、金属膜６上に集光するものである。コリメートレンズ３によって光源２から出射された光ビーム１３を平行光に変換しておくことにより、集光レンズ４は効率よく光ビーム１３を金属膜６上に集光することができる。また、集光レンズ４は、位置を調整することにより、様々な入射角で光ビーム１３を金属膜６へ入射することができる。
【００５５】
集光レンズ４としては、全方位を集光する平凸レンズ等のレンズを用いてもよいし、一方向のみ集光するシリンドリカルレンズ等のレンズを用いてもよい。集光レンズ４として全方位を集光するレンズを用いた場合は、金属膜６への入射角が複雑となるが、照射面積を小さくすることができる。そのため、全方位を集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の局所的な情報を得ることが可能となる。
【００５６】
また、集光レンズ４として一方向のみ集光するレンズを用いた場合は、集光しない方向は元のビームサイズのままであるため、金属膜６への入射角は集光した方向にのみ依存する。そのため、一方向のみを集光するレンズを用いた表面プラズモンセンサー１は、試料１４の解析が容易となるとともに、光ビーム１３の照射面積を大きくできるため、試料１４の全体的な情報を得ることができる。
【００５７】
金属膜６への入射角の角度範囲は、集光レンズ４の開口数で決まるが、金属膜６に試料１４が接触している場合は、金属膜６上において表面プラズモンが励起されるように決定する必要がある。さらに、金属膜６への入射角の範囲を、全ての光ビーム１３が全反射するような範囲にすることも好ましい。なお、コリメートレンズ３および集光レンズ４は、それぞれ一度平行光にしてから集光する構成にしているが、有限系のレンズ１つで代用してもよい。
【００５８】
プリズム５は、透光性を有する誘電体基板であり、光源２から出射された光ビーム１３を通過させることにより、任意の入射角で光ビーム１３を金属膜６に照射し、金属膜６表面に表面プラズモンを励起するものである。プリズム５を構成する材料としては、光源２の波長を透過でき、金属膜６上に表面プラズモンを励起できる材料であれば特に限定されないが、ガラスや樹脂等が好適に用いられる。
【００５９】
金属膜６表面に表面プラズモンを効率よく励起するためには、光ビーム１３を入射角が約４５度で金属膜６に照射することが望ましい。しかしながら、光ビーム１３をプリズム５ではなく平行基板を介して、約４５度の入射角で金属膜６に入射させることは困難である。そのため、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、プリズム５を用いることにより、金属膜６に入射角約４５度で光ビーム１３を照射している。
【００６０】
プリズム５としては、図１においては三角プリズムが用いられているが、台形、楔形、半円柱型、半球型プリズム等も好適に用いられる。例えば、プリズム５として半円柱型や半球型プリズムを用いた場合は、半円柱および半球の中心に向かって光ビーム１３を入射すると、プリズムの入射面への入射角がほぼ直角であるために、該入射面における反射率が小さくなり、光の利用効率が高くなる。
【００６１】
さらに、プリズム５として半円柱型プリズムを用いた場合には、半円柱の中心に向かって光ビーム１３を入射すると、プリズムの入射面への入射角と、金属膜６への入射角とが等しいため、入射角を換算する必要もない。
【００６２】
また、プリズム５として三角プリズムを用いた場合は、入射面での屈折により、プリズムへの入射角と金属膜６への入射角とが異なるが、半円柱型プリズムに比べ安価であるために、一般的に利用されている。プリズム５は、上述した構成に限られず、金属膜６に適切な角度で入射できればよいため、他の形状でもよいし、導波路でもよい。
【００６３】
金属膜６は、光源２から照射された光ビーム１３により、表面プラズモンを発生させるものである。金属膜６は、プリズム５の所定の一面上に直接形成されていてもよいし、プリズム５と同程度の屈折率を有した誘電体基板上に形成し、上記誘電体基板の金属膜６が形成されている側とは反対側の面をプリズム５の所定の一面上にインデックスマッチング剤を挟んでのせてもよい。上記インデックスマッチング剤としては、市販されている液体やジェル等を用いてもよいし、ＵＶ硬化樹脂を用いてもよい。ただし、金属膜６が形成された上記誘電体基板が傾くと、入射角の誤差が生じるため、該誘電体基板をプリズム５上に安定して固定可能なインデックスマッチング剤を用いる必要がある。また、上記誘電体基板またはプリズム５との密着性の向上や、金属膜６の面精度を上げるために、上記誘電体基板またはプリズム５と金属膜６との間に下地層を設けてもよい。
【００６４】
また、金属膜６が形成された上記誘電体基板をプリズム５に対して着脱可能にしておくことにより、検出対象に応じて金属膜を誘電体基板ごと取り替えることが可能となる。これにより、１つの装置を用いて、多種の試料１４の検出を行うことが可能となる。すなわち、他の材料から構成されており、かつ、他の膜厚を有する金属膜６が形成された誘電体基板と取り替えることにより、表面プラズモンセンサー１の感度や測定範囲等を変えることができる。
【００６５】
なお、プリズム５の所定の一面上とは、プリズム５が図１に示す三角プリズムの場合は三角形の底辺を含む面であり、プリズム５が半円柱型または半球型プリズムの場合は半円柱または半球型の中心を含む面であり、プリズム５によって光ビーム１３を入射角約４５度で金属膜６に入射可能な面である。
【００６６】
また、金属膜６表面にさらに特定の分子を吸着できる吸着層を設け、試料１４中の特定の分子を検出する構成としてもよい。試料１４には、検出対象以外の物質が混入している可能性がある。その場合、表面プラズモンセンサー１によって試料１４の屈折率を検出すると、上記検出対象および上記物質が含まれた濃度が検出されてしまう。そこで、金属膜６に上記吸着層を設けることにより、検出対象のみを吸着することができ、該検出対象のみの濃度を知ることが可能となる。
【００６７】
金属膜６を構成する材料としては、表面プラズモンを励起可能な金属または合金であればよく、例えば、銀、銅、アルミニウム、白金、金等が好適に用いられる。金属膜６は、試料１４に直接接触するために、試料１４によって化学反応を起こさない安定した金属から構成されていることが望ましい。
【００６８】
上述した金属のうち、金は、非常に安定した金属であり、錆びないために耐久性が高く、さらに、表面プラズモンを効率よく励起する。そのため、表面プラズモンセンサー１の金属膜として、金は最も好適に用いられる。金属膜６として金を用いることにより、試料１４によって化学反応を起こさず、高い分解能で屈折率を検出することができるとともに、金属膜の酸化による経時劣化を防ぐことができる。金属膜６が金から構成されている場合、金属膜６上に表面プラズモンを励起するためには、約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金属膜６に照射することが望ましい。光源２から約６００ｎｍ〜約１５５０ｎｍの波長の光ビーム１３を金から構成された金属膜６に照射することにより、表面プラズモンの励起効率が高まり、高い分解能で試料１４の屈折率を検出することができる。
【００６９】
また、金属膜６の膜厚は、非特許文献１に示すように、主に４つの要素、すなわちプリズム５、金属膜６および試料１４の屈折率と光源２の波長とにより、試料１４の屈折率を検出するために好適な膜厚に決定される。上述したように、従来では、金属膜６の膜厚は、検出対象を含まない状態の試料１４を接触させた金属膜６における光ビーム１３の反射率の最小値が最小となる膜厚ｄに設定されており、通常、数１０ｎｍ程度である。ただし、本発明においては、この膜厚ｄより薄い膜厚を用いることが特徴であり、この詳細については後述する。
