(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
近位端及び反対側の遠位端を有する光ファイバと、
中空内部、開近位端、及び閉遠位端を有するグルコース浸透性膜であって、該膜の近位端が前記光ファイバの遠位端に結合されて、前記光ファイバの遠位端と該膜の遠位端との間において前記中空内部にコンパートメントが画定されている、グルコース浸透性膜と、
前記コンパートメント内部に配置され、グルコース受容体及びグルコース類似体を含む競合グルコース結合親和性アッセイと、を備え、
前記光ファイバの遠位端が、複合パラボラ集光器の形状である、光学グルコースセンサ。
【請求項２】
前記コンパートメントが使用者の組織内部に配置される、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３】
前記光ファイバの近位端が前記使用者の体外にある、請求項２に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４】
前記光ファイバの近位端が、アッセイ調査システムに光学的に結合される、請求項３に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項５】
前記調査システムが積層平坦集積光学システムである、請求項４に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項６】
前記光ファイバの近位端が、アッセイ調査システムに光学的に結合される、請求項２に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項７】
前記調査システムが光学調査システムである、請求項６に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項８】
前記アッセイが、蛍光体標識されたアッセイである、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項９】
前記グルコース受容体が、第一蛍光体で標識されている、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１０】
前記アッセイが、前記第一蛍光体とは異なる参照蛍光体を更に含む、請求項９に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１１】
前記第一蛍光体及び前記参照蛍光体が、異なる吸収スペクトル若しくは異なる発光スペクトルのいずれかを有するか、又は、異なる吸収スペクトル及び異なる発光スペクトルの両方を有する、請求項１０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１２】
前記第一蛍光体が、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）５９４（ＡＦ５９４）である、請求項１０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１３】
前記参照蛍光体が、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）７００（ＡＦ７００）である、請求項１０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１４】
前記参照蛍光体が、巨大分子上に標識されている、請求項１０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１５】
前記グルコース受容体が、コンカナバリンＡ、グルコースガラクトース結合タンパク質、抗体、ボロン酸、及びマンナン結合レクチン（ＭＢＬ）から成る群から選択されている、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１６】
前記グルコース類似体がデキストランである、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１７】
前記グルコース類似体が色素で標識されている、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１８】
前記グルコース受容体が蛍光体で標識されていて、前記グルコース類似体が色素で標識されていて、前記蛍光体及び前記色素がフェルスター共鳴エネルギー移動ペアを形成する、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項１９】
前記グルコース受容体がマンナン結合レクチン（ＭＢＬ）であり、前記グルコース類似体がデキストランである、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２０】
前記マンナン結合レクチン（ＭＢＬ）が、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）蛍光体で標識されている、請求項１９に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２１】
前記蛍光体が水溶性である、請求項２０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２２】
前記蛍光体がＡｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）５９４（ＡＦ５９４）である、請求項２０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２３】
前記デキストランが色素で標識されている、請求項１９に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２４】
前記色素が水溶性である、請求項２３に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２５】
前記色素が、ヘキサメトキシクリスタルバイオレット‐１（ＨＭＣＶ１）である、請求項２３に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２６】
前記グルコース受容体が、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）５９４（ＡＦ５９４）で標識されたマンナン結合レクチン（ＭＢＬ）であり、前記グルコース類似体が、ヘキサメトキシクリスタルバイオレット‐１（ＨＭＣＶ１）で標識されたデキストランである、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２７】
前記アッセイが、参照蛍光体として、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ（登録商標）７００（ＡＦ７００）で標識された巨大分子を更に含む、請求項２６に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２８】
前記膜がチューブ状である、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項２９】
前記膜が生体適合性ポリマーを備える、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３０】
前記ポリマーが生分解性である、請求項２９に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３１】
前記膜の開近位端が、前記光ファイバの遠位端に封止されている、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３２】
