(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
インターロゲーションシステムであって、
波長同調範囲を有し、所定の時間幅に亘って区別可能な波長の所定のシーケンスを有する光ビームを射出するチューナブルレーザと、
前記光ビームを１または複数のインターロゲーションビームに変換して１または複数のバイオセンサを照光する照明光学系と、
当該照光された１または複数のバイオセンサからの像を収集する撮像光学系と、
前記チューナブルレーザから射出された前記光ビームの前記区別可能な波長の１つに各々が対応する当該収集された一連の像を取得する２Ｄ撮像デバイスと、
当該収集された像を受信して当該収集された像を処理するデータ処理デバイスと、
前記チューナブルレーザから射出された前記光ビームの前記区別可能な波長をトラッキングする波長トラッキングデバイスと、を含み、
前記波長トラッキングデバイスはチャープ周期を有する回折格子結合導波路を含み、前記回折格子結合導波路は前記インターロゲーションビームの１つによって照光され、前記インターロゲーションビームの１つに対応する像が前記２Ｄ撮像デバイスによって取得され、前記データ処理デバイスによって処理されることを特徴とするインターロゲーションシステム。
【請求項２】
請求項１記載のインターロゲーションシステムであって、前記チューナブルレーザのパワーをトラッキングするパワートラッキングデバイスをさらに含むことを特徴とするインターロゲーションシステム。
【請求項３】
請求項１記載のインターロゲーションシステムであって、前記撮像光学系が、テレセントリックレンズを含むことを特徴とするインターロゲーションシステム。
【請求項４】
請求項１記載のインターロゲーションシステムであって、前記２Ｄ撮像デバイスが、グローバルシャッターを有するＣＣＤ（charge coupled device）カメラまたはグローバルシャッターを有するＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）カメラをさらに含むことを特徴とするインターロゲーションシステム。
【請求項５】
１または複数のバイオセンサをインターロゲーションする方法であって、
チューナブルレーザによって、所定の時間幅に亘って区別可能な波長の所定のシーケンスを有する光ビームを射出するステップと、
照光光学系によって、前記光ビームを１または複数のバイオセンサを照光する１または複数のインターロゲーションビームに変換するステップと、
撮像光学系によって、当該照光された１または複数のバイオセンサからの像を収集するステップと、
２Ｄ撮像デバイスによって、当該射出された光ビームの前記区別可能な波長の１つに各々が対応する一連の当該収集された像を取得するステップと、
データ処理デバイスによって、当該収集された像を処理するステップと、
前記射出された光ビームの前記区別可能な波長をトラッキングするステップと、を含み、
前記トラッキングするステップはチャープ周期を有する回折格子結合導波路を使用するステップ含み、前記回折格子結合導波路は前記インターロゲーションビームの１つによって照光され、前記インターロゲーションビームの１つに対応する像が前記２Ｄ撮像デバイスによって取得され、前記データ処理デバイスによって処理されることを特徴とする方法。
【請求項６】
請求項５記載の方法であって、光ビームを射出するチューナブルレーザのパワーをトラッキングするステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項７】
請求項５記載の方法であって、前記変換するステップが、前記１または複数のインターロゲーションビームが実質的に平坦な波面を有するように前記１または複数のインターロゲーションビームを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項８】
請求項５記載の方法であって、前記変換するステップが、前記１または複数のインターロゲーションビームが前記１または複数のバイオセンサを含むマイクロプレートの表面に適合するように前記１または複数のインターロゲーションビームを形成するステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項９】
請求項５記載の方法であって、データ処理デバイスを使用して当該収集された像を処理し、
前記１または複数のバイオセンサの各々において生化学的反応が存在するか否かを判定し、
前記１または複数のバイオセンサの各々におけるセンサ領域（単数または複数）及び／または基準領域（単数または複数）を探索し、
前記１または複数のバイオセンサの各々における欠陥を除去し、かつ／または、
前記１または複数のバイオセンサの各々における界面化学の均一性及び標的分子の固定化をキャリブレーションすることを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、米国特許出願番号第１１／７１１，２０７号（出願日２００７年２月２７日）の利益を主張する。この文書の内容は、参照することによって本明細書に含まれる。
【０００２】
本発明は、掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム及び当該システムを１または複数のバイオセンサをインターロゲーション（interrogation）するために使用する方法に関する。１つの実施例において、当該バイオセンサは、マイクロプレートのウェル内に含まれている。
【背景技術】
【０００３】
今日、非接触光学センサ技術は、生物学的研究の多くの分野において使用され、増大する高精度かつ時間制約のあるアッセイ（assay）の実施に貢献している。１つの応用において、光学インターロゲーションシステムは、生物学的な物質が当該バイオセンサのセンサ領域に持ち来されたときの、屈折率の変化または光学バイオセンサの光学応答／光学共鳴の変化をモニタリングするために使用され得る。生物学的物質の存在は、物質結合、吸着等を生起したときに、当該バイオセンサの光学共鳴を変化させる。当該光学共鳴の変化は、バイオセンサを使用してラベルフリーアッセイにおける生物学的事象の直接的なモニタリングすることを可能とする。バイオセンサの例は、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）センサ及び導波路回折格子カプラ（ＷＧＣ）センサを含む。ＷＧＣセンサの構造及び機能に関する詳細な議論は、以下の文書において提供される。
・米国特許第４，８１５，８４３号（発明名称「Optical Sensor for Selective Detection of Substances and/or for the Detection of Refractive Index Changes in Gaseous, Liquid, Solid and Porous Samples」）
・K.Tiefenthaler氏他による「Integrated Optical Switches and Gas Sensors」、Opt. Lett. 10, No. 4  pp.137-139、１９８４年４月
・M.Nellen氏、K.Tiefenthaler氏、W.Lukosz氏による「Integrated Optical Input Grating Couplers as Biochemical Sensors」、Sensors and Actuators、１５巻、２７３ページ、１９８８年４月
これらの文書の内容は、参照することによって本明細書に含まれている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
