(57)【要約】  基体と空気との界面からの反射光とバイオセンサーの活性表面からの反射光との光学的干渉効果を除去するバイオセンサーの基体構造が提供される。該基体構造は、バイオセンサーの照明装置と検出装置に対置する基体側に粗面化表面又は非鏡面反射性表面を付与することによって形成される。本発明によれば、有用な非鏡面反射性表面又は抗干渉性表面を多数の方法によって形成させることができる。このような方法には、１）光学的散乱性物質（例えば、ＵＶ硬化性アクリレート）含有塗料をセンサーの基体へ添加する方法、２）センサーの基体表面エッチング処理又はその他の粗面化処理に付す方法、及び３）センサーの基体表面へ格子構造を付与する方法が含まれる。
2008530567.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
i）試料を収容するための格子構造及び
ii）該格子構造を支持する基体であって、光源方向に配向される散乱性粗性特性の付与処理に付された表面を有する該基体
を具備するバイオセンサーであって、該バイオセンサーに担持される被検出物質を検出するための光源によって照明されるように適合した該バイオセンサー。
【請求項２】
該処理が、光学的散乱物質の塗料を該表面に塗布することを含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項３】
該塗料が、ＵＶ硬化性アクリレートを含有する請求項２記載のバイオセンサー。
【請求項４】
該処理が、該表面をエッチングすることを含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項５】
該処理が、該表面の粗面化処理を含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項６】
該処理が、粗面化剤含有塗料を基体の表面へ塗布することを含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項７】
塗料が、粗面化をもたらすサイズの透明粒子を含む架橋ポリマーを含有する請求項６記載のバイオセンサー。
【請求項８】
該処理が、格子構造を該表面へ付与することを含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項９】
格子構造が基体表面へ型押しされた請求項８記載のバイオセンサー。
【請求項１０】
格子構造が基体表面へ印刷された請求項８記載のバイオセンサー。
【請求項１１】
光源がレーザーを含む請求項１記載のバイオセンサー。
【請求項１２】
i）レーザー光源、
ii）レーザー光源によって照明されるように適合したバイオセンサー及び
iii）バイオセンサーからの反射光を検出するための検出器を具備するバイオセンサー検出系であって、該バイオセンサーが
iv）試料を収容するための格子構造及び
v）該格子構造を支持する基体であって、レーザー光源方向に配向される散乱性粗性特性の付与処理に付された表面を有する該基体
を具有する該バイオセンサー検出系。
【請求項１３】
該処理が、光学的散乱物質の塗料を該表面に塗布することを含む請求項１２記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１４】
該塗料がＵＶ硬化性アクリレートを含有する請求項１３記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１５】
該処理が、該表面をエッチングすることを含む請求項１２記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１６】
該処理が、該表面の粗面化処理を含む請求項１記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１７】
該処理が、粗面化剤含有塗料を基体の表面へ塗布することを含む請求項１２記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１８】
塗料が、粗面化をもたらすサイズの透明粒子を含む架橋ポリマーを含有する請求項１７記載のバイオセンサー検出系。
【請求項１９】
非鏡面反射特性が、格子構造を該表面へ適用することによって付与される請求項１２記載のバイオセンサー検出系。
【請求項２０】
格子構造が基体表面へ型押しされた請求項１９記載のバイオセンサー検出系。
【請求項２１】
格子構造が基体表面へ印刷された請求項１９記載のバイオセンサー検出系。
【請求項２２】
下記の工程ａ）〜ｃ）を含むバイオセンサーの製造方法：
ａ）上部面と下部面を有する基体を準備し、
ｂ）該上部面へ格子構造を付与し、次いで
ｃ）該下部面を、散乱性の粗性特性を付与する処理に付す。
【請求項２３】
該処理が、光学的散乱材料を下部面へ塗布することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２４】
