JP3903432B2

JP3903432B2 - measuring device

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Publication number: JP3903432B2
Application number: JP2003028060A
Authority: JP
Inventors: 昌之納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-02-05
Filing date: 2003-02-05
Publication date: 2007-04-11
Anticipated expiration: 2023-02-05
Also published as: JP2004239715A

Description

【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の物性を求める表面プラズモン共鳴測定装置等の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、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共鳴測定装置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（例えば特許文献１参照）。
【０００４】
上記の系を用いる表面プラズモン共鳴測定装置は基本的に、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、該誘電体ブロックよりも低屈折率の金属膜と、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が得られる入射角で入射させる入射光学系と、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、つまり全反射減衰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】
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に収束光状態であるいは発散光状態で入射させてもよい。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共鳴測定装置において、光ビームを金属膜に対して全反射角以上の特定入射角θ_ＳＰ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、図２に示すように鋭く低下する。この光強度の低下は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【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θ_ＳＰ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Ｋ_ＳＰ、表面プラズモンの角周波数をω、ｃを真空中の光速、ε_ｍとε_ｓ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】

試料の誘電率ε_ｓ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θ_ＳＰを知ることにより、試料の誘電率つまりは屈折率や、それに対応する物性を求めることができる。
【００１０】
また、前記金属膜の上に、検体中の特定物質と特異的に結合するセンシング物質を固定しておいた場合は、金属膜の上に供給された検体中にその特定物質が含まれるとその結合によりセンシング物質の屈折率が変化するので、この屈折率変化を検出することにより、上記特定物質の有無を検出することもできる。
【００１１】
また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類似の測定装置として、例えば非特許文献１に記載がある漏洩モード測定装置も知られている。この漏洩モード測定装置は基本的に、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。
【００１２】
上記構成の漏洩モード測定装置において、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測定することができる。
【００１３】
なお、前記界面で全反射した光ビームの強度を光検出手段により測定して試料の分析を行なうには種々の方法があり、非特許文献２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に対して全反射条件が得られる入射角で入射させ、この界面で全反射した光ビームの強度を各波長毎に測定して、各波長毎の全反射減衰の程度を検出することによって試料分析を行なってもよい。
【００１４】
さらには、非特許文献３に記載されているように、光ビームを前記界面に対して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それ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、その干渉後の光ビームの強度を検出することにより試料分析を行なってもよい。
【００１５】
なお、試料の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２次元的な物性情報を得たい場合等があり、上述した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置はこれらに応用することも可能である（例えば特許文献２および３参照）。表面プラズモン共鳴測定装置を例に挙げると、前記図２に示す関係は、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。したがって、前記界面の２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、ある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、前記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θ_ＳＰの前後ではやはり全反射光の強度が低くなるので、所定の入射角で界面に入射して全反射し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２次元的な屈折率分布を示すものとなる。
【００１６】
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、漏洩モード測定装置においても同様に認められるから、漏洩モード測定装置を適用して同じように試料の２次元物性を求めることも可能である。
【００１７】
なお上記のように「試料の２次元物性を求める」ということは、本明細書においては、１つの試料の２次元物性を求めることの他、薄膜層上に２次元的に配置された同一種類あるいは異なる種類の複数の試料の各物性を、互いに独立して求めることも含めて指すものとする。
【００１８】
また、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、誘電体ブロックと薄膜層（前者にあっては金属膜であり、後者にあってはクラッド層および光導波層）との界面で光ビームを全反射させることにより、この全反射時に生じるエバネッセント波と表面プラズモンあるいは導波モードとを結合させているものであるが、誘電体ブロックの一面で光ビームを全反射させる代わりに該一面に回折格子を形成して、同様の表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置を構成することもできる。つまりその場合は、誘電体ブロック側からその回折格子に光ビームを入射させると、回折により生じて薄膜層側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンあるいは導波モードとが結合するので、誘電体ブロック側に反射回折する光の強度が減衰する。そこで、この減衰が生じたときの回折格子に対する光ビームの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。
【００１９】
さらに、以上説明した表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置は、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる光ビームの入射角θが、試料の屈折率に応じて変化することを利用して試料分析するものであるが、入射角θを一定にしておいても同様の試料分析を行うことができる。つまり光ビームの入射角θが一定の場合は、図３に示すようにその光ビームの波長λがある特定値λ_ＳＰのときに、全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる。そして、この全反射光あるいは反射回折光の減衰が生じる特定波長λ_ＳＰは試料の屈折率に依存するので、この特定波長λ_ＳＰを検出することにより、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。
【００２０】
このような方式の測定装置は、試料の２次元物性を求める上で特に有利なものとなる。つまりその場合は、ある波長幅を有する例えば白色光等からなる光ビームを発生させる光源が用いられるとともに、全反射光あるいは反射回折光を分光検出する２次元光検出手段が用いられ、前記界面や回折格子に対する光ビームの入射角を変化させる必要が無いので、試料の一定個所を安定して照射することが可能になる。
【００２１】
【特許文献１】
特開平６−１６７４４３号公報
【００２２】
【特許文献２】
特開２００１−２５５２６７号公報
【００２３】
【特許文献３】
特開２００１−５１１２４９号公報
【００２４】
【非特許文献１】
「分光研究」、1998年、第47巻、第1号、第21〜23頁および第26〜27頁
【００２５】
【非特許文献２】
D.V.Noort,K.Johansen,C.F.Mandenius,“Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement”EUROSENSORS XIII,1999年,第585-588頁
【００２６】
【非特許文献３】
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年,第235-238頁
【００２７】
【発明が解決しようとする課題】
前述のセンシング物質を用いて試料中の特定物質の有無を検出可能に構成された表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置においては、薄膜層（表面プラズモン共鳴測定装置にあっては金属膜であり、漏洩モード測定装置にあってはクラッド層および光導波層である）の上にセンシング物質が固定される。その場合、特に同一種類あるいは異なる種類の複数の試料の各物性を、互いに独立して相並行して測定可能とするために、一様に広がる薄膜層の上に、同一あるいは互いに異なる種類のセンシング物質を互いに分離した状態で複数固定しておくことが考えられている。あるいは、互いに分離した複数の薄膜層を誘電体ブロックの上に形成し、それらの上に一様に広がるセンシング物質や、あるいは各薄膜層に対応して互いに分離したセンシング物質を固定した構造でも、表面プラズモンや導波モードの励起が各薄膜層毎に独立してなされるから、各薄膜層単位で複数の試料の各物性を求めることができる。
【００２８】
しかし従来の表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置を上記のように構成した場合は、互いに分離した状態で誘電体ブロックに固定するセンシング物質あるいは薄膜層の数を十分に多くすることができず、そのため、相並行して分析できる試料の数が比較的少数に限られてしまう。
【００２９】
本発明は上記の事情に鑑みて、センシング物質を利用して試料分析する表面プラズモン共鳴測定装置や漏洩モード測定装置において、多数の試料を相並行して分析可能にすることを目的とする。
【００３０】
【課題を解決するための手段】
本発明による第１の測定装置は、先に説明した全反射光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
