CN105074431B - Spr 传感器元件和spr 传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明提供具有非常优异的检测灵敏度的SPR传感器元件和SPR传感器。本发明的SPR传感器元件包括：下包层；芯层，其设置成使所述芯层的至少一部分与该下包层相邻；以及金属层，其覆盖该芯层，其中，该芯层具有折射率均匀层和折射率梯度层，该折射率梯度层配置在该折射率均匀层与该金属层之间，该折射率梯度层的折射率为该折射率均匀层的折射率以上，在该折射率梯度层的厚度方向上，该折射率梯度层的折射率自该折射率梯度层的靠该折射率均匀层侧的表面朝向该金属层侧连续地增大。

Description

SPR传感器元件和SPR传感器
技术领域
本发明涉及SPR传感器元件(sensor cell)和SPR传感器。更详细而言，本发明涉及包括光波导路的SPR传感器元件和SPR传感器。
背景技术
以往，在化学分析和生物化学分析等领域中使用具有光纤的SPR(表面等离子共振：Surface Plasmon Resonance)传感器。在具有光纤的SPR传感器中，在光纤的顶端部的外周面形成金属薄膜，并且固定分析样品，向该光纤内导入光。被导入的光中的指定波长的光在金属薄膜中产生表面等离子共振而使其光强度衰减。在这种SPR传感器中，使表面等离子共振产生的波长通常由于固定在光纤上的分析样品的折射率等不同而不同。因此，若在表面等离子共振产生之后测量光强度衰减的波长，则能够指定使表面等离子共振产生了的波长，另外，若检测出该衰减的波长发生了变化，则能够确认使表面等离子共振产生的波长发生了变化，因此能够确认分析样品的折射率的变化。其结果，这种SPR传感器能够应用于例如样品的浓度的测定、免疫反应的检测等各种化学分析和生物化学分析中。
在包括这种光纤的SPR传感器中，由于光纤的顶端部呈细小的圆筒形状，因此存在难以形成金属薄膜和难以固定分析样品这样的问题。为了解决这样的问题，例如提出有一种SPR传感器元件，该SPR传感器元件包括透光的芯和覆盖该芯的包层，在该包层的规定位置上形成有直至芯的表面的贯通口，在芯的表面与该贯通口相对应的位置形成有金属薄膜(例如，专利文献1)。采用这样的SPR传感器元件，易于在芯表面形成用于使表面等离子共振产生的金属薄膜和易于在该表面固定分析样品。另外，在这样的SPR传感器元件中，提出了通过使芯层内的靠下包层侧的区域的折射率连续地变化来提高SPR传感器元件的检测精度的方法(专利文献2)。
但是，近年来，在化学分析和生化分析中，对细小的变化和/或微量成分检测的要求变高，因此，要求进一步提高SPR传感器元件的检测灵敏度。
专利文献1：日本特开2000－19100号公报
专利文献2：日本特开2012－107902号公报
发明内容
发明要解决的问题
本发明是为了解决所述以往的问题而做出的，其目的在于，提供具有非常优异的检测灵敏度的SPR传感器元件和SPR传感器。
用于解决问题的方案
本发明提供一种SPR传感器元件。本发明的SPR传感器元件包括：下包层；芯层，其设置成使所述芯层的至少一部分与该下包层相邻；以及金属层，其覆盖该芯层，其中，该芯层具有折射率均匀层和折射率梯度层，该折射率梯度层配置在该折射率均匀层与该金属层之间，该折射率梯度层的折射率为该折射率均匀层的折射率以上，在该折射率梯度层的厚度方向上，该折射率梯度层的折射率自该折射率梯度层的靠该折射率均匀层侧的表面朝向该金属层侧连续地增大。
在优选实施方式中，所述折射率梯度层的厚度为1μm～30μm。
在优选实施方式中，所述折射率梯度层中的折射率变化为0.001～0.035，折射率变化以ΔN表示，ΔN＝Nmax－Nmin，其中，Nmax表示折射率梯度层中的最大折射率，Nmin表示折射率梯度层中的最小折射率。
在优选实施方式中，所述折射率梯度层的厚度Tb(μm)和折射率变化ΔN满足0.5×10－3≤ΔN/Tb≤20.0×10－3的关系，其中，ΔN＝Nmax－Nmin，其中，Nmax表示折射率梯度层中的最大折射率，Nmin表示折射率梯度层中的最小折射率，Tb的单位为μm。
在优选实施方式中，所述折射率均匀层的折射率NCO满足1.34≤NCO≤1.43的关系。
本发明的另一技术方案提供一种SPR传感器。该SPR传感器包括所述SPR传感器元件。
发明的效果
采用本发明，通过使芯层的折射率在芯层与金属层之间的界面附近朝向金属层侧连续地增大，能够提供信号强度优异的SPR传感器元件和SPR传感器。