【００７０】
第１レンズ７および第２レンズ８は、プリズム５と金属膜６との間に形成された界面において反射した光ビーム１３を、光検出器９へ集光させて入射させるためのものである。第１レンズ７および第２レンズ８は、上記界面からの反射光を一度平行光にしてから光検出器９に集光する構成であるが、本発明はこれに限られず、１つの有限系のレンズを用いてもかまわない。
【００７１】
光検出器９は、プリズム５と金属膜６との間に形成された界面において光ビーム１３が反射した反射光強度を検出するものである。光検出器９としては、ＣＣＤ若しくはＣＭＯＳ、またはアレイ状検出器を用いることにより、反射光を一度に取り込むことが好ましい。特に、光検出器９としてＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いれば、光ビーム１３のどの光線を測定に用いるかを選択することができる。
【００７２】
光源駆動回路１０は、光源２を駆動するものであり、図示しない電源から電圧の供給を受けて光源２に電流を流すことにより、光源２を駆動する。なお、光源２の破壊を防ぐために、光源駆動回路１０には光源２に流す電流値に上限値を設けておくことが好ましい。
【００７３】
算出回路１１は、光検出器９の検出結果から試料１４の屈折率を算出するものである。具体的には、算出回路１１は、光検出器９で検出された光ビーム１３の反射光強度から、光ビーム１３の金属膜６への入射角θｍｉｎを算出する。そして、算出回路１１は、予め入力された入射角θｍｉｎと屈折率との関係から、算出された上記入射角θｍｉｎに対応する屈折率を算出する。ここで、試料１４が１種類であると想定される場合には、算出回路１１は、さらに予め入力された屈折率と濃度との関係から、算出された上記屈折率に対応する濃度を算出することもできる。
【００７４】
入射角θｍｉｎと屈折率との関係および屈折率と濃度との関係は、一般に、線形近似することができる。そのため、非常に単純な計算により、入射角θｍｉｎから試料１４の屈折率だけでなく、濃度を求めることができる。また、算出回路１１は、表面プラズモンセンサー１による検出結果を記憶する記憶部を備えていてもよい。算出回路１１としては、ＬＳＩやＩＣなどの半導体チップや、これらを複合化したコンピュータ等が好適に用いられる。
【００７５】
モニター１２は、算出回路１１に記憶された測定結果や、該測定結果から算出した真の反射率や、反射率から判断した試料１４の屈折率や濃度等の種々の結果を表示するものである。モニター１２としては、例えば、ＣＲＴや液晶ディスプレイ等が好適に用いられる。
【００７６】
次に、本実施形態の表面プラズモンセンサー１を用いて、試料１４の屈折率を検出する方法について図２および図３を参照して説明する。図２は、表面プラズモンセンサー１の金属膜６に対する試料１４の接触方法の一実施例を示す図である。図３は、表面プラズモンセンサー１の金属膜６に対する試料１４の接触方法の他の一実施例を示す図である。なお、試料１４は、表面プラズモンセンサー１によって屈折率を検出する対象であり、所定の分子を含んだ液体または気体である。
【００７７】
まず、本実施形態の表面プラズモンセンサー１は、試料１４の屈折率の検出を行うために、試料１４を金属膜６表面に接触させる。例えば、試料１４として液体を用いた場合には、図２に示すように、金属膜６のプリズム５が設けられている側とは反対側の面に液滴として接触させる。また、例えば、試料１４として液体または気体を用いた場合には、図３に示すように、金属膜６表面に設けられたフローセル１５に液体または気体を流して接触させる。試料１４を金属膜６表面に接触させる方法としては、上述した方法に限られず、試料１４が金属膜６表面に接触可能な構成であればかまわない。
【００７８】
そして、試料１４を金属膜６表面に接触させた後、光源２から光ビーム１３が出射される。そして、光ビーム１３は、コリメートレンズ３によって平行光に変換され、集光レンズ４によって様々な入射角で、プリズム５を介してプリズム５と金属膜６との間に形成された界面に対して金属膜６にｐ偏光で照射される。そして、光ビーム１３は、金属膜６で反射され、その反射光は第１レンズ７および第２レンズ８を介して光検出器９へ集光される。そして、光検出器９へ集光された反射光の反射光強度の入射角依存性の測定を行い、モニター１２に表示する。
【００７９】
さらに算出回路１１は、光検出器９で検出された光ビーム１３の反射光強度から、入射角θｍｉｎを算出する。そして、予め入力された入射角θｍｉｎと屈折率との関係から、算出された入射角θｍｉｎに対応する試料１４の屈折率を算出する。さらに、算出回路１１は、予め屈折率と濃度との関係を入力しておくことにより、算出された上記屈折率に対応する試料１４の濃度を算出することもできる。
【００８０】
〔金属膜６の膜厚の選定〕
次に、金属膜６の膜厚の選定方法について、図４〜図１６を参照して説明する。金属膜６の膜厚は、上述したように、４つの要素、すなわちプリズム５、金属膜６および試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率と光源２の波長とにより、種々の構成を選択することができる。以下に、金属膜６の膜厚の選定に用いられる上記各要素の取り得る値について、代表的な例を説明する。
【００８１】
プリズム５の屈折率としては、一般にプリズムに用いられる石英の屈折率１．４６と、高屈折率な屈折率２．０とを用いる。なお、プリズムの材料としては、石英だけでなくガラスも好適に用いられるが、一般的なガラスの屈折率は約１．５であり、石英の場合とほぼ同様の結果となる。
【００８２】
金属膜６の屈折率は、金属膜６を構成する材料に依存しており、金属膜６を構成する材料は、上述したように種々の材料が考えられる。ただし、以下の説明においては、金属膜６の材料としてＡｕを用いる。
【００８３】
試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率としては、試料１４が検出対象を含む液体である場合と、検出対象を含む気体である場合が考えられる。そのため、試料１４が検出対象を含む液体である場合、検出対象を水に溶かして濃度を測定することを想定し、検出対象を溶かす前の溶媒、すなわち水の屈折率１．３３を用いる。また、試料１４が検出対象を含む気体である場合、検出対象を空気または真空中に溶かして濃度を想定することを想定し、検出対象を溶かす前の屈折率１．０を用いる。
【００８４】
金属膜６を構成する材料をＡｕとした場合、光源２の波長としては、金属膜６上に表面プラズモンを励起するのに適した赤色から赤外域が用いられる。具体的に、以下の説明においては、半導体レーザの波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、ＹＡＧレーザの波長１０５４ｎｍを用いる。
【００８５】
以下に、上記４つの要素を組み合わせた場合における金属膜６の膜厚の選定について第１実施例〜第３実施例を挙げて説明する。ただし、プリズム５を石英、試料１４を液体とすると、金属膜６において表面プラズモンをほとんど励起することができないため、この構成は除外した。
【００８６】
〔第１実施例〕
まず、金属膜６の膜厚の選定の第１実施例について図４〜７を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を選択した場合における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【００８７】
まず、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係について図４を参照して説明する。図４は、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。
