(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板表面に形成された第１光導波路層と、
前記第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、
前記１対のグレーティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、前記第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された酵素および発色試薬を含む機能層と、
前記機能層上部に配置される検体に接触可能な電極板
とを具備することを特徴とする光導波路型グルコースセンサ。
【請求項２】
前記機能層と前記電極板の間に電界を印加する電源をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項３】
前記機能層の上部に、メッシュ状導電性薄膜をさらに具備することを特徴とする請求項１又は２に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項４】
前記第２光導波路層が、導電性材料からなることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか1項に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項５】
前記機能層が、前記酵素および前記発色色素を架橋高分子で固定化した層であることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項６】
前記架橋高分子が、水素結合性の官能基を含むことを特徴とする請求項５に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項７】
多孔質膜が、前記機能層上にさらに形成されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【請求項８】
基板と、
前記基板表面に形成された第１光導波路層と、
前記第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、
前記１対のグレーティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、前記第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された発色試薬を含む発色試薬固定化層と、
前記発色試薬固定化層上に形成された酵素を含む酵素固定化層と、
前記酵素固定化層上に設けられたメッシュ状導電性薄膜
とを具備することを特徴とする光導波路型グルコースセンサ。
【請求項９】
基板と、
前記基板表面に形成された第１光導波路層と、
前記第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、
前記１対のグレーティングの間に位置する前記第１光導波路層上に形成され、前記第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、
前記第２光導波路層上に形成された発色試薬を含む発色試薬固定化層と、
前記発色試薬固定化層上に形成された酵素と触媒を含む酵素触媒固定化層と、
前記酵素固定化層上に設けられたメッシュ状導電性薄膜
とを具備することを特徴とする光導波路型グルコースセンサ。
【請求項１０】
前記酵素に、少なくともグルコースオキシダーゼを含むことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載の光導波路型グルコースセンサ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、グルコースセンサに関し、特に血液等の溶液中のグルコース濃度を測定するための光導波路型グルコースセンサに係わる。
【０００２】
【従来の技術】
例えば特開平９−６１３４６号公報には平面光導波路型グルコースセンサが開示されている。このグルコースセンサは、基板表面に光が入射、放出される一対のグレーティングを形成し、これらグレーティング間に位置する基板表面に単一の光導波路層を形成し、さらにこの光導波路層上に分子認識機能および情報変換機能を有する膜を形成した構造を有する。
【０００３】
このような構造のグルコースセンサにおいて、検体から抽出した血液等に含まれる生体分子を分子認識機能および情報交換機能を有する膜に接触した状態でレーザ光のような光をグレーティングを通して光導波路層に入射させ、エバネッセント波を発生させ、光導波路層上の膜による血液等に含まれる生体分子との反応に起因するエバネッセント波の変化量をグレーティングから放出される光を受光する受光素子により検出して、血液等に含まれる生体分子を分析する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のグルコースセンサは光導波路層が単層で、ここで発生するエバネッセント波の変化量の検出には感度的に限界があり、また光導波路層上の膜構造から検体から抽出した血液等に含まれる極微量の生体分子分析には不向きであるという問題があった。
【０００５】
本発明は、検体から抽出した、例えば体液中の極微量のグルコースを好感度かつ高精度で分析することが可能な光導波路型グルコースセンサを提供しようとするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る光導波路型グルコースセンサは、基板と、基板表面に形成された第１光導波路層と、第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、１対のグレーティングの間に位置する第１光導波路層上に形成され、第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、第２光導波路層上に形成された酵素および発色試薬を含む機能層とを具備することを特徴とするものである。
【０００７】
本発明に係る別の光導波路型グルコースセンサは、基板と、基板表面に形成された第１光導波路層と、第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、１対のグレーティングの間に位置する第１光導波路層上に形成され、第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、第２光導波路層上に形成された発色試薬を含む発色試薬固定化層と、発色試薬固定化層上に形成された酵素を含む酵素固定化層とを具備することを特徴とするものである。
【０００８】
