JP2011163786A - 導波モードセンサおよびこれを用いた標的物質の検出方法 - Google Patents

Abstract

【課題】標的物質を高感度に検出可能な導波モードセンサを提供する。
【解決手段】導波モードセンサ１００は、高屈折率ガラス基板１１２と、高屈折率ガラス基板１１２上に形成され、高屈折率ガラス基板１１２よりも低い屈折率を有するＳｉＯ_２膜１１４と、ＳｉＯ_２膜１１４上に形成されたＴｉＯ_２膜１１６と、からなる検出板１１０と、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２側の表面に接し、高屈折率ガラス基板１１２と同じ屈折率を有するプリズム１２０と、を備え、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面に吸着する標的物質１５０により吸収される波長を有する光を、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２側から入射する。
【選択図】図１

Description

本発明は、導波モードセンサおよびこれを用いた標的物質の検出方法に関する。

近年、ＤＮＡ、たんぱく質、および糖鎖などを検出するバイオセンサや金属イオンおよび有機分子などを検出する化学物質センサとして、導波モードを利用した導波モードセンサが用いられている。

従来の導波モードセンサの構造としては、特許文献１に示されるようなものがある。この構造を図５に示す。

図５は、従来の導波モードセンサを模式的に示す断面図である。図５に示した導波モードセンサ２００は、ＳｉＯ_２基板２１２と、Ｓｉ単結晶膜２１４と、ＳｉＯ_２膜２１６と、からなる検出板２１０を備える。また、導波モードセンサ２００は、検出板２１０のＳｉＯ_２基板２１２側に屈折率調整オイル（図示せず）を介してＳｉＯ_２プリズム２２０を備える。図５に示すように、ＳｉＯ_２プリズム２２０側にある光源２３０から入射光２４０を照射すると、偏光板２３２を通過した入射光２４０がある特定の入射角で入射されるとき、Ｓｉ単結晶膜２１４およびＳｉＯ_２膜２１６内を伝搬光が伝搬する導波モード（図示せず）が励起される。当該特定の入射角付近では、検出板２１０で反射された反射光２４２の強度が大きく変化する。一方、導波モードの励起条件もＳｉＯ_２膜２１６表面における屈折率の変化に敏感であり、この屈折率の変化は、当該入射角付近における反射光２４２の反射特性の変化となって現れる。これにより、導波モードセンサは、光検出機構２３４により反射光２４２の強度の変化をモニターすることで、検出したい標的物質２５０のＳｉＯ_２膜２１６表面への吸着の有無を検出することができる。

図６は、図５に示した従来の導波モードセンサの構造において、標的物質２５０としてストレプトアビジン（ＳＡ）を用いて、反射光強度の入射角依存を測定した結果を示す図である。図６に示すように、ＳＡが吸着することにより、反射光強度におけるディップの生じる入射角が変化する。これにより、従来の導波モードセンサは、標的物質であるＳＡの吸着を検出している。

特開２００９−８５７１４号公報

しかしながら、図５に示した従来の導波モードセンサの構造は、以下の改善の余地を有する。
第１に、一般に、光は、屈折率の高い物質に局在する傾向がある。よって、入射光２４０を検出板２１０に入射することでＳｉ単結晶膜２１４およびＳｉＯ_２膜２１６内を伝搬する伝搬光は、ＳｉＯ_２膜２１６に比べて、Ｓｉ単結晶膜２１４内に局在する。そのため、ＳｉＯ_２膜２１６表面に局在するエバネセント光の電界強度が小さくなり、標的物質を検出する感度の限界につながることが考えられる。

第２に、消衰係数を有するＳｉ単結晶膜２１４を用いているために、図６に示すように、標的物質２５０がＳｉＯ_２膜２１６に吸着していなくても、反射光強度の入射角依存においてディップが生じてしまう。そのため、標的物質２５０の吸着の有無の検出は、標的物質２５０の吸着の前後におけるディップの生じる入射角やディップの深さを比較しなければならない。

