センシング装置
【課題】試料中の被検出物質を高精度かつ再現性高く検出することができるセンシング装置を提供することを目的とする。
【解決手段】プリズムと、プリズムの一面上に配置された金属膜と、プリズムの一面上に配置され、金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、光を射出する光源と、光源から射出された光を、プリズムと金属膜との境界面で全反射する角度でプリズムに入射させる入射光光学系と、金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、入射光光学系は、境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることで上記課題を解決する。
【解決手段】プリズムと、プリズムの一面上に配置された金属膜と、プリズムの一面上に配置され、金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、光を射出する光源と、光源から射出された光を、プリズムと金属膜との境界面で全反射する角度でプリズムに入射させる入射光光学系と、金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、入射光光学系は、境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることで上記課題を解決する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して被検出物質を検出するセンシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオ測定（生体分子反応の測定）等において被検出物質を高感度かつ容易に検出（または測定）する方法としては、特定波長の光により励起され蛍光を発する蛍光物質（つまり、蛍光性を有する物質）からの蛍光を検出することで、被検出物質を検出（または測定）する蛍光法がある。
この蛍光法は、例えば、被検出物質が蛍光物質の場合は、被検出物質を含むと考えられる検査対象試料に特定波長の励起光を照射し、そのときの蛍光を検出することによって被検出物質の存在を確認する方法である。
また、蛍光法は、被検出物質が蛍光物質ではない場合も、被検出物質と特異的に結合する特異的結合物質を蛍光物質で標識し、この特異的結合物質を被検出物質に結合させ、その後上記と同様にして、蛍光（具体的には、被検出物質と結合した特異的結合物質を標識する蛍光物質の蛍光）を検出することにより、被検出物質の存在を確認することができる。
【０００３】
また、蛍光法を用いて被検出物質をさらに高感度に検出する方法としては、蛍光物質を励起させるために金属膜の表面プラズモン共鳴による増強電場を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３）。
【０００４】
特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載された方法は、いずれも、蛍光物質により標識された被検出物質を金属膜の近傍に配置した状態で、金属薄膜とプリズム（半円柱プリズム、三角形ガラスプリズム）との境界面に、プラズモン共鳴条件を満たす角度（プラズモン共鳴角）で光を入射させて金属薄膜に増強された電場を発生させ、金属薄膜近傍にある物質を強く励起し、蛍光を増幅させるというものであり、表面プラズモン増強蛍光（以下「ＳＰＦ」ともいう。）を利用した蛍光検出法である。
【０００５】
ここで、特許文献２に記載されているように、表面プラズモンの電場は、金属表面に強く局在し、かつ、金属表面からの距離に応じて指数関数的に減衰するため、金属表面に吸着固定されている蛍光標識抗体（つまり蛍光物質）のみを選択的かつ高確率で励起することができる。これにより、特許文献２に記載されているように、ＳＰＦを利用した蛍光検出法を用いることで、界面から離れた位置にある妨害物質の影響を最小限に抑制することができ、高精度に被検出物質を検出することも可能になる。
【０００６】
また、特許文献２及び特許文献３は、金属膜が載置されたプリズムの角度を調整する回転機構を設け、この回転機構によりプリズムの角度を調整することで、光源から射出された光を最適なプラズモン共鳴角でプリズムに入射させることが記載されている。
【０００７】
また、表面プラズモン増強効果を利用して、被検出物質を検出する方法としては、表面プラズモンにより励起された蛍光を検出する方法以外にも散乱光を検出する方法がある。
特許文献４には、プリズムの表面に金属膜と、金属膜の表面に配置された抗原・抗体反応により被検出物質をトラップする機能薄膜と、この機能薄膜に触れる状態で試料液を供給するフローセルとを有する表面プラズモンセンサが記載されている。
この表面プラズモンセンサは、金属膜上に表面プラズモン増強効果を利用して励起された表面プラズモンの電場が、機能薄膜に存在している被検出物質により乱されることで生じる散乱光を検出することで、被検出物質を検出している。このように、蛍光ではなく、散乱光を検出する方法でも、被検出物質を検出することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６２２５５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１５６５号公報
【特許文献３】特開２００２−２５７７３１号公報
【特許文献４】特開平１０−７８３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、表面プラズモンのプラズモン共鳴条件は、照明光の波長、金属膜への入射角、プリズムの屈折率や凹凸、金属膜の誘電率、厚みや粗密度、金属膜上に配置される試料の種類、状態、等により変化する。しかしながら、最大の増強度で再現性よく検出をするために、特許文献２及び３に記載されているような、回転機構を設け、基板及びプリズムを回転させ、最適角度を検出する方法では、装置コストが高くなり、また、最適角度を検出している感に、金属膜上の蛍光物質の蛍光量が減少していくという問題があった。
また、光の入射角度を調整する機構を設ける代わりに、上記の物理定数や位置関係を保障（一定状態に維持）するための温度調整と、各部材の形状を同一にすることも考えられるが、装置や、チップの製造設備が高価となり、特に低コスト化の要求が厳しい血液診断用途では受け入れられない。また、最適角度を検出している感に、金属膜上の蛍光物質の蛍光量が減少していくという問題もある。
こういった問題が、プラズモンを用いたセンシング装置の実用化の実現を阻む要因だった。
【００１０】
これに対して、特許文献１〜３に記載したようなＳＰＦを利用した蛍光検出法及び特許文献４に記載した被検出物質が表面プラズモンを乱すことで生じる散乱光を検出する検出法では、特許文献１に記載されているように、光源から射出された光をレンズ等で集光し所定の角度幅の光にして、金属膜に入射させることで、一定の角度幅の光を金属膜に入射させる。このように、一定角度幅の光を入射させ、その収束角度内での角度調整を不要とすることでコストダウンを図っている。
【００１１】
しかしながら、光源から射出される光は、光束の位置（例えば、光束中心からの距離）によって光の強度が変化する（つまり、強度分布がある）ため、表面プラズモン共鳴が発生する角度が変化することで、表面プラズモンがつくる電場の強度が変化してしまうという問題がある。
また、蛍光物質による蛍光は、同一の蛍光物質であっても表面プラズモンがつくる電場の強度によって変化するため、表面プラズモンがつくる電場の強度が変化してしまうと、同一、同量の蛍光物質であっても蛍光の光量が変化し検出値が変化してしまうため、検出の精度が下がり、再現性が低下するという問題がある。この問題は、濃度検出を行う場合に顕著な問題となる。
【００１２】
また、被検出物質と結合する物質が金属膜上に不均一に設けられていたり、金属膜の厚みのむらがあったりすると、被検出物質は、金属膜上に不均一に付着する。これに対しては、集光レンズにより集光され、金属面に入射する光の焦点を金属膜よりも先の位置とすることで、金属膜状の一定幅の領域に光を照射させる方法がある。
しかしながら、この方法でも、上述したように表面プラズモン共鳴が発生する角度が変化すると、表面プラズモン共鳴が発生する角度で入射する光の位置が変化する。このため、その照射位置による金属膜の厚みや、被検出物質の付着むらにより、検出値が変化してしまい、再現性が低下し、検出精度が低くなるという問題がある。
また、表面プラズモンがつくる電場を利用して被検出物質を検出する場合に限らず、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して被検出物質を検出する場合にも、同様の問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術に基づく問題点を解消し、試料中の被検出物質を高精度かつ再現性高く検出することができる表面プラズモン増強効果を用いたセンシング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して試料内の被検出物質を検出するセンシング装置であって、プリズムと、前記プリズムの一面上に配置された金属膜と、前記プリズムの一面上に配置され、前記金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、光を射出する光源と、前記光源から射出された光を、前記プリズムと前記金属膜との境界面で全反射する角度で前記プリズムに入射させる入射光光学系と、前記金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、前記入射光光学系は、前記境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることを特徴とするセンシング装置を提供するものである。
【００１５】
ここで、前記入射光学系は、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を前記境界面に入射させることが好ましい。
また、前記光源は、１つの光束を射出する光射出装置であり、前記入射光学系は、前記光源から射出された１つの光束から、集束点の位置が異なる複数の光束を生成することが好ましい。
また、前記光源は、コヒーレントな光を射出することが好ましい。
また、前記入射光学系は、生成した複数の光束から前記境界面に入射させる光束を選択する選択手段を有し、前記選択手段は、前記境界面に入射させる光束を順番に切り替え、前記境界面に同時に集束点の異なる光束を入射させないことが好ましい。
また、前記光源は、インコヒーレントな光を射出することが好ましい。
【００１６】
また、前記光源は、同一波長の光を射出する複数の個別光源で構成され、前記入射光光学系は、１つの前記個別光源から射出される光を１つの前記光束とすることが好ましい。
また、前記入射光光学系は、１つの集光レンズを有し、前記個別光源は、互いに異なる角度で、射出した光を前記集光レンズに入射させることが好ましい。
【００１７】
ここで、前記入射光光学系は、光源から射出された光を散乱させる散乱部を備えることが好ましい。
また、前記散乱部は、前記光源から射出された光の光路上に配置された散乱板であることが好ましい。
また、前記散乱部は、前記プリズムの表面に形成された砂刷り面であることが好ましい。
【００１８】
また、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記試料内の前記被検出物質の濃度を算出する算出手段を有することが好ましい。
また、前記被検出物質は、蛍光性を有する物質、または、蛍光性を有する物質で標識された物質であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、境界面の各位置に、入射角度の異なる複数の光線を入射させることで、プラズモン共鳴角が異なる角度となった場合でも、また、蛍光物質の量が位置により変化した場合でも、発生する表面プラズモンに起因して発生する増強電場の強度を均一にすることができる。このように表面プラズモンの強度を均一にできることで、高い再現性でかつ高精度に試料中の被検出物質を検出することができる。
また、プラズモン共鳴角が異なる角度でも再現性の高い検出ができることで、設計誤差の許容範囲を大きくすることができ、装置コストを安価にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係るにセンシング装置について、添付の図面に示す実施形態を基に詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のセンシング装置の一実施形態であるセンシング装置１０の概略構成を示すブロック図であり、図２（Ａ）は、図１に示したセンシング装置１０の光源１２、入射光光学系１４、サンプルユニット１６の概略構成を示す上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００２２】
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すようにセンシング装置１０は、基本的に、所定波長の光を射出する光源１２と、光源１２から射出された光（以下「励起光」ともいう。）を導光し集光する入射光光学系１４と、被検出物質８４を含有する試料（つまり測定対象）８２を保持し、入射光光学系１４により集光された光が入射されるサンプルユニット１６と、サンプルユニット１６の測定位置から射出される光を検出する光検出手段１８と、光検出手段１８の検出結果に基づいて被検出物質を検出する（つまり、光検出手段１８で検出した信号をデジタル化し被検出物質の有無、濃度を判断する）算出手段２０とを有し、試料８２に含有されている被検出物質８４を検出（及び測定）する。
また、センシング装置１０は、さらに、励起光を変調するファンクションジェネレータ（以下「ＦＧ」ともいう。）２４と、ＦＧ２４で発生された電圧に比例した電流を光源１２に流す光源ドライバ２６とを有する。
ここで、ＦＧ２４は、Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗの電圧の繰り返しクロックを発生する信号発生器である。ＦＧ２４が信号を光源ドライバ２６に流し、光源ドライバ２６がその電圧に比例した電流を光源１２に流すことで、光源１２は、クロックに応じて変調された光を発光する。また、ＦＧ２４のクロックは、ロックインアンプ６４に接続されており、ロックインアンプ６４は、ＦＧ２４から流されるクロックと同期した信号のみを光検出手段１８の出力から取り出す。
また、図示は省略したが、センシング装置１０の各部は互いの位置関係を固定するために支持機構により支持されている。
【００２３】
光源１２は、所定波長の光を出射する半導体レーザである。なお、光源としては、半導体レーザに限定されず、ＬＥＤ、ランプ、ＳＬＤ等も用いることができる。
【００２４】
入射光光学系１４は、コリメータレンズ３０と、偏光フィルタ３２と、光分割部３４と、集光レンズ３６を有し、励起光の光路において、光源１２側からコリメータレンズ３０、偏光フィルタ３２、光分割部３４、集光レンズ３６の順で配置されている。したがって、光源１２から射出された光は、コリメータレンズ３０、偏光フィルタ３２、光分割部３４、集光レンズ３６をこの順で透過し、その後、サンプルユニット１６に入射する。
【００２５】
コリメータレンズ３０は、光源１２から射出され、所定角度で放射状に拡散する光を平行光に変換する。
偏光フィルタ３２は、透過した光を後述するサンプルユニット１６の反射面に対してＰ偏光となる方向に偏光するフィルタである。
【００２６】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて光分割部３４について説明する。ここで、図３（Ａ）は、光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路を示す説明図であり、図３（Ｂ）光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路における各光束の広がりを示す説明図である。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示す面と同一の面を示している。
光分割部３４は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃと、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂ、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃと、第１ミラー１０６ａ、第２ミラー１０６ｂ、第３ミラー１０６ｃ、第３ミラー１０６ｄとを有し、コリメータレンズ３０で平行光とされ、偏光フィルタ３２で偏光された光を、３つの光束（第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃ）に分岐し、集光レンズ３６に入射させる。
【００２７】
ここで、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃは、それぞれ、通過する光のうち半分の光はそのまま透過し、半分の光は、反射するビームスプリッタである。
また、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂは、後述するサンプルユニット１６の流路４５の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状の凹型レンズであり、シリンドリカルレンズ３０により平行光とされた光を、柱状の軸に垂直な面のみに所定角度で拡散させる。
また、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃは、後述するサンプルユニット１６の流路４５の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状の凸型レンズであり、コリメータレンズ３０により平行光とされた光を柱状の軸に垂直な面（図２（Ｂ）に示す面と平行な面）のみに所定角度で集光させる。
また、第１ミラー１０６ａ、第２ミラー１０６ｂ、第３ミラー１０６ｃ、第３ミラー１０６ｄは、鏡面であり、入射した光を反射させる。
【００２８】
次に、各部材の配置関係と、各光束の光路について説明する。
まず、偏光フィルタ３２と集光レンズ３６とを結んだ直線上に、偏光フィルタ３２側から、第１ハーフミラー１０２ａ、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃの順で配置されている。
ここで、第１ハーフミラー１０２ａは、反射面が光源１２から射出された光の光軸（以下単に「光軸Ｌ」という。）に対して４５°傾斜して配置されている。つまり、第１ハーフミラー１０２ａは、反射面が、光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。また、第２ハーフミラー１０２ｂは、反射面が、光軸Ｌに垂直な面に対して４５°から微小角度引いた角度、図中反時計回り方向に回転された向きで配置され、第３ハーフミラー１０２ｃは、反射面が、第１ハーフミラー１０２ａよりも図中反時計回り方向に微小角度回転された向きで配置されている。
【００２９】