該塗料が、ＵＶ硬化性アクリレートを含有する請求項２３記載の方法。
【請求項２５】
該処理が、該表面をエッチングすることを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２６】
該処理が、該表面の粗面化処理を含む請求項２２記載の方法。
【請求項２７】
該処理が、粗面化剤含有塗料を下部面へ塗布することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項２８】
塗料が、粗面化をもたらすサイズの透明粒子を含む架橋ポリマーを含有する請求項２７記載の方法。
【請求項２９】
該処理が、格子構造を下部面へ付与することを含む請求項２２記載の方法。
【請求項３０】
格子構造が下部面へ型押しされる請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
格子構造が下部面へ印刷される請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
該方法が、基体の下部面へ塗布された塗膜を有する基体についておこなわれ、先行する製造工程において塗布された塗膜を有する嵩高の基体が得られる請求項２２記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的には、格子（grating）に基づく生化学的センサー装置、及び該装置の製造方法に関する。この種の装置は、一般的には、光子的結晶（photonic crystal）製造技術に基づくものであり、生物学的物質（例えば、ＤＮＡ、タンパク質、ウイルス及び細胞等）又は化学物質の該装置の表面又は内部への吸着を光学的に検出するために使用されている。
【背景技術】
【０００２】
格子に基づくバイオセンサーは、１００ｎｍ未満の精度で被処理物の正確な沈着と腐食を可能にする半導体製造装置の最近の発達によって開発された新規な光学的装置群である。
【０００３】
光子的結晶のいくつかの特性に起因して、該結晶は、回折格子型光学的バイオセンサーとしての用途に対して理想的な候補となっている。第１に、光子的結晶の反射率／透過率挙動は、生物学的物質（例えば、タンパク質、ＤＮＡ、細胞、ウイルス粒子及びバクテリア等）の吸着によって容易に調整することができる。この種の生物学的物質を用いた研究により、次のことが証明されている。即ち、該結晶は、該結晶を通過する光の光学距離を限定された誘電率によって変化させる特性を有する。
【０００４】
第２に、光子的結晶の反射／透過スペクトルは非常に狭いので、簡単な照明装置と検出装置を使用する場合でも、生化学的結合に起因する該結晶の光学的特性のシフトを高分解能で決定することが可能となる。第３に、光子的結晶構造を、電磁場伝搬を高度に局現化させるように設計することができるので、単一の光子的結晶表面を使用することによって、多数の生化学的結合現象を、３〜５ミクロンよりも狭い隣接領域間の光学的干渉を伴うことなく同時に測定することが可能となる。
【０００５】
さらに、高い表面／体積比を有すると共に、生化学的試験試料と接触する領域へ電磁場強度を集中させる機能を有する実用的な光子的結晶装置を形成させるためには、広範囲の材料と製造法が利用できる。製造材料と製造法は、プラスチックに基づく材料を用いる大容量装置の製造又は半導体材料を用いる高感度性能を最適化するように選択することができる。
【０００６】
従来技術における格子型バイオセンサーの代表的な例は下記の文献に開示されている：
１）Ｂ．Ｔ．カニングハム、Ｐ．リ、Ｂ，リン及びＪ．ペパー、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ  Ｂ、第８１巻（２００２年）、第３１６頁〜第３２８頁（「直接的な生化学的アッセイ法としての熱量測定による共鳴反射」）、
２）Ｂ．Ｔ．カニングハム、Ｊ．キュウ、Ｐ．リ、Ｊ．ペパー及びＢ．フー、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ  Ｂ、第８５巻（２００２年）、第２１９頁〜第２２６頁（「標識の介在しない生化学的相互作用の多重同時検出のための熱量測定によるプラスチック製共鳴光学的バイオセンサー」）、及び
３）Ａ．Ｊ．ヘス及びＲ．Ｐ．Ｖ．ドゥイン、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサイアティー、第１２４巻（２００２年）、第１０５９６頁〜第１０６０４頁（「ナノスケールの光学的バイオセンサー：三角形状の銀ナノ粒子の局存化表面プラスモン共鳴スペクトロスコピーに基づくアプローチの感度と選択度」）。
【０００７】
光子的結晶バイオセンサーが併有する上記の利点は、標識が介在しないその他のバイオセンサー技術によって凌駕されない。感度が高く、小型で、多数の同時検出が可能な安価なバイオセンサー及び簡単で、小型で、耐久性がある読み出し型の装置の開発が可能となれば、従来は経済的な観点から適合できなかった用途において、薬学的発見、診断試験、環境関連試験、及び食品の安全性の分野におけるバイオセンサーの利用を可能とする。
