WO2007102277A1 - Optical waveguide mode sensor - Google Patents
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- G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
- G01N21/17—Systems in which incident light is modified in accordance with the properties of the material investigated
- G01N21/55—Specular reflectivity
- G01N21/552—Attenuated total reflection
- G01N21/553—Attenuated total reflection and using surface plasmons
Definitions
- a technique using surface plasmon resonance (SPR) is known as a biosensor for detecting DNA, protein, sugar chain, and the like, and as a chemical substance sensor for detecting metal ions, organic molecules, and the like.
- This technology also has a structural force by depositing noble metals (gold, silver, etc.) on glass, and bringing the surface of the glass opposite to the metal-deposited surface into close contact with the optical prism via refractive index adjusting oil. Laser light or white light is irradiated onto the glass through the prism, and the intensity of the reflected light is detected.
- Non-Patent Document 1 Journal of Physical Chemistry B Vol. 108, pp. 10812-10181, 2004 Disclosure of Invention
- the present invention aims to solve the above-mentioned problems, and is applicable to a technique using conventional surface plasmon resonance and various environments that are more stable and more reliable than a conventional optical waveguide mode sensor.
- the purpose is to provide a possible optical waveguide mode sensor!
- the dielectric material or semiconductor material forming the optical waveguide is formed mainly of silicon oxide, metal oxide, metal nitride, semiconductor material oxide, semiconductor material nitride, or polymer compound.
- FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in an optical waveguide mode sensor using tungsten as a reflective film in an example of the present invention.
- This corresponds to a dip in reflected light intensity at incident angles of m l, 2, and 3.
- This reflected light intensity dip does not occur when the dielectric waveguide or semiconductor layer shown in Fig. 1 is not present, or when these layers are thin.
- the minimum thickness of the dielectric layer or semiconductor layer in which the optical waveguide mode occurs depends on the polarization state of the light used, but in general the refractive index of these layers is If the wavelength of light that can be thin as long as it is high is short, it may be thin. On the other hand, when the refractive index of these layers is low or when the wavelength of light used is long, thick layers are required.
- the thickness of the dielectric layer must be at least about lOOnm, and if p-polarized light is about 200 nm or more Thickness is required.
- a slab type optical waveguide in which light propagates through a plate-like material sandwiched between substances having a low refractive index (including air and vacuum conditions) is also well known.
- FIG. 2 An example of an optical waveguide mode sensor using tungsten as a reflective film is shown.
- a plate-like glass having a refractive index of 1.846 is used, and a tanta- sten thin film is formed thereon so that the film thickness is 17 nm.
- the irradiation light wavelength was 633.
- the optical waveguide was made of silicon oxide and the film thickness was 800 °.
- an optical prism was brought into close contact with the surface of the chip where the optical waveguide was not formed via refractive index adjusting oil.
- the optical waveguide side was immersed in a phosphate buffer.
Abstract
Provided is a method wherein glass is coated with a reflecting film, an optical waveguide layer is further formed of a dielectric material or a semiconductor material on the reflecting film, light is applied on the glass from a plane on the opposite side to a plane whereupon the reflecting film layer is formed, and the light reflected by the reflecting film layer is detected. In such method, a specimen is detected by using an angle area having a shape protruding upward where the reflected light intensity is increased, in the relationship between the incident angle of the light and the reflected light intensity.
Description
明 細 書 Specification
光導波モードセンサー Optical guided mode sensor
技術分野 Technical field
[0001] 本発明は、安定で信頼性の高い光導波モードセンサーに関する。 The present invention relates to an optical waveguide mode sensor that is stable and highly reliable.
背景技術 Background art
[0002] DNAやたんぱく質、糖鎖などを検出するバイオセンサー及び金属イオン、有機分子 などを検出する化学物質センサーとして、表面プラズモン共鳴 (SPR)を用いる技術が 知られている。この技術は、ガラス上に貴金属 (金 '銀など)を蒸着し、そのガラスの金 属を蒸着した面と反対側の面を、屈折率調節オイルを介して光学プリズムと密着させ た構造力もなり、レーザー光あるいは白色光を、プリズムを通してガラスに照射し、そ の反射光の強度を検出するものである。 [0002] A technique using surface plasmon resonance (SPR) is known as a biosensor for detecting DNA, protein, sugar chain, and the like, and as a chemical substance sensor for detecting metal ions, organic molecules, and the like. This technology also has a structural force by depositing noble metals (gold, silver, etc.) on glass, and bringing the surface of the glass opposite to the metal-deposited surface into close contact with the optical prism via refractive index adjusting oil. Laser light or white light is irradiated onto the glass through the prism, and the intensity of the reflected light is detected.
[0003] 入射光はガラスに対して全反射となる条件で入射される。このとき、光が入射された 側と逆側の金属表面側に染み出すエバネセント波によって、ある入射角で SPRが発 現する。 SPRが起こると、エバネセント波は表面プラズモンによって吸収されるので、 その入射角付近では反射光の強度が著しく減少する。 SPRが発現する入射角や、 SP Rが発現して 、る入射角付近における反射光強度は、金属の表面上の付着物の厚さ 、誘電率によって変化する。このことを利用し、金属の表面上に被検出試料と結合あ るいは吸着する物質を修飾し、被検出試料が金属表面付近に結合あるいは吸着し た際に生じる入射角や反射率の変化を検出し、被検出試料の結合量 (膜厚あるいは 質量)を得るの力 従来の SPRセンサーである。 [0003] Incident light is incident on glass under conditions that cause total reflection. At this time, SPR appears at a certain incident angle due to the evanescent wave that oozes out on the metal surface side opposite to the side where the light is incident. When SPR occurs, the evanescent wave is absorbed by the surface plasmon, so the intensity of the reflected light is significantly reduced near the incident angle. The incident angle at which SPR develops and the reflected light intensity near the incident angle at which SPR develops vary depending on the thickness of the deposit on the metal surface and the dielectric constant. Using this, the substance that binds to or adsorbs the sample to be detected is modified on the surface of the metal, and changes in the incident angle and reflectivity that occur when the sample to be detected binds or adsorbs near the metal surface. The ability to detect and obtain the binding amount (film thickness or mass) of the sample to be detected is a conventional SPR sensor.
[0004] このような SPRを用いた技術に関連する例としては、「光センサー、光センサーを用 いた検出方法、及び光センサーに用いる分子認識機能膜の形成方法」（特許文献 1 参照）、「全反射減衰を利用したセンサー」（特許文献 2参照）、「光導波路型 SPR現象 計測チップ、その製造方法および SPR現象計測方法」（特許文献 3参照)、「導波路構 造及びその製造方法、並びにそれを用いた表面プラズモン共鳴センサーと屈折率 変化測定方法」（特許文献 4参照）、「光導波路型表面プラズモン共鳴センサーおよ び光導波路型表面プラズモン共鳴装置」（特許文献 5参照)などが挙げられる。
[0005] しかし、上記の表面プラズモン共鳴を用いる従来の技術では、サイズの小さ 、被検 出試料を検出する場合、感度が不十分であるという問題がある。この欠点を補う為に 、 SPRセンサーと同様の光学系を用いて、 SPRセンサーの貴金属面の上に光導波路 を形成し、この光導波路中に励起される光導波モードを利用することにより、高感度 にセンサー表面での分子吸着を測定できることが報告されている (非特許文献 1参照 )。 [0004] Examples relating to the technology using such SPR include "a photosensor, a detection method using a photosensor, and a method for forming a molecular recognition functional film used for a photosensor" (see Patent Document 1), “Sensor using total reflection attenuation” (see Patent Document 2), “Optical waveguide type SPR phenomenon measurement chip, its manufacturing method and SPR phenomenon measurement method” (see Patent Document 3), “Waveguide structure and its manufacturing method” , And surface plasmon resonance sensor and refractive index change measurement method using the same ”(see Patent Document 4),“ optical waveguide surface plasmon resonance sensor and optical waveguide surface plasmon resonance device ”(see Patent Document 5), etc. Is mentioned. [0005] However, the conventional technique using the surface plasmon resonance has a problem that the size is small and the sensitivity is insufficient when detecting a sample to be detected. To compensate for this drawback, an optical waveguide is formed on the noble metal surface of the SPR sensor using an optical system similar to that of the SPR sensor, and an optical waveguide mode excited in the optical waveguide is used. It has been reported that molecular adsorption on the sensor surface can be measured in terms of sensitivity (see Non-Patent Document 1).
