JP5224164B2 - Substance adsorption detection method and substance adsorption detection sensor - Google Patents
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Description
本発明は、圧電素子を用いた物質吸着検知方法及び物質吸着検知センサに関するものである。特に水晶振動子微量天秤と光導波路を用いた物質吸着検知センサ及び物質吸着検知方法に関する。 The present invention relates to a substance adsorption detection method using a piezoelectric element and a substance adsorption detection sensor. In particular, the present invention relates to a substance adsorption detection sensor and substance adsorption detection method using a quartz crystal microbalance and an optical waveguide.
従来の吸着センサとして、特許文献1に開示されるように、ガス感応性膜に吸着したNO2ガスに応じて水晶振動子の発振周波数が低下することを利用して、微量なNO2ガスを検出することができるセンサが知られている。
As a conventional adsorption sensor, as disclosed in
また、特許文献2に開示されるように、光導波路に光を導波させることで生じるエバネッセント場が吸着物質により吸収され、導波光が減衰することを用いて物質吸着を検知する方法が知られている。
In addition, as disclosed in
また、特許文献3に開示されるように、光導波路上に金属薄膜を堆積し、導波光により金属薄膜上に表面プラズモンを励起すると導波光が減衰することを用い、さらに被測定物質の吸着に伴い表面プラズモン励起条件が変化することを用い、出射した光を測定することで物質吸着を検知する方法が知られている。
しかし、上記特許文献1に開示される従来のセンサでは、水晶振動子の性質、所謂QCM(Quartz Crystal Microbalance)を利用することでガス感応性薄膜に吸着した微量なガスを検知可能としているが、これだけでは検知対象物質および吸着後の感応性薄膜の光学特性を直接に知ることはできないという問題があった。
However, in the conventional sensor disclosed in
また、上記特許文献2および3に開示される従来のセンサでは、どの程度の質量の検知対象物質が素子に吸着して出射光の変化をもたらしているかを直接に知ることはできないという問題があった。
Further, the conventional sensors disclosed in
そこで、本発明は、上記問題点に鑑み、圧電素子を利用し、被検出物質の吸着質量の変化量とそれに伴う光学特性の変化量とを同時に正確に検出できる物質吸着検知センサおよびこれを用いた物質吸着検知方法を提供することを目的とする。 Accordingly, in view of the above problems, the present invention uses a substance adsorption detection sensor capable of accurately and simultaneously detecting the amount of change in the adsorption mass of a substance to be detected and the amount of change in the optical characteristics associated therewith using a piezoelectric element. An object of the present invention is to provide a method for detecting an adsorbed substance.
本発明の物質吸着検知方法は、前記課題を解決するために、水晶部分と、当該水晶部分の両側に形成された電極から水晶振動子を構成し、当該水晶振動子の発振特性と、前記水晶部分を光導波路として導波した光を測定する物質吸着検知方法において、前記電極の一方を表面プラズモン共鳴励起のための金属薄膜としても用いる。 In order to solve the above-mentioned problem, the substance adsorption detection method of the present invention comprises a quartz crystal part and electrodes formed on both sides of the quartz crystal part to constitute a quartz crystal oscillator, the oscillation characteristics of the crystal oscillator, and the quartz crystal In the substance adsorption detection method for measuring light guided by using a portion as an optical waveguide, one of the electrodes is also used as a metal thin film for surface plasmon resonance excitation.
この物質吸着検知方法にあっては、前記一方の電極側に物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料層を設けることが好ましい。 In this substance adsorption detection method, it is preferable to provide a sensitive material layer whose optical characteristics change due to substance adsorption on the one electrode side.
また、この物質吸着検知方法にあっては、前記水晶部分を光導波路として導波した参照光と測定光とを測定してもよい。この場合、光軸方向に応じて前記測定光の方向、すなわち、測定光の光路である光の伝搬方向を決定するのが好ましい。 Moreover, in this substance adsorption | suction detection method, you may measure the reference light and measurement light which guided the said crystal | crystallization part as an optical waveguide. In this case, it is preferable to determine the direction of the measurement light, that is, the propagation direction of light, which is the optical path of the measurement light, according to the optical axis direction.
本発明の物質吸着検知センサは、前記課題を解決するために、水晶部分と、当該水晶部分の両側に形成された電極から水晶振動子を構成し、当該水晶振動子の発振特性と、前記水晶部分を光導波路として導波した光を測定する物質吸着検知センサにおいて、前記電極の一方を表面プラズモン共鳴励起のための金属薄膜としても用いる。 In order to solve the above-described problem, the substance adsorption detection sensor of the present invention includes a quartz crystal part and electrodes formed on both sides of the quartz crystal part. In a substance adsorption detection sensor for measuring light guided through a portion as an optical waveguide, one of the electrodes is also used as a metal thin film for surface plasmon resonance excitation.
この物質吸着検知センサにあっては、前記一方の電極側に物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料層を設けるのが好ましい。 In this substance adsorption detection sensor, it is preferable to provide a sensitive material layer whose optical characteristics change due to substance adsorption on the one electrode side.
また、この物質吸着検知センサにあっては、前記水晶部分を光導波路として導波した参照光と測定光とを測定してもよい。測定光の光路の上面には、表面プラズモン共鳴励起のための電極を兼ねた金属薄膜が形成されているのに対し、参照光の光路の上面には、表面プラズモン共鳴励起のための電極を兼ねた金属薄膜が形成されていないようにすることが好ましい。すなわち、測定光の光路については、測定光のエバネッセント波が生じる範囲内に表面プラズモン共鳴励起可能な金属薄膜が形成されているため、効率よく表面プラズモン共鳴が起こる。一方、参照光の光路については、測定光のエバネッセント波が生じる範囲内に表面プラズモン共鳴励起可能な金属薄膜が形成されていないため、効率よく表面プラズモン共鳴が起こらない。このようにして、測定光と参照光との強度を比較することで、センシング感度のS/N比を向上させることができる。 Moreover, in this substance adsorption | suction detection sensor, you may measure the reference light and measurement light which guided the said crystal | crystallization part as an optical waveguide. A metal thin film that also serves as an electrode for surface plasmon resonance excitation is formed on the upper surface of the measurement light optical path, whereas an electrode for surface plasmon resonance excitation is formed on the upper surface of the optical path of the reference light. It is preferable that no metal thin film is formed. That is, with respect to the optical path of the measurement light, a metal thin film capable of surface plasmon resonance excitation is formed within the range where the evanescent wave of the measurement light is generated, and therefore surface plasmon resonance occurs efficiently. On the other hand, regarding the optical path of the reference light, the surface plasmon resonance does not occur efficiently because the metal thin film capable of exciting the surface plasmon resonance is not formed within the range where the evanescent wave of the measurement light is generated. Thus, the S / N ratio of the sensing sensitivity can be improved by comparing the intensities of the measurement light and the reference light.
また、水晶基板は単結晶であるため、従来の表面プラズモン共鳴に用いられるガラス等の非晶質とはことなり、基板が光学的な異方性をもっているため、従来のような条件だけでは、適切な表面プラズモン共鳴のシグナルを得ることが困難であった。詳細には、後述するように、光軸方向に応じて前記測定光の方向を決定するのが好ましい。すなわち、表面プラズモン共鳴が観測されるのは、基板に垂直に電場が振動するp偏光のみであるので、基板に垂直な方位と、前記方位及び光路と垂直な方位とに平行な面について、基板の屈折率楕円体の前記面での断面である屈折率楕円の長軸と短軸とのいずれかが基板に垂直であるように測定光の光路を設定することが好ましい。 In addition, since the quartz substrate is a single crystal, it is different from the amorphous material such as glass used for the conventional surface plasmon resonance, and the substrate has optical anisotropy. It was difficult to obtain an appropriate surface plasmon resonance signal. Specifically, as will be described later, it is preferable to determine the direction of the measurement light in accordance with the optical axis direction. That is, since surface plasmon resonance is observed only in p-polarized light whose electric field oscillates perpendicular to the substrate, the surface parallel to the azimuth perpendicular to the substrate and the azimuth and the direction perpendicular to the optical path is It is preferable to set the optical path of the measuring light so that either the major axis or the minor axis of the refractive index ellipse, which is a cross section of the refractive index ellipsoid, is perpendicular to the substrate.
光導波路型表面プラズモン共鳴(surface plasmon resonance (SPR) spectroscopy)センサは、導波路コア近傍のエバネッセント波による表面プラズモン(SP)共鳴を利用するもので、高感度なセンシングが可能である。 An optical waveguide type surface plasmon resonance (SPR) sensor uses surface plasmon (SP) resonance by an evanescent wave in the vicinity of a waveguide core, and can perform highly sensitive sensing.
また、水晶振動子微量天秤(QCM)法も、物質の吸着質量変化を高感度に検出できることからよく知られている。 The quartz crystal microbalance (QCM) method is also well known because it can detect a change in the adsorption mass of a substance with high sensitivity.
本発明は、QCMを行うための水晶部分の両側に形成した電極の一方を表面プラズモン(SP)共鳴励起のための金属薄膜としても共用し、前記水晶部分に光を導波させて、前記一方の電極を兼ねた金属薄膜上にSP励起させることで、SPR法とQCM法を共に複合的に用いて複合的にセンシングを行うことができる物質吸着検知センサと、この物質吸着検知センサを用いた物質吸着検知方法である。 In the present invention, one of the electrodes formed on both sides of the crystal part for performing QCM is also used as a metal thin film for surface plasmon (SP) resonance excitation, and light is guided through the crystal part, By using the SPR method and the QCM method in combination by performing SP excitation on the metal thin film that also serves as the electrode, a substance adsorption detection sensor capable of performing complex sensing, and this substance adsorption detection sensor were used. This is a substance adsorption detection method.
本発明に係る物質吸着検知方法及び物質吸着検知センサによれば、QCMを行うための水晶部分の両側に形成した電極の一方を表面プラズモン(SP)共鳴励起のための金属薄膜としても共用することができるので、部品点数を少なくし、かつコストを抑えながらも、水晶部分への導波光によりコア近傍に生じるエバネッセント波によって金属薄膜に表面プラズモンを共鳴励起できる。表面プラズモンが励起されると導波光は減衰し、また励起条件は物質の吸着によって敏感に変化するため、出射光を測定することでより高感度に光学特性の測定を行いながら、水晶振動子の発振特性を観測できる。さらに、金属薄膜表面に物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料を堆積しておくことで、微量物質の検出をより良好に行うことができる。 According to the substance adsorption detection method and substance adsorption detection sensor according to the present invention, one of the electrodes formed on both sides of the crystal part for performing QCM is also used as a metal thin film for surface plasmon (SP) resonance excitation. Therefore, the surface plasmon can be resonantly excited in the metal thin film by the evanescent wave generated in the vicinity of the core by the guided light to the crystal part while reducing the number of parts and suppressing the cost. When surface plasmons are excited, the guided light attenuates, and the excitation conditions change sensitively due to the adsorption of the substance, so measuring the optical characteristics with higher sensitivity by measuring the emitted light, Oscillation characteristics can be observed. Furthermore, by depositing a sensitive material whose optical characteristics change due to substance adsorption on the surface of the metal thin film, it is possible to detect a trace amount of substance better.