【０００８】
光子的バンドギャップ装置をバイオセンサーとして機能するように適合させるためには、その構造の一部を液状の試験試料と接触させなければならない。生体分子、細胞、タンパク質、又はその他の物質は光子的結晶の一部へ導入され、局部的に制限された電磁場の強度が最大になる部位において吸着される。この結果、結晶内への光の共鳴カップリングが改変され、反射／透過出力（即ち、ピーク波長）が同調される（即ち、シフトする）。反射出力のシフト度は、センサー上に存在する被検試料の量と関連する。センサーは照明／検出装置と併用され、該装置は偏光をセンサー内へ方向付けると共に反射光又は透過光を捕獲する。反射光又は透過光は、ピーク波長を測定するスペクトロメーターへ送られる。
【０００９】
高い品質係数（Ｑ）、共鳴光カップリング、高い電磁エネルギー密度及び密閉した光学的閉じ込めをもたらす光子的結晶の機能を利用することによって、感度の高い生化学的センサーを製造することができる。この場合、Ｑは、共鳴周波数におけるピーク波長の鋭敏さの尺度である。光子的結晶のバイオセンサーは、液状の試験試料が周期的格子を透過し、生体分子又は細胞の結合による結晶の表面誘電率の改変によって光学的共鳴カップリング条件を同調させるように設計される。共鳴の高いＱ値及び結合電磁場と表面結合物質との強い相互作用に起因して、報告されている最高感度を有するいくつかのバイオセンサー装置が光子的結晶から誘導されている（クニングハムらによる前記の論文参照）。
【００１０】
この種の装置が、２００ダルトン（Ｄａ）未満の分子量を有する分子を高い信号対雑音の許容範囲で検出する機能及び個々の細胞を検出する機能を有していることは証明されている。光子的結晶内において共鳴的に結合した光は空間的に効果的に閉じ込めることができるので、光子的結晶表面は、アレイ形式による多数の同時におこなわれる生化学的アッセイを可能にする。この場合、相互に約１０μｍ以内の隣接領域は独立して測定することができる。この点に関しては次の文献を参照されたい：Ｐ．リ、Ｂ．リン、Ｊ．ゲルステンマイヤー及びＢ．Ｔ．クニングハム、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ  Ｂ、２００３年（「生体分子の相互作用の標識を介在させないイメージングに関する新規な方法」）。
【００１１】
光子的結晶構造に基づくバイオセンサーには多くの実用的な利点がある。蛍光団、放射リガンド又は二次的レポーターを使用しない生化学的な細胞性結合の直接的検出法は、実験上の不正確さ、即ち、分子のコンフォメーションに対する標識の効果、活性な結合性エピトープの遮断、立体障害、標識サイトへの不到達性、又は実験における全ての分子に対して同等に機能する適当な標識を見出すことができないことによってもたられる不正確さの問題を除去する。標識を使用しない検出法は、アッセイ法の開発に要する時間と労力を著しく単純化すると共に、失活、貯蔵寿命及びバックグラウンド蛍光のための必要な実験的道具を必要としない。
【００１２】
標識を使用しないその他の光学的バイオセンサーに比べて、光子的結晶の機能は、広帯域の光源（例えば、白熱電球又はＬＥＤ）から垂直の入射角で光を照射し、反射される色彩のシフトを測定することによって容易に調べることができる。簡単な励起／読み出しスキームの利用により、実験室用器具に使用するのに適した安価で小型の強靱なシステム、及びケア医療用診断法や環境の監視に使用される手持ちの携帯システムを得ることが可能となる。光子的結晶自体は電力を消費しないので、この種の装置は、種々の液体状又は気体状のサンプリングシステム内へ容易に埋設することができる。あるいは、この種の装置は、単一の照明／検出基地によって建物内の何千ものセンサーの状態が追跡される光学的ネットワーク中に配置させることができる。
【００１３】
光子的結晶のバイオセンサーは広範囲の材料と方法によって製造することができるが、連続的なフィルム状シートを用いておこなうプラスチックに基づく製法によれば、高感度の構造体が得られることが判明している。従来はその他のバイオセンサーに対しては経済的に不適当とされていたプラスチックに基づく設計と製法によれば、低コスト／アッセイが要求される用途において使用されるべき光子的結晶バイオセンサーが得られる。
【００１４】
本発明の譲受人は、光子的結晶バイオセンサーとこれに関連する検出装置を開発した。このセンサーと検出装置は次の特許文献に記載されている：米国特許出願公報２００３／００２７３２７号、同２００２／０１２７５６５号、同２００３／００５９８５５号及び同２００３／００３２０３９号。共鳴ピーク波長のシフトの検出法は、米国特許出願公報２００３／００７７６６０号に教示されている。これらの特許文献に記載されているバイオセンサーは、プラスチック製のフィルム又は基体の連続的シート上へ適用された一次元的又は二次元的な周期的構造化表面を含む。この結晶の共鳴波長は、垂直入射におけるピーク反射率を、０．５ピコメーターの波長分解能が得られるスペクトロメーターを用いて測定することによって決定される。三次元的なヒドロゲル表面の化学的性質を利用しないで得られた質量検出感度（１ｐｇ／ｍｍ２）よりも小さな値は、その他の市販のバイオセンサーによっては証明されていない。
