光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステム
【課題】繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを提供する。
【解決手段】実施形態によれば、光導波部と、センシング部と、を備えた光導波型バイオケミカルセンサチップが提供される。前記光導波部は、光を導く光導波層を含む。前記センシング部は、前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含む。前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じる。前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じる。
【解決手段】実施形態によれば、光導波部と、センシング部と、を備えた光導波型バイオケミカルセンサチップが提供される。前記光導波部は、光を導く光導波層を含む。前記センシング部は、前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含む。前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じる。前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高感度なバイオケミカルセンサチップの開発が進んでいる。例えば、糖尿病治療において、グルコースを高感度で検出することが重要であり、このために、光導波型バイオケミカルセンサチップが開発されている。
【０００３】
グルコースなどの検体を繰り返して測定できるセンサチップの開発が望まれている。これにより一定期間連続して検体を検出することが可能になる。例えば、組織液中のグルコースを電気化学的センサで計測しているデバイスがある。しかし、電気化学測定でのセンサは検出感度が小さいため、組織液中の低濃度グルコースを測定する場合では測定誤差が生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、光導波部と、センシング部と、を備えた光導波型バイオケミカルセンサチップが提供される。前記光導波部は、光を導く光導波層を含む。前記センシング部は、前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含む。前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じる。前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｅ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。
【図１２】第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ１１０は、光導波部１０と、センシング部２０と、を備える。以下、「光導波型バイオケミカルセンサチップ」を、適宜「センサチップ」と省略して記載する場合がある。
【００１０】
光導波部１０は、光導波層１１を含む。光導波層１１は、光１５を導く。
光導波部１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂと、を有する。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａとは反対側の面である。本具体例では、第１主面１０ａは、光導波層１１の一方の主面である。第２主面１０ｂは、光導波層１１の他方の主面である。光１５は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとで反射し、光導波層１１の内部を導かれる。
【００１１】
センシング部２０は、光導波部１０の主面に接する。以下では、センシング部２０が、光導波部１０の第１主面１０ａに接する場合として説明する。センシング部２０は、光導波層１１の主面に接している。
【００１２】
センシング部２０は、センシング材料層２１を含む。後述するように、センシング部２０は、センシング材料層２１以外の層をさらに含んでも良い。
【００１３】
光導波層１１を導かれる光１５の一部は、センシング材料層２１に浸透する。浸透する浸透光１６は、光導波層１１中を導かれる光１５の、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）におけるエバネッセント光である。
【００１４】
センシング部２０には、電圧を印加できる。すなわち、センシング材料層２１には、電圧を印加できる。例えば、光導波部１０（具体的には光導波層１１）は、導電性である。この場合、光導波部１０と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層２１に電圧が印加される。さらに、後述するように、光導波部１０は、光導波層１１とセンシング部２０との間に設けられた透明導電層を含むことができる。この場合には、この透明導電層と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００１５】
センシング材料層２１には、検体ｓｐが導入される。検体ｓｐは、例えば、体液などを含む溶液である。例えば、体液には検査対象が含まれる。検査対象は、例えばグルコースなどである。
【００１６】
センシング材料層２１には、例えば、センシング材料が含まれる。センシング材料は、例えばプルシアンブルーを含む。センシング材料層２１は、センシング材料と、センシング材料が分散されるバインダを含む。バインダは、例えば光硬化型（例えば紫外線硬化型）の樹脂である。
【００１７】
センシング材料層２１は、吸水可能である。そして、センシング材料層２１は非水溶性である。例えば、バインダは、吸水可能でありつつ、非水溶性の材料が用いられる。バインダには、例えばハイドロゲルなどが用いられる。
【００１８】
センシング部２０は、例えば、検体ｓｐの反応を進める酵素を含む。例えば、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。検体ｓｐがグルコースである場合には、酵素は、例えばグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）である。以下では、検体ｓｐがグルコースであり、酵素がＧＯＤである場合について説明する。
【００１９】
センシング部２０に検体ｓｐが例えば、滴下される。これにより、センシング材料層２１に導入されたグルコースと酸素とが、酵素により反応し、グルコン酸と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生じる。
【００２０】
センシング材料層２１に含まれるセンシング材料が例えばプルシアンブルーである場合は、第１式の反応が生じる。
Ｋ４Ｆｅ(II)４［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（透明）＋２Ｈ２Ｏ２
→ Ｋ４Ｆｅ(III)［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（青色）＋４ＯＨ−＋４Ｋ＋ …（第１式）
第１式に表したように、センシング材料層２１は、透明状態から着色状態（青色状態）に変化する。第１式の反応は、酸化の反応である。
【００２１】
センシング材料層２１を例えばＫ（カリウム）イオンを含む溶液（例えばＫＣｌ溶液）に接触させた状態でセンシング材料層２１に電圧を印加する。これにより、第２式の反応が生じる。
Ｋ４Ｆｅ(III)［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（青色）＋４Ｋ＋＋４ｅ−
→ Ｋ４Ｆｅ(II)４［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（透明） …（第２式）
第２式に表したように、センシング材料層２１は、着色状態（青色状態）から透明状態に変化する。第２式の反応は、還元の反応である。
【００２２】
第２式の反応は、第１式の反応とは逆の反応である。すなわち、センシング材料層２１において可逆的な反応が生じる。
【００２３】
第１式の反応は、検体ｓｐにより生じた過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に基づく反応である。従って、第１式の反応は、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた反応である。例えば、検体ｓｐの量が多い（濃度が濃い）場合は、第１式の反応が多く生じる。このため、センシング材料層２１の着色の程度は高い。すなわち、センシング材料層２１の色が濃くなる。
【００２４】
そして、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収が第１式の反応により変化する。すなわち、第１式の左辺の透明状態においては、浸透光１６に対する吸収は小さい。第２式の右辺の青色状態においては、浸透光１６に対する吸収が大きい。
【００２５】
第１式の反応の前後における光の吸収特性の変化により、光導波層１１から出射する出射光１７の強度が変化する。この出射光１７の変化により、検体ｓｐ（例えば検体ｓｐの量や濃度など）を高い精度で検出できる。
【００２６】
そして、第２式の反応により、センシング材料層２１の状態は、第１式の左辺の元の状態に戻る。これにより、センサチップ１１０は繰り返し使用できる。
【００２７】
このように、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた酸化及び還元の一方の反応により、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）からセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化が生じる。すなわち、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率に上昇または低下が生ずる。この第１変化を検出することで、検体ｓｐが検出できる。
【００２８】
そして、センシング材料層２１に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第１変化とは逆の第２変化が生じる。すなわち、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率が第１変化において上昇した場合には、第２変化として吸収率が低下する。一方、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率が第１変化において低下した場合には、第２変化として吸収率が上昇する。この第２変化により、センシング材料層２１の状態は、元の状態に戻る。
【００２９】
第１式の酸化の反応（酸化及び還元の一方の反応）と、第２式の還元の反応（酸化及び還元の他方の反応）と、は、互いに逆の反応である。すなわち、センサチップ１１０においては、可逆的な反応が生じる。
【００３０】
このように、検体ｓｐに応じた酸化及び還元の上記の一方の反応（第１式の反応）は、センシング部２０に含まれる酵素（例えばグルコースオキシターゼ）と、検体ｓｐ（例えばグルコース）と、の反応による生成物と、センシング部２０（具体的にはセンシング材料層２１）に含まれるセンシング材料（例えばプルシアンブルー）と、の反応を含むことができる。この生成物は、例えば過酸化水素である。
【００３１】
センシング材料層２１においては、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた酸化及び還元の一方の反応が生じることで、検体ｓｐに応じて、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性が第１状態（透明状態）から第２状態（着色状態）に変化する。そして、センシング材料層２１において、センシング材料層２１に印加される電圧により酸化及び還元の他方の反応が生じ、吸収特性が第２状態から第１状態に変化する。浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性は、検体ｓｐに応じて可逆的に変化する。
【００３２】
これにより、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。
【００３３】
なお、プルシアンブルーを用いたセンサチップとして、電流検出型のセンサチップが考えられる。この場合には、検体ｓｐに応じたプルシアンブルーの反応における電流の変化により、検体ｓｐが検出される。電流検出型のセンサチップにおいては、検出精度が低い。
【００３４】
これに対し、実施形態に係るセンサチップ１１０は、光導波型のセンサチップであるため、検出精度が高い。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。
図２に表したように、光導波層１１を導かれる光１５の軸と、第１主面１０ａの法線と、の角度をθとする。光導波層１１の屈折率をｎ１とする。センシング材料層２１（センシング部２０）の屈折率をｎ２とする。光１５の波長をλとする。このとき、光導波部１０の第１主面１０ａからセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６（エバネッセント光）の浸透距離ｄｐは、以下の第３式で表される。
ｄｐ＝λ・（ｎ１２ｓｉｎ２θ−ｎ２２）１／２／２π …（第３式）
実施形態において、センシング材料層２１の厚さは、浸透距離ｄｐ以下であることが望ましい。もしセンシング材料層２１の厚さが浸透距離ｄｐよりも厚い場合、センシング材料層２１のうちで浸透距離ｄｐよりも厚い部分は、検体ｓｐの検出に寄与しない。センシング材料層２１の厚さを浸透距離ｄｐ以下に設定することで、検体ｓｐの検出精度が向上する。
【００３６】