附图说明
图1是说明本发明的优选实施方式的SPR传感器元件的概略立体图。
图2是图1所示的SPR传感器元件的概略剖视图。
图3是本发明的另一优选实施方式的SPR传感器元件的概略剖视图。
图4是说明本发明的SPR传感器元件的制造方法的一个例子的概略剖视图。
图5是说明能够在本发明的SPR传感器元件中使用的光波导路膜的制造方法的一个例子的概略剖视图。
图6是说明本发明的优选实施方式的SPR传感器的概略剖视图。
具体实施方式
A.SPR传感器元件
图1是说明本发明的优选实施方式的SPR传感器元件的概略立体图。图2是图1所示的SPR传感器元件的概略剖视图。此外，在以下的SPR传感器元件的说明中提及方向时，将附图的纸面上侧称作上侧，将附图的纸面下侧称作下侧。
如图1和图2所示，SPR传感器元件100形成为俯视大致矩形的有底框形状，其包括：下包层11；芯层12，其具有折射率均匀层12a和折射率梯度层12b；保护层13，其覆盖下包层11和芯层12这两者的上表面；金属层14，其设置在保护层13之上并覆盖芯层12。下包层11、芯层12、保护层13以及金属层14构成光波导路并作为用于检测样品的状态和/或其变化的检测部10发挥功能。在图示的形态中，SPR传感器元件100包括以与检测部10相邻的方式设置的样品配置部20。样品配置部20由上包层15限定。也可以根据目的而省略保护层13。只要能够适当地设置样品配置部20，就还可以省略上包层15。在样品配置部20中，以与检测部(实质上是金属层)相接触的方式配置有要分析的样品(例如，溶液、粉末)。
下包层11形成为具有规定厚度的俯视大致矩形的平板状。下包层的厚度(自芯层上表面起的厚度)为例如5μm～400μm。
芯层12形成为在与下包层11的宽度方向(图2的纸面的左右方向)和厚度方向这两个方向都正交的方向上延伸的大致方柱形状，其埋设于下包层11的宽度方向大致中央部的上端部。芯层12延伸的方向成为光在光波导路内传播的方向。
芯层12以其上表面与下包层11的上表面平齐的方式配置。通过将芯层的上表面配置为与下包层的上表面平齐，能够将金属层高效地仅配置于芯层的上侧。并且，芯层以其延伸的方向上的两端面与下包层的该方向的两端面平齐的方式配置。
在本发明中，芯层12具有折射率均匀层12a和折射率梯度层12b。折射率梯度层12b配置在折射率均匀层12a之上(换言之，配置在折射率均匀层12a与金属层14之间)。
折射率均匀层12a具有均匀的折射率。折射率均匀层的折射率(NCO)优选为1.43以下，更优选为小于1.40，进一步优选为1.38以下。通过使折射率均匀层的折射率为1.43以下，能够显著提高检测灵敏度。折射率均匀层的折射率的下限优选为1.34。若折射率均匀层的折射率为1.34以上，则即使是水溶液系的样品(水的折射率：1.33)，也能够激发SPR，且能够使用通用的材料。此外，在本说明书中，折射率是指830nm的波长时的折射率。另外，在本说明书中，“折射率均匀”包含在任意的面内的折射率的偏差小于0.001的情况。
折射率均匀层12a的折射率(NCO)高于下包层11的折射率(NCL)。折射率均匀层的折射率与下包层的折射率之差(NCO－NCL)优选为0.010以上，更优选为0.020以上，进一步优选为0.025以上。若折射率均匀层的折射率与下包层的折射率之差在这样的范围内，则能够使检测部的光波导路形成为所谓的多模(multimode)。因而，能够增加透过光波导路的光的量，其结果，能够提高S/N比。另外，折射率均匀层的折射率与下包层的折射率之差优选为0.15以下，更优选为0.10以下，进一步优选为0.050以下。若折射率均匀层的折射率与下包层的折射率之差在这样的范围内，则能够在芯层内存在可产生SPR激发的反射角的光。
