(57)【要約】【課題】検出対象光を高精度で検出可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、生体分子検出装置及びケミカルセンサの製造方法を提供する。【解決手段】ケミカルセンサに、励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層と、前記分光フィルタ層よりも上層に形成され、検出対象の試料が保持される試料保持部と、少なくとも前記試料保持部よりも上層に形成され、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部とを設ける。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層と、
前記光電変換層上に形成され、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層と、
前記分光フィルタ層よりも上層に形成され、検出対象の試料が保持される試料保持部と、
少なくとも前記試料保持部よりも上層に形成され、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部と、
を有するケミカルセンサ。
【請求項２】
前記照射方向変更部は、光拡散層又は光拡散部材である請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項３】
前記照射方向変更部は、プリズム層又はプリズム部材である請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項４】
前記照射方向変更部は、光反射層又は光反射部材である請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項５】
前記照射方向変更部は、マスク層又はマスク部材である請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項６】
前記試料保持部上に、前記励起光を透過する材料からなるカバー層が設けられている請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項７】
前記照射方向変更部は、前記カバー層上又は前記試料保持部と前記カバー層との間に設けられている請求項６に記載のケミカルセンサ。
【請求項８】
前記照射方向変更部が前記カバー層を兼ねている請求項６に記載のケミカルセンサ。
【請求項９】
前記試料は、生体分子である請求項１に記載のケミカルセンサ。
【請求項１０】
前記試料保持部には、前記生体分子と結合するプローブ材料が固定されている請求項９に記載のケミカルセンサ。
【請求項１１】
前記光電変換層は、前記プローブ材料と前記生体分子の結合に起因する蛍光を検出する請求項１０に記載のケミカルセンサ。
【請求項１２】
請求項１に記載のケミカルセンサと、
前記ケミカルセンサに一体的に装着され、前記ケミカルセンサに励起光を照射する光源と
を有するケミカルセンサモジュール。
【請求項１３】
請求項１に記載のケミカルセンサを備える生体分子検出装置。
【請求項１４】
励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層を形成する工程と、
前記分光フィルタ層よりも上層に、検出対象の試料が保持される試料保持部を形成する工程と、
少なくとも前記試料保持部よりも上層に、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部を形成する工程と
を有するケミカルセンサの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、ケミカルセンサ、このケミカルセンサを備えたケミカルセンサモジュール及び生体分子検出装置並びにケミカルセンサの製造方法に関する。より詳しくは、ケミカルセンサにおける検出精度向上技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医学、生化学及び分子生物学等の分野では、生体分子の検出方法として、検出対象物をウェルや流路内に保持し、光電変換素子等を利用して光学的に検出する手法が利用されている。また、従来、装置の小型化を目的として、ウェルや流路等を固体撮像素子上に一体で形成したバイオ・ケミカルセンサも提案されている（特許文献１，２参照）。
【０００３】
一方、検出精度向上を目的として、検出対象物と検出用の光電変換部の距離を短くすると共に、光電変換部の手前に励起光と蛍光とを分離する分光フィルタを設けたケミカルセンサも提案されている（特許文献３，４参照）。特許文献３，４に記載のケミカルセンサのように、蛍光を発する検出対象物と検出器との間の距離を近接させると、蛍光の検出器への結合効率、即ち検出器における信号の検出効率を向上させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１１−１３７７４２号公報
