JP2012145348A - Optical waveguiding type biochemical sensor chip, biosensor cartridge and biosensor system - Google Patents

Optical waveguiding type biochemical sensor chip, biosensor cartridge and biosensor system Download PDF

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雅章 平川
Takemoto Yamauchi
健資 山内
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical waveguiding type biochemical sensor chip capable of repeatedly performing high sensitive measurement, a biosensor cartridge and a biosensor system.SOLUTION: According to an embodiment, the optical waveguiding type biochemical sensor chip includes an optical waveguiding part and a sensing part. The optical waveguiding part includes an optical waveguiding layer for guiding light. The sensing part is in contact with a main surface of the optical waveguiding part and includes a sensing material layer. By one reaction of oxidation and reduction corresponding to a specimen introduced into the sensing material layer, a first change is generated in absorption characteristics of the sensing material layer for infiltration light infiltrated into the sensing material layer. By the other reaction of oxidation and reduction caused by voltage applied to the sensing material layer, a second change reversed to the first change is generated in the absorption characteristics.

Description

本発明の実施形態は、光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムに関する。   Embodiments described herein relate generally to an optical waveguide biochemical sensor chip, a biosensor cartridge, and a biosensor system.

小型で高感度なバイオケミカルセンサチップの開発が進んでいる。例えば、糖尿病治療において、グルコースを高感度で検出することが重要であり、このために、光導波型バイオケミカルセンサチップが開発されている。   Development of small and highly sensitive biochemical sensor chips is advancing. For example, in diabetes treatment, it is important to detect glucose with high sensitivity. For this reason, an optical waveguide biochemical sensor chip has been developed.

グルコースなどの検体を繰り返して測定できるセンサチップの開発が望まれている。これにより一定期間連続して検体を検出することが可能になる。例えば、組織液中のグルコースを電気化学的センサで計測しているデバイスがある。しかし、電気化学測定でのセンサは検出感度が小さいため、組織液中の低濃度グルコースを測定する場合では測定誤差が生じる可能性がある。   Development of a sensor chip that can repeatedly measure a sample such as glucose is desired. This makes it possible to detect the specimen continuously for a certain period. For example, there is a device that measures glucose in tissue fluid with an electrochemical sensor. However, since a sensor in electrochemical measurement has low detection sensitivity, a measurement error may occur when measuring low-concentration glucose in tissue fluid.

特開2008−209219号公報JP 2008-209219 A

本発明の実施形態は、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを提供する。   Embodiments of the present invention provide an optical waveguide biochemical sensor chip, a biosensor cartridge, and a biosensor system capable of repeatedly measuring with high sensitivity.

本発明の実施形態によれば、光導波部と、センシング部と、を備えた光導波型バイオケミカルセンサチップが提供される。前記光導波部は、光を導く光導波層を含む。前記センシング部は、前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含む。前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第1変化が生じる。前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第1変化とは逆の第2変化が生じる。   According to an embodiment of the present invention, an optical waveguide biochemical sensor chip including an optical waveguide unit and a sensing unit is provided. The optical waveguide unit includes an optical waveguide layer that guides light. The sensing unit is in contact with the main surface of the optical waveguide unit and includes a sensing material layer. A first change occurs in the absorption characteristic of the sensing material layer with respect to penetrating light penetrating from the main surface into the sensing material layer by one reaction of oxidation and reduction according to the analyte introduced into the sensing material layer. Due to the other reaction of oxidation and reduction due to the voltage applied to the sensing material layer, a second change in the absorption characteristic opposite to the first change occurs.

第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of an optical waveguide biochemical sensor chip according to a first embodiment. 第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the characteristic of the optical waveguide type biochemical sensor chip concerning a 1st embodiment. 図3(a)及び図3(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。FIG. 3A and FIG. 3B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図4(a)及び図4(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。FIG. 4A and FIG. 4B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図5(a)及び図5(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。FIGS. 6A and 6B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。FIG. 7A and FIG. 7B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図8(a)〜図8(e)は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。FIG. 8A to FIG. 8E are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図9(a)〜図9(f)は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。FIG. 9A to FIG. 9F are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. 図10(a)〜図10(c)は、第2の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。FIG. 10A to FIG. 10C are schematic cross-sectional views illustrating the configuration and operation of the biosensor cartridge according to the second embodiment. 第3の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。It is a schematic diagram which illustrates the structure of the biosensor system which concerns on 3rd Embodiment. 第3の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。It is a flowchart figure which illustrates operation | movement of the biosensor system which concerns on 3rd Embodiment.

以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
Each embodiment will be described below with reference to the drawings.
The drawings are schematic or conceptual, and the relationship between the thickness and width of each part, the size ratio between the parts, and the like are not necessarily the same as actual ones. Further, even when the same part is represented, the dimensions and ratios may be represented differently depending on the drawings.
Note that, in the present specification and each drawing, the same elements as those described above with reference to the previous drawings are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted as appropriate.

(第1の実施の形態)
図1は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。
図1に表したように、実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ110は、光導波部10と、センシング部20と、を備える。以下、「光導波型バイオケミカルセンサチップ」を、適宜「センサチップ」と省略して記載する場合がある。
(First embodiment)
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view illustrating the configuration of an optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
As shown in FIG. 1, the optical waveguide biochemical sensor chip 110 according to the embodiment includes an optical waveguide unit 10 and a sensing unit 20. Hereinafter, “optical waveguide biochemical sensor chip” may be abbreviated as “sensor chip” as appropriate.

光導波部10は、光導波層11を含む。光導波層11は、光15を導く。
光導波部10は、第1主面10aと、第2主面10bと、を有する。第2主面10bは、第1主面10aとは反対側の面である。本具体例では、第1主面10aは、光導波層11の一方の主面である。第2主面10bは、光導波層11の他方の主面である。光15は、第1主面10aと第2主面10bとで反射し、光導波層11の内部を導かれる。
The optical waveguide unit 10 includes an optical waveguide layer 11. The optical waveguide layer 11 guides the light 15.
The optical waveguide unit 10 includes a first main surface 10a and a second main surface 10b. The 2nd main surface 10b is a surface on the opposite side to the 1st main surface 10a. In the specific example, the first main surface 10 a is one main surface of the optical waveguide layer 11. The second main surface 10 b is the other main surface of the optical waveguide layer 11. The light 15 is reflected by the first main surface 10 a and the second main surface 10 b and guided inside the optical waveguide layer 11.

センシング部20は、光導波部10の主面に接する。以下では、センシング部20が、光導波部10の第1主面10aに接する場合として説明する。センシング部20は、光導波層11の主面に接している。   The sensing unit 20 is in contact with the main surface of the optical waveguide unit 10. Hereinafter, the case where the sensing unit 20 is in contact with the first main surface 10a of the optical waveguide unit 10 will be described. The sensing unit 20 is in contact with the main surface of the optical waveguide layer 11.

センシング部20は、センシング材料層21を含む。後述するように、センシング部20は、センシング材料層21以外の層をさらに含んでも良い。   The sensing unit 20 includes a sensing material layer 21. As will be described later, the sensing unit 20 may further include a layer other than the sensing material layer 21.

光導波層11を導かれる光15の一部は、センシング材料層21に浸透する。浸透する浸透光16は、光導波層11中を導かれる光15の、光導波部10の主面(第1主面10a)におけるエバネッセント光である。   A part of the light 15 guided through the optical waveguide layer 11 penetrates the sensing material layer 21. The penetrating light 16 penetrating is evanescent light of the light 15 guided through the optical waveguide layer 11 on the main surface (first main surface 10 a) of the optical waveguide unit 10.

センシング部20には、電圧を印加できる。すなわち、センシング材料層21には、電圧を印加できる。例えば、光導波部10(具体的には光導波層11)は、導電性である。この場合、光導波部10と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層21に電圧が印加される。さらに、後述するように、光導波部10は、光導波層11とセンシング部20との間に設けられた透明導電層を含むことができる。この場合には、この透明導電層と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層21に電圧が印加される。   A voltage can be applied to the sensing unit 20. That is, a voltage can be applied to the sensing material layer 21. For example, the optical waveguide unit 10 (specifically, the optical waveguide layer 11) is conductive. In this case, a voltage is applied to the sensing material layer 21 by applying a voltage between the optical waveguide unit 10 and a counter electrode (not shown). Furthermore, as will be described later, the optical waveguide unit 10 may include a transparent conductive layer provided between the optical waveguide layer 11 and the sensing unit 20. In this case, a voltage is applied to the sensing material layer 21 by applying a voltage between the transparent conductive layer and a counter electrode (not shown).

センシング材料層21には、検体spが導入される。検体spは、例えば、体液などを含む溶液である。例えば、体液には検査対象が含まれる。検査対象は、例えばグルコースなどである。   The specimen sp is introduced into the sensing material layer 21. The specimen sp is a solution containing, for example, a body fluid. For example, the body fluid includes a test object. The test object is, for example, glucose.

センシング材料層21には、例えば、センシング材料が含まれる。センシング材料は、例えばプルシアンブルーを含む。センシング材料層21は、センシング材料と、センシング材料が分散されるバインダを含む。バインダは、例えば光硬化型(例えば紫外線硬化型)の樹脂である。   The sensing material layer 21 includes, for example, a sensing material. The sensing material includes, for example, Prussian blue. The sensing material layer 21 includes a sensing material and a binder in which the sensing material is dispersed. The binder is, for example, a light curable resin (for example, an ultraviolet curable resin).

センシング材料層21は、吸水可能である。そして、センシング材料層21は非水溶性である。例えば、バインダは、吸水可能でありつつ、非水溶性の材料が用いられる。バインダには、例えばハイドロゲルなどが用いられる。   The sensing material layer 21 can absorb water. The sensing material layer 21 is insoluble in water. For example, the binder is made of a water-insoluble material while being able to absorb water. For example, hydrogel or the like is used as the binder.

センシング部20は、例えば、検体spの反応を進める酵素を含む。例えば、センシング材料層21は、検体spと反応する酵素を含む。検体spがグルコースである場合には、酵素は、例えばグルコースオキシターゼ(GOD)である。以下では、検体spがグルコースであり、酵素がGODである場合について説明する。   The sensing unit 20 includes, for example, an enzyme that advances the reaction of the specimen sp. For example, the sensing material layer 21 includes an enzyme that reacts with the analyte sp. When the specimen sp is glucose, the enzyme is, for example, glucose oxidase (GOD). Hereinafter, a case where the specimen sp is glucose and the enzyme is GOD will be described.

センシング部20に検体spが例えば、滴下される。これにより、センシング材料層21に導入されたグルコースと酸素とが、酵素により反応し、グルコン酸と過酸化水素(H)が生じる。 For example, the specimen sp is dropped on the sensing unit 20. Thereby, glucose and oxygen introduced into the sensing material layer 21 react with each other by an enzyme, and gluconic acid and hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) are generated.

