JP2007033203A - 光学式センサチップ - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構造で、レーザ光に比べて広い波長域の光を厚さの薄いシングルモードの光導波路層に容易に導入させることが可能な光学式センサチップを提供する。
【解決手段】基板と、前記基板の表面に形成され、その基板の屈折率よりも高い屈折率を持つシングルモード光導波路層と、前記光導波路層上の一部に形成され、カットオフよりも薄い厚さを有する自己発光層と、前記光導波路層上の一部に配置され、その光導波路層を伝播する光を外部に放出するための光学要素とを備えることを特徴とする光学式センサチップ。
【選択図】図１

Description

本発明は、光学式センサチップに関し、詳しくは例えば生体物質および化学物質のような被測定物を吸光度測定、吸収スペクトル測定のような光学的手段により分析する光学式センサチップに係る。

従来、次のような構造のスラブ型光導波路層を有する光学式センサチップが提案されている。ガラス基板は、表面にその基板よりも屈折率の高い光導波路層が形成されている。例えばプリズム、グレーティングのような第１光結合手段は、前記光導波路層上に設けている。例えばプリズム、グレーティングのような第２光結合手段は、前記第１光結合手段と反対側の前記光導波路層の端部上に設けられている。

このような構成の光学式センサチップにおいて、外部からの光を前記第１光結合手段を通して前記光導波路層内に導く。光導波路層内に導かれた光は、その光導波路層内を伝播する際に一部をエバネッセント光として前記光導波路層の外部に滲み出させる。被測定物を前記光が伝播される光導波路層に接触して配置することにより、前記被測定物は前記エバネッセント光と相互作用がなされ、エバネッセント光の一部をその特性に応じて吸収する。被測定物と相互作用を受けた導波光を前記第２光結合手段から光導波路層の外部に放射し、受光素子で受光する。この受光素子の信号を解析することにより被測定物の特性を分析する。

前記ガラス基板に形成される光導波路層としては、光を多重反射できる膜厚を有するマルチモード光導波路層と多重反射できない膜厚を有するシングルモード光導波路層とがある。シングルモードの光導波路層は、マルチモードのそれに比べて高感度化を図ることが可能であるため有利である。

しかしながら、シングルモードの光導波路層はマルチモードの光導波路層に比べてその膜厚が薄いため、外部から光を導入するための条件が厳しくなる。その上、シングルモードの光導波路層の入射可能な光はレーザ光以外の光では難しく、実質的にレーザ光に限られている。このため、次のような問題を生じる。

（１）レーザ光をプリズム、グレーティングのような光結合手段を通して光導波路層に導入する際、レーザ光の入射位置、入射角度のマージンが非常に少ないため、微調整ができる機構が不可欠になり、装置コストが高価になる。

（２）レーザ光は、単色性が良好で、そのスペクトル幅が非常に狭い。その結果、レーザ光と光導波路層の組み合わせで被測定物の光吸収を測定する場合、レーザ光のスペクトル幅が非常に狭い波長域での吸光度のみしか測定できず、被測定物の種類が制限される。

本発明は、簡易な構造で、レーザ光に比べて広い波長域の光を厚さの薄いシングルモードの光導波路層に容易に導入させることが可能な光学式センサチップを提供することを目的とする。

本発明によると、基板と、
前記基板の表面に形成され、その基板の屈折率よりも高い屈折率を持つシングルモード光導波路層と、
前記光導波路層上の一部に形成され、カットオフよりも薄い厚さを有する自己発光層と、
前記光導波路層上の一部に配置され、その光導波路層を伝播する光を外部に放出するための光学要素と
を備えることを特徴とする光学式センサチップが提供される。

本発明によれば、簡易な構造で、かつレーザ光に比べて広い波長域の光を厚さの薄いシングルモードの光導波路層に容易に導入させることが可能であるため、従来のように光導波路層に光の入射位置や角度を厳密に調整することを目的とする微調整機構が不要で低コスト化を実現でき、さらに被測定物対象の拡大を図ることが可能な光学式センサチップを提供できる。