【特許文献２】特開２０１３−４０７９７号公報
【特許文献３】特開２０１３−８８３７８号公報
【特許文献４】特開２０１３−９２３９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前述した光電変換素子を用いたケミカルセンサは、一般に、検出対象物に励起光を照射し、それにより発せられた蛍光等を検出するが、フォトダイオード等の光電変換部に励起光が入射すると、蛍光等の検出精度が低下するという課題がある。前述した特許文献１，２に記載のケミカルセンサの場合、励起光の影響を低減するには、励起光を除去する部材を別途設ける必要がある。これに対して、特許文献３，４に記載のケミカルセンサは、励起光を除去する分光フィルタを備えているため、別部材を設けなくても励起光を除去することができるが、生体分子検出用ケミカルセンサには、検出精度の更なる向上が求められている。
【０００６】
そこで、本開示は、検出対象光を高精度で検出可能なケミカルセンサ、ケミカルセンサモジュール、生体分子検出装置及びケミカルセンサの製造方法を提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示に係るケミカルセンサは、励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層と、前記光電変換層上に形成され、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層と、前記分光フィルタ層よりも上層に形成され、検出対象の試料が保持される試料保持部と、少なくとも前記試料保持部よりも上層に形成され、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部と、を有するものである。
前記照射方向変更部は、例えば、光拡散層若しくは光拡散部材、プリズム層若しくはプリズム部材、光反射層若しくは光反射部材、又はマスク層若しくはマスク部材である。
本開示のケミカルセンサは、前記試料保持部上に、前記励起光を透過する材料からなるカバー層が設けられていてもよい。
その場合、前記照射方向変更部は、前記カバー層上や前記試料保持部と前記カバー層との間に設けることができる。
又は、前記照射方向変更部が前記カバー層を兼ねていてもよい。
また、前記試料は、例えば生体分子である。
その場合、前記試料保持部に、前記生体分子と結合するプローブ材料が固定されていてもよい。
そして、前記光電変換層は、前記プローブ材料と前記生体分子の結合に起因する蛍光を検出してもよい。
【０００８】
本開示に係るケミカルセンサモジュールは、前述したケミカルセンサと、前記ケミカルセンサに一体的に装着され、前記ケミカルセンサに励起光を照射する光源とを有するものである。
【０００９】
本開示に係る生体分子検出装置は、前述したケミカルセンサを備えるものである。
【００１０】
本開示に係るケミカルセンサの製造方法は、励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層を形成する工程と、前記光電変換層上に、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層を形成する工程と、前記分光フィルタ層よりも上層に、検出対象の試料が保持される試料保持部を形成する工程と、少なくとも前記試料保持部よりも上層に、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部を形成する工程とを有する。
【発明の効果】
【００１１】
本開示によれば、分光フィルタ層での励起光除去性能が向上するため、検出対象光をより高精度で検出することが可能となる。なお、ここに記載された効果は必ずしも限定されるものではなく、本開示中に記載されたいずれかの効果であってもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本開示の第１の実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。
【図２】本開示の第２の実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。
【図３】本開示の第３の実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。
【図４】Ａは本開示の第４の実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図であり、Ｂはそのマスク層８の拡大平面図である。
【図５】図４に示すケミカルセンサ４０の動作を示す模式図である。
