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JPH0650882A - 光学測定装置 - Google Patents

光学測定装置

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Publication number
JPH0650882A
JPH0650882A JP5170988A JP17098893A JPH0650882A JP H0650882 A JPH0650882 A JP H0650882A JP 5170988 A JP5170988 A JP 5170988A JP 17098893 A JP17098893 A JP 17098893A JP H0650882 A JPH0650882 A JP H0650882A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
prism
stage
detector
mirror
incident angle
Prior art date
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Pending
Application number
JP5170988A
Other languages
English (en)
Inventor
David A King
ディビット・エー・キング
Jens-Peter Seher
イエンス・ペータ・ゼーア
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Hewlett Packard Co filed Critical Hewlett Packard Co
Publication of JPH0650882A publication Critical patent/JPH0650882A/ja
Pending legal-status Critical Current

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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/645Specially adapted constructive features of fluorimeters
    • G01N21/648Specially adapted constructive features of fluorimeters using evanescent coupling or surface plasmon coupling for the excitation of fluorescence
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
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Abstract

(57)【要約】 【目的】アライメント誤差が生じない、測定器の構成素
子を動かさずに電磁放射ビームの入射角を変化せること
が可能な光学測定装置。 【構成】本発明は、表面素励起共振(表面プラズモン共
振、SPR)装置に適しており、ここではSPR表面に
対して垂直な方向で電磁放射ビームが生成される。そし
て、ビームを偏向し、選択可能な入射角でSPR表面へ
供給する。さまざまな角度の入射に対応したSPR表面
で反射したビームを、前記SPR表面に対して垂直な方
向で検出器へ向けて、偏向または回転する。これによ
り、放射源、検出器、SPR表面んは相対的な位置に固
定することができ、より安定な構成の装置を得ることが
できる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は一般に光学測定装置に関
し、特に、選択可能な入射角で放射ビームを反射表面に
投射することによりその反射を測定するための装置に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】本発明は、表面ブラズモン共振の測定に
特に有効に適用できるものである。表面プラズモン共振
はバイオセンサおいて、免疫および核酸の検出等の分野
で利用されている。基本的には、表面プラズモンは、導
電性材料と非導電性材料の間の界面に沿って生成する電
磁波である。このような表面プラスモンを生成させる典
型的な技術は、電磁放射ビームを臨界角度以上の入射角
でガラス・プリズムへと誘導することにより、内部で全
反射を起こさせる。このような内部反射によって、表面
付近のプリズムの外側の領域に消散電磁波(evanescent
electromagnetic wace)が生成する。プリズムの表面上
に導電性薄膜がディポジットされると、表面プラスモン
が形成される。表面プラズモン共振は、消散電磁波の運
動量(電磁波のベクトル)とエネルギ(周波数)を表面
プラスモンの運動量及びエネルギとそれぞれ適合するよ
うに形成された場合に生ずるものである。反射ビームの
強度が急激に低下するで特徴づけられ、これは、反射ビ
ームのエネルギが共振により表面プラスモンへ伝達され
るからである。
【0003】消散電磁波の波ベクトルは次の式によって
定義される。 Ke=(ω/C )n sinΘ ここで、ωは入射ビームの角周波数であり、C は真空に
おける光の速度であり、n はガラスの屈折率であり、Θ
は入射角である。表面プラスモンの波ベクトルは次の方
程式によって定義される。 Ksp=(ω/C )√(1/εm + 1/εs) ここで、εmは金属の誘電率の実数であり、εs は金属
を囲む被試験物質の(または物質が存在しない場合には
空気の)誘電率である。
【0004】共振時には消散電磁波の波ベクトルは表面
プラスモンと同じなので、表面から電磁波は反射されな
い。従って、表面プラスモン共振は次の式において生じ
ることになる。 Ke = Ksp
【0005】金属薄膜層に格子又は表面音波のような周
期的構造が供給されると、上記の式は以下のようにな
る。 Ke +K=Ksp ここで、Kは周期構造に起因する波ベクトルである。
【0006】上記の式によって、異なる材料のεs の値
