WO2007029414A1

WO2007029414A1 - 光導波モードセンサー

Info

Publication number: WO2007029414A1
Application number: PCT/JP2006/313647
Authority: WO
Inventors: Makoto Fujimaki; Nobuko Fukuda; Kaoru Tamada
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2005-09-06
Filing date: 2006-07-10
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2008-03-06
Also published as: JP4581135B2; JPWO2007029414A1

Abstract

　本発明は、ガラス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とからなるチップを用いる。このチップのガラス側から、反射膜に光を入射する光入射機構と、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、を備える。入射光の一部又は全部が誘電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反射光強度が減少する光入射角度領域を用いて、誘電体層の表面に検出対象となる物質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ることによって、物質の検出を行う。

Description

明細書

光導波モードセンサー

技術分野

[0001] 本発明は、光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出高感度化を図ることができる光導波モードセンサーに関する。

背景技術

[0002] 一般に、 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及び金属イオン、有機分子などの化学物質センサーとして、表面プラズモン共鳴 (SPR)のモードを用いる技術が知られて、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ゝらなり、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。

[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、金属の表面側の界面に染み出すエバネセント波によって、ある入射角で表面プラズモン共鳴が発現する。表面プラズモン共鳴が起こると、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。表面プラズモン共鳴が発現する入射角や反射光強度は、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とから、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、被検出試料が結合あるいは吸着した際に生じる入射角や反射率強度の変化を検出し、被検出試料の結合量 (膜厚あるいは質量）に換算するというものである。

[0004] このような技術に関連する例として、被分析試料が流れる溶液流路の、その表面が臨む分子認識機能膜と、この分子認識機能膜の裏面に設けた金属薄膜と、この金属薄膜側から白色の p偏光 ·平行光を入射させる励起光源と、入射光が金属薄膜表面で反射することによって発生する反射光を受光する干渉計を用いたフーリエ変換分光器を備えた光センサーが開示されて、る (特許文献 1参照)。

また、光ビームを誘電体ブロックと金属膜との界面で収束させる表面プラズモンセンサ一において、光利用効率を高くし、表面プラズモン共鳴を高感度で測定できるように、反射角が異なる成分が一方向に連なる向きにライン状に集光するシリンドリカルレンズを設けた技術が開示されて!ヽる (特許文献 2参照)。

[0005] しかし、上記の表面プラズモン共鳴のモードを用いる従来の技術では、サイズの小さい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。したがって、サイズが小さい被検出試料を検出するためには、サイズの大きい分子あるいは誘電率の大きい分子を被検出試料にラベルイ匕するなどの工程が必要であり、精度が劣るだけでなぐ工程が煩雑になると!/、う不利な点がある。

特許文献 1：特開平 6 - 58873公報

特許文献 2 :特開 2002— 195942号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 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よりも、高ヽ感度で小さ、サイズの被検出試料をラベルフリーで検出できる光導波モードセンサーを提供する。

課題を解決するための手段

[0007] 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とからなるチップを用いる。このチップの基板側から、前記反射膜に光を入射する光入射機構と、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反射光強度が減少する光入射角度領域を用いて、前記誘電体層の表面に検出対象となる物質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ることによって、物質の検出を行う。

[0008] 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。基板上に形成する金属又は合金薄膜の材料は、元素の周期表の 4〜 14族力も選択したものであれば、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。金属の薄膜を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、電気めっき法などが利用でき、基板に被覆できる手段であれば、特に制限はない。

前記反射膜は半導体材料の薄膜にすることができる。基板上に形成する半導体材料は、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。半導体材料の薄膜を被覆する手段としては、蒸着、スノッタリング、分子線ェピタキシ (MBE)などが利用でき、基板に被覆できる手段であれば、特に制限はない。

[0009] 前記光導波モードセンサーは、前記誘電体層からなる光導波路の 2次の光導波モードを利用して検出を行う。前記誘電体層は 2次の光導波モードが発現する程度の膜厚を有している。

