专利名称：光波导和采用该光波导的荧光传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种光波导和采用该光波导的荧光传感器。
背景技术：
目前已经研制出各种分析设备。其作为用来确定分析物在液体中的浓度的设备。例如，在一种这样的分析设备中，将几毫升含有分析物的溶液放入具有固定容积的透明容器中，用适当的光照射该容器，并且测量出分析物的光吸收或荧光。这种类型的分析设备被称为荧光分光光度计。
这样设计荧光分光光度计，从而使激发光束的照射轴线设定为相对于所要测量的荧光的光轴成90°，另外使用棱镜和/或衍射光栅来防止激发光束的波长宽度与所要测量的荧光的波长宽度重叠，由此防止将激发光束的信号加入到荧光的信号中。采用该结构来避免出现这样一个问题，即，一旦激发光束入射在用于检测荧光的光电探测器上，则来自激发光束的信号将会作为偏压加入到根据分析物变化的荧光上，从而与分析物浓度变化对应的信号变化会相对地降低，从而导致灵敏度变差。
同时，为了获得这样一种传感器，其适用于在微升级的量上确定出在血液中的分析物或者能够一直连接到活体上或者嵌入在其中，降低尺寸和能耗是重要因素。但是，荧光分光光度计结构复杂，因此其尺寸不能减小至能够一直连接在活体上或嵌入在其中这样一个程度。
鉴于此，已经对减小用于微量液体试样的测量仪器(传感器)的尺寸进行了研究。
例如，现有一种为了测量在活体内的体液中的葡萄糖而微型化的设备。这种微型传感器包括用于通过采用酶作为分子识别材料并且采用光纤来测量在微量溶液中的青霉素的传感器(参见S.M.Angel等人，“Development and Application of Fiber Optic Sensors”，ChemicalSensor Technology，3(1991)，第163-183页)。
在该传感器中，将作为酶的青霉素酶和作为荧光着色物质的荧光素固定在直径为250μm的光纤的端面上，并且在其附近存在青霉素的情况下通过青霉素酶使青霉素分解。在该反应时产生的氢离子引起PH值变化，由于PH值变化而产生的在荧光素的荧光强度方面的变化通过光纤传送并且由光电探测器读出，并且测量出青霉素量。但是，在采用该传感器进行的测量中，难以在微小光纤顶端处均匀地形成酶固定膜，并且荧光不仅沿着光纤方向而且还沿着所有方向扩散，从而所获得的荧光信号非常小，并且如可以容易地推想的一样，光电探测器必须具有高放大系数。
另外，其它传感器包括采用平板状光波导(平板光波导)的传感器。采用平板光波导的传感器是一种利用抗原-抗体反应的免疫传感器。此外，现有一种采用单调光波导作为氧气传感器或离子传感器的光波导型生物传感器。
此外，采用单调光波导的其它传感器包括这样一种传感器，其中将具有固定在其上的葡萄糖氧化酶的薄膜安放在单调光波导上，并且使氩激光束在该波导中传导(日本专利特许公开平9-61346)。该传感器通过利用其中作为葡萄糖氧化酶中的辅酶的FAD吸收由氩激光束产生的迅衰波以发荧光的效应，来以高灵敏度测量葡萄糖的浓度。
但是，该传感器难以减小所利用的氩激光器的尺寸。例如，与LED的情况相比，难以实现氩激光器的尺寸的减小和能耗的降低，并且对于减小包括光学系统在内的该传感器的整体尺寸也存在限制。此外，迅衰波在该传感器的表面处只能激发出厚度与波长大致对应的FAD，从而只能获得微弱的荧光。
同时，在治疗糖尿病领域中已知，将病人的葡萄糖水平自控制至在正常范围内，对于防止例如视网膜病和肾病的并发症是重要的。因此，许多年来一直在努力开发一种用于连续测量活体中的葡萄糖浓度的方法。为此，可以容易地设想出，采用这样一种系统是有效的，即，其中将具有通过可逆地与葡萄糖反应来显示出荧光特性变化的指示剂层的检测器嵌入在活体中，根据荧光量的变化测量出葡萄糖浓度，并且通过电磁波等从活体中导出数据。
作为可以用于用来实现该目的的指示剂层的构件，已经提出这样一种构件，其中能够与葡萄糖可逆地结合的荧光物质(例如苯基硼酸)通过共价键与聚苯乙烯结合(美国专利No.5137833)。
另外，已经存在针对能够尤其与位于活体组分中的各种糖组分之中的葡萄糖可逆地结合的荧光物质的方案(美国专利No.5503770)，以及有关能够容易地嵌入活体中的更小类型的光源和检测器的方案(美国专利No.5039490)等。
但是，迄今为止，还没有实现这样一种设备，即，通过它可以精确、连续和长时间地监测活体中的葡萄糖浓度。
通常，在荧光测定法中，从荧光物质发出的荧光量与激发光束量相比非常小，因此，使入射在光电探测器上的激发光束量尽可能小是重要的。作为这种传感器，已经提出一种微型传感器，其中利用光刻方法将光源、光电探测器和其光学特性随着分析物变化的指示剂层整体相互层压(美国专利No.5157262)。多年来一直试图设计和研究出具有能够将尺寸减小至现有技术所不能实现的程度的结构的光电探测器-光源一体型传感器。但是，实际上由于由在这些层之间的折射率差异引起的反射或由于光在用于给LED(光源)和光电探测器供电的导线上的反射而导致的漫射光或类似光容易入射在光电探测器上，并且即使在采用滤光器时，该结构也难以实现用于以高灵敏度测量出相对于激发光束暗淡的荧光的传感器。
作为另一种传感器，已经提出一种小型传感器结构，其中配置有一LED和一光电探测器，并且在它们之间设有一屏幕，从而来自LED的光不能直接入射在光电探测器上(美国专利申请No.2003/0156290)。该传感器没有由电线等不规则地反射出的光，有减少漫射光的功效，并且能够以高灵敏度检测出荧光的成分。
但是，在这种小型传感器中，来自位于传感器表面上的指示剂层的荧光为暗淡的散射光，并且因此显然的是，减小光电探测器表面和指示剂之间的间距对于以高精确度测量出在活体中的葡萄糖浓度而言是有效的。但是在该方案中，在LED光的方向和朝着光电探测器的荧光的方向之间必须形成一角度，因此在LED和光电探测器以及包括荧光指示剂的传感器表面之间必须设有用于光束相交的空间，从而导致传感器的整体尺寸将加大并且荧光检测的效率可能会变差。
发明内容
考虑到上面的情况，本发明的一个目的在于提供一种光波导，从而可以有效地激发出荧光同时抑制由激发光束反射引起的漫射光，并且可以将所产生出的荧光有效地引导至光电探测器上。
本发明的另一个目的在于提供一种荧光传感器，通过使用所述波导可以使其尺寸减小至这样一个程度，即，可以将该传感器用作嵌入体内式传感器。
为了实现上述第一个目的，根据本发明，提供一种包括一透光材料的光波导，该光波导包括一光导入部分，它用于导入来自光源的光；一光发射表面，它用于发射通过光导入部分导入的光；一透光表面，它与光发射表面相对并且通过它将从光发射表面入射的一部分外部光透射到外面；一不规则反射部分，它设在透光表面上，以改变光在透光表面上的反射角；以及一分光部分，它设在从光导入部分到光发射表面和透光表面范围的区域中的表面上，该分光部分具有由其折射率低于透光材料的折射率并且高于与该透光表面接触的材料的折射率的材料形成的吸光层。
