光波導和採用該光波導的螢光傳感器的製作方法
2023-12-06 13:24:51
專利名稱：光波導和採用該光波導的螢光傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種光波導和採用該光波導的螢光傳感器。
背景技術：
目前已經研製出各種分析設備。其作為用來確定分析物在液體中的濃度的設備。例如，在一種這樣的分析設備中，將幾毫升含有分析物的溶液放入具有固定容積的透明容器中，用適當的光照射該容器，並且測量出分析物的光吸收或螢光。這種類型的分析設備被稱為螢光分光光度計。
這樣設計螢光分光光度計，從而使激發光束的照射軸線設定為相對於所要測量的螢光的光軸成90°，另外使用稜鏡和/或衍射光柵來防止激發光束的波長寬度與所要測量的螢光的波長寬度重疊，由此防止將激發光束的信號加入到螢光的信號中。採用該結構來避免出現這樣一個問題，即，一旦激發光束入射在用於檢測螢光的光電探測器上，則來自激發光束的信號將會作為偏壓加入到根據分析物變化的螢光上，從而與分析物濃度變化對應的信號變化會相對地降低，從而導致靈敏度變差。
同時，為了獲得這樣一種傳感器，其適用於在微升級的量上確定出在血液中的分析物或者能夠一直連接到活體上或者嵌入在其中，降低尺寸和能耗是重要因素。但是，螢光分光光度計結構複雜，因此其尺寸不能減小至能夠一直連接在活體上或嵌入在其中這樣一個程度。
鑑於此，已經對減小用於微量液體試樣的測量儀器(傳感器)的尺寸進行了研究。
例如，現有一種為了測量在活體內的體液中的葡萄糖而微型化的設備。這種微型傳感器包括用於通過採用酶作為分子識別材料並且採用光纖來測量在微量溶液中的青黴素的傳感器(參見S.M.Angel等人，「Development and Application of Fiber Optic Sensors」，ChemicalSensor Technology，3(1991)，第163-183頁)。
在該傳感器中，將作為酶的青黴素酶和作為螢光著色物質的螢光素固定在直徑為250μm的光纖的端面上，並且在其附近存在青黴素的情況下通過青黴素酶使青黴素分解。在該反應時產生的氫離子引起PH值變化，由於PH值變化而產生的在螢光素的螢光強度方面的變化通過光纖傳送並且由光電探測器讀出，並且測量出青黴素量。但是，在採用該傳感器進行的測量中，難以在微小光纖頂端處均勻地形成酶固定膜，並且螢光不僅沿著光纖方向而且還沿著所有方向擴散，從而所獲得的螢光信號非常小，並且如可以容易地推想的一樣，光電探測器必須具有高放大係數。
另外，其它傳感器包括採用平板狀光波導(平板光波導)的傳感器。採用平板光波導的傳感器是一種利用抗原-抗體反應的免疫傳感器。此外，現有一種採用單調光波導作為氧氣傳感器或離子傳感器的光波導型生物傳感器。
此外，採用單調光波導的其它傳感器包括這樣一種傳感器，其中將具有固定在其上的葡萄糖氧化酶的薄膜安放在單調光波導上，並且使氬雷射束在該波導中傳導(日本專利特許公開平9-61346)。該傳感器通過利用其中作為葡萄糖氧化酶中的輔酶的FAD吸收由氬雷射束產生的迅衰波以發螢光的效應，來以高靈敏度測量葡萄糖的濃度。
但是，該傳感器難以減小所利用的氬雷射器的尺寸。例如，與LED的情況相比，難以實現氬雷射器的尺寸的減小和能耗的降低，並且對於減小包括光學系統在內的該傳感器的整體尺寸也存在限制。此外，迅衰波在該傳感器的表面處只能激發出厚度與波長大致對應的FAD，從而只能獲得微弱的螢光。
同時，在治療糖尿病領域中已知，將病人的葡萄糖水平自控制至在正常範圍內，對於防止例如視網膜病和腎病的併發症是重要的。因此，許多年來一直在努力開發一種用於連續測量活體中的葡萄糖濃度的方法。為此，可以容易地設想出，採用這樣一種系統是有效的，即，其中將具有通過可逆地與葡萄糖反應來顯示出螢光特性變化的指示劑層的檢測器嵌入在活體中，根據螢光量的變化測量出葡萄糖濃度，並且通過電磁波等從活體中導出數據。
作為可以用於用來實現該目的的指示劑層的構件，已經提出這樣一種構件，其中能夠與葡萄糖可逆地結合的螢光物質(例如苯基硼酸)通過共價鍵與聚苯乙烯結合(美國專利No.5137833)。
另外，已經存在針對能夠尤其與位於活體組分中的各種糖組分之中的葡萄糖可逆地結合的螢光物質的方案(美國專利No.5503770)，以及有關能夠容易地嵌入活體中的更小類型的光源和檢測器的方案(美國專利No.5039490)等。
但是，迄今為止，還沒有實現這樣一種設備，即，通過它可以精確、連續和長時間地監測活體中的葡萄糖濃度。
通常，在螢光測定法中，從螢光物質發出的螢光量與激發光束量相比非常小，因此，使入射在光電探測器上的激發光束量儘可能小是重要的。作為這種傳感器，已經提出一種微型傳感器，其中利用光刻方法將光源、光電探測器和其光學特性隨著分析物變化的指示劑層整體相互層壓(美國專利No.5157262)。多年來一直試圖設計和研究出具有能夠將尺寸減小至現有技術所不能實現的程度的結構的光電探測器-光源一體型傳感器。但是，實際上由於由在這些層之間的折射率差異引起的反射或由於光在用於給LED(光源)和光電探測器供電的導線上的反射而導致的漫射光或類似光容易入射在光電探測器上，並且即使在採用濾光器時，該結構也難以實現用於以高靈敏度測量出相對於激發光束暗淡的螢光的傳感器。
作為另一種傳感器，已經提出一種小型傳感器結構，其中配置有一LED和一光電探測器，並且在它們之間設有一屏幕，從而來自LED的光不能直接入射在光電探測器上(美國專利申請No.2003/0156290)。該傳感器沒有由電線等不規則地反射出的光，有減少漫射光的功效，並且能夠以高靈敏度檢測出螢光的成分。
但是，在這種小型傳感器中，來自位於傳感器表面上的指示劑層的螢光為暗淡的散射光，並且因此顯然的是，減小光電探測器表面和指示劑之間的間距對於以高精確度測量出在活體中的葡萄糖濃度而言是有效的。但是在該方案中，在LED光的方向和朝著光電探測器的螢光的方向之間必須形成一角度，因此在LED和光電探測器以及包括螢光指示劑的傳感器表面之間必須設有用於光束相交的空間，從而導致傳感器的整體尺寸將加大並且螢光檢測的效率可能會變差。
發明內容
考慮到上面的情況，本發明的一個目的在於提供一種光波導，從而可以有效地激發出螢光同時抑制由激發光束反射引起的漫射光，並且可以將所產生出的螢光有效地引導至光電探測器上。
本發明的另一個目的在於提供一種螢光傳感器，通過使用所述波導可以使其尺寸減小至這樣一個程度，即，可以將該傳感器用作嵌入體內式傳感器。
為了實現上述第一個目的，根據本發明，提供一種包括一透光材料的光波導，該光波導包括一光導入部分，它用於導入來自光源的光；一光發射表面，它用於發射通過光導入部分導入的光；一透光表面，它與光發射表面相對並且通過它將從光發射表面入射的一部分外部光透射到外面；一不規則反射部分，它設在透光表面上，以改變光在透光表面上的反射角；以及一分光部分，它設在從光導入部分到光發射表面和透光表面範圍的區域中的表面上，該分光部分具有由其折射率低於透光材料的折射率並且高於與該透光表面接觸的材料的折射率的材料形成的吸光層。
