(57)【要約】本発明は、複数スポット配置（６０）を使った励起（１１０）の検出のための装置（１）に関する。ここで、複数スポット配置（６０）には複数スポット発生器（５０）が対応付けられており、前記複数スポット発生器（５０）に入射する光（１００）が前記複数スポット配置（６０）上の定義された領域に案内されるようになっている。
2009501932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起、特に流体試料中のルミネセンス励起を検出する装置であって、
・スラブ‐試料界面をもつ透明スラブと；
・前記スラブに設けられた複数スポット発生器と；
・前記スラブ‐試料界面上またはその近傍に設けられた複数スポット配置とを有しており、
前記複数スポット発生器と前記複数スポット配置は、前記複数スポット発生器に入射する光が前記複数スポット配置上の定義された領域に案内されるよう対応付けられている、装置。
【請求項２】
前記複数スポット発生器が少なくとも一つの回折要素および／またはマイクロレンズ配置を有する、ならびに／または前記スラブに沿ってまたは前記スラブとともに移動可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記スラブがプリズムであり、プリズム‐試料界面の角度が、入射する励起光が該プリズム‐試料界面で全反射されるような角度であり、好ましくはプリズムの角度φが
θTIR≦φ≦π/2
となるように選択され、ここでθTIRは、全反射につながる、界面の法線に対する最小角としての全反射角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
スラブの全反射錐が
θTIR≦φ≦π/2
となる、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
スラブと試料との間の界面における（前記複数スポット発生器によって発生された）個々のスポットの強度が≧1μW/μm2かつ≦1mW/μm2である、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
スラブが
【数１】
2009501932.tif 000005
という厚さDを有しており、ここでWは前記複数スポット発生器の幅であり、θmは、発生されるルミネセンスがまだ検出できるスラブの最大角（スラブと試料との間の界面の法線に対する）である、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項７】
前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)が
2wf(q)≦wlens(q)≦s
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
前記検出が表面プラズモン励起を介してなされる、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は
0≦real（nSP／nsample）≦4
であり、および／または表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.2
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の装置を組み込んだシステムであって：
・分子診断に使われるバイオセンサー
・血液または唾液などのような複雑な生物学的混合物におけるタンパク質および核酸の高速かつ敏感な検出
・化学、薬学または分子生物学についての高スループットのスクリーニング装置
・たとえば犯罪学などにおける、（病院での）現場試験のための、中央研究所における診断のための、あるいは科学研究におけるDNAやタンパク質などについての、試験装置
・心臓学、感染症および腫瘍学、食品および環境診断のためのDNAやタンパク質の診断のためのツール
・組み合わせ化学のためのツール
・分析装置
の用途のうちの一つまたは複数で使われるシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にエバネッセント場励起についての励起の検出のための装置の分野に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
励起の検出のための装置の分野では、たとえばバイオセンサーに使われる特にエバネッセント場励起については、試料（通例、水性媒質または他の流体）との界面をもつプリズムを使うのが一般的な技法であった。プリズム中に、ある波長の光のシングルスポット・ビームまたはコリメートされたビームが全反射角より大きな角度（プリズムと試料との間の界面に対して）のもとで向けられる。これは試料との界面においてエバネッセント場を生じる。試料中に存在する種によるエバネッセント場の吸収の場合、これは励起状態の励起につながりうる。励起状態は、たとえばルミネセンス放射の生成につながるルミネセンスにより、基底状態に緩和しうる。通例、ルミネセンスは、発光性の生体分子、特に蛍光標識したタンパク質またはDNAもしくはRNA鎖といった生体分子によって引き起こされる。次いでルミネセンスが測定され、生体分子が同定される。
【０００３】
しかしながら、シングルスポット・ビームまたはコリメートされたビームをプリズム中に向けるのは次の問題がある：
広角照射の場合：この場合、プリズムと試料の間の界面の大きな面積がシングル（すなわちコリメートされた）ビームによって照射される。試料とプリズムの間の界面に若干の発光団（luminophore）（これは励起光を入力として使って光源として作用する中心についての一般名である）しか存在しないとき、たとえば界面や試料の基質／担体（たとえば水）に束縛されていない発光団に起因する、背景放射に貢献できる体積（この体積は、照射される面積とエバネッセント場の試料中への減衰長との積のオーダーをもつ）は、束縛された発光団のルミネセンス［信号］に貢献する体積よりもかなり大きい。結果として、信号対背景（背景は雑音［ノイズ］と呼ばれることもある）比はたいていの場合、貧弱である。この構成の利点は、単一の照射がプリズムと試料の間の界面の大きな面積を測定／探査することを許容するということ：短い測定時間である。
【０００４】
信号対背景比を増すために、よく知られたストレートな解決策は、たとえば絞られたスポットを使うなどして照射面積を減らすことである。この方法の欠点は、界面の大きな面積を探査するには、単一のスポットを界面にわたってスキャンする必要があるということである。さらに、ルミネセンスの場合、飽和強度より高い励起強度を使っても、蛍光信号は強まらないので、無意味である。
【０００５】
特許出願EP04106477.5は、試料との界面においてスポットの配列を生成する複数スポット発生器の使用を提案する。個々のスポットは、異なる角のもとに試料に向かって伝搬する平面波の集合と見ることができる。たとえば吸収物質の周期配列を用いたマスクなどによって試料との界面で全反射されない（そしてさもなければ試料中に伝搬していくという望ましくない効果をもつ）角度を遮蔽すると、全反射されるスポットの配列が生じる。この方法の欠点は：
・エバネッセント場に変換できる励起パワーが制限される。試料との界面で全反射されない角度のもとに伝搬するスポットの部分が遮蔽されるのである。
・スポットのスキャンは、スポットの配列と遮蔽のために使われるマスクとの同期を必要とする。
・励起光および後方に伝搬するルミネセンス光が重なり合い、そのためルミネセンスを励起光から分離するための波長分割器／フィルタが必要とされる。
【０００６】
上記と同様の議論は、表面プラズモン励起についても成り立つ。主たる相違は、表面プラズモン波の効率的な励起は、光の大きな部分が小さな範囲の角度にあることを要求することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、解像度や精度の劣化なしにより迅速な検出を許容し、利用可能な励起出力をより効率的に利用する装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、本発明の請求項１記載の装置によって解決される。したがって、励起、特に流体試料中のルミネセンス励起を検出する装置であって、
・スラブ‐試料界面をもつ透明スラブと；
・前記スラブに設けられた複数スポット発生器と；
・前記スラブ‐試料界面上またはその近傍に設けられた複数スポット配置とを有しており、
前記複数スポット発生器と前記複数スポット配置との対応は、前記複数スポット発生器に入射する光が前記複数スポット配置上の定義された領域に案内されるというものである、装置。
【０００９】
そのような装置を使うことによって、以下の利点のうち、実際の応用に依存して一つまたは複数が達成できる：
・励起パワーのエバネッセント波への変換が従来技術の解決策におけるより効率的である。すなわち、遮蔽をもつマスクによる配置と比べてスポット当たりのパワーが大きくなり、スポット当たりの最大有効パワーは飽和効果によって制限されるので、複数のスポットにパワーを分割することは、全パワーのより効率的な使用につながる。
・励起光（スラブに入射する光）およびルミネセンス（試料によって放出される光）の光路の分離がよくなる。
・本装置は通例、従来技術のものより単純である。
・本装置は前記複数スポット配置の他の光学素子（遮蔽のために使われるマスクのような）との同期を必要としない。
【００１０】