バイオセンサをインターロゲーションすべく今日使用されている光学インターロゲーションシステムは、多くの形式を取り得、２つのさらに一般的な形式が以下に簡単に説明される。１つの場合において、光学インターロゲーションシステムは、単一の波長の大きな角度範囲を有する光ビームをバイオセンサへ送出し、当該バイオセンサからの出力ビームが、当該バイオセンサの角度応答に関するいくつかの情報を提供する。このタイプの光学インターロゲーションシステムは、一般的に、角度インターロゲーションシステムと称される。何となれば、角度検出が使用されて、バイオセンサの特定の光学応答／光学共鳴を示す出力ビーム内の支配的な角度が探索される故である。他のケースにおいて、光学インターロゲーションシステムは、波長幅を有するコリメートされた光学ビームをバイオセンサへ送出し、当該バイオセンサからの出力ビームが、当該バイオセンサの波長応答に関するいくつかの情報を提供する。このタイプの光学インターロゲーションシステムは、一般的に、スペクトルインターロゲーションシステムと称される。何となれば、出力ビームのスペクトルが解析されて、バイオセンサの特定の光学応答／光学共鳴を示す出力ビーム内の共鳴波長が探索される故である。
【０００５】
これらのタイプのインターロゲーションシステムは有効に働くが、バイオセンサにインターロゲーションしてバイオセンサの表面において生体分子結合事象（例えば、タンパク質への薬剤の結合）または他の事象が生起しているかどうかを判定すべく使用され得る新しくかつ改良された光学インターロゲーションシステムへの試み及びデザインの要求が未だに存在する。１または複数のバイオセンサにインターロゲーションするために掃引波長チューナブルレーザを使用する光学インターロゲーションシステムの１つが、本発明の対象である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム及び当該システムを１または複数のバイオセンサをインターロゲーションするために使用する方法を含む。１つの実施例において、当該掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムは、（ａ）チューニング範囲を有し、所定の時間幅に亘る区別可能な波長の所定のシーケンスを有する光学ビームを射出するチューナブルレーザと、（ｂ）当該光レーザを１または複数のバイオセンサを照光（光照射）する１または複数のインターロゲーションビームに変換する照明光学系と、（ｃ）当該照光された１または複数のバイオセンサから像を収集する撮像光学系と、（ｄ）当該チューナブルレーザから射出された光学ビームの区別可能な波長の１つに各々が対応する一連の収集された像を取得する２Ｄ撮像デバイスと、（ｆ）当該収集された像を受光して当該収集された像を処理し、例えば、１または複数のバイオセンサにおいて生物学的事象が生起しているかを判定するデータ処理デバイスと、を含む。
【０００７】
本発明のさらに完全な理解は、添付の図面とともに以下の詳細な説明を参照することによって得られるだろう。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】図１は、本発明によって１または複数のバイオセンサをインターロゲーションするために使用される例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムのブロック図である。
【図２】図２から図４は、本発明による掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム内に含まれ得る３つ例示の撮像システムのブロック図である。
【図３】図２から図４は、本発明による掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム内に含まれ得る３つ例示の撮像システムのブロック図である。
【図４】図２から図４は、本発明による掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム内に含まれ得る３つ例示の撮像システムのブロック図である。
【図５】図５は、本発明によって２つのバイオセンサをインターロゲーションした後に掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムによって生成される「データキューブ」の図である。
【図６Ａ】図６Ａ及びＢは、本発明によって「データキューブ」を処理した後に掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムによって取得されたセントロイド波長マップ及び振幅マップの各々の図である。
【図６Ｂ】図６Ａ及びＢは、本発明によって「データキューブ」を処理した後に掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムによって取得されたセントロイド波長マップ及び振幅マップの各々の図である。
【図７】図７は、本発明による例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム内に配された２Ｄカメラのトリガを明らかにするために使用されるグラフである。
【図８】図８から図１１は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された単一のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図９】図８から図１１は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された単一のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１０】図８から図１１は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された単一のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１１】図８から図１１は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された単一のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１２】図１２から図１５は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された３８４個のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１３】図１２から図１５は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された３８４個のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１４】図１２から図１５は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された３８４個のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【図１５】図１２から図１５は、本発明によって、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステムがマイクロプレート内に配された３８４個のバイオセンサにインターロゲーションした後に得られた様々な像及びグラフである。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
図１を参照すると、例示の掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム１００のブロック図が示されており、当該システムは、本発明に従って１または複数のバイオセンサ１０２をインターロゲーションすべく使用され得る（注記：バイオセンサ１０２は、マイクロプレート１０４内に配されているが如く示されている）。光学インターロゲーションシステム１００は、チューナブルレーザ１０６、１×４スプリッタ１０８、パワートラッキングデバイス１１０、波長トラッキングデバイス１１２、撮像システム１１４及びデータ処理デバイス１１６を含んでいる。チューナブルレーザ１０６（例えば、掃引波長チューナブルレーザ１０６）は、光ビーム１１８を射出し、当該光ビーム１１８は、所定の時間幅に亘って区別可能な波長の所定のシーケンスを有している。例えば、チューナブルレーザ１０６は、チューニング範囲を有しており、当該チューニング範囲において、０．１ｎｍ／ｓｅｃから３００ｎｍ／ｓｅｃのチューニング速度で、モードホップ（mode hop）の無い８３８ｎｍから８５３ｎｍ亘るシーケンスで光学ビーム１１８が射出される。チューナブルレーザ１０６は、光ビーム１１８を光ファイバケーブル１２０内に射出するように示されており、光ファイバケーブル１２０は、１×４スプリッタ１０８に接続されているように示されている。
