(57)【要約】  結合表面(12)付近で標的成分(10)を検出するマイクロエレクトロニクスセンサデバイス(100)が供される。当該マイクロエレクトロニクスセンサデバイス(100)は、前記結合表面(12)に入射する、ある波長を有する放射線ビーム(101)を放出する光源(21)、前記結合表面(12)によって画定され、かつ前記結合表面(12)から減衰長にわたって試料チャンバ(2)にまで延在する検出容積(4)内において、前記結合表面(12)に入射する放射線に応答してエバネッセント放射線を供する、前記結合表面(12)付近に設けられた光学構造(11)、並びに、前記光源(21)から放出された入射放射線に応答して、前記の検出容積(4)内に存在する標的成分(101)からの放射線を検出する検出器(31)を有する。前記結合表面(12)には、回折限界未満である最大面内検出容積寸法(W1)によって取り囲まれた1つ以上の検出容積(4)を供する、誘電材料(3)からなる直立する壁(3)が供される。前記回折限界は、前記放射線の波長及び前記標的成分(10)を含む媒質(2)によって定められる。
2011503536.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
媒質中に標的成分を含む検出容積内において、入射放射線に応答してエバネッセント放射線を供する光学素子であって、
前記検出容積は回折限界未満である少なくとも1つの面内寸法を有し、
前記回折限界は、前記放射線の波長及び前記標的成分を含む媒質によって定められ、
前記検出容積には誘電材料からなる少なくとも1つの壁が供される、
光学素子。
【請求項２】
前記検出容積の壁に誘電材料層が供される、請求項1に記載の光学素子。
【請求項３】
前記誘電材料が1.0乃至1.7の屈折率を有する、請求項1に記載の光学素子。
【請求項４】
前記誘電材料は、ポリ（テトラフルオロエテン）、SiO2、Si3N4、SiOxNy及び上記の混合物を有する群から選ばれ、xとyは相対比を表す、請求項1に記載の光学素子。
【請求項５】
前記検出容積が単一標的成分を含むような寸法である、請求項1に記載の光学素子。
【請求項６】
前記面内検出容積の寸法のうちの少なくとも1つが250nm未満である、請求項1に記載の光学素子。
【請求項７】
開口部を画定する構造を有する光学素子であって、
前記開口部を画定する構造は、前記回折限界未満である最小面内開口部寸法を有し、かつ各検出容積を取り囲む、
請求項1に記載の光学素子。
【請求項８】
前記開口部を画定する構造が最大面内最高寸法を画定し、かつ
前記最大面内最高寸法は前記回折限界よりも大きい、
請求項5に記載の光学素子。
【請求項９】
前記開口部を画定する構造が前記キャリア上に供された金属媒質を有する、請求項5に記載の光学素子。
【請求項１０】
前記標的成分を含む媒質を有する、チャンバ壁によって画定された試料チャンバをさらに有する光学素子であって、
前記試料チャンバのチャンバ壁のうちの少なくとも1つは前記光学素子によって形成される、
請求項1に記載の光学素子。
【請求項１１】
前記検出容積を供する穴でパターニングされた上部透明誘電層を有する光学素子であって、
前記上部透明誘電層は、該上部透明誘電層よりも屈折率の大きな底部透明層によって層の界面を画定し、
前記層の界面が画定されることで、前記検出容積内であって前記層の界面での全内部反射によってエバネッセント放射線が供される、
請求項1に記載の光学素子。
【請求項１２】
請求項1に記載の光学素子を有するマイクロエレクトロニクスセンサであって：
前記光学素子に入射する、ある波長を有する放射線ビームを放出する光源；及び
前記の光源から放出された放射線ビームに応答して前記光学素子の検出容積中に存在する標的成分からの放射線を検出する検出器；
をさらに有する、マイクロエレクトロニクスセンサ。
【請求項１３】
前記光源は環状ビームとして供され、かつ
前記ビームが検出スポットへ向かって集光されるように光学系が供される、
マイクロエレクトロニクスセンサ。
【請求項１４】
光学素子の1つ以上の検出容積中の媒質での標的成分の検出方法であって：
前記光学素子に入射する、ある波長を有する放射線ビームを放出する工程；
前記検出容積内において前記光学素子に入射する放射線に応答して、前記光学素子によってエバネッセント放射線を供する工程；
前記の放出された入射放射線に応答して前記検出容積中に存在する標的成分からの放射線を検出する工程；及び
前記1つ以上の検出容積を誘電材料からなる少なくとも1つの直立した壁によって取り囲む工程；
を有する方法。
【請求項１５】
前記媒質の標的成分濃度が、前記検出容積内で単一分子が存在する濃度と等しくなるように供される、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
