JP2004085212A

JP2004085212A - 光導波路型グルコースセンサ及び光導波路型グルコースセンサ測定方法

Info

Publication number: JP2004085212A
Application number: JP2002242410A
Authority: JP
Inventors: Kenichi Uchiyama; 内山　兼一; Ichiro Tono; 東野　一郎; Hideo Eto; 江藤　英雄; Miki Nagatomo; 長友　美樹
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2002-08-22
Filing date: 2002-08-22
Publication date: 2004-03-18

Abstract

【課題】検体、例えば体液中の極微量のグルコースを高感度かつ高精度で分析することが可能な光導波路型グルコースセンサを提供する。
【解決手段】基板１と、基板１に接して設けられた第１光導波路層２と、第１光導波路層２に接して、第１光導波路層２の両端部部位に離間して設けられた入射側グレーティング３ａ及び出射側グレーティング３ｂと、第１光導波路層２に接して、入射側グレーティング３ａ及び出射側グレーティング３ｂの間に設けられた、第１光導波路層２より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層４と、第２光導波路層４上に接して設けられた酵素及び電荷性の発色試薬を含む機能層８とを備える。
【選択図】　　　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グルコースセンサに関し、特に血液等の溶液中のグルコース濃度を測定するための光導波路型グルコースセンサ及び光導波路型グルコースセンサ測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、特開平９−６１３４６号公報には平面光導波路型グルコースセンサが開示されている。このグルコースセンサは、基板表面に一対のグレーティング（回折格子）を配置し、一方のグレーティングに光が入射され、もう一方のグレーティングから光が出射される。これらグレーティングに位置する基板表面に単一の光導波路層を形成し、さらにこの光導波路層上に分子認識機能及び情報変換機能を有する膜を形成した構造を有する。
【０００３】
このような構造のグルコースセンサにおいて、検体から抽出した血液等に含まれる生体分子を分子認識機能及び情報交換機能を有する膜に接触した状態でレーザ光のような光をグレーティングを通して光導波路層に入射させ、エバネッセント波を発生させ、光導波路層上の膜による血液等に含まれる生体分子との反応に起因するエバネッセント波の変化量をグレーティングから出射される光を受光する受光素子により検出して、血液等に含まれる生体分子を分析する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のグルコースセンサは光導波路層が単層で、ここで発生するエバネッセント波の変化量の検出には感度的に限界があり、また光導波路層上の膜構造から検体から抽出した血液等に含まれる極微量の生体分子分析には不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、検体から抽出した、例えば体液中の極微量のグルコースを好感度かつ高精度で分析することが可能な光導波路型グルコースセンサ及び光導波路型グルコースセンサ測定方法を提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明の第１の特徴は、基板と、基板に接して設けられた第１光導波路層と、第１光導波路層に接して、第１光導波路層の両端部部位に離間して設けられた入射側グレーティング及び出射側グレーティングと、第１光導波路層に接して、入射側グレーティング及び出射側グレーティングの間に設けられた、第１光導波路層より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層と、第２光導波路層上に接して設けられた酵素及び電荷性の発色試薬を含む機能層とを具備する光導波路型グルコースセンサを提供することにある。
【０００７】
また、第２光導波路層を陰極に配線し、電極板を陽極に配線した電源とを更に具備することが好ましい。さらに、電荷性の発色試薬が、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジナトリウム塩四水和物であることが好ましい。また、酵素にグルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ又はムタロターゼを含むことが好ましい。
【０００８】
本発明の第１の特徴によれば、第２光導波路層と電極板の間に電界を生じさせることで、電荷性の発色試薬を効率よく第２光導波路層表面に誘引し、この発色試薬の発色に基づく第２光導波路層を伝播する光の極微な変化を、第１光導波路層と第２光導波路層の界面で検出できる。このため、検体から抽出された極微量のグルコースを一層高感度で分析することができる。
【０００９】
本発明の第２の特徴は、第１光導波路層より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層上に測定対象となる酵素及び電荷性の発色試薬を含む試料溶液を接触させるステップと、酵素の酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により荷電性の発色試薬を発色させるステップと、第２光導波路層の表面側に電界を発生させ、荷電性の発色試薬を第２光導波路層表面に誘引させるステップと、第２光導波路層に裏面側から光を導入し、第２光導波路層表面にエバネッセント波を生じさせ、誘引された荷電性の発色試薬を励起するステップとを有する光導波路型グルコースセンサ測定方法を提供することにある。
【００１０】
本発明の第２の特徴によれば、電荷性の発色試薬を効率よく第２光導波路層表面に誘引し、この発色試薬の発色に基づく第２光導波路層を伝播する光の極微な変化を、第１光導波路層と第２光導波路層の界面で検出できる。このため、検体から抽出された極微量のグルコースを一層高感度で分析することができる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分は同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、各寸法の比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。従って、具体的な寸法等は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１２】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサは、図１に示すように、基板１と、基板１に接して設けられた第１光導波路層２と、第１光導波路層２の両端部付近に離間して設けられた入射側グレーティング３ａ及び出射側グレーティング３ｂと、第１光導波路層２に接して設けられ、入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂの間に位置する第１光導波路層２より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層４と、第２光導波路層４に接して設けられた酵素及び電荷性の発色試薬を含有する機能層８とを備える。さらに、機能層８に接して設けられた多孔質膜９と、入射側グレーティング３ａ及び出射側グレーティング３ｂを覆うように第１光導波路層２に接して設けられた保護膜５と、保護膜５をさらに覆うように接して設けられた迷光トラッピング層７とを備える。
【００１３】
基板１は、例えばホウケイ酸ガラス等からなる。第１光導波路層２は、基板１より高い屈折率を有する材質からなる。入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂは、例えば酸化チタン（ＴｉＯ_２）、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、酸化タルタル（Ｔａ_２Ｏ_５）またはポリイミド等の第１光導波路層２より高い屈折率を有する材質からなる。第２光導波路層４は、例えば酸化錫（ＳｎＯ_２）、ＩＴＯ等の導電性材料からなり、外周が傾斜した形状をしている。酵素及び電荷性の発色試薬を含有する機能層８は、例えば、酸化酵素としてグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）、酸化還元酵素としてペルオキシダーゼ（ＰＯＤ）、そしてα−Ｄ−グルコースをβ−Ｄ−グルコースに転換するためのムタロターゼ等を含有する。また、電荷性の発色試薬として、例えば下記式（１）に示す構造式のようなＮ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジナトリウム塩四水和物等を含有する。
【化１】

