(57)【要約】  回折格子結合導波路の検知領域における生物学的物質（例えば、細胞、薬物、化合物）の存在を検出するために用いることができる回折格子結合導波路（１００）及び方法が説明される。回折格子結合導波路は、基板（１１２）、回折格子（１０８）及び屈折率が１.５以下の基板より高い屈折率を有する導波路膜（１０６）を有する。比較的低屈折率の基板が、導波路モードを導波路膜上の検知領域にある生物学的物質に向けてシフトさせ、よってその領域におけるモードのエバネッセントテールの電場強度を高めることにより、回折格子結合導波路の感度を実効的に高める。一実施形態において、回折格子導波路のアレイがマイクロプレートのウエル内に組み込まれる。
2007501432.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子結合導波路において、
基板、
回折格子、及び
１.５以下の屈折率を有する前記基板より高い屈折率を有する導波路膜、
を有することを特徴とする回折格子結合導波路。
【請求項２】
前記回折格子が前記導波路膜の上表面内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項３】
前記回折格子が前記導波路膜内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項４】
前記回折格子が前記導波路膜の機能も果たすことを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項５】
前記回折格子が前記基板の上表面内に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項６】
前記基板が約１.４〜１.５の範囲の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項７】
前記基板が１.４以下の屈折率を有することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路。
【請求項８】
１つまたはそれより多くの回折格子ベース導波路型センサに呼び掛けるための方法において、前記方法が、
前記回折格子ベース導波路型センサのそれぞれに光ビームを向ける工程であって、
前記回折格子ベース導波路型センサのそれぞれは、
基板、
回折格子、及び
１.５以下の屈折率を有する前記基板より高い屈折率を有する導波路膜、
を有し、
前記基板が、前記回折格子及び前記導波路膜によって形成された導波路とインターフェースする前記光ビームを受け取り、前記基板が１.５以下の屈折率を有することから、前記導波路膜の上の検知領域に従来技術より深く延び込むエバネッセントテールを有する基本モードに回折する、底面を有するものである工程、
前記それぞれの回折格子ベース導波路型センサから反射光ビームを受け取る工程、及び
前記それぞれの回折格子ベース導波路型センサの前記導波路膜の上の前記検知領域に生物学的物質が存在するか否かを示す所定の屈折率に対応する共鳴条件を検出するために前記受け取った反射光ビームのそれぞれを解析する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項９】
前記基板が約１.４〜１.５の範囲の屈折率を有することを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記回折格子ベース導波路型センサがマイクロプレート内に形成されたウエルに置かれることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１１】
マイクロプレートにおいて、
フレームであって、複数のウエルが前記フレームに形成され、前記ウエルのそれぞれに、
基板、
回折格子、及び
１.５以下の屈折率を有する前記基板より高い屈折率を有する導波路膜、
を有する回折格子ベース導波路、
が組み込まれているフレームを有することを特徴とするマイクロプレート。
【請求項１２】
前記回折格子ベース導波路が、
低屈折率紫外線硬化性材料に分配器具を浸漬する工程、
前記低屈折率紫外線硬化性材料の一部を前記分配器具から前記低屈折率紫外線硬化性材料内に回折格子を形成する格子形成器具に移す工程、
前記低屈折率紫外線硬化性材料を前記格子形成器具から前記ウエル内に移す工程、
前記基板及び前記回折格子を形成するために前記ウエル内の前記低屈折率紫外線硬化性材料を紫外光で露光する工程、及び
前記回折格子を前記導波路膜で被覆する工程、
にしたがって前記ウエル内に形成されることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロプレート。
【請求項１３】
光呼掛けシステムが、
それぞれの前記回折格子ベース導波路内に光ビームを向ける工程、
前記それぞれの回折格子ベース導波路から反射光ビームを受け取る工程、及び
前記それぞれの回折格子ベース導波路の前記導波路膜の上の検知領域内に生物学的物質が存在するか否かを示す所定の屈折率に対応する共鳴条件を検出するために前記受け取られた反射光ビームのそれぞれを解析する工程、
にしたがって前記それぞれの回折格子ベース導波路に呼び掛けるために用いられることを特徴とする請求項１１に記載のマイクロプレート。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００３年８月１日に出願された米国特許出願第１０/６３２２７６号の優先権の恩典を主張する。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には回折格子結合導波路に関し、特に、基板、回折格子及び、１.５以下の屈折率を有する基板より高い屈折率を有する、導波路膜を有する回折格子結合導波路に関する。
