JP4173746B2

JP4173746B2 - measuring device

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Publication number: JP4173746B2
Application number: JP2003033760A
Authority: JP
Inventors: 武晴谷; 昌之納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2003-02-12
Filing date: 2003-02-12
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2023-02-12
Also published as: JP2004245638A

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】
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において、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に基づいて試料の物性を測定する等のために、ある波長幅を有する白色光等からなる光ビームを用いた場合には、測定誤差が生じやすい、前述したセンシング物質と特定物質との結合反応が阻害されやすい、という問題が認められる。
【００２８】
本発明は上記の事情に鑑みて、ある波長幅を有する光ビームを測定光として用いても、測定誤差の発生を防止可能で、またセンシング物質と特定物質との結合反応が阻害される問題も防止できる測定装置を提供することを目的とする。
【００２９】
【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（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）と、
ある波長幅を有する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を分光して、その強度を測定する光検出手段と、
前記測定された光ビームの強度の変化に基づいて、前記薄膜層に接触している試料の屈折率、あるいはそれに対応する物性を測定する制御部とを備えてなる測定装置において、
前記光源と薄膜層との間に、前記分光強度測定に供される光ビームの波長幅以外の波長領域にある光をカットするフィルター手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００３０】
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、
ある波長幅を有する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を分光して、その強度を測定する光検出手段と、
前記測定された光ビームの強度の変化に基づいて、前記薄膜層に接触している試料の屈折率、あるいはそれに対応する物性を測定する制御部とを備えてなる測定装置において、
前記光源と薄膜層の間に、前記分光強度測定に供される光ビームの波長幅以外の波長領域にある光をカットするフィルター手段が設けられたことを特徴とするものである。
【００３１】
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。
【００３２】
なお上記のフィルター手段としては、通過させる光の波長領域を変更可能なものが好適に用いられる。
【００３３】
他方、上記の光検出手段としては、前記光ビームのビーム断面内強度分布を測定する２次元光検出手段が好適に用いられ、そしてそのような２次元光検出手段は、前記光ビームを分光検出するものであることが望ましい。
【００３４】
【発明の効果】
本発明者の研究によると、前述した従来の測定装置における問題は、ある波長幅を有する光ビームを測定光として用いた場合、その波長幅内の特定波長の光によって引き起こされることが判明した。つまり、光ビームを発生させる光源として例えば白色光源等を使用した場合は、概略１０００ｎｍ以上の波長領域にある赤外光を吸収して前記金属膜および試料の温度が上昇し、そのために該金属膜および試料の屈折率が変化して、測定誤差が生じるのである。また、概略４００ｎｍ以下の波長領域にある紫外光がエバネッセント波となって金属膜から浸み出し、それが前述のセンシング物質あるいは特定物質に照射されて好ましくない光化学反応が起き、それにより両者の結合反応が阻害されることもある。
【００３５】
本発明の測定装置は、上記の新しい知見に鑑みて、光源と薄膜層との間に、強度測定に供される光ビームの波長以外の波長領域にある光をカットするフィルター手段が設けられたことにより、測定に寄与しない波長の光ビームが金属膜やセンシング物質あるいは特定物質に照射されることを極力回避できるものとなる。それにより本発明の測定装置によれば、赤外光が照射された金属膜が温度上昇して測定誤差が生じることや、紫外光が照射されたセンシング物質あるいは特定物質が光化学反応を起こして両者の結合反応が阻害されることを確実に防止可能となる。
【００３６】
【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。
【００３７】
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）に形成された、例えば金、銀、銅、アルミニウム等からなる金属膜12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。
【００３８】
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。
【００３９】
また前記入射光学系15と誘電体ブロック10との間の光ビーム13Ｂの光路には、フィルター駆動手段22によって軸Ｂを中心に回転移動するフィルター板23の特定部分が選択的に挿入されるようになっている。このフィルター板23は概略円形に形成され、通過波長帯域が互いに異なる例えば４つのバンドパスフィルターを径方向に並べて保持している。
【００４０】
上記フィルター駆動手段22および回折格子駆動手段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。
【００４１】
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。
【００４２】