本発明の趣旨における「スラブ（slab）」の用語は、特に、直方体または角柱形のデバイスを意味し、スラブと試料との間の界面に複数スポット配置の形成を許容する。ある好ましい実施形態によれば、スラブはプリズムであるが、他の用途については、スラブが直方体の形をしているほうが好ましいこともありうる。
【００１１】
本発明の趣旨における「透明」の用語は、特に、物質が、励起波長および／またはルミネセンス波長を有する光にとって、本質的に透明である（損失が十分低い）ことを意味する。
【００１２】
本発明の趣旨における「スラブ‐試料界面」の用語は、特に、そのスラブの少なくとも一つの面が励起光にさらされている、あるいは試料に向けられていることを意味する。その際、この面が界面と呼ばれる。表面プラズモン共鳴が使われる場合（後述のように）、スラブと試料の間に設けられる表面プラズモン層がありうる。その際、「スラブ試料界面」は試料に向かって突き出ている表面プラズモン層の面を設けられる。
【００１３】
本発明の趣旨における「複数スポット発生器」は、特に、よく定義された振幅および位相分布をもつスポット・パターンをスラブ‐試料界面において発生させる装置を意味する。好ましくは、この複数スポット発生器は、そのように、強度およびスラブ‐試料界面に対する入射角を決定する。
【００１４】
本発明の趣旨における「複数スポット配置（multiple  spot  arrangement）」の用語は、特に、スラブ‐試料界面における、よく定義された振幅および位相分布をもつスポット・パターンを意味する。
【００１５】
本発明の趣旨における「定義された領域」は、特に、前記複数スポット配置を形成するために前記複数スポット発生器からの光が向けられる、スラブ‐試料界面上のある種の領域を意味する。
【００１６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器は少なくとも一つの回折要素および／またはマイクロレンズ配置を有する。これらは実際上、前記複数スポット発生器についての好適な実装であることを示している。
【００１７】
前記複数スポット発生器が回折要素を有する場合、該回折要素は次の特徴のうちの一つまたは複数を用いることが好ましい：
・前記回折要素は、スラブと試料の間の界面に複数スポット配列を発生させるよう装備される。
・前記回折要素は、励起光について透明であるべきである。
【００１８】
前記複数スポット発生器がマイクロレンズ配置を有する場合、該マイクロレンズ配置は次の特徴のうちの一つまたは複数を用いることが好ましい：
・スラブがプリズムである場合、諸マイクロレンズはさまざまな焦点距離をもち、個々のマイクロレンズのそれぞれがスラブと試料の間の界面上に焦点を絞られたスポットを発生させる。
・スラブが立方体の形である場合、諸マイクロレンズは一定の焦点距離をもち、前記レンズ配列は傾斜した（レンズ配列の面に対して）入力ビームで照射され、界面における諸スポットは全反射角よりも大きな入射角をもつ。
【００１９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)は
2wf(q)≦wlens(q)≦s
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である。
【００２０】
好ましくは、前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)は
2.5×wf(q)≦wlens(q)≦s×0.8
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である。
【００２１】
好ましくは、前記配列中の各レンズ(q)のwf(q)および焦点距離fqは次式によって計算される：
【００２２】
【数２】
2009501932.tif 000003
ここで：
f0は、前記界面と前記プリズムの斜辺との間の角度に最も近いマイクロレンズ（レンズ０）の焦点距離；
π/2−φは、スラブの界面とスラブ中に放出された光との間の角であり（これは図２より取った）、ここで、角度φは好ましくはスラブと試料との間の界面における全反射角より大きい；
dは、界面におけるスポット間のピッチである。
【００２３】
sとdは次式で結び付けられる。
【００２４】
s＝d・cosφ
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブは、入射する励起光がプリズム‐試料界面で全反射されるような角度をもつプリズム‐試料界面を有するプリズムである。プリズムの傾斜面に垂直に入射する平面波を想定すれば、好ましくは、プリズムφの角度は次のようになるよう選択される：
θTIR≦φ≦π/2
ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００２５】
前記の角度がこれらの限界の間で選ばれれば、プリズムにはいる入射光は全反射される。スポットまたはスポットの配列について、場は平面波の和（積分）として表せる。各平面波はスラブ／プリズムと試料との間の界面に対してある角度を有する。好ましくは、プリズムの角度φは、プリズム角についての上記の関係の下限よりもやや大きい。
【００２６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器はスラブに沿って、あるいはスラブとともに移動可能である。
【００２７】
そうすることにより、次の利点のうちの一つまたは複数が達成できる：
・少なくとも一つの斜辺をもつスラブの場合、複数スポット配置の焦点が、スラブと試料の間の界面上によりよく保持できる。
・前記複数スポット発生器とスラブとの整列が改善できる。
・前記複数スポット発生器とスラブとの間の界面がスラブと試料の間の界面に（本質的に）平行である場合、スラブと試料の界面に（本質的に）平行な面で焦点を絞られたスポットの配列を（2Dで）スキャンできる。
【００２８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記回折要素および／または前記複数スポット発生器にはいる光は、スラブ‐試料界面への
θTIR≦φ≦π/2
となる角度φ（スラブ‐試料界面の法線に対する）をもって複数スポット配置に達するために、曲げられるか、および／または案内される。ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００２９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器はプリズムの斜辺に沿って移動および／または並進される。
【００３０】
そうすることにより、プリズムと試料との界面上にスポットの配列を適正に合焦するよう、前記複数スポット発生器によって発生されるスポットの適正な整列が達成できる。
【００３１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブの全反射錐は、式：
θTIR≦φ≦π/2
を満たすよう設定される。ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００３２】
ある好ましい実施形態によれば、発生されるルミネセンスがまだ検出できるスラブの最大角（スラブと環境との間の界面の法線に対する）である角度θmは、式：
θm≦arctan（no／np）
を満たすよう設定される。ここで、noはデバイスの環境（通例は空気）の屈折率、npはプリズムの屈折率である。
【００３３】
ある好ましい実施形態によれば、幅Wおよび上述した角度φおよびθmを有する複数スポット発生器について、スラブDの厚さは次式を満たすよう設定される：
【００３４】
【数３】
2009501932.tif 000004
好ましくは、前記厚さは
1.5×D*≦D≦100×D*、より好ましくは2×D*≦D≦10×D*、最も好ましくは3×D*≦D≦8×D*に設定される。
【００３５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブと試料との間の界面における（複数スポット発生器によって発生された）個々のスポットの強度は≧1μW/μm2かつ≦1mW/μm2である。
【００３６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブと試料との間の界面における（複数スポット発生器によって発生された）個々のスポットの強度は、蛍光体／発光体の飽和強度より（やや）低い。
【００３７】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット配置は1Dまたは2Dの配置である。
【００３８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、励起は、表面プラズモン励起を介して行われる。プリズムと試料との間の界面で複数スポットを全反射する（その結果、試料中にエバネッセント場が生じる）代わりに、試料のほうに面するスラブ界面を表面プラズモン層でコーティングして、表面プラズモン層と試料との界面に沿って伝搬する短距離の表面プラズモン波を励起することも可能である。
【００３９】
本発明の趣旨では、短距離の表面プラズモン波は、特に、表面プラズモン層と試料との間の界面に沿って数ミクロンしか伝搬しない波である。伝搬長は少なくとも、前記複数スポット配置のスポット間のピッチよりも小さいべきであることが好ましい。
【００４０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、Au、Ag、Cr、Alまたはそれらの混合物よりなる群から選ばれる材料からできている。これらの材料は、実際上、最も好適であることが示されている。
