JPWO2012098758A1 - 検出装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】波長分解型測定法を用いた光導波モードセンサーに最適な光学系を実現し、小型で、安定的かつ高感度な検出装置を提供すること。【解決手段】シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配される検出板と、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着される光学プリズムと、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される光照射手段と、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する光検出手段とを有し、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する検出装置であって、前記光学プリズムは、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と、前記検出板に密着される密着面とのなす角の角度が４３°以下であることを特徴とする。【選択図】図８
Description
本発明は、波長分解測定法と光導波モードを利用して、被検出試料の吸着、離脱、近接、変質を高感度に検出することができる小型の検出装置に関する。
液体中に含まれる微小物質、例えば、生体試料中のタンパク質や、病原菌、水中の金属イオン、有機分子など様々な物質を検出するセンサーとして、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）を用いるセンサーが知られている（例えば、非特許文献１〜７参照）。この表面プラズモン共鳴を用いたセンサーは、一般的にＳＰＲ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ｐｌａｓｍｏｎ Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）センサーと呼ばれ、ＧＥヘルスケア社、富士写真フィルム株式会社、ＮＴＴアドバンステクノロジ株式会社、株式会社オプトクエスト、など多くの企業から製品が販売されている。
図１に、クレッチマン配置と呼ばれる最もポピュラーなＳＰＲセンサー２００の構成例を示す。このＳＰＲセンサー２００は、ガラス基板２０１上に金や銀などの金属を蒸着して金属薄膜層２０２を形成し、ガラス基板２０１の金属薄膜層２０２を形成した面と反対側の面に光学プリズム２０３を密着させた構造からなり、光源２０４から照射されるレーザー光を偏光板２０５にて偏光し、光学プリズム２０３を通じてガラス基板２０１に照射する。入射光２１０Ａは、全反射となる条件で入射する。入射光２１０Ａの金属の表面側に染み出すエバネセント波によって、ある入射角で表面プラズモン共鳴が発現する。表面プラズモン共鳴が起こると、エバネセント波は表面プラズモンによって吸収されるので、この入射角付近では反射光の強度が著しく減少する。表面プラズモン共鳴が発現する条件は、金属薄膜層２０２表面近傍の誘電率によって変化することから、金属薄膜層２０２の表面上に被検出試料が結合したり吸着して誘電率に変化が生じると、入射光２１０Ａの反射特性に変化が生じる。よって、金属薄膜層２０２から反射される反射光２１０Ｂの強度変化を検出器２０６によりモニターすることによって、被検出試料を検出することができる。
このＳＰＲセンサー２００では、金属薄膜層２０２表面近傍での誘電率の変化を検出しているため、被検出物質の吸着のみならず、ある特定物質が金属表面に近づいてきたり(接近)、もともと金属表面に付着していた物質が離脱したり、又は、もともと金属表面に存在していたものの特性が変質したりしても、これらを検知することができる。
しかしながら、金属薄膜層２０２表面における被検出物質の特性を検出するためには、光源２０４を含む光学系を駆動して、入射光２１０Ａが金属薄膜層２０２に導入される角度θを変更し、その反射光２１０Ｂを検出器２０６にて適切にモニターする必要があるため、光学系の配置が複雑となり、検出装置が大型化するという問題がある。
しかしながら、金属薄膜層２０２表面における被検出物質の特性を検出するためには、光源２０４を含む光学系を駆動して、入射光２１０Ａが金属薄膜層２０２に導入される角度θを変更し、その反射光２１０Ｂを検出器２０６にて適切にモニターする必要があるため、光学系の配置が複雑となり、検出装置が大型化するという問題がある。
ＳＰＲセンサーにおいて、光学系を簡素化し小型化を実現した系として、波長分解型測定法が報告されている（例えば、非特許文献６、７参照）。図２に、非特許文献６で採用されている光学系からなるＳＰＲセンサー３００の概要を示す。入射光３１０Ａは、光源３０１から光ファイバ３０２Ａを介して光学プリズム３０３の手前まで導かれ、コリメートレンズ３０４によって平行光にされ、偏光板３０５にてｐ偏光にされた後に、光学プリズム３０３に入射される。この入射光３１０Ａは、光学プリズム３０３上に密着する形で配されたガラス基板３０６上の金属薄膜層３０７に照射され、金属薄膜層３０７から反射される反射光３１０Ｂとして、集光レンズ３０８を通じて光ファイバ３０２Ｂにより検出器３０９まで導かれる。ここで光検出器３０９は、分光器３０９Ａを備えており、反射光３１０Ｂの反射スペクトルを観測する。このＳＰＲセンサー３００は、前述のＳＰＲセンサー２００と同様に、金属薄膜層３０７表面近傍で誘電率の変化が生じると、反射スペクトルに変化が生じ、誘電率変化を検知できる一方で、前述のＳＰＲセンサー２００と異なり、光学系を駆動させて入射角３１０Ａの金属薄膜層に対する入射角を変更することなく、反射光３１０Ｂを波長分解して測定に供し、つまりスペクトルを測定するため、光学系を簡素にし、装置を小型化できる利点を有する。