[0006] 光導波モードは、誘電体内の多重反射に基づくモードである。図 1に光導波モード を発現するチップの基板構造を示す。ガラス側カゝらある角度をもって入射された光は ガラスを透過し、反射膜層に照射され、光導波路側にエバネセント波を生じる。この エバネセント波が前記の光導波路における光導波モードと結合すると、入射された光 は、その一部又は全部が、光導波路内を伝搬する光となり、その結果、反射されなく なる、という現象が良く知られている。つまり、光導波路の光導波モードと入射された 光の結合が生じると、反射光強度の減少が生じる。この反射光強度の減少は、ある波 長の光に対して、ある特定の入射角付近でのみ生じる。 [0006] The optical waveguide mode is a mode based on multiple reflection in a dielectric. Figure 1 shows the substrate structure of a chip that exhibits the optical waveguide mode. Light incident at a certain angle from the glass side passes through the glass and irradiates the reflective film layer, generating an evanescent wave on the optical waveguide side. When this evanescent wave is coupled with the optical waveguide mode in the optical waveguide, the incident light is partly or entirely propagated in the optical waveguide, and as a result, it is not reflected. Are known. In other words, when the coupling between the optical waveguide mode of the optical waveguide and the incident light occurs, the reflected light intensity decreases. This decrease in reflected light intensity occurs only near a specific incident angle for a certain wavelength of light.
[0007] 上述の光導波モードと入射された光の結合が生じる入射角度や、この入射角度に おける反射光強度は、光導波路の表面の誘電率変化に大きく依存する為、光導波 路表面に物質の吸着、付着等が生じると、この角度や反射光強度に変化が生じる。 この変化を読み取ることによって、特定物質の有無及び、その物質の量などを検出 するのが、従来の光導波モードセンサーである。 [0007] Since the incident angle at which the above-mentioned optical waveguide mode and the incident light are coupled and the intensity of reflected light at this incident angle depend greatly on the change in the dielectric constant of the surface of the optical waveguide, When adsorption or adhesion of a substance occurs, this angle or reflected light intensity changes. A conventional optical waveguide mode sensor detects the presence or absence of a specific substance and the amount of the substance by reading this change.
従来の SPRセンサーや光導波モードセンサーに用いられるチップでは、貴金属薄 膜をガラス基板上に形成する場合が多いが、このような場合、ガラス基板と貴金属薄 膜との密着性が悪ぐ剥がれやすいという欠点があった。その為、センサーとして長 期安定性と信頼性が低いという欠点があった。また、安定性の向上の為に、貴金属 膜とガラスとの間に接着層を導入しているが、その為、作製行程が煩雑になり、また、 接着層の成分が貴金属内に拡散し、時間が経つにつれてセンサーの特性が劣化す るという欠点もあった。 In chips used in conventional SPR sensors and optical waveguide mode sensors, a noble metal thin film is often formed on a glass substrate, but in such a case, the adhesion between the glass substrate and the noble metal thin film is poor and is easily peeled off. There was a drawback. As a result, the sensor has the disadvantage of long-term stability and low reliability. In order to improve stability, an adhesive layer is introduced between the noble metal film and the glass. However, the production process becomes complicated, and the components of the adhesive layer diffuse into the noble metal. Another drawback was that the sensor characteristics deteriorated over time.
[0008] 但し、従来の SPRセンサーにおいては、特定の入射角度において SPRが発現し、反 射光強度の減少が起こる金属であれば、どのような金属でも使用可能であることが知
られている。また、従来の光導波モードセンサーにおいては、光導波路の光導波モ ードと入射された光の結合が生じ、特定の入射角度において、反射光強度の減少が 起こる反射膜であれば、どのような反射膜でも使用可能である。 However, in the conventional SPR sensor, it is known that any metal can be used as long as SPR appears at a specific incident angle and the reflected light intensity decreases. It has been. In addition, in the conventional optical waveguide mode sensor, any reflection film in which the optical waveguide mode of the optical waveguide is coupled with the incident light and the reflected light intensity decreases at a specific incident angle can be used. Even a reflective film can be used.
しかしながら、実際にはこのような条件を満たす金属や反射膜となりうる材料は少な い。その為、センサーの使用環境に合わせた材料の選択を行うことが困難であった。 特許文献 1：特開平 6-58873号公報 However, in reality, there are few metals and reflective materials that satisfy these conditions. Therefore, it is difficult to select a material that matches the usage environment of the sensor. Patent Document 1: JP-A-6-58873
特許文献 2：特開 2002-195942号公報 Patent Document 2: Japanese Patent Laid-Open No. 2002-195942
特許文献 3：特開 2000-339895号公報 Patent Document 3: JP 2000-339895 A
特許文献 4 :特開 2004-170095号公報 Patent Document 4: Japanese Unexamined Patent Application Publication No. 2004-170095
特許文献 5：特開 2004-184381号公報 Patent Document 5: Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-184381
非特許文献 1 : Journal of Physical Chemistry B Vol. 108, pp. 10812〜10181, 2004年 発明の開示 Non-Patent Document 1: Journal of Physical Chemistry B Vol. 108, pp. 10812-10181, 2004 Disclosure of Invention
発明が解決しょうとする課題 Problems to be solved by the invention
[0009] 本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、従来の表面プラズモン共鳴を 利用する技術や、従来の光導波モードセンサーより高安定で信頼性が高ぐ様々な 環境に適応可能な光導波モードセンサーを提供することを目的として!、る。 [0009] The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and is applicable to a technique using conventional surface plasmon resonance and various environments that are more stable and more reliable than a conventional optical waveguide mode sensor. The purpose is to provide a possible optical waveguide mode sensor!
課題を解決するための手段 Means for solving the problem
[0010] 本発明の光導波モードセンサーは、透明な誘電体材料又は透明な伝導体材料の 基板とその上に被覆した反射膜と、さらに該反射膜上に形成した誘電体層又は半導 体層とからなるチップを用い、該チップの前記基板側から、前記反射膜に光を入射 する光入射機構と、前記反射膜によって反射される前記光の反射光を検出する光検 出機構と、を備え、入射光の一部又は全部が前記誘電体層又は前記半導体層から なる光導波路内を伝搬する光導波モードと結合することによって、前記光の入射角と 当該光の反射光強度との関係において、反射光強度が強くなる上向きの凸形状とな る角度領域を用いて、前記誘電体層又は前記半導体層の表面に検出対象となる検 体が吸着又は付着した際に生じる入射角度或いは反射光強度の変化を読み取り、 検体の検出を行う。 [0010] An optical waveguide mode sensor of the present invention includes a transparent dielectric material or a substrate of a transparent conductor material, a reflective film coated thereon, and a dielectric layer or a semiconductor formed on the reflective film. A light-incident mechanism that uses a chip made of a layer and makes light incident on the reflective film from the substrate side of the chip; and a light detection mechanism that detects the reflected light of the light reflected by the reflective film; And a part or all of the incident light is coupled with an optical waveguide mode propagating in the optical waveguide made of the dielectric layer or the semiconductor layer, whereby the incident angle of the light and the reflected light intensity of the light are In the relationship, the angle of incidence that occurs when the specimen to be detected is adsorbed or adhered to the surface of the dielectric layer or the semiconductor layer, using the angle region that forms an upwardly convex shape where the reflected light intensity increases. Read changes in reflected light intensity Carry out the detection of the analyte.
[0011] 前記上向きの凸形状において、反射率の最も低い値と最も高い値の差が 0.4以上
ある。凸形状の高さが高いことによって、より高感度なセンサーを提供することができ る。前記反射膜は、元素の周期表の 4〜 14族の金属又はこれらの金属を基とする合 金から選択した一成分以上の金属薄膜である。前記反射膜を基板上に被覆する手 段としては、蒸着、スパッタリング、無電解めつき、電気めつき法などが利用でき、基 板に被覆できる手段であれば、特に制限はな 、。 [0011] In the upward convex shape, the difference between the lowest reflectance value and the highest reflectance value is 0.4 or more. is there. A sensor with higher sensitivity can be provided due to the high height of the convex shape. The reflective film is a metal thin film having one or more components selected from metals of groups 4 to 14 of the periodic table of elements or alloys based on these metals. As a means for coating the reflective film on the substrate, vapor deposition, sputtering, electroless plating, electroplating, and the like can be used, and any means can be used as long as it can cover the substrate.
前記反射膜は、半導体材料の薄膜である。半導体材料は、 Siや Geのような単一の 元素によって構成される半導体の他に、化合物半導体でも良ぐその伝導特性は n型 でも p型でも真性半導体でも良い。前記誘電体層又は前記半導体層は光導波モード が発現する程度の膜厚を有して ヽる。 The reflective film is a thin film of a semiconductor material. The semiconductor material may be a compound semiconductor, as well as a semiconductor composed of a single element such as Si or Ge. Its conductivity characteristics may be n-type, p-type, or intrinsic semiconductor. The dielectric layer or the semiconductor layer may have a film thickness sufficient to develop an optical waveguide mode.
[0012] 前記光導波路を形成する誘電体材料又は半導体材料は、酸化シリコン、金属酸化 物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、半導体材料の窒化物又は高分子化合物を 主成分として形成されて 、る。 [0012] The dielectric material or semiconductor material forming the optical waveguide is formed mainly of silicon oxide, metal oxide, metal nitride, semiconductor material oxide, semiconductor material nitride, or polymer compound. RU
前記光導波路の表面に分子認識基をィ匕学修飾する。前記分子認識基として、アミ ノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基、イソチオシァネート基、スクシン イミド基、ピオチュル基、メチル基、フルォロメチル基のいずれかをィ匕学修飾する。上 記分子認識基の使用は、いずれも好ましいものであり、特に制限なく使用することが できる。 A molecular recognition group is chemically modified on the surface of the optical waveguide. As the molecular recognition group, any one of an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an isothiocyanate group, a succinimide group, a biomolecule group, a methyl group, and a fluoromethyl group is chemically modified. Use of the above molecular recognition groups is preferable, and can be used without any particular limitation.
