JP2004061286A

JP2004061286A - 表面プラズモン共鳴角センサー

Info

Publication number: JP2004061286A
Application number: JP2002219819A
Authority: JP
Inventors: Haruo Tajima; 田島　晴雄
Original assignee: Nippon Laser and Electronics Lab
Current assignee: Nippon Laser and Electronics Lab
Priority date: 2002-07-29
Filing date: 2002-07-29
Publication date: 2004-02-26

Abstract

【課題】プリズムに対するレーザ光の入射角が大きく変化させた場合であっても、それぞれの角度におけるＳＰＲを高精度に検出して検体特性を高い信頼性で測定することができる表面プラズモン共鳴角センサーを提供する。金属薄膜境界からの反射レーザ光の周辺光においても非平行光や外乱光の影響を最小限にしてＳＰＲを高い精度で検出することができる表面プラズモン共鳴角センサーを提供する。
【解決手段】上面に成膜された金属薄膜上に検体が固定される基板を密着させる半円柱形状のプリズムと、該プリズムの一方外周側に設けられ、基板における金属薄膜の境界に向かって所定の幅で臨界角以上の角度で平行光を照射する光照射装置と、境界からの反射光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する受光装置とから表面プラズモン共鳴角センサーを構成する。受光装置には境界からの反射光のうち、平行光のみを透過して受光可能にさせるテレセントリックレンズを設ける。
【選択図】　　　　図１