このように、センシング材料層２１の厚さは、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）からセンシング部２０に浸透するエバネッセント光のエバネッセント距離以下であることが望ましい。
【００３７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２１は、光導波部１０及びセンシング部２０に加え、基板部３０をさらに備える。
【００３８】
基板部３０は、光導波部１０のセンシング部２０とは反対の側に設けられる。すなわち、光導波部１０は、基板部３０とセンシング部２０との間に配置される。
【００３９】
基板部３０は、基板３３と、第１偏向部３１と、第２偏向部３２と、を含む。
基板３３は、光導波層１１に対向して設置される。第１偏向部３１は、基板３３上に設けられ、光導波層１１に対向する。第１偏向部３１は、基板３３に向けて入射する光１４の進行方向を変化させて光導波層１１に入射させる。これにより、入射する光１４に基づく光１５が、光導波層１１の内部を導かれる。光１４は、例えばレーザ光である。
【００４０】
第２偏向部３２は、基板３３上に設けられ、光導波層１１に対向する。第２偏向部３２は、光導波層１１を導波した光１５を光導波層１１から出射させる。これにより、出射光１７は、光導波層１１から出射する。
【００４１】
基板３３には、例えばガラス基板を用いることができる。ただし、基板３３には、任意の材料を用いることができる。基板３３には、例えば、樹脂材料を用いても良い。ただし、寸法精度及び表面粗さの観点から、基板３３には、ガラス基板を用いるのが望ましい。
【００４２】
また、センサチップ１２１において、第１主面１０ａの側から光１４が斜めに入射し、光１５が光導波層１１内を導波しても良い。この場合は、基板３３には、光１５に対して反射性の材料を用いても良い。
【００４３】
例えば、基板３３の屈折率は、光導波層１１の屈折率よりも低い。光導波層１１に樹脂を用いた場合、光導波層１１の屈折率は例えば１．４９〜１．７０程度である。基板３３にガラス（例えば無アルカリガラス）を用いた場合、基板３３の屈折率は例えば１．５１５である。
【００４４】
第１偏向部３１及び第２偏向部３２は、回折格子を含むことができる。回折格子には、例えば基板３３の屈折とは異なる屈折率を有する材料を用いることができる。例えば、基板３３の上に形成した酸化チタン膜を所定の形状に加工することで回折格子が設けられる。具体的には回折格子のピッチは、例えば、０．９μｍ以上１．１μｍ以下である。
【００４５】
例えば基板３３の一方の面（光導波層１１に対向する例えば上面）に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられる。第１偏向部３１から第２偏向部３２に向かう方向において、第１偏向部３１の少なくとも一部と第２偏向部３２の少なくとも一部との間に、光導波層１１の少なくとも一部が設けられる。
【００４６】
基板３３の上面に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられている場合、基板の下面から光１４が入射する。基板３３を通過した光１４が、第１偏向部３１に入射し、光１４の進行方向が変化し、光導波層１１に入射する。
【００４７】
また、例えば、基板３３の上面に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられている場合、基板の上面から光１４が入射しても良い。この場合も光１４は、第１偏向部３１に入射し、光１４の進行方向が変化し、光導波層１１に入射する。
【００４８】
本具体例においては、光導波層１１は導電性である。この場合、第２式の反応を実施する際の電圧は、光導波層１１によりセンシング材料層２１に印加される。すなわち、光導波層１１を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００４９】
なお、センサチップ１２１においては、センシング部２０のセンシング材料層２１は、センシング材料（例えばプルシアンブルーなど）と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。
【００５０】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２２においても、光導波部１０及びセンシング部２０に加え、基板部３０が設けられる。そして、光導波部１０は、光導波層１１に加え、透明導電層１２をさらに含む。
【００５１】
透明導電層１２は、光導波層１１とセンシング部２０との間に設けられる。透明導電層１２は、浸透光１６に対して透過性である。すなわち、透明導電層１２は、光１５の波長を有する光に対して透過性である。
【００５２】
第２式の反応を実施する際の電圧は、透明導電層１２によりセンシング材料層２１に印加される。すなわち、透明導電層１２を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００５３】
透明導電層１２は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。透明導電層１２には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。透明導電層１２にＩＴＯを用いた場合、透明導電層１２の屈折率は、２．０６である。例えば、透明導電層１２の屈折率は、光導波層１１の屈折率よりも高い。
【００５４】
光導波部１０において、例えば、透明導電層１２は光導波層１１と共に光１５を導くことができる。
【００５５】
すなわち、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）は、透明導電層１２の主面とすることができる。そして、透明導電層１２の主面（第１主面１０ａ）からセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化及び第２変化が生じる。
【００５６】
センサチップ１２２においても、センシング材料層２１は、センシング材料と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。
【００５７】
一般に、透明導電層１２の厚さが薄いと、シート抵抗は高くなる。第２式の反応を有効に実施するためには、シート抵抗が低いことが望ましい。実用的な観点から、透明導電層１２の厚さは、１５０ナノメートル（ｎｍ）以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下する。これにより、第２式の反応が有効に実施できる。
透明導電層１２の主面における光１５の反射回数は、例えば、光導波層１１及び透明導電層１２の厚さに依存する。一般的に平面光導波層を伝播する光は、光導波層とその上下の層との界面における散乱などにより減衰する。光導波層が薄すぎる場合、反射回数が増大する結果、出射光強度が低下する。これによって、外乱光や測定系のゆらぎ等によるノイズの影響を受けやすくなる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した構成において、光導波層１１を過度に薄くしなければ、上記のような問題は生じない。但し、透明導電層１２が過度に厚いと光１５の光路長が長くなるため透明導電層１２の主面における光１５の反射回数が減少する。これにより、浸透光１６の発生量が減少するため、検出感度が低下する。従って、透明導電層１２の厚さは、1μｍ以下が望ましい。
【００５８】
図３に例示したセンサチップ１２１のように、光導波層１１が導電性であり、光導波層１１によりセンシング材料層２１に電圧を印加する場合は、光導波層１１の厚さは、１５０ｎｍ以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下し、第２式の反応が有効に実施できる。光導波層１１が薄すぎる場合、反射回数の増大による散乱の影響で光１７の強度が低下し、ノイズの影響が生じる。このため、光導波層１１の厚さは１０μｍ以上であることが望ましい。
【００５９】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２３においては、センシング部２０は、センシング材料層２１の他に、酵素層２２をさらに含む。酵素層２２は、センシング材料層２１に積層される。酵素層２２は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。これにより、第１式の反応が生じる。これにより、上記の動作が実施される。
【００６０】
センシング材料層２１は、センシング材料（例えばプルシアンブルー）と、バインダと、を含む。酵素層２２は、酵素と、バインダと、を含むことができる。
【００６１】
なお、本具体例では、センシング材料層２１は、酵素層２２と光導波部１０との間に配置される。センシング材料層２１が光導波部１０の側に配置される。すなわち、センシング材料層２１は光導波部１０の近傍に、または、接して配置される。これにより、センシング材料層２１における吸収特性の変化が検出し易くなる。これにより、検出感度が向上できる。また、可逆性の応答性が向上できる。
【００６２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２４においては、センシング部２０は、センシング材料層２１及び酵素層２２を含む。さらに、光導波部１０は、光導波層１１及び透明導電層１２を含む。
【００６３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２５においては、基板部３０が設けられていない。
【００６４】
光導波部１０の光導波層１１の端面（第１主面１０ａと第２主面１０ｂとに接続される面）が主面（第１主面１０ａ）に対して傾斜している。これにより、例えば、光導波層１１の１つの端面から光導波層１１の内部に光１４が入射する。そして、例えば、光導波層１１の別の端面から、光導波層１１を導かれた光１５が、出射光１７として出射する。そして、センシング材料層２１における光の吸収特性の変化が検出される。
【００６５】
なお、この例では、光導波部１０に透明導電層１２が設けられているが、透明導電層１２は省略されても良い。また、この例では、センシング部２０に酵素層２２が設けられていないが、センシング部２０は、酵素層２２をさらに含んでも良い。
【００６６】
センサチップ１２１〜１２５においても、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。
【００６７】
センシング材料層２１の吸収波長帯は、光１５の波長を含むことができる。例えば、センシング材料層の吸収波長帯は、６２５ｎｍ以上６５０以下である。例えば、光１５の波長は、６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。
【００６８】
なお、実施形態において、センシング材料層２１は、プルシアンブルーを含む。ただし、実施形態はこれに限らない。すなわち、センシング材料層２１に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化が生じ、センシング材料層２１に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第１変化とは逆の第２変化が生じるような任意の材料をセンシング材料層２１は含むことができる。
【００６９】
センシング材料層２１は、プルシアンブルー、3,3',5,5'-tetramethylbenzine（ＴＭＢＺ）、o-phenylenediamine（ＯＰＤ）、o-tolidine、N,N'-Bis（2-hydroxy-3-surufopropyl）tolicine,disodium salt,tetrahydrate（ＳＡＴ−３）、及び、2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt（ＡＢＴＳ）の少なくともいずれかを含むことができる。
【００７０】
以下、実施形態に係るセンサチップの製造方法の例について説明する。
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ１２２の製造方法の例を示している。
【００７１】
図８（ａ）に表したように、基板３３の上に、例えば第１偏向部３１及び第２偏向部３２となる膜を形成する。この膜には、例えば酸化チタン膜が用いられる。酸化チタン膜の形成には、例えばスパッタ法が用いられる。そして、この膜をリソグラフィとエッチングにより所定の形状に加工する。これにより、第１偏向部３１及び第２偏向部３２が形成される。このエッチングには、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などが用いられる。この後、エッチングの際に用いられたマスク材が除去される。
【００７２】
図８（ｂ）に表したように、基板３３、第１偏向部３１及び第２偏向部３２の上に、光導波層１１を形成する。具体的には、光導波層１１となる有機膜を例えば塗布し、硬化する。
【００７３】
図８（ｃ）に表したように、光導波層１１の上に透明導電層１２を形成する。具体的には、透明導電層１２となる例えばＩＴＯ膜を、例えば真空蒸着及びスパッタなどの方法により形成する。
【００７４】
図８（ｄ）に表したように、センシング材料層２１となるセンシング材料膜２１ｆを形成する。この例では、センシング材料膜２１ｆは、プルシアンブルーと、酵素と、バインダと、を含む。バインダには、紫外線硬化型の樹脂が用いられる。これらを含む溶液を例えばスピンナで塗布する。これにより、センシング材料膜２１ｆが形成される。
【００７５】
図８（ｅ）に表したように、所定の形状のマスクを用いて、センシング材料膜２１ｆに露光及び現像の処理を施し、センシング材料層２１が得られる。
【００７６】
そして、センシング材料層２１に還元処理を施す。すなわち、第２式の反応を実施する。これにより、センシング材料層２１は、透明状態になる。これにより、センシング材料層２１は、検体ｓｐを検出可能な状態になる。