の差を測定する有効な手段を得ることができる。また、
物質のεs の値を変化させる物質に存在するトレース表
面化学成分を検出する有効な手段も得ることができる。
共波時に、Ke の差を測定することにより、εs の変化
を決定することができる。上記の等式条件を利用した従
来から周知の表面プラスモン共振測定器は全て、共振を
検出するために図2に示すように、Θを変化させ、異な
るΘの値で反射ビームを検出することにより、Ke の差
を測定するものであった。このような従来の表面プラス
モン共振測定器では、3つの周知の方法で異なるΘの値
で反射ビームの検出が行われていた。
【0007】第1の方法では、電磁放射源の位置は固定
されている。Θの値を変化させるためにプリズムが回転
される。反射ビームを検出するための検出器も2Θの角
度だけ回転されている。
【0008】第2の方法では、1978年の「Optics C
ommunications」の第26巻第1号に、E.Kretschmannに
よって記載されている「The ATR Method with Focused
Light - Application to Guided Waves on a Grating"
(集束光を用いたATR方式−格子におけるきょう動波
の応用)及び米国特許第4,997,278号「Biologi
cal Sensors」(生物学的センサ)に記載されているよ
うに、放射源とプリズムの両方が固定されている。そし
て、入射光をΘの値が異なる光ビームの円錐内に拡散さ
せるために屈折光学素子が利用される。反射ビームがダ
イオードアレイによって検出される。反射されたビーム
はダイオードアレイによってで検出される。入射光が拡
散すると、あいにく、その強度は低下する。例えば、照
射のため(発蛍光団(fluorophores) の層として)、ビ
ームの強度を必要とする代表的な適用例では、この方法
は望ましくない。
【0009】また、欧州特許出願第89304570.
8号に開示されている第3の方法では、放射源とプリズ
ムの両方の位置が固定されている。放射源からの光を異
なる入射角でプリズムへと誘導するために回転ミラーが
使用される。放射ビームの反射は別の曲面ミラーによっ
て検出器へ偏向される。あいにく、ビームは異なる角度
から検出器へ入射することより、検出器はさまざまな方
向からの反射ビームを検出する必要がある。このような
必要条件は、検出器が大きい集光立体角を備えていなけ
ればならないが、このような機能を備えた検出器は通常
高価であるかあるいは感度が鈍い。検出器をまた特定の
点、すなわち、湾曲ミラーの焦点に配置させる必要があ
る。これは不便であり、システムはアライメントの誤差
が生じやすくなる。
【0010】
【発明の目的】本発明の目的は、上述の問題点を解消
し、構成素子の位置を変えずに固定したままで、ビーム
の入射角の選択が可能な光学測定装置を得ることにあ
る.
【0011】
【発明の概要】本発明は、表面プラズモン共振装置に有
効に適用できる光学測定装置に関する。本願発明に係る
装置は、反射表面を備える光学媒体と、第1の線に沿っ
た電磁放放射のビームを生成する放射源と、第2の線に
沿った電磁放射ビームを検出する検出器と前記放射ビー
ムを並進(translate)および回転させて選択可能な入射
角で反射表面に送り込まれる入射ビームを形成し、放射
ビームの反射したビームを検出器による検出のため第2
の線に沿って並進および回転させる手段とから構成され
る。本発明により、放射源と検出器と反射表面の位置は
固定されているので、より信頼性に優れた構成にするこ
とができる。
【0012】
【発明の実施例】図1には、表面プラズモン共振を利用
した本発明の一実施例である光学測定装置100が示さ
れている。光学測定装置100は、電磁放射のビームが
適切な入射角で投射されると、全内部反射が形成される
表面102を有する、ガラス・プリズム101等の透明
(電磁放射に対して透明な)材料から成るブロックを備
えている。表面プラズモンを形成するため、プリズム1
01の表面102には薄い金属(例えば、銀)層106
がディポジットされる。金属層106の上にはその屈折
率が測定される試験材料112が設けられる。プリズム
101は、上述のアメリカ特許第4、997、278号
に開示される半円筒形または半球形のプリズムで、電磁
放射は屈折を伴うことなく、さまざまな入射角で入射す
る。
【0013】表面プラズモンの形成に特性をもつ電磁放
射(例えば、レーザ)103のビームがさまざまな入射
角でプリズム101に入射するとき、表面プラズモンが
形成される。必要に応じて、電磁放射のビームを適切に
偏向およびコリメートさせる手段(図示せず)が設けら
れている。光源103は、プリズム101の表面102
と垂直であることが望ましい線113に沿って、レーザ
・ビームを生成する。放射ビームが並進ステージ104
に入ると、角度的に90度が望ましい偏向または回転が
施される。
【0014】並進ステージから出てくる偏向ビームは、
次に、プリズム101の表面102に沿った所定の点に
焦点をあてた、球面ミラーまたは放物面ミラー等の第1
の集光ミラー(converting mirror)105によってプリ
ズム102の表面に対して焦点があてられる。入射角が
臨界角以上になると、レーザ・ビームが内部反射を引き
起こし、この結果、金属層106に沿った表面プラズモ
ンが生成される。プリズム101から出てきたレーザ・
ビーム反射は、第1の集光ミラー105の焦点と重なる
焦点を備えた円形ミラー、放物面ミラー等の第2の集光
ミラー107によって偏向が施される。
【0015】第2の集光ミラー107は、反射したレー
ザ・ビームを偏向し、並進ステージ104へ戻す。並進
ステージ内では、反射ビームは角度的に90度の偏向ま
たは回転され、プリズム101の表面102に対して垂
直な線に沿って、並進ステージ104から出て、検出器
108に受信される。並進ステージ104は、プリズム
101の表面102に対して垂直であることが望ましい
線に沿って移動可能である。放射ビームは、並進ステー
ジを移動させることによって、複数の平行線の異なる線
に沿って、第1の集光レンズに送ることができるが、や
はり、プリズム101の表面102における同じ所定の
点に戻るように、フォーカスを施す必要がある。並進ス
