JPH08510831A

JPH08510831A - 屈折率を測定する方法および装置

Info

Publication number: JPH08510831A
Application number: JP6523038A
Authority: JP
Inventors: エクストリヨーム，ビヨルン; オエーベルイ，マグヌス
Original assignee: フアーマシア・ビオセンソル・アクチエボラーグ
Priority date: 1993-04-08
Filing date: 1994-04-08
Publication date: 1996-11-12
Also published as: WO1994024542A1; SE9301192D0; SE9301192L; US5663790A; SE501108C2; EP0736172A1

Abstract

(57)【要約】ガス、液体または固体の試料、望ましくはガスまたは液体試料の屈折率を測定する方法において、開いた導波路（4）とこれに隣りあって位置する閉じた導波路（5）を包含する導波路共振子（1）が使用される。導波路に近接する囲繞物に影響を与えそれによって導波路の有効屈折率に影響を与えるように、試料が閉じた導波路（5）の近傍におかれる。光源（9）から導かれる光は開いた導波路（4）の一端に結合し、そして透過光を開いた導波路の他端で測定して共振波長に対する試料の影響を確定し、そしてそれによって試料の屈折率または試料と関連づけられる屈折率の差を測定する。この方法を実施するためのデバイスには、導波路共振子の閉じた導波路（5）に隣りあう試料接触領域（12）を有する導波路共振子を包含する。

Description

【発明の詳細な説明】屈折率を測定する方法および装置本発明は屈折率を測定するための新規な方法およびガス、液体および固体の試料中のある物質の存在を定性的または定量的に測定するのにこの方法を使用することに関する。本発明はまたこの方法を実施するためのセンサーデバイスにも関する。環状共振子はその最も簡単な形状の場合、閉じた（通常円環状また環状の）光導波路に密接して隣りあうように位置する開いた（通常直線状の）光導波路からなる。単一モードレーザーつまり単一波長のレーザー光を放射するレーザーからの光を開いた導波路に結合（couple）する時、この光はその幾分かが、二つの導波路が互いに近接して存在する領域内で円環状導波路にも結合するであろう。通常、このような関係に該当する光は全体の光のだだの１〜数％を占めるのみであろう。しかしながら、レーザー光の波長が、全部の数の波長に導波路リングが適格に適応できるようなものであるならば、この波長に関するリングの共振条件が満たされ、かなり多くの光がリングに結合されそしてリング内に保持されるであろう。一方このことの結果、開いた導波路の出力端で放射される光の量が相応して減少することになる。従って、ある範囲の波長にわたってみるとき、放射される光の強さの鋭い極小値として、開いた導波路の出力端において共振が観察されよう。この現象は特にジャイロのような回転センサー中に利用されており、また導波路内での極めて低い伝播損失を測定するために利用されている。環状共振子に関する共振条件は、２・π・Ｒ・ｎ_eff＝ｍ・λ （式中、Ｒはリングの半径であり、ｎ_effは導波路の有効屈折率であり、ｍは整数でありそしてλはレーザーの波長である）と表すことができる。共振を検出できるためには、レーザー波長λを変化させそして開いた導波路からの照射効果（light effect）を検出することが必要である。この式から、リングの有効屈折率が変化するときに、共振波長もまた変化するであろうことが知れよう。一方、有効屈折率（ｎ_eff）は、導波される光がその中を伝播するすべての媒質、つまりほとんどは導波路の実際の芯材によって影響されるが、この芯材をきっちりと囲繞する物質によっても影響される。 WO 91/03728は化学物質の濃度を測定するための、導波路をベースとするセンサー系の使用につき説述しているが、この場合、互いに異なる透過深度を有する相互に分離された二つの減衰場が形成される。ある態様に従うとき、この系には環状共振子が包含され、化学物質の濃度に関連する吸収の相対的変化が測定される。本発明は、ガス、液体または固体物質のような試料を導波路の芯材の直近におくことにより、これらの物質中での屈折率あるいはその変化を測定するために、導波路の芯材の囲繞物に対する環状共振子タイプのセンサーの共振波長の依存性を利用するという考え方に立脚する。一層特定的にいうと、本発明の提案する測定方法は、閉じた導波路そのものの実質的な上部にあるつまり、単純な環状共振子の場合、導波路リングの上部にある試料用表面上に試料を付着し、導波路リングの共振波長λは試料によって惹起される屈折率の変化に比例して変化することに基づく。