センシング材料層21に含まれるセンシング材料が例えばプルシアンブルーである場合は、第1式の反応が生じる。

Fe(II) [Fe(II)(CN)(透明)+2H
→ KFe(III)[Fe(II)(CN)(青色)+4OH+4K …(第1式)

第1式に表したように、センシング材料層21は、透明状態から着色状態(青色状態)に変化する。第1式の反応は、酸化の反応である。
When the sensing material contained in the sensing material layer 21 is Prussian blue, for example, the reaction of the first formula occurs.

K 4 Fe (II) 4 [Fe (II) (CN) 6 ] 3 (transparent) + 2H 2 O 2
→ K 4 Fe (III) [Fe (II) (CN) 6 ] 3 (blue) + 4OH + 4K + (Formula 1)

As shown in the first formula, the sensing material layer 21 changes from a transparent state to a colored state (blue state). The reaction of the first formula is an oxidation reaction.

センシング材料層21を例えばK(カリウム)イオンを含む溶液(例えばKCl溶液)に接触させた状態でセンシング材料層21に電圧を印加する。これにより、第2式の反応が生じる。

Fe(III)[Fe(II)(CN)(青色)+4K+4e
→ KFe(II) [Fe(II)(CN)(透明) …(第2式)

第2式に表したように、センシング材料層21は、着色状態(青色状態)から透明状態に変化する。第2式の反応は、還元の反応である。
A voltage is applied to the sensing material layer 21 in a state where the sensing material layer 21 is in contact with a solution containing, for example, K (potassium) ions (for example, a KCl solution). Thereby, the reaction of the second formula occurs.

K 4 Fe (III) [Fe (II) (CN) 6 ] 3 (blue) + 4K + + 4e
→ K 4 Fe (II) 4 [Fe (II) (CN) 6 ] 3 (transparent) (Formula 2)

As shown in the second formula, the sensing material layer 21 changes from a colored state (blue state) to a transparent state. The reaction of the second formula is a reduction reaction.

第2式の反応は、第1式の反応とは逆の反応である。すなわち、センシング材料層21において可逆的な反応が生じる。   The reaction of the second formula is the opposite reaction to the reaction of the first formula. That is, a reversible reaction occurs in the sensing material layer 21.

第1式の反応は、検体spにより生じた過酸化水素(H)に基づく反応である。従って、第1式の反応は、センシング材料層21に導入される検体spに応じた反応である。例えば、検体spの量が多い(濃度が濃い)場合は、第1式の反応が多く生じる。このため、センシング材料層21の着色の程度は高い。すなわち、センシング材料層21の色が濃くなる。 The reaction of the first formula is a reaction based on hydrogen peroxide (H 2 O 2 ) generated by the specimen sp. Therefore, the reaction of the first formula is a reaction according to the specimen sp introduced into the sensing material layer 21. For example, when the amount of the specimen sp is large (concentration is high), a large amount of reaction of the first formula occurs. For this reason, the degree of coloring of the sensing material layer 21 is high. That is, the color of the sensing material layer 21 becomes darker.

そして、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収が第1式の反応により変化する。すなわち、第1式の左辺の透明状態においては、浸透光16に対する吸収は小さい。第2式の右辺の青色状態においては、浸透光16に対する吸収が大きい。   Then, the absorption of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 is changed by the reaction of the first formula. That is, in the transparent state on the left side of the first expression, the absorption with respect to the penetrating light 16 is small. In the blue state on the right side of the second equation, the absorption with respect to the penetrating light 16 is large.

第1式の反応の前後における光の吸収特性の変化により、光導波層11から出射する出射光17の強度が変化する。この出射光17の変化により、検体sp(例えば検体spの量や濃度など)を高い精度で検出できる。   The intensity of the outgoing light 17 emitted from the optical waveguide layer 11 changes due to the change in the light absorption characteristics before and after the reaction of the first equation. Due to the change of the emitted light 17, the specimen sp (for example, the amount and concentration of the specimen sp) can be detected with high accuracy.

そして、第2式の反応により、センシング材料層21の状態は、第1式の左辺の元の状態に戻る。これにより、センサチップ110は繰り返し使用できる。   And the state of the sensing material layer 21 returns to the original state on the left side of the first equation by the reaction of the second equation. Thereby, the sensor chip 110 can be used repeatedly.

このように、センシング材料層21に導入される検体spに応じた酸化及び還元の一方の反応により、光導波部10の主面(第1主面10a)からセンシング材料層21に浸透する浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収特性において第1変化が生じる。すなわち、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収率に上昇または低下が生ずる。この第1変化を検出することで、検体spが検出できる。   Thus, the penetrating light that permeates the sensing material layer 21 from the main surface (first main surface 10a) of the optical waveguide unit 10 by one reaction of oxidation and reduction according to the specimen sp introduced into the sensing material layer 21. A first change occurs in the absorption characteristics of the sensing material layer 21 with respect to 16. That is, the absorption rate of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 increases or decreases. By detecting this first change, the specimen sp can be detected.

そして、センシング材料層21に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第1変化とは逆の第2変化が生じる。すなわち、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収率が第1変化において上昇した場合には、第2変化として吸収率が低下する。一方、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収率が第1変化において低下した場合には、第2変化として吸収率が上昇する。この第2変化により、センシング材料層21の状態は、元の状態に戻る。   Then, due to the other reaction of oxidation and reduction due to the voltage applied to the sensing material layer 21, a second change opposite to the first change occurs in the absorption characteristics. That is, when the absorption rate of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 increases in the first change, the absorption rate decreases as the second change. On the other hand, when the absorption rate of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 decreases in the first change, the absorption rate increases as a second change. By this second change, the state of the sensing material layer 21 returns to the original state.

第1式の酸化の反応(酸化及び還元の一方の反応)と、第2式の還元の反応(酸化及び還元の他方の反応)と、は、互いに逆の反応である。すなわち、センサチップ110においては、可逆的な反応が生じる。   The oxidation reaction of the first formula (one reaction of oxidation and reduction) and the reduction reaction of the second formula (the other reaction of oxidation and reduction) are opposite to each other. That is, in the sensor chip 110, a reversible reaction occurs.

このように、検体spに応じた酸化及び還元の上記の一方の反応(第1式の反応)は、センシング部20に含まれる酵素(例えばグルコースオキシターゼ)と、検体sp(例えばグルコース)と、の反応による生成物と、センシング部20(具体的にはセンシング材料層21)に含まれるセンシング材料(例えばプルシアンブルー)と、の反応を含むことができる。この生成物は、例えば過酸化水素である。   As described above, the above-described one of the oxidation and reduction reactions (the reaction of the first formula) according to the specimen sp is performed between the enzyme (for example, glucose oxidase) included in the sensing unit 20 and the specimen sp (for example, glucose). The reaction product can include a reaction between a sensing material (for example, Prussian blue) included in the sensing unit 20 (specifically, the sensing material layer 21). This product is, for example, hydrogen peroxide.

センシング材料層21においては、センシング材料層21に導入される検体spに応じた酸化及び還元の一方の反応が生じることで、検体spに応じて、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収特性が第1状態(透明状態)から第2状態(着色状態)に変化する。そして、センシング材料層21において、センシング材料層21に印加される電圧により酸化及び還元の他方の反応が生じ、吸収特性が第2状態から第1状態に変化する。浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収特性は、検体spに応じて可逆的に変化する。   In the sensing material layer 21, one of oxidation and reduction reactions according to the specimen sp introduced into the sensing material layer 21 occurs, so that the absorption characteristic of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 depends on the specimen sp. The state changes from the first state (transparent state) to the second state (colored state). In the sensing material layer 21, the other reaction of oxidation and reduction occurs due to the voltage applied to the sensing material layer 21, and the absorption characteristics change from the second state to the first state. The absorption characteristic of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 changes reversibly according to the specimen sp.

これにより、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。   Thereby, an optical waveguide type biochemical sensor chip capable of repeatedly measuring with high sensitivity can be provided.

なお、プルシアンブルーを用いたセンサチップとして、電流検出型のセンサチップが考えられる。この場合には、検体spに応じたプルシアンブルーの反応における電流の変化により、検体spが検出される。電流検出型のセンサチップにおいては、検出精度が低い。   As a sensor chip using Prussian blue, a current detection type sensor chip can be considered. In this case, the specimen sp is detected by the change in current in the Prussian blue reaction corresponding to the specimen sp. In the current detection type sensor chip, the detection accuracy is low.

これに対し、実施形態に係るセンサチップ110は、光導波型のセンサチップであるため、検出精度が高い。   On the other hand, since the sensor chip 110 according to the embodiment is an optical waveguide sensor chip, the detection accuracy is high.

図2は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。
図2に表したように、光導波層11を導かれる光15の軸と、第1主面10aの法線と、の角度をθとする。光導波層11の屈折率をnとする。センシング材料層21(センシング部20)の屈折率をnとする。光15の波長をλとする。このとき、光導波部10の第1主面10aからセンシング材料層21に浸透する浸透光16(エバネッセント光)の浸透距離dpは、以下の第3式で表される。

dp=λ・(n sinθ−n 1/2/2π …(第3式)

実施形態において、センシング材料層21の厚さは、浸透距離dp以下であることが望ましい。もしセンシング材料層21の厚さが浸透距離dpよりも厚い場合、センシング材料層21のうちで浸透距離dpよりも厚い部分は、検体spの検出に寄与しない。センシング材料層21の厚さを浸透距離dp以下に設定することで、検体spの検出精度が向上する。
FIG. 2 is a schematic view illustrating characteristics of the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
As shown in FIG. 2, the angle between the axis of the light 15 guided through the optical waveguide layer 11 and the normal line of the first major surface 10a is defined as θ. The refractive index of the optical waveguide layer 11, n 1. The refractive index of the sensing material layer 21 (sensing section 20) and n 2. Let λ be the wavelength of the light 15. At this time, the penetration distance dp of the penetrating light 16 (evanescent light) penetrating from the first main surface 10a of the optical waveguide unit 10 into the sensing material layer 21 is expressed by the following third formula.

dp = λ · (n 1 2 sin 2 θ−n 2 2 ) 1/2 / 2π (3rd formula)

In the embodiment, the thickness of the sensing material layer 21 is desirably equal to or less than the penetration distance dp. If the thickness of the sensing material layer 21 is thicker than the penetration distance dp, the portion of the sensing material layer 21 that is thicker than the penetration distance dp does not contribute to the detection of the analyte sp. By setting the thickness of the sensing material layer 21 to be equal to or less than the penetration distance dp, the detection accuracy of the specimen sp is improved.