偏光フィルタ３２を透過した光は、第１ハーフミラー１０２ａで透過光と反射光に分割され、透過光が第１光束１０８ａとなり、反射光が第２光束１０８ｂとなる。
第１光束１０８ａは、その後、第１シリンドリカルレンズ１０４ａで所定角度に拡散され（図３（Ｂ）参照）、第２ハーフミラー１０２ｂ、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃを透過し、集光レンズ３４で集光される。なお、第１光束１０８ａは、第２ハーフミラー１０２ｂで出力の半分が反射光として分割され、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が反射光として分割される。これらの分割された光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３０】
第１ミラー１０６ａ及び第２ミラー１０６ｂは、第１ハーフミラー１０２ａよりも第２光束１０８ｂの進行方向側に、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第１ミラー１０６ａ及び第２ミラー１０６ｂが長方形の頂点となる位置関係に配置されている。つまり、第１ハーフミラー１０２ａと第２ハーフミラー１０２ｂとを結んだ線と、第１ミラー１０６ａと第２ミラー１０６ｂとを結んだ線が平行となり、第１ハーフミラー１０２ａと第１ミラー１０６ａとを結んだ線と、第２ハーフミラー１０２ｂと第２ミラー１０６ｂとを結んだ線が平行となり、各部を結んだ線同士のなす角が直角なる位置関係で配置されている。
また、第１ミラー１０６ａは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されており、第２ミラー１０６ｂは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中反時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。
また、第２ミラー１０６ｂと第２ハーフミラー１０２ｂとの間には、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂが配置されている。
【００３１】
第２光束１０８ｂは、第１ハーフミラー１０２ａから第１ミラー１０６ａ方向に進行し、第１ミラー１０６ａで反射され、第２ミラー１０６ｂで反射され、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂで拡散された後（図３（Ｂ）参照）、第２ハーフミラー１０２ｂで反射され、第３ハーフミラー１０２ｃを透過し、集光レンズ３４で集光される。ここで、第２ハーフミラー１０２ｂの反射面が、第２ハーフミラー１０２ｂに入射する直前の第２光束１０８ｂの進行方向に対して４５°よりも時計回り側に微小角度回転した向きで配置されているため、第２ハーフミラー１０２ｂを中心とした場合、第２光束１０８ｂの光軸は、第１光束１０８の光軸よりも所定角度時計回り側に所定角度傾いている。
なお、第２光束１０８ｂも、第２ハーフミラー１０２ｂで出力の半分が透過光として分割され、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が反射光として分割される。
この第２ハーフミラー１０２ｂで分割された透過光は、第３光束１０８ｃとなる。また、第３ハーフミラー１０２ｃで分割された反射光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３２】
第３ミラー１０６ｃ及び第４ミラー１０６ｄは、第２ハーフミラー１０２ｂよりも第３光束１０８ｃの進行方向側に、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃ、第３ミラー１０６ｃ及び第４ミラー１０６ｄが長方形の頂点となる位置関係に配置されている。つまり、第２ハーフミラー１０２ｂと第３ハーフミラー１０２ｃとを結んだ線と、第３ミラー１０６ｃと第４ミラー１０６ｄとを結んだ線が平行となり、第２ハーフミラー１０２ｂと第３ミラー１０６ｃとを結んだ線と、第３ハーフミラー１０２ｃと第４ミラー１０６ｄとを結んだ線が平行となり、各部を結んだ線同士のなす角が直角なる位置関係で配置されている。
また、第３ミラー１０６ｃは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中反時計回り方向に４５°回転された向きに配置されており、第４ミラー１０６ｄは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。
また、第２ミラー１０６ｂと第２ハーフミラー１０２ｂとの間には、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂが配置されている。
【００３３】
第３光束１０８ｃは、第２ハーフミラー１０２ｂから第３ミラー１０６ｃ方向に進行し、第３ミラー１０６ｃで反射され、第４ミラー１０６ｄで反射され、第３シリンドリカルレンズ１０４ｂで集光された後（図３（Ｂ）参照）、第３ハーフミラー１０２ｃで反射され、集光レンズ３４で集光される。ここで、第３ハーフミラー１０２ｃの反射面が、第３ハーフミラー１０２ｃに入射する直前の第３光束１０８ｃの進行方向に対して４５°よりも反時計回り側に微小角度回転した向きで配置されているため、第３ハーフミラー１０２ｃを中心とした場合、第３光束１０８ｃの光軸は、第１光束１０８の光軸よりも所定角度反時計回り側に所定角度傾いている。
なお、第３光束１０８ｃも、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が透過光として分割される。
この第３ハーフミラー１０２ｃで分割された透過光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３４】
第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃのいずれの光成分も光源１２から射出されてから、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃに一回をずつ透過するため、光の強度は、いずれも、光源１２から射出された時点の８分の１となる。また、第３光束１０８ｃは、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂで第２光束１０８ｂの一部として拡散された後、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃで集光される。このように、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃで集光することで、第３光束１０８ｃは第２光束１０８ｂよりも光路長が長いが、第２光束１０８ｂと同様の拡散角で集光レンズに入射させることができる。
【００３５】
光分割部３４は、以上のような構成であり、偏光フィルタ３２を透過した光を、光軸の角度が互いに異なり、また、集束点が互いに異なる第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃに分割し、集光レンズ３６に入射させる。
【００３６】
図１及び図２（Ａ）及び（Ｂ）に戻り他の部分について説明する。
集光レンズ３６は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、後述するサンプルユニットの流路の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状レンズであり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを、それぞれ柱状の軸に垂直な面（図２（Ｂ）に示す面と平行な面）のみに集光させる。
【００３７】
次に、サンプルユニット１６は、プリズム３８と、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４を有し、プリズム３８の一面に形成された金属膜４０上に被検出物質８４を含有する試料８２が載置される。
【００３８】
プリズム３８は、断面が二等辺三角形となる略三角柱形状（正確には、二等辺三角形の各頂点部分を二等辺三角形の底面に垂直または平行に切断した六角柱形状）のプリズムであり、光源１２から射出され入射光光学系１４で集光される光（つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃ）の光路上に配置されている。
プリズム３８は、入射光光学系１４で集光された光が、３つの側面のうち二等辺三角形の２つの斜辺のうちの１つの辺で構成される面から入射する向きで配置されている。
プリズム３８は、公知の透明樹脂や光学ガラスで形成することができ、例えば、日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）３３０Ｒ（屈折率１．５０）を材料として形成することができる。また、プリズム３８は、コストをより低くすることができるため、光学ガラスよりも樹脂で形成することが好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、シクロオレフィンを含む非晶性ポリオレフィン（ＡＰＯ）等の樹脂で形成することが好ましい。
プリズム３８は、このような構成であり、入射光光学系１４で集光された光を、二等辺三角形の２つの斜辺のうちの１つの辺で構成される面から入射させ、二等辺三角形の底辺で構成される面で反射し、二等辺三角形の２つの斜辺のうちの他方の辺で構成される面から射出する。
【００３９】
金属膜４０は、プリズム３８の二等辺三角形の底辺で構成される面の一部（具体的には、プリズム３８に入射した光が照射される領域を含む領域）に形成された金属の薄膜である。
ここで、金属膜４０に用いる材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ等の金属を用いることができる。なお、試料として液体を用いる場合は、液体との反応を抑制するためにＡｕ、Ｐｔを用いること好ましい。
また、金属膜４０の形成方法としては、種々の方法を用いることができ、例えば、スパッタ、蒸着、めっき、貼り付け等によりプリズム３８上に形成することができる。
ここで、図４は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すサンプルユニット１６の金属膜４０の一部を拡大して示す拡大模式図である。
図４に示すように、金属膜４０の表面には、被検出物質８４と特定的に結合する特異的結合物質である１次抗体８０が固定されている。
【００４０】
基板４２は、プリズム３８の二等辺三角形の底辺で構成される面に配置された板状部材であり、金属膜４０に試料８２を供給する流路４５が形成されている。
流路４５は、金属膜４０を横断して形成された直線状の線状部４６と、線状部４６の一方の端部に形成され、測定時に試料８２が供給される液溜りとなる始端部４７と、線状部４６の他方の端部に形成され、始端部４７に供給され線状部４６を通過した試料８２が到着する液溜りとなる終端部４８とで構成される。
また、金属膜４０よりも始端部４７側の線状部４６には、蛍光物質８６によって標識された二次抗体８８が載置された二次抗体載置領域４９が設けられている。
ここで、二次抗体８８とは、被検出物質８４と特定的に結合する特異的結合物質である。
【００４１】
透明カバー４４は、基板４２のプリズム３８と接している面とは反対側の面に接合された透明な板状の部材である。透明カバー４４は、基板４２のプリズム３８と接している面とは反対側の面を塞ぐことで、基板４２に形成された流路４５を密閉している。
また、透明カバー４４は、流路４５の始端部４７に対応する部分及び流路４５の終端部４８に対応する部分に開口が形成されている。また、透明カバー４４は、始端部４７（さらには終端部４８）に対応する位置に形成した開口に開閉可能な蓋を設けてもよい。
サンプルユニット１６は、基本的に以上のような構成である。ここで、プリズム３８と、金属膜４０と基板４２とは、一体で形成することが好ましい。
【００４２】
また、光源１２と入射光光学系１４とサンプルユニット１６とは、入射光光学系１４からプリズム３８に入射した光をプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射させてプリズムの他方の面から射出させる位置関係で配置されている。
【００４３】
光検出手段１８は、検出光光学系５０と、フォトダイオード（以下「ＰＤ」という。）５２と、フォトダイオードアンプ（以下「ＰＤアンプ」という。）５４とを有し、サンプルユニット１６の金属膜４０上の光（つまり、金属膜４０上にある試料８２から射出される光）を検出する。
【００４４】
検出光光学系５０は、第１レンズ５６と、カットフィルタ５８と、第２レンズ６０と、これらを支持する支持部６２とを有し、金属膜４０上（より正確には金属膜４０の近傍）から射出されている光を集光し、ＰＤ５２に入射させる。また、検出光光学系５０は、金属膜４０で発光された光の光路上において、金属膜４０側から順に第１レンズ５６、カットフィルタ５８、第２レンズ６０の順に互いに所定間隔離間して配置されている。
【００４５】
第１レンズ５６は、コリメータレンズであり、金属膜４０に対向して配置されており、金属膜４０上で発光し、第１レンズ５６に到達した光を平行光にする。
カットフィルタ５８は、励起光と同一波長の光を選択的にカットし、励起光と異なる波長の光（例えば、蛍光物質８６に起因する蛍光等）を通過させる特性を有するフィルタであり、第１レンズ５６で平行光とされた光のうち、励起光と異なる波長の光のみを通過させる。
第２レンズ６０は、集光レンズであり、カットフィルタ５８を透過した光を集光し、ＰＤ５２に入射入射させる。
支持部６２は、第１レンズ５６と、カットフィルタ５８と、第２レンズ６０と互いに所定間隔離間させて一体的に保持する保持部材である。
【００４６】
ＰＤ５２は、受光した光を電気信号に変換する光検出器であり、第２レンズ６０で集光され、入射した光を電気信号に変換する。またＰＤ５２は、変換した電気信号を検出信号としてＰＤアンプ５４に送る。
ＰＤアンプ５４は、検出信号を増幅する増幅器であり、ＰＤ５２から送られた検出信号を増幅し、算出手段２０に送る。
【００４７】
算出手段２０は、ロックインアンプ６４とＰＣ（つまり演算部）６６とを有し、検出信号から被検出対象の質量、濃度等を算出する。
【００４８】
ロックインアンプ６４は、検出信号のうち参照信号と等しい周波数成分を増幅する増幅器であり、ＰＤアンプ５４により増幅された検出信号のうち、ＦＧ２４から送られた参照信号と同期する信号成分を増幅する。ロックインアンプ６４で増幅された検出信号は、ＰＣ６６に流される（出力される）。
【００４９】
ＰＣ６６は、ロックインアンプ６４から供給された検出信号をデジタル信号に変換し、変換した信号に基づいて、試料中の被検出物質の濃度を検出する。ここで、試料中の被検出物質の濃度は、被検出物質の個数と液量との関係から算出することができる。また、被検出物質の個数は、個数既知の被検出物質を用いて検出信号の強度と被検出物質の個数との関係を算出し検量線を作成しておくことで算出することができる。なお、サンプルユニット１６の基板４２の流路４５に供給する試料の液量を一定量とすること（または、一定量となるように設計すること）で、簡単かつ正確に濃度を算出することができる。
センシング装置１０は、基本的に以上のような構成である。
【００５０】
以下、センシング装置１０の作用について説明することで本発明をより詳細に説明する。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、サンプルユニット１６での試料８２の流れを示す説明図であり、図６は、試料８２が到達した金属膜４０の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【００５１】
まず、図５（Ａ）に示すように、サンプルユニット１６の基板４２の流路４５の始端部４７に、被検出物質８４を含有する試料８２を滴下する。
始端部４７に滴下された試料８２は、毛細管形状により、線状部４６及びガラスカバー４４で形成された管の中を終端部４８に向けて移動する。
【００５２】
始端部４７から終端部４８に向けて線状部４６を移動する試料８２は、図５（Ｂ）に示すように、線状部４６の二次抗体載置領域４９に到達する。試料８２が二次抗体載置領域４９に到達すると、試料８２に含有されている被検出物質８４と二次抗体載置領域４９に載置されている二次抗体８８との間で抗原抗体反応がおき、被検出物質８４と二次抗体８８とが結合する。また、この二次抗体８８は、蛍光物質８６により標識されているため、二次抗体８８と結合した被検出物質８４は、蛍光物質８６により標識された状態となる。
【００５３】
二次抗体載置領域４９を通過した試料８２は、線状部をさらに終端部４８側に移動し、金属膜４０に到達する。試料８２が金属膜４０に到達すると、図６に示すように、試料８２に含有されている被検出物質８４と金属膜４０上に固定されている一次抗体８０との間で抗原抗体反応がおき、被検出物質８４が一次抗体８０に捕捉される。ここで、一次抗体８０に捕捉された被検出物質８４は、二次抗体載置領域４９で蛍光物質８６により標識された状態であるため、被検出物質８４を捕捉した一次抗体８０は、蛍光物質８６で標識された状態となる。つまり、被検出物質８４は、一次抗体８０と二次抗体８８とでサンドイッチされた状態となる。
【００５４】
金属膜４０を通過した試料８２は、終端部４８まで移動する。また、一次抗体８０により捕捉されなかった被検出物質８４、被検出物質８４に結合されなかった二次抗体８８及び蛍光物質８６も試料８２とともに終端部４８まで移動する。
これにより、図５（Ｃ）に示すように、金属膜４０上に二次抗体８８と結合し、蛍光物質８６により標識され、かつ一次抗体８０に捕捉された被検出物質８４が残った状態となる。
【００５５】
このように、金属膜４０上に蛍光物質８６により標識された二次抗体８８と被検出物質８４と固定化された一次抗体８０のみが残った状態となったら、金属膜４０に励起光を照射する。
具体的には、ＦＧ２４で決定された強度変調信号に基づいて光源ドライバ２６から流れる電流に基づいて、光源１２から励起光を射出させる。励起光は、光源１２から射出された後、入射光光学系１４により、遮光板３６により一部の励起光が遮断され、コリメータレンズ３０より平行光とされ、その後、偏光フィルタ３２により偏光され、光分割部３４により、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂとされた後、集光レンズ３６により一方向のみ集光される。
集光レンズ３６により集光された第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂは、プリズム３８に入射され、所定の角度幅の光としてプリズム３８と金属膜４０との境界面に到達し、プリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射され、プリズム３８から射出される。なお、集光レンズ３６は、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂの集束点が、プリズム３８と金属膜４０との境界面を一定距離越えた位置となるように集光する。
また、集光レンズ３６により一方向のみに集光することで、プリズム３８と金属膜４０との境界面の線状部４６の延在方向に平行な方向には、同一角度の光を入射することができる。
【００５６】
