JP4173628B2

JP4173628B2 - 表面プラズモン共鳴測定装置

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Publication number: JP4173628B2
Application number: JP2000379897A
Authority: JP
Inventors: 昌之納谷
Original assignee: Fujifilm Corp
Current assignee: Fujifilm Corp
Priority date: 2000-12-14
Filing date: 2000-12-14
Publication date: 2008-10-29
Anticipated expiration: 2020-12-14
Also published as: JP2002181700A

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中の物質を定量分析する表面プラズモン共鳴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（例えば特開平６−１６７４４３号参照）。
【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となり、かつ、表面プラズモン共鳴条件を含む種々の入射角が得られるように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で集束するように入射させてもよい。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鋭く減衰する。この光強度の減衰は、一般に上記光検出手段により暗線として検出される。
【０００７】
図５には、この全反射減衰現象が生じた際の入射角θと反射光強度Ｉとの関係を概略的に示してある。ここに示す入射角θ_ＳＰが、上述の全反射減衰（ＡＴＲ）が生じる入射角である。
【０００８】
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。
【０００９】
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。
【００１０】
【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、試料中の特定物質を定量分析することができる。
【００１１】
また、上述の表面プラズモン共鳴測定装置においては、光ビームが誘電体ブロックと金属膜との界面の中の２次元領域を照射するように前記入射光学系を構成するとともに、前記光検出手段として、上記界面で全反射した光ビームの強度を上記２次元領域内の各位置毎に検出する２次元光検出器からなるものを用いることにより、上記２次元領域に対応して配置された試料の該領域内における誘電率分布が求められるので、それに基づいて試料中の特定物質の濃度分布を求めることができる。
【００１２】
なお、このように光ビームを、誘電体ブロックと金属膜との界面の中の２次元領域に照射させる表面プラズモン共鳴測定装置については、NATURE Vol.332,14,APRIL 1988 pp.615-617に一例が示されている。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この表面プラズモン共鳴測定装置において、特に上記の２次元光検出器を用いて試料中の特定物質の濃度分布を求める場合は、誘電体ブロックと金属膜との界面に対する光ビームの入射角が固定されることになるが、その場合は、光検出信号のＳ／Ｎが良くないという不具合が認められている。
【００１４】
本発明は上記の事情に鑑みて、光ビームの入射角を固定としても、高Ｓ／Ｎの光検出信号を得ることができる表面プラズモン共鳴測定装置を提供することを目的とする。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明による表面プラズモン共鳴測定装置は、前述したような誘電体ブロックと、金属膜と、光ビームを発する光源と、該光ビームを前記誘電体ブロックと金属膜との界面に対して、全反射条件が得られる固定の入射角で誘電体ブロック側から入射させる入射光学系と、光検出手段とを備えてなる表面プラズモン共鳴測定装置において、上記光源として、互いに異なる２つ以上の波長の光ビームの各々を発する、併設された複数の光源が用いられ、光検出手段として、誘電体ブロックと金属膜との界面で全反射した光ビームの強度を各波長毎に測定可能なものが用いられた上で、この光検出手段が出力する、互いに異なる２つの波長の光ビームについての光検出信号の差分を求める演算手段が設けられ、さらに前記光源が、前記２つ以上の波長の光ビームを互いに時間間隔をおいて射出するように構成され、前記入射光学系が、前記２つ以上の波長の光ビームを前記界面に対して、共通の入射角で入射させるように構成され、前記光検出手段が、前記光源の光ビーム射出タイミングと同期したタイミングで検出動作することにより、前記光ビームの強度を各波長毎に測定する１つの光検出器から構成されたことを特徴とするものである。