【００８８】
また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属膜６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を３５ｎｍとしている。
【００８９】
光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図４に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約３．４度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．８度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．５度であることが分かる。
【００９０】
次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【００９１】
〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を３０ｎｍ、３５ｎｍ、５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図５（ａ）および図５（ｂ）を参照して説明する。図５（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図５（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚３０ｎｍ、破線が膜厚３５ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。
【００９２】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０９まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．７度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約３．４度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３４４として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【００９３】
また、金属膜６の膜厚が３５ｎｍの場合、図５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０９まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．４度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約３．４度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【００９４】
また、金属膜６の膜厚が３０ｎｍの場合、図５（ａ）および図５（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【００９５】
以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０５の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を３５ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を３０ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【００９６】
したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約２０ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【００９７】
〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を３０ｎｍ、３５ｎｍ、４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図６を参照して説明する。図６（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図６（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚３０ｎｍの場合、破線が膜厚３５ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。
【００９８】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図６（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．１６度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．８度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３３４として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図６（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【００９９】
また、金属膜６の膜厚が３５ｎｍの場合、図６（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０８度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．８度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図５（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【０１００】
また、金属膜６の膜厚が３０ｎｍの場合、図６（ａ）および図６（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１０１】
以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１８の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を３５ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を３０ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１０２】
したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１５ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１０３】
〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を２２．５ｎｍ、２５ｎｍ、３５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図７を参照して説明する。図７（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図７（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚２２．５ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚３５ｎｍの場合を示す。