前記光ファイバの遠位端が、前記アッセイと直接接触している、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３３】
前記複合パラボラ集光器が、前記コンパートメント内部に広がって、前記コンパートメント内のアッセイと直接接触している、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３４】
前記複合パラボラ集光器の遠位端から長手方向に離隔されて配置された反射体を更に含む請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３５】
前記反射体が、前記アッセイから放出された蛍光を、前記光ファイバの遠位端に向けて反射する、請求項３４に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３６】
前記反射体が凹ミラーである、請求項３４に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３７】
前記アッセイが、前記反射体と前記複合パラボラ集光器の遠位端との間の空間内に配置されている、請求項３４に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３８】
前記複合パラボラ集光器が矩形の断面を有する、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項３９】
前記光ファイバ及び前記複合パラボラ集光器が円形の断面を有する、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４０】
前記センサが使用者の体内に埋め込まれる、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４１】
前記光ファイバの近位端が、アッセイ調査システムに光学的に結合される、請求項４０に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４２】
前記調査システムが光学調査システムである、請求項４１に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４３】
前記調査システムが積層平坦集積光学システムである、請求項４２に記載の光学グルコースセンサ。
【請求項４４】
前記センサが生分解性である、請求項１に記載の光学グルコースセンサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［関連出願データ］
本願は、２０１１年９月６日出願の米国仮出願第６１／５３１４４９号、２０１１年９月６日出願の米国仮出願第６１／５３１４５１号、２０１１年９月６日出願の米国仮出願第６１／５３１４５６号、２０１１年１１月１日出願の米国仮出願第６１／５５４０５７号、２０１１年１１月１７日出願の米国仮出願第６１／５６１１４６号、２０１２年１月１８日出願の米国仮出願第６１／５８７８１９号、及び２０１２年４月５日出願の米国仮出願第６１／６２０５６３号の優先権を主張し、また、本願と同時出願の“Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌｌｙ  Ｒｅｄｕｎｄａｎｔ  Ｓｅｎｓｏｒ  Ｓｙｓｔｅｍｓ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄｓ”との名称の米国特許出願（整理番号第０４００８８−０４０５６９９号）に関し、これら全てはそれら全体が参照として本願に組み込まれる。
【０００２】
本発明の実施形態は、一般的に、多様な生理学的パラメータ（例えば、グルコース濃度）をセンシングするのに用いられるセンサ等のセンサ技術に関係する。特に、本発明の実施形態は、光学センサ、このようなセンサの作製方法及び使用方法、光学センサを調査（インテロゲーション）するための光学システム及びオプトエレクトロニクスシステム、並びに、このような光学／オプトエレクトロニクスシステムの作製方法に関する。また、特に、本発明の実施形態は、蛍光体標識されたアッセイを含む光ファイバセンサ、このような光ファイバセンサを調査するための積層平坦光学集積システム、並びに、このような光ファイバセンサ及び光学集積システムの作製方法及び使用方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
落射蛍光顕微鏡法は、生物学及び医療分野においてますます使われてきている蛍光顕微鏡法の一つである。落射蛍光顕微鏡は、光源光を対物レンズに通して試料に向けることによって、試料を励起するのに主に用いられる。試料の蛍光発光が、励起用に用いられるのと同じ対物レンズによって検出器上に集束される（蛍光の）光の放出を生じさせる。大抵の光源光は一般的に試料を透過するので、反射光源光のみが、蛍光の光と共に対物レンズに達する。対物レンズと検出器との間の追加フィルタが、残存している光源光を蛍光の光からフィルタリングして除くことができる。
【０００４】
落射蛍光顕微鏡法の基本原理は、アッセイベースのグルコースセンサを調査するための光学システム又はオプトエレクトロニクスシステムにおいて使用可能である。このようなセンサのアッセイは、ストリークカメラ記録、単一光子計測、周波数領域寿命測定、安定状態蛍光測定等の多様な方法を用いて調査することができる。周波数領域寿命調査及び安定状態蛍光調査の両方において、光学調査システムの機能は、アッセイ蛍光体を励起して、励起光が検出器に到達するのを防止するのと同時に、放出された蛍光を透過させることである。蛍光標識されたアッセイから放出される蛍光は一般的に弱いことを理解されたい。従って、アッセイを可能な限り効率的に励起して、且つ、等方的に放出される蛍光を可能な限り多く集めることが重要である。
【０００５】
周波数領域寿命調査及び安定状態蛍光調査に基づいた連続的グルコースモニタに関しては、（光学システムの）機器及び光学センサのコスト、サイズ及び重量を最小化しつつ、機器及びセンサの両方の製造効率を最適化することが重要である。この点に関して、現在使用されている光学システムは、一般的にかなり大型で高価であり、多数の異なる光学部品を含むので、正確な組み立てを要する。従って、光学システム及び光学グルコースセンサ（こうした光学システムと共に用いられるセンサを含む）の改善が、上述の要求に向けて必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態では、光学グルコースセンサは、光ファイバの遠位端に結合されたグルコース浸透性膜を備えた光ファイバを含む。膜は、例えば、チューブ状であり得て、その中空内部が、アッセイを保持するためのコンパートメントを画定する。本発明の一側面では、アッセイは、競合グルコース結合親和性アッセイであり、グルコース受容体と、グルコース類似体と、グルコース受容体上に標識された第一（ドナー）蛍光体と、グルコース類似体上に標識されたアクセプタ色素とを含む。本発明のこの側面の一変形例では、アッセイは、第一蛍光体に加えて参照蛍光体も含み得る。
【０００７】
本発明の他の実施形態によると、光学グルコースセンサの光ファイバが、アッセイと直接接触する複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）状の先端部を含む。更に他の側面では、反射体が、ＣＰＣ状の先端部の反対側においてコンパートメント内に配置され得て、アッセイからＣＰＣ状の先端部に向けて放出された蛍光を反射する。
【０００８】
本発明の実施形態は、アッセイの寿命及び／又は強度調査用の光学システムも対象としている。従って、一側面では、光源と、例えば、励起フィルタ及び／又は発光フィルタとして機能する一つ以上のコーティングを有するフィルタ基体とを含む光学調査（インテロゲーション）システムによって、蛍光体標識されたアッセイを調査し得る。他の側面では、調査システムを、ウェーハスケール積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）として製造して、より小型のユニットにダイシングし得る。
