JP2015102455A - Sensor device and measurement method - Google Patents

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野崎 孝明
Takaaki Nozaki
孝明 野崎
貴明 武石
Takaaki Takeishi
貴明 武石
聖子 加藤
Kiyoko Kato
聖子 加藤
友広 紺谷
Tomohiro Konya
友広 紺谷
真由 尾崎
Mayu Ozaki
真由 尾崎
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a sensor device capable of detecting a change in the intensity of light due to surface plasmon resonance without being affected by the intensity of a light source, the degree of optical coupling, and a fluctuation in an external environment.SOLUTION: A sensor device (1) has: a light source (7); an optical waveguide (3, 3') including a core for wave-guiding light from the light source and a clad for covering the core; a metal layer (40) which is disposed so as to contact the core and in which surface plasmon resonance occurs due to the light from the light source; a sensor film (41) formed on the surface of the metal layer and specifically bonded with a substance to be measured by dripping a solution containing the substance to be measured onto the sensor film; an emitted light detection part (8) for detecting the intensity distribution of an emitted light from the optical waveguide; and a control part (11) for quantifying the substance to be measured in the solution dripped onto the sensor film on the basis of relationship between the emission angle and the intensity of the emitted light obtained from the intensity distribution detected by the emitted light detection part.

Description

本発明は、センサ装置および測定方法に関する。   The present invention relates to a sensor device and a measurement method.

多重反射を用いる光導波路型のSPRセンサが知られている(例えば、特許文献1,2を参照)。SPRセンサは、表面プラズモン共鳴(Surface Plasmon Resonance)現象を利用した屈折率センサであり、例えば、サンプル溶液の濃度の測定や免疫反応の検出といった、化学分析や生物化学分析に用いられる。表面プラズモン共鳴は、サンプル溶液に接触している金属層の内表面に全反射角度以上で光が入射したときに、サンプル溶液の屈折率に応じた波長の光が吸収される現象である。   An optical waveguide type SPR sensor using multiple reflection is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). The SPR sensor is a refractive index sensor using a surface plasmon resonance phenomenon, and is used for chemical analysis and biochemical analysis such as measurement of the concentration of a sample solution and detection of an immune reaction. Surface plasmon resonance is a phenomenon in which light having a wavelength corresponding to the refractive index of the sample solution is absorbed when light is incident on the inner surface of the metal layer in contact with the sample solution at a total reflection angle or more.

図16は、従来の光導波路型のSPRセンサ100の模式図である。SPRセンサ100は、光導波路103と、金属層140と、センサ膜141と、光源107と、光センサ108とを有する。光導波路103は、例えば円形断面を有する光ファイバであり、コア130とクラッド131を有する。金属層140とセンサ膜141は、コア130の一部の表面を取り囲むように重ねて形成されている。光導波路103の周囲には、センサ膜141に接触するようにサンプル溶液106が滴下される。   FIG. 16 is a schematic diagram of a conventional optical waveguide type SPR sensor 100. The SPR sensor 100 includes an optical waveguide 103, a metal layer 140, a sensor film 141, a light source 107, and an optical sensor 108. The optical waveguide 103 is an optical fiber having a circular cross section, for example, and includes a core 130 and a clad 131. The metal layer 140 and the sensor film 141 are formed so as to surround a part of the surface of the core 130. A sample solution 106 is dropped around the optical waveguide 103 so as to be in contact with the sensor film 141.

測定時には、光源107から光導波路103に光を入射させる。入射光が光導波路103内で全反射を繰り返しながら伝搬するときに、特定の波長の光により金属層140において表面プラズモン共鳴が発生する。センサ膜141は、サンプル溶液106に含まれる被測定物質を抗原として認識する抗体膜であり、被測定物質と特異的に結合する性質を有し、金属層表面のエバネッセント波が染み出した領域での屈折率を変化させる。このとき、金属層140では、コア130の屈折率、サンプル溶液106の屈折率および光の波長で決まる量の光吸収が生じる。以下では、表面プラズモン共鳴による金属層140での光の吸収量のことを「SPR吸収量」という。光導波路103を通る光は、金属層140でSPR吸収により減衰し、最終的に出射面から出射され、光センサ108で検出される。   At the time of measurement, light is incident on the optical waveguide 103 from the light source 107. When incident light propagates in the optical waveguide 103 while repeating total reflection, surface plasmon resonance is generated in the metal layer 140 by light of a specific wavelength. The sensor film 141 is an antibody film that recognizes the substance to be measured contained in the sample solution 106 as an antigen, has a property of specifically binding to the substance to be measured, and is an area where the evanescent wave oozes out on the surface of the metal layer. To change the refractive index. At this time, the metal layer 140 absorbs light in an amount determined by the refractive index of the core 130, the refractive index of the sample solution 106, and the wavelength of light. Hereinafter, the amount of light absorbed by the metal layer 140 due to surface plasmon resonance is referred to as “SPR absorption”. The light passing through the optical waveguide 103 is attenuated by the SPR absorption at the metal layer 140, finally emitted from the emission surface, and detected by the optical sensor 108.

図17(A)は、入射光の波長λと光導波路の透過率Tとの関係を示すグラフである。表面プラズモン共鳴を発生させる波長は、サンプル溶液の屈折率によって異なる。図17(A)に示すように、サンプル溶液の屈折率nが増加すると、SPR吸収のピーク波長が長波長側にシフトする。   FIG. 17A is a graph showing the relationship between the wavelength λ of incident light and the transmittance T of the optical waveguide. The wavelength for generating surface plasmon resonance varies depending on the refractive index of the sample solution. As shown in FIG. 17A, when the refractive index n of the sample solution increases, the peak wavelength of SPR absorption shifts to the long wavelength side.

図17(B)は、波長660nmの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率nと透過率Tとの関係を示すグラフである。図17(A)に示すように、波長660nmは、SPR吸収のピーク波長より短波長の光である。SPR吸収のピーク波長より短波長の光を光導波路に入射させた場合、サンプル溶液の屈折率nが増加すると、透過率Tが増加し、光導波路からの出射光強度が強くなる。   FIG. 17B is a graph showing the relationship between the refractive index n and the transmittance T of the sample solution measured with incident light having a wavelength of 660 nm. As shown in FIG. 17A, the wavelength 660 nm is light having a shorter wavelength than the peak wavelength of SPR absorption. When light having a wavelength shorter than the peak wavelength of SPR absorption is incident on the optical waveguide, when the refractive index n of the sample solution increases, the transmittance T increases and the intensity of light emitted from the optical waveguide increases.

このため、光導波路からの出射光を光センサで検出し、透過光量や入射光に対する出射光のスペクトル変化を見ることにより、サンプル溶液による屈折率変化が測定される。さらに、サンプル溶液の屈折率はその濃度に依存するため、サンプル溶液の屈折率からサンプル溶液の濃度が求められる。すなわち、特定の波長の光を入射させたときの出射光強度を光センサで測定することで、透過率の値から、サンプル溶液中に含まれる被測定物質の量が求められる。   For this reason, the change in the refractive index due to the sample solution is measured by detecting the emitted light from the optical waveguide with an optical sensor and looking at the transmitted light amount and the spectral change of the emitted light with respect to the incident light. Further, since the refractive index of the sample solution depends on its concentration, the concentration of the sample solution can be obtained from the refractive index of the sample solution. That is, the amount of the substance to be measured contained in the sample solution can be obtained from the transmittance value by measuring the intensity of the emitted light when light of a specific wavelength is incident with an optical sensor.

一般に、SPRセンサで測定を行う際は、まずサンプル溶液を滴下する前の状態で出射光強度を測定し、その測定値をリファレンスとする。その後で、センサ膜にサンプル溶液を滴下し、出射光強度を測定する。そして、サンプル溶液の測定値とリファレンスとの差を求めることでサンプル溶液に基づくSPR吸収量を求め、予め測定された検量線、すなわちサンプル溶液中の被測定物質の量とSPR吸収量との関係を用いて、被測定物質を定量する。   In general, when measuring with an SPR sensor, first, the intensity of the emitted light is measured in a state before the sample solution is dropped, and the measured value is used as a reference. Thereafter, the sample solution is dropped on the sensor film, and the intensity of the emitted light is measured. Then, the SPR absorption amount based on the sample solution is obtained by obtaining the difference between the measured value of the sample solution and the reference, and a calibration curve measured in advance, that is, the relationship between the amount of the substance to be measured in the sample solution and the SPR absorption amount. Is used to quantify the substance to be measured.

一方、被測定物質がある状態で取得されたリファレンス値を用いてスペクトル差分から被測定物質を測定する方法が知られている。例えば、特許文献3には、内部反射回数が異なる条件で表面状態を測定すべきウエハなどの基板に赤外線を入射し、それぞれの条件について多重内部反射スペクトルを測定し、内部反射回数が少ない内部多重反射スペクトルをリファレンススペクトルとし、内部反射回数が多いものをサンプルスペクトルとして吸光度スペクトルを求める表面状態測定装置が記載されている。   On the other hand, a method for measuring a substance to be measured from a spectral difference using a reference value obtained in a state where the substance to be measured is present is known. For example, in Patent Document 3, infrared rays are incident on a substrate such as a wafer whose surface state is to be measured under conditions where the number of internal reflections is different, multiple internal reflection spectra are measured for each condition, and internal multiplexing with a small number of internal reflections is performed. A surface state measuring device is described in which an absorbance spectrum is obtained using a reflection spectrum as a reference spectrum and a sample spectrum having a large number of internal reflections.

特許文献3の装置では、異なる2つの入射角度で光を入射し、それらの出射光の相対的な強度変化を比較する。この装置では、実時間でリファレンスを取得するため、測定中に発生する変動要因を打ち消すことができる。特許文献3の装置は、シリコンウエハ上に付着した有機物質による汚染状態を把握するためにシリコンウエハを光導波路としてSPRセンサを構成したものであるが、シリコンウエハをガラスやポリマーの光導波路と置き換えれば、液体中で用いられる光導波路型のSPRセンサと考えられる。   In the apparatus of Patent Document 3, light is incident at two different incident angles, and the relative intensity changes of the emitted light are compared. In this apparatus, since the reference is acquired in real time, it is possible to cancel the fluctuation factors that occur during the measurement. The device of Patent Document 3 is configured with an SPR sensor using a silicon wafer as an optical waveguide in order to grasp a contamination state due to an organic substance adhering to the silicon wafer, but the silicon wafer is replaced with a glass or polymer optical waveguide. For example, it is considered to be an optical waveguide type SPR sensor used in a liquid.

