JP2006292562A - 表面プラズモンセンサ - Google Patents

Abstract

【課題】 表面プラズモンセンサにおいて、光源からセンサ部に照射する光の導光手段について、低コスト化、小型化が求められていた。
【解決手段】 光源１３からセンサ部１２の金属薄膜１２ａまでの光路が、すべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする表面プラズモンセンサを提供する。しかも、光源１３からセンサ部１２までの導光手段として、光源１３からの出力光から直線偏光の２つのビームを偏波分離し、この２ビームをセンサ部１２に導く導波路を形成する光学回路部１４を採用した。偏波分離した直線偏光の２ビームを、いずれも、表面プラズモンの測定に利用できるため、従来捨てていた偏波モードの光も有効活用できる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、本発明は、臨床診断分析や環境分析などに適用される表面プラズモンセンサに関する。

表面プラズモンセンサは、表面プラズモン共鳴（以下、ＳＰＲと記載する）を用いて金属薄膜上の物質の誘電率を測定するもので、感度が高いことと、その場で観察ができることなどから、近年、物質センサとして頻繁に用いられている。
この表面プラズモンセンサ（以下、ＳＰＲセンサと記載する）は、金属薄膜上の物質の誘電率（または、屈折率）をモニタすることにより、この誘電率の変化で金属薄膜上の物質の量を測定する。ＳＰＲは、金属表面の電子の励振モードである。この励振モードと外部から入力した電磁波を既知の構成を用いて結合させ、その励振モードの波数変化を反射光の強度変化としてとらえる。

図８は、従来のＳＰＲセンサの一例を示す図である（特許文献１参照）。
この従来のＳＰＲセンサは、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜３が一面に設けられたプリズム２を有するセンサ部１と、該センサ部１の金属薄膜３に光を照射する光源４、偏光子５及びレンズ６からなる光照射部７と、金属薄膜３で反射した光の強度変化を検出する受光部８とを備えて構成されている。このＳＰＲセンサを用いて特定物質の量をセンシングする場合には、センサ部１の金属薄膜３の表面に特定の反応試薬をコーティングする。次に、この部分をセンサプローブとして誘電体内部から金属薄膜３に対し、その全反射角以上の角度で特定の波長の光を入射する。光の入射角を変え、入射角による反射率の変化を調べると、ある特定の入射角において金属薄膜３での吸収が起こり、全反射を起こさなくなる。この特定の入射角は、金属とそれに接している物質の誘電率によって固有の値となる。ＳＰＲセンサは、この原理を用いて金属に接している物質の量を求めることができる。

このＳＰＲセンサは、当初金属薄膜の膜厚、誘電率測定などに応用が試みられていたが、現在は生体物質間の相互作用をｉｎ ｓｉｔｕ観察する用途が支配的である。これは、金属薄膜上に特定の蛋白質、糖などと結合する試薬を塗布しておき、（これをセンサチップと称する。）このチップ上にサンプルを流すとターゲットとする物質が存在すれば、チップ上で試薬と蛋白の特異的結合が起こり、この結合の時間変化をそのまま見ることができるためである。このように、反応の過程をｉｎ ｓｉｔｕで観察できる測定器は従来存在しなかったため、生化学の研究分野ではＳＰＲセンサは普及した。

現在主として用いられているＳＰＲセンサは全反射減衰法（以下、ＡＴＲ法と記載する）と呼ばれる方法のものである。このＡＴＲ法は、図８に示すように、光照射部７から出射された光を、プリズム２を用いて被検試料９が接触している金属薄膜３に集光し、その反射光をＣＣＤ、ＣＭＯＳ又はＰＤのアレイ等を用いた図示しない受光部８で角度成分に分解して測定する。
この際、特定の角度のみが、ＳＰＲのために全反射せず、暗線のピークとなって現れる。図９は、典型的なＳＰＲスペクトルを示すグラフである。このグラフ上に示された暗線のピークの位置を測定するのがＳＰＲセンサの仕組みである。

ＳＰＲセンサに使用される光源としては、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ランプといったインコヒーレント光源と、Ｈｅ−Ｎｅレーザ、面発光レーザ、端面発光レーザ等のコヒーレント光源とがある。
但し、これらの光源には、長所と短所とがある。

