(57)【要約】      （修正有）【課題】二次元領域に存在する分析されるべき対象からの光学的情報をより簡便に二次元的に得ることができる光学センサ、分析装置および分析方法を提供する。【解決手段】光学センサ１は、二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面１４を形成する、複数のセンシング部１３と、複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部２１を有する、試料収容部２０とを備える。【選択図】図１
2018097001.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面を形成する、複数のセンシング部と、
前記複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部を有する試料収容部と、
を備える光学センサ。
【請求項２】
更に、前記センサ面と前記底部との間に低屈折率層を備える請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
前記底部は、内部に流路を備え、前記流路内部と前記底部上部とが開孔を通じて連絡している請求項１または２に記載の光学センサ。
【請求項４】
分析対象を分析するための装置であって、
前記分析対象を含む試料についての光学的情報をその位置情報と対応付けて取得する請求項１〜３の何れか１項に記載の光学センサと、
前記試料収容部の外側から前記試料収容部の内部に光を照射する照明ユニットと、
マニピュレータと、
前記光学センサと前記マニピュレータとが電気的に接続されており、前記光学センサによって取得された光学的情報と、それらに対応付けられた位置情報と、それらについて予め決定された閾条件とに基づいて、前記マニピュレータによって処理されるべき領域を決定し、決定された領域に対して前記マニピュレータを操作させる制御部と
を備える分析装置。
【請求項５】
前記光学センサと、前記照明ユニットとが支持板の上面に固定されている請求項４に記載の分析装置。
【請求項６】
（Ａ）分析対象を含む、その上部および下部よりも屈折率が高い高屈折率層の上面と下面の間に前記高屈折率層の当該上部および当該下部への入射角が臨界角以上となる角度で光を照射し、当該分析対象に光を当てることと、
（Ｂ）前記高屈折率層の当該下部において、前記分析対象からの光を検出し、位置情報に対応付けられた光学的情報を得ることと
を含む分析方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、光学センサ、分析装置および分析方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
より健康で快適に生活できる社会を目指すために、疾病の原因やその発症メカニズムなどを明らかにする研究や、それに基づく予防方法および治療方法などに関する研究が行われている。それにより明らかにされた疾病に関する情報、個々人における発症要因に関する情報の収集および解析により、疾病の発症リスクを軽減することが提案されている。
【０００３】
上述のような社会を実現するための１つの手法として、バイオ試料を分析して疾病に関する情報を得る方法がある。バイオ試料の分析を行う多くの種類の光学的デバイスが開発されている。そのようなデバイスとして、例えば、細胞を流路に流して分析するフローサイトメトリーやセルソーターなどが用いられている。
【０００４】
このような状況において、バイオ試料分析デバイスの更なる開発が望まれている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】国際公開第２０１１／０８６９９０号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本出願が解決しようとする課題は、二次元領域に存在する分析されるべき対象からの光学的情報をより簡便に二次元的に得ることができる光学センサ、分析装置および分析方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
実施形態に従う光学センサは、二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面を形成する、複数のセンシング部と、前記複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部を有する、試料収容部とを備える。
【図面の簡単な説明】
【０００８】
【図１】実施形態の光学センサの一例を示す図である。
【図２】実施形態の光センサ素子の一例を示す拡大断面図である。
【図３】実施形態の光学センサの一例を示す図である。
【図４】実施形態の低屈折率層の一例の製造プロセスを示す拡大断面略図である。
【図５】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図６】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図７】実施形態のレンズアレイの一例の製造プロセスを示す拡大断面略図である。
【図８】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図９】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す拡大断面略図である。
【図１０Ａ】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１０Ｂ】実施形態の半導体センサチップの一例の使用時の様子を示す拡大平面略図である。
【図１０Ｃ】実施形態の半導体センサチップの一例の使用時の様子を示す拡大断面図である。
【図１０Ｄ】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１１Ａ】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図１１Ｂ】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図１１Ｃ】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図１２】実施形態の光学センサの一例の使用時の様子を示す断面図である。
【図１３】実施形態の光学センサに含まれるフィルタの位置の例を示す拡大断面略図である。
【図１４】実施形態の光学センサの一例を示す図である。
【図１５】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１６】実施形態の光学センサの例を示す断面図である。
【図１７Ａ】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１７Ｂ】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１７Ｃ】実施形態の光学センサの一例を示す断面図である。
【図１８】実施形態の分析装置の一例を示すブロック図である。
【図１９】実施形態の分析装置による分析手順の一例を示すフローチャートである。
【図２０】実施形態の光学センサの回路構成の一例を示す概要図である。
【図２１】実施形態の光学センサの光センサ素子の一例の回路図である。
【図２２】実施形態の光学センサの光センサ素子の一例の回路図である。
【図２３】実施形態の光学センサの光センサ素子の一例の回路図である。
【図２４】実施形態の分析方法の概念図である。
【図２５】例において使用した光学センサを示す略断面図である。
【図２６】例において得られた結果を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００９】
実施形態に従う光学センサは、半導体センサチップと試料収容部とを備える。半導体センサチップは、基板と基板上に存在する複数のセンシング部とを備える。複数のセンシング部は、基板上の二次元領域に上方を向いてマトリックス状に並んでおり、それによって、前記半導体センサチップは前記二次元領域に対応する一つのセンサ面を提供している。試料収容部は、センサ面よりも上方に位置している。試料収容部は、光透過性の底部と、光透過性の壁部とを備える。底部は、複数のセンシング部と対向して位置している。壁部は、底部上面またはその一部の領域を取り囲むように底部からその上方に向けて任意の高さまで延び、所望に応じた厚さを有する。例えば、光源は、前記試料収容部の外側から前記壁部を通過させて前記試料収容部内へと光を照射するように配置されている。
【００１０】
上述の光学センサは、試料収容部に含まれる収容物、即ち、試料からの光学的情報を二次元的に検出するためのセンサである。光学センサによるセンシングによって、試料収容部に含まれる試料、またはそこに含まれる分析されるべき対象（即ち、分析対象）に関する情報が得られる。
【００１１】
以下、実施の形態について、図面を参照して説明する。図面は模式的なものであり、正確な縮尺ではない。
【００１２】
第１の実施形態
図１の（Ａ）は、実施形態の一例である光学センサの斜視図である。図１の（Ｂ）は、図１の（Ａ）の光学センサをＢ−Ｂ’に沿って切断した断面図である。図１の（Ａ）および（Ｂ）に示される光学センサ１は、半導体センサチップ１０と、試料収容部２０と、光源５１とを備える。
【００１３】
半導体センサチップ１０は、光学センサの本体であり、二次元的に光をセンシングする。半導体センサチップ１０は、基板１１と複数のセンシング部１３とを備える。複数のセンシング部１３は、基板１１上の二次元領域にマトリックス状に並んでいる。言い換えれば、センシング部１３は、当該二次元領域内に縦横にそれぞれ所望の数で行列をなしている。
【００１４】
センシング部１３は、上方を向くように、即ち、半導体センサチップ１０の表面側を向くように配置されている。それにより、例えば、半導体センサチップ１０上に位置している試料収容部２０からの光を二次元的にセンシングする。図１に示した半導体センサチップ１０は、センシング部１３よりも上方に、光透過性部材１５を備えている。光透過性部材１５は光路の一部として利用される。センシング部１３は、光透過性部材１５表面から入り、光透過性部材１５を通過した光をセンシングする。
【００１５】
詳しくは後述するが、隣り合うセンシング部１３は、検出されるべき光に関して互いに干渉しないように構成され得る。例えば、隣り合うセンシング部１３の間に位置する光透過性部材１５の領域にビアや配線が配置され得る。これにより干渉が防止され得る。
【００１６】
センシング部１３のこのような配置によって、半導体センサチップ１０の表面は、センサ面１４として機能する。センサ面１４は、図１に示される光学センサの場合、光透過性部材１５の上の表面に該当する。センサ面１４は、各センシング部１３に対応している光透過性部材１５の表面をサブセンサ面４として備えている。サブセンサ面４の配置は、センシング部１３の配置に対応し、全体としてセンサ面１４の輪郭は、マトリックス状に並んでいる複数のセンシング部１３が存在している二次元領域の輪郭と重なり合い、それらは、互いに寸法および形状が同じであり得る。隣り合うサブセンサ面の間に、更にビア（図示せず）が存在してもよい。
【００１７】
以下の説明において、１つのセンシング部を含み、基板１１の上からセンサ面１４までに亘る部分を光センサ素子１２と称する。なお、これは一つの実施形態であり、例えば、他の実施形態としてそれぞれの光センサ素子１２が独立していてもよく、光センサ素子１２が隣接する他の光センサ素子と別体となっていてもよく、複数のセンサ素子のセンシング部以外の部分が一体となっていてもよい。なお、図１の光センサ素子１２の境界線として描写された実線は、光センサ素子１２の配列を表現するために便宜上描写されたものであり、必ずしもこれらの実線の部分に光センサ素子１２を区画する部材を備えなくてもよい。これは、他の光学センサの断面図においても同様である。
【００１８】
試料収容部２０は、底部２１と壁部２２とを備える。底部２１および壁部２２は、何れも光透過性の部材により構成されている。図１に示す実施形態では、底部２１は円形であり、壁部２２は、底部２１を取り囲むように底部周面からその上方に向けて延びている。この例では、壁部２２と底部２１とが垂直に接している。また、壁部２２と底部２１とは液密に接続しており、それによって試料収容部２０は液体を維持し得る。
【００１９】
半導体センサチップと試料収容部とは、前記底部２１の下面はセンシング部１３と対向するように固定されている。
【００２０】
