JP2009047428A - 光導波路式測定方法及び光導波路型センサ - Google Patents

Abstract

【課題】光導波路による反射光を有効利用し、簡単な構造で、精度良く試料の特性を検出することができる、新規な光導波路式測定方法、光導波路型センサを提供する。
【解決手段】光導波路３に沿って対称状に配され、一定長さ領域が光導波路３に接する第一および第二の流体路５，６を有する。第一の流体路５中の試料を被測定物（サンプル液）とし、第二の流体路６中の試料を基準物（リファレンス液）とする。これら流体路５，６中の試料の特性を、該試料における屈折率の相違により、光導波路３を通って端部から出射された光強度の非対称性に基づき、光検出器７で測定、判別する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、光導波路を用いた測定方法及びセンサに関し、例えば、マイクロ化学分析などに好適に用いることができる光強度検出による測定方法、センサに関する。

従来、光反射を利用した測定技術として、例えば特許文献１に記載された測定装置が知られている。当該特許文献には、表面プラズモン共鳴等による全反射光を利用した測定装置において、コストアップ、装置の複雑化を抑制しつつ、周囲温度等の環境値に左右されずに、全反射光の状態を精度よく測定可能とすることが提案されている。
詳しくは、センサウェルユニットに、同時に測定がなされる環境値検知手段（温度センサ、湿度センサ等）を備え、測定時には、信号処理部の演算手段において、前記検知手段から検知された４つの測定点に基づき２次近似曲線を求め、この２次近似曲線から各ウェルにおける擬似検知温度などを得る。そして、補正手段において、前記各ウェルにおける擬似検知温度などに基づき、光検出手段の出力から得られた各測定値Ｓに対し補正を施し、補正値を得る。信号処理部においては、この補正値に基づいて全反射減衰の状態を検出するようになっている。

特開２００４−３７４２５号公報

しかしながら、前記した従来の測定技術によれば、温度センサなどの補正手段を必要とするため部品点数が多くなり、コストが増加する等の問題がある。また、試料液に含まれる溶媒の種類が異なると測定値に対する補正値が異なる為、各溶媒毎にルックアップテーブルを作成し、使用する試料液に含まれる溶媒に合わせてルックアップテーブルを選択する必要があり、作業が複雑で、さらにコストが増加する虞れがある。
また、光源から出射される光ビームの強度は、光源自体、或いは、光源を駆動する光源駆動回路、光路などの温度変化などにも影響されて変化する。しかし、前記温度センサや湿度センサ等の検出対象は前記光源のみに限られるため、光源駆動回路の温度変化や光路上の影響などの、それ以外の要因による変化には対応できず、周囲環境の変化に対する完全な対応がなされていない。

本発明はこのような従来事情に鑑みて成されたもので、その目的とする処は、光導波路による反射光を有効に利用して、簡単な構造で、精度良く試料の特性を検出することができる新規な測定方法と、該方法に基づく新規なセンサを提供することにある。

以上の目的を達成するため、本発明に係る測定方法は、光導波路に沿って対称状に配され、且つ一定長さ領域が前記光導波路に接する第一および第二の流体路を有し、
前記第一の流体路および／または前記第二の流体路中の試料の特性を、前記光導波路を通って端部から出射された光強度の非対称性に基づき測定することを特徴とする。

このような方法によれば、温度や湿度などの環境条件に影響されること無く、光強度の分布特性の検出により被測定物の特性を測定、判別することが可能になる。

前記光強度の非対称性は、例えば、前記第一および第二のそれぞれの流体路中の試料における屈折率の相違に基づき検出することができる。

前記第一の流体路中の試料を被測定物（サンプル液）とし、前記第二の流体路中の試料を基準物（リファレンス液）とすると良い。

また、前記測定方法を実現するためのセンサとして、
光導波路と、
前記光導波路の一端から光を入射する光源と、
前記光導波路の他端から出射された光の強度分布を測定する光検出器と、
被測定物が流れる第一の流体路と、
基準物が流れる第二の流体路と、を備え、
前記第一および第二の流体路は、前記光導波路の中心軸に対し対称状になり、且つ一定長さ領域が前記光導波路に接するよう形成されており、
前記光源から出射され、前記光導波路を通ってその他端から出射された光強度の非対称性を前記光検出器で測定することを特徴とするセンサをあげることができる。

前記光導波路の出射端側に、光強度分布の拡大手段を備えると、より高精度な測定結果が得られるため好ましい。例えば、前記光導波路の出射端と前記光検出器の間に光強度拡大用レンズを配すると良い。また、前記光導波路の出射端側にスラブ型光導波路が形成されていると良い。

