JP4353529B2

JP4353529B2 - センサ、センサ装置およびデータ伝達処理装置

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Description

本発明は、特にマイクロ分析システム（μ−ＴＡＳ）の流路内を流れる物質の濃度、微小な圧力分布や温度分布、生体および遺伝子情報を読み取るセンサに関し、さらに該センサを用いた、センサ装置および検出された情報を高効率で伝達、処理するデータ伝達装置に係わる。

近年、化学や生化学の分野などで分析をより小さなシステムで行う技術が開発されつつある。その典型的な例がマイクロ流路を用いたμ−ＴＡＳシステムであり、従来よりもサイズの小さな流路による分離／調合、反応等が行われつつある。

また、バイオ関連技術、バイオ産業の発達と共に、ＤＮＡチップと呼ばれるような生物遺伝子情報を読み出す検出素子も開発、製品化が進んでいる。
以下、μ−ＴＡＳについて述べる。

近年の立体微細加工技術の発展に伴い、ガラスやシリコン等の基板上に、微小な流路とポンプ、バルブ等の液体素子およびセンサを集積化し、その基板上で化学分析を行うシステムが注目されている。これらのシステムは、小型化分析システム、μ−ＴＡＳ（ＭｉｃｒｏＴｏｔａｌＡｎａｌｙｓｉｓＳｙｓｔｅｍ）あるいはＬａｂｏｎａＣｈｉｐと呼ばれている。化学分析システムを小型化することにより、無効体積の減少や試料の分量の大幅な低減が可能となる。また、分析時間の短縮やシステム全体の低消費電力化が可能となる。さらに、小型化によりシステムの低価格を期待することができる。μ−ＴＡＳは、システムの小型化、低価格化および分析時間の大幅な短縮が可能なことから、在宅医療やベッドサイドモニタ等の医療分野、ＤＮＡ解析やプロテオーム解析等のバイオ分野での応用が期待されている。

例えば、溶液を混合して反応を行った後、定量及び分析をしてから分離するという一連の生化学実験操作をいくつかのセルの組み合わせによって実現可能なマイクロリアクタが開示されている（例えば、特許文献１参照）。図１１にマイクロリアクタ１１の概念を模式的に示す。マイクロリアクタ１１は、シリコン基板上に平板で密閉された独立した反応チャンバを有している。このリアクタは、リザーバーセル１２、混合セル１３、反応セル１４、検出セル１５、分離セル１６が組み合わされている。このリアクタを基板上に多数個形成することにより、多数の生化学反応を同時に並列的に行うことができる。さらに、単なる分析だけでなく、タンパク質合成などの物質合成反応もセル上で行うことができる。

このようなμーＴＡＳシステムや、バイオチップにおいて、反応などの作業工程の後、最終的には検出工程が必要である。
これに対して、光による検出は、光の持つ非接触性や非反応性から、より正確で、被検体への影響が比較的少ない方法として、用いられている。

例えば、被検物に蛍光標識を付加した上で、励起用光源からの光を照射し、蛍光を検出する測定方法、被検物に光源からの光を照射し、透過光の強度を測定する測定方法、被検物にプリズムを近接させ、光源からの光を照射し、全反射光の損失を測定する測定方法等が用いられている。

しかしながら、まず、蛍光標識による方法では、被検体と標識との相性があり、用いたい標識、すなわち、検出感度の良い標識を用いることができない場合がある。さらに、この方法では、励起光と蛍光の波長が違うためノイズ成分となる強い励起光に比較的悪化されにくいという利点はあるものの、逆に、信号成分である蛍光の発生効率を上げることが難しく、従って、総合的なＳＮ比を上げることが難しい。

次に、透過光を用いた透過率、吸光度測定による方法では、被検体の透過率が低い場合、すなわち被検流体中に含まれる被測定物質の濃度が高い場合には、透過光量が少ないために、信号が小さくなるために、ＳＮ比が低くなる。

これを改善しようとして、被測定物質の濃度を下げると、今度はもともとの信号が小さくなり、やはりＳＮが悪くなるというジレンマに陥る。さらに、測定における光の影響が少ないとはいえ、光が被検流体をまともに横切るため、発熱あるいは光反応の影響が出やすく、そのために用いることのできる光量に制約がある。

