JP5777277B2 - 光導波路型バイオケミカルセンサチップ - Google Patents

Description

本発明は、光導波路型バイオケミカルセンサチップに関し、特に測定精度を向上させたものに関する。

従来、小型で高感度なバイオケミカルセンサとしてはグレーティングカプラ及び生体
分子認識機能及び情報変換機能を有するセンシング膜を備え、光導波路層表面に生じるエバネッセント波を利用した平面光導波路型バイオケミカルセンサが提案されている。

例えば、基板上にゾル−ゲル法により膜厚６２０ｎｍの酸化シリコン膜からなる光導波路層を形成し、この導波路層の両端にグレーティングを形成した構造の蛍光免疫センサが開示されている（例えば、特許文献１参照）。

また、基板表面の両端付近にグレーティングを形成し、このグレーティングを含む前記基板表面に光導波路層を形成した構造の平面光導波路型バイオケミカルセンサが開示されている。この光導波路層は、スパッタ法やＣＶＤ法で形成された窒化シリコン、酸化アルミニウム、酸化タンタル等、もしくはイオン交換法により作製されたガラス膜であることが好ましいことが記載されている（例えば、特許文献２，３参照）。

一方、ガラス基板主面に生体分子認識機能及び情報変換機能を有するセンシング膜を形成し、基板内に光を伝播させ、前記センシング膜との界面で反射させる光導波路センサが提案されている。特に、許容する入射角範囲の拡大が可能で、かつ高い感度を維持しつつ、光導波路層における光強度の減衰が抑制されている（例えば、特許文献４参照）。

特開平８−２８５８５１号公報 特開平９−６１３４６号公報 特許第３２３６１９９号公報 特開２００６−２０８３５９号公報

上述した導波路型センサでは、次のような問題があった。すなわち、図４は、光導波路型バイオケミカルセンサチップ１００の一例を模式的に示す断面図である。ガラス等の透光性を有する基板１０１の平坦な主面の両端部付近の領域には、それぞれ一対のグレーティング１０２がその基板１０１に光を入射、出射させるためにそれぞれ形成されている。グレーティング１０２は、基板１０１を構成する材料よりも高い屈折率を有する材料で形成されている。

光導波路層１０３は、基板１０１より高屈折率の高分子樹脂からなり、均一な厚さの膜体である。グレーティング１０２が形成された基板１０１の主面に密着するように隣接して形成されている。

保護膜１０４は、光導波路層１０３を構成する材料よりも低屈折率で、かつ、センサチップに投入される全ての試薬と反応しないフッ素樹脂で構成される。グレーティング１０２が形成されている領域に対応する光導波路層１０３の両端部、つまりグレーティング１０２に対応する領域を覆うように、光導波路層１０３の表面に隣接して形成されている。

センシング膜１０５は、グレーティング１０２間を結ぶ線分上の保護膜１０４に挟まれた領域に位置し、光導波路層１０３表面に密着するように隣接して形成されている。センシング膜１０５は、例えば、導入された検体の濃度に応じた濃度の反応産物を生成する膜である。反応産物は導波成分と作用してエネルギを消費する性質を有し、吸収したり、蛍光を発したりする。

このような光導波路型バイオケミカルセンサチップ１００では、レーザダイオードＬＤから出射された入射光を一方のグレーティング１０２で１次回折し、光導波路層１０３に入射する。光導波路層１０３では、導波成分Ｐとなり、層内を伝播する。一方、センシング膜１０５では、導波成分が吸収される等して、他方のグレーティング１０２で回折し、出射光となって、フォトダイオードＰＤに入射する。したがって、検体の濃度によって導波成分の強度が変わるため、フォトダイオードＰＤで検出された光の強度を測定することで、検体の濃度が測定される原理となっている。

しかしながら、グレーティング１０２では、光が回折するにあたり入射光の一部は反射光や特定方向への反射回折光となって、基板１０２内を伝播し、その一部がフォトダイオードＰＤに入射し、検出される。このような基板伝播成分Ｑは本来検出すべき導波成分Ｐに対してノイズ成分となるため、基板伝播成分Ｑがあると、測定精度が低下する虞がある。

