JP2003075334A - 全反射減衰を利用したセンサー - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 全反射減衰を利用したセンサーにおいて、照
明光等の外光の影響下においても高Ｓ／Ｎを実現させ
る。 【解決手段】 プリズム１と、その一面に形成された金
属膜３と、赤外線領域の光ビーム13をプリズム１に対し
て、該プリズム１と金属膜３との界面１ｂで全反射条件
が得られるように種々の角度で入射させる光学系15と、
上記界面１ｂにおいて全反射した光ビームを検出する光
検出手段６，７とを備えた全反射減衰を利用したセンサ
ーにおいて、光検出手段６，７として焦電素子を用い
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【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中の物質を定量分析する表面プラズ
モンセンサー等の、全反射減衰を利用したセンサーに関
し、特に詳細には、全反射減衰によって測定光に生じる
暗線を光検出手段を用いて検出する全反射減衰を利用し
たセンサー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】従来より、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センサー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（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。

【０００４】上記の系を用いる表面プラズモンセンサー
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、かつ
表面プラズモン共鳴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入射角を変えて上記界面に
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、入射した光ビームの入射角の
変化にしたがって反射角が変化する光ビームを、上記反
射角の変化に同期して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センサーにおい
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から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に関連する特性を求め
ることができる。

【００１０】また、全反射減衰（ＡＴＲ）を利用する類
似のセンサーとして、例えば「分光研究」第４７巻 第
１号（１９９８）の第２１〜２３頁および第２６〜２７
頁に記載がある漏洩モードセンサーも知られている。こ
の漏洩モードセンサーは基本的に、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。

【００１１】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
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
特性を分析することができる。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】以上説明したタイプの
従来の表面プラズモンセンサーや漏洩モードセンサーに
おいては、通常波長が０．４μｍ〜０．９μｍの可視光
領域の光ビームを測定に用いる。しかしながら、上記の
センサーを使用する環境下において用いられる照明光の
波長は０．２５μｍ〜２．５μｍであり、測定時にこれ
らの照明光の影響を受けるため、Ｓ／Ｎを向上させるの
が困難である。

【００１３】本発明は、上記事情に鑑みてなされたもの
であり、照明光等の外光の影響下においても高Ｓ／Ｎな
全反射減衰を利用したセンサーを提供することを目的と
するものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明による第１の全反
射減衰を利用したセンサーは、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
れる薄膜層と、赤外線を発生させる光源と、赤外線を誘
電体ブロックに対して、誘電体ブロックと薄膜層との界
面で全反射条件が得られるように種々の角度で入射させ
る光学系と、前記界面で全反射した赤外線の強度を測定
して、全反射減衰の状態を検知する光検出手段とを備え
てなる全反射減衰を利用したセンサーにおいて、光検出
手段として、熱型素子を用いたことを特徴とするもので
ある。

【００１５】ここで、「赤外線」とは、波長が０．７６
μｍ〜１ｍｍの光線を意味するが、一般的に用いられて
いる照明光（波長０．２５μｍ〜２．５μｍ）の影響を
避けるために、２．５μｍ〜１ｍｍの波長の光線を用い
ることが好ましい。

【００１６】また、「熱型素子」とは、赤外線による熱
効果により生じる素子の温度上昇を電気的に検出するセ
ンサであって、例えば、サーモパイルや焦電素子（パイ
ロセンサ）等を用いることができる。

【００１７】また、本発明による第２の全反射減衰を利
用したセンサーは、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金属膜
と、赤外線を発生させる光源と、赤外線を前記誘電体ブ
ロックに対して、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ように種々の角度で入射させる光学
系と、前記界面で全反射した赤外線の強度を測定して、
表面プラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する
光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサ
ーにおいて、光検出手段として、熱型素子を用いたこと
を特徴とするものである。

【００１８】さらに、本発明による第３の全反射減衰を
利用したセンサーは、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、赤外線を発生させる光源と、赤外線を前記誘電体ブ
ロックに対して、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るように種々の角度で入射させる
光学系と、前記界面で全反射した赤外線の強度を測定し
て、光導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の
状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を
利用したセンサーにおいて、光検出手段として、熱型素
子を用いたことを特徴とするものである。

