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JP5424229B2 - Optical waveguide mode sensor using oxide film and manufacturing method thereof - Google Patents

Optical waveguide mode sensor using oxide film and manufacturing method thereof Download PDF

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JP5424229B2
JP5424229B2 JP2007254417A JP2007254417A JP5424229B2 JP 5424229 B2 JP5424229 B2 JP 5424229B2 JP 2007254417 A JP2007254417 A JP 2007254417A JP 2007254417 A JP2007254417 A JP 2007254417A JP 5424229 B2 JP5424229 B2 JP 5424229B2
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Description

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及びその製造方法に関する。   The present invention relates to an optical waveguide mode sensor capable of increasing the detection sensitivity of a sample to be detected by using an optical waveguide mode, and a method for manufacturing the same.

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(例えば、非特許文献1〜4参照)。
この、表面プラズモン共鳴を用いたセンサーは通常SPRセンサーと呼ばれる。その使用例を図1に示す。図1はクレッチマン配置を用いたSPRセンサーである。板ガラス基板上に貴金属(金・銀など)を蒸着し、そのガラスの貴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基板に照射する。入射光は全反射となる条件で入射される。入射光の貴金属の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、貴金属の表面上の付着物の厚さや誘電率によって変化することから、貴金属の表面上に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、被検出試料を検出する。
In general, a technique using a surface plasmon resonance (SPR) mode is known as a biosensor such as a DNA, a protein such as an antigen-antibody, a sugar chain, or a chemical substance sensor such as a metal ion or an organic molecule (for example, non (See Patent Documents 1 to 4).
This sensor using surface plasmon resonance is usually called an SPR sensor. An example of its use is shown in FIG. FIG. 1 shows an SPR sensor using a Kretschmann arrangement. It consists of a structure in which a noble metal (gold, silver, etc.) is vapor-deposited on a flat glass substrate, and the surface opposite to the surface on which the noble metal is vapor-deposited is in close contact with an optical prism via refractive index adjusting oil. White light is irradiated onto the glass substrate through the prism. Incident light is incident under the condition of total reflection. Surface plasmon resonance appears at a certain incident angle by the evanescent wave that oozes out to the surface side of the noble metal of incident light. When surface plasmon resonance occurs, the evanescent wave is absorbed by the surface plasmon, so that the intensity of the reflected light is remarkably reduced in the vicinity of the incident angle. The incident angle and reflected light intensity at which surface plasmon resonance appears change depending on the thickness of the deposit on the surface of the noble metal and the dielectric constant, so the incident angle generated when the sample to be detected binds or adsorbs on the surface of the noble metal. And a change in reflectance intensity is detected to detect a sample to be detected.

SPRセンサーとよく似た構造を持ち、やはりセンサーの検出面における、物質の吸着や誘電率の変化を検出するセンサーとして、光導波モードセンサーがある(非特許文献5〜8、及び特許文献1参照)。   As a sensor that has a structure very similar to that of an SPR sensor and detects a substance adsorption or a change in dielectric constant on the detection surface of the sensor, there are optical waveguide mode sensors (see Non-Patent Documents 5 to 8 and Patent Document 1). ).

この使用例を図2に示す。図2はクレッチマン配置を用いた光導波モードセンサーである。この光導波モードセンサーは、透明基板(板ガラスなど)とその上に被覆した反射膜層(クラッド層とも呼ばれる)と、さらにこの反射膜層上に形成した光導波路層とからなる検出板を用いる。光導波路層は、センサーに用いる光に対して透明である材料が使用される。この検出板の光導波路層が形成されている面と反対側の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、レーザー光あるいは白色光を、プリズムを通して検出板に照射する。入射光は検出板に対して全反射となる条件で入射される。ある特定の入射角において、入射光が光導波路内を伝搬する光導波モード(漏洩モード、又はリーキーモードとも呼ばれる)と結合すると、光導波モードが励起され、この光入射角度近傍で光の反射光強度が大きく変化する。この光導波モード励起に必要な光の入射角や、この入射角付近で入射された光の反射光強度は、光導波路層表面上の付着物の厚さや誘電率によって変化することから、光導波路層表面に被検出試料が結合あるいは吸着した際に生じる前記入射角の変化や反射率強度の変化を検出し、被検出試料を検出することができる。SPRセンサーでは、表面プラズモンがP偏光でしか励起されないため、光源としては、P偏光しか使用できない。一方、光導波モードセンサーでは、P偏光、S偏光の両方が使用可能である。   An example of this use is shown in FIG. FIG. 2 shows an optical waveguide mode sensor using the Kretschmann arrangement. This optical waveguide mode sensor uses a detection plate comprising a transparent substrate (plate glass or the like), a reflective film layer (also referred to as a clad layer) coated thereon, and an optical waveguide layer formed on the reflective film layer. The optical waveguide layer is made of a material that is transparent to the light used for the sensor. An optical prism is brought into close contact with the surface of the detection plate opposite to the surface on which the optical waveguide layer is formed via refractive index adjusting oil, and laser light or white light is irradiated to the detection plate through the prism. Incident light is incident on the detection plate under the condition of total reflection. When the incident light couples with an optical waveguide mode (also called a leaky mode or leaky mode) that propagates in the optical waveguide at a specific incident angle, the optical waveguide mode is excited, and the reflected light of the light near this light incident angle. The intensity changes greatly. The incident angle of light necessary for this optical waveguide mode excitation and the reflected light intensity of light incident near this incident angle vary depending on the thickness and dielectric constant of the deposit on the surface of the optical waveguide layer. The detected sample can be detected by detecting the change in the incident angle or the change in the reflectance intensity that occurs when the detected sample is bound or adsorbed on the surface of the layer. In the SPR sensor, since surface plasmon is excited only by P-polarized light, only P-polarized light can be used as a light source. On the other hand, in the optical waveguide mode sensor, both P-polarized light and S-polarized light can be used.

光導波モードセンサーに用いられる反射膜は消衰係数(物質中での光の減衰を表す係数)がゼロでなければあらゆる材料が使用可能である。一般には、金や銀などが用いられることが多い。特許文献1には、反射層にジルコニウム、タングステン、クロムなどを使用した例が示されている。反射膜の膜厚は、材料によって最適値が異なるが、数nmから数百nm程度である。反射膜をガラス基板に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)、無電解めっき、電気めっき法などが利用できる。   Any material can be used for the reflective film used in the optical waveguide mode sensor unless the extinction coefficient (coefficient representing light attenuation in the substance) is zero. In general, gold or silver is often used. Patent Document 1 shows an example in which zirconium, tungsten, chromium, or the like is used for the reflective layer. The optimum film thickness of the reflective film varies depending on the material, but is about several nm to several hundred nm. Vapor deposition, sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), electroless plating, electroplating, and the like can be used as means for coating the reflective film on the glass substrate.

光導波モードセンサーでは、これらの反射膜の上に光導波路層を形成する。これまでに報告されている光導波路層には、シリカガラス、シリコン酸化膜、アルミナ、ポリマー材料、デキストランゲル、などの透明な誘電体材料が用いられている。従来、これらの光導波路層は、反射膜の上に、これらの材料を蒸着法やスパッタリング法によって堆積させたり、スピンコート法によって塗布して形成する。また、非特許文献7では、Au反射膜上にAlを蒸着法にて堆積し、このAl層を陽極酸化して、ポーラスアルミナを形成し、このポーラスアルミナ層を光導波路層として用いる、という報告がなされている。   In the optical waveguide mode sensor, an optical waveguide layer is formed on these reflective films. For the optical waveguide layer reported so far, a transparent dielectric material such as silica glass, silicon oxide film, alumina, polymer material, and dextran gel is used. Conventionally, these optical waveguide layers are formed on a reflective film by depositing these materials by vapor deposition or sputtering, or by applying them by spin coating. Non-Patent Document 7 reports that Al is deposited on the Au reflective film by vapor deposition, this Al layer is anodized to form porous alumina, and this porous alumina layer is used as an optical waveguide layer. Has been made.

