WO2013080432A1 - ケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法 - Google Patents

ケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法 Download PDF

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WO2013080432A1
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refractive index
light
chemical sensor
detection
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正則 岩崎
松澤　伸行
兼作 前田
雄介 守屋
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ソニー株式会社
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    • G02B6/26—Optical coupling means
    • G02B6/34—Optical coupling means utilising prism or grating

Definitions

  • the present technology relates to a chemical sensor, a chemical sensor module, a chemical substance detection apparatus, and a chemical substance detection method for detecting a chemical substance by using light emission resulting from a chemical bond.
  • Chemical sensors that detect chemical substances using luminescence caused by chemical bonds are being studied. Specifically, when a probe material that specifically binds to a target material to be detected is fixed on the sensor and a sample is supplied to the sensor, the target material contained in the sample is bonded to the probe material. For example, when the conjugate is made to emit light using a fluorescent label that can be introduced into the conjugate of the target material and the probe material, detection by the photoelectric conversion element becomes possible. By fixing a plurality of types of probe materials on the sensor, the type of target material contained in the sample can also be specified.
  • Patent Document 1 discloses “a biosensor using an evanescent waveguide and an integrated sensor” in which a sample is fluorescently emitted using an evanescent wave (near-field light) of excitation light.
  • a detector, a filter, a contact clad layer, and a waveguide layer are laminated in this order, and a sample is placed on the waveguide layer.
  • excitation light laser
  • Patent Document 2 discloses an “all-polymer optical waveguide sensor” that causes a sample to emit fluorescence using an evanescent wave of excitation light.
  • a polymer waveguide is formed on a polymer substrate, and a sample is fixed on the polymer waveguide.
  • a sample is excited by an evanescent wave of a light wave (coherent light) traveling through a polymer waveguide, and the generated fluorescence is detected by a detector.
  • Patent Document 1 and Patent Document 2 both prevent the excitation light from reaching the photoelectric conversion element by confining the excitation light in the waveguide structure. Therefore, an evanescent wave for causing the sample fixed on the waveguide structure to fluoresce is an element of both inventions.
  • JP-T 2010-518389 (paragraph [0023], [0126])
  • JP-T 2009-511896 (paragraph [0056], [0102])
  • the intensity of the evanescent wave is much smaller than the intensity of the light introduced into the waveguide structure, light energy cannot be used efficiently in the invention as described above.
  • the thickness of the waveguide structure is limited (several tens of nm), so that it may be difficult or expensive to manufacture the sensor.
  • the reach distance of the evanescent wave is very small (about several tens of nm), it cannot be detected unless a fluorescent substance is present in the vicinity of the surface of the sample (evanescent wave reach range).
  • an object of the present technology is to provide a chemical sensor, a chemical sensor module, a chemical substance detection apparatus, and a chemical substance detection method capable of detecting a chemical substance with high accuracy and high sensitivity. It is in.
  • a chemical sensor includes a substrate, a low refractive index layer, a high refractive index layer, and a light detection unit.
  • the low refractive index layer is laminated on the substrate and has a second refractive index smaller than the first refractive index that is the refractive index of the detection target.
  • the high refractive index layer is laminated on the low refractive index layer, has a third refractive index larger than the first refractive index, has a holding surface for holding the detection target, and propagates illumination light.
  • the light detection unit is provided on the substrate and detects detection target light generated in the detection target by the illumination light.
  • the illumination light introduced into the high refractive index layer is refracted and transmitted to the detection target, but the first refractive index that is the refractive index of the detection target as described above is that of the low refractive index layer. It is larger than the second refractive index which is a refractive index. Therefore, by making the illumination light enter the high refractive index layer at an appropriate incident angle, the illumination light is totally reflected at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer, and is refracted and transmitted to the detection target. It becomes possible. Therefore, it becomes possible to detect the detection target light generated in the detection target by the light detection unit while preventing the illumination light from reaching the light detection unit located below the low refractive index layer. It is possible to prevent a decrease in detection accuracy due to detection of illumination light.
  • the holding surface may further include an adsorption area where the detection object is adsorbed and a non-adsorption area where the detection object is not adsorbed.
  • the non-adsorption region since the non-adsorption region is not in contact with the detection object that causes the refractive transmission of the illumination light, the refractive transmission of the illumination light in the non-adsorption region can be prevented. That is, when the non-adsorption region faces the air, or is in contact with a substance having a refractive index sufficiently smaller than the refractive index (first refractive index) of the detection object, illumination is performed in the non-adsorption region. Total reflection of light can occur. As a result, the illumination light reaches the detection target in the adsorption region, but is totally reflected in the non-adsorption region, so that it is possible to prevent loss of light energy of the illumination light.
  • the adsorption area may be separated by the non-adsorption area.
  • the adsorption regions can be arranged in an island shape, different target materials can be adsorbed in each adsorption region, and various chemical substances can be detected simultaneously.
  • a plurality of the light detection units may be provided, and each of the adsorption regions may face one light detection unit.
  • the detection target substance adsorbed in each adsorption region corresponds to the light detection unit on a one-to-one basis, it is possible to detect the detection target light with high accuracy.
  • a plurality of the light detection units may be provided, and each of the adsorption regions may face the plurality of the light detection units.
  • the detection target object adsorbed in each adsorption region corresponds to a plurality of light detection units, it is possible to confirm the characteristics of the emission spectrum of the detection target light in one adsorption region.
  • the adsorption region may be formed so that the area increases along the direction in which the illumination light propagates.
  • the amount of illumination light incident on each adsorption region can be made uniform.
  • the illumination light is totally reflected in the non-adsorption region, light energy is not lost, but in the adsorption region, it is lost by entering the detection target. That is, the intensity of the illumination light per unit surface is smaller in the suction area located at a long distance in the direction in which the illumination light propagates than in the suction area located at a short distance.
  • the ratio of the amount of light incident on the detection target and the amount of light totally reflected is adjusted, and the amount of illumination light incident on each suction area is adjusted. It can be made uniform.
  • the adsorption region may be formed by a hydrophilic treatment applied to the holding surface, and the non-adsorption region may be formed by a hydrophobic treatment applied to the holding surface.
  • the adsorption region may be formed by a hydrophobic treatment applied to the holding surface, and the non-adsorption region may be formed by a hydrophilic treatment applied to the holding surface.
  • the adsorption region and the non-adsorption region can be distinguished.
  • the non-adsorption region may be covered with a film that does not adsorb the detection object, and the adsorption region may not be covered with the film.
  • the detection target is a substance that can be adsorbed on the holding surface, it is possible to distinguish the adsorption area from the non-adsorption area.
  • the film may have light reflectivity.
  • the illumination light can be reflected by this coating. This is particularly effective when a material having a high refractive index is laminated on the non-adsorption region.
  • the chemical sensor may further include a color filter that is provided between the light detection unit and the low refractive index layer and shields wavelengths other than the detection target light.
  • the illumination light is totally reflected at the interface between the high refractive index layer and the low refractive index layer, in principle, it does not reach the light detection unit. However, for example, it may be possible to reach the light detection unit through the same path as the detection target light due to reflection on the detection target. Here, it is possible to detect the detection target light with higher accuracy by removing such illumination light components by the color filter.
  • the chemical sensor may further include an on-chip lens that is provided between the light detection unit and the low refractive index layer and collects the detection target light on the light detection unit.
  • the detection target light can be condensed on the light detection unit by the on-chip lens, and the detection target light can be detected with higher accuracy.
  • the chemical sensor may further include a light shielding wall provided in the low refractive index layer and partitioning the low refractive index layer for each region facing each light detection unit.
  • the illumination light may be excitation light
  • the detection target light may be fluorescence
  • a chemical sensor module includes a chemical sensor and a light guide unit.
  • the chemical sensor includes a substrate, a low refractive index layer that is laminated on the substrate and has a second refractive index that is lower than a first refractive index that is a refractive index of an object to be detected, and the low refractive index layer that is laminated on the low refractive index layer.
  • a high refractive index layer having a third refractive index larger than the first refractive index and having a holding surface on which the detection object is held and on which the illumination light propagates is provided on the substrate, and the detection is performed by the illumination light.
  • a light detection unit that detects light to be detected generated in the object.
  • the light guide is bonded to the chemical sensor and introduces the illumination light into the high refractive index layer.
  • a chemical substance detection apparatus includes a chemical sensor module and a light source.
  • the chemical sensor module is laminated on a substrate, a low refractive index layer that is laminated on the substrate and has a second refractive index that is lower than a first refractive index that is a refractive index of a detection target, and the low refractive index layer.
  • the light source irradiates the light guide unit with the illumination light.
  • a chemical substance detection method has a substrate and a second refractive index smaller than the first refractive index that is stacked on the substrate and is the refractive index of the detection target.
  • a high refractive index on which illumination light propagates comprising a low refractive index layer and a holding surface that is laminated on the low refractive index layer and has a third refractive index that is higher than the first refractive index and holds the detection object
  • a chemical sensor is provided that includes a layer and a light detection unit that is provided on the substrate and detects detection target light generated in the detection target by the illumination light. The illumination light is introduced into the high refractive index layer through a light guide. The light to be detected is detected by the light detection unit.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view showing a configuration of a chemical sensor 1 according to the first embodiment.
  • the chemical sensor 1 is configured by laminating a substrate 2, a low refractive index layer 3, and a high refractive index layer 4 in this order.
  • the chemical sensor 1 is used with a detection object attached thereto in use.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing the detection object S placed on the chemical sensor 1.
  • the refractive index (absolute refractive index, the same applies hereinafter) of the detection object S is the first refractive index n1
  • the refractive index of the low refractive index layer 3 is the second refractive index n2
  • the refractive index of the high refractive index layer 4 is.
  • these refractive indexes have a relationship of increasing in the order of the second refractive index n2, the first refractive index n1, and the third refractive index n3.
  • the substrate 2 is provided with a light detection unit 21.
  • the light detection unit 21 may be an image sensor (CMOS, CCD, etc.) in which pixels (photoelectric conversion elements) are two-dimensionally arranged, a line sensor in which pixels are one-dimensionally arranged, or an optical sensor using organic photoelectric conversion.
  • CMOS complementary metal-oxide-semiconductor
  • CCD complementary metal-oxide-semiconductor
  • the substrate 2 may be provided with a wiring (not shown) connected to the light detection unit 21.
  • the protective insulating film 22 of the image sensor is provided on the substrate 2, but may not be provided depending on the configuration of the light detection unit 21.
  • the low refractive index layer 3 is a layer laminated on the substrate 2 and has a second refractive index n2 smaller than the first refractive index n1 (the refractive index of the detection target S). That is, the low refractive index layer 3 can be made of a material having a refractive index of 1 (air) or more and less than the first refractive index (for example, 1.5). Moreover, as a material of the low refractive index layer 3, a material having high light transmittance is suitable at least in a wavelength range of light to be detected (hereinafter referred to as detection target light) described later.
  • the refractive index shown here is a refractive index with respect to a light wavelength of 550 nm.