図１（Ａ）および（Ｂ）では、試料収容部２０に試料を含んでいる状態の光学センサを示している。ここで示されている試料は、一例として細胞保存液４１とそこに含まれる分析対象である細胞４０とを含む。
【００２１】
光源５１は、前記試料収容部２０の外側から前記壁部２２を通過させて前記試料収容部２０内へと光を照射するように配置されている。図１（Ａ）および（Ｂ）においては、例として照明ユニット５０に備えられた光源５１を示した。使用時に光源５１からの光は、壁部２２を通過し、試料収容部２０内の細胞保存液４１を通過して細胞４０に照射される。細胞４０からの光は、底部２１を通過し、その底部２１に対向して位置しているセンサ面を通過してセンシング部１３に至り、検知される。
【００２２】
上記の例では、壁部２２が底部周面から上方に向けて延びる例を示した。他の実施形態において、壁部２２が底部上面の所望の領域を取り囲むように底部上面から上方に延びていてもよい。
【００２３】
実施形態によれば、分析されるべき対象に関する光学的情報をより簡便に得ることができる光学センサが提供される。
【００２４】
また、このような構成により、特定の条件下で分析されるべき分析対象に関する情報をより簡便に得ることが可能となる。以下に、光学センサの各構成について更に詳しく説明する。
【００２５】
１．半導体センサチップ
上述したように、半導体センサチップ１０は、基板１１上の二次元領域にマトリックス状に並んだ複数のセンシング部１３を備える。
【００２６】
基板１１は、複数のセンシング部１３がマトリックス状に位置するまたは形成されるための土台としての役割を持つ。基板１１は、例えば、半導体基板であり得る。基板１１は、例えば、シリコンなどの半導体基板であり得る。基板の主面の大きさは、例えば、１ｍｍ×１ｍｍ〜３０ｍｍ×３０ｍｍであり得るが、この大きさに限定されるものではない。基板の厚さは、１０μｍ〜７００μｍであり得る。
【００２７】
センシング部１３は、上述のように光センサ素子１２内に備えられて配置され得る。図２を参照しながら、光センサ素子１２の構成について説明する。この光センサ素子１２は、図１に示した実施形態に含まれ得る光センサ素子の一例である。図２は、半導体センサチップ中に隣接して含まれる３つの光センサ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃを示す拡大断面である。それぞれのセンサ素子は、基板１１上面側の凹部１１ａ，１１ｂ，１１ｃ内にセンシング部１３ａ，１３ｂ，１３ｃをそれぞれ有する。
【００２８】
センシング部は、例えば、光を検知するための公知の何れかの受光素子であり得る。センシング部は、例えば、フォトダイオードであり得る。
【００２９】
センシング部１３は、センシング部１３が光を検出できる程度にその少なくとも一部が露出するように基板１１の上部に埋め込まれるように配置されている。センシング部１３の上には、光透過性部材１５としてのＳｉＯ２膜１５が存在している。ＳｉＯ２膜１５の内部には、センシング部１３で検知された光学的情報を伝達する一層または複数層の配線１７が備えられ得る。配線１７は、導体材料のビア１８により互いに電気的に接続され得る。このような構成によって、配線１７により隣接する光センサ素子からの光が遮断され、各光センサ素子の上からの光を効率よくセンシング部１３で受光することができる。ＳｉＯ２膜１５、配線１７、およびビア１８からなる層を配線層１９と称する。光センサ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃは、光透過性部材１５の上層として更に保護層を含む。保護層は、半導体センサチップ表面を保護するための光透過性の部材であり得る。保護層は、例えば、窒化シリコン膜１６で形成され得る。図２の光センサ素子１２ａ，１２ｂ，１２ｃでは、サブセンサ面４ａ，４ｂ，４ｃは、窒化シリコン膜１６の上表面である。それらは、センサ面１４を提供し得る。ただし、図２に示されたセンサ面１４は波線により省略された部分にも広がっている。
【００３０】
このような図２に示される光センサ素子１２を備える半導体センサチップ１０の形成方法を以下に説明する。
【００３１】
当該半導体センサチップ１０は、基板１１上で複数の光センサ素子１２を一体に形成することによって形成され得る。このような半導体センサチップ１０は、以下のように半導体プロセスによって形成され得る。まず、基板１１上の、センシング部１３が形成されるべき場所に、不純物を打ち込むことによりセンシング部１３を形成する。続いてその上に、ＳｉＯ２膜１５を堆積する。配線１７は、ＳｉＯ２膜を堆積する際に、その途中の所望の位置にビア１８で接続しながら形成され得る。窒化シリコン膜１６は、例えばＣＶＤ法によりＳｉＯ２膜１５の表面に堆積することによって形成され得る。
【００３２】
半導体センサチップ１０が、このような構成であることによって、その内部に備えられたセンシング部１３に当たった光の光学的情報が検出され得る。光は、例えば、可視光、紫外光、赤外光、蛍光、りん光、発光などであり得る。図１に示されるように、複数のセンシング部１３が、基板１１上にマトリックス状に並んでいる構成によって、実施形態の光学センサを用いて分析対象を分析する際に、センシング部１３によって得られた光学的情報に、そのセンシング部１３の二次元的な位置情報を結びつけることが可能となる。
【００３３】
一つの半導体センサチップに含まれるセンシング部１３の数は、約１００個〜１億個であり得るが、これに限定されるものではない。センシング部１３の数は、細胞の種類、大きさ、または量、あるいは取得されるべきイメージの解像度などによって調節され得る。そのような複数のセンシング部１３を備えることによって半導体センサチップ１０は、その表面であるセンサ面１４を提供する。
【００３４】
各センシング部の大きさは、例えば、５００ｎｍ×５００ｎｍ〜１０μｍ×１０μｍの範囲であり得る。しかしながらこの範囲に限定されるものではない。センシング部の大きさは、例えば、試料収容部２０に収容される試料または分析対象の種類、量または大きさ、あるいは取得されるべきイメージの解像度などによって決定され得る。
【００３５】
各光センサ素子の大きさは、例えば、５００ｎｍ×５００ｎｍ〜１０μｍ×１０μｍの範囲であり得る。しかしながらこの範囲に限定されるものではない。光センサ素子の大きさは、例えば、試料収容部２０に収容される試料または分析対象の種類、量または大きさ、あるいは取得されるべきイメージの解像度などによって決定され得る。各光センサ素子の高さは、数μｍ、例えば、１μｍ〜４μｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。光センサ素子間のピッチは、例えば、０．３μｍ〜３０μｍであり得るが、これに限定するものではない。
【００３６】
更なる実施形態において、光センサ素子１２は、公知の光センサを用いた光センサ素子であってもよい。そのような光センサは、例えば、フォトダイオードで検知された光を電気信号に変換するＣＭＯＳイメージセンサ、ＣＣＤイメージセンサまたはＳＰＡＤ（Ｓｉｎｇｌｅ ｐｈｏｔｏｎ Ａｖａｌａｎｃｈｅ Ｄｉｏｄｅ）イメージセンサ、あるいは熱電対で検知された光を電気信号に変換するサーモパイルセンサなどであり得る。
【００３７】
また上述では、光透過性部材１５の表面側に表面保護層として窒化シリコン膜１６が備えられている例を示した。しかしながらこのような構成に代えて、シリコン酸化膜、酸化アルミニウム膜、または酸化タンタル膜などが保護層として用いられてもよく、あるいは光透過性部材表面に表面保護層が存在しなくともよい。また、センシング部１３の下に光透過性部材が形成されてもよい。その場合、センシング部１３の表面に保護層が形成されてもよい。例えば、センシング部１３が基板１１の表面に存在する場合には、配線層１９が、基板１１とセンシング部１３との間に位置していてもよい。このような構成によってもセンシング部１３に当たった光の光学的情報を検出することを可能である。
【００３８】
２．試料収容部
上述したように試料収容部は、図１（Ａ）および（Ｂ）に示されるように、壁部２２と底部２１とを備える。
【００３９】
図１（Ａ）に示す実施形態では、底部２１は、その主面が円形の面体である。しかしながら、底部主面の形状は多角形、例えば、四角形、例えば、長方形または正方形であり得る。壁部２２は、底部２１の周縁から底部２１の上面２１ａ全体を取り囲むように起立している。その結果、図１（Ａ）では、壁部２２は円筒形状である。例えば、底部２１の主面の形状が多角形である場合は、壁部は角筒となり得る。または、壁部２２は、底部２１の上面２１ａの一部の領域を取り囲むように起立していてもよい。そのような壁部２２は、円筒、楕円筒であってもよいし、角筒であってもよい。図１（Ａ）では、壁部２２が底部２１から垂直に起立している例を示しているが、壁部２２が底部２１から延びていく方向は、底部２１に対して垂直方向のみならず、略垂直であってもよく、斜め上方に向けて延びていてもよい。
【００４０】
底部２１および壁部２２は、光透過性、例えば、可視光、紫外線、赤外線、蛍光、りん光または化学、生物若しくは化学生物発光などの光を透過する性質を有する部材であり得る。そのような部材の例は、例えば、ガラス、二酸化ケイ素またはポリスチレン、ＰＤＭＳなどであり得る。底部２１と壁部２２とが互いに同じ部材で構成されていてもよく、互いに異なる部材で構成されていてもよい。
【００４１】
底部２１の厚さ、即ち、底部２１の両主面間の距離は、例えば、１０ｎｍ〜２ｍｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。壁部２２の厚さ、即ち、底部２１の下面２１ｂに平行な方向であり、かつ、試料収容部２０の外側へ延びる厚さは、例えば、１０ｎｍ〜２ｍｍ、または５０μｍ〜２ｍｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。また、壁部２２の厚さは、全ての領域で一定でなくてもよい。そのような壁部２２は、例えば、壁部２２が角筒である場合、その少なくとも一つの側面全体が他の側面よりも厚くてもよい。壁部２２が円筒である場合、例えば、その円筒を軸に直交して切断したときに得られる円形の断面の所望の長さの弧に対応する壁部２２の領域が、当該円形の残りの弧に対応する他の領域よりも厚くてもよい。また、底部２１と壁部２２とが互いに同じ厚さであってもよく、互いに異なる厚さであってもよい。壁部２２の高さは、例えば、５０μｍ〜１０ｍｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。底部２１の周縁上の対向する２点の距離は、例えば、１００μｍ〜３０ｍｍであり得るが、これに限定されるものではない。
【００４２】
あるいは、例えば、試料収容部２０として、市販のガラス製、ポリエチレンまたはポリスチレン製のシャーレ、ディッシュ若しくはマルチウェルプレート等またはその一部分が利用されてもよい。その場合、それらの底面と半導体センサチップのセンサ面が対向するように固定することによって、実施形態に従う光学センサが形成され得る。
【００４３】
上述したような試料収容部を備えることによって、特定の条件下に置かれる状態で分析されるべき分析対象に関連する情報を得ることができる。特定の条件下に置かれる状態で分析されるべき分析対象とは、例えば、培養中の生きた細胞であって培地から出すことにより状態が変化し得る細胞、または特定のガス濃度でないと培養が難しい細胞などであり得る。また、このような試料収容部は、そこに含まれる分析対象に光が照射される場を提供する。
【００４４】
上述のような前記半導体センサチップ１０および試料収容部２０は、上述のように前記センシング部１３と前記試料収容部２０の前記底部２１とが対向するように固定され得る。このような半導体センサチップおよび試料収容部は、例えば、前記底部２１の下面２１ｂおよびセンサ面１４が、互いに接着するように固定され得る。しかしながら、下面２１ｂおよびセンサ面１４は、後述するように間隙を開けて固定されていてもよい。
【００４５】
このような光学センサ１は、半導体センサチップ１０を形成してから、その上部に別途形成した試料収容部２０の底部２１を固定することにより製造され得る。あるいは、光学センサ１は、半導体センサチップ１０と試料収容部２０の底部２１とを半導体プロセスを用いて一体物として形成した後に、別途形成した壁部２２を固定または射出成形することにより形成し得る。各部材同士の固定は、例えば、接着剤を用いて達成され得る。接着剤の例は、例えば、ＰＤＭＳ（シリコーン樹脂）、またはエポキシ樹脂などであり得る。
【００４６】
更なる実施形態において、半導体センサチップおよび試料収容部は、脱着可能に固定されていてもよい。
【００４７】
３．光源