【００１９】上記第１から第３の全反射減衰を利用した
センサーにおいて、熱型素子は、焦電素子とすることが
好ましい。

【００２０】

【発明の効果】本発明の全反射減衰を利用したセンサー
は、赤外線を発生させる光源を用いて、光検出手段とし
て熱型素子を用いているため、照明光等の外光の影響を
受けることなく測定することができるため、高Ｓ／Ｎな
全反射減衰を利用したセンサーを実現させることができ
る。

【００２１】

【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。本発明の第１の実施形態の
全反射減衰を利用したセンサーは、表面プラズモン共鳴
を利用した表面プラズモンセンサーであり、図１は、そ
の入射光学系およびセンサー部の平面形状を示すもので
あり、図２はその表面プラズモン検出部の側面形状を示
すものである。

【００２２】図示されるようにこの表面プラズモンセン
サーは、誘電体であるガラスから形成されて、図２の紙
面に垂直な方向（図１中では上下方向）に長軸が延びる
三角柱形のプリズム１（誘電体ブロックの一形態）と、
このプリズム１の一面に形成されて、試料２に接触させ
られる例えば金、銀等からなる金属膜３と、１本の赤外
線領域の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からな
る光源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビー
ム13をプリズム１に通し、該プリズム１と金属膜３との
界面１ｂに対して、種々の入射角が得られるように入射
させる光学系15と、上記界面１ｂで全反射した光ビーム
13の光量を検出する第１の光検出手段６および第２の光
検出手段７と、これらの光検出手段６、７に接続された
比較器８とを備えている。

【００２３】入射光学系15は、レーザ光源14から発散光
状態で出射した光ビーム13を平行光化するコリメーター
レンズ15ａと、該平行光化された光ビーム13を上記界面
１ｂ上で収束させる集光レンズ15ｂとから構成されてい
る。

【００２４】光ビーム13は、集光レンズ15ｂにより上述
のように集光されるので、図２中に最小入射角θ_１ と
最大入射角θ_２ とを例示するように、界面１ｂに対し
て種々の入射角θで入射する成分を含むことになる。な
おこの入射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこ
で、光ビーム13は界面１ｂで全反射し、この反射した光
ビーム13には、種々の反射角で反射する成分が含まれる
ことになる。なお、上記光学系15は、光ビーム13を界面
１ｂにデフォーカス状態で入射させるように構成されて
もよい。そのようにすれば、表面プラズモン共鳴の状態
検出（例えば前記暗線の位置測定）の誤差が平均化され
て、測定精度が高められる。

【００２５】なお光ビーム13は、界面１ｂに対してｐ偏
光で入射させる。そのようにするためには、予めレーザ
光源14をその偏光方向が所定方向となるように配設すれ
ばよい。その他、波長板で光ビーム13の偏光の向きを制
御してもよい。

【００２６】一方、第１の光検出手段６および第２の光
検出手段７は、一例として焦電素子からなる。第１の光
検出手段６は上記界面１ｂで全反射した光ビーム13のう
ち、第１の反射角範囲（比較的低角度の範囲）にある成
分の光量を検出するように配され、第２の光検出手段７
は上記界面１ｂで全反射した光ビーム13のうち、第２の
反射角範囲（比較的高角度の範囲）にある成分の光量を
検出するように配されている。

【００２７】上述のように、本実施形態においては、プ
リズム１と金属膜３との界面１ｂに赤外線領域の光ビー
ム13を照射し、プリズム１と金属膜３との界面１ｂで反
射した光ビーム13を焦電素子等の熱型素子により検出す
るため、照明光等の外光の影響下においても高Ｓ／Ｎな
全反射減衰を利用したセンサーを実現することができ
る。

【００２８】以下、上記構成の表面プラズモンセンサー
による試料分析について説明する。分析対象の試料２は
金属膜３に接触する状態に保持される。そして上述のよ
うに集光された光ビーム13が、金属膜３に向けて照射さ
れる。この金属膜３とプリズム１との界面１ｂで全反射
した光ビーム13は、第１の光検出手段６および第２の光
検出手段７によって検出される。

【００２９】このとき第１の光検出手段６が出力する光
量検出信号Ｓ１と、第２の光検出手段７が出力する光量
検出信号Ｓ２は比較器８に入力され、比較器８はそれら
両信号Ｓ１、Ｓ２の差分を示す差分信号Ｓを出力する。