また、全反射光の損失を測定する方法では、透過光に比べてより強い光量を用いることができるが、変化（損失）を検出したい光と、照射光の波長が同じであるために、検出器に非常に大きなダイナミックレンジが必要となるという難点がある。すなわち、マイクロ流路中の微小な反応などによる小さな損失は高精度に測定することができない。
特開平１０−３３７１７３号公報（第２−５頁、第１図）

しかしながら、フォトニック結晶を用いたセンサの構成では高感度であるがゆえに、所謂外乱による変化が検出されやすく、それが雑音成分となるという課題があった。
雑音要因となる外乱の種類には以下のようなものがある。まず第一に温度揺らぎである。フォトニック結晶領域やフォトニック結晶領域に熱的に連結した基板などの温度は、測定作業を行う環境によって様々に変化する。これに対して、高コストあるいは、大型化が許される場合には、温度を一定に保つためのフィードバックシステム、即ち、温度センサ、ヒーター／クーラー素子、制御用回路や電源類を具備することが可能であるが、小型集積化、低コストを目指す場合には、このような恒温化手段を備えることはできない。

また、特に、流路に被検物質であるバイオ物質を溶かした溶液を流して、バイオ物質の濃度を検出するタイプの検出装置においては、通常、１）まずバイオ物質濃度が０であるバッファ液を流し、２）その次にバイオ物質を加えたバッファ液を流し、３）最後に再度被検バイオ物質を含まない組成のバッファ液を流し、初期値との差分を検出する、という測定シーケンスが用いられる。

このようなシーケンスにおいては、バッファ液の濃度、温度、密度などが揺らぐと、そのままベースラインが変化し、雑音成分となる。例えば、温度揺らぎに関してこれを低減するための手段としては、前述したような測定領域自体の恒温化だけでなく、測定領域に至る手前でバッファ液自体を恒温化する手段を設ける必要があるが、これはさらなるコストアップと、大型化につながるという課題があった。

本発明は、外乱の影響を低減できるセンサ、該センサを用いたセンサ装置、および検出された情報を高効率で伝達、処理するデータ伝達装置を提供するものである。

本発明に係るセンサは、第１の流体を流す第１の流路と、第２の流体を流す第２の流路と、前記第１の流路に設けられた第１のフォトニック結晶領域と、前記第２の流路に設けられ、前記第１のフォトニック結晶領域と温度変化に対して十分近い距離に配されている第２のフォトニック結晶領域と、前記第１のフォトニック結晶領域を透過した光を第２のフォトニック結晶領域に入力する様に光を導波するための光導波路と、前記第１のフォトニック結晶領域を透過し、かつ前記第２のフォトニック結晶領域を透過してくる光、または、前記第１のフォトニック結晶を透過し、かつ第２のフォトニック結晶領域で反射してくる光を検出するための光検出部を備え、前記第１のフォトニック結晶領域は前記第１の流体が送液されることにより光学特性が変化され、前記第２のフォトニック結晶領域は前記第２の流体が送液されることにより光学特性が変化されるように構成されていることを特徴とする。

本発明においては、前記第１及び第２のフォトニック結晶領域の光学的特性を同じにする場合と、異ならせる場合の両方を含むものである。
また、本発明は、複数のフォトニック結晶領域と、該フォトニック結晶領域を直列に光接続する光導波路と、該光導波路により接続された複数のフォトニック結晶領域を透過または透過と反射して出力される出力光を検出する光検出器を有し、前記出力光により検出される情報から前記複数のフォトニック結晶領域の位置および周辺の環境条件を検出することを特徴とするセンサである。

また、本発明は、上記のセンサと、流路素子を有することを特徴とするセンサ装置である。
さらに、本発明は、上記のセンサを用いたデータ伝達処理装置である。

本発明は、複数のフォトニック結晶領域を光接続したセンサを用いることにより、外乱による雑音成分を低減することが可能となる。

図２を用いて本発明を具体的に説明する。
本発明に係るセンサは、第１のフォトニック結晶領域２０５、第２のフォトニック結晶領域２０６、該第１及び第２のフォトニック結晶領域２０５、２０６にそれぞれ接続される第１及び第２の流路２０８、２０９、前記第１及び第２のフォトニック結晶領域に光を導波するための光導波路１０２、該光導波路に入力された光が該第１のフォトニック結晶領域２０５を透過して、該第２のフォトニック結晶領域２０６に入力された後、該第２のフォトニック結晶領域を透過してくる光または該第２のフォトニック結晶領域で反射してくる光を検出するための光検出部（図１の１０６）を備えていることを特徴とする。