【図６】Ａ及びＢはマスク層８のパターン例及び配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明者は、前述した課題を解決するために、鋭意実験検討を行った結果、以下に示す知見を得た。励起光と蛍光を分離する光学素子である分光フィルタには、一般に、誘電体多層膜を積層した構成の干渉型と、吸収体材料によって構成される吸収型とがある。生体分子等の生体由来の試料は、散乱特性を有しているため、入射した励起光は散乱される。一方、検出信号の強度を確保するためには、検出対象物と光電変換層の距離は短い方がよい。
【００１４】
このとき、光電変換層の手前に干渉型の分光フィルタを配置すると、試料により散乱されて任意の角度をもって分光フィルタに入射した励起光成分によって、バックグラウンド光成分が大幅に増大してしまう懸念がある。この懸念を回避するため、検出器手前に配置される分光フィルタには、吸収型のものを使用することが望ましい。吸収型分光フィルタは、光がその内部を透過する距離が増加すると、その光の減衰量も増加する。
【００１５】
従って、吸収型分光フィルタの内部透過距離を長くすることにより、即ち、吸収型分光フィルタの厚さを増加させれば、光電変換層に到達してバックグラウンド光となる励起光成分を、より効率的に除去することが可能となる。分光フィルタの厚さが増すと、蛍光等の検出光を発する検出対象物と光電変換層との間の距離が増加するため、信号の検出効率は低下することとなる。
【００１６】
そこで、本開示においては、分光フィルタを備えるケミカルセンサモジュールにおいて、分光フィルタを吸収型とすると共に、検出対象物と光電変換層とを近接配置し、更に、励起光が検出対象物に斜め方向から照射されるようにした。具体的には、少なくとも試料保持部よりも上層に、励起光の進行方向を変更して、その一部又は全部を試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部を設ける。これにより、検出光が極微量であっても、検出可能な検出性能を保持しながら、検出器に到達しバックグラウンド光となる励起光成分の除去効率を向上させることが可能となる。
【００１７】
以下、本開示を実施するための形態について、添付の図面を参照して詳細に説明する。なお、本開示は、以下に示す各実施形態に限定されるものではない。また、説明は、以下の順序で行う。
１．第１の実施形態
（光拡散層を備えるケミカルセンサの例）
２．第２の実施形態
（プリズム層を備えるケミカルセンサの例）
３．第３の実施形態
（光反射層を備えるケミカルセンサの例）
４．第４の実施形態
（マスク層を備えるケミカルセンサの例）
【００１８】
（１．第１の実施の形態）
先ず、本開示の第１の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。図１は本実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。図１に示すように、本実施形態のケミカルセンサ１０は、光電変換層１と、分光フィルタ層２と、試料保持部３と、カバー層４と、光拡散層５とがこの順に設けられており、光拡散層５側から励起光１１が照射される。
【００１９】
［光電変換層１］
光電変換層１は、入射した光を電気信号として検出するものであり、例えばシリコン等の基板に複数の光電変換素子が形成されている。光電変換層１の構造は、特に限定されるものではなく、ＣＣＤ（Charge Coupled Device）やＣＭＯＳ（Complementary Metal-Oxide Semiconductor）構造等を採用することができる。また、光電変換層１は、光電変換素子が２次元的（行列状）に配置されたイメージセンサであってもよく、光電変換素子が１次元的（線状）に配置されたラインセンサであってもよい。
【００２０】
［分光フィルタ層２］
分光フィルタ層２は、励起光１１を吸収すると共に、生体分子等の試料等から発せられた検出対象光を透過するものであり、光電変換層１上に形成されている。分光フィルタ層２は、例えば、励起光１１の波長域に吸収ピークを有し、検出対象光の波長域に吸収のない顔料や色素等により形成することができる。
【００２１】
［試料保持部３］
試料保持部３は、分光フィルタ層２よりも上層に形成されており、試料が生体分子である場合は、その生体分子と結合するプローブ材料１２が固定されており、このプローブ材料１２に結合することにより検出対象の試料が保持される。ここで、プローブ材料１２としては、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質及び抗原等が挙げられ、試料に応じて適宜選択することができる。また、試料保持部３には、必要に応じて生理食塩水等が注入又は充填され、液層１３が形成されていてもよい。
【００２２】
試料保持部３の形態は、特に限定されるものではなく、図１に示す流路の他、ウェル等でもよく、試料や目的に応じて適宜選択することができる。また、試料保持部３は、検出対象光に対して透明、即ち検出対象光の波長域に吸収のない材料で形成されており、例えば検出対象光の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等により形成することができる。
【００２３】
[カバー層４]
