JP2012108044A - Micro substance detector - Google Patents

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孝二郎 関根
Masahiro Imada
昌宏 今田
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秀 細江
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a new micro substance detector capable of increasing detection sensitivity to a substance to be detected.SOLUTION: A micro substance detector includes: a light source; a first waveguide which is formed on a base plate and propagates a light wave from the light source; an optical ring resonator formed of a ring-shaped second waveguide in contiguity with the first waveguide on the base plate; and a detection part for detecting fluorescence generated by a substance to be detected with a fluorescent label adhering to the optical ring resonator.

Description

本発明は、微小物質を検出するための微小物質検出装置に関する。   The present invention relates to a minute substance detection device for detecting minute substances.

従来から、光学デバイスを用いて微生物等の微小物質を検出するための微小物質検出装置が実用化されている。このような微小物質検出装置は、バイオセンサとも称される微小物質検出用のセンサを用いることで、各種の微小物質の有無、その量、その種類等を検出することができる。このような微小物質検出センサの動作原理としては、光学デバイスの周囲に検出対象の微小物質(被検出物質)が付着することで、当該光学デバイスが示す光学特性が変化することを利用している。   2. Description of the Related Art Conventionally, a minute substance detection apparatus for detecting minute substances such as microorganisms using an optical device has been put into practical use. Such a minute substance detection apparatus can detect the presence / absence of various kinds of minute substances, the amount thereof, the kind thereof, and the like by using a sensor for detecting a minute substance, also referred to as a biosensor. As a principle of operation of such a minute substance detection sensor, the fact that a minute substance (a substance to be detected) to be detected adheres to the periphery of the optical device changes the optical characteristics of the optical device. .

例えば、特表2003−515737号公報(特許文献1)には、平坦な円筒状共鳴式光キャビティを有する共鳴式光学的検定構造体を有する高感度で高スループットの生物学的センサが開示されている。すなわち、特許文献1には、円盤型(ディスク型)のウィスパリングギャラリーモードを利用する方式が開示されている。   For example, Japanese translations of PCT publication No. 2003-515737 (Patent Document 1) discloses a high-sensitivity and high-throughput biological sensor having a resonant optical assay structure having a flat cylindrical resonant optical cavity. Yes. That is, Patent Document 1 discloses a method using a disc-type (disc-type) whispering gallery mode.

また、特開2008−304216号公報(特許文献2)には、光学デバイスとして光リング共振器を用いた物質検知装置が開示されている。このような光リング共振器を用いる場合には、その光リング共振器の周囲に微小物質が付着するように構成するとともに、光リング共振器での共振波長の変化を検出できるように構成される。この光リング共振器での共振波長の変化は、微小物質の付着によって光リング共振器の屈折率が変化することに起因している。特に、特許文献2には、波長選択性を有しない第1の光導波路と共振結合する位置に第2の光導波路を配置してマイクロリング共振器を形成するとともに、第2の光導波路に、検出対象の物質が入り得る孔を設ける構成が開示されている。   Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2008-304216 (Patent Document 2) discloses a substance detection apparatus using an optical ring resonator as an optical device. When such an optical ring resonator is used, it is configured so that a minute substance adheres to the periphery of the optical ring resonator, and is configured to detect a change in resonance wavelength in the optical ring resonator. . The change in the resonance wavelength in the optical ring resonator is caused by the change in the refractive index of the optical ring resonator due to the adhesion of a minute substance. In particular, in Patent Document 2, a microring resonator is formed by arranging a second optical waveguide at a position where it is resonantly coupled to a first optical waveguide that does not have wavelength selectivity, The structure which provides the hole into which the substance to be detected can enter is disclosed.

特表2003−515737号公報JP-T-2003-515737 特開2008−304216号公報JP 2008-304216 A

上述の特許文献1には、ディスク形状の光デバイスを利用する構成を開示するに過ぎない。また、上述の特許文献2に開示される構成は、リング形状の光デバイスを利用するものであるが、入射光と分離光との間の関係に基づいて、被検出物質を検出するものであり、光学的な相互作用を直接的に検出するものではない。   Patent Document 1 described above merely discloses a configuration using a disk-shaped optical device. In addition, the configuration disclosed in Patent Document 2 described above uses a ring-shaped optical device, and detects a substance to be detected based on the relationship between incident light and separated light. It does not directly detect optical interactions.

本発明は、上記のような問題を解決するためになされたものであって、その目的は、被検出物質に対する検出感度を高めることのできる新規な微小物質検出装置を提供することである。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide a novel minute substance detection device capable of increasing the detection sensitivity for a substance to be detected.

本発明のある局面に従う微小物質検出装置は、光源と、基板上に形成されて光源からの光波を伝搬する第1の導波路と、基板上に第1の導波路と近接して形成されたリング状の第2の導波路からなる光リング共振器と、蛍光標識が付された被検出物質が光リング共振器に付着することで発生する蛍光を検出する検出部とを含む。   A minute substance detection device according to an aspect of the present invention includes a light source, a first waveguide that is formed on a substrate and propagates a light wave from the light source, and is formed on the substrate in proximity to the first waveguide. An optical ring resonator including a ring-shaped second waveguide, and a detection unit that detects fluorescence generated when a substance to be detected with a fluorescent label attached to the optical ring resonator is included.

好ましくは、光源は、光リング共振器の共振波長帯域より広い波長帯域を有する光を発生するように構成されている。   Preferably, the light source is configured to generate light having a wavelength band wider than a resonance wavelength band of the optical ring resonator.

さらに好ましくは、微小物質検出装置は、リング径が互いに異なる第2の導波路を有する光リング共振器を複数含み、光源は、複数の光リング共振器の共振波長帯域の全体より広い波長帯域を有する光を発生するように構成されている。   More preferably, the minute substance detection device includes a plurality of optical ring resonators having second waveguides having different ring diameters, and the light source has a wider wavelength band than the entire resonance wavelength band of the plurality of optical ring resonators. It is comprised so that the light which has may be generated.

さらに好ましくは、複数の光リング共振器は、第1の導波路に沿って、整列配置されている。   More preferably, the plurality of optical ring resonators are aligned along the first waveguide.

さらに好ましくは、微小物質検出装置は、検出部による検出結果に基づいて、複数の光リング共振器のうちいずれの光リング共振器において蛍光が発生しているかを特定する制御手段をさらに含む。   More preferably, the minute substance detection device further includes control means for specifying which of the plurality of optical ring resonators is generating fluorescence based on a detection result by the detection unit.

さらに好ましくは、制御手段は、複数の光リング共振器のうち蛍光が発生している光リング共振器の情報に基づいて、被検出物質が予め定められた複数の物質のうちいずれの物質であるかを特定する。   More preferably, the control means is any of a plurality of substances in which the substance to be detected is predetermined based on information of the optical ring resonator in which fluorescence is generated among the plurality of optical ring resonators. To identify.

さらに好ましくは、検出部は、複数の光リング共振器を光学的に計測するように構成されている。   More preferably, the detection unit is configured to optically measure a plurality of optical ring resonators.

本発明によれば、被検出物質に対する検出感度を高めることができる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the detection sensitivity with respect to a to-be-detected substance can be improved.

本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置の全体構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the whole structure of the micro substance detection apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置において光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure for carrying out the living body modification of the optical ring resonator in the minute substance detection apparatus according to Embodiment 1 of the present invention. 本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置において光リング共振器から発生する蛍光の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of the fluorescence generate | occur | produced from an optical ring resonator in the micro substance detection apparatus according to Embodiment 1 of this invention. 図3に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 図3に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 本発明の実施の形態2に従う微小物質検出装置における微小物質検出センサの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the micro substance detection sensor in the micro substance detection apparatus according to Embodiment 2 of this invention. 図6に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 図6に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 本発明の実施の形態2に従う微小物質検出装置において光リング共振器の設計誤差により共振波長が本来の設計値からずれた場合の特性を示す図である。It is a figure which shows the characteristic in case the resonant wavelength shift | deviates from the original design value by the design error of the optical ring resonator in the micro substance detection apparatus according to Embodiment 2 of the present invention. 本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における微小物質検出センサの構成を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structure of the micro substance detection sensor in the micro substance detection apparatus according to Embodiment 3 of this invention. 図10に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 図10に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における波長分解を用いる制御ロジックの概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the control logic using wavelength decomposition in the microscopic material detection apparatus according to Embodiment 3 of the present invention. 本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における空間検出器を用いる制御ロジックの概略を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the outline of the control logic using a space detector in the micromaterial detection apparatus according to Embodiment 3 of this invention.

本発明の実施の形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、図中の同一または相当部分については、同一符号を付してその説明は繰返さない。   Embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. Note that the same or corresponding parts in the drawings are denoted by the same reference numerals and description thereof will not be repeated.