従って本発明は、FIA、液体クロマトグラフィー、電気泳動、プロセス制御での、自動車関連でのガスおよび液体の定量およびその他におけるように、例えば分析およびモニタリングのために、主として液体またはガス中のそしておそらくは固体物質中の総体的な屈折率を固定方式で、また流動セル中で測定することをともに可能にする。さらにまた誘導体に転化された試料表面または別な方法で予備的に処理した表面との種々な化学種の相互作用は、この作用によって表面層内に惹起される屈折率変化を通じて検出されることができる。この場合、環状共振子は特異センサー（例えばいわゆるバイオセンサー）として機能する。この環状共振子の原理に基づくセンサーの一つの利点は、それが比較的小型につくられることができながら、なお試料溶液との相互作用の範囲が長いことであり、それによって応答性の高いシステムを実現することが可能となり、この応答性あるいは感度は導波路リングが適応する波長の数に比例する。従って本発明の一つの態様は、ガス、液体または固体の試料、望ましくはガスまたは液体試料の屈折率を測定する方法に関連し、この方法は閉じた導波路に近接す囲繞物に影響を与え、それに伴って導波路の有効屈折率に影響を与えるように、開いた導波路しこれに隣りあって位置する閉じた導波路とを包含する導波路共振子の閉じた導波路に隣りあうように試料をおき、光源からの光を開いた導波路の一端中へと結合しそしてこの開いた導波路の他端において伝達される光を測定し、そして試料の屈折率または試料に関係づけられる屈折率の差を測定するように共振波長に対する試料の影響を確定することを特徴とする。別な態様において本発明は、ガス、液体または固体の試料、望ましくはガスまたは液体試料の屈折率を測定するためのデバイスに関し、その場合にこのデバイスは、開いた導波路、これに隣にあうように配置される閉じた導波路、開いた導波路の一端に光を結合する手段、伝達された光を開いた導波路の他端において検出する手段、この光を開いた導波路へと放射する光源および導波路共振子の閉じた導波路に連接して配置されている試料接触域を含む導波路共振子を包含することを特徴とする。試料という用語は、最も広義に解されるべきであって、一般に、本発明の方法およびデバイスの助けをかりて試験されるべき任意の液体、ガスあるいはおそらく固体物質にかかわる。好ましい一つの態様においては、囲繞物から遮蔽されている別な導波路共振子が参照用として用いられ、その結果、試料の屈折率のあらゆる変化が試料用導波路共振子と参照用導波路共振子との間の相対的な波長のずれとして検出されるであろう。これにより温度の影響および光源の波長に関与する不確かさが回避される。前述したように、開いた導波路は最もしばしば直線状であるか少なくとも直線部分を含むが、ただし所要の導波機能が維持されるかぎり他のいくつかの形状を勿論有してよい。導波路は一つまたはそれより多くの入力端と一つまたはそれより多くの出力端を有してもよい。別法としては、一つの入力端が平行するいくつかの導波路部分に分岐してよい。閉じた導波路は通常環状をなすが、つまり円形であるが、この導波路は例えば楕円形または「競走路」の形（つまり中央の平行な直線部分と円形に曲った端部）のような経路の閉じた別な任意の形状を有してよい。この後者の形状は、経路の直線部分が線状の開いた導波路に対して平行におかれるとき、円形のリングよりある程度大きい結合（より長い「結合経路」）を与える。開いた導波路と閉じた導波路との間の結合経路は、これらの両導波路を所定のある距離にわたって互いに平行となるように延長させることにより調整／延長されると、一般にいうことができる。経路が競走路の形状を有する場合、経路または競走路の直線部分の長さを変化することにより、結合距離を調整でき、そしておそらくはさらに延長できる。しかしながら、閉じた導波路は別法として、導波路内に定在共振波が発生しうるように、例えば、両端に鏡が設けられているファブリ・ペロー（Fabry-Perot ）型の、あるいは線形の導波路の少なくとも両端を横断するように置かれている反射回折格子を包含するブラッグ（Bragg）型の線型共振子の形を有してよい。平行な直線部分の代りに、開いたおよび閉じた導波路は平行な曲った部分、例えば平行な二つの円-弧（例えば円形の閉じた導波路に近接して置かれた開いた導波路の円形-弓形の部分）を含んでよい。本発明に従って、試料によって惹起される共振波長の絶対的または相対的なずれを測定し、またこのずれに基づいて試料の屈折率または参照値との屈折率の差を測定するとき、使用する光源は例えばキセノン灯または重水素灯または発光ダイオード（LED）のような広帯域光源（多色光源）であってよく、この場合、光は回折格子またはプリズムによって、適切には出力側で、検出に先立ってスペクトル的に分割される。