【００１５】
前記の特許出願の明細書に記載されているバイオセンサー装置の基本的な利点は、プラスチック材料を用いる連続的な工程（１〜２フィート／分）によって大量生産できることである。このようなセンサーを大量生産する方法は、米国特許出願公報２００３／００１７５８１号に記載されている。
【００１６】
図１に示すように、バイオセンサー１０の周期的表面構造体は低屈折率を有する材料１２から形成されており、該材料は、より屈折率の高い材料１４によって被覆される。低屈折率材料１２は基体１６と結合される。この表面構造体は、ポリエステル製の基体１６の表面上での連続的製膜法を用いることによって、シリコンウェーハ「マスター」金型（即ち、所望の複製構造体のネガティブ）からの硬化エポキシ層１２の内部で複製される。液状のエポキシ１２をマスター格子の形態に適合させ、次いで紫外線の照射によって硬化させる。好ましくは、硬化エポキシ１２は、ポリエステル製のシート状の基体１６と接着させ、シリコンウェーハから剥離させる。センサーの製造工程は、屈折率の高い材料である酸化チタン（ＴｉＯ２）を硬化エポキシ１２の格子表面上へスパッター法により１２０ｎｍの厚さで沈着させることによって完結する。酸化チタンを沈着させた後、マイクロプレートの切片（３×５インチ）をセンサーのシートから切り取り、該切片を、底のない９６個のウェル及び３８４個のウェルを具有するマイクロタイタープレート（microtiter plate）の底部へエポキシを用いて結合させる。
【００１７】
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規定するウェル２０は液状試料２２を保有する。底のないマイクロプレートとバイオセンサー構造体を組み合わせたものは集合的にバイオセンサー装置２６として図示する。この方法によれば、非常に低いコストで、光子的結晶のセンサーを平方ヤードの規模で大量生産することができる。
【００１８】
光子的結晶のバイオセンサー用の検出装置は、構造が簡単で、安価で、消費電力が少なく、強靱である。このシステムの模式図を図２に示す。反射される共鳴を検出するためには、白色光源からの光を、光ファイバー３２（直径：１００μｍ）とコリメーターレンズ３４を通して、通常はマイクロプレートの底部を垂直の入射角で通過させることによってセンサーの表面領域（直径が約１ｍｍの領域）へ照射する。検出ファイバー３６は、スペクトロメーター３８を用いる分析用の反射光を集めるための照射ファイバー３２を用いて束ねられる。８個の一連の照明／検出ヘッド４０は直線上に配置されるので、反射スペクトルは、マイクロプレートの一列内の８個の全てのウェルから一度に集められる（図３参照）。
【００１９】
マイクロプレート＋バイオセンサー１０は、Ｘ−Ｙ軸方向でのアドレスで呼び出せる作動段階（motion stage）にあるので（図２には図示せず）、マイクロプレート内の各々のウェル列は順次アドレス指定することができる。測定時間は、作動段階の速度によって制限されるが、この装置を使用する場合には、９６個の全てのウェルに関する測定は約１５秒間でおこなわれる。図２及び図３に示すシステムの構成に関するさらに詳細な説明は、米国特許出願公報２００３／００５９８５５号に記載されている。バイオセンサーの好ましい製造方法は、本件出願の出願日と同日付のステファン・シュルツによる米国の仮特許出願の明細書に開示されている（発明の名称：「最適化格子に基づくバイオセンサーと基板との組合せ」；代理人のファイル番号：０５−５４７）。
上記の全ての引用技術は、本願明細書の一部を構成するものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
本発明は、従来の上記問題点を解決する格子に基づく新規なバイオセンサーを提供するためになされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
即ち、本発明は、
i）試料を収容するための格子構造及び
ii）該格子構造を支持する基体であって、光源方向に配向される散乱性粗性特性の付与処理に付された表面を有する該基体
を具備するバイオセンサーであって、該バイオセンサーに担持される被検出物質を検出するための光源によって照明されるように適合した該バイオセンサーに関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
