JPH0627703B2 - 物質の選択的検出および測定物質内の屈折率変化検知を行なう光学センサ - Google Patents

物質の選択的検出および測定物質内の屈折率変化検知を行なう光学センサ

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JPH0627703B2 JP61502845A JP50284586A JPH0627703B2 JP H0627703 B2 JPH0627703 B2 JP H0627703B2 JP 61502845 A JP61502845 A JP 61502845A JP 50284586 A JP50284586 A JP 50284586A JP H0627703 B2 JPH0627703 B2 JP H0627703B2
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Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、請求の範囲第１項のプリアンブルに記載の光
学センサに関するものである。液体、固体、有孔測定物
質の内部の屈折率変化を把握する公知の装置は、２つの
媒体間の全反射角を測定する屈折計である。この装置の
場合、基準媒体が、屈折率の分かっている高屈折率のプ
リズムから成っている。表面の化学吸着層または化学結
合層を検知する公知の装置は、だ円形メータであり、こ
のだ円形メータは化学吸着層に反射する光線の偏光状態
を分析する（これについては、R.Azzam et al.,Physics
in Medicine and Biology２２（１９７７）４２２〜４
３０，P.A.Cuypers etal.,Analytical Biochemistry８
４（１９７８），５６〜６７参照のこと）。この装置
は、比較的多くのスペースを要し、必要とされる測定量
が比較的大である。このことは、高価な測定物質の場合
には大きな欠点となることがある。加えて、だ円形メー
タの場合、測定精度が限られている。これは測定クベッ
トが光の偏光状態に影響を与えるからである。吸収され
た抗原、抗体、ハプテンを検出する別の公知の装置は、 EP0073980に説明されているような反射計である。吸着
層を検知する比較的新しい方法は、金属層境界面の表面
プラスモンを回折格子を用いて、あるいはまた回折格子
を用いずに励起するというものである（これについて
は、B.Liedberg et al.,Sensors and Actuators４（１
９８３），２９９および EP0112721を参照のこと）。薄い金属層は周知の通りそ
れほど安定的ではなく、その光学特性に老化効果が認め
られる。このため、実際の使用のさいに種々の問題が生
じる。
抗体、抗原、ハプテンの免疫学的測定ないしはグルコー
スおよび代謝生成物の濃度測定のために最もよく用いら
れる方法は、ラジオアイソトープ、酵素、弗化クロムな
どの標識物質を用いるものである。これらの物質は、化
学的に反対配位子、すなわち生体補体分子に結合され
る。しかし、標識は、しばしば当該生体分子の結合特性
を阻害する、言いかえると結合親和力が低下する。
だ円形メータ、反射計、表面プラスモン刺激法は、免疫
反応の直接測定が可能であるが（標識なしの物質）、既
述の欠点を有している。直接測定のもう一つの方法は比
濁法である。この比濁法は、しかし、きわめて敏感であ
る。
請求の範囲の特徴部分に記載されているように、本発明
は、次の特徴的特性の１つ以上を有している光学センサ
を提供するという課題を解決するものである。
すなわち、 １．気体状、液体状、固体状、多孔性のいずれかの測定
物質に含まれる特殊物質の選択的検出が可能であるこ
と、 ２．単分子層の約１００分の１までの表面コーテイング
内の変化をも解像できること、 ３．気体、液体、固体、多孔性物質のいずれかの屈折率
変化を１０の−５乗のオーダーまで解像できること、 ４．表面コーテイングと屈折率変化とを同時に、かつ継
続的に区別すること、 ５．必要とされる測定量がきわめて少ないこと、 ６．出来るだけスペースを要しないこと、 ７．種々の測定面を単一のチップに統合して作業できる
こと、である。
次に本発明の実施例を図面につき、更に詳細に説明す
る。
第１図は、本発明の基本要素の略示図であるが、この場
合は、基材の表面の導波構造物は、回折格子と、場合に
よっては付加層とを有している。この導波構造物は、ど
の図でも平面的な導波フィルムとして記載されている。
第２図は格子状インプット・バンチャ(Gitterein-koppl
er)を有する本発明による測定器、 第３図は格子状アウトプット・キャッチャ(Gitte-ransk
oppler)を有する本発明による測定器、 第４図はブラッグ反射器を有する本発明による測定器、 第５図は本発明の基本要素の略示拡大図であるが、この
場合は、導波構造物は回折域の外で保護層に覆われてい
る。
第６図は、本発明の基本要素の略示拡大図であるが、こ
の場合は、測定物質と、付加層付きまたは付加層なしの
導波構造物との間にはダイヤフラムが配置され、このダ
イヤフラムは場合によってクベットに固定されている。
第７図は、導かれる光波の光度を間接測定する本発明に
よる装置であるが、この場合は、光波により生じる散乱
