JP2012255708A - 蛍光センサ - Google Patents

Abstract

【課題】高い検出感度を有する蛍光センサ２０を提供する。
【解決手段】蛍光センサ２０は、蛍光を電気信号に変換するＰＤ素子１２と、アナライトおよび励起光により蛍光を発生するハイドロゲルからなるインジケータ１９が乾燥状態で収容されたインジケータ空間１６の側面を構成するセンサ枠１７と、蛍光を透過し励起光を遮るフィルタ１３と、励起光を発生する発光素子１４と、インジケータ空間１６の下面を構成する透明中間層１５と、インジケータ空間１６の上面を構成するとともに、外光および前記励起光を遮り、かつ、アナライトを含む体液および気体が通過可能な遮光層２８と、を具備する。
【選択図】図３

Description

本発明は、水溶液中のアナライトの濃度を計測する蛍光センサおよび前記蛍光センサの製造方法に関し、特に、アナライトおよび励起光により蛍光を発生するハイドロゲルからなるインジケータを具備する蛍光センサおよび前記蛍光センサの製造方法に関する。

液体中のアナライトすなわち被計測物質の濃度を測定する蛍光センサが開発されている。蛍光センサは、アナライトの量に応じた光量の蛍光を発生するインジケータと、インジケータからの蛍光を検出する光電変換素子を有している。

例えば、米国特許第５０３９４９０号明細書に開示されている蛍光センサ１１０は、ＭＥＭＳ技術を利用して作製できるとともに小型化が可能である。図１および図２に示すように、蛍光センサ１１０は、励起光Ｅを透過可能な透明基板１１１と、蛍光Ｆを電気信号に変換する光電変換素子１１２と、励起光Ｅを集光する集光機能部１１５Ａを有する透明中間層１１５と、アナライト２および励起光Ｅの作用によりアナライト量に応じた光量の蛍光Ｆを発光するインジケータ１１９と、遮光層１１８と、から構成されている。

なお、蛍光センサ１１０では、透明基板１１１の下面から入射した励起光Ｅのうち、光電変換素子１１２と光電変換素子基板１１２Ａとの隙間１１２Ｂを通過した励起光Ｅ２だけが、インジケータ１１９に入射する。

一方、米国特許第７１８１０９６号明細書には、インジケータにハイドロゲルを用いた蛍光センサが開示されている。ハイドロゲルはアナライト２が進入しやすいため、インジケータにハイドロゲルを用いた蛍光センサは感度がよい。

しかし、インジケータにハイドロゲルを用いた蛍光センサは、製造後、使用までの時間の経過により特性が変化することがあった。このため、インジケータにハイドロゲルを用いた公知の蛍光センサは、正確なアナライト濃度の測定が容易ではないことがあった。

米国特許第５０３９４９０号明細書 米国特許第７１８１０９６号明細書

本発明は、正確な測定が可能な蛍光センサを提供することを目的とする。

本発明の一態様の蛍光センサは、蛍光を電気信号に変換する光電変換素子と、アナライトおよび励起光により前記蛍光を発生するハイドロゲルからなるインジケータが乾燥状態で収容されたインジケータ空間の側面を構成するセンサ枠と、前記光電変換素子を覆うように配設された、前記蛍光を透過し前記励起光を遮るフィルタと、前記センサ枠内に配設された、前記励起光を発生する発光素子と、前記センサ枠内に配設された、前記インジケータ空間の下面を構成する、前記発光素子の上に配設された透明中間層と、前記インジケータ空間の上面を構成するとともに、外光および前記励起光を遮り、かつ、前記アナライトを含む体液および気体が通過可能な遮光層と、を具備する。

本発明によれば、正確な測定が可能な蛍光センサを提供できる。

従来の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 従来の蛍光センサの構造を示した分解図である。 第１実施形態の蛍光センサの構造を示した分解図である。 第１実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第１実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第１実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第１実施形態の蛍光センサの遮光層の断面構造を示した説明図である。 第１実施形態の蛍光センサの製造方法を説明するためのフローチャートである。 第２実施形態の蛍光センサの遮光層の断面構造を示した説明図である。 第３実施形態の蛍光センサの遮光層の断面構造を示した説明図である。 第４実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第５実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第６実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第６実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第７実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第８実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。 第９実施形態の蛍光センサの断面構造を示した説明図である。

＜第１実施形態＞
本発明の第１実施形態の蛍光センサ２０は、被検体の体液中のグルコースを検出する。図３および図４に示すように、蛍光センサ２０は、基板１１と、フィルタ１３と、発光素子１４と、透明中間層１５と、インジケータ１９と、遮光層２８と、が順に積層された構造である。インジケータ１９が内部に収容されているインジケータ空間１６は、下面が透明中間層１５であり、上面が遮光層２８であり、側面がセンサ枠１７である。インジケータ空間１６の形状は直方体（四角柱状）であるが、円柱状、または多角柱状等であってもよい。

