(57)【要約】本発明は、蛍光バイオセンサーチップおよび蛍光バイオセンサーチップアレンジメントに関する。この蛍光バイオセンサーチップは、基板、少なくとも１つの検出デバイス、光学フィルタ層、および固定化層を備え、ここで、この検出デバイスは、基板内または基板上に配置されて電磁放射線を検出するために使用され、光学フィルタ層は基板上に配置され、そして固定化層は、光学フィルタ層上に配置されて捕捉分子を固定化するのに使用される。この検出デバイス、光学フィルタ層および固定化層は、蛍光バイオセンサーチップに統合される。本発明の蛍光バイオセンサーチップアレンジメントは、蛍光バイオセンサーチップおよび電磁放射線供給源を備える。【特許請求の範囲】
【請求項１】
蛍光バイオセンサーチップであって、以下：
基板；
少なくとも１つの検出デバイスであって、該基板内または該基板上に配置され、電磁放射線の検出のために働く、デバイス；
該基板上に配置される光学フィルタ層；および、
該光学フィルタ層上に配置され、捕捉分子の固定のために働く、固定化層
を有し、
該検出デバイス、該光学フィルタ層および該固定層は、該蛍光バイオセンサーチップに一体化されている、
蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項２】
請求項１に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記基板は、シリコン材料から作製される、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項３】
請求項１または２に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記少なくとも１つの検出デバイスは、フォトダイオードを有し、該フォトダイオードは、第１波長範囲の電磁放射線が該フォトダイオードによって検出され得るような様式で設定されている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項４】
請求項３に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記光学フィルタ層は、該光学フィルタ層が、第２の波長範囲の電磁放射線を反射および／または吸収するような様式で設定され、前記第１波長範囲の少なくとも一部は、該第２の波長範囲の外側にある、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記光学フィルタ層は、少なくとも１つの帯域フィルタおよび／または少なくとも１つのカットオフフィルタを有する、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項６】
請求項５に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記帯域フィルタは誘電干渉フィルタであり、該フィルタは、少なくとも２種の材料を含有する層配列を有し、第１材料は、高屈折率を有し、そして第２の材料は、低屈折率を有する、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項７】
請求項５に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記カットオフフィルタは、有機材料から作製されるカラーフィルタである、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項８】
請求項６に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記第１材料は、化学元素および以下の化合物：
・酸化チタン
・窒化ケイ素
・酸化ハフニウム
・酸化ジルコニウム
・酸化アルミニウム
・ポリシリコン
・酸化インジウムスズ、および
・二酸化ケイ素
のうちの１つまたはそれらの組み合わせである、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記第２の材料は、化学元素および以下の化合物：
・酸化チタン
・窒化ケイ素
・酸化ハフニウム
・酸化ジルコニウム
・酸化アルミニウム
・ポリシリコン
・酸化インジウムスズ、および
・二酸化ケイ素
のうちの１つまたはそれらの組み合わせである、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記固定層は、以下の材料：
・二酸化ケイ素
・窒化ケイ素
・金、および／または
・有機材料
のうちの１つまたはそれらの組み合わせを有する、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１１】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記基板と前記光学フィルタ層との間に回路層をさらに有し、
・少なくとも１種の電気部品が、該回路層に組み込まれており；
・該回路層は、前記少なくとも１つの検出デバイスに電気的に結合されている、
蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記回路層は、前記少なくとも１つの検出デバイスが該回路層によって電気的に駆動され得るような様式で設定されている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１３】
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、複数の捕捉分子を有し、該複数の捕捉分子は、前記固定層に結合されており、かつ検出されるべき、該捕捉分子に相補的である分子が、該捕捉分子の各々に結合され得る様式で設定されている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１４】
請求項１３に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記捕捉分子は、以下：
・核酸分子
・ペプチド
・タンパク質、または
・低分子量化合物
である、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１５】
請求項１３または１４に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記固定層の表面セクションの下に配置された前記少なくとも１つの検出デバイスにおいて雑音信号が取り出され得るように、該表面セクションは捕捉分子を含まない、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１６】
請求項１３〜１５のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、検出されるべき各分子は、少なくとも１つの蛍光マーカーを有し、
・該蛍光マーカーは、第３波長範囲の電磁放射線を吸収し、そして吸収が起こった後に、第４波長範囲の電磁放射線を放出するような様式で設定されており；
・該第３波長範囲の少なくとも一部は、該第４波長範囲の外側にあり；
・該第４波長範囲の少なくとも一部は、前記第１波長範囲内にある、
蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１７】
請求項１６に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記蛍光マーカーは、以下の材料：
・クマリン
・ＦＩＴＣ
・Ｃｙ２
・Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ４８８
・ＢＯＤＩＰＹ  ４９３
・Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １２３
・Ｒ６Ｇ
・ＴＥＴ
・ＪＯＥ
・ＨＥＸ
・ＢＯＤＩＰＹ  ５３０
・Ａｌｅｘａ  ５３２
・Ｒ−フィコエリトリン
・ＴＲＩＴＣ
・Ｃｙ３
・ＴＡＭＲＡ
・Ｔｅｘａｓ  Ｒｅｄ
・ＲＯＸ
・ＢＯＤＩＰＹ  ６３０、および
・Ｃｙ５
のうちの１つである、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、隣接検出デバイスを光学的に隔離するための少なくとも１つの隔離溝が、該蛍光バイオセンサーチップの少なくとも１つの表面領域に導入され、該少なくとも１つの隔離溝は、各場合において検出デバイスが２つの隣接隔離溝間の各領域の下に配置されるような様式で、前記固定層を通って前記光学フィルタ層の領域に適切に延びている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項１９】
請求項１８に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、前記少なくとも１つの隔離溝の表面の少なくとも一部は、吸収材料から作製される層で覆われているか、またはここで、該溝の少なくとも１つは、吸収材料で充填されており、該吸収材料は、少なくともそれぞれの波長範囲または複数のそれぞれの波長範囲の電磁放射線を吸収または反射するような様式で設定されている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項２０】
請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップであって、吸収材料から作製されるバリア層が、各場合において検出デバイスが２つの隣接バリア層間の各領域の下に配置されるような様式で、前記回路層の少なくとも１つの領域に提供され、該吸収材料は、少なくともそれぞれの波長範囲または複数のそれぞれの波長範囲の電磁放射線を吸収または反射するような様式で設定されている、蛍光バイオセンサーチップ。
【請求項２１】
蛍光バイオセンサーチップアレンジメントであって、該蛍光バイオセンサーチップアレンジメントは、
・蛍光バイオセンサーチップを有し、該蛍光バイオセンサーチップは、以下：
○基板；
○少なくとも１つの検出デバイスであって、該基板内または該基板上に配置され、そして第１波長範囲の電磁放射線の検出のために働く、少なくとも１つの検出デバイス；
○光学フィルタ層であって、該基板上に配置され、そして第２波長範囲の電磁放射線の吸収および／または反射のために働く、光学フィルタ層；
○固定化層であって、該光学フィルタ層上に配置され、そして捕捉分子の固定のために働く、固定化層、
を備え；
○該検出デバイス、該光学フィルタ層、および該固定化層は、該蛍光バイオセンサーチップに一体化されており；
該蛍光バイオセンサーチップアレンジメントは、
・電磁放射線源を有し、該電磁放射線源は、該蛍光バイオセンサーチップの表面領域が、該電磁放射線源によって、第３波長範囲の電磁放射線で照射され得るような様式で設定されている、
蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２２】
前記電磁放射線源が、
・レーザ
・発フォトダイオード
・放電ランプ、または
・白熱電球
である、請求項２１に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２３】
前記蛍光バイオセンサーチップが、複数の捕捉分子を有し、該捕捉分子は、前記固定化層に結合されており、そして該捕捉分子は、検出されるべき、該捕捉分子に相補的な分子が、該捕捉分子の各々に結合され得るような様式で設定されている、請求項２１または２２に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２４】
前記検出される分子および／または前記捕捉分子が、蛍光マーカーを有し、
・該蛍光マーカーは、前記第３波長範囲の電磁放射線を少なくとも部分的に吸収し、そして吸収が起こった後に、第４波長範囲の電磁放射線を放出するような様式で設定されており；
・該第３波長範囲の少なくとも一部が、該第４波長範囲の外側にあり；
・該第４波長範囲の少なくとも一部が、前記第１波長範囲内にある、
請求項２３に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２５】
前記第１波長範囲の少なくとも一部が、前記第２波長範囲の外側にあるような様式で設定されている、請求項２１に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２６】
前記電磁放射線源によって放出される前記電磁放射線が、前記光学フィルタ層に垂直な方向に対して、予め決定された角度で入射するような様式で、該電磁放射線源が配向され得る、請求項２３〜２５のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【請求項２７】
前記電磁放射線源によって放出される前記電磁放射線が、パルスで放出され得るような様式で、該電磁放射線源が設定され、そして前記蛍光マーカーによって放出される電磁放射線が、前記検出デバイスによるパルス間の間隔のうちに検出され得るような様式で、該検出デバイスが設定されている、請求項２４〜２６のいずれか１項に記載の蛍光バイオセンサーチップアレンジメント。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、蛍光バイオセンサーチップおよび蛍光バイオセンサーチップアレンジメントに関する。
【背景技術】
【０００２】
バイオテクノロジーおよび遺伝子操作は、近年、重要性が増加してきた。バイオテクノロジーおよび遺伝子操作における１つの基礎的な技術は、生物学的分子（例えば、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）またはＲＮＡ、タンパク質、ポリペプチドなど）を検出し得ることである。主に、遺伝的情報がコードされる生体分子（特に、ＤＮＡ分子（デオキシリボ核酸））は、多くの医学的適用について非常に興味深い。従って、検出方法は、有機的に生じる新規の医薬および遺伝子操作に由来する新規医薬の工業的同定ならびに工業的評価において、重要性が増大する。前記検出法は、医療診断における例、薬理工学における例、化学工学における例、食料品分析における例、そして生態学的食料品工業における例に対する種々の適用を開発する。
【０００３】
