光學式生物傳感器的製作方法
2023-10-10 16:18:04 2
專利名稱：光學式生物傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及測定溶解在生物體內的體液中的物質的量的傳感器，特別涉 及用光波導現象的光學式生物傳感器。
背景技術：
作為測量溶解於生物體內的體液中的物質的量的傳感器，已知有利用光 波導現象的平面光波導型測定傳感器。該平面光波導型測定傳感器，如圖7 所示，具有如下所述的構造，即在來自光源6的光入射的基板1上的位置 上形成入射側光柵3,在從基板1向受光元件出射光的位置上形成出射側光 柵4，再在基板1表面上形成使光透射的單一光波導層2，在該光波導層2 上形成具有分子識別功能和信息變換功能的膜、例如葡萄糖氧化酶(GOD) 固定化膜5。該平面光波導型側定傳感器在葡萄糖氧化酶(GOD)固定化 膜5上滴下用注射器等從生物體抽出的血液等的狀態下，使雷射通過入射 側光柵3入射到光波導層2，發生易消失(evanescent)波，由光波導層2 上的膜產生的，與血液等所含的生物分子的反應引起的易消失波的變化量， 利用接收從出射側光柵4射出的光線的受光元件7檢測，對血液等所含的 生物體分子進行分析(參照例如專利文獻1:日本特開平9-61346號公報)。
但是，為了在基板1上形成光波導層2，以便利用平面光波導型測定傳感 器能高精度地測定易消失波的變化量，要使光一邊有所希望的折射一邊透 過光波導層2，因此精密的製造裝置與高度的技術是必要的。
本發明的目的是，利用簡單的製作方法提供能高精度地測定易消失波的 變化量的光學式生物傳感器。
發明內容
本發明的光學式生物傳感器，具備發光元件；使從所述發光元件出 射的光衍射的入射側光柵；全反射層，該全反射層使在所述入射側光柵衍 射的光在波導層內一邊全反射一邊透過，該波導層由玻璃層和形成於所述 玻璃層表面的二氧化矽層構成；使透過所述全反射層的光衍射、並出射至 所述全反射層外的出射側光柵；接收所述出射側光柵所衍射的光的受光元 件；以及與所述二氧化矽層相接地設置於所述入射側光柵和所述出射側光 柵之間的含有酶與發色試劑的感測膜，所述入射側光柵和所述出射側光柵 與所述全反射層相接，並互相隔開設置。
圖1為本發明的實施形態的光學式生物傳感器的頂視圖。
圖2為本發明的實施形態的光學式生物傳感器的圖1的I-I剖面圖。
圖3為本發明的第1變形例的光學式生物傳感器的剖面圖。
圖4為玻璃層的X射線光電子分光分析(XPS)的結果。
圖5為二氧化矽層的X射線光電子分光分析(XPS)的結果。
圖6為本發明的第2變形例的光學式生物傳感器的剖面圖。
圖7為已有的平面光波導型測定傳感器的剖面圖。
具體實施例方式
以下參照
本發明的實施形態。以下的附圖的記載中，對相同或 類似的部分標註相同或類似的符號。應注意附圖是示意圖。
本發明實施形態的光學式生物傳感器，如圖2所示，包含入射光一邊 在層內全反射一邊透過的全反射層10，與全反射層10的一方的表面相接， 相互保持距離地設置的入射側光柵lla和出射側光側llb，與全反射層10 的一方的表面相接地設置於入射側光柵lla和出射側光柵lib之間的含有 酶與發色試劑的感測膜12。又如圖1所示，還包含一面與全反射層10的一 方表面相接且一邊包圍感測膜12， 一邊介於入射側光柵lla與出射側光柵 llb的光柵之間，且將其覆蓋的保護膜13。
下面接著說明各部分的材料和形成方法。
(A) 全反射層IO是將石英(二氧化矽)成型為平板形狀形成的；
(B) 入射側光柵lla和出射側光柵llb，利用化學蒸鍍法(CVD)等將 折射率比全反射層IO更高的材料，例如氧化鈦、氧化鋅、鈮酸鋰、砷化鉀、 銦錫氧化物、聚醯亞胺、氧化鉭等沉積到全反射層10上，通過用光刻技術 與幹蝕刻技術構圖形成。