以下、本発明の実施形態に係る光学式センサチップを詳細に説明する。

（第１実施形態）
この第１実施形態に係る光学式センサチップは、ガラス基板の主面にシングルモードの光導波路層が形成されている。カットオフよりも薄い厚さを有する自己発光層は、前記光導波路層の一部、例えば一端側付近に配置されている。前記光導波路層を伝播する光を外部に放出するための光学要素は、前記自己発光層と反対側の前記光導波路層の他端側に配置されている。

前記シングルモード光導波路層は、例えばガラス基板の表面をＫイオンで交換して低屈折率にすることにより形成することができる。この光導波路層は、３μｍ以下、より好ましくは１．５〜２．５μｍの厚さを有することが望ましい。

前記カットオフについて以下に詳述する。

多層薄膜を構成するある薄膜に着目すると、その薄膜中を伝播する光に対する屈折率は薄膜を構成するバルク材料の屈折率とは異なり等価屈折率で表現される。等価屈折率は光が導波する薄膜のバルク材料の屈折率、膜厚、接する他の薄膜のバルク材料の屈折率などによって決まるもので、特にシングルモード光導波路層のように膜厚が薄い場合、等価屈折率は膜厚とともに変化し、ある膜厚より薄くなると光がその薄膜中を伝播できなくなる。この条件をカットオフと呼んでいる。光導波路層が空気と接するスラブ型光導波路層では、カットオフ条件になると導波する光は光導波路層を伝播できなくなり基板側に漏れ出す。前記自己発光層をガラス基板の光導波路層上に設けた場合、その自己発光層も光導波路層と同様な光の伝播がなされる。ガラス基板を自己発光層および光導波路層より屈折率を低くし、自己発光層の膜厚がカットオフ条件より薄くすると、自己発光層の等価屈折率は光導波路層の等価屈折率とほぼ同じ値になるため、自己発光層内で発生した光は自己発光層に閉じ込められることはなく、光導波路層側や空気層側に放射される。

前記自己発光層は、励起光の照射で光を放出する材料、例えば種々の無機エレクトロルミネッセンス材料（蛍光体）または有機エレクトロルミネッセンス材料（有機ＥＬ材料）から作ることが可能である。特に、自己発光層は前記カットオフ条件を満たすことが必要であることから有機ＥＬ材料で形成されることが好ましい。

すなわち、自己発光層は前記カットオフよりも薄い厚さにすることが必要である。前記無機エレクトロルミネッセンス材料（蛍光体）は、粒子状で発光する形態を有するため、粒子径をカットオフが可能な微細寸法にすることはその発光メカニズムから制限される。

一方、有機ＥＬ材料は発光メカニズムとの関係で厚さの制限を受けないために自己発光層の材料として好適である。また、有機ＥＬ材料は一般に発光スペクトルの幅が広く、様々な材料が実用化されているため可視光領域の殆ど全ての波長を得ることができ、さらにその材料選択により三原色の発光が可能である。有機ＥＬ材料としては、例えばトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体（Ａｌｑ₃）、トリス（２−フェニルピリジン）イリジウム（III）［Ｉｒ（ｐｐｙ）₃］、４，４’−ビス［Ｎ−（１−ナフチル）−Ｎ−フェニルアミノ］ビフェニル｛α−ＮＰＤ｝等を挙げることができる。

前記有機ＥＬ材料からなる自己発光層は、例えば１）膜形成部位に穴加工が施されたステンレス板のような金属板をガラス基板の光導波路層に密着させた後、真空蒸着機のチャンバ内にその金属板が蒸着るつぼと対向するように設置し、有機ＥＬ材料を蒸着るつぼから蒸発させ、金属板の穴から露出する光導波路層を含む基板表面に蒸着する方法、２）有機ＥＬ材料を有機溶媒に溶解した溶液をスピンコートやインクジェットなどの手段でガラス基板の光導波路層の所定部位に塗布する方法により形成することができる。

