(57)【要約】本明細書に記載されているマイクロプレートによって動作可能に支持されている共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システム及び光学読取方法である。当該システムは、光源、分光計ユニット、ビーム生成光学システム、及び走査光学システムを含み、走査光学システムは、走査ミラーデバイス、走査ミラーデバイスに動作可能に接続されているミラーデバイスドライバ、及びマイクロプレートとビーム生成光学システムとの間に配されているＦθレンズを含む。いくつかのシステムは、複数の光ビームを使用して、前記マイクロプレートを移動する必要無しに一度に複数のバイオセンサを走査する。複数のビームの非同期走査によって、必要な分光計ユニットの数を減少させることが可能である。
2013501242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロプレートによって動作可能に支持されている共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムであって、
前記システム内の前記マイクロプレートを動作可能に保持するホルダと、
光を生成する光源と、
分光計ユニットと、
入力端及び出力端を有し、前記入力端において前記光源と光学的に結合されており、前記出力端において前記光から少なくとも１つの光ビームを生成し、かつ前記入力端において前記分光計に光学的に結合されて前記出力端において受光した光を前記分光計ユニットに送るビーム生成光学システムと、
前記マイクロプレートと前記ビーム生成光学システムとの間に配されて、走査ミラーデバイス、前記走査ミラーデバイスに動作可能に接続されているミラーデバイスドライバ、及びＦθレンズを含む走査光学システムと、を含み、
前記走査光学システムが、前記少なくとも１つの光ビームを受信して前記少なくとも１つの光ビームを前記ＲＷＧバイオセンサの１または複数に亘って走査し、当該１または複数の走査されたＲＷＧバイオセンサによって反射された光が前記ビーム生成光学システムの前記出力端に送り返されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記ビーム生成光学システムが、
各々が端部を有する１または複数の光ファイバと、
各々が前記１または複数の光ファイバの端部と隣り合って配されており、かつ前記マイクロプレート上に前記１または複数の端部の像を形成する１または複数のレンズと、
を含むことを特徴とする光学読取システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記走査ミラーデバイスが、ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical system）ミラー、走査ガルバノメータ、可撓性走査ミラー、振動平面ミラー、回転多面ミラー、及び圧電駆動ミラーのうちの少なくとも１つを含む走査ミラーデバイスのグループから選択されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項４】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記走査光学システムが光点を形成し、前記システムが２方向において前記ＲＷＧバイオセンサに亘って前記光点を走査することを特徴とする光学読取システム。
【請求項５】
請求項２に記載の光学読取システムであって、走査光学システムのＦθレンズ、及び前記ビーム生成光学システムの前記１または複数のレンズの少なくとも１つの軸の各々が、互いに調整可能であることによって、前記マイクロプレートに対する光学的アラインメントが維持されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項６】
請求項１に記載の光学読取システムであって、少なくとも１つのビーム生成光学システムが、第１の光ファイバセクションによって前記光源と光学的に結合されており、かつ第２の光ファイバセクションによって前記分光計ユニットに光学的に結合されていることを特徴とする光学読取システム。
【請求項７】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記走査光学システムは、前記少なくとも１のＲＷＧバイオセンサのエッジ上で前記少なくとも１つの光ビームをディザリングすることで、前記少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサの一部を確認することを特徴とする光学読取システム。
【請求項８】
請求項２に記載の光学読取システムであって、前記ＲＷＧバイオセンサは、第１のアレイ間隔を有するアレイ内に配されており、前記ビーム生成光学システムは、第２のアレイ間隔を有する光ファイバのアレイを含み、かつ前記センサプレートにおいて前記第１のアレイ間隔に対応する前記光ファイバの像を形成することを特徴とする光学読取システム。
【請求項９】
マイクロプレートによって動作可能に支持されているＲＷＧバイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムであって、
光を生成する少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの分光計ユニットと、
各々が入力端及び出力端を有し、各々の入力端において異なった光源または前記少なくとも１つの光源のいずれかに光学的に結合され、各々の出力端において少なくとも１つの第１の光ビーム及び少なくとも１つの第２の光ビームを生成し、かつ入力端の各々において異なった分光計ユニットまたは前記少なくとも１つの分光計ユニットに光学的に結合されることによって出力端の各々において受信された光を前記分光計に送る第１及び第２のビーム生成光学システムと、
各々が前記マイクロプレートと前記第１及び第２のビーム生成光学システムとの間に配され、第１及び第２の走査ミラーデバイス、各々が前記第１及び第２の走査ミラーデバイスに動作可能に接続されている第１及び第２のミラーデバイスドライバ、及び前記第１及び第２の走査ミラーデバイスに対して動作可能に配されている第１及び第２のＦθレンズを各々が含み、各々が前記少なくとも１つの第１の光ビーム及び前記少なくとも１つの第２の光ビームをＲＷＧバイオセンサの各々に亘って走査し、かつ当該走査されたＲＷＧバイオセンサによって反射された光を前記第１及び第２のビーム生成光学システムの対応する出力端に送り返す第１及び第２の走査光学システムと、
を含むことを特徴とする光学読取システム。
【請求項１０】
請求項９に記載の光学読取システムであって、各々が前記第１及び第２のビーム生成光学システムに光学的に結合されている単一の光源及び単一の分光計をさらに含むことを特徴とする光学読取システム。
【請求項１１】
請求項９に記載の光学読取システムであって、前記第１及び第２の光ビームが、それらに付随して第１及び第２の光点の各々を有し、前記第１及び第２の走査光学システムが、対応するＲＷＧバイオセンサに亘って、２方向に前記第１及び第２の光点を走査することを特徴とする光学読取システム。
【請求項１２】
請求項９に記載の光学読取システムであって、前記第１及び第２のビーム生成光学システムが、
各々が端部を有する１または複数の第１及び第２の光ファイバと、
各々が前記１または複数の第１及び第２の光ファイバの端部に隣り合って配されている１または複数の第１及び第２の集束レンズと、を各々含み、
前記１または複数の第１及び第２の集束レンズ及び前記第１及び第２の走査ミラーデバイスが、対応する前記第１及び第２のＦθレンズに対して調整可能であることで、前記マイクロプレートに対する各々のアラインメントが維持されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項１３】
請求項９に記載の光学読取システムであって、前記第１及び第２の走査光学システムが、前記少なくとも１つの第１の光ビームが対応する少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサを照らしている際に、前記少なくとも１つの第２の光ビームが前記ＲＷＧバイオセンサのいずれをも照らさないように構成されていることを特徴とする光学読取システム。
【請求項１４】
請求項９に記載の光学読取システムであって、前記ＲＷＧバイオセンサが、センサアレイ間隔を有するアレイ内に配されており、前記第１及び第２のビーム生成光学システムが、第１及び第２のアレイ間隔の各々を有する第１及び第２の光ファイバの第１及び第２のアレイを各々含み、かつ前記マイクロプレートにおいて、前記センサアレイ間隔に対応する前記第１及び第２のファイバの像を形成することを特徴とする光学読取システム。