【００４１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン（surface  plasmon）層の実屈折率（試料（sample）の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦4
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４２】
そうすることにより、試料中へのエバネッセント・テールの減衰長についての実際的な値をもつ表面プラズモンが達成できる。
【００４３】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0.01≦real（nSP／nsample）≦1.5
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４４】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.2
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−3.3≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.6
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４６】
これも、試料中へのエバネッセント・テールの減衰長についての実際的な値をもつ表面プラズモンを達成することが実際上、示されている。
【００４７】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の厚さは≧10nmかつ≦350nmであり、好ましくは≧70nmかつ≦300nmである。これらの限界値は、実際上、最も好適であることが立証されている。
【００４８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、金の材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦3.1
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、銀の材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦0.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、クロムの材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
2.0≦real（nSP／nsample）≦3.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、アルミニウムの材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0.8≦real（nSP／nsample）≦2.1
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５２】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、金の材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−3.3≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.6
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５３】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、銀の材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−4.5≦imaginary（nSP／nsample）≦−2.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５４】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、クロムの材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−4.5≦imaginary（nSP／nsample）≦−1.9
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、アルミニウムの材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−5.3
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５６】
本発明のある実施形態によれば、複数波長発生器は、前記少なくとも一つのスポット配列のスポットのうちの少なくとも一つのスポットが偏光となるよう、少なくとも一つの偏光デバイスを有する。これはたいていの用途について、のちに述べるように反射光が遮蔽手段によって遮蔽されうるという利点を有する。
【００５７】
本発明のある実施形態によれば、前記複数波長発生器は、ある偏光状態（ps1）を透過させ、別の（直交する）偏光状態（ps2）を透過させない、または反射する。
【００５８】
本発明のある実施形態によれば、前記複数波長発生器は、偏光状態を回転角δφ1度回転させる偏光回転子を少なくとも一つ有する。
【００５９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数波長発生器は、該複数波長発生器によって発生された光または該光の一部を遮蔽する遮蔽手段を有する。
【００６０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数波長発生器は、該複数波長発生器によって発生された光のある成分（偏光状態２；ps2）を遮蔽し、他方の偏光成分（偏光状態１；ps1）を透過させる第一の遮蔽手段と、前記スラブ‐試料界面で反射された光を遮蔽する第二の遮蔽手段とを有する。
【００６１】
本発明のある実施形態によれば、前記遮蔽手段は、偏光フィルタおよび／または偏光回転子を有する。
【００６２】
本発明のある実施形態によれば、前記遮蔽手段は、偏光状態を、｜δφ1＋δφ2｜＝90°となるようなδφ2度回転させる偏光回転子を少なくとも一つ有する。
【００６３】
本発明のある実施形態によれば、前記偏光デバイスがデバイスをp/s偏光に偏光させて前記遮蔽手段がp/s偏光を遮蔽し、および／または、前記偏光デバイスがデバイスをs/p偏光に偏光させて前記遮蔽手段がs/p偏光を遮蔽する。
【００６４】
本発明のある実施形態によれば、前記デバイスは、偏光状態ps2を遮蔽する偏光フィルタおよび／または偏光角をδφ1度回転させる偏光回転子を有する第一の遮蔽手段と、偏光フィルタおよび／または偏光角をδφ2度回転させる偏光回転子を有する第二の遮蔽手段とを有する。本発明のある実施形態によれば、両偏光回転子は、｜δφ1＋δφ2｜＝90°となるよう構成される。
【発明の効果】
【００６５】
本発明に基づく装置は、次のうちの一つまたは複数を含む幅広い多様なシステムおよび／または用途で有用でありうる：
・分子診断に使われるバイオセンサー
・血液または唾液などのような複雑な生物学的混合物におけるタンパク質および核酸の高速かつ敏感な検出
・化学、薬学または分子生物学についての高スループットのスクリーニング装置
・たとえば犯罪学などにおける、（病院での）現場試験（on-site  testing）のための、中央研究所における診断のための、あるいは科学研究におけるDNAやタンパク質などについての、試験装置
・心臓学、感染症および腫瘍学、食品および環境診断のためのDNAやタンパク質の診断のためのツール
・組み合わせ化学のためのツール
・分析装置。
【００６６】
上述の構成要素も、請求項の構成要素および記載される実施形態において本発明に基づいて使用される構成要素も、そのサイズ、形、材料選択および技術的概念に関するいかなる特別な例外の対象でもなく、当該分野において知られている選択基準が制限なく適用できる。
【００６７】
本発明の目的の追加的な詳細、特徴、特性および利点が従属請求項、図面および以下の各図面の説明および例において開示される。これらは――例示的な仕方で――本発明に基づく装置のいくつかの好ましい実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
図１は、本発明の第一の実施形態に基づく装置１の非常に概略的な断面図である。本装置はプリズムの形のスラブ１０を有しており、スラブ１０は試料３０との界面２０をもつ。試料３０は水性媒質または流体媒質であり、その中に発光性の、好ましくは蛍光標識された生体分子４０が存在している。
【００６９】
本装置はさらに、回折要素５０の形の複数スポット発生器を有している。該回折要素は、プリズム１０の界面２０上の複数スポット配置（６０で示す）に対応する。回折要素を介してプリズムにはいる入射光１００は、案内され、複数スポット配置６０への界面２０における複数スポットに変形される。その光は次いで反射される（符号１１０で示す）（全反射されるので、複数スポット配置はエバネッセント光として試料中に浸透する）。しかしながら、複数スポット配置のエバネッセント部分に生体分子が存在している場合、蛍光（一点鎖線２００で示す）が発され、検出されうる。こうして、試料３０中の生体分子４０の存在が示される。
【００７０】
蛍光２００を入射光１００および反射光１１０から区別するために、プリズム１０の角度φおよび全反射錐は、上記のように選ばれる。
