JP3159763U

JP3159763U - 表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー

Info

Publication number: JP3159763U
Application number: JP2010001591U
Authority: JP
Inventors: チアツァオユ; ウェンヤンイ; カイタイジョウ; フツァイウー
Original assignee: フォワードエレクトロニクスカンパニーリミテッド
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2010-06-03
Anticipated expiration: 2018-07-15
Also published as: US20090103851A1; JP2009103685A; TW200918880A

Abstract

【課題】検出時間を短縮し、検出前のＤＵＴのプレラベリングが不要であり、必要なサンプルが極少量であり、ＤＵＴおよび対応するリガンドとの間の相互作用のオンライン検出が可能であり、検出感度が高い表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーを提供する。【解決手段】複数の光ファイバーセンシングユニットはそれぞれ、クラッド層、コア層、および溝を含み、複数の光ファイバーセンシングユニットはカスケードフォームマトリクス内に配置される。各光ファイバーセンシングユニットにおいて、クラッド層はコア層の周囲に位置し、溝の最大深さはクラッド層の厚さより大きい。また、ＳＰＲセンシング装置も開示され、これは、光源、光信号検出器、複数のファイバー、および複数の光ファイバーセンシングユニットを含む。さらに、光ファイバーセンシングユニット、光源、および光信号検出器は、複数のファイバーによって互いに連結する。【選択図】図３

Description

本考案は、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーに関し、より詳しくは、カスケードフォームマトリクス内に配置された複数の光ファイバーセンシングユニットを有する表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、操作が容易で、容易に持ち運びができ、解像度および分析感度がより高く、かつ、表面プラズモン共鳴センシング装置に適用可能な、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーに関する。

現在、医学的検出分野または環境検出分野では、被験生体分子の種類および濃度を迅速かつ正確に検出することが重要である。例えば、有害物質が漏出する場所では、緊急事態管理チームは、漏出状態を解決し、処理過程に対するリスクを最小限にする適切な処置を決定するため、有害物質の種類およびその濃度を迅速かつ正確に現場で同定することが極めて重要である。従って、分析装置の精度および感度を改善し、検出工程を簡素化し、分析装置の可搬性を改良することは重要である。

図１は、慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置の概要図である。慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は、入射光源１１、入射光処理装置１２、プリズム１３、金属層１４、光検出器１５、ＤＵＴ支援ユニット１６および分光器１７を含み、光源１１はレーザーダイオードであり、入射光処理装置１２はさらにビームプロフィル拡大器１２１、偏光子１２２、スプリッタ１２３、および集束レンズ１２４を含む。従って、入射光処理装置１２を通過した後、光源１１から予め放出された光は、特定の周波数、特定のモードおよび偏光等の、検出のためのいくつかの固有の特性を有するであろう。さらに、金属層１４は、スパッタリングまたは蒸着法で金粒子または銀粒子を付着することによって、プリズム１３の背面に形成される。慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置を操作する場合、光源１１より放出される光は、先ず光処理装置１２を通過し、次に光はプリズム１３の第一の側面１３１に到達する。その後、光は金属層１４によって反射され、第二の側面１３２を通ってプリズム１３を出る。次に、光は、光検出器１５に到達し、対応する電圧信号に転換され、分光器１７に向かい、スペクトル分布の変動を分析する。しかし、慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は非常に大きく、通常の操作には、その全ての要素間の相対的位置関係が、全分析工程の間、同一であるように慎重に維持されなければならないので、慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は、振動には殆ど耐えられず、衝撃によって簡単に壊れる。従って、慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は、緊急事態管理チームが携行するには好適ではない。