本発明に係るさらに別の光導波路型グルコースセンサは、基板と、基板表面に形成された第１光導波路層と、第１光導波路層の両端部付近表面にそれぞれ形成された１対のグレーティングと、１対のグレーティングの間に位置する第１光導波路層上に形成され、この第１光導波路層より高屈折率を有する第２光導波路層と、第２光導波路層上に形成された発色試薬を含む発色試薬固定化層と、発色試薬固定化層上に形成された酵素と触媒を含む酵素触媒固定化層とを具備することを特徴とするものである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の第１から第９の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであることに留意すべきである。
【００１１】
（第１の実施の形態）
本発明の第１の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサでは、図１に示すように、例えばガラスからなる基板１と、その表面に基板１より高屈折率の第１光導波路層２が形成されている。また、１対のグレーティング（回折格子）３は、第１光導波路層２より高い屈折率を有し、第１光導波路層２の両端部付近表面にそれぞれ形成されている。さらに、外周が傾斜した形状の第２光導波路層４は、第１光導波路層２より高い屈折率を有し、１対のグレーティング３の間に位置する第１光導波路層２上に形成されている。
【００１２】
保護膜５は、グレーティング３に比べて低屈折率を有し、１対のグレーティング３を含む第１光導波路層２上に形成されている。第２光導波路層４上面に対応する保護膜５部分には、矩形状の開口部６が設けられている。例えば液晶表示装置に用いられるブラックマトリクス（顔料入りレジスト）から作られた迷光トラッピング層７は、保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に形成されている。
【００１３】
なお、基板１の屈折率をη1、第１光導波路層２の屈折率をη2、１対のグレーティング３の屈折率をη3、第２光導波路層４の屈折率をη4および保護膜５の屈折率をη5、とすると、それらの屈折率の大小関係は、η4≧η3＞η2＞η1＞η5となる。
【００１４】
酵素および発色試薬を含む機能層８は、開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分に形成されている。例えば含水ゲルから作られる多孔質膜９は、開口部６から露出した機能層８上に形成されている。電界（例えばパルス状電界）が印加されるメッシュ状導電性薄膜１０は、多孔質膜９上に配置されている。第１光導波路層２は、例えばカリウム、ナトリウム等の元素をガラス成分とイオン交換することにより形成される。１対のグレーティング３は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）、インジウム錫酸化物（ＩＴＯ）、ポリイミド、酸化タンタル（Ｔａ２Ｏ５）により作られる。第２光導波路層４は、例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓ、ＩＴＯ、ポリイミド、Ｔａ２Ｏ５により作られる。保護膜５は、例えばフッ素樹脂から作られる。ここで、機能層８に含有される酵素としては、例えば酸化酵素としてグルコースオキシダーゼ、酸化還元酵素としてペルオキシダーゼ、そしてα−Ｄ−グルコースをβ−Ｄ−グルコースに転換するためのムタロターゼ等を用いることができ。一方、機能層８に含有される発色試薬としては、例えばＮ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジカリウム塩や、３，３’，５，５’−テトラメチルベンジリデン等を用いることができる。
【００１５】
機能層８としては、例えば、
１）酵素および発色色素を架橋高分子で固定化した構造のもの；
２）酵素を色素の発色機能を発現する分子構造を持つ脂質分子で固定化した構造のもの
等を挙げることができる。
【００１６】
１）の機能層８で用いられる架橋高分子としては、例えば光架橋性ポリビニルアルコールのような水素結合性の官能基を含む高分子を挙げることができる。２）の機能層８で用いられる色素の発色機能を発現する分子構造を持つ脂質分子としては、例えば下記式(1)に示す構造式のものを挙げることができる。
【００１７】
【化１】
0003682270.tif 000002
メッシュ状導電性薄膜１０は、例えばチタン薄膜等から作られる。
【００１８】
次に、前述した光導波路型グルコースセンサの製造方法の一例を図２、図３を参照して説明する。
【００１９】
（イ）まず、図２の（ａ）に示すように、例えばホウケイ酸ガラスからなる基板１の表面を例えば３８０〜４００℃の硝酸カリウム溶液塩のようなイオン交換溶液に浸漬してカリウム、ナトリウム等の高屈折率元素をイオン交換することにより第１光導波路層２を形成する。その後、この第１光導波路層２上に例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓのような第１光導波路層２より屈折率の高い材料の層１１を、化学蒸着（ＣＶＤ）法等により形成する。
【００２０】
（ロ）次いで、図２の（ｂ）に示すように第１光導波路層２より屈折率の高い材料の層１１をフォトエッチング技術でパターニングすることにより第１光導波路層２の中央付近に外周が傾斜した形状の第２光導波路層４を形成する。
【００２１】
（ハ）つづいて、再度（イ）と同様に、全面に例えば酸化チタン、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、ＧａＡｓのような第１光導波路層２より屈折率の高い材料の層を例えばＣＶＤ法等により形成する。その後、この層をフォトエッチング技術でパターニングすることにより図２の（ｃ）に示すように第１光導波路層２の両端部付近表面上に１対のグレーティング３を形成する。
【００２２】
（ニ）次いで、１対のグレーティング３および第２光導波路層４を含む第１光導波路層２上に、例えば感光性フッ素系樹脂のようなグレーティング３に比べて低屈折率を有する材料の被膜を塗布する。つづいて、この被膜に露光、現像処理を施すことにより図２の（ｄ）に示すように第２光導波路層４の表面に対応する箇所に矩形状の開口部６を有する感光性フッ素系樹脂からなる保護膜５を形成する。
【００２３】
（ホ）次に、図３の（ｅ）に示すように保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に例えば液晶表示装置に用いられるブラックマトリックスからなる迷光トラッピング層７をＣＶＤ法や真空蒸着により形成する。
【００２４】
（ヘ）さらに、図３の（ｆ）に示すように保護膜５の開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分に酵素および発色色素を有する機能層８を形成する。具体的には、
