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WO2013039065A1 - 蛍光センサーおよびアナライト成分測定方法 - Google Patents

蛍光センサーおよびアナライト成分測定方法 Download PDF

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Publication number
WO2013039065A1
WO2013039065A1 PCT/JP2012/073195 JP2012073195W WO2013039065A1 WO 2013039065 A1 WO2013039065 A1 WO 2013039065A1 JP 2012073195 W JP2012073195 W JP 2012073195W WO 2013039065 A1 WO2013039065 A1 WO 2013039065A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
light
fluorescent
indicator layer
fluorescence
photodiode
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2012/073195
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
松本　淳
悦朗 清水
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Terumo Corp
Olympus Corp
Original Assignee
Terumo Corp
Olympus Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Terumo Corp, Olympus Corp filed Critical Terumo Corp
Publication of WO2013039065A1 publication Critical patent/WO2013039065A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/64—Fluorescence; Phosphorescence
    • G01N21/6428—Measuring fluorescence of fluorescent products of reactions or of fluorochrome labelled reactive substances, e.g. measuring quenching effects, using measuring "optrodes"

Definitions

  • the present invention relates to a fluorescent sensor and an analyte component measuring method for measuring an analyte component in a living body.
  • various analyzers have been developed as devices for quantifying the concentration of an analyte in a liquid.
  • one of such analyzers injects several milliliters of an analyte-containing solution into a transparent container of a certain volume, irradiates the container with appropriate light, and measures the light absorption and fluorescence of the analyte. Is done.
  • Such an analyzer is called a fluorescence spectrophotometer.
  • Such a fluorescent sensor has been proposed that has been miniaturized by recent semiconductor device manufacturing technology and micromachining technology.
  • a photodiode is formed on a thin transparent substrate, an indicator layer that reacts with an analyte to emit fluorescence is disposed on the photodiode, and on both sides and an upper portion of the photodiode.
  • a fluorescent sensor configured to guide excitation light to an indicator layer on a photodiode by providing an optical path.
  • the excitation light is irradiated from the back surface direction of the photodiode to the entire indicator layer so that the excitation light is not directly irradiated toward the light receiving surface of the photodiode.
  • the fluorescent compound in the indicator layer deteriorates when exposed to excitation light and does not emit fluorescence. For this reason, a fluorescence sensor that can keep the lifetime of the fluorescence sensor longer is desired.
  • An object of the present invention is to provide a fluorescent sensor capable of extending the lifetime more than ever.
  • the fluorescent sensor of the present invention detects an analyte component of a living body, and has an indicator layer fixed with a fluorescent substance that emits fluorescence according to the amount of the analyte component when irradiated with excitation light;
  • a photodiode that receives the fluorescence and outputs an electrical signal corresponding to the intensity of the fluorescence, and a light source that irradiates the indicator layer with the excitation light, the indicator layer on the photodiode The light source irradiates the excitation light into the indicator layer in a direction parallel to the light receiving surface of the photodiode.
  • the analyte component measuring method of the present invention for achieving the above object is characterized in that the above-mentioned light source is provided in the indicator layer in which a fluorescent substance that emits fluorescence according to the amount of the analyte component in the living body is fixed by the excitation light.
  • An analyte component measuring method in which excitation light is incident, fluorescence emitted from the fluorescent material is received and the intensity of the fluorescence is measured, wherein a site where the fluorescent material generates fluorescence is away from the light source And the intensity of fluorescence emitted from the moved site is measured.
  • the excitation light is irradiated toward the indicator layer in parallel with the photodiode light receiving surface.
  • the fluorescent material fixed in the indicator layer gradually becomes transparent from the light source to the back, and the position that emits the fluorescence moves (shifts) most. For this reason, it becomes possible to continue the measurement until the excitation light reaches the innermost part from the light source of the indicator layer, and the life of the indicator layer can be extended.
  • the excitation light is incident on the fluorescent material fixed in the indicator layer so that the position where the fluorescence is emitted is farthest from the light source. It was decided to move (shift). For this reason, the measurement can be continued until the excitation light reaches the innermost part from the light source of the indicator layer, and the lifetime of the indicator layer can be extended.
  • (A) is sectional drawing
  • (B) is a top view.
  • 3 is a graph showing transmittance characteristics of a polysilicon film and a silicon carbide film.
  • It is a fragmentary sectional view of the light source part for demonstrating the case where LED is used for a light source.
  • It is an external appearance perspective view of a sensor system.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of the fluorescent sensor of the present embodiment
  • FIG. 1A is a schematic cross-sectional view of the fluorescent sensor
  • FIG. 1B is a schematic diagram of FIG. 1A excluding the light shielding film of the fluorescent sensor. It is a schematic plan view seen from above.
  • the fluorescent sensor 1 includes a photodiode 3 provided on the surface of the substrate 2, an optical filter 4 that covers at least the light receiving surface of the photodiode 3, and an indicator layer that is located on the photodiode 3 and provided on the optical filter 4. 5, a light source 6 that emits excitation light to the indicator layer 5 in a direction parallel to the light receiving surface on the side of the photodiode 3, and a light shielding film 7 that covers at least the indicator layer 5.
  • the substrate 2 is, for example, a silicon single crystal substrate.
  • a photodiode 3 is directly formed on the surface of the substrate 2 by a planar technique which is one of semiconductor device manufacturing techniques. Referring to FIG. 1B, one wiring 51 for detecting a signal from the photodiode 3 extends to the substrate end on the light source 6 side on the substrate surface. The other signal line of the photodiode 3 can be taken from the substrate 2. Further, power supply wirings 52 and 53 to the light source 6 are also formed on the substrate surface. In addition, arrangement
  • the optical filter 4 has a property of blocking only the light source wavelength so that the light from the light source 6 does not directly enter the photodiode, while transmitting the fluorescent wavelength from the indicator layer 5.
  • the arrangement position may be any position that covers at least the photodiode 3, but it is preferable that the arrangement position is just below the light source in consideration of irregular reflection of light inside the apparatus. This is to prevent the light emitted from the light source 6 from entering directly into the substrate 2 and affecting the photodiode 3.
  • an optical filter 4 for example, a light source 6 having an excitation light wavelength of 350 nm to 420 nm, preferably a central wavelength of 375 nm is used, while the indicator layer 5 has a fluorescence wavelength of 400 nm to 600 nm and a peak wavelength of 480 nm.
  • the wavelength of 350 nm to 420 nm may be blocked, while 420 nm or more, preferably 450 nm to 600 nm may be transmitted.
  • a filter comprising a silicon oxide film having a thickness of several tens to several hundreds nm and a polysilicon film having a thickness of several hundreds nm to several ⁇ m formed thereon on the surface of the photodiode element.
  • a layer may be provided.
  • the filter layer configured as described above can suppress the excitation light having an excitation wavelength of 375 nm from entering the photodiode. For example, if a polysilicon thickness of 900 nm, can be suppressed to about 1/10 8. When an LED is used for the light source 6 to be described later, there is slight light emission at other wavelengths of the excitation wavelength.
  • tantalum oxide and silicon oxide having a thickness of several nm to several tens of nm are alternately formed per layer.
  • SiC silicon carbide
  • FIG. 2 is a graph showing transmittance characteristics of the polysilicon film and the silicon carbide film, where the horizontal axis indicates the wavelength of light and the vertical axis indicates the light transmittance.
  • A shows the case of a polysilicon film having a film thickness of 0.5 ⁇ m
  • B shows the case of a silicon carbide film having a film thickness of 360 ⁇ m.
  • both (A) the polysilicon film and (B) the silicon carbide film have a transmittance of 10 ⁇ 7 or less at the wavelength of the excitation light E shorter than 375 nm, whereas at the wavelength of the fluorescence F at 460 nm,
  • the transmittance is 10 -1 or more, that is, 10% or more, and the transmittance selectivity by wavelength is 6 digits or more.
  • the optical filter 4 when a silicon film is used as the optical filter 4, a thickness of 1 ⁇ m is sufficient, so that it can be integrally formed on the semiconductor substrate after the formation of the photodiode 3 in a well-known semiconductor manufacturing process.
  • the silicon of the material of the optical filter 4 may be non-doped, but is preferably a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film having a thickness of sub ⁇ m to several ⁇ m doped with an impurity such as phosphorus.
  • gallium phosphide can also be preferably used as the optical filter 4 because it has a low transmittance at a wavelength of excitation light shorter than around 375 nm and a high transmittance at a wavelength of fluorescence of 460 nm.
  • the indicator layer 5 is provided so as to cover the photodiode 3, and the excitation light from the light source 6 enters the indicator layer in parallel to the light receiving surface of the photodiode 3. Is arranged.
  • the indicator layer 5 preferably covers an area equal to or larger than the area of the photodiode light receiving surface. This is to make it possible to detect as much fluorescence emitted from the indicator layer 5 as possible over the entire detection region of the photodiode 3. The specific size of the indicator layer 5 will be described later.
  • the indicator layer 5 includes a fluorescent substance that emits fluorescence according to the amount of the analyte when it is exposed to excitation light, and a poly (meth) acrylamide residue for fixing and holding the fluorescent substance so as not to move in the indicator layer.
  • a hydrogel or polymer comprising a gel containing a polymerizable monomer is used.
  • the gel or the polymer preferably includes, for example, a fluorescent monomer (fluorescent substance) having a phenylboronic acid at a sugar recognition site, and a fluorescent monomer having a phenylboronic acid group of the following chemical formula 1 It is further preferable to provide a copolymer with a polymerizable monomer containing a (meth) acrylamide residue.
  • X 1 and X 2 may be the same or different, and —COO—, —OCO—, —CH 2 NR—, —NR—, —NRCO—, —CONR—, —SO 2 NR—, -NRSO 2 -, - O -, - S -, - SS -, - NRCOO -, - OCONR- and -CO- is selected from the group consisting of 1 to 30 carbon atoms containing at least one substituent alkylene R is hydrogen or an optionally substituted alkyl group.
  • an alkylene containing at least one kind of substituent refers to an alkylene having a substituent bonded to an end of the alkylene and an alkylene having a substituent in the chain.
  • the number of carbon atoms of the alkylene is preferably 1-30, more preferably 3-12. Specific examples include propylene, hexylene and octylene.
  • the substituent contained in the alkylene is preferably —NRCO— or —CONR—.
  • R is an alkyl group, those having 1 to 10 carbon atoms are preferred, and 1 to 5 is more preferred. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group.
  • R is preferably hydrogen.
  • Z 1 and Z 2 may be the same or different and each represents —O— or —NR′—, and R ′ represents hydrogen or an optionally substituted alkyl group.
  • the alkyl group preferably has 1 to 10 carbon atoms, more preferably 1 to 5 carbon atoms. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group.
  • Z 1 and Z 2 are preferably —N—.
  • Y 1 and Y 2 may be the same or different and are divalent organic residues which may be substituted.
  • Y 1 and Y 2 are preferably hydrophilic enough to make the fluorescent monomer water-soluble.
  • the hydrophilicity to such an extent that the fluorescent monomer can be made water-soluble means that it dissolves in water in the concentration range necessary for polymerizing the fluorescent monomer without the presence of an organic solvent or a solubilizing agent.
  • Y 1 and Y 2 having a hydrophilic group such as amino group, carboxyl group, sulfo group, nitro group, amino group, phosphoric acid group and hydroxyl group, and hydrophilic such as ether bond, amide bond and ester bond in the structure What has a sexual bond can be illustrated.
  • Y 1 and Y 2 preferably include a structure represented by the following chemical formula 2 or chemical formula 3 in the organic residue, and may further have another substituent or a divalent organic residue.
  • n is preferably 2 to 4, more preferably 2 or 3
  • j is preferably 1 to 3, more preferably 1
  • m is preferably 20 to 150, more preferably 40. ⁇ 120.
  • the molecular weight of Y is preferably 500 to 10,000, more preferably 1,000 to 5,000.
  • the divalent organic residue represented by Chemical Formula 2 or Chemical Formula 3 can be prepared, for example, by polymerizing alkylene glycol such as ethylene glycol or propylene glycol, vinyl alcohol, or the like.
  • the fluorescent monomer used in the present embodiment can obtain the following effects more specifically by introducing the hydrophilic chain Y.
  • the fluorescent monomer becomes water-soluble, it is possible to efficiently perform immobilization and polymerization reaction when forming the fluorescent sensor material.
  • an acrylamide gel is prepared, polymerization can be performed using only water as a solvent, and a product having high physical strength, stability, and uniformity can be obtained.
  • an organic solvent or the like which may result in an unfavorable gel.
  • hydrophilic chain changes the environment and motility around phenylboronic acid that interacts with the substance to be detected, contributing to improved sensitivity, accuracy, response speed, and selectivity of the saccharide as the substance to be measured. .
  • the hydrophilic chain stabilizes the entire fluorescent sensor material, for example a polymerized structure. (4) Since it can react only with water, it can superpose
  • L represents an optionally substituted alkyl group having 1 to 10 carbon atoms. Specific examples include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group. More preferably, the alkyl group has 1 to 4 carbon atoms. L is preferably a methyl group.
  • the fluorescent monomer used in the present embodiment is characterized in that Y is introduced into the monomer compound for saccharide detection via the above X, and thereby the physical properties and stability of the fluorescent monomer compound, detection sensitivity, and detection. It is possible to improve the accuracy, the selectivity of the saccharide that is the substance to be measured, and the like.
  • the fluorescent monomer used in this embodiment is a phenylboronic acid derivative containing an anthracene skeleton, and the anthracene skeleton is known to act as a fluorescent atomic group.
  • a phenylboronic acid moiety and a saccharide form a stable complex, it fluoresces due to the presence of a fluorescent group, but the fluorescent monomer used in this embodiment has two phenylboronic acids, Excellent detection sensitivity.
  • the obtained derivative has an acryloyl group and an amide in its structure, and includes (meth) acrylamide and derivatives thereof.
  • acrylamide, methacrylamide, N, N-dimethylacrylamide, N-isopropylacrylamide, N-tert-butylacrylamide, N-tris-hydroxymethylacrylamide, N-hydroxymethylacrylamide, N- (n-butoxymethyl) acrylamide examples include condensates of (meth) acryloyl chlorides such as N-acryloyl lysine and N-acryloyl hexamethylene diamine with compounds having amino acids or active amino groups, and compounds represented by Formula 4.
  • A is hydrogen or a methyl group
  • U and U ′ may be the same or different, and are hydrogen or an optionally substituted alkyl group.