前記第１及び第２のフォトニック結晶領域の光学的特性が異なる場合（光学的特性とは、例えば分光透過率である。）、外乱の影響を低減することができることを後述の実施例１において示している。

また、前記第１及び第２のフォトニック結晶領域の光学的特性が同じ場合に、外乱の影響を低減することできることを実施例２および３にて示している。
本発明は、入力光が第１及び第２のフォトニック結晶に直列に接続されている、即ち、第１のフォトニック結晶領域に入力された光がそこを透過した後、第２のフォトニック結晶領域に入力される構成である。外乱によって、それぞれの領域における分光透過率は変化しても、両方の領域が外乱によって同じように変化することを本発明では利用している。

このようにして本発明は、外乱の影響を低減するものである。
以下のように本発明に係るセンサを構成することもできる。例えば、少なくとも２つの独立したフォトニック結晶領域と、当該フォトニック結晶領域を直列に光接続する光導波路と、当該複数のフォトニック結晶領域に関して、各領域でそれぞれ所定の透過、または所定の反射を経て出力される出力光を得るための光源および光検出器を具備し、当該透過光について検出された情報から、前記複数のフォトニック結晶領域位置および周辺の環境条件を検出する。

前記複数のフォトニック結晶領域が透過型として光接続されている第１および第２のフォトニック結晶領域からなり、該第１のフォトニック結晶領域の短波長側フォトニックバンドエッジ波長と、第２のフォトニック結晶領域の長波長側フォトニックバンドエッジ波長を近接させて構成されていることが好ましい。

前記複数のフォトニック結晶領域が同一または略同一のフォトニック結晶領域からなり、それぞれのフォトニック結晶領域は透過型として直列に光接続されていることが好ましい。

前記複数のフォトニック結晶領域が同一または略同一のフォトニック結晶領域からなり、それぞれのフォトニック結晶領域は透過型として構成した領域と、反射型として構成した領域を含み、かつそれぞれのフォトニック結晶領域が直列に光接続されていることが好ましい。

前記複数のフォトニック結晶領域の周辺の環境条件は例えば、温度、圧力、屈折率の変化、被検物質の有無、被検物質の濃度、溶液中の溶質の濃度から選ばれる。

以下、実施例を示し本発明をさらに具体的に説明する。
実施例１
本実施例は、本発明において２つの異なる特性を持つフォトニック結晶を直列に光接続し、両者を透過した透過光を用いて、センシングを行う構成を実施したものである。図１を用いて本実施例のセンサの全体構成について説明する。

図中、基板１０１には入射側光導波路１０２と出力側光導波路１０４に挟まれてフォトニック結晶光学素子系１０３が配置されている。素子外部からフォトニック結晶光学素子系の分光透過率を測定するための、入射光１０５が入射され、光導波路１０２、フォトニック結晶光学素子系１０３、光導波路１０４を透過した光が光検出装置１０６によって検出される。

フォトニック結晶光学素子系は、以下に示すマイクロ流路との組み合わせによって、被検流体が接触、あるいは近傍に送液され、その環境変化によって分光透過率が変化する。この変化を分光測定装置による光スペクトル形状の変化や、または、波長を固定した場合の透過光強度の変化を持って検出する。波長を固定する場合でも、波長は複数でもよく、例えば２波長、３波長でも良い。いわば波長数が多い場合が前記、光スペクトル形状の測定に相当する。

この入射光と射出光の素子外部との光結合方法においては、例えば、光ファイバ、先球光ファイバ、ＧＲＩＮレンズ光ファイバ、楔型光ファイバ、ファイババンドル、顕微鏡対物レンズを含む各種レンズ結合系、回折格子型結合素子など多種の光結合系を用いることが可能である。

図２および図３を用いて、より詳細に本実施例を説明する。本実施例では、フォトニック結晶光学素子系は２つのフォトニック結晶２０５、２０６およびその中間に光導波路を持つ。即ち、２つのフォトニック結晶の直列配置であり、直列に透過する光の分光透過率を用いて、検出を行うものである。本実施例では第一フォトニック結晶２０５と第二フォトニック結晶２０６は構成が異なり、よって、分光透過率が異なるフォトニック結晶光学素子である。具体的には、第一フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップと対応する第二フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップがちょうど重ならない波長位置にずらされて構成されたものである。この様子については、検出の方法と合わせて後述する。