[概要]
本実施の形態に従う微小物質検出装置は、光リング共振器の表面に蛍光標識が付された被検出物質を吸着するための物質を配置し、この物質に吸着された被検出物質から発生する蛍光を検出する方法を採用する。このような方法を採用することで、従来の方法に比較して、電場より増強された領域での蛍光励起が可能となり、検出感度を高めることができる。
[Overview]
In the minute substance detection device according to the present embodiment, a substance for adsorbing a detected substance with a fluorescent label is arranged on the surface of the optical ring resonator, and fluorescence generated from the detected substance adsorbed on this substance Adopt a method to detect. By adopting such a method, it becomes possible to excite fluorescence in a region enhanced by an electric field as compared with the conventional method, and the detection sensitivity can be increased.

また、光リング共振器の共振波長帯域より広い波長帯域を有する入射光を発生するように構成された光源を用いることで、光リング共振器の製作誤差に対する尤度を高めることができる。   In addition, by using a light source configured to generate incident light having a wavelength band wider than the resonance wavelength band of the optical ring resonator, the likelihood of manufacturing errors of the optical ring resonator can be increased.

[実施の形態1]
《イ.装置構成》
図1は、本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置SYSの全体構成を示す模式図である。図1を参照して、微小物質検出装置SYSは、微小物質検出センサ1と、微小物質検出センサ1に励起光を供給する光源10と、検出部20と、判断処理部30とを含む。
[Embodiment 1]
"I. Device configuration"
FIG. 1 is a schematic diagram showing an overall configuration of a minute substance detection device SYS according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 1, the minute substance detection device SYS includes a minute substance detection sensor 1, a light source 10 that supplies excitation light to the minute substance detection sensor 1, a detection unit 20, and a determination processing unit 30.

本実施の形態に従う微小物質検出装置SYSは、微小物質検出センサ1に含まれる光リング共振器に、蛍光標識が付された被検出物質を接触/近接させることで発生する蛍光を検出し、当該検出された蛍光を観測することで、被検出物質の有無、含有量、濃度、種類等を検出する。   The minute substance detection device SYS according to the present embodiment detects fluorescence generated by bringing a substance to be detected, which is attached with a fluorescent label, into contact with / approaching the optical ring resonator included in the minute substance detection sensor 1, and By observing the detected fluorescence, the presence / absence, content, concentration, type, etc. of the substance to be detected are detected.

微小物質検出センサ1は、1つ以上の光リング共振器を含む。より具体的には、微小物質検出センサ1は、光導波路を製作するための基板2と、基板2上に形成されて光源10からの光波を伝搬する1次導波路40(第1の導波路)と、基板2上に1次導波路40と近接して形成されたリング状のリング導波路3(第2の導波路)からなる光リング共振器とを含む。   The minute substance detection sensor 1 includes one or more optical ring resonators. More specifically, the minute substance detection sensor 1 includes a substrate 2 for manufacturing an optical waveguide, and a primary waveguide 40 (first waveguide) that is formed on the substrate 2 and propagates a light wave from the light source 10. And an optical ring resonator composed of a ring-shaped ring waveguide 3 (second waveguide) formed on the substrate 2 in the vicinity of the primary waveguide 40.

1次導波路40およびリング導波路3は、基板2上のクラッド層4内に、クラッド層4とは異なる屈折率を有するコアとして形成される。すなわち、各導波路は、主として、基板2の上に形成されたコア(相対的に屈折率の高い部分)と、コアの周囲に配置されたクラッド層4(相対的に屈折率の低い部分)とからなる。   The primary waveguide 40 and the ring waveguide 3 are formed in the cladding layer 4 on the substrate 2 as a core having a refractive index different from that of the cladding layer 4. That is, each waveguide mainly includes a core (a portion having a relatively high refractive index) formed on the substrate 2 and a cladding layer 4 (a portion having a relatively low refractive index) disposed around the core. It consists of.

このような導波路には、波長選択性がなく、測定波長範囲の光波をなるべく低損失で伝搬することのできる材料を用いることが好ましい。より具体的には、ガラス、サファイア、石英、光学樹脂といった光学的に透明な材料や、Si,GaAs,GaNといった半導体材料を用いることができる。なお、測定に用いる光の波長は、導波路の波長透過性能に応じて決定することもできる。すなわち、各導波路が透明である波長範囲内を測定波長に設定すればよい。   Such a waveguide is preferably made of a material that has no wavelength selectivity and can propagate a light wave in the measurement wavelength range with as low a loss as possible. More specifically, optically transparent materials such as glass, sapphire, quartz, and optical resin, and semiconductor materials such as Si, GaAs, and GaN can be used. The wavelength of light used for measurement can also be determined according to the wavelength transmission performance of the waveguide. That is, the wavelength range in which each waveguide is transparent may be set as the measurement wavelength.

1次導波路40は、光源10側に位置する入射端6と、入射端6とは反対側の出射端7とを有する。また、1次導波路40とリング導波路3との接合部は、方向性結合部5として機能する。   The primary waveguide 40 has an incident end 6 located on the light source 10 side and an output end 7 opposite to the incident end 6. The junction between the primary waveguide 40 and the ring waveguide 3 functions as the directional coupling unit 5.

光源10は、微小物質検出センサ1における設計上の共振波長を含む所定の波長範囲を発生するように構成される。微小物質検出センサ1における設計バラツキ等を考慮して、ある程度のマージンをもった波長範囲を有する光源10を用いることが好ましい。すなわち、光源10は、光リング共振器の共振波長帯域より広い波長帯域を有する光を発生するように構成される。一例として、光源10は、(ハロゲン)ランプ、発光ダイオード(LED:Light Emitting Diode)、スーパールミネッセントダイオード(SLD:Super Luminescent Diode)、スーパーコンティニュアム光源等の広帯域光源が好ましい。   The light source 10 is configured to generate a predetermined wavelength range including a designed resonance wavelength in the minute substance detection sensor 1. In consideration of design variations in the minute substance detection sensor 1, it is preferable to use the light source 10 having a wavelength range with a certain margin. That is, the light source 10 is configured to generate light having a wavelength band wider than the resonance wavelength band of the optical ring resonator. As an example, the light source 10 is preferably a broadband light source such as a (halogen) lamp, a light emitting diode (LED), a super luminescent diode (SLD), or a super continuum light source.

検出部20は、微小物質検出センサ1で発生した蛍光を検出する。より具体的には、検出部20は、カメラ部22と、画像処理部24とを含む。カメラ部22は、CCD(Charged Coupled Device)といった撮像素子により構成される。そして、カメラ部22は、一例として、その視野に微小物質検出センサ1を含むように、微小物質検出センサ1の上部側に配置される。画像処理部24は、カメラ部22と接続され、カメラ部22によって撮像された画像に基づいて、光リング共振器から発生した蛍光成分のみを抽出する。典型的には、カメラ部22は、蛍光(可視波長帯域)に検出感度を有しており、蛍光が発生している部分について、より高い輝度(明るさ)が検出される。この検出される輝度の量等に基づいて、蛍光の発生量等が判断される。   The detection unit 20 detects fluorescence generated by the minute substance detection sensor 1. More specifically, the detection unit 20 includes a camera unit 22 and an image processing unit 24. The camera unit 22 is configured by an image sensor such as a CCD (Charged Coupled Device). And as an example, the camera part 22 is arrange | positioned at the upper part side of the fine substance detection sensor 1 so that the fine substance detection sensor 1 may be included in the visual field. The image processing unit 24 is connected to the camera unit 22 and extracts only the fluorescent component generated from the optical ring resonator based on the image captured by the camera unit 22. Typically, the camera unit 22 has detection sensitivity in fluorescence (visible wavelength band), and higher luminance (brightness) is detected in a portion where fluorescence is generated. Based on the detected amount of luminance, etc., the amount of fluorescence generated is determined.

なお、検出部20としては、複数のフォトダイオードが所定規則で配列されたフォトダイオードアレイを含む構成を採用することもできる。このように、検出部20としては、光リング共振器を光学的に計測できる構成であれば、どのような方式を採用してもよい。   In addition, as the detection part 20, the structure containing the photodiode array in which several photodiodes were arranged by the predetermined rule is also employable. As described above, any method may be adopted as the detection unit 20 as long as the optical ring resonator can be optically measured.

判断処理部30は、検出部20による検出結果に基づいて、被検出物質の有無、含有量、濃度、種類等を含む結果を出力する。   The determination processing unit 30 outputs a result including the presence / absence, content, concentration, type, and the like of the substance to be detected based on the detection result by the detection unit 20.