【背景技術】
【０００３】
回折格子結合導波路（ＣＧＷ）は光呼掛けシステムから発せられる入射光に対する極めて狭いスペクトル応答を提供することができ、したがって、（例えば）光フィルタ、レーザキャビティミラー及びバイオセンサを含む広範な用途に用いられてきた。バイオセンシング用途において、光呼掛けシステムは、生物学的物質をＧＣＷに接触させると、物質の結合、吸着等により測定されるＧＣＷの光応答が変わることから、ＧＣＷの光応答における変化を測定する。このようにして、ＧＣＷにより生物学的イベントの直接光測定が可能になり、蛍光染料の費用及び実験的変動が完全に避けられる、無ラベル検定が可能になる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、相反する相関性が生じるため、ＧＣＷは生物学的物質を検出するために感度に関して最適化される必要がある。本発明の課題は、従来のＧＣＷの設計を変更して高感度ＧＣＷの作成及び使用を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、ＧＣＷ及びＧＣＷの検知領域における生物学的物質（例えば、細胞、薬物、化合物）の存在を検出するためにＧＣＷを使用するための方法を含む。ＧＣＷは、基板、回折格子及び、屈折率が１.５以下の基板より高い屈折率を有する、導波路膜を有する。比較的低屈折率の基板が、導波路膜の上の検知領域にある生物学的物質に向けて導波路モードをシフトさせ、よってその領域におけるモードのエバネッセントテールの電場強度を高めることによって、ＧＣＷの感度を実効的に高める。一実施形態において、ＧＣＷのアレイがマイクロプレートのウエル内に組み込まれる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
添付図面とともになされる以下の詳細な説明を参照することによって、本発明のより完全な理解を得ることができる。
【０００７】
図１を参照すれば、本発明にしたがうＧＣＷ１００及び光呼掛けシステム１２０の基本コンポーネントの概念図が示されている。基本的に、ＧＣＷ１００は、ＧＣＷ１００の上層１０３（検知領域）上の生物学的物質１０２（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチド、炭水化物）の無ラベル検出を可能にするために、光呼掛けシステム１２０から発せられる光１２６及び反射されて光呼掛けシステム１２０に戻る光１２８の屈折特性及び結合特性を利用する。光呼掛けシステム１２０は、１つまたはそれより多くの光源１２２（例えば、レーザ、ダイオード）及び１つまたはそれより多くの検出器１２４（例えば、分光計、ＣＣＤカメラまたはその他の光検出器）を備える。
【０００８】
ＧＣＷ１００は、合わせて導波路１１０を形成する回折格子１０８の作成の前または後に基板１１２上に被着される薄い（〜１００ｎｍ）材料層１０６（例えば導波路膜１０６）を有する。回折格子１０８は、型押し、ホログラフィまたはその他の方法によって基板１１２内または導波路膜１０６内に形成される。よって回折格子１０８は導波路膜１０６の上、下、または中にさえ、配することができる。さらに、回折格子１０８は導波路膜１０６と直接に物理的接触している必要はなく、単に導波路モードに光学的な影響を与えるに十分近くにあればよい。さらに、実効屈折導波により、導波路膜１０６をさらに被着する必要無しに導波路自体としてはたらくに適切な十分高い屈折率をもって回折格子１０８自体を作成することができる。導波路膜１０６は、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＴｉＯ２-ＳｉＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＨｆＯＮ，ＳｉＯＮ，酸化スカンジウムまたはこれらの混合物のような、金属酸化物ベースの材料で作られることが好ましい。図示されるように、回折格子１０８は、型押し、ホログラフィまたはその他の方法によって基板１１２内に形成され、次いでより高い屈折率を有する薄い導波路膜１０６が回折格子１０８の上表面に被覆される。基板１１２を作成するために用いることができる様々な低屈折材料のいくつかに関する詳細な議論が以下に与えられる。
【０００９】
バルク流体内に入れることができる生物学的物質１０２はＧＣＷ１００の上層１０３（検知領域）上に堆積し、この生物学的物質１０２の存在が、ＧＣＷ１００の表面１０４における屈折率を変える。すなわち、生物学的物質１０２を検出するため、光源１２２から発せられる光ビーム１２６でＧＣＷ１００が探査され、次いで、生物学的物質１０２の存在により屈折率に何らかの変化（〜１ｐｐｍ）が生じているか否かを判定するために、検出器１２４で受け取られた反射光ビーム１２８が解析される。一実施形態において、上表面１０４は、感度が高くかつ特異性の強いＧＣＷ１００の作成を可能にする、特定の相補性生物学的物質１０２しか表面に付着させない生物学的化合物（図示せず）で被覆することができる。このようにすれば、光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ１００を広範な生物学的物質１０２を検出するために用いることができ、ＧＣＷ１００がアレイに配列されていれば、光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ１００を用いてスループットの高い薬物または化学物質の選別調査を可能にすることができる。
【００１０】
ＧＣＷ１００の感度は回折格子１０８及び導波路１１０の構造を解析することによって最善に理解することができる。回折格子１０８上に照射された光ビーム１２６は、その波動ベクトルが下式（１）：
