JP2006520009A5

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Publication number: JP2006520009A5
Application number: JP2006500256A
Authority: JP
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2009-04-16
Anticipated expiration: 2024-03-11

Description

ホログラフィックセンサー及びその製造

本発明は、ホログラムである感光素子に基づくホログラフィックセンサーの製造に関する。

特許文献１には、体積ホログラムに基づくセンサーが開示されている。このセンサーは、全体積にわたって配置された光学変換構造を有する検体感受性マトリックスからなる。このようなセンサーでは、一般的に、ゼラチン中にハロゲン化銀粒子を有している。このような物理的構造を有するため、センサーによって生じる光学信号は、検体との相互作用又は反応によるマトリックスの体積変化又は構造変化に対して非常に感度が高い。

特許文献２には、ホログラフィックセンサーを製造する別の方法が開示されている。まずポリマーフィルムを作成し、続いて感光性ハロゲン化銀粒子を添加するという連続処理法が用いられている。このような粒子は、可溶性の塩をポリマーマトリックス中に拡散して反応させ、不溶性の感光性沈殿物を形成することで得られる。その後、ホログラフィック画像を記録する。

非特許文献１には、水性環境中でセンサーとして使用されるポリマーヒドロゲルの製造が開示されている。更にモノマー、架橋剤及び開始剤を添加した水溶液によってヒドロゲルが膨潤し、その後で干渉縞が記録される。得られるホログラム格子の回折特性は、添加した溶媒和物の濃度によって変化する。
国際公開第９５／２６４９９号国際公開第９９／６３４０８号Ｌｅｙｅｔａｌ，Ｍｅａｓ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．（１９９７）８：９９７−１０００

本発明は、ホログラムである感光素子を基盤とするホログラフィックセンサー及びその製造法を提供することである。

本発明は、媒体、及び、その全体積にわたって配置されたホログラフィック素子を有するセンサーであって、前記素子の縞は、液体中での膨潤度の差異によって規定されるセンサーに関する。

本発明は、ポリマー中に体積ホログラムを形成可能であるという認識に基づいており、該ポリマーは必ずしも膨潤してはおらず、ポリマーのホログラム格子は膨潤しやすく、該ポリマーは必ずしもハロゲン化銀粒子を含有してはいない。

本発明の一態様によれば、センサーは、媒体、及び、その全体積にわたって配置されたホログラフィック素子を有するセンサーであって、上記素子の縞は、液体中での膨潤度の差異によって規定される。その効果は、試験液中での膨潤又は収縮によって観察され得る。

本発明の他の態様によれば、媒体、及び、その全体積にわたって配置されたホログラムを有するセンサーは、媒体を選択的に（解）重合することでホログラフィック画像を記録し、記録中は媒体が膨潤可能な状態となる方法によって製造される。従って、特異的に膨潤可能であって、そのために格子が形成される生成物を得るためには、例えば、架橋等の重合反応によってある領域の結合密度を向上させてもよく、又は、既存のポリマーがある種の結合を有していてもよい。選択的に架橋する場合には、フリーラジカル阻害剤の存在下で架橋するのが好ましい。

本発明において使用する種類のホログラフィックセンサーは、一般的に、ホログラフィック支持媒体と、媒体の全体積にわたって配置されたホログラムとからなるホログラフィック素子を有する。一般的に、支持媒体をセンサーとして使用する際には、支持媒体と検体とが相互作用することで媒体の物性が変化する。この変化により、ホログラフィック素子の光学特性（分極率、反射率、屈折率、又は、吸光度等）が変化する。広帯域入射光である非電離の電磁放射線でホログラムを再生する際に何らかの変化が起こると、色又は強度等の変化が観察される。

ホログラフィックセンサーは、支持媒体の組成を変えるだけで様々な検体の感知に使用することができる。媒体はポリマーマトリックスからなることが好ましく、その組成は、高品質のフィルム、（すなわち、ホログラフィック縞を形成できる均一なマトリックスを有するフィルム）を得るのに適していることが好ましい。ポリマーマトリックスは、アクリルアミド及び／又はメタクリレート由来のコモノマーの共重合により形成することが好ましい。特にＨＥＭＡ（ヒドロキシエチルメタクリレート）モノマーは、容易に重合及び架橋可能である。ＨＥＭＡポリマーは、膨潤可能且つ親水性であり、生体適合性が高いため、支持媒体材料として広く用いられる。