上述のように、これまでの光導波モードセンサーでは、光導波路層を形成する際、反射膜層の上に光導波路層となる材料を堆積又は塗布して形成していた。よって、反射膜層と光導波路層との間の密着性に問題があった。例えば、反射膜にAuを用い、この上に上述のようなシリカガラス、シリコン酸化膜、又は陽極酸化ポーラスアルミナ膜を光導波路層として形成する場合、反射膜と光導波路層との間に接着層として、クロムやチタンの薄い層を形成する必要があった。   As described above, in the conventional optical waveguide mode sensor, when the optical waveguide layer is formed, the material to be the optical waveguide layer is deposited or applied on the reflective film layer. Therefore, there is a problem in the adhesion between the reflective film layer and the optical waveguide layer. For example, when Au is used for the reflective film and the silica glass, silicon oxide film, or anodized porous alumina film as described above is formed as the optical waveguide layer thereon, an adhesive layer is formed between the reflective film and the optical waveguide layer. As a result, it was necessary to form a thin layer of chromium or titanium.

また、堆積や塗布によって形成された材料は、構造上均一でなく、多結晶になったり、構造欠陥が多く含まれていたり、化学量論比からずれた組成になったり、と不都合が多い。このような不均一な膜は、非特許文献5や非特許文献6に報告されているような光導波路層に細孔を形成する化学エッチングを行う際、光導波路層表面が不均一にエッチングされてしまうという欠点がある。
C. Nylander, B. Liedberg, and T. Lind, Sensor. Actuat. 3, pp. 79-88 (1982/83年). B. Liedberg, C. Nylander, and I. Lundstrom, Actuat. 4, pp. 299-304 (1983年). W. Knoll, Annu. Rev. Phys. Chem. 49, pp. 569-638 (1998年). D. K. Kambhampati, T.A.M. Jakob, J.W. Robertson, M. Cai, J. E. Pemberton, and W. Knoll, Langmuir 17, pp. 1169-1175 (2001年). M. Fujimaki, C. Rockstuhl, X. Wang, K. Awazu, J. Tominaga, T. Ikeda, Y. Ohki, and T. Komatsubara, Microelectronic Engineering 84, pp.1685-1689 (2007年) K. Awazu, C. Rockstuhl, M. Fujimaki, N. Fukuda, J. Tominaga, T. Komatsubara, T. Ikeda, Y. and Ohki, Optics Express 15, pp. 2592-2597 (2007年) K. H. A. Lau, L. S. Tan, K. Tamada, M. S. Sander, and W. Knoll, J. Phys. Chem. B 108, pp. 10812 (2004年) F. C. Chien and S. J. Chen, Optics letters 31, pp. 187-189 (2006). 米国特許第6,483,959号
In addition, the material formed by deposition or coating is not uniform in structure and has many disadvantages such as being polycrystalline, containing many structural defects, or having a composition deviating from the stoichiometric ratio. Such a non-uniform film is etched unevenly on the surface of the optical waveguide layer when chemical etching is performed to form pores in the optical waveguide layer as reported in Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6. There is a disadvantage that it ends up.
C. Nylander, B. Liedberg, and T. Lind, Sensor. Actuat. 3, pp. 79-88 (1982/83). B. Liedberg, C. Nylander, and I. Lundstrom, Actuat. 4, pp. 299-304 (1983). W. Knoll, Annu. Rev. Phys. Chem. 49, pp. 569-638 (1998). DK Kambhampati, TAM Jakob, JW Robertson, M. Cai, JE Pemberton, and W. Knoll, Langmuir 17, pp. 1169-1175 (2001). M. Fujimaki, C. Rockstuhl, X. Wang, K. Awazu, J. Tominaga, T. Ikeda, Y. Ohki, and T. Komatsubara, Microelectronic Engineering 84, pp.1685-1689 (2007) K. Awazu, C. Rockstuhl, M. Fujimaki, N. Fukuda, J. Tominaga, T. Komatsubara, T. Ikeda, Y. and Ohki, Optics Express 15, pp. 2592-2597 (2007) KHA Lau, LS Tan, K. Tamada, MS Sander, and W. Knoll, J. Phys. Chem. B 108, pp. 10812 (2004) FC Chien and SJ Chen, Optics letters 31, pp. 187-189 (2006). U.S. Patent No. 6,483,959

本発明は、上記の問題点を解決することを目的とし、光導波モードセンサーにおいて、接着層が不要で、安定性が高く、均一で、且つエッチング加工も容易な光導波路層を持つ高感度な光導波モードセンサーを提供する。   The present invention aims to solve the above-mentioned problems, and in an optical waveguide mode sensor, a high-sensitivity optical waveguide layer having an optical waveguide layer that does not require an adhesive layer, has high stability, is uniform, and is easily etched. An optical waveguide mode sensor is provided.

本発明の光導波モードセンサー用検出板は、透明基板と、その上に形成した反射膜と、さらに該反射膜上に形成した光導波路層とからなる光導波モードセンサー用検出板であり、この光導波路層は、反射膜の表面部分を酸化することによって反射膜の表面部分から形成される。 The detection plate for an optical waveguide mode sensor of the present invention is an optical waveguide mode sensor detection plate comprising a transparent substrate, a reflective film formed thereon, and an optical waveguide layer formed on the reflective film. optical waveguide layer is formed from a surface portion of the reflective film by oxidizing a surface portion of the reflection film.

本発明の光導波モードセンサー用検出板製造方法は、透明基板と、その上に形成した反射膜と、さらに該反射膜上に形成した光導波路層とからなる光導波モードセンサー用検出板の製造方法であって、この透明基板上に前記反射膜となる層を形成する工程と、反射膜となる層の表面部分を酸化することによって反射膜となる層の表面部分から光導波路層を形成する工程とを有する。 An optical waveguide mode sensor detection plate manufacturing method according to the present invention is a method for manufacturing an optical waveguide mode sensor detection plate comprising a transparent substrate, a reflective film formed thereon, and an optical waveguide layer formed on the reflective film. A method of forming a layer to be the reflective film on the transparent substrate, and forming an optical waveguide layer from the surface portion of the layer to be the reflective film by oxidizing the surface portion of the layer to be the reflective film Process.

反射膜は、半導体材料または金属材料で構成されている。半導体材料は、SiまたはGeであり、金属材料は、AlまたはTiまたはTaである。透明基板は、シリカガラスのようなガラスにすることができる。光導波路層には、細孔を複数形成することができる。   The reflective film is made of a semiconductor material or a metal material. The semiconductor material is Si or Ge, and the metal material is Al, Ti, or Ta. The transparent substrate can be a glass such as silica glass. A plurality of pores can be formed in the optical waveguide layer.

上記の光導波モードセンサー用検出板を用い、かつ、該検出板の前記透明基板側から、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、を備えて、光導波路層の表面近傍における環境の変化によって生じる前記反射光の強度変化を読み取ることによって、環境の変化を観測又は検出する光導波モードセンサーを構成することができる。光導波路層の表面に分子認識基を化学修飾した検出板を用いる。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検出板を用いる。光学プリズムに、前記検出板の前記光導波路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。 Using the detection plate for an optical waveguide mode sensor described above, and detecting the light incident mechanism for entering light to the reflection film from the transparent substrate side of the detection plate, and the reflected light of the light reflected by the reflection film An optical waveguide mode sensor that observes or detects a change in the environment by reading a change in the intensity of the reflected light caused by a change in the environment in the vicinity of the surface of the optical waveguide layer. it can. A detection plate having a molecular recognition group chemically modified on the surface of the optical waveguide layer is used. As a molecular recognition group, a detection plate in which any of —NH 2 , —COOH, —SCN, succinimide group, and biotinyl group is chemically modified is used. The optical prism has a structure in which a surface of the detection plate opposite to the surface on which the optical waveguide layer is formed is in close contact with a refractive index adjusting oil.