光源５１は、試料収容部の外側から壁部を通過させて試料収容部内へと光を照射するように配置されている。光源５１は、例えば、図１に示されるような照明ユニット５０内に備えられ達ものであり得る。光源５１は、例えば、赤色光、緑色光、青色光、白色光などの可視光、紫外光および赤外光、並びにこれらの中から選択される２つ以上の組み合わせなどの光を発する光源であり得る。光源５１は、例えば、上述のような光を照射することができる有機ＥＬ、ＬＥＤまたはレーザーなどであり得る。光源は、半導体センサチップと固定されていてもよいし、固定されていなくてもよい。半導体センサチップと固定されていない光源は、上述のような光を発する光源を備える公知の何れかの照明装置に備えられたものであってもよい。そのような照明装置は、例えば、インキュベータ、チャンバまたは暗室などに内蔵されたものなどであり得る。
【００４８】
第２の実施形態
より好ましい実施形態を図３（Ａ）および（Ｂ）に示す。図３（Ａ）は対向したセンサ面１４と前記底部２１との間に低屈折率層３０を備える光学センサの一例の斜視図である。図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の光学センサをＢ−Ｂ’に沿って切断した断面図である。低屈折率層３０は、底部２１よりも屈折率の低い層である。低屈折率層３０は、例えば、真空であるか、または底部２１より屈折率の低い材料で満たされている。底部２１より屈折率の低い材料は、例えば、空気またはメタマテリアルなどであり得る。低屈折率層３０は、例えば、センサ面１４と底部２１とを間隔をあけて固定する複数の支持部材３１を備えることによって形成され得る。支持部材３１は円柱型または角柱型の棒状の部材であり、一方の端がセンサ面１４に、他方の端が底部の下面に固定されている。支持部材３１の高さは、低屈折率層を構成するセンサ面１４と底部２１との距離に依存して決定され得る。支持部材３１の断面の最大差し渡し長は、センサ面１４と底部２１の間に所望の低屈折率層３０が形成および維持され、かつ試料の光学的情報の検出に影響を与えない何れかの長さであり得る。そのような支持部材３１の断面の最大差し渡し長は、例えば、１００μｍ〜１０ｍｍであり得る。支持部材３１の支持部材３１の材料は、例えば、ＳｉＯ２、ガラス、ＰＤＭＳまたはエポキシ樹脂であり得る。
【００４９】
センサ面１４と支持部材３１と底部２１とが一体物として形成されている場合、低屈折率層３０は、例えば、図４に示される以下のような工程により形成され得る。
【００５０】
図４は、１０の断面図である。まず、上述の方法で基板１１、センシング部１３、ＳｉＯ２膜１５、配線１７、ビア１８、窒化シリコン膜１６を形成し、センサ面１４を形成する（図４（ａ））。その上に支持部材３１の材料を堆積して平坦化し、支持部材３１が形成されるべき領域にマスクし、エッチングすることによって、支持部材３１を形成する（図４（ｂ））。その上から熱酸化膜形成を行ってもよい。エッチングによって取り除かれた支持部材３１以外の部分に犠牲層３２を堆積し、平坦化する（図４（ｃ））。次に、底部２１となる層を堆積し（図４（ｄ））、その層に犠牲層３２をエッチングするための穴３３をあける（図４（ｅ））。最後に、犠牲層３２をエッチングする（図４（ｆ））。
【００５１】
支持部材３１は、センサ面１４と底部２１の間に所望の低屈折率層３０が形成および維持され、かつ試料の光学的情報の検出に影響を与えない限り、いくつ備えられていてもよい。
【００５２】
更なる実施形態において、低屈折率層は、軸がセンサ面と直交する筒状の支持部材によって周縁を囲われていてもよい（図示せず）。その場合、当該支持部材によって、センサ面１４と底部２１とが間隙をあけて対向した状態で固定され得る。その場合、支持部材は備えなくてもよい。そのような支持部材は、と底部とは別に上述の支持部材と同様の材料から形成されてもよいし、と一体として形成されていてもよいし、試料収容部と一体として形成されてもよい。と一体として形成される場合、当該支持部材は、を形成した後にセンサ面上に半導体プロセスまたは射出成形によって形成され得る。試料収容部と一体として形成される場合、当該支持部材は、例えば、壁部を所望の低屈折率層の高さに応じて底部の下側まで伸ばすことによって形成されてもよいし、底部の下面から、筒状部材が下に延びるように射出成形によって形成されてもよい。
【００５３】
更なる実施形態において、試料収容部２０は、間隔をあけて上下に配置された２枚の板状部材を一つの底部として備えるシャーレであってもよい。２枚の板状の部材は、上述の何れかの方法で間隙をあけて固定され得る。その２枚の板状部材の間隙が、低屈折率層であり得る。このようなシャーレは、上側の板状部材とセンサ面とが対向するようにシャーレの底面がセンサ面上に固定され得る。シャーレの底面とセンサ面は接着されていてもよいし、光学的情報が所望の精度で検出できる限りにおいて間隙をあけて固定されていてもよい。また、所望の精度で光学的情報が得られる限りにおいて、前記シャーレの底部は、板状部材を２枚以上備えていてもよい。
【００５４】
この様な光学センサは、半導体センサチップおよび試料収容部が脱着可能に固定されていてもよい。その場合、支持部材は半導体センサチップ側にあっても試料収容部側にあってもよい。
【００５５】
センサ面１４から前記底部２１までの距離を「Ｄ」とする（図３（Ｂ）参照）。Ｄの値が大きいほど、センシング部で検出される二次元的な位置情報の精度が低くなり得る。その理由は、底部に対して垂直でない角度で入射した分析対象からの光は、長い距離を進むほど、その光が発生した二次元的な位置から離れるからである。そのために、Ｄの値が大きいほど、位置情報と対応しない光学的情報が検出される可能性が高くなる。
【００５６】
Ｄは、例えば、０μｍ＜Ｄ≦１００μｍであり得る。Ｄは、例えば、１０μｍ以下であることが好ましい。その場合、半導体センサチップ１０により取得され得るその位置情報がより正確になり得る。情報がイメージの場合、その解像度がより高くなり得る。
【００５７】
以上のような構成によって、以下、上述の何れかの光学センサによって光学的情報が検出される過程を図５（Ａ）および（Ｂ）を用いて説明する。
【００５８】
図５（Ａ）および（Ｂ）には、一例として、低屈折率層を備える光学センサを示した。図５（Ａ）に示されるように、当該光学センサ１は、分析に使用される際、試料収容部２０内に試料が収容される。図５（Ａ）および（Ｂ）では、一例として、試料として細胞４０を含む細胞保存液４１を試料収容部２０に収容した光学センサを示した。この場合、分析対象は細胞４０である。分析が行われる際、光源５１によって試料収容部２０に光が照射され得る。当該光は試料収容部２０の外側から壁部２２に向けて照射され、壁部２２を通過し、試料収容部２０内に入射し得る。
【００５９】
試料収容部２０内に入射した光のうち、細胞に当たった光５２は、散乱し得る。散乱した光のうち、側方散乱した光が側方散乱光である。細胞４０が蛍光色素を含み、光源５１から照射される光が、当該蛍光色素の励起光であった場合は、光５２により細胞４０から蛍光が発生し得る。側方散乱光または蛍光のうち、底部の方向に進む側方散乱光５２ａまたは蛍光５２ｂは、底部を通過して半導体センサチップ１０に到達し、その進行方向上にあるセンシング部１３によって検出され得る。これによって、側方散乱光５２ａまたは蛍光５２ｂの発生した二次元的な位置が、それを検出したセンシング部１３の二次元的な位置情報として反映され得る。このようにして、各センシング部１３によって検出された光学的情報は位置情報と対応付けられ得る。
【００６０】
一方で、細胞に当たらない光は、細胞保存液４１の上面（光５３ａ）、底部２１（光５３ｂ）、または反対側の壁部（光５３ｂ）などへ入射し得る。細胞保存液４１の上面へ入射した光５３ａは、反射して底部２１へ入射し得る。そのような光５３ａｂおよび底部２１へ入射した光５３ｂは、更に底部２１の下へと入射し、センシング部１３に到達し、検出され得る。光５３ａまたは光５３ｂを以下、散乱光と称する。散乱光が検出されると、散乱光がノイズとなって細胞からの側方散乱光５２ａまたは蛍光５２ｂとの区別がつきにくく、分析の精度が低くなり得る。しかしながら、光５３ａおよび５３ｂを以下のような角度で照射すれば、図５（Ｂ）に示すように光５３ａｂおよび光５３ｂがセンシング部に到達せず、試料収容部２０の外に出ていくことが可能となる。そのような光５３ａおよび５３ｂは、光５３ａが細胞保存液４１の上面で全反射し、かつ光５３ａｂおよび光５３ｂが、底部２１の下へ入射した際に全反射するような角度である。そのような光５３ａおよび光５３ｂの角度は、細胞４０を含む細胞保存液４１の上部へ入射する際の臨界角と、底部２１の下へ入射する際の臨界角とのうち、より大きい方の角度以上の角度であり得る。光学センサが低屈折率層を備える場合には底部２１の下に低屈折率層３０が存在し、低屈折率層を備えない場合に底部２１の下にセンサ面１４が存在する。このような角度で光を試料に照射することによって、高価な検出器を用いることなく散乱光が効率的に取り除かれ、精度の良い分析が可能となる。これは、光が透過性の壁部を介して照射されることと、照射された光５３ａ，５３ａｂ，５３ｂを全反射させることを可能とする細胞保存液４１および底部２１を併せた層が存在することによって達成され得る。そのような層の存在は、光学センサ１が上述のような構成の試料収容部を有することから達成され得る。
【００６１】
低屈折率層３０が存在することで、低屈折率層３０が存在しない場合よりもより多くの角度の光が、底部２１の下に入射した際に全反射し得る。したがって、このような構成を備えることにより、センシング部に到達する散乱光を減少させることが可能となる。
【００６２】
更なる実施形態において、図６に示されるように、上述の光学センサ１は、試料収容部２０の底部２１の上面２１ａに、更にレンズアレイ６０を備え得る。レンズアレイ６０は、凸面を上方に向けてマトリックス状に並んでいる複数のマイクロ凸レンズ６１を含む。マイクロ凸レンズの直径は、例えば、１μｍ〜１０μｍであり得る。マイクロ凸レンズの高さは、例えば、１μｍ〜１０μｍであり得る。
【００６３】
底部２１にレンズアレイ６０を形成は、例えば、図７に示される以下の工程により行われ得る。
【００６４】
上述の方法で形成された底部２１（図７（ａ））の上面に、マイクロ凸レンズ６１となる高屈折率材料６１ａを塗布してパターニングする（図７（ｂ））。次に高屈折率材料６１ａを熱で変形させることによってレンズ状にし、紫外線照射または加熱により高屈折率材料６１ａを硬化させる（図７（ｃ））。その後、低屈折率材料６２を高屈折率材料６１ａ上部に塗布し、その表面をスピンコートなどで平坦化する（図７（ｄ））。高屈折率材料、低屈折率材料は、例えば、屈折率の異なる樹脂などであり得る。
【００６５】
上面にレンズアレイを有する底部として、公知のマイクロレンズアレイを用いてもよい。そのようなマイクロレンズアレイは、例えば、浜松ホトニクス社製または凸版印刷社製のものなどであり得る。
【００６６】
マイクロ凸レンズは試料からの光を屈折させて集めることにより、センサ面１４から前記底部２１までの距離Ｄが長い場合であっても、位置情報の精度を高めることが可能となる。
【００６７】
更なる実施形態において、試料収容部２０は、間隔をあけて上下に配置された２枚の板状部材を一つの底部として備え、底部上面に上述のマイクロレンズアレイを備えるシャーレ、ディッシュまたはマルチウェルプレートであってもよい。その２枚の板状部材と壁部とで区画された領域が、低屈折率層である。このシャーレの外側底面がセンサ面に対向して固定されることによって、実施形態に従う光学センサが形成され得る。
【００６８】
上記の散乱光のようなノイズとなる光は、底部２１に存在するキズ、穴などによっても発生する可能性ある。このような光もセンシング部に到達することで、分析の精度を低くし得る。ノイズとなるような光をより多く取り除き、分析の精度を更に上げるために、例えば、以下の光学センサが用いられ得る：散乱光が到達する半導体センサチップ上の領域にセンシング部を配置しない光学センサ、センサ面の一部を遮光する遮光部材を備える光学センサ、レンズを備える壁部を備える光学センサ、壁部の一部を遮光する遮光膜を備える光学センサ、またはフィルタを有する光学センサ。以下、このような実施形態について詳細に説明する。
【００６９】
第３の実施形態