【０００９】
本発明の他の特徴及び利点は、本発明の実施形態の多様な特徴を例示する添付図面を参照して、以下の詳細な説明から明らかになるものである。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係るフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ）に基づいたグルコース結合競合親和性アッセイを示す。
【図２】本発明の一実施形態に係る蛍光体標識されたアッセイに対する励起状態の寿命を測定するための機器を示す。
【図３】本発明の実施形態に係る強度調査用の参照蛍光体を含むグルコース結合競合親和性アッセイを示す。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る強度調査用の内部参照を備えた蛍光体標識されたアッセイを調査するための機器を示す。
【図４Ｂ】本発明の他の実施形態に係る強度調査用の内部参照を備えた蛍光体標識されたアッセイを調査するための機器を示す。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る光ファイバセンサの斜視図である。
【図５Ｂ】図５Ａに示される光ファイバセンサの側面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）状のファイバ先端部を備えた光ファイバセンサの斜視図である。
【図６Ｂ】図６Ａに示される光ファイバセンサの側面図である。
【図７Ａ】本発明の一実施形態に係る複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）状のファイバ先端部、反射体、及び支持構造を備えた光ファイバセンサの斜視図である。
【図７Ｂ】図７Ａに示される光ファイバセンサの側面図である。
【図７Ｃ】本発明の一実施形態に係る側部切除キャビティを備えた光ファイバの側面図である。
【図７Ｄ】図７Ｃに示される光ファイバセンサの斜視図である。
【図８】真っ直ぐな切断面の光ファイバを備えた光ファイバセンサのアッセイコンパートメント内部の蛍光分布を示す（高さ＝アッセイコンパートメントの直径）。
【図９】ＣＰＣ状の光ファイバを備えた光ファイバセンサのアッセイコンパートメント内部の蛍光分布を示す（高さ＝アッセイコンパートメントの直径）。
【図１０Ａ】ＣＰＣ状の光ファイバ及び反射体を備えた光ファイバセンサのアッセイコンパートメント内部の蛍光分布を示す（高さ＝アッセイコンパートメントの直径）。
【図１０Ｂ】側部切断キャビティを備えた光ファイバセンサのアッセイコンパートメント内部の蛍光分布を示す（高さ＝ファイバの直径）。
【図１１】本発明の一実施形態に係る蛍光体標識されたアッセイの寿命調査用の積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）を示す。
【図１２】本発明の一実施形態に係る寿命システム用の光源、励起フィルタ、及び蛍光体のスペクトルを示す。
【図１３】本発明の一実施形態に係る蛍光体標識されたアッセイの強度調査用の積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）を示す。
【図１４】本発明の一実施形態に係る強度システム用の光源、励起フィルタ、発光フィルタ、アッセイ蛍光体、及び参照蛍光体のスペクトルを示す。
【図１５】本発明の他の実施形態に係る蛍光体標識されたアッセイの強度調査用の積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）を示す。
【図１６Ａ】本発明の実施形態に係るＣＰＣ  ＣＰＩＯＳとファイバとの界面の例を示す。
【図１６Ｂ】本発明の実施形態に係るＣＰＣ  ＣＰＩＯＳとファイバとの界面の例を示す。
【図１７】本発明の一実施形態に係るウェーハスケール積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）の例示的な層を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下の説明では、本願の一部を成して本発明の複数の実施形態を例示する添付図面を参照する。本発明の範囲から逸脱せずに、他の実施形態を利用することができて、動作の変更が為され得ることは理解されたい。
【００１２】
例示目的の図面に示されるように、本発明の実施形態は、光学システム又はオプトエレクトロニクスシステムによって調査（インテロゲーション）可能な光学センサを対象としている。光学センサは、経皮的に導入及び／又は提供可能であるか、又は、皮下（ｓｕｂｃｕｔａｎｅｏｕｓ）組織、真皮組織、皮下（ｓｕｂｄｅｒｍａｌ）組織、腹腔内組織、又は膜組織の中に及び／又は介して埋め込み可能である。本願の説明においては、本発明のデバイス、システム、及び方法の好ましい実施形態が、グルコースを検体として説明され、使用者の血液及び／又は体液中におけるグルコースのレベル／濃度が決定される。しかしながら、これは例示的なものであって、限定的なものではなく、本発明の原理、デバイス、システム及び方法は、他の多様な生理学的パラメータ、化学物質、特性及び／又は組成のレベルをセンシング及び／又は決定することに使用可能である。
【００１３】
以下で詳述するように、アッセイコンパートメントを有する光学グルコースセンサを、例えば、光ファイバの遠位端にアッセイを含むグルコース浸透性膜を有するようにすることによって形成し得る。光ファイバを、使用者の体内に経皮的に挿入することによって、アッセイコンパートメントを使用者の組織内に配置する一方で、光ファイバの少なくとも一部を体外に留めて、調査システムがアクセスできるようにする。代わりに、光学センサは、例えば、調査オプトエレクトロニクスシステム及び電源を含む埋め込み可能グルコースセンサの一部として、埋め込み可能であり得る。アッセイコンパートメントを、グルコース浸透性膜とオプトエレクトロニクスシステムに対する光学界面との間に形成し得る。光学センサは好ましくは生分解性であり得る。
【００１４】
図１に示されるように、光学グルコースセンサは、競合グルコース親和性アッセイに基づいたものであり得る。アッセイは、コンパートメント内に含まれるグルコース受容体及びグルコース類似体（配位子）を含み得て、コンパートメントの少なくとも一部が、グルコースや塩等の小分子を、周囲媒体と交換する一方で、アッセイ構成要素等の巨大分子を保持することができる。
【００１５】
複数の分子が、グルコースアッセイのグルコース受容体として機能し得る。例えば、コンカナバリンＡ、ペリプラズムグルコース／ガラクトース結合受容体、グルコース状分子に対抗して発現する抗体、ボロン酸、マンナン結合レクチン（ＭＢＬ，ｍａｎｎａｎ  ｂｉｎｄｉｎｇ  ｌｅｃｔｉｎ）が挙げられるが、これらに限定されるものではない。マンナン結合レクチンは、ヒトタンパク質であり、自然免疫系の一部である。従って、アッセイは、グルコース受容体としてＭＢＬを含み、グルコース類似体としてデキストランを含み得る。
【００１６】
ＭＢＬとグルコース状分子（例えば、デキストラン）との間の結合は可逆性である。グルコースが存在しなくなると、ＭＢＬ及びデキストランが主に互いに結合する。グルコースがアッセイに加えられると、デキストラン集団の一部と競合して、アッセイが新たな平衡状態となる。全ての時点において平衡状態はグルコース濃度に対応している。この平衡状態を決定するため、ＭＢＬを蛍光体（例えば、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ５９４  （ＡＦ５９４））で標識して、デキストランを色素（例えば、ヘキサメトキシクリスタルバイオレット‐１（ＨＭＣＶ１，ｈｅｘａｍｅｔｈｏｘｙ  ｃｒｙｓｔａｌｖｉｏｌｅｔ‐１）；Ｍｅｄｔｒｏｎｉｃ社製のクリスタルバイオレット誘導体の特許品）で標識する。ドナー蛍光体及びアクセプタ色素が共にフェルスター共鳴エネルギー移動（ＦＲＥＴ，Ｆｏｒｓｔｅｒ  Ｒｅｓｏｎａｃｅ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ｔｒａｎｓｆｅｒ）ペアを形成し、つまり、蛍光体の発光スペクトル及び色素の吸収スペクトルが重なる。