特開2013−007687号公報JP 2013-007687 A 特開2012−122915号公報JP 2012-122915 A 特許第4792267号公報Japanese Patent No. 4792267

光導波路型のSPRセンサでは、光源強度の変動や、光源と光導波路と光センサの間における光結合度の変動(アライメントのズレ)、温度・湿度などの外的環境の変化によって出射光強度が変化し、それが測定誤差となる。本来、リファレンスの測定とサンプルの測定は同時刻に行う必要があるが、実際には異なる時刻に行われるため、リファレンスを測定してからサンプルを測定するまでの間に生じた変動や、サンプルの測定中に生じた変動が測定誤差となる。   In an optical waveguide type SPR sensor, the intensity of emitted light is affected by changes in the light source intensity, fluctuations in the optical coupling between the light source, the optical waveguide, and the optical sensor (alignment misalignment), and changes in the external environment such as temperature and humidity. Change, which becomes a measurement error. Originally, the measurement of the reference and the measurement of the sample need to be performed at the same time, but in reality, they are performed at different times, so fluctuations that occurred between the measurement of the reference and the measurement of the sample, Variations that occur during measurement become measurement errors.

特許文献3の装置のようにサンプルがある状態でリファレンス値を取得する場合でも、2つの光路を交互に測定するため、厳密には異なる時刻における2つのスペクトルを用いて変動を打ち消すことになり、結局は測定誤差を含む可能性がある。同時刻に2つの光路におけるスペクトルを得るには、予め目的の光路に設置された2組の光源と赤外線分析装置が必要であり、コストが増加するとともに装置が大型化してしまう。   Even when the reference value is acquired in a state where there is a sample as in the apparatus of Patent Document 3, in order to measure two optical paths alternately, strictly speaking, fluctuations are canceled using two spectra at different times, Eventually, measurement errors may be included. In order to obtain spectra in the two optical paths at the same time, two sets of light sources and an infrared analyzer installed in advance in the target optical path are required, which increases costs and increases the size of the apparatus.

そこで、本発明の目的は、光源強度や、光結合度、外的環境などの変動による影響を受けずに表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置を提供することである。また、本発明の目的は、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することである。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a sensor device capable of detecting a change in light intensity due to surface plasmon resonance without being affected by variations in light source intensity, optical coupling degree, external environment, and the like. Another object of the present invention is to provide a lower-cost and smaller sensor device.

本発明に係るセンサ装置は、光源と、光源からの光を導波するコアおよびコアを被覆するクラッドを含む光導波路と、コアに接するように配置され、光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、光導波路からの出射光の強度分布を検知する出射光検知部と、出射光検知部により検知された強度分布から得られる出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部とを有することを特徴とする。   The sensor device according to the present invention is disposed so as to be in contact with a light source, a core for guiding light from the light source and a clad covering the core, and the surface plasmon resonance is generated by the light from the light source. A metal layer, a sensor film that is formed on the surface of the metal layer and in which a solution containing the substance to be measured is dropped and specifically binds to the substance to be measured, and outgoing light detection that detects the intensity distribution of the outgoing light from the optical waveguide And a control unit for quantifying the substance to be measured in the solution dropped on the sensor film based on the relationship between the emission angle and intensity of the outgoing light obtained from the intensity distribution detected by the outgoing light detection unit It is characterized by that.

本発明に係るセンサ装置では、制御部は、出射光の出射角度と強度との関係を記述する理論式のパラメータを強度分布から決定することにより、出射光の出射角度に対する金属層での光の吸収量の変化を求めることが好ましい。   In the sensor device according to the present invention, the control unit determines, from the intensity distribution, a parameter of a theoretical formula that describes the relationship between the emission angle and intensity of the emitted light, whereby the light in the metal layer with respect to the emission angle of the emitted light is determined. It is preferable to determine the change in absorption.

本発明に係るセンサ装置では、出射光検知部は、光導波路の出射面上で出射光を受光する2次元イメージセンサであることが好ましい。   In the sensor device according to the present invention, the outgoing light detector is preferably a two-dimensional image sensor that receives the outgoing light on the outgoing surface of the optical waveguide.

本発明に係るセンサ装置では、光導波路は光ファイバであり、制御部は、2次元イメージセンサにより取得された円対称のパターンにおける径方向の強度分布から、出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得することが好ましい。   In the sensor device according to the present invention, the optical waveguide is an optical fiber, and the control unit correlates the emission angle and intensity of the emitted light from the radial intensity distribution in the circularly symmetric pattern acquired by the two-dimensional image sensor. It is preferable to acquire the attached data.

本発明に係るセンサ装置では、光導波路は基板の表面に形成された角型断面を有する光導波路であり、制御部は、2次元イメージセンサにより取得されたパターンにおける、金属層に垂直な方向の強度分布から、出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得することが好ましい。   In the sensor device according to the present invention, the optical waveguide is an optical waveguide having a square cross section formed on the surface of the substrate, and the control unit has a pattern perpendicular to the metal layer in the pattern obtained by the two-dimensional image sensor. It is preferable to acquire data in which the emission angle and intensity of the emitted light are associated with each other from the intensity distribution.

本発明に係るセンサ装置では、光源はランバート分布の出射光強度を有するLED光源であることが好ましい。   In the sensor device according to the present invention, the light source is preferably an LED light source having an outgoing light intensity with a Lambertian distribution.

本発明に係る測定方法は、光源と、光源からの光を導波するコアおよびコアを被覆するクラッドを含む光導波路と、コアに接するように配置され、光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、光導波路からの出射光の強度分布を検知するステップと、検知された強度分布から得られる出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップとを有することを特徴とする。   The measurement method according to the present invention includes a light source, an optical waveguide including a core that guides light from the light source and a cladding that covers the core, and a surface plasmon resonance caused by the light from the light source. A measurement method using a sensor device having a metal layer and a sensor film formed on the surface of the metal layer and in which a solution containing the substance to be measured is dropped and specifically binds to the substance to be measured. Detecting the intensity distribution of the emitted light, and quantifying the substance to be measured in the solution dropped on the sensor film based on the relationship between the emission angle and intensity of the emitted light obtained from the detected intensity distribution It is characterized by having.

本発明によれば、光源強度や、光結合度、外的環境の変動による影響を受けずに表面プラズモン共鳴による光の強度変化を検出可能なセンサ装置を提供することが可能になる。また、本発明によれば、より低コストかつ小型のセンサ装置を提供することが可能になる。   ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it becomes possible to provide the sensor apparatus which can detect the light intensity change by surface plasmon resonance, without being influenced by light source intensity | strength, optical coupling degree, and the external environment fluctuation | variation. Further, according to the present invention, it is possible to provide a lower-cost and smaller sensor device.

センサ装置1の模式図である。1 is a schematic diagram of a sensor device 1. FIG. 検出部4の例を示す断面図である。4 is a cross-sectional view illustrating an example of a detection unit 4. FIG. フローセル型のセンサチップ2Aの模式図である。It is a schematic diagram of a flow cell type sensor chip 2A. 角型断面の光導波路3’を有するセンサチップ2Bの模式図である。It is a schematic diagram of a sensor chip 2B having an optical waveguide 3 'having a square cross section. センサ装置1による測定原理を説明するための図である。It is a figure for demonstrating the measurement principle by the sensor apparatus. 入射光の波長λに対する光導波路からの出射光強度Poの変化と、SPR吸収のピーク波長λよりも短い波長λの光源を用いた場合における、光導波路からの出射角度ψに対する出射光強度Poの変化を示したグラフである。Change in outgoing light intensity Po from the optical waveguide with respect to the wavelength λ of incident light, and outgoing light intensity with respect to the outgoing angle ψ from the optical waveguide when using a light source having a wavelength λ S shorter than the peak wavelength λ 0 of SPR absorption It is the graph which showed the change of Po. 角度θで全反射しながらコア30を導波する光を示す図である。It is a figure which shows the light which guides the core 30, totally reflecting by angle (theta). ランバート分布である光源強度分布I(ψ)を示す図である。It is a figure which shows light source intensity distribution I ((psi)) which is a Lambert distribution. ランバート分布をもつ光源を用いた場合の、光源強度分布I(ψ)、光の反射回数N(ψ)、SPR部分の透過率Tm(ψ)および出射光強度Po(ψ)の例を示すグラフである。A graph showing an example of the light source intensity distribution I (ψ), the number of times of light reflection N (ψ), the transmittance Tm (ψ) of the SPR portion, and the emitted light intensity Po (ψ) when a light source having a Lambertian distribution is used. It is. SPR吸収のピーク波長が長波長側にシフトして透過率Tmが増加した場合と、光源強度Iが増加した場合の出射光強度Po(ψ)の変化を示すグラフである。It is a graph which shows the change of the emitted light intensity Po ((psi)) when the peak wavelength of SPR absorption shifts to the long wavelength side, and the transmittance | permeability Tm increases, and when the light source intensity | strength I increases. 円形断面の光ファイバである光導波路3を用いた場合にイメージセンサ10で取得されたパターンの例を示す図である。It is a figure which shows the example of the pattern acquired with the image sensor 10 when the optical waveguide 3 which is an optical fiber of a circular section is used. イメージセンサ10で取得されたパターンから出射光強度Po(ψ)のパラメータI,αを求める方法の例を示すフローチャートである。4 is a flowchart illustrating an example of a method for obtaining parameters I 0 and α of emitted light intensity Po (ψ) from a pattern acquired by the image sensor 10. センサチップ2Bを使用したときにイメージセンサ10で取得された出射光強度のパターンを示す図である。It is a figure which shows the pattern of the emitted light intensity acquired with the image sensor 10 when using the sensor chip 2B. イメージセンサ10で取得された出射光強度のパターンにおける、y方向の強度変化を示すグラフである。6 is a graph showing a change in intensity in the y direction in a pattern of emitted light intensity acquired by the image sensor 10. 図14(C)の出射光強度Pref(y)の各グラフを最小二乗法により直線近似して求めた傾きαとサンプル溶液の濃度との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the inclination (alpha) calculated | required by linear approximation of each graph of the emitted light intensity Pref (y) of FIG.14 (C), and the density | concentration of a sample solution. 従来の光導波路型のSPRセンサ100の模式図である。1 is a schematic diagram of a conventional optical waveguide type SPR sensor 100. FIG. 入射光の波長λと光導波路の透過率Tとの関係を示すグラフと、波長660nmの入射光で測定されたサンプル溶液の屈折率nと透過率Tとの関係を示すグラフである。4 is a graph showing the relationship between the wavelength λ of incident light and the transmittance T of the optical waveguide, and the graph showing the relationship between the refractive index n and the transmittance T of the sample solution measured with incident light having a wavelength of 660 nm.