しかしながら、この変形態様の場合、波長を調整できるレーザーのような波長の変更可能な（スィープ可能な）光源を使用するのが好ましい。この場合、結合される光のスペクトル巾は、光の波長を掃引する時に検出される一つまたはそれより多くの共振急落部（dip）の巾と少なくとも同程度の大きさであるべきでありまた望ましくはそれより著しく小さかるべきである。さらにまた、光の波長に関しては、導波路共振子の検出感度は波長の減少するにつれて増大するであろうが、試料の接触する領域での侵入深度は同時に減少するであろう。この脈絡からすると、光学的に導波する場合、光の場は、（囲繞するすべての層が導波路の芯材の屈折率より低い屈折率を有する限り）導波路の芯材の外側では指数関数的に減衰するであろう。容易に理解されようが、試料と閉じた測定用導波路との間にある中間層は従って、試料への侵入を最大にするようにできるだけ薄くなければならずあるいはできるならば中間層が全く含まれぬべきである。導波路の構造は多モード型であってよいが、単モード型の導波路構造、つまりただ一つの光束経路（ただ一種の光の場の像（opticalfield image））が延びることのできる導波路構造が好ましい。以下に本発明の非限定的な特定の態様に関して添付の図を参照しつつ本発明を一層詳細に記述する。図１は測定用の環状共振子のアームと参照用の環状共振子のアームとを有する本発明の環状共振子センサーを概略的に図解する。図２は測定用環状共振子の一態様の概略断面図である。図３は図１の環状共振子センサーの図式的例示であり、測定信号と参照信号との双方について直線状導波路の末端における透過量を波長の関数として示す。図４は環状共振子センサーと一体化された流動セルの一例の断面図である。図５Ａおよび５Ｂは検体を含む試料溶液と接触する固定化された抗体を有する測定用表面を概略的に図解する。図６は直列に連結した環状共振子を概略的にに図解する。図７は並列に連結した環状共振子を概略的に図解する。図８は図２の環状共振子センサー（つまり参照用環状共振子がない）について、異なる二つの糖濃度をもつ糖溶液試料のレーザー光波長の関数として、直線状導波路の末端における透過量を例示する図である。図９Ａおよび９Ｂは、図１の環状共振子（つまり参照用共振子を有する）について、試料用表面がシリコーンゴムのコーティングをそれぞれ有するまた有さない場合について、試料用環状共振子および参照用環状共振子の透過量曲線を各々示す。図10は図４の流動セルを有する図１の環状共振子センサーについて、FIA法においてウシの血清アルブミンを試料用表面に吸着したときの共振周波数のずれを時間の関数として示す図である。図１に図解する環状共振子をベースとするセンサーの主要な構成要素は、測定用環状共振子アーム１および参照用環状共振子アーム２であり、これらはともにシリコンチップ３上に形成される。測定用環状共振子アーム１は周知のごとく直線状の導波路４と環状の導波路５からなる。これに対応して、参照用環状共振子アーム２は、直線状の導波路６と環状の導波路７とからなる。これら二つの直線状導波路４、６は、波長が連続的に調整できるレーザー９からの光と結合するために配置されている直線状の共通の導波路部分８の末端から分岐している。各々の直線状導波路４、６の他端には測定用検出体10と参照用検出体11とが設けられている。試料領域12は、測定用環状共振子１の環状導波路上に形成される。測定用環状共振子をいかに構成できるかの一層詳細な例（この場合、参照用環状共振子への結合は行われない）を図２に概略的に示す。窒化硅素からつくられる直線状導波路16（図１の直線状導波路４に相当する）と環状導波路15（図１の環状導波路５に相当する）とを支持するサーミックニ酸化硅素の層14が、下にあるシリコン基材13上に施される。導波路15、16は二酸化硅素の層17により囲繞されている。試料用領域18（図１の試料用領域１２に相当する）は、環状導波路15 の上方にあって、この二酸化硅素層内の凹所となっている。例示の場合、試料用の凹所には、リング15上に薄い酸化物層のみが残るように試料19が満たされる。参照用環状共振子も包含するセンサーの場合、この共振子は勿論似たように構成されようが、試料用領域18は省かれる。当該技術に熟達する者なら知っているように、極めて小さい寸法や薄い層がかかわっており、このことは以下に述べる例解的な態様からも明らかとなろう。上述したセンサーチップを有する環状共振子センサーを完成するために、レーザー例えば、制御電流によって波長を連続的に変化しうるダイオードレーザー（いわゆるDBR-レーザー、DBRとはDistributed Bragg Reflectorを意味する）からの光が、光学的アイソレータ、ファイバーおよび偏光回転子（図示せず）を経由して環状共振子チップの入力端に結合されるように図１におけるように配置することができる。