前記入射される光は、 p偏光又は s偏光の光であり、これらの光の反射光を検出する 。前記基板は板状の平板ガラスである。 The incident light is p-polarized light or s-polarized light, and the reflected light of these lights is detected. The substrate is a plate-like flat glass.
[0013] 前記チップの光導波路が形成されて!ヽる面と反対側の基板表面を、屈折率調節ォ ィルを介して光学プリズムに密着させた構造を備えて 、る。前記基板はプリズムであ る。 [0013] A structure is provided in which a substrate surface opposite to a surface on which the optical waveguide of the chip is formed is in close contact with an optical prism through a refractive index adjusting filter. The substrate is a prism.
P偏光又は s偏光の光が光学プリズムの中心軸に対してある角度で入射したときに、 前記反射光強度の変化が起こる入射角度付近に前記光の入射角度を固定し、反射 光の強度を検出する。前記光導波路に化学修飾された分子認識基に、気体中又は 液体中において、選択的に吸着あるいは化学結合する分子、イオン又は分子集合 体の膜厚、質量、サイズ又は誘電率を測定する。 発明の効果
[0014] 本発明によれば、前記光の入射角と当該光の反射光強度との関係において、反射 光強度が強くなる上向きの凸形状となる角度領域を用いて、検体の検出を行う光導 波モードセンサーを提供することができる。 When P-polarized light or s-polarized light is incident at a certain angle with respect to the central axis of the optical prism, the incident angle of the light is fixed near the incident angle at which the reflected light intensity changes, and the intensity of the reflected light is reduced. To detect. The film thickness, mass, size, or dielectric constant of a molecule, ion, or molecular assembly selectively adsorbed or chemically bonded to a molecular recognition group chemically modified on the optical waveguide in gas or liquid is measured. The invention's effect [0014] According to the present invention, in the relationship between the incident angle of the light and the reflected light intensity of the light, the light that detects the specimen using an angle region having an upward convex shape in which the reflected light intensity increases. A wave mode sensor can be provided.
このような構成の光導波モードセンサーとすることにより、反射膜材料として使用可 能な材料が増える為、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術や、従来の光導波 モードを利用する技術に比べ、反射膜材料の選択の幅が広がり、安定且つ信頼性の 高 、センサーを提供することができると ヽぅ著し ヽ効果を有する。 図面の簡単な説明 By using an optical waveguide mode sensor with such a configuration, the number of materials that can be used as a reflective film material increases. Therefore, compared to conventional technologies that use surface plasmon resonance and conventional optical waveguide modes, The range of selection of the reflective film material is widened, and a stable and highly reliable sensor can be provided. Brief Description of Drawings
[0015] [図 1]光導波モードを発現するチップを示す図である。 FIG. 1 is a diagram showing a chip that exhibits an optical waveguide mode.
[図 2]光導波モードを誘起するための光学配置の例を示す説明図である。 FIG. 2 is an explanatory diagram showing an example of an optical arrangement for inducing an optical waveguide mode.
[図 3]光導波モードセンサーの構成例を示す図である。 FIG. 3 is a diagram illustrating a configuration example of an optical waveguide mode sensor.
[図 4]従来の光導波モードセンサーにおける、光の入射角と反射光強度の関係を示 す図である。 FIG. 4 is a graph showing the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in a conventional optical waveguide mode sensor.
[図 5]本発明の光導波モードセンサーにおける、光の入射角と反射光強度の関係を 示す図である。 FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in the optical waveguide mode sensor of the present invention.
[図 6]本発明の実施例において、反射膜にタングステンを用いた光導波モードセンサ 一における、光の入射角と反射光強度の関係のシミュレーション結果を示す図である FIG. 6 is a diagram showing a simulation result of the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in an optical waveguide mode sensor using tungsten as a reflective film in an example of the present invention.
[図 7]本発明の実施例において、反射膜にタングステンを用いた光導波モードセンサ 一における、光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。 FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in an optical waveguide mode sensor using tungsten as a reflection film in an example of the present invention.
[図 8]酸ィ匕シリコン表面へのビチオン化学修飾の説明図である。 FIG. 8 is an explanatory view of chemical modification of Vithion on the surface of silicon oxide.
[図 9]本実施例において、ストレプトアビジンの特異吸着による反射光強度変化を示 す図である。 FIG. 9 is a diagram showing a change in reflected light intensity due to specific adsorption of streptavidin in this example.
[図 10]本発明の実施例において、反射膜にチタンを用いた光導波モードセンサーに おける、光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light in an optical waveguide mode sensor using titanium as a reflective film in an example of the present invention.
[図 11]本実施例において、ストレプトアビジンの特異吸着による反射光強度変化を示 す図である。 FIG. 11 is a diagram showing a change in reflected light intensity due to specific adsorption of streptavidin in this example.
発明を実施するための最良の形態
[0016] 以下、本発明の特徴を、図等を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明は、 本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。す なわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含ま れるものである。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, features of the present invention will be specifically described with reference to the drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to this. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.
[0017] 本発明は、上記の通り、検体の検出の為に、光導波モードを利用する。まず、光導 波モードについて説明する。本発明では、図 1に示すようなチップを用いる。このチッ プは、ガラス基板とその上に被覆した反射膜と、さらに該反射膜上に形成した誘電体 層又は半導体層とから構成される。この誘電体層や半導体層が光導波路となって、 特定の条件の下で入射された光の一部又は全部がこの光導波路内を伝搬する。こ のような構造を持つチップに対して、ガラス側から光を入射すると、ある入射角におい て反射光強度が急激に変化する現象が生じる。このような例を図 2に示す。なお、ガ ラス基板を用いた場合を例として以下説明するが、基板材質としては、ガラス以外に も、プラスチック (榭脂)、セラミックス、絶縁物等の透明な誘電体材料、或いは、 ITO等 の透明な伝導体材料を用いることができる。 [0017] As described above, the present invention uses an optical waveguide mode for detection of an analyte. First, the light wave mode will be described. In the present invention, a chip as shown in FIG. 1 is used. This chip is composed of a glass substrate, a reflective film coated thereon, and a dielectric layer or semiconductor layer formed on the reflective film. This dielectric layer or semiconductor layer becomes an optical waveguide, and a part or all of the incident light propagates in this optical waveguide under specific conditions. When light is incident on the chip having such a structure from the glass side, a phenomenon occurs in which the intensity of reflected light rapidly changes at a certain incident angle. Figure 2 shows such an example. In addition, the case where a glass substrate is used will be described below as an example, but the substrate material is not only glass, but also a transparent dielectric material such as plastic (grease), ceramics, and insulators, or ITO. A transparent conductor material can be used.
[0018] 図 2は、図 1のチップのガラス側、つまり光導波路が形成されていない側にプリズム を配して、光を入射した際の、光の入射角度と反射光強度の関係を示す。図 2中に は、 4力所、反射光強度における減少、つまりディップが見られる。このような反射光 強度の減少の原因は主に 2つある。 1つは、前述のような表面プラズモン共鳴であり、 図 2中の Θ FIG. 2 shows the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light when a prism is arranged on the glass side of the chip of FIG. 1, that is, the side where the optical waveguide is not formed, and light is incident. . In Figure 2, there are four power spots, a decrease in reflected light intensity, or a dip. There are two main reasons for this decrease in reflected light intensity. One is surface plasmon resonance as described above.
0の入射角度で生じる反射光強度のディップがこの表面プラズモン共鳴に 起因するものである。表面プラズモン共鳴は、負の誘電率を持つ金属、特に貴金属 などを反射膜として用いた場合に生じる現象であり、光導波路部分が無くても生じる 現象である。また、この表面プラズモン共鳴に起因する反射光の減少は入射光が p偏 光の場合には生じる力 ss偏光の場合は生じな 、。 The dip in reflected light intensity that occurs at an incident angle of 0 is due to this surface plasmon resonance. Surface plasmon resonance is a phenomenon that occurs when a metal having a negative dielectric constant, especially a noble metal, is used as a reflection film, and is a phenomenon that occurs even without an optical waveguide portion. In addition, the decrease in reflected light due to this surface plasmon resonance does not occur in the case of incident force s s polarized light.