【数１】
2007501432.tif 000003
【００１１】
で示されるような共鳴条件を満たしている場合にのみ、導波路１１０に結合され得る。ここで、ｋ'ｘは入射波動ベクトルのｘ成分、ｋｘは導波モード波動ベクトル、ｋは格子ベクトルである。格子ベクトルｋは、回折格子１０８の格子線に垂直な方向及び２π/Λで与えられる大きさを有するベクトルとして定義される。ここでΛは格子周期（ピッチ）である（図１を見よ）。この式は、式（２）：
【数２】
2007501432.tif 000004
【００１２】
に示されるように、波長λ及び入射角θで表すこともできる。ここで、θは光ビーム１２６の入射角、ｎ入射は入射媒体の屈折率、λは光１２６の波長、ｎ実効は導波路１１０の実効屈折率である。導波路１１０の実効屈折率は、光導波路モードフィールドまたは基本モードが導波路１１０を通って伝搬しながら「見る」、屈折率の加重平均である。基本モードは導波路１１０自体よりかなり広い空間的広がりを有することが好ましく、この広がりは基板１１２の屈折率に依存する。詳しくは、基本モードは、生物学的物質１０２がＧＣＷ１００の上表面に近づくかまたは接触するときに生じる何らかの表面変化を「見る」、上層１０３（検知領域）に延び込むエバネッセント波／テールを有する。
【００１３】
式（２）に示される前式は、式（３）：
【数３】
2007501432.tif 000005
【００１４】
に示される、より簡便な形に書き換えることができる。これは、sinθがｙ軸であり、λがｘ軸であって、Λｎ実効がｘ切片であり、−１/Λが勾配である、直線の方程式である。式（３）を得るため、この式からｎ入射を省くことができるように、ｎ入射を１とおいている。この近似は、空気（ｎ〜１.０００３）が最も普通の入射媒体であることから用いられる。この関係が図２に示されるグラフに描かれる。生物学的物質１０２が表面１０４に結合すると、導波路１１０の実効屈折率が変化し、これによってＧＣＷ１００の共鳴波長または共鳴角のシフトが生じる。このシフトは図２に示される直線のｘ切片のシフトとして見ることができる。
【００１５】
そのようなＧＣＷの共鳴条件（例えば、共鳴波長または共鳴角）はＧＣＷからの反射光１２８を観測することによって屈折率の変化を決定するために呼びかけることができる（図１を見よ）。屈折率変化を測定するための２つの異なる動作モード−分光呼掛け及び角度呼掛け−がある。分光呼掛けにおいては、光１２６の公称上コリメートされた広帯域ビームがＧＣＷ１００内に送られ、反射光１２８が集められて（例えば）分光計１２４で測定される。共鳴波長（ピーク）のスペクトル位置を観測することにより、ＧＣＷ１００の表面１０４またはその近傍での結合すなわち屈折率変化を測定することができる。分光呼掛けの概念が図３に示されるグラフに図式表示される。逆に、角度呼掛けにおいては、公称上単一波長の光１２６がある範囲の照射角を生じるように集束されて、ＧＣＷ１００内に向けられる。反射光１２８がＣＣＤカメラまたはその他の光検出器１２４によって測定される。ＧＣＷ１００によって反射された共鳴角の位置を測定することにより、ＧＣＷ１００の表面１０４またはその近傍での結合すなわち屈折率変化を測定することができる。角度呼掛けの概念が図４に示されるグラフに図式表示される。
【００１６】
動作の単純性及び効率を維持するために、バイオセンサに用いられるＧＣＷは通常、入射光１２６の０次回折光だけが自由空間を伝搬し、±１次であろう回折光が導波路１１０の基本モードに結合するように設計される。さらに高次の回折は、入射光１２６の所望の動作波長λより小さな格子ピッチΛを有するサブ波長回折格子１０８を設計することによって避けられる。この場合、高次光がＧＣＷ１００からパワーを取り去らないことから、導波路１１０の結合効率が高い。さらに、０次の反射及び透過ビームだけが自由空間に存在するから、ＧＣＷ１００は入射光１２６の所望の（異常）波長λのほぼ全反射または全透過を生じさせることができる。図５は、ＴＥ入力光１２６の角度が３°であり、法線に対して３°をなす反射ビーム１２８が８２４ｎｍ近傍に共鳴５０２を有する、上層１０３の物質（水）の屈折率が１.３３である場合の、従来のＧＣＷ１００のＧＳＯＬＶＥＲ（厳密結合波解析すなわちＲＣＷＡコード）を示す。
【００１７】
ＧＣＷは、共鳴角／共鳴波長５０２の位置の決定及び上層１０３の屈折率の計算を可能にするから、バイオセンシング用途に用いられる。これは、導波路１１０内を伝搬している基本モードのエバネッセントテールが生物学的物質１０２の存在によって生じる上層１０３の屈折率変化を検知することから、可能である。上層１０３の屈折率変化は式（１）にしたがってＧＣＷ１００の共鳴条件を変え、よって、共鳴５０２が新しい波長すなわち新しい位置にシフトする。シフトした共鳴の位置は、ＧＣＷ１００の上層１０３に生物学的物質１０２があるか否かを示す、上層１０３の現在の屈折率を示す。上層１０３の屈折率の単位変化に対して共鳴５０２が数１００ｎｍシフトし得ることが示された（図２を見よ）。このシフトはＧＣＷ１００の波長呼掛け勾配（ＷＩＳ）または角度呼掛け勾配（ＡＩＳ）と称される。検出計器の波長分解能、雑音レベル等にともなう現行の技術をもってすれば、これは一般にＧＣＷ１００の上表面１０４における１０−６ＲＩＵの検出限界に換算される。ＧＣＷ１００の基板１１２の設計変更によりＧＣＷ１００のＷＩＳ/ＡＩＳすなわち感度を高めることによって計装への制約を緩和することが本発明の目的である。
【００１８】