此外，为了实现上面的另一个目的，根据本发明，提供一种荧光电探测器，它包括上述光波导；一光源，其用于将激发光束发射到光波导的光导入部分；一指示剂层，它设置成与光波导的光发射表面紧密接触并且包括含有用来通过与分析物可逆地结合显示出荧光特性变化的荧光指示剂分子的水凝胶；以及一光电探测器，它设在与光波导的透光表面相对的位置处，用来将来自指示剂层的荧光转变成电信号。
图1为一剖视图，显示出其上应用了本发明的光波导；图2A和2B为透视图，显示出该光波导；图3为一剖视图，显示出一不规则反射部分的结构；图4为一平面图，显示出该不规则反射部分的布置图案的一个例子；图5为一平面图，显示出该不规则反射部分的布置图案的另一个例子；图6为一剖视图，显示出该不规则反射部分的另一个实施例的结构；图7为一透视图，只显示出构成在透光表面处形成的不规则反射部分的点部分；图8为一剖视图，显示出该不规则反射部分的另一个实施例的结构；图9为一透视图，显示出其上应用了本发明的光波导的另一个
具体实施例方式
下面将参照这些附图对本发明的这些实施例进行说明。
图1为一剖视图，用于显示根据本发明的光波导的一个例子，以及图2A和2B为该光波导的透视图，其中图2A显示出透光表面侧并且图2B显示出光发射表面侧，从而可以看到在光波导的两侧上的结构。
该光波导1以一波导主体6为基�。弥魈逍巫次桨遄床⑶矣梢恢滞该魍腹獠牧闲纬桑ü梢酝干浼し⒐馐陀�。
该波导主体6包括一光导入部分3，其用于将来自光源2例如LED的光导入波导主体6内；一光发射表面8，其用于发射通过光导入部分3导入的光；一透光表面9，它被设置成与光发射表面8平行相对，并且通过它将通过光反射表面8入射的至少一部分外部光透射到外面；一不规则反射部分10，它设在透光表面9上，用来改变光在透光表面9上的反射角；一分光部分5，它设在从光导入部分3到光发射表面8和透光表面9范围的表面上，该分光部分具有由其折射率低于波导主体6并且高于与该透光表面9接触的材料的折射率的材料形成的吸光层4；以及一反射镜部分11，它设在与光导入部分3相对的位置处。另外，该波导主体6设有也在从光反射表面8和透光表面9到反射镜部分11的范围中的分光部分5。
该光波导1例如用于荧光传感器，该传感器用来测量并且连续地确定位于在活体中并且显示出荧光的分析物或在光学上不活泼但是其荧光特性随着与指示剂分子结合而变化的分析物。下面将对这种荧光传感器的详细结构进行说明。顺便说一下，该荧光传感器具有这样一种总体结构，其中光源2布置在波导1的光导入部分3的侧面上，光发射表面8布置在用于与含有分析物的液体接触的侧面上，并且光电探测器布置在透光表面9的侧面上。在透光表面9和光电探测器之间设有其折射率较低的空间。根据构成波导主体6的材料形成具有较低折射率的该空间；在其中波导6由透明的实心物质形成的情况下，一般来说用例如氮气的惰性气体或折射率大约为1的空气填充该空间。与波导主体6接触的空间填充有空气或氮气，并且可以将该空间设定成具有预定的折射率；因此，这种空间在下文中也被称为一种材料。
该波导主体6可以根据例如荧光传感器的尺寸和/或所引导的光的量自由地进行设计，并且其厚度例如为大约10μm至3mm。
满足n1＞n2+0.01和n2＞n3+0.01的关系，其中n1为波导主体6的折射率(透光材料)，n2为吸收层4的折射率，并且n3为与透光表面9接触的材料的折射率。这使之能够防止出现这样一个问题，即，通过光导入部分3入射的光的没有进行全反射的光分量将通过透光表面9泄漏出从而入射在光电探测器上，由此妨碍所期望的荧光测量。顺便说一下，这些关系优选为n1＞n2+0.1和n2＞n3+0.1。
此外，分光部分5位于从光导入部分3到光发射表面8和透光表面9的范围中的距离X可以表示为X＝t1×L×Tan(Sin-1(n2/n1))，其中L为波导主体6的厚度，n1为波导主体6的折射率，并且n2为吸收层4的折射率。在该情况中，t1必须为大于1的数值，优选大于3，并且更优选的是大于5。顺便说一下，该数值的上限在理论上可以在光可以到达的距离范围内扩大；但是实际上，该数值要考虑在荧光传感器内的布置来设计。考虑到特定的设计，t1优选不大于1000。另外，分光部分5的长度优选为波导主体6的厚度的5至10倍。顺便说一下，分光部分5在从光发射表面8和透光表面9到反射镜部分11的范围中的距离也优选按照与上述分光部分5相同的方式满足上述公式，但是不同分光部分5的数值可以不必相等。
用于波导主体6的母材可以为任意的母材，只要它能够这样传送光，即，不会破坏用在荧光传感器中的用于发荧光的激发光束和荧光传感器的功能。母材的优选示例包括玻璃，例如合成石英、硼硅玻璃等，及塑料，例如丙烯酸树脂、聚苯乙烯、聚碳酸酯、环状聚烯烃等。这些母材的每一种的折射率必须至少高于与光反射表面8接触的材料，即含有分析物的液体或含有该液体的水凝胶的折射率和吸收层4的折射率；例如，该母材的折射率优选不小于1.45。
光发射表面8位于波导主体6的一个表面处。同样，透光表面9位于波导主体6的另一个表面处。光发射表面8和透光表面9平行地形成在两个相对位置处，并且波导主体6介于它们之间，即在它们之间具有将光引导从中穿过的部分，从而通过光发射表面8入射的大部分光可以在没有在波导主体6内反射的情况下通过穿过透光表面9到达荧光传感器中的光电探测器。
光导入部分3也位于波导主体6的一个表面处。让这个表面为光导入表面，然后它让该光导入表面为可以让来自光源2的光通过它入射在波导主体6的内侧上并且确保了至少一部分入射光能够在分光部分5处全反射的表面就足够了，并且该光导入表面可以为与光发射表面8和透光表面9垂直或倾斜的表面。
另外，一部分分光部分5可以形成为没有吸收层4，该部分可以设有一凹入部分或一通孔，并且可以引导激发光束穿过该部分。
吸收层4由其折射率高于与透光表面9接触的材料的折射率的材料形成；例如，在与透光表面接触的材料为空气的情况下，该吸收层4可以由氟树脂形成。具体地说，通过光导入部分3入射的光以各种角度射在位于波导主体6和氟树脂之间的界面上，同时该光由分光部分5反复反射，以除了全反射角度之外的其它角度反射的光从波导主体6射出，而全反射分量被提供给不规则反射部分10。
在除了全反射分量之外的光通过分光部分5泄漏到波导主体6的周围的情况中，射到外面的光很可能会在下面所述的荧光传感器的外壳内进行不规则反射，从而再次入射穿过光发射表面8和分光部分5并且就好像作为漫射光通过透光表面9入射在光电探测器上一样入射。这样入射的漫射光造成该荧光传感器的检测灵敏度显著下降。可以通过利用适当的方法(例如，通过用吸光涂层涂覆外壳的内侧并且用隔壁分隔光发射表面的周围以便光学地阻截该漫射光)来防止光反射表面8和透光表面9受到该漫射光，从而防止这种漫射光的入射。