ＤＮＡは、２つの互いに結合されたらせん状の個々の鎖（いわゆる片方鎖（ｈａｌｆ  ｓｔｒａｎｄ））から構築される二本鎖である。これらの片方鎖の各々は、塩基配列を有し、遺伝的情報は、塩基（アデニン、グアニン、チミン、シトシン）の順番によって規定される。ＤＮＡ片方鎖は、非常に特定の他の分子とのみ、高度に特異的に結合する特徴的な特性を有する。従って、１つの核酸鎖を別の核酸鎖にドッキングすることは、２つの分子が、互いに相補的であることを前提とする。明らかに、２つの分子は、鍵とその一致する鍵穴のように（いわゆる鍵−鍵穴原理）互いに一致しなければならない。この天然に規定される原理は、試験される液体において分子の選択的検出のために使用され得る。この原理に基づくバイオチップセンサーの基本的概念は、まず、適用され（例えば、微小分配によって）、そして適切な材料から作製される基板上に固定化され（すなわち、バイオチップセンサーの表面に恒久的に固定され）るいわゆる捕捉分子から構成される。この点について、チオール基（ＳＨ基）で生体分子を金表面に固定化することが公知である。
【０００４】
基板およびその基板に結合された、例えば、検出される特定のＤＮＡ片方鎖に対して感度の高い捕捉分子を有する、このようなバイオチップセンサーは、通常、ＤＮＡ片方鎖の存在について液体を検査するために使用され、このＤＮＡ片方鎖は、捕捉分子に対して相補的である。この目的について、特定のＤＮＡ片方鎖の存在について試験される液体は、固定化された捕捉分子と効果をもたらすように接触させられる。捕捉分子および試験されるべきＤＮＡ片方鎖が、相互に相補的である場合、そのＤＮＡ片方鎖は、捕捉分子とハイブリダイズする。すなわち、そのＤＮＡは、その捕捉分子に結合される。この結合のために計測学的に検出可能な物理量の値が、特徴的な様式で変化する場合、この量の値が、測定され得、試験されるべき液体中のＤＮＡ片方鎖の存在または非存在が、この方法において検出され得る。
【０００５】
記載された原理は、ＤＮＡ片方鎖の検出に限定されない。どちらかと言えば、基板に適用される捕捉分子と試験されるべき液体中で検出される分子とのさらなる組み合わせは、公知である。従って、例として、核酸特異的様式で結合するペプチドまたはタンパク質に対する捕捉分子として核酸を使用することが、可能である。さらに、捕捉ペプチドまたは捕捉タンパク質を結合する他のタンパク質またはペプチドに対する捕捉分子として、ペプチドまたはタンパク質を使用することは、公知である。さらに、前記低分子量化合物に結合するタンパク質またはペプチドに対する捕捉分子としての低分子量化合物の使用は、重要である。低分子量化合物は、約１７００ダルトン（ｇ／ｍｏｌの分子量）未満を有する化合物である。逆に、試験されるべき液体中におそらく存在する低分子量化合物に対する捕捉分子として、タンパク質およびペプチドを使用することもまた可能である。
【０００６】
基板上に適用される捕捉分子と試験されるべき液体中に存在する検出されるべき分子との間でもたらされる結合の検出のための電気的検出法は、公知である。従って、例として、捕捉分子が固定化される２つの電極間のキャパシタンスの値を測定することが、可能である。検出される分子が、捕捉分子とハイブリダイズする場合、キャパシタンスの値が、特徴的な様式で変化され、ハイブリダイゼーション事象は、電気的信号によって検出され得る。このようなＤＮＡセンサは、例えば、［１］に記載される。しかし、このようなＤＮＡ分子の電気的検出法の検出感度は、限界がある。さらに、電極表面での遊離電荷と直接接触される場合、高感度な生体分子（例えば、ＤＮＡ、タンパク質）が、分解され得るというような問題が、生じる。多くのタンパク質が、各タンパク質に特徴的なｐＨ値の範囲の外側で変性することは公知である。
【０００７】
代替として、検出されるべき分子のハイブリダイゼーションの検出のための光学的方法が、使用される。ハイブリダイズした分子が、一旦、蛍光色素が、一次波長範囲の光の吸収によって励起されると、特徴的な波長範囲において電磁蛍光放射線を発する能力を有する蛍光色素を有する場合、ハイブリダイゼーション事象は、光学的に検出され得る。分析物中に含まれる検出されるべき生体分子（例えば、ＤＮＡ片方鎖）は、この目的のために適切なリンカー分子によって蛍光マーカーに結合されるべきである。この方法で蛍光標識された検出されるべき生体分子が、センサ表面上に固定化された捕捉分子とハイブリダイズする場合、そして適切な波長の光が、放射される場合（この光は、蛍光マーカーによって吸収され得る）、放射される光が、蛍光マーカーによって吸収され、異なる波長の光量子が再放出される（共鳴蛍光）。センサ表面から再放出される蛍光の強度は、検出されるべきドッキングされた分子の数の指標である。原理的には、再放出された蛍光は、一次励起光より長い波長（およびより低いエネルギー）を有する。この物理的効果によって、波長依存性様式で吸収し、反射し、そして透過する適切な光学フィルタを使用することによって、励起光から蛍光を分離することを可能にする。これらのフィルタが、一次光の波長に対して不透過性であるが、対照的に、再放出光の波長に対して透過性であるように適切な様式で選択される場合、再放出光は、フィルタの下流に配置された検出器によって、検出され得る。
【０００８】
検出されるべき蛍光の強度は、しばしば、一次励起光の強度より数オーダーより小さく、このことは、蛍光について計測学的な検出をより困難にし、センサの検出感度を制限する。さらに、センサは、可能な最も大きな範囲（高いダイナミックレンジ）にわたって、蛍光の強度の定量的検出を可能にすることを意図される。その上、良好な空間的分解能は、センサアレンジメントから要求される。なぜなら、センサエレメントの配置は、しばしば、検出されるべき異なる分子を同時に検出し得るために異なる捕捉分子を備えられる。従って、高度な要件は、読み出しデバイスの光学系の質から生じる。
【０００９】
代表的には、公知の読み出しデバイスは、励起のためにレーザースキャナーおよび放出光の検出のために共焦点顕微鏡を使用する。さらに、励起波長を抑制する光学的カットオフフィルタ（長波経路）は、検出ビーム経路に挿入される。
【００１０】
図１Ａは、［２］から公知の蛍光バイオセンサーチップ１００を示す。蛍光バイオセンサーチップ１００は、光源１０１を有し、これは、広い波長範囲の光１００ａを放出する。光源１０１によって放出された光１００ａは、光源フィルタ１０２を通過する。この結果として、本質的に単色の一次光が、バイオチップ１０３に入射する。生物学的サンプルは、バイオチップ１０３に提供され、この生物学的分子は、蛍光マーカーを有する。バイオチップ１０３上の生物学的分子の蛍光マーカーは、光源１０１からの光を吸収するような方法で設定され、この光は、光源フィルタ１０２を通って伝播される。光が吸収された後、蛍光マーカーは、第２波長の光を再放出し、この光は、入射光の波長と異なる。再放出された光は、一次光１００ａ（赤方偏移）より長い波長を有する。バイオチップ１０３上の生体分子の蛍光マーカーによって再放出される光は、レンズ１０４に入射し、位置が正確な様式でＣＣＤセンサーデバイス１０６上に個々の光信号を画像化するような方法で、設定される。光がＣＣＤセンサーデバイス１０６に入射する前に、この光は、センサーフィルタ１０５を通過する。センサーフィルタ１０５は、再放出された光の波長に対して透過性であるような方法で設定されるのに対して、このセンサーフィルタは、一次光の波長に対して不透過性である。ＣＣＤ（電荷結合素子）センサアレンジメント１０６は、バイオチップ１０３に蛍光事象を記録する。しかし、器具の高い出費を有する蛍光バイオセンサーチップ１００の調整は、（この調整は、光学測定システムまたは複雑な測定システムのために必要である）は、複雑であり、このことは、改善を必要とする使いやすさを有する蛍光バイオセンサーチップ１００を生じる。これは、欠点である。さらに、蛍光バイオセンサーチップ１００は、高価である。なぜなら、これは、ＣＣＤセンサアレンジメント１０６のような高価な個々の部品を有するからである。
【００１１】
さらなる蛍光バイオセンサーチップ１１０は、［３］および［４］から公知であり、図１Ｂに示される。蛍光バイオセンサーチップ１１０は、光源１１１を有し、これは、一次波長範囲の光１１１ａを放出する。光源１１１によって放出される光１１ａは、まず、光学的エレメント１１２を通過し、次いで、光源フィルタ１０３を通過する。光源フィルタ１０３は、特定の波長または特定の波長範囲の電磁放射線にのみ透過性であるような方法で設定される。光源フィルタ１１３を通って伝播される光は、光学的反射部品１１４によって偏向され、それによって、サンプルホルダー１１５の空洞１１６に入り、ここに、試験されるべき生物学的分子が、配置される。ハイブリダイゼーション事象が、１つの空洞１１６において生じた場合、すなわち、空洞１１６のうちの１つにおいて捕捉分子とハイブリダイズした場合、適切に選択された蛍光マーカーは、光源１１１からの光を吸収し得、この光が、空洞１１６に入射し、長波長側に偏位した波長で光を放出する。一次光および再放出光は、センサーフィルタ１１７に進み、これは、蛍光放射線の波長の光に対して透過性であるのに対して、ここで、このフィルタは、一次光の波長の光に対して本質的に不透過性である。従って、理想的に排他的に、蛍光は、バイオチップ１１９上の光検出器１１８に進む。光検出器１１８での信号は、ハイブリダイゼーション事象が、光検出器１１８に空間的に対応する空洞で生じる場合にのみ、検出され得る。図１Ｂに点線で示されるように、蛍光バイオセンサーチップ１１０の個々の部品は、ユーザーによって組み立てられ得る。このことが、大きな空間的広さを生じる部品の空間的隔離を低下するが、蛍光バイオセンサーチップ１１０は、操作上の利便性が低い。さらに、蛍光バイオセンサーチップは、多くの適用についてあまりに高価である。
【００１２】
先行技術から公知の蛍光バイオセンサーチップ１１０は、複雑な構成および複雑な構造を有し、大きく、従って高価である。さらに、先行技術から公知の蛍光バイオセンサーチップは、部分的に、非常に使いにくい。さらなるセンサーチップは、［５］から公知である。このセンサーチップは、ＣＭＯＳプロセスに従って作製されたフォトダイオードおよび一体化されたＦａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔフィルタを有する。Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔフィルタは、互いに規定された距離で配置される２つの部分的に透過性のミラーから構成され、第１のミラーの内部領域は、理想的には完全に反射性であり、もう１つのミラーの内部領域は、第１のミラーよりわずかにのみ低い反射性を有する。入射光が、第１のミラーを通過する場合、第２のミラーの内部領域で、次いで、第１のミラーの内部領域で、次いで再度、第２のミラーの内部領域で、など、複数回光が反射され、小さな部分はまた、第２のミラーの内部領域で各々の反射に対して、第２のミラーを通過して伝播される。伝播される個々の光線は、Ｆａｂｒｙ−Ｐｅｒｏｔ干渉計が、特定の波長の光に対してのみ透過性であるような方法で干渉する。しかし、［５］から公知のバイオセンサーは、生物学的分子の検出のために提供されない。
【００１３】
同じことが、［６］から公知のセンサアレンジメントに適用される。基板に組込まれたフォトダイオードを基にするカメラは、［６］から公知であり、カメラによって記録される画像の画素は、３つのフォトダイオードから構成され、これらの３つのフォトダイオードは、ＲＧＢ系に従って、赤フィルタ、緑フィルタおよび青フィルタで覆われる。
【００１４】
［７］は、組込まれたサンプル検出のための場光源アレイを有する器具およびそれを用いる方法を開示する。
【００１５】
［８］は、生物学的機能性材料および化学的機能性材料で覆われたキャリアを産生するための方法を開示する。
【００１６】
［９］は、２次元の制御可能な光源としてＬＣＤマトリクスおよびＬＣＤマトリクスの反対側に面し、ＬＣＤマトリクスとＣＣＤマトリクスとの間に配置されるそれぞれのサンプル物質の光学的挙動の検出のために供されるＣＣＤマトリクスを有する光放出検出器具を記載する。
【００１７】
［１０］は、平面キャリアの表面上に固定化された物質の空間分解蛍光光学検出のための方法および器具を開示する。
【００１８】
［１１］から公知のハイブリダイゼーション検出法において、ガラスプレートのスポット上に固定されたプローブの量は、プローブを同定するための蛍光物質が光の放出を引き起こすことによって決定される。プローブにハイブリダイズされたサンプルの量は、サンプルを同定するための蛍光物質が光の放出を引き起こすことによって決定される。
【００１９】
［１２］は、蛍光伝播を使用する分析基板を開示する。
【００２０】
［１３］は、サンプル中の物質（例えば、ＤＮＡ配列）を決定するための方法およびデバイスを開示する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は、より複雑でなく、従って、より経済的な蛍光バイオセンサーチップを提供するという課題に基づく。
【００２２】
課題は、蛍光バイオセンサーチップおよび独立請求項に従う特徴を有する蛍光バイオセンサーチップアレンジメントによって解決される。
【課題を解決するための手段】
【００２３】
蛍光バイオセンサーチップは、基板、基板にまたは基板上に配置され、電磁放射線の検出のために供される少なくとも１つの検出デバイス、基板上に配置される光学フィルタ層、および光学フィルタ層に配置され、捕捉分子の固定化のために供される固定化層を有し、検出デバイス、このフィルタ層および固定化層は、蛍光バイオセンサーチップに組込まれる。
【００２４】
次いで、本発明に従って、蛍光バイオセンサーチップの全ての部品が、蛍光バイオセンサーチップに組込まれる。蛍光バイオセンサーチップの全ての部品が、空間的に非常に密接して一緒にあるという事実は、蛍光バイオセンサーチップが、非常に小さな大きさを有することを意味する。非常にコンパクトな。蛍光バイオセンサーチップは、それによって提供される。固定化層（これは、本発明に従ってセンサー面として役に立つ）および基板に組込まれる検出デバイスは（これは、ハイブリダイゼーション事象の間接的な検出のために供される）、大きさの点から見ると、代表的には、互いから１００μｍ未満離れて配置され、このことは、蛍光バイオセンサーチップの良好な空間的分解能を生じる。さらに、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップは、標準化されたＣＭＯＳ適合性半導体技術法によって作製され得るような方法で設計される。結果として、蛍光バイオセンサーチップを作製するための高価な機械を開発することは、必要ではなく、この結果として、蛍光バイオセンサーチップは、経済的かつ低い出費で作製され得る。さらに、蛍光バイオセンサーチップの個々のセンサは、経済的な材料から作製され得る。
