(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
透明な誘電体材料又は透明な伝導体材料の基板とその上に被覆した反射膜と、さらに該反射膜の上に誘電体材料又は半導体材料によって形成された光導波路層とからなるチップを用い、
前記光導波路層に、当該光導波路層を貫通しない細孔或いは微細且つ不規則な凹凸を複数形成し、
該チップの前記基板側から、前記反射膜に光を入射する光入射機構と、前記反射膜によって反射される前記光の反射光を検出する光検出機構とを備え、
入射光の一部又は全部が前記光導波路層内を伝搬する光導波モードと結合することによって反射光強度が変化する光入射角度領域を用いて、前記光導波路層の表面に検出対象となる検体が吸着又は付着した際に生じる入射角度或いは反射光強度の変化を読み取ることにより検体の検出を行うことを特徴する光導波モードセンサー。
【請求項２】
前記細孔は、前記光導波路層の厚さの４分の３以下の深さの細孔であることを特徴とする請求項１に記載の光導波モードセンサー。
【請求項３】
前記細孔の直径は用いる光の波長よりも短いことを特徴とする請求項1又は2に記載の光導波モードセンサー。
【請求項４】
前記細孔は、化学エッチング、反応性イオンエッチング、ナノインプリンティング又はリソグラフィーによって形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項５】
前記細孔は、イオン注入後の化学エッチングによって形成されたことを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項６】
前記微細且つ不規則な凹凸は、光導波路層表面に化学エッチング又は反応性イオンエッチングを施すことによって形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光導波モードセンサー。
【請求項７】
前記反射膜は、元素の周期表の４〜１４族の金属又はこれらの金属を基とする合金から選択した一成分以上の金属薄膜であることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項８】
前記反射膜は、半導体材料の薄膜であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項９】
前記光導波路層は光導波モードが発現する程度の膜厚を有していることを特徴とする請求項１から８のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項１０】
前記光導波路層を形成する誘電体材料又は半導体材料は、酸化シリコン、金属酸化物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、半導体材料の窒化物又は高分子化合物を主成分として形成されていることを特徴とする請求項１〜９のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項１１】
前記光導波路層の表面に分子認識基を化学修飾したことを特徴とする請求項１〜１０のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項１２】
前記分子認識基として、アミノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基、イソチオシアネート基、スクシンイミド基、ビオチニル基、メチル基、フルオロメチル基のいずれかを化学修飾したことを特徴とする請求項１１に記載の光導波モードセンサー。
【請求項１３】
前記入射される光は、ｐ偏光又はs偏光の光であり、これらの光の反射光を検出することを特徴とする請求項１から１２に記載の光導波モードセンサー。
【請求項１４】
前記基板は板状の平板ガラスであることを特徴とする請求項１から１３に記載の光導波モードセンサー。
【請求項１５】
前記チップの前記光導波路層が形成されている面と反対側の基板表面を、屈折率調節オイルを介して光学プリズムに密着させた構造を備えていることを特徴とする請求項１から１４に記載の光導波モードセンサー。
【請求項１６】
前記基板はプリズムであることを特徴とする請求項１から１３に記載の光導波モードセンサー。
【請求項１７】
ｐ偏光又はｓ偏光の光が光学プリズムの中心軸に対してある角度で入射したときに、前記反射光強度の変化が起こる入射角度付近に前記光の入射角度を固定し、反射光の強度を検出することを特徴とする請求項１５または１６のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項１８】
前記光導波路層表面に化学修飾された分子認識基に、気体中又は液体中において、選択的に吸着あるいは化学結合する分子、イオン又は分子集合体の膜厚、質量、サイズ又は誘電率を測定することを特徴とする請求項１１〜１７のいずれかに記載の光導波モードセンサー。
【請求項１９】
請求項１〜１８のいずれかに記載の光導波モードセンサーに用いられる光導波モードセンサー用チップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、表面に細孔又はラフネスを有する光導波路を用いて光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出速度向上を図ることができる光導波モードセンサー及び光導波モードセンサー用チップに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、DNA、たんぱく質、糖鎖などを検出するバイオセンサー及び金属イオン、有機分子などを検出する化学物質センサーとして、表面プラズモン共鳴（SPR）のモードを用いる技術が知られている。