本発明によれば、高屈折率ガラス基板と、前記高屈折率ガラス基板上に形成され、前記高屈折率ガラス基板よりも低い屈折率を有するＳｉＯ_２膜と、前記ＳｉＯ_２膜上に形成されたＴｉＯ_２膜と、からなる検出板と、
前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側の表面に接し、前記高屈折率ガラス基板と同じ屈折率を有するプリズムと、を備え
前記検出板の前記ＴｉＯ_２膜側の表面に吸着する標的物質により吸収される波長を有する光を、前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から入射する導波モードセンサが提供される。

また、本発明によれば、上記の導波モードセンサを用いた標的物質の検出方法であって、
前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から前記検出板に入射され、前記検出板で反射された光の強度について、前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から前記検出板に入射される光の入射角依存を測定する工程を含む標的物質の検出方法が提供される。

本発明によれば、標的物質が吸着するＴｉＯ_２膜がＳｉＯ_２膜よりも高い屈折率を有するから、ＴｉＯ_２膜における伝搬光の電界強度がＳｉＯ_２膜におけるものよりも大きくなる。そのため、標的物質が吸着するＴｉＯ_２膜の表面に局在するエバネセント光の電界強度が増加するので、従来の導波モードセンサに比べて、標的物質の検出の感度が向上する。

また、本発明によれば、高屈折率ガラス基板、ＳｉＯ_２膜、およびＴｉＯ_２膜のいずれにも、透光性を有する誘電体材料が用いられており、これらの物質の消衰係数は限りなくゼロに近い。そのため、標的物質がＴｉＯ_２膜の表面に吸着していない場合、反射光強度の入射角依存においてディップが全く生じないか、生じたとしても非常に小さい。すなわち、光を吸収する標的物質がＴｉＯ_２膜の表面に吸着した場合のみ、反射光強度の入射角依存においてディップが大きく生じる。これにより、標的物質の吸着の前後でディップの生ずる入射角やディップの深さを比較しなくても、ディップの有無を確認するだけで標的物質の吸着の有無を検出することができる。

本発明の実施形態の導波モードセンサを模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の検出板の製造工程を模式的に示す断面図である。 本発明の実施形態の導波モードセンサを用いた場合の反射光強度の入射角依存のシミュレーションの結果を示す図である。 従来の導波モードセンサを用いた場合の反射光強度の入射角依存のシミュレーションの結果を示す図である。 従来の導波モードセンサを模式的に示す断面図である。 従来の導波モードセンサを用いた場合の反射光強度の入射角依存を示す図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る導波モードセンサを模式的に示した断面図である。
図１に示した導波モードセンサ１００は、検出板１１０を備える。図１に示すように、検出板１１０は、高屈折率ガラス基板１１２と、その上に形成されたＳｉＯ_２膜１１４と、さらにその上に形成されたＴｉＯ_２膜１１６と、からなる。ここで、ＳｉＯ_２膜１１４は、高屈折率ガラス基板１１２よりも低い屈折率を有する。また、ＴｉＯ_２膜１１６は、ＳｉＯ_２膜１１４よりも高い屈折率を有する。

図１に示した導波モードセンサ１００は、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２側の表面に屈折率調整オイル（図示せず）を介して接するプリズム１２０を備える。プリズム１２０は、高屈折率ガラス基板１１２に接着させる際、プリズム１２０と高屈折率ガラス基板１１２との間での入射光１４０の反射が生じない様、高屈折率ガラス基板１１２と同じ屈折率を有する材料を用いることとする。好ましくは、プリズム１２０は高屈折率ガラス基板１１２と同じ材料で作られる。また、プリズム１２０は、図１に示すように、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２側に設置されている光源１３０から偏光板１３２を介して検出板１１０に入射される入射光１４０と、これによって励起されるＳｉＯ_２膜１１４およびＴｉＯ_２膜１１６内の導波モード（図示せず）とを結合するために用いられる。

ここで、高屈折率ガラス基板１１２は、ＳｉＯ_２膜１１４よりも高い屈折率を有すれば特に制限はないが、例えば、入手が容易な市販の高屈折率ガラス基板（オハラ社製Ｓ−ＬＡＨ６６やＳＣＨＯＴＴ社製ＬＡＳＦＮ９など）を用いることができる。

また、図１に示すように、導波モードセンサ１００の検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面には、標的物質１５０が吸着される。標的物質１５０は、ＴｉＯ_２膜１１６の表面に直接吸着させたり、検体捕捉層（図示せず）を介して吸着させることができる。