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は金属膜12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は、後述のように作用するフィルター板23を通過してから誘電体ブロック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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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の値は試料30の屈折率と一義的に対応しているので、この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、試料30の屈折率やそれと対応している試料30の物性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、試料30の屈折率等の物性を求める。この回折格子16の回転位置と試料の物性との関係は、予め実験や経験に基づいて求めておくことができる。
【００４６】
なお本実施形態では、光ビーム13Ｂが金属膜12を２次元的に照射し、全反射した該光ビーム13Ｂの強度がビーム断面内の各位置毎に検出されるので、制御部24においては、上記試料30の屈折率等の物性の２次元分布が求められる。こうして制御部24が求めた試料30の物性の２次元分布は、表示手段25に表示される。
【００４７】
次に、フィルター板23の作用について説明する。表面プラズモン共鳴を生じさせる光ビーム13Ｂの波長は、該光ビーム13Ｂの界面10ａへの入射角にもよるが、通常は可視域から近赤外領域にあり、全反射減衰が認められる波長幅は数ｎｍ〜数十ｎｍ程度である。したがって回折格子16の回転角は、ピンホール19ａを通過する光ビーム13Ｂの波長が略１００ｎｍに亘って掃引される程度の範囲で変化させれば十分である。
【００４８】
上記の事情から本実施形態では、回折格子16の回転角を、例えば上記波長が４００〜５００ｎｍ（第１範囲）、５００〜６００ｎｍ（第２範囲）、６００〜７００ｎｍ（第３範囲）、７００〜８００ｎｍ（第４範囲）の間で掃引されることになる４段階の角度範囲のいずれかで変化させるようにしている。それに応じて、フィルター板23の前記４つのバンドパスフィルターとしては、通過波長帯域がそれぞれ４００〜５００ｎｍ、５００〜６００ｎｍ、６００〜７００ｎｍ、７００〜８００ｎｍである第１、第２、第３、第４のバンドパスフィルターが適用されている。
【００４９】
そして制御部24は、上記波長が第１範囲で掃引される場合は第１のバンドパスフィルターが、上記波長が第２範囲で掃引される場合は第２のバンドパスフィルターが、上記波長が第３範囲で掃引される場合は第３のバンドパスフィルターが、上記波長が第４範囲で掃引される場合は第４のバンドパスフィルターが各々光ビーム13Ｂの光路に挿入されるように、フィルター駆動手段22の作動を制御する。こうすることにより、測定に寄与しない波長の光ビーム13Ｂが金属膜12に照射されることを極力回避できる。そこで本装置によれば、赤外光が照射された金属膜12が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能できる。
【００５０】
なお、上記のような通過波長帯域を有するバンドパスフィルターとしては、市販の多層膜干渉フィルターや吸収型色フィルター等から適当な特性のものを選択して用いることができる。またそのようなバンドパスフィルターに代えて、ローパスフィルターとハイパスフィルターとを組み合わせて用いることにより、同様の通過波長帯域を実現することも可能である。さらに、１つの基板に設計の異なる多層膜干渉フィルターを並設して用いてもよい。
【００５１】
また、上記の実施形態では、複数のバンドパスフィルターを複数通り設定される掃引波長範囲に合わせて選択使用するようにしているが、掃引波長範囲が１通りだけ設定されるような場合でも、光源が発する光の波長範囲よりも狭い通過波長帯域を有する１つのフィルターを用いて、金属膜12に照射される光の波長範囲を狭く限定すれば、上記と同様の効果を得ることができる。
【００５２】
上記のように１つのフィルターを用いる場合は、誘電体ブロック10の光通過端面に多層膜を形成して、それにより干渉フィルターを構成するようなことも可能である。
【００５３】
次に、本発明の第２の実施形態について説明する。図４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。なおこの図４において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付してあり、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）。
【００５４】
この第２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１に示した装置と比べると回折格子駆動手段17が省かれ、その代わりに、ピンホール板19を概略矢印Ｃ方向に移動させるピンホール板駆動手段40が設けられた点が異なる。このピンホール板駆動手段40の作動は、制御部24によって制御される。
【００５５】
本実施形態の装置においては、ピンホール板19がピンホール板駆動手段40によって上記方向に移動されることにより、ＣＣＤエリアセンサ20に入射する光ビーム13Ｂの波長が掃引される。その他の点は、図１に示した装置と基本的に同様であり、フィルター板23により、赤外光が照射された金属膜12が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能である点も同じである。
【００５６】
次に、本発明の第３の実施形態について説明する。図５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。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１に示した測定装置と比べると、金属膜12の上にセンシング物質50が固定されている点が異なる。このセンシング物質50は、後述する検体51の中の特定物質と特異的に結合するものである。
【００５７】
上記構成の測定装置によって検体51を分析する際には、検体51がセンシング物質50の上に供給される。この検体51の中に特定物質が含まれると、それがセンシング物質50と結合するので、該センシング物質50の屈折率が変化する。したがって、図１の装置と同様にしてＣＣＤエリアセンサ20に入射する光ビーム13Ｂの波長を掃引する操作を検体51の供給前と後に行ない、その２つの場合で全反射減衰波長λ_ＳＰが変化するか否かを検出することにより、上記結合の有無つまりは特定物質の有無を分析することができる。
【００５８】
この場合も、フィルター板23により、赤外光が照射された金属膜12が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能である。また本実施形態では、フィルター板23によって紫外域の光がカットされることにより、紫外光が照射されたセンシング物質50あるいは特定物質が光化学反応を起こして両者の結合反応が阻害されることも防止できる。