  • the thickness of the low refractive index layer 3 is preferably 50 nm to 1 mm, and more preferably 100 nm to 1 ⁇ m or 50 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the high refractive index layer 4 is a layer laminated on the low refractive index layer 3 and has a third refractive index n3 larger than the first refractive index n1 (the refractive index of the detection target S). That is, the high refractive index layer 4 can be made of a material having a refractive index exceeding the first refractive index (for example, 1.5). Further, as the material of the high refractive index layer 4, a material having high light transmittance at least in the wavelength range of the detection target light is suitable. Further, a material having high light transmittance in a wavelength region of light (hereinafter referred to as illumination light) introduced into the high refractive index layer 4 described later is preferable.
  • illumination light a material having high light transmittance in a wavelength region of light introduced into the high refractive index layer 4 described later is preferable.
  • the refractive index shown here is a refractive index with respect to a light wavelength of 550 nm.
  • the thickness of the high refractive index layer 4 is not particularly limited, but a thinner one is preferable in order to prevent attenuation of detection target light.
  • the high refractive index layer 4 may be formed directly on the low refractive index layer 3 or a plate-like member made of the above material on a component in which the low refractive index layer 3 is laminated on the substrate 2. May be laminated by laminating.
  • the surface of the high refractive index layer 4 is a surface on which the detection target S is held as shown in FIG. 2, and the surface is hereinafter referred to as a holding surface 4a.
  • a region where the detection target S is adsorbed can be divided on the holding surface 4a.
  • a region where the detection target S is adsorbed is referred to as an adsorption region, and a region where the detection target S is not adsorbed is referred to as a non-adsorption region.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing the suction region 4a 1 and the non-suction region 4a 2 formed on the holding surface 4a.
  • the adsorption zone 4a 1 may be a region surrounded by the non-suction regions 4a 2.
  • the adsorption region 4a 1 is not limited to being formed on the light detection unit 21 on a one-to-one basis, but a plurality of adsorption regions 4a 1 may be formed to face one light detection unit 21. It is possible to improve detection accuracy by setting it to 1: 1.
  • the chemical sensor 1 is supplied to the user in a state where the surface treatment is performed as described above, and it is assumed that an arbitrary detection target S is attached to the adsorption region 4a 1 and used by the user.
  • Adsorption region 4a 1 and the non-suction regions 4a 2 may be partitioned by surface treatment with respect to the holding surface 4a.
  • the region subjected to the hydrophilic treatment can be referred to as the adsorption region 4a 1 and the region subjected to the hydrophobic treatment can be referred to as the non-adsorption region 4a 2 .
  • the region subjected to the hydrophobic treatment can be the adsorption region 4a 1 and the region subjected to the hydrophilic treatment can be the non-adsorption region 4a 2 .
  • the adsorption region 4a 1 and the non-suction regions 4a 2 it is possible to distinguish by being deposited on the holding surface 4a coating.
  • the holding surface 4a is made of a material that adsorbs the detection object S, by detecting the object S to form a coating film made of a material which does not adsorb to an area to form a film and non-suction regions 4a 2 , it can be a region that does not form a film and the adsorption region 4a 1.
  • the entire area of the holding surface 4a and the suction region 4a 1, it is possible to assume that does not form a non-suction regions 4a 2.
  • the detection target S is uniformly deposited on the entire area of the holding surface 4a.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view showing the chemical sensor module 5. As shown in the figure, the chemical sensor module 5 is formed by joining a chemical sensor 1 and a light guide 6.
  • the light guide 6 is a member that introduces light into the high refractive index layer 4 at a predetermined angle. Details of the incident angle of light will be described later.
  • the light guide 6 can be a light guide prism joined to the high refractive index layer 4 as shown in FIG. 4, and can introduce light into the high refractive index layer 4 at a predetermined angle. It may be a member.
  • the light guide 6 can be joined to the high refractive index layer 4 via index matching oil or the like so that an air layer does not enter between the high refractive index layer 4.
  • the arrangement of the light guide 6 is not limited to the high refractive index layer 4.
  • 5 and 6 are schematic diagrams illustrating examples of different arrangements of the light guide unit 6. As shown in FIG. 5, the light guide 6 may be on the upper layer side of the high refractive index layer 4, or may be on the lower layer side of the high refractive index layer 4 as shown in FIG. 6.
  • a plurality of light guides 6 may be provided so that illumination light (described later) can be introduced into the high refractive index layer 4 from a plurality of directions.
  • the chemical sensor module 5 may be used as a chemical substance detection device together with a light source.
  • FIG. 22 is a schematic diagram showing the configuration of the chemical substance detection apparatus. As shown in FIG. 1, the chemical substance detection apparatus 10 includes a chemical sensor module 5 and a light source 11. A lens 12 is provided between the chemical sensor module 5 and the light source 11.
  • the illumination light emitted from the light source 11 can be made into parallel light by the lens 12 and can be incident on the high refractive index layer 4 via the light guide 6. It is preferable that the incident angle of the illumination light on the high refractive index layer 4 can be varied depending on the positions and angles of the light source 11 and the lens 12.
  • the target material in the sample specifically binds to a predetermined probe material.
  • a fluorescent labeling material capable of fluorescently labeling the conjugate of the target material and the probe material is supplied to the chemical sensor 1, only the detection target S including the conjugate of the target material and the probe material is fluorescently labeled. By detecting this fluorescence, it is possible to identify the target material contained in the sample.
  • a fluorescent label may be applied to the target material in advance.
  • the target material that does not bond with the probe material adsorbed on the adsorption region 4a 1 is removed from the chemical sensor 1, it can be identified as the target material using fluorescence in the same manner as described above.
  • a fluorescent label may be applied to the probe material in advance, and the target material may be specified by detecting changes in the wavelength and luminance of the fluorescence due to the binding between the probe material and the target material.
  • the chemical sensor 1 can identify the target material by detecting the fluorescence generated in the detection object S, accurate measurement of the fluorescence is important. If excitation light for generating fluorescence is detected by the light detection unit 21, a value different from the original fluorescence intensity is output from the light detection unit 21. However, in the chemical sensor 1 according to the present technology, the mechanism that will be described later prevents the excitation light from reaching the light detection unit 21, that is, enables accurate measurement of fluorescence.
  • produces in the detection target S by irradiation of excitation light was detected by the light detection part 21, it is not restricted to this. Any kind of light may be generated as long as the detection target S is irradiated with some light. For example, a case where scattered light is generated in the detection target S only when a specific substance is included in the detection target S can be considered.
  • illumination light light irradiated on the detection target S like the excitation light
  • detection target light light generated in the detection target S due to the irradiation light like the fluorescence
  • the chemical sensor 1 can be used in the following fields.
  • chemical or biochemical analysis including analysis of biological fluids such as egg yolk, blood, serum or plasma, environmental analysis including analysis of water, dissolved soil extract and dissolved plant extract, chemical production, especially Analysis in a dye solution or reaction solution, dispersion or formulation analysis, quality protection analysis, gene analysis, and the like.
  • FIG. 7 is a schematic diagram showing the operation of the chemical sensor 1.
  • illumination light is introduced into the high refractive index layer 4 through the light guide 6.
  • the illumination light is incident on the holding surface 4a of the high refractive index layer 4 within a predetermined angle range, which will be described later.
  • the illumination light reaching the adsorption region 4a 1 where the detection object S is provided is totally reflected by making the illumination light incident on the high refractive index layer 4 at an appropriate incident angle.
  • the light is refracted and transmitted without incident, and enters the detection target S. This is because the refractive index (first refractive index n1) of the detection object S is larger than the refractive index of air.
  • the light reaching the non-adsorption region 4a 2 where the detection target S is not provided is totally reflected in the same manner as described above and propagates through the high refractive index layer 4 again.
  • the detection in the object S is present region (suction region 4a 1) is incident illumination light to detect the object S, the illumination light in a region where the detection object S is not present (non-suction region 4a 2) All It can be reflected. Even in this case, since the refractive index (second refractive index n2) of the low refractive index layer 3 is smaller than the refractive index (first refractive index n1) of the detection object S, the low refractive index layer 3 and the low refractive index layer 4 are low. The illumination light is totally reflected at the interface of the refractive index layer 3.
  • the illumination light is incident only on the detection target S while propagating through the high refractive index layer 4.
  • the illumination light does not leak out, so the light energy is not lost, and the illumination light does not reach the light detection unit 21, so the illumination light is detected by the light detection unit 21. There is nothing to do.
  • the non-adsorption region 4a 2 is formed of a film made of a material that the detection target S does not adsorb, by making the film have light reflectivity, the illumination light in the non-adsorption region 4a 2 It is possible to prevent leakage. Even in this case, it is possible to prevent loss of light energy and detection of illumination light by the light detector 21.
  • detection light fluorescence or the like
  • the detection target light is generated in the detection target S by the illumination light incident on the detection target S, and is detected by the light detection unit 21.
  • the detection target light is emitted from the detection target S in all directions, a part of the detection target light passes through the high refractive index layer 4 and the low refractive index layer 3 and is detected by the light detection unit 21. Since the incident angle of the detection target light to the high refractive index layer 4 or the like is a steep angle, it reaches the light detection unit 21 without being totally reflected at the interface of the high refractive index layer 4 or the like.
  • the illumination light incident on the high refractive index layer 4 does not reach the light detection unit 21, and the detection of the illumination light by the light detection unit 21 can be prevented. It is. Furthermore, the illumination light incident on the high refractive index layer 4 is not attenuated except for incident on the detection target S, that is, the light energy can be used effectively.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an interface between the high refractive index layer 4 and the low refractive index layer 3.
  • the incident angle of the illumination light (indicated by an arrow in the figure) at the interface is an angle ⁇ 3 and the emission angle from the interface of the illumination light is an angle ⁇ 2
  • the following equation (1) is established from Snell's law.
  • the illumination light cannot be refracted and transmitted from the high refractive index layer 4 to the low refractive index layer 3 but is totally reflected and returns to the high refractive index layer 4.
  • FIG. 9 is a schematic diagram showing an interface between the high refractive index layer 4 and the detection target S.
  • the illumination light as described above is refracted and transmitted to the detection object S from the interface.
  • the exit angle from the interface of the illumination light is an angle ⁇ 1
  • the following equation (2) is established in the same manner as the equation (1).
  • the first refractive index n1 is larger than the second refractive index n2, even when the angle ⁇ 2 is 90 °, ⁇ 1 ⁇ 90 ° from Equation (2), that is, the illumination light is refracted and transmitted to the detection target S.
  • the incident angle of the illumination light to the high refractive index layer 4 can be selected according to each value of the first refractive index n1, the second refractive index n2, and the third refractive index n3.
  • the illumination light can be totally reflected at the interface between the low refractive index layer 3 and the non-adsorption region 4a2, and the illumination light can be refracted and transmitted at the interface with the adsorption region 4a 1 (detection target S).
  • FIG. 10 shows the total illumination light with respect to the values of the first refractive index n1 (detection target S), the second refractive index n2 (low refractive index layer 3), and the third refractive index 3 (high refractive index layer 4).
  • surface which shows the incident angle which reflection generate
  • the third refractive index n3 is 1.9
  • the second refractive index n2 is 1.3
  • the first refractive index n1 is 1.4
  • the total reflection is obtained when the incident angle is 43.2 ° or more from the table. Occurs.