以下、添付図面を参照して、本発明に係るセンサ装置および測定方法について詳細に説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態に限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。   Hereinafter, a sensor device and a measurement method according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and equivalents thereof.

図1は、センサ装置1の模式図である。センサ装置1は、特に、局在表面プラズモン共鳴(Localized Surface Plasmon Resonance)を利用して被測定物質を定量するSPRセンサである。センサ装置1は、センサチップ2と、光源7と、光センサ8と、制御部11と、光源駆動回路12と、表示装置13とを有する。以下では、光源7から光センサ8に向かう方向をz方向とし、図1に示すようにx,y,z軸を定義する。   FIG. 1 is a schematic diagram of the sensor device 1. The sensor device 1 is an SPR sensor that quantifies a substance to be measured by using localized surface plasmon resonance (Localized Surface Plasmon Resonance). The sensor device 1 includes a sensor chip 2, a light source 7, an optical sensor 8, a control unit 11, a light source driving circuit 12, and a display device 13. In the following, the direction from the light source 7 toward the optical sensor 8 is defined as the z direction, and the x, y, and z axes are defined as shown in FIG.

センサチップ2は、光導波路3と、サンプル溶液保持部5とを有する。図1では、yz面内におけるセンサチップ2の断面を示している。光導波路3は、ガラスまたはポリマーから構成される光ファイバである。光導波路3のクラッドの一部が除去されて、その部分に検出部4が形成されている。サンプル溶液保持部5は、内部にサンプル溶液6を保持する。   The sensor chip 2 includes an optical waveguide 3 and a sample solution holding unit 5. FIG. 1 shows a cross section of the sensor chip 2 in the yz plane. The optical waveguide 3 is an optical fiber made of glass or polymer. A part of the clad of the optical waveguide 3 is removed, and the detection unit 4 is formed in that part. The sample solution holding unit 5 holds the sample solution 6 therein.

図2(A)〜図2(C)は、検出部4の例を示す断面図である。図2(A)〜図2(C)では、光導波路3の一部も示している。光導波路3は、コア30と、コア30を被覆しコア30より屈折率の低いクラッド31とを有する。光導波路3は、円形断面を有し、コア30内に光を閉じ込める。   2A to 2C are cross-sectional views illustrating examples of the detection unit 4. 2A to 2C also show a part of the optical waveguide 3. The optical waveguide 3 includes a core 30 and a clad 31 that covers the core 30 and has a refractive index lower than that of the core 30. The optical waveguide 3 has a circular cross section and confines light in the core 30.

まず、図2(A)を参照すると、検出部4は、金属層40と、センサ膜41とを有し、z方向に延びる中心軸に関して回転対称に形成されている。   First, referring to FIG. 2A, the detection unit 4 includes a metal layer 40 and a sensor film 41, and is formed rotationally symmetric with respect to a central axis extending in the z direction.

金属層40は、光が入射することで表面プラズモン共鳴が生じる層であり、エッチングなどによりクラッド31の一部が除去されて露出したコア30の上に形成されている。金属層40は、例えば、金、銀、白金、銅、アルミニウム、またはこれらの合金などの金属粒子により構成された層(金属粒子層)である。検出部4では、金属層40に含まれる微細な金属粒子にて局在表面プラズモン共鳴が生じる。金属層40では、各金属粒子は、厚み方向に互いに積層されず、平面方向にも、互いに接触しないようにわずかに間隔を隔てて配置されることが好ましい。また、検出部4の検出精度を良好にするためには、各金属粒子の粒子径は、5〜300nm程度であることが好ましい。   The metal layer 40 is a layer in which surface plasmon resonance occurs when light enters, and is formed on the core 30 exposed by removing a part of the clad 31 by etching or the like. The metal layer 40 is a layer (metal particle layer) composed of metal particles such as gold, silver, platinum, copper, aluminum, or alloys thereof. In the detection unit 4, localized surface plasmon resonance occurs in the fine metal particles included in the metal layer 40. In the metal layer 40, it is preferable that the metal particles are not stacked on each other in the thickness direction, and are arranged at a slight interval so as not to contact each other in the plane direction. Moreover, in order to make the detection accuracy of the detection part 4 favorable, it is preferable that the particle diameter of each metal particle is about 5-300 nm.

センサ膜41は、被測定物質と特異的に結合する抗原や、抗体、レセプターなどで形成される。センサ膜41は、金属層40を構成する金属粒子の表面に形成される。   The sensor film 41 is formed of an antigen, an antibody, a receptor, or the like that specifically binds to the substance to be measured. The sensor film 41 is formed on the surface of the metal particles that constitute the metal layer 40.

図2(B)は、検出部4の別の例を示す断面図である。図2(B)の検出部4Aは、金属粒子で構成された金属層40Aと、センサ膜41とを有する。図2(A)の検出部4との違いは、各金属粒子の間のコア30上にもセンサ膜41が形成されている点である。図2(A)の検出部4は、予めセンサ膜41が表面に設けられた金属粒子で構成される金属層40を有するが、図2(B)の検出部4Aのように、金属粒子を含む金属層40Aを形成した後で、金属層40Aの上にセンサ膜41を形成してもよい。   FIG. 2B is a cross-sectional view illustrating another example of the detection unit 4. 2B includes a metal layer 40A composed of metal particles and a sensor film 41. The difference from the detection unit 4 in FIG. 2A is that a sensor film 41 is also formed on the core 30 between the metal particles. The detection unit 4 in FIG. 2A has a metal layer 40 composed of metal particles having a sensor film 41 provided on the surface in advance. However, like the detection unit 4A in FIG. After forming the metal layer 40A including the sensor layer 41, the sensor film 41 may be formed on the metal layer 40A.

図2(C)は、検出部4のさらに別の例を示す断面図である。図2(C)の検出部4Bは、コア30の表面に形成された極めて薄い島状の金属層40Bと、金属層40Bの上に形成されたセンサ膜41とを有する。金属層40Bの厚さは、例えば数nm〜数10nm程度であることが好ましい。検出部4Bでは、金属層40Bに含まれる微細な各島にて局在表面プラズモン共鳴が生じる。   FIG. 2C is a cross-sectional view showing still another example of the detection unit 4. 2C includes a very thin island-shaped metal layer 40B formed on the surface of the core 30 and a sensor film 41 formed on the metal layer 40B. The thickness of the metal layer 40B is preferably about several nm to several tens of nm, for example. In the detection unit 4B, localized surface plasmon resonance occurs in each minute island included in the metal layer 40B.

光源7には、例えばLED光源が用いられる。光源7と光導波路3の間隔は、光の利用効率を上げるためにできるだけ接近させることが好ましく、必要に応じて接触させてもよい。位置ずれが生じても入射光強度が変動しにくくなるように、光源7の発光面のサイズは光導波路3のコア径よりも大きくすることが好ましい。また、出射角度に対する光源7の出射光強度の分布は、ランバート分布であることが好ましい。   For example, an LED light source is used as the light source 7. The distance between the light source 7 and the optical waveguide 3 is preferably as close as possible to increase the light utilization efficiency, and may be brought into contact as necessary. The size of the light emitting surface of the light source 7 is preferably larger than the core diameter of the optical waveguide 3 so that the incident light intensity does not easily fluctuate even if a positional shift occurs. In addition, the distribution of the emitted light intensity of the light source 7 with respect to the emission angle is preferably a Lambertian distribution.

光センサ8は、SPR吸収量を測定するために、光導波路3からの出射光を検知する(透過率を測定する)2次元光センサである。光センサ8は、レンズ9と、イメージセンサ10とを有する。レンズ9は、光導波路3から出射された光を平行光に変換する。ただし、レンズ9に代えて、ホログラフィック素子などの光学素子を用いてもよい。イメージセンサ10は、CCDまたはCMOSセンサなどの2次元イメージセンサであり、光導波路3からの出射光の2次元強度分布を2次元パターンとして検知する。イメージセンサ10は、出射光検知部の一例である。   The optical sensor 8 is a two-dimensional optical sensor that detects outgoing light from the optical waveguide 3 (measures transmittance) in order to measure the SPR absorption amount. The optical sensor 8 includes a lens 9 and an image sensor 10. The lens 9 converts the light emitted from the optical waveguide 3 into parallel light. However, instead of the lens 9, an optical element such as a holographic element may be used. The image sensor 10 is a two-dimensional image sensor such as a CCD or CMOS sensor, and detects a two-dimensional intensity distribution of light emitted from the optical waveguide 3 as a two-dimensional pattern. The image sensor 10 is an example of an outgoing light detection unit.

制御部11は、内部にビデオインターフェイスと情報処理回路とを有する。制御部11は、イメージセンサ10で検知された2次元パターンをビデオインターフェイスから情報処理回路に取り込む。そして、制御部11は、情報処理回路を用いて、後述する手順により、2次元パターンから得られる光導波路からの出射光の出射角度と強度との関係に基づいてSPR吸収量を求めることで、サンプル溶液中の被測定物質を定量する。定量とは、例えば、サンプル溶液中の被測定物質の濃度や屈折率を求めることである。また、制御部11は、光源駆動回路12や表示装置13の動作を制御する。   The control unit 11 includes a video interface and an information processing circuit inside. The control unit 11 takes in the two-dimensional pattern detected by the image sensor 10 from the video interface to the information processing circuit. And the control part 11 calculates | requires SPR absorption amount based on the relationship between the emission angle and intensity | strength of the emitted light from the optical waveguide obtained from a two-dimensional pattern by the procedure mentioned later using an information processing circuit, Quantify the substance to be measured in the sample solution. Quantification means, for example, obtaining the concentration and refractive index of the substance to be measured in the sample solution. Further, the control unit 11 controls operations of the light source driving circuit 12 and the display device 13.

光源駆動回路12は、光源7を駆動するための回路である。表示装置13は、制御部11にて求められた測定結果を表示する。   The light source driving circuit 12 is a circuit for driving the light source 7. The display device 13 displays the measurement result obtained by the control unit 11.