プリズム３８に入射した励起光（つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂ）がプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射されることで、金属膜４０の流路４５側の面（プリズム３８側とは反対側の面）に、エバネッセント波が滲み出し、このエバネッセント波により、金属膜４０中に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンにより金属膜４０の表面に電界分布が生じ、電場増強領域が形成される。
このとき、所定の角度幅で入射された励起光のうち、プリズム３８と金属膜４０との境界面に所定角度（具体的には、プラズモン共鳴条件を満たす角度）した入射した励起光により発生した、エバネッセント波と表面プラズモンとが共鳴し、表面プラズモン共鳴（プラズモン増強効果）が発生する。このように、表面プラズモン共鳴（プラズモン増強効果）が発生した領域では、より強い電場増強が形成される。ここで、プラズモン共鳴条件は、入射された光により発生したエバネッセント波の波数ベクトルと、表面プラズモンの端数とが等しくなり、波数整合が成立する条件であり、上述したように、試料の種類、試料の状態、金属膜の厚み、密度、励起光の波長、入射角度等種々の条件に基づいて決まる。なお、本発明において、プラズモン共鳴角及び励起光（つまり、各光束）の入射角度は、金属面に垂直な線とのなす角である。
【００５７】
また、このとき、エバネッセント波の滲み出している領域において蛍光物質８６がある場合、励起されて蛍光を発生させる。また、エバネッセント波が染み出している領域とほぼ同等の領域に存在する表面プラズモンによる電場増強の効果、特に、表面プラズモン共鳴により増強された電場増強の効果により、この蛍光が増強される。
なお、エバネッセント波の滲み出し領域外の蛍光物質は励起されないため、蛍光を発生させない。
このようにして、金属膜４０上に固定された被検出物質８４を標識する蛍光物質８６の蛍光は、励起され、増強される。
蛍光物質８６から射出された光は、光検出手段１８の第１レンズ５６に入射し、カットフィルタ５８を透過し、第２レンズ６０で集光され、ＰＤ５２に入射され電気信号に変換される。また、第１レンズ５６に入射した光のうち励起光を同一波長の光は、カットフィルタ５８を透過できないため、励起光成分は、ＰＤ５２まで到達しない。
【００５８】
ＰＤ５２で生成された電気信号は、検出信号として、ＰＤアンプ５４で増幅され、ロックインアンプ６４で、参照信号と同期する信号成分を増幅する。これにより、励起光に起因して発生した光を増幅することができるため、その他のノイズ成分（例えば、部屋の蛍光灯、装置内のセンサーの光など、検出光光学系５０以外からＰＤ５２に入射した光や、ＰＤで発生する暗電流）と蛍光物質８６から射出された光とを確実に識別することができる。
ロックインアンプ６４で増幅された検出信号は、ＰＣ６６に送られる。
ＰＣ６６は、信号をＡ／Ｄ変換し、あらかじめ記憶していた検量線に基づき、被検出物質８４の算出結果から、試料８２中の被検出物質８４の濃度を検出する。
センシング装置１０は、以上のようにして、試料８２中の被検出物質８４の濃度を検出する。
【００５９】
センシング装置１０によれば、プリズム３８と金属膜４０との境界面に集束点の異なる３本の光束、つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃを入射させることで、境界面の各位置に角度の異なる３本の光線を入射させることができる。
これにより、プラズモン共鳴角により、各位置で発生する増強電場（正確には、表面プラズモンに起因して発生する増強電場）の強度が変化することを防止でき、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を均一にすることができる。
【００６０】
より詳細に説明すると、正規分布をのように強度に差がある光を励起光として用いる場合は、プラズモン共鳴角が異なると、その角度により励起光の強度が大きく変化する。
ここで、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ従来の励起光の強度と表面プラズモン共鳴の発生条件との関係を示す模式図である。
図７（Ａ）には、励起光を正規分布の強度分布の光とし、光励起光の光束の中心付近の光がプラズモン共鳴角θ１と一致した場合の励起光の強度分布９０とプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射された後の光の強度分布９２を示し、図７（Ｂ）には、励起光を正規分布の強度分布の光とし、励起光の光束の中心から離れた位置の光がプラズモン共鳴角θ２と一致した場合の励起光の強度分布９０’とプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射された後の光の強度分布９２’を示す。
図７（Ａ）に示すように、プラズモン共鳴角θ１で入射した光で表面プラズモン共鳴が発生する場合は強度分布９０のうち頂点付近の強度の光（図７（Ａ）中丸で示す強度の光）が表面プラズモン共鳴に変換される光となる。また、図７（Ｂ）に示すように、プラズモン共鳴角θ２で入射した光で表面プラズモン共鳴が発生する場合は、強度分布９０’のうち中腹付近の強度の光（図７（Ｂ）中丸で示す強度の光）が表面プラズモン共鳴に変換される光となる。このため、表面プラズモン共鳴に寄与する光の強度が大きく異なる値となる。また、強度分布９２と強度分布９２’に示すように、反射光の強度分布も強度分布９２の方が強度分布９２’よりも大きく減少している。つまり、プラズモン共鳴角θ１の方がプラズモン共鳴角θ２の場合よりも表面プラズモン共鳴に利用されるエネルギーが多くなる。
このように、表面プラズモン共鳴に変換される光の強度が大きく異なると、金属膜上に発生する増強電場の強度も大きく異なる。具体的には、図７（Ａ）に示す場合の方が図７（Ｂ）に示す場合よりも増強電場の強度が大きくなる。
また、表面プラズモン共鳴が発生する位置（プラズモン共鳴角で入射する光の位置）が異なるため、金属膜表面上の一次抗体８０のムラや、被検出物質８４の一次抗体８０への付着ムラ等があると、金属膜上に発生する増強電場の強度が同一でも金属膜の位置により蛍光量が変化してしまうことになる。
【００６１】
次に、図８（Ａ）は、第１光束１０８ａと金属膜４０（より正確には、プリズム３８と金属膜４０との境界面）との関係を示す説明図であり、図８（Ｂ）は、第２光束１０８ｂと金属膜４０との関係を示す説明図であり、図８（Ｃ）は、第３光束１０８ｃと金属膜４０との関係を示す説明図である。また、図９は、各光束の入射角度と光量との関係を示すグラフである。なお、図９では、横軸を境界面への入射角度［°］とし、縦軸を各光束の相対光量とした。
センシング装置１０は、図８（Ａ）に示すように、第１光束１０８ａを、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させ、図８（Ｂ）に示すように、第２光束１０８ｂを、第１光束１０８ａよりも金属膜４０とのなす角が大きくなる角度で、かつ、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させ、図８（Ｃ）に示すように、第３光束１０８ｃを、第１光束１０８ａよりも金属膜４０とのなす角が小さくなる角度で、かつ、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させる。
このように、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを互いに角度の異なる３方向から入射させることで、図９に示すように金属膜８０に入射する光の強度を所定の角度範囲で略一定にすることができる。
このように、入射角度における光の強度を均一にできることで、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を略一定にすることができる。
【００６２】
ここで、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ、各光束とサンプルユニットで発生する蛍光の強度との関係を示すグラフである。なお、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、蛍光物質の量は同一量としている場合である。
例えば、測定時にプラズモン共鳴角が第１光束１０８ａの中心の入射角度と近い場合は、第１光束１０８ａを入射することにより発生する増強電場の強度が高くなり、第２光束１０８ｂ、第３光束を入射することにより発生する増強電場の強度が低くなる。したがって、図１０（Ａ）に示すように、第１光束１０８ａに起因する（被検出物質を標識する蛍光物質の）蛍光の強度が高くなり、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃに起因する蛍光の強度が低くなる。
これに対して、図１０（Ａ）に示す測定よりもサンプルの屈折率の低いサンプルユニットを測定する場合等、プラズモン共鳴角がより低くなると、プラズモン共鳴角は、図１０（Ａ）に示す測定の場合よりも、第１光束１０８ａの中心の入射角度とは遠くなり、第２光束１０８ｂの中心の入射角度と近くなる。したがって、第２光束１０８ｂに起因する蛍光の強度が高くなり、第１光束１０８ａ、第３光束１０８ｃに起因する蛍光の強度が低くなる。
このように、測定時のプラズモン共鳴角により、１つの光束に起因する蛍光の強度は、変化するが、３本の光束のうちのいずれかの光束に起因する蛍光の強度が低下したら、他の光束の強度が高くなるため、プラズモン共鳴角によらず、増強電場の強度を実質的に一定にすることができ、蛍光物質が同一量の場合は、蛍光の強度を同一にすることができ、再現性が高くかつ高精度な測定をすることができる。
【００６３】
また、入射角度が異なる３本の光束を、光束の中心が同一位置となるよう境界面に入射させることで、プラズモン共鳴角がずれた場合でも、各位値における増強電場の強度を均一にすることができる。つまり、プラズモン共鳴角が変化した場合でも、図１０に示す全体の蛍光量の場合と同様に、各位置に入射する３本の光束の光線のいずれかの光束の光線に起因して発生する増強電場（正確には、光線に起因して発生する表面プラズモンに起因しての発生する増強電場）の強度が低下したら、他の光束の光線に起因して発生する増強電場の強度が高くなる。また、各光束の強度分布は同一であり、かつ、光束の中心が同一位置となるように境界面に入射させているため、入射幅が異なるため光束により多少のずれはあるが、各位値に入射する光束の光線の強度は実質的に一定となる。これにより、プラズモン共鳴角によらず、各位置で発生する増強電場の強度を一定にすることができる。
これにより、一定条件で検出することができるため、サンプルユニットの一次抗体のむら等により検出ムラがある場合も、再現性が高くかつ高精度な測定をすることができる。
【００６４】
以上のように、プラズモン共鳴角の角度によらず、金属膜上に発生する増強電場（正確には、表面プラズモンに起因して発生する増強電場）の強度を実質的に均一にできることで、蛍光物質の蛍光を増強する増強電場の強度を一定にすることができる。したがって、プラズモン共鳴角の角度が異なるサンプルユニットで測定した場合でも、被検出物質の量、濃度に対する検出信号の強度が一定となる。
これにより、再現性の高い測定をすることができ、被検出物質の量、濃度を正確に検出（もしくは測定）することができる。
また、プラズモン共鳴角を検出する必要がないため、短時間で検出することができる。また、条件設定のために、測定前に蛍光物質を励起することもないため、蛍光物質の蛍光の強度が低下することも防止できる。
【００６５】
また、プラズモン共鳴角は、金属膜上に配置される試料や、被検出物質によっても変化するが、本発明のセンシング装置のよれば、異なる試料、被検出物質を用いてプラズモン共鳴角が変化した場合（例えば数度から１０数度）も角度調節することなく、同一の装置で検出することができる。
例えば、１つのセンシング装置で、試料として尿を用い尿の中の被検出物質を検出することも、試料として血液を用い、血液の中の被検出物質を検出することもできる。
より具体的には、サンプルユニットを基本的に同様の構成（プリズムは、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を用いて作製）で作製した場合、全血と尿は、個体差・体調差により、サンプルユニットの屈折率が１．３３５から１．３６までの範囲でばらつく。
ここで、例えば、励起光の波長を６５７ｎｍとすると、屈折率が１．３３５の場合は、最適なプラズモン共鳴角（増強度が最も高くなる入射角）が７３．３°となり、屈折率が１．３６の場合は、最適なプラズモン共鳴角が、７７．６７°となり、最適なプラズモン共鳴角が約４．３°変化する。
本発明によれば、上述したように、プラズモン共鳴角によらず金属膜上に発生する増強電場の強度を略均一にすることができるため、このようにプラズモン共鳴角が数°変化した場合でも、同一条件で測定することができる。
このように、本発明によれば、検出する対象もより多くすることができる。また、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を一定にすることができるため、検出物質によって、検出精度にバラツキが生じることを防止できる。
【００６６】
また、プラズモン共鳴角の角度が異なるサンプルユニットで再現性の高い測定を可能となることで、サンプルユニットの許容誤差を大きくすることができるため、サンプルユニットを安価に製造することが可能となる。
【００６７】
ここで、上述した実施形態のように光源１２としてレーザー光源（つまり、コヒーレントな光を射出する光源）を用いる場合は、サンプルユニットの境界面に入射させる光束を選択する（つまり、光束を切り換える）光束選択手段を設けることが好ましい。
ここで、光束選択手段としては、光分割部の各光束の光路上にシャッタを配置した構成が例示される。
【００６８】
この光束選択手段により、境界面に入射させる光束を、第１光束１０８ａのみ、第２光束１０８ｂのみ、第３光束１０８ｃのみという状態に順次切り換えることが好ましい。より具体的には、第１光束１０８ａを境界面に入射させている時は、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを対応するシャッタで遮蔽し、第２光束１０８ｂを境界面に入射させている時は、第１光束１０８ａ及び第３光束１０８ｃを対応するシャッタで遮蔽し、第３光束１０８ｃを境界面に入射させている時は、第１光束１０８ａ及び第２光束１０８ｂを対応するシャッタで遮蔽する。
このように、境界面に入射させる光束を順次切り換えることで、各光束により発生する表面プラズモンに起因する蛍光強度を各光束毎に検出することができる。また、同一位置に２つの光束を同時に入射させないことで、光の干渉が発生することを防止できる。
【００６９】
また、光源としては、上述したようにインコヒーレントな光を射出する光源（例えば、ＬＥＤ、ランプ）ことも好ましい。
インコヒーレントな光を射出する光源を用いることで、光の干渉を発生させることなく、複数の光束を同時に境界面に入射させてることができる。これにより、光選択手段を設ける必要もなく、また、安定して、短時間で、測定を行うことができる。
また、光源として、ＳＬＤ等のある程度の干渉性のある光を射出する光源を用いる場合は、用途、また、必要とされる検出精度により、光束毎に入射させるか、同時に複数の光束を入射させるかを選択すればよい。
【００７０】
ここで、センシング装置１０では、光源から射出された１つの光束を入射光光学系で分割することで、複数の光束を生成したが本発明はこれに限定されない。
以下、図１１を用いて本発明のセンシング装置の他の実施形態について説明する。ここで、図１１は、本発明のセンシング装置の他の実施形態であるセンシング装置２００の概略構成を示すブロック図であり、図１２は、図１１に示したセンシング装置２００の光源２０２、入射光光学系２０４、サンプルユニット１６の断面図である。
【００７１】
ここで、センシング装置２００は、光源２０２および入射光光学系２０４の構成を除いて他の構成は、図１に示すセンシング装置１０と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置２００に特有の点について重点的に説明する。
【００７２】
図１１及び図１２に示すように、センシング装置２００は、基本的に、所定波長の光を射出する光源２０２と、入射光光学系２０４と、サンプルユニット１６と、光検出手段１８と、算出手段２０とを有する。また、センシング装置１００も、さらに、ＦＧ２４と光源ドライバ２６とを有する。
【００７３】
光源２０２は、第１光束２２０ａを射出する第１個別光源２１０ａと、第２光束２２０ｂを射出する第２個別光源２１０ｂと、第３光束２２０ｃを射出する第３個別光源２１０ｃと、光源ドライバ２６から流れてくる電流を第１個別光源２１０ａ、第２個別光源２１０ｂ及び第３個別光源２１０ｃ（以下まとめて「各個別光源」ともいう。）に流す分配部２１２とを有する。
各個別光源は、所定波長の光を出射する半導体レーザである。また、第１個別光源２１０ａ、第２個別光源２１０ｂ及び第３個別光源２１０ｃは、互いに同一波長の光を射出する。
ここで、第１光束２２０ａは、集光レンズ３６の軸（焦点とレンズ中心とを結ぶ線）に平行な光であり、第２光束２２０ｂは、第１光束２２０ａに対して所定角度（図１２中おいて第１光束に反時計周り方向に所定角度）傾斜した光であり、第３光束２２０ｃは、第１光束２２０ａに対して第２光束２２０ｂとは逆側に所定角度（図１２中おいて第１光束に時計周り方向に所定角度）傾斜した光である。
また、分配部２１２は、光源ドライバ２６と、各個別光源とに接続されており、光源ドライバ２６からの流された電流を各個別光源に流す。
【００７４】
入射光光学系２０４は、励起光の光路上に配置された第１コリメータレンズ２１４ａ、第２コリメータレンズ２１４ｂ、第３コリメータレンズ２１４ｃと、偏光フィルタ３２と集光レンズ３６とを有し、光源２０２の各個別光源から射出された第１光束２２０ａ、第２光束２２０ｂ、第３光束２２０ｃをそれぞれを偏光し、それぞれ集光してサンプルユニット１６の所定位置に所定の角度で入射させる。
ここで、入射光光学系２０４は、各個別光源に対応してそれぞれ第１コリメータレンズ２１４ａ、第２コリメータレンズ２１４ｂ、第３コリメータレンズ２１４ｃが配置されており、全ての個別光源に共通して１つの偏光フィルム３４及び１つの集光レンズ３６が配置されている。
【００７５】
第１コリメータレンズ２１４ａは、第１個別光源２１０ａと偏光フィルタ３２との間に配置され、第１個別光源２１０ａから射出された第１光束２２０ａを平行光とする。
また、第２コリメータレンズ２１４ｂは、第２個別光源２１０ｂと偏光フィルタ３２との間に配置され、第２個別光源２１０ｂから射出された第２光束２２０ｂを平行光とする。
また、第３コリメータレンズ２１４ｃは、第３個別光源２１０ｃと偏光フィルタ３２との間に配置されており、第３個別光源２１０ｃから射出された第３光束２２０ｃを平行光とする。
【００７６】
ここで、偏光フィルタ３２及び集光レンズ３６は、図１に示すセンシング装置１０の偏光フィルタ３２及び集光レンズ３６と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００７７】