【００２５】
本発明の蛍光バイオセンサーチップの場合において、基板は、好ましくは、シリコン材料から作製される。従って、基板は、例えば、シリコンウェハーであり得る。
【００２６】
好ましい例示的な実施形態に従って、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップの少なくとも１つの検出デバイスは、少なくとも１つのフォトダイオードを有し、第１の波長範囲の電磁放射線が、それによって検出され得るような方法で設定される。
【００２７】
少なくとも１つの検出デバイスが、基板に組込まれたフォトダイオードとして配置されるという事実は、経済的に作製され得る電磁放射線に対する高感度な検出器が提供されるということを意味する。
【００２８】
好ましくは、光学フィルタ層は、光学フィルタ層が、第２の波長範囲の電磁放射線を吸収および／または反射し、第１の波長範囲の少なくとも一部は、第２の波長範囲の外側にあるような方法で設定される。
【００２９】
明らかに、光学フィルタ層は、この光学フィルタ層の表面に入射する電磁放射線の一部を吸収および／または反射するような様式で設定され、この放射線は、フォトダイオードからシールドされることが意図される。なぜなら、この電磁放射線は、検出されるべき放射線ではないからである。電磁放射線の検出のためにフォトダイオードが感受性である、第１波長範囲の少なくとも一部が、第２波長範囲の外側にあるという事実は、このフォトダイオードによって検出されるべき電磁放射線が、少なくとも部分的に、光学フィルタ層を通過し得ることを確実にする。その結果、この吸収層は、このフォトダイオードを、検出される分子（これは、固定化層にハイブリダイズされる）から発していないような電磁放射線（例えば、周囲からの散乱光または検出される分子の蛍光マーカー（これは、適切である場合、固定化層にハイブリダイズされる）の励起のための主要な光）で照射することを抑止する。従って、蛍光バイオセンサーチップの検出感度は、光学フィルタ層の適切な選択によって、増加し得る。
【００３０】
光学フィルタ層は、好ましくは、少なくとも１つの帯域フィルタおよび／または少なくとも１つのカットオフフィルタを有する。
【００３１】
帯域フィルタは、本明細書中以下において、下限波長と上限波長との間の波長範囲において、電磁放射線に対して本質的に不透明な光学フィルタであると理解される。一方で、帯域フィルタは、下限波長より低いかまたは上限波長より高い電磁放射線に対して、本質的に透過性である。
【００３２】
カットオフフィルタは、本明細書中以下において、限界波長より低い電磁放射線に対して不透明であり、かつ限界波長より高い電磁放射線に対して透過性であるか、または限界波長より高い電磁放射線に対して不透明であり、かつ限界波長より低い電磁放射線に対して透過性であるかの、本質的にいずれかである、光学フィルタであると理解される。
【００３３】
少なくとも１つの帯域フィルタ（これは、光学フィルタ層を有し得る）は、少なくとも２つの材料（第１の材料は、高い屈折率を有し、そして第２の材料は、低い屈折率を有する）を含む層の配列を有する、誘電干渉フィルタであり得る。高い屈折率を有する第１の材料は、好ましくは、以下の材料：酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ポリシリコン（多結晶性ケイ素）またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のうちの１つである。しかし、第１の材料はまた、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり得る。さらに、第１の材料は、第１の材料が適切な屈折率を有するような様式での、上記または他の材料の任意の所望の混合物であり得る。誘電干渉フィルタのための第１の材料としての、上記材料の大部分の使用は、上記材料の層の適用が、標準的なＣＭＯＳプロセスによって実現され得るという利点を有する。このことは、蛍光バイオセンサーチップの費用に有利に影響を与える。なぜなら、これは、蛍光バイオセンサーチップが、標準化された熟考された方法によって製造されることを可能にするからである。低い屈折率を有する、誘電干渉フィルタの第２の材料は、好ましくは、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であり、これは、同様に、ＣＭＯＳプロセスに適合性であり、従って、蛍光バイオセンサーチップの、費用効果的かつ複雑さの低い製造を支持する。しかし、第２の材料もまた、以下の材料：酸化チタン（ＴｉＯ２）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、酸化ハフニウム（ＨｆＯ２）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）、ポリシリコン（多結晶性ケイ素）またはインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）のうちの１つであり得る。さらに、第２の材料は、第２の材料が適切な屈折率を有するような様式での、上記材料または他の材料の任意の所望の混合物であり得る。本発明による蛍光バイオセンサーチップの誘電フィルタの材料は、上記材料に限定されないことが強調されなければならない。十分に高い屈折率を有する他の適切な任意の材料が、高い屈折率を有する第１の材料のために選択され得、そして十分に低い屈折率を有する他の適切な任意の材料が、低い屈折率を有する第２の材料のために選択され得る。
【００３４】
誘電干渉フィルタの機能のために重要なことは、誘電干渉フィルタが、第１限界波長と第２限界波長との間の光に対して、可能な限り不透明であることが意図されることである。換言すれば、干渉フィルタは、下限波長より高い波長および上限波長より低い波長を有する電磁放射線に対して、理想的には０、現実的には可能な限り０の近くの透過係数を有するような様式で設定されることが意図される。対照的に、誘電干渉フィルタは、下限波長より低い波長または上限波長より高い波長を有する電磁放射線に対して、可能な限り透過性であること（すなわち、上記波長範囲の電磁放射線に対して、理想的には１、現実的には可能な限り１の近くの透過計数を有すること）が意図される。さらに、誘電干渉フィルタは、大きいエッジ勾配を有すること、すなわち、透過係数が、下限波長においては可能な限り急激に１から０に低下し、そして上限波長においては、可能な限り急激に０から１に上昇することが意図される。
【００３５】
誘電干渉フィルタは、好ましくは、交互の高屈折率および低屈折率を有する３１の層を含む配置である：
０．５Ｈ；Ｌ；（ＨＬ）１４；０．５Ｈ
この場合、層の厚さは、光学的波長の４分の１で特定される（すなわち、λ／４の積および商）。０．５Ｈとの指定は、高い屈折率（「Ｈ」は「高い（ｈｉｇｈ）」を表す）を有する材料から作製される層を示し、この層の厚さは、横断する媒体中で放射される４分の１波長の半分に対応する。従って、０．５Ｈとは、高い屈折率を有する材料から作製されるλ／８の層を示し、ここで、λは、真空中およびこの屈折率の培媒体中での光の波長の商である。高い屈折率を有する材料のλ／８の層に続いて、低い屈折率（「Ｌ」は、「低い（ｌｏｗ）」を表す）を有する材料のλ／４の層が存在する。これに続いて、１４のλ／４の二重層が存在し、これらの層は、高い屈折率を有する材料および低い屈折率を有する材料を交互に備える。この層の配置は、再度、高い屈折率を有する材料から作製されるλ／８の層によって、終結する。記載される層系は、二酸化ケイ素材料（低屈折率）および窒化ケイ素材料（高屈折率）の交互の層から構築される。
【００３６】
層の厚さを設定することによって、規定された入射角の光における最大屈折の波長を規定することが可能である。３１層の二酸化ケイ素／窒化ケイ素の層を備える誘電界面フィルタの、上記好ましい例示的な実施形態によれば、９９％より多くの光が、約３５０ナノメートルと約３９０ナノメートルとの間の波長範囲で反射される。
【００３７】
上記のように、本発明の蛍光バイオセンサーチップの光学フィルタ層はまた、少なくとも１つのカットオフフィルタを有し得る。このカットオフフィルタは、好ましくは、有機材料から製造されたカラーフィルタである。有機材料から作製されるようなカラーフィルタは、波長依存性の吸収計数を有する。有機材料から作製されるようなカラーフィルタは、大きいダイナミックレンジのために必要とされるように、しばしば、急勾配のフィルタエッジを有さないが、このようなフィルタは、強度のリップルをしばしば有さない（すなわち、吸収係数／波長特徴曲線において振動性の特徴を有さない）という有利な特性を有する。従って、カットオフフィルタの使用は、カットオフフィルタが帯域フィルタと組み合わせられる場合に、本発明に従って特に有利である。
【００３８】
少なくとも１つの帯域フィルタおよび／または少なくとも１つのカットオフフィルタの適切な組み合わせは、本発明の蛍光バイオセンサーチップの光学フィルタ層の吸収特性が、個々の場合の要件に対して融通して設定されることを可能にする。中程度の検出感度で十分である適用については、光学フィルタ層は、単純に構成され得る。これの代替として、光学フィルタ層は、例えば、特定の波長範囲において、蛍光バイオセンサーチップの最適化された検出感度を可能にするよう構成され得る。従って、費用効果と検出制度との間の所望の釣り合いは、本発明の光学フィルタ層の構成によって達成され得る。
【００３９】
蛍光バイオセンサーチップは、好ましくは、基板と光学フィルタ層との間に回路層をさらに備え、少なくとも１つの電気的構成要素が、この回路層に組み込まれ、そしてこの回路層は、少なくとも１つの検出デバイスに電気的に接続される。
【００４０】
回路層は、基板と光学フィルタ層との間に配置されるという事実は、標準化されたＣＭＯＳプロセスに従う回路層を備える、蛍光バイオセンサーチップを製造することを可能にする。これは、蛍光バイオセンサーチップの費用効果に寄与する。この回路層は、本質的に、固定化層上でのハイブリダイゼーション事象を電気的に読み出すために働き、この事象は、検出デバイスによって検出される。ハイブリダイゼーション事象が固定化層上で起こり、そして検出されるハイブリダイズされた分子がフォトダイオードの方向に電磁蛍光信号を放出する場合、電荷の分離がこのフォトダイオードにおいて起こり、そして回路層の電気的構成要素によって、電気的に読み出され得る。
【００４１】
特に、少なくとも１つの検出デバイスは、回路層によって電気的に起動され得る。換言すれば、各個々のフォトダイオードは、固定化層上でのハイブリダイゼーション事象に起因して、電気信号がフォトダイオードに存在するか否かに関して読み出され得る。
【００４２】
蛍光バイオセンサーチップの固定化層は、例えば、二酸化ケイ素、窒化ケイ素、有機材料および／または金の材料の１つまたは組み合わせを有する。
【００４３】
さらに、本発明による蛍光バイオセンサーチップによれば、複数の捕捉分子が固定化層に結合され得、これらの捕捉分子は、検出される、捕捉分子に相補的な分子が、結合の準備ができた捕捉分子に結合し得るような様式で設定される。特に、検出される分子の数は、蛍光バイオセンサーチップの固定化層上に固定された捕捉分子の数より大きくあり得る。蛍光バイオセンサーチップの捕捉分子の各々が、検出される分子とハイブリダイズした場合、蛍光バイオセンサーチップは、「飽和」状態にある。すなわち、このチップは、結合の準備ができた捕捉分子をもはや有さず、その結果、検出されるハイブリダイズされない分子は、適切である場合、蛍光バイオセンサーチップの、飽和状態にはない他の捕捉分子とハイブリダイズし得る（例えば、複数の蛍光バイオセンサーチップの配置の場合）。捕捉分子は、特に、核酸（ＤＮＡまたはＲＮＡ）、ペプチド、ポリペプチド、タンパク質または低分子量化合物であり得る。化学において、低分子量化合物とは、１７００ダルトン（１モルあたりのグラム数での分子量）未満の分子量を有する化合物であると理解される。固定化層が製造される材料は、結合されるべき捕捉分子と配位する。これらの捕捉分子は、微小分配技術によって、固定化層の表面に固定される。この場合、結合が、固定化層の材料と、固定化層の材料と化学的に結合するような捕捉分子の末端基との間に、自動的に形成される（「自己アセンブリ」技術）。特定の材料の対である金／硫黄は、この点に関して特に有利な特性を有し、その結果、捕捉分子の硫黄含有基（例えば、チオール末端基）の、金材料から製造された固定化層との結合は、特に有利な組み合わせであると言える。
【００４４】
捕捉分子は、検出されるべきでありかつ捕捉分子に相補的な非常に特別な分子に対して、非常に選択的に感受性である。換言すれば、検出される、非常に特別な、構造的に適合する分子のみが、特定の捕捉分子によって捕捉される。従って、異なる捕捉分子が固定化層の表面上に提供される場合、検出される異なる物質の並行分析が可能である。検出される異なる物質（例えば、異なるＤＮＡの半鎖または異なるタンパク質）の並行分析は、時間を節約する効果を有し、そして「ハイスループットスクリーニング」分析について特に興味深い。従って、未知の組成の溶液の分析は、理想的には、本発明の蛍光バイオセンサーチップを使用して、単一分析工程で実現され得る。このような非常に並行した分析は、時間を節約する効果を有する。
【００４５】