図２は、表面プラズモン共鳴センシング装置に適用される慣用の表面プラズモン共鳴センサーを示す概要図である。慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は、光源２２、その中にファイバー・バイオ検出ユニット（示さず）を有するサンプルタンク２３、光検出器２４、複数のファイバー２２１、２２２、および光検出器２４に連結するコンピュータディスプレイユニット（示さず）を含み、ファイバー２２１、２２２は、光源２２、ファイバー・バイオ検出ユニット（示さず）、および光検出器２４にそれぞれ連結する。光検出器２４は、ファイバー・バイオ検出ユニット（示さず）を通過する光信号を受け取り、対応する電圧信号をコンピュータディスプレイユニット（示さず）に送る。次に、コンピュータディスプレイユニット（示さず）は、そのディスプレイ装置に結果を表示する。図２に示す慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置は、容易に持ち運びができ、操作が容易で、かつそのバイオ検出ユニット（示さず）は容易に交換可能である。その結果、緊急事態管理チームは、それを携行し、現地で操作することができる。さらにもう一つの課題は、この慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置によって実施される検出の感度および分解能をさらに改良することである。

従って、持ち運びでき、操作が容易で、容易に交換可能なバイオ検出ユニットを有する、表面プラズモン共鳴センシング装置が必要とされている。さらに、より高い検出精度を有する表面プラズモン共鳴センシング装置もまた必要とされている。

本考案の目的は、検出操作の間に発生するノイズを少なくし、検出精度を改善し、以下の利点：検出時間の短縮、検出前のＤＵＴのプレラベリングが不要であること、必要なサンプルが極少量であること、ＤＵＴおよび対応するリガンドとの間の相互作用のオンライン検出が可能であること、および検出感度が高いこと：を有することが可能な、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーを提供することである。

本考案の別の目的は、容易に持ち運びでき、操作が容易で、容易に交換可能なバイオ検出ユニットを有し、検出ノイズがより低く、検出精度がより高い、表面プラズモン共鳴センシング装置を提供することである。

上記の目的を達成するため、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーは：光ファイバー部材；および、複数の光ファイバーセンシングユニットであって、各光ファイバーセンシングユニットがクラッド層、コア層、および溝を有するものを含み；複数の光ファイバーセンシングユニットはカスケードフォームマトリクス内に配置され、クラッド層はコア層の周囲に位置し、溝の最大深さはクラッド層の厚さより大きく、かつ、光ファイバー部材は光ファイバーセンシングユニットに連結する。

本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの光ファイバー部材は、シングルモードファイバーでもマルチモードファイバーでもよいが、好ましくは、マルチモードファイバーである。

本考案の一つの態様によれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの光ファイバー部材は、光ファイバーセンシングユニットに、カスケードフォームマトリクスの末端で、溶接工程によって連結してもよく、または、光ファイバー部材および光ファイバーセンシングユニットが全体として一体化されてもよい。

本考案の別の態様によれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの、各光ファイバーセンシングユニットの溝は、あらゆる種類の工程で形成され得るが、好ましくは、光ファイバー部材に対する側面研磨工程またはエッチング工程を適用することによって形成される。さらに、各光ファイバーセンシングユニットの溝の表面は、好ましくは研磨面である。研磨面の長さは制限されないが、好ましくは、０．２ｍｍ〜０．７ｍｍの長さである。本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの複数の光ファイバーセンシングユニットは、カスケードフォームマトリクス内に配置され、各光ファイバーセンシングユニットの溝の最大深さは、互いに同一であっても異なっていてもよく、好ましくは２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の最大深さは同一である。

本考案のさらに別の態様によれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの、複数の光ファイバーセンシングユニットの最大深さを有する溝の表面は、互いに平行であっても、平行でなくともよいが、好ましくは、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの最大深さを有する溝の表面は互いに平行である。

本考案のさらに別の態様によれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の間の距離は制限されないが、好ましくは、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の間の距離は同一である。

本考案のさらに別の態様によれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの複数の光ファイバーセンシングユニットのそれぞれの溝の表面は、あらゆる種類の金属層でコートされてもよいが、好ましくは、金属層は金または銀製である。さらに、金属層の厚さは制限されないが、好ましくは、１０ｎｍ〜６０ｎｍの厚さである。さらには、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の表面上にコートされる金属層の厚さは、互いに同一であっても異なっていてもよいが、好ましくは、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の表面上にコートされる金属層の厚さは、互いに同一である。

一方、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの複数の光ファイバーセンシングユニットのそれぞれの溝の表面に、生体分子層が形成されてもよい。さらに、生体分子層は、複数の光ファイバーセンシングユニットのそれぞれの溝の表面に位置する金属層の表面に形成されてもよい。