センシング装置２００の光源２０２及び入射光光学系２０４は、以上のような構成であり、第１光源２１０ａから射出された第１光束２２０ａは、第１コリメータレンズ２１４ａで平行光とされ、その後偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射される。また、同様に、第２光源２１０ｂから射出された第２光束２２０ｂも、第２コリメータレンズ２１４ｂで平行光とされ、その後偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射され、第３光源２１０ｃから射出された第３光束２２０ｃも、第３コリメータレンズ２１４ｃで平行光とされ、その後、偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射される。
なお、光源２０２及び入射光光学系２０４は、各個別光源の配置位置、互いの角度、集光レンズの頂点等を調整し、境界面における、第１光束２２０ａ、第２光束２２０ｂ、第３光束２２０ｃの中心が同じ位置となるように入射されている。
【００７８】
また、第１光束２２０ａと、第２光束２２０ｂと、第３光束２２０ｃとは、互いに異なる角度で射出され、平行光とされ、異なる角度で集光レンズ３６に入射するため、光束の集束点が互いに異なる位置となる。また、光束の中心の境界面への入射角も互いに異なる角度となる。
【００７９】
センシング装置２００のように、光源として、複数の個別光源を設け、各個別光源から射出される光を、互いに集束点が異なり、光束の中心の傾斜角度が異なる光束とすることでも上述したセンシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
なお、センシング装置２００のように、複数の個別光源を用いる場合は、個別光源から射出される光の干渉性に関わらず、基本的に光の干渉は発生しないため、複数の個別交換からそれぞれ射出された光束を同時に境界面に入射させても、一定強度の光を入射させることができる。
また、センシング装置２００のように、複数の個別光源を用いる場合も、分配部２１２で電流を流す個別光源を選択し、光を射出する個別光源を順次切り替え、境界面に入射させる光束を順次切り換えるようにしてもよい。
【００８１】
ここで、センシング装置１０及びセンシング装置２００では、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を境界面に入射させたが、本発明は、境界面の各位置に、入射角度の異なる複数の光線を入射させることができればよく、例えば、入射光光学系に散乱部を設け、光源から射出された光を散乱部により散乱させた後、境界面に入射させるようにしてもよい。
【００８２】
図１３は、本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。ここで、センシング装置３００は、光源３０２、入射光光学系３０４およびサンプルユニット３０６の構成を除いて他の構成は、基本的に、図１に示すセンシング装置１０と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置３００に特有の点について重点的に説明する。
図１３に示すセンシング装置３００は、基本的に、所定波長の光を射出する光源３０２と、入射光光学系３０４と、サンプルユニット３０６を有する。また図示は省略するが、センシング装置３００は、センシング装置１０と同様に、光検出手段と、算出手段と、ＦＧと、光源ドライバとを有する。
【００８３】
光源３０２は、所定波長の光を射出するＬＥＤである。なお、光源３０２としては、レーザー光源、ＳＬＤ、ランプ等の上述した各種光源を用いることができる。
【００８４】
入射光光学系３０４は、散乱板３１０を有し、光源３０２から射出された光をサンプルユニット３０６に入射させる。
散乱板（または拡散板ともいう。）３１０は、光源３０２から射出された光を指向性のない光とし、所定角度幅の範囲で均一に散乱する散乱板であり、光源３０２から射出された光を散乱させて射出する。ここで、散乱板３１０としては、オパールガラスにより作製した散乱板を用いることができる。
【００８５】
サンプルユニット３０６は、プリズム３１２と、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４とを有する。ここで、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４は、サンプルユニット１６の各部と基本的に同様の構成であるので、その詳細な説明は省略する。なお、サンプルユニット３０６の基板４２は、その一部が金属膜４０上に突出している点で異なるが、基本的な機能はサンプルユニット１６の基板と同様である。
プリズム３１２は、断面が長方形となるプリズムであり、光源３０２から射出され、入射光光学系３０４を通過した光の光路上に配置されている。
プリズム３１２は、直方体形状のプリズムであり、１つの面が金属膜４０及び基板４２と接している。また、プリズム３１２は、入射光光学系３０４を通過した光が、金属膜４０及び基板４２と接している面に直交する面から入射する向きで配置されている。また、プリズム３１２は、上述したプリズム３８と同様の材料で形成することができる。
プリズム３１２は、このような構成であり、入射光光学系３１０を透過した光を、金属膜４０と接している面に直交する面から入射させ、金属膜４０と接している面で反射し、入射光光学系３１０を透過した光が入射する面とは反対側の面から射出する。
【００８６】
センシング装置３００は、以上のような構成であり、光源３０２から所定角度幅で放射して射出される光を入射光光学系３０４の散乱板３１０で散乱させた後、サンプルユニット３０６のプリズム３１２と金属膜４０との境界面に入射させる。
これにより、境界面の各位値に、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることができる。
具体的には、図１３に示すように、光源３０２から射出された光は、放射され所定幅の光として散乱板３１０に入射する。この散乱板３１０に入射した所定幅の光は、散乱板３１０に入射した各位置で所定角度幅でどの角度へも均一に散乱され、散乱された光線は、それぞれ境界面に入射する。このとき、散乱板３１０の各位置で散乱された光線がそれぞれ境界面に入射するため、境界面の各位置には、散乱板３１０の異なる位置で散乱された複数の光線が入射する。この散乱板３１０の異なる位置で散乱された光線は、それぞれ光路が異なるため、互いに境界面への入射角度が異なる角度となる。以上より、境界面の各位値には、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）が入射される。
【００８７】
このように、センシング装置３００も、境界面の各位値に、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることで、プラズモン共鳴角によらず、実質的に同じ強度の増強電場を形成することができ、上記センシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
また、センシング装置３００は、入射光光学系に散乱板を設けるのみでよいため装置構成を簡単にすることができる。
【００８８】
また、センシング装置３００では、入射光光学系に散乱板を用いて光源から射出された光を散乱させたが本発明はこれに限定されない。
ここで、図１４は、本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
ここで、図１４に示すセンシング装置３５０は、入射光光学系３５４の構成及びサンプルユニット３５６を除いて他の構成は、基本的に、図１３に示すセンシング装置３００と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置３５０に特有の点について重点的に説明する。
図１４に示すセンシング装置３５０は、基本的に、所定波長の光を射出する光源３０２と、入射光光学系３５４と、サンプルユニット３５６を有する。また図示は省略するが、センシング装置３５０は、センシング装置３００と同様に、光検出手段と、算出手段と、ＦＧと、光源ドライバとを有する。
ここで、サンプルユニット３５６は、プリズム３６４の光源３０２から射出された光が入射する面に後述する入射光光学系３５４の砂刷り面３６２が形成されていることを除き他の構成はサンプルユニット３０６と同様の構成である。
【００８９】
入射光光学系３５４は、コリメータレンズ３６０と、サンプルユニット３５６のプリズム３６２に形成された砂刷り面３６２とで構成され、光源３０２から射出された光をサンプルユニット３０６に入射させる。
コリメータレンズ３６０は、光源３０２から射出され、所定角度で放射状に拡散する光を平行光に変換する。
砂刷り面３６２は、光源３０２から射出され、コリメータレンズ３６０で平行光とされた光を指向性のない光とし、所定角度幅の範囲で均一に散乱する散乱部であり、プリズム３６４の光源３０２から射出された光が入射する面に形成されている。ここで、砂刷り面３６２は、光を散乱させる形状であればよく、微細な凹凸を形成する等種々の形状とすればよい。また、プリズム３６４への砂刷り面３６２の形成方法も特に限定されず、例えば、やすり等の機械的な加工でに凹凸を形成する方法、エッチング等の化学的な加工で凹凸を形成する方法を用いることができる。
【００９０】
センシング装置３５０は、以上のような構成であり、光源３０２から所定角度幅で放射して射出される光をコリメータレンズ３６０で平行光とし、砂刷り面３６２が形成された面からプリズム３６４に入射させる。したがって、平行光は、砂刷り面３６２で散乱され、散乱光とされた後、プリズム３６４内部に入射し、サンプルユニット３０６のプリズム３１２と金属膜４０との境界面に入射する。
これにより、境界面の各位値に、砂刷り面３６２で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることができる。
このように、散乱板に変えてプリズムに砂刷り面を設けた場合も、センシング装置と同様に、境界面の各位値に、入射角が異なる複数の光線を入射させることができ、プラズモン共鳴角によらず、実質的に同じ強度の増強電場を形成することができ、上記センシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
以上、本発明に係るセンシング装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。
【００９２】
例えば、センシング装置１０及びセンシング装置２００では、いずれも、３本の光束がサンプルユニットの境界面に入射するようにしたが、入射させる光束の数は、特に限定されず、２本でも４本以上でもよい。入射する光の本数を多くすることで、より正確な検出を行うことが可能となる。
【００９３】
また、光源から射出され、サンプルユニットの境界面に入射する各光束の位置（光束の中心からの距離）毎の強度を程均一にする（具体的には、プリズムに入射する光の強度分布の最高強度と最低強度との差を小さくする）ように光強度分布調整手段を設けることも好ましい。ここで、光強度分布調整手段としては、光の光路上に配置され、光源から射出される光のうち一定強度以下の光を遮断する（つまり、光源中心の強度が均一の領域のみの光を透過させる）遮光板や、強度に応じて透過率を変化させた逆ガウシアンフィルタが例示される。
このように光強度分布調整手段を設けることで、各光束のサンプル各位値に入射する光の強度を均一にすることができ、各位値における表面プラズモンの強度をより均一にすることができる。これにより、サンプルユニットの位置により蛍光物質の分布ムラがある場合も、全体としての蛍光をより正確に測定することができるため、より再現性の高い検出を行うことが可能となる。
【００９４】
また、センシング装置１０では、入射光学系にシリンドリカルレンズまたは集光レンズを用い、光源から射出された光を集光したが、これに限定されず、光源から所定の放射角で射出された光を集光させずにプリズムと金属膜との境界面に入射させてもよい。
また、偏光フィルタも必ずしも設ける必要はなく、特に、光源としてレーザ光源を用いる場合は、光源から射出される光が偏光された光であるので、偏光フィルムは設けなくてもよい。
【００９５】
また、上述した実施形態では、いずれも試料に含まれる被検出物質の個数または濃度を検出したが、本発明はこれに限定されず、試料に被検出物質が含有されるが否か（つまり、試料の中に被検出物質があるか否か）を検出してもよい。
【００９６】
また、上述した実施形態では、いずれも蛍光物質に標識された二次抗体に被検出物質を結合させた状態で、金属膜上に発生する増強電場により増強された蛍光物質の蛍光を検出し、被検出物質を検出したが、被検出物質を蛍光物質により標識する方法は特に限定されず、例えば、被検出物質事態が蛍光物質である場合は、二次抗体を設ける必要はない。
また、本発明のセンシング装置は、金属膜上に被検出物質に付着（または近傍に配置）されている状態で表面プラズモンを発生させた場合に生じる散乱光（ラマン散乱光）を検出する方式のセンシング装置にも用いることができる。
【００９７】
また、上述した実施形態では、いずれも金属膜の表面にエバネッセント波及び表面プラズモンを発生させ、さらに表面プラズモン共鳴を発生させることで、増強された電場を形成させたが本発明はこれに限定されず、増強電場が形成される面への光の入射角度によって増強度が変化する（つまり、所定の入射角で光が入射したときのみ増強場が変化する）種々の方式に用いることができる。例えば、プリズム上に金膜と厚み約１μｍのＳｉＯ２膜とを積層させ、所定角度で入射した光をＳｉＯ２膜内で共振させることで増強された電場を形成する方式にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明のセンシング装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は、図１に示したセンシング装置の光源、入射光光学系、サンプルユニットの概略構成を示す上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路を示す説明図である。
【図４】図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すサンプルユニットの金属膜の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、サンプルユニットでの試料の流れを示す説明図である。
【図６】試料が到達した金属膜の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ従来の励起光の強度と表面プラズモン共鳴の発生条件との関係を示す模式図である。
【図８】（Ａ）は、第１光束と金属膜との関係を示す説明図であり、（Ｂ）は、第２光束と金属膜との関係を示す説明図であり、（Ｃ）は、第３光束と金属膜との関係を示す説明図である。
【図９】各光束の入射角度と光量との関係を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、各光束とサンプルユニットで発生する蛍光の強度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示したセンシング装置の光源、入射光光学系、サンプルユニットの断面図である。
【図１３】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０ センシング装置
１２ 光源
１４ 入射光光学系
１６ サンプルユニット
１８ 光検出手段
２０ 算出手段
２４ ファンクションジェネレータ（ＦＧ）
２６ 光源ドライバ
３０ コリメータレンズ
３２ 偏光フィルタ
３４ 光分割部
３６ 集光レンズ
３８ プリズム
４０ 金属膜
４２ 基板
４４ 透明カバー
４５ 流路
４６ 線状部
４７ 始端部
４８ 終端部
４９ 二次抗体載置領域
５０ 検出光光学系
５２ フォトダイオード（ＰＤ）
５４ フォトダイオードアンプ（ＰＤアンプ）
５６ 第１レンズ
５８ カットフィルタ
６０ 第２レンズ
６２ 支持部
６４ ロックインアンプ
６６ ＰＣ
８０ 一次抗体
８２ 試料
８４ 被検出物質
８６ 蛍光物質
８８ 二次抗体
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ （第１、第２、第３）ハーフミラー
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ （第１、第２、第３）シリンドリカルレンズ
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ （第１、第２、第３、第４）ミラー
１０８ａ、２２０ａ 第１光束
１０８ｂ、２２０ｂ 第２光束
１０８ｃ、２２０ｃ 第３光束
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ （第１、第２、第３）個別光源
２１２ 分配部
２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ （第１、第２、第３）コリメータレンズ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して被検出物質を検出するセンシング装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
バイオ測定（生体分子反応の測定）等において被検出物質を高感度かつ容易に検出（または測定）する方法としては、特定波長の光により励起され蛍光を発する蛍光物質（つまり、蛍光性を有する物質）からの蛍光を検出することで、被検出物質を検出（または測定）する蛍光法がある。
この蛍光法は、例えば、被検出物質が蛍光物質の場合は、被検出物質を含むと考えられる検査対象試料に特定波長の励起光を照射し、そのときの蛍光を検出することによって被検出物質の存在を確認する方法である。
また、蛍光法は、被検出物質が蛍光物質ではない場合も、被検出物質と特異的に結合する特異的結合物質を蛍光物質で標識し、この特異的結合物質を被検出物質に結合させ、その後上記と同様にして、蛍光（具体的には、被検出物質と結合した特異的結合物質を標識する蛍光物質の蛍光）を検出することにより、被検出物質の存在を確認することができる。
【０００３】
また、蛍光法を用いて被検出物質をさらに高感度に検出する方法としては、蛍光物質を励起させるために金属膜の表面プラズモン共鳴による増強電場を利用する方法が提案されている（例えば、特許文献１、特許文献２及び特許文献３）。
【０００４】
特許文献１、特許文献２及び特許文献３に記載された方法は、いずれも、蛍光物質により標識された被検出物質を金属膜の近傍に配置した状態で、金属薄膜とプリズム（半円柱プリズム、三角形ガラスプリズム）との境界面に、プラズモン共鳴条件を満たす角度（プラズモン共鳴角）で光を入射させて金属薄膜に増強された電場を発生させ、金属薄膜近傍にある物質を強く励起し、蛍光を増幅させるというものであり、表面プラズモン増強蛍光（以下「ＳＰＦ」ともいう。）を利用した蛍光検出法である。
【０００５】
ここで、特許文献２に記載されているように、表面プラズモンの電場は、金属表面に強く局在し、かつ、金属表面からの距離に応じて指数関数的に減衰するため、金属表面に吸着固定されている蛍光標識抗体（つまり蛍光物質）のみを選択的かつ高確率で励起することができる。これにより、特許文献２に記載されているように、ＳＰＦを利用した蛍光検出法を用いることで、界面から離れた位置にある妨害物質の影響を最小限に抑制することができ、高精度に被検出物質を検出することも可能になる。