光導波路層に形成する細孔は、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。細孔は、イオン注入後の化学エッチングによって形成して、化学エッチングはフッ酸溶液又はフッ酸の蒸気によるエッチングである。   The pores formed in the optical waveguide layer are formed by chemical etching, reactive ion etching, nanoimprinting, or lithography. The pores are formed by chemical etching after ion implantation, and chemical etching is etching with a hydrofluoric acid solution or a hydrofluoric acid vapor.

本発明によれば、反射膜となる層の表面を酸化することによって光導波路層を形成することにより、反射膜層と光導波路層との密着性を従来技術より遙かに向上し、安定なセンサーを提供することができる。また、反射膜自身を酸化して光導波路層を得ることによって、欠陥が少なく、均一で高品質な光導波路層を形成することができる。さらには、高品質な光導波路層を提供することによって、この層の加工性を向上し、細孔形成が容易な光導波路層を持つ光導波モードセンサーを提供することができる。   According to the present invention, by forming the optical waveguide layer by oxidizing the surface of the layer to be the reflective film, the adhesion between the reflective film layer and the optical waveguide layer is improved much more than the prior art, and stable. A sensor can be provided. Further, by obtaining the optical waveguide layer by oxidizing the reflective film itself, a uniform and high-quality optical waveguide layer with few defects can be formed. Furthermore, by providing a high-quality optical waveguide layer, it is possible to improve the processability of this layer and to provide an optical waveguide mode sensor having an optical waveguide layer that facilitates pore formation.

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。   The features of the present invention will be specifically described below with reference to the drawings. In addition, the following description is for making an understanding of this invention easy, and is not restrict | limited to this. That is, modifications, embodiments, and other examples based on the technical idea of the present invention are included in the present invention.

まず、光導波モードについて説明する。本発明では、図3に示すような検出板を用いる。この検出板は、ガラスなどの透明基板とその上に形成した反射膜層と、さらに該反射膜層上に形成した光導波路層とから構成される。基板は、基本的には板状であるが、光入射の際にプリズムを使用することを見越し、予め、基板とプリズムが一体となった形状としておいても良い。このような構造を持つ検出板に対して、透明基板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。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。   First, the optical waveguide mode will be described. In the present invention, a detection plate as shown in FIG. 3 is used. The detection plate includes a transparent substrate such as glass, a reflective film layer formed thereon, and an optical waveguide layer formed on the reflective film layer. The substrate is basically plate-shaped, but it may be formed in advance so that the prism and the prism are integrated in anticipation of using a prism when light is incident. When light enters the detection plate having such a structure from the transparent substrate side, a phenomenon occurs in which reflected light extremely increases or decreases at a certain incident angle. The light to be used is basically not particularly limited as long as it is an electromagnetic wave, but it is desirable to use light in the infrared to ultraviolet region in terms of easy handling.

図4は、図3の検出板のガラス側に屈折率調節オイルを介してプリズム(頂点が30°の2等辺三角形プリズム)を配し、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。検出板は、シリカガラス基板(屈折率1.456)の上に厚さ215nmの単結晶Si(屈折率3.882、消衰係数0.019)を反射膜として形成し、その上に厚さ450nmのシリカガラス光導波路を形成したものを用いた。光導波路表面は水(屈折率1.332)に浸されている。入射光は、波長633nmのS偏光である。図4に見られる急激な反射光強度の増減が光導波モードに起因するものである。この反射光強度のディップは図3に示す光導波路層が無い場合や、層の厚さが薄い場合は生じない。光導波モードが発生する光導波路層の厚さは、使用する光の偏光状態によっても異なるが、一般に光導波路層の屈折率が高い場合や光の波長が短い場合は薄くて良い。一方、光導波路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、厚い光導波路層が要求される。光導波路層が厚くなると、複数の導波モードが観測されるようになる。つまり、図4にみられるような急激な反射率の変化(ディップ)が複数観測される。このことは、非特許文献6、非特許文献7、特許文献1に記載されている。   4 shows a prism (an isosceles triangular prism with a vertex of 30 °) arranged on the glass side of the detection plate of FIG. 3 via a refractive index adjusting oil, and the incident angle and reflected light intensity when the light is incident. The relationship is shown. The detection plate is formed of a single-crystal Si (refractive index: 3.882, extinction coefficient: 0.019) having a thickness of 215 nm on a silica glass substrate (refractive index: 1.456) as a reflective film, and a 450 nm thick thickness is formed thereon. What formed the silica glass optical waveguide was used. The surface of the optical waveguide is immersed in water (refractive index: 1.332). The incident light is S-polarized light having a wavelength of 633 nm. The sudden increase and decrease in reflected light intensity seen in FIG. 4 is due to the optical waveguide mode. This reflected light intensity dip does not occur when the optical waveguide layer shown in FIG. 3 is not provided or when the layer is thin. The thickness of the optical waveguide layer in which the optical waveguide mode is generated varies depending on the polarization state of the light used, but generally may be thin when the refractive index of the optical waveguide layer is high or when the wavelength of light is short. On the other hand, when the refractive index of the optical waveguide layer is low or the wavelength of light used is long, a thick optical waveguide layer is required. As the optical waveguide layer becomes thicker, a plurality of waveguide modes are observed. That is, a plurality of sudden changes (dips) in reflectance as seen in FIG. 4 are observed. This is described in Non-Patent Document 6, Non-Patent Document 7, and Patent Document 1.

光の入射角度と反射光強度との関係は、反射膜に使用する材料、その材料の厚さによって変化する。例えば、従来技術にあるように、金を用いた検出板では、図5に示すような特性が得られる。図5は、プリズムは直角2等辺三角形プリズム、入射光は633nmのS偏光、透明基板は屈折率1.76294のガラス、反射膜は厚さ44nmの金、光導波路は厚さ350nmのSiO2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している。タングステンを用いた検出板では、図6に示すような特性が得られる。図6は、プリズムは直角2等辺三角形プリズム、入射光は633nmのS偏光、透明基板は屈折率1.76294のガラス、反射膜は厚さ18nmのタングステン、光導波路は厚さ350nmのSiO2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している。 The relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light varies depending on the material used for the reflective film and the thickness of the material. For example, as in the prior art, a detection plate using gold can obtain characteristics as shown in FIG. In FIG. 5, the prism is an isosceles right angle prism, the incident light is S-polarized light of 633 nm, the transparent substrate is glass with a refractive index of 1.76294, the reflecting film is gold with a thickness of 44 nm, and the optical waveguide is SiO 2 glass with a thickness of 350 nm. The relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light when used is shown. In the detection plate using tungsten, characteristics as shown in FIG. 6 are obtained. In FIG. 6, the prism is a right-angled isosceles prism, the incident light is S-polarized light of 633 nm, the transparent substrate is glass with a refractive index of 1.76294, the reflective film is tungsten with a thickness of 18 nm, and the optical waveguide is SiO 2 glass with a thickness of 350 nm. The relationship between the incident angle of light and the intensity of reflected light when used is shown.

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増減、つまりディップやピークが生じる現象を用いて、この光導波路層表面での誘電率の変化や屈折率の変化を観測する。具体的には、例えば、光導波路表面への分子の吸着、接触、結合、光導波路表面における媒体(溶液など)の屈折率の変化、温度変化などの環境の変化、を検出する。   In the present invention, the change in the dielectric constant or the refractive index on the surface of the optical waveguide layer is caused by a phenomenon in which the intensity of the reflected light suddenly increases / decreases due to the optical waveguide mode, that is, a dip or peak occurs. Observe changes. Specifically, for example, adsorption, contact, and binding of molecules to the surface of the optical waveguide, changes in the refractive index of the medium (solution, etc.) on the surface of the optical waveguide, and changes in the environment such as temperature changes are detected.