本実施例では、フォトニック結晶、光導波路はＳＯＩウエハ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）に構成されており（図１中、１０２から１０４）、この一例を鳥瞰図で表した図２を用いると、光導波コア２０１はＳｉ（ＳＯＩ層）、光導波クラッド２０２はＳｉＯ₂（ＢＯＸ層）、基板２０３はＳｉで構成されている。光導波コアであるＳＯＩ層２０１の厚さは約０．２μｍであり、光導波路１０２はこのＳＯＩ層に２本のトレンチ構造、即ち溝を掘ることにより（図中２０４）、空気界面を形成し、光を閉じ込める。トレンチペアの間隔が光導波路幅であり、本実施例では約１０μｍ、トレンチ幅は光のしみ出し幅、およびしみ出し量を考慮して１μｍで構成されている。フォトニック結晶は直径約２００ｎｍ、アスペクト約１の円柱孔が三角格子状に約４００ｎｍの周期で約１５μｍ□の範囲に配置されている。検出に使用する光の波長は約１．５μｍ帯域である。マイクロ流路の厚みは約１００μｍであり、幅は１００μｍである。これらは適宜変更することができ、１０μｍ程度から１ｍｍ程度まで幅広く選択することが可能である。

本発明において、フォトニック結晶とは、屈折率が周期的に変化する構造体であり、具体的には周期配列された孔を持つ平板およびその積層体、円柱や角柱列の集合等を指し、本発明には、特に２次元配列で全体が略平板形状のものが適している。

フォトニック結晶および光導波路を構成する基板としては、ＳＯＩウエハの他に、例えば、窒化シリコン膜をガラスの上にＣＶＤ成長したものや、低屈折率体であるメソポーラスシリカ上に比較的高屈折率のテフロン（登録商標）樹脂などを構成したものなど、各種、光波長、製造コスト、耐環境性などを鑑みて適宜選択して用いることができる。

フォトニック結晶光学素子系と光導波路を含む基板の上には、マイクロ流路素子２０７をかぶせるように構成している。実際にはＰＤＭＳ（ｐｏｌｙｄｉｍｅｔｈｙｌｓｙｒｏｘａｎｅ）製の吸着性樹脂で構成しており、清浄なＳｉ表面に自己吸着で接合されている。マイクロ流路素子２０７は２つの流路２０８、２０９を持ち、第一流路２０８が第一フォトニック結晶２０５に、第二流路２０９が第二フォトニック結晶２０６に送液されるように位置制御されて構成されている。この様子が図３に示されている。

以上、説明したマイクロ流路素子および光素子で構成されたセンサ素子によって本発明の目的である外乱を抑圧するセンシング方法が実現される様子を、以下、図４を用いて説明する。図中、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は第一フォトニック結晶分光透過率４０１および第二フォトニック結晶分光透過率４０２を示したグラフ、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は第一、第二フォトニック結晶を直列に透過したフォトニック結晶光学素子系トータル分光透過率４０４と、検出に用いる光源の強度スペクトル４０３を、それぞれ示したグラフである。

以下、順に説明する。
（ａ）第一フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップの長波長端λ１と、第二フォトニック結晶の対応するフォトニックバンドギャップの短波長端λ２がほぼ同じ位置にあり、かつ、初期状態ではλ１＞λ２であることが本実施例の特徴である。初期状態としては、第一流路２０５と第二流路２０６に両方とも同じ参照流体、例えば、バッファ溶液やコントロール溶液と呼ばれる液体を送液する。

（ｂ）入射光４０３はλ１、λ２を含み、２つのフォトニックバンドギャップの波長範囲よりは狭いが、なるべく波長範囲が広くなるように取られている。また、範囲内ではなるべく平坦なスペクトルを持つことが好ましい。このような入射光に対しては、（ａ）で示される構成では、２つの分光透過率の乗算によって得られるトータル分光透過率は、入射光強度の存在する全波長域で低透過率となるため、トータル透過光がほとんど無い。これが本センシングシステムの初期状態である。