このようにして、センサチップ１２２が得られる。
【００７７】
図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ１２４の製造方法の例を示している。
【００７８】
図９（ａ）に表したように、基板３３の上に、例えば第１偏向部３１及び第２偏向部３２となる膜を形成する。図９（ｂ）に表したように、基板３３、第１偏向部３１及び第２偏向部３２の上に、光導波層１１を形成する。図９（ｃ）に表したように、光導波層１１の上に透明導電層１２（例えばＩＴＯ膜）を形成する。
【００７９】
図９（ｄ）に表したように、透明導電層１２のうちでセンシング部２０が設けられない領域を覆うマスク膜２０ｒを形成する。マスク膜２０ｒに覆われていない領域が、センシング領域となる。マスク膜２０ｒの形成には、例えば、スクリーン印刷法などの任意の塗布法などが用いられる。
【００８０】
図９（ｅ）に表したように、プルシアンブルーを電析させる。これにより、センシング材料層２１が形成される。この後、還元処理を行う。
【００８１】
図９（ｆ）に表したように、センシング材料層２１の上に酵素層２２を形成する。例えば、酵素及びバインダを含む溶液を例えばスピンナで塗布し、硬化させることで、酵素層２２が形成される。
このようにして、センサチップ１２４が得られる。
【００８２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップを用いたバイオセンサカートリッジである。以下では、バイオセンサカートリッジがセンサチップ１２２を備える場合として説明する。実施形態はこれに限らず、第１の実施形態に係るセンサチップのいずれか、及び、その変形の任意のセンサチップを用いることができる。
【００８３】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）に表したように、本実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ（例えばセンサチップ１２２）と、対向電極４０と、ハウジング５０と、を備える。
【００８４】
対向電極４０は、センシング部２０と離間する。対向電極４０は、例えば、センシング部２０の光導波部１０とは反対の側に配置される。すなわち、センシング部２０は、対向電極４０と光導波部１０との間に配置される。対向電極４０は、センシング部２０に対向する。
【００８５】
ハウジング５０は、センサチップ１２２及び対向電極４０を保持する。
例えば、ハウジング５０は、対向部５４と、側部５３と、を含む。対向部５４は、センシング部２０の上方に設けられる。対向部５４の下面（センシング部２０に対向する面）に対向電極４０が配置される。側部５３は、光導波部１０のうちの、センシング部２０の周囲の部分の上に設けられる。本具体例では、側部５３には、貫通電極５５が設けられている。貫通電極５５は、側部５３を貫通し、透明導電層１２に電気的に接続されている。なお、光導波層１１が導電性の場合は、貫通電極５５は、光導波層１１に電気的に接続されても良い。
【００８６】
対向電極４０及び貫通電極５５には、例えば、金、白金及びカーボンの少なくともいずれかが用いられる。これにより、これらの電極の化学的安定性が向上する。ハウジング５０には、例えば黒色の樹脂成形体が用いられる。黒色の樹脂を用いることで、測定の際の外乱光の影響を抑制できる。
【００８７】
図１０（ａ）は、検体ｓｐの検出時の１つの状態を例示している。図１０（ｂ）は、検体ｓｐの検出時の別の状態を例示している図１０（ｃ）は、検体ｓｐの検出が終了し、センシング材料層２１が検出前の状態に戻った初期化状態を例示している。
【００８８】
図１０（ａ）に表したように、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、検体ｓｐを含む検体液ｓｐｌが流入可能である。
【００８９】
例えば、ハウジング５０は、検体液ｓｐｌを空間５０ｓに流入させる流入口５１と、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから流出させる流出口５２と、を含む。流入口５１から流入した検体液ｓｐｌ中の検体ｓｐ（例えばグルコース）が、センシング材料層２１に導入される。これにより、第１式の反応が生じる。
【００９０】
図１０（ｂ）に例示した状態においては、図１０（ａ）に例示した状態よりも検体液ｓｐｌ中の検体ｓｐの濃度が高い。このため、第１式の反応がより多く生じる。
【００９１】
このため、図１０（ｂ）に例示した状態におけるセンシング材料層２１の光の吸収率は、図１０（ａ）に例示した状態のときのセンシング材料層２１の光の吸収率よりも高い。この光の吸収率の差異が、出射光１７の強度を測定することで検出される。これにより、検体ｓｐを高い精度で検出できる。
【００９２】
図１０（ｃ）に表したように、検体ｓｐの検出が終了したら、検体液ｓｐｌを流出口５２から排出し、洗浄する。そして、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに、例えばＫＣｌ溶液を流入させる。すなわち、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）に用いられる反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）が流入可能である。
【００９３】
そして、対向電極４０と透明導電層１２とに、貫通電極５５を介して、電源５８が接続される。光導波層１１が導電性の場合は、対向電極４０と光導波層１１とに、貫通電極５５を介して、電源５８が接続される。
【００９４】
センシング材料層２１を例えばＫ（カリウム）イオンを含む反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）に接触させた状態でセンシング材料層２１に電圧を印加する。これにより、第２式の反応が生じる。これにより、センシング材料層２１は、初期状態に戻る。
【００９５】
そして、反応液５７を例えば、流出口５２から排出する。そして、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに、再び検体液ｓｐｌを流入させる。そして、検体ｓｐの検出を再び実施する。
【００９６】
このように、実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０においては、繰り返して高感度な測定が可能である。
【００９７】
このように、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、検体ｓｐを含む検体液ｓｐｌが流入可能である。さらにこの空間５０ｓには、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）に用いられる反応液５７が流入可能である。例えば、ハウジング５０は、検体液ｓｐｌを空間５０ｓに流入させる流入口５１と、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから流出させる流出口５２と、を含む。流入口５１及び流出口５２の一方は、空間５０ｓに反応液５７を流入させ、流入口５１及び流出口５２の他方は、空間５０ｓから反応液５７を流出させる。
【００９８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、第３の実施形態に係るバイオセンサカートリッジを用いたバイオセンサシステムである。以下では、バイオセンサシステムがバイオセンサカートリッジ２１０を備える場合として説明する。
【００９９】
図１１は、第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。
図１１に表したように、本実施形態に係るバイオセンサシステム３１０は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０と、光源６１と、光検出器６２と、検体液供給部７０と、反応液供給部８０と、電源５８と、を備える。この例では、バイオセンサカートリッジ２１０においては、センサチップ１２２が用いられている。実施形態はこれに限らず、第１の実施形態に係る任意のセンサチップ及びその変形のいずれかを用いることができる。
【０１００】
光源６１は、光導波層１１に導波される光１４（光１５）を発生する。光源６１には、例えば、レーザダイオードなどが用いられる。
【０１０１】
光検出器６２は、光導波層１１に導波された光１５（出射光１７）を検出する。光検出器６２には、フォトダイオードなどが用いられる。
【０１０２】
検体液供給部７０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。検体液供給部７０は、検体液ｓｐｌを、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに供給する。検体液供給部７０は、例えば、検体液タンク７１と検体液配管７２とを含む。検体液タンク７１は、検体液ｓｐｌを格納する。検体液配管７２は、検体液タンク７１と流入口５１とを接続する。検体液ｓｐｌは、流入口５１から空間５０ｓに流入可能である。
【０１０３】
反応液供給部８０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。反応液供給部８０は、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）の際に使用される反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）を空間５０ｓに供給する。反応液供給部８０は、例えば、反応液タンク８１と反応液配管８２とを含む。反応液タンク８１は、反応液５７を格納する。反応液配管８２は、反応液タンク８１と例えば流入口５１とを接続する。反応液５７は、流入口５１から空間５０ｓに流入可能である。反応液配管８２は、反応液タンク８１と、流入口５１とは別の入り口と、を接続しても良い。
【０１０４】
電源５８は、光導波部１０と対向電極４０とに電気的に接続される。本具体例では、電源５８は、貫通電極５５を介して、光導波部１０と電気的に接続される。具体的には、電源５８は、透明導電層１２と電気的に接続されている。光導波層１１が導電性である場合は、電源５８は、光導波層１１と電気的に接続されても良い。
【０１０５】
図１１に表したように、バイオセンサシステム３１０は、溶液排出部９０と、制御部９５と、をさらに備えることができる。
【０１０６】
溶液排出部９０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。溶液排出部９０は、検体液ｓｐｌ及び反応液５７の少なくともいずれかを、空間５０ｓから排出する。溶液排出部９０は、例えば、溶液タンク９１と排出配管９２とを含む。溶液タンク９１は、排出された検体液ｓｐｌ及び反応液５７少なくともいずれかを格納する。排出配管９２は、溶液タンク９１と例えば流出口５２とを接続する。検体液ｓｐｌ及び反応液５７の少なくともいずれかは、流出口５２から流出可能である。
【０１０７】
制御部９５は、検体液供給部７０及び反応液供給部８０の少なくともいずれかの動作を制御する。具体的には、制御部９５は、検体液供給部７０の空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給と、反応液供給部８０の空間５０ｓへの反応液５７の供給と、を制御する。すなわち、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に関して説明した動作を実施する。
【０１０８】
なお、制御部９５は、有線または無線の方式により、検体液供給部７０及び反応液供給部８０と通信が可能である。
【０１０９】
制御部９５は、バイオセンサシステム３１０に含められても良い。実施形態はこれに限らず、制御部９５は、バイオセンサシステム３１０とは別に設けられ、制御部９５とバイオセンサシステム３１０との通信が任意の方法で実施されても良い。
【０１１０】
制御部９５は、光検出器６２と、電源５８と、をさらに制御しても良い。
【０１１１】
以下、制御部９５の動作の例について説明する。
図１２は、第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、制御部９５は、検体液供給部７０に空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給を実施させる（ステップＳ１１０）。これにより、例えば、第１式の反応が生じる。
【０１１２】
さらに、制御部９５は、光検出器６２に、供給された検体液ｓｐｌによるセンシング材料層２１の光（浸透光１６）に対する吸収特性を検出させる（ステップＳ１２０）。第１式の反応に応じた吸収特性が検出される。なお、光検出器６２は、センシング材料層２１の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。
さらに、制御部９５は、光検出器６２による吸収特性の検出結果を入手することができる。
【０１１３】
制御部９５は、吸収特性の検出（ステップＳ１２０）の後に、反応液供給部８０に空間５０ｓへの反応液５７の供給を実施させる（ステップＳ１３０）。
【０１１４】
制御部９５は、ステップＳ１２０とステップＳ１３０との間において、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部９０によって実施される。制御部９５は、この際の溶液排出部９０の動作をさらに制御することができる。
【０１１５】
制御部９５は、空間５０ｓに反応液５７が導入されている状態で対向電極４０を介してセンシング部２０に電圧を印加する（ステップＳ１４０）。すなわち、例えば、制御部９５は、電源５８をオン状態にし、例えば透明導電層１２と対向電極４０との間に電圧を印加する。これにより、例えば、第２式の反応が生じる。これにより、センシング材料層２１は、もとの状態に戻る。