【０００６】
また、特許文献２及び特許文献３は、金属膜が載置されたプリズムの角度を調整する回転機構を設け、この回転機構によりプリズムの角度を調整することで、光源から射出された光を最適なプラズモン共鳴角でプリズムに入射させることが記載されている。
【０００７】
また、表面プラズモン増強効果を利用して、被検出物質を検出する方法としては、表面プラズモンにより励起された蛍光を検出する方法以外にも散乱光を検出する方法がある。
特許文献４には、プリズムの表面に金属膜と、金属膜の表面に配置された抗原・抗体反応により被検出物質をトラップする機能薄膜と、この機能薄膜に触れる状態で試料液を供給するフローセルとを有する表面プラズモンセンサが記載されている。
この表面プラズモンセンサは、金属膜上に表面プラズモン増強効果を利用して励起された表面プラズモンの電場が、機能薄膜に存在している被検出物質により乱されることで生じる散乱光を検出することで、被検出物質を検出している。このように、蛍光ではなく、散乱光を検出する方法でも、被検出物質を検出することができる。
【０００８】
【特許文献１】特開２００２−６２２５５号公報
【特許文献２】特開２００１−２１５６５号公報
【特許文献３】特開２００２−２５７７３１号公報
【特許文献４】特開平１０−７８３９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
ここで、表面プラズモンのプラズモン共鳴条件は、照明光の波長、金属膜への入射角、プリズムの屈折率や凹凸、金属膜の誘電率、厚みや粗密度、金属膜上に配置される試料の種類、状態、等により変化する。しかしながら、最大の増強度で再現性よく検出をするために、特許文献２及び３に記載されているような、回転機構を設け、基板及びプリズムを回転させ、最適角度を検出する方法では、装置コストが高くなり、また、最適角度を検出している感に、金属膜上の蛍光物質の蛍光量が減少していくという問題があった。
また、光の入射角度を調整する機構を設ける代わりに、上記の物理定数や位置関係を保障（一定状態に維持）するための温度調整と、各部材の形状を同一にすることも考えられるが、装置や、チップの製造設備が高価となり、特に低コスト化の要求が厳しい血液診断用途では受け入れられない。また、最適角度を検出している感に、金属膜上の蛍光物質の蛍光量が減少していくという問題もある。
こういった問題が、プラズモンを用いたセンシング装置の実用化の実現を阻む要因だった。
【００１０】
これに対して、特許文献１〜３に記載したようなＳＰＦを利用した蛍光検出法及び特許文献４に記載した被検出物質が表面プラズモンを乱すことで生じる散乱光を検出する検出法では、特許文献１に記載されているように、光源から射出された光をレンズ等で集光し所定の角度幅の光にして、金属膜に入射させることで、一定の角度幅の光を金属膜に入射させる。このように、一定角度幅の光を入射させ、その収束角度内での角度調整を不要とすることでコストダウンを図っている。
【００１１】
しかしながら、光源から射出される光は、光束の位置（例えば、光束中心からの距離）によって光の強度が変化する（つまり、強度分布がある）ため、表面プラズモン共鳴が発生する角度が変化することで、表面プラズモンがつくる電場の強度が変化してしまうという問題がある。
また、蛍光物質による蛍光は、同一の蛍光物質であっても表面プラズモンがつくる電場の強度によって変化するため、表面プラズモンがつくる電場の強度が変化してしまうと、同一、同量の蛍光物質であっても蛍光の光量が変化し検出値が変化してしまうため、検出の精度が下がり、再現性が低下するという問題がある。この問題は、濃度検出を行う場合に顕著な問題となる。
【００１２】
また、被検出物質と結合する物質が金属膜上に不均一に設けられていたり、金属膜の厚みのむらがあったりすると、被検出物質は、金属膜上に不均一に付着する。これに対しては、集光レンズにより集光され、金属面に入射する光の焦点を金属膜よりも先の位置とすることで、金属膜状の一定幅の領域に光を照射させる方法がある。
しかしながら、この方法でも、上述したように表面プラズモン共鳴が発生する角度が変化すると、表面プラズモン共鳴が発生する角度で入射する光の位置が変化する。このため、その照射位置による金属膜の厚みや、被検出物質の付着むらにより、検出値が変化してしまい、再現性が低下し、検出精度が低くなるという問題がある。
また、表面プラズモンがつくる電場を利用して被検出物質を検出する場合に限らず、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して被検出物質を検出する場合にも、同様の問題がある。
【００１３】
本発明の目的は、上記従来技術に基づく問題点を解消し、試料中の被検出物質を高精度かつ再現性高く検出することができる表面プラズモン増強効果を用いたセンシング装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
上記課題を解決するために、本発明は、検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して試料内の被検出物質を検出するセンシング装置であって、プリズムと、前記プリズムの一面上に配置された金属膜と、前記プリズムの一面上に配置され、前記金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、光を射出する光源と、前記光源から射出された光を、前記プリズムと前記金属膜との境界面で全反射する角度で前記プリズムに入射させる入射光光学系と、前記金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、前記入射光光学系は、前記境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることを特徴とするセンシング装置を提供するものである。
【００１５】
ここで、前記入射光学系は、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を前記境界面に入射させることが好ましい。
また、前記光源は、１つの光束を射出する光射出装置であり、前記入射光学系は、前記光源から射出された１つの光束から、集束点の位置が異なる複数の光束を生成することが好ましい。
また、前記光源は、コヒーレントな光を射出することが好ましい。
また、前記入射光学系は、生成した複数の光束から前記境界面に入射させる光束を選択する選択手段を有し、前記選択手段は、前記境界面に入射させる光束を順番に切り替え、前記境界面に同時に集束点の異なる光束を入射させないことが好ましい。
また、前記光源は、インコヒーレントな光を射出することが好ましい。
【００１６】
また、前記光源は、同一波長の光を射出する複数の個別光源で構成され、前記入射光光学系は、１つの前記個別光源から射出される光を１つの前記光束とすることが好ましい。
また、前記入射光光学系は、１つの集光レンズを有し、前記個別光源は、互いに異なる角度で、射出した光を前記集光レンズに入射させることが好ましい。
【００１７】
ここで、前記入射光光学系は、光源から射出された光を散乱させる散乱部を備えることが好ましい。
また、前記散乱部は、前記光源から射出された光の光路上に配置された散乱板であることが好ましい。
また、前記散乱部は、前記プリズムの表面に形成された砂刷り面であることが好ましい。
【００１８】
また、前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記試料内の前記被検出物質の濃度を算出する算出手段を有することが好ましい。
また、前記被検出物質は、蛍光性を有する物質、または、蛍光性を有する物質で標識された物質であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、境界面の各位置に、入射角度の異なる複数の光線を入射させることで、プラズモン共鳴角が異なる角度となった場合でも、また、蛍光物質の量が位置により変化した場合でも、発生する表面プラズモンに起因して発生する増強電場の強度を均一にすることができる。このように表面プラズモンの強度を均一にできることで、高い再現性でかつ高精度に試料中の被検出物質を検出することができる。
また、プラズモン共鳴角が異なる角度でも再現性の高い検出ができることで、設計誤差の許容範囲を大きくすることができ、装置コストを安価にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
本発明に係るにセンシング装置について、添付の図面に示す実施形態を基に詳細に説明する。
【００２１】
図１は、本発明のセンシング装置の一実施形態であるセンシング装置１０の概略構成を示すブロック図であり、図２（Ａ）は、図１に示したセンシング装置１０の光源１２、入射光光学系１４、サンプルユニット１６の概略構成を示す上面図であり、図２（Ｂ）は、図２（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【００２２】
図１、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すようにセンシング装置１０は、基本的に、所定波長の光を射出する光源１２と、光源１２から射出された光（以下「励起光」ともいう。）を導光し集光する入射光光学系１４と、被検出物質８４を含有する試料（つまり測定対象）８２を保持し、入射光光学系１４により集光された光が入射されるサンプルユニット１６と、サンプルユニット１６の測定位置から射出される光を検出する光検出手段１８と、光検出手段１８の検出結果に基づいて被検出物質を検出する（つまり、光検出手段１８で検出した信号をデジタル化し被検出物質の有無、濃度を判断する）算出手段２０とを有し、試料８２に含有されている被検出物質８４を検出（及び測定）する。
また、センシング装置１０は、さらに、励起光を変調するファンクションジェネレータ（以下「ＦＧ」ともいう。）２４と、ＦＧ２４で発生された電圧に比例した電流を光源１２に流す光源ドライバ２６とを有する。
ここで、ＦＧ２４は、Ｈｉｇｈ、Ｌｏｗの電圧の繰り返しクロックを発生する信号発生器である。ＦＧ２４が信号を光源ドライバ２６に流し、光源ドライバ２６がその電圧に比例した電流を光源１２に流すことで、光源１２は、クロックに応じて変調された光を発光する。また、ＦＧ２４のクロックは、ロックインアンプ６４に接続されており、ロックインアンプ６４は、ＦＧ２４から流されるクロックと同期した信号のみを光検出手段１８の出力から取り出す。
また、図示は省略したが、センシング装置１０の各部は互いの位置関係を固定するために支持機構により支持されている。
【００２３】
光源１２は、所定波長の光を出射する半導体レーザである。なお、光源としては、半導体レーザに限定されず、ＬＥＤ、ランプ、ＳＬＤ等も用いることができる。
【００２４】
入射光光学系１４は、コリメータレンズ３０と、偏光フィルタ３２と、光分割部３４と、集光レンズ３６を有し、励起光の光路において、光源１２側からコリメータレンズ３０、偏光フィルタ３２、光分割部３４、集光レンズ３６の順で配置されている。したがって、光源１２から射出された光は、コリメータレンズ３０、偏光フィルタ３２、光分割部３４、集光レンズ３６をこの順で透過し、その後、サンプルユニット１６に入射する。
【００２５】
コリメータレンズ３０は、光源１２から射出され、所定角度で放射状に拡散する光を平行光に変換する。
偏光フィルタ３２は、透過した光を後述するサンプルユニット１６の反射面に対してＰ偏光となる方向に偏光するフィルタである。
【００２６】
次に、図３（Ａ）及び（Ｂ）を用いて光分割部３４について説明する。ここで、図３（Ａ）は、光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路を示す説明図であり、図３（Ｂ）光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路における各光束の広がりを示す説明図である。なお、図３（Ａ）及び（Ｂ）は、図２（Ｂ）に示す面と同一の面を示している。
光分割部３４は、図３（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃと、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂ、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃと、第１ミラー１０６ａ、第２ミラー１０６ｂ、第３ミラー１０６ｃ、第３ミラー１０６ｄとを有し、コリメータレンズ３０で平行光とされ、偏光フィルタ３２で偏光された光を、３つの光束（第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃ）に分岐し、集光レンズ３６に入射させる。
【００２７】
ここで、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃは、それぞれ、通過する光のうち半分の光はそのまま透過し、半分の光は、反射するビームスプリッタである。
また、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂは、後述するサンプルユニット１６の流路４５の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状の凹型レンズであり、シリンドリカルレンズ３０により平行光とされた光を、柱状の軸に垂直な面のみに所定角度で拡散させる。
また、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃは、後述するサンプルユニット１６の流路４５の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状の凸型レンズであり、コリメータレンズ３０により平行光とされた光を柱状の軸に垂直な面（図２（Ｂ）に示す面と平行な面）のみに所定角度で集光させる。
また、第１ミラー１０６ａ、第２ミラー１０６ｂ、第３ミラー１０６ｃ、第３ミラー１０６ｄは、鏡面であり、入射した光を反射させる。
【００２８】
次に、各部材の配置関係と、各光束の光路について説明する。
まず、偏光フィルタ３２と集光レンズ３６とを結んだ直線上に、偏光フィルタ３２側から、第１ハーフミラー１０２ａ、第１シリンドリカルレンズ１０４ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃの順で配置されている。
ここで、第１ハーフミラー１０２ａは、反射面が光源１２から射出された光の光軸（以下単に「光軸Ｌ」という。）に対して４５°傾斜して配置されている。つまり、第１ハーフミラー１０２ａは、反射面が、光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。また、第２ハーフミラー１０２ｂは、反射面が、光軸Ｌに垂直な面に対して４５°から微小角度引いた角度、図中反時計回り方向に回転された向きで配置され、第３ハーフミラー１０２ｃは、反射面が、第１ハーフミラー１０２ａよりも図中反時計回り方向に微小角度回転された向きで配置されている。
【００２９】
偏光フィルタ３２を透過した光は、第１ハーフミラー１０２ａで透過光と反射光に分割され、透過光が第１光束１０８ａとなり、反射光が第２光束１０８ｂとなる。
第１光束１０８ａは、その後、第１シリンドリカルレンズ１０４ａで所定角度に拡散され（図３（Ｂ）参照）、第２ハーフミラー１０２ｂ、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃを透過し、集光レンズ３４で集光される。なお、第１光束１０８ａは、第２ハーフミラー１０２ｂで出力の半分が反射光として分割され、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が反射光として分割される。これらの分割された光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３０】
第１ミラー１０６ａ及び第２ミラー１０６ｂは、第１ハーフミラー１０２ａよりも第２光束１０８ｂの進行方向側に、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第１ミラー１０６ａ及び第２ミラー１０６ｂが長方形の頂点となる位置関係に配置されている。つまり、第１ハーフミラー１０２ａと第２ハーフミラー１０２ｂとを結んだ線と、第１ミラー１０６ａと第２ミラー１０６ｂとを結んだ線が平行となり、第１ハーフミラー１０２ａと第１ミラー１０６ａとを結んだ線と、第２ハーフミラー１０２ｂと第２ミラー１０６ｂとを結んだ線が平行となり、各部を結んだ線同士のなす角が直角なる位置関係で配置されている。
また、第１ミラー１０６ａは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されており、第２ミラー１０６ｂは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中反時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。
また、第２ミラー１０６ｂと第２ハーフミラー１０２ｂとの間には、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂが配置されている。
【００３１】
第２光束１０８ｂは、第１ハーフミラー１０２ａから第１ミラー１０６ａ方向に進行し、第１ミラー１０６ａで反射され、第２ミラー１０６ｂで反射され、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂで拡散された後（図３（Ｂ）参照）、第２ハーフミラー１０２ｂで反射され、第３ハーフミラー１０２ｃを透過し、集光レンズ３４で集光される。ここで、第２ハーフミラー１０２ｂの反射面が、第２ハーフミラー１０２ｂに入射する直前の第２光束１０８ｂの進行方向に対して４５°よりも時計回り側に微小角度回転した向きで配置されているため、第２ハーフミラー１０２ｂを中心とした場合、第２光束１０８ｂの光軸は、第１光束１０８の光軸よりも所定角度時計回り側に所定角度傾いている。
なお、第２光束１０８ｂも、第２ハーフミラー１０２ｂで出力の半分が透過光として分割され、さらに、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が反射光として分割される。
この第２ハーフミラー１０２ｂで分割された透過光は、第３光束１０８ｃとなる。また、第３ハーフミラー１０２ｃで分割された反射光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３２】
第３ミラー１０６ｃ及び第４ミラー１０６ｄは、第２ハーフミラー１０２ｂよりも第３光束１０８ｃの進行方向側に、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃ、第３ミラー１０６ｃ及び第４ミラー１０６ｄが長方形の頂点となる位置関係に配置されている。つまり、第２ハーフミラー１０２ｂと第３ハーフミラー１０２ｃとを結んだ線と、第３ミラー１０６ｃと第４ミラー１０６ｄとを結んだ線が平行となり、第２ハーフミラー１０２ｂと第３ミラー１０６ｃとを結んだ線と、第３ハーフミラー１０２ｃと第４ミラー１０６ｄとを結んだ線が平行となり、各部を結んだ線同士のなす角が直角なる位置関係で配置されている。