この技術は、ガラス上に貴金属（金・銀など）を蒸着し、そのガラスの金属を蒸着した面と反対側の面を、屈折率調節オイルを介して光学プリズムと密着させた構造からなり、レーザー光あるいは白色光を、プリズムを通してガラスに照射し、その反射光の強度を検出するものである。
【０００３】
入射光はガラスに対して全反射となる条件で入射される。このとき、光が入射された側と逆側の金属表面側に染み出すエバネセント波によって、ある入射角でSPRが発現する。SPRが起こると、エバネセント波は表面プラズモンによって吸収されるので、その入射角付近では反射光の強度が著しく減少する。SPRが発現する入射角や、SPRが発現している入射角付近における反射光強度は、金属の表面上の付着物の厚さ、誘電率によって変化する。このことを利用し、金属の表面上に被検出試料と結合あるいは吸着する物質を修飾し、被検出試料が金属表面付近に結合あるいは吸着した際に生じる入射角や反射率の変化を検出し、被検出試料の結合量（膜厚あるいは質量）を得るのが、従来のSPRセンサーである。
【０００４】
このような技術に関連する例として、被分析試料が流れる溶液流路の、その表面が臨む分子認識機能膜と、この分子認識機能膜の裏面に設けた金属薄膜と、この金属薄膜側から白色のｐ偏光・平行光を入射させる励起光源と、入射光が金属薄膜表面で反射することによって発生する反射光を受光する干渉計を用いたフーリエ変換分光器を備えた光センサーが開示されている（特許文献１参照）。
また、光ビームを誘電体ブロックと金属膜との界面で収束させる表面プラズモンセンサーにおいて、光利用効率を高くし、表面プラズモン共鳴を高感度で測定できるように、反射角が異なる成分が一方向に連なる向きにライン状に集光するシリンドリカルレンズを設けた技術が開示されている（特許文献２参照）。
【０００５】
しかし、上記の表面プラズモン共鳴のモードを用いる従来の技術では、サイズの小さい被検出試料を検出する場合、感度又は測定の迅速化という点においても不十分である。
【特許文献１】特開平６−５８８７３号公報
【特許文献２】特開２００２−１９５９４２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度かつ迅速に小さいサイズの被検出試料をラベルフリーで検出できる光導波モードセンサー及びそのセンサー用のチップを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の光導波モードセンサー用チップは、透明な誘電体材料又は透明な伝導体材料の基板とその上に被覆した反射膜と、さらに該反射膜の上に誘電体材料又は半導体材料によって形成された光導波路層とからなるチップを用い、前記光導波路層に、当該光導波路層を貫通しない細孔或いは微細な凹凸を複数形成する。このチップの前記基板側から、前記反射膜に光を入射する光入射機構と、前記反射膜によって反射される前記光の反射光を検出する光検出機構とを備え、入射光の一部又は全部が前記光導波路層内を伝搬する光導波モードと結合することによって、反射光強度が変化する光入射角領域を用いて、前記光導波路層の表面に検出対象となる検体が吸着又は付着した際に生じる入射角度或いは反射光強度の変化を読み取ることにより検体の検出を行う。前記反射膜を基板上に被覆する手段としては、蒸着、スパッタリング、無電解めっき、電気めっき法などが利用でき、基板に被覆できる手段であれば、特に制限はない。前記細孔は、前記光導波路層の厚さの４分の３以下の深さの細孔である。
【０００８】
前記細孔の直径は用いる光の波長よりも短い。前記細孔は、化学エッチング、反応性イオンエッチング、ナノインプリンティング又はリソグラフィーによって形成される。リソグラフィーは、フォトリソグラフィー、レーザーリソグラフィー、電子線リソグラフィー、Ｘ線リソグラフィーなどあらゆるリソグラフィー技術が使用可能である。
前記細孔は、イオン注入後の化学エッチングによって形成される。イオン注入はMeV級の高エネルギーでのイオン注入が望ましい。このようなイオン注入を行った後に化学エッチングすることによって、イオンが通過した部分を選択的にエッチングできる。前記の微細且つ不規則な凹凸は、光導波路層表面に化学エッチング又は反応性イオンエッチングを施すことによって形成される。
前記反射膜は、元素の周期表の４〜１４族の金属又はこれらの金属を基とする合金から選択した一成分以上の金属薄膜である。
前記反射膜は、半導体材料の薄膜である。半導体材料は、SiやGeのような単一の元素によって構成される半導体の他に、化合物半導体でも良く、その伝導特性はn型でもp型でも真性半導体でも良い。
前記光導波路層は光導波モードが発現する程度の膜厚を有している。前記光導波路層を形成する誘電体材料又は半導体材料は、酸化シリコン、金属酸化物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、半導体材料の窒化物又は高分子化合物を主成分として形成されている。
【０００９】
前記光導波路層の表面に分子認識基を化学修飾する。前記分子認識基として、アミノ基、ヒドロキシル基、カルボキシル基、アルデヒド基、イソチオシアネート基、スクシンイミド基、ビオチニル基、メチル基、フルオロメチル基のいずれかを化学修飾する。上記分子認識基の使用は、いずれも好ましいものであり、特に制限なく使用することができる。