折射率梯度层12b的折射率为折射率均匀层12a的折射率以上，在该折射率梯度层12b的厚度方向上，该折射率梯度层12b的折射率自折射率梯度层12b的靠折射率均匀层12a侧的表面朝向金属层14侧连续地增大。通过将具有这样的折射率变化的折射率梯度层设置在芯层内的金属层侧，能够获得信号强度增大后的SPR传感器元件。产生该效果的机理并不确定，这并不限制本发明，但能够如下推测该机理。即，能够推测出：由于存在折射率梯度层，所以使在光波导路(芯层)内传播的光的反射角度变化为有利于激发SPR的角度，其结果，使以能较大地产生SPR信号的角度反射的光的量增加，因此，SPR被较强地激发，能够获得较大的SPR信号。与此相对，在专利文献2所述的以往的SPR传感器元件中，折射率梯度层具有朝向下包层侧连续地减少的折射率且折射率梯度层配置于芯层内的下包层侧。能够想到这样的折射率梯度层具有向折射率均匀层导入光而使折射率均匀层内的光量增加的作用，这与本发明中的折射率梯度层的作用效果不同。此外，优选的是，折射率梯度层12b具有在其厚度方向上自折射率梯度层12b的靠折射率均匀层12a侧的表面到折射率梯度层12b的靠金属层14侧的表面连续地增大的折射率，但是，在不损害本发明的效果的范围内，折射率梯度层12b的靠金属层侧的表层部分的折射率也可以实质上均匀。这样的、折射率实质上均匀的表层部分的厚度通常能够为折射率梯度层的厚度的20％以下，为例如3μm以下，优选为2μm以下，更优选为1μm以下。
折射率梯度层12b的最小折射率(Nmin)通常为折射率梯度层12b的靠折射率均匀层12a侧的表面的折射率，其等于折射率均匀层的折射率。折射率梯度层的最大折射率(Nmax)优选为满足后述的折射率变化的值，能够为例如1.341～1.465。
折射率梯度层12b中的折射率变化(ΔN＝Nmax－Nmin)优选为0.001以上，更优选为0.005以上，进一步优选为0.010以上。若折射率变化为0.001以上，则能够使在光波导路内传播的光的反射角度变化为有利于激发SPR的角度。折射率变化的上限值并未特别限定，但从制作的难易度的观点考虑，能够为0.035。
在使折射率梯度层12b的厚度为Tb(μm)时的厚度方向上的折射率的变化率(折射率变化(ΔN)/厚度(Tb))优选为0.5×10－3～20.0×10－3，更优选为0.8×10－3～16.0×10－3，进一步优选为1.0×10－3～15.0×10－3。在厚度方向上的折射率的变化率(ΔN/Tb)在这样的范围内的情况下，能够使在光波导路内传播的光的反射角度适宜地变化为有利于激发SPR的角度。
折射率梯度层12b的厚度(Tb)优选为1μm～30μm，更优选为2μm～25μm，进一步优选为3μm～20μm。通过如此使折射率梯度层的厚度较小，能够使在光波导路内传播的光的反射角度适宜地变化为有利于激发SPR的角度。另一方面，从使芯径较大而使充分的光量入射到光波导路的观点考虑，折射率均匀层12a的厚度(Ta)优选为折射率梯度层的厚度(Tb)以上。具体而言，Ta和Tb优选满足1≤Ta/Tb的关系，更优选满足1.5≤Ta/Tb的关系，进一步优选满足3≤Ta/Tb≤50的关系。折射率均匀层的厚度(Ta)能够为例如4μm～199μm。此外，芯层12的厚度(折射率均匀层和折射率梯度层的合计厚度)为例如5μm～200μm，优选为20μm～200μm。另外，芯层的宽度为例如5μm～200μm，优选为20μm～200μm。若为这样的厚度和/或宽度，则能够使光波导路形成为所谓的多模。
作为用于形成折射率均匀层12a的材料，只要能够获得本发明的效果，则能够使用任意适当的材料。例如，作为具体例，可列举出氟树脂、环氧树脂、聚酰亚胺树脂、聚酰胺树脂、有机硅树脂、丙烯酸类树脂以及这些树脂的改性体(例如，芴改性体、氘改性体、以及在除氟树脂外的树脂情况下的氟改性体)。这些材料可以单独使用，也可以两种以上组合使用。这些材料优选与光敏剂相混合而作为感光性材料使用。下包层11是与形成折射率均匀层的材料相同的材料，其能够由折射率被调整为低于折射率均匀层的折射率的材料形成。
只要能够获得所述折射率，则能够使用任意适当的材料来形成折射率梯度层12b。例如，折射率梯度层能够通过如下方式形成：通过使具有比折射率均匀层的折射率高的折射率的材料自预先形成的折射率均匀层的靠金属层侧的表面渗入折射率均匀层并将该梯度固定，从而在折射率梯度层的厚度方向上产生组分梯度(即，使得组分连续地变化)。另外，例如，折射率梯度层能够通过如下方式形成：使用与折射率均匀层形成材料相同的材料，在其厚度方向上产生交联密度梯度。
作为渗入所述折射率均匀层的材料，只要其具有比折射率均匀层的折射率高的折射率且以能产生组分梯度的方式渗入折射率均匀层并能够固化，则能够使用任意适当的材料。优选为具有1.400～1.600的折射率的材料。作为这样的材料的具体例，可列举出具有1.400～1.600的折射率的(甲基)丙烯酸系单体等可聚合单体。