前記光学要素は、石英プリズム、グレーティングまたは三角溝を切り込んだ樹脂性シートであるプリズムシートを用いることができる。

次に、この第１実施形態に係る光学式センサチップを図１を参照して具体的に説明する。

ガラス基板１の主面には、厚さ２μｍのシングルモード光導波路層２が形成されている。このシングルモードの光導波路層２は、例えば松浪硝子工業株式会社製の＃２００番のガラス基板１（厚さ１．１５ｍｍ）を４００℃の硝酸カリウム溶融塩に２時間浸漬してＫイオン交換を行うことにより形成される。カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のトリス（８−キノリノラト）アルミニウム錯体（Ａｌｑ₃）からなる自己発光層３は、前記光導波路層２の一部、例えば一端側付近に形成されている。この自己発光層３は、膜形成部位に穴加工が施されたステンレス板のような金属板をガラス基板１の光導波路層２に密着させた後、真空蒸着機のチャンバ内にその金属板が蒸着るつぼと対向するように設置し、Ａｌｑ₃を蒸着るつぼから蒸発させ、金属板の穴から露出する光導波路層２を含むガラス基板１表面に蒸着することにより形成される。前記光導波路層２を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム（オハラ社製商標名；Ｓ−ＬＡＭ２）４は、前記自己発光層３と反対側の前記光導波路層２の他端側に配置されている。ヨウ化メチレンを光導波路層２を含むガラス基板１と高屈折率ガラスプリズム４の間に介在し、それらの間の界面反射を抑制することが好ましい。

このような構成の光学式センサチップの作用を図２を参照して説明する。

励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光（５００ｎｍ付近の光をピークとして１００ｎｍ以上スペクトル幅のある光）が放射される。このとき、Ａｌｑ₃からなる自己発光層３の膜厚はカットオフの膜厚以下で形成され、自己発光層３の等価屈折率は光導波路層２の等価屈折率とほぼ同じ値となるため、自己発光層３で発生した光の一部は空気側およびガラス基板１側に漏れるが、高い効率で光導波路層２を伝播させることが可能となる。なお、励起光光源２１としてブラックライト（東芝ライテック株式会社製商品名：ＦＬ２０Ｓ・ＢＬＢ−Ａ）とＵＶ−ＬＥＤ（日亜化学工業製商品名：ＮＳＨＵ５９０Ｂ）を用いて紫外光を自己発光層３に照射したところ、いずれも蛍光を励起することができた。

前記光導波路層２内に導かれた光は、その光導波路層２内を伝播する際に一部をエバネッセント光として前記光導波路層の外部に滲み出させる。被測定物を前記自己発光層３と高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光が伝播される光導波路層２部分に接触して配置することにより、前記被測定物は前記エバネッセント光と相互作用がなされ、エバネッセント光の一部をその特性に応じて吸収する。被測定物と相互作用を受けた導波光を前記高屈折率ガラスプリズム４から光導波路層の外部に放射し、受光素子２２でその強度を測定する。この受光素子２２の強度信号を解析することにより被測定物の特性を分析することが可能になる。

なお、高屈折率ガラスプリズム４から外部に放射される光はシングルモード光導波路層２を通過するため、ガラス基板１の垂直方向に非常に指向性が高く、ガラス基板１の面方向（自己発光層３の形成面）に指向性のない光学特性を示す。このため、受光素子２２への入射光量を増加させる目的でシリンドリカルレンズを用いてもよい。

以上説明した第１実施形態によれば、励起光は自己発光層から蛍光のような光を放射させる目的で照射するため、励起光の入射角度はガラス基板に対して厳密に制御する必要がなく、事実上、励起光の入射角に関する制約がない。その結果、従来のように光を外部から光導波路層に導入するための光結合手段（プリズム、グレーティングなど）を用いることなく、自己発光層から光を光導波路層に効率よく導入できるため、入射光の角度、位置の微調整機構が不要になり、簡易で、低コストの光学式センサチップを実現できる。

また、有機ＥＬ材料からなる自己発光層は発光スペクトルの幅が広く、様々な材料が実用化されているため可視光領域の殆ど全ての波長を得ることができる。例えばＡｌｑ₃からなる自己発光層は５００ｎｍ付近の光をピークとして１００ｎｍ以上スペクトル幅のある光を光導波路層２内に伝播させることができる。

さらに、複数の有機ＥＬ材料を同時に蒸着して自己発光層を光導波路層に形成することも可能である。具体的には、青色、例えば４５０ｎｍ付近にピークを持つ有機ＥＬ材料、緑色、例えば５２０ｎｍ付近にピークを持つ有機ＥＬ材料、赤色、例えば６３０ｎｍ付近にピークを持つ有機ＥＬ材料を同時に蒸着して自己発光層を光導波路層に形成することにより、可視光領域全体をカバーする白色光をシングルモード光導波路層に伝播させることも可能となる。

