JP3016640B2 - 光導波路型バイオセンサ - Google Patents
光導波路型バイオセンサInfo
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- JP3016640B2 JP3016640B2 JP3265165A JP26516591A JP3016640B2 JP 3016640 B2 JP3016640 B2 JP 3016640B2 JP 3265165 A JP3265165 A JP 3265165A JP 26516591 A JP26516591 A JP 26516591A JP 3016640 B2 JP3016640 B2 JP 3016640B2
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- optical waveguide
- biosensor
- thin film
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- Investigating Or Analysing Materials By The Use Of Chemical Reactions (AREA)
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
- Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
- Apparatus Associated With Microorganisms And Enzymes (AREA)
- Measuring Or Testing Involving Enzymes Or Micro-Organisms (AREA)
Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、バイオセンサに関す
る。より詳細には、感度および精度が高いグルコースセ
ンサとして動作するバイオセンサに関する。
る。より詳細には、感度および精度が高いグルコースセ
ンサとして動作するバイオセンサに関する。
【０００２】
【従来の技術】バイオセンサは、各種の生体物質の有す
る分子識別機能を利用して化学物質を測定する装置であ
る。一般に、バイオセンサは分子識別素子である生体物
質と、トランスデューサと呼ばれる物理化学デバイスと
を組み合わせて構成される。分子識別素子としては、酵
素、抗体、レセプタ、動物および植物細胞、微生物等が
使用される。一方、トランスデューサとしては、電極、
サーミスタ、化学発光、ＦＥＴ等が使用されている。
る分子識別機能を利用して化学物質を測定する装置であ
る。一般に、バイオセンサは分子識別素子である生体物
質と、トランスデューサと呼ばれる物理化学デバイスと
を組み合わせて構成される。分子識別素子としては、酵
素、抗体、レセプタ、動物および植物細胞、微生物等が
使用される。一方、トランスデューサとしては、電極、
サーミスタ、化学発光、ＦＥＴ等が使用されている。
【０００３】最初に開発されたバイオセンサは、酵素電
極型バイオセンサである。これは、分子識別素子として
酵素を用い、トランスデューサに電極を組み合わせたも
のである。その後、分子識別素子に上記の各種の生体物
質が使用された電極型バイオセンサが開発された。電極
型バイオセンサは、分子識別素子である生体の反応で消
費されたり、生成されたりする化学物質を電極で検知
し、電気信号に変換して測定する。
極型バイオセンサである。これは、分子識別素子として
酵素を用い、トランスデューサに電極を組み合わせたも
のである。その後、分子識別素子に上記の各種の生体物
質が使用された電極型バイオセンサが開発された。電極
型バイオセンサは、分子識別素子である生体の反応で消
費されたり、生成されたりする化学物質を電極で検知
し、電気信号に変換して測定する。
【０００４】一方、生化学反応や化学反応に伴う発光を
もとに、化学物質の測定を行うバイオセンサとして、フ
ォトバイオセンサがある。具体的には、ルミノールと過
酸化水素の混液に金属錯体や金属酵素を添加した場合に
起こるルミノールの発光を、トランスデューサに利用し
たものがある。この場合、分子識別素子には酸化還元酵
素を使用し、生成する過酸化水素により起こる上記の発
光を測定する。このようなフォトバイオセンサは、電極
型バイオセンサよりも高い感度で化学物質を測定するこ
とが可能である。
もとに、化学物質の測定を行うバイオセンサとして、フ
ォトバイオセンサがある。具体的には、ルミノールと過
酸化水素の混液に金属錯体や金属酵素を添加した場合に
起こるルミノールの発光を、トランスデューサに利用し
たものがある。この場合、分子識別素子には酸化還元酵
素を使用し、生成する過酸化水素により起こる上記の発
光を測定する。このようなフォトバイオセンサは、電極
型バイオセンサよりも高い感度で化学物質を測定するこ
とが可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】上記のバイオセンサ