そこで本発明は、基板伝播成分を除去することで測定精度を向上できる光導波路型センサを提供することを目的としている。

前記課題を解決し目的を達成するために、本発明の光導波路型センサは次のように構成されている。

基板と、前記基板の第１主面に形成され、前記基板より高屈折率の光導波路層と、前記光導波路層内に前記基板の第２主面側から光を入射、出射するための一対のグレーティングと、前記光導波路層上にあって、前記一対のグレーティングの間に設けられ、導入された測定対象物の量または濃度に応じて前記光導波路層内を伝播する光の強度を変化させるセンシング膜と、前記第２主面に形成され、前記一対のグレーティングの間に相当する前記基板部分であって前記センシング膜に対向する位置に配置され、前記グレーティングで反射及び反射回折し前記基板内に伝播する基板伝播成分を除去する基板伝播成分除去部とを備えていることを特徴とする。

本発明によれば、基板伝播成分を除去することで測定精度を向上させることが可能である。

本発明の第１の実施の形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップを模式的に示す縦断面図。 本発明の第２の実施の形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップを模式的に示す縦断面図。 本発明の第３の実施の形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップを模式的に示す縦断面図。 光導波路型センサの一例を模式的に示す縦断面図。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップ（光導波路型センサ）１０を示す断面図である。光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０は、ガラス（例えば無アルカリガラス）または石英からなる透光性を有する基板１１を備えている。基板１１の平坦な第１主面１１ａの両端部付近の領域には、それぞれ一対のグレーティング１２が形成されている。これらのグレーティング１２は、基板１１を構成する材料よりも高い屈折率を有する材料（例えば酸化チタン）で形成されている。グレーティング１２は、基板１１を透過した光を後述する光導波路層１３に入射させ、光導波路層１３内で全反射させた後、出射させる機能を有している。

光導波路層１３は、基板１１より高屈折率の高分子樹脂からなり、３〜３００μｍの範囲で設定される均一な厚さの膜体である。グレーティング１２が形成された基板１１の第１主面１１ａに密着するように隣接して形成されている。

保護膜１４は、光導波路層１３を構成する材料よりも低屈折率で、かつセンサチップに投入される全ての試薬と反応しない材料（例えばフッ素樹脂）で構成される。グレーティング１２が形成されている領域に対応する光導波路層１３の両端部、つまりグレーティング１２に対応する領域を覆うように、光導波路層１３の表面に隣接して形成されている。

センシング膜１５は、グレーティング１２間を結ぶ線分上の保護膜１４に挟まれた領域に位置し、光導波路層１３表面に密着するように隣接して形成されている。センシング膜１５とは、例えば、膜上に導入された所定濃度の検体に応じて、所定濃度の反応産物を生成する膜である。反応産物は光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０内を導波する光、もしくはこの光から生じるエバネッセント波と作用してエネルギーを消費する性質を有し、吸収したり、蛍光を発したりする。

このような膜として機能させるために、膜本体は多孔質組織となっており、検体と抗原抗体反応により結合する標識された抗体や、標識に反応して反応産物を生成する試薬、標識と試薬の反応を促進する触媒等が、薬品の種類に応じて適宜組み合わされ、多孔質組織内の空孔に個別に納められている。検体溶液の溶媒が膜組織を破壊してこれらのセンシング膜構成物質を移動自在に開放し、検体との反応を促す。

センシング膜１５がグルコースセンシング膜である場合、グルコースセンシング膜はグルコースの酸化酵素または還元酵素、この酵素による生成物と反応して発色剤を発色させる物質を発生する試薬、発色剤、膜形成高分子樹脂、必要に応じてポリエチレングリコールのような透水性促進剤を含んでいる。

一方、基板１１の第２主面１１ｂには、センシング膜１５に対向する位置に基板伝播成分除去部２０が配置されている。基板伝播成分除去部２０は、基板１１の第２主面１１ｂを擦りガラス状に加工したものであり、散乱によって伝播成分を除去する機能を有している。

このような光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０は、次のように作用する。すなわち、センシング膜１５に生体分子を含む検体を接触させ、検体中の生体分子をセンシング膜１５に抽出する。この生体分子は、センシング膜１５との間でバイオケミカル反応を起こす。この状態で、レーザダイオードＬＤ及びフォトダイオードＰＤを基板１１の裏面左側及び右側にそれぞれ配置し、レーザダイオードＬＤからレーザ光を光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０の基板１１裏面側に入射すると、そのレーザ光は基板１１を通してグレーティング１２と光導波路層１３の界面で回折・屈折され（図１中Ｐ）、さらに光導波路層１３と基板１１及びセンシング膜１５の界面で複数回屈折しながら光導波路層Ｂ内を伝播する。この際、光導波路層１３で伝播する光のエバネッセント波はセンシング膜１５の界面での屈折時にそのセンシング膜１５における検体中の生体分子のバイオケミカル反応に基づく変化（例えば吸光度変化）に応じて吸収される。