【０１１６】
さらに、制御部９５は、電圧の印加（ステップＳ１４０）の後に、検体液供給部７０に空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給をさらに実施させる（２回目のステップＳ１１０）。
【０１１７】
そして、制御部９５は、光検出器６２に、供給された検体液ｓｐｌによるセンシング材料層２１の光に対する吸収特性をさらに検出させる（２回目のステップＳ１２０）。
【０１１８】
このように、実施形態に係るバイオセンサシステム３１０によれば、繰り返して高感度な測定が可能なバイオセンサシステムが提供できる。
【０１１９】
なお、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０は、技術的に可能な範囲で同時に実施されても良い。例えば、光検出器６２は、センシング材料層２１の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。
【０１２０】
上記において、ステップＳ１４０と２回目のステップＳ１１０との間において、反応液５７を空間５０ｓから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部９０によって実施される。制御部９５は、この際の溶液排出部９０の動作をさらに制御することができる。
【０１２１】
本実施形態において、光源６１で発生し光導波層１１に導波される光１５（光１４）の波長は、センシング材料層２１の吸収波長帯に含まれる。例えば、光源６１で発生し光導波層１１に導波される光１５（光１４）の波長は、６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、センシング材料層２１の吸収波長帯は６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。これにより、高い感度の検出が可能になる。
【０１２２】
実施形態によれば、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムが提供される。
【０１２３】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１２４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光導波型バイオケミカルセンサチップに含まれる光導波部、光導波層、透明導電層、センシング部、センシング材料層、センシング材料、酵素層、酵素、バインダ、基板部、基板及び偏向部など、バイオセンサカートリッジに含まれる対向電極、ハウジング及び貫通電極、並びに、バイオセンサシステムに含まれる光源、光検出器、検体液供給部、反応液供給部、電源、溶液排出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１２５】
その他、本発明の実施の形態として上述した光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１２６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１２７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…光導波部、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １１…光導波層、 １２…透明導電層、 １４、１５…光、 １６…浸透光、 １７…出射光、 ２０…センシング部、 ２０ｒ…マスク膜、 ２１…センシング材料層、 ２１ｆ…センシング材料膜、 ２２…酵素層、 ３０…基板部、 ３１…第１偏向部、 ３２…第２偏向部、 ３３…基板、 ４０…対向電極、 ５０…ハウジング、 ５１…流入口、 ５２…流出口、 ５３…側部、 ５４…対向部、 ５５…貫通電極、 ５７…反応液、 ５８…電源、 ６１…光源、 ６２…光検出器、 ７０…検体液供給部、 ７１…検体液タンク、 ７２…検体液配管、 ８０…反応液供給部、 ８１…反応液タンク、 ８２…反応液配管、 ９０…溶液排出部、 ９１…溶液タンク、 ９２…排出配管、 ９５…制御部、 １１０、１２１〜１２５…光導波型バイオケミカルセンサチップ（センサチップ）、 ２１０…バイオセンサカートリッジ、 ３１０…バイオセンサシステム、 ｄｐ…浸透距離、 ｓｐ…検体、 ｓｐｌ…検体液
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
小型で高感度なバイオケミカルセンサチップの開発が進んでいる。例えば、糖尿病治療において、グルコースを高感度で検出することが重要であり、このために、光導波型バイオケミカルセンサチップが開発されている。
【０００３】
グルコースなどの検体を繰り返して測定できるセンサチップの開発が望まれている。これにより一定期間連続して検体を検出することが可能になる。例えば、組織液中のグルコースを電気化学的センサで計測しているデバイスがある。しかし、電気化学測定でのセンサは検出感度が小さいため、組織液中の低濃度グルコースを測定する場合では測定誤差が生じる可能性がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−２０９２１９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明の実施形態は、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを提供する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の実施形態によれば、光導波部と、センシング部と、を備えた光導波型バイオケミカルセンサチップが提供される。前記光導波部は、光を導く光導波層を含む。前記センシング部は、前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含む。前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じる。前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。
【図２】第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。
【図３】図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図４】図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図５】図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図６】図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図７】図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
【図８】図８（ａ）〜図８（ｅ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
【図９】図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
【図１０】図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。
【図１１】第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。
【図１２】第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
以下に、各実施の形態について図面を参照しつつ説明する。
なお、図面は模式的または概念的なものであり、各部分の厚みと幅との関係、部分間の大きさの比率などは、必ずしも現実のものと同一とは限らない。また、同じ部分を表す場合であっても、図面により互いの寸法や比率が異なって表される場合もある。
なお、本願明細書と各図において、既出の図に関して前述したものと同様の要素には同一の符号を付して詳細な説明は適宜省略する。
【０００９】
（第１の実施の形態）
図１は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式的断面図である。
図１に表したように、実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ１１０は、光導波部１０と、センシング部２０と、を備える。以下、「光導波型バイオケミカルセンサチップ」を、適宜「センサチップ」と省略して記載する場合がある。
【００１０】
光導波部１０は、光導波層１１を含む。光導波層１１は、光１５を導く。
光導波部１０は、第１主面１０ａと、第２主面１０ｂと、を有する。第２主面１０ｂは、第１主面１０ａとは反対側の面である。本具体例では、第１主面１０ａは、光導波層１１の一方の主面である。第２主面１０ｂは、光導波層１１の他方の主面である。光１５は、第１主面１０ａと第２主面１０ｂとで反射し、光導波層１１の内部を導かれる。
【００１１】
センシング部２０は、光導波部１０の主面に接する。以下では、センシング部２０が、光導波部１０の第１主面１０ａに接する場合として説明する。センシング部２０は、光導波層１１の主面に接している。
【００１２】
センシング部２０は、センシング材料層２１を含む。後述するように、センシング部２０は、センシング材料層２１以外の層をさらに含んでも良い。
【００１３】
光導波層１１を導かれる光１５の一部は、センシング材料層２１に浸透する。浸透する浸透光１６は、光導波層１１中を導かれる光１５の、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）におけるエバネッセント光である。
【００１４】
センシング部２０には、電圧を印加できる。すなわち、センシング材料層２１には、電圧を印加できる。例えば、光導波部１０（具体的には光導波層１１）は、導電性である。この場合、光導波部１０と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層２１に電圧が印加される。さらに、後述するように、光導波部１０は、光導波層１１とセンシング部２０との間に設けられた透明導電層を含むことができる。この場合には、この透明導電層と、図示しない対向電極と、の間に電圧を印加することで、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００１５】
センシング材料層２１には、検体ｓｐが導入される。検体ｓｐは、例えば、体液などを含む溶液である。例えば、体液には検査対象が含まれる。検査対象は、例えばグルコースなどである。
【００１６】
センシング材料層２１には、例えば、センシング材料が含まれる。センシング材料は、例えばプルシアンブルーを含む。センシング材料層２１は、センシング材料と、センシング材料が分散されるバインダを含む。バインダは、例えば光硬化型（例えば紫外線硬化型）の樹脂である。
【００１７】
センシング材料層２１は、吸水可能である。そして、センシング材料層２１は非水溶性である。例えば、バインダは、吸水可能でありつつ、非水溶性の材料が用いられる。バインダには、例えばハイドロゲルなどが用いられる。
【００１８】
センシング部２０は、例えば、検体ｓｐの反応を進める酵素を含む。例えば、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。検体ｓｐがグルコースである場合には、酵素は、例えばグルコースオキシターゼ（ＧＯＤ）である。以下では、検体ｓｐがグルコースであり、酵素がＧＯＤである場合について説明する。
【００１９】
センシング部２０に検体ｓｐが例えば、滴下される。これにより、センシング材料層２１に導入されたグルコースと酸素とが、酵素により反応し、グルコン酸と過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）が生じる。
【００２０】
センシング材料層２１に含まれるセンシング材料が例えばプルシアンブルーである場合は、第１式の反応が生じる。
Ｋ４Ｆｅ(II)４［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（透明）＋２Ｈ２Ｏ２
→ Ｋ４Ｆｅ(III)［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（青色）＋４ＯＨ−＋４Ｋ＋ …（第１式）
第１式に表したように、センシング材料層２１は、透明状態から着色状態（青色状態）に変化する。第１式の反応は、酸化の反応である。
【００２１】
センシング材料層２１を例えばＫ（カリウム）イオンを含む溶液（例えばＫＣｌ溶液）に接触させた状態でセンシング材料層２１に電圧を印加する。これにより、第２式の反応が生じる。
Ｋ４Ｆｅ(III)［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（青色）＋４Ｋ＋＋４ｅ−
→ Ｋ４Ｆｅ(II)４［Ｆｅ(II)（ＣＮ）６］３（透明） …（第２式）
第２式に表したように、センシング材料層２１は、着色状態（青色状態）から透明状態に変化する。第２式の反応は、還元の反応である。
【００２２】
第２式の反応は、第１式の反応とは逆の反応である。すなわち、センシング材料層２１において可逆的な反応が生じる。
【００２３】
第１式の反応は、検体ｓｐにより生じた過酸化水素（Ｈ２Ｏ２）に基づく反応である。従って、第１式の反応は、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた反応である。例えば、検体ｓｐの量が多い（濃度が濃い）場合は、第１式の反応が多く生じる。このため、センシング材料層２１の着色の程度は高い。すなわち、センシング材料層２１の色が濃くなる。
【００２４】