図８は、更なる実施形態の一例であるセンシング部１３に散乱光が到達する領域７０にセンシング部１３を備えない光学センサ１の断面図である。図８には、低屈折率層を備え、試料として細胞４０を含む細胞保存液４１を試料収容部２０に収容した光学センサを示した。散乱光が到達する領域７０は、半導体センサチップ１０上の領域であり、それは、例えば、第１または２の実施形態の半導体センサチップ１０を使用する場合に散乱光５３がそのセンシング部１３に到達し得る領域である。このような領域７０は、例えば、底部２１への入射角がより小さい散乱光５３が到達し得る光源５１側の領域、または細胞保存液４１の上面で反射して底部２１に入射した散乱光５３が到達し得る光源５１と反対側の領域などであり得る。光源５１からの光の角度または種類、あるいは細胞保存液４１の種類、低屈折率層３０の厚さ、種類などによって決定され得る。
【００７０】
更なる実施形態における半導体センサチップ１０は、第４の実施形態に記載する穴、キズおよび／または支持部材による散乱光が到達する領域にもセンシング部１３を備えない。
【００７１】
このような構成によって、センシング部によって検出が望まれない光、例えば散乱光などが検出されるのを防止することが可能である。
【００７２】
第４の実施形態
図９に、更なる実施形態の一例であるセンサ面１４上の散乱光が到達する領域７１に遮光部材７２を備える上述の何れかの光学センサの断面図を示す。当該散乱光は、例えば、光源５１から照射され分析対象の細胞４０に当たらずに底部２１に入射した際に発生した散乱光５３、支持部材３１によって発生する散乱光５４、底部２１の穴３３によって発生する散乱光５５、または底部２１上のキズ３４によって発生した散乱光５６であり得る。支持部材３１、穴３３、またはキズ３４によって発生する散乱光５４，５５，５６が到達し得る領域７１は、例えば、キズ３４の周囲０μｍ〜１０μｍの領域、穴３３の周囲０μｍ〜１０μｍの領域、または支持部材３１の周囲０μｍ〜１０μｍの領域であり得る。
【００７３】
遮光部材７２は、例えば、金属であり得る。金属は、Ａｌ、またはＣｕであり得る。遮光部材７２のセンサ面と垂直な方向に延びる厚さは、例えば、０．１μｍ〜３μｍであり得る。このような遮光部材７２は、例えば、上述の金属の膜をセンサ面１４上の全体に堆積し、散乱光が到達し得る領域７１以外の領域の金属膜をエッチングによって取り除き、ＳｉＯ２等によって層間膜堆積し、平坦化を行うことにより形成され得る。
【００７４】
更なる実施形態において、遮光部材７２は、センシング部１３とセンサ面１４との間に形成されていてもよい。遮光部材７２は、例えば、光透過性部材１５内に形成されていてもよい。また、一つの領域７１が１つの連続した遮光部材によって遮光されていてもよいし、複数の遮光部材によって遮光されていてもよい。
【００７５】
このような構成によって、散乱光が半導体センサチップによって検出されるのを防ぎ、光学的情報およびその位置情報を精度よく取得することができる。
【００７６】
図９には、一例として低屈折率層を備える当該光学センサを示したが、低屈折率層を備えなくてもよい。
【００７７】
第５の実施形態
図１０（Ａ）に、実施形態の一例である、半導体センサチップ１０に、その側面がテーパーを有する遮光部材７２を備える光学センサの断面図を示した。このような遮光部材７２は、センシング部１３の上面よりも上で、かつセンサ面１４より下に位置し得る。図１０Ａには、一例として低屈折率層３０を備える当該光学センサを示した。
【００７８】
図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の囲いＢの部分を上から見たときのセンシング部１３と遮光部材７２の位置関係を示す模式図である。他の部材は省略した。この図では、便宜上隣接した６つのセンシング部１３ａ〜１３ｆと、遮光部材７２ａおよび７２ｂの一部とを示した。遮光部材７２ａは、センシング部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを含むセンシング部の列とセンシング部１３ｄ，１３ｅ，１３ｆを含むセンシング部の列との間に備えられている。遮光部材７２ｂは、センシング部１３ｄ，１３ｅ，１３ｆを含むセンシング部の列とセンシング部１３ｇ，１３ｈ，１３ｉを含むセンシング部の列との間に備えられている。遮光部材７２ａおよび７２ｂは、それぞれの長手方向が、光源５１から照射される光５３に直交するように配置されている。遮光部材７２ａは、上から見てセンシング部１３ａ，１３ｂ，１３ｃを含むセンシング部の列とセンシング部１３ｄ，１３ｅ，１３ｆを含むセンシング部の列との間に配置されている。更なる実施形態において、遮光部材７２ａは、センシング部１３ａ，１３ｂ，１３ｃの真上に位置していてもよいし、上から見て遮光部材７２ａの一部がセンシング部１３ａ，１３ｂ，１３ｃと重なるように配置されていてもよい。これは、遮光部材７２ｂ，７２ｃについても同様である。しかしながら、上から見た際に、遮光部材と遮光部材との間には、センシング部の少なくとも一部が露出している。そのような配置によって、遮光部材と遮光部材との間に分析対象からの検出されるべき光が入射し、そこに位置するセンシング部でその光を検出することができる。このような遮光部材の長手方向へ延びる長さは、１０μｍ〜１０ｍｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。この長さは、半導体センサチップの大きさによって決定され得る。遮光部材の長手方向と直交する方向の幅は、１μｍ〜１０μｍであり得るが、この範囲に限定されるものではない。このような遮光部材と遮光部材との間隔は、０．１μｍ〜１０μｍであり得る。当該間隔は、センシング部の大きさに依存して決定され得る。
【００７９】
図１０（Ｃ）は、図１０（Ｂ）のＣ−Ｃ’に沿って切断したときの断面図である。遮光部材７２ａおよび７２ｂは、底面と上面がセンサ面と平行であり、側面はテーパーを有する。遮光部材の上面と側面とでなす二面角は９０℃よりも大きく、上面端部から底面に下ろした垂線と側面とのなす角αは、０＜α＜９０である。また、遮光部材の底面と側面とでなす二面角の内角βは、９０°より小さい。したがって、遮光部材７２ａおよび７２ｂの図１０（Ｂ）のＣ−Ｃ’に沿って切断した断面は、上底が下底よりも短い台形である。しかしながら、断面は底面がセンサ面と平行であり、頂点がセンサ面側に位置する三角形でもよい。遮光部材７２ａおよび７２ｂは、例えば、その大きさおよび形状が互いに等しく、センサ面までの距離も等しくてもよい。このような遮光部材７２ａ，７２ｂは、半導体プロセスによって形成され得る。
【００８０】
このような形状の遮光部材７２によって、特定の角度φでセンサ面１４に入射した散乱光が、センシング部１３によって検出されるのを防ぐことが可能となる。特定の角度φは、光が遮光部材７２ａと７２ｂとの間を通り抜けられる角度より小さい。このような角度φは、φ≦ｔａｎ−１（ｈ／ｄ）の条件を満たす角度である。ｈは、遮光部材７２ａおよび７２ｂの高さである。ｄは、遮光部材７２ａの底面の遮光部材７２ｂに最も近い点から、遮光部材７２ｂの上面の遮光部材７２ａに最も近い点から底面に下ろした垂線と底面との交点までの距離である。断面が三角形である場合、ｄは、遮光部材７２ａの底面の遮光部材７２ｂに最も近い点から、遮光部材７２の断面の三角形の頂点から底面に下ろした垂線と底面との交点までの距離である。かつ、特定の角度φは、光が遮光部材の側面に当たった際にセンシング部へ向かう方向へ反射しない角度である。このような角度φは、φ≦２α条件を満たす角度である。
【００８１】
更なる実施形態において、角度αは、遮光部材の半導体センサチップ上の位置に応じて互いに異なっていてもよい。更なる実施形態において、当該遮光部材は、センサ面１４に対して垂直な方向に複数層形成されていてもよい（図示せず）。
【００８２】
このような角度αを有する側面を備えることによって、複数の連続していない遮光部材を用いた場合であっても、センシング部に入射する散乱光を減少させることが可能である。
【００８３】
このような光学センサは、低屈折率層を備えなくてもよい。そのような光学センサを図１０（Ｄ）に示す。低屈折率層が存在しない場合、低屈折率層に代わって上述のような遮光部材７２が散乱光のセンシング部１３への到達を防止し得る。それにより分析対象の検出が可能となる。そのような光学センサ１は、第１の実施形態に記載した光学センサの半導体センサチップ１０に上述のような遮光部材７２を備えるものであり得る。
【００８４】
更なる実施形態において、このような遮光部材は、側面に上述のようなテーパーを有する上述の配線であってもよい。
【００８５】
第６の実施形態
図１１Ａは、更なる実施形態の一例である、壁部２２Ａに更にレンズ２３Ａを備える光学センサ１の断面図である。当該光学センサ１は、壁部２２Ａにレンズ２３Ａを備えること以外は上述の何れかの光学センサと同じであり得る。
【００８６】
レンズ２３Ａは、少なくとも光源５１から試料までの光路上にある壁部２２Ａの領域を含む所望の領域に備えられる。壁部２２Ａのそのような領域に配置されたレンズ２３Ａを通過することによって、光源５１から照射された光５７は、底部２１とほぼ平行な角度に収束する。このように光を屈折させるレンズは、例えば、両凸レンズ、平凸レンズ、両凹レンズ、平凹レンズ、プリズムレンズまたはこれらの何れかの組み合わせなどであり得る。
【００８７】
このようなレンズの立体的な形状は、円盤状、球状、扁平球状、あるいは円柱または角柱などの柱状などであり得る。図１１Ａには、レンズ２３Ａが、円盤状の両凸レンズである光学センサを示した。このようなレンズ２３Ａは、例えば、円盤の一方の面２３ａが光源５１側を向き、他方の面２３ｂは試料収容部２０の内側を向き、その主平面２３ｃが底部２１に対して垂直になるように配置され得る。ここにおいて、「主平面」は、レンズを通過する前の光の光路およびレンズを通過した後の光路の交点によってなる仮想上の面とする。レンズ２３Ａがこのように配置されることによって、面２３ａに光源５１からの光が入射する。
【００８８】
図１１Ｂには、レンズが、底面が台形の四角柱状のプリズムレンズである光学センサの断面を示した。四角柱状のレンズ２３Ｂの軸は光５７に対して直交し、かつ底部２１に対して平行に配置され得る。図１１Ｂに当該レンズ２３の軸に直交する断面を示す。当該断面は台形であり、その長い方の底辺２３ｄは光源５１側を向き、短い方の底辺２３ｅは試料収容部２０の内側を向いている。すなわち、図１１Ｂに示される辺２３ｄで表される側面は光源５１側を向いている。このようなレンズ２３Ｂを備えることで、前記台形の脚である辺２３ｆおよび２３ｇで示される側面に入射した光５７が底部２１とほぼ平行な角度に屈折される。
【００８９】
底面が台形の四角柱状のプリズムレンズの配置される向きは、図１１Ｂに示される向きに限定されるものではない。例えば、台形の長い方の底辺２３ｄによって表される側面が光源側を向いていなくてもよい。そのようなレンズを備える光学センサの一例の断面図を図１１Ｃに示した。図１１Ｃに示される底面が台形の四角柱状のプリズムレンズ２３Ｃは、台形の長い方の底辺２３ｈによって表される側面が上側を向き、短い方の底辺２３ｉによって表される側面が半導体センサチップ側を向くように配置されている。この場合、光源側を向く辺２３ｊによって表される面に光源５１から光５７が照射され得る。光５７は、当該レンズ２３Ｃによって底部２１と平行な角度に屈折され得る。このようなレンズ２３Ｃの光源側を向く側面および試料収容部内部を向く側面は、そのどちらか一方が底部２１に対して垂直であってもよい。
【００９０】
レンズは、壁部の高さ方向の全てに亘る領域を占めるように配置されていてもよい。その場合壁部として、その所望の領域が上述の何れかのレンズの機能を有するように加工されたものを用いてもよい。
【００９１】
レンズは、壁部の全体的な形状に沿うように湾曲または屈曲していてもよい。すなわち、試料収容部を規定している壁部全体が円筒状の場合、その円筒周面の湾曲に沿うように当該レンズが湾曲していてもよい。また、壁部全体が角筒状の場合、その角筒周面の屈曲に沿うように当該レンズが屈曲していてもよい。
【００９２】
レンズは、壁部の所望の領域に対応するように一つ備えられていてもよいし、複数備えられていてもよい。円盤状のレンズが複数備えられる場合、それらは、例えば、円筒または角筒をなす壁部の、周面の一部の領域または１つの側面からなる領域若しくは複数の側面に亘る領域をカバーするようにアレイ状に配置され得る。柱状のレンズが複数備えられる場合、それらは、例えば、その軸が互いに平行になるように壁部の高さ方向に並ぶように配置され得る。
【００９３】
レンズは、壁部の試料収容部の外側となる面に固定されていてもよく、壁部の試料収容部の内側となる面に固定されていてもよく、壁部を貫通するように配置されていてもよい。
【００９４】
壁部がこのようなレンズを備えることによって、分析対象に当たらずに底部に入射してセンシング部に到達する光を減少させることが可能である。それによって分析対象からの光学的情報を精度よく取得することができる。
【００９５】