記誘電体層は酸化シリコン、ポリメチルメタクリル酸を主成分とするポリマー、金属酸化物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、又は半導体材料の窒化物を主成分として形成されて!ヽる。前記誘電体層の表面に分子認識基を化学修飾したチップを用いる。

前記分子認識基として、 -NH 、—COOH、一 SCN、スクシンイミド基、ピオチュル基

2

のいずれかをィ匕学修飾したチップを用いる。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。前記基板上に形成された誘電体層とは反対側の面から照射された P偏光又は s偏光の反射光を検出する。

[0010] 光学プリズムに、前記基板の前記誘電体層が形成されている面と反対側の面を、屈折率調節オイルを介して密着させた構造を備えてヽる。 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発現する光導波モードのうち、前記誘電体層の厚さを厚くするときに最初に発生する 1次または 2番目に発生する 2次の光導波モードと入射光との結合が生じる入射角度付近に入射角度を固定し、反射光の強度を検出する。

前記誘電体層の表面に化学修飾された分子認識基に、気体中又は液体中にぉヽて、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、質量又は誘電率を測定する。

また、本発明の光導波モードセンサー用チップは、光導波モードセンサーに使用され、基板上に反射膜を被覆し、さらにその反射膜の上に誘電体の光導波路を持つ。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薄膜である。基板上に形成する金属又は合金薄膜の材料は、元素の周期表の 4〜 14族力も選択したものであれば、特に制限はないが、センサ一の安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。金属の薄膜を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、特に制限はない。前記反射膜は半導体材料の薄膜である。基板上に形成する半導体材料は、特に制限はない力センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。半導体材料の薄膜を被覆する手段としては、蒸着、スパッタリング、分子線ェピタキシ (MBE)などが利用でき、基板に被覆できる手段であれば、特に制限はなヽ発明の効果

[0011] 本発明によれば、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度で小さいサイズの被検出試料をラベルフリーで検出できる。また、反射膜として、基板に対して密着性の高い金属や半導体材料を用いることによって、長期的な信頼性が高ぐ安定なセンサーを提供することができる。さらに、 2次の光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出高感度化を図ることができるという優れた効果を有する。従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度でかつ小さいサイズの被検出試料を、ラベルを使用することなく検出できるという著しい効果を有する。図面の簡単な説明

[0012] [図 1]光導波モードを発現するチップ構造を示す図である。

[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。

[図 3]光導波モードセンサーの構成例を示す図である。

[図 4]酸ィ匕シリコンを光導波路に用いる場合の膜厚とモードの発現の仕方を示す図である。

[図 5]酸ィ匕シリコンを光導波路に用いる場合の膜厚とモードの発現の仕方を示す図である。 [図 6]反射率変化量の見積 (酸ィ匕シリコン 760應)をフレネルの式を用いて計算した結果を示す図である。

圆 7]1次と 2次の光導波モードによる反射光強度が減少する入射角範囲を比較する図である。

[図 8]本実施例における反射光強度の入射角依存性を示す図である。

圆 9]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。

[図 10]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。

[図 11]本実施例において、ストレプトアビジンの吸着による 2次の光導波モードにおける反射光強度特性の変化を示す図である。

圆 12]p偏光に対して高感度が期待できない nと kの範囲を示す図である。

圆 13]s偏光に対して高感度が期待できない nと kの範囲を示す図である。

圆 14]銀を反射膜に用いた場合の反射光強度と入射角との関係をフレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて計算した結果を示す図である。

[図 15]波長 633nmの光を用い、屈折率 1.8のガラス上に厚さ 31nmの Cuを反射膜として形成し、その上に厚さ 1.1 mの酸ィ匕シリコン (屈折率 1.457)を形成した際のシミュレーシヨン結果を示す図である。