在波导主体6的这些表面处的分光部分5的吸收层4可以由含有吸光着色物质的材料形成。这种吸收层4防止除了全反射分量之外的光通过分光部分5泄漏出，并且吸收已经通过波导主体6的吸光部分5泄漏出的除了全反射分量之外的光。因此，通过设置吸收层4，可以将通过光导入部分3导入的光的基本上只是全反射分量受引导并且提供给不规则反射部分10。
另外，由于波导主体6设有含有着色物质的吸收层4，所以确保了即使在漫射光分量应该位于外壳内的情况下，也可以防止漫射光进入波导主体6中。
吸收层4的母材优选为例如含有高度吸光化合物的氟树脂。此外，随着在波导主体6和吸收层4之间折射率差异越大，则来自光源2的光更有效地受到引导。因此，这些吸收层4优选由这样一种材料形成，即，在该材料和波导主体6之间的折射率差异不小于0.01，优选不小于0.1。
至于材料的组合，在波导主体6采用了其折射率不小于1.5的玻璃或树脂(例如硼硅玻璃和丙烯酸树脂以及聚碳酸酯)的情况中，吸收层4的材料的更优选的例子包括氟树脂，例如聚四氟乙烯(PTFE)、四氟乙烯-全氟烃基乙烯基醚共聚物(PFA)、四氟乙烯-六氟丙稀共聚物(FEP)、四氟乙烯-乙烯共聚物(ETFE)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和折射率大约为1.3至1.43的无定形氟树脂。
其中将少量能够吸收波导光的着色材料混合进上述母材中的树脂薄膜可以作为吸收层4贴在波导主体上，或者可以通过将着色材料混合进溶解在溶剂中的无定形氟树脂中、将所得到的混合物涂覆到波导主体6上以及使所涂覆的混合物干燥来形成这些吸收层4。
此外，在其中采用折射率大约1.46的合成石英的情况中，优选采用折射率为1.34并且混合有适当比例的着色物质的无定形氟树脂。
作为此处的着色物质，可以采用用于打印的基于染料和基于颜料的着色物质；其中，优选为能够吸收宽波长范围的光的碳黑。
吸收层4的厚度在这样一个水平上就足够了，即，不能使所要引导的光透射穿过吸收层4并且外部漫射光不能进入到波导主体6中；具体地说，该吸收层4其透光率优选为0.01％或以下。因此，可以将吸收层4的厚度控制在大约10至1000μm的范围内，但是该厚度根据上述部分的母材而变化。具体地说，在混合有5％碳黑的氟树脂的情况中，厚度为20μm的层确保了可以将进入波导主体6中的漫射光量控制为0.01％或以下。
另外，在吸收层4上可以模制有凹入部和/或凸出部，以用来使光电探测器等相对于外壳(后面所述的)的窗口部分定位。
不规则反射部分10设置用来将从光源2导入的光反射穿过光反射表面8，从而将激发光束射到含有分析物的液体的侧面上。
图3为一剖视图，显示出不规则反射部分10的结构。
该不规则反射部分10由其中其折射率高于波导主体6的透明材料混合有其折射率与透明材料不同的颗粒物的颗粒物混合透明层21和设置成将颗粒物混合透明层21与外面隔离的反射层22构成。
可以通过将具有高折射率并且含有反射颗粒物的透明涂料(透明材料)涂覆到透光表面9上、将该透明涂料烘干以形成颗粒物混合透明层21、然后将要成为反射层22的不透光涂料(不透明材料)涂覆到干燥透明涂层的外侧上以便覆盖该透明涂层，以及干燥该不透明涂料以形成反射层22，从而在透光表面9上形成这种不规则反射部分10。
至于透明涂料，采用其折射率等于或高于波导主体6的折射率的材料。例如，在波导主体6由石英玻璃形成的情况中，优选采用丙烯酸涂料等作为透明涂料。可以通过其中将含有溶解在溶剂(例如UV固化树脂)中的以掺杂形式在市场上销售的涂料与作为反射颗粒物的氧化钛、氧化铝或金属颗粒物或具有高折射率的中空玻璃颗粒物混合的方法来形成该颗粒物混合透明层21，并且以通过喷墨系统、凸版印刷等以点或图案印刷在该表面上的形式将该混合物涂覆到波导主体的表面上。在这样形成的点的外侧表面上，再次采用含有碳黑或金属颗粒物的不透明印刷油墨进行印刷，以形成该反射层22。顺便说一下，在该颗粒物混合透明层21中的反射颗粒物可以为气泡。
在不规则反射部分10处，在以大于全反射角的入射角导入到光波导1内的光入射在颗粒物混合透明层21上时，因为不规则反射部分10的折射率较高，所以该光不能进行全反射，并且该光进入到颗粒物混合透明层21中，以通过折射率大大不同的这些颗粒物被反射或折射。由于不能在波导主体6内进行全反射的这些入射角，所以这样反射或折射的一部分光再次从不规则反射部分10射入到波导主体6中。因此，激发光束从光发射表面8发射到含有分析物的液体侧上。
同时，从光发射表面8发射出并且透射穿过透光表面9从而入射在光电探测器上的荧光分量为散射光。因此，为了以高灵敏度检测出该荧光，重要的是从设在光发射表面8上的指示剂(下面详细描述)到光电探测器的距离尽可能短，并且可以通过与该距离相比尽可能宽的区域将该荧光能量传送到光电探测器侧上。因此，重要的是，将光发射表面8和透光表面9的面积设定得尽可能宽，以便容纳不小于波导主体6的厚度的几倍到几十倍的距离。在该实施例中，从荧光指示剂到光电探测器的距离可以减小至十几个微米，这是通过将不规则反射部分10的厚度加上波导主体6的10μm最小厚度所得到的数值。因此，可以实现尽管尺寸较小但能够将荧光能量有效地传送给光电探测器的传感器。
不规则反射部分10可以采取各种形状，例如圆形、椭圆形、直线形、网状等形状。但是从提高荧光检测效率和减小尺寸方面看，优选的是，将该不规则部分10分散在透光表面9上，从而使通过光发射表面8均匀地反射出激发光束。
图4和5为平面图，显示出该不规则部分10的布置图案的例子。
为了通过光发射表面8均匀地发射出激发光束，可以想到例如采取如图4所示的由多个圆点构成的图案或如图5所示由矩形点51的组合构成的图案。
这种图案可以具有这样一种结构，其中这些点41或矩形点51构成不规则反射部分10，或者具有这样一种结构，其中这些点41或矩形点51为透光部分并且其它部分构成不规则反射部分10。
在其中这些点41或矩形点51构成不规则反射部分10的情况中，在除了不规则反射部分10之外的透光表面9上的任意点最好彼此间隔不超过至少由2×L×Tan(Sin-1(n4/n1))表示的数值，即在不规则反射部分10中的不规则反射部分之间的距离，该数值优选小于L×Tan(Sin-1(n4/n1))，其中n4为与光发射表面8接触并且含有荧光指示剂的材料的折射率。这确保了通过光发射表面8均匀地发射出激发光束。顺便说一下，该说明也适用于其中点41或矩形点51为能够让荧光从中透射穿过的透明部分并且其它部分构成不规则反射部分10的情况。此外，该说明保持与这些点的形状无关。具体的数值根据波导主体6的折射率和与光发射表面8接触的指示剂层的折射率变化；通常优选的数值在波导主体的厚度L的5倍范围内，更优选在该厚度L的2倍范围内。