出力側からの光は、その光のファイバー（図示せず）を経てそれぞれ測定用検出法および参照用検出法（図１の検出法10、11に相当する）に結合される。再び図１を参照するとして単波長の光がダイオードレーザー９から環状共振子チップの入力端に結合されるとき、直線状導波路４、６中のレーザー光の一部が、環状共振子についての導入部において述べた事柄に従って、環状導波路５、７へと結合されるであろう。前記においてすでに述べたごとく、レーザー光の波長が連続的に変化するとき、ある波長において導波路リングの共振条件が満たされよう。つまりリング内において全部の数の波長に対して適格な適応がなされる。その結果、これらの波長においては、相当により多くの光がリングに結合されそしてリング内に保持されるであろう。このことは、センサーチップの出力端で光を検出するとき、透過光効果における鋭いいくつかの極小値となって表われる。導入部に示した共振条件の式から知れるように、共振の位置はリングの寸法（半径Ｒ）および導波路の有効屈折率（ｎ_eff）により決まり、一方この屈折率は導波される光がその中に存在するあらゆる媒質によって、つまりほとんどは導波路の芯材そのものによって、ただし最も近くにあって導波路を囲繞する物質によっても影響をうける。測定用リング５の上方の試料用領域12（図２の試料用凹所18）内に試料を付着するとき、上記のいくつかの極小値の波長は測定用環状共振子１と参照用環状共振子２との間で異なるであろう。このことは図３においてある程度簡略化されて説明される。図３は測定信号と参照信号とに関する一組の極小値の間に生じるずれ（波長の差）をΔλとして示す。この場合、簡単化のために、試料を付着する前にはこれらの極小値は同一の波長に位置するものと仮定する。最も近くにあるそれぞれの囲繞物は同じでないので、これらの二つの極小値はこの段階においてさえ本当はたがいに僅かに離れあっている。各リングについて示した極小値は波長をスィープするときに得られる実質的に等しい距離ごとにある多数の共振のただ一つにすぎないことは容易に理解されよう。波長のずれΔλは参照リング７と測定用ーリ５の各囲繞物の間の屈折率の差を表し、この差をもって試料の屈折率に関連づけられる。試料が液体である場合、屈折率に差をもたらす、液体中に付加された少量の物質を検出することがこのようにして可能となる。センサーチップから参照用環状共振子を省きそして、測定用環状共振子のみについて波長のずれを測定することが可能なことが理解できよう。しかしながら、参照用環状共振子は温度の影響およびレーザー波長の不確かさの影響を回避するであろうから、この共振子を使用するのが好ましい。主として、試料溶液と参照溶液とを測定リング上方の試料用領域に接触させることにより、環状共振子により液状の試料の測定ができる。そこで、（ｉ）これらの二つの場合について測定用環状共振子における共振波長の変化を測定することにより参照用環状共振子なしで絶対的測定を行うこと、あるいは（ii）これらの二つの場合において測定用環状共振子と参照用環状共振子との間の屈折率の差を測定することにより、参照用環状共振子の助けをかりて相対的測定を行うことのいずれかを行ない、次いでこれらの二つの場合の間の差異を、二つの溶液の屈折率間の差の測定値として用いることによって、二つの溶液間の屈折率の差を測定することが可能となる。測定方法を較正できるように、各瞬間においてレーザー光の波長を知る必要がある。波長のスィープを較正する簡単な方法は、正規の掃引に際して多くの共振に出合うように参照リングを大きくすることである。参照リングの共振の位置はよく規定されているので、このように大きくすることによりレーザーの電流-波長特性における非線型性はすべて補償できる。換言すると、波長の理想的には線型であるレーザー電流への依存性にみられる変動に対して測定される波長のずれを修正することができる。このことにより屈折率の極めて大きな差を高い精度で測定することが可能となり、これによって測定原理は、極めて広いダイナミックレンジを獲得するであろう。当然ながら、応答性または感度を最大にするには、有効屈折率（前記した式のｎ_eff）が、試料の屈折率の変化に従ってできるだけ大きく変化すること、つまりｄ（ｎ_eff）／ｄ（ｎ_試料）ができるだけ大きいことが必要である。しかしながら実際には、適度に薄い層はリング内の導波路損失の増大を、従って好ましくない不鮮明な共振を惹起する可能性のあることが見出されている。これらの検出可能な波長のずれの大きさは、共振の極小値の鋭さ、つまり半値巾によってきまる。半値巾が小さいほど検出しうる波長のずれは小さい。鋭い極小値は一般に、環状導波路のいわゆるＱ−値が高い場合に得られる。すなわち、導波路損失を低くするには、リングが大きいことおよび直線状導波路への光の結合の度合いが低いことが求められる。