(57)【要約】  デバイスの中に周期的なパターンで形成された欠陥キャビティを有するフォトニック結晶の形態を有するバイオセンサが記述される。本発明は、これまでに報告されたフォトニック結晶バイオセンサデバイスよりも高い感度を提供し、より程度の大きなインカップルドフォトンの空間的局在を提供する。
2007530973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
２次元単位セルのアレイを含み、前記単位セルがそれぞれ、基板と、規則的な繰返しパターンで配置された多数の一段高い部分とを有し、前記一段高い部分が、隣接するボイド部分によって互いから分離されており、前記一段高い部分が、水の屈折率よりも大きい比較的に高い屈折率ｎ１を有する材料から作られており、
前記単位セルがそれぞれさらに、隣接するボイドによって分離された前記一段高い部分からなる前記規則的な繰返しパターンが変更された欠陥を含み、前記変更が、前記欠陥のところで、１つまたは複数の前記ボイドの空間を、比較的に高い屈折率ｎｌを有する前記材料が占めるように行われており、
前記フォトニック結晶に入射した共振周波数の光に応答して、前記欠陥の領域において、局在化された最大の電磁界強度が生み出され、
使用時、試験対象の試料を含む流体が、前記フォトニック結晶の上に置かれ、前記ボイド部分の中に含まれる
フォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項２】
単位セルの前記アレイに隣接して置かれた構造物をさらに含み、前記構造物が複数の開口を有し、前記開口がそれぞれ複数の前記単位セルの上を覆っており、前記構造物の前記開口の中に導入された前記流体試料が、前記単位セルの前記欠陥に近接した前記ボイド部分の中に含まれる、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項３】
前記構造物が、ウェルのアレイまたはウェルの行および列として配置されたマルチウェルデバイスであって、前記フォトニック結晶バイオセンサに貼り付けられたマルチウェルデバイスを含む、請求項２に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項４】
前記多数の一段高い部分が、前記基板の一段高い部分と、前記基板上に付着された屈折率ｎ１の材料とを含む、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項５】
前記欠陥が実質的にそれぞれの前記単位セルの中心に位置する、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項６】
屈折率ｎ１を有する前記材料が、１００から１４０ｎｍの、ｎ１＝２．２５の高屈折率材料の層を含む、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項７】
前記フォトニック結晶バイオセンサを照らし、前記フォトニック結晶バイオセンサから反射された光のピーク波長の共振周波数のシフトを決定する読取り機器をさらに含む、前記フォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項８】
前記欠陥の設計が、前記フォトニック結晶バイオセンサの時間領域差分コンピュータモデルの使用によって選択される、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項９】
単位セルの前記アレイが、市松模様配置を形成する一段高い部分と隣接するボイド部分の２次元アレイをそれぞれが含む単位セルのアレイを含む、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１０】
前記欠陥の領域を除き、前記一段高い部分のサイズと前記隣接するボイド部分のサイズが実質的に等しい、請求項９に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１１】
前記一段高い部分のサイズおよび前記隣接するボイド部分のサイズが、前記単位セルの周囲から、前記単位セルの中心の前記欠陥キャビティおよび前記単位セルの反対側の周囲まで延びる軸に沿って連続的に変化する、請求項９に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１２】
前記単位セルがそれぞれ、六角形に配置された一段高い部分と隣接するボイド部分の配置を含み、前記欠陥が前記六角形の中心に位置する、請求項１に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１３】
前記ボイド部分が、前記基板に形成された穴の配置を含み、前記六角形の周縁では前記穴が第１のサイズを有し、前記六角形の中心の領域では前記穴のサイズが前記第１のサイズよりも小さい、請求項１２に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１４】
前記六角形の中心に穴がない、請求項１３に記載のフォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項１５】
試料を試験する方法であって、
１）欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサ上に流体試料を導入するステップであって、前記バイオセンサが２次元単位セルのアレイを含み、前記単位セルがそれぞれ、基板と、規則的な繰返しパターンで配置された多数の一段高い部分とを有し、前記一段高い部分が、隣接するボイド部分によって互いから分離されており、前記一段高い部分が、水の屈折率よりも大きい比較的に高い屈折率ｎ１を有する材料から作られており、
ここで、前記単位セルがそれぞれさらに、隣接するボイドによって分離された前記一段高い部分からなる前記規則的な繰返しパターンが変更された欠陥を含み、前記変更が、前記欠陥のところで、１つまたは複数の前記ボイドの空間を、比較的に高い屈折率ｎｌを有する前記材料が占めるように行われており、前記フォトニック結晶に入射した共振周波数の光に応答して、前記欠陥の領域において、局在化された最大の電磁界強度が生み出されることを特徴とするステップと、
２）前記フォトニック結晶バイオセンサを照らすステップと、
３）前記フォトニック結晶バイオセンサから反射された光または前記フォトニック結晶バイオセンサを透過した光のピーク波長の周波数を決定するステップと
を含む方法。
【請求項１６】
前記フォトニック結晶バイオセンサが、前記流体試料を含むデバイスに貼り付けられており、前記デバイスが、行および列のアレイとして配置されている、請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
多数の一段高い部分が、前記基板の一段高い部分と、前記基板上に付着された屈折率ｎ１の材料とを含む、請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
前記欠陥が実質的にそれぞれの前記単位セルの中心に位置する、請求項１５に記載の方法。
【請求項１９】
屈折率ｎ１を有する前記材料が、１００から１４０ｎｍの、ｎ１＝２．２５の高屈折率材料の層を含む、請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は一般に、フォトニック結晶生化学センサデバイスに関する。このようなデバイスは、ＤＮＡ、タンパク質、ウイルス、細胞などの生体物質または化学物質の、デバイス表面またはデバイス内部での吸着を光学的に検出するために使用される。より詳細には本発明は、デバイスの中に周期的なパターンで形成された欠陥キャビティ（ｄｅｆｅｃｔ  ｃａｖｉｔｙ）を有するフォトニック結晶の形態を有するバイオセンサに関する。本発明は、これまでに報告されたフォトニック結晶バイオセンサデバイスよりも高い感度を提供し、より程度の大きなインカップルドフォトン（ｉｎｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎ）の空間的局在を提供する。
【背景技術】
【０００２】
フォトニック結晶
フォトニック結晶は、１００ｎｍ未満の精度で正確に材料を付着させエッチングする能力を有する半導体製造ツールの最近の進歩によって可能となった新しいクラスの光デバイスである。フォトニック結晶は、低誘電率材料と高誘電率材料を交互に含む無限または半無限周期構造を特徴とする。原則としてフォトニック結晶構造は、１、２または３次元構造として延びることができる。フォトニック結晶の背景情報については、Ｊｏａｎｎｏｐｏｕｌｏｓ，Ｊ．Ｄ．、Ｒ．Ｄ．Ｍｅａｄｅ、ａｎｄ  Ｊ．Ｎ．Ｗｉｎｎ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  Ｃｒｙｓｔａｌｓ、１９９５  Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ、ＮＪ：Ｐｒｉｎｃｅｔｏｎ  Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ  Ｐｒｅｓｓを参照されたい。