もちろん、本発明の物質吸着検知方法及びセンサでは、光導波路の表面に被検知物質が吸着することに伴い、伝搬損失が変化することによる出射光の変化と、水晶振動子の発振特性が共に変化することを利用して、被検知物質の検知を識別を容易に行うことができる。例えば、検知対象物質以外のものが同時に吸着されてくるような場合には、センサにおける水晶振動子の発振特性のみでは識別不可能であるが、光学特性の変化による屈折率測定を同時に行うことで異なる媒質が吸着していることを知ることができる。 Of course, in the substance adsorption detection method and sensor of the present invention, as the substance to be detected is adsorbed on the surface of the optical waveguide, both the change in the emitted light due to the change in the propagation loss and the oscillation characteristics of the crystal resonator change. By utilizing this, it is possible to easily identify the substance to be detected. For example, when substances other than the detection target substance are adsorbed at the same time, it is impossible to identify only by the oscillation characteristics of the quartz crystal resonator in the sensor, but it is possible to simultaneously measure the refractive index by changing the optical characteristics. You can see that different media are adsorbed.
また、本発明の物質吸着検知方法及びセンサは、光導波路を有する圧電素子(水晶振動子または表面弾性波素子)であって、圧電素子によって物質の吸着質量を検知でき、また物質吸着に伴う出射光の変化から吸着物質または物質吸着後の検知用薄膜の光学特性を一つの素子で観測できる。 The substance adsorption detection method and sensor according to the present invention is a piezoelectric element (quartz crystal resonator or surface acoustic wave element) having an optical waveguide, which can detect the adsorption mass of the substance by the piezoelectric element, and can output the substance adsorbed by the substance adsorption. The optical characteristics of the adsorbed substance or the thin film for detection after the substance adsorption can be observed with one element from the change of the incident light.
圧電素子と、光学特性を測定する素子を別々に作製して観測する場合に比べて、上記の方法では吸着質量の変化量と光学特性の変化量を正確に検出できる。とりわけ、光照射によって吸着物質の分解が生じる場合や、吸着または脱離が促進されるような場合は、別に作製していた場合には大きな誤差となるが、これらを一体とすることでこのような光分解や光による吸着現象について、詳しく測定することができる。 Compared to the case where a piezoelectric element and an element for measuring optical characteristics are separately manufactured and observed, the above method can accurately detect the amount of change in adsorption mass and the amount of change in optical characteristic. In particular, when the adsorbed substance is decomposed by light irradiation, or when adsorption or desorption is promoted, a large error will occur if it is produced separately. It is possible to measure in detail the photodecomposition and the adsorption phenomenon by light.
また、いくつかの検知対象物質について吸着質量と光学特性の関係を観測しておくことにより、例えば吸着分子数あたり同じ光学物性の変化を与える質量の異なる物質に対して、識別を行うことも可能である。 In addition, by observing the relationship between the adsorption mass and optical properties of several detection target substances, it is possible to identify substances with different masses that give the same change in optical properties per number of adsorbed molecules. It is.
以下、図面を参照しながら、本発明の物質吸着検知センサの好ましい各実施態様を説明する。なお、これらの各実施態様において、同一箇所には同一符号を付し、共通する部分の説明は重複するため極力省略する。 Hereinafter, preferred embodiments of the substance adsorption detection sensor of the present invention will be described with reference to the drawings. Note that, in each of these embodiments, the same portions are denoted by the same reference numerals, and the description of the common parts will be omitted as much as possible.
(実施態様1)
図1は、本発明の好ましい実施態様1となる物質吸着検知センサ10の断面図である。水晶基板1と一対の水晶発振用電極2,3とからなる水晶振動子6と、その上に配置した吸着物質検知用薄膜(センシング層)4とからなる。センシング層4はガス吸着部として用いられ、測定対象物質が入った容器にバブルされた蒸気Vaporが導入される。ここでは、ATカットした水晶基板を用いた例で説明するが、本発明では、目的に応じて他の方位にカットされた水晶基板を用いることができることはいうまでもない。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a cross-sectional view of a substance
水晶基板1は、水晶の切り出し方位をATカットとした水晶基板である。水晶発振用電極2,3は、銀Agからなる(以下、Ag電極2,3と記す。)。Ag電極2、3は、水晶基板1に真空蒸着により形成される。また、クロム、チタンを介して蒸着してもよい。
The
図1にあって水晶基板1より下側に形成されたAg電極2の厚さは200nmであり、水晶基板1より上側に形成されたAg電極3の厚さは50nmである。Ag電極3は、水晶基板1の電極であるのはもちろん、この実施の形態では表面プラズモン(surface plasomn:SP)を共鳴励起するための金属薄膜としても用いる。つまり、Ag電極3は水晶基板1の電極と、表面プラズモンSPの共鳴励起のための金属薄膜とを兼ねる。50nmという厚さは、表面プラズモン共鳴を起こすのに最適な厚さである。一方、200nmという厚さは、表面プラズモン共鳴を起こすのには厚すぎるため、ほとんど、表面プラズモン共鳴のシグナルが得られない厚さである。最適な厚さについては、従来のプリズムを用いる表面プラズモン共鳴の場合と同様に考えることができる。厚すぎても、薄すぎても表面プラズモン共鳴のシグナルがシャープに観測されなくなる。
In FIG. 1, the thickness of the
ここでは、SPRを兼ねる電極基板材料として銀を採用しているが、SPRを示す金属であればなんでもよく、他の金属に替えることができることはいうまでもない。例えば、金電極、銅電極などを目的に応じて採用することができる。銀の場合、金属薄膜の水晶基板への密着性が良好であるため、耐久性の観点で好ましい。密着性に劣る金属を採用した場合には、SPRに影響を与えない範囲の薄膜で、密着性改善のための薄膜を下地として形成したり、水晶基板の表面を粗くしたりするなどの方法をとってもよい。密着性改善のための薄膜としては、例えば、ニッケル、クロム、チタン、白金など、あるいは、これらの複合膜を利用することができる。 Here, silver is adopted as the electrode substrate material that also serves as SPR, but it is needless to say that any metal exhibiting SPR may be used, and other metals can be used. For example, a gold electrode, a copper electrode, or the like can be employed depending on the purpose. In the case of silver, since the adhesiveness of the metal thin film to the quartz substrate is good, it is preferable from the viewpoint of durability. If a metal with poor adhesion is used, a thin film that does not affect the SPR, and a thin film for improving adhesion is used as a base, or the surface of the quartz substrate is roughened. It may be taken. As a thin film for improving adhesion, for example, nickel, chromium, titanium, platinum, or a composite film thereof can be used.
センシング層4は、厚さ50nmのAg電極3側にポリビニルアルコール(poly vinyl alcohol: PVA)膜をディップコートして形成する。PVA濃度は10mg/mlであり、PVA膜厚は約100nmとなる。また、Ag電極2側にはPVA膜により基材5を形成している。
The
図2は物質吸着検知センサ10の上面図である。この物質吸着検知センサ10は、水晶部分を導波した参照光(Reference Light)と測定光(Signal Light)とを用いる。測定光の方向は水晶部分の光軸方向に応じて決定する。図2はオリフラ(Orientation Flat)面を下側にして示している。図1に示したAg電極3はオリフラ面側に位置する。Ag電極3とAg電極2とは一部を対向させている。水晶基板1に導入した白色光がAg電極3の下を通過することによってAg電極3上に表面プラズモンSPが共鳴励起する。そして表面プラズモンSPが共鳴励起された光が強度測定対象の測定光として出射される。Ag電極2上を通過した光は参照光として出射される。測定光と参照光は後述する検出器、パーソナルコンピュータによって比較され、SP共鳴によって影響された測定光の強度変化が検出される。
FIG. 2 is a top view of the substance
図3は、水晶基板1とAg電極2及びAg電極3との寸法の具体例を示す図である。図2がオリフラ面を下側にし、かつ入射端1aを紙面を見て左側としていたのに対し、図3はオリフラ面を上側にし、かつ入射端1aを右側にしている。水晶基板1の入射端1aから出射端1bまでの長さは例えば22.65mmであり、両Ag電極2及び3の幅は8.0mmである。
FIG. 3 is a diagram showing specific examples of dimensions of the
ここで、水晶基板1の結晶方位、入射光及び偏光方向について説明しておく。本実施の形態で使用する光はランダム偏光の白色光である。そのため、発生させる表面プラズモン共鳴(SPR)の測定光(Signal Fight)は、TM偏光(p波)である。光の入射角θ(基板垂線から測った角度)は、全反射条件を満たすように、全反射角よりも大きくすればよい。また、特定の波長においては、表面プラズモン共鳴が生じる伝搬角度は特定されるので、測定波長範囲、水晶基板、金属薄膜、センシング層の積層膜構成に応じて適切に設定する必要がある。センシング層として単分子層などを用い、単分子層の金属薄膜と逆方向がガス層にさらされているような場合には、典型的には、20°〜40°である。ガス層の替わりに液層で使用する場合には、40°〜70°である。センシング層としてある程度厚い有機膜を用いる場合には、典型的には、60°〜70°である。
Here, the crystal orientation, incident light, and polarization direction of the
次に、図4〜図6を参照して入射光の水晶への入射場所による透過光の強度変化を説明する。ここでは、水晶基板として、多摩デバイス社製を用いた。本発明の記述の範囲内で多摩デバイス社製の水晶基板におけるオリフラと結晶方位との関係は、後述の通りである。図4は水晶への入射場所を示す。入射場所がカット面である場合を[1]とし、カット面から90°の点を入射場所とする場合を[2]としている。図5の(A)は入射場所が[1]であるときのs(TE)偏光入射に対する波長(横軸)と出射光強度(縦軸)を示す特性である。また、図5の(B)は同じく入射場所が[1]であるときのp(TM)偏光入射に対する波長(横軸)と出射光強度(縦軸)を示す特性である。また、図6の(A)は入射場所が[2]であるときのs偏光入射に対する波長(横軸)と出射光強度(縦軸)を示す特性である。また、図6の(B)は同じく入射場所が[2]であるときのp偏光入射に対する波長(横軸)と出射光強度(縦軸)を示す特性である。受光については入射光がs、pに関わらず、受光側偏光板0°をs偏光透過とする。このように、入射が不適切であると偏光面が回転しまうので、偏光面が変わらない方向からの入射とするために、上記の結晶方位のような水晶基板を用いる場合には、オリフラの方向に近い角度範囲で入射角度を適切に決定する。理想的な結晶方位に対して、±10°程度とすることが好ましい。さらに好ましくは、±5°とする。最も好ましくは、±1°とする。
Next, with reference to FIGS. 4 to 6, the intensity change of the transmitted light depending on the incident position of the incident light on the quartz will be described. Here, Tama Device Co., Ltd. was used as the quartz substrate. Within the scope of the description of the present invention, the relationship between orientation flat and crystal orientation in a quartz substrate manufactured by Tama Device Co. is as described later. FIG. 4 shows the location of incidence on the crystal. The case where the incident location is the cut surface is [1], and the case where the incident point is a 90 ° point from the cut surface is [2]. FIG. 5A shows characteristics indicating the wavelength (horizontal axis) and outgoing light intensity (vertical axis) with respect to s (TE) polarized light incidence when the incident location is [1]. FIG. 5B also shows the characteristics indicating the wavelength (horizontal axis) and outgoing light intensity (vertical axis) for p (TM) polarized light incidence when the incident location is [1]. FIG. 6A shows the characteristics indicating the wavelength (horizontal axis) and outgoing light intensity (vertical axis) with respect to s-polarized light incidence when the incident location is [2]. FIG. 6B also shows the characteristics indicating the wavelength (horizontal axis) and outgoing light intensity (vertical axis) for p-polarized light incidence when the incident location is [2]. For light reception, regardless of whether the incident light is s or p, the light-receiving-side