【００１４】
さらに、多孔質膜９は、例えば含水ゲル等からなる。保護膜５は、例えばフッ素樹脂等からなる。そして、迷光トラッピング層７は、例えば液晶表示装置に用いられるブラックマトリックス（顔料入りレジスト）等からなる。
【００１５】
なお、基板１の屈折率をｎ_１、第１光導波路層２の屈折率をｎ_２、入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂの屈折率をｎ_３、第２光導波路層４の屈折率をｎ_４及び保護膜５の屈折率をｎ_５、とすると、それらの屈折率の大小関係は、ｎ_４≧ｎ_３＞ｎ_２＞ｎ_１＞ｎ_５となる。
【００１６】
次に、図１に示した光導波路型グルコースセンサの製造方法の一例を図２、図３を参照して説明する。
【００１７】
（イ）まず、図２（ａ）に示すように、例えばホウケイ酸ガラスからなる基板１の表面を例えば３８０〜４００℃の硝酸カリウム溶液塩等のイオン交換溶液に浸漬してカリウム、ナトリウム等の高屈折率元素をイオン交換することにより第１光導波路層２を形成する。その後、化学蒸着（ＣＶＤ）法等を用いて、第１光導波路層２上に例えばＴｉＯ_２、ＺｎＯ、ＬｉＮｂＯ_３、ＧａＡｓ、ＩＴＯ、Ｔａ_２Ｏ_５またはポリイミド等の第１光導波路層２より屈折率の高い材料の層１２を形成する。
【００１８】
（ロ）次に、図２（ｂ）に示すように、第１光導波路層より屈折率の高い材料の層１２をフォトエッチング技術等を用いてパターニングすることにより第１光導波路層２の中央付近に外周が傾斜した形状の第２光導波路層４を形成する。
【００１９】
（ハ）次に、例えばＣＶＤ法等により、第１光導波路層２の全面に第１光導波路層より屈折率の高い材料の層１２を再度形成する。その後、フォトエッチング技術等を用いて第１光導波路層２より屈折率の高い材料の層１２をパターニングすることにより、図２（ｃ）に示すように、第１光導波路層２の両端部付近表面上に２つの入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂを形成する。
【００２０】
（ニ）次に、入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂ及び第２光導波路層４を含む第１光導波路層２上に、例えば感光性フッ素系樹脂のような入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂに比べて低屈折率を有する材料の被膜をスピン塗布する。つづいて、この被膜に露光、現像処理を施すことにより、図２（ｄ）に示すように、第２光導波路層４の表面に対応する箇所に矩形状の開口部６を有する感光性フッ素系樹脂からなる保護膜５を形成する。
【００２１】
（ホ）次に、ＣＶＤ法や真空蒸着法等により、図３（ｅ）に示すように、保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に例えば液晶表示装置に用いられるブラックマトリックスからなる迷光トラッピング層７を形成する。
【００２２】
（ヘ）次に、図３（ｆ）に示すように、保護膜５の開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分に酵素及び電荷性の発色試薬を含む機能層８を形成する。具体的には、酵素及び電荷性の発色試薬を溶媒の存在下で例えばゲル等と混合し、このゲル溶液を保護膜５の開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分にインクジェット又はスピン塗布する。
【００２３】
（ト）次に、保護膜５の開口部６から露出した機能層８上に、例えば有機モノマー、光反応開始剤及びデカン酸メチルのような貧溶媒を含む溶液をスピン塗布し、乾燥させ、光重合させた後、洗浄処理することにより、図３（ｇ）に示すように、多孔質膜９を形成する。
【００２４】
（チ）最後に、図３（ｈ）に示すように、電界（例えばパルス状の電界）が印加されるように陽極に電極板１０１を配線した電源１０２の陰極を第２光導波路層４に配線することにより図１に示す光導波路型グルコースセンサを製造する。
【００２５】
次に、検体１００のグルコースの測定方法について説明する。図１に示す光導波路型グルコースセンサの多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の下方に配置された導電性のある金属酸化物でできた第２光導波路層４と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、人体の皮膚下のグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して機能層８に効率よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。
【００２６】
この体液中のグルコースは、機能層８でグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）等との酸化酵素反応により過酸化水素（Ｈ_２Ｏ_２）を発生させる。さらに過酸化水素からペルオキシダーゼ（ＰＯＤ）等との酸化還元酵素反応によりラジカル酸素原子（Ｏ^＊）が生成される。このラジカル酸素原子により機能層８で発色試薬を発色させる。この反応を模式すると（１）、（２）、（３）のようになる。
グルコース　＋　酸化酵素（ＧＯＤ等）→　Ｈ_２Ｏ_２　・・・・（１）
Ｈ_２Ｏ_２　＋　酸化還元酵素（ＰＯＤ等）→　Ｏ^＊　　　・・・・（２）
Ｏ^＊　＋　電荷性の発色試薬　→　発色　　　　　　　　・・・・（３）
【００２７】
さらに、機能層８で発色した電荷性の発色試薬は、上述したように第２光導波路層４と電極板１０１の間に電界が印加されているため、第２光導波路層４側に効率よく誘引される。この結果、エバネッセント波がしみ出す第２光導波路層４表面から約１００ｎｍの範囲内に、発色した電荷性の発色試薬を効率良く取り込むことが可能となる。
【００２８】