なお、前記自己発光層で励起光の照射により発生した蛍光のような光が光導波路層に伝播されず、ガラス基板に入射すると、その光は光強度の測定において外乱の原因になる可能性がある。この場合、前記自己発光層から放出される光を吸収する色素を含む光吸収層は、前記光導波路層を除く前記基板領域に形成することが好ましい。具体的には、図３に示すようにガラス基板１の裏面に自己発光層から放出される光を吸収する色素を含む光吸収層５を設ける形態を採用できる。この光吸収層５は、自己発光層３に用いられる有機ＥＬ材料がＡｌｑ₃である場合、赤色の粘着テープ、赤色のラッカーペイントの塗膜により形成できる。

（第２実施形態）
図４は、この第２実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置を示す断面図である。なお、図４において図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

第２実施形態に係る光学式センサチップは、図４に示すように例えばＡｌｑ₃からなる自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上にセンシング膜６を設けた構造を有する。このセンシング膜６は、例えば被測定物と化学反応を起こして光吸収特性が変化し、光導波路層２を伝播する光の一部を吸収するようにデザインすることができる。

このような構成の光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射される。このとき、Ａｌｑ₃からなる自己発光層３の膜厚はカットオフの膜厚以下で形成することにより、前述した実施形態１と同様、自己発光層３で発生した光の一部は空気側およびガラス基板１側に漏れるが、高い効率で光導波路層２を伝播させることが可能となる。被測定物質をセンシング膜６に接触させると、センシング膜が前記被測定物と化学反応を起こして光吸収特性が変化し、光導波路層２を伝播する光の一部を吸収する。センシング膜６下の光導波路層２を伝播された光を高屈折率ガラスプリズム４を通して受光素子２２に放出し、ここでその光の透過光量を測定する。この透過光量は、前記被測定物の濃度に応じて変化するため、この透過光量の変化から被測定物の濃度を求めることが可能になる。

前記センシング膜は、例えば以下の（１）グルコースセンシング膜、（２）アルカリ性ガスセンシング膜が挙げられる。

（１）グルコースセンシング膜
このグルコースセンシング膜は、例えば発色剤、グルコースを酸化または還元させる第１の酵素、前記酵素の生成物と反応することにより前記発色剤を発色させる物質を発生する第２の酵素が、膜形成高分子化合物を含む膜体に保持されている。

前記グルコースセンシング膜中の酵素および発色剤は、例えば下記表１に示す組み合わせで用いられる。

前記グルコースセンシング膜に用いる膜形成高分子化合物としては、例えばカルボキシメチルセルロース、ヒドロキシエチルセルロース等を含むセルロース系高分子化合物を挙げることができる。

前記グルコースセンシング膜を有する光学式センサチップを具体的に説明する。

厚さ１．１５ｍｍのガラス基板１（松浪硝子工業株式会社製の＃２００番ガラス基板）の主面には、厚さ２μｍのシングルモード光導波路層２が前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３は、前記光導波路層２の一部、例えば一端側付近に前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。前記光導波路層２を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム４は、前記自己発光層３と反対側の前記光導波路層２の他端側に界面反射を防ぐためのヨウ化メチレンを介して配置されている。グルコースのセンシング膜６は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上に形成されている。このグルコースのセンシング膜６は、グルコース酸化酵素であるグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）発色剤を発色させる物質を発生する試薬であるペルオキシターゼ（ＰＯＤ）、発色剤である３，３’、５，５’−テトラメチルベンジジン（ＴＭＢＺ）、膜形成材であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含む。

このようなグルコースのセンシング膜を有する光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で光導波路層２に導入され、伝播される。グルコースを含む水溶液をグルコースのセンシング膜６に滴下すると、グルコースとセンシング膜６中のＧＯＤの反応により過酸化水素が発生し、過酸化水素が同センシング膜６中のＰＯＤで分解される際にＰＯＤ基質であるＴＭＢＺが酸化され、無色から青色に変化する。センシング膜６中のＴＭＢＺの発色に伴い光導波路層２中を伝播する光が吸収されるので、受光素子２２の受光面に５８０ｎｍの光を選択的に透過させる干渉フィルタ（図示せず）を配置することによって、光導波路層２から高屈折率ガラスプリズム４を通して放射される光の透過光量の減少を確認できる。この透過光量の減少量からグルコース濃度を検出することができる。