【００３０】ここで、界面１ｂにある特定の入射角θ
_ＳＰで入射した光は、金属膜３と試料２との界面に表面
プラズモンを励起させるので、この光については反射光
強度Ｉが鋭く低下する。つまり、全反射した光ビーム13
の強度Ｉと入射角θとの関係は概ね図３の（Ａ）、
（Ｂ）にそれぞれ曲線ａ、ｂで示すようなものとなる。
この全反射減衰（ＡＴＲ）入射角θ_ＳＰや、反射光強度
Ｉと入射角θとの関係曲線が分かれば、試料２中の特定
物質を定量分析することができる。以下、その理由を詳
しく説明する。

【００３１】上記第１の反射角範囲と第２の反射角範囲
とが例えば連続していて、それら両範囲の境界の反射角
がθ_Ｍ であるとすると、入射角θ_Ｍ よりも入射角が
小さい範囲、大きい範囲の光が各々光検出手段６、７の
一方、他方によって検出される。

【００３２】一例として、θ_Ｍ よりも入射角が小さい
範囲の光が第１の光検出手段６によって検出され、θ
_Ｍ よりも入射角が大きい範囲の光ビームが第２の光検
出手段７によって検出されるものとすると、第１の光検
出手段６は図３の（Ａ）、（Ｂ）でそれぞれ斜線を付し
た範囲の光を検出することになり、その検出光量は
（Ａ）の場合よりも（Ｂ）の場合の方が大きくなる。反
対に、第２の光検出手段７による検出光量は（Ａ）の場
合よりも（Ｂ）の場合の方が小さくなる。このように、
第１の光検出手段６の検出光量と第２の光検出手段７の
検出光量は、入射角θと反射光強度Ｉとの関係に応じた
特有の差異を生じることになる。

【００３３】したがって、予め求めてある各試料毎の検
量線等を参照すれば、第１の光検出手段６が出力する光
量検出信号Ｓ１と、第２の光検出手段７が出力する光量
検出信号Ｓ２との差を示す比較器８の出力、すなわち差
分信号Ｓに基づいて、分析試料２に関する全反射減衰
（ＡＴＲ）入射角θ_ＳＰや、入射角θと反射光強度Ｉと
の関係曲線を推定可能となり、該試料２中の物質を定量
分析できるようになる。

【００３４】なお以上は、第１の反射角範囲と第２の反
射角範囲とが連続している場合について説明したが、そ
れら両範囲が連続していない場合でも、第１の光検出手
段６の検出光量と第２の光検出手段７の検出光量は、入
射角θと反射光強度Ｉとの関係に応じた特有の差異を生
じるから、同様にして試料２中の物質を定量分析するこ
とができる。

【００３５】次に、図４を参照して本発明の第２の実施
形態について説明する。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無い限り省略する。

【００３６】この第２実施形態の全反射減衰を利用した
センサーは、第１の実施形態と同様表面プラズモン共鳴
を利用した表面プラズモンセンサーであり、図４はその
側面形状を示すものである。

【００３７】この表面プラズモンセンサーは、例えば概
略四角錐の一部が切り取られた形状とされた誘電体ブロ
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とを有している。

【００３８】誘電体ブロック10は例えば透明樹脂等から
なり、金属膜12が形成された部分の周囲が嵩上げされた
形とされ、この嵩上げされた部分10ａは液体の試料11を
貯える試料保持部として機能する。なお本例では、金属
膜12の上にセンシング媒体30が固定されるが、このセン
シング媒体30については後述する。

【００３９】誘電体ブロック10は金属膜12とともに、使
い捨ての測定チップを構成しており、例えばターンテー
ブル31に複数設けられたチップ保持孔31ａに１個ずつ嵌
合固定される。誘電体ブロック10がこのようにターンテ
ーブル31に固定された後、ターンテーブル31が一定角度
ずつ間欠的に回動され、所定位置に停止した誘電体ブロ
ック10に対して液体試料11が滴下され、該液体試料11が
試料保持部10ａ内に保持される。その後さらにターンテ
ーブル31が一定角度回動されると、誘電体ブロック10が
この図１に示した測定位置に送られ、そこで停止する。