  • refractive transmission to the detection target S occurs. That is, when the incident angle is set to 43.2 ° or more and less than 47.5 °, the illumination light can be refracted and transmitted only to the detection target S and totally reflected at other interfaces.
  • FIG. 11 is a schematic view showing a method for manufacturing the chemical sensor 1.
  • a photodetecting portion 21 made of an impurity region is formed on one surface of a substrate 2 made of single crystal silicon by ion implantation from the mask and subsequent heat treatment.
  • a protective insulating film 22 is formed on the substrate 2 on which the light detection unit 21 is formed.
  • the low refractive index layer 3 is laminated on the protective insulating film 22.
  • the low refractive index layer 3 can be formed, for example, by applying a raw material resin by a method such as spin coating and drying.
  • a high refractive index layer 4 is laminated on the low refractive index layer 3.
  • the low refractive index layer 3 can be formed, for example, by applying a raw material resin by a method such as spin coating and drying.
  • the high refractive index layer 4 can also be formed by printing or pasting a resin sheet.
  • the high refractive index layer 4 can also be formed by sticking a plate-like member on the low refractive index layer 3.
  • the sheet glass G is pasted to the low refractive index layer 3 by vacuum lamination with the resin sheet F side as the low refractive index layer 3 side.
  • the adsorption region 4 a 1 and the non-adsorption region 4 a 2 are formed on the holding surface 4 a of the high refractive index layer 4.
  • the region subjected to the hydrophilic treatment can be set as the adsorption region 4a 1 and the region subjected to the hydrophobic treatment can be set as the non-adsorption region 4a 2.
  • the region subjected to the hydrophobic treatment is referred to as an adsorption region 4a 1 and the region subjected to the hydrophilic treatment is referred to as a non-adsorption region 4a 2.
  • a metal thin film was formed on the holding surface 4a, it is possible to non-suction region 4a 2.
  • FIG. 13 is a schematic diagram illustrating a joining mode of the light guide unit 6 to the chemical sensor 1.
  • the chemical sensor 1 is provided with the sensor area
  • the light guide unit 6 is joined to the light guide unit joining region C where the terminal B is not provided, for example, via index matching oil or the like.
  • the light incident on the light guide 6 periodically propagates in the high refractive index layer 4.
  • the chemical sensor module 5 can be manufactured as described above.
  • a chemical sensor according to a second embodiment of the present technology will be described.
  • the description of the same configuration as the chemical sensor according to the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are given.
  • the chemical sensor according to this embodiment has the same layer structure as that of the chemical sensor according to the first embodiment, but is different in the form of the adsorption region to which the detection target is deposited.
  • FIG. 14 is a schematic diagram showing a chemical sensor 201 according to this embodiment.
  • the adsorption region 204a 1 of the chemical sensor 201 is formed such that the area in three rows each from the light guiding portion 6 side becomes large.
  • the non-adsorption region 204a 2 that separates the adsorption regions 204a 1 is formed so as to become thinner every three rows.
  • the area of the suction region 204a 1 is not limited to the case where the area increases every three columns, but the area can be increased every column, every two columns, or every larger number of columns.
  • the suction region 204a 1 By making the suction region 204a 1 in such a form, it is possible to make the amount of illumination light incident on each detection object S uniform. As described in the first embodiment, the illumination light propagating through the high refractive index layer 4 is incident on the detection target S and attenuates as the distance from the light guide unit 6 increases. Therefore, with respect to the suction area 204a 1 close to the light guiding portion 6, the illumination light intensity of the Atari unit area is small in the adsorption region 204a 1 spaced from the light guiding portion 6.
  • the amount of illumination light incident on each adsorption region 204a 1 is made uniform. Is possible.
  • the area ratio of the adsorption region 204a 1 and the non-suction regions 204a 2 (aperture ratio).
  • the illumination light introduced into the high-refractive index layer 4 propagates while being totally reflected at the interface of the high-refractive index layer 4, but illuminates from the adsorption region 204 a 1 (hereinafter referred to as an opening) for every total reflection. Is emitted. Therefore, when the total number of reflections is n, the ratio of one side dimension (hereinafter referred to as opening dimension) of the adsorption region 204a 1 is Xn, and the amount of illumination light emitted from the opening of the nth total reflection number is In, the following expression The relationship (3) holds.
  • I1 X1 2
  • I2 (1-I1)
  • I3 (1-I2)
  • FIG. 15 is a table showing the amount of illumination light when the entire surface of the holding surface 4a is irradiated with four times of total reflection. As shown in the figure, the opening in the range of the first total reflection count is 50%, the opening in the second total reflection range is 57.7%, the opening in the third total reflection range is 70.7%, By setting the aperture in the range of the fourth total reflection count to 100%, uniform illumination can be performed over the entire surface.
  • FIG. 16 is a table showing the amount of illumination light when the entire holding surface 4a is irradiated with the total number of reflections of 4 and the aperture size is about 90%.
  • FIG. 17 is a table showing the amount of illumination light when the entire surface of the holding surface 4a is irradiated with the total reflection number of 8 times.
  • the amount of illumination light incident on each detection object S can be made uniform.
  • a chemical sensor according to a third embodiment of the present technology will be described.
  • the description of the same configuration as the chemical sensor according to the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are given.
  • an on-chip lens and a color filter are added to the layer structure of the chemical sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 18 is a cross-sectional view showing the configuration of the chemical sensor 301 according to this embodiment.
  • the chemical sensor 301 includes a color filter 302 and an on-chip lens 303 in addition to the substrate 2, the low refractive index layer 3, and the high refractive index layer 4.
  • the color filter 302 and the on-chip lens 303 are formed on the substrate 2 in this order.
  • the color filter 302 may have optical characteristics that transmit the detection target light and shield the illumination light. As described above, in principle, the illumination light does not leak from the high refractive index layer 4 to the light object light detection unit 21 side, but the illumination light incident on the detection object S is reflected in the detection object S. Or the case where it advances to the detection target S side by scattering etc. is also considered. Even in such a case, since the illumination light can be blocked by the color filter 302, it is possible to prevent the illumination light from being detected by the light detection unit 21.
  • the color filter 302 may have a different transmission wavelength for each region facing each detection object S. Thereby, when the wavelength of the detection target light generated in the adjacent detection target S is different, the detection target light from the adjacent detection target S can be shielded, and crosstalk can be prevented. .
  • FIGS. 23A and 24A show the transmission wavelength (C1) when the color filter 302 has one color
  • FIGS. 23B and 24B show the case where the color filter 302 has three colors. Transmission wavelengths (C1, C2, C3).
  • the difference can be classified.
  • the on-chip lens 303 focuses the incident detection target light on the light detection unit 21.
  • the on-chip lens 303 can be a hemisphere having a spherical surface on the detection object S side, or a different lens shape.
  • the on-chip lenses 303 may be provided so as to face the respective light detection units 21.
  • the on-chip lens 303 makes it possible to collect the detection target light isotropically emitted from the detection target S on the light detection unit 21 and improve the detection accuracy of the detection target light.
  • the chemical sensor 301 is configured as described above. Note that only one of the color filter 302 and the on-chip lens 303 may be provided.
  • a method for manufacturing the chemical sensor 301 will be described.
  • 19 and 20 are schematic views showing a method for manufacturing the chemical sensor 301.
  • the light detection unit 21 is formed on the substrate 2, and the protective insulating film 22 is further formed thereon.
  • the protective insulating film 22 is formed with a film thickness adjusted so that the focal point of the on-chip lens 303 matches the inside of the light detection unit 21 in consideration of the focal length of the on-chip lens 303.
  • a color filter 302 is formed on the protective insulating film 22 as shown in FIG.
  • the color filter 302 can be formed by, for example, spin coating.
  • an on-chip lens 303 is formed on the color filter 302 as shown in FIG.
  • the on-chip lens 303 can be formed by a melt flow method.
  • a lens material such as silicon nitride is formed on the color filter 302, and an island-like resist pattern is formed thereon.
  • the resist pattern is caused to flow by heat treatment, and the resist pattern is formed into a convex lens shape using surface tension.
  • the lens shape of the resist pattern can be transferred to the lens material, and the lens material can be processed into the lens shape.
  • the low refractive index layer 3 is laminated so as to embed the on-chip lens 303.
  • the low refractive index layer 3 can be formed by a spin coating method.
  • PEGMEA propylene glycol monomethyl ether acetate
  • the saturated dissolution amount of the fluorine-containing polysiloxane resin in PEGMEA is small, and the solution has a very low viscosity.
  • the solution is applied so that the film thickness is about 1 ⁇ m from the top of the on-chip lens 303.
  • the solution having a low viscosity in this manner, the embedding property of the on-chip lens 303 is improved and voids (voids) can be prevented.
  • the solvent in the solution is removed by heat treatment at 120 ° C. for 1 minute, and the fluorine-containing polysiloxane resin is sufficiently cured by heat treatment at 230 ° C. for 5 minutes.
  • the low refractive index layer 3 in which the lens shape of the on-chip lens 303 is embedded and the surface is molded flat can be formed.
  • a high refractive index layer 4 is laminated on the low refractive index layer 3.
  • the high refractive index layer 4 can be laminated by, for example, spin coating.
  • the high refractive index layer 4 can also be formed by printing, sticking a resin sheet, or sticking a plate-like member.
  • the chemical sensor 301 can be manufactured as described above.
  • a chemical sensor module can be obtained by joining the light guide 6 to the chemical sensor 301 in the same manner as in the first embodiment.
  • a chemical sensor according to a fourth embodiment of the present technology will be described.
  • the description of the same configuration as the chemical sensor according to the first embodiment is omitted, and the same reference numerals are given.
  • the chemical sensor according to the present embodiment is obtained by adding a light shielding wall to the layer structure of the chemical sensor according to the first embodiment.
  • FIG. 21 is a cross-sectional view showing the configuration of the chemical sensor 401 according to this embodiment.
  • the chemical sensor 401 includes a light shielding wall 402 in addition to the substrate 2, the low refractive index layer 3, and the high refractive index layer 4.
  • the light shielding wall 402 is formed in the low refractive index layer 3 in a direction perpendicular to the layer.
  • the light shielding wall 402 shields the detection target light from the adjacent detection target S.
  • the light shielding wall 402 is made of a material capable of shielding at least the wavelength of the detection target light, and is arranged so as to partition the low refractive index layer 3 for each region facing each light detection unit 21. Can do. Further, the light shielding wall 402 may be provided for each of the plurality of light detection units 21.
  • the light shielding wall 402 can be formed by laminating the low refractive index layer 3, patterning the low refractive index layer 3, and filling the material. In addition to this, it is also possible to form the low refractive index layer 3 by previously forming the light shielding wall 402 on the substrate 2 and filling the inside thereof with a material.
  • the light to be detected is blocked by the light shielding wall 402 from the adjacent detection target S, that is, the crosstalk of the light detection unit 21 can be prevented.
  • the light shielding wall 402 is formed in the high refractive index layer 4, the illumination light propagating through the high refractive index layer 4 is blocked.
  • the propagation of the illumination light is performed. It is possible to guide the illumination light without hindering.