光がファイバースコープにより捕捉され、デテクタに伝
えられる。
第８図は、導かれる光波の光度を間接測定する本発明に
よる装置であるが、この場合は単数もしくは複数の集束
されていない回折オーダーが測定される。
インテグレートされた光学系の基本ユニットは導波構造
物、特に平面的な導波体である。この導波体は薄い誘電
層から成り、この誘電層は基材上に設けられている。レ
ーザー光線は全反射によりこの薄い層内を導かれる。こ
の導かれる光波（以下“モード”と呼ぶ）の伝ぱ速度
は、C/Nの値をとる。この場合、Ｃとは真空中での光速
であり、Ｎは導波体内を導かれるモードの有効屈折率で
ある。有効屈折率Ｎは、一面では、導波体の構成（層厚
と薄い導波層の屈折率、更には基材の屈折率）により、
他面では、薄い導波層に隣接する媒体の屈折率により決
まる。
光波の伝導は、薄い平面層内のみでなく、別の導波構造
物、特にストリップ状の導波体によっても行なわれる。
その場合は、導波構造物はストリップ状のフィルムの形
状にされる。
導波層（または導波層と基材との間）には、薄い付加層
を設けることができ、しかも層システムの導波特性は全
く損われることがない。
センサの作用形式にとって重要な効果は、有効屈折率Ｎ
の変化が、導波層（付加層のあるもの、または無いも
の）に隣接する媒体の変化と（または）導波層自体もし
くは導波層に隣接する付加層の屈折率（および／または
光の吸収率）および（または）厚さの変化とにより生ぜ
しめられることである。その場合、これらの変化は、検
出される物質の分子の吸着、離脱、化学吸着の過程もし
くは化学反応を介して生ぜしめられる。
測定物質の屈折率変化の検知のさいは、測定物質が、直
接に導波層（場合によっては付加層が付せられている）
上に載せられるか、もしくは適当なダイヤフラム上に載
せられる。このダイヤフラムは、測定物質に含まれる汚
染物、特に粒子が導波層に接触し、測定を妨げるのを防
止する。
測定物質に含まれる特殊物質（たとえば、液相での或る
種の生体分子）を検出するさいの選択は、次の２つの措
置の１つ、もしくは双方の組合せにより達せられる。す
なわち、 １．検出を要する物質を優先的に透過せしめるダイヤフ
ラムを用いて、その物質だけが付加層付きまたは付加層
無しの導波層と接触するようにする。
２．付加層を適宜に選択することにより、検出を要する
物質が優先的に付加層の内部もしくは表面で物理吸着も
しくは化学吸着されるか、付加層の一定部分の化学反応
および（または）離脱を解発するかするようにする。
センサの原理は、有効屈折率は格子状インプット・バン
チャ、格子状アウトプット・キャッチャ・ブラッグ反射
器のいずれかとして役立つ回折格子により検出できるこ
とにもとづいてる。次に、格子状インプット・バンチ
ャ、格子状アウトプット・キャッチャ、ブラッグ反射器
の作用形式を図面につき詳説する。
第１図は本発明の基本要素を略示したものである。薄層
が平面状の導波フィルム１の形状で基材２（たとえばハ
イレックス・ガラス）上に設けられている。導波フィル
ム１と基材２とは、一緒にいわゆる導波体１，２を形成
している。導波フィルム１は、たとえば酸化物層（Si
o2，TiO2，Sno2、もしくはそれらの混合物）、プラスチ
ック層（例えばポリスチロール、ポリカルボネートな
ど）、２層以上の層の重ね合せのいずれかから成ってい
る。拡散技術により、例えば基材表面にも、表面下に直
接に導波フィルムが設けられるように処理を施すことが
できる。レーザー光線が全反射により導波フィルム１内
に伝ぱされうるには、導波フィルム１の屈折率が隣接媒
体（たとえば基材２や測定物質３）のそれより大でなけ
ればならない。導波フィルム１は、微細孔を有する組織
をもつようにしてもよい。これは、たとえばフィルム製
造のさいに浸漬コーティング法により達成可能である。
基材２もしくは測定物質３に向いた導波フィルム表面も
しくは導波フィルム体積内には、長さＬの回折格子４が
配置されている。表面のレリーフ状の格子は、たとえば
浮出し法により製作することができる。その場合、マス
ターの格子構造は基材２もしくは導波フィルム１にも圧
刻される。プラスチックや有機金属ゾル・ゲル層への圧
刻は、文献に記載の通りである（たとえばR.Ulrich et
al.,Appl. Phys.Lett.２０（１９７２），２１３〜２１
５およびW.Lukosz/K.Tiefenthaler,Optics Lettere８
（１９８３），５３７〜５３９参照のこと）。
特に、圧刻ダイが一様に変調されたマスター格子を有し
ていても、圧刻表面レリーフ格子の、格子目に直角方向
で各場所に応じた変調を生ぜしめることが、圧刻技術に
より可能である。このことは、特に次のようにすること
により達成されうる。すなわち、圧刻圧力を各場所に応
じたものにし、マスター格子および（または）基材２
が、導波フィルム１と共に、もしくは導波フィルム１無
しで、たわみ可能であるようにするのである。より変調
度の低い格子により分離されている２つの変調度の高い
格子域から成っている表面レリーフ格子を、前記の圧刻
技術で作り出すことが出来る。すなわち、２つの場所的
に分離された互いに平行のエッジをもつマスター格子
を、導波フィルム付きの、もしくは導波フィルム無しの
基材２に対し押付けるのである。