【請求項１５】
マイクロプレートによって動作可能に支持されている共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサのアレイの読取方法であって、
光源及び分光計ユニットに光学的に接続されている少なくとも１つのビーム生成光学システムを用いて少なくとも１つの光ビームを生成するステップと、
走査ミラーデバイス、前記走査ミラーデバイスに動作可能に接続されているミラードライバ、及び調整可能な前記ミラーに対して動作可能に配されているＦθレンズを含む少なくとも１つの走査光学システムを提供するステップと、
前記少なくとも１つの走査光学システムを動作させて、前記マイクロプレートを移動させずに少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに亘る少なくとも１つの光ビームの走査を行って、前記マイクロプレートからの反射光ビームを生成するステップと、
前記少なくとも１つの走査光学システム及び前記少なくとも１つのビーム生成光学システムを介して前記反射光ビームから前記分光計に光を送り、少なくとも１つの測定スペクトルを生成するステップと、
前記少なくとも１つの測定スペクトルを処理して、当該少なくとも１つの走査されたバイオセンサに関連する少なくとも１つの共振波長を取得するステップと、
を含むことを特徴とする読取方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の方法であって、
複数のビーム生成光学システムを用いて複数の光ビームを生成するステップと、
単一の走査光学システムを動作させて、対応するＲＷＧバイオセンサに亘って前記複数の光ビームの各々の走査を行うステップと、
前記ＲＷＧバイオセンサからの反射光を対応するビーム生成光学システムに送るステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
請求項１５に記載の方法であって、
前記第１及び第２のビーム生成光学システム内に各々配され、かつ少なくとも１つの光源及び少なくとも１つの分光計ユニットに動作可能に接続されている光ファイバの第１及び第２のアレイを用いて、光ビームの第１及び第２のセットを生成するステップと、
第１及び第２の走査光学システムを用いてＲＷＧバイオセンサの第１及び第２のセットの各々に亘って前記光ビームの第１及び第２のセットを走査することで、反射光ビームの第１及び第２のセット生成するステップと、
前記反射光ビームの第１及び第２のセットから、対応する光ファイバの第１及び第２のアレイを介して前記少なくとも１つの分光計ユニットに光を送るステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項１８】
請求項１７に記載の方法であって、前記光ビームの第１のセットが対応するＲＷＧバイオセンサを走査している際に、前記光ビームの第２のセットがＲＷＧバイオセンサのいずれをも走査しないように、前記光ビームの第１及び第２のセットの走査が行われることを特徴とする方法。
【請求項１９】
請求項１８に記載の方法であって、前記反射光ビームの前記第１及び第２のセットから前記光を単一の分光計ユニットに送るステップを含むことを特徴とする方法。
【請求項２０】
ＲＷＧバイオセンサのうちの１つから複数のスペクトルを収集するステップと、
前記複数のスペクトルを組み合わせるステップと、
当該組み合わされた複数のスペクトルから、前記１つのＲＷＧバイオセンサの前記少なくとも１つの共振波長を判定するステップと、
をさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２１】
請求項１５に記載の方法であって、前記少なくとも１つのビーム生成光学システムが集束レンズを有し、前記方法が、
前記Ｆθレンズ及び前記集束レンズの光軸の各々を互いに対して調整して、前記マイクロプレートに対する光学的アラインメントを維持するステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【請求項２２】
共振波長を有する共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサの読取方法であって、
前記ＲＷＧバイオセンサよりも小さな光点を有する走査光ビームを生成するステップと、
前記ＲＷＧバイオセンサの少なくとも一部に亘って２方向走査経路で前記光点を走査し、それによって、前記バイオセンサ上の複数の位置から反射され、共振波長情報を含む反射光を生成するステップと、
前記反射光を前記走査経路に亘って収集するステップと、
前記反射光から、前記共振波長の空間的に集積された測定値を判定するステップと、
を含むことを特徴とする読取方法。
【請求項２３】
請求項２２に記載の方法であって、当該走査される光点が、前記２つの方向の１つにおいてより速く移動することを特徴とする方法。
【請求項２４】
請求項２２に記載の方法であって、前記ＲＷＧバイオセンサが、互いに反対側にある２つのエッジを有し、前記走査経路が前記反対側にある２つのエッジに亘るジグザグパターンを有していることを特徴とする方法。
【請求項２５】
請求項２２に記載の方法であって、前記反射光が複数のスペクトルを含み、前記方法が、前記共振波長の集積された測定値を判定するステップにおいて、前記複数のスペクトルを組み合わせるステップをさらに含むことを特徴とする方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
先に出願された米国出願の利益の主張
本出願は、米国仮特許出願第６１／２３１，４４６号（出願日２００９年８月５日）の利益を主張する。当該出願の内容、及び本明細書において言及されている公表文献、特許または特許文献は、参照することによって本願に包含されている。
【０００２】
本発明は、１または複数の走査光ビームを用いて１または複数のバイオセンサをインタロゲーションする（interrogate）ラベル非依存光学読取システム及びラベル非依存光学読み取り方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
光学読取システムの製造者は、共振導波路格子バイオセンサをインタロゲーションしてバイオセンサの表面において生体分子の結合事象が生起しているかを判定するために使用可能な、新規かつ改良された光学読取システムを求めている。今日、このような光学読取システムのコスト及びサイズを減少させることに関心が集まっている。本発明は、このような新規かつ改良された光学読取システム及び光学読取方法に関する。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００４】
本発明の１つの態様は、マイクロプレートによって動作可能に支持されている共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムである。このシステムは、マイクロプレートを動作可能に保持するホルダと、光を生成する光源と、分光計ユニットとを含む。このシステムは、入力端及び出力端を有するビーム生成光学システムも含む。このビーム生成光学システムは、入力端において光源と光学的に接続され、出力端において少なくとも１つの光ビームを生成する。ビーム生成光学システムは、入力端において分光計とも光学的に接続され、出力端において受光された光を分光計ユニットに差し向ける（送る）。このシステムは、マイクロプレートとビーム生成光学システムとの間に配されかつ走査ミラーデバイスを有する走査光学システム。走査ミラーデバイスに動作可能に接続されたミラーデバイスドライバ、及びＦθレンズをさらに含む。この走査光学システムは、少なくとも１つの光ビームを受光して１または複数のＲＷＧバイオセンサに亘って当該少なくとも１つの光ビームを走査し、かつ当該１または複数の走査されたＲＷＧによって反射された光を、ビーム生成光学システムの出力端に送り返す。
【０００５】