固定化層の表面に固定され、そして検出デバイスの上記１つに本質的に配置される捕捉分子は、この検出デバイスに関連するセンサーとして働き得る。本発明による蛍光バイオセンサーチップを使用する場合、捕捉分子とハイブリダイズする、検出される分子からの、検出される光のみが、検出デバイスに入射するわけではなく、むしろ、周囲からの散乱光または蛍光マーカーの励起のために提供される主要な光もまた、検出デバイスに入射するという問題が、ここで生じる。この寄生的な電磁放射線は、この検出デバイスの信号を壊す。従って、この雑音信号（またはバックグラウンド信号）の強度を定量的に検出し、そしてこれを、検出された信号から減算することが望ましい。これは、本発明によって、固定化層の表面セクションに捕捉分子が存在せず、その結果、雑音信号が、表面セクションより下に配置される少なくとも１つの検出デバイスにおいて取り出され得るという事実のおかげで、実現され得る。
【００４６】
雑音信号が他の全ての検出デバイスの信号から減算されるという事実は、他の信号から、寄生的な散乱光の寄与が、検出される蛍光から分離され得、これによって、蛍光バイオセンサーチップの検出感度を増加させることを意味する。雑音信号（バックグラウンドまたはバックグラウンド信号ともまた称される）もまた、複数の検出デバイスによって同時に測定され得、このことはさらに、検出感度を増加させる。
【００４７】
好ましくは、検出される分子および／または捕捉分子は、蛍光マーカーを有し、この蛍光マーカーは、第３波長範囲の電磁放射線を吸収し、そしてこの吸収が起こった後に、第４波長範囲の電磁放射線を放出するような様式で設定され、第３波長範囲の少なくとも一部は、第４波長の外側にあり、第４波長範囲の少なくとも一部は、第１波長範囲内にある。
【００４８】
本発明の蛍光バイオセンサーチップの機能が、以下に明確に記載される。蛍光マーカーを用いて検出される分子が、蛍光バイオセンサーチップの表面の捕捉分子に結合していない場合、外部で放射される光は、捕捉分子を通過し、そして固定化層は、本質的に減衰されない。しかし、内部で放射される光は、適切に選択されたフィルタ層によって反射され、従って、基板に統合されたフォトダイオードまでは通過しない。
【００４９】
対照的に、蛍光バイオセンサーチップの表面が、検出される分子を含む溶液と接触される場合、検出される分子は、蛍光バイオセンサーチップの固定化層上に配置された捕捉分子と検出される分子とがキーロック原理に従って適合する場合、この捕捉分子とハイブリダイズし得る。検出されるハイブリダイズした分子は、適切な蛍光マーカーを与えられる。代替として、捕捉分子もまた、蛍光マーカーを与えられ得る。蛍光マーカーとは、特定波長範囲の電磁放射線（上で第３波長範囲と称される）を吸収し、そして吸収が起こった後に、異なる波長範囲の電磁放射線（上で第４波長範囲と称される）を放出する分子群である。蛍光マーカーは、内部で放射される光と比較して、増加した波長を有する電磁放射線を再放出する。蛍光マーカーは、通常、いわゆるリンカー分子（すなわち、検出される分子を蛍光マーカー（または捕捉分子）に結合する分子）によって、検出される分子に結合される。蛍光マーカーが結合された、検出される分子が、固定化層の表面に固定された捕捉分子にハイブリダイズする場合、この蛍光マーカーは、固定化層に空間的に近く位置付けられる。適切な波長範囲の光が外部で放射される場合、この電磁放射線は、蛍光マーカーによって吸収され得るが、但し、この電磁放射線は、少なくとも、第３波長範囲（この範囲内で、蛍光マーカーは電磁放射線を吸収し得る）内の波長を有する。その結果、蛍光マーカーは、平均寿命によって特徴付けられる電子励起状態に入る。この平均寿命による平均の際に、蛍光マーカーは、第４波長範囲の電磁放射線を再放出し、この第４波長範囲は、第３波長範囲より長い波の、より多くの電磁放射線を有する。換言すれば、蛍光マーカーによって再放出される光は、入射光より長い波長を有する。しかし、再放出される光の強度は、代表的に、例えば外部放射源によって提供される入射光の強度より数桁低い。第４波長範囲の蛍光および吸収されない外部入射光は、固定相を通過し、そして光学フィルタ層に達する。上記のように、光学フィルタ層は、この光学フィルタ層が第２波長範囲の電磁放射線をすべて反射させ、第２波長範囲の少なくとも一部（ここで、検出デバイスが電磁放射線を検出し得る）が第２波長範囲の外側にあるような様式で、設定される。第２波長範囲（ここで、光学フィルタ層は、全反射を起こす）は、本発明によって、外部入射光が本質的に反射され、そして第４波長範囲の光（これは、蛍光マーカーによって再放出される）が光学フィルタ層を本質的に透過するような様式で設定される。その結果、本質的に、弱い強度の蛍光のみが、フィルタ層を通過し、一方で、強い強度の外部光（これは、蛍光マーカーを励起させるために働く）が反射される。第４波長範囲の電磁放射線（これは、特定の捕捉分子に位置する蛍光マーカーによって放出される）は、光学フィルタ層を透過し、そして本質的に透明な回路層を通過した後に、理想的には、基板におけるフォトダイオード（これは、放射性の蛍光マーカーから最少の距離にある）に通る。フォトダイオード（これは、第１波長範囲の電磁放射線がこれによって検出され得るような様式で設定される）は、第４波長範囲の電磁蛍光放射線を検出するために適切である。なぜなら、本発明による蛍光バイオセンサーチップは、第４波長範囲の少なくとも一部が第４波長範囲内にあるような様式で設定されるからである。その結果、フォトダイオードは、蛍光放射線を検出するために適切であり、従って、このフォトダイオード上に配置された捕捉分子に対するハイブリダイゼーション事象を間接的に検出するために適切である。
【００５０】
代替として、ハイブリダイゼーション現象は、蛍光放射を検出することによって検出され得る。すなわち検出されるべき分子が、蛍光マーカーを有する捕獲分子にドッキングした後、センサ面が、検出されるべきドッキングした分子を有さない蛍光マーカーを有する捕獲分子が、物質によってセンサ面から除去されるような様式で構築され物質と操作的に接触し、ここで、検出されるべき分子がドッキングした捕獲分子もまた、物質の存在下でセンサ面においてドッキングしたままである。一旦、捕獲分子にハイブリダイズした検出されるべき分子を有さない蛍光マーカーを有する捕獲分子が、除去されると、分子が検出される蛍光マーカーを有する捕獲分子のみが、センサ面に残ったままになる。これらのハイブリダイゼーション現象は、次いで、上記の原理に従って、捕獲分子に結合した蛍光マーカーの蛍光放射の検出によって、検出され得る。記載される代替の概念によると、蛍光マーカーを検出されるべき分子に結合する必要はなく；その代わり、蛍光マーカーを捕獲分子に結合することが可能である。
【００５１】
さらなる代替の概念によると、蛍光マーカーは、ハイブリダイゼーション現象の後のみに添加され得る。蛍光マーカーが、捕獲分子にハイブリダイズした検出されるべき分子を有する捕獲分子にのみ結合するように構築される場合（例えば、二本鎖ＤＮＡにのみ結合する）、蛍光マーカーにより放射される電磁線の強度は、生じるハイブリダイゼーション現象の数に特徴的である。
【００５２】
本発明によると、異なる蛍光マーカーを有する異なる分子を検出するために、異なる蛍光マーカーを使用することもまた可能である。このことは、分析物の異なる成分が同時に試験および定量され得る手段による並行分析を可能にする。
【００５３】
例として、クマリン（１，２−ベンズピロン２Ｈ−１−ベンズピラン−２−オン、Ｃ９Ｈ６Ｏ２）が、蛍光マーカーとして使用される。蛍光色素のクマリンは、波長３７０ナノメートルを有する電磁線で励起された場合、約４６０ナノメートル付近の波長範囲の電磁蛍光放射を再放射するという特性を有する。従って、蛍光マーカーのクマリンは、再放射された電磁線の十分に強いレッドシフトを保証し、その結果、励起電磁放射線および放出される電磁線は、互いに容易に分離され得る。任意の他の適切な材料（例えば、ＦＩＴＣ、Ｃｙ２、Ａｌｅｘａ  Ｆｌｕｏｒ  ４８８、ＢＯＤＩＰＹ  ４９３、Ｒｈｏｄａｍｉｎｅ  １２３、Ｒ６Ｇ、ＴＥＴ、ＪＯＥ、ＨＥＸ、ＢＯＤＩＰＹ  ５３０、Ａｌｅｘａ  ５３２、Ｒ−フィコレイトリン、ＴＲＩＴＣ、Ｃｙ３、ＴＡＭＲＡ、Ｔｅｘａｓ  Ｒｅｄ、ＲＯＸ、ＢＯＤＩＰＹ  ６３０およびＣｙ５）もまた、蛍光マーカーとして使用され得る。
【００５４】
蛍光バイオセンサチップの表面は、好ましくは、個々のセンサアレイのマトリクス様配置を有する。上記のように、個々のセンサアレイの各々が、回路層によって個別に読みとられ得る。センサアレイの集積密度を増大するために、このセンサアレイは、可能な限り密に配置される。このことは、「ハイスループットスクリーニング」適用に有利である。言い換えると、センサアレイの密な配置は、あるセンサアレイから隣のセンサアレイまでの光学的クロストークが生じ得るという危険性と関連する。基板に集積されたフォトダイオードが、その上に固定された捕獲分子を含む固定層を、位置的に正確な様式で画像化する。結果として、フォトダイオードは、本質的にこのフォトダイオードの上に配置された捕獲分子の蛍光放射線に対して本質的に感受性となる。次いで、光学的クロストークは、蛍光マーカーの電磁蛍光放射は、本質的に下にあるフォトダイオード上に放射されるのではなく、例えば、前者のフォトダイオードの左側または右側に配置された別のフォトダイオードの方向で放射されることを意味することが理解される。結果として、捕獲分子におけるハイブリダイゼーション現象が、この捕獲分子の下に配置されていないフォトダイオードによって誤って検出される危険性が存在する。本発明の１つの利点は、本発明によると、隣接するセンサアレイの間の光学的クロストークを抑制または防止する可能性が生じることである。このことは、蛍光バイオセンサチップ上のセンサの高い集積密度が減少した光学的クロストークと組み合わされるという有利な効果を生じる。
【００５５】
この目的を達成するために、好ましくは、隣接する検出デバイスを光学的に隔離するための少なくとも１つの隔離溝が、蛍光バイオセンサチップの少なくとも１つの表面領域に導入され、この少なくとも１つの隔離溝は、検出デバイスが、各々の場合において２つの隣接する隔離溝の間の各領域の下に配置される様な様式で、固定光学フィルタ層の領域まで固定層をまっすぐに通って延びる。好ましくは、少なくとも１つの隔離溝の表面の少なくとも一部が、吸収性材料から作製された層で覆われるか、またはこれらのトレンチのうち少なくとも１つが、吸収材料で満たされ、この吸収材料は、それぞれの波長範囲の少なくとも一部またはそれぞれの波長範囲の電磁線を吸収または反射するような様式で、構成される。
【００５６】
上記のように、入射光の方向に対して第１のフォトダイオードの本質的に上に配置された蛍光マーカーが、下に位置するフォトダイオードではなく、隣接するフォトダイオードが配置される方向で蛍光放射線を放射する場合、適切な様式でフォトダイオードの間に導入され、電磁線を吸収する材料で少なくとも部分的に満たされたトレンチは、電磁蛍光放射線が「間違った」フォトダイオードによって検出されるのを防止し得る。間違った検出の代わりに、この蛍光放射線は、このトレンチ中の吸収材料によって吸収される。
【００５７】
これは、光学的クロストークの危険性を軽減させる。このことは有利である。なぜなら、これは、蛍光バイオセンサチップの検出感度を増大し、かつ誤差に対する蛍光バイオセンサチップの感度を減少するからである。
【００５８】
光学的クロストークは、吸収材料から作製されたバリア層が、検出デバイスが、各々の場合において２つの隣接するバリア層の間の各領域の下に配置される様な様式で、回路層の少なくとも１つの領域に設けられるという点で、さらに減少され得、この吸収材料は、それぞれの波長領域の少なくとも一部またはそれぞれの波長領域の電磁線を吸収または反射するような様式で構築される。
【００５９】
上記のように、例えば、エッチングされた隔離溝が、固定層に、および少なくとも部分的に光学フィルタ層に導入される。蛍光マーカーによってある角度で再放射される（その結果、蛍光放射線は、蛍光マーカーの下のフォトダイオードの左または右に配置されるフォトダイオードに向かう経路において、隔離溝を通過しないが、回路層を通って隔離溝の下を通過する）蛍光放射線が、隔離溝にもかかわらず、「間違った」フォトダイオードによって検出され得る。従って、光学的クロストークの危険性が、この隔離溝によって、軽減されるが、完全に軽減される必要はない。
【００６０】
光学的クロストークをさらに軽減するために、上記のように、吸収材料から作製されたバリア層を回路層に導入することが可能である。このバリア層は、隔離溝の吸収材料と本質的に同じ機能、すなわち、「間違った」フォトダイオードへの経路において蛍光放射線を吸収および／または反射する機能を有する。しかし、このバリア層は、回路層においてこの機能を果たし、一方、隔離溝は、固定層および光学フィルタ層においてこの機能を果たす。このバリア層は、好ましくは、回路層における二重機能を満たす。言い換えると、上記のように、光学的クロストークは、バリア層により防止される；言い換えると、吸収性および／または反射性のバリア層は、これらが導電性材料から製造されている限り、回路層において電子部品の機能も果たし得る。従って、例として、バリア層は、基板におけるフォトダイオードへの導線として働き得る。このバリア層は、好ましくは、金属性相互接続部または通過穴であり、これらは回路層に挿入され、そして電磁放射線を吸収／反射する導電性材料で満たされる。このバリア層は、隣接するセンサアレイの間の光学的クロストークをさらに減少させ、それにより、検出感度を増大する。言い換えると、光学的クロストークを減少させるための手段として、言い換えると、電気的に集積された部品としての、本発明に従うバリア層の二重機能は、経済的でありかつ空間の節約になる。
【００６１】
本発明は、蛍光バイオセンサーチップおよび電磁放射線供給源を有する蛍光バイオセンサーチップアレンジメントをさらに提供する。この蛍光バイオセンサーチップは、基板、その基板の中にまたはその基板上に配置され、第１波長範囲の電磁放射線を検出するために作用する少なくとも１つの検出デバイス、その基板上に配置され、第２波長範囲の電磁放射線を吸収し、そして／または反射するように作用する光学フィルタ層、その光学フィルタ層上に配置され、捕捉分子を固定化するように作用する固定化層を有し、その検出デバイス、フィルタ層および固定化層は、蛍光バイオセンサーチップに一体化されている。その電磁放射線供給源は、蛍光バイオセンサーチップの表面領域が、電磁放射線供給源によって第３波長範囲の電磁放射線で照射され得るように設定されている。
【００６２】