このように、センシング材料層21の厚さは、光導波部10の主面(第1主面10a)からセンシング部20に浸透するエバネッセント光のエバネッセント距離以下であることが望ましい。   Thus, the thickness of the sensing material layer 21 is desirably equal to or less than the evanescent distance of the evanescent light penetrating from the main surface (first main surface 10a) of the optical waveguide unit 10 into the sensing unit 20.

図3(a)及び図3(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図3(a)は平面図であり、図3(b)は、図3(a)のA1−A2線断面図である。 図3(a)及び図3(b)に表したように、実施形態に係るセンサチップ121は、光導波部10及びセンシング部20に加え、基板部30をさらに備える。
FIG. 3A and FIG. 3B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
3A is a plan view, and FIG. 3B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 3A. As shown in FIGS. 3A and 3B, the sensor chip 121 according to the embodiment further includes a substrate unit 30 in addition to the optical waveguide unit 10 and the sensing unit 20.

基板部30は、光導波部10のセンシング部20とは反対の側に設けられる。すなわち、光導波部10は、基板部30とセンシング部20との間に配置される。   The substrate unit 30 is provided on the opposite side of the optical waveguide unit 10 from the sensing unit 20. That is, the optical waveguide unit 10 is disposed between the substrate unit 30 and the sensing unit 20.

基板部30は、基板33と、第1偏向部31と、第2偏向部32と、を含む。
基板33は、光導波層11に対向して設置される。第1偏向部31は、基板33上に設けられ、光導波層11に対向する。第1偏向部31は、基板33に向けて入射する光14の進行方向を変化させて光導波層11に入射させる。これにより、入射する光14に基づく光15が、光導波層11の内部を導かれる。光14は、例えばレーザ光である。
The substrate unit 30 includes a substrate 33, a first deflection unit 31, and a second deflection unit 32.
The substrate 33 is disposed to face the optical waveguide layer 11. The first deflection unit 31 is provided on the substrate 33 and faces the optical waveguide layer 11. The first deflection unit 31 changes the traveling direction of the light 14 incident on the substrate 33 and causes the light to enter the optical waveguide layer 11. Thereby, the light 15 based on the incident light 14 is guided inside the optical waveguide layer 11. The light 14 is, for example, laser light.

第2偏向部32は、基板33上に設けられ、光導波層11に対向する。第2偏向部32は、光導波層11を導波した光15を光導波層11から出射させる。これにより、出射光17は、光導波層11から出射する。   The second deflection unit 32 is provided on the substrate 33 and faces the optical waveguide layer 11. The second deflecting unit 32 emits the light 15 guided through the optical waveguide layer 11 from the optical waveguide layer 11. Thereby, the emitted light 17 is emitted from the optical waveguide layer 11.

基板33には、例えばガラス基板を用いることができる。ただし、基板33には、任意の材料を用いることができる。基板33には、例えば、樹脂材料を用いても良い。ただし、寸法精度及び表面粗さの観点から、基板33には、ガラス基板を用いるのが望ましい。   As the substrate 33, for example, a glass substrate can be used. However, any material can be used for the substrate 33. For the substrate 33, for example, a resin material may be used. However, it is desirable to use a glass substrate as the substrate 33 from the viewpoint of dimensional accuracy and surface roughness.

また、センサチップ121において、第1主面10aの側から光14が斜めに入射し、光15が光導波層11内を導波しても良い。この場合は、基板33には、光15に対して反射性の材料を用いても良い。   In the sensor chip 121, the light 14 may be incident obliquely from the first main surface 10 a side, and the light 15 may be guided in the optical waveguide layer 11. In this case, a material that is reflective to the light 15 may be used for the substrate 33.

例えば、基板33の屈折率は、光導波層11の屈折率よりも低い。光導波層11に樹脂を用いた場合、光導波層11の屈折率は例えば1.49〜1.70程度である。基板33にガラス(例えば無アルカリガラス)を用いた場合、基板33の屈折率は例えば1.515である。   For example, the refractive index of the substrate 33 is lower than the refractive index of the optical waveguide layer 11. When resin is used for the optical waveguide layer 11, the refractive index of the optical waveguide layer 11 is, for example, about 1.49 to 1.70. When glass (for example, non-alkali glass) is used for the substrate 33, the refractive index of the substrate 33 is 1.515, for example.

第1偏向部31及び第2偏向部32は、回折格子を含むことができる。回折格子には、例えば基板33の屈折とは異なる屈折率を有する材料を用いることができる。例えば、基板33の上に形成した酸化チタン膜を所定の形状に加工することで回折格子が設けられる。具体的には回折格子のピッチは、例えば、0.9μm以上1.1μm以下である。   The first deflecting unit 31 and the second deflecting unit 32 may include a diffraction grating. For the diffraction grating, for example, a material having a refractive index different from that of the substrate 33 can be used. For example, the diffraction grating is provided by processing a titanium oxide film formed on the substrate 33 into a predetermined shape. Specifically, the pitch of the diffraction grating is, for example, 0.9 μm or more and 1.1 μm or less.

例えば基板33の一方の面(光導波層11に対向する例えば上面)に第1偏向部31及び第2偏向部32が設けられる。第1偏向部31から第2偏向部32に向かう方向において、第1偏向部31の少なくとも一部と第2偏向部32の少なくとも一部との間に、光導波層11の少なくとも一部が設けられる。   For example, the first deflection unit 31 and the second deflection unit 32 are provided on one surface of the substrate 33 (for example, the upper surface facing the optical waveguide layer 11). At least a part of the optical waveguide layer 11 is provided between at least a part of the first deflection part 31 and at least a part of the second deflection part 32 in the direction from the first deflection part 31 to the second deflection part 32. It is done.

基板33の上面に第1偏向部31及び第2偏向部32が設けられている場合、基板の下面から光14が入射する。基板33を通過した光14が、第1偏向部31に入射し、光14の進行方向が変化し、光導波層11に入射する。   When the first deflection unit 31 and the second deflection unit 32 are provided on the upper surface of the substrate 33, the light 14 enters from the lower surface of the substrate. The light 14 that has passed through the substrate 33 enters the first deflecting unit 31, changes the traveling direction of the light 14, and enters the optical waveguide layer 11.

また、例えば、基板33の上面に第1偏向部31及び第2偏向部32が設けられている場合、基板の上面から光14が入射しても良い。この場合も光14は、第1偏向部31に入射し、光14の進行方向が変化し、光導波層11に入射する。   Further, for example, when the first deflection unit 31 and the second deflection unit 32 are provided on the upper surface of the substrate 33, the light 14 may be incident from the upper surface of the substrate. Also in this case, the light 14 enters the first deflecting unit 31, the traveling direction of the light 14 changes, and enters the optical waveguide layer 11.

本具体例においては、光導波層11は導電性である。この場合、第2式の反応を実施する際の電圧は、光導波層11によりセンシング材料層21に印加される。すなわち、光導波層11を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層21に電圧が印加される。   In this specific example, the optical waveguide layer 11 is conductive. In this case, the voltage for performing the reaction of the second formula is applied to the sensing material layer 21 by the optical waveguide layer 11. That is, a voltage is applied to the sensing material layer 21 using the optical waveguide layer 11 as one electrode and a counter electrode described later as the other electrode.

なお、センサチップ121においては、センシング部20のセンシング材料層21は、センシング材料(例えばプルシアンブルーなど)と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層21は、検体spと反応する酵素を含む。   In the sensor chip 121, the sensing material layer 21 of the sensing unit 20 includes a sensing material (for example, Prussian blue), an enzyme, and a binder. That is, the sensing material layer 21 includes an enzyme that reacts with the specimen sp.

図4(a)及び図4(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図4(a)は平面図であり、図4(b)は、図4(a)のA1−A2線断面図である。 図4(a)及び図4(b)に表したように、実施形態に係るセンサチップ122においても、光導波部10及びセンシング部20に加え、基板部30が設けられる。そして、光導波部10は、光導波層11に加え、透明導電層12をさらに含む。
FIG. 4A and FIG. 4B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
4A is a plan view, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 4A. As shown in FIG. 4A and FIG. 4B, the sensor chip 122 according to the embodiment also includes the substrate unit 30 in addition to the optical waveguide unit 10 and the sensing unit 20. The optical waveguide unit 10 further includes a transparent conductive layer 12 in addition to the optical waveguide layer 11.

透明導電層12は、光導波層11とセンシング部20との間に設けられる。透明導電層12は、浸透光16に対して透過性である。すなわち、透明導電層12は、光15の波長を有する光に対して透過性である。   The transparent conductive layer 12 is provided between the optical waveguide layer 11 and the sensing unit 20. The transparent conductive layer 12 is transmissive to the penetrating light 16. That is, the transparent conductive layer 12 is transparent to light having the wavelength of the light 15.

第2式の反応を実施する際の電圧は、透明導電層12によりセンシング材料層21に印加される。すなわち、透明導電層12を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層21に電圧が印加される。   The voltage for carrying out the reaction of the second formula is applied to the sensing material layer 21 by the transparent conductive layer 12. That is, a voltage is applied to the sensing material layer 21 using the transparent conductive layer 12 as one electrode and a counter electrode described later as the other electrode.

透明導電層12は、In、Sn、Zn及びTiよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。透明導電層12には、例えばITO(Indium Tin Oxide)を用いることができる。透明導電層12にITOを用いた場合、透明導電層12の屈折率は、2.06である。例えば、透明導電層12の屈折率は、光導波層11の屈折率よりも高い。   The transparent conductive layer 12 includes an oxide containing at least one element selected from the group consisting of In, Sn, Zn, and Ti. For the transparent conductive layer 12, for example, ITO (Indium Tin Oxide) can be used. When ITO is used for the transparent conductive layer 12, the refractive index of the transparent conductive layer 12 is 2.06. For example, the refractive index of the transparent conductive layer 12 is higher than the refractive index of the optical waveguide layer 11.

光導波部10において、例えば、透明導電層12は光導波層11と共に光15を導くことができる。   In the optical waveguide unit 10, for example, the transparent conductive layer 12 can guide the light 15 together with the optical waveguide layer 11.

すなわち、光導波部10の主面(第1主面10a)は、透明導電層12の主面とすることができる。そして、透明導電層12の主面(第1主面10a)からセンシング材料層21に浸透する浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収特性において第1変化及び第2変化が生じる。   That is, the main surface (first main surface 10 a) of the optical waveguide unit 10 can be the main surface of the transparent conductive layer 12. Then, a first change and a second change occur in the absorption characteristics of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 penetrating the sensing material layer 21 from the main surface (first main surface 10a) of the transparent conductive layer 12.

センサチップ122においても、センシング材料層21は、センシング材料と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層21は、検体spと反応する酵素を含む。   Also in the sensor chip 122, the sensing material layer 21 includes a sensing material, an enzyme, and a binder. That is, the sensing material layer 21 includes an enzyme that reacts with the specimen sp.