[図 16]反射膜にシリコンを用いた場合の 2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。

[図 17]図 16とは異なる条件にした場合の図である。

[図 18]反射膜に銅を用いた場合の 2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。

[図 19]図 18とは異なる条件にした場合の図である。

[図 20]図 18及び図 19とは異なる条件にした場合の図である。

[図 21]反射膜にクロムを用いた場合の 2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。

[図 22]反射膜にタンタルを用いた場合の 2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。発明を実施するための最良の形態

[0013] 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。

本発明は、上記の通り、感度を向上させるために、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とから構成される。この誘電体層が光導波路となって、特定の条件の下で入射光の一部又は全部をこの誘電体層からなる光導波路内を伝搬させる。このような構造を持つチップに対して、ガラス側力光を入射すると、ある入射角において反射光が極端に減少し、ディップが現れる、と言う現象が生じる。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。

[0014] 図 2は、図 1のチップのガラス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。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 の入射角度で生じる

0

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、図 1に示す誘電体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力 ¾偏光の場合には生じる力^偏光の場合は生じな!/、。

[0015] もう 1つの反射光強度の減少が光導波モードに起因するものであり、図 2中の Θ

m=l、の

2、 3 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、つまり誘電体光導波路が無い場合や薄い場合は生じない。光導波モードが発生する誘電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、一般に誘電体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、誘電体の屈折率が低い場合や使用する光の波長が長い場合は、厚い誘電体層が要求される。例えば、誘電体層の屈折率が 1.457で波長 633nmの光を用いた時、光力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。

[0016] 本発明では、この光導波モードに起因する、特定入射角度における急激な反射光強度の減少、つまりディップが生じる現象を用いて、この誘電体光導波路層表面への分子の吸着、接触、結合を検出する。

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。

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。

[0017] 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、誘電体の層を形成する。この誘電体の層の上側 (表面側）力この誘電体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、この誘電体層はスラブ導波路と似た構造となり、この誘電体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、この誘電体層中に光が閉じこめられて伝搬する状態力この場合の光導波モードである。

[0018] 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、誘電体層側に染み出す。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誘電体層中を伝搬する光となる。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、誘電体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に示すようなディップ形状となる。

[0019] 光導波モードは伝搬する光の波長、偏光面、誘電体光導波路となるべき膜の厚さに依存し、個数が増減する。

上述のように、誘電体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、と言うように呼ぶ。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。

よって、誘電体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減少が観測され、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減少が観測され、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減少が見られるようになる。

[0020] 前述のように、図 1に示す基板構造を持つチップのガラス側から、光を入射すると、ある角度で、入射光と光導波モードとの結合によって、反射光強度が著しく減少する。この角度や反射光強度は、誘電体光導波路の表面の誘電率変化に大きく依存する為、誘電体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ーである。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。

[0021] 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、反射膜表面に誘電体層が付加されている。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誘電体層による光導波路 (誘電体光導波路)の光導波モードと入射光との結合が生じる。つまり入射光が光導波モードとなる。この光導波モードと入射光との結合によって、入射光の一部又は全部をこの誘電体光導波路内を伝搬させて、反射されなくすることによって、反射光強度の減少が起こる。反射膜によって反射される光強度の減少は、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。

このように、光導波モードによる反射光強度の減少も、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、光学プリズムを用いなくても光導波モードを発現させることは可能である。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。

[0022] 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、つまり誘電体層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。

[0023] 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。誘電体光導波路は、基本的には検出に用いる光に対して透明な材料であればどのような材料でもよい。この誘電体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。酸ィ匕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。

[0024] また、ポリマー材料、例えば、ポリメチルメタクリル酸を主成分として形成されるポリマ一も、酸ィ匕シリコンと同様の効果を持ち、望ましい材料といえる。また、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、窒化アルミニウムのような金属窒化物など、透明度の高い誘電体材料は好ましい材料である。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、取り扱いが容易という点で、赤外〜紫外領域の光を使うことが望ましヽ。