【０１０４】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである３５ｎｍの場合、図７（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０２まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０９度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．５度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．３３２として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図７（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１０５】
また、金属膜６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．０２まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０５度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、３５ｎｍの場合に比べて半分以下の変動に抑えられている。
【０１０６】
また、金属膜６の膜厚が２２．５ｎｍの場合、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである３５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１０７】
以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである３５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１２の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を２２．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１０８】
したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１２．５ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１０９】
〔第２実施例〕
次に、金属膜６の膜厚の選定の第２実施例について図８〜１１を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【０１１０】
まず、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係について図８を参照して説明する。図８は、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。
【０１１１】
また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属膜６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を４０ｎｍとしている。
【０１１２】
光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図８に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約１．２度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．３度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．１２度であることが分かる。
【０１１３】
次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【０１１４】
〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を３３．５ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図９（ａ）および図９（ｂ）を参照して説明する。図９（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図９（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚３３．５ｎｍ、破線が膜厚４０ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。
【０１１５】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図９（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３５まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．２度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約１．２度）の１／６程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００３として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図９（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１１６】
また、金属膜６の膜厚が４０ｎｍの場合、図９（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３５まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．１３度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約１．２度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図９（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【０１１７】
また、金属膜６の膜厚が３３．５ｎｍの場合、図９（ａ）および図９（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１１８】
以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０２４の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を４０ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を３３．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１１９】
したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１６．５ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１２０】
〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を２６．５ｎｍ、３０ｎｍ、４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１０を参照して説明する。図１０（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図１０（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚２６．５ｎｍの場合、破線が膜厚３０ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。
【０１２１】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図１０（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１８まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０７度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．３度）の１／３程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００２として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１０（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１２２】
また、金属膜６の膜厚が３０ｎｍの場合、図１０（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１８まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０４度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．３度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図１０（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて１／３程度の変動に抑えられている。
【０１２３】
また、金属膜６の膜厚が２６．５ｎｍの場合、図１０（ａ）および図１０（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１２４】
以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０１の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を３０ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を２６．５ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１２５】
したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１８．５ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１２６】
〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を２２ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１１を参照して説明する。図１１（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図１１（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚２２ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚４０ｎｍの場合を示す。
【０１２７】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４０ｎｍの場合、図１１（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．００７まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０３度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．１２度）の１／４程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１１（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１２８】
また、金属膜６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．００７まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０１５度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、３５ｎｍの場合に比べて１／３程度の変動に抑えられている。
【０１２９】
また、金属膜６の膜厚が２２ｎｍの場合、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１３０】
以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである４０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００３の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を２２ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１３１】
したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１８ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１３２】
〔第３実施例〕
次に、金属膜６の膜厚の選定の第３実施例について図１２〜１５を参照して説明する。本実施例では、上記４つの要素として、金属膜６の材質としてＡｕを、光源２の波長として６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの３波長を、プリズム５の屈折率として１．４６を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．０を選択した場合における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【０１３３】
まず、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合の光源２の各波長における、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係について図１２を参照して説明する。図１２は、上記４つの要素で消衰係数を０とした場合における、光源２から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビーム１３の金属膜６に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。なお、図中の点線は光ビーム１３の波長６３５ｎｍを、破線は光ビームの波長７８０ｎｍを、実線は光ビームの波長１０５４ｎｍを示している。
【０１３４】