（２）アルカリ性ガスセンシング膜
アルカリ性ガスセンシング膜は、アルカリ性ガスの検出が可能なブロモチモールブルー（Ｃ₂₇Ｈ₂₈Ｂｒ₂Ｏ₅Ｓ）またはクレゾールレッドを含む。このようなアルカリ性ガスセンシング膜を備えた光学式センサチップは、アルカリ性ガス、特にアンモニアに対して優れた感度を有する。

前記アルカリ性ガスセンシング膜を有する光学式センサチップを具体的に説明する。

この光学式センサチップは、前述したグルコースセンシング膜を有する光学式センサチップと同様、ガラス基板１に光導波路層２が形成され、この光導波路層の両側にカットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３および高屈折率ガラスプリズム４が配置されている。アルカリ性ガスのセンシング膜６は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上に形成されている。このアルカリ性ガスのセンシング膜６は、膜形成部位に穴加工が施されたステンレス板のような金属板をガラス基板１の光導波路層２に密着させた後、真空蒸着機のチャンバ内にその金属板が蒸着るつぼと対向するように設置し、ブロモチモールブルーを蒸着るつぼから蒸発させ、金属板の穴から露出する光導波路層２を含むガラス基板１表面に厚さが約１００ｎｍになるように蒸着することにより形成した。

このようなアルカリ性ガスのセンシング膜を有する光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で光導波路層２に導入され、伝播される。アンモニアを含むガスをアルカリ性ガスのセンシング膜６上を流通させると、センシング膜６中のブロモチモールブルーが黄色（ｐＨ＝６．０以下の時）から青紫色（ｐＨ＝７．６以上）に変化する。センシング膜６中のブロモチモールブルーの色変化に伴い光導波路層２中を伝播する光が吸収されるので、受光素子２２の受光面に５８０ｎｍの光を選択的に透過させる干渉フィルタ（図示せず）を配置することによって、光導波路層２から高屈折率ガラスプリズム４を通して放射される光の透過光量の減少を確認できる。この透過光量の減少量からアンモニア濃度を検出できる。

（第３実施形態）
図５は、この第３実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置を示す断面図である。なお、図５において図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

第３実施形態に係る光学式センサチップは、図５に示すように例えばＡｌｑ₃からなる自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２部分に金微粒子７を設けた構造を有する。金微粒子（金コロイド）の表面には、表面プラズモンによる非常に強い電場が発生しているため、蛍光色素の励起に好適である。金微粒子は、表面プラズモンによる共鳴のため光を吸収して赤色に見えるが、吸収スペクトルが前記自己発光層に用いられるＡｌｑ₃の発光スペクトルと重なっているため非常に効率の良い組み合わせとなる。このような金微粒子は、５〜１００ｎｍの平均粒径を有することが好ましい。

前記金微粒子が固定化された光学式センサチップを具体的に説明する。

厚さ１．１５ｍｍのガラス基板１（松浪硝子工業株式会社製の＃２００番ガラス基板）の主面には、厚さ２μｍのシングルモード光導波路層２が前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３は、前記光導波路層２の一部、例えば一端側付近に前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。前記光導波路層２を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム４は、前記自己発光層３と反対側の前記光導波路層２の他端側に界面反射を防ぐためのヨウ化メチレンを介して配置されている。例えば平均粒径１０ｎｍの金微粒子７は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２部分に固定化されている。この金微粒子７は、光導波路層２上の所定部位に３メルカプトプロピルトリメトキシシラン溶液を塗布した後、１８０℃でベーキングして光導波路層２表面にチオール基を導入し、このチオール基に金コロイド溶液を反応させて光導波路層２表面に金微粒子を析出させることにより固定化されている。

このような構成の光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で光導波路層２に導入され、伝播される。金微粒子に１本鎖ＤＮＡを固定化し、Ｃｙ３標識したＤＮＡをハイブリダイズさせると、光導波路層２上でＣｙ３の強い蛍光が生じる。放射された蛍光を光導波路層２に伝播させ、高屈折率ガラスプリズム４を通して受光素子２２でその強度を測定する。この受光素子２２の強度信号を解析することによりハイブリダイズされたＤＮＡを同定することができる。