は、主にトランスデューサの性能により、その性能の限
界が決まってしまっていた。即ち、トランスデューサの
検出能、感度、精度を向上させるとバイオセンサそのも
のの性能を向上させることができる。そこで、本発明の
目的は、新規なトランスデューサを使用した高感度なバ
イオセンサシステムを提供することにある。
は、主にトランスデューサの性能により、その性能の限
界が決まってしまっていた。即ち、トランスデューサの
検出能、感度、精度を向上させるとバイオセンサそのも
のの性能を向上させることができる。そこで、本発明の
目的は、新規なトランスデューサを使用した高感度なバ
イオセンサシステムを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】本発明に従うと、表面に
光導波路を有する透明誘電体基板と、該透明誘電体基板
の該光導波路の上に配置されたフォトクロミック反応を
示す金属酸化物の薄膜と、該金属酸化物薄膜の表面を被
覆する疏水性且つ気体透過性のフィルタと、該フィルタ
上に配置されたグルコースの存在によりエタノールを発
生する微生物を固定化した担体と、前記金属酸化物薄膜
に光を照射する光源と、前記光導波路を進行するレーザ
光の光源と、前記光導波路を透過したレーザ光の強度を
測定するセンサとを具備することを特徴とする光導波路
型バイオセンサが提供される。
光導波路を有する透明誘電体基板と、該透明誘電体基板
の該光導波路の上に配置されたフォトクロミック反応を
示す金属酸化物の薄膜と、該金属酸化物薄膜の表面を被
覆する疏水性且つ気体透過性のフィルタと、該フィルタ
上に配置されたグルコースの存在によりエタノールを発
生する微生物を固定化した担体と、前記金属酸化物薄膜
に光を照射する光源と、前記光導波路を進行するレーザ
光の光源と、前記光導波路を透過したレーザ光の強度を
測定するセンサとを具備することを特徴とする光導波路
型バイオセンサが提供される。
【０００７】
【作用】本発明の光導波路型バイオセンサは、分子識別
素子に例えば酵母のようなグルコースからエタノールを
合成する微生物を使用し、トランスデューサに、例えば
ＷＯ3 、MoＯ3 のようなフォトクロミック反応を示す金
属酸化物を使用している。また、トランスデューサの金
属酸化物のフォトクロミズムをレーザ光を使用した、い
わゆる光導波路法で測定する。
素子に例えば酵母のようなグルコースからエタノールを
合成する微生物を使用し、トランスデューサに、例えば
ＷＯ3 、MoＯ3 のようなフォトクロミック反応を示す金
属酸化物を使用している。また、トランスデューサの金
属酸化物のフォトクロミズムをレーザ光を使用した、い
わゆる光導波路法で測定する。
【０００８】フォトクロミック反応とは、ＷＯ3 、MoＯ
3 等の金属酸化物に光（特に紫外光）を照射すると着色
する現象である。この着色の程度はエタノールのような
還元性の物質と接触した場合に、この還元性の物質の濃
度に依存して変化する。本発明の光導波路型バイオセン
サは、この現象をトランスデューサに使用している。本
発明の光導波路型バイオセンサでは、上記の金属酸化物
のフォトクロッミック反応による着色の程度を光導波路
法で測定する。具体的には、光導波路にモニタ用のレー
ザ光を導入し、このレーザ光の光導波路を透過した後の
強度を測定する。光導波路を進行するレーザ光は、光導
波路の壁面で反射しながら進行するので、光導波路に接
している上記の金属酸化物の薄膜の着色の度合が増すと
吸光度が低下して、光導波路を透過したレーザ光の強度
は変化する。このレーザ光の変化により上記の金属酸化
物の薄膜の着色の程度を測定する。
3 等の金属酸化物に光（特に紫外光）を照射すると着色
する現象である。この着色の程度はエタノールのような
還元性の物質と接触した場合に、この還元性の物質の濃
度に依存して変化する。本発明の光導波路型バイオセン
サは、この現象をトランスデューサに使用している。本
発明の光導波路型バイオセンサでは、上記の金属酸化物
のフォトクロッミック反応による着色の程度を光導波路
法で測定する。具体的には、光導波路にモニタ用のレー
ザ光を導入し、このレーザ光の光導波路を透過した後の
強度を測定する。光導波路を進行するレーザ光は、光導
波路の壁面で反射しながら進行するので、光導波路に接
している上記の金属酸化物の薄膜の着色の度合が増すと
吸光度が低下して、光導波路を透過したレーザ光の強度
は変化する。このレーザ光の変化により上記の金属酸化
物の薄膜の着色の程度を測定する。
【０００９】上述のように、上記の金属酸化物の薄膜の
着色の程度は、接触するエタノールの濃度に依存する。
従って、この金属酸化物の薄膜上に酵母のようなグルコ
ースからエタノールを合成する微生物を固定化した担体
を配置することにより、本発明の光導波路型バイオセン
サが構成される。本発明の光導波路型バイオセンサで
は、電極型バイオセンサのように電極の設置が不要なの
で、電場が測定対象等に悪影響を与えることがない。ま
