JP2006105670A - Surface plasmon resonance sensor probe and manufacturing method therefor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、表面プラズモン共鳴現象を利用して被測定試料の反応や濃度変化などを検出することのできる表面プラズモン共鳴センサプローブ、及びその製造方法に関する。 The present invention relates to a surface plasmon resonance sensor probe that can detect a reaction of a sample to be measured, a concentration change, and the like using a surface plasmon resonance phenomenon, and a method for manufacturing the same.
抗原抗体反応をノンラベル、且つリアルタイムでモニタリングできるセンサーとして表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance:SPR)を利用して生体内で起こるさまざまな分子間相互作用を電気的に解析するセンサーが開発されている。このSPRを利用したセンサーは、センサー表面の表面状態(屈折率)に敏感なため、センサー表面で起こる反応をリアルタイムで検出できると共に、センサー表面と接する媒体(ガス、液体)などの成分の種類や濃度の違いによる微量な変化を検出できることから、物質の同定や物質濃度の測定用センサーとしての応用も期待されている。 As a sensor that can monitor an antigen-antibody reaction in a non-labeled manner in real time, a sensor that electrically analyzes various molecular interactions occurring in a living body using surface plasmon resonance (SPR) has been developed. Since the sensor using this SPR is sensitive to the surface state (refractive index) of the sensor surface, the reaction occurring on the sensor surface can be detected in real time, and the types of components such as a medium (gas, liquid) in contact with the sensor surface Because it can detect minute changes due to differences in concentration, it is also expected to be used as a sensor for substance identification and substance concentration measurement.
図9は、最も一般的なSPRを利用したセンサーである。このセンサーは、ガラス基板101上に金(Au)を蒸着等で堆積させ、この金属薄膜102上に被測定試料として例えばタンパク質、ペプチド、DNA、ホルモン等の有機化合物(媒質103(屈折率n))が固定化されている。この媒質103が固定化された金属薄膜102の面を表面とし、その裏面から入射角θでガラス基板101にレーザ光を入射し、その反射光量を受光素子(図示せず)で測定する。媒質103が反応したときのみ、光の反射光が急峻に減衰するため、この反射光を測定することで反応の有無を知ることができる。 FIG. 9 shows a sensor using the most common SPR. In this sensor, gold (Au) is deposited on a glass substrate 101 by vapor deposition or the like, and an organic compound (medium 103 (refractive index n)) such as protein, peptide, DNA, hormone, etc. is used as a sample to be measured on the metal thin film 102. ) Is fixed. The surface of the metal thin film 102 on which the medium 103 is fixed is used as a front surface, laser light is incident on the glass substrate 101 from the back surface at an incident angle θ, and the amount of reflected light is measured by a light receiving element (not shown). Only when the medium 103 reacts, the reflected light of the light abruptly attenuates. Therefore, the presence or absence of the reaction can be known by measuring the reflected light.
この現象は、ガラス基板101の裏面からレーザ光を入射すると、ガラス基板101と金属薄膜102の境界面にエバネッセント波が発生し、このエバネッセント波により金属薄膜102と媒質103の境界面に表面プラズモンが励起され、エバネッセント波の平面方向の波数と表面プラズモンの平面方向の波数が一致したとき共鳴現象として生じるものである。 In this phenomenon, when laser light is incident from the back surface of the glass substrate 101, an evanescent wave is generated at the interface between the glass substrate 101 and the metal thin film 102, and surface plasmons are generated at the interface between the metal thin film 102 and the medium 103 due to the evanescent wave. When excited, the wave number in the plane direction of the evanescent wave and the wave number in the plane direction of the surface plasmon coincide with each other as a resonance phenomenon.
従って、媒質103上で抗原抗体反応が起こると、媒質103の誘電率εが変化して、共鳴現象が起き共鳴角度も変化する。これに伴い屈折率も変化するので、反射光を測定することで反応の有無を知ることができる。 Therefore, when an antigen-antibody reaction occurs on the medium 103, the dielectric constant ε of the medium 103 changes, a resonance phenomenon occurs, and the resonance angle also changes. Since the refractive index also changes with this, the presence or absence of reaction can be known by measuring the reflected light.
これを利用して、センサー表面に溶液を流しながら、選択的にサンプルを混入することで共鳴角度の変化を経時的に測定して分子間相互作用を解析することができる。 By utilizing this, it is possible to analyze the intermolecular interaction by measuring the change in resonance angle over time by selectively mixing the sample while flowing the solution on the sensor surface.
ここで一例として、任意のタンパク質を金属薄膜102上に固定し、このレセプターと作用するリガンドアッセイをセンサー表面に流すと、共鳴角度が大きく変化する。このような現象を利用して、様々なタンパク質や化合物の群からレセプタ・リガンドの対を調査したり、組合せの反応速度を解析することができる。 Here, as an example, when an arbitrary protein is immobilized on the metal thin film 102 and a ligand assay that acts on this receptor flows on the sensor surface, the resonance angle changes greatly. Using such a phenomenon, it is possible to investigate receptor / ligand pairs from various protein and compound groups, and to analyze the reaction rate of the combination.