ＧＣＷ１００のＷＩＳ/ＡＩＳの根源への知見を提供するため、図６に示されるような簡略化された３層導波路モデルを用いる。ＧＣＷ１００の感度は主として上層１０３との導波路モードの重畳に関係するから、このモデルはＷＩＳ/ＡＩＳの推定を可能にする導波モード構造対ＧＣＷ１００の設計を検討するために用いられる。図６に示されるように、ＧＣＷ１００の構造は３層構造に簡略化することができる。この場合、回折格子１０８が導波路膜１０６の厚さの内の極めて小さい（一般に＜５％）部分である場合には回折格子１０８を全く無視することができ、また回折格子１０８が導波路膜１０６に対して有意である場合には回折格子１０８の交互する区画の誘電率（無損失材料の屈折率の二乗）を平均することによって得られる実効屈折率を用いて中央層（導波路膜１０６）が近似される。これは回折格子１０８の区画間のデューティサイクルを５０％とすることにより、単純平均とすることができる。基板１１２及び上層１０３はｚ方向に無限であると仮定され、全ての層１０３，１０６及び１１２はｘ方向に無限である。ＧＣＷ１００のこのモデルを解析するためにいかなる数の簡単なモード求解機も用いることができる。３つの異なる解析の結果を図７〜１１に関して以下に与える。
【００１９】
図７を参照すれば、環式オレフィン共重合体（ＣＯＣ）（屈折率ｎＳ＝１.５３）でつくられた基板１１２，Ｔａ２Ｏ５（屈折率ｎｆ＝２.０１）でつくられた導波路膜１０６及びＨ２Ｏ（屈折率ｎｃ＝１.３３）を含有する上層１０３を有する、従来のＧＣＷの上層１０３に延び込むエバネッセントテールを有する基本モード７０２をグラフが示している。基本ＴＥモード７０２は、図６に示されるＧＣＷの形状を時計回りに９０°回転させた図７に見ることができる。距離ゼロは導波路膜１０６と上層１０３の界面に相当する。
【００２０】
このグラフは、中心が高屈折率導波路膜１０６に重なる、導波路１１０の基本モード７０２を示す。さらに、基本モード７０２は上層１０３（カバー／検知領域）内よりも基板１１２内に深く延び込むエバネッセントテールを有する。これは導波路１１０と基板１１２の間の屈折率差の結果である、上述したように、ＷＩＳ/ＡＩＳは上層１０３に延び込む導波モードのエバネッセントテールの面積に正比例する。基板１１２の屈折率を低めることにより、モード実効屈折率を上層１０３に近づけることによってモード７０２の閉込めを改善することができる（図８及び１０を見よ）。
【００２１】
エバネッセントテールは、モード７０２の、導波路１１０の外側にある部分である。技術的には、エバネッセントテールは、距離とともに指数関数的に減衰する、モード７０２の部分である。モード実効屈折率が局所材料の屈折率より大きいときに、電場はエバネッセントになる。図６に示される例示的ＧＣＷ１００において、導波路膜１０６（中央層）は局所屈折率がモード実効屈折率を上回る唯一の層であり、よって、導波路膜１０６は、電場が振動し、通常の波のように振る舞う、唯一の領域である。周囲層１１２及び１０３においては、モード屈折率が局所屈折率を上回り、モードが導波路層１１０から離れるにしたがって、モードの強度が減衰する。この、周囲領域にある短い距離まで延び込むモード７０２の減衰部分が、モード７０２の「エバネッセントテール」と称される。上層１０３が上表面周囲領域であり、また生物学的反応がおこる領域であるから、この領域におけるモード７０２のエバネッセントテールが、モード７０２の、バイオロジカルセンシングの全てを行う部分である。
【００２２】
図８を参照すれば、屈折率ｎＳ＝１.２０の基板１１２，屈折率ｎｆ＝２.０１の導波路膜１０６及び屈折率ｎｃ＝１.３３の上層１０３を有する、例示的ＧＣＷ１００の上層１０３に延び込むエバネッセントテールを有する基本モード８０２をグラフが示している。このグラフは、図７に示される従来のＧＣＷと比較して、導波基本モード８０２が上層１０３に深く延び込み、よってＷＩＳ/ＡＩＳを高めていることを明瞭に示す。
【００２３】
図８に示される例示的ＧＣＷ１００においてなされたように基板１１２の屈折率を低めることで得られる利益を定量化するため、共鳴波長位置を測定しながらＲＣＷＡコードにおいて上層１０３の屈折率を変えた。図９は、特定の導波路厚に対してバルク感度ＷＩＳが基板１１２の屈折率の関数である、導波路１１０のＴＭ基本モード及びＴＥ基本モードについての結果を示す。図からわかるように、基板１１２が屈折率ｎＳ＝１.５３を有する場合（図７を見よ）に、ＴＥ感度は〜５０であり、ＴＭ感度は〜１３０である。しかし、基板１１２の屈折率が低められるにつれて、ＴＭ感度は５５０にも高くなることができ、これは〜４倍の向上であり、一方ＴＥ感度は１７５近くのピークをもつことができ、これも〜４倍の向上である。ＧＣＷ１００はＴＥモードまたはＴＭモードのいずれでも動作できるべきであり、それぞれの場合で相関性が異なるであろうことは当然である。これは、基本モードの電場成分と磁場成分を律している物理方程式の間の違いによる結果である。好ましい実施形態において、ＧＣＷは最も感度の高いＷＩＳ/ＡＩＳが得られるＴＭモードで動作するであろうが、今日までのほとんどの測定は、より強く、より容易に検出される信号が得られることから、ＴＥモードを用いている。
【００２４】