《ロ.光リング共振器による検出原理》
次に、光リング共振器を用いて微小物質を検出するための原理について説明する。光リング共振器では、所定波長を有する光波について、光導波路をリング形状として光波がそのリングを一周した後に位相が重なるように光路長を設定することで光共振を生じさせる。リング形状の共振器は、光導波路内での反射構造が必要ないため、構成を簡素化できるとともに、反射による光路損失が小さく効率の高い共振が得られるというメリットがある。
<< Ro. Detection principle using an optical ring resonator >>
Next, the principle for detecting minute substances using the optical ring resonator will be described. In an optical ring resonator, an optical resonance is generated by setting an optical path length for an optical wave having a predetermined wavelength so that the optical wave forms a ring shape and the phase of the optical wave goes around the ring and then overlaps. Since the ring-shaped resonator does not require a reflection structure in the optical waveguide, the structure can be simplified, and there is an advantage that an optical path loss due to reflection is small and highly efficient resonance can be obtained.

光リング共振器を微小物質検出センサとして用いる場合には、光リング共振器へ光のエネルギーが集中する効果と、共振器近傍にある物質によって光リング共振器の共振条件がずれる効果とを利用することになる。光リング共振器において、光波は、光導波路の屈折率に幾何行路長を乗じた光路長(実効行路長)がその波長の整数倍と一致している場合のみに存在できる。この条件を満たさない場合には急激に光リング共振器内での光量が減衰する。   When an optical ring resonator is used as a minute substance detection sensor, the effect of concentrating light energy on the optical ring resonator and the effect of shifting the resonance condition of the optical ring resonator due to the material in the vicinity of the resonator are used. It will be. In an optical ring resonator, a light wave can exist only when the optical path length (effective path length) obtained by multiplying the refractive index of the optical waveguide by the geometric path length matches an integer multiple of the wavelength. If this condition is not satisfied, the amount of light in the optical ring resonator is rapidly attenuated.

そのため、図1に示す微小物質検出装置SYSにおいて、光源10から照射された光(所定幅にわたる波長成分を有するものとする)は、方向性結合部5を介して光リング共振器(リング導波路3)へ伝えられる。この光のうち、光リング共振器での共振条件を満たした波長成分のみが光リング共振器内に閉じ込められることになる。この結果、共振条件を満たした波長についてみれば、1次導波路40の入射端6から出射端7までの透過率が大きく低下する。光リング共振器の共振波長は、1次導波路40の実効屈折率Neffと光リング共振器の共振器長Lとを用いて、(1)式のように示すことができる。ここで、mは共振次数(整数)、λは真空中における光の波長を示す。 Therefore, in the minute substance detection device SYS shown in FIG. 1, the light irradiated from the light source 10 (having a wavelength component over a predetermined width) passes through the directional coupling unit 5 to form an optical ring resonator (ring waveguide). 3). Of this light, only the wavelength component that satisfies the resonance condition in the optical ring resonator is confined in the optical ring resonator. As a result, the transmittance from the entrance end 6 to the exit end 7 of the primary waveguide 40 is greatly reduced for wavelengths satisfying the resonance condition. The resonance wavelength of the optical ring resonator can be expressed by the following equation (1) using the effective refractive index N eff of the primary waveguide 40 and the resonator length L of the optical ring resonator. Here, m is the resonance order (integer), and λ is the wavelength of light in vacuum.

Figure 2012108044
Figure 2012108044

次に、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器の共振条件がずれるため、周囲の媒質の屈折率変化を高感度に検出できる。言い換えれば、光リング共振器の周囲に微小物質が付着した場合には、光リング共振器における共振波長が変化することになる。   Next, when a minute substance adheres to the periphery of the optical ring resonator, the resonance condition of the optical ring resonator is shifted, so that the change in the refractive index of the surrounding medium can be detected with high sensitivity. In other words, when a minute substance adheres around the optical ring resonator, the resonance wavelength in the optical ring resonator changes.

次に、光リング共振器の周囲に微小物質を付着させる方法について説明する。例えば、タンパク質といった生物学的な微小物質を被検出物質とする場合には、光リング共振器の周辺を生体修飾する方法、あるいは、光リング共振器の部分に被検出物質を含む液体を流すための流路を設ける方法等がある。これらの方法について、図2を参照して説明する。   Next, a method for attaching a minute substance around the optical ring resonator will be described. For example, when a biological minute substance such as a protein is used as a target substance, a method for biomodifying the periphery of the optical ring resonator or a liquid containing the target substance is allowed to flow through the optical ring resonator. There is a method of providing the flow path. These methods will be described with reference to FIG.

図2は、本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置SYSにおいて光リング共振器を生体修飾するための構成を示す模式図である。図2を参照して、光リング共振器は、コア301およびクラッド302からなり、基本的には、コア301の表面に、被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾しておく。すなわち、図2(a)に示すように、コア301の表面に下地層である生体修飾部303を設ける。この生体修飾部303は、典型的には、抗原抗体反応を利用して実現され、特定の種類のタンパク質のみを特異的に吸着する。   FIG. 2 is a schematic diagram showing a configuration for biologically modifying the optical ring resonator in the minute substance detection device SYS according to the first embodiment of the present invention. Referring to FIG. 2, the optical ring resonator includes a core 301 and a clad 302. Basically, the optical ring resonator is biologically modified so that a biomarker as a detection target is selectively adsorbed on the surface of the core 301. Keep it. That is, as shown in FIG. 2A, a biomodification portion 303 that is a base layer is provided on the surface of the core 301. The biomodifier 303 is typically realized by using an antigen-antibody reaction, and specifically adsorbs only a specific type of protein.

図2(a)に示すような構成に対して、被検出物質を含む検体を生体修飾部303の滴下すると、検体中の被検出物質のみが選択的にコア301の表面に吸着することになる。光リング共振器の光導波路であるコア301の表面に吸着した物質に向けて、光導波路を伝搬する光波(電磁波)の一部がしみ出ることによって、光導波路における透過屈折率がわずかに変化し、それによって、光リング共振器における共振波長も変化(シフト)する。この共振波長のずれを観測することで、周囲の媒質の屈折率変化を高感度に検出できる。   In the configuration shown in FIG. 2A, when a specimen containing a substance to be detected is dropped on the biological modification unit 303, only the substance to be detected in the specimen is selectively adsorbed on the surface of the core 301. . When a part of the light wave (electromagnetic wave) propagating through the optical waveguide oozes out toward the substance adsorbed on the surface of the core 301 which is the optical waveguide of the optical ring resonator, the transmission refractive index in the optical waveguide slightly changes. Thereby, the resonance wavelength in the optical ring resonator is also changed (shifted). By observing this shift in the resonance wavelength, it is possible to detect a change in the refractive index of the surrounding medium with high sensitivity.

また、光リング共振器が共振条件を満たした状態において、光リング共振器の周囲に電磁界が集中するため、この現象を利用して、光リング共振器の周囲に配置した蛍光物質を高効率で光らせることもできる。すなわち、被検出物質に蛍光標識を付加しておき、発生する蛍光の量を検知することでサンプル中における被検出物質の有無、含有量、濃度、種類等を検出することができる。   In addition, since the electromagnetic field concentrates around the optical ring resonator when the optical ring resonator satisfies the resonance condition, this phenomenon is used to efficiently apply the fluorescent material disposed around the optical ring resonator. You can also make it glow. That is, the presence / absence, content, concentration, type, etc. of the substance to be detected in the sample can be detected by adding a fluorescent label to the substance to be detected and detecting the amount of fluorescence generated.

なお、コア301の表面に被検出物質であるバイオマーカが選択的に吸着するように生体修飾した上で、これらの生体修飾された部分に、被検出物質が含まれる液体を通過させるための流路を設けてもよい。   In addition, after biomodifying the biomarker, which is a substance to be detected, to be selectively adsorbed on the surface of the core 301, a flow for allowing a liquid containing the substance to be detected to pass through these biomodified parts. A road may be provided.

本実施の形態に従う微小物質検出装置SYSにおいては、図2に示すような下地層に蛍光標識を付加された被検出物質が付着することで発生する蛍光を検出する。なお、被検出物質から発生する蛍光は、光リング共振器に入射する(閉じ込められる)光の波長に比較して、より長い波長を有する。   In the minute substance detection apparatus SYS according to the present embodiment, the fluorescence generated when the substance to be detected, to which the fluorescent label is added, is attached to the base layer as shown in FIG. 2 is detected. Note that the fluorescence generated from the substance to be detected has a longer wavelength than the wavelength of light incident (confined) into the optical ring resonator.

図3は、本発明の実施の形態1に従う微小物質検出装置SYSにおいて光リング共振器から発生する蛍光の様子を示す模式図である。   FIG. 3 is a schematic diagram showing a state of fluorescence generated from the optical ring resonator in the minute substance detection device SYS according to the first embodiment of the present invention.