另一方面，不规则反射部分10基于透光表面9的整个面积的比例没有特别限制，但是通常将该比例设定得尽可能�。热缬叛∩瓒ㄔ�50％至0.1％的范围内，更优选设定在20至1％的范围内。该比例可以根据所引导的激发光束量、不规则反射部分10的效率或荧光相对于在作为传感器测量对象的荧光指示剂处的激发光束的比例来设定；例如，在具有多个光发射表面8和透光表面9的传感器的情况中，可以根据荧光传感器的设计，将为了能够通过这多个透光表面9进行有效测量而通过每个光发射表面8应该发射出的所引导的激发光束的百分比设定成适当的数值。
此外，光发射表面8和透光表面9的面积和形状可以根据所使用的光电探测器的尺寸和/或所获得的荧光信号的平衡来确定，并且没有特别限制。例如，可以采取从直径大约为50μm的圆形到边长大约为10mm的方形的尺寸和形状。
这里，将对该不规则反射部分的另一种形式进行说明。
由光波导1引导的在波导主体6的表面上的光的入射角在通常结构中不小于大约45度。因此，对于所引导的光的有效不规则反射而言，可以通过如上所述地将具有高折射率的涂料涂覆到透光表面9上来形成颗粒物混合透明层21，或者可以提供相对于波导主体6的透光表面9凹入到波导主体6中的不规则反射部分10。在后者的情况中，与前者的情况相比可以实现更多光的不规则反射。
图6为一剖视图，显示出该不规则反射部分10的另一个形式的结构。
该不规则反射部分10由多个点63构成，每个点由一个凹入部分61和设置在其周边中的凸缘部分62构成。
凸缘部分62与波导主体6的表面接触，并且接触表面与波导主体6一样在光学上是平坦的。凹入部分61从波导主体6的表面凹入到波导内部。这里，如此形成该凹入部分61和凸缘部分62，从而以所引导的激发光束相对于从凸缘部分62的一个端部64开始垂直于波导主体6画出的法线的最小入射角θ画出的直线在任何情况下都不会与凹入部分61接触。
在由凹入部分61沿着各个方向不规则反射的激发光束中，与波导光的方式一样，以能够通过在波导主体6内的全反射进行波导的这些角度反射的光束不能通过透光表面9发射出。但是，以其它角度不规则反射的光束可在它们朝着光发射表面8侧的情况下通过光发射表面8发射出；另一方面，朝着透光表面9侧的光束必须由凸缘部分62反射，并且通过光发射表面8发射出或者由分光部分5吸收，从而它们不能通过透光表面9发射出。因此，散射光分量将不会通过透光表面9直接发射出，以入射在光电探测器上。因此，包括凸缘部分62的这些点63可起反射部分的作用。
这些点63由易于反射光的材料形成，并且可以通过其中采用了市售光滑涂料的印刷方法而生产。例如，可以通过采用近年来已经明显进步的激光微加工技术或光刻技术来实现更细小的不规则反射部分10。
这里，将对生产其中采用玻璃来形成波导主体6的不规则反射部分10的一个例子进行说明。在生产不规则反射部分10时，首先通过旋涂等将可UV固化树脂涂覆在玻璃板上，按照所要求的图案进行曝光，并且用树脂遮住除了用于凹入部分61成形的区域之外的其它区域。接着，利用反应离子蚀刻设备进行蚀刻，同时引入氟化碳，从而在没有遮住的区域中形成凹入部分61。
在通过抛光、热酚法等除去遮蔽剂之后，通过溅射或气相沉积将能够有效反射波导光的例如铝和银的金属涂覆到透光表面的整个区域上。在该情况中，金属部分必须具有不能让光从中穿过的这样一个厚度，并且该厚度最好不小于要被波导的激发光束的波长的2倍，并且不小于1μm。在只是通过气相沉积或溅射不能获得所要求的厚度的情况中，可以通过镀覆处理进一步增加该厚度。通过旋涂等将可UV固化树脂涂覆到涂有金属的透光表面的整个区域上，之后进行UV曝光，从而形成覆盖凸缘部分62和凹入部分61的图案，并且进行冲洗以去除未固化的可UV固化树脂。最后，利用酸或电解去除暴露出的金属部分，从而获得点63的图案。
顺便说一下，也可以通过其中采用了激基激光器或YAG激光器的蚀刻方法而不用遮蔽来形成凹入部分61。在将凹入部分61的直径设计成较大的情况下，也可以通过使用喷砂或钻具进行机械切割来形成凹入部分61。
在该光波导1由塑料制成的情况中，通过采用用在激光唱片生产中的技术，利用设有凹入部分61的玻璃圆晶作为电成形模具来生产出凸型模具，并且利用该凸型模具作为压模，从而将凹入部分61传给热塑性树脂薄膜，由此可以形成不规则反射部分10。另外，在按照与玻璃制成的光波导的情况中相同的方式进行金属的气相沉积之后，通过光刻只是将不规则反射部分10涂覆掩模，并且利用酸或电解去除在该不规则反射部分周围部分中的金属薄膜部分，由此可以生产出该光波导1。
在这种生产方法的情况中，与如上所述的通过涂覆生产点63的情况相比，可以生产出非常细小的不规则反射部分10。例如，在生产圆形不规则反射部分10的情况中，印刷方法最小得到大约0.2mm的直径，但是采用光刻法能够实现大约为1μm的直径。但是，为了让激发光束更有效反射，过分减小凹入部分61的尺寸没有意义。在凹入部分61形状为圆柱形的情况下，其最小直径和深度最好不小于激发光束波长的2倍，并且根据功能，适当的直径大约为1至300μm，并且适当的深度为1至100μm。
另一方面，容易引起光不规则反射的部分为凹入部分61的边缘部分或者底面和侧面的与透光部分9不平行或者不垂直的那些部分。因此，尽可能多地在凹入部分61的内侧表面处形成这些部分保证有效的不规则反射。因此，在波导主体6的厚度L相对较大，例如不小于大约0.5mm的情况和类似情况中，在不规则反射部分10的点63中形成多个直径为1至50μm并且深度为1至50μm的小凹入部分61能够实现通过光发射表面8有效地反射激发光束。同时，这具有减小凸缘部分62基于透光表面9的面积比例的作用，这阻碍了荧光传送到光电探测器并且不会显示出激发光束的不规则反射。因此，可以减小用于阻截在透光表面9上的荧光的区域，并且可以将荧光有效地传送给光电探测器。另外，还可以有效地预先形成较大的凹入部分61并且在该较大的凹入部分61中形成多个更小的凹入部分61。
另外，该不规则反射部分10可以具有这样一种结构，其中形成有多个(至少两个)凹入部分，并且多个凹入部分设置在一个点中，从而这多个凹入部分基本上被一个反射部分覆盖。在该情况中，这多个凹入部分的每一个也优选具有大约1至50μm的直径以及大约1至50μm的深度。
另外，在图5所示的矩形点51的图案的情况中，可以形成平行的线性凹入部分61，或者如在图7中只是该点部分的透视图中所示的那样，可以在点72的内部中设置线性凹入部分71。在其中在点72的内部中设置线性凹入部分71的情况中，这些凹入部分71的最小宽度最好大约为1至50μm，并且这些凹入部分71的深度最好为1至50μm。
顺便说一下，虽然已经将这些凹入部分61的形状以举例的方式描述成圆柱形或线性，但是如前面参考图6所述，将凹入部分61的深度设计成使得以所波导的激发光束相对于从凸缘部分62的端部开始垂直于波导主体6画出的法线的最小入射角θ画出的直线在任何情况下都不会与凹入部分61接触就足够了。因此，可以采用这样一种方法，其中通过钻具、喷砂或者抛光而形成具有相对较大表面粗糙度的锥形凹入部分61，并利用激光器在凹入部分61内形成较小的凹入部分61。