回折格子４は導波フィルム１への入射レーザー光線を集
束したり、既に導波フィルム１内を導かれているモード
を放出したり、そのモードの一部を進行方向へ透過さ
せ、一部を反射させたりするのに役立っている。
導波フィルム１は、場所によっては格子域を付加層５で
カバーしておく。この付加層５は、測定物質３に含まれ
ている物質の選択的検知を可能にする。“測定物質”と
も呼ばれる検出を要する物質３は、付加層５ないし導波
フィルム１の少なくとも格子域に載せられる。
光学センサが、もっぱら単体構成の光学式（差動）屈折
計として作業する場合、すなわち測定物質３内に生じる
屈折率変化を測定することだけが必要な場合、付加層５
は、用いないか、もしくは測定物質３分子の吸着を防止
するような性質のものにする。たとえば、ODS（オクタ
デシルシラン）、もしくは、何らかのアルキル群を有す
る表面では極性物質は吸着されない。たとえば無極性
（疎水性）アルキル群は水でぬらすことができない。こ
の事情は逆相クロマトグラフィーで十分に利用される。
（V.Meyer,Laborbcher Chemie：Praxis der Hochleis
tungs-Flssigchromatographie）。
液体状の測定物質３の屈折率変化は、たとえば、その物
質内部で生じている（生）化学的反応によって引き起さ
れうる。測定物質３は、しかし、固体もしくは有孔物質
であってもよい。
選択的検知に必要な付加層５または導波フィルム１は、
測定物質３に含まれる特定物質のみを選択的に化学吸着
するか化学結合する性質のものである。もう一つの層６
も化学吸着性の層である。
光学センサのこの選択原理は、とりわけ免疫学において
抗原・抗体結合を識別するのに利用できる。たとえば付
加層５を特定の抗原から成るようにした場合、測定物質
３に抗原に相応する抗体が含まれていれば、抗原・抗体
結合が生ぜしめられる。化学吸着層６は、その実施例の
場合には抗体から成るようにする。化学吸着層６の被覆
度は、測定物質３の抗体濃度や培養時間に応じて決めら
れる。この光学センサは、したがって、たとえば抗体濃
度測定に用いることがてきる。すなわち、たとえば最大
被覆度または一定時間後に現われる定常的な被覆度が測
定されるようにするのである。
生体分子のなかからキー／ロック原理による選択的な識
別によって、あらゆる生体システムの組織や調整が保証
されるので、この識別はバイオセンシングにも利用する
ことができる。生体分子の相補性は、抗原・抗体の場合
のみでなく、たとえばパプテンと抗体、酵素と酵素抑制
因子、ホルモンまたはニューロトランスミッタと受容体
の間にも、あるいはまたは補体核酸の間にも見出される
ので、光学センサ用の選択原理としても役立ちうる。そ
の場合は、補体生体分子のうちの１種類をそのつど付加
層５として導波フィルム１に固着させ、他の種類の生体
分子で層６を形成する。
受容体への特異物質の結合反応が可逆的である場合は、
平衡状態においては、表面コーテイング、すなわち吸着
層６の厚さは、測定物質３に溶解した特異物質の濃度に
応じて決められる。たとえば、この物質濃度が低い場合
には、この物質の分子は、再び平衡状態に達するまで、
表面から測定物質３へ離脱する。この離脱は吸着層６の
厚さの減少を意味する。
キー／ロック原理は、より複雑な形式でも適用できる。
キー／ロック原理が順次に複数回行なわれるいわゆるサ
ンドイッチ法は公知である（たとえば、抗体・抗原・抗
体結合）。また、大ていの場合に分子量が異なる２つの
異なる種類の生体分子が、受容体、すなわち付加層５に
ある単一の共通の結合場所を求めて競ういわゆる競合法
も公知である。測定物質３に含まれる１種類の分子の濃
度が高い場合、他の種類の分子は受容体の結合場所から
部分的に排除される(EP0073980)。この離脱により吸着
層６の厚さには検知可能な変化が生じる。この厚さの変
化は、また１種類の分子、つまり検知を要する物質の濃
度の尺度となる。
測定物質３に含まれる特異物質の濃度を測定するもう１
つの可能性は、吸着過程もしくは結合過程の動的特性を
観察することである。検知される特異物質の濃度の尺度
となるのは、吸着層６の増大する時間ないし速度の関数
である層厚変化である（これについてはG.Traexler,Med
izintechnik９９（１９７９），７９〜８４，J.C.Sterm
berg,Clin.Chem.１４５６（１９７７）を参照のこ
と）。
導波フィルム１の表面は受容体で固定する前に予備コー
テイングしておくことができる。たとえばポリスチロー
ル製の薄いポリマーフィルムを導波フィルム１にかぶせ
て、受容体の粘着性を改善することができる。ポリマー
層の代りに、酸化物層を用いることもできる。酸化物と
しては、（吸着）クロマトグラフイーにおいても、いわ
ゆる固体相として用いられる物質を用いるのが好まし
い。その場合、酸化物層が化学的に活性化されるさい
も、されないさいも、自体公知の方法で受容体を固着さ
せることができる。導波フィルム１自体が酸化物から成
る場合、前記の酸化物もしくはポリマーのコーテイング
は、事情によって用いないでもよい。酸化物層ないし導
波フィルム１に反応性シランを付して固着性を改善する
こともできる。
選択的に化学吸着もしくは化学結合する物質は、付加層
５の形態にするか、導波フィルム１の微細孔内にのみ施