基板１１は、蛍光Ｆを電気信号に変換する光電変換素子であるフォトダーオード素子（以下「ＰＤ素子」という）１２を有する。ＰＤ素子１２を覆うように配設されたフィルタ１３は、蛍光Ｆを透過し励起光Ｅを遮る。フィルタ１３の上に配設された発光素子１４は、励起光Ｅを発生する。インジケータ１９は、励起光Ｅと遮光層２８を通過して進入したアナライト２とにより蛍光Ｆを発生する蛍光色素を有するハイドロゲルからなる。蛍光センサ２０ではグルコースがアナライト２である。

蛍光センサ２０では、発光素子１４が発生した励起光Ｅは効率良くインジケータ１９に照射される。さらに、蛍光センサ２０では、インジケータ１９が発生した蛍光Ｆの一部は、ＰＤ素子１２およびフィルタ１３を通過してＰＤ素子１２に入射する。このため、蛍光センサ２０は、既に説明した従来の蛍光センサ１１０よりも高感度である。

そして、発明者は、ハイドロゲルを用いた蛍光センサの特性の使用前経時変化が、ハイドロゲル（インジケータ）が乾燥状態では発生しないことを見出した。すなわち、インジケータを使用前は乾燥状態とし、使用開始時に含水状態とすると、長期保管しても、使用時の蛍光センサの特性は安定している。

このため、蛍光センサ２０では、インジケータ１９は使用前には乾燥状態である。すなわち、使用前には、インジケータ空間１６は、乾燥状態のインジケータ１９と気体等の気体とで占められている。そして、図５に示すように、使用開始時に体内に挿入されると、インジケータ１９は、遮光層２８を介して、血液等の体液、すなわち水を吸収し膨潤する。

なお、体内に挿入前に、蛍光センサ２０を生理食塩水等に浸積して、予めインジケータ１９を膨潤しておいてもよい。しかし、アナライトを含む体液によりインジケータ１９を膨潤した方が、より早く安定した測定状態となるために、好ましい。

蛍光センサ２０は体内に挿入後、所定期間、例えば、１週間、継続してアナライト濃度を測定可能である。しかし、蛍光センサ２０を体内に挿入しないで、採取した体液、または体外の流路を介して体内と循環する体液を、体外において蛍光センサ２０と接触させてもよい。

次に、蛍光センサ２０の構成要素について詳細に説明する。
基板１１は、ＰＤ素子１２を有する。基板としては、半導体製造技術により基板にＰＤ素子１２を形成する場合にはシリコン等の半導体基板が適しているが、ＰＤ素子１２の製造方法または配設位置によってはガラス基板等でもよい。また、光電変換素子として、フォトコンダクタまたはフォトトランジスタ等を用いてもよい。

フィルタ１３は、受光部であるＰＤ素子１２を覆うように配設されている。フィルタ１３は、フィルタ１３の上に配設された発光素子１４が発生する例えば波長３７５ｎｍの励起光Ｅを遮断するが、インジケータ１９が発生する波長４６０ｎｍの蛍光Ｆは透過する。

フィルタ１３は、多重干渉型フィルタでもよいが、好ましくは、光吸収型フィルタであり、例えばシリコン、炭化シリコン、酸化シリコン、窒化シリコン、もしくは有機材料等からなる単層層、または、前記単層層を積層してなる多層層である。

なお、フィルタ１３は、例えば酸化シリコンまたは窒化シリコン等からなる透明保護層を介してＰＤ素子１２上に配設されていてもよい。しかし、保護層の側面からの光の進入を防止するために、フィルタ１３はＰＤ素子１２にできるだけ近接して配設するのが好ましい。またＰＤ素子１２とフィルタ１３との間に空間があると光学的なロスが生じ透過率が低下する。このため、フィルタ１３はＰＤ素子１２に密着した状態で配設されていることが特に好ましい。

発光素子１４としては、ＬＥＤ素子、有機ＥＬ素子、無機ＥＬ素子、またはレーザーダイオード素子等の所望の励起光Ｅを発光する発光素子の中から、蛍光Ｆを透過する素子が選択される。

そして、発光素子１４としては、蛍光透過率、光発生効率、励起光Ｅの波長選択性の広さ、および励起作用のある波長以外の光を僅かしか発生しないこと等の観点から、ＬＥＤ素子が好ましい。さらにＬＥＤ素子の中でも、蛍光Ｆの透過率が高いサファイア基板上に形成された窒化ガリウム系化合物半導体よりなる紫外ＬＥＤ素子が、特に好ましい。

発光素子１４の上に配設された透明中間層１５には、電気的絶縁性と、水分遮断性と、励起光Ｅおよび蛍光Ｆに対する光透過率等と、が良好なことが要求される。さらに、透明中間層１５の特性としては、励起光Ｅが照射されても蛍光Ｆの発生が小さいこと、つまり自己蛍光を発しにくいことが重要である。