  • alkyl group include a methyl group, an ethyl group, a propyl group, a butyl group, and a pentyl group.
  • a polymer composed of a polymerizable monomer containing a (meth) (meth) acrylamide residue has high hydrophilicity
  • a highly hydrophobic fluorescent group containing phenylboronic acid present in the fluorescent monomer Is incorporated into a highly hydrophilic structure.
  • water-soluble saccharides can easily approach and bind to the fluorescent atomic group.
  • a fluorescent sensor material is used for the indicator layer 5, and the composition of the gel and polymer, the manufacturing method thereof, and the like, which are forms of the fluorescent sensor material, will be described below.
  • the copolymer composition molar ratio ((I) :( II)) of the fluorescent monomer (I) and the polymerizable monomer (II) containing the (meth) acrylamide residue constituting the fluorescent sensor substance is 1: It is preferably 50 to 1: 6,000, more preferably 1: 150 to 1: 3,000.
  • the ratio of the fluorescent monomer is larger than the molar ratio 1:50, the degree of freedom is lost due to the bulk of the fluorescent monomer, and the interaction with the saccharide may be reduced.
  • the ratio of the fluorescent monomer compound is smaller than the molar ratio 1: 6,000, the absolute amount of fluorescence intensity may not be ensured.
  • the weight average molecular weight of the two-component polymer fluorescent sensor substance is preferably 50,000 to 750,000, more preferably 150,000 to 450,000 in terms of polyethylene oxide by GPC.
  • the fluorescent sensor substance used in the present embodiment may use other components in combination.
  • Such components include crosslinkable monomers, other crosslinkable components, cationic monomers that can be cations in water, anionic monomers that can be anions in water, and nonionic monomers that do not have ions.
  • the crosslinkable monomer widely includes those capable of introducing a three-dimensional cross-linked structure into a fluorescent sensor substance by a polymerizable double bond, and varies depending on the substituent of the fluorescent sensor substance to be used, but N, N′-methylenebis ( (Meth) acrylamide, N, N '-(1,2-dihydroxyethylene) -bis (meth) acrylamide, diethylene glycol di (meth) acrylate, (poly) ethylene glycol di (meth) acrylate, triethylene glycol di (meth) acrylate , Propylene glycol di (meth) acrylate, trimethylolpropane di (meth) acrylate, trimethylolpropane tri (meth) acrylate, pentaerythritol di (meth) acrylate, pentaerythritol tri (meth) acrylate, pentaerythritol Tetra (meth) acrylate, (poly) propylene glycol di (
  • crosslinkable components widely include compounds having two or more functional groups, and depending on the substituent of the fluorescent sensor material used, triallyl cyanurate, triallyl isocyanurate, triallyl phosphate, triallylamine , Poly (meth) allyloxyalkane, (poly) ethylene glycol diglycidyl ether, glycerol diglycidyl ether, ethylene glycol, polyethylene glycol, propylene glycol, glycerin, pentaerythritol, ethylenediamine, polyethyleneimine, glycidyl (meth) acrylate, Mention may also be made of triallyl isocyanurate, trimethylolpropane di (meth) allyl ether, tetraallyloxyethane or glycerol propoxytriacrylate. Two or more of these may be used in combination.
  • Examples of the cationic monomer that can become a cation in water include dimethylaminoethyl (meth) acrylate, diethylaminoethyl (meth) acrylate, and 4-vinylpyridine. Two or more of these may be used in combination.
  • Nonionic monomers having no ions include 2-hydroxyethyl (meth) acrylate, 3-methoxypropyl (meth) acrylate, 4-hydroxybutyl (meth) acrylate, 2-methoxyethyl acrylate or 1,4-cyclohexanedimethanol A monoacrylate etc. can be mentioned. Two or more of these may be used in combination.
  • crosslinkable monomers other crosslinkable components, cationic monomers, anionic monomers and nonionic monomers may be used in combination of two or more.
  • the blending amount of these other components is preferably from 0.1 to 10 mol%, more preferably from 2 to 7 mol% of the total amount of the fluorescent monomer compound and the polymerizable monomer containing a (meth) acrylamide residue. .
  • a three-dimensional crosslinked structure can be formed, and hydrophilicity adjustment, introduction of a reaction starting point, and the like can be performed. The three-dimensional crosslinked structure will be described later.
  • the fluorescent sensor substance (fluorescent substance) used in the present embodiment preferably has a structure represented by Chemical Formula 5.
  • X 1 , X 2 , Z 1 , Z 2 , Y 1 , Y 2 , and L are the same as the fluorescent monomer shown in Chemical Formula 1.
  • U 1, U 2, U 3 , U 4, A 1 and A 2 are the same as the polymerizable monomer containing a shown in Chemical Formula 4 (meth) acrylamide residual group.
  • the molar ratio of p 1 and q 1 (p 1 : q 1 ) and the molar ratio of p 2 and q 2 (p 2 : q 2 ) correspond to the molar ratio of (I) :( II).
  • the ratio is preferably 1:50 to 1: 6,000, more preferably 1: 150 to 1: 3,000.
  • the fluorescent sensor substance (fluorescent substance) used in the present embodiment may have a three-dimensional cross-linked structure in which at least a part of the copolymer forms an intermolecular cross-link.
  • the fluorescent monomer When a three-dimensional crosslink is formed on the poly (meth) acrylamide chain, the fluorescent monomer is fixed to the substrate, and sugars can be easily detected without eluting the fluorescent monomer compound even in an aqueous solution.
  • the fluorescent monomer has a hydrophobic moiety that emits fluorescence by binding to a saccharide, and the hydrophobic moiety is bonded to a poly (meth) acrylamide chain via a divalent organic residue represented by Y. Therefore, the freedom degree which can be couple
  • fluorescent monomer compound As the fluorescent monomer represented by Chemical Formula 1, a compound in which X is —C 6 H 12 —NHCO—, Y is a PEG residue, Z is —O—, and L is —CH 3 group, An example of a method for producing 9,10-bis (methylene) [[N- (orthoboronobenzyl) methylene] -N-[(acryloylpolyoxyethylene) carbonylamino] -n-hexamethylene] -2-acetylanthracene This will be described below.
  • 2-acetyl-9,10-dimethylanthracene as a raw material and heating the carbon tetrachloride / chloroform solvent to react with N-bromosuccinimide (NBS) and benzoyl peroxide (BPO), 2-acetyl- It is 9,10-bis (bromomethylene) anthracene.
  • NBS N-bromosuccinimide
  • BPO benzoyl peroxide
  • the target product can be obtained by reacting acryloyl- (polyethylene glycol) -N-hydroxysuccinimide ester in a basic buffer.
  • Z is NH
  • acrylamide- (polyethylene glycol) -N-hydroxysuccinimide ester may be used instead of acryloyl- (polyethylene glycol) -N-hydroxysuccinimide ester used in the last step.
  • the blending amount is preferably 0.1 to 10 mol%, more preferably 2 to 7 mol% of the total amount of the fluorescent monomer compound and the polymerizable monomer containing a (meth) acrylamide residue. %.
  • it is preferably added at the same time as the polymerization initiator and the polymerization accelerator during the polymerization.
  • polymerization initiator examples include persulfates such as ammonium persulfate, sodium persulfate, and potassium persulfate; hydrogen peroxide; azo compounds such as azobis-2-methylpropionamidine hydrochloride or azoisobutyronitrile; benzoyl Peroxides such as peroxide, lauroyl peroxide, cumene hydroperoxide or benzoyl oxide can be used, and one or more of these can be used.
  • persulfates such as ammonium persulfate, sodium persulfate, and potassium persulfate
  • hydrogen peroxide such as azobis-2-methylpropionamidine hydrochloride or azoisobutyronitrile
  • benzoyl Peroxides such as peroxide, lauroyl peroxide, cumene hydroperoxide or benzoyl oxide can be used, and one or more of these can be used.
  • a reducing agent such as sodium hydrogen sulfite, sodium sulfite, molle salt, sodium pyrobisulfite, formaldehyde sodium sulfoxylate or ascorbic acid; ethylenediamine, ethylenediaminesodium tetraacetate, glycine or N, N, N ′ , N′-tetramethylethylenediamine and other amine compounds; and the like can be used in combination.
  • the polymerization temperature is preferably 15 to 75 ° C., more preferably 20 to 60 ° C., and the polymerization time is 1 to 20 hours, more preferably 2 to 8 hours.
  • the compound represented by Chemical Formula 5 can also be produced without copolymerization of the fluorescent monomer represented by Chemical Formula 1 and a polymerizable monomer containing a (meth) acrylamide residue. Since the fluorescent monomer represented by the chemical formula 1 is synthesized in a plurality of steps, even if another compound is allowed to act on the intermediate product without using the fluorescent monomer represented by the compound 1 as a raw material, the fluorescent sensor finally represented by the chemical formula 5 A substance can be produced.
  • a fluorescent sensor substance represented by Chemical Formula 5 can also be produced by allowing a compound introduced with a carboxyl group to act in the presence of a coupling reagent.
  • a fluorescent sensor represented by Chemical Formula 5 can be obtained by polymerizing a polymerizable monomer having a (meth) acrylamide residue in advance and then copolymerizing with the above fluorescent monomer compound in the presence of a polymerization initiator or a polymerization accelerator. A substance can be produced.
  • the fluorescent sensor material used in the present embodiment may have three-dimensional cross-linking, but the method for introducing the three-dimensional cross-linking is not limited. There is a method in which a cross-linking component is allowed to act on the fluorescent sensor material used in the present embodiment to form intermolecular cross-links on at least a part of the fluorescent sensor material and the fluorescent sensor material.
  • a three-dimensional crosslinking can be formed even if a crosslinking component is added to the reaction solvent. it can.
  • a fluorescent sensor substance when used as a saccharide measuring sensor for implantation in the body, it is generally fixed to a base material in order to prevent the fluorescent sensor substance from flowing out.
  • a polymerizable monomer containing a (meth) acrylamide residue or a polymer thereof a fluorescent monomer compound represented by Chemical Formula 1 is optionally used with a crosslinking component, and these are polymerized to be fixed to a substrate. Three-dimensional crosslinking can be performed simultaneously.
  • cross-linkable monomer As such a cross-linking component, the cross-linkable monomer, other cross-linkable component, cationic monomer, anionic monomer and nonionic monomer described in the section of other components which can be blended with the fluorescent sensor substance are preferably used.
  • the crosslinkable monomer and other crosslinkable components can be used more preferably. Two or more of these may be used in combination.
  • Such an optical characteristic of the indicator layer 5 absorbs the light of the excitation light and is basically transparent to the light having the fluorescence wavelength.
  • the fluorescent substance in the indicator layer 5 deteriorates when it is irradiated with excitation light, and the ability to absorb the excitation light also decreases at the same time as the fluorescence energy gradually decreases. That is, the fluorescent substance contained in the indicator layer 5 has a characteristic that when the excitation light hits, the fluorescence emission ability decreases with the passage of time while the light transmission increases.
  • the portion close to the light source 6 in the indicator layer 5 becomes easy to transmit excitation light (that is, it becomes difficult to absorb excitation light) and does not emit fluorescence. Come.
  • the excitation light reaches a position distant from the light source 6 because the part that is deteriorated and transmits increases. If it does so, the part which absorbs light and emits fluorescence will move.
  • the lifetime of the fluorescence sensor can be kept long by using such characteristics.
  • an adhesive layer made of a silane coupling agent (not shown) is applied on the optical filter 4, and a hydrogel is bonded thereto.
  • a glass layer is laminated on the optical filter 4 by CVD to block water from entering, and then an alcohol aqueous solution of 0.2% aminopropyltriethoxysilane (silane coupling agent). To form an amino group. Further, after contacting with 0.1% acryloyl chloride methylene chloride solution to form acrylamide group, fluorescent monomer (concentration of about 1% to 10%) having acrylamide terminal on this surface and acrylamide monomer (5% to 20%) To a final concentration of 0.4% sodium persulfate and 0.04% tetraethylmethylenediamine.
  • the concentration of sodium persulfate and tetraethylmethylenediamine may be appropriately changed in order to change the polymerization rate during the production process.
  • the indicator layer 5 fluorescent gel
  • the method for forming the indicator layer 5 is not limited to the above-exemplified method, and various other methods may be used.
  • the light source 6 is, for example, an LED. As shown in FIG. 1A, the excitation light from the light source 6 enters the indicator layer 5 in a direction parallel to the light receiving surface of the photodiode (that is, in FIG. 1A, Excitation light is incident from the light source 6 to the indicator layer 5 from the side (in the direction of arrow A shown).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a light source portion for explaining a case where an LED is used as a light source, where (A) shows a first example and (B) shows a second example.
  • an LED 61 is manufactured on a substrate 2 so that light is emitted in a vertical direction with respect to the substrate surface, and a prism 62 is provided on the LED 61. It is arranged.
  • An angle filter 63 is provided on the light emission side end face of the prism 62.
  • a wiring layer 64 is formed.
  • the other electrode of the LED 61 is connected to another wiring provided on the substrate 2 by a bonding wire (not shown).
  • the LED 61 provided on the substrate 2 emits light in both the prism 62 direction and the substrate 2 direction.
  • the light emitted toward the prism 62 is emitted toward the indicator layer 5 by the prism 62.
  • the light emitted toward the substrate 2 is reflected by the metal of the wiring layer 64 itself, the light is emitted toward the prism 62 after all. Therefore, most of the light emitted from the LED 61 is emitted in the direction of the indicator layer 5 (in the direction of the arrow in the figure) through the prism 62.
  • a reflective film may be further sandwiched between the wiring layer 64 and the LED 61.
  • the prism 62 is made of glass, transparent resin, or the like.
  • the angle filter 63 is a filter that selects and transmits only light incident in a predetermined angle range.
  • the light-shielding material is processed into a louver structure by microfabrication and coated with a transparent resin.
  • the light shielding material is preferably a metal or a semiconductor material having a low transmittance.
  • a light transmissive material such as a resin may be coated with a light shielding film such as a metal thin film, or carbon black may be included.
  • the light shielding may be realized by the means.
  • a lens array such as a SELFOC lens or a fiber array structure
  • the fiber array can be realized as a structure in which clad-core type optical fiber structures are arranged in an array or a structure in which a light-transmitting thin tube array is covered with a reflector.
  • a pedestal 65 that supports the back surface of the LED is formed in advance on the LED mounting portion on the substrate 2, and the light emission direction of the LED 61 is on the surface 66 side.