此外，為了實現上面的另一個目的，根據本發明，提供一種螢光電探測器，它包括上述光波導；一光源，其用於將激發光束髮射到光波導的光導入部分；一指示劑層，它設置成與光波導的光發射表面緊密接觸並且包括含有用來通過與分析物可逆地結合顯示出螢光特性變化的螢光指示劑分子的水凝膠；以及一光電探測器，它設在與光波導的透光表面相對的位置處，用來將來自指示劑層的螢光轉變成電信號。
圖1為一剖視圖，顯示出其上應用了本發明的光波導；圖2A和2B為透視圖，顯示出該光波導；圖3為一剖視圖，顯示出一不規則反射部分的結構；圖4為一平面圖，顯示出該不規則反射部分的布置圖案的一個例子；圖5為一平面圖，顯示出該不規則反射部分的布置圖案的另一個例子；圖6為一剖視圖，顯示出該不規則反射部分的另一個實施例的結構；圖7為一透視圖，只顯示出構成在透光表面處形成的不規則反射部分的點部分；圖8為一剖視圖，顯示出該不規則反射部分的另一個實施例的結構；圖9為一透視圖，顯示出其上應用了本發明的光波導的另一個
具體實施例方式
下面將參照這些附圖對本發明的這些實施例進行說明。
圖1為一剖視圖，用於顯示根據本發明的光波導的一個例子，以及圖2A和2B為該光波導的透視圖，其中圖2A顯示出透光表面側並且圖2B顯示出光發射表面側，從而可以看到在光波導的兩側上的結構。
該光波導1以一波導主體6為基礎，該主體形狀為平板狀並且由一種透明透光材料形成，通過它可以透射激發光束和螢光。
該波導主體6包括一光導入部分3，其用於將來自光源2例如LED的光導入波導主體6內；一光發射表面8，其用於發射通過光導入部分3導入的光；一透光表面9，它被設置成與光發射表面8平行相對，並且通過它將通過光反射表面8入射的至少一部分外部光透射到外面；一不規則反射部分10，它設在透光表面9上，用來改變光在透光表面9上的反射角；一分光部分5，它設在從光導入部分3到光發射表面8和透光表面9範圍的表面上，該分光部分具有由其折射率低于波導主體6並且高於與該透光表面9接觸的材料的折射率的材料形成的吸光層4；以及一反射鏡部分11，它設在與光導入部分3相對的位置處。另外，該波導主體6設有也在從光反射表面8和透光表面9到反射鏡部分11的範圍中的分光部分5。
該光波導1例如用於螢光傳感器，該傳感器用來測量並且連續地確定位於在活體中並且顯示出螢光的分析物或在光學上不活潑但是其螢光特性隨著與指示劑分子結合而變化的分析物。下面將對這種螢光傳感器的詳細結構進行說明。順便說一下，該螢光傳感器具有這樣一種總體結構，其中光源2布置在波導1的光導入部分3的側面上，光發射表面8布置在用於與含有分析物的液體接觸的側面上，並且光電探測器布置在透光表面9的側面上。在透光表面9和光電探測器之間設有其折射率較低的空間。根據構成波導主體6的材料形成具有較低折射率的該空間；在其中波導6由透明的實心物質形成的情況下，一般來說用例如氮氣的惰性氣體或折射率大約為1的空氣填充該空間。與波導主體6接觸的空間填充有空氣或氮氣，並且可以將該空間設定成具有預定的折射率；因此，這種空間在下文中也被稱為一種材料。
該波導主體6可以根據例如螢光傳感器的尺寸和/或所引導的光的量自由地進行設計，並且其厚度例如為大約10μm至3mm。
滿足n1＞n2+0.01和n2＞n3+0.01的關係，其中n1為波導主體6的折射率(透光材料)，n2為吸收層4的折射率，並且n3為與透光表面9接觸的材料的折射率。這使之能夠防止出現這樣一個問題，即，通過光導入部分3入射的光的沒有進行全反射的光分量將通過透光表面9洩漏出從而入射在光電探測器上，由此妨礙所期望的螢光測量。順便說一下，這些關係優選為n1＞n2+0.1和n2＞n3+0.1。
此外，分光部分5位於從光導入部分3到光發射表面8和透光表面9的範圍中的距離X可以表示為X＝t1×L×Tan(Sin-1(n2/n1))，其中L為波導主體6的厚度，n1為波導主體6的折射率，並且n2為吸收層4的折射率。在該情況中，t1必須為大於1的數值，優選大於3，並且更優選的是大於5。順便說一下，該數值的上限在理論上可以在光可以到達的距離範圍內擴大；但是實際上，該數值要考慮在螢光傳感器內的布置來設計。考慮到特定的設計，t1優選不大於1000。另外，分光部分5的長度優選為波導主體6的厚度的5至10倍。順便說一下，分光部分5在從光發射表面8和透光表面9到反射鏡部分11的範圍中的距離也優選按照與上述分光部分5相同的方式滿足上述公式，但是不同分光部分5的數值可以不必相等。
用于波導主體6的母材可以為任意的母材，只要它能夠這樣傳送光，即，不會破壞用在螢光傳感器中的用於發螢光的激發光束和螢光傳感器的功能。母材的優選示例包括玻璃，例如合成石英、硼矽玻璃等，及塑料，例如丙烯酸樹脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、環狀聚烯烴等。這些母材的每一種的折射率必須至少高於與光反射表面8接觸的材料，即含有分析物的液體或含有該液體的水凝膠的折射率和吸收層4的折射率；例如，該母材的折射率優選不小於1.45。
光發射表面8位于波導主體6的一個表面處。同樣，透光表面9位于波導主體6的另一個表面處。光發射表面8和透光表面9平行地形成在兩個相對位置處，並且波導主體6介於它們之間，即在它們之間具有將光引導從中穿過的部分，從而通過光發射表面8入射的大部分光可以在沒有在波導主體6內反射的情況下通過穿過透光表面9到達螢光傳感器中的光電探測器。
光導入部分3也位于波導主體6的一個表面處。讓這個表面為光導入表面，然後它讓該光導入表面為可以讓來自光源2的光通過它入射在波導主體6的內側上並且確保了至少一部分入射光能夠在分光部分5處全反射的表面就足夠了，並且該光導入表面可以為與光發射表面8和透光表面9垂直或傾斜的表面。
另外，一部分分光部分5可以形成為沒有吸收層4，該部分可以設有一凹入部分或一通孔，並且可以引導激發光束穿過該部分。
吸收層4由其折射率高於與透光表面9接觸的材料的折射率的材料形成；例如，在與透光表面接觸的材料為空氣的情況下，該吸收層4可以由氟樹脂形成。具體地說，通過光導入部分3入射的光以各種角度射在位于波導主體6和氟樹脂之間的界面上，同時該光由分光部分5反覆反射，以除了全反射角度之外的其它角度反射的光從波導主體6射出，而全反射分量被提供給不規則反射部分10。
在除了全反射分量之外的光通過分光部分5洩漏到波導主體6的周圍的情況中，射到外面的光很可能會在下面所述的螢光傳感器的外殼內進行不規則反射，從而再次入射穿過光發射表面8和分光部分5並且就好像作為漫射光通過透光表面9入射在光電探測器上一樣入射。這樣入射的漫射光造成該螢光傳感器的檢測靈敏度顯著下降。可以通過利用適當的方法(例如，通過用吸光塗層塗覆外殼的內側並且用隔壁分隔光發射表面的周圍以便光學地阻截該漫射光)來防止光反射表面8和透光表面9受到該漫射光，從而防止這種漫射光的入射。
