JP2007024561A

JP2007024561A - マイクロ計測器

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Publication number: JP2007024561A
Application number: JP2005203967A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Hosomi; 和彦細見; Toshio Katsuyama; 俊夫勝山; Yasuhiko Arakawa; 泰彦荒川; Koji Yamada; 宏治山田; Toshihiko Fukamachi; 俊彦深町
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2005-07-13
Filing date: 2005-07-13
Publication date: 2007-02-01
Anticipated expiration: 2025-07-13
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Abstract

【課題】極微量の液体の屈折率を測定する技術は、生化学計測あるいはその他の計測において重要な技術である。従来の光学測定を用いた屈折率計測法に於いては、広帯域な光源及び回折格子等の分光装置が必要となり、装置全体の規模が大きく高コストであるという問題があった。
【解決手段】本発明は、フォトニック結晶を用いて極微少量の計測が可能で、かつ外部に分光器等を必要とせず、従って超小型で低コストな、生化学計測等に応用可能な屈折率測定装置を提供する。
本発明のマイクロ計測器は、単一波長の光源と、位置に依存して共鳴波長の異なる微小共振器と、位置が検出できる光検出器から構成される。被測定物質の屈折率に応じて変化する光の透過位置を検出し、位置情報から屈折率を測定する。これにより、大掛かりな分光装置を用いることなく屈折率を測定することが可能となる。
【選択図】図６

Description

本発明は、生化学計測やその他の化学計測に応用可能な、微小量の液体の屈折率の計測を可能とするマイクロ計測器の構造、製造方法、ならびに、その応用方法に関する。

生化学や医療計測などの分野ではグルコースやイオン、情報伝達分子、ペプチドなどの低分子、あるいはホルモン、たんぱく質、ＤＮＡなどの高分子の計測が必要である。これらの生化学計測に於いては、試料がもともと少量である場合が多く、また低侵襲な検査の為に、出来る限り微少量で多くの生体情報を得る方法が要求されている。

計測の手段としては、抗原と抗体、相補する配列のＤＮＡ対、リガンドとレセプターなどの特異的結合を起す分子の対を使い片方の分子を検出する方法が利用される。多くの場合、蛍光物質や放射性物質等によって試料をラベル化し、蛍光や放射線を測定することにより測定対象分子を検出するという方法が採られる。しかし、ラベル化する方法では、検出対象分子のラベル化の過程で、１）サンプルが希釈される、２）時間がかかる、３）検出分子の活性が変化する、４）対象分子の特異性が変化する、などの数々の問題が生じる為、ラベル化が不要な方法が求められていれる。以上のように生化学計測に於いては、測定に必要な試料が微量でラベル化不要な測定方法が求められている。

分子の特異的結合を利用し、ラベル化不要な生化学計測の従来技術としては、例えばビアコア社ホームページ＞テクノロジー＞基本原理＞“ＳＰＲ検出系煤A［online］、［平成１７年６月１３日検索］、インターネット＜http://www.biacore.co.jp/3_1_3.shtml＞に記載の表面プラズモン共鳴を用いた方法がある。その原理図を図１（Ａ）−（Ｃ）に示す。引用の方法に於いては、図１（Ａ）に示すように、あらかじめセンサーチップ表面のＡｕ薄膜に特異的結合の一方の分子を固定しておく。フローセルに測定対象分子を流すと、図のように固定された分子と結合する。このような結合が起きたときは、その結合が起きた場所で局所的に屈折率が大きくなる。この屈折率の変化は表面プラズモンを介して検知される。センサーチップのＡｕ薄膜の特異的結合の一方の分子が固定される面と反対の面に光を入射すると特定の条件で表面プラズモンが励起されるが、表面プラズモンが励起される条件では反射光強度が小さくなる。表面の屈折率が変化すると表面プラズモンの励起条件が変化し、図１（Ｂ）に示すように、反射光強度が低下する角度に変化が生じる（図では反射光Ｉ、ＩＩで変化の様子が示されている）。図１（Ｃ）では、フローセルに流入する試料の時間の変化に応じた信号として検出できることを示している。従って、反射光強度の角度分布を測定することにより、表面の屈折率変化、すなわち、特異的結合の一方の分子と試料中に存在する測定対象分子との結合が検出できる。このように、表面の屈折率変化を表面プラズモン現象を介して検出し、生体分子の結合を高感度に検出するのがこの方法の原理である。しかしながら、表面プラズモン現象を利用して、屈折率変化を測定するこの方法は光学系が比較的大掛かりにならざるを得ず、高価で小型化が難しく試料の少量化にも限界があるという問題があった。