下記の実施態様とこれらの特徴は、範囲を制限しない例示的なシステム、装置及び方法によって例証的に説明するものである。種々の実施態様においては、前述の１又は複数の問題点を軽減又は解消し、また、その他の実施態様は別の改良に向けられたものである。
【００２３】
バイオセンサーの基体構造体が提供される。該構造体は、粗性化表面又は非反射性表面を、バイオセンサーの照明／検出装置の反対側に位置する基体面上に組み込む構成によって、センサーの活性表面による反射光と基体／空気界面からの反射光との光学的干渉効果を除去する。この開示内容に従って、有用な非反射性又は抗干渉性の表面を種々の方法によって形成させることができる。このような方法としては、１）光学的散乱性物質（例えば、ＵＶ硬化性アクリレート等）を含有する塗料をセンサーの基体へ添加する方法、２）センサーの基体表面のエッチング法又はその他の粗性化法、及び３）基体表面へ格子構造を付与する方法等が例示される。
【００２４】
１つの実施態様においては、バイオセンサーは、バイオセンサーに装填される物質を検出するために光源によって照明されるように構成される。バイオセンサーは、試料を保有するための格子構造（grating structure）及び該格子構造を支持するための基体を具有する。基体は、光源の方向に配向される表面を有する。この場合、該表面は、該表面に散乱性の粗性化特性が付与されるような処理に付される。
【００２５】
別の実施態様においては、光源、レーザー光源によって照明されるように適合したバイオセンサー、及びバイオセンサーから反射される光を検出するための検出器を具備するバイオセンサー検出システムが提供される。バイオセンサーは、試料を保有するための格子構造及び該格子構造を支持するための基体を具有する。この場合、該基体はレーザー光源の方向へ配向される表面を有し、該表面は、該表面に散乱性の粗性化特性が付与されるような処理に付される。
【００２６】
さらに別の実施態様においては、下記の工程ａ）〜ｃ）を含むバイオセンサーの製造方法が提供される：
ａ）上部面と下部面を有する支持体を準備し、
ｂ）該上部面へ格子構造を付与し、次いで
ｃ）該下部面を、拡散性の粗性特性を付与する処理に付す。
前述のように、散乱性の粗性化特性を該下部面へ付与するためには、種々の方法を使用することが可能である。
【００２７】
１つの可能な実施態様においては、上記方法を実施することによって、基体へ塗布されて下部面の処理をもたらす塗膜を有する該基体上にバイオセンサーが形成される。基体は、先行する製造工程において塗料が塗布された状態で、製造業者から大量に入手することができる。例えば、片面がＵＶ硬化アクリレート艶消仕上げ層で予め被覆されたＰＥＴフィルムを製造業者から購入することができる（該被覆層は、当該分野においては、まぶしさ防止用硬質塗膜として知られている）。現在では、この態様は好ましいものとされている。この理由は、センサーの製造業者にとって、基材ＰＥＴフィルムを粗性化するための付加的な処理工程が省略できるからである。
【００２８】
例示的な実施態様を添付図に基づいて説明する。これらの実施態様及び添付図は、本願発明を例示的に説明するためのものであって、本願発明を限定するものではない。
図１は、従来技術によるバイオセンサーの部分的な模式的断面図である。
図２は、従来技術によるバイオセンサー／検出システムであって、該バイオセンサーを照明すると共に、該バイオセンサーからの反射光のピーク波長のシフトを測定するための該システムの模式図である。
図３は、底のないマイクロタイタープレートの基底部へ固定された図１に示す構造を有するバイオセンサー装置のウェルの全列を読み取る８個の照明ヘッドを具備する模式的構成図である。
図４は、好ましい実施態様によるバイオセンサーの断面図である。
図５は、波長の関数としての強度に関する２つのグラフを示す（一方のグラフは、図１〜３に示すタイプのセンサーを用いて得られたものであり、他方のグラフは、図４に示すタイプのセンサーを用いて得られたものである。）
【００２９】
いくつかのタイプの光バイオセンサーを、垂直又はほぼ垂直な入射角の光でバイオセンサー装置を照明することによって作動させる。光子的結晶の概念に基づくバイオセンサー、例えば、前述の特許出願の明細書に記載されている導波モード共鳴フィルター（guided mode resonance filter ；ＧＭＲ）バイオセンサー又は銀ナノ粒子アレイ（silver nanoparticle array）バイオセンサーが特に重要である。この種のタイプのバイオセンサーにおいては、センサーの活性表面への生化学的物質（例えば、ＤＮＡ、ＲＮＡ、化学分子、タンパク質、ウイルス、バクテリア、及び細胞等）の結合又は取り込みによって、照射波長の関数としてのセンサーの反射／透過特性が変化する。
【００３０】