１）酵素および発色色素を溶媒の存在下で架橋性の高分子（例えば光可溶性のポリビニルアルコール）と混合し、この溶液を保護膜５の開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分にインクジェットまたはスピンコートにより塗布した後、光照射により光架橋性のポリビニルアルコールを架橋する；
２）酵素を色素の発色機能を発現する分子構造を持つ脂質分子の溶液を保護膜５の開口部６から露出した第２光導波路層４表面部分にインクジェットまたはスピンコートにより塗布した後、乾燥させる
等の方法により酵素および発色色素を有する機能層８を形成する。
【００２５】
（ト）次いで、保護膜５の開口部６から露出した機能層８上に、例えば有機モノマー、光反応開始剤およびデカン酸メチルのような貧溶媒を含む溶液を塗布、乾燥し、光重合させた後、洗浄処理することにより図３の（ｇ）に示すように多孔質膜９を形成する。この後、電界（例えばパルス状の電界）が印加されるメッシュ状導電性薄膜１０を多孔質膜９上に配置することにより前述した図１に示す光導波路型グルコースセンサを製造する。
【００２６】
次に図４を用いて検体１００のグルコースの測定方法について説明する。図４に示すように、電源１０２の陰極をメッシュ状導電性薄膜１０に配線し、電源１０２の陽極に電極板１０１を配線する。そして図１に示す光導波路型グルコースセンサの酵素および発色試薬を含む機能層８に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の上部に配置されたメッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、検体１００からグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して機能層８に効率よく抽出される、いわゆる微浸襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、機能層８でグルコースオキシダーゼ（ＧＯＤ）等との酸化酵素反応により過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を発生させ、さらに過酸化水素からペルオキシダーゼ（ＰＯＤ）等との酸化還元酵素反応によりラジカル酸素原子（Ｏ＊）が生成される。このラジカル酸素原子により発色試薬を発色させる。この反応を模式すると(2)、(3)、(4)のようになる：
グルコース  ＋  酸化酵素（ＧＯＤ等）→  Ｈ２Ｏ２  ・・・・・(2)
Ｈ２Ｏ２  ＋  酸化還元酵素（ＰＯＤ等）→  Ｏ＊     ・・・・・(3)
Ｏ＊ ＋  発色試薬  →  発色                      ・・・・・(4)
このような状態で、図１に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置する。そして光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射する。そのレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されて、その第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層４を伝播する。このとき、機能層８における発色試薬の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの機能層８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層４を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、機能層８における検体１００（人体の皮膚下）のグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化も、偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００２７】
したがって、図１に示す構造の第１の実施の形態の光導波路型グルコースセンサによれば、酵素および発色試薬を含む機能層８の上部にメッシュ状導電性薄膜１０を配置し、図４に示した電源配線により、メッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加することにより、検体１００からグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を機能層８に効率よく抽出する、いわゆる微浸襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成することで、機能層８における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を、第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、抽出された体液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００２８】
また、図１に示すように１対のグレーティング３を含む第１光導波路層２上に保護膜５を形成することによって、第１光導波路層２および１対のグレーティング３に外部圧力が直接加わるのを防止できる。このため、第１光導波路層２およびグレーティング３に外部圧力が直接加わることに伴う部材の屈折率変化によって、その第１光導波路層２を伝播する光が外部に漏れるのを防止できる。しかも、保護膜５を第１光導波路層２に比べて低屈折率材料で形成することによって、その第１光導波路層２を伝播する光を第１光導波路層２と保護膜５との界面で効果的に全反射させて第１光導波路層２内に封じ込めることができるため、第１光導波路層２から光が外部に漏れるのを防止できる。その結果、検体１００中の極微量のグルコースをより高感度で分析することが可能になる。
【００２９】
さらに、迷光トラッピング層７を保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に形成することによって、第１光導波路層２を伝播する光が保護膜５との界面から保護膜５側に漏れた場合、その漏光を迷光トラッピング層７でトラップすることができる。
【００３０】
すなわち、第１光導波路層２を伝播する光が保護膜５との界面から保護膜５側に漏れると、保護膜５表面と外界（空気）との屈折率の差により漏光は保護膜５表面で全反射して第２光導波路層４に迷光として入射されるため、前述した検体１００中のグルコースの検出感度を低下させる。これに対し、迷光トラッピング層７を保護膜５の表面に形成することによって、漏光が保護膜５表面で全反射することなく迷光トラッピング層７でトラップできるため、その漏光が第２光導波路層４に迷光として入射するのを防止でき、検体１００中のグルコースをより高感度で分析することが可能になる。
【００３１】