そして、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収が第１式の反応により変化する。すなわち、第１式の左辺の透明状態においては、浸透光１６に対する吸収は小さい。第２式の右辺の青色状態においては、浸透光１６に対する吸収が大きい。
【００２５】
第１式の反応の前後における光の吸収特性の変化により、光導波層１１から出射する出射光１７の強度が変化する。この出射光１７の変化により、検体ｓｐ（例えば検体ｓｐの量や濃度など）を高い精度で検出できる。
【００２６】
そして、第２式の反応により、センシング材料層２１の状態は、第１式の左辺の元の状態に戻る。これにより、センサチップ１１０は繰り返し使用できる。
【００２７】
このように、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた酸化及び還元の一方の反応により、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）からセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化が生じる。すなわち、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率に上昇または低下が生ずる。この第１変化を検出することで、検体ｓｐが検出できる。
【００２８】
そして、センシング材料層２１に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第１変化とは逆の第２変化が生じる。すなわち、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率が第１変化において上昇した場合には、第２変化として吸収率が低下する。一方、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収率が第１変化において低下した場合には、第２変化として吸収率が上昇する。この第２変化により、センシング材料層２１の状態は、元の状態に戻る。
【００２９】
第１式の酸化の反応（酸化及び還元の一方の反応）と、第２式の還元の反応（酸化及び還元の他方の反応）と、は、互いに逆の反応である。すなわち、センサチップ１１０においては、可逆的な反応が生じる。
【００３０】
このように、検体ｓｐに応じた酸化及び還元の上記の一方の反応（第１式の反応）は、センシング部２０に含まれる酵素（例えばグルコースオキシターゼ）と、検体ｓｐ（例えばグルコース）と、の反応による生成物と、センシング部２０（具体的にはセンシング材料層２１）に含まれるセンシング材料（例えばプルシアンブルー）と、の反応を含むことができる。この生成物は、例えば過酸化水素である。
【００３１】
センシング材料層２１においては、センシング材料層２１に導入される検体ｓｐに応じた酸化及び還元の一方の反応が生じることで、検体ｓｐに応じて、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性が第１状態（透明状態）から第２状態（着色状態）に変化する。そして、センシング材料層２１において、センシング材料層２１に印加される電圧により酸化及び還元の他方の反応が生じ、吸収特性が第２状態から第１状態に変化する。浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性は、検体ｓｐに応じて可逆的に変化する。
【００３２】
これにより、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。
【００３３】
なお、プルシアンブルーを用いたセンサチップとして、電流検出型のセンサチップが考えられる。この場合には、検体ｓｐに応じたプルシアンブルーの反応における電流の変化により、検体ｓｐが検出される。電流検出型のセンサチップにおいては、検出精度が低い。
【００３４】
これに対し、実施形態に係るセンサチップ１１０は、光導波型のセンサチップであるため、検出精度が高い。
【００３５】
図２は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの特性を例示する模式図である。
図２に表したように、光導波層１１を導かれる光１５の軸と、第１主面１０ａの法線と、の角度をθとする。光導波層１１の屈折率をｎ１とする。センシング材料層２１（センシング部２０）の屈折率をｎ２とする。光１５の波長をλとする。このとき、光導波部１０の第１主面１０ａからセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６（エバネッセント光）の浸透距離ｄｐは、以下の第３式で表される。
ｄｐ＝λ・（ｎ１２ｓｉｎ２θ−ｎ２２）１／２／２π …（第３式）
実施形態において、センシング材料層２１の厚さは、浸透距離ｄｐ以下であることが望ましい。もしセンシング材料層２１の厚さが浸透距離ｄｐよりも厚い場合、センシング材料層２１のうちで浸透距離ｄｐよりも厚い部分は、検体ｓｐの検出に寄与しない。センシング材料層２１の厚さを浸透距離ｄｐ以下に設定することで、検体ｓｐの検出精度が向上する。
【００３６】
このように、センシング材料層２１の厚さは、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）からセンシング部２０に浸透するエバネッセント光のエバネッセント距離以下であることが望ましい。
【００３７】
図３（ａ）及び図３（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図３（ａ）は平面図であり、図３（ｂ）は、図３（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図３（ａ）及び図３（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２１は、光導波部１０及びセンシング部２０に加え、基板部３０をさらに備える。
【００３８】
基板部３０は、光導波部１０のセンシング部２０とは反対の側に設けられる。すなわち、光導波部１０は、基板部３０とセンシング部２０との間に配置される。
【００３９】
基板部３０は、基板３３と、第１偏向部３１と、第２偏向部３２と、を含む。
基板３３は、光導波層１１に対向して設置される。第１偏向部３１は、基板３３上に設けられ、光導波層１１に対向する。第１偏向部３１は、基板３３に向けて入射する光１４の進行方向を変化させて光導波層１１に入射させる。これにより、入射する光１４に基づく光１５が、光導波層１１の内部を導かれる。光１４は、例えばレーザ光である。
【００４０】
第２偏向部３２は、基板３３上に設けられ、光導波層１１に対向する。第２偏向部３２は、光導波層１１を導波した光１５を光導波層１１から出射させる。これにより、出射光１７は、光導波層１１から出射する。
【００４１】
基板３３には、例えばガラス基板を用いることができる。ただし、基板３３には、任意の材料を用いることができる。基板３３には、例えば、樹脂材料を用いても良い。ただし、寸法精度及び表面粗さの観点から、基板３３には、ガラス基板を用いるのが望ましい。
【００４２】
また、センサチップ１２１において、第１主面１０ａの側から光１４が斜めに入射し、光１５が光導波層１１内を導波しても良い。この場合は、基板３３には、光１５に対して反射性の材料を用いても良い。
【００４３】
例えば、基板３３の屈折率は、光導波層１１の屈折率よりも低い。光導波層１１に樹脂を用いた場合、光導波層１１の屈折率は例えば１．４９〜１．７０程度である。基板３３にガラス（例えば無アルカリガラス）を用いた場合、基板３３の屈折率は例えば１．５１５である。
【００４４】
第１偏向部３１及び第２偏向部３２は、回折格子を含むことができる。回折格子には、例えば基板３３の屈折とは異なる屈折率を有する材料を用いることができる。例えば、基板３３の上に形成した酸化チタン膜を所定の形状に加工することで回折格子が設けられる。具体的には回折格子のピッチは、例えば、０．９μｍ以上１．１μｍ以下である。
【００４５】
例えば基板３３の一方の面（光導波層１１に対向する例えば上面）に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられる。第１偏向部３１から第２偏向部３２に向かう方向において、第１偏向部３１の少なくとも一部と第２偏向部３２の少なくとも一部との間に、光導波層１１の少なくとも一部が設けられる。
【００４６】
基板３３の上面に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられている場合、基板の下面から光１４が入射する。基板３３を通過した光１４が、第１偏向部３１に入射し、光１４の進行方向が変化し、光導波層１１に入射する。
【００４７】
また、例えば、基板３３の上面に第１偏向部３１及び第２偏向部３２が設けられている場合、基板の上面から光１４が入射しても良い。この場合も光１４は、第１偏向部３１に入射し、光１４の進行方向が変化し、光導波層１１に入射する。
【００４８】
本具体例においては、光導波層１１は導電性である。この場合、第２式の反応を実施する際の電圧は、光導波層１１によりセンシング材料層２１に印加される。すなわち、光導波層１１を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００４９】
なお、センサチップ１２１においては、センシング部２０のセンシング材料層２１は、センシング材料（例えばプルシアンブルーなど）と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。
【００５０】
図４（ａ）及び図４（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図４（ａ）は平面図であり、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図４（ａ）及び図４（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２２においても、光導波部１０及びセンシング部２０に加え、基板部３０が設けられる。そして、光導波部１０は、光導波層１１に加え、透明導電層１２をさらに含む。
【００５１】
透明導電層１２は、光導波層１１とセンシング部２０との間に設けられる。透明導電層１２は、浸透光１６に対して透過性である。すなわち、透明導電層１２は、光１５の波長を有する光に対して透過性である。
【００５２】
第２式の反応を実施する際の電圧は、透明導電層１２によりセンシング材料層２１に印加される。すなわち、透明導電層１２を一方の電極とし、後述する対向電極を他方の電極として、センシング材料層２１に電圧が印加される。
【００５３】
透明導電層１２は、Ｉｎ、Ｓｎ、Ｚｎ及びＴｉよりなる群から選択された少なくともいずれかの元素を含む酸化物を含む。透明導電層１２には、例えばＩＴＯ（Indium Tin Oxide）を用いることができる。透明導電層１２にＩＴＯを用いた場合、透明導電層１２の屈折率は、２．０６である。例えば、透明導電層１２の屈折率は、光導波層１１の屈折率よりも高い。
【００５４】
光導波部１０において、例えば、透明導電層１２は光導波層１１と共に光１５を導くことができる。
【００５５】
すなわち、光導波部１０の主面（第１主面１０ａ）は、透明導電層１２の主面とすることができる。そして、透明導電層１２の主面（第１主面１０ａ）からセンシング材料層２１に浸透する浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化及び第２変化が生じる。
【００５６】
センサチップ１２２においても、センシング材料層２１は、センシング材料と、酵素と、バインダと、を含む。すなわち、センシング材料層２１は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。
【００５７】
一般に、透明導電層１２の厚さが薄いと、シート抵抗は高くなる。第２式の反応を有効に実施するためには、シート抵抗が低いことが望ましい。実用的な観点から、透明導電層１２の厚さは、１５０ナノメートル（ｎｍ）以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下する。これにより、第２式の反応が有効に実施できる。
透明導電層１２の主面における光１５の反射回数は、例えば、光導波層１１及び透明導電層１２の厚さに依存する。一般的に平面光導波層を伝播する光は、光導波層とその上下の層との界面における散乱などにより減衰する。光導波層が薄すぎる場合、反射回数が増大する結果、出射光強度が低下する。これによって、外乱光や測定系のゆらぎ等によるノイズの影響を受けやすくなる。図４（ａ）及び図４（ｂ）に例示した構成において、光導波層１１を過度に薄くしなければ、上記のような問題は生じない。但し、透明導電層１２が過度に厚いと光１５の光路長が長くなるため透明導電層１２の主面における光１５の反射回数が減少する。これにより、浸透光１６の発生量が減少するため、検出感度が低下する。従って、透明導電層１２の厚さは、1μｍ以下が望ましい。
【００５８】
図３に例示したセンサチップ１２１のように、光導波層１１が導電性であり、光導波層１１によりセンシング材料層２１に電圧を印加する場合は、光導波層１１の厚さは、１５０ｎｍ以上であるが望ましい。これにより、シート抵抗が低下し、第２式の反応が有効に実施できる。光導波層１１が薄すぎる場合、反射回数の増大による散乱の影響で光１７の強度が低下し、ノイズの影響が生じる。このため、光導波層１１の厚さは１０μｍ以上であることが望ましい。
【００５９】
図５（ａ）及び図５（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図５（ａ）は平面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図５（ａ）及び図５（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２３においては、センシング部２０は、センシング材料層２１の他に、酵素層２２をさらに含む。酵素層２２は、センシング材料層２１に積層される。酵素層２２は、検体ｓｐと反応する酵素を含む。これにより、第１式の反応が生じる。これにより、上記の動作が実施される。