【０００３】
適当な製造方法の開発に加え、フォトニック結晶構造内での光の伝搬を操作する能力を有する諸構成要素の設計を容易にする正確なコンピュータモデリングツールも使用可能になっている。電子の伝導特性を決めるエネルギー帯の形成のもととなる半導体結晶内の原子の周期配置と同じように、このフォトニック結晶内の巨視的な誘電性媒質の周期配置も、電磁波の伝搬を制御するように設計される。このようなデバイスは、構造の周期が光の波長よりも短いので、しばしば「サブ波長面（ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｓｕｒｆａｃｅ）」と呼ばれ、または、典型的な寸法が５０〜３００ｎｍなので「ナノ構造面（ｎａｎｏｓｔｒｕｃｔｕｒｅｄ  ｓｕｒｆａｃｅ」と呼ばれる。フォトニック結晶設計原理を使用して、指定された方向および指定されたエネルギーの光の伝搬を効果的に妨げる一方で、所望の体積および表面への電磁界強度の集中を可能にする光エネルギー帯を有するデバイスを構築することができる。例えば、Ｍｕｎｋ，Ｂ．Ａ．、Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ  Ｓｕｒｆａｃｅｓ．Ｗｉｌｅｙ  Ｉｎｔｅｒｓｃｉｅｎｃｅ．２０００：Ｊｏｈｎ  Ｗｉｌｅｙ  ＆  Ｓｏｎｓ、Ｐａｃｒａｄｏｕｎｉ，Ｖ．、Ｗ．Ｊ．Ｍａｎｄｅｖｉｌｌｅ、Ａ．Ｒ．Ｃｏｗａｎ、Ｐ．Ｐａｄｄｏｎ、Ｊ．Ｆ．Ｙｏｕｎｇ、ａｎｄ  Ｓ．Ｒ．Ｊｏｈｎｓｏｎ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｂａｎｄ  ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ  ｏｆ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｍｅｍｂｒａｎｅｓ  ｐｅｒｉｏｄｉｃａｌｌｙ  ｔｅｘｔｕｒｅｄ  ｉｎ  ｔｗｏ  ｄｉｍｅｎｓｉｏｎｓ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｂ、２０００．６２（７）：ｐ．４２０４−４２０７を参照されたい。
【０００４】
オプトエレクトロニクス分野におけるフォトニック結晶構造の応用は非常に多くあり、これには、レーザと統合して自然放出を抑制しまたは自然放出を促進すること、ウェーブガイド角度ステアリング（ｓｔｅｅｒｉｎｇ）デバイス、狭帯域光フィルタなどが含まれる。例えば、Ｑｕａｎｇ，Ｔ．、Ｍ．Ｗｏｌｄｅｙｏｈａｎｎｅｓ、Ｓ．Ｊｏｈｎ、ａｎｄ  Ｇ．Ｓ．Ａｇａｒｗａｌ、Ｃｏｈｅｒｅｎｔ  ｃｏｎｔｒｏｌ  ｏｆ  ｓｐｏｎｔａｎｅｏｕｓ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９７．７９（２６）：ｐ．５２３８−５２４１、Ｌｉｕ，Ｚ．Ｓ．、Ｓ．Ｔｉｂｕｌｅａｃ、Ｄ．Ｓｈｉｎ、Ｐ．Ｐ．Ｙｏｕｎｇ、ａｎｄ  Ｒ．Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ、Ｈｉｇｈ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ  ｇｕｉｄｅｄ−ｍｏｄｅ  ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  ｆｉｌｔｅｒ．Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９８．２３（１９）：ｐ．１５５６−１５５８、Ｐｅｎｇ，Ｓ．、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ａｎｏｍａｌｉｅｓ  ｉｎ  ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｇｒａｔｉｎｇｓ．Ｏｐｔｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、Ｇ．Ｍｉｃｈａｅｌ  Ｍｏｒｒｉｓ．２１（８）：ｐ．５４９−５５１、Ｍａｇｎｕｓｓｏｎ，Ｒ．ａｎｄ  Ｓ．Ｓ．Ｗａｎｇ、Ｎｅｗ  ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ  ｆｏｒ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｆｉｌｔｅｒｓ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９２．６１（９）：ｐ．１０２２−１０２４を参照されたい。いくつかのデバイス応用は、非常に高い局所電磁界強度の非常に小さな体積に光を集中させることができるフォトニック結晶構造の幾何学配置の能力を利用する。
【０００５】
欠陥キャビティフォトニック結晶は、Ｑを高め、高電磁界強度の領域を空間的に局在化させるその能力に関して文献に広く報告されている。Ｊｏｈｎ，Ｓ．、Ｓｔｒｏｎｇ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｐｈｏｔｏｎｓ  ｉｎ  ｃｅｒｔａｉｎ  ｄｉｓｏｒｄｅｒｅｄ  ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ  ｓｕｐｅｒｌａｔｔｉｃｅｓ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９８７．５８（２３）：ｐ．２４８６−２４８９、Ｓｃｈｅｒｅｒ，Ａ．、Ｔ．Ｙｏｓｈｉｅ、Ｍ．Ｌｏｎｃａｒ、Ｊ．Ｖｕｃｋｏｖｉｃ、Ｋ．Ｏｋａｍｏｔｏ、ａｎｄ  Ｄ．Ｄｅｐｐｅ、Ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｎａｎｏｃａｖｉｔｉｅｓ  ｆｏｒ  ｅｆｆｉｃｉｅｎｔ  ｌｉｇｈｔ  ｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔ  ａｎｄ  ｅｍｉｓｓｉｏｎ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ｋｏｒｅａｎ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、２００３．４２：ｐ．７６８−７７３、Ｓｒｉｎｖａｓａｎ，Ｋ．、Ｐ．Ｅ．Ｂａｒｃｌａｙ、Ｏ．Ｐａｉｎｔｅｒ、Ｊ．Ｃｈｅｎ、Ａ．Ｙ．Ｃｈｏ、ａｎｄ  Ｃ．Ｇｍａｃｈｉ、Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ  ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｈｉｇｈ  ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｍｉｃｒｏｃａｖｉｔｙ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００３．８３（１０）：ｐ．１９１５−１９１７、Ｐａｉｎｔｅｒ，Ｏ．、Ｋ．Ｓｒｉｎｉｖａｓａｎ、Ｊ．Ｄ．Ｏ’Ｂｒｉｅｎ、Ａ．Ｓｃｈｅｒｅｒ、ａｎｄ  Ｐ．Ｄ．Ｄａｐｋｕｓ、Ｔａｉｌｏｒｉｎｇ  ｏｆ  ｔｈｅ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｍｏｄｅ  ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ  ｏｆ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｎａｎｏｃａｖｉｔｉｅｓ  ｉｎ  ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｓｌａｂ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｏｐｔｉｃｓ  Ａ：Ｐｕｒｅ  ａｎｄ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｏｐｔｉｃｓ、２００１．３：ｐ．Ｓ１６１−Ｓ１７０、およびＪｏｈｎ，Ｓ．ａｎｄ  Ｖ．Ｉ．Ｒｕｐａｓｏｖ、Ｍｕｌｔｉｐｈｏｔｏｎ  ｌｏｃａｌｉｚａｔｉｏｎ  ａｎｄ  ｐｒｏｐａｇａｔｉｎｇ  ｑｕａｎｔｕｍ  ｇａｐ  ｓｏｌｉｔｏｎｓ  ｉｎ  ａ  ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  ｇａｐ  ｍｅｄｉｕｍ．Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｒｅｖｉｅｗ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、１９９７．７９（５）：ｐ．８２１−８２４。フォトニック結晶内の欠陥キャビティの周期的なアレイは、Ａｌｔｕｇ，Ｈ．ａｎｄ  Ｊ．Ｖｕｃｋｏｖｉｃ、Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ａｒｒａｙｓ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００４．８４（２）：ｐ．１６１−１６３に報告されている。