保护层13以根据需要覆盖下包层11和芯层12这两者的整个上表面的方式形成为俯视呈与下包层11的形状相同的形状的薄膜。与图示例不同，保护层也可以以覆盖下包层和芯层这两者的上表面的一部分的方式形成。通过设置保护层，在例如样品为液状的情况下，能够防止芯层和/或包层因样品而溶胀。作为用于形成保护层的材料，可列举出例如二氧化硅、氧化铝。优选的是，这些材料均能够进行调整而使其折射率比芯层的折射率低。保护层的厚度优选为1nm～100nm，更优选为5nm～20nm。
如图2所示，金属层14以隔着保护层13均匀地覆盖芯层12的上表面的方式形成。在该情况下，根据需要，能够在保护层13和金属层14之间形成易粘接层(未图示)。通过形成易粘接层，能够将保护层和金属层牢固地固定。也可以不设置保护层，而是利用金属层直接覆盖芯层。
作为用于形成金属层14的材料，可列举出金、银、铂、铜、铝以及这些材料的合金。金属层可以是单层，也可以具有两层以上的层叠构造。金属层的厚度(在具有层叠构造的情况下是所有层的合计厚度)优选为20nm～70nm，更优选为30nm～60nm。
作为用于形成易粘接层的材料，可代表性地列举出铬或钛。易粘接层的厚度优选为1nm～5nm。
如图1所示，上包层15以其外周在俯视时与下包层11的外周大致齐平的方式以俯视呈矩形的框形状形成在下包层11和芯层12这两者的上表面(在图示例中为保护层13的上表面)。由下包层11和芯层12这两者的上表面(在图示例中为保护层13的上表面)以及上包层15围成的部分被划分为样品配置部20。通过将样品配置于该划分部，能够使检测部10的金属层和样品相接触而进行检测。并且，通过形成这样的划分部，能够易于将样品配置于金属层表面，因此能够谋求提高作业性。
作为用于形成上包层15的材料，可列举出例如用于形成所述芯层和下包层的材料、以及有机硅橡胶。上包层的厚度优选为5μm～2000μm，进一步优选为25μm～200μm。上包层的折射率优选低于芯层的折射率。在1个实施方式中，上包层的折射率等于下包层的折射率。此外，在形成具有比芯层的折射率低的折射率的保护层的情况下，上包层的折射率也可以不必低于芯层的折射率。
说明了本发明的优选实施方式的SPR传感器元件，但本发明并不限定于此。例如，在芯层与下包层之间的关系中，只要芯层的至少一部分与下包层相邻地设置即可。例如，在所述实施方式中，说明了在下包层中埋设有芯层的结构，但芯层也可以以贯穿下包层的方式设置。另外，也可以构成为，在下包层之上形成芯层，利用上包层来包围该芯层的规定部分。
并且，SPR传感器中的芯层的数量也可以根据目的而改变。具体而言，芯层也可以在下包层的宽度方向上隔开规定间隔地形成有多个。若为这样的结构，则能够同时分析多个样品，因此能够提高分析效率。芯层的形状也能够根据目的而采用任意适当的形状(例如半圆柱形状、凸柱形状)。
另外，折射率均匀层和折射率梯度层并不必分别严格地具有均匀的厚度，例如，如图3所示，折射率均匀层和折射率梯度层也可以具有不均匀的厚度。在该情况下，作为折射率均匀层和折射率梯度层的厚度，采用各个层内的最大厚度。
并且，也可以在SPR传感器元件100(样品配置部20)的上部设置盖。若为这样的结构，则能够防止样品与外部空气相接触。另外，在样品为溶液的情况下，能够防止溶剂的蒸发引起的浓度变化。在设置盖的情况下，也可以设置用于将液状样品向样品配置部注入的注入口和用于将液状样品自样品配置部排出的排出口。若为这样的结构，则能够使样品流动而向样品配置部连续地供给样品，因此能够连续地测定样品的特性。
也可以将所述实施方式分别适当地组合。
B.SPR传感器元件的制造方法
能够利用任意适当的方法来制造本发明的SPR传感器元件。下面，参照图4说明本发明的SPR传感器元件的制造方法的一个例子。
首先，利用任意适当的方法来制作具有被埋设于图4的(a)所示那样的下包层11的芯层(折射率均匀层12a)的光波导路膜。作为这样的光波导路膜的制作方法的具体例，可列举出图5所示的方法、日本特开2012‐215541的图3所记载那样的方法。