在波導主體6的這些表面處的分光部分5的吸收層4可以由含有吸光著色物質的材料形成。這種吸收層4防止除了全反射分量之外的光通過分光部分5洩漏出，並且吸收已經通過波導主體6的吸光部分5洩漏出的除了全反射分量之外的光。因此，通過設置吸收層4，可以將通過光導入部分3導入的光的基本上只是全反射分量受引導並且提供給不規則反射部分10。
另外，由于波導主體6設有含有著色物質的吸收層4，所以確保了即使在漫射光分量應該位於外殼內的情況下，也可以防止漫射光進入波導主體6中。
吸收層4的母材優選為例如含有高度吸光化合物的氟樹脂。此外，隨著在波導主體6和吸收層4之間折射率差異越大，則來自光源2的光更有效地受到引導。因此，這些吸收層4優選由這樣一種材料形成，即，在該材料和波導主體6之間的折射率差異不小於0.01，優選不小於0.1。
至於材料的組合，在波導主體6採用了其折射率不小於1.5的玻璃或樹脂(例如硼矽玻璃和丙烯酸樹脂以及聚碳酸酯)的情況中，吸收層4的材料的更優選的例子包括氟樹脂，例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烴基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯-六氟丙稀共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和折射率大約為1.3至1.43的無定形氟樹脂。
其中將少量能夠吸收波導光的著色材料混合進上述母材中的樹脂薄膜可以作為吸收層4貼在波導主體上，或者可以通過將著色材料混合進溶解在溶劑中的無定形氟樹脂中、將所得到的混合物塗覆到波導主體6上以及使所塗覆的混合物乾燥來形成這些吸收層4。
此外，在其中採用折射率大約1.46的合成石英的情況中，優選採用折射率為1.34並且混合有適當比例的著色物質的無定形氟樹脂。
作為此處的著色物質，可以採用用於列印的基於染料和基於顏料的著色物質；其中，優選為能夠吸收寬波長範圍的光的碳黑。
吸收層4的厚度在這樣一個水平上就足夠了，即，不能使所要引導的光透射穿過吸收層4並且外部漫射光不能進入到波導主體6中；具體地說，該吸收層4其透光率優選為0.01％或以下。因此，可以將吸收層4的厚度控制在大約10至1000μm的範圍內，但是該厚度根據上述部分的母材而變化。具體地說，在混合有5％碳黑的氟樹脂的情況中，厚度為20μm的層確保了可以將進入波導主體6中的漫射光量控制為0.01％或以下。
另外，在吸收層4上可以模製有凹入部和/或凸出部，以用來使光電探測器等相對於外殼(後面所述的)的窗口部分定位。
不規則反射部分10設置用來將從光源2導入的光反射穿過光反射表面8，從而將激發光束射到含有分析物的液體的側面上。
圖3為一剖視圖，顯示出不規則反射部分10的結構。
該不規則反射部分10由其中其折射率高于波導主體6的透明材料混合有其折射率與透明材料不同的顆粒物的顆粒物混合透明層21和設置成將顆粒物混合透明層21與外面隔離的反射層22構成。
可以通過將具有高折射率並且含有反射顆粒物的透明塗料(透明材料)塗覆到透光表面9上、將該透明塗料烘乾以形成顆粒物混合透明層21、然後將要成為反射層22的不透光塗料(不透明材料)塗覆到乾燥透明塗層的外側上以便覆蓋該透明塗層，以及乾燥該不透明塗料以形成反射層22，從而在透光表面9上形成這種不規則反射部分10。
至於透明塗料，採用其折射率等於或高于波導主體6的折射率的材料。例如，在波導主體6由石英玻璃形成的情況中，優選採用丙烯酸塗料等作為透明塗料。可以通過其中將含有溶解在溶劑(例如UV固化樹脂)中的以摻雜形式在市場上銷售的塗料與作為反射顆粒物的氧化鈦、氧化鋁或金屬顆粒物或具有高折射率的中空玻璃顆粒物混合的方法來形成該顆粒物混合透明層21，並且以通過噴墨系統、凸版印刷等以點或圖案印刷在該表面上的形式將該混合物塗覆到波導主體的表面上。在這樣形成的點的外側表面上，再次採用含有碳黑或金屬顆粒物的不透明印刷油墨進行印刷，以形成該反射層22。順便說一下，在該顆粒物混合透明層21中的反射顆粒物可以為氣泡。
在不規則反射部分10處，在以大於全反射角的入射角導入到光波導1內的光入射在顆粒物混合透明層21上時，因為不規則反射部分10的折射率較高，所以該光不能進行全反射，並且該光進入到顆粒物混合透明層21中，以通過折射率大大不同的這些顆粒物被反射或折射。由於不能在波導主體6內進行全反射的這些入射角，所以這樣反射或折射的一部分光再次從不規則反射部分10射入到波導主體6中。因此，激發光束從光發射表面8發射到含有分析物的液體側上。
同時，從光發射表面8發射出並且透射穿過透光表面9從而入射在光電探測器上的螢光分量為散射光。因此，為了以高靈敏度檢測出該螢光，重要的是從設在光發射表面8上的指示劑(下面詳細描述)到光電探測器的距離儘可能短，並且可以通過與該距離相比儘可能寬的區域將該螢光能量傳送到光電探測器側上。因此，重要的是，將光發射表面8和透光表面9的面積設定得儘可能寬，以便容納不小于波導主體6的厚度的幾倍到幾十倍的距離。在該實施例中，從螢光指示劑到光電探測器的距離可以減小至十幾個微米，這是通過將不規則反射部分10的厚度加上波導主體6的10μm最小厚度所得到的數值。因此，可以實現儘管尺寸較小但能夠將螢光能量有效地傳送給光電探測器的傳感器。
不規則反射部分10可以採取各種形狀，例如圓形、橢圓形、直線形、網狀等形狀。但是從提高螢光檢測效率和減小尺寸方面看，優選的是，將該不規則部分10分散在透光表面9上，從而使通過光發射表面8均勻地反射出激發光束。
圖4和5為平面圖，顯示出該不規則部分10的布置圖案的例子。
為了通過光發射表面8均勻地發射出激發光束，可以想到例如採取如圖4所示的由多個圓點構成的圖案或如圖5所示由矩形點51的組合構成的圖案。
這種圖案可以具有這樣一種結構，其中這些點41或矩形點51構成不規則反射部分10，或者具有這樣一種結構，其中這些點41或矩形點51為透光部分並且其它部分構成不規則反射部分10。
在其中這些點41或矩形點51構成不規則反射部分10的情況中，在除了不規則反射部分10之外的透光表面9上的任意點最好彼此間隔不超過至少由2×L×Tan(Sin-1(n4/n1))表示的數值，即在不規則反射部分10中的不規則反射部分之間的距離，該數值優選小於L×Tan(Sin-1(n4/n1))，其中n4為與光發射表面8接觸並且含有螢光指示劑的材料的折射率。這確保了通過光發射表面8均勻地發射出激發光束。順便說一下，該說明也適用於其中點41或矩形點51為能夠讓螢光從中透射穿過的透明部分並且其它部分構成不規則反射部分10的情況。此外，該說明保持與這些點的形狀無關。具體的數值根據波導主體6的折射率和與光發射表面8接觸的指示劑層的折射率變化；通常優選的數值在波導主體的厚度L的5倍範圍內，更優選在該厚度L的2倍範圍內。