一般に、透明導電層12の厚さが薄いと、シート抵抗は高くなる。第2式の反応を有効に実施するためには、シート抵抗が低いことが望ましい。実用的な観点から、透明導電層12の厚さは、150ナノメートル(nm)以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下する。これにより、第2式の反応が有効に実施できる。
透明導電層12の主面における光15の反射回数は、例えば、光導波層11及び透明導電層12の厚さに依存する。一般的に平面光導波層を伝播する光は、光導波層とその上下の層との界面における散乱などにより減衰する。光導波層が薄すぎる場合、反射回数が増大する結果、出射光強度が低下する。これによって、外乱光や測定系のゆらぎ等によるノイズの影響を受けやすくなる。図4(a)及び図4(b)に例示した構成において、光導波層11を過度に薄くしなければ、上記のような問題は生じない。但し、透明導電層12が過度に厚いと光15の光路長が長くなるため透明導電層12の主面における光15の反射回数が減少する。これにより、浸透光16の発生量が減少するため、検出感度が低下する。従って、透明導電層12の厚さは、1μm以下が望ましい。
In general, when the transparent conductive layer 12 is thin, the sheet resistance increases. In order to effectively carry out the reaction of the second formula, it is desirable that the sheet resistance is low. From a practical viewpoint, the thickness of the transparent conductive layer 12 is preferably 150 nanometers (nm) or more. Thereby, sheet resistance falls. Thereby, the reaction of the second formula can be carried out effectively.
The number of reflections of the light 15 on the main surface of the transparent conductive layer 12 depends on, for example, the thickness of the optical waveguide layer 11 and the transparent conductive layer 12. In general, light propagating through a planar optical waveguide layer is attenuated by scattering at the interface between the optical waveguide layer and the upper and lower layers. When the optical waveguide layer is too thin, the number of reflections increases, and as a result, the emitted light intensity decreases. As a result, it becomes easy to be affected by noise due to disturbance light, fluctuation of the measurement system, and the like. In the configuration illustrated in FIGS. 4A and 4B, the above-described problem does not occur unless the optical waveguide layer 11 is excessively thinned. However, if the transparent conductive layer 12 is excessively thick, the optical path length of the light 15 becomes long, so that the number of reflections of the light 15 on the main surface of the transparent conductive layer 12 decreases. Thereby, since the generation amount of the penetrating light 16 is reduced, the detection sensitivity is lowered. Therefore, the thickness of the transparent conductive layer 12 is desirably 1 μm or less.

図3に例示したセンサチップ121のように、光導波層11が導電性であり、光導波層11によりセンシング材料層21に電圧を印加する場合は、光導波層11の厚さは、150nm以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下し、第2式の反応が有効に実施できる。光導波層11が薄すぎる場合、反射回数の増大による散乱の影響で光17の強度が低下し、ノイズの影響が生じる。このため、光導波層11の厚さは10μm以上であることが望ましい。   As in the sensor chip 121 illustrated in FIG. 3, when the optical waveguide layer 11 is conductive and a voltage is applied to the sensing material layer 21 by the optical waveguide layer 11, the thickness of the optical waveguide layer 11 is 150 nm or more. However, it is desirable. Thereby, sheet resistance falls and reaction of the 2nd formula can be carried out effectively. When the optical waveguide layer 11 is too thin, the intensity of the light 17 is lowered due to the influence of scattering due to the increase in the number of reflections, and the influence of noise is generated. For this reason, the thickness of the optical waveguide layer 11 is desirably 10 μm or more.

図5(a)及び図5(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図5(a)は平面図であり、図5(b)は、図5(a)のA1−A2線断面図である。 図5(a)及び図5(b)に表したように、実施形態に係るセンサチップ123においては、センシング部20は、センシング材料層21の他に、酵素層22をさらに含む。酵素層22は、センシング材料層21に積層される。酵素層22は、検体spと反応する酵素を含む。これにより、第1式の反応が生じる。これにより、上記の動作が実施される。
FIG. 5A and FIG. 5B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
FIG. 5A is a plan view, and FIG. 5B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. As shown in FIGS. 5A and 5B, in the sensor chip 123 according to the embodiment, the sensing unit 20 further includes an enzyme layer 22 in addition to the sensing material layer 21. The enzyme layer 22 is laminated on the sensing material layer 21. The enzyme layer 22 includes an enzyme that reacts with the specimen sp. Thereby, the reaction of the first formula occurs. Thereby, the above operation is performed.

センシング材料層21は、センシング材料(例えばプルシアンブルー)と、バインダと、を含む。酵素層22は、酵素と、バインダと、を含むことができる。   The sensing material layer 21 includes a sensing material (for example, Prussian blue) and a binder. The enzyme layer 22 can include an enzyme and a binder.

なお、本具体例では、センシング材料層21は、酵素層22と光導波部10との間に配置される。センシング材料層21が光導波部10の側に配置される。すなわち、センシング材料層21は光導波部10の近傍に、または、接して配置される。これにより、センシング材料層21における吸収特性の変化が検出し易くなる。これにより、検出感度が向上できる。また、可逆性の応答性が向上できる。   In this specific example, the sensing material layer 21 is disposed between the enzyme layer 22 and the optical waveguide unit 10. The sensing material layer 21 is disposed on the optical waveguide unit 10 side. That is, the sensing material layer 21 is disposed in the vicinity of or in contact with the optical waveguide unit 10. Thereby, the change of the absorption characteristic in the sensing material layer 21 becomes easy to detect. Thereby, detection sensitivity can be improved. Moreover, reversible responsiveness can be improved.

図6(a)及び図6(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図6(a)は平面図であり、図6(b)は、図6(a)のA1−A2線断面図である。 図6(a)及び図6(b)に表したように、実施形態に係るセンサチップ124においては、センシング部20は、センシング材料層21及び酵素層22を含む。さらに、光導波部10は、光導波層11及び透明導電層12を含む。
FIGS. 6A and 6B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
6A is a plan view, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 6A. As shown in FIGS. 6A and 6B, in the sensor chip 124 according to the embodiment, the sensing unit 20 includes a sensing material layer 21 and an enzyme layer 22. Further, the optical waveguide unit 10 includes an optical waveguide layer 11 and a transparent conductive layer 12.

図7(a)及び図7(b)は、第1の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図7(a)は平面図であり、図7(b)は、図7(a)のA1−A2線断面図である。 図7(a)及び図7(b)に表したように、実施形態に係るセンサチップ125においては、基板部30が設けられていない。
FIG. 7A and FIG. 7B are schematic views illustrating the configuration of another optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
FIG. 7A is a plan view, and FIG. 7B is a cross-sectional view taken along line A1-A2 of FIG. 7A. As shown in FIG. 7A and FIG. 7B, the sensor chip 125 according to the embodiment is not provided with the substrate portion 30.

光導波部10の光導波層11の端面(第1主面10aと第2主面10bとに接続される面)が主面(第1主面10a)に対して傾斜している。これにより、例えば、光導波層11の1つの端面から光導波層11の内部に光14が入射する。そして、例えば、光導波層11の別の端面から、光導波層11を導かれた光15が、出射光17として出射する。そして、センシング材料層21における光の吸収特性の変化が検出される。   The end surface of the optical waveguide layer 11 of the optical waveguide unit 10 (surface connected to the first main surface 10a and the second main surface 10b) is inclined with respect to the main surface (first main surface 10a). Thereby, for example, the light 14 enters the inside of the optical waveguide layer 11 from one end face of the optical waveguide layer 11. Then, for example, light 15 guided through the optical waveguide layer 11 is emitted as outgoing light 17 from another end face of the optical waveguide layer 11. And the change of the light absorption characteristic in the sensing material layer 21 is detected.

なお、この例では、光導波部10に透明導電層12が設けられているが、透明導電層12は省略されても良い。また、この例では、センシング部20に酵素層22が設けられていないが、センシング部20は、酵素層22をさらに含んでも良い。   In this example, the transparent conductive layer 12 is provided in the optical waveguide unit 10, but the transparent conductive layer 12 may be omitted. In this example, the sensing layer 20 is not provided with the enzyme layer 22, but the sensing unit 20 may further include the enzyme layer 22.

センサチップ121〜125においても、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。   Also in the sensor chips 121 to 125, it is possible to provide an optical waveguide biochemical sensor chip that can be repeatedly measured with high sensitivity.

センシング材料層21の吸収波長帯は、光15の波長を含むことができる。例えば、センシング材料層の吸収波長帯は、625nm以上650以下である。例えば、光15の波長は、625nm以上650nm以下である。   The absorption wavelength band of the sensing material layer 21 can include the wavelength of the light 15. For example, the absorption wavelength band of the sensing material layer is 625 nm or more and 650 or less. For example, the wavelength of the light 15 is not less than 625 nm and not more than 650 nm.

なお、実施形態において、センシング材料層21は、プルシアンブルーを含む。ただし、実施形態はこれに限らない。すなわち、センシング材料層21に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、浸透光16に対するセンシング材料層21の吸収特性において第1変化が生じ、センシング材料層21に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第1変化とは逆の第2変化が生じるような任意の材料をセンシング材料層21は含むことができる。   In the embodiment, the sensing material layer 21 includes Prussian blue. However, the embodiment is not limited to this. That is, a first change occurs in the absorption characteristic of the sensing material layer 21 with respect to the penetrating light 16 due to one reaction of oxidation and reduction according to the analyte introduced into the sensing material layer 21, and the voltage applied to the sensing material layer 21. The sensing material layer 21 can include any material that causes a second change in the absorption characteristics opposite to the first change due to the other reaction of oxidation and reduction due to.

センシング材料層21は、プルシアンブルー、3,3',5,5'-tetramethylbenzine(TMBZ)、o-phenylenediamine(OPD)、o-tolidine、N,N'-Bis(2-hydroxy-3-surufopropyl)tolicine,disodium salt,tetrahydrate(SAT−3)、及び、2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt(ABTS)の少なくともいずれかを含むことができる。   Sensing material layer 21 is Prussian blue, 3,3 ', 5,5'-tetramethylbenzine (TMBZ), o-phenylenediamine (OPD), o-tolidine, N, N'-Bis (2-hydroxy-3-surufopropyl) Tolicine, disodium salt, tetrahydrate (SAT-3) and 2,2′-azinobis (3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt (ABTS) can be included.

以下、実施形態に係るセンサチップの製造方法の例について説明する。
図8(a)〜図8(e)は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ122の製造方法の例を示している。
Hereinafter, an example of a manufacturing method of the sensor chip according to the embodiment will be described.
FIG. 8A to FIG. 8E are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating the method for manufacturing the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
These drawings show an example of a method for manufacturing the sensor chip 122.

