JP2003156432A - 光導波路型バイオケミカルセンサ - Google Patents
光導波路型バイオケミカルセンサInfo
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- JP2003156432A JP2003156432A JP2001358333A JP2001358333A JP2003156432A JP 2003156432 A JP2003156432 A JP 2003156432A JP 2001358333 A JP2001358333 A JP 2001358333A JP 2001358333 A JP2001358333 A JP 2001358333A JP 2003156432 A JP2003156432 A JP 2003156432A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 検体中の極微量の血液、体液等の生体分子を
高感度で分析することが可能な光導波路型バイオケミカ
ルセンサを提供する。 【解決手段】 基板と、前記基板表面に形成された第１
光導波路層と、前記第１光導波路層の両端表面にそれぞ
れ形成されたグレーティングと、前記グレーティングの
間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第
１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能お
よび情報変換機能を有する機能膜とを具備し、電界が印
加されるメッシュ状導電性薄膜は、前記機能膜に対して
所望の間隔をあけて対向配置することを特徴とする。
高感度で分析することが可能な光導波路型バイオケミカ
ルセンサを提供する。 【解決手段】 基板と、前記基板表面に形成された第１
光導波路層と、前記第１光導波路層の両端表面にそれぞ
れ形成されたグレーティングと、前記グレーティングの
間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第
１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能お
よび情報変換機能を有する機能膜とを具備し、電界が印
加されるメッシュ状導電性薄膜は、前記機能膜に対して
所望の間隔をあけて対向配置することを特徴とする。
Description
【０００１】
【発明が属する技術分野】本発明は、バイオケミカルセ
ンサに関し、特に水溶液中および生物の生体分子の量、
性状を認識するためのバイオケミカルセンサに係わる。
ンサに関し、特に水溶液中および生物の生体分子の量、
性状を認識するためのバイオケミカルセンサに係わる。
【０００２】
【従来技術】例えば特開平９−６１３４６号公報には平
面光導波路型バイオケミカルセンサが開示されている。
このバイオケミカルセンサは、基板表面に光が入射、放
出される一対のグレーティングを形成し、これらグレー
ティング間に位置する前記基板表面に単一の光導波路層
を形成し、さらにこの光導波路層上に分子認識機能およ
び情報変換機能を有する膜を形成した構造を有する。
面光導波路型バイオケミカルセンサが開示されている。
このバイオケミカルセンサは、基板表面に光が入射、放
出される一対のグレーティングを形成し、これらグレー
ティング間に位置する前記基板表面に単一の光導波路層
を形成し、さらにこの光導波路層上に分子認識機能およ
び情報変換機能を有する膜を形成した構造を有する。
【０００３】このような構造のバイオケミカルセンサに
おいて、検体中の血液等の生体分子を前記分子認識機能
および情報変換機能を有する膜に接触した状態でレーザ
光のような光を前記グレーティングを通して前記光導波
路層に入射させ、エバネッセント波を発生させ、前記光
導波路層上の膜による前記検体中の生体分子との反応に
起因する前記エバネット波の変化量を前記グレーティン
グから放出される光を受光する受光素子により検出して
前記検体中の生体分子を分析する。
おいて、検体中の血液等の生体分子を前記分子認識機能
および情報変換機能を有する膜に接触した状態でレーザ
光のような光を前記グレーティングを通して前記光導波
路層に入射させ、エバネッセント波を発生させ、前記光
導波路層上の膜による前記検体中の生体分子との反応に
起因する前記エバネット波の変化量を前記グレーティン
グから放出される光を受光する受光素子により検出して
前記検体中の生体分子を分析する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、従来の
バイオケミカルセンサは光導波路層が単層で、ここで発
生するエバネッセント波の変化量に検出には感度的に限
界があり、また前記光導波路層上の膜構造から検体中の
極微量の生体分子の分析に不向きであるという問題があ
った。
バイオケミカルセンサは光導波路層が単層で、ここで発
生するエバネッセント波の変化量に検出には感度的に限
界があり、また前記光導波路層上の膜構造から検体中の
極微量の生体分子の分析に不向きであるという問題があ
った。
【０００５】本発明は、検体中の極微量の血液、体液等
の生体分子を高感度で分析することが可能な光導波路型
バイオケミカルセンサを提供しようとするものである。
の生体分子を高感度で分析することが可能な光導波路型
バイオケミカルセンサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に係る光導波路型
バイオケミカルセンサは、基板と、前記基板表面に形成
された第１光導波路層と、前記第１光導波路層の両端表
面にそれぞれ形成されたグレーティングと、前記グレー
ティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成さ
れ、この第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導
波路層と、前記第２光導波路層上に形成された生体分子
認識機能および情報変換機能を有する機能膜とを具備
し、パルス状の電界が印加されるメッシュ状導電性薄膜
は、前記機能膜に対して所望の間隔をあけて対向配置さ
れることを特徴とするものである。
バイオケミカルセンサは、基板と、前記基板表面に形成
された第１光導波路層と、前記第１光導波路層の両端表
面にそれぞれ形成されたグレーティングと、前記グレー
ティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成さ