極微量の試料で屈折率の計測を可能とする技術としては、フォトニック結晶を用いた方法が研究されている。フォトニック結晶を用いた屈折率測定方法としては例えばオプティクスレター（optics letter）２９巻１０９３頁に記載の方法がある。以下、本引例に記載の、フォトニック結晶を用いた屈折率測定の原理について説明する。フォトニック結晶とは、屈折率の異なる二つあるいはそれ以上の数の媒質を波長オーダーの周期で組み合わせた多次元周期構造のことである。このようなフォトニック結晶には、光がフォトニック結晶中を伝播できない波長領域、即ちフォトニックバンドギャップと呼ばれる帯域が存在する。例えば外部からバンドギャップに相当する波長の光をフォトニック結晶に入射すると、結晶内部で光は伝播できないので表面で全反射されることになる。

図２は、ＳｉＯ_２上のＳＯＩに、丸孔を三角格子状に穿ってフォトニック結晶を構成し、バンドギャップを持つ二次元のフォトニック結晶を構成するとともに、点欠陥、つまり周期構造中の不均一要素が導入された場合の光の閉じ込めの様子を示したものである。欠陥部では周期構造が乱れているので、バンドギャップ内の波長の光でも存在できる。しかし欠陥の周囲は欠陥の無いフォトニック結晶なので、光は外部へ伝播できず欠陥内部に反射され、光は欠陥内に閉じ込められる。つまり欠陥とその周囲のフォトニック結晶は微小共振器を形成し、特定の波長の光が定常状態（共振モードと呼ぶ）を形成し、光は強く閉じ込められる。

図２に示すようなフォトニック結晶微小共振器に光を入射すると、図３に透過スペクトルを示すように、共振モードに対応する波長のみが透過し鋭いピークを形成する。つまり、特定の波長の光だけ通過し、他の波長の光は反射される。この共振ピークの波長は、欠陥や周囲のフォトニック結晶を構成する物質の屈折率等に依存して変化する。

図４は、オプティクスレター２９巻１０９３頁の文献に記載のスペクトルである。これは、図２に示すような欠陥付き二次元フォトニック結晶の丸孔に液体を注入した場合の、液体の屈折率ｎを１．４４６，１．４４８，１．４５０，１．４５２および１．４５４と変化させたときのスペクトルの変化を示したものである。図４に示されるように、液体の極めて小さな屈折率の変化に対応して、スペクトルのピークは変化しており、このピーク波長を測定することで屈折率が検出できることがわかる。ここでは二次元フォトニック結晶の例を示したが、屈折率の異なる二種類の層が交互に重畳された構造を取る一次元フォトニック結晶や、周期構造が三次元的である三次元フォトニック結晶を用いても、フォトニック結晶構造中に試料となる液体を導入できる構造とすれば、同様の作用が得られる。

フォトニック結晶を用いなくとも共振器の作製は可能であるが、フォトニック結晶共振器の特徴は共振器サイズが波長オーダーと非常に小さいことにある。従って、極微量の試料で屈折率を検知することが可能となる。このようにフォトニック結晶微小共振器を利用することにより、生化学計測の極微量化が可能となる。加えて、微小な検出領域を持つ検出器はセンサーの集積化や、単原子測定の可能性にも繋がる。

上記のフォトニック結晶微小共振器を用いた屈折率測定法に於いては、共振モードの波長から屈折率を決定する。このため広帯域な光源及び回折格子等の分光装置が必要となり、必然的に装置全体の規模が大きくなる。また部品点数が多いのでコストも高くなるという問題があった。