本発明の他の態様は、マイクロプレートによって動作可能に支持されているＲＷＧバイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムである。このシステムは、光を生成する少なくとも１つの光源と、少なくとも１つの分光計ユニットと、第１及び第２のビーム生成光学システムとを含む。第１及び第２のビーム生成光学システムは、各々が入力端及び出力端を有し、各々の入力端において異なった光源または上記少なくとも１つの光源に光学的に接続され、各々の出力端において少なくとも１つの第１の光ビーム及び少なくとも１つの第２の光ビームを生成している。第１及び第２のビーム生成光学システムの各々は、各々の出力端にて、異なった分光計ユニットに光学的に接続されているかまたは少なくとも１つの分光計ユニットに光学的に接続されて、各々の出力端にて受光された光を分光計ユニットに送る。このシステムは、各々がマイクロプレートと第１及び第２のビーム生成光学システムとの間に配されている第１及び第２の走査光学システムを更に含む。この第１及び第２の走査光学システムは、各々、第１及び第２の走査ミラーデバイス、各々が第１及び第２の走査ミラーデバイスに動作可能に接続されている第１及び第２のミラーデバイスドライバ、及び各々が第１及び第２の走査ミラーデバイスに対して動作可能に配されている第１及び第２のＦθレンズを含む。第１及び第２の走査光学システムは、少なくとも１つの第１の光ビーム及び少なくとも１つの第２の光ビームをＲＷＧバイオセンサの各々に亘って走査し、走査されたバイオセンサによって反射された光を第１及び第２ビーム生成光学システムの対応する出力端に送り返す。
【０００６】
本発明の他の態様は、マイクロプレートによって動作可能に支持されているＲＷＧバイオセンサアレイを読み取る方法である。この方法は、光源及び分光計ユニットに光学的に接続されている少なくとも１つのビーム生成光学システムを使用して少なくとも１つの光ビームを生成するステップを含む。この方法は、走査ミラーデバイス、走査ミラーデバイスに動作可能に接続されているミラードライバ、及び当該調整可能なミラーに対して動作可能に配されているＦθレンズも含む。この方法は、少なくとも１つの走査光学システムを動作させて、マイクロプレートの移動無しに少なくとも１つのＲＷＧバイオセンサに亘る少なくとも１つの光ビームの走査を達成し、それによってバイオセンサから反射してくる光ビームを生成する。この方法は、当該反射された光ビームがもたらす光を、少なくとも１つの走査光学システム及び少なくとも１つのビーム生成光学システムを介して分光計に送り、少なくとも１つのスペクトル測定値を生成するステップも含み得る。この方法は、当該少なくとも１つのスペクトル測定値を処理して、少なくとも１つの走査されたＲＷＧに関連付けられた少なくとも１つの共振波長を生成するステップをさらに含む。
【０００７】
本発明の他の態様は、共振波長を有する共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサの読取方法である。この方法は、ＲＷＧバイオセンサよりも小さい光点を有して走査される光ビームを生成するステップを含む。この方法は、ＲＷＧバイオセンサの少なくとも一部に亘る2次元走査経路において光点を走査して、共振導波路情報を含む反射光を生成するステップも含む。この方法は、走査経路に亘って当該反射光を収集するステップをさらに含む。この方法は、当該反射光から共振波長の総合的な測定値を判定するステップをさらに含む。
【０００８】
本発明のこれら及び他の利点は、以下に記載された発明の詳細な説明、特許請求の範囲及び添付の図面を参照することで、当業者にさらに理解される。
【０００９】
本発明のさらなる完全な理解は、添付の図面と共に以下の詳細な説明を参照することによって得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の光学読取システムの一般化された図である。
【図２】マイクロプレートホルダに保持されているマイクロプレートの領域、すなわち「ウェル」に動作可能に支持されているバイオセンサアレイの一例を示す図である。
【図３】バイオセンサにおける位置に対する共振波長λR（ｎｍ）のプロット図である。
【図４】波長に対応した分光計ピクセル位置に対するピーク振幅（光子数）のプロット図である。
【図５】本発明の走査光学読取システムの単チャンネルの実施例の詳細図である。
【図６】走査ミラーデバイス、フォールドミラー、及びＦθ集束レンズを含む走査光学システムの一例の拡大図である。
【図７】いくつかのバイオセンサにおいて測定された入射光ビームのＸ位置及びＹ位置（ｍｍ）に対する共振波長λR（ｐｍ）の測定値のプロット（Ｘ位置：実線、Ｙ位置：破線）図である。
【図８】バイオセンサの一例の拡大図であり、バイオセンサに亘る入射光ビーム光点の走査経路の一例を示している。
【図９】図７と同様のプロット図であり、同一のバイオセンサが一次元ではなく二次元で走査された場合の位置感度の実験値を示している。
【図１０】図９と同様のプロット図であり、いくつかのバイオセンサの測定値に関するマイクロプレートのチップ（tip）及びチルト（tilt）に対する共振波長の変化を示している。
【図１１】単チャンネル光学読取システムの走査光学システムの一部の拡大図であり、ブームスプリッタ及び検出器を使用する他の例示のシステムアラインメント方法を示している。
【図１２】バイオセンサのエッジ周囲の光点をディザリング（dithering）することによってマイクロプレートまたはバイオセンサの位置を取得する方法の実施例を示す図である。
【図１３】図１１と同様の走査光学システムの一部の拡大図であり、複数のチャンネル有する光学読取システムを提供するべく使用されるファイバアレイの一例を示している。
【図１４】ｎ個のチャンネルの実施例の光学読取システムの一部の拡大図であり、ｎ個の分光計に達するｎ本のファイバを示している。
【図１５】デュアルヘッド光学読取システムの図である。
【図１６】図１５のデュアル走査光学読取システムにおいて使用するのに適当な２つの走査光学システム（右及び左）の構成の一例を示す図である。
【図１７】図１５と同様の図であり、１または複数の分光計ユニットの１つのセットのみを使用するデュアル走査光学読取システムの実施例を示している。
【図１８】図１７と同様の図であり、単一の結合デバイス、単一の光源、及び単一の分光計ユニットを有するデュアル走査光学読取システムの単純化された実施例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施例について説明する。本発明の実施例は、添付の図面に記載されている。
【００１２】
以下の説明において、角度θは「偏角」であり、光ビームが走査ミラーデバイス２６０を離れる際の、光軸Ａ１に対する入射光ビーム１３４Ｉの角度をいう。角度φは、入射光ビーム１３４Ｉがマイクロプレート１７０の面法線Ｎに対してなす角度である「入射角」である。マイクロプレート１７０は、Ｘ−Ｙ平面に配されていると仮定され、入射光ビーム（１または複数）１３４Ｉに関する偏角θX及びθY、並びに入射角φX及びφYはＸ−Ｙ平面によって定義される。
【００１３】
図１は、本発明の光学読取システム（「システム」）１００の一般化された図であり、当該システムは、各々が表面１０３を有する１または複数のバイオセンサをインタロゲーションして生物学的物質１０４がバイオセンサ上に存在するかを判定するために使用される。挿入図Ａは、バイオセンサ１０２の一例の拡大図を示している。バイオセンサ１０２は、例えば、共振導波路格子（ＲＷＧ）バイオセンサ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ等のバイオセンサであってもよい。
【００１４】
図２は、バイオセンサ１０２がアレイ１０２Ａに配されており、かつマイクロプレート１７０の領域すなわち「ウェル」内に動作可能に支持されている例示の構成を示している。例示のバイオセンサアレイ１０２Ａは、２ｍｍ角のバイオセンサ１０２間で４．５ｍｍのピッチを有し、列ごとに１６のバイオセンサを含み、行毎に２４のバイオセンサを含む。基準マーク４２８は、システム１００内でマイクロプレート１７０を位置決め、アラインメント、またはその両方をすべく使用されてもよい。マイクロプレートホルダ１７４は、マイクロプレート１７０を保持している。様々なタイプのプレートホルダが、マイクロプレートホルダ１７４として用いられ得る。
【００１５】
図１を再度参照すると、光学読取システム１００は、光１２０を生成する光源アセンブリ１０６（例えば、ランプ、レーザ、ダイオード、フィルタ、減衰器等）を含む。光１２０は、結合デバイス１２６（例えば、サーキュレータ、光スイッチ、ファイバスプリッタ等）によって、付随する光軸Ａ１を有しかつ光１２０を入射光ビーム１３４Ｉに変換する走査光学システム１３０に送られる。入射光ビーム１３４Ｉは、バイオセンサ１０２における光点１３５を生成する（挿入図Ｂ参照）。入射光ビーム１３４Ｉ（及び光点１３５）は、走査光学システム１３０の動作によってバイオセンサ１０２に亘って走査される。従来のシステムにおいては、バイオセンサ１０２が移動させられ、それによって入射光ビームがバイオセンサ１０２に亘って走査され得た。しかし、以下に示すように、本発明においては、走査光学システム１３０が用いられて、静止したバイオセンサ１０２に亘って入射光ビーム１３４Ｉが走査される。