（ｃ）次に、第二流路２０６のみに異なる流体を送液する。この流体は例えば、タンパク質を溶解したバッファ溶液であり、タンパク質の濃度を測定することが目的である。このような送液によって、第二フォトニック結晶の分光透過率に変化を生じせしめる。即ち、図中にしめされたように長波長側への分光透過率の波長シフトが生じる。これにより、初期状態で成立していたλ１＞λ２がもはや成立しなくなる。

（ｄ）このようなλ１とλ２の逆転により、トータル分光透過率４０４には、高透過領域が出現する。この高透過領域は入射光の波長範囲内に存在するため、有意な透過光強度が得られる。このようにして、第一流路２０５と第二流路２０６を流れる流体の性質の差分によって、透過光強度が変化し、センシングが可能となっている。

（ｅ）次に、第一、第二流路および第一、第二フォトニック結晶に共通な外乱が生じた場合の本センシングシステムの動作について説明する。外乱としては、例えば温度変化やバッファ溶液の変化である。第一、第二流路間の距離、即ちフォトニック結晶間の距離は本実施例の場合、約３００μｍであり、これは温度変化に対しては充分近い距離であり、ほぼ同じ温度変化を受ける。必要に応じて距離をより狭めることも、前述したように、可能である。またバッファ溶液のゆらぎにかんしても、送液源を同一とし、第一、第二流路の分岐や、第二流路へのタンパク混合部等を、フォトニック結晶部に接近させることで流路間でほぼ同一の外乱を受けるように構成することが可能である。

このような構成に従って、第一、第二フォトニック結晶が受ける外乱の影響が共通である場合には、図中にしめすように、λ１とλ２はほぼ同量の波長シフトを生じ、λ１’、λ２’へ変化するが、その差はほとんど変化せず、当然、λ１’＞λ２’なる関係も保たれたままである。

（ｆ）その結果、トータル分光透過率は入射光強度の存在する波長範囲では全領域で低透過率であり、光透過光は低強度のままである。
以上述べたように、本発明に基づいた本実施例の構成と検出方法を用いることにより、外乱は検知せず、第一流路、第二流路を流れる被検流体の差のみを検出することが可能なセンシングシステムが実現される。

実施例２
本実施例は、本発明において２つの同一の特性を持つ欠陥入りフォトニック結晶を直列に光接続し、両者を透過した透過光を用いて、センシングを行う構成を実施したものである。まず、本実施例のセンサの構成については、その全体は図１と同様である。構成についても類似であるが、これを図５に示した。本実施例と前記第一の実施例の差は、第一フォトニック結晶２０５と第二フォトニック結晶２０６および、検出用入射光１０５にある。

本実施例においては、２つのフォトニック結晶は同一であり、かつ、フォトニック結晶内には円柱孔が欠損している、欠陥共振器５０１が存在することである。これによりフォトニック結晶の分光透過率には、フォトニックバンドギャップ内に、鋭い透過ピークである欠陥準位が存在する。

以上、説明したマイクロ流路素子および光素子で構成されたセンサによって本発明の目的である外乱を抑圧するセンシング方法が実現される様子を、以下、図６を用いて説明する。図中、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は第一フォトニック結晶分光透過率６０１および第二フォトニック結晶分光透過率６０２を示したグラフ、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は第一、第二フォトニック結晶を直列に透過したフォトニック結晶光学素子系トータル分光透過率６０４と、検出に用いる光源の強度スペクトル６０３を、それぞれ示したグラフである。

以下、順に説明する。
（ａ）第一、第二フォトニック結晶が同一であるため、その分光透過率６０１は、初期状態において、重なっている。

（ｂ）入射光は第一、第二フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップ内のみ光強度が存在し、範囲内ではなるべく平坦なスペクトルを持つことが好ましい。２つのフォトニック結晶を含む系のトータル分光透過率６０４は単に単一のフォトニック結晶分光透過率を２乗したものとなっている。欠陥準位は入射光の波長範囲に存在するため、透過光の強度が得られる。以上が本実施例のセンシングシステムの初期状態である。

（ｃ）次に、第二流路２０６のみに異なる流体を送液する。この流体は例えば、タンパク質を溶解したバッファ溶液であり、タンパク質の濃度を測定することが目的である。このような送液によって、第二フォトニック結晶の分光透過率に変化を生じせしめる。即ち、図中にしめされたように長波長側への分光透過率の波長シフトが生じる。これにより、初期状態では、第一フォトニック結晶分光透過率６０１に全く同一で重なっていた第二フォトニック結晶分光透過率６０２が長波長側に波長シフトする。従って、欠陥準位によって生じる透過ピーク位置もずれて、異なる波長となる。