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、該誘電体ブロックよりも低屈折率の薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビーム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ように入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とするものである。
【００３１】
また、本発明による第２の測定装置は、先に説明した反射回折光の減衰を利用して試料物性を測定する構成を前提とするものであり、具体的には、
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回折格子と、
この回折格子の上に形成されて試料に接触させられる薄膜層と、
この薄膜層の上に形成されて試料中の特定物質と結合するセンシング物質と、
光ビームを発生させる光源と、
前記光ビームを前記誘電体ブロックに対して、前記回折格子の少なくとも一部を照射するように入射させる入射光学系と、
前記回折格子で反射回折した光ビームの強度を、そのビーム断面内の複数の位置毎に測定する２次元光検出手段とを備えてなる測定装置において、
前記薄膜層および／またはセンシング物質が、薄膜層に対する前記光ビームの入射面と平行な方向のサイズが該薄膜層と光ビームとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、前記入射面と平行な方向および直交する方向に複数並べて設けられていることを特徴とするものである。
【００３２】
なおより具体的に、上記薄膜層を金属膜から形成すれば前述の表面プラズモン共鳴測定装置が構成され、また該薄膜層を誘電体ブロックの一面に形成されたクラッド層および、さらにその上に形成された光導波層から形成すれば、前述の漏洩モード測定装置が構成される。
【００３３】
また、上記薄膜層および／またはセンシング物質の、前記入射面と直交する方向のサイズは、形成数を多くする上ではより小さいほど好ましいが、光学系の分解能を超えるほどに小さくしては測定が不可能になるから、この光学系の分解能以上、最も好ましくは該分解能と同じサイズとされる。
【００３４】
【発明の効果】
表面プラズモン共鳴測定装置において、エバネッセント波と表面プラズモンとが結合するためには、金属膜に沿った方向（光ビームの金属膜に対する入射面内で金属膜と平行に延びる方向）に亘るある程度の相互作用長が必要である。また漏洩モード測定装置においても、エバネッセント波と導波モードが結合するために、クラッド層および光導波層に沿った方向（光ビームのクラッド層に対する入射面内でクラッド層と平行に延びる方向）に亘るある程度の相互作用長が必要である。
【００３５】
この相互作用長は、表面プラズモン共鳴測定装置の場合は表面プラズモンの伝搬長Ｌであり、Ｌ＝（２ｋ_ｘ″）^−１である。ここで、
【数２】

である。なお上式において、
ω：光の角周波数
ｃ：真空中の光速
ε_１′：金属膜の誘電率の実数部
ε_１″：金属膜の誘電率の虚数部
ε_２：金属膜と接する媒質の誘電率
である。
【００３６】
上記相互作用長（伝搬長Ｌ）は、例えば金属膜がＡｕ（金）から形成され、入射させる光ビームの波長が６３０ｎｍである表面プラズモン共鳴測定装置においては、ε_１′＝−１２．７、ε_１″＝１．４１より、ε_２＝１．７であるとするとＬ＝４．５μｍとなる。また、金属膜がＡｇ（銀）から形成された表面プラズモン共鳴測定装置においては、同様の条件においてＬ＝２４μｍとなる。
【００３７】
なお、上記の金属膜と接する媒質は一般には検体溶液であり、通常よく用いられるものとしてはＰＢＳ（リン酸緩衝溶液）が挙げられる。そのような検体溶液の誘電率ε_２は、溶液調製の仕方によって通常１．７〜１．８の範囲内の値とされるのが一般的である。
【００３８】
また、前述した漏洩モード測定装置における相互作用長は、光を光導波層において伝搬させていることから、一般に表面プラズモン共鳴測定装置の場合よりも長くなる。
【００３９】
上記の相互作用長を確保する点から、従来装置においては、誘電体ブロックに薄膜層あるいはセンシング物質を互いに独立した状態に複数形成する場合、それらの各々のサイズを縦横とも相互作用長と同等あるいはそれを上回る値としていた。つまり上記例の表面プラズモン共鳴測定装置では、複数形成される薄膜層あるいはセンシング物質の各サイズは、最小でも２４×２４μｍとされる。
【００４０】
しかし上記のような相互作用長は、エバネッセント波が進行する薄膜層に沿った方向、つまり光ビームの入射面と平行な方向に確保されていればよいものであって、光ビームの入射面と直交する方向には確保されていなくても、表面プラズモンや導波モードの励起は正常に行われ得る。
【００４１】
この知見に鑑みて、本発明の測定装置では、薄膜層および／またはセンシング物質の、上記入射面と直交する方向のサイズが前記相互作用長よりも小さくされているので、同一サイズの誘電体ブロックについて考えれば、この方向に並設する薄膜層および／またはセンシング物質の数を従来装置と比べてより多くすることができる。たとえば上記例の表面プラズモン共鳴測定装置において、薄膜層および／またはセンシング物質の上記入射面と直交する方向のサイズを１μｍとし、それらを互いに１μｍの間隔を置いて並設するものとすると、従来装置では上記方向に１個しか薄膜層および／またはセンシング物質を配置できない幅２４μｍの領域に、１２個の薄膜層および／またはセンシング物質を並設できることになる。
【００４２】
このようにして、本発明の測定装置においては、互いに分離した状態で誘電体ブロックに固定するセンシング物質あるいは薄膜層の数を十分に多くすることができるので、多数の試料を相並行して分析可能となる。
【００４３】
【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。
【００４４】
図１は、本発明の第１の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。本実施形態の装置は一例として前述した表面プラズモン共鳴測定装置であって、透明合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスから形成されて例えばほぼ台形の断面形状を有する誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に互いに独立して形成された、例えば銀からなる複数の金属膜12と、これらの金属膜12の上に各々固定された複数のセンシング物質11と、単色の光ビーム３を発するレーザ光源４と、この光源４から発散光状態で発せられた光ビーム３を平行光化した上で、上記金属膜12に向けて誘電体ブロック10に入射させる入射光学系15とを有している。
【００４５】
さらにこの表面プラズモン共鳴測定装置は、上記誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射した光ビーム３が入射する位置に配されて、この光ビーム３の強度をそのビーム断面内に亘って２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ20を有している。このＣＣＤエリアセンサ20の出力信号は制御部24に入力され、該制御部24が後述のようにして求めた分析結果は表示手段25に表示される。
【００４６】
なお界面10ａに対する光ビーム３の入射角θは、臨界角以上でかつ表面プラズモンを励起させる範囲の角度とされる。そこで、光ビーム３は界面10ａで全反射する。また光ビーム３は、界面10ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、例えばレーザ光源４の向きを所定の向きに設定したり、あるいは光ビーム３の光路に波長板や偏光板を組み込んで、その偏光の向きを制御すればよい。
【００４７】
誘電体ブロック10の上において、金属膜12は図４の平面図、およびその中の領域ａを拡大した図５に示すように、アレイ状にパターン化されている。つまり各金属膜12は、それに対する光ビーム３の入射面（図１の紙面と平行な面）と平行な方向のサイズが該金属膜12と光ビーム３との相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが上記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、上記入射面と平行な方向には５個、そして上記入射面と直交する方向には数十個並べて設けられている。
【００４８】
上記相互作用長は、一例として金属膜12が銀から形成され、光ビーム３の波長が６３０ｎｍの場合は、２４μｍとなる。本実施形態では、図５に示す通り、金属膜12の上記入射面と平行な方向のサイズＬは、例えば上記相互作用長と等しい２４μｍとされ、上記入射面と直交する方向のサイズＷは１μｍとされている。また、上記入射面と直交する方向の金属膜12の配置ピッチは２μｍとされている。センシング物質11は、このように形成された金属膜12の各々の上に固定されている。
【００４９】
以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置の作用について説明する。本装置により試料分析する際には、誘電体ブロック10を試料液中に浸漬させたり、あるいは試料液を少量点着する等により、分析対象の試料30がセンシング物質11の上に配される。この状態でレーザ光源４が点灯され、そこから発せられた光ビーム３が誘電体ブロック10内に入射する。この光ビーム３は誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射し、誘電体ブロック10から出射してＣＣＤエリアセンサ20に受光される。ＣＣＤエリアセンサ20は、光ビーム３の強度をビーム断面内の各位置毎に検出し、その検出光強度を示す光検出信号Ｓを制御部24に入力する。
【００５０】
このとき、光ビーム３の界面10ａに対する入射角θが適切に設定されていれば、先に図２に示したように、ある特定の入射角θ_ＳＰにおいて表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ、それはＣＣＤエリアセンサ20において、検出光強度の著しい低下として検出される。そして図２の曲線は、金属膜12に固定されているセンシング物質11の屈折率が変化すると、図２において左右方向に移動する形で変化する。そこで、センシング物質11に試料30中の特定物質が結合したか否かに応じてその屈折率が変わることにより、全反射光の強度が変化するので、ＣＣＤエリアセンサ20の光検出信号Ｓに基づいて上記結合の有無、つまり試料30中の特定物質の有無を検出することができる。制御部24は、このようにして試料30中の特定物質の有無を検出し、その検出結果が表示手段25に表示される。
【００５１】
そして、金属膜12とセンシング物質11との組合せが互いに独立して複数設けられているので、各センシング物質11毎に上記特定物質の有無を検出可能である。なお、互いに独立して複数設けられるセンシング物質11を互いに異なる種類のものとしておく場合は、ある特定物質がどのようなセンシング物質11と結合するのかを求めることができる。また、互いに独立して複数設けられるセンシング物質11を互いに同種類のものとしておく場合は、それらに相異なる試料30を供給して、そのセンシング物質11にはどのような特定物質が結合するのかを求めることができる。上述のようなセンシング物質と特定物質との組合せとしては、例えば各種抗体と抗原との組合せを挙げることができる。
【００５２】
本実施の形態では、金属膜12のサイズを前述の通りとしているので、従来装置と比較して、誘電体ブロック10の上により多くの金属膜12を配置可能となっている。すなわち、従来装置では図６の平面図およびその中の領域ｂを拡大した図７に示すように、金属膜12は、それに対する光ビーム３の入射面と平行な方向のサイズＬおよび直交する方向のサイズＷが共に、最小でも前記相互作用長と等しい値とされていた。つまり、前述のように金属膜12が銀から形成され、光ビーム３の波長が６３０ｎｍの場合は、Ｌ＝Ｗ＝２４μｍとされていた。それに比べると本実施の形態では、図７に示した１つの金属膜12が配置されるスペースに、１２個の金属膜12を配置可能である。
【００５３】
以上のようにして、誘電体ブロック10の上により多くの数の金属膜12を配置できれば、多数の試料30を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００５４】