以上のように構成したセンサの水晶基板1の一方の端面1aから入射角θで白色光を入射(IN)し、種々の溶媒のガスに暴露する前後で導波路を伝搬した光の吸収スペクトルを吸収する。そして、他方の端面1bからの出射光の強度を測定する。
The absorption spectrum of the light propagated through the waveguide before and after exposure to various solvent gases when white light is incident (IN) from one
図1〜図3に示したように水晶基板1とセンシング層4の間に50nmのAg電極3を設置すると、水晶基板1とAg電極3の膜厚と誘電率、センシング層4の膜厚と誘電率、および外界の誘電率で決定されるある波長と入射角度に対して、Ag電極3近傍に生じるエバネッセント波によってAg電極3に表面プラズモンが励起できる。この時透過光は、表面プラズモンを励起する波長において減衰を受ける。この透過光の減衰量を理論計算することにより被検知物質吸着後のセンシング層4の誘電率または膜厚を求めると共に、水晶振動子の発振の様子を検出する。この場合、センシング層4および被検知物質は必ずしも光吸収性でなくても良い。前述のように、金属薄膜の厚さはSPRが効率的に生じるように選択する必要があり、その目安を得るためには、積層膜構成(各層の膜厚と誘電率、但し、センシング層がエバネッセント波に比べて薄い場合には、センシング環境も考慮する必要がある。)を用いて理論計算することができる。
As shown in FIGS. 1 to 3, when a 50
図7は、図1に示した物質吸着検知センサ10を用いた物質吸着検知システム20の構成図である。物質吸着検知システム20にあって、物質吸着検知センサ10の水晶基板1には白色光光源21から白色光が入射される。
FIG. 7 is a configuration diagram of a substance
物質吸着検知センサ10の水晶基板1に入射端INから入射した白色光INは全反射しながら伝搬し、水晶基板1の出射端から出射OUTされる。出射光は検出器22により検出される。検出器22による検出信号はパーソナルコンピュータ(PC)23により処理されてモニタ23aに検出値、或いは特性の変化として表示される。
The white light IN incident on the
水晶基板1には、Ag電極2及び3に電源を供給すると共に発振周波数を測定するための発振制御器24が接続されている。発振制御器24はPC23に接続され、発振周波数値を示す信号をPC23に送る。
An
PC23は水晶基板1から検出器22を介して送られてきた出射光の強度をモニタ23aに表示すると共に、水晶基板1から発振制御器24を介して送られてきたQCM周波数を表示する。
The
物質吸着検知センサ10のセンシング層4にはパイプ31を通して流れてきた乾燥N2ガス又は測定対象の溶液にバブルしたN2ガスが噴出口31aから供給される。これらのガスは、N2ガスシリンダからのN2ガスが図示しないフロートメータで流量調節されからパイプ26をとおり、バルブ27を介してシリカゲル容器28又は溶液容器29を通過し、バルブ30を介してパイプ31内を流れてくることにより得られる。
The
バルブ27を調整してフロートメータからの流量調節されたN2ガスをシリカゲル容器28を通すことで乾燥N2ガスが得られる。バルブ30を空けて乾燥N2ガスをパイプ31に通し噴出口31aからセンシング層4に供給する。一方、バルブ27を調整してフロートメータからの流量調節されたN2ガスを溶液容器29にバブルして、水分を含んだN2ガス、エタノール、あるいはアセトンが得られる。バルブ30を空けて水分を含んだN2ガス、エタノール、あるいはアセトンをパイプ31に通し噴出口31aからセンシング層4に導入する。
Dry N 2 gas is obtained by adjusting the
このように物質吸着検知システム20は、シリカゲル容器28に通した乾燥N2ガス又は測定対象の溶液、例えば純水、エタノール、あるいはアセトンなどにバブルしたN2ガスをバルブ27及び30を切り替えながらパイプ31内を流し、噴出口31aから物質吸着検知センサ10のセンシング層4に吹き付け、その際の水晶基板1を導波した出射光強度と、水晶基板の発振周波数を同時に測定し、PC23にて測定結果を処理し、モニタ23aに表示する。
Thus material
表1には、図7に示した物質吸着検知システム20にて測定を行うときの測定条件例をまとめて示す。
まず、測定蒸気は水蒸気、エタノール蒸気、アセトン蒸気とする。水晶基板への入射光は白色光、その入射角θは60°〜70°とする。Ag電極3の面積は72.2mm2とし、Ag電極の幅は8.0mmとする。また、センシング層4に用いたPVAの濃度は純水に対して10mg/mlとし、ディップコーティング法によりその膜厚を100nmに形成した。室温下で測定を行った。もちろん、測定は、図4に示した物質吸着検知システムにあって、溶液容器50を水溶液、エタノール溶液又はアセトン溶液に交換しながら行った。
First, the measurement vapor is water vapor, ethanol vapor, or acetone vapor. The incident light to the quartz substrate is white light, and the incident angle θ is 60 ° to 70 °. The area of the
以下、測定の方法を示す。まず、被検知物質に上記センサ10のセンシング層4を暴露し、その間水晶基板1の発振周波数の変化を発振制御器24及びPC23により観測する。同時に、白色光光源21から白色光を入射角度θ=60°〜70°で水晶基板1に入射INし、水晶基板1を導波させる。光の入射角度θは、水晶基板内で光が全反射し光が導波する範囲内の角度である。白色光が水晶基板内を導波すると、Ag電極3表面近傍(この距離は界面媒体の誘電率と入射角により決定される)にはエバネッセント場が生じる。このエバネッセント場が生じている領域に金、銀、銅などの金属薄膜3が存在すると、エバネッセント場が金属薄膜3に生じるSP(表面プラズモン)波と共鳴し、エネルギー移動することで吸収されることによって水晶基板1を導波する光は減衰する。
The measurement method is shown below. First, the
つまり、センシング層4はエバネッセント波の浸みだし領域内に存在しており、被検知物質を吸着したセンシング層4が吸着前に対して誘電率が変化すると、金属薄膜3によるエバネッセント波のSPR(表面プラズモン共鳴)吸収が変化するため、水晶基板1の出射端から出射した光OUTの減衰の様子も変化する。この出射光OUTを光検出器22により測定する。そして、PC23によって測定結果を処理し、モニタ23aに表示する。被検知物質が素子ひいてはセンシング層4表面に吸着すると、以上に記述したことから、水晶基板1の出射端部から出射した光OUTのスペクトルまたは強度が変化する。通常は、波長固定(単波長)で角度走査して、特定の角度に観測されるSPR条件での吸収を測定する。本実施例の場合には、白色光(連続波長)で角度一定として、特定の波長域に観測されるSPR条件での吸収を測定する。
That is, the
次の式(1)は、周波数がQCM(Quartz Crystal Microbalance)で用いる水晶基板の金属電極上の吸光度によって変化することを示す。Sauerbrey方程式とよばれ、周波数と質量との関係を定義する式である。
この式(1)を用いることにより、発振周波数変化ΔFから吸着物質質量の変化Δmを計算することができる。もちろん、以下の測定でも式(1)を用いている。 By using this equation (1), it is possible to calculate the change Δm in the mass of the adsorbed material from the oscillation frequency change ΔF. Of course, equation (1) is also used in the following measurements.
図8の(A)、(B)及び(C)は、水蒸気を測定対象としたときの測定結果である。水蒸気(wetN2)は湿度70%とし、乾燥ガス(dryN2)は湿度15%とした。図8の(A)は横軸を入射光の波長、縦軸を吸光度とした光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図8の(B)は横軸を経過時間、縦軸を吸光度とした時間−吸光度特性を示す。白色光の波長λ=472nmに対する特性である。図8の(C)は横軸を経過時間、縦軸を発振周波数変化とした時間−周波数変化特性を示す。 (A), (B), and (C) of FIG. 8 are measurement results when water vapor is a measurement target. Water vapor (wetN 2 ) had a humidity of 70%, and dry gas (dryN 2 ) had a humidity of 15%. FIG. 8A shows light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristics with the horizontal axis representing the wavelength of incident light and the vertical axis representing absorbance. FIG. 8B shows time-absorbance characteristics with the elapsed time on the horizontal axis and the absorbance on the vertical axis. This is a characteristic with respect to a wavelength of white light λ = 472 nm. FIG. 8C shows time-frequency change characteristics with the horizontal axis representing elapsed time and the vertical axis representing oscillation frequency change.
図8の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、表面プラズモン(surface plasmon:SP)励起による吸収(吸光度)ピークが480nm付近に見られているが、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側にシフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 8A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to surface plasmon (SP) excitation is observed in the vicinity of 480 nm. However, it can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure of the sensing layer to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes, and the absorbance peak shifts to the longer wavelength side. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図8の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.3であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.18に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 8B, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.3 and the sensing layer is exposed to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure, and the absorbance decreases to 0.18. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図8の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−160Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 8C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, and the change to the water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to humidity adsorption due to exposure of the sensing layer, and the oscillation frequency change ΔF changes to −160 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF almost returned to the initial value.
前述したように、本センサの質量は、被検知物質の吸着量分増加することとなる。そして、被検知ガスの吸着量が増加するにつれて、周波数は減少する。すなわち、吸着した被検知ガスの質量にほぼ比例して水晶振動子6の周波数特性が変化する。図8の(C)では、発振周波数変化ΔFが−160Hzに変化したときの、H2O質量は2.02μgであった。
As described above, the mass of this sensor increases by the amount of adsorption of the substance to be detected. The frequency decreases as the amount of gas to be detected increases. That is, the frequency characteristic of the
また、図9の(A)、(B)は、水蒸気導入の繰り返し測定結果である。図9の(A)は、経過時間に対する吸光度の変化を示す時間−吸光度特性である。特に、波長472nmでの吸光度の時間変化を示している。また、図9の(B)は経過時間に対する発振周波数変化を示す時間−発振周波数特性である。共に、乾燥N2ガスと水蒸気N2ガスの導入を5分間ずつ繰り返して行った結果である。吸光度の変化及び発振周波数変化とも水蒸気ガス導入時に減少し、乾燥ガス導入時に初期状態に回復する可逆性が観察できた。 Moreover, (A) and (B) of FIG. 9 are the repeated measurement results of water vapor introduction. FIG. 9A is a time-absorbance characteristic showing a change in absorbance with respect to elapsed time. In particular, the time change of absorbance at a wavelength of 472 nm is shown. FIG. 9B shows time-oscillation frequency characteristics indicating changes in oscillation frequency with respect to elapsed time. In both cases, the introduction of dry N 2 gas and water vapor N 2 gas was repeated for 5 minutes. Both the change in absorbance and the change in oscillation frequency decreased when water vapor gas was introduced, and reversibility was restored to the initial state when dry gas was introduced.