【００１０】
この実施例において、１×４スプリッタ１０８は、光ビーム１１８を受光し、当該光ビーム１１８を４つの別々の光ファイバケーブル１２０ａ、１２０ｂ、１２０ｃ及び１２０ｄ内に入力する。第１の光ファイバケーブル１２０ａは、パワートラッキングデバイス１１０と結合し、当該パワートラッキングデバイス１１０は、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の変化するパワーをトラッキングする。第２の及び第３の光ファイバケーブル１２０ｂ及び１２０ｃは、波長トラッキングデバイス１１２と結合し、当該波長トラッキングデバイス１１２は、チューナブルレーザ１０６から射出される光ビーム１１８の変化する波長をトラッキングする。第４の光ファイバケーブル１２０ｄは、撮像システム１１４と結合し、当該撮像システム１１４は、この例においてはマイクロプレート１０４のウェル内に配されている所定の数のバイオセンサ１０２を照光して撮像する。例示のマイクロプレート１０４の詳細な議論に関しては、同一出願人の米国特許出願第１１／４８９，１７３号を参照する（当該出願の内容は、参照することによって本願に含まれる）。
【００１１】
図示されているように、撮像システム１１４は、照明光学系１２２、撮像光学系１２４（テレセントリック（telecentric）レンズ１３８等）及び２Ｄ撮像デバイス１２６（例えばＣＣＤ（charge coupled device）カメラ１２６、ＣＭＯＳ（complementary metal oxide semiconductor）カメラ１２６等）を含む。基本的には、照明光学系１２２は、光ビーム１１８を、１または複数のバイオセンサ１０２を照光する１または複数のインターロゲーションビーム１２８に変換する（この実施例において、１つのインターロゲーションビーム１２８が、マイクロプレート１０４内に配されている複数のバイオセンサ１０２を照光する様に示されている）。撮像光学系１２４は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２から像１２９を収集する。そして、２Ｄ撮像デバイス１２６が、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の区別可能な波長の１つに各々対応する一連の収集された像１２９を取得する。特に、２Ｄ撮像デバイス１２６は、照光されたバイオセンサ(単数または複数)１０２の一連の画像（picture）を取得する。ここにおいて、像１２９の各々は、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の区別可能な波長の１つに対応する。最後に、データ処理デバイス１１６（例えば、コンピュータ１１６、マイクロプロセッサ１１６、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１１６）が、収集された像１２９を受信し、当該収集された像を処理し、例えば、１または複数のバイオセンサ１０２において生化学的反応または他の事象が存在するか否かを判定する。
【００１２】
４つの例示的な撮像システム１１４の例及びこれらの撮像システム１１４がどのように機能するかは、図１から図４を参照して以下で議論される。図１において、示された撮像システム１１４は、法線に近い約２°の入射角を有しており、照明光学系１２２は、光ビーム１１８を受光してインターロゲーションビーム１２８をコリメートレンズ１３２に向かって出力するレンズ１３０を含む。コリメートレンズ１３２は、受光したインターロゲーションビーム１２８をコリメートし、コリメートされたインターロゲーションビーム１２８をミラー／リフレクタ１３４へ指向せしめる。ミラー／リフレクタ１３４は、当該コリメートされたインターロゲーションビーム１２８を反射し、当該インターロゲーションビームは、ビームスプリッタ１３６を通過してマイクロプレート１０４のウェル内に配されている所定の数のバイオセンサ１０２を照光する。代替例として、照明光学系１２２は、受光した光ビームを複数のインターロゲーションビーム１２８に変換するようになされ得、インターロゲーションビーム１２８の各々は、マイクロプレート１０４のウェル内に配された対応するバイオセンサ１０２を照光することとなる。さらに、撮像システム１１４は、テレセントリックレンズ１３８を有し、当該テレセントリックレンズ１３８は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２から像１２９を収集すべく特に選択された視野を有する。最後に、撮像システム１１４は、２Ｄ撮像デバイス１２６（テレセントリックレンズ１３８に取り付けられている）を有し、当該２Ｄ撮像デバイス１２６は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像／像１２９を取得／収集する（注記：画像／像１２９の各々は、光ビーム１１８／インターロゲーションビーム１２８の異なった波長に対応する）。
【００１３】
図２を参照すると、例示の撮像システム１１４ａが、本発明の他の実施例による傾斜した入斜角を有して示されている（注記：傾斜した入射角は、ビームスプリッタ１３６の必要を排除し、光学的効率を４倍向上し得る）。この実施例において、撮像システム１１４ａは、光学レンズ１３０ａを含む照明光学系１２２ａを有し、当該光学レンズ１３０ａは、光ビーム１１８を受光し、インターロゲーションビーム１２８をコリメートレンズ１３２ａに向けて所定の角度で出力する。コリメートレンズ１３２ａは、インターロゲーションビーム１２８を受光し、マイクロプレート１０４のウェル内に配された所定の数のバイオセンサ１０２を照光するコリメートされたインターロゲーションビーム１２８を出力する。代替例として、照明光学系１２２ａは、受光された光ビーム１１８を複数のインターロゲーションビーム１２８に変換するようになされ得、インターロゲーションビーム１２８の各々は、マイクロプレート１０４のウェル内に配された対応するバイオセンサ１０２に照光される。さらに、撮像システム１１４ａは、テレセントリックレンズ１３８ａを有し、テレセントリックレンズ１３８ａは、所定の角度で位置決めされ、テレセントリックレンズ１３８ａは、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２から像１２９を収集すべく特に選択された視野を有する。最後に、撮像システム１１４ａは、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像／像１２９を取得／収集する２Ｄ撮像デバイス１２６ａ（テレセントリックレンズ１３８ａに取り付けられている）を有する（注記：画像／像１２９の各々は、光ビーム１１８／インターロゲーションビーム１２８の異なった波長に対応する）。
【００１４】
図３を参照すると、例示の撮像システム１１４ｂが、比較的小さな設置面積を有して示されている。何となれば、照明光学系１２２ｂ及び撮像光学系１２４ｂが、本発明の他の実施例に従って、テレセントリックレンズ１３８ｂの前面レンズ（またはレンズグループ）１３７ｂを共用している故である。この実施例において、撮像システム１１４ｂは、レンズ１３０ｂを含む照明光学系１２２ｂを含み、レンズ１３０ｂは、光ビーム１１８を受光してミラー／リフレクタ１３４ｂへ向けてインターロゲーションビーム１２８を出力する。ミラー／リフレクタ１３４ｂは、インターロゲーションビーム１２８を反射し、当該インターロゲーションビーム１２８は、ビームスプリッタ１３６ｂを通過してテレセントリックレンズ１３８ｂの前面レンズ（またはレンズグループ）１３７ｂへ進行する。前面レンズ（またはレンズグループ）１３７ｂは、インターロゲーションビーム１２８を出力し、当該インターロゲーションビーム１２８は、マイクロプレート１０４のウェル内に配されている所定の数のバイオセンサ１０２を照光する。フロントレンズ（またはレンズグループ）１３７ｂは、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２から像１２９を収集し、当該収集された像１２９をビームスプリッタ１３６ｂへ進行させる。ビームスプリッタ１３６ｂは、当該収集された像１２９をテレセントリックレンズ１３８ｂの背面レンズ１４１ｂへ反射する。従って、背面レンズ１４１ｂは、照光されたバイオセンサ（単数または複数）から収集された像１２９を前面レンズ（またはレンズグループ）１３７ｂを介して受信する。最後に、撮像システム１１４ｂは、２Ｄ撮像デバイス１２６ｂ（テレセントリックレンズ１３８ｂの背面レンズ１４１に付随している）を含み、当該２Ｄ撮像デバイス１２６ｂは、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像／像１２９を取得／収集する（注記：画像／像１２９は、光ビーム１１８／インターロゲーションビーム１２８の異なった波長に対応する）。