ここで、光源１３０から検出板１１０に入射される入射光１４０は、標的物質１５０により吸収される波長を有する。標的物質１５０が透明な場合、標的物質１５０は、入射光１４０を吸収する化学物質（図示せず）により標識化することができる。化学物質としては、例えば、５００ｎｍ以下の粒径を有する金属ナノ粒子等の金属を用いることができる。また、その他として、例えば、色素を用いることができる。

または、標的物質１５０が透明な場合、標的物質１５０と反応することにより、入射光１４０を吸収する物質を発生させる検体捕捉層を用いることができる。

さらに、図１に示すように、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２側には、光源１３０から検出板１１０に入射され、検出板１１０で反射された反射光１４２の強度を検出する光検出機構１３４が設置される。

ここで、入射光１４０は、可視光とすることができる。これにより、入射光１４０および反射光１４２は、肉眼で観察することができ、本実施形態の導波モードセンサを用いての標的物質１５０の検出がより容易となる。

以上により、図１に示した導波モードセンサ１００は、入射角走査機構（図示せず）により、入射光１４０の入射角θを走査しながら、光検出機構１３４により、反射光１４２の強度を測定することで、反射光１４２の強度についての入射角依存を測定する。これにより、図１に示した導波モードセンサ１００は、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面への標的物質１５０の吸着の有無を検出する。

本実施形態においては、標的物質１５０が吸着するＴｉＯ_２膜１１６がＳｉＯ_２膜１１４よりも高い屈折率を有するから、入射光１４０が光源１３０から検出板１１０に入射された場合において、ＴｉＯ_２膜１１６における伝搬光の電界強度がＳｉＯ_２膜１１４におけるものよりも大きくなる。そのため、標的物質１５０が吸着するＴｉＯ_２膜１１６の表面に局在するエバネセント光の電界強度が大きくなるので、高感度で、標的物質１５０を検出することができる。

また、本実施形態においては、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２、ＳｉＯ_２膜１１４、およびＴｉＯ_２膜１１６のいずれにも、透光性を有する誘電体材料が用いられているので、標的物質１５０がＴｉＯ_２膜１１６の表面に吸着していない場合、検出板１１０で反射された反射光１４２の強度の入射角依存においてディップが全く生じないか、生じたとしても非常に小さい。一方、入射光１４０を吸収する標的物質１５０がＴｉＯ_２膜１１６の表面に吸着している場合、検出板１１０で反射された反射光１４２の強度の入射角依存においてディップが大きく生じることになる。

次に、図２を参照して、検出板１１０の製造方法を説明する。

図２は、検出板１１０の製造工程を示す断面図である。まず、図２（ａ）に示すように、高屈折率ガラス基板１１２を用意する。

次いで、図２（ｂ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、高屈折率ガラス基板１１２上に、ＳｉＯ_２膜１１４を被覆する。

次いで、図２（ｃ）に示すように、例えばスパッタリング法を用いて、ＳｉＯ_２膜１１４上に、ＴｉＯ_２膜１１６を被覆し、検出板１１０を得る。

なお、一般に、二酸化チタンは、その中の酸素原子が離脱しやすいため、チタンに対する酸素のモル比が二酸化チタンの化学量論比（理論比２．００）より小さい酸化チタンとなりやい。そのような酸化チタンは、当該モル比が２．００よりも小さくなるほど、二酸化チタンに比べて大きな消衰係数を有することになる。そのため、これを用いると、標的物質１５０がＴｉＯ_２膜１１６の表面に吸着していない場合でも、検出板１１０で反射された反射光１４２の強度の入射角依存においてディップが生じてしまう。そのため、ＴｉＯ_２膜１１６におけるチタンに対する酸素のモル比は、２．００近傍であることが望ましい。

次に、本実施形態の導波モードセンサを用いた場合における反射光強度の入射角依存のシミュレーションについて説明する。当該シミュレーションは、以下の条件を設定して行う。