【００１６】
なお、上記構成を有する本発明の表面プラズモン共鳴測定装置においては、
前記複数の光源として、互いに異なる３つ以上の波長の光ビームを各々発するものが適用された上で、
前記演算手段が、それらの波長のうち表面プラズモン共鳴条件を満たす２つの波長の光ビームについての光検出信号の差分を求めるように構成されることが望ましい。
【００１９】
また、上述した各波長の光ビームを発する複数の光源を、互いに別々の位置に固定して、それらから各々発せられた光ビームが例えばダイクロイックミラー等の手段によって途中から互いに同じ光路を辿るように（時間的には分離されているから合波されることはない）構成してもよい。あるいはこれら複数の光源を、点灯時には、入射光学系に対して所定の相対位置関係となる共通の位置に移動させて、その位置で点灯動作させるようにしてもよい。
【００２０】
また本発明の表面プラズモン共鳴測定装置においては、入射光学系が、光ビームにより前記界面の中の２次元領域を照射するように構成されるとともに、
光検出手段が、前記界面で全反射した光ビームの強度を、前記２次元領域内の各位置毎に検出する２次元光検出器から構成されることが望ましい。
【００２１】
さらに本発明の表面プラズモン共鳴測定装置においては、前記金属膜の表面上に、試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体が配されていることが望ましい。
【００２２】
【発明の効果】
本発明の表面プラズモン共鳴測定装置における光ビームの波長と、光検出手段が出力する光検出信号の強度（検出した全反射光の強度に対応する）との関係を図６に示す。前述したエバネッセント光と表面プラズモンとが共鳴するのは、この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する場合であるから、誘電体ブロックと金属膜との界面に入射させる光ビームの波長を変化させると、この界面に対する光ビームの入射角θを変化させた場合と同様に全反射光強度が変化する。つまり、例えば曲線ａの特性の場合は、光ビームの波長がλ_ＳＰのときに全反射減衰が生じる。
【００２３】
そしてこの波長対全反射光強度の関係は、上記入射角θを固定しておけば、試料の誘電率ε_ｓに応じて、つまり試料中の特定物質の濃度に応じて、図６に曲線ａやｂで示すように変化する。そこで、光ビームの波長がλ1とλ2の場合について考えると、波長λ1の光に関する光検出信号と波長λ2の光に関する光検出信号との差分は、上記特定物質の濃度に応じて変わることになる。すなわち、例えば曲線ａの場合の差分は（Ｓ1a−Ｓ2a）であるのに対し、曲線ｂの場合の差分は（Ｓ1b−Ｓ2b）となって、両者の値は明確に異なる。
【００２４】
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、この差分に基づいて波長対全反射光強度の関係を推定可能となり、試料中の特定物質を定量分析できるようになる。
【００２５】
そして、上述のように２つの光検出信号の差分を求めると、各信号に乗っていた雑音成分が相殺されるので、この差分信号はＳ／Ｎが十分に高いものとなり、該差分信号に基づいて特定物質の定量分析を高精度で行なえるようになる。
【００２６】
なお本発明の表面プラズモン共鳴測定装置のうち、特に前記光源として、互いに異なる３つ以上の波長の光ビームを発するものが用いられた上で、前記演算手段が、それらの波長のうち表面プラズモン共鳴条件を満たす２つの波長の光ビームについての光検出信号の差分を求めるように構成されたものにおいては、波長を３つ以上用意しておくことにより、ある波長が表面プラズモン共鳴条件から外れているようなことがあっても、表面プラズモン共鳴条件を満たす別の波長２つを確保しやすくなるので、多種の試料に対応可能となる。
【００２７】