一般的には、該活性表面は、基体材料、例えば、ガラス、プラスチック [例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）；一般的には、「マイラー（Mylar）」（登録商標）として知られている]、又はバイオセンサーをシステムと一体化させるシリコン等によって支持される。一般的には、基体は、上部面と下部面が平坦で平行な平面構造を有する。バイオセンサーの活性表面への光照射は直接的におこなってもよく、あるいは、基体材料を介しておこなってもよい。光の照射源は広範囲の光源から選択すればよく、例えば、広範囲の波長の光を発生する白熱電球又は発光ダイオード（ＬＥＤ）を使用してもよい（白熱電球の波長：１００〜１０００ｎｍ；ＬＥＤの波長：１〜１００ｎｍ）。あるいは、照射源は狭帯域（narrowband）源、例えば、レーザー（＜１ｎｍ）等であってもよい。
【００３１】
図４においては、バイオセンサーの好ましい態様の断面を示す。センサーは、ＰＥＴフィルムであってもよい基体１６に適用された格子層１２を具有する。屈折率の高い材料１４が格子層１２の上部に沈着される。基体の下部表面１７には光学的散乱層４０が設置される。該層４０は艶消し塗膜（ＵＶ硬化アクリレートを基材とする塗膜）の形態、表面１７の粗性化層の形態、又は表面１７へ適用された格子の形態であってもよい。片面がＵＶ硬化アクリレート艶消仕上げ層（当該分野では、まぶしさ防止用硬質塗膜として知られている）で予め被覆されたＰＥＴフィルムを製造業者から購入することも可能である。現在では、この態様は好ましいものとされている。この理由は、センサーの製造業者にとって、基材ＰＥＴフィルムを粗性化するか、又は格子層を設けるための付加的な処理工程が省略できるからである。
【００３２】
図４に示す構成態様によれば、例えば、図１〜３に示す実施態様における層４０利用しない場合に発生する光学的干渉の問題は解消される。特に、バイオセンサーの構造内の光学的に異なるいずれかの２つの界面は、光学的干渉スペクトルパターンを発生する。２つの界面から反射されて同じ方向へ伝搬する光波は、位相内においては強め合う干渉をし、位相外においては弱め合う干渉をする。強め合う干渉はより高い強度をもたらすが、弱め合う干渉はより低い強度をもたらす。垂直入射角の場合、２ｎｄ＝ｍ（λ／２）[式中、ｄは光学軸に沿った干渉界面間の距離を示し、λは特定の波長を示し、ｎは界面間の媒体の屈折率を示し、ｍは整数を示す] のときに、弱め合う干渉が発生する。一方、２ｎλ＝ｍλのときには、強め合う干渉が発生する。ｄとｎが固定されると、強度はスペクトル域にわたって高く又は低く変化する。干渉効果は反射光と透過光のいずれによっても発生し、また、入射角の変化によっても発生する。
【００３３】
図４に示す態様によって説明するならば、本発明は、主として基体／空気界面１７からの反射光３７とバイオセンサーの活性表面からの反射光３６との干渉に向けられる。これらの表面１２及び１７は最も強い反射強度を示し、これによって最も顕著な干渉効果がもたらされる。さらに、基体１６の相対的に大きな厚さによって、狭いスペクトル間隔（バイオセンサーによってもたらされる有用なスペクトル的特徴と同じようなオーダーの間隔）を伴う最大干渉と最小干渉がもたらされる。基体による干渉とバイオセンサーの情報信号との間におけるスペクトル的周期性がこのように類似することによって、センサー信号の不確定性は増大する。
【００３４】
基体−バイオセンサーからの反射スペクトル又は透過スペクトルを観測することによって、バイオセンサーの活性表面の反射特性又は透過特性（例えば、鋭い共鳴ピーク等）に基づいて重ね合わされた波長の関数としての強度の周期的な変化がもたらされる。極値での干渉の周期と位置は、基体の厚さの僅かな空間的変化と測定波長によって左右される。従って、変調（modulation）の特性は完全には予測することができず、また、空間的に均一ではない。
【００３５】
図４において、このような問題に対処するための第１の観点によれば、バイオセンサーの照射装置と検出装置３０及び３８に対置する側の基体表面上に配設される粗性化表面又は非反射性表面４０によって光学的干渉効果を取り除く構造を有する基体１６が配設される。先に言及したように、有用な粗性化表面４０は、本発明の開示内容に従って、種々の方法によって形成させることができ、このような方法としては次の方法が例示される：１）光学的散乱物質の塗料を基体の底部表面（１７）上へ添加する方法（あるいは、既に塗布された塗膜を有する基体１６をメーカーから購入してもよい。）、２）表面１７を腐食処理に付すことによって粗性化表面４０を形成させる方法、及び３）表面１７に格子構造を付与する方法。
【００３６】
散乱性塗膜は、例えば、適当な表面粗性度を付与する粒度を有する透明粒子を含有する比較的硬質な架橋ポリマー材料から構成されていてもよい。
【００３７】
基体表面１７の腐食処理は、例えば、プラズマ室内においておこなってもよい。この腐食処理によって、より繊細な特徴を有する表面が得られる。
【００３８】