透明中間層１５には、石英、ガラス、シリコーン樹脂、または透明非晶性フッ素樹脂が好ましく用いられ、中でもシリコーン樹脂または透明非晶性フッ素樹脂が特に好ましい。

インジケータ１９は、アナライト２および励起光Ｅにより、励起光Ｅよりも長波長の蛍光Ｆを発生する蛍光色素を有するハイドロゲルからなる。すなわちインジケータ１９は、試料中のアナライト濃度に応じた光量の蛍光Ｆを発生する蛍光色素が含まれる、励起光Ｅおよび蛍光Ｆが良好に透過するハイドロゲルから構成されている。なお、インジケータ１９が蛍光色素を含まず、蛍光Ｆを発生する蛍光色素が溶液中に存在するアナライト２そのものでもよい。

ハイドロゲルは、メチルセルロースもしくはデキストラン等の多糖類、アクリルアミド、メチロールアクリルアミド、ヒドロキシエチルアクリレート等のモノマーを重合して作製するアクリル系ハイドロゲル、またはポリエチレングリコールとジイソシアネートから作製するウレタン系ハイドロゲル等の水を含みやすい材料に蛍光色素を内包することにより形成されている。

ハイドロゲルは、遮光層２８を介してセンサ外に離脱することがない大きさであることが好ましい。このため、ハイドロゲルは、構成する分子が分子量１００万以上であるか、または遮光層２８が有孔構造の場合には、その孔径以上の例えば径５０ｎｍ以上の粒子状であるか、または架橋され流動しない形態であることが好ましい。

一方、蛍光色素としては、グルコース等の糖類を測定する場合には、蛍光残基を有するフェニルボロン酸誘導体等が適している。蛍光色素は、高分子量材料としたり、または、ハイドロゲルに化学的に固定したりすることにより、センサ外に離脱することが防止されている。

蛍光色素と、ゲル骨格形成材と、重合開始剤と、を含むリン酸緩衝液を、窒素雰囲気下で１時間放置し、重合することにより、インジケータは作製される。例えば、蛍光色素としては、９、１０−ビス［Ｎ−［２−（５，５−ジメチルボリナン−２−イル）ベンジル］−Ｎ−［６‘−［（アクリロイルポリエチレングリコール−３４００）カルボニルアミノ］−ｎ−ヘキシルアミノ］メチル］−２−アセチルアントラセン（Ｆ−ＰＥＧ−ＡＡｍ）を、ゲル骨格形成材としては、アクリルアミドを、重合開始剤としては、ペルオキソ二硫酸ナトリウムおよびＮ、Ｎ、Ｎ’、Ｎ‘−テトラメチルエチレンジアミンを用いる。

なお、重合が完了したインジケータ１９は含水状態であるために、所定の乾燥状態となるまで乾燥された後、蛍光センサ２０は、完成品となる。

乾燥状態のインジケータ１９は経時変化が少ないために、蛍光センサ２０は、長期間、保管しても、使用時の感度等の特性が変化しない。

遮光層２８は、インジケータ１９が収容されるインジケータ空間１６の上面を形成し、励起光Ｅおよび蛍光Ｆが蛍光センサの外部へ漏光するのを防止すると同時に、外光が蛍光センサの内部に進入することを防止する。また、遮光層２８は、生体適合性を有するとともに、アナライト２を含む体液の通過を妨げないように基本構造部は親水性である。

さらに、図７に示すように、遮光層２８は、遮光層２８を貫通する複数の貫通孔２３を備えている。貫通孔２３は、アナライト２を含む体液がインジケータ空間１６に進入する進入経路であるとともに、インジケータ１９が膨潤したときに、インジケータ空間１６の気体を外部へ排出するための排出経路である。すなわち、遮光層２８はアナライトを含む体液および気体が通過可能である。

貫通孔２３の大きさ、形状、位置、および形成密度は、仕様により適宜、選択される。例えば、貫通孔２３を上面から観察したときの開口部の形状は、円形、矩形、または多角形等のいずれでもよい。

ここで、励起光Ｅおよび蛍光Ｆが蛍光センサ２０の外部へ漏光するのを防止するために、貫通孔２３のサイズの上限値すなわち開口部の最大サイズは、励起光の波長以下とすることが好ましい。一方、貫通孔２３のサイズの下限値は、アナライト２が通過できる大きさ以上である。このため、貫通孔２３の寸法は、例えばグルコースを検出する場合には、１ｎｍ〜３５０ｎｍが好ましく、より好ましくは１０ｎｍ〜３５０ｎｍ、さらに好ましくは１００ｎｍ〜３００ｎｍである。なお、貫通孔２３のサイズとは孔の開口の最大長であり、開口が円形の場合は直径であり、電子顕微鏡写真から算出した平均値である。