れ、この第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導
波路層と、前記第２光導波路層上に形成された生体分子
認識機能および情報変換機能を有する機能膜とを具備
し、パルス状の電界が印加されるメッシュ状導電性薄膜
は、前記機能膜に対して所望の間隔をあけて対向配置さ
れることを特徴とするものである。
【０００７】本発明に係る別の光導波路型バイオケミカ
ルセンサは、基板と、前記基板表面に形成された第１光
導波路層と、前記第１光導波路層の両端表面にそれぞれ
形成されたグレーティングと、前記グレーティングの間
に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第１
光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、前
記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能およ
び情報変換機能を有する機能膜とを具備し、前記第２光
導波路層は、導電性材料から作られると共にパルス状の
電界が印加されることを特徴とするものである。
ルセンサは、基板と、前記基板表面に形成された第１光
導波路層と、前記第１光導波路層の両端表面にそれぞれ
形成されたグレーティングと、前記グレーティングの間
に位置する前記第１光導波路層上に形成され、この第１
光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、前
記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能およ
び情報変換機能を有する機能膜とを具備し、前記第２光
導波路層は、導電性材料から作られると共にパルス状の
電界が印加されることを特徴とするものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の光導波路型バイオ
ケミカルセンサを図面を参照して詳細に説明する。
ケミカルセンサを図面を参照して詳細に説明する。
【０００９】（第１実施形態）図１は、この第１実施形
態に用いられる光導波路型バイオケミカルセンサを示す
断面図である。
態に用いられる光導波路型バイオケミカルセンサを示す
断面図である。
【００１０】例えばガラスからなる基板１は、表面にこ
の基板１より高屈折率の第１光導波路層２が形成されて
いる。この第１光導波路層２は、例えばカリウム、ナト
リウム、銀等の高屈折率元素を前記ガラス成分とイオン
交換することにより形成される。２つのグレーティング
３は、この第１光導波路層２の両端部（両端部近傍）表
面にそれぞれ形成されている。これらのグレーティング
３は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウ
ム、ＧａＡｓにより作られ、前記第１光導波路層２より
高い屈折率を有する。外周が傾斜した形状の第２光導波
路層４は、前記２つのグレーティング３の間に位置する
前記第１光導波路層２上に形成されている。この第２光
導波路層４は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸
リチウム、ＧａＡｓにより作られ、前記第１光導波路層
より高い屈折率を有する。
の基板１より高屈折率の第１光導波路層２が形成されて
いる。この第１光導波路層２は、例えばカリウム、ナト
リウム、銀等の高屈折率元素を前記ガラス成分とイオン
交換することにより形成される。２つのグレーティング
３は、この第１光導波路層２の両端部（両端部近傍）表
面にそれぞれ形成されている。これらのグレーティング
３は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウ
ム、ＧａＡｓにより作られ、前記第１光導波路層２より
高い屈折率を有する。外周が傾斜した形状の第２光導波
路層４は、前記２つのグレーティング３の間に位置する
前記第１光導波路層２上に形成されている。この第２光
導波路層４は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸
リチウム、ＧａＡｓにより作られ、前記第１光導波路層
より高い屈折率を有する。
【００１１】保護膜５は、前記グレーティング３を含む
前記第１光導波路層２上に形成され、かつ前記第２光導
波路層４上面に対応する部分に矩形状の開口部６が形成
されている。この保護膜５は、例えばフッ素樹脂のよう
な前記グレーティング３に比べて低屈折率を有する材料
から作られている。例えば黒色顔料から作られた迷光ト
ラッピング層７は、保護膜５の表面（前記開口部６の内
面を除く）に形成されている。
前記第１光導波路層２上に形成され、かつ前記第２光導
波路層４上面に対応する部分に矩形状の開口部６が形成
されている。この保護膜５は、例えばフッ素樹脂のよう
な前記グレーティング３に比べて低屈折率を有する材料
から作られている。例えば黒色顔料から作られた迷光ト
ラッピング層７は、保護膜５の表面（前記開口部６の内
面を除く）に形成されている。
【００１２】なお、前記基板１の屈折率をη1、第１光
導波路層２の屈折率をη2、グレーティング３の屈折率
をη3、第２光導波路層４の屈折率をη4および保護膜５
の屈折率をη5、とすると、それらの屈折率の大小関係
は、η4≧η3＞η2＞η1＞η5となる。
導波路層２の屈折率をη2、グレーティング３の屈折率
をη3、第２光導波路層４の屈折率をη4および保護膜５
の屈折率をη5、とすると、それらの屈折率の大小関係
は、η4≧η3＞η2＞η1＞η5となる。
【００１３】生体分子認識機能および情報変換機能を有
する機能膜８は、前記開口部６から露出した第２光導波
路層４表面部分に形成されている。例えばポリカーボネ
ートから作られる多孔質膜９は、前記開口部６から露出
した前記機能膜８上に形成されている。
する機能膜８は、前記開口部６から露出した第２光導波
路層４表面部分に形成されている。例えばポリカーボネ
ートから作られる多孔質膜９は、前記開口部６から露出
した前記機能膜８上に形成されている。
【００１４】パルス状の電界が印加されるメッシュ状導
電性薄膜１０は、前記多孔質膜９に直接接触するか、ま
たは所望の間隔をあけて対向配置されている。このメッ
シュ状導電性薄膜１０は、例えばチタンのスパッタ膜、
チタン薄板（エッチングプレート）等から作られる。
電性薄膜１０は、前記多孔質膜９に直接接触するか、ま
たは所望の間隔をあけて対向配置されている。このメッ
シュ状導電性薄膜１０は、例えばチタンのスパッタ膜、