屈折率ｎＳが１.５以下の基板１１２を有するＧＣＷ１００における上記の向上は主として導波路モード８０２のエバネッセントテールの上層１０３内への伸長によって生じる。上層１０３の検知領域に重なり、「サンプリング」するエバネッセントテールが長くなるほど、ＧＣＷ１００の感度は高くなる。この効果は特に基板１１２の屈折率を低めることによってモード８０２がカットオフに近づくほど顕著になる。この極限の電場侵入またはカットオフは、屈折率ｎＳ＝１.００の基板、屈折率ｎｆ＝２.０１の導波路膜１０６及び屈折率ｎｃ＝１.３３の上層１０３を有する例示的ＧＣＷ１００の屈折率プロファイル及び基本モード１００２を示す、図１０に見ることができる。この場合、上層１０３内のエバネッセントテール長（１/ｅ点）は１.１７μｍである。これを、基板１０３が屈折率ｎＳ＝１.５３を有する場合のテール長１６１ｎｍ（図７を見よ）と比較されたい。カットオフは導波路１１０の導波モード１００２がもはや導波されない状態であることは当然であり、これは、導波路膜１１６と基板１１２または上層１０３の間の屈折率差を小さくすることによるか、または導波路膜１０６の厚さが減じることによるか、あるいは両者によっておこり得る。図１０は、基板１１２の屈折率が導波路膜１０６に比較して非常に低いためにモード１００２が導波路膜１０６と上層１０３の間の界面にわずかにしか閉じ込められないようになり始めている場合を示す。これは、導波路モード１００２のエバネッセントテールを上層１０３内にさらに一層深く侵入させる。図１０のグラフは、光が上層１０３内に完全に漏出するであろう、完全カットオフモードの前兆である。
【００２５】
生物学者はＧＣＷ１００の上表面１０４上への結合の測定に関心をもつであろう。したがってバルク応答を表面応答から分離できる能力を有することが重要であるから、ＧＣＷ１００の設計において考慮することが重要な別のパラメータは、バルク感度（図９を見よ）に対比されるものとしての、表面感度である。一般に検定は、初めに表面１０４におけるバッファ（純水）によるＧＣＷ１００の応答を測定する工程、次いでＧＣＷ１００を流体内のある生物学的物質１０２に暴露し、よってある材料１０２の表面１０４への結合を可能にする工程、最後にＧＣＷ１００から残りの生物学的流体１０２を置換バッファでリンスする工程を含むであろう。したがって、表面１０４にバッファがあるＧＣＷ１００の初期応答と最終応答の間の差が表面１０４への生物学的物質１０２の結合による正味の屈折率変化を示すことになろう。この場合、バルク媒体に対するＧＣＷ１００の応答が差し引かれ、表面の寄与だけが残ることが明らかになる。〜１００ｎｍが現行の市販計測器（例えば表面プラズモン共鳴装置）の代表的な検知範囲であり、多くの代表的な検定について生物学的物質１０２のほぼ数単分子層の厚さを表すから、「表面」がＧＣＷ１００の上表面１０４から上方〜１００ｎｍまでであると見なされることは至極当然である。
【００２６】
特定の導波路厚を有するＧＣＷ１００がバルク表面流体に対照して表面屈折率変化にどのように応答するかを説明するため、上記の感度計算に立ち戻ることができ、ここでＧＣＷ１００の上表面１０４の上方の１ｎｍ層だけで屈折率が変化するとされ、カバーバルク流体は一定のままである（図１１を見よ）。この厚さはある程度任意であるが、おそらくは間違いなく表面１０４への効果を局限する。全ての感度は相対尺度であるから、この検討厚の選択によって本発明の範囲を限定するべきではない。さらに、エバネッセントテール長より実質的に小さいままである限り、表面１０４の厚さの拡大は結果に影響しないことが示された。
【００２７】
図１１を参照すれば、表面感度ＷＩＳが基板１１２の屈折率の関数である、ＧＣＷ１００における導波路のＴＭ基本モード及びＴＥ基本モードについての結果をグラフが示している。図からわかるように、このグラフは、基板１１２の屈折率が低められたときのＧＣＷ１００の表面感度の向上が、バルク感度における顕著な向上（図９を見よ）に比較すると、かなり小さいことを示す。これは、図１０に示されるグラフ及び低基板屈折率に対して深く侵入するエバネッセントテールの議論を考察することによって説明できる。図９に示される向上したバルク感度の向上の利点のかなりの部分は上層１０３におけるバルク流体への導波モードのエバネッセントテールの大きな延び込みによって得られる。これはバルク感度を大きく高めるであろうが、表面感度には最小限にしか影響しないであろう。それにもかかわらず、基板１１２の屈折率の低下が表面感度に有利な関係を有することが、図１１のグラフによって確かめられる。ｎＳ＝１.５０からｎＳ＝１.３５にしたときに感度は〜２８％向上する。
【００２８】
これらの理論的結果が基板１１２が１.５以下の屈折率を有するときのＧＣＷ１００の表面感度における比較的小さな向上を示すとしても、以下で説明される実験結果は、向上が実際にはかなり大きくほぼ２００％に達することを示す。さらに、表面感度の向上がバルク感度より小さいとしても、生物学に関与する購買者は、例えばより大きな分子及び／または細胞の調査のような、ある状況のもとではバルク屈折率変化にも関心をもつことに留意すべきである。したがって、基板の屈折率が低められたＧＣＷ１００により、従来の表面最適化ＤＢＡ製品では全く感度がない、上層１０３への極めて深い電場侵入による、この市場をターゲットとする製品が可能になるであろう。
【００２９】
ＧＣＷ１００における低屈折率基板１１２を作成するために用いることができる様々な材料の内のいくつかについて以下に論じる。また、バイオセンシング用途に用いられるＧＣＷ１００には低コスト品であることが要求されることが多いので、プラスチック材料が、原材料が安価であり、プラスチックは容易に微細成形されることか多いことから、好ましい。図６〜１１に関して上でなされた計算から、必要な基板材料がほぼ１.５より低い屈折率を有するべきであることは明らかである。
【００３０】