【０００６】
フォトニック結晶バイオセンサ
フォトニック結晶のいくつかの特性は、フォトニック結晶を、光バイオセンサとして応用する理想的な候補にした。第１に、フォトニック結晶の反射率／透過率は、タンパク質、ＤＮＡ、細胞、ウイルス粒子、細菌などの生体物質の吸着によって容易に操作され得る。これらのタイプの物質はそれぞれ、それらの有限の誘電率によってそれらを通過する光の光路長を変化させる能力を証明した。第２に、フォトニック結晶の反射／透過スペクトルは非常に細くなり、このことは、単純な照明および検出装置を使用して、生化学的な結合によるフォトニック結晶の光学特性のシフトを高分解能で決定することを可能にする。第３に、フォトニック結晶構造は、電磁界の伝搬を高度に局在化させるように設計することができ、そのため、単一のフォトニック結晶表面を使用して、３〜５ミクロン未満以内の近傍の領域間の光学干渉を起こすことなく、多数の生化学的結合事象の測定を並列にサポートすることができる。最後に、広範囲の材料および製造方法を使用して、高い表面／体積比と、生化学的試験試料と接触した領域に電磁界強度を集中させる能力とを有する実用的なフォトニック結晶デバイスを構築することができる。これらの材料および製造方法は、プラスチックベースの材料を使用した大量生産を最適化し、または半導体材料を使用した高感度性能を最適化するように選択することができる。
【０００７】
従来技術のバイオセンサの代表的な例が、Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，Ｂ．Ｔ．、Ｐ．Ｌｉ、Ｂ．Ｌｉｎ、ａｎｄ  Ｊ．Ｐｅｐｐｅｒ、Ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ  ａｓ  ａ  ｄｉｒｅｃｔ  ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ａｓｓａｙ  ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ、２００２．８１：ｐ．３１６−３２８、Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，Ｂ．Ｔ．、Ｊ．Ｑｉｕ、Ｐ．Ｌｉ、Ｊ．Ｐｅｐｐｅｒ、ａｎｄ  Ｂ．Ｈｕｇｈ、Ａ  ｐｌａｓｔｉｃ  ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉｐａｒａｌｌｅｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ  ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ、Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ、２００２．８５：ｐ．２１９−２２６、Ｈａｅｓ，Ａ．Ｊ．ａｎｄ  Ｒ．Ｐ．Ｖ．Ｄｕｙｎｅ、Ａ  Ｎａｎｏｓｃａｌｅ  Ｏｐｔｉｃａｌ  Ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ：Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ  ａｎｄ  Ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ  ｏｆ  ａｎ  Ａｐｐｒｏａｃｈ  Ｂａｓｅｄ  ｏｎ  ｔｈｅ  Ｌｏｃａｌｉｚｅｄ  Ｓｕｒｆａｃｅ  Ｐｌａｓｍｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ  Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙ  ｏｆ  Ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ  Ｓｉｌｖｅｒ  Ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅｓ．Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  ｔｈｅ  Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｓｏｃｉｅｔｙ、２００２．１２４：ｐ．１０５９６−１０６０４に開示されている。
【０００８】
他の無標識（ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ）バイオセンサ技法が、フォトニック結晶バイオセンサのこれらの複合的な利点を超えることはないかもしれない。感度がよく小型でコストが安く高度に並列的（ｐａｒａｌｌｅｌ）なバイオセンサ、および単純かつ小型で耐久性のある機器を開発することによって、医薬品発見、診断検査、環境試験および食品安全分野の、過去において経済的に実行不可能であった応用にバイオセンサを応用することが可能になる。
【０００９】
フォトニックバンドギャップデバイスをバイオセンサとして機能するように適合させるためには、その構造のある部分が液体試験試料と接触していなければならない。フォトニック結晶のその部分に、生体分子、細胞、タンパク質または他の物質が導入され、吸着し、そこでは、局所的に閉じ込められた電磁界強度が最大である。その結果、結晶中への光の共振結合が変更され、反射／透過出力（すなわちピーク波長）が調整、すなわちシフトされる。反射出力のシフトの量は、センサ上に存在する物質の量に関係する。これらのセンサは、偏光をセンサに導き、反射光または透過光を捕捉する照明／検出機器とともに使用される。この反射光または透過光は、ピーク波長のシフトを測定する分光計（ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ）に供給される。
【００１０】
さらに、高品質係数（Ｑ；ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）共振光結合、高い電磁エネルギー密度および狭い範囲への光の閉込めを提供するフォトニック結晶の能力を利用して、非常に高感度の生化学センサを生み出すことができる。ここで、Ｑは、共振周波数におけるピーク波長の鮮鋭度の尺度である。フォトニック結晶バイオセンサは、液体試験試料が周期的な格子に浸透することができるように、また、生体分子または細胞の付着による結晶の表面誘電率の変化によって共振光結合状態を調整するように設計される。共振の高Ｑ、および結合された電磁界と表面に結合した物質との間の強い相互作用のため、報告された最も感度が高いバイオセンサデバイスのいくつかはフォトニック結晶に由来する。先に引用したＣｕｎｎｉｎｇｈａｍ他の文献を参照されたい。このようなデバイスは、２００ダルトン（Ｄａ）未満の分子量を有する分子を高い信号−雑音マージンで検出し、個々の細胞を検出する能力を証明した。フォトニック結晶内で共振結合した光を空間的に効果的に閉じ込めることができるため、フォトニック結晶の表面は、互いから約１０μｍ以内の近隣の領域を独立に測定することができる場合、アレイ形式の多数の同時生化学アッセイをサポートすることができる。Ｌｉ，Ｐ．、Ｂ．Ｌｉｎ、Ｊ．Ｇｅｒｓｔｅｎｍａｉｅｒ、ａｎｄ  Ｂ．Ｔ．Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ、Ａ  ｎｅｗ  ｍｅｔｈｏｄ  ｆｏｒ  ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ  ｉｍａｇｉｎｇ  ｏｆ  ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ、２００３を参照されたい。
【００１１】
フォトニック結晶構造に基づくバイオセンサには多くの実用上の利点がある。蛍光団、放射性リガンドまたは２次リポータを使用しない生化学的結合および細胞結合の直接検出は、分子の立体配座に対する標識の影響、活性な結合性エピトープのブロッキング、立体障害、標識化部位に接近できないこと、またはある実験においてすべての分子に対して等しく機能する適当な標識を見つけることができないことによって引き起こされる実験の不確実性を排除する。無標識検出法は、アッセイの開発のために必要な時間および労力を大幅に節約し、消光、保管寿命および背景蛍光に起因する実験アーチファクトを排除する。他の無標識光バイオセンサに比べて、フォトニック結晶は、（電球、ＬＥＤなどの）広帯域光源を用いた垂直入射で単純に照らし、反射色のシフトを測定することによって、容易に調べられる。この単純な励起／読取り方式は、実験室機器、ならびにポイント・オブ・ケア医療診断や環境モニタリングのための携帯可能なハンドヘルドシステムで使用するのに適したコストが安く小型で丈夫なシステムを可能にする。フォトニック結晶自体は電力を消費しないため、このデバイスは、様々な液体または気体サンプリングシステムの中に容易に埋め込まれ、または、１台の照明／検出ベースステーションがある建物内の数千のセンサの状態を追跡することができる光ネットワークの文脈の中に配置される。フォトニック結晶バイオセンサは、多種多様な材料および方法を使用して製造することができるが、連続フィルムシート上で実行することができるプラスチックベースのプロセスを使用して高感度構造が得られることが証明された。プラスチックベースの設計および製造方法は、他の光バイオセンサを使用して以前には経済的に実行不可能であった、低コスト／アッセイが求められる応用において、フォトニック結晶バイオセンサを使用することを可能にする。