【００４０】本実施形態の表面プラズモンセンサーは、
上記誘電体ブロック10に加えてさらに、１本の赤外線領
域の光ビーム13を発生させる半導体レーザ等からなる光
源14（以下、レーザ光源14という）と、上記光ビーム13
を誘電体ブロック10に通し、該誘電体ブロック10と金属
膜12との界面10ｂに対して、種々の入射角が得られるよ
うに入射させる光学系15と、上記界面10ｂで全反射した
光ビーム13を平行光化するコリメーターレンズ16と、こ
の平行光化された光ビーム13を検出する光検出手段17
と、コリメーターレンズ16と光検出手段17との間に配さ
れた光ビーム13を拡散させる拡散板27と、光検出手段17
に接続された差動アンプアレイ18と、ドライバ19と、コ
ンピュータシステム等からなる信号処理部20と、この信
号処理部20に接続された表示手段21とを備えている。

【００４１】図４に示す通り、レーザ光源14から発散光
状態で出射した光ビーム13は、光学系15の作用により、
誘電体ブロック10と金属膜12との界面10ｂ上で収束す
る。したがって光ビーム13は、界面10ｂに対して種々の
入射角θで入射する成分を含むことになる。なおこの入
射角θは、全反射角以上の角度とされる。そこで、光ビ
ーム13は界面10ｂで全反射し、この反射した光ビーム13
には、種々の反射角で反射する成分が含まれることにな
る。

【００４２】界面10ｂで全反射した後、コリメーターレ
ンズ16によって平行光化された光ビーム13は、光検出手
段17により検出される。本例における光検出手段17は、
複数の焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……が１列に並設され
てなる焦電アレイ素子であり、図４の図示面内におい
て、平行光化された光ビーム13の進行方向に対して焦電
素子並設方向がほぼ直角となる向きに配設されている。
したがって、上記界面10ｂにおいて種々の反射角で全反
射した光ビーム13の各成分を、それぞれ異なる焦電素子
17ａ、17ｂ、17ｃ……が受光することになる。

【００４３】図５は、この表面プラズモンセンサーの電
気的構成を示すブロック図である。図示の通り上記ドラ
イバ19は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の出力をサンプルホールドするサンプルホ
ールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……、これらのサンプルホ
ールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ……の各出力が入力される
マルチプレクサ23、このマルチプレクサ23の出力をデジ
タル化して信号処理部20に入力するＡ／Ｄ変換器24、マ
ルチプレクサ23とサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22
ｃ……とを駆動する駆動回路25、および信号処理部20か
らの指示に基づいて駆動回路25の動作を制御するコント
ローラ26から構成されている。

【００４４】上記焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……の各出
力は、差動アンプアレイ18の各差動アンプ18ａ、18ｂ、
18ｃ……に入力される。この際、互いに隣接する２つの
焦電素子の出力が、共通の差動アンプに入力される。し
たがって各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力は、
複数の焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……が出力する光検出
信号を、それらの並設方向に関して微分したものと考え
ることができる。

【００４５】各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ……の出力
は、それぞれサンプルホールド回路22ａ、22ｂ、22ｃ…
…により所定のタイミングでサンプルホールドされ、マ
ルチプレクサ23に入力される。マルチプレクサ23は、サ
ンプルホールドされた各差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ…
…の出力を、所定の順序に従ってＡ／Ｄ変換器24に入力
する。Ａ／Ｄ変換器24はこれらの出力をデジタル化して
信号処理部20に入力する。

【００４６】図６は、界面10ｂで全反射した光ビーム13
の入射角θ毎の光強度と、差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ
……の出力との関係を説明するものである。ここで、光
ビーム13の界面10ｂへの入射角θと上記光強度Ｉとの関
係は、同図（１）のグラフに示すようなものであるとす
る。

【００４７】界面10ｂにある特定の入射角θ_ＳＰで入射
した光は、金属膜12と試料11との界面に表面プラズモン
を励起させるので、この光については反射光強度Ｉが鋭
く低下する。つまりθ_ＳＰが全反射解消角であり、この
角度θ_ＳＰにおいて反射光強度Ｉは最小値を取る。この
反射光強度Ｉの低下は、図４にＤで示すように、反射光
中の暗線として観察される。

【００４８】また図６の（２）は、焦電素子17ａ、17
ｂ、17ｃ……の並設方向を示しており、先に説明した通
り、これらの焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……の並設方向
位置は上記入射角θと一義的に対応している。