なお、金属膜12およびセンシング物質11のサイズは上記の値に限られるものではなく、金属膜12を構成する材料や、使用する光ビームの波長等に応じて定まる相互作用長に基づいて適宜設定すればよい。
【００５５】
また、本実施の形態のように、金属膜12およびセンシング物質11を共に互いに独立させて複数設ける他、金属膜12は一様に広く形成してその上に複数のセンシング物質11を互いに独立させて複数設けても、あるいはその反対に、金属膜12を互いに独立させて複数設けて、その上に一様に広くセンシング物質11を形成しても、本実施の形態と同様の効果を得ることができる。
【００５６】
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図８は、本発明の第２の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。本実施形態の装置も一例として前述した表面プラズモン共鳴測定装置であって、透明合成樹脂やＢＫ７等の光学ガラスから形成されて例えばほぼ台形の断面形状を有する誘電体ブロック10と、この誘電体ブロック10の一面（図中の上面）に互いに独立して形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる複数の金属膜12と、これらの金属膜12の上に各々固定された複数のセンシング物質11と、白色光13を発する光源14と、この光源14から発散光状態で発せられた白色光13を平行光化し、平行光となった光ビーム13Ｂを上記金属膜12に向けて誘電体ブロック10に入射させる入射光学系15とを有している。
【００５７】
さらにこの表面プラズモン共鳴測定装置は、上記誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射した光ビーム13Ｂが入射する位置に配された回折格子16と、この回折格子16を光ビーム13Ｂの入射角が変化する方向（矢印Ａ方向）に回転させる回折格子駆動手段17と、回折格子16で反射回折した光ビーム13Ｂを収束させる集光レンズ18と、この集光レンズ18による光ビーム13Ｂの収束位置に配されたピンホール板19と、このピンホール板19のピンホール19ａを通過した光ビーム13Ｂを２次元的に検出するＣＣＤエリアセンサ20とを有している。
【００５８】
上記回折格子駆動手段17の作動は、制御部24によって制御される。また上記ＣＣＤエリアセンサ20の出力信号はこの制御部24に入力され、該制御部24が後述のようにして求めた分析結果は表示手段25に表示される。
【００５９】
なお界面10ａに対する光ビーム13Ｂの入射角θは、臨界角以上でかつ表面プラズモンを励起させる範囲の角度とされる。そこで、光ビーム13Ｂは界面10ａで全反射する。また光ビーム13Ｂは、界面10ａに対してｐ偏光で入射させる。そのようにするためには、例えば光源14内に波長板や偏光板を組み込んで、白色光13の偏光の向きを制御すればよい。
【００６０】
誘電体ブロック10の上における金属膜12およびセンシング物質11の配置状態は、図１に示した装置におけるのと同様とされている。つまり各金属膜12は、それに対する光ビーム13Ｂの入射面（図８の紙面と平行な面）と平行な方向のサイズが該金属膜12と光ビーム13Ｂとの相互作用長以上で、該入射面と直交する方向のサイズが上記相互作用長よりも小さい形状とされた上で、上記入射面と平行な方向には５個、そして上記入射面と直交する方向には数十個並べて設けられている。
【００６１】
以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置の作用について説明する。本装置により試料分析するに当たり、分析対象の試料30はセンシング物質11の上に配される。この状態で光源14が点灯され、平行光とされた白色光である光ビーム13Ｂが誘電体ブロック10に入射する。この光ビーム13Ｂは誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ａで全反射し、誘電体ブロック10から出射して回折格子16において反射回折する。なお、このときの回折角は光ビーム13Ｂの波長λに応じて異なるので、光ビーム13Ｂは空間的に分光された状態で回折格子16から出射する。
【００６２】
分光された光ビーム13Ｂは集光レンズ18によって集光され、その収束位置に配されたピンホール板19のピンホール19ａを通過して、ＣＣＤエリアセンサ20に入射する。ＣＣＤエリアセンサ20は、光ビーム13Ｂの強度をビーム断面内の各位置毎に検出し、その検出光強度を示す光検出信号Ｓを制御部24に入力する。
【００６３】
上述した通り、ピンホール板19に入射する光ビーム13Ｂは空間的に分光されているので、ある狭い波長領域の光のみがピンホール19ａを通過することになる。そして、試料分析に際しては回折格子16が前述のように回転され、それにより、ピンホール19ａを通過する光ビーム13Ｂの波長が掃引される。ＣＣＤエリアセンサ20は、こうして掃引される各波長毎に上記光強度を検出する。
【００６４】
このとき、掃引する波長範囲が適切に設定されていれば、先に図３に示したように、ある特定の波長λ_ＳＰにおいて表面プラズモン共鳴による全反射減衰が生じ、それはＣＣＤエリアセンサ20において、検出光強度の著しい低下として検出される。上記特定波長λ_ＳＰの値はセンシング物質11の屈折率と一義的に対応し、そしてその屈折率は該センシング物質11と試料30中の特定物質との結合の有無に応じて変わるので、上記全反射減衰が生じたときの波長λ_ＳＰの値つまりは回折格子16の回転位置に基づいて、上記センシング物質11と特定物質との結合の有無を求めることができる。そこで制御部24は、光検出信号Ｓと、自身が制御する回折格子16の回転位置とに基づいて、センシング物質11と特定物質との結合の有無を各センシング物質11毎に求める。こうして制御部24が求めた分析結果は、表示手段25に表示される。
【００６５】
本実施の形態でも、従来装置と比べて、誘電体ブロック10の上により多くの数の金属膜12を配置できるので、多数の試料30を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００６６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図９は本発明の第３の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。なおこの図９において、図８中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００６７】
この第３実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図８に示した測定装置と比べると、誘電体ブロック10に代えて、上面（金属膜12が形成される面）に回折格子71が形成された誘電体ブロック70が用いられた点が異なるものである。なお回折格子71は誘電体ブロック70の上面に凹凸を形成してなるもので、その凹凸の高さおよびピッチは、典型的にはそれぞれ数十ｎｍ、１μｍ程度である。
【００６８】
本装置においては、光ビーム13Ｂが回折格子71で反射回折して折り返す。そしてこの場合も、光ビーム13Ｂの波長λがある特定値λ_ＳＰを取るとき、回折により生じて金属膜12側に浸み出したエバネッセント光と表面プラズモンとが結合して、誘電体ブロック70側に反射回折する光ビーム13Ｂの強度が鋭く減衰する。そこでこの装置においても、図８の装置と同様にして、センシング物質11と特定物質との結合の有無を求めることができる。
【００６９】
本実施の形態でも、金属膜12およびセンシング物質11の配置状態は、図８に示した装置におけるのと同様とされている。そこで、誘電体ブロック10の上により多くの数の金属膜12およびセンシング物質11を配置できるので、多数の試料30を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【００７０】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図１０は本発明の第４の実施形態による測定装置の側面形状を示すものである。この第４実施形態の装置は先に説明した漏洩モード測定装置であり、図８に示した測定装置と比べると、金属膜12に代えて、誘電体ブロック10の上面にクラッド層80および光導波層81がこの順に形成されている点が異なるものである。クラッド層80および光導波層81の配置状態は、図８の装置における金属膜12の配置状態と基本的に同様とされている。
【００７１】
誘電体ブロック10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80は、誘電体ブロック10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81は、クラッド層80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80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81の膜厚は、例えばＰＭＭＡから形成する場合で700ｎｍ程度とされる。
【００７２】
上記構成の漏洩モード測定装置において、光ビーム13Ｂを誘電体ブロック10を通してクラッド層80に対して臨界角以上の入射角で入射させると、該光ビーム13Ｂが誘電体ブロック10とクラッド層80との界面10ｃで全反射するが、クラッド層80を透過して光導波層81に入射した特定波長の光は、該光導波層81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81に取り込まれるので、上記界面10ｃ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。
【００７３】
光導波層81における導波光の波数は、該光導波層81の上のセンシング物質11の屈折率に依存し、そしてその屈折率は該センシング物質11と試料30中の特定物質との結合の有無に応じて変わるので、上記全反射減衰が生じたときの波長λ_ＳＰの値つまりは回折格子16の回転位置に基づいて、上記センシング物質11と特定物質との結合の有無を求めることができる。そこで制御部24は、光検出信号Ｓと、自身が制御する回折格子16の回転位置とに基づいて、センシング物質11と特定物質との結合の有無を各センシング物質11毎に求める。こうして制御部24が求めた分析結果は、表示手段25に表示される。
【００７４】
本実施の形態でも、従来装置と比べて、誘電体ブロック10の上により多くの数のクラッド層80、光導波層81およびセンシング物質11を配置できるので、多数の試料30を相並行して分析可能となり、分析作業の能率化が達成される。
【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共鳴測定装置を示す概略側面図
【図２】表面プラズモン共鳴測定装置における測定光入射角と検出光強度との関係を示すグラフ
【図３】表面プラズモン共鳴測定装置における測定光波長と検出光強度との関係を示すグラフ
【図４】図１の装置における金属膜の配置状態を示す平面図
【図５】図４の一部を拡大して示す平面図
【図６】従来装置における金属膜の配置状態を示す平面図
【図７】図６の一部を拡大して示す平面図
【図８】本発明の第２の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図
【図９】本発明の第３の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置を示す概略側面図
【図１０】本発明の第４の実施形態による漏洩モード測定装置を示す概略側面図
【符号の説明】
３、13Ｂ光ビーム
４レーザ光源
10、70 誘電体ブロック
10ａ誘電体ブロックと金属膜との界面
10ｃ誘電体ブロックとクラッド層との界面
11 センシング物質
12 金属膜
13 白色光
13Ｂ光ビーム
14 白色光源
15 入射光学系
16 回折格子
17 回折格子駆動手段
18 集光レンズ
19 ピンホール板
20 ＣＣＤエリアセンサ
24 制御部
25 表示手段
71 回折格子
80 クラッド層
81 光導波層[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a measuring apparatus such as a surface plasmon resonance measuring apparatus for obtaining physical properties of a sample by utilizing generation of surface plasmons.