【００１２】
本発明の譲受人は、第１世代のフォトニック結晶バイオセンサおよび関連検出機器を開発した。このセンサおよび検出機器は特許文献に記載されている。米国特許出願公開第２００３／００２７３２７、２００２／０１２７５６５、２００３／００５９８５５および２００３／００３２０３９号明細書を参照されたい。ピーク共振波長のシフトを検出するための方法は、米国特許出願公開第２００３／００７７６６０号明細書に教示されている。これらの文献に記載されたバイオセンサは、連続したプラスチックフィルムシート上に製作された１次元および２次元の周期的な構造表面を含む。結晶の共振波長は、０．５ピコメートルの波長分解能を得るために分光計を用いて垂直入射のピーク反射率を測定することによって決定される。その結果達成される（３次元ヒドロゲル表面ケミストリなしで得られた）１ｐｇ／ｍｍ2未満の質量検出感度は、他の市販のバイオセンサによってまだ実証されていない。
【００１３】
第１世代のフォトニック結晶バイオセンサデバイスの基本的な利点は、プラスチック材料から、速度１〜２フィート／分の連続プロセスで大量生産することができることである。これらのセンサの大量生産の方法は、米国特許出願公開第２００３／００１７５８１号明細書に開示されている。図１に示すように、バイオセンサ１０の周期的な表面構造は、高屈折率材料１４の薄いフィルムでコーティングされた低屈折率材料１２から作られる。低屈折率材料１２は基板１６に接合されている。この表面構造は、ポリエステル基板１６上での連続フィルムプロセスを使用して、シリコンウェハ「マスタ」型（すなわち複製された所望の構造のネガ）から、硬化したエポキシ層１２の中に複製される。液体エポキシ１２はマスタ格子の形状に従い、続いて紫外光での露光によって硬化する。硬化したエポキシ１２はポリエステル基板シート１６に優先的に接着し、これがシリコンウェハから剥がされる。硬化したエポキシ１２の格子表面に、厚さ１２０ｎｍの酸化チタン（ＴｉＯ2）の高屈折率材料１４をスパッタ付着させることによってセンサ製造を完了させた。酸化チタン付着の後、センサシートから３×５インチのマイクロプレート切片を切り出し、無底の９６ウェルおよび３８４ウェルマイクロタイタープレートの底にエポキシ樹脂で貼り付けた。
【００１４】
図２に示すように、マイクロタイタープレートのウェルを画定するウェル２０は液体試料２２を含む。この無底マイクロプレートとバイオセンサ構造１０の組合せは、ひとまとめにしてバイオセンサ装置２６として示されている。この方法を使用すると、フォトニック結晶センサは、平方ヤードベースで、非常に安いコストで大量生産される。
【００１５】
フォトニック結晶バイオセンサ用の第１世代の検出機器は単純で安価であり、消費電力が低く丈夫である。このシステムの概略図を図２に示す。反射された共振を検出するため、白色光源が、直径１００マイクロメートルの光ファイバ３２およびコリメーティングレンズ３４を通して、公称垂直入射で、マイクロプレートの底から、センサ表面の直径約１ｍｍの領域を照らす。分光計３８を用いた分析に必要な反射光を集めるため、照明ファイバ３２に検出ファイバ３６が１つに束ねられる。マイクロプレートの１つの列の８つのすべてのウェルから反射スペクトルが一度に集められるように、一連の８つの照明／検出ヘッド４０が直線的に配置される。図３を参照する。マイクロプレート＋バイオセンサ１０は、Ｘ−Ｙアドレス指定可能な移動ステージ（図２には示されていない）上に位置し、そのため、マイクロプレート内のそれぞれのウェル列を順番にアドレス指定することができる。この機器は、移動ステージの速度によって制限され、９６個のすべてのウェルを約１５秒で測定する。図２および３のシステムの構造に関する詳細はさらに、米国特許出願公開第２００３／００５９８５５号明細書に記載されている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、従来技術において知られているフォトニック結晶および測色（ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ）バイオセンサのさらなる改良および向上を提供する。フォトニック結晶バイオセンサの構造面を設計するのに、先に参照した特許出願公開に開示されているように規則的な繰返し周期構造を使用する代わりに、本発明は、単位セルのアレイの形態のフォトニック結晶バイオセンサを提供する。センサの規則的な繰返し周期構造の中に欠陥が導入される。これらの欠陥はセンサ設計に意図的に導入され、一般に１単位セルにつき１つ導入され、その局所誘電率が周囲の領域よりも高い領域からなる。これらの欠陥は、欠陥から離れた領域に比べて高い電磁界密度の領域を局所的に（欠陥の付近に）集中される。フォトニック結晶バイオセンサ内に欠陥を使用することはこれまで報告されていない。
【００１７】
より具体的には、２次元単位セルのアレイからなり、単位セルがそれぞれ、基板と、規則的な繰返しパターンで配置された多数の一段高い部分とを有し、一段高い部分が、隣接するボイド部分によって互いから分離されている、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサが提供される。一段高い部分は、水の屈折率よりも大きい比較的に高い屈折率ｎ１を有する材料から作られている。単位セルはそれぞれさらに、隣接するボイドによって分離された一段高い部分からなる規則的な繰返しパターンが変更された欠陥を含み、この変更は、欠陥のところで、１つまたは複数のボイドの空間を、比較的に高い屈折率ｎｌを有する材料が占めるように行われている。この欠陥では、フォトニック結晶に入射した共振周波数の光に応答して、欠陥の領域に、局在化された最大の電磁界強度が生み出される。使用時、試験対象の試料を含む流体がフォトニック結晶の上に置かれ、これが、欠陥を取り囲むボイド部分の中に含まれ、またはこの部分に吸着される。
【００１８】
好ましい実施形態では、このアレイに隣接して、複数の単位セルと位置がそろった複数の開口を有する試料保持構造物が置かれ、この構造物の開口には生体試料または化学試料が導入され、これらの試料は、単位セルの欠陥キャビティに近接したアレイによって吸着される。このような試料保持構造物の一例は、前述のマイクロタイタープレートである。
【００１９】
本明細書に開示した欠陥キャビティを含まない従来技術バイオセンサに比べて有利な点は、表面電磁界と試験試料の間の高い相互作用による潜在的に高い感度、高い忠実度で追跡することができる幅の狭い共振ピークによる検出システムの良好な分解能、およびインカップルドフォトンの横方向の伝搬距離を３ミクロン未満に潜在的に制限することによる高い空間解像度である。
【００２０】
本発明は、他の方法で可能であるよりも小さな分子量、低い生化学的結合親和力および低い濃度の分析物を検出することができる無標識バイオセンサ検出システムの開発を可能にするため、当技術分野の重大な進歩である。示された実施形態に従って作られたセンサは、より鋭い共振ピーク（より高いＱ）と、欠陥キャビティの領域での電磁界エネルギーのより大きな局所集中とを提供し、これらはともに、より大きな感度を有するセンサを生み出すのに役立つ。本発明によって可能になるこの高感度の方法は、医薬品のスクリーニング、診断検査、環境モニタリングシステムなどの商業応用において切望されているものである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
ここでは、センサのＱおよび感度を向上させる欠陥キャビティを有するフォトニック結晶バイオセンサについて説明する。このようなバイオセンサの例は後に図５Ａ、６Ａおよび７の例に関連して説明される。このセンサは、２次元単位セルのアレイとして形成され、単位セルはそれぞれ、基板と、規則的な繰返しパターンで配置された多数の一段高い部分（ｒａｉｓｅｄ  ｐｏｒｔｉｏｎ）とを有し、この一段高い部分は、隣接するボイド（ｖｏｉｄ）部分によって互いから分離されている。この一段高い部分は、水の屈折率よりも大きな比較的に高い屈折率ｎ１を有する材料から作られる。可能な１つの実施形態では、図５Ａに示すように、一段高い部分５８と隣接するボイド領域すなわち低い領域５９とからなる基板パターンの上に高屈折率材料５２がスパッタ付着される。
【００２２】
単位セルはそれぞれ、隣接するボイドによって分離された一段高い部分からなる規則的な繰返しパターンが変更された欠陥を含み、この変更は、欠陥のところで、１つまたは複数のボイドの空間を、比較的に高い屈折率ｎ１を有する材料が占めるように行われている。これは例えば図５Ａから理解することができ、この図では欠陥５６が、単位セルの中心に、ボイド領域すなわち低い領域のない部分を含む（一段高い部分と隣接するボイド部分からなる規則的な方形波パターン中に３つの連続する一段高い部分がある）。
