(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガラス基板とその上に被覆したＳｉからなる反射膜と、さらに該反射膜上に形成した光導波路を構成する誘電体層とからなるチップであって、
該基板側から入射された光が該光導波路内を伝搬する状態となる角度で光を該基板面に入射させ、該基板面側へ出射される反射光の強度の変化を読み取ることによって、該光導波路表面に吸着又は付着した物質の検出を行う光導波モードセンサー用のチップ。
【請求項２】
前記誘電体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記載の光導波モードセンサー用のチップ。
【請求項３】
前記基板側から入射された光は、p偏光又はs偏光であることを特徴とする請求項１又は２記載の光導波モードセンサー用のチップ。
【請求項４】
前記ガラス基板面に、屈折率調節オイルを介して光学プリズムを密着させた構造を備えていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光導波モードセンサー用のチップ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、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を図ることができる光導波モードセンサーに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に、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及び金属イオン、有機分子などの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、金属の表面側の界面に染み出すエバネセント波によって、ある入射角で表面プラズモン共鳴が発現する。表面プラズモン共鳴が起こると、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。表面プラズモン共鳴が発現する入射角や反射光強度は、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とから、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、被検出試料が結合あるいは吸着した際に生じる入射角や反射率強度の変化を検出し、被検出試料の結合量（膜厚あるいは質量）に換算するというものである。【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、感度が不十分であるという問題がある。したがって、サイズが小さい被検出試料を検出するためには、サイズの大きい分子あるいは誘電率の大きい分子を被検出試料にラベル化するなどの工程が必要であり、精度が劣るだけでなく、工程が煩雑になるという不利な点がある。
【特許文献１】特開平６−５８８７３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、高い感度で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を提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
課題を解決するための手段は次のとおりである。
（１）ガラス基板とその上に被覆したＳｉからなる反射膜と、さらに該反射膜上に形成した光導波路を構成する誘電体層とからなるチップであって、
該基板側から入射された光が該光導波路内を伝搬する状態となる角度で光を該基板面に入射させ、該基板面側へ出射される反射光の強度の変化を読み取ることによって、該光導波路表面に吸着又は付着した物質の検出を行う光導波モードセンサー用のチップ。
（２）前記誘電体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（１）記載の光導波モードセンサー用のチップ。
（３）前記基板側から入射された光は、p偏光又はs偏光であることを特徴とする（１）又は（２）記載の光導波モードセンサー用のチップ。
（４）前記ガラス基板面に、屈折率調節オイルを介して光学プリズムを密着させた構造を備えていることを特徴とする（１）〜（３）のいずれかに記載の光導波モードセンサー用のチップ。
本発明の光導波モードセンサーは、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、さらに該反射膜上に形成した誘電体層とからなるチップを用いる。このチップの基板側から、前記反射膜に光を入射する光入射機構と、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誘電体層からなる光導波路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減少する光入射角度領域を用いて、前記誘電体層の表面に検出対象となる物質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って、物質の検出を行う。
【０００８】
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。基板上に形成する金属又は合金薄膜の材料は、元素の周期表の４〜１４族から選択したものであれば、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。金属の薄膜を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。
前記反射膜は半導体材料の薄膜にすることができる。基板上に形成する半導体材料は、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。半導体材料の薄膜を被覆する手段としては、蒸着、スパッタリング、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）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。【０００９】
前記光導波モードセンサーは、前記誘電体層からなる光導波路の２次の光導波モードを利用して検出を行う。前記誘電体層は２次の光導波モードが発現する程度の膜厚を有している。