以上より、物質吸着検知システム20によって、水蒸気をセンシングしたところ、吸光度ピークは表面プラズモン励起によるものであること観察できた。また、吸光度ピークは水蒸気ガス吸着によりシフトすることが観察できた。また、初期状態、水蒸気ガス導入、乾燥ガス導入というサイクルにて、光吸収スペクトル及び発振周波数変化が可逆的に観察できた。
From the above, when water vapor was sensed by the substance
したがって、表面プロズモン共鳴とQCMとの複合からなる本実施の形態の物質吸着検知センサ10は、水蒸気に対して高感度な質量センシングを可能とすることがわかった。
Therefore, it has been found that the substance
図10の(A)、(B)及び(C)は、エタノール蒸気を測定対象としたときの測定結果である。図10の(A)は横軸を入射光の波長、縦軸を吸光度とした光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図10の(B)は横軸を経過時間、縦軸を吸光度とした時間−吸光度特性を示す。図10の(C)は横軸を経過時間、縦軸を発振周波数変化とした時間−周波数変化特性を示す。 (A), (B), and (C) of FIG. 10 are measurement results when ethanol vapor is the measurement object. FIG. 10A shows a light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristic with the horizontal axis representing the wavelength of incident light and the vertical axis representing absorbance. FIG. 10B shows time-absorbance characteristics with the elapsed time on the horizontal axis and the absorbance on the vertical axis. FIG. 10C shows time-frequency change characteristics with the horizontal axis representing elapsed time and the vertical axis representing oscillation frequency change.
図10の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、表面プラズモン(surface plasmon:SP)励起による吸収(吸光度)ピークが480nm付近に見られているが、15分間のエタノール蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側にシフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 10A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to surface plasmon (SP) excitation is seen in the vicinity of 480 nm. However, it can be seen that the SP resonance changed due to humidity adsorption due to exposure of the sensing layer to ethanol vapor for 15 minutes, and the absorbance peak shifted to the longer wavelength side. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図10の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.3であり、15分間のエタノール蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.23に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 10 (B), in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.3, and humidity adsorption due to exposure of the sensing layer to ethanol vapor for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance has changed and the absorbance has decreased to 0.23. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図10の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間のエタノール蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−61Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 10C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, which is due to exposure of the sensing layer to ethanol vapor for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption, and the oscillation frequency change ΔF changes to −61 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF almost returned to the initial value.
前述したように、本センサの質量は、被検知物質の吸着量分増加することとなる。そして、被検知ガスの吸着量が増加するにつれて、周波数は減少する。すなわち、吸着した被検知ガスの質量にほぼ比例して水晶振動子6の周波数特性が変化する。図10の(C)では、発振周波数変化ΔFが−61Hzに変化したときの、エタノール質量は0.77μgであった。
As described above, the mass of this sensor increases by the amount of adsorption of the substance to be detected. The frequency decreases as the amount of gas to be detected increases. That is, the frequency characteristic of the
また、図11の(A)、(B)は、エタノール蒸気導入の繰り返し測定結果である。図11の(A)は、経過時間に対する吸光度の変化を示す時間−吸光度特性である。特に、波長472nmでの吸光度の時間変化を示している。また、図11の(B)は経過時間に対する発振周波数変化を示す時間−発振周波数特性である。共に、乾燥N2ガスとエタノール蒸気の導入を5分間ずつ繰り返して行った結果である。吸光度の変化及び発振周波数変化ともエタノール蒸気導入時に減少し、乾燥ガス導入時に初期状態に回復する可逆性が観察できた。 Moreover, (A) and (B) of FIG. 11 are the repeated measurement results of ethanol vapor introduction. FIG. 11A is a time-absorbance characteristic showing a change in absorbance with respect to elapsed time. In particular, the time change of absorbance at a wavelength of 472 nm is shown. FIG. 11B is a time-oscillation frequency characteristic showing an oscillation frequency change with respect to the elapsed time. In both cases, the introduction of dry N 2 gas and ethanol vapor was repeated for 5 minutes. Both the change in absorbance and the change in oscillation frequency decreased when ethanol vapor was introduced, and reversibility was restored to the initial state when dry gas was introduced.
以上より、物質吸着検知システム20によって、エタノールをセンシングしたところ、吸光度ピークは表面プラズモン励起によるものであること観察できた。また、吸光度ピークはエタノール吸着によりシフトすることが観察できた。また、初期状態、エタノール蒸気導入、乾燥ガス導入というサイクルにて、光吸収スペクトル及び発振周波数変化が可逆的に観察できた。
From the above, when ethanol was sensed by the substance
したがって、表面プロズモン共鳴とQCMとの複合からなる本実施の形態の物質吸着検知センサ10は、エタノール蒸気に対して高感度な質量センシングを可能とすることがわかった。
Therefore, it has been found that the substance
図12の(A)、(B)及び(C)は、アセトン蒸気を測定対象としたときの測定結果である。図12の(A)は横軸を入射光の波長、縦軸を吸光度とした光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図12の(B)は横軸を経過時間、縦軸を吸光度とした時間−吸光度特性を示す。図12の(C)は横軸を経過時間、縦軸を発振周波数変化とした時間−周波数変化特性を示す。 (A), (B), and (C) of FIG. 12 are measurement results when acetone vapor is the measurement target. FIG. 12A shows a light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristic with the horizontal axis representing the wavelength of incident light and the vertical axis representing absorbance. FIG. 12B shows time-absorbance characteristics with the elapsed time on the horizontal axis and the absorbance on the vertical axis. FIG. 12C shows time-frequency change characteristics with the horizontal axis representing elapsed time and the vertical axis representing oscillation frequency change.
図12の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、表面プラズモン(surface plasmon:SP)励起による吸収(吸光度)ピークが490nm付近に見られているが、15分間のアセトン蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側にシフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 12A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to surface plasmon (SP) excitation is seen in the vicinity of 490 nm. However, it can be seen that the SP resonance changes due to humidity adsorption by exposure of the sensing layer to acetone vapor for 15 minutes, and the absorbance peak shifts to the longer wavelength side. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図12の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.3であり、15分間のエタノール蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.26に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 12 (B), in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.3, and humidity adsorption due to exposure of the sensing layer to ethanol vapor for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance has changed and the absorbance has decreased to 0.26. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図12の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間のアセトン蒸気へのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−58Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは上昇しているが初期状態の値にはとどかなかった。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 12C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, which is due to exposure of the sensing layer to acetone vapor for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption, and the oscillation frequency change ΔF changes to −58 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF increased but did not reach the initial value.
前述したように、本センサの質量は、被検知物質の吸着量分増加することとなる。そして、被検知ガスの吸着量が増加するにつれて、周波数は減少する。すなわち、吸着した被検知ガスの質量にほぼ比例して水晶振動子11の周波数特性が変化する。図12の(C)では、発振周波数変化ΔFが−58Hzに変化したときの、アセトン質量は0.74μgであった。 As described above, the mass of this sensor increases by the amount of adsorption of the substance to be detected. The frequency decreases as the amount of gas to be detected increases. That is, the frequency characteristic of the crystal unit 11 changes in proportion to the mass of the detected gas that has been adsorbed. In FIG. 12C, the acetone mass was 0.74 μg when the oscillation frequency change ΔF was changed to −58 Hz.
また、図13の(A)、(B)は、アセトン蒸気導入の繰り返し測定結果である。図13の(A)は、経過時間に対する吸光度の変化を示す時間−吸光度特性である。特に、波長472nmでの吸光度の時間変化を示している。また、図13の(B)は経過時間に対する発振周波数変化を示す時間−発振周波数特性である。共に、乾燥N2ガスとアセトン蒸気の導入を5分間ずつ繰り返して行った結果である。吸光度の変化及び発振周波数変化ともアセトン蒸気導入時に減少し、乾燥ガス導入時に上昇する可逆性が観察できた。 Moreover, (A) and (B) of FIG. 13 are repeated measurement results of acetone vapor introduction. FIG. 13A is a time-absorbance characteristic showing a change in absorbance with respect to elapsed time. In particular, the time change of absorbance at a wavelength of 472 nm is shown. FIG. 13B shows a time-oscillation frequency characteristic indicating a change in oscillation frequency with respect to elapsed time. In both cases, the introduction of dry N 2 gas and acetone vapor was repeated for 5 minutes. Both the change in absorbance and the change in oscillation frequency decreased when acetone vapor was introduced, and reversibility increased when dry gas was introduced.
以上より、物質吸着検知システム20によって、アセトンをセンシングしたところ、吸光度ピークは表面プラズモン励起によるものであること観察できた。また、吸光度ピークはアセトン吸着によりシフトすることが観察できた。また、初期状態、アセトン蒸気導入、乾燥ガス導入というサイクルにて、光吸収スペクトル及び発振周波数変化が可逆的に観察できた。
From the above, when acetone was sensed by the substance
したがって、表面プロズモン共鳴とQCMとの複合からなる本実施の形態の物質吸着検知センサは、アセトン蒸気に対しても質量センシングを可能とすることがわかった。 Therefore, it has been found that the substance adsorption detection sensor according to the present embodiment, which is a composite of surface prosmon resonance and QCM, enables mass sensing even for acetone vapor.
以上の構成によれば、前記水晶振動子のAg電極を金属薄膜として兼ねることによって、導波光により水晶に発生するエバネッセント波によってAg電極3に表面プラズモンを共鳴励起できる。
According to the above configuration, the surface plasmon can be resonantly excited in the
また、表面プラズモンが励起されると導波光は減衰し、また励起条件は物質の吸着によって敏感に変化するため、出射光を測定することでより高感度に光学特性の測定を行いながら、水晶振動子の発振特性を観測できる。 When surface plasmons are excited, the guided light attenuates, and the excitation conditions change sensitively due to the adsorption of the substance. Therefore, while measuring optical characteristics with higher sensitivity by measuring the emitted light, crystal oscillation The oscillation characteristics of the child can be observed.
さらに、Ag電極3表面に物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料をセンシング層4として堆積しておくことで、微量物質の検出をより良好に行うことができる。
もちろん、物質吸着検知センサは、Ag電極と金属薄膜を共用するので、部品点数を削減できる。また、コストも抑えることができる。
Furthermore, by depositing a sensitive material whose optical characteristics change as a result of substance adsorption on the surface of the
Of course, since the substance adsorption detection sensor shares the Ag electrode and the metal thin film, the number of parts can be reduced. In addition, costs can be reduced.
以上の実施例において、物質吸着検知センサは気体中にあっても液体中にあってもよい。 In the above embodiments, the substance adsorption detection sensor may be in gas or liquid.
