JPH09257696A - 表面プラズモン共鳴センサ装置 - Google Patents

表面プラズモン共鳴センサ装置

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JPH09257696A
JPH09257696A JP6357596A JP6357596A JPH09257696A JP H09257696 A JPH09257696 A JP H09257696A JP 6357596 A JP6357596 A JP 6357596A JP 6357596 A JP6357596 A JP 6357596A JP H09257696 A JPH09257696 A JP H09257696A
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JP
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sensor chip
prism
light
plasmon resonance
surface plasmon
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JP6357596A
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English (en)
Inventor
Kenichi Uchiyama
兼一 内山
Taiji Osada
泰二 長田
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Toto Ltd
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Toto Ltd
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01NINVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/17Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
    • G01N21/55Specular reflectivity
    • G01N21/552Attenuated total reflection
    • G01N21/553Attenuated total reflection and using surface plasmons
    • G01N21/554Attenuated total reflection and using surface plasmons detecting the surface plasmon resonance of nanostructured metals, e.g. localised surface plasmon resonance

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  • General Physics & Mathematics (AREA)
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  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 内視鏡のように直径の小さな穴や狭い場所の
中の測定が可能な表面プラズモン共鳴センサ装置を提供
する。 【解決手段】 光源1と受光センサ4がケースに収容さ
れる。このケースから外へ入射光及び反射光を伝搬する
GI型光ファイバ5、6が延び、このファイバの先端に
プリズム3とセンサチップ2からなるセンサチップユニ
ットが結合される。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、表面プラズモン共
鳴現象を利用した表面プラズモン共鳴センサ装置に関
し、特にその光学系の構成の改良に関する。
【0002】
【従来の技術】表面プラズモン共鳴現象を利用して溶液
などの屈折率やその変動を測定する表面プラズモン共鳴
センサが知られている。ここで、溶液の屈折率の変動は
その溶液中の物質量の変動を反映しているから、例え
ば、生化学や分子生物学や医療検査等の分野で用いられ
るバイオセンサとして、この表面プラズモン共鳴センサ
は利用されている。
【0003】表面プラズモン共鳴センサは、基本的に、
光源と、金属薄膜を有した光反射面を持つ高屈折率の光
透過媒体と、光検出器とを備える。光透過媒体は、一般
に、ガラスやアクリルといった高屈折率材料で作られて
おり、センサチップと呼ばれる。このセンサチップの光