本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置は：光源；光信号検出器；複数のファイバー；複数の光ファイバーセンシングユニットであって、各光ファイバーセンシングユニットがクラッド層、コア層、および溝を有するものを含み；複数の光ファイバーセンシングユニットはカスケードフォームマトリクス内に配置され、クラッド層はコア層の周囲に位置し、溝の最大深さはクラッド層の厚さより大きく、かつ、複数の光ファイバーセンシングユニットは複数のファイバーによって光源および光信号検出器にそれぞれ連結する。本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置の光源は、あらゆる種類の光源であってもよいが、好ましくはレーザーダイオードである。

本考案の一つの態様によれば、表面プラズモン共鳴センシング装置の複数の光ファイバーセンシングユニットのそれぞれの溝は、あらゆる種類の金属層でコートされてもよいが、好ましくは、金属層は金または銀製である。さらに、本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置の複数の光ファイバーセンシングユニットのそれぞれの溝の表面に、生体分子層もまた形成されてもよい。

本考案の他の目的、利点、および新規な特徴は、添付の図面と併せて、以下の詳細な説明からより明らかになるであろう。

実施態様１
図３は、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの、一つの好ましい実施態様の概要図である。表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー３は、光ファイバー部材３１、第一のセンシングユニット３２１、および第二のセンシングユニット３２２を含み、光ファイバー部材３１は、マルチモードファイバーであり、第一のセンシングユニット３２１および第二のセンシングユニット３２２はカスケードフォームマトリクス内に配置される。さらに、上記の表面プラズモン共鳴センサー３の光ファイバー部材および光ファイバーセンシングユニットは、全体として一体化される。この実施態様において、第一のセンシングユニット３２１および第二のセンシングユニット３２２は、光ファイバー部材３１の研磨工程を実施することによって形成される。このように、第一の溝３３１および第二の溝３３２が形成され、カスケードフォームマトリクス内に配置されるが、これら２つの溝のそれぞれの研磨長は約０．５ｍｍである。さらに、これらの２つの溝の最大深さは、光ファイバー部材３１のコア層３１２を露出するため、光ファイバー部材３１のクラッド層３１１の厚さより大きい。

光ファイバー部材の光ファイバーセンシングユニット上に形成される溝の数は制限されないことに注目すべきである。この実施態様において、第一の溝３３１および第二の溝３３２は、カスケードフォームマトリクス内に配置される。即ち、他の実施態様では、光ファイバーセンシングユニットの数は、検出されるサンプルまたは検出が実施される環境によって、変更してもよい。さらに、表面プラズモン共鳴シグナルの強度および光ファイバーセンシングユニット上へのサンプルの結合の安定性を向上させるため、スパッタリングまたは他の析出法によって、第一の溝３３１および第二の溝３３２の表面上に、金属層３４を形成してもよい。この実施態様において、金属層３４は金製であり、その厚さは約４０ｎｍである。さらに、最大深さを有する第一の溝３３１の表面は、最大深さを有する第二の溝３３２の表面と並行であり、これら２つの溝の最大深さは同一である。しかし、他の実施態様においては、検出されるサンプルまたは検出が実施される環境によって、これらの溝の表面は互いに並行でなくともよく、これらの溝の最大深さは互いに異なっていてもよい。