另一方面，不規則反射部分10基於透光表面9的整個面積的比例沒有特別限制，但是通常將該比例設定得儘可能小，比如優選設定在50％至0.1％的範圍內，更優選設定在20至1％的範圍內。該比例可以根據所引導的激發光束量、不規則反射部分10的效率或螢光相對於在作為傳感器測量對象的螢光指示劑處的激發光束的比例來設定；例如，在具有多個光發射表面8和透光表面9的傳感器的情況中，可以根據螢光傳感器的設計，將為了能夠通過這多個透光表面9進行有效測量而通過每個光發射表面8應該發射出的所引導的激發光束的百分比設定成適當的數值。
此外，光發射表面8和透光表面9的面積和形狀可以根據所使用的光電探測器的尺寸和/或所獲得的螢光信號的平衡來確定，並且沒有特別限制。例如，可以採取從直徑大約為50μm的圓形到邊長大約為10mm的方形的尺寸和形狀。
這裡，將對該不規則反射部分的另一種形式進行說明。
由光波導1引導的在波導主體6的表面上的光的入射角在通常結構中不小於大約45度。因此，對於所引導的光的有效不規則反射而言，可以通過如上所述地將具有高折射率的塗料塗覆到透光表面9上來形成顆粒物混合透明層21，或者可以提供相對于波導主體6的透光表面9凹入到波導主體6中的不規則反射部分10。在後者的情況中，與前者的情況相比可以實現更多光的不規則反射。
圖6為一剖視圖，顯示出該不規則反射部分10的另一個形式的結構。
該不規則反射部分10由多個點63構成，每個點由一個凹入部分61和設置在其周邊中的凸緣部分62構成。
凸緣部分62與波導主體6的表面接觸，並且接觸表面與波導主體6一樣在光學上是平坦的。凹入部分61從波導主體6的表面凹入到波導內部。這裡，如此形成該凹入部分61和凸緣部分62，從而以所引導的激發光束相對於從凸緣部分62的一個端部64開始垂直于波導主體6畫出的法線的最小入射角θ畫出的直線在任何情況下都不會與凹入部分61接觸。
在由凹入部分61沿著各個方向不規則反射的激發光束中，與波導光的方式一樣，以能夠通過在波導主體6內的全反射進行波導的這些角度反射的光束不能通過透光表面9發射出。但是，以其它角度不規則反射的光束可在它們朝著光發射表面8側的情況下通過光發射表面8發射出；另一方面，朝著透光表面9側的光束必須由凸緣部分62反射，並且通過光發射表面8發射出或者由分光部分5吸收，從而它們不能通過透光表面9發射出。因此，散射光分量將不會通過透光表面9直接發射出，以入射在光電探測器上。因此，包括凸緣部分62的這些點63可起反射部分的作用。
這些點63由易於反射光的材料形成，並且可以通過其中採用了市售光滑塗料的印刷方法而生產。例如，可以通過採用近年來已經明顯進步的雷射微加工技術或光刻技術來實現更細小的不規則反射部分10。
這裡，將對生產其中採用玻璃來形成波導主體6的不規則反射部分10的一個例子進行說明。在生產不規則反射部分10時，首先通過旋塗等將可UV固化樹脂塗覆在玻璃板上，按照所要求的圖案進行曝光，並且用樹脂遮住除了用於凹入部分61成形的區域之外的其它區域。接著，利用反應離子蝕刻設備進行蝕刻，同時引入氟化碳，從而在沒有遮住的區域中形成凹入部分61。
在通過拋光、熱酚法等除去遮蔽劑之後，通過濺射或氣相沉積將能夠有效反射波導光的例如鋁和銀的金屬塗覆到透光表面的整個區域上。在該情況中，金屬部分必須具有不能讓光從中穿過的這樣一個厚度，並且該厚度最好不小於要被波導的激發光束的波長的2倍，並且不小於1μm。在只是通過氣相沉積或濺射不能獲得所要求的厚度的情況中，可以通過鍍覆處理進一步增加該厚度。通過旋塗等將可UV固化樹脂塗覆到塗有金屬的透光表面的整個區域上，之後進行UV曝光，從而形成覆蓋凸緣部分62和凹入部分61的圖案，並且進行衝洗以去除未固化的可UV固化樹脂。最後，利用酸或電解去除暴露出的金屬部分，從而獲得點63的圖案。
順便說一下，也可以通過其中採用了激基雷射器或YAG雷射器的蝕刻方法而不用遮蔽來形成凹入部分61。在將凹入部分61的直徑設計成較大的情況下，也可以通過使用噴砂或鑽具進行機械切割來形成凹入部分61。
在該光波導1由塑料製成的情況中，通過採用用在雷射唱片生產中的技術，利用設有凹入部分61的玻璃圓晶作為電成形模具來生產出凸型模具，並且利用該凸型模具作為壓模，從而將凹入部分61傳給熱塑性樹脂薄膜，由此可以形成不規則反射部分10。另外，在按照與玻璃製成的光波導的情況中相同的方式進行金屬的氣相沉積之後，通過光刻只是將不規則反射部分10塗覆掩模，並且利用酸或電解去除在該不規則反射部分周圍部分中的金屬薄膜部分，由此可以生產出該光波導1。
在這種生產方法的情況中，與如上所述的通過塗覆生產點63的情況相比，可以生產出非常細小的不規則反射部分10。例如，在生產圓形不規則反射部分10的情況中，印刷方法最小得到大約0.2mm的直徑，但是採用光刻法能夠實現大約為1μm的直徑。但是，為了讓激發光束更有效反射，過分減小凹入部分61的尺寸沒有意義。在凹入部分61形狀為圓柱形的情況下，其最小直徑和深度最好不小於激發光束波長的2倍，並且根據功能，適當的直徑大約為1至300μm，並且適當的深度為1至100μm。
另一方面，容易引起光不規則反射的部分為凹入部分61的邊緣部分或者底面和側面的與透光部分9不平行或者不垂直的那些部分。因此，儘可能多地在凹入部分61的內側表面處形成這些部分保證有效的不規則反射。因此，在波導主體6的厚度L相對較大，例如不小於大約0.5mm的情況和類似情況中，在不規則反射部分10的點63中形成多個直徑為1至50μm並且深度為1至50μm的小凹入部分61能夠實現通過光發射表面8有效地反射激發光束。同時，這具有減小凸緣部分62基於透光表面9的面積比例的作用，這阻礙了螢光傳送到光電探測器並且不會顯示出激發光束的不規則反射。因此，可以減小用於阻截在透光表面9上的螢光的區域，並且可以將螢光有效地傳送給光電探測器。另外，還可以有效地預先形成較大的凹入部分61並且在該較大的凹入部分61中形成多個更小的凹入部分61。
另外，該不規則反射部分10可以具有這樣一種結構，其中形成有多個(至少兩個)凹入部分，並且多個凹入部分設置在一個點中，從而這多個凹入部分基本上被一個反射部分覆蓋。在該情況中，這多個凹入部分的每一個也優選具有大約1至50μm的直徑以及大約1至50μm的深度。
另外，在圖5所示的矩形點51的圖案的情況中，可以形成平行的線性凹入部分61，或者如在圖7中只是該點部分的透視圖中所示的那樣，可以在點72的內部中設置線性凹入部分71。在其中在點72的內部中設置線性凹入部分71的情況中，這些凹入部分71的最小寬度最好大約為1至50μm，並且這些凹入部分71的深度最好為1至50μm。
順便說一下，雖然已經將這些凹入部分61的形狀以舉例的方式描述成圓柱形或線性，但是如前面參考圖6所述，將凹入部分61的深度設計成使得以所波導的激發光束相對於從凸緣部分62的端部開始垂直于波導主體6畫出的法線的最小入射角θ畫出的直線在任何情況下都不會與凹入部分61接觸就足夠了。因此，可以採用這樣一種方法，其中通過鑽具、噴砂或者拋光而形成具有相對較大表面粗糙度的錐形凹入部分61，並利用雷射器在凹入部分61內形成較小的凹入部分61。