  • the LED 61 is arranged so as to face the indicator layer 5.
  • the surface 66 is provided with a wiring layer 67 connected to one electrode of the LED 61 (actually one conductive layer (P layer or N layer) of the LED chip) so as to cover the entire surface.
  • the other electrode of the LED 61 is connected to another electrode wiring provided on the substrate 2 by a bonding wire (not shown).
  • one of the light emission surfaces of the LED 61 is in the direction of the indicator layer 5, and the other is in the opposite direction from the indicator layer 5.
  • the light emitted in the opposite direction is reflected by the wiring layer 67 (metal) itself provided on the surface 66 and is eventually emitted to the indicator layer 5. Therefore, most of the light emitted from the LED 61 is emitted in the indicator layer direction (arrow direction in the figure).
  • a reflective film may be provided on the surface 66 in addition to the wiring layer 67.
  • the light source 6 in addition to the LED 61, for example, a semiconductor laser chip can be used. In that case, the structure shown in FIG.
  • the excitation light may be guided from the separately provided light source 6 by an optical fiber.
  • FIG. 4 is a partial cross-sectional view showing an example in which an optical fiber is placed as the light source 6 of excitation light on the substrate 2.
  • the emission end of the optical fiber 68 faces the indicator layer 5 and the light emitted from the optical fiber 68 faces the indicator layer 5 as shown in the figure. (Arrow direction shown).
  • a collimator lens (not shown) is preferably disposed at the exit end of the optical fiber 68. Thereby, most of the light emitted from the optical fiber 68 can be emitted into the indicator layer 5 as parallel light. Even in this case, it is preferable to provide the optical filter 4 so that irregular reflection in the apparatus does not directly enter the photodiode.
  • the light shielding film 7 shields light entering the fluorescent sensor 1 from the outside of the fluorescent sensor 1 and transmits the substance to be measured.
  • an optical separation layer disclosed in JP-A-2005-315871 can be used. This optical separation layer comprises an opaque substance and an optical separation layer substrate carrying the opaque material.
  • Opaque materials do not transmit and reflect light such as ultraviolet light, visible light, and infrared light. Also, it has a function of not emitting excitation light outside the sensor.
  • an opaque substance for example, carbon black, fullerene, carbon nanotube, or the like can be used.
  • the substrate for the optical separation layer various polymer substances can be used, but the polymer substance may be crosslinked or modified.
  • the hydrophilic polymer substance for example, dextran, polyacrylamide, polyethylene glycol, polyvinyl alcohol, polyhydroxyethyl methacrylate, or a copolymer thereof can be used.
  • a polymer porous membrane formed by a phase inversion method can be used as the substrate for the optical separation layer.
  • the phase inversion method for obtaining a porous polymer membrane for an optical separation layer substrate is a conventionally known method, and for example, a wet film forming method can be used. Examples of this material include methyl cellulose, polyether sulfone, polysulfone, polyethylene, and polyurethane.
  • the average pore diameter of such a polymer porous membrane is preferably 0.001 ⁇ m to 0.1 ⁇ m. More preferably, the thickness is 0.005 ⁇ m to 0.01 ⁇ m. When it is desired to accelerate the response speed, the average pore diameter is more preferably set to 0.01 ⁇ m to 0.05 ⁇ m, for example.
  • the photodiode 3 and the wiring layer are formed on the main surface side of the silicon substrate.
  • the wiring layer is a wiring for taking out a signal from the photodiode 3 to the outside and a power supply wiring for supplying power to the LED 61.
  • the wiring here is made of aluminum, polysilicon, or the like.
  • the optical filter 4 described above is formed on the photodiode 3.
  • an insulating film for example, SiO 2
  • a contact hole for connecting to the power supply wiring is formed in the LED forming portion on the insulating film, and the power supply wiring and the LED 61 are connected.
  • various methods such as flip chip, solder, a metal-metal direct bonding method, and a method using a conductive resin can be used.
  • the indicator layer 5 and the light shielding film 7 are formed. Then, a resin film is formed so as to cover the whole, and the resin film is opened only at the portion of the light shielding film 7 to expose the surface of the light shielding film 7. Similarly, the pad portion is also exposed. As a result, a chip-shaped fluorescent sensor is completed.
  • a photodiode, a wiring layer, and an optical filter are sequentially formed using a flexible insulating substrate such as a resin. Specifically, it is as follows.
  • a silicon layer is formed on a flexible insulating substrate such as a resin.
  • the silicon layer is preferably single crystal silicon in order to form a highly sensitive photodiode, but may be polysilicon or amorphous silicon as long as sufficient sensitivity can be obtained as a fluorescent sensor.
  • These silicon layers may be formed directly on an insulating substrate by CVD or the like, or a silicon single crystal substrate may be attached.
  • the photodiode 3 is formed on the formed silicon layer. Thereafter, the portion of the insulating substrate where the photodiode 3 is not present (the portion where the silicon layer is not present) is planarized using a resin material such as polyimide. Then, a thin film of aluminum or gold for forming a wiring layer is formed on the photodiode 3 and the planarizing film by vapor deposition or sputtering, and the wiring of the photodiode is patterned by a photolithography process and etching. At this time, as a matter of course, unnecessary films on the photodiode light-receiving surface are removed.
  • an insulating thin film is coated on the wiring by sputtering, vapor deposition, CVD (Chemical Vapor deposition), etc., and the wiring is insulated.
  • this coating film is formed with a uniform thickness, a concave portion is formed between the wirings.
  • the wirings can be insulated. At the same time, the unevenness is filled and a smooth (flat) surface is obtained.
  • An insulating resin may be coated instead of the metal alkoxide.
  • the space for the indicator layer 5 is put in a secured mold material, the resin is injected and cured, and the indicator material is When introduced and sealed with a light-shielding film 7, the fluorescent sensor 1 is completed.
  • a photodiode is separately formed using a silicon substrate and this is attached to the insulating substrate. Specifically, it is as follows.
  • a wiring layer for the photodiode is formed on the insulating substrate.
  • the formed wiring layer is covered and flattened with polyimide, metal alkoxide, etc. in order to eliminate unevenness due to wiring, and bumps are formed only on the portion connected to the photodiode, and then the photodiode is electrically connected. Make sure you can connect.
  • the photodiode 3 is formed separately using a silicon substrate (preferably a single crystal silicon substrate).
  • a silicon substrate preferably a single crystal silicon substrate.
  • a plurality of photodiodes are formed on a single silicon substrate in the same manner as in a normal semiconductor element manufacturing method.
  • the optical filter 4 is formed on the entire surface of the formed photodiode.
  • the optical filter 4 may be formed using the various materials already described.
  • a pad or the like is formed on the photodiode formed on the silicon substrate so that electrical connection can be obtained from the surface opposite to the optical filter forming surface.
  • the photodiode is cut out from the silicon substrate into a chip (for example, flip chip). As a result, a photodiode chip with an optical filter is completed. If necessary, the silicon substrate (or chip) after forming the photodiode may be polished and thinned.
  • the silicon substrate on which the photodiode is formed may be polished and thinned to form the optical filter on the back side.
  • the photodiode formation surface of the silicon substrate is the front surface
  • the back surface side of the thinned silicon substrate becomes the light receiving surface of the photodiode, and an optical filter is formed on this light receiving surface.
  • pads for electrical wiring are formed on the surface side when the photodiode is formed).
  • the photodiode chip with an optical filter is attached while being connected to the wiring layer of the insulating substrate (the photodiode chip pad and the wiring bump are connected).
  • the space for the indicator layer 5 is put in a secured mold, the resin is injected and cured, the indicator material is introduced, and the light shielding film 7 If sealed, the fluorescent sensor 1 is completed.
  • the wiring layer may be formed later after the photodiode chip with an optical filter is attached to the insulating substrate.
  • the optical filter may be formed with a contact hole for electrical connection with the photodiode.
  • a photodiode may be formed by providing a silicon layer thereon.
  • the photodiode may be an organic semiconductor as well as an inorganic semiconductor.
  • it can be manufactured using various technologies used in semiconductor element manufacturing processes and MEMS (Micro Electro Mechanical System).
  • FIG. 5 is an explanatory diagram for explaining the operation of the fluorescence sensor 1.
  • FIG. 5A shows the initial stage of measurement.
  • the larger the black arrow the stronger the excitation light (the same applies to FIG. 5B).
  • the larger the white arrow the more fluorescence is emitted (the same applies to FIG. 5B).
  • the excitation light is almost absorbed on the side closer to the light source, and the excitation light does not reach the farther from the light source 6. Almost no excitation light reaches the part farthest from the light source 6. In this initial stage, the fluorescence increases near the light source 6.
  • the excitation light reaches far from the light source 6. In the figure, it reaches strongly near the center of the indicator layer 5 and only weakly reaches farther away. The position where fluorescence is emitted most is far from the light source 6 and increases near the center. In addition, although excitation light passes strongly at a position close to the light source 6, almost no fluorescence is emitted.
  • the analyte can be measured over a long period of time.
  • excitation light is incident from a light source into an indicator layer to which a fluorescent material is fixed, and the portion where the fluorescent material emits fluorescence is irradiated (incident) with the excitation light. It is moved (shifted) away from the light source over time. Then, the intensity of the fluorescence from the moved fluorescent site is converted into an electric signal using a photodiode, and the amount of the analyte component is measured.
  • the size of the indicator layer 5 for such measurement is designed based on the fluorescent substance concentration, the molecular extinction coefficient at the excitation light wavelength of the fluorescent substance, the signal intensity to be obtained, the usage time, and the shape and size of the fluorescent sensor 1.
  • the size of the indicator layer 5 is such that when the molecular extinction coefficient of the fluorescent material is 3000 to 5000 / M (mol) / cm, the fluorescent material (monomer ) Concentration of 1 to 20%, the length of the indicator layer 5 (that is, the distance away from the light source 6 and the excitation light path length L in FIG. 1A) is 0.1 mm to 3 mm, the indicator layer 5 (that is, the width in the direction orthogonal to the length, and the width W in FIG. 1B) is preferably 10 ⁇ m to 3 mm, and the thickness of the indicator layer 5 is preferably 10 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the reason why the molecular extinction coefficient of the fluorescent substance is assumed to be 3000 to 5000 / M (mol) / cm is that the fluorescent substance in the case of measuring glucose as an analyte is assumed.
  • the concentration of the fluorescent substance of 1 to 20% is also the amount of the fluorescent substance usually used when measuring glucose.
  • the length of the indicator layer 5 is less than 0.1 mm, all of it deteriorates in the initial stage of irradiation with excitation light, and there is a possibility that the lifespan cannot be extended.
  • such a length may be further shortened depending on the energy intensity of the excitation light, the irradiation time, and the desired lifetime. For example, a functional length of 10 ⁇ m or more is sufficient.
  • the width and thickness may be larger as long as the size of the entire fluorescent sensor 1 is acceptable.
  • the excitation light reaching the farthest position from the light source 6 in the indicator layer 5 is about 1% of the light source exit.
  • the deterioration rate of the fluorescent material depends on the amount of excitation light and the irradiation time. For example, if the fluorescence is continuously irradiated with excitation light of 5 mW / cm 2 , the fluorescence decreases at a rate of 0.8% / min. On the other hand, the absorbance of the excitation light decreases at 0.4% / min. Assuming that the light source 6 is a parallel light beam, it deteriorates at this speed in the immediate vicinity of the light source 6, but the speed is 1/10 at a position 0.5 mm away from the light source and 1/100 at a position 1 mm away. As the deterioration progresses, the absorption of the excitation light near the light source 6 decreases. Therefore, light reaches a farther position in the indicator layer 5, and the portion that emits fluorescence most efficiently shifts to a portion far from the light source 6.
  • fluorescence at 3 mW / cm 2 and the irradiation time of 0.7% of the rate per minute applying an excitation light to the indicator layer 5 is reduced, while the absorbance of the excitation light irradiation time half Decrease at 0.35% per minute.
  • the rate of decrease in absorbance is small for the rate of decrease in fluorescence.
  • the fluorescence signal weakened by the deterioration can be made stronger.
  • increasing the amount of excitation light but the signal strength may be increased, resulting in accelerating the deterioration as described above (the case of the excitation light 5mW / cm 2).
  • the excitation light is irradiated in the longitudinal direction of the indicator layer 5, the fluorescence emission portion is shifted in accordance with the deterioration, so that it can be used for a long time even if the excitation light is strengthened.
  • the excitation light energy is weakened, the degradation rate of the fluorescent substance itself is kept low, the excitation light energy is raised when the signal weakens, and then the strong energy excitation By using light, it can be used longer than applying strong energy from the beginning.
  • the analyte is glucose contained in the interstitial fluid
  • it can be obtained as follows.
  • the current value of the photodiode and the glucose concentration have the following relationship (1).
  • the glucose concentration is calculated based on the concentration of the glucose / fluorescent substance conjugate. Therefore, when the concentration of the fluorescent substance capable of emitting fluorescence is lowered due to deterioration, the concentration of the conjugate of glucose and the fluorescent substance is lowered even at the same glucose concentration.
  • the conjugate of the fluorescent substance and glucose emits fluorescence and becomes a current signal of the photodiode 3.
  • the amount of the fluorescent substance is reduced due to deterioration, the conjugate of the fluorescent substance and glucose is reduced even at the same glucose concentration. As the concentration decreases, the photodiode current decreases.
  • the calibration obtains a photodiode current value obtained when the fluorescent sensor 1 is brought into contact with a known measurement object of glucose concentration, and corrects the coefficient A in the above-described equation (1).
  • B is a bias (a value that does not depend on the concentration of the fluorescent substance-glucose conjugate), correction depending on the glucose concentration is not necessary. However, since it depends on the amount of excitation light, when the energy of the excitation light is changed, it is also necessary to obtain this corresponding to the energy.
  • This type of correction can be performed with higher accuracy by measuring and setting in advance how much excitation light is irradiated (irradiation time x irradiation energy) and how much deterioration occurs in the device. It can be performed.
  • the analyte is glucose
  • the calibration can be similarly performed when measuring other substances.
  • analyte components include, for example, biological components such as lactic acid.
  • the measurement target is not limited to the components in the living body, and can be used as a sensor for indicating a physiological state such as a pH value.
  • FIG. 6 is an external perspective view of the sensor system
  • FIG. 7 is a schematic view when a guide needle of the sensor system is inserted into a living body.