  • the light shielding wall 402 can be arranged so as to partition each on-chip lens 303. Together with the collection of illumination light by the on-chip lens 303, crosstalk can be further suppressed.
  • the present technology is not limited to the above embodiments, and can be changed without departing from the gist of the present technology.
  • this technique can also take the following structures.
  • a substrate A low refractive index layer laminated on the substrate and having a second refractive index smaller than the first refractive index which is the refractive index of the detection object;
  • a high refractive index layer that is laminated on the low refractive index layer, has a third refractive index greater than the first refractive index, has a holding surface on which the detection object is held, and propagates illumination light;
  • a chemical sensor comprising: a light detection unit that is provided on the substrate and detects detection target light generated in the detection target by the illumination light.
  • the chemical sensor according to (1) above is a chemical sensor provided with the adsorption
  • the chemical sensor according to any one of (1) to (6) above is formed by a hydrophilic treatment applied to the holding surface,
  • the non-adsorption region is a chemical sensor formed by a hydrophobic treatment applied to the holding surface.
  • the chemical sensor according to any one of (1) to (7) above is formed by a hydrophobic treatment applied to the holding surface,
  • the non-adsorption region is formed by a hydrophilic treatment applied to the holding surface.
  • a chemical sensor further comprising a color filter provided between the light detection unit and the low refractive index layer and blocking wavelengths other than the detection target light.
  • a chemical sensor according to any one of (1) to (11) above, A chemical sensor further comprising an on-chip lens that is provided between the light detection unit and the low refractive index layer and condenses the detection target light on the light detection unit.
  • a chemical sensor further comprising a light shielding wall provided on the low refractive index layer and partitioning the low refractive index layer for each region facing each photodetecting portion.
  • the chemical sensor according to any one of (1) to (13) above,
  • the illumination light is excitation light
  • the detection target light is fluorescent chemical sensor.
  • a substrate a low refractive index layer that is laminated on the substrate and has a second refractive index lower than the first refractive index that is the refractive index of the detection object, and the first refractive index that is laminated on the low refractive index layer.
  • a high-refractive-index layer having a holding surface on which the detection object is held and having a third refractive index higher than that of the detection object, and provided on the substrate, and detection that occurs in the detection object by the illumination light
  • a chemical sensor comprising a light detection unit for detecting target light;
  • a chemical sensor module comprising: a light guide unit joined to the chemical sensor and introducing the illumination light into the high refractive index layer.
  • a substrate a low refractive index layer that is laminated on the substrate and has a second refractive index lower than the first refractive index that is the refractive index of the detection object, and the first refractive index that is laminated on the low refractive index layer.
  • a high-refractive-index layer having a holding surface on which the detection object is held and having a third refractive index higher than that of the detection object, and provided on the substrate, and detection that occurs in the detection object by the illumination light
  • a chemical sensor module comprising: a chemical sensor provided with a light detection unit that detects target light; and a light guide unit that is joined to the chemical sensor and introduces the illumination light into the high refractive index layer;
  • a chemical substance detection apparatus comprising: a light source that irradiates the illumination light to the light guide unit.
  • a substrate a low refractive index layer that is laminated on the substrate and has a second refractive index lower than the first refractive index that is the refractive index of the detection object, and the first refractive index that is laminated on the low refractive index layer.
  • a high-refractive-index layer having a holding surface on which the detection object is held and having a third refractive index higher than that of the detection object, and provided on the substrate, and detection that occurs in the detection object by the illumination light

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Abstract

【課題】高精度、高感度に化学物質の検出を行うことが可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法を提供すること 【解決手段】本技術の一形態に係るケミカルセンサは、基板と、低屈折率層と、高屈折率層と、光検出部とを具備する。低屈折率層は、基板に積層され、検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。高屈折率層は、低屈折率層に積層され、第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し、検出対象物が保持される保持面を備え、照明光が伝播する。光検出部は、基板に設けられ、照明光によって検出対象物において生じる検出対象光を検出する。

Description

ケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法
　本技術は、化学結合に起因する発光を利用して化学物質を検出するためのケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法に関する。
　化学結合に起因する発光を利用して化学物質を検出するケミカルセンサが研究されている。具体的には、検出したいターゲット材料と特異的に結合するプローブ材料をセンサ上に固着しておき、試料をセンサに供給すると、試料に含まれるターゲット材料がプローブ材料と結合する。例えば、ターゲット材料とプローブ材料の結合体に導入が可能な蛍光標識を用いて当該結合体を発光させると、光電変換素子による検出が可能となる。複数種のプローブ材料をセンサ上に固着させておくことによって、試料に含まれるターゲット材料の種類を特定することも可能となる。
　このようなケミカルセンサにおいて、高感度、高精度の検出を可能とするためには、ターゲット材料とプローブ材料の結合に起因する発光のみを光電変換素子に導き、それ以外の光、例えば蛍光を生じさせるための励起光等を排除する必要がある。
　例えば、特許文献１には、同様に励起光のエバネッセント波（近接場光）を用いて試料を蛍光発光させる「エバネセント導波管及び集積センサを用いるバイオセンサ」が開示されている。当該センサにおいては、検出器、フィルタ、接触クラッド層、導波管層がこの順で積層され、導波管層上に試料が載置される構成となっている。動波管層に、層に平行な方向に励起光（レーザ）が導入され、動波管層の界面から漏れ出すエバネッセント波により試料が励起され、蛍光が蛍光が検出器によって検出される構成となっている。