カバー層４は、試料保持部３上に必要に応じて設けられ、試料保持部３からの試料や液層１３の漏出や試料保持部３に不純物が混入することを防止するものである。カバー層４は、励起光１１の波長域に吸収のない材料で形成されており、例えば励起光１１の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等により形成することができる。また、カバー層４は、励起帯域以外の不要な波長域の光を除去する分光透過特性（光学フィルタ機能）を有していてもよい。
【００２４】
［光拡散層５］
光拡散層５は、励起光１１の進行方向を変更し、例えば平行光で入射した励起光１１の一部又は全部を試料保持部３に斜め方向から入射させるものであり、例えばカバー層４上又は試料保持部３とカバー層４との間に設けられている。このように、励起光１１を試料保持部３に斜め方向から入射させると、励起光１１は分光フィルタ層２にも角度をもって入射することになるため、分光フィルタ層２の厚さを厚くすることなく、励起光１１の内部透過距離を延ばすことができる。これにより、分光フィルタ層２における励起光１１の除去量が増加し、光電変換層１への励起光１１の入射量が減少するため、ノイズが少ない高品質な検出信号を得ることができる。
【００２５】
光拡散層５は、励起光１１の波長域に吸収のない材料で形成されており、例えば励起光１１の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等により形成することができる。光拡散層５の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば樹脂材料で形成する場合は、射出成形等の各種成形方法を採用することができる。光拡散層５は、試料保持部３やカバー層４と連続した工程で一体的に形成してもよく、また、別途作製した光拡散部材を接着剤等を使用して、試料保持部３やカバー層４に積層してもよい。
【００２６】
なお、光拡散層５は、試料保持部３よりも上層に形成されていればよく、カバー層４を設けずに、試料保持部３の上に直接光拡散層５を設けてもよく、その場合は、光拡散層５がカバー層４を兼ねる。また、カバー層４と光拡散層５の間には、励起帯域以外の不要な波長域の光を除去する光学フィルタ層が設けられていてもよい。
【００２７】
［動作］
次に、前述したケミカルセンサ１０の動作について、生体分子を検出する場合を例にして説明する。本実施形態のケミカルセンサ１０により生体分子を検出する場合は、例えば試料保持部３に、検出対象の生体分子と結合するプローブ材料１２を固定しておく。そして、例えば試料保持部３が流路である場合は、流路内に検出対象の生体分子を含む液を通流させて、生体分子をプローブ材料１２に保持させる。
【００２８】
その後、光拡散層５側から励起光１１を照射する。励起光１１は、光拡散層１１で進行方向が変更され、試料保持部３に斜め方向から入射する。その際、垂直方向から入射する光もあるが、その光量は、励起光１１の全光量からみるとわずかである。プローブ材料に保持された試料に励起光１１が照射されると、試料に起因する蛍光やプローブ材料と生体分子の結合に起因する蛍光等の検出対象光が発せられる。
【００２９】
そして、これらの検出対象光は、分光フィルタ層２を透過して、光電変換層１に入射し、検出される。また、励起光１１は、分光フィルタ層２で吸収され、光電変換層１に到達する前にその大部分が除去される。
【００３０】
［製造方法］
本実施形態のケミカルセンサ１０は、光電変換層１を形成する工程と、分光フィルタ層２を形成する工程と、試料保持部３を形成する工程と、照射方向変更部４を形成する工程を行うことにより製造することができる。
【００３１】
具体的には、光電変換層１を形成する工程では、例えば単結晶シリコン等からなる基板の一主面側に、マスク上からのイオン注入と熱処理によって不純物領域からなるフォトダイオードを形成する。その際、基板の内部に他の不純物領域を形成したり、基板上にゲート絶縁膜やゲート電極を形成してもよい。また、フォトダイオードが形成された基板上に保護絶縁層を積層してもよい。
【００３２】
分光フィルタ層２を形成する工程では、前述した方法で形成した光電変換層１上に、スピンコート法等により検出対象光の波長域に吸収のない顔料や色素等を含む分光フィルタ層を積層する。
【００３３】
試料保持部３を形成する工程では、前述した方法で形成した分光フィルタ２上に、検出対象光の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等からなる試料保持部３を積層する。また、例えばプローブ材料を滴下等して結合させる方法等により、試料保持部３にプローブ材料を固定してもよい。
【００３４】