  • the sensor system 100 includes a fluorescent sensor 1 that is inserted and embedded in a living body 200, and an electronic circuit unit 101 that measures and analyzes an analyte component detected by the fluorescent sensor 1 based on a signal from the fluorescent sensor 1. .
  • the fluorescence sensor 1 is embedded at the tip of a guide needle 102 stabbed into the living body 200 (see FIG. 7).
  • the electronic circuit unit 101 is accommodated in, for example, a resin case (the appearance shown is a resin case.
  • the electronic circuit unit 101 contained in the resin case measures a signal from the fluorescent sensor 1.
  • a battery is built in.
  • the electronic circuit unit 101 (in the resin case) has a built-in device for receiving electrodes from the outside in a non-contact manner such as electromagnetic induction without incorporating the battery You may do it.
  • FIG. 8 is an enlarged perspective view of the guide needle.
  • a general stainless steel puncture needle used for medical purposes in which a slit 103 is formed is used.
  • Fluorescence sensor 1 is arranged inside the tip of guide needle 102.
  • the fluorescent sensor 1 is arranged so that the surface with the light shielding film 7 faces the direction of the slit 103. As a result, the analyte in the blood that has entered the guide needle 102 through the slit 103 easily passes through the light shielding film 7 and enters the indicator layer 5 of the fluorescent sensor 1.
  • the electrical connection between the fluorescent sensor 1 and the electronic circuit is performed by wiring through the guide needle 102.
  • the metal wires of 1 ⁇ m to several tens of ⁇ m may be arranged in the guide needle 102 after being insulated and connected to the fluorescent sensor-like wires.
  • the optical fiber 68 is used for the light source 6, the optical fiber 68 is installed together with the wiring from the photodiode 3 according to the inner diameter of the guide needle 102.
  • the inner diameter of the guide needle is about several hundreds of micrometers, the thickness of the optical fiber 68 is slightly smaller than that.
  • FIG. 9 is a schematic cross-sectional view for explaining a modification of the fluorescent sensor.
  • the light from the light source is uniformly irradiated in the parallel direction to the indicator layer as parallel light, but actually, the light is emitted toward the indicator layer as diffused light spreading at the exit of the light source.
  • the indicator layer light is weakened by absorption. This is because even if the fluorescent substance in the indicator layer deteriorates and light can easily pass therethrough, it does not become completely transparent, so that excitation light is weakened by passing therethrough. For this reason, when the position which emits fluorescence most shifts, the excitation light reaching the portion is weaker than the portion immediately before the light source, and as a result, the fluorescence signal becomes small.
  • this modification has a structure that enables correction to increase the light quantity of the light source.
  • a plurality of photodiodes 301 to 306 are provided in the longitudinal direction of the indicator layer 5 (the direction of the excitation light emitted from the light source), and among the photodiodes 301 closest to the light source 6, The optical filter is not provided.
  • the output signal of the photodiode 301 closest to the light source 6 and the output signals of the respective photodiodes 302 to 306 located under the optical filter are compared with time.
  • the output signals of the photodiodes 302 to 306 at the positions change with time with respect to the output signal of the photodiode 301.
  • the change corresponds to a position where the fluorescent substance is deteriorated and the position where the fluorescence is emitted is shifted.
  • the reason why the distance between the photodiodes 301 and 302 is larger than the distance between the photodiodes 302 to 306 is that there is no optical filter 4 on the photodiode 301 and light from the light source 6 enters directly. This is to prevent the influence from adversely affecting the photodiode 302.
  • the fluorescent sensor shown in FIG. 9 As a specific form of use, using the fluorescent sensor shown in FIG. 9, as with calibration, using an analyte having a known concentration while changing with time, the sum of the output signals of the photodiodes 302 to 306 is used.
  • the output signal of the photodiode 301 when the intensity of the light source 6 is changed so as to be the same is measured and recorded along with the elapsed time.
  • a light source is used so that the output signal of the photodiode 301 is recorded corresponding to the measurement time (excitation light irradiation time). If the energy of the excitation light from is changed, accurate measurement can be performed without performing calibration each time.
  • the fluorescence sensor shown in FIG. 9 is used once to change the intensity of the light source 6 so that the output signals of the photodiodes 302 to 306 become the same. If the change with time of the output signal is recorded, the fluorescence sensor having the same magnitude, the same composition and the same concentration of the fluorescent substance indicator layer can be applied and corrected in the same manner. For this reason, for example, as shown in FIG. 10, the photodiode under the optical filter 4 is applicable even if it is not divided. In FIG. 10, a photodiode 301 closest to the light source 6 and one photodiode 307 located under the optical filter 4 are provided. That is, FIGS. 9 and 10 have at least two photodiodes for individually measuring the received light amount, and the photodiode 301 closest to the light source 6 does not have the optical filter 4.
  • the present embodiment absorbs the optical characteristics of the fluorescent substance in the indicator layer, that is, the light of the excitation light, is transparent to the light of the fluorescence wavelength, and deteriorates when the excitation light is applied. Focusing on the characteristic that the ability to absorb excitation light at the same time as the energy decreases, the excitation light is irradiated toward the indicator layer in parallel with the photodiode light receiving surface. As a result, the fluorescent material in the indicator layer gradually deteriorates from the light source toward the back and becomes transparent, and the position where the fluorescence is emitted is shifted most. As a result, the measurement can be continued until the excitation light reaches the innermost point from the light source of the indicator layer, and the lifetime is longer than when the excitation light is applied to the surface of the indicator layer as in the prior art. can do.
  • the fluorescent sensor of the present invention is not limited to such a usage pattern and can be used in various forms.
  • the fluorescence sensor and the electronic circuit can be formed on the same substrate or placed in the same package and used for measuring glucose concentration and the like.
  • measurement is performed by dropping a liquid to be measured on the indicator layer. In this case, it is not necessary to provide a light shielding film by placing the indicator layer of the fluorescent sensor in a light shielding case.