しかし、こうしたSPRセンサーは2次元の薄膜を利用するものであるため、測定のための光学系が複雑になり、装置が大型化すると共に高価になるなどの問題がある。そこで、近年、こうした問題を解決するものとして、光ファイバを用いたセンサーが開発されている。この光ファイバを用いたセンサとしては、反射型(例えば、特許文献1)と、透過型(例えば、特許文献2、3)とがある。
However, since such an SPR sensor uses a two-dimensional thin film, there is a problem that an optical system for measurement becomes complicated, and the apparatus becomes large and expensive. Therefore, in recent years, sensors using optical fibers have been developed as solutions to such problems. As a sensor using this optical fiber, there are a reflection type (for example, Patent Document 1) and a transmission type (for example,
図10(a)、(b)、及び図11に示すセンサーは、透過型のセンサーの一例である。図10(a)に示すバイオセンサー110aは、2種類の異なるコア径を有する光ファイバを接続し、センサー部分となる光ファイバの外周に金属薄膜層を設けたものである。即ち、コア111とクラッド112からなる第1の光ファイバと、コア113とクラッド114からなる第2の光ファイバを用意し、第2の光ファイバの両端に第1の光ファイバを融着接続し、この融着接続部と第2の光ファイバの外周に金属薄膜115が設けられた構成を有している。
The sensors shown in FIGS. 10A, 10B, and 11 are examples of transmissive sensors. The
この構成によれば、金属薄膜115上に被測定試料を配置し、光ファイバに検査光を入射すると、クラッド114と金属薄膜115の境界面116にエバネッセント波が発生し、このエバネッセント波により被測定試料と金属薄膜115の境界面に表面プラズモンが発生する。そしてこれらの波数の一致により共鳴現象が起き共鳴角度が変化する。これに伴い屈折率も変化するので、この特性から反応の有無を知ることができる。またこの構成によれば、屈折率特性の変化から被測定試料の濃度を検出できる他、簡単且つ容易な製造方法でバイオセンサーを実現することができるという利点がある。
According to this configuration, when a sample to be measured is arranged on the metal
また図10(b)に示すバイオセンサー110bは、長尺の光ファイバのクラッド層112の一部を除去してコア111を露出させ、このコア111の表面に金属薄膜115を設けたものである。このようなバイオセンサー110bも上記バイオセンサー110aと同様に、被測定試料と金属薄膜115の境界面で発生した表面プラズモン共鳴現象により、所定の入射角に対する反射光強度が減衰するため、この減衰特性から被測定試料の屈折率を知ることができ、ひいては抗原抗体反応の有無を知ることができる。
In addition, the
また図11に示すバイオセンサー120は、長尺の光ファイバ121のクラッド層の一部を除去してコアを露出させ、露出したコアファイバ部を金属層122で被覆して検出部を形成し、この検出部に生化学反応測定用の試料を載置して、光ファイバ121の端からレーザ光を入射させた際に検出部の金属層122に励起されるプラズモン共鳴を利用して試料における生化学反応の有無を検出するものである。この構成によれば、単純な構造で精度良く生化学反応の有無を判定することができる。
Further, the
一方、反射型のセンサーとしては、図12に示すバイオセンサー130がある。このセンサー130は、コアファイバ部134とこの外周を覆うクラッド層133で構成される光ファイバであって、この光ファイバの先端クラッド層133が除去され、これにより露出したコアファイバ部134の外周に金属層135が設けられている。この金属層135の外周には更に光ファイバの軸方向と平行に、被検出対象に対して感受性を有する感受性誘電体層132と非感受性誘電体層131が設けられている。
On the other hand, as a reflective sensor, there is a
この構成によれば、図10、図11に示した透過型のセンサーと同様に、感受性誘電体層132に抗原や抗体を固定化しておくことで、被検査試料が反応した場合にプラズモン共鳴による反射光強度が変化するので、この変化から被測定試料の屈折率を知ることができ、ひいては抗原抗体反応の有無を知ることができる。また、透過型のセンサーに比べてセンサー部分を小さくすることができるという利点がある。
上述したように、バイオセンサーに関する多数の提案が既になされているが、図10及び図11に示した透過型のバイオセンサー110a,110b及び120は、金属薄膜115が設けられた検査部の直線状態を維持して検査する必要があり検査部が大きくなるという問題がある。また検査部を覆う特別な測定容器が必要となるので、装置全体が大型化するという問題もある。
As described above, many proposals relating to biosensors have already been made, but the transmission-
このように検査部分が大きいと、例えば試験管内の液体試料を検査したい場合や、人体内部に挿入して検査を行いたい場合に、センサーを挿入できず使用範囲が限られる。 When the inspection portion is large in this way, for example, when it is desired to inspect a liquid sample in a test tube or when the inspection is performed by inserting the sample into a human body, the sensor cannot be inserted and the use range is limited.
一方、図12に示した反射型のバイオセンサー130は、コアファイバ部134内で複数回反射されたレーザ光を検出するため、光強度の測定が困難であり、プラズモン共鳴による光吸収がどのような条件で生じているのか判定しにくいという問題もある。
On the other hand, since the
更に光ファイバの出射端から出力された光を検出する検出素子として、ビームスプリッタやカプラ等が必要になるため、これら検出素子を利用することにより生じる光減衰に伴う感度の低下や、装置全体が小型化できないという問題がある。 Furthermore, since a beam splitter, a coupler, or the like is required as a detection element for detecting light output from the output end of the optical fiber, the sensitivity is reduced due to light attenuation caused by using these detection elements, and the entire apparatus is There is a problem that it cannot be miniaturized.
本発明は、上述したような従来技術の問題を解決するためになされたもので、その目的は、センサー部を小型化すると共に装置全体を簡単な構成で実現し、且つ高感度測定が可能な表面プラズモン共鳴センサプローブ、表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法を提供することにある。 The present invention has been made to solve the above-described problems of the prior art. The object of the present invention is to reduce the size of the sensor unit, realize the entire apparatus with a simple configuration, and enable high-sensitivity measurement. The object is to provide a surface plasmon resonance sensor probe and a method of manufacturing the surface plasmon resonance sensor probe.