另外，如图8的剖面图所示，可以通过这样一种方法形成不规则反射部分10，其中在凹入部分82内施加具有高折射率并且混合具有高折射率的氧化钛、氧化铝或者其它金属、中空玻璃颗粒等的涂层材料81，在涂层上通过气相沉积或者溅射形成金属薄膜83。结果，凹入部分82内填充了通过将折射率高于波导主体6的透明材料的涂布材料与折射率与该透明材料不同的微粒金属材料相混合而制成的混合材料。在这种方法中，凹入部分82内填充了混合有微粒的涂布材料，由此可以获得有效的不规则反射，这与利用氟化碳蚀刻合成石英的情况相反，由此凹入部分82的底部易于成为具有相对小和少量的凸起以及凹陷的平滑平面，从而难以获得被波导的光的不规则反射。
另外，在侧表面(该表面包括光透射表面9)的除了光发射表面8之外的部分附近，光波导1具有用于反射被波导的光的反射镜部分11，以及波导主体6的光导入部分3(图1)。反射镜部分11是反射构件，可例如与利用不规则反射部分制造中的气相沉积或者溅射的步骤同时制造，或者通过施加反射镜涂布材料来制造。这样确保没有射到波导主体6外的被波导的光由反射镜部分11所反射，并沿着光发射表面8的方向被再次波导，从而可以有效地利用光作为激发光束。
尽管在图1中将反射镜部分11画在与波导主体6的光波导方向垂直的表面附近，但是侧表面可以相对于竖直方向倾斜大约1-5度的角度。
另外，反射镜部分11可以设置在分光部分5和透光表面9之间的边界附近的波导主体表面处，由此可以提高制造步骤的准确性。
另外，在波导主体6表面的至少分光部分5和透光表面9上，光波导1可以包括折射率低于的波导主体6母材的一层透明母材层。这样确保减少通过光导入部分3导入的光中由分光部分5所吸收的光的量，由此可增加可以被波导的光量。
通过利用透镜等，按照减去由分光部分5所吸收的光的角度的形式，可以预先设定通过光导入部分3所导入的光的角度。为此，例如将波导主体6在光导入部分3处的端部表面形成为凸透镜。
但是光波导部分1具有可以用于小型荧光感应器的重要目的，因此希望具有尽可能简单的结构。尽管易于减少波导主体6的厚度以减小尺寸，但是在波导主体6更薄时就更加难以在光导入部分3处准确地形成透镜。在该实施例中，利用LED透镜作为光源2。LED光使其如在激光束的情况中一样难以准确地会聚光以及控制入射角；因此为了增加被波导的光量，应有效地是设置具有低折射率的透明材料层。这种结构在例如光纤的其它光波导的情况下是一个普遍的方法，采用一个倾斜折射率层从而使得折射率从波导朝外逐渐降低的技术也是已知的。
作为用于形成透明母材层的母材，优选的是已经用于形成分光部分5的氟树脂；在用于光纤时显示出良好结果的氟树脂，并且在这种情况下，不向树脂中加入用于吸收波导光的有色材料，例如碳黑。
另外，当使用玻璃来形成波导主体6时，除了使用氟树脂之外，可以采用涂布多孔玻璃的方法以及给波导主体6涂布氟的方法。
此处，用于形成上述部分的母材示例的折射率集中表示在以下表1中。
表1
这些部分的折射率属于这样一种关系，即，[波导主体6的折射率]＞[与光发射表面8相接触的材料(也就是含有被分析物的液体或者含有水凝胶的液体)的折射率和与吸收层4相接触的材料的折射率]＞[与透光表面9相接触的材料的折射率]。根据入射在这些部分之间的边界上的可波导的光的全反射角，这可以表述为[在透光表面9处的全反射角]＜[在光发射表面8处的全反射角和在分光部分5处的全反射角]。
在以下部分，将光波导的作用进行说明。
在具有如上所述结构的光波导1中，通过光导入部分3导入的光首先入射在分光部分5上，该分光部分5设有基本不会使光透过其中并且折射率低于波导主体6的吸收层4。在这种情况下，以不小于由波导主体6和吸收层4的折射率所确定的全反射角的角度入射在界面上的光束a，b，c可以被波导，同时在分光部分5处在波导内进行全反射。另一方面，以小于全反射角的角度入射的光d基本透射至吸收层4侧，从而它被迅速衰减，并基本在到达光发射表面8或者透光表面9之前被吸收。结果，对于能够到达光发射表面8或者透光表面9的光分量的波导主体6内的反射角α，最小值由吸收层4和波导主体6的折射率确定。以略小于反射角α的最小值的角度波导的光易于以小衰减被波导。在本发明中，设置折射率(n2)比与透光表面9相接触的材料的折射率(n3)高的吸收层4，由此使得在透光表面9的区域中能通过全反射而被波导的光的反射角小于上述反射角α。因此，可以防止以略小于反射角α被波导的光束通过透光表面9输出，从而可以更可靠地抑制激发光束入射到光电探测器上。
由分光部分5在波导主体6内完全反射的被波导光的一部分b提供给不规则反射部分10，在此处它的反射角发生变化，通过光发射表面8发射。在吸收层4的折射率等于或者小于与光发射表面8相接触的材料的折射率的情况下，在以不小于全反射角的角度被波导的光中，在光发射表面8侧，没有入射在不规则反射部分10上的光分量a和c部分地发射到波导之外。另一方面，在透光表面9侧上，光分量a和c进行全反射，并且不能穿过透光表面9，因为透光表面9与折射率比吸收层4的折射率低的材料相接触。
同时，当已经因为不规则反射部分10改变了反射角并且通过光发射表面8发射的光束b被光发射表面8所反射的时候，根据由波导主体6和与光发射表面8相接触的材料的折射率所确定的反射率反射的光被送回至透光表面9侧，该光可以穿过透光表面9到达光电探测器。但是该光量是被波导的光的角分量的一部分，另外，它取决于由波导主体6和与光发射表面8相接触的材料的折射率所确定的反射率，从而通过光纤等在其入射到光电探测器之前可以充分地衰减该光。作为光纤，可以选择荧光可以顺利透过但是激发光束很困难地透过的那种光纤。如果光纤在透光表面9处与波导主体6相接触，激光光束会泄漏至光电探测器侧。但是在本发明的结构中，不规则反射部分10起到在波导主体6和光纤之间的间隔作用，从而可以防止因为接触导致的激发光束的泄漏。
另一方面，来自光发射表面8的光在大多数的情况下直接穿过透光表面9到达外面。因此，从光发射表面8侧进来的例如荧光的光穿过光波导1进入光电探测器。
因此，光波导1可以仅从光发射表面8发射光，并且使得从光发射方向进来的外部光沿着与光发射方向相反的方向穿过。
顺便说一下，在光波导1与光电探测器(例如荧光传感器中的光电二极管)连接之处，光电探测器的光接受部分的周边优选在靠近分光部分5和透光表面9之间的边界的分光部分5的附近中以紧密接触的方式连接。另外，用于在含有被分析物的液体和电子设备(例如光电探测器中的光电二极管以及LED)之间分隔的外壳连接至光发射表面8侧的分光部分5上。
在上面描述了根据本发明光波导的一个实施例的同时，也对设有一个光发射表面8和一个透光表面9并且在波导主体6内设置一个光导入部分3的结构进行了描述。但是本发明不限于这种结构，可以设置多个光发射表面和透光表面，另外可以设置多个光导入部分。例如可以形成图9所示的光波导90，其中在十面体波导主体一侧上的一个表面中设置四个光发射表面93，在相对一侧的表面上设置四个透光表面，使得十面体的四个面成为光导入部分91。在这种情况下，除了光发射表面93、透光表面、以及光导入部分91之外的部分是分光部分92，它们分别覆盖有吸收层。