た、通常の吸光分光法に較べて光路を長くすることがで
きるので感度が高く、さらに応答も速い。従って、いわ
ゆるin-situ 測定が可能である。
着色の程度は、接触するエタノールの濃度に依存する。
従って、この金属酸化物の薄膜上に酵母のようなグルコ
ースからエタノールを合成する微生物を固定化した担体
を配置することにより、本発明の光導波路型バイオセン
サが構成される。本発明の光導波路型バイオセンサで
は、電極型バイオセンサのように電極の設置が不要なの
で、電場が測定対象等に悪影響を与えることがない。ま
た、通常の吸光分光法に較べて光路を長くすることがで
きるので感度が高く、さらに応答も速い。従って、いわ
ゆるin-situ 測定が可能である。
【００１０】本発明の光導波路型バイオセンサの光導波
路は、平面光導波路であることが好ましい。具体的に
は、透明誘電体基板の表面に局部的に金属イオンを拡散
させて屈折率を大きくすることで形成される平面光導波
路が使用できる。このように平面光導波路が表面に形成
された透明誘電体基板上に上記のフォトクロミック反応
を示す金属酸化物の薄膜を配置する。上記の平面光導波
路に測定用のレーザ光を誘導するには、一端からレーザ
光が入射される光ファイバを該平面光導波路の端部に接
続してもよいが、該平面光導波路の端部近傍の表面の上
記金属酸化物の薄膜が配置されていない部分にグレーテ
ィングを形成し、このグレーティングから平面光導波路
にレーザ光を導入することが好ましい。また、平面光導
波路から出射するレーザ光も同様にグレーティングを使
用して誘導することができる。上記の構成によれば、光
導波路型バイオセンサの配置の自由度が高く、また、光
ファイバと平面光導波路を接続するという面倒な作業を
省略できる。ただし、光ファイバを使用すると、レーザ
光源から、より安定に測定用レーザ光を平面光導波路に
誘導することができる。
路は、平面光導波路であることが好ましい。具体的に
は、透明誘電体基板の表面に局部的に金属イオンを拡散
させて屈折率を大きくすることで形成される平面光導波
路が使用できる。このように平面光導波路が表面に形成
された透明誘電体基板上に上記のフォトクロミック反応
を示す金属酸化物の薄膜を配置する。上記の平面光導波
路に測定用のレーザ光を誘導するには、一端からレーザ
光が入射される光ファイバを該平面光導波路の端部に接
続してもよいが、該平面光導波路の端部近傍の表面の上
記金属酸化物の薄膜が配置されていない部分にグレーテ
ィングを形成し、このグレーティングから平面光導波路
にレーザ光を導入することが好ましい。また、平面光導
波路から出射するレーザ光も同様にグレーティングを使
用して誘導することができる。上記の構成によれば、光
導波路型バイオセンサの配置の自由度が高く、また、光
ファイバと平面光導波路を接続するという面倒な作業を
省略できる。ただし、光ファイバを使用すると、レーザ
光源から、より安定に測定用レーザ光を平面光導波路に
誘導することができる。
【００１１】本発明の光導波路型バイオセンサでは、上
記のフォトクロミック反応を示す金属酸化物表面を疏水
性且つ気体透過性のフィルタで被覆する。これは、本発
明の光導波路型バイオセンサが測定対象とする系が水を
伴う系であることが想定され、また、上記の金属酸化物
のフォトクロミック反応による着色が水の影響を受けた
り、上記の金属酸化物が水に溶解することがあるからで
ある。上記のフィルタには、具体的には、ガス透過性の
フッ素樹脂（例えばデュポン社のテフロンの商品名で市
販されている樹脂またはＦＥＰ等の樹脂）フィルム、ス
テアリン酸等親水基と疏水基とを有する分子の膜、液膜
の系、ＬＢ膜、液晶等が使用できる。
記のフォトクロミック反応を示す金属酸化物表面を疏水
性且つ気体透過性のフィルタで被覆する。これは、本発
明の光導波路型バイオセンサが測定対象とする系が水を
伴う系であることが想定され、また、上記の金属酸化物
のフォトクロミック反応による着色が水の影響を受けた
り、上記の金属酸化物が水に溶解することがあるからで
ある。上記のフィルタには、具体的には、ガス透過性の
フッ素樹脂（例えばデュポン社のテフロンの商品名で市
販されている樹脂またはＦＥＰ等の樹脂）フィルム、ス
テアリン酸等親水基と疏水基とを有する分子の膜、液膜
の系、ＬＢ膜、液晶等が使用できる。
【００１２】以下、本発明を実施例によりさらに詳しく
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
説明するが、以下の開示は本発明の単なる実施例に過ぎ
ず、本発明の技術的範囲をなんら制限するものではな
い。
【００１３】
【実施例】図１に、本発明の光導波路型バイオセンサの
一例の断面図を示す。 図１のバイオセンサは、ガラス
基板１と、ガラス基板１の表面にＫ（カリウム）イオン
およびCs（セシウム）イオンが拡散されて形成された平
面光導波路10と、ガラス基板１の表面の平面光導波路10
の上に蒸着により形成されたＷＯ3 薄膜２とを具備す
る。ＷＯ3 薄膜２は、表面にパン酵母が固定された担体