（第４実施形態）
図６は、この第４実施形態に係る光学式センサチップを示す断面図、図７は図６の光学式センサチップを備えた検査装置を示す断面図である。なお、図６、図７において図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

第４実施形態に係る光学式センサチップは、図６に示すように例えばＡｌｑ₃からなる自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上に１次抗体８を固定化した、光学式免疫センサチップである。この光学式免疫センサチップは、抗体を固定化して酵素標識した２次抗体や色素標識した２次抗体、金微粒子で標識した２次抗体を利用することができる。特に、金コロイドは吸収スペクトルが前記自己発光層３に用いられるＡｌｑ₃の発光スペクトルと重なっているため、金微粒子で標識した２次抗体を使用する免疫センサチップでは自己発光層の有機ＥＬ材料としてＡｌｑ₃が好適である。

前記光学式免疫センサチップを以下に具体的に説明する。

厚さ１．１５ｍｍのガラス基板１（松浪硝子工業株式会社製の＃２００番ガラス基板）の主面には、厚さ２μｍのシングルモード光導波路層２が前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３は、前記光導波路層２の一部、例えば一端側付近に前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。前記光導波路層２を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム４は、前記自己発光層３と反対側の前記光導波路層２の他端側に界面反射を防ぐためのヨウ化メチレンを介して配置されている。１次抗体８は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上に固定化されている。すなわち、光導波路層２上の所定部位に３アミノプロピルトリメトキシシラン溶液を塗布後１８０℃でベーキングして光導波路層表面にアミノ基を導入し、このアミノ基を導入した部分にグルタルアルデヒドで1次抗体８を固定化している。

このような構成の光学式免疫センサチップにおいて、図７に示すように１次抗体８の固定化部位にその１次抗体８と反応するタンパク９を含む溶液を反応させ、洗浄した後、金微粒子で標識した２次抗体１０を反応させる。この状態で、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で光導波路層２に導入され、伝播される。光導波路層２を伝播する光は、２次抗体１０に標識されている金微粒子によって吸収されるため光導波路層２を伝播する光量が減少する。受光素子２２の受光面に５２０ｎｍの光を選択的に透過させる干渉フィルタ（図示せず）を配置することよって、光導波路層２から高屈折率ガラスプリズム４を通して放射される光の透過光量変化を測定することができる。したがって、この透過光量変化からターゲットタンパク濃度を検出することができる。

なお、蛍光物質が導波光を吸収できる色素で標識した２次抗体を用いることによっても同様の効果が得られる。また、酵素標識した２次抗体の場合、２次抗体反応後に基質溶液を反応させるが、反応後の基質として導波光を吸収できる基質を用いることで同様の効果を得ることができる。

（第５実施形態）
この第５実施形態に係る光学式センサチップは、ガラス基板に複数の光導波路層が形成され、かつ各光導波路層上の一部にカットオフよりも薄い厚さを有する自己発光層を形成し、さらに各光導波路層上の一部に各光導波路層を伝播する光を外部に放出するための光学要素を配置した構成を有する。

このような複数の光導波路層を有する光学式センサチップを図８を参照して具体的に説明する。

ガラス基板１の主面には、厚さ２μｍの複数、例えば２つのシングルモード光導波路層（第１、第２の光導波路層）２₁、２₂が形成されている。これらのシングルモードの光導波路層２₁、２₂は、例えば次のような方法で形成される。厚さ１．１５ｍｍの松浪硝子工業株式会社製の＃２００番のガラス基板１表面に薄膜加工技術を用いて窒化シリコン膜を成膜し、この窒化シリコン膜の２つの光導波路層形成予定部をエッチングにより選択的に除去し、帯状開口部を有するマスクを形成する。このマスクを有するガラス基板を４００℃の硝酸カリウム溶融塩に２時間浸漬して前記マスクの２つの帯状開口部から露出するガラス基板表面を選択的にＫイオン交換することにより２つのシングルモード光導波路層２₁、２₂を形成する。この光導波路層の形成後にマスクである窒化シリコン膜を除去する。

カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３は、前記第１、第２の光導波路層２₁、２₂の一部（一端側付近）のガラス基板１にそれら各光導波路層２₁、２₂を跨いで前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。前記各光導波路層２₁、２₂を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム４は、前記自己発光層３と反対側の前記各光導波路層２₁、２₂の他端側のガラス基板１にそれら各光導波路層２₁、２₂を跨いで配置されている。なお、高屈折率ガラスプリズム４は各光導波路層２₁、２₂を含む前記ガラス基板１に界面反射を防ぐためのヨウ化メチレンを介して形成されている。グルコースのセンシング膜６は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する第１光導波路層２₁部分に形成されている。このグルコースのセンシング膜６は、例えば前述した第２実施形態と同様、グルコース酸化酵素であるグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）発色剤を発色させる物質を発生する試薬であるペルオキシターゼ（ＰＯＤ）、発色剤である３，３’、５，５’−テトラメチルベンジジン（ＴＭＢＺ）、膜形成材であるカルボキシメチルセルロース（ＣＭＣ）およびポリエチレングリコール（ＰＥＧ）を含む。

このような２つの光導波路層およびグルコースのセンシング膜を有する光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源（図示せず）から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で２つの光導波路層２₁、２₂に導入され、伝播される。グルコースを含む水溶液を第１光導波路層２₁部分に形成されたグルコースのセンシング膜６に滴下すると、前記第２実施形態で説明したようにグルコースとセンシング膜６中のＰＯＤ基質であるＴＭＢＺが酸化され、無色から青色に変化する。このため、第１光導波路層２₁中を伝播する光はセンシング膜６中のＴＭＢＺの発色に伴って吸収され、低い光強度の光２３として高屈折率ガラスプリズム４を通して放射される。一方、センシング膜が存在しない第２光導波路層２₂中を伝播する光は、センシング膜との干渉を受けず、伝播時の光強度を持つ光２４として高屈折率ガラスプリズム４を通して放射される。この光２３，２４の光強度を図示しない受光素子でそれぞれ検出し、光強度の差を測定することによりグルコース濃度を検出することができる。このグルコース濃度の検出は、前述した第２実施形態のように１つの光導波路層を用いる場合に比べて精度をより向上することが可能である。

以上、第５実施形態によれば自己発光層から光を複数の光導波路層に効率よく導入でき、入射光の角度、位置の微調整機構が不要になり、簡易で、低コストの光学式センサチップを実現できる。

すなわち、従来のように同一基板に複数の光導波路層を形成した光学式センサチップでは、各光導波路層に対してレーザ光をそれぞれ入射させるため、複雑な微調整機構が必要になり、装置として更に複雑で高価なものになる。

第５実施形態では、励起光は自己発光層から蛍光のような光を放射させる目的で照射され、励起光の入射角度はガラス基板に対して厳密に制御する必要がなく、事実上、励起光の入射角に関する制約がなく、さらに自己発光層を各光導波路層の共通な光供給源として用いることができるため、複雑な微調整機構が不要になり、従来に比べてより簡易で、より低コストの光学式センサチップを実現できる。

（第６実施形態）
図９は、この第６実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置を示す断面図である。なお、図９において図１と同様な部材は同符号を付して説明を省略する。

第６実施形態に係る光学式センサチップは、図９に示すように前記第３実施形態と同じ構成、すなわちＡｌｑ₃からなる自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２部分に金微粒子７を設けた構造を有する。

具体的には、厚さ１．１５ｍｍのガラス基板１（松浪硝子工業株式会社製の＃２００番ガラス基板）の主面には、厚さ２μｍのシングルモード光導波路層２が前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。カットオフよりも薄い厚さ、（例えば厚さ約１００ｎｍ）のＡｌｑ₃からなる自己発光層３は、前記光導波路層２の一部、例えば一端側付近に前述した第１実施形態と同様な方法により形成されている。前記光導波路層２を伝播する光を外部に放出するための光学要素である高屈折率ガラスプリズム４は、前記自己発光層３と反対側の前記光導波路層２の他端側に界面反射を防ぐためのヨウ化メチレンを介して配置されている。金微粒子７は、前記自己発光層３と光学要素である高屈折率ガラスプリズム４の間に位置する光導波路層２上に前述した第３実施形態と同様な方法により固定化されている。