例えば、１.４〜１.５の間の屈折率を有する基板１１２を作成するために用いることができる材料にはいくつかの熱可塑性材料、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリメチルペンテン（ＰＭＰ）またはＰＶＤＦ／ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）配合物がある。低屈折率基板の効果をさらに強めるためには、基板１１２を作成するために用いられる材料が好ましくは〜１.４以下の屈折率を有することになろう。〜１.４以下の屈折率を有する「特殊」材料の一部類に光学級フルオロポリマーがある。使用可能な「特殊」材料の別の例に、注入成形が可能な、アサヒ（Asahi）によって製造されたペルフルオロポリマーがある。使用可能であると考えられる「特殊」材料のまた別の例は、デュポン（DuPont）のテフロン（登録商標）ＡＦである。低屈折率基板１１２及び回折格子１０８を形成するためにＵＶ光への露光によって硬化する、使用可能ないくつかのフルオロポリマーもある。そのような例の１つは、屈折率が〜１.３５のフルオロアクリレートである。
【００３１】
一連の実験において、発明者等はこれらの材料の内の一種、すなわちＵＶ１１０で例示的導波路１１０を作成した。プロセスは以下の通りである。
【００３２】
１） ガラス基板を洗浄し、接着促進剤で処理した。
【００３３】
２） スポイトを用いて極めて少量（〜３００μＬ）の材料１１２を分配した。
【００３４】
３） 基板１１２を、スペーサ（〜０.２ｍｍ）を介して格子形成「ピル」上に吊した。
【００３５】
４） 基板１１２をパージボックスに入れて、窒素で〜３０秒間パージした。
【００３６】
５） 基板１１２を１２０ｍＪ/ｃｍ２の３６５ｎｍ光で１０秒間露光した。
【００３７】
６） 格子形成型を取り外し、試料１１２を１４０ｎｍ厚Ｔａ２Ｏ５導波路膜１０６で被覆した。
【００３８】
角度呼掛け手法を用いてこれらの試料を試験した。実験結果を以下に論じる。これらの実験において、導波路共鳴をカバー屈折率の関数として測定してバルクＡＩＳを得、引き続いて静電層実験により表面感度を得た。低屈折率基板１１２の利点を決定するため、「正規の」環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）基板（ｎ〜１.５２）ＧＣＷを、表面感度及びバルク感度のいずれについても光学系の調節を行わずに、同じ実験条件の下で比較した。
【００３９】
バルク屈折率液を、一連のグリセリンと脱イオン水の溶液として作成した。０.５％，１％，２.５％，５％，１０％のグリセリン濃度を一般に用いた。角度呼掛け法にしたがい、単一波長レーザ１２２を用いて共鳴を励起し、上記の様々な屈折率溶液を従来のＧＣＷ及び低屈折率ＧＣＷ１００（図１も見よ）に接触させながら、反射共鳴ピークの角度位置を時間の関数としてＣＣＤカメラ１２６で測定した。図１２は従来のＧＣＷ及び低屈折率ＧＣＷ１００の感度を決定するために用いた較正データの一例を示す。このグラフは、様々な屈折率液を従来のＧＣＷ及び低屈折率ＧＣＷ１００と接触させたときに受ける信号シフトの大きさに関するデータを含む。上記の様々なバルク流体は既知の（較正された）屈折率を有し、これは最小感度すなわち単位屈折率当りの信号シフトを計算できることを意味する。例えば、水（０％溶液）の屈折率は１.３３３であるが、５％（グリセロール）溶液の屈折率は１.３３３６であり、以下同様である。これらの溶液のそれぞれについての信号（共鳴位置）の差を屈折率差（０.０００６）で割れば、感度が得られる。また、そのようなグラフからプラトーデータを縮約することによって、従来のＧＣＷ及び低屈折率ＧＣＷ１００のバルク感度は５４１９画素/ＲＩＵ及び１９３９５画素/ＲＩＵであると計算され、これは低屈折率ＧＣＷ１００による３.６倍のバルク感度向上を示す。
【００４０】
ＧＣＷ１００の表面１０４上〜４ｎｍになる、静電的に帯電したポリマー単分子層の連続堆積によって表面感度を決定した。市販計測器及び従来の方法（例えばエリプソメトリー）のいずれによっても広く研究されてきたＰＳＳ（ポリスルホン酸スチレン）/ＰＡＨ（ポリアリルアミン塩酸塩）系をこの目的のために用いた。単分子層密度及び分子量情報を共に用いることによって、分子量に関するＧＣＷ１００の基本的な表面応答を決定できる。図１３は、従来のＧＣＷ及び低屈折率ＧＣＷ１００への生物学的材料１０２の二重層の連続付加によって生じた光応答のグラフである。データ（直線の勾配）は、低屈折率基板を有するＧＣＷ１００が高屈折率基板を有する従来のＧＣＷより感度が１.８倍高いことを示す。これは図１１に関してなされた理論的モデル化にともなうモデル化結果とは相入れないが、結果には再現性があり、実験毎に２倍に近い表面感度の向上が示された。この向上に対する可能な説明は、生物学的材料１０２が回折格子１０８の歯の側面に吸着して回折格子厚を変化させ、この結果導波路のデューティサイクル及び実効屈折率が変わるという事実によるとするものである。
【００４１】
本発明の別の実施形態において、図１４Ａ〜１４Ｆに示されるように、マイクロプレート１４０４のフレーム内に形成されたウエル１４０２の底にＧＣＷ１００のアレイを組み込むことができる。マイクロプレート１４０４のウエル１４０２の底にＧＣＷ１００を組み込むために用いることができる例示的プロセスは、低屈折率ＵＶ硬化性液体１４０８（例えば、フルオロポリマー、フルオロアクリレート）に分配器具１４０６を浸漬する工程から始まる。分配器具１４０６から突き出す突起１４１０の直径を調節することによって、抜き取られる液体１４０８の体積を精確に制御することができる（図１４Ａを見よ）。次いで、分配器具１４０６は格子形成器具１４１２の上に配置される（図１４Ｂを見よ）。分配器具１４０６上の液体１４０８のほぼ５０％が格子形成器具１４１２から突き出す突起１４１４の表面に移される（図１４Ｃを見よ）。次いで格子形成器具１４１２はマイクロプレート１４０４（あるいは、２部構成マイクロプレート用の平基板プレート底面）に接触させられ、窒素でパージされて、液体１４０８を基板１１２に変えるためにＵＶ硬化光で露光される（図１４Ｄを見よ）。次いで、格子形成器具１４１２はマイクロプレート１４０４から取り外される（図１４Ｅを見よ）。この時点において、マイクロプレート１４０４のウエル１４０２は、比較的小さな回折格子１０８が型押しされた、比較的厚い基板１１２を有する。最後に、ＧＣＷ１００を形成するために導波路膜１０６が回折格子１０８上に与えられる（図１４Ｆを見よ）。このプロセスはマイクロプレートの作成に用いられるポリマーの量を低減することができ、よってコストを低減できることは当然である。