光導波路層１３を伝播した光は、右側のグレーティング１２を介して基板１１の裏面から出射され、フォトダイオードＰＤで受光される。受光したレーザ光強度は、センシング膜１５が生体分子とバイオケミカル反応をなさない時に受光した光強度（初期光強度）に比べて低下した値になり、その低下率から生体分子の量を検出することが可能になる。

一方、グレーティング１２で発生した反射光や特定方向への反射回折光は、基板１１内を基板伝播成分Ｑとして伝播し、基板伝播成分除去部２０に入射する。基板伝播成分除去部２０は、擦りガラス状であるため、基板伝播成分Ｑが散乱し、その指向性が著しく低下することで、フォトダイオードＰＤで検出される比率も大きく低減する。したがって、上述した光導波路層１３を伝播した光の測定値に影響することなく、高精度な測定が可能となる。

上述したように、本実施形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０によれば、基板伝播成分Ｑを除去することで測定精度を向上させることができる。

（第２実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０Ａを示す断面図である。図２において、図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態では、上述した基板伝播成分除去部２０の代わりに、基板伝播成分除去部２０Ａが設けられている。基板伝播成分除去部２０Ａは、基板１１の第２主面１１ｂに貼り付けられた遮光テープであり、吸収によって基板伝播成分Ｑを除去する機能を有している。なお、遮光テープの代わりに、黒色の塗料を塗布してもよい。

このように構成された光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０Ａであっても、上述した光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０と同様の効果が得られる。

（第３実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態に係る光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０Ｂを示す断面図である。図３において、図１と同一機能部分には同一符号を付し、その詳細な説明は省略する。

本実施形態では、上述した基板伝播成分除去部２０の代わりに、基板伝播成分除去部２０Ｂが設けられている。基板伝播成分除去部２０Ｂは、基板１１の第２主面１１ｂに形成されたグレーティングであり、回折によって基板１１外部に出射し、基板１１内を伝播する基板伝播成分Ｑを除去する機能を有している。

このように構成された光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０Ｂであっても、上述した光導波路型バイオケミカルセンサチップ１０と同様の効果が得られる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

例えば、センシング膜１５は、測定対象物が抗原の場合、表面に抗原と特異的に反応する第１の抗体を固定化し、さらに測定対象物と特異的に反応する第２の抗体が固定化された複数の微粒子が配置されたものを用いてもよい。これにより、センシング膜１５に測定対象物を導入すると、微粒子が第１の抗体と抗原と第２の抗体を介して、センシング膜１５側に固定化される。そこに光を導入すると、微粒子により光が散乱され、光導波路層を伝播する光が減衰する。この構成であっても、上記実施形態と同様の効果が得られる。

本発明によれば、基板伝播成分を除去することで測定精度を向上させることができる光導波路型センサが得られる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ…光導波路型バイオケミカルセンサチップ（光導波路型センサ）、１１…基板、１２…グレーティング、１３…光導波路層、１５…センシング膜、２０，２０Ａ，２０Ｂ…基板伝播成分除去部、ＬＤ…レーザダイオード、ＰＤ…フォトダイオード、Ｐ…伝播成分、Ｑ…基板伝播成分。

Claims (5)

1. 基板と、
   前記基板の第１主面に形成され、前記基板より高屈折率の光導波路層と、
   前記光導波路層内に前記基板の第２主面側から光を入射、出射するための一対のグレーティングと、
   前記光導波路層上にあって、前記一対のグレーティングの間に設けられ、導入された測定対象物の量または濃度に応じて前記光導波路層内を伝播する光の強度を変化させるセンシング膜と、
   前記第２主面に形成され、前記一対のグレーティングの間に相当する前記基板部分であって前記センシング膜に対向する位置に配置され、前記グレーティングで反射及び反射回折し前記基板内に伝播する基板伝播成分を除去する基板伝播成分除去部とを備えていることを特徴とする光導波路型センサ。
2. 前記基板伝播成分除去部は、吸収、散乱または回折によって、前記基板伝播成分を除去するものであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。
3. 前記基板伝播成分除去部は、前記基板の第２主面が擦りガラス状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。
4. 前記基板伝播成分除去部は、グレーティングであることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。
5. 前記基板伝播成分除去部は、遮光テープ、または黒塗料であることを特徴とする請求項１に記載の光導波路型センサ。

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