  • Fluorescent sensor 1 Fluorescent sensor, 2 substrates, 3 photodiode, 4 optical filters, 5 indicator layer, 6 Light source, 7 light shielding film, 61 LED, 62 Prism, 63 angle filter, 64 wiring layers, 65 pedestal, 66 faces 68 Optical fiber, 100 sensor system, 101 electronic circuit part, 102 guide needle, 103 slit.

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Abstract

インジケータ層の寿命を延ばすことのできる蛍光センサーを提供する。生体のアナライト成分を検知して、励起光が当たることによりアナライト成分の量に応じた蛍光を発する蛍光物質を含むインジケータ層５と、蛍光を受光して蛍光の強さに応じた電気信号を出力するフォトダイオード３と、インジケータ層５へ励起光を照射する光源６とを有し、インジケータ層５はフォトダイオード６上に配置され、光源６はそこから発する励起光がフォトダイオード３の受光面に平行な方向でインジケータ層５内へ照射することを特徴とする蛍光センサー。

Description

蛍光センサーおよびアナライト成分測定方法
　本発明は、生体内のアナライト成分を測定する蛍光センサーおよびアナライト成分測定方法に関する。
　従来から、液体中のアナライトの濃度を定量する装置としては、様々な分析装置が開発されている。たとえばこのような分析装置の一つは、一定容量の透明な容器にアナライトを含む数ミリリットルの溶液を注入し、容器に適当な光を照射して、アナライトの光吸収や蛍光を測定することが行われる。このような分析装置は、蛍光分光光度計と称されている。
　このような蛍光センサーは、近年の半導体装置製造技術やマイクロマシニング技術により、非常に小型化したものが提案されている。たとえば、特許文献１には、薄い透明基板上にフォトダイオードを形成して、このフォトダイオード上にはアナライトと反応して蛍光を出すインジケータ層を配置し、このフォトダイオードの両脇および上部には光学路を設けることでフォトダイオード上のインジケータ層へ励起光を導く構成の蛍光センサーが開示されている。この蛍光センサーでは、励起光はフォトダイオードの裏面方向からインジケータ層全面に照射されるようにして、直接フォトダイオードの受光面に向けて励起光が照射されないようにしている。
米国特許第５０３９４９０号明細書
　しかしながら、インジケータ層の蛍光化合物は、励起光にさらされると劣化して、蛍光を発しなくなることが知られている。このため蛍光センサーの寿命をより長く保つことのできる蛍光センサーが望まれている。
　本発明の目的は、これまでより寿命を延ばすことのできる蛍光センサーを提供することである。
　上記目的を達成するための本発明の蛍光センサーは、生体のアナライト成分を検知して、励起光が当たることにより前記アナライト成分の量に応じた蛍光を発する蛍光物質を固定したインジケータ層と、前記蛍光を受光して前記蛍光の強さに応じた電気信号を出力するフォトダイオードと、前記インジケータ層へ前記励起光を照射する光源と、を有し、前記インジケータ層は、前記フォトダイオード上に配置され、前記光源は前記励起光を前記フォトダイオードの受光面に平行な方向に前記インジケータ層内へ照射することを特徴とする。
　また、上記目的を達成するための本発明のアナライト成分測定方法は、励起光が当たることにより生体のアナライト成分の量に応じた蛍光を発する蛍光物質を固定したインジケータ層中に光源から前記励起光を入射させて、前記蛍光物質が発する蛍光を受光して前記蛍光の強さを測定するアナライト成分測定方法であって、前記蛍光物質が蛍光を発生する部位を、前記光源から遠い方向へ移動させて、当該移動させた部位から発する蛍光の強さを測定することを特徴とする。
　上記のように構成した本発明の蛍光センサーによれば、フォトダイオード受光面と平行にインジケータ層に向けて励起光を照射することとした。これによりインジケータ層内に固定した蛍光物質が、光源から奥の方へ徐々に透明化してゆき、もっとも蛍光を発する位置が移動（シフト）する。このため、インジケータ層の光源からもっとも奥に励起光が当たるようになるまで測定を継続することができるようになり、インジケータ層の寿命を長くすることができる。
　また、上記のように構成した本発明のアナライト成分測定方法によれば、インジケータ層内に固定した蛍光物質に対して、励起光を入射させて、もっとも蛍光を発する位置を光源から遠くなるように移動（シフト）させることとした。このためインジケータ層の光源からもっとも奥に励起光が当たるようになるまで測定を継続することができて、インジケータ層の寿命を長くすることができる。
本実施形態の蛍光センサーの概略図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は平面図である。 ポリシリコン膜および炭化シリコン膜の透過率特性を示したグラフである。 光源にＬＥＤを用いた場合を説明するための光源部分の部分断面図である。 基板上の励起光の光源として光ファイバーを載置した例を示す部分断面図である。 蛍光センサーの作用を説明するための説明図である。 センサシステムの外観斜視図である。 センサシステムのガイド針を生体に刺したときの模式図である。 ガイド針の拡大斜視図である。 蛍光センサーの変形例を説明するための概略断面図である。 蛍光センサーの他の変形例を説明するための概略断面図である。
　以下、図面を参照して、本発明の実施形態を説明する。なお、図面の寸法比率は、説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
　以下では、本発明を適用した蛍光センサーの実施形態について説明する。続いて、この蛍光センサーを備えた装置構成の一例としてのセンサシステムについて説明する。
　図１は本実施形態の蛍光センサーの概略図であって、図１（Ａ）は蛍光センサーの概略断面図であり、図１（Ｂ）は蛍光センサーの遮光膜を除いて図１（Ａ）の上方からみた概略平面図である。
　この蛍光センサー１は、基板２面に設けられたフォトダイオード３と、少なくともフォトダイオード３の受光面を覆う光学フィルタ４と、フォトダイオード３上に位置し、光学フィルタ４上に設けられたインジケータ層５と、フォトダイオード３の側方で受光面に対して平行方向にインジケータ層５へ励起光を発する光源６と、少なくともインジケータ層５上を覆う遮光膜７と、を有する。
　基板２は、たとえばシリコン単結晶基板である。そしてこの基板２の表面にフォトダイオード３が半導体装置製造技術の一つであるプレーナ技術などにより直接形成されている。また、図１（Ｂ）を参照すれば、基板面上にフォトダイオード３からの信号を検出するための一つの配線５１が光源６側の基板端へ延びている。フォトダイオード３の他方の信号線は基板２から取ることができる。また光源６への電力供給配線５２、５３なども基板面上に形成されている。なお、このような配線の配置は図示した場合に限らず、ＬＥＤの下にＬＥＤから絶縁して配線するなど、どのように配置してもよい。
　光学フィルタ４は、光源６からの光が直接フォトダイオードに入射しないように、光源波長のみを遮断する一方、インジケータ層５からの蛍光波長は透過させる性質を持つ。その配置位置は、少なくともフォトダイオード３を覆う位置であればよいが、装置内部での光の乱反射なども考慮して、光源直下まで配置しておくことが好ましい。これは、光源６から出た光がその直下から基板２内へ進入してフォトダイオード３に影響しないようにするためである。
　このような光学フィルタ４としては、たとえば、励起光波長として３５０ｎｍ～４２０ｎｍ、好ましくは中心波長３７５ｎｍの光源６を用いる一方で、インジケータ層５として、その蛍光波長が４００ｎｍ～６００ｎｍでピーク波長４８０ｎｍである場合、波長３５０ｎｍ～４２０ｎｍを遮断する一方、４２０ｎｍ以上、好ましくは４５０ｎｍ～６００ｎｍを透過させるようにすればよい。
　より具体的には、フォトダイオード素子の表面に、数十ｎｍ～数百ｎｍの厚さの酸化シリコン膜とその上に形成された数百ｎｍ～数μｍの厚さのポリシリコン膜から成るフィルタ層を設ければよい。このように構成されたフィルタ層は、励起波長３７５ｎｍの励起光がフォトダイオードに入射するのを抑制できる。たとえば９００ｎｍのポリシリコン厚とすれば、約１／１０８にまで抑制できる。後述する光源６にＬＥＤを用いた場合には、励起波長の他の波長でもわずかな発光があるが、たとえば、１層あたり数ｎｍ～数十ｎｍの厚さの酸化タンタルと酸化シリコンを交互に数十～数百層積層して蛍光波長で選択的に透過率が高いバンドパスフィルタを作製し、フォトダイオード３の受光面に配置することで、フォトダイオードへの入射をより確実に遮断できる。
　光学フィルタ４としては、そのほかに、たとえば、炭化シリコン（ＳｉＣ）膜を用いることができる。
　図２は、ポリシリコン膜および炭化シリコン膜の透過率特性を示したグラフであり、横軸は光の波長を示し縦軸は光透過率を示している。そして（Ａ）は膜厚が０．５μｍのポリシリコン膜の場合を、（Ｂ）は膜厚が３６０μｍの炭化シリコン膜の場合を示している。
　図示するように（Ａ）ポリシリコン膜、（Ｂ）炭化シリコン膜のいずれも３７５ｎｍより短い励起光Ｅの波長では透過率は１０－７以下であるのに対して、４６０ｎｍの蛍光Ｆの波長では透過率１０－１以上すなわち１０％以上と、波長による透過率の比としては６桁以上の透過率選択性を有する。
　特にシリコン膜を光学フィルタ４として使用する場合、１μｍの厚さで十分なため、周知の半導体製造工程において、フォトダイオード３を形成後の半導体基板上に一体的に形成できる。なお、光学フィルタ４の材料のシリコンとしては、ノンドープであってもよいが、燐などの不純物をドープした、サブμｍ～数μｍの厚さを有する多結晶シリコン膜またはアモルファスシリコン膜などが好ましい。
　さらに光学フィルタ４としては、ガリウムリン（ＧａＰ）も、３７５ｎｍ付近より短い励起光の波長では透過率が小さく、４６０ｎｍの蛍光の波長では透過率が大きいため、好ましく用いることができる。
　インジケータ層５は、図１に示したように、フォトダイオード３上を覆うように設けられており、かつ、光源６からの励起光がフォトダイオード３の受光面に平行にインジケータ層内に入るように配置されている。インジケータ層５はフォトダイオード受光面の面積と同じかそれより大きな面積を覆うようにすることが好ましい。これは、インジケータ層５から発せられる蛍光をフォトダイオード３の検出領域全面でできるだけ多く検出できるようにするためである。なお、インジケータ層５の具体的な大きさについては後述する。
　このインジケータ層５は、励起光が当たるとアナライトの量に応じて蛍光を発する蛍光物質と、これをインジケータ層内で移動しないように固定して保持するためのポリ（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとを含むゲルからなるハイドロゲルやポリマーが用いられる。
　より具体的には、前記ゲルまたは前記ポリマーは、たとえば、糖認識部位のフェニルボロン酸を有する蛍光モノマー（蛍光物質）を含むことが好ましく、以下の化学式１のフェニルボロン酸基を有する蛍光モノマーと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの共重合体を備えることがさらに好ましい。
　以下、本実施形態で用いられる化学式１に示す蛍光モノマーおよび（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーを説明する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000001
　化学式１において、Ｘ１およびＸ２は同一または異なっていてもよく、－ＣＯＯ－、－ＯＣＯ－、－ＣＨ２ＮＲ－、－ＮＲ－、－ＮＲＣＯ－、－ＣＯＮＲ－、－ＳＯ２ＮＲ－、－ＮＲＳＯ２－、－Ｏ－、－Ｓ－、－ＳＳ－、－ＮＲＣＯＯ－、－ＯＣＯＮＲ－および－ＣＯ－からなる群より選択される少なくとも１種の置換基を含む炭素数１～３０のアルキレンを示し、Ｒは水素または置換されていてもよいアルキル基である。本明細書において少なくとも１種の置換基を含むアルキレンとは、アルキレンの端部に置換基を結合したもの、およびアルキレンの鎖中に置換基を有するものをいう。アルキレンの炭素数は１～３０が好ましく、より好ましくは３～１２である。具体的にはプロピレン、ヘキシレンおよびオクチレンなどがある。該アルキレンに含まれる置換基としては、好ましくは－ＮＲＣＯ－および－ＣＯＮＲ－が好ましい。Ｒがアルキル基である場合、炭素数１～１０のものが好ましく、より好ましくは１～５である。具体的にはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基またはペンチル基などがある。Ｒとしては水素が好ましい。
　上記化学式１において、Ｚ１およびＺ２は同一または異なっていてもよく、－Ｏ－または－ＮＲ’－を示し、Ｒ’は水素または置換されてもよいアルキル基を示す。アルキル基としては、炭素数１～１０のものが好ましく、より好ましくは１～５である。具体的にはメチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基またはペンチル基などがある。Ｚ１およびＺ２としては、－Ｎ－が好ましい。
　上記化学式１において、Ｙ１およびＹ２は同一または異なっていてもよく、置換されていてもよい２価の有機残基である。Ｙ１およびＹ２は、蛍光モノマーを水溶性にできる程度の親水性であることが好ましい。この蛍光モノマーを水溶性にできる程度の親水性とは有機溶媒や可溶化剤の存在無しに、蛍光モノマーを重合するのに必要な濃度領域において水に溶解することである。Ｙ１およびＹ２としてアミノ基、カルボキシル基、スルホ基、ニトロ基、アミノ基、リン酸基および水酸基などの親水性基を有するものや、構造中にエーテル結合、アミド結合およびエステル結合などの親水性結合を有するものが例示できる。
　また、Ｙ１およびＹ２は該有機残基中に、下記化学式２または化学式３に示す構造を含むことが好ましく、さらに、他の置換基や２価の有機残基を有していてもよい。化学式２～３において、ｎは２～４が好ましく、より好ましくは２または３であり、ｊは１～３が好ましく、より好ましくは１であり、ｍは２０～１５０が好ましく、より好ましくは４０～１２０である。
　該Ｙの分子量としては５００～１０，０００が好ましく、より好ましくは１，０００～５，０００である。化学式２または化学式３で示す２価の有機残基は、たとえばエチレングリコール、プロピレングリコールなどのアルキレングリコールまたはビニルアルコールなどを重合することで、調製することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000002
　本実施形態で用いられる蛍光モノマーは親水性鎖Ｙの導入によって、より具体的には以下のような効果が得られる。（１）蛍光モノマーが水溶性となるため、蛍光センサー物質を形成する際の固定化や重合反応を効率よく行うことができる。たとえばアクリルアミドゲルを作製する場合は、水のみを溶媒として重合が可能であり、物理的強度、安定性、均一性が高いものが得られる。疎水性のモノマー化合物では可溶化させるために有機溶媒等を使用する必要があり、良好でない性状のゲルとなる場合がある。（２）親水性鎖の導入は被検出物質と相互作用するフェニルボロン酸周辺の環境や運動性を変化させ、感度、精度、応答速度、被測定物質である糖類の選択性の向上に寄与する。（３）親水性鎖が蛍光センサー物質全体、たとえば重合された構造を安定化する。（４）水のみで反応できるため、有機溶剤に侵されやすい基材、たとえばアクリル製のプレート等の上でも重合を行うことができる。
　上記化学式１において、Ｌは置換されていてもよい炭素数１～１０のアルキル基を示す。具体的には、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基またはペンチル基などがある。アルキル基の炭素数は、より好ましくは１～４である。Ｌとしてはメチル基が好ましい。アントラセン残基に－ＣＯＬを導入することにより、励起波長と極大蛍光波長との間隔が拡大するといった効果が得られる。
　本実施形態で用いられる蛍光モノマーは、糖類検出のためのモノマー化合物に上記Ｘを介してＹを導入する点に特徴があり、これによって蛍光モノマー化合物の物理的性質や安定性、検出感度、検出精度、被測定物質である糖類の選択性などを向上させることができる。
　なお、上記のように、本実施形態で用いられる蛍光モノマーはアントラセン骨格を含むフェニルボロン酸誘導体であり、アントラセン骨格は発蛍光性原子団として作用することが知られている。フェニルボロン酸部位と糖とが安定な複合体を形成すると、発蛍光性原子団の介在によって蛍光を発するが、本実施形態で用いられる蛍光モノマーは２つのフェニルボロン酸を有するため、特に糖類の検出感度に優れている。