另外，如圖8的剖面圖所示，可以通過這樣一種方法形成不規則反射部分10，其中在凹入部分82內施加具有高折射率並且混合具有高折射率的氧化鈦、氧化鋁或者其它金屬、中空玻璃顆粒等的塗層材料81，在塗層上通過氣相沉積或者濺射形成金屬薄膜83。結果，凹入部分82內填充了通過將折射率高于波導主體6的透明材料的塗布材料與折射率與該透明材料不同的微粒金屬材料相混合而製成的混合材料。在這種方法中，凹入部分82內填充了混合有微粒的塗布材料，由此可以獲得有效的不規則反射，這與利用氟化碳蝕刻合成石英的情況相反，由此凹入部分82的底部易於成為具有相對小和少量的凸起以及凹陷的平滑平面，從而難以獲得被波導的光的不規則反射。
另外，在側表面(該表面包括光透射表面9)的除了光發射表面8之外的部分附近，光波導1具有用於反射被波導的光的反射鏡部分11，以及波導主體6的光導入部分3(圖1)。反射鏡部分11是反射構件，可例如與利用不規則反射部分製造中的氣相沉積或者濺射的步驟同時製造，或者通過施加反射鏡塗布材料來製造。這樣確保沒有射到波導主體6外的被波導的光由反射鏡部分11所反射，並沿著光發射表面8的方向被再次波導，從而可以有效地利用光作為激發光束。
儘管在圖1中將反射鏡部分11畫在與波導主體6的光波導方向垂直的表面附近，但是側表面可以相對於豎直方向傾斜大約1-5度的角度。
另外，反射鏡部分11可以設置在分光部分5和透光表面9之間的邊界附近的波導主體表面處，由此可以提高製造步驟的準確性。
另外，在波導主體6表面的至少分光部分5和透光表面9上，光波導1可以包括折射率低於的波導主體6母材的一層透明母材層。這樣確保減少通過光導入部分3導入的光中由分光部分5所吸收的光的量，由此可增加可以被波導的光量。
通過利用透鏡等，按照減去由分光部分5所吸收的光的角度的形式，可以預先設定通過光導入部分3所導入的光的角度。為此，例如將波導主體6在光導入部分3處的端部表面形成為凸透鏡。
但是光波導部分1具有可以用於小型螢光感應器的重要目的，因此希望具有儘可能簡單的結構。儘管易於減少波導主體6的厚度以減小尺寸，但是在波導主體6更薄時就更加難以在光導入部分3處準確地形成透鏡。在該實施例中，利用LED透鏡作為光源2。LED光使其如在雷射束的情況中一樣難以準確地會聚光以及控制入射角；因此為了增加被波導的光量，應有效地是設置具有低折射率的透明材料層。這種結構在例如光纖的其它光波導的情況下是一個普遍的方法，採用一個傾斜折射率層從而使得折射率從波導朝外逐漸降低的技術也是已知的。
作為用於形成透明母材層的母材，優選的是已經用於形成分光部分5的氟樹脂；在用於光纖時顯示出良好結果的氟樹脂，並且在這種情況下，不向樹脂中加入用於吸收波導光的有色材料，例如碳黑。
另外，當使用玻璃來形成波導主體6時，除了使用氟樹脂之外，可以採用塗布多孔玻璃的方法以及給波導主體6塗布氟的方法。
此處，用於形成上述部分的母材示例的折射率集中表示在以下表1中。
表1
這些部分的折射率屬於這樣一種關係，即，[波導主體6的折射率]＞[與光發射表面8相接觸的材料(也就是含有被分析物的液體或者含有水凝膠的液體)的折射率和與吸收層4相接觸的材料的折射率]＞[與透光表面9相接觸的材料的折射率]。根據入射在這些部分之間的邊界上的可波導的光的全反射角，這可以表述為[在透光表面9處的全反射角]＜[在光發射表面8處的全反射角和在分光部分5處的全反射角]。
在以下部分，將光波導的作用進行說明。
在具有如上所述結構的光波導1中，通過光導入部分3導入的光首先入射在分光部分5上，該分光部分5設有基本不會使光透過其中並且折射率低于波導主體6的吸收層4。在這種情況下，以不小於由波導主體6和吸收層4的折射率所確定的全反射角的角度入射在界面上的光束a，b，c可以被波導，同時在分光部分5處在波導內進行全反射。另一方面，以小於全反射角的角度入射的光d基本透射至吸收層4側，從而它被迅速衰減，並基本在到達光發射表面8或者透光表面9之前被吸收。結果，對於能夠到達光發射表面8或者透光表面9的光分量的波導主體6內的反射角α，最小值由吸收層4和波導主體6的折射率確定。以略小於反射角α的最小值的角度波導的光易於以小衰減被波導。在本發明中，設置折射率(n2)比與透光表面9相接觸的材料的折射率(n3)高的吸收層4，由此使得在透光表面9的區域中能通過全反射而被波導的光的反射角小於上述反射角α。因此，可以防止以略小於反射角α被波導的光束通過透光表面9輸出，從而可以更可靠地抑制激發光束入射到光電探測器上。
由分光部分5在波導主體6內完全反射的被波導光的一部分b提供給不規則反射部分10，在此處它的反射角發生變化，通過光發射表面8發射。在吸收層4的折射率等於或者小於與光發射表面8相接觸的材料的折射率的情況下，在以不小於全反射角的角度被波導的光中，在光發射表面8側，沒有入射在不規則反射部分10上的光分量a和c部分地發射到波導之外。另一方面，在透光表面9側上，光分量a和c進行全反射，並且不能穿過透光表面9，因為透光表面9與折射率比吸收層4的折射率低的材料相接觸。
同時，當已經因為不規則反射部分10改變了反射角並且通過光發射表面8發射的光束b被光發射表面8所反射的時候，根據由波導主體6和與光發射表面8相接觸的材料的折射率所確定的反射率反射的光被送回至透光表面9側，該光可以穿過透光表面9到達光電探測器。但是該光量是被波導的光的角分量的一部分，另外，它取決於由波導主體6和與光發射表面8相接觸的材料的折射率所確定的反射率，從而通過光纖等在其入射到光電探測器之前可以充分地衰減該光。作為光纖，可以選擇螢光可以順利透過但是激發光束很困難地透過的那種光纖。如果光纖在透光表面9處與波導主體6相接觸，雷射光束會洩漏至光電探測器側。但是在本發明的結構中，不規則反射部分10起到在波導主體6和光纖之間的間隔作用，從而可以防止因為接觸導致的激發光束的洩漏。
另一方面，來自光發射表面8的光在大多數的情況下直接穿過透光表面9到達外面。因此，從光發射表面8側進來的例如螢光的光穿過光波導1進入光電探測器。
因此，光波導1可以僅從光發射表面8發射光，並且使得從光發射方向進來的外部光沿著與光發射方向相反的方向穿過。
順便說一下，在光波導1與光電探測器(例如螢光傳感器中的光電二極體)連接之處，光電探測器的光接受部分的周邊優選在靠近分光部分5和透光表面9之間的邊界的分光部分5的附近中以緊密接觸的方式連接。另外，用於在含有被分析物的液體和電子設備(例如光電探測器中的光電二極體以及LED)之間分隔的外殼連接至光發射表面8側的分光部分5上。
在上面描述了根據本發明光波導的一個實施例的同時，也對設有一個光發射表面8和一個透光表面9並且在波導主體6內設置一個光導入部分3的結構進行了描述。但是本發明不限於這種結構，可以設置多個光發射表面和透光表面，另外可以設置多個光導入部分。例如可以形成圖9所示的光波導90，其中在十面體波導主體一側上的一個表面中設置四個光發射表面93，在相對一側的表面上設置四個透光表面，使得十面體的四個面成為光導入部分91。在這種情況下，除了光發射表面93、透光表面、以及光導入部分91之外的部分是分光部分92，它們分別覆蓋有吸收層。