[0002]
[Prior art]
In the metal, free electrons collectively vibrate to generate a dense wave called a plasma wave. A quantized version of this dense wave generated on the metal surface is called surface plasmon.
[0003]
Conventionally, various surface plasmon resonance measuring apparatuses for quantitatively analyzing a substance in a sample using a phenomenon in which the surface plasmon is excited by a light wave have been proposed. Among them, one that uses a system called Kretschmann configuration is well known (for example, see Patent Document 1).
[0004]
A surface plasmon resonance measuring apparatus using the above system is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, and a dielectric block formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with a sample. Refractive index metal film, light source that generates a light beam, and incident light that makes the light beam incident on the dielectric block at an incident angle that provides total reflection conditions at the interface between the dielectric block and the metal film And a light detection means for detecting the surface plasmon resonance state, that is, the total reflection attenuation state, by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface.
[0005]
In order to obtain various incident angles as described above, a relatively thin light beam may be deflected and incident on the interface, or a component that is incident on the light beam at various angles may be included. A relatively thick light beam may be incident on the interface in a convergent light state or a divergent light state. In the former case, a light beam whose reflection angle changes with the deflection of the light beam is detected by a small photodetector that moves synchronously with the deflection of the light beam, or by an area sensor that extends along the direction of change of the reflection angle. Can be detected. On the other hand, in the latter case, it can be detected by an area sensor extending in a direction in which each light beam reflected at various reflection angles can be received.
[0006]
In the surface plasmon resonance measuring apparatus having the above-described configuration, the light beam is incident on the metal film at a specific incident angle θ that is greater than the total reflection angle _SP The evanescent wave having an electric field distribution is generated in the sample in contact with the metal film, and surface plasmons are excited at the interface between the metal film and the sample by the evanescent wave. When the wave number vector of the evanescent light is equal to the wave number of the surface plasmon and the wave number matching is established, both are in a resonance state, and the light energy is transferred to the surface plasmon. The intensity of the reflected light decreases sharply as shown in FIG. This decrease in light intensity is generally detected as a dark line by the light detection means.
[0007]
The resonance described above occurs only when the incident beam is p-polarized light. Therefore, it is necessary to set in advance so that the light beam is incident as p-polarized light.
[0008]
Incident angle θ at which this total reflection attenuation (ATR) occurs _SP If the wave number of the surface plasmon is known, the dielectric constant of the sample can be obtained. In other words, the wave number of surface plasmon is K _SP , Ω is the angular frequency of the surface plasmon, c is the speed of light in vacuum, ε _m And ε _s Are the metal and the dielectric constant of the sample, respectively.
[0009]
[Expression 1]

Dielectric constant of sample ε _s Is known, the concentration of the specific substance in the sample can be known based on a predetermined calibration curve or the like, and eventually, the incident angle θ at which the reflected light intensity decreases. _SP Thus, the dielectric constant, that is, the refractive index of the sample, and the physical properties corresponding to the dielectric constant can be obtained.
[0010]
In addition, when a sensing substance that specifically binds to a specific substance in the specimen is immobilized on the metal film, if the specific substance is contained in the specimen supplied on the metal film, Since the refractive index of the sensing substance changes due to the coupling, the presence or absence of the specific substance can also be detected by detecting this change in refractive index.
[0011]
Further, as a similar measurement device that uses total reflection attenuation (ATR), for example, a leakage mode measurement device described in Non-Patent Document 1 is also known. This leakage mode measuring device is basically a dielectric block formed in a prism shape, for example, a clad layer formed on one surface of the dielectric block, and formed on the clad layer to be brought into contact with a sample. A total reflection condition is obtained at the interface between the dielectric block and the cladding layer, and the light beam is generated at the interface between the dielectric block and the cladding layer. An optical system that is incident at various angles so that total reflection attenuation due to waveguide mode excitation can occur, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured to determine the excitation state of the waveguide mode, that is, the total reflection attenuation state. And a light detecting means for detecting.