ＳＰＲセンサは、測定用のプローブ光として、Ｐ偏光のみが使用可能である。また、ＳＰＲセンサの光源としては、波長が６００〜８５０ｎｍのものが適している。
前述した、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ＳＬＤ（Super Luminescent Diode)、ランプといったインコヒーレント光源は、自然放出光を利用した広帯域光源である。光源からの放出光はランダム偏光、円偏光、楕円偏光であり、直線偏光ではない。このため、ＳＰＲ測定のＳ／Ｎ比を大きくとるために、従来、偏光フィルタを用いて単一直線偏光に変換したり、偏光スプリッタを用いてＳ偏光を反射、偏向させて除去するといった対策を行い、これによって得られる単一直線偏光を測定用のプローブ光として使用していた。なお、ここで使用される偏光フィルタや偏光スプリッタは、いずれも、レンズ系によって構成されたものを指す。
一方、前述した面発光レーザ等のレーザ光源は、波長、位相、偏波面が揃ったコヒーレント光源である。レーザ光源であれば、発光ダイオード（ＬＥＤ）、ランプといったインコヒーレント光源の場合のように、光源からの放射光から、偏光フィルタや偏光スプリッタを用いて単一偏光を得るなどといった対策は不要であり、光源からの放射光をそのまま、ＳＰＲセンサに照射する測定用のプローブ光として用いることが可能である。
しかしながら、レーザ光源は、発光ダイオード（ＬＥＤ）等のインコヒーレント光源に比べて、波長が不安定であるといった問題がある。また、レーザ光源は、光の干渉性が高いために、測定用プローブ光の光路を形成しているレンズ、偏光子での反射、チップでの反射が発生しやすく、測定精度の安定維持が難しいといった問題がある。

発光ダイオード（ＬＥＤ）等のインコヒーレント光源は、レーザ光源に比べて波長安定性に優れるなどの点で測定精度の安定確保が容易であり、また、安価であるため、現状では、レーザ光源よりも、ＬＥＤやＳＬＤをはじめとするインコヒーレント光源の採用が普及している。
特許第３４３７６１９号公報

しかしながら、従来のＳＰＲセンサには、以下のような２つの問題があった。
（１）自由空間伝搬に関する問題
前述したように、従来のＳＰＲセンサは、光源からの出力光を、複数のレンズ系を通して空間伝搬させて、センサ部に入射させ、センサ部の金属薄膜からの反射光を計測する構造になっている。
しかしながら、このような構造に起因して、以下のような問題が発生する。
（ａ）レンズ、偏光子、チップで、光源からの出力光の反射光が発生し、この反射光が光源に戻り、光源が不安定になったり、二つ以上の反射点によって多重反射が引き起こされ、測定値に悪影響を及ぼす。前述したように、レーザ光源は光の干渉性が高いため、この反射による測定精度の影響が、ＬＥＤやランプに比べて格段に顕著に出る。
（ｂ）光路に混入した埃に起因する散乱光によって測定値にノイズが入り込み、測定精度が低下する。
これらの問題を解決するため、各部品の端面に無反射処理を施し装置全体を気密容器の中に封止するなどの対策が取られている。しかし、これらの対策によって各部品のコスト上昇を招き、また装置自体も大型になってしまう問題がある。

（２）光源の光パワーの無駄に関する問題
前述したように、ＳＰＲセンサは、測定用プローブ光として、Ｐ偏光のみが使用可能である。測定精度の確保の点で、ＬＥＤ等のインコヒーレント光源の採用が望ましいと考えられるが、前述の通り、インコヒーレント光源の場合は、出力光から単一偏光を取り出して測定用プローブ光として使用しており、光源からの出射光の半分程度の光パワーは使用されずに捨てられる。このため、光パワーが無駄になっているといった不満があった。

本発明は、前記課題に鑑みて、測定精度向上と低廉化、小型化を実現でき、しかも、従来、光源からの出力光から測定用プローブ光に用いる単一偏光を取り出す際に、不要として捨てられていた偏波モードの光も、試料の測定に有効に利用できるＳＰＲセンサの提供を目的とする。