図3は、フローセル型のセンサチップ2Aの模式図である。センサ装置1では、図1のセンサチップ2に代えて、図3に示すフローセル型のセンサチップ2Aを用いてもよい。   FIG. 3 is a schematic diagram of a flow cell type sensor chip 2A. In the sensor device 1, instead of the sensor chip 2 in FIG. 1, a flow cell type sensor chip 2A shown in FIG. 3 may be used.

センサチップ2Aは、フローセル50を有する。フローセル50は、図1のサンプル溶液保持部5に流入口51と流出口52を設けたものである。サンプル溶液6は、シリンジポンプ53によりサンプル溶液保持部5に送り込まれ、センサ膜41と接触して反応した後で、リザーバー54に排出される。   The sensor chip 2 </ b> A has a flow cell 50. In the flow cell 50, an inflow port 51 and an outflow port 52 are provided in the sample solution holding unit 5 of FIG. The sample solution 6 is sent to the sample solution holding unit 5 by the syringe pump 53, and after contacting and reacting with the sensor film 41, the sample solution 6 is discharged to the reservoir 54.

図4は、角型断面の光導波路3’を有するセンサチップ2Bの模式図である。センサ装置1では、図1のセンサチップ2に代えて、図4に示すセンサチップ2Bを用いてもよい。   FIG. 4 is a schematic diagram of a sensor chip 2B having an optical waveguide 3 'having a square cross section. In the sensor device 1, a sensor chip 2B shown in FIG. 4 may be used instead of the sensor chip 2 of FIG.

図1のセンサチップ2では光導波路3として円形断面の光ファイバを用いているが、センサチップ2Bは、光ファイバに代えて角型断面の光導波路3’を有する。光導波路3’は、コア30’と、クラッド31’と、ベース基板32’とを有する。ベース基板32’は、クラッドを兼ねた平板状の基板であり、その上にコア30’とクラッド31’が形成されている。コア30’は、上面が露出するようにベース基板32’に埋め込まれ、ベース基板32’の幅方向(x方向)の中央でベース基板32’の長手方向(z方向)に平行に配置されている。コア30’は、xy面に沿った断面が長方形状を有する。クラッド31’は、コア30’の両脇に、ベース基板32’の上面を覆うように配置されている。   In the sensor chip 2 of FIG. 1, an optical fiber having a circular cross section is used as the optical waveguide 3. However, the sensor chip 2B has an optical waveguide 3 'having a square cross section instead of the optical fiber. The optical waveguide 3 ′ has a core 30 ′, a clad 31 ′, and a base substrate 32 ′. The base substrate 32 ′ is a flat substrate that also serves as a clad, on which a core 30 ′ and a clad 31 ′ are formed. The core 30 ′ is embedded in the base substrate 32 ′ so that the upper surface is exposed, and is disposed parallel to the longitudinal direction (z direction) of the base substrate 32 ′ at the center in the width direction (x direction) of the base substrate 32 ′. Yes. The core 30 ′ has a rectangular cross section along the xy plane. The clad 31 'is disposed on both sides of the core 30' so as to cover the upper surface of the base substrate 32 '.

検出部4は、クラッド31’の一部を取り除いて形成されており、クラッド31’が取り除かれた部分のベース基板32’の上面と、コア30’の一部の上面とを覆うように配置されている。検出部4には、センサチップ2と同様の金属層40とセンサ膜41が形成されている。なお、センサチップ2Bでも、図2(B)の検出部4Aまたは図2(C)の検出部4Bを用いてもよい。   The detection unit 4 is formed by removing a part of the clad 31 ′, and is arranged so as to cover the upper surface of the base substrate 32 ′ where the clad 31 ′ is removed and the upper surface of a part of the core 30 ′. Has been. In the detection unit 4, a metal layer 40 and a sensor film 41 similar to those of the sensor chip 2 are formed. In the sensor chip 2B, the detection unit 4A in FIG. 2B or the detection unit 4B in FIG. 2C may be used.

なお、図4のセンサチップ2Bを、図3に示すようなフローセル型のセンサチップとしてもよい。   The sensor chip 2B in FIG. 4 may be a flow cell type sensor chip as shown in FIG.

センサ装置1を用いてサンプル溶液中の被測定物質を定量する方法の概略を説明する。まず、未知量の被測定物質を含むサンプル溶液をシリンジなどでサンプル溶液保持部5に必要量滴下して、検出部4をサンプル溶液6で覆う。そして、光源駆動回路12を用いて光源7を発光させて、光導波路に光を入射させる。入射光は全反射を繰り返し徐々に減衰しながら光導波路を伝搬していき、検出部4でサンプル溶液の屈折率に応じたSPR吸収を生じさせ、最終的に光導波路の出射面から出射される。   An outline of a method for quantifying a substance to be measured in a sample solution using the sensor device 1 will be described. First, a required amount of a sample solution containing an unknown amount of a substance to be measured is dropped on the sample solution holding unit 5 with a syringe or the like, and the detection unit 4 is covered with the sample solution 6. Then, the light source 7 is caused to emit light using the light source driving circuit 12 and light is incident on the optical waveguide. The incident light propagates through the optical waveguide while repeating and gradually attenuated total reflection, causes the detection unit 4 to generate SPR absorption according to the refractive index of the sample solution, and finally exits from the exit surface of the optical waveguide. .

この出射光の強度分布を、光センサ8のイメージセンサ10により検知する。そして、イメージセンサ10で検知された2次元パターンを制御部11に取り込み、後述する方法によりSPR吸収量を求める。これにより、サンプル溶液の屈折率や、サンプル溶液中の被測定物質の濃度が求められる。なお、センサ装置1を用いた測定では、サンプル溶液を滴下させる前のリファレンス測定は不要になる。   The intensity distribution of the emitted light is detected by the image sensor 10 of the optical sensor 8. Then, the two-dimensional pattern detected by the image sensor 10 is taken into the control unit 11 and the SPR absorption amount is obtained by a method described later. Thereby, the refractive index of a sample solution and the density | concentration of the to-be-measured substance in a sample solution are calculated | required. In the measurement using the sensor device 1, the reference measurement before dropping the sample solution is not necessary.

以下では、センサ装置1による測定原理について説明する。説明は、円形断面の光ファイバである光導波路3を用いて行うが、角型断面の光導波路3’を用いる場合も同様である。   Below, the measurement principle by the sensor apparatus 1 is demonstrated. The description is made using the optical waveguide 3 which is an optical fiber having a circular cross section, but the same applies to the case where the optical waveguide 3 'having a square cross section is used.

図5は、センサ装置1による測定原理を説明するための図である。図5では、太い実線、細い実線および細い破線の矢印により、光源7からの入射角度が異なる3本の光線を示している。これら3本の光線は、波長が異なるのではなく、光導波路3への入射角度が異なる光線である。入射角度により、検出部4での反射回数と、光導波路3からの出射角度が異なることがわかる。入射角度が大きいほど反射回数が多くなり、SPR吸収量は大きくなる。   FIG. 5 is a diagram for explaining the principle of measurement by the sensor device 1. In FIG. 5, three light beams having different incident angles from the light source 7 are indicated by thick solid lines, thin solid lines, and thin dashed arrows. These three light beams are light beams having different incident angles to the optical waveguide 3 instead of having different wavelengths. It can be seen that the number of reflections at the detection unit 4 and the exit angle from the optical waveguide 3 differ depending on the incident angle. The greater the incident angle, the greater the number of reflections and the greater the SPR absorption.

図6(A)および図6(B)は、入射光の波長λに対する光導波路からの出射光強度Poの変化と、SPR吸収のピーク波長λよりも短い波長λの光源を用いた場合における、光導波路からの出射角度ψに対する出射光強度Poの変化を示したグラフである。 6 (A) and 6 (B) show the case where a light source having a wavelength λ S shorter than the peak wavelength λ 0 of the SPR absorption and the change in the emitted light intensity Po from the optical waveguide with respect to the wavelength λ of the incident light is used. Is a graph showing the change of the outgoing light intensity Po with respect to the outgoing angle ψ from the optical waveguide.

図6(A)の左側のグラフは、入射光の波長λと出射光強度Poとの関係を示す。太さが異なる3本の実線のグラフは、被測定物質を含まないサンプル溶液(例えば純水)を滴下した場合の出射光強度である。   The graph on the left side of FIG. 6A shows the relationship between the wavelength λ of incident light and the emitted light intensity Po. The three solid line graphs having different thicknesses indicate the intensity of the emitted light when a sample solution (for example, pure water) not containing the substance to be measured is dropped.

水平方向に延びる細い実線は、光導波路からの出射角度ψが0のときの出射光強度を示す。出射角度ψが0の場合、光は近似的には光導波路に沿って直線的に進むため、金属層での反射が起こらない。このため、出射光強度Poは波長λによらず一定となる。また、やや太い実線の曲線は、出射角度ψが比較的小さいψのときの出射光強度を示す。この場合、出射光強度Poの曲線は、SPR吸収により、波長λにて金属層での反射回数に比例した深さのピークをもつ下に凸の形状になる。また、最も太い実線の曲線は、出射角度ψが比較的大きいψ(>ψ)のときの出射光強度を示す。ψ=ψのときは、ψ=ψのときと比べて、出射角度ψが大きい分だけSPR吸収のピークも大きくなる。 A thin solid line extending in the horizontal direction indicates the intensity of emitted light when the emission angle ψ from the optical waveguide is zero. When the emission angle ψ is 0, the light travels approximately linearly along the optical waveguide, so that reflection from the metal layer does not occur. For this reason, the emitted light intensity Po is constant regardless of the wavelength λ. A slightly thick solid curve indicates the intensity of the emitted light when the emission angle ψ is relatively small ψ 1 . In this case, the curve of the emitted light intensity Po has a downwardly convex shape having a depth peak proportional to the number of reflections at the metal layer at the wavelength λ 0 due to SPR absorption. The thickest solid curve indicates the intensity of emitted light when the emission angle ψ is relatively large ψ 2 (> ψ 1 ). When the ψ = ψ 2, than when the ψ = ψ 1, peak only SPR absorption exit angle [psi greater amount also increases.