【００２３】
この欠陥の領域では、フォトニック結晶に入射した共振周波数の光に応答して、局在化された最大の電磁界強度が生み出される。この特性を図５Ｂおよび６Ｂに示し、後に詳細に論じる。
【００２４】
使用時、試験対象の試料を含む流体がフォトニック結晶の上に置かれ、これが、センサ表面のすぐ上の空間のボイド部分の中に含まれる。図２、３または図８〜１１に示した装置などの検出装置は、センサ表面のすぐ上の媒質の屈折率の変化による共振周波数のピーク波長値のシフトを検出する。このピーク波長値のシフトは、背景技術のセクションで引用した文献に報告されているように、屈折率の変化によって、試料の内容物についての情報を提供する。
【００２５】
したがって、本発明の一原理態様では、フォトニック結晶格子内の共振キャビティが、意図的に導入された局所的な欠陥領域から形成され、欠陥の誘電率が周囲の非欠陥領域の誘電率よりも高い。欠陥キャビティは、（例えば図５Ａに示されているような）２Ｄ格子の穴の省略によって、または１Ｄ格子の線の省略によって、または次第に低下する格子デューティサイクル（ｔａｐｅｒｅｄ  ｌａｔｔｉｃｅ  ｄｕｔｙ  ｃｙｃｌｅ）として、導入することができる。図６Ａに、Ｓｉ基板の中に形成された穴７０からなる六角形の配置の中心に欠陥７６がある可能な１つの実施形態を示す。この実施形態では中心の穴が省かれており、中心を取り囲む穴７４が中心から離れた穴よりも小さい。当然ながら、他の欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサ構成も可能である。
【００２６】
光マイクロキャビティは一般に鍵となる２つの量、すなわち（ピーク波長値の変化をそのピークの半値全幅で割ることによって計算される）その光キャビティモードの光子寿命の尺度であるＱ（ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）と、そのモードの空間的広がりおよびエネルギー密度の尺度であるモーダルボリューム（Ｖeff）とによって特徴づけられる。第１世代のフォトニック結晶バイオセンサは、約１０００のＱおよび約３〜５μｍの横方向光子伝搬距離を示すが、コンピュータモデリングを使用した欠陥キャビティ構造は、約４０，０００のＱを示し、キャビティ閉込めは半波長の理論的限界に近づく。フォトニック結晶バイオセンサにおいて、Ｑの増大は、反射される共振スペクトルの幅の低下をもたらし、反射される共振ペクトルの幅の低下は、より小さな共振波長シフトを分解できる能力をもたらす。さらに、約５００ｎｍまでの光子の横方向の伝搬距離の制限は、結合像を得るための約１０倍に向上した空間分解能を可能にする。向上した空間分解能を使用して、直径１０μｍのマイクロアレイスポットを効果的に画像化することができる規模まで、マイクロアレイの密度を増大させることができる。本発明によって可能になる、５００×５００ｎｍスポットから結合を測定できる能力はさらに、アッセイの小型化に直接につながるという重要な含意を有する。サブマイクロメートルの精度でサブナノリットルの容積の試薬を分配する能力を有するマイクロ／ナノフルイディック制御システムが現在開発中である。小型化されたアッセイと組み合わせられたこのような制御システムの使用によって、図８〜１１の装置またはその変更を使用して多数の試料を短時間で試験しまたはスクリーニングすることができるようになる。
【００２７】
フォトニック結晶バイオセンサの欠陥キャビティ構造を利用するためには、欠陥キャビティの周期的なアレイを、バイオセンサの表面全体を覆うアレイ（センサの表面に接合された無底３×５インチマイクロプレート、１×３インチマイクロアレイなど）として製作することが好ましい。欠陥キャビティの周期的なアレイに関する追加の情報がＡｌｔｕｇ，Ｈ．ａｎｄ  Ｊ．Ｖｕｃｋｏｖｉｃ、Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｐｈｏｔｏｎｉｃ  ｃｒｙｓｔａｌ  ｒｅｓｏｎａｔｏｒ  ａｒｒａｙｓ．Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ  Ｌｅｔｔｅｒｓ、２００４．８４（２）：ｐ．１６１−１６３に出ている。バイオセンサの欠陥キャビティ構造を設計しシミュレートするのには、時間領域差分（ＦＤＴＤ：ｆｉｎｉｔｅ  ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ  ｔｉｍｅ  ｄｏｍａｉｎ）コンピュータモデリング法を使用することが好ましい。ＦＤＴＤモデリングは、共振波長、共振ピーク幅、偏光依存、Ｖeffおよび感度を予測する効果的な方法であることが示されている。
【００２８】
無欠陥キャビティバイオセンサの例およびその比較
導波モード共振フィルタ（ＧＭＲＦ：ｇｕｉｄｅｄ  ｍｏｄｅ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｆｉｌｔｅｒ）バイオセンサ（１Ｄ表面フォトニック結晶の一例）、例えば先に引用した従来技術の公開出願に記載されているバイオセンサを構築し、測定し、コンピュータモデリングする過程で、本発明の発明者は、表面電磁界強度と表面に吸着した生体物質に対する感度との間の関係をより十分に理解した。具体的には、任意のデバイス構造内の電磁界の分布を可視化することができ、さらに共振波長でのインカップルドフォトンの横方向の伝搬の広がりを決定することができる時間領域差分（ＦＤＴＤ）コンピュータモデリング法を使用した。
【００２９】
時間領域差分（ＦＤＴＤ）コンピュータ解析を使用して、欠陥のないフォトニック結晶（ＰＣ）バイオセンサ構造の性能を、欠陥キャビティフォトニック結晶（ＤＣＰＣ）バイオセンサと比較した。ＦＤＴＤは、任意の物理構造と電磁放射の間の相互作用を決定する正確な方法である。この方法は、モデル化する物理構造を、既知の誘電率を有する材料からなる２次元または３次元の物体として表すことを含む。この物理構造は、体積要素の微細なメッシュに分割され、それぞれの体積要素は、その個々の誘電特性によって記述される。この物理構造を、任意の起源、向き、偏光および強度を有する短い光パルスで照らすことができる。ＦＤＴＤはマクスウェルの方程式を解いて、この物理構造の中を光パルスがどのように伝搬するのかを表すほぼ正確な表現を決定する。この光パルスは、独立した多くの別個のシヌソイド関数のフーリエ変換として表現することができるため、ＦＤＴＤは、この物理構造の周波数（同じことだがまたは波長）透過／反射特性を決定することができる。ＦＤＴＤはさらに、任意の電磁界成分および任意の波長について、この物理構造の内部および周囲の電磁界強度の空間マップを決定することができる。１つまたは複数の方向に誘電率が周期的に繰り返すパターンを有するフォトニック結晶などの物理構造に関して、ＦＤＴＤは、その構造の１つの「単位セル」のシミュレーションだけが可能であり、周期的境界条件が適用される。周期的境界条件シミュレーションの結果は、単位セルが無限に広がると仮定される場合に、電磁界特性の正確な決定を提供する。
【００３０】
この作業では、市販のソフトウェアパッケージ（Ｌｕｍｅｒｉｃａｌ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ，Ｉｎｃ．社（Ｓｕｉｔｅ  ４０５−２３８  Ａｌｖｉｎ  Ｎａｒｏｄ  Ｍｅｗｓ、Ｖａｎｃｏｕｖｅｒ  Ｂｒｉｔｉｓｈ  Ｃｏｌｕｍｂｉａ、Ｃａｎａｄａ  Ｖ６Ｂ  ５Ｚ３）製）をパーソナルコンピュータ上で実行した。最初に、Ｃｕｎｎｉｎｇｈａｍ，Ｂ．Ｔ．、Ｊ．Ｑｉｕ、Ｐ．Ｌｉ、Ｊ．Ｐｅｐｐｅｒ、ａｎｄ  Ｂ．Ｈｕｇｈ、Ａ  ｐｌａｓｔｉｃ  ｃｏｌｏｒｉｍｅｔｒｉｃ  ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｂｉｏｓｅｎｓｏｒ  ｆｏｒ  ｍｕｌｔｉｐａｒａｌｌｅｌ  ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ  ｂｉｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｓ．Ｓｅｎｓｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒｓ  Ｂ、２００２．８５：ｐ．２１９−２２６に記載されている設計の１次元直線フォトニック結晶バイオセンサをシミュレートした。次に、欠陥キャビティが導入された同じ構造をシミュレートした。
【００３１】
欠陥のないＰＣの構造を図４Ａに示す。この構造は、一段高い領域５８と隣接するボイド領域すなわち低い領域５９との繰返し方形波パターンからなる。紙面に垂直（ｚ方向）に延び、ｘ方向に無限に繰り返す直線格子（方形波）を有する低屈折率（ｎ＝１．５）誘電材料５０。表面構造（一段高い部分５８）の高さは１７０ｎｍである。この低屈折率表面構造の高い領域および低い領域は、厚さ１２０ｎｍのＴｉＯ2高屈折率材料５２（ｎ＝２．２５）で覆われている。構造の周期は５００ｎｍであり、高い領域と低い領域の幅は等しい。このＦＤＴＤモデルでは、１５周期分の格子に相当する単位セル５４が図４Ａの枠によって示されている。この単位セルは格子構造の上および下の領域の一部を包含する。この構造のメッシュは、ｘおよびｙ方向に２５ｎｍ刻みで分割される。ＰＣ構造の上方の領域は水試験試料（ｎ＝１．３３）を表す。この構造は、１Ｖ／ｍの強度を有する無限（ｘｚ平面）ＴＥ偏光５ｆｓｅｃガウス型パルスを用いて、図２に本質的に示されているように下から照らされる。