（ｄ）このような第二フォトニック結晶分光透過率の波長シフトにより、トータル分光透過率６０４には欠陥準位による高透過率ピークが存在しなくなる。従って、入射光の波長範囲では、透過光が無い状態へと変化する。このようにして、第一流路２０５と第二流路２０６を流れる流体の性質の差分によって、透過光強度が変化し、センシングが可能となっている。

このような構成に従って、第一、第二フォトニック結晶が受ける外乱の影響が共通である場合には、図中にしめすように、２つの分光透過率はほぼ同量の波長シフトを生じ、欠陥準位も重なったままである。

（ｆ）その結果、トータル分光透過率は入射光強度の存在する波長範囲内に、透過ピークを持ち、初期状態と同様に、透過光が存在する。
以上述べたように、本発明に基づいた本実施例の構成と検出方法を用いることにより、外乱は検知せず、第一流路、第二流路を流れる被検流体の差のみを検出することが可能なセンシングシステムが実現される。

実施例３
本実施例は、本発明において２つの同一の特性を持つフォトニック結晶を直列に光接続し、第一のフォトニック結晶領域で透過した後、第二のフォトニック結晶領域で反射した出力光を用いて、センシングを行う構成を実施したものである。

まず、本実施例のセンサの構成については、その全体は図１と同様である。構成について図７に示した。図中に示されたように配置構成された第一フォトニック結晶２０５と第二フォトニック結晶２０６については、同一の特性を持っているが、前記第１、第２の実施例とは異なり、本実施例においては、第一のフォトニック結晶は透過、第二のフォトニック結晶領域は反射を用いることが特長である。この透過と反射による光接続を実現するために、Ｙ型結合部７０３が配置されており、入射光７０２が第二フォトニック結晶へ入射し、その反射光７０４が光検出装置１０６側へと導かれる構成となっている。Ｙ型結合部の形状等を適宜調整することにより、結合比などを所望に構成することが可能である。また、Ｙ型以外にも様々なビームスプリッタ―、光分岐結合系を応用することが可能である。第二マイクロ流路２０９は光導波路およびＹ型結合部などの上部をなるべく通らないように、屈曲した構成となっている。

以上、説明したマイクロ流路素子および光素子で構成されたセンサ素子によって本発明の目的である外乱を抑圧するセンシング方法が実現される様子を、以下、図８を用いて説明する。図中、（ａ）、（ｃ）、（ｅ）は第一フォトニック結晶分光透過率８０１および第二フォトニック結晶分光反射率８０２を示したグラフ、（ｂ）、（ｄ）、（ｆ）は第一、第二フォトニック結晶を直列に順次、透過、反射したフォトニック結晶光学素子系トータル分光透過率８０５、８０６、８０７、８０８と、検出に用いる光源２種の強度スペクトル８０３、８０４を、それぞれ示したグラフである。以下、順に説明する。

（ａ）第一、第二フォトニック結晶が同一であり、その分光透過率８０１と分光反射率８０２は、初期状態において、フォトニックバンドエッジの長波長側、短波長側の２つの端部が重なっている。

（ｂ）入射光は１つまたは２つを用いる。第一の入射光８０３は、フォトニックバンドギャップの長波長側の端部を含む広帯域光源であり、第二の入射光を用いる場合には、互いに波長範囲が重ならないように、構成されることが好ましい。第二の入射光はフォトニックバンドギャップの短波長側の端部を含む広帯域光源である。それぞれの入射光は、波長範囲内ではなるべく平坦な光強度スペクトルを持つことが好ましい。

２つのフォトニック結晶を含む系のトータル分光透過率８０５は分光透過率と分光反射率を乗じたものであり、２つの端部のみ透過部を持つ。透過率は最大２５％程度である。これは透過率と反射率が双方とも約５０％になる波長において実現される。この２つの波長は各々、第一と第二の入射光の波長範囲に存在するため、どちらの入射光に対しても、透過光の中間的な、即ち最大透過時に比して約２５％程度の強度が得られる。以上が本実施例のセンシングシステムの初期状態である。