上記課題を解決するために、本発明では以下の構成を提供する。
請求項１に係る発明は、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が設けられたプリズムを有するセンサ部と、該センサ部の金属薄膜に照射する光を出力する光源と、この光源からの出力光から直線偏光の２つのビームを偏波分離し、この２ビームを前記センサ部に導く導波路を形成する光学回路部と、この光学回路部から前記センサ部に出射されて前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備え、光源からセンサ部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする表面プラズモンセンサを提供する。
請求項２に係る発明は、前記光学回路部は、光源からの出力光から互いの偏光方向が９０°異なるように偏波分離した直線偏光の２本のビームの内の一方の偏光方向を９０°回転させて、２つのビームを、センサ部の金属薄膜に対する偏光方向を揃えて出射する機能を有することを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項３に係る発明は、前記光学回路部は、入射ポート用光ファイバと、光源から入射ポート用光ファイバに入射された光を、互いの偏光方向が９０°異なる直線偏光の２つのビームに偏波分離する光ファイバ型光部品である偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを、光パワーが等しい２つのビームに分岐する光ファイバ型光部品である偏波保持カプラと、前記偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記偏波保持カプラに導く２本の偏波保持光ファイバと、偏波保持カプラから出射される２つのビームをセンサ部に導く偏波保持光ファイバである２本の出射ポート用光ファイバとを具備し、光源側の入射端からセンサ部側の出射端までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成され、前記偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記偏波保持カプラに導く２本の偏波保持光ファイバの一方には、ビームの偏光方向を９０°回転させて、２つのビームの偏光方向を揃える捻りが与えられ、２本の出射ポート用光ファイバから、２つのビームが、センサ部の金属薄膜に対する偏光方向を揃えて出射されるようになっていることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項４に係る発明は、前記光学回路部は、入射ポート用光ファイバと、光源から入射ポート用光ファイバに入射された光を、互いの偏光方向が９０°異なる直線偏光の２つのビームに偏波分離する偏光ビームスプリッタと、この偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記センサ部に導く偏波保持光ファイバである２本の出射ポート用光ファイバとを具備し、光源側の入射端からセンサ部側の出射端までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成され、２本の出射ポート用光ファイバの一方には、ビームの偏光方向を９０°回転させて、２つのビームの偏光方向を揃える捻りが与えられていることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項５に係る発明は、２本の出射ポート用光ファイバに対応して設けられた２つのセンサ部を備え、各出射ポート用光ファイバから、対応するセンサ部の金属薄膜に照射される２本ビームの前記金属薄膜に対する偏光方向が揃えられていることを特徴とする請求項３又は４記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項６に係る発明は、前記光学回路部が形成する導波路の、前記光源側の端部である入射端及び／又はセンサ部側の端部である出射端が、コリメートレンズによって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。
請求項７に係る発明は、前記光源が、インコヒーレント光源であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面プラズモンセンサを提供する。

本発明によれば、光源からセンサ部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したものなので、光源から入射し導波路の中で単一モード、単一偏波になったビームを導波型の屈折率レンズを用いて自由空間を伝搬させることなしにセンサ部表面の金属薄膜に照射することができ、ＳＰＲセンサの測定精度向上と低廉化、小型化を同時に実現することができる。
また、光源からの出力光から測定用プローブ光に用いる単一偏光を取り出す際に、不要として捨てられていた偏波モードの光も、試料の測定に有効に利用できるようになり、測定精度の向上や、測定効率の向上を実現できる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照して説明する。

（第１実施形態）
まず、本発明の第１実施形態について図１を参照して説明する。
図１において、符号１１は、この実施形態の表面プラズモンセンサ（以下、ＳＰＲセンサとも言う）である。
ＳＰＲセンサ１１は、被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜１２ａが設けられたプリズム１２ｂを有するセンサ部１２と、該センサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する光を出力する光源１３と、この光源１３からの出力光を前記センサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する直線偏光の２つのビームに偏波分離する光学回路部１４と、この光学回路部１４から前記センサ部１２に出射されて前記金属薄膜１２ａで反射した光の強度変化を検出する受光部１５とを備えた概略構成になっている。

光学回路部１４は、光源１３からの出射光が入射される入射ポート用光ファイバ４１と、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１に入射された光を直線偏光の２つのビームに偏波分離する偏光ビームスプリッタ４２と、この偏光ビームスプリッタ４２から出射される２つのビームを、光パワーが等しい２つのビームに分岐する偏波保持カプラ４４と、前記偏光ビームスプリッタ４２から出射される２つのビームを前記偏波保持カプラ４４に導く２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂと、偏波保持カプラ４４から出射される２つのビームを、偏光方向が揃った状態でセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する偏波保持光ファイバである２本の出射ポート用光ファイバ４５とを具備して構成されている。