上記目的を解決するために、請求項1記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、コアとクラッドからなる光ファイバをU字型に曲げてなる湾曲部のコアが露出され、この露出部に導電性金属の薄膜が形成されてなる検出部を有することを要旨とする。 In order to solve the above-mentioned object, the surface plasmon resonance sensor probe according to the first aspect of the present invention has a curved core formed by bending an optical fiber comprising a core and a clad into a U shape, and the exposed portion. The gist of the present invention is to have a detection part formed with a thin film of conductive metal.
請求項2記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、 請求項1記載の表面プラズモン共鳴センサプローブであって、湾曲部は、光ファイバを軟化溶融させて形成したものであることを要旨とする。 A surface plasmon resonance sensor probe according to a second aspect of the present invention is the surface plasmon resonance sensor probe according to the first aspect, wherein the bending portion is formed by softening and melting an optical fiber. To do.
請求項3記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、 請求項1又は2記載の表面プラズモン共鳴センサプローブであって、検出部は、湾曲部と湾曲部に続く所定長さの直線部とからなることを要旨とする。
The surface plasmon resonance sensor probe according to the present invention described in
請求項4記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、請求項1記載の表面プラズモン共鳴センサプローブであって、光ファイバは、コアの外径が10μm以下であり、クラッドの外径がコアの外径の3倍以下であることを要旨とする。 A surface plasmon resonance sensor probe according to a fourth aspect of the present invention is the surface plasmon resonance sensor probe according to the first aspect, wherein the optical fiber has an outer diameter of the core of 10 μm or less and an outer diameter of the cladding is the core. The gist is that it is 3 times or less of the outer diameter of the.
請求項5記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、請求項1乃至3の何れか1項に記載の表面プラズモン共鳴センサプローブであって、湾曲部は、この湾曲部を中心に180度方向に折り返した構成を有し、この光ファイバの入射端面と出射端面が同一面に位置すること要旨とする。 A surface plasmon resonance sensor probe according to a fifth aspect of the present invention is the surface plasmon resonance sensor probe according to any one of the first to third aspects, wherein the bending portion is 180 degrees around the bending portion. The gist of the present invention is that the optical fiber has a configuration folded in the direction, and the incident end face and the outgoing end face of the optical fiber are located on the same plane.
請求項6記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、本発明の表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法は、コアとクラッドからなる光ファイバを軟化溶融させてU字型に曲げ加工する曲げ加工工程と、U字型に曲げ加工された湾曲部を少なくとも含む光ファイバをエッチング液に浸漬して、クラッド層を除去するクラッド層除去工程と、クラッド層の除去により露出したコアの表面に導電性材料の薄層を形成する導電性金属の被覆工程とを有することを要旨とする。 The surface plasmon resonance sensor probe according to the present invention described in claim 6 is a method of manufacturing a surface plasmon resonance sensor probe according to the present invention, wherein the optical fiber comprising a core and a clad is softened and melted and bent into a U shape. A step of removing a clad layer by immersing an optical fiber including at least a bent portion bent into a U shape in an etching solution, and removing the clad layer; And a conductive metal coating step for forming a thin layer of material.
請求項7記載の本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブは、請求項6記載の表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法であって、プラスチッククラッドシリカファイバを加熱してクラッド層を分解消失させる工程と、クラッド層を分解消失させて露出したコアを軟化溶融させてU字型に曲げ加工を行う曲げ加工工程と、U字型に曲げ加工された湾曲部を少なくとも含むコアの表面に導電性金属の薄層を形成する導電性金属の被覆工程とを有することを要旨とする。 A surface plasmon resonance sensor probe according to the present invention described in claim 7 is a method of manufacturing the surface plasmon resonance sensor probe according to claim 6, wherein the plastic clad silica fiber is heated to decompose and disappear the clad layer; A bending process in which the exposed core is softened and melted by decomposing and disappearing the clad layer and bent into a U-shape, and a conductive metal thin film is formed on the surface of the core including at least a curved portion bent into a U-shape. And having a conductive metal coating step for forming a layer.
本発明の表面プラズモン共鳴センサプローブ1によれば、小さな径に曲げられた湾曲部14を有する光ファイバで構成されているため、表面プラズモン共鳴センサプローブ全体が小型化できると共に、小さな空間にプラズモン共鳴が得られる表面の反射部分の長さを長くしたセンサーを容易に形成することができ、結果として高感度のセンサーを得ることができる。
According to the surface plasmon
また本発明によれば、センサー部が小さな径に曲げられた曲線部分を有するため、マルチモードの光ファイバを用いた場合には、伝送される低次モードの光に対してもプラズモン共鳴効果が得られる。このため、より短い長さの光ファイバで高感度の測定ができる。さらにまた従来の直線状の光ファイバセンサーに比べ、可視光の短波長側でよりシャープな共鳴吸収が得られる。 Further, according to the present invention, since the sensor portion has a curved portion bent to a small diameter, when a multimode optical fiber is used, the plasmon resonance effect is also exerted on the transmitted low-order mode light. can get. For this reason, highly sensitive measurement can be performed with an optical fiber having a shorter length. Furthermore, sharper resonance absorption can be obtained on the short wavelength side of visible light than the conventional linear optical fiber sensor.