【００５９】
なお本実施形態では、光ビーム13Ｂのビーム断面内強度分布を測定するＣＣＤエリアセンサ20を用いているので、上記センシング物質50と特定物質との結合が検体51のどの部分において生じたかを調べることもできる。
【００６０】
また、上記のように金属膜12の上に１種類のセンシング物質50を固定する代わりに、金属膜12の上に複数種類のセンシング物質を互いに適宜間隔を置いて並んだ状態に固定しておけば、ＣＣＤエリアセンサ20の出力に基づいて、どの位置でセンシング物質と特定物質との結合が生じたか、つまりどの種類のセンシング物質に特定物質が結合したかを調べることができる。
【００６１】
さらに、上記とは反対に、金属膜12の上に１種類のセンシング物質を互いに適宜間隔を置いて並んだ状態に複数固定しておき、各センシング物質に相異なる検体を供給すれば、ＣＣＤエリアセンサ20の出力に基づいて、どの位置でセンシング物質と特定物質との結合が生じたか、つまりどの検体がセンシング物質と結合したかを調べることができる。
【００６２】
なお、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。
【００６３】
次に、本発明の第４の実施形態について説明する。図６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実施形態の装置も一例として表面プラズモン共鳴測定装置であるが、図１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、下面に光入射用回折格子61および光出射用回折格子62が形成された直方体状の誘電体ブロック60が用いられている点が異なるものである。
【００６４】
本装置においては、光ビーム13Ｂが光入射用回折格子61で回折して、界面10ａに全反射可能な入射角で入射し、全反射後に光出射用回折格子62で回折して誘電体ブロック60外に出射する。その他の点は、図１に示した装置と基本的に同様であり、フィルター板23により、赤外光が照射された金属膜12が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能である点も同じである。
【００６５】
次に、本発明の第５の実施形態について説明する。図７は本発明の第５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５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１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。
【００６６】
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１の装置と同様にして、試料30の屈折率や、それに関連する試料30の特性を分析することができる。またフィルター板23により、赤外光が照射された金属膜12が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能である点も、図１の装置と同じである。
【００６７】
次に、本発明の第６の実施形態について説明する。図８は本発明の第６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６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１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。
【００６８】
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。
【００６９】
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。
【００７０】
光導波層81における導波光の波数は、該光導波層81の上の試料30の屈折率に依存するので、掃引波長範囲内で全反射減衰が生じる上記特定波長を知ることによって、試料30の屈折率や、それに関連する試料30の特性を分析することができる。そして特に本実施形態では、ＣＣＤエリアセンサ20により光ビーム13Ｂの強度がビーム断面内の各位置毎に検出されるので、制御部24においては、試料30の屈折率等の物性の２次元分布が求められる。こうして制御部24が求めた試料30の物性の２次元分布は、表示手段25に表示される。
【００７１】
また本装置においても、フィルター板23を設けたことにより、赤外光が照射されたクラッド層80や光導波層81が温度上昇して測定誤差が生じることを防止可能である。
【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】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５】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６】本発明の第４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７】本発明の第５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８】本発明の第６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】
10、60、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
12 金属膜
13 白色光
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
22 フィルター駆動手段
23 フィルター板
24 制御部
25 表示手段
40 ピンホール板駆動手段
50 センシング物質
51 検体
61 光入射用回折格子
62 光出射用回折格子
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_SPThe 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 energy of the light 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_SPIf 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_mAnd ε_sAre the metal and the dielectric constant of the sample, respectively.