【００１７】
ＦＲＥＴの発生は、励起状態の寿命及び放出される蛍光強度に影響を与え、蛍光体及び対応する色素が近接（つまり、略５０Åの範囲）している場合にのみ発生することができる。従って、アッセイを照明して励起状態の寿命を測定及び／又はドナー蛍光体から放出される蛍光強度を測定することによって、ＦＲＥＴ機構が、平衡状態の調査を光学的に可能にする。ドナー蛍光体及びアクセプタ色素は、水性環境で機能するので、好ましくは水溶性である。
【００１８】
図２は、改良型落射蛍光顕微鏡に基づいて上述のアッセイの周波数領域寿命調査用の機器を示す。機器、または光学調査システムは、アッセイを有するセンサ１００に光学的に結合（又は整列）される。アッセイは、周期的信号（例えば、正弦波、方形波、ディラックパルス、近似ディラック、鋸歯等）で励起されて、変調周波数は、蛍光体対する励起状態の寿命（τ）によって決められる。最適な変調周波数は、以下のように近似され得る：
ｆｏｐｔ＝１／（２×π×τ）      式（１）
従って、例えば、３ｎｓの寿命に対して、最適な変調周波数（ｆｏｐｔ）は略５０ＭＨｚから略６０ＧＨｚの範囲内にある。
【００１９】
図２を参照すると、発振器１０５が、ドライバ回路１１０と組み合わさって、蛍光体を励起することができる波長範囲にＬＥＤ１２０を変調する。ＬＥＤ１２０の出力は、多層誘電体フィルタ１３０を用いてフィルタリングされて、固有の波長領域を選択する。フィルタリングされたＬＥＤ出力は、ダイクロイックビームスプリッタ１４０によって反射されて、レンズ１５０によってセンサ１００（アッセイを含む）上に集束される。アッセイは、励起（変調されたＬＥＤ出力）と同じ周波数を有し蛍光体に対する励起状態の寿命の結果として位相シフトされた蛍光発光を生じさせる。
【００２０】
放出された蛍光１０３及び反射された励起光１２３は、レンズ１５０によってピックアップ及びコリメートされる。ダイクロイックビームスプリッタ１４０は、蛍光１０３を透過させるが、後方反射された励起光１２３の大部分を反射する。発光フィルタ１６０は、励起フィルタの通過帯に対して赤方偏移されて重ならない固有の波長範囲を備えて、励起光１２３の残存部分をブロックし、蛍光１０３を透過させる。従って、実際には、変調されて位相シフトされた蛍光のみが、レンズ１７０を用いて光検出器１８０上に集束される。検出される蛍光と励起光との間の位相ラグが、アッセイ中にグルコース濃度と相関する。
【００２１】
励起状態の寿命に加えて、放出される蛍光の強度もグルコース濃度と相関する。寿命測定とは対照的に、放出される蛍光の測定強度は、光源の強度、及びアッセイと光学システムとの間の結合に影響される。従って、強度測定では、図３に示されるように、内部参照蛍光体をアッセイに組み込むことが必要となる。
【００２２】
参照蛍光体は、アッセイ蛍光体と異なるものでなければならず、アッセイから放出される蛍光及び参照から放出される蛍光が、異なる吸収スペクトル又は発光スペクトルを有して、互いに分離されるようにする。参照蛍光体は、例えば、ヒト血清アルブミン（ＨＳＡ，ｈｕｍａｎ  ｓｅｒｕｍ  ａｌｂｕｍｉｎ）上に標識されたＡｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ７００（ＡＦ７００）、又はグルコース受容体にそれほど結合しない他の巨大分子であり得る。図３を参照。Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ７００はＡｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ５９４と同時に励起され得る。何故ならば、これらの吸収スペクトルが重なるからである。Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ７００からの発光スペクトルは、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ５９４に対して僅かに赤方偏移されて、別々の波長範囲で各々の蛍光発光を検出することが可能になっている。同じ光源によって同時に励起されるので、光源の強度のいかなる変化も、ＡＦ５９４及びＡＦ７００に等しく及ぶ。このようにして、光源の強度の変化に起因するあらゆる影響をキャンセルすることができる。
【００２３】
アッセイ及び参照に対する蛍光の励起及び検出は、光学システムからアッセイまでの同じ光路に従う。このようにして、参照から検出される信号が、光学調査システムとアッセイとの間の光学結合に対する尺度として機能する。整列等の光学結合の変化に起因するあらゆる影響をキャンセルすることができる。
【００２４】
図４Ａは、落射蛍光顕微鏡の他の変更に基づいた上述のアッセイの蛍光調査用の機器の一実施形態を示す。ドライバ回路３１０が、ＬＥＤ３２０を低周波数に変調するが、これは単に１／ｆノイズを除去して環境光をキャンセルする目的のものであり、アッセイ蛍光体及び参照蛍光体を同時に励起することができる波長範囲を有する。ＬＥＤ出力は、多層誘電体フィルタ３３０を用いてフィルタリングされて、固有の波長範囲を選択する。フィルタリングされたＬＥＤ出力は、第一ダイクロイックビームスプリッタ３４０によって反射され、レンズ３５０によってセンサ３００（アッセイ及び参照を含む）上に集束される。
【００２５】
アッセイ及び参照は蛍光発光する。放出された蛍光３０１及び反射された励起光３２３は、レンズ３５０によってピックアップ及びコリメートされる。第一ダイクロイックビームスプリッタ３４０は蛍光３０１を透過させるが、後方反射された励起光３２３の大部分を反射する。第二ビームスプリッタ３４４は、９０°の角度で参照蛍光３０７を反射するが、アッセイ蛍光３０９を透過させる。アッセイ発光フィルタ３６０は、励起フィルタの通過帯に対して赤方偏移されて重ならずアッセイ蛍光スペクトルの所望の部分と整合している固有の波長範囲を有し、励起光の残存部分を遮断して、アッセイ蛍光を透過させる。
【００２６】
同様に、参照発光フィルタ３６４は、励起フィルタの通過帯に対して赤方偏移されて重ならず参照蛍光の所望の部分と整合している固有の波長範囲を有し、励起光の残存部分を遮断し、参照蛍光３０７を透過させる。従って、事実上、アッセイからの蛍光及び参照からの蛍光のみが、各レンズ３７０、３７４を用いて、各光検出器３８０、３８４上に集束される。検出されるアッセイ蛍光と検出される参照蛍光との間の比は、アッセイ中のグルコース濃度と相関している。上述のように、光源強度又は光学結合のあらゆる変化は、アッセイ蛍光及び参照蛍光に等しく及ぶので、キャンセルされる。
【００２７】
図４Ｂは、蛍光調査用の機器の他の実施形態を示す。この場合、図４Ａのように、ドライバ回路３１０は、低周波数にＬＥＤ３２０を変調するが、これは単に１／ｆノイズを除去して環境光をキャンセルする目的のものであり、アッセイ蛍光体及び参照蛍光体を同時に励起することができる波長範囲を有する。ＬＥＤ出力は、多層誘電体フィルタ３３０を用いてフィルタリングされて、固有の波長範囲を選択する。フィルタリングされたＬＥＤ出力は、第一ダイクロイックビームスプリッタ３４０によって反射され、レンズ３５０によってセンサ４００（アッセイ及び参照を含む）上に集束される。センサ４００はファイバ光学センサであり、これについては以下で詳細に説明する。
【００２８】