上記のような検出には、図2に示したようなクレッチマン配置と呼ばれる配置が良く用いられる。検出に用いる光が、偏光板及びプリズムを介して、透明基板側から反射膜に照射され、特定の条件の下で光導波路層の光導波モードと結合する。その結果、反射光強度の増減が生じる。反射膜によって反射される光強度の増減は、検出器によって検出される。偏光板は図2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。   For such detection, an arrangement called a Kretschmann arrangement as shown in FIG. 2 is often used. Light used for detection is applied to the reflective film from the transparent substrate side via the polarizing plate and the prism, and is combined with the optical waveguide mode of the optical waveguide layer under specific conditions. As a result, the reflected light intensity increases or decreases. Increase or decrease in the light intensity reflected by the reflective film is detected by the detector. Two polarizing plates are often used as shown in FIG. 2. Of the two polarizing plates, the polarizing plate closer to the prism is either P-polarized light whose vibration direction is parallel to the reflecting surface or S-polarized light. Installed to select polarization. The polarizing plate closer to the laser light source is installed to adjust the light intensity incident on the optical waveguide.

このように、光導波モードセンサーでは、クレッチマン配置と同様の光学系にてセンシングを行うことが可能である。よって、以下の本発明の説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。但し、光導波モードを励起する方法は他にもある。光学プリズムの代わりに、グレーティングを用いて、入射光と光導波モードとの結合を誘起しても良い。光導波路中における光導波モードの励起方法は、従来知られているあらゆる方法が適応可能である。   Thus, in the optical waveguide mode sensor, sensing can be performed with the same optical system as the Kretschmann arrangement. Therefore, this optical system is used in the following description of the present invention. As the optical prism, in addition to the triangular prism shown in the drawing, any prism such as a cylindrical prism or a hemispherical prism can be used. However, there are other methods for exciting the optical waveguide mode. Instead of the optical prism, a grating may be used to induce coupling between incident light and the optical waveguide mode. Any conventionally known method can be applied to the optical waveguide mode excitation method in the optical waveguide.

図7は光導波モードセンサーシステムの構成例であり、通常、光源(レーザーや白色光源など)、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。液セルと検出板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、検出板の分子検出面、つまり光導波路層の表面に検体となる溶液を保持するために用いる。液セルは溶液を保持するためのコンテナ型や、流路型(マイクロ流路含む)など様々な形のものが使用可能である。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。   FIG. 7 shows a configuration example of an optical waveguide mode sensor system, which normally includes a light source (laser, white light source, etc.), a polarizer, a goniometer, a photodetector, and analysis software. A combination of a liquid cell, a detection plate and a prism is placed on an incident angle control goniometer, and P or S polarized laser light is incident from the prism side through a polarizing plate. The reflected light is captured by the photodetector. The liquid cell is used to hold a solution serving as a specimen on the molecular detection surface of the detection plate, that is, the surface of the optical waveguide layer. Various types of liquid cells can be used, such as a container type for holding a solution and a flow channel type (including a micro flow channel). Choppers and lock-in amplifiers are sometimes used to suppress noise from outside light (such as room light) other than laser light.

本発明で用いる検出板は図8に示すように、まず基体となる透明材料の上に反射膜を形成し、この反射膜を酸化して、光導波路層を形成する。本発明での検出板形成手順を以下に説明する。   As shown in FIG. 8, in the detection plate used in the present invention, a reflection film is first formed on a transparent material to be a base, and this reflection film is oxidized to form an optical waveguide layer. The detection plate formation procedure in the present invention will be described below.

基板に用いる材料は、検出に用いる光に対して透明であり、また、検出時に用いる光に対しての屈折率が1.4〜2.2程度が望ましい。基板として好ましい材料としては、ガラス材料が挙げられる。反射膜は前述のように、基本的には消衰係数がゼロでなければあらゆる材料が使用可能である。但し、本発明では、光導波路層はこの反射膜を酸化して形成する。光導波路層は、検出に用いる光に対して透明である必要があることから、反射膜は、その材料の酸化物が透明な材料を選ぶ必要がある。例えば、Si(酸化物は例えばSiO)、Ge(酸化物は例えばGeO)、Al(酸化物は例えばアルミナ)、Ti(酸化物は例えばTiO)、Ta(酸化物は例えばTa)などが挙げられる。但し、これらに限らず、透明な酸化物が得られる材料であれば、あらゆる材料が反射膜として適応可能である。センサーの安定性を考えると、反射膜は基板材料との密着性が良い材料であることが望ましい。 The material used for the substrate is transparent to the light used for detection, and preferably has a refractive index of about 1.4 to 2.2 for the light used for detection. A preferable material for the substrate is a glass material. As described above, basically any material can be used for the reflective film unless the extinction coefficient is zero. However, in the present invention, the optical waveguide layer is formed by oxidizing this reflective film. Since the optical waveguide layer needs to be transparent to the light used for detection, it is necessary to select a material for which the oxide of the material of the reflective film is transparent. For example, Si (oxide is SiO 2 ), Ge (oxide is GeO 2 ), Al (oxide is alumina, for example), Ti (oxide is TiO 2 ), Ta (oxide is Ta 2 O, etc.) 5 ). However, the present invention is not limited to these, and any material can be used as the reflective film as long as a transparent oxide can be obtained. Considering the stability of the sensor, it is desirable that the reflective film is a material having good adhesion to the substrate material.

反射膜の形成方法は、蒸着法、スパッタリング法、分子線エピタキシ法(MBE)、無電解めっき法、電気めっき法、スピンコート法などによって、基板上に堆積又は塗布する方法が適応可能である。さらには、貼り合わせ技術も適応可能な好ましい方法である。貼り合わせ技術とは、SOI(Silicon on Insulator)基板の作製などに用いられる技術であり、接着可能な面同士(例えばシリカガラス面同士)を貼り合わせることによって、様々な層状の材料を形成する方法である。この技術を用いて作製した層状の材料としては、SOIの他に、SOQ(Silicon−on−quartz)基板、GeOI(Ge−on−insulator)基板、SopSiC(Si−on−poly SiC)基板、SiCOI(SiC−on−insulator)基板、GaNOI(GaN−on−insulator)基板などが知られている。この方法を用い、基板がシリカガラスであり、その上にSiの反射膜を形成する場合について説明する。Si基板の表面を薄く酸化して、薄いシリカガラス層を持つSi基板を用意する。このSi基板上のシリカガラス層と、板状のシリカガラスとを、これらのシリカガラス面同士を接着することによって、シリカガラス上にSi層が形成された基板、つまりSi反射膜を持つ基板を得ることができる。Si層の厚さは、研磨やSmart Cut技術を用いることによって調整できるSmart Cut技術とは、薄膜を形成したい材料(例えばSi層)の表面からある一定深さに、イオン注入技術によって、水素イオンやHeイオンを注入し、後に、機械的又は熱的にストレスをかけて、このイオンが注入されている層の位置で材料を切断し、材料の薄膜を得る手法である。本発明では、このように、透明基板上に反射膜となる層を形成できるあらゆる手法が適応可能である。   As a method for forming the reflective film, a method of depositing or coating on the substrate by vapor deposition, sputtering, molecular beam epitaxy (MBE), electroless plating, electroplating, spin coating, or the like can be applied. Furthermore, a bonding technique is also a preferable method that can be applied. The bonding technique is a technique used for manufacturing an SOI (Silicon on Insulator) substrate, and a method for forming various layered materials by bonding surfaces that can be bonded (for example, silica glass surfaces) to each other. It is. As a layered material manufactured using this technology, in addition to SOI, an SOQ (Silicon-on-quartz) substrate, a GeOI (Ge-on-insulator) substrate, a SopSiC (Si-on-poly SiC) substrate, SiCOI (SiC-on-insulator) substrates, GaN-on-insulator (GaNOI) substrates, and the like are known. A case where the substrate is made of silica glass and a Si reflecting film is formed thereon using this method will be described. A Si substrate having a thin silica glass layer is prepared by thinly oxidizing the surface of the Si substrate. By bonding the silica glass layer on the Si substrate and the plate-like silica glass to each other, the substrate on which the Si layer is formed on the silica glass, that is, the substrate having the Si reflection film is formed. Can be obtained. The thickness of the Si layer can be adjusted by polishing or using the Smart Cut technology. The Smart Cut technology is a method in which hydrogen ions are ion-implanted to a certain depth from the surface of a material (eg, Si layer) on which a thin film is to be formed. Or He ions are implanted, and then a stress is applied mechanically or thermally to cut the material at the position of the layer where the ions are implanted to obtain a thin film of the material. In the present invention, any technique that can form a layer to be a reflective film on a transparent substrate can be applied.