反射膜には、化学的且つ物理的に安定な金属の薄膜や、半導体材料薄膜であれば、どのような材料でも使用可能である。よって、金属材料としては、元素の周期表の

4〜 14族から選択した金属、またはこのような金属を主として用いた合金であれば、特に制限はない。また、半導体材料は、 Siや Geのような 1種類の元素による半導体以外に、 2種類以上の元素で構成されたィ匕合物半導体でも良い。また、半導体は、 p 型、 n型、真性半導体のいずれでも良い。但し、検出に用いる光の偏光状態によっては、反射膜としての材料を適切に選択しなければ高感度が得られな、場合がある。光の偏光状態には P偏光と s偏光とがある。本センサーでは、図 2において、電界の振動方向が y方向に垂直な光が P偏光、電界の振動方向が y方向に水平な光が s偏光である。

本センサーは、入射光と光導波モードとの結合によって反射光強度が著しく減少する角度を入射光角度 Θ aとすると、この Θ a付近に光の入射角度を設定し、誘電体光導波路の表面に検出対象となる物質が吸着又は付着した際に生じる、この入射角度 Θ aの変化や反射光強度の変化を読み取ることによって、物質を検出する。 Θ aは例えば図 2に示す 0 、 Θ 、 0 のような角度である。よって、 0 a付近での反射光強

m=l

度の減少量が大きければ大きいほど、 Θ aの変化又は反射光強度の変化が読み取りやすぐセンサーの感度が向上する。このことから、全反射時の反射光強度を 1とすると、角度 0 aにおける反射光強度の変化の度合い、つまり、角度 Θ a付近での反射率の減少量 A Rが少なくとも 0.1以上が望ましぐまた、 0.3程度以上であることがより望ましい。また、材料によっては、反射光強度が全体的に低くなつてしまい、特定な入射角において反射光強度が著しく減少する、と言う現象自身が明確に現れないものもある。このような測定感度の低下は反射膜として用いる材料の屈折率 nと減衰係数 k に依存する。上記のような理由の為に、 p偏光に対して高感度が期待できない nと kの範囲を図 12に、 s偏光に対して高感度が期待できない nと kの範囲を図 13に示す。よつて、この領域外の nと kを持つ材料を反射膜として用いることが望ましヽ

[0026] 但し、一般に物質の nと kは光の波長によって変化する。よって、同じ材料でも、検出に用いる光によって、感度が良くなつたり悪くなつたりする。例えば p偏光を用いる際、銀を反射膜に用いた場合、光の波長が 400nmの時、 nと kは、それぞれ 0.173と 1. 95である。よって、図 12に示した高感度が期待できない領域外となる。一方、光の波長が 300nmの場合、 nと kは、それぞれ 1.522と 0.992となってしまい、図 12に示した高感度が期待できない領域内になってしまう。

この銀の場合の反射光強度と入射角との関係をフレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて計算した結果を図 14に示す。ここでは、入射光は p偏光であり、図 2に示したように、頂点が 90° の三角プリズムを介して入射され、ガラスの屈折率は 1.8として計算した。誘電体光導波路膜の屈折率と厚さ及び銀薄膜の厚さは、波長 300nm の光に対してはそれぞれ 1.488、 600nm、 17nm、波長 400nmに対してはそれぞれ 1.47 0、 750nm、 33nmとした。また、誘電体光導波路の表面は水に浸されているとした。図 14からも明らかなように、銀を反射膜として用いた場合、波長 400nmでは鋭いデイツプが観測され、高感度が期待できるが、波 300nmでは、ディップが浅ぐまた幅も広いため、高感度は期待できない。

[0027] 図 12に見られるように、 p偏光に対しては、高感度が期待できない領域力 kが小さい領域側に寄っている。一般に金属は赤外〜紫外領域で kが大きいので、 p偏光を用いた場合には殆どの金属を反射膜として用いることができる。一方、 s偏光を用いた場合、図 13に見られるように、高感度が期待できない領域が、 kが大きい領域にも及んでいる。よって、 s偏光を用いた場合、使用可能な材料が制限されてしまう。