まず、検出板１１０の高屈折率ガラス基板１１２、ＳｉＯ_２膜１１４、およびＴｉＯ_２膜の屈折率は、それぞれ、１．７６９、１．４７９、および２．５とする。プリズム１２０は、高屈折率ガラス基板１１２と同じ屈折率を有するものとし、その形状は、頂点が３０度の二等辺三角形とする。ＳｉＯ_２膜１１４およびＴｉＯ_２膜１１６の厚さは、それぞれ、６００ｎｍおよび５０ｎｍとする。また、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面付近は、水（屈折率１．３３２）で満たされているものとする。さらに、入射光１４０は、６３２．８ｎｍの波長を有するＳ偏光とする。

ここで、本シミュレーションでは、標的物質１５０は、６３２．８ｎｍの波長を有する入射光１４０を吸収しない物質とする。そこで、本シミュレーションでは、２０ｎｍの粒径を有し、当該波長において０．３５７＋３．０９ｉの複素屈折率を有するＡｕナノ粒子により、標的物質１５０を標識化するものとし、Ａｕナノ粒子自身がＴｉＯ_２膜１１６表面に吸着しているものとする。ここで、Ａｕナノ粒子のＴｉＯ_２膜１１６表面への吸着個数は、０．００７μｍ^−２とする。

上述したように、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面付近は、水で満たされているので、当該Ａｕナノ粒子により、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面には、Ａｕナノ粒子／水混合層が形成されることになる。そこで、本シミュレーションでは、当該層を、均一な複素屈折率を有する１つの層と考える。当該複素屈折率は、マクスウェル−ガーネットの有効媒質近似から、１．３３２＋８．７０４×１０^−７ｉと求めることができる。また、当該層の厚さは、Ａｕナノ粒子の粒径２０ｎｍとする。

図３は、以上の条件を設定した場合における本実施形態の導波モードセンサを用いたときの反射光強度の入射角依存のシミュレーションの結果を示す図である。図３中の実線は、上記の条件でＡｕナノ粒子がＴｉＯ_２膜１１６の表面に吸着された場合の入射光１４０の強度と反射光１４２の強度との比（反射率）を示す。一方、破線は、Ａｕナノ粒子が吸着される前の反射率を示す。図３に示すように、０．００７μｍ^−２のＡｕナノ粒子をＴｉＯ_２膜１１６表面に付着することで、入射角６９．８度付近で、反射率が最大約０．０１減少するディップが生じる。

以上に対し、図５に示した従来の導波モードセンサを用いた場合における反射光強度の入射角依存のシミュレーションを比較する。当該シミュレーションは、以下の条件を設定して行う。

まず、検出板２１０のＳｉＯ_２基板２１２、Ｓｉ単結晶膜２１４、およびＳｉＯ_２膜２１６の複素屈折率は、それぞれ、１．４５６、３．８８２＋０．０１９ｉ、および１．４５６とする。ＳｉＯ_２プリズム２２０は、ＳｉＯ_２基板２１２と同じ屈折率を有するものとし、その形状は、頂点が３０度の二等辺三角形とする。Ｓｉ単結晶膜２１４およびＳｉＯ_２膜２１６の厚さは、それぞれ、４０ｎｍおよび４５０ｎｍとする。また、検出板２１０のＳｉＯ_２膜２１６側の表面付近は、水（屈折率１．３３２）で満たされているものとする。さらに、入射光２４０は、６３２．８ｎｍの波長を有するＳ偏光とする。

ここで、本シミュレーションでは、標的物質２５０は、本実施形態のシミュレーションにおける標的物質１５０と同様、６３２．８ｎｍの波長を有する入射光２４０を吸収しない物質とする。そこで、本シミュレーションでは、本実施形態のシミュレーションと同様、２０ｎｍの粒径を有し、当該波長において０．３５７＋３．０９ｉの複素屈折率を有するＡｕナノ粒子により、標的物質２５０を標識化するものとし、Ａｕナノ粒子自身がＳｉＯ_２膜２１６表面に吸着しているものとする。ここで、Ａｕナノ粒子のＳｉＯ_２膜２１６表面への吸着個数は、０．７μｍ^−２とする。

上述したように、検出板２１０のＳｉＯ_２膜２１６側の表面付近は、水で満たされているので、当該Ａｕナノ粒子により、検出板２１０のＳｉＯ_２膜２１６側の表面には、Ａｕナノ粒子／水混合層が形成されることになる。そこで、本シミュレーションでは、本実施形態のシミュレーションと同様に、当該層を、均一な複素屈折率を有する１つの層と考える。当該複素屈折率は、マクスウェル−ガーネットの有効媒質近似から、１．３３３＋８．７０５×１０^−５ｉと求めることができる。また、当該層の厚さは、Ａｕナノ粒子の粒径２０ｎｍとする。

