JP2012520087A - 蛍光センサ、針型蛍光センサ、およびアナライトの計測方法 - Google Patents
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Abstract
Description
以下、図面を用いて、本発明の第1の実施の形態の蛍光センサ10について説明する。
ここで、遮光層18はLED素子15由来以外の光、すなわち蛍光センサ10に入射し蛍光信号を乱す可能性を有する不要光を遮光するために、インジケータ層17だけでなく蛍光センサ10全体を覆うことが望ましい。遮光層18は、アナライト2が、その内部を通過してインジケータ層17に到達するのを妨げない材料を用いて構成されている。水溶液中のアナライト分析に用いられる蛍光センサ10の場合は、遮光層18の材料としては、たとえば微多孔質の金属もしくはセラミックス、またはインジケータ層17に用いるハイドロゲルにカーボンブラックもしくはカーボンナノチューブなど光を通さない微粒子を混合した複合材料が好適である。なお、図示しないが、蛍光センサ10のLED素子15、フィルタ14、およびPD素子12の周囲側面も、遮光層18と同じ材料またはカーボンブラックを配合した遮光機能を有する樹脂でコーティングしたり、遮光機能を有する金属膜を蒸着したりすることが好ましい。
次に、本実施の形態の蛍光センサ10の製造方法について簡単に説明する。
最初に、シリコン基板11となるシリコンウエハ11Wの第1の主面11Aに多数のPD素子12が形成される(図8A)。そしてPD素子12の表面に第1の保護膜となる数十〜数百nmの厚さを有する酸化シリコン膜13が形成される。そして酸化シリコン膜13の表面に、多結晶シリコンまたはアモルファスシリコンなどよりなるフィルタ14が形成される(図8B)。ここまでの工程は半導体製造の前工程と同様の工程であり、多数のPD素子12等がシリコンウエハ11Wに一括形成され、その後、個々の素子に個片化される。
次に、図5および図6を参照しながら、本実施の形態の蛍光センサ10の動作を説明する。蛍光センサ10は少なくとも遮光層18の外面が生体内に留置されると、体液中または血液中のアナライト2が遮光層18の内部を通過してインジケータ層17に進入する。
なお、信号検出回路は、イメージセンサなどで公知の、FDA(Floating Diffusion Amplifier)を用いた方法を用いることにより、さらに高精度な信号検出が可能となる。
また、光電変換素子としてPD素子12を有する蛍光センサ10では、PD素子12を温度センサとして使用することも可能である。すなわち光電変換動作を行っていないときにPD素子12を温度センサとして使用することもできる。
以上の説明のように、本実施の形態の蛍光センサ10では、LED素子15からインジケータ層17に放射された励起光は、インジケータ層17内の蛍光色素を励起し蛍光を放射させる。この蛍光のうち、LED素子15側に放射される蛍光は、LED素子15とインジケータ層17との界面での反射およびLED素子15を通過する際に吸収される一部を除いて大部分がLED素子15内部を通過し、さらにフィルタ14を通過して、PD素子12に到達する。すなわち蛍光センサ10のPD素子12は、LED素子15を透過した蛍光を受光し、蛍光信号を得る。一方、LED素子15からPD素子12側に放射される励起光は、フィルタ14で反射または吸収され、フィルタ14で反射された光はLED素子15を通過してインジケータ層17に達し、蛍光色素を励起する。
次に、本発明の第2の実施の形態の蛍光センサ10Aについて説明する。本実施の形態の蛍光センサ10Aは第1の実施の形態の蛍光センサ10と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
第1の実施の形態の蛍光センサ10のフィルタ14は、単層シリコン膜などによるフィルタであったが、本実施の形態の蛍光センサ10Aのフィルタ14C(図5、図6参照)は、多重干渉型フィルタである。すなわち、フィルタ14Cは、単層シリコン膜などを薄膜に分割して積層することにより、吸収効果に加えて多重干渉効果を有する。
以下、図9A〜図9Bを参照しながら多重干渉効果型のフィルタ14Cについて説明する。図9Aは、単層フィルタの断面模式図であり、図9Bは本実施の形態のフィルタの断面模式図である。すなわち、図9Aは単層のシリコン層22がそれより屈折率の低い酸化シリコン層21により挟まれている単層フィルタ23の例を示しており、図9Bはシリコン層22が2分割されたシリコン層22Aおよび22Bの間に酸化シリコン層21がある多重干渉効果型のフィルタ24の例を示している。
ここで、Kは自然数、nはシリコンの屈折率である。
T=λ×(2×K−1)/(4×n)・・・(式2)