図４Ａに関して説明したように、アッセイ及び参照は蛍光発光する。放出された蛍光３０１及び反射された励起光３２３は、レンズ３５０によってピックアップ及びコリメートされる。第一ダイクロイックビームスプリッタ３４０は蛍光３０１を透過させるが、後方反射された励起光３２３の大部分を反射する。第二ビームスプリッタ３４４は、９０°の角度で参照蛍光３０７を反射するが、参照蛍光３０７を透過させる。参照発光フィルタ３６４は、励起フィルタの通過帯に対して赤方偏移されて重ならず参照蛍光スペクトルの所望の部分と整合している固有の波長範囲を有し、励起光の残存部分を遮断して、参照蛍光を透過させる。
【００２９】
同様に、アッセイ発光フィルタ３６０は、励起フィルタの通過帯に対して赤方偏移されて重ならず参照蛍光の所望の部分と整合している固有の波長範囲を有し、励起光の残存部分を遮断し、アッセイ蛍光３０９を透過させる。従って、事実上、アッセイからの蛍光及び参照からの蛍光のみが、各レンズ３７０、３７４を用いて、各光検出器３８０、３８４上に集束される。検出されるアッセイ蛍光と検出される参照蛍光との間の比は、アッセイ中のグルコース濃度と相関している。この場合も、上述のように、光源強度又は光学結合のあらゆる変化は、アッセイ蛍光及び参照蛍光に等しく及ぶので、キャンセルされる。
【００３０】
図５Ａ及び図５Ｂに示される本発明の実施形態では、光ファイバ４１０の遠位端４１２に対して遠位にあるコンパートメント４２０内にアッセイを配置することによってファイバ光学センサ４００が形成されている。この実施形態では、アッセイを含む試験用チューブ状グルコース浸透性膜４３０を、光ファイバ４１０の端に被せて封止（例えば、熱封止）している。ファイバ４１０の遠位端４１２は真っ直ぐに切断されて研磨され、アッセイと直接接触している。本発明の実施形態では、グルコース浸透性膜４３０は、生体適合性があり、生分解性のポリマー製（例えば、ＰｏｌｙＡｃｔｉｖｅ（商標）（カリフォルニア州アーバインのＩｎｔｅｇｒａ  Ｏｒｔｈｏｂｉｏｌｏｇｉｃｓ社製）、ポリラクチドグルコール酸、ポリカプロラクトン）や、分画分子量特性を示す非生分解性ポリマー製（セルロース（カリフォルニア州ランチョドミンゲスのＳｐｅｃｔｒｕｍ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製）や、ポリスルホン（カリフォルニア州ランチョドミンゲスのＳｐｅｃｔｒｕｍ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓ社製）等）であり得る。
【００３１】
上記構成によって、光ファイバ４１０を介してアッセイを励起して、結果としての蛍光を光ファイバによって収集することができる。アッセイからの蛍光は等方的に放射されるので、光ファイバ４１０によってピックアップ可能な放出蛍光の量は、ファイバの開口数によって設定される。
【００３２】
光ファイバの開口数（ＮＡ，ｎｕｍｅｒｉａｌ  ａｐｅｒｔｕｒｅ）は、ファイバコアの屈折率（ｎ１）及びクラッドの屈折率（ｎ２）の関数である：
ＮＡ＝√（ｎ１２−ｎ２２）        式（２）
【００３３】
一般的に、臨界角未満の角度で光ファイバに入射する光は、コア／クラッド界面における全内部反射によって光ファイバを伝わっている一方、臨界角を超える角度で入射する光は、クラッドを通って単にファイバから出射する。市販の光ファイバは、高屈折率のコア及び低屈折率のクラッドを有する。プラスチック光ファイバに対して、コア、クラッドの屈折率はそれぞれ略１．４９、略１．４０であり、これは、式（２）に基づくと、略０．５１の開口数となる。以下の式（３）によると、これは、略３０．６°の臨界角（θ）、又は略０．８８ｓｒの立体角に対応している：
ＮＡ＝ｎｓｉｎθｍａｘ      式（３）
【００３４】
理想的な場合、これは、放出される全蛍光の７％のピックアップを意味し、ここで、等方放射は４πｓｒであり、０．８８ｓｒ／４πｓｒ≒７％となる。従って、最大の蛍光ピックアップが、光ファイバによって設定される。
【００３５】
更に、励起光がファイバの開口数に対応する角度でアッセイ内に結合されるので、励起光の一部は、グルコース浸透性膜を介してアッセイコンパートメントから漏れ出す。
【００３６】
光の不変理論によると、光源面積（Ａ）と立体角（Ω）との積は一定である：
Ａ１Ω１＝Ａ２Ω２      式（４）
【００３７】
式（４）において、Ａ１は、光ファイバの断面積に等しく、Ω１は、光ファイバの開口数に対応する立体角に等しく、Ａ２及びΩ２は、先端部（チップ）の長さ、アッセイに対する飽和強度、製造可能な先端部の幾何学的形状との間でのトレードオフに従って設定される。
【００３８】
ファイバセンサ４００への応用について、これは、正しい光学部品及びファイバ先端部設計によって、光ファイバ４１０が、グルコース浸透性膜４３０から励起を離す小さな面積に絞られることによって、センサの外に向かう励起光の漏れが低下する。また、ファイバ先端部の開口数が増大して、アッセイからの蛍光ピックアップの増大が得られる。
【００３９】
複合パラボラ集光器（ＣＰＣ，ｃｏｍｐｏｕｎｄ  ｐａｒａｂｏｌｉｃ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｏｒ）は、非撮像部品であり、入口開口と、パラボラ状反射表面と、出口開口とを有する。ＣＰＣは、パラボラ状ミラー表面を備えた空気で充填された空隙若しくは光学物質として形成され得て、又は、周囲物質の屈折率よりも高い屈折率を備えた光学物質によって形成され得る。ＣＰＣのパラボラ状部分は、高屈折率から低屈折率への移行による全内部反射を保証するパラボラとして形成される。
【００４０】
ＣＰＣ上の動径座標の点は、軸に沿ったｚ座標の関数として、以下の二次方程式の正の実数解によって与えられる：
Ｃ２ｒ２＋２（ＣＳｚ＋ａＰ２）ｒ＋（ｚ２Ｓ２−２ａＣＱｚ−ａ２Ｐｔ）＝０
式（５）
ここで、Ｃ＝ｃｏｓθ、Ｓ＝ｓｉｎθ、Ｐ＝１＋Ｓ、Ｑ＝１＋Ｐ、Ｔ＝１＋Ｑである。
【００４１】
正しい寸法を備えたＣＰＣとして光ファイバ４１０の先端部を成形することで、所望の特性がもたらされる。一例として、２５０μｍの光ファイバの先端部に対して適用されるＣＰＣ形状は、先端部の直径を１２５μｍに低下させる。従って、面積は１／４になり、理論的には開口数が４倍になり、これは、蛍光ビックアップが４倍になることに対応している。
【００４２】
ＣＰＣ先端部形状を採用した本発明の一実施形態が図６Ａ及び図６Ｂに示されている。図示されているように、ＣＰＣ状のファイバ先端部４１４は、水と同じ屈折率（１．３３）を有するアッセイと直接接触している。これは光ファイバのクラッドの屈折率よりもはるかに低いので、パラボラ部上にクラッドを有するように設計されたＣＰＣは、クラッドがあってもなくても機能する。
【００４３】
蛍光ピップアップが理論的に４倍になることは、アッセイの蛍光体が、チップとアッセイの移行部、つまりＣＰＣとアッセイの光学界面４１５において励起されるという仮定に基づいている。しかしながら、蛍光発光はファイバ先端部４１４の前方の体積部分において生じるので、蛍光ピックアップの増大は、粗い理論計算によって予測される４倍の増大よりも顕著に低いものとなり得る。
【００４４】
従って、理論的には、ＣＰＣファイバ先端部４１４の開口数は、従来の真っ直ぐな切断面のファイバ先端部４１２と比較して顕著に上昇するものであるが、実際の動作時には、ＣＰＣ設計は、一般的に、放出される蛍光の略５０％以上をピックアップすることはできない。それでも、本発明の一実施形態では、ファイバ先端部４１４の前方に凹ミラー４１７を配置して、ファイバ先端部とは逆方向に放出される蛍光を反射して、ファイバ内に集束させることによって、蛍光ピックアップのパーセンテージを増大させ得る。
【００４５】
図７Ａ及び図７Ｂに示されるように、アッセイ用の空間を残すため、つまり、アッセイコンパートメント４２０を構成するために、ファイバ先端部４１４とミラー４１７との間にはギャップが存在しなければならない。ミラー４１７をファイバ先端部４１４の前方の適所に配置する必要があることは自明である。これは、支持構造４１９によって達成可能であり、この支持構造４１９は、グルコースがファイバ先端部４１４の前方の空間内に拡散することを可能にするのと同時に、グルコース浸透性膜４３０を支持する目的も果たす。