また、第３ミラー１０６ｃは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中反時計回り方向に４５°回転された向きに配置されており、第４ミラー１０６ｄは、反射面が光軸Ｌに垂直な面に対して図中時計回り方向に４５°回転された向きに配置されている。
また、第２ミラー１０６ｂと第２ハーフミラー１０２ｂとの間には、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂが配置されている。
【００３３】
第３光束１０８ｃは、第２ハーフミラー１０２ｂから第３ミラー１０６ｃ方向に進行し、第３ミラー１０６ｃで反射され、第４ミラー１０６ｄで反射され、第３シリンドリカルレンズ１０４ｂで集光された後（図３（Ｂ）参照）、第３ハーフミラー１０２ｃで反射され、集光レンズ３４で集光される。ここで、第３ハーフミラー１０２ｃの反射面が、第３ハーフミラー１０２ｃに入射する直前の第３光束１０８ｃの進行方向に対して４５°よりも反時計回り側に微小角度回転した向きで配置されているため、第３ハーフミラー１０２ｃを中心とした場合、第３光束１０８ｃの光軸は、第１光束１０８の光軸よりも所定角度反時計回り側に所定角度傾いている。
なお、第３光束１０８ｃも、第３ハーフミラー１０２ｃで出力の半分が透過光として分割される。
この第３ハーフミラー１０２ｃで分割された透過光は、不要光であるため、装置外に射出されたり、光吸収体により吸収させたりする。
【００３４】
第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃのいずれの光成分も光源１２から射出されてから、第１ハーフミラー１０２ａ、第２ハーフミラー１０２ｂ、第３ハーフミラー１０２ｃに一回をずつ透過するため、光の強度は、いずれも、光源１２から射出された時点の８分の１となる。また、第３光束１０８ｃは、第２シリンドリカルレンズ１０４ｂで第２光束１０８ｂの一部として拡散された後、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃで集光される。このように、第３シリンドリカルレンズ１０４ｃで集光することで、第３光束１０８ｃは第２光束１０８ｂよりも光路長が長いが、第２光束１０８ｂと同様の拡散角で集光レンズに入射させることができる。
【００３５】
光分割部３４は、以上のような構成であり、偏光フィルタ３２を透過した光を、光軸の角度が互いに異なり、また、集束点が互いに異なる第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃに分割し、集光レンズ３６に入射させる。
【００３６】
図１及び図２（Ａ）及び（Ｂ）に戻り他の部分について説明する。
集光レンズ３６は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すように、後述するサンプルユニットの流路の長手方向に平行な方向が軸方向となる柱状レンズであり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを、それぞれ柱状の軸に垂直な面（図２（Ｂ）に示す面と平行な面）のみに集光させる。
【００３７】
次に、サンプルユニット１６は、プリズム３８と、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４を有し、プリズム３８の一面に形成された金属膜４０上に被検出物質８４を含有する試料８２が載置される。
【００３８】
プリズム３８は、断面が二等辺三角形となる略三角柱形状（正確には、二等辺三角形の各頂点部分を二等辺三角形の底面に垂直または平行に切断した六角柱形状）のプリズムであり、光源１２から射出され入射光光学系１４で集光される光（つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃ）の光路上に配置されている。
プリズム３８は、入射光光学系１４で集光された光が、３つの側面のうち二等辺三角形の２つの斜辺のうちの１つの辺で構成される面から入射する向きで配置されている。
プリズム３８は、公知の透明樹脂や光学ガラスで形成することができ、例えば、日本ゼオン株式会社製ＺＥＯＮＥＸ（登録商標）３３０Ｒ（屈折率１．５０）を材料として形成することができる。また、プリズム３８は、コストをより低くすることができるため、光学ガラスよりも樹脂で形成することが好ましく、例えば、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、ポリカーボネイト（ＰＣ）、シクロオレフィンを含む非晶性ポリオレフィン（ＡＰＯ）等の樹脂で形成することが好ましい。
プリズム３８は、このような構成であり、入射光光学系１４で集光された光を、二等辺三角形の２つの斜辺のうちの１つの辺で構成される面から入射させ、二等辺三角形の底辺で構成される面で反射し、二等辺三角形の２つの斜辺のうちの他方の辺で構成される面から射出する。
【００３９】
金属膜４０は、プリズム３８の二等辺三角形の底辺で構成される面の一部（具体的には、プリズム３８に入射した光が照射される領域を含む領域）に形成された金属の薄膜である。
ここで、金属膜４０に用いる材料としては、Ａｕ、Ａｇ、Ｃｕ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ａｌ等の金属を用いることができる。なお、試料として液体を用いる場合は、液体との反応を抑制するためにＡｕ、Ｐｔを用いること好ましい。
また、金属膜４０の形成方法としては、種々の方法を用いることができ、例えば、スパッタ、蒸着、めっき、貼り付け等によりプリズム３８上に形成することができる。
ここで、図４は、図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すサンプルユニット１６の金属膜４０の一部を拡大して示す拡大模式図である。
図４に示すように、金属膜４０の表面には、被検出物質８４と特定的に結合する特異的結合物質である１次抗体８０が固定されている。
【００４０】
基板４２は、プリズム３８の二等辺三角形の底辺で構成される面に配置された板状部材であり、金属膜４０に試料８２を供給する流路４５が形成されている。
流路４５は、金属膜４０を横断して形成された直線状の線状部４６と、線状部４６の一方の端部に形成され、測定時に試料８２が供給される液溜りとなる始端部４７と、線状部４６の他方の端部に形成され、始端部４７に供給され線状部４６を通過した試料８２が到着する液溜りとなる終端部４８とで構成される。
また、金属膜４０よりも始端部４７側の線状部４６には、蛍光物質８６によって標識された二次抗体８８が載置された二次抗体載置領域４９が設けられている。
ここで、二次抗体８８とは、被検出物質８４と特定的に結合する特異的結合物質である。
【００４１】
透明カバー４４は、基板４２のプリズム３８と接している面とは反対側の面に接合された透明な板状の部材である。透明カバー４４は、基板４２のプリズム３８と接している面とは反対側の面を塞ぐことで、基板４２に形成された流路４５を密閉している。
また、透明カバー４４は、流路４５の始端部４７に対応する部分及び流路４５の終端部４８に対応する部分に開口が形成されている。また、透明カバー４４は、始端部４７（さらには終端部４８）に対応する位置に形成した開口に開閉可能な蓋を設けてもよい。
サンプルユニット１６は、基本的に以上のような構成である。ここで、プリズム３８と、金属膜４０と基板４２とは、一体で形成することが好ましい。
【００４２】
また、光源１２と入射光光学系１４とサンプルユニット１６とは、入射光光学系１４からプリズム３８に入射した光をプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射させてプリズムの他方の面から射出させる位置関係で配置されている。
【００４３】
光検出手段１８は、検出光光学系５０と、フォトダイオード（以下「ＰＤ」という。）５２と、フォトダイオードアンプ（以下「ＰＤアンプ」という。）５４とを有し、サンプルユニット１６の金属膜４０上の光（つまり、金属膜４０上にある試料８２から射出される光）を検出する。
【００４４】
検出光光学系５０は、第１レンズ５６と、カットフィルタ５８と、第２レンズ６０と、これらを支持する支持部６２とを有し、金属膜４０上（より正確には金属膜４０の近傍）から射出されている光を集光し、ＰＤ５２に入射させる。また、検出光光学系５０は、金属膜４０で発光された光の光路上において、金属膜４０側から順に第１レンズ５６、カットフィルタ５８、第２レンズ６０の順に互いに所定間隔離間して配置されている。
【００４５】
第１レンズ５６は、コリメータレンズであり、金属膜４０に対向して配置されており、金属膜４０上で発光し、第１レンズ５６に到達した光を平行光にする。
カットフィルタ５８は、励起光と同一波長の光を選択的にカットし、励起光と異なる波長の光（例えば、蛍光物質８６に起因する蛍光等）を通過させる特性を有するフィルタであり、第１レンズ５６で平行光とされた光のうち、励起光と異なる波長の光のみを通過させる。
第２レンズ６０は、集光レンズであり、カットフィルタ５８を透過した光を集光し、ＰＤ５２に入射入射させる。
支持部６２は、第１レンズ５６と、カットフィルタ５８と、第２レンズ６０と互いに所定間隔離間させて一体的に保持する保持部材である。
【００４６】
ＰＤ５２は、受光した光を電気信号に変換する光検出器であり、第２レンズ６０で集光され、入射した光を電気信号に変換する。またＰＤ５２は、変換した電気信号を検出信号としてＰＤアンプ５４に送る。
ＰＤアンプ５４は、検出信号を増幅する増幅器であり、ＰＤ５２から送られた検出信号を増幅し、算出手段２０に送る。
【００４７】
算出手段２０は、ロックインアンプ６４とＰＣ（つまり演算部）６６とを有し、検出信号から被検出対象の質量、濃度等を算出する。
【００４８】
ロックインアンプ６４は、検出信号のうち参照信号と等しい周波数成分を増幅する増幅器であり、ＰＤアンプ５４により増幅された検出信号のうち、ＦＧ２４から送られた参照信号と同期する信号成分を増幅する。ロックインアンプ６４で増幅された検出信号は、ＰＣ６６に流される（出力される）。
【００４９】
ＰＣ６６は、ロックインアンプ６４から供給された検出信号をデジタル信号に変換し、変換した信号に基づいて、試料中の被検出物質の濃度を検出する。ここで、試料中の被検出物質の濃度は、被検出物質の個数と液量との関係から算出することができる。また、被検出物質の個数は、個数既知の被検出物質を用いて検出信号の強度と被検出物質の個数との関係を算出し検量線を作成しておくことで算出することができる。なお、サンプルユニット１６の基板４２の流路４５に供給する試料の液量を一定量とすること（または、一定量となるように設計すること）で、簡単かつ正確に濃度を算出することができる。
センシング装置１０は、基本的に以上のような構成である。
【００５０】
以下、センシング装置１０の作用について説明することで本発明をより詳細に説明する。図５（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、サンプルユニット１６での試料８２の流れを示す説明図であり、図６は、試料８２が到達した金属膜４０の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【００５１】
まず、図５（Ａ）に示すように、サンプルユニット１６の基板４２の流路４５の始端部４７に、被検出物質８４を含有する試料８２を滴下する。
始端部４７に滴下された試料８２は、毛細管形状により、線状部４６及びガラスカバー４４で形成された管の中を終端部４８に向けて移動する。
【００５２】
始端部４７から終端部４８に向けて線状部４６を移動する試料８２は、図５（Ｂ）に示すように、線状部４６の二次抗体載置領域４９に到達する。試料８２が二次抗体載置領域４９に到達すると、試料８２に含有されている被検出物質８４と二次抗体載置領域４９に載置されている二次抗体８８との間で抗原抗体反応がおき、被検出物質８４と二次抗体８８とが結合する。また、この二次抗体８８は、蛍光物質８６により標識されているため、二次抗体８８と結合した被検出物質８４は、蛍光物質８６により標識された状態となる。
【００５３】
二次抗体載置領域４９を通過した試料８２は、線状部をさらに終端部４８側に移動し、金属膜４０に到達する。試料８２が金属膜４０に到達すると、図６に示すように、試料８２に含有されている被検出物質８４と金属膜４０上に固定されている一次抗体８０との間で抗原抗体反応がおき、被検出物質８４が一次抗体８０に捕捉される。ここで、一次抗体８０に捕捉された被検出物質８４は、二次抗体載置領域４９で蛍光物質８６により標識された状態であるため、被検出物質８４を捕捉した一次抗体８０は、蛍光物質８６で標識された状態となる。つまり、被検出物質８４は、一次抗体８０と二次抗体８８とでサンドイッチされた状態となる。
【００５４】
金属膜４０を通過した試料８２は、終端部４８まで移動する。また、一次抗体８０により捕捉されなかった被検出物質８４、被検出物質８４に結合されなかった二次抗体８８及び蛍光物質８６も試料８２とともに終端部４８まで移動する。
これにより、図５（Ｃ）に示すように、金属膜４０上に二次抗体８８と結合し、蛍光物質８６により標識され、かつ一次抗体８０に捕捉された被検出物質８４が残った状態となる。
【００５５】
このように、金属膜４０上に蛍光物質８６により標識された二次抗体８８と被検出物質８４と固定化された一次抗体８０のみが残った状態となったら、金属膜４０に励起光を照射する。
具体的には、ＦＧ２４で決定された強度変調信号に基づいて光源ドライバ２６から流れる電流に基づいて、光源１２から励起光を射出させる。励起光は、光源１２から射出された後、入射光光学系１４により、遮光板３６により一部の励起光が遮断され、コリメータレンズ３０より平行光とされ、その後、偏光フィルタ３２により偏光され、光分割部３４により、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂとされた後、集光レンズ３６により一方向のみ集光される。
集光レンズ３６により集光された第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂは、プリズム３８に入射され、所定の角度幅の光としてプリズム３８と金属膜４０との境界面に到達し、プリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射され、プリズム３８から射出される。なお、集光レンズ３６は、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂの集束点が、プリズム３８と金属膜４０との境界面を一定距離越えた位置となるように集光する。
また、集光レンズ３６により一方向のみに集光することで、プリズム３８と金属膜４０との境界面の線状部４６の延在方向に平行な方向には、同一角度の光を入射することができる。
【００５６】
プリズム３８に入射した励起光（つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｂ）がプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射されることで、金属膜４０の流路４５側の面（プリズム３８側とは反対側の面）に、エバネッセント波が滲み出し、このエバネッセント波により、金属膜４０中に表面プラズモンが励起される。この表面プラズモンにより金属膜４０の表面に電界分布が生じ、電場増強領域が形成される。
このとき、所定の角度幅で入射された励起光のうち、プリズム３８と金属膜４０との境界面に所定角度（具体的には、プラズモン共鳴条件を満たす角度）した入射した励起光により発生した、エバネッセント波と表面プラズモンとが共鳴し、表面プラズモン共鳴（プラズモン増強効果）が発生する。このように、表面プラズモン共鳴（プラズモン増強効果）が発生した領域では、より強い電場増強が形成される。ここで、プラズモン共鳴条件は、入射された光により発生したエバネッセント波の波数ベクトルと、表面プラズモンの端数とが等しくなり、波数整合が成立する条件であり、上述したように、試料の種類、試料の状態、金属膜の厚み、密度、励起光の波長、入射角度等種々の条件に基づいて決まる。なお、本発明において、プラズモン共鳴角及び励起光（つまり、各光束）の入射角度は、金属面に垂直な線とのなす角である。
【００５７】
また、このとき、エバネッセント波の滲み出している領域において蛍光物質８６がある場合、励起されて蛍光を発生させる。また、エバネッセント波が染み出している領域とほぼ同等の領域に存在する表面プラズモンによる電場増強の効果、特に、表面プラズモン共鳴により増強された電場増強の効果により、この蛍光が増強される。
なお、エバネッセント波の滲み出し領域外の蛍光物質は励起されないため、蛍光を発生させない。
このようにして、金属膜４０上に固定された被検出物質８４を標識する蛍光物質８６の蛍光は、励起され、増強される。
蛍光物質８６から射出された光は、光検出手段１８の第１レンズ５６に入射し、カットフィルタ５８を透過し、第２レンズ６０で集光され、ＰＤ５２に入射され電気信号に変換される。また、第１レンズ５６に入射した光のうち励起光を同一波長の光は、カットフィルタ５８を透過できないため、励起光成分は、ＰＤ５２まで到達しない。
【００５８】
ＰＤ５２で生成された電気信号は、検出信号として、ＰＤアンプ５４で増幅され、ロックインアンプ６４で、参照信号と同期する信号成分を増幅する。これにより、励起光に起因して発生した光を増幅することができるため、その他のノイズ成分（例えば、部屋の蛍光灯、装置内のセンサーの光など、検出光光学系５０以外からＰＤ５２に入射した光や、ＰＤで発生する暗電流）と蛍光物質８６から射出された光とを確実に識別することができる。
ロックインアンプ６４で増幅された検出信号は、ＰＣ６６に送られる。
ＰＣ６６は、信号をＡ／Ｄ変換し、あらかじめ記憶していた検量線に基づき、被検出物質８４の算出結果から、試料８２中の被検出物質８４の濃度を検出する。
センシング装置１０は、以上のようにして、試料８２中の被検出物質８４の濃度を検出する。
【００５９】
センシング装置１０によれば、プリズム３８と金属膜４０との境界面に集束点の異なる３本の光束、つまり、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃを入射させることで、境界面の各位置に角度の異なる３本の光線を入射させることができる。
これにより、プラズモン共鳴角により、各位置で発生する増強電場（正確には、表面プラズモンに起因して発生する増強電場）の強度が変化することを防止でき、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を均一にすることができる。
【００６０】
より詳細に説明すると、正規分布をのように強度に差がある光を励起光として用いる場合は、プラズモン共鳴角が異なると、その角度により励起光の強度が大きく変化する。
ここで、図７（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ従来の励起光の強度と表面プラズモン共鳴の発生条件との関係を示す模式図である。