　また、特許文献２には、励起光のエバネッセント波を用いて試料を蛍光発光させる「全ポリマー光導波路センサ」が開示されている。当該センサにおいては、ポリマー基板上にポリマー導波路が形成され、ポリマー導波路上に試料が固定される構成となっている。ポリマー導波路を進行する光波（コヒーレント光）のエバネッセント波により試料が励起され、発生する蛍光を検出器で検出するものである。
　上記特許文献１及び特許文献２に記載の発明はいずれも、励起光を導波構造に閉じ込めることによって、励起光が光電変換素子に到達することを防止するものである。したがって、導波構造上に固定されている試料を蛍光させるためのエバネッセント波が、両発明の要素となっている。
特表２０１０－５１８３８９号公報（［００２３］段落、［０１２６］段落） 特表２００９－５１１８９６号公報（［００５６］段落、［０１０２］段落）
　しかしながら、エバネッセント波の強度は、導波構造に導入される光の強度に比べて遥かに微小であるため、上記のような発明においては光エネルギーを効率的に利用することができない。また、エバネッセント波を最適な条件とするためには導波構造の厚みが限定される（数十ｎｍ）ため、センサの製造が困難あるいは高コストとなることが考えられる。さらには、エバネッセント波の到達距離も非常に小さい（数十ｎｍ程度）ため、試料の表面近傍（エバネッセント波到達範囲）に蛍光物質が存在しなければ、検出することができない。
　以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高精度、高感度に化学物質の検出を行うことが可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、化学物質検出装置及び化学物質検出方法を提供することにある。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るケミカルセンサは、基板と、低屈折率層と、高屈折率層と、光検出部とを具備する。
　上記低屈折率層は、上記基板に積層され、検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する。
　上記高屈折率層は、上記低屈折率層に積層され、上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し、上記検出対象物が保持される保持面を備え、照明光が伝播する。
　上記光検出部は、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する。
　この構成によれば、高屈折率層に導入された照明光は検出対象物に屈折透過するが、上記のように検出対象物の屈折率である第１の屈折率は、低屈折率層の屈折率である第２の屈折率より大きい。したがって、照明光を適切な入射角度で高屈折率層に入射させることにより、照明光を高屈折率層と低屈折率層の界面において全反射させつつ、検出対象物に対しては屈折透過させることが可能となる。したがって、低屈折率層の下層に位置する光検出部に照明光が到達することを防止しながら、検出対象物において生じる検出対象光を光検出部によって検出することが可能となり、光検出部における照明光の検出による検出精度の低下を防止することが可能となる。
　上記保持面は、上記検出対象物が吸着される吸着領域と、上記検出対象物が吸着されない非吸着領域をさらに備えてもよい。
　この構成によれば、非吸着領域が、照明光の屈折透過を生じさせる検出対象物に接触していないため、非吸着領域における照明光の屈折透過を防止することが可能となる。即ち、非吸着領域が空気に面している場合、又は少なくとも検出対象物の屈折率（第１の屈折率）より十分小さい屈折率を有する物質に接している場合には、非吸着領域において照明光の全反射が生じ得る。これにより、照明光は、吸着領域の検出対象物には到達するが、非吸着領域においては全反射されるため、照明光の光エネルギーの損失を防止することが可能となる。
　上記吸着領域は、上記非吸着領域によって分離されていてもよい。
　この構成によれば、吸着領域を島状に配置することが可能であるため、各吸着領域に異なるターゲット材料を吸着させておき、多種の化学物質を同時に検出することが可能となる。
　上記光検出部は、複数が設けられ、上記吸着領域は、それぞれがひとつの上記光検出部に対向してもよい。
　この構成によれば、各吸着領域に吸着された検出対象物質が光検出部に１対１で対応するため、高精度に検出対象光を検出することが可能となる。
　上記光検出部は、複数が設けられ、上記吸着領域は、それぞれが複数の上記光検出部に対向してもよい。
　この構成によれば、各吸着領域に吸着された検出対象物が複数の光検出部に対応するため、ひとつの吸着領域における検出対象光の発光スペクトルの特性を確認することが可能となる。
　上記吸着領域は、上記照明光が伝播する方向に沿って面積が大きくなるように形成されていてもよい。
　この構成によれば、各吸着領域に入射する照明光の光量を均一化することが可能となる。上述のように、非吸着領域においては照明光は全反射するため、光エネルギーは失われないが、吸着領域においては、検出対象物に入射することによって失われる。即ち、照明光が伝播する方向において遠距離に位置する吸着領域においては、近距離に位置する吸着領域に比べて単位面当たりの照明光の強度が小さくなっている。ここで、本構成のように、吸着領域の大きさを次第に大きくすることにより、検出対象物に入射する光量と全反射する光量の割合を調整し、各吸着領域に入射する照明光の光量を均一化することができる。
　上記吸着領域は、上記保持面に施された親水性処理によって形成され、上記非吸着領域は、上記保持面に施された疎水性処理によって形成されてもよい。
　この構成によれば、検出対象物が親水性材料である場合に、吸着領域と非吸着領域を区分することが可能となる。
　上記吸着領域は、上記保持面に施された疎水性処理によって形成され、上記非吸着領域は、上記保持面に施された親水性処理によって形成されていてもよい。
　この構成によれば、検出対象物が疎水性材料である場合に、吸着領域と非吸着領域を区分することが可能となる。
　上記非吸着領域は、上記検出対象物が吸着されない被膜によって被覆され、上記吸着領域は、上記被膜によって被覆されなくてもよい。
　この構成によれば、検出対象物が保持面に吸着可能な物質である場合に、吸着領域と非吸着領域を区分することが可能となる。
　上記被膜は光反射性を有してもよい。
　この構成によれば、この被膜によって、照明光を反射させることが可能となる。これは特に、非吸着領域上に高屈折率を有する材料が積層された場合に有効である。
　上記ケミカルセンサは、上記光検出部と上記低屈折率層の間に設けられ、上記検出対象光以外の波長を遮蔽するカラーフィルタをさらに具備してもよい。
　この構成によれば、照明光の光検出部への到達を２次的に防止することが可能である。上記のように、照明光は高屈折率層と低屈折率層の界面において全反射するため、原理的には光検出部には到達しない。しかし、例えば、検出対象物における反射等によって、検出対象光と同一の経路で光検出部に到達する場合も考えられる。ここで、カラーフィルタにより、このような照明光成分を除去することにより、より高精度に検出対象光を検出させることが可能である。
　上記ケミカルセンサは、上記光検出部と上記低屈折率層の間に設けられ、上記検出対象光を上記光検出部に集光するオンチップレンズをさらに具備してもよい。
　この構成によれば、検出対象光をオンチップレンズによって光検出部に集光することが可能であり、より高精度に検出対象光を検出させることが可能である。
　上記ケミカルセンサは、上記低屈折率層に設けられ、上記低屈折率層を各光検出部に対向する領域毎に区画する遮光壁をさらに具備してもよい。
　この構成によれば、隣接する検出対象物から生じる検出対象光を遮蔽し、クロストークを防止することが可能となる。
　上記照明光は励起光であり、上記検出対象光は蛍光であってもよい。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るケミカルセンサモジュールは、ケミカルセンサと、導光部とを具備する。
　上記ケミカルセンサは、基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備える。
　上記導光部は、上記ケミカルセンサに接合され、上記高屈折率層に上記照明光を導入する。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る化学物質検出装置は、ケミカルセンサモジュールと、光源とを具備する。
　上記ケミカルセンサモジュールは、基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部と、上記ケミカルセンサに接合され上記高屈折率層に上記照明光を導入する導光部とを備える。
　上記光源は、上記導光部に上記照明光を照射する。
　上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る化学物質検出方法は、基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサを準備する。
　導光部を介して上記高屈折率層に上記照明光を導入する。
　上記光検出部によって上記検出対象光を検出する。
　以上のように、本技術によれば、高精度、高感度に化学物質の検出を行うことが可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール及び化学物質検出方法を提供することが可能である。
第１の実施形態に係るケミカルセンサの構成を示す断面図である。 同ケミカルセンサに載置された検出対象物を示す断面図である。 同ケミカルセンサの吸着領域及び非吸着領域を示す模式図である。 第１の実施形態に係るケミカルセンサモジュールを示す断面図である。 同ケミカルセンサモジュールの導光部の配置を示す模式図である。 同ケミカルセンサモジュールの導光部の配置を示す模式図である。 第１の実施形態に係るケミカルセンサの動作を示す模式図である。 同ケミカルセンサの高屈折率層と低屈折率層の界面を示す模式図である。 同ケミカルセンサの高屈折率層と検出対象物の界面を示す模式図である 同ケミカルセンサへの照明光の入射角度を示す表である。 同ケミカルセンサの製造方法を示す模式図である。 同ケミカルセンサの別の製造方法を示す模式図である。 同ケミカルセンサへの導光部の接合態様を示す模式図である。 第２の実施形態に係るケミカルセンサの構成を示す模式図である。 同ケミカルセンサの照明光の光量を示す表である。 同ケミカルセンサの照明光の光量を示す表である。 同ケミカルセンサの照明光の光量を示す表である。 第３の実施形態に係るケミカルセンサの構成を示す模式図である。 同ケミカルセンサの製造方法を示す模式図である。 同ケミカルセンサの製造方法を示す模式図である。 第４の実施形態に係るケミカルセンサの構成を示す断面図である。 第１の実施形態に係る化学物質検出装置の構成を示す模式図である。 検出対象光の発光スペクトルとカラーフィルタの光透過率の例を示すグラフである。 検出対象光の発光スペクトルとカラーフィルタの光透過率の例を示すグラフである。
　（第１の実施形態）
　本技術の第１の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。
　［ケミカルセンサの構成］
　図１は第１の実施形態に係るケミカルセンサ１の構成を示す断面図である。これらの図に示すようにケミカルセンサ１は、基板２、低屈折率層３及び高屈折率層４がこの順に積層されて構成されている。また、ケミカルセンサ１は、使用時には検出対象物が被着されて用いられる。図２は、ケミカルセンサ１に載置された検出対象物Ｓを示す断面図である。
　以下の説明において、検出対象物Ｓの屈折率（絶対屈折率、以下同様）を第１屈折率ｎ１、低屈折率層３の屈折率を第２屈折率ｎ２、高屈折率層４の屈折率を第３屈折率ｎ３とする。詳細は後述するが、これらの屈折率は、第２屈折率ｎ２、第１屈折率ｎ１、第３屈折率ｎ３の順で大きくなる関係を有する。
　基板２には、光検出部２１が設けられている。光検出部２１は、画素（光電変換素子）が２次元配列されたイメージセンサ（ＣＭＯＳ、ＣＣＤ等）であってもよく、画素が１次元配列されたラインセンサ、有機光電変換を利用した光センサ等、光を検出することが可能な各種センサを利用することができる。基板２には、光検出部２１に接続された図示しない配線等が設けられてもよい。図１及び図２においては基板２上にイメージセンサの保護絶縁膜２２が設けられているが、光検出部２１の構成によっては設けられない場合もある。
　低屈折率層３は、基板２上に積層される層であり、第１屈折率ｎ１（検出対象物Ｓの屈折率）より小さい第２屈折率ｎ２を有する。即ち、低屈折率層３は、屈折率が１（空気）以上であって、第１屈折率（例えば１．５）未満となる材料からなるものとすることができる。また、低屈折率層３の材料としては少なくとも、後述する検出対象の光（以下、検出対象光）の波長域において光透過性が高い材料が好適である。
　このような材料としては例えば、フッ素含有中空シリカ粒子含有ポリシロキサン樹脂（ｎ＝１．２～１．３５（シリカ粒径依存））、フッ素含有ポリシロキサン樹脂（ｎ＝１．４２）、フッ素含有アクリル樹脂（ｎ＝１．４２）、中空シリカ粒子含有ポリシロキサン樹脂（ｎ＝１．２～１．３５）シリカ粒径依存））等が挙げられる。なお、ここに示した屈折率は、光波長５５０ｎｍに対する屈折率である。