図8(a)に表したように、基板33の上に、例えば第1偏向部31及び第2偏向部32となる膜を形成する。この膜には、例えば酸化チタン膜が用いられる。酸化チタン膜の形成には、例えばスパッタ法が用いられる。そして、この膜をリソグラフィとエッチングにより所定の形状に加工する。これにより、第1偏向部31及び第2偏向部32が形成される。このエッチングには、例えばRIE(Reactive Ion Etching)などが用いられる。この後、エッチングの際に用いられたマスク材が除去される。   As shown in FIG. 8A, a film that becomes the first deflection unit 31 and the second deflection unit 32 is formed on the substrate 33, for example. As this film, for example, a titanium oxide film is used. For example, sputtering is used to form the titanium oxide film. Then, this film is processed into a predetermined shape by lithography and etching. Thereby, the 1st deflection | deviation part 31 and the 2nd deflection | deviation part 32 are formed. For example, RIE (Reactive Ion Etching) is used for this etching. Thereafter, the mask material used in the etching is removed.

図8(b)に表したように、基板33、第1偏向部31及び第2偏向部32の上に、光導波層11を形成する。具体的には、光導波層11となる有機膜を例えば塗布し、硬化する。   As shown in FIG. 8B, the optical waveguide layer 11 is formed on the substrate 33, the first deflection unit 31, and the second deflection unit 32. Specifically, for example, an organic film to be the optical waveguide layer 11 is applied and cured.

図8(c)に表したように、光導波層11の上に透明導電層12を形成する。具体的には、透明導電層12となる例えばITO膜を、例えば真空蒸着及びスパッタなどの方法により形成する。   As shown in FIG. 8C, the transparent conductive layer 12 is formed on the optical waveguide layer 11. Specifically, for example, an ITO film to be the transparent conductive layer 12 is formed by a method such as vacuum deposition and sputtering.

図8(d)に表したように、センシング材料層21となるセンシング材料膜21fを形成する。この例では、センシング材料膜21fは、プルシアンブルーと、酵素と、バインダと、を含む。バインダには、紫外線硬化型の樹脂が用いられる。これらを含む溶液を例えばスピンナで塗布する。これにより、センシング材料膜21fが形成される。   As shown in FIG. 8D, a sensing material film 21f to be the sensing material layer 21 is formed. In this example, the sensing material film 21f includes Prussian blue, an enzyme, and a binder. An ultraviolet curable resin is used for the binder. A solution containing these is applied by, for example, a spinner. Thereby, the sensing material film 21f is formed.

図8(e)に表したように、所定の形状のマスクを用いて、センシング材料膜21fに露光及び現像の処理を施し、センシング材料層21が得られる。   As shown in FIG. 8E, the sensing material layer 21f is exposed and developed using a mask having a predetermined shape, and the sensing material layer 21 is obtained.

そして、センシング材料層21に還元処理を施す。すなわち、第2式の反応を実施する。これにより、センシング材料層21は、透明状態になる。これにより、センシング材料層21は、検体spを検出可能な状態になる。
このようにして、センサチップ122が得られる。
Then, a reduction process is performed on the sensing material layer 21. That is, the reaction of the second formula is performed. Thereby, the sensing material layer 21 becomes transparent. As a result, the sensing material layer 21 is in a state where the specimen sp can be detected.
In this way, the sensor chip 122 is obtained.

図9(a)〜図9(f)は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ124の製造方法の例を示している。
FIG. 9A to FIG. 9F are schematic cross-sectional views in order of the processes, illustrating another method for manufacturing the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment.
These drawings show an example of a manufacturing method of the sensor chip 124.

図9(a)に表したように、基板33の上に、例えば第1偏向部31及び第2偏向部32となる膜を形成する。図9(b)に表したように、基板33、第1偏向部31及び第2偏向部32の上に、光導波層11を形成する。図9(c)に表したように、光導波層11の上に透明導電層12(例えばITO膜)を形成する。   As shown in FIG. 9A, for example, a film that becomes the first deflection unit 31 and the second deflection unit 32 is formed on the substrate 33. As illustrated in FIG. 9B, the optical waveguide layer 11 is formed on the substrate 33, the first deflection unit 31, and the second deflection unit 32. As shown in FIG. 9C, a transparent conductive layer 12 (for example, an ITO film) is formed on the optical waveguide layer 11.

図9(d)に表したように、透明導電層12のうちでセンシング部20が設けられない領域を覆うマスク膜20rを形成する。マスク膜20rに覆われていない領域が、センシング領域となる。マスク膜20rの形成には、例えば、スクリーン印刷法などの任意の塗布法などが用いられる。   As illustrated in FIG. 9D, a mask film 20 r that covers a region of the transparent conductive layer 12 where the sensing unit 20 is not provided is formed. A region not covered with the mask film 20r is a sensing region. For example, an arbitrary coating method such as a screen printing method is used for forming the mask film 20r.

図9(e)に表したように、プルシアンブルーを電析させる。これにより、センシング材料層21が形成される。この後、還元処理を行う。   As shown in FIG. 9E, Prussian blue is electrodeposited. Thereby, the sensing material layer 21 is formed. Thereafter, a reduction process is performed.

図9(f)に表したように、センシング材料層21の上に酵素層22を形成する。例えば、酵素及びバインダを含む溶液を例えばスピンナで塗布し、硬化させることで、酵素層22が形成される。
このようにして、センサチップ124が得られる。
As shown in FIG. 9F, the enzyme layer 22 is formed on the sensing material layer 21. For example, the enzyme layer 22 is formed by applying and curing a solution containing an enzyme and a binder, for example, with a spinner.
In this way, the sensor chip 124 is obtained.

(第2の実施の形態)
第2の実施の形態は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップを用いたバイオセンサカートリッジである。以下では、バイオセンサカートリッジがセンサチップ122を備える場合として説明する。実施形態はこれに限らず、第1の実施形態に係るセンサチップのいずれか、及び、その変形の任意のセンサチップを用いることができる。
(Second Embodiment)
The second embodiment is a biosensor cartridge using the optical waveguide biochemical sensor chip according to the first embodiment. Hereinafter, the case where the biosensor cartridge includes the sensor chip 122 will be described. The embodiment is not limited to this, and any of the sensor chips according to the first embodiment and any modified sensor chip can be used.

図10(a)〜図10(c)は、第2の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。
図10(a)に表したように、本実施形態に係るバイオセンサカートリッジ210は、第1の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ(例えばセンサチップ122)と、対向電極40と、ハウジング50と、を備える。
FIG. 10A to FIG. 10C are schematic cross-sectional views illustrating the configuration and operation of the biosensor cartridge according to the second embodiment.
As shown in FIG. 10A, the biosensor cartridge 210 according to this embodiment includes an optical waveguide biochemical sensor chip (for example, sensor chip 122), a counter electrode 40, and a housing according to the first embodiment. 50.

対向電極40は、センシング部20と離間する。対向電極40は、例えば、センシング部20の光導波部10とは反対の側に配置される。すなわち、センシング部20は、対向電極40と光導波部10との間に配置される。対向電極40は、センシング部20に対向する。   The counter electrode 40 is separated from the sensing unit 20. The counter electrode 40 is disposed, for example, on the opposite side of the sensing unit 20 from the optical waveguide unit 10. That is, the sensing unit 20 is disposed between the counter electrode 40 and the optical waveguide unit 10. The counter electrode 40 faces the sensing unit 20.

ハウジング50は、センサチップ122及び対向電極40を保持する。
例えば、ハウジング50は、対向部54と、側部53と、を含む。対向部54は、センシング部20の上方に設けられる。対向部54の下面(センシング部20に対向する面)に対向電極40が配置される。側部53は、光導波部10のうちの、センシング部20の周囲の部分の上に設けられる。本具体例では、側部53には、貫通電極55が設けられている。貫通電極55は、側部53を貫通し、透明導電層12に電気的に接続されている。なお、光導波層11が導電性の場合は、貫通電極55は、光導波層11に電気的に接続されても良い。
The housing 50 holds the sensor chip 122 and the counter electrode 40.
For example, the housing 50 includes a facing portion 54 and a side portion 53. The facing unit 54 is provided above the sensing unit 20. The counter electrode 40 is disposed on the lower surface of the facing portion 54 (the surface facing the sensing portion 20). The side portion 53 is provided on a portion of the optical waveguide portion 10 around the sensing portion 20. In this specific example, the side portion 53 is provided with a through electrode 55. The through electrode 55 penetrates the side portion 53 and is electrically connected to the transparent conductive layer 12. When the optical waveguide layer 11 is conductive, the through electrode 55 may be electrically connected to the optical waveguide layer 11.

対向電極40及び貫通電極55には、例えば、金、白金及びカーボンの少なくともいずれかが用いられる。これにより、これらの電極の化学的安定性が向上する。ハウジング50には、例えば黒色の樹脂成形体が用いられる。黒色の樹脂を用いることで、測定の際の外乱光の影響を抑制できる。   For the counter electrode 40 and the through electrode 55, for example, at least one of gold, platinum, and carbon is used. This improves the chemical stability of these electrodes. For example, a black resin molded body is used for the housing 50. By using a black resin, it is possible to suppress the influence of ambient light during measurement.

図10(a)は、検体spの検出時の1つの状態を例示している。図10(b)は、検体spの検出時の別の状態を例示している図10(c)は、検体spの検出が終了し、センシング材料層21が検出前の状態に戻った初期化状態を例示している。   FIG. 10A illustrates one state when the specimen sp is detected. FIG. 10B illustrates another state at the time of detection of the specimen sp. FIG. 10C is an initialization in which the detection of the specimen sp is completed and the sensing material layer 21 returns to the state before the detection. The state is illustrated.

図10(a)に表したように、センシング部20と対向電極40との間の空間50sには、検体spを含む検体液splが流入可能である。   As illustrated in FIG. 10A, the sample liquid spl including the sample sp can flow into the space 50 s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40.

例えば、ハウジング50は、検体液splを空間50sに流入させる流入口51と、検体液splを空間50sから流出させる流出口52と、を含む。流入口51から流入した検体液spl中の検体sp(例えばグルコース)が、センシング材料層21に導入される。これにより、第1式の反応が生じる。   For example, the housing 50 includes an inflow port 51 through which the sample liquid spl flows into the space 50s and an outflow port 52 through which the sample liquid spl flows out of the space 50s. The specimen sp (for example, glucose) in the specimen liquid spl that has flowed from the inflow port 51 is introduced into the sensing material layer 21. Thereby, the reaction of the first formula occurs.

図10(b)に例示した状態においては、図10(a)に例示した状態よりも検体液spl中の検体spの濃度が高い。このため、第1式の反応がより多く生じる。   In the state illustrated in FIG. 10B, the concentration of the sample sp in the sample liquid spl is higher than that in the state illustrated in FIG. For this reason, more reactions of the first formula occur.