(式1)および(式2)より、以下の(式3)の関係に近い層厚値を選択すると、干渉効果により、さらに望ましいフィルタ特性、すなわち、励起光は通過しにくく、蛍光は通過しやすい特性となる。
ここでフットノートのfは蛍光を、またsは励起光を表す。K1、K2は整数である。
(式4)より、K1=2の場合、K2=4.1となり、自然数解に近い値が得られる。
(式5)より、K2=3、K1=2.02が自然数解に近く、この場合、酸化シリコン層の厚さは315nmとなる。
次に、本発明の第3の実施の形態の蛍光センサ10Bについて説明する。本実施の形態の蛍光センサ10Bは第1の実施の形態の蛍光センサ10と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
図10に示すように、本実施の形態の蛍光センサ10Bは、LED素子15とインジケータ層17との間にさらに集光部であるフレネルレンズ16Cを追加形成した蛍光センサである。フレネルレンズ16Cは、屈折率が異なる2種類のエポキシ樹脂膜16Aとエポキシ樹脂膜16Bとの界面に所定の凹凸を形成したものである。フレネルレンズ16Cは、LED素子15からの励起光を効率良くインジケータ層17に入射し、またインジケータ層17からの蛍光を効率良くPD素子12に集める効果を有する。フレネルレンズ16Cのかわりに集光部としてエポキシ樹脂膜16とは別体の構成要素であるレンズ等を用いてもよい。
次に、本発明の第4の実施の形態の蛍光センサ10Cについて説明する。本実施の形態の蛍光センサ10Cは第1の実施の形態の蛍光センサ10と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
さらに蛍光センサ10Cでは、発光素子であるLED素子15とインジケータ層17との間に、励起光よりも長波長の光を遮断する機能を有する長波長カットフィルタ14Dが配設されている。
次に、本発明の第5の実施の形態の蛍光センサ10Dについて説明する。本実施の形態の蛍光センサ10Dは第1の実施の形態の蛍光センサ10等と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、本発明の第5の実施の形態の変形例の蛍光センサ10Eについて説明する。本実施の形態の蛍光センサ10Eは第5の実施の形態の蛍光センサ10Dと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
以下、図面を用いて、本発明の第6の実施の形態の針型蛍光センサ330について説明する。図13に示すように、本実施の形態の針型蛍光センサ330は本体部340およびレシーバー345と組み合わせてセンサシステム301として使用される。すなわち、センサシステム301は針型蛍光センサ330と、針型蛍光センサ330が計測した情報を送信する本体部340と、本体部340からの信号を受信し記憶するレシーバー345とを有する。本体部340とレシーバー345との間の信号の送受信は無線または有線で行われる。
また、図15に示すように、針先端部332のセンサ部310には温度センサ327も配設されている。温度センサ327からの温度信号は金属線323を介して本体部340に伝送される。温度センサ327としては、蛍光温度計などの光学型、サーミスタ型、金属薄膜抵抗型、またはPN接合の順方向電流の温度特性を基礎におく半導体型などがあるが、温度に対する応答の直線性の観点、および後述するシリコン基板311への形成の観点から、半導体型温度センサが好ましい。すなわち、図15においては温度センサ327をシリコン基板311と別体のものとして表示しているが、半導体型の温度センサ327はPD素子312と同じシリコン基板311に形成することができる。
以上の説明のように、本実施の形態の針型蛍光センサは、第1の実施の形態の蛍光センサを有し、生体内に留置する針先端部に配設された前記蛍光センサであるセンサ部と、前記センサ部から針後端部にわたって配設された複数の金属線と、を有する針本体部と、前記針本体部と一体化しており、前記複数の金属線が延設されたコネクタと、を具備する。
なお温度センサ327からの、温度信号も、PD素子312からの蛍光信号と同様に金属線323を介して本体部340に伝送される。
針型蛍光センサ330で計測された蛍光強度のデータは、たとえば、12bit以上のデジタルデータ情報として、10分間に1回ほどのインターバルで、本体部340の無線アンテナを介してレシーバー345に伝送される。そして蛍光強度のデータは温度情報などで補正されて、アナライト濃度が算出される。
次に、図16A、図16Bを用いて、本発明の第7の実施の形態の針型蛍光センサ330Aについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Aは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