　低屈折率層３の厚さは５０ｎｍ以上１ｍｍ以下が好適であり、１００ｎｍ以上１μｍ以下又は５０μｍ以上５００μｍ以下がさらに好適である。
　高屈折率層４は、低屈折率層３に積層される層であり、第１屈折率ｎ１（検出対象物Ｓの屈折率）より大きい第３屈折率ｎ３を有する。即ち、高屈折率層４は、屈折率が第１屈折率（例えば１．５）を超える材料からなるものとすることができる。また、高屈折率層４の材料としては少なくとも検出対象光の波長域において光透過性が高い材料が好適である。さらに後述する、高屈折率層４に導入される光（以下、照明光）の波長域においても光透過性が高い材料が好適である。
　このような材料としては例えば、窒化シリコン（ｎ＝１．９）、窒化酸化シリコン（ｎ＝１．８５）、酸化チタン分散ポリシロキサン樹脂（ｎ＝１．８）、熱硬化材を添加した酸化チタン分散アクリル樹脂（ｎ＝１．８）等が挙げられる。なお、ここに示した屈折率は、光波長５５０ｎｍに対する屈折率である。
　高屈折率層４の厚さは特に限定されないが、検出対象光の減衰を防止するためには薄い方が好適である。高屈折率層４は、低屈折率層３上に直接成膜されてもよく、あるいは基板２上に低屈折率層３が積層された部品に、上記のような材料からなる板状の部材を張り合わせることによって積層されてもよい。
　高屈折率層４の表面は、図２に示すように検出対象物Ｓが保持される面であり、以下当該表面を保持面４ａとする。保持面４ａには検出対象物Ｓを吸着させる領域を区分することができる。以下、検出対象物Ｓが吸着させる領域を吸着領域、検出対象物Ｓを吸着させない領域を非吸着領域とする。
　図３は、保持面４ａに形成された吸着領域４ａ１と非吸着領域４ａ２を示す模式図である。同図に示すように、吸着領域４ａ１は、非吸着領域４ａ２によって囲まれた領域とすることができる。保持面４ａをこのように区画することにより、それぞれの吸着領域４ａ１に種類の異なる検出対象物Ｓを配置することが可能であると共に、各吸着領域４ａ１に被着される検出対象物Ｓをそれぞれの光検出部２１に１対１で対向させることが可能となる。
　なお、吸着領域４ａ１は光検出部２１に対して１対１で形成される場合に限られず、複数の吸着領域４ａ１が一つの光検出部２１に対向するように形成されてもよいが、１対１とすることにより検出精度を向上させることが可能である。
　ケミカルセンサ１は、例えば、上記のように表面処理を施した状態でユーザに供給され、ユーザによって任意の検出対象物Ｓが吸着領域４ａ１に被着されて用いられることが想定される。
　吸着領域４ａ１及び非吸着領域４ａ２は、保持面４ａに対する表面処理によって区分することが可能である。具体的には、検出対象物Ｓが親水性材料の場合には親水性処理を施した領域を吸着領域４ａ１とし、疎水性処理を施した領域を非吸着領域４ａ２とすることができる。また、検出対象物Ｓが疎水性材料の場合には、疎水性処理を施した領域を吸着領域４ａ１とし、親水性処理を施した領域を非吸着領域４ａ２とすることができる。
　また、吸着領域４ａ１と非吸着領域４ａ２は、保持面４ａに成膜された被膜によって区分することも可能である。具体的には、保持面４ａが検出対象物Ｓが吸着する材料からなる場合、検出対象物Ｓが吸着しない材料からなる被膜を形成することにより、被膜を形成した領域を非吸着領域４ａ２とし、被膜を形成しない領域を吸着領域４ａ１とすることができる。また、詳細は後述するが、当該被膜は光反射性を有するものとすることが好適であり、例えばアルミニウム被膜とすることができる。
　なお、保持面４ａの全領域を吸着領域４ａ１とし、非吸着領域４ａ２を形成しないものとすることも可能である。この場合、検出対象物Ｓは保持面４ａの全領域に一様に被着される。
　［ケミカルセンサモジュールの構成］
　上述したケミカルセンサ１は、ケミカルセンサモジュールとして用いられるものとすることができる。図４は、ケミカルセンサモジュール５を示す断面図である。同図に示すように、ケミカルセンサモジュール５は、ケミカルセンサ１と導光部６が接合されて形成されている。
　導光部６は、高屈折率層４に所定角度で光を導入する部材である。光の入射角度の詳細については後述する。導光部６は、図４に示すような高屈折率層４に接合された導光プリズムとすることができ、また、高屈折率層４に所定角度で光を導入することが可能な他の部材であってもよい。導光部６は、高屈折率層４との間に空気の層が入らないように、インデックスマッチングオイル等を介して高屈折率層４に接合されるものとすることができる。
　導光部６の配置は、高屈折率層４上に限られない。図５及び図６は、導光部６の異なる配置の例を示す模式図である。図５に示すように、導光部６は高屈折率層４の上層側であってもよく、図６に示すように、高屈折率層４の下層側であってもよい。また、導光部６は、複数の方向から高屈折率層４に照明光（後述）を導入可能なように、複数が設けられてもよい。
　［化学物質検出装置の構成］
　ケミカルセンサモジュール５は、光源と共に化学物質検出装置として用いられるものとすることもできる。図２２は、化学物質検出装置の構成を示す模式図である。同図に示すように、化学物質検出装置１０は、ケミカルセンサモジュール５と光源１１によって構成されている。また、ケミカルセンサモジュール５と光源１１の間には、レンズ１２が設けられている。
　光源１１から出射された照明光は、レンズ１２によって平行光に揃えられ、導光部６を介して高屈折率層４に入射するものとすることができる。光源１１及びレンズ１２の位置や角度によって、照明光の高屈折率層４への入射角度を可変できるものが好適である。
　［ケミカルセンサを用いたターゲット材料の検出］
　ケミカルセンサ１（及びケミカルセンサモジュール５）を用いたターゲット材料の検出方法について説明する。
　吸着領域４ａ１に各種のプローブ材料を吸着させておき、ターゲット材料を含む試料をケミカルセンサ１に供給すると、試料中のターゲット材料が特異的に所定のプローブ材料と結合する。ターゲット材料とプローブ材料の結合体を蛍光標識することが可能な蛍光標識材をケミカルセンサ１に供給すると、ターゲット材料とプローブ材料の結合体を含む検出対象物Ｓのみが蛍光標識される。この蛍光を検出することにより、試料に含まれるターゲット材料と特定することが可能となる。
　この他に、予めターゲット材料に蛍光標識を施してもよい。この場合、吸着領域４ａ１に吸着しているプローブ材料と結合を生じないターゲット材料はケミカルセンサ１上から除去されるため、上記と同様に蛍光を用いてターゲット材料と特定することが可能となる。また、予めプローブ材料に蛍光標識を施しておき、プローブ材料とターゲット材料との結合による蛍光の波長及び輝度の変化を検出してターゲット材料を特定してもよい。
　上記のように、ケミカルセンサ１は、検出対象物Ｓにおいて生じる蛍光を検出することによってターゲット材料の特定が可能となるため、蛍光の正確な測定が重要となる。仮に、蛍光を生じさせるための励起光が光検出部２１によって検出されてしまうと、本来の蛍光強度とは異なる値が光検出部２１から出力されることとなる。しかしながら、本技術に係るケミカルセンサ１においては、後述する機構により励起光が光検出部２１に到達することが防止され、即ち蛍光の正確な測定が可能となるものである。
　なお、ここでは、励起光の照射によって検出対象物Ｓにおいて生じる蛍光を、光検出部２１によって検出するものとして説明したが、これに限られない。検出対象物Ｓに何らかの光が照射されると、検出対象物Ｓにおいて何らかの光が生じる関係であればよい。例えば、検出対象物Ｓに特定の物質が含まれている場合にのみ、検出対象物Ｓにおいて散乱光が生じる場合等が考えられる。
　以下の説明では、上記励起光のように検出対象物Ｓに照射される光を「照明光」とし、上記蛍光のように照射光によって検出対象物Ｓにおいて生じる光を「検出対象光」とする。
　ケミカルセンサ１は、次のような分野において用いることが可能である。例えば、卵黄、血液、血清又は血漿のような生物学的流体の分析を含む化学又は生化学分析、水、溶解した土壌抽出物及び溶解した植物抽出物の分析を含む環境分析、化学産生、特に色素溶液又は反応溶液における解析、分散又は定式化解析、品質保護解析、遺伝子解析等である。
　［ケミカルセンサの動作］
　ケミカルセンサ１（及びケミカルセンサモジュール５）の動作について説明する。図７は、ケミカルセンサ１の動作を示す模式図である。
　まず、高屈折率層４の保持面４ａに検出対象物Ｓが被着されていない場合について説明する。図７（ａ）に示すように、導光部６を介して高屈折率層４に照明光が導入される。照明光は高屈折率層４の保持面４ａに対して所定の角度範囲で入射されるが、この角度範囲については後述する。
　ここで、上記のように高屈折率層４の屈折率（第３屈折率ｎ３）は、空気（屈折率ｎ＝１）及び低屈折率層３の屈折率（第２屈折率ｎ２）より大きいので、適切な角度範囲で入射した照明光は、高屈折率層４と空気との界面及び高屈折率層４と低屈折率層３との界面において全反射を繰り返し、図７（ａ）に示すように高屈折率層４を伝播する。即ち、この状態においては、照明光は高屈折率層４から外部に漏洩することなく伝播する。
　次に、保持面４ａに検出対象物Ｓが被着されている場合について説明する。図７（ｂ）に示すように、適切な入射角度で照明光を高屈折率層４に入射させることにより、検出対象物Ｓが設けられている吸着領域４ａ１に到達した照明光は全反射することなく屈折透過し、検出対象物Ｓに入射する。これは、検出対象物Ｓの屈折率（第１屈折率ｎ１）が空気の屈折率より大きいためである。
　一方、検出対象物Ｓが設けられていない非吸着領域４ａ２に到達した光は、上記と同様に全反射し、再び高屈折率層４を伝播する。
　即ち、検出対象物Ｓが存在する領域（吸着領域４ａ１）においては検出対象物Ｓに照明光を入射させ、検出対象物Ｓが存在しない領域（非吸着領域４ａ２）においては照明光を全反射させることが可能となる。また、この場合であっても、低屈折率層３の屈折率（第２屈折率ｎ２）は検出対象物Ｓの屈折率（第１屈折率ｎ１）より小さいため、高屈折率層４と低屈折率層３の界面においは照明光は全反射する。
　したがってこの状態では、照明光は高屈折率層４を伝播しつつ、検出対象物Ｓに対してのみ入射することとなる。検出対象物Ｓが存在しない非吸着領域４ａ２においては照明光が漏出しないため、光エネルギーは失われず、光検出部２１には照明光が到達しないため、照明光が光検出部２１によって検出されることがない。
　また、非吸着領域４ａ２を、検出対象物Ｓが吸着しない材料からなる被膜によって形成した場合においても、当該被膜を光反射性を有するものとすることにより、非吸着領域４ａ２における照明光の漏出を防止することが可能である。この場合でも、光エネルギーの損失や照明光の光検出部２１による検出を防止することが可能である。
　図７（ｃ）に示すように、検出対象物Ｓに入射した照明光によって検出対象物Ｓにおいて検出対象光（蛍光等）が生じ、光検出部２１によって検出される。検出対象光は検出対象物Ｓから全方位的に放出されるが、その一部は高屈折率層４及び低屈折率層３を透過し、光検出部２１によって検出される。なお、検出対象光の高屈折率層４等への入射角度は急角度であるため、高屈折率層４等の界面において全反射されることなく、光検出部２１に到達する。
　このように、本実施形態のケミカルセンサ１の構成によって、高屈折率層４に入射した照明光は光検出部２１に到達せず、光検出部２１による照明光の検出を防止することが可能である。さらに、高屈折率層４に入射する照明光は、検出対象物Ｓに入射する以外において減衰せず、即ち光エネルギーを有効に利用することが可能である。
　［照明光の入射角度について］
　上述のケミカルセンサ１の動作においては高屈折率層４への照明光の入射角度が適切な場合について説明したが、この入射角度についてより詳細に説明する。
　図８は、高屈折率層４と低屈折率層３の界面を示す模式図である。照明光（図中に矢印で示す）の界面への入射角度を角度θ３、照明光の界面からの出射角度を角度θ２とすると、スネルの法則から次の式（１）の関係が成立する。
　ｎ３×ｓｉｎθ３＝ｎ２×ｓｉｎθ２　　　　　（１）
　上記のように、第３屈折率ｎ３は第２屈折率ｎ２より大きいので、角度θ２が９０°以上となる角度θ３が存在する。この状態では、照明光は高屈折率層４から低屈折率層３へ屈折透過することができずに全反射し、高屈折率層４に戻る。
　図９は、高屈折率層４と検出対象物Ｓの界面を示す模式図である。検出対象物Ｓが被着されていない非吸着領域４ａ２においては、空気の屈折率がｎ＝１であり、第３屈折率ｎ３より小さいので、上記角度θ２が９０°以上となる角度θ３であれば照明光は全部反射する。
　また、吸着領域４ａ１においては、上記のように照明光が界面から検出対象物Ｓに屈折透過する。照明光の界面からの出射角度を角度θ１とすると、式（１）の同様に以下の式（２）が成立する。
　ｎ３×ｓｉｎθ３＝ｎ２×ｓｉｎθ２＝ｎ１×ｓｉｎθ１　　　　　（２）
　第１屈折率ｎ１が第２屈折率ｎ２より大きいので、角度θ２が９０°の場合でも式（２）からθ１＜９０°となり、即ち照明光が検出対象物Ｓに屈折透過することになる。
　以上のように、第１屈折率ｎ１、第２屈折率ｎ２及び第３屈折率ｎ３のそれぞれの値に応じて高屈折率層４への照明光の入射角度を選択することができる。これにより、低屈折率層３及び非吸着領域４ａ２との界面においては照明光を全反射させ、吸着領域４ａ１（検出対象物Ｓ）との界面においては照明光を屈折透過させることが可能となる。