【００１６】
入射光ビーム１３４Ｉがバイオセンサ１０２から反射され、それによって反射光ビーム１３４Ｒが生成される。反射光ビーム１３４Ｒは、走査光学システム１３０によって受光され、反射光ビーム１３４Ｒによってもたらされる光１３６（以下、ガイド光信号（guided light signal）という）は、結合デバイス１２６によって分光計ユニット１４０に送られる。分光計ユニット１４０は、反射光ビームのスペクトルを表す電気信号Ｓ１４０を生成する。実施例において、コントローラ１５０が処理ユニット（プロセッサ）１５２及びメモリユニット（メモリ）１５４を有し、それによって、コントローラ１５０が、電気信号Ｓ１４０を受信して、バイオセンサ１０２上のある位置（及び必要ならば時間）における生のスペクトルデータをメモリ内に保存する。その後、プロセッサ１５２は、プロセッサ１５２内またはメモリ１５２内に保存された命令に基づいて生のスペクトルデータを分析する。この結果が図３に示すような共振波長（λR）データの空間マップである。当該マップは、複数の異なった走査のためのセンサに亘る走査点のある位置における計算された共振セントロイドを示す。共振波長の変化は、特定のセンサに化学的または生物学的反応が発生していることを示す。実施例において、コントローラ１５０は、スペクトルプロット、共振波長プロット、及び他の測定結果等の測定情報、並びにシステム状態及び動作パラメータを表示するディスプレイユニット１５６を含むか、またはそれに動作可能に接続されている。他の実施例において、スペクトルは迅速に処理可能であり、波長セントロイドのみがメモリ１５４に保存される。
【００１７】
例示のバイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉ及び反射光ビーム１３４Ｒの導波路結合特性に影響を及ぼすセンサ表面における屈折率の変化を用いて、バイオセンサにおける生物学的物質１０４（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬品、化合物、核酸、ペプチド、炭水化物）のラベルフリー検出を可能にする。生物学的物質１０４がバイオセンサ表面１０３上に配されたバルク流体内に存在し得、この生物学値物質の存在が、バイオセンサ表面における屈折率を変化させる。
【００１８】
生物学的物質１０４を検出するために、バイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉを用いて探査され得、反射光ビーム１３４Ｒが分光計ユニット１４０に受光される。コントローラ１５０は、生物学的物質１０４の存在によって引き起こされたバイオセンサの屈折率の変化（例えば、１００万分の１）が存在するかを判定可能である。実施例において、バイオセンサ表面１０３は、例えば、特定の相補的な生物学的物質１０４の表面接着のみを許容する生化学化合物（図示せず）でコーティングされていてもよく、それによって、バイオセンサ１０２に高い感度かつ高い特異性をもたらすことが可能である。このように、システム１００及びバイオセンサ１０２は、幅広い生物学的物質１０４を検出するのに使用可能である。同様に、バイオセンサ１０２は、バイオセンサ表面１０３に固定された細胞の移動または細胞内における変化を検出するために使用可能である。例えば、細胞がバイオセンサに対して移動した場合、または細胞が物質を取り込むかもしくは排出した場合に、屈折率の変化が生ずる。
【００１９】
複数のバイオセンサ１０２がマイクロプレート１７０のウェルＷ内のアレイ１０２Ａとして動作可能に支持されており、マイクロプレート１７０がマイクロプレートホルダ１７４によって支持されている場合、この複数のバイオセンサ１０２は、高いスループットの薬品または化学的スクリーニング調査に使用可能である。生物学的物質１０４（または生体分子結合事象）の検出に関する更に詳細な説明のために、米国特許出願第１１／０２７，５４７号が参照される。当該出願は、参照することによって本明細書に包含されている。他の光学読取システムは、米国特許第７，４２４，１８７号及び米国特許出願公開第２００６／０２０５０５８号公報及び第２００７／０２０２５４３号公報に記載されている。これらの特許及び特許出願公開は、参照することによって本明細書に包含されている。
【００２０】
ＲＷＧベースのバイオセンサ１０２において生起する生化学的または細胞アッセイ事象の測定に使用される最も一般的な方法は、スペクトルインタロゲーションである。スペクトルインタロゲーションは、複数波長または広帯域光ビーム（入射光ビーム１３４Ｉ）をバイオセンサ１０２に照射し、反射光（反射光ビーム１３４Ｒ）を収集し、分光計ユニット１４０を用いて反射スペクトルを分析するものである。例示の分光計ユニット１４０空得られた反射スペクトルの一例が図４に示されており、図４において、「ピーク振幅」は、分光計内のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって判定される光子数である。化学的結合がバイオセンサ表面１０３において生起した場合、両矢印によって示されている波長内で共振が僅かにシフトする。
【００２１】
バイオセンサ１０２のスペクトルインタロゲーションの一般的な概念は単純であり、光がどのようにバイオセンサに供給され得るかまたはバイオセンサから収集され得るかの実施の詳細は、システム１００のデータの品質及び実用性に大きな影響を与え得る。例えば、バイオセンサ１０２に亘る共振波長λRの必然的な不均一性の故に、測定される共振波長λRは、バイオセンサ上の入射光ビーム１３４Ｉの位置に非常に敏感である。
【００２２】
単チャンネル走査光学読取システム
図５は、本発明のシステム１００の単チャンネルの実施例の詳細図である。直交座標Ｘ−Ｙ−Ｚが基準として示されている。例示の光源アセンブリ１０６は、光源１０６Ａ、可変光減衰器１０６Ｂ、偏光変換器１０６Ｃ及び光アイソレータ１０６Ｄを含んでいる。偏光変換器１０６Ｃは、光１２０の偏光をランダム化し、光アイソレータ１０６Ｄは、散乱するかまたは反射した光が光源１０６Ａに戻ることを防止する。
【００２３】
例示の光源１０６Ａは、ＳＬＤ（superluminous diode）等の広帯域光源を含んでいる。光源アセンブリ１０６は、第１の光ファイバセクション２０２によって、本実施例において１×２ファイバスプリッタであるカップリングデバイス１２６に光学的に接続されている。分光計ユニット１４０は、Ocean Optics社（フロリダ州、ダニディン）ＨＲ−２０００分光計等の分光計を含む。分光計ユニット１４０は、第２の光ファイバセクション２０４によってカップリングデバイス１２６に接続され得る。第３の光ファイバセクション２０６は、一端２０６Ａにおいてカップリングデバイス１２６に接続され得、他端部２０６ＢがＸ−Ｙ−Ｚ移動ステージ２２０に設けられ得る。移動ステージ２２０には、焦点距離ｆ２の集束レンズ２３０、直線偏光子２３４、及び４分の１波長板２３８も設けられ得る。集束レンズ２３０は、１または複数の光学要素を含んでもよいことに留意する。ファイバセクションの端部２０６Ａ、集束レンズ２３０、直線偏光子２３４、及び４分の１波長版２３８は、上述の光軸Ａ１を共有する可変ビーム生成光学システム２５０を構成する。いくつかの実施例において、移動は手動で調整可能であるが、その他の実施例において、ステージ２２０は、コントローラ１５０の制御下で、制御信号Ｓ２２０によって調整可能であってもよい。実施例において、第１、第２及び第３のファイバセクション２０２、２０４及び２０６は、シングルモード（ＳＭ）ファイバセクションであってもよい。上述の実施例において、ファイバセクション２０２、２０４及び２０６は、１または複数の別個のファイバセクションを担持する光ファイバケーブル２０２Ｃ、２０４Ｃ及び２０８Ｃの各々によって担持され得る（図１４及び図１７参照）。
【００２４】
システム１００は、ビーム生成光学システム２５０と隣りにあり、光軸Ａ１２沿って配されている走査ミラーデバイス２６０を含んでいてもよい。走査ミラーデバイス２６０は、例えば、Mirrorcle Technologies社（カルフォルニア州、アルバニー）から入手可能か、またはTexas Instruments社（テキサス州、ダラス）からＴＡＬＰ  １０１１という機種として入手可能なＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical system）ベースのミラーであってもよい。走査ミラーデバイス２６０の他の実施例は、走査ガルバノメータ、可撓性（flexure-based）走査ミラー、振動平面ミラー、回転多面ミラー、及び圧電駆動ミラーを含み得る。走査ミラーデバイス２６０は、少なくとも１次元（１Ｄ）を走査し、好ましくは２次元を走査する（すなわち、Ｘ及びＹ軸に沿って走査することで、関連する走査角度θX及びθYを規定する）ようになされ得る。走査ミラーデバイス２６０は、走査ミラーデバイス２６０の性質に依存する電圧または電流に基づき得るミラーデバイスドライバ２６４に動作可能に接続されてもよい。実施例において、走査ミラーデバイス２６０は、移動ステージ２２０に設けられ得る。