【００４９】そして焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……の並
設方向位置、つまりは入射角θと、差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の出力Ｉ’（反射光強度Ｉの微分値）との
関係は、同図（３）に示すようなものとなる。

【００５０】信号処理部20は、Ａ／Ｄ変換器24から入力
された微分値Ｉ’の値に基づいて、差動アンプ18ａ、18
ｂ、18ｃ……の中から、全反射解消角θ_ＳＰに対応する
微分値Ｉ’＝０に最も近い出力が得られているもの（図
６の例では差動アンプ18ｄとなる）を選択し、それが出
力する微分値Ｉ’に所定の補正処理を施してから、その
値を表示手段21に表示させる。なお、場合によっては微
分値Ｉ’＝０を出力している差動アンプが存在すること
もあり、そのときは当然その差動アンプが選択される。

【００５１】以後、所定時間が経過する毎に上記選択さ
れた差動アンプ18ｄが出力する微分値Ｉ’が、所定の補
正処理を受けてから表示手段21に表示される。この微分
値Ｉ’は、測定チップの金属膜12（図１参照）に接して
いる物質の誘電率つまりは屈折率が変化して、図６
（１）に示す曲線が左右方向に移動する形で変化する
と、それに応じて上下する。したがって、この微分値
Ｉ’を時間の経過とともに測定し続けることにより、金
属膜12に接している物質の屈折率変化、つまりは特性の
変化を調べることができる。

【００５２】特に本実施形態では金属膜12に、液体試料
11の中の特定物質と結合するセンシング媒体30を固定し
ており、それらの結合状態に応じてセンシング媒体30の
屈折率が変化するので、上記微分値Ｉ’を測定し続ける
ことにより、この結合状態の変化の様子を調べることが
できる。つまりこの場合は、液体試料11およびセンシン
グ媒体30の双方が、分析対象の試料となる。そのような
特定物質とセンシング媒体30との組合せとしては、例え
ば抗原と抗体等が挙げられる。

【００５３】以上の説明から明かなように本実施形態で
は、光検出手段17として複数の焦電素子17ａ、17ｂ、17
ｃ……が１列に並設されてなる焦電アレイ素子を用いて
いるので、液体試料11に応じて図６（１）に示す曲線が
左右方向に移動する形である程度大きく変化しても、暗
線検出が可能である。つまり、このようなアレイ状の光
検出手段17を用いることにより、測定のダイナミックレ
ンジを大きく確保することができる。

【００５４】なお、複数の差動アンプ18ａ、18ｂ、18ｃ
……からなる差動アンプアレイ18を用いる代わりに１つ
の差動アンプを設け、焦電素子17ａ、17ｂ、17ｃ……の
各出力をマルチプレクサで切り替えて、それらのうちの
隣接する２つの出力をこの１つの差動アンプに順次入力
するようにしても構わない。

【００５５】なお、液体試料11の中の特定物質とセンシ
ング媒体30との結合状態の変化の様子を時間経過ととも
に調べるためには、所定時間が経過する毎の微分値Ｉ’
を求めて表示するほか、最初に計測した微分値Ｉ’(0)
と所定時間経過時に計測した微分値Ｉ’(t)との差Δ
Ｉ’を求めて表示してもよい。

【００５６】次に、図７を参照して本発明の第３の実施
形態について説明する。なおこの図７において、図１ま
たは図４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無い限り省略す
る。

【００５７】この第３実施形態の全反射減衰を利用した
センサーは、先に説明した漏洩モードセンサーであり、
本例でも測定チップ化された誘電体ブロック10を用いる
ように構成されている。この誘電体ブロック10の一面
（図中の上面）にはクラッド層40が形成され、さらにそ
の上には光導波層41が形成されている。

【００５８】誘電体ブロック10は、例えば合成樹脂やＢ
Ｋ７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40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41は、クラッド層40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40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41の膜厚は、例えばＰＭＭＡ
から形成する場合で700ｎｍ程度とされる。

【００５９】上記構成の漏洩モードセンサーにおいて、
レーザ光源14から出射した光ビーム13を誘電体ブロック
10を通してクラッド層40に対して全反射角以上の入射角
で入射させると、該光ビーム13が誘電体ブロック10とク
ラッド層40との界面10ｂで全反射するが、クラッド層40
を透過して光導波層41に特定入射角で入射した特定波数
の光は、該光導波層41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41に取り込まれるので、上記界面10ｂ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。