記誘電体層は酸化シリコン、ポリメチルメタクリル酸を主成分とするポリマー、金属酸化物、金属窒化物、半導体材料の酸化物、又は半導体材料の窒化物を主成分として形成されている。前記誘電体層の表面に分子認識基を化学修飾したチップを用いる。
前記分子認識基として、−NH2、−COOH、−SCN、スクシンイミド基、ビオチニル基のいずれかを化学修飾したチップを用いる。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。前記基板上に形成された誘電体層とは反対側の面から照射されたp偏光又はs偏光の反射光を検出する。【００１０】
光学プリズムに、前記基板の前記誘電体層が形成されている面と反対側の面を、屈折率調節オイルを介して密着させた構造を備えている。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発現する光導波モードのうち、前記誘電体層の厚さを厚くするときに最初に発生する１次または２番目に発生する２次の光導波モードと入射光との結合が生じる入射角度付近に入射角度を固定し、反射光の強度を検出する。
前記誘電体層の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用チップは、光導波モードセンサーに使用され、基板上に反射膜を被覆し、さらにその反射膜の上に誘電体の光導波路を持つ。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薄膜である。基板上に形成する金属又は合金薄膜の材料は、元素の周期表の４〜１４族から選択したものであれば、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。金属の薄膜を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。前記反射膜は半導体材料の薄膜である。基板上に形成する半導体材料は、特に制限はないが、センサーの安定性を考慮すると、基板への密着性が高い材料を用いることが望ましい。半導体材料の薄膜を被覆する手段としては、蒸着、スパッタリング、分子線エピタキシ（ＭＢＥ）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。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、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。また、反射膜として、基板に対して密着性の高い金属や半導体材料を用いることによって、長期的な信頼性が高く、安定なセンサーを提供することができる。さらに、２次の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を図ることができるという優れた効果を有する。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。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【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る場合の膜厚と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る場合の膜厚と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（酸化シリコン760nm）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】1次と2次の光導波モードによる反射光強度が減少する入射角範囲を比較する図である。
【図８】本実施例における反射光強度の入射角依存性を示す図である。
【図９】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１０】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１１】本実施例において、ストレプトアビジンの吸着による2次の光導波モードにおける反射光強度特性の変化を示す図である。
【図１２】ｐ偏光に対して高感度が期待できないｎとｋの範囲を示す図である。
【図１３】ｓ偏光に対して高感度が期待できないｎとｋの範囲を示す図である。
【図１４】銀を反射膜に用いた場合の反射光強度と入射角との関係をフレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて計算した結果を示す図である。
【図１５】波長633ｎｍの光を用い、屈折率1.8のガラス上に厚さ31nmのCuを反射膜として形成し、その上に厚さ1.1μｍの酸化シリコン(屈折率1.457)を形成した際のシミュレーション結果を示す図である。
【図１６】反射膜にシリコンを用いた場合の2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。
【図１７】図１６とは異なる条件にした場合の図である。
【図１８】反射膜に銅を用いた場合の2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。
【図１９】図１８とは異なる条件にした場合の図である。
【図２０】図１８及び図１９とは異なる条件にした場合の図である。
【図２１】反射膜にクロムを用いた場合の2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。
【図２２】反射膜にタンタルを用いた場合の2次の導波モードとの結合によるディップ、及び反射率変化量と入射角度の関係を示す図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
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。
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。まず、光導波モードについて説明する。本発明では、図１に示すようなチップを用いる。このチップは、ガラス基板とその上に被覆した反射膜と、さらに該反射膜上に形成した誘電体層とから構成される。この誘電体層が光導波路となって、特定の条件の下で入射光の一部又は全部をこの誘電体層からなる光導波路内を伝搬させる。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減少し、ディップが現れる、と言う現象が生じる。このような例を図２に示す。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】