しかしながら、表面プラズモン共鳴を利用するＳＰＲセンサーでは、測定の安定性と感度に課題を有し、より安定性が高く、高感度の検出装置の提供が求められているのが現状である。
しかしながら、表面プラズモン共鳴を利用するＳＰＲセンサーでは、測定の安定性と感度に課題を有し、より安定性が高く、高感度の検出装置の提供が求められているのが現状である。
ＳＰＲセンサーとよく似た構造を持ち、やはりセンサーの検出面における、物質の吸着や誘電率の変化を検出するセンサーとして、光導波モードセンサーがある（非特許文献１、２、８〜１９、及び特許文献１〜５参照）。
光導波モードセンサーは、ＳＰＲセンサーで用いることができる全ての光学系と同等の光学系を使用することが可能であることが知られている。図３に、クレッチマン配置と類似の配置を用いた光導波モードセンサー４００を示す。光導波モードセンサー４００は、透明基板４０１ａ（板ガラスなど）と、その上に被覆した金属層または半導体層で構成される反射膜層４０１ｂと、更にこの反射膜層４０１ｂ上に形成される透明光導波路層４０１ｃとからなる検出板４０１を用いる。この検出板４０１の透明光導波路層４０１ｃが形成されている面とは反対側の面に屈折率調節オイルを介して光学プリズム４０２が密着される。光源４０３から照射され、偏光板４０４にて偏光された光は、光学プリズム４０２を通して検出板４０１に照射される。入射光４１０Ａは、検出板４０１に対して全反射となる条件で入射する。ある特定の入射角において、入射光４１０Ａが光導波路内を伝搬する光導波モード（漏洩モード、またはリーキーモードとも呼ばれる）と結合すると、光導波モードが励起され、この光入射角度近傍で光の反射光強度が大きく変化する。このような光導波モードの励起条件は、透明光導波路層４０１ｃ表面近傍の誘電率によって変化することから、透明光導波路層４０１ｃの表面において物質の吸着や接近、離脱、変質が生じると、反射光４１０Ｂの強度に変化が現れる。この変化を検出器４０５により観測することにより、透明光導波路層４０１ｃ表面における物質の吸着や接近、離脱、変質といった現象を検出することができる。
非特許文献１３や特許文献５に開示されているように、光導波モードセンサーでは、基板にシリカガラス（ＳｉＯ２ガラス、シリカ、石英ガラスなどとも呼ばれる）を用い、この上に、シリコン（Ｓｉ）層を持ち、その上に、酸化シリコン（熱酸化ＳｉＯ２やシリカガラスも含む）の層を持つ検出板（ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２検出板）が考案され、高感度かつ高安定なセンサーが開発されている。
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Ｇ．Ｒｏｎｇ，Ａ．Ｎａｊｍａｉｅ，Ｊ．Ｅ．Ｓｉｐｅ，ａｎｄ Ｓ．Ｍ．Ｗｅｉｓｓ，Ｂｉｏｓｅｎｓ．Ｂｉｏｅｌｅｃｔｒｏｎ．２３，ｐｐ．１５７２−１５７６（２００８年）
前記光導波モードセンサーにおいて、上述のＳＰＲセンサーにおいて報告されている波長分解型測定法を適応することができれば、高性能で小型なセンサーの実現が期待できる。
しかしながら、前記ＳＰＲセンサーと前記光導波モードセンサーとは、光学的なセットアップが似ているものの、ＳＰＲ励起条件と光導波モード励起条件が全く異なるため、前記ＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、前記光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完する必要がある。
しかしながら、前記ＳＰＲセンサーと前記光導波モードセンサーとは、光学的なセットアップが似ているものの、ＳＰＲ励起条件と光導波モード励起条件が全く異なるため、前記ＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、前記光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完する必要がある。
この点、前記ＳＰＲセンサーの場合、前記ＳＰＲを励起できる光の波長は、使用する金属材料により、ある特定の波長帯域に限定される。また、前記ＳＰＲ励起条件は、使用する金属材料、基板材料、及び光学プリズムの材料における、それぞれの材料の複素屈折率によって決まり、例えば、入射された光が基板を通過し金属材料面に入射される際の入射角度の最適値は、これら使用する材料によって一意的に決定される。
一方、前記ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２検出板を用いた光導波モードセンサーの光導波モードの励起波長は、シリコン層の厚さや酸化シリコン層の厚さに大きく依存する。この特性を利用すれば、これらの層の厚さを制御することによって、前記光導波モードの励起波長帯を、紫外から近赤外領域内であれば、自由に設定可能である。また、前記ＳＰＲセンサーと異なり、前記光導波モードセンサーの場合、基板から検出板表面の光導波路層に対する入射角の最適値は、シリコン層及び酸化シリコン層の厚さ、更には入射光の波長に依存する。したがって、検出装置としては、設計上大きな自由度を持つ前記光導波モードセンサーの方が有利である。
そして、前記ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２検出板を用いた光導波モードセンサーを用いて、波長分解型測定法を適応させるためには、光源からの光が入射される光学プリズムの角を特定の角度に設定して、光導波モードの励起に最適な光が入射されるようにすれば、前記ＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、前記光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完することができる。