図3を参照して、光源から所定の波長帯域を有する光I0が1次導波路40に入射すると、そのうち、光リング共振器の共振波長と一致する波長を有する光I1がリング導波路3を周回する。なお、光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長以外の波長を有する光I2は、出射光として排出される。光リング共振器の表面に形成された下地層に補足された被検出物質が存在すると、光I1によって励起されて、蛍光I4が発生する。この蛍光I4が、信号光として測定される。   Referring to FIG. 3, when light I0 having a predetermined wavelength band from the light source is incident on primary waveguide 40, light I1 having a wavelength that matches the resonance wavelength of the optical ring resonator passes through ring waveguide 3. Go around. The light I2 having a wavelength other than the resonance wavelength that has not been confined in the optical ring resonator is emitted as outgoing light. When a substance to be detected supplemented by the underlying layer formed on the surface of the optical ring resonator is present, it is excited by the light I1 to generate fluorescence I4. This fluorescence I4 is measured as signal light.

《ハ.光波の波長帯域について》
次に、図3に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係について説明する。
<< Cha. Wavelength band of light waves >>
Next, the relationship in the wavelength band about each light wave shown in FIG. 3 is demonstrated.

図4および図5は、図3に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。   4 and 5 are diagrams showing the relationship in the wavelength band for each light wave shown in FIG.

図4(a)を参照して、光源10から照射される入射光(光I0)は、光リング共振器の共振波長帯域に比較して十分に広い波長帯域を有しているものとする。図4(a)においては、光リング共振器の共振波長帯域の中心波長がλ1であるとする。この場合、1次導波路40から出射光として射出される光I2は、光リング共振器において共振する波長λ1を中心とする波長領域以外の波長を有する。   Referring to FIG. 4A, it is assumed that incident light (light I0) emitted from the light source 10 has a sufficiently wide wavelength band as compared to the resonance wavelength band of the optical ring resonator. In FIG. 4A, it is assumed that the center wavelength of the resonance wavelength band of the optical ring resonator is λ1. In this case, the light I2 emitted as the outgoing light from the primary waveguide 40 has a wavelength other than the wavelength region centered on the wavelength λ1 that resonates in the optical ring resonator.

図4(b)には、光リング共振器において共振する光I1と、光リング共振器に吸着される、蛍光標識が付された被検出物質の吸収特性I3を示す。一般的に、被検出物質に付与される蛍光標識(蛍光物質)の吸収特性I3は、光リング共振器の共振波長よりも広い波長帯域を有する。図4(b)に示す例においては、光リング共振器の中心波長λ1を中心とする共振波長帯域が蛍光物質の吸収特性に含まれるように設定することで、被検出物質に付与された蛍光物質を励起することが可能となる。   FIG. 4B shows the light I1 that resonates in the optical ring resonator and the absorption characteristic I3 of the detection target substance that is adsorbed by the optical ring resonator and has a fluorescent label. In general, the absorption characteristic I3 of the fluorescent label (fluorescent substance) imparted to the substance to be detected has a wider wavelength band than the resonance wavelength of the optical ring resonator. In the example shown in FIG. 4B, the fluorescence imparted to the substance to be detected by setting the resonance wavelength band centered on the center wavelength λ1 of the optical ring resonator to be included in the absorption characteristic of the fluorescent substance. The substance can be excited.

図5には、光リング共振器において共振する光I1と発生する蛍光I4の波長分布特性とを示す。被検出物質に付与された蛍光物質に光を入射させることで、より長い波長帯域に蛍光の波長分布が生じる。   FIG. 5 shows the wavelength distribution characteristics of the light I1 that resonates in the optical ring resonator and the fluorescence I4 that is generated. By making light incident on the fluorescent substance applied to the detection target substance, a fluorescence wavelength distribution is generated in a longer wavelength band.

このように発生する蛍光を検出することで、被検出物質の有無、含有量、濃度、種類等を含む結果を取得する。   By detecting the fluorescence generated in this manner, a result including the presence / absence, content, concentration, type, etc. of the substance to be detected is acquired.

《二.作用効果》
本実施の形態に従う微小物質検出装置は、光リング共振器の表面に蛍光標識が付された被検出物質を吸着するための物質を配置し、この物質に吸着された被検出物質から発生する蛍光を検出する方法を採用する。このような方法を採用することで、従来の方法に比較して、電場より増強された領域での蛍光励起が可能となり、検出感度を高めることができる。
"two. Effect
In the minute substance detection device according to the present embodiment, a substance for adsorbing a detected substance with a fluorescent label is arranged on the surface of the optical ring resonator, and fluorescence generated from the detected substance adsorbed on this substance Adopt a method to detect. By adopting such a method, it becomes possible to excite fluorescence in a region enhanced by an electric field as compared with the conventional method, and the detection sensitivity can be increased.

本実施の形態に従う微小物質検出装置は、リング状の光導波路からなる光リング共振器を用いる。このような光リング共振器は、従来のディスク型の共振器を用いた場合に比較して、光のモードの広がりがリングを形成する導波路部分に集中するため、より強い光を被検出物質に与えることが可能となる。そのため、検出感度を高めることができる。   The minute substance detection device according to the present embodiment uses an optical ring resonator composed of a ring-shaped optical waveguide. Compared to the case of using a conventional disk-type resonator, such an optical ring resonator has a broader light mode concentrated on the waveguide portion forming the ring, so that stronger light can be detected. It becomes possible to give to. Therefore, detection sensitivity can be increased.

また、本実施の形態に従う微小物質検出装置においては、被検出物質を吸着するための下地層をディスク全面ではなくリングの上面だけに形成すれば十分であるので、必要な下地層の量が少なくて済む。さらに、下地層が多すぎると非特異吸着の影響が大きくなり、本来的に検出すべきではない蛍光(ノイズ)が生じる可能性が高くなる。そのため、下地層は、可能な限り不要な部分には形成しない方がよく、その点でも光リング共振器は、ディスク共振器に比較して優れている。   Further, in the minute substance detection device according to the present embodiment, it is sufficient to form the foundation layer for adsorbing the substance to be detected not only on the entire disk surface but only on the upper surface of the ring. I'll do it. Furthermore, when there are too many underlayers, the influence of non-specific adsorption becomes large, and there is a high possibility that fluorescence (noise) that should not be detected inherently occurs. For this reason, it is better not to form the underlayer on unnecessary portions as much as possible. In this respect, the optical ring resonator is superior to the disk resonator.

また、蛍光標識を付加された被検出物質を吸着する下地層を配置した導波路として光リング共振器を用いることで、光リング共振器の共振波長に応じて定まる相対的に狭い幅の波長のみでの蛍光励起が可能となり、かつ、リング共振のため少ない吸着物質で何度も蛍光物質を励起することが可能となるため、従来に比較して検出感度を高めることができる。   In addition, by using an optical ring resonator as a waveguide in which an underlayer for adsorbing a target substance to which a fluorescent label is attached is used, only a wavelength with a relatively narrow width determined according to the resonant wavelength of the optical ring resonator is used. In addition, it is possible to excite fluorescence and to excite the fluorescent material many times with a small amount of adsorbed material due to ring resonance, so that the detection sensitivity can be increased as compared with the conventional case.

また、光リング共振器の共振波長帯域より広い波長帯域を有する入射光を発生するように構成された光源を用いることで、光リング共振器の製作誤差に対する尤度を高めることができる。すなわち、光リング共振器の共振波長の幅は非常に狭く、光リング共振器の製作誤差により共振波長が個体ごとにずれてしまう可能性がある。しかしながら、入射光を光リング共振器の共振波長帯域よりも広い帯域を有するものを採用することにより、光リング共振器の個体バラツキに関係なく被検出物質からの蛍光を励起し、被検出物質を測定することが可能となる。   In addition, by using a light source configured to generate incident light having a wavelength band wider than the resonance wavelength band of the optical ring resonator, the likelihood of manufacturing errors of the optical ring resonator can be increased. That is, the width of the resonance wavelength of the optical ring resonator is very narrow, and there is a possibility that the resonance wavelength is shifted for each individual due to the manufacturing error of the optical ring resonator. However, by adopting incident light having a band wider than the resonance wavelength band of the optical ring resonator, the fluorescence from the detected substance is excited regardless of the individual variation of the optical ring resonator, and the detected substance is It becomes possible to measure.

[実施の形態2]
上述の実施の形態1においては、1つの光リング共振器を用いた構成について例示したが、複数の光リング共振器を並列的に用いてもよい。以下に示す実施の形態2においては、リング径が互いに異なるリング導波路を有する光リング共振器を複数有する微小物質検出装置について説明する。特に、製作誤差に対する尤度を高めるために、複数の光リング共振器を用いる構成について説明する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment described above, the configuration using one optical ring resonator is illustrated, but a plurality of optical ring resonators may be used in parallel. In the second embodiment described below, a minute substance detection device having a plurality of optical ring resonators having ring waveguides having different ring diameters will be described. In particular, a configuration using a plurality of optical ring resonators in order to increase the likelihood of manufacturing errors will be described.