[0019] 図 2に見られる、別の反射光強度の減少は、光導波モードに起因するものであり、 図 2中の Θ [0019] Another decrease in reflected light intensity seen in FIG. 2 is due to the optical waveguide mode, and Θ in FIG.
m=l、2、3の入射角での反射光強度のディップに対応する。この反射光強度 のディップは図 1に示す誘電体層や半導体層による光導波路が無 ヽ場合や、これら の層が薄い場合は生じない。光導波モードが発生する誘電体層や半導体層の最低 の厚さは、使用する光の偏光状態によっても異なるが、一般にこれらの層の屈折率が
高ければ薄くても良ぐ光の波長が短い場合も薄くて良い。一方、これらの層の屈折 率が低い場合や使用する光の波長が長い場合は、厚い層が要求される。例えば、層 の屈折率が 1.457で波長 633應の光を用いた時、光が s偏光の場合は誘電体層の厚 さは最低 lOOnm程度が必要であり、 p偏光の場合は 200nm程度以上の厚さが必要で ある。 This corresponds to a dip in reflected light intensity at incident angles of m = l, 2, and 3. This reflected light intensity dip does not occur when the dielectric waveguide or semiconductor layer shown in Fig. 1 is not present, or when these layers are thin. The minimum thickness of the dielectric layer or semiconductor layer in which the optical waveguide mode occurs depends on the polarization state of the light used, but in general the refractive index of these layers is If the wavelength of light that can be thin as long as it is high is short, it may be thin. On the other hand, when the refractive index of these layers is low or when the wavelength of light used is long, thick layers are required. For example, when the refractive index of the layer is 1.457 and light with a wavelength of 633 is used, if the light is s-polarized light, the thickness of the dielectric layer must be at least about lOOnm, and if p-polarized light is about 200 nm or more Thickness is required.
[0020] 光導波モードとは、ある有限の空間内に光が閉じこめられて伝搬していく状態のこ とである。最も良く知られている光導波モードとしては光ファイバ内の光の伝搬状態 が挙げられる。光ファイバは、屈折率が低いファイバ状 (通常非常に細長い円筒型)の 材料の中心に屈折率の高い部位 (通常、コアと呼ばれる)を形成し、この屈折率差に よって生じる光の反射によって、光をコア中に閉じこめて伝搬させる。 [0020] The optical waveguide mode is a state where light is confined and propagated in a certain finite space. The most well-known optical waveguide mode is the propagation state of light in an optical fiber. An optical fiber forms a high refractive index part (usually called a core) at the center of a fiber-like (usually very long cylindrical) material with a low refractive index, and reflection of light caused by this refractive index difference The light is confined in the core and propagated.
屈折率の低い物質 (空気や真空状態も含む)に挟まれた板状の材料中を光が伝搬 するスラブ型光導波路も良く知られている。 A slab type optical waveguide in which light propagates through a plate-like material sandwiched between substances having a low refractive index (including air and vacuum conditions) is also well known.
[0021] 本発明で用いるチップの構造は図 1に示すように、基体となるガラスの上に反射膜 を形成し、さらにその上に、誘電体又は半導体の層を形成する。この層の上側 (表面 側)が、この層よりも屈折率の低い物質、例えば空気や水、に触れている場合、この層 はスラブ導波路と似た構造となり、この層中に光を閉じこめて伝搬させることが可能と なる。このように、この層中に光が閉じこめられて伝搬する状態が、この場合の光導波 モードである。 As shown in FIG. 1, the structure of a chip used in the present invention is formed by forming a reflective film on a glass serving as a substrate, and further forming a dielectric or semiconductor layer thereon. If the upper side (surface side) of this layer is in contact with a material with a lower refractive index than this layer, such as air or water, this layer will have a structure similar to a slab waveguide and confine light in this layer. Can be propagated. Thus, the state in which light is confined and propagated in this layer is the optical waveguide mode in this case.
[0022] 図 1におけるガラス側力 光を入射した際、反射膜がある程度薄い場合、全反射条 件を満たす入射角で光を照射した場合でも、その光の一部又は全部がエバネッセン ト波として、光導波路側に染み出す。光の入射角がある特定の値となったとき、このェ パネセント波は光導波路中を伝搬することとなる。このことを、入射光が光導波モード と結合する、又は、入射光が光導波モードとなる、と表現する。その結果、入射された 光は、その一部又は全部が、光導波路内を伝搬する光となり、その結果、反射されな くなる。よって、前述のような反射光強度の減少が起こる。この反射光強度の減少は、 ある波長の光に対して、ある特定の入射角付近でのみ生じ、図 2に示すようなデイツ プ形状となる。 [0022] When glass side force light in FIG. 1 is incident, if the reflective film is thin to some extent, even if light is irradiated at an incident angle satisfying the total reflection condition, part or all of the light is converted into an evanescent wave. Ooze out to the optical waveguide side. When the incident angle of light reaches a certain value, this evanescent wave propagates in the optical waveguide. This is expressed as the incident light is coupled with the optical waveguide mode, or the incident light is in the optical waveguide mode. As a result, part or all of the incident light becomes light propagating in the optical waveguide, and as a result, is not reflected. Therefore, the reflected light intensity is reduced as described above. This decrease in reflected light intensity occurs only near a specific incident angle for light of a certain wavelength, resulting in a dip shape as shown in FIG.
以上に示したものは、反射光強度に減少が生じ、ディップが観測される場合の例で
あるが、これとは反対に、入射光が光導波モードと結合すると、反射光強度が強めら れる場合がある。この場合、光導波モードと結合を生じない入射角で入射された光の 反射光強度は弱ぐ導波モードと結合する角度で入射された反射光強度は強くなる 。本発明は、特定の入射角において、反射光強度が強められる現象を用いて、検体 の検出を行う。この反射光強度が強められる具体例に関しては後述する。 The above is an example where the reflected light intensity decreases and a dip is observed. On the contrary, if the incident light is coupled with the optical waveguide mode, the reflected light intensity may be increased. In this case, the reflected light intensity of light incident at an incident angle that does not cause coupling with the optical waveguide mode is weak, and the reflected light intensity incident at an angle coupled with the waveguide mode becomes strong. In the present invention, the specimen is detected using a phenomenon that the reflected light intensity is increased at a specific incident angle. A specific example in which the reflected light intensity is increased will be described later.
[0023] 光導波モードは伝搬する光の波長、偏光面、光導波路の厚さ及び屈折率に依存し 、個数が増減する。 [0023] The number of optical waveguide modes increases or decreases depending on the wavelength of propagating light, the polarization plane, the thickness of the optical waveguide, and the refractive index.
上述のように、光導波路の厚さが非常に薄いと、光導波モードは発生しない。この 厚さが厚くなると光導波モードが発生するのだが、まず初めに発生する光導波モード を 1次の光導波モード、さらに膜厚を厚くしていくと、次に発生する光導波モードを 2 次の光導波モード、というように呼ぶ。さらに膜厚を厚くしていくと、 3次、 4次と光導波 モードが増えていく。 As described above, when the thickness of the optical waveguide is very thin, the optical waveguide mode does not occur. When this thickness is increased, an optical waveguide mode is generated. First, the first optical waveguide mode is generated as the primary optical waveguide mode, and when the film thickness is increased further, the next optical waveguide mode is generated. The following optical waveguide mode is called. As the film thickness increases further, the number of third- and fourth-order optical waveguide modes increases.
よって、光導波路の厚さを厚くしていくと、まず、 1次の光導波モードと入射光との結 合による反射光強度の変化が観測され、さらに厚さを増していくと、 2次の光導波モ ードと入射光との結合による反射光強度の変化が観測され、さらに厚さが厚くなると、 さらに高次の光導波モードとの結合による反射光強度の変化が見られるようになる。 Therefore, as the thickness of the optical waveguide is increased, first the change in the reflected light intensity due to the coupling between the primary optical waveguide mode and the incident light is observed. The change in reflected light intensity due to the coupling between the optical waveguide mode and the incident light is observed, and as the thickness increases, the reflected light intensity changes due to the coupling with the higher-order optical waveguide mode. Become.
[0024] 前述のような反射光強度の著しい変化や、この変化が生じる光の入射角度は、光 導波路の表面の誘電率変化に大きく依存する為、光導波路表面に物質の吸着、付 着等が生じると、この角度や反射光強度に変化が生じる。この変化を読み取ることに よって、特定物質の有無及び、その物質の量などを検出するのが、光導波モードセ ンサ一である。 [0024] Since the remarkable change in reflected light intensity as described above and the incident angle of light at which this change occurs largely depend on the change in the dielectric constant of the surface of the optical waveguide, the adsorption and attachment of substances on the surface of the optical waveguide. When this occurs, the angle and reflected light intensity change. The optical waveguide mode sensor detects the presence or absence of a specific substance and the amount of the substance by reading this change.
また、本センサーは、光導波路表面に薄い膜を形成した際、その膜の厚さや屈折 率、誘電率を測定することも可能であることから、薄膜の物性評価用センサーとしても 使用可能である。 In addition, when a thin film is formed on the surface of the optical waveguide, this sensor can measure the thickness, refractive index, and dielectric constant of the film, so it can also be used as a sensor for evaluating the physical properties of thin films. .