在图5所示的方法中，首先，如图5的(a)所示，将用于形成折射率均匀层的材料12a’配置于具有与芯层的形状相对应的凹部的铸模30的表面上。接着，如图5的(b)所示，一边利用按压部件50朝向规定方向按压转印膜40一边将转印膜40贴合于铸模30的表面，向该凹部填充折射率均匀层形成材料12a’并将多余的折射率均匀层形成材料12a’去除。之后，如图5的(c)所示，向被填充到凹部内的折射率均匀层形成材料12a’照射紫外线而使该材料固化，从而形成折射率均匀层12a。紫外线的照射条件能够根据折射率均匀层形成材料的种类而适当设定。也可以根据需要对折射率均匀层形成材料进行加热。既可以在照射紫外线前进行加热，也可以在照射紫外线后进行加热，还可以在照射紫外线的同时进行加热。加热条件能够根据折射率均匀层形成材料的种类而适当设定。接着，如图5的(d)所示，将转印膜40自铸模30剥离而将折射率均匀层12a转印到转印膜40上。接着，如图5的(e)所示，将用于形成下包层的材料11’以覆盖折射率均匀层12a的方式涂敷在折射率均匀层12a上。之后，如图5的(f)所示，向下包层形成材料11’照射紫外线而使该材料固化，从而形成下包层11。紫外线的照射条件能够根据下包层形成材料的种类而适当设定。之后，如图5的(g)所示，将转印膜40剥离并去除，并进行上下翻转，由此能够获得具有被埋设于下包层11的折射率均匀层12a的光波导路膜。
接着，如图4的(b)所示，在所述光波导路膜的折射率均匀层12a的上表面(暴露面)上涂敷具有比折射率均匀层的折射率高的折射率的材料12b’。通过使涂敷后的高折射率材料12b’渗入折射率均匀层12a的表面，能够在折射率均匀层12a的厚度方向上形成组分梯度(结果形成折射率梯度)。在涂敷后，立即或在放置规定的时间之后，如图4的(c)所示，一边利用按压部件50朝向规定方向按压剥离膜70一边将剥离膜70贴合于下包层11的上表面，并将多余的高折射率材料12b’去除。因高折射率材料的种类的不同，渗入的难易度也不同，通常，在使自涂敷高折射率材料起到将多余的高折射率材料去除为止的时间(以下，称作“渗透时间”)较长时，存在渗入量增加的倾向。因而，通过调整渗透时间，能够调整折射率均匀层和折射率梯度层的厚度。渗透时间为例如5秒～120分钟、优选为10秒～60分钟。此外，也可以根据需要，一边进行加热一边使高折射率材料渗入。加热温度为例如40℃～100℃。
接着，如图4的(d)所示，自剥离膜70侧照射紫外线而使高折射率材料12b’固化，从而形成折射率梯度层12b(具体而言，在折射率均匀层12a中，渗入有高折射率材料12b’的区域成为折射率梯度层12b)。此时，优选的是，在去除多余的高折射率材料之后立即对渗入的高折射率材料进行固化。这样做能够避免折射率梯度紊乱。紫外线的照射条件能够根据高折射率材料的种类而适当设定。
接着，将剥离膜70剥离并去除，根据需要，如图4的(e)所示，在下包层11和芯层12之上形成保护层13。保护层例如通过溅射或蒸镀用于形成保护层的材料而形成。在形成保护层的情况下，优选在保护层之上形成易粘接层(未图示)。易粘接层通过例如溅射铬或钛而形成。
接下来，如图4的(f)所示，在保护层13之上(在不形成保护层的情况下在芯层和下包层这两者的上表面)以覆盖芯层12的方式形成金属层14。具体而言，金属层14通过例如隔着具有规定图案的掩模对用于形成金属层的材料进行真空蒸镀、离子镀或溅射而形成。
最后，如图4的(g)所示，形成具有所述规定的框形状的上包层15。上包层15能够通过任意适当的方法形成。上包层15例如通过如下方式形成：将具有所述规定的框形状的铸模配置在保护层13之上，将上包层形成材料的清漆填充到该铸模并使其干燥，根据需要使该清漆固化，最后将铸模去除。在使用感光性材料的情况下，上包层15能够通过如下方式形成：将清漆涂敷在保护层13的整个表面，干燥之后，隔着规定图案的光掩模进行曝光和显影。
通过以上方式，能够制作图1所示的SPR传感器元件。
C.SPR传感器
图6是说明本发明的优选实施方式的SPR传感器的概略剖视图。SPR传感器200包括SPR传感器元件100、光源110以及光测量器120。SPR传感器元件100是在所述A项和B项中说明的本发明的SPR传感器。
作为光源110，能够采用任意适当的光源。作为光源的具体例，可列举出白色光源、单色光光源。光测量器120与任意适当的计算处理装置相连接，能够进行数据的存储、显示以及加工。
光源110借助光源侧光连接器111与光源侧光纤112相连接。光源侧光纤112借助光源侧光纤模块113与SPR传感器元件100(芯层12)的传播方向一侧端部相连接。SPR传感器元件100(芯层12)的传播方向另一侧端部借助测量器侧光纤模块114与测量器侧光纤115相连接。测量器侧光纤115借助测量器侧光连接器116与光测量器120相连接。优选的是，利用能够使能激发SPR的反射角的光在光波导路内传播的多模光纤进行连接。