このような光学センサは、低屈折率層を備えても備えなくてもよい。低屈折率層が存在しない場合、低屈折率層に代わって上述のようなレンズが散乱光のセンシング部への到達を防止し得る。それにより分析対象の検出が可能となる。そのような光学センサは、第５の実施形態に記載した光学センサであって、壁部が、上述のレンズを備えるものであってよい。その場合、第５の実施形態の遮光部材を備えていても備えていなくてもよい。
【００９６】
第７の実施形態
図１２は、実施形態の一例である光学センサの断面図である。図１２は、上述の何れかの光学センサの壁部２２側面の一部が遮光膜２４によって覆われている光学センサ１を示す。図１２は一例として、低屈折率層３０を備える当該光学センサを示した。また、細胞４０を含む細胞保存液４１を試料として試料収容部に含む。遮光膜２４は、例えば、照明ユニット５０に備えられた光源５１から照射される可視光、紫外光、または赤外光などを遮光できる公知の何れかの膜であり得る。当該実施形態において、壁部２２の遮光膜２４によって覆われない領域２５は、照射される光の量、光の種類および／または、光源と壁部との距離などに依存して決定され得る。そのような領域は、底部と平行な帯型、丸型、多角形型またはスポット状などであり得る。遮光膜は、少なくとも光源から試料までの光路上にある壁部２２を覆うように備えられ得るが、壁部２２の外側の側面全体を覆うように用いられてもよい。また、壁部２２の外側側面または内側側面を覆っていてもよいし、外側側面の覆われた領域に対応した内側側面の領域も覆っていてもよい。
【００９７】
照明ユニット５０の光源５１が壁部２２から離れているほど、照射された光の底部２１への入射角が大きくなるため、センシング部に到達する散乱光が減少し得る。好適な光源５１と壁部２２の距離は、領域２５の形または大きさに依存して変化し得る。したがって、所望の光学的情報およびその位置情報の精度によって、光源５１と壁部２２との距離と領域２５の形および大きさの関係を決定することが好ましい。
【００９８】
上述のような遮光膜を備え、光をより壁部から離れたところから照射することによって、分析対象に当たらずに底部２１に入射してセンシング部に到達する光を減少させることが可能である。そのため、分析対象からの光学的情報をより精度よく取得することができる。
【００９９】
このような光学センサは、低屈折率層を備えなくてもよい。低屈折率層が存在しない場合、低屈折率層に代わって上述のような遮光膜が散乱光のセンシング部への到達を防止し得る。それにより分析対象の検出が可能となる。そのような光学センサは、第５の実施形態に記載した光学センサであって、その壁部が上述のように遮光膜によって遮光されたものであり得る。その場合、第５の実施形態に記載した遮光部材を備えなくてもよい。
【０１００】
第８の実施形態
図１３の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）に、更なる実施形態であるセンシング部１３と底部２１との間にフィルタ３００を備える光学センサの底部２１と半導体センサチップ１０の拡大断面図を示した。図１３の（Ａ），（Ｂ）および（Ｃ）には、一例として低屈折率層３０を備える当該光学センサを示した。
【０１０１】
当該光学センサのフィルタ３００は、例えば、図１３（Ａ）に示されるように、センシング部１３とセンサ面１４との間に形成されてもよい。また、図１３（Ｂ）に示されるように、半導体センサチップの最上部に形成されてもよい。更に、図１３（Ｃ）に示されるように、底部２１の下に形成されてもよい。フィルタ３００は、半導体プロセスにより形成されてもよい。または、図１３（Ｂ）に示されるフィルタ３００の場合、半導体センサチップを形成する際に最上面に形成されてもよい。あるいは、図１３（Ｃ）に示されるフィルタ３００は、底部の下面に接着されることによって形成されてもよい。
【０１０２】
当該フィルタは、特定の波長を透過または吸収するフィルタであり得る。それは、例えば、励起光を吸収し、蛍光を透過するフィルタであり得る。その場合、蛍光色素を含む分析対象からの蛍光を効率的に検出することができる。
【０１０３】
フィルタは、例えば、無機フィルタおよび／または有機フィルタであり得る。無機フィルタは、例えば多層フィルタまたはプラズモンフィルタである。多層フィルタは、低屈折材と高屈折材とを交互に堆積したものである。例えば、低屈折材として酸化シリコン膜、高屈折材として酸化ジルコニウムを用いた場合、各膜の厚さは、酸化シリコン膜が６２ｎｍ±５ｎｍ、酸化ジルコニウム３８ｎｍ±５ｎｍであることが好ましい。このような多層膜は、５１０ｎｍの波長に対して３６０ｎｍ±３０ｎｍの波長の光を良好に反射することができる。具体的には、前記２種の酸化膜を対として３０積層することにより１／１０００００の除去比を得ることができる。有機フィルタは、顔料または染料から作ることができる。
【０１０４】
この様なフィルタを備えることによって、分析対象に当たらずセンシング部に到達する光が遮光され、精度よく分析対象の光学的情報が得られ得る。
【０１０５】
更なる実施形態において、一つの半導体センサチップに異なる２種類以上のフィルタを備えてもよい。それによって異なる波長の光を一度に分析することが可能となる。
【０１０６】
上述の何れかの光学センサは、必ずしも低屈折率層を備えなくてもよい。低屈折率層が存在しない場合、低屈折率層に代わって上述のようなフィルタが散乱光のセンシング部への到達を防止し得る。それにより分析対象の検出が可能となる。そのような光学センサは、第５の実施形態に記載した光学センサであって、上述のようなフィルタを備えたものであり得る。その場合、第５の実施形態に記載した遮光部材を備えなくてもよい。
【０１０７】
第５〜第８の実施形態に記載した低屈折率層を備えない光学センサは、更に、第５〜第８の実施形態に記載した散乱光のセンシング部への到達を防止するための部材の何れかを組み合わせて備えていてもよい。そのような光学センサは、例えば、半導体センサチップに第５の実施形態に記載の遮光部材を備え、かつ壁部に第６の実施形態に記載のレンズを備える。または、例えば、半導体センサチップに第５の実施形態に記載の遮光部材を備え、かつ壁部に第７の実施形態に記載の遮光膜を備える。または、例えば、壁部に第６の実施形態に記載のレンズと第５の実施形態に記載の遮光部材とを備える。または、半導体センサチップに第５の実施形態に記載の遮光部材を備え、壁部に第６の実施形態に記載のレンズと第５の実施形態に記載の遮光部材とを備え得る。以上のような光学センサは、更に第８の実施形態に記載のフィルタを備えていてもよい。そのような光学センサは、更に第１の実施形態に記載の半導体センサチップおよび／または第３の実施形態に記載の遮光部材を備えていてもよい。
【０１０８】
第９の実施形態
図１４の（Ａ）および（Ｂ）に、更なる実施形態の光学センサの一例の断面図を示す。当該光学センサは、上述の何れかの光学センサに更に流路を備える。図１４の（Ａ）は、流路９０を備えた光学センサ１を示している。図１４の（Ａ）には、一例として低屈折率層を備える当該光学センサを示した。当該光学センサは、低屈折率層を備えなくてもよい。図１４の（Ｂ）は、図１４の（Ａ）の光学センサ１をＢ−Ｂ’に沿って切断した際の断面図である。図１４（Ａ）および（Ｂ）に示されるように、当該光学センサ１の底部２１は内部に、流路９０を備える。流路９０は、底部２１の上面２１ａより下かつ底部の下面２１ｂより上に位置し得る。流路９０は、例えば、円筒であってもよいし、断面が多角形である角筒であってもよい。図１４（Ａ）に示されるように、流路９０は、例えば、その長軸が底部２１と平行であって、複数の流路９０が互いに平行に並ぶように配置され得る。しかしながら、流路９０の配置パターンはこれに限定されるものではない。例えば、流路９０に直交する複数の更なる流路（図示せず）を備えるように、複数の流路が格子状に交差した形状であってもよい。
【０１０９】
図１４（Ｂ）の囲いＣの部分の拡大図である図１４の（Ｃ）に示されるように、流路９０の内部と試料収容部２０の内部とは、開孔９１によって連絡している。更なる実施形態において、開孔９１は、蓋部材９３によって開閉されてもよい。そのような開閉は、例えば、電磁気スイッチなどによって行われ得る。電磁気スイッチは、例えば、メカニカルエレクトリカルマイクロスイッチ（ＭＥＭＳ）などであり得る。図１４の（Ｃ）は、そのようなスイッチによって開かれている開孔９１の１例を模式的に示している。図１４の（Ｄ）は、開孔が閉まっているときの開孔９１の１例を模式的に示している。電磁気スイッチを有する開孔９１は、例えば、開孔９１の周辺に配置された電極９２ａと、開孔側に電極９２ｂを有する蓋部材９３と、蓋部材９３と流路９０の壁とをつなぐ複数のばね９４とを有し得る。このような構成により、当該スイッチは、電極９２ａに電圧を印加した際に蓋部材９３の電極９２ｂが開孔９１に引き寄せられ、開孔９１を塞ぐことができる。電極９２ａに電圧がかかっていないときは、ばね９４によって蓋部材９３が開孔９１から引き離され、開孔９１が開く。
【０１１０】
この様な構成を有する流路９０によって、試料収容部２０の二次元領域上の特定の位置に存在する試料に所望の薬品を送達するか、または二次元領域上の特定の位置に存在する試料を回収することができる。薬品は、分析対象に、変化または破壊などをもたらす薬品であり得る。変化は、例えば、分性対象が細胞であった場合、細胞の色、細胞内での遺伝子の発現量あるいは細胞または細胞に含まれる物質の不活性化などであり得る。そのような薬品は、公知の何れかの薬品であり得る。
【０１１１】
流路を有する光学センサは、更なる実施形態において、更にチャンバを備え得る。図１５（Ａ）に示されるように、当該チャンバ９５は、底部２１内の流路９０よりも上に配置され得る。図１５（Ｂ）は、図１５（Ａ）の囲いＢの部分の拡大図である。図１５には、一例として、試料として細胞４０を含む細胞保存液４１を収容した光学センサを示した。チャンバ９５は、底部２１の上面２１ａより下かつ流路９０より上に位置し得る。チャンバは、例えば、中空の直方体であってもよいし、中空の球体であってもよい。チャンバ９５は、縦横に所望の数で行列をなして配置され得る。チャンバの位置は、細胞４０の位置と対応していてもよい（図示せず）。そのようなチャンバは、例えば、細胞４０の一つに対して一つ備えられており、当該細胞４０の下方に備えられ得る。当該実施形態における流路９０は、流路９０の内部と、チャンバ９５の内部を連結する開孔９１を有する。開孔９１は、上述の開孔と同様のものであり得る。開孔９１の開閉は、上述と同様の機構によって行われ得る。チャンバ９５は、チャンバ９５の内部と試料収容部２０の内部とを連絡する貫通孔９６を有する。
【０１１２】
この様な構成を有するチャンバ９５と流路９０によって、試料収容部２０の二次元領域上の特定の位置に存在する試料に対して処理を行うことが可能である。処理は、例えば、試料の加熱、破壊、またはＰＣＲ反応等であり得る。加熱は、例えば、ナノワイヤを内部に有するチャンバによって行われ得る。試料の破壊は、例えば、内部に電極を有するチャンバによって電気穿孔法などによって行われ得る。破壊された試料は、流路によって回収され得る。ＰＣＲ反応は、試料が生物学的試料である場合にチャンバで行われ得る。例えば、流路によって反応に必要な試薬をチャンバ内に送達させ、同時にまたはその前後にチャンバ上方に位置する試料からチャンバ内に核酸を回収し、温度管理をすることにより行われ得る。得られた増幅産物は流路によって回収され得る。
【０１１３】
以上のような流路または流路およびチャンバを備える光学センサは、低屈折率層を備えなくてもよい。そのような光学センサは、低屈折率層に代わって散乱光のセンシング部への到達を防止する第５〜第８の実施形態に記載した部材の何れかを組み合わせて備え得る。
【０１１４】
更なる実施形態において、上記のような低屈折率層を備えない流路または流路およびチャンバを備える光学センサにおいて、壁部は脱着可能であり得る。そのような光学センサは、底部が試料を配置するための試料台として機能し得る。このような光学センサによって分析される試料は、例えば粘性のある試料、少量の液体である試料、または固体の試料などであり得る。そのような光学センサは、例えば、低屈折率層の代わりに散乱光のセンシング部への到達を防止する第５の実施形態の遮光部材および／または第８の実施形態に記載したフィルタを備え得る。
【０１１５】
また、このような実施形態に基づき更なる実施形態が提供され得る。そのような実施形態について以下に説明する。
【０１１６】
第１０の実施形態