在如此设置多个光发射表面93、透光表面、以及光导入部分91的情况下，如图10的剖面图所示，在对着其中流动有液体的通道101内侧的第一光发射表面102和第二光发射表面103处分别设置用于在和不同的被分析物分别键合而显示荧光的指示剂层(未显示)，并且在透光表面侧设置多个对应的光电探测器126a和126b，由此可以由一个荧光传感器同时测量在通道101内流动的液体中存在的多种被分析物。另外，可以在第二光发射表面103处设置不含有任何在与被分析物键合后显示荧光的物质的指示剂层，由此可以增强测量的准确性。
以下，描述使用上述光波导1的荧光传感器的实施例。该传感器是一个体内置入型传感器。
图11是荧光传感器的透视图，其中使用了本发明，图12是荧光传感器的剖面图。
荧光传感器110设置在密封壳体111中，使得光波导1的光发射表面8可以通过至少一个窗口部分112与外部相接触。壳体111的材料可以是任何材料，因为其对体内置入型传感器的功能不会产生任何问题。作为这种材料，优选采用不锈钢和钛。
在光发射表面8上，由与用于在和活体内的体液中的被分析物发生反应而显示荧光的荧光指示剂分子键合的水凝胶构成的指示剂层121(图11中未显示；见图12)固定至至少一个光发射表面8。与活体中的体液相接触，以检测被分析物浓度的指示剂层121被粘接在通过窗口部分112所暴露的光发射表面8上。顺便说一下，如上所述在设置多个光发射表面的情况下，可以在其中分别设置不同的指示剂层112。
在壳体111中，除了光波导1之外，在光波导1的一个端部处设置例如LED的光源2，在光波导1的透光表面9的一侧上设置基底125，其间留有预定的间隔，并且在基底125上设置例如光电二极管的光电探测器126。特别是，将光电二极管126设置成仅接受来自光传输通道的光，而不会获取在壳体111内存在的漫射光。
另外，尽管没有显示，在基底125上设置集成电路，用于处理来自光电探测器126的信号，设置发射机用于向外部发射信号，以及设置电池作为电源等。另外，在壳体111外侧上设置用于从发射机向外部输出信号的天线128。另外，如果需要，设置用于增强数据准确度的温度传感器。除此之外，按照需要可以设置用于放大来自光电探测器的信号的放大器。
除了窗口部分112之外的壳体111被设计成保持不透液体的状态，从而这些构件不会与液体相接触。特别是，窗口部分112用树脂材料等完全包�。佣禾宀换嵬ü貌糠纸氲侥诓�。
在荧光传感器110中，来自光电探测器126的信号(如果有，则连同来自温度传感器的信号一起)由集成电路处理并在其中累计，以通过天线28在适当的时候输出到外部系统。顺便说一下，天线28自身也优选设置为被树脂等覆盖的状态，用于防止天线线圈等与液体相接触。
当荧光传感器110存在于活体内的时候，使指示剂层121的内部与活体内的体液中的被分析物浓度处于平衡状态。结果，在指示剂层121中存在的指示剂分子和被分析物发生偶联/离解反应，由此改变指示剂层121中荧光强度。光电探测器126检测变化的荧光强度并将其转换为电信号，然后传送至体外系统。
在如上构成的荧光传感器110中，来自光源2的光可以作为激发光束而通过在光电探测器126和指示剂层121之间设置的光波导1仅被引导至指示剂层121侧，从而指示剂层121中的水凝胶可以被激发光束均匀照射，可以进行荧光的测量。因此，由于对来自光源2的光的利用效率好，因此可以使用尺寸尽可能小和功率消耗尽可能小的LED，从而可以实现荧光传感器110的小型化。另外，由于光波导1引导激发光束，将荧光从指示剂层121传送至光电探测器126，并防止漫射光等进入，因此也可以实现荧光传感器灵敏度的提高。
图13是显示采用了本发明的荧光传感器的另一个实施例的剖视图。
在该实施例中，利用了设有多个(在该图中是2个)光发射表面和与光发射表面相对设置的多个(在该图中是2个)透光表面的光波导1。因此关于指示剂层，在光发射表面上分别设置不同的指示剂层121a和121b。除此之外，在光发射表面侧，设置用于分别检测来自指示剂层121a和121b的荧光光束的两个光电探测器126a和126b。通过从指示剂层121a中省去用于测量被分析物的荧光物质来获得指示剂层121b，由此作为对照层。
关于外观结构，如图11所示，壳体111设有一个窗口部分112，在光波导100的两个光发射表面上设置的两个指示剂层121a和121b通过该窗口部分暴露出来。顺便说一下，设置一个光源2、一个基底125、一个天线128、以及一个集成电路、一个电源等一个元件。
因此在该光波导100中，尽管壳体111等元件是一个，但是仅通过给一个光波导100设置多个光发射表面以及透光表面和对应地设置多个指示剂层121a，121b和多个光电探测器126a，126b，就可以提高测量准确性，并可以一次检测多种被分析物。另外在这种情况下，设置在壳体111中用于暴露指示剂层的窗口部分112可以是一个。
顺便说一下，尽管在图13所示的光波导100中已经显示了设有两个光发射表面和两个透光表面的实例，但是不限于此，也可以使用设有更多数量的光发射表面和透光表面的光波导。另外，尽管在检测不同被分析物的情况下，在多个光发射表面上分别设置不同的指示剂，但是不限于此，可以在多个光发射表面的每一个上设置同样的指示剂层。
上述荧光传感器(结构如图12和13所示)仅是用于解释本发明的实例，不是对本发明的限制；例如本发明也可以用于不具有电池的设备，其中在每次测量的时候通过从体外系统向内部电路，例如光源2和集成电路提供电源而进行测量。
另外可以采用这样一种结构，其中集成电路部分和电池安装在体外系统中，并通过导线与活体内相通，并省略天线线圈。
除此之外，作为电磁波之外的电信号转移部件，微弱的高频电流可以通过身体组织在体内置入型传感器和体外系统之间流动。
关于荧光传感器110的尺寸，其中一种包括电池和天线128的类型可以被制造为长度为10-50mm，宽度为3-20mm，厚度为2-10mm，而其中一种不具有电池的类型可以被制造为长度是5-20mm，宽度是2-5mm，厚度是0.5-3mm。
很明显，通过改变指示剂分子和被分析物之间的相互反应所引起的荧光特性、提供给激光光束源和集成电路的电功率量、在产生机械问题时可操作的安全机构、用于通过检测器自身计算测量值以及将报警信号传送给体外系统的电路部分的设计等，可以改变尺寸。
现在，将对根据本发明的光波导的例子进行描述。
例子1是这样一种光波导1，其中利用了合成石英板(0.7mm厚，20mm宽，30mm长；折射率1.46；Asahi Glass Co.，Ltd.制造)作为波导主体6。
在制造光波导的过程中，首先将PET类的遮蔽胶带粘在合成石英板的一侧上，并将遮蔽胶带穿孔。利用激基激光器在从合成石英板的端部开始间隔至少5mm的位置处在PET表面中的10mm×10mm的区域内开孔。孔的直径是0.2mm。在10mm×10mm区域中开的孔的数量是95，孔的中心间隔是1mm。