本発明では、反射膜層を形成後、この反射膜の表面を酸化することによって光導波路層を形成する。この時、反射膜層の厚さは減少してしまうので、光導波路を形成した後に残っている反射膜層の厚さが、センシングに最適な厚さとなるように、酸化工程を設定する必要がある。一方、上述の様に、光導波モードを励起する為に、光導波路層はある程度の厚さを持つ必要がある。よって、どの程度の厚さの光導波路層を酸化で形成し、どの程度の反射膜層を残すかを考慮に入れて、反射膜層を形成する必要がある。一般に物質を酸化すると体積は大きくなる。よって、図8に示したように、光導波路形成工程における酸化よって、反射層は薄くなるが、形成された反射層と光導波路層とを足し合わせた厚さは、酸化前の反射層よりも厚くなる。   In the present invention, after the reflective film layer is formed, the optical waveguide layer is formed by oxidizing the surface of the reflective film. At this time, since the thickness of the reflective film layer decreases, it is necessary to set the oxidation process so that the thickness of the reflective film layer remaining after the optical waveguide is formed becomes an optimum thickness for sensing. is there. On the other hand, as described above, the optical waveguide layer needs to have a certain thickness in order to excite the optical waveguide mode. Therefore, it is necessary to form the reflective film layer in consideration of how thick the optical waveguide layer is formed by oxidation and how much of the reflective film layer is left. In general, the volume increases when a material is oxidized. Therefore, as shown in FIG. 8, the reflection layer is thinned by oxidation in the optical waveguide forming step, but the total thickness of the formed reflection layer and the optical waveguide layer is larger than that of the reflection layer before oxidation. Become thicker.

酸化工程には、酸素を含有する雰囲気中または酸素中での熱処理(熱酸化、ドライ酸化とも呼ばれる)、水蒸気(HO)を含有する雰囲気中又は水蒸気中での熱処理(水蒸気酸化、ウエット酸化とも呼ばれる)、陽極酸化など、あらゆる酸化方法を用いることが可能である。酸素を含有する雰囲気中または酸素中での熱処理(熱酸化)が最も一般的且つ容易である。水蒸気酸化(ウエット酸化)は、厚い酸化膜を低温かつ短時間で形成できることが知られており、厚い光導波路層を形成するのに適している。水蒸気酸化では、水蒸気を含む雰囲気、例えば、酸素ガスや窒素ガスや空気中に水蒸気を混合させた気体を熱酸化炉に送り込み、熱処理にて酸化を行う。水蒸気の混合は、酸素ガス、窒素ガス、空気などを、沸騰した水にくぐらせて行う。水蒸気のみを炉の中に送り込み熱処理を行っても良い。Siの熱酸化やウエット酸化では、1000℃近くまたはそれ以上での高温での熱処理が必要となる。よって、Siを反射膜とした場合、基板もこの熱処理に耐える材料でなければならない。このことから、シリカガラスなどは好ましい基板材料である。 In the oxidation step, heat treatment in an oxygen-containing atmosphere or oxygen (also called thermal oxidation or dry oxidation), heat treatment in an atmosphere containing water vapor (H 2 O) or water vapor (water vapor oxidation, wet oxidation) It is also possible to use any oxidation method such as anodic oxidation. Heat treatment (thermal oxidation) in an oxygen-containing atmosphere or oxygen is the most common and easy. Steam oxidation (wet oxidation) is known to be capable of forming a thick oxide film at a low temperature and in a short time, and is suitable for forming a thick optical waveguide layer. In steam oxidation, an atmosphere containing water vapor, for example, oxygen gas, nitrogen gas, or a gas in which water vapor is mixed in air is sent to a thermal oxidation furnace, and oxidation is performed by heat treatment. Water vapor is mixed by passing oxygen gas, nitrogen gas, air, or the like through boiling water. Only steam may be sent into the furnace for heat treatment. Thermal oxidation or wet oxidation of Si requires heat treatment at a high temperature near 1000 ° C. or higher. Therefore, when Si is used as the reflective film, the substrate must also be a material that can withstand this heat treatment. For this reason, silica glass or the like is a preferred substrate material.

以上を纏めると、本発明では、まず透明基板材料を用意し、その1つの面に反射膜となる層を形成し、さらにその反射膜となる層自身を酸化して、光導波路層を形成することによって、検出用の検出板(検出板)を得る。つまり反射膜となる層は、その表面側は光導波路に加工され、残った層が反射層として働くこととなる。   In summary, in the present invention, first, a transparent substrate material is prepared, a layer to be a reflective film is formed on one surface thereof, and the layer to be the reflective film itself is oxidized to form an optical waveguide layer. Thus, a detection plate (detection plate) for detection is obtained. That is, the surface of the layer that becomes the reflective film is processed into an optical waveguide, and the remaining layer functions as a reflective layer.

酸化によって形成した光導波路層は、非常に均一で内部応力も少なく、良質な膜となる。よって、この膜に加工を施す際にも、均一に加工ができると言う長所がある。非特許文献5や非特許文献6に記載されているように、光導波路層にナノスケールの微細な穴(細孔)を多数形成することによって、光導波モードセンサーの感度を向上できることが知られている。本発明によって形成した光導波路層は、このようなナノスケールの加工を施す際にも最適である。   The optical waveguide layer formed by oxidation is very uniform and has low internal stress, resulting in a high-quality film. Therefore, there is an advantage that even when this film is processed, the film can be processed uniformly. As described in Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6, it is known that the sensitivity of an optical waveguide mode sensor can be improved by forming many nanoscale fine holes (pores) in an optical waveguide layer. ing. The optical waveguide layer formed according to the present invention is also optimal when performing such nanoscale processing.

光導波路層の細孔は、光導波路表面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ドットパターンを光導波路層に転写し、孔を形成する方法である。酸化によって形成された光導波路はエッチング工程において均一にエッチングされる、と言う特性を持つ為、工程後の光導波路表面における表面荒れが少ない、と言う長所がある。また、細孔形成にはナノインプリンティング技術を用いることも可能である。   The pores of the optical waveguide layer can be formed by chemical etching using a solution that dissolves the surface of the optical waveguide or dry etching such as reactive ion etching. The most common method for forming pores is to apply a resist on the surface of the optical waveguide, form a dot pattern on the resist by lithography, and then transfer the dot pattern to the optical waveguide layer by chemical etching or dry etching. This is a method of forming a hole. Since the optical waveguide formed by oxidation has a characteristic that it is uniformly etched in the etching process, there is an advantage that the surface roughness on the surface of the optical waveguide after the process is small. Nanoimprinting technology can also be used for pore formation.