前記入射される光は、ｐ偏光又はs偏光の光であり、これらの光の反射光を検出する。前記基板は板状の平板ガラスである。前記チップの前記光導波路層が形成されている面と反対側の基板表面を、屈折率調節オイルを介して光学プリズムに密着させた構造を備えている。前記基板はプリズムである。
【００１０】
ｐ偏光又はｓ偏光の光が光学プリズムの中心軸に対してある角度で入射したときに、前記反射光強度の変化が起こる入射角度付近に前記光の入射角度を固定し、反射光の強度を検出する。前記光導波路層表面に化学修飾された分子認識基に、気体中又は液体中において、選択的に吸着あるいは化学結合する分子、イオン又は分子集合体の膜厚、質量、サイズ又は誘電率を測定する。
また、本発明の光導波モードセンサーは、光導波モードセンサー用チップを用い、当該チップにおける前記光導波路の光導波モードを利用して検体の検出を行う。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、表面に、反射膜層まで貫通しない細孔を持つ光導波路や、表面に不規則な凹凸を持つ光導波路における、光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出高感度化および検出速度の向上を図ることができるという優れた効果を有する。また、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度でかつ小さいサイズの被検出試料を、ラベルを使用することなく迅速に検出できるという著しい効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の特徴を、図等を用いて具体的に説明する。なお、以下の説明は、本願発明の理解を容易にするためのものであり、これに制限されるものではない。すなわち、本願発明の技術思想に基づく変形、実施態様、他の例は、本願発明に含まれるものである。
【００１３】
本発明は、上記の通り、感度を向上させるために、光導波モードを利用する。図１に本発明で用いる光導波モードを発現する基板、つまり光導波モードセンサー用チップの構造を示す。図１（Ａ）は表面に不規則な凹凸を持つチップの構造を示し、図１（Ｂ）は反射膜層まで貫通しない細孔が形成されているチップの構造を示している。図示の光導波モードセンサー用チップは、ガラス基板の上面に反射膜が形成され、さらにその上に光導波路が形成され、そして、この光導波路の表面に凹凸或いは細孔が形成されて、構成される。特定の条件の下でチップの光導波路が形成されていないガラス側から反射膜に光が入射されると、入射光の一部又は全部がこの光導波路を伝搬する光となる。なお、ガラス基板を用いた場合を例として以下説明するが、基板材質としては、ガラス以外にも、プラスチック(樹脂)、セラミックス、絶縁物等の透明な誘電体材料、或いは、ITO等の透明な伝導体材料を用いることができる。
【００１４】
このような構造を持つチップに対して、ガラス側から光を入射すると、ある入射角において反射光が極端に増減する、と言う現象が生じる。反射光が極端に減少する典型的な例を、図２を用いて説明する。
図２は、図１のチップのガラス側、つまり光導波路が形成されていない側にプリズムを配して、光を入射した際の、光の入射角度と反射光強度の関係を示す。図２中には、４カ所、反射光強度における減少、つまりディップが見られる。このような反射光強度の減少の原因は主に２つある。１つは、前述のような表面プラズモン共鳴であり、図２中のθ0の入射角度で生じる反射光強度のディップがこの表面プラズモン共鳴に起因するものである。表面プラズモン共鳴は、負の誘電率を持つ金属、特に貴金属などを反射膜として用いた場合に生じる現象であり、光導波路部分が無くても生じる現象である。また、この表面プラズモン共鳴に起因する反射光の減少は入射光がｐ偏光の場合には生じるがｓ偏光の場合は生じない。
【００１５】
図２に見られる、別の反射光強度の減少は、光導波モードに起因するものであり、図２中のθm=1、2、3の入射角での反射光強度のディップに対応する。この反射光強度のディップは図１に示す誘電体層や半導体層による光導波路が無い場合や、これらの層が薄い場合は生じない。光導波モードが発生する誘電体層や半導体層の最低の厚さは、使用する光の偏光状態によっても異なるが、一般にこれらの層の屈折率が高ければ薄くても良く、光の波長が短い場合も薄くて良い。一方、これらの層の屈折率が低い場合や使用する光の波長が長い場合は、厚い層が要求される。例えば、層の屈折率が1.457で波長633nmの光を用いた時、光がｓ偏光の場合は誘電体層の厚さは最低100nm程度が必要であり、ｐ偏光の場合は200nm程度以上の厚さが必要である。
【００１６】
光導波モードとは、ある有限の空間内に光が閉じこめられて伝搬していく状態のことである。最も良く知られている光導波モードとしては光ファイバ内の光の伝搬状態が挙げられる。光ファイバは、屈折率が低いファイバ状(通常非常に細長い円筒型)の材料の中心に屈折率の高い部位(通常、コアと呼ばれる)を形成し、この屈折率差によって生じる光の反射によって、光をコア中に閉じこめて伝搬させる。
屈折率の低い物質(空気や真空状態も含む)に挟まれた板状の材料中を光が伝搬するスラブ型光導波路も良く知られている。
【００１７】