なお、本発明は、前記実施態様1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で変更可能である。水晶発振用電極2,3としては、銀Agを用いたが、金、銅を用いることもできる。また、センシング層4の形状は特に限定されず、材質を変更することで種々の物質を検知することが可能である。また、水晶発振用電極の形状についても実施態様1に限定されず、例えば次の実施態様2で示すような形状でもよい。
In addition, this invention is not limited to the said
(実施態様2)
図14は、本発明の好ましい実施態様2となる物質吸着検知センサ40の上面図であり、オリフラ面を紙面の下側にして示している。この物質吸着検知センサ40も、水晶部分を導波した参照光と測定光とを用いる。Ag電極43とAg電極42とは一部を対向させている。水晶基板41に入射端41aから導入した白色光(White Light)がAg電極43の下を通過することによってAg電極43上に表面プラズモンSPが共鳴励起する。そして表面プラズモンSPが共鳴励起された光が強度測定対象の測定光として出射端41bから出射される。
(Embodiment 2)
FIG. 14 is a top view of the substance
この実施態様2の物質吸着検知センサ40は、Ag電極42とAg電極43の形状を実施態様1のAg電極2とAg電極3の形状と異ならせている。Ag電極43は測定光の通過部を幅8.0mmとし幅広に形成している。本実施態様2は、実施態様1に対し、電極構造を変更した。図14に示したように、表面側のSPR薄膜を兼ねた電極と裏面の電極の取り出しを同じ方向から取り出す構造とした。
In the substance
図2の構造では、参照光と測定光との差が表面電極の有無のみとなっているため、純粋にSPR表面側のSPR薄膜を兼ねた電極による光強度変化の寄与のみを検出することができる点で有利であるのに対し、本実施態様2では、参照光の通路は、裏面側電極による吸収の効果を受けないので、参照光の強度を小さくしても、十分な参照光としての光量が稼げるので消費電力などの観点で有利である。目的に応じて使い分ければよい。 In the structure of FIG. 2, since the difference between the reference light and the measurement light is only the presence or absence of the surface electrode, it is possible to detect only the contribution of the light intensity change by the electrode that also serves as the SPR thin film on the SPR surface side. On the other hand, in the second embodiment, the passage of the reference light is not affected by the absorption effect of the back side electrode. Therefore, even if the intensity of the reference light is reduced, sufficient reference light is obtained. Since the amount of light can be obtained, it is advantageous in terms of power consumption. You can use them according to your purpose.
この実施態様2の物質吸着検知センサ40も、図7に示した物質吸着検知システムに用いることができる。白色光が水晶基板内を導波すると、Ag電極43表面近傍(この距離は界面媒体の誘電率と入射角により決定される)にはエバネッセント場が生じる。このエバネッセント場が生じている領域に金、銀、銅などの金属薄膜43が存在すると、エバネッセント場が金属薄膜43に生じるSP(表面プラズモン)波と共鳴し、エネルギー移動することで吸収されることによって水晶基板1を導波する光は減衰する。
The substance
つまり、センシング層4はエバネッセント波の浸みだし領域内に存在しており、被検知物質を吸着したセンシング層が吸着前に対して誘電率が変化すると、金属薄膜43によるエバネッセント波のSPR(表面プラズモン共鳴)吸収が変化するため、水晶基板41の出射端41bから出射した光OUTの減衰の様子も変化する。この出射光OUTを光検出器22により測定する。そして、PC23によって測定結果を処理し、モニタ23aに表示する。被検知物質が素子ひいてはセンシング層表面に吸着すると、以上に記述したことから、水晶基板41の出射端部41bから出射した光OUTのスペクトルまたは強度が変化する。
That is, the
以下、本発明の実施態様2を具体化した3つの実施例を図7のシステムに適用して測定を行った結果について説明する。表2は、測定条件を示す表である。
(3つの実施例の定義)
測定蒸気は純水とした。水晶基板に導入する白色光の入射角θは65°とした。また、上側Ag電極43の電極面積は70.2mm2とし、測定光が通過する幅広部分の電極幅は8.0mmとした。また、Ag電極43(上側)での反射回数は6回となるようにした。そして、センシング層を形成するためのPVA濃度を10,20,30mg/mlの3つに設定した。センシング層は、水晶振動子をPVA溶液にディップコートして形成するので、PVA濃度を異ならせることでセンシング層の厚さを相互に異ならせることができる。測定は室温で行った。
(Definition of three examples)
The measurement steam was pure water. The incident angle θ of white light introduced into the quartz substrate is 65 °. Further, the electrode area of the
表3には実施例1、2及び3のPVA濃度、PVA膜厚、吸収ピーク波長を示す。実施例1はPVA濃度を10mg/mlとしPVA膜厚を60nmとした。測定による吸収ピーク波長は440nmであった。実施例2はPVA濃度を20mg/mlとしPVA膜厚を177nmとした。測定による吸収ピーク波長は528nmであった。実施例3はPVA濃度を30mg/mlとしPVA膜厚を599nmとした。測定による吸収ピーク波長は752nmであった。
(3つの実施例の吸収ピーク波長)
図15は、実施例1<1>、実施例2<2>及び実施例3<3>の吸光度スペクトル特性である。横軸に波長を、縦軸には吸光度を示す。実施例1<1>では、前述したように吸収ピーク波長が440nmであった。実施例2<2>では、前述のように528nm、実施例3<3>では752nmであった。したがって、センシング層の膜厚が厚くなるにつれて、吸収ピーク波長は長くなり、かつそのレベルも下がってくることが分かる。
(Absorption peak wavelength of three examples)
FIG. 15 shows the absorbance spectrum characteristics of Example 1 <1>, Example 2 <2>, and Example 3 <3>. The horizontal axis represents wavelength and the vertical axis represents absorbance. In Example 1 <1>, the absorption peak wavelength was 440 nm as described above. In Example 2 <2>, it was 528 nm as described above, and in Example 3 <3>, it was 752 nm. Therefore, it can be seen that as the thickness of the sensing layer increases, the absorption peak wavelength increases and the level also decreases.
センシング層の誘電率が一定の場合には、センシング層の膜厚が厚くなると吸収スペクトルのピーク波長は長波長側にシフトする。また、同一の膜厚の場合には、センシング層の誘電率が高いほど吸収スペクトルのピーク波長は長波長側にシフトする。本実施例では、センシング層としてPVA薄膜を形成した。PVAの濃度を濃くすることで、膜厚を厚くすることができた。PVAの膜厚は、QCMの周波数変化量より算出した。このように、QCMの周波数変化によって、センシング層の膜厚を正確に測定できることも本発明の複合センサ基板の利点のひとつである。センシング層の膜厚を適切に選択することによって、吸収ピーク波長を所望の位置に設計することができる。このようにして、特定の波長における単色測定において、最も感度が高くなるようにセンサの構造を最適化することができる。 When the sensing layer has a constant dielectric constant, the peak wavelength of the absorption spectrum shifts to the longer wavelength side as the thickness of the sensing layer increases. In the case of the same film thickness, the peak wavelength of the absorption spectrum shifts to the longer wavelength side as the dielectric constant of the sensing layer increases. In this example, a PVA thin film was formed as the sensing layer. The film thickness could be increased by increasing the concentration of PVA. The film thickness of PVA was calculated from the amount of change in frequency of QCM. Thus, one of the advantages of the composite sensor substrate of the present invention is that the thickness of the sensing layer can be accurately measured by changing the frequency of the QCM. By appropriately selecting the thickness of the sensing layer, the absorption peak wavelength can be designed at a desired position. In this way, the sensor structure can be optimized so as to have the highest sensitivity in monochromatic measurement at a specific wavelength.
(実施例1の測定結果の詳細)
次に、実施例1の物質吸着検知センサで水蒸気を測定対象としたときの測定結果の詳細について説明する。水蒸気(wetN2)は湿度70%とし、乾燥ガス(dryN2)は湿度15%とした。図16の(A)は横軸を入射光の波長、縦軸を吸光度とした光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図16の(B)は横軸を経過時間、縦軸を吸光度とした時間−吸光度特性を示す。白色光の波長λ=440nmに対する特性である。図16の(C)は横軸を経過時間、縦軸を発振周波数変化ΔFとした時間−周波数変化特性を示す。
(Details of measurement results of Example 1)
Next, the details of the measurement results when water vapor is the measurement target in the substance adsorption detection sensor of Example 1 will be described. Water vapor (wetN 2 ) had a humidity of 70%, and dry gas (dryN 2 ) had a humidity of 15%. FIG. 16A shows light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristics with the horizontal axis representing the wavelength of incident light and the vertical axis representing absorbance. FIG. 16B shows time-absorbance characteristics with the elapsed time on the horizontal axis and the absorbance on the vertical axis. This is a characteristic with respect to a wavelength of white light λ = 440 nm. FIG. 16C shows time-frequency change characteristics with the elapsed time as the horizontal axis and the oscillation frequency change ΔF as the vertical axis.
図16の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、表面プラズモン(surface plasmon:SP)励起による吸収(吸光度)ピークが440nm付近に見られているが、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側に15nm程シフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 16A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to surface plasmon (SP) excitation is seen near 440 nm. However, it can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure of the sensing layer to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes, and the absorbance peak is shifted to the long wavelength side by about 15 nm. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図16の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.3であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.24に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 16B, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.3 and the sensing layer is exposed to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure, and the absorbance decreases to 0.24. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図16の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−65Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 16C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, and the change to the water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to humidity adsorption due to exposure of the sensing layer, and the oscillation frequency change ΔF changes to −65 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF almost returned to the initial value.
吸湿によって、吸収スペクトルのピーク波長が15nm長波長側へシフトした。同時に測定されたQCMシグナルの周波数変化は、−70Hzであり、水分子の吸着量は0.88μgと見積もられた。 Due to moisture absorption, the peak wavelength of the absorption spectrum shifted to the longer wavelength side by 15 nm. The frequency change of the QCM signal measured simultaneously was −70 Hz, and the amount of water molecules adsorbed was estimated to be 0.88 μg.
(実施例2の測定結果の詳細)
水蒸気(wetN2)は湿度70%とし、乾燥ガス(dryN2)は湿度15%とした。図17の(A)は光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図17の(B)は時間−吸光度特性を示す。白色光の波長λ=528nmに対する特性である。図17の(C)は時間−周波数変化特性を示す。
(Details of measurement results of Example 2)
Water vapor (wetN 2 ) had a humidity of 70%, and dry gas (dryN 2 ) had a humidity of 15%. FIG. 17A shows the light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristics. FIG. 17B shows time-absorbance characteristics. This is a characteristic with respect to a wavelength of white light λ = 528 nm. FIG. 17C shows time-frequency change characteristics.
図17の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、SP励起による吸収(吸光度)ピークが528nm付近に見られているが、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側に20nm程シフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 17A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to SP excitation is seen in the vicinity of 528 nm. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure of the sensing layer to the wet N 2 ) gas, and the absorbance peak is shifted by about 20 nm to the longer wavelength side. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図17の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.3であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.20に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 17B, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.3 and the sensing layer is exposed to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance was changed by moisture adsorption due to exposure, and the absorbance decreased to 0.20. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図17の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−120Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 17C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, and the change to the water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to humidity adsorption due to exposure of the sensing layer, and the oscillation frequency change ΔF changes to −120 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF almost returned to the initial value.