Description

【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、表面プラズモン共鳴角（以下、ＳＰＲという）に基づいて、例えば細胞やウイルス、バクテリア等の各種蛋白質、糖、酵素、ＤＮＡやＲＮＡ等のヌクレオチド等の各種試料の特性を顕鏡するＳＰＲ顕微鏡等に用いられるＳＰＲセンサーに関する。
【０００２】
【発明が解決しようとする課題】
例えばＳＰＲ顕微鏡に装着されるＳＰＲセンサーとしては、正三角柱形状または半円柱形状からなるプリズムの一方外側面側に、例えばレーザ光源及びレーザ光源からのレーザ光を平行光にする第１レンズからなる光照射装置を、また他方外側面側にプリズムの上平面側から反射して透過したレーザ光を平行光にする第２レンズ及び第２レンズを透過したレーザ光の光強度を検出する、例えばＣＣＤやフォトダイオード等の受光部材からなる受光装置をそれぞれ同一角度で互いに近接する方向及び離間する方向へ同期して移動するように設けた構造からなる。
【０００３】
そしてプリズムの上面に、表面に成膜された金薄膜または銀薄膜の金属薄膜等上に上記した試料を固相結合したガラス基板を密着させた状態で、プリズムの一方外側面側から所定幅の平行レーザ光をガラス基板における金属薄膜境界における所定の領域に臨界角以上の角度で照射してエバネッセン波を生じさせることによりレーザ光の一部を試料に吸光させ、該境界からの反射レーザ光の光強度を受光部材により検出し、レーザ光強度が最小、従って試料への吸光が最大になるＳＰＲに基づいて試料の特性を測定している。
【０００４】
しかしながら、上記したＳＰＲセンサーの内、例えば正三角柱形状のプリズムを使用したものにあっては、プリズムに対するレーザ光の入射角が変化した際には、プリズム内外でのレーザ光の入射角度及び反射角度が変化し、また結像中心も変化するため、ＳＰＲを正確に測定するには入射角度及び反射角度の変化等に基づいて検出されたＳＰＲを補完修正する必要があり、測定作業が複雑化すると共に測定に時間がかかる問題を有している。
【０００５】
また、プリズムに対するレーザ光の入射角が変化した場合には金属薄膜境界からのレーザ光反射率も変化するため、レーザ光の入射角度を大きく変化させてＳＰＲを検出することができなかった。この結果、上記ＳＰＲセンサーから得られるＳＰＲデータ自体、信頼性に欠け、試料の特性を高精度に測定できなかった。
【０００６】
また、金属薄膜境界からの反射レーザ光を受光させる際に第２レンズにより平行光に形成しているが、受光部材に受光される平行光の内、中心部については反射光の光強度をある程度正確に検出できるが、非平行光をも含んでいるため、反射レーザ光の像がぼけたりして光強度を正確に検出できなかった。特に、ＳＰＲ測定作業時には反射レーザ光に対して外乱光が影響し易く、正確なＳＰＲの測定が困難であった。
【０００７】
本発明は、上記した従来の欠点を解決するために発明されたもので、その課題とする処は、プリズムに対するレーザ光の入射角が大きく変化させた場合であっても、それぞれの角度におけるＳＰＲを高精度に検出して試料特性を高い信頼性で測定することができる表面プラズモン共鳴角センサーを提供することにある。
【０００８】
また、本発明の他の課題は、金属薄膜境界からの反射レーザ光の像が非平行光や外乱光の影響によりぼけたりするのを最小限にしてＳＰＲを高い精度で検出することができる表面プラズモン共鳴角センサーを提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上面に成膜された金属薄膜上に試料が固定される基板を密着させる半円柱形状のプリズムと、該プリズムの一方外周側に設けられ、基板における金属薄膜の境界に向かって所定の幅で臨界角以上の角度で平行光を照射する光照射装置と、境界からの反射光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する受光装置とから表面プラズモン共鳴角センサーを構成する。そして受光装置には境界からの反射光のうち、平行光のみを透過して受光可能にさせるテレセントリックレンズを設けたことを特徴とする。
【００１０】
【発明の実施形態】
以下に実施形態を示す図に従って本発明を説明する。
図１及び図２において、ＳＰＲセンサー１のフレーム（図示せず）には半円柱形状で所望の軸線長さからなるプリズム５が、その上平面を上方に向けて取り付けられる。該プリズム５の上平面には、上面に金薄膜や銀薄膜等の金属薄膜７ａが蒸着等により成膜されたガラス基板７が密着される。
【００１１】
そしてガラス基板７の金属薄膜７ａには、例えば細胞やウイルス、バクテリア等の蛋白質、糖、酵素、ＤＮＡ及びＲＮＡ等のヌクレオチド等の各種試料６を固相結合させる。また、プリズム５の上平面にガラス基板７を密着させる方法としては、レーザ光が透過可能なシリコンゴム膜またはマッチングオイル等により密着させればよい。
【００１２】
プリズム５の図示する左外周側にはレーザ光照射装置９が、また図示する右外周側には受光装置１１が夫々配置される。これらレーザ光照射装置９及び受光装置１１はプリズム５の外周面中心に想定される鉛直線に対する金属薄膜７ａの境界面への入射角及び反射角が一致するようにプリズム５の外周面に沿って互いに近づく方向及び離間する方向へ約３０度から８５度の範囲で回動するように設けられる。
【００１３】
レーザ光照射装置９及び受光装置１１を同一角度で上記のように回動させる機構としては、夫々にステップモータ（図示せず）を連結し、これらステップモータを互いに逆相で同期駆動制御したり、歯車列を使用した機械的構造であってもよい。
【００１４】
レーザ光照射装置９は特定波長のレーザ光を所定角度で拡散出力するレーザ光源１３と、レーザ光源１３からのレーザ光を所定幅の平行光に形成する第１凸レンズ１５と、プリズム５の外周面に密着または近接して配置され、プリズム５に対し、第１凸レンズ１５を透過した平行レーザ光を、ガラス基板７における金属薄膜７ａ境界へ平行状態のまま入射させる第１凹レンズ１７とから構成する。
【００１５】
第１凹レンズ１７はプリズム５の外周面と一致する曲率の凹所を有し、プリズム５の外周面に対して微小間隙を設けて近接させた状態、またはレーザ光が透過可能なシリコンゴムシート及びマッチングオイルにより密着させられる。
【００１６】
受光装置１１はプリズム５の外周面と一致する曲率の凹所を有し、金属薄膜７ａ境界からの反射光を平行光にする第２凹レンズ１９と、反射光の内、平行光のみを透過させるテレセントリックレンズ２１と、テレセントリックレンズ２１からの反射光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する、例えばＣＣＤやフォトダイオードアレイ等の受光部材２３とから構成する。
【００１７】
上記した第２凹レンズ１９は、第１凹レンズ１７と同様にプリズム５の外周面と一致する曲率の凹所を有し、プリズム５の外周面に対して微小間隙を設けて近接させた状態、またはレーザ光が透過可能なシリコンゴムシート及びマッチングオイルにより密着させられる。また、テレセントリックレンズ２１は所定の間隔をおいた一対の凸レンズ２１ａ・２１ｂ間の焦点位置に、微小孔２１ｃを有した絞り２１を配置した構造からなる。該テレセントリックレンズ２１は凸レンズ２１ａにより第２凹レンズ１９を透過した反射平行光を絞り２１ｄ位置にて収束させて微小孔２１ｃを通過させた後、凸レンズ２１ｂにより収束反射光を平行光にして受光部材２３に入射させる。
【００１８】