実施態様２
図４は、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの、別の好ましい実施態様の概要図である。表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー４は、第一の光ファイバー部材４１、第二の光ファイバー部材４２、第一のセンシングユニット４２１、および第二のセンシングユニット４２２を含み、第一の光ファイバー部材４１および第二の光ファイバー部材４２は両者ともマルチモードファイバーであり、第一のセンシングユニット４２１および第二のセンシングユニット４２２は、それぞれ、第一の光ファイバー部材４１および第二の光ファイバー部材４２上に形成される。さらに、第一のセンシングユニット４２１および第二のセンシングユニット４２２はカスケードフォームマトリクス内に配置される。先の実施態様と異なり、上記のセンシングユニットおよび光ファイバー部材は、溶接工程で連結される。この実施態様では、第一のセンシングユニット４２１および第二のセンシングユニット４２２は、それぞれ、第一の光ファイバー部材４１および第二の光ファイバー部材４２の研磨工程を実施することによって形成され、第一のセンシングユニット４２１および第二のセンシングユニット４２２は、それぞれ、第一の溝４３１および第二の溝４３２を有する。溶接工程の実施後、第一の溝４３１および第二の溝４３２は、カスケードフォームマトリクス内に配置されるが、これら２つの溝の研磨長は約０．５ｍｍである。さらに、これらの２つの溝の最大深さは、第一の光ファイバー部材４１および第二の光ファイバー部材４２の両者のコア層４１２を露出するため、第一の光ファイバー部材４１および第二の光ファイバー部材４２の両者のクラッド層４１１の厚さより大きい。

光ファイバー部材の光ファイバーセンシングユニット上に形成される溝の数は制限されないことに注目すべきである。この実施態様において、第一の溝４３１および第二の溝４３２は、カスケードフォームマトリクス内に配置される。即ち、他の実施態様では、光ファイバーセンシングユニットの数は、検出されるサンプルまたは検出が実施される環境によって、変更してもよい。さらに、表面プラズモン共鳴シグナルの強度および光ファイバーセンシングユニット上へのサンプルの結合の安定性を向上させるため、スパッタリングまたは他の析出法によって、第一の溝４３１および第二の溝４３２の表面上に、金属層４４を形成してもよい。この実施態様において、金属層４４は金製であり、その厚さは約４０ｎｍである。さらに、最大深さを有する第一の溝４３１の表面は、最大深さを有する第二の溝４３２の表面と並行であり、これら２つの溝の最大深さは同一である。しかし、他の実施態様においては、検出されるサンプルまたは検出が実施される環境によって、これらの溝の表面は互いに並行でなくともよく、これらの溝の最大深さは互いに異なっていてもよい。

実施態様３
この実施態様において、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーは、表面プラズモン共鳴センシング装置に適用されるが、表面プラズモン共鳴センシング装置は、先行技術の適用において用いられているものであってもよい。本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置は、本考案の図２に沿って、以下に説明される。

本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置は、光源としてレーザーダイオード２２を含み、レーザーダイオード２２より放出される光は誘導され、マルチモードファイバー２２１を通ってサンプルタンク２３に入射するが、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー（示さず）は、サンプルタンク２３の中に設置される。光信号検出器２４は、もう一つのマルチモードファイバー２２２を通って光ファイバーセンシングユニット（示さず）に連結する。光信号検出器２４は、受け取った光を対応する電圧信号に転換し、分析および計算のため、電圧信号をコンピュータコントロールユニット（示さず）に送信する。

図５は、本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置の検出結果を示す概要図であるが、被験サンプルはアルコール滴であり、検出結果は、信号強度のピーク値の変動に照らして表示し得る。図に示される通り、ピーク値（キャリブレーション値）が約１．０である曲線は、元の光源の結果を示し、ピーク値（キャリブレーション値）が約０．７５である曲線は、光ファイバーセンシングユニットを１つだけ備える慣用の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの結果を示し、ピーク値（キャリブレーション値）が約０．６である曲線は、カスケードフォームマトリクス内に配置された２つの光ファイバーセンシングユニットを備える、本考案の第一または第二の実施態様の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの結果を示す。

従って、図５に示される通り、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの光ファイバーセンシングユニットがカスケードフォームマトリクス内に配置されるので、検出信号、即ち、表面プラズモン共鳴信号のノイズ部分は、検出信号のキャリブレーション処理が実施された後、有効に低減され得る。結果として、検出信号の解析の分解能も増大し得る。