図４は、以上の条件を設定した場合における従来の導波モードセンサを用いたときの反射光強度の入射角依存のシミュレーションの結果を示す図である。図４中の実線は、上記の条件でＡｕナノ粒子がＳｉＯ_２膜２１６の表面に吸着された場合の入射光２４０の強度と反射光２４２の強度との比（反射率）を示す。一方、破線は、Ａｕナノ粒子が吸着される前の反射率を示す。図４に示すように、０．７μｍ^−２のＡｕナノ粒子をＳｉＯ_２膜２１６表面に付着することで、入射角６８．３度付近で、反射率が最大約０．０１減少するディップが生じる。

以上から、本実施形態の導波モードセンサと従来の導波モードセンサとを比較すると、従来の導波モードセンサでは、０．７μｍ^−２のＡｕナノ粒子の吸着で、約０．０１反射率が減少するディップが生じるのに対し、本実施形態の導波モードセンサでは、０．００７μｍ^−２のＡｕナノ粒子の吸着で、約０．０１反射率が減少するディップが生じる。したがって、本実施形態の導波モードセンサは、図５に示した従来の導波モードセンサに比べて、約１００倍の感度を有することが分かる。

また、従来の導波モードセンサでは、図４に示すように、ＳｉＯ_２膜２１６表面へのＡｕナノ粒子の吸着前でも、ディップが生じているのに対し、本実施形態の導波モードセンサでは、図３に示すように、ＴｉＯ_２膜１１６表面へのＡｕナノ粒子の吸着前に、ディップが生じない。したがって、本実施形態の導波モードセンサは、Ａｕナノ粒子の吸着前後でディップの深さを比較しなくても、ディップの有無を確認するだけでＴｉＯ_２膜１１６表面へのＡｕナノ粒子の吸着を検出することができる。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明を限定するものでない。当業者にあっては、具体的な実施態様において本発明の技術思想および技術範囲から逸脱せずに種々の変形・変更を加えることが可能である。

例えば、上述した実施形態では、検出板１１０のＴｉＯ_２膜１１６側の表面付近は、水で満たされているが、当該表面付近は、空気で満たされていたり、真空であってもよい。

１００ 導波モードセンサ
１１０ 検出板
１１２ 高屈折率ガラス基板
１１４ ＳｉＯ_２膜
１１６ ＴｉＯ_２膜
１２０ プリズム
１３０ 光源
１３２ 偏光板
１３４ 光検出機構
１４０ 入射光
１４２ 反射光
２００ 導波モードセンサ
２１０ 検出板
２１２ ＳｉＯ_２基板
２１４ Ｓｉ単結晶膜
２１６ ＳｉＯ_２膜
２２０ ＳｉＯ_２プリズム
２３０ 光源
２３２ 偏光板
２３４ 光検出機構
２４０ 入射光
２４２ 反射光

Claims (4)

1. 高屈折率ガラス基板と、前記高屈折率ガラス基板上に形成され、前記高屈折率ガラス基板よりも低い屈折率を有するＳｉＯ_２膜と、前記ＳｉＯ_２膜上に形成されたＴｉＯ_２膜と、からなる検出板と、
   前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側の表面に接し、前記高屈折率ガラス基板と同じ屈折率を有するプリズムと、を備え、
   前記検出板の前記ＴｉＯ_２膜側の表面に吸着する標的物質により吸収される波長を有する光を、前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から入射する導波モードセンサ。
2. 前記標的物質は、前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から入射される光を吸収する化学物質により標識化された物質である請求項１記載の導波モードセンサ。
3. 前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から入射される光は、可視光である請求項１または２記載の導波モードセンサ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の導波モードセンサを用いた標的物質の検出方法であって、
   前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から前記検出板に入射され、前記検出板で反射された光の強度について、前記検出板の前記高屈折率ガラス基板側から前記検出板に入射される光の入射角依存を測定する工程を含む標的物質の検出方法。

Images