【００６０】
センシング材料層２１は、センシング材料（例えばプルシアンブルー）と、バインダと、を含む。酵素層２２は、酵素と、バインダと、を含むことができる。
【００６１】
なお、本具体例では、センシング材料層２１は、酵素層２２と光導波部１０との間に配置される。センシング材料層２１が光導波部１０の側に配置される。すなわち、センシング材料層２１は光導波部１０の近傍に、または、接して配置される。これにより、センシング材料層２１における吸収特性の変化が検出し易くなる。これにより、検出感度が向上できる。また、可逆性の応答性が向上できる。
【００６２】
図６（ａ）及び図６（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図６（ａ）は平面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図６（ａ）及び図６（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２４においては、センシング部２０は、センシング材料層２１及び酵素層２２を含む。さらに、光導波部１０は、光導波層１１及び透明導電層１２を含む。
【００６３】
図７（ａ）及び図７（ｂ）は、第１の実施形態に係る別の光導波型バイオケミカルセンサチップの構成を例示する模式図である。
図７（ａ）は平面図であり、図７（ｂ）は、図７（ａ）のＡ１−Ａ２線断面図である。 図７（ａ）及び図７（ｂ）に表したように、実施形態に係るセンサチップ１２５においては、基板部３０が設けられていない。
【００６４】
光導波部１０の光導波層１１の端面（第１主面１０ａと第２主面１０ｂとに接続される面）が主面（第１主面１０ａ）に対して傾斜している。これにより、例えば、光導波層１１の１つの端面から光導波層１１の内部に光１４が入射する。そして、例えば、光導波層１１の別の端面から、光導波層１１を導かれた光１５が、出射光１７として出射する。そして、センシング材料層２１における光の吸収特性の変化が検出される。
【００６５】
なお、この例では、光導波部１０に透明導電層１２が設けられているが、透明導電層１２は省略されても良い。また、この例では、センシング部２０に酵素層２２が設けられていないが、センシング部２０は、酵素層２２をさらに含んでも良い。
【００６６】
センサチップ１２１〜１２５においても、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップが提供できる。
【００６７】
センシング材料層２１の吸収波長帯は、光１５の波長を含むことができる。例えば、センシング材料層の吸収波長帯は、６２５ｎｍ以上６５０以下である。例えば、光１５の波長は、６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。
【００６８】
なお、実施形態において、センシング材料層２１は、プルシアンブルーを含む。ただし、実施形態はこれに限らない。すなわち、センシング材料層２１に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、浸透光１６に対するセンシング材料層２１の吸収特性において第１変化が生じ、センシング材料層２１に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、吸収特性において第１変化とは逆の第２変化が生じるような任意の材料をセンシング材料層２１は含むことができる。
【００６９】
センシング材料層２１は、プルシアンブルー、3,3',5,5'-tetramethylbenzine（ＴＭＢＺ）、o-phenylenediamine（ＯＰＤ）、o-tolidine、N,N'-Bis（2-hydroxy-3-surufopropyl）tolicine,disodium salt,tetrahydrate（ＳＡＴ−３）、及び、2,2'-azinobis(3-ethylbenzothiazoline-6-sulfonic acid ammonium salt（ＡＢＴＳ）の少なくともいずれかを含むことができる。
【００７０】
以下、実施形態に係るセンサチップの製造方法の例について説明する。
図８（ａ）〜図８（ｅ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ１２２の製造方法の例を示している。
【００７１】
図８（ａ）に表したように、基板３３の上に、例えば第１偏向部３１及び第２偏向部３２となる膜を形成する。この膜には、例えば酸化チタン膜が用いられる。酸化チタン膜の形成には、例えばスパッタ法が用いられる。そして、この膜をリソグラフィとエッチングにより所定の形状に加工する。これにより、第１偏向部３１及び第２偏向部３２が形成される。このエッチングには、例えばＲＩＥ（Reactive Ion Etching）などが用いられる。この後、エッチングの際に用いられたマスク材が除去される。
【００７２】
図８（ｂ）に表したように、基板３３、第１偏向部３１及び第２偏向部３２の上に、光導波層１１を形成する。具体的には、光導波層１１となる有機膜を例えば塗布し、硬化する。
【００７３】
図８（ｃ）に表したように、光導波層１１の上に透明導電層１２を形成する。具体的には、透明導電層１２となる例えばＩＴＯ膜を、例えば真空蒸着及びスパッタなどの方法により形成する。
【００７４】
図８（ｄ）に表したように、センシング材料層２１となるセンシング材料膜２１ｆを形成する。この例では、センシング材料膜２１ｆは、プルシアンブルーと、酵素と、バインダと、を含む。バインダには、紫外線硬化型の樹脂が用いられる。これらを含む溶液を例えばスピンナで塗布する。これにより、センシング材料膜２１ｆが形成される。
【００７５】
図８（ｅ）に表したように、所定の形状のマスクを用いて、センシング材料膜２１ｆに露光及び現像の処理を施し、センシング材料層２１が得られる。
【００７６】
そして、センシング材料層２１に還元処理を施す。すなわち、第２式の反応を実施する。これにより、センシング材料層２１は、透明状態になる。これにより、センシング材料層２１は、検体ｓｐを検出可能な状態になる。
このようにして、センサチップ１２２が得られる。
【００７７】
図９（ａ）〜図９（ｆ）は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップの別の製造方法を例示する工程順模式的断面図である。
これらの図は、センサチップ１２４の製造方法の例を示している。
【００７８】
図９（ａ）に表したように、基板３３の上に、例えば第１偏向部３１及び第２偏向部３２となる膜を形成する。図９（ｂ）に表したように、基板３３、第１偏向部３１及び第２偏向部３２の上に、光導波層１１を形成する。図９（ｃ）に表したように、光導波層１１の上に透明導電層１２（例えばＩＴＯ膜）を形成する。
【００７９】
図９（ｄ）に表したように、透明導電層１２のうちでセンシング部２０が設けられない領域を覆うマスク膜２０ｒを形成する。マスク膜２０ｒに覆われていない領域が、センシング領域となる。マスク膜２０ｒの形成には、例えば、スクリーン印刷法などの任意の塗布法などが用いられる。
【００８０】
図９（ｅ）に表したように、プルシアンブルーを電析させる。これにより、センシング材料層２１が形成される。この後、還元処理を行う。
【００８１】
図９（ｆ）に表したように、センシング材料層２１の上に酵素層２２を形成する。例えば、酵素及びバインダを含む溶液を例えばスピンナで塗布し、硬化させることで、酵素層２２が形成される。
このようにして、センサチップ１２４が得られる。
【００８２】
（第２の実施の形態）
第２の実施の形態は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップを用いたバイオセンサカートリッジである。以下では、バイオセンサカートリッジがセンサチップ１２２を備える場合として説明する。実施形態はこれに限らず、第１の実施形態に係るセンサチップのいずれか、及び、その変形の任意のセンサチップを用いることができる。
【００８３】
図１０（ａ）〜図１０（ｃ）は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジの構成及び動作を例示する模式的断面図である。
図１０（ａ）に表したように、本実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０は、第１の実施形態に係る光導波型バイオケミカルセンサチップ（例えばセンサチップ１２２）と、対向電極４０と、ハウジング５０と、を備える。
【００８４】
対向電極４０は、センシング部２０と離間する。対向電極４０は、例えば、センシング部２０の光導波部１０とは反対の側に配置される。すなわち、センシング部２０は、対向電極４０と光導波部１０との間に配置される。対向電極４０は、センシング部２０に対向する。
【００８５】
ハウジング５０は、センサチップ１２２及び対向電極４０を保持する。
例えば、ハウジング５０は、対向部５４と、側部５３と、を含む。対向部５４は、センシング部２０の上方に設けられる。対向部５４の下面（センシング部２０に対向する面）に対向電極４０が配置される。側部５３は、光導波部１０のうちの、センシング部２０の周囲の部分の上に設けられる。本具体例では、側部５３には、貫通電極５５が設けられている。貫通電極５５は、側部５３を貫通し、透明導電層１２に電気的に接続されている。なお、光導波層１１が導電性の場合は、貫通電極５５は、光導波層１１に電気的に接続されても良い。
【００８６】
対向電極４０及び貫通電極５５には、例えば、金、白金及びカーボンの少なくともいずれかが用いられる。これにより、これらの電極の化学的安定性が向上する。ハウジング５０には、例えば黒色の樹脂成形体が用いられる。黒色の樹脂を用いることで、測定の際の外乱光の影響を抑制できる。
【００８７】
図１０（ａ）は、検体ｓｐの検出時の１つの状態を例示している。図１０（ｂ）は、検体ｓｐの検出時の別の状態を例示している図１０（ｃ）は、検体ｓｐの検出が終了し、センシング材料層２１が検出前の状態に戻った初期化状態を例示している。
【００８８】
図１０（ａ）に表したように、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、検体ｓｐを含む検体液ｓｐｌが流入可能である。
【００８９】
例えば、ハウジング５０は、検体液ｓｐｌを空間５０ｓに流入させる流入口５１と、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから流出させる流出口５２と、を含む。流入口５１から流入した検体液ｓｐｌ中の検体ｓｐ（例えばグルコース）が、センシング材料層２１に導入される。これにより、第１式の反応が生じる。
【００９０】
図１０（ｂ）に例示した状態においては、図１０（ａ）に例示した状態よりも検体液ｓｐｌ中の検体ｓｐの濃度が高い。このため、第１式の反応がより多く生じる。
【００９１】
このため、図１０（ｂ）に例示した状態におけるセンシング材料層２１の光の吸収率は、図１０（ａ）に例示した状態のときのセンシング材料層２１の光の吸収率よりも高い。この光の吸収率の差異が、出射光１７の強度を測定することで検出される。これにより、検体ｓｐを高い精度で検出できる。
【００９２】
図１０（ｃ）に表したように、検体ｓｐの検出が終了したら、検体液ｓｐｌを流出口５２から排出し、洗浄する。そして、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに、例えばＫＣｌ溶液を流入させる。すなわち、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）に用いられる反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）が流入可能である。
【００９３】
そして、対向電極４０と透明導電層１２とに、貫通電極５５を介して、電源５８が接続される。光導波層１１が導電性の場合は、対向電極４０と光導波層１１とに、貫通電極５５を介して、電源５８が接続される。
【００９４】
センシング材料層２１を例えばＫ（カリウム）イオンを含む反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）に接触させた状態でセンシング材料層２１に電圧を印加する。これにより、第２式の反応が生じる。これにより、センシング材料層２１は、初期状態に戻る。
【００９５】
そして、反応液５７を例えば、流出口５２から排出する。そして、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに、再び検体液ｓｐｌを流入させる。そして、検体ｓｐの検出を再び実施する。
【００９６】
このように、実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０においては、繰り返して高感度な測定が可能である。
【００９７】
このように、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓには、検体ｓｐを含む検体液ｓｐｌが流入可能である。さらにこの空間５０ｓには、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）に用いられる反応液５７が流入可能である。例えば、ハウジング５０は、検体液ｓｐｌを空間５０ｓに流入させる流入口５１と、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから流出させる流出口５２と、を含む。流入口５１及び流出口５２の一方は、空間５０ｓに反応液５７を流入させ、流入口５１及び流出口５２の他方は、空間５０ｓから反応液５７を流出させる。
【００９８】
（第３の実施の形態）