本発明は、従来技術における前記諸問題と、前記光導波モードセンサーを用いて前記波長分解型測定法を適応させた検出装置を提供するために生じた新たな技術的課題とを解決し、以下の目的を達成することを課題とする。即ち、光導波モードセンサーを用いて波長分解型測定法を適応させた検出装置を実現するに際して、ＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完し、小型で、安定的かつ高感度な検出装置を提供することを目的とする。
前記課題を解決するための手段としては、以下の通りである。即ち、
＜１＞ シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配される検出板と、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着される光学プリズムと、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される光照射手段と、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する光検出手段とを有し、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する検出装置であって、前記光学プリズムは、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と、前記検出板に密着される密着面とのなす角の角度が４３°以下であることを特徴とする検出装置。
＜２＞ 光照射手段が、密着面の面内方向に対して平行に光を照射する前記＜１＞に記載の検出装置。
＜３＞ シリコン層が、単結晶シリコンにより形成される前記＜１＞及び＜２＞のいずれかに記載の検出装置。
＜４＞ シリコン層と酸化シリコン層との界面における界面粗さが、ＲＭＳ換算で０．５ｎｍ以下である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の検出装置。
＜５＞ 光照射手段が、光源と、前記光源から照射される光をコリメート光とするコリメータと、前記コリメート光を偏光してs偏光とする偏光板とを有し、光学プリズムを介して前記ｓ偏光を検出板に照射する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の検出装置。
＜６＞ 光検出手段が、少なくとも反射光を分光して検出する分光器を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の検出装置。
＜７＞ 光学プリズムが、密着面に対して入射面と同一角度をなす出射面を有する前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の検出装置。
＜８＞ 光学プリズムが、シリカガラス基板と同じ屈折率のシリカガラスで形成される前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の検出装置。
＜９＞ 光学プリズムと検出板とが一体的に形成される前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の検出装置。
＜１０＞ 酸化シリコン層表面近傍における、物質の吸着、離脱、接近、及び変質のいずれかの状態を誘電率の変化として検出する前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の検出装置。
＜１＞ シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配される検出板と、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着される光学プリズムと、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される光照射手段と、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する光検出手段とを有し、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する検出装置であって、前記光学プリズムは、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と、前記検出板に密着される密着面とのなす角の角度が４３°以下であることを特徴とする検出装置。
＜２＞ 光照射手段が、密着面の面内方向に対して平行に光を照射する前記＜１＞に記載の検出装置。
＜３＞ シリコン層が、単結晶シリコンにより形成される前記＜１＞及び＜２＞のいずれかに記載の検出装置。
＜４＞ シリコン層と酸化シリコン層との界面における界面粗さが、ＲＭＳ換算で０．５ｎｍ以下である前記＜１＞から＜３＞のいずれかに記載の検出装置。
＜５＞ 光照射手段が、光源と、前記光源から照射される光をコリメート光とするコリメータと、前記コリメート光を偏光してs偏光とする偏光板とを有し、光学プリズムを介して前記ｓ偏光を検出板に照射する前記＜１＞から＜４＞のいずれかに記載の検出装置。
＜６＞ 光検出手段が、少なくとも反射光を分光して検出する分光器を有する前記＜１＞から＜５＞のいずれかに記載の検出装置。
＜７＞ 光学プリズムが、密着面に対して入射面と同一角度をなす出射面を有する前記＜１＞から＜６＞のいずれかに記載の検出装置。
＜８＞ 光学プリズムが、シリカガラス基板と同じ屈折率のシリカガラスで形成される前記＜１＞から＜７＞のいずれかに記載の検出装置。