例をあげると半値巾が例えば0.11Åである（これまで実施してきた試験のバックグラウンドに照らして十分に合理的な仮定である）共振極小値を得ることが可能であると仮定するならば、試料の屈折率の変化1.3×10^-4は半値巾全体にわたる波長のずれをもたらすであろう。極小値曲線の全体の曲線形状を解析することにより、この波長のずれのおおよそ1/100を検出でき、従って屈折率の変化1.3× 10^-6を検出することが可能になる。試料が例えばウシの血清アルブミン（BSA）からなるとき、以上のことは約0.8μg／mlの濃度変化に相当するであろう。導波路の芯材に近接する試料用表面における不整またはこの表面の粗さは、拡散損失の増大の結果として、共振に不鮮明あるいはぼやけを惹起するおそれがある。この問題は、被覆酸化物と試料との界面において屈折率の差を実質的に消去するように、適当な屈折率を有する試料ビヒクルを用いることにより解決できる。代りに均一で平滑な試料用表面を設ける方法は後記する。前述に示したごとく、前記した環状共振子センサーは、試料領域（図２の凹所１８）に付着されている液体またはガスの総体的屈折率（bulk refractive inde x）を測定するのに使用できる。この測定は例えば、チップを「浸漬棒」あるいは探針子として形づくりそしてチップ試料中または試料の流れ中にいれることにより可能になる。別法として、試料リングの上方にある試料用領域と直接連結する、定置試料用の試料容器または流通流セルを提供することができる。図４は流通セルと組合わされた環状共振子センサーの一例を図解する。すでに述べた場合と同じく環状共振子センサーそのものは、環状共振子22、直線状導波路23および試料用凹所24を包含する酸化硅素層21を有するシリコンチップ20からなる。この態様ではシリコンチップ20に向かいあう凹み26がある上部の平らな構成要素25は、チップの上面に取付けられており、試料用凹所24とともに流動路27 を形づくる。前述に示したように、センサーの試料用領域に押圧されている固体物質は、必要ならば浸漬油またはそれに似た物質によって屈折率を測定することも可能である。総体的屈折率を測定するこの原理による方法は、総体的屈折率の測定に現在基礎をおくあるいは基礎をおくことを意図する応用の少なくとも大部分に対して一般に用いることができる。このような応用の例は、FIA（Flow Injection Analysis）、液体クロマトグラフィー、電気泳動（毛細管電気泳動と平板電気泳動との双方）、プロセス制御の分野でのおよび自動車関連でのガスおよび液体の測定方法である。環状共振子センサーは表面相互作用の検出のために使用することもできる。この場合、環状共振子の試料用領域には、表面と接触される試料中の分子と特異的にあるいは官能基-特異的に相互作用する表面層が例えば誘導体の転化によって設けられる。生体分子がかかわる場合、環状共振子はいわゆるバイオセンサーとして機能する。例えば、種々の免疫学的検定および（ハイプリダイゼーション検定（DNAおよびRNAの相互作用）は、このようにして製造された環状共振子を用いて有利に実施できる。これの一つの例は図５Ａに概略的に図解される。同図は、試料表面と接触するように付着された液体試料中の被検物質29に対して特異的に向けられる固定化された抗体28を有する導波路リング上にある試料用表面を示す。図５Ｂに図解するように被検分子29が抗体28と結びつくとき、試料表面が変化する。それは検出可能な共振のずれとなって表れる。この共振のずれの大きさは表面に結びつく被検物質の量によってまた被検物質の大きさによっても支配される。容易に理解されるであろうが、大きな分子例えば蛋白質分子のような生体巨大分は小さな分子例えばヘプタンより大きな屈折率変化を生むであろう。この表面相互作用の応用にはいくつかの点で、文献に記載されまた商業的に利用可能でもある表面プラズモン共振（SPR）（スウェーデンのウプサラのPharmacia Biosensor ABのBIAcore^TM）に基礎をおくバイオセンサー技術とのおおきな類似性があるということができる。SPR-技術にもある形の屈折率測定技術がかかわるので、SPR-技術に関して述べられてきた応用と連繋して、そしてまたいくつかの場合にはSPR技術に関して述べられている検知表面の製作、測定セルの形状および液体の取扱いと連繋して本発明の環状共振子センサーを使用することができるはずである。この点に関しては、例えばWO 90/05295、WO 90/0 5303およびWO 90/05305の教示を参考にできる。当該の表面相互作用の下で検出される光学濃度の変化を増巾することによるそして本題に関して応用することも可能な、SPR-検定における測定信号を増大する種々な方法は例えばEP-A-276142 に記載されている。環状共振子センサーの浸漬棒および流通流という変形もまたこのような表面相互作用の測定のために一般に考慮できる。