要約すれば、表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング法は、以下の利点を有し得、検出前のＤＵＴのプレラベリングが不要であり、必要なサンプルが極少量であり、ＤＵＴと対応するリガンドの間の相互作用のオンライン検出が可能であり、検出感度が高い。従って、表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング法は、化学的ガスまたは廃棄物を含む溶液の検出、汚染物質のモニタリング、免疫薬、および疾病の濾過等の、種々の分野に適用され得る。クレッチマン−ラザー(Kretschmann-Raether)法は、慣用の表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング法の一例であるが、この方法は、プリズム、金属物質の薄層およびＤＵＴを有する誘電体層を含む。しかし、クレッチマン−ラザー法では感度および分解能は効果的に増大し得ない。対照的に、カスケードフォームマトリクス内に複数の光ファイバーセンシングユニットを有することによって、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーは、慣用の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーよりも感度が高い、オンラインで迅速な検出が可能である、検出信号のノイズがより少ないなどの、上述の利点も有し得る。従って、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーを適用する検出工程のコストおよび時間は、それぞれ、低減および短縮され得る。さらに、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング法もまた単純化される。
本考案は、好ましい実施態様に関して説明したが、実用新案登録請求の範囲の通りの本考案の範囲から逸脱することなく、多数の他の可能な改良および変更がなされ得ることが理解されるべきである。

図１は、慣用の表面プラズモン共鳴センシング装置の概要図である。図２は、表面プラズモン共鳴センシング装置に適用される、慣用の表面プラズモン共鳴センサーの概要図である。図３は、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの一つの好ましい実施態様の概要図である。図４は、本考案の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーの別の好ましい実施態様の概要図である。図５は、本考案の表面プラズモン共鳴センシング装置の検出結果を示す概要図である。

Claims

光ファイバー部材；および
複数の光ファイバーセンシングユニットであって、各光ファイバーセンシングユニットがクラッド層、コア層、および溝を有するもの、
を含む表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、
複数の光ファイバーセンシングユニットがカスケードフォームマトリクス内に配置され、クラッド層がコア層の周囲に位置し、溝の最大深さがクラッド層の厚さより大きく、かつ、光ファイバー部材が光ファイバーセンシングユニットに連結する、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、光ファイバー部材が光ファイバーセンシングユニットに、カスケードフォームマトリクスの末端で、溶接工程によって連結する、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項２に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、光ファイバー部材が光ファイバーセンシングユニットに、カスケードフォームマトリクスの末端で連結し、かつ、光ファイバー部材および光ファイバーセンシングユニットが全体として一体化される、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、各光ファイバーセンシングユニットの溝の表面が研磨面である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、各光ファイバーセンシングユニットの溝が、側面研磨工程またはエッチング工程によって形成される、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項４に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、研磨面の長さが０．２ｍｍ〜０．７ｍｍである、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、光ファイバー部材がマルチモードファイバーである、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、溝の表面が金属層でコートされる、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項８に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、金属層の厚さが１０ｎｍ〜６０ｎｍである、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項８または９に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、金属層が金または銀製である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜７のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、生体分子層が溝の表面に形成される、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項８〜１０のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、生体分子層が金属層の表面に形成される、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の最大深さが同一である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの最大深さを有する溝の表面が、互いに平行である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の間の距離が同一である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
請求項８〜１０および１２のいずれか１項に記載の表面プラズモン共鳴ファイバーセンサーであって、２つの隣接する光ファイバーセンシングユニットの溝の、金属層の厚さが同一である、表面プラズモン共鳴ファイバーセンサー。
光源；
光信号検出器；
複数のファイバー；
複数の光ファイバーセンシングユニットであって、各光ファイバーセンシングユニットがクラッド層、コア層、および溝を有するもの
を含む表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング装置であって、
複数の光ファイバーセンシングユニットがカスケードフォームマトリクス内に配置され、クラッド層がコア層の周囲に位置し、溝の最大深さがクラッド層の厚さより大きく、かつ、複数の光ファイバーセンシングユニットが複数のファイバーによって光源および光信号検出器にそれぞれ連結する、表面プラズモン共鳴ファイバーセンシング装置。
請求項１７に記載の装置であって、溝の表面が金属層でコートされる、装置。
請求項１８に記載の装置であって、金属層が金または銀製である、装置。
請求項１７に記載の装置であって、生体分子層が溝の表面に形成される、装置。
請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の装置であって、光源がレーザーダイオードである、装置。