他のホログラフィック支持媒体としては、ゼラチン、Ｋ−カラギーナン、寒天、アガロース、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ）、（広義の）ゾル−ゲル、（広義の）ヒドロゲル、及び、アクリレートが挙げられる。本発明においては、ハロゲン化銀粒子等の感光性物質（このような感光性物質は必ずしも必要ではない）を支持するための標準的なマトリックス材料がゼラチンであることはいうまでもない。また、ゼラチンについては、ゲル鎖上のカルボキシル基間をＣｒ（ＩＩＩ）イオンによって光架橋することもできる。

本発明のセンサーを製造するための好ましい方法は二つの重合工程、すなわち、ポリマーマトリックスを形成する第一工程、及び、マトリックス中の選択された部分において、程度又はタイプの異なる重合を行う第二工程を伴う。この第二工程は、マトリックスを更に架橋すること又は相互侵入ポリマーを形成することを含んでいてもよい。この第二工程自体ではっきりとしたホログラム格子が形成されるのではなく、得られた材料が膨潤（又は収縮）する際に格子が顕在化されることとなる。例えば、この方法を用いれば、センサーとして使用した際に４００〜８００ｎｍの範囲で再生する体積ホログラムを、ホログラムを膨潤させる液体中で製造することができる。

格子は、膨潤していないマトリックスよりも屈折率が低い液体中でマトリックスが膨潤する際に観察されやすい（通常はそうであろう）。必要に応じて、例えば、高不溶性のポリアクリレートを形成する任意の金属塩又は金属化合物等、屈折率の高い材料が含まれていてもよい。鉛、カルシウム、ストロンチウム、亜鉛及び（例えばＡｌ等の）三価金属のアクリレートが有用であろう。屈折率を高くし、それによって回折効率を向上させるために、このような化合物は原子量が大きいことが好ましい。通常、ホログラムが形成される媒体はポリマーであり、本質的に、本発明のセンサーは、種類によって、又は、便宜上、架橋度によって区別される二種のポリマーからなる（一方の架橋度がゼロであってもよい）。これらのポリマーは、相対的に「軟質」のものと「硬質」のものである。いずれか又は両方のポリマーが、例えば、検体と反応するための官能基を含んでいてもよい。

例えば、スライドグラス等の支持物上にポリマー層を形成してもよい。このポリマー層は、インコヒーレントなＵＶ光源を使用して、銀を用いる従来のホログラムの場合と基本的には同じ手順で形成可能である。

重合は、フリーラジカル開始剤を使用して実施するのが好ましい。このような開始剤としては多くのものが知られており、例えば、２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン、Ｄａｒａｃｕｒ１１７３、Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９又はＱｕａｎｔａｃｕｒｅＷＢ４７３６が挙げられる。

その後、例えば、多量の適切な架橋剤、適切なフリーラジカル光開始剤、及び、必要に応じて、ポリマー層への拡散を補助するために必要な揮発性溶媒を含有する膨潤液中にポリマーを浸漬する。架橋剤は、ポリマー層の形成に使用するものと同一であってもよいし、異なっていてもよい。

十分に時間が経過し、膨潤液の吸収が実質的に完了した後で、余分な液体を支持媒体から除去してもよい。その後、膨潤したポリマーを完全に又は部分的に収縮させてもよく、例えば、ポリマーに温風をあてて揮発性溶媒を蒸発させる。ポリマー層中にある程度の水分が保持されており、第二の光重合工程においてフリーラジカルが生成可能であることが望ましい。従って、収縮させた後、例えば、相対湿度が８０％と高湿なチャンバー内にスライドグラスを配置して、次の重合工程の実施に十分なだけの水分量を確保しておくと都合がよい。しかし、吸湿による膨潤度は、完成したホログラムを作業液（通常は水性バッファ）中に浸漬する場合には遠く及ばない。スライドグラスのポリマー面を、例えば、透明で光沢のあるシリカからなる薄いスライドグラス等のカバー層で覆い、ポリマーをサンドイッチ状に挟むことで、平衡水分量を保持することが可能となる。

第二の重合工程は、フリーラジカル阻害剤（スカベンジャー）の存在下で実施するのが好ましい。これは、良好な縞構造を確実に得るために必要であると考えられる。大気中の酸素も阻害剤として作用するが、その濃度は正確に調節できないため、結果が一貫性に欠けることがある。あるいは、第二の重合工程は、ヒドロキノン又はアスコルビン酸（ビタミンＣ）等の阻害剤の存在下で実施するのが好ましく、酸素が存在する場合には、限られた酸素条件下であることが好ましい。第二の重合工程において酸素が存在する場合には、次の段階で必要な露光時間が長くなってしまうため、その存在を抑制することが望ましい。酸素の存在は、上述のシリカカバー層を使用することで抑制できる。しかし、このようなプレートが有用であるかどうかはポリマーフィルムの厚さにある程度左右され、プレートを使用しなくても良好な結果が得られる場合もある。