表面測定の原理は、バイオ分析に加えて他のいくつかの分野において、例えばガスセンサーの分野においてやはり応用できると考えうる。前述した環状共振子センサーは、複合的に配置することによって、様々な官能性を有し、互いに近接して位置するセンサーウェーファーの種々な表面要素上で異なるいくつかの特異性を測定することができるように改良できる。例えば、同一の信号センサーと一つまたはそれより多くの参照リングによって異なるいくつかの試料用表面または試料チャンネルを得るようにいくつかの環状共振子をカスケードに配置するように考えることができる。図６はこのようなカスケード配置の例を示す。同図で一般に30として示すセンサーチップは開いた直線状導波路31を有し、これに沿った三つの環状導波路32ａ、32ｂおよび32ｃが系列をなして配置されている。これらの導波路の二つ例えばリング32ａおよび32ｂ上に試料接触面（図示せず）が配置され、この場合第三のリング32ｃは参照リングとして機能する。互いに独立して機能することができるように、直列に配置されるリングは異なる共振波長を生むように異なった直径を有すべきである。開いた導波路31への入力端は光源33（例えばレーザー）につながっており、一方出力端は光検出体34につながっている。例として示す三つのリングの直列結合の場合、それぞれの試料接触領域が対応する官能的特異性を示すとき、試料の異なる二つの成分（被検物質）を同時に定量することができる。当然ながら、より多くのリングを有する直列結合はいくつかの被検物質を同時に定量することができよう。図７は平行する測定用環状共振子がある配置の例を図解する。図解の場合、４つのリング35ａ〜ｄが、それぞれの直線状導波路部分36ａ〜ｄに隣りあって互いに平行に配置されており、これらの直線状導波路部分は、光源37からの（例えば前述のようにレーザーからの）光が結合される共通の導波路部分36から分岐する。導波路部分38ａ〜ｄのそれぞれの出力は光検出体38a〜ｄのそれぞれに各々つなげられる。例えばリング35ａ〜ｃには試料接触領域（図示せず）が設けられており、その場合リング35ｄは、導波路部分36ｄとともに参照用環状共振子として機能させることができる。例えば、このような並列結合された環状共振子系は、いくつかの（この場合は三つの）電気泳動経路を同時にモニターするために使用できる。図１、２、４および６を参照しつつ上述したタイプのシリコンをベースとするセンサーチップは以下のようにして製造できる。二酸化硅素の層例えば約５μmの程度の層を得るように一つまたはそれより多くのシリコン板を熱的に酸化する。次にプラズマ蒸着によって、例えば約1200Å 程度の薄い窒化珪素層が施され、この層は所望の導波路構造内に実際の導波路芯材を形成する。構造をパターン形成した後、窒化物のエッチングによって構造が食刻によりつくり出される。次に燐でドープされたLTO-オキサイドが付着され、それぞれの導波路構造のための上部カバーおよび保護層が形成される。次いで、測定用導波路リングの上にあるこのITP-オキサイド層は、試料接触凹所のそれぞれの底部に薄い層しか残らないように下向きに食刻する。次に全系を適当な温度例えば約1100℃において焼く。一つまたは複数のシリコン板を最終的に個々のセンサーチップへと切り出す。このLTO−オキサイド付着法は二段階で実施するのが適当であり、その場合第１段階においてオキサイドが一つまたは複数の測定リング上で所望の厚さ（典型的には０〜500nmの厚さ）にされ、また第２段階において比較的厚い隔離層（通常は1.5μmより厚い）が形成される。この隔離層は残りのすべての導波路を周囲から隔離する。次いでこの第２の層は一つまたは複数の測定リングの上方で、下方に向って完全に食刻することができる。後者の場合別法として、上にあるより厚いLT0-オキサイド層をパターン形成可能なシリコンゴムまたはそれに類する物質でおきかえてよい。これによって、障害を起こす粗い表面を形成する傾向のある、測定リング構造の上方でのLT0−オキサイド層の下方に向けての等方的食刻というきわどい工程を、簡単なリトグラフィーバターン形成および現像の工程で置き換えることが可能になる。さらにまた、シリコンゴムは、測定用のセルを形づくる流動路をセンサーチップ上に直接形成するのを可能とするに十分な厚さ（例えば10〜30μm程度）を与えるということによって、重要でないとはいえない利点が発揮される。厚いLTO−オキサイド層の代りにこのようなシリコンゴム層を応用する場合、一つまたは複数のシリコン板は、薄いLTO−オキサイド層を付着した後、初めて1000℃の温度で焼く。このLTO−オキサイド層は必要なら全く省いてよい。次にマスキングフィッターを用いて慣用的な方法でパターン形成し、次いで現像し、その後一つまたは複数のシリコン板を前述のように個々のチップへと切り出す。以下に、本発明の非限定的に例解用のいくつかの態様を参照しつつ本発明をより詳細に述べる。