　（メタ）（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとしては、得られた誘導体がその構造中にアクリロイル基とアミドとを有すればよく、（メタ）アクリルアミドやそれらの誘導体が含まれる。たとえば、アクリルアミド、メタクリルアミド、Ｎ，Ｎ－ジメチルアクリルアミド、Ｎ－イソプロピルアクリルアミド、Ｎ－ｔｅｒｔ－ブチルアクリルアミド、Ｎ－ｔｒｉｓ－ヒドロキシメチルアクリルアミド、Ｎ－ヒドロキシメチルアクリルアミド、Ｎ－（ｎ－ブトキシメチル）アクリルアミド、Ｎ－アクリルオイルリジンやＮ－アクリルオイルヘキサメチレンジアミンなどの（メタ）アクリルオイルクロライドとアミノ酸または活性アミノ基を持つ化合物との縮合体、および化学式４に示す化合物等がある。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000003
　化学式４において、Ａは、水素またはメチル基であり、ＵおよびＵ’は同一または異なっていてもよく、水素または置換されていてもよいアルキル基である。アルキル基としては、メチル基、エチル基、プロピル基、ブチル基またはペンチル基などがある。
　（メタ）（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーからなるポリマーは親水性が高いため、蛍光モノマーと結合すると、該蛍光モノマーに存在するフェニルボロン酸を含む疎水性の強い発蛍光性原子団が親水性の高い構造体中に取り込まれる。これによって血液や体液に含まれる糖類を測定する場合であっても、水溶性の糖類が容易に該発蛍光性原子団に接近および結合することができる。
　上述したように、インジゲータ層５には蛍光センサー物質を使用するものであり、以下、当該蛍光センサー物質の形態である、ゲル、ポリマーの組成やその製造方法などを説明する。
　前記蛍光センサー物質を構成する、該蛍光モノマー（Ｉ）と前記（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマー（ＩＩ）との共重合体組成モル比（（Ｉ）：（ＩＩ））は１：５０～１：６，０００であることが好ましく、より好ましくは１：１５０～１：３，０００である。モル比１：５０よりも蛍光モノマーの割合が大きくなると、該蛍光モノマーの嵩高さのため自由度が失われ、糖類との相互作用が低下するおそれがある。一方、モル比１：６，０００よりも蛍光モノマー化合物の割合が小さければ、蛍光強度の絶対量を確保できない場合がある。
　上記二成分からなるポリマーの蛍光センサー物質の、重量平均分子量は、ＧＰＣによるポリエチレンオキサイド換算で、５０，０００～７５０，０００が好ましく、より好ましくは１５０，０００～４５０，０００である。
　一方、本実施形態で用いられる蛍光センサー物質は、上記蛍光モノマーと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとに加えて他の成分を併用してもよい。このような成分としては、架橋性モノマー、他の架橋性成分、水中で陽イオンとなり得るカチオン性モノマー、水中で陰イオンとなり得るアニオン性モノマー、およびイオンを持たないノニオン系モノマーがある。
　架橋性モノマーとしては、重合性二重結合によって蛍光センサー物質中に三次元架橋構造を導入し得るものを広く含み、使用する蛍光センサー物質の置換基によっても異なるが、Ｎ，Ｎ’－メチレンビス（メタ）アクリルアミド、Ｎ，Ｎ’－（１，２－ジヒドロキシエチレン）－ビス（メタ）アクリルアミド、ジエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、（ポリ）エチレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリエチレングリコールジ（メタ）アクリレート、プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパンジ（メタ）アクリレート、トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールジ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールトリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、（ポリ）プロピレングリコールジ（メタ）アクリレート、グリセリントリ（メタ）アクリレート、グリセリンアクリレートメタクリレート、エチレンオキサイド変性トリメチロールプロパントリ（メタ）アクリレート、ペンタエリスリトールテトラ（メタ）アクリレート、ジペンタエリスリトールヘキサ（メタ）アクリレートなどのジビニル化合物がある。本実施形態では、これらの２種以上を併用してもよい。
　他の架橋性成分としては、２個以上の官能基を有する化合物を広く含み、使用する蛍光センサー物質の置換基によっても異なるが、トリアリルシアヌレート、トリアリルイソシアヌレート、トリアリルホスフェート、トリアリルアミン、ポリ（メタ）アリロキシアルカン、（ポリ）エチレングリコールジグリシジルエ－テル、グリセロールジグリシジルエーテル、エチレングリコール、ポリエチレングリコール、プロピレングリコール、グリセリン、ペンタエリスリトール、エチレンジアミン、ポリエチレンイミン、グリシジル（メタ）アクリレート、イソシアヌル酸トリアリル、トリメチロールプロパンジ（メタ）アリルエーテル、テトラアリロキシエタンまたはグリセロールプロポキシトリアクリレートなども挙げることができる。また、これらの２種以上を併用してもよい。
　水中で陽イオンとなり得るカチオン性モノマーとしては、ジメチルアミノエチル（メタ）アクリレート、ジエチルアミノエチル（メタ）アクリレートまたは４－ビニルピリジンなどを挙げることができる。また、これらの２種以上を併用してもよい。
　水中で陰イオンとなり得るアニオン性モノマーとしては、（メタ）アクリル酸、ビニルプロピオン酸または４－ビニルベンゼンスルホン酸などを挙げることができる。本実施形態では、これらの２種以上を併用してもよい。
　イオンを持たないノニオン系モノマーとしては、２－ヒドロキシエチル（メタ）アクリレート、３－メトキシプロピル（メタ）アクリレート、４－ヒドロキシブチル（メタ）アクリレート、２－メトキシエチルアクリレートまたは１，４－シクロヘキサンジメタノールモノアクリレートなどを挙げることができる。また、これらの２種以上を併用してもよい。
　またこれらの架橋性モノマー、他の架橋性成分、カチオン性モノマー、アニオン性モノマーおよびノニオン系モノマーは２種以上併用してもよい。これらの他の成分の配合量は、蛍光モノマー化合物と（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの合計量の０．１～１０モル％が好ましく、より好ましくは２～７モル％である。これら他の成分の併用によって、三次元架橋構造を形成させることができ、また、親水性の調節、反応起点の導入などを行うことができる。なお、三次元架橋構造については後述する。
　本実施形態で用いられる蛍光センサー物質（蛍光物質）としては、化学式５に示される構造を有していることが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000004
　化学式５において、Ｘ１、Ｘ２、Ｚ１、Ｚ２、Ｙ１、Ｙ２、およびＬは化学式１に示した蛍光モノマーと同様である。Ｕ１、Ｕ２、Ｕ３、Ｕ４、Ａ１およびＡ２は化学式４に示した（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーと同様である。
　また、ｐ１とｑ１とのモル比（ｐ１：ｑ１）およびｐ２とｑ２とのモル比（ｐ２：ｑ２）は前記（Ｉ）：（ＩＩ）のモル比に対応して、１：５０～１：６，０００が好ましく、より好ましくは１：１５０～１：３，０００である。
　本実施形態で使用する蛍光センサー物質（蛍光物質）は、該共重合体の少なくとも一部が分子間架橋を形成し、三次元架橋構造を示していてもよい。ポリ（メタ）アクリルアミド鎖に三次元架橋を形成させると上記蛍光モノマーが基材に固定され、水溶液中でも蛍光モノマー化合物を溶出させることなく糖類の検出が容易にできる。なお、蛍光モノマーは上記したように糖類と結合して蛍光を発する疎水性部位を有するが、該疎水性部位はＹで示す二価の有機残基を介してポリ（メタ）アクリルアミド鎖に結合されるために水溶液中で糖類と結合できる自由度が確保されている。したがって、三次元架橋構造を形成しても糖類の検出感度を低下させることがない。
　本実施形態で用いられる蛍光モノマーや蛍光センサー物質の製造方法および、三次元架橋構造の形成方法には制限がないが、以下の方法で製造することができる。
　（１）蛍光モノマー化合物の製造
　化学式１で示される蛍光モノマーとして、Ｘが－Ｃ６Ｈ１２－ＮＨＣＯ－、ＹがＰＥＧ残基、Ｚが－Ｏ－、Ｌが－ＣＨ３基である化合物、９，１０－ビス（メチレン）［［Ｎ－（オルトボロノベンジル）メチレン］－Ｎ－［（アクリロイルポリオキシエチレン）カルボニルアミノ］－ｎ－ヘキサメチレン］－２－アセチルアントラセンの製造方法の一例を以下説明する。
　原料として２－アセチル－９，１０－ジメチルアントラセンを使用し、四塩化炭素／クロロホルム溶媒を加熱してＮ－ブロモスクシンイミド（ＮＢＳ）および過酸化ベンゾイル（ＢＰＯ）と反応させることにより、２－アセチル－９，１０－ビス（ブロモメチレン）アントラセンとする。次いで、これをジメチルホルムアミド（ＤＭＦ）等の溶媒中で、ジイソプロピルエチルアミン（ＤＩＥＡ）等の塩基存在下で、Ｎ－（ｔ－ブトキシカルボニル）－ヘキシルジアミンを反応させると、ブロモメチレン基が［（ｔ－ブトキシカルボニルアミノ）ヘキシルアミノ］メチレン基となる。これを、ＤＭＦ等の溶媒中で、ＤＩＥＡ等の塩基存在下で、２－（２－ブロモメチルフェニル）－１，３－ジオキサボナリンを作用させると、９，１０－ビス［［Ｎ－６’－（ｔ－ブトキシカルボニルアミノ）ヘキシル－Ｎ－［２－（５，５－ジメチルボリナン－２－イル）ベンジル］アミノ］メチル］－２－アセチルアントラセンが得られる。これに塩酸等の酸を作用させて脱保護すると、９，１０－ビス（メチレン）［［Ｎ－（オルトボロノベンジル）メチレン］－Ｎ－（アミノヘキシル）］－２－アセチルアントラセンが得られる。次にアクリロイル－（ポリエチレングリコール）－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステルを塩基性緩衝液中で反応させると、目的物を得ることができる。ＺがＮＨである場合は、最後のステップで用いるアクリロイル－（ポリエチレングリコール）－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステルの代わりに、アクリルアミド－（ポリエチレングリコール）－Ｎ－ヒドロキシスクシンイミドエステルを用いればよい。
　なお、原料化合物として、アントラセン骨格に化学式１で示すＬで示す置換基として上記化合物と異なる原料化合物を使用すると、溶媒、添加剤、反応温度、反応時間および分離方法等を適宜選択することでＬとしてメチル基以外の基を有する化合物を製造することができる。
　（２）蛍光センサー物質の製造
　化学式１で示す蛍光モノマーと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの共重合は、溶媒の下で、重合促進剤または重合開始剤を用いることができる。溶媒としては、水を使用することができる。蛍光モノマーを水溶性にできる程度の親水性を有するＹを導入することにより溶媒が水のみでも重合が可能となる。水のみで重合させることがもっとも好ましいが、水にジメチルスルホキシド、ジメチルホルムアミド、エチレングリコール、ジエチレングリコールなどのいずれか１種以上を混合したものも用いることができる。本実施形態において、有機溶媒を混合する場合には、その含有量は１０質量％～５０質量％混合することが好ましく、より好ましくは２０質量％～３０質量％である。
　化学式１で示す蛍光モノマーと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの共重合に際して、さらに他の成分を配合することもできる。他の成分を配合する場合、その配合量は、蛍光モノマー化合物と（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの合計量の０．１～１０モル％が好ましく、より好ましくは２～７モル％である。他の成分を配合する場合、重合時に、重合開始剤や重合促進剤と同時に添加しておくことが好ましい。
　重合開始剤としては、たとえば、過硫酸アンモニウム、過硫酸ナトリウム、または過硫酸カリウムなどの過硫酸塩；過酸化水素；アゾビス－２－メチルプロピオンアミジン塩酸塩またはアゾイソブチロニトリルなどのアゾ化合物；ベンゾイルパーオキシド、ラウロイルパーオキシド、クメンハイドロパーオキシドまたは酸化ベンゾイルなどのパーオキシド等を挙げることができ、これらの１種または２種以上を用いることができる。この際、重合促進剤として亜硫酸水素ナトリウム、亜硫酸ナトリウム、モール塩、ピロ重亜硫酸ナトリウム、ホルムアルデヒドナトリウムスルホキシレートまたはアスコルビン酸などの還元剤；エチレンジアミン、エチレンジアミン四酢酸ナトリウム、グリシンまたはＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラメチルエチレンジアミンなどのアミン化合物；などの１種または２種以上を併用することもできる。重合温度は１５～７５℃が好ましく、より好ましくは２０～６０℃、重合時間は１～２０時間、より好ましくは２～８時間である。なお、重合開始剤として過硫酸塩と重合促進剤としてＮ，Ｎ，Ｎ’，Ｎ’－テトラメチルエチレンジアミンとを併用する場合には、室温で重合を行うことができる点で、特に好ましい。
　一方、上記化学式５で示す化合物は、化学式１で示す蛍光モノマーと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの共重合によらず製造することもできる。化学式１で示す蛍光モノマーは複数の工程で合成されるため、化合物１で示す蛍光モノマーを原料とすることなくその中間産物に他の化合物を作用させても、最終的に化学式５で示す蛍光センサー物質を製造することができる。たとえば、９，１０－ビス［［Ｎ－（６’－アミノヘキシル）－Ｎ－（オルト－ボロノベンジル）アミノ］メチル］－２－アセチルアントラセンと（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーの重合物にカルボキシル基を導入したものとをカップリング試薬の存在下で作用させても、化学式５で示す蛍光センサー物質を製造することができる。また別の例として、あらかじめ（メタ）アクリルアミド残基を有する重合性モノマーを重合した後、重合開始剤や重合促進剤の存在下で上記蛍光モノマー化合物と共重合させても化学式５で示す蛍光センサー物質を製造することができる。
　（３）三次元架橋構造の形成
　本実施形態で用いられる蛍光センサー物質は、三次元架橋を有していてもよいのであるが、三次元架橋の導入方法も限定されない。本実施形態で用いられる蛍光センサー物質に架橋成分を作用させて、蛍光センサー物質と蛍光センサー物質との少なくとも一部に分子間架橋を形成させる方法がある。
　また、前記したように、化学式１で示す蛍光モノマー化合物と（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーとの共重合に際して、反応溶媒に架橋成分を添加しても三次元架橋を形成させることができる。
　一方、蛍光センサー物質を、体内埋め込み用の糖類測定用センサーとして使用する場合には蛍光センサー物質の流出を防止するため、基材に固定されることが一般的であるが、このような基材として、（メタ）アクリルアミド残基を含む重合性モノマーまたはその重合体を使用し、化学式１で示す蛍光モノマー化合物に必要に応じて架橋成分を使用し、これらを重合させ、基材への固定と三次元架橋とを同時に行うこともできる。
　このような架橋成分としては、前記蛍光センサー物質の配合し得る他の成分の項で記載した架橋性モノマー、他の架橋性成分、カチオン性モノマー、アニオン性モノマーおよびノニオン系モノマーを好ましく使用することができ、架橋性モノマーおよび他の架橋性成分をより好ましく用いることができる。また、これらの２種以上を併用してもよい。
　このようなインジケータ層５の光学特性は、励起光の披長の光を吸収し、蛍光の波長の光に対しては基本的に透明である。そしてインジケータ層５中の蛍光物質は励起光をあてると劣化し、徐々に蛍光エネルギーが減少すると同時に励起光を吸収する能力も低下する。すなわち、このインジケータ層５に含まれる蛍光物質は、励起光が当たると時間経過にともない、蛍光発光能力が低下する一方で光透過性増加する特性を有しているのである。