このような状態で、図１に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）及び受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側及び右側に配置する。光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射する。そのレーザ光は基板１を通して入射側グレーティング３ａと第１光導波路層２の界面で屈折されて、その第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層４を伝播する。このとき、機能層８における発色試薬の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）により、この機能層８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層４を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層４を伝播する光の強度変化が増幅される。その結果、第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化も偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出される。
【００２９】
したがって、光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成し、第２光導波路層４と電極板１０１の間に電界を生じさせることで、検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素との反応による電荷性の発色試薬を効率よく第２光導波路層４表面に誘引し、この発色試薬の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を、第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できる。このため、検体１００から抽出された極微量のグルコースを一層高感度で分析することができる。
【００３０】
また、図１に示すように入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂを含む第１光導波路層２上に保護膜５を設けることによって、第１光導波路層２及び入射側グレーティング３ａと出射側グレーティング３ｂに外部圧力が直接加わるのを防止できる。このため、第１光導波路層２及び出射側グレーティング３ｂに外部圧力が直接加わることに伴う部材の屈折率変化によって、その第１光導波路層２を伝播する光が外部に漏れるのを防止できる。しかも、保護膜５を第１光導波路層２に比べて低屈折率材料で形成することによって、その第１光導波路層２を伝播する光を第１光導波路層２と保護膜５との界面で効果的に全反射させて第１光導波路層２内に封じ込めることができる。このため、第１光導波路層２から光が外部に漏れるのを防止できる。その結果、検体１００中の極微量のグルコースをより高感度で分析することが可能となる。
【００３１】
さらに、第１光導波路層２を伝播する光が保護膜５との界面から保護膜５側に漏れた場合、迷光トラッピング層７を保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に設けることによって、漏光を迷光トラッピング層７でトラップすることができる。すなわち、第１光導波路層２を伝播する光が保護膜５との界面から保護膜５側に漏れると、保護膜５表面と外界（空気）との屈折率の差により漏光は保護膜５表面で全反射して第２光導波路層４に迷光として入射されるため、前述した検体１００中のグルコースの検出感度を低下させる。これに対し、迷光トラッピング層７を保護膜５の表面に設けることによって、漏光が保護膜５表面で全反射することなく迷光トラッピング層７でトラップできる。このため、漏光が第２光導波路層４に迷光として入射するのを防止でき、検体１００中のグルコースをより高感度で分析することが可能となる。
【００３２】
さらに、機能層８を多孔質膜９で覆うことによって、機能層８に検体１００から抽出される溶液（例えば体液）中のグルコース以外の蛋白や血球等の不純物の影響を防止できる。つまり機能層８における酵素とグルコースの酵素反応及び機能層８での発色試薬の発色反応に基づく変化による第２光導波路層４を伝播する光の強度変化に対して作用する外乱を低減できる。したがって、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースをより一層高感度で分析することが可能になる。
【００３３】
（その他の実施の形態）
ここで、図１は、微浸襲作用を利用して体液を抽出する場合について示しているが、本発明のその他の実施の形態として、検体１００への電界の印加に代えて、検体１００への穿刺等によって得られる血液等を直接多孔質膜９上から滴下して分析することも可能である。また、機能層８に代えて、酵素及び電荷性の発色試薬を含むサンプル溶液を用意し、このサンプル溶液を測定時に光導波路型グルコースセンサの開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分に導入して分析することも可能であることは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００３４】
【発明の効果】
本発明によれば、検体１００から抽出される、例えば体液中の極微量のグルコースを高感度かつ高精度で分析することが可能な光導波路型グルコースセンサ及び光導波路型グルコースセンサ測定方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図２】図１の光導波路型グルコースセンサの製造工程を示す工程断面図である（その１）。
【図３】図１の光導波路型グルコースセンサの製造工程を示す工程断面図である（その２）。
【符号の説明】
１　基板
２　第１光導波路層
３ａ　入射側グレーティング
３ｂ　出射側グレーティング
４　第２光導波路層
５　保護膜
６　開口部
７　迷光トラッピング層
８　機能層
９　多孔質膜
１２　第１光導波路層より屈折率の高い層
２１　光源
２２　受光素子
２３，２４　偏光フィルタ
１００　検出器
１０１　電極板
１０２　電源