即ち、テレセントリックレンズ２１は、各凸レンズ２１ａ・２１ｂの焦点を通過する光が平行光のみであるとの原理に基づき、絞り２１ｄの微小孔２１ｃにより非平行光や外乱光を遮断して平行光のみを通過させることにより、受光部材２３に入射される光から外乱光を含む非平行光を非通過にさせることによりぼやけや歪みのない像を得る。これにより受光部材２３に対し、金属薄膜７ａ境界における所定領域からの反射平行光のみを受光させることにより該領域からの反射レーザ光の光強度を正確に検出することができる。
【００１９】
次に、ＳＰＲセンサー１によるＳＰＲ検出作用を説明する。
金属薄膜７ａに固相結合した試料６のＳＰＲ検出作用を説明すると、金属薄膜７ａの表面に試料６を固相結合したガラス基板７をプリズム５の上平面に密着させた状態でレーザ光源１３から特定波長のレーザ光を照射すると、該レーザ光は第１凸レンズ１５により平行光にされた後に第１凹レンズ１７によりプリズム５内に入射する際に平行光を保ったままの状態でプリズム５内に入射し、ガラス基板７の金属薄膜７ａ境界に対して臨界角以上になるように照射されて全反射される。
【００２０】
金属薄膜７ａにてレーザ光が全反射する際、金属薄膜７ａ境界面にはエバネッセン波が発生し、レーザ光の一部を試料６側へ滲み出させて吸光させる。試料６におけるレーザ光の吸光度は、その特性に応じて決まっている。このため、金属薄膜７ａ境界面から全反射するレーザ光の光強度は試料６に応じて微妙に変化することになる。
【００２１】
そしてガラス基板７の金属薄膜７ａ境界面から全反射したレーザ光はプリズム５の外周面から出射する際に第２凹レンズ１９により平行光に修正された後に、テレセントリックレンズ２１により平行光のみを透過させて受光部材２３に受光させる。該受光部材２３は受光したレーザ光の光強度に応じた電流値の電気信号を出力する。
【００２２】
このとき、図４に示すようにテレセントリックレンズ２１は金属薄膜７ａ境界から全反射したレーザ光の内、平行光のみを透過し、非平行光や外乱光を絞り２１ｄにより非透過させることにより全反射したレーザ光の像がぼけたり、歪んだりするのを防止して金属薄膜７ａの境界領域から反射した反射レーザ光の光強度正確に測定することができる。
【００２３】
上記したレーザ光の照射作用及び金属薄膜７ａからの反射レーザ光の受光作用は、図３に示すようにレーザ光照射装置９及び受光装置１１をプリズム５の外周面中心に想定される鉛直線に対して同一角度で互いに近づく方向及び離間する方向へ約３０度から約８５度の範囲で回動させながら行い、各角度における金属薄膜７ａ境界からの反射光強度を測定し、反射光強度が最小、従って試料６に対するレーザ光の吸光度が最大になる角度であるＳＰＲを検出して試料６の特性を測定する。（図５参照）
【００２４】
本実施形態は、プリズム５の周面に第１及び第２凹レンズ１７・１９を、微小間隙をおいて近接させたり、密着させて配置することによりプリズム５にレーザ光が入射する際の角度変化を最小限にして金属薄膜７ａ境界に照射されるレーザ光を平行状態に保ち、また金属薄膜７ａから反射した反射レーザ光がプリズム５の外へ出射する際に反射レーザ光の平行状態を保つことができるため、ＳＰＲの検出を高精度に行うことを可能にする。
【００２５】
また、受光部材２３に反射レーザ光を受光させる際には、テレセントリックレンズ２１により反射レーザ光の平行光のみを透過させる一方、非平行光や外乱光を遮断することにより金属薄膜７ａ境界における所定領域から反射レーザ光の反射光強度を正確に検出してＳＰＲの測定精度を高めることができる。
【００２６】
本発明は、以下のように変更実施することができる。
１．上記説明は、光源としてレーザ光源としたが、特定波長の光を出力する発光ダイオードや白色光源であってもよい。
【００２７】
２．上記説明は、金属薄膜７ａの表面に固相結合された試料６の特性をＳＰＲに基づいて測定する用途に使用するＳＰＲセンサー１としたが、図６に示すように金属薄膜７ａの表面に抗体や試薬、ＤＮＡやＲＮＡのハイブリダイゼーションを測定する際には相補関係になる各プローブ等の試料６を固相結合すると共にガラス基板７の金属薄膜７ａ側に空隙５１ａを有したセルブロック５１を密着配置し、該セルブロック５１の供給側から抗原や解析されるＤＮＡやＲＮＡ等の被検体を含んだ緩衝液を供給してセルブロック５１の排出側から回収して試料６に被検体を接触させて両者を液相結合させた後にＳＰＲにより液相結合した試料６を検出可能にする用途に使用してもよい。
【００２８】
ヌクレオチドのハイブリダイゼーションを測定するには、従来は、被検体を蛍光物質で標識し、蛍光物質を励起させる波長の光を照射して試料に被検体がハイブリダイゼーションしたか否かを検出していたが、本発明を適用することにより被検体を蛍光物質で標識する必要がなく、またある程度の領域（面積）毎に測定できるため、外領域内に固定可能な試料数に応じた多数の被検体を同時に測定することができ、測定作業を効率化することができる。
【００２９】
３．本発明のＳＰＲ検出は、高分子薄膜の膜厚や誘電等を測定する用途にも使用できる。
【００３０】
応用例
本発明のテレセントリックレンズは、図７に示すように水面上に成膜された単分子膜の均一性や欠陥及びガラス基板上の累積膜や薄膜を観測するため、これらの各種膜に対してＰ偏向とＳ偏向のレーザ光を照射して膜からの反射光に基づいて膜の形状を観測したり、反射光強度の変化に基づいて多重干渉やエリプソメトリック測定する用途にも使用できる。
【００３１】
即ち、例えば水面上の単分子膜やガラス基板７０上の累積膜等の各種試料薄膜７１に対し、一方側に設けられたレーザ光源７２から所定幅の平行レーザ光を照射し、試料薄膜７１から反射した反射レーザ光をＣＣＤやフォトダイオードアレイ等の受光部材に受光させる際に、テレセントリックレンズ７３により試料薄膜から反射したレーザ光のうち、平行光のみを透過させて受光部材７５に受光させることにより歪やボケのない像を得ることができる。
【００３２】
これによりレーザ光が照射される所定領域全体からの反射光強度を正確に検出して試料薄膜７１の形状や多重干渉を高い測定精度で観測することができる。なお、テレセントリックレンズ７３は、上記説明で説明したものと同一構造であり、その詳細な説明を省略する。また、凸レンズを含むレーザ光源７２とテレセントリックレンズ７３を含む受光部材７５は、試料薄膜７１の上面に対し、常にレーザ光の入射角度と反射角度とが一致した状態で回動制御し、異なる反射特性のレーザ光を得て観測可能にしている。
【００３３】
【発明の効果】
本発明は、プリズムに対するレーザ光の入射角が大きく変化させた場合であっても、それぞれの角度におけるＳＰＲを高精度に検出して検体特性を高い信頼性で測定することができる。また、金属薄膜境界からの反射レーザ光の周辺光においても非平行光や外乱光の影響を最小限にしてＳＰＲを高い精度で検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＳＰＲ顕微鏡に設けられるＳＰＲセンサーの概略を示す説明図である。
【図２】図１のＡ箇所を拡大して示す縦断面図である。
【図３】プリズムに対するレーザ光照射装置及び受光装置の回動状態を示す説明図である。
【図４】テレセントリックレンズの作用を説明する説明図である。
【図５】ＳＰＲの検出状態を示すグラフである。
【図６】変更使用例を示す説明図である。
【図７】テレセントリックレンズの使用した応用例を示す説明図である。
【符号の説明】
１−ＳＰＲセンサー、５−プリズム７、−ガラス基板、７ａ−金属薄膜、９−レーザ光照射装置、１１−受光装置、１３−レーザ光源、１７−第１凹レンズ、１９−第２凹レンズ、２１−テレセントリックレンズ、２３−受光部材