[0009]
[Expression 1]

Dielectric constant of sample ε_sIs 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._SPThus, 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._SPSince 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._SPIn 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._SPSince this depends on the refractive index of the sample, this specific wavelength λ_SPBy 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]
D.V.Noort, K. Johansen, C.F.Mandenius, “Porous Gold in Surface Plasmon Resonance Measurement” EUROSENSORS XIII, 1999, pp. 585-588
[0026]
[Non-Patent Document 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, pp. 235-238
[0027]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-described surface plasmon resonance measuring apparatus and leakage mode measuring apparatus, a specific wavelength λ that causes attenuation of total reflected light or reflected diffracted light_SPWhen a light beam consisting of white light with a certain wavelength width is used to measure the physical properties of a sample based on the above, the binding reaction between a sensing substance and a specific substance is likely to cause measurement errors. There is a problem that is easily disturbed.
[0028]
In view of the above circumstances, the present invention can prevent the occurrence of measurement error even when a light beam having a certain wavelength width is used as measurement light, and also has a problem that the binding reaction between the sensing substance and the specific substance is hindered. An object of the present invention is to provide a measuring device that can prevent the above.
[0029]
[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 metal film in the surface plasmon resonance measuring apparatus, and a leakage mode measuring apparatus) Is a cladding layer and an optical waveguide layer),
  A light source for generating a light beam having a certain wavelength width;
  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;
  A light detecting means for spectroscopically measuring the light beam totally reflected at the interface and measuring its intensity;,
  A control unit for measuring the refractive index of the sample in contact with the thin film layer or the corresponding physical property based on the change in the intensity of the measured light beam;In a measuring apparatus comprising:
  A filter means for cutting light in a wavelength region other than the wavelength width of the light beam used for the spectral intensity measurement is provided between the light source and the thin film layer.
[0030]
  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 light source for generating a light beam having a certain wavelength width;
  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;
  A light detection means for measuring the intensity of the light beam reflected and diffracted by the diffraction grating;,
  A control unit for measuring the refractive index of the sample in contact with the thin film layer or the corresponding physical property based on the change in the intensity of the measured light beam;In a measuring apparatus comprising:
  A filter means for cutting light in a wavelength region other than the wavelength width of the light beam used for the spectral intensity measurement is provided between the light source and the thin film layer.
[0031]
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.
[0032]
In addition, as said filter means, what can change the wavelength range of the light to pass through is used suitably.
[0033]
On the other hand, as the above-mentioned light detection means, a two-dimensional light detection means for measuring the intensity distribution in the beam cross section of the light beam is preferably used, and such a two-dimensional light detection means spectrally detects the light beam. It is desirable to do.
[0034]
【The invention's effect】
According to the research of the present inventor, it has been found that the problem in the conventional measuring apparatus described above is caused by light having a specific wavelength within the wavelength width when a light beam having a certain wavelength width is used as the measuring light. That is, when a white light source, for example, is used as a light source for generating a light beam, infrared light in a wavelength region of approximately 1000 nm or more is absorbed to increase the temperature of the metal film and the sample. In addition, the refractive index of the sample changes, resulting in a measurement error. In addition, ultraviolet light in a wavelength region of approximately 400 nm or less becomes an evanescent wave and oozes out from the metal film, which irradiates the above-mentioned sensing substance or specific substance to cause an undesired photochemical reaction, thereby binding the two. The reaction may be inhibited.
[0035]
In view of the above-mentioned new knowledge, the measuring device of the present invention is provided with a filter means for cutting light in a wavelength region other than the wavelength of the light beam used for intensity measurement between the light source and the thin film layer. Thus, it is possible to avoid as much as possible that the light beam having a wavelength that does not contribute to the measurement is irradiated to the metal film, the sensing substance, or the specific substance. As a result, according to the measuring apparatus of the present invention, the temperature of the metal film irradiated with infrared light rises to cause a measurement error, and the sensing substance or specific substance irradiated with ultraviolet light causes a photochemical reaction to cause both. It is possible to reliably prevent inhibition of the binding reaction.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0037]
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 metal film 12 made of, for example, gold, silver, copper, aluminum or the like, formed on one surface (upper surface in the figure), a light source 14 that emits white light 13, and a light emitted from the light source 14 in a divergent light state There is an incident optical system 15 that converts the white light 13 into parallel light and makes the light beam 13B converted into parallel light enter the dielectric block 10 toward the metal film 12.
