CN101696937B - 光学式生物传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供能高精度地测定易消失(evanescent)波的变化量的光学式生物传感器。该传感器包含：使入射光在层内一边全反射一边透过的全反射层(10)、与所述全反射层(10)相接，并互相隔开设置的入射侧光栅(11a)和出射侧光栅(11b)、含有与所述全反射层(10)相接地设置于所述入射侧光栅(11a)和出射侧光栅(11b)之间的酶与发色试剂的感测膜(12)。

Description

光学式生物传感器

本申请是申请人于2004年7月30日提交的申请号为“200410055805.2”的、发明名称为“光学式生物传感器”的发明专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及测定溶解在生物体内的体液中的物质的量的传感器，特别涉及用光波导现象的光学式生物传感器。

背景技术

作为测量溶解于生物体内的体液中的物质的量的传感器，已知有利用光波导现象的平面光波导型测定传感器。该平面光波导型测定传感器，如图7所示，具有如下所述的构造，即在来自光源6的光入射的基板1上的位置上形成入射侧光栅3，在从基板1向受光元件出射光的位置上形成出射侧光栅4，再在基板1表面上形成使光透射的单一光波导层2，在该光波导层2上形成具有分子识别功能和信息变换功能的膜、例如葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜5。该平面光波导型侧定传感器在葡萄糖氧化酶(GOD)固定化膜5上滴下用注射器等从生物体抽出的血液等的状态下，使激光通过入射侧光栅3入射到光波导层2，发生易消失(evanescent)波，由光波导层2上的膜产生的，与血液等所含的生物分子的反应引起的易消失波的变化量，利用接收从出射侧光栅4射出的光线的受光元件7检测，对血液等所含的生物体分子进行分析(参照例如专利文献1：日本特开平9-61346号公报)。

但是，为了在基板1上形成光波导层2，以便利用平面光波导型测定传感器能高精度地测定易消失波的变化量，要使光一边有所希望的折射一边透过光波导层2，因此精密的制造装置与高度的技术是必要的。

本发明的目的是，利用简单的制作方法提供能高精度地测定易消失波的变化量的光学式生物传感器。

发明内容

本发明的光学式生物传感器，其特征在于，包含：使入射光在层内一边全反射一边透过的全反射层；与所述全反射层相接，并相互保持间距地设置的入射侧光栅和出射侧光栅；以及与所述全反射层相接地设置于所述入射侧光栅和所述出射侧光栅之间的含有酶与发色试剂的感测膜，所述全反射层由玻璃层与形成于所述玻璃层表面上的氧化钛层构成。

附图说明

图1为本发明的实施形态的光学式生物传感器的顶视图。

图2为本发明的实施形态的光学式生物传感器的图1的I-I剖面图。

图3为本发明的第1变形例的光学式生物传感器的剖面图。

图4为玻璃层的X射线光电子分光分析(XPS)的结果。

图5为二氧化硅层的X射线光电子分光分析(XPS)的结果。

图6为本发明的第2变形例的光学式生物传感器的剖面图。

图7为已有的平面光波导型测定传感器的剖面图。

具体实施方式

以下参照附图说明本发明的实施形态。以下的附图的记载中，对相同或类似的部分标注相同或类似的符号。应注意附图是示意图。

本发明实施形态的光学式生物传感器，如图2所示，包含：入射光一边在层内全反射一边透过的全反射层10，与全反射层10的一方的表面相接，相互保持距离地设置的入射侧光栅11a和出射侧光侧11b，与全反射层10的一方的表面相接地设置于入射侧光栅11a和出射侧光栅11b之间的含有酶与发色试剂的感测膜12。又如图1所示，还包含一面与全反射层10的一方表面相接且一边包围感测膜12，一边介于入射侧光栅11a与出射侧光栅11b的光栅之间，且将其覆盖的保护膜13。

下面接着说明各部分的材料和形成方法。

(A)全反射层10是将石英(二氧化硅)成型为平板形状形成的；

(B)入射侧光栅11a和出射侧光栅11b，利用化学蒸镀法(CVD)等将折射率比全反射层10更高的材料，例如氧化钛、氧化锌、铌酸锂、砷化钾、铟锡氧化物、聚酰亚胺、氧化钽等沉积到全反射层10上，通过用光刻技术与干蚀刻技术构图形成。

(C)感测膜12，利用纤维素衍生物等将酶与发色试剂固定成胶状形成。例如在测定的体液中的物质为葡萄糖时，用GOD、过氧化物酶(POD)以及mutarose(ムタロ-ゼ)等作为酶。用3，3’，5，5’-四甲基联苯胺等作为发色试剂。感测膜利用葡萄糖发色的化学反应式如(1)～(3)所示。其右边只记述为理解本反应所必要的事项，未记入所生成的物质等的全部。

葡萄糖+GOD  →  H₂O₂      ……(1)

H₂O₂+POD    →  0^*        ……(2)

O^*+发色试剂 →  发色      ……(3)