光源１３は、インコヒーレント光源であり、例えば、ＬＥＤ、ＳＬＤ、ランプ等を採用できる。

光学回路部１４は、光ファイバ型光部品を複数接続して組み立てられており、光学回路部１４全体としても、一つの光ファイバ型光部品として機能する。
ここで光ファイバ型光部品には、例えば、融着延伸型光ファイバカプラや光ファイバグレーティングのように、光ファイバの途中の被覆層が一部除去され、裸光ファイバが露出した裸光ファイバ部に所定の加工が施されて、光素子としての機能が付与されているタイプ（以下、光ファイバ加工タイプとも言う）ものや、光アイソレータや多層膜光フィルタなどのように、対向配置した光ファイバの間に、所定の機能を有する素子が挿入されて構成されているタイプ（以下、素子挿入タイプとも言う）のものが含まれる。
図２（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、偏光ビームスプリッタ４２、偏波保持カプラ４４は、２本の光ファイバ（偏光ビームスプリッタ４２については、符号４２ａ、４２ｂの２本の偏波保持光ファイバ、偏波保持カプラ４４については、符号４４ａ、４４ｂの２本の偏波保持光ファイバ）を添接させ、光ファイバ同士が接している部分を、加熱融着して融着部を形成するとともに、該融着部を延伸して融着延伸部４２ｃ、４３ｃを形成した、融着延伸型光ファイバカプラであり、光ファイバ加工タイプの光ファイバ型光部品に該当する。なお、図示例の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂ、４４ａ、４４ｂは、応力付与型の偏波保持光ファイバであり、符号４２ｄ、４４ｄはコア部、４２ｅ、４４ｅは応力付与部である。
また、本明細書では、光学回路部１４を構成する光ファイバ（例えば、入射ポート用光ファイバ４１、偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂ、出射ポート用光ファイバ４５）も、光ファイバ型光部品に含まれるものとする。
光学回路部１４は、複数の光ファイバ型光部品を、融着、接着剤による接着等によって接続して、入射端から出射端まで連続した光導波路を形成するように組み立てたものである。ここで、光導波路は、透明誘電体内部であれば、コア−クラッドのガイド構造を有する必要は無い。

入射ポート用光ファイバ４１の先端は、光学回路部１４の入射端として機能するものであり、光源１３に固定されている。また、光学回路部１４の出射端として機能する、出射ポート用光ファイバ４５の先端は、センサ部１２のプリズム１２ｂに固定されている。
このＳＰＲセンサ１１では、センサ部１２と、光源１３と、光学回路部１４とが、光源１３からの出力光をセンサ部１２の金属薄膜１２ａに導く、連続した光導波路を構成している。光源１３からセンサ部１２の金属薄膜１２ａまでの光路は、その全長が、導波路の内部を光が伝搬するように構成されている。
光学回路部１４は、光源１３からの出力光から直線偏光の２つのビームを偏波分離し、この２ビームをセンサ部１２に導く光導波路を形成している。

光源１３からの出力光は、入射ポート用光ファイバ４１に結合され、偏光ビームスプリッタ４２によって、偏光方向が互いに直交する２つの直線偏波の光に分離される。
光源１３からの出力光が結合される、光学回路部１４の入射端は、単一モードの導波路を採用する。この点、入射ポート用光ファイバ４１としては、シングルモード光ファイバが採用される。

入射ポート用光ファイバ４１としては、偏波保持機能を有していないシングルモード光ファイバであっても良いが、偏波保持光ファイバであることが好ましい。
偏波保持光ファイバの場合は、入射ポート用光ファイバ４１を、光源１３からの入射光の内の直線偏光以外の偏光状態の光を直線偏光に変換する、偏光フィルタの如く機能させることができる。
また、偏波保持光ファイバの場合は、偏光ビームスプリッタ４２を構成する２本の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂの内の片方を入射ポート用光ファイバ４１として利用できる。この場合の入射ポート用光ファイバ４１は、詳細には、偏光ビームスプリッタ４２を構成する２本の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂの片方が、偏光ビームスプリッタ４２の入射側（図２左側）に延びる部分である。

入射ポート用光ファイバ４１に入射された光は、偏光ビームスプリッタ４２で、偏光方向が互いに直交する（互いの偏光方向が９０°異なる）２つのビーム（偏光ビーム）に分離される。偏光ビームスプリッタ４２で入射ポート用光ファイバ４１からの入射光を分離した２つのビームは、２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂに個別に入射され、偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂを伝搬して偏波保持カプラ４４に入射される。つまり、２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂには、それぞれ、単一直線偏光の光が入射される。