[0038]
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.
[0039]
Further, a specific portion of the filter plate 23 that is rotated about the axis B by the filter driving means 22 is selectively inserted into the optical path of the light beam 13B between the incident optical system 15 and the dielectric block 10. It has become. The filter plate 23 is formed in a substantially circular shape, and holds, for example, four bandpass filters having different pass wavelength bands in the radial direction.
[0040]
The operations of the filter driving means 22 and the diffraction grating driving means 17 are 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.
[0041]
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.
[0042]
The operation of the surface plasmon resonance measuring apparatus having the above configuration will be described below. In performing sample analysis with this apparatus, the sample 30 to be analyzed is placed on the metal film 12. In this state, the light source 14 is turned on, and the light beam 13B, which is white light converted into parallel light, enters the dielectric block 10 after passing through the filter plate 23 acting as described later. 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.
[0043]
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.
[0044]
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.
[0045]
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. Specific wavelength λ_SPSince this value uniquely corresponds to the refractive index of the sample 30, the wavelength λ when this total reflection attenuation occurs._SPBased on this value, that is, based on the rotational position of the diffraction grating 16, the refractive index of the sample 30 and the physical properties of the sample 30 corresponding thereto can be obtained. Therefore, the control unit 24 obtains physical properties such as the refractive index of the sample 30 based on the light detection signal S and the rotational position of the diffraction grating 16 controlled by itself. The relationship between the rotational position of the diffraction grating 16 and the physical properties of the sample can be obtained in advance based on experiments and experience.
[0046]
In the present embodiment, the light beam 13B irradiates the metal film 12 two-dimensionally, and the intensity of the totally reflected light beam 13B is detected at each position in the beam cross section. A two-dimensional distribution of physical properties such as the refractive index of the sample 30 is obtained. The two-dimensional distribution of the physical properties of the sample 30 thus obtained by the control unit 24 is displayed on the display means 25.
[0047]
Next, the operation of the filter plate 23 will be described. The wavelength of the light beam 13B that causes surface plasmon resonance depends on the angle of incidence of the light beam 13B on the interface 10a, but is usually in the visible region to the near infrared region, and the wavelength width in which total reflection attenuation is recognized is It is about several nm to several tens of nm. Therefore, it is sufficient to change the rotation angle of the diffraction grating 16 in such a range that the wavelength of the light beam 13B passing through the pinhole 19a is swept over approximately 100 nm.
[0048]
From the above circumstances, in the present embodiment, the rotation angle of the diffraction grating 16 is set such that, for example, the wavelength is 400 to 500 nm (first range), 500 to 600 nm (second range), 600 to 700 nm (third range), and 700 to 700. It is made to change in any of the 4 range of angle ranges which will be swept between 800 nm (4th range). Accordingly, the four band-pass filters of the filter plate 23 have first, second, third, and fourth pass wavelength bands of 400 to 500 nm, 500 to 600 nm, 600 to 700 nm, and 700 to 800 nm, respectively. The band pass filter is applied.
[0049]
When the wavelength is swept in the first range, the control unit 24 selects the first bandpass filter. When the wavelength is swept in the second range, the control unit 24 selects the second bandpass filter. The filter is driven so that the third bandpass filter is inserted into the optical path of the light beam 13B when the third band is swept in the third range, and the fourth bandpass filter is inserted into the optical path of the light beam 13B when the wavelength is swept in the fourth range. The operation of the means 22 is controlled. By doing so, it is possible to avoid as much as possible that the metal film 12 is irradiated with the light beam 13B having a wavelength that does not contribute to the measurement. Therefore, according to this apparatus, it is possible to prevent the measurement error from occurring due to the temperature rise of the metal film 12 irradiated with infrared light.
[0050]
In addition, as a band pass filter which has the above pass wavelength bands, the thing of an appropriate characteristic can be selected and used from a commercially available multilayer film interference filter, an absorption type color filter, etc. Moreover, it is also possible to realize the same pass wavelength band by using a combination of a low-pass filter and a high-pass filter instead of such a band-pass filter. Further, multilayer interference filters having different designs may be provided side by side on one substrate.
[0051]
In the above embodiment, a plurality of bandpass filters are selected and used in accordance with a set sweep wavelength range. However, even when only one sweep wavelength range is set, the light source The effect similar to the above can be obtained by narrowing the wavelength range of the light irradiated to the metal film 12 using a single filter having a narrower pass wavelength band than the wavelength range of the light emitted by the.