【００７１】
〈例１〉
図１に示され、上記したような本発明の第一の実施形態のスポット配置について、次の例１によって――単に例示として――さらに解説する。
【００７２】
この例では、スポットの2D配列が複数スポット発生器（この実施形態では、回折要素）によって生成される。励起強度は、飽和強度よりやや低く設定される。
【００７３】
2D配列は、典型的な飽和強度の1μW/μm2から1mW/μm2までについて0.5ミクロンの直径をもつ円形のスポット（スポット当たり0.2μm2の面積）に設定され、結果としてスポット当たりのパワーは、スポット当たり5μWないし5ｍWとなる。全パワー10〜100mWのレーザー／LED／その他の型の光源について、これは2〜20000スポットの範囲の可能なスポット数につながる。照射される面積が1mm2（スラブと試料との間の界面において）とすると、各スポットによってスキャンされるべき面積は、50μm2から0.5mm2までで、7μmから0.7mmまでのスポット間ピッチに対応する。
【００７４】
そのようなスポット配置は、以下に記載する実施形態でもあるいは本発明の範囲内であると明らかな実施形態でも、他のいかなる実施形態についても、有用でありうることが当業者には明らかであることを注意しておくべきであろう。
【実施例１】
【００７５】
図２は、本発明の第二の実施形態に基づく装置２の非常に概略的な断面図を示している。この装置２の図１に示した実施形態との相違は、断面図（図２に示したような）で見たときにスラブ１０が長方形であるという点ならびに可動の回折要素５０が使われているという点である。回折要素は幅Wを有している。回折要素５０を介してプリズムにはいる入射光１００は、複数スポット配置６０に案内され、回折要素５０によって角度φ曲げられる。角度φは、
θTIR≦φ≦π/2
の範囲になるよう設定される。
【００７６】
スラブ１０の厚さDは好ましくは1.5×D*≦D≦10×D*であり、ここでD*は上記した通りである。
【００７７】
この実施形態では、回折要素５０は、複数スポット配置６０（よって回折要素５０の構造も）が周期的である（すなわち、各スポットは、試料との界面への伝搬の方向に沿って同じ距離を有する）よう設計される。これは、スポットのスキャンがストレートであり、回折要素５０をスラブ１０の表面に沿って並進させることによって実行できることを許容する。
【００７８】
〈例２〉
図２に示され、上記したような本発明の第二の実施形態について、次の例２によって――単に例示として――さらに解説する。
【００７９】
この例では、デバイスについて次の特徴が設定された：
スラブ：屈折率np＝1.68
試料：測定対象（たとえば検出されるべき分子）は屈折率ns＝1.3をもつ水環境中にある（すなわち、水が試料である）。
【００８０】
環境：システムは屈折率no＝1をもつ空気環境中にある。
【００８１】
複数スポット発生器：幅W＝1mm、角度φ＝60°。
【００８２】
選ばれた屈折率について、スラブと環境との間の界面における全反射を回避することは、角度θm＜36.5°がスラブ‐試料界面における全反射のためのφについての最小値よりも小さいことを要求し、φはφ＞50.7に設定される。複数スポット発生器の諸特徴を考慮に入れ、θmが全反射によって制限されているとすると、スラブの最小厚さとしてD＞2.08mmを見出す。
【実施例２】
【００８３】
図３は、本発明の第三の実施形態に基づく装置３の非常に概略的な断面図を示している。この実施形態３では、表面プラズモン共鳴が標識付けされた生体分子４０の発光を引き起こすために使われる。これらの理由のため、スラブ１０は表面プラズモン層７０で覆われている。このいわゆる表面プラズモン層は屈折率nSPを有し、好ましくは上記したような材料でできている。
【００８４】
〈例３〉
図３に示され、上記したような本発明の第二の実施形態について、次の例３によって――単に例示として――さらに解説する。
【００８５】
この例では、デバイスについて次の特徴が設定された：
プリズム：屈折率np＝1.68
層：波長688.8nmについて屈折率nm＝0.16−j×3.8をもつ金の層
媒質：水ns＝1.3。
【００８６】
この場合、表面プラズモン波は有効屈折率neff＝1.383−j×0.0077をもち、  (1/e)2減衰長は試料中で232nm、金の層中では27nmで、伝搬の方向における減衰長は14μmである。
【００８７】
金の層の厚さの、伝搬方向での減衰長に対する影響が図５に示されている。この図から、伝搬方向への減衰長は、表面プラズモン層の厚さの増大に対して、半無限の金の層についての崩壊長に向かって減少していくことが見て取れる。
【００８８】
今の例では、厚さ70nmの金の層が選ばれており、結果として次を生じる：
・20ミクロンより小さな減衰長
・そこそこ効率的な励起：入力パワーの約50%に対応する35.6%の強度反射が表面プラズモン波に変換される。
【実施例３】
【００８９】
図４は、本発明の第四の実施形態に基づく装置４の非常に概略的な断面図を示している。この実施形態は、図１と同様であるが、回折要素の代わりにマイクロレンズ８０が使われている。この実施形態は図１に示した実施形態と同じように機能するのであるが、明確のため、入射光１００および反射光１１０の経路のみが示されている。
【００９０】
図２および図３に示した実施形態においても回折要素５０の代わりにマイクロレンズ８０が使用されてもよいことを注意しておくべきであろう。
【００９１】
〈例４〉
図４に示され、上記したような本発明の第四の実施形態について、次の例４によって――単に例示として――さらに解説する。
【００９２】
屈折率np＝1.68をもつプリズムおよび励起波長600nmについて、プリズム媒質中での波長はλ＝357.14nmとなる。プリズム角を60°、スポット間のピッチを100ミクロン、焦点距離を1mmとすると、次を見出す：
レンズ配列のレンズ間ピッチs＝50ミクロン
ガウス・ビームの最小ビーム・ウエスト4.5ミクロン
ガウス・ビームのスラブ／プリズムと試料との間の界面上での投影の最小ビーム・ウエスト9.0ミクロン。
【実施例４】
【００９３】
図６は、本発明の第五の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図を示している。この装置はさらに、二つの偏光手段７０ａおよび７０ｂを有しており、このうち偏光手段７０ｂは遮蔽手段としてのはたらきもする。
【００９４】
本実施形態では、光１００は、回折要素５０ａを通過したのち、偏光手段７０ａを通過する。偏光手段７０ａは、一方の偏光状態（ps1）は透過させ、他方の（直交する）偏光状態（ps2）は透過させないまたは反射する偏光フィルタの形である。偏光状態ps2をもつ光はこの偏光フィルタによって吸収される。その後、光は、偏光状態を回転角δφ1度回転させる偏光回転子にはいる。
【００９５】
複数スポット配置中のエバネッセント部分に生体分子４０が存在している場合、蛍光（破線２００によって示されるような）が発され、これが検出されうる。それにより試料３０中の生体分子４０の存在が示される。
【００９６】
しかしながら、光１００のほとんどは第二の遮蔽手段７０ｂに向かって反射される（符号１１０）。この第二の遮蔽手段７０ｂも、｜δφ1＋δφ2｜＝90度となるようなδφ2度だけ偏光状態を回転させる偏光回転子を有している。しかしながら、遮蔽手段７０ｂ中には偏光フィルタもあるため、この光は次いで遮蔽され、遮蔽手段から出てこない（破線１１０によって示されるように）。結果として、プリズム１０内で反射された光は、当該装置を出ることを妨げられる。
【００９７】
上記の要素および特徴の特定の組み合わせは単に例示的である。これらの教示の、本特許出願ならびに参照によって組み込まれる特許および出願における他の教示との入れ換えおよび置換もはっきりと考えられている。当業者は認識するであろうが、ここに記載されたことの変形、修正および他の実装が、特許請求される本発明の精神および範囲から外れることなく当業者は思いつくことができる。したがって、以上の記述はあくまでも例であり、限定することは意図していない。本発明の範囲は付属の請求項およびその等価物によって定義される。さらに、本記載および請求項において参照符号が使われていたとしても、それは特許請求される発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第一の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図３】本発明の第三の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図４】本発明の第四の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図５】金の層の厚さの、伝搬方向での減衰長に対する影響を示す図である。
【図６】本発明の第五の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図１】
2009501932.tif 000006
【図２】
2009501932.tif 000007
【図３】
2009501932.tif 000008
【図４】
2009501932.tif 000009
【図５】
2009501932.tif 000010
【手続補正書】
【提出日】平成20年1月23日(2008.1.23)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起、特に流体試料中のルミネセンス励起を検出する装置であって、