図７（Ａ）には、励起光を正規分布の強度分布の光とし、光励起光の光束の中心付近の光がプラズモン共鳴角θ１と一致した場合の励起光の強度分布９０とプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射された後の光の強度分布９２を示し、図７（Ｂ）には、励起光を正規分布の強度分布の光とし、励起光の光束の中心から離れた位置の光がプラズモン共鳴角θ２と一致した場合の励起光の強度分布９０’とプリズム３８と金属膜４０との境界面で全反射された後の光の強度分布９２’を示す。
図７（Ａ）に示すように、プラズモン共鳴角θ１で入射した光で表面プラズモン共鳴が発生する場合は強度分布９０のうち頂点付近の強度の光（図７（Ａ）中丸で示す強度の光）が表面プラズモン共鳴に変換される光となる。また、図７（Ｂ）に示すように、プラズモン共鳴角θ２で入射した光で表面プラズモン共鳴が発生する場合は、強度分布９０’のうち中腹付近の強度の光（図７（Ｂ）中丸で示す強度の光）が表面プラズモン共鳴に変換される光となる。このため、表面プラズモン共鳴に寄与する光の強度が大きく異なる値となる。また、強度分布９２と強度分布９２’に示すように、反射光の強度分布も強度分布９２の方が強度分布９２’よりも大きく減少している。つまり、プラズモン共鳴角θ１の方がプラズモン共鳴角θ２の場合よりも表面プラズモン共鳴に利用されるエネルギーが多くなる。
このように、表面プラズモン共鳴に変換される光の強度が大きく異なると、金属膜上に発生する増強電場の強度も大きく異なる。具体的には、図７（Ａ）に示す場合の方が図７（Ｂ）に示す場合よりも増強電場の強度が大きくなる。
また、表面プラズモン共鳴が発生する位置（プラズモン共鳴角で入射する光の位置）が異なるため、金属膜表面上の一次抗体８０のムラや、被検出物質８４の一次抗体８０への付着ムラ等があると、金属膜上に発生する増強電場の強度が同一でも金属膜の位置により蛍光量が変化してしまうことになる。
【００６１】
次に、図８（Ａ）は、第１光束１０８ａと金属膜４０（より正確には、プリズム３８と金属膜４０との境界面）との関係を示す説明図であり、図８（Ｂ）は、第２光束１０８ｂと金属膜４０との関係を示す説明図であり、図８（Ｃ）は、第３光束１０８ｃと金属膜４０との関係を示す説明図である。また、図９は、各光束の入射角度と光量との関係を示すグラフである。なお、図９では、横軸を境界面への入射角度［°］とし、縦軸を各光束の相対光量とした。
センシング装置１０は、図８（Ａ）に示すように、第１光束１０８ａを、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させ、図８（Ｂ）に示すように、第２光束１０８ｂを、第１光束１０８ａよりも金属膜４０とのなす角が大きくなる角度で、かつ、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させ、図８（Ｃ）に示すように、第３光束１０８ｃを、第１光束１０８ａよりも金属膜４０とのなす角が小さくなる角度で、かつ、光束の中心が原点０の位置となるように金属膜４０へ入射させる。
このように、第１光束１０８ａ、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを互いに角度の異なる３方向から入射させることで、図９に示すように金属膜８０に入射する光の強度を所定の角度範囲で略一定にすることができる。
このように、入射角度における光の強度を均一にできることで、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を略一定にすることができる。
【００６２】
ここで、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、それぞれ、各光束とサンプルユニットで発生する蛍光の強度との関係を示すグラフである。なお、図１０（Ａ）及び図１０（Ｂ）は、蛍光物質の量は同一量としている場合である。
例えば、測定時にプラズモン共鳴角が第１光束１０８ａの中心の入射角度と近い場合は、第１光束１０８ａを入射することにより発生する増強電場の強度が高くなり、第２光束１０８ｂ、第３光束を入射することにより発生する増強電場の強度が低くなる。したがって、図１０（Ａ）に示すように、第１光束１０８ａに起因する（被検出物質を標識する蛍光物質の）蛍光の強度が高くなり、第２光束１０８ｂ、第３光束１０８ｃに起因する蛍光の強度が低くなる。
これに対して、図１０（Ａ）に示す測定よりもサンプルの屈折率の低いサンプルユニットを測定する場合等、プラズモン共鳴角がより低くなると、プラズモン共鳴角は、図１０（Ａ）に示す測定の場合よりも、第１光束１０８ａの中心の入射角度とは遠くなり、第２光束１０８ｂの中心の入射角度と近くなる。したがって、第２光束１０８ｂに起因する蛍光の強度が高くなり、第１光束１０８ａ、第３光束１０８ｃに起因する蛍光の強度が低くなる。
このように、測定時のプラズモン共鳴角により、１つの光束に起因する蛍光の強度は、変化するが、３本の光束のうちのいずれかの光束に起因する蛍光の強度が低下したら、他の光束の強度が高くなるため、プラズモン共鳴角によらず、増強電場の強度を実質的に一定にすることができ、蛍光物質が同一量の場合は、蛍光の強度を同一にすることができ、再現性が高くかつ高精度な測定をすることができる。
【００６３】
また、入射角度が異なる３本の光束を、光束の中心が同一位置となるよう境界面に入射させることで、プラズモン共鳴角がずれた場合でも、各位値における増強電場の強度を均一にすることができる。つまり、プラズモン共鳴角が変化した場合でも、図１０に示す全体の蛍光量の場合と同様に、各位置に入射する３本の光束の光線のいずれかの光束の光線に起因して発生する増強電場（正確には、光線に起因して発生する表面プラズモンに起因しての発生する増強電場）の強度が低下したら、他の光束の光線に起因して発生する増強電場の強度が高くなる。また、各光束の強度分布は同一であり、かつ、光束の中心が同一位置となるように境界面に入射させているため、入射幅が異なるため光束により多少のずれはあるが、各位値に入射する光束の光線の強度は実質的に一定となる。これにより、プラズモン共鳴角によらず、各位置で発生する増強電場の強度を一定にすることができる。
これにより、一定条件で検出することができるため、サンプルユニットの一次抗体のむら等により検出ムラがある場合も、再現性が高くかつ高精度な測定をすることができる。
【００６４】
以上のように、プラズモン共鳴角の角度によらず、金属膜上に発生する増強電場（正確には、表面プラズモンに起因して発生する増強電場）の強度を実質的に均一にできることで、蛍光物質の蛍光を増強する増強電場の強度を一定にすることができる。したがって、プラズモン共鳴角の角度が異なるサンプルユニットで測定した場合でも、被検出物質の量、濃度に対する検出信号の強度が一定となる。
これにより、再現性の高い測定をすることができ、被検出物質の量、濃度を正確に検出（もしくは測定）することができる。
また、プラズモン共鳴角を検出する必要がないため、短時間で検出することができる。また、条件設定のために、測定前に蛍光物質を励起することもないため、蛍光物質の蛍光の強度が低下することも防止できる。
【００６５】
また、プラズモン共鳴角は、金属膜上に配置される試料や、被検出物質によっても変化するが、本発明のセンシング装置のよれば、異なる試料、被検出物質を用いてプラズモン共鳴角が変化した場合（例えば数度から１０数度）も角度調節することなく、同一の装置で検出することができる。
例えば、１つのセンシング装置で、試料として尿を用い尿の中の被検出物質を検出することも、試料として血液を用い、血液の中の被検出物質を検出することもできる。
より具体的には、サンプルユニットを基本的に同様の構成（プリズムは、ＰＭＭＡ（ポリメタクリル酸メチル）を用いて作製）で作製した場合、全血と尿は、個体差・体調差により、サンプルユニットの屈折率が１．３３５から１．３６までの範囲でばらつく。
ここで、例えば、励起光の波長を６５７ｎｍとすると、屈折率が１．３３５の場合は、最適なプラズモン共鳴角（増強度が最も高くなる入射角）が７３．３°となり、屈折率が１．３６の場合は、最適なプラズモン共鳴角が、７７．６７°となり、最適なプラズモン共鳴角が約４．３°変化する。
本発明によれば、上述したように、プラズモン共鳴角によらず金属膜上に発生する増強電場の強度を略均一にすることができるため、このようにプラズモン共鳴角が数°変化した場合でも、同一条件で測定することができる。
このように、本発明によれば、検出する対象もより多くすることができる。また、プラズモン共鳴角によらず、金属膜上に発生する増強電場の強度を一定にすることができるため、検出物質によって、検出精度にバラツキが生じることを防止できる。
【００６６】
また、プラズモン共鳴角の角度が異なるサンプルユニットで再現性の高い測定を可能となることで、サンプルユニットの許容誤差を大きくすることができるため、サンプルユニットを安価に製造することが可能となる。
【００６７】
ここで、上述した実施形態のように光源１２としてレーザー光源（つまり、コヒーレントな光を射出する光源）を用いる場合は、サンプルユニットの境界面に入射させる光束を選択する（つまり、光束を切り換える）光束選択手段を設けることが好ましい。
ここで、光束選択手段としては、光分割部の各光束の光路上にシャッタを配置した構成が例示される。
【００６８】
この光束選択手段により、境界面に入射させる光束を、第１光束１０８ａのみ、第２光束１０８ｂのみ、第３光束１０８ｃのみという状態に順次切り換えることが好ましい。より具体的には、第１光束１０８ａを境界面に入射させている時は、第２光束１０８ｂ及び第３光束１０８ｃを対応するシャッタで遮蔽し、第２光束１０８ｂを境界面に入射させている時は、第１光束１０８ａ及び第３光束１０８ｃを対応するシャッタで遮蔽し、第３光束１０８ｃを境界面に入射させている時は、第１光束１０８ａ及び第２光束１０８ｂを対応するシャッタで遮蔽する。
このように、境界面に入射させる光束を順次切り換えることで、各光束により発生する表面プラズモンに起因する蛍光強度を各光束毎に検出することができる。また、同一位置に２つの光束を同時に入射させないことで、光の干渉が発生することを防止できる。
【００６９】
また、光源としては、上述したようにインコヒーレントな光を射出する光源（例えば、ＬＥＤ、ランプ）ことも好ましい。
インコヒーレントな光を射出する光源を用いることで、光の干渉を発生させることなく、複数の光束を同時に境界面に入射させてることができる。これにより、光選択手段を設ける必要もなく、また、安定して、短時間で、測定を行うことができる。
また、光源として、ＳＬＤ等のある程度の干渉性のある光を射出する光源を用いる場合は、用途、また、必要とされる検出精度により、光束毎に入射させるか、同時に複数の光束を入射させるかを選択すればよい。
【００７０】
ここで、センシング装置１０では、光源から射出された１つの光束を入射光光学系で分割することで、複数の光束を生成したが本発明はこれに限定されない。
以下、図１１を用いて本発明のセンシング装置の他の実施形態について説明する。ここで、図１１は、本発明のセンシング装置の他の実施形態であるセンシング装置２００の概略構成を示すブロック図であり、図１２は、図１１に示したセンシング装置２００の光源２０２、入射光光学系２０４、サンプルユニット１６の断面図である。
【００７１】
ここで、センシング装置２００は、光源２０２および入射光光学系２０４の構成を除いて他の構成は、図１に示すセンシング装置１０と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置２００に特有の点について重点的に説明する。
【００７２】
図１１及び図１２に示すように、センシング装置２００は、基本的に、所定波長の光を射出する光源２０２と、入射光光学系２０４と、サンプルユニット１６と、光検出手段１８と、算出手段２０とを有する。また、センシング装置１００も、さらに、ＦＧ２４と光源ドライバ２６とを有する。
【００７３】
光源２０２は、第１光束２２０ａを射出する第１個別光源２１０ａと、第２光束２２０ｂを射出する第２個別光源２１０ｂと、第３光束２２０ｃを射出する第３個別光源２１０ｃと、光源ドライバ２６から流れてくる電流を第１個別光源２１０ａ、第２個別光源２１０ｂ及び第３個別光源２１０ｃ（以下まとめて「各個別光源」ともいう。）に流す分配部２１２とを有する。
各個別光源は、所定波長の光を出射する半導体レーザである。また、第１個別光源２１０ａ、第２個別光源２１０ｂ及び第３個別光源２１０ｃは、互いに同一波長の光を射出する。
ここで、第１光束２２０ａは、集光レンズ３６の軸（焦点とレンズ中心とを結ぶ線）に平行な光であり、第２光束２２０ｂは、第１光束２２０ａに対して所定角度（図１２中おいて第１光束に反時計周り方向に所定角度）傾斜した光であり、第３光束２２０ｃは、第１光束２２０ａに対して第２光束２２０ｂとは逆側に所定角度（図１２中おいて第１光束に時計周り方向に所定角度）傾斜した光である。
また、分配部２１２は、光源ドライバ２６と、各個別光源とに接続されており、光源ドライバ２６からの流された電流を各個別光源に流す。
【００７４】
入射光光学系２０４は、励起光の光路上に配置された第１コリメータレンズ２１４ａ、第２コリメータレンズ２１４ｂ、第３コリメータレンズ２１４ｃと、偏光フィルタ３２と集光レンズ３６とを有し、光源２０２の各個別光源から射出された第１光束２２０ａ、第２光束２２０ｂ、第３光束２２０ｃをそれぞれを偏光し、それぞれ集光してサンプルユニット１６の所定位置に所定の角度で入射させる。
ここで、入射光光学系２０４は、各個別光源に対応してそれぞれ第１コリメータレンズ２１４ａ、第２コリメータレンズ２１４ｂ、第３コリメータレンズ２１４ｃが配置されており、全ての個別光源に共通して１つの偏光フィルム３４及び１つの集光レンズ３６が配置されている。
【００７５】
第１コリメータレンズ２１４ａは、第１個別光源２１０ａと偏光フィルタ３２との間に配置され、第１個別光源２１０ａから射出された第１光束２２０ａを平行光とする。
また、第２コリメータレンズ２１４ｂは、第２個別光源２１０ｂと偏光フィルタ３２との間に配置され、第２個別光源２１０ｂから射出された第２光束２２０ｂを平行光とする。
また、第３コリメータレンズ２１４ｃは、第３個別光源２１０ｃと偏光フィルタ３２との間に配置されており、第３個別光源２１０ｃから射出された第３光束２２０ｃを平行光とする。
【００７６】
ここで、偏光フィルタ３２及び集光レンズ３６は、図１に示すセンシング装置１０の偏光フィルタ３２及び集光レンズ３６と同様の構成であるので、説明を省略する。
【００７７】
センシング装置２００の光源２０２及び入射光光学系２０４は、以上のような構成であり、第１光源２１０ａから射出された第１光束２２０ａは、第１コリメータレンズ２１４ａで平行光とされ、その後偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射される。また、同様に、第２光源２１０ｂから射出された第２光束２２０ｂも、第２コリメータレンズ２１４ｂで平行光とされ、その後偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射され、第３光源２１０ｃから射出された第３光束２２０ｃも、第３コリメータレンズ２１４ｃで平行光とされ、その後、偏光フィルタ３２で偏光され、集光レンズ３６で集光された後、サンプルユニット１６に入射される。
なお、光源２０２及び入射光光学系２０４は、各個別光源の配置位置、互いの角度、集光レンズの頂点等を調整し、境界面における、第１光束２２０ａ、第２光束２２０ｂ、第３光束２２０ｃの中心が同じ位置となるように入射されている。
【００７８】
また、第１光束２２０ａと、第２光束２２０ｂと、第３光束２２０ｃとは、互いに異なる角度で射出され、平行光とされ、異なる角度で集光レンズ３６に入射するため、光束の集束点が互いに異なる位置となる。また、光束の中心の境界面への入射角も互いに異なる角度となる。
【００７９】
センシング装置２００のように、光源として、複数の個別光源を設け、各個別光源から射出される光を、互いに集束点が異なり、光束の中心の傾斜角度が異なる光束とすることでも上述したセンシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００８０】
なお、センシング装置２００のように、複数の個別光源を用いる場合は、個別光源から射出される光の干渉性に関わらず、基本的に光の干渉は発生しないため、複数の個別交換からそれぞれ射出された光束を同時に境界面に入射させても、一定強度の光を入射させることができる。
また、センシング装置２００のように、複数の個別光源を用いる場合も、分配部２１２で電流を流す個別光源を選択し、光を射出する個別光源を順次切り替え、境界面に入射させる光束を順次切り換えるようにしてもよい。
【００８１】
ここで、センシング装置１０及びセンシング装置２００では、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を境界面に入射させたが、本発明は、境界面の各位置に、入射角度の異なる複数の光線を入射させることができればよく、例えば、入射光光学系に散乱部を設け、光源から射出された光を散乱部により散乱させた後、境界面に入射させるようにしてもよい。
【００８２】
図１３は、本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。ここで、センシング装置３００は、光源３０２、入射光光学系３０４およびサンプルユニット３０６の構成を除いて他の構成は、基本的に、図１に示すセンシング装置１０と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置３００に特有の点について重点的に説明する。
図１３に示すセンシング装置３００は、基本的に、所定波長の光を射出する光源３０２と、入射光光学系３０４と、サンプルユニット３０６を有する。また図示は省略するが、センシング装置３００は、センシング装置１０と同様に、光検出手段と、算出手段と、ＦＧと、光源ドライバとを有する。
【００８３】
光源３０２は、所定波長の光を射出するＬＥＤである。なお、光源３０２としては、レーザー光源、ＳＬＤ、ランプ等の上述した各種光源を用いることができる。
【００８４】
入射光光学系３０４は、散乱板３１０を有し、光源３０２から射出された光をサンプルユニット３０６に入射させる。
散乱板（または拡散板ともいう。）３１０は、光源３０２から射出された光を指向性のない光とし、所定角度幅の範囲で均一に散乱する散乱板であり、光源３０２から射出された光を散乱させて射出する。ここで、散乱板３１０としては、オパールガラスにより作製した散乱板を用いることができる。
【００８５】
サンプルユニット３０６は、プリズム３１２と、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４とを有する。ここで、金属膜４０と、基板４２と、透明カバー４４は、サンプルユニット１６の各部と基本的に同様の構成であるので、その詳細な説明は省略する。なお、サンプルユニット３０６の基板４２は、その一部が金属膜４０上に突出している点で異なるが、基本的な機能はサンプルユニット１６の基板と同様である。
プリズム３１２は、断面が長方形となるプリズムであり、光源３０２から射出され、入射光光学系３０４を通過した光の光路上に配置されている。
プリズム３１２は、直方体形状のプリズムであり、１つの面が金属膜４０及び基板４２と接している。また、プリズム３１２は、入射光光学系３０４を通過した光が、金属膜４０及び基板４２と接している面に直交する面から入射する向きで配置されている。また、プリズム３１２は、上述したプリズム３８と同様の材料で形成することができる。