このため、図10(b)に例示した状態におけるセンシング材料層21の光の吸収率は、図10(a)に例示した状態のときのセンシング材料層21の光の吸収率よりも高い。この光の吸収率の差異が、出射光17の強度を測定することで検出される。これにより、検体spを高い精度で検出できる。   For this reason, the light absorption rate of the sensing material layer 21 in the state illustrated in FIG. 10B is higher than the light absorption rate of the sensing material layer 21 in the state illustrated in FIG. This difference in light absorption is detected by measuring the intensity of the outgoing light 17. Thereby, the specimen sp can be detected with high accuracy.

図10(c)に表したように、検体spの検出が終了したら、検体液splを流出口52から排出し、洗浄する。そして、センシング部20と対向電極40との間の空間50sに、例えばKCl溶液を流入させる。すなわち、センシング部20と対向電極40との間の空間50sには、電圧による酸化及び還元の他方の反応(例えば第2式の反応)に用いられる反応液57(例えばKCl溶液)が流入可能である。   As shown in FIG. 10C, when the detection of the specimen sp is completed, the specimen liquid spl is discharged from the outlet 52 and washed. Then, for example, a KCl solution is caused to flow into the space 50 s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40. That is, the reaction solution 57 (for example, KCl solution) used for the other reaction (for example, the reaction of the second formula) of oxidation and reduction by voltage can flow into the space 50s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40. is there.

そして、対向電極40と透明導電層12とに、貫通電極55を介して、電源58が接続される。光導波層11が導電性の場合は、対向電極40と光導波層11とに、貫通電極55を介して、電源58が接続される。   A power source 58 is connected to the counter electrode 40 and the transparent conductive layer 12 through the through electrode 55. When the optical waveguide layer 11 is conductive, a power source 58 is connected to the counter electrode 40 and the optical waveguide layer 11 through the through electrode 55.

センシング材料層21を例えばK(カリウム)イオンを含む反応液57(例えばKCl溶液)に接触させた状態でセンシング材料層21に電圧を印加する。これにより、第2式の反応が生じる。これにより、センシング材料層21は、初期状態に戻る。   A voltage is applied to the sensing material layer 21 in a state where the sensing material layer 21 is in contact with, for example, a reaction solution 57 (for example, KCl solution) containing K (potassium) ions. Thereby, the reaction of the second formula occurs. Thereby, the sensing material layer 21 returns to the initial state.

そして、反応液57を例えば、流出口52から排出する。そして、センシング部20と対向電極40との間の空間50sに、再び検体液splを流入させる。そして、検体spの検出を再び実施する。   And the reaction liquid 57 is discharged | emitted from the outflow port 52, for example. Then, the sample liquid spl is caused to flow again into the space 50 s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40. Then, the detection of the specimen sp is performed again.

このように、実施形態に係るバイオセンサカートリッジ210においては、繰り返して高感度な測定が可能である。   As described above, the biosensor cartridge 210 according to the embodiment can repeatedly measure with high sensitivity.

このように、センシング部20と対向電極40との間の空間50sには、検体spを含む検体液splが流入可能である。さらにこの空間50sには、電圧による酸化及び還元の他方の反応(例えば第2式の反応)に用いられる反応液57が流入可能である。例えば、ハウジング50は、検体液splを空間50sに流入させる流入口51と、検体液splを空間50sから流出させる流出口52と、を含む。流入口51及び流出口52の一方は、空間50sに反応液57を流入させ、流入口51及び流出口52の他方は、空間50sから反応液57を流出させる。   Thus, the sample liquid spl containing the sample sp can flow into the space 50 s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40. Furthermore, the reaction solution 57 used for the other reaction of oxidation and reduction by voltage (for example, the reaction of the second formula) can flow into the space 50s. For example, the housing 50 includes an inflow port 51 through which the sample liquid spl flows into the space 50s and an outflow port 52 through which the sample liquid spl flows out of the space 50s. One of the inflow port 51 and the outflow port 52 allows the reaction solution 57 to flow into the space 50s, and the other of the inflow port 51 and the outflow port 52 causes the reaction solution 57 to flow out of the space 50s.

(第3の実施の形態)
第3の実施の形態は、第3の実施形態に係るバイオセンサカートリッジを用いたバイオセンサシステムである。以下では、バイオセンサシステムがバイオセンサカートリッジ210を備える場合として説明する。
(Third embodiment)
The third embodiment is a biosensor system using the biosensor cartridge according to the third embodiment. Hereinafter, the case where the biosensor system includes the biosensor cartridge 210 will be described.

図11は、第3の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。
図11に表したように、本実施形態に係るバイオセンサシステム310は、第2の実施形態に係るバイオセンサカートリッジ210と、光源61と、光検出器62と、検体液供給部70と、反応液供給部80と、電源58と、を備える。この例では、バイオセンサカートリッジ210においては、センサチップ122が用いられている。実施形態はこれに限らず、第1の実施形態に係る任意のセンサチップ及びその変形のいずれかを用いることができる。
FIG. 11 is a schematic view illustrating the configuration of the biosensor system according to the third embodiment.
As shown in FIG. 11, the biosensor system 310 according to the present embodiment includes the biosensor cartridge 210 according to the second embodiment, the light source 61, the photodetector 62, the sample liquid supply unit 70, and the reaction. A liquid supply unit 80 and a power source 58 are provided. In this example, the sensor chip 122 is used in the biosensor cartridge 210. The embodiment is not limited to this, and any sensor chip according to the first embodiment and any of its modifications can be used.

光源61は、光導波層11に導波される光14(光15)を発生する。光源61には、例えば、レーザダイオードなどが用いられる。   The light source 61 generates light 14 (light 15) guided to the optical waveguide layer 11. As the light source 61, for example, a laser diode or the like is used.

光検出器62は、光導波層11に導波された光15(出射光17)を検出する。光検出器62には、フォトダイオードなどが用いられる。   The photodetector 62 detects the light 15 (emitted light 17) guided to the optical waveguide layer 11. A photodiode or the like is used for the photodetector 62.

検体液供給部70は、バイオセンサカートリッジ210に接続される。検体液供給部70は、検体液splを、センシング部20と対向電極40との間の空間50sに供給する。検体液供給部70は、例えば、検体液タンク71と検体液配管72とを含む。検体液タンク71は、検体液splを格納する。検体液配管72は、検体液タンク71と流入口51とを接続する。検体液splは、流入口51から空間50sに流入可能である。   The sample liquid supply unit 70 is connected to the biosensor cartridge 210. The sample liquid supply unit 70 supplies the sample liquid spl to the space 50 s between the sensing unit 20 and the counter electrode 40. The sample liquid supply unit 70 includes, for example, a sample liquid tank 71 and a sample liquid pipe 72. The sample liquid tank 71 stores the sample liquid spl. The sample liquid pipe 72 connects the sample liquid tank 71 and the inflow port 51. The sample liquid spl can flow into the space 50s from the inlet 51.

反応液供給部80は、バイオセンサカートリッジ210に接続される。反応液供給部80は、電圧による酸化及び還元の他方の反応(例えば第2式の反応)の際に使用される反応液57(例えばKCl溶液)を空間50sに供給する。反応液供給部80は、例えば、反応液タンク81と反応液配管82とを含む。反応液タンク81は、反応液57を格納する。反応液配管82は、反応液タンク81と例えば流入口51とを接続する。反応液57は、流入口51から空間50sに流入可能である。反応液配管82は、反応液タンク81と、流入口51とは別の入り口と、を接続しても良い。   The reaction solution supply unit 80 is connected to the biosensor cartridge 210. The reaction liquid supply unit 80 supplies the reaction liquid 57 (for example, KCl solution) used in the other reaction (for example, the reaction of the second formula) of oxidation and reduction by voltage to the space 50s. The reaction liquid supply unit 80 includes, for example, a reaction liquid tank 81 and a reaction liquid pipe 82. The reaction liquid tank 81 stores the reaction liquid 57. The reaction liquid pipe 82 connects the reaction liquid tank 81 and, for example, the inlet 51. The reaction liquid 57 can flow into the space 50 s from the inflow port 51. The reaction liquid pipe 82 may connect the reaction liquid tank 81 and an inlet different from the inlet 51.

電源58は、光導波部10と対向電極40とに電気的に接続される。本具体例では、電源58は、貫通電極55を介して、光導波部10と電気的に接続される。具体的には、電源58は、透明導電層12と電気的に接続されている。光導波層11が導電性である場合は、電源58は、光導波層11と電気的に接続されても良い。   The power source 58 is electrically connected to the optical waveguide unit 10 and the counter electrode 40. In this specific example, the power source 58 is electrically connected to the optical waveguide unit 10 through the through electrode 55. Specifically, the power source 58 is electrically connected to the transparent conductive layer 12. When the optical waveguide layer 11 is conductive, the power source 58 may be electrically connected to the optical waveguide layer 11.

図11に表したように、バイオセンサシステム310は、溶液排出部90と、制御部95と、をさらに備えることができる。   As illustrated in FIG. 11, the biosensor system 310 may further include a solution discharge unit 90 and a control unit 95.

溶液排出部90は、バイオセンサカートリッジ210に接続される。溶液排出部90は、検体液spl及び反応液57の少なくともいずれかを、空間50sから排出する。溶液排出部90は、例えば、溶液タンク91と排出配管92とを含む。溶液タンク91は、排出された検体液spl及び反応液57少なくともいずれかを格納する。排出配管92は、溶液タンク91と例えば流出口52とを接続する。検体液spl及び反応液57の少なくともいずれかは、流出口52から流出可能である。   The solution discharge unit 90 is connected to the biosensor cartridge 210. The solution discharger 90 discharges at least one of the sample liquid spl and the reaction liquid 57 from the space 50s. The solution discharge unit 90 includes, for example, a solution tank 91 and a discharge pipe 92. The solution tank 91 stores at least one of the discharged sample liquid spl and reaction liquid 57. The discharge pipe 92 connects the solution tank 91 and, for example, the outlet 52. At least one of the sample liquid spl and the reaction liquid 57 can flow out from the outflow port 52.

制御部95は、検体液供給部70及び反応液供給部80の少なくともいずれかの動作を制御する。具体的には、制御部95は、検体液供給部70の空間50sへの検体液splの供給と、反応液供給部80の空間50sへの反応液57の供給と、を制御する。すなわち、図10(a)〜図10(c)に関して説明した動作を実施する。   The control unit 95 controls at least one of the specimen liquid supply unit 70 and the reaction liquid supply unit 80. Specifically, the control unit 95 controls the supply of the sample liquid spl to the space 50 s of the sample liquid supply unit 70 and the supply of the reaction liquid 57 to the space 50 s of the reaction liquid supply unit 80. That is, the operation described with reference to FIGS. 10A to 10C is performed.