本発明で用いるチップの構造は図１に示すように、基体となるガラスの上に反射膜を形成し、さらにその上に、誘電体又は半導体の層を形成する。この層の上側(表面側)が、この層よりも屈折率の低い物質、例えば空気や水、に触れている場合、この層はスラブ導波路と似た構造となり、この層中に光を閉じこめて伝搬させることが可能となる。このように、この層中に光が閉じこめられて伝搬する状態が、この場合の光導波モードである。
【００１８】
図１におけるガラス側から光を入射した際、反射膜がある程度薄い場合、全反射条件を満たす入射角で光を照射した場合でも、その光の一部又は全部がエバネッセント波として、光導波路側に染み出す。光の入射角がある特定の値となったとき、このエバネセント波は光導波路中を伝搬することとなる。このことを、入射光が光導波モードと結合する、又は、入射光が光導波モードとなる、と表現する。その結果、入射された光は、その一部又は全部が、光導波路内を伝搬する光となり、その結果、反射されなくなる。よって、前述のような反射光強度の減少が起こる。この反射光強度の減少は、ある波長の光に対して、ある特定の入射角付近でのみ生じ、図２に示すようなディップ形状となる。
以上に示したものは、反射光強度に減少が生じ、ディップが観測される場合の例であるが、これとは反対に、入射光が光導波モードと結合すると、反射光強度が強められる場合がある。この場合、光導波モードと結合を生じない入射角で入射された光の反射光強度は弱く、導波モードと結合する角度で入射された反射光強度は強くなる。
【００１９】
図２に示すKretschmann配置（プリズムとガラスおよび反射膜が密着した状態の構造）と呼ばれる配置は、既存の表面プラズモン共鳴の光学系で利用されている。但し、本発明の光導波モードセンサーには、反射膜表面に光導波路が付加されている。光が、偏光板及びプリズムを介して、ガラス側から反射膜に光を照射すると、特定の条件の下でこの光導波路の光導波モードと入射光との結合が生じ、上述のように反射光強度の変化が生じる。反射膜によって反射される光の強度は、検出器によって検出される。偏光板は図３に示すように２枚用いられることが多く、2枚の偏光板のうち、プリズムに近い方の偏光板は、反射面に対して振動方向が平行なp偏光あるいは垂直なs偏光の選択を行う為に設置されている。また、レーザー光源に近い方の偏光板は、光導波路に入射される光強度を調節するために設置されている。
【００２０】
このように、光導波モードによる反射光強度の変化も、従来のKretschmann配置と同様の光学系にて観測することが可能である。よって、本発明ではこの光学系を利用する。光学プリズムは図中に示した三角プリズム以外に、シリンドリカルプリズムや半球プリズムなど、あらゆるプリズムが使用可能である。また、光学プリズムは用いなくても検出は可能である。光学プリズムは、光導波モードと入射光との結合が生じる光の入射角度を変化させる働きをする。
【００２１】
図３は光導波モードセンサーシステムの構成例であり、通常、レーザー光源、偏光子、ゴニオメーター、光検出器、解析用ソフトウエアを備える。液セルとチップ及びプリズムを組み合わせたものを、入射角制御用ゴニオメーター上に設置し、偏光板を通してp又はs偏光されたレーザー光をプリズム側から入射する。これに対する反射光を光検出器で取り込む。液セルは、チップの分子検出面、つまり光導波路の表面に検体となる溶液を保持するために用いる。チョッパーとロックインアンプはレーザー光以外の外光（室内光など）からのノイズを抑えるために用いることがある。
【００２２】
光導波モードと入射光との結合による様々な反射光特性の具体例を以下に示す。
最も一般的に知られている挙動としては、特定の入射角度において、反射光強度が著しく低下する現象である。このような現象の例を図11に示す。図11は、入射光として633nmの光のp偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ47nmの金を、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。シリカガラスは、最も安定な酸化シリコンの一種である。ここで、光導波路層の表面は水に浸っているとする。図11に見られるように、特定の入射角53.8°付近で急激な反射光強度の減少（ディップ）が見られる。
【００２３】
また、ある特定の入射角において、一旦、反射光強度が増加し、その付近の別の角度で急激に反射光強度が減少する現象もある。このような現象の例を図12に示す。図12は、入射光として300nmの光のs偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ10nmのクロムを、光導波路として厚さ300nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。ここでも光導波路層の表面は水に浸っているとする。図12に見られるように、特定の入射角59.9°を中心にそれより低角度側では、反射光強度の増加が見られ、それより高角度側では、反射光強度の減少が見られる。
【００２４】
また、このクロムの場合と似ているが、入射角と反射光強度の増減が逆になるような場合がある。このような現象の例を図13に示す。図13は、入射光として633nmの光のS偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ15nmのシリコンを、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。ここでも光導波路層の表面は水に浸っているとする。図13に見られるように、図12の場合とは逆に、特定の入射角55.7°を中心にそれより低角度側では、反射光強度の減少が見られ、それより高角度側では、反射光強度の増加が見られる。