さらに、酵素および発色試薬を含む機能層８を多孔質膜９で覆うことによって、機能層８に対する検体１００から抽出される（例えば体液）中のグルコース以外の蛋白や血球等の不純物の影響を防ぐ。つまり機能層８における酵素とグルコースの酵素反応による発色試薬の発色反応に基づく変化によりこの機能層８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度変化に対して作用する外乱を低減することができ、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースをより一層高感度で分析することが可能になる。
【００３２】
（第２の実施の形態）
図５に示す光導波路型グルコースセンサは、第２光導波路層４上に発色試薬固定化層１３を形成し、この発色試薬固定化層１３上に酵素固定化層１４を形成した構造を有する。つまり、図５に示す光導波路型グルコースセンサは、前述した第１の実施の形態の機能層８を発色試薬固定化層１３と酵素固定化層１４の２つの層の分離した構造を有する。
【００３３】
発色試薬固定化層１３は、第２光導波路層４表面に例えばＮ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジカリウム塩や、３，３’，５，５’−テトラメチルベンジリデンのような発色試薬を、例えばアミノアルキルトリメトキシシランのようなシランカップリング剤または光架橋ポリビニルアルコールのような架橋高分子を介して固定化することにより形成される。
【００３４】
酵素固定化層１４は、例えばグルコースオキシダーゼのほかに、ペルオキシダーゼやムタロターゼを、例えば下記式(5)に示す構造式の化合物のような脂質の膜で固定化することにより形成される。
【００３５】
【化２】
0003682270.tif 000003
図５に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいて、図４に示した配線と同じように、メッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１を電源１０２に配線する。そして酵素固定化層１４上に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の上部に配置されたメッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、検体１００からグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して酵素固定化層１４に効率よく抽出される、いわゆる微侵襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、酵素固定化層１４中で第１の実施の形態で示した反応と同じ酵素反応を起こし、この酵素反応によるラジカル酸素原子により酵素固定化層１４直下の発色試薬固定化層１３の発色色素を発色させる。このような状態で、図５に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置する。そして、光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射する。レーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層４を伝播する。このとき、発色試薬固定化層１３の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの発色試薬固定化層１３直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層４を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、酵素固定化層１４における検体１００（人体の皮膚下）から抽出された体液中のグルコースと酵素の反応による発色試薬固定化層１３の発色に基づく、第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００３６】
したがって、図５に示す構造の第２の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、酵素固定化層１４の上部にメッシュ状導電性薄膜１０を配置し、図４に示した電源配線により、メッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加することで、検体１００からグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を酵素固定化層１４に効率よく抽出する、いわゆる微侵襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成することで、酵素固定化層１４および発色試薬固定化層１３における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を、第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００３７】
（第３の実施の形態）
図６に示す光導波路型グルコースセンサは、１対のグレーティング３の間に位置する第１光導波路層２上にこの第１光導波路層２より高屈折率の導電性材料、例えば酸化錫（ＳｎＯ2）、ＩＴＯから作られる第２光導波路層１５を形成し、かつこの第２光導波路層１５に所望の電界（例えばパルス状電界）を印加する構造を有する。
【００３８】
このような図６に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいて、図４に示した配線の変形として、電源１０２の陰極を第２光導波路層１５に配線し、電源１０２の陽極に電極板１０１を配線する。そして酵素および発色試薬を含む機能層８上に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の後方に配置された導電性材料から作られる第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、人体の皮膚下のグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して機能層８に効率よく抽出される、いわゆる微侵襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、機能層８の酵素との間で酵素反応がなされ、この酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により機能層８中の発色試薬を発色させる。このような状態で、図６に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置する。