遮光層２８は、メンブレンフィルタと同様の構造であるが、例えば、シリコン板またはシリコン膜等に、貫通孔２３をパターニング形成することにより作製される。具体的には、貫通孔２３は、シリコン板等の表面にフォトリソグラフィによりエッチングマスクを形成した後に、ＩＣＰ−ＲＩＥ等のドライエッチングにより作製される。

遮光層２８の作製には、マイクロドリルによる機械加工法、または、金型等による成形法等を用いてもよいし、アルミニウムを素材とし陽極酸化法により表面に微細凹部を形成した後に裏面側から研磨加工してもよい。遮光層２８の材料も、金属材料、またはフッ素樹脂等の樹脂材料等を用いてもよい。

センサ枠１７は、センサ本体を保護する機能と、遮光機能、すなわち、外光の進入を防止し、センサ内からセンサ外への光の漏れを防止する機能と、を有する。センサ枠１７はセンサ本体を保護するために、高剛性材料を用いて作製される。

センサ枠１７には、ヤング率が数十ＧＰａから数百ＧＰａのシリコン、ガラスもしくは金属等、または、ヤング率が１ＧＰａ〜５ＧＰａの程度のポリプロピレンもしくはポリスチレン等の樹脂材料を用いる。なお、遮光機能向上のため、ガラスまたは樹脂材料を用いる場合には、黒色とする。なお、後述するように、基板１１の加工により基板の一部からセンサ枠１７を作製してもよい。

以上の説明のように、蛍光センサ２０では、乾燥状態のインジケータ１９は、インジケータ空間１６に収容されている。なお、インジケータ空間１６の容量は、膨潤したインジケータ１９の容量と略同一、例えば、膨潤したインジケータ１９の容量の１００％〜１１０％である。つまり、図６に示すように、膨潤したインジケータ１９によりインジケータ空間１６は満たされる。すなわち、インジケータ１９はインジケータ空間１６の形状に膨潤する。

インジケータ空間１６のサイズは、例えば、発光素子１４として市販の小型ＬＥＤ（サイズ：０．１２×０．０６ｍｍ）を用いる場合、０．２０×１．００ｍｍ、深さ０．０５ｍｍ程度である。このようなインジケータ空間１６は、後述するように、半導体製造技術を用いて容易に製作できる。

次に、蛍光センサ２０の使用開始時の変化について説明する。既に説明したように、蛍光センサ２０では、使用前には、インジケータ１９は乾燥状態でインジケータ空間１６に収容されている。このため、蛍光センサ２０は長期保存が可能である。

そして、ハイドロゲルつまりインジケータ１９が乾燥状態の蛍光センサ２０が、使用のために、検体内に挿入されると、体液等と接触し、インジケータ１９は体液を吸水し膨張する。

すなわち、図６に示すように、蛍光センサ２０では、遮光層２８が体液と接触すると、体液はアナライト２とともに、貫通孔２３を通ってインジケータ空間１６のインジケータ１９（ハイドロゲル）に吸収される。

インジケータ１９の膨潤とともにインジケータ空間１６の気体は、貫通孔２３から外部に気泡として排出される。そして、図７に示すように、インジケータ空間１６から気体が完全に外部に排出されると、インジケータ空間１６はアナライト２を含む体液により膨潤したインジケータ１９で充填される。すなわち、空気等の気体はインジケータ空間１６には存在しなくなる。

蛍光センサ２０では、インジケータ空間１６から気体が完全に排出され、体液により膨潤したインジケータ１９によりインジケータ空間１６が満たされる。すなわち、残留気体がないため、インジケータ空間１６が均一の状態となり、表面反射率、光散乱または透過率の局部的な変化はなく、さらに残留気体が、インジケータ１９が発生する蛍光Ｆの検出領域（ＰＤ素子１２）への入射を乱すこともない。また、残留気体が、インジケータ１９が発生する蛍光Ｆの強度に悪影響を与えることもない。このため、インジケータ空間１６の下にある、ＰＤ素子１２は、蛍光強度すなわちアナライト濃度を精度良くかつ高感度に検出可能である。

また、蛍光センサ２０では、インジケータ１９は使用開始直前まで乾燥状態であるために、経時劣化することがない。

このため、蛍光センサ２０は、正確なアナライト濃度の測定が可能である。

次に、図８のフローチャートに沿って、蛍光センサ２０の製造方法を簡単に説明する。
＜ステップＳ１０＞基板作製工程
基板１１に、蛍光を電気信号に変換するＰＤ素子１２が半導体製造技術により作製される。

＜ステップＳ１１＞フィルタ配設工程
ＰＤ素子１２を覆うように、蛍光を透過し励起光を遮る、光吸収型のフィルタ１３が配設される。必要に応じて酸化シリコン等からなる透明保護層がフィルタ１３上に配設される。