前述の問題点に対し、本発明の目的は、フォトニック結晶を用いて極微少量の計測が可能で、かつ外部に分光器等を必要とせず、従って超小型で低コストな、生化学計測等に応用可能な屈折率測定装置を提供することにある。

上記従来法の問題点に対し、問題を解決する手段を、図５を用いて説明する。

図５（Ａ）で示す例では、波長がλ_０の光、該光を照射される互いに欠陥部の大きさが異なる三つの一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ａ，１_Ｂおよび１_Ｃ、該微小共振器を透過する光を検出する光検出器素子２_Ａ，２_Ｂおよび２_Ｃからなる検出器アレイから構成される。各微小共振器のフォトニック結晶部分は、例えば、Ｓｉ基板から半導体プロセスにより形成された所定の厚さで所定の間隔を持つ複数の薄板と、中間部の厚さの異なる薄板とから構成され、各薄板の間には屈折率がｎの被測定物質の液体が充填されている。

図５（Ｂ）の左側の図は被測定物質の液体の屈折率がｎ_１のときの各微小共振器のフォトニック結晶部分の特性を示したものである。屈折率がｎ_１のときは一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ａのフォトニック結晶の透過スペクトルのピークが波長λ_０に一致するが、他の一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ｂおよび１_Ｃの透過スペクトルのピークは波長λ_０に一致しない。その結果、図５（Ｂ）の右側の図に示すように、屈折率がｎ_１の被測定物質の液体が満たされている状態で外部から波長λ_０の光を入射すると、一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ａに入射した光は透過し、光検出器素子２_Ａで検知される。一方、他の一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ｂおよび１_Ｃに入射した波長λ_０の光はフォトニック結晶で反射されるので光検出器素子２_Ｂおよび２_Ｃまで到達しない。従ってこの場合は一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ａに対応する光検出器素子２_Ａのみが反応する。

一方、図５（Ｃ）は被測定物質の液体の屈折率がｎ_２のときの各微小共振器フォトニック結晶部分の特性を示したものである。被測定物質の液体の屈折率の変化に伴い、各一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ａ，１_Ｂおよび１_Ｃのフォトニック結晶のスペクトルも変化し、この場合は、図５（Ｃ）の左側の図の透過スペクトルに示されるように、一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ｂのフォトニック結晶の透過スペクトルのピークが波長λ_０に一致する。従って、図５（Ｃ）の右側の図に示すように、一次元フォトニック結晶微小共振器１_Ｂに対応する光検出器素子２_Ｂのみが反応する。

従って、屈折率が未知の液体を充填して測定した場合、光検出器素子２_Ａが反応した場合は未知の液体の屈折率はｎ_１、光検出器素子２_Ｂが反応した場合は未知の液体の屈折率はｎ_２と判断できる。

以上説明したように、本発明においては、液体の屈折率の変化を位置情報に変換して検出するので分光器を用いる必要はなく被測定物質の液体の屈折率情報が得られる。

図５（Ａ）−（Ｃ）では概念のみを示したが、実際の応用に当たっては、測定系に応じて個々のフォトニック結晶の構造や、アレイ化数等を最適設計し、必要な帯域・分解能を得ることは言うまでもない。

以上述べたように、本発明によれば、フォトニック結晶を用いて、極微少量の計測が可能で、かつ外部に分光器等を必要とせず、従って超小型で低コスト、生化学計測等に応用可能な屈折率測定装置を提供することが可能である。

（実施例１）
図６（Ａ）−（Ｄ）は、本発明の実施例１の屈折率センサーの構成を示す図でありセンサー）は平面図、（Ｂ）はＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図、（Ｃ）はＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面図、（Ｄ）はＣ−Ｃ位置で矢印方向に見た断面図である。