前記エバネッセント放射線が、前記回折限界未満である最小面内開口部寸法と前記回折限界よりも長い最大面内開口部寸法を有する、前記結合表面上に供された開口部を画定する構造によって供され、かつ
前記光源からの入射放射線はR偏光で、かつ前記開口の透過面に対して直交する電場を有する、
請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
キャリアを製造する方法であって：
基板上に開口部を画定する構造を供する工程であって、前記開口部を画定する構造は、回折限界よりも短い最小面内開口部寸法と前記回折限界よりも長い最大面内開口部寸法を有し、かつ面外寸法を有する、工程；
前記開口部を画定する構造を誘電材料で満たすことで前記開口部を画定する構造上に上部層を供する工程であって、前記上部層は、前記構造から面外方法に向かって前記面外寸法Dと実質的に等しい距離だけ延在する、工程；
最大開口部寸法を横切るように配向するように誘電体中にスリットパターンを供する工程；及び、
検出限界よりも短い面内容積寸法を有する検出容積を1つ以上供するため、前記開口部を画定する構造中に誘電材料からなる直立した壁を供するように、前記上部層を前記面外寸法だけエッチングする工程；
を有する方法。
【請求項１８】
前記標的成分が生体分子と結合するように備えられている、請求項17に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、標的成分を検出するための光学素子及び該光学素子を有するマイクロエレクトロニクスセンサデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
非ホモジニアスアッセイでは、標的である生体分子の濃度は、センサ表面に束縛された標的である生体分子を表す標的である生体分子又はビーズの表面濃度を測定することによって決定することができる。例として、結合表面（基板）が標的分子で覆われる競合アッセイ法が考えられうる。ビーズは、（標的分子の）特定の抗体で覆われて良く、かつその標的分子を含む流体内に分散される。試料中の自由標的分子は、抗体でコーティングされたビーズへの結合を巡って、センサ表面に固定された標的分子と競合する。低濃度の場合では、抗体がセンサ表面で標的分子と結合する可能性は、その抗体が溶液中の標的分子と結合する可能性よりも高い。表面に束縛されるビーズの表面濃度を測定することによって、標的分子の濃度を決定することができる。しかし濃度の正確な測定には、溶液中のビーズに対して十分に不感である高い表面選択性を有する検出法が必要となる。さらに検出された信号は、試料の母体-全血、全唾液、尿、又は他の体液-に対して独立でなければならない。
【０００３】
光学検出法では、高い表面選択性は、測定容積を減少させることによって実現可能である。このことを実現させる一の方法は共焦点イメージングによるものである。共焦点イメージングでは、測定容積は典型的には数波長（たとえば1μm）にまで減少する。しかしDNA塩基配列決定は、測定容積をさらに減少させること-最大でも単分子を含む容積に相当する程度-が好ましい一例である。この容積では、リアルタイム配列決定は、単分子の後続DNA-ポリメラーゼ反応に関与するラベル付けされたヌクレオチドを特定することによって監視及び特定することができる。本明細書では、特許文献1はDNA分子の検査方法を開示している。その方法では、単分子が1回に通過する量を制限するため、光導波路の流体コアの流路内に所謂ナノ孔が供されている。
【０００４】
特許文献2は、マイクロ流体チャネルの代わりに、エバネッセント場を発生させるピンホールマトリックスを用いることについて記載している。しかし特許文献2は、ピンホールの測定容積とエバネッセント場との関係を設定する。このため検出可能性が制限される。なぜなら測定容積は開口幅に依存するからである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許出願公開第2006/0098927号明細書
【特許文献２】米国特許第7013054号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
標的成分を検出するマイクロエレクトロニクスセンサデバイスであって標的成分を含む容積が発生したエバネッセント場の減衰長を制限しないようなもの-たとえばDNA塩基配列決定目的のセンサデバイス-を供することが求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
従って本発明の一の態様では、媒質中に標的成分を含む検出容積内において、入射放射線に応答してエバネッセント放射線を供する光学素子が供される。前記検出容積は回折限界よりも短い面内寸法(W1)を少なくとも1つ有し、前記回折限界は前記放射線の波長及び前記標的成分を含む媒質によって定められ、前記検出容積には誘電材料からなる少なくとも1つの壁が供される。