チタン薄板（エッチングプレート）等から作られる。
【００１５】次に、前述した光導波路型バイオケミカル
センサを製造方法の一例を図２、図３を参照して説明す
る。
センサを製造方法の一例を図２、図３を参照して説明す
る。
【００１６】まず、図２の（ａ）に示すように例えばホ
ウケイ酸ガラスからなる基板１の表面を例えば３８０〜
４００℃の溶融硝酸カリウム、溶融硝酸ナトリウムのよ
うなイオン交換溶液に浸漬してカリウム、ナトリウム等
の高屈折率元素をイオン交換することにより第１光導波
路層２を形成した後、この第１光導波路層２上に例えば
酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓの
ような第１光導波路層より屈折率の高い材料の層１１を
例えばＣＶＤ法等により形成する。
ウケイ酸ガラスからなる基板１の表面を例えば３８０〜
４００℃の溶融硝酸カリウム、溶融硝酸ナトリウムのよ
うなイオン交換溶液に浸漬してカリウム、ナトリウム等
の高屈折率元素をイオン交換することにより第１光導波
路層２を形成した後、この第１光導波路層２上に例えば
酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓの
ような第１光導波路層より屈折率の高い材料の層１１を
例えばＣＶＤ法等により形成する。
【００１７】次いで、図２の（ｂ）に示すように前記層
１１をフォトエッチング技術でパターニングすることに
より前記第１光導波路層２の中央付近に外周が傾斜した
形状の第２光導波路層４を形成するとともに、前記第１
光導波路層２上に２つのグレーティング形成層１２を第
２光導波路層４の両側に隣接するように形成する。つづ
いて、これらグレーティング形成層１２をフォトエッチ
ング技術でパターニングすることにより図２の（Ｃ）に
示すように前記第１光導波路層２の両端付近上に２つの
グレーティング３を形成する。
１１をフォトエッチング技術でパターニングすることに
より前記第１光導波路層２の中央付近に外周が傾斜した
形状の第２光導波路層４を形成するとともに、前記第１
光導波路層２上に２つのグレーティング形成層１２を第
２光導波路層４の両側に隣接するように形成する。つづ
いて、これらグレーティング形成層１２をフォトエッチ
ング技術でパターニングすることにより図２の（Ｃ）に
示すように前記第１光導波路層２の両端付近上に２つの
グレーティング３を形成する。
【００１８】次いで、前記グレーティング３および第２
光導波路層４を含む第１光導波路層２上に例えば感光性
フッ素系樹脂のような前記グレーティング３に比べて低
屈折率を有する材料の被膜を塗布した後、露光、現像処
理を施すことにより図２の（ｄ）に示すように前記第２
光導波路層４の表面に対応する箇所に矩形状の開口部６
を有する感光性フッ素系樹脂からなる保護膜５を形成す
る。つづいて、図３の（ｅ）に示すように保護膜５の表
面（前記開口部６の内面を除く）に例えば顔料、色素入
り樹脂からなる迷光トラッピング層７をＣＶＤ法、スピ
ンコート法、真空蒸着法により形成する。
光導波路層４を含む第１光導波路層２上に例えば感光性
フッ素系樹脂のような前記グレーティング３に比べて低
屈折率を有する材料の被膜を塗布した後、露光、現像処
理を施すことにより図２の（ｄ）に示すように前記第２
光導波路層４の表面に対応する箇所に矩形状の開口部６
を有する感光性フッ素系樹脂からなる保護膜５を形成す
る。つづいて、図３の（ｅ）に示すように保護膜５の表
面（前記開口部６の内面を除く）に例えば顔料、色素入
り樹脂からなる迷光トラッピング層７をＣＶＤ法、スピ
ンコート法、真空蒸着法により形成する。
【００１９】次いで、図３の（ｆ）に示すように前記保
護膜５の開口部６から露出した前記第２光導波路層４表
面部分に生体分子認識機能および情報変換機能を有する
機能膜８を形成する。つづいて、図３の（ｇ）に示すよ
うに前記保護膜５の開口部６から露出した前記機能膜８
上に例えばゲルから作られる多孔質膜９を形成する。こ
の後、パルス状の電界が印加されるメッシュ状導電性薄
膜１０を前記多孔質膜９に直接接触するか、または所望
の間隔をあけて対向配置することにより前述した図１に
示す光導波路型バイオケミカルセンサを製造する。
護膜５の開口部６から露出した前記第２光導波路層４表
面部分に生体分子認識機能および情報変換機能を有する
機能膜８を形成する。つづいて、図３の（ｇ）に示すよ
うに前記保護膜５の開口部６から露出した前記機能膜８
上に例えばゲルから作られる多孔質膜９を形成する。こ
の後、パルス状の電界が印加されるメッシュ状導電性薄
膜１０を前記多孔質膜９に直接接触するか、または所望
の間隔をあけて対向配置することにより前述した図１に
示す光導波路型バイオケミカルセンサを製造する。
【００２０】前述した図１に示す光導波路型バイオケミ
カルセンサの作用を説明する。
カルセンサの作用を説明する。
【００２１】バイオケミカルセンサの生体分子認識機能
および情報変換機能を有する機能膜８に設けられた多孔
質膜９側に生体分子を含む検体を接触させ、この多孔質
膜９の前方に配置されたメッシュ状導電性薄膜１０に外
部から所望のパルス状電界を印加すると、前記検体中の
生体分子が前記多孔質膜９を通して前記機能膜８に効率
よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。この
生体分子は、前記機能膜８との間でバイオケミカル反応
がなされる。このような状態で、図１に示すように光源
２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受
光素子のような検出器２２をそれぞれバイオケミカルセ
ンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、前記光源
２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通して前記バイ
オケミカルセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレ
ーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波
路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播
される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、こ
の第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４と