（ｃ）次に、第二流路２０６のみに異なる流体を送液する。この流体は例えば、タンパク質を溶解したバッファ溶液であり、タンパク質の濃度を測定することが目的である。このような送液によって、第二フォトニック結晶の分光反射率に変化を生じせしめる。即ち、図中にしめされたように長波長側への分光反射率の波長シフトが生じる。これにより、初期状態では、第一フォトニック結晶分光透過率８０１と２つの端部で重なっていた第二フォトニック結晶分光反射率８０２が長波長側に波長シフトする。

（ｄ）このような第二フォトニック結晶分光反射率の波長シフトにより、トータル分光透過率８０５は、まず長波長側に透過ピークの透過率が大きくなる。そして、短波長側の透過ピークが消失する。従って、第一の入射光に対してはトータルの透過光強度が増し、第二の入射光に対してはトータルの透過光が無い状態へと変化する。このようにして、第一流路２０５と第二流路２０６を流れる流体の性質の差分によって、トータルの透過光強度が変化し、センシングが可能となっている。

このような構成に従って、第一、第二フォトニック結晶が受ける外乱の影響が共通である場合には、図中に示すように、２つの分光透過率はほぼ同量の波長シフトを生じ、フォトニックバンドギャップの長波長側、短波長側の端部２つも重なったままである。

（ｆ）その結果、トータル分光透過率は第一、第二の入射光強度の存在する波長範囲内に、中間的な透過率の透過ピークを持ち、初期状態と同様に、透過光が存在する。
以上述べたように、本発明に基づいた本実施例の構成と検出方法を用いることにより、外乱は検知せず、第一流路、第二流路を流れる被検流体の差のみを検出することが可能なセンシングシステムが実現される。

また、本実施の形態では、１つの入射光でも成立し、さらに、２つ目の入射光を用いることができるが、２つを用いた場合には、第二のフォトニック結晶の変化が短波長シフトである場合に、第一の入射光に対してトータル透過強度が無くなり、第二の入射光に対してはトータル透過強度が減り、その減少分で、変化量を検出することができ、正負両方向の変化に対して変化量の検出が可能であるという利点を持つ。

実施例４
本発明の第４の実施例を図９および図１０を用いて説明する。図９は本発明のセンサと流路素子の構成を組み込んだセンサ装置であり、腕時計状に構成して、人体の腕部分に装着可能としたものの模式図である。

ベルト部９０２によって腕部分に装着し、センサ部９０１により血液採取など図１０に示した工程により必要情報を検出し、表示部９０３により、検出結果を表示する。
図１０は必要情報の検出のための代表的な工程のみを示す。図１０に示す各工程は、まず、図９に不図示の採取針により人体から血液を少量サンプリングする血液採取工程１００１、次に血液の成分のうち対象となる成分を分離するための工程、および分離に必要な反応を生じさせる成分分離／反応工程１００２、さらに検出感度を高めるための成分濃縮／反応工程１００３、そして本発明の微小共振器ＬＤと濃縮された被検物質を含む流体用の流路を接することで高感度の検出を行い、また直接検出結果から計算などにより、所望の検出結果へ変換する検出工程１００４、そして表示部９０３に結果を伝え表示するための結果表示工程１００５からなる。

以上の図９および図１０に示したように、本発明の微小共振器ＬＤと流路を用いたセンサ装置として、携帯型の検出、検査装置を構成することが可能である。
なお、本実施例の装着型センサ装置について、サーバー機などへの通信機能、時計、写真撮影機能など、携帯端末としての機能を適宜設けて構成することができるのは言うまでもない。

実施例５
例えば、図１２に示したように、第３の実施例の構成を拡張して、３つ以上のフォトニック結晶領域１３０１を適宜接続したような構成をとることも可能である。また、直列の構成をさらに複数個並列に設けるなどして、センシングデータの統計的処理等を行ってもも良い。

また、本発明は以上説明した実施例に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲においてシーケンスの流れなどは種々に変更する事が可能である。

本発明の複数のフォトニック結晶領域を光接続したセンサは、マイクロ流路によるμーＴＡＳシステムやバイオ分析チップ等の微量化学、生化学分析装置、携帯用の検査装置に利用することができる。