　図１０は、第１屈折率ｎ１（検出対象物Ｓ）、第２屈折率ｎ２（低屈折率層３）及び第３屈折率３（高屈折率層４）の値に対して照明光の全反射が発生する入射角度を示す表である。例えば、第３屈折率ｎ３が１．９、第２屈折率ｎ２が１．３、第１屈折率ｎ１が１．４の場合、表から、入射角度を４３．２°以上とすると、全反射が生じる。また、入射角度を４７．５°未満とすると、検出対象物Ｓへの屈折透過が生じる。即ち、入射角度を４３．２°以上４７．５°未満とすると、検出対象物Ｓに対してのみ照明光を屈折透過させ、他の界面においては全反射させることが可能となる。
　［ケミカルセンサの製造方法］
　ケミカルセンサ１（及びケミカルセンサモジュール５）の製造方法について説明する。図１１は、ケミカルセンサ１の製造方法を示す模式図である。
　図１１（ａ）に示すように、例えば単結晶シリコンからなる基板２の一面に、マスク上からのイオン注入とその後の熱処理等によって不純物領域からなる光検出部２１を形成する。次に、図１１（ｂ）に示すように、光検出部２１が形成された基板２上に保護絶縁膜２２を成膜する。
　続いて、図１１（ｃ）に示すように、保護絶縁膜２２上に、低屈折率層３を積層する。低屈折率層３は、例えば原料樹脂をスピンコート等の方法によって塗布し、乾燥させることによって形成することができる。
　さらに、図１１（ｄ）に示すように、低屈折率層３上に、高屈折率層４を積層する。低屈折率層３は、例えば原料樹脂をスピンコート等の方法によって塗布し、乾燥させることによって形成することができる。なお、高屈折率層４は、印刷や樹脂シートの貼付によって形成することも可能である。
　また、高屈折率層４は、板状の部材を低屈折率層３上に貼付することによって形成することも可能である。図１２は、この方法によるケミカルセンサ１の製造方法を示す模式図である。具体的には、ＯＨＡＲＡ社製の、Ｌ－ＬＡＨ８４（ｎ＝１．８０）、Ｌ－ＮＢＨ（ｎ＝１．９２）、Ｓ－ＬＡＨ７９（ｎ＝２．０）、Ｌ－ＢＢＨ１（ｎ＝２．１０）等の高屈折率を有する薄板ガラスを準備する。
　図１２（ａ）に示すように、薄板ガラスＧに、屈折率が低い（ｎ＝１．４程度）の樹脂シートＦを真空ラミネートによって貼付する。続いて、図１２（ｂ）に示すように、樹脂シートＦ側を低屈折率層３側として、真空ラミネートよって薄板ガラスＧを低屈折率層３に貼付する。
　続いて、高屈折率層４の保持面４ａに吸着領域４ａ１及び非吸着領域４ａ２を形成する。検出対象物Ｓとして親水性の物質が予定されている場合には、親水性処理を施した領域を吸着領域４ａ１とし、疎水性処理を施した領域を非吸着領域４ａ２とすることができる。また、検出対象物Ｓとして疎水性の物質が予定されている場合には、疎水性処理を施した領域を吸着領域４ａ１とし、親水性処理を施した領域を非吸着領域４ａ２とすることができる。さらに、保持面４ａに金属薄膜を成膜し、非吸着領域４ａ２とすることも可能である。
　以上のようにして、ケミカルセンサ１を製造することが可能である。さらに、ケミカルセンサ１に導光部６を接合することにより、ケミカルセンサモジュール５を製造することができる。図１３は、ケミカルセンサ１への導光部６の接合態様を示す模式図である。図１３（ａ）に示すように、ケミカルセンサ１は、光検出部２１が形成されたセンサ領域Ａと、ケミカルセンサ１を他の部材に接合するための端子Ｂが３辺に設けられているものとする。
　この場合導光部６は、端子Ｂが設けられていない導光部接合用領域Ｃに例えば、インデックスマッチングオイル等を介して接合される。これにより、図１３（ｂ）に示すように、導光部６に入射された光は高屈折率層４内を周期的に伝播する。以上のようにしてケミカルセンサモジュール５を製造することが可能である。
　（第２の実施形態）
　本技術の第２の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態に係るケミカルセンサと同様の構成については説明を省略し、同一の符号を付する。本実施形態に係るケミカルセンサは、第１の実施形態に係るケミカルセンサと層構造は同様であるが、検出対象物が被着される吸着領域の形態が異なる。
　図１４は、本実施形態に係るケミカルセンサ２０１を示す模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ２０１の吸着領域２０４ａ１は、導光部６側から３列毎に面積が大きくなるように形成されている。換言すれば、各吸着領域２０４ａ１を隔てる非吸着領域２０４ａ２が、３列毎に細くなるように形成されている。なお、吸着領域２０４ａ１の面積は３列毎に大きくなる場合に限られず、１列毎、２列毎、あるいはより多数の列毎に面積が大きくなるものとすることも可能である。
　吸着領域２０４ａ１をこのような形態とすることにより、各検出対象物Ｓに入射する照明光の光量を均一化することが可能となる。上記第１の実施形態において説明したように、高屈折率層４を伝播する照明光は、検出対象物Ｓに入射することにより、導光部６から離間するにつれて減衰する。このため、導光部６に近接した吸着領域２０４ａ１に対して、導光部６から離間した吸着領域２０４ａ１においては単位面積辺りの照明光強度が小さくなる。
　そのため、各光物光検出部２１に対向する吸着領域２０４ａ１の面積を、導光部６から離間するに従って大きくすることにより、各吸着領域２０４ａ１に入射する照明光の光量を均一化することが可能となる。
　以下、吸着領域２０４ａ１及び非吸着領域２０４ａ２の面積比（開口率）について詳細に説明する。上記のように、高屈折率層４に導入された照明光は、高屈折率層４の界面で全反射しながら伝播するが、全反射毎に吸着領域２０４ａ１（以下、開口）から照明光が出射する。したがって、全反射回数をｎ回、吸着領域２０４ａ１の一辺の寸法（以下、開口寸法）の割合をＸｎ、全反射回数ｎ回目の開口からの照明光の出射光量をＩｎとすると、以下の式（３）の関係が成り立つ。
　Ｉ１＝Ｘ１２
　Ｉ２＝（１－Ｉ１）Ｘ２２
　Ｉ３＝（１－Ｉ２）Ｘ３２
　：
　Ｉｎ＝（１－Ｉ（ｎ－１））Ｘｎ２　　　（３）
　また、全反射回数ｎ回目まで伝播した時点で全ての照明光が出射すると考えた場合に、全照明光を１としたとき、各場所の開口から出射する照明光量は全反射回数で割った光量で均等とすると、以下の式（４）が成り立つ。
　１＝Ｉ１／ｎ＋Ｉ２／ｎ＋Ｉ３／ｎ＋…＋Ｉｎ／ｎ　　　（４）
　ここで、以下の式（５）の関係がある。
　Ｉ１／ｎ＝Ｉ２／ｎ＝Ｉ３／ｎ＝…＝Ｉｎ／ｎ　　　（５）
　図１５は、全反射回数４回で保持面４ａの全面を照射する場合の、照明光の光量を示す表である。同図に示すように、全反射回数１回目の範囲の開口では５０％、全反射回数２回目の範囲の開口では５７．７％、全反射回数３回目の範囲の開口では７０．７％、全反射回数４回目の範囲の開口では１００％とすることで、全面にわたり均等な照明を行うことが可能である。
　ただし、開口寸法１００％では隣接する開口と接続されることになるので、実際には開口寸法の上限が必要となる。したがって、最大開口寸法を９０％程度とすることが考えられる。図１６は、全反射回数４回で保持面４ａの全面を照射する場合であって、開口寸法を９０％程度としたときの照明光の光量を示す表である。
　また、全反射回数８回で保持面４ａの全面を照射する場合には、次のようになる。図１７は、全反射回数８回で保持面４ａの全面を照射する場合の、照明光の光量を示す表である。
　以上のように、吸着領域２０４ａ１の面積を導光部６から離間するに従って大きくすることにより、各検出対象物Ｓに入射する照明光の光量を均一化することが可能となる。
　（第３の実施形態）
　本技術の第３の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態に係るケミカルセンサと同様の構成については説明を省略し、同一の符号を付する。本実施形態に係るケミカルセンサは、第１の実施形態に係るケミカルセンサの層構造に、オンチップレンズ及びカラーフィルタが追加されているものである。
　図１８は、本実施形態に係るケミカルセンサ３０１の構成を示す断面図である。同図に示すように、ケミカルセンサ３０１は、基板２、低屈折率層３及び高屈折率層４に加え、カラーフィルタ３０２及びオンチップレンズ３０３を有する。カラーフィルタ３０２及びオンチップレンズ３０３は、基板２上にこの順で形成されている。
　カラーフィルタ３０２は、検出対象光を透過し、照明光を遮蔽する光学特性を有するものとすることができる。上記のように、原理的には照明光が高屈折率層４から光物光検出部２１側に漏出することはないが、検出対象物Ｓに入射した照明光が検出対象物Ｓ内で反射あるいは散乱等して検出対象物Ｓ側に進行する場合も考えられる。このような場合であっても、カラーフィルタ３０２によって照明光を遮蔽することが可能であるため、照明光が光検出部２１によって検出されることを防止することが可能である。
　また、カラーフィルタ３０２は、各検出対象物Ｓに対向する領域毎に透過波長を異なるものとすることもできる。これにより、隣接する検出対象物Ｓにおいて生じる検出対象光の波長が異なる場合に、隣接する検出対象物Ｓからの検出対象光を遮蔽することが可能となり、クロストークを防止することが可能となる。
　さらに、一つの吸着領域４ａ１が複数の光検出部２１に対向するように形成し、各光検出部２１に異なる色のカラーフィルタ３０２を設けることにより、一つの吸着領域４ａ１の検出対象物Ｓにおける検出対象光の発光スペクトルの特性を確認することが可能である。図２３及び図２４は、検出対象光の発光スペクトルとカラーフィルタ３０２の光透過率の例を示すグラフである。
　図２３（ａ）及び図２４（ａ）はカラーフィルタ３０２が１色の場合の透過波長（Ｃ１）であり、図２３（ｂ）及び図２４（ｂ）はカラーフィルタ３０２が３色の場合の透過波長（Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３）である。図２３（ｂ）及び図２４（ｂ）に示すように、検出対象光に複数の波長成分が含まれる場合、差異の分別が可能である。
　オンチップレンズ３０３は、入射する検出対象光を光検出部２１に集光する。オンチップレンズ３０３は、検出対象物Ｓ側を球面とした半球状とすることができ、またこれと異なるレンズ形状とすることも可能である。また、オンチップレンズ３０３は、それぞれが各光検出部２１に対向して設けられているものとすることができる。オンチップレンズ３０３により、検出対象物Ｓから等方的に出射する検出対象光を光検出部２１に集光することが可能となり、検出対象光の検出精度を向上させるとことができる。
　ケミカルセンサ３０１は以上のように構成されている。なお、カラーフィルタ３０２とオンチップレンズ３０３は、いずれか一方のみが設けられるものとすることも可能である。
　ケミカルセンサ３０１の製造方法について説明する。図１９及び図２０は、ケミカルセンサ３０１の製造方法を示す模式図である。
　図１９（ａ）に示すように、第１の実施形態と同様にして、基板２に光検出部２１を形成し、さらにその上に保護絶縁膜２２を成膜する。保護絶縁膜２２は、オンチップレンズ３０３の焦点距離を考慮し、オンチップレンズ３０３の焦点が光検出部２１内に一致するように調整された膜厚で形成される。
　続いて、図１９（ｂ）に示すように保護絶縁膜２２上に、カラーフィルタ３０２を形成する。カラーフィルタ３０２は例えばスピンコートによって形成することができる。さらに、図１９（ｃ）に示すように、カラーフィルタ３０２上にオンチップレンズ３０３を形成する。オンチップレンズ３０３は、メルトフロー法によって形成することができる。
　具体的には、カラーフィルタ３０２上にレンズ材料、例えば窒化シリコンを成膜し、その上に島状のレジストパターンを形成する。次に、熱処理によってレジストパターンを流動させ、表面張力を利用してレジストパターンを凸型のレンズ形状に成型する。その上からレジストパターンと共にレンズ材料をエッチングすることにより、レジストパターンのレンズ形状をレンズ材料に転写し、レンズ材料をレンズ形状に加工することができる。
　次に、図２０（ａ）に示すように、オンチップレンズ３０３を埋め込むように低屈折率層３を積層する。低屈折率層３はスピンコート法によって形成することができる。例えば、低屈折率層３の材料としてフッ素含有ポリシロキサン樹脂（屈折率ｎ１＝１．４２）を用いる場合、この樹脂を溶媒であるプロプレングリコールモノメチルエーテルアセテ－ト（ＰＥＧＭＥＡ）に溶解させる。ＰＥＧＭＥＡに対するフッ素含有ポリシロキサン樹脂の飽和溶解量は小さく、溶液は極めて低粘度である。しかしながら、ここではオンチップレンズ３０３のレンズ形状が埋め込まれて表面が平坦となればよく、例えばオンチップレンズ３０３の頂部から１μｍ程度の膜厚となるように、溶液を塗布する。このように粘度の低い溶液を用いることにより、オンチップレンズ３０３の埋め込み性が良好となり、ボイド（空隙）を防止することができる。
　その後、１２０℃、１分間の熱処理によって溶液中の溶媒を乾燥除去し、さらに２３０℃、５分間の熱処理によってフッ素含有ポリシロキサン樹脂を十分に硬化させる。このようにして、オンチップレンズ３０３のレンズ形状を埋め込み、表面が平坦に成型された低屈折率層３を形成することができる。
　次に、図２０（ｂ）に示すように、低屈折率層３上に高屈折率層４を積層する。高屈折率層４は、例えばスピンコート法により積層することが可能となる。なお、高屈折率層４は、印刷や樹脂シートの貼付、板状部材の貼付によって形成することも可能である。
　以上のようにして、ケミカルセンサ３０１を製造することができる。このケミカルセンサ３０１に、第１の実施形態と同様にして導光部６を接合することによって、ケミカルセンサモジュールとすることができる。
　（第４の実施形態）
　本技術の第４の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。なお、本実施形態において、第１の実施形態に係るケミカルセンサと同様の構成については説明を省略し、同一の符号を付する。本実施形態に係るケミカルセンサは、第１の実施形態に係るケミカルセンサの層構造に、遮光壁が追加されているものである。