図６（Ａ）において、１は基板である。２は試料セルでありＳｉ基板から半導体プロセスにより作成された一次元フォトニック結晶部１００と試料導入部２００とを備える。試料セル２は、基板１の外周部に設けられた係止片３により、基板１と所定の位置関係を保った状態で基板１の上面に取り付けることができ、計測終了後は取り外して廃棄することができる。試料セル２では一次元フォトニック結晶部１００と試料導入部２００とは底面は試料セル２のＳｉ基板で連続している。一次元フォトニック結晶部１００は、図５（Ａ）で説明したように、薄板１０１，１０２が形成され、場所によって内側の間隔が異なるように構成されている。すなわち、ここでは、４段階の異なる欠陥構造になるものとされている。それぞれの欠陥構造に応じて特性の異なる一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４を構成する。試料セル２には、開口部３００および４００が設けられる。開口部３００には、基板１上に構成された発振波長１４００ｎｍの半導体レーザー１０と、この半導体レーザー１０の出力光を４分割して一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４に導くための導波路２０が位置する。開口部４００には、基板１上に構成された、図５（Ａ）で説明した光検出器素子２_Ａ−２_Ｃに対応するフォトダイオード４１,４２,４３および４４が位置する。フォトダイオード４１,４２,４３および４４は、それぞれ、一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４に対応する。

図６（Ｂ）は、図６（Ａ）のＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図であるので、試料導入部２００の端面と、２つの薄板１０１の端面が見えるのみである。ここで、試料セル２が基板１の上面に配置され、係止片３により試料セル２と基板１の相対位置が保持されていることが分かる。

図６（Ｃ）は、図６（Ａ）のＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面図であるので、試料導入部２００の端面は見えない。開口部３００に導波路２０の一部が断面で見え、一次元フォトニック結晶部１００の薄板１０１，１０２が断面で見える。薄板１０１の間に見えるのは、より遠方にある薄板１０１の側面である。さらに、開口部４００にフォトダイオード４４が断面で見える。ここでは、試料セル２の開口部３００，４００が貫通した開口であり、開口部３００の位置で導波路２０が、開口部４００の位置でフォトダイオード４３が基板１の上面に構成されていることが分かる。なお、この位置では、係止片３は端面で見える。

図６（Ｄ）は、図６（Ａ）のＣ−Ｃ位置で矢印方向に見た断面図であるので、試料導入部２００の端面は見えない。開口部３００に半導体レーザー１０と導波路２０の一部が断面で見え、一次元フォトニック結晶部１００の薄板１０１，１０２が断面で見える。薄板１０１の間に見えるのは、より遠方にある薄板１０１の側面である。さらに、開口部４００にフォトダイオード４３の端面が見える。ここでは、試料セル２の開口部３００，４００が貫通した開口であり、開口部３００の位置で半導体レーザー１０と導波路２０が、開口部４００の位置でフォトダイオード４２が基板１の上面に構成されていることが分かる。なお、この位置では、係止片３は断面で見える。

図６（Ａ）−（Ｄ）で説明した実施例１の屈折率センサーを使用するときは、試料センサー２００に被測定試料を滴下する。滴下された試料は、一次元フォトニック結晶部１００の方に流れ、薄板１０１，１０２の間に毛管現象により流入する。その結果、図５で説明したように、半導体レーザー１０と導波路２０により一次元フォトニック結晶部１００に照射される光が、被測定試料の屈折率に応じた一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４、および、フォトダイオード４１,４２,４３および４４により検出される。なお、被測定試料を試料導入部２００に滴下するのは、一次元フォトニック結晶部１００のサイズが小さく、微小共振器に直接滴下すると一次元フォトニック結晶部１００の内部に納まりきらず、周辺を汚染する可能性があるからである。もちろん、極微少量の試料で計測ができるためには、試料導入部２００はできるだけ小容量であることが好ましいが、いわゆる、試料を滴下するためのスポイドの構造、滴下のメカニズムとの関連を考慮する必要がある。

図６（Ａ）−（Ｄ）から分かるように、実施例１では、被測定試料が導入されるのは、試料セル２の試料導入部２００と一次元フォトニック結晶部１００の部分のみである。したがって、一つの被測定試料の計測が完了した後、試料セル２を基板１からはずして、代りの試料セル２を基板１に装着すれば、直ちに次の被測定試料の計測ができる。