【００３２】
このＰＣ構造に関して、ＦＤＴＤは、共振結合の周波数を３７８．５ＴＨｚ（波長７９０ｎｍ）と決定した。共振波長におけるＥx界成分の空間電磁界分布を図４Ｂに示す。周期的な表面構造のため、電磁界強度は予想どおり周期的なパターンに従い、最も高い電磁界の領域は図４Ｃに示すように構造の上面にある（格子の上面は図４Ａの方形波の頂部と定義する）。図４Ｄに、格子の底面（図４Ａの方形波の基部）の電磁界強度を示す。反射された波長スペクトルを図４Ｅ（ｎ＝１．３３の曲線）に示す。センサと試験試料の相互作用は、「水」の屈折率をｎ＝１．３４に増大させてこのシミュレーションを繰り返すことによって決定される。このより高い水屈折率は、共振ピークをより高い波長へとシフトさせる。共振波長の変化を水屈折率の変化で割ったものとしてシフト係数（ＳｈＣｏｅ：ｓｈｉｆｔ  ｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔ）を定義する（ＳｈＣｏｅ＝Δλp／Δｎ）。この構造ではシフト係数が１２５と決定され、この値は、実際のＰＣセンサで測定された値と矛盾しない。
【００３３】
次に、欠陥キャビティフォトニック結晶（ＤＣＰＣ）構造をシミュレートした。図５Ａの５６に示すように方形波格子の１つの低い領域を高い領域に置き換えた他は、このＤＣＰＣ構造は先のＰＣ構造とまったく同じである。枠５４で囲われた単位セルを使用して、ＰＣ格子７周期ごとに欠陥が繰り返され、その欠陥は単位セルのほぼ中心に位置する。この欠陥は本質的に、本来なら中心５６）のボイドに存在したはずの低屈折率材料（水、ｎ＝１．３３）を、より高い屈折率の材料（ｎ＝１．５、すなわち中心５６の基板の一段高い部分、およびｎ＝２．２５、すなわち５６の一段高い部分の上に付着された高屈折率材料）に置き換えるので、５６の欠陥は、欠陥の周囲の領域、例えば６１や６３よりも高い屈折率を有する結晶領域を表す。
【００３４】
図４ＡのＰＣ構造で使用したものと同じシミュレーション条件を使用して、ＦＤＴＤは、共振周波数を３３４．２ＴＨｚ（波長８９７ｎｍ）と決定した。この欠陥構造に対してより高い共振波長が予想されるのは、この欠陥構造が、水（ｎ＝１．３３）をｎ＝１．５５およびｎ＝２．２５の材料に置き換えたことによって、欠陥のないＰＣ構造（図４Ａ）よりも高い正味の誘電率を有するためである。共振波長でのＥx界成分の空間電磁界分布を図５Ｂに示す。この分布によれば、最も強い電磁界の領域は欠陥の近くに位置し（スポット６０）、欠陥から離れるとより低いピーク界強度が得られる。上記と同じく、最も高い界強度は、図５Ｃおよび５Ｄに示すように、構造の露出した上面および下面で得られる（格子の上面および下面の定義は上記のとおりである）。格子の表面のすぐ上の領域の屈折率をｎ＝１．３３およびｎ＝１．３４としたときの図５Ａのセンサの反射スペクトルを図５Ｅに示す。図５ＡのＤＣＰＣ構造のシフト係数は１３４であることが分かった。図５Ａに示すような小さな欠陥の導入によって、試験試料の「バルク」屈折率に対する感度の７％の向上が得られる。
【００３５】
欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサの他の例
図６Ａは、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサ１０の別の配置の単位セルの平面図である。センサ１０は、２次元アレイとして配置された多数の単位セルを有するＳｉウェハ基板７２からなり、単位セルの１つが図６Ａに示されている。この単位セルはその中心に欠陥７６を含む。一段高い部分と隣接するボイド領域すなわち低い領域とからなるこのパターンは、基板７２にエッチングされた穴７０の配置によって形成されており、中心７６にあるはずの穴は省かれており、中心７６を取り囲む穴７４は中心から離れた穴よりも小さい。図６Ｃおよび６Ｄは、図６Ａの線６Ｃ−６Ｃおよび６Ｄ−６Ｄに沿って切った図６Ａの単位セルの断面図である。
【００３６】
図６Ｂは、図６Ａの単位セルのＦＤＴＤコンピュータモデルを使用することによって得られた、図６Ａの単位セルの電磁界強度のＸおよびＹ方向の２次元プロットである。フォトニック結晶格子（ここではシリコンウェハのエッチングされた穴のアレイとして示されている）内の欠陥は、欠陥を取り囲む領域の中に光子を局所的に閉じ込め、より高い共振器Ｑおよびより高い局所電磁界強度をもたらす。フォトニック結晶表面にこのような欠陥を有する図６Ａの単位セル５４のアレイは、フォトニック結晶バイオセンサの分解能および感度を増大させるための手段としてある。
【００３７】
好ましい実施形態では図６Ａの単位セルのアレイが、センサの表面に流体試料を含めるための手段を提供するマイクロアレイデバイスの底に接合される。このマイクロアレイ上の試料を保持するウェルは、構造、好ましくは行と列からなる構造を有し、検出機器は、それぞれのウェルを並行して読み取るために複数の照明および検出ヘッドを有することが好ましい。いくつかの実施形態では、マイクロアレイのウェル１つあたりに、ウェルのサイズおよび単位セルのサイズに応じた多数の単位セルが存在するが、ウェルおよび読取り／検出機器を小型化して、照明／検出ヘッド１つあたりに単位セルが数個または１つしかないようにすることもできることを理解されたい。さらに、本明細書に記載された任意の欠陥キャビティバイオセンサは（図２に示すように）下から、または上から照明するとすることができること、および基板の下から照明し、検出装置を基板の上に配置して、センサを通過した透過光を検出することもできることを理解されたい。
【００３８】
図７に、フォトニック結晶の単位セル５４が２次元市松模様パターンからなる他の実施形態を示す。この実施形態では、基板材料（例えばＳｉ）が、エッチングされた立方体の穴８０と隣接する立方体の一段高い部分８２との繰返しパターを有する。一段高い部分８２の高さ（同じことだがまたは隣接するエッチングされた穴の深さ）はすべて同じとすることができ、あるいは、単位セルの中心８４に近づくにつれて穴が次第に浅くなる、次第に低下するデューティサイクル（ｔａｐｅｒｅｄ  ｄｕｔｙ  ｃｙｃｌｅ）を有することもできる。中心部分８４は、エッチングされた穴が完全に省かれた基板の部分からなり、その結果、中心領域８４に、中心を取り囲むすぐ外側の領域よりも誘電率が相対的に高い領域が生じる。
【００３９】
当然ながら、他の欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサ構成も可能である。他の実施形態の欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサの詳細設計は、本明細書に記載のＦＤＴＤ技法を使用して得ることが好ましい。
【００４０】
代表的な検出機器
バイオセンサを照らし、反射された放射を検出し、共振周波数におけるピーク波長を決定するための代表的な検出機器を図８〜１１に示す。図８〜１１の機器は、８列および１２行のウェルを有する無底マイクロタイタープレートの底に貼り付けられたセンサとともに使用するように特に設計されたものである。他の実施形態のために、機器設計の変更、特に重要なシステム構成部品の小型化を実施することができることを理解されたい。
【００４１】
検出機器１００は、直線状に並んで配置された複数の照明／検出複式光ファイバヘッド４０（図２）を含む。このような直線配置を利用することによって、複数の複式ヘッドがセンサの複数の表面位置を同時に照らし、次いでそれらを読むことができる。例えば、機器１００では直線プローブ配置を利用して、マイクロタイタープレートの１行全体または１列全体を照らし、次いでそれらを読む。この好ましい実施形態ではそれぞれの複式プローブヘッドが２本の光ファイバを含む。第１のファイバは、白色光源に接続されて、小さな平行光スポットをセンサ表面に投射する。第２のファイバは反射された放射を反射し、それを分光計に供給する。１つの行の照明が終了した後、検出プローブとセンサ（マイクロタイタープレート）の間で相対移動がおこなわれ、センサの次の行または列が読まれる。このプロセスが、すべての行（または列）が読まれるまで続く。
【００４２】
後に詳細に説明するように、この測定装置の一実施形態では、無底マイクロタイタープレートと貼り付けられたセンサ格子との組合せを含むバイオセンサが、直線移動ステージ上に置かれる。この直線移動ステージは、指定された直線走査方向にマイクロプレートを移動させる。マイクロタイタープレートがこの走査方向に移動されるときに、マイクロプレートのそれぞれの列が順番に照らされる。その結果生じる反射光が測定される。好ましい一実施形態では、従来の９６ウェルマイクロタイタープレートの１回の走査は、照明し、その結果生じる反射スペクトルを測定するのに約１５から３０秒かかる。