更に本発明によれば、センサー部を小さな径に曲げられた曲線部と直線部とで構成した、例えばU字型のような場合は、プラズモン共鳴が起きる可視光の波長範囲(400〜700nm)で安定したシャープな共鳴吸収が得られるので、広い波長範囲で安定した高感度の測定ができる。 Furthermore, according to the present invention, in the case where the sensor portion is configured by a curved portion and a straight portion bent to a small diameter, for example, in a U shape, the wavelength range of visible light (400 to 700 nm) in which plasmon resonance occurs. Stable and sharp resonance absorption can be obtained, so that stable and highly sensitive measurement can be performed in a wide wavelength range.
また更に本発明によれば、光ファイバを軟化溶融させて曲げるだけで、所定のセンサー形状にすることができるので、量産化が容易にできる。 Furthermore, according to the present invention, a predetermined sensor shape can be obtained simply by softening and melting the optical fiber and bending it, so that mass production can be facilitated.
以下、本発明を実施するための最良の形態を図面を参照して説明する。 The best mode for carrying out the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1は、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブ1の断面構成図である。
FIG. 1 is a cross-sectional configuration diagram of a surface plasmon
この表面プラズモン共鳴センサプローブ1は、伝送用光ファイバをU字型に曲げ加工して形成した湾曲部14のクラッド層を除去し、コア11を露出させ、その露出部に導電性の金属薄膜層を形成した表面プラズモン共鳴センサプローブである。
The surface plasmon
ここで光ファイバとは、シングルモード光ファイバ(SMF)、マルチモード光ファイバなどが挙げられ、どちらの光ファイバも本発明に適用できる。光ファイバの種類には、石英系、多成分系、プラスチッククラッド、全プラスチックなどの種類があるが、何れの光ファイバでも適用可能である。このような光ファイバの屈折率分布には、グレーデッドインデックス形、ステップインデックス形などの2種類の屈折率分布が存在するが、何れの分布を有する光ファイバを適用しても良い。尚、本実施の形態においては光ファイバを例として挙げているが、光ファイバに限らず光導波路を適用してもよい。 Here, examples of the optical fiber include a single mode optical fiber (SMF) and a multimode optical fiber, and both optical fibers can be applied to the present invention. There are various types of optical fibers, such as quartz, multicomponent, plastic clad, and all plastic, but any optical fiber can be applied. There are two types of refractive index distributions such as graded index type and step index type in the refractive index distribution of such an optical fiber, and an optical fiber having any distribution may be applied. In the present embodiment, an optical fiber is taken as an example, but not limited to an optical fiber, an optical waveguide may be applied.
一方、ここで湾曲部14は、上記光ファイバの何れかを用いる場合は、その光ファイバの所定箇所、即ち、長尺な光ファイバの一部分を軟化溶融して湾曲化する、又は180度完全に折り返してU字型に成形して得られる。光導波路を用いる場合は、平坦なガラス基板上にコア層を形成し、このコア層にU字型マスクを被せ、それ以外のコアをエッチング除去してU字型コアを形成しこれに導電性材料からなる金属薄膜層2を設けることで、湾曲部14を形成することができる。
On the other hand, when any one of the above optical fibers is used, the bending
湾曲部14の曲げ角度は特に限定されていないが、望ましくは180度を中心とした角度に曲げ加工するのがよい。このような角度に曲げ加工することで入射端と出射端を近接配置することができるので表面プラズモン共鳴センサプローブの全体の形状をより小さくすることができる。
The bending angle of the bending
また、そのときの曲げ半径は、使用する光ファイバの種類により異なるが、コア内を伝播する光が低損失で伝播可能な物理的な光ファイバの最小半径を限界とする。例えば、シングルモード光ファイバの場合は、軟化溶融による曲げ径Rは5mmとなる。 Also, the bending radius at that time varies depending on the type of optical fiber to be used, but the limit is the minimum radius of a physical optical fiber in which light propagating in the core can propagate with low loss. For example, in the case of a single mode optical fiber, the bending diameter R due to softening and melting is 5 mm.
