Spr傳感器元件和spr傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及SPR傳感器元件（sensorcell)和SPR傳感器。更詳細(xì)而言，本發(fā)明 涉及包括光波導(dǎo)路的SPR傳感器元件和SPR傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002] 以往，在化學(xué)分析和生物化學(xué)分析等領(lǐng)域中使用具有光纖的SPR(表面等離子共 振：SurfacePlasmonResonance)傳感器。在具有光纖的SPR傳感器中，在光纖的頂端部 的外周面形成金屬薄膜，并且固定分析樣品，向該光纖內(nèi)導(dǎo)入光。被導(dǎo)入的光中的指定波長 的光在金屬薄膜中產(chǎn)生表面等離子共振而使其光強(qiáng)度衰減。在這種SPR傳感器中，使表面 等離子共振產(chǎn)生的波長通常由于固定在光纖上的分析樣品的折射率等不同而不同。因此， 若在表面等離子共振產(chǎn)生之后測量光強(qiáng)度衰減的波長，則能夠指定使表面等離子共振產(chǎn)生 了的波長，另外，若檢測出該衰減的波長發(fā)生了變化，則能夠確認(rèn)使表面等離子共振產(chǎn)生的 波長發(fā)生了變化，因此能夠確認(rèn)分析樣品的折射率的變化。其結(jié)果，這種SPR傳感器能夠應(yīng) 用于例如樣品的濃度的測定、免疫反應(yīng)的檢測等各種化學(xué)分析和生物化學(xué)分析中。
[0003] 在包括這種光纖的SPR傳感器中，由于光纖的頂端部呈細(xì)小的圓筒形狀，因此存 在難以形成金屬薄膜和難以固定分析樣品這樣的問題。為了解決這樣的問題，例如提出有 一種SPR傳感器元件，該SPR傳感器元件包括透光的芯和覆蓋該芯的包層，在該包層的規(guī)定 位置上形成有直至芯的表面的貫通口，在芯的表面與該貫通口相對(duì)應(yīng)的位置形成有金屬薄 膜（例如，專利文獻(xiàn)1)。采用這樣的SPR傳感器元件，易于在芯表面形成用于使表面等離子 共振產(chǎn)生的金屬薄膜和易于在該表面固定分析樣品。另外，在這樣的SPR傳感器元件中，提 出了通過使芯層內(nèi)的靠下包層側(cè)的區(qū)域的折射率連續(xù)地變化來提高SPR傳感器元件的檢 測精度的方法（專利文獻(xiàn)2)。
[0004] 但是，近年來，在化學(xué)分析和生化分析中，對(duì)細(xì)小的變化和/或微量成分檢測的要 求變高，因此，要求進(jìn)一步提高SPR傳感器元件的檢測靈敏度。
[0005] 專利文獻(xiàn)1 :日本特開2000 - 19100號(hào)公報(bào)
[0006] 專利文獻(xiàn)2 :日本特開2012 - 107902號(hào)公報(bào)

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明要解決的問題
[0008] 本發(fā)明是為了解決所述以往的問題而做出的，其目的在于，提供具有非常優(yōu)異的 檢測靈敏度的SPR傳感器元件和SPR傳感器。
[0009]用于解決問題的方案
[0010] 本發(fā)明提供一種SPR傳感器元件。本發(fā)明的SPR傳感器元件包括：下包層；芯層， 其設(shè)置成使所述芯層的至少一部分與該下包層相鄰；以及金屬層，其覆蓋該芯層，其中，該 芯層具有折射率均勻?qū)雍驼凵渎侍荻葘?，該折射率梯度層配置在該折射率均勻?qū)优c該金屬 層之間，該折射率梯度層的折射率為該折射率均勻?qū)拥恼凵渎室陨?，在該折射率梯度層?厚度方向上，該折射率梯度層的折射率自該折射率梯度層的靠該折射率均勻?qū)觽?cè)的表面朝 向該金屬層側(cè)連續(xù)地增大。
[0011] 在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述折射率梯度層的厚度為Iym~30iim。