(C)感測膜12,利用纖維素衍生物等將酶與發色試劑固定成膠狀形成。例 如在測定的體液中的物質為葡萄糖時，用GOD、過氧化物酶(POD)以及 mutarose(厶夕口 一七)等作為酶。用3， 3， ， 5， 5，-四甲基聯苯胺等作為 發色試劑。感測膜利用葡萄糖發色的化學反應式如(1) (3)所示。其右邊只 記述為理解本反應所必要的事項，未記入所生成的物質等的全部。 葡萄糖formula see original document page 7formula see original document page 7
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(D)保護膜13，用折射率比氟系樹脂那樣的入射側光柵lla和出射側 光柵llb更低的，且與試劑等不起反應的，疏液性的材料塗布而成。
如圖2所示，從發光元件21入射的光，由入射側光柵lla衍射，在全反 射層10內一邊全反射一邊透過。在全反射層10與感測膜12的邊界面上折 射之際，易消失波由感測膜12的發色所吸收。因而，是與感測膜12的發 色程度、即要測定的物質的量成比例地吸收光線。最終到達出射側光柵lib 的光，從全反射層10向著受光元件22出射。然後，根據從發光元件21發 射的光量與受光元件22接收到的光量之差便可算出要想測定的物質的量。 採用本發明的實施形態，可利用簡單的技術製作構造簡單的光學式生物 傳感器。 第1變形例
本發明實施形態的第1變形例的光學式生物傳感器，如圖3所示，全反 射層10由玻璃層10a與形成於玻璃層10a表面上的二氧化矽層10b構成。 其餘的構成與上述的光學式生物傳感器相同。這是由於用石英形成全反射 層10則材料價格高，光學式生物傳感器也成高價，故想用廉價的材料來製作。
下面說明各部分的材料和形成方法
(A) 玻璃層10a，將無鹼玻璃成型為板狀而成。
(B) 二氧化矽層10b用CVD或濺射法等方法，將二氧化矽沉積於玻璃 層10a上而成。
設置二氧化矽層10b的理由在於，由於存在於玻璃層10a的表面的金屬 不均勻，故當將感測膜12設置於玻璃層10a上時，對於使用的每一種無鹼 玻璃材料在測定上有影響。如圖4所示，從X射線光電子分光分析(XPS) 的結果可知，玻璃層10a的表面上，除了矽(Si)以外，存在鋁(Al)、鋇 (Ba)、鈣(Ca)、鍶(Sr)。將二氧化矽層10b設於玻璃層10a的表面 時，如圖5的XPS的結果所示，可將感測膜12設置於僅存在矽的表面上。 而且可消除對測定的影響。因此，第1變形例可以以低價格得到本發明實 施形態中所述的效果。 第2變形例
本發明實施形態的第2變形例的光學式生物傳感器，如圖6所示，全反 射層10由玻璃層10a與形成於玻璃層10a表面上的氧化鈦層10c構成。此 外的構成與本發明的實施形態中所述的光學式傳感器相同。這與第1變形 例一樣，由於用石英形成全反射層IO時材料價高，光學式生物傳感器也成 了高價品，故想用廉價的材料來製作。
下面說明各部分的材料和形成方法
(A) 玻璃層10a，將無鹼玻璃成型為板狀而成。
(B) 氧化鈦層10c，用CVD或濺射法等方法將氧化鈦沉積於玻璃層10a 上而成。由於使在與感測膜12的邊界面的光吸收為極大，氧化鈦層10c的 厚度在180nm 200nm間為好，最好是採用200nm厚度。
該形成方法時，可採用光刻技術與幹蝕刻技術從氧化鈦層10c上構成圖 案來形成入射側光柵lla和出射側光柵llb，製作容易。
又，用玻璃層10a與折射率比玻璃層10a更高的氧化鈦層10c構成全反 射層10，從而使與感測膜12的邊界面的易消失波的電場強度增大。
因此，在第2變形例中能以低價格得到本發明的實施形態中所述的效果， 同時製作步驟容易。 其他實施形態
為說明本發明的實施形態，各圖中所示的各部位的厚度和位置關係始終 是例示性的，並不限定於實現本發明的功能。因而，在可能實現本發明的 功能的範圍中，不用說當然可以考慮各部位的厚度和位置關係。
本發明理所當然地包含這裡未述及的各種實施形態。本發明的技術範圍 根據上述說明僅由與適當的專利要求範圍有關的發明特定事頂所確定。 發明的效果
採用本發明，可用簡單的製作方法提供能高精度地測定易消失波的變化 量的光學式生物傳感器。