図７は一次元フォトニック結晶部１００の欠陥構造部分、すなわち、一次元フォトニック結晶微小共振器の検出動作をより詳細に説明するために微小共振器の構成例をより詳細に説明する図である。薄板１０１，１０２の厚さをＨで示すが、これは一次元フォトニック結晶部１００全体（微小共振器３１−３４）で共通であり、Ｈ＝３００ｎｍである。薄板１０１，１０２間の距離をＬで示すが、これも一次元フォトニック結晶部１００全体（微小共振器３１−３４）で共通であり、Ｌ＝７７７．８ｎｍである。薄板１０１間の距離をＤで示すが、これは一次元フォトニック結晶部１００の欠陥部の幅を示し、一次元フォトニック結晶微小共振器ごとに異なっていて、微小共振器３１，３２，３３および３４の順に、それぞれ、１５４０ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５７０ｎｍ、１５８５ｎｍである。一次元フォトニック結晶部１００（微小共振器）の高さを表すＸは１０μｍとした。

一次元フォトニック結晶微小共振器の検出動作の説明の前に、図６の構造の作製プロセスを説明する。最初に、Ｓｉ基板にスパッタにより厚さ５００ｎｍのＳｉＯ_２膜をスパッタリングにより形成した。次に、ＳｉＯ_２膜の上にポジレジスト（ＺＥＰ−５２０）膜を設け、電子線描画で開口部３００および４００をパターニングした。次に、ＡｒとＣ_４Ｆ_８を用いてＳｉＯ_２をエッチングした。熱ＵＶＯ_３を用いて、レジストを灰化し、剥離した後、ＳＦ_６、Ｃ_４Ｆ_８を用いてＳｉ基板のドライエッチングを行い貫通孔を作成した。このようにして開口部３００および４００を形成した。引き続き、改めてＳｉＯ_２膜の上にネガレジスト（ＳＡＬ６０１−ＳＲ７）膜を設け、電子線描画で試料セル２をパターニングした。次に、ＡｒとＣ_４Ｆ_８を用いてＳｉＯ_２をエッチングした。熱ＵＶＯ_３を用いて、レジストを灰化し、剥離した後、ＳＦ_６、Ｏ_２を用いてＳｉ基板の高アスペクト比ＩＣＰドライエッチングを行った。このとき下部電極は液体窒素を用いて−１００度以下に冷却した。このようにして一次元フォトニック結晶微小共振器を作成した。

一方、基板１のためのＳｉ基板を用意し、試料セル２の開口部３００に対応する位置にポリマーを用いて導波路２０のための膜を作製した。これには、ポリイミドをスピンコートし、ポリイミドの膜を形成した。このとき厚さは５ミクロンとした。次にフォトリソグラフィーで導波路２０の形状を形成し、ドライエッチング技術を用いてエッチングした。また、係止片３を、これに併せて形成した。続けて、開口部３００に対応する位置には導波路２０の形状に応じた半導体レーザー１０をマウントし、最後に開口部４００に対応する位置には、欠陥部に対応してフォトダイオード３１，３２，３３および３４からなるフォトダイオードアレイを基板にマウントした。

動作実証は、図７に示すようなＳｉの構造体の間に液体の被測定物質を充填させ測定を行った。今回測定に用いた物質は水とエタノールの混合液である。

図８は温度１５度に於ける水―エタノール混合液のエタノールの重量比率と屈折率の関係を示したグラフである。尚、データは日本化学編改訂３版化学便覧基礎編Ｐ２に記載のものを用いた。混合液の屈折率はエタノールの重量比によって１．３３３〜１．３６７の間で変化することが示されている。

図９は混合液の屈折率が１．３３５のときの一次元フォトニック結晶微小共振器の欠陥部Ｄの幅が１５４０ｎｍ、１５５５ｎｍ、１５７０ｎｍ、１５８５ｎｍである場合、すなわち、一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４の透過スペクトルである。欠陥部Ｄの違いに応じて透過スペクトルの波長がずれている。ピーク間の距離が半値幅程度であるように設計されている。