[0025] 図 2に示す Kretschmann配置 (プリズムとガラスおよび反射膜が密着した状態の構 造）と呼ばれる配置は、既存の表面プラズモン共鳴の光学系で利用されている。但し 、本発明の光導波モードセンサーには、反射膜表面に光導波路が付加されている。 光が、偏光板及びプリズムを介して、ガラス側力も反射膜に光を照射すると、特定の
条件の下でこの光導波路の光導波モードと入射光との結合が生じ、上述のように反 射光強度の変化が生じる。反射膜によって反射される光の強度は、検出器によって 検出される。偏光板は図 3に示すように 2枚用いられることが多ぐ 2枚の偏光板のうち 、プリズムに近い方の偏光板は、反射面に対して振動方向が平行な p偏光あるいは 垂直な s偏光の選択を行う為に設置されている。また、レーザー光源に近い方の偏光 板は、光導波路に入射される光強度を調節するために設置されている。 [0025] An arrangement called the Kretschmann arrangement (a structure in which the prism, the glass, and the reflective film are in close contact) shown in Fig. 2 is used in an existing optical system for surface plasmon resonance. However, in the optical waveguide mode sensor of the present invention, an optical waveguide is added to the surface of the reflective film. When light shines on the reflective film through the polarizing plate and prism, Under the conditions, coupling between the optical waveguide mode of the optical waveguide and incident light occurs, and the reflected light intensity changes as described above. The intensity of light reflected by the reflective film is detected by a detector. As shown in Fig. 3, two polarizing plates are often used. Of the two polarizing plates, the polarizing plate closest to the prism is p-polarized or perpendicular to the reflecting surface. Installed to select polarization. A polarizing plate closer to the laser light source is installed to adjust the intensity of light incident on the optical waveguide.
[0026] このように、光導波モードによる反射光強度の変化も、従来の Kretschmann配置と 同様の光学系にて観測することが可能である。よって、本発明ではこの光学系を利用 する。光学プリズムは図中に示した三角プリズム以外に、シリンドリカルプリズムや半 球プリズムなど、あらゆるプリズムが使用可能である。また、光学プリズムは用いなくて も検出は可能である。光学プリズムは、光導波モードと入射光との結合が生じる光の 入射角度を変化させる働きをする。 [0026] In this way, the change in reflected light intensity due to the optical waveguide mode can also be observed with an optical system similar to the conventional Kretschmann arrangement. Therefore, this optical system is used in the present invention. In addition to the triangular prism shown in the figure, any prism such as a cylindrical prism or a hemispherical prism can be used as the optical prism. In addition, detection is possible without using an optical prism. The optical prism functions to change the incident angle of light in which the coupling between the optical waveguide mode and the incident light occurs.
[0027] 図 3は光導波モードセンサーシステムの構成例であり、通常、レーザー光源、偏光 子、ゴ-ォメーター、光検出器、解析用ソフトウェアを備える。液セルとチップ及びプ リズムを組み合わせたものを、入射角制御用ゴ-ォメーター上に設置し、偏光板を通 して p又は s偏光されたレーザー光をプリズム側力 入射する。これに対する反射光を 光検出器で取り込む。液セルは、チップの分子検出面、つまり光導波路の表面に検 体となる溶液を保持するために用いる。チョッパーとロックインアンプはレーザー光以 外の外光（室内光など)からのノイズを抑えるために用いることがある。 FIG. 3 shows a configuration example of the optical waveguide mode sensor system, which normally includes a laser light source, a polarizer, a goometer, a photodetector, and analysis software. A combination of a liquid cell, a chip, and a prism is placed on a gometer for incident angle control, and p- or s-polarized laser light is incident on the prism side through a polarizing plate. The reflected light is captured by the photodetector. The liquid cell is used to hold the solution to be detected on the molecular detection surface of the chip, that is, the surface of the optical waveguide. Choppers and lock-in amplifiers are sometimes used to suppress noise from outside light (such as room light) other than laser light.
[0028] 光導波モードと入射光との結合による様々な反射光特性の具体例を以下に示す。 [0028] Specific examples of various reflected light characteristics due to the coupling between the optical waveguide mode and the incident light are shown below.
従来から用いられて 、る最も一般的に知られて 、る挙動としては、図 2にも示したよ うに、特定の入射角度において、反射光強度が著しく低下する現象である。このよう な現象の実例を図 4に示す。図 4は、入射光として 633應の光の p偏光を用いる場合 で、屈折率 1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ 47應の金を、光導波路として厚さ 60 0應のシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。シリカガ ラスは、最も安定な酸ィ匕シリコンの一種である。ここで、光導波路層の表面は水に浸 つているとする。 The most commonly known behavior that has been used in the past, as shown in FIG. 2, is a phenomenon in which the intensity of reflected light is significantly reduced at a specific incident angle. Figure 4 shows an example of this phenomenon. Figure 4 shows the case where p-polarized light of 633 ° light is used as incident light, glass with a refractive index of 1.8 is used, gold with a thickness of 47 ° is used as a reflective film, and silica glass with a thickness of 600 ° is used as an optical waveguide. This is the relationship between the incident angle of light and the reflected light intensity when used. Silica glass is one of the most stable oxide silicon. Here, it is assumed that the surface of the optical waveguide layer is immersed in water.
[0029] 図 4に見られるように、特定の入射角 53.8° 付近で急激な反射光強度の減少が見
られ、反射光強度は下向きの凸形状となる。従来の光導波モードセンサーでは、この 反射光強度の下向きの凸形状が生じる入射角付近を用いて検体の検出を行う。 [0029] As can be seen in Figure 4, there is a sharp decrease in reflected light intensity around a specific incident angle of 53.8 °. Therefore, the reflected light intensity has a downward convex shape. In the conventional optical waveguide mode sensor, the specimen is detected using the vicinity of the incident angle at which the downward convex shape of the reflected light intensity is generated.
[0030] このような従来の光導波モードにみられるような挙動とは別の挙動として、上述のよ うに、特定の入射角度において反射光が著しく増加する現象がある。このような現象 の例を図 5に示す。図 5は、入射光として 633應の光の s偏光を用いる場合で、屈折率 1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ 10應のタングステンを、光導波路として厚さ 600 應のシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。ここでも光 導波路層の表面は水に浸っているとする。図 5に見られるように、特定の入射角 56.1 ° 付近で急激な反射光強度の増加が見られ、反射光強度は上向きの凸形状となる。 [0030] As a behavior different from the behavior seen in such a conventional optical waveguide mode, as described above, there is a phenomenon in which reflected light increases remarkably at a specific incident angle. Figure 5 shows an example of such a phenomenon. Figure 5 shows the case where s-polarized light of 633 ° light is used as incident light, glass with a refractive index of 1.8 is used, tungsten with a thickness of 10 ° is used as a reflective film, and silica glass with a thickness of 600 ° is used as an optical waveguide. This is the relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light. Here again, it is assumed that the surface of the optical waveguide layer is immersed in water. As shown in FIG. 5, a sharp increase in reflected light intensity is observed near a specific incident angle of 56.1 °, and the reflected light intensity has an upwardly convex shape.
[0031] 本発明では、この反射光強度が強くなる上向きの凸形状となる入射角付近を用い て検体の検出を行う。つまり、光導波路表面に物質の吸着や付着等が生じた際に、 この反射光強度が強くなる上向きの凸形状となる入射角付近における、反射光強度 の変化や、凸形状が生じる入射角度の変化、例えば凸形状において最も高い反射 率を示す入射角の変化を読み取ることによって、特定物質の有無及び、その物質の 量などを検出する。 In the present invention, the specimen is detected using the vicinity of the incident angle having an upward convex shape in which the reflected light intensity is increased. In other words, when adsorption or adhesion of a substance occurs on the surface of the optical waveguide, the reflected light intensity changes near the incident angle where the reflected light intensity increases, or the incident angle at which the convex shape occurs. By detecting the change, for example, the change in the incident angle showing the highest reflectance in the convex shape, the presence or absence of the specific substance and the amount of the substance are detected.
[0032] 図 5に見られるような、反射光強度の強くなる上向きの凸形状は入射光力 偏光の 場合に顕著に現れる。ここで、 s偏光とは、図 2において電界の振動方向が y方向に水 平な光である。ちなみに p偏光は、図 2において、電界の振動方向が y方向に垂直な 光である。また、反射光強度の強くなる上向きの凸形状が見られる反射膜としては、 屈折率 nが 1程度以上で、減衰係数 kが 0.5以上の材料が挙げられる。屈折率 nが大き ぐ減衰係数 kも大きい材料では、特に反射光強度の強くなる上向きの凸形状が顕著 に現れる。また、 kが 0.5より小さい場合でも、屈折率 n力 〜 2程度であれば、反射光強 度の強くなる上向きの凸形状が生じる。 As shown in FIG. 5, an upward convex shape with a strong reflected light intensity appears remarkably in the case of incident light power polarization. Here, s-polarized light is light in which the vibration direction of the electric field is horizontal in the y direction in FIG. Incidentally, in Fig. 2, p-polarized light is light whose electric field oscillation direction is perpendicular to the y direction. In addition, examples of the reflective film having an upward convex shape in which the reflected light intensity is strong include materials having a refractive index n of about 1 or more and an attenuation coefficient k of 0.5 or more. For materials with a large refractive index n and a large attenuation coefficient k, an upward convex shape with a strong reflected light intensity appears particularly prominently. Even when k is smaller than 0.5, if the refractive index n force is about ˜2, an upward convex shape in which the reflected light intensity becomes strong is generated.