【００２５】
対物レンズ２８０は、走査ミラーデバイス２６０の隣にありかつビーム生成光学システム２５０と対向して、光軸Ａ１に沿って配され得る。実施例において、対物レンズ２８０は、Ｆθ構成を有しており、任意の角度θからの光は、実質的に光軸Ａ１に平行に向けられる（すなわちφ〜０°）。適切なＦθ対物レンズ２８０は、Edmund Optics社（ニュージャージ州、バリントン）等の光学機器メーカから入手可能である。対物レンズ２８０は、集束レンズｆｌを有し、少なくとも１つの光学要素を含む。実施例において、対物レンズ２８０は、少なくとも１つのミラーもしくは少なくとも１つのレンズ、または少なくとも１つのミラー及び少なくとも１つのレンズの組み合わせを含む複数の光学要素を有する。１つの実施例において、対物レンズ２８０は、１または複数の非球面表面を含んでいる。
【００２６】
システム１００は、マイクロプレート１７０を動作可能に支持する上述のマイクロプレートホルダ１７４も含み、マイクロプレート１７０は、バイオセンサ１０２のアレイを動作可能に支持する。１つの実施例において、マイクロプレートホルダ１７４の一部は、マイクロプレート１７０の位置が光軸Ａ１に対して調整可能であるように調整可能である。走査ミラーデバイス２６０は、対物レンズ２８０の焦点に、すなわち対物レンズからｆｌの距離に配されている。
【００２７】
図６は、ビーム生成光学システム２５０に光学的に結合されて示されている例示の走査光学システム１３０の拡大図であり、走査光学システム１３０は、走査ミラーデバイス２６０、フォールドミラーＭ１、及びＦθ対物レンズ２８０を含んでいる。マイクロプレートホルダ１７４及びマイクロプレートホルダ１７４によって支持されているマイクロプレートも示されている。フォールドミラーＭ１は、光軸Ａ１を折り曲げて光の経路を折り曲げて、走査光学システム１３０をさらにコンパクトにするために使用され得る。実施例において、集束レンズ２３０は、焦点距離ｆ２＝１０ｍｍであり、対物レンズ２８０は、焦点距離ｆ１＝２００ｍｍで口径が７２ｍｍである。この走査光学システム１３０の特定の構成は、Ｌ１×Ｌ２＝１４０ｍｍ×１４０ｍｍの寸法内に収まるので、比較的コンパクトなフォームファクターを有している。実施例において、ビーム生成光学システム２５０は、走査光学システム１３０内に含まれ得る。
【００２８】
走査ミラーデバイス２６０によって走査され得るマイクロプレート１７０のサイズは、ミラー偏向角度の正接に対物レンズ２８０の焦点距離を乗算することによって与えられる。従って、光学偏向が＋／−１０°で対物レンズの焦点距離が２００ｍｍの場合、７２ｍｍの領域は、Ｘ及びＹ方向の両方において走査され得る。
【００２９】
図６の例示の走査光学システム１３０は、４．５ｍｍピッチのコラム毎に１６個のウェルの標準のマイクロプレート形式で構成されている場合、すなわち全体の距離が約７２ｍｍの場合、バイオセンサ１０２の単一のマイクロプレートコラムをインタロゲーション可能である。マイクロプレート１７０における入射光ビーム１３４Ｉによって形成される光点１３５の例示の公称サイズは、１／ｅ2において０．１ｍｍ（直径）であり、走査ミラーデバイス２６０における入射光ビームの例示のビーム直径は、１／ｅ2において２ｍｍである。図６は、３つの異なった走査位置（角度）における入射光ビーム１３４Ｉを示している。入射光ビーム１３４Ｉの中央の光線は、１３４Ｃと示されている。入射光ビーム１３４Ｉは、マイクロプレート１７０において収束ビームであり、中央光線１３４Ｃは、マイクロプレートにおける光軸Ａ１に平行である。
【００３０】
例示の走査ミラーデバイス２６０は、３．２ｍｍ  ｘ．３．６ｍｍの開口を有し、光走査角度θX及びθYが＋／−１０°であるＭＥＭＳベースのミラー（上述のTexas Instruments社のTALP1011等）である。例示の対物レンズ１３４Ｒの収差の故のマイクロプレート１７０上における入射光ビーム１３４Ｒの入射角の変化は、１の例示のシステム１００において、０．３ｍＲｄであると見いだされている。
【００３１】
コントローラ１５０は、光源アセンブリ１０６、分光計ユニット１４０及びミラーデバイスドライバ２６４に動作可能に接続されており、後述するようにシステム１００の動作を（例えば、プロセッサ１５２またはメモリ１５４等の中にあるコンピュータ可読媒体内に入れられているソフトウェアを介して）制御する。実施例において、コントローラ１５０は、汎用インタフェースバス（ＧＰＩＢ）とともに構成され得、コントローラが動作可能に接続されているデバイスは、ＧＰＩＢを用いてコントローラと通信することが可能である。
【００３２】
図５を再度参照すると、システム１００の通常の動作において、コントローラ１５０は、光源アセンブリ１０６に光源制御信号Ｓ１０６を送信し、光源アセンブリに、ガイド光（guided light）として第１のファイバセクション２０２内に結合される光１２０を生成させる。光１２０は、第１のファイバセクション２０２を移動し、カップリングデバイス１２６を介して第３のファイバセクション２０６に移動する。その後、光１２０は、入射光ビーム１３４Ｉを形成するビーム生成光学システム２５０によって処理される。その後、入射光ビーム１３４Ｉは、ミラーデバイスドライバ２６４からの制御信号Ｓ２６０の下で、走査ミラーデバイス２６０によって選択的に偏向させられる。走査ミラーデバイス２６０が対物レンズ２８０の焦点に配されているので、対物レンズとマイクロプレートとの間の領域において、入射光ビーム１３４Ｉ（さらに正確には、このビームの中央光線１３４Ｃ）は、すべての偏向角１７０に関して光軸Ａ１に平行である。システム１００は、ビームがマイクロプレートを走査する際に、入射光ビーム１３４Ｉがマイクロプレート１７０に対して実質的に垂直であるように調整され得る。
【００３３】
入射光ビーム１３４Ｉは、後述するようにバイオセンサ１０４に亘って走査し、バイオセンサ１０４から実質的に垂直な入射角で反射し、反射光ビーム１３４Ｒを生成する。従って、反射光ビーム１３４Ｒは、実質的に入射光ビーム１３４Ｉと逆の光経路を進行し、ビーム生成光学システム２５０を介して、端部２０６Ｂにおいて第３のファイバセクション２０６内に結合し、ガイド光信号１３６になる。その後、ガイド光信号１３６は、第３の光ファイバセクション２０６を通って、カップリングデバイス１２６を介して第２の光ファイバセクション２０４に進行し、分光計ユニット１４０によって受信されて、スペクトル的に分解される。分光計ユニット１４０は、その中にあるコントローラ１５０及びメモリ１５４に反射光ビーム１３４Ｒ内のスペクトル情報を示す電気信号Ｓ１４０を提供する。メモリ１５４は、走査角度（θX、θY）の関数としてスペクトル情報を保存する。実施例において、メモリ１５４が、Mathworks,Inc.社（マサチューセッツ州ナティック）から入手可能であるMatlab等のスペクトル情報を分析して視覚化する分析ソフトを保存して、プロセッサ１５２がそれを実行する。
【００３４】
実施例において、メモリ１５４は、バイオセンサ１０２の各々の複数のスペクトル（例えば５０）を保存して、プロセッサ１５２は、それらを合計して合計スペクトルを取得し、セントロイド（centroid）を計算して共振波長λRを判定する。実施例において、プロセッサ１５２による処理のために、数十、数百、または数千のスペクトルが、メモリ１５４内に保存され得る。スペクトル測定は、例えば、個々のバイオセンサ１０２によって、またはバイオセンサの列（コラム）または行（ロー（row））によって分けられ得る。
【００３５】
バイオセンサ走査
システム１００を用いたスキャンの１つの方法は、走査ミラーデバイス２６０を動作させて単一の走査方向において１または複数のバイオセンサ１０２を走査する方法である。しかし、この手法の欠点は、共振波長λRが、バイオセンサ１０２に亘る光点１３５の位置によって大きく変化することである。従って、この手法においては、光点１３５の位置を厳密に監視して、測定バイアスの取り込みを回避する必要がある。
【００３６】