＜９＞ 光学プリズムと検出板とが一体的に形成される前記＜１＞から＜８＞のいずれかに記載の検出装置。
＜１０＞ 酸化シリコン層表面近傍における、物質の吸着、離脱、接近、及び変質のいずれかの状態を誘電率の変化として検出する前記＜１＞から＜９＞のいずれかに記載の検出装置。
本発明によれば、従来技術における前記諸問題と、前記光導波モードセンサーを用いて前記波長分解型測定法を適応させた検出装置を提供するために生じた新たな技術的課題とを解決することができ、光導波モードセンサーを用いて波長分解型測定法を適応させた検出装置を実現するに際して、ＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完し、小型で、安定的かつ高感度な検出装置を提供することができる。
（検出装置）
本発明の検出装置は、検出板と、光学プリズムと、光照射手段と、光検出手段とを有する。
本発明の検出装置は、検出板と、光学プリズムと、光照射手段と、光検出手段とを有する。
＜検出板＞
前記検出板は、シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配されてなる。
前記検出板は、シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配されてなる。
前記シリカガラス基板としては、シリカガラスで形成されるガラス材料であれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＳｉＯ２ガラス、シリカ、石英ガラスなどと呼ばれるガラス材料から適宜選択することができる。
前記シリコン層の形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンなど、シリコンを主たる構成物質とした材料が挙げられるが、中でも、光学的及び構造的均一性の観点から、単結晶シリコンが好ましい。
前記酸化シリコン層としては、光導波路層として機能するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱酸化シリコン（ＳｉＯ２）、シリカガラスなどシリコンの酸化物が挙げられる。
前記シリコン層の形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、単結晶シリコン、アモルファスシリコン、ポリシリコンなど、シリコンを主たる構成物質とした材料が挙げられるが、中でも、光学的及び構造的均一性の観点から、単結晶シリコンが好ましい。
前記酸化シリコン層としては、光導波路層として機能するものであれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、熱酸化シリコン（ＳｉＯ２）、シリカガラスなどシリコンの酸化物が挙げられる。
前記シリカガラス基板の厚さとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、ハンドリングが容易である観点から、０．５ｍｍ〜３ｍｍが好ましい。
前記シリコン層の厚さとしては、光導波モードを励起することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、近紫外域から近赤外域の間の波長領域で光導波モードを励起することができる観点から、１０ｎｍ〜１μｍであることが好ましく、更に製造が容易である観点から、その上限としては５００ｎｍ以下がより好ましい。
前記酸化シリコン層の厚さとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、光導波路として機能させ、また、製造が容易である観点から、２００ｎｍ〜８００ｎｍが好ましい。
前記シリコン層の厚さとしては、光導波モードを励起することができれば特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、近紫外域から近赤外域の間の波長領域で光導波モードを励起することができる観点から、１０ｎｍ〜１μｍであることが好ましく、更に製造が容易である観点から、その上限としては５００ｎｍ以下がより好ましい。
前記酸化シリコン層の厚さとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、光導波路として機能させ、また、製造が容易である観点から、２００ｎｍ〜８００ｎｍが好ましい。
前記シリコン層と前記酸化シリコン層との界面粗さとしては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、光の散乱を抑制する観点から、ＲＭＳ（Ｒｏｏｔ Ｍｅａｎ Ｓｑｕａｒｅ；二乗平均平方根）換算で０．５ｎｍ以下が好ましく、理想的には０ｎｍである。
また、前記酸化シリコン層の表面にナノ孔を形成することによって、検出感度を向上させることができる。
また、前記酸化シリコン層の表面にナノ孔を形成することによって、検出感度を向上させることができる。
前記検出板の断面構造を図４に示す。該図４に示すように、検出板６は、シリカガラス基板６ａ上にシリコン層６ｂと酸化シリコン層６ｃとがこの順で配されてなり、このシリカガラス基板６ａの酸化シリコン層６ｃが形成されている面と反対の面に後述の光学プリズムを密着させる。
＜光学プリズム＞
前記光学プリズムは、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着されてなる。
前記光学プリズムの形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記検出板との界面における光の反射や屈折を抑える観点から、前記シリカガラス基板と同じ屈折率のシリカガラスで形成されることが好ましい。