光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層１５との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層１５を伝播する。このとき、機能層８における発色試薬の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの機能層８直下の第２光導波路層１５を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層１５を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層１５の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層１５を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、機能層８における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００３９】
したがって、図６に示す構造の第３の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、酵素および発色試薬を含む機能層８の下方に配置された第２光導波路層１５を導電性材料から作り、前述した電源配線により、この第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望のパルス状電界を印加することにより検体１００からグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を機能層８に効率よく抽出する、いわゆる微侵襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層１５により構成することで、機能層８における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層１５の界面で検出できるため、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００４０】
（第４の実施の形態）
図７に示す光導波路型グルコースセンサは、１対のグレーティング３の間に位置する第１光導波路層２上にこの第１光導波路層２より高屈折率の導電性材料、例えばＳｎＯ2、ＩＴＯから作られる第２光導波路層１５を形成し、この第２光導波路層１５上に第２の実施の形態で説明したのと同様な発色試薬固定化層１３を形成し、この発色試薬固定化層１３上に第２の実施の形態で説明したのと同様な酵素固定化層１４を形成した構造を有する。つまり、図７に示す光導波路型グルコースセンサは前述した第３の実施の形態の機能層８を発色試薬固定化層１３と酵素固定化層１４の２つの層の分離した構造を有する。なお、第２光導波路層１５に所望の電界（例えばパルス状電界）が印加される。
【００４１】
図７に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいて、図４に示した配線の変形として、電源１０２の陰極を第２光導波路層１５に配線し、電源１０２の陽極に電極板１０１を配線する。そして酵素固定化層１４上に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の下方に配置された導電性材料から作られる第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、人体の皮膚下のグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して酵素固定化層１４に効率よく抽出される、いわゆる微侵襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、酵素固定化層１４の酵素との間で酵素反応がなされ、この酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により酵素固定化層１４直下の発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色させる。このような状態で、図７に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置する。光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層１５との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層１５を伝播する。このとき、発色試薬固定化層１３の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの発色試薬固定化層１３直下の第２光導波路層１５を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層１５を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層１５の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層１５を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、酵素固定化層１４における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色試薬固定化層１３の発色試薬の発色に基づく第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００４２】
したがって、図７に示す構造の第４の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、酵素固定化層１４の下方に配置された第２光導波路層１５を導電性材料から作り、前述した電源配線により、この第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望のパルス状電界を印加することにより検体１００のグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を酵素固定化層１４に効率よく抽出する、いわゆる微侵襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層１５により構成して、酵素固定化層１４および発色試薬固定化層１３における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素の反応による発色に基づく第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層１５の界面で検出できるため、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００４３】