すようにする。あるいはまた、この双方の形式を用いる
こともできる。微細孔にのみ施す場合は、化学吸着また
は化学結合は導波フィルム１自体が行なう。
付加層５は、測定物質３に含まれる検知を要する物質の
みが付加層５内に拡散される性質を有するようにするこ
ともできる。その場合、付加層５は、検知を要する物質
に対する高い溶解能を有するようにする。選択性を得る
この種の方法は、既に以前より公知であり、圧電式水晶
発振デテクタの場合に用いられる （USP３１６４００４参照）。たとえばシリコン油フィ
ルムには炭化水素が溶解される。炭化水素吸着の場合、
シリコン油フィルムで覆われた水晶発振デテクタは振動
数を変化させる（これについてはA.Kindlund/I.Lundstr
oem,Sensors and Actuators３（１９８２／８３），６
３〜７７参照のこと）。付加層５は、たとえばその種の
シリコン油フィルムで構成することができる。
付加層５内または導波フィルム１自体内で、検知を要す
る物質により生ぜしめられる化学反応は、屈折率、光吸
収係数（屈折率の虚数部）、当該の層の層厚のすべて、
もしくはいずれかの変化を生ぜしめる（これについては
E.E.Hardy et al.,Nature２５７（1975），６６６〜６
６７およびC.Nylander et al.,Sensors and Actuators
３（１９８２／８３），７９〜８８参照のこと）。しか
し、また測定物質３に生ぜしめられる化学反応は、屈折
率の変化のほかに、測定物質３の吸光係数の変化（たと
えば変色）と関係づけることができる。いずれの効果も
有効屈折率Ｎの変化を生ぜしめる。この屈折率Ｎは、ゼ
ロ以外の光吸収係数の場合には複合的な値をとる。
第２図では、レーザー光線７は、回折格子４を通り導波
体１，２内へ集束され、導かれるモード８の形態で導波
体１，２に沿って進行する。レーザー光線７は、測定物
質３の側から入射可能だが、基材２の側から入射させる
のが好ましい。レーザーとしては、たとえばヘリウムネ
オン・レーザー、連続式または脈動式半導体レーザーダ
イオード、相応の視準光学系を備えた発光ダイオード(L
ED)のいずれかを用いることからできる。集束条件(Eink
opplungsbedingung)は共振条件の性格をもっている。そ
の特徴は、レーザー光線の波長が一定の場合、モード８
の最高光度が達せられるレーザー光線入射角Ｗ１は有効
屈折率に応じ変る点である。励起されたモード８の有効
屈折率Ｎは、導波体１，２に含まれている媒体の屈折
率、導波フィルム１の層厚、測定物質３の屈折率、選択
的に化学吸着する付加層５と化学吸着層６との屈折率と
層厚に、実質的に規定される。導かれるモード８の有効
屈折率Ｎが測定物質３の作用により変化すると、最初に
選ばれた入射角Ｗ１は、もはや最適ではなくなるので、
モード８の光度が変化する。有効屈折率Ｎの変化は、し
たがって種々の形式で測定することができる。
屈折率変化が小さい場合、入射角Ｗ１と光の波長とが一
定であれば、デテクタＤ１によって、モード８の光度変
化が測定され、それによって有効屈折変化が推定でき
る。この測定法は、共振集束カーブ (Resonanzeinkopplungskurve)の半値幅より小さい有効
屈折率変化の測定に適している。このカーブは、入射角
Ｗ１との関連でも、有効屈折率Ｎとの関連でも共振特性
を表わす。このカーブの半値幅は、回折に制約されるこ
とにより格子の長さＬに左右される（これについては、
K.Tiefenthaler/W.Lukoz,Optics Letters９（１９８４），１３７〜１３９参照）。たと
えば格子長さＬ＝６mm、波長６３３mmの場合、単分子
層、たとえばＨ２０層の1/100の表面コーテイング変化
や（または）１０の−５乗のオーダーでの測定物質屈折
率変化が解像されうる。但しこれは、モード８の光度変
化が１％の解像度で測定される場合である。
共振集群カーブの半値幅より大きい有効屈折率変化の場
合には、モード８の光度が測定され、光線７の入射角Ｗ
１は、光度が常に最大であるか、または少なくとも常に
等しい値を有するように後調整される。入射角Ｗ１の変
化から、有効屈折率変化を測定することができる。ま
た、入射角Ｗ１を、屈折率にもとづいて、モード８の最
大光度が次の場合に初めて生じるように選ぶこともでき
る。すなわち、化学吸着層６の厚さ、測定物質３の屈折
率変化の双方または一方が所望の値に達した場合であ
る。
もう一つの測定法は、レーザー光線７が最適集束される
入射角Ｗ１がレーザー光線の波長に応じて変化する事実
を利用するものである。この測定法の要点は、入射角Ｗ
１が一定の場合、調整可能のレーザー光線の波長を次の
ように変化させることにある。すなわち、導かれるモー
ド８を、測定物質３の作用による有効屈折率の変化にも
かかわらず、常に最大ないし一定の光度を有するように
変化させるのである。光線の波長の変化から、有効屈折
率の変化を推定することができる。第３図には、格子状
アウトプット・キャッチャを有する測定器が示されてい
る。導波体１，２、回折格子４、選択的に化学吸着する
付加層５は、第１図のところで説明済みである。導かれ
るモード８が回折格子４のところに来ると、レーザー光
線は一部または全部が解離される。解離されたレーザー