反射面に形成された金属薄膜の外表面に血液や尿等の試
料を接触させた状態で、光源からセンサチップを通して
その光反射面へ光線を全反射角で入射し、その反射光を
光検出器で受光する。
【0004】従来の表面プラズモン共鳴センサ装置は、
光源とセンサチップの間に球面(又は非球面)レンズを
備える。光源からの光線束はこの球面レンズを通してセ
ンサチップの光反射面に「くさび」状に集光される。従
って、光反射面には異なる入射角を持つ光線が同時に入
射することになり、それらの光線は表面プラズモン共鳴
に伴う反射率分布をもって反射される。その反射率分布
中の極小値に対応する入射角(プラズモン共振角)を測
定することにより、試料の屈折率が判明する。
【0005】従来の装置では、上述した光源、球面レン
ズ、センサチップ及び光検出器などの光学部品、並びに
センサチップに試料を供給するための配管などが一つの
ケースに収容されている。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】従来装置は、各種の光
学部品や配管が一つのケースに納められているため、ケ
ースのサイズはそれら光学部品に所要の光路長を加えた
サイズ以上になる。また、光学部品のうちでも球面レン
ズは小型化することが難しい。さらに、ケースは光学的
な特性を保つ必要から、変形しにくい材料と形状で作ら
れる。
【0007】そのため従来装置は、内視鏡のように小さ
な穴の中の測定にも使用できるように小型化することが
難しい。
【0008】従って、本発明は、内視鏡のように小さな
穴の中の測定や狭い場所の測定に好適な改良された構造
をもつ表面プラズモン共鳴センサ装置を提供することを
目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の表面プラズモン
共鳴センサ装置は、光源と、金属薄膜に接した光反射面
を持つセンサチップを含んだセンサチップユニットと、
光検出器とを備え、センサチップからの反射光をグレー
テッドインデックス型光ファイバを通じて光検出器へ導
くようにしたものである。
【0010】グレーテッドインデックス型光ファイバ
(以後、GI型光ファイバと略す)は、屈折率が中心か
ら周辺にかけて放物線状に分布し、その中を光が一定周
期を以て蛇行しながら進むため、レンズと同等の作用を
持つ。
【0011】この構成によれば、光源とセンサチップユ
ニットとを、光検出器から分離することができる。つま
り、光検出器の納められたケースから光ファイバを外へ
延ばして、この光ファイバの先端にセンサチップユニッ
ト及び光源を結合することができる。センサチップユニ
ットと光源を小型に形成することにより、この部分を小
さい穴や狭い場所に挿入して内視鏡的な使い方ができ
る。
【0012】望ましくは、光源とセンサチップユニット
との間も、GI型光ファイバで結ぶ。これにより、光源
及び光検出器からセンサチップユニットが分離できる。
センサチップユニットは、一般にセンサチップと付属の
プリズムなどから構成されるから、非常に小さく作るこ
とが容易である。従って、このセンサチップユニットだ
けを小さい穴や狭い場所に挿入して内視鏡的な使い方が
できる。
【0013】
【発明の実施の形態】本発明の一実施形態にかかる表面
プラズモン共振センサ装置の全体の基本構成を図1に示
す。
【0014】この表面プラズモン共鳴センサ装置は、L
ED(発光ダイオード)又はLD(レーザダイオード)
のような光源1と、光反射面に金属薄膜を有するセンサ
チップ2と、このセンサチップ2に接合されたプリズム
3と、1次元CDDである受光センサ4と、光源1から
プリズム3へ入射光を導く入射側グレーテッドインデッ
クス型(GI型)光ファイバ5と、プリズム3から受光
センサ4へ反射光を導く反射側GI型光ファイバ6とを
備える。さらに、図示してないが、光源1とセンサチッ
プ2との間の適当箇所の光路上に、光源1からの入射光
を表面プラズモン波を励起するためのP偏光に変換する
ための偏光板が配置される。
【0015】センサチップ2は、プリズム3と同じ屈折
率を持つガラス板の表面に、表面プラズモン共鳴を起こ
すための金または銀の薄膜2aを約50nmの厚みをも
って形成したものである。このセンサチップ2は、プリ
ズム3と同じ屈折率を持つマッチングオイルを介してプ
リズム3に接合される。このセンサチップ2は、プリズ
ム3から外して容易に交換できる。尚、プリズム3の表
面に直接金属薄膜2aを形成したものをセンサチップと
して用いてもよい。このセンサ装置を特定の抗原を検出
するバイオセンサとして使用する場合、金属薄膜2aの
外表面上に、その抗原と選択的に反応する特定の抗体が
固定されることがある。
【0016】入射側GI型光ファイバ5は、図2に示す