本発明に従う蛍光バイオセンサーチップを言及して、上記でさらに記載されているそれら全ての精密な推論（ｒｅｆｉｎｅｍｅｎｔ）もまた、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップアレンジメントに適用することが強調されなければならない。
【００６３】
本発明の蛍光バイオセンサーチップアレンジメントは、本質的に、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップに加えて、電磁放射線供給源を有する。その電磁放射線供給源は、第３波長範囲の電磁放射線で蛍光バイオセンサーチップの表面領域を照射するために提供される。その電磁放射線供給源は、好ましくは、レーザー、発フォトダイオード、ガス放電ランプまたは白熱電球である。その電磁放射線供給源がレーザーとして設計される場合、このことにより、蛍光バイオセンサーチップの表面が単色の狭帯域光で照射され得る。単色光は、光吸収特性が波長依存性であるフィルタ層によって、容易にフィルタを通して除かれ得る（ｆｉｌｔｅｒｅｄ  ａｗａｙ）。
【００６４】
その蛍光バイオセンサーチップアレンジメントは、複数の捕捉分子をさらに有し、その複数の捕捉分子は、固定化層にカップリングされ、捕捉分子に相補的な検出される分子が、捕捉分子にカップリングされ得るように設定される。その捕捉分子は、蛍光バイオセンサーチップを参照して上で記載されている様式の固定化層にカップリングされる。
【００６５】
さらに検出される各分子は、蛍光マーカーを有し、この蛍光マーカーは、第３波長範囲の電磁放射線を少なくとも部分的に吸収し、吸収がもたらされた後に、第４波長範囲の電磁放射線を放射するように設定され、第３波長範囲の少なくとも一部分は、第４波長範囲の外側にあり、そして第４波長範囲の少なくとも一部は、第１波長範囲内にある。さらに、第１波長範囲の少なくとも一部は、第２波長範囲の外側にある。
【００６６】
本発明に従う蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの機能性は、以下により詳細に記載される。その蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの表面は、電磁放射線供給源によって、第３波長範囲の電磁放射線で照射される。捕捉分子が固定化された固定化層は、本発明の蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの表面に据えられる。検出される分子を含有する溶液は、この活性センサー表面と作動可能に接触した状態にされる。この溶液中に位置している、検出される分子は、固定化層上に固定化された捕捉分子と十分に相補的であり、次いで、検出される分子は、捕捉分子とハイブリダイズする。その検出される分子は、リンカー分子によって、蛍光マーカーに連結され、例えば、その蛍光マーカーは、第３波長範囲の電磁放射線を少なくとも部分的に吸収するように設定される。従って、検出される分子のその捕捉分子へのハイブリダイゼーションの後に、電磁放射線供給源によって放射される光は、検出される分子における蛍光マーカーによって吸収される。その蛍光マーカーは、第３波長範囲の電磁放射線の吸収後に、その蛍光マーカーが、第４波長範囲の電磁放射線を放射するように設定され、第３波長範囲の少なくとも一部分は、第４波長範囲の外側にある。このことは、その蛍光マーカーの蛍光放射線が、電磁放射線供給源によって提供される第３波長範囲の以前に吸収された放射より長い波長を有することを意味する。第３波長範囲の主な放射および第４波長範囲の蛍光放射線は、固定化層を通して透過し、次いで、光学フィルタ層へと通過する。その光学フィルタ層は、第２波長範囲の電磁放射線が、光学フィルタ層によって、吸収そして／または反射されるように、設定される。理想的には、その光学フィルタ層は、第３波長範囲の電磁放射線を完全に反射するかまたは吸収し、この第３波長範囲の電磁放射線は、外部電磁放射線供給源に由来する。対照的に、その光学フィルタ層は、理想的には、第４波長範囲の電磁放射線を完全に伝達し、この第４波長範囲の電磁放射線は、蛍光マーカーに由来する。言い換えると、その光学フィルタ層は、蛍光に対して完全に透過性であるように設定されるのに対して、電磁放射線供給源からの光に対しては完全に不透過性である。
【００６７】
結果として、理想的にはもっぱら、蛍光放射線は、基板に一体化され、第１波長範囲の電磁放射線を検出するように作用する検出デバイスへと通過する。本発明に従って、蛍光マーカーの蛍光放射線が存在する範囲内の第４波長範囲の少なくとも一部分は、検出デバイスが電磁放射線を検出し得る範囲内の第１波長範囲内にある。結果として、蛍光とともに検出される分子の、固定化層の表面に結合された捕捉分子とのハイブリダイゼーションは、基板に一体化されたフォトダイオードでの電気信号によって検出され得る。この場合、関連する波長範囲の適切な設定は、極めて重要である。
【００６８】
蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの検出感度を増大させることを可能にする本発明の蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの精密な推論が、以下に説明される。
【００６９】
好ましくは、電磁放射線供給源は、電磁放射線が、光学フィルタ層と垂直な方向に対する所定の角度にて電磁放射線供給源によって放射されるように配向され得る。
【００７０】
明らかに、電磁放射線供給源の電磁放射線が、捕捉分子上に入射する方向は、例えば、平行な光アレイのビームを発生させる電磁放射線供給源を使用することによって、そしてこの電磁放射線供給源が、置き換え可能な、回転可能な、旋回可能な、または傾け可能な様式で設定されることによって、予め決めることが可能である。その蛍光マーカーに対する励起光の傾斜した入射によって、光学フィルタを透過した励起光のその一部は、そのフォトダイオードに対して直接衝突せず、そのフォトダイオードは、本質的に、吸収性かつ発光性の蛍光マーカーの下に配置される。言い換えると、蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの検出感度を低下させる妨害性の主な光は、部分的に、「幾何学的に」遮蔽される。傾いて入射する励起光により、隣接するフォトダイオードにおいて不利な効果が現れないように、その傾いて入射する励起光は、適切であれば、上記のような隔離溝および／またはバリア層によって検出から遮蔽され得る。
【００７１】
電磁放射線供給源の電磁放射線の傾いた入射を利用することによって、陰影効果が、蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの検出感度を上げるために、有利には利用され得る。
【００７２】
本発明の別の精密な推論に従うと、電磁放射線供給源は、電磁放射線供給源によって放射される電磁放射線が、パルス状に放射されるように設定され、ここでその検出デバイスは、蛍光マーカーによって放射される電磁放射線が、検出デバイスによって、パルス間の時間間隔にて検出され得る。
【００７３】
このことは、励起光を吸収した後の蛍光マーカーの励起された電気状態が、ゼロとは異なる測定可能な寿命を有するという物理的効果を利用する。励起光の短いパルスが、電磁放射線供給源によって、蛍光マーカーに放射されると、その蛍光マーカーは、光吸収によって、励起した電気状態になる。その蛍光マーカーによって吸収されない入射光は、光が高速であるので、実質的に瞬間的に検出デバイスに達するが、その検出デバイスの信号は、この時点で遅れないでは検出されない。言い換えると、その検出デバイスは、パルスの間にスイッチが切られる。蛍光マーカーの励起した電気状態の平均的な寿命に本質的に対応する時間感覚の後に、時間が遅れた電磁蛍光波（ｔｉｍｅ−ｄｅｌａｙｅｄ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ  ｗａｖｅ）が、蛍光マーカーによって放射される。時間の遅れは、励起された電気状態の本来の寿命の大きさのオーダー（約マイクロ秒〜ナノ秒）である。検出デバイスの測定信号が、この時間の遅れの後まで記録されない場合、励起光の寄生検出（ｐａｒａｓｉｔｉｃ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ）が避けられ、蛍光放射線のみが検出される。この目的で、十分に良好な時間的分解能を有する検出デバイスが、好ましくは、選択される（例えば、サブナノ秒範囲の時間的分解能を有するフォトダイオード）。主な光の検出を抑制することは、本発明の蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの検出感度を上げる。
【００７４】
本発明の例示的実施形態は、図面に例示され、以下により詳細に説明される。
【００７５】
本発明の第１の例示的実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップ１００は、図２を参照して以下に記載される。
【００７６】
蛍光バイオセンサーチップ２００は、基板２０１、その基板２０１の中またはその上に配置され、電磁放射線を検出するために作用する少なくとも１つの検出デバイス２０２、基板２０１の上に配置された光学フィルタ層２０３、および光学フィルタ層２０３上に配置され、捕捉分子を固定化するために作用する固定化層２０４を有する。この検出デバイス２０２、フィルタ層２０３および固定化層２０４は、図２に示されるように、蛍光バイオセンサーチップ２００に一体化される。
【００７７】
図２に示されるように、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップ２００の例示的実施形態によると、基板２０１は、ケイ素材料から作製される。さらに、６つの検出デバイス２０２が提供され、その６つの検出デバイス２０２の各々は、フォトダイオードとして形成され、このフォトダイオードは、第１波長範囲の電磁放射線が、これによって検出され得るように設定される。図２に示されるように、隣接検出デバイス２０２は、互いに距離「ｄ」だけ離れて設けられる。距離「ｄ」（これは、図２に示される例示的実施形態に従って２００μｍに等しい）は、蛍光バイオセンサーチップの表面上のセンサーアレイのピクセルサイズの尺度である。言い換えると、固定化層２０４の表面上に固定化され得、他のセンサ−デバイス２０２よりも、特定の検出デバイス２０２からより小さな距離にある全てのそれらの捕捉分子は、センサーピクセルに属する。従って、距離「ｄ」は、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップ２００の一次元空間的分離能の尺度である。言い換えると、ｄ２は、本発明に従う蛍光バイオセンサーチップ２００の二次元空間的分解能すなわち、センサーピクセルあたりの蛍光バイオセンサーチップ２００の必要な表面積についての尺度である。
【００７８】
光学フィルタ層２０３は、光学フィルタ層２０３が第２波長範囲の電磁放射線を吸収するように設定され、第１波長範囲の少なくとも一部分は、第２波長範囲の外側にある。
【００７９】
図２に示される例示的実施形態によると、光学フィルタ層２０３は、カットオフフィルタとして構成される。蛍光バイオセンサーチップ２００のカットオフフィルタ２０３が、限界波長未満の電磁放射線を吸収する。この光学的カットオフフィルタ２０３は、有機材料から作製される色フィルタである。
【００８０】
図２に示されるように、その光学フィルタ層２０３は、「ｈ」の厚みを有し、この厚みは、記載される例示的実施形態によると７０μｍの大きさのオーダーである。有機的カットオフフィルタとして構成されているその光学フィルタ層２０３の厚み「ｈ」は、そのような電磁放射線（これは、検出デバイス２０２へと通過することが意図されない）を完全に吸収することが可能な範囲まで十分に大きいように選択されるべきであり、有機的カットオフフィルタとして構成されているその光学フィルタ層２０３は、このような電磁放射線の十分な範囲まで透過するように十分薄いように選択され、その電磁放射線は、検出デバイス２０２によって検出されるために、検出デバイス２０２へと通過することが意図される。
【００８１】
図２に示される固定化層２０４は、記載される例示的実施形態に従って、薄い金の層である。
【００８２】
蛍光バイオセンサーチップ２００はさらに、基板２０１と光学フィルタ層２０３との間の回路層２０５、回路層２０５へと一体化されている少なくとも１つの電気部品（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ）、および少なくとも１つの検出デバイス２０２に電気的に連結されている回路層２０５を有する。
【００８３】
回路層２０５に一体化されている電気部品は、図２に示されていない。回路層２０５は、検出デバイス２０２が、各場合に回路層２０５によって個々に電気的に駆動され得るように設定される。適切な電気駆動回路の例示的実施形態は、以下にさらに記載される。図２に示される蛍光バイオセンサーチップ２００に従って、回路層２０５は、検出デバイス２０２のうちの１つを選択するためのＭＯＳトランジスタ、検出デバイス２０２を駆動回路に連結するための導電性接続、および測定信号を増幅および評価するために作用するさらなる電気部品を有する。これらの電気部品は、回路層２０５に一体化される。図２に示されるように、回路層２０５は、厚み「ｌ」を有し、これは、記載される例示的実施形態によれば約５μｍである。この厚み「ｌ」は、十分小さいように選択されるべきであるか、またはその材料は、適切には、回路層２０５において検出される電磁放射線の吸収の量に対する喪失が小さいように選択されるべきである。
【００８４】
蛍光バイオセンサーチップ２００は、さらに、複数の捕捉分子２０６を含み、これらは、固定化層２０４に連結され、そして、捕捉分子２０６に相補的である検出される分子２０７が、結合準備ができた捕捉分子２０６の各々に連結され得るようにセットアップされる。図２に示される捕捉分子２０６は、ＤＮＡの半分の鎖である。検出されるべき各分子２０７は、蛍光マーカー２０８を有している。
【００８５】