図７は、９個の異なったバイオセンサにおいて測定された、測定共振波長λR（ｐｍ）対バイオセンサ１０２のＸ及びＹ変位（ｍｍ）のプロット図である。測定の間、光ビーム１３４Ｉは、ｘ方向に沿ったバイオセンサの長さ全体に亘って往復して（ディザー（dithered））走査され、光ビームの移動はｙ方向にはなされない。収集されたスペクトルは、ｘ方向における往復走査時間よりも長い期間に亘って総合された。マイクロプレート１７０が走査軸と垂直に移動させられる場合、大きな波長変化が観測され得る（破線）。マイクロプレート１７０が走査軸に沿って移動させられる場合、波長変化はほとんど観測されない（実線）。ｘにおけるバイオセンサの変位に関わらず、ｘ変位に関してより少ない波長変化が観測されるのは、ビームに適用されるｘディザー故に、バイオセンサ回折格子に亘る全体ライン走査が収集されるからである。プロットは、０．５ｐｍ／ミクロンの大きさの変化も示しており、これは、０．１ｐｍ以下の測定バイアスが、比較的達成が困難な０．２未満の再位置決めエラーを必要とすることを意味する。
【００３７】
従って、システム１００を動作させる好ましい方法は、Ｘ及びＹの２方向における入射光ビーム１３４Ｉを用いてバイオセンサ１０２を走査して、走査されたバイオセンサの各々の総合された測定値を取得することを含む。ＭＥＭＳベースのミラー走査デバイスが比較的高い周波数（例えば、１００Ｈｚ以上）で駆動され得る故に、センサのこのような２方向走査を迅速に行うことが可能である。１つの例において、バイオセンサ１０２は、２つの方向のうちの１において、より速く光ビーム１３４Ｉ（従って光点１３５）を移動させることによって走査される。
【００３８】
図８は、例示のバイオセンサ１０２の拡大図であり、バイオセンサの少なくとも一部上の光点１３５（または、入射光ビーム１３４Ｉ）の例示の走査経路４０２を示している。走査経路４０２は、走査ピッチｄｙを有し、Ｙ軸を低速走査軸（すなわち、Ｙ方向走査経路成分４０２Ｙ）として、Ｘ軸を高速走査軸（すなわち、Ｘ方向走査経路成分４０２Ｘ）として使用し、これがジグザグ走査経路を形成する。このような態様における光点１３５の高速走査は、さらに大きい「有効光点」の形成を可能にし、有効光点はバイオセンサ１０２よりも大きくされ得る。しかし、光拡大のみを用いた大きな入射光ビーム１３４Ｉの形成とは異なり、システムの角度許容性は減少せず（角度許容性は、光点直径の逆数に比例する）、システムの柔軟性が維持されて高い空間的分解能でバイオセンサ１０２からの反射光ビーム１３４Ｒが処理される。
【００３９】
例示のＸ軸走査レートは、約４００Ｈｚである。実施例において、＋Ｘ方向におけるＸ軸走査経路の各々は、走査読み取りに対応しており、分光計１４０が起動させられてガイド光信号１３６が処理され得る。従って、走査経路４０２内の方向転換位置Ｔ−ＯＮにおいて、分光計１４０は、コントローラ１５０からのゲート信号またはトリガ信号ＳＧによってトリガＯＮされ、ガイド光信号１３６に関連する光子の蓄積を開始する。走査経路４０２内の方向転換位置Ｔ−ＯＦＦにおいて、コントローラ１５０からのトリガ信号ＳＧによって光子集積がトリガオフされ、分光計１４０が、信号Ｓ１４０によって単一のスペクトルを、プロセッサ５２によるさらなる処理のためにメモリ５４に送信する。例示したように、分光計１４０は、４００Ｈｚでトリガされ、スペクトル集積時間は約１ミリ秒である。例えば、Ｙ方向における走査速度が、光点１３５が０．５秒以内にバイオセンサ全体を走査する速度であると仮定すると、システム１００は、バイオセンサ毎に２００のスペクトルを収集することになり、スペクトルの各々は、Ｙ軸に沿ったバイオセンサの長さ全体に亘って集積される。代替的に、バイオセンサ１０２によって反射された信号は、光ビーム１３４Ｉが２つの方向においてバイオセンサに行き渡る・バイオセンサをカバーするのにかかる走査時間全体の間に集積される。この例において、単一の蓄積されたスペクトルは、所定のバイオセンサの単一の測定に関する情報の全てを含む。
【００４０】
光点１３５よりも小さい走査ピッチｄｙを使用する場合、有効に大きなビームは、横方向ミスアラインメントに対する感受性を劇的に減少させることが可能である。図９は、図７と同様のプロット図であり、同数の９個のバイオセンサ１０２が１Ｄではなく２Ｄで走査された場合の位置感受性の実験測定値を示している。図からわかるように、２Ｄ走査の横方向感受性は、１Ｄ走査の少なくとも５分の１に減少させられ得る。このことは、マイクロプレート１７０の精密な再位置決めの必要をなくす。従って、このことは、さらに安価なマイクロプレート移動ステージがシステム１００内へかつそこから外へマイクロプレート１７０を移動させるために選択されることを可能にする。
【００４１】
実施例において、光ビーム１３４Ｉによって横断される走査経路４０２は、Ｘ軸走査を適切に調整して、高周波が走査ミラーデバイス２６０の共振が励起することを防止することによる、図８に示されているようなシャープな三角波のようなジグザグパターン、または正弦曲線経路を含む。実施例において、ミラーデバイスドライバ２６４からの信号Ｓ２６０は、走査ミラーデバイスの駆動の結果生ずる所望の走査経路からの走査経路４０２の逸脱の原因となる「リンギング（ringing）」他の悪い走査効果を除去するスムージングされたステップ関数を生成するために、スムージング関数（例えば、ガウスフィルタ）と組み合わされた（コンボリューションされた）ステップ関数である。実施例において、入射光ビーム１３４Ｉは、入射光ビームがバイオセンサ１０２間を移動するように２Ｄで（例えば、後述するようにジグザグ態様で）走査され得るので、望まれない走査経路逸脱を生起しうる走査処理の開始及び停止の必要が除去され得る。この走査方法の一例において、コントローラ１５０は、分光計ユニット１４０にゲート（またはトリガ）信号ＳＧを送信し、ゲート信号は、分光計ユニットがバイオセンサ１０２からの反射光ビーム１３４Ｒのみを処理し、マイクロプレート１７０の表面からの反射光ビームを処理しないように同期される。
【００４２】
マイクロプレートミスアラインメントの補償
上述の米国特許第７，４２４，１７８号は、ＳＭファイバセクション２０２−２０６を使用する場合、共振波長λRが角度ミスアラインメントに実質的に影響されないことを示している。しかし、レンズ収差、または入射及び反射ビーム１３４Ｉ及び１３４Ｒのプロファイルの完全なガウス形状からの逸脱等の二次的な効果は、共振波長λRの測定における残存角度依存性を取り込み得る。
【００４３】
図１０は、図９と同様なプロット図であり、いくつかのバイオセンサ測定に関するマイクロプレート１７０の角度チップ（tip）及びチルト（tilt）に応じた共振波長変化を示している。曲線は、＋／−２ｍｒａｄ以下のチルト角に関しては十分に平坦であるが、この限界を越えたスロープにおいては著しく増加する。精密な角度再位置決めは、約２５マイクロｒａｄの位置的再現性をもたらすために、３点接触マイクロプレートホルダ１７４を用いて達成され得る。しかし、商業的実施において、角度精密性の低い、より安価でより単純なマイクロプレートホルダ１７４の使用が望まれる。例えば、マイクロプレート１７９の角度再位置決め性が、約２ｍｒａｄよりも悪い場合、システムの容易な再アラインメントを提供する位置的補償の方法が必要とされる。
【００４４】
図９及び図１０のプロット図における曲線が、バイオセンサ間で非常に再現性が高いことに留意する。従って、曲線の形状は、バイオセンサ自体によってよりも照明システムにおいて存在する光収差によって影響を受ける。従って、実施例において、基準バイオセンサ１０２からの信号が測定され、その後、関心のあるバイオセンサからの信号から差し引かれ、マイクロプレート１７０の角度変化故の波長シフトが除去される。
【００４５】
従って、実施例において、システム１００は、対物レンズ２８０が走査ミラーデバイス２６０及びビーム生成光学システム２５０に対して調節可能にされ得る。実施例において、対物レンズ軸Ａ２８０、走査ミラーデバイス２６０、及び集束レンズ軸Ａ２３０の相対位置は、調整可能である。すなわち、これらの要素の１または複数は、光軸Ａ１に対して移動可能である。実施例において、この調整可能性は、移動ステージ２２０によってもたらされる。入射光ビームのマイクロプレート１７０に対する入射角φは、集束レンズ２３０及び対物レンズの先端における入射光ビームの中央に接続するベクトルによって規定される。従って、実施例において、入射光ビーム１３４Ｉの入射角φは、レンズ２３０と２８０との相対位置を調整することによって調整される。このような調整は、実施例において、走査ミラーデバイス２６０及び集束レンズ２３０を含む移動ステージ２２０を調整することによってなされ得る。この動作は、移動ステージ２２０が高い精度を有していることを必要としない。例として、焦点距離ｆ１＝２００ｍｍの対物レンズ２８０に関して、アラインメント精度は、入射角φの精度が１ｍｒａｄ以内であることを保証するために、０．２ｍｍのオーダーである必要があるだけである。この調整可能性は、システム１００のマイクロプレートのミスアラインメントに対する感受性を実質的に低下させる。