しかし、 s偏光を用いた場合の方が p偏光を用いた場合よりディップの幅が狭、場合がある。その例を図 15に示す。図 15は、波長 633nmの光を用い、屈折率 1.8のガラス上に厚さ 31應の Cuを反射膜として形成し、その上に厚さ 1.1 μ mの酸ィ匕シリコン (屈折率 1.457)を形成した際のシミュレーション結果である。ここでも、入射光は図 2に示したように、頂点が 90° の三角プリズムを介して入射され、誘電体光導波路の表面は水に浸されているとした。図 15では、点線力 ^偏光に対するシミュレーション結果であり、実線力 ¾偏光に対するシミュレーション結果である。

[0028] この図から分力るように、 s偏光を用いた場合の方がディップの幅が狭い。ここで、誘電体光導波路表面に検出対象分子が付着した際、ディップが生じる角度の変化量は s偏光、 p偏光ともに同程度であることから、ディップが狭い s偏光を用いた場合の方力感度が良くなる。

また、 s偏光を用いる際には、 nが大きく kが小さい半導体材料を使用することも有効である。

以上のことから、反射膜としてどの材料を用いるかは、用いる光の波長、及びその波長に対する材料の n k、及びその材料によって得られる角度 Θ aにおけるディップの深さや幅を考え、最適なものを選ぶことが望ましい。

[0029] 反射膜の厚さもディップの深さや幅に大きな影響を与える為、最適値を選択する必要がある。例えば、反射膜が厚すぎると光が光導波路に到達せず、ディップが現れなくなつてしまう。また、反射膜の選択には、その反射膜の持つ他の特性、例えば、温度に対する安定性、ガラスとの密着性、なども重要である。ガラスと密着しにくい材料を用いる場合、例えば金や銀を反射膜として用いる場合、ガラスとの密着性を向上させるために、 Crなどの接着層を間に挟むことが有効である。

しかし、高温で長時間使用する際などは、接着材料が金や銀内に拡散し、センサ一としての特性に変化が生じてしまう恐れもあるため、なるベぐ接着層は使用しない方がよい。よって、こういった観点からは、ガラスとの密着性の高い材料を反射膜の材料として選択することが望ま、。

[0030] 誘電体光導波路については、上述のようにその厚さや屈折率と発生する光導波モードとの間に大きな関係がある。屈折率 1.479の酸ィ匕シリコンを光導波路に用いる場合の酸化シリコン層の膜厚と、反射光強度と光の入射角の関係を、図 4 (p偏光)及び図 5 (s偏光）に示す。ここでは、屈折率 1.846のガラスと、反射膜として膜厚 47nmの金を用い、照射光波長は 633 とした。また、誘電体層表面はリン酸緩衝液 (PBS緩衝液）に浸されているとした。図中の数字は、酸ィ匕シリコン層の厚さである。 p偏光では、酸ィ匕シリコンの膜厚が 600nmのときには、 1次の光導波モードとの結合によるディップが発現している。また、酸ィ匕シリコンの膜厚が 900nmの時には、 2次の導波モードとの結合によるディップの発現も確認できる。 s偏光では、酸化シリコンの膜厚が 650nmのときには 1次の光導波モードとの結合によるディップが発現しており、 700nmおよび 750 應の場合には 2次の光導波モードとの結合によるディップの発現が観測されている。

[0031] 酸ィ匕シリコンにより形成された光導波路表面に物質が吸着した際に予想される反射率変化量の見積 (酸ィ匕シリコン 760應)を図 6に示す。これは、リン酸緩衝液中で屈折率 1.45のたんぱく質が膜厚 5應で吸着すると仮定したものである。