図１０は一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４の透過スペクトルピーク波長と混合液の屈折率の関係を示す図である。屈折率の増加に伴いほぼ直線的にピーク波長が増加する様子が示されている。

図８〜１０を用いて、実施例１の動作の説明を行う。半導体レーザー１０から出射された光は導波路２０によって均等に四等分されて、それぞれ、一次元フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４へ入射される。微小共振器の空間部分は水−エタノール混合液によって満たされているが、エタノール濃度が１０％のとき、図８から混合液の屈折率が１．３４であることがわかる。図１０中に入射光の波長１４００ｎｍが一点差線で示してあり、この一点差線と実線の交点で光は透過する。混合液の屈折率が１．３４のときは、一次元フォトニック結晶微小共振器３３が光を透過することがわかる。従ってフォトダイオード４３にだけ信号が検知されフォトダイオード３１、３２および４４では光は検知されない。

エタノール濃度を１０％〜５０％の間で１０％刻みに変化させて場合のフォトダイオード３１、３２、３３および４４の出力結果を図１１に示す。図１１の横軸はエタノールの濃度を示し、縦軸はフォトダイオード３１、３２、３３および４４の検出出力を示す。エタノールの濃度変化に伴う屈折率変化によって、フォトダイオード３１、３２、３３および４４の検出出力が変化しており、屈折率変化が検知できることが確認できた。また、３０％や４０％の場合のように、どのフォトニック結晶のピークも１４００ｎｍに丁度は一致しない場合でも、透過スペクトルピークの線幅の広がりによって一定の光が透過し、透過光強度を比較することにより、屈折率が測定できることが確認できた。これは透過スペクトルのピーク間の距離が半値幅程度であるからである。

（実施例２）
実施例２では、フォトニック結晶部１００を一次元フォトニック結晶から二次元フォトニック結晶に変更した例を示す。

実施例２の二次元フォトニック結晶２５は厚さ２００ｎｍのＳｉ層と、厚さ１ミクロンのＳｉＯ_２層のＳＯＩ基板を基礎に構成されている。図１２（Ａ）は実施例２の二次元フォトニック結晶２５の平面図を、（Ｂ）は（Ａ）のＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図である。２５０はＳｉＯ_２層であり、その上のＳｉ層の両側面に試料流路の側壁２０１が形成され、側壁２０１間に直径２５０ｎｍの円柱２０２を三角格子状に形成してフォトニック結晶を構成する。円柱２０２同士の中心間の距離（格子定数）は４００ｎｍとした。欠陥は特定の円柱２０２ａ、２０２ｂ、２０２ｃおよび２０２ｄの直径を小さくすることにより導入した。円柱２０２ａ、２０２ｂおよび２０２ｃの直径は、それぞれ、１５０ｎｍ、１００ｎｍ、５０ｎｍとし、円柱２０２ｄは円柱を欠くものとした。二次元フォトニック結晶２５の厚さは２００ｎｍと大幅に薄くなるので、それに対応してカップラー２１もＳｉで作製した。カップラーの導波路のサイズは２００ｎｍ×２００ｎｍとした。図１２に、図６と同様に、半導体レーザー１０と導波路２０、フォトニック結晶微小共振器３１，３２，３３および３４、および、フォトダイオード４１,４２,４３および４４を表示したように、実施例２は、フォトニック結晶が一次元から二次元に変わっている点を除けば、実施例１と本質的に変わることは無い。