本発明の実施例１のセンサの構成を示す模式図である。本発明の実施例１のセンサを示す摸式図である。本発明の実施例１のセンサを示す摸式図である。本発明の実施例１のセンサによる外乱を抑圧する方法示す説明図である。本発明の実施例２のセンサを示す摸式図である。本発明の実施例２のセンサによる外乱を抑圧する方法示す説明図である。本発明の実施例３のセンサを示す摸式図である。本発明の実施例３のセンサによる外乱を抑圧する方法示す説明図である。装着型バイオセンサを示す摸式図である。 μ−ＴＡＳバイオセンサチップにおけるセンシング工程を示す摸式図である。 μ―ＴＡＳバイオセンサチップを示す概念図である。本発明の多数のフォトニック結晶を用いたセンサの構成の一例を示す概念図である。

符号の説明

１１マイクロリアクタ
１２リザーバーセル
１３混合セル
１４反応セル
１５検出セル
１６分離セル
１０１基板
１０２光導波路
１０３フォトニック結晶光学素子系
１０４出力側光導波路
１０５入射光
１０６光検出装置
２０１光導波コア層
２０２光導波クラッド層
２０３基板
２０４光導波路用光閉込トレンチペア
２０５第一フォトニック結晶
２０６第二フォトニック結晶
２０７マイクロ流路素子
２０８第一流路
２０９第二流路
３０１披検流体
４０１第一フォトニック結晶分光透過率
４０２第二フォトニック結晶分光透過率
４０３入射光強度スペクトル
４０４フォトニック結晶系トータル分光透過率
５０１欠陥共振器
６０１第一および第二フォトニック結晶分光透過率
６０２第二フォトニック結晶分光透過率
６０３入射光強度スペクトル
６０４フォトニック結晶系トータル分光透過率
７０１第一フォトニック結晶透過部光導波路
７０２第二フォトニック結晶入射光
７０３Ｙ型結合部
７０４第二フォトニック結晶反射光
８０１第一フォトニック結晶透過率
８０２第二フォトニック結晶反射率
８０３第一入射光
８０４第二入射光
８０５フォトニック結晶系トータル分光透過率
８０６変化時フォトニック結晶系トータル透過率１
８０７変化時フォトニック結晶系トータル透過率２
８０８変化時フォトニック結晶系トータル分光透過率
９０１センサ部（センシング装置部）
９０２装着用ベルト部
９０３表示部
１２０１被検流体送液用流路
１００１血液採取工程
１００２成分分離／反応工程
１００３成分濃縮／反応工程
１００４検出工程
１００５結果表示工程
１３０１フォトニック結晶領域

Claims

第１の流体を流す第１の流路と、第２の流体を流す第２の流路と、前記第１の流路に設けられた第１のフォトニック結晶領域と、前記第２の流路に設けられ、前記第１のフォトニック結晶領域と温度変化に対して十分近い距離に配されている第２のフォトニック結晶領域と、前記第１のフォトニック結晶領域を透過した光を第２のフォトニック結晶領域に入力する様に光を導波するための光導波路と、前記第１のフォトニック結晶領域を透過し、かつ前記第２のフォトニック結晶領域を透過してくる光、または、前記第１のフォトニック結晶を透過し、かつ第２のフォトニック結晶領域で反射してくる光を検出するための光検出部を備え、前記第１のフォトニック結晶領域は前記第１の流体が送液されることにより光学特性が変化され、前記第２のフォトニック結晶領域は前記第２の流体が送液されることにより光学特性が変化されるように構成されていることを特徴とするセンサ。
前記第１のフォトニック結晶領域と前記第２のフォトニック結晶領域の距離は３００μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記第１及び第２のフォトニック結晶領域が、互いに光学的特性が異なることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記第１及び第２のフォトニック結晶領域が、互いに光学的特性が同じであることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記第１のフォトニック結晶領域の短波長側フォトニックバンドエッジ波長と、前記第２のフォトニック結晶領域の長波長側フォトニックバンドエッジ波長を近接していることを特徴とする請求項３記載のセンサ。
前記第１及び第２のフォトニック結晶領域が同一または略同一のフォトニック結晶領域からなり、それぞれのフォトニック結晶領域は透過型として直列に光接続されていることを特徴とする請求項１記載のセンサ。
前記第１及び第２のフォトニック結晶領域が同一または略同一のフォトニック結晶領域からなり、前記第１のフォトニック結晶領域は透過型として構成し、前記第２のフォトニック結晶領域は反射型として構成されていることを特徴とする請求項１または４に記載のセンサ。
請求項１乃至７のいずれかに記載のセンサを用いたデータ伝達処理装置。