図２は、図１のチップのガラス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。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、図１に示す誘電体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】
もう１つの反射光強度の減少が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、つまり誘電体光導波路が無い場合や薄い場合は生じない。光導波モードが発生する誘電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、一般に誘電体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、誘電体の屈折率が低い場合や使用する光の波長が長い場合は、厚い誘電体層が要求される。例えば、誘電体層の屈折率が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】
本発明では、この光導波モードに起因する、特定入射角度における急激な反射光強度の減少、つまりディップが生じる現象を用いて、この誘電体光導波路層表面への分子の吸着、接触、結合を検出する。
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、誘電体の層を形成する。この誘電体の層の上側(表面側)が、この誘電体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、この誘電体層はスラブ導波路と似た構造となり、この誘電体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、この誘電体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、誘電体層側に染み出す。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誘電体層中を伝搬する光となる。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、誘電体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。【００１９】
光導波モードは伝搬する光の波長、偏光面、誘電体光導波路となるべき膜の厚さに依存し、個数が増減する。
上述のように、誘電体光導波路の厚さが非常に薄いと、光導波モードは発生しない。この厚さが厚くなる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、誘電体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減少が観測され、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減少が観測され、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減少が見られるようになる。【００２０】
前述のように、図１に示す基板構造を持つチップのガラス側から、光を入射すると、ある角度で、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減少する。この角度や反射光強度は、誘電体光導波路の表面の誘電率変化に大きく依存する為、誘電体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、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。【００２１】
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、反射膜表面に誘電体層が付加されている。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誘電体層による光導波路（誘電体光導波路）の光導波モードと入射光との結合が生じる。つまり入射光が光導波モードとなる。この光導波モードと入射光との結合によって、入射光の一部又は全部をこの誘電体光導波路内を伝搬させて、反射されなくすることによって、反射光強度の減少が起こる。反射膜によって反射される光強度の減少は、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。
このように、光導波モードによる反射光強度の減少も、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、光学プリズムを用いなくても光導波モードを発現させることは可能である。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。【００２２】
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、つまり誘電体層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。【００２３】
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。誘電体光導波路は、基本的には検出に用いる光に対して透明な材料であればどのような材料でもよい。この誘電体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。【００２４】
また、ポリマー材料、例えば、ポリメチルメタクリル酸を主成分として形成されるポリマーも、酸化シリコンと同様の効果を持ち、望ましい材料といえる。また、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、窒化アルミニウムのような金属窒化物など、透明度の高い誘電体材料は好ましい材料である。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。