[0033] では、実際、上述のような反射光強度における上向きの凸形状が顕著に見られる 材料にはどのようなものがあるか例を挙げると、波長 632.8nmでは、ニッケル、コノ レト 、マンガン、白金、タンタル、チタン、タングステン、ニオブ、モリブデン、バナジウム、 クロム、鉄、などが当てはまる。また、紫外から赤外光領域の光を入射光として用いた 場合、ほぼすベての金属、及び半導体材料において、これらの材料を反射膜として
用いた場合、反射光強度において上向きの凸形状が見られる波長の光が存在する。 よって、反射膜には、化学的且つ物理的に安定な、元素の周期表の 4〜14族から選 択した金属、またはこれらの金属を主成分とした合金などの化合物が使用可能であり 、また、半導体材料などの使用も好ましい。半導体材料の場合、 Siや Geのような一元 素からなる半導体でも良いし、化合物半導体でも良い。またその伝導特性も p型でも n 型でも絶縁性 (真性半導体)でもよ!/ヽ。 [0033] Then, as an example, what is the material in which the upward convex shape in the reflected light intensity as described above is conspicuously observed, for example, at a wavelength of 632.8 nm, nickel, conoleto, manganese Platinum, tantalum, titanium, tungsten, niobium, molybdenum, vanadium, chromium, iron, etc. are applicable. In addition, when light in the ultraviolet to infrared region is used as incident light, almost all metals and semiconductor materials can be used as reflective films. When used, there is light having a wavelength at which an upward convex shape is seen in the reflected light intensity. Therefore, a compound such as a metal selected from the group 4 to 14 of the periodic table of elements or an alloy mainly composed of these metals can be used for the reflective film. Moreover, use of a semiconductor material or the like is also preferable. In the case of a semiconductor material, it may be a semiconductor composed of one element such as Si or Ge, or a compound semiconductor. Also, its conduction characteristics can be p-type, n-type, or insulating (intrinsic semiconductor)! / ヽ.
[0034] つまり、従来の光導波モードセンサーと異なり、反射光強度の強くなる上向きの凸 形状領域を用いることによって、反射膜の材料を選択する際の自由度が格段に向上 し、よって、例えば、熱特性の良い、チタンやタングステン、ガラスとの密着性の良い、 ニッケルやクロムと言った材料を選択することによって、より安定した信頼性の高！ヽセ ンサーを得ることができる。 That is, unlike the conventional optical waveguide mode sensor, the degree of freedom in selecting the material of the reflective film is significantly improved by using the upward convex region where the reflected light intensity is strong. Highly stable and reliable by selecting materials such as nickel and chrome, with good thermal properties, good adhesion to titanium, tungsten and glass!ヽ You can get a sensor.
但し、高感度なセンサーを得るには、凸形状の高さ、つまり反射率の低いところと高 いところの差が大きいことが望ましい。よって、凸形状の裾部分、つまり図 5中の (1)の 反射率が、 0.5以下であり、凸形状の高さ、つまり (1)から (2)までの高さが 0.4以上であ ることが望ましい。また、高感度なセンサーを得るには、凸形状が鋭く尖っている方が 良い。よって、凸形状の半値幅が 5° 以下であることが望ましい。凸形状の裾部分の 反射率及び凸形状の高さは、反射膜の厚さに大きく依存する為、最適な厚さを選択 することも重要である。 However, in order to obtain a highly sensitive sensor, it is desirable that the height of the convex shape, that is, the difference between the low reflectance and the high reflectance is large. Therefore, the reflectance of the convex hem, that is, (1) in FIG. 5, is 0.5 or less, and the height of the convex shape, that is, the height from (1) to (2) is 0.4 or more. It is desirable. In order to obtain a highly sensitive sensor, the convex shape should be sharp and sharp. Therefore, it is desirable that the half width of the convex shape is 5 ° or less. Since the reflectivity of the convex skirt and the height of the convex shape largely depend on the thickness of the reflective film, it is also important to select the optimum thickness.
[0035] 基板に用いるガラスは、通常、検出時に用いる光に対しての屈折率力 l.4〜2.2程 度が望ましぐさらには 1.6〜2.0程度が望ましい。 [0035] Usually, the glass used for the substrate preferably has a refractive index power of about 1.4 to 2.2 for light used for detection, and more preferably about 1.6 to 2.0.
光導波路に酸ィ匕シリコンを利用する場合には、反射膜上への堆積が容易であり、 光学的に平滑な表面を得ることができ、また生体関連物質に対して不活性であり、さ らに表面の化学修飾が容易であるという特徴があるので、好ましい材料と言える。酸 化シリコンの堆積方法としては、ゾルゲル法、熱酸化法、スパッタリング法などを使用 することができる。また、酸ィ匕シリコン以外にも、窒化シリコンのような半導体材料の窒 化物、酸化チタンのような金属酸化物、チタンナイトライドのような金属窒化物又はポ リメチルメタタリレートのような高分子化合物など、透明度の高い誘電体材料や半導 体材料などは好まし ヽ材料である。
検出に用いる光は、基本的には電磁波であれば特に制限はないが、取り扱いが容 易と 、う点で、赤外〜紫外領域の光を使うことが望ま 、。 When silicon oxide is used for the optical waveguide, it can be easily deposited on the reflective film, an optically smooth surface can be obtained, and it is inert to biological materials. Furthermore, it can be said to be a preferable material because it has a feature that chemical modification of the surface is easy. As a method for depositing silicon oxide, a sol-gel method, a thermal oxidation method, a sputtering method, or the like can be used. In addition to silicon oxide, nitrides of semiconductor materials such as silicon nitride, metal oxides such as titanium oxide, metal nitrides such as titanium nitride, or high concentrations such as polymethylmetallate. Highly transparent dielectric materials and semiconductor materials such as molecular compounds are preferred materials. The light used for detection is basically not particularly limited as long as it is an electromagnetic wave, but it is desirable to use light in the infrared to ultraviolet region because it is easy to handle.
実施例 1 Example 1
[0036] 反射膜としてタングステンを用いた光導波モードセンサーの例を示す。本実施例で は、屈折率 1.846の板状のガラスを用い、その上に、膜厚が 17nmとなるようにタンダス テン薄膜を形成する。照射光波長は 633應とした。光導波路は酸ィ匕シリコンで形成し 、その膜厚は 800應とした。図 2に示す通り、チップの光導波路が形成れていない面 には、屈折率調節オイルを介して光学プリズムを密着させた。一方、光導波路側はリ ン酸緩衝液に浸した。 [0036] An example of an optical waveguide mode sensor using tungsten as a reflective film is shown. In this embodiment, a plate-like glass having a refractive index of 1.846 is used, and a tanta- sten thin film is formed thereon so that the film thickness is 17 nm. The irradiation light wavelength was 633. The optical waveguide was made of silicon oxide and the film thickness was 800 °. As shown in FIG. 2, an optical prism was brought into close contact with the surface of the chip where the optical waveguide was not formed via refractive index adjusting oil. On the other hand, the optical waveguide side was immersed in a phosphate buffer.
[0037] まず、上記条件で、どのような反射光強度特性が得られるか、フレネルの式を用い て計算した結果を図 6に示す。 s偏光および p偏光のどちらにおいても、光導波モード が発現し、入射角の変化に対する反射光強度の変化が生じることが分かる。但し、 p 偏光を用いた場合では、非常になだらかな強度変化となっており、センサーとして、 高感度は期待できない。一方、 s偏光を用いた場合では、良好な鋭い上向きと凸形状 が予測される。また、 s偏光を用いた場合には、 2つの凸形状が観測される。これは、 この光導波路に 2つの光導波モードがあること示して 、る。 [0037] First, FIG. 6 shows the result of calculation using Fresnel's formula to determine what reflected light intensity characteristics can be obtained under the above conditions. It can be seen that in both s-polarized light and p-polarized light, the optical waveguide mode appears and the reflected light intensity changes with the change in the incident angle. However, when p-polarized light is used, the intensity changes very gently, and high sensitivity cannot be expected as a sensor. On the other hand, when s-polarized light is used, good sharp upwards and convex shapes are expected. When s-polarized light is used, two convex shapes are observed. This indicates that this optical waveguide has two optical waveguide modes.