テージ104を移動させることによって、表面102へ
の放射ビームの入射角を変化させることができる。
【0016】第2の集光ミラー107の焦点は、第1の
集光ミラーの焦点と重なるので、放射ビームの入射角が
変化する場合でも、反射ビームは、第2の集光ミラー1
05に入る。反射ビームは、第2の集光ミラー107か
ら偏向され、並進ステージ104に入り、そこから検出
器108に送られる。検出器108は、線112に沿っ
て反射ビームを検出することができる。上述の従来技術
のように、ある点に固定させる必要がないので、検出器
は誤差の影響を受けにくい。並進ステージ104は、角
度的に放射ビームを90度回転させる第1の反射手段1
10を備えている。さらに、角度的に反射ビームを90
度回転させる第2の反射手段111も有しており、反射
ビームは検出器108によって所定の線に沿って受信す
ることも可能になる。第1の反射手段111および/ま
たは第2の反射手段111として有効に利用できる光学
デバイスは、1979年1月の「Am. J. Phys.」47
(1)の「Turning a Perfect Corner」にTaylorらによ
って開示されている。ここでは、屈折率が1.5のプリ
ズムに関して述べられている。プリズムの断面は直角等
辺(isosceles right angle)であり、その斜辺は、例え
ば、銀メッキによって反射性になっている。
【0017】上述のプリズムは、図1に示す本発明の一
実施例である並進ステージ104の第1の反射手段11
0と第2の反射手段111として利用される。上述の文
献によれば、図1に示すように、プリズムに入るとビー
ムは、プリズムを出る前に、初期屈折、2回にわたる内
部屈折、最終屈折を経て、角度的に90度偏向される。
上述のプリズムの利点は、90度の角偏向がプリズムの
配向及びガラスの光学指数と実質的に依存しないことで
ある。
【0018】図2に、直角プリズム・ミラー301を形
成する2つのミラーを用いた場合の実施例を示す。直角
をなすプリズム・ミラー301に対向する表面302
は、表面102と実質的に平行であることが好ましく、
放射ビーム312と反射ビーム314が図2に示すよう
に、ミラー表面304、306によって90度偏向また
は回転する。
【0019】欧州特許第353937号、1991年の
「Biosensors and Bioelc.」6,201の、「Sensitiv
ity enhancement of optical immunosensors by the us
e ofa surface plasomon resonance fluoroimmunoassa
y」、欧州特許出願第91109430.8号で記載さ
れるように、表面プラズモン共振の測定をさらに容易に
するため、発蛍光団が用いられる。この発蛍光団の層が
ほぼ金属層の光学波長内の表面プラズモンによって励起
されると、より波長の長い蛍光が発生する。
【0020】本発明について、特定の実施例及び構成素
子に関連して詳述してきたが、このような実施例及び構
成素子に変更や修正が可能であることは当業者にとって
自明のことである。例えば、放射ビームや反射ビームを
90度だけ偏向または回転させることが好ましいが、他
の角度による偏向または回転を利用することは本願発明
より逸脱することなく可能である。このように、本願発
明に係る装置は、試験ブロック、放射源または検出器を
移動させずに入射角を選択し、変更することも可能であ
る。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように、本発明ではビーム
の偏向および回転でビーム方向を制御することにより、
検出器や放射源等の構成素子を固定したまままでビーム
の入射角を変化させ、表面素励起の共振を得ることがで
きる.
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施例である表面プラズモン共振測
定に適用した光学測定装置の概略図。
【図2】本発明の他の実施例である光学測定装置の概略
図。
【図3】従来の表面プラズモン共振測定器の概略図。
【符号の説明】
100:光学測定装置 101:プリズム 106:金属層 103:放射源 108:検出器 104:並進ステージ 105、107:ミラー 301:プリズム・ミラー

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】反射表面を備える試験ブロックと、前記第
    1の線に沿って電磁放射のビームを供給する検出器と、
    前記ビームを前記反射表面に選択可能な角度で入射させ
    並進および回転させ、前記入射ビームが前記反射表面で
    反射したビームを第2の線に沿って前記検出器に向けて
    並進よび回転させる手段を含み、前記ブロック、前記放
    射源及び前記検出器の移動なしに前記入射角度が選択可
    能であることを特徴とする光学測定装置。
JP5170988A 1992-06-17 1993-06-17 光学測定装置 Pending JPH0650882A (ja)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US90020592A 1992-06-17 1992-06-17
US900,205 1992-06-17

Publications (1)

Publication Number Publication Date
JPH0650882A true JPH0650882A (ja) 1994-02-25

Family

ID=25412140

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP5170988A Pending JPH0650882A (ja) 1992-06-17 1993-06-17 光学測定装置

Country Status (2)

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EP (1) EP0575132A1 (ja)
JP (1) JPH0650882A (ja)

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