《イ.装置構成》
本発明の実施の形態2に従う微小物質検出装置の全体構成については、微小物質検出センサの構成を除いて、図1に示す微小物質検出装置SYSと同様であるので、微小物質検出センサ以外の構成についての詳細な説明は繰返さない。
"I. Device configuration"
The entire configuration of the minute substance detection device according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the minute substance detection device SYS shown in FIG. 1 except for the configuration of the minute substance detection sensor. Detailed description of will not be repeated.

図6は、本発明の実施の形態2に従う微小物質検出装置における微小物質検出センサの構成を示す模式図である。   FIG. 6 is a schematic diagram showing a configuration of a minute substance detection sensor in the minute substance detection device according to the second embodiment of the present invention.

図6を参照して、本実施の形態に従う微小物質検出センサは、複数の光リング共振器を含む。すなわち、本実施の形態に従う微小物質検出センサは、基板上に形成されて光源10(図1)からの光波を伝搬する1次導波路40(第1の導波路)と、基板2上に1次導波路40と近接して形成されたリング状のリング導波路31,32,33(第2の導波路)からなる光リング共振器とを含む。図6に示すように、これらの光リング共振器は、1次導波路40(第1の導波路)に沿って整列配置されている。   Referring to FIG. 6, the minute substance detection sensor according to the present embodiment includes a plurality of optical ring resonators. That is, the minute substance detection sensor according to the present embodiment includes a primary waveguide 40 (first waveguide) that is formed on a substrate and propagates a light wave from the light source 10 (FIG. 1), and 1 on the substrate 2. And an optical ring resonator composed of ring-shaped ring waveguides 31, 32, and 33 (second waveguides) formed close to the next waveguide 40. As shown in FIG. 6, these optical ring resonators are aligned along the primary waveguide 40 (first waveguide).

リング導波路31,32,33については、リング径が互いに異なるように形成されている。このようにリング径を互いに異ならせることで、それぞれの光リング共振器における共振波長が互いに異なることになる。   The ring waveguides 31, 32, and 33 are formed so that the ring diameters are different from each other. Thus, by making the ring diameters different from each other, the resonance wavelengths in the respective optical ring resonators are different from each other.

本実施の形態においては、製作誤差に対する尤度を高めることが一義的な目的であるので、後述するように、それぞれの光リング共振器の共振波長が、いずれも共通の蛍光物質の吸収特性に含まれるように設計される。   In this embodiment, since the primary purpose is to increase the likelihood of manufacturing errors, as will be described later, the resonance wavelengths of the respective optical ring resonators all have the absorption characteristics of a common fluorescent material. Designed to be included.

なお、図6には、3つの光リング共振器を配置した構成について例示するが、光リング共振器の数については特に制限はない。そのため、蛍光物質の吸収特性等に応じて、必要な数の光リング共振器を配置すればよい。   FIG. 6 illustrates a configuration in which three optical ring resonators are arranged, but the number of optical ring resonators is not particularly limited. Therefore, a necessary number of optical ring resonators may be arranged in accordance with the absorption characteristics of the fluorescent material.

《ロ.光リング共振器による検出原理》
光リング共振器を用いて微小物質を検出するための原理については、上述したとおりであるので、詳細な説明は繰返さない。
<< Ro. Detection principle using an optical ring resonator >>
Since the principle for detecting a minute substance using the optical ring resonator is as described above, detailed description will not be repeated.

《ハ.光波の波長帯域について》
次に、本実施の形態に従う微小物質検出装置で利用されるそれぞれの光波についての波長帯域における関係について説明する。
<< Cha. Wavelength band of light waves >>
Next, the relationship in the wavelength band for each light wave used in the minute substance detection device according to the present embodiment will be described.

図7および図8は、図6に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。   7 and 8 are diagrams showing the relationship in the wavelength band for each of the light waves shown in FIG.

光源10(図1)から照射される入射光(光I0)は、それぞれの光リング共振器の共振波長帯域に比較して十分に広い波長帯域を有しているものとする。また、図6においては、それぞれの光リング共振器の共振波長帯域の中心波長がλ11,λ12,λ13であるとする。   It is assumed that incident light (light I0) emitted from the light source 10 (FIG. 1) has a sufficiently wide wavelength band as compared with the resonance wavelength band of each optical ring resonator. In FIG. 6, it is assumed that the center wavelengths of the resonance wavelength bands of the respective optical ring resonators are λ11, λ12, and λ13.

図6および図7(a)を参照して、1次導波路40に光源10からの入射光(光I0)を入射すると、第1番目の光リング共振器の共振波長λ11と一致する波長を有する光I11がリング導波路31を周回する。一方、第1番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ11以外の波長帯域の光は、第2番目以降の光リング共振器へ向かう。   With reference to FIG. 6 and FIG. 7A, when incident light (light I0) from the light source 10 enters the primary waveguide 40, a wavelength that matches the resonance wavelength λ11 of the first optical ring resonator is obtained. The light I <b> 11 having the light circulates around the ring waveguide 31. On the other hand, light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ11 that is not confined in the first optical ring resonator is directed to the second and subsequent optical ring resonators.

第2番の光リング共振器では、当該光リング共振器の共振波長λ12と一致する波長を有する光I12がリング導波路32を周回する。第2番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ12以外の波長帯域の光は、第3番目以降の光リング共振器へ向かう。   In the second optical ring resonator, the light I12 having a wavelength that matches the resonance wavelength λ12 of the optical ring resonator circulates in the ring waveguide 32. Light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ12 that is not confined in the second optical ring resonator is directed to the third and subsequent optical ring resonators.

第3番の光リング共振器では、当該光リング共振器の共振波長λ13と一致する波長を有する光I13がリング導波路33を周回する。第3番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ13以外の波長帯域の光は、出射光として排出される。   In the third optical ring resonator, light I13 having a wavelength that matches the resonance wavelength λ13 of the optical ring resonator circulates in the ring waveguide 33. Light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ13 that is not confined in the third optical ring resonator is emitted as outgoing light.

光リング共振器の表面に形成された下地層に補足された被検出物質が存在すると、光I11,I12,I13によってそれぞれ励起されて、蛍光I41,I42,I43がそれぞれ発生する。これらの蛍光I41,I42,I43が、信号光として測定される。   When a substance to be detected supplemented by the underlayer formed on the surface of the optical ring resonator is present, it is excited by the light I11, I12, and I13, and generates fluorescence I41, I42, and I43, respectively. These fluorescences I41, I42, and I43 are measured as signal light.

このように、1次導波路40から出射光として射出される光I2は、それぞれの光リング共振器において共振する波長λ11,12,13を中心とする波長領域以外の波長を有することになる。上述したように、本実施の形態に従う光源10は、複数の光リング共振器の共振波長帯域の全体より広い波長帯域を有する光を発生するように構成される。   As described above, the light I2 emitted as the outgoing light from the primary waveguide 40 has a wavelength other than the wavelength region centered on the wavelengths λ11, 12, and 13 that resonate in the respective optical ring resonators. As described above, light source 10 according to the present embodiment is configured to generate light having a wider wavelength band than the entire resonance wavelength band of the plurality of optical ring resonators.

図7(b)には、光リング共振器において共振する光I11,I12,I13と、光リング共振器に吸着される、蛍光標識が付された被検出物質の吸収特性I3とを示す。一般的に、被検出物質に付与される蛍光標識(蛍光物質)の吸収特性I3は、光リング共振器の共振波長よりも広い波長帯域を有する。図7(b)に示す例においては、それぞれの光リング共振器の中心波長λ11,λ12,λ13を中心とするそれぞれの共振波長帯域が蛍光物質の吸収特性に含まれるように設定することで、被検出物質に付与された蛍光物質を励起することが可能となる。   FIG. 7B shows light I11, I12, and I13 that resonate in the optical ring resonator, and the absorption characteristic I3 of the target substance that is adsorbed by the optical ring resonator and has a fluorescent label. In general, the absorption characteristic I3 of the fluorescent label (fluorescent substance) imparted to the substance to be detected has a wider wavelength band than the resonance wavelength of the optical ring resonator. In the example shown in FIG. 7B, by setting each resonance wavelength band centered on the center wavelengths λ11, λ12, and λ13 of each optical ring resonator to be included in the absorption characteristics of the fluorescent material, It becomes possible to excite the fluorescent substance imparted to the substance to be detected.

図8には、光リング共振器において共振する光I11,I12,I13と発生する蛍光I4の波長分布特性とを示す。被検出物質に付与された蛍光物質に光を入射させることで、より長い波長帯域に蛍光の波長分布が生じる。   FIG. 8 shows the wavelength distribution characteristics of the lights I11, I12, and I13 that resonate in the optical ring resonator and the fluorescence I4 that is generated. By making light incident on the fluorescent substance applied to the detection target substance, a fluorescence wavelength distribution is generated in a longer wavelength band.