　このようなインジケータ層５中の蛍光物質の劣化が進んでくると、インジケータ層５で光源６に近い部分は励起光を透過しやすくなり（つまり励起光を吸収しにくくなる）、蛍光を発しなくなってくる。その一方で、励起光は、劣化して透過する部分が多くなることで、光源６から遠い位置にも到達するようになる。そうすると、光を吸収して蛍光をよく発する部分が移動することになる。
　後に詳細に説明するが本実施形態は、このような特性を利用して蛍光センサーの寿命を長く保つことができるようしたのである。
　インジケータ層５を光学フィルタ４上に載置するには、たとえば光学フィルタ４上に、図示していないシランカップリング剤などよりなる接着層を塗布し、この上にハイドロゲルを接合する。
　また、その他の方法としては、光学フィルタ４の上からＣＶＤで硝子層を積層して、水の浸入を遮断したのち、０．２％のアミノプロピルトリエトキシシラン（シランカップリング剤）のアルコール水溶液で処理して、アミノ基を形成させる。さらに０．１％アクリロイルクロライド塩化メチレン溶液に接触させて、アクリルアミド基を形成したのち、この表面でアクリルアミド末端を持つ蛍光モノマー（１％～１０％程度の濃度）とアクリルアミドモノマー（５％～２０％程度）の水溶液を、最終濃度で０．４％過硫酸ナトリウムおよび０．０４％テトラエチルメチレンジアミンの添加で重合させる。過硫酸ナトリウムおよびテトラエチルメチレンジアミンの濃度は、製造工程上重合速度を変えるために適当に変更しても良い。結果として、フォトダイオード上の硝子層に結合したアクリルアミド基を含めてモノマーが重合されるため、インジケータ層５（蛍光ゲル）が共有結合で形成できる。
　このインジケータ層５の形成方法については、上記例示した方法に限定されず、そのほか様々な方法を用いてもよい。
　光源６は、たとえばＬＥＤなどである。この光源６からの励起光は図１（Ａ）に示したように、インジケータ層５へ、フォトダイオードの受光面に平行方向に入射されるようになっている（つまり図１（Ａ）では、光源６からインジケータ層５へ横から（図示した矢印Ａ方向）励起光が入射する構成となっている）。
　図３は、光源にＬＥＤを用いた場合を説明するための光源部分の断面図であり、（Ａ）は第１例を示し、（Ｂ）は第２例を示す。
　図３（Ａ）を参照して、第１例は、基板２上に、基板面に対して上下方向に光が発する向きとなるようにＬＥＤ６１を製作しておき、そのＬＥＤ６１上にプリズム６２を配置したものである。また、プリズム６２の光射出側端面に角度フィルタ６３を設けている。ＬＥＤ６１の下（基板２との間）には、ＬＥＤ６１の全面を覆うように、ＬＥＤ６１の一方の電極（実際にはＬＥＤチップの一方の導電層（Ｐ層またはＮ層）である）と接続される配線層６４を形成している。ＬＥＤ６１の他方の電極は図示しないボンディングワイヤにより基板２に設けた別の配線に接続している。
　基板２上に設けられたＬＥＤ６１は、プリズム６２方向と基板２方向の両方向に光が放出される。プリズム６２方向へ射出された光は、このプリズム６２によってインジケータ層５方向へ放出される。一方、基板２方向へ射出された光は、配線層６４の金属自身によって反射されるため、結局、プリズム６２方向に射出されることになる。したがって、ＬＥＤ６１から放射される光はほとんどプリズム６２を通してインジケータ層５方向（図示矢印方向）へ射出されることになる。なお、配線層６４をＬＥＤ６１の下全面を覆うほど形成しない場合は、配線層６４とＬＥＤ６１の間にさらに反射膜を挟んでもよい。
　プリズム６２は、ガラス、透明樹脂などにより作製されている。
　角度フィルタ６３は、定められた角度範囲で入射する光のみを選択して透過するフィルタである。たとえば、遮光性材料をルーバー構造に微細加工で加工し、それを透明樹脂でコーティングして作製される。遮光材は、金属あるいは透過率が小さい半導体材料が好ましいが、樹脂などの透過性のある材料に金属薄膜などの遮光性の膜をコーティングするものであってもよいし、カーボンブラックを含有させるなどの手段で遮光を実現してもよい。
　また、別の構造として、セルフォックレンズのようなレンズアレイや、ファイバーアレイ構造であってもよい。ファイバーアレイは、クラッド－コア型の光ファイバー構造がアレイ状に配列された構造や、反射材で周囲を覆われた光透過性の細管アレイ状に配列された構造として実現できる。
　図３（Ｂ）を参照して、第２例は、基板２上のＬＥＤ載置部分に、あらかじめＬＥＤの背面を支持する台座６５を形成しておき、その面６６側にＬＥＤ６１の発光方向がインジケータ層５を向くように、ＬＥＤ６１を配置したものである。また、面６６には全面を覆うようにＬＥＤ６１の一方の電極（実際にはＬＥＤチップの一方の導電層（Ｐ層またはＮ層）である）と接続される配線層６７が設けられている。なお、ＬＥＤ６１の他方の電極は図示しないボンディングワイヤにより基板２に設けた別の電極配線に接続している。
　この構造では、ＬＥＤ６１の光射出面の一方は、インジケータ層５方向となり、他方は、インジケータ層５から逆の方向となっている。この逆の方向に射出された光は、面６６に設けた配線層６７（金属）自身に反射されて、結局、インジケータ層５へ射出されることになる。したがって、ＬＥＤ６１から放射される光はほとんどインジケータ層方向（図示矢印方向）へ射出されることになる。なおこの場合も、面６６には、配線層６７のほかに、さらに反射膜を設けてもよい。
　光源６としては、ＬＥＤ６１以外にも、たとえば、半導体レーザチップを用いることもできる。その場合も、ＬＥＤ６１と同様に図３に示した構造とすればよい。
　また、光源６としては、基板２上に直接ＬＥＤを配置するのではなく、光ファイバーによって、別途に設けられている光源６から励起光を導くようにしてもよい。
　図４は、基板２上の励起光の光源６として光ファイバーを載置した例を示す部分断面図である。
　基板２上の励起光の光源６として光ファイバーを用いる場合、図示するように、光ファイバー６８の射出端がインジケータ層５を向くようにして、そこから射出される光をインジケータ層５へ向くようにする（図示矢印方向）。また、光ファイバー６８の射出端には、好ましくはコリメータレンズ（不図示）を配置する。これにより、光ファイバー６８から射出された光の大部分を平行光としてインジケータ層５内へ射出することができる。この場合でも装置内での乱反射などが直接フォトダイオードへ入らないようにするために光学フィルタ４は設けておくこと方が好ましい。
　遮光膜７は、この蛍光センサー１の外から蛍光センサー１内へ入ってくる光を遮蔽すると共に、被測定物質を透過させる。具体的には、たとえば特開２００５－３１５８７１号公報に開示されている光学分離層を用いることができる。この光学分離層は、不透明物質とそれを担持する光学分離層用基材よりなる。
　不透明物質は、紫外線、可視光、赤外線などの光を透過させず、かつ、反射させない。また、励起光をセンサー外に放射させない機能も有する。このような不透明物質としては、たとえば、カーボンブラック、フラーレン、カーボンナノチューブなどを用いることができる。
　光学分離層用基材としては、いろいろな高分子物質を用いることができるが、高分子物質は架橋されていたり修飾されていたりしてもよい。具体的には親水性高分子物質としては、たとえば、デキストラン、ポリアクリルアミド、ポリエチレングリコール、ポリビニルアルコール、ポリヒドロキシエチルメタクリレートなどやそれらのコポリマーなどを用いることができる。
　また、光学分離層用基材としては、相転法により形成された高分子多孔質膜を用いることができる。光学分離層用基材のための高分子多孔質膜を得る相転法は、従来から知られた方法であり、たとえば湿式製膜法が使用できる。この材料としては、メチルセルロース、ポリエーテルサルホン、ポリサルホン、ポリエチレン、ポリウレタンなどがある。
　このような高分子多孔質膜の平均孔径は、好ましくは０．００１μｍ～０．１μｍである。より好ましくは０．００５μｍ～０．０１μｍである。応答速度を促進したい場合には、上記平均孔径をたとえば０．０１μｍ～０．０５μｍにすることがより好ましい。
　これにより高分子多孔質膜が、被測定物質（アナライト）を透過しインジケータ層５まで導くことができる。
　そのほか外から蛍光センサー１内へ入ってくる光を遮蔽し、かつ被測定物質（アナライト）を透過させる膜であれば、特に限定されない。
　次に、この蛍光センサー全体の製造方法の一例を説明する。
　まず、シリコン基板の主面側にフォトダイオード３と配線層を形成する。配線層はフォトダイオード３からの信号を外部へ取り出すための配線と、ＬＥＤ６１へ電力を供給するための電源配線である。ここでの配線はアルミニウム、ポリシリコンなどが用いられる。フォトダイオード３上には上述した光学フィルタ４を形成する。一方、配線層上には絶縁膜（たとえばＳｉＯ２）を成膜して、絶縁膜上のＬＥＤ形成部には電源配線と接続するためのコンタクトホールを空けておいて、電源配線とＬＥＤ６１を接続する。なお、このようなＬＥＤ６１との接続には、たとえば、フリップチップとしたり、半田や、金属―金属直接接合法、導電性樹脂を用いた方法など様々な方法を使用することができる。
　シリコン基板を用いた場合はこの段階、または、ＬＥＤ配置前の段階などで、シリコン基板裏面側から研磨して薄くしておく。これは、後述する針内部に載置する際に蛍光センサー１全体の厚さを薄くするためである。
　その後、インジケータ層５および遮光膜７を形成する。そして、これら全体を覆うように樹脂膜を形成して、遮光膜７の部分のみ樹脂膜を開口して遮光膜７面を露出させておく。同様に、前記パッド部分も露出させておく。これにより、チップ形状蛍光センサーができあがる。
　また、全体として可撓性のある蛍光センサーを作ることもできる。
　その一つの方法としては、樹脂等の可撓性のある絶縁性基板を用いて、順次フォトダイオード、配線層、光学フィルタを形成してゆく方法である。具体的には以下のとおりである。
　まず、樹脂等の可撓性のある絶縁性基板上にシリコン層を形成する。ここでシリコン層は、高感度のフォトダイオードを形成するためには単結晶シリコンであることが好ましいが、蛍光センサーとして十分な感度を得ることができるものであればポリシリコンやアモルファスシリコンなどでもよい。これらシリコン層の形成にはＣＶＤ法などにより絶縁性基板上に直接形成してもよいし、シリコン単結晶基板を貼り付けてもよい。
　その後、形成したシリコン層にフォトダイオード３を形成する。その後絶縁性基板のフォトダイオード３がない部分（シリコン層がない部分）をポリイミドなどの樹脂材を用いて平坦化する。そして、フォトダイオード３および平坦化膜の上から、配線層とするためのアルミニウムや金の薄膜を蒸着やスパッタリングで形成し、フォトリソグラフィー工程とエッチングで、フォトダイオードの配線をパターニングする。このとき当然ながら、フォトダイオード受光面の不要な膜は除去する。その後、配線上に絶縁性の薄膜をスパッタリング、蒸着、ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）などで被覆して、配線間を絶縁する。この被覆膜は、その厚さを均一性良く形成した場合には配線間に凹形状部ができてしまうが、たとえば流動性のある金属アルコキシド材料をコーティングして焼成すれば、配線を絶縁できるとともに、凹凸が埋まり平滑（平坦）な表面が得られる。金属アルコキシドに代わり、絶縁性の樹脂をコーティングしてもよい。
　その後は、フォトダイオード３上に、光学フィルタ４、光源６（ＬＥＤ６１）を順次実装、形成した後に、インジケータ層５の空間を確保された型材に入れて、樹脂を注入・硬化し、インジケータ材料を導入し、遮光膜７で封をすれば、蛍光センサー１ができあがる。
　また、絶縁性基板を用いた他の方法としては、別途シリコン基板を用いてフォトダイオードを形成しておいて、これを絶縁性基板に貼り付ける方法がある。具体的には以下のとおりである。
　絶縁性基板上にフォトダイオードのための配線層を形成する。形成した配線層には、配線による凹凸をなくすために、ポリイミド、金属アルコキシドなどによって被覆、平坦化した上で、フォトダイオードと接続する部分にのみ、バンプを形成して後からフォトダイオードと電気的接続が取れるようにしておく。
　一方、フォトダイオード３は、別途シリコン基板（好ましくは単結晶シリコン基板）を用いて形成する。これには、通常の半導体素子製造方法と同様に１枚のシリコン基板上に複数のフォトダイオードを形成することになる。そして、形成したフォトダイオード全面に光学フィルタ４を形成する。光学フィルタ４の形成はすでに説明した様々な材料を使用して形成すればよい。シリコン基板に形成したフォトダイオードには、光学フィルタ形成面とは反対の面から電気的接続が取れるようにパッドなどを形成しておく。
　そしてフォトダイオードはシリコン基板から切り出してチップ化する（たとえばフリップチップ）。これにより光学フィルタ付きフォトダイオードチップができあがる。なお必要に応じてフォトダイオード形成後のシリコン基板（またはチップ）を研磨して薄くしてもよい。
　あるいは光学フィルタ形成前に、フォトダイオードを形成したシリコン基板ごと研磨して薄くし、裏面側に光学フィルタを形成してもよい。この場合、シリコン基板のフォトダイオード形成面を表面とすれば、薄くしたシリコン基板の裏面側がフォトダイオードの受光面となり、この受光面に光学フィルタが形成されることになる。一方、電気的配線のためのパッドなどはフォトダイオード形成時に表面側に形成しておくことになる）。
　その後、光学フィルタ付きフォトダイオードチップを絶縁性基板の配線層と接続しつつ貼り付ける（フォトダイオードチップのパッドと配線のバンプを接続する）。
　その後は、絶縁性基板上に、光源６（ＬＥＤ６１）を実装した後に、インジケータ層５の空間を確保された型材に入れて、樹脂を注入・硬化し、インジケータ材料を導入し、遮光膜７で封をすれば、蛍光センサー１ができあがる。
　このように、フォトダイオードを別途形成しておくことで、フォトダイオード形成時に様々な加工を施すことができまた、高温熱処理を行うことも可能となるので、高感度のフォトダイオードや、様々な波長に対応した光学フィルタを形成しやすくなる。
　なお、絶縁性基板に、別途形成したフォトダイオードチップを貼り付ける方法の場合は、絶縁性基板に光学フィルタ付きフォトダイオードチップを貼り付けた後、後から配線層を形成するようにしてもよい。この場合光学フィルタには、フォトダイオードと電気的接続を取るためのコンタクトホールなどを形成しておけばよい。
　以上製造方法として２つの具体例を説明したが、本発明は製造方法について何ら限定されるものではない。たとえば、基板としてシリコン基板のほか、樹脂基板、ガラス基板、サファイア基板などを利用して、その上にシリコン層を設けてフォトダイオードを形成することも可能である。また、フォトダイオードは無機物半導体だけでなく有機物半導体を用いてもよい。そのほか半導体素子製造工程やＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍ）などに利用されている様々な技術を利用して製造可能である。
　上述のように構成された蛍光センサーの作用を説明する。
　図５は、蛍光センサー１の作用を説明するための説明図である。
　既に説明したように、インジケータ層５中の蛍光物質は、励起光が当たることで劣化し、徐々に蛍光エネルギーが減少すると同時に励起光を吸収する能力も低下する。図５（Ａ）は、測定初期の段階を示している。黒矢印が大きいほど励起光が強く届いていることを示している（図５（Ｂ）も同様）。また白抜き矢印が大きいほど蛍光が多く発していることを示している（図５（Ｂ）も同様）。
　図示するように、測定初期の段階では、光源に近い側で励起光がほとんど吸収されてしまい、光源６から遠くなるほど励起光は届いていない。光源６からもっとも遠い部分ではほとんど励起光は届いていない。そしてこの初期段階のときに、蛍光は光源６の近く部分で多くなる。
　測定時間が長くなるにつれて、すなわち励起光が当たる時間が長くなるにつれて、光源６近くでは蛍光物質が劣化して透明になってくる。この状態を図５（Ｂ）に示した。図示するように、この段階では、光源６から遠くまで励起光が届いている。図ではインジケータ層５の中央付近までは強く届き、それより遠い位置では弱くしか届いていない。そして、蛍光をもっとも発する位置は光源６から遠くなり中央付近で多くなってくる。また、光源６に近い位置では励起光は強く通過するものの蛍光はほとんど発しなくなる。
　このような蛍光物質の特性を利用して、光源６から直接インジケータ層５へ光を入れて、徐々に蛍光物質を劣化されてゆけば、長時間にわたりアナライトの測定が可能となる。
　つまり、本実施形態によるアナライト成分の測定方法は、蛍光物質を固定したインジケータ層中に光源から励起光を入射させて、蛍光物質が蛍光を発する部位を、励起光を照射（入射）させた時間経過とともに光源から遠くなるように移動（シフト）させているのである。そして、移動させた蛍光部位からの蛍光の強さをフォトダイオードを用いて電気信号に変換し、アナライト成分量を測定している。