また、破線は、被測定物質を含むサンプル溶液を滴下し、被測定物質がセンサ膜に結合して、SPR吸収のピーク波長がλから長波長側のλにシフトした場合の出射光強度である。出射角度ψが0のときは波長シフトがあっても出射光強度は変化しないが、出射角度ψがψのときとψのときは、図中矢印bで示したように、それぞれ実線の曲線から破線の曲線に出射光強度が変化する。 In addition, the broken line shows the intensity of the emitted light when the sample solution containing the substance to be measured is dropped, the substance to be measured binds to the sensor film, and the peak wavelength of SPR absorption shifts from λ 0 to λ 1 on the long wavelength side. It is. When the output angle ψ is 0, the intensity of the output light does not change even if there is a wavelength shift. However, when the output angle ψ is ψ 1 and ψ 2 , as indicated by the arrow b in the figure, The emitted light intensity changes from a curved line to a broken curve.

図6(A)の右側のグラフは、SPR吸収のピーク波長λよりも短い波長λの光源を用いた場合の出射角度ψと出射光強度Poとの関係を示す。実線と破線のグラフは、それぞれ図6(A)の左側の実線と破線のグラフに対応している。グラフが示すように、出射角度ψの増加とともに出射光強度Poは減少する。そして、波長シフトがある場合、図中矢印cで示したように、出射光強度Poは実線のグラフから破線のグラフに変化する。出射角度ψが0の光は出射光強度は変化しないが、出射角度ψが大きいほど出射光強度の変化量は大きくなる。 The graph on the right side of FIG. 6A shows the relationship between the outgoing angle ψ and the outgoing light intensity Po when a light source having a wavelength λ S shorter than the peak wavelength λ 0 of SPR absorption is used. The solid line and broken line graphs respectively correspond to the solid line and broken line graphs on the left side of FIG. As shown in the graph, the outgoing light intensity Po decreases as the outgoing angle ψ increases. When there is a wavelength shift, the emitted light intensity Po changes from a solid line graph to a broken line graph as indicated by an arrow c in the figure. Light having an emission angle ψ of 0 does not change the intensity of the emitted light, but the amount of change in the emitted light intensity increases as the emission angle ψ increases.

また、図6(B)の左側のグラフは、図6(A)と同様に、光源の波長λと出射光強度Poとの関係を示す。実線のグラフは図6(A)と同じものであるが、破線のグラフは、光源強度が何らかの要因で増加した場合の出射光強度である。この場合、図中矢印fで示したように、出射角度によらず一律に、それぞれ実線の曲線から破線の曲線に出射光強度が増加する。   Further, the graph on the left side of FIG. 6B shows the relationship between the wavelength λ of the light source and the emitted light intensity Po, as in FIG. 6A. The solid line graph is the same as that in FIG. 6A, but the broken line graph indicates the emitted light intensity when the light source intensity increases for some reason. In this case, as indicated by the arrow f in the figure, the emitted light intensity increases uniformly from the solid curve to the broken curve, regardless of the emission angle.

図6(B)の右側のグラフは、図6(A)と同様に、SPR吸収のピーク波長λよりも短い波長λの光源を用いた場合の出射角度ψと出射光強度Poとの関係を示す。実線と破線のグラフは、それぞれ図6(A)の左側の実線と破線のグラフに対応している。実線のグラフは図6(A)と同じものであるが、破線のグラフは、光源強度が増加した場合の出射光強度である。光源強度が増加した場合、出射角度によらずに出射光強度が増加し、図中矢印gで示したように曲線全体が上向きに移動する。 The graph on the right side of FIG. 6B shows the emission angle ψ and the emitted light intensity Po when using a light source having a wavelength λ S shorter than the peak wavelength λ 0 of SPR absorption, as in FIG. 6A. Show the relationship. The solid line and broken line graphs respectively correspond to the solid line and broken line graphs on the left side of FIG. The solid line graph is the same as that in FIG. 6A, but the broken line graph indicates the emitted light intensity when the light source intensity increases. When the light source intensity increases, the emission light intensity increases regardless of the emission angle, and the entire curve moves upward as indicated by the arrow g in the figure.

以上説明したように、出射光強度の出射角度依存性のグラフ形状から、出射光強度の変化が波長シフトに起因するのか、光源強度または光結合の変化に起因するのかを区別することができる。   As described above, it can be distinguished from the graph shape of the emission angle dependency of the emission light intensity whether the change in the emission light intensity is caused by the wavelength shift or the change in the light source intensity or the optical coupling.

出射角度に対する出射光強度の変化量は、光源強度とその角度分布や、光導波路との光結合度、光ファイバの特性(開口数や、コアとクラッドの屈折率など)、金属層で1回反射するごとのSPR吸収量から理論的に求められる。後述するように、出射光強度の出射角度依存性は、SPR吸収量の変化のパラメータと、光源強度の変化のパラメータを含む理論式で表される。センサ装置1では、2次元イメージセンサを用いて光導波路からの出射光強度の出射角度依存性を取得し、出射角度と出射光強度を対応付けたデータを理論式にフィッティングすることにより、その理論式に含まれるパラメータを精度よく求めることができる。このため、測定中に光源強度が変動しても、それとは独立にSPR吸収量の変化を求めて、精度よく被測定物質を定量することが可能になる。   The amount of change in outgoing light intensity with respect to the outgoing angle is as follows: light source intensity and its angular distribution, optical coupling with optical waveguide, optical fiber characteristics (numerical aperture, core and cladding refractive index, etc.) It is theoretically determined from the SPR absorption amount for each reflection. As will be described later, the emission angle dependence of the emitted light intensity is expressed by a theoretical formula including a parameter for changing the SPR absorption amount and a parameter for changing the light source intensity. In the sensor device 1, the output angle dependency of the output light intensity from the optical waveguide is acquired using a two-dimensional image sensor, and the data obtained by associating the output angle with the output light intensity is fitted to a theoretical formula to obtain the theory. Parameters included in the expression can be obtained with high accuracy. For this reason, even if the light source intensity fluctuates during the measurement, it is possible to obtain the change in the SPR absorption amount independently of that and to quantify the substance to be measured with high accuracy.

以下では、出射光強度の出射角度依存性を記述する理論式について説明する。   Below, the theoretical formula describing the output angle dependence of the emitted light intensity will be described.

図7は、角度θで全反射しながらコア30を導波する光を示す図である。光導波路のコア径をD、検出部4のz方向の長さをLとする。光源(図7では図示せず)から光導波路への入射角度をψ、光導波路内を伝搬する光がコア−クラッド界面で反射する際の角度をθとする。入射角度ψは光導波路端面に垂直な方向(z方向)を0と定義し、反射角度θは光導波路の長手方向(z方向)を0と定義する。   FIG. 7 is a diagram showing light guided through the core 30 while being totally reflected at an angle θ. The core diameter of the optical waveguide is D, and the length of the detection unit 4 in the z direction is L. An incident angle from a light source (not shown in FIG. 7) to the optical waveguide is ψ, and an angle when light propagating in the optical waveguide is reflected at the core-cladding interface is θ. The incident angle ψ defines a direction perpendicular to the end face of the optical waveguide (z direction) as 0, and the reflection angle θ defines the longitudinal direction (z direction) of the optical waveguide as 0.

光源から光導波路に入射した光は光導波路の端面で屈折するため、空気の屈折率をn1、コアの屈折率をn2とすると、θとψの関係は(1)式で表される。
Since light incident on the optical waveguide from the light source is refracted at the end face of the optical waveguide, assuming that the refractive index of air is n1 and the refractive index of the core is n2, the relationship between θ and ψ is expressed by equation (1).

光の反射回数をN(ψ)、1回反射するごとのSPR吸収量をaとすると、光導波路3のうち、検出部4が設けられておりSPR吸収が起こる部分(「SPR部分」という)の透過率Tm(ψ)は、(2)式で表される。
When the number of times of light reflection is N (ψ) and the SPR absorption amount for each reflection is a, a portion of the optical waveguide 3 where the detection unit 4 is provided and SPR absorption occurs (referred to as “SPR portion”). The transmittance Tm (ψ) of is expressed by equation (2).

θに対する反射回数N(θ)は(3)式で表されるので、(1)式を使ってθをψに置き換えると、ψに対する反射回数N(ψ)は(4)式で表される。
Since the number of reflections N (θ) with respect to θ is expressed by equation (3), when θ is replaced with ψ using equation (1), the number of reflections N (ψ) with respect to ψ is expressed by equation (4). .

したがって、光源強度の角度依存性をI(ψ)とすると、光導波路からの出射光強度Po(ψ)は(5)式で表される。
Therefore, when the angle dependency of the light source intensity is I (ψ), the emitted light intensity Po (ψ) from the optical waveguide is expressed by the following equation (5).

光源強度分布はどのようなものでもよいが、例えばチップ実装型のLEDでは、ランバート分布が一般的である。ランバート分布の場合、(6)式に示すように、光源強度分布I(ψ)は出射角度ψのcosで表される。
Any light source intensity distribution may be used. For example, a Lambert distribution is generally used in a chip-mounted LED. In the case of Lambert distribution, as shown in the equation (6), the light source intensity distribution I (ψ) is expressed by cos of the emission angle ψ.

図8は、ランバート分布である光源強度分布I(ψ)を示す図である。図9は、ランバート分布をもつ光源を用いた場合の、光源強度分布I(ψ)、光の反射回数N(ψ)、SPR部分の透過率Tm(ψ)および出射光強度Po(ψ)の例を示すグラフである。   FIG. 8 is a diagram showing a light source intensity distribution I (ψ) that is a Lambertian distribution. FIG. 9 shows the light source intensity distribution I (ψ), the number of light reflections N (ψ), the transmittance Tm (ψ) of the SPR portion, and the emitted light intensity Po (ψ) when a light source having a Lambertian distribution is used. It is a graph which shows an example.

光源強度分布I(ψ)は、(6)式に従い、出射角度ψに対してcosで減少する。反射回数N(ψ)は整数なので、出射角度ψに対して図9のように階段状に増加する。これに伴い、透過率Tm(ψ)は、出射角度ψに対して階段状の曲線を描きながら指数関数的に減少する。その結果、出射光強度Po(ψ)は、出射角度ψに対して階段状の曲線を描きながらほぼ直線的に減少する。   The light source intensity distribution I (ψ) decreases by cos with respect to the emission angle ψ according to the equation (6). Since the number of reflections N (ψ) is an integer, it increases stepwise as shown in FIG. 9 with respect to the emission angle ψ. Along with this, the transmittance Tm (ψ) decreases exponentially while drawing a step-like curve with respect to the emission angle ψ. As a result, the emitted light intensity Po (ψ) decreases almost linearly while drawing a stepped curve with respect to the emission angle ψ.