＜ステップＳ１２＞センサ枠配設工程
ＰＤ素子１２が内部に配置されるように、センサ枠１７が基板１１上に配設される。

＜ステップＳ１３＞発光素子配設工程
励起光を発生する発光素子１４が、センサ枠１７内に配設される。なお、発光素子１４を配設後にセンサ枠１７を配設してもよい。

＜ステップＳ１４＞透明中間層配設工程
センサ枠１７の内部、すなわち、前記発光素子１４の上に、透明非晶性フッ素樹脂からなる透明中間層１５が配設される。

＜ステップＳ１５＞インジケータ配設工程
センサ枠１７内に、蛍光分子とアクリルアミドと重合開始剤とを含むリン酸緩衝液が満たされる。

＜ステップＳ１６＞遮光層配設工程
貫通孔を形成した遮光層２８がセンサ枠１７に接合されることにより、インジケータ空間１６が密閉される。そして、窒素雰囲気下で１時間放置することにより、インジケータ空間１６内のハイドロゲルが重合し、インジケータ１９が作製される。

＜ステップＳ１７＞乾燥工程
作製されたインジケータ１９は含水状態であるために、蛍光センサ２０は洗浄後、インジケータ１９が所望の含水量以下となるまで乾燥される。乾燥によりインジケータ１９は収縮し、体積がインジケータ空間１６の例えば５０％以下になる。

なお、シリコンウエハに複数のＰＤ素子１２を形成し、それぞれのＰＤ素子１２に、フィルタ１３、センサ枠１７、発光素子１４、透明中間層１５、インジケータ１９、および遮光層２８を配設し、乾燥処理後に、切断し個片化することにより、複数の蛍光センサ２０を一括して製造してもよい。

本実施形態の蛍光センサの製造方法によれば、正確なアナライト濃度の測定が可能な蛍光センサ２０を製造できる。

＜第２実施形態、第３実施形態＞
次に、第２実施形態の蛍光センサ２０Ａおよび第３実施形態の蛍光センサ２０Ｂについて説明する。蛍光センサ２０Ａ、２０Ｂは、蛍光センサ２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。蛍光センサ２０Ａ、２０Ｂは、遮光層が、蛍光センサ２０の遮光層２８と異なる。

図９に示すように、蛍光センサ２０Ａの遮光層３８は、アナライトを含む水溶液である体液および気体が通過可能な空間３８Ｃを介して、貫通孔２３のある２つの遮光層３８Ａ、３８Ｂが、積層された構造である。

そして、遮光層３８Ａと遮光層３８Ｂとは、それぞれの貫通孔が互い違いに配置されるように積層されている。貫通孔が互い違いの積層構造の遮光層３８は、外光、励起光および蛍光を効率的に遮るとともに、アナライトを含む体液および気体が通過可能である。なお、遮光層３８は、２層の遮光層３８Ａ、３８Ｂを積層しているが、３層以上の遮光層を積層してもよい。また空間３８Ｃに替えて、アナライトを含む水溶液である体液および気体が通過可能な、例えば多孔質を用いてもよい。

遮光層３８の貫通孔の大きさは、遮光層２８と異なり励起光の波長を超えてもよい。大きな開口の貫通孔のある遮光層であっても、貫通孔が互い違いの積層構造であれば、良好な遮光性を有するからである。特に、空間３８Ｃの厚さを励起光の波長より小さく、かつアナライトの大きさより大きい積層遮光層は、アナライトが通過可能で、かつ、非常に良好な遮光性を有する。

次に、図１０に示すように、蛍光センサ２０Ｂの遮光層４８は、アナライトを含む水溶液である体液および気体が通過可能な多孔質からなる。

遮光層４８は、例えば、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリスチレン、もしくはシリコーンゴム等からなるカーボンブラック等を含んで黒色とした疎水性多孔質、または、カーボンファイバーで作製した織物等からなる遮光性のある疎水性多孔質等からなる。なお、多孔質とは構造中に外部と接続された空隙およびと気孔をもつ材料を意味する。空隙／気孔の、大きさ、分布および形状は、体液および気体が通過可能であれば、規則性を有している必要はなく、選択可能である。

なお、多孔質とは構造中に外部と接続された空隙およびと気孔をもつ材料を意味する。空隙／気孔の、大きさ、分布および形状は、アナライトを含む体液および気体が通過可能であれば、規則性を有している必要はなく、適宜選択可能である。

遮光層４８の開気孔率は５〜７５体積％が好ましく、特に好ましくは２０〜５０体積％である。前記範囲以上であれば、体液および気体が通過しやすく、前記範囲以下であれば所望の機械的強度が得られる。なお、開気孔率は、アルキメデス法により測定した値である。

蛍光センサ２０Ａおよび２０Ｂは、蛍光センサ２０と同様の効果を有し、かつ遮光層の作製が容易である。

＜第４実施形態＞
次に、第４実施形態の蛍光センサ２０Ｃについて説明する。蛍光センサ２０Ｃは蛍光センサ２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