【００４２】
図１５を参照すれば、本発明にしたがって生物学的物質１０２を検出するために光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ１００を用いるための好ましい方法１５００の基本工程をフローチャートが示している。本明細書においてＧＣＷ１００及び光呼掛けシステム１２０はＧＣＷ１００の表面１０４上の、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物のような、生物学的物質１０２の存在を検出するために用いられるとして説明されるが、ＧＣＷ１００及び光呼掛けシステム１２０を広範な調査研究を実施するために用い得ることは当然である。例えば、ＧＣＷ１００及び光呼掛けシステム１２０は、細胞移動検定、薬物浸透性検定、薬物溶解度検定、ウイルス検出調査及びタンパク質分泌調査を実施するために用いることができる。
【００４３】
初めに工程１５０２において、光ビーム１２６をＧＣＷ１００内に向けるために光源１２４が用いられる。工程１５０４において、ＧＣＷ１００から反射光ビーム１２８を検出器１２４が受け取る。一実施形態において、反射光ビーム１２８は、多重化して検出器１２４（例えば分光計）に入力することができる。次いで工程１５０６において、それぞれのＧＣＷ１００の上層１０３に生物学的物質１０２があるか否かを示す、所定の屈折率に対応する共鳴波長または共鳴角を検出するために、受け取った反射光ビーム１２８のそれぞれを検出器１２４が解析する。それぞれのＧＣＷ１００は、基板１１２，回折格子１０８及び、屈折率が１.５以下の基板１１２より高い屈折率を有する、導波路膜１０６を有する。上述したように、基板１１２は、回折格子１０８及び導波路膜１０６によって形成された導波路１１０とインターフェースする光ビーム１２６を受け取り、基板１１２の屈折率が１.５以下であるから、従来の基板１１２で生じるであろうより深く導波路膜１０６の上の上層１０３（検知領域）に延び込むエバネッセントテールを有する基本モードに回折する、底面を有する。エバネッセントテールがより深く検知領域１０３に延び込むという事実により、ＧＣＷ１００の感度の向上が得られる。
【００４４】
以下は、本発明のＧＣＷ１００及び光呼掛けシステム１２０のいくつかの利点及び使用法である。
【００４５】
・ＧＣＷ１００の構造における導波電場分布を変えるためにＧＣＷ１００に低屈折率基板１１２を用いるという概念が本明細書に示された。この変化により、ＧＣＷ１００の上層への電場のより深い侵入が可能になり、よって表面屈折率変化に対するＧＣＷ感度が向上する。この感度向上はＧＣＷ１００の性能を大きく高めると共に与えられた屈折率感度仕様に対してＧＣＷ１００の応答を解読するために用いられる光学系１２０に関する要件を緩和する。
【００４６】
・基板１１２の屈折率を低めるという概念は、設計が同様の、広い部類のセンサに適用することができ、プロセス設備及び製造工程を大きく変えずにセンサの感度を高めるために用いることができる。
【００４７】
・導波路膜１１６の屈折率はＧＣＷ１００の総合最適化及び物理的パラメータ（例えば、異なる層間の材料互換性及び化学的互換性、処理の容易さ、保管問題）に影響するが、ＧＣＷ１００の感度の向上を生じさせるのは基板１１２の屈折率の低下であることは理解されるべきである。特に、導波路膜１０６の屈折率を変更すると、この変更は光モード閉じ込めを「平均化」するが、基板１１２の屈折率の変更は、モード対称性を変えてモードのほとんどが基板１１２にあるかまたは上層１０３にあるかを決定する。本明細書では、ほとんどの生物学的反応が水溶液中で行われることから、上層１０３の屈折率は有意なほど変更されないと仮定した。
【００４８】
・本発明の効力を決定するためには上層１０３の屈折率に比較して基板１１２の屈折率が最善であることは理解されるべきである。基板１１２が上層１０３の屈折率よりかなり高い屈折率を有する状況は避けるようにするべきである。
【００４９】
・センサ表面（すなわち、表面から２００ｎｍ以内）において何がおこるかに関心があれば、上層１０３にエバネッセントテールを延び込ませすぎると、実際上表面の寄与に比べて「バルク」溶液からの信号が強まり得ることに注意すべきである。結果として、エバネッセントテールを基板１０３に深く押し込むことと表面信号を得ようとすることの間でバランスが取られるべきである。
【００５０】
・呼掛け装置が反射信号での動作に限定されないことは理解されるべきである。呼掛け装置はさらに、導波路結合光（ピーク）または透過光（ディップ）で動作することができる。
【００５１】
・図１において導波路膜１０６は平坦化されて示されているが、導波路膜１０６はかなり一様な膜厚を維持しながら下層の回折格子１０８と同形となる可能性が高いことは理解されるはずである。
【００５２】
・上述した本発明の好ましい実施形態は生物学的物質の検出を可能にするために反射光ビームを利用したが、透過ビームも、センサの側面から出てくるビームであっても、生物学的物質を検出するために用い得ることは容易に理解されるはずである。もちろん、透過ビームまたはセンサの側面から出てくるビームを検出するためにはシステムの構成に多少の変更が必要となるであろう。
【００５３】