の界面で２つのモード（Ｔモード、ＴＥモード）に分割
され、各光導波路層２，４を伝播する。このとき、生体
分子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８にお
ける前記検体中の生体分子のバイオケミカル反応に基づ
く変化（例えば吸光度変化）によりこの機能膜８直下の
第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。この
ように第１、第２の光導波路層２，４を伝播した光は、
検出器２２側端付近においてそれら光導波路層２，４の
界面で再び結合、干渉するため、前記第２光導波路層４
を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、前記
機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル反
応に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化
も偏光フィルタ２４を通して前記検出器２２で検出する
ことが可能になる。
および情報変換機能を有する機能膜８に設けられた多孔
質膜９側に生体分子を含む検体を接触させ、この多孔質
膜９の前方に配置されたメッシュ状導電性薄膜１０に外
部から所望のパルス状電界を印加すると、前記検体中の
生体分子が前記多孔質膜９を通して前記機能膜８に効率
よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。この
生体分子は、前記機能膜８との間でバイオケミカル反応
がなされる。このような状態で、図１に示すように光源
２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受
光素子のような検出器２２をそれぞれバイオケミカルセ
ンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、前記光源
２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通して前記バイ
オケミカルセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレ
ーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波
路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播
される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、こ
の第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４と
の界面で２つのモード（Ｔモード、ＴＥモード）に分割
され、各光導波路層２，４を伝播する。このとき、生体
分子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８にお
ける前記検体中の生体分子のバイオケミカル反応に基づ
く変化（例えば吸光度変化）によりこの機能膜８直下の
第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。この
ように第１、第２の光導波路層２，４を伝播した光は、
検出器２２側端付近においてそれら光導波路層２，４の
界面で再び結合、干渉するため、前記第２光導波路層４
を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、前記
機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル反
応に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化
も偏光フィルタ２４を通して前記検出器２２で検出する
ことが可能になる。
【００２２】したがって、図１に示す構造の第１実施形
態の光導波路型バイオケミカルセンサによれば、生体分
子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８の前方
にメッシュ状導電性薄膜１０を配置し、この導電性薄膜
１０に外部から所望のパルス状電界を印加することによ
り検体中の生体分子を前記機能膜８に効率よく抽出す
る、いわゆる微浸襲作用を図ることができ、かつ光導波
路を第１、第２の光導波路層２，４により構成して前記
機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル反
応に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化
もそれらの層２，４界面での検出できるため、前記検体
中の極微量の生体分子を高感度で分析することができ
る。
態の光導波路型バイオケミカルセンサによれば、生体分
子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８の前方
にメッシュ状導電性薄膜１０を配置し、この導電性薄膜
１０に外部から所望のパルス状電界を印加することによ
り検体中の生体分子を前記機能膜８に効率よく抽出す
る、いわゆる微浸襲作用を図ることができ、かつ光導波
路を第１、第２の光導波路層２，４により構成して前記
機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル反
応に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化
もそれらの層２，４界面での検出できるため、前記検体
中の極微量の生体分子を高感度で分析することができ
る。
【００２３】また、図１に示すようにグレーティング３
を含む前記第１光導波路層２上に保護膜５を形成するこ
とによって、前記第１光導波路層２およびグレーティン
グ３を外部圧力が直接加わるのを防止できる。このた
め、前記第１光導波路層２およびグレーティング３に外
部圧力が直接加わることに伴うそれら部材の屈折率変化
によって、その第１光導波路層２を伝播する光が外部に
漏れるのを防止できる。しかも、保護膜５を前記第１光
導波路層２に比べて低屈折率材料で形成することによっ
て、その第１光導波路層２を伝播する光を第１光導波路
層２と保護膜５との界面で効果的に反射させて第１光導
波路層２内に封じ込めることができるため、前記第１光
導波路層２から光が外部に漏れるのを防止できる。その
結果、検体中の極微量の生体分子をより高感度で分析す