在如此設置多個光發射表面93、透光表面、以及光導入部分91的情況下，如圖10的剖面圖所示，在對著其中流動有液體的通道101內側的第一光發射表面102和第二光發射表面103處分別設置用於在和不同的被分析物分別鍵合而顯示螢光的指示劑層(未顯示)，並且在透光表面側設置多個對應的光電探測器126a和126b，由此可以由一個螢光傳感器同時測量在通道101內流動的液體中存在的多種被分析物。另外，可以在第二光發射表面103處設置不含有任何在與被分析物鍵合後顯示螢光的物質的指示劑層，由此可以增強測量的準確性。
以下，描述使用上述光波導1的螢光傳感器的實施例。該傳感器是一個體內置入型傳感器。
圖11是螢光傳感器的透視圖，其中使用了本發明，圖12是螢光傳感器的剖面圖。
螢光傳感器110設置在密封殼體111中，使得光波導1的光發射表面8可以通過至少一個窗口部分112與外部相接觸。殼體111的材料可以是任何材料，因為其對體內置入型傳感器的功能不會產生任何問題。作為這種材料，優選採用不鏽鋼和鈦。
在光發射表面8上，由與用於在和活體內的體液中的被分析物發生反應而顯示螢光的螢光指示劑分子鍵合的水凝膠構成的指示劑層121(圖11中未顯示；見圖12)固定至至少一個光發射表面8。與活體中的體液相接觸，以檢測被分析物濃度的指示劑層121被粘接在通過窗口部分112所暴露的光發射表面8上。順便說一下，如上所述在設置多個光發射表面的情況下，可以在其中分別設置不同的指示劑層112。
在殼體111中，除了光波導1之外，在光波導1的一個端部處設置例如LED的光源2，在光波導1的透光表面9的一側上設置基底125，其間留有預定的間隔，並且在基底125上設置例如光電二極體的光電探測器126。特別是，將光電二極體126設置成僅接受來自光傳輸通道的光，而不會獲取在殼體111內存在的漫射光。
另外，儘管沒有顯示，在基底125上設置集成電路，用於處理來自光電探測器126的信號，設置發射機用於向外部發射信號，以及設置電池作為電源等。另外，在殼體111外側上設置用於從發射機向外部輸出信號的天線128。另外，如果需要，設置用於增強數據準確度的溫度傳感器。除此之外，按照需要可以設置用於放大來自光電探測器的信號的放大器。
除了窗口部分112之外的殼體111被設計成保持不透液體的狀態，從而這些構件不會與液體相接觸。特別是，窗口部分112用樹脂材料等完全包住，從而液體不會通過該部分進入到內部。
在螢光傳感器110中，來自光電探測器126的信號(如果有，則連同來自溫度傳感器的信號一起)由集成電路處理並在其中累計，以通過天線28在適當的時候輸出到外部系統。順便說一下，天線28自身也優選設置為被樹脂等覆蓋的狀態，用於防止天線線圈等與液體相接觸。
當螢光傳感器110存在於活體內的時候，使指示劑層121的內部與活體內的體液中的被分析物濃度處於平衡狀態。結果，在指示劑層121中存在的指示劑分子和被分析物發生偶聯/離解反應，由此改變指示劑層121中螢光強度。光電探測器126檢測變化的螢光強度並將其轉換為電信號，然後傳送至體外系統。
在如上構成的螢光傳感器110中，來自光源2的光可以作為激發光束而通過在光電探測器126和指示劑層121之間設置的光波導1僅被引導至指示劑層121側，從而指示劑層121中的水凝膠可以被激發光束均勻照射，可以進行螢光的測量。因此，由於對來自光源2的光的利用效率好，因此可以使用尺寸儘可能小和功率消耗儘可能小的LED，從而可以實現螢光傳感器110的小型化。另外，由於光波導1引導激發光束，將螢光從指示劑層121傳送至光電探測器126，並防止漫射光等進入，因此也可以實現螢光傳感器靈敏度的提高。
圖13是顯示採用了本發明的螢光傳感器的另一個實施例的剖視圖。
在該實施例中，利用了設有多個(在該圖中是2個)光發射表面和與光發射表面相對設置的多個(在該圖中是2個)透光表面的光波導1。因此關於指示劑層，在光發射表面上分別設置不同的指示劑層121a和121b。除此之外，在光發射表面側，設置用於分別檢測來自指示劑層121a和121b的螢光光束的兩個光電探測器126a和126b。通過從指示劑層121a中省去用於測量被分析物的螢光物質來獲得指示劑層121b，由此作為對照層。
關於外觀結構，如圖11所示，殼體111設有一個窗口部分112，在光波導100的兩個光發射表面上設置的兩個指示劑層121a和121b通過該窗口部分暴露出來。順便說一下，設置一個光源2、一個基底125、一個天線128、以及一個集成電路、一個電源等一個元件。
因此在該光波導100中，儘管殼體111等元件是一個，但是僅通過給一個光波導100設置多個光發射表面以及透光表面和對應地設置多個指示劑層121a，121b和多個光電探測器126a，126b，就可以提高測量準確性，並可以一次檢測多種被分析物。另外在這種情況下，設置在殼體111中用於暴露指示劑層的窗口部分112可以是一個。
順便說一下，儘管在圖13所示的光波導100中已經顯示了設有兩個光發射表面和兩個透光表面的實例，但是不限於此，也可以使用設有更多數量的光發射表面和透光表面的光波導。另外，儘管在檢測不同被分析物的情況下，在多個光發射表面上分別設置不同的指示劑，但是不限於此，可以在多個光發射表面的每一個上設置同樣的指示劑層。
上述螢光傳感器(結構如圖12和13所示)僅是用於解釋本發明的實例，不是對本發明的限制；例如本發明也可以用於不具有電池的設備，其中在每次測量的時候通過從體外系統向內部電路，例如光源2和集成電路提供電源而進行測量。
另外可以採用這樣一種結構，其中集成電路部分和電池安裝在體外系統中，並通過導線與活體內相通，並省略天線線圈。
除此之外，作為電磁波之外的電信號轉移部件，微弱的高頻電流可以通過身體組織在體內置入型傳感器和體外系統之間流動。
關於螢光傳感器110的尺寸，其中一種包括電池和天線128的類型可以被製造為長度為10-50mm，寬度為3-20mm，厚度為2-10mm，而其中一種不具有電池的類型可以被製造為長度是5-20mm，寬度是2-5mm，厚度是0.5-3mm。
很明顯，通過改變指示劑分子和被分析物之間的相互反應所引起的螢光特性、提供給雷射光束源和集成電路的電功率量、在產生機械問題時可操作的安全機構、用於通過檢測器自身計算測量值以及將報警信號傳送給體外系統的電路部分的設計等，可以改變尺寸。
現在，將對根據本發明的光波導的例子進行描述。
例子1是這樣一種光波導1，其中利用了合成石英板(0.7mm厚，20mm寬，30mm長；折射率1.46；Asahi Glass Co.，Ltd.製造)作為波導主體6。
在製造光波導的過程中，首先將PET類的遮蔽膠帶粘在合成石英板的一側上，並將遮蔽膠帶穿孔。利用激基雷射器在從合成石英板的端部開始間隔至少5mm的位置處在PET表面中的10mm×10mm的區域內開孔。孔的直徑是0.2mm。在10mm×10mm區域中開的孔的數量是95，孔的中心間隔是1mm。