・スラブ‐試料界面をもつ透明スラブと；
・前記スラブに接して設けられた一つの回折要素を少なくとも有する複数スポット発生器と；
・前記スラブ‐試料界面上またはその近傍に設けられた複数スポット配置とを有しており、
前記複数スポット発生器と前記複数スポット配置は、前記複数スポット発生器に入射する光が前記複数スポット配置上の定義された領域に案内されるよう対応付けられている、装置。
【請求項２】
前記複数スポット発生器がマイクロレンズ配置を有する、ならびに／または前記スラブに沿ってまたは前記スラブとともに移動可能である、請求項１記載の装置。
【請求項３】
前記スラブがプリズムであり、プリズム‐試料界面の角度が、入射する励起光が該プリズム‐試料界面で全反射されるような角度であり、好ましくはプリズムの角度φが
θTIR≦φ≦π/2
となるように選択され、ここでθTIRは、全反射につながる、界面の法線に対する最小角としての全反射角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である、請求項１または２記載の装置。
【請求項４】
スラブの全反射錐が
θTIR≦φ≦π/2
となる、請求項１ないし３のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項５】
スラブと試料との間の界面における、前記複数スポット発生器によって発生された個々のスポットの強度が≧1μW/μm2かつ≦1mW/μm2である、請求項１ないし４のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項６】
スラブが
【数１】
2009501932.tif 000011
という厚さDを有しており、ここでWは前記複数スポット発生器の幅であり、θmは、発生されるルミネセンスがまだ検出できるスラブの最大角（スラブと試料との間の界面の法線に対する）である、請求項１ないし５のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項７】
前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)が
2wf(q)≦wlens(q)≦s
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である、請求項１ないし６のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項８】
前記検出が表面プラズモン励起を介してなされる、請求項１ないし７のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項９】
表面プラズモン層の、試料の屈折率で規格化された実屈折率は
0≦real（nSP／nsample）≦4
であり、および／または表面プラズモン層の、試料の屈折率で規格化された虚屈折率は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.2
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ、請求項１ないし８のうちいずれか一項記載の装置。
【請求項１０】
請求項１ないし９のうちいずれか一項記載の装置を組み込んだシステムであって：
・分子診断に使われるバイオセンサー
・血液または唾液などのような複雑な生物学的混合物におけるタンパク質および核酸の高速かつ敏感な検出
・化学、薬学または分子生物学についての高スループットのスクリーニング装置
・たとえば犯罪学などにおける、病院での現場試験のための、中央研究所における診断のための、あるいは科学研究におけるDNAやタンパク質などについての、試験装置
・心臓学、感染症および腫瘍学、食品および環境診断のためのDNAやタンパク質の診断のためのツール
・組み合わせ化学のためのツール
・分析装置
の用途のうちの一つまたは複数で使われるシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特にエバネッセント場励起についての励起の検出のための装置の分野に向けられる。
【背景技術】
【０００２】
励起の検出のための装置の分野では、たとえばバイオセンサーに使われる特にエバネッセント場励起については、試料（通例、水性媒質または他の流体）との界面をもつプリズムを使うのが一般的な技法であった。プリズム中に、ある波長の光のシングルスポット・ビームまたはコリメートされたビームが全反射角より大きな角度（プリズムと試料との間の界面に対して）のもとで向けられる。これは試料との界面においてエバネッセント場を生じる。試料中に存在する種によるエバネッセント場の吸収の場合、これは励起状態の励起につながりうる。励起状態は、たとえばルミネセンス放射の生成につながるルミネセンスにより、基底状態に緩和しうる。通例、ルミネセンスは、発光性の生体分子、特に蛍光標識したタンパク質またはDNAもしくはRNA鎖といった生体分子によって引き起こされる。次いでルミネセンスが測定され、生体分子が同定される。
【０００３】
しかしながら、シングルスポット・ビームまたはコリメートされたビームをプリズム中に向けるのは次の問題がある：
広角照射の場合：この場合、プリズムと試料の間の界面の大きな面積がシングル（すなわちコリメートされた）ビームによって照射される。試料とプリズムの間の界面に若干の発光団（luminophore）（これは励起光を入力として使って光源として作用する中心についての一般名である）しか存在しないとき、たとえば界面や試料の基質／担体（たとえば水）に束縛されていない発光団に起因する、背景放射に貢献できる体積（この体積は、照射される面積とエバネッセント場の試料中への減衰長との積のオーダーをもつ）は、束縛された発光団のルミネセンス［信号］に貢献する体積よりもかなり大きい。結果として、信号対背景（背景は雑音［ノイズ］と呼ばれることもある）比はたいていの場合、貧弱である。この構成の利点は、単一の照射がプリズムと試料の間の界面の大きな面積を測定／探査することを許容するということ：短い測定時間である。
【０００４】
信号対背景比を増すために、よく知られたストレートな解決策は、たとえば絞られたスポットを使うなどして照射面積を減らすことである。この方法の欠点は、界面の大きな面積を探査するには、単一のスポットを界面にわたってスキャンする必要があるということである。さらに、ルミネセンスの場合、飽和強度より高い励起強度を使っても、蛍光信号は強まらないので、無意味である。
【０００５】
特許出願EP04106477.5は、試料との界面においてスポットの配列を生成する複数スポット発生器の使用を提案する。個々のスポットは、異なる角のもとに試料に向かって伝搬する平面波の集合と見ることができる。たとえば吸収物質の周期配列を用いたマスクなどによって試料との界面で全反射されない（そしてさもなければ試料中に伝搬していくという望ましくない効果をもつ）角度を遮蔽すると、全反射されるスポットの配列が生じる。この方法の欠点は：
・エバネッセント場に変換できる励起パワーが制限される。試料との界面で全反射されない角度のもとに伝搬するスポットの部分が遮蔽されるのである。
・スポットのスキャンは、スポットの配列と遮蔽のために使われるマスクとの同期を必要とする。
・励起光および後方に伝搬するルミネセンス光が重なり合い、そのためルミネセンスを励起光から分離するための波長分割器／フィルタが必要とされる。
【０００６】
上記と同様の議論は、表面プラズモン励起についても成り立つ。主たる相違は、表面プラズモン波の効率的な励起は、光の大きな部分が小さな範囲の角度にあることを要求することである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、解像度や精度の劣化なしにより迅速な検出を許容し、利用可能な励起出力をより効率的に利用する装置を提供することが本発明の目的である。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この目的は、本発明の請求項１記載の装置によって解決される。したがって、励起、特に流体試料中のルミネセンス励起を検出する装置であって、
・スラブ‐試料界面をもつ透明スラブと；
・前記スラブに接して設けられた一つの回折要素を少なくとも有する複数スポット発生器と；
・前記スラブ‐試料界面上またはその近傍に設けられた複数スポット配置とを有しており、
前記複数スポット発生器と前記複数スポット配置との対応は、前記複数スポット発生器に入射する光が前記複数スポット配置上の定義された領域に案内されるというものである、装置。
【０００９】
そのような装置を使うことによって、以下の利点のうち、実際の応用に依存して一つまたは複数が達成できる：
・励起パワーのエバネッセント波への変換が従来技術の解決策におけるより効率的である。すなわち、遮蔽をもつマスクによる配置と比べてスポット当たりのパワーが大きくなり、スポット当たりの最大有効パワーは飽和効果によって制限されるので、複数のスポットにパワーを分割することは、全パワーのより効率的な使用につながる。
・励起光（スラブに入射する光）およびルミネセンス（試料によって放出される光）の光路の分離がよくなる。
・本装置は通例、従来技術のものより単純である。
・本装置は前記複数スポット配置の他の光学素子（遮蔽のために使われるマスクのような）との同期を必要としない。
【００１０】
本発明の趣旨における「スラブ（slab）」の用語は、特に、直方体または角柱形のデバイスを意味し、スラブと試料との間の界面に複数スポット配置の形成を許容する。ある好ましい実施形態によれば、スラブはプリズムであるが、他の用途については、スラブが直方体の形をしているほうが好ましいこともありうる。