前記光導波路の出射端側に、光を分岐させる手段を備えると、より高精度な測定結果が得られるため好ましい。例えば、前記スラブ型光導波路の中心領域に、光を、第一の流体路側と第二の流体路側とに分岐させるための光分岐部（光遮断部）を設けると良い。また、前記光導波路の出射端側に方向性結合器を形成し、光導波路の出射端側を、第一の流体路側と第二の流体路側とに分岐させても良い。

光導波路から出射された光強度の分布の非対称性は、二次元の光検出器で検出することができ、例えば、アレイ型フォトダイオードまたはＣＣＤ型ラインセンサを用いると良い。

前記光導波路は、低屈折率材料、例えば、フッ素系樹脂などで形成すると良い。

前記光導波路と前記第一および第二の流体路は同一基板上に形成することができ、更に前記基板をマイクロチップとすれば、マイクロ化学分析などに好適に用いることができる。

以上説明したように本発明は、光導波路に沿う第一および第二の流体路と、前記光導波路を通って端部から出射される光を有効利用し、該出射光における光強度の非対称性に基づき前記各流体路中の試料の特性を測定、判別することができる。
よって、温度センサ、湿度センサ、誤差補正演算手段、ルックアップテーブルなどの余分な要素を必要とすることなく、簡素な構成、単純な作業により、低コストでの測定、判別が可能になり、例えば、マイクロ化学分析などに好適に用いることができるなど、多くの効果を奏する。

以下、本発明の実施形態の数例を図面に基づいて説明するが、各図示例において同様の構成要素には同一の符号を付すなどして、重複する説明を省略する。

図１及び図２は、本発明に係る光導波路型センサをマイクロチップＡとして構成した例を示す。
マイクロチップＡは、シリコンまたはガラス製の基板１上に、ガラス、あるいは比較的低屈折率の樹脂、例えばフッ素系樹脂（ＰＴＦＥ、ＦＥＰなど）からなる下部クラッド２、コア３、上部クラッド４を形成すると共に、コア３の左右に中空流路からなる第一の流体路５および第二の流体路６を形成し、コア３により光導波路を構成している。

本例では、コア（光導波路）３は断面が８μｍ角程度の四角形状で、クラッド２，４との比屈折率差Δｎ（≒(コアの屈折率−クラッドの屈折率)／(コアの屈折率)）が０．３％程度となるよう形成され、それぞれの流体路５，６は、断面の幅５０μｍ×高さ３０μｍ程度の四角形状となるよう形成されている。
また、本例のコア３およびクラッド２，４は、第一の流体路５中の試料が被測定物（サンプル液）としての水溶液であり、第二の流体路６中の試料が基準物（リファレンス液）としての水である場合には、屈折率が水（＝１．３３３）に近く、且つ水よりも大きい材質からなるものが望ましい。例えば、前記フッ素系樹脂として、屈折率１．３４のＦＥＰ、１．３５のＰＴＦＥ、１．４２のＰＣＴＦＥなどをあげることができる。水との屈折率差が大きいとエバネッセント光の染み出し量が少なくなり、サンプル液とリファレンス液の屈折率差に基づく光強度の非対称性の検出感度が悪くなる。なお、サンプル液用の溶媒は水に限るものではなく、被測定物に応じて適宜選択すればよく、更に被測定物やサンプル液の種類に応じて、屈折率や化学的耐性等の観点から光導波路や基板の材質も適宜選択すればよい。

コア（光導波路）３の一端（入射端）側には、コア３に光ビームを入射するためのレーザ光源（不図示）が配設されている。
また、コア３の他端（出射端）側には、コア３を通って出射された光強度の非対称性を測定するための光検出器７が、コア３の左右方向に沿って伸びるように配設されている。すなわち、コア３の出射端面での光強度分布を対数表示すると、光の周辺部ほど強度分布に差が出てくる。この差は、アレイ型ＰＤ、ＣＣＤ型ラインセンサなどの光検出器７を用いれば十分に判別することが可能になる。

また、本例では、第一，第二の流体路５，６において、供給口５ａ，６ａがコア３の入射端近傍に、排出口５ｂ，６ｂがコア３の出射端近傍にそれぞれ形成されると共に、これら流体路５，６がコア（光導波路）３の中心軸Ｌに対し対称状に配されており、供給路５ｃ，６ｃ、排出路５ｄ，６ｄを除くほぼ全長にわたる領域がコア３に接している。