[0012]
In the leakage mode measuring apparatus having the above-described configuration, when a light beam is incident on the cladding layer through the dielectric block at an incident angle greater than the total reflection angle, the light waveguide layer transmits a specific wave number after passing through the cladding layer. Only light having a specific incident angle having a wave length propagates in the waveguide mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer, resulting in total reflection attenuation in which the intensity of light totally reflected at the interface is sharply reduced. Since the wave number of guided light depends on the refractive index of the sample on the optical waveguide layer, the refractive index of the sample and related sample characteristics are measured by knowing the specific incident angle at which total reflection attenuation occurs. be able to.
[0013]
There are various methods for analyzing the sample by measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface by means of a light detection means. As described in Non-Patent Document 2, light having a plurality of wavelengths is used. The beam is incident on the interface at an incident angle that provides total reflection conditions, and the intensity of the light beam totally reflected at the interface is measured for each wavelength to detect the degree of total reflection attenuation for each wavelength. Sample analysis may be performed accordingly.
[0014]
Further, as described in Non-Patent Document 3, a light beam is incident on the interface at an incident angle at which a total reflection condition is obtained, and a part of the light beam is incident on the interface. The sample analysis may be performed by dividing the light beam before, causing the divided light beam to interfere with the light beam totally reflected at the interface, and detecting the intensity of the light beam after the interference.
[0015]
In the analysis of physical properties of a sample, there are cases where it is desired to measure a plurality of samples under the same conditions, or where it is desired to obtain two-dimensional physical property information of the sample, and the above-described surface plasmon resonance measuring device and leakage mode measuring device. Can also be applied to these (see, for example, Patent Documents 2 and 3). Taking a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example, the relationship shown in FIG. 2 changes in such a manner that it moves in the horizontal axis direction when the refractive index of the substance existing on the metal film changes. Therefore, when a light beam is incident on a region having a two-dimensional extension of the interface at a predetermined incident angle, a portion of the region having a refractive index that causes total reflection attenuation at the incident angle, that is, A light component incident on a portion where a specific substance is present on the metal film is detected as a dark line. Therefore, by using parallel light having a somewhat wide beam cross section and detecting the light intensity distribution in the cross section of the light beam totally reflected at the interface, the distribution of the specific substance in the plane along the interface can be measured. it can. In addition, as shown in FIG. _SP Since the intensity of the totally reflected light is also lowered before and after the light intensity distribution of the cross section of the light beam incident on the interface at a predetermined incident angle and totally reflected, the two-dimensional distribution of the substance (sample) present on the metal film It shows a typical refractive index distribution.
[0016]
The above is similarly recognized in the leak mode measurement apparatus except that the total reflection attenuation is caused by the excitation of the waveguide mode in the waveguide layer instead of the surface plasmon resonance. It is also possible to obtain a two-dimensional physical property of a sample in the same manner by applying a mode measuring device.
[0017]
As described above, “determining the two-dimensional physical properties of a sample” means that, in this specification, in addition to obtaining the two-dimensional physical properties of one sample, the same kind of two-dimensionally arranged on the thin film layer. Alternatively, the physical properties of a plurality of different types of samples shall be indicated including obtaining them independently of each other.
[0018]
In addition, the surface plasmon resonance measuring apparatus and leakage mode measuring apparatus described above are at the interface between the dielectric block and the thin film layer (the former is a metal film, and the latter is a clad layer and an optical waveguide layer). The light beam is totally reflected to combine the evanescent wave generated at the time of the total reflection with the surface plasmon or the waveguide mode, but instead of totally reflecting the light beam on one surface of the dielectric block, the one surface A similar surface plasmon resonance measuring device or leakage mode measuring device can be configured by forming a diffraction grating on the surface. In other words, in this case, when a light beam is incident on the diffraction grating from the dielectric block side, the evanescent light generated by diffraction and leached out to the thin film layer side is coupled with the surface plasmon or waveguide mode. The intensity of light reflected and diffracted to the block side is attenuated. Therefore, by knowing the incident angle of the light beam with respect to the diffraction grating when this attenuation occurs, the refractive index of the sample and the sample characteristics related thereto can be analyzed.
[0019]
Furthermore, the surface plasmon resonance measuring apparatus and the leakage mode measuring apparatus described above use the fact that the incident angle θ of the light beam that causes attenuation of the total reflection light or the reflected diffraction light changes according to the refractive index of the sample. Although sample analysis is performed, the same sample analysis can be performed even when the incident angle θ is constant. That is, when the incident angle θ of the light beam is constant, the wavelength λ of the light beam has a certain value λ as shown in FIG. _SP In this case, attenuation of total reflected light or reflected diffracted light occurs. Then, a specific wavelength λ at which attenuation of this total reflection light or reflected diffraction light occurs. _SP Since this depends on the refractive index of the sample, this specific wavelength λ _SP By detecting this, it is possible to analyze the refractive index of the sample and the characteristics of the sample related thereto.
[0020]
Such a type of measuring apparatus is particularly advantageous in obtaining the two-dimensional physical properties of the sample. That is, in that case, a light source that generates a light beam having a certain wavelength width, such as white light, is used, and two-dimensional light detection means that spectrally detects total reflected light or reflected diffracted light is used. Since it is not necessary to change the incident angle of the light beam with respect to the diffraction grating, it becomes possible to stably irradiate a certain portion of the sample.
[0021]
[Patent Document 1]
JP-A-6-167443
[0022]
[Patent Document 2]
JP 2001-255267 A
[0023]
[Patent Document 3]
JP 2001-511249 A
[0024]
[Non-Patent Document 1]
"Spectroscopy", 1998, Vol. 47, No. 1, pp. 21-23 and pp. 26-27
[0025]
[Non-Patent Document 2]
DVNoort, K. Johansen, CFMandenius, “Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement” EUROSENSORS XIII, 1999, pp. 585-588
[0026]
[Non-Patent Document 3]
PINikitin, ANGrigorenko, AABeloglazov, MVValeiko, AISavchuk, OASavchuk, “Surface Plasmon Resonance Interferometry for Micro-Array
Biosensing ”EUROSENSORS XIII, 1999, pp. 235-238
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
In the surface plasmon resonance measuring apparatus and leakage mode measuring apparatus configured to detect the presence or absence of a specific substance in the sample using the above-mentioned sensing substance, a thin film layer (in the case of a surface plasmon resonance measuring apparatus, it is a metal film) In the leaky mode measuring device, the sensing substance is fixed on the cladding layer and the optical waveguide layer. In that case, in order to be able to measure each physical property of multiple samples of the same type or different types in parallel independently of each other, the same or different types of sensing are provided on the uniformly spreading thin film layer. It is considered that a plurality of substances are fixed while being separated from each other. Alternatively, a structure in which a plurality of thin film layers separated from each other are formed on a dielectric block and a sensing material spread uniformly on them or a sensing material separated from each other corresponding to each thin film layer is fixed, Since surface plasmons and waveguide modes are excited independently for each thin film layer, each physical property of a plurality of samples can be obtained for each thin film layer.
[0028]
However, when the conventional surface plasmon resonance measuring apparatus and leakage mode measuring apparatus are configured as described above, the number of sensing substances or thin film layers fixed to the dielectric block in a state where they are separated from each other cannot be increased sufficiently. Therefore, the number of samples that can be analyzed in parallel is limited to a relatively small number.
[0029]
In view of the above circumstances, an object of the present invention is to make it possible to analyze a large number of samples in parallel in a surface plasmon resonance measuring apparatus or a leakage mode measuring apparatus that analyzes a sample using a sensing substance.
[0030]
[Means for Solving the Problems]
The first measuring apparatus according to the present invention is premised on the configuration in which the physical properties of the sample are measured using the attenuation of the total reflection light described above. Specifically,
A dielectric block;
A thin film layer having a refractive index lower than that of the dielectric block formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A sensing substance that is formed on the thin film layer and binds to a specific substance in the sample;
A light source that generates a light beam;
An incident optical system that makes the light beam incident on the dielectric block so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
In a measuring apparatus comprising a two-dimensional light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface at each of a plurality of positions in the beam cross section,
The thin film layer and / or the sensing material has a size in a direction parallel to the incident surface of the light beam with respect to the thin film layer is not less than an interaction length of the thin film layer and the light beam, and a size in a direction perpendicular to the incident surface. The shape is smaller than the interaction length, and a plurality of them are arranged in a direction parallel to and perpendicular to the incident surface.