（実施例３）
本願発明の実施例３の屈折率センサーの構成を図１３（Ａ）−（Ｃ）に示す。（Ａ）は平面図、（Ｂ）は、（Ａ）のＡ−Ａ位置で矢印方向に見た断面図、（Ｃ）は（Ａ）のＢ−Ｂ位置で矢印方向に見た断面図である。実施例３も実施例１と同様、試料セル２が基板１上に係止片３をガイドとして着脱自在に保持される。また、試料セル２には試料導入部２００とこれに連なる一次元フォトニック結晶部１００、および、開口部３００および４００が設けられる。実施例３では、試料セル２に形成される一次元フォトニック結晶部１００は、線形の薄板１０１，１０２および１０３で形成される。薄板１０１，１０２および１０３は、実施例２と同様に、それぞれの間隔は等しく作成されるが、対向する薄板１０３間は長さ方向で間隔が異なるようになされる。実施例３では、開口部３００には複数のＬＥＤ３０２を所定の間隔で配列したＬＥＤアレイ３０１が、実施例１の半導体レーザー１０および導波路２０に代えて配置される。さらに、開口部４００には複数のレンズ４０２を所定の間隔で配列したレンズアレイ４０１と、複数のフォトダイオード４０４を所定の間隔で配列したフォトダイオードアレイ４０３とが、実施例１のフォトダイオード４１,４２,４３および４４に代えて配置される。ここで、複数のＬＥＤ３０２の間隔と複数のレンズ４０２の間隔および複数のＬＥＤ３０２の間隔と複数のフォトダイオードの間隔とが等しいものであることはいうまでも無い。

実施例１，２では、半導体レーザー１０および導波路２０を用いて一つの光源の光を分岐してフォトニック結晶微小共振器に光を供給するものとしたが、ここでは、より小型化にするために同一波長のＬＥＤ３０２をアレイ状に並べたものを光源として用いた。一次元フォトニック結晶の作用は基本的に実施例１の場合と同様であるが、実施例１では異なる欠陥幅の要素をつなぎ合わせた構成であったのに対し、実施例３では欠陥部の幅を光の透過と垂直方向に連続的に変化させた。

実施例３に於いても、被測定試料は試料セル２の試料導入部２００に滴下される。被測定試料は毛管現象によって一次元フォトニック結晶部１００に流入し、実施例１で詳しく述べた方法により、屈折率が検知される。

（実施例４）
実施例４では、本願発明のマイクロ計測器をマイクロ化学チップに搭載した例を示す。マイクロ化学チップとは、試料の混合、輸送、加熱、抽出といった化学反応の諸操作をＭＥＭＳ技術を用いてオンチップ化する技術である。オンチップ化することにより単なる小型化・少量化に留まらず、微小化に伴う反応の高効率化も期待されている。

マイクロ学チップ４５０の上面には、試料セル４５１、試薬セル４５２，４５３、マイクロ流路４５４、反応促進用加熱部４５５の他に本願発明のマイクロ計測器４５６およびドレイン４５７が設けられている。

試料セル４５１に導入された試料はマイクロ流路４５４中で試薬セル４５２，４５３から供給される試薬と混合され４５５で加熱され反応が促進される。反応生成物をマイクロ計測器４５６で屈折率を計測する。図６（Ａ）、図１２（Ａ）および図１３（Ａ）を参照して容易に分かるように、実施例４では、これらの実施例の試料導入部２００の部分がマイクロ学チップ４５０の試料セル４５１、試薬セル４５２，４５３、マイクロ流路４５４、反応促進用加熱部４５５に置換されたものと見ることができる。したがって、試料導入部２００の部分および一次元フォトニック結晶部１００の端部を切り取った構成のマイクロ計測器４５６を作成して、これをマイクロ学チップ４５０の反応促進用加熱部４５５の下流部に配置する構造とすればよい。この際、実施例１〜３では、被測定試料が流れる試料セルと光源およびセンサー部分とを別基板としたように、マイクロ学チップ４５０とマイクロ計測器４５６の光源およびセンサー部分とを別基板とするのが良い。そうすれば、マイクロ学チップ４５０を使い切りとすることができる。

以上の実施例に於いては、生化学計測への応用を中心に説明したが、本願発明のマイクロ計測器の応用はそれにとどまらず、化学合成や、内分泌撹乱物質やダイオキシン類等、環境汚染物質の分析への適用も可能である。いずれの場合も、被測定試料が液体として与えられ、屈折率の変化として捕らえられる情報であれば適用可能である。