２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂは、偏光ビームスプリッタ４２からの単一直線偏光の入射光を、偏光状態を維持して偏波保持カプラ４４まで伝搬する、単一モードの導波路として機能する。この偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂとしては、例えば、周知の応力付与型偏波保持光ファイバ等が採用される。
なお、この偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂは、具体的には、偏光ビームスプリッタ４２を構成する偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂの偏光ビームスプリッタ４２から延出した部分（偏光ビームスプリッタ４２の出射側（図２、図４右側）に延出した部分）と、偏波保持カプラ４４を構成する偏波保持光ファイバ４４ａ、４４ｂの偏波保持カプラ４４から延出した部分（偏波保持カプラ４４の入射側（図３、図４左側）に延出した部分）とを融着接続したものである。符号４３ｃが、偏光ビームスプリッタ４２側の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂと、偏波保持カプラ４４側の偏波保持光ファイバ４４ａ、４４ｂとを融着接続した融着接続部である。

図１、図４に示すように、２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂの一方（偏波保持光ファイバ４３ｂ）には、ビームの偏光方向を９０°回転させる捻りが与えられている。この捻りによって、２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂから、２本のビームが、偏光方向が揃った状態で前記偏波保持カプラ４４に入射される。
但し、偏波保持光ファイバ４３ｂに与える捻りは、偏波保持光ファイバ４３ｂに与えられる応力によって偏波モードに変化を来すことなく、偏光ビームスプリッタ４２からの入射光の偏光方向を安定維持できるように、緩やかなものにする必要がある。捻りの上限は、１０°／ｍｍ程度であり、偏波保持光ファイバ４３ｂに与える捻りは、少なくとも、これ以下の割合の緩やかなものにする必要がある。

偏波保持カプラ４４は、２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂから入射される２つのビームを、光パワーが等しい２つのビームに分岐する機能を果たす。２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂには、偏波保持カプラ４４から、偏光方向及び光パワーが同じに揃えられた単一直線偏光の光が入射される。
この２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂは、偏波保持光ファイバであり、偏波保持カプラ４４からの入射光を、偏光状態を維持したままセンサ部１２に導き、金属薄膜１２ａに照射する機能を果たす。この実施形態では、２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂは、偏波保持カプラ４４を構成する２本の偏波保持光ファイバ４４ａ、４４ｂの、偏波保持カプラ４４から延出した部分（偏波保持カプラ４４の出射側（図３、図４右側）に延出した部分）である。但し、出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂとしては、偏波保持カプラ４４を構成する２本の偏波保持光ファイバ４４ａ、４４ｂに、別途、融着接続等によって接続した偏波保持光ファイバであっても良い。

偏光ビームスプリッタ４２から各偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂへの入射光のパワーは、光源１３からの出力光の偏光状態の変動（揺らぎ）によって変動する。
偏波保持カプラ４４は、２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂからセンサ部１２に照射する光のパワーを揃え、かつ、光パワーを安定化させる機能を果たす。

２本の偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂから偏波保持カプラ４４に入射されるビームの光パワーをそれぞれＰａ、Ｐｂとすると、２つのビームは、偏波保持カプラ４４で１：１の割合で分割され、２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂに出射される。
光源１３から光学回路部１４に入射された光のパワーをＰｉｎ、光学回路部１４の出射端（出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂの先端）からセンサ部１２への出射光パワーを、それぞれ、Ｐ１、Ｐ２とすると、以下の式が成り立つ。
Ｐ１＝１／２Ｐａ＋１／２Ｐｂ＝１／２Ｐｉｎ
Ｐ２＝１／２Ｐａ＋１／２Ｐｂ＝１／２Ｐｉｎ
したがって、仮に、光源１３からの放射光の偏光状態によってＰａ、Ｐｂのパワーが変動したとしても、Ｐ１、Ｐ２は変動せず、安定である。Ｐ１、Ｐ２の安定は、表面プラズモンの測定精度の向上等に寄与する。
また、従来、無駄に捨てられていた偏波モード（例えばＳ波成分）の光のパワーも含めて、光源１３から光学回路部１４に入射される光のパワー（Ｐｉｎ）を、表面プラズモンの測定に有効に利用できるといった利点がある。