なお、リング導波路31,32,33のそれぞれから発生する蛍光I41,I42,I43を、検出部20(図1)を用いてその発生場所の別に検出することもできるが、本実施の形態においては、検出される蛍光は、いずれにしても共通の波長を中心としたものとなるため、いずれのリング導波路から発光した蛍光であるかを、空間的に分解する必要はなく、検出部20によって検出される光量の絶対値を評価すればよい。   Note that the fluorescence I41, I42, and I43 generated from each of the ring waveguides 31, 32, and 33 can be detected using the detection unit 20 (FIG. 1) according to the generation location. In any case, since the detected fluorescence is centered around a common wavelength, it is not necessary to spatially decompose which ring waveguide emits the light, and the detection unit 20 What is necessary is just to evaluate the absolute value of the light quantity detected by (1).

このように発生する蛍光を検出することで、被検出物質の有無、含有量、濃度、種類等を含む結果を取得する。   By detecting the fluorescence generated in this manner, a result including the presence / absence, content, concentration, type, etc. of the substance to be detected is acquired.

《二.作用効果》
図9は、本発明の実施の形態2に従う微小物質検出装置において光リング共振器の設計誤差により共振波長が本来の設計値からずれた場合の特性を示す図である。
"two. Effect
FIG. 9 is a diagram showing characteristics when the resonance wavelength is deviated from the original design value due to the design error of the optical ring resonator in the minute substance detection device according to the second embodiment of the present invention.

図9に示すように、複数の複数の光リング共振器を用いることで、製作誤差により各リング径がわずかに設計値からずれることで、共振波長がλ11,λ12,λ13からλ11’,λ12’,λ13’になったとしても、いずれかの共振波長は、蛍光標識が付された被検出物質の吸収特性I3内に入ることが可能となるため、このような製作誤差の影響を緩和できる。   As shown in FIG. 9, by using a plurality of optical ring resonators, each ring diameter slightly deviates from a design value due to a manufacturing error, so that the resonance wavelengths are changed from λ11, λ12, λ13 to λ11 ′, λ12 ′. , Λ13 ′, any one of the resonance wavelengths can enter the absorption characteristic I3 of the substance to be detected with a fluorescent label, so that the influence of such a manufacturing error can be reduced.

本実施の形態に従う微小物質検出装置においては、上述した実施の形態1に従う微小物質検出装置によって得られる作用効果に加えて、異なるリング径を有する複数の光リング共振器を用いることで、装置全体としての光リング共振器群の共振波長帯域の幅を広げることができる。これにより、より広い波長帯域幅において被検出物質を励起すること可能となる。   In the minute substance detection device according to the present embodiment, in addition to the effects obtained by the minute substance detection device according to the first embodiment described above, a plurality of optical ring resonators having different ring diameters are used, so that the entire device can be obtained. As a result, the width of the resonance wavelength band of the optical ring resonator group can be increased. As a result, it becomes possible to excite the substance to be detected in a wider wavelength bandwidth.

また、光リング共振器群の全体の波長帯域よりも広い波長帯域を有する入射光を用いることで、光リング共振器における個体バラツキの影響を吸収できる。   Further, by using incident light having a wavelength band wider than the entire wavelength band of the optical ring resonator group, it is possible to absorb the influence of individual variations in the optical ring resonator.

[実施の形態3]
上述の実施の形態2においては、製作誤差に対する尤度を高めるために複数の光リング共振器を用いる構成について例示したが、複数種類の被検出物質を選択的に検出するように、複数の光リング共振器を並列的に用いてもよい。以下に示す実施の形態3においては、被検出物質が予め定められた複数の物質のうちいずれの物質であるかを特定できるように、複数の光リング共振器を用いる構成について説明する。
[Embodiment 3]
In the above-described second embodiment, the configuration using a plurality of optical ring resonators to increase the likelihood of manufacturing errors has been described. However, a plurality of light beams are selected so as to selectively detect a plurality of types of substances to be detected. Ring resonators may be used in parallel. In the third embodiment described below, a configuration using a plurality of optical ring resonators will be described so that a substance to be detected can be specified from among a plurality of predetermined substances.

《イ.装置構成》
本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置の全体構成については、微小物質検出センサならびに検出部および判断処理部の構成を除いて、図1に示す微小物質検出装置SYSと同様であるので、微小物質検出センサ以外の構成についての詳細な説明は繰返さない。
"I. Device configuration"
The overall configuration of the minute substance detection device according to the third embodiment of the present invention is the same as that of the minute substance detection device SYS shown in FIG. 1 except for the configuration of the minute substance detection sensor and the detection unit and the determination processing unit. Detailed description of the configuration other than the minute substance detection sensor will not be repeated.

図10は、本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における微小物質検出センサの構成を示す模式図である。   FIG. 10 is a schematic diagram showing a configuration of a minute substance detection sensor in the minute substance detection device according to the third embodiment of the present invention.

図10を参照して、本実施の形態に従う微小物質検出センサは、複数の光リング共振器を含む。すなわち、本実施の形態に従う微小物質検出センサは、基板上に形成されて光源10(図1)からの光波を伝搬する1次導波路40(第1の導波路)と、基板2上に1次導波路40と近接して形成されたリング状のリング導波路34,35,36(第2の導波路)からなる光リング共振器とを含む。図10に示すように、これらの光リング共振器は、1次導波路40(第1の導波路)に沿って整列配置されている。   Referring to FIG. 10, the minute substance detection sensor according to the present embodiment includes a plurality of optical ring resonators. That is, the minute substance detection sensor according to the present embodiment includes a primary waveguide 40 (first waveguide) that is formed on a substrate and propagates a light wave from the light source 10 (FIG. 1), and 1 on the substrate 2. And an optical ring resonator composed of ring-shaped ring waveguides 34, 35, and 36 (second waveguides) formed close to the next waveguide 40. As shown in FIG. 10, these optical ring resonators are aligned along the primary waveguide 40 (first waveguide).

リング導波路34,35,36については、リング径が互いに異なるように形成されている。このようにリング径を互いに異ならせることで、それぞれの光リング共振器における共振波長が互いに異なることになる。   The ring waveguides 34, 35, and 36 are formed so as to have different ring diameters. Thus, by making the ring diameters different from each other, the resonance wavelengths in the respective optical ring resonators are different from each other.

本実施の形態においては、複数種類の被検出物質を選択的に検出することが一義的な目的であるので、後述するように、それぞれの光リング共振器の共振波長が、互いに別の蛍光物質の吸収特性に含まれるように設計される。   In the present embodiment, it is a primary purpose to selectively detect a plurality of types of substances to be detected. Therefore, as will be described later, the resonance wavelengths of the respective optical ring resonators are different from each other. Designed to be included in the absorption characteristics of

なお、図10には、3つの光リング共振器を配置した構成について例示するが、光リング共振器の数については特に制限はない。そのため、蛍光物質の吸収特性等に応じて、必要な数の光リング共振器を配置すればよい。   FIG. 10 illustrates a configuration in which three optical ring resonators are arranged, but the number of optical ring resonators is not particularly limited. Therefore, a necessary number of optical ring resonators may be arranged in accordance with the absorption characteristics of the fluorescent material.

《ロ.光リング共振器による検出原理》
光リング共振器を用いて微小物質を検出するための原理については、上述したとおりであるので、詳細な説明は繰返さない。
<< Ro. Detection principle using an optical ring resonator >>
Since the principle for detecting a minute substance using the optical ring resonator is as described above, detailed description will not be repeated.

《ハ.光波の波長帯域について》
次に、本実施の形態に従う微小物質検出装置で利用されるそれぞれの光波についての波長帯域における関係について説明する。
<< Cha. Wavelength band of light waves >>
Next, the relationship in the wavelength band for each light wave used in the minute substance detection device according to the present embodiment will be described.

図11および図12は、図10に示すそれぞれの光波についての波長帯域における関係を示す図である。   FIG. 11 and FIG. 12 are diagrams showing the relationship in the wavelength band for each light wave shown in FIG.

光源10(図1)から照射される入射光(光I0)は、それぞれの光リング共振器の共振波長帯域に比較して十分に広い波長帯域を有しているものとする。また、図6においては、それぞれの光リング共振器の共振波長帯域の中心波長がλ14,λ15,λ16であるとする。   It is assumed that incident light (light I0) emitted from the light source 10 (FIG. 1) has a sufficiently wide wavelength band as compared with the resonance wavelength band of each optical ring resonator. In FIG. 6, it is assumed that the center wavelengths of the resonance wavelength bands of the respective optical ring resonators are λ14, λ15, and λ16.