【００６０】光導波層41における導波光の波数は、該光
導波層41の上の試料11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
11の屈折率や、それに関連する試料11の特性を分析する
ことができる。そして、上記特定入射角の近傍における
反射光強度Ｉや、差動アンプアレイ18の各差動アンプが
出力する微分値Ｉ’に基づいて試料11の特性を分析する
こともできる。

【００６１】上記第２および第３の実施形態において
も、赤外線領域の光ビームを照射し、焦電素子等の熱型
素子により検出するため、照明光等の外光の影響下にお
いても高Ｓ／Ｎな全反射減衰を利用したセンサーを実現
することができる。

【００６２】また、上記第１から第３の実施の形態にお
いて、光検出手段に用いる熱型素子として、焦電素子以
外にも、例えばサーモパイル等を用いても、同様の効果
を得ることができる。

【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
センサーの一部を示す平面図

【図２】本発明の第１の実施形態による表面プラズモン
センサーの一部を示す側面図

【図３】表面プラズモンセンサーにおける光ビーム入射
角と、光検出手段による検出光強度との概略関係を示す
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
センサーの側面図

【図５】上記表面プラズモンセンサーの電気的構成を示
すブロック図

【図６】上記表面プラズモンセンサーにおける光ビーム
入射角と検出光強度との関係、並びに光ビーム入射角と
光強度検出信号の微分値との関係を示す概略図

【図７】本発明の第３の実施形態による漏洩モードセン
サーの側面図

【符号の説明】

１ プリズム １ｂ プリズムの金属膜との界面 ２ 試料 ３ 金属膜 ６、７ 光検出手段 10 誘電体ブロック 10ａ 誘電体ブロックの試料保持部 10ｂ 誘電体ブロックと金属膜との界面 11 試料 12 金属膜 13 光ビーム 14 半導体レーザ等 15 光学系 16 コリメーターレンズ 17 光検出手段（焦電アレイ素子） 17ａ、17ｂ、17ｃ…… 焦電素子 18 差動アンプアレイ 18ａ、18ｂ、18ｃ…… 差動アンプ 19 ドライバ 20 信号処理部 21 表示手段 22ａ、22ｂ、22ｃ…… サンプルホールド回路 23 マルチプレクサ 24 Ａ／Ｄ変換器 25 駆動回路 26 コントローラ 30 センシング媒体 31 ターンテーブル 40 クラッド層 41 光導波層

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 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
   せられる薄膜層と、 赤外線を発生させる光源と、 前記赤外線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
   うに種々の角度で入射させる光学系と、 前記界面で全反射した赤外線の強度を測定して、全反射
   減衰の状態を検知する光検出手段とを備えてなる全反射
   減衰を利用したセンサーにおいて、 前記光検出手段として、熱型素子を用いたことを特徴と
   する全反射減衰を利用したセンサー。
2. 【請求項２】 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
   せられる金属膜と、 赤外線を発生させる光源と、 前記赤外線を前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブ
   ロックと前記金属膜との界面で全反射条件が得られるよ
   うに種々の角度で入射させる光学系と、 前記界面で全反射した赤外線の強度を測定して、表面プ
   ラズモン共鳴に伴う全反射減衰の状態を検知する光検出
   手段とを備えてなる全反射減衰を利用したセンサーにお
   いて、 前記光検出手段として、熱型素子を用いたことを特徴と
   する全反射減衰を利用したセンサー。
3. 【請求項３】 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、 赤外線を発生させる光源と、 前記赤外線を前記誘電体ブロックに対して、該誘電体ブ
   ロックと前記クラッド層との界面で全反射条件が得られ
   るように種々の角度で入射させる光学系と、 前記界面で全反射した赤外線の強度を測定して、前記光
   導波層での導波モードの励起に伴う全反射減衰の状態を
   検知する光検出手段とを備えてなる全反射減衰を利用し
   たセンサーにおいて、 前記光検出手段として、熱型素子を用いたことを特徴と
   する全反射減衰を利用したセンサー。
4. 【請求項４】 前記熱型素子が、焦電素子であることを
   特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の全反射
   減衰を利用したセンサー。