吸湿によって、吸収スペクトルのピーク波長が20nm長波長側へシフトした。同時に測定されたQCMシグナルの周波数変化は、−123Hzであり、水分子の吸着量は1.55μgと見積もられた。 Due to moisture absorption, the peak wavelength of the absorption spectrum shifted to the longer wavelength side by 20 nm. The frequency change of the QCM signal measured at the same time was −123 Hz, and the water molecule adsorption amount was estimated to be 1.55 μg.
(実施例3の測定結果の詳細)
水蒸気(wetN2)は湿度70%とし、乾燥ガス(dryN2)は湿度15%とした。図18の(A)は光吸収スペクトル(波長−吸光度)特性を示す。図18の(B)は時間−吸光度特性を示す。白色光の波長λ=752nmに対する特性である。図18の(C)は時間−周波数変化特性を示す。
(Details of measurement results of Example 3)
Water vapor (wetN 2 ) had a humidity of 70%, and dry gas (dryN 2 ) had a humidity of 15%. FIG. 18A shows a light absorption spectrum (wavelength-absorbance) characteristic. FIG. 18B shows time-absorbance characteristics. This is a characteristic with respect to the wavelength of white light λ = 752 nm. FIG. 18C shows time-frequency change characteristics.
図18の(A)に示す光吸収スペクトル特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、SP励起による吸収(吸光度)ピークが752nm付近に見られているが、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度ピークが長波長側に28nm程シフトしたのが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態にほぼ戻った。 According to the light absorption spectrum characteristic shown in FIG. 18A, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), an absorption (absorbance) peak due to SP excitation is seen in the vicinity of 752 nm. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure of the sensing layer to the wet N 2 ) gas, and the absorbance peak is shifted to the long wavelength side by about 28 nm. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial state.
図18の(B)に示す時間−吸光度特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、吸光度が0.2であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、吸光度が0.15に減少したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、吸光度は初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-absorbance characteristics shown in FIG. 18B, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the absorbance is 0.2 and the sensing layer is exposed to water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to moisture adsorption due to exposure, and the absorbance decreases to 0.15. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the absorbance almost returned to the initial value.
図18の(C)に示す時間−発振周波数変化特性によれば、初期状態(乾燥窒素ガスN2)では、発振周波数変化ΔFは0であり、15分間の水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による湿度吸着でSP共鳴が変化し、発振周波数変化ΔFが−320Hzに変化したことが分かる。次に、乾燥窒素ガスN2を10分間導入したところ、発振周波数変化ΔFは初期状態の値にほぼ戻った。 According to the time-oscillation frequency change characteristic shown in FIG. 18C, in the initial state (dry nitrogen gas N 2 ), the oscillation frequency change ΔF is 0, and the change to the water vapor (wet N 2 ) gas for 15 minutes. It can be seen that the SP resonance changes due to humidity adsorption due to exposure of the sensing layer, and the oscillation frequency change ΔF changes to −320 Hz. Next, when dry nitrogen gas N 2 was introduced for 10 minutes, the oscillation frequency change ΔF almost returned to the initial value.
吸湿によって、吸収スペクトルのピーク波長が28 nm短波長側へシフトした。同時に測定されたQCMシグナルの周波数変化は、−328Hzであり、水分子の吸着量は4.14μgと見積もられた。 Due to moisture absorption, the peak wavelength of the absorption spectrum shifted to the 28 nm short wavelength side. The frequency change of the QCM signal measured simultaneously was −328 Hz, and the amount of water molecules adsorbed was estimated to be 4.14 μg.
(3つの実施例の測定結果の比較)
実施例1、2及び3は、センシング層の膜厚が異なる。実施例1の膜厚は60nm、実施例2のそれは177nm、実施例3のそれは599nmであった。吸光度ピークの長波長側にへのシフトは、実施例1が15nm、実施例2が20nm、実施例3が28nmであり、よって膜厚が厚くなるほど、吸光度ピークの長波長側にへのシフトが長くなった。また、水蒸気(ウェットN2)ガスへのセンシング層の暴露による発振周波数変化ΔFは、実施例1が−65Hz、実施例2が−120Hz、実施例3が−320Hzであり、よって膜厚が厚くなるほど、発振周波数変化ΔFが高くなる。
(Comparison of measurement results of three examples)
Examples 1, 2, and 3 differ in the thickness of the sensing layer. The film thickness of Example 1 was 60 nm, that of Example 2 was 177 nm, and that of Example 3 was 599 nm. The shift to the long wavelength side of the absorbance peak is 15 nm in Example 1, 20 nm in Example 2, and 28 nm in Example 3. Therefore, as the film thickness increases, the shift to the long wavelength side of the absorbance peak increases. It became long. Further, the oscillation frequency change ΔF due to the exposure of the sensing layer to water vapor (wet N 2 ) gas is −65 Hz in Example 1, −120 Hz in Example 2, and −320 Hz in Example 3, and thus the film thickness is large. As the result, the oscillation frequency change ΔF becomes higher.
なお、実施態様1及び2、実施例1〜実施例3では、水晶基板としてATカット水晶基板を用いた。以下には、ATカット水晶基板の面方位とオリフラとの関係などについて詳細に説明する。
In
水晶基板の結晶方位と光の伝搬方向との関係を調べるために、X線カット面検査を行なった。X線源としては、CuKαターゲットを用い、 50 kV, 200 mAの条件で測定した。測定分解能は、1/1000°である。測定対象とした測定格子面は、 (011)であり、理想的なATカット結晶では、図19(B)に示したように、面法線がZ軸となす角は、51°47’(面の傾き角:38°13’)であり、ATカット面のZ軸となす角は、35°15’であり、面法線との差は、2°58’である。カット面検査の測定結果は、水晶基板はいずれもATカットであり、結晶方位の誤差は、0.3°以内であった。 In order to investigate the relationship between the crystal orientation of the quartz substrate and the light propagation direction, an X-ray cut surface inspection was performed. As an X-ray source, a CuKα target was used, and measurement was performed under conditions of 50 kV and 200 mA. The measurement resolution is 1/1000 °. The measurement lattice plane to be measured is (011). In an ideal AT-cut crystal, as shown in FIG. 19B, the angle between the surface normal and the Z axis is 51 ° 47 ′ ( The inclination angle of the surface is 38 ° 13 ′), the angle formed with the Z axis of the AT cut surface is 35 ° 15 ′, and the difference from the surface normal is 2 ° 58 ′. As for the measurement results of the cut surface inspection, all the quartz substrates were AT cuts, and the error of crystal orientation was within 0.3 °.
また、水晶基板のメーカによって、水晶のX軸とオリフラの辺方向とは異なることがわかった。図20(A) のMAXTEK社製水晶の方位は、水晶のX軸とオリフラの辺方向とは平行な配置となっていることがわかった。一方、図20(B)及び(C)の多摩デバイス社製水晶の方位は、水晶のX軸とオリフラの辺方向とは垂直な配置となっていることがわかった。すなわち、上記のオリフラの方向と結晶のX軸方向との関係は、メーカによって90°異なることがある。 It was also found that the quartz X-axis and the orientation direction of the orientation flat differ depending on the quartz substrate manufacturer. The orientation of the quartz made by MAXTEK in FIG. 20A was found to be arranged parallel to the X axis of the quartz and the side direction of the orientation flat. On the other hand, it was found that the orientation of the quartz manufactured by Tama Device Co. in FIGS. 20B and 20C was perpendicular to the X axis of the quartz and the side direction of the orientation flat. That is, the relationship between the orientation flat direction and the crystal X-axis direction may differ by 90 ° depending on the manufacturer.
本発明の実験では、主に、多摩デバイス社製のATカット水晶基板を用いており、水晶の結晶方位とオリフラの方向とは、図20(B)または(C)の関係にある。 In the experiment of the present invention, an AT-cut quartz substrate manufactured by Tama Device Co., Ltd. is mainly used, and the crystal orientation of the quartz and the orientation flat are in the relationship of FIG. 20 (B) or (C).
本発明の光導波路としての光の伝搬方向は、このような結晶方位との関係において、理解されるべきものであり、基板のオリフラ方向との対応関係に注意しながら、利用する必要がある。 The propagation direction of light as the optical waveguide of the present invention should be understood in relation to such a crystal orientation, and should be used while paying attention to the correspondence relationship with the orientation flat direction of the substrate.
図19の(A)、(B)には、結晶方向とカット面(オリフラと切り出し板面)との関係を示す。図19(A)は、.X,.Y,.Zで基板の切り出したカット面での座標を示している。図19(B)は、X,Y,Zで水晶の結晶方位(結晶軸)を示している。角度θ1は.水晶基板の(011)面法線AXとZ軸との角度を示している。角度θ2は、.ZとZ軸との角度を示している。x軸はオリフラ面と垂直であり、さらに、.yはオリフラ面と平行である。本発明にあっては、光軸方向に応じて前記測定光の方向を決定する。 19A and 19B show the relationship between the crystal direction and the cut surface (orientation flat and cut-out plate surface). FIG. X,. Y,. Z represents the coordinates on the cut surface cut out of the substrate. FIG. 19B shows crystal orientations (crystal axes) of quartz with X, Y, and Z. The angle θ1 is. The angle between the (011) plane normal line AX of the quartz substrate and the Z axis is shown. The angle θ2 is. The angle between Z and the Z axis is shown. The x-axis is perpendicular to the orientation flat surface, and. y is parallel to the orientation flat surface. In the present invention, the direction of the measurement light is determined according to the optical axis direction.
入射光ならびに出射光が作る面法線と水晶基板中の光軸とが一致する方位に光路を配置することが好ましい。また、明瞭なSPRシグナルを得るためには、光導波路としての伝搬方向においてTEならびにTM偏波が水晶基板の光軸と一致するように光の伝搬方向を選択することが、シグナルの再現性を得るために有効である。すなわち、光の伝搬方向の垂直面における屈折率楕円体の断面の楕円の長軸と短軸とが水晶基板面と水平と垂直もしくはその逆となるような方位を選択すればよい。 It is preferable to arrange the optical path in the direction in which the surface normal created by the incident light and the outgoing light coincides with the optical axis in the quartz substrate. In order to obtain a clear SPR signal, it is necessary to select the light propagation direction so that the TE and TM polarized waves coincide with the optical axis of the quartz substrate in the propagation direction as an optical waveguide. Effective to get. That is, it is only necessary to select an orientation in which the major axis and the minor axis of the ellipse in the cross section of the refractive index ellipsoid on the vertical plane of the light propagation direction are perpendicular to the crystal substrate surface and horizontal or vice versa.
図20の(A),(B)及び(C)も、結晶方向とカット面(オリフラと切り出し板面)との関係を示したもので、メーカの異なる基板3種(A),(B),(C)を例に挙げて、X軸がオリフラに平行なパターン(A)、垂直なパターン(B),(C)があることを示している。この図面中でも、X,Y,Zは水晶の結晶方位(結晶軸)を示し、.X,.Y,.Zは基板の切り出したカット面での座標を示している。 (A), (B) and (C) in FIG. 20 also show the relationship between the crystal direction and the cut surface (orientation flat and cut-out plate surface), and three types of substrates (A) and (B) from different manufacturers. , (C) as an example, it is shown that there are a pattern (A) whose X-axis is parallel to the orientation flat, and a vertical pattern (B), (C). In this drawing, X, Y, and Z indicate crystal orientations (crystal axes) of quartz. X,. Y,. Z represents the coordinates on the cut surface cut out of the substrate.