本発明のいくつかの実施形態を添付図面に示し、上に詳細に説明したが、本発明が開示された実施形態に限定されず、添付される特許請求の範囲に述べられ、定められる本発明の精神を逸脱することなく、数多くの、再構成、改変及び置換が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明にしたがうＧＣＷ及び光呼掛けシステムの基本コンポーネントの概念図である
【図２】図１に示されるＧＣＷの共鳴角と共鳴波長の間の関係を示すグラフである
【図３】図１に示されるＧＣＷの共鳴波長を決定するために分光呼掛け手法を光呼掛けシステムでどのように用いることができるかの説明を補助するために用いられるグラフである
【図４】図１に示されるＧＣＷの共鳴角を決定するために角度呼掛け手法を光呼掛けシステムでどのように用いることができるかの説明を補助するために用いられるグラフである
【図５】（従来技術）環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）でつくられた基板及びＴａ２Ｏ５でつくられた導波路膜を有する従来のＧＣＷの共鳴波長（反射異常）を示す、ＧＳＯＬＶＥＲでつくられたグラフである
【図６】図１に示されるＧＣＷの簡略化された３層導波路モデルである
【図７】（従来技術）環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）（屈折率ｎＳ＝１.５３）、Ｔａ２Ｏ５（屈折率ｎｆ＝２.０１）でつくられた導波路膜及びＨ２Ｏ（屈折率ｎｃ＝１.３３）含有上層を有する従来のＧＣＷの上層領域に延び込むエバネッセントテールを有する基本モードを示すグラフである
【図８】屈折率ｎＳ＝１.２０の基板、屈折率ｎｆ＝２.０１の導波路膜及び屈折率ｎｃ＝１.３３の上層を有する例示的ＧＣＷの上層領域に延び込むエバネッセントテールを有する基本モードを示すグラフである
【図９】バルク感度ＷＩＳが基板屈折率の関数である例示的ＧＣＷにおける導波路のＴＭ基本モード及びＴＥ基本モードに対する結果を示すグラフである
【図１０】屈折率ｎＳ＝１.００の基板、屈折率ｎｆ＝２.０１の導波路膜及び屈折率ｎｃ＝１.３３の上層を有する例示的ＧＣＷの上層領域に延び込むエバネッセントテールを有する基本モードを示すグラフである
【図１１】表面感度ＷＩＳが基板屈折率の関数である例示的ＧＣＷにおける導波路のＴＭ基本モード及びＴＥ基本モードに対する結果を示すグラフである
【図１２】従来のＧＣＷ及び図１に示される低屈折率基板ＧＣＷのバルク感度を決定するために用いることができる較正データの一例を示すグラフである
【図１３】従来のＧＣＷ及び図１に示される低屈折率基板ＧＣＷへの生物学的物質の二重層の連続付加に対する光応答のグラフである
【図１４Ａ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１４Ｂ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１４Ｃ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１４Ｄ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１４Ｅ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１４Ｆ】マイクロプレートのウエルの底内にＧＣＷのアレイを形成するための作成プロセスにおける一工程を示す
【図１５】本発明にしたがう生物学的物質を検出するために図１に示される光呼掛けシステム及びＧＣＷを用いるための好ましい方法の基本工程を示すフローチャートである
【符号の説明】
【００５５】
１００    ＧＣＷ
１０２    生物学的物質
１０３    検知領域
１０４    ＧＣＷ上表面
１０６    導波路膜
１０８    回折格子
１１０    導波路
１１２    基板
１２０    光呼掛けシステム
１２２    光源
１２４    検出器
１２６    入射光ビーム
１２８    反射光ビーム
【図１】
2007501432.tif 000006
【図２】
2007501432.tif 000007
【図３】
2007501432.tif 000008
【図４】
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【図５】
2007501432.tif 000010
【図６】
2007501432.tif 000011
【図７】
2007501432.tif 000012
【図８】
2007501432.tif 000013
【図９】
2007501432.tif 000014
【図１０】
2007501432.tif 000015
【図１１】
2007501432.tif 000016
【図１２】
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【図１３】
2007501432.tif 000018
【図１４Ａ】
2007501432.tif 000019
【図１４Ｂ】
2007501432.tif 000020
【図１４Ｃ】
2007501432.tif 000021
【図１４Ｄ】
2007501432.tif 000022
【図１４Ｅ】
2007501432.tif 000023
【図１４Ｆ】
2007501432.tif 000024
【図１５】
2007501432.tif 000025
【国際調査報告】
2007501432.tif 000026
2007501432.tif 000027
2007501432.tif 000028
2007501432.tif 000029
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