蛍光マーカー２０８は、この蛍光マーカー２０８が、第３の波長範囲の電磁放射を吸収し、吸収が行われた後、第４の波長範囲の電磁放射を発するようにセットアップされる。図２に示される蛍光マーカー２０８はクマリンである。図４に示されるダイアグラムは、蛍光色素クマリンが３７０ナノメートルの波長を有する電磁放射で励起された後のクマリンの発光スペクトルを示す。４６０ナノメートル近傍が最大の比較的広い吸収バンドが観察され得る。記載される例示の実施形態に従えば、この発光スペクトルは、上記で規定された第４の波長範囲に対応する。
【００８６】
図２に示されるように、蛍光バイオセンサーチップ２００の表面領域は、蛍光マーカー２０８に連結されている検出されるべき分子２０７と作動して接触しているだけではない。さらに、分子２０９はまた、固定化層２０４の表面上の捕捉分子２０６と作動して接触している。上記分子２０９は、同様に、蛍光マーカー２１０に連結されており、これは、しかし、検出されるべき分子２０７に連結される蛍光マーカー２０８とは異なり、蛍光マーカー２１０が、検出されるべき分子２０７の蛍光マーカー２０８とは異なる波長範囲で吸収または発光することを行う。検出されるべき分子２０７（これらは、捕捉分子２０６に相補的であり、そしてその結果、捕捉分子に付着する）とは対照的に、分子２０９は、捕捉分子２０６に相補的ではなく、そしてそれ故、捕捉分子２０６とハイブリダイズし得ない。この考慮は、捕捉分子２０６への付着による分子の検出が、高度に選択的な様式で行われるということを示す。分子２１０が捕捉分子２０６に相補的であれば、そのときは、分子２１０のみが捕捉分子２０６とハイブリダイズし、その一方、検出されるべき分子２０８は、この代替の場合には、捕捉分子２０６とハイブリダイズしない。分子２０７または分子２０９が捕捉分子２０６に付着するか否かに関する決定は、蛍光マーカー２０８または２１０の蛍光の光の波長の分析により決定され得る。
【００８７】
蛍光バイオセンサーチップ２００の機能性を以下に説明する。蛍光バイオセンサーチップ２００は、とりわけ、リンカー分子によりそれに連結された蛍光マーカー２０８で検出されるべき分子２０７を含む溶液と接触される。捕捉分子２０６に相補的である分子２０７は、捕捉分子２０６とハイブリダイズする。適切であれば、適切なリンス工程または洗浄工程が実施される。ハイブリダイゼーション事象は、第３の波長範囲の電磁放射で照射することにより検出され得、ここで、蛍光マーカー２０８が吸収を行う。
【００８８】
吸収が行われた後、この蛍光マーカー２０８は、第４の波長範囲の光を再度発し、この再度発せられた光は、吸収された光より長い波長を有する。照射されている光とこの蛍光の光の両者は、本質的に透明な固定化層２０４を通過し、光学フィルタ層２０３まで通過する。
【００８９】
有機カットオフフィルタとして構成されたこの光学フィルタ層２０３は、励起光波長（第３の波長範囲）に対するブロックフィルタとして具現化されている。換言すれば、照射される波長を有する光は、光学フィルタ層２０３によって本質的に完全に吸収され、その一方、第４の波長範囲の蛍光の光は、この光学フィルタ層２０３を通じて本質的に減衰しないで伝達される。
【００９０】
本質的に透明な回路層２０５を通過した後、好ましくは、蛍光の光は、この蛍光の光を発したその蛍光マーカー２０８の下に本質的に配列されているフォトダイオード２０２の１つまで通過する。これらフォトダイオード２０２は、第１の波長範囲の電磁放射が、それによって検出され得るようにセットアップされている。蛍光マーカー２０８は、第４の波長範囲の少なくとも一部分（蛍光照射が位置する波長範囲）が第１の波長範囲内に位置するようにセットアップされているという事実により、フォトダイオード２０２は、蛍光の光を検出し得る。結果として、一方では、ハイブリダイゼーション事象が検出され、そして他方では、検出される蛍光の光の強度は、付着した分子の数の尺度、すなわち、捕捉分子２０６と検出されるべき分子２０７との相補性の程度の尺度である。
【００９１】
励起波長を有する光は、光学フィルタ層２０３を通過せず、そしてそれ故、フォトダイオード２０２中では検出することはできない。結果として、本発明は、この光学フィルタ層２０３によって励起光から蛍光の光が分離されることを可能にする。フォトダイオード２０２は、非常に高いダイナミックレンジを有するので、本発明による蛍光バイオセンサーチップにおいて高い検出感度が達成され得る。高いダイナミックレンジは、検出器が大きな強度範囲の電磁蛍光照射を測定し得ることを意味することが理解される。
【００９２】
蛍光バイオセンサーチップ２００の空間解像度は、先行技術による光学的レンズによっては達成されず、むしろ、特有のフォトダイオード２０２の上に本質的に配列される固定化層２０４上のセンサー領域の電気的選択による。
【００９３】
図２に示されるように、固定化層２０４の表面セクション２１１は、捕捉分子２０６がなく、その結果、雑音信号は、この表面セクション２１１の下に配列される少なくとも１つの参照検出デバイス２０２ａにおいて除去され得る。捕捉分子は、この参照検出デバイス２０２ａの上の固定化層２０４の表面上に固定化されないので、これはまた、この表面セクション２１１には、検出されるべき分子２０７が結合し得ない場合であり、その結果、この表面検出２１１には蛍光マーカー２０８は配列されない。従って、参照セクションデバイス２０２ａまで通過する蛍光照射はない。検出デバイス２０２、２０２ａ上に入射する無駄な電磁放射線（例えば、励起光または周辺からの散乱光）に関し、この参照検出デバイス２０２ａに適用されるものは、検出デバイス２０２に適用されるものと同じである。従って、参照検出デバイス２０２ａにおいて、無駄な電磁放射線に由来し、そして蛍光の光の強度に比例する信号を得るために他の検出デバイス２０２のすべての信号から掃引されるべきである雑音信号またはバックグラウンド信号またはゼロ信号を取り除くことが可能である。この掃引は、電気的微分回路により実施される。
【００９４】
本発明の第２の例示の実施形態による蛍光バイオセンサーチップ３００を、図３を参照して説明する。
【００９５】
この蛍光バイオセンサーチップ３００は、基板３０１、この基板中に配列され、そして電磁放射線を検出するために働く検出デバイス３０２、この基板３０１上に配列される光学フィルタ層３０３、および光学フィルタ層３０３上に配列され、そして捕捉分子を固定化するために働く固定化層３０４を有する。検出デバイス３０２、フィルタ層３０３および固定化層３０４は、蛍光バイオセンサーチップ３００に一体化されている。
【００９６】
蛍光バイオセンサーチップ３００の機能性は、図２を参照して上記に記載した蛍光バイオセンサーチップ２００のそれにほぼ対応する。従って、蛍光バイオセンサーチップ配列３００において、蛍光バイオセンサーチップ配列２００と異なって構成される特徴のみが、この際、論議される。
【００９７】
従って、図２に示される光学フィルタ層２０３とは異なり、この光学フィルタ層３０３は、バンドパスフィルタとして形成されている。この光学フィルタ層３０３の正確な構成は、図４を参照してさらに以下に説明される。
【００９８】
図３に示されるように、検出デバイス３０２は、基板３０１中に一体化されたフォトダイオード３０２として形成される。図３に示されるように、さらなる集積回路エレメント３０４が基板３０１中に導入される。二酸化ケイ素領域３０４ａは、隣接するフォトダイオード３０２を電気的に絶縁するために働く。ｎ−ドープケイ素領域３０４ｂ、３０４ｃは、特定のフォトダイオード３０２を駆動するために用いられ得る駆動エレクトロニクスの一部分である。基板３０１は、ｐ−ドープケイ素基板である。
【００９９】
さらに、回路層３０６が、基板３０１と光学フィルタ層３０３との間に配列され、少なくとも１つの電気部材３０６ａが回路層３０６中に一体化され、そして回路層３０６が検出デバイス３０２に電気的に接続されている。
【０１００】
図３に示されるように、一体化された回路エレメント３０６ａは、ｎ−ドープされたケイ素領域３０４ｂ、３０４ｃおよびｐ−ドープされたケイ素基板３０１とともに、トランジスター様配列を形成し、検出デバイス３０２がこのトランジスター様配列により電気的に駆動されることを可能にしている。
【０１０１】
複数の捕捉分子が固定化層３０５上に固定化されており、単純さの理由から、その１つの捕捉分子３０７のみが図３に示されている。図３に示される捕捉分子３０７は、ＤＮＡの半分の鎖であり、その塩基３０７ａが図３に概略的に示されている。
【０１０２】
捕捉分子３０７に相補的である検出される分子３０８は、捕捉分子３０７に結合される。検出されるべき分子３０８は、蛍光マーカー３０９を有する。捕捉分子３０７および検出されるべき分子３０８は、２つの互いに相補的なＤＮＡの半分の鎖である。
【０１０３】
図３を再び参照して、ハイブリダイゼーション事象が蛍光バイオセンサーチップ３００によって検出される様式を以下に説明する。
【０１０４】
例えば、外部電磁放射線源（図３には図示されていない）によって提供される第３の波長範囲の電磁放射線３１０は、蛍光マーカー３０９上に衝突し、そして後者によって部分的に吸収される。蛍光マーカー３０９は、第４の波長範囲の電磁蛍光照射３１１を再度発し、発せられた蛍光照射の一部は、蛍光バイオセンサーチップ３００上まで通過する。第４の波長範囲の電磁放射線３１１は、第４の波長範囲の電磁放射線３１１がフィルタ層３０３を通じて少なくとも部分的に伝わるようにセットアップされるフィルタ層３０３上に衝突する。この部分は、図３に示されるように、フォトダイオード３０２まで通過し、そしてそこで検出される。第４の波長範囲の電磁放射線３１０は、大部分が光学フィルタ層３０３で反射される。結果として、理想的には、フォトダイオード３０２上まで通過する第３の波長範囲の電磁放射線３１０はない。その結果、本発明は、第４の波長範囲の排他的に検出されるべき蛍光の光３１１が、検出デバイス３０２まで貫通する状況を実現し、その一方、第３の波長範囲の主要な光３１０は、検出デバイス３０２までは貫通しない。
【０１０５】
光学フィルタ層３０３が、好ましい例示の実施形態に従って構成される方法を以下に説明する。光学フィルタ層３０３は、バンドパスフィルタとして構成され、これは、２つの材料を含む層配列を有する誘電干渉フィルタであり、第１の材料は高屈折率を有し、そして第２の材料は低屈折率を有している。高屈折率を有する第１の材料は、窒化ケイ素であり、そして低屈折率を有する第２の材料は、二酸化ケイ素である。記載される好ましい例示の実施形態に従う誘電干渉フィルタは、二酸化ケイ素と窒化ケイ素とで交互に作製された３１の交互する層を有する。この誘電干渉フィルタは、以下の命名法によって記載される：０．５Ｈ；Ｌ；（ＨＬ）１４；０．５Ｈ
この命名法は、以下のように読むことができる：
「Ｈ」は、高屈折率を有する材料から作製される層を示し、例では、窒化ケイ素である。
「Ｌ」は、低屈折率を有する材料から作製される層を示し、この場合では二酸化ケイ素である。上付き番号１４は、高屈折率を有する層と低屈折率を有する層が交互して作製された１４の交互する二重層が提供されることを示す。層の厚さは、λ／４の倍数で特定される（λ：媒体中の光の波長）。λ／４は、媒体中の光の波長の四分の一、すなわち、真空中の光の波長および個々の媒体の屈折率の商である。換言すれば、本発明によるフィルタ層は、高屈折率を有する材料のλ／８層、低屈折率を有する材料のλ／４層、１４の二重層（これら二重層の各々は、高屈折率を有する材料のλ／４薄層および低屈折率を有する材料のλ／４薄層から構成されている）、およびまた高屈折率を有する材料のλ／８を有している。図４に示されるような伝播の波長依存性を有する干渉フィルタが、結果として得られる。図４に示されるように、このように構成された誘電干渉フィルタは、３５０ナノメートルと３９０ナノメートルとの間の波長範囲で９９％を超える電磁放射線を反射する。特に、図４で、反射最大、すなわち、伝播最小の波長は、この電磁放射線の規定された入射角が与えられると、この誘電干渉フィルタの個々の層の層厚さの調節によりセットされ得る。図４に示されるように、波長に依存して算出される伝播は、３５０ナノメートルと３９０ナノメートルとの間の比較的広い波長範囲で目立つ伝播最小を有するので、このようなフィルタはまた、例えば、発フォトダイオードのようなブロードバンドの励起源の励起光を抑制するために適している。スペクトル的により広い光源を用いること、これは、例えば、３５０ナノメートルの左手側側面より下の光波長における電磁放射線をまた発することが意図される場合、そのときは、より低い波長範囲にある電磁放射線をフィルタ除去するためにさらなるフィルタが必要である。これは、例えば、適切なカットオフフィルタにより実現され得る。
【０１０６】
図４に示されるダイアグラムはまた、破線として、３７０ナノメートルの波長を有する電磁放射線でクマリンを励起した後に得られるような、この色素の発光スペクトルを示す。たとえ、クマリンの発光スペクトルが本来比較的にブロードバンドであるとしても、クマリンの発光スペクトルの左手側側面は、それにもかかわらず、上記の光学フィルタが適切に全体反射を行うその波長範囲の右手側限界より有意に長い波長である。この誘電干渉フィルタの長波通過バンドは、可能な限り平坦な構成であるべきであり、すなわち、色素の全体蛍光範囲を横切る、ほぼ一定で、かつ最高の可能な伝播を確実にすることが特に好都合である。これは、誘電性フィルタ層の層厚さ、およびそれに用いられる材料の改変によりなされ得る。記載される誘電干渉フィルタは、クマリンが蛍光マーカーとして用いられる場合、本発明による蛍光バイオセンサーチップのために適切である。図４を再び参照して、記載される誘電干渉フィルタの伝播は、約４１５ナノメートルより上で７５％より大きく、そして４５０ナノメートルより上で９２％より大きい。結果として、この色素クマリンの蛍光の光は、光学フィルタ層を通る通過の際にほとんど減衰されない。再び、最大の可能な側面急勾配（すなわち、ゼロの伝播から１の伝播まで上昇することが可能なような急激さ）が、励起光が良好に抑制され、そして発光スペクトルが可能な限り減衰されないために、誘電干渉フィルタの機能性のために有利であることを再び強調されなければならない。
【０１０７】
図５Ａ、図５Ｂに示される蛍光バイオセンサーチップ５００が以下に記載される。
【０１０８】
図５Ａは、蛍光バイオセンサーチップ５００の平面図を示し、そして図５Ｂは、図５Ａに示される蛍光バイオセンサーチップ５００の断面線Ｉ−Ｉ’に沿った部分の断面図を示す。図５Ａ、図５Ｂに示される蛍光バイオセンサーチップ５００は、本発明による蛍光バイオセンサーチップの第３の好ましい例示の実施形態であり、そして先に記載の蛍光バイオセンサーチップ２００、３００とは２〜３の局面のみが異なっている。以下のテキストは、この蛍光バイオセンサーチップ５００の完全な機能性を説明せず、むしろ説明は、先に記載の例示の実施形態と比較した補足的特徴にのみ焦点をあてる。