上述した第１実施形態の表面プラズモンセンサでは、偏光ビームスプリッタ４２で分岐して偏波保持光ファイバ４３ａ、４３ｂに入射した直線偏光の２つのビームを、一つのセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する構成を例示した。
但し、本発明は、このような構成に限定されず、偏光ビームスプリッタ４２で分岐した直線偏光の２つのビームを、別々のセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射し、それぞれ、表面プラズモンの測定に利用するといったことも可能である。
後述する第２実施形態のＳＰＲセンサ２１は、偏光ビームスプリッタ４２で分岐した直線偏光の２つのビームを、別々のセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射し、それぞれ、表面プラズモンの測定に利用するようにしたものである。

（第２実施形態）
図５は、本発明の第２実施形態のＳＰＲセンサ２１を示す。
このＳＰＲセンサ２１は、光学回路部の構成が、前述した第１実施形態のＳＰＲセンサ１１と異なっている。また、センサ部１２を２つ具備し、各センサ部１２に対応する計２つの受光部１５を有して構成されている（符号１２１、１２２のセンサ部）点で、第１実施形態のＳＰＲセンサ１１と異なっている。
光学回路部（符号１４１）、センサ部、受光部以外の構成については、前述した第１実施形態のＳＰＲセンサ１１と同様である。
なお、図中、前述した第１実施形態のＳＰＲセンサ１１と同様の構成部分には同一の符号を付して説明する。

このＳＰＲセンサ２１の光学回路部１４１は、光源１３からの出射光が入射される入射ポート用光ファイバ４１と、この入射ポート用光ファイバ４１に接続され、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１に入射された光を、偏光方向が互いに直交する直線偏光の２つのビームに偏波分離する偏光ビームスプリッタ４２と、この偏光ビームスプリッタ４２に２本接続され、該偏光ビームスプリッタ４２から出射される２本のビームが個別に入射される出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂとを具備して構成されている。
ＳＰＲセンサ２１の２つのセンサ部１２１、１２２には、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂが１本ずつ接続されている。

２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂは、偏光ビームスプリッタ４２からの単一直線偏光の入射光を、偏光状態を維持してセンサ部１２１、１２２まで伝搬する、単一モードの導波路として機能する。この出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂとしては、例えば、周知の応力付与型偏波保持光ファイバ等が採用される。
この実施形態では、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂは、偏光ビームスプリッタ４２を構成する２本の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂの、偏光ビームスプリッタ４２から延出した部分である。但し、出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂとしては、偏光ビームスプリッタ４２を構成する２本の偏波保持光ファイバ４２ａ、４２ｂに、別途、融着接続等によって接続した偏波保持光ファイバであっても良い。

２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂの一方（出射ポート用光ファイバ４６ｂ）には、ビームの偏光方向を９０°回転させて、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂからセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する２つのビームの金属薄膜１２ａに対する偏光方向を揃える捻りが与えられている。但し、この出射ポート用光ファイバ４６ｂの捻りは、出射ポート用光ファイバ４６ｂの偏波モードに影響を与えない程度の緩やかなものとする。

このＳＰＲセンサ２１では、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１に入射された光を偏光ビームスプリッタ４２で分離した直線偏光の２つのビームは、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂに個別に入射され、出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂを伝搬して、それぞれ、センサ部１２１、１２２に出射され、センサ部１２１、１２２の金属薄膜１２ａに対して、照射される。
したがって、このＳＰＲセンサ２１では、従来、無駄に捨てられていた偏波モードの光も、表面プラズモンの測定に有効に利用できる。

このＳＰＲセンサ２１では、出射ポート用光ファイバ４６ｂに捻りを与えて、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂからセンサ部１２の金属薄膜１２ａに照射する２つのビームの金属薄膜１２ａに対する偏光方向を揃えているが、本発明は、例えば、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂのいずれにも捻りを与えず、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１に入射された光を偏光ビームスプリッタ４２で分離した直線偏光の２つのビームを、偏光方向を揃えずに、そのまま、２本の出射ポート用光ファイバ４６ａ、４６ｂからセンサ部１２１、１２２の金属薄膜１２ａに対して照射して、各センサ部１２１、１２２における表面プラズモンの測定に使用する構成も含む。
この場合でも、従来、無駄に捨てられていた偏波モードの光を、表面プラズモンの測定に有効に利用できるといった効果が得られる。