図10および図11(a)を参照して、1次導波路40に光源10からの入射光(光I0)を入射すると、第1番目の光リング共振器の共振波長λ14と一致する波長を有する光I14がリング導波路34を周回する。一方、第1番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ14以外の波長帯域の光は、第2番目以降の光リング共振器へ向かう。   Referring to FIG. 10 and FIG. 11A, when incident light (light I0) from the light source 10 enters the primary waveguide 40, a wavelength that matches the resonance wavelength λ14 of the first optical ring resonator is obtained. The light I 14 having the light circulates around the ring waveguide 34. On the other hand, light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ14 that is not confined in the first optical ring resonator is directed to the second and subsequent optical ring resonators.

第2番の光リング共振器では、当該光リング共振器の共振波長λ15と一致する波長を有する光I15がリング導波路35を周回する。第2番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ15以外の波長帯域の光は、第3番目以降の光リング共振器へ向かう。   In the second optical ring resonator, the light I15 having a wavelength that matches the resonance wavelength λ15 of the optical ring resonator circulates in the ring waveguide 35. Light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ15 that is not confined in the second optical ring resonator is directed to the third and subsequent optical ring resonators.

第3番の光リング共振器では、当該光リング共振器の共振波長λ16と一致する波長を有する光I16がリング導波路36を周回する。第3番目の光リング共振器に閉じ込められなかった、共振波長λ16以外の波長帯域の光は、出射光として排出される。   In the third optical ring resonator, light I16 having a wavelength that matches the resonance wavelength λ16 of the optical ring resonator circulates in the ring waveguide. Light in a wavelength band other than the resonance wavelength λ16 that is not confined in the third optical ring resonator is emitted as outgoing light.

光リング共振器の表面に形成された下地層に補足された被検出物質が存在すると、光I14,I15,I16によってそれぞれ励起されて、蛍光I44,I45,I46がそれぞれ発生する。これらの蛍光I44,I45,I46が、信号光として測定される。   When a substance to be detected supplemented by the underlayer formed on the surface of the optical ring resonator is present, it is excited by the light I14, I15, and I16, respectively, and generates fluorescence I44, I45, and I46, respectively. These fluorescences I44, I45, and I46 are measured as signal light.

このように、1次導波路40から出射光として射出される光I2は、それぞれの光リング共振器において共振する波長λ14,15,16を中心とする波長領域以外の波長を有することになる。上述したように、本実施の形態に従う光源10は、複数の光リング共振器の共振波長帯域の全体より広い波長帯域を有する光を発生するように構成される。   As described above, the light I2 emitted as the emitted light from the primary waveguide 40 has a wavelength other than the wavelength region centered on the wavelengths λ14, 15, and 16 that resonate in the respective optical ring resonators. As described above, light source 10 according to the present embodiment is configured to generate light having a wider wavelength band than the entire resonance wavelength band of the plurality of optical ring resonators.

図11(b)には、光リング共振器において共振する光I14,I15,I16と、光リング共振器に吸着される、蛍光標識が付された被検出物質の吸収特性I31,I32,I33とを示す。一般的に、被検出物質に付与される蛍光標識(蛍光物質)の吸収特性I31,I32,I33の各々は、光リング共振器の対応する共振波長よりも広い波長帯域を有する。図11(b)に示す例においては、それぞれの光リング共振器の中心波長λ14,λ15,λ16を中心とするそれぞれの共振波長帯域が蛍光物質の吸収特性に含まれるように設定することで、被検出物質に付与された蛍光物質を励起することが可能となる。   FIG. 11B shows the light I14, I15, and I16 that resonate in the optical ring resonator, and the absorption characteristics I31, I32, and I33 of the target substance that is adsorbed by the optical ring resonator and has a fluorescent label. Indicates. In general, each of the absorption characteristics I31, I32, and I33 of the fluorescent label (fluorescent substance) imparted to the substance to be detected has a wider wavelength band than the corresponding resonance wavelength of the optical ring resonator. In the example shown in FIG. 11B, by setting each resonance wavelength band centered on the center wavelengths λ14, λ15, and λ16 of each optical ring resonator to be included in the absorption characteristics of the fluorescent material, It becomes possible to excite the fluorescent substance imparted to the substance to be detected.

特に、本実施の形態に従う微小物質検出装置においては、光リング共振器ごとに、検出する検体(被検出物質)の種類を異ならせるために、それぞれの被検出物質に蛍光付加される蛍光物質の吸収波長を異ならせている。   In particular, in the minute substance detection device according to the present embodiment, in order to vary the type of specimen (detected substance) to be detected for each optical ring resonator, the fluorescent substance to be fluorescently added to each detected substance The absorption wavelength is different.

図12には、光リング共振器において共振する光I14,I15,I16と対応して発生する蛍光I41,I42,I43の波長分布特性とを示す。被検出物質に付与された蛍光物質に光を入射させることで、より長い波長帯域に蛍光の波長分布が生じる。   FIG. 12 shows the wavelength distribution characteristics of the fluorescence I41, I42, and I43 generated in correspondence with the lights I14, I15, and I16 that resonate in the optical ring resonator. By making light incident on the fluorescent substance applied to the detection target substance, a fluorescence wavelength distribution is generated in a longer wavelength band.

図12に示すように、検出対象の被検出物質の別に、蛍光標識の吸収特性を異ならせるとともに、それぞれの蛍光標識を発光させるように、それぞれの光リング共振器の共振波長を設定することで、被検出物質を選択的に計測できる。例えば、第1番目の被検出物質には、蛍光I41の波長分布特性(中心波長λ41)を有する第1番目の蛍光標識を付し、第2番目の被検出物質には、蛍光I42の波長分布特性(中心波長λ42)を有する第2番目の蛍光標識を付し、第3番目の被検出物質には、蛍光I43の波長分布特性(中心波長λ43)を有する第3番目の蛍光標識を付しておく。   As shown in FIG. 12, by setting the resonance wavelength of each optical ring resonator so that each fluorescent label emits light with different absorption characteristics of the fluorescent label for each target substance to be detected. It is possible to selectively measure a substance to be detected. For example, the first substance to be detected is attached with the first fluorescent label having the wavelength distribution characteristic (center wavelength λ41) of the fluorescence I41, and the wavelength distribution of the fluorescence I42 is given to the second substance to be detected. The second fluorescent label having the characteristic (center wavelength λ42) is attached, and the third fluorescent substance having the wavelength distribution characteristic (center wavelength λ43) of the fluorescence I43 is attached to the third substance to be detected. Keep it.

本実施の形態に従う判断処理部は、検出部による検出結果に基づいて、複数の光リング共振器のうちいずれの光リング共振器において蛍光が発生しているかを特定する機能を有する。そのため、複数の光リング共振器(図10に示すリング導波路34,35,36)のうちいずれの光リング共振器において蛍光が発生しているかを特定することで、いずれの種類の被検出物質(いずれの蛍光標識が付与された被検出物質)が存在するのかを判断することができる。   The determination processing unit according to the present embodiment has a function of specifying which optical ring resonator among the plurality of optical ring resonators is generating fluorescence based on the detection result by the detecting unit. For this reason, by specifying which optical ring resonator among the plurality of optical ring resonators (ring waveguides 34, 35, and 36 shown in FIG. 10), which type of detection target substance is specified. It can be determined whether (the fluorescent substance-tagged substance to be detected) is present.

すなわち、本実施の形態に従う判断処理部は、複数の光リング共振器のうち蛍光が発生している光リング共振器の情報に基づいて、被検出物質が予め定められた複数の物質のうちいずれの物質であるかを特定する。このように発生する蛍光を選択的に検出することで、被検出物質の種類別について、その有無、含有量、濃度、種類等を含む結果を取得することができる。   That is, the determination processing unit according to the present embodiment selects any one of a plurality of substances in which a substance to be detected is predetermined based on information of the optical ring resonator in which fluorescence is generated among the plurality of optical ring resonators. It is specified whether it is a substance. By selectively detecting the fluorescence generated in this manner, it is possible to obtain a result including presence / absence, content, concentration, type, and the like for each type of substance to be detected.

このようにいずれの光リング共振器から蛍光が発生しているかを判断する方法としては、(1)発生する蛍光の波長が異なることを利用して、発生する全体の蛍光を測定するとともに、これらの測定された蛍光を波長分解することで、それぞれの蛍光を独立に検出する方法、または、(2)空間検出器を用いていずれの光リング共振器(いずれの場所)で蛍光が発光しているかを空間的に分離して測定することで、発生するそれぞれの蛍光を同時に検出する方法、などが挙げられる。   As described above, as a method for judging from which optical ring resonator the fluorescence is generated, (1) using the fact that the wavelength of the generated fluorescence is different, the total generated fluorescence is measured, and these The wavelength of the measured fluorescence is wavelength-resolved to detect each fluorescence independently, or (2) the light is emitted from any optical ring resonator (any location) using a spatial detector. And a method of simultaneously detecting each generated fluorescence by measuring spatially separated or not.