５を備えるテフロンメンブランフィルタ４で被覆されて
いる。本実施例では、ミリポア社製のテフロンメンブラ
ンフィルタを使用した。
一例の断面図を示す。 図１のバイオセンサは、ガラス
基板１と、ガラス基板１の表面にＫ（カリウム）イオン
およびCs（セシウム）イオンが拡散されて形成された平
面光導波路10と、ガラス基板１の表面の平面光導波路10
の上に蒸着により形成されたＷＯ3 薄膜２とを具備す
る。ＷＯ3 薄膜２は、表面にパン酵母が固定された担体
５を備えるテフロンメンブランフィルタ４で被覆されて
いる。本実施例では、ミリポア社製のテフロンメンブラ
ンフィルタを使用した。
【００１４】ガラス基板１表面の平面光導波路10の両端
付近にはグレーティング11および12が形成されており、
レーザ装置20の発するレーザ光21は、グレーティング11
から平面光導波路10に導入され、グレーティング12から
出射して光センサ22に到達する。光センサ22は、平面光
導波路10を透過したレーザ光の強度を測定する。さら
に、ガラス基板１の下方には紫外光源７が配置され、ガ
ラス基板１を通してＷＯ3 薄膜２に紫外光を照射し、Ｗ
Ｏ3 にフォトクロミック反応を起こさせる。ＷＯ3 に紫
外光を照射するのは、フォトクロミック反応が効率よく
起こるからであり、多少効率は低下するが可視光を照射
してもよい。具体的には、紫外光源７には、水銀等、キ
セノンランプ等を使用することが好ましい。
付近にはグレーティング11および12が形成されており、
レーザ装置20の発するレーザ光21は、グレーティング11
から平面光導波路10に導入され、グレーティング12から
出射して光センサ22に到達する。光センサ22は、平面光
導波路10を透過したレーザ光の強度を測定する。さら
に、ガラス基板１の下方には紫外光源７が配置され、ガ
ラス基板１を通してＷＯ3 薄膜２に紫外光を照射し、Ｗ
Ｏ3 にフォトクロミック反応を起こさせる。ＷＯ3 に紫
外光を照射するのは、フォトクロミック反応が効率よく
起こるからであり、多少効率は低下するが可視光を照射
してもよい。具体的には、紫外光源７には、水銀等、キ
セノンランプ等を使用することが好ましい。
【００１５】図２に上記本発明の光導波路型バイオセン
サを使用して、グルコースの濃度の測定を行う場合の配
置を示す。図２に示すよう、上記の光導波路型バイオセ
ンサのパン酵母が固定された担体５を備えるテフロンメ
ンブランフィルタ４の部分が底部となるセル８を用意
し、セル８内に濃度を測定するグルコースの水溶液９を
入れ、ＷＯ3 薄膜２の着色の程度を平面光導波路10を透
過するレーザ光の吸光度で測定する。
サを使用して、グルコースの濃度の測定を行う場合の配
置を示す。図２に示すよう、上記の光導波路型バイオセ
ンサのパン酵母が固定された担体５を備えるテフロンメ
ンブランフィルタ４の部分が底部となるセル８を用意
し、セル８内に濃度を測定するグルコースの水溶液９を
入れ、ＷＯ3 薄膜２の着色の程度を平面光導波路10を透
過するレーザ光の吸光度で測定する。
【００１６】図３に光導波路を使用しないで通常の吸光
度測定で、グルコースの濃度に対するＷＯ3 薄膜のフォ
トクロミック反応による着色の度合を測定した結果を示
す。測定用のレーザには、波長 632nmのHe−Neレーザを
使用し、ＷＯ3 には波長300〜400nm の紫外光を照射し
た。図３から明らかなように、ＷＯ3 薄膜の着色による
レーザの吸光度はグルコースの濃度に対応している。
度測定で、グルコースの濃度に対するＷＯ3 薄膜のフォ
トクロミック反応による着色の度合を測定した結果を示
す。測定用のレーザには、波長 632nmのHe−Neレーザを
使用し、ＷＯ3 には波長300〜400nm の紫外光を照射し
た。図３から明らかなように、ＷＯ3 薄膜の着色による
レーザの吸光度はグルコースの濃度に対応している。
【００１７】光導波路を使用すると、測定用レーザ光の
光路が長いので吸光度測定の感度が数百〜千倍に増すこ
とがわかっている。従って、図３の測定結果より外挿す
ると、本発明の光導波路型バイオセンサは１ppm の感度
を有する。本発明の光導波路型バイオセンサは、測定用
のレーザ光の光路が長く、感度が高いのでグルコースの
濃度が変化する系においても、in-situ の測定が可能で
ある。
光路が長いので吸光度測定の感度が数百〜千倍に増すこ
とがわかっている。従って、図３の測定結果より外挿す
ると、本発明の光導波路型バイオセンサは１ppm の感度
を有する。本発明の光導波路型バイオセンサは、測定用
のレーザ光の光路が長く、感度が高いのでグルコースの
濃度が変化する系においても、in-situ の測定が可能で
ある。
【００１８】
【発明の効果】以上のように本発明の光導波路型バイオ
センサは、バイオセンサ固有の特徴である検知物質に対
する選択性が高いだけでなく、感度および精度が高く、
速やかに測定を行うことができる。また、配置の自由度
も高く、電極型バイオセンサと異なり測定対象の系に何
ら影響を与えない。従って、特にin-situ 測定に使用す