[0052]
When one filter is used as described above, it is also possible to form an interference filter by forming a multilayer film on the light passage end face of the dielectric block 10.
[0053]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 4 shows a side shape of a measuring apparatus according to the second embodiment of the present invention. In FIG. 4, elements that are the same as those in FIG. 1 are given the same reference numerals, and descriptions thereof are omitted unless particularly necessary (the same applies hereinafter).
[0054]
The apparatus of the second embodiment is also a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example, but the diffraction grating driving means 17 is omitted as compared with the apparatus shown in FIG. 1, and instead the pinhole plate 19 is moved in the direction of the arrow C. The difference is that a pinhole plate driving means 40 to be moved is provided. The operation of the pinhole plate driving means 40 is controlled by the control unit 24.
[0055]
In the apparatus of the present embodiment, the wavelength of the light beam 13B incident on the CCD area sensor 20 is swept by moving the pinhole plate 19 in the above direction by the pinhole plate driving means 40. The other points are basically the same as the apparatus shown in FIG. 1, and the filter plate 23 can prevent the metal film 12 irradiated with infrared light from rising in temperature and causing measurement errors. Is the same.
[0056]
Next, a third embodiment of the present invention will be described. FIG. 5 shows a side shape of a measuring apparatus according to the third embodiment of the present invention. The apparatus of the third embodiment is also a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example, but differs from the measuring apparatus shown in FIG. 1 in that a sensing substance 50 is fixed on the metal film 12. This sensing substance 50 specifically binds to a specific substance in the specimen 51 described later.
[0057]
When the sample 51 is analyzed by the measuring apparatus having the above configuration, the sample 51 is supplied onto the sensing substance 50. When a specific substance is included in the specimen 51, it binds to the sensing substance 50, so that the refractive index of the sensing substance 50 changes. Accordingly, the operation of sweeping the wavelength of the light beam 13B incident on the CCD area sensor 20 is performed before and after the supply of the specimen 51 in the same manner as in the apparatus of FIG._SPBy detecting whether or not is changed, the presence or absence of the binding, that is, the presence or absence of a specific substance can be analyzed.
[0058]
Also in this case, it is possible to prevent the measurement error due to the temperature rise of the metal film 12 irradiated with infrared light by the filter plate 23. Further, in the present embodiment, the filter plate 23 cuts off the light in the ultraviolet region, thereby preventing the sensing substance 50 or the specific substance irradiated with the ultraviolet light from causing a photochemical reaction and inhibiting the binding reaction between them. it can.
[0059]
In this embodiment, since the CCD area sensor 20 that measures the intensity distribution in the beam cross section of the light beam 13B is used, it is investigated in which part of the specimen 51 the binding between the sensing substance 50 and the specific substance has occurred. You can also.
[0060]
Also, instead of fixing one kind of sensing substance 50 on the metal film 12 as described above, it is possible to fix a plurality of kinds of sensing substances on the metal film 12 in a state where they are arranged at appropriate intervals. For example, based on the output of the CCD area sensor 20, it is possible to check at which position the binding between the sensing substance and the specific substance has occurred, that is, to which type of sensing substance the specific substance has bound.
[0061]
Further, in contrast to the above, if a plurality of single sensing substances are fixed on the metal film 12 in a state where they are arranged at appropriate intervals, and a different specimen is supplied to each sensing substance, the CCD area can be obtained. Based on the output of the sensor 20, it is possible to examine at which position the binding between the sensing substance and the specific substance has occurred, that is, which analyte has bound to the sensing substance.
[0062]
Examples of the combination of the sensing substance and the specific substance as described above include combinations of various antibodies and antigens.
[0063]
Next, a fourth embodiment of the present invention will be described. FIG. 6 shows a side shape of a measuring apparatus according to the fourth embodiment of the present invention. The apparatus of the fourth embodiment is also a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example. However, in comparison with the measuring apparatus shown in FIG. 1, instead of the dielectric block 10, a light incident diffraction grating 61 and a light emitting grating are provided on the lower surface. The difference is that a rectangular parallelepiped dielectric block 60 in which a diffraction grating 62 is formed is used.