また、光源２から出射された光ビーム１３の各波長における金属膜６の膜厚は、反射率の最小値Ｒｍｉｎが０に近くなるように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を５０ｎｍ、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を４５ｎｍ、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合は金属膜６の膜厚を４０ｎｍとしている。
【０１３５】
光ビーム１３の各波長における反射率が落ちるｄｉｐの半値全幅は、図１２に示すように、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍのとき約２．１度、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍのとき約０．４度、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍのとき約０．１８度であることが分かる。
【０１３６】
次に、試料１４の光吸収を考慮し、消衰係数を０から増加させた場合において、光源２の各波長における金属膜６の膜厚の選定について説明する。
【０１３７】
〔波長６３５ｎｍ〕
まず、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を３３ｎｍ、４０ｎｍ、５０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１３（ａ）および図１３（ｂ）を参照して説明する。図１３（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図１３（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚３３ｎｍ、破線が膜厚４０ｎｍ、実線が膜厚５０ｎｍを示す。
【０１３８】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長６３５ｎｍの膜厚ｄである５０ｎｍの場合、図１３（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３２まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．３３度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約２．１度）の１／６程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００５として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１３（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１３９】
また、金属膜６の膜厚が４０ｎｍの場合、図１３（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０３２まで増加するに伴い、入射角θｍｉｎが約０．２度増加する。これは、上述したｄｉｐの半値全幅（約２．１度）の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１３（ｂ）に示すように、５０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【０１４０】
また、金属膜６の膜厚が３３ｎｍの場合、図１３（ａ）および図１３（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである５０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１４１】
以上のことから、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである５０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．０２４の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を４０ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を３３ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１４２】
したがって、光ビーム１３の波長が６３５ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１７ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１４３】
〔波長７８０ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を２７ｎｍ、３０ｎｍ、４５ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１４を参照して説明する。図１４（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図１４（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚２７ｎｍの場合、破線が膜厚３０ｎｍの場合、実線が膜厚４５ｎｍの場合を示す。
【０１４４】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４５ｎｍの場合、図１４（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０８度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．４度）の１／５程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１５として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１４（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１４５】
また、金属膜６の膜厚が３０ｎｍの場合、図１４（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．０１５まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０４度増加する。これは、上述したｄｉｐ（約０．４度）の半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。反射率Ｒｍｉｎの値も、図１４（ｂ）に示すように、４５ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【０１４６】
また、金属膜６の膜厚が２７ｎｍの場合、図１４（ａ）および図１４（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４５ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１４７】
以上のことから、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである４５ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００８の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を３０ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を２７ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１４８】