在这种情况下，通过利用氨基甲酸乙酯树脂涂料或者苯乙烯类树脂涂料来代替PET类的遮蔽胶带可以进行遮蔽，并且仅仅是树脂部分可以用激基激光器进行类似的穿孔。除此之外，通过利用激基激光器调整遮蔽孔直径，可以将孔的直径控制在1μm的范围内。
随后，利用反应性蚀刻设备(IE-4800，Samco International，Inc.制造)，将合成石英板的穿孔遮蔽表面利用CF4以750W进行80分钟的离子蚀刻，以形成深度为5μm并且直径为200μm的凹入部分61。顺便说一下，通过从后面用激基激光器辐射石英板，可以在苯乙烯类树脂涂料或者金属遮蔽的合成石英板中直接制造凹入部分。
然后，在除去遮蔽之后，通过利用溅射设备(例如AnelvaCorporation制造的SPF-210H，或者Showa Shinku Co.，Ltd.制造的SPH-306C)，在提供合成石英板表面的凹入部分的整个区域上以及在合成石英板的侧面的整个区域上形成厚度为1μm的铝膜。
可以通过DC溅射或者RF溅射来通过溅射形成金属薄膜。此处，通过利用SPH-306C(RF溅射)在以下条件下形成薄膜。在Ar气流速为100sccm、压力为7×10-3Torr(0.9333Pa)、功率为400W、以及时间为5分钟的条件下，进行反向溅射。在Ar气流速为50sccm、压力为3×10-3Torr(0.400Pa)、功率为350W、以及时间为15分钟的条件下，进行预溅射。通过打开闸板，经过每片15分钟的成膜时间，获得1μm的薄膜厚度。顺便说一下，为了增强粘附性能，希望在不小于100℃的基底温度下形成薄膜。通过使用金、铬、或者银作为金属，容易形成金属薄膜。
然后向合成石英板的气相沉积表面采用旋涂的方法施加负性光致抗蚀剂(OMR-83 60CP，Tokyo Ohka Kogyo Co.，Ltd.制造)，并通过遮蔽从而覆盖凹入部分61来利用紫外光照射，以实现直径为0.3mm的树脂遮蔽。同时，将侧表面也遮蔽上，然后，用溶剂洗涤，以除去未固化的树脂层，并在140℃进行烘焙，以固化树脂。然后，通过在加热至40℃的蚀刻溶液(磷酸∶硝酸∶乙酸∶水＝16∶1∶2∶1)中洗涤以去除暴露的铝层，从而制造不规则反射部分10和侧面反射镜部分。然后在加热至120℃的苯酚(剥离剂502A，Tokyo Ohka KogyoCo.，Ltd.制造)中将石英板浸泡10分钟，在剥离漂洗液体(Tokyo OhkaKogyo Co.，Ltd.制造)中浸泡5分钟，进行IPA置换5分钟，并在超纯水中洗涤，以除去遮蔽材料。
顺便说一下，也可以通过施加可以市购的反射镜油墨来形成铝层。但是此处需要指出，鉴于反射镜油墨的性能，应当对洗涤液体等加以注意，以便不会在后面的处理或者洗涤的过程中溶解反射镜油墨。除此之外，在利用波长与不良反射率对应的光源2的时候，优选不选择反射镜油墨，对于后继处理来说，将例如铝和金等金属通过溅射或者气相沉积来粘附的方法是更加方便的。
在给合成石英板如此设置了不规则反射部分10之后，将12mm×12mm的PET类遮蔽胶带粘附在板上，以完全覆盖不规则反射部分10，并在不规则反射部分10的相对侧以对应的形式也粘附在合成石英板表面上，以保护窗口部分112。然后，将混合了4％的碳黑(Cabot Corporation制造)的10％无定形氟树脂涂料(Asahi Glass Co.，Ltd.制造，折射率为1.34)通过浸涂的方法在石英板的整个表面区域上施加4次，以形成厚度为100μm的吸收层4。通过表面等离子体共振的方法，利用将碳黑分散在水中和碳氟化合物溶液(3M公司制造)中制备的分散体，并根据测量的折射率，计算吸收层4的折射率为1.35至1.36。
然后利用旋转研磨机，研磨合成石英板的一个侧面，直至暴露出石英表面，用0.1微米的精研膜对表面进行抛光，以形成光导入部分3。最后，除去窗口部分112上的遮蔽，然后洗涤，从而完成光波导1。
在如此制造的光波导1中，无定形氟树脂形成的吸收层4能很好地耐受例如丙酮的有机溶剂，因此易于洗涤。除此之外，透光表面9的铝覆盖率是6.7％。
另外，当来自LED(Sander Electronic Co.，Ltd.；395nm)的光导入到如上制造的光波导1的光导入部分3中的时候，通过光发射表面在窗口部分112处可以观察到波导的光从不规则反射部分10的凹入部分的侧表面的散射。除此之外，在该光波导1中，从透光表面9的一侧不能以任何角度直接识别散射的光。关于不规则反射部分10的不规则反射位置，在圆柱形凹入部分61的周边侧表面处的光可以被很好的识别，同时在凹入部分61的底表面处的不规则反射基本不能被识别。
例子2是利用尺寸与例子1所示的合成石英板相同的硼硅酸盐玻璃板(Schott Corporation制造)作为波导主体6制造的光波导。
在制造光波导的过程中，首先将激基激光器(KrF；280mJ，80次闪光(shot)，100Hz)直接照射在硼硅酸盐玻璃板上，以按照与例子1同样的模式制造直径为300μm的孔。孔构成凹入部分61，其深度是30-40μm。
然后，通过与例子1同样的过程溅射铝，以制造直径为400μm的不规则部分10。透光表面9的铝覆盖率是12％。
在例子2中，如例子1一样，通过光发射表面在窗口部分112处可以识别从不规则反射部分10的凹入部分61的整个区域上散射的波导的光。另外，从透光表面9的一侧不能以任何角度直接识别散射的光。与例子1不同，通过激光器直接制造的凹入部分61不是圆柱形的，而是中心处较深的圆顶形，结果，在凹入部分61的整个区域中实现了激发光束的有效反射。
例子3是利用例子2所制造的光波导1来制造的具有一个窗口部分112的荧光传感器110。
首先在壳体111中的预定位置处设置光源2，并连接至光波导1上。为了获得光源2，加工一个5mmφ的闪光型(shot-type)LED(SanderElectronic Co.，Ltd.制造)，从而便于将其连接至波导的一个侧面，然后利用市购的黑色粘合剂将其粘接在壳体内的预定位置，并连接至光波导1。另外，通过利用含有碳黑的无定形氟树脂涂料作为粘合剂，在光波导1的透光表面周边中将带有10mm×10mm的测量表面的市购的精确测量光电二极管(Hamamatsu Photonics K.K.)连接至吸收层4，市购的光纤(SC42；Fuji Photo Film Co.，Ltd.制造)处于其间。
当通过20mA的固定电流的时候，光波导1显示了来自光发射表面8的48μW/cm2的激发光束量。