なお、制御部95は、有線または無線の方式により、検体液供給部70及び反応液供給部80と通信が可能である。   The control unit 95 can communicate with the sample liquid supply unit 70 and the reaction liquid supply unit 80 by a wired or wireless system.

制御部95は、バイオセンサシステム310に含められても良い。実施形態はこれに限らず、制御部95は、バイオセンサシステム310とは別に設けられ、制御部95とバイオセンサシステム310との通信が任意の方法で実施されても良い。   The control unit 95 may be included in the biosensor system 310. The embodiment is not limited thereto, and the control unit 95 may be provided separately from the biosensor system 310, and communication between the control unit 95 and the biosensor system 310 may be performed by an arbitrary method.

制御部95は、光検出器62と、電源58と、をさらに制御しても良い。   The control unit 95 may further control the photodetector 62 and the power source 58.

以下、制御部95の動作の例について説明する。
図12は、第3の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。
図12に表したように、制御部95は、検体液供給部70に空間50sへの検体液splの供給を実施させる(ステップS110)。これにより、例えば、第1式の反応が生じる。
Hereinafter, an example of the operation of the control unit 95 will be described.
FIG. 12 is a flowchart illustrating the operation of the biosensor system according to the third embodiment.
As illustrated in FIG. 12, the control unit 95 causes the sample liquid supply unit 70 to supply the sample liquid spl to the space 50s (step S110). Thereby, for example, the reaction of the first formula occurs.

さらに、制御部95は、光検出器62に、供給された検体液splによるセンシング材料層21の光(浸透光16)に対する吸収特性を検出させる(ステップS120)。第1式の反応に応じた吸収特性が検出される。なお、光検出器62は、センシング材料層21の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。
さらに、制御部95は、光検出器62による吸収特性の検出結果を入手することができる。
Further, the control unit 95 causes the photodetector 62 to detect the absorption characteristic of the sensing material layer 21 with respect to the light (penetrated light 16) by the supplied specimen liquid spl (step S120). Absorption characteristics corresponding to the reaction of the first equation are detected. Note that the photodetector 62 may always detect the light absorption characteristics of the sensing material layer 21.
Further, the control unit 95 can obtain the detection result of the absorption characteristic by the photodetector 62.

制御部95は、吸収特性の検出(ステップS120)の後に、反応液供給部80に空間50sへの反応液57の供給を実施させる(ステップS130)。   After detecting the absorption characteristic (step S120), the control unit 95 causes the reaction solution supply unit 80 to supply the reaction solution 57 to the space 50s (step S130).

制御部95は、ステップS120とステップS130との間において、検体液splを空間50sから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部90によって実施される。制御部95は、この際の溶液排出部90の動作をさらに制御することができる。   The controller 95 may discharge the sample liquid spl from the space 50s between step S120 and step S130. This operation is performed by, for example, the solution discharge unit 90. The control unit 95 can further control the operation of the solution discharge unit 90 at this time.

制御部95は、空間50sに反応液57が導入されている状態で対向電極40を介してセンシング部20に電圧を印加する(ステップS140)。すなわち、例えば、制御部95は、電源58をオン状態にし、例えば透明導電層12と対向電極40との間に電圧を印加する。これにより、例えば、第2式の反応が生じる。これにより、センシング材料層21は、もとの状態に戻る。   The controller 95 applies a voltage to the sensing unit 20 via the counter electrode 40 in a state where the reaction liquid 57 is introduced into the space 50s (step S140). That is, for example, the control unit 95 turns on the power supply 58 and applies a voltage between, for example, the transparent conductive layer 12 and the counter electrode 40. Thereby, for example, the reaction of the second formula occurs. Thereby, the sensing material layer 21 returns to the original state.

さらに、制御部95は、電圧の印加(ステップS140)の後に、検体液供給部70に空間50sへの検体液splの供給をさらに実施させる(2回目のステップS110)。   Further, after the voltage application (step S140), the control unit 95 causes the sample liquid supply unit 70 to further supply the sample liquid spl to the space 50s (second step S110).

そして、制御部95は、光検出器62に、供給された検体液splによるセンシング材料層21の光に対する吸収特性をさらに検出させる(2回目のステップS120)。   Then, the control unit 95 causes the photodetector 62 to further detect the light absorption characteristic of the sensing material layer 21 by the supplied specimen liquid spl (second time step S120).

このように、実施形態に係るバイオセンサシステム310によれば、繰り返して高感度な測定が可能なバイオセンサシステムが提供できる。   Thus, according to the biosensor system 310 according to the embodiment, a biosensor system capable of repeated highly sensitive measurements can be provided.

なお、ステップS110〜ステップS140は、技術的に可能な範囲で同時に実施されても良い。例えば、光検出器62は、センシング材料層21の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。   Note that steps S110 to S140 may be performed at the same time as technically possible. For example, the photodetector 62 may always detect the light absorption characteristics of the sensing material layer 21.

上記において、ステップS140と2回目のステップS110との間において、反応液57を空間50sから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部90によって実施される。制御部95は、この際の溶液排出部90の動作をさらに制御することができる。   In the above, the reaction liquid 57 may be discharged from the space 50s between step S140 and the second step S110. This operation is performed by, for example, the solution discharge unit 90. The control unit 95 can further control the operation of the solution discharge unit 90 at this time.

本実施形態において、光源61で発生し光導波層11に導波される光15(光14)の波長は、センシング材料層21の吸収波長帯に含まれる。例えば、光源61で発生し光導波層11に導波される光15(光14)の波長は、625nm以上650nm以下であり、センシング材料層21の吸収波長帯は625nm以上650nm以下である。これにより、高い感度の検出が可能になる。   In the present embodiment, the wavelength of the light 15 (light 14) generated by the light source 61 and guided to the optical waveguide layer 11 is included in the absorption wavelength band of the sensing material layer 21. For example, the wavelength of the light 15 (light 14) generated by the light source 61 and guided to the optical waveguide layer 11 is 625 nm or more and 650 nm or less, and the absorption wavelength band of the sensing material layer 21 is 625 nm or more and 650 nm or less. Thereby, detection with high sensitivity becomes possible.

実施形態によれば、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムが提供される。   According to the embodiments, an optical waveguide biochemical sensor chip, a biosensor cartridge, and a biosensor system capable of repeatedly measuring with high sensitivity are provided.

なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。   In the present specification, “vertical” and “parallel” include not only strictly vertical and strictly parallel, but also include, for example, variations in the manufacturing process, and may be substantially vertical and substantially parallel. It ’s fine.

以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光導波型バイオケミカルセンサチップに含まれる光導波部、光導波層、透明導電層、センシング部、センシング材料層、センシング材料、酵素層、酵素、バインダ、基板部、基板及び偏向部など、バイオセンサカートリッジに含まれる対向電極、ハウジング及び貫通電極、並びに、バイオセンサシステムに含まれる光源、光検出器、検体液供給部、反応液供給部、電源、溶液排出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか2つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
The embodiments of the present invention have been described above with reference to specific examples. However, embodiments of the present invention are not limited to these specific examples. For example, an optical waveguide part, an optical waveguide layer, a transparent conductive layer, a sensing part, a sensing material layer, a sensing material, an enzyme layer, an enzyme, a binder, a substrate part, a substrate, a deflection part, etc. included in the optical waveguide biochemical sensor chip, Each element such as a counter electrode, a housing and a through electrode included in the biosensor cartridge, and a light source, a photodetector, a sample liquid supply unit, a reaction liquid supply unit, a power source, a solution discharge unit, and a control unit included in the biosensor system With respect to the specific configuration, as long as a person skilled in the art can carry out the present invention in a similar manner and appropriately obtain the same effect by appropriately selecting from the well-known ranges, it is included in the scope of the present invention.
Moreover, what combined any two or more elements of each specific example in the technically possible range is also included in the scope of the present invention as long as the gist of the present invention is included.

その他、本発明の実施の形態として上述した光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。   In addition, based on the optical waveguide biochemical sensor chip, biosensor cartridge, and biosensor system described above as embodiments of the present invention, all optical waveguide biochemical sensors that can be implemented by a person skilled in the art with appropriate design changes A chip, a biosensor cartridge and a biosensor system are also within the scope of the present invention as long as they include the gist of the present invention.

その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。   In addition, in the category of the idea of the present invention, those skilled in the art can conceive of various changes and modifications, and it is understood that these changes and modifications also belong to the scope of the present invention. .

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。   Although several embodiments of the present invention have been described, these embodiments are presented by way of example and are not intended to limit the scope of the invention. These novel embodiments can be implemented in various other forms, and various omissions, replacements, and changes can be made without departing from the scope of the invention. These embodiments and modifications thereof are included in the scope and gist of the invention, and are included in the invention described in the claims and the equivalents thereof.

10…光導波部、 10a…第1主面、 10b…第2主面、 11…光導波層、 12…透明導電層、 14、15…光、 16…浸透光、 17…出射光、 20…センシング部、 20r…マスク膜、 21…センシング材料層、 21f…センシング材料膜、 22…酵素層、 30…基板部、 31…第1偏向部、 32…第2偏向部、 33…基板、 40…対向電極、 50…ハウジング、 51…流入口、 52…流出口、 53…側部、 54…対向部、 55…貫通電極、 57…反応液、 58…電源、 61…光源、 62…光検出器、 70…検体液供給部、 71…検体液タンク、 72…検体液配管、 80…反応液供給部、 81…反応液タンク、 82…反応液配管、 90…溶液排出部、 91…溶液タンク、 92…排出配管、 95…制御部、 110、121〜125…光導波型バイオケミカルセンサチップ(センサチップ)、 210…バイオセンサカートリッジ、 310…バイオセンサシステム、 dp…浸透距離、 sp…検体、 spl…検体液   DESCRIPTION OF SYMBOLS 10 ... Optical waveguide part, 10a ... 1st main surface, 10b ... 2nd main surface, 11 ... Optical waveguide layer, 12 ... Transparent conductive layer, 14, 15 ... Light, 16 ... Penetrating light, 17 ... Outgoing light, 20 ... Sensing part, 20r ... mask film, 21 ... sensing material layer, 21f ... sensing material film, 22 ... enzyme layer, 30 ... substrate part, 31 ... first deflection part, 32 ... second deflection part, 33 ... substrate, 40 ... Counter electrode, 50 ... Housing, 51 ... Inlet, 52 ... Outlet, 53 ... Side, 54 ... Opposite part, 55 ... Through electrode, 57 ... Reaction liquid, 58 ... Power source, 61 ... Light source, 62 ... Photodetector 70 ... Sample liquid supply section, 71 ... Sample liquid tank, 72 ... Sample liquid pipe, 80 ... Reaction liquid supply section, 81 ... Reaction liquid tank, 82 ... Reaction liquid pipe, 90 ... Solution discharge section, 91 ... Solution tank, 92 ... Exhaust piping 95 ... control unit, 110,121~125 ... optical waveguide type biochemical sensor chip (sensor chip), 210 ... biosensor cartridge, 310 ... biosensor system, dp ... penetration distance, sp ... specimen, spl ... specimen liquid