前記光学プリズムは、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着されてなる。
前記光学プリズムの形成材料としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記検出板との界面における光の反射や屈折を抑える観点から、前記シリカガラス基板と同じ屈折率のシリカガラスで形成されることが好ましい。
本発明の検出装置においては、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と、前記検出板に密着される密着面とのなす角の角度、即ち、図中にαで示される角度が４３°以下であることを技術の核とする。このようにすることで、従来のＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完することができる。
したがって、前記光学プリズムの形状としては、前記角度を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、図５に示すような任意の形状とすることができる。また、前記角の先端としては、研磨の関係上、丸まっていてもよい。
前記光学プリズムの好ましい態様としては、図６に示すような断面視台形のプリズム及び二等辺三角形のプリズムが挙げられる。これらの光学プリズムにおいては、前記検出板との密着面に対し、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と同一角度（図６における角度α）をなす出射面を有するので、前記光学プリズムを中心として、光照射手段と光検出手段とを対称的に光学配置することができ、検出装置をより小型でかつ簡便な配置設計にすることができる。
したがって、前記光学プリズムの形状としては、前記角度を有する限り特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、図５に示すような任意の形状とすることができる。また、前記角の先端としては、研磨の関係上、丸まっていてもよい。
前記光学プリズムの好ましい態様としては、図６に示すような断面視台形のプリズム及び二等辺三角形のプリズムが挙げられる。これらの光学プリズムにおいては、前記検出板との密着面に対し、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と同一角度（図６における角度α）をなす出射面を有するので、前記光学プリズムを中心として、光照射手段と光検出手段とを対称的に光学配置することができ、検出装置をより小型でかつ簡便な配置設計にすることができる。
前記検出板及び前記光学プリズムの密着方法としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、前記検出板と前記光学プリズムの間に、屈折率調節オイルや屈折率調節ポリマーシートで満たし、光学的に連続となるように密着されていることが好ましい。
また、前記検出板と前記光学プリズムとは、より簡便に光学的な連続性が得られる観点から、一体的に形成されていてもよい。
この場合、前記検出板のシリカガラス基板部分を研磨して、プリズム形状にして用いても同様の効果を得ることができる。
また、前記検出板と前記光学プリズムとは、より簡便に光学的な連続性が得られる観点から、一体的に形成されていてもよい。
この場合、前記検出板のシリカガラス基板部分を研磨して、プリズム形状にして用いても同様の効果を得ることができる。
前記検出板と前記光学プリズムとが一体的に形成される例を図７に示す。この例では、シリカガラス基板を光学プリズム状に加工して形成されたプリズム状のシリカガラス基板１６ａ上に、シリコン層１６ｂと、酸化シリコン層１６ｃとをこの順で配したチップを検出板及び光学プリズムとして用いる。この場合、プリズム状のシリカガラス基板１６ａの光入射面と、前記検出板（ここでは、シリコン層１６ｂ）との密着面とのなす角（図中のα）の角度を４３°以下とする。
＜光照射手段＞
前記光照射手段は、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される。
前記光照射手段は、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される。
前記光照射手段としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができるが、密着面の面内方向に対して平行に光を照射することが好ましい。このように前記光照射手段の光学系を配することで、より小型で簡便な光学系とすることができる。
前記光照射手段の好ましい構成例としては、光源と、前記光源から照射される光をコリメート光とするコリメータと、前記コリメート光を偏光してs偏光とする偏光板とを有し、光学プリズムを介して前記ｓ偏光を検出板に照射する構成が挙げられる。このように前記光照射手段を構成することで、適切な入射角で前記光学プリズムに対し光を照射することができるとともに、より高感度の検出が可能な光学系を得ることができる。
前記光源としては、波長分解型の測定を行う観点から、白色ランプやＬＥＤやＬＤなどが好ましい。また、前記ｓ偏光板に代えてｐ偏光板を用いることができるが、前記ｓ偏光板を用いる方が高い感度を得ることができる。
なお、前記光照射手段のこのほかの部材として、前記光源から照射される光をコリメータに導くための光ファイバーなどの光学部材を配することができる。
前記光源としては、波長分解型の測定を行う観点から、白色ランプやＬＥＤやＬＤなどが好ましい。また、前記ｓ偏光板に代えてｐ偏光板を用いることができるが、前記ｓ偏光板を用いる方が高い感度を得ることができる。
なお、前記光照射手段のこのほかの部材として、前記光源から照射される光をコリメータに導くための光ファイバーなどの光学部材を配することができる。