その後、図１に示すとおり、サンドイッチ状のスライドグラスをポリマー面が下になるように露光容器中に配置する。露光時間は何秒もかかる場合もあるので、コヒーレントであるホログラフィック縞構造を形成するため、露光する前に試料を所定の位置に数分間置いて平衡化することが好ましい。

ホログラムを形成するには、コヒーレントな光で露光することが好ましい。ＵＶレーザーが特に好ましいが、この場合、ガラスは光のロスが非常に大きいため、ガラスではなく透明シリカのカバー層を使用するのが適切である。

露光すると、次の特徴を有する縞構造（図２）が形成される。架橋度が相対的に小さい元のポリマーから暗縞（波節）ができ、第二の重合工程により架橋度が実質的に増加した元のポリマーから明縞（波腹）ができる。第二の重合によって、第二のポリマーを第一のポリマーと化学的に顕著にグラフトさせてもよいし、させなくてもよい。すなわち、実際に第一のポリマーを更に架橋してもよいし、しなくてもよい。だが、いずれの場合においても、第二のポリマーは高度に架橋された網目状であるため、波腹の縞は膨潤しない。露光した後、例えば水又はアルコール溶液を使用して、吸収されたモノマー材料の残りを除去する。元のポリマーを架橋する代わりに、又は、架橋に加えて、例えば相互侵入ポリマーを使用して、第二の重合工程を実施してもよい。

露光した後は、収縮したポリマーにおける明縞と暗縞の屈折率の差は小さい場合がある。本発明の重要な態様としては、暗縞は架橋度が大きくないために、上記処理によって水溶液等の試験液中で膨潤可能となり、従って、吸収が進行するにつれて暗縞の屈折率（ＲＩ）が試験液のＲＩ値へと近づくことが挙げられる。一般的に、水性バッファの場合、可視光に対する暗縞のＲＩ値は約１．５から１．４未満に低下するが、架橋度の大きな明縞については約１．５のままである。従って、この処理により、試験液中における縞のコントラストが非常に大きくなり、その結果として回折効率が大幅に増大する。このような膨潤によって縞の間隔も全体的に大きくなった。従って、ホログラフィック画像を白色光源下で再現する場合、新たな縞の間隔は、縞の形成に使用した最初のレーザーの波長よりも長い波長のものをスペクトルから選択する（図２参照）。

記録時の縞間隔と白色光再生時の縞間隔とが異なると、一般的に約３００ｎｍの波長の差が生じる。従って、「周波数が２倍である」５３２ｎｍのＹＡＧレーザーを使用して記録すると、再生波長が人間の可視領域外となる。「周波数が３倍である」３５５ｎｍのＹＡＧを使用して格子を記録すれば、再生波長の大部分は人間の可視領域内となる。

以下の実施例により本発明を説明する。実施例においては、組成の対を列挙している。第一の組成（Ａ）は、「機能性ポリマー（ｓｍａｒｔｐｏｌｙｍｅｒ）」となり得る、官能基を含むポリマーを形成する組成である。この第一の重合は、インコヒーレントであるＵＶ光源下で実施する。この組成と「対」になったもう一方の組成（ＸＬ）は第二の重合用の組成である。該組成（ＸＬ）はモノマー溶液を含有し、このＸＬが第一のポリマー中に浸透した後、３５５ｎｍのレーザー光で露光すると、架橋度の大きなポリマー（Ｐ２）が得られる。実施例６及び７の組成は、フリーラジカル重合阻害剤、すなわちヒドロキノン及びアスコルビン酸をそれぞれ含む。

次の略語を使用する。
ＤＭＰＡ＝２，２−ジメトキシ−２−フェニルアセトフェノン
ＨＥＭＡ＝ヒドロキシエチルメタクリレート
ＭＡＡ＝メタクリル酸
ＥＤＭＡ＝エチレンジメタクリレート
ＤＭＡＥＭ＝２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート
ＤＨＥＢＡ＝ジヒドロキシエチレンビスアクリルアミド
ＭＢＡ＝メチレンビスアクリルアミド
ＢＡＰ＝ビス（アクリロイル）ピペラジン