また本発明の表面プラズモン共鳴測定装置のうち、特に入射光学系が、光ビームにより前記界面の中の２次元領域を照射するように構成される一方、光検出手段が、上記界面で全反射した光ビームの強度を上記２次元領域内の各位置毎に検出する２次元光検出器から構成されたものにおいては、差分信号が上記２次元領域内の各位置毎に求められるので、この差分信号に基づいて該領域内の特定物質の濃度分布等を求めることが可能になる。
【００２８】
また本発明の表面プラズモン共鳴測定装置のうち、特に金属膜の表面上に試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体を配したものにおいては、このセンシング媒体の上に試料を保持させた際に、上記相互作用によって表面プラズモン共鳴の状態が変化するので、この変化を捕えることによって、試料中の特定成分とセンシング媒体との特異反応を検出することができる。
【００２９】
【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。図１は、本発明に対する参考例としての表面プラズモン共鳴測定装置の概略側面形状を示すものである。
【００３０】
図示の通りこの表面プラズモン共鳴測定装置は、例えば三角柱状に形成された透明誘電体プリズム11と、この誘電体プリズム11の上面に屈折率マッチング液12を介して固定された透明誘電体プレート13と、この誘電体プレート13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薄膜14とを有している。そしてこの金属薄膜14の上に、分析対象の試料15が配置される。なお本例では、透明誘電体プリズム11、屈折率マッチング液12および透明誘電体プレート13によって誘電体ブロックが形成されている。
【００３１】
また、波長λ1の光ビームＬ1を発する第１のレーザ光源16と、波長λ2の光ビームＬ2を発する第２のレーザ光源17とが設けられ、これらの光ビームＬ1およびＬ2は、前者を透過させて後者を反射させる入射光学系としてのダイクロイックミラー18によって１本の光ビームＬに合波される。この合波された光ビームＬは、細い平行光状態で誘電体プリズム11に入射し、誘電体プレート13と金属薄膜14との界面13ａに入射する。このときの入射角θは、上記界面13ａにおいて光ビームＬの全反射条件が得られ、かつ、表面プラズモン共鳴が生じ得る範囲内の値とされる。
【００３２】
なお光ビームＬは、界面13ａに対してｐ偏光で入射する必要がある。そのようにするためには、予め第１のレーザ光源16および第２のレーザ光源17を、光ビームＬ1およびＬ2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、波長板や偏光板で光ビームＬ1およびＬ2の偏光の向きを制御してもよい。
【００３３】
界面13ａに入射した光ビームＬはそこで全反射し、全反射した光ビームＬは、波長λ1の光を透過させる一方波長λ2の光は反射させるダイクロイックミラー20により、波長λ1の光ビームＬ1と波長λ2の光ビームＬ2とに分波される。光ビームＬ1と光ビームＬ2はそれぞれ、例えばフォトダイオード等からなる第１の光検出器21、第２の光検出器22によって検出される。
【００３４】
第１の光検出器21が出力する光検出信号Ｓ1および、第２の光検出器22が出力する光検出信号Ｓ2は、ともに差分演算回路23に入力される。この差分演算回路23は、入力された光検出信号Ｓ1とＳ2との差分を求めて、差分信号Ｓｓを出力する。
【００３５】
以下、上記構成の表面プラズモン共鳴測定装置による試料分析について説明する。分析に供される試料15は、金属薄膜14の上に配される。そしてレーザ光源16および17が駆動され、それらから各々発せられた光ビームＬ1およびＬ2がダイクロイックミラー18で合波され、合波された光ビームＬが誘電体プレート13と金属薄膜14との界面13ａに一定の入射角θで入射する。この入射角θは前述の通りに設定されているから、光ビームＬは界面13ａで全反射する。
【００３６】
このように光ビームＬが全反射するとき、界面13ａから金属薄膜14側にエバネッセント波がしみ出す。入射角θが固定されている場合、全反射光の強度（つまり光検出器21、22が出力する光検出信号Ｓ1、Ｓ2の強度）は、前述した通り光波長λに応じて図６に示すように変化する。すなわち、光波長λがλ_ＳＰの場合、上記エバネッセント波が金属薄膜14の表面に励起する表面プラズモンと共鳴するので、この波長λ_ＳＰの光については反射光強度が鋭く減衰する。
【００３７】