　このような測定のためのインジケータ層５の大きさは、蛍光物質濃度、蛍光物質の励起光波長での分子吸光係数、求めるべき信号強度、使用時間、蛍光センサー１の形状と大きさから設計される。
　一例としては、非常に小さい棒状の蛍光センサー１を設計する場合、インジケータ層５の大きさは、蛍光物質の分子吸光係数が３０００～５０００／Ｍ（モル）／ｃｍとした場合、蛍光物質（モノマー）の濃度１～２０％、インジケータ層５の長さ（すなわち光源６から遠ざかる方向の距離であり、図１（Ａ）における励起光のパスの長さＬ）が０．１ｍｍ～３ｍｍ、インジケータ層５の幅（すなわち前記長さに直交する方向の幅であり、図１（Ｂ）における幅Ｗ）が１０μｍ～３ｍｍ、インジケータ層５の厚みが１０μｍ～５００μｍであることが好ましい。
　ここで、蛍光物質の分子吸光係数が３０００～５０００／Ｍ（モル）／ｃｍと仮定したのは、アナライトとしてグルコースを測定する場合の蛍光物質を想定したためである。また、蛍光物質の濃度１～２０％も、グルコースを測定する場合に通常用いられる蛍光物質の量である。そしてインジケータ層５の長さが０．１ｍｍ未満であると励起光を照射した初期段階で全て劣化してしまい、長寿命化を図れないおそれがあるためである。もちろんこのような長さは、励起光のエネルギー強度や照射時間、所望する寿命によってはさらに短くてもよく、たとえば、機能的には１０μｍ以上あれば十分である。一方、３ｍｍを超えた場合、長すぎていかに劣化して蛍光物質であっても、励起光がもっとも長いところまで十分に到達しないおそれがあるので好ましくない。また、幅や厚さの下限値に付いてはこの程度の幅や厚さがないと、インジケータ層５として機能させるために十分な蛍光物質を保持できないおそれがあるため好ましくない。ただし、幅や厚さについては、蛍光センサー１全体の大きさとして許容できるのであれば、さらに大きくてもよい。
　インジケータ層５の長さを１ｍｍ、蛍光物質を５ｍＭ濃度としてインジケータ層５にセットした場合、インジケータ層５内で光源６からもっとも遠い位置に届く励起光は、光源出口のおよそ１％となる。
　この蛍光物質の劣化速度は、励起光の光量と照射時間に依存する。たとえば、蛍光は５ｍＷ／ｃｍ２の励起光を照射し続けると、０．８％／分の速度で蛍光は少なくなる。一方、励起光の吸光度は０．４％／分で低下する。光源６が平行光線だと仮定すると、光源６のすぐそばではこの速度で劣化するが、光源から０．５ｍｍ離れた位置では速度は１／１０となり、１ｍｍ離れた位置では１／１００になる。劣化が進むと光源６に近い部分での励起光の吸収が低下する。したがって、インジケータ層５内のより遠い位置までに光が届くようになり、もっとも効率よく蛍光を発する部分は、光源６から遠い部分にシフトして行く。
　また、他の例として、インジケータ層５に３ｍＷ／ｃｍ２の励起光をあてると照射時間１分間あたり０．７％の速度で蛍光は低下し、一方で励起光の吸光度はその半分の照射時間１分あたり０．３５％で低下する。
　このように、励起光のエネルギーが小さければ蛍光の低下速度の割に吸光度の低下速度が小さい。このような場合は、励起光量を時間経過とともに（劣化が進むにしたがって）増加させることで、劣化で弱くなった蛍光信号をより強くすることができる。一方、励起光量を増加させると信号強度を増加させることはできるが、上記（５ｍＷ／ｃｍ２の励起光の場合）のように劣化を加速させることになる。この点、インジケータ層５の長手方向に対して励起光を照射すれば、その劣化に応じて蛍光を発する部分がシフトしてゆくため、励起光を強くしても長期間使うことが可能となる。したがって、測定初期の段階では、励起光のエネルギーを弱くしておいて、蛍光物質そのものの劣化速度を低く抑えておき、信号が弱くなったら励起光のエネルギーを上げ手、その後は強いエネルギーの励起光とすることで、はじめから強いエネルギーを加えるよりも、より長く使うことが可能となる。
　実際の測定にあっては、蛍光量をフォトダイオード３で検出した信号とアナライト濃度との関係をあらかじめ求めておくこと（キャリブレーションという）が望ましい。
　たとえばアナライトが組織間液に含まれるグルコースの場合、以下のようにして求めることができる。
　フォトダイオードの電流値とグルコース濃度は下記（１）式の関係がある。
　フォトダイオードの電流値＝Ａ×ｆ＋Ｂ　…（１）
　ここでｆはグルコースと蛍光物質の結合体の濃度である。Ａ、Ｂはそれぞれ、以下に説明する係数である。
　この式からグルコースと蛍光物質の結合体の濃度を目安にグルコース濃度を算出する。したがって、劣化によって蛍光を出せる蛍光物質の濃度が低下すると、同じグルコース濃度でも、グルコースと蛍光物質の結合体の濃度が低下することになる。
　言い換えると、下記（２）式の関係となる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-C000005
　この反応の中で、蛍光物質とグルコースの結合体が蛍光を発し、フォトダイオード３の電流信号になるが、劣化によって蛍光物質の量が減ると、同じグルコース濃度でも蛍光物質とグルコースの結合体の濃度が減って、フォトダイオード電流が減ることになる。
　そこでキャリブレーションは、機知のグルコース濃度の測定対象物に蛍光センサー１を接触させたときに得られるフォトダイオード電流値を得て、前述の（１）式の係数Ａを補正するのである。なお、Ｂはバイアス（蛍光物質とグルコースの結合体の濃度に依存しない値）であるから、グルコース濃度に依存しての補正は必要ない。ただし励起光量には依存するため、励起光のエネルギーを変化させる場合には、これもエネルギーに対応させて求めておく必要がある。
　このような補正は、装置の仕様として、どれくらいの励起光照射（照射時間×照射エネルギー）をしたとき、どれくらいの劣化がおきる装置かを事前に測定設定しておくことで、より精度の高い測定を行うことができる。
　なお、ここでは、アナライトがグルコースの場合を例に説明したが、他の物質を測定する場合も同様にキャリブレーションすることができる。
　他のアナライト成分としては、たとえば、乳酸などの生体成分が挙げられる。また、測定対象は生体内の成分だけに限定されるものではなく、たとえば、ｐＨ値などの生理的状態を示すためのセンサーとして利用することができる。
　次に上述した蛍光センサー１を使用したセンサシステムについて説明する。図６はセンサシステムの外観斜視図であり、図７はセンサシステムのガイド針を生体に刺したときの模式図である。
　センサシステム１００は、生体２００内に挿入して埋め込まれる蛍光センサー１と、蛍光センサー１からの信号に基づき、蛍光センサー１により検出されたアナライト成分を測定、解析する電子回路部１０１とを有する。蛍光センサー１は、生体２００に刺されるガイド針１０２の先端に埋め込まれている（図７参照）。
　電子回路部１０１は、たとえば樹脂製のケース内に収容されている（図示する外観が樹脂ケースである。樹脂ケースにおさめられている電子回路部１０１には、蛍光センサー１からの信号を測定して解析する電子回路のほか電池が内蔵されている。なお、電池を内蔵させずに、電磁誘導など非接触で外部から電極を受けるための装置を電子回路部１０１（樹脂ケース内）に内蔵するようにしてもよい。
　図８は、ガイド針の拡大斜視図である。
　ガイド針１０２は、医療用に用いられる一般的なステンレス製の穿刺針にスリット１０３を形成したものを利用している。
　ガイド針１０２の先端内部には、蛍光センサー１が配置される。蛍光センサー１は、その遮光膜７のある面がスリット１０３の方向を向くように配置する。これによりスリット１０３からガイド針１０２内に入った血液内のアナライトが遮光膜７をとおり蛍光センサー１のインジケータ層５に入りやすくなる。
　蛍光センサー１と電子回路との電気的接続は、ガイド針１０２内部に通した配線により行う。たとえば、ガイド針１０２内に、１μｍ～数十μｍの金属配線をそれぞれ絶縁した上で配置し、蛍光センサー状の配線と接続すればよい。
　また、光源６に光ファイバー６８を用いる場合には、ガイド針１０２の内径に応じて、フォトダイオード３からの配線とともに光ファイバー６８を設置することになる。たとえば、ガイド針内径が数百μｍ程度場合、光ファイバー６８の太さは、それよりわずかに小さい程度のものを用いることになる。
　このようなセンサシステム１００を用いることで、ガイド針１０２を生体の皮下内に留置させて生体内のアナライト成分の経時的な測定を行うことが可能になる。
　次に、蛍光センサーの変形例について説明する。図９は蛍光センサーの変形例を説明するための概略断面図である。
　光源からの光は、平行光としてインジケータ層に平行方向に均一に照射されることが理想であるが、実際には、光源の出口で広がる拡散光としてインジケータ層方向へ射出されている。一方、インジケータ層内では、吸収によって光が弱くなる。これは、インジケータ層内の蛍光物質が劣化して光を通しやすくなっても完全な透明になるものではないため、励起光はそこを通ることで弱くなる。このため、もっとも蛍光を発する位置がシフトした場合、その部分に届く励起光は光源直前の部分よりは弱まり、その結果、蛍光信号が小さくなる。
　これは製造時にどの程度劣化するかの予測式をたてて、経時的に補正することも可能であるが、劣化にともなって光源の光量を増やすことでも補正できる。
　そこで、本変形例では、光源の光量を増やすような補正を可能にする構造である。
　図９に示すように、インジケータ層５の長手方向（光源から照射される励起光の方向）に向けて複数のフォトダイオード３０１～３０６を設け、そのうち光源６にもっとも近い位置のフォトダイオード３０１には光学フィルタを設けない構造とするのである。
　そして、光源６にもっとも近い位置のフォトダイオード３０１の出力信号と、光学フィルタ下に位置するそれぞれのフォトダイオード３０２～３０６の出力信号を経時的に比較する。これによりフォトダイオード３０１の出力信号に対して、その位置のフォトダイオード３０２～３０６の出力信号が時間とともにどのように変化してゆくかがわかる。その変化は、まさしく蛍光物質が劣化してもっとも蛍光を発する位置がシフトして行く位置に対応していることになる。なお、フォトダイオード３０１と３０２の間が、フォトダイオード３０２～３０６それぞれの間隔より開いて設けているのはフォトダイオード３０１の上に光学フィルタ４がなく、直接光源６からの光が入るため、その影響がフォトダイオード３０２に悪影響を及ぼさないようにするためである。
　具体的な使用形態としては、図９に示した蛍光センサーを用いて、キャリブレーションと同様に、経時変化させつつ既知濃度のアナライトを使用して、各フォトダイオード３０２～３０６の出力信号の総和が同じになるように光源６の強さを変化させたときのフォトダイオード３０１の出力信号を経過時間とともに測定して記録しておく。
　その後、同じ大きさ、同じ組成で同じ濃度の蛍光物質のインジケータ層を設けた蛍光センサーでは、測定時間（励起光照射時間）に対応させて、記録したフォトダイオード３０１の出力信号となるように光源からの励起光のエネルギーを変えてやれば、測定のたびにキャリブレーションを行わなくとも、正確な測定を行うことができるようになる。
　なお、このような方法は、一度図９に示した蛍光センサーを用いて、各フォトダイオード３０２～３０６の出力信号が同じになるように光源６の強さを変化させたときのフォトダイオード３０１の出力信号の経時変化を記録しておけば、後は、同じ大きさ、同じ組成で同じ濃度の蛍光物質のインジケータ層を設けた蛍光センサーであれば、同様に適用して補正することができる。このため、たとえば、図１０に示すように光学フィルタ４の下のフォトダイオードは分割されていなくても適用可能である。なお、図１０では、光源６にもっとも近い位置のフォトダイオード３０１と、光学フィルタ４下に位置する一つのフォトダイオード３０７を設けた形態としたものである。すなわち、図９および図１０は、個別に受光量を測定するための少なくとも２つのフォトダイオードを有し、光源６にもっとも近い位置のフォトダイオード３０１には光学フィルタ４がない形態ということになる。
　以上説明した本実施形態によれば下記の効果を奏する。
　本実施形態は、インジケータ層内の蛍光物質の光学特性、すなわち、励起光の披長の光を吸収し、蛍光の波長の光に対しては透明であり、励起光をあてると劣化して蛍光エネルギーが減少すると同時に励起光を吸収する能力も低下する特性に着目して、フォトダイオード受光面と平行にインジケータ層に向けて励起光を照射することとした。これによりインジケータ層内の蛍光物質が、光源から奥の方へ徐々に劣化して透明化してゆくことになり、もっとも蛍光を発する位置がシフトし行く。このためインジケータ層の光源からもっとも奥に励起光が当たるようになるまで測定を継続することができるようになり、従来のようにインジケータ層の面に対して励起光をあてる場合よりも寿命を長くすることができる。
　以上本発明を適用した実施形態について説明したが、本発明はこの実施形態に限定されるものではない。
　上述した実施形態では針内に蛍光センサーをする例を示した。しかし本発明の蛍光センサーはこのような使用形態に限らず様々な形態で使用することができる。たとえば、蛍光センサーと電子回路を同一基板上に形成または同一パッケージ内に配置して、グルコース濃度などの測定に用いることができる。使用形態としては、たとえばインジケータ層に、被測定液体を滴下することで測定するなどである。この場合、蛍光センサーのインジケータ層を遮光するケースに入れることで、遮光膜は設けなくてもよくなる。
　その他、本発明は、特許請求の範囲において記載された事項に基づいて様々な変形が可能であることはいうまでもなく、それらもまた本発明の範疇となるものである。
　さらに、本出願は、２０１１年９月１２日に出願された日本特許出願番号２０１１－１９８７２４号に基づいており、それらの開示内容は、参照され、全体として、組み入れられている。
１　蛍光センサー、
２　基板、
３　フォトダイオード、
４　光学フィルタ、
５　インジケータ層、
６　光源、
７　遮光膜、
６１　ＬＥＤ、
６２　プリズム、
６３　角度フィルタ、
６４　配線層、
６５　台座、
６６　面、
６８　光ファイバー、
１００　センサシステム、
１０１　電子回路部、
１０２　ガイド針、
１０３　スリット。

Claims (8)

  1. 　生体のアナライト成分を検知して、励起光が当たることにより前記アナライト成分の量に応じた蛍光を発する蛍光物質を固定したインジケータ層と、
    　前記蛍光を受光して前記蛍光の強さに応じた電気信号を出力するフォトダイオードと、
    　前記インジケータ層へ前記励起光を照射する光源と、を有し、
    　前記インジケータ層は、前記フォトダイオード上に配置され、前記光源は前記励起光を前記フォトダイオードの受光面に平行な方向に前記インジケータ層内へ照射することを特徴とする蛍光センサー。
  2. 　前記蛍光物質を固定した前記インジケータ層は、前記励起光が当たっていた時間により蛍光強度が変化することを特徴とする請求項１に記載の蛍光センサー。
  3. 　前記フォトダイオードの受光面上と前記インジケータ層との間に設けられ、前記蛍光の波長は透過させるが、前記励起光の波長は遮断する光学フィルタを有することを特徴とする請求項１または２に記載の蛍光センサー。
  4. 　前記フォトダイオードは、前記光源から遠くなる方向に個別に受光量を測定するために少なくとも２つ以上が設けられており、そのうち前記光源にもっとも近い一つの前記フォトダイオードの受光面上には光学フィルタを有さないことを特徴とする請求項３に記載の蛍光センサー。
  5. 　前記インジケータ層の大きさは、前記インジケータ層に含まれる前記蛍光物質の励起光波長での分子吸光係数が３０００～５０００／Ｍ／ｃｍとした場合、蛍光物質（モノマー）の濃度１～２０％、前記光源から遠ざかる方向の前記インジケータ層の長さ０．１～３ｍｍ、前記インジケータ層の前記長さと直交する方向の幅１０μｍ～３ｍｍ、前記インジケータ層の厚み１０～５００μｍであることを特徴とする請求項１～４のいずれか一つに記載の蛍光センサー。
  6. 　前記インジケータ層の表面に前記アナライト成分は通過させるが、光は遮断する遮光膜を有することを特徴とする請求項１～５のいずれか一つに記載の蛍光センサー。
  7. 　励起光が当たることにより生体のアナライト成分の量に応じた蛍光を発する蛍光物質を固定したインジケータ層中に光源から前記励起光を入射させて、前記蛍光物質が発する蛍光を受光して前記蛍光の強さを測定するアナライト成分測定方法であって、
    　前記蛍光物質が蛍光を発生する部位を、前記光源から遠い方向へ移動させて、当該移動させた部位から発する蛍光の強さを測定することを特徴とするアナライト成分測定方法。
  8. 　前記蛍光物質が蛍光を発生する部位は、前記励起光を入射させた時間の経過に応じて前記光源から遠い方向へ移動することを特徴とする請求項７に記載のアナライト成分測定方法。
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