【００１５】
図４を参照すると、例示の撮像システム１１４ｃが示されており、本発明の他の実施例に従って、照明光学系１２２ｃ及び撮像光学系１２４ｃがテレセントリックレンズ１３８ｃの前面レンズ（またはレンズグループ）１３７ｃを共有している。この実施例において、撮像システム１１４ｃは、レンズ１３０ｃを含む照明光学系１２２ｃを有し、レンズ１３０ｃは、光ビーム１１８を受光して、インターロゲーションビーム１２８を、ビームスプリッタ１３６ｃを経由してテレセントリックレンズ１３８ｃの前面レンズ１３７ｃに向けて出力する。テレセントリックレンズ１３８ｃの前面レンズ１３７ｃは、インターロゲーションビーム１２８をコリメートして、当該コリメートされたインターロゲーションビーム１２８をミラー／リフレクタ１３４ｃに進行させる。ミラー／リフレクタ１３４ｃは、インターロゲーションビーム１２８を反射し、当該反射されたインターロゲーションビーム１２８は、マイクロプレート１０４のウェル内に配された所定の数のバイオセンサ（単数または複数）１０２を照光可能である。ミラー／リフレクタ１３４ｃは、当該照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の像１２９も受信し、像１２９をテレセントリックレンズ１３８ｃの前面レンズ１３７ｃを介しかつビームスプリッタ１３６ｃからそれて、テレセントリックレンズ１３８ｃのバックレンズ（またはレンズグループ）１４１ｃへ進行せしめる。背面レンズ（またはレンズグループ）１４１ｃは、当該収集された像１２９を２Ｄ撮像デバイス１２６ｃに向けて進行せしめる。そして、２Ｄ撮像デバイス１２６ｂ（テレセントリックレンズ１３８ｂの背面レンズ１４１ｂに付随している）は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像／像１２９を取得／収集する（注記：画像／像１２９の各々は、光ビーム１１８／インターロゲーションビーム１２８の異なった波長に対応している）。
【００１６】
詳細な議論は、光学インターロゲーションシステム１００のコンポーネント１０６、１１０、１１２、１１６，１２２、１２４及び１２６に関して、以下に提供される。詳細な議論は、１つの実験に関して提供され、当該実験において、光学インターロゲーションシステム１００は、９６ウェルマイクロプレート１０４の１つのウェル内に配された単一のバイオセンサ１０２をインターロゲーションすべく使用される。次に、詳細な説明は、他の実験に関して提供され、当該実験において、光学インターロゲーションシステム１００は、３８４ウェルマイクロプレート１０４のウェル内に配された多数のバイオセンサ１０２をインターロゲーションすべく使用される。その後、詳細な説明は、光学インターロゲーションシステム１００に関するいくつかの追加的な特徴及び機能を議論すべく提供される。
チューナブルレーザ１０６
【００１７】
好ましいチューナブルレーザ１０６は、掃引波長チューナブルレーザに基づく半導体ダイオードレーザである。１つの実施例において、掃引波長チューナブルレーザ１０６は、モードホップの無い８３８ｎｍから８５３ｎｍのチューニング範囲に亘ってチューニングされ得、０．１ｎｍ／ｓｅｃから３００ｎｍ／ｓｅｃの範囲のチューニング速度を有する。好ましい掃引波長チューナブルレーザ１０６は、チューニング範囲に亘って約５ｍＷのファイバ結合光パワー（fiber coupled optical power）を有する。さらに、好ましい掃引波長チューナブルレーザ１０６は、１０ｎｍ未満の波長インターロゲーション範囲を有する。１０ｎｍ未満の波長インターロゲーション範囲は、ラベルフリーインターロゲーションにおいて適切である。何となれば、ＷＧＣバイオセンサ１０２の共鳴スペクトル幅は、一般的に、約１ｎｍに設計されるからである。
パワートラッキングデバイス１１０
【００１８】
パワートラッキングデバイス１１０は、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の変化するパワーをトラッキングする（注記：チューナブルレーザ１０６のパワーは、光ビーム１１８の波長を変化させることによって変化する）。パワートラッキングデバイス１１０は、この変化するパワーをモニタリングし、当該変化するパワーは、パワー基準としてデータ処理デバイス１１６によって使用され、インターロゲーションされたバイオセンサ（単数または複数）１０２からのスペクトル出力におけるパワー変化の影響が除去される。
波長トラッキングデバイス１１２
【００１９】
波長トラッキングデバイス１１２は、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の変化する波長をトラッキングする。１つの実施例において、波長トラッキングデバイス１１２は、ファイバマッハツェンダー干渉計（fiber Mach-Zehnder interferometer）１４０及び温度非依存エタロン（athermalized etalon）１４２を含む。ファイバマッハツェンダー干渉計１４０は、チューナブルレーザ１０６の動作中に、レーザ波長の瞬間値を非常に高い解像度でデコードすべく使用される。温度非依存エタロン１４２は、チューナブルレーザ１０６の動作中に、レーザ波長の正確な基準を提供すべく使用される。例えば、ファイバマッハツェンダー干渉計１４０は、４ｐｍのフリースペクトル範囲（ＦＳＲ）を有し得る。そして、温度非依存エタロン１４２は、２００ｐｍのＦＳＲ及び１００のフィネス（finesse）を有し得る。
【００２０】
チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８の変化する波長をトラッキングすべく使用され得る他の方法は、分散素子をインターロゲーションビーム１２８の光学経路内、例えばバイオセンサ１０２内またはバイオセンサ１０２近傍の回折格子に配し、２Ｄ撮像デバイス１２６の所定の領域を使用して当該レーザの波長を検出及びモニタリングすることである。例えば、この解決方法は、バイオセンサ１０２の１つの近傍において、チャープ周期（period）を有する回折格子結合導波路を使用して実施されても良い。この回折格子結合導波路は、他のバイオセンサ１０２と同じコリメートされた照光ビーム１２８によって照光されるだろう。この回折格子結合導波路がチャープ周期を有している故に、光線１２８は、当該回折格子結合導波路の局部的な周期及びチューナブルレーザ１０６の波長の共鳴条件が適合するいくつかの特定の場所を除いて反射されないであろう（以下の等式を参照）。
λ＝Λ（ｘ）（Ｎｅｆｆ  ＋／−  ｓｉｎ（θ））
ここにおいて、λは、チューナブルレーザ１０６の波長であり、
Λ（ｘ）は、回折格子結合導波路内の局部的な格子周期であり、
Ｎｅｆｆは、回折格子結合導波路の実効屈折率であり、
θは、インターロゲーションコリメートビーム１２８の入射角である。
【００２１】
この等式において、格子の周期は回折格子結合導波路に沿った位置の関数である。従って、波長の変化は、ｘ方向における共鳴位置を変化させるだろう。測定に使用されるのと同一の２Ｄ撮像デバイス１２６上の回折格子を撮像することによって、共鳴位置を測定可能であるので、波長可変光源１０６の波長がモニタリング可能である。
照明光学系１２２
【００２２】