見通しをよくするため、反射回数N(ψ)を実数として扱うと、図9で階段状に変化していた出射光強度Po(ψ)はほぼ直線で表される。そこで、以下では、計算量を減らすために、出射光強度Po(ψ)を直線近似する。   If the number of reflections N (ψ) is treated as a real number for better visibility, the emitted light intensity Po (ψ) that has changed in a staircase pattern in FIG. 9 is substantially represented by a straight line. Therefore, in the following, in order to reduce the amount of calculation, the output light intensity Po (ψ) is linearly approximated.

光源強度分布I(ψ)として(6)式のランバート分布を用いた(5)式の出射光強度Po(ψ)を級数展開して、ψの1次の項までとると、(7)式が得られる。
When the outgoing light intensity Po (ψ) of equation (5) using the Lambert distribution of equation (6) as the light source intensity distribution I (ψ) is expanded to the first order term of ψ, equation (7) is obtained. Is obtained.

L、D、n1、n2、aは全て定数なので、(8)式のようにψの1次の項の係数をαとおくと、出射光強度Po(ψ)は(9)式で表される。
Since L, D, n1, n2, and a are all constants, if the coefficient of the first-order term of ψ is α as shown in equation (8), the emitted light intensity Po (ψ) is expressed by equation (9). The

αはSPR吸収量の変化を示すパラメータであり、Iは光源強度の変化を表すパラメータである。出射光強度Po(ψ)は、これらのパラメータI,αで決まる直線で表される。 α is a parameter indicating a change in SPR absorption, and I 0 is a parameter indicating a change in light source intensity. The emitted light intensity Po (ψ) is represented by a straight line determined by these parameters I 0 and α.

図10は、SPR吸収のピーク波長が長波長側にシフトして透過率Tmが増加した場合と、光源強度Iが増加した場合の出射光強度Po(ψ)の変化を示すグラフである。図10では、出射光強度Po(ψ)を直線近似した(9)式をプロットしている。   FIG. 10 is a graph showing changes in the emitted light intensity Po (ψ) when the peak wavelength of SPR absorption is shifted to the longer wavelength side to increase the transmittance Tm and when the light source intensity I is increased. In FIG. 10, the equation (9) in which the outgoing light intensity Po (ψ) is linearly approximated is plotted.

太い実線は、ピーク波長のシフトや光源強度の変動が起こる前の出射光強度Po(ψ)のグラフである。図6(A)および図6(B)で説明したように、SPR吸収のピーク波長がシフトした場合の出射光強度Po(ψ)は、細い実線のグラフのように傾きが緩やかになり、光源強度Iが増加した場合の出射光強度Po(ψ)は、破線のグラフのように出射角度ψによらずに増加する(縦方向に平行移動される)。図10のグラフから、ピーク波長のシフトは(9)式のパラメータαの変化に、光源強度Iの変化は(9)式のパラメータIの変化にそれぞれ対応していることがわかる。 The thick solid line is a graph of the emitted light intensity Po (ψ) before the peak wavelength shift or the light source intensity fluctuation occurs. As described in FIGS. 6A and 6B, the outgoing light intensity Po (ψ) when the peak wavelength of SPR absorption is shifted has a gentle slope as shown by a thin solid line graph. When the intensity I increases, the emitted light intensity Po (ψ) increases regardless of the emission angle ψ as shown by the broken line graph (translated in the vertical direction). From the graph of FIG. 10, it can be seen that the shift of the peak wavelength corresponds to the change in the parameter α in the equation (9), and the change in the light source intensity I corresponds to the change in the parameter I 0 in the equation (9).

次に、イメージセンサ10で取得されたパターンから出射光強度Po(ψ)のパラメータI,αを求める方法について説明する。 Next, a method for obtaining the parameters I 0 and α of the emitted light intensity Po (ψ) from the pattern acquired by the image sensor 10 will be described.

図11は、円形断面の光ファイバである光導波路3を用いた場合にイメージセンサ10で取得されたパターンの例を示す図である。円形断面の光ファイバを光導波路に用いると、出射パターンもおおよそ円対称になり、同じ出射角度の画素は同心円状に分布する。   FIG. 11 is a diagram illustrating an example of a pattern acquired by the image sensor 10 when the optical waveguide 3 which is an optical fiber having a circular cross section is used. When an optical fiber having a circular cross section is used for the optical waveguide, the emission pattern is also approximately circularly symmetric, and pixels having the same emission angle are distributed concentrically.

なお、角型断面の光導波路3’を用いる場合は、金属層は基板の表面にのみ形成されているので、コア30’の表面と裏面で反射しながら進む光(進行方向がy成分をもつ光)にのみSPR吸収が生じる。したがって、図示しないが、角型断面の光導波路3’を用いる場合のイメージセンサのパターンでは、出射光強度の出射角度依存性はy方向にのみ現れる。   In the case of using the optical waveguide 3 ′ having a rectangular cross section, the metal layer is formed only on the surface of the substrate, so light traveling while reflecting on the front and back surfaces of the core 30 ′ (the traveling direction has a y component). SPR absorption occurs only in (light). Therefore, although not shown, in the pattern of the image sensor when the optical waveguide 3 ′ having a square cross section is used, the emission angle dependency of the emission light intensity appears only in the y direction.

図12は、イメージセンサ10で取得されたパターンから出射光強度Po(ψ)のパラメータI,αを求める方法の例を示すフローチャートである。図12に示したフローは、制御部11内のメモリに予め記憶されたプログラムに従って、制御部11内のCPUにより実行される。 FIG. 12 is a flowchart illustrating an example of a method for obtaining the parameters I 0 and α of the emitted light intensity Po (ψ) from the pattern acquired by the image sensor 10. The flow shown in FIG. 12 is executed by the CPU in the control unit 11 according to a program stored in advance in the memory in the control unit 11.

最初に、パターン上の原点Oを求める(S1)。原点Oは、パターン上で、光導波路から真っ直ぐ出射した光が当たる位置とする。原点Oを求めるには、最も出射光強度が大きい位置を探せばよい。その際は、予め空間的な平均化処理を行ってノイズを取り除いておくとよい。   First, the origin O on the pattern is obtained (S1). The origin O is a position where light emitted straight from the optical waveguide hits the pattern. In order to obtain the origin O, a position where the intensity of the emitted light is the highest should be searched. In that case, it is preferable to perform a spatial averaging process in advance to remove noise.

原点Oが求められたら、パターン上の各画素に対応する出射角度を求める(S2)。光導波路からの出射角度は、パターン上における原点Oからの空間的な距離に比例する。このため、パターン上の各画素に対応する出射角度を求めるには、原点Oからその画素までの距離を求めればよい。   When the origin O is obtained, the emission angle corresponding to each pixel on the pattern is obtained (S2). The emission angle from the optical waveguide is proportional to the spatial distance from the origin O on the pattern. Therefore, in order to obtain the emission angle corresponding to each pixel on the pattern, the distance from the origin O to that pixel may be obtained.

一般に、2次元イメージセンサの画素座標は、画面左上に原点をとり、水平方向右向きにx軸をとり、垂直方向下向きにy軸をとる。原点Oの画素座標を(x、y)とし、点pの画素座標を(x、y)とすると、画素間距離dは(10)式で求められる。
In general, pixel coordinates of a two-dimensional image sensor have an origin at the upper left of the screen, an x axis in the horizontal right direction, and a y axis in the vertical direction downward. When the pixel coordinates of the origin O are (x 0 , y 0 ) and the pixel coordinates of the point p i are (x i , y i ), the inter-pixel distance d i can be obtained by equation (10).

画素間距離dと出射角度は比例関係にあるので、その比例係数は(9)式のパラメータαに含められる。したがって、点pにおける出射角度ψの値には、相対値を用いてよい。 Since the inter-pixel distance d i and the emission angle are in a proportional relationship, the proportional coefficient is included in the parameter α in the equation (9). Therefore, a relative value may be used as the value of the emission angle ψ i at the point p i .

なお、画素間距離dと出射パターン上の空間的な距離が比例しない場合であっても、予め校正することで両者を比例関係にすることは容易である。また、距離と出射角度の関係が比例しない場合も考えられるが、この場合も、両者の関係は光センサ8の光学設計から求められるので、必要に応じて補正すれば、両者を比例関係にすることは容易である。 Even when the inter-pixel distance d i and the spatial distance on the emission pattern are not proportional, it is easy to make the two proportional to each other by calibrating in advance. In addition, there may be a case where the relationship between the distance and the emission angle is not proportional, but in this case as well, the relationship between the two is obtained from the optical design of the optical sensor 8, so that if both are corrected as necessary, the relationship is made proportional. It is easy.

パターン上の各画素について出射角度が求められたら、各画素について、出射角度ψと出射光強度Poとを対応付けたデータを作成する(S3)。光ファイバである光導波路3を用いる場合は、出射パターンが円対称になり同じ出射角度の画素は同心円状に分布するので、原点Oを中心とする径方向の強度分布から出射角度ψと出射光強度Poとを対応付けたデータを作成する。また、角型断面を有する光導波路3’を用いる場合は、イメージセンサ10により取得されたパターンにおけるy方向の強度分布から、出射角度ψと出射光強度Poとを対応付けたデータを作成する。 When the emission angle is obtained for each pixel on the pattern, data in which the emission angle ψ i is associated with the emission light intensity Po i is created for each pixel (S3). When the optical waveguide 3 which is an optical fiber is used, the emission pattern is circularly symmetric and pixels having the same emission angle are distributed concentrically, so that the emission angle ψ i is output from the radial intensity distribution centered on the origin O. Data in which the light intensity Po i is associated is created. In addition, when the optical waveguide 3 ′ having a square cross section is used, data in which the emission angle ψ i and the emission light intensity Po i are associated is created from the intensity distribution in the y direction in the pattern acquired by the image sensor 10. To do.

実際の出射光強度とイメージセンサから得られるデータとは比例関係にあるので、その比例係数は(9)式のパラメータIに含められる。したがって、点pにおける出射光強度Poの値にも、相対値を用いてよい。 Since the actual intensity of the emitted light and the data obtained from the image sensor are in a proportional relationship, the proportional coefficient is included in the parameter I 0 in equation (9). Therefore, a relative value may be used for the value of the emitted light intensity Po i at the point p i .