そしてこの波長対全反射光強度の関係は、入射角θが固定されていれば、試料の誘電率ε_ｓに応じて、つまり試料中の特定物質の濃度に応じて、図６に曲線ａやｂで示すように変化する。そこで、光検出信号Ｓ1、Ｓ2の差分を取った差分信号Ｓｓの値は、上記特定物質の濃度に応じて変わることになる。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、この差分信号Ｓｓの値に基づいて波長対全反射光強度の関係を推定可能となり、試料15中の特定物質を定量分析できる。
【００３８】
そして、上述のように２つの光検出信号Ｓ1、Ｓ2の差分を求めると、各信号Ｓ1、Ｓ2に乗っていた雑音成分が相殺されるので、差分信号ＳｓはＳ／Ｎが十分に高いものとなり、該差分信号Ｓｓに基づいて特定物質の定量分析を高精度で行なえるようになる。
【００３９】
次に図２を参照して、本発明の第１の実施形態について説明する。図２は、この第１の実施形態の表面プラズモン共鳴測定装置の概略側面形状を示している。なおこの図２において、図１中の要素と同等の要素には同番号を付し、それらについての説明は特に必要のない限り省略する（以下、同様）。
【００４０】
この第１実施形態の表面プラズモン共鳴測定装置においては、第１のレーザ光源16および第２のレーザ光源17の駆動が駆動制御回路25によって制御され、第１のレーザ光源16が所定時間駆動して停止した後、時間間隔をおいて第２のレーザ光源17が駆動されるようになっている。それにより、波長λ1の光ビームＬ1が誘電体プレート13と金属薄膜14との界面13ａに入射した後、時間間隔をおいて波長λ2の光ビームＬ2が該界面13ａに入射する。
【００４１】
一方、光検出手段としては第１の光検出器21のみが設けられ、この光検出器21の動作も上記駆動制御回路25によって制御される。すなわち該光検出器21は、第１のレーザ光源16が駆動されたとき、そして第２のレーザ光源17が駆動されたときに同期を取って検出動作し、まず波長λ1の光ビームＬ1に関する光検出信号Ｓ1を出力し、次いで波長λ2の光ビームＬ2に関する光検出信号Ｓ2を出力する。
【００４２】
このように、時間間隔をおいて光検出器21から出力される光検出信号Ｓ1、および光検出信号Ｓ2は、ともに差分演算回路23に入力される。この差分演算回路23は、入力された光検出信号Ｓ1とＳ2を一旦内部メモリ（図示せず）に記憶し、次いでそれらの差分を求めて、差分信号Ｓｓを出力する。
【００４３】
この場合も上述の差分信号Ｓｓを用いることにより、前述した参考例と同様の効果を得ることができる。
【００４４】
次に図３は、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の概略側面形状を示すものである。この第２実施形態の表面プラズモン共鳴測定装置においては、ダイクロイックミラー18で合波された後の光ビームＬがビームエキスパンダ30によって拡径され、その状態で誘電体プレート13と金属薄膜14との界面13ａに入射する。そこで光ビームＬは、この界面13ａの中の２次元領域を照射する。
【００４５】
また界面13ａで全反射した光ビームＬはダイクロイックミラー20により、波長λ1の光ビームＬ1と波長λ2の光ビームＬ2とに分波される。光ビームＬ1と光ビームＬ2はそれぞれ、例えば２次元ＣＣＤセンサからなる第１の２次元光検出器41、第２の２次元光検出器42によって検出される。
【００４６】
そしてこの場合も、第１の２次元光検出器41が出力する光検出信号Ｓ1および、第２の２次元光検出器42が出力する光検出信号Ｓ2は、ともに差分演算回路43に入力される。この差分演算回路43は、入力された光検出信号Ｓ1とＳ2から、同じ画素に関する（つまり界面13ａ内の同じ位置に関する）信号毎に両信号Ｓ1、Ｓ2間の差分を求めて、差分信号Ｓｓを出力する。
【００４７】
この第２の実施形態の表面プラズモン共鳴測定装置において、２次元光検出器41および42がそれぞれ出力する光検出信号Ｓ1、Ｓ2は、光ビームＬが照射された界面13ａの中の２次元領域内における試料15の誘電率分布を示すもの、つまりは該試料15中の特定物質の濃度分布を示すものとなっている。
【００４８】
そして、そのような光検出信号Ｓ1と光検出信号Ｓ2との間の差分を求めると、各信号Ｓ1、Ｓ2に乗っていた雑音成分が相殺されるので、差分信号ＳｓはＳ／Ｎが十分に高いものとなり、該差分信号Ｓｓに基づいて上記特定物質の濃度分布を精度良く求めることが可能となる。
【００４９】
なお、本実施形態の表面プラズモン共鳴測定装置は、上述の通りにして１つの試料15中の特定物質の濃度分布を求める他、多数のセンサチップを２次元的に配置してなるセンサアレイを用いて、それらのセンサチップに保持された試料の定量分析をまとめて行なうために使用することもできる。
【００５０】