【００４６】
真っ直ぐな切断面のファイバ先端部４１２、ＣＰＣ状のファイバ先端部４１４、反射体と組み合わせたＣＰＣ状のファイバ先端部４１４、４１７を、Ｚｅｍａｘ光学設計ソフトウェアを用いてモデル化した。これら三つの設計の各々に対して、モデルは、（１）ファイバセンサの近位（自由）端に存在して、光を光ファイバ内に結合して、光ファイバの（遠位、ｉｎ‐ｓｉｔｕ（その場））先端部においてアッセイを励起する励起光源、（２）選択されたファイバ先端部の幾何学的形状を備えた光ファイバ、（３）アッセイ吸収プロセス及びアッセイ蛍光発光プロセスを含むアッセイで充填されたコンパートメント、及び、（４）ピックアップされて光ファイバの後方に透過される蛍光のみを選択する蛍光フィルタを備えた検出器を含む。
【００４７】
三つの設計全てに対して、励起と検出される蛍光との間の比を計算した。以下の表１に示される結果から見て取れるように、Ｚｅｍａｘシミュレーションでは、ＣＰＣ設計からの蛍光ピックアップは、光の不変理論が予測するものよりも顕著に低い。上述のように、これは、励起及び結果としての蛍光発光が、ファイバ先端部／アッセイの界面において直接生じるのではなくて、ファイバ先端部の前方の体積空間において生じるからである。
【００４８】
【表１】
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【００４９】
上述のＣＰＣ先端部の幾何学的形状を採用した本発明の実施形態では、製造を簡単にしてアッセイを安定化させるために、ヒドロゲルがアッセイ（参照色素を含む）を有する又は含むことができる。具体的には、まず、グルコースアッセイをヒドロゲル内に溶解させる。次に、ＣＰＣ状のファイバ先端部を、アッセイを含むヒドロゲル内に浸漬して、ＣＰＣ状のファイバ先端部の前方に液滴を残し得る。最後に、ヒドロゲルを架橋させて、グルコースセンサを提供し得る。適切な架橋ヒドロゲルとして、例えば、ポリアクリルベースのヒドロゲル（ポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐＨＥＭＡ，ｐｏｌｙ‐Ｈｙｄｒｏｘｙ‐Ｅｔｈｙ‐Ｍｅｔｈａｃｒｙｌａｔｅ）、ＰＭＭＡ‐ｐＨＥＭＡコポリマー等）、ポリウレタン、ポリエステル、ポリエーテル等を挙げることができる。
【００５０】
アッセイを含むヒドロゲルが架橋しない場合、その実施形態全体を、グルコースセンサに適したポリマー、つまり、ポリマーを介してグルコースを拡散させることができるポリマーによってコーティングすることができる。適切な非架橋ヒドロゲルとして、例えば、ポリビニルアルコール（ＰＶＡ，ｐｏｌｙ‐ｖｉｎｙｌ  ａｌｃｏｈｏｌ）、ポリエチレングルコール（ＰＥＧ，ｐｏｌｙ‐ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ）、ポリプロピレングリコール（ＰＰＧ，ｐｏｌｙ‐ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ  ｇｌｙｃｏｌ）、ポリヒドロキシエチルメタクリレート（ｐＨＥＭＡ）等や、それらのコポリマーを挙げることができる。
【００５１】
図７Ｃ及び図７Ｄは、本発明の他の実施形態を示し、光ファイバ１４１０の遠位端１４１２に近接したコンパートメント１４２０ａ、１４２０ｂ内にアッセイを配置することによってファイバ光学センサ１４００が作製されている。コンパートメントは、ファイバのクラッド及びコアを貫通するファイバ切除部の側部切除部として形成される。この実施形態では、チューブ状のグルコース浸透性膜１４３０を、側部切除部の上に被せて、ファイバのクラッドに対して封止して、アッセイコンパートメントの領域においてグルコース浸透性を残している。
【００５２】
二つの切除部は、ファイバの構造強度を維持するのに十分なように、ファイバの両側に互いにずらして配置される。第一側部切断キャビティ１４２０に対して、好ましくは、ファイバ軸に平行な表面１４２１ａは光学品質のものである。アッセイの屈折率が、ファイバコアの屈折率よりも顕著に低いので、これは、ファイバセンサの近位端から第二アッセイコンパートメントに伝播する励起光に対して全内部反射を提供し、更に、第二アッセイコンパートメント１４２０ｂからファイバの近位端に戻って放出される蛍光に対して全内部反射を提供する。上述の構成は、ファイバセンサに対する構造強度を提供し、特に、内に存在する柔らかいグルコース浸透性膜が、アッセイコンパートメントの安定性を保証するのに十分な構造強度を提供しないようなファイバセンサにとって特に有用である。
【００５３】
本発明の実施形態では、より多数の又はより少数のアッセイコンパートメントを含めることもできる点に留意されたい。例えば、図７Ｃ及び図７Ｄに関して、例えば、単一のアッセイコンパートメントが十分な蛍光を提供する場合には、第二アッセイコンパートメント１４２０ｂを省略し得る。また、追加的な実施形態では、液体アッセイ及びグルコース浸透性膜の組み合わせに対する代替案として、上述のようなアッセイが埋め込まれたヒドロゲルを、一つ以上の側部キャビティ内に成型して、アッセイコンパートメントを形成し得る。
【００５４】
図８〜図１０Ａは、上述の各設計に対するアッセイコンパートメント４２０内部における蛍光強度分布を示す。真っ直ぐな切断面のファイバでは、蛍光発光領域が膜の外に広がっていることが明らかである一方、ＣＰＣは、アッセイコンパートメントの中心に励起及び蛍光発光を集中させている。図１０Ｂは、図７Ｃ及び図７Ｄに示される側部切断キャビティに対するアッセイコンパートメント内部の蛍光強度分布を示す。
【００５５】
上述のファイバセンサに適用されたＣＰＣ構成は例示的なものであり、例えば、矩形の断面を備えたＣＰＣ等の他の幾何学的形状や、ファイバ先端部の開口数を変化させる他の撮像及び非撮像幾何学的形状も適用可能であることに留意されたい。
【００５６】
また、本発明の実施形態は、光学センサ、特に、上述のタイプのファイバ光学センサ内部に含まれる蛍光体で標識されたアッセイを調査するための改良型光学システムも対象としている。
【００５７】
上述のように、典型的な調査システム（例えば、落射蛍光顕微鏡法）では、蛍光応用は、通常、蛍光体の吸収帯における非常に強い蛍光体の励起、及び蛍光体が放出する弱い蛍光の検出と共に用いられる。こうした応用では、ダイクロイックビームスプリッタが、光を粗くフィルタリングするものとして機能して、強力なフィルタリングが、透過モードで使用されて、一回の通過で通過帯の外の波長を１／１０６に減衰する励起フィルタ及び発光フィルタにおいて生じる。このようなフィルタは、屈折率が交互になっている最大１００層の光学コーティングを両面に備えた基体で構成された誘電体多層フィルタに基づいている。通過帯内において、フィルタは、最大９９％の透過率を有るが、これは、基体の両側のフィルタ積層体が一般的に反射防止コーティングを含むものの、フィルタの両側における空気とコーティングとの移行部において反射損失によって生じることがほとんどである。
【００５８】
本発明の実施形態によると、光学システムは、内部参照を備え又は備えずに、蛍光体で標識されたアッセイを調査するために使用可能である。本発明の光学システムは、基体表面の位置から離された一つ又は複数の光学コーティングを備えたフィルタ基体に基づいている。コーティングは、短波通過フィルタ、長波通過フィルタ、帯域通過フィルタ、反射防止コーティングを形成する誘電体多層コーティングであり得る。更に、コーティングは、金属性の反射コーティングでもあり得る。
【００５９】
特に、本発明の実施形態は、誘電体多層フィルタが透過されなかったものを反射するということを利用する。従って、本発明の実施形態に係るフィルタは、フィルタ基体上に第一コーティングを含み得て、励起の特定の波長範囲を透過させるが、通過帯外の波長を反射する。これによって、放出された蛍光をコーティングによって一回又は複数回反射させる一方で、反射された励起光を光学システムの外に透過させることができる。フィルタリングされた蛍光は、第一コーティングでコーティングされていない基体の一部に到達すると、フィルタ基体から出射し、一つ又は複数の検出器によってピックアップされる。