さらに、本例では、コア３の出射端と光検出器７の間に、光強度分布の拡大手段としてのレンズ８を備えており、より高精度な検出を行えるようになっている。

以上の構成によれば、第一の流体路５にサンプル用水溶液を流し、第二の流体路６にリファレンス液としての水を流すと、コア３の入射端より導入された光は、コア３と液体との界面部分（検出部）で、屈折率の高い方に偏りながら伝搬し、そのまま、コア３の出射端より出力され、出力された光の強度分布を、レンズ８で拡大し、光検出器７によりその非対称性を計測する。すなわち、流体路５または６に屈折率の高い液体を流すと、流体路側に偏った光強度分布となり、屈折率の低い液体を流すと流体路と反対側に偏った光強度分布となる。

以下、更に具体的に説明する。
本具体例では、光導波路等は全て石英ガラスで形成する。図１に示すように、コア３の表面の第一の流体路５と接する側に、一次抗体（具体的には図１，２中「Ｙ」に相当する）、を固定化させるため、供給口５ａ、供給路５ｃ、排出路５ｄ、排出口５ｂを経由して、予め第一の流体路に２％シランカップリング剤、及び２％グルタルアルデヒドを流した後、抗体の一種であるモノクローナル抗体（Anti-mouse lgG ）溶液（１００μｇ／mｌ ）５００μｌを同様に供給口５ａから第一流体路５中に注入し、室温で３０分静置する。その後、抗原の非特異的な吸着を防ぐため、排出口５ｂから抗体溶液を取り除き、リン酸緩衝液（ＰＢＳ）で洗浄し、ブロッキング溶液（２％W/V BSA(Bovine Serum Albumin )PBS(Phosphate Buffer Solution ))を５００μl入れて室温で１時間静置した後、界面活性剤（Tween20 ）0.05％V/Vを含むＰＢＳで２回洗浄を行う。

ここで、抗体がコア３表面に固定化されることによって、コア表面近傍の屈折率が平均的に増加するため、第一，第二の流体路５，６両方に水を流し、予めこの段階での光強度分布の非対称性を測定しておく。
次に、抗原抗体反応をさせるために、10μg/ml の抗原（mouse lgG ：図１，２中「○」に相当する）溶液500μlを供給口５ａから第一流体路５中に注入し、室温で３０分静置した後、PBSで２回洗浄を行う。
これにより、コア表面に固定された一次抗体と抗原とが反応して結合する抗原抗体反応が起こる。その結果、抗体と抗原が結合した分だけ、第一流体路５側のコア３表面近傍の屈折率が更に増加する。これにより生じる光強度分布の非対称性を測定し、抗原抗体反応前に測定した結果を用いて補正することで、最終的に、抗体と結合した抗原の量を測定することができる。

さらには、第二の流体路６にも、第一の流体路５に注入する抗原溶液と同じものを注入しておけば、抗原抗体反応が開始してから安定化するまでの過渡的な状態においても周囲の環境変化等の測定誤差要因を排除して測定することができる。

また、上記の例では、第一の流体路５側のみのコア３表面に抗体を固定化する例を示したが、予め第一，第二の流体路５，６両方の側のコア３表面に抗体を固定化しておけば、抗体の存在自体は光強度分布の非対称性には影響を与えないことから前述の補正作業は不要となり、第一の流体路５にのみ抗原溶液を注入することで簡便に測定することも可能となる。

以上述べたように、本例によれば、測定時の周囲の温度、湿度等の環境変化により、測定対象ではない溶媒自体の屈折率に変化が生じたり、光源そのものの光強度が変動するなどの測定誤差要因は、第一，第二の流体路５，６を流れる液に共通して作用するため、出射光強度分布の非対称性には影響を与えない。即ち、これらの測定誤差要因を簡便に排除することができ、サンプル液中に存在する被測定物の特性を測定、判別することが可能となる。

図３には、図１に示す実施形態例において、コア３の上下に中空流路からなる第一の流体路５、第二の流体路６を形成した場合を示す。この例では、コア３の他端（出射端）側の光検出器７が、コア３の上下方向に沿って伸びるように配設される。
この例においても、第一の流体路５にサンプル用水溶液を流し、第二の流体路６にリファレンス液としての水を流すと、前述の形態例と同様にして、サンプル用水溶液中に存在する被測定物に起因する光強度分布の非対称性を判別することができる。

図４には、前述した実施形態例における光強度分布拡大手段の変更例を示す。
すなわち、この例では、前述のレンズ８に代えて、コア（光導波路）３における出射端側の所定領域に、スラブ型光導波路１０を形成した場合を示す。
この例においても、第一の流体路５にサンプル用水溶液を流し、第二の流体路６にリファレンス液としての水を流すと、前述の形態例と同様にしてコア３の出射端より出力される光の強度分布を、スラブ型光導波路１０で拡大し、光検出器７によりその非対称性を計測、判別することができる。