【００２５】
また、特定の入射角度において、反射光が著しく増加する場合もある。このような例を図14に示す。図14は、入射光として633nmの光のs偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ10nmのタングステンを、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係である。ここでも光導波路層の表面は水に浸っているとする。図14に見られるように、特定の入射角56.1°付近で急激な反射光強度の増加が見られる。
このように、光導波路の光導波モードと入射された光の結合が生じると、反射光強度の著しい増減が生じる。
【００２６】
光導波モードは１つではなく、伝搬する光の波長、偏光面、誘電体光導波路層の厚さ及び屈折率に依存し、個数が増減する。一般に、誘電体光導波路層の膜厚が非常に薄いと、光導波モードは発生しない。膜厚が厚くなると光導波モードが発生するが、光導波路層の屈折率が低いと、膜厚はより厚い必要があり、屈折率が高いと、膜厚は薄い膜厚でも光導波モードが発生する。光導波路層の膜厚を厚くしていくと光導波モードが発生するのだが、まず初めに発生する光導波モードを１次の光導波モード、さらに膜厚を厚くしていくと、次に発生する光導波モードを２次の光導波モード、と言うように呼ぶ。さらに膜厚を厚くしていくと、３次、４次と光導波モードが増えていく。
よって、光導波路の厚さを厚くしていくと、まず、1次の光導波モードと入射光との結合による反射光強度の変化が観測され、さらに厚さを増していくと、２次の光導波モードと入射光との結合による反射光強度の変化が観測され、さらに厚さが厚くなると、さらに高次の光導波モードとの結合による反射光強度の変化が見られるようになる。
【００２７】
前述のように、入射光と光導波モードとの結合によって、反射光強度が著しく変化する。この角度や反射光強度は、光導波路の表面の誘電率変化に大きく依存する為、光導波路表面に物質の吸着、付着等が生じると、この角度や反射光強度に変化が生じる。この変化を読み取ることによって、特定物質の有無及び、その物質の量などを検出するのが、本発明の光導波モードセンサーである。
また、本センサーは、光導波路表面に薄い膜を形成した際、その膜の厚さや屈折率、誘電率を測定することも可能であることから、薄膜の物性評価用センサーとしても使用可能である。
【００２８】
基板に用いるガラスは、通常、検出時に用いる光に対しての屈折率が1.4〜2.2程度が望ましく、さらには1.6〜2.0程度が望ましい。
光導波路に酸化シリコンを利用する場合には、反射膜上への堆積が容易であり、光学的に平滑な表面を得ることができ、また生体関連物質に対して不活性であり、さらに表面の化学修飾が容易であるという特徴があるので、好ましい材料と言える。酸化シリコンの堆積方法としては、ゾルゲル法、熱酸化法、スパッタリング法などを使用することができる。また、酸化シリコン以外にも、窒化シリコンのような半導体材料の窒化物、酸化チタンのような金属酸化物、チタンナイトライドのような金属窒化物又はポリメチルメタクリレートのような高分子化合物など、透明度の高い誘電体材料や半導体材料などは好ましい材料である。
【００２９】
光導波路層の細孔は、光導波路材料を溶かす溶液による化学エッチング又は反応性イオンエッチングのようなドライエッチングによって形成が可能である。最も一般的な細孔の形成方法は、光導波路表面にレジストを塗布し、このレジストにリソグラフィーにてドットパターンを形成したのち、化学エッチング又はドライエッチングにて孔を形成する方法である。光導波路自身をレジストで形成した場合には、ドットパターンのリソグラフィーを行い、レジストを現像した時点で、細孔を持った光導波路が得られる。細孔は真円形である必要は無く、楕円形でも多角形でも良い。また、深さ方向に均一の大きさである必要は無く、深くなるにつれて、径が大きくなっても良いし、小さくなっても良い。
【００３０】
一般にリソグラフィーは、規則的なパターンを形成するのに好適であるが、本発明の場合、細孔の配置は規則的でなくとも良い。ランダムな配置の細孔の形成には、光導波路材料が酸化シリコンである場合、イオン注入と化学エッチングの組み合わせも有効な細孔形成方法である。MeVオーダー以上の高エネルギーでイオンを加速して酸化シリコンに注入すると、イオンが通過した部分がフッ化水素酸やホウフッ化水素酸などで選択的にエッチングされ、非常に微細な直径を持つ細孔の形成が可能である。形成される細孔は、その直径が使用する光の波長以下であることが望ましい。なぜなら孔の直径が、光の波長程度より大きくなると、孔によって光の干渉が生じてしまい、センシングの際の解析が複雑になってしまう。
【００３１】
孔は、光導波路を貫通しないことが重要である。なぜなら、孔が光導波路を貫通してしまうと反射膜まで到達してしまうことから、例えば、孔を形成するためにエッチングを用いた場合などは、反射膜が劣化してしまい、センサーの特性が悪くなってしまう恐れが有るためである。例えば、酸化シリコンによって光導波路を形成した際、孔形成の為にフッ酸によるエッチングを用いた場合、金属による反射膜は腐食してしまう。また、例えば、ドライエッチングを用いた場合などは、反射膜表面が荒れてしまい、反射特性に悪影響を与える恐れがでてきてしまう。