[0012] 在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述折射率梯度層中的折射率變化為0. 001~0. 035,折射率 變化以AN表示，AN=N_-N_，其中，Nniax表示折射率梯度層中的最大折射率，N_表示 折射率梯度層中的最小折射率。
[0013] 在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述折射率梯度層的厚度Tb(ym)和折射率變化AN滿足 0? 5XKT3彡AN/Tb彡20. 0X10 - 3的關(guān)系，其中，AN=Nmx-N_，其中，Nniax表示折射率 梯度層中的最大折射率，?^_表示折射率梯度層中的最小折射率，Tb的單位為ym。
[0014] 在優(yōu)選實(shí)施方式中，所述折射率均勻?qū)拥恼凵渎蔔e。滿足1. 34 <N03S1. 43的關(guān) 系。
[0015] 本發(fā)明的另一技術(shù)方案提供一種SPR傳感器。該SPR傳感器包括所述SPR傳感器 元件。
[0016] 發(fā)明的效果
[0017] 采用本發(fā)明，通過使芯層的折射率在芯層與金屬層之間的界面附近朝向金屬層側(cè) 連續(xù)地增大，能夠提供信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)異的SPR傳感器元件和SPR傳感器。
【附圖說明】
[0018] 圖1是說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的SPR傳感器元件的概略立體圖。
[0019] 圖2是圖1所示的SPR傳感器元件的概略剖視圖。
[0020] 圖3是本發(fā)明的另一優(yōu)選實(shí)施方式的SPR傳感器元件的概略剖視圖。
[0021] 圖4是說明本發(fā)明的SPR傳感器元件的制造方法的一個(gè)例子的概略剖視圖。
[0022] 圖5是說明能夠在本發(fā)明的SPR傳感器元件中使用的光波導(dǎo)路膜的制造方法的一 個(gè)例子的概略剖視圖。
[0023] 圖6是說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的SPR傳感器的概略剖視圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024] A.SPR傳感器元件
[0025] 圖1是說明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式的SPR傳感器元件的概略立體圖。圖2是圖1 所示的SPR傳感器元件的概略剖視圖。此外，在以下的SPR傳感器元件的說明中提及方向 時(shí)，將附圖的紙面上側(cè)稱作上側(cè)，將附圖的紙面下側(cè)稱作下側(cè)。
[0026] 如圖1和圖2所示，SPR傳感器元件100形成為俯視大致矩形的有底框形狀，其包 括：下包層11 ;芯層12,其具有折射率均勻?qū)?2a和折射率梯度層12b;保護(hù)層13,其覆蓋 下包層11和芯層12這兩者的上表面；金屬層14,其設(shè)置在保護(hù)層13之上并覆蓋芯層12。 下包層11、芯層12、保護(hù)層13以及金屬層14構(gòu)成光波導(dǎo)路并作為用于檢測樣品的狀態(tài)和 /或其變化的檢測部10發(fā)揮功能。在圖示的形態(tài)中，SPR傳感器元件100包括以與檢測部 10相鄰的方式設(shè)置的樣品配置部20。樣品配置部20由上包層15限定。也可以根據(jù)目的 而省略保護(hù)層13。只要能夠適當(dāng)?shù)卦O(shè)置樣品配置部20,就還可以省略上包層15。在樣品配 置部20中，以與檢測部（實(shí)質(zhì)上是金屬層）相接觸的方式配置有要分析的樣品（例如，溶 液、粉末）。
[0027] 下包層11形成為具有規(guī)定厚度的俯視大致矩形的平板狀。下包層的厚度（自芯 層上表面起的厚度）為例如5ym~400ym。