Claims

上面に成膜された金属薄膜上に試料が固定される基板を密着させる半円柱形状のプリズムと、該プリズムの一方外周側に設けられ、基板における金属薄膜の境界に向かって所定の幅で臨界角以上の角度で平行光を照射する光照射装置と、境界からの反射光を受光して光強度に応じた電気信号を出力する受光装置とからなる表面プラズモン共鳴角センサーにおいて、受光装置には境界からの反射光のうち、平行光のみを透過して受光可能にさせるテレセントリックレンズを設けた表面プラズモン共鳴角センサー。
プリズムの光入射側外周面には該外周面に一致する曲率の凹状レンズを近接して設け、プリズムに対して光を平行入射させると共にプリズムの光出射側外周面には該外周面に一致する曲率の凹状レンズを近接して設け、プリズムからの光を平行出射させる請求項１の表面プラズモン共鳴角センサー。
光照射装置の光源は、レーザ光出力部材からなる請求項１の表面プラズモン共鳴角センサー。
光照射装置の光源は、発光ダイオードからなる請求項１の表面プラズモン共鳴角センサー。
光照射装置の光源は、白色光源からなる請求項１の表面プラズモン共鳴角センサー。
プリズムの各外周面に対し、それぞれの凹状レンズを光が透過可能な密着材を介して密着させた請求項２の表面プラズモン共鳴角センサー。
プリズムの各外周面に対し、それぞれの凹状レンズを微小間隙を設けて近接配置した請求項２の表面プラズモン共鳴角センサー。
光照射装置及び受光装置は、金属薄膜の境界に対して入射角と反射角とを一致させた状態でプリズムの外周面に沿って移動可能に設けた請求項１の表面プラズモン共鳴角センサー。