光線９は、波長が一定の場合は、有効屈折率によって決
まる一定角度Ｗ２で導波体１，２から放出される。第３
図にはモード８の発生は記載されていない。モード８
は、たとえば端面結合(Flachenkopplung)、プリズム集
束(Prismen-einkopplung)、格子集束(Gittereinkopplun
g)などによって励起することができる（この点について
はT.Tamir,Integrated Optics,Kap.３参照）。格子区域
では有効屈折率変化が測定物質３の作用で生じるが、こ
の変化は放出角度Ｗ２の変化を生じさせる。この角度変
化は、たとえばダイオード・アレイまたは位置に応じて
感知するデテクタＤ２を用いて測定する。解離されるレ
ーザー光線９の角度変化が小さい場合は、検知面積が光
線直径より小さいデテクタＤ２を用いても、デテクタＤ
２に入射するレーザー光線９の光度の変化を測定でき
る。測定過程中に解離されるレーザー光線９がデテクタ
Ｄ２上を移動するからである。角度変化ないし光度変化
から、有効屈折率の変化を推定することができる。調整
可能のレーザーが用いられる場合は、放出角度Ｗ２を、
測定物質３により生ぜしめられる有効屈折角度変化にも
拘らず、光線の波長を適宜に選択することによって一定
に維持することができる。光線の波長の変化から、ま
た、有効屈折率の変化を推定することができる。
第４図には、いわゆるブラッグ反射器が示されている。
スペース上の理由から第４図には、選択的に作用する付
加層５と化学吸着層６は記入されていない。格子状カッ
プラ（第２図、第３図）に用いられている回折格子は、
ブラッグ反射器としても用いることができる。案内され
るモーデ８は回折格子４のところで、ブラッグ条件が満
たされれば、言いかえると視射角Ｗ３がブラッグ角度に
合致すると、ブラッグ反射せしめられる（これについて
は、W.Lukosz/K.Tiefenthaler,OpticsLeHers８（１９８
３），５３７〜５３９参照）。導かれるモード８を発生
させるには、第３図のところで述べた通りにする。デテ
クタＤ３とデテクタＤ４とは、回折格子４のところで反
射するモード１０の光度と（または）透過するモード１
１の光度を測定する。ブラッグ角度Ｗ３は、格子域の有
効屈折率Ｎにより確定される。測定物質３により有効屈
折率が変化すれば、ブラッグ条件が妨げられる。反射さ
れるモードと透過するモードの光度は変化する。これら
の光度の両方または片方を、デテクタＤ３とデテクタＤ
４の両方またはいずれか一方で測定することにより、有
効屈折率の変化が推定できる。
ブラッグ条件が満たされず、したがって反射されるモー
ド１０も生じないように角度Ｗ３を選ぶこともできる。
有効屈折率変化が所望の値に達すれば、反応モード１０
が発生する。その場合にはブラッグ条件が満たされるか
らである。
もう一つの測定法は、ブラッグ条件が光線の波長に従っ
て変る事実を利用するものである。測定物質３の作用に
よる有効屈折率変化にも拘らず、ブラッグ条件は、光線
の波長を相応に選択することにより守ることができる。
有効屈折率の変化は、その場合、光線波長の変化から得
ることができる。
ブラッグ反射器は、特に、９０度の視射角Ｗ３で用いる
ことができる。導かれるモード８は、その場合、再反射
される。これは、とりわけ、反射されたモードが最初の
幅をもち、扇形にならないという利点をもつ。平面的な
導波フィルムの代りに、ストリップ状の導波体を用いこ
ともできる。
ブラッグ反射器としては、特に、第１図の説明のさい言
及した場所に応じて変調される回折格子、とりわけ、変
調の度合の少ない区域により互いに分離された２つの著
しく変調された格子区域から成る回折格子を用いる。付
加層５は、場合によっては変調度の少ない格子区域にだ
け設けるようにすることができる。この既述の回折格子
は、ブラッグ反射器としてのみならず、格子状インプッ
ト・バンチャまたは格子状アウトプット・キャッチャと
しても用いることができる。この格子をアウトプット・
キャッチャとして用いる場合は、第３図のデテクタＤ２
に条光組織が現われる。この格子をインプット・バンチ
ャとして用いる場合は、有効屈折率Ｎまたは入射角Ｗ１
の関数としてバンチング効率は、若干の極大と極小を有
する。この格子をブラッグ反射器として用いる場合は、
有効屈折率の関数としての伝送・反射能は若干の極大と
極小を有する。
第１図から第８図には、導波フィルム１は平面的な構造
物として記載されている。しかし、光波の伝導を生ぜし
める別の構造物であってもよい。たとえば、平面状の導
波フィルム１の代りにストリップ状の導波体を用いるこ
ともできる。導波フィルム１は、その場合、トスリップ
の形状でのみ用いられる。このストリップは基材に載せ
ることも、基材内に埋め込む（但し表面近くに）ことも
できる。ストリップの屈折率は周囲の材料のそれより大
である。その場合、案内されるモード８は双方の位置座
標内を全反射による伝ぱ方向に対し直角に案内される。
測定物質３および（または）吸着された高分子、例えば
蛋白質のところでの光の分散または吸収により、モード
は格子区域を去った後に著しく弱まり、この結果、光度
の測定はもはや不可能となる。この妨害効果を防止する
ため、第５図に示したように導波フィルム１の格子域以
外の区域を保護層１２で覆うようにするのが好ましい。