「Ａ１」
２−プロパノール４．０ｍｌ
ＤＭＰＡ２５ｍｇ
ＨＥＭＡ３．６５ｍｌ（３０ｍｍｏｌｅ）
ＭＡＡ０．８４ｍｌ（１０ｍｍｏｌｅ）
ＥＤＭＡ０．１８（０．５ｍｍｏｌｅ）
「ＸＬ１」
ＤＭＰＡ２５ｍｇ
メタノール７．０ｍｌ
ＥＤＭＡ２．０ｍｌ
ＨＥＭＡ０．２０ｍｌ
エタンジオール０．０２０ｍｌ
脱イオン水０．０２０ｍｌ

「Ａ２」
ＤＭＰＡ２０ｍｇ
２−プロパノール３．０ｍｌ
ＨＥＭＡ２．４３ｍｌ
ＥＤＭＡ０．２１ｍｌ
ＤＭＡＥＭ０．３７ｍｌ
ＸＬ２はＸＬ１と同じである。

「Ａ３」
ＤＭＰＡ１５ｍｇ
メタノール０．２０ｍｌ
脱イオン水４．０ｍｌ
アクリルアミド２．０ｇ
メタクリルアミド１．０ｇ
ＤＨＥＢＡ０．１２６ｇ
イタコン酸４０ｍｇ
「ＸＬ３」
メタノール１０ｍｌ
ＤＭＰＡ１５ｍｇ
脱イオン水９ｍｌ
エタンジオール１．０ｍｌ
ＭＢＡ１．２ｇ
（後者を溶解させるため、約５０℃まで加熱する必要がある。）

Ａ４は、実施例１〜３のいずれか一つと同じである。
架橋剤ＢＡＰを使用するＸＬ４は以下のとおりである。
ＢＡＰ２．５ｇ
Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９０．０５ｇ
メタノール２．５ｍｌ
脱イオン水４．０ｍｌ
エタンジオール２．０ｍｌ
ＸＬ４は、実施例１〜３のアクリルアミドポリマー（Ａ）のいずれか一つの中に浸透した後、良好に作用する。

Ａ５は、実施例１〜３のいずれか一つと同じである。
屈折率の高い重金属塩を含むＸＬ５は以下のとおりである。
Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９１５ｍｇ
メタノール１．０ｍｌ
アクリルアミド０．５０ｇ
ジアクリル酸バリウム（１．５Ｍ水溶液）４．０ｍｌ
得られたバリウム含有組成物は、ホログラム格子中で良好に作用した。攪拌された脱イオン水中で時間が経つと、おそらくはＢａを失ったために、ホログラムが消失した。

Ａ６はＡ１又はＡ２と同じである。
ＸＬ６は以下のとおりである。
ＤＭＰＡ１０ｍｇ
Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９１０ｍｇ
メタノール７．０ｍｌ
ＥＤＭＡ２．０ｍｌ
ＨＥＭＡ０．５ｍｌ
トリエタノールアミン０．０２ｍｌ
脱イオン水０．０２ｍｌ
ヒドロキノン溶液（２％メタノール溶液）０．５０ｍｌ

Ａ７はＡ３と同じである。
ＸＬ７は以下のとおりである。
ＤＭＰＡ５ｍｇ
Ｉｒｇａｃｕｒｅ２９５９５ｍｇ
メタノール１ｍｌ
ＢＡＰ０．４ｇ
ジエチレングリコール０．５０ｍｌ
その後、この溶液を加熱振とうして透明にし、以下を添加した。
脱イオン水４．０ｍｌ
トリエタノールアミン０．０４ｍｌ
アスコルビン酸（１％（ｗ／ｖ）水溶液）０．２０ｍｌ

スライドグラスの配置。縞間隔。

Claims

媒体、及び、その全体積にわたって配置されたホログラフィック素子を有するセンサーであって、
前記素子の縞は、液体中での膨潤度の差異によって規定される
センサー。
膨潤度の差異は、ポリマー媒体の架橋度の差異に相当する
請求項１に記載のセンサー。
媒体の選択的な（解）重合によるホログラフィック画像を記録する工程を含み、
記録中に媒体が膨潤状態にある
請求項１又は２に記載のセンサーの製造方法。
非架橋ポリマー、又は、実質的に均一架橋したポリマーを選択的に架橋する工程を含む
請求項３に記載の方法。
ポリマーを膨潤させる揮発性溶媒中に架橋剤を添加する工程、及び、その後、選択的な（解）重合の前に、該溶媒を除去する工程を含む
請求項４に記載の方法。
選択的な架橋がフリーラジカル重合阻害剤の存在下で行われる
請求項４又は５に記載の方法。
阻害剤が、酸素、ヒドロキノン又はアスコルビン酸である
請求項６に記載の方法。