反射膜には、化学的且つ物理的に安定な金属の薄膜や、半導体材料薄膜であれば、どのような材料でも使用可能である。よって、金属材料としては、元素の周期表の４〜１４族から選択した金属、またはこのような金属を主として用いた合金であれば、特に制限はない。また、半導体材料は、ＳｉやＧｅのような１種類の元素による半導体以外に、２種類以上の元素で構成された化合物半導体でも良い。また、半導体は、p型、n型、真性半導体のいずれでも良い。但し、検出に用いる光の偏光状態によっては、反射膜としての材料を適切に選択しなければ高感度が得られない場合がある。光の偏光状態にはｐ偏光とｓ偏光とがある。本センサーでは、図２において、電界の振動方向がy方向に垂直な光がｐ偏光、電界の振動方向がy方向に水平な光がｓ偏光である。【００２５】
本センサーは、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減少する角度を入射光角度θaとすると、このθa付近に光の入射角度を設定し、誘電体光導波路の表面に検出対象となる物質が吸着又は付着した際に生じる、この入射角度θaの変化や反射光強度の変化を読み取ることによって、物質を検出する。θaは例えば図２に示すθm=1、θm=2、θm=3のような角度である。よって、θa付近での反射光強度の減少量が大きければ大きいほど、θaの変化又は反射光強度の変化が読み取りやすく、センサーの感度が向上する。このことから、全反射時の反射光強度を１とすると、角度θaにおける反射光強度の変化の度合い、つまり、角度θa付近での反射率の減少量ΔRが少なくとも0.1以上が望ましく、また、0.3程度以上であることがより望ましい。また、材料によっては、反射光強度が全体的に低くなってしまい、特定な入射角において反射光強度が著しく減少する、と言う現象自身が明確に現れないものもある。このような測定感度の低下は反射膜として用いる材料の屈折率ｎと減衰係数ｋに依存する。上記のような理由の為に、ｐ偏光に対して高感度が期待できないｎとｋの範囲を図１２に、ｓ偏光に対して高感度が期待できないｎとｋの範囲を図１３に示す。よって、この領域外のｎとｋを持つ材料を反射膜として用いることが望ましい【００２６】
但し、一般に物質のｎとｋは光の波長によって変化する。よって、同じ材料でも、検出に用いる光によって、感度が良くなったり悪くなったりする。例えばp偏光を用いる際、銀を反射膜に用いた場合、光の波長が４００ｎｍの時、nとkは、それぞれ0.173と1.95である。よって、図１２に示した高感度が期待できない領域外となる。一方、光の波長が３００ｎｍの場合、nとkは、それぞれ1.522と0.992となってしまい、図１２に示した高感度が期待できない領域内になってしまう。
この銀の場合の反射光強度と入射角との関係をフレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて計算した結果を図１４に示す。ここでは、入射光はｐ偏光であり、図２に示したように、頂点が90°の三角プリズムを介して入射され、ガラスの屈折率は1.8として計算した。誘電体光導波路膜の屈折率と厚さ及び銀薄膜の厚さは、波長300ｎｍの光に対してはそれぞれ1.488、600nm、17nm、波長400ｎｍに対してはそれぞれ1.470、750nm、33nmとした。また、誘電体光導波路の表面は水に浸されているとした。図１４からも明らかなように、銀を反射膜として用いた場合、波長400ｎｍでは鋭いディップが観測され、高感度が期待できるが、波300ｎｍでは、ディップが浅く、また幅も広いため、高感度は期待できない。【００２７】
図１２に見られるように、ｐ偏光に対しては、高感度が期待できない領域が、ｋが小さい領域側に寄っている。一般に金属は赤外〜紫外領域でｋが大きいので、ｐ偏光を用いた場合には殆どの金属を反射膜として用いることができる。一方、ｓ偏光を用いた場合、図１３に見られるように、高感度が期待できない領域が、ｋが大きい領域にも及んでいる。よって、ｓ偏光を用いた場合、使用可能な材料が制限されてしまう。
しかし、ｓ偏光を用いた場合の方がｐ偏光を用いた場合よりディップの幅が狭い場合がある。その例を図１５に示す。図１５は、波長633ｎｍの光を用い、屈折率1.8のガラス上に厚さ31nmのCuを反射膜として形成し、その上に厚さ1.1μｍの酸化シリコン(屈折率1.457)を形成した際のシミュレーション結果である。ここでも、入射光は図２に示したように、頂点が90°の三角プリズムを介して入射され、誘電体光導波路の表面は水に浸されているとした。図１５では、点線がｓ偏光に対するシミュレーション結果であり、実線がｐ偏光に対するシミュレーション結果である。【００２８】
この図から分かるように、ｓ偏光を用いた場合の方がディップの幅が狭い。ここで、誘電体光導波路表面に検出対象分子が付着した際、ディップが生じる角度の変化量はｓ偏光、ｐ偏光ともに同程度であることから、ディップが狭いｓ偏光を用いた場合の方が、感度が良くなる。
また、ｓ偏光を用いる際には、ｎが大きくｋが小さい半導体材料を使用することも有効である。
以上のことから、反射膜としてどの材料を用いるかは、用いる光の波長、及びその波長に対する材料のｎ、ｋ、及びその材料によって得られる角度θaにおけるディップの深さや幅を考え、最適なものを選ぶことが望ましい。【００２９】
反射膜の厚さもディップの深さや幅に大きな影響を与える為、最適値を選択する必要がある。例えば、反射膜が厚すぎると光が光導波路に到達せず、ディップが現れなくなってしまう。また、反射膜の選択には、その反射膜の持つ他の特性、例えば、温度に対する安定性、ガラスとの密着性、なども重要である。ガラスと密着しにくい材料を用いる場合、例えば金や銀を反射膜として用いる場合、ガラスとの密着性を向上させるために、Ｃｒなどの接着層を間に挟むことが有効である。
しかし、高温で長時間使用する際などは、接着材料が金や銀内に拡散し、センサーとしての特性に変化が生じてしまう恐れもあるため、なるべく、接着層は使用しない方がよい。よって、こういった観点からは、ガラスとの密着性の高い材料を反射膜の材料として選択することが望ましい。【００３０】