SPR传感器元件100被任意适当的传感器元件固定装置(未图示)固定。传感器元件固定装置能够沿着规定方向(例如，SPR传感器元件的宽度方向)移动，由此，能够将SPR传感器元件配置在期望的位置上。
光源侧光纤112被光源侧光纤固定装置131固定，测量器侧光纤115被测量器侧光纤固定装置132固定。光源侧光纤固定装置131和测量器侧光纤固定装置132分别固定在任意适当的6轴移动台(未图示)之上，能够在光纤的传播方向、宽度方向(与传播方向和水平方向均正交的方向)、以及厚度方向(与传播方向和铅垂方向均正交的方向)和以所述各个方向为轴线的旋转方向上运动。
采用这样的SPR传感器，能够将光源110、光源侧光纤112、SPR传感器元件100(芯层12)、测量器侧光纤115以及光测量器120配置在一个轴线上，从而能够以透过光源侧光纤112、SPR传感器元件100(芯层12)、测量器侧光纤115的方式从光源110向光测量器120导入光。
以下，说明这样的SPR传感器的使用形态的一个例子。
首先，将样品配置于SPR传感器元件100的样品配置部20，使样品和金属层14相接触。接着，将规定的光从光源110经由光源侧光纤112导入到SPR传感器元件100(芯层12)内(参照图6的箭头L1)。被导入到SPR传感器元件100(芯层12)的光在芯层12内一边因折射率梯度层12b而改变反射角度一边重复进行全反射并透过SPR传感器元件100(芯层12)，并且一部分光在芯层12的上表面入射到金属层14并由于表面等离子共振而发生衰减。透过了SPR传感器元件100(芯层12)的光经由测量器侧光纤115导入到光测量器120内(参照图6的箭头L2)。即，在该SPR传感器200中，被导入到光测量器120内的光的使在芯层12中产生了表面等离子共振的波长的光强度发生衰减。由于使表面等离子共振产生的波长取决于与金属层14相接触的样品的折射率等，因此能够通过检测被导入到光测量器120内的光的、光强度的衰减来检测样品的折射率的变化。
例如，在作为光源110而使用白色光源的情况下，利用光测量器120测量在透过SPR传感器元件100之后光强度发生衰减的波长(使表面等离子共振产生的波长)，若检测出该衰减的波长发生了变化，则能够确认样品的折射率的变化。另外，例如，在作为光源110而使用单色光光源的情况下，利用光测量器120测量在透过SPR传感器元件100之后的、单色光的光强度的变化(衰减程度)，若检测出其衰减程度发生了变化，则能够确认使表面等离子共振产生的波长发生了变化，从而能够确认样品的折射率的变化。
如上所述，能够根据样品的折射率的变化将这样的SPR传感器元件应用于例如样品的浓度的测定、免疫反应的检测等各种化学分析和生物化学分析。更具体而言，例如，在样品为溶液的情况下，由于样品(溶液)的折射率取决于溶液的浓度，因此，若检测出样品的折射率，则能够测定该样品的浓度。并且，若检测出样品的折射率发生了变化，则能够确认样品的浓度发生了变化。另外，例如，在免疫反应的检测中，将抗体隔着电介质膜固定在SPR传感器元件100的金属层14上，使检体与抗体相接触。若抗体与检体进行免疫反应，则样品的折射率会发生变化，因此通过检测出在抗体与检体的接触前后的样品的折射率变化，能够判断为抗体与检体进行了免疫反应。
实施例
以下，利用实施例来具体说明本发明，但本发明并不限定于这些实施例。此外，在实施例和比较例中，在没有特别明确的记载的情况下，折射率的测定波长为830nm。
测定折射率
折射率是通过在硅晶圆之上形成10μm厚的膜、并使用棱镜耦合式折射率测定装置以830nm的波长对膜进行测定而得到的。
对具有梯度的折射率变化进行测定
使用Mizojiri Optical Co.,Ltd.制造的折射率分布测定装置对具有梯度的折射率变化进行了测定。具体而言，将利用切块机(Dicer)(DISCO公司制造)以使光波导路的长度成为100μm的方式进行切削而得到的测定试样(厚度：大约50μm，宽度：200mm)设置在滑动玻璃上，对其截面进行了测定。为了减少切削截面的表面粗糙度所引起的测定误差，将纯水滴在试样上，在试样的上部设置玻璃盖片而使试样的表面平滑，由此对干涉条纹进行了测定。对折射率进行测定的解析分辨率为0.214×0.214μm。能够利用所测定的光的干涉条纹的偏移量获得测定区域的折射率分布。
测定折射率梯度层的厚度