[0031]
Further, the second measuring apparatus according to the present invention is premised on the configuration for measuring the physical properties of the sample using the attenuation of the reflected diffracted light described above. Specifically,
A dielectric block;
A diffraction grating formed on one surface of the dielectric block;
A thin film layer formed on the diffraction grating and brought into contact with the sample;
A sensing substance that is formed on the thin film layer and binds to a specific substance in the sample;
A light source that generates a light beam;
An incident optical system that makes the light beam incident on the dielectric block so as to irradiate at least a part of the diffraction grating;
In a measuring apparatus comprising a two-dimensional light detection means for measuring the intensity of the light beam reflected and diffracted by the diffraction grating at each of a plurality of positions in the beam cross section,
The thin film layer and / or the sensing material has a size in a direction parallel to the incident surface of the light beam with respect to the thin film layer is not less than an interaction length of the thin film layer and the light beam, and a size in a direction perpendicular to the incident surface. The shape is smaller than the interaction length, and a plurality of them are arranged in a direction parallel to and perpendicular to the incident surface.
[0032]
More specifically, if the thin film layer is formed from a metal film, the above-described surface plasmon resonance measuring apparatus is configured, and the thin film layer is formed on one surface of the dielectric block, and further formed thereon. If the optical waveguide layer is formed, the above-described leakage mode measuring device is configured.
[0033]
In addition, the size of the thin film layer and / or the sensing substance in the direction orthogonal to the incident surface is preferably as small as possible to increase the number of formation, but if the size is so small as to exceed the resolution of the optical system, the measurement can be performed. Since this becomes impossible, the size is equal to or larger than the resolution of the optical system, and most preferably the same size as the resolution.
[0034]
【The invention's effect】
In the surface plasmon resonance measuring apparatus, in order for the evanescent wave and the surface plasmon to combine, a certain amount of mutual cross-direction in the direction along the metal film (direction extending in parallel with the metal film in the incident surface of the light beam with respect to the metal film). A working length is required. Also in the leaky mode measurement apparatus, since the evanescent wave and the waveguide mode are coupled, the direction along the cladding layer and the optical waveguide layer (the direction extending in parallel with the cladding layer within the incident surface of the light beam with respect to the cladding layer). Some degree of interaction length is required.
[0035]
In the case of the surface plasmon resonance measuring apparatus, this interaction length is the propagation length L of the surface plasmon, and L = (2k _x ″) ^-1 It is. here,
[Expression 2]

It is. In the above formula,
ω: Angular frequency of light
c: Speed of light in vacuum
ε ₁ ': Real part of dielectric constant of metal film
ε ₁ ″: Imaginary part of dielectric constant of metal film
ε ₂ : Dielectric constant of the medium in contact with the metal film
It is.
[0036]
The interaction length (propagation length L) is, for example, ε in a surface plasmon resonance measuring apparatus in which a metal film is made of Au (gold) and the wavelength of an incident light beam is 630 nm. ₁ ′ = −12.7, ε ₁ ″ = 1.41, ε ₂ = 1.7, L = 4.5 μm. In the surface plasmon resonance measuring apparatus in which the metal film is made of Ag (silver), L = 24 μm under the same conditions.
[0037]
The medium in contact with the metal film is generally a sample solution, and a commonly used medium is PBS (phosphate buffer solution). Dielectric constant ε of such analyte solution ₂ Is generally a value within the range of 1.7 to 1.8 depending on the method of preparing the solution.
[0038]
In addition, the interaction length in the above-described leakage mode measurement apparatus is generally longer than that in the surface plasmon resonance measurement apparatus because light propagates in the optical waveguide layer.
[0039]
From the viewpoint of securing the above interaction length, in the conventional apparatus, when a plurality of thin film layers or sensing materials are formed in the dielectric block in an independent state, the size of each of them is equal to the interaction length both vertically and horizontally, or The value exceeded that. In other words, in the surface plasmon resonance measuring apparatus of the above example, each of the plurality of thin film layers or sensing substances to be formed is at least 24 × 24 μm.
[0040]
However, the interaction length as described above only needs to be ensured in a direction along the thin film layer where the evanescent wave travels, that is, in a direction parallel to the incident surface of the light beam. Even if it is not ensured in the orthogonal direction, surface plasmon and waveguide mode excitation can be normally performed.
[0041]
In view of this knowledge, in the measuring apparatus of the present invention, the size of the thin film layer and / or the sensing substance in the direction perpendicular to the incident surface is smaller than the interaction length, so that the same size dielectric block , The number of thin film layers and / or sensing substances arranged side by side in this direction can be increased as compared with the conventional device. For example, in the surface plasmon resonance measuring apparatus of the above example, assuming that the size of the thin film layer and / or the sensing substance in the direction orthogonal to the incident surface is 1 μm and they are arranged in parallel at an interval of 1 μm, the conventional apparatus Then, 12 thin film layers and / or sensing materials can be juxtaposed in a region having a width of 24 μm where only one thin film layer and / or sensing material can be arranged in the above direction.
[0042]
In this way, in the measuring apparatus of the present invention, the number of sensing substances or thin film layers fixed to the dielectric block in a state of being separated from each other can be sufficiently increased, so that a large number of samples can be analyzed in parallel. It becomes possible.
[0043]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0044]
FIG. 1 shows a side shape of a measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention. The apparatus of the present embodiment is the surface plasmon resonance measuring apparatus described above as an example, and is formed from a transparent synthetic resin, an optical glass such as BK7, and has a substantially trapezoidal cross-sectional shape, for example, and the dielectric block A plurality of metal films 12 made of, for example, silver, formed independently on each other on one surface (upper surface in the figure), a plurality of sensing substances 11 each fixed on these metal films 12, and a single color A laser light source 4 that emits a light beam 3 and an incident optical system 15 that collimates the light beam 3 emitted from the light source 4 in a divergent light state and enters the dielectric block 10 toward the metal film 12. And have.
[0045]
Further, the surface plasmon resonance measuring apparatus is disposed at a position where the light beam 3 totally reflected by the interface 10a between the dielectric block 10 and the metal film 12 is incident, and the intensity of the light beam 3 is included in the beam cross section. A CCD area sensor 20 for two-dimensional detection is provided. The output signal of the CCD area sensor 20 is input to the control unit 24, and the analysis result obtained by the control unit 24 as described later is displayed on the display means 25.
[0046]
The incident angle θ of the light beam 3 with respect to the interface 10a is set to an angle that is not less than the critical angle and that excites surface plasmons. Therefore, the light beam 3 is totally reflected at the interface 10a. The light beam 3 is incident on the interface 10a as p-polarized light. In order to do so, for example, the direction of the laser light source 4 may be set to a predetermined direction, or a wavelength plate or a polarizing plate may be incorporated in the optical path of the light beam 3 to control the direction of polarization.
[0047]
On the dielectric block 10, the metal film 12 is patterned in an array as shown in the plan view of FIG. 4 and the enlarged region a in FIG. That is, each metal film 12 has a size in a direction parallel to the incident surface of the light beam 3 (a surface parallel to the paper surface of FIG. 1) with respect to the interaction length of the metal film 12 and the light beam 3, The size in the direction perpendicular to the surface is smaller than the interaction length, and five are arranged in a direction parallel to the incident surface and several tens are arranged in the direction perpendicular to the incident surface. ing.
[0048]
For example, the interaction length is 24 μm when the metal film 12 is made of silver and the wavelength of the light beam 3 is 630 nm. In the present embodiment, as shown in FIG. 5, the size L of the metal film 12 in the direction parallel to the incident surface is, for example, 24 μm equal to the interaction length, and the size W in the direction orthogonal to the incident surface is 1 μm. It is said that. The arrangement pitch of the metal films 12 in the direction orthogonal to the incident surface is 2 μm. The sensing substance 11 is fixed on each of the metal films 12 thus formed.