【００６０】
また、第一蛍光体に起因する所望の波長範囲を透過させるが、透過帯域外の波長（特に、残存している励起光）を反射する第二コーティングを適用することによって、後続のフィルタリングを達成することもできる。このようにして、所望の波長範囲を基体外部に透過させて、そこで一つ又は複数の適切な検出器によってピックアップし得る。また、光が基体内に又は基体外に結合される基体の領域に、反射防止コーティングを適用して、反射損失を低下させ得る。
【００６１】
第一蛍光体及び第二蛍光体が用いられる強度調査構成では、上述の第二コーティングは、第一蛍光体に関する所望の波長範囲を透過させて、透過帯域外の波長（特に、残存している励起光と、第二蛍光体に関する蛍光）を反射し得る。そして、フィルタリングされた第二蛍光体起因の蛍光は、第一又は第二コーティングでコーティングされていない基体の部分に到達すると、フィルタ基体から出射し、適切な検出器によってピックアップ可能となる。第二蛍光体に関する所望の波長範囲を透過させて、透過帯域外の波長（特に、残存している励起光）を反射させる第二コーティングを適用することによって、第二蛍光体に起因する蛍光の後続のフィルタリングを達成することができる。このようにして、所望の波長範囲を基体外部に透過させて、そこで適切な検出器によってピックアップし得る。他の実施形態では、複数の光源及び／又は検出される複数の波長範囲を含むように、システムを拡張し得る。
【００６２】
上述のフィルタ構成の実施には、光を集束、ピックアップ、及びコリメートするために、レンズ、ミラー、回折光学素子等の撮像光学素子が必要とされる。更に、光路を制御して、フィルタ基体の外に透過される望ましくない波長（例えば、遮断されるべき励起光等）を吸収するために、アパーチャ及び光トラップも必要とされ得る。この実施形態では、上述の光学素子及び光トラップは、素子と（ガラス）基体との間の空隙と共に示されている。しかしながら、光学素子及び光トラップは、フィルタ基体から見て外側に向かう表面上にミラーコーティング及び吸収コーティングを備えた光学的に透明な物質内にも形成され得る。このような構成は一般的により有利である。何故ならば、光学素子及び光トラップが、空隙が存在する場合よりも、フィルタ基体／フィルタコーティングとより良く屈折率整合されるからである。
【００６３】
上述の素子は、個別ユニットとして、コーティングされた基体表面の両側に個別に整列及びフィットされ得る。同様に、一つ又は複数の光源及び一つ又は複数の検出器を、パッケージングされたユニットとして、コーティングされたフィルタ基体上に直に積層された生のダイとして、フィルタ基体上に整列及びフィットし得て、又は、印刷回路板状に生のダイとして取り付けて、コーティングされたフィルタ基体上にユニットとして取り付け得る。
【００６４】
適切な光源として、例えば、発光ダイオード（ＬＥＤ，ｌｉｇｈｔ  ｅｍｉｔｔｉｎｇ  ｄｉｏｄｅ）、レーザダイオードが挙げられ、また、適切な検出器として、例えば、フォトダイオード、アバランシェフォトダイオード、シリコン光電子倍増管、光電子倍増管、フォトトランジスタが挙げられる。また、アセンブリされた光学システムを、コーティングして、又は筐体内に配置して、環境光を遮断し得る。
【００６５】
図１１は、本発明の一実施形態に係る単一の蛍光体を調査するための積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ，ｓｔａｃｋｅｄ  ｐｌａｎａｒ  ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｙｓｔｅｍ）を示す。図１１及び図１２を参照すると、ＬＥＤ５１０が、調査される蛍光体の吸収スペクトルと重なる波長範囲でフィルタ基体５００内に光を放出する。ＬＥＤ出力は、フィルタ基体５００に入射する前に、励起フィルタ５２０によって特定の波長範囲に制限される。フィルタリングされた励起光は、フィルタ基体の反対側の同一の励起フィルタを通ってフィルタ基体５００から出射し、第一ミラー５３０によってコリメートされる。コリメートされた励起光は、フィルタ基体を通り抜けて、第二ミラー５４０に到達して、光学窓５５０を介してセンサ５９０上に集束される。この実施形態では、センサ５９０は、図５〜図１０に関して説明したタイプのファイバ光学センサ（アッセイコンパートメント５９５内にアッセイを含む）である。
【００６６】
励起光５９１は、センサ５９０を通って伝播して、アッセイコンパートメント５９５に到達して、そこで、アッセイ内の蛍光体を励起して、蛍光体が蛍光５９３を放出する。更に、励起光は、光学窓及びセンサから反射及び後方散乱される。蛍光５９３及び反射／後方散乱励起光は、第二ミラー５４０によってピックアップ及びコリメートされて、フィルタ基体上のコーティングされていない又は反射防止コーティングされた領域５０３を介して、フィルタ基体５００に入射する。放出された蛍光が、二つのコーティングされた表面（つまり、励起フィルタ５２０）の間で反射される一方、励起光は、コーティング５２０を透過して、光トラップ５６０によって吸収される。フィルタリングされた蛍光は、コーティングされた領域が終わる箇所５０７においてフィルタ基体５００から出射して、第三ミラー５７０によって、フィルタ基体のコーティングされていない又は反射防止コーティングされた領域を介して検出器５８０上に集束される。
【００６７】
図１３は、アッセイ蛍光体及び参照蛍光体を備えたセンサを調査するための積層平坦集積光学システム（ＳＰＩＯＳ）を示す。図１３及び図１４を参照すると、ＬＥＤ５１０は、調査される二つの蛍光体の吸収スペクトルと重なる波長範囲を備えたフィルタ基体５００内に光を放出する。ＬＥＤ出力は、フィルタ基体に入射する前に、励起フィルタ５２０によって特定の波長範囲に制限される。フィルタリングされた励起光は、フィルタ基体の反対側の同一の励起フィルタを通ってフィルタ基体５００から出射し、第一ミラー５３０によってコリメートされる。コリメートされた励起光は、フィルタ基体を通り抜けて、第二ミラー５４０に到達して、光学窓５５０を介してセンサ５９０上に集束される。この実施形態では、センサ５９０は、図５〜図１０に関して説明したタイプのファイバ光学センサ（アッセイコンパートメント５９５内にアッセイを含む）である。
【００６８】
励起光５９１は、センサ５９０を通って伝播して、アッセイコンパートメント５９５に到達して、そこで、アッセイ内の蛍光体を励起して、蛍光体が蛍光５９３を放出する。更に、励起光は、光学窓及びセンサから反射及び後方散乱される。蛍光５９３及び反射／後方散乱励起光は、第二ミラー５４０によってピックアップ及びコリメートされて、フィルタ基体上のコーティングされていない又は反射防止コーティングされた領域５０３を介して、フィルタ基体５００に入射する。放出された蛍光が、二つの励起フィルタコーティング５２０の間で反射される一方、励起光は、コーティングを透過して、光トラップ５６０によって吸収される。
【００６９】
フィルタリングされた蛍光は、励起フィルタコーティングが終わる箇所５０７においてフィルタ基体５００から出射し、発光フィルタ５２５が、第一蛍光体（アッセイ蛍光体）に関係する波長範囲を透過させる。第一蛍光体からのフィルタリングされた蛍光が、第三ミラー５７０によって第一検出器５８０上に集束される一方、第二蛍光体（参照蛍光体）に関する蛍光は、フィルタ基体５００の両面上の発光フィルタ５２５の間で反射される。第二蛍光体からのフィルタリングされた蛍光は、コーティングされた領域が終わる箇所５０７又は反射防止コーティングに置換された箇所においてフィルタ基体５００から出射し、第四ミラー５７５によって、フィルタ基体のコーティングされていない又は反射防止コーティングされた領域を介して第二検出器５８５上に集束される。
