薄膜光導波路型センサによる微量生化学物質の高感度センシング

1998 年度 実績報告書

• 研究課題/領域番号: 09650486
• 研究機関: 慶応義塾大学
• 研究代表者: 南谷 晴之 慶応義塾大学, 理工学部, 教授 (70051779)
• 研究分担者: 佐々木 敬介 千歳科学技術大学, 教授 (00051425) ; 二瓶 栄輔 慶応義塾大学, 理工学部, 講師 (10228257)
• キーワード: 薄膜光導波路 / イオンセンサ / バイオセンサ / グルコースセンサ / エバネッセント光 / 可視光レーザ / イオノフォア

研究概要

本研究では、広い濃度範囲の生化学物質やイオン量を僅少量で高感度に測定する薄膜光導波路型センサを理論的に検討するとともに最適設計したセンサを開発し、グルコース、コレステロール、酸化・還元ヘモグロン、Naイオン、Caイオンの濃度測定を可能にした。センサの基本構造は、3層からなるスラブ型薄膜光導波路であり、基盤層(クラッド層)にはバイレックスガラス(屈折率 n=1.47)を用い、導波層(コア層)にRFスパッタリングした膜厚 0.53μmのコーニング7059ガラス(屈折率 n=1.58)を用いたガラス薄膜導波路と高分子複合材料(PVC・PVA,n=1.51)をスピンコーティングした有機薄膜導波路の2種類を製作した。トップクラッド層は試料層と空気層からなり、試料眉に生化学物質やイオン溶液を滴下させることにより、エバネッセント波の吸収にともなう出力光の変化を検出し、濃度測定を行うことができる。検出原理は、(1)試料層の生化学物質の分子やイオンそのものの特定波長に対する吸光特性を検出するもの、(2)試料に反応試薬(酵素)を作用させ、その物理化学的変化にともなう吸光特性を検出するもの、(3)導波層の高分子材料に選択性のあるイオノフォアと色素をドープして、特定のイオンが反応したときに起こる吸光特性の変化を検出するものの3種類である。酸化・還元へモグロンの検出には(1)の方法、グルコースとコレステロールの検出には(2)の方法、Na、KおよびCaイオンの検出には(3)の方法を利用している。従来のATR法では、光センシング素子の導波層からセンシング対象へ浸み出すエバネッセント波強度が、本質的に低いために十分なセンシング効率を得ることができなかったが、本センサでは光波とセンシング試料間の高い相互作用を達成することが可能であり、高感度化と測定レンジの拡大がはかれた。また、センシングの時間応答が指数関数特性を有することから、その過渡特性を利用して試料の濃度測定を短時間に行う方法を考案した。

研究成果

• [文献書誌] 山本剛,南谷晴之,他: "薄膜光導波路型グルコースセンサ" 電子情報通信学会論文誌. J80-D2・1. 383-385 (1997)
• [文献書誌] Hideaki Hisamoto,Haruyuki Minamitani他: "Ion-sensitive and selective active waveguide optodes Analytica Chimica Acta" 342. 31-39 (1997)
• [文献書誌] Kyongho Kim,Haruyuki Minamitani他: "Active optical thin-film waveguide sensor for ion sensing Analytica Chimica Acta" 343. 199-208 (1997)
• [文献書誌] 松本邦裕,南谷晴之,他: "薄膜光導波路型生体化学量センサの基礎特性" 電子情報通信学会論文誌. J81-D2・6. 1439-1447 (1998)
• [文献書誌] Kyongho Kim,Haruyuki Minamitani他: "Thin film waveguide sensor for measurement of the absorption coefficient of hemoglobin derivatives" Optical Review. 5・4. 257-261 (1998)
• [文献書誌] Kyongho Kim,Haruyuki Minamitani他: "Sensing property of thin film optical waveguide sensor based on PVC co-polymer Proc.SPIE(Int.Soc.Opt.Eng.)" 3278. 1059-1072 (1998)