したがって、光ビーム１３の波長が７８０ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１８ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１４９】
〔波長１０５４ｎｍ〕
次に、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合において、金属膜６の膜厚を２１ｎｍ、２５ｎｍ、４０ｎｍとしたときの試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎとの関係について図１５を参照して説明する。図１５（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、図１５（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料１４の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。なお、点線が膜厚２１ｎｍの場合、破線が膜厚２５ｎｍの場合、実線が膜厚４０ｎｍの場合を示す。
【０１５０】
金属膜６の膜厚が光ビーム１３の波長の膜厚ｄである４０ｎｍの場合、図１５（ａ）に示すように、消衰係数が０から０．００７まで増加するのに伴い、入射角θｍｉｎが約０．０５度増加してしまうことが分かる。この入射角θｍｉｎの増加した値は、上述したｄｉｐの半値全幅（約０．１８度）の１／４程度であり、誤差として検出されてしまう範囲である。この入射角θｍｉｎの誤差は、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率が１．００１として検出されることになる。また、反射率Ｒｍｉｎの値も、図１５（ｂ）に示すように、消衰係数の増加に伴い増加している。これは、入射角θｍｉｎの検出時のＳ／Ｎ低下となる。
【０１５１】
また、金属膜６の膜厚が２５ｎｍの場合、消衰係数が０から０．００７まで増えたときの入射角θｍｉｎの増加分は約０．０２度である。これは、ｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であり、検出できない程度の角度シフトである。また、消衰係数が増えたときの反射率Ｒｍｉｎも、４０ｎｍの場合に比べて半分程度の変動に抑えられている。
【０１５２】
また、金属膜６の膜厚が２１ｎｍの場合、図１５（ａ）および図１５（ｂ）に示すように、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが、膜厚ｄである４０ｎｍの場合と同等程度の変化であることが分かる。
【０１５３】
以上のことから、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合、金属膜６の膜厚を膜厚ｄである４０ｎｍとしては、入射角θｍｉｎの変化をｄｉｐの半値全幅の１／１０程度に抑えるためには、消衰係数が０から０．００３の範囲の試料１４しか測定できないという不具合が生じることが分かる。しかしながら、金属膜６の膜厚を２５ｎｍ、すなわち上記膜厚ｄよりもさらに薄い膜厚とすることにより、入射角θｍｉｎに対する試料１４の吸収の影響を小さくすることができる。ただし、金属膜６の膜厚を２１ｎｍまで薄くしてしまうと、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と同様の不具合が生じてしまう。
【０１５４】
したがって、光ビーム１３の波長が１０５４ｎｍの場合における金属膜６の膜厚は、金属膜６の膜厚ｄに対して、約０ｎｍ〜約１９ｎｍの範囲内で薄くすることにより、光ビーム１３の金属膜６に対する入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとしたときよりも消衰係数の変化に影響されないことが分かる。
【０１５５】
上記第１実施例〜上記第３実施例に示したように、金属膜６の膜厚を膜厚ｄ、すなわち、消衰係数が０の状態で表面プラズモン共鳴を起こす膜厚とした場合は、消衰係数が０のときに入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎが最小値となる。すなわち、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０のとき最小値となり、消衰係数の増加に伴い単調増加していく。そのため、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎの変化を所定の範囲内に抑えるためには、狭い範囲の消衰係数の検出対象しか測定できないという不具合が生じる。
【０１５６】
そこで、表面プラズモンセンサー１では、金属膜６の膜厚を膜厚ｄよりも薄くすることにより、所定の消衰係数の値で入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎを最小とすることができる。すなわち、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎは、消衰係数が０から所定値までで一度減少し、所定値以降で増加していく。そのため、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとする場合と比較して、入射角θｍｉｎおよび反射率Ｒｍｉｎの変化を半分程度にすることができる。
【０１５７】
このとき、金属膜６の膜厚の下限値は、入射角θｍｉｎが金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合の入射角θｍｉｎと同じになる膜厚である。すなわち、上述した本発明の効果は、金属膜６の膜厚を下限値から膜厚ｄまでの範囲内とすることにより、得ることができる。金属膜６の膜厚の選定方法における上記第１実施例〜上記第３実施例の結果に基づいて、金属膜６の膜厚ｄ、推奨膜厚、下限値を下記表にまとめる。（単位はすべてｎｍ）
【０１５８】
【表１】
0004926865.tif 000002
【０１５９】
上記表１から、金属膜６の膜厚が膜厚ｄより２０ｎｍ薄い膜厚から膜厚ｄまでの範囲内であれば、本発明の効果を得られることが分かる。このように、金属膜６の膜厚と膜厚ｄとの差を約２０ｎｍ以下にすることにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を、膜厚ｄの場合よりも抑えることができる。また、反射率Ｒｍｉｎの変動も、膜厚ｄの場合よりも抑えることができるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。
【０１６０】
また、金属膜６の膜厚を膜厚ｄより１０ｎｍ〜１５ｎｍの範囲で薄くすることにより、推奨値の範囲となることが分かる。これにより、消衰係数の増加に伴う入射角θｍｉｎの変動を十分に小さく、例えばｄｉｐの１／１０程度にまで抑えること可能である。そのため、試料１４の正確な屈折率が検出可能な、検出対象の消衰係数の範囲を最大限にすることができる。また、この消衰係数の範囲における反射率Ｒｍｉｎの変動も、金属膜６の膜厚を膜厚ｄとした場合と比較して、半分以下に抑えられるため、入射角θｍｉｎ検出時のＳ／Ｎの劣化を抑えることができる。
【０１６１】