使用光束图案测量***(Synergy Optosystems Co.,Ltd.制造，M－Scope typeL)对芯层中的光强度分布进行了测定。具体而言，将来自卤素光源(Ocean Optics,Inc.制造，商品名“HL－2000－HP”，白色光)的光经由梯度型的多模光纤导入到SPR传感器元件的芯层的入射侧端面，利用与芯层的射出侧相连接的光束图案测量***来测定出芯层中的光强度分布。接着，根据该光强度分布的测定值计算出折射率梯度层的厚度。
实施例1
利用图5所示那样的方法制作了具有被埋设于下包层的芯层(折射率均匀层)的光波导路膜。具体而言，将折射率均匀层形成材料滴于在表面上形成有宽度50μm和厚度(深度)50μm的芯层形成用的凹部的铸模(长度200mm、宽度200mm)的该表面上。使对单面进行了电晕处理后的聚丙烯(PP)膜(厚度：40μm)的电晕处理面成为一端抵接于该铸模的表面且另一端翘曲的状态。在该状态下，一边将辊自PP膜侧按压于铸模与PP膜之间的抵接部位一边使辊朝向另一端侧旋转而将两者贴合起来。由此，将折射率均匀层形成材料填充到铸模的凹部内并将多余的折射率均匀层形成材料挤出。接着，自PP膜侧对获得的层叠体照射紫外线，使折射率均匀层形成材料完全固化而形成了折射率均匀层(折射率：1.384)。此外，通过将60重量份的氟类UV固化型树脂(DIC公司制造，商品名“OP38Z”)和40重量份的氟类UV固化型树脂(DIC公司制造，商品名“OP40Z”)搅拌并溶解来调制出折射率均匀层形成材料。接着，将PP膜自铸模剥离而将厚度50μm、宽度50μm的大致方柱形状的折射率均匀层转印到该膜上。
在所述PP膜上，以覆盖折射率均匀层的方式涂敷了下包层形成材料(氟类UV固化型树脂(Solvay Specialty Polymers Japan K.K.制造，商品名“Fluorolink MD700”))。此时，以使下包层形成材料的自折射率均匀层表面(上表面)起的厚度达到100μm的方式涂敷了下包层形成材料。接着，照射紫外线而使下包层形成材料固化，从而形成了下包层(折射率：1.347)。之后，将PP膜剥离并去除，并将下包层和芯层(折射率均匀层)上下翻转。通过以上方式制作出具有被埋设于下包层的芯层(折射率均匀层)的光波导路膜。
接着，利用与图4所示的方法类似的方法制作出SPR传感器元件。具体而言，在所述光波导路膜的芯层(折射率均匀层)暴露面上，作为高折射率材料而涂敷了丙烯酸正丁酯(n－Butylacrylate)(折射率：1.456)。在涂敷后，立即使经剥离处理过的PET膜(厚度：45μm)的剥离处理面成为一端抵接于光波导路膜的上表面且另一端翘曲的状态。在该状态下，一边将辊自PET膜侧按压于它们的抵接部位一边使辊朝向另一端侧旋转而将两者贴合起来。由此，使高折射率材料渗入到芯层(折射率均匀层)中并将多余的高折射率材料挤出(渗透时间：大约5秒)。接着，自PET膜侧对获得的层叠体照射紫外线，使高折射率材料固化而形成了折射率梯度层。之后，将PET膜剥离并去除。
接着，在将光波导路膜切割并切断成长度22.25mm×宽度20mm之后，隔着具有长度6mm×宽度1mm的开口部的掩模以覆盖芯层的方式溅射金，从而形成了金属层(厚度：30nm)。最后，使用与下包层形成材料相同的材料，并利用与下包层的形成方法类似的方法来形成了框形状的上包层。通过这样的方式，制作出除了不具有保护层以外与图1和图2所示的SPR传感器元件相同的SPR传感器元件。
将以上获得的SPR传感器元件、卤素光源(Ocean Optics,Inc.制造，商品名“HL－2000－HP”，白色光)、以及分光器(Ocean Optics,Inc.制造，商品名“USB4000”)配置在一个轴线上而制作成图6所示那样的SPR传感器。具体而言，将卤素光源(Ocean Optics,Inc.制造，商品名“HL－2000－HP”、白色光)借助梯度型的多模光纤连接于SPR传感器元件(芯层)的入射侧，将分光器(Ocean Optics,Inc.制造，商品名“USB4000”)连接于SPR传感器元件(芯层)的射出侧，以便将来自光源的光导入SPR传感器元件的芯层的入射侧端面。向SPR传感器元件的样品配置部投入40μL的作为样品的纯水(折射率：1.330)或40μL的10vol％乙二醇水溶液(折射率：1.3436)并进行了测定。然后，求出在将以没有配置样品的状态使光透过SPR传感器元件(光波导路)时的各波长的光强度设为100％的情况下的各样品的透过率光谱，利用纯水测定时的峰值强度和在用纯水测定时与用纯乙二醇水溶液测定时使透过率强度产生最大差的指定波长来测量出峰值强度变化量。此处，该峰值强度大，意味着SPR峰值强度大，该峰值强度变化越大，表示检测灵敏度越高。将结果表示在表1中。