＜光検出手段＞
前記光検出手段は、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する機能を有する。本発明の検出装置は、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する。
前記光検出手段は、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する機能を有する。本発明の検出装置は、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する。
前記光検出手段としては、前記機能を有するものであれば特に制限はなく、例えば、少なくとも分光器と光検出器により構成することができ、必要に応じて、集光レンズ、光ファイバ等を付加して構成することができる。前記集光レンズ及び前記光ファイバを用いることで、光学配置に自由度を与えることができる。
前記光検出器としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＣＤアレイ、フォトダイオードアレイ、フォトマルチプライアなど、前記光学プリズムから出射される反射光の強度を測定する装置が挙げられ、前記分光器から取得される波長ごとの反射光強度から特定波長帯域における反射光の強度または反射スペクトルを検出可能とする。
前記光検出器としては、特に制限はなく、目的に応じて適宜選択することができ、例えば、ＣＣＤアレイ、フォトダイオードアレイ、フォトマルチプライアなど、前記光学プリズムから出射される反射光の強度を測定する装置が挙げられ、前記分光器から取得される波長ごとの反射光強度から特定波長帯域における反射光の強度または反射スペクトルを検出可能とする。
本発明の一実施形態に係る検出装置５０を図８に示す。該図８に示すように、光照射手段は、光源１と、光ファイバ２Ａと、コリメータレンズ３と偏光板４で構成されている。光源１からの光は、光ファイバ２Ａに入射され、光学プリズム５に入射しやすい位置に導かれる。光ファイバ２Ａの先に配置されたコリメータレンズ３により、光ファイバ２Ａからの出射光は、平行光となるように設定される。また、この出射光は、偏光板４にて所望の偏光状態に偏光された後に、光学プリズム５に入射される。
光学プリズム５に入射された光は、検出板６で反射され、反射光として光学プリズム５から出射された後、集光レンズ７により集光されて光ファイバ２Ｂに取り込まれ、分光器８及び光検出器９にて、反射強度または反射スペクトルを観測可能とされる。検出板６は、シリカガラス基板６ａ上に、シリコン層６ｂと、酸化シリコン層６ｃとがこの順で配されたもので構成され、シリカガラス基板６ａの酸化シリコン層６ｃが配される面と反対側の面に光学プリズム５が光学的に密着されて配される。
ここで、光学プリズム５は、偏光板４を通じて光が入射される入射面と、検出板６に密着される密着面とのなす角の角度（図中のα）が４３°以下に設定される。このように角度を設定することで、従来のＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完して、小型で高感度の検出装置を実現することができる。
ここで、光学プリズム５は、偏光板４を通じて光が入射される入射面と、検出板６に密着される密着面とのなす角の角度（図中のα）が４３°以下に設定される。このように角度を設定することで、従来のＳＰＲセンサーにおけるＳＰＲ励起条件と、光導波モードセンサーにおける光導波モード励起条件との差異を補完して、小型で高感度の検出装置を実現することができる。
このような構造を有する検出装置５０により、入射光が検出板６で反射された後の特性、例えば反射光スペクトルを観測すると、入射光のある特定波長帯域の光が、検出板６の表面に形成された酸化シリコン層６ｃ内及びその近傍を局在的に伝搬する光導波モードを励起する条件を満たし、この波長帯域で反射強度が著しく弱まる現象が生じる。この光導波モード励起条件は、検出板６の酸化シリコン層６ｃ表面近傍の誘電率によって変化するため、酸化シリコン層６ｃ表面近傍の誘電率に変化があると、反射スペクトルが変化する。これにより、反射スペクトルの変化又はある特定波長帯域の反射光強度の変化を観測することで、酸化シリコン層６ｃ表面近傍において誘電率変化を引き起こしている原因、例えば、物質の吸着や接近、離脱、変質を光検出器９で検出することができる。
図９に、本発明の一実施例として作製した検出装置１００の概要を示す。この検出装置１００おいては、タングステンハロゲンランプ光１０１から照射される光を光ファイバ１０２Ａを介してコリメータレンズ１０３、偏光板１０４の順で導入し、ｓ偏光の平行光にした後、プリズム１０５に照射する。プリズム１０５には、検出板１０６を光学的に密着させた。ここで、プリズム１０５としては、２つの底角の角度αがいずれも３８°の台形プリズムを用いた。また、検出板１０６としては、厚さ１．２ｍｍのシリカガラス基板１０６ａ上に、厚さ２２０ｎｍの単結晶Ｓｉ層１０６ｂと、厚さ４４８ｎｍの熱酸化シリコン層１０６ｃとがこの順で配されたものを用いた。
また、検出装置１００は、プリズム１０５の光入射面Ａを介して検出板１０６に照射された光を検出板で反射させプリズム１０５の光出射面Ｂから出射させた後、集光レンズ１０７及び光ファイバ１０２Ｂを介して、ＣＣＤアレイ付きの分光器１０８に導き、光検出器１０９によりスペクトルが観測されるように作製した。
また、検出装置１００は、プリズム１０５の光入射面Ａを介して検出板１０６に照射された光を検出板で反射させプリズム１０５の光出射面Ｂから出射させた後、集光レンズ１０７及び光ファイバ１０２Ｂを介して、ＣＣＤアレイ付きの分光器１０８に導き、光検出器１０９によりスペクトルが観測されるように作製した。