第３の実施の形態は、第３の実施形態に係るバイオセンサカートリッジを用いたバイオセンサシステムである。以下では、バイオセンサシステムがバイオセンサカートリッジ２１０を備える場合として説明する。
【００９９】
図１１は、第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの構成を例示する模式図である。
図１１に表したように、本実施形態に係るバイオセンサシステム３１０は、第２の実施形態に係るバイオセンサカートリッジ２１０と、光源６１と、光検出器６２と、検体液供給部７０と、反応液供給部８０と、電源５８と、を備える。この例では、バイオセンサカートリッジ２１０においては、センサチップ１２２が用いられている。実施形態はこれに限らず、第１の実施形態に係る任意のセンサチップ及びその変形のいずれかを用いることができる。
【０１００】
光源６１は、光導波層１１に導波される光１４（光１５）を発生する。光源６１には、例えば、レーザダイオードなどが用いられる。
【０１０１】
光検出器６２は、光導波層１１に導波された光１５（出射光１７）を検出する。光検出器６２には、フォトダイオードなどが用いられる。
【０１０２】
検体液供給部７０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。検体液供給部７０は、検体液ｓｐｌを、センシング部２０と対向電極４０との間の空間５０ｓに供給する。検体液供給部７０は、例えば、検体液タンク７１と検体液配管７２とを含む。検体液タンク７１は、検体液ｓｐｌを格納する。検体液配管７２は、検体液タンク７１と流入口５１とを接続する。検体液ｓｐｌは、流入口５１から空間５０ｓに流入可能である。
【０１０３】
反応液供給部８０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。反応液供給部８０は、電圧による酸化及び還元の他方の反応（例えば第２式の反応）の際に使用される反応液５７（例えばＫＣｌ溶液）を空間５０ｓに供給する。反応液供給部８０は、例えば、反応液タンク８１と反応液配管８２とを含む。反応液タンク８１は、反応液５７を格納する。反応液配管８２は、反応液タンク８１と例えば流入口５１とを接続する。反応液５７は、流入口５１から空間５０ｓに流入可能である。反応液配管８２は、反応液タンク８１と、流入口５１とは別の入り口と、を接続しても良い。
【０１０４】
電源５８は、光導波部１０と対向電極４０とに電気的に接続される。本具体例では、電源５８は、貫通電極５５を介して、光導波部１０と電気的に接続される。具体的には、電源５８は、透明導電層１２と電気的に接続されている。光導波層１１が導電性である場合は、電源５８は、光導波層１１と電気的に接続されても良い。
【０１０５】
図１１に表したように、バイオセンサシステム３１０は、溶液排出部９０と、制御部９５と、をさらに備えることができる。
【０１０６】
溶液排出部９０は、バイオセンサカートリッジ２１０に接続される。溶液排出部９０は、検体液ｓｐｌ及び反応液５７の少なくともいずれかを、空間５０ｓから排出する。溶液排出部９０は、例えば、溶液タンク９１と排出配管９２とを含む。溶液タンク９１は、排出された検体液ｓｐｌ及び反応液５７少なくともいずれかを格納する。排出配管９２は、溶液タンク９１と例えば流出口５２とを接続する。検体液ｓｐｌ及び反応液５７の少なくともいずれかは、流出口５２から流出可能である。
【０１０７】
制御部９５は、検体液供給部７０及び反応液供給部８０の少なくともいずれかの動作を制御する。具体的には、制御部９５は、検体液供給部７０の空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給と、反応液供給部８０の空間５０ｓへの反応液５７の供給と、を制御する。すなわち、図１０（ａ）〜図１０（ｃ）に関して説明した動作を実施する。
【０１０８】
なお、制御部９５は、有線または無線の方式により、検体液供給部７０及び反応液供給部８０と通信が可能である。
【０１０９】
制御部９５は、バイオセンサシステム３１０に含められても良い。実施形態はこれに限らず、制御部９５は、バイオセンサシステム３１０とは別に設けられ、制御部９５とバイオセンサシステム３１０との通信が任意の方法で実施されても良い。
【０１１０】
制御部９５は、光検出器６２と、電源５８と、をさらに制御しても良い。
【０１１１】
以下、制御部９５の動作の例について説明する。
図１２は、第３の実施形態に係るバイオセンサシステムの動作を例示するフローチャート図である。
図１２に表したように、制御部９５は、検体液供給部７０に空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給を実施させる（ステップＳ１１０）。これにより、例えば、第１式の反応が生じる。
【０１１２】
さらに、制御部９５は、光検出器６２に、供給された検体液ｓｐｌによるセンシング材料層２１の光（浸透光１６）に対する吸収特性を検出させる（ステップＳ１２０）。第１式の反応に応じた吸収特性が検出される。なお、光検出器６２は、センシング材料層２１の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。
さらに、制御部９５は、光検出器６２による吸収特性の検出結果を入手することができる。
【０１１３】
制御部９５は、吸収特性の検出（ステップＳ１２０）の後に、反応液供給部８０に空間５０ｓへの反応液５７の供給を実施させる（ステップＳ１３０）。
【０１１４】
制御部９５は、ステップＳ１２０とステップＳ１３０との間において、検体液ｓｐｌを空間５０ｓから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部９０によって実施される。制御部９５は、この際の溶液排出部９０の動作をさらに制御することができる。
【０１１５】
制御部９５は、空間５０ｓに反応液５７が導入されている状態で対向電極４０を介してセンシング部２０に電圧を印加する（ステップＳ１４０）。すなわち、例えば、制御部９５は、電源５８をオン状態にし、例えば透明導電層１２と対向電極４０との間に電圧を印加する。これにより、例えば、第２式の反応が生じる。これにより、センシング材料層２１は、もとの状態に戻る。
【０１１６】
さらに、制御部９５は、電圧の印加（ステップＳ１４０）の後に、検体液供給部７０に空間５０ｓへの検体液ｓｐｌの供給をさらに実施させる（２回目のステップＳ１１０）。
【０１１７】
そして、制御部９５は、光検出器６２に、供給された検体液ｓｐｌによるセンシング材料層２１の光に対する吸収特性をさらに検出させる（２回目のステップＳ１２０）。
【０１１８】
このように、実施形態に係るバイオセンサシステム３１０によれば、繰り返して高感度な測定が可能なバイオセンサシステムが提供できる。
【０１１９】
なお、ステップＳ１１０〜ステップＳ１４０は、技術的に可能な範囲で同時に実施されても良い。例えば、光検出器６２は、センシング材料層２１の光に対する吸収特性を常時検出していても良い。
【０１２０】
上記において、ステップＳ１４０と２回目のステップＳ１１０との間において、反応液５７を空間５０ｓから排出させても良い。この動作は、例えば、溶液排出部９０によって実施される。制御部９５は、この際の溶液排出部９０の動作をさらに制御することができる。
【０１２１】
本実施形態において、光源６１で発生し光導波層１１に導波される光１５（光１４）の波長は、センシング材料層２１の吸収波長帯に含まれる。例えば、光源６１で発生し光導波層１１に導波される光１５（光１４）の波長は、６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下であり、センシング材料層２１の吸収波長帯は６２５ｎｍ以上６５０ｎｍ以下である。これにより、高い感度の検出が可能になる。
【０１２２】
実施形態によれば、繰り返して高感度な測定が可能な光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムが提供される。
【０１２３】
なお、本願明細書において、「垂直」及び「平行」は、厳密な垂直及び厳密な平行だけではなく、例えば製造工程におけるばらつきなどを含むものであり、実質的に垂直及び実質的に平行であれば良い。
【０１２４】
以上、具体例を参照しつつ、本発明の実施の形態について説明した。しかし、本発明の実施形態は、これらの具体例に限定されるものではない。例えば、光導波型バイオケミカルセンサチップに含まれる光導波部、光導波層、透明導電層、センシング部、センシング材料層、センシング材料、酵素層、酵素、バインダ、基板部、基板及び偏向部など、バイオセンサカートリッジに含まれる対向電極、ハウジング及び貫通電極、並びに、バイオセンサシステムに含まれる光源、光検出器、検体液供給部、反応液供給部、電源、溶液排出部及び制御部などの各要素の具体的な構成に関しては、当業者が公知の範囲から適宜選択することにより本発明を同様に実施し、同様の効果を得ることができる限り、本発明の範囲に包含される。
また、各具体例のいずれか２つ以上の要素を技術的に可能な範囲で組み合わせたものも、本発明の要旨を包含する限り本発明の範囲に含まれる。
【０１２５】
その他、本発明の実施の形態として上述した光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムを基にして、当業者が適宜設計変更して実施し得る全ての光導波型バイオケミカルセンサチップ、バイオセンサカートリッジ及びバイオセンサシステムも、本発明の要旨を包含する限り、本発明の範囲に属する。
【０１２６】
その他、本発明の思想の範疇において、当業者であれば、各種の変更例及び修正例に想到し得るものであり、それら変更例及び修正例についても本発明の範囲に属するものと了解される。
【０１２７】
本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【０１２８】
１０…光導波部、 １０ａ…第１主面、 １０ｂ…第２主面、 １１…光導波層、 １２…透明導電層、 １４、１５…光、 １６…浸透光、 １７…出射光、 ２０…センシング部、 ２０ｒ…マスク膜、 ２１…センシング材料層、 ２１ｆ…センシング材料膜、 ２２…酵素層、 ３０…基板部、 ３１…第１偏向部、 ３２…第２偏向部、 ３３…基板、 ４０…対向電極、 ５０…ハウジング、 ５１…流入口、 ５２…流出口、 ５３…側部、 ５４…対向部、 ５５…貫通電極、 ５７…反応液、 ５８…電源、 ６１…光源、 ６２…光検出器、 ７０…検体液供給部、 ７１…検体液タンク、 ７２…検体液配管、 ８０…反応液供給部、 ８１…反応液タンク、 ８２…反応液配管、 ９０…溶液排出部、 ９１…溶液タンク、 ９２…排出配管、 ９５…制御部、 １１０、１２１〜１２５…光導波型バイオケミカルセンサチップ（センサチップ）、 ２１０…バイオセンサカートリッジ、 ３１０…バイオセンサシステム、 ｄｐ…浸透距離、 ｓｐ…検体、 ｓｐｌ…検体液
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を導く光導波層を含む光導波部と、
前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含むセンシング部と、
を備え、
前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じ、
前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じることを特徴とする光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項２】
前記第１変化において前記センシング材料層の吸収特性が上昇した場合には、前記第２変化として前記センシング材料層の吸収特性が低下し、
前記第１変化において前記センシング材料層の吸収特性が低下した場合には、前記第２変化として前記センシング材料層の吸収特性が上昇することを特徴とする請求項１記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項３】
前記検体に応じた酸化及び還元の前記一方の前記反応は、
前記センシング部に含まれる酵素と、前記検体と、の反応による生成物と、前記センシング部に含まれるセンシング材料と、の反応を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項４】
前記光導波層は導電性であり、
前記電圧は、前記光導波層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項５】
前記光導波部は、前記光導波層と前記センシング部との間に設けられ前記浸透光に対して透過性の透明導電層を含み、
前記電圧は、前記透明導電層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項６】
前記透明導電層の厚さは、１５０ナノメートル以上であることを特徴とする請求項５記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項７】
前記浸透光は、前記光導波層中を導かれる前記光の前記主面におけるエバネッセント光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項８】
前記センシング材料層の厚さは、前記主面から前記センシング部に浸透する前記エバネッセント光のエバネッセント距離以下であることを特徴とする請求項７記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項９】
前記センシング材料層は、前記検体と反応する酵素を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１０】
前記センシング部は、
前記センシング材料層に積層され、前記検体と反応する酵素を含む酵素層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１１】