十分に小さい屈折率でなければならないこの保護層１２
は、たとえばSiO2層にすることができる。保護層１２の
層厚は、格子域の外ではモードが測定物質３ともはや相
互作用を行なわない厚さにしなければならない。その横
方向減衰域は下降がはなはだしいからである。保護層１
２は、また、第６図に示されたクベツト１３の固定具
が、安定されるモードに妨害的影響を与えるのを防止す
るのにも用いることができる。
第６図には、第５図の配置にダイヤフラム１４が加えら
れ、これにより選択能も光学センサの安定性も改善され
る。ダイヤフラム１４により、“濾過された”測定物質
１５のみが導波構造物１ないし付加層５と接触するよう
にすることが可能となる。言いかえると“濾過された”
測定物質１５には溶剤ないし緩衝液のほかには、検知を
要する特別な物質のみが含まれるようにすることができ
る。このことは次のようにすることにより達せられる。
すなわち、測定物質３を、場合によってはクベット１３
により保持されたダイヤフラム１４の上に載せ、このダ
イヤフラム１４により測定物質３から検知を要する物質
のみを透過散乱させ、検知の不要な物質は残しておくよ
うにするのである。
ダイヤフラムが十分に高い選択能をもつ場合には、付加
層５は、場合によっては用いないでもよい。その場合に
は、導波フィルム１のところで非特異的な吸着もしくは
化学吸着が行なわれる。測定物質３と“濾過された”測
定物質１５とは液状もしくは気体状であることができ
る。
導波フィルム１または付加層５を直接に（生物学的）な
膜で覆うこともできる。受容体は付加層５の形状のみで
なく、膜自体内に内移植しておくこともできる。
ダイヤフラムが、たとばガラス製ダイヤフラムのように
十分に耐久性がある場合は、ダイヤフラムが基材の役割
を引き受けるようにすることができる。その場合には、
ダイヤフラムは、場合によっては、まず付加層５で、次
に導波フィルム１で覆うようにする。測定物質は、その
さいはダイヤフラム基材の上に載せられる。
第２図と第４図にはデテクタが示されている。これらの
デテクタは、導かれるモード８ないし１０，１１の光度
を直接に測定する。しかしまた、導かれるモードを、た
とえば第２の格子で先ず解離し、次いで、解離されたレ
ーザー光線の光度をデテクタで測定することもできる。
この光度は、案内されるモードの光度と比例する。第２
格子の解離機構は測定物質３によって妨害されてはなら
ない。このことは、たとえば、第２格子の区域で保護層
により測定物質３から導波体を分離するか、第２格子区
域に測定物質３を配置しないようにすることによって達
せられる（保護層については、第５図の説明参照のこ
と）。解離は、しかしながら、プリズム・カップラまた
はテーパを介しても行なうことができる（これについて
はT.Tamir,Integrated Optics,Kap.３参照）。
もう一つの検知可能性は、第７図に示されている。第２
図の配置と異なり、案内されるモード８の光度は直接に
は測定されず、モード８により生ぜしめられる散乱光１
６がファイバースコープ１７により捕捉され、デテクタ
Ｄ５に導かれる。散乱光１６の光度は、モード８の光度
に比例する。散乱光１６は、導波体１，２の不可避的な
不均一性のため常に存在する。同じようにブラッグ反射
器（第４図）の場合も、モード１０および（または）１
１の光度の直接測定の代りに、反射モード１０および
（または）伝送モード１１の散乱光光度を測定すること
ができる。
第８図には、もう一つの間接的検知の可能性が示されて
いる。レーザー光線７が回折格子４に当ると種々の回折
オーダーが、反射と透過のいずれにおいても発生する。
入射角度Ｗ１が正しく選ばれていれば、レーザー光線７
は唯一つの回折オーダーで導波フィルム１内へ集束され
る。エネルギー保存の法則に従って、この集められた光
線は他の残りの回折オーダーには現われない。理論的に
は実験的にもレーザー光線７を導波フィルム１内へ集束
する場合、特定条件下では光度の増強が一定の集束され
ていない回折オーダーで生じることが分かっている。し
たがって、案内されたモード８の光度変化は、バンチさ
れていない単数もしくは複数の回折オーダー１８ないし
２１の光度変化をデテクタＤ６ないしＤ９によって測定
することによっても測定可能である。第８図では、反射
光線１８がゼロ・オーダーの反射回折オーダーを意味
し、伝送光線１９がゼロ・オーダーの伝送回折オーダ、
すなわち回折されない透過光を意味している。光線２０
と２１とは、反射しない透過の点で、より高いオーダー
の回折である。ブラッグ反射器（第４図）の場合も、モ
ード１０および１１のほかに、一定条件下においては別
の回折オーダーが現われる。これらのオーダーは空間内
に自由放出され、それらの光度は、したがって容易に検
知可能である。
インテグレートされた光学センサの感度は、測定物質３
の作用が予定されていて、有効屈折率変化が出来るかぎ
り大である場合には特に大である。理論的に結論される
のは、特に高い感度が達成されるのは、導波フィルム１
が基材２や測定物質３よりも著しく高い屈折率をもつ場
合や、導波フィルム１の層厚が最低層厚よりいくぶん厚
く選ばれている場合である。導波フィルム１の最低層厚
（いわゆるカットオフ層厚）は、案内されるモードがフ