露出したコアを被覆する導電性材料2は、金(Au)、銀(Ag)などが好ましい。これらを単層で積層させても、組み合わせて堆積させても良い。また、これら金属を堆積させ易くするためにクロム(Cr)を下地処理として堆積させるようにしてもよい。これによりコアと金属の密着性を向上させることができる。尚、コア表面に堆積させる堆積方法は、蒸着法、スパッタ、CVD、熱酸化などが挙げられる。
The
このような上記構成を有する表面プラズモン共鳴センサプローブ1によれば、表面プラズモン共鳴センサプローブ1の湾曲部14を被測定試料(液体)に浸漬させるか、若しくは金属薄膜層2に直接被測定試料を接触又は載置した状態で、光ファイバの一端から光を入射させ、他端から出射する透過光強度を測定すると、コア内を伝播する光によりコア11と金属薄膜層2の境界面にエバネッセント波が発生し、その作用により金属薄膜層2と被測定試料の境界面に表面プラズモンが励起される。被測定試料の濃度や抗原抗体反応によりこのエバネッセント波の平面方向の波数と表面プラズモンの平面方向の波数が一致したときに生じる共鳴現象により、他端から出射された透過光強度が急激に減衰する特性を得られる。
According to the surface plasmon
また本発明の表面プラズモン共鳴センサプローブ1によれば、小さな径に曲げられた湾曲部14を有する光ファイバで構成されているため、表面プラズモン共鳴センサプローブ全体が小型化できると共に、小さな空間にプラズモン共鳴が得られる表面の反射部分の長さを長くしたセンサーを容易に形成することができ、結果として高感度のセンサーを得ることができる。
Further, according to the surface plasmon
次に、図2(A)〜図2(F)の工程図を参照して、本発明に係る表面プラズモン共鳴センサプローブ1の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the surface plasmon
まず図2(A)に示すように、コア11、クラッド12、一次被覆13からなる光ファイバ素線10か、若しくは一次被覆13の外周に更に二次被覆が施された光ファイバ心線を用意し、図2(B)に示すように所定幅の一次被覆及び二次被覆を薬液に浸漬して除去するか、ニッパ等で除去する。
First, as shown in FIG. 2A, an
次いで図2(C)に示すように、被覆除去により露出したクラッド12の外周を熱源(例えばガスバーナー)で軟化溶融し、光ファイバをU字型に曲げ加工する。このときU字型の湾曲部14の曲げ角度は180°を中心とした角度に曲げ加工することが望ましい。 そして図2(D)に示すように、この湾曲部14を所定のエッチング溶液に一定時間浸漬させる。ここでエッチング溶液とは、フッ化水素酸水溶液であり、この水溶液に浸漬させることで、図2(E)に示すようにクラッド12のみ除去してコア11を露出させる。
Next, as shown in FIG. 2C, the outer periphery of the
次に図2(F)に示すように、露出されたコア11を例えば真空蒸着法を用いてコア11の表面に0.1μm以下の厚さで導電性材料を堆積させる。導電性材料は、例えば金(Au)、銀(Ag)などの金属である。堆積方法は、真空蒸着法に限らず、スパッタリング法、CVD法、熱酸化法などの堆積方法を用いても良い。上記工程により、図1に示した表面プラズモン共鳴センサプローブ1を作製することができる。
Next, as shown in FIG. 2F, a conductive material is deposited on the exposed surface of the core 11 to a thickness of 0.1 μm or less on the surface of the core 11 using, for example, a vacuum evaporation method. The conductive material is a metal such as gold (Au) or silver (Ag). The deposition method is not limited to the vacuum evaporation method, and a deposition method such as a sputtering method, a CVD method, or a thermal oxidation method may be used. Through the above steps, the surface plasmon
更に上記表面プラズモン共鳴センサプローブ1の他の構成例として、図3に示す表面プラズモン共鳴センサプローブ3が挙げられる。この表面プラズモン共鳴センサプローブ3は、図1に示した表面プラズモン共鳴センサプローブ1と比較して、湾曲部14が曲線部とそれに続く所定長さの直線部15で構成されている点が異なる。この直線部15を設けることによって、湾曲部の殆どが曲線部からなる表面プラズモン共鳴センサプローブ1よりも、よりシャープで高感度な吸収ピークが得られるという効果を得ることができる。
Furthermore, another example of the structure of the surface plasmon
尚、この表面プラズモン共鳴センサプローブ3を作製する場合は、図2(B)の被覆除去工程において、予め直線部15を考慮して多めに被覆除去を行い、図2(C)で、その中間部を溶融軟化させてU字型を成形する。そして図2(D)で湾曲部14と直線部15を水溶液に浸漬させてクラッド12を除去し、露出したコア11のみに導電性材料2を堆積させる。これにより直線部15を有する表面プラズモン共鳴センサプローブ3を作製することができる。
When the surface plasmon
このような表面プラズモン共鳴センサプローブ1、3を用いて、図4に示す屈折率測定装置を構成することで、被測定試料の種類を特定することができる。この屈折率測定装置は、本発明の表面プラズモン共鳴センサプローブ1と、この表面プラズモン共鳴センサプローブ1の光ファイバ13の一端に接続され400〜900nmの光を出力する白色光源17と、この白色光源17の出力波長を分光する分光器18と、光ファイバの他端に接続されコア内を伝播して出射した透過光強度を電気信号に変換する受光素子(フォトマル19)と、入射光の波長に対する透過光強度の電気信号を対応付けて記憶すると共に白色光源17の出力強度調節、受光素子の制御、記憶処理、及びデータ処理等を行う測定用のパーソナルコンピュータ(PC)20を少なくとも備えている。尚、同図において固定金具16は光ファイバ13を一束化するための治具である。装置の作用は以下の実施例で測定方法と合わせて説明する。
By using such surface plasmon resonance sensor probes 1 and 3 to constitute the refractive index measuring apparatus shown in FIG. 4, the type of the sample to be measured can be specified. The refractive index measuring device includes a surface plasmon
次に、再度図2(A)〜(F)を参照して、本発明の第1の実施例を説明する。本実施例では、波長1.5μm用シングルモード光ファイバを用いて図2の製造方法で表面プラズモン共鳴センサプローブを作製し、この表面プラズモン共鳴センサプローブ1を用いて図4に示した屈折率測定装置を構成して測定試験を行った。その測定結果を図5に示す。
Next, referring to FIGS. 2A to 2F again, a first embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a surface plasmon resonance sensor probe is manufactured by the manufacturing method of FIG. 2 using a single mode optical fiber for a wavelength of 1.5 μm, and the refractive index measurement shown in FIG. 4 is performed using this surface plasmon
まず図2(A)に示すように、コア径10μm、クラッド径125μmを有する波長1.3μm用シングルモード光ファイバを用意し、図2(B)に示すように、その中間部の約7mmのUV被覆樹脂を除去した。 First, as shown in FIG. 2 (A), a single-mode optical fiber for a wavelength of 1.3 μm having a core diameter of 10 μm and a cladding diameter of 125 μm is prepared, and as shown in FIG. The UV coating resin was removed.