以下、これらの方法について説明する。
図13は、本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における波長分解を用いる制御ロジックの概略を説明するための図である。図13を参照して、本実施の形態に従う検出部20は、波長フィルタ311,312,313と、各波長フィルタに対応付けられる積分器321,322,323とを含む。
Hereinafter, these methods will be described.
FIG. 13 is a diagram for illustrating an outline of control logic using wavelength decomposition in the minute substance detection device according to the third embodiment of the present invention. Referring to FIG. 13, detection unit 20 according to the present embodiment includes wavelength filters 311, 312, and 313, and integrators 321, 322, and 323 associated with the wavelength filters.

波長フィルタ311,312,313は、カメラ部22(図1)の撮像によって取得された計測画像に含まれる、対応する波長成分(中心波長λ41,λ42,λ43)を抽出する。積分器321,322,323は、対応する波長フィルタによって抽出された波長成分を積分することで、それぞれ対応する蛍光の測定結果を出力する。   The wavelength filters 311, 312, and 313 extract the corresponding wavelength components (center wavelengths λ41, λ42, and λ43) included in the measurement image acquired by the imaging of the camera unit 22 (FIG. 1). The integrators 321, 322, and 323 integrate the wavelength components extracted by the corresponding wavelength filters, and output the corresponding fluorescence measurement results.

このように、空間中に存在する各蛍光を独立に測定することができる。
図14は、本発明の実施の形態3に従う微小物質検出装置における空間検出器を用いる制御ロジックの概略を説明するための図である。
Thus, each fluorescence existing in the space can be measured independently.
FIG. 14 is a diagram for illustrating an outline of control logic using a spatial detector in the minute substance detection device according to the third embodiment of the present invention.

まず、図14(a)に示すように、それぞれのリング導波路34,35,36(光リング共振器)が存在しているとする。これらの光リング共振器の存在位置が予め登録されているとする。   First, as shown in FIG. 14A, it is assumed that the respective ring waveguides 34, 35, and 36 (optical ring resonators) exist. Assume that the existence positions of these optical ring resonators are registered in advance.

次に、図14(b)に示すように、被検出物質が吸着されることで、リング導波路34からなる光リング共振器から蛍光が発生したとする。なお、カメラ部22はいずれの蛍光にも検出感度を有するものとする。このカメラ部22によって測定された画像中において、蛍光が検出されている領域を特定することで、いずれの光リング共振器から蛍光が発生しているかを特定できる。   Next, as shown in FIG. 14B, it is assumed that fluorescence is generated from the optical ring resonator formed by the ring waveguide 34 by adsorbing the substance to be detected. Note that the camera unit 22 has detection sensitivity for any fluorescence. In the image measured by the camera unit 22, it is possible to identify from which optical ring resonator the fluorescence is generated by identifying the region where the fluorescence is detected.

このような方式によれば、図14(c)に示すように、リング導波路34および36からなる2つの光リング共振器から同時に蛍光が発生した場合であっても、これらの2つの光リング共振器からの蛍光発生を同時に観測することができる。   According to such a method, as shown in FIG. 14C, even if fluorescence is generated simultaneously from the two optical ring resonators composed of the ring waveguides 34 and 36, these two optical rings. The fluorescence generation from the resonator can be observed simultaneously.

《二.作用効果》
本実施の形態に従う微小物質検出装置によれば、上述の実施の形態1および2に従う微小物質検出装置によって得られる作用効果に加えて、異なるリング径を有する光リング共振器を複数個に配置することによって、装置全体としての光リング共振器群の共振波長帯域の幅を広げることができる。これにより、より広い波長帯域幅において被検出物質を励起すること可能となる。
"two. Effect
According to the minute substance detection device according to the present embodiment, a plurality of optical ring resonators having different ring diameters are arranged in addition to the operational effects obtained by the minute substance detection device according to the first and second embodiments. Thus, the width of the resonance wavelength band of the optical ring resonator group as the entire device can be widened. As a result, it becomes possible to excite the substance to be detected in a wider wavelength bandwidth.

また、本実施の形態に従う微小物質検出装置によれば、各光リング共振器の共振波長を異ならせるとともに、各光リング共振器の共振波長によって独立した蛍光指標が励起されるように構成する。このように、光リング共振器群の特性波長と被検出物質に付与される蛍光指標とをそれぞれ独立の波長とすることで、被検出物質の多種検出を同時に行うことができる。   In addition, according to the minute substance detection device according to the present embodiment, the resonance wavelength of each optical ring resonator is made different, and an independent fluorescent indicator is excited by the resonance wavelength of each optical ring resonator. In this way, by setting the characteristic wavelength of the optical ring resonator group and the fluorescence index imparted to the substance to be detected to be independent wavelengths, various kinds of substances to be detected can be detected simultaneously.

今回開示された実施の形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施の形態の説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is shown not by the above description of the embodiments but by the scope of claims, and is intended to include all modifications within the meaning and scope equivalent to the scope of claims.

1 微小物質検出センサ、2 基板、3,31,32,33,31,32,33,34,35,36,34,35,36 リング導波路、4 クラッド層、5 方向性結合部、6 入射端、7 出射端、10 光源、20 検出部、22 カメラ部、24 画像処理部、30 判断処理部、40 1次導波路、301 コア、302 クラッド、303 生体修飾部、311,312,313 波長フィルタ、321,322,323 積分器、SYS 微小物質検出装置。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Minute substance detection sensor, 2 Substrate, 3, 31, 32, 33, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 34, 35, 36 Ring waveguide, 4 Cladding layer, 5 Directional coupling part, 6 Incident End, 7 emission end, 10 light source, 20 detection unit, 22 camera unit, 24 image processing unit, 30 determination processing unit, 40 primary waveguide, 301 core, 302 cladding, 303 biomodification unit, 311, 312, 313 wavelength Filter, 321, 322, 323 integrator, SYS fine substance detection device.

Claims (7)

光源と、
基板上に形成されて前記光源からの光波を伝搬する第1の導波路と、
前記基板上に前記第1の導波路と近接して形成されたリング状の第2の導波路からなる光リング共振器と、
蛍光標識が付された被検出物質が前記光リング共振器に付着することで発生する蛍光を検出する検出部とを備える、微小物質検出装置。
A light source;
A first waveguide formed on a substrate and propagating a light wave from the light source;
An optical ring resonator comprising a ring-shaped second waveguide formed on the substrate in proximity to the first waveguide;
A minute substance detection apparatus comprising: a detection unit that detects fluorescence generated when a substance to be detected with a fluorescent label attached to the optical ring resonator.
前記光源は、前記光リング共振器の共振波長帯域より広い波長帯域を有する光を発生するように構成されている、請求項1に記載の微小物質検出装置。   The minute substance detection device according to claim 1, wherein the light source is configured to generate light having a wavelength band wider than a resonance wavelength band of the optical ring resonator. 前記微小物質検出装置は、リング径が互いに異なる前記第2の導波路を有する前記光リング共振器を複数備え、
前記光源は、前記複数の光リング共振器の共振波長帯域の全体より広い波長帯域を有する光を発生するように構成されている、請求項2に記載の微小物質検出装置。
The minute substance detection device includes a plurality of the optical ring resonators having the second waveguides having different ring diameters,
The minute substance detection device according to claim 2, wherein the light source is configured to generate light having a wider wavelength band than an entire resonance wavelength band of the plurality of optical ring resonators.
前記複数の光リング共振器は、前記第1の導波路に沿って、整列配置されている、請求項3に記載の微小物質検出装置。   4. The minute substance detection device according to claim 3, wherein the plurality of optical ring resonators are aligned along the first waveguide. 5. 前記検出部による検出結果に基づいて、前記複数の光リング共振器のうちいずれの光リング共振器において蛍光が発生しているかを特定する制御手段をさらに備える、請求項4に記載の微小物質検出装置。   5. The minute substance detection according to claim 4, further comprising a control unit that specifies which of the plurality of optical ring resonators is generating fluorescence based on a detection result by the detection unit. apparatus. 前記制御手段は、前記複数の光リング共振器のうち蛍光が発生している光リング共振器の情報に基づいて、前記被検出物質が予め定められた複数の物質のうちいずれの物質であるかを特定する、請求項5に記載の微小物質検出装置。   The control means determines which of the plurality of predetermined substances the detected substance is based on information of the optical ring resonator in which fluorescence is generated among the plurality of optical ring resonators. The minute substance detection device according to claim 5, wherein: 前記検出部は、前記複数の光リング共振器を光学的に計測するように構成されている、請求項5または6に記載の微小物質検出装置。   The minute substance detection device according to claim 5 or 6, wherein the detection unit is configured to optically measure the plurality of optical ring resonators.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111638196A (en) * 2020-05-19 2020-09-08 太原理工大学 Nano-flow channel-resonant cavity coupling structure for measuring micro-displacement of fluorescent substance

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