図21及び図22は、X軸がオリフラと垂直なパターンの基板における屈折率測定結果を示す。 21 and 22 show the refractive index measurement results for a substrate having a pattern in which the X axis is perpendicular to the orientation flat.
メトリコン社製プリズムカプラ2010を用いて、GGG製のプリズムで632.8 nmの測定波長 (HeNe)で臨界角を測定することで屈折率を評価した。各社の水晶基板における伝搬方位と屈折率楕円体の関係を図21にまとめて示した。なお、楕円体の軸比は、わかりやすくするため強調して示した。図21〜図22は、多摩デバイス社製水晶の場合の測定結果を示したが、MAXTEK社製水晶の場合には、図19〜図20で説明したように、オリフラの方位に対して逆の関係となった。すなわち、多摩デバイス社製水晶では、オリフラと平行に導波するときには、TE・TMの偏波面が光軸と一致するので(図21(B)参照)偏波面が回転しないが、オリフラと垂直に導波するときには、TE・TMの偏波面が光軸と一致しないので(図22(B)参照)、偏波面が回転する。一方、MAXTEK社製水晶では、逆に、オリフラと平行に導波するときには、TE・TMの偏波面が光軸と一致しないので偏波面が回転するが、オリフラと垂直に導波するときには、 TE・TMの偏波面が光軸と一致するので偏波面が回転しない。そこで、本発明のセンサを適切に動作させるためには、多摩デバイス社製の水晶では、オリフラと平行に導波させることが好ましく、MAXTEK社製水晶では、オリフラと垂直に導波させることが好ましい。 The refractive index was evaluated by measuring the critical angle with a prism made by GGG at a measurement wavelength (HeNe) of 632.8 nm using a prism coupler 2010 manufactured by Metricon. The relationship between the propagation direction and the refractive index ellipsoid in the quartz substrate of each company is shown together in FIG. The axis ratio of the ellipsoid is highlighted for easy understanding. 21 to 22 show the measurement results in the case of quartz manufactured by Tama Device Co., but in the case of quartz manufactured by MAXTEK Co., as described with reference to FIGS. It became a relationship. That is, in the crystal manufactured by Tama Device Co., when the light is guided in parallel with the orientation flat, the TE / TM polarization plane coincides with the optical axis (see FIG. 21B), but the polarization plane does not rotate, but is perpendicular to the orientation flat. When guided, the TE / TM polarization plane does not coincide with the optical axis (see FIG. 22B), so the polarization plane rotates. On the other hand, in the quartz made by MAXTEK, on the other hand, when the wave is guided in parallel with the orientation flat, the polarization plane of TE · TM does not coincide with the optical axis, so the polarization plane rotates. -Since the polarization plane of TM coincides with the optical axis, the polarization plane does not rotate. Therefore, in order to properly operate the sensor of the present invention, it is preferable that the Tama Device quartz crystal is guided in parallel with the orientation flat, and the MAXTEK quartz is preferably guided perpendicular to the orientation flat. .
用いた水晶基板はATカットなので、屈折率楕円体は、基板面に対して傾いている。図21(B)、ならびに、図22(B)は、屈折率楕円体を光路(光の伝搬方向で基板に平行)方向に垂直な断面を示す屈折率楕円である。すなわち、光の伝搬方向は、紙面上方から下方へ向かう方向である。このような表示において、屈折率楕円が基板面と傾いている方向と屈折率楕円の軸が基板面と垂直・平行になっている場合とがある。図21(B)では、屈折率楕円は傾いていないのに対し、図22(B)では、屈折率楕円が傾いている。屈折率楕円が傾いている場合には、図4〜図6で説明したように、光が伝搬するにともなって、偏波面が回転してしまう虞がある。本発明では、特定の偏波面のみで生じるSPRを利用しているので、偏波面の回転は、光路長によって異なるので全体の光路長を波長レベルで再現よく作製することが困難であるため、偏波面が回転しないように、光の入射・出射方向を選択して光の伝搬方向を選択することが、良好かつ再現性のよいSPRシグナルを得るために好ましい。 Since the quartz substrate used is AT cut, the refractive index ellipsoid is inclined with respect to the substrate surface. FIG. 21B and FIG. 22B are refractive index ellipses showing a cross section of the refractive index ellipsoid perpendicular to the direction of the optical path (parallel to the substrate in the light propagation direction). That is, the light propagation direction is a direction from the top to the bottom of the page. In such a display, the direction in which the refractive index ellipse is inclined with respect to the substrate surface and the axis of the refractive index ellipse may be perpendicular or parallel to the substrate surface. In FIG. 21B, the refractive index ellipse is not inclined, whereas in FIG. 22B, the refractive index ellipse is inclined. When the refractive index ellipse is tilted, as described with reference to FIGS. 4 to 6, the polarization plane may be rotated as light propagates. In the present invention, since the SPR generated only in a specific polarization plane is used, the rotation of the polarization plane varies depending on the optical path length, so that it is difficult to reproducibly produce the entire optical path length at the wavelength level. In order to obtain a good and reproducible SPR signal, it is preferable to select the light incident / exit direction and the light propagation direction so that the wavefront does not rotate.
図22(B)は屈折率の測定結果が作り出す楕円体パターンにおける楕円体の断面で長軸と短軸が基板面に対して斜めに向くので好ましくない。図21(B)のように屈折率の測定結果が作り出す楕円体パターンにおける楕円体の断面で長軸と短軸が基板面に対して垂直と平行になるように(又は平行と垂直になるように)光の伝搬方向を設定する(測定光と参照光の方位を決定する)ことが好ましいことを示している。このことから、本願では、X軸がオリフラと垂直なパターンの多摩デバイス社製の水晶を用いているので、オリフラと平行な方向に測定光と参照光を伝搬させている。 FIG. 22B is not preferable because a long axis and a short axis are inclined with respect to the substrate surface in the cross section of the ellipsoid in the ellipsoid pattern created by the measurement result of the refractive index. As shown in FIG. 21B, in the ellipsoidal pattern created by the refractive index measurement result, the major axis and the minor axis are perpendicular to or parallel to the substrate surface (or parallel and perpendicular). It is shown that it is preferable to set the propagation direction of light (determine the orientation of the measurement light and the reference light). For this reason, in the present application, since the crystal made by Tama Device Co., Ltd., whose X axis is perpendicular to the orientation flat is used, the measurement light and the reference light are propagated in a direction parallel to the orientation flat.
次に、X軸がオリフラと平行なパターンを有する水晶基板の表面に金属薄膜を設置し、表面プラズモン共鳴を利用して反射強度を測定した結果について参考例として説明する。 Next, a result of measuring the reflection intensity using surface plasmon resonance by placing a metal thin film on the surface of a quartz substrate having a pattern in which the X axis is parallel to the orientation flat will be described as a reference example.
水晶基板のように、複屈折ももった基板におけるSPRシグナルについて検討するため、以下の実験を試みた。SPR測定図23〜図27では、従来型のLaSFN9のプリズムで1回反射のSPR測定を行った結果である。MAXTEK社製の水晶基板(ATカット、厚さ333μm)の片面に金の薄膜を50nm(あらかじめ検量線を取得した。)の厚さに蒸着した。 In order to examine the SPR signal in a substrate having birefringence, such as a quartz substrate, the following experiment was attempted. SPR Measurement FIGS. 23 to 27 show the results of a single reflection SPR measurement using a conventional LaSFN9 prism. A gold thin film was deposited on one side of a quartz substrate manufactured by MAXTEK (AT cut, thickness 333 μm) to a thickness of 50 nm (a calibration curve was obtained in advance).
プリズム、マッチングオイル、 水晶基板、金薄膜の順に配置し、プリズム側から、波長632.8nmのHeNeレーザを光源として、入射角度、反射角度を変化させてp偏光の反射強度を測定した。図23から図26では、金薄膜の隣接層は、空気とした。図23は、オリフラが下向きとなるように水晶基板を配置し、入射光と反射光とで形成される面が水平面となるようにして、測定を行った。この配置では、p偏光の偏波面(水平)は、水晶の光軸と一致しないので、複屈折の影響を受けることが予測される。測定結果は、図23に示すようにシグナルが角度と共に周期的に変動しているため、SPR共鳴の吸収ピークを判定しにくい。このシグナルの変動は、水晶基板の複屈折由来の干渉によると考えられる。 A prism, a matching oil, a quartz substrate, and a gold thin film were arranged in this order, and the reflection intensity of p-polarized light was measured from the prism side using a HeNe laser having a wavelength of 632.8 nm as a light source and changing the incident angle and reflection angle. In FIGS. 23 to 26, the adjacent layer of the gold thin film is air. In FIG. 23, the measurement was performed with the quartz substrate placed so that the orientation flat was facing downward, and the surface formed by the incident light and the reflected light being a horizontal plane. In this arrangement, the polarization plane (horizontal) of the p-polarized light does not coincide with the optical axis of the crystal, so that it is predicted to be affected by birefringence. In the measurement result, as shown in FIG. 23, since the signal periodically varies with the angle, it is difficult to determine the absorption peak of SPR resonance. This signal variation is considered to be due to interference derived from the birefringence of the quartz substrate.
図24は、水晶基板のオリフラを上向きに配置した以外、図23と同じ配置での測定結果である。図24でも、p偏波面は水平であり、水晶基板の光軸と一致しない。シグナルが変動しているため、SPR共鳴の吸収ピークを判定しにくい。水晶基板の複屈折由来の干渉によると考えられる。 FIG. 24 shows the measurement results in the same arrangement as in FIG. 23 except that the orientation flat of the quartz substrate is arranged upward. Also in FIG. 24, the p-polarization plane is horizontal and does not coincide with the optical axis of the quartz substrate. Since the signal fluctuates, it is difficult to determine the absorption peak of SPR resonance. This is considered to be due to interference derived from the birefringence of the quartz substrate.
図25では、オリフラが横向きとなるように水晶基板を配置して、オリフラと反対の方向から入射した。図25に示すように明瞭なSPRシグナルが得られた。この配置では、p偏波面(水平)は、水晶基板の光軸方向と一致するため、複屈折があっても偏波面が回転することはないため、明瞭なシグナルが観察されたものと考えられる。 In FIG. 25, the quartz substrate is arranged so that the orientation flat is in the horizontal direction, and the light enters from the direction opposite to the orientation flat. A clear SPR signal was obtained as shown in FIG. In this arrangement, the p-polarization plane (horizontal) coincides with the direction of the optical axis of the quartz substrate, so that even if there is birefringence, the polarization plane does not rotate, so it is considered that a clear signal was observed. .
図26では、オリフラが横向きとなるように水晶基板を配置して、オリフラの方向から入射した。図26に示すように明瞭なSPRシグナルが得られた。この配置では、図25と同様に、p偏波面(水平)は水晶基板の光軸方向と一致するため、複屈折があっても偏波面が回転することはないため、明瞭なシグナルが観察されたものと考えられる。 In FIG. 26, the quartz substrate is arranged so that the orientation flat is in the horizontal direction, and is incident from the orientation flat direction. A clear SPR signal was obtained as shown in FIG. In this arrangement, as in FIG. 25, the p-polarization plane (horizontal) coincides with the optical axis direction of the quartz substrate, so that even if there is birefringence, the polarization plane does not rotate, so a clear signal is observed. It is thought that.