誘電体光導波路については、上述のようにその厚さや屈折率と発生する光導波モードとの間に大きな関係がある。屈折率1.479の酸化シリコンを光導波路に用いる場合の酸化シリコン層の膜厚と、反射光強度と光の入射角の関係を、図４（ｐ偏光）及び図５（ｓ偏光）に示す。ここでは、屈折率1.846のガラスと、反射膜として膜厚47nmの金を用い、照射光波長は633nmとした。また、誘電体層表面はリン酸緩衝液（ＰＢＳ緩衝液）に浸されているとした。図中の数字は、酸化シリコン層の厚さである。ｐ偏光では、酸化シリコンの膜厚が600nmのときには、１次の光導波モードとの結合によるディップが発現している。また、酸化シリコンの膜厚が900nmの時には、２次の導波モードとの結合によるディップの発現も確認できる。ｓ偏光では、酸化シリコンの膜厚が650nmのときには1次の光導波モードとの結合によるディップが発現しており、700nmおよび750nmの場合には2次の光導波モードとの結合によるディップの発現が観測されている。【００３１】
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、リン酸緩衝液中で屈折率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。
図６の左は、従来型の表面プラズモン共鳴（SPR）モードによるディップを利用したもの、右はs偏光の2次の光導波モードとの結合によるディップを利用したものを示す。SPRモード用いた場合、最大で0.15の変化量が期待されるのに対し、ｓ偏光の2次の光導波モードとの結合によるディップを利用した場合、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高感度化が期待できる。【００３２】
光導波モードとの結合によるディップは、反射光強度が減少する入射角の範囲、つまりディップの幅、が表面プラズモン共鳴の場合と比較して、非常に狭いのが特徴である。よって光導波路表面に被検出試料が吸着あるいは結合すると、反射光強度が減少する入射角が大きく変化する。
図６で示したように、２次の光導波モードとの結合によるディップが起こる角度に入射角を固定した場合に得られる反射率変化量は、表面プラズモン共鳴を利用する場合と比較して、理論的に４倍程度大きい。従って、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。【００３３】
また、図７に示すように、１次の光導波モードとの結合によるディップに比べ、2次の光導波モードとの結合によるディップは反射光強度が減少する入射角範囲が広い。図７で示す楔形の曲線部分において、1次の光導波モードにおける半値幅が0.03°であるのに対し、2次の光導波モードでは0.08°と見積もられる。したがって、2次の光導波モードは、1次の光導波モードに比べ、入射角の制御が容易であるという著しい特徴を有する。
一方、感度は1次および2次の光導波モードにおいてほぼ同等であるため、被検出試料の検出における2次の光導波モードの利用は、1次の光導波モードに比べて優れている。
【実施例】
【００３４】
屈折率1.846の板ガラスをガラス基板として用い、金を金属として用い、誘電体光導波路として酸化シリコンを用いた場合、フレネルの法則に基づくフレネルの式を用いて、2次の光導波モードとの結合によるディップが発現する酸化シリコン光導波路の膜厚を計算したところ、p偏光では900 nm以上、s偏光では700  nm以上であることが明らかとなった。そこで、25mm四方、厚さ1mm、屈折率1.846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760 nm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。【００３５】
スパッタリングされた光導波路面が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、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チップに照射した。
反射光強度は集光レンズを通してフォトダイオードで検出した。入射角を45°から60°まで変化させながら、反射光強度を測定したところ、図８に示すように57°付近に1次の光導波モード、48°付近に2次の光導波モードとの結合によるディップが検出された。【００３６】
次に、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リン酸緩衝液を液セル中に注入した。
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９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チップ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。【００３７】
次に、入射角を47.79°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ながら反射光強度を測定した。図１０に示すように、注入直後から反射光強度が著しく増加し、約20分でほぼ一定になった。
観測された反射率変化量は0.448であった。また、図１１に示すように、入射角を45°から60°まで変化させながら反射光強度を測定したところ、ストレプトアビジンの吸着による膜厚増加により、1次および2次の光導波モードとの結合によるディップが発現する入射角が高角度側にシフトした。このとき、2次の光導波モードの場合、反射光強度が最小になる角度はビオチニル基導入後から0.08°高角度側にシフトした。【００３８】
入射角に対する反射光強度をプロットしたときに得られた反射率曲線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、ストレプトアビジンが平均膜厚5 nmでビオチニル基に吸着していることが明らかとなった。
金薄膜上にビオチニル基を修飾し、平均膜厚5 nmでストレプトアビジンが吸着すると仮定し、表面プラズモン共鳴が起こる入射角付近での反射率変化量をフレネルの式に基づいて計算したところ、最大で0.15程度であった。
一方、2次の導波モードを利用する場合、計算による反射率変化量の最大値は、0.62であった。また、２次の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計算値よりも上回っており、検出の高感度化は明白である。【００３９】