照明光学系１２２は、通常は、インターロゲーションビーム１２８を生成する。インターロゲーションビーム１２８は、好ましくは一様でありかつマイクロプレート１０４の平坦な底部と合致すべく平坦な波面を有する。マイクロプレート１０４の底部表面が僅かに湾曲している場合、照明光学系１２２は、インターロゲーションビーム１２８のコリメートされた波面を調整してマイクロプレート１０４の湾曲した底面に合致させることが可能である。代替例として、照明光学系１２２は、個々のバイオセンサ１０２を照光すべく使用可能な、小さなサイズの複数の平行インターロゲーションビーム１２８を生成可能である。どちらの場合でも、インターロゲーションビーム（単数または複数）１２８の入射角は、バイオセンサ（単数または複数）１０２の回折格子共鳴波長が、チューナブルレーザ１０６のチューニング範囲内にあるように選択される。
【００２３】
図１から図４に示されているように、インターロゲーションビーム１２８は、レンズ１３２を使用して（例えば）送出ファイバ１２０ｄから出力された光ビーム１１８をコリメートすることによって生成されても良い。必要ならば、レンズ１３２は、湾曲した表面の反射ミラーと置換され得る。さらに、インターロゲーションビーム１２８のサイズは、撮像光学系１２４の視野及び２Ｄ撮像デバイス１２６の焦点平面のピクセルサイズに適合せしめられる。当該撮像領域は、マイクロプレート１０４全体、マイクロプレート１０４の一部領域、マイクロスコープ送り台、センサチップ等のサイズであり得る。
撮像光学系１２４
【００２４】
撮像光学系１２４は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２から像を収集する。例えば、撮像光学系１２４は、例えば、エドモンドインダストリアルオプティクス（Edmund Industrial Optics）社またはオプトエンジニアリング（Opto-Engineering）社によって製造された標準マシンビジョン（machine vision）テレセントリックレンズ１３８であり得る（図１参照）。テレセントリックレンズ１３８の視野は、通常は、関心のある特定の領域（すなわち、マイクロプレート１０４内でインターロゲーションされるべきバイオセンサ１０２の数）に応じて選択される。
２Ｄ撮像デバイス１２６
【００２５】
２Ｄ撮像デバイス１２６（テレセントリックレンズ１３８に付随している）は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像／像１２９を取得／収集する。特に、２Ｄ撮像デバイス１２６は、照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の画像１２９を取得し、画像１２９の各々は、チューナブルレーザ１０６から射出された光ビーム１１８（インターロゲーションビーム１２８）の区別可能な波長の１つに対応している。１つの例において、２Ｄ撮像デバイス１２６は、２Ｄ焦点平面撮像アレイ及び当該撮像アレイ全体を同時に露出可能なグローバルシャッター（global shutter）を有するＣＭＯＳまたはＣＣＤカメラであり得る。２Ｄ撮像デバイス１２６は、通常は、外部トリガ信号によって制御され、チューナブルレーザ１０６がチューニング範囲に亘って走査する際に、カメラ１２６は、チューナブルレーザ１０６の波長の１つに対応するスペクトル像１２９の各々を有する一連のスペクトル像１２９を取得する。スペクトル像１２９は、図５に示されているように「データキューブ」を形成する（注記：当該「データキューブ」内では、チューナブルレーザ１０６の特定の波長が、スペクトル像１２９の各々のタイミングによって復調され、各々のスペクトル撮像ピクセルは、インターロゲーションされたセンサスペクトルを含む）。
データ処理デバイス１１６
【００２６】
データ処理デバイス１１６（例えば、コンピュータ１１６、マイクロプロセッサ１１６、ＦＰＧＡ１１６）は、収集された像１２９（「データキューブ」）を受信し、処理ソフトウェア及びデジタルフィルタを使用して、当該収集された像（「データキューブ」）を自動的に処理して（例えば）：（１）１または複数の照光されたバイオセンサ１０２において生化学的反応または他の事象が生起しているか否かを判定する；（２）バイオセンサ１０２の各々におけるセンサ領域（１または複数）及び／または基準領域（単数または複数）を探索する；（３）照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の各々における不良領域を除去する；及び／または（４）照光されたバイオセンサ（単数または複数）１０２の各々における界面化学の均一性及びターゲット分子固定化をキャリブレーションする（注記：光学的界面によるコヒーレント干渉は、デジタルフィルタを使用することによって除去可能である）。必要ならば、データ処理デバイス１１６は、例えば、バイオセンサ１０２におけるセンサ領域及び基準領域の位置に関する予備的知識によって複数の撮像領域（ピクセル）を一緒に区分けする。このモードにおいて、複数のピクセルは、単一の検出器として一緒にグループ化され、センサスペクトル／画像の数は、区分けされた領域の数まで減少させられる。これによって、データ処理は、非常に単純化される。
【００２７】
１つの実験において、データ処理デバイス１１６は、２つのバイオセンサ１０２に関連する図５に示された「データキューブ」を処理し、セントロイド波長マップ（図６Ａ）及び振幅マップ（図６Ｂ）を生成する（注記：撮像領域は、この例においては区分けされていない）。これらのバイオセンサ１０２の各々は、半分の表面を厚い導波路でコーティングされ、他の半分の表面を通常の導波路でコーティングされている。さらに、バイオセンサ１０２が配されているマイクロプレート１０４内のウェルは、水で満たされている。２Ｄマップの両方におけるｘ軸及びｙ軸は、２Ｄカメラ１２６内のピクセルのアレイに対応し、ピクセルの各々はスペクトルを含み、これらのスペクトルの全てのセントロイド波長及びピーク振幅が２Ｄマップ内に示されている。これらのマップにおいて、両方のバイオセンサ１０２の結果的な共鳴波長が、約３ｎｍ異なったことがわかる。明らかなように、バイオセンサ１０２の各々に対する応答を識別すべく使用されるこの２Ｄマッピング処理は、大量の並列処理操作を伴う。
【００２８】
特定のインターロゲーション用途のために１Ｈｚのデータレートを達成する必要があるならば、チューナブルレーザ１０６の順次走査及び２Ｄ撮像デバイス１２６による全てのスペクトル像１２９の順次取得は、１秒間で達成される必要がある。この要求は、十分に、市場入手可能なチューナブルレーザ１０６の現在の能力内である。もちろん、この問題に関するこの能力または任意の他のデータレートを満足すべく、所望の波長サンプリングポイントの数が２Ｄ撮像デバイス１２６のフレームレートを決定するだろうことが理解されるべきである。例えば、単一のチューニングシーケンスの間に５００個の波長サンプルを取得することを望む場合、カメラフレームレートは、５００フレーム毎秒の速度が必要である。バスラー（Basler）社のＡ５０４ｋ等のＣＭＯＳカメラ１２６は、フルの１０２４×１２０８ピクセルフォーマットで５００ｆｐｓを達成可能である（注記：部分的な像領域を取得する場合さらに高いフレームレートが可能である）。１Ｈｚのデータレートを達成する必要の無い用途においては、むしろＣＣＤカメラまたは比較的低価格なＣＭＯＳカメラのようなさらに遅いカメラ１２６が使用され得る。
【００２９】
データ処理デバイス１１６は、区分ベースの像処理を使用する際に大量のデータを処理しなければならず、ピクセルベースの像処理を使用する際にはさらに多くのデータを処理しなければならない。この量のデータの処理に使用され得る１つのタイプのデータ処理デバイス１１６は、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）であり、ＦＰＧＡは、大量の並列論理動作を実行することが可能である。実際、ＦＰＧＡ１１６は、ピクセル区分、スペクトルフィルタリング、デジタルフィルタリング、及び、セントロイド計算を含む２Ｄ像処理（これによって、ピクセル各々のセントロイド波長が取得される）の実行に使用可能である。必要ならば、ＦＰＧＡ１１６は、２Ｄ撮像デバイス１２６内に直接的に組み込まれていても良い。
例示の光学インターロゲーションシステム１００