【００３２】
また、孔が反射膜まで達してしまった場合、光導波路の表面に、検出対象となる分子を吸着する分子認識基を化学修飾する際にも問題が生じる。細孔が反射膜に到達してしまい、反射膜が露出していると、反射膜と光導波路とは、材料が異なるため、光導波路表面を化学修飾しても、反射膜表面は化学修飾されない場合が生じる。よって、反射膜表面には検出対象分子が吸着されず、その結果、センシング感度が落ちる可能性が生じてしまう。さらに不利な点は、反射膜に対する分子の吸着である。蛋白質などは貴金属に付着しやすい性質を持っている。このように蛋白質などが吸着しやすい反射膜を用い、しかもその反射膜が露出してしまっていると、測定対象分子以外の分子が、反射膜上に吸着してしまい、反射光強度に変化が出ても、それが測定対象分子によるものか、単に反射膜上に別の分子が吸着したために生じたのか、判断できなくなってしまう。
【００３３】
理想的な孔の深さは、用いる光導波モードによって異なる。1次の光導波モードを用いる場合、伝搬する光の電界分布は図１５に示すように光導波路の中心部分で最も強くなる。よって、この部分の屈折率や誘電率が変化すると、入射光の反射光強度に大きな影響を与える。よって、図１（Ｂ）に示すように、中心部分にまで達する細孔を形成することによって、より大きな感度が得られる。この場合、孔の深さは光導波路層の膜厚の２分の１から４分の３程度が望ましい。
【００３４】
一方、2次の光導波モードを用いた場合、図１６に示すように、光導波路の表面付近で、伝搬する光の電界分布が最も強くなる。よって、図１（Ａ）に示すように、光導波路の表面に浅い凹凸を形成すれば良く、この場合、その深さは、光導波路の厚さの４分の１程度以下が望ましい。このような浅い凹凸の形成には、上述のようにリソフラフィー後、エッチングを行っても良いが、凹凸は規則性のある周期的なものでなくても良いため、単に光導波路表面を化学エッチング又はドライエッチングによって荒れさせるだけでも良い。また、光導波路の表面に浅い凹凸を形成した場合、光導波路自身の表面積が増えるため、1次モードにおいても、高感度化及び測定の迅速化が望める。
【００３５】
但し、この表面の微細な凹凸は、その横方向の大きさが大きくなって、うねりのようになっては望ましくない。このような場合、反射光強度の変化量が、理論上期待される値より遙かに小さくなってしまうことが、我々の実験で観測されている。よって、凹凸はその１つ１つの横方向の大きさが使用する光の波長以下であることが望ましい。
反射膜には、化学的且つ物理的に安定な物質のうち、元素の周期表の４〜１４族から選択した金属、またはこれらの金属を主成分とした合金などの化合物を使用することができる。また、半導体材料なども好ましい。半導体材料の場合、SiやGeのような一元素からなる半導体でも良いし、化合物半導体でも良い。またその伝導特性もp型でもn型でも絶縁性(真性半導体)でもよい。検出に用いる光は、基本的には電磁波であれば特に制限はないが、取り扱いが容易という点で、赤外〜紫外領域の光を使うことが望ましい。
【実施例１】
【００３６】
まず、酸化シリコン光導波路表面に凹凸を形成していないときの光導波モードの発現に関する実験結果を図４に示す。ここでは、屈折率1.846の板ガラスを用い、その片面にクロム(5 nm)、金（47 nm）、クロム（5 nm）の順で真空蒸着し反射膜とした。ここでのクロムは、金とガラスとの接着強度の向上のために用いられた。この上に酸化シリコンをスパッタリング法にて膜厚1μmとなるように堆積し、光導波路とした。酸化シリコンは堆積後に600℃で24時間の熱処理を行った。この熱処理は、酸化シリコンを緻密化するために行ったものである。光導波路表面はPBS緩衝液に浸した。照射光波長は633nmとした。図４に観測される入射角に対する反射率強度におけるディップは、光導波モードと入射光との結合によって生じたものである。この条件ではｓおよびp偏光のどちらにおいても、1次と2次の２つの光導波モードが発現している。
【００３７】
次に図５に酸化シリコン光導波路表面に凹凸を形成したときの反射光強度と入射角の関係を示す。凹凸は、上記の酸化シリコン膜によって形成した光導波路に対して、40℃の４２％ホウフッ化水素酸にて1分間エッチングすることによって形成した。凹凸が形成された光導波路表面をリン酸緩衝液（ＰＢＳ緩衝液）に接触させた状態で入射角に対する反射率強度を測定したところ、この場合も、sおよびp偏光の両方において、１次および２次の２つの光導波モードが観察された。
酸化シリコンにより形成された光導波路表面に物質が吸着した際に予想される反射率変化量の見積（酸化シリコン760nm）を図６に示す。これは、PBS緩衝液中で屈折率1.45のたんぱく質が膜厚5nmで吸着すると仮定したものである。
【００３８】
図６の左は、従来型の表面プラズモン共鳴（SPR）モードを利用したもの、右はs偏光の2次の光導波モードを利用したものを示す。SPRモードを用いた場合、最大で0.15の変化量が期待されるのに対し、ｓ偏光の2次の光導波モードを利用した場合、最大で0.62の変化量が期待される。よって、光導波モードを利用することによって従来のSPRモードを利用するよりも高感度化が期待できる。また、光導波路表面に凹凸を形成することによって、さらなる高感度化が期待できる。
【００３９】