図 6の左は、従来型の表面プラズモン共鳴 (SPR)モードによるディップを利用したもの、右は s偏光の 2次の光導波モードとの結合によるディップを利用したものを示す。 S PRモード用いた場合、最大で 0.15の変化量が期待されるのに対し、 s偏光の 2次の光導波モードとの結合によるディップを利用した場合、最大で 0.62の変化量が期待される。よって、光導波モードを利用することによって高感度化が期待できる。

[0032] 光導波モードとの結合によるディップは、反射光強度が減少する入射角の範囲、つまりディップの幅、が表面プラズモン共鳴の場合と比較して、非常に狭いのが特徴である。よって光導波路表面に被検出試料が吸着あるいは結合すると、反射光強度が減少する入射角が大きく変化する。

図 6で示したように、 2次の光導波モードとの結合によるディップが起こる角度に入射角を固定した場合に得られる反射率変化量は、表面プラズモン共鳴を利用する場合と比較して、理論的に 4倍程度大きい。従って、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも高ヽ感度で小さ、サイズの被検出試料をラベルフリーで検出できる。

[0033] また、図 7に示すように、 1次の光導波モードとの結合によるディップに比べ、 2次の光導波モードとの結合によるディップは反射光強度が減少する入射角範囲が広い。図 7で示す楔形の曲線部分において、 1次の光導波モードにおける半値幅が 0.03° であるのに対し、 2次の光導波モードでは 0.08° と見積もられる。したがって、 2次の光導波モードは、 1次の光導波モードに比べ、入射角の制御が容易であるという著しい特徴を有する。

一方、感度は 1次および 2次の光導波モードにおいてほぼ同等であるため、被検出試料の検出における 2次の光導波モードの利用は、 1次の光導波モードに比べて優れている。実施例

[0034] 屈折率 1.846の板ガラスをガラス基板として用い、金を金属として用い、誘電体光導波路として酸ィ匕シリコンを用いた場合、フレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて、 2次の光導波モードとの結合によるディップが発現する酸ィ匕シリコン光導波路の膜厚を計算したところ、 p偏光では 900 nm以上、 s偏光では 700 nm以上であることが明ら力となった。そこで、 25mm四方、厚さ lmm、屈折率 1.846の板ガラスの片面にクロム (5 nm)、金（47 nm)、クロム（5 nm)の順で真空蒸着し、その上に酸化シリコンを 760 nmスパッタリングすることによりチップを作製した。なお、ここでのクロムは、金とガラスとの接着強度の向上のために用いられた。

[0035] スパッタリングされた光導波路面が 1/15Mリン酸緩衝液に接するようチップを液セルに装着し、光導波路面と反対側の面は屈折率調節オイルを介して光学プリズムと密着させた。これを入射角制御用ゴ-ォメーター上に装着し、 s偏光されたヘリウムーネオンレーザー (633 nm)を、光学プリズムを通してチップに照射した。

反射光強度は集光レンズを通してフォトダイオードで検出した。入射角を 45° カゝら 6 0° まで変化させながら、反射光強度を測定したところ、図 8に示すように 57° 付近に 1次の光導波モード、 48° 付近に 2次の光導波モードとの結合によるディップが検出された。

[0036] 次に、チップを弱アルカリ水溶液に一時間浸漬後乾燥し、 0.2wt.% 3-ァ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、酸化シリコン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、 0.1 mM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リン酸緩衝液を液セル中に注入した。

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 9は、酸ィ匕シリコン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-ァ

2

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。さ

2

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ィ匕合物を溶解した溶液中ヘアミノ基が修飾されたチップを浸漬することにより、容易にたんぱく質 (ストレブトァビジン)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。

[0037] 次に、入射角を 47.79° 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 1 μ Μ含有する 1/15Mリン酸緩衝液を液セルに注入しながら反射光強度を測定した。図 10に示すように、注入直後から反射光強度が著しく増加し、約 20分でほぼ一定になった。