在光发射表面8的制造过程中，在利用3-丙烯酰基丙氧基三甲氧基硅烷的乙醇溶液处理之后，使得含有10w/w％的9，10-二[N-2-(5，5-二甲基硼烷(borinan)-2-yl)苄基]-N-[6′-[(丙烯酰基聚乙二醇-3400)羰基氨基]-n-己胺基]甲基]-2-乙酰基蒽(9，10-bis[N-[2-(5，5-dimethylborinan-2-yl)benzyl]-N-[6′-[(acryloylpolyethyleneglycol-3400)carbonylamino]-n-hexylamino]methyl]-2-acethlanthracene)(以下称之为F-PEG-AAm)、15w/w％的丙烯酰胺、以及1w/w％的乙烯基二丙烯酰胺的水溶液聚合，以形成厚度为50μm的荧光指示剂层。
在例子3中，当给LED通过20mA的固定电流以导致荧光，并且在没有葡萄糖的磷酸缓冲液(pH7.4)和含有500mg/dl的葡萄糖的磷酸缓冲液(pH7.4)之间比较来自指示剂层121的荧光的时候，在光电二极管中获得33nA的电流差。这种荧光即使是0.1秒的光发射也足以测量。因此可以制造一个荧光传感器，它能够测量液体中的葡萄糖浓度，不仅有连续的光发射，而且可以有如此小的功率消耗，使得光发射仅是每分钟大约0.1秒。
另外，在这种荧光传感器中，具有不含F-PEG-AAm的指示剂层121的光发射表面8可以易于设置在同一个光波导1中，用于除去检查的含被分析物的液体中的分析物之外的微弱漫射光分量以及荧光分量。通过利用来自不含荧光指示剂层121的光发射表面8的荧光值F1，以及通过利用磷酸缓冲液预先测量的含有F-PEG-AAm的指示剂层121的葡萄糖浓度为0的荧光值F0，并使用F1+F0作为基准，也可以测量正常变化的葡萄糖浓度。
本发明的光波导具有沿着一个方向发射光同时沿着与光发射方向相反的方向透过光的功能。因此，光波导可以用于利用这种光波导性能的设备。
除此之外，本发明的荧光传感器可以用于通过将传感器内置在活体内而连续或间歇地检测和测量活体内的被分析物。
本申请基于在2004年11月1日提交的日本专利申请No.2004-318094，其内容在此引入作为参考。
权利要求
1.一种由透光材料构成的光波导，所述光波导包括一光导入部分，其用于导入来自光源的光；一光发射表面，其用于发射通过所述光导入部分导入的光；一透光表面，它与所述光发射表面相对并且通过它将从所述光发射表面入射的外部光的至少一部分透射到外面；一不规则反射部分，它设在所述透光表面上，以改变光在所述透光表面上的反射角；以及一分光部分，它设在从所述光导入部分到所述光发射表面和所述透光表面的区域中的表面上，所述分光部分具有由其折射率低于所述透光材料的折射率并且高于与所述透光表面接触的材料的折射率的材料形成的吸收层。
2.如权利要求1所述的光波导，满足n1＞n2+0.01和n2＞n3+0.01的关系式，其中，n1为所述透光材料的折射率，n2为所述吸收层的折射率，并且n3为与所述透光表面接触的所述材料的折射率。
3.如权利要求1所述的光波导，具有以下公式(1)的关系式，并且在公式(1)中的t1大于1X＝t1×L×Tan(Sin-1(n2/n1)) (1)，其中，L为所述光波导的厚度，并且X为从透光表面和所述光发射表面到所述光导入部分的长度。
4.如权利要求1所述的光波导，其特征为，所述吸收层由含有0.1至10质量％的碳黑的无定形氟树脂形成。
5.如权利要求1所述的光波导，其特征为，所述不规则反射部分包括一颗粒物混合透明层，其中将其折射率与折射率高于所述透光材料的透明材料不同的颗粒物混合在所述透明材料中；以及一反射层，它设置成使从外部无法看出所述颗粒物混合透明层，并且它不会透射光但会反射光。
6.如权利要求1所述的光波导，其特征为，所述不规则反射部分包括设在所述透光表面上的一部分处的至少一个凹入部分；以及一反射部分，它设置成使从外部无法看到所述凹入部分；所述凹入部分设置在除了从光反射部分的一个端部开始相对于与所述透光表面垂直的直线成角度b形成的波导内侧之外的位置处，其中b是在所述透光表面上被引导的光的最小入射角。
7.如权利要求6所述的光波导，其特征为，所述凹入部分成直径为1至50μm并且深度为1至50μm的大致圆柱形形状。
8.如权利要求6所述的光波导，其特征为，设有至少两个所述凹入部分，并且所述至少两个凹入部分由一个反射部分覆盖。
9.如权利要求8所述的光波导，其特征为，所述至少两个凹入部分的每个成直径为1至50μm并且深度为1至50μm的大致圆柱形形状。
10.如权利要求6所述的光波导，其特征为，所述凹入部分填充有通过将其折射率高于所述透光材料的透明材料与其折射率与所述透明材料不同的颗粒物混合而获得的混合材料。
11.如权利要求1所述的光波导，其特征为，所述光发射表面、所述透光表面、所述分光部分和所述光导入部分被设置在由透明材料形成的波导主体中；以及所述波导主体除了所述光发射表面、所述透光表面、所述分光部分和所述光导入部分之外的其它部分由不透光但是反射光的反射材料覆盖。
12.如权利要求1所述的光波导，其特征为，所述分光部分和所述透光表面还具有其折射率低于所述透光材料的透明层。
13.如权利要求1所述的光波导，其特征为，多个所述不规则反射部分设置在所述透光表面上，并且在相邻不规则反射部分之间的最小距离处于在所述透光表面和所述光反射表面之间的距离的两倍的范围内。
14.一种荧光传感器，它包括如在权利要求1中所述的光波导；一光源，用于将激发光束发射到光波导的光导入部分上；一指示剂层，它设置成与所述光波导的所述光发射表面紧密接触并且包括含有荧光指示剂分子的水凝胶，该荧光指示剂分子通过与分析物可逆地结合显示出荧光特性的变化；以及一光电探测器，它设在与所述光波导的所述透光表面相对的位置处，用来将来自所述指示剂层的荧光转变成电信号。
15.如权利要求14所述的荧光传感器，其特征为，所述光波导、所述光源和所述指示剂层由将它们装在其内部中并且将其内部保持在不透液状况中的外壳覆盖；以及所述光波导设置在所述外壳中，并且所述光反射表面的方向朝外。
16.如权利要求14所述的荧光传感器，其特征为，所述荧光传感器嵌入在活体中，用于测量在所述活体中的指定分析物。
全文摘要
一种光波导，它包括一光导入部分，其用于将来自光源的光导入光波导主体内；一光发射表面，其用于将通过光导入部分导入的光发射到水凝胶侧上；一透光表面，它设置成与光发射表面平行相对并且通过它将从所述光发射表面入射的外部光透射到外面；一分光部分，它设在从光导入部分到光发射表面和透光表面的区域中的表面上，用来只是反射通过光导入部分导入的光的全反射分量；一不规则反射部分，它设在透光表面上，以改变由分光部分反射的光在所述透光表面上的反射角；以及一反射镜部分，它设在与光导入部分相对的位置处。
文档编号G01N21/25GK1769933SQ200510117129
公开日2006年5月10日 申请日期2005年11月1日 优先权日2004年11月1日
发明者松本淳, 井无田秀司 申请人:泰尔茂株式会社
专业数控铣床产品供应商
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