照射方向変更部である光拡散層５を形成する工程では、前述した方法で形成した試料保持部３上に、例えば励起光の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等からなる光拡散層５を形成する。光拡散層５の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば樹脂材料で形成する場合は、射出成形やレジスト成形等の各種成形方法を採用することができる。また、光拡散層５は、試料保持部３やカバー層４と連続した工程で一体的に形成してもよく、又は、別途作製した光拡散部材を接着剤等を使用して、試料保持部やカバー層に積層してもよい。
【００３５】
［ケミカルセンサモジュール］
本実施形態のケミカルセンサ１０は、励起光１１を照射する光源を一体的に装着して、モジュールとすることができる。モジュールに搭載される光源は、例えば各種レーザ、ＬＥＤ（Light Emitting Diode：発光ダイオード）及びＣＣＦＬ（Cold Cathode Fluorescent Lamp：冷陰極管）等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、試料等に応じて適宜選択することができる。
【００３６】
［生体分子検出装置］
本実施形態のケミカルセンサ１０は、例えば生体分子を検出する生体分子検出装置に搭載される。
【００３７】
以上詳述したように、本実施形態のケミカルセンサは、光電変換層上に一体で形成された薄膜の分光フィルタ層に対して励起光を斜めに入射させるため、高効率で励起光を吸収することが可能となる。これにより、光電変換層と検出対象光を発する試料とを近接して配置することが可能になると共に、検出対象光の光量を減少させずに、バックグランド光である励起光を除去することができる。その結果、Ｓ／Ｎ（信号／ノイズ）比が高い検出信号が得られるため、検出精度を向上させることができる。
【００３８】
（２．第２の実施の形態）
次に、本開示の第２の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。図２は本実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。なお、図２においては、図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサの構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００３９】
図２に示すように、本実施形態のケミカルセンサ２０は、光電変換層１と、分光フィルタ層２と、試料保持部３と、プリズム層６とがこの順に設けられている。即ち、本実施形態のケミカルセンサ２０は、カバー層及び光散乱層の代わりに、プリズム層６が設けられている以外は、前述した第１の実施形態のケミカルセンサと同様である。このケミカルセンサ２０は、プリズム層６がカバー層を兼ねており、プリズム部６を介して試料保持部３に励起光１１が照射される。
【００４０】
［プリズム層６］
プリズム層６は、励起光１１の進行方向を変更し、例えば平行光で入射した励起光１１を試料保持部３に斜め方向から入射させるものであり、試料保持部３上に形成されている。プリズム層６は、励起光１１の波長域に吸収のない材料で形成されており、例えば励起光１１の波長域に吸収のない樹脂材料やガラス等により形成することができる。また、プリズム層６は、励起帯域以外の不要な波長域の光を除去する分光透過特性（光学フィルタ機能）を有していてもよい。
【００４１】
プリズム層６の形成方法は、特に限定されるものではないが、例えば樹脂材料で形成する場合は、射出成形等の各種成形方法やレジストを用いた成形方法を採用することができる。プリズム層６は、試料保持部３等と連続した工程で一体的に形成してもよく、また、別途作製したプリズム部材を接着剤等を使用して、試料保持部３等に積層してもよい。
【００４２】
なお、図２に示すケミカルセンサ２０では、試料保持部３に直接プリズム層６が形成されているが、本開示はこれに限定されるものではなく、プリズム層６と試料保持部３との間に、カバー層を設けてもよい。ただし、その場合、カバー層の分だけモジュールの厚さが厚くなるため、モジュールの小型化の観点からは、プリズム層６がカバー層を兼ねている構成とすることが好ましい。また、プリズム層６と試料保持部３との間には、励起帯域以外の不要な波長域の光を除去する光学フィルタ層が設けられていてもよい。
【００４３】
プリズム層６は、前述した拡散層に比べて、確実に励起光１１の進行方向を変更することができるため、試料保持部３垂直方向から入射する励起光を減少させることができる。その結果、本実施形態のケミカルセンサ２０では、励起光１１のほとんどを分光フィルタ層２に角度をもって入射させることができるため、光電変換層１への励起光１１の入射量が更に減少し、高精度での検出が可能となる。
【００４４】
なお、本実施形態のケミカルセンサにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【００４５】
（３．第３の実施の形態）