表面（１７）上へ型押しされるか、又は印刷される格子は類似の効果をもたらすことができる。センサーの基体へ格子を付与する方法は、本願の出願日と同日付の米国仮特許出願（出願人：ステファン・シュルツ；発明の名称：「最適化格子に基づくバイオセンサーと基体との組合せ」；代理人のファイル番号：０５−５４７）の明細書に開示されている。付加的な裏面格子によって抗反射特性が得られる。しかしながら、干渉問題に対するこの解決法は、現段階では、センサーの製造コストを著しい高騰をもたらすが、この問題は、製造技術の進歩に伴って、改善されるかもしれない。
【００３９】
ディスプレイ、タッチスクリーン又は写真複製の分野における特許文献には、「ニュートンリング」を除去するための類似の表面処理法が例示されている。このような特許文献としては、米国特許第６５９２９５０号及び同第６５５５２３５号各明細書が例示される。ニュートンリングは、例えば、小さな空隙によって発生する空間的に分布した可視干渉模様である。「抗ニュートンリング（Anti Newton ring；ＡＮＲ）」処理又はＡＮＲ塗膜は、空隙を含む一方又は両方の表面から反射される光の干渉性を消失させる。バイオセンサーの場合、不都合な干渉性模様は、２つの基体間の干渉よりも基体内の干渉に起因して発生する。バイオセンサーの基体内で発生する干渉縞模様は、該模様を不可視性にするが、センサーの操作を中断させる非常に狭いスペクトル間隔を有する。このようなＡＮＲ技術を光学的バイオセンサーの分野に適用することは新規な事項であると考えられる。
【００４０】
先に言及したように、基体１６の表面１７へ適用される層４０は、基体の上部表面と下部表面との間の光学的干渉を、該下部表面からの反射光及び基体１６と格子１２との間の上部界面からの反射光との干渉的整列を防止することによって排除する。本発明は、測定感度が反射スペクトル又は透過スペクトルのスペクトル分布における小さな変化の検出に依存する光学的バイオセンサーに対して特に有用である。この場合、バイオセンサーの光学的信号と重ね合わされる干渉によって引き起こされるスペクトルの変調は誤差をもたらし、センサーの分解能を低下させる。
【００４１】
従来技術においては、光学的バイオセンサーにおける干渉の問題はいくつかの異なる方法によって検討が加えられているが、いずれの方法も固有の欠点を伴う。
【００４２】
１．ボックスカー平均（boxcar averaging）
バイオセンサーの反射スペクトル又は透過スペクトルからの光学的干渉効果は、「ボックスカー平均」と呼ばれている技法によって数学的に除去することができる。一般的には、反射スペクトル又は透過スペクトルは、狭い間隔でおこなわれる一連の慎重な測定により、広範囲の波長にわたって得られる。いずれかの特定の波長（λ）に対して、スペクトル中の次の最も近い測定は、λ＋Ｄλ及びλ−Ｄλである（Ｄλは波長間隔を示し、該波長間隔は、実際は分光計ハードウェアによって決定される）。全てのλに対して、「ボックスカー長さ」と呼ばれる特定の間隔（ｂ）にわたって、平均応答と近接応答がボックス平均によって決定される。新たな平均スペクトルｇ（λ）は、次式によって、測定スペクトルｆ（λ）から計算される。
【００４３】
【数１】
2008530567.tif 000003
【００４４】
ボックスカー平均は、干渉効果によって得られるスペクトルの高い部分と低い部分をならした反射率スペクトルを提供する。この手法にはいくつかの欠点がある。第１に、干渉周期は、常にバイオセンサーの製造中に予測される所定のプロセス変数（process variation）であるわけではない。バイオセンサーの実際の使用によっても干渉周期の変化がもたらされる。最適な結果を得るためには、干渉スペクトルを解析し、ボックスカー平均を特定の環境に適合させなければならない。
【００４５】
第２に、平均スペクトルは、バイオセンサーの光学的応答の改変された「低分解能」スペクトルを示すにすぎない。この平均化プロセスは、生化学的物質の結合によってもたらされるスペクトルの微妙なシフトを不明確なものとする。干渉によってもたらされるスペクトル変調を効果的に除去するためには、干渉の周期（理想的には、１周期よりも長い周期）を概算する範囲にわたって平均化処理を実行しなければならない。干渉変調が、バイオセンサーの重要なスペクトル的特徴（例えば、共鳴ピーク）と類似する周期を有するならば、バイオセンサーのスペクトル的応答はこの平均化によって実際上ならされ、応答の小さな変化の検出は制限されることになる。
【００４６】
２．反射防止膜
２つの表面から反射される光波間において干渉効果が発生する場合には、一方の表面からの反射を抑制することによって、干渉は低減される。従って、光学的成分に対置する基体表面（１７）上へ反射防止（ＡＲ）膜を形成させることによって、バイオセンサーの応答に関する干渉変調の重なりを低減させることができる。ＡＲ膜は、予め設定された波長範囲にわたって、異なる屈折率を有する２種の物質の界面からの反射強度を低下させる。
【００４７】