ることが可能になる。
を含む前記第１光導波路層２上に保護膜５を形成するこ
とによって、前記第１光導波路層２およびグレーティン
グ３を外部圧力が直接加わるのを防止できる。このた
め、前記第１光導波路層２およびグレーティング３に外
部圧力が直接加わることに伴うそれら部材の屈折率変化
によって、その第１光導波路層２を伝播する光が外部に
漏れるのを防止できる。しかも、保護膜５を前記第１光
導波路層２に比べて低屈折率材料で形成することによっ
て、その第１光導波路層２を伝播する光を第１光導波路
層２と保護膜５との界面で効果的に反射させて第１光導
波路層２内に封じ込めることができるため、前記第１光
導波路層２から光が外部に漏れるのを防止できる。その
結果、検体中の極微量の生体分子をより高感度で分析す
ることが可能になる。
【００２４】さらに、迷光トラッピング層７を前記保護
膜５の表面（開口部６の内面を除く）に形成することに
よって、第１光導波路層２を伝播する光が前記保護膜５
との界面から保護膜５側に漏れた場合、その漏光を迷光
トラッピング層７でトラップすることができる。
膜５の表面（開口部６の内面を除く）に形成することに
よって、第１光導波路層２を伝播する光が前記保護膜５
との界面から保護膜５側に漏れた場合、その漏光を迷光
トラッピング層７でトラップすることができる。
【００２５】すなわち、第１光導波路層２を伝播する光
が前記保護膜５との界面から保護膜５側に漏れると、前
記保護膜５表面と外界（空気）との屈折率の差により前
記漏光は保護膜５表面で全反射して第２光導波路層４に
迷光として入射されるため、前述した検体中の生体分子
の検出感度を低下させる。これに対し、前記迷光トラッ
ピング層７を前記保護膜５の表面に形成することによっ
て、前記漏光が保護膜５表面で全反射することなくトラ
ッピング層７でトラップできるため、その漏光が第２光
導波路層４に迷光として入射するのを防止でき、検体中
の生体分子をより高感度で分析することが可能になる。
が前記保護膜５との界面から保護膜５側に漏れると、前
記保護膜５表面と外界（空気）との屈折率の差により前
記漏光は保護膜５表面で全反射して第２光導波路層４に
迷光として入射されるため、前述した検体中の生体分子
の検出感度を低下させる。これに対し、前記迷光トラッ
ピング層７を前記保護膜５の表面に形成することによっ
て、前記漏光が保護膜５表面で全反射することなくトラ
ッピング層７でトラップできるため、その漏光が第２光
導波路層４に迷光として入射するのを防止でき、検体中
の生体分子をより高感度で分析することが可能になる。
【００２６】さらに、生体分子認識機能および情報変換
機能を有する機能膜８を多孔質膜９で覆うことによっ
て、前記機能膜８に対する検体中の不純物の影響、つま
り機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル
反応に基づく変化によりこの機能膜８直下の第２光導波
路層４を伝播する光の強度変化に対して作用する外乱を
低減でき、検体中の極微量の生体分子をより一層高感度
で分析することが可能になる。
機能を有する機能膜８を多孔質膜９で覆うことによっ
て、前記機能膜８に対する検体中の不純物の影響、つま
り機能膜８における検体中の生体分子のバイオケミカル
反応に基づく変化によりこの機能膜８直下の第２光導波
路層４を伝播する光の強度変化に対して作用する外乱を
低減でき、検体中の極微量の生体分子をより一層高感度
で分析することが可能になる。
【００２７】なお、前述した第１実施形態では単一の機
能膜を用いたが、図４に示すように第２光導波路層４上
に形成された情報変換機能を有する第１機能膜８1とこ
の第１機能膜８1上に形成された生体分子認識機能を有
する第２機能膜８2とに分割して構成してもよい。
能膜を用いたが、図４に示すように第２光導波路層４上
に形成された情報変換機能を有する第１機能膜８1とこ
の第１機能膜８1上に形成された生体分子認識機能を有
する第２機能膜８2とに分割して構成してもよい。
【００２８】また、前述した第１実施形態ではパルス状
の電界を印加しているが、このパルス状電界に代えて、
直流電流を印加することも可能である。
の電界を印加しているが、このパルス状電界に代えて、
直流電流を印加することも可能である。
【００２９】（第２実施形態）図５は、この第２実施形
態に用いられる光導波路型バイオケミカルセンサを示す
断面図である。なお、図５において前述した第１実施形
態で説明した図１と同様な部材は同符号を付して説明を
省略する。
態に用いられる光導波路型バイオケミカルセンサを示す
断面図である。なお、図５において前述した第１実施形
態で説明した図１と同様な部材は同符号を付して説明を
省略する。
【００３０】図５に示す光導波路型バイオケミカルセン
サは、２つのグレーティング３の間に位置する第１光導
波路層２上にこの第１光導波路層２より高屈折率の導電
性材料、例えば酸化錫（ＳｎＯ2）、インジウム錫酸化
物（ＩＴＯ）から作られる第２光導波路層１３を形成
し、かつこの第２光導波路層１３に所望のパルス状の電
界を印加する構造を有する。ただし、パルス状電界に代
えて、直流電流を印加することも可能である。
サは、２つのグレーティング３の間に位置する第１光導
波路層２上にこの第１光導波路層２より高屈折率の導電
性材料、例えば酸化錫（ＳｎＯ2）、インジウム錫酸化
物（ＩＴＯ）から作られる第２光導波路層１３を形成
し、かつこの第２光導波路層１３に所望のパルス状の電
界を印加する構造を有する。ただし、パルス状電界に代
えて、直流電流を印加することも可能である。
【００３１】このような構成の光導波路型バイオケミカ
ルセンサにおいて、その生体分子認識機能および情報変
換機能を有する機能膜８に設けられた多孔質膜９側に生
体分子を含む検体を接触させ、この多孔質膜９の後方に
配置された導電性材料から作られる第２光導波路層１３
に外部から所望のパルス状電界を印加すると、前記検体
中の生体分子が前記多孔質膜９を通して前記機能膜８に
効率よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。
この生体分子は、前記機能膜８との間でバイオケミカル
反応がなされる。このような状態で、図５に示すように
光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）およ
び受光素子のような検出器２２をそれぞれバイオケミカ
ルセンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、前記