【００４６】
実施例において、システム１００は、走査測定が開始する前に、走査光学システム１３０に戻されて結合させられる光パワーを最適化することによってアラインメントされる。図１１は、単一チャンネル光学読み取りシステム１００の走査光学システム１３０の一部の拡大図であり、他の例示のシステムアラインメント方法を示している。アラインメント方法は、ビーム生成光学システム２５０と走査ミラーデバイス２６０との間の光経路内に配されているビームスプリッタ４２０を使用する。ビームスプリッタ４２０は、反射光ビーム１３４Ｒの一部を、集束レンズ２３０の中央に対して横方向にアラインメントされている光検出器４２６に向ける。光検出器４２６は、検出された光パワーの量を示す光検出信号Ｓ４２６を生成し、実施例において、この信号は、コントローラ１５０に送信される。光検出器４２６は、例えば、図１１に示すように、小領域（small-area）フォトダイオード、または全面に限界開口４２７を有するフォトダイオードであり得る。レンズ４２８（擬似的に図示）は、限定開口４２７が存在しない場合、光検出器４２６上に光を収束するために使用されてもよく、これらが組み合わせられてよい。アラインメント最適化は、光検出器４２６によって収集される光が最大になるように、対物レンズ２８０に対する集束レンズ２３０の位置を調整することによって実行され得る。実施例において、この最大化及び調整処理は、コントローラ１５０の動作の下で自動的になされてもよい。
【００４７】
代替的に、光検出器２６及び限定開口４２７は、位置検出ダイオードまたはＣＣＤカメラで置き換えられてもよい。この場合、光検出器２６上の反射ビーム１３４Ｒの位置が監視され、調整処理が、反射ビーム点が光検出器上の所定の位置にセットされるまで、対物レンズ２８０に対する集束レンズ２３０の移動を伴う。
【００４８】
図１２は、システム１００内のマイクロプレート１７０の相対位置を確認する方法の１つの実施例を示している。マイクロプレート位置（またはバイオセンサ位置）は、光点１３５をバイオセンサ１０２のエッジ１０２Ｅに向け、その後、矢印４２４によって示されるように、バイオセンサのエッジに対して光点位置をディザリングすることで確認される。光検出器４２６は、反射光ビーム１３４Ｒのパワーを記録し、対照パワーの上下がバイオセンサエッジの位置を確認するために用いられ、マイクロプレート位置及びマイクロプレート上のバイオセンサの位置を確認するために用いられる。様々なエッジ検出アルゴリズムが、プロセッサ１５２において光検出器信号に適用されて、バイオセンサエッジ１０２Ｅの位置が確認される。光点１３５のディザリングは、ミラーデバイスドライバ２６４によって振動態様にて駆動される走査ミラーデバイス２６０によってなされる。
【００４９】
実施例において、マイクロプレート１７０上に形成された基準４２８が使用されて、マイクロプレートのアラインメントが容易にされる。１つの方法において、光点１３５が１または複数の基準に亘って走査されて、マイクロプレート１７０の位置が確認される。システム１００におけるマイクロプレート１７０の、基準４２８を用いたアラインメントのシステム及び方法の他の実施例は、上述の米国特許出願公報第２００７／０２０２５４３号に記載されている。
【００５０】
複数チャンネル走査光学読取システム
実験は、システム１００の分解能に関する根本的な制限要素が、光ショットノイズ（optical shot noise）であることを示している。ショットノイズは、バイオセンサ測定の各々に関してさらに光子を収集することによって低減させられ得る。ほとんどの場合、収集可能な光子の量を制限している要因は、分光計ユニット１４０である。分光計の直線検出器アレイ内のピクセルの各々によって収集可能な光子の数は、Ｉ＝ＷＤ／Ｔ似よって与えられる。ここでＩは、１秒間に収集され得る光子の最大流量であり、Ｔは分光計の最速インタロゲーションまたは読み出し時間であり、ＷＤは、検出器のウェルの深さであり、これらが、飽和閾値に達することなくインタロゲーション時間に亘って収集可能な光子の最大数を決定する。
【００５１】
検出される光子の流量の最大値を増加させて測定ノイズを低下させるために、より深いウェルを有する分光計を選択可能であるか、または検出器が読み出される速度を増大させることが可能である。他の選択肢は、各々が付随するファイバ２０６及び分光計ユニット１４０を有する複数のチャンネルを使用することである。この場合、収集される光子の流量の合計は、使用された分光計（またはチャンネル）の数によって増加する。
【００５２】
システム１００の実施例は、集束レンズ２３０の焦点におけるアレイ４３０内に配する複数のファイバ２０６を提供することによって、単一の走査ミラーデバイス２６０を使用しつつ複数の測定チャンネルをもたらす。図１３は、走査光学システム１３０の一部の拡大図であり、例として、３つのファイバ２０６−１、２０６−２、及び２０６−３を有する例示のファイバアレイ４３０を示している。３つのファイバ２０６−１、２０６−２、及び２０６−３は、集束レンズ２３０の焦点に近接して配され、異なった指向角度（pointing angle）にて光ビーム１３４Ｉ−１、１３４Ｉ−２、及び１３４Ｉ−３を出射する。共振可能な数のファイバ２０６がアレイ４３０を形成するために使用され得、２から約１２が好ましい。
【００５３】
第１の近似のために、入射光ビーム１３４Ｉの指向角度オフセットが、θ＝Ｄｙｆ／ｆ２で与えられる。ここで、θは入射光ビームの指向角度であり、Ｄｙｆは、光軸Ａ１に対する個々のファイバの位置であり、ｆ２は、集束レンズ２３０の焦点距離である。従って、光ビーム１３４Ｉのアレイは、マイクロプレート１７０に向けられ、マイクロプレートにおける入射光ビームの位置間隔は、Ｄｙｐ＝θ＊ｆ１＝Ｄｙｆ＊ｆ１／ｆ２で与えられる。ここで、Ｄｙｐは、マイクロプレート１７０における入射光ビーム間の間隔であり、ｆ１は、対物レンズ２８０の焦点距離である。
【００５４】
ファイバアレイ４３０のピッチＰを適切に設定することによって、入力光ビーム１３４Ｉに付随する光点の距離間隔は、整数とバイオセンサアレイ１０２Ａ内のバイオセンサ１０２のピッチＰ′とを乗算したものに対応するようになされる。ファイバ端部２０６Ｂにおける光ビーム１３４Ｉの距離間隔は、レンズ２３０及び２８０の動作により、マイクロプレート１７０における（ｆ１／ｆ２）という因数によって拡大され得る。結果として、ファイバ端部２０６Ｂの各々の像（image）は、特定のバイオセンサ１０２上の中心に配され、ファイバの各々がマイクロプレート１７０の異なった領域をインタロゲーションする（異なった領域に光を当てる）。例として、ｆ１＝２００ｍｍかつｆ２＝１０ｍｍ、バイオセンサアレイピッチＰ′が４．５ｍｍの場合、ファイバアレイ４３０のピッチＰは、０．２２５ｍｍになる。
【００５５】
走査ミラーデバイス２６０が走査する場合、光ビーム１３４Ｉのアレイが移動し、光を当てられたバイオセンサ１０２の各々からの対応する反射光ビーム１３４Ｒは、上述のように、それらの各々のファイバ２０６によって同時に収集される。通常は、ｎ本のファイバ２０６が使用されてｎ個のチャンネルが形成され得る。ここで、ｎは１以上の整数である。ファイバ２０６の各々内のガイド光信号１３６は、ｎ本の異なったファイバ２０６及びｎ個の分光計ユニット１４０に関して図１４に示されているように、その後、対応する分光計ユニット１４０（例えば、１４０−１、１４０−２等）に送られる。カップリングデバイス１２６は、この構成においてｎ×２ｎのカップリングデバイスになり、光源１０６は、ｎ個のファイバセクション２０２−１、２０２−２、．．．２０２−ｎに結合される。これらのセクションは、光ファイバケーブル２０２Ｃ内に構成されてもよい。ファイバセクション２０４及び２０６は、光ファイバケーブル２０４Ｃ及び２０６Ｃの各々の内に構成されてもよい。実施例において、様々な多数の光ファイバセクションが、光ファイバリボンセクションまたはケーブルの各々内に組み合わせられてもよい。
【００５６】
デュアルヘッド光学読取システム
図１５は、上述の単チャンネルまたは多チャンネルシステムのうちの２つを組み合わせた「デュアル走査」多チャンネル光学読取システム１００の他の実施例の概略図である。図１５のシステム１００は、Ｌ及びＲで示された「左」サイド及び「右」サイドを有し、バイオセンサ１０２のアレイ１０２Ａの各々（図１参照）を測定するために、上述のような走査態様にてマイクロプレート１７０のサブリージョン１７０Ｌ及び１７０Ｒの各々をインタロゲーションする２つの走査光学システム１３０（１３０Ｌ及び１３０Ｒとして示されている）を用いる。２つの走査光学システム１３０Ｌ及び１３０Ｒの各々は、上述のシステム１００の多チャンネルの実施例において構成されて示されており、当該システムの一方のサイドは、基本的に他方のサイドと鏡面対称であり、単一のコントローラ１５０の制御下で動作するように構成されている。