このような構成の光学式センサチップにおいて、ブラックライトまたはＵＶ−ＬＥＤのような励起光光源２１から紫外光を励起光としてＡｌｑ₃からなる自己発光層３に照射すると、自己発光層３からフォトルミネッセンスによる蛍光が放射され、その放射光は高い効率で光導波路層２に導入され、伝播される。伝播された光は、高屈折率ガラスプリズム４によって外部に放射され、シリンドリカルレンズ２５によって集光された後、分光器２６に入射して透過光のスペクトル分析がなされる。屈折率の異なる液体を金微粒子７の固定化部位に滴下すると、液体の屈折率に応じて前記光導波路層２に伝播される光で吸収されるスペクトル（吸収スペクトル）のピークが異なる。被測定物の屈折率と吸収スペクトルの波長の関係を図１０に示す。したがって、透過光のスペクトルを分析することによって、液体の屈折率を検出することができる。

なお、前記光学式センサチップを備えた検出装置において、石英プリズムから放射された光を分光器などの受光素子に集光するためのレンズはシリンドリカルレンズに限定されず、グリーンレンズと呼ばれる屈折率分布型レンズまたはグリーンレンズアレイを用いてもよい。

前記透過光スペクトル分析は、屈折率測定に限定されず、光導波路層と接する被非測定物の吸収スペクトルを測定することもできる。

光導波路層を伝播する光を基板外へ放射するための手段はプリズムに限定するものではなく、グレーティングやＰＥＴなどのフイルム表面に複数の三角溝を設けたプリズムシートを接着しても同様の効果が得られる。

本発明の第１実施形態に係る光学式センサチップを示す断面図。 図１のセンサチップを備えた検査装置を示す概略断面図。 本発明の第１実施形態に係る光学式センサチップの多の形態を示す断面図。 本発明の第２実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置示す概略断面図。 本発明の第３実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置示す概略断面図。 本発明の第４実施形態に係る光学式センサチップを示す断面図。 図６のセンサチップを備えた検査装置を示す概略断面図。 本発明の第５実施形態に係る光学式センサチップを示す断面図。 本発明の第３実施形態に係る光学式センサチップを備えた検査装置示す概略断面図。 被測定物の屈折率と吸収スペクトルの波長の関係を示す図。

符号の説明

１…ガラス基板、２，２₁，２₂…光導波路層、３…自己発光層、４…高屈折率ガラスプリズム、５…光吸収層、６…センシング膜、７…金微粒子、８…１次抗体、２１…励起光光源、２２…受光素子、２５…シリンドリカルレンズ（集光レンズ）、２６…分光器。

Claims (8)

1. 基板と、
   前記基板の表面に形成され、その基板の屈折率よりも高い屈折率を持つシングルモード光導波路層と、
   前記光導波路層上の一部に形成され、カットオフよりも薄い厚さを有する自己発光層と、
   前記光導波路層上の一部に配置され、その光導波路層を伝播する光を外部に放出するための光学要素と
   を備えることを特徴とする光学式センサチップ。
2. 前記自己発光層は、励起光の照射で光を放出する有機エレクトロルミネッセンス材料から作られることを特徴とする請求項１記載の光学式センサチップ。
3. 前記光学要素は、プリズム、グレーティング、プリズムシートのいずれからなることを特徴とする請求項１記載の光学式センサチップ。
4. 前記自己発光層と前記光学要素の間に位置する前記光導波路層の箇所には、さらにセンシング膜が配置されることを特徴とする請求項１記載の光学式センサチップ。
5. 前記センシング膜は、発色剤、グルコースを酸化または還元させる第１の酵素、前記酵素の生成物と反応することにより前記発色剤を発色させる物質を発生する第２の酵素が膜形成高分子化合物を含む膜体に保持された構成を有することを特徴とする請求項４記載の光学式センサチップ。
6. 前記自己発光層と前記光学要素の間に位置する前記光導波路層の箇所には、さらに免疫反応に関与する抗体が固定化されていることを特徴とする請求項１記載の光学式センサチップ。
7. 前記自己発光層と前記光学要素の間に位置する前記光導波路層の箇所には、さらに金微粒子が固定化されていることを特徴とする請求項１記載の光学式センサチップ。
8. 前記光導波路層は、前記基板に複数形成され、かつ前記自己発光層は各光導波路層上の一部に形成されていることを特徴とする請求項１〜７いずれか記載の光学式センサチップ。

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