光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通して前記
バイオケミカルセンサの基板１裏面側に入射すると、そ
のレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光
導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を
伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光
は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路
層１３との界面で２つのモード（Ｔモード、ＴＥモー
ド）に分割され、各光導波路層２，４を伝播する。この
とき、生体分子認識機能および情報変換機能を有する機
能膜８における前記検体中の生体分子のバイオケミカル
反応に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの機能
膜８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化
する。このように第１、第２の光導波路層２，１３を伝
播した光は、検出器２２側端付近においてそれら光導波
路層２，１３の界面で再び結合、干渉するため、前記第
２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。
その結果、前記機能膜８における検体中の生体分子のバ
イオケミカル反応に基づく第２光導波路層１３を伝播す
る光の極微な変化も偏光フィルタ２４を通して前記検出
器２２で検出することが可能になる。
ルセンサにおいて、その生体分子認識機能および情報変
換機能を有する機能膜８に設けられた多孔質膜９側に生
体分子を含む検体を接触させ、この多孔質膜９の後方に
配置された導電性材料から作られる第２光導波路層１３
に外部から所望のパルス状電界を印加すると、前記検体
中の生体分子が前記多孔質膜９を通して前記機能膜８に
効率よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。
この生体分子は、前記機能膜８との間でバイオケミカル
反応がなされる。このような状態で、図５に示すように
光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）およ
び受光素子のような検出器２２をそれぞれバイオケミカ
ルセンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、前記
光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通して前記
バイオケミカルセンサの基板１裏面側に入射すると、そ
のレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光
導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を
伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光
は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路
層１３との界面で２つのモード（Ｔモード、ＴＥモー
ド）に分割され、各光導波路層２，４を伝播する。この
とき、生体分子認識機能および情報変換機能を有する機
能膜８における前記検体中の生体分子のバイオケミカル
反応に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの機能
膜８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化
する。このように第１、第２の光導波路層２，１３を伝
播した光は、検出器２２側端付近においてそれら光導波
路層２，１３の界面で再び結合、干渉するため、前記第
２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。
その結果、前記機能膜８における検体中の生体分子のバ
イオケミカル反応に基づく第２光導波路層１３を伝播す
る光の極微な変化も偏光フィルタ２４を通して前記検出
器２２で検出することが可能になる。
【００３２】したがって、図５に示す構造の第２実施形
態の光導波路型バイオケミカルセンサによれば、生体分
子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８の後方
に位置する第２光導波路層１３を導電性材料から作り、
この第２光導波路膜１３に外部から所望のパルス状電界
を印加することにより検体中の生体分子を前記機能膜８
に効率よく抽出する、いわゆる微浸襲作用を図ることが
でき、かつ光導波路を第１、第２の光導波路層２，１３
により構成して前記機能膜８における検体中の生体分子
のバイオケミカル反応に基づく第２光導波路層１３を伝
播する光の極微な変化もそれらの層２，１３界面での検
出できるため、前記検体中の生体分子が極微量であって
も、その量を高精度で測定することができる。
態の光導波路型バイオケミカルセンサによれば、生体分
子認識機能および情報変換機能を有する機能膜８の後方
に位置する第２光導波路層１３を導電性材料から作り、
この第２光導波路膜１３に外部から所望のパルス状電界
を印加することにより検体中の生体分子を前記機能膜８
に効率よく抽出する、いわゆる微浸襲作用を図ることが
でき、かつ光導波路を第１、第２の光導波路層２，１３
により構成して前記機能膜８における検体中の生体分子
のバイオケミカル反応に基づく第２光導波路層１３を伝
播する光の極微な変化もそれらの層２，１３界面での検
出できるため、前記検体中の生体分子が極微量であって
も、その量を高精度で測定することができる。
【００３３】また、図５に示す光導波路型バイオケミカ
ルセンサは第１光導波路層２上にこの第１光導波路層２
に比べて低屈折率の保護膜５を形成したり、前記保護膜
５の表面に迷光トラッピング層７を形成したり、あるい
は生体分子認識機能および情報変換機能を有する機能膜
８を多孔質膜９で覆ったりすることによって、前述した
第１実施形態と同様な効果を発現することができる。
ルセンサは第１光導波路層２上にこの第１光導波路層２
に比べて低屈折率の保護膜５を形成したり、前記保護膜
５の表面に迷光トラッピング層７を形成したり、あるい
は生体分子認識機能および情報変換機能を有する機能膜
８を多孔質膜９で覆ったりすることによって、前述した