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、光導波モードセンサーの場合、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、反射膜がシリコンで光導波路材料が酸化シリコンである場合、非特許文献5や非特許文献6に記載されている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化学的に選択エッチングされ、数10nmの直径を持つ微細な細孔の形成が可能である。特に、フッ化水素酸の蒸気によるエッチングを用いると、微細かつ高アスペクト比を持つ細孔の形成が可能である。   In general, lithography is suitable for forming a regular pattern, but in the case of an optical waveguide mode sensor, the arrangement of the pores may not be regular. For the formation of randomly arranged pores, when the reflective film is silicon and the optical waveguide material is silicon oxide, the combination of ion implantation and chemical etching described in Non-Patent Document 5 and Non-Patent Document 6 is also effective. This is a pore formation method. When ions are accelerated and injected into silicon oxide with high energy of MeV order or higher, the part where the ions have passed is chemically and selectively etched with hydrofluoric acid or borohydrofluoric acid, resulting in a fine diameter of several tens of nanometers. Formation of pores is possible. In particular, if etching using hydrofluoric acid vapor is used, fine pores having a high aspect ratio can be formed.

形成される細孔は、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からである。孔は、光導波路を貫通して反射層にまで達してもよいし、光導波路層を貫通せず、反射膜まで到達していなくてもよい。   The formed pores preferably have a diameter equal to or less than the wavelength of light used. This is because if the hole diameter is larger than the wavelength of light, light interference occurs due to the hole, and the analysis at the time of sensing becomes complicated. The hole may penetrate the optical waveguide to reach the reflection layer, or may not penetrate the optical waveguide layer and reach the reflection film.

本センサーは、検出板表面での分子の吸着、接触、結合、媒体(溶液、ガスなど)の屈折率の変化、温度変化などの環境の変化を検出する。ここで、分子の吸着や結合を観測するには、検出対象分子を特異的に吸着したり、検出対象分子に特異的に結合する分子認識基を化学修飾する必要がある。この分子認識基としては、例えば、−NH2、−COOH、−SCN、スクシンイミド基、ビオチニル基のなどが挙げられる。 This sensor detects changes in the environment such as molecular adsorption, contact, binding, change in the refractive index of the medium (solution, gas, etc.), temperature change, etc. on the detection plate surface. Here, in order to observe the adsorption and binding of molecules, it is necessary to specifically adsorb a detection target molecule or to chemically modify a molecular recognition group that specifically binds to the detection target molecule. Examples of this molecular recognition group include —NH 2 , —COOH, —SCN, succinimide group, biotinyl group and the like.

基板には、厚さ1mmのシリカガラスを用いた。このシリカガラス上に、貼り合わせ技術によって厚さ440nmの単結晶Si層を形成した。この基板を水蒸気酸化炉に入れ、水蒸気を含んだ1気圧の酸素雰囲気中にて1000℃で1時間、水蒸気酸化を行った。単結晶Si層の表面には厚さ484nmのSiO層が形成された。また、熱処理前には440nmであったSi層は、熱処理により220nmにまで薄くなった。この検出板形成の様子を図9に示す。この熱処理で形成された厚さ484nmのSiO層が光導波路層として働き、厚さ220nmのSi層が反射膜層として働く。 Silica glass with a thickness of 1 mm was used for the substrate. A single-crystal Si layer having a thickness of 440 nm was formed on the silica glass by a bonding technique. This substrate was placed in a steam oxidation furnace, and steam oxidation was performed at 1000 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere containing steam at 1 atm. A SiO 2 layer having a thickness of 484 nm was formed on the surface of the single crystal Si layer. Further, the Si layer which was 440 nm before the heat treatment was thinned to 220 nm by the heat treatment. FIG. 9 shows how the detection plate is formed. The 484 nm thick SiO 2 layer formed by this heat treatment serves as an optical waveguide layer, and the 220 nm thick Si layer serves as a reflective film layer.

この検出板の基板側に屈折率調調節オイルを介してプリズムを密着させ図2に示すようなクレッチマン配置を形成した。プリズムは頂点が30°の2等辺三角形プリズムを用いた。プリズム側から波長633nmのS偏光を入射したときの入射角と反射光強度の関係を図10に示す。この時、光導波路表面は水に浸してある。光導波モード励起によるディップが観測できる。   A prism is brought into close contact with the substrate side of the detection plate via refractive index adjustment oil to form a Kretschmann arrangement as shown in FIG. As the prism, an isosceles triangular prism having a vertex of 30 ° was used. FIG. 10 shows the relationship between the incident angle and the reflected light intensity when S-polarized light having a wavelength of 633 nm is incident from the prism side. At this time, the surface of the optical waveguide is immersed in water. Dips due to optical waveguide mode excitation can be observed.

この検出板の光導波路表面に対して表面修飾を行い、分子吸着の観測を実施した。検出板は、弱アルカリ水溶液に10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10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5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。こうすることによって、ビオチニル基へのストレプトアビジンの特異吸着を観測できるようになる。   Surface modification was performed on the surface of the optical waveguide of the detection plate, and molecular adsorption was observed. The detection plate was immersed in a weak alkaline aqueous solution for 10 hours and then dried, and then immersed in an ethanol solution of 0.2 wt.% 3-aminopropyltriethoxysilane for 10 hours to modify reactive amino groups on the silicon oxide surface. After rinsing with ethanol and drying, it was immersed in a 1/15 M phosphate buffer containing 0.1 mM sulfosuccinimidyl-N- (D-biotinyl) -6-aminohexanate. The mixture was allowed to stand for 5 hours, the amino group and the succinimide group were reacted, and a biotinyl group was introduced. In this way, specific adsorption of streptavidin to the biotinyl group can be observed.

その後、光導波路面が1/15Mリン酸緩衝液に接するよう検出板を液セルに装着した。光導波路面と反対側の面は図2に示したように、屈折率調節オイルを介して頂点が30°の三角形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、波長633nmのS偏光の光をプリズムを通して基板に照射した。ストレプトアビジンを0.5μM含有する1/15Mリン酸緩衝液を液セル中に注入し、光導波路表面をこのリン酸緩衝液に浸しながら反射光強度を測定した。   Thereafter, a detection plate was attached to the liquid cell so that the optical waveguide surface was in contact with the 1/15 M phosphate buffer. As shown in FIG. 2, the surface opposite to the optical waveguide surface was brought into close contact with a triangular prism having a vertex of 30 ° through a refractive index adjusting oil. This was mounted on an incident angle control goniometer, and the substrate was irradiated with S-polarized light having a wavelength of 633 nm through a prism. A 1 / 15M phosphate buffer containing 0.5 μM of streptavidin was injected into the liquid cell, and the reflected light intensity was measured while the optical waveguide surface was immersed in this phosphate buffer.

図11にストレプトアビジンを含有するリン酸緩衝液の注入前後での反射光強度特性を示す。ビオチニル基へのストレプトアビジンの吸着によって、ディップが高角度側にシフトしたことが分かる。シフト量は、0.19°であった。この時、それぞれの入射角でどの程度の反射率の変化があったかを見る為に、ストレプトアビジン注入後のデータから注入前のデータを引き算した結果を図12に示す。入射角度69.69°の時に0.332の反射率増加が得られ、入射角69.97°の時に0.369の反射率減少が得られた。このように、本技術で作製した検出板によって高感度なバイオ分子検出が行えることが分かる。   FIG. 11 shows reflected light intensity characteristics before and after injection of a phosphate buffer containing streptavidin. It can be seen that the dip shifted to the high angle side by the adsorption of streptavidin to the biotinyl group. The shift amount was 0.19 °. FIG. 12 shows the result of subtracting the pre-injection data from the data after streptavidin injection in order to see how much the reflectance changes at each incident angle. A reflectance increase of 0.332 was obtained at an incident angle of 69.69 °, and a reflectance reduction of 0.369 was obtained at an incident angle of 69.97 °. Thus, it can be seen that highly sensitive biomolecule detection can be performed by the detection plate produced by the present technology.