实施例2
除了作为高折射率材料而使用2,2,2－三氟乙基甲基丙烯酸盐(2,2,2－trifluoroethyl methacrylate)(折射率：1.411)以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例3
除了作为高折射率材料而使用2－丙烯酸甲酯(2－methacrylate)(折射率：1.512)以外，与实施例1同样地制作了SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例4
除了作为高折射率材料而使用2,2,2－三氟乙基甲基丙烯酸盐(折射率：1.411)和渗透时间为3分钟以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例5
除了作为高折射率材料而使用2－丙烯酸甲酯(折射率：1.512)和使渗透时间为3分钟以外，与实施例1同样地制作了SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例6
除了渗透时间为3分钟以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例7
除了渗透时间为5分钟以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
实施例8
除了渗透时间为10分钟以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
比较例1
除了没有进行高折射率材料的涂敷、去除以及紫外线固化(其结果，没有形成折射率梯度层)以外，与实施例1同样地制作出SPR传感器元件和SPR传感器。以与实施例1相同的方式对获得的SPR传感器进行了评价。将结果表示在表1中。
表1
评价
由表1明确那样可知，与比较例的SPR传感器元件相比，实施例的SPR传感器元件的峰值强度变化较大且灵敏度优异。
产业上的可利用性
本发明的SPR传感器元件和SPR传感器能够较佳地应用于样品的浓度的测定、免疫反应的检测等各种化学分析和生物化学分析中。
附图标记说明
10、检测部；11、下包层；12、芯层；12a、折射率均匀层；12b、折射率梯度层；13、保护层；14、金属层；15、上包层；20、样品配置部；100、SPR传感器元件；110、光源；120、光测量器；200、SPR传感器。

Claims (6)

1.一种SPR传感器元件，其包括：下包层；芯层，其设置成使所述芯层的至少一部分与该下包层相邻；以及金属层，其覆盖该芯层，其中，
该芯层具有折射率均匀层和折射率梯度层，
该折射率梯度层配置在该折射率均匀层与该金属层之间，
该折射率梯度层的折射率为该折射率均匀层的折射率以上，在该折射率梯度层的厚度方向上，该折射率梯度层的折射率自该折射率梯度层的靠该折射率均匀层侧的表面朝向该金属层侧连续地增大，
所述折射率均匀层的折射率比所述下包层的折射率高0.010以上。
2.根据权利要求1所述的SPR传感器元件，其中，
所述折射率梯度层的厚度为1μm～30μm。
3.根据权利要求1所述的SPR传感器元件，其中，
所述折射率梯度层中的折射率变化为0.001～0.035，
折射率变化以ΔN表示，ΔN＝Nmax－Nmin，其中，Nmax表示折射率梯度层中的最大折射率，Nmin表示折射率梯度层中的最小折射率。
4.根据权利要求1所述的SPR传感器元件，其中，
所述折射率梯度层的厚度Tb和折射率变化ΔN满足0.5×10－3≤ΔN/Tb≤20.0×10－3的关系，
其中，ΔN＝Nmax－Nmin，其中，Nmax表示折射率梯度层中的最大折射率，Nmin表示折射率梯度层中的最小折射率，Tb的单位为μm。
5.根据权利要求1所述的SPR传感器元件，其中，
所述折射率均匀层的折射率NCO满足1.34≤NCO≤1.43的关系。
6.一种SPR传感器，其中，
该SPR传感器包括权利要求1所述的SPR传感器元件。
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