【０１０９】
図５Ｂは、基板５０１、この基板５０１中またはその上に配列され、そして電磁放射線を検出するために働く少なくとも１つの検出デバイス５０２、この基板５０１上に配列される光学フィルタ層５０３、およびこの光学フィルタ５０３上に配列され、そして捕捉分子を固定化するために働く固定化層５０５を有する蛍光バイオセンサーチップ５００を示す。検出デバイス５０２、光学フィルタ層５０３および固定化層５０５は、蛍光バイオセンサーチップ５００で一体化されている。
【０１１０】
基板５０１は、ｐ−ドープされたケイ素基板である。検出デバイス５０２は、基板５０１中に一体化されたケイ素フォトダイオードである。光学フィルタ層５０３は、図５Ａ、図５Ｂを参照して記載された例示の実施形態に従う誘電干渉フィルタである。固定化層５０５は、薄い金の層である。ケイ素フォトダイオード５０２の他に、二酸化ケイ素領域５０４が基板５０１中に導入されている。
【０１１１】
さらに、回路層５０４は、基板５０１と光学フィルタ層５０３との間に配置され、少なくとも１つの電装品５０６ａは、回路層５０４に統合されており、そしてこの回路層５０４は、少なくとも１つの検出デバイス５０２に電気的に連結されている。この連結は、図５Ｂにおいて明示的に示される。この集積回路エレメント５０６ａ（これは、図５Ｂに示される）は、導電性接続手段であり、シリコンフォトダイオード５０２が連結されて、エレクトロニクスを駆動することを可能にする。
【０１１２】
蛍光バイオセンサーチップ５００は、複数の捕捉分子５０７をさらに有し、これらは、固定化層５０５に連結され、そして捕捉分子５０７に相補的な、検出される分子５０８が、捕捉分子５０７に連結され得るような様式で設置される。
【０１１３】
参照番号５０７ａは、ＤＮＡ片方鎖として形成される捕捉分子５０７の個々の塩基を示す。図５Ｂに示されるように、ＤＮＡ片方鎖５０７に相補的な、検出される分子５０８は、ＤＮＡ片方鎖と同様に、捕捉分子５０７に結合される。検出される分子５０８もまた、ＤＮＡ片方鎖であるので、この検出される分子５０８もまた、個々の塩基５０８ａを有する。蛍光マーカー５０９は、検出される分子５０８に連結される。
【０１１４】
さらに、隣接検出デバイス５０２を光学的に隔離する、少なくとも１つの隔離溝５１０が、蛍光バイオセンサーチップ５００の少なくとも１つの表面領域中に導入され、少なくとも１つの隔離溝５１０が、各々の場合に、検出デバイス５０２が２つの隣接する隔離溝５１０間の領域の下に配置されるような様式で、固定化層５０５を通って、光学フィルタ層５０３のある領域へと適正に延びる。図５Ｂに示されるように、少なくとも１つの隔離溝５１０は、吸収材料５１１から形成された層で覆われ、この吸収材料５１１は、電磁放射線を吸収するような様式で設置される。
【０１１５】
隔離溝５１０の機能性およびこの隔離溝５１０に導入された吸収材料５１１の機能性は、図５Ｂ（特に、図中に模式的に示される電磁蛍光放射線５１２）を参照して以下に説明され、この蛍光放射線は、図５Ｂの左側に配置された蛍光マーカー５０９によって放射されている。上記議論のように、基板５０１中の種々の検出デバイス５０２が、固定化層５０５の表面上のセンサーピクセルに対応する。明らかに、固定化層５０５の表面上に固定化された全ての捕捉分子５０７は、この捕捉分子５０７の下に本質的に配置された検出デバイス５０２に属する。このように、図５Ｂを参照して、左側の検出デバイス５０２は、固定化層５０５の表面上に固定化された左側の捕捉分子５０７から生じる蛍光放射を検出するために提供される。そして、図５Ｂ中に示される右側の検出デバイス５０２は、検出される分子５０８に結合した蛍光マーカー５０９に起源する蛍光放射を検出するために作用し、この検出される分子５０８は、捕捉分子５０７（これは、右側の検出デバイス５０２の上に実質的に配置される）にドッキングされる。
【０１１６】
図５Ｂに示されるように、左側の蛍光マーカー５０９は、電磁蛍光放射線５１２を放射する。上記によれば、この蛍光放射（これは、固定化層５０５の表面上に配置された左側の捕捉分子５０７におけるハイブリダイゼーション事象の関節的な結果である）は、左側の検出デバイス５０２によって検出されるべきである。しかし、電磁蛍光放射線５１２は、図５Ｂ中に示される左側の検出デバイス５０２には放射されないが、右側の検出デバイス５０２の方向には放射されるような方向で放射される。この電磁蛍光放射線５１２が右側の検出デバイス５１２によって検出されるとすると、これは、測定に悪影響を及ぼす。
【０１１７】
この現象は、それぞれ、左側の検出デバイス５０２および右側の検出デバイス５０２に属する２つの隣接センサーアレイ間の光学的クロストークと称される。吸収材料５１１で部分的に充填された隔離溝５１０は、望まれない光学的クロストーク現象を低減する効果を有する。
【０１１８】
図５Ｂに示されるように、この電磁蛍光放射線５１２は、図５Ｂ中に示される右側のシリコンフォトダイオード５０２の方向で放射されるが、右側のシリコンフォトダイオード５０２への途中で、この電磁蛍光放射線５１２は、隔離溝５１０および隔離溝５１０を部分的に満たした吸収材料５１１を越えなければならない。この吸収材料５１１は、特に、使用される蛍光マーカー５０９の蛍光放射線の波長範囲の電磁放射線を吸収するような様式で、設置される。結果として、この電磁蛍光放射線５１２は、隔離溝５１０中の吸収材料５１１に吸収され、従って、図５Ｂに示される右側の検出デバイス５０２へと通過できない。それによって、隣接センサーアレイ間の光学的クロストークが低減される。
【０１１９】
しかし、図５Ｂに示されるように、吸収材料５１１で充填された隔離溝５１０は、光学的クロストークを完全には防止できない。これに関して、図５Ｂ中に示される右側の蛍光マーカー５０９によって放射される電磁蛍光放射線５１３に対して参照がなされるべきである。同様に、蛍光放射線５１３は、本質的に下にある検出デバイス５０２の方向では放射されず、蛍光マーカー５０９の左側に配置された検出デバイス５０２の方向で放射される。図５Ｂに示される幾何的条件に起因して、電磁蛍光放射５１３は、隔離溝５１０中の吸収材料５１１によって吸収されない。これらの説明は、隔離溝５１０および吸収材料５１１のみでは、光学的クロストークをかならずしも完全に防止するとは限らないことを示す。
【０１２０】
光学的クロストークをさらに低減するために、吸収材料から作製された障壁層５１４が、検出デバイス５０２が、各々の場合において２つの隣接障壁層５１４の間の各々の領域の下に配置されるように、回路層５０４の少なくとも１つの領域中に配置され、この吸収材料は、電磁放射を吸収するような様式で設置される。障壁層５１４は、電磁蛍光放射線５１３を吸収する。結果として、障壁層５１４は、不利な光学的クロストーク現象を低減させる。これに関して、（例えば、導電性接続手段としての）それらの電子的機能性に加えて、集積回路エレメント５０６ａはまた、吸収障壁層５１４の機能を同時に実施し得る。この目的のために、集積回路エレメント５０６ａは、電磁放射線を吸収および／または反射する材料から作製される。このように、集積回路エレメント５０６ａは、二重の機能を実現し得る：一方では、集積回路エレメント５０６ａは、電子的回路エレメントとして働き得；他方では、集積回路エレメント５０６ａは、光学的クロストーク現象を低減し続け得る。
【０１２１】
図５Ａは、記載される本発明の実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップ５００の平面図を示す。特に、隔離溝５１０（これは、示される例示的実施形態に従う、連続的な隔離領域として構成されている）が、図５Ａに示される。さらに、個々のセンサーアレイ５１５、５１６（これらは、隔離溝５１０間の領域によって規定され、そして捕捉分子５０７で覆われる）が、図５Ａに示される。特に、センサーアレイ５１５および５１６が示され、これらは、図５Ｂの断面線Ｉ−Ｉ’に沿った拡大断面図として示される。
【０１２２】
蛍光バイオセンサーチップ６００の好ましい例示的な実施形態（これは、図６Ａにおいて、平面図で模式的に示される）に従う、各個々の検出デバイスの１つを駆動および走査するための模式的な回路の説明が下に提供される。図６Ａは、センサーアレイ６０１の、本質的にマトリックス型の配置を示す。この場合、図６Ａに示される説明は、本質的に図５Ａ中の蛍光バイオセンサーチップ５００の説明に対応する。図５Ａには詳細に示されないが図６Ａには詳細に示されるものは、蛍光バイオセンサーチップ６００のセンサーアレイ６０１の各個々の１つが駆動され得る回路である。マトリックス型様式で配置されたセンサーアレイ６０１の特定の行の駆動安定性および特定の列の駆動安定性は、駆動回路６０２によって実現される。
【０１２３】
駆動回路６０２によって、各個々のセンサーアレイ６０１は、ロウ選択ライン６０３およびカラム選択ライン６０４によって駆動され得る。
【０１２４】
ロウ選択ライン６０３の数（この例においては６）およびカラム選択ライン６０４の数（この例においては６）が、センサーアレイ６０１の数に依存することが、強調されなければならない。センサーアレイの列の数が２ｍに等しい場合、２ｍ個のロウ選択ライン６０３が必要である。センサーアレイ６０１の列の数が、２ｎに等しい場合、２ｎ個のカラム選択ライン６０４が、全ての列の連続的な駆動のために必要である。
【０１２５】
図６Ａに示される例は、８＝２３および８＝２３個の、センサーアレイ６０１の列を示し、６＝２×３個のロウ選択ライン６０３および６＝２×３個のカラム選択ライン６０４が提供されるという結果を示す。
【０１２６】
図６Ａに示されるように、個々のロウ選択ライン６０３は、互いに部分的に依存する。ロウ選択ライン６０３は、Ｚ１、Ｚ１（上線付）、Ｚ２、Ｚ２（上線付）、Ｚ３、Ｚ３（上線付）で示される。これは、ロウ選択ラインＺ１の信号が論理値「１」にある場合、ロウ選択ラインＺ１（上線付）の信号は論理値「０」にあり、そしてロウ選択ラインＺ１の信号が論理値「０」にある場合、ロウ選択ラインＺ１（上線付）の信号は論理値「１」にあることを意味する。従って、Ｚ１およびＺ１（上線付）に対する信号は、通常互いに反対の論理値にある。同様に、ロウ選択ライン６０３のＺ２およびＺ２（上線付）もまた、互いに相補的な値にある。ロウ選択ライン６０３のＺ３およびＺ３（上線付）もまた、互いに相補的な値にある。同じことが、カラム選択ライン６０４（これらは、Ｓ１、Ｓ１（上線付）、Ｓ２、Ｓ２（上線付）、Ｓ３、Ｓ３（上線付）で示される）に適用される。Ｓ１およびＳ１（上線付）に対する信号は、通常互いに相補的な論理値にあり、Ｓ２およびＳ２（上線付）に対する信号は、通常互いに相補的な論理値にあり、そしてＳ３およびＳ３（上線付）に対する信号は、通常互いに相補的な論理値にある。
【０１２７】
センサーアレイ６０１の各々は、図６Ａに示される例示的実施形態に従う、６つのロウ選択ライン６０３のうち３つに連結され、そして図６Ａに示される例示的な実施形態に従う、６つのカラム選択ライン６０４のうち３つに連結されている。
【０１２８】
図６Ａ中に示される選択されたセンサーアレイ６０１ａが、示される駆動回路６０２によっていかに駆動され得るかについての例として、説明が下に与えられる。
【０１２９】
図６Ｂ中に示されるように、選択されたセンサーアレイ６０１ａは、第一ロウ選択ライン６０３ａ、第二ロウ選択ライン６０３ｂおよび第三ロウ選択ライン６０３ｃに連結される。再び図６Ａを参照して、第一ロウ選択ライン６０３ａはＺ１であり、第二ロウ選択ライン６０３ｂはＺ２であり、そして第三ロウ選択ライン６０３ｃはＺ３（上線付）である。さらに、選択されたセンサーアレイ６０１ａは、第一カラム選択ライン６０４ａ、第二カラム選択ライン６０４ｂおよび第三カラム選択ライン６０４ｃに連結される。図６Ａを参照して、これらは、第一カラム選択ライン６０４ａ（Ｓ１（上線付））、第二カラム選択ライン６０４ｂ（Ｓ２）および第三カラム選択ライン６０４ｃ（Ｓ３（上線付））である。
【０１３０】
図５Ａに示される検出デバイス５０２の１つに本質的に対応するフォトダイオード６０５が、選択されたセンサーアレイ６０１ａ内に配置される。
【０１３１】
図６Ｂは、参照番号６０６を有する２つの矢印によって、フォトダイオード６０５が、電磁蛍光放射線が検出され得るような様式で設置されることを、模式的に示す。電磁放射線６０６が、フォトダイオード６０５に衝突する場合、このフォトダイオード６０５の電気的特性は、特徴的な様式で変化し、そして電気的信号は、フォトダイオード６０５に連結された第一トランジスタ６０７ａの供給源に存在する。電位信号が、第一トランジスタ６０７ａのゲート領域に存在し、従って、導電性チャネルが、供給源領域と排出領域との間に形成される場合（すなわち、論理値「１」を有する信号が第一カラム選択ライン６０４ａ上に存在する場合、すなわち、論理値「１」を有する信号がＳ１（上線付）上に存在する場合）にのみ、この信号は、第一トランジスタ６０７ａを通過する。この場合、フォトダイオード６０５の電気的信号は、トランジスタ６０７ａの供給源領域から排出領域へと通過し得、そしてそこからさらに、第二トランジスタ６０７ｂの供給源領域へと通過し得る。
【０１３２】
次いで、第二トランジスタ６０７ｂの供給源領域に存在する電気的信号は、電位信号が第二トランジスタ６０７ｂのゲート領域に存在し、従って導電性チャネルが供給源領域と排出領域との間に形成される場合（すなわち、第二カラム選択ライン６０４ｂ上に存在する電気的信号が論理値「１」を有する場合、すなわち、論理値「１」を有する信号がＳ２上に存在する場合）にのみ、第二トランジスタ６０７ｂの排出領域へと通過し得る。この場合、この電気的信号は、第二トランジスタ６０７ｂの供給源領域から第二トランジスタ６０７ｂの排出領域へと通過し得、そしてそこから、第三トランジスタ６０７ｃの供給源領域へと通過し得る。第三トランジスタ６０７ｃの供給源領域に存在する電気的信号は、電位信号が第三トランジスタ６０７ｃのゲート領域に存在し、従って導電性チャネルが供給源領域と排出領域との間に形成される場合（すなわち、論理値「１」を有する電気的信号が、第三カラム選択ライン６０４ｃ上に存在する場合、すなわち、論理値「１」を有する電気的信号がＳ３（上線付）上に存在する場合）にのみ、第三トランジスタ６０７ｃの排出領域へと通過し得る。この場合、この電気的信号は、第三トランジスタ６０７ｃの供給源領域から第三トランジスタ６０７ｃの排出領域へと通過し得、そしてそこから、電気接続点６０８へと通過し得る。それにより、センサーアレイ６０１の第六カラム（これは、選択されたセンサーアレイ６０１ａを有する）が選択される。言い換えれば、選択されるセンサーアレイ６０１のカラムは、カラム選択ライン６０３上に存在する論理値に依存する。