【００３０】
図１のような構成を有する光学インターロゲーションシステム１００が、製造されてテストされた。光学インターロゲーションシステム１００は、波長トラッキングデバイス１１２を含んでおり、波長トラッキングデバイス１１２は、ファイバマッハツェンダー干渉計１４０及び温度非依存エタロン１４２を使用して過渡レーザ波長のリアルタイムトラッキングを行った。この構成において、マッハツェンダー干渉計１４０及びエタロン１４２の出力は、アナログ−デジタルデータ取得（ＤＡＱ）カード（特に、ＮＩＰＣＩ １６４３）へ送信され、当該カードは、１６ビットの解像度で２５０ｋＳ／ｓ以下の同時サンプリングレートを有している。バスラー社のＡ５０４ｋ高速度ＣＭＯＳカメラ１２６は、ＮＩＰＣＩｅ−１４２９フレームグラッバ（frame grabber）（図示せず）とともに、光学インターロゲーションシステム１００内で使用された。バスラー社のＡ５０４Ｋ ＣＭＯＳカメラ１２６は、１０００ｆｐｓで動作せしめられ、関心領域は７５０×５００ピクセルに設定された。そして、フレームグラッバは、像のデータを、ＣＭＯＳカメラ１２６からコンピュータ１１６内へ直接送信した。
【００３１】
この構成において、当該フレームグラッバは、ＤＡＱボード（波長トラッキングデバイス１１２に付随している）にリアルタイムシステムインターロゲーション（ＲＴＳＩ）バスを介して接続され、ＣＭＯＳカメラ１２６は、外部トリガモードで動作するように設定された。マルチファンクションＤＡＱカードも使用され、そのカウンタ出力の１つを介してトリガパルスを生成する。ＲＴＳＩバスを介して送信されるトリガパルスは、ＣＭＯＳカメラ１２６／フレームグラッバボードのトリガに使用された。従って、ＣＭＯＳカメラ１２６は、ＤＡＱカードのトリガパルスの制御によってプログラム調整可能なフレームレートを有している。このように、チューナブルレーザ１０６が走査を開始する際、マッハツェンダー干渉計１４０出力、エタロン出力は、同時に取得されてＣＭＯＳカメラ１２６のトリガに使用される。図７は、実験データを示すグラフであり、マッハツェンダー干渉計１４０及びエタロン１４２の各々からのアナログ出力７０２及び７０４は、同時に取得されかつカメラのトリガパルス７０６を示した。カメラ１２６は、カウンタパルス７０６の立ち上がりエッジによってトリガされた。この例において、フリンジカウント（fringe counting）アルゴリズムが使用されて、時間に応じたチューナブルレーザの波長が判定された。この態様において、各々の像１２９のタイミングは、像１２９各々の平均波長を計算するために使用された。フレーム各々の波長の探索の後、ピクセルの各々またはピクセルグループは、センサスペクトルが、最後のセントロイド波長計算の前にデジタルフィルタリングを経て寄生干渉フリンジが除去される態様で処理されることが可能であった。このタイプの処理は、本願と同一出願人の米国特許出願第６０／７８１，３９７号（出願日２００６年３月１０日、発明名称「Optimized Method for LID Biosensor Resonance Detection」）において議論された。当該文書の内容は、参照することによって本明細書に包含される。
【００３２】
この実験において、ＣＭＯＳカメラ１２６が５００ｆｐｓで動作せしめられている場合のデータ取得時間は、通常は１秒であった。コンピュータ１１６は、「データキューブ」を形成する像１２９のスタックを生成した（例えば、図５を参照）。コンピュータ１１６は、２つの異なった方法を使用して「データキューブ」を処理可能である。第１の方法は、ピクセル区分けに基づくものであり、それによって、ソフトウェア内で複数の関心領域（ＲＯＩ）が形成され、ピクセルがＲＯＩ各々において平均化されてチャンネルが形成される。例えば、フルプレート測定システムにおいて、７６８個のＲＯＩが生成され、基準領域及びサンプル領域を有するバイオセンサ１０２を含んだウェルの各々に対して２つのＲＯＩが形成された。この特定のタイプのバイオセンサ１０２についての詳細な議論に関して、本願と同一出願人による米国特許出願第１０／０２７，５０９号（出願日２００４年１２月２９日、発明名称「Method for Creating a Reference Region and a sample Region on a biosensor and the Resulting Biosensor」）を参照する。当該文書の内容は、参照することによって本願に包含される。
【００３３】
第２のアプローチは、ピクセルの各々をセンサチャンネルとして扱う。これは本当の意味でのラベルフリー撮像であるが、コンピュータ１１６に対する計算集中になり得る。この方アプローチにおいて、コンピュータ１１６は、像のデータを保存してオフライン状態でそれを処理する必要があり得る。しかし、議論は、１秒未満のデータ処理時間を達成する様々な方法を説明すべく以下に提供される。
単一ウェル−−光学インターロゲーションシステム１００
【００３４】
光学インターロゲーションシステム１００が使用されて、９６ウェルマイクロプレート１０４の１つのウェル内に配された単一のバイオセンサ１０２がインターロゲーションされ、システムノイズ及び解像度が調査される。撮像システム１１４は、２つの近赤外線（ＮＩＲ）アクロマートレンズ（achromat）を有し、当該レンズの焦点距離は、それぞれ２００ｍｍと１００ｍｍとであった。このレンズセットは２×撮像システム１１４を形成した。そして、像平面内の１つのピクセルは、バスラー社のＡ５０４Ｋカメラ１２６の物体空間における６μｍに相当した。ファイバコリメータは、焦点距離７５ｍｍのレンズ１３２を使用して組み立てられた。この特定の光学インターロゲーションシステム１００は、３×３ｍｍ２の視野を有するようにデザインされ、当該視野は、９６ウェルマイクロプレート１０４の１つのウェル内に配された単一回折格子バイオセンサ１０２のサイズである。必要ならば、光学インターロゲーションシステム１００は、柔軟に構成されて、９６ウェル、３８４ウェルまたは１５３６ウェルマイクロプレート全体を、ＴＭまたはＴＥインターロゲーションを使用して測定可能である。
【００３５】
この実験において、光学インターロゲーションシステム１００は、１０ｎｍのチューニング範囲を有するチューナブルレーザ１０６及びバスラー社のＡ５０４ｋカメラ１２６を使用し、当該カメラ１２６は、１セットの像を５００ｆｐｓで取得する様に設定され、５００ｆｐｓでは、データ取得を１秒以内に達成可能である。コンピュータ１１６は、ピクセルベースの処理を使用して、取得された「データキューブ」を処理して共鳴波長及び共鳴振幅を判定した。水に満たされた１つのウェル内のバイオセンサ１０２の振幅マップは、図８Ａ及び図８Ｂに示されている。図８Ａ及び図８Ｂにおいて、バイオセンサ１０２は回折格子欠陥を有し、当該欠陥は、振幅像において容易に見ることができる。これらのタイプの回折格子欠陥は、原盤（master）における傷によってしばしば生起し、欠陥のパターンは、マイクロプレートからマイクロプレートへと繰り返される傾向がある。この実験において、バイオセンサ１０２の底部が、図８Ａの下部に示されている様に、共鳴波長において広がった縞（streak）パターンを有することがしばしば観測される。この影響は、光学クロストークに関連すると考えられている。しかし、近傍のウェルの遮断は全く変化を生まなかった。結合領域が入射ビーム１２８からマスキングされた場合、図８Ｂからわかるように、当該縞は消滅した。これらの観察結果は、マイクロプレート１０４上のエポキシ領域からの散乱光が、バイオセンサ１０２の導波路内で結合し得ることを示唆した。この導かれた波は、回折格子外で共鳴的に結合し、縞を形成し、当該縞の長さは、漏洩波の結合長さに一致する。結合距離（coupling distance）は、約２１６μｍと測定された。
【００３６】