プリズム３１２は、このような構成であり、入射光光学系３１０を透過した光を、金属膜４０と接している面に直交する面から入射させ、金属膜４０と接している面で反射し、入射光光学系３１０を透過した光が入射する面とは反対側の面から射出する。
【００８６】
センシング装置３００は、以上のような構成であり、光源３０２から所定角度幅で放射して射出される光を入射光光学系３０４の散乱板３１０で散乱させた後、サンプルユニット３０６のプリズム３１２と金属膜４０との境界面に入射させる。
これにより、境界面の各位値に、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることができる。
具体的には、図１３に示すように、光源３０２から射出された光は、放射され所定幅の光として散乱板３１０に入射する。この散乱板３１０に入射した所定幅の光は、散乱板３１０に入射した各位置で所定角度幅でどの角度へも均一に散乱され、散乱された光線は、それぞれ境界面に入射する。このとき、散乱板３１０の各位置で散乱された光線がそれぞれ境界面に入射するため、境界面の各位置には、散乱板３１０の異なる位置で散乱された複数の光線が入射する。この散乱板３１０の異なる位置で散乱された光線は、それぞれ光路が異なるため、互いに境界面への入射角度が異なる角度となる。以上より、境界面の各位値には、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）が入射される。
【００８７】
このように、センシング装置３００も、境界面の各位値に、散乱板３１０で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることで、プラズモン共鳴角によらず、実質的に同じ強度の増強電場を形成することができ、上記センシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
また、センシング装置３００は、入射光光学系に散乱板を設けるのみでよいため装置構成を簡単にすることができる。
【００８８】
また、センシング装置３００では、入射光光学系に散乱板を用いて光源から射出された光を散乱させたが本発明はこれに限定されない。
ここで、図１４は、本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
ここで、図１４に示すセンシング装置３５０は、入射光光学系３５４の構成及びサンプルユニット３５６を除いて他の構成は、基本的に、図１３に示すセンシング装置３００と同様であるので同様の構成要素には、同一の符号を付し、その詳細な説明は省略し、以下センシング装置３５０に特有の点について重点的に説明する。
図１４に示すセンシング装置３５０は、基本的に、所定波長の光を射出する光源３０２と、入射光光学系３５４と、サンプルユニット３５６を有する。また図示は省略するが、センシング装置３５０は、センシング装置３００と同様に、光検出手段と、算出手段と、ＦＧと、光源ドライバとを有する。
ここで、サンプルユニット３５６は、プリズム３６４の光源３０２から射出された光が入射する面に後述する入射光光学系３５４の砂刷り面３６２が形成されていることを除き他の構成はサンプルユニット３０６と同様の構成である。
【００８９】
入射光光学系３５４は、コリメータレンズ３６０と、サンプルユニット３５６のプリズム３６２に形成された砂刷り面３６２とで構成され、光源３０２から射出された光をサンプルユニット３０６に入射させる。
コリメータレンズ３６０は、光源３０２から射出され、所定角度で放射状に拡散する光を平行光に変換する。
砂刷り面３６２は、光源３０２から射出され、コリメータレンズ３６０で平行光とされた光を指向性のない光とし、所定角度幅の範囲で均一に散乱する散乱部であり、プリズム３６４の光源３０２から射出された光が入射する面に形成されている。ここで、砂刷り面３６２は、光を散乱させる形状であればよく、微細な凹凸を形成する等種々の形状とすればよい。また、プリズム３６４への砂刷り面３６２の形成方法も特に限定されず、例えば、やすり等の機械的な加工でに凹凸を形成する方法、エッチング等の化学的な加工で凹凸を形成する方法を用いることができる。
【００９０】
センシング装置３５０は、以上のような構成であり、光源３０２から所定角度幅で放射して射出される光をコリメータレンズ３６０で平行光とし、砂刷り面３６２が形成された面からプリズム３６４に入射させる。したがって、平行光は、砂刷り面３６２で散乱され、散乱光とされた後、プリズム３６４内部に入射し、サンプルユニット３０６のプリズム３１２と金属膜４０との境界面に入射する。
これにより、境界面の各位値に、砂刷り面３６２で種々の角度に散乱された光線（つまり境界面への入射角が異なる複数の光線）を入射させることができる。
このように、散乱板に変えてプリズムに砂刷り面を設けた場合も、センシング装置と同様に、境界面の各位値に、入射角が異なる複数の光線を入射させることができ、プラズモン共鳴角によらず、実質的に同じ強度の増強電場を形成することができ、上記センシング装置１０と同様の効果を得ることができる。
【００９１】
以上、本発明に係るセンシング装置について詳細に説明したが、本発明は、以上の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変更を行ってもよい。
【００９２】
例えば、センシング装置１０及びセンシング装置２００では、いずれも、３本の光束がサンプルユニットの境界面に入射するようにしたが、入射させる光束の数は、特に限定されず、２本でも４本以上でもよい。入射する光の本数を多くすることで、より正確な検出を行うことが可能となる。
【００９３】
また、光源から射出され、サンプルユニットの境界面に入射する各光束の位置（光束の中心からの距離）毎の強度を程均一にする（具体的には、プリズムに入射する光の強度分布の最高強度と最低強度との差を小さくする）ように光強度分布調整手段を設けることも好ましい。ここで、光強度分布調整手段としては、光の光路上に配置され、光源から射出される光のうち一定強度以下の光を遮断する（つまり、光源中心の強度が均一の領域のみの光を透過させる）遮光板や、強度に応じて透過率を変化させた逆ガウシアンフィルタが例示される。
このように光強度分布調整手段を設けることで、各光束のサンプル各位値に入射する光の強度を均一にすることができ、各位値における表面プラズモンの強度をより均一にすることができる。これにより、サンプルユニットの位置により蛍光物質の分布ムラがある場合も、全体としての蛍光をより正確に測定することができるため、より再現性の高い検出を行うことが可能となる。
【００９４】
また、センシング装置１０では、入射光学系にシリンドリカルレンズまたは集光レンズを用い、光源から射出された光を集光したが、これに限定されず、光源から所定の放射角で射出された光を集光させずにプリズムと金属膜との境界面に入射させてもよい。
また、偏光フィルタも必ずしも設ける必要はなく、特に、光源としてレーザ光源を用いる場合は、光源から射出される光が偏光された光であるので、偏光フィルムは設けなくてもよい。
【００９５】
また、上述した実施形態では、いずれも試料に含まれる被検出物質の個数または濃度を検出したが、本発明はこれに限定されず、試料に被検出物質が含有されるが否か（つまり、試料の中に被検出物質があるか否か）を検出してもよい。
【００９６】
また、上述した実施形態では、いずれも蛍光物質に標識された二次抗体に被検出物質を結合させた状態で、金属膜上に発生する増強電場により増強された蛍光物質の蛍光を検出し、被検出物質を検出したが、被検出物質を蛍光物質により標識する方法は特に限定されず、例えば、被検出物質事態が蛍光物質である場合は、二次抗体を設ける必要はない。
また、本発明のセンシング装置は、金属膜上に被検出物質に付着（または近傍に配置）されている状態で表面プラズモンを発生させた場合に生じる散乱光（ラマン散乱光）を検出する方式のセンシング装置にも用いることができる。
【００９７】
また、上述した実施形態では、いずれも金属膜の表面にエバネッセント波及び表面プラズモンを発生させ、さらに表面プラズモン共鳴を発生させることで、増強された電場を形成させたが本発明はこれに限定されず、増強電場が形成される面への光の入射角度によって増強度が変化する（つまり、所定の入射角で光が入射したときのみ増強場が変化する）種々の方式に用いることができる。例えば、プリズム上に金膜と厚み約１μｍのＳｉＯ２膜とを積層させ、所定角度で入射した光をＳｉＯ２膜内で共振させることで増強された電場を形成する方式にも用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明のセンシング装置の一実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図２】（Ａ）は、図１に示したセンシング装置の光源、入射光光学系、サンプルユニットの概略構成を示す上面図であり、（Ｂ）は、（Ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。
【図３】（Ａ）及び（Ｂ）は、光源から射出される光がサンプルユニットに入射するまでの光路を示す説明図である。
【図４】図２（Ａ）及び（Ｂ）に示すサンプルユニットの金属膜の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【図５】（Ａ）〜（Ｃ）は、それぞれ、サンプルユニットでの試料の流れを示す説明図である。
【図６】試料が到達した金属膜の一部を拡大して示す拡大模式図である。
【図７】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ従来の励起光の強度と表面プラズモン共鳴の発生条件との関係を示す模式図である。
【図８】（Ａ）は、第１光束と金属膜との関係を示す説明図であり、（Ｂ）は、第２光束と金属膜との関係を示す説明図であり、（Ｃ）は、第３光束と金属膜との関係を示す説明図である。
【図９】各光束の入射角度と光量との関係を示すグラフである。
【図１０】（Ａ）及び（Ｂ）は、それぞれ、各光束とサンプルユニットで発生する蛍光の強度との関係を示すグラフである。
【図１１】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図１２】図１１に示したセンシング装置の光源、入射光光学系、サンプルユニットの断面図である。
【図１３】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【図１４】本発明のセンシング装置の他の実施形態の概略構成を示すブロック図である。
【符号の説明】
【００９９】
１０ センシング装置
１２ 光源
１４ 入射光光学系
１６ サンプルユニット
１８ 光検出手段
２０ 算出手段
２４ ファンクションジェネレータ（ＦＧ）
２６ 光源ドライバ
３０ コリメータレンズ
３２ 偏光フィルタ
３４ 光分割部
３６ 集光レンズ
３８ プリズム
４０ 金属膜
４２ 基板
４４ 透明カバー
４５ 流路
４６ 線状部
４７ 始端部
４８ 終端部
４９ 二次抗体載置領域
５０ 検出光光学系
５２ フォトダイオード（ＰＤ）
５４ フォトダイオードアンプ（ＰＤアンプ）
５６ 第１レンズ
５８ カットフィルタ
６０ 第２レンズ
６２ 支持部
６４ ロックインアンプ
６６ ＰＣ
８０ 一次抗体
８２ 試料
８４ 被検出物質
８６ 蛍光物質
８８ 二次抗体
１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ （第１、第２、第３）ハーフミラー
１０４ａ、１０４ｂ、１０４ｃ （第１、第２、第３）シリンドリカルレンズ
１０６ａ、１０６ｂ、１０６ｃ、１０６ｄ （第１、第２、第３、第４）ミラー
１０８ａ、２２０ａ 第１光束
１０８ｂ、２２０ｂ 第２光束
１０８ｃ、２２０ｃ 第３光束
２１０ａ、２１０ｂ、２１０ｃ （第１、第２、第３）個別光源
２１２ 分配部
２１４ａ、２１４ｂ、２１４ｃ （第１、第２、第３）コリメータレンズ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して試料内の被検出物質を検出するセンシング装置であって、
プリズムと、
前記プリズムの一面上に配置された金属膜と、
前記プリズムの一面上に配置され、前記金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、
光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を、前記プリズムと前記金属膜との境界面で全反射する角度で前記プリズムに入射させる入射光光学系と、
前記金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、
前記入射光光学系は、前記境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることを特徴とするセンシング装置。
【請求項２】
前記入射光学系は、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を前記境界面に入射させる請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項３】
前記光源は、１つの光束を射出する光射出装置であり、
前記入射光学系は、前記光源から射出された１つの光束から、集束点の位置が異なる複数の光束を生成する請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項４】
前記光源は、コヒーレントな光を射出する請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項５】
前記入射光学系は、生成した複数の光束から前記境界面に入射させる光束を選択する選択手段を有し、
前記選択手段は、前記境界面に入射させる光束を順番に切り替え、前記境界面に同時に集束点の異なる光束を入射させない請求項４に記載のセンシング装置。
【請求項６】
前記光源は、インコヒーレントな光を射出する請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項７】
前記光源は、同一波長の光を射出する複数の個別光源で構成され、
前記入射光光学系は、１つの前記個別光源から射出される光を１つの前記光束とする請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項８】
前記入射光光学系は、１つの集光レンズを有し、
前記個別光源は、互いに異なる角度で、射出した光を前記集光レンズに入射させる請求項７に記載のセンシング装置。
【請求項９】
前記入射光光学系は、光源から射出された光を散乱させる散乱部を備える請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項１０】
前記散乱部は、前記光源から射出された光の光路上に配置された散乱板である請求項９に記載のセンシング装置。
【請求項１１】
前記散乱部は、前記プリズムの表面に形成された砂刷り面である請求項９に記載のセンシング装置。
【請求項１２】
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記試料内の前記被検出物質の濃度を算出する算出手段を有する請求項１〜１１のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項１３】
前記被検出物質は、蛍光性を有する物質、または、蛍光性を有する物質で標識された物質である請求項１〜１２のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項１】
検出面に光を所定の入射角で入射させることで発生する増強場を利用して試料内の被検出物質を検出するセンシング装置であって、
プリズムと、
前記プリズムの一面上に配置された金属膜と、
前記プリズムの一面上に配置され、前記金属膜上に試料を供給する流路が形成された基板と、
光を射出する光源と、
前記光源から射出された光を、前記プリズムと前記金属膜との境界面で全反射する角度で前記プリズムに入射させる入射光光学系と、
前記金属膜近傍で発生した光を検出する光検出手段とを有し、
前記入射光光学系は、前記境界面の各位置に、入射角度が異なり、かつ強度が実質的に等しい複数の光線を入射させることを特徴とするセンシング装置。
【請求項２】
前記入射光学系は、集束点の位置及び光束中心の傾斜角度が異なる複数の光束を前記境界面に入射させる請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項３】
前記光源は、１つの光束を射出する光射出装置であり、
前記入射光学系は、前記光源から射出された１つの光束から、集束点の位置が異なる複数の光束を生成する請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項４】
前記光源は、コヒーレントな光を射出する請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項５】
前記入射光学系は、生成した複数の光束から前記境界面に入射させる光束を選択する選択手段を有し、
前記選択手段は、前記境界面に入射させる光束を順番に切り替え、前記境界面に同時に集束点の異なる光束を入射させない請求項４に記載のセンシング装置。
【請求項６】
前記光源は、インコヒーレントな光を射出する請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項７】
前記光源は、同一波長の光を射出する複数の個別光源で構成され、
前記入射光光学系は、１つの前記個別光源から射出される光を１つの前記光束とする請求項３に記載のセンシング装置。
【請求項８】
前記入射光光学系は、１つの集光レンズを有し、
前記個別光源は、互いに異なる角度で、射出した光を前記集光レンズに入射させる請求項７に記載のセンシング装置。
【請求項９】
前記入射光光学系は、光源から射出された光を散乱させる散乱部を備える請求項１に記載のセンシング装置。
【請求項１０】
前記散乱部は、前記光源から射出された光の光路上に配置された散乱板である請求項９に記載のセンシング装置。
【請求項１１】
前記散乱部は、前記プリズムの表面に形成された砂刷り面である請求項９に記載のセンシング装置。
【請求項１２】
前記光検出手段の検出結果に基づいて、前記試料内の前記被検出物質の濃度を算出する算出手段を有する請求項１〜１１のいずれかに記載のセンシング装置。
【請求項１３】
前記被検出物質は、蛍光性を有する物質、または、蛍光性を有する物質で標識された物質である請求項１〜１２のいずれかに記載のセンシング装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２００９−２０４４８４（Ｐ２００９−２０４４８４Ａ）
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−４７６１４（Ｐ２００８−４７６１４）
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年９月１０日（２００９．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年２月２８日（２００８．２．２８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
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