第２実施形態のＳＰＲセンサ２１では、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１に入射された光を偏光ビームスプリッタ４２で分離した直線偏光の２つのビームを、例えば、２つのセンサ部１２１、１２２の一方における溶媒の表面プラズモン測定と、他方のセンサ部における被測定物の表面プラズモン測定とに個別に用いて、測定値の補正、測定精度の信頼性向上等に利用する、といったことが可能である。

表面プラズモンセンサは、被測定物の屈折率を測定するので、被測定物が含有されている溶媒の屈折率や、その温度依存性が、測定精度に与える影響を避けられない。このため、特に、蛋白質間の相互作用モニタとして表面プラズモンを用いる際には、既出の特許文献１の開示技術のように、ＳＰＲセンサからの反射光のパワー変動を参照するよりも、測定物が溶融している溶液の屈折率をバックグランドとして参照する方が有益である。
参照するのであれば、溶媒屈折率の温度依存性まで含めて参照できれば、これらの影響を測定値から取り除くことができる。図５に例示したように、ＳＰＲセンサ２１のように、一つのサンプルを測定するのに、サンプルが分散されている溶媒の測定とサンプルの測定とを行い、相互参照することで、サンプル濃度を特定することが測定精度の点で最も有利であると考えられる。

図１等に示した、ＳＰＲセンサ１１では、２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂからの出射光を一つのセンサ部１２に照射する構成を例示したが、このＳＰＲセンサ１１でも、２本の出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂからの出射光を別々のセンサ部に照射する構成にできることは言うまでも無い。

上述のＳＰＲセンサ１１、２１によれば、複数の光ファイバ型光部品を、融着、接着剤による接着等によって接続して、１本の連続した光導波路を形成するように組み立てた光学回路部１４、１４１を具備し、センサ部１２と、光源１３と、光学回路部１４、１４１とが、光源１３からの出力光をセンサ部１２の金属薄膜１２ａに導く、連続した１本の光導波路を構成していることにより、光源から入射し導波路の中で単一モード、単一偏波になったビームを導波型の屈折率レンズを用いて自由空間を伝搬させることなしにセンサ部表面の金属薄膜に照射することができる。このため、従来、レンズ、偏光子、チップで、光源からの出力光の反射光が発生するといった問題や、光路に混入した埃に起因する測定値のノイズといった問題を解消できる。しかも、従来のレンズ系を利用した構造に比べて、装置自体の大幅な小型化、低コスト化を実現できるといった利点がある。
また、光学回路部は、光源からの入射光から、偏光方向が互いに直交する直線偏光の２つのビームを分離する機能を有することから、従来、無駄に捨てていた偏波モードの光を、表面プラズモン測定に有効に活用できるといった利点もある。

なお、本発明は、上述の実施形態に限定されず、各種変更が可能である。
例えば、図６、図７に示すように、光学回路部１４、１４１は、入射端（光源１３側端部）と、出射端（センサ部１２側端部）とを、コリメートレンズ４７ａ、４７ｂによって形成した構成であることが、より好ましい。
入射側のコリメートレンズ４７ａは、入射ポート用光ファイバ４１の先端に融着接続などによって取り付けられる。入射側のコリメートレンズ４７ａは、光源１３から入射ポート用光ファイバ４１への入射効率を向上させる機能を果たす。
出射側のコリメートレンズ４７ｂは、出射ポート用光ファイバ４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂの先端に融着接続などによって取り付けられる。出射側のコリメートレンズ４７ｂは、光学回路部からセンサ部１２の金属薄膜１２ａへの照射光の照射面積を小さくし、金属薄膜からの反射光の拡がり角度が適当な値になるようにする機能を果たす。金属薄膜からの反射光が拡がれば、計測が容易になる。

本発明に係る光学回路部としては、複数の光ファイバ型光部品からなる構成のものに限定されず、例えば、一つの基板型光導波路によって構成されたものであっても良い。

本発明の第１実施形態のＳＰＲセンサの構造を示す全体図である。 （ａ）は図１のＳＰＲセンサの光学回路部の偏光ビームスプリッタの構成を示す拡大図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ’線断面図である。 （ａ）図１のＳＰＲセンサの光学回路部の偏波保持カプラの構成を示す拡大図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ’線断面図である。 図１のＳＰＲセンサの光学回路部の要部拡大図であり、偏光ビームスプリッタ付近から偏波保持カプラ付近までの光路における伝送光の偏光方向を示す。 本発明の第２実施形態のＳＰＲセンサの構造を示す全体図である。 図１のＳＰＲセンサの光学回路部の入射端及び出射端に、コリメートレンズを設けた構成を示す図である。 図５のＳＰＲセンサの光学回路部の入射端及び出射端に、コリメートレンズを設けた構成を示す図である。 従来例のＳＰＲセンサを示す全体図である。 典型的なＳＰＲスペクトルを示す図である。