次に、本発明による作製方法で作成した光導波路に対する、微細孔形成について説明する。光導波路の形成は、上述の場合と同様である。まず、厚さ1mmのシリカガラス基板上に貼り合わせ技術によって厚さ440nmの単結晶Si層を形成する。この基板を、水蒸気を含んだ1気圧の酸素雰囲気中にて1000℃で1時間、水蒸気酸化を行って光導波路を形成する。形成されたSiO光導波路層の厚さは484nmであり、Si反射膜層の厚さは220nmであった。 Next, formation of micropores for an optical waveguide produced by the production method according to the present invention will be described. The formation of the optical waveguide is the same as described above. First, a single-crystal Si layer having a thickness of 440 nm is formed on a silica glass substrate having a thickness of 1 mm by a bonding technique. This substrate is subjected to water vapor oxidation at 1000 ° C. for 1 hour in an oxygen atmosphere containing water vapor at 1 atm to form an optical waveguide. The thickness of the formed SiO 2 optical waveguide layer was 484 nm, and the thickness of the Si reflective film layer was 220 nm.

この光導波路層に対し、真空中で、表面から垂直に137MeVで加速した金イオンを照射した。金イオンの照射量は、5×10個/cmとした。イオン照射後、この試料を真空槽から取り出し、フッ酸の蒸気によるエッチングを行った。フッ酸蒸気によるエッチングの方法を以下に示す。まず、試料を20%のフッ酸溶液の入った容器内に入れ容器を密閉する。この時、試料はフッ酸に浸らないように保持する。フッ酸の温度は20°、試料の温度は36°に保持する。この状態で30分間エッチングを行った。このエッチングによって、試料表面に形成されたイオントラック、つまりイオン照射時にイオンが通過することによって形成されたイオンの軌跡、が選択的にエッチングされ、直径数十nmの細孔が形成される。1つのイオントラックに対して1つの細孔が形成されるため、穴の数はイオン照射量と同等となる。但し、実際には、イオントラック同士が重なることもあるため、形成される穴数はイオン照射量より幾分少なくなる傾向にある。フッ酸の蒸気エッチングに関する詳細は、非特許文献5、6中に記載がある。以上の作製方法によって形成した検出板の光導波路層表面の電子顕微鏡写真を図13に示す。直径30nm程度の細孔が形成されている様子が分かる。 This optical waveguide layer was irradiated with gold ions accelerated at 137 MeV vertically from the surface in a vacuum. The irradiation amount of gold ions was 5 × 10 9 pieces / cm 2 . After ion irradiation, the sample was taken out from the vacuum chamber and etched with hydrofluoric acid vapor. An etching method using hydrofluoric acid vapor is described below. First, a sample is put in a container containing a 20% hydrofluoric acid solution and the container is sealed. At this time, the sample is held so as not to be immersed in hydrofluoric acid. The hydrofluoric acid temperature is kept at 20 ° and the sample temperature at 36 °. In this state, etching was performed for 30 minutes. By this etching, ion tracks formed on the sample surface, that is, ion trajectories formed by passing ions during ion irradiation, are selectively etched to form pores with a diameter of several tens of nanometers. Since one pore is formed for one ion track, the number of holes is equivalent to the ion irradiation amount. However, in practice, the ion tracks may overlap each other, so that the number of holes formed tends to be somewhat smaller than the ion irradiation amount. Details regarding the vapor etching of hydrofluoric acid are described in Non-Patent Documents 5 and 6. An electron micrograph of the surface of the optical waveguide layer of the detection plate formed by the above production method is shown in FIG. It can be seen that pores having a diameter of about 30 nm are formed.

この検出板を用いて、ビオチンとストレプトアビジンの特異吸着の検出を実施した。検出板表面へのビオチニル基の導入及び、ストレプトアビジン検出の方法は上述の通りである。図14にストレプトアビジンを含有するリン酸緩衝液の注入前後での反射光強度特性を示す。ビオチニル基へのストレプトアビジンの吸着によって、ディップが高角度側にシフトしたことが分かる。得られたシフト量は0.32°であり、これは、図11に見られる細孔を形成する前のピークシフト量より、0.12°大きい。また、この時、それぞれの入射角でどの程度の反射率の変化があったかを見る為に、ストレプトアビジン注入後のデータから注入前のデータを引き算した結果を図15に示す。入射角度70.83°の時に0.393の反射率増加が得られ、入射角71.34°の時に0.394の反射率減少が得られた。これらの値は、いずれも細孔形成前の値より大きくなっており、細孔形成によってセンサーが高感度化されていることが分かる。   Using this detection plate, specific adsorption of biotin and streptavidin was detected. The method of introducing a biotinyl group onto the detection plate surface and detecting streptavidin is as described above. FIG. 14 shows reflected light intensity characteristics before and after injection of a phosphate buffer containing streptavidin. It can be seen that the dip shifted to the high angle side by the adsorption of streptavidin to the biotinyl group. The obtained shift amount is 0.32 °, which is 0.12 ° larger than the peak shift amount before forming the pores as seen in FIG. In addition, FIG. 15 shows the result of subtracting the data before injection from the data after injection of streptavidin in order to see how much the reflectance changes at each incident angle at this time. When the incident angle was 70.83 °, a reflectivity increase of 0.393 was obtained, and when the incident angle was 71.34 °, a reflectivity decrease of 0.394 was obtained. These values are all larger than the values before the formation of the pores, and it can be seen that the sensitivity of the sensor is enhanced by the formation of the pores.

従来の堆積技術を用いて形成したSiO光導波路の場合でも、光導波路に細孔を形成すると、細孔がない場合に比べ、分子吸着時のピークシフト量が大きくなることが非特許文献5、6で示されている。しかし、堆積技術を用いて形成した光導波路は膜質が均一で無いため、エッチングによって、表面荒れが生じることが観測されており、問題となっていた。また、この表面荒れによって、反射光強度の増減量、つまりディップの深さ、が小さくなってしまい、その為、穴形成によってピークシフト量が増えても、反射率の変化量自身は小さくなってしまうことが報告されており、問題となっていた。 Even in the case of a SiO 2 optical waveguide formed by using a conventional deposition technique, if the pores are formed in the optical waveguide, the peak shift amount at the time of molecular adsorption is larger than when there are no pores. , 6. However, since the optical waveguide formed using the deposition technique has a non-uniform film quality, it has been observed that the surface is roughened by etching, which is a problem. Also, the surface roughness reduces the amount of increase or decrease in reflected light intensity, that is, the depth of the dip. Therefore, even if the peak shift amount increases due to hole formation, the amount of change in reflectance itself decreases. It was reported that it was a problem.

本明細書で開示する、光導波路を反射膜そのものの酸化によって形成する方法では、非常に均一な膜が形成できることから、エッチングによる光導波路層表面の荒れは殆ど生じない。このことは図13に示すエッチング後の光導波路層表面の電子顕微鏡写真からも分かる。このことから、エッチング後での、反射光強度に見られるディップがそれほど浅くならず、しかし、ディップ位置のシフト量は増す為、高い検出感度が得られる。事実、細孔形成によって、ディップ位置のシフト量、反射率増加量、反射率減少量、のいずれも細孔形成前のものより大きい値が得られている。   In the method disclosed in this specification for forming an optical waveguide by oxidation of the reflective film itself, a very uniform film can be formed, so that the optical waveguide layer surface is hardly roughened by etching. This can be seen from the electron micrograph of the optical waveguide layer surface after etching shown in FIG. For this reason, the dip seen in the reflected light intensity after etching does not become so shallow, but the shift amount of the dip position increases, so that high detection sensitivity can be obtained. In fact, as a result of pore formation, all of the shift amount of the dip position, the reflectance increase amount, and the reflectance decrease amount are larger than those before the pore formation.