【００４３】
他の別の実施形態では、画像化装置が、画像化分光計を含む分光計ユニットを利用する。画像化分光計システムの１つの利点は、このような画像化システムが、ピーク波長値（ＰＷＶ：ｐｅａｋ  ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ  ｖａｌｕｅ）を決定する時間を短縮することである。他の利点は、ある領域の生物学的結合を均一でない方法で調べることである。画像化分光計の使用は、米国特許出願公開第２００３／００５９８５５号明細書にさらに詳細に記載されている。この機器は分光計ユニットを含み、好ましくはこのユニットが、２次元電荷結合デバイス（ＣＣＤ）カメラおよび回折格子を含む画像化分光計を含む。スポットごとのバイオセンサ共振信号を含む反射光は分光計ユニットの格子によって回折される。この回折は、照らされた領域内のそれぞれの点の空間的に分離された波長スペクトルを生み出す。この波長スペクトルは、走査方向を横切る方向に対応する第２の空間成分を有する。この第２の空間成分は、この横断方向に対応する離散部分に再分割される。
【００４４】
例えば、画像化分光計が、５１２×２０４８個の画像化要素を含むＣＣＤカメラを含む場合、照らしている線は、５１２個の画像化要素または画像化点に空間的に分離される。これらの５１２個の画像化要素または画像化点ごとに、ＣＣＤカメラの直交軸に沿って波長スペクトルが測定される。ＣＣＤカメラが５１２×２０４８個の画像化要素を含む場合、このＣＣＤは２０４８個の波長データ点の分解能を有するであろう。この方法を使用して、センサの底面を横切る単一の「線」または画像化領域に対して、５１２個の点のＰＷＶが決定される。約１０ミクロンの空間分解能を一般に有する従来のＣＣＤ画像化カメラにおいて、１：１画像化システムは、センサ表面３４２のＰＷＶ値を分解能１０ミクロンで分解することができる。センサの底面全体のＰＷＶ像を測定するためには、センサが画像化平面（走査方向）に沿って移動され、以降の線走査を使用してＰＷＶ像が構築される。
【００４５】
図８〜１１の実施形態は、図２および３の照明および検出機能を含む照明／検出機器を示す。図８に測定機器１００の透視図を示す。機器１００は、測定機器カバー４５２およびドア４５４を含む。本発明に基づくバイオセンサとして構成されたマイクロプレートウェルプレート（またはマイクロタイタープレート）４５６が、機器１００の内部に組み込まれたインキュベータアセンブリ４６０の外側に引き出された位置に示されている。マイクロプレートウェルプレート４５６はマイクロウェルトレー４５８によって保持される。トレー４５８は、インキュベータアセンブリ４６０の前面に位置するドアウェイ４５３を通して、インキュベータアセンブリ４６０の外に延出することができる。インキュベータアセンブリ４６０は、マイクロウェルトレーの読取りおよび／または測定の間、使用者が定めた温度にトレー４５８を維持することを可能にする。
【００４６】
好ましい一実施形態では、制御された温度でアッセイを実行するためにインキュベータアセンブリ４６０が使用され、このような制御された温度は一般に摂氏４から４５度である。図９〜１１に関して説明するとおり、コリメータアセンブリ７０８が、好ましくはインキュベータアセンブリ４６０の底部６０２の下に配置される。コリメータアセンブリ７０８は、マイクロタイターウェルの照明および波長測定時にトレー４５８の底面４５９を照らす。
【００４７】
トレー４５８がインキュベータアセンブリ４６０の外に引き出された位置にある間に、マイクロタイタープレート４５６をトレー４５８の上に置き、またはトレー４５８から取り出すことができる。プレート４５６は、一組の位置合せ点（ｒｅｇｉｓｔｒａｔｉｏｎ  ｐｏｉｎｔ）、ばねクリップまたは知られている他のタイプの固定手段によって、トレー４５８の中に保持することができる。図９では、プレート４５６をトレー４５８の中に保持するのにクリップ４５７が使用されている。
【００４８】
検出／測定対象の生体物質を含む流体試料がマイクロタイタープレート４５６に装填された後、トレー４５８はインキュベータアセンブリ４６０の中へ運ばれる。次いで、処理、混合、加熱および／またはバイオセンサの読取りを、好ましくはコントローラボード５８８（図９参照）上の電子式マイクロプロセッサ制御装置（図示せず）の制御の下で開始することができる。
【００４９】
トレー４５８がインキュベータアセンブリ４６０の中に引っ込んだ後、照明および読取りの間、トレー４５８は移動しない。マイクロタイタープレート４５６の読取りを実施するため、コリメータアセンブリ７０８は、プレート４５６の底面４５９に沿って入射する照明パターンを生み出す。機器１００が、プレート４５６の１つのウェル行全体に沿って入射する光ビームを生み出すことが好ましい。
【００５０】
機器１００はあるいは、プレートの複数のウェルに同時に入射する複数の照明ビームを生み出す。複数のビームを含むこの照明パターンは、コリメータアセンブリ７０８の中に含まれる複式照明光ファイバプローブによって生み出される。このプローブの構造が図３に示されている。次いで、前述のとおり、コリメータアセンブリ７０８の中に含まれる同じ複数のプローブによって、バイオセンサの表面から反射された光を検出することができる。この反射光は次いで、分光計システム５９０によって分析される。
【００５１】
インキュベータアセンブリ４６０は、インキュベータアセンブリの底構造に沿って複数の開口７６４を備える。図１１から分かるように、インキュベータアセンブリの開口７６４は、プレート４５６がインキュベータアセンブリ４６０の中の読取り位置にあるときに、プレート４５６上のウェル位置６５７と概ね整列し、一致するように構成されている。例えば、マイクロウェルウェルプレート４５６上に９６個のウェルがある場合、インキュベータアセンブリの底部６０２は９６個の開口７６４を備える。これらの開口は、ウェルプレートのウェルと同じタイプのアレイ（例えば８行×１２列）として構成される。これらの開口７６４は、コリメータアセンブリ７０８によって生み出された光が、照明プローブ７０９からウェルに届くための間隙を提供する。
【００５２】
使用者がトレーおよびプレートに接近することを可能にするため、プレートトレー４５８は測定装置４００から外へ延出する。マイクロプレートの処理を開始するために、装置４００の中にトレー４５８を引っ込め、ドアカバー４５４を閉じることができる。このような処理には例えば、マイクロタイターウェルの中の液体を混合すること、配置された液体を所定の温度に加熱すること、マイクロプレート４５６を照明すること、および様々な反射照明パターンを処理することが含まれる。
【００５３】
図９に、図８に示した機器１００の様々な内部構成要素の透視図５８０を示す。図９に示すように、測定機器５８０の内部構成要素には、移動ステージアセンブリ５６０、ヒータコントローラユニット５８２、コントローラボードアセンブリ５８８および分光計ユニット５９０が含まれる。移動ステージアセンブリ５６０は、インキュベータアセンブリ４６０およびコリメータアセンブリ７０８を含む。ヒータコントローラユニット５８２、コントローラボードアセンブリ５８８、移動ステージアセンブリ５６０および分光計ユニット５９０はベースプレート５９２上に取り付けられる。マイクロプレートウェルトレー４５６は、インキュベータアセンブリ４６０の外に引き込まれた位置に示されている。
【００５４】
ヒータコントローラユニット５８２は、インキュベータアセンブリ４６０に温度制御を提供する。コントローラボードアセンブリ５８８は、平行移動ステージ５６０およびトレー４５８のハンドリングに関係した混合制御および他の移動制御を含む機能制御を測定装置に提供する。
【００５５】
分光計ユニット５９０はＰＷＶデータを生み出すための適当な分光計を含む。分光計の設計は照明源によって異なる。
【００５６】
図１０に、図８および９に示した測定機器４００の移動ステージアセンブリ５６０の透視図を示す。図１１は、インキュベータアセンブリの頂部４６１（図９および１０参照）が取り外された、図１０の移動ステージアセンブリ５６０を示す。図１０および１１から分かるように、移動ステージアセンブリ５６０は、引っ込められた位置に配置されたマイクロウェルトレー４５８を含む。マイクロウェルトレー４５８は複数のウェル６５７を有し、読取りプロセスを開始するためにインキュベーションアセンブリ４６０の中に入る。
【００５７】
マイクロウェルプレートトレー４５８は、インキュベータアセンブリ４６０の底部６０２の上面６０５に載せられる。マイクロタイタートレー４５６が９６個のウェルを有する従来のマイクロタイタートレーである場合、インキュベータアセンブリ４６０の底部６０２は９６個の穴を含むことが好ましい。マイクロウェルプレートトレー４５８は、インキュベータアセンブリ装置がマイクロウェルトレー４５８に含まれる開口（ウェル）と本質的に一致するように、インキュベータアセンブリ６０２の底部の上に配置される。あるいは底部６０２が、プレートの底部と一致する透明なセクションを含む。
【００５８】