本実施の形態の針型蛍光センサ330は、樹脂基板324を有する第6の実施の形態の針型蛍光センサ330Aが有する効果に加えて、針本体部333Aは針本体部333よりもさらに強度特性に優れ、かつフレキシブルである。針型蛍光センサ330Aは針本体部333Aが剛性を有するために、体表面よりの針本体部の挿入が容易となる。このため、針型蛍光センサ330Aはアウターニードルを用いることなく、針本体部333Aのみでも挿入が可能である。
次に、図17A、図17Bを用いて、本発明の第8の実施の形態の針型蛍光センサ330Bについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Bは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、本発明の第9の実施の形態の針型蛍光センサ330Dについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Dは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する
図18に示すように、針型蛍光センサ330Dのセンサ部310Dは、針型蛍光センサ330等のセンサ部310が有している第1の光電変換素子であるPD素子312(以下「第1のPD素子」という。)に加えて、第1のPD素子312と同様の機能を有する第2のPD素子312Dと、比較インジケータ層317Dとを有する。比較インジケータ層317Dは、インジケータ層317と同様にハイドロゲルなどよりなるが、その層中には蛍光色素を含ませず、励起光入射時にはハイドロゲル等からの蛍光、つまりアナライト2が存在しない状態での蛍光を発生する。すなわち、センサ部310Dはアナライトの影響を受けない電気信号であるオフセット信号を出力する第2のPD素子312Dを有する。
次に、本発明の第10の実施の形態の針型蛍光センサ330Fについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Fは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
さらにセンサ部310Fでは、発光素子であるLED素子315とインジケータ層317との間に、励起光よりも長波長の光を遮断する機能を有する長波長カットフィルタ314Fが配設されている。
次に、本発明の第11の実施の形態の針型蛍光センサ330Gについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Gは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、本発明の第11の実施の形態の変形例の針型蛍光センサ330G2について説明する。本変形例の針型蛍光センサ330G2は第11の実施の形態の針型蛍光センサ330Gと類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
次に、本発明の第12の実施の形態の針型蛍光センサ330Hについて説明する。本実施の形態の針型蛍光センサ330Hは第6の実施の形態の針型蛍光センサ330と類似しているため同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。
本発明は、上述した実施の形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等が可能である。また、上述した実施の形態および変形例の構成を他の実施の形態等と組み合わせてもよい。
第4の実施の形態の蛍光センサ10Cは、以下の通りである。
Claims (25)
- 第1の主面と第2の主面とを有する基体と、
励起光を発生する発光素子と、
生体内のアナライトとの相互作用および前記励起光により、蛍光を発生するインジケータ層と、
前記蛍光を電気信号に変換する光電変換素子と、を具備し、
前記光電変換素子、前記発光素子、および前記インジケータ層が、前記基体の前記第1の主面の上(above)でオーバーラップ(overlap)している蛍光センサ。 - 前記基体がシリコン基板であり、
前記シリコン基板の前記第1の主面に形成された前記光電変換素子の上(above)に、前記発光素子が配設され、前記発光素子の上(above)に前記インジケータ層が配設されており、
前記インジケータ層が発生した前記蛍光が、前記発光素子を透過し、前記光電変換素子に入射する請求項1に記載の蛍光センサ。 - 前記蛍光より短波長である前記励起光を反射、吸収、または反射吸収し、前記蛍光を透過するフィルタを、前記光電変換素子と前記発光素子との間に有する請求項2に記載の蛍光センサ。
- 前記フィルタが、シリコン、炭化シリコンまたはガリウムリンのいずれかからなる単層の光吸収層である請求項3に記載の蛍光センサ。