バイオセンサ１０２の回折格子エッジからの結合距離に関する物理特性をさらに知るためにバイオセンサ１０２の共鳴マップがプロットされ、図９Ａに示されているように、底部領域内にセントロイド波長の実質的な相違を有することが分かった。このエッジ効果は、アーティファクト（artifact）であり得る。何となれば、エバネッセント波は、最初の２００μｍの伝搬距離内に完全には広がっていなかった故である。この仮定を確認するために、回折格子スペクトルが、バイオセンサ１０２内の回折格子の底部端からエバネッセント波の伝搬方向に沿って比較された。図９Ｂは、漏洩波の伝搬方向に沿って隣接するピクセルの列によって測定された回折格子スペクトルのプロットであって、当該漏洩波は、当該回折格子スペクトルの連続的な変化を表し、最下のスペクトルは、バイオセンサ１０２の底部端に対応し、最上のスペクトルは、バイオセンサ１０２の底部端から２１６μｍにある。図示されているように、ウェルによって決まる共鳴は、１５０μｍの伝搬後まで形を表さない。
【００３７】
この１５０μｍの結合距離は、漏洩波伝搬方向における像解像度を制限する。直交する方向において、当該像解像度は、従来のマイクロスコープの像解像度に達し得る。このことは、なぜこれらの振幅マップの底部内の欠陥が全て縞として現れるかを明らかにする。解像度を向上させるために、バイオセンサ１０２は、ＴＥ偏波でインターロゲーションされ得、ＴＥ偏波は、結合距離を２００μｍから約２０μｍまで減少させる。さらに、バイオセンサ１０２内の回折格子のエッチング深さを増加させて、さらに結合距離を減少させることも可能である。しかし、当該エッチング深さの増加においては、共鳴が広がってしまうというトレードオフの関係が存在し、ベースラインノイズがそれによって増大するであろう。
【００３８】
共鳴波長像内のノイズレベルを測定するために、２セットのデータが、個別の条件で別々に５分間取得される。これら２つの測定の２Ｄ共鳴波長像の相違で、ノイズの集合体（ensemble）を得た。この一連の異なった波長像は、図１０に示され、この像は１．８ｐｍ毎ピクセルのノイズレベル（これは１ｐｍのショットノイズに相当する）を示す。この結果は、バスラー社のＡ５０４ｋカメラ１２６の低ノイズ性能を実証した。それに比べて、従来フォトダイオードの非像ベース光学インターロゲーションシステムは、フォトダイオード及び増幅電子部品を密集して設けられない故に約１０倍のショットノイズで動作する。
【００３９】
この光学インターロゲーションシステム１００は、サンプル領域及びピンプリント基準領域を有するバイオセンサ１０２のインターロゲーションにも使用される。図１１Ａは、波長マップの像であり、当該マップはピンプリント基準領域を詳細に表している（波長マップの下部を参照）。９０％の密集度を有するセルアッセイプレートも、この光学インターロゲーションシステム１００を使用してインターロゲーションされ、その結果の波長マップは、図１１Ｂに示されている。この特定の解像度は、個別のセルを分解するためには十分ではなかったが、この波長マップは、良好な均一性を有していた（注記：セル密集度がウェルのエッジにさらに近づいたことが見て取れる）。
フルプレート−−光学インターロゲーションシステム１００
【００４０】
３８４ウェルマイクロプレート１０４をインターロゲーションするための特定の実験において使用される光学インターロゲーションシステム１００は、図１に示されているように構成されている。光学インターロゲーションシステム１００は、チューナブルレーザ１０６（チューニング幅１０ｎｍ）、バスラー社のＣＭＯＳカメラ１２６（５００ｆｐｓ）及びエドモンド社のテレセントリックレンズ１３８（０．０８ｘの拡大率及び１６０ｍｍの入力アパチャー）を使用した。照明光学系１２２は、１メートルの焦点距離を有するＪＭＬオプティカル社（ＪＭＬ）のプラノコンベックス（plano-convex）レンズ１３２並びに１メートルの焦点距離に調整可能な２つの折り返しミラー（folding mirror）１３４及び１３６を含むこととした。
【００４１】
光学インターロゲーションシステム１００は、プログラム生成された７６８の関心領域（ＲＯＩ）に従って３８４ウェルマイクロプレートの全てをカバーする視野を有し、ＲＯＩの各々は、回折格子のサイズの半分（２×１ｍｍ２）に相当しかつバスラー社のＣＭＯＳカメラ１２６における１３×６ピクセルを使用した。この特定の構成は、マイクロプレート１０４全体内のバイオセンサ１０４の各々に対するウェル内参照を許容した。この実験において、データ処理ユニット１１６は、ＲＯＩの各々に対してピクセルを平均化し、データ処理時間を短縮した。この光学インターロゲーションシステム１００によって測定された３８４ウェルマイクロプレート１０４の波長マップ及び振幅マップは、図１２Ａ及び図１２Ｂに各々示されている。図１２Ａに示されているように、マイクロプレート１０４の波長均一性は、２．５ｎｍよりも良好であった。図１２Ｂに示された測定された振幅分布は、アポダイジング階調フィルタが使用されてガウスインターロゲーションビーム１２８が平坦化されたにもかかわらず、光強度の均一性がむしろ低いことを示している。過度の非均一性は、エドモンド社のテレセントリックレンズ１３８内のコーティングの角度依存性の故と考えられている（注記：オプトエンジニアリング社のテレセントリックレンズ１３８または他のタイプのレンズは、光学インターロゲーションシステム１００内での使用にさらに適切であろう）。
【００４２】
この光学インターロゲーションシステム１００のベースラインノイズも、１００回の連続的な取得が行われた後に測定された。図１３Ａは、ベースラインノイズを示しており、当該ベースラインノイズは、光強度の非均一性と相互に非常に関連している分布を有し、３８４ウェルマイクロプレート１０４の外側エッジ内のウェルが、比較的高いベースラインノイズを有している。図１３Ｂ及び図１３Ｃは、各々が自己参照ベースラインノイズ及び非参照ベースラインノイズを示すヒストグラムである。図から明らかなように、自己参照ベースラインノイズは、非参照ベースラインノイズよりも低い。特に、当該自己参照ベースラインノイズは、０．２ｐｍのノイズレベル中央値を有し、これは、ＲＯＩ内のピクセル数の３乗根によって割られた１．８ｐｍの単一ピクセルノイズに全く等しい。存在する僅かな異常値は、欠陥ウェルの故であった。エドモンド社のテレセントリックレンズ１３８をＯＥ社のテレセントリックレンズ（または同様のテレセントリックレンズ）と置換することで、ビームの均一性を向上させ、ノイズレベルをさらに低くかつさらに一定にすべきである。
【００４３】
この実験において、データ処理デバイス１１６は、共鳴波長近傍の像を合計することによってスペクトル像のスタックを処理した。単一のインターロゲーションシステム１００において実行されたのと同様に、スペクトル像は、ピクセル毎ベースで処理された。結果として得られ、寄生欠陥フリンジを持たなかった波長像及び振幅像は、図１４Ａ及び１４Ｂにそれぞれ示されている。波長像は、マイクロプレート１０４の最初及び最後の行に配されているウェルが、高いウェル内波長傾斜を示したことを表している。その一方で、振幅像は、マイクロプレート１０４の第１列内の欠陥のあるウェルを明確に識別している（注記：これらの欠陥は、マイクロプレートを製造するのに使用されたマスタによって生じたものである）。図示されているように、２Ｄ像は、ＲＯＩベースの検出を可能とすべく欠陥を識別するため及び正確な位置を生成するために有用であり得る。この能力は、ピンプリントされたウェル内参照の用途に対して特に重要である。
【００４４】
必要ならば、光学インターロゲーションシステム１００は、迅速にマシンビジョンシステムに転換され得る。これは、照明システムをファイバ結合広帯域光源となるように構成して、スペクトル像をインターロゲーションすることによってなされ、当該転換によって、例えば、マイクロプレート１０４の位置アラインメント又はオンライン検査が可能となる（図１５参照）。さらに、光学インターロゲーションシステム１００によって実行され得る他の重要な光学撮像モダリティ（imaging modality）は、蛍光撮像である。これを可能とするために、光学インターロゲーションシステム１００は、レーザ励起光学系、蛍光フィルタ及び蛍光信号を検出するために加えられるダイクロイックミラー（dichroic mirror）を有する必要があるだろう。上述のように、掃引波長撮像光学インターロゲーションシステム１００には多くの変形例が存在し、これらは、本発明の範囲内から得られる。例えば、広範な波長可変光源及びフィルタを利用可能なことによって、このスペクトル撮像技術を、ＳＰＲ撮像技術において一般的に使用されている小領域センサチップをインターロゲーションすることに使用可能である。