（Ａ）−（Ｃ）は表面プラズモンを用いたセンサーの概念図である。フォトニック結晶の欠陥に光が捉えられ、微小共振器を構成している様子を概念的に示した図である。欠陥つきフォトニック結晶の光透過スペクトルを示した図である。二次元フォトニック結晶微小共振器のピークと充填する液体の屈折率の関係を示す図である。（Ａ）−（Ｃ）は本発明のマイクロ計測器の屈折率測定の原理を示す図である。（Ａ）−（Ｄ）は本発明のマイクロ計測器の実施例１を示す図である。実施例１の一次元フォトニック結晶の断面構造を示す図である。水―エタノール混合液に於ける、エタノールの重量パーセント濃度と混合液の屈折率の関係を示す図である。実施例１の一次元フォトニック結晶微小共振器３１〜３４の透過スペクトルを示す図である。実施例１の一次元フォトニック結晶微小共振器３１〜３４の透過スペクトルピークの波長と、充填する液体の屈折率の関係を示す図である。実施例１に於いて、混合液の濃度と４つのフォトダイオードの出力の関係を示す図である。（Ａ）−（Ｂ）は二次元フォトニック結晶を用いてマイクロ計測器を構成した本発明の実施例２を示す図である。本発明のマイクロ計測器を用いて液体屈折率センサーを構成した本発明の実施例３を示す図である。本発明のマイクロ計測器をマイクロ化学チップに組み込んだ、本発明の実施例４を示す図である。

符号の説明

１…基板、２…試料セル、３…係止片、１_Ａ，１_Ｂ，１_Ｃ，３１，３２，３３，３４…一次元フォトニック結晶微小共振器、２_Ａ，２_Ｂ，２_Ｃ，４１，４２，４３，４４…フォトダイオード、１０…半導体レーザー、２０…導波路、１００…一次元フォトニック結晶部、１０１，１０２，１０３…薄板、２００…試料導入部、３００，４００…開口部、２５…二次元フォトニック結晶、２５０…ＳｉＯ_２層、２０２，２０２ａ，２０２ｂ，２０２ｃ，２０２ｄ…円柱、３０１…ＬＥＤアレイ、３０２…ＬＥＤ、４０１…レンズアレイ、４０２…レンズ、４０３…フォトダイオードアレイ、４０４…フォトダイオード、４５０…マイクロ化学チップ、４５１…試料セル、４５２…試薬セル、４５３…試薬セル、４５４…マイクロ流路、４５５…ヒーター、４５６…マイクロ計測器、４５７…ドレイン。

Claims

光源と共振器と受光装置から構成される計測装置であって、共振器内部に被測定物質が導入される構成であり、共振器の共鳴波長の変化を検知することにより、被測定物質の屈折率を検知することを特徴とするマイクロ計測器。
位置に依存して共鳴波長が変化する機能を有する複数の共振器あるいは共振器アレイと、前記共振器に光を入射する単一波長の光源と、共振器を透過する光の強度と位置を検出する複数の受光器あるいは受光器アレイとから構成され、光が透過した位置を特定することにより、被測定物質の屈折率を検知することを特徴とするマイクロ計測器。
前記共振器が、所定の屈折率の材料と被測定試料の流れる部分を測定光の波長オーダーの周期で繰り返した構造からなるフォトニック結晶とフォトニック結晶の内部に設けられた周期構造の不均一部分から構成されている請求項２に記載のマイクロ計測器。
前記共振器を構成するフォトニック結晶が所定の屈折率の材料の層と被測定試料の流れる空間とが交互に重畳された一次元フォトニック結晶であるとともに、被測定試料の流れる位置に応じて前記フォトニック結晶の内部に設けられた周期構造の不均一部分の構成を異にする請求項３に記載のマイクロ計測装置。
位置に依存して共鳴波長が変化する機能を有する複数の共振器あるいは共振器アレイと、前記共振器に光を入射する単一波長の光源と、共振器を透過する光の強度と位置を検出する複数の受光器あるいは受光器アレイとから構成され、光が透過した位置を特定することにより、被測定物質の屈折率を検知することを特徴とするマイクロ計測器であって、
前記複数の共振器あるいは共振器アレイと前記光源および複数の受光器あるいは受光器アレイとが異なった基板上に形成されていることを特徴とするマイクロ計測装置。