本発明は、上記の通り、光導波モード(漏洩モード又はリーキーモードとも呼ばれる)を利用するセンサーにおいて、光導波路を、反射膜そのものを熱酸化することによって形成することにより、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、従来の光導波モードを利用する技術よりも、安定かつ高い感度でかつ小さいサイズの被検出試料を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、温度計などに適用でき、医療、創薬、食品、環境等の分野において活用できる。また、センサー感度のさらなる向上の為に光導波路層の表面に細孔を形成する際にも、光導波路表面が荒れにくい為、従来技術よりさらにセンサーの高感度化を図ることができる。   As described above, the present invention provides a sensor that utilizes an optical waveguide mode (also referred to as a leaky mode or a leaky mode). By forming the optical waveguide by thermally oxidizing the reflective film itself, the detection height of the sample to be detected is increased. Since it has an excellent effect that sensitivity can be improved, and has a remarkable effect that it can detect a sample to be detected with a stable and high sensitivity and a small size, compared with a technique using a conventional optical waveguide mode, DNA It can be applied to proteins such as antigen-antibodies, biosensors such as sugar chains, chemical sensors such as metal ions and organic molecules, thermometers, etc., and can be used in fields such as medicine, drug discovery, food and environment. Further, when the pores are formed on the surface of the optical waveguide layer for further improvement of the sensor sensitivity, the surface of the optical waveguide is less likely to be roughened, so that the sensitivity of the sensor can be further increased compared to the prior art.

従来技術である表面プラズモン共鳴を用いたセンサーの光学配置の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the optical arrangement | positioning of the sensor using the surface plasmon resonance which is a prior art. 光導波モードセンサーの光学配置の例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the example of the optical arrangement | positioning of an optical waveguide mode sensor. 光導波モードを発現する検出板の構造を示す図である。It is a figure which shows the structure of the detection board which expresses an optical waveguide mode. 図3の配置において、頂点が30°の2等辺三角形プリズムを配し、波長633nmの光を用い、シリカガラス上に厚さ215nmの単結晶Siを反射膜として形成し厚さ450nmのシリカガラス光導波路を形成した検出板を用いた場合の、光の入射角度と反射光強度の関係を示す図である。In the arrangement of FIG. 3, an isosceles prism having a vertex of 30 ° is arranged, a light having a wavelength of 633 nm is used, a single crystal Si having a thickness of 215 nm is formed on a silica glass as a reflective film, and a silica glass light having a thickness of 450 nm It is a figure which shows the relationship between the incident angle of light and reflected light intensity at the time of using the detection board which formed the waveguide. 反射膜を金とした検出板を使用した際の、光の入射角度と反射光強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the incident angle of light and reflected light intensity at the time of using the detection board which used the reflecting film as gold | metal | money. 反射膜をタングステンとした検出板を使用した際の、光の入射角度と反射光強度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the incident angle of light and reflected light intensity at the time of using the detection board which used the reflecting film as the tungsten. 光導波モードセンサーのシステム構成例を示す説明図である。It is explanatory drawing which shows the system structural example of an optical waveguide mode sensor. 本発明における検出板形成手順の説明図である。It is explanatory drawing of the detection plate formation procedure in this invention. 本実施例において、貼り合わせ技術によってシリカガラス上に形成した単結晶Si層を水蒸気酸化し、検出板を形成する様子を説明する図である。In a present Example, it is a figure explaining a mode that the single crystal Si layer formed on the silica glass by the bonding technique carries out water vapor oxidation, and forms a detection plate. 本実施例において、作製した検出板を用いて観測した入射光の入射角度と反射光強度変化を示す図である。In a present Example, it is a figure which shows the incident angle and reflected light intensity change of incident light which were observed using the produced detection board. 本実施例において、ストレプトアビジンを含有するリン酸緩衝液の注入前後での反射光強度特性を示す図である。In a present Example, it is a figure which shows the reflected light intensity characteristic before and behind injection | pouring of the phosphate buffer containing streptavidin. 本実施例において、ストレプトアビジン注入後の反射光強度データから注入前の反射光強度データを引き算した結果を示す図である。In a present Example, it is a figure which shows the result of having subtracted the reflected light intensity data before injection | pouring from the reflected light intensity data after streptavidin injection | pouring. 本実施例で作製した検出板表面の電子顕微鏡写真である。It is an electron micrograph of the detection plate surface produced in the present Example. 本実施例において、光導波路層に細孔を形成した検出板を用いた場合の、ストレプトアビジンを含有するリン酸緩衝液注入前後での反射光強度特性を示す図である。In a present Example, it is a figure which shows the reflected light intensity characteristic before and behind injection | pouring of the phosphate buffer containing streptavidin at the time of using the detection board which formed the pore in the optical waveguide layer. 本実施例において、光導波路層に細孔を形成した検出板を用いた場合の、ストレプトアビジン注入後の反射光強度データから注入前の反射光強度データを引き算した結果を示す図である。In the present Example, it is a figure which shows the result of having subtracted the reflected light intensity data before injection | pouring from the reflected light intensity data after streptavidin injection | pouring at the time of using the detection board which formed the pore in the optical waveguide layer.

Claims (10)

透明基板と、その上に形成した予め定められた厚さを持つ反射膜と、さらに該反射膜上に形成した光導波路層とからなる光導波モードセンサー用検出板の製造方法であって、
前記透明基板上に前記反射膜となる層を形成する工程と、
前記反射膜となる層の表面を前記反射膜の厚さが前記予め定められた厚さとなるように酸化することによって前記反射膜となる層の前記表面から前記光導波路層を形成する工程と、
を有することを特長とする光導波モードセンサー用検出板製造方法。
A method of manufacturing a detection plate for an optical waveguide mode sensor comprising a transparent substrate, a reflective film having a predetermined thickness formed thereon, and an optical waveguide layer formed on the reflective film,
Forming a layer to be the reflective film on the transparent substrate;
Forming the optical waveguide layer from the surface of the layer to be the reflective film by oxidizing the surface of the layer to be the reflective film so that the thickness of the reflective film becomes the predetermined thickness;
A method for producing a detection plate for an optical waveguide mode sensor, comprising:
前記反射膜は、半導体材料または金属材料で構成されていることを特徴とする請求項記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 The reflective film according to claim 1 optical waveguide mode sensor detection board manufacturing method according to, characterized in that it is a semiconductor or metal material. 前記半導体材料は、SiまたはGeであることを特徴とする請求項記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 3. The method of manufacturing a detection plate for an optical waveguide mode sensor according to claim 2 , wherein the semiconductor material is Si or Ge. 前記金属材料は、AlまたはTiまたはTaであることを特徴とする請求項記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 3. The detection plate manufacturing method for an optical waveguide mode sensor according to claim 2 , wherein the metal material is Al, Ti, or Ta. 前記透明基板は、ガラスであることを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 The said transparent substrate is glass, The detection plate manufacturing method for optical waveguide mode sensors in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記ガラスは、シリカガラスであることを特徴とする請求項記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 6. The detection plate manufacturing method for an optical waveguide mode sensor according to claim 5 , wherein the glass is silica glass. さらに、前記光導波路層に細孔を形成する工程を有することを特長とする請求項1〜6のいずれかに記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 The method for producing a detection plate for an optical waveguide mode sensor according to claim 1, further comprising a step of forming pores in the optical waveguide layer. 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記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 8. The method of manufacturing a detection plate for an optical waveguide mode sensor according to claim 7 , wherein the pores are formed by chemical etching, reactive ion etching, nanoimprinting, or lithography. 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記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 8. The method of manufacturing a detection plate for an optical waveguide mode sensor according to claim 7 , wherein the pores are formed by chemical etching after ion implantation. 前記化学エッチングはフッ酸溶液又はフッ酸の蒸気によるエッチングであることを特徴とする請求項記載の光導波モードセンサー用検出板製造方法。 10. The detection plate manufacturing method for an optical waveguide mode sensor according to claim 9, wherein the chemical etching is etching with a hydrofluoric acid solution or a vapor of hydrofluoric acid.
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