一般的には、ＡＲ膜は、蒸着法又はスパッタリング法等によって高精度で沈着される誘電性物質の薄膜から成る。ＡＲ膜に基づく薄膜を含む層の厚さ、屈折率及び数は、有用なスペクトルの幅、位置及び反射レベルを決定する。活性バイオセンサーに対置する表面上における基体／空気界面から反射されるエネルギーの最少化によって、該表面からの反射光の干渉を最少にすることができる。
【００４８】
ＡＲ膜の適用による製造コストは、本発明によって提供される解決策に比べてかなり高くなる。さらに、ＡＲ膜を有するバイオセンサーの底部表面の汚染又は引掻によってＡＲ膜の効果は失われる。一方、本発明において用いられる散乱性塗膜は格別の耐久性を有しており、しかも低コストで得ることができる。
【００４９】
３．非平面状基体の使用
バイオセンサー基体の前面と裏面との間の光学的干渉は、該基体の前面と裏面を相互に非平行にすることによって低減させるか、又は除去することができる。この場合、基体の上部表面からの反射光と底部表面からの反射光は相互に平衡状態にならないために、両者が強め合って干渉する機会及び弱め合って干渉する機会はない。この解決策自体は、大きな平面状基体の大量生産には不適当である。
【００５０】
本明細書に開示された教示事項を利用することにより、以下の利点を含む多くの機能的な利点が得られる：
１）ボックスカー平均化技法に比べて、バイオセンサーの反射率特性又は透過率特性における小さなシフトの測定は、より正確かつ簡易におこなうことができる。
２）干渉性に対するより高い確度に起因して、バイオセンサーは、そのピーク波長値がレーザーによって得られる系において使用するために十分に適合させることができる。
３）コストは、センサー表面への反射防止膜の沈着のコストに比べて、約十分の一である。
４）この解決策によれば、垂直又はほぼ垂直な入射角でセンサーを照射することによってバイオセンサーを測定するバイオセンサー検出装置の使用を可能にする。垂直又はほぼ垂直な入射角は、照射源と検出器の簡単かつ強固な光学的配列にとって最も簡便である。
【実施例】
【００５１】
図５は、波長の関数としての強度に関する２つのグラフを示す。一方のグラフ（４０）は図１〜図３に示すタイプのセンサーに関するものであり、他方のグラフ（４２）は図４に示すタイプのセンサー［図中の層（４０）は艶消し架橋ポリマー製であって、光学的散乱層として作用する］に関するものである。図５においては、次の点に注意すべきである。即ち、バイオセンサーの活性表面からの反射光と基体の下部面からの反射光との干渉によって局部的な極大値（４６）が出現し、この干渉に起因する極大値は、共鳴ピークの位置の計算において誤差をもたらす。グラフ（４０）における干渉縞（４４）にも注意すべきである。しかしながら、図４に示す構造を有するバイオセンサーの場合には、グラフ（４２）は、ピーク共鳴周波数の計算において誤差をもたらすか又は該計算を歪曲する局部的極大値（４６）の場合のような局部的極大値又は干渉縞は出現しない。層（１７）の表面を粗性化する態様又はセンサーの基体の下部表面（１７）へ格子を適用する態様に対しても類似の結果が予測される。
【００５２】
以上の説明においては、多数の例示的な観点と態様について議論したが、当業者であれば、これらの観点や態様に種々の修正、置換、付加及びこれらの任意の併用手法を適用することができる。従って、係属中の請求項及び今後追加される請求項には、これらの全ての修正、置換、付加及び併用手法を適用する観点や態様も、本願発明の技術的思想と範囲に含まれるものとして包含される。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１】従来技術によるバイオセンサーの部分的な模式的断面図である。
【図２】従来技術によるバイオセンサー／検出システムであって、該バイオセンサーを照明すると共に、該バイオセンサーからの反射光のピーク波長のシフトを測定するための該システムの模式図である。
【図３】底のないマイクロタイタープレートの基底部へ固定された図１に示す構造を有するバイオセンサー装置のウェルの全列を読み取る８個の照明ヘッドを具備する模式的構成図である。
【図４】好ましい実施態様によるバイオセンサーの断面図である。
【図５】波長の関数としての強度に関する２つのグラフを示す（一方のグラフ４０は図１〜３に示すタイプのセンサーを用いて得られたものであり、他方のグラフ４２は図４に示すタイプのセンサーを用いて得られたものである。）
【符号の説明】
【００５４】
１０  バイオセンサー
１２  低屈折率材料
１４  高屈折率材料
１６  基体
２０  ウェル
２２  液状試料
２６  バイオセンサー装置
３０  照射装置
３２  光ファイバー
３４  コリメーターレンズ
３８  スペクトロメーター（検出装置）
４０  光学的散乱層（粗性化表面）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【国際調査報告】
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