　図２１は、本実施形態に係るケミカルセンサ４０１の構成を示す断面図である。同図に示すように、ケミカルセンサ４０１は、基板２、低屈折率層３及び高屈折率層４に加え、遮光壁４０２を有する。遮光壁４０２は、低屈折率層３中に、層に垂直な方向に形成されている。
　遮光壁４０２は、隣接する検出対象物Ｓからの検出対象光を遮蔽する。遮光壁４０２は、少なくとも検出対象光の波長を遮蔽することが可能な材料からなり、低屈折率層３を各光検出部２１に対向する領域毎に区画するように配置されるものとすることができる。また、遮光壁４０２は、複数の光検出部２１毎に設けられるものとすることも可能である。
　遮光壁４０２は、低屈折率層３を積層した後、低屈折率層３をパターニングし、材料を充填することによって形成することができる。また、これ以外にも、基板２上に予め遮光壁４０２を形成し、その内部に材料を充填することによって低屈折率層３を形成することも可能である。
　遮光壁４０２によって、隣接する検出対象物Ｓから入射する検出対象光が遮蔽され、即ち光検出部２１のクロストークを防止することが可能となる。遮光壁４０２を高屈折率層４内に形成した場合には高屈折率層４を伝播する照明光が遮られることになるが、低屈折率層３内に形成することにより、照明光の伝播を妨げることなく、照明光を導くことが可能となる。
　なお、遮光壁４０２は、第３の実施形態において説明したケミカルセンサに追加してもよい。この場合、遮光壁４０２は各オンチップレンズ３０３を区画するように配置されるものとすることができる。オンチップレンズ３０３による照明光の集光と合わせて、クロストークをさらに抑制することが可能である。
　本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
　なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
　（１）
　基板と、
　上記基板に積層され、検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、
　上記低屈折率層に積層され、上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し、上記検出対象物が保持される保持面を備え、照明光が伝播する高屈折率層と、
　上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部と
　を具備するケミカルセンサ。
　（２）
　上記（１）に記載のケミカルセンサであって、
　上記保持面は、上記保持面は、上記検出対象物が吸着される吸着領域と、上記検出対象物が吸着されない非吸着領域を備える
　ケミカルセンサ。
　（３）
　上記（１）又は（２）に記載のケミカルセンサであって、
　上記吸着領域は、上記非吸着領域によって分離されている
　ケミカルセンサ。
　（４）
　上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記光検出部は、複数が設けられ、
　上記吸着領域は、それぞれが一つの上記光検出部に対向する
　ケミカルセンサ。
　（５）
　上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記光検出部は、複数が設けられ、
　上記吸着領域は、それぞれが複数の上記光検出部に対向する
　ケミカルセンサ。
　（６）
　上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記吸着領域は、上記照明光が伝播する方向に沿って面積が大きくなるように形成されている
　ケミカルセンサ。
　（７）
　上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記吸着領域は、上記保持面に施された親水性処理によって形成され、
　上記非吸着領域は、上記保持面に施された疎水性処理によって形成されている
　ケミカルセンサ。
　（８）
　上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記吸着領域は、上記保持面に施された疎水性処理によって形成され、
　上記非吸着領域は、上記保持面に施された親水性処理によって形成されている
　ケミカルセンサ。
　（９）
　上記（１）から（８）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記非吸着領域は、上記検出対象物が吸着されない被膜によって被覆され、
　上記吸着領域は、上記被膜によって被覆されない
　ケミカルセンサ。
　（１０）
　上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記被膜は光反射性を有する
　ケミカルセンサ。
　（１１）
　上記（１）から（１０）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記光検出部と上記低屈折率層の間に設けられ、上記検出対象光以外の波長を遮蔽するカラーフィルタ
　をさらに具備するケミカルセンサ。
　（１２）
　上記（１）から（１１）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記光検出部と上記低屈折率層の間に設けられ、上記検出対象光を上記光検出部に集光するオンチップレンズ
　をさらに具備するケミカルセンサ。
　（１３）
　上記（１）から（１２）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記低屈折率層に設けられ、上記低屈折率層を各光検出部に対向する領域毎に区画する遮光壁
　をさらに具備するケミカルセンサ。
　（１４）
　上記（１）から（１３）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
　上記照明光は励起光であり、
　上記検出対象光は蛍光である
　ケミカルセンサ。
　（１５）
　基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサと、
　上記ケミカルセンサに接合され、上記高屈折率層に上記照明光を導入する導光部と
　を具備するケミカルセンサモジュール。
　（１６）
　基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサと、上記ケミカルセンサに接合され、上記高屈折率層に上記照明光を導入する導光部とを備えるケミカルセンサモジュールと、
　上記導光部に上記照明光を照射する光源と
　を具備する化学物質検出装置。
　（１７）
　基板と、上記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、上記低屈折率層に積層され上記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し上記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、上記基板に設けられ、上記照明光によって上記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサを準備し、
　導光部を介して上記高屈折率層に上記照明光を導入し、
　上記光検出部によって上記検出対象光を検出する
　化学物質検出方法。
　１…ケミカルセンサ
　２…基板
　３…低屈折率層
　４…高屈折率層
　５…ケミカルセンサモジュール
　６…導光部
　１０…化学物質検出装置
　１１…光源
　２１…光検出部

Claims (17)

  1. 　基板と、
    　前記基板に積層され、検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、
    　前記低屈折率層に積層され、前記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し、前記検出対象物が保持される保持面を備え、照明光が伝播する高屈折率層と、
    　前記基板に設けられ、前記照明光によって前記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部と
    　を具備するケミカルセンサ。
  2. 　請求項１に記載のケミカルセンサであって、
    　前記保持面は、前記検出対象物が吸着される吸着領域と、前記検出対象物が吸着されない非吸着領域を備える
    　ケミカルセンサ。
  3. 　請求項２に記載のケミカルセンサであって、
    　前記吸着領域は、前記非吸着領域によって分離されている
    　ケミカルセンサ。
  4. 　請求項３に記載のケミカルセンサであって、
    　前記光検出部は、複数が設けられ、
    　前記吸着領域は、それぞれが一つの前記光検出部に対向する
    　ケミカルセンサ。
  5. 　請求項３に記載のケミカルセンサであって、
    　前記光検出部は、複数が設けられ、
    　前記吸着領域は、それぞれが複数の前記光検出部に対向する
    　ケミカルセンサ。
  6. 　請求項２に記載のケミカルセンサであって、
    　前記吸着領域は、前記照明光が伝播する方向に沿って面積が大きくなるように形成されている
    　ケミカルセンサ。
  7. 　請求項２に記載のケミカルセンサであって、
    　前記吸着領域は、前記保持面に施された親水性処理によって形成され、
    　前記非吸着領域は、前記保持面に施された疎水性処理によって形成されている
    　ケミカルセンサ。
  8. 　請求項２に記載のケミカルセンサであって、
    　前記吸着領域は、前記保持面に施された疎水性処理によって形成され、
    　前記非吸着領域は、前記保持面に施された親水性処理によって形成されている
    　ケミカルセンサ。
  9. 　請求項２に記載のケミカルセンサであって、
    　前記非吸着領域は、前記検出対象物が吸着されない被膜によって被覆され、
    　前記吸着領域は、前記被膜によって被覆されない
    　ケミカルセンサ。
  10. 　請求項９記載のケミカルセンサであって、
    　前記被膜は光反射性を有する
    　ケミカルセンサ。
  11. 　請求項１に記載のケミカルセンサであって、
    　前記光検出部と前記低屈折率層の間に設けられ、前記検出対象光以外の波長を遮蔽するカラーフィルタ
    　をさらに具備するケミカルセンサ。
  12. 　請求項１に記載のケミカルセンサであって、
    　前記光検出部と前記低屈折率層の間に設けられ、前記検出対象光を前記光検出部に集光するオンチップレンズ
    　をさらに具備するケミカルセンサ。
  13. 　請求項４に記載のケミカルセンサであって、
    　前記低屈折率層に設けられ、前記低屈折率層を各光検出部に対向する領域毎に区画する遮光壁
    　をさらに具備するケミカルセンサ。
  14. 　請求項１に記載のケミカルセンサであって、
    　前記照明光は励起光であり、
    　前記検出対象光は蛍光である
    　ケミカルセンサ。
  15. 　基板と、前記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、前記低屈折率層に積層され前記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し前記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、前記基板に設けられ、前記照明光によって前記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサと、
    　前記ケミカルセンサに接合され、前記高屈折率層に前記照明光を導入する導光部と
    　を具備するケミカルセンサモジュール。
  16. 　基板と、前記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、前記低屈折率層に積層され前記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し前記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、前記基板に設けられ、前記照明光によって前記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサと、前記ケミカルセンサに接合され、前記高屈折率層に前記照明光を導入する導光部とを備えるケミカルセンサモジュールと、
    　前記導光部に前記照明光を照射する光源と
    　を具備する化学物質検出装置。
  17. 　基板と、前記基板に積層され検出対象物の屈折率である第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する低屈折率層と、前記低屈折率層に積層され前記第１の屈折率より大きい第３の屈折率を有し前記検出対象物が保持される保持面を備え照明光が伝播する高屈折率層と、前記基板に設けられ、前記照明光によって前記検出対象物において生じる検出対象光を検出する光検出部とを備えるケミカルセンサを準備し、
    　導光部を介して前記高屈折率層に前記照明光を導入し、
    　前記光検出部によって前記検出対象光を検出する
    　化学物質検出方法。
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