ィルム１内で励起しうるために必要とされる（これにつ
いてはT.Tamir,Integrated Optics,Sprinper,Berlin１
９７９，Kep.２参照のこと）。出来るかぎり高い感度を
達成するには、フィルム１の屈折率を最低１％に選ぶこ
と、好ましくは、基材２ないし測定物質３の屈折率より
１０％以上大きい値に選ぶことが勧められる。基材２の
屈折率より大きい屈折率をもつ測定物質３の屈折率変化
を測定する場合のみ、高い感度を達成するさい、フィル
ム１と基材２ないし測定物質３との間の屈折率の相違は
重要ではなくなるのである。
理論的に感度が分かっている場合には、案内されるモー
ドの測定有効屈折率変化から、吸着ないし離脱の過程の
状況、特に化学吸着層６の層厚変化か、または測定物質
３の屈折率変化が推定できる。光学センサで吸着層６の
層厚変化と測定物質３の屈折率変化とを同時に測定する
場合は、同時に、案内される２つの異なるモードの有効
屈折率変化を測定せねばらなない。案内されるモードの
場が吸着層６内で次第に減衰する(evaneszent)場合に
は、吸着層６の厚さは、測定物質３の屈折率変化を測定
しうるには、いわゆる減衰距離より小さくなければなら
ない。
波長の等しい２つの異なるモードを同時に励起するため
には、格子状インプット・バンチャ（第２図）の場合
は、しかしながら、２つのレーザー光線は異なる入射角
で同時に回折格子４に落ちなければならない。単一のレ
ーザー光線のみの場合でも、この条件は、適宜な光線分
割光学系を用いることにより、満たすことができる。
２つの異なるモードの光度変化を同時測定することは、
集束されていない回折オーダーもしくは第２の格子で解
離されたモードを介して行なうことができる。空間内へ
自由に拡がる、異なるモードの光波は、角度が互いに異
なるため、分離して検知されうるからである。
しかしながら、２つの光度測定が絶対的に同時的である
必要がない場合には、導波体１，２の端部のところでマ
ルチプレックス法により両モードの光度を直接測定する
ことができる。すなわち、双方のモードを励起する入射
レーザ光線を片方ずつ遮蔽して測定するのである。極め
て緩慢な過程の場合には、双方のモードを単一の入射レ
ーザー光線により順次に励起することもできる。すなわ
ち、順次に相応の入射角を調整し、測定するのである。
更にまた、双方の入射角を両モードが逆方向に導波体
１，２内に拡がるように選ぶことも可能である。その場
合、双方の光度変化は、場所的に分離された２つのデテ
クタによつて同時的に直接に検知される。
２つの案内されたモードの有効屈折率を同時測定するに
は、単一の入射レーザー光線でも可能である。この光線
は、しかし、スペクトルの上では２つの別個の（調整可
能の）波長から成つているので、付加的に波長が区別さ
れる２つの異なるモードを導波体１，２内で同時に励起
することができる。
吸着層６の層厚変化と測定物質３の屈折率変化のいずれ
をも、格子状アウトプツト・キヤツチヤまたはブラツグ
反射器で測定しようとする場合には、同時に２つの異な
るモードを導波体１，２から解離するか、ないしは格子
４のところでブラツグ反射させねばならない。
光度測定の場合、高い測定精度を達成しうるためには、
信号・ノイズ比が適宜であることが必要である。レーザ
ー出力の変動は測定精度を阻害する。このノイズは、入
射レーザー光線の光の一部を、回折格子４前方のどこか
でビーム・スプリッタを介して分離し、基準デテクタへ
送り、測定信号の比を基準信号によって形成することに
より排除されうる。
信号・ノイズ比は、公知のロック・イン技法によっても
改善できる。この技法の場合、回折格子４に入るレーザ
ー光線が変調される。そのためには、CWレーザーの光が
チョッパーによって変調されるか、もしくは、たとえば
脈動レーザーダイオードまたは発光ダイオード(LED)を
光源として用いる。
更に、適切な信号・ノイズ比を得るには、回折格子４上
の照明班、すなわち、たとえは格子状インプット・バン
チャの場合にレーザー光線７により照らされる面が、局
所的に安定的でなければならない。このことは、次のよ
うにすることにより達せられる。すなわち、放射角の安
定性が出来るだけ高いレーザーを選び、このレーザーを
出来るだけ回折格子４に近づけるか、レーザーと格子４
との間にレンズを配置するのである。このレンズは、格
子４に光線の縮流の平面を写すものである。放射角の安
定性は、直接に入射角Ｗ１にも影響を与える。高い放射
角安定性をもつレーザーは光学センサの測定精度を高め
る。入射角Ｗ１が精確に定められるからである。
案内されるモードの電磁場は、測定物質３と相互作用
し、したがつて、光の波長より小さい値だけ測定物質３
内へ入り込むので、屈折率変化は極めて僅かな側定物質
量で測定が可能である。格子４が全長Ｌにわたって照明
され、照明班が格子の目に平行に0.1mmの長さをもつ場
合、Ｌ＝２mmで、光の波長５００nmの場合、最低測定量
Ｖ＝２mm×0.1mm×５００nm＝0.1ナノリッターである。
光学センサが極めて敏感に測定物質３の屈折率変化にも
測定物質３の特異分子吸着にも反応し、かつまた最低測
定物質量が極めて僅かであるから、光学センサをデテク
タとして、たとえば液体や気体の化学吸着や親和化学吸
着に用いるように迫られる。
光学センサは基材上にインテグレートされた少数の（受