次に、本開示の第３の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。図３は本実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図である。なお、図３においては、図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサの構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。図３に示すように、本実施形態のケミカルセンサ３０は、光散乱層の代わりに光反射層７が設けられており、励起光１１が側方から入射する以外は、前述した第１の実施形態のケミカルセンサと同様である。
【００４６】
［光反射層７］
光反射層７も、励起光１１の進行方向を変更して、試料保持部３に斜め方向から励起光１１を入射させるものであり、例えば試料保持部３の上方及び側方に形成されている。なお、光反射層７は、入射した励起光１１を反射し、試料保持部３に斜め方向から入射できる位置に形成されていればよく、例えば図３に示すように、側方から励起光を導光する場合は、少なくとも試料保持部３の上方に形成されていればよい。
【００４７】
光反射層７は、例えば誘電体多層膜等により形成することができる。この光反射層７の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えば蒸着等の方法で、試料保持部３やカバー層４と連続した工程で一体的に形成することができる。又は、別途作製した光反射部材を接着剤等を使用して、試料保持部３やカバー層４に積層してもよい。
【００４８】
なお、光反射層７は、試料保持部３よりも上層に形成されていればよく、カバー層４を設けずに、試料保持部３の上に直接光反射層７を設けてもよく、その場合は、光反射層７がカバー層４を兼ねる。また、カバー層４と光反射層７との間には、反射型の拡散層等が設けられていてもよい。
【００４９】
このように、照射方向変更部として、光反射層を設けることにより、試料保持部の上方以外、例えば側方等から励起光を導光することができるため、装置構成にバリエーションをもたせることができる。また、本実施形態のケミカルセンサも、光反射層により励起光の進行方向を変更し、そのほとんど全てを試料保持部に斜め方向から入射させるため、分光フィルタ層の厚さを厚くすることなく、励起光の除去効率を向上させることができる。その結果、ノイズが少ない高品質な検出信号を得ることができる。
【００５０】
なお、本実施形態のケミカルセンサにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【００５１】
（４．第４の実施の形態）
次に、本開示の第４の実施形態に係るケミカルセンサについて説明する。図４Ａは本開示の第４の実施形態のケミカルセンサの構成を示す模式図であり、図４Ｂはマスク層８の拡大平面図である。図５は図４に示すケミカルセンサ４０の動作を示す模式図であり、図６Ａ及びＢはマスク層８のパターン例及び配置例を示す図である。なお、図４及び図５においては、図１に示す第１の実施形態のケミカルセンサの構成要素と同じものには同じ符号を付し、その詳細な説明は省略する。
【００５２】
図４Ａに示すように、本実施形態のケミカルセンサ４０は、光電変換層１と、分光フィルタ層２と、試料保持部３と、カバー層４と、マスク層８とが設けられている。即ち、本実施形態のケミカルセンサ４０は、光散乱層の代わりに、マスク層８が設けられている以外は、前述した第１の実施形態のケミカルセンサと同様である。なお、マスク層８は、試料保持部３とカバー層４との間に設けられていてもよい。
【００５３】
［マスク層８］
図４Ｂに示すように、マスク層８は、一部に開口８ａが形成されており、開口８ａに入射した励起光１１のみ透過し、それ以外の部分に入射した励起光１１を遮蔽するものであり、例えばカバー層４上に形成されている。そして、図５に示すように、マスク層８の開口８ａを通過した励起光１１は、その一部が試料保持部３に斜め方向から入射する。
【００５４】
このように、マスク層８によっても励起光１１の進行方向を変更することが可能である。ただし、励起光１１の一部がマスク層８で遮蔽されるため、前述した第１〜３の実施形態のケミカルセンサに比べて、励起光１１の光量は低下する。
【００５５】
マスク層８は、例えば金属膜や黒色レジストにより形成することができる。また、マスク層８の形成方法は、特に限定されるものではなく、例えばエッチングや蒸着等の方法で、試料保持部３やカバー層４と連続した工程で一体的に形成することができる。又は、別途作製したマスク部材を接着剤等を使用して、試料保持部３やカバー層４に積層してもよい。
【００５６】
なお、マスク層８は、試料保持部３よりも上層に形成されていればよく、カバー層４を設けずに、試料保持部３の上にマスク層８やマスク部材を設けてもよいが、形状安定性の観点から、マスク層８はカバー層４に支持された状態であることが好ましい。また、カバー層４とマスク層８との間には、励起帯域以外の不要な波長域の光を除去する光学フィルタ層や光拡散層が設けられていてもよい。
【００５７】