前記センシング材料層は、前記酵素層と前記光導波部との間に配置されることを特徴とする請求項１０記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１２】
基板部をさらに備え、
前記光導波部は前記基板部と前記センシング部との間に配置され、
前記基板部は、
基板と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記基板に向けて入射する光の進行方向を変化させて前記光導波層に入射させる第１偏向部と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記光導波層を導波した光を前記光導波層から出射させる第２偏向部と、
を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１３】
前記第１偏向部及び前記第２偏向部は、回折格子を含むことを特徴とする請求項１２記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１４】
前記センシング材料層は、プルシアンブルーを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１５】
前記センシング材料層は、センシング材料と前記センシング材料が分散されるバインダを含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップと、
前記センシング部と離間する対向電極と、
前記光導波型バイオケミカルセンサチップ及び前記対向電極を保持するハウジングと、
を備え、
前記センシング部と前記対向電極との間の空間に前記検体を含む検体液が流入可能であり、
前記空間には、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応に用いられる反応液が流入可能であることを特徴とするバイオセンサカートリッジ。
【請求項１７】
前記ハウジングは、前記検体液を前記空間に流入させる流入口と、前記検体液を前記空間から流出させる流出口と、を含むことを特徴とする請求項１６記載のバイオセンサカートリッジ。
【請求項１８】
前記流入口及び前記流出口の一方は、前記空間に前記反応液を流入させ、
前記流入口及び前記流出口の他方は、前記空間から前記反応液を流出させることを特徴とする請求項１７記載のバイオセンサカートリッジ。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１つに記載のバイオセンサカートリッジと、
前記光導波層に導波される前記光を発生する光源と、
前記光導波層に導波された前記光を検出する光検出器と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記検体液を前記空間に供給する検体液供給部と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応の際に使用される反応液を前記空間に供給する反応液供給部と、
前記光導波部と前記対向電極とに電気的に接続される電源と、
を備えたことを特徴とするバイオセンサシステム。
【請求項２０】
前記検体液供給部の前記空間への前記検体液の供給と、前記反応液供給部の前記空間への前記反応液の供給と、を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載のバイオセンサシステム。
【請求項２１】
前記制御部は、
前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給を実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性を検出させ、
前記吸収特性の検出の後に、前記反応液供給部に前記空間への前記反応液の供給を実施させ、
前記空間に前記反応液が導入されている状態で前記対向電極を介して前記センシング部に前記電圧を印加することを特徴とする請求項２０記載のバイオセンサシステム。
【請求項２２】
前記制御部は、
前記電圧の前記印加の後に、前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給をさらに実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性をさらに検出させることを特徴とする請求項２１記載のバイオセンサシステム。
【請求項２３】
前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は、前記センシング材料層の吸収波長帯に含まれることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１つに記載のバイオセンサシステム。
【請求項２４】
前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は６２５ナノメートル以上６５０ナノメートル以下であり、前記センシング材料層の吸収波長帯は６２５ナノメートル以上６５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか１つに記載のバイオセンサシステム。
【請求項１】
光を導く光導波層を含む光導波部と、
前記光導波部の主面に接し、センシング材料層を含むセンシング部と、
を備え、
前記センシング材料層に導入される検体に応じた酸化及び還元の一方の反応により、前記主面から前記センシング材料層に浸透する浸透光に対する前記センシング材料層の吸収特性において第１変化が生じ、
前記センシング材料層に印加される電圧による酸化及び還元の他方の反応により、前記吸収特性において前記第１変化とは逆の第２変化が生じることを特徴とする光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項２】
前記第１変化において前記センシング材料層の吸収特性が上昇した場合には、前記第２変化として前記センシング材料層の吸収特性が低下し、
前記第１変化において前記センシング材料層の吸収特性が低下した場合には、前記第２変化として前記センシング材料層の吸収特性が上昇することを特徴とする請求項１記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項３】
前記検体に応じた酸化及び還元の前記一方の前記反応は、
前記センシング部に含まれる酵素と、前記検体と、の反応による生成物と、前記センシング部に含まれるセンシング材料と、の反応を含むことを特徴とする請求項１または２に記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項４】
前記光導波層は導電性であり、
前記電圧は、前記光導波層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項５】
前記光導波部は、前記光導波層と前記センシング部との間に設けられ前記浸透光に対して透過性の透明導電層を含み、
前記電圧は、前記透明導電層により前記センシング材料層に印加されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項６】
前記透明導電層の厚さは、１５０ナノメートル以上であることを特徴とする請求項５記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項７】
前記浸透光は、前記光導波層中を導かれる前記光の前記主面におけるエバネッセント光であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項８】
前記センシング材料層の厚さは、前記主面から前記センシング部に浸透する前記エバネッセント光のエバネッセント距離以下であることを特徴とする請求項７記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項９】
前記センシング材料層は、前記検体と反応する酵素を含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１０】
前記センシング部は、
前記センシング材料層に積層され、前記検体と反応する酵素を含む酵素層をさらに含むことを特徴とする請求項１〜８のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１１】
前記センシング材料層は、前記酵素層と前記光導波部との間に配置されることを特徴とする請求項１０記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１２】
基板部をさらに備え、
前記光導波部は前記基板部と前記センシング部との間に配置され、
前記基板部は、
基板と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記基板に向けて入射する光の進行方向を変化させて前記光導波層に入射させる第１偏向部と、
前記基板上に設けられ、前記光導波層に対向し、前記光導波層を導波した光を前記光導波層から出射させる第２偏向部と、
を含むことを特徴とする請求項１〜１１のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１３】
前記第１偏向部及び前記第２偏向部は、回折格子を含むことを特徴とする請求項１２記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１４】
前記センシング材料層は、プルシアンブルーを含むことを特徴とする請求項１〜１３のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１５】
前記センシング材料層は、センシング材料と前記センシング材料が分散されるバインダを含むことを特徴とする請求項１〜１４のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップ。
【請求項１６】
請求項１〜１５のいずれか１つに記載の光導波型バイオケミカルセンサチップと、
前記センシング部と離間する対向電極と、
前記光導波型バイオケミカルセンサチップ及び前記対向電極を保持するハウジングと、
を備え、
前記センシング部と前記対向電極との間の空間に前記検体を含む検体液が流入可能であり、
前記空間には、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応に用いられる反応液が流入可能であることを特徴とするバイオセンサカートリッジ。
【請求項１７】
前記ハウジングは、前記検体液を前記空間に流入させる流入口と、前記検体液を前記空間から流出させる流出口と、を含むことを特徴とする請求項１６記載のバイオセンサカートリッジ。
【請求項１８】
前記流入口及び前記流出口の一方は、前記空間に前記反応液を流入させ、
前記流入口及び前記流出口の他方は、前記空間から前記反応液を流出させることを特徴とする請求項１７記載のバイオセンサカートリッジ。
【請求項１９】
請求項１６〜１８のいずれか１つに記載のバイオセンサカートリッジと、
前記光導波層に導波される前記光を発生する光源と、
前記光導波層に導波された前記光を検出する光検出器と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記検体液を前記空間に供給する検体液供給部と、
前記バイオセンサカートリッジに接続され、前記電圧による酸化及び還元の前記他方の前記反応の際に使用される反応液を前記空間に供給する反応液供給部と、
前記光導波部と前記対向電極とに電気的に接続される電源と、
を備えたことを特徴とするバイオセンサシステム。
【請求項２０】
前記検体液供給部の前記空間への前記検体液の供給と、前記反応液供給部の前記空間への前記反応液の供給と、を制御する制御部をさらに備えたことを特徴とする請求項１９記載のバイオセンサシステム。
【請求項２１】
前記制御部は、
前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給を実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性を検出させ、
前記吸収特性の検出の後に、前記反応液供給部に前記空間への前記反応液の供給を実施させ、
前記空間に前記反応液が導入されている状態で前記対向電極を介して前記センシング部に前記電圧を印加することを特徴とする請求項２０記載のバイオセンサシステム。
【請求項２２】
前記制御部は、
前記電圧の前記印加の後に、前記検体液供給部に前記空間への前記検体液の前記供給をさらに実施させ、
前記光検出器に、前記供給された前記検体液による前記センシング材料層の前記光に対する前記吸収特性をさらに検出させることを特徴とする請求項２１記載のバイオセンサシステム。
【請求項２３】
前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は、前記センシング材料層の吸収波長帯に含まれることを特徴とする請求項１９〜２２のいずれか１つに記載のバイオセンサシステム。
【請求項２４】
前記光源で発生し、前記光導波層に導波される前記光の波長は６２５ナノメートル以上６５０ナノメートル以下であり、前記センシング材料層の吸収波長帯は６２５ナノメートル以上６５０ナノメートル以下であることを特徴とする請求項１９〜２３のいずれか１つに記載のバイオセンサシステム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１２−１４５３４８（Ｐ２０１２−１４５３４８Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７３８（Ｐ２０１１−１７３８）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００００３０７８）株式会社東芝 (54,554)
【Ｆターム（参考）】
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