蛍光センサ２０Ｃでは、センサ枠１７Ｙが、気体が通過可能である。センサ枠１７Ｙは、疎水性および遮光性を有する材料、例えばカーボン多孔質等、からなることが、特に好ましい。

図１１に示すように、蛍光センサ２０Ｃでは、親水性の遮光層２８を介してインジケータ空間１６に体液が進入し、インジケータ１９が膨張すると、センサ枠１７Ｙからインジケータ空間１６の気体が排出される。

すなわち、蛍光センサ２０Ｃでは、生体内に挿入され、遮光層２８が体液と接触すると、アナライト２を含む体液は、遮光層２８を通ってインジケータ空間１６のインジケータ１９（ハイドロゲル）に吸収される。一方、疎水性のセンサ枠１７Ｙは体液と接触しても体液が進入することはなく、気体の排出経路として確保されている。

蛍光センサ２０Ｃは、蛍光センサ２０が有する効果を有し、さらにアナライトを含む体液をインジケータ空間１６へ効率的に取り込むことができるとともに、インジケータ空間１６の気体を外部に効率的に排出できる。

＜第５実施形態＞
次に、第５実施形態の蛍光センサ２０Ｄについて説明する。蛍光センサ２０Ｄは蛍光センサ２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図１２に示すように、蛍光センサ２０Ｄの遮光層２８は、体液がインジケータ空間に進入可能な親水性部２８Ａと、インジケータ空間１６の気体を排出可能な疎水性部２８Ｂと、からなる。疎水性部２８Ｂは、ＰＤ素子１２の周辺部の上、すなわち遮光層２８のエッジ部、にある。

疎水性部２８Ｂの作製では、例えば、シリコン基板にアナライトが通過可能な貫通孔を形成した後、全面にシランカップリング剤を塗布して疎水性とする。続いて、親水性部２８Ａにする領域に、真空紫外光照射を行うと、シランカップリング剤が分解するため親水性となる。

蛍光センサ２０Ｄでは、生体内に挿入され、遮光層２８が体液と接触すると、アナライト２を含む体液は、疎水性部２８Ｂを通ってインジケータ空間１６のインジケータ１９（ハイドロゲル）に吸収される。一方、疎水性部２８Ｂは体液と接触しても体液が進入することはなく、気体の排出経路として確保されている。

蛍光センサ２０Ｄは、蛍光センサ２０が有する効果を有し、さらにアナライトを含む体液をインジケータ空間１６へ効率的に取り込むことができるとともに、インジケータ空間１６の気体を外部に効率的に排出できる。

＜第６実施形態＞
次に、第６実施形態の蛍光センサ２０Ｅについて説明する。蛍光センサ２０Ｅは蛍光センサ２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し、説明は省略する。

図１３に示すように、蛍光センサ２０Ｅでは、インジケータ１９は、インジケータ空間１６の上面を構成する遮光層２８の一部（結合領域２８Ｃ）およびインジケータ空間１６の側面を構成するセンサ枠１７の一部（結合領域１７Ｃ）と固定されている。このため、インジケータ空間１６における乾燥したインジケータ１９の位置は常に同じである。

アナライトを含む体液が遮光層２８を介してインジケータ空間１６に進入すると、吸水したインジケータ１９は、常に図１４に示すように膨張していく。すなわち、乾燥状態で遮光層２８の結合領域２８Ｃおよびセンサ枠１７の結合領域１７Ｃと固定されているインジケータ１９は、常に同じように膨潤する。このため、インジケータ空間１６にあった気体はインジケータ空間１６から効率的に外部に放出され、少なくともインジケータ空間１６の中央部に残ることがない。このため、インジケータ空間１６の中央部の下にあるＰＤ素子１２は、蛍光強度すなわちアナライト濃度を精度良くかつ高感度に検出可能である。

遮光層２８およびセンサ枠１７と、インジケータ１９との接合には、接着剤を用いてもよいし、信頼性および製造工程の簡略化の観点から、共有結合を介した接合を用いてもよい。なお、遮光層２８とインジケータ１９との接合においては、遮光層２８の貫通孔等に重合前のハイドロゲル（インジケータ１９）が入り込むことにより、物理的アンカー効果により高い接合強度を得ることができる。また貫通孔内にインジケータ１９の一部が入り込んでいると、貫通孔から進入した体液がインジケータ１９に吸収されやすい。すなわち、蛍光センサを体内に挿入してから安定した測定が可能となるまでの時間を短縮できる。

蛍光センサ２０Ｅは、蛍光センサ２０が有する効果を有し、より正確なアナライト濃度の測定が可能である。

＜第７実施形態＞
次に、第７実施形態の蛍光センサ２０Ｆについて説明する。蛍光センサ２０Ｆは、蛍光センサ２０と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１５に示すように、蛍光センサ２０Ｆは、インジケータ空間１６に、気体収容部２２を有する。気体収容部２２は、光の散乱等の影響を生じにくいインジケータ空間１６のエッジ部に配設されており、インジケータ１９の膨張により押し出された気体を収容する。