この実施例に係る検出装置１００を用いて、ビオチン１１０とストレプトアビジン１１１の特異吸着の検出試験を以下に記載の通り行った。
まず、検出板１０６を弱アルカリ水溶液に１０時間浸漬後乾燥し、次いで０．２質量％の３−アミノプロピルトリエトキシシランのエタノール溶液に１０時間浸漬し、酸化シリコン層１０６ｃの表面に反応活性なアミノ基を修飾した。
エタノールでリンスし乾燥させた後、０．１ｍＭのスルホスクシンイミジル−Ｎ−（Ｄ−ビオチニル）−６−アミノヘキサネート（スクシンイミド基含有化合物）を含む１／１５Ｍリン酸緩衝液に浸した。そのまま５時間放置し、アミノ基とスクシンイミド基含有化合物のスクシンイミド基とを反応させ、酸化シリコン層１０６ｃの表面にビオチニル基を導入した。こうすることによって、ビオチニル基へのストレプトアビジンの特異吸着を観測できるようになる。
まず、検出板１０６を弱アルカリ水溶液に１０時間浸漬後乾燥し、次いで０．２質量％の３−アミノプロピルトリエトキシシランのエタノール溶液に１０時間浸漬し、酸化シリコン層１０６ｃの表面に反応活性なアミノ基を修飾した。
エタノールでリンスし乾燥させた後、０．１ｍＭのスルホスクシンイミジル−Ｎ−（Ｄ−ビオチニル）−６−アミノヘキサネート（スクシンイミド基含有化合物）を含む１／１５Ｍリン酸緩衝液に浸した。そのまま５時間放置し、アミノ基とスクシンイミド基含有化合物のスクシンイミド基とを反応させ、酸化シリコン層１０６ｃの表面にビオチニル基を導入した。こうすることによって、ビオチニル基へのストレプトアビジンの特異吸着を観測できるようになる。
具体的な観察方法としては、前述の方法で酸化シリコン表面１０６ｃにビオチニル基を導入させた後、酸化シリコン表面１０６ｃの部分に液セルを外装し、１／１５Ｍリン酸緩衝液を液セル内に満たし、検出装置１００を駆動させ、光検出器１０９から反射スペクトルを観測することにより行った。この観測結果を図１０中の実線で示す。
その後、１／１５Ｍリン酸緩衝液を取り除き、次に液セル内にストレプトアビジンを０．５μＭ含有する１／１５Ｍリン酸緩衝液を注入し、再度反射スペクトルを観測した。この観測結果を図１０中の破線で示す。
該図１０から確認されるように、ストレプトアビジンを含有する溶液の注入によって、ビオチン１１０とストレプトアビジン１１１の吸着反応が生じて、反射スペクトル中に見られるディップの位置が長波長側へシフトする。
その後、１／１５Ｍリン酸緩衝液を取り除き、次に液セル内にストレプトアビジンを０．５μＭ含有する１／１５Ｍリン酸緩衝液を注入し、再度反射スペクトルを観測した。この観測結果を図１０中の破線で示す。
該図１０から確認されるように、ストレプトアビジンを含有する溶液の注入によって、ビオチン１１０とストレプトアビジン１１１の吸着反応が生じて、反射スペクトル中に見られるディップの位置が長波長側へシフトする。
検出板１０６の表面近傍で誘電率の変化が生じた際、図１０に見られるようなディップ位置の波長シフト量がより大きくなるように拡大設定できれば、誘電率の変化をより高感度に検出できることになり、誘電率の変化を引き起こしている反応をより正確に捉えられることとなる。そこで、プリズムの角αの角度とディップ位置の波長シフト量の関係をシミュレーション計算にて計算した。シミュレーション計算には、フレネルの式を用いた計算プログラム及びフリーウエアである計算プログラムＷｉｎｓｐａｌｌ（Ｗｏｌｆｇａｎｇ Ｋｎｏｌｌグループ， ＭＰＩ−Ｐ）を用いた。
計算に用いた条件としては、（１）検出板におけるシリコン層の厚さが４５ｎｍで入射波長６００ｎｍの位置にディップの底がある場合、（２）検出板におけるシリコン層の厚さが８０ｎｍで入射波長４７０ｎｍの位置にディップの底がある場合、（３）検出板におけるシリコン層の厚さが１６０ｎｍで入射波長５２０ｎｍの位置にディップの底がある場合、（４）検出板におけるシリコン層の厚さが２２０ｎｍで入射波長６５０ｎｍの位置にディップの底がある場合、の４通りの条件を用いた。いずれの場合も、シリコン層は単結晶シリコンであるとして計算した。
また、検出板１０６の表面が水と同等の屈折率を持った液に浸っているとして計算を行った。酸化シリコン層１０６ｃとしては、シリカガラスであるとして計算した。酸化シリコン層１０６ｃの厚さとしては、ディップの現れる波長位置に影響を与えることから、計算を行う際、検出板表面が液に浸っている状態で、ディップ位置が上述のそれぞれの波長になるように酸化シリコン層の厚さを設定した。ディップ位置のシフト量としては、検出板１０６の表面に厚さが５ｎｍで屈折率１．４５の物質が吸着した場合を想定して計算した。
計算で得られた、波長シフト量のプリズムの角αに対する角度依存性を示す結果を図１１に示す。また、プリズムの角αの角度が３１°の時の値で規格化したシフト量を図１２に示す。
図１１、図１２に示す通り、計算で用いた条件では、検出板１０６を構成するシリコン層の厚さや、励起波長帯域が異なるにも拘わらず、いずれの場合も、プリズムの角αが小さいほうが、シフト量が大きい、つまり感度が高いことが分かる。
ただし、プリズムの角αの角度が３０°より小さくなると、入射光が検出板１０６の表面で全反射条件を満たさなくなる、つまり、検出板１０６表面への光の入射角が臨界角より小さくなってしまう場合がある。検出板１０６に用いられている各材料の屈折率に波長依存性があるため、ここで一意的に、検出板表面への光の入射角が臨界角より小さくなってしまうようなプリズムの角αの角度を定められないが、光の入射角が臨界角より小さくなると、光導波モードは励起されないことに留意する必要がある。
図１１、図１２に示す通り、計算で用いた条件では、検出板１０６を構成するシリコン層の厚さや、励起波長帯域が異なるにも拘わらず、いずれの場合も、プリズムの角αが小さいほうが、シフト量が大きい、つまり感度が高いことが分かる。