図１６（ａ）に、更なる実施形態の光学センサの一例の断面図を示す。当該光学センサ１は、半導体センサチップ１０と光透過性の試料台２６とを備える。半導体センサチップ１０は、基板１１と複数のセンシング部１３とを備える。複数のセンシング部１３は、基板１１の一方の主面上の二次元領域に上方を向いてマトリックス状に並んでおり、前記二次元領域に対応する一つのセンサ面１４を提供している。半導体センサチップ１０は、第４の実施形態の遮光部材および／または第７の実施形態に記載したフィルタを備えていてもよい。試料台２６は、前記センサ面１４よりも上方に複数のセンシング部１３と対向して位置し、内部に流路９０およびチャンバ９５を備える。流路およびチャンバは、第８の実施形態に記載したものであり得る。そのような前記チャンバは前記流路よりも上方に位置し得る。前記チャンバ内部と前記流路内部とは、開閉可能な開孔を通じて連絡していてもよい。更に、前記チャンバ内部と前記試料台の上部とは、更なる開孔を通じて連絡していてもよい。前記試料台２６は、上述の何れかの底部と寸法、形状、および材料が同じであり得る。
【０１１７】
当該光学センサ１は、チャンバを有していなくてもよい。その場合、前記流路内部と前記試料台上部とが開孔を通じて連絡している。
【０１１８】
このような光学センサは、第８の実施形態に記載の壁部が取り外された流路または流路およびチャンバを備える光学センサと理解されてもよい。
【０１１９】
このような光学センサは、半導体センサチップのセンサ面と試料台の底面の間に上述の実施形態に記載の低屈折率層を備えていてもよい。
【０１２０】
このような光学センサにより、分析対象に当たらずに前記底部を通過し得る光が検出されるのを防止することができると共に、当該光学センサで観察された分析対象に関する更なる試験を簡便に行うことが可能である。
【０１２１】
またこのような実施形態に基づいて、次のような更なる実施形態も提供され得る。そのような実施形態を図１６（ｂ）および図１６（ｃ）に示す。図１６（ｂ）は、実施形態の光学センサ１の斜視図であり、この光センサ１の線Ｂ−Ｂ’に沿った断面図を図１６（ｃ）に示す。
【０１２２】
この光センサ１は、流路９０およびチャンバ９５を備えないことを除いて図１６（ａ）の実施形態と同様の構成を有している。即ち、当該光学センサ１は、半導体センサチップ１０ｂと光透過性の試料台２６Ｂとを備える。半導体センサチップ１０Ｂは、基板１１Ｂと複数のセンシング部１３Ｂとを備える。複数のセンシング部１３Ｂは、基板１１の一方の主面上の二次元領域に上方を向いてマトリックス状に並んでおり、前記二次元領域に対応する一つのセンサ面１４Ｂを提供している。半導体センサチップ１０Ｂは、第４の実施形態の遮光部材および／または第７の実施形態に記載したフィルタを備えていてもよい。試料台２６Ｂは、前記センサ面１４ｂよりも上方に複数のセンシング部１３Ｂと対向して位置している。
【０１２３】
このような光センサ１は、複数のセンシング部１３Ｂのそれぞれが、略直上に存在する試料からの光をセンシングするように構成されており、またこの場合、試料への光照射は、試料台２６Ｂ上面への入射角が臨界角以上となる角度でなされ得る。
【０１２４】
このような光学センサによって、分析対象に当たらずに前記底部を通過し得る光が検出されるのを防止することができる。
【０１２５】
第１１の実施形態
更なる実施形態において、上述のような光源は、上述の何れかの半導体センサチップと固定されて備えられ得る。
【０１２６】
固定された光源を備える光学センサは、図１７Ａに示される以下のような構成を有する。当該光学センサ１は、支持板１００と、支持板１００に固定された光源５０１とを含む。光源５０１は、例えば、図１７Ａに示されるように照明ユニット５００内に備えられたものであり得る。支持板１００は、半導体センサチップ１０の基板１１の下面に固定され得る。光源５０１は、半導体センサチップ１０の方向を向けて固定され得る。そのような支持板１００は、光透過性であり得る。当該支持板１００は、例えば、ＳｉＯ２、またはガラスエポキシなどであり得る。当該支持板１００の厚さは、例えば、１００μｍ〜２ｍｍであり得る。支持板１００は、半導体センサチップ１０と照明ユニット５００と接着剤などによって接着される。
【０１２７】
更なる実施形態において、図１７Ｂに示すように、光源５０１は壁部２２０Ｂ中に備えられていてもよい。その場合、壁部２２０Ｂは、底部２１に平行して試料収容部の外側へと延びる厚さを有する。光源５０１はこのような厚さを有する壁部２２０Ｂ内に配置される。壁部２２０Ｂの厚さは所望に応じて選択され得る。光源５０１および照明ユニット５００は壁部２２０Ｂ内に埋め込まれていてもよく、その場合、壁部２２０Ｂ内部の光源５０１および照明ユニット５００以外の部分は、壁部２２０Ｂを形作っている材料で満たされている。このような壁部２２０Ｂは、支持板１００の上面および／またはセンサ面１４から延びていてもよい。そのような壁部２２０は、例えば、樹脂などであり得る。光源５０１が壁部２２０の内部にあることで、光源５０１と空気との界面を減らし散乱光を低減することができる。
【０１２８】
更なる実施形態において、壁部２２０は、試料収容部２０内へ入射する光５０２を底部２１とほぼ平行な角度に収束させるように構成されていてもよい。例えば、光５０２の一部の成分の進行方向を変更する部材が壁部２２０内の光路上に備えられ得る。または、壁部２２０の前記光路上の少なくとも一部の領域がそのような機能を奏する形に加工されていてもよい。光を収束する部材は、例えば、第６の実施形態に記載された何れかのレンズまたは第７の実施形態に記載の何れかの遮光膜などであり得る。壁部２２０が光を収束するように加工されている場合、壁部の試料収容部２０の内側を向く面の光路上の領域が、例えば、第６の実施形態のレンズの機能を有するように加工されていてもよい。
【０１２９】
図１７Ｃに、更なる実施形態として壁部２２０の試料収容部２０内部に向く面の光５０２の光路上の領域が、底部２１に対して垂直より小さい角度を有する光学センサの一例の断面図を示す。このような壁部２２０は、第６の実施形態に記載のス１１Ｃに示すレンズ２３と同じ機能を有すると理解され得る。壁部２２０の一部の領域がこのような角度を有することにより、光５０２を底部２１に対してほぼ平行な角度に屈折させることができる。
【０１３０】
分析装置
実施形態に従うと、上述のような光学センサを含む分析装置が提供される。以下、分析装置について図１８を参照して説明する。
【０１３１】
図１８（Ａ）に示されるように分析装置は、分析対象を分析するための装置であって、上述の何れかの光学センサと、上述の光源を含む照明ユニットと、マニピュレータと、光学センサの半導体センサチップおよびマニピュレータと電気的に接続された制御部とを備える。電気的な接続は、有線による接続であっても、無線での接続であってもよい。光学センサは、分析対象の二次元的な位置情報と対応した光学的情報を取得し、それを電気信号として制御部に送る。位置情報と対応付けた光学的情報は、イメージとしても取得され得る。制御部は、前記半導体センサチップによって取得された光学的情報と、それらに対応付けられた位置情報と、それらについて予め決定された閾条件とに基づいて、前記マニピュレータによって処理されるべき領域を決定し、それに従い前記マニピュレータを操作する。制御部は、処理装置、記憶装置、入力部、画像処理部、出力部、無線電波発信／受信部を備えていてもよい。制御部は、例えば、コンピュータであってもよい。マニピュレータによって処理されるべき領域を決定は、自動で行われてもよいし、出力部に出力された情報に基づいて手動で行われてもよい。
【０１３２】
マニピュレータは、特定の位置に存在する分析対象に特定の処理を行うユニットである。特定の処理は、例えば、分析対象の回収、加熱、破壊、不活性化、および／または薬品の投与などであり得る。マニピュレータは上述の処理を行うマニピュレータツールを備え得る。マニピュレータツールは、例えば、ピンセット、レーザー、マイクロシリンジおよび／またはマイクロニードルなどであり得る。当該分析装置は、上述した流路およびチャンバをマニピュレータとして備えてもよい。マニピュレータは、更にマニピュレータツールを制御部からの指示に従って動作させる機構（動作機構）を備え得る。
【０１３３】
更なる実施形態において、制御部は、図１８（Ｂ）に示されるように、更に照明ユニットにも電気的に接続されていてもよい。その場合、制御部は、光源から発せられる光のオンおよびオフを制御し得る。更なる実施形態において、制御部は、前記半導体センサチップによって取得された情報に基づいて前記光学センサに照射されるべき光の量および／または種類を決定し、それに従って前記照明ユニットから発せられる前記光の量および／または種類を調節する機能も有する。光学センサに照射されるべき光の量および／または種類の決定は、自動で行われてもよいし、出力部に出力された情報に基づいて手動で行われてもよい。
【０１３４】
上述のような分析装置は、図１９に示される以下のような手順で使用され得る。
【０１３５】
まず、試料収容部内に分析対象を含む試料を収容する（Ｓ１）。分析対象が細胞である場合は、この状態のままインキュベータ内などで培養されてもよい。次に、暗室において、試料収容部に向けて光を照射することで、分析対象に光を照射する（Ｓ２）。その後、予め記憶させたプログラムに従って、制御部の制御によりセンシング部が試料に関する光学的情報を取得する（Ｓ３）。制御部の制御の下でセンシング部は、取得した結果を電気信号に変換して制御部に送る（Ｓ４）。制御部は、信号を受け取り、電気信号が得られたセンシング部の二次元領域上での位置を検出する（Ｓ５）。工程Ｓ５は、工程Ｓ３と同時に行われてもよい。その場合、光学的情報と位置情報は、同時に制御部に送られ得る。制御部は、受け取った電気信号と、予め決定された閾条件とを比較する（Ｓ６）。次に、制御部は、比較の結果に基づいて、与えられた電気信号が閾条件を満たすか否かを判断する（Ｓ７）。制御部は、工程Ｓ３からＳ７まででなる処理ループを繰り返し、イメージを生成する（Ｓ８）。制御部の制御下で、Ｓ７の判断の結果、閾条件を満たすセンシング部の位置に対応する領域に対して、その閾条件に割り当てられた処理をマニピュレータに行わせる（Ｓ９）。
【０１３６】
このような分析装置により、より簡便に分析対象からの光学的情報を分析することおよび／または分析結果に基づいて分析対象を処理することが可能となる。
【０１３７】
更なる実施形態において、上述した何れかの分析装置は、試料収容部の壁部と底部を有さない。当該分析装置を用いて試料を分析する場合、試料は、半導体センサチップ上に配置され、上述の光源によって直接に光を照射されうる。このような分析装置を用いて、上述のＳ３〜Ｓ９の工程により、分析対象からの光学的情報を分析することおよび／または分析結果に基づいて分析対象を処理することが可能である。
【０１３８】
光学センサの回路構成
図２０および図２１は、実施形態に係る光学センサの回路構成について、その概要例を示している。
【０１３９】
光学センサは、マトリックス状に並んだ複数のセンシング部１３を備える半導体センサチップ１０と、ロウコントローラ２と、読み出し回路３とを備える。
【０１４０】
隣接した複数のセンシング部１３は、１つの基本ブロックＢを構成し得る。したがって、半導体センサチップ１０は、複数の基本ブロックＢを備え得る。複数の基本ブロックBは、例えば、互いに同じ回路構成を有する。本例では、基本ブロックＢは、４つのセンシング部Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３を備えるが、基本ブロックＢに含まれるセンシング部１３は、２以上の何れかの数でありうる。
【０１４１】
ロウコントローラ２は、マトリックス状に配置されたセンシング部のデータ検出動作を制御する。例えば、ロウコントローラ２は、各センシング部からのデータの読み出し順を制御する。
【０１４２】
例えば、ロウコントローラ２は、イネーブル信号ＥＮと刺激信号ＳＴとリセット信号ＲＴと転送信号ＳＬを発生する。
【０１４３】
イネーブル信号ＥＮ、刺激信号ＳＴ、リセット信号ＲＴ、および転送信号ＳＬは、ロウ方向に並ぶ複数の基本ブロックに共通に与えられる。ここでロウコントローラ２から供給されるイネーブル信号ＥＮ、刺激信号ＳＴ、リセット信号ＲＴ、および転送信号ＳＬは、それぞれ行毎に時間的に異なってもよい。より具体的には、ある行に供給される信号パターンから所定の時間遅延したタイミングで、次の行に同様の信号パターンが供給されてもよい。
図２０に示されるイネーブル信号ＥＮ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、刺激信号ＳＴ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、リセット信号ＲＴ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、および転送信号ＳＬ［０：３］［ｉ］（ｉ＝０、１、…）の、［ｉ］（ｉ＝０、１、…）で表記される第２の括弧書きの番号は行番号を表している。図２１および以下の説明では行毎に時間的に異なる信号が供給されているものとして、第２の括弧書きの番号は省略する。