【００５７】
図１６は、図１５のデュアル走査システム１００において使用するのに適した２つ（すなわち、左及び右）の走査光学システム１３０Ｌ及び１３０Ｒの例示の構成の概略図である。
【００５８】
図１７は、図１５と同様の概略図であり、１または複数の分光計ユニット１４０の１セットのみを使用するデュアルヘッド光学読取システム１００の実施例を示している。これは、コントローラ１５０、及び反射光ビーム１３４Ｒの１セット（及びガイド光信号１３６の１セット）のみが同時に１または複数の分光計ユニット１４０によって処理されるように、非同期態様にて走査ミラーデバイス２６０の各々を駆動するミラーデバイスドライバ２６４によって達成される。この手法の一例において、走査ミラー２６０Ｌに与えられる信号Ｓ２６０Ｌ（図１６参照）は、走査ミラーデバイス２６０Ｒに与えられる信号Ｓ２６０Ｒに対して僅かにオフセット（すなわち、時間遅延）させられている。この時間遅延の結果、左走査光学システム１３０Ｌに付随する走査点１３５は、バイオセンサ１０２Ｌ上にあり、右走査光学システム１３０Ｒに付随する走査点１３５（図１７には図示せず；図８参照）は、２つのバイオセンサ１０２Ｒの中間にある。
【００５９】
結果として、一方の走査光学システム１３０がガイド光信号１３６を生成している間、他方はガイド光信号を生成しない。２つのガイド光信号１３６Ｌ及び１３６Ｒをインタリーブ・交互配置し（例えば、１または複数のカップリングデバイス１２６によって）、かつ走査ミラー信号Ｓ２６０Ｌ及びＳ２６０Ｒの遅延された生成をトラッキングする間にそれらの光信号を１または複数の分光計１４０に送信することによって、走査光学システムの各々からのガイド光信号及び対応する分光計ユニット電気信号Ｓ１４０がトラッキングされる。図１７のシステム１００は、光ファイバセクション２０２、２０４及び２０６の各々の１または複数を担持する光ファイバケーブル（例えば、リボンケーブル）２０２Ｃ、２０４Ｃ及び２０６Ｃの態様にて、様々なファイバセクション２０２、２０４及び２０６を有するように示されている。図１８は、図１７と同様であり、システム１００が単一のカップリングデバイス１２６、単一の光源１６０及び単一の分光計ユニット１４０を含む、単純化された実施例を示している。
【００６０】
デュアルヘッド光学読取システム１００は単一走査光学システムよりも実施するのに費用がかかり得るが、比較的短い時間においてバイオセンサ１０２のアレイの比較的多くの走査測定を行うことが可能である。例えば、１６×２４のバイオセンサ１０２のアレイを有するマイクロプレート１７０は、約２０秒で読み取られ得る。
【００６１】
当業者にとって、本明細書に記載されている本発明の好ましい実施例に対する様々な変更は、添付の特許請求の範囲に規定されている本発明の精神または本発明の範囲から逸脱することなく可能であることは明らかである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内及びその均等の範囲内にある変形例及び変更例を含む。
【図１】
2013501242.tif 000003
【図２】
2013501242.tif 000004
【図３】
2013501242.tif 000005
【図４】
2013501242.tif 000006
【図５】
2013501242.tif 000007
【図６】
2013501242.tif 000008
【図７】
2013501242.tif 000009
【図８】
2013501242.tif 000010
【図９】
2013501242.tif 000011
【図１０】
2013501242.tif 000012
【図１１】
2013501242.tif 000013
【図１２】
2013501242.tif 000014
【図１３】
2013501242.tif 000015
【図１４】
2013501242.tif 000016
【図１５】
2013501242.tif 000017
【図１６】
2013501242.tif 000018
【図１７】
2013501242.tif 000019
【図１８】
2013501242.tif 000020
【手続補正書】
【提出日】平成24年4月5日(2012.4.5)
【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】
マイクロプレートによって動作可能に支持されている共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムであって、
前記システム内の前記マイクロプレートを動作可能に保持するホルダと、
光を生成する光源と、
分光計ユニットと、
入力端及び出力端を有し、前記入力端において前記光源と光学的に結合されており、前記出力端において前記光から少なくとも１つの光ビームを生成し、かつ前記入力端において前記分光計に光学的に結合されて前記出力端において受光した光を前記分光計ユニットに送るビーム生成光学システムと、
前記マイクロプレートと前記ビーム生成光学システムとの間に配されて、走査ミラーデバイス、前記走査ミラーデバイスに動作可能に接続されているミラーデバイスドライバ、及びＦθレンズを含む走査光学システムと、を含み、
前記走査光学システムが、前記少なくとも１つの光ビームを受信して前記少なくとも１つの光ビームを前記ＲＷＧバイオセンサの１または複数に亘って走査し、当該１または複数の走査されたＲＷＧバイオセンサによって反射された光が前記ビーム生成光学システムの前記出力端に送り返されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項２】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記走査ミラーデバイスが、ＭＥＭＳ（micro-electro-mechanical system）ミラー、走査ガルバノメータ、可撓性走査ミラー、振動平面ミラー、回転多面ミラー、及び圧電駆動ミラーのうちの少なくとも１つを含む走査ミラーデバイスのグループから選択されることを特徴とする光学読取システム。
【請求項３】
請求項１に記載の光学読取システムであって、前記走査光学システムが光点を形成し、前記システムが２方向において前記ＲＷＧバイオセンサに亘って前記光点を走査することを特徴とする光学読取システム。
【請求項４】
マイクロプレートによって動作可能に支持されているＲＷＧバイオセンサのラベル非依存読取のための光学読取システムであって、
光を生成する少なくとも１つの光源と、
少なくとも１つの分光計ユニットと、
各々が入力端及び出力端を有し、各々の入力端において異なった光源または前記少なくとも１つの光源のいずれかに光学的に結合され、各々の出力端において少なくとも１つの第１の光ビーム及び少なくとも１つの第２の光ビームを生成し、かつ入力端の各々において異なった分光計ユニットまたは前記少なくとも１つの分光計ユニットに光学的に結合されることによって出力端の各々において受信された光を前記分光計に送る第１及び第２のビーム生成光学システムと、
各々が前記マイクロプレートと前記第１及び第２のビーム生成光学システムとの間に配され、第１及び第２の走査ミラーデバイス、各々が前記第１及び第２の走査ミラーデバイスに動作可能に接続されている第１及び第２のミラーデバイスドライバ、及び前記第１及び第２の走査ミラーデバイスに対して動作可能に配されている第１及び第２のＦθレンズを各々が含み、各々が前記少なくとも１つの第１の光ビーム及び前記少なくとも１つの第２の光ビームをＲＷＧバイオセンサの各々に亘って走査し、かつ当該走査されたＲＷＧバイオセンサによって反射された光を前記第１及び第２のビーム生成光学システムの対応する出力端に送り返す第１及び第２の走査光学システムと、
を含むことを特徴とする光学読取システム。
【請求項５】
共振波長を有する共振導波路（ＲＷＧ）バイオセンサの読取方法であって、
前記ＲＷＧバイオセンサよりも小さな光点を有する走査光ビームを生成するステップと、
前記ＲＷＧバイオセンサの少なくとも一部に亘って２方向走査経路で前記光点を走査し、それによって、前記バイオセンサ上の複数の位置から反射され、共振波長情報を含む反射光を生成するステップと、
前記反射光を前記走査経路に亘って収集するステップと、
前記反射光から、前記共振波長の空間的に集積された測定値を判定するステップと、
を含むことを特徴とする読取方法。
【国際調査報告】
2013501242.tif 000021
2013501242.tif 000022