観測された反射率変化量は 0.448であった。また、図 11に示すように、入射角を 45 ° から 60° まで変化させながら反射光強度を測定したところ、ストレプトアビジンの吸着による膜厚増加により、 1次および 2次の光導波モードとの結合によるディップが発現する入射角が高角度側にシフトした。このとき、 2次の光導波モードの場合、反射光強度が最小になる角度はピオチュル基導入後から 0.08° 高角度側にシフトした。

[0038] 入射角に対する反射光強度をプロットしたときに得られた反射率曲線をフレネルの式に当てはめてフィッティングを行った結果、ストレプトアビジンが平均膜厚 5 nmでビォチニル基に吸着していることが明ら力となった。

金薄膜上にピオチニル基を修飾し、平均膜厚 5 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したところ、最大で 0.15程度であった。

一方、 2次の導波モードを利用する場合、計算による反射率変化量の最大値は、 0. 62であった。また、 2次の光導波モードを利用した実験結果は、表面プラズモン共鳴を利用した場合の計算値よりも上回っており、検出の高感度化は明白である。

[0039] 上述のように、フレネルの式を用いたシミュレーション結果と、実際の実験結果との間には非常に良い相関関係があることから、このシミュレーションによって、様々な反射膜を用いた場合の結果を予測することができる。よって、以下にシミュレーションによって予想される本発明の好適な例を示す。

まずは、反射膜にシリコンを用いた場合である。シリコン反射膜の膜厚は 30應、入射光の波長は 633nm、光導波路層は屈折率 1.457、厚さ 1080nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光は s偏光とし、 2次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 16の左図は、この 2次の導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 16の右図に示す。最大 0.26の反射率の変化 (減少）が望めることが分かる。

[0040] 次に、シリコン反射膜の膜厚 27應、入射光の波長 633應、光導波路層は屈折率 1.4 57、厚さ 550nmのシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光は s 偏光とし、 1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 17の左図は、この 1 次の導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 17の右図に示す。最大 0.25の反射率の変化 (減少）が望めることが分かる。

以上力も分力るように、反射膜にシリコンを用いた場合でも従来の表面プラズモン共鳴を用いる場合 (予想最大反射率変化 0.15)より、大きな変化が得られることが分かる。シリコンはガラス材料と非常に密着性が良ぐまた、熱安定性が非常に高い。よつて、安定なセンサーを得ることができる。

[0041] 次は、反射膜に銅を用いた場合である。銅反射膜の膜厚は 39應、入射光の波長は 826.5nm、光導波路層は屈折率 1.452、厚さ 1400nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光は p偏光とし、 2次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 18の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 18の右図に示す。最大 0.22の反射率の変化 (増カロ）が望めることが分かる。このように、反射膜に銅を用いた場合でも従来の表面プラズモン共鳴を用いる場合より、大きな変化が得られることが分力る。

[0042] 次に、銅反射膜の膜厚 31nm、入射光の波長 826.5nm、光導波路層は屈折率 1.452 、厚さ 1400nmのシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光は s 偏光とし、 2次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 19の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45 厚さ 5應の物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 19の右図に示す。最大 0.67の反射率の変化 (増加）が望めることが分力る。 [0043] 次に、銅反射膜の膜厚 33nm、入射光の波長 826.5nm、光導波路層は屈折率 1.452 、厚さ 800應のシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光は s偏光とし、 1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 20の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 20の右図に示す。最大 0. 68の反射率の変化 (増カロ）が望めることが分かる。

図 19、図 20から分かるように、反射膜に銅を用い、且つ s偏光を用いることによって、非常に大きな反射率の変化が得られることが分かる。銅は金や銀に比べるとガラス材料と密着性が良い。よって、安定且つ高感度なセンサーを得ることができる。