ることが効果的である。
センサは、バイオセンサ固有の特徴である検知物質に対
する選択性が高いだけでなく、感度および精度が高く、
速やかに測定を行うことができる。また、配置の自由度
も高く、電極型バイオセンサと異なり測定対象の系に何
ら影響を与えない。従って、特にin-situ 測定に使用す
ることが効果的である。
【図１】本発明の光導波路型バイオセンサの一例の断面
図である。
図である。
【図２】図１の光導波路型バイオセンサを使用してグル
コースの濃度測定を行う場合の説明図である。
コースの濃度測定を行う場合の説明図である。
【図３】バイオセンサによるグルコースの濃度測定の結
果を示すグラフである。
果を示すグラフである。
１ ガラス基板 ２ ＷＯ3 薄膜 ４ テフロンメンブランフィルタ ５ 担体 10 平面光導波路 11、12 グレーティング
フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ Ｃ１２Ｑ 1/54 Ｃ１２Ｑ 1/54 Ｇ０１Ｊ 1/02 Ｇ０１Ｊ 1/02 Ｋ Ｇ０１Ｎ 21/31 Ｇ０１Ｎ 21/31 Ｚ
Claims (1)
- 【請求項１】 表面に光導波路を有する透明誘電体基板
と、該透明誘電体基板の該光導波路の上に配置されたフ
ォトクロミック反応を示す金属酸化物の薄膜と、該金属
酸化物薄膜の表面を被覆する疏水性且つ気体透過性のフ
ィルタと、該フィルタ上に配置されたグルコースの存在
によりエタノールを発生する微生物を固定化した担体
と、前記金属酸化物薄膜に光を照射する光源と、前記光
導波路を進行するレーザ光の光源と、前記光導波路を透
過したレーザ光の強度を測定するセンサとを具備するこ
とを特徴とする光導波路型バイオセンサ。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3265165A JP3016640B2 (ja) | 1991-09-17 | 1991-09-17 | 光導波路型バイオセンサ |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP3265165A JP3016640B2 (ja) | 1991-09-17 | 1991-09-17 | 光導波路型バイオセンサ |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH0572134A JPH0572134A (ja) | 1993-03-23 |
| JP3016640B2 true JP3016640B2 (ja) | 2000-03-06 |
Family
ID=17413510
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP3265165A Expired - Fee Related JP3016640B2 (ja) | 1991-09-17 | 1991-09-17 | 光導波路型バイオセンサ |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3016640B2 (ja) |
Families Citing this family (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2802361B2 (ja) * | 1994-10-07 | 1998-09-24 | 工業技術院長 | スラブ光導波路を利用した露点測定装置 |
| IT1310000B1 (it) | 1999-01-26 | 2002-02-05 | Consiglio Nazionale Ricerche | Sensore a fibra ottica e trasduttore fotocromico per fotometria eradiometria e relativo metodo |
| JP5441855B2 (ja) * | 2010-09-10 | 2014-03-12 | 株式会社東芝 | 検査素子、検査キット、検査装置、および検査方法 |
| WO2015108294A1 (en) * | 2014-01-15 | 2015-07-23 | Samsung Electronics Co., Ltd. | Optical sensor and electronic device with the same |
-
1991
- 1991-09-17 JP JP3265165A patent/JP3016640B2/ja not_active Expired - Fee Related
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JPH0572134A (ja) | 1993-03-23 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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