[0064]
In this apparatus, the light beam 13B is diffracted by the light incident diffraction grating 61, is incident on the interface 10a at an incident angle that allows total reflection, and is diffracted by the light output diffraction grating 62 after total reflection to be dielectric block 60. Emits outside. The other points are basically the same as the apparatus shown in FIG. 1, and the filter plate 23 can prevent the metal film 12 irradiated with infrared light from rising in temperature and causing measurement errors. Is the same.
[0065]
Next, a fifth embodiment of the present invention will be described. FIG. 7 shows a side shape of a measuring apparatus according to the fifth embodiment of the present invention. The apparatus of the fifth embodiment is also a surface plasmon resonance measuring apparatus as an example. However, in comparison with the measuring apparatus shown in FIG. 1, instead of the dielectric block 10, the upper surface (surface on which the metal film 12 is formed) is used. 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.
[0066]
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._SPWhen 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, also in this apparatus, the refractive index of the sample 30 and the characteristics of the sample 30 related thereto can be analyzed in the same manner as the apparatus of FIG. Also, the filter plate 23 can prevent the measurement error due to the temperature rise of the metal film 12 irradiated with infrared light, which is the same as the apparatus of FIG.
[0067]
Next, a sixth embodiment of the present invention will be described. FIG. 8 shows a side shape of a measuring apparatus according to the sixth embodiment of the present invention. The apparatus according to the sixth embodiment is the leakage mode measuring apparatus described above. Compared with the measuring apparatus shown in FIG. 1, 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.
[0068]
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.
[0069]
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.
[0070]
Since the wave number of guided light in the optical waveguide layer 81 depends on the refractive index of the sample 30 on the optical waveguide layer 81, by knowing the specific wavelength at which total reflection attenuation occurs within the sweep wavelength range, The refractive index and the related characteristics of the sample 30 can be analyzed. In particular, in this embodiment, the CCD area sensor 20 detects the intensity of the light beam 13B at each position in the beam cross section, so that the control unit 24 has a two-dimensional distribution of physical properties such as the refractive index of the sample 30. Desired. The two-dimensional distribution of the physical properties of the sample 30 thus obtained by the control unit 24 is displayed on the display means 25.
[0071]
Also in this apparatus, by providing the filter plate 23, it is possible to prevent the cladding layer 80 and the optical waveguide layer 81 irradiated with infrared light from rising in temperature and causing measurement errors.
[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.
FIG. 4 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a second embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a third embodiment of the present invention.
FIG. 6 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 7 is a schematic side view showing a surface plasmon resonance measuring apparatus according to a fifth embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a schematic side view showing a leakage mode measuring apparatus according to a sixth embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
10, 60, 70 Dielectric block
10a Interface between dielectric block and metal film
10c Interface between dielectric block and cladding layer
12 Metal film
13 White light
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
22 Filter drive means
23 Filter plate
24 Control unit
25 Display means
40 pinhole plate drive means
50 Sensing substances
51 samples
61 Diffraction grating for light incidence
62 Diffraction grating for light emission
71 Diffraction grating
80 Clad layer
81 Optical waveguide layer

Claims

A dielectric block;
A thin film layer having a lower refractive index than that of the dielectric block formed on one surface of the dielectric block and brought into contact with the sample;
A light source for generating a light beam having a certain wavelength width;
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;
A light detecting means for spectroscopically measuring the light beam totally reflected at the interface and measuring its intensity ;
In a measuring apparatus comprising a control unit for measuring the refractive index of the sample in contact with the thin film layer based on the change in the intensity of the measured light beam, or the corresponding physical property ,
A measuring apparatus comprising a filter means for cutting light in a wavelength region other than a wavelength width of a light beam used for the spectral intensity measurement between the light source and the thin film layer.

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 light source for generating a light beam having a certain wavelength width;
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;
A light detection means for measuring the intensity of the light beam reflected and diffracted by the diffraction grating ;
In a measuring apparatus comprising a control unit for measuring the refractive index of the sample in contact with the thin film layer based on the change in the intensity of the measured light beam, or the corresponding physical property ,
A measuring apparatus comprising a filter means for cutting light in a wavelength region other than a wavelength width of a light beam used for the spectral intensity measurement between the light source and the thin film layer.

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.

The measuring apparatus according to claim 1, wherein the filter means is capable of changing a wavelength region of light to be transmitted.

6. The measuring apparatus according to claim 1, wherein the light detecting means is a two-dimensional light detecting means for measuring an intensity distribution in a beam cross section of the light beam.