[0044] 次は、反射膜にクロムを用いた場合である。クロム反射膜の膜厚は 10應、入射光の波長は 300nm、光導波路層は屈折率 1.488、厚さ 300nmのシリカガラスとして計算を行つた。入射光は s偏光とし、 1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 21 の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 21の右図に示す。最大 0.21の反射率の変化 (増カロ）が望めることが分力る。この場合、センサーとしての感度、及び反射膜の密着性の両方とも良好で、さらには、短波長の光源を用いることによって、誘電体光導波路層を薄くでき、誘電体光導波路層の作製が容易である、と言うメリットもある。

[0045] 次は、反射膜にタンタルを用いた場合である。タンタル反射膜の膜厚は 22應、入射光の波長は 1000nm、光導波路層は屈折率 1.45、厚さ lOOOnmのシリカガラスとして計算を行った。入射光は s偏光とし、 1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図 22の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率 1.45厚さ 5應の物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図 22の右図に示す。最大 0.21の反射率の変化 (増カロ）が望めることが分かる。

この場合も、センサーとしての感度、及び反射膜の密着性の両方とも良好である。さらには、長波長の光源を用いることによって、生体分子を観測する際の分子に対するダメージを軽減できるとヽぅメリットもある。産業上の利用可能性

本発明は、上記の通り、光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出高感度化を図ることができるという優れた効果を有し、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度でかつ小さいサイズの被検出試料を、ラベルを使用することなく検出できるという著しい効果を有するので、 DNA、抗原—抗体などのたんばく質、糖鎖などのノィォ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一に適用。医療、創薬、食品、環境等の分野において活用できる。また、誘電体層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。

Claims

請求の範囲

[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反射光強度が減少する光入射角度領域を用いて、前記誘電体層の表面に検出対象となる物質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ることによって、物質の検出を行うことを特徴とする光導波モードセンサー。

[2] 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記載の光導波モードセンサー。

[3] 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記載の光導波モードセンサー。

[4] 前記物質の検出は、前記誘電体層の厚さを厚くするときに 2番目に発生する 2次の光導波モードを利用して行うことを特徴とする請求項 1〜3のいずれかに記載の光導波モードセンサー。

[5] 前記誘電体層は 2次の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 4記載の光導波モードセンサー。

[6] 前記誘電体層は酸化シリコン、ポリメチルメタクリル酸を主成分とするポリマー、金属酸化物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、又は半導体材料の窒化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 1〜5のいずれかに記載の光導波モードセンサー。

[7] 前記誘電体層の表面に分子認識基をィ匕学修飾したチップを用いることを特徴とする請求項 1〜6のいずれかに記載の光導波モードセンサー。

[8] 前記分子認識基として、 -NH 、— COOH、一 SCN、スクシンイミド基、ピオチニル基の!ヽずれかをィ匕学修飾したチップを用いる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ー。

[9] 前記基板上に形成された誘電体層とは反対側の面から照射された p偏光又は s偏光の反射光を検出することを特徴とする請求項 1〜8のいずれかに記載の光導波モードセンサー。

[10] 光学プリズムに、前記基板の前記誘電体層が形成されている面と反対側の面を、屈折率調節オイルを介して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〜 9の、ずれかに記載の光導波モードセンサー。

[11] 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発現する光導波モードのうち、前記誘電体層の厚さを厚くするときに最初に発生する 1次または 2番目に発生する 2次の光導波モードと入射光との結合が生じる入射角度付近に入射角度を固定し、反射光の強度を検出することを特徴とする請求項 1〜10 の!、ずれかに記載の光導波モードセンサー。

[12] 前記誘電体層の表面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、質量又は誘電率を測定することを特徴とする請求項 1〜11のいずれかに記載の光導波モードセンサー。

[13] 請求項 1〜12に記載の光導波モードセンサーに使用される、基板上に反射膜を被覆し、さらにその反射膜の上に誘電体の光導波路を持つ光導波モードセンサー用チップ。

[14] 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 13記載の光導波モードセンサー用チップ。

[15] 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 13記載の光導波モードセンサー用チップ。