したがって、金属膜６の膜厚を膜厚ｄより薄い膜厚とすることにより、試料１４に吸収がある場合でも、入射角θｍｉｎの変化は試料１４の屈折率のみに依存する。そのため、算出回路１１は、予め入力された入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係から、入射角θｍｉｎに対応した正確な屈折率、さらには濃度を算出することができる。
【０１６２】
ここで、入射角θｍｉｎと、反射率Ｒｍｉｎと、屈折率との関係について図１６を参照して説明する。図１６（ａ）は金属膜６の材料としてＡｕを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係をプロットしたグラフであり、図１６（ｂ）は金属膜６の材料としてＡｕを、プリズム５の屈折率として２．０を、試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、反射率Ｒｍｉｎと試料１４の屈折率との関係をプロットしたグラフである。
【０１６３】
図１６（ａ）のグラフから、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係はほぼ線形であることが分かる。また、金属膜６の材料、プリズム５の屈折率および試料１４の検出対象を含まない状態の屈折率として他の組合せを用いた場合であっても、図１６（ａ）に示したグラフと同様に線形となる。したがって、算出回路１１は、入射角θｍｉｎと試料１４の屈折率との関係を予め計算しておくことにより、線形近似することによって、非常に単純な計算で入射角θｍｉｎから試料１４の屈折率を算出することができる。また、試料１４の屈折率と濃度との関係もほぼ線形であるために、入射角θｍｉｎと屈折率との関係と同様に、単純な計算で濃度も算出することが可能である。
【０１６４】
また、図１６（ｂ）のグラフから、試料１４の屈折率は反射率Ｒｍｉｎに依存していないことが分かる。そのため、試料１４の屈折率は、入射角θｍｉｎのみに基づいて算出することができる。
【０１６５】
なお、試料１４の屈折率の検出における誤差をさらに少なくするためには、金属膜６の膜厚を試料１４の消衰係数の範囲に応じて選択することが望ましい。具体的には、試料１４の消衰係数が上記第１実施例〜上記第３実施例において述べた範囲よりも小さい場合には、より膜厚ｄに近い膜厚とする。
【０１６６】
また、上記説明においては、入射角θｍｉｎの変化がｄｉｐの半値全幅の１／１０程度であれば、検出できない範囲の角度シフトであると説明したが、表面プラズモンセンサー１の検出感度が高くなるに伴い、金属膜６の膜厚を膜厚ｄにより近い膜厚にすることが望ましい。
【０１６７】
また、金属膜６の膜厚の選定方法における上記第１実施例〜上記第３実施例では、金属膜６の材料としてＡｕを用いて説明しているが、本発明の原理は金属膜６がＡｕから構成されている場合に限られず、金属膜６が他の材料から構成されている場合であっても適用することができる。また、プリズム５および試料１４についても、金属膜６と同様であり、プリズム５および試料１４が上述した材料以外から構成されていたとしても、本発明の原理を適用することが可能である。
【０１６８】
また、試料１４である、検出対象を含まない液体または気体自体にもともと吸収がある場合でも、検出対象に吸収があり、該検出対象を含む液体または気体の濃度を濃くしたときに試料１４の消衰係数が増加すれば、本発明の原理と同様である。
【０１６９】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【０１７０】
本発明は、検出対象を含む液体または気体の屈折率を検出するものであり、上記液体または上記気体の濃度測定、蛋白質や高分子等の検出等に好適に用いられる。
【図面の簡単な説明】
【０１７１】
【図１】本発明に係る表面プラズモンセンサーの一実施形態の全体構成の概略を示す図である。
【図２】表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の一実施例を示す図である。
【図３】表面プラズモンセンサーの金属膜に対する試料の接触方法の他の一実施例を示す図である。
【図４】金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。
【図５】（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図６】（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図７】（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図８】金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。
【図９】（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１０】（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１１】（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１２】金属膜の材質としてＡｕを、プリズムの屈折率として１．４６を、試料の屈折率として１．０を用い、消衰係数を０とした場合における、光源から出射された各波長６３５ｎｍ、７８０ｎｍ、１０５４ｎｍの光ビームの金属膜に対する入射角と反射率との関係を示すグラフである。
【図１３】（ａ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が６３５ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１４】（ａ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が７８０ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１５】（ａ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、入射角θｍｉｎとの関係を示したグラフであり、（ｂ）は光ビームの波長が１０５４ｎｍの場合における、試料の消衰係数と、反射率Ｒｍｉｎとの関係を示したグラフである。
【図１６】（ａ）は金属膜の材料としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、入射角θｍｉｎと試料の屈折率との関係をプロットしたグラフであり、（ｂ）は金属膜の材料としてＡｕを、プリズムの屈折率として２．０を、試料の屈折率として１．３３を用い、消衰係数０とした場合における、反射率Ｒｍｉｎと試料の屈折率との関係をプロットしたグラフである。
【符号の説明】
【０１７２】
１    表面プラズモンセンサー
２    光源
３    コリメートレンズ
４    集光レンズ
５    プリズム（誘電体基板）
６    金属膜
７    第１レンズ
８    第２レンズ
９    光検出器
１０  光源駆動回路
１１  算出回路
１２  モニター
１３  光ビーム
１４  試料（検出対象を含む液体または気体）
１５  フローセル
【図１】
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【図２】
0004926865.tif 000004
【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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【図１６】
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