（第５の実施の形態）
図８に示す光導波路型グルコースセンサは、図６に示した第３の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと異なり、第１光導波路層２上に形成する第２光導波路層４が、第１光導波路層２より高屈折率の材料から形成されればよく、特に導電性を必要とはしない。その他の構造は第３の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと同様である。
【００４４】
図８に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいては、酵素および発色試薬を含む機能層８上に設けられた多孔質膜９に、血液や体液等のグルコースを含む溶液を滴下する。この溶液中のグルコースは、第１の実施の形態で示したように機能層８の酵素との間で酵素反応を起こし、この酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により機能層８中の発色試薬を発色させる。このような状態で、図８に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層４を伝播する。このとき、機能層８における発色試薬の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの機能層８直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層４を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、機能層８における溶液中のグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００４５】
したがって、図８に示す構造の第５の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成して、機能層８における溶液中のグルコースと酵素の反応による発色試薬の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、溶液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００４６】
（第６の実施の形態）
図９に示す光導波路型グルコースセンサは、図７に示した第４の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと異なり、第１光導波路層２上に形成する第２光導波路層４が、この第１光導波路層２より高屈折率の材料から形成されればよく、特に導電性を必要とはしない。その他の構造は第４の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと同様である。
【００４７】
図９に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいては、酵素を含む酵素固定化層１４上に設けられた多孔質膜９に、血液や体液等のグルコースを含む溶液を滴下する。この溶液中のグルコースは、酵素固定化層１４の酵素との間で酵素反応を起こし、この酵素反応により生成されるラジカル酸素原子により酵素固定化層１４直下の発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色させる。このような状態で、図９に示すように光源２１（例えば波長６５０ｎｍの半導体レーザ）および受光素子２２をそれぞれグルコースセンサの基板１の裏面左側および右側に配置し、光源２１からレーザ光を偏光フィルタ２３を通してグルコースセンサの基板１裏面側に入射すると、そのレーザ光は基板１を通してグレーティング３と第１光導波路層２の界面で屈折されてその第１光導波路層２を伝播される。第１光導波路層２を伝播されるレーザ光は、この第１光導波路層２より高屈折率の第２光導波路層４との界面で２つのモード（ＴＭモード、ＴＥモード）に分割され、ＴＭモードレーザ光は第１光導波路層２を、ＴＥモードレーザ光は第２光導波路層４を伝播する。このとき、発色試薬固定化層１３の発色に基づく変化（例えば吸光度変化）によりこの発色試薬固定化層１３直下の第２光導波路層４を伝播する光の強度が変化する。第１光導波路層２と第２光導波路層４を伝播した光は、受光素子２２側端付近において第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で再び結合、干渉するため、第２光導波路層４を伝播する光の強度変化を増幅できる。その結果、酵素固定化層１４における溶液中のグルコースと酵素の反応による発色試薬固定化層１３の発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出することが可能になる。
【００４８】
したがって、図９に示す構造の第６の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成して、酵素固定化層１４および発色試薬固定化層１３における溶液中のグルコースと酵素の反応による発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、溶液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００４９】
（第７の実施の形態）
図１０に示す光導波路型グルコースセンサは、第２光導波路層４上に発色試薬固定化層１３を形成し、この発色試薬固定化層１３上に酵素触媒固定化層１６を形成した構造を有する。つまり、図１０に示す光導波路型グルコースセンサは前述した第１の実施の形態の機能層８を発色試薬固定化層１３と酵素触媒固定化層１６の２つの層の分離した構造を有する。
【００５０】
発色試薬固定化層１３は、第２光導波路層４表面に例えばＮ，Ｎ−ビス（２−ヒドロキシ−３−サルフォプロピル）トリジンジカリウム塩や、３，３’，５，５’−テトラメチルベンジリデンのような発色試薬を、例えばアミノアルキルトリメトキシシランのようなシランカップリング剤または光架橋ポリビニルアルコールのような架橋高分子を介して固定化することにより形成される。
【００５１】
酵素触媒固定化層１６は、グルコースオキシダーゼと白金（Ｐｔ）とを含水ゲルに混合することにより形成される。この酵素触媒固定化層１６と前述の酵素固定化層１４との違いは、ペルオキシダーゼ等の酵素によってラジカル酸素原子を生成していた反応を、金属触媒を使用して起こすように、ペルオキシダーゼ等の酵素に代わって白金を含むようにした点である。
【００５２】