[0038] 上述のようなタングステン薄膜を使用した光導波モードセンサーを作製し、 s偏光を 使用して分子検出試験を行った。 25mm四方、厚さ lmm、屈折率 1.846の板ガラス上 に、タングステン 17應をスパッタリング法にて堆積した。その後、タングステン薄膜の 上にシリカガラスをターゲットとしたスパッタリング法にて酸ィ匕シリコンを 800nm形成し、 光導波路とした。このチップの光導波路が形成されていない側の面に、屈折率 1.846 の三角プリズムを屈折率調節オイルを介して密着させ、 633應の光を照射し、反射光 強度と入射角の関係を測定した結果を図 7に示す。このとき、上述のように、光導波 路側はリン酸緩衝液に浸した。シミレージョン結果に非常に近い、 2つの上向きの凸 形状を持った反射光強度特性が得られた。 [0038] An optical waveguide mode sensor using a tungsten thin film as described above was fabricated, and a molecular detection test was performed using s-polarized light. Tungsten 17 was deposited by sputtering on a plate glass of 25mm square, lmm thickness, and refractive index 1.846. Thereafter, 800 nm of silicon oxide was formed on the tungsten thin film by a sputtering method using silica glass as a target to obtain an optical waveguide. A triangular prism with a refractive index of 1.846 is closely attached to the surface of the chip on which the optical waveguide is not formed via refractive index adjusting oil, and 633 light is irradiated to measure the relationship between reflected light intensity and incident angle. Figure 7 shows the results. At this time, as described above, the optical waveguide side was immersed in a phosphate buffer solution. Reflected light intensity characteristics with two upward convex shapes, which are very close to the simulation results, were obtained.
[0039] その後、このチップの光導波路側を弱アルカリ水溶液に一時間浸漬後乾燥し、 0.2 wt.%3-アミノプロピルトリエトキシシランのエタノール溶液に 2時間浸漬し、光導波路表 面に反応活性なアミノ基を修飾した。エタノールでリンスし乾燥後、 O.lmMスルホスク
シンィミジル- N- (D -ピオチュル)- 6-ァミノへキサネートを含む 1/15Mリン酸緩衝液に 浸した。そのまま 1時間放置し、ァミノ基とスクシンイミド基を反応させ、ピオチニル基を 導入した。図 8は、光導波路表面へのビチオンィ匕学修飾の説明図である。光導波路 である酸ィ匕シリコン (図中では SiOと表記)の表面には水酸基（一 OH)が出ており、 3-[0039] After that, the optical waveguide side of this chip was immersed in a weak alkaline aqueous solution for 1 hour and then dried, immersed in an ethanol solution of 0.2 wt.% 3-aminopropyltriethoxysilane for 2 hours, and reacted on the surface of the optical waveguide. The amino group was modified. After rinsing with ethanol and drying, O.lmM sulfosk It was soaked in 1 / 15M phosphate buffer containing cinimidyl-N- (D-piochul) -6-aminohexanate. The amino group and succinimide group were allowed to react as they were for 1 hour to introduce a thiotinyl group. FIG. 8 is an explanatory diagram of the modification of bitiony on the surface of the optical waveguide. A hydroxyl group (one OH) appears on the surface of the silicon oxide (shown as SiO in the figure), which is an optical waveguide.
2 2
ァミノプロピルトリエトキシシランなどのシランカップリング剤に浸漬することによって、 容易に酸ィ匕シリコン表面に活性な基であるアミノ基（一 NH )を修飾することができる。 By immersing in a silane coupling agent such as aminopropyltriethoxysilane, an amino group (one NH 3) which is an active group can be easily modified on the surface of the silicon oxide.
2 2
さらに、リン酸緩衝液 (PH7.4)にスクシンイミド基を有するピオチン化合物を溶解した 溶液中ヘアミノ基が修飾された基板を浸漬することにより、容易にたんぱく質 (ストレ ブトアビジン）を特異的に認識するピオチンを修飾することができ、バイオセンサーと しての利用価値が生まれる。 Furthermore, by immersing a substrate modified with a heamino group in a solution in which a thiocin-group-containing thiotin compound is dissolved in a phosphate buffer solution (PH7.4), pitine that easily recognizes a protein (streptavidin) easily. Can be used to create useful value as a biosensor.
[0040] 次に、入射角を 48.46° に固定し、ピオチニル基に特異的に吸着するストレプトアビ ジンを 0.5 M含有する 1/15Mリン酸緩衝液を、光導波路表面側に用意した溶液セル 中に注入し、光導波路表面をこのリン酸緩衝液に浸しながら反射光強度を測定した 図 9に示すように、ストレプトアビジンの注入直後から反射光強度の増加が観察され 、 20分力 30分の間にほぼ一定になった。また、反射率の増加量は、 0.05〜0.06とい う値を得た。 [0040] Next, in a solution cell in which an incident angle is fixed at 48.46 ° and a 1 / 15M phosphate buffer solution containing 0.5 M of streptavidin that specifically adsorbs to the piotynyl group is prepared on the optical waveguide surface side. The reflected light intensity was measured while immersing the surface of the optical waveguide in this phosphate buffer solution, as shown in FIG. 9, an increase in the reflected light intensity was observed immediately after the injection of streptavidin. It became almost constant in between. The increase in reflectance was 0.05 to 0.06.
[0041] 従来の SPRセンサーにお ヽて、金薄膜上にピオチニル基を修飾し、平均膜厚 4應 でストレプトアビジンが吸着すると仮定し、表面プラズモン共鳴が起こる入射角付近で の反射率変化量をフレネルの式に基づいて計算すると、理論的には最大で 0.14程度 の反射率変化が期待できる。一方、本発明における上記の実施例においては、理論 上、最大でも 0.068程度の反射率変化し力期待できない。つまり、本発明の光導波モ ードセンサーは、その検出感度は従来の SPRセンサーの感度より良くない。しかしな がら、タングステンは、金と比較して格段にガラスとの密着性が良いという効果がある 。また、高温でも安定であり、よって、過酷な使用環境下でも劣化が少なぐまた、長 期の使用にも耐えるという利点がある。このように、本発明によって、反射膜の選択範 囲が増えることによって、安定性が良く信頼性の高いセンサーを提供することが可能 となる。
実施例 2 [0041] In a conventional SPR sensor, it was assumed that streptavidin was adsorbed at an average film thickness of 4 by modifying the thiotinyl group on the gold thin film, and the amount of change in reflectance near the incident angle at which surface plasmon resonance occurred. Is calculated based on Fresnel's formula, theoretically, a change in reflectance of about 0.14 at maximum can be expected. On the other hand, in the above embodiment of the present invention, the reflectivity changes theoretically at most about 0.068, and the force cannot be expected. In other words, the detection sensitivity of the optical waveguide mode sensor of the present invention is not better than that of the conventional SPR sensor. However, tungsten has an effect that it has much better adhesion to glass than gold. In addition, it is stable even at high temperatures, and therefore has the advantage of being less susceptible to deterioration even in harsh usage environments and withstanding long-term use. Thus, according to the present invention, it is possible to provide a sensor having high stability and high reliability by increasing the selection range of the reflective film. Example 2
[0042] 次に、反射膜としてチタンを用いた場合の例を示す。 25mm四方、厚さ lmm、屈折率 1.846の板ガラス上に、チタン 19nmをスパッタリング法にて堆積した。その後、タンダス テン薄膜の上にシリカガラスをターゲットとしたスパッタリング法にて酸ィ匕シリコンを 800 應形成し、光導波路とした。このチップの光導波路が形成されていない側の面に、屈 折率 1.846の三角プリズムを屈折率調節オイルを介して密着させ、 633nmの光を照射 し、反射光強度と入射角の関係を測定した結果を図 10に示す。この場合も、上向き の凸形状を持った反射光強度特性が得られている。その後、この光導波路表面を実 施例 1と同様の方法でビチオンィ匕学修飾した。 [0042] Next, an example in which titanium is used as the reflective film is shown. Titanium 19 nm was deposited on a plate glass of 25 mm square, a thickness of 1 mm, and a refractive index of 1.846 by sputtering. Thereafter, 800 nm of silicon oxide was formed on the tandasten thin film by sputtering using silica glass as a target to obtain an optical waveguide. A triangular prism with a refractive index of 1.846 is closely attached to the surface of the chip where the optical waveguide is not formed via refractive index adjusting oil, and irradiated with 633 nm light, and the relationship between the reflected light intensity and the incident angle is measured. Figure 10 shows the results. Also in this case, reflected light intensity characteristics having an upward convex shape are obtained. Thereafter, the surface of the optical waveguide was modified with bitiony in the same manner as in Example 1.
[0043] 次に、入射角を 47.87° に固定し、ピオチニル基に特異的に吸着するストレプトアビ ジンを 0.5 M含有する 1/15Mリン酸緩衝液を、光導波路表面側に用意した溶液セル 中に注入し、光導波路表面をこのリン酸緩衝液に浸しながら反射光強度を測定した 。図 11に示すように、ストレプトアビジンの注入直後から反射光強度の増加が観察さ れ、 20分力も 30分の間にほぼ一定になった。また、反射率の増加量は、約 0.07という 値を得た。 [0043] Next, in a solution cell in which an incident angle was fixed at 47.87 ° and a 1 / 15M phosphate buffer solution containing 0.5 M of streptavidin that specifically adsorbs to the piotynyl group was prepared on the optical waveguide surface side. The reflected light intensity was measured while the surface of the optical waveguide was immersed in this phosphate buffer. As shown in Fig. 11, an increase in the reflected light intensity was observed immediately after the injection of streptavidin, and the force at 20 minutes was almost constant during 30 minutes. The increase in reflectivity was about 0.07.