【０１４４】
基本ブロックＢに与えられる信号をイネーブル信号ＥＮ［０：３］、刺激信号ＳＴ［０：３］とすると、イネーブル信号ＥＮ［０］および刺激信号ＳＴ［０］は、センシング部Ｓ０に与えられ、イネーブル信号ＥＮ［１］および刺激信号ＳＴ［１］は、センシング部Ｓ１に与えられる。また、イネーブル信号ＥＮ［２］および刺激信号ＳＴ［２］は、センシング部Ｓ２に与えられ、イネーブル信号ＥＮ［３］および刺激信号ＳＴ［３］は、センシング部Ｓ３に与えられる。
【０１４５】
リセット信号ＲＴ［０：３］は、センサからの検出信号を増幅するアンプの入力電圧をリセットする信号である。転送信号ＳＬ［０：３］は、アンプの出力信号を読み出し回路３に転送する信号である。
【０１４６】
基本ブロックＢに与えられる信号をリセット信号［０：３］、転送信号ＳＬ［０：３］とすると、リセット信号ＲＴ［０］および転送信号ＳＬ［０］は、センシング部Ｓ０に与えられ、リセット信号ＲＴ［１］および転送信号ＳＬ［１］は、センシング部Ｓ１に与えられる。また、リセット信号ＲＴ［２］および転送信号ＳＬ［２］は、センシング部Ｓ２に与えられ、リセット信号ＲＴ［３］および転送信号ＳＬ［３］は、センシング部Ｓ３に与えられる。
【０１４７】
センシング部Ｓ０、センシング部Ｓ１、センシング部Ｓ２、センシング部Ｓ３はそれぞれ、出力信号Ｖｏ０、出力信号Ｖｏ１、出力信号Ｖｏ２、出力信号Ｖｏ３を、読み出し回路３に出力する。
【０１４８】
図２０に示される出力信号Ｖｏ０［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ１［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ２［ｉ］（ｉ＝０、１、…）、出力信号Ｖｏ３［ｉ］（ｉ＝０、１、…）で表記される括弧書きの番号は列番号を表している。図２０では列毎に出力信号が読み出し回路３に出力されているものとして、括弧書きの番号は省略する。
【０１４９】
図２１は、センシング部の回路例を示している。ｉは、０，１，２，３のうちの１つである。
【０１５０】
センシング部は、リセット信号ＲＴ［ｉ］に基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲ、例えば、電源電圧Ｖｄｄにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、イネーブル信号ＥＮ［ｉ］に基づき、フォトダイオード（受光素子）ＰＤｉからの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３と、転送信号ＳＬ［ｉ］に基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【０１５１】
図２３は、基本ブロックの回路例を示している。
【０１５２】
本例は、基本ブロックＢ内のセンシング部Ｓ０〜Ｓ３について、アンプＢをリセットするスイッチ素子（リセットトランジスタ）ＳＷ２およびアンプＢの出力信号を有効化するスイッチ素子ＳＷ４を共有化した点に特徴を有する。
【０１５３】
センシング部Ｓ０は、電極Ｅ０と、刺激信号ＳＴ［０］に基づき、電極Ｅ０に刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１０と、イネーブル信号ＥＮ［０］に基づき、電極Ｅ０からの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３０とを備える。
【０１５４】
センシング部Ｓ３は、電極Ｅ３と、刺激信号ＳＴ［３］に基づき、電極Ｅ３に刺激電圧Ｖｓを印加するスイッチ素子ＳＷ１３と、イネーブル信号ＥＮ［３］に基づき、電極Ｅ３からの検出信号をアンプＢに転送するスイッチ素子ＳＷ３３と、を備える。
【０１５５】
センシング部Ｓ１，Ｓ２は、例えば、図２２のフォトダイオードＰＤｉおよびスイッチ素子ＳＷ３を備える。
【０１５６】
基本ブロックＢは、更に、共通リセット信号ＲＴｃｏｍｍｏｎに基づき、アンプＢの入力をリセット電圧ＶＲにリセットするスイッチ素子ＳＷ２と、共通転送信号ＳＬｃｏｍｍｏｎに基づき、アンプＢの出力信号Ｖｏを有効化するスイッチ素子ＳＷ４とを備える。
【０１５７】
このような回路により各センシング部からデータ読み出す順番は、所望に応じて任意に決定すればよい。
【０１５８】
また上述した回路は、センサ素子からの信号の読み出しを制御する読み出し制御回路として、センサ素子毎にそれぞれ接続されていてもよく、複数のセンサ素子が１つの回路に接続されていてもよく、信号の読み出しがスイッチによる切り替えにより行われてもよい。また、そのような読み出し制御回路は、更に、センサ素子からの信号の読み出し順を制御するコントローラと、前記コントローラの制御の下で、前記センサ素子からの当該信号を外部に出力する出力回路とを備えてもよい。
【０１５９】
センサ素子からの信号の読み出しを制御する読み出し制御回路に加えて、光学センサは、センシング部からの信号についてＡ／Ｄ変換が必要な場合など、所望に応じてＡ／Ｄ変換回路を更に備えてもよい。また更に、読み出し制御回路に加えて、光学センサは、センシング部からの信号を予め設定した手順に従って処理する信号処理回路を備えてもよい。信号処理回路は、処理回路とも称され、例えば、時間積分、オートゼロイング、チョッピング、相関二重サンプリング、および／または相関多重サンプリングなどの処理が行われる。また、光学センサは、そこにおいて得られた結果を外部に送信する通信回路を更に備えてもよく、測定条件、測定手順、試料との対応付けおよび／または得られた結果などを格納するメモリ回路、光学センサに電気を供給する電源回路などを更に前記基板上に備えてもよい。光学センサが備える回路は、上述の何れの回路であってもよく、それら何れかの組み合わせであってもよい。
【０１６０】
以上に記載した光学センサおよび分析装置は、試料収容部に含まれる収容物（即ち、試料）からの光学的情報を検出するためのセンサである。光学センサによるセンシングによって得られる試料からの光学的情報から、試料収容部に含まれる分析対象に関する情報が得られる。分析対象は、収容部内に存在する試料の全てであってもよいし、収容部内に含まれる試料の一部分であってもよい。分析対象が試料の一部である場合、例えば、分析対象は媒体中に含まれて収容部内に存在し得る。
【０１６１】
試料は、それに光が照射されたときに、光学的情報を得ることのできる試料であればよい。光学的情報とは、例えば、光の有無、強度および／または波長などに関連する情報であり得る。このような光学的情報を得ることによって、分析対象に関する情報例えば、分析対象の有無、形態、分布、濃度あるいは挙動などが得られる。
【０１６２】
試料は、例えば、生物学的試料、環境由来の試料、食物または飲料由来の試料、工業由来の試料、化学物質、またはこれらの何れかの組み合わせなどであり得る。
【０１６３】
そのような試料は、空気よりも高い屈折率を有するものであり、例えば、流体、固体、粘性体またはこれらの何れかの組み合わせなどであり得る。
【０１６４】
分析対象は、それに光が当たることによって光が側方散乱し得る流体、固体、粘性体またはこれらの組み合わせなどであり得る。あるいは、分析対象は、蛍光色素を含む流体、固体、若しくは粘性体、または蛍光色素自体であり得る。そのような分析対象は、例えば、流体の媒体に含まれる固体、粘性の媒体に含まれる固体、流体の媒体に含まれる粘性体、流体の媒体に含まれる蛍光色素、固体の媒体に含まれる蛍光色素、粘性体の媒体に含まれる蛍光色素、または流体の第１の媒体に含まれる粘性体の第２の媒体に含まれる蛍光色素などであり得る。
【０１６５】
媒体は、光透過性であり、それに光が当たることによって分析対象と同じ光学的情報を有する側方散乱光、または蛍光を発生するような成分を含まない流体、または粘性体等であり得る。
【０１６６】
試料が上述の性質を持つ分析対象を含まない場合、即ち実施形態の光学センサによって側方散乱光または蛍光が検出されない場合でも、それらの光以外でセンシング部に到達する光によって、当該試料の有無および／または種類が分析されてもよい。
【０１６７】
分析対象は、例えば、細胞を含み得る。細胞は、例えば、動物または植物由来のものであり得る。あるいは、細胞は、細菌類、菌類、菌類の胞子またはウイルスなどであってもよい。そのような細胞は、生体組織切片、単離細胞、培養細胞、培養組織、細胞膜、血液、血漿、血清、尿、便および粘膜などの生物学的試料由来の細胞であり得る。
【０１６８】
「単離細胞」とは、動物または植物などの多細胞生物体から採取され、単離された細胞、あるいは多細胞生物体または環境から単離された単細胞生物などを指す。「培養細胞」とは、単離された後に、培地または緩衝液中などで任意の時間に亘り維持された細胞を指す。「単離組織」とは、何れかの生体から採取され、単離された組織、または細胞内若しくは細胞外などに存在する細胞構成成分などを指す。単離組織は、単離組織を切断して得られる切片であってもよい。「培養組織」とは、上記単離組織を培地または緩衝液中などで任意の時間に亘り維持したものを指す。
【０１６９】
分析対象が細胞である場合、試料は、媒体として、細胞保存液を含み得る。細胞保存液は、分析時まで細胞に分析結果に関わる変化をもたらさない機能を有する。「分析結果に関わる変化をもたらさない」とは、例えば、細胞の形態の分析を目的としている場合に細胞の形が変化しない、または、細胞の生死の分析を目的としている場合に細胞が死なないことなどを意味する。細胞保存液は、例えば、液体、またはゲルなどであり得る。そのような細胞保存液は、例えば、水、生理的食塩水、緩衝溶液または公知の何れかの培地などであり得る。
【０１７０】
分析対象が細胞である場合、実施形態の光学センサによって、例えば、細胞の有無、生死、形態、分布、機能並びに分析対象細胞に関連する物質の分布、濃度および挙動などに関する情報が得られ得る。
【０１７１】
分析方法
実施形態に従うと、更に、上述のような光学センサまたは分析装置を用いた分析方法が提供される。以下分析方法について図２４を用いて説明する。図２４は、分析方法を表した概念図である。
【０１７２】
当該分析方法は、以下の工程を含み得る。
【０１７３】
（Ａ）分析対象２０１を含む、その上部２０２および下部２０３よりも屈折率が高い高屈折率層２０４の上面２０５と下面２０６の間に、高屈折率層２０４の上部２０２および下部２０３への入射角が臨界角以上となる角度で光２０７を照射し、分析対象２０１に光を当てることと、
（Ｂ）高屈折率層２０４の下部２０３において、前記分析対象２０１からの光を検出し、位置情報に対応付いた光学的情報を得ること。
【０１７４】
各工程について以下に説明する。
【０１７５】
工程（Ａ）は、高屈折率層２０４に含まれる分析対象２０１に、光を当てる工程である。高屈折率層２０４は、その上部２０２および下部２０３よりも屈折率が高い層である。高屈折率層２０４は分析対象２０１を含む。分析対象２０１は、上述の性質を有する。高屈折率層２０４の上面２０５と下面２０６の間に、光が照射され得る。光は、それが高屈折率層２０４の上部２０２へ入射する際の入射角θ１の臨界角または下部２０３へ入射する際の入射角θのより大きい方の臨界角以上となる範囲の角度で照射され得る。そのことによって、光は、分析対象２０１に当たらない場合、高屈折率層２０４の上面２０５および／または下部２０３で全反射し高屈折率層２０４の中にとどまり、光源と反対側に進み得る。分析対象に当たった光は、側方散乱し得る。また分析対象が蛍光色素を含み、光が当該蛍光色素の励起光である場合、分析対象に光が当たると分析対象から蛍光が発せられ得る。側方散乱光および蛍光は、高屈折率層２０４の下部に入射し得る。
【０１７６】
（Ｂ）層の下部における分析対象からの光とその位置情報の検出
工程（Ｂ）は、工程（Ａ）で生じた分析対象からの光から、位置情報に対応付けられた光学的情報を検出する工程である。光学的情報は、上述したものと同様であり得る。そのような検出は、高屈折率層の下部２０３に位置し、高屈折率層の下面２０６と対向し、センサ面１４を備える光センサによって行われ得る。このようにして得られた光学的情報およびその位置情報から、上述のような分析対象に関する情報が得られ得る。
【０１７７】