[0028] 芯層12形成為在與下包層11的寬度方向（圖2的紙面的左右方向）和厚度方向 這兩個(gè)方向都正交的方向上延伸的大致方柱形狀，其埋設(shè)于下包層11的寬度方向大致中 央部的上端部。芯層12延伸的方向成為光在光波導(dǎo)路內(nèi)傳播的方向。
[0029] 芯層12以其上表面與下包層11的上表面平齊的方式配置。通過將芯層的上表面 配置為與下包層的上表面平齊，能夠?qū)⒔饘賹痈咝У貎H配置于芯層的上側(cè)。并且，芯層以其 延伸的方向上的兩端面與下包層的該方向的兩端面平齊的方式配置。
[0030] 在本發(fā)明中，芯層12具有折射率均勻?qū)?2a和折射率梯度層12b。折射率梯度層 12b配置在折射率均勻?qū)?2a之上（換言之，配置在折射率均勻?qū)?2a與金屬層14之間）。
[0031] 折射率均勻?qū)?2a具有均勻的折射率。折射率均勻?qū)拥恼凵渎剩∟J優(yōu)選為1. 43 以下，更優(yōu)選為小于1. 40,進(jìn)一步優(yōu)選為1. 38以下。通過使折射率均勻?qū)拥恼凵渎蕿?. 43 以下，能夠顯著提高檢測靈敏度。折射率均勻?qū)拥恼凵渎实南孪迌?yōu)選為1.34。若折射率 均勻?qū)拥恼凵渎蕿?. 34以上，則即使是水溶液系的樣品（水的折射率：1. 33)，也能夠激發(fā) SPR，且能夠使用通用的材料。此外，在本說明書中，折射率是指830nm的波長時(shí)的折射率。 另外，在本說明書中，"折射率均勻"包含在任意的面內(nèi)的折射率的偏差小于0.001的情況。
[0032] 折射率均勻?qū)?2a的折射率（NJ高于下包層11的折射率（Na)。折射率均勻?qū)?的折射率與下包層的折射率之差（Nra-Na)優(yōu)選為0.010以上，更優(yōu)選為0.020以上，進(jìn)一 步優(yōu)選為0.025以上。若折射率均勻?qū)拥恼凵渎逝c下包層的折射率之差在這樣的范圍內(nèi)， 則能夠使檢測部的光波導(dǎo)路形成為所謂的多模（multimode)。因而，能夠增加透過光波導(dǎo)路 的光的量，其結(jié)果，能夠提高S/N比。另外，折射率均勻?qū)拥恼凵渎逝c下包層的折射率之差 優(yōu)選為0. 15以下，更優(yōu)選為0. 10以下，進(jìn)一步優(yōu)選為0.050以下。若折射率均勻?qū)拥恼凵?率與下包層的折射率之差在這樣的范圍內(nèi)，則能夠在芯層內(nèi)存在可產(chǎn)生SPR激發(fā)的反射角 的光。
[0033] 折射率梯度層12b的折射率為折射率均勻?qū)?2a的折射率以上，在該折射率梯度 層12b的厚度方向上，該折射率梯度層12b的折射率自折射率梯度層12b的靠折射率均勻 層12a側(cè)的表面朝向金屬層14側(cè)連續(xù)地增大。通過將具有這樣的折射率變化的折射率梯 度層設(shè)置在芯層內(nèi)的金屬層側(cè)，能夠獲得信號(hào)強(qiáng)度增大后的SPR傳感器元件。產(chǎn)生該效果 的機(jī)理并不確定，這并不限制本發(fā)明，但能夠如下推測該機(jī)理。即，能夠推測出：由于存在折 射率梯度層，所以使在光波導(dǎo)路（芯層）內(nèi)傳播的光的反射角度變化為有利于激發(fā)SPR的 角度，其結(jié)果，使以能較大地產(chǎn)生SPR信號(hào)的角度反射的光的量增加，因此，SPR被較強(qiáng)地激 發(fā)，能夠獲得較大的SPR信號(hào)。與此相對(duì)，在專利文獻(xiàn)2所述的以往的SPR傳感器元件中， 折射率梯度層具有朝向下包層側(cè)連續(xù)地減少的折射率且折射率梯度層配置于芯層內(nèi)的下 包層側(cè)。能夠想到這樣的折射率梯度層具有向折射率均勻?qū)訉?dǎo)入光而使折射率均勻?qū)觾?nèi)的 光量增加的作用，這與本發(fā)明中的折射率梯度層的作用效果不同。此外，優(yōu)選的是，折射率 梯度層12b具有在其厚度方向上自折射率梯度層12b的靠折射率均勻?qū)?2a側(cè)的表面到折 射率梯度層12b的靠金屬層14側(cè)的表面連續(xù)地增大的折射率，但是，在不損害本發(fā)明的效 果的范圍