第１実施形態と同様な効果を発現することができる。
【００３４】なお、前述した第２実施形態では単一の機
能膜を用いたが、図６に示すように第２光導波路層１３
上に形成された情報変換機能を有する第１機能膜８1と
この第１機能膜８1上に形成された生体分子認識機能を
有する第２機能膜８2とに分割して構成してもよい。
能膜を用いたが、図６に示すように第２光導波路層１３
上に形成された情報変換機能を有する第１機能膜８1と
この第１機能膜８1上に形成された生体分子認識機能を
有する第２機能膜８2とに分割して構成してもよい。
【００３５】
【発明の効果】以上詳述したように本発明によれば、検
体中の極微量の血液、体液等の生体分子を高感度で分析
することが可能な光導波路型バイオケミカルセンサを提
供することができる。
体中の極微量の血液、体液等の生体分子を高感度で分析
することが可能な光導波路型バイオケミカルセンサを提
供することができる。
【図１】本発明の第１実施形態に用いられる光導波路型
バイオケミカルセンサを示す断面図。
バイオケミカルセンサを示す断面図。
【図２】図１の光導波路型バイオケミカルセンサの製造
工程を示す断面図。
工程を示す断面図。
【図３】図１の光導波路型バイオケミカルセンサの製造
工程を示す断面図。
工程を示す断面図。
【図４】本発明の第１実施形態に用いられる光導波路型
バイオケミカルセンサの他の形態を示す断面図。
バイオケミカルセンサの他の形態を示す断面図。
【図５】本発明の第２実施形態に用いられる光導波路型
バイオケミカルセンサを示す断面図。
バイオケミカルセンサを示す断面図。
【図６】本発明の第２実施形態に用いられる光導波路型
バイオケミカルセンサの他の形態を示す断面図。
バイオケミカルセンサの他の形態を示す断面図。
１…基板、
２…第１光導波路層、
３…グレーティング、
４，１３…第２光導波路層、
５…保護膜、
７…迷光トラッピング層、
８，８1，８2…機能膜、
９…多孔質膜、
１０…メッシュ状導電性薄膜、
２１…光源、
２２…検出器、
２３，２４…偏光フィルタ。
フロントページの続き
(72)発明者 東野 一郎
神奈川県横浜市磯子区新磯子町33番地 株
式会社東芝生産技術センター内
Ｆターム(参考） 2G059 AA01 BB12 CC16 DD04 DD15
EE01 EE02 GG01 GG04 HH02
HH06 JJ05 JJ17 JJ19 KK01
PP10
Claims (5)
- 【請求項１】 基板と、 前記基板表面に形成された第１光導波路層と、 前記第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成された
グレーティングと、 前記グレーティングの間に位置する前記第１光導波路層
上に形成され、この第１光導波路層より高屈折率を有す
る第２光導波路層と、 前記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能お
よび情報変換機能を有する機能膜とを具備し、 電界が印加されるメッシュ状導電性薄膜は、前記機能膜
に対して所望の間隔をあけて対向配置されることを特徴
とする光導波路型バイオケミカルセンサ。 - 【請求項２】 基板と、 前記基板表面に形成された第１光導波路層と、 前記第１光導波路層の両端部表面にそれぞれ形成された
グレーティングと、 前記グレーティングの間に位置する前記第１光導波路層
上に形成され、この第１光導波路層より高屈折率を有す
る第２光導波路層と、 前記第２光導波路層上に形成された生体分子認識機能お
よび情報変換機能を有する機能膜とを具備し、 前記第２光導波路層は、導電性材料から作られると共に
電界が印加されることを特徴とする光導波路型バイオケ
ミカルセンサ。 - 【請求項３】 前記第1光導波路層に比べて低屈折率を
有する保護膜は、さらに前記グレーティングを含む前記
第１光導波路層上に前記機能膜が露出するように形成さ
れることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路
型バイオケミカルセンサ。 - 【請求項４】 迷光トラッピング層は、さらに前記保護
膜上に形成されることを特徴とする請求項３記載の光導
波路型バイオケミカルセンサ。 - 【請求項５】 多孔質膜は、さらに前記機能膜上に形成
されることを特徴とする請求項１ないし４いずれか記載
の光導波路型バイオケミカルセンサ。
Priority Applications (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001358333A JP3586237B2 (ja) | 2001-11-22 | 2001-11-22 | 光導波路型バイオケミカルセンサ |
| US10/302,685 US6903815B2 (en) | 2001-11-22 | 2002-11-22 | Optical waveguide sensor, device, system and method for glucose measurement |
| US11/052,731 US7054514B2 (en) | 2001-11-22 | 2005-02-07 | Optical waveguide sensor, device, system and method for glucose measurement |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001358333A JP3586237B2 (ja) | 2001-11-22 | 2001-11-22 | 光導波路型バイオケミカルセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JP2003156432A true JP2003156432A (ja) | 2003-05-30 |
| JP3586237B2 JP3586237B2 (ja) | 2004-11-10 |
Family
ID=19169528
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP2001358333A Expired - Fee Related JP3586237B2 (ja) | 2001-11-22 | 2001-11-22 | 光導波路型バイオケミカルセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3586237B2 (ja) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2004247458A (ja) * | 2003-02-13 | 2004-09-02 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 受発光装置およびその製造方法 |