(D)保护膜13，用折射率比氟系树脂那样的入射侧光栅11a和出射侧光栅11b更低的，且与试剂等不起反应的，疏液性的材料涂布而成。

如图2所示，从发光元件21入射的光，由入射侧光栅11a衍射，在全反射层10内一边全反射一边透过。在全反射层10与感测膜12的边界面上折射之际，易消失波由感测膜12的发色所吸收。因而，是与感测膜12的发色程度、即要测定的物质的量成比例地吸收光线。最终到达出射侧光栅11b的光，从全反射层10向着受光元件22出射。然后，根据从发光元件21发射的光量与受光元件22接收到的光量之差便可算出要想测定的物质的量。

采用本发明的实施形态，可利用简单的技术制作构造简单的光学式生物传感器。

第1变形例

本发明实施形态的第1变形例的光学式生物传感器，如图3所示，全反射层10由玻璃层10a与形成于玻璃层10a表面上的二氧化硅层10b构成。其余的构成与上述的光学式生物传感器相同。这是由于用石英形成全反射层10则材料价格高，光学式生物传感器也成高价，故想用廉价的材料来制作。

下面说明各部分的材料和形成方法：

(A)玻璃层10a，将无碱玻璃成型为板状而成。

(B)二氧化硅层10b用CVD或溅射法等方法，将二氧化硅沉积于玻璃层10a上而成。

设置二氧化硅层10b的理由在于，由于存在于玻璃层10a的表面的金属不均匀，故当将感测膜12设置于玻璃层10a上时，对于使用的每一种无碱玻璃材料在测定上有影响。如图4所示，从X射线光电子分光分析(XPS)的结果可知，玻璃层10a的表面上，除了硅(Si)以外，存在铝(Al)、钡(Ba)、钙(Ca)、锶(Sr)。将二氧化硅层10b设于玻璃层10a的表面时，如图5的XPS的结果所示，可将感测膜12设置于仅存在硅的表面上。而且可消除对测定的影响。因此，第1变形例可以以低价格得到本发明实施形态中所述的效果。

第2变形例

本发明实施形态的第2变形例的光学式生物传感器，如图6所示，全反射层10由玻璃层10a与形成于玻璃层10a表面上的氧化钛层10c构成。此外的构成与本发明的实施形态中所述的光学式传感器相同。这与第1变形例一样，由于用石英形成全反射层10时材料价高，光学式生物传感器也成了高价品，故想用廉价的材料来制作。

下面说明各部分的材料和形成方法：

(A)玻璃层10a，将无碱玻璃成型为板状而成。

(B)氧化钛层10c，用CVD或溅射法等方法将氧化钛沉积于玻璃层10a上而成。由于使在与感测膜12的边界面的光吸收为极大，氧化钛层10c的厚度在180nm～200nm间为好，最好是采用200nm厚度。

该形成方法时，可采用光刻技术与干蚀刻技术从氧化钛层10c上构成图案来形成入射侧光栅11a和出射侧光栅11b，制作容易。

又，用玻璃层10a与折射率比玻璃层10a更高的氧化钛层10c构成全反射层10，从而使与感测膜12的边界面的易消失波的电场强度增大。

因此，在第2变形例中能以低价格得到本发明的实施形态中所述的效果，同时制作步骤容易。

其他实施形态

为说明本发明的实施形态，各图中所示的各部位的厚度和位置关系始终是例示性的，并不限定于实现本发明的功能。因而，在可能实现本发明的功能的范围中，不用说当然可以考虑各部位的厚度和位置关系。

本发明理所当然地包含这里未述及的各种实施形态。本发明的技术范围根据上述说明仅由与适当的专利要求范围有关的发明特定事顶所确定。

发明的效果

采用本发明，可用简单的制作方法提供能高精度地测定易消失波的变化量的光学式生物传感器。

Claims (6)

1.一种光学式生物传感器，包含

使入射光在层内一边全反射一边透过的全反射层；

与所述全反射层相接，并相互保持间距地设置的入射侧光栅和出射侧光栅；以及

与所述全反射层相接地设置于所述入射侧光栅和所述出射侧光栅之间的含有酶与发色试剂的感测膜，

其特征在于，

所述全反射层由玻璃层与形成于所述玻璃层表面上的氧化钛层构成，并使所述氧化钛层与所述感测膜相接。

2.如权利要求1所述的光学式生物传感器，其特征在于，所述入射侧光栅和所述出射侧光栅由折射率比所述全反射层更高的材料构成。

3.如权利要求1所述的光学式生物传感器，其特征在于，还有包含覆盖所述入射侧光栅和所述出射侧光栅的保护膜。

4.如权利要求1所述的光学式生物传感器，其特征在于，所述酶是葡萄糖氧化酶、过氧化物酶以及mutarose中的至少一种。

5.如权利要求1所述的光学式生物传感器，其特征在于，所述发色试剂是3，3’，5，5’-四甲基联苯胺。

6.如权利要求1所述的光学式生物传感器，其特征在于，所述感测膜含有纤维素衍生物。

Images