權利要求
1.一種光學式生物傳感器，其特徵在於，具備發光元件；使從所述發光元件出射的光衍射的入射側光柵；全反射層，該全反射層使在所述入射側光柵衍射的光在波導層內一邊全反射一邊透過，該波導層由玻璃層和形成於所述玻璃層表面的二氧化矽層構成；使透過所述全反射層的光衍射、並出射至所述全反射層外的出射側光柵；接收所述出射側光柵所衍射的光的受光元件；以及與所述二氧化矽層相接地設置於所述入射側光柵和所述出射側光柵之間的含有酶與發色試劑的感測膜，所述入射側光柵和所述出射側光柵與所述全反射層相接，並互相隔開設置。
2、 一種光學式生物傳感器，其特徵在於，具備 發光元件；使從所述發光元件出射的光衍射的入射側光柵；全反射層，該全反射層使在所述入射側光柵衍射的光在波導層內一邊全 反射一邊透過，該波導層由玻璃層和形成於所述玻璃層表面的氧化鈦層構 成；使透過所述全反射層的光衍射、並出射至所述全反射層外的出射側光柵； 接收所述出射側光柵所衍射的光的受光元件；以及與所述氧化鈦層相接地設置於所述入射側光柵和所述出射側光柵之間的 含有酶與發色試劑的感測膜，所述入射側光柵和所述出射側光柵與所述全反射層相接，並互相隔開設 置。
3、 一種光學式生物傳感器，其特徵在於，具備 發光元件； 使從所述發光元件出射的光衍射的入射側光柵；全反射層，該全反射層使在所述入射側光柵衍射的光在波導層內一邊全 反射一邊透過，該波導層由玻璃層和形成於所述玻璃層表面的二氧化矽層 構成；使透過所述全反射層的光衍射、並出射至所述全反射層外的出射側光柵； 接收所述出射側光柵所衍射的光的受光元件；以及與所述二氧化矽層相接地設置於所述入射側光柵和所述出射側光柵之間 的含有酶與發色試劑的感測膜，所述入射側光柵和所述出射側光柵設置為與所述全反射層的一方的主面 相接，所述發光元件與所述受光元件在所述全反射層的另一方的主面側。
4、 一種光學式生物傳感器，其特徵在於，具備 發光元件；使從所述發光元件出射的光衍射的入射側光柵；全反射層，該全反射層使在所述入射側光柵衍射的光在波導層內一邊全 反射一邊透過，該波導層由玻璃層和形成於所述玻璃層表面的氧化鈦層構 成；使透過所述全反射層的光衍射、並出射至所述全反射層外的出射側光柵； 接收所述出射側光柵所衍射的光的受光元件；以及與所述氧化鈦層相接地設置於所述入射側光柵和所述出射側光柵之間的 含有酶與發色試劑的感測膜，所述入射側光柵和所述出射側光柵設置為與所述全反射層的一方的主面 相接，所述發光元件與所述受光元件在所述全反射層的另一方的主面側。
5、 如權利要求1至4中任一項所述的光學式生物傳感器，其特徵在於， 所述入射側光柵和所述出射側光柵由折射率比所述全反射層更高的材料構 成。
6、 如權利要求1至5中任一項所述的光學式生物傳感器，其特徵在於，還有包含覆蓋所述入射側光柵和所述出射側光柵的保護膜。
7、 如權利要求1至6中任一項所述的光學式生物傳感器，其特徵在於， 所述酶是葡萄糖氧化酶、過氧化物酶以及mutarose中的至少一種。
8、 如權利要求1至7中任一項所述的光學式生物傳感器，其特徵在於， 所述發色試劑是3， 3' ， 5， 5'-四甲基聯苯胺。
9、 如權利要求1至8中任一項所述的光學式生物傳感器，其特徵在於， 所述感測膜含有纖維素衍生物。
全文摘要
本發明提供能高精度地測定易消失(evanescent)波的變化量的光學式生物傳感器。該傳感器包含使入射光在層內一邊全反射一邊透過的全反射層(10)、與所述全反射層(10)相接，並互相隔開設置的入射側光柵(11a)和出射側光柵(11b)、含有與所述全反射層(10)相接地設置於所述入射側光柵(11a)和出射側光柵(11b)之間的酶與發色試劑的感測膜(12)。
文檔編號G01N21/41GK101368912SQ200810110398
公開日2009年2月18日 申請日期2004年7月30日 優先權日2004年7月30日
發明者東野一郎, 大宮可容子, 植松育生, 江藤英雄 申請人:株式會社東芝