ように、光源1からの光を受け、これを蛇行状に伝搬さ
せ、そしてセンサチップ2の金属薄膜を有する光反射面
上に焦点に結ばせる。図2はファイバ5中で光が節を1
つ作る場合を例示するが、ファイバ5の長さをより長く
する場合には、図示の長さに光の蛇行周期(節と節の間
隔)の整数倍を加えた長さとする。
【0017】反射側GI型光ファイバ6は、図3に示す
ように、センサチップ2からの反射光を受け、これを蛇
行状に伝搬させ、そして、反射角に従って広角に拡がら
せて受光センサ4に入射させる。図3はファイバ6が節
を1つ作る場合を例示するが、ファイバ6の長さをより
長くする場合には、図示の長さに光の蛇行周期の整数倍
を加えた長さとする。この光ファイバ6中では、反射光
がもつ反射角(入射角)に応じた強度分布(反射率分
布)の情報が保たれる。受光センサ4の出力信号に現れ
る反射光の強度分布から表面プラズモン共鳴の共振角が
算出される。
【0018】光源1と受光センサ4は一つのケースに収
容することができる。その場合、そのケースから、可撓
性で十分長い光ファイバ5、6のケーブルが外へ延び出
て、そのケーブルの先端にセンサチップ2とプリズム3
からなるセンサチップユニットが結合される。このセン
サチップユニットは非常に小型に作ることが容易であ
る。従って、このセンサチップユニットを小さい穴や狭
い場所を挿入して内視鏡的に使うことができる。
【0019】尚、光源1をLEDチップなどを用いて十
分小さく(例えば数mm程度に)作り、かつ、この光源
1を、球面レンズでなく微小な(例えば直径1mm程度
の)グレーテッドインデックスレンズを介してプリズム
3に接合することもできる。このようにすると、入射側
光ファイバ6は不要であり且つ光源1が微小サイズとな
るので、センサチップユニットに光源1を含ませること
ができる。その場合には、受光センサ4と図示しない電
源回路及び信号処理回路をケースに収容して、そのケー
スから光源1のための電源線と反射側光ファイバ6のケ
ーブルを外へ延ばし、そのケーブルの先端に光源1を含
んだセンサチップユニットを結合することができる。
【0020】図4及び図5は、センサチップユニットの
別の実施例を示す正面図及び斜視図である。
【0021】センサチップは台形のプリズム13の上底
面に図1に示したと同様のセンサチップ2を接合したも
のである。尚、台形のプリズム13の上底面に直接金属
薄膜を蒸着してもよい。台形プリズム13の下底面には
入射側GI型光ファイバ5及び反射側GI型光ファイバ
6が取付けられている。光ファイバ5、6がプリズム1
3の下底面に同じ向きで互いに平行に取り付けれている
ため、このセンサチップユニットはプリズム13と実質
的に同じサイズであり、よって、プリズム3の通るサイ
ズの穴であれば自由に挿入することができる。
【0022】プリズム13の形状は、センサチップ2へ
の光の入射角θが例えば45度を中心として分布するよ
うに設計されている。これは、屈折率が約1.52のプ
リズム13を使った場合、センサチップ2が空気と接し
ているときに表面プラズモン共鳴が起こる角度(プラズ
モン共振角)である。従って、この構成はガスセンサと
して好適である。
【0023】図6は、図4に示したセンサチップユニッ
トを水溶液を測定する目的に使用するために変形した例
を示す。屈折率が1.52のプリズム3では、センサチ
ップが水に接している時のプラズモン共振角は約72度
である。この72度を中心にセンサチップ2への入射角
が分布するように、センサチップ2が図4に示したと同
じ台形プリズム13の側面に接合されている。センサチ
ップ2はマッチングオイルを介してプリズム13に接合
されるから、測定目的に応じて接合箇所を変更すること
は容易である。
【0024】また、図6の変形例では、反射側光ファイ
バ6と受光センサ4の間に導光板11が入れられてい
る。光ファイバ6から出た光は自然状態では円錐形に広
がるが、導光板11はこの光を実質的に2次元の空間に
閉じ込めて受光センサ4へ導く。このため、受光センサ
4に入射する光量が増え、感度の低い受光センサでも使
用可能である。
【0025】図7は、センサチップユニットの更に別の
実施例で用いられるキャップ型センサチップの外観を示
し、図8は図7のA−A′線断面を示す。
【0026】キャップ21は、図4に示した台形プリズ
ム13の形状に合わせてこれを被覆できるようにほぼ台
形状に形成された金属性又は樹脂ケースであり、その上
底面と下底面にそれぞれ開口21a、21bを有する。
この台形キャップ21の上底面の開口21aに内側か
ら、図1に示したと同様のセンサチップ2が接着されて
いる。さらに、台形キャップ21内に台形プリズム13
が挿入され、図4に示したと同じ態様でセンサチップ2
と台形プリズム13とが接合される。