図27では、図26では空気であった金薄膜の隣接層をエタノールとした。空気とエタノールとの誘電率の違いによって、SPRが観測される角度はシフトしているが、明瞭なシグナルが得られた。このように、金薄膜に隣接する媒質によって、反射光強度の落ち込みが生じる角度が変化したことから、図26、図27に観測されたシグナルは、SPRに基づくものであると判断できた。このように、水晶基板上に金属薄膜を形成して測定する場合、SPRシグナルを明瞭に得るためには、1回反射では、入射光ならびに出射光が作る面法線と水晶基板中の光軸とが一致する方位に光路を配置することが肝要であることがわかった。 In FIG. 27, the adjacent layer of the gold thin film, which was air in FIG. 26, was ethanol. Although the angle at which SPR is observed is shifted due to the difference in dielectric constant between air and ethanol, a clear signal is obtained. As described above, since the angle at which the reflected light intensity drops varies depending on the medium adjacent to the gold thin film, it can be determined that the signals observed in FIGS. 26 and 27 are based on SPR. Thus, when a metal thin film is formed on a quartz substrate and measured, in order to obtain an SPR signal clearly, in the single reflection, the surface normal created by the incident light and the outgoing light and the optical axis in the quartz substrate It was found that it is important to arrange the optical path in the direction that coincides with.
本発明のように、多重反射で測定する場合にも、同様の理由で、明瞭なSPRシグナルを得るためには、光導波路としての伝搬方向においてTEならびにTM偏波が水晶基板の光軸と一致するように光の伝搬方向を選択することが、シグナルの再現性を得るために有効である。 When measuring with multiple reflections as in the present invention, for the same reason, in order to obtain a clear SPR signal, TE and TM polarized waves coincide with the optical axis of the quartz substrate in the propagation direction as an optical waveguide. It is effective to select the light propagation direction so as to obtain signal reproducibility.
すなわち、光の伝搬方向の垂直面における屈折率楕円体の断面の楕円の長軸と短軸とが水晶基板面と水平と垂直もしくはその逆となるような方位を選択すればよい。 That is, it is only necessary to select an orientation in which the major axis and the minor axis of the ellipse in the cross section of the refractive index ellipsoid on the vertical plane of the light propagation direction are perpendicular to the crystal substrate surface and horizontal or vice versa.
このように水晶基板のような複屈折を有する基板上の金属薄膜を利用したSPR測定のシグナルを再現性よく明瞭に測定するための入射光、出射光と基板との方位の関係については、従来十分に検討されていなかった。本発明にあたって、QCMとSPRと光導波路の複合センサを構成するために、鋭意検討した結果発明に至ったものである。 As described above, the relationship between the orientation of the incident light and the outgoing light and the substrate for clearly measuring the signal of the SPR measurement using the metal thin film on the substrate having birefringence such as the quartz substrate with high reproducibility is conventionally known. It has not been fully examined. In the present invention, as a result of intensive studies to construct a composite sensor of QCM, SPR and optical waveguide, the present invention has been achieved.
(参考例1)
汎用されているプリズムを用いた1回反射の表面プラズモン測定光学系で、X軸がオリフラと平行なパターンを有するMAXTEK社製水晶基板を用い、その水晶基板の表面に金属薄膜を設置した。そして、オリフラに平行な光を伝搬させた。図23はオリフラを下向きにし、水晶基板の反対面を空気としときの測定結果であり、角度と反射強度との特性図である。この測定結果によりピークが二箇所たっていることがわかる。また、図24はオリフラを上向きにし、水晶基板の反対面を空気としときの測定結果であり、角度と反射強度との特性図である。この測定結果によりピークが二箇所以上たっていることがわかる。このように、本来のシグナルが、干渉パターンによって判別しにくくなる方位での測定は、再現性の観点から好ましくない。
(Reference Example 1)
A single-reflection surface plasmon measurement optical system using a prism that is widely used, a quartz substrate made by MAXTEK having an X axis parallel to the orientation flat was used, and a metal thin film was placed on the surface of the quartz substrate. And the light parallel to the orientation flat was propagated. FIG. 23 is a measurement result when the orientation flat is faced down and the opposite surface of the quartz substrate is air, and is a characteristic diagram of angle and reflection intensity. From this measurement result, it can be seen that there are two peaks. FIG. 24 is a measurement result when the orientation flat is faced upward and the opposite surface of the quartz substrate is air, and is a characteristic diagram of angle and reflection intensity. It can be seen from this measurement result that there are two or more peaks. Thus, measurement in an orientation in which the original signal is difficult to discriminate by the interference pattern is not preferable from the viewpoint of reproducibility.
(参考例2)
次に、前記X軸がオリフラと平行なパターンを有するMAXTEK社製水晶基板を用い、その水晶基板の表面に金属薄膜を設置し、オリフラに垂直な光を伝搬させた。図25はオリフラを左側にし、水晶基板の反対面を空気としときの測定結果である。この測定結果によりピークが一箇所であることがわかる。また、図26はオリフラを右側にし、水晶基板の反対面を空気としときの測定結果である。この測定結果によりピークが一箇所であることがわかる。
(Reference Example 2)
Next, using a quartz substrate manufactured by MAXTEK having a pattern in which the X axis is parallel to the orientation flat, a metal thin film was placed on the surface of the quartz substrate, and light perpendicular to the orientation flat was propagated. FIG. 25 shows the measurement results when the orientation flat is on the left and the opposite surface of the quartz substrate is air. From this measurement result, it can be seen that there is one peak. FIG. 26 shows the measurement results when the orientation flat is on the right side and the opposite surface of the quartz substrate is air. From this measurement result, it can be seen that there is one peak.
したがって、実施例4、5から結晶方位Xがオリフラに平行なパターンを有する基板では、オリフラに平行な光を伝搬させたことに相当する実施例4に比べて、垂直に伝搬させたことに相当する実施例5のピーク位置が明瞭な単一ピークが得られることが分かる。 Therefore, in the substrates having the pattern in which the crystal orientation X is parallel to the orientation flat from Examples 4 and 5, it is equivalent to propagating vertically compared to Example 4 corresponding to the propagation of light parallel to the orientation flat. It can be seen that a single peak with a clear peak position in Example 5 is obtained.
(参考例3)
参考例2の水晶基板にあって、オリフラを右側にし、水晶基板の反対面をエタノールとしときの測定結果を図27に示す。参考例2のピーク値が表面プラズモンに基づくものであることが分かる。
(Reference Example 3)
FIG. 27 shows the measurement result when the orientation flat is on the right side and the opposite surface of the quartz substrate is ethanol in the quartz substrate of Reference Example 2. It can be seen that the peak value of Reference Example 2 is based on surface plasmons.
本発明の活用例として、吸着物質検知用物質を選択することにより、気体中における酸化窒素などの酸化性ガス、アンモニアなどの塩基性ガスや有機溶媒ガス、液体中の生体物質などの検出および識別が考えられる。さらに、環境モニタや工程管理などにも利用できるものと考えられる。 As an application example of the present invention, by selecting an adsorbent detection substance, detection and identification of an oxidizing gas such as nitrogen oxide, a basic gas such as ammonia, an organic solvent gas, a biological substance in a liquid, etc. Can be considered. Furthermore, it can be used for environmental monitoring and process management.
1・・・・水晶基板
2・・・・Ag電極
3・・・・Ag電極
4・・・・センシング層
5・・・・基材
6・・・・水晶振動子
10・・・物質吸着検知センサ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記光導波路は、この光導波路の光路の垂直断面における屈折率楕円の一方の軸が前記水晶基板と垂直であるように設定され、
前記電極の一方を表面プラズモン共鳴励起のための金属薄膜としても用い、前記水晶部分の第1の端面から前記光導波路に参照光と測定光を入射し、測定光は前記光導波路において前記金属薄膜にプラズモン共鳴を励起し、前記光導波路から前記水晶部分の第2の端面に出射された参照光と測定光の強度を比較し、
前記電極の一方に物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料層が形成され、
前記感応性材料層に吸着された物質による光学特性の変化を前記電極の一方の金属薄膜に励起された表面プラズモンにより検出するとともに、前記吸着された物質による水晶振動子の発振特性の変化を検出することを特徴とする物質吸着検知方法。 A quartz crystal unit is composed of a crystal part made of a single crystal crystal substrate and electrodes formed on both sides of the crystal part. The oscillation characteristics of the crystal unit and light guided by the crystal part as an optical waveguide In the substance adsorption detection method to be measured,
The optical waveguide is set so that one axis of a refractive index ellipse in a vertical section of the optical path of the optical waveguide is perpendicular to the quartz substrate,
One of the electrodes is also used as a metal thin film for surface plasmon resonance excitation, and reference light and measurement light are incident on the optical waveguide from the first end face of the crystal portion, and the measurement light is incident on the metal thin film in the optical waveguide. Exciting plasmon resonance to the reference light emitted from the optical waveguide to the second end face of the crystal portion and the intensity of the measurement light,
A sensitive material layer whose optical properties change due to substance adsorption is formed on one of the electrodes,
Changes in the optical characteristics due to the substance adsorbed on the sensitive material layer are detected by surface plasmons excited on one metal thin film of the electrode, and changes in the oscillation characteristics of the crystal resonator due to the adsorbed substance are detected. adsorption detection method comprising to Rukoto.
前記光導波路は、この光導波路の光路の垂直断面における屈折率楕円の一方の軸が前記水晶基板と垂直であるように設定され、
前記電極の一方は表面プラズモン共鳴励起のために用いる金属薄膜であり、前記水晶部分は前記光導波路の入射端として第1の端面、出射端として第2の端面を有し、前記第1の端面から前記光導波路に入射して前記第2の端面から出射する参照光と測定光について、前記金属薄膜は前記測定光の光路の上面に形成されているが前記参照光の光路の上面には形成されておらず、
前記電極の一方に形成され、物質吸着によって光学特性が変化する感応性材料層を有していることを特徴とする物質吸着検知センサ。 A quartz crystal unit is composed of a crystal part made of a single crystal crystal substrate and electrodes formed on both sides of the crystal part. The oscillation characteristics of the crystal unit and light guided by the crystal part as an optical waveguide In the substance adsorption detection sensor to be measured,
The optical waveguide is set so that one axis of a refractive index ellipse in a vertical section of the optical path of the optical waveguide is perpendicular to the quartz substrate,
One of the electrodes is a metal thin film used for surface plasmon resonance excitation, and the crystal portion has a first end face as an incident end of the optical waveguide and a second end face as an exit end, and the first end face for reference light and measuring light emitted from said second end face entering shines on the optical waveguide from the metal thin film on an upper surface of the optical path of the measurement light are formed on the upper surface of the optical path the reference light Not formed,
The one formed on the electrode, material suction detecting sensor characterized that you have had a sensitive material layer whose optical characteristics are changed depending on the material adsorbed.
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