図４は、そのようなセンサアレイの一例を示している。このセンサアレイ50は、多数のセンサチップ51を２次元的に配置してなるものであり、図３の装置において試料15に換えて金属薄膜14の上に配して用いられる。センサチップ51は、例えば、分析対象の試料中の特定物質と結合するセンシング媒体を保持したものである。このような特定物質とセンシング媒体との組合せとしては、例えば抗原と抗体とが挙げられる。その場合は、光検出信号Ｓ1と光検出信号Ｓ2との間の差分を取った差分信号Ｓｓに基づいて、抗原抗体反応を検出することができる。
【００５１】
そして光検出信号Ｓ1、Ｓ2はそれぞれ、光ビームＬが照射された界面13ａの中の２次元情報を担持しているので、多数のセンサチップ51の各位置に対応する差分信号Ｓｓを抽出すれば、抽出された差分信号Ｓｓはそれぞれセンサチップ51毎の情報（上記の例では抗原抗体反応）を示すものとなる。
【００５２】
そしてこの場合も、光検出信号Ｓ1と光検出信号Ｓ2との間の差分を求めると、各信号Ｓ1、Ｓ2に乗っていた雑音成分が相殺されるので、差分信号ＳｓはＳ／Ｎが十分に高いものとなり、該差分信号Ｓｓに基づいて上記抗原抗体反応等を精度良く検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に対する参考例としての表面プラズモン共鳴測定装置の概略側面図
【図２】本発明の第１の実施形態による表面プラズモン共鳴測定装置の概略側面図
【図３】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の概略側面図
【図４】本発明の表面プラズモン共鳴測定装置において使用されるセンサアレイの平面図
【図５】表面プラズモン共鳴測定装置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６】表面プラズモン共鳴測定装置における光ビームの波長と、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
【符号の説明】
11 誘電体プリズム
12 屈折率マッチング液
13 誘電体プレート
13ａ誘電体プレートと金属薄膜との界面
14 金属薄膜
15 試料
16 第１のレーザ光源
17 第２のレーザ光源
18、20 ダイクロイックミラー
21 第１の光検出器
22 第２の光検出器
23 差分演算回路
25 駆動制御回路
30 ビームエキスパンダ
41 第１の２次元光検出器
42 第２の２次元光検出器
43 差分演算回路
50 センサアレイ
51 センサチップ
Ｌ1、Ｌ2、Ｌ光ビーム
Ｓ1、Ｓ2 光検出信号
Ｓｓ差分信号

Claims

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、
互いに異なる２つ以上の波長の光ビームの各々を発する、併設された複数の光源と、
前記２つ以上の波長の光ビームを、前記誘電体ブロックと金属膜との界面に対して、全反射条件が得られる固定の入射角で、誘電体ブロック側から前記界面の同一位置に入射させる入射光学系と、
前記界面で全反射した光ビームの強度を各波長毎に測定する光検出手段と、
該光検出手段が出力する、互いに異なる２つの波長の光ビームについての光検出信号の差分を求める演算手段とからなる表面プラズモン共鳴測定装置において、
前記光源が、前記２つ以上の波長の光ビームを互いに時間間隔をおいて射出するように構成され、
前記入射光学系が、前記２つ以上の波長の光ビームを前記界面に対して、共通の入射角で入射させるように構成され、
前記光検出手段が、前記光源の光ビーム射出タイミングと同期したタイミングで検出動作することにより、前記光ビームの強度を各波長毎に測定する１つの光検出器から構成されていることを特徴とする表面プラズモン共鳴測定装置。
前記複数の光源が、互いに異なる３つ以上の波長の光ビームを各々発するものであり、
前記演算手段が、それらの波長のうち表面プラズモン共鳴条件を満たす２つの波長の光ビームについての光検出信号の差分を求めるように構成されていることを特徴とする請求項１記載の表面プラズモン共鳴測定装置。
前記入射光学系が、前記光ビームにより前記界面の中の２次元領域を照射するように構成され、
前記光検出手段が、前記界面で全反射した光ビームの強度を、前記２次元領域内の各位置毎に検出する２次元光検出器から構成されていることを特徴とする請求項１または２記載の表面プラズモン共鳴測定装置。
前記金属膜の表面上に、試料中の特定成分と相互作用を生じるセンシング媒体が配されていることを特徴とする請求項１から３いずれか１項記載の表面プラズモン共鳴測定装置。