そして、ステップS3で求めたデータから、最小二乗法により(9)式のパラメータI,αを求める(S4)。イメージセンサ10で取得されたパターンから出射光強度Po(ψ)のパラメータI,αを求める方法は、以上で終了する。 Then, the parameters I 0 and α of equation (9) are obtained from the data obtained in step S3 by the least square method (S4). The method for obtaining the parameters I 0 and α of the emitted light intensity Po (ψ) from the pattern acquired by the image sensor 10 ends here.

センサ装置1では、イメージセンサ10の画素数に相当する多数のデータを、誤差が最も少なくなるように最小二乗法により理論式にフィッティングして、SPR吸収量の変化を求める。このため、異なる2つの角度の光で測定された出射光強度のデータを用いる場合と比べて、高精度にSPR吸収量変化を求めることができる。   In the sensor device 1, a large amount of data corresponding to the number of pixels of the image sensor 10 is fitted to a theoretical formula by the least square method so that the error is minimized, and a change in the SPR absorption amount is obtained. For this reason, compared with the case where the data of the emitted light intensity measured with the light of two different angles are used, SPR absorption amount change can be calculated | required with high precision.

また、センサ装置1では、出射角度に対する出射光強度Poの変化を1次式で表し、SPR吸収量の変化と光源強度の変化を、それぞれ別のパラメータα,Iとして求める。光源強度の変化や、入射側のアライメントずれに伴う出射光強度の変動の影響は、パラメータIに含められる。また、出射側の光導波路と光センサとのアライメントずれに伴う出射光強度変動は、イメージセンサ10で取得されたパターン上で光導波路の位置(原点O)を求めてから角度依存性を計算することで、打ち消すことができる。このため、光源の強度変動や、アライメントずれに伴う出射光強度の変動があったとしても、センサ装置1では、それらの影響を受けずにSPR吸収量の変化を求めることができる。 In the sensor device 1, the change in the emitted light intensity Po with respect to the emission angle is expressed by a linear expression, and the change in the SPR absorption amount and the change in the light source intensity are obtained as different parameters α and I 0 , respectively. Changes in the source intensity, the influence of variation in emission intensity due to misalignment of the incident side are included in the parameter I 0. Further, the fluctuation of the outgoing light intensity due to the misalignment between the optical waveguide on the outgoing side and the optical sensor is calculated for the angle dependence after obtaining the position of the optical waveguide (origin O) on the pattern acquired by the image sensor 10. This can be countered. For this reason, even if there is a variation in the intensity of the light source or a variation in the intensity of the emitted light due to the misalignment, the sensor device 1 can determine the change in the SPR absorption amount without being affected by the influence.

また、上記の方法は、1次式へのフィッティングであるから、計算量を減らせる点でも有用である。   Moreover, since the above method is fitting to a linear expression, it is also useful in that the amount of calculation can be reduced.

さらに、センサ装置1では光源7としてLED光源を用いており、ビーム光源やレンズなどの光学系は必要ない。LED光源自体がもつ光源強度の角度分布を利用することから、センサ装置1では、入射角度の異なる複数の光源を設けたり、光源の入射角度を変化させる機構を設けたりする必要もない。また、光センサ8として2次元イメージセンサを用いており、分光器などの高価で大型の機器は必要ない。このため、センサ装置1は、装置を小型化かつ低価格化することができる。   Further, the sensor device 1 uses an LED light source as the light source 7, and an optical system such as a beam light source or a lens is not necessary. Since the angle distribution of the light source intensity of the LED light source itself is used, the sensor device 1 does not need to provide a plurality of light sources having different incident angles or a mechanism for changing the incident angle of the light sources. Further, a two-dimensional image sensor is used as the optical sensor 8, and an expensive and large-sized device such as a spectroscope is not necessary. For this reason, the sensor device 1 can reduce the size and the price of the device.

図4に示す角型断面の光導波路3’を有するセンサチップ2Bを使い、エチレングリコールを被測定物質として、センサ装置1でサンプル溶液の濃度を測定する実験を行った。光導波路3’にはポリマー製のものを使用し、光源には波長660nmのLED光源を使用した。   Using the sensor chip 2B having the optical waveguide 3 'having a square cross section shown in FIG. 4, an experiment was conducted in which the concentration of the sample solution was measured with the sensor device 1 using ethylene glycol as the substance to be measured. The optical waveguide 3 'was made of polymer, and the light source was an LED light source having a wavelength of 660 nm.

図13(A)および図13(B)は、センサチップ2Bを使用したときにイメージセンサ10で取得された出射光強度のパターンを示す図である。図13(A)はサンプル溶液を滴下する前のパターンを、図13(B)は被測定物質を含まない純水をサンプル溶液として滴下した後のパターンを示す。図中の黒い点は、出射光強度が強い位置に対応する。   FIG. 13A and FIG. 13B are diagrams showing patterns of emitted light intensity acquired by the image sensor 10 when the sensor chip 2B is used. FIG. 13A shows a pattern before dropping a sample solution, and FIG. 13B shows a pattern after dropping pure water not containing a substance to be measured as a sample solution. The black dots in the figure correspond to positions where the emitted light intensity is strong.

図13(A)のパターンは等方的であり、中心から遠ざかるにつれてx方向もy方向も同じように強度が減少していく。これに対し、図13(B)のパターンは、図13(A)のパターンと比べて全体的に出射光強度が低下しており、特にy方向の出射光強度が図13(A)のパターンと比べて大きく低下していることがわかる。これは、コア30’の表面と裏面で反射しながら進む光(進行方向がy成分をもつ光)がSPR吸収されることに相当している。   The pattern in FIG. 13A is isotropic, and the intensity decreases in the same manner in both the x and y directions as the distance from the center increases. On the other hand, the pattern of FIG. 13B has a lower emission light intensity as a whole than the pattern of FIG. 13A, and the emission light intensity in the y direction is particularly the pattern of FIG. It turns out that it has fallen greatly compared with. This corresponds to SPR absorption of light that travels while being reflected by the front and back surfaces of the core 30 ′ (light whose traveling direction has a y component).

図14(A)〜図14(C)は、イメージセンサ10で取得された出射光強度のパターンにおける、y方向の強度変化を示すグラフである。   FIG. 14A to FIG. 14C are graphs showing the intensity change in the y direction in the pattern of the emitted light intensity acquired by the image sensor 10.

まず、図14(A)は、サンプル溶液なしのとき(AIR)と、被測定物質としてエチレングリコールをそれぞれ0%、1%、3%、5%含むサンプル溶液を滴下したときの出射光強度Po(y)のグラフを示す。なお、0%とは、サンプル溶液として純水を加えた場合に相当する。出射光強度Po(y)は、イメージセンサのパターン上の原点Oを通るy方向の直線上における、y方向の画素位置に対する出射光強度の変化である。ただし、原点Oを通る1ラインだけのデータではノイズ(ばらつき)が出るため、原点Oを中心とするy方向に平行な計21ライン(原点Oを通るラインと±x方向の各10画素についてのy方向に平行なライン)について平均化したデータをプロットした。   First, FIG. 14A shows the intensity of emitted light Po when there is no sample solution (AIR) and when a sample solution containing 0%, 1%, 3%, and 5% of ethylene glycol is dropped as a substance to be measured. The graph of (y) is shown. Here, 0% corresponds to the case where pure water is added as a sample solution. The emitted light intensity Po (y) is a change in the emitted light intensity with respect to the pixel position in the y direction on a straight line in the y direction passing through the origin O on the pattern of the image sensor. However, since noise (variation) is generated in the data of only one line passing through the origin O, a total of 21 lines parallel to the y direction centering on the origin O (for each of the 10 pixels in the ± x directions and the line passing through the origin O). Data averaged for a line parallel to the y direction) was plotted.

サンプル溶液なしの場合、金属層はセンサ膜を介してサンプル溶液より屈折率の小さい空気と接しているため、SPR吸収のピーク波長は短波長側に大きくシフトし、光源波長660nmではほとんどSPR吸収が起こらない。一方、サンプル溶液がセンサ膜に接すると、SPR吸収のピークが700nm付近に生じるため、光源波長660nmにおいて大きなSPR吸収が生じて、透過率が減少する。エチレングリコールを加えたサンプル溶液では、濃度とともにピーク波長が長波長側にシフトするため、透過率が増加する。このため、エチレングリコールの濃度が0%、1%、3%、5%と高くなるにつれて、出射光強度Po(y)は増加する。   In the case of no sample solution, the metal layer is in contact with air having a refractive index smaller than that of the sample solution through the sensor film, so the peak wavelength of SPR absorption is greatly shifted to the short wavelength side, and almost no SPR absorption occurs at the light source wavelength of 660 nm. Does not happen. On the other hand, when the sample solution is in contact with the sensor film, the peak of SPR absorption occurs near 700 nm, so that large SPR absorption occurs at the light source wavelength of 660 nm, and the transmittance decreases. In the sample solution to which ethylene glycol is added, the peak wavelength shifts to the long wavelength side with the concentration, and thus the transmittance increases. For this reason, the emitted light intensity Po (y) increases as the ethylene glycol concentration increases to 0%, 1%, 3%, and 5%.

なお、角型断面の光導波路3’を用いる場合、金属層が形成されていない光導波路の側面を反射してくる光(xz面内を進む光)はSPR吸収を起こさないため、透過率が減少しないはずである。しかしながら、ポリマー製の光導波路は、寸法精度や表面粗さなどの特性がガラス製の光導波路と比べて悪いことから、光導波路の端面に細かい凹凸ができやすく、コア−クラッド界面のゆらぎや散乱により光の進行方向がランダムに変化する。このため、ポリマー製の光導波路を用いる場合は、xz面内を進み出射した光でもSPR吸収が生じ、イメージセンサのパターンにはy方向だけでなくx方向にも強度分布が見られると同時に、出射角度が0の光でもSPR吸収による透過率の減少が生じる。この現象を、ここでは混合現象と呼ぶことにする。この混合現象の影響を取り除くため、図14(A)における出射光強度Po(y)の各グラフのピーク位置をそろえる処理を行う。   When the optical waveguide 3 ′ having a rectangular cross section is used, the light reflected from the side surface of the optical waveguide on which the metal layer is not formed (the light traveling in the xz plane) does not cause SPR absorption, and thus has a transmittance. Should not decrease. However, polymer optical waveguides have poor dimensional accuracy and surface roughness characteristics compared to glass optical waveguides, so that it is easy to make fine irregularities on the end face of the optical waveguide, and fluctuations and scattering at the core-clad interface. The light travel direction changes randomly. For this reason, when a polymer optical waveguide is used, SPR absorption occurs even in the light emitted in the xz plane and the intensity distribution is seen not only in the y direction but also in the x direction in the pattern of the image sensor. Even with light having an emission angle of 0, the transmittance is reduced due to SPR absorption. This phenomenon is called a mixing phenomenon here. In order to remove the influence of this mixing phenomenon, processing for aligning the peak positions of each graph of the emitted light intensity Po (y) in FIG.