図５には、図４の実施形態例における光強度分布拡大手段の変更例を示す。
すなわち、この例では、前述のスラブ型光導波路１０に加え、該スラブ型光導波路１０内における中心軸Ｌ上に、光を遮断する材質からなる光分岐部１１を形成した場合を示す。
この例においては、第一の流体路５にサンプル用水溶液を流し、第二の流体路６にリファレンス液としての水を流すと、前述の形態例と同様にしてコア３の出射端より出力される光の強度分布を、スラブ型光導波路１０で拡大する。
そして、光分岐部１１により、第一の流体路５側（サンプル用水溶液側）と、第二の流体路６側（リファレンス液側）とに光を二分割し、光検出器７によりその非対称性を計測、判別することができる。

図６には、前述の実施形態例における光分岐手段の変更例を示す。
この例では、前述のスラブ型光導波路１０に代えて、コア（光導波路）３における出射端側の所定領域に方向性結合器１２を形成し、コア（光導波路）３の出射端側を、第一の流体路側の出力導波路３ａ、第二の流体路側の出力導波路３ｂ、中心の出力導波路３ｃの三つに分岐させている。
この例においては、第一の流体路５にサンプル用水溶液を流し、第二の流体路６にリファレンス液としての水を流すと、前述の形態例と同様にしてコア３の出射端より出力される光を、方向性結合器１２で、第一の流体路側（サンプル用水溶液側）３ａと、第二の流体路側（リファレンス液側）３ｂと、中心の出力導波路３ｃとに三分割し、光検出器７によりその強度分布の非対称性を計測、判別することができる。

以上、本発明の実施形態例を図面に基づき説明したが、本発明は図示例に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇において各種変更が可能であることは言うまでもない。

本発明の実施形態の一例に係る簡略横断平面図。 図１の例に係る要部の縦断側面図。 図１の変更例に係る要部の縦断側面図。 本発明の実施形態の他例に係る簡略横断平面図。 本発明の実施形態のさらに他例に係る簡略横断平面図。 本発明の実施形態のさらに他例に係る簡略横断平面図。

符号の説明

１：基板
２，４：クラッド
３：コア（光導波路）
Ｌ：光導波路の中心軸
５：第一の流体路
６：第二の流体路
７：光検出器
８：光強度拡大用レンズ
１０：スラブ型光導波路
１１：光分岐部
１２：方向性結合器

Claims (10)

1. 光導波路に沿って対称状に配され且つ一定長さ領域が前記光導波路に接する第一および第二の流体路を有し、
   前記第一の流体路および／または前記第二の流体路中の試料の特性を、前記光導波路を通って端部から出射された光強度の非対称性に基づき測定することを特徴とする光導波路式測定方法。
2. 前記光強度の非対称性が、前記第一および第二のそれぞれの流体路中の試料における屈折率の相違に基づくものであることを特徴とする請求項１記載の光導波路式測定方法。
3. 前記第一の流体路中の試料が被測定物（サンプル液）であり、前記第二の流体路中の試料が基準物（リファレンス液）であることを特徴とする請求項１または２記載の光導波路式測定方法。
4. 光導波路と、
   前記光導波路の一端から光を入射する光源と、
   前記光導波路の他端から出射された光の強度分布を測定する光検出器と、
   被測定物が流れる第一の流体路と、
   基準物が流れる第二の流体路と、を備え、
   前記第一および第二の流体路は、前記光導波路の中心軸に対し対称状になり、且つ一定長さ領域が前記光導波路に接するよう形成されており、
   前記光源から出射され、前記光導波路を通ってその他端から出射された光強度の非対称性を前記光検出器で測定することを特徴とする光導波路型センサ。
5. 前記光導波路の出射端と前記光検出器の間に光強度分布拡大用レンズを配したことを特徴とする請求項４記載の光導波路型センサ。
6. 前記光導波路の出射端側にスラブ型光導波路が形成されていることを特徴とする請求項４記載の光導波路型センサ。
7. 前記光導波路の出射端側に方向性結合器が形成されていることを特徴とする請求項４記載の光導波路型センサ。
8. 前記光検出器がアレイ型フォトダイオードまたはＣＣＤ型ラインセンサであることを特徴とする請求項４〜７のいずれか記載の光導波路型センサ。
9. 前記光導波路が低屈折率材料からなることを特徴とする請求項４〜８のいずれか記載の光導波路型センサ。
10. 少なくとも、前記光導波路と前記第一および第二の流体路が同一基板上に形成されていることを特徴とする請求項４〜９のいずれか記載の光導波路型センサ。

Images