【００１１】
本発明の趣旨における「透明」の用語は、特に、物質が、励起波長および／またはルミネセンス波長を有する光にとって、本質的に透明である（損失が十分低い）ことを意味する。
【００１２】
本発明の趣旨における「スラブ‐試料界面」の用語は、特に、そのスラブの少なくとも一つの面が励起光にさらされている、あるいは試料に向けられていることを意味する。その際、この面が界面と呼ばれる。表面プラズモン共鳴が使われる場合（後述のように）、スラブと試料の間に設けられる表面プラズモン層がありうる。その際、「スラブ試料界面」は試料に向かって突き出ている表面プラズモン層の面を設けられる。
【００１３】
本発明の趣旨における「複数スポット発生器」は、特に、よく定義された振幅および位相分布をもつスポット・パターンをスラブ‐試料界面において発生させる装置を意味する。好ましくは、この複数スポット発生器は、そのように、強度およびスラブ‐試料界面に対する入射角を決定する。
【００１４】
本発明の趣旨における「複数スポット配置（multiple  spot  arrangement）」の用語は、特に、スラブ‐試料界面における、よく定義された振幅および位相分布をもつスポット・パターンを意味する。
【００１５】
本発明の趣旨における「定義された領域」は、特に、前記複数スポット配置を形成するために前記複数スポット発生器からの光が向けられる、スラブ‐試料界面上のある種の領域を意味する。
【００１６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器は少なくとも一つの回折要素および／またはマイクロレンズ配置を有する。これらは実際上、前記複数スポット発生器についての好適な実装であることを示している。
【００１７】
前記複数スポット発生器が回折要素を有する場合、該回折要素は次の特徴のうちの一つまたは複数を用いることが好ましい：
・前記回折要素は、スラブと試料の間の界面に複数スポット配列を発生させるよう装備される。
・前記回折要素は、励起光について透明であるべきである。
【００１８】
前記複数スポット発生器がマイクロレンズ配置を有する場合、該マイクロレンズ配置は次の特徴のうちの一つまたは複数を用いることが好ましい：
・スラブがプリズムである場合、諸マイクロレンズはさまざまな焦点距離をもち、個々のマイクロレンズのそれぞれがスラブと試料の間の界面上に焦点を絞られたスポットを発生させる。
・スラブが立方体の形である場合、諸マイクロレンズは一定の焦点距離をもち、前記レンズ配列は傾斜した（レンズ配列の面に対して）入力ビームで照射され、界面における諸スポットは全反射角よりも大きな入射角をもつ。
【００１９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)は
2wf(q)≦wlens(q)≦s
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である。
【００２０】
好ましくは、前記マイクロレンズ配列中の諸レンズの幅wlens(q)は
2.5×wf(q)≦wlens(q)≦s×0.8
であり、ここで、レンズ幅wlens(q)は互いに独立して選ばれ、wf(q)はレンズのすぐ背後での各スポットのビーム・ウエストであり、sは斜辺におけるスポット間の距離である。
【００２１】
好ましくは、前記配列中の各レンズ(q)のwf(q)および焦点距離fqは次式によって計算される：
【００２２】
【数２】
2009501932.tif 000012
ここで：
f0は、前記界面と前記プリズムの斜辺との間の角度に最も近いマイクロレンズ（レンズ０）の焦点距離；
π/2−φは、スラブの界面とスラブ中に放出された光との間の角であり（これは図２より取った）、ここで、角度φは好ましくはスラブと試料との間の界面における全反射角より大きい；
dは、界面におけるスポット間のピッチである。
【００２３】
sとdは次式で結び付けられる。
【００２４】
s＝d・cosφ
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブは、入射する励起光がプリズム‐試料界面で全反射されるような角度をもつプリズム‐試料界面を有するプリズムである。プリズムの傾斜面に垂直に入射する平面波を想定すれば、好ましくは、プリズムφの角度は次のようになるよう選択される：
θTIR≦φ≦π/2
ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００２５】
前記の角度がこれらの限界の間で選ばれれば、プリズムにはいる入射光は全反射される。スポットまたはスポットの配列について、場は平面波の和（積分）として表せる。各平面波はスラブ／プリズムと試料との間の界面に対してある角度を有する。好ましくは、プリズムの角度φは、プリズム角についての上記の関係の下限よりもやや大きい。
【００２６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器はスラブに沿って、あるいはスラブとともに移動可能である。
【００２７】
そうすることにより、次の利点のうちの一つまたは複数が達成できる：
・少なくとも一つの斜辺をもつスラブの場合、複数スポット配置の焦点が、スラブと試料の間の界面上によりよく保持できる。
・前記複数スポット発生器とスラブとの整列が改善できる。
・前記複数スポット発生器とスラブとの間の界面がスラブと試料の間の界面に（本質的に）平行である場合、スラブと試料の界面に（本質的に）平行な面で焦点を絞られたスポットの配列を（2Dで）スキャンできる。
【００２８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記回折要素および／または前記複数スポット発生器にはいる光は、スラブ‐試料界面への
θTIR≦φ≦π/2
となる角度φ（スラブ‐試料界面の法線に対する）をもって複数スポット配置に達するために、曲げられるか、および／または案内される。ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００２９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット発生器はプリズムの斜辺に沿って移動および／または並進される。
【００３０】
そうすることにより、プリズムと試料との界面上にスポットの配列を適正に合焦するよう、前記複数スポット発生器によって発生されるスポットの適正な整列が達成できる。
【００３１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブの全反射錐は、式：
θTIR≦φ≦π/2
を満たすよう設定される。ここで、θTIRは、全反射角（total  internal  reflection  angle）、すなわち全反射につながる、界面の法線に対する最小角：
θTIR＝arcsin（nsample／nprism）
である。ここで、nsampleは試料（sample）の屈折率、nprismはプリズム（prism）の屈折率である。
【００３２】
ある好ましい実施形態によれば、発生されるルミネセンスがまだ検出できるスラブの最大角（スラブと環境との間の界面の法線に対する）である角度θmは、式：
θm≦arctan（no／np）
を満たすよう設定される。ここで、noはデバイスの環境（通例は空気）の屈折率、npはプリズムの屈折率である。
【００３３】
ある好ましい実施形態によれば、幅Wおよび上述した角度φおよびθmを有する複数スポット発生器について、スラブDの厚さは次式を満たすよう設定される：
【００３４】
【数３】
2009501932.tif 000013
好ましくは、前記厚さは
1.5×D*≦D≦100×D*、より好ましくは2×D*≦D≦10×D*、最も好ましくは3×D*≦D≦8×D*に設定される。
【００３５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブと試料との間の界面における（複数スポット発生器によって発生された）個々のスポットの強度は≧1μW/μm2かつ≦1mW/μm2である。
【００３６】
本発明のある好ましい実施形態によれば、スラブと試料との間の界面における（複数スポット発生器によって発生された）個々のスポットの強度は、蛍光体／発光体の飽和強度より（やや）低い。
【００３７】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数スポット配置は1Dまたは2Dの配置である。
【００３８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、励起は、表面プラズモン励起を介して行われる。プリズムと試料との間の界面で複数スポットを全反射する（その結果、試料中にエバネッセント場が生じる）代わりに、試料のほうに面するスラブ界面を表面プラズモン層でコーティングして、表面プラズモン層と試料との界面に沿って伝搬する短距離の表面プラズモン波を励起することも可能である。
【００３９】
本発明の趣旨では、短距離の表面プラズモン波は、特に、表面プラズモン層と試料との間の界面に沿って数ミクロンしか伝搬しない波である。伝搬長は少なくとも、前記複数スポット配置のスポット間のピッチよりも小さいべきであることが好ましい。
【００４０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、Au、Ag、Cr、Alまたはそれらの混合物よりなる群から選ばれる材料からできている。これらの材料は、実際上、最も好適であることが示されている。