本実施例においては、理論上、最大 0.083程度の反射率変化が期待される。実施 例では、ほぼ理論値通りの値を得ることができた。チタンも非常に安定な金属であり、 ガラスとの密着性も良い為、安定で信頼性の高いセンサーを提供できる。 In the present embodiment, the reflectance change of about 0.083 at maximum is theoretically expected. In the example, a value almost as the theoretical value could be obtained. Titanium is also a very stable metal and has good adhesion to glass, providing a stable and highly reliable sensor.
産業上の利用可能性 Industrial applicability
[0044] 本発明は光の入射角と光の反射光強度との関係において、反射光強度が強くなる 上向きの凸形状となる角度領域を用いて、検体の検出を行う光導波モードセンサー を提供する。このような構成の光導波モードセンサーとすることにより、 DNA、抗原 抗体などのたんぱく質、糖鎖などのバイオセンサーおよび金属イオン、有機分子など の化学物質センサーに適用可能であり、医療、創薬、食品、環境等の分野において 活用できる。また、光導波路の表面に薄膜を形成すれば、この薄膜の屈折率や誘電 率や厚さなどを測定できることから、薄膜材料に対するセンサー、薄膜材料の特性を 測定する測定器としても使用が可能である。
[0044] The present invention provides an optical waveguide mode sensor that detects an analyte using an upward convex convex angle region in which the reflected light intensity increases in the relationship between the incident angle of light and the reflected light intensity of light. To do. By adopting an optical waveguide mode sensor with such a configuration, it can be applied to DNA, proteins such as antigens and antibodies, biosensors such as sugar chains, and chemical substances sensors such as metal ions and organic molecules. It can be used in the fields of food and environment. In addition, if a thin film is formed on the surface of the optical waveguide, the refractive index, dielectric constant, thickness, etc. of this thin film can be measured, so it can be used as a sensor for thin film materials and a measuring instrument for measuring the characteristics of thin film materials. is there.
Claims
[1] 透明な誘電体材料又は透明な伝導体材料の基板とその上に被覆した反射膜と、さ らに該反射膜上に形成した誘電体層又は半導体層とからなるチップを用い、 該チップの前記基板側から、前記反射膜に光を入射する光入射機構と、前記反射 膜によって反射される前記光の反射光を検出する光検出機構とを備え、 [1] A chip comprising a substrate of a transparent dielectric material or a transparent conductor material, a reflective film coated thereon, and a dielectric layer or a semiconductor layer formed on the reflective film, A light incident mechanism that makes light incident on the reflective film from the substrate side of the chip, and a light detection mechanism that detects reflected light of the light reflected by the reflective film,
入射光の一部又は全部が前記誘電体層又は前記半導体層からなる光導波路内を 伝搬する光導波モードと結合することによって、前記光の入射角と当該光の反射光 強度との関係において、反射光強度が強くなる上向きの凸形状となる角度領域を用 いて、前記誘電体層又は前記半導体層の表面に検出対象となる検体が吸着又は付 着した際に生じる入射角度或いは反射光強度の変化を読み取り、 In the relationship between the incident angle of the light and the reflected light intensity of the light by coupling with an optical waveguide mode in which part or all of the incident light propagates in the optical waveguide made of the dielectric layer or the semiconductor layer, Using an angle region of an upwardly convex shape where the reflected light intensity increases, the incident angle or reflected light intensity generated when the analyte to be detected is adsorbed or attached to the surface of the dielectric layer or the semiconductor layer. Read changes,
検体の検出を行うことを特徴する光導波モードセンサー。 An optical waveguide mode sensor characterized by detecting a specimen.
[2] 前記上向きの凸形状において、反射率の最も低い値と最も高い値の差が 0.4以上 あることを特徴とする請求項 1記載の光導波モードセンサー。 [2] The optical waveguide mode sensor according to [1], wherein the difference between the lowest reflectance value and the highest reflectance value in the upward convex shape is 0.4 or more.
[3] 前記反射膜は、元素の周期表の 4〜14族の金属又はこれらの金属を基とする合金 力 選択した一成分以上の金属薄膜であることを特徴とする請求項 1または 2のいず れかに記載の光導波モードセンサー。 [3] The reflective film according to claim 1 or 2, wherein the reflective film is a metal thin film of one or more components selected from the group 4-14 metal of the periodic table of elements or an alloy based on these metals. An optical waveguide mode sensor according to any one of the above.
[4] 前記反射膜は、半導体材料の薄膜であることを特徴とする請求項 1または 2の 、ず れかに記載の光導波モードセンサー。 4. The optical waveguide mode sensor according to claim 1 or 2, wherein the reflective film is a thin film of a semiconductor material.
[5] 前記誘電体層又は前記半導体層は光導波モードが発現する程度の膜厚を有して いることを特徴とする請求項 1から 4記載の光導波モードセンサー。 5. The optical waveguide mode sensor according to claim 1, wherein the dielectric layer or the semiconductor layer has a film thickness that allows an optical waveguide mode to appear.
[6] 前記光導波路を形成する誘電体材料又は半導体材料は、酸化シリコン、金属酸化 物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、半導体材料の窒化物又は高分子化合物を 主成分として形成されていることを特徴とする請求項 1から 5のいずれか〖こ記載の光 導波モードセンサー。 [6] The dielectric material or semiconductor material forming the optical waveguide is formed mainly of silicon oxide, metal oxide, metal nitride, semiconductor material oxide, semiconductor material nitride, or polymer compound. The optical waveguide mode sensor according to any one of claims 1 to 5, wherein the optical waveguide mode sensor is provided.
[7] 前記光導波路の表面に分子認識基をィ匕学修飾したことを特徴とする請求項 1から 6 の!、ずれかに記載の光導波モードセンサー。 7. The optical waveguide mode sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein a molecular recognition group is chemically modified on the surface of the optical waveguide.
[8] 前記分子認識基として、アミノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基、 イソチオシァネート基、スクシンイミド基、ピオチュル基、メチル基、フルォロメチル基
のいずれかをィ匕学修飾したことを特徴とする請求項 7に記載の光導波モードセンサ [8] As the molecular recognition group, an amino group, a hydroxyl group, a carboxyl group, an aldehyde group, an isothiocyanate group, a succinimide group, a piochuru group, a methyl group, or a fluoromethyl group The optical waveguide mode sensor according to claim 7, wherein any one of the above is chemically modified
[9] 前記入射される光は、 p偏光又は s偏光の光であり、これらの光の反射光を検出する ことを特徴とする請求項 1から 8に記載の光導波モードセンサー。 9. The optical waveguide mode sensor according to claim 1, wherein the incident light is p-polarized light or s-polarized light, and reflected light of these lights is detected.
[10] 前記基板は板状の平板ガラスであることを特徴とする請求項 1から 9に記載の光導 波モードセンサー。 10. The optical wave mode sensor according to claim 1, wherein the substrate is a flat plate glass.
[11] 前記チップの光導波路が形成されている面と反対側の基板表面を、屈折率調節ォ ィルを介して光学プリズムに密着させた構造を備えていることを特徴とする請求項 1 力も 10に記載の光導波モードセンサー。 11. The structure according to claim 1, further comprising a structure in which a substrate surface opposite to a surface on which the optical waveguide of the chip is formed is in close contact with an optical prism via a refractive index adjusting filter. The optical waveguide mode sensor described in 10.
[12] 前記基板はプリズムであることを特徴とする請求項 1から 9に記載の光導波モードセ ンサ一。 12. The optical waveguide mode sensor according to claim 1, wherein the substrate is a prism.
[13] p偏光又は s偏光の光が光学プリズムの中心軸に対してある角度で入射したときに、 前記反射光強度の変化が起こる入射角度付近に前記光の入射角度を固定し、反射 光の強度を検出することを特徴とする請求項 11または 12のいずれかに記載の光導 波モードセンサー。 [13] When p-polarized light or s-polarized light is incident at an angle with respect to the central axis of the optical prism, the incident angle of the light is fixed near the incident angle at which the change in the reflected light intensity occurs, and the reflected light The light wave mode sensor according to claim 11, wherein the light wave mode sensor is detected.
[14] 前記光導波路に化学修飾された分子認識基に、気体中又は液体中において、選 択的に吸着あるいは化学結合する分子、イオン又は分子集合体の膜厚、質量、サイ ズ又は誘電率を測定することを特徴とする請求項 7〜13のいずれかに記載の光導波 モードセンサー。
[14] The film thickness, mass, size, or dielectric constant of a molecule, ion, or molecular assembly that selectively adsorbs or chemically binds in a gas or a liquid to a molecular recognition group that is chemically modified on the optical waveguide. The optical waveguide mode sensor according to claim 7, wherein the optical waveguide mode sensor is measured.
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