実施例１環状共振子チップの製造直径10cmを有するシリコン基材を厚さ約５μmの二酸化硅素へと熱的に酸化した。次に窒化珪素を約1400Åの厚さまでプラズマ蒸着し、そして導波路構造を窒化硅素層上にパターン形成し、また直線状および環状の個々の導波路を窒化物エッチング法によって窒化硅素層から食刻した。環状導波路は1000μmの半径を有した。次に燐でドープされた（４％）LTO-オキサイド層を一段階または二段階にて付着し、その後、試料用導波路リングの上にある試料用領域をパターン形成しそして0.4μmまで下方へと食刻した。1000℃で焼いた後、シリコン板をそれぞれの寸法が６×20ミリである個々のセンサーチップへと最終的に切り出した。導波路リングと直線状導波路との最小距離は１μmでありまた導波路の巾は約５μmであった。製造した環状共振子チップを光学的に評価するために使用した光源は、寸法が 800×400μmで1550μmの波長と１〜1.5nmのスィープ範囲（波長変調）とを有する、波長が調整可能な現地製作の半導体４巻３号（1992年３月）230〜232ページ）。光学アイソレータ、光ファイバーおよび偏光回転子を経由してレーザー光を環状共振子チップの入力端に結合した。共振子チップの出力側においては、別な光ファイバーを経由して光を検出子（ゲルマニウムフォトダイオード）に結合した。導波路損失は約１dB/cmと算出されまたリングと直線状導波路との光結合度は５〜15％であった。試料溶液の屈折率の測定上記したように製造されかつ結合された環状共振子チップを用いて環状共振子が種々な糖溶液に反応する仕方を調べた。糖溶液は特別に製作したドッキングセルによって環状導波路の上面の上にある試料用面に施した。図８は糖を50.02％から50.64％に変化することに関する。透過量曲線を示す。この変化は屈折率の変化1.3×10^-3に対応し、この変化によって、ほとんど１全周期（一層詳細には0.9周期）のあるいは図示のごとく約2.0Åの共振の明瞭なずれが与えられた。実施例２実施例１に記載と同じ方法で、図１に従う環状共振子系を有するセンサーチップを製造した。実施例１の場合のようにセンサーチップをレーザーおよび光検出子に結合した（ただしこの場合、一つの測定用検出子と一つの参照用検出子との二つの検出子を使用した）後、測定リングの試料用領域上は空気のみにして、測定用および参照用の共振子に関して透過量曲線をつくった。結果を図９Ａに示すが、測定用検出子の曲線は上にまた参照用検出子の曲線は下にある。参照用検出子の曲線では共振が得られているが、測定用検出子の曲線には共振が認められなかった。このことは測定リングの上にある薄いLTO-オキサイド層が、測定リングとその下にあるシリコン基材とによって導波路構造を完全に形づくるのに十分でないことを示す。次に試料用領域を厚さ約10μmまでシリコンゴム（Dow Corning）の層でコーティングし、その後上記の場合と同様にして透過量曲線をつくった。結果を図９Ｂに示す、同図において上にある曲線は上記の場合のように測定用検出子から得られ、また下にある曲線は参照用検出子から得られた。図から知られるように、測定用検出子の曲線には明瞭な共振があり、このことは参照リング上のクラッディングとしての厚いLTO-オキサイド層をシリコンゴム層でおきかえうることを例証する。実施例３試料表面上にあるウシの血清アルブミン（BSA）の非特異的吸着に対して環状共振子が反応する仕方を、実施例２におけるのと同様に製造しまた結合した環状共振子チップの助けをかりる一方、図４の流動セルを用いて、FIA（Flow Inject ion Analysis）法によって調べた。最初に緩衝液（10mMのHepes，0.65ＭのNaCl、3.4mMのEDTA、0.05％のTween^TM2 0）を試料用表面に付着し、次にこの表面を50mMのNaOH で洗浄し、その後緩衝液で満たした。次に緩衝液中の10mg／mlのBSA（アメリカのSigma社）試料用表面に移し入れ、その後緩衝液で満たしそして再び50mMのNaO Hで表面を洗浄した。結果を図10に示す。同図には共振周波数のずれ（仮単位）が時間（仮単位）に対してプロットされている。この線図から、BSAが試料用表面を横切って動く時、一部は表面上へのBSAの吸着の結果として、また一部は総体的な濃度変化の結果として、共振周波数の大きなずれが起きることが知れよう。緩衝液を付着する時、吸着されたBSAのため周波数のずれが優勢となるであろう。吸着されたBSAの主な部分はNaOHで洗浄除去され、従って測定結果はBSAの添加以前に支配的であった値にほとんど完全に復帰するであろう。本発明が上記に述べかつ図解したその例示用の態様に限定されないこと、また以下の請求の範囲に規定するごとき本発明の一般的概念から逸脱することなく多くの改良および変更を行いうることが理解されよう。