Claims

基板と、
前記基板に接して設けられた第１光導波路層と、
前記第１光導波路層に接して、前記第１光導波路層の両端部部位に離間して設けられた入射側グレーティング及び出射側グレーティングと、
前記第１光導波路層に接して、前記入射側グレーティング及び前記出射側グレーティングの間に設けられた、前記第１光導波路層より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に接して設けられた酵素及び電荷性の発色試薬を含む機能層
とを具備することを特徴とする光導波路型グルコースセンサ。
前記第２光導波路層を陰極に配線し、電極板を陽極に配線した電源とを更に具備することを特徴とする請求項１に記載の光導波路型グルコースセンサ。
前記電荷性の発色試薬が、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジナトリウム塩四水和物であることを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路型グルコースセンサ。
前記酵素にグルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ又はムタロターゼを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路型グルコースセンサ。
前記機能層に接して設けられた多孔質膜を更に具備することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光導波路型グルコースセンサ。
第１光導波路層より高屈折率を有し、導電性材料からなる第２光導波路層上に測定対象となる酵素及び電荷性の発色試薬を含む試料溶液を接触させるステップと、
前記酵素の酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により前記荷電性の発色試薬を発色させるステップと、
前記第２光導波路層の表面側に電界を発生させ、前記荷電性の発色試薬を前記第２光導波路層表面に誘引させるステップと、
前記第２光導波路層に裏面側から光を導入し、前記第２光導波路層表面にエバネッセント波を生じさせ、前記誘引された荷電性の発色試薬を励起するステップ
とを有することを特徴とする光導波路型グルコースセンサ測定方法。
前記電荷性の発色試薬が、Ｎ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジナトリウム塩四水和物であることを特徴とする請求項６に記載の光導波路型グルコースセンサ測定方法。
前記酵素にグルコースオキシダーゼ、ペルオキシダーゼ又はムタロターゼを含むことを特徴とする請求項６に記載の光導波路型グルコースセンサ測定方法。