試料の照明および測定の間、マイクロウェルトレー４５８は、インキュベータアセンブリの底部６０２によって、インキュベータアセンブリ４６０の中に、動かないように保持されることが好ましい。照明および測定の間、コリメータアセンブリ７０８は動かないように保持され、ステップモータ６０６は、プレートを含むインキュベータアセンブリを直線方向「Ａ」の方向に駆動する。インキュベータアセンブリ４６０が方向「Ａ」に沿って駆動されるときに、コリメータアセンブリ７０８はマイクロタイタープレート４５６の底面４５９を照らす。その結果生じる反射照明パターンはコリメータアセンブリ７０８によって検出される。照明プロセス中の位置を決定するために、平行移動ステージアセンブリの一部としてホームポジションセンサ７１０が提供される。
【００５９】
移動ステージアセンブリ７６０は、複数のエラストマー絶縁装置７６２を備える。この実施形態では、照明および読取り中の絶縁および騒音低減を提供するため、合計６つのエラストマー絶縁装置が使用される。
【００６０】
図１０および１１から分かるように、コリメータアセンブリ７０８は、インキュベータ部分の底部６０２の底面６０３の下に配置される。コリメータアセンブリ７０８は複数の複式ファイバプローブヘッド７０９を含むことが好ましい。図１０に示された実施形態では、コリメータアセンブリ７０８が８つの複式ファイバプローブヘッド７０９を含む。これらの複式ファイバプローブは、先に説明した光ファイバプローブと同様のプローブヘッド構成を有することができる。
【００６１】
説明を容易にするため、図１１には、インキュベータアセンブリ４６０のボトムプレート６０２だけが示されている。インキュベータアセンブリの底部６０２は複数の開口７６４を備える。マイクロウェルプレート４５６が、図１１に示されているものなど、８×１２のウェルアレイを含む場合には、インキュベータアセンブリの底部６０２も９６個の開口からなる８×１２の開口アレイを含むことが好ましい。これらの開口は本質的に、マイクロウェルプレート４５６上の９６個のウェルと一致する。このようにすると、コリメータアセンブリ７０８によって生み出された平行白色光は、第１の表面６０３を通過し、インキュベータアセンブリの底部６０２に沿って伝搬し、インキュベータアセンブリの底部６０２の第２の表面すなわち上面６０５から出射する。この平行光は次いで、マイクロウェルプレート４５６のウェルの底部を照らすことができる。底部６０２はあるいは、プレートの底部と一致する透明なセクションを含むことができる。
【００６２】
図１０および１１を参照すると、ウェルの走査時にインキュベータアセンブリを駆動するための駆動モータ６０６が提供されている。平行移動ステージ中の測定ストップとしてホームポジションセンサ７１０が提供される。プレートハンドリングステージはステップモータ７０２を使用してラックアンドピニオン機構を駆動し、この機器のドアの中および外へトレーを移動させる。走査ステージはステップモータ６０６を使用して、親ねじ（ｌｅａｄ  ｓｃｒｅｗ）５５９を平行移動ステージレール５５７、５５８に沿って駆動し、マイクロウェルプレート４５６とコリメータアセンブリ７０８の間の相対移動を提供する。
【００６３】
ウェルの中の液体を混合するためにミキサアセンブリを使用することができる。本発明では混合機構が、平行移動ステージのインキュベーション室の間に位置する。さらに、混合機構を別の位置に提供することもできる。
【００６４】
試料中の標的分子の結合を促進するため、Ｐｅｐｐｅｒ他の米国特許出願第２００３／０１１３７６６号明細書に記載されているように、センサの格子表面を化合物でコーティングすることができる。
【００６５】
現時点の好ましい実施形態を詳細に説明したが、開示された実施形態に対して、本発明の範囲に含まれる変更が企図されることを当業者は理解されたい。本発明の範囲は添付の請求項への参照によって決定される。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】従来技術のバイオセンサの１つの配置を示す図である。
【図２】従来技術のバイオセンサと、バイオセンサを照らしバイオセンサから反射された光のピーク波長のシフトを測定するための検出システムとを示す図である。
【図３】無底マイクロタイタープレートの底に貼り付けられた図１の構造を含むバイオセンサデバイスの１つのウェル行全体を読み取る８つの照明ヘッドの配置を示す図である。
【図４Ａ】従来技術の２次元フォトニック結晶バイオセンサの単位セルの断面図である。
【図４Ｂ】図４Ａの単位セルのＦＤＴＤコンピュータモデルを使用することによって得られた、図４Ａの単位セルのＸおよびＹ方向の電磁界強度の２次元プロットである。
【図４Ｃ】ＦＤＴＤコンピュータモデルによって計算された、図４Ａのセンサの格子の頂部の共振周波数における電磁界強度のＸ成分を、Ｘ方向の距離の関数として示したグラフである。
【図４Ｄ】ＦＤＴＤコンピュータモデルによって計算された、図４Ａのセンサの格子の底部の共振周波数における電磁界強度のＸ成分を、Ｘ方向の距離の関数として示したグラフである。
【図４Ｅ】反射された電磁界強度を波長の関数として示したグラフであって、バイオセンサに隣接した材料の屈折率ｎ＝１．３３（バイオセンサのボイド領域に存在する水のシミュレーション）、およびバイオセンサに隣接した材料の屈折率ｎ＝１．３４でのピーク波長を示すものであり、このグラフは、ｎ＝１．３４ではピーク波長が右へシフトすることを明確に示している。
【図５Ａ】単位セルの中心に欠陥を有する２次元フォトニック結晶バイオセンサの単位セルの断面図である。
【図５Ｂ】図５Ａの単位セルのＦＤＴＤコンピュータモデルを使用することによって得られた、図５Ａの単位セルのＸおよびＹ方向の電磁界強度の２次元プロットである。
【図５Ｃ】ＦＤＴＤコンピュータモデルによって計算された、図５Ａのセンサの格子の頂部の共振周波数における電磁界強度のＸ成分を、Ｘ方向の距離の関数として示すグラフである。
【図５Ｄ】ＦＤＴＤコンピュータモデルによって計算された、図５Ａのセンサの格子の底部の共振周波数における電磁界強度のＸ成分を、Ｘ方向の距離の関数として示すグラフである。
【図５Ｅ】反射された電磁界強度を波長の関数として示すグラフであって、バイオセンサに隣接した材料の屈折率ｎ＝１．３３（バイオセンサのボイド領域に存在する水のシミュレーション）、およびバイオセンサに隣接した材料の屈折率ｎ＝１．３４でのピーク波長を示すものであり、このグラフは、ｎ＝１．３４ではピーク波長が右へシフトすることを明確に示している。
【図６Ａ】欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサの別の配置の単位セルの平面図である。
【図６Ｂ】図６Ａの単位セルのＦＤＴＤコンピュータモデルを使用することによって得られた、図６Ａの単位セルのＸおよびＹ方向の電磁界強度の２次元プロットである。
【図６Ｃ】図６Ａの線６Ｃ−６Ｃに沿って切った図６Ａの単位セルの断面図である。
【図６Ｄ】図６Ａの線６Ｄ−６Ｄに沿って切った図６Ａの単位セルの断面図である。
【図７】欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサの別の実施形態の平面図である。
【図８】ピーク波長のシフトを決定するため、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサを照らしその反射光を集めるための機器を示す図である。
【図９】ピーク波長のシフトを決定するため、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサを照らしその反射光を集めるための機器を示す図である。
【図１０】ピーク波長のシフトを決定するため、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサを照らしその反射光を集めるための機器を示す図である。
【図１１】ピーク波長のシフトを決定するため、欠陥キャビティフォトニック結晶バイオセンサを照らしその反射光を集めるための機器を示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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【図４Ｅ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図５Ｃ】
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【図５Ｄ】
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【図５Ｅ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図６Ｃ】
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【図６Ｄ】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際調査報告】
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