Claims

【特許請求の範囲】１．閉じた導波路（15,15）に近接する囲繞物に影響を与えそれによってこの導波路の有効屈折率に影響を与えるために、開いた導波路（4,16）とこれに隣りあって位置する閉じた導波路（5,15）とを包含する導波路共振子（1）の閉じた導波路（5,15）に隣りあってガス、液体または固体の試料、望ましくはガスまたは液体試料をおき；光源（9）からの光を開いた導波路（4,16）の一端へと結合しそして開いた導波路の他端において、透過される光を測定し；そして試料の屈折率または試料と関連づけられる屈折率の差を測定するように共振波長に対する試料の影響を確定することを特徴とする、上記試料の屈折率を測定する方法。２．参照用波長共振子（2）との関連で共振波長のずれを確定することを特徴とする請求項１記載の方法。３．試料によって惹起される共振波長の絶対的または相対的なずれを確定するために光源（9）の波長を変化することを特徴とする、請求項１または２記載の方法。４．光源（9）が波長を調整できるレーザーであることを特徴とする、請求項１、２または３記載の方法。５．導波路が単モードの導波路であることを特徴とする、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。６．試料の総体的屈折率を測定することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。７．望ましくは液体である試料の総体的屈折率を、試料成分の濃度を測定値として測定することを特徴とする請求項６記載の方法。８．環状共振子（1）がガスまたは液体の試料の成分と特異的に結びつくように意図された表面層を包含する接触領域を持つこと、および試料と表面層との表面相互作用が表面層の屈折率変化を媒介として検出されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか１項に記載の方法。９．表面相互作用に免疫反応またはハイブリダイゼーション反応が含まれる請求項８記載の方法。 10．開いた導波路（4,16）前記開いた導波路（4,16）に隣りあうように配置される閉じた導波路（5,15）、開いた導波路（4,16）の一端に光を結合する手段、透過した光を開いた導波路（4,16）の他端において検出する手段（10）、開いた導波路（4,16）に上記の光を放射するための光源（9）および導波路共振子の閉じた導波路（5,15）と連繋するように配置された試料接触領域（12,18）を包含することを特徴とする、ガス、液体または固体の試料、望ましくはガスまたは液体試料の屈折率を測定するためのデバイス。 11．試料接触領域（12,18）が試料セル、望ましくは流通流試料セル内にあるかあるいはこれにドッキングされうることを特徴とする請求項10記載のデバイス。 12．試料接触領域（12,18）がガスまたは液体試料中に挿入するよう意図されていることを特徴とする請求項10記載のデバイス。 13．デバイスが参照用導波路共振子（2）も包含すること、および光源（9）からの光がこの参照用導波路共振子（2）の開いた導波路（6）にも放射されることを特徴とする、請求項10、11または12に記載のデバイス。 14．開いた導波路（4,16）が少なくとも部分的に直線状でありそして（あるいは）閉じた導波路（5,15）が円形であり、楕円形でありまたは「競走路」の形状を有することを特徴とする、請求項10から13のいずれか１項に記載のデバイス。 15．レーザー源（9）が波長を調整できるレーザーであることを特徴とする請求項10から14のいずれか１項に記載のデバイス。 16．光源（9）が、スペクトル的に光が分割される多色光源であることを特徴とする、請求項10から15のいずれか１項に記載のデバイス。 17．デバイスが、同一の開いた導波路（31）に隣りあうように系列をなして直列に配置されている少なくとも二つの閉じた測定用導波路（32ａ〜ｃ）を包含することを特徴とする、請求項10から16のいずれか１項に記載のデバイス。 18．平行な別々の開いた導波路または導波路部（36ａ〜ｄ）と互いに隣りあって平行に配置されている少なくとも二つの測定用の閉じた導波路（35ａ〜ｄ）を包含することを特徴とする請求項10から17のいずれか１項に記載のデバイス。 19．異なるいくつかの試料検体を同時に測定できるようにするために、測定用の閉じた導波路の試料接触領域が別々の官能基を支持することを特徴とする請求項 10から18のいずれか１項に記載のデバイス。 20．多数の共振を惹起するような寸法を有する参照用共振子を使用し；これらの共振の間の相互の距離に起こりうる変化に基づいてレーザーの電流-波長特性を決定し；そしてこの特性に基づいて波長を較正することを特徴とする、波長を調整できるレーザーを光源としてもちいる請求項１から９のいずれか１項に記載の方法。