図１０に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいて、図４に示した配線と同じように、メッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１を電源１０２に配線する。そして酵素触媒固定化層１６上に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の上部に配置されたメッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、人体の皮膚下のグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して酵素触媒固定化層１６に効率よく抽出される、いわゆる微侵襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、酵素触媒固定化層１６でグルコースオキシダーゼとの酵素反応により過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を発生させる。さらに過酸化水素から白金を触媒としてラジカル酸素原子（Ｏ＊）が生成される。このラジカル酸素原子により酵素触媒固定化層１６直下の発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色させる。つまり第１の実施の形態にて示した反応模式(2)〜(4)のうち、(3)が下記の(6)に置き換わる：
Ｈ２Ｏ２  ＋  Ｐｔ  →  Ｏ＊                     ・・・・・(6)
グルコース量を測定する方法は、第２の実施の形態と同様であり、発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色による第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出する。
【００５３】
したがって、図１０に示す構造の第７の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、酵素触媒固定化層１６の上部にメッシュ状導電性薄膜１０を配置し、図４に示した電源配線により、メッシュ状導電性薄膜１０と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加することで、検体１００からグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を酵素触媒固定化層１６に効率よく抽出する、いわゆる微侵襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成して、酵素触媒固定化層１６および発色試薬固定化層１３における検体１００（人体の皮膚下）から抽出されたグルコースと酵素および触媒の反応による発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、検体１００から抽出された体液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００５４】
（第８の実施の形態）
図１１に示す光導波路型グルコースセンサは、１対のグレーティング３の間に位置する第１光導波路層２上にこの第１光導波路層２より高屈折率の導電性材料、例えばＳｎＯ2、ＩＴＯから作られる第２光導波路層１５を形成し、この第２光導波路層１５上に第７の実施の形態で説明したのと同様な発色試薬固定化層１３を形成し、この発色試薬固定化層１３上に第７の実施の形態で説明したのと同様な酵素触媒固定化層１６を形成した構造を有する。つまり、図１１に示す光導波路型グルコースセンサは前述した第３の実施の形態の機能層８を発色試薬固定化層１３と酵素触媒固定化層１６の２つの層の分離した構造を有する。なお、第２光導波路層１５に所望の電界（例えばパルス状電界）が印加される。
【００５５】
図１１に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいて、図４に示した配線の変形として、電源１０２の陰極を第２光導波路層１５に配線し、電源１０２の陽極に電極板１０１を配線する。そして酵素触媒固定化層１６上に設けられた多孔質膜９側に検体１００、例えば人体の皮膚の一部を接触させ、さらに検体１００の別の部位に電極板１０１を接触させる。ここで、この多孔質膜９の下方に配置された導電性材料から作られる第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望の電界（例えばパルス状電界）を印加すると、人体の皮膚下のグルコースを含む体液が多孔質膜９を通して酵素触媒固定化層１６に効率よく抽出される、いわゆる微侵襲作用がなされる。この体液中のグルコースは、前述した第７の実施の形態と同様に酵素触媒固定化層１６のグルコースオキシダーゼとの酵素反応により過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を発生させ、さらに過酸化水素から白金を触媒としてラジカル酸素原子（Ｏ＊）が生成される。このラジカル酸素原子により酵素触媒固定化層１６直下の発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色させる。
【００５６】
グルコース量を測定する方法は、第４の実施の形態と同様であり、発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色による第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出する。
【００５７】
したがって、図１１に示す構造の第８の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、酵素触媒固定化層１６の下方に配置された第２光導波路層１５を導電性材料から作り、前述した電源配線により、この第２光導波路層１５と電極板１０１の間に電源１０２から所望のパルス状電界を印加することにより検体１００からグルコース（例えば人体の皮膚下のグルコースを含む体液）を酵素固定化層１４に効率よく抽出する、いわゆる微侵襲作用を図ることができる。さらに光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層１５により構成して、酵素触媒固定化層１６および発色試薬固定化層１３における検体１００（人体の皮膚下）から抽出した体液中のグルコースと酵素および触媒の反応による発色に基づく第２光導波路層１５を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層１５の界面で検出できるため、検体１００中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００５８】
（第９の実施の形態）