Claims (24)

光を導く光導波層を含む光導波部と、
前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含むセンシング部と、
を備え、
前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第1変化が生じ、
前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第1変化とは逆の第2変化が生じることを特徴とする光導波型バイオケミカルセンサチップ。
An optical waveguide including an optical waveguide layer for guiding light;
A sensing part in contact with the main surface of the optical waveguide part and including a sensing material layer;
With
By one reaction of oxidation and reduction according to the analyte introduced into the sensing material layer, a first change occurs in the absorption characteristics of the sensing material layer with respect to penetrating light penetrating from the main surface into the sensing material layer,
An optical waveguide biochemical sensor chip characterized in that a second change opposite to the first change occurs in the absorption characteristics due to the other reaction of oxidation and reduction by a voltage applied to the sensing material layer.
前記第1変化において前記センシング材料層の吸収特性が上昇した場合には、前記第2変化として前記センシング材料層の吸収特性が低下し、
前記第1変化において前記センシング材料層の吸収特性が低下した場合には、前記第2変化として前記センシング材料層の吸収特性が上昇することを特徴とする請求項1記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
When the absorption characteristic of the sensing material layer increases in the first change, the absorption characteristic of the sensing material layer decreases as the second change,
2. The optical waveguide biochemical sensor according to claim 1, wherein when the absorption characteristic of the sensing material layer decreases in the first change, the absorption characteristic of the sensing material layer increases as the second change. Chip.
前記検体に応じた酸化及び還元の前記一方の前記反応は、
前記センシング部に含まれる酵素と、前記検体と、の反応による生成物と、前記センシング部に含まれるセンシング材料と、の反応を含むことを特徴とする請求項1または2に記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
Said one reaction of oxidation and reduction according to said analyte is:
3. The optical waveguide type according to claim 1, comprising a reaction of a product of a reaction between an enzyme included in the sensing unit and the specimen, and a sensing material included in the sensing unit. Biochemical sensor chip.
前記光導波層は導電性であり、
前記電圧は、前記光導波層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
The optical waveguide layer is electrically conductive;
The optical waveguide biochemical sensor chip according to any one of claims 1 to 3, wherein the voltage is applied to the sensing material layer by the optical waveguide layer.
前記光導波部は、前記光導波層と前記センシング部との間に設けられ前記浸透光に対して透過性の透明導電層を含み、
前記電圧は、前記透明導電層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
The optical waveguide unit includes a transparent conductive layer that is provided between the optical waveguide layer and the sensing unit and is transmissive to the penetrating light.
The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 1, wherein the voltage is applied to the sensing material layer by the transparent conductive layer.
前記透明導電層の厚さは、150ナノメートル以上であることを特徴とする請求項5記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   6. The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 5, wherein the transparent conductive layer has a thickness of 150 nanometers or more. 前記浸透光は、前記光導波層中を導かれる前記光の前記主面におけるエバネッセント光であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 1, wherein the penetrating light is evanescent light on the main surface of the light guided through the optical waveguide layer. 前記センシング材料層の厚さは、前記主面から前記センシング部に浸透する前記エバネッセント光のエバネッセント距離以下であることを特徴とする請求項7記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   8. The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 7, wherein a thickness of the sensing material layer is equal to or less than an evanescent distance of the evanescent light penetrating from the main surface into the sensing unit. 前記センシング材料層は、前記検体と反応する酵素を含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to any one of claims 1 to 8, wherein the sensing material layer includes an enzyme that reacts with the analyte. 前記センシング部は、
前記センシング材料層に積層され、前記検体と反応する酵素を含む酵素層をさらに含むことを特徴とする請求項1〜8のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
The sensing unit is
The optical waveguide biochemical sensor chip according to any one of claims 1 to 8, further comprising an enzyme layer that is laminated on the sensing material layer and includes an enzyme that reacts with the analyte.
前記センシング材料層は、前記酵素層と前記光導波部との間に配置されることを特徴とする請求項10記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 10, wherein the sensing material layer is disposed between the enzyme layer and the optical waveguide unit. 基板部をさらに備え、
前記光導波部は前記基板部と前記センシング部との間に配置され、
前記基板部は、
基板と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記基板に向けて入射する光の進行方向を変化させて前記光導波層に入射させる第1偏向部と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記光導波層を導波した光を前記光導波層から出射させる第2偏向部と、
を含むことを特徴とする請求項1〜11のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
It further comprises a substrate part,
The optical waveguide unit is disposed between the substrate unit and the sensing unit,
The substrate portion is
A substrate,
A first deflecting unit provided on the substrate, facing the optical waveguide layer, and changing the traveling direction of light incident on the substrate to be incident on the optical waveguide layer;
A second deflecting unit provided on the substrate, facing the optical waveguide layer, and emitting light guided through the optical waveguide layer from the optical waveguide layer;
The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 1, comprising:
前記第1偏向部及び前記第2偏向部は、回折格子を含むことを特徴とする請求項12記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 12, wherein the first deflection unit and the second deflection unit include a diffraction grating. 前記センシング材料層は、プルシアンブルーを含むことを特徴とする請求項1〜13のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 1, wherein the sensing material layer includes Prussian blue. 前記センシング材料層は、センシング材料と前記センシング材料が分散されるバインダを含むことを特徴とする請求項1〜14のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。   The optical waveguide biochemical sensor chip according to claim 1, wherein the sensing material layer includes a sensing material and a binder in which the sensing material is dispersed. 請求項1〜15のいずれか1つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップと、
前記センシング部と離間する対向電極と、
前記光導波型バイオケミカルセンサチップ及び前記対向電極を保持するハウジングと、
を備え、
前記センシング部と前記対向電極との間の空間に前記検体を含む検体液が流入可能であり、
前記空間には、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応に用いられる反応液が流入可能であることを特徴とするバイオセンサカートリッジ。
The optical waveguide biochemical sensor chip according to any one of claims 1 to 15,
A counter electrode spaced apart from the sensing unit;
A housing for holding the optical waveguide biochemical sensor chip and the counter electrode;
With
The sample liquid containing the sample can flow into the space between the sensing unit and the counter electrode,
The biosensor cartridge according to claim 1, wherein a reaction solution used for the other reaction of oxidation and reduction by the voltage can flow into the space.
前記ハウジングは、前記検体液を前記空間に流入させる流入口と、前記検体液を前記空間から流出させる流出口と、を含むことを特徴とする請求項16記載のバイオセンサカートリッジ。   The biosensor cartridge according to claim 16, wherein the housing includes an inflow port through which the sample liquid flows into the space and an outflow port through which the sample liquid flows out of the space. 前記流入口及び前記流出口の一方は、前記空間に前記反応液を流入させ、
前記流入口及び前記流出口の他方は、前記空間から前記反応液を流出させることを特徴とする請求項17記載のバイオセンサカートリッジ。
One of the inflow port and the outflow port allows the reaction solution to flow into the space,
The biosensor cartridge according to claim 17, wherein the other of the inflow port and the outflow port allows the reaction solution to flow out of the space.
請求項16〜18のいずれか1つに記載のバイオセンサカートリッジと、
前記光導波層に導波される前記光を発生する光源と、
前記光導波層に導波された前記光を検出する光検出器と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記検体液を前記空間に供給する検体液供給部と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応の際に使用される反応液を前記空間に供給する反応液供給部と、
前記光導波部と前記対向電極とに電気的に接続される電源と、
を備えたことを特徴とするバイオセンサシステム。
The biosensor cartridge according to any one of claims 16 to 18,
A light source for generating the light guided to the optical waveguide layer;
A photodetector for detecting the light guided to the optical waveguide layer;
A sample liquid supply unit connected to the biosensor cartridge and supplying the sample liquid to the space;
A reaction liquid supply unit connected to the biosensor cartridge and supplying a reaction liquid used in the other reaction of the oxidation and reduction by the voltage to the space;
A power source electrically connected to the optical waveguide section and the counter electrode;
A biosensor system comprising:
前記検体液供給部の前記空間への前記検体液の供給と、前記反応液供給部の前記空間への前記反応液の供給と、を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項19記載のバイオセンサシステム。   The control unit for controlling the supply of the sample liquid to the space of the sample liquid supply unit and the supply of the reaction liquid to the space of the reaction liquid supply unit. 19. The biosensor system according to 19. 前記制御部は、
前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給を実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性を検出させ、
前記吸収特性の検出の後に、前記反応液供給部に前記空間への前記反応液の供給を実施させ、
前記空間に前記反応液が導入されている状態で前記対向電極を介して前記センシング部に前記電圧を印加することを特徴とする請求項20記載のバイオセンサシステム。
The controller is
Causing the sample liquid supply unit to perform the supply of the sample liquid to the space;
Causing the photodetector to detect the absorption characteristic of the sensing material layer with respect to the light by the supplied specimen liquid;
After the detection of the absorption characteristics, the reaction solution supply unit is configured to supply the reaction solution to the space,
21. The biosensor system according to claim 20, wherein the voltage is applied to the sensing unit via the counter electrode in a state where the reaction solution is introduced into the space.
前記制御部は、
前記電圧の前記印加の後に、前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給をさらに実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性をさらに検出させることを特徴とする請求項21記載のバイオセンサシステム。
The controller is
After the application of the voltage, the sample liquid supply unit further performs the supply of the sample liquid to the space,
The biosensor system according to claim 21, wherein the photodetector further detects the absorption characteristic of the sensing material layer with respect to the light by the supplied specimen liquid.
前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は、前記センシング材料層の吸収波長帯に含まれることを特徴とする請求項19〜22のいずれか1つに記載のバイオセンサシステム。   23. The wavelength of the light generated by the light source and guided to the optical waveguide layer is included in an absorption wavelength band of the sensing material layer. Biosensor system. 前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は625ナノメートル以上650ナノメートル以下であり、前記センシング材料層の吸収波長帯は625ナノメートル以上650ナノメートル以下であることを特徴とする請求項19〜23のいずれか1つに記載のバイオセンサシステム。   The wavelength of the light generated by the light source and guided to the optical waveguide layer is from 625 nanometers to 650 nanometers, and the absorption wavelength band of the sensing material layer is from 625 nanometers to 650 nanometers. 24. The biosensor system according to any one of claims 19 to 23, wherein:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN106053402A (en) * 2015-04-09 2016-10-26 采钰科技股份有限公司 Detection device for specimens

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