| KR100770833B1 (ko) * | 2006-03-09 | 2007-10-26 | 삼성전자주식회사 | 광센서 모듈 |
| WO2011111472A1 (ja) * | 2010-03-08 | 2011-09-15 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体 |
| JP2020509385A (ja) * | 2017-03-01 | 2020-03-26 | ラジオメーター・メディカル・アー・ペー・エス | ナノサイズのフィルタを伴う平面状導波路デバイス |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP5268981B2 (ja) * | 2010-03-24 | 2013-08-21 | 株式会社東芝 | 光学式センサ |
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| JPH0272873A (ja) * | 1988-02-04 | 1990-03-13 | Otsuka Shokuhin Kogyo Kk | ヌクレオシドオキシダーゼ及びこれを利用した分析法 |
| JPH05142142A (ja) * | 1991-11-18 | 1993-06-08 | Hitachi Ltd | 分光光度計 |
| JPH05332937A (ja) * | 1992-05-27 | 1993-12-17 | Olympus Optical Co Ltd | オプティカルイオンセンサー |
| JPH06167443A (ja) * | 1992-10-23 | 1994-06-14 | Olympus Optical Co Ltd | 表面プラズモン共鳴を利用した測定装置 |
| JPH0961346A (ja) * | 1995-08-25 | 1997-03-07 | Nec Corp | 平面光導波路型バイオケミカルセンサ |
| JPH11271217A (ja) * | 1998-03-20 | 1999-10-05 | Hoechst Reseach & Technology Kk | 光学的センサ |
| WO2000019203A1 (en) * | 1998-09-26 | 2000-04-06 | The Secretary Of State For Defence | Diagnostic method |
| JP2000146836A (ja) * | 1998-11-12 | 2000-05-26 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | エバネセント波の透過現象を利用する屈折率測定法およびその測定装置 |
| JP2001183292A (ja) * | 1999-12-24 | 2001-07-06 | Toto Ltd | 表面プラズモン共鳴を利用したセンサ素子、およびその製造方法 |
| JP2001194298A (ja) * | 1999-10-28 | 2001-07-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 表面プラズモン共鳴酵素センサーおよび表面プラズモン共鳴の測定方法 |
-
2001
- 2001-11-22 JP JP2001358333A patent/JP3586237B2/ja not_active Expired - Fee Related
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JPH05142142A (ja) * | 1991-11-18 | 1993-06-08 | Hitachi Ltd | 分光光度計 |
| JPH05332937A (ja) * | 1992-05-27 | 1993-12-17 | Olympus Optical Co Ltd | オプティカルイオンセンサー |
| JPH06167443A (ja) * | 1992-10-23 | 1994-06-14 | Olympus Optical Co Ltd | 表面プラズモン共鳴を利用した測定装置 |
| JPH0961346A (ja) * | 1995-08-25 | 1997-03-07 | Nec Corp | 平面光導波路型バイオケミカルセンサ |
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| JP2001194298A (ja) * | 1999-10-28 | 2001-07-19 | Nippon Telegr & Teleph Corp <Ntt> | 表面プラズモン共鳴酵素センサーおよび表面プラズモン共鳴の測定方法 |
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| WO2011111472A1 (ja) * | 2010-03-08 | 2011-09-15 | コニカミノルタホールディングス株式会社 | 表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体 |
| JPWO2011111472A1 (ja) * | 2010-03-08 | 2013-06-27 | コニカミノルタ株式会社 | 表面プラズモン増強蛍光測定装置及びチップ構造体 |
| JP2020509385A (ja) * | 2017-03-01 | 2020-03-26 | ラジオメーター・メディカル・アー・ペー・エス | ナノサイズのフィルタを伴う平面状導波路デバイス |
| US11255780B2 (en) | 2017-03-01 | 2022-02-22 | Radiometer Medical Aps | Planar waveguide device with nano-sized filter |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3586237B2 (ja) | 2004-11-10 |
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