マスク層８の開口８ａとプローブ材料１２の位置は、一致していないことが好ましい。即ち、開口８ａの直下域に、試料が保持されていないことが好ましい。開口８ａの直下域は、励起光１１が垂直方向に入射する可能性があるが、図５、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、マスク層８の開口８ａの位置と、プローブ材料１２が固定されている位置をずらすことにより、試料に斜め方向から励起光１１を照射することができる。
【００５８】
なお、マスク層８の開口８ａの形状は、図６Ａに示す平面視略リング状や、図６Ｂに示す平面視円形状等が挙げられるが、これらに限定されるものではなく、各種形状を適用することができる。また、開口８ａは、図６Ａ及び図６Ｂに示すように、同一形状の開口８ａを、マトリクス状に形成する以外に、ライン状に形成してもよく、また任意の位置に任意の大きさ及び任意の厚さで形成することができる。
【００５９】
本実施形態のケミカルセンサも、光反射層により励起光の進行方向を変更し、試料保持部に斜め方向から入射させることができるため、分光フィルタ層の厚さを厚くすることなく、励起光の除去効率を向上させることができる。その結果、ノイズが少ない高品質な検出信号を得ることができる。
【００６０】
前述した光拡散層、プリズム層又は光反射層を備えるケミカルセンサは、いずれも励起光の試料への入射角度を変更することが可能ではあるが、少なからず垂直に入射する励起光成分が存在する。これに対して、照射方向変更部として、マスク層を設けた場合は、メカニカルに垂直成分を遮光するため、確実に角度がついた励起光のみを照射することが可能になる。
【００６１】
なお、本実施形態のケミカルセンサにおける上記以外の構成及び効果は、前述した第１の実施形態と同様である。
【００６２】
また、本開示は、以下のような構成をとることもできる。
（１）
励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層と、
前記光電変換層上に形成され、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層と、
前記分光フィルタ層よりも上層に形成され、検出対象の試料が保持される試料保持部と、
少なくとも前記試料保持部よりも上層に形成され、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部と、
を有するケミカルセンサ。
（２）
前記照射方向変更部は、光拡散層又は光拡散部材である（１）に記載のケミカルセンサ。
（３）
前記照射方向変更部は、プリズム層又はプリズム部材である（１）に記載のケミカルセンサ。
（４）
前記照射方向変更部は、光反射層又は光反射部材である（１）に記載のケミカルセンサ。
（５）
前記照射方向変更部は、マスク層又はマスク部材である（１）に記載のケミカルセンサ。
（６）
前記試料保持部上に、前記励起光を透過する材料からなるカバー層が設けられている（１）〜（５）のいずれかに記載のケミカルセンサ。
（７）
前記照射方向変更部は、前記カバー層上に設けられている（６）に記載のケミカルセンサ。
（８）
前記照射方向変更部が前記カバー層を兼ねている（６）に記載のケミカルセンサ。
（９）
前記試料は、生体分子である（１）〜（８）のいずれかに記載のケミカルセンサ。
（１０）
前記試料保持部には、前記生体分子と結合するプローブ材料が固定されている（９）のケミカルセンサ。
（１１）
前記光電変換層は、前記プローブ材料と前記生体分子の結合に起因する蛍光を検出する（１０）に記載のケミカルセンサ。
（１２）
（１）〜（１１）のいずれかに記載のケミカルセンサと、
前記ケミカルセンサに一体的に装着され、前記ケミカルセンサに励起光を照射する光源と
を有するケミカルセンサモジュール
（１３）
（１）〜（１１）のいずれかに記載のケミカルセンサを備える生体分子検出装置。
（１４）
励起光が照射された試料から発せられた光を検出する光電変換層を形成する工程と、
前記光電変換層上に、前記励起光を吸収すると共に、前記試料から発せられた光を透過する分光フィルタ層を形成する工程と、
前記分光フィルタ層よりも上層に、検出対象の試料が保持される試料保持部を形成する工程と、
少なくとも前記試料保持部よりも上層に、前記励起光の進行方向を変更して、前記励起光の一部又は全部を前記試料保持部に斜め方向から入射させる照射方向変更部を形成する工程と
を有するケミカルセンサの製造方法。
【符号の説明】
【００６３】
１  光電変換層
２  分光フィルタ
３  試料保持部
４  カバー層
５  光拡散層
６  プリズム層
７  光反射層
８  マスク層
１０、２０、３０、４０  ケミカルセンサ
１１  励起光
１２  プローブ材料
１３  生理食塩水
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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