上述のように、フレネルの式を用いたシミュレーション結果と、実際の実験結果との間には非常に良い相関関係があることから、このシミュレーションによって、様々な反射膜を用いた場合の結果を予測することができる。よって、以下にシミュレーションによって予想される本発明の好適な例を示す。
まずは、反射膜にシリコンを用いた場合である。シリコン反射膜の膜厚は30nm、入射光の波長は633nm、光導波路層は屈折率1.457、厚さ1080nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光はｓ偏光とし、2次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図１６の左図は、この2次の導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図１６の右図に示す。最大0.26の反射率の変化（減少）が望めることが分かる。【００４０】
次に、シリコン反射膜の膜厚27nm、入射光の波長633nm、光導波路層は屈折率1.457、厚さ550nmのシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光はｓ偏光とし、１次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図１７の左図は、この１次の導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図１７の右図に示す。最大0.25の反射率の変化（減少）が望めることが分かる。
以上から分かるように、反射膜にシリコンを用いた場合でも従来の表面プラズモン共鳴を用いる場合(予想最大反射率変化0.15)より、大きな変化が得られることが分かる。シリコンはガラス材料と非常に密着性が良く、また、熱安定性が非常に高い。よって、安定なセンサーを得ることができる。【００４１】
次は、反射膜に銅を用いた場合である。銅反射膜の膜厚は39nm、入射光の波長は826.5nm、光導波路層は屈折率1.452、厚さ1400nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光はp偏光とし、2次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図１８の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図１８の右図に示す。最大0.22の反射率の変化（増加）が望めることが分かる。このように、反射膜に銅を用いた場合でも従来の表面プラズモン共鳴を用いる場合より、大きな変化が得られることが分かる。【００４２】
次に、銅反射膜の膜厚31nm、入射光の波長826.5nm、光導波路層は屈折率1.452、厚さ1400nmのシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光はｓ偏光とし、２次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図１９の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図１９の右図に示す。最大0.67の反射率の変化（増加）が望めることが分かる。【００４３】
次に、銅反射膜の膜厚33nm、入射光の波長826.5nm、光導波路層は屈折率1.452、厚さ800nmのシリカガラスを用いた場合の計算結果を示す。ここでは、入射光はｓ偏光とし、1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図２０の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図２０の右図に示す。最大０．６８の反射率の変化（増加）が望めることが分かる。
図１９、図２０から分かるように、反射膜に銅を用い、且つｓ偏光を用いることによって、非常に大きな反射率の変化が得られることが分かる。銅は金や銀に比べるとガラス材料と密着性が良い。よって、安定且つ高感度なセンサーを得ることができる。【００４４】
次は、反射膜にクロムを用いた場合である。クロム反射膜の膜厚は10nm、入射光の波長は300nm、光導波路層は屈折率1.488、厚さ300nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光はｓ偏光とし、1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図２１の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図２１の右図に示す。最大0.21の反射率の変化（増加）が望めることが分かる。
この場合、センサーとしての感度、及び反射膜の密着性の両方とも良好で、さらには、短波長の光源を用いることによって、誘電体光導波路層を薄くでき、誘電体光導波路層の作製が容易である、と言うメリットもある。【００４５】
次は、反射膜にタンタルを用いた場合である。タンタル反射膜の膜厚は22nm、入射光の波長は1000nm、光導波路層は屈折率1.45、厚さ1000nmのシリカガラスとして計算を行った。入射光はｓ偏光とし、1次の導波モードとの結合によるディップを用いた。図２２の左図は、この導波モードとの結合によるディップを示す。ここで、誘電体光導波路表面に屈折率1.45厚さ5nmの物質が吸着した場合の反射率変化量と入射角度の関係を図２２の右図に示す。最大0.21の反射率の変化（増加）が望めることが分かる。
この場合も、センサーとしての感度、及び反射膜の密着性の両方とも良好である。さらには、長波長の光源を用いることによって、生体分子を観測する際の分子に対するダメージを軽減できるというメリットもある。
【産業上の利用可能性】
【００４６】
本発明は、上記の通り、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、誘電体層の表面に薄膜を形成すれば、この薄膜の屈折率や誘電率や厚さ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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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図３】
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