在這種情況下，通過利用氨基甲酸乙酯樹脂塗料或者苯乙烯類樹脂塗料來代替PET類的遮蔽膠帶可以進行遮蔽，並且僅僅是樹脂部分可以用激基雷射器進行類似的穿孔。除此之外，通過利用激基雷射器調整遮蔽孔直徑，可以將孔的直徑控制在1μm的範圍內。
隨後，利用反應性蝕刻設備(IE-4800，Samco International，Inc.製造)，將合成石英板的穿孔遮蔽表面利用CF4以750W進行80分鐘的離子蝕刻，以形成深度為5μm並且直徑為200μm的凹入部分61。順便說一下，通過從後面用激基雷射器輻射石英板，可以在苯乙烯類樹脂塗料或者金屬遮蔽的合成石英板中直接製造凹入部分。
然後，在除去遮蔽之後，通過利用濺射設備(例如AnelvaCorporation製造的SPF-210H，或者Showa Shinku Co.，Ltd.製造的SPH-306C)，在提供合成石英板表面的凹入部分的整個區域上以及在合成石英板的側面的整個區域上形成厚度為1μm的鋁膜。
可以通過DC濺射或者RF濺射來通過濺射形成金屬薄膜。此處，通過利用SPH-306C(RF濺射)在以下條件下形成薄膜。在Ar氣流速為100sccm、壓力為7×10-3Torr(0.9333Pa)、功率為400W、以及時間為5分鐘的條件下，進行反向濺射。在Ar氣流速為50sccm、壓力為3×10-3Torr(0.400Pa)、功率為350W、以及時間為15分鐘的條件下，進行預濺射。通過打開閘板，經過每片15分鐘的成膜時間，獲得1μm的薄膜厚度。順便說一下，為了增強粘附性能，希望在不小於100℃的基底溫度下形成薄膜。通過使用金、鉻、或者銀作為金屬，容易形成金屬薄膜。
然後向合成石英板的氣相沉積表面採用旋塗的方法施加負性光致抗蝕劑(OMR-83 60CP，Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.製造)，並通過遮蔽從而覆蓋凹入部分61來利用紫外光照射，以實現直徑為0.3mm的樹脂遮蔽。同時，將側表面也遮蔽上，然後，用溶劑洗滌，以除去未固化的樹脂層，並在140℃進行烘焙，以固化樹脂。然後，通過在加熱至40℃的蝕刻溶液(磷酸∶硝酸∶乙酸∶水＝16∶1∶2∶1)中洗滌以去除暴露的鋁層，從而製造不規則反射部分10和側面反射鏡部分。然後在加熱至120℃的苯酚(剝離劑502A，Tokyo Ohka KogyoCo.，Ltd.製造)中將石英板浸泡10分鐘，在剝離漂洗液體(Tokyo OhkaKogyo Co.，Ltd.製造)中浸泡5分鐘，進行IPA置換5分鐘，並在超純水中洗滌，以除去遮蔽材料。
順便說一下，也可以通過施加可以市購的反射鏡油墨來形成鋁層。但是此處需要指出，鑑於反射鏡油墨的性能，應當對洗滌液體等加以注意，以便不會在後面的處理或者洗滌的過程中溶解反射鏡油墨。除此之外，在利用波長與不良反射率對應的光源2的時候，優選不選擇反射鏡油墨，對於後繼處理來說，將例如鋁和金等金屬通過濺射或者氣相沉積來粘附的方法是更加方便的。
在給合成石英板如此設置了不規則反射部分10之後，將12mm×12mm的PET類遮蔽膠帶粘附在板上，以完全覆蓋不規則反射部分10，並在不規則反射部分10的相對側以對應的形式也粘附在合成石英板表面上，以保護窗口部分112。然後，將混合了4％的碳黑(Cabot Corporation製造)的10％無定形氟樹脂塗料(Asahi Glass Co.，Ltd.製造，折射率為1.34)通過浸塗的方法在石英板的整個表面區域上施加4次，以形成厚度為100μm的吸收層4。通過表面等離子體共振的方法，利用將碳黑分散在水中和碳氟化合物溶液(3M公司製造)中製備的分散體，並根據測量的折射率，計算吸收層4的折射率為1.35至1.36。
然後利用旋轉研磨機，研磨合成石英板的一個側面，直至暴露出石英表面，用0.1微米的精研膜對表面進行拋光，以形成光導入部分3。最後，除去窗口部分112上的遮蔽，然後洗滌，從而完成光波導1。
在如此製造的光波導1中，無定形氟樹脂形成的吸收層4能很好地耐受例如丙酮的有機溶劑，因此易於洗滌。除此之外，透光表面9的鋁覆蓋率是6.7％。
另外，當來自LED(Sander Electronic Co.，Ltd.；395nm)的光導入到如上製造的光波導1的光導入部分3中的時候，通過光發射表面在窗口部分112處可以觀察到波導的光從不規則反射部分10的凹入部分的側表面的散射。除此之外，在該光波導1中，從透光表面9的一側不能以任何角度直接識別散射的光。關於不規則反射部分10的不規則反射位置，在圓柱形凹入部分61的周邊側表面處的光可以被很好的識別，同時在凹入部分61的底表面處的不規則反射基本不能被識別。
例子2是利用尺寸與例子1所示的合成石英板相同的硼矽酸鹽玻璃板(Schott Corporation製造)作為波導主體6製造的光波導。
在製造光波導的過程中，首先將激基雷射器(KrF；280mJ，80次閃光(shot)，100Hz)直接照射在硼矽酸鹽玻璃板上，以按照與例子1同樣的模式製造直徑為300μm的孔。孔構成凹入部分61，其深度是30-40μm。
然後，通過與例子1同樣的過程濺射鋁，以製造直徑為400μm的不規則部分10。透光表面9的鋁覆蓋率是12％。
在例子2中，如例子1一樣，通過光發射表面在窗口部分112處可以識別從不規則反射部分10的凹入部分61的整個區域上散射的波導的光。另外，從透光表面9的一側不能以任何角度直接識別散射的光。與例子1不同，通過雷射器直接製造的凹入部分61不是圓柱形的，而是中心處較深的圓頂形，結果，在凹入部分61的整個區域中實現了激發光束的有效反射。
例子3是利用例子2所製造的光波導1來製造的具有一個窗口部分112的螢光傳感器110。
首先在殼體111中的預定位置處設置光源2，並連接至光波導1上。為了獲得光源2，加工一個5mmφ的閃光型(shot-type)LED(SanderElectronic Co.，Ltd.製造)，從而便於將其連接至波導的一個側面，然後利用市購的黑色粘合劑將其粘接在殼體內的預定位置，並連接至光波導1。另外，通過利用含有碳黑的無定形氟樹脂塗料作為粘合劑，在光波導1的透光表面周邊中將帶有10mm×10mm的測量表面的市購的精確測量光電二極體(Hamamatsu Photonics K.K.)連接至吸收層4，市購的光纖(SC42；Fuji Photo Film Co.，Ltd.製造)處於其間。
當通過20mA的固定電流的時候，光波導1顯示了來自光發射表面8的48μW/cm2的激發光束量。
在光發射表面8的製造過程中，在利用3-丙烯醯基丙氧基三甲氧基矽烷的乙醇溶液處理之後，使得含有10w/w％的9，10-二[N-2-(5，5-二甲基硼烷(borinan)-2-yl)苄基]-N-[6′-[(丙烯醯基聚乙二醇-3400)羰基氨基]-n-己胺基]甲基]-2-乙醯基蒽(9，10-bis[N-[2-(5，5-dimethylborinan-2-yl)benzyl]-N-[6′-[(acryloylpolyethyleneglycol-3400)carbonylamino]-n-hexylamino]methyl]-2-acethlanthracene)(以下稱之為F-PEG-AAm)、15w/w％的丙烯醯胺、以及1w/w％的乙烯基二丙烯醯胺的水溶液聚合，以形成厚度為50μm的螢光指示劑層。