【００４１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン（surface  plasmon）層の実屈折率（試料（sample）の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦4
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４２】
そうすることにより、試料中へのエバネッセント・テールの減衰長についての実際的な値をもつ表面プラズモンが達成できる。
【００４３】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0.01≦real（nSP／nsample）≦1.5
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４４】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.2
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−3.3≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.6
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４６】
これも、試料中へのエバネッセント・テールの減衰長についての実際的な値をもつ表面プラズモンを達成することが実際上、示されている。
【００４７】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層の厚さは≧10nmかつ≦350nmであり、好ましくは≧70nmかつ≦300nmである。これらの限界値は、実際上、最も好適であることが立証されている。
【００４８】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、金の材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦3.1
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００４９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、銀の材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0≦real（nSP／nsample）≦0.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、クロムの材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
2.0≦real（nSP／nsample）≦3.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５１】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、アルミニウムの材料でできており、表面プラズモン層の実屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
0.8≦real（nSP／nsample）≦2.1
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５２】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、金の材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−3.3≦imaginary（nSP／nsample）≦−0.6
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５３】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、銀の材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−4.5≦imaginary（nSP／nsample）≦−2.8
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５４】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、クロムの材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−4.5≦imaginary（nSP／nsample）≦−1.9
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５５】
本発明のある好ましい実施形態によれば、表面プラズモン層は、アルミニウムの材料でできており、表面プラズモン層の虚屈折率（試料の屈折率で規格化する）は、
−7≦imaginary（nSP／nsample）≦−5.3
であり、ωを光の角周波数、tを時間としてexp(jωt)の時間依存性をもつ。
【００５６】
本発明のある実施形態によれば、複数波長発生器は、前記少なくとも一つのスポット配列のスポットのうちの少なくとも一つのスポットが偏光となるよう、少なくとも一つの偏光デバイスを有する。これはたいていの用途について、のちに述べるように反射光が遮蔽手段によって遮蔽されうるという利点を有する。
【００５７】
本発明のある実施形態によれば、前記複数波長発生器は、ある偏光状態（ps1）を透過させ、別の（直交する）偏光状態（ps2）を透過させない、または反射する。
【００５８】
本発明のある実施形態によれば、前記複数波長発生器は、偏光状態を回転角δφ1度回転させる偏光回転子を少なくとも一つ有する。
【００５９】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数波長発生器は、該複数波長発生器によって発生された光または該光の一部を遮蔽する遮蔽手段を有する。
【００６０】
本発明のある好ましい実施形態によれば、前記複数波長発生器は、該複数波長発生器によって発生された光のある成分（偏光状態２；ps2）を遮蔽し、他方の偏光成分（偏光状態１；ps1）を透過させる第一の遮蔽手段と、前記スラブ‐試料界面で反射された光を遮蔽する第二の遮蔽手段とを有する。
【００６１】
本発明のある実施形態によれば、前記遮蔽手段は、偏光フィルタおよび／または偏光回転子を有する。
【００６２】
本発明のある実施形態によれば、前記遮蔽手段は、偏光状態を、｜δφ1＋δφ2｜＝90°となるようなδφ2度回転させる偏光回転子を少なくとも一つ有する。
【００６３】
本発明のある実施形態によれば、前記偏光デバイスがデバイスをp/s偏光に偏光させて前記遮蔽手段がp/s偏光を遮蔽し、および／または、前記偏光デバイスがデバイスをs/p偏光に偏光させて前記遮蔽手段がs/p偏光を遮蔽する。
【００６４】
本発明のある実施形態によれば、前記デバイスは、偏光状態ps2を遮蔽する偏光フィルタおよび／または偏光角をδφ1度回転させる偏光回転子を有する第一の遮蔽手段と、偏光フィルタおよび／または偏光角をδφ2度回転させる偏光回転子を有する第二の遮蔽手段とを有する。本発明のある実施形態によれば、両偏光回転子は、｜δφ1＋δφ2｜＝90°となるよう構成される。
【発明の効果】
【００６５】
本発明に基づく装置は、次のうちの一つまたは複数を含む幅広い多様なシステムおよび／または用途で有用でありうる：
・分子診断に使われるバイオセンサー
・血液または唾液などのような複雑な生物学的混合物におけるタンパク質および核酸の高速かつ敏感な検出
・化学、薬学または分子生物学についての高スループットのスクリーニング装置
・たとえば犯罪学などにおける、（病院での）現場試験（on-site  testing）のための、中央研究所における診断のための、あるいは科学研究におけるDNAやタンパク質などについての、試験装置
・心臓学、感染症および腫瘍学、食品および環境診断のためのDNAやタンパク質の診断のためのツール
・組み合わせ化学のためのツール
・分析装置。
【００６６】
上述の構成要素も、請求項の構成要素および記載される実施形態において本発明に基づいて使用される構成要素も、そのサイズ、形、材料選択および技術的概念に関するいかなる特別な例外の対象でもなく、当該分野において知られている選択基準が制限なく適用できる。
【００６７】
本発明の目的の追加的な詳細、特徴、特性および利点が従属請求項、図面および以下の各図面の説明および例において開示される。これらは――例示的な仕方で――本発明に基づく装置のいくつかの好ましい実施形態を示す。
【発明を実施するための最良の形態】
【００６８】
図１は、本発明の第一の実施形態に基づく装置１の非常に概略的な断面図である。本装置はプリズムの形のスラブ１０を有しており、スラブ１０は試料３０との界面２０をもつ。試料３０は水性媒質または流体媒質であり、その中に発光性の、好ましくは蛍光標識された生体分子４０が存在している。
【００６９】
本装置はさらに、回折要素５０の形の複数スポット発生器を有している。該回折要素は、プリズム１０の界面２０上の複数スポット配置（６０で示す）に対応する。回折要素を介してプリズムにはいる入射光１００は、案内され、複数スポット配置６０への界面２０における複数スポットに変形される。その光は次いで反射される（符号１１０で示す）（全反射されるので、複数スポット配置はエバネッセント光として試料中に浸透する）。しかしながら、複数スポット配置のエバネッセント部分に生体分子が存在している場合、蛍光（一点鎖線２００で示す）が発され、検出されうる。こうして、試料３０中の生体分子４０の存在が示される。