次いで図2(C)に示すように、露出したクラッド12をマイクロトローチで加熱してU字型の湾曲部14を形成した。
Next, as shown in FIG. 2C, the exposed clad 12 was heated with a microtroch to form a U-shaped
そして図2(D)に示すように、湾曲化されたファイバ13全体をフッ化水素酸水溶液中に浸漬し、外径が25μmになるまでクラッドをエッチングした(図2(E))。
Then, as shown in FIG. 2D, the entire
次に図2(F)に示すように、エッチングにより細径化された光ファイバをスパッタリング装置に装着し、下地金属としてクロム(Cr)を2nmを蒸着した後、金(Au)を50nmを蒸着し、表面プラズモン共鳴センサプローブ1のヘッド部分を得た。そして得られた表面プラズモン共鳴センサプローブ1の一方の端を入射ポートに接続し、他端を出射ポートに接続した。入射ポートからは、400nmから900nmの範囲で分光された光を入射し、他端はフォトマルセンサーに接続して、入射光の波長に対する透過光強度を測定した。
Next, as shown in FIG. 2F, an optical fiber that has been reduced in diameter by etching is mounted on a sputtering apparatus, and after depositing 2 nm of chromium (Cr) as a base metal, 50 nm of gold (Au) is evaporated. Thus, the head portion of the surface plasmon
また上記実施例の変形例として波長0.63μm用シングルモード光ファイバを用いた表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法も示す。 As a modification of the above embodiment, a method for manufacturing a surface plasmon resonance sensor probe using a single mode optical fiber for a wavelength of 0.63 μm is also shown.
この場合もまず、図2(A)に示すように、コア径6μm、クラッド径125μmを有する波長0.63μm用シングルモード光ファイバを用意し、その中間部分の約7mmのUV被覆樹脂を除去した。 Also in this case, first, as shown in FIG. 2A, a single mode optical fiber for a wavelength of 0.63 μm having a core diameter of 6 μm and a cladding diameter of 125 μm was prepared, and about 7 mm of UV coating resin in the middle portion was removed. .
次いで図2(C)に示すように、露出したクラッド12をマイクロトローチで加熱して、湾曲部14を形成した。
Next, as shown in FIG. 2C, the exposed clad 12 was heated with a microtroch to form a
そして図2(D)に示すように、湾曲化されたファイバ13全体をフッ化水素酸水溶液中に浸漬し、外径が15μmになるまでクラッドをエッチングした(図2(E))。
Then, as shown in FIG. 2D, the entire
続いて図2(F)に示すように、第1の実施例と同様に、エッチングにより細径化された光ファイバをスパッタリング装置に装着し、下地金属としてクロム(Cr)を2nmを蒸着した後、金(Au)を50nmを蒸着し、表面プラズモン共鳴センサプローブ1のヘッド部分を得た。
Subsequently, as shown in FIG. 2 (F), after the optical fiber thinned by etching is mounted on the sputtering apparatus as in the first embodiment, 2 nm of chromium (Cr) is deposited as a base metal. Then, gold (Au) was deposited to a thickness of 50 nm to obtain a head portion of the surface plasmon
上記の通り、図2の製造方法で2種類の表面プラズモン共鳴センサプローブを作製した。上記2つの表面プラズモン共鳴センサプローブ1のうち、1.5μm用シングルモード光ファイバで作製した表面プラズモン共鳴センサプローブを用いて図4の屈折率測定装置を構成して測定試験を行った。その結果を図5に示す。 As described above, two types of surface plasmon resonance sensor probes were manufactured by the manufacturing method of FIG. Among the two surface plasmon resonance sensor probes 1, a surface plasmon resonance sensor probe manufactured with a single mode optical fiber for 1.5 μm was used to configure the refractive index measurement device of FIG. 4 and perform a measurement test. The result is shown in FIG.
図5は、空気中の分光強度をリファレンスとして各溶液中での入射光(波長)に対する出射光強度を測定した吸収曲線を示すグラフである。 FIG. 5 is a graph showing an absorption curve obtained by measuring the intensity of outgoing light with respect to incident light (wavelength) in each solution using the spectral intensity in air as a reference.
まず空気中における分光光度曲線を測定した後、表面プラズモン共鳴センサプローブ1のヘッドを次の4種類の被測定溶液、(1)純水]、(2)アセトン、(3)エタノール、(4)グリセリン水溶液中に浸漬し、それぞれの分光強度曲線を測定した。
First, after measuring a spectrophotometric curve in the air, the head of the surface plasmon
その結果、(1)純水の場合は、波長640nm付近で出射光強度が最低となるピーク特性が得られ、(2)アセトンの場合は、波長690nm付近で出射光強度が最低となるピーク特性が得られた。また(3)エタノールの場合は、波長700nm付近で出射光強度が最低となるピーク特性が得られ、(4)グリセリン水溶液の場合は、波長780nm付近で出射光強度が最低となるピーク特性が得られた。即ち、屈折率の違いから生じる吸収曲線の結果から、アセトンとエタノールの識別ができた。 As a result, (1) in the case of pure water, a peak characteristic with the lowest emission light intensity is obtained near the wavelength of 640 nm, and (2) in the case of acetone, the peak characteristic in which the emission light intensity becomes the lowest near the wavelength of 690 nm. was gotten. In the case of (3) ethanol, a peak characteristic with the lowest output light intensity is obtained near the wavelength of 700 nm, and (4) in the case of the glycerin aqueous solution, a peak characteristic with the lowest output light intensity is obtained near the wavelength of 780 nm. It was. That is, acetone and ethanol could be distinguished from the result of the absorption curve resulting from the difference in refractive index.