更なる実施形態において、当該高屈折率層２０４は、上述の試料収容部に収容された試料と底部とを併せたものであり得る。この場合、試料収容部の外側から試料収容部の壁部に向けて上述の角度の光を照射することによって、照射された光は壁部を通過し、試料に入射し得る。この光は、分析対象に当たり得る。また、分析対象に当たらない光が底部を通過することが防止され得る。また、底部の下に上述のような低屈折率層を設ける方法、レンズを備える壁部を用いる方法、または壁部の一部を遮光する遮光膜を用いる方法、分析対象に当たらない光が底部を通過することが更に防止され得る。また、分析対象に当たらない光は、試料収容部の底部を通過して、更に高屈折率層の下部へと出て行き得る。分析対象に当たった光は、上述のように側方散乱光または蛍光として底部の下に入射し得る。
【０１７８】
光センサは、例えば、上述のような半導体センサチップであり得る。その場合、上述の散乱光が到達する半導体センサチップ上の領域にセンシング部を配置しない方法、センサ面の一部を遮光する遮光部材を用いる方法、またはフィルタにより散乱光を遮る方法を用いることによって、分析対象に当たらずに前記底部を通過し得る光が検出されるのを防止することができる。
【０１７９】
更なる実施形態において、分析方法は、
（Ａ）光学センサのセンサ面上またはそれよりも上方に位置しており、複数のセンシング部と対向して位置している光透過性の底部と、前記底部の上面またはその一部の領域を取り囲むように前記底部周縁または底部上面からその上方に向けて任意の高さまで延び、所望に応じた厚さを有する光透過性の壁部とを備える試料収容部内に収容されている、分析対象を含む試料に対して前記壁部を通して光を照射することと、
（Ｂ）前記センサ面において前記分析対象からの光を受光することにより、前記分析対象からの位置情報と対応付いた光学的情報を得ることとを含む。
【０１８０】
［例］
上述の光学センサと同様の光学センサを作成し、使用した例について図２５を参照して以下に記載する。
【０１８１】
まず、分析対象である蛍光色素を含むビーズ３１０を水３０１と混合した。水３０１を二枚のガラス板３０２、３０３の間に挟み、試料とした。また、水３０１のみを二枚のガラス板３０２、３０３に挟んだものを比較対象として用意した。図１と同様の半導体センサチップ１０をそれぞれの試料の下部に間隙３０４をあけて配置した。試料の底面３０５と半導体センサチップ１０のセンサ面１４までの距離は、５ｍｍであった。間隙は、空気で満たされていた。それぞれの試料の外側から、試料の側面に向けて４段階の強度の同じ波長の励起光を照射した。各強度の光を照射した後、半導体センサチップ１０によりセンシングされた光の強度を測定した。その結果を図２６に示した。ビーズを含む試料において、ビーズを含まない試料よりも強い光が測定された。目視によっても、ビーズを含む試料で蛍光が観察された（図示せず）。ビーズを含まない試料においては、光を照射した際に測定された光の強度は０ｌｕｘの場合とほとんど変わらなかった。したがって、照射した励起光のほとんどがガラス板と水の中に閉じ込められ、ビーズ中の蛍光色素から発せられた光またはビーズに当たった散乱光が効率よくセンシングされることが示唆された。したがって、実施形態の光学センサにより、分析対象の光学的情報が得られることが明らかとなった。
【符号の説明】
【０１８２】
１…光学センサ，２…ロウコントローラ，３…読み出し回路，４，４ａ，４ｂ，４ｃ，４Ｂ…サブセンサ面，１０，１０Ｂ…半導体センサチップ，１１，１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１Ｂ…基板，１２，１２ａ，１２ｂ，１２ｃ，１２Ｂ…光センサ素子，１３，１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，１３ｅ，１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ，１３Ｂ…センシング部，１４，１４Ｂ…センサ面，１５，１５Ｂ…光透過性部材，１６…窒化シリコン膜，１７…配線，１８…ビア，１９…配線層，２０…試料収容部，２１…底部，２２…壁部，２３…レンズ，２３ａ，２３ｂ…面，２３ｃ…主平面，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ…辺，２４…遮光膜，２５…領域，２６，２６Ｂ…試料台，３０…低屈折率層，３１…支持部材，３２…犠牲層，３３…穴，３４…キズ，４０…細胞，４１…細胞保存液，５０…照明ユニット，５１…光源，５２…光，５２ａ…側方散乱光，５２ｂ…蛍光，５３，５３ａ，５３ａｂ，５３ｂ，５３ｃ…光，５４，５５，５６…散乱光，５７…光，６０…レンズアレイ，６１…マイクロ凸レンズ，６１ａ…高屈折率材料，６２…低屈折率材料，７０…領域，７１…領域，７２，７２ａ，７２ｂ，７２ｃ…遮光部材，９０…流路，９１…開孔，９２ａ，９２ｂ…電極，９３…蓋部材，９４…ばね，９５…チャンバ，９６…貫通孔，１００…支持板，２０１…分析対象，２０２…上部，２０３…下部，２０４…高屈折率層，２０５…上面，２０６…下面，２０７…光，２２０…壁部，３００…フィルタ，３０１…水，３０２，３０３…ガラス板，３０４…間隙，３０５…底面，３１０…ビーズ，５００…照明ユニット，５０１…光源，５０２…光。
【図１】
2018097001.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2018097001.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０Ａ】
2018097001.tif 000012
【図１０Ｂ】
2018097001.tif 000013
【図１０Ｃ】
2018097001.tif 000014
【図１０Ｄ】
2018097001.tif 000015
【図１１Ａ】
2018097001.tif 000016
【図１１Ｂ】
2018097001.tif 000017
【図１１Ｃ】
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【図１２】
2018097001.tif 000019
【図１３】
2018097001.tif 000020
【図１４】
2018097001.tif 000021
【図１５】
2018097001.tif 000022
【図１６】
2018097001.tif 000023
【図１７Ａ】
2018097001.tif 000024
【図１７Ｂ】
2018097001.tif 000025
【図１７Ｃ】
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【図１８】
2018097001.tif 000027
【図１９】
2018097001.tif 000028
【図２０】
2018097001.tif 000029
【図２１】
2018097001.tif 000030
【図２２】
2018097001.tif 000031
【図２３】
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【図２４】
2018097001.tif 000033
【図２５】
2018097001.tif 000034
【図２６】
2018097001.tif 000035
【手続補正書】
【提出日】平成30年1月24日(2018.1.24)
【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】
二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面を形成する、複数のセンシング部と、
前記複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部を有する試料収容部と、
前記センサ面と前記底部との間に形成された、前記センサ面から前記底部までの距離が０μｍを超え１０μｍ以下である低屈折率層と
を備え、外部から前記試料収容部に向けて、前記底部の上面への入射角が臨界角以上となる角度で光が照射される光学センサ。
【請求項２】
前記底部は、内部に流路を備え、前記流路内部と前記底部上部とが開孔を通じて連絡している請求項１に記載の光学センサ。
【請求項３】
分析対象を分析するための装置であって、
二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面を形成する、複数のセンシング部と、
前記複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部を有する試料収容部と、
前記センサ面と前記底部との間に形成された、前記センサ面から前記底部までの距離が０μｍを超え１０μｍ以下である低屈折率層とを備え、前記分析対象を含む試料についての光学的情報をその位置情報と対応付けて取得する光学センサと、
前記光学センサの外部から前記試料収容部に向けて、前記底部の上面への入射角が臨界角以上となる角度で光を照射する照明ユニットと
を備える分析装置。
【請求項４】
マニピュレータと、
前記光学センサと前記マニピュレータとが電気的に接続されており、前記光学センサによって取得された光学的情報と、それらに対応付けられた位置情報と、それらについて予め決定された閾条件とに基づいて、前記マニピュレータによって処理されるべき領域を決定し、決定された領域に対して前記マニピュレータを操作させる制御部と
を更に備える請求項３に記載の分析装置。
【請求項５】
前記光学センサと、前記照明ユニットとが支持板の上面に固定されている請求項４に記載の分析装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１８１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１８１】
まず、分析対象である蛍光色素を含むビーズ３１０を水３０１と混合した。水３０１を二枚のガラス板３０２、３０３の間に挟み、試料とした。また、水３０１のみを二枚のガラス板３０２、３０３に挟んだものを比較対象として用意した。図１と同様の半導体センサチップ１０をそれぞれの試料の下部に間隙３０４をあけて配置した。試料の底面３０５と半導体センサチップ１０のセンサ面１４までの距離は、５ｍｍであった。間隙は、空気で満たされていた。それぞれの試料の外側から、試料の側面に向けて４段階の強度の同じ波長の励起光を照射した。各強度の光を照射した後、半導体センサチップ１０によりセンシングされた光の強度を測定した。その結果を図２６に示した。ビーズを含む試料において、ビーズを含まない試料よりも強い光が測定された。目視によっても、ビーズを含む試料で蛍光が観察された（図示せず）。ビーズを含まない試料においては、光を照射した際に測定された光の強度は０ｌｕｘの場合とほとんど変わらなかった。したがって、照射した励起光のほとんどがガラス板と水の中に閉じ込められ、ビーズ中の蛍光色素から発せられた光またはビーズに当たった散乱光が効率よくセンシングされることが示唆された。したがって、実施形態の光学センサにより、分析対象の光学的情報が得られることが明らかとなった。
以下に、本願出願の当初の特許請求の範囲に記載された発明を付記する。
［１］
二次元領域にマトリックス状に並んでセンサ面を形成する、複数のセンシング部と、
前記複数のセンシング部と対向して位置し、光透過性の底部を有する試料収容部と、
を備える光学センサ。
［２］
更に、前記センサ面と前記底部との間に低屈折率層を備える［１］に記載の光学センサ。
［３］
前記底部は、内部に流路を備え、前記流路内部と前記底部上部とが開孔を通じて連絡している［１］または［２］に記載の光学センサ。
［４］
分析対象を分析するための装置であって、
前記分析対象を含む試料についての光学的情報をその位置情報と対応付けて取得する［１］〜［３］の何れか１つに記載の光学センサと、
前記試料収容部の外側から前記試料収容部の内部に光を照射する照明ユニットと、
マニピュレータと、
前記光学センサと前記マニピュレータとが電気的に接続されており、前記光学センサによって取得された光学的情報と、それらに対応付けられた位置情報と、それらについて予め決定された閾条件とに基づいて、前記マニピュレータによって処理されるべき領域を決定し、決定された領域に対して前記マニピュレータを操作させる制御部と
を備える分析装置。
［５］
前記光学センサと、前記照明ユニットとが支持板の上面に固定されている［４］に記載の分析装置。
［６］
（Ａ）分析対象を含む、その上部および下部よりも屈折率が高い高屈折率層の上面と下面の間に前記高屈折率層の当該上部および当該下部への入射角が臨界角以上となる角度で光を照射し、当該分析対象に光を当てることと、
（Ｂ）前記高屈折率層の当該下部において、前記分析対象からの光を検出し、位置情報に対応付けられた光学的情報を得ることと
を含む分析方法。