走査型電子顕微鏡でエッチング前後の光導波路表面を観察した結果を図7に示す。ホウフッ化水素酸でエッチングを行っていない場合に比べて、エッチングを行った場合は平滑性が低下していることが明らかである。ホウフッ化水素酸への浸漬により表面に凹凸が形成された場合、光導波路表面の表面積が大きくなるため、同じ時間内に表面へ吸着してくる物質の量は多くなると予測されることから、被検出試料の検出速度の迅速化が期待できる。
【００４０】
上述のように作製した、エッチングあり、エッチング無しのそれぞれのチップを弱アルカリ水溶液に一時間浸漬後乾燥し、0.2wt.%  3-アミノプロピルトリエトキシシランのエタノール溶液に2時間浸漬し、酸化シリコン表面に反応活性なアミノ基を修飾した。エタノールでリンスし乾燥後、0.1 mMスルホスクシンイミジル-N-(D-ビオチニル)-6-アミノヘキサネートを含む1/15M リン酸緩衝液に浸した。そのまま1時間放置し、アミノ基とスクシンイミド基を反応させ、ビオチニル基を導入した。図8は、酸化シリコン表面へのビチオン化学修飾の説明図である。光導波路である酸化シリコン(図中ではＳｉＯ２と表記)の表面には水酸基（−OH)が出ており、3-アミノプロピルトリエトキシシランなどのシランカップリング剤に浸漬することによって、容易に酸化シリコン表面に活性な基であるアミノ基（−NH2)を修飾することができる。さらに、リン酸緩衝液（ｐH7.4)にスクシンイミド基を有するビオチン化合物を溶解した溶液中へアミノ基が修飾された基板を浸漬することにより、容易にたんぱく質（ストレプトアビジン）を特異的に認識するビオチンを修飾することができ、バイオセンサーとしての利用価値が生まれる。
【００４１】
その後、光導波路面が1/15Mリン酸緩衝液に接するようチップを液セルに装着した。また、光導波路面と反対側の面は屈折率調節オイルを介して光学プリズムと密着させた。これを入射角制御用ゴニオメーター上に装着し、s偏光されたヘリウム−ネオンレーザー(633 nm)を、光学プリズムを通して基板に照射した。
【００４２】
表面に凹凸を持つチップに対して、入射角を54.42°に固定し、ビオチニル基に特異的に吸着するストレプトアビジンを1μM含有する1/15Mリン酸緩衝液を液セルに注入した後、反射光強度を測定した。表面に凹凸を持たないチップに対しては、入射角を54.89°に固定し、同様の反射光強度測定を行った。図9に示すように、両方の場合でストレプトアビジンの注入直後から反射光強度の増加が観察され、20分から30分の間にほぼ一定になった。また、反射光強度の増加量は、凹凸ありの場合で0.298、凹凸なしの場合で0.322とほとんど同じ値を得た。
図10はストレプトアビジンを注入した直後の反射光強度の増加の様子を示したものである。ホウフッ化水素酸に浸漬して光導波路表面に凹凸を形成した方が、浸漬していないものに比べて急激に反射光強度が上昇していることが明らかである。
【００４３】
ストレプトアビジン吸着後の入射角と反射光強度との関係をフレネルの式に当てはめてフィッティングを行った結果、凹凸あり、凹凸なしのいずれの場合にもストレプトアビジンが平均膜厚4 nm程度でビオチニル基に吸着していることが明らかとなった。
【００４４】
光導波モードを利用した実験結果は、表面プラズモン共鳴を利用した場合の理想値(計算結果)よりも上回っており、検出の高感度化は明白である。また、光導波路表面に細孔を形成することにより、感度を保ちながら検出の迅速化も可能であることが明らかとなった。但し、この実施例では、凹凸の形成による感度の向上は見られなかった。これは、凹凸形成前後で光導波路層の厚さが異なることが原因であると考えられる。光導波路層の厚さは感度に大きな影響を与えるが、今回凹凸を形成したチップでは、凹凸形成後の膜厚が、感度を向上させるには不適切であったと思われる。エッチング後の光導波路層の厚さを最適化することによって、センサーの高感度化も望めるものと思われる。
【実施例２】
【００４５】
25mm四方、厚さ1mm、屈折率1.77の板ガラスの片面にクロム(5 nm)、金（47 nm）、クロム（5 nm）の順で真空蒸着し、その上に酸化シリコンを1 μmスパッタリングすることによりチップを作製した。なお、ここでもクロムは、金とガラスとの接着強度の向上のために用いられた。チップは、酸化シリコン層を堆積後、大気中600℃で24時間熱処理を行った。
このチップの酸化シリコン層側に、１３７ＭｅＶで加速した金イオンを１×１０９個/cm2イオン注入した後、２０％のフッ酸溶液を入れた容器の上に、このチップを置き、フッ酸の蒸気によるエッチング(ベーパーエッチング)を行った。エッチング中、フッ酸溶液は19.2℃に保ち、チップは３６℃に加熱し保温した。また、エッチング中、容器は蒸気が漏れないように密閉した。エッチング時間は３０分とした。
【００４６】
このような、イオン注入とエッチングによって、微細な穴を形成することができる。今回形成した穴の様子を図１７に示す。図１７は、上記のエッチングプロセス後の酸化シリコン層の走査型顕微鏡写真である。穴の深さが分かるように、酸化シリコン層の一部を割り、その断面付近を撮影した。写真から分かるように、直径50nm、深さ約500nmの孔が複数形成されていることが分かる。これは、イオンが注入された部分が選択的にエッチングされたことによって形成された孔である。
【００４７】
エッチング後の酸化シリコン層自身の厚さは980nmであったことから、孔は酸化シリコン層を貫通していない。
この細孔を形成したチップは、実施例１と同様の手法で表面をビチオン化学修飾した。
その後、実施例１と同様に光導波路面（酸化シリコン層）が1/15Mリン酸緩衝液に接するようチップを液セルに装着し、光導波路面と反対側の面は屈折率調節オイルを介して光学プリズムと密着させた。