【００７０】
上述のように、アッセイ蛍光体及び参照蛍光体を備えたセンサを調査するためのＳＰＩＯＳ用の光学素子、アパーチャ、及び光トラップは、素子と（ガラス）基体との間に空隙を備えて配置され得る。図１３を参照。しかしながら、光学素子及び光トラップは、フィルタ基体から見て外側に向かう表面上にミラーコーティング及び吸収コーティングを備えた光学的に透明な物質内にも形成され得る。このような構成は一般的により有利である。何故ならば、光学素子及び光トラップが、空隙が存在する場合よりも、フィルタ基体／フィルタコーティングとより良く屈折率整合されるからである。こうした構成の一例が図１４に示されていて、接続物質１５０１が光学部品の間に設けられている。
【００７１】
ＬＥＤチップの発光領域は、５００μｍの多重モードファイバに相当する面積を有する点に留意されたい。更に、ＬＥＤチップは、大きな角度空間で発光する。ファイバセンサを調査するＬＥＤを備えたＳＰＩＯＳについて、ファイバの直径が減少すると、蛍光出力は、ＬＥＤからの光をファイバ上に集束させる性能によって制限されてくる。また、光学システムに対する相対的なファイバの近位端の範囲も重要になってくる。
【００７２】
図１６Ａ及び図１６Ｂに示されるように、ファイバに関してＳＰＩＯＳの開口数が、ファイバ自体の開口数よりも小さい場合には、ＳＰＩＯＳとファイバセンサ１５９０との間の界面に複合パラボラ集光器（ＣＰＣ）１５０５を配置することによって、ＬＥＤからの光をファイバセンサ内に結合させる性能を増強させることができる。そして、ＣＰＣを用いて、ファイバの開口数を整合させて、ＬＥＤに起因する集束励起光のスポットサイズを減少させることができる。これは、ＬＥＤからファイバ内により多くの光を結合させることを可能にする。
【００７３】
例えば図１６Ａに示されるように、ＣＰＣは、ＳＰＩＯＳの一体部分であり得る。しかしながら、ＣＰＣを、ファイバの近位端状に形成することもできて、それによって、ＳＰＩＯＳが対象とする領域を増大させて、ＳＰＩＯＳに対するファイバ（近位端にＣＰＣを有する）の位置決めに対する要求を低下させる。
【００７４】
図１７に示される更に他の実施形態では、本発明の光学調査システムが、ウェーハスケールの積層平坦集積光学システム、つまりウェーハスケールＳＰＩＯＳ（“ウェーハスケール光学システム”や“ウェーハレベル光学システム”とも称される）として製造されるように設計され得る。図１７に示されるように、ＳＰＩＯＳは、積層及び整列された多様な層を含む。ウェーハ層６１０では、一つ又は複数の光源（例えば、ＬＥＤやフォトダイオード）及び検出器がウェーハ上にレイアウトされ得る。代わりに、これらは、裸チップ（例えば、アバゴ・テクノロジーやハママツ製）でもあり得て、ＳＰＩＯＳユニット上に個別に整列及び積層される。
【００７５】
一つ又は複数の光学層６２０は、ウェーハサイズの射出成形ディスク上にレイアウトされたミラー及び吸収体を含み得る。モールドインサート画定光学表面が、ダイヤモンド・ターニング／ミリング企業（例えばデンマークのカレイドテクノロジー）によって形成される。例えば、吸収体をプロセス中にマスキングオフしながら、スパッタリングすることによって、金又は保護銀がミラー表面に適用される。
【００７６】
光学フィルタ層６３０は、ウェーハサイズのガラス基体を、任意のコーティングと共に含む。特に、イオンアシストスパッタリングを用いて、多層光学コーティングを、ガラス基体の両面に適用して、耐久性のあるコーティングを形成し得る。その方法は、例えば、米国のＳｅｍｒｏｃｋや、デンマークのＤｅｌｔａによる蛍光フィルタを製造する際に用いられるものと同様である。
【００７７】
図１７に示されるように、一実施形態では、ウェーハ層６１０に、光学層６２０、光学フィルタ層６３０、及び他の光学層６２０が続き得る。そして、例えば接着によって、積層体全体を完全に整列及び積層させて、接続部をチップ上に結合する。そして、例えばダイヤモンドソーを用いて積層体をダイシング６４０して、多数の組み立てられたＳＰＩＯＳユニット６７０を形成し得る。
【００７８】
上述のシステムは、小型となり得て、大量生産に適していている。本システムは、皮膚内に埋め込まれたセンサや、ファイバセンサ等の光散乱環境下のセンサを調査するのに用いられ得る。コーティング又はパッケージングを用いて、環境光を遮断し得る。
【００７９】
上述の説明は本発明の特定の実施形態に関するものであるが、多くの修正が本発明の精神から逸脱せずに為され得ることは理解されたい。添付の特許請求の範囲は、本発明の真の範囲及び精神に落とし込まれるものとして、このような修正をカバーするものである。
【００８０】
従って、本明細書で開示される実施形態は、あらゆる側面において例示的であって限定的なものではなく、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によって定められるものであり、特許請求の範囲の等価物の意味及び範囲内の全ての変更は、その範囲に含まれるものである。
【符号の説明】
【００８１】
１００  センサ
１０５  発振器
１１０  ドライバ回路
１２３  励起光
１３０  多層誘電体フィルタ
１４０  ダイクロイックビームスプリッタ
１５０  レンズ
１６０  発光フィルタ
１７０  レンズ
１８０  光検出器
３００  センサ
３０１  蛍光
３０７  参照蛍光
３０９  アッセイ蛍光
３１０  ドライバ回路
３２３  励起光
３３０  多層誘電体フィルタ
３４０  第一ダイクロイックビームスプリッタ
３４４  第二ビームスプリッタ
３５０  レンズ
３６０  アッセイ発光フィルタ
３６４  参照発光フィルタ
３７０  レンズ
３７４  レンズ
３８０  光検出器
３８４  光検出器
４００  センサ
４１０  光ファイバ
４１２  ファイバ先端部
４２０  アッセイコンパートメント
４３０  グルコース浸透性膜
５００  フィルタ基体
５２０  励起フィルタ
５２５  発光フィルタ
５３０  第一ミラー
５４０  第二ミラー
５５０  光学窓
５６０  光トラップ
５７０  第三ミラー
５７５  第四ミラー
５８０  第一検出器
５８５  第二検出器
５９０  センサ
５９１  励起光
５９３  励起光
５９５  アッセイコンパートメント
【図５Ａ】
0005851614.tif 000003
【図５Ｂ】
0005851614.tif 000004
【図６Ａ】
0005851614.tif 000005
【図６Ｂ】
0005851614.tif 000006
【図７Ａ】
0005851614.tif 000007
【図７Ｂ】
0005851614.tif 000008
【図７Ｃ】
0005851614.tif 000009
【図７Ｄ】
0005851614.tif 000010
【図１６Ａ】
0005851614.tif 000011
【図１６Ｂ】
0005851614.tif 000012
【図１】
0005851614.tif 000013
【図２】
0005851614.tif 000014
【図３】
0005851614.tif 000015
【図４Ａ】
0005851614.tif 000016
【図４Ｂ】
0005851614.tif 000017
【図８】
0005851614.tif 000018
【図９】
0005851614.tif 000019
【図１０Ａ】
0005851614.tif 000020
【図１０Ｂ】
0005851614.tif 000021
【図１１】
0005851614.tif 000022
【図１２】
0005851614.tif 000023
【図１３】
0005851614.tif 000024
【図１４】
0005851614.tif 000025
【図１５】
0005851614.tif 000026
【図１７】
0005851614.tif 000027