[0049]
The operation of the surface plasmon resonance measuring apparatus having the above configuration will be described below. When the sample analysis is performed by this apparatus, the sample 30 to be analyzed is arranged on the sensing substance 11 by immersing the dielectric block 10 in the sample solution or spotting a small amount of the sample solution. In this state, the laser light source 4 is turned on, and the light beam 3 emitted therefrom enters the dielectric block 10. The light beam 3 is totally reflected at the interface 10 a between the dielectric block 10 and the metal film 12, is emitted from the dielectric block 10, and is received by the CCD area sensor 20. The CCD area sensor 20 detects the intensity of the light beam 3 at each position in the beam cross section, and inputs a light detection signal S indicating the detected light intensity to the control unit 24.
[0050]
At this time, if the incident angle θ with respect to the interface 10a of the light beam 3 is appropriately set, as shown in FIG. _SP , Total reflection attenuation due to surface plasmon resonance occurs, which is detected by the CCD area sensor 20 as a significant decrease in detected light intensity. The curve in FIG. 2 changes in such a manner that it moves in the left-right direction in FIG. 2 when the refractive index of the sensing substance 11 fixed to the metal film 12 changes. Therefore, since the refractive index changes depending on whether or not the specific substance in the sample 30 is bound to the sensing substance 11, the intensity of the total reflected light changes. Therefore, based on the light detection signal S of the CCD area sensor 20. Thus, the presence or absence of the binding, that is, the presence or absence of the specific substance in the sample 30 can be detected. In this way, the control unit 24 detects the presence / absence of the specific substance in the sample 30, and the detection result is displayed on the display means 25.
[0051]
Since a plurality of combinations of the metal film 12 and the sensing substance 11 are provided independently of each other, the presence / absence of the specific substance can be detected for each sensing substance 11. In addition, when a plurality of sensing substances 11 provided independently of each other are of different types, it is possible to determine what kind of sensing substance 11 a specific substance binds to. In addition, when a plurality of sensing substances 11 provided independently of each other are of the same type, different samples 30 are supplied to them to determine what specific substances are bound to the sensing substance 11. Can be sought. Examples of the combination of the sensing substance and the specific substance as described above include combinations of various antibodies and antigens.
[0052]
In the present embodiment, since the size of the metal film 12 is as described above, more metal films 12 can be disposed on the dielectric block 10 as compared with the conventional device. That is, in the conventional device, as shown in the plan view of FIG. 6 and the enlarged region b in FIG. 7, the metal film 12 has a size L in a direction parallel to the incident surface of the light beam 3 and a direction perpendicular thereto. The size W of each was at least equal to the interaction length. That is, as described above, when the metal film 12 is made of silver and the wavelength of the light beam 3 is 630 nm, L = W = 24 μm. Compared to this, in the present embodiment, twelve metal films 12 can be arranged in the space where one metal film 12 shown in FIG. 7 is arranged.
[0053]
As described above, if a larger number of metal films 12 can be disposed on the dielectric block 10, a large number of samples 30 can be analyzed in parallel, and the efficiency of analysis work is achieved.
[0054]
Note that the sizes of the metal film 12 and the sensing substance 11 are not limited to the above values, and are appropriately set based on the interaction length determined according to the material constituting the metal film 12, the wavelength of the light beam used, etc. do it.
[0055]
Further, as in the present embodiment, a plurality of metal films 12 and sensing substances 11 are provided independently of each other. In addition, the metal film 12 is uniformly formed wide and a plurality of sensing substances 11 are provided independently of each other. Even if a plurality of metal films 12 are provided independently of each other and the sensing substance 11 is formed uniformly and widely on the metal film 12, the same effect as in the present embodiment can be obtained. Can do.
[0056]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 shows a side shape of the measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. The apparatus of the present embodiment is also the surface plasmon resonance measuring apparatus described above as an example, and is formed from a transparent synthetic resin, optical glass such as BK7, and has a substantially trapezoidal cross-sectional shape, for example, and the dielectric block A plurality of metal films 12 made of, for example, gold, silver, copper, aluminum, etc., formed independently on each other on one surface (the upper surface in the figure), and a plurality of metal films 12 respectively fixed on these metal films 12 The sensing material 11, the light source 14 that emits white light 13, and the white light 13 emitted from the light source 14 in a divergent light state are converted into parallel light, and the parallel light beam 13B is directed toward the metal film 12 as a dielectric. And an incident optical system 15 that is incident on the body block 10.
[0057]
Further, the surface plasmon resonance measuring apparatus includes a diffraction grating 16 disposed at a position where a light beam 13B totally reflected by the interface 10a between the dielectric block 10 and the metal film 12 is incident, and the diffraction grating 16 is converted into a light beam 13B. Diffraction grating driving means 17 that rotates in the direction in which the incident angle of the light beam changes (arrow A direction), a condensing lens 18 that converges the light beam 13B reflected and diffracted by the diffraction grating 16, and a light beam 13B by the condensing lens 18 And a CCD area sensor 20 that two-dimensionally detects the light beam 13B that has passed through the pinhole 19a of the pinhole plate 19.
[0058]
The operation of the diffraction grating driving means 17 is controlled by the control unit 24. The output signal of the CCD area sensor 20 is input to the control unit 24, and the analysis result obtained by the control unit 24 as described later is displayed on the display means 25.
[0059]
The incident angle θ of the light beam 13B with respect to the interface 10a is set to an angle that is equal to or larger than the critical angle and excites surface plasmons. Therefore, the light beam 13B is totally reflected at the interface 10a. The light beam 13B is incident on the interface 10a as p-polarized light. In order to do so, for example, a wavelength plate or a polarizing plate may be incorporated in the light source 14 to control the direction of polarization of the white light 13.
[0060]
The arrangement state of the metal film 12 and the sensing substance 11 on the dielectric block 10 is the same as that in the apparatus shown in FIG. That is, each metal film 12 has a size in the direction parallel to the incident surface of the light beam 13B (a surface parallel to the paper surface of FIG. 8) with respect to the interaction length of the metal film 12 and the light beam 13B. The size in the direction perpendicular to the surface is smaller than the interaction length, and five are arranged in a direction parallel to the incident surface and several tens are arranged in the direction perpendicular to the incident surface. ing.
[0061]
The operation of the surface plasmon resonance measuring apparatus having the above configuration will be described below. In performing sample analysis by this apparatus, the sample 30 to be analyzed is placed on the sensing substance 11. In this state, the light source 14 is turned on, and a light beam 13B, which is white light converted into parallel light, enters the dielectric block 10. The light beam 13B is totally reflected at the interface 10a between the dielectric block 10 and the metal film 12, is emitted from the dielectric block 10, and is reflected and diffracted by the diffraction grating 16. Since the diffraction angle at this time varies depending on the wavelength λ of the light beam 13B, the light beam 13B is emitted from the diffraction grating 16 in a spatially dispersed state.
[0062]
The split light beam 13B is collected by the condenser lens 18, passes through the pinhole 19a of the pinhole plate 19 arranged at the convergence position, and enters the CCD area sensor 20. The CCD area sensor 20 detects the intensity of the light beam 13B at each position in the beam cross section, and inputs a light detection signal S indicating the detected light intensity to the control unit 24.
[0063]
As described above, since the light beam 13B incident on the pinhole plate 19 is spatially dispersed, only light in a narrow wavelength region passes through the pinhole 19a. When analyzing the sample, the diffraction grating 16 is rotated as described above, whereby the wavelength of the light beam 13B passing through the pinhole 19a is swept. The CCD area sensor 20 detects the light intensity for each wavelength thus swept.