【００４８】
その後、液セル中にストレプトアビジンを1μM含有する1/15Mリン酸緩衝液を注入し光の入射角度と反射光強度との関係を測定した。ここで使用した光の波長は633nmであった。1次の光導波モードと入射光との結合による反射光強度変化を観測したところ、ストレプトアビジンのビオチンへの特異吸着によって、反射光強度の減少（ディップ）のピーク位置が0.03°高角度側へシフトしたことが観測された。
細孔が形成されていないチップを用いて、上記と同様の実験を行ったところ、反射光強度のディップのピーク位置変化は、装置の測定限界以下となってしまい、観測されなかった。
このように、光導波路表面に細孔を形成することにより、検出感度を向上できる。
【産業上の利用可能性】
【００４９】
本発明は、上記の通り、光導波路表面に凹凸又は細孔を形成し光導波モードを利用することによって、被検出試料の検出高感度化および検出迅速化を図ることができるという優れた効果を有し、従来の表面プラズモン共鳴を利用する技術よりも、高い感度でかつ小さいサイズの被検出試料を、ラベルを使用することなく検出できるという著しい効果を有するので、ＤＮＡ、抗原−抗体などのたんぱく質、糖鎖などのバイオセンサーおよび金属イオン、有機分子などの化学物質センサーに適用。医療、創薬、食品、環境等の分野において活用できる。また、光導波路の表面に薄膜を形成すれば、この薄膜の屈折率や誘電率などを測定できることから、薄膜材料に対するセンサー、薄膜材料の特性を測定する測定器としても使用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】光導波モードを発現するチップ構造を示す図である。
【図２】光導波モードを誘起するための光学配置の例を示す説明図である。
【図３】光導波モードセンサーの構成例を示す図である。
【図４】酸化シリコンを光導波路に用いた場合の光導波モードの発現の仕方を示す図である。
【図５】酸化シリコンを光導波路に用いてその表面に凹凸を形成させた場合の光導波モードの発現の仕方を示す図である。
【図６】反射率変化量の見積をフレネルの式を用いて計算した結果を示す図である。
【図７】光導波路表面に凹凸を形成した場合としていない場合の光導波路表面の走査型電子顕微鏡像である。
【図８】酸化シリコン表面へのビチオン化学修飾の説明図である。
【図９】本実施例において、ストレプトアビジンの特異吸着による反射光強度変化を示す図である。
【図１０】本実施例において、ストレプトアビジンの吸着による反射光強度の増加する速度が光導波路表面の細孔によって速くなることを示す図である。
【図１１】入射光として633nmの光のp偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ47nmの金を、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。
【図１２】入射光として300nmの光のｓ偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ10nmのクロムを、光導波路として厚さ300nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。
【図１３】入射光として633nmの光のｓ偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ15nmのシリコンを、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。
【図１４】入射光として633nmの光のs偏光を用いる場合で、屈折率1.8のガラスを用い、反射膜として厚さ10nmのタングステンを、光導波路として厚さ600nmのシリカガラスを用いた場合の光の入射角と反射光強度の関係を示す図である。
【図１５】1次の光導波モードにおける光の電界分布。光導波路の中心部分で電界が最も強くなることを示している。
【図１６】2次の光導波モードにおける光の電界分布。光導波路の表面で電界が強くなることを示している。
【図１７】光導波路として反射膜上に堆積したシリカガラス表面にイオン注入し、化学エッチングすることによって得られた細孔の構造を示す走査型電子顕微鏡像。
【図１】
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【図２】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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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【図１３】
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【図１４】
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【図３】
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【図７】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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