図１２に示す光導波路型グルコースセンサは、図１１に示した第８の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと異なり、第１光導波路層２上に形成する第２光導波路層４が、この第１光導波路層２より高屈折率の材料から形成されればよく、特に導電性を必要とはしない。その他の構造は第８の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサと同様である。
【００５９】
図１２に示す構成の光導波路型グルコースセンサにおいては、酵素触媒固定化層１６上に設けられた多孔質膜９に、血液や体液等のグルコースを含む溶液を滴下する。この溶液中のグルコースは、前述した第７の実施の形態と同様に酵素触媒固定化層１６のグルコースオキシダーゼとの酵素反応により過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）を発生させる。さらに過酸化水素から白金を触媒としてラジカル酸素原子（Ｏ＊）が生成される。このラジカル酸素原子により酵素触媒固定化層１６直下の発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色させる。
【００６０】
グルコース量を測定する方法は、第４の実施の形態と同様であり、発色試薬固定化層１３の発色試薬を発色による第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を偏光フィルタ２４を通して受光素子２２で検出する。
【００６１】
したがって、図１２に示す構造の第９の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサによれば、光導波路を第１光導波路層２と第２光導波路層４により構成して、酵素触媒固定化層１６および発色試薬固定化層１３における溶液中のグルコースと酵素および触媒の反応による発色に基づく第２光導波路層４を伝播する光の極微な変化を第１光導波路層２と第２光導波路層４の界面で検出できるため、溶液中の極微量のグルコースを高感度で分析することができる。
【００６２】
ここで、第２の実施の形態ないし第９の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサにおいて、グレーティング３を含む第１光導波路層２上に保護膜５を形成することによって、第１の実施の形態で説明したように第１光導波路層２およびグレーティング３に外部圧力が直接加わるのを防止でき、検体１００中の極微量のグルコースをより高感度で分析することが可能になる。
【００６３】
さらに、第２の実施の形態ないし第９の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサにおいて、迷光トラッピング層７を保護膜５の表面（開口部６の内面を除く）に形成することによって、第１の実施の形態で説明したように第１光導波路層２を伝播する光が保護膜５との界面から保護膜５側に漏れた場合、その漏光を迷光トラッピング層７でトラップすることができる。
【００６４】
さらに、第２の実施の形態ないし第９の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサにおいて、機能層８、酵素固定化層１４または酵素触媒固定化層１６を多孔質膜９で覆うことによって、機能層８、酵素固定化層１４または酵素触媒固定化層１６に対する検体１００（例えば体液）や溶液中のグルコース以外の不純物、例えば蛋白や血球の影響、つまり機能層８、酵素固定化層１４または酵素触媒固定化層１６および発色試薬固定化層１３における酵素反応と発色反応に基づく、機能層８または発色試薬固定化層１３直下の第２光導波路層（４または１５）を伝播する光の強度変化に対して作用する外乱を低減でき、検体１００から抽出された体液や溶液中の極微量のグルコースをより一層高感度で分析することが可能になる。
【００６５】
本発明の実施の形態を説明するために各図において示した各層と膜の厚さ、また隣接する層または膜との位置関係は、あくまでも例示であって、本発明の機能を実現するために限定したものでない。よって、本発明の機能が実現可能な範囲において、種々の各層と膜の厚さや位置関係が考え得ることは言うまでもない。
【００６６】
【発明の効果】
以上詳述したように本発明によれば、検体１００から抽出される、例えば体液中の極微量のグルコースを高感度かつ高精度で分析することが可能な光導波路型グルコースセンサを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図２】図１の光導波路型グルコースセンサの製造工程を示す行程断面図である（その１）。
【図３】図１の光導波路型グルコースセンサの製造工程を示す行程断面図である（その２）。
【図４】図１の光導波路型グルコースセンサを用いた光導波路型グルコース測定方法の図である。
【図５】本発明の第２の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図６】本発明の第３の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図７】本発明の第４の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図８】本発明の第５の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図９】本発明の第６の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図１０】本発明の第７の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図１１】本発明の第８の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【図１２】本発明の第９の実施の形態に係る光導波路型グルコースセンサを示す断面図である。
【符号の説明】
１…基板
２…第１光導波路層
３…グレーティング
４…第２光導波路層
５…保護膜
６…開口部
７…迷光トラッピング層
８…機能層
９…多孔質膜
１０…メッシュ状導電性薄膜
１１…第１光導波路層より屈折率の高い材料の層
１３…発色試薬固定化層
１４…酵素固定化層
１５…第２光導波路層
１６…酵素触媒固定化層
２１…光源
２２…受光素子
２３…偏光フィルタ
２４…偏光フィルタ
１００…検体
１０１…電極板
１０２…電源
【図１】
0003682270.tif 000004
【図２】
0003682270.tif 000005
【図３】
0003682270.tif 000006
【図４】
0003682270.tif 000007
【図５】
0003682270.tif 000008
【図６】
0003682270.tif 000009
【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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