図14(B)は、図14(A)における各グラフについて、z方向に直進しy方向の原点でピークをとる光の強度(ピーク位置の出射光強度)が1になるように出射光強度Po(y)を相対化した出射光強度Pref(y)のグラフを示す。この処理は出射光強度Iの変化と考えられるため、このように相対化してもよいことは(9)式から明らかである。 FIG. 14B shows the output light intensity so that the intensity of light that goes straight in the z direction and peaks at the origin in the y direction (the output light intensity at the peak position) is 1 for each graph in FIG. shows a graph of Po relative the (y) the output light intensity P ref (y). Since this process is considered to be a change in the emitted light intensity I 0 , it is clear from the equation (9) that the relative processing may be performed in this way.

図14(C)は、図14(B)の部分拡大図である。図14(B)では、出射光強度の出射角度依存性を表すパラメータαに対応する出射光強度Pref(y)のグラフの傾きは、サンプル溶液の濃度によってほとんど変化しないように見える。しかしながら、図14(C)の部分拡大図では、サンプル溶液の濃度が高くなるほど、パラメータαに対応する出射光強度Pref(y)のグラフの傾きが変化していることがわかる。 FIG. 14C is a partially enlarged view of FIG. In FIG. 14B, it appears that the slope of the graph of the output light intensity P ref (y) corresponding to the parameter α representing the output angle dependence of the output light intensity hardly changes depending on the concentration of the sample solution. However, in the partially enlarged view of FIG. 14C, it can be seen that as the concentration of the sample solution increases, the slope of the graph of the emitted light intensity P ref (y) corresponding to the parameter α changes.

図15は、図14(C)の出射光強度Pref(y)の各グラフを最小二乗法により直線近似して求めた傾きαとサンプル溶液の濃度との関係を示すグラフである。横軸はサンプル溶液中のエチレングリコールの濃度C(%)であり、縦軸は各濃度に対する傾きαの値である。 FIG. 15 is a graph showing the relationship between the slope α obtained by linearly approximating each graph of the emitted light intensity P ref (y) of FIG. 14C by the least square method and the concentration of the sample solution. The horizontal axis represents the ethylene glycol concentration C (%) in the sample solution, and the vertical axis represents the value of the slope α for each concentration.

図14(C)のy画素位置520が出射角度0に相当し、それより左側のy画素位置が小さい領域で傾きを求めているため、傾きαは正の値になっている。図15に示すように、サンプル溶液の濃度Cが増加するにつれて傾きαは減少している。すなわち、SPR吸収量が相対的に減少しており、理論通りであることがわかる。このようにして得られたサンプル溶液の濃度Cに対するパラメータαの関係を検量線として用いることで、未知の濃度の被測定物質を定量することが可能である。   Since the y pixel position 520 in FIG. 14C corresponds to the emission angle 0 and the inclination is obtained in a region where the y pixel position on the left side is small, the inclination α is a positive value. As shown in FIG. 15, the slope α decreases as the concentration C of the sample solution increases. That is, it can be seen that the SPR absorption amount is relatively decreased, which is the same as the theory. By using the relationship of the parameter α to the concentration C of the sample solution thus obtained as a calibration curve, it is possible to quantify a substance to be measured having an unknown concentration.

角型断面の光導波路3’については、特にポリマー製の光導波路を用いる場合、いわゆる混合現象が生じるため、一般に、(9)式に示すパラメータIがサンプル溶液の濃度によって大きく変化し、かつ出射角度依存パラメータαが小さい値になる。しかしながら、センサ装置1の測定方法では、光源強度Iの変化量が打ち消されるため、パラメータIが大きく変動する場合であっても、パラメータαからSPR吸収量を定量することが可能である。 Regarding the optical waveguide 3 ′ having a rectangular cross section, in particular, when a polymer optical waveguide is used, a so-called mixing phenomenon occurs. Therefore, in general, the parameter I 0 shown in the equation (9) greatly varies depending on the concentration of the sample solution, and The emission angle dependent parameter α becomes a small value. However, in the measurement method of the sensor device 1, since the variation of the light source intensity I 0 is canceled, even if the parameter I 0 varies greatly, it is possible to quantify the SPR absorption from the parameter alpha.

1 センサ装置
2,2A,2B センサチップ
3,3’ 光導波路
4,4A,4B 検出部
6 サンプル溶液
7 光源
8 光センサ
11 制御部
30,30’ コア
31,31’ クラッド
40,40A,40B 金属層
41 センサ膜
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sensor apparatus 2, 2A, 2B Sensor chip 3, 3 'Optical waveguide 4, 4A, 4B Detection part 6 Sample solution 7 Light source 8 Optical sensor 11 Control part 30, 30' Core 31, 31 'Cladding 40, 40A, 40B Metal Layer 41 Sensor membrane

Claims (7)

光源と、
前記光源からの光を導波するコアおよび前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、
前記コアに接するように配置され、前記光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、
前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜と、
前記光導波路からの出射光の強度分布を検知する出射光検知部と、
前記出射光検知部により検知された強度分布から得られる前記出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量する制御部と、
を有するセンサ装置。
A light source;
An optical waveguide including a core that guides light from the light source and a cladding that covers the core;
A metal layer disposed in contact with the core and causing surface plasmon resonance by light from the light source;
A sensor film that is formed on the surface of the metal layer and in which a solution containing a substance to be measured is dropped to specifically bind to the substance to be measured;
An outgoing light detector for detecting an intensity distribution of outgoing light from the optical waveguide;
A control unit that quantifies the substance to be measured in the solution dropped on the sensor film, based on the relationship between the emission angle and intensity of the emission light obtained from the intensity distribution detected by the emission light detection unit;
A sensor device.
前記制御部は、前記出射光の出射角度と強度との関係を記述する理論式のパラメータを前記強度分布から決定することにより、前記出射光の出射角度に対する前記金属層での光の吸収量の変化を求める、請求項1に記載のセンサ装置。   The control unit determines a parameter of a theoretical formula describing a relationship between an emission angle and an intensity of the emitted light from the intensity distribution, thereby determining a light absorption amount in the metal layer with respect to the emission angle of the emitted light. The sensor device according to claim 1, wherein a change is obtained. 前記出射光検知部は、前記光導波路の出射面上で前記出射光を受光する2次元イメージセンサである、請求項2に記載のセンサ装置。   The sensor device according to claim 2, wherein the emission light detection unit is a two-dimensional image sensor that receives the emission light on an emission surface of the optical waveguide. 前記光導波路は光ファイバであり、
前記制御部は、前記2次元イメージセンサにより取得された円対称のパターンにおける径方向の強度分布から、前記出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得する、請求項3に記載のセンサ装置。
The optical waveguide is an optical fiber;
The said control part acquires the data which matched the output angle and intensity | strength of the said emitted light from the intensity distribution of the radial direction in the circularly symmetric pattern acquired by the said two-dimensional image sensor. Sensor device.
前記光導波路は基板の表面に形成された角型断面を有する光導波路であり、
前記制御部は、前記2次元イメージセンサにより取得されたパターンにおける、前記金属層に垂直な方向の強度分布から、前記出射光の出射角度と強度とを対応付けたデータを取得する、請求項3に記載のセンサ装置。
The optical waveguide is an optical waveguide having a square cross section formed on the surface of a substrate,
The said control part acquires the data which matched the output angle and intensity | strength of the said emitted light from the intensity distribution of the direction perpendicular | vertical to the said metal layer in the pattern acquired by the said two-dimensional image sensor. The sensor device according to 1.
前記光源はランバート分布の出射光強度を有するLED光源である、請求項1〜5のいずれか一項に記載のセンサ装置。   The sensor device according to claim 1, wherein the light source is an LED light source having an emitted light intensity with a Lambertian distribution. 光源と、前記光源からの光を導波するコアおよび前記コアを被覆するクラッドを含む光導波路と、前記コアに接するように配置され、前記光源からの光により表面プラズモン共鳴が生じる金属層と、前記金属層の表面に形成され、被測定物質を含む溶液が滴下されて被測定物質と特異的に結合するセンサ膜とを有するセンサ装置を用いた測定方法であって、
前記光導波路からの出射光の強度分布を検知するステップと、
検知された強度分布から得られる前記出射光の出射角度と強度との関係に基づいて、前記センサ膜に滴下された溶液中の被測定物質を定量するステップと、
を有する測定方法。
A light source, an optical waveguide including a core that guides light from the light source and a clad that covers the core, and a metal layer that is disposed in contact with the core and causes surface plasmon resonance by the light from the light source; A measurement method using a sensor device having a sensor film formed on the surface of the metal layer and having a sensor film that specifically binds to the substance to be measured by dropping a solution containing the substance to be measured,
Detecting an intensity distribution of light emitted from the optical waveguide;
Quantifying the substance to be measured in the solution dropped on the sensor film based on the relationship between the emission angle and intensity of the emitted light obtained from the detected intensity distribution;
Measuring method.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019168278A (en) * 2018-03-22 2019-10-03 株式会社日立製作所 Optical sensor and analyzer using the same
JP2022164211A (en) * 2021-04-16 2022-10-27 株式会社Soxai antigen sensor

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2019168278A (en) * 2018-03-22 2019-10-03 株式会社日立製作所 Optical sensor and analyzer using the same
US11036013B2 (en) * 2018-03-22 2021-06-15 Hitachi, Ltd. Optical sensor and analyzer using the same
JP7117869B2 (en) 2018-03-22 2022-08-15 株式会社日立製作所 Analysis equipment
JP2022153599A (en) * 2018-03-22 2022-10-12 株式会社日立製作所 Optical sensor and analyzing device using the same
JP2022164211A (en) * 2021-04-16 2022-10-27 株式会社Soxai antigen sensor

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