動的な）部材から成っているので、安く製作でき、した
がって例えばバイオセンシングや医学上の診断におい
て、使い捨てセンサとして使用可能である。
以上説明した光学センサのもう一つの利点は、複数セン
サを単一の基材上に配することができる点である。これ
らのセンサは、異なる付加層５および（または）ダイヤ
フラム１４を有するようにし、それによって検知を有す
る異なる物質を選択的に感知するようにすることができ
る。これら種々のセンサは、単一のレーザーにより同時
にまたは順次に照射可能である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特表 昭60−500309（ＪＰ，Ａ) Ｏｐｔｉｃｓ Ｌｅｔｔｅｒｓ，９ 〔４〕（1984）（＊）Ｐ．137−139

Claims (13)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】格子状カップラまたはブラッグ反射器とし
    て役立つ回折格子（４）を有する基材（２）と、該基材
    の表面にある導波構造物（１）とを備え、該導波構造物
    （１）の屈折率が前記基材（２）のそれよりも高く、気
    体状、液状または固体状測定物質（３）の選択的検出の
    ための光学センサにおいて、前記導波構造物（１）の屈
    折率が前記基材（２）または前記測定物質（３）のそれ
    よりも少なくとも１％高く、そして化学物質（５）があ
    って、該化学物質（５）が前記導波構造物（１）の回折
    格子域の少なくとも接触帯に接触し、前記測定物質
    （３）に接触できて分析される物質が内部にまたは表面
    に結合れさるように構成したことを特徴とする光学セン
    サ。
  2. 【請求項２】前記導波構造物（１）が中断層の厚さより
    も多少厚い層を有することを特徴とする請求の範囲第１
    項記載の光学センサ。
  3. 【請求項３】前記導波構造物（１）が保護層（１２）で
    前記接触帯の外側を覆われていることを特徴とする請求
    の範囲第１項および第２項のいずれか１項に記載の光学
    センサ。
  4. 【請求項４】前記保護層（１２）が前記接触帯で傾斜し
    ていることを特徴とする請求の範囲第３項に記載の光学
    センサ。
  5. 【請求項５】前記導波構造物（１）の屈折率が前記基材
    （２）または前記測定物質（３）のそれよりも少なくと
    も１０％高いことを特徴とする請求の範囲第１項から第
    ４項のいずれか１項に記載の光学センサ。
  6. 【請求項６】前記化学物質（５）が前記導波構造物
    （１）に一体にされていることを特徴とする請求の範囲
    第１項から第５項のいずれか１項に記載の光学センサ。
  7. 【請求項７】前記回折格子（４）がわずかに変えられた
    格子域で分離された２つの大きく変えられた格子域を有
    することを特徴とする請求の範囲第１項から第６項のい
    づれか１項に記載の光学センサ。
  8. 【請求項８】前記化学物質（５）が前記わずかに変えら
    れた格子域にだけ設けられていることを特徴とする請求
    の範囲第１項から第７項のいずれか１項に記載の光学セ
    ンサ。
  9. 【請求項９】前記導波構造物（１）および前記化学物質
    （５）からなる配置内に伝えられるモード（８）の前記
    化学物質（５）の反応で生じる有効屈折率変化が測定さ
    れることを特徴とする請求の範囲第１項から第８項のい
    づれか１項に記載の光学センサ使用法。
  10. 【請求項１０】固定選択入射角（Ｗ１）で前記回折格子
    （４）へ向けられる光ビーム（７）が前記回折格子
    （４）を経て前記導波構造物（１）に達し、前記モード
    （８）の前記有効屈折率変化が前記モード（８）の強さ
    の変化によって決定されることを特徴とする請求の範囲
    第９項に記載の光学センサ使用法。
  11. 【請求項１１】前記回折格子（４）へ向けられる光ビー
    ム（７）の入射角（Ｗ１）が最高または安定した前記モ
    ード（８）の強さで調整され、前記モード（８）の前記
    有効屈折率変化が入射角（Ｗ１）によって決定されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光学センサ使
    用法。
  12. 【請求項１２】前記モード（８）が前記回折格子（４）
    によって前記導波構造物（１）から続き、前記有効屈折
    率変化が放出角度（Ｗ２）の変化によって決定されるこ
    とを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光学センサ使
    用法。
  13. 【請求項１３】前記モード（８）が角度（Ｗ３）で前記
    回折格子（４）に向けられてブラッグ反射され、前記有
    効屈折率変化が反射モード（１０）および／または透過
    モード（１１）の強さにおける変化によって決定される
    ことを特徴とする請求の範囲第９項に記載の光学センサ
    使用法。
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