また、これら特性が得られたときの屈折率変化を図5(b)の表にまとめた。この結果、純水の場合は湾曲部での屈折率が1.333であり、アセトンの場合は湾曲部での屈折率が1.359、エタノールの場合は湾曲部での屈折率が1.362、グリセリン水溶液の場合は湾曲部での屈折率が1.380であることが測定された。 Further, the refractive index change when these characteristics are obtained is summarized in the table of FIG. As a result, in the case of pure water, the refractive index at the curved portion is 1.333, in the case of acetone, the refractive index at the curved portion is 1.359, and in the case of ethanol, the refractive index at the curved portion is 1.362. In the case of an aqueous glycerin solution, the refractive index at the curved portion was measured to be 1.380.
即ち、上記の通り、本発明の表面プラズモン共鳴センサプローブ1を用いて水溶液の水溶液の種類を識別することが可能になることが示された。これにより簡単に表面プラズモン共鳴センサプローブ1を作製でき、且つ容易に被測定試料を測定することができる表面プラズモン共鳴センサプローブを提供することができる。
That is, as described above, it was shown that the type of aqueous solution can be identified using the surface plasmon
次に、上記表面プラズモン共鳴センサプローブを構成する石英系光ファイバに代えて、プラスチックファイバで表面プラズモン共鳴センサプローブを作製した場合の製造方法とその屈折率測定結果を示す。 Next, instead of the silica-based optical fiber constituting the surface plasmon resonance sensor probe, a manufacturing method and a refractive index measurement result when the surface plasmon resonance sensor probe is made of a plastic fiber are shown.
この場合の製造方法は、まずプラスチッククラッドシリカファイバを加熱してクラッド層を分解消失し、このクラッド層を分解消失させて露出したコアを軟化溶融させてU字型に曲げ加工を行い、U字型に曲げ加工された湾曲部を少なくとも含むコアの表面に導電性金属の薄層を形成する工程からなる。ここでクラッド層を分解消失させる工程とコアを軟化溶融させる工程は同時に行っても良い。 The manufacturing method in this case is to first heat the plastic clad silica fiber to decompose and disappear the clad layer, to decompose and disappear the clad layer, to soften and melt the exposed core, and to bend it into a U shape. The method includes a step of forming a thin layer of conductive metal on the surface of the core including at least a curved portion bent into a mold. Here, the step of decomposing and disappearing the cladding layer and the step of softening and melting the core may be performed simultaneously.
上記製造方法で、図1に示す表面プラズモン共鳴センサプローブ1を作製した。そして更に表面プラズモン共鳴センサプローブ1を用いて図4に示す屈折率測定装置を構成し、その測定結果を図6にまとめた。
The surface plasmon
図6は、空気中の分光強度(a)をリファレンスとして各溶液中での入射光(波長)に対する出射光強度を測定した吸収曲線である。 FIG. 6 is an absorption curve obtained by measuring the intensity of emitted light with respect to incident light (wavelength) in each solution using the spectral intensity (a) in the air as a reference.
各水溶液の濃度は、(b)グリセリン濃度0%(純粋)、(c)グリセリン濃度10%、(d)グリセリン濃度20%、(e)グリセリン濃度30%、(f)グリセリン濃度40%である。この水溶液にプラスチッククラッドシリカファイバで作製した表面プラズモン共鳴センサプローブ1を浸し、白色光源17から出射された光を光ファイバの一端から入射しコア内を伝播させた。グリセリン水溶液に浸漬された表面プラズモン共鳴センサプローブ1は、水溶液と金属薄膜の反応に伴う金属薄膜の誘電率変化により、コア内部での屈折率が変化する。出射される光を受光素子(フォトマル19)で検出し、入射光に対する出射光の強度を測定した。このとき光源17から出力される光の波長を400〜900nmの間で可変させ、この波長変化に対応する光ファイバ出射端からの出射光強度を測定した。
The concentration of each aqueous solution is (b)
その結果、図6に示すように、(b)グリセリン濃度0%の場合は、波長610nm付近から光強度の減衰が観測され、波長630nm付近で光強度が最低になった。また(c)グリセリン濃度10%の場合は、波長650nm付近で光強度が最低となった。更に(d)グリセリン濃度20%の場合は、波長670nm付近で光強度が最低となった。また(e)グリセリン濃度30%の場合は、波長700nm付近で光強度が最低となり、(f)不利セリン濃度40%の場合は、波長750nm付近で光強度が最低となった。 As a result, as shown in FIG. 6, when (b) the glycerin concentration was 0%, attenuation of light intensity was observed from around the wavelength of 610 nm, and the light intensity was lowest at around the wavelength of 630 nm. In the case of (c) glycerin concentration of 10%, the light intensity was lowest at a wavelength of about 650 nm. Further, (d) when the glycerin concentration was 20%, the light intensity was the lowest in the vicinity of the wavelength of 670 nm. Further, (e) when the glycerin concentration was 30%, the light intensity was lowest at around the wavelength of 700 nm, and (f) when the disadvantageous serine concentration was 40%, the light intensity was around at the wavelength of 750 nm.
以上の結果から、濃度が高くなるにつれ、最大共鳴波長が長波長側にシフトすることが示された。即ち、屈折率差に対応して吸収ピークが長波長側にシフトすることが確認できた。 From the above results, it was shown that the maximum resonance wavelength shifts to the longer wavelength side as the concentration increases. That is, it was confirmed that the absorption peak shifted to the long wavelength side corresponding to the refractive index difference.