ただし、プリズムの角αの角度が３０°より小さくなると、入射光が検出板１０６の表面で全反射条件を満たさなくなる、つまり、検出板１０６表面への光の入射角が臨界角より小さくなってしまう場合がある。検出板１０６に用いられている各材料の屈折率に波長依存性があるため、ここで一意的に、検出板表面への光の入射角が臨界角より小さくなってしまうようなプリズムの角αの角度を定められないが、光の入射角が臨界角より小さくなると、光導波モードは励起されないことに留意する必要がある。
プリズムの角αの角度が３１°の時の値で規格化したシフト量を理想的な値として、プリズムの角αをこれ以外に変更して得られたシフト量と比較検討すると、プリズムの角αの角度が４３°以下であれば、計算を行った全ての条件下で、プリズムの角αの角度が３１°の時のディップ位置のシフト量に対して、６０％以上のディップ位置のシフト量が得られている（図１２参照）。したがって、プリズムの角αの角度を４３°以下にすると、ＳｉＯ２／Ｓｉ／ＳｉＯ２検出板を用い、かつ、波長分解型測定法を適応するに際し、高い感度を得ることができる。
また、プリズムの角αの角度が４１°以下であれば、計算を行った全ての条件下で、プリズムの角αの角度が３１°の時のディップ位置のシフト量に対して、７０％前後またはそれ以上のディップ位置のシフト量が得られることから（図１２参照）、より好ましい。
本発明の検出装置は、小型で、高安定で、かつ高感度であることから、ＤＮＡ、抗原−抗体などのたんぱく質、糖鎖などのバイオセンサー及び金属イオン、有機分子などの化学物質センサー、温度計などに適用でき、医療、創薬、食品、環境等の分野において広く利用することができる。
１、１０１、２０４、３０１、４０３ 光源
２Ａ、２Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ 光ファイバ
３、１０３、３０４ コリメータレンズ
４、１０４、２０５、３０５、４０４ 偏光板
５、１０５、２０３、３０３、４０２ 光学プリズム
６、１０６、４０１ 検出板
６ａ、１０６ａ シリカガラス基板
６ｂ、１６ｂ、１０６ｂ シリコン層
６ｃ、１６ｃ、１０６ｃ 酸化シリコン層
７、１０７、３０８ 集光レンズ
８、１０８、３０９Ａ 分光器
９、１０９、２０６、３０９、４０５ 光検出器
１６ａ 光学プリズム状のシリカガラス基板
１１０ ビオチン
１１１ ストレプトアビジン
５０、１００ 検出装置
２００、３００ ＳＰＲセンサー
４００ 光導波モードセンサー
２０１、３０６ ガラス基板
２０２、３０７ 金属薄膜層
２１０Ａ、３１０Ａ、４１０Ａ 入射光
２１０Ｂ、３１０Ｂ、４１０Ｂ 出射光
４０１ａ 透明基板
４０１ｂ 反射膜層
４０１ｃ 透明光導波路層
２Ａ、２Ｂ、１０２Ａ、１０２Ｂ、３０２Ａ、３０２Ｂ 光ファイバ
３、１０３、３０４ コリメータレンズ
４、１０４、２０５、３０５、４０４ 偏光板
５、１０５、２０３、３０３、４０２ 光学プリズム
６、１０６、４０１ 検出板
６ａ、１０６ａ シリカガラス基板
６ｂ、１６ｂ、１０６ｂ シリコン層
６ｃ、１６ｃ、１０６ｃ 酸化シリコン層
７、１０７、３０８ 集光レンズ
８、１０８、３０９Ａ 分光器
９、１０９、２０６、３０９、４０５ 光検出器
１６ａ 光学プリズム状のシリカガラス基板
１１０ ビオチン
１１１ ストレプトアビジン
５０、１００ 検出装置
２００、３００ ＳＰＲセンサー
４００ 光導波モードセンサー
２０１、３０６ ガラス基板
２０２、３０７ 金属薄膜層
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４０１ｂ 反射膜層
４０１ｃ 透明光導波路層
Claims (10)
- シリカガラス基板上にシリコン層と酸化シリコン層とがこの順で配される検出板と、前記検出板の前記シリカガラス基板側に光学的に密着される光学プリズムと、前記光学プリズムを介して前記検出板に光を照射し、前記光学プリズムに対して光の入射角が固定されて配される光照射手段と、前記検出板から反射される反射光の強度を検出する光検出手段とを有し、前記反射光の特性変化を検出することにより、前記検出板の前記酸化シリコン層の表面近傍における誘電率の変化を検出する検出装置であって、
前記光学プリズムは、前記光照射手段から照射される光が入射される入射面と、前記検出板に密着される密着面とのなす角の角度が４３°以下であることを特徴とする検出装置。 - 光照射手段が、密着面の面内方向に対して平行に光を照射する請求項１に記載の検出装置。
- シリコン層が、単結晶シリコンにより形成される請求項１及び２のいずれかに記載の検出装置。
- シリコン層と酸化シリコン層との界面における界面粗さが、ＲＭＳ換算で０．５ｎｍ以下である請求項１から３のいずれかに記載の検出装置。
- 光照射手段が、光源と、前記光源から照射される光をコリメート光とするコリメータと、前記コリメート光を偏光してs偏光とする偏光板とを有し、光学プリズムを介して前記ｓ偏光を検出板に照射する請求項１から４のいずれかに記載の検出装置。
- 光検出手段が、少なくとも反射光を分光して検出する分光器を有する請求項１から５のいずれかに記載の検出装置。
- 光学プリズムが、密着面に対して入射面と同一角度をなす出射面を有する請求項１から６のいずれかに記載の検出装置。
- 光学プリズムが、シリカガラス基板と同じ屈折率のシリカガラスで形成される請求項１から７のいずれかに記載の検出装置。
- 光学プリズムと検出板とが一体的に形成される請求項１から８のいずれかに記載の検出装置。
- 酸化シリコン層表面近傍における、物質の吸着、離脱、接近、及び変質のいずれかの状態を誘電率の変化として検出する請求項１から９のいずれかに記載の検出装置。
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