符号の説明

１１、２１…表面プラズモンセンサ、１２、１２１、１２２…センサ部、１２ａ…金属薄膜、１２ｂ…プリズム、１３…光源（インコヒーレント光源）、１４、１４１…光学回路部、１５…受光部、４１…入射ポート用光ファイバ、４２…偏光ビームスプリッタ、４２ａ、４２ｂ…光ファイバ、４２ｃ…融着部、４３ａ、４３ｂ…偏波保持光ファイバ、４４…偏波保持カプラ、４４ａ、４４ｂ…光ファイバ、４４ｃ…融着部、４５ａ、４５ｂ、４６ａ、４６ｂ…出射ポート用光ファイバ（偏波保持光ファイバ）、４７ａ、４７ｂ…コリメートレンズ。

Claims (7)

1. 被検試料を接触させる表面プラズモン励起用の金属薄膜が設けられたプリズムを有するセンサ部と、該センサ部の金属薄膜に照射する光を出力する光源と、この光源からの出力光から直線偏光の２つのビームを偏波分離し、この２ビームを前記センサ部に導く導波路を形成する光学回路部と、この光学回路部から前記センサ部に出射されて前記金属薄膜で反射した光の強度変化を検出する受光部とを備え、
   光源からセンサ部の金属薄膜までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成したことを特徴とする表面プラズモンセンサ。
2. 前記光学回路部は、光源からの出力光から互いの偏光方向が９０°異なるように偏波分離した直線偏光の２本のビームの内の一方の偏光方向を９０°回転させて、２つのビームを、センサ部の金属薄膜に対する偏光方向を揃えて出射する機能を有することを特徴とする請求項１記載の表面プラズモンセンサ。
3. 前記光学回路部は、
   入射ポート用光ファイバと、
   光源から入射ポート用光ファイバに入射された光を、互いの偏光方向が９０°異なる直線偏光の２つのビームに偏波分離する光ファイバ型光部品である偏光ビームスプリッタと、
   この偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを、光パワーが等しい２つのビームに分岐する光ファイバ型光部品である偏波保持カプラと、
   前記偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記偏波保持カプラに導く２本の偏波保持光ファイバと、
   偏波保持カプラから出射される２つのビームをセンサ部に導く偏波保持光ファイバである２本の出射ポート用光ファイバとを具備し、
   光源側の入射端からセンサ部側の出射端までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成され、
   前記偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記偏波保持カプラに導く２本の偏波保持光ファイバの一方には、ビームの偏光方向を９０°回転させて、２つのビームの偏光方向を揃える捻りが与えられ、
   ２本の出射ポート用光ファイバから、２つのビームが、センサ部の金属薄膜に対する偏光方向を揃えて出射されるようになっていることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサ。
4. 前記光学回路部は、
   入射ポート用光ファイバと、
   光源から入射ポート用光ファイバに入射された光を、互いの偏光方向が９０°異なる直線偏光の２つのビームに偏波分離する偏光ビームスプリッタと、
   この偏光ビームスプリッタから出射される２つのビームを前記センサ部に導く偏波保持光ファイバである２本の出射ポート用光ファイバとを具備し、
   光源側の入射端からセンサ部側の出射端までの光路がすべて導波路の内部を光が伝搬するように構成され、
   ２本の出射ポート用光ファイバの一方には、ビームの偏光方向を９０°回転させて、２つのビームの偏光方向を揃える捻りが与えられていることを特徴とする請求項１又は２記載の表面プラズモンセンサ。
5. ２本の出射ポート用光ファイバに対応して設けられた２つのセンサ部を備え、
   各出射ポート用光ファイバから、対応するセンサ部の金属薄膜に照射される２本ビームの前記金属薄膜に対する偏光方向が揃えられていることを特徴とする請求項３又は４記載の表面プラズモンセンサ。
6. 前記光学回路部が形成する導波路の、前記光源側の端部である入射端及び／又はセンサ部側の端部である出射端が、コリメートレンズによって形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。
7. 前記光源が、インコヒーレント光源であることを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載の表面プラズモンセンサ。

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