このような表面プラズモン共鳴センサプローブを実際に使用する場合には、予め規定濃度で測定した分光光度曲線を記憶装置に記憶させておき、濃度不明の水溶液を測定したら、その減衰特性と測定した特性を比較し、一致する特性を分光光度曲線から選び出す。その一致度又は差分から濃度不明の水溶液の濃度を特定する。 When such a surface plasmon resonance sensor probe is actually used, a spectrophotometric curve measured at a prescribed concentration is stored in a storage device in advance, and when an aqueous solution of unknown concentration is measured, its attenuation characteristics and measured characteristics And select matching characteristics from the spectrophotometric curve. The concentration of the aqueous solution whose concentration is unknown is specified from the degree of coincidence or difference.
次に、再びプラスチッククラッドシリカファイバを用いて、今度は図3に示した表面プラズモン共鳴センサプローブ3を作製した。製造方法は、上述したプラスチックファイバ用の加工方法と同様である。この表面プラズモン共鳴センサプローブ3を用いて、図4の屈折率測定装置を構成し、上記と同様のグリセリン水溶液を用いて測定を行った。その測定結果を図7に示す。
Next, using the plastic clad silica fiber again, the surface plasmon
その結果、湾曲部14の延長上に直線部15を一定長(本実施例では9mm)設けた場合には、分光光度曲線が全体的に下方(光強度の低い方)にシフトすると共に、各光度曲線が特徴化した。即ち、ピークを超えた付近から上昇する過程において、ピークとの差が大きくなっている。特に(f)グリセリン40%について注目すると、図6における(f)グリセリン40%は、曲線の変化量が緩やかでありピーク頂とそれ以降に差が生じていないが、図7における(f)グリセリン40%は、ピーク頂からそれ以降に大きく差が生じてピークが明確化している。これは表面プラズモン共鳴センサプローブ1よりも表面プラズモン共鳴センサプローブ3の感度がより向上しているといえる。
As a result, when the
一方、上記図6、図7に示した表面プラズモン共鳴センサプローブ1、3の分光光度曲線の比較例として、従来の透過型のセンサー110bでも同様の水溶液を用い、同様の測定を行った。その結果を図8に示す。
On the other hand, as a comparative example of the spectrophotometric curves of the surface plasmon resonance sensor probes 1 and 3 shown in FIGS. 6 and 7, the same measurement was performed using the same aqueous solution in the conventional
図8の分光光度曲線からも分かるように、各曲線のピーク短波長側の光強度がどれも同じ曲線となり特徴化していない。そのため、例えば、単色光源を使用した場合、従来のセンサーでは濃度の判別はかなり難しいと考えられる。 As can be seen from the spectrophotometric curve of FIG. 8, the light intensity on the short wavelength side of each curve is the same curve and is not characterized. Therefore, for example, when a monochromatic light source is used, it is considered that it is quite difficult to determine the density with a conventional sensor.
即ち、図7に示した表面プラズモン共鳴センサプローブ3であれば、単色光源波長550nmの光を入射させると、(f)グリセリン40%では、光強度0.85の透過光強度が出射端から出射される。また(e)グリセリン30%では、光強度0.80の透過光強度が光ファイバの出射端から出射され、(d)グリセリン20%では、光強度0.75の透過光強度が光ファイバの出射端から出射されるので、出射される光強度で水溶液の濃度を特定することができる。これに対して図8に示した従来のセンサー110bでは、単色光源波長550nmを入射させると、どの水溶液であっても出射される光強度が0.8前後となり殆ど差が生じない。そのため濃度特定はほぼ不可能である。即ち、単色レーザ光源による濃度特定はかなり難しい。
That is, in the case of the surface plasmon
1…表面プラズモン共鳴センサプローブ
2…金属薄膜層
3…表面プラズモン共鳴センサプローブ
10…光ファイバ素線
11…コア
12…クラッド
13…光ファイバ
14…湾曲部
15…直線部
16…固定金具
17…白色光源
18…分光器
19…フォトマル
20…測定用PC
DESCRIPTION OF
Claims (7)
U字型に曲げ加工された湾曲部を少なくとも含む光ファイバをエッチング液に浸漬して、クラッド層を除去するクラッド層除去工程と、
クラッド層の除去により露出したコアの表面に導電性材料の薄層を形成する導電性金属の被覆工程と、
を有することを特徴とする表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法。 A bending process in which an optical fiber composed of a core and a clad is softened and melted and bent into a U-shape;
A cladding layer removing step of immersing an optical fiber including at least a curved portion bent into a U shape in an etching solution to remove the cladding layer;
A conductive metal coating step for forming a thin layer of conductive material on the surface of the core exposed by removing the cladding layer;
A method of manufacturing a surface plasmon resonance sensor probe, comprising:
前記クラッド層を分解消失させて露出したコアを軟化溶融させてU字型に曲げ加工を行う曲げ加工工程と、
U字型に曲げ加工された湾曲部を少なくとも含むコアの表面に導電性金属の薄層を形成する導電性金属の被覆工程と、
を有することを特徴とする請求項6記載の表面プラズモン共鳴センサプローブの製造方法。 Heating the plastic clad silica fiber to decompose and disappear the clad layer;
A bending process in which the clad layer is decomposed and disappeared, and the exposed core is softened and melted and bent into a U-shape; and
A conductive metal coating step of forming a thin layer of conductive metal on the surface of the core including at least a curved portion bent into a U-shape;
The method of manufacturing a surface plasmon resonance sensor probe according to claim 6.
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