[0064]
At this time, if the wavelength range to be swept is set appropriately, as shown in FIG. _SP , Total reflection attenuation due to surface plasmon resonance occurs, which is detected by the CCD area sensor 20 as a significant decrease in detected light intensity. The specific wavelength λ _SP The value of is uniquely corresponding to the refractive index of the sensing substance 11, and the refractive index varies depending on the presence or absence of binding between the sensing substance 11 and a specific substance in the sample 30, so that the total reflection attenuation occurs. Wavelength λ _SP Based on this value, that is, based on the rotational position of the diffraction grating 16, it is possible to determine whether or not the sensing substance 11 is bound to the specific substance. Therefore, the control unit 24 obtains for each sensing substance 11 whether or not the sensing substance 11 is bonded to the specific substance based on the light detection signal S and the rotational position of the diffraction grating 16 controlled by itself. The analysis result thus obtained by the control unit 24 is displayed on the display means 25.
[0065]
Also in this embodiment, since a larger number of metal films 12 can be arranged on the dielectric block 10 than in the conventional apparatus, it becomes possible to analyze a large number of samples 30 in parallel, and the efficiency of analysis work is improved. Achieved.
[0066]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 9 shows a side shape of a measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. In FIG. 9, the same elements as those in FIG. 8 are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted unless necessary (the same applies hereinafter).
[0067]
The apparatus of the third embodiment is also a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example. However, in comparison with the measuring apparatus shown in FIG. 8, the upper surface (the surface on which the metal film 12 is formed) is used instead of the dielectric block 10. The difference is that the dielectric block 70 in which the diffraction grating 71 is formed is used. The diffraction grating 71 is formed by forming irregularities on the upper surface of the dielectric block 70, and the height and pitch of the irregularities are typically about several tens of nm and 1 μm, respectively.
[0068]
In this apparatus, the light beam 13B is reflected and diffracted by the diffraction grating 71 and folded. Also in this case, the wavelength λ of the light beam 13B has a specific value λ. _SP When evanescent light generated by diffraction and leached to the metal film 12 side is combined with the surface plasmon, the intensity of the light beam 13B reflected and diffracted to the dielectric block 70 side is sharply attenuated. Therefore, in this apparatus as well, the presence / absence of binding between the sensing substance 11 and the specific substance can be obtained in the same manner as the apparatus of FIG.
[0069]
Also in the present embodiment, the arrangement state of the metal film 12 and the sensing substance 11 is the same as that in the apparatus shown in FIG. Therefore, since a larger number of metal films 12 and sensing substances 11 can be arranged on the dielectric block 10, a large number of samples 30 can be analyzed in parallel, and the efficiency of analysis work is achieved.
[0070]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 10 shows a side shape of a measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The apparatus of the fourth embodiment is the leakage mode measuring apparatus described above. Compared with the measuring apparatus shown in FIG. 8, the clad layer 80 and the optical waveguide are formed on the upper surface of the dielectric block 10 instead of the metal film 12. The difference is that the layer 81 is formed in this order. The arrangement state of the clad layer 80 and the optical waveguide layer 81 is basically the same as the arrangement state of the metal film 12 in the apparatus of FIG.
[0071]
The dielectric block 10 is formed using, for example, synthetic resin or optical glass such as BK7. On the other hand, the cladding layer 80 is formed in a thin film shape using a dielectric having a lower refractive index than the dielectric block 10 or a metal such as gold. The optical waveguide layer 81 is also formed into a thin film using a dielectric having a higher refractive index than the cladding layer 80, such as PMMA. The thickness of the clad layer 80 is, for example, 36.5 nm when formed from a gold thin film, and the thickness of the optical waveguide layer 81 is, for example, about 700 nm when formed from PMMA.
[0072]
In the leakage mode measuring apparatus having the above-described configuration, when the light beam 13B is incident on the cladding layer 80 through the dielectric block 10 at an incident angle greater than the critical angle, the light beam 13B is generated between the dielectric block 10 and the cladding layer 80. Although the light is totally reflected at the interface 10c, the light having a specific wavelength transmitted through the cladding layer 80 and incident on the optical waveguide layer 81 propagates through the optical waveguide layer 81 in a waveguide mode. When the waveguide mode is excited in this way, most of the incident light is taken into the optical waveguide layer 81, and total reflection attenuation occurs in which the intensity of light totally reflected at the interface 10c sharply decreases.
[0073]
The wave number of guided light in the optical waveguide layer 81 depends on the refractive index of the sensing substance 11 on the optical waveguide layer 81, and the refractive index indicates whether or not the sensing substance 11 and the specific substance in the sample 30 are bonded. The wavelength λ when the total reflection attenuation occurs. _SP Based on this value, that is, based on the rotational position of the diffraction grating 16, it is possible to determine whether or not the sensing substance 11 is bound to the specific substance. Therefore, the control unit 24 obtains for each sensing substance 11 whether or not the sensing substance 11 is bonded to the specific substance based on the light detection signal S and the rotational position of the diffraction grating 16 controlled by itself. The analysis result thus obtained by the control unit 24 is displayed on the display means 25.
[0074]
Also in this embodiment, since a larger number of cladding layers 80, optical waveguide layers 81, and sensing substances 11 can be arranged on the dielectric block 10 as compared with the conventional apparatus, a large number of samples 30 are analyzed in parallel. This makes it possible to achieve efficient analysis work.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a graph showing the relationship between the measurement light incident angle and the detection light intensity in the surface plasmon resonance measurement apparatus.
FIG. 3 is a graph showing the relationship between the measurement light wavelength and the detection light intensity in the surface plasmon resonance measurement apparatus.
4 is a plan view showing an arrangement state of metal films in the apparatus of FIG.
5 is an enlarged plan view showing a part of FIG.
FIG. 6 is a plan view showing a metal film arrangement state in a conventional apparatus.
7 is an enlarged plan view showing a part of FIG.
FIG. 8 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 9 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 10 is a schematic side view showing a leakage mode measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
3, 13B Light beam
4 Laser light source
10, 70 Dielectric block
10a Interface between dielectric block and metal film
10c Interface between dielectric block and cladding layer
11 Sensing substances
12 Metal film
13 White light
13B light beam
14 White light source
15 Incident optics
16 Diffraction grating
17 Diffraction grating drive means
18 Condensing lens
19 pinhole plate
20 CCD area sensor
24 Control unit
25 Display means
71 Diffraction grating
80 Clad layer
81 Optical waveguide layer

Claims

A dielectric block;
A thin film layer having a refractive index lower than that of the dielectric block formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A sensing substance that is formed on the thin film layer and binds to a specific substance in the sample;
A light source that generates a light beam;
An incident optical system that makes the light beam incident on the dielectric block so that a total reflection condition is obtained at an interface between the dielectric block and the thin film layer;
In a measuring apparatus comprising a two-dimensional light detection means for measuring the intensity of the light beam totally reflected at the interface at each of a plurality of positions in the beam cross section,
The thin film layer and / or the sensing material has a size in a direction parallel to the incident surface of the light beam with respect to the thin film layer is not less than an interaction length of the thin film layer and the light beam, and a size in a direction perpendicular to the incident surface. A measuring apparatus having a shape smaller than the interaction length and arranged in a direction parallel to and perpendicular to the incident surface.

A dielectric block;
A diffraction grating formed on one surface of the dielectric block;
A thin film layer formed on the diffraction grating and brought into contact with the sample;
A sensing substance that is formed on the thin film layer and binds to a specific substance in the sample;
A light source that generates a light beam;
An incident optical system that makes the light beam incident on the dielectric block so as to irradiate at least a part of the diffraction grating;
In a measuring apparatus comprising a two-dimensional light detection means for measuring the intensity of the light beam reflected and diffracted by the diffraction grating at each of a plurality of positions in the beam cross section,
The thin film layer and / or the sensing material has a size in a direction parallel to the incident surface of the light beam with respect to the thin film layer is not less than an interaction length of the thin film layer and the light beam, and a size in a direction perpendicular to the incident surface. A measuring apparatus having a shape smaller than the interaction length and arranged in a direction parallel to and perpendicular to the incident surface.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the thin film layer is made of a metal film.

3. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the thin film layer includes a clad layer formed on one surface of the dielectric block and an optical waveguide layer formed thereon.