【0027】このキャップ型センサチップは、図9に示
すような光ファイバ固定用ブロック22に填め込まれ
る。この固定用ブロック22は、キャップ21の下底面
の開口21bにちょうど填り込むサイズの前面22aを
もつ直方体ブロックであり、その前面22aから後面2
2bへ貫通する2つの孔22a、22bを有し、この貫
通孔22a、22bに入射側GI型光ファイバ5と反射
側GI型光ファイバ6とが固定的に挿入される。この固
定用ブロック22の前部をキャップ型センサチップの下
底面の開口21bを填め込み、両者を接着することによ
り、図10に示すようなセンサチップユニットが完成す
る。光学部品の位置関係は図4に示した実施形態と同じ
である。
【0028】このセンサチップユニットでは、プリズム
13が塵や水やその他汚染物質に触れることを防ぐこと
ができる。また、キャップ21とこれに接着されたセン
サチップ2だけを測定の度に使い捨てることにより、細
菌やウィルスなど危険なものを測定した後の処理が容易
になる。
【0029】
【発明の効果】本発明の表面プラズモン共鳴センサ装置
は内視鏡のように小さい穴や狭い場所へ挿入する使い方
が可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る表面プラズモン共鳴
センサ装置の全体の基本構成を示す構成図である。
【図2】入射側GI型光ファイバの説明図である。
【図3】反射側GI型光ファイバの説明図である。
【図4】センサチップユニットの別の実施例を示す正面
図である。
【図5】同、斜視図である。
【図6】図4のセンサチップユニットの変形例を示す正
面図である。
【図7】センサチップユニットの更に別の実施例で用い
られるキャップ型センサチップを示す斜視図である。
【図8】図7のA−A′線断面図である。
【図9】光ファイバ固定用のブロックの透視斜視図であ
る。
【図10】キャップ型センサチップを用いたセンサチッ
プユニットを示す斜視図である。
【符号の説明】
1 光源 2 センサチップ 3、13 プリズム 4 受光センサ 5 入射側GI型光ファイバ 6 反射側GI型光ファイバ 11 導光板 21 キャップ 22 光ファイバ固定用ブロック

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 光源と、金属薄膜に接した光反射面を持
    つセンサチップを含んだセンサチップユニットと、光検
    出器を備えた表面プラズモン共鳴センサ装置において、 前記センサチップからの反射光を前記光検出器へ導くた
    めの反射側グレーテッドインデックス型光ファイバを備
    えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
  2. 【請求項2】 請求項1記載の装置において、 前記光源からの光を前記センサチップへ導き前記光反射
    面に焦点を結ばせるための入射側グレーテッドインデッ
    クス型光ファイバを更に備えたことを特徴とする表面プ
    ラズモン共鳴センサ装置。
  3. 【請求項3】 請求項2記載の装置において、 前記センサチップユニットが台形プリズムを有し、この
    台形プリズムの同一面に前記入射側及び反射側の光ファ
    イバが取り付けられることを特徴とする表面プラズモン
    共鳴センサ装置。
  4. 【請求項4】 請求項2記載の装置において、 前記センサチップユニットが台形プリズムを有し、この
    台形プリズムの異なる面に選択的に前記センサチップが
    接合可能であり、更に、前記台形プリズムが、前記セン
    サチップが接合される面によって前記センサチップへ光
    の入射角の分布範囲が変わる形状を有していることを特
    徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
  5. 【請求項5】 請求項1記載の装置において、 前記反射側光ファイバと光検出器の間に、前記反射側光
    ファイバからの光を実質的に2次元の空間に閉じ込めて
    前記光検出器に導くための導光板を備えることを特徴と
    する表面プラズモン共鳴センサ装置。
  6. 【請求項6】 請求項1記載の装置において、 前記センサチップユニットが、前記センサチップと接合
    されるプリズムと、前記プリズムを覆うキャップとを備
    えたことを特徴とする表面プラズモン共鳴センサ装置。
JP6357596A 1996-03-19 1996-03-19 表面プラズモン共鳴センサ装置 Pending JPH09257696A (ja)

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