考察／代替例
【００４５】
上述した光学インターロゲーションシステム１００は、プレートフォーマットから独立している。従って、このような製造コスト及び保守点検に関する汎用リーダのアプローチの利益は、非常に明白である。加えて、高スループット走査（ＨＴＳ）アッセイ及びキネティックアッセイ（kinetics assay）の異なった特性の故に、ＲＯＩベースの光学インターロゲーションシステム１００は、これらの特定のニーズを解決するために容易に調整され得る。対照的に、ピクセルベースのインターロゲーションシステム１００は、タンパク質及びペプチドのマイクロアレイのラベルフリー撮像のようなラベルフリーのマイクロアレイベースアッセイが可能である。加えて、当該ピクセルベースのインターロゲーションシステム１００は、空間的に解明された情報を提供する。当該情報は、１つのラベルフリー像が使用されて、インターロゲーションされるバイオセンサ（単数または複数）１０２の回折格子位置、基準領域、固定化領域及び欠陥が自動的に検出される故に重要である。さらに、当該ピクセルベースの光学インターロゲーションシステム１００は、高スループット撮像、キネティック撮像及び高解像度撮像フォーマットにおけるアッセイを含む細胞アッセイ用途のための新しい能力をもたらす。さらに、当該ピクセルベースの光学インターロゲーションシステム１００は、市場が拡大しているハイコンテンツスクリーニング（ＨＣＳ）を可能とするためにも使用され得る。
【００４６】
データ処理におけるボトルネックを減少させるために、光学インターロゲーションシステム１００は、必要ならば、フレームグラッバを組み込むことが可能であり、当該フレームグラッバは、強力な内蔵ＦＰＧＡを有してカメラ１２６とデータ処理デバイス１１６との間のインタフェースとして機能する。ＦＰＧＡは、並列動作の処理において非常に効率的である。第２の可能なオプションは、ＦＰＧＡ及び処理電子機器をＣＭＯＳカメラ１２６内に密集させて統合して「スマートカメラ」とするものである。この内蔵処理に加え、ＦＰＧＡアクセラレーテッドコプロセッサのような新たなコンピュータ技術が、潜在的にさらに他の代替例を提供する。さらに、６４ビットオペレーティングシステムの登場は、ソフトウェア開発をさらに促進する。
【００４７】
光学インターロゲーションシステム１００のモジュール特性は、組立及びアッセイの実行を比較的単純にする。大きな傾きの入射角において動作しなければならないＳＰＲＩ及び撮像エリプソメトリシステム（imaging ellipsometry system）と違い、光学インターロゲーションシステム１００のインターロゲーション角度には柔軟性があり、法線入射に近づけることも可能である。従って、光学インターロゲーションシステム１００は、さらにコンパクトで、安定しかつ使用容易にすることが可能である（例えば、図２に示されたコンパクトな光学インターロゲーションシステム１００を参照）。
【００４８】
当業者は、回折格子ベクトルに沿った光学インターロゲーションシステム１００の空間解像度が、ＷＣＧバイオセンサ１０２の漏洩係数によって制限され得ることを容易に認識するであろう。換言すれば、漏洩係数は、導かれた波の自由空間への再結合前の伝搬距離を決定する。この問題を解決するために、必要ならば、ＷＧＣバイオセンサ内の深い回折格子構造（＞５０ｎｍ）が使用されて、漏洩係数が増大されて空間解像度が向上され得る。実際、１００μｍオーダーの空間解像度が達成可能であった。さらに、ＴＥモードのインターロゲーションを使用することによって、光学インターロゲーションシステム１００の空間解像度をさらに向上させることが可能である。
【００４９】
さらに、当業者は、光学インターロゲーションシステム１００が、掃引波長光学インターロゲーション技術の上に成り立っていることを容易に理解するであろう。当該技術において、２Ｄラベルフリー像は、バイオセンサ（単数または複数）１０２の一連の高速度スペクトル像から、機械的走査無しに抽出される。「データキューブ」を取得するために必要な像収集速度は、１秒より速くても良く、市場入手可能な高速度ＣＭＯＳ撮像装置１２６によって達成され得る。その一方で、スペクトル「データキューブ」のリアルタイム処理は、ＦＰＧＡ１１６及びマイクロプロセッサ１１６によって実行可能である。加えて、光学インターロゲーションシステム１００の撮像領域は、撮像レンズの拡大率の選択によって変化し得る。そして、光学インターロゲーションシステム１００の視野は、標準の９６、３８４又は１５３６ウェルマイクロプレートの全体と、物理的調整無しに同じ大きさになり得る。さらに、高いスペクトル解像度は、マイクロスコープ又はテレセントリックレンズを使用することで達成され得る。当該光学インターロゲーションシステムのいくつかの追加の特徴／能力は、以下の通りである。
【００５０】
１．光学インターロゲーションシステム１００は、実務的に重要なＷＧＣベースのバイオセンサと共存性（compatible）がある。
【００５１】
２．光学インターロゲーションシステム１００は、好ましくは１秒以内の高速像取得及びデータ処理が可能である。
【００５２】
３．光学インターロゲーションシステム１００は、モードホップフリーの掃引波長チューナブルレーザ１０６であるチューナブルレーザ１０６を使用しても良い。例えば、チューナブルレーザ１０６は、２ｎｍから１５ｎｍのチューニング範囲を有し得、０．１ｎｍ／ｓｅｃから１０００ｎｍ／ｓｅｃの間のチューニング速度を有する。
【００５３】
４．光学インターロゲーションシステム１００は、波長トラッキングデバイス１１２を使用しても良く、波長トラッキングデバイス１１２は、１ｐｍから１００ｐｍのフリースペクトル範囲を有するマッハツェンダー干渉計１４０と、温度非依存エタロン１４２のような波長基準デバイスとを含む。
【００５４】
５．光学インターロゲーションシステム１００は、照明光学系１２２を使用しても良く、照明光学系１２２は、コリメートレンズ、湾曲反射ミラーまたはコリメータの積層モジュールを含む。
【００５５】
６．光学インターロゲーションシステム１００は、撮像システム１２４を使用しても良く、撮像システム１２４は、テレセントリックレンズ及び焦点平面アレイ検出器、例えば、ＣＭＯＳ又はＣＣＤの２Ｄ撮像デバイス１２６を含む。例えば、２Ｄ撮像デバイス１２６は、１００ｆｐｓ、５００ｆｐｓ、１０００ｆｐｓ、２０００ｆｐｓ等のフレームレートを有し得る。
【００５６】
７．光学インターロゲーションシステム１００は、１または複数のＷＧＣバイオセンサ１０２をインターロゲーションしても良い。ＷＧＣバイオセンサ１０２（通常は、１０ｎｍ、５０ｎｍ・・・よりも深い回折格子深さを有している）は、標準のマイクロプレートの底部内又は任意のサイズの基板内に設けられ得る。
【００５７】
８．光学インターロゲーションシステム１００は、マイクロプレート１０４内のバイオセンサ１０２の全てに対応する撮像領域を有し得る。または、光学インターロゲーションシステム１００は、マイクロプレート１０４内の単一のＷＧＣバイオセンサ１０２（例えば、１０×１０ｍｍ２または１×１ｍｍ２のサイズの領域を有する）に対応する撮像領域を有し得る。
【００５８】
本発明のいくつかの実施例が、添付の図面において図示されかつ上述の詳細な説明において説明されてきたが、本発明は、開示された実施例に限定されず、以下の特許請求の範囲に記載されかつ定義される本発明の趣旨から逸脱することなく、多くの再構成例、変形例及び置換例が実施可能であることが理解されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図１０】
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【図１１Ａ】
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【図１１Ｂ】
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【図１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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