気体収容部２２は、例えば、シリカもしくはシリコンからなる多孔質、または活性炭等をシランカップリング剤により疎水性にしたブロックである。

蛍光センサ２０Ｆでは気体が、インジケータ空間１６のエッジ部の気体収容部２２に収容されるために、インジケータ空間１６の中央部、すなわちＰＤ素子１２の上に気体が残留することがない。またインジケータ１９が発生した蛍光は気体収容部２２の壁面に反射されてＰＤ素子１２に入射する。すなわち、気体収容部２２の表面が、蛍光を反射するように貫通孔のある金属膜等で覆われていると、より多くの蛍光がＰＤ素子１２に入射するため、蛍光センサの検出感度が高い。

＜第８実施形態＞
次に、第８実施形態の蛍光センサ２０Ｇについて説明する。蛍光センサ２０Ｇは、蛍光センサ２０Ｄおよび２０Ｅと類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１６に示すように、蛍光センサ２０Ｇの遮光層２８は、親水性部２８Ａと疎水性部２８Ｂと、からなる。そして、インジケータ１９は、親水性部２８Ａの結合領域２８Ｃと、センサ枠１７の結合領域１７Ｃと、に固定されている。

蛍光センサ２０Ｇでは、生体内に挿入され、遮光層２８が体液と接触すると、アナライト２を含む体液は、親水性部２８Ａを通ってインジケータ空間１６のインジケータ１９（ハイドロゲル）に吸収される。吸水すると、インジケータ１９は結合領域２８Ｃと結合領域１７Ｃと、に固定されているために、常に同じように膨張する。

一方、疎水性部２８Ｂは体液と接触しても体液が進入することはなく、気体の排出経路として確保されている。

蛍光センサ２０Ｇは、蛍光センサ２０Ｄおよび２０Ｅが、それぞれ有する効果を合わせて有する。

＜第９実施形態＞
次に、第９実施形態の蛍光センサ２０Ｈについて説明する。蛍光センサ２０Ｈは、蛍光センサ２０等と類似しているので、同じ構成要素には同じ符号を付し説明は省略する。

図１７に示すように、蛍光センサ２０Ｈでは、シリコン等の半導体からなる基板１１Ｈに形成された凹部の４側面にＰＤ素子１２Ｈが形成され、凹部の底面に発光素子１４が配設されている。なお、凹部の開口面は底面よりも広く、側面は、底面に対して垂直ではなく所定の角度θで傾斜している。なお、凹部となる額縁形状のセンサ枠基板と平面基板とを接合することにより、凹部を有する基板１１Ｈが作製されていてもよい。

また、ＰＤ素子１２Ｈおよびフィルタ１３Ｈを覆う透明中間層１５Ｈからなる凹部の中央部に乾燥したインジケータ１９が配設されている。そして、中央部に疎水性部２８Ｂを、周辺部に親水性部２８Ａを有する遮光層２８が、インジケータ空間１６Ｈの上面を形成している。さらに、インジケータ空間１６Ｈの中央部の上面には、疎水性部２８Ｂに接して気体収容部２２Ｈが配設されている。

図１７に示すように、乾燥したインジケータ１９は、透明中間層１５Ｈからなる凹部の底面および４側面からなる結合領域１５Ｃにおいて共有結合により固定されている。乾燥したインジケータ１９は、さらに遮光層２８の中央部以外の結合領域２８Ｃとも共有結合により固定されている。すなわち、乾燥したインジケータは中央部が凹部となっており、その凹部の内部に気体収容部２２Ｈが配設されている。なお、気体収容部２２Ｈの外面は貫通孔のある金属からなる反射層により覆われている。

蛍光センサ２０Ｈは体内に挿入されると、アナライトを含む体液が親水性部２８Ａを介してインジケータ１９に吸収される。膨張したインジケータ１９によりインジケータ空間１６Ｈの気体は中央部上部の気体収容部２２Ｈに収容されるとともに、気体収容部２２Ｈを介して疎水性部２８Ｂから外部に排出される。

また、気体収容部２２Ｈ側に放射された蛍光は、表面の反射層により反射され、ＰＤ素子１２Ｈに入射する。

次に、蛍光センサ２０Ｈの製造方法について簡単に説明する。なお、１個の蛍光センサ２０Ｈ毎に製造してもよいが、ウエハプロセスとして一括して多数のセンサを製造することが好ましい。

すなわち、最初に、複数の素子が作製可能な面積を有するシリコンウエハの第１の主面に複数のマスク部を有するマスク層が作製される。そして、エッチング法により、第１の主面と平行な底面のある複数の凹部が形成される。

エッチング法としては、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）水溶液、水酸化カリウム（ＫＯＨ）水溶液などを用いるウエットエッチング法が望ましいが、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）、ケミカルドライエッチング（ＣＤＥ）などのドライエッチング法も用いることができる