- 前記フィルタが、シリコン層と、酸化シリコン層または窒化シリコン層のいずれかと、からなる多重干渉型フィルタである請求項3に記載の蛍光センサ。
- 前記光電変換素子が、第1の受光部と、前記第1の受光部よりも深部に形成された第2の受光部と、を有し、同一のバイアス電圧が印加された前記第1の受光部または前記第2の受光部のいずれかの電流を検出することで、入射する前記励起光による電気信号を電気的にカットする請求項2に記載の蛍光センサ。
- 前記アナライトが血液中または体液中の糖類である請求項3に記載の蛍光センサ。
- 前記発光素子が、サファイア基板上(on)に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子であり、
前記光電変換素子が、フォトダイオードまたはフォトトランジスタからなる請求項7に記載の蛍光センサ。 - 前記発光素子と前記インジケータ層との間、または、前記フィルタと前記光電変換素子との間の、少なくともいずれかに、集光部を有する請求項8に記載の蛍光センサ。
- 生体に穿刺する針型蛍光センサであって、
生体内に留置する針先端部に配設されたセンサ部と、前記センサ部から針後端部にわたって配設された複数の金属線と、を有する針本体部と、
前記針本体部と一体化しており、前記複数の金属線が延設されたコネクタと、を具備し、
前記センサ部が
第1の主面と第2の主面とを有する基体と、
励起光を発生する発光素子と、
前記生体内のアナライトとの相互作用および前記励起光により蛍光を発生するインジケータ層と、
前記蛍光を電気信号に変換する光電変換素子と、を具備し、
前記光電変換素子、前記発光素子、および前記インジケータ層が、前記基体の前記第1の主面の上(above)でオーバーラップ(overlap)している針型蛍光センサ。 - 前記基体がシリコン基板であり、
前記シリコン基板の前記第1の主面に形成された前記光電変換素子の上(above)に、前記発光素子が配設され、前記発光素子の上(above)に前記インジケータ層が配設されており、
前記インジケータ層が発生した前記蛍光が、前記発光素子を透過し、前記光電変換素子に入射する請求項10に記載の針型蛍光センサ。 - 前記蛍光より短波長である前記励起光を反射、吸収、または反射吸収し、前記蛍光を透過するフィルタを、前記光電変換素子と前記発光素子との間に有する請求項11に記載の針型蛍光センサ。
- 前記フィルタが、シリコン、炭化シリコンまたはガリウムリンのいずれかからなる単層の光吸収層である請求項12に記載の針型蛍光センサ。
- 前記フィルタが、シリコン層と、酸化シリコン層または窒化シリコン層のいずれかと、からなる多重干渉型フィルタである請求項12に記載の針型蛍光センサ。
- 前記光電変換素子が、第1の受光部と、前記第1の受光部よりも深部に形成された第2の受光部と、を有し、同一のバイアス電圧が印加された前記第1の受光部または前記第2の受光部のいずれかの電流を検出することで、入射する前記励起光による電気信号を電気的にカットする請求項11に記載の針型蛍光センサ。
- 前記アナライトが血液中または体液中の糖類である請求項12に記載の針型蛍光センサ。
- 前記発光素子が、サファイア基板上(on)に形成された窒化ガリウム系化合物半導体からなる発光ダイオード素子であり、
前記光電変換素子が、フォトダイオードまたはフォトトランジスタからなる請求項16に記載の針型蛍光センサ。 - 前記コネクタが、前記センサ部が計測した情報を送信する本体部と、着脱自在に嵌合する請求項17に記載の針型蛍光センサ。
- 前記センサ部が、温度センサを有する請求項18に記載の針型蛍光センサ。
- 前記針先端部に、前記アナライトの影響を受けない電気信号を出力する第2の光電変換素子を有する第2のセンサ部を有する請求項18に記載の針型蛍光センサ。
- 前記針本体部が、樹脂基板または前記シリコン基板と、樹脂からなる保護層と、前記複数の金属線と、を有する請求項18に記載の針型蛍光センサ。
- 前記複数の金属線が、絶縁層を介して積層された多層構造を有する請求項21に記載の針型蛍光センサ。
- 前記発光素子と前記インジケータ層との間、または、前記フィルタと前記光電変換素子との間の、少なくともいずれかに、集光部を有する請求項18に記載の針型蛍光センサ。
- 蛍光センサを用いたアナライトの計測方法であって、
発光素子が発生した励起光が、インジケータ層に導光される励起光照射工程と、
前記インジケータ層が、前記アナライトとの相互作用および前記励起光により蛍光を発生する蛍光発生工程と、
前記インジケータ層が発生した前記蛍光が、前記発光素子を透過して光電変換素子に入射し、電気信号に変換される光電変換工程と、を具備するアナライトの計測方法。 - 前記アナライトが血液中または体液中の糖類である請求項24に記載のアナライトの計測方法。
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