【００７０】
蛍光２００を入射光１００および反射光１１０から区別するために、プリズム１０の角度φおよび全反射錐は、上記のように選ばれる。
【００７１】
〈例１〉
図１に示され、上記したような本発明の第一の実施形態のスポット配置について、次の例１によって――単に例示として――さらに解説する。
【００７２】
この例では、スポットの2D配列が複数スポット発生器（この実施形態では、回折要素）によって生成される。励起強度は、飽和強度よりやや低く設定される。
【００７３】
2D配列は、典型的な飽和強度の1μW/μm2から1mW/μm2までについて0.5ミクロンの直径をもつ円形のスポット（スポット当たり0.2μm2の面積）に設定され、結果としてスポット当たりのパワーは、スポット当たり5μWないし5ｍWとなる。全パワー10〜100mWのレーザー／LED／その他の型の光源について、これは2〜20000スポットの範囲の可能なスポット数につながる。照射される面積が1mm2（スラブと試料との間の界面において）とすると、各スポットによってスキャンされるべき面積は、50μm2から0.5mm2までで、7μmから0.7mmまでのスポット間ピッチに対応する。
【００７４】
そのようなスポット配置は、以下に記載する実施形態でもあるいは本発明の範囲内であると明らかな実施形態でも、他のいかなる実施形態についても、有用でありうることが当業者には明らかであることを注意しておくべきであろう。
【実施例１】
【００７５】
図２は、本発明の第二の実施形態に基づく装置２の非常に概略的な断面図を示している。この装置２の図１に示した実施形態との相違は、断面図（図２に示したような）で見たときにスラブ１０が長方形であるという点ならびに可動の回折要素５０が使われているという点である。回折要素は幅Wを有している。回折要素５０を介してプリズムにはいる入射光１００は、複数スポット配置６０に案内され、回折要素５０によって角度φ曲げられる。角度φは、
θTIR≦φ≦π/2
の範囲になるよう設定される。
【００７６】
スラブ１０の厚さDは好ましくは1.5×D*≦D≦10×D*であり、ここでD*は上記した通りである。
【００７７】
この実施形態では、回折要素５０は、複数スポット配置６０（よって回折要素５０の構造も）が周期的である（すなわち、各スポットは、試料との界面への伝搬の方向に沿って同じ距離を有する）よう設計される。これは、スポットのスキャンがストレートであり、回折要素５０をスラブ１０の表面に沿って並進させることによって実行できることを許容する。
【００７８】
〈例２〉
図２に示され、上記したような本発明の第二の実施形態について、次の例２によって――単に例示として――さらに解説する。
【００７９】
この例では、デバイスについて次の特徴が設定された：
スラブ：屈折率np＝1.68
試料：測定対象（たとえば検出されるべき分子）は屈折率ns＝1.3をもつ水環境中にある（すなわち、水が試料である）。
【００８０】
環境：システムは屈折率no＝1をもつ空気環境中にある。
【００８１】
複数スポット発生器：幅W＝1mm、角度φ＝60°。
【００８２】
選ばれた屈折率について、スラブと環境との間の界面における全反射を回避することは、角度θm＜36.5°がスラブ‐試料界面における全反射のためのφについての最小値よりも小さいことを要求し、φはφ＞50.7に設定される。複数スポット発生器の諸特徴を考慮に入れ、θmが全反射によって制限されているとすると、スラブの最小厚さとしてD＞2.08mmを見出す。
【実施例２】
【００８３】
図３は、本発明の第三の実施形態に基づく装置３の非常に概略的な断面図を示している。この実施形態３では、表面プラズモン共鳴が標識付けされた生体分子４０の発光を引き起こすために使われる。これらの理由のため、スラブ１０は表面プラズモン層７０で覆われている。このいわゆる表面プラズモン層は屈折率nSPを有し、好ましくは上記したような材料でできている。
【００８４】
〈例３〉
図３に示され、上記したような本発明の第二の実施形態について、次の例３によって――単に例示として――さらに解説する。
【００８５】
この例では、デバイスについて次の特徴が設定された：
プリズム：屈折率np＝1.68
層：波長688.8nmについて屈折率nm＝0.16−j×3.8をもつ金の層
媒質：水ns＝1.3。
【００８６】
この場合、表面プラズモン波は有効屈折率neff＝1.383−j×0.0077をもち、  (1/e)2減衰長は試料中で232nm、金の層中では27nmで、伝搬の方向における減衰長は14μmである。
【００８７】
金の層の厚さの、伝搬方向での減衰長に対する影響が図５に示されている。この図から、伝搬方向への減衰長は、表面プラズモン層の厚さの増大に対して、半無限の金の層についての崩壊長に向かって減少していくことが見て取れる。
【００８８】
今の例では、厚さ70nmの金の層が選ばれており、結果として次を生じる：
・20ミクロンより小さな減衰長
・そこそこ効率的な励起：入力パワーの約50%に対応する35.6%の強度反射が表面プラズモン波に変換される。
【実施例３】
【００８９】
図４は、本発明の第四の実施形態に基づく装置４の非常に概略的な断面図を示している。この実施形態は、図１と同様であるが、回折要素の代わりにマイクロレンズ８０が使われている。この実施形態は図１に示した実施形態と同じように機能するのであるが、明確のため、入射光１００および反射光１１０の経路のみが示されている。
【００９０】
図２および図３に示した実施形態においても回折要素５０の代わりにマイクロレンズ８０が使用されてもよいことを注意しておくべきであろう。
【００９１】
〈例４〉
図４に示され、上記したような本発明の第四の実施形態について、次の例４によって――単に例示として――さらに解説する。
【００９２】
屈折率np＝1.68をもつプリズムおよび励起波長600nmについて、プリズム媒質中での波長はλ＝357.14nmとなる。プリズム角を60°、スポット間のピッチを100ミクロン、焦点距離を1mmとすると、次を見出す：
レンズ配列のレンズ間ピッチs＝50ミクロン
ガウス・ビームの最小ビーム・ウエスト4.5ミクロン
ガウス・ビームのスラブ／プリズムと試料との間の界面上での投影の最小ビーム・ウエスト9.0ミクロン。
【実施例４】
【００９３】
本発明の第五の実施形態に基づく装置も考えられる。この装置はさらに、二つの偏光手段７０ａおよび７０ｂを有しており、このうち偏光手段７０ｂは遮蔽手段としてのはたらきもする。
【００９４】
本実施形態では、光１００は、回折要素５０を通過したのち、偏光手段７０ａを通過する。偏光手段７０ａは、一方の偏光状態（ps1）は透過させ、他方の（直交する）偏光状態（ps2）は透過させないまたは反射する偏光フィルタの形である。偏光状態ps2をもつ光はこの偏光フィルタによって吸収される。その後、光は、偏光状態を回転角δφ1度回転させる偏光回転子にはいる。
【００９５】
複数スポット配置中のエバネッセント部分に生体分子４０が存在している場合、蛍光（破線２００によって示されるような）が発され、これが検出されうる。それにより試料３０中の生体分子４０の存在が示される。
【００９６】
しかしながら、光１００のほとんどは第二の遮蔽手段７０ｂに向かって反射される（符号１１０）。この第二の遮蔽手段７０ｂも、｜δφ1＋δφ2｜＝90度となるようなδφ2度だけ偏光状態を回転させる偏光回転子を有している。しかしながら、遮蔽手段７０ｂ中には偏光フィルタもあるため、この光は次いで遮蔽され、遮蔽手段から出てこない（破線１１０によって示されるように）。結果として、プリズム１０内で反射された光は、当該装置を出ることを妨げられる。
【００９７】
上記の要素および特徴の特定の組み合わせは単に例示的である。これらの教示の、本特許出願ならびに参照によって組み込まれる特許および出願における他の教示との入れ換えおよび置換もはっきりと考えられている。当業者は認識するであろうが、ここに記載されたことの変形、修正および他の実装が、特許請求される本発明の精神および範囲から外れることなく当業者は思いつくことができる。したがって、以上の記述はあくまでも例であり、限定することは意図していない。本発明の範囲は付属の請求項およびその等価物によって定義される。さらに、本記載および請求項において参照符号が使われていたとしても、それは特許請求される発明の範囲を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００９８】
【図１】本発明の第一の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図２】本発明の第二の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図３】本発明の第三の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図４】本発明の第四の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【図５】金の層の厚さの、伝搬方向での減衰長に対する影響を示す図である。
【図６】本発明の第五の実施形態に基づく装置の非常に概略的な断面図である。
【国際調査報告】
2009501932.tif 000014
2009501932.tif 000015
2009501932.tif 000016