例えば、シリコンウエハとしてシリコン（１００）面を用いた場合には、（１１１）面のエッチング速度が（１００）面に比べて遅い異方性エッチングとなるため、凹部の側面は（１１１）面となり、（１００）面（底面）との角度は、５４．７度となる。

次に、それぞれの凹部の４側面にＰＤ素子１２Ｈが公知の半導体プロセスにより形成される。側面が傾斜している凹部は、側面が垂直な凹部に比べてＰＤ素子１２を形成できる面積が広いだけでなく、側面へのＰＤ素子１２Ｈの形成が容易であり、さらにインジケータ空間１６Ｈに気体が残留しにくい。なお側面の傾斜角度が３０〜７０度であれば、上記効果が顕著である。

次に、側面のＰＤ素子１２Ｈ上にフィルタ１３Ｈが配設される。次に、複数の凹部の底面に、それぞれ発光素子１４が配設される。さらに透明中間層１５Ｈおよび共有結合形成用モノマー層を形成後に、凹部内にインジケータ１９となる緩衝溶液が充填される。さらに、凹部の開口を塞ぐように、気体収容部２２Ｈが接合された中央部が疎水性かつ共有結合形成用モノマー層を有しない遮光層２８が接合される。そして複数のセンサが形成されたシリコンウエハが個片化され蛍光センサ２０Ｈが完成する。なお乾燥処理はウエハ状態で行ってもよいし個片化してから行ってもよい。

蛍光センサ２０Ｈは蛍光センサ２０等と同様の効果を有し、さらに基板１１Ｈが枠部を兼ねており、かつＰＤ素子形成面である凹部の側面が傾斜しているため製造が容易である。

なお、複数の上記実施形態において説明した蛍光センサ全体の形状は直角柱形状であったが、台形形状、側面が湾曲した形状、またはセンサ側面の一方向を延設した針型の蛍光センサ等であってもよい。

また、グルコース等の糖類を検出するセンサを例に説明したが、蛍光センサは、蛍光色素の選択によって、酵素センサ、ｐＨセンサ、免疫センサ、または微生物センサ等の多様な用途に対応することができる。

すなわち、本発明は、上述した実施形態および変形例に限定されるものではなく、本発明の要旨を変えない範囲において、種々の変更、改変等ができる。

２…アナライト、１１…基板、１２…ＰＤ素子、１３…フィルタ、１４…発光素子、１５…透明中間層、１６…インジケータ空間、１７…センサ枠、１９…インジケータ、２０、２０Ａ〜２０Ｈ…蛍光センサ、２２…気体収容部、２３…貫通孔、２８…遮光層、２８Ａ…親水性部、２８Ｂ…疎水性部、３８…遮光層、４８…遮光層、１１０…蛍光センサ、１１１…透明基板、１１２…光電変換素子、１１５…透明中間層、１１８…遮光層、１１９…インジケータ

Claims (11)

1. 蛍光を電気信号に変換する光電変換素子と、
   アナライトおよび励起光により前記蛍光を発生するハイドロゲルからなるインジケータが乾燥状態で収容されたインジケータ空間の側面を構成するセンサ枠と、
   前記光電変換素子を覆うように配設された、前記蛍光を透過し前記励起光を遮るフィルタと、
   前記センサ枠内に配設された、前記励起光を発生する発光素子と、
   前記センサ枠内に配設された、前記インジケータ空間の下面を構成する、前記発光素子の上に配設された透明中間層と、
   前記インジケータ空間の上面を構成するとともに、外光および前記励起光を遮り、かつ、前記アナライトを含む体液および気体が通過可能な遮光層と、を具備することを特徴とする蛍光センサ。
2. 前記遮光層に前記励起光の波長以下の外寸の貫通孔があることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
3. 前記遮光層が、貫通孔のある複数の層が、前記体液および前記気体が通過可能な中間層または空間を介して、積層された構造であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の蛍光センサ。
4. 前記遮光層が、多孔質からなることを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサ。
5. 前記センサ枠が、気体が通過可能であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
6. 前記センサ枠が、多孔質からなることを特徴とする請求項５に記載の蛍光センサ。
7. 前記遮光層が、前記体液が前記インジケータ空間に進入可能な親水性部と、前記インジケータ空間の気体を排出可能な疎水性部と、からなることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
8. 前記インジケータが、前記インジケータ空間を構成する面の少なくともいずれかの一部と固定されることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の蛍光センサ
9. 前記インジケータ空間に、気体を収容する気体収容部を有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
10. 前記インジケータが前記体液を吸収し膨潤すると、前記インジケータ空間の気体が、外部に排出されることを特徴とする請求項１から請求項９のいずれか１項に記載の蛍光センサ。
11. 生体内に留置され、含水した前記インジケータが発生する前記蛍光の強度をもとに、前記体液のアナライト濃度を継続して測定することを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の蛍光センサ。

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