在例子3中，當給LED通過20mA的固定電流以導致螢光，並且在沒有葡萄糖的磷酸緩衝液(pH7.4)和含有500mg/dl的葡萄糖的磷酸緩衝液(pH7.4)之間比較來自指示劑層121的螢光的時候，在光電二極體中獲得33nA的電流差。這種螢光即使是0.1秒的光發射也足以測量。因此可以製造一個螢光傳感器，它能夠測量液體中的葡萄糖濃度，不僅有連續的光發射，而且可以有如此小的功率消耗，使得光發射僅是每分鐘大約0.1秒。
另外，在這種螢光傳感器中，具有不含F-PEG-AAm的指示劑層121的光發射表面8可以易於設置在同一個光波導1中，用於除去檢查的含被分析物的液體中的分析物之外的微弱漫射光分量以及螢光分量。通過利用來自不含螢光指示劑層121的光發射表面8的螢光值F1，以及通過利用磷酸緩衝液預先測量的含有F-PEG-AAm的指示劑層121的葡萄糖濃度為0的螢光值F0，並使用F1+F0作為基準，也可以測量正常變化的葡萄糖濃度。
本發明的光波導具有沿著一個方向發射光同時沿著與光發射方向相反的方向透過光的功能。因此，光波導可以用於利用這種光波導性能的設備。
除此之外，本發明的螢光傳感器可以用於通過將傳感器內置在活體內而連續或間歇地檢測和測量活體內的被分析物。
本申請基於在2004年11月1日提交的日本專利申請No.2004-318094，其內容在此引入作為參考。
權利要求
1.一種由透光材料構成的光波導，所述光波導包括一光導入部分，其用於導入來自光源的光；一光發射表面，其用於發射通過所述光導入部分導入的光；一透光表面，它與所述光發射表面相對並且通過它將從所述光發射表面入射的外部光的至少一部分透射到外面；一不規則反射部分，它設在所述透光表面上，以改變光在所述透光表面上的反射角；以及一分光部分，它設在從所述光導入部分到所述光發射表面和所述透光表面的區域中的表面上，所述分光部分具有由其折射率低於所述透光材料的折射率並且高於與所述透光表面接觸的材料的折射率的材料形成的吸收層。
2.如權利要求1所述的光波導，滿足n1＞n2+0.01和n2＞n3+0.01的關係式，其中，n1為所述透光材料的折射率，n2為所述吸收層的折射率，並且n3為與所述透光表面接觸的所述材料的折射率。
3.如權利要求1所述的光波導，具有以下公式(1)的關係式，並且在公式(1)中的t1大於1X＝t1×L×Tan(Sin-1(n2/n1)) (1)，其中，L為所述光波導的厚度，並且X為從透光表面和所述光發射表面到所述光導入部分的長度。
4.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，所述吸收層由含有0.1至10質量％的碳黑的無定形氟樹脂形成。
5.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，所述不規則反射部分包括一顆粒物混合透明層，其中將其折射率與折射率高於所述透光材料的透明材料不同的顆粒物混合在所述透明材料中；以及一反射層，它設置成使從外部無法看出所述顆粒物混合透明層，並且它不會透射光但會反射光。
6.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，所述不規則反射部分包括設在所述透光表面上的一部分處的至少一個凹入部分；以及一反射部分，它設置成使從外部無法看到所述凹入部分；所述凹入部分設置在除了從光反射部分的一個端部開始相對於與所述透光表面垂直的直線成角度b形成的波導內側之外的位置處，其中b是在所述透光表面上被引導的光的最小入射角。
7.如權利要求6所述的光波導，其特徵為，所述凹入部分成直徑為1至50μm並且深度為1至50μm的大致圓柱形形狀。
8.如權利要求6所述的光波導，其特徵為，設有至少兩個所述凹入部分，並且所述至少兩個凹入部分由一個反射部分覆蓋。
9.如權利要求8所述的光波導，其特徵為，所述至少兩個凹入部分的每個成直徑為1至50μm並且深度為1至50μm的大致圓柱形形狀。
10.如權利要求6所述的光波導，其特徵為，所述凹入部分填充有通過將其折射率高於所述透光材料的透明材料與其折射率與所述透明材料不同的顆粒物混合而獲得的混合材料。
11.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，所述光發射表面、所述透光表面、所述分光部分和所述光導入部分被設置在由透明材料形成的波導主體中；以及所述波導主體除了所述光發射表面、所述透光表面、所述分光部分和所述光導入部分之外的其它部分由不透光但是反射光的反射材料覆蓋。
12.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，所述分光部分和所述透光表面還具有其折射率低於所述透光材料的透明層。
13.如權利要求1所述的光波導，其特徵為，多個所述不規則反射部分設置在所述透光表面上，並且在相鄰不規則反射部分之間的最小距離處於在所述透光表面和所述光反射表面之間的距離的兩倍的範圍內。
14.一種螢光傳感器，它包括如在權利要求1中所述的光波導；一光源，用於將激發光束髮射到光波導的光導入部分上；一指示劑層，它設置成與所述光波導的所述光發射表面緊密接觸並且包括含有螢光指示劑分子的水凝膠，該螢光指示劑分子通過與分析物可逆地結合顯示出螢光特性的變化；以及一光電探測器，它設在與所述光波導的所述透光表面相對的位置處，用來將來自所述指示劑層的螢光轉變成電信號。
15.如權利要求14所述的螢光傳感器，其特徵為，所述光波導、所述光源和所述指示劑層由將它們裝在其內部中並且將其內部保持在不透液狀況中的外殼覆蓋；以及所述光波導設置在所述外殼中，並且所述光反射表面的方向朝外。
16.如權利要求14所述的螢光傳感器，其特徵為，所述螢光傳感器嵌入在活體中，用於測量在所述活體中的指定分析物。
全文摘要
一種光波導，它包括一光導入部分，其用於將來自光源的光導入光波導主體內；一光發射表面，其用於將通過光導入部分導入的光發射到水凝膠側上；一透光表面，它設置成與光發射表面平行相對並且通過它將從所述光發射表面入射的外部光透射到外面；一分光部分，它設在從光導入部分到光發射表面和透光表面的區域中的表面上，用來只是反射通過光導入部分導入的光的全反射分量；一不規則反射部分，它設在透光表面上，以改變由分光部分反射的光在所述透光表面上的反射角；以及一反射鏡部分，它設在與光導入部分相對的位置處。
文檔編號G01N21/25GK1769933SQ200510117129
公開日2006年5月10日 申請日期2005年11月1日 優先權日2004年11月1日
發明者松本淳, 井無田秀司 申請人:泰爾茂株式會社