【０１３３】
選択されたセンサーアレイ６０１ａを選択するために、センサーアレイ６０１の正確なロウの選択もまた、センサーアレイ６０１の対応するカラムの選択に加えて、必要である。センサーアレイ６０１のロウがどのように選択され得るかの説明を、以下に与える。図６Ｂ中に示される電気接続点点６０８は、第四トランジスタ６０９ａの供給源領域に連結されている。第四トランジスタ６０９ａの供給源領域に存在する電気的信号は、電位信号が第四トランジスタ６０９ａのゲート領域に存在し、従って導電性チャネルが供給源領域と排出領域との間に形成される場合（すなわち、論理値「１」を有する電気的信号がトランジスタ６０９ａのゲート領域に連結された第一ロウ選択ライン６０３ａ上に正確に存在する場合、すなわち、論理値「１」を有する電気的信号がＺ１上に存在する場合）にのみ、第四トランジスタ６０９ａの排出領域へと通過し得る。この場合、第四トランジスタ６０９ａの供給源領域に存在する電気的信号は、第四トランジスタ６０９ａの排出領域へと通過し得、そしてそこから、第五トランジスタ６０９ｂの供給源領域へと通過し得る。第五トランジスタ６０９ｂのゲート領域に連結された第二ロウ選択ライン６０３ｂが、論理値「１」を有する電気的信号によって正確に占められる場合、第五トランジスタ６０９ｂの供給源領域に存在する電気的信号は、第五トランジスタ６０９ｂの排出領域へと通過し得る。このことは、論理値「１」を有する電気的信号が、Ｚ２で示される第二ロウ選択ライン６０３ｂ上に存在しなければならないことを意味する。この場合、第五トランジスタ６０９ｂの供給源領域に存在する電気的信号は、第五トランジスタ６０９ｂの排出領域へと通過し得、そしてそこから、これに連結した第六トランジスタ６０９ｃの供給源領域へと通過し得る。再度、第六トランジスタ６０９ｃの供給源領域に存在する電気的信号は、電位信号が第六トランジスタ６０９ｃのゲート領域に存在し、従って導電性チャネルが供給源領域と排出領域との間に形成される場合（すなわち、論理値「１」を有する電気的信号が、第三カラム選択ライン６０３ｃ上に存在する場合、すなわち、論理値「１」を有する電気的信号がＺ３（上線付）上に存在する場合）にのみ、第六トランジスタ６０９ｃの排出領域へと通過し得る。この場合にのみ、第六トランジスタ６０９ｃの供給源領域に存在する電気的信号は、第六トランジスタ６０９ｃの排出領域へと通過し得る。この条件もまた満たされる場合、選択されたセンサーアレイ６０１ａに関連するセンサーアレイ６０１の第二ロウが選択される。
【０１３４】
従って、選択されたセンサーアレイ６０１ａは、論理値「１」を有する電気的信号が、各々の場合において、第一カラム選択ライン６０４ａ（Ｓ１（上線付））上および第二カラム選択ライン６０４ｂ（Ｓ２）上および第三カラム選択ライン６０４ｃ（Ｓ３（上線付））上および第一ロウ選択ライン６０３ａ（Ｚ１）上および第二ロウ選択ライン６０３ｂ（Ｚ２）上および第三ロウ選択ライン６０３ｃ（Ｚ３（上線付））上に存在する場合に、正確に選択される。論理値「０」を有する電気的信号が、言及された６個の選択ライン６０３ａ、６０３ｂ、６０３ｃ、６０４ａ、６０４ｂ、６０４ｃのうち１つの上にのみ存在する場合、対応するセンサーアレイは、選択されない。選択されたセンサーアレイ６０１ａのロウおよびカラムの両方が選択される場合、フォトダイオード６０５によって検出される電気的信号は、電流６１０を検出するための手段、または電圧６１１を検出するための手段へと通過する。結果として、特定の選択されたセンサーアレイ６０１ａが選択され得、そして選択されたセンサーアレイ６０１ａの検出デバイス６０５に存在する電気的センサー信号強度が、読出しされ得る。
【０１３５】
図７は、蛍光バイオセンサーチップアレンジメント７００の好ましい例示的な実施形態を示し、これは以下でより詳細に説明される。蛍光バイオセンサーチップアレンジメント７００は、蛍光バイオセンサーチップ７００ａおよび電磁放射線供給源７０５を有する。蛍光バイオセンサーチップ７００ａは、１つの基板７０１、基板７０１内に配置されそして第１波長範囲の電磁放射線を検出するために働く、６つの検出デバイス７０２、基板７０１上に配置されそして第２波長範囲の電磁放射線を吸収および／または反射するために働く光学フィルタ層７０３、ならびに光学フィルタ層７０３上に配置されそして捕捉分子を固定するために働く固定化層７０４を有する。検出デバイス７０２、光学フィルタ層７０３および固定化層７０４は、蛍光バイオセンサーチップ７００ａ内に統合される。蛍光バイオセンサーチップ７００ａの表面領域が、電磁放射線供給源７０５によって第３波長範囲の電磁放射線で照射されるような方法で、電磁放射線供給源７０５は配置される。
【０１３６】
図７に示すように、蛍光バイオセンサーチップ７００ａは、基板７０１と光学フィルタ層７０３との間に配置された回路層７０６を有する。
【０１３７】
電磁放射線供給源７０５はレーザーである。
【０１３８】
図７に示されるような蛍光バイオセンサーチップアレンジメント７００の例示的な実施形態に従って、蛍光バイオセンサーチップ７００ａは、非常に多くの捕捉分子７０７を有する。この捕捉分子７０７は、固定化層７０４に結合され、そして捕捉分子７０７に相補的な検出される分子７０８が捕捉分子７０７に結合し得るような方法で配置される。検出される分子７０８の各々は蛍光マーカー７０９を有し、この蛍光マーカー７０９は、少なくとも部分的に第３波長範囲の電磁放射線を吸収し、そして吸収が起こった後に、第４波長範囲の電磁放射線を放射するような方法で配置される。第３波長範囲の少なくとも一部は、第４波長範囲外にあり、そして第４波長範囲の少なくとも一部は、第１波長範囲内にある。第１波長範囲の少なくとも一部分は、第２波長範囲外にある。図７はまた、蛍光マーカー７１１を有する分子７１０が、捕捉分子７０７に相補的ではなく、従ってそこへ結合しないことを示す。
【０１３９】
以下の刊行物は、本明細書中に引用される：
［１］  ＷＯ  ９９／３８６１２
［２］  ＷＯ  ００／１２７５９
［３］  ＷＯ  ９９／２７１４０
［４］  Ｖｏ−Ｄｉｎｈ，  Ｔ（１９９８）「Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ  ｏｆ  ａ  ＤＮＡ  ｂｉｏｃｈｉｐ：ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ａｎｄ  ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ」Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ５１：５２−５９
［５］  Ｋｏｎｇ，ＳＨ，Ｃｏｒｒｅｉａ，Ｇ，ｄｅ  Ｇｒａａｆ，Ｇ，Ｂａｒｔｅｋ，Ｍ，Ｗｏｌｆｅｎｂｕｔｔｅｌ，ＲＦ（１９９８）「ＣＭＯＳ  ｃｏｍｐａｔｉｂｌｅ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｓｅｎｓｏｒｓ  ｗｉｔｈ  ｔｈｉｎ  ｆｉｌｍ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ  ｆｉｌｔｅｒｓ：ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ」Ｗｏｒｋｓｈｏｐ  ｏｎ  Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ  Ａｄｖａｎｃｅｓ  ｏｎ  Ｆｕｔｕｒｅ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ＳＡＦＥ’９８，２９１−２９４
（ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｓｔｗ．ｎｌ／ｐｒｏｇｒａｍｍａｓ／ｓａｆｅ／ｓａｆｅ９８／ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ／ｋｏｎｇ．ｐｄｆ）
［６］  ＵＳ  ５  ６４８  ６５３
［７］  ＤＥ  １９７  ３１  ４７９  Ａ１
［８］  ＤＥ  １９９  ４０  ７５２  Ａ１
［９］  ＤＥ  １９９  ４０  ７５１  Ａ１
［１０］  ＤＥ  １００  ３８  ０８０  Ａ１
［１１］  ＪＰ  ２０００２３５０３５  Ａ
［１２］  ＷＯ  ０１／０３８３３  Ａ１
［１３］  ＤＥ  １９９  ４７  ６１６  Ａ１
【図面の簡単な説明】
【０１４０】
【図１Ａ】図１Ａは、先行技術に従う蛍光バイオセンサーチップの模式図を示す。
【図１Ｂ】図１Ｂは、先行技術に従う別の蛍光バイオセンサーチップの分解組み立て図を示す。
【図２】図２は、本発明の第１の例示的実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップの断面図を示す。
【図３】図３は、本発明の第２の例示的実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップの断面図を示す。
【図４】図４は、本発明に従う光学フィルタ層の好ましい例示的実施形態による誘電干渉フィルタの波長に対する透過性の依存性を模式的に示すダイアグラムである。
【図５Ａ】図５Ａは、本発明の第３の例示的実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップの平面図を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、本発明の蛍光バイオセンサーチップの第３の好ましい例示的実施形態に従う図５Ａの線Ｉ−Ｉ’に沿った部分的拡大断面図を示す。
【図６Ａ】図６Ａは、本発明の蛍光バイオセンサーチップの好ましい例示的実施形態に従うセンサーアレイを駆動するための駆動論理を有する回路ダイアグラムを示す。
【図６Ｂ】図６Ｂは、本発明の蛍光バイオセンサーチップの好ましい例示的実施形態に従うセンサーアレイを駆動するための駆動論理の拡大図を示す。
【図７】図７は、本発明の好ましい例示的実施形態に従う蛍光バイオセンサーチップアレンジメントの断面図を示す。
【符号の説明】
【０１４１】
１００  蛍光バイオセンサーチップ
１０１  光源
１０１ａ  光
１０２  光源フィルタ
１０３  バイオチップ
１０４  レンズ
１０５  センサーフィルタ
１０６  ＣＣＤセンサーアレンジメント
１１０  蛍光バイオセンサーチップ
１１１  光源
１１１ａ  光
１１２  光学エレメント
１１３  光源フィルタ
１１４  反射エレメト
１１５  サンプルホルダ
１１６  空洞
１１７  センサーフィルタ
１１８  光検出器
１１９  バイオチップ
２００  蛍光バイオセンサーチップ
２０１  基板
２０２  検出デバイス
２０２ａ  参照検出デバイス
２０３  光学フィルタ層
２０４  固定化層
２０５  回路層
２０６  捕捉分子
２０７  検出される分子
２０８  蛍光マーカー
２０９  分子
２１０  蛍光マーカー
２１１  捕捉分子のない表面セクション
３００  蛍光バイオセンサーチップ
３０１  ｐ−ドープケイ素基板
３０２  検出デバイス
３０３  光学フィルタ層
３０４  集積回路エレメント
３０４ａ  二酸化ケイ素領域
３０４ｂ  ｎ−ドープケイ素領域
３０４ｃ  ｎ−ドープケイ素領域
３０５  固定化層
３０６  回路層
３０６ａ  集積回路エレメント
３０７  捕捉分子
３０７ａ  塩基
３０８  検出される分子
３０９  蛍光マーカー
３１０  第３波長範囲の電磁放射線
３１１  第４波長範囲の電磁放射線
５００  蛍光バイオセンサーチップ
５０１  ｐ−ドープケイ素基板
５０２  検出デバイス
５０３  光学フィルタ層
５０４  二酸化ケイ素領域
５０５  固定化層
５０６  回路層
５０６ａ  集積回路エレメント
５０７  捕捉分子
５０７ａ  塩基
５０８  検出される分子
５０８ａ  塩基
５０９  蛍光マーカー
５１０  隔離溝
５１１  吸収材料
５１２  電磁蛍光放射
５１３  電磁蛍光放射
５１４  バリア層
５１５  センサーアレイ
５１６  センサーアレイ
６００  蛍光バイオセンサーチップ
６０１  センサーアレイ
６０１ａ  選択されたセンサーアレイ
６０２  駆動回路
６０３  ロウ選択ライン
６０３ａ  第１ロウ選択ライン
６０３ｂ  第２ロウ選択ライン
６０３ｃ  第３ロウ選択ライン
６０４  カラム選択ライン
６０４ａ  第１カラム選択ライン
６０４ｂ  第２カラム選択ライン
６０４ｃ  第３カラム選択ライン
６０５  フォトダイオード
６０６  矢印
６０７ａ  第１トランジスタ
６０７ｂ  第２トランジスタ
６０７ｃ  第３トランジスタ
６０８  電気接続点
６０９ａ  第４トランジスタ
６０９ｂ  第５トランジスタ
６０９ｃ  第６トランジスタ
６１０  電流検出のための手段
６１１  電圧検出のための手段
７００  蛍光バイオセンサーチップアレンジメント
７００ａ  蛍光バイオセンサーチップ
７０１  基板
７０２  検出デバイス
７０３  光学フィルタ層
７０４  固定化層
７０５  電磁放射線供給源
７０６  回路層
７０７  捕捉分子
７０８  検出される分子
７０９  蛍光マーカー
７１０  分子
７１１  蛍光マーカー
【図１Ａ】
2005504293.tif 000002
【図１Ｂ】
2005504293.tif 000003
【図４】
2005504293.tif 000004
【図６Ａ】
2005504293.tif 000005
【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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