【０００８】
前記誘電材料は、ポリ（テトラフルオロエテン）、SiO2、Si3N4、SiOxNy及びこれらの混合物を有する群から選ばれることが好ましい。ここでxとyは相対比を表す。
【０００９】
本発明の他の態様では、光学素子の1つ以上の検出容積中の媒質での標的成分の検出方法が供される。当該方法は、前記光学素子に入射する、ある波長を有する放射線ビームを放出する工程、前記検出容積内において前記光学素子に入射する放射線に応答して、前記光学素子によってエバネッセント放射線を供する工程、前記の放出された入射放射線に応答して前記検出容積中に存在する標的成分からの放射線を検出する工程、及び前記1つ以上の検出容積を誘電材料からなる少なくとも1つの直立した壁によって取り囲む工程、を有する。ここで前記検出容積は回折限界よりも短い面内寸法(W1)を少なくとも1つ有し、前記回折限界は前記放射線の波長及び前記標的成分を含む媒質によって定められる。
【００１０】
本発明のさらに他の態様では、キャリアを製造する方法が供される。当該方法は、基板上に開口部を画定する構造を供する工程であって、前記開口部を画定する構造は：回折限界よりも短い最小面内開口部寸法(W1’)と前記回折限界よりも長い最大面内開口部寸法W2を有し、かつ面外寸法Dを有する、工程；前記開口部を画定する構造を誘電材料で満たすことで前記開口部を画定する構造上に上部層を供する工程であって、前記上部層は、前記構造から面外方法に向かって前記面外寸法Dと実質的に等しい距離だけ延在する、工程；最大開口部寸法を横切るように配向するように誘電体中にスリットパターンを供する工程；及び、検出限界よりも短い面内容積寸法(W1)を有する検出容積を1つ以上供するため、前記開口部を画定する構造中に誘電材料からなる直立した壁を供するように、前記上部層を前記面外寸法Dだけエッチングする工程；を有する。ここで前記回折限界は前記放射線の波長及び前記標的成分を含む媒質によって定められる。
【００１１】
本発明のこれら及び他の態様は、以降で説明する（複数の）実施例を参照することで明らかとなる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１Ａ】本発明の態様による第1の概略的実施例を図示している。
【図１Ｂ】本発明による代替実施例を図示している。
【図２】図1の実施例におけるキャリアの上面及び断面を概略的に図示している。
【図３】第1実施例を供する製造プロセスを概略的に図示している。
【図４】本発明の態様による第2実施例を図示している。
【図５】図4の実施例についての減衰長を詳細に表すグラフを示している。
【図６】図4の実施例の代替実施例を図示している。
【図７】図4の実施例の代替実施例を図示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明によるマイクロエレクトロニクスセンサデバイスは、標的成分を定性的又は定量的に検出する役割を果たすことができる。ここで標的成分とは例えば、生体分子、複合体、細胞片、又は細胞のような生体物質であって良い。「標的成分」という語は、ある特性（たとえば光学密度、磁気感受率、電荷、又は発光）を有する任意の粒子（原子、分子、複合体、ナノ粒子、マイクロ粒子等）を指称するものとする。標的成分には、検出されることでその標的成分の存在を（間接的に）明らかにすることが可能なラベル粒子も含まれる。「標的成分」及び「ラベル粒子」は同一であっても良い。それに加えて本発明の態様によるマイクロエレクトロニクスセンサデバイスは以下の構成要素を有する。
a)  標的成分を収集することが可能な結合表面を有するキャリア。ただし原則として、当該光学素子は、結合表面のない検出容積を画定して良い。「結合表面」という語は、本明細書において基本的には、キャリア表面の特定部分を固有に表すものとして選ばれる。標的成分は多くの用途において実際に前記表面と結合するとはいえ、必ずしも前記標的成分と前記表面とが結合する必要はない。前記標的成分は前記結合表面に到達して、（典型的には、標的成分に関連するパラメータ、標的成分と結合表面との相互作用に関連するパラメータ、標的成分の移動度に関連するパラメータ等によって決定される濃度だけ）収集される。透過性の装置構成では、キャリアは、所与のスペクトル範囲の光（特に後で定義される光源によって放出される光）に対して高い透過率を有することが好ましい。キャリアはたとえば、ガラス又は透明プラスチックで作られて良い。キャリアは透過性であって良い。そのキャリアは開口部を画定する構造を保持する機能を供する。前記開口部を画定する構造はキャリア上に供され、回折限界よりも短い最小の面内開口部寸法(W1)を有する。
b)  放射線ビーム-以降「入射光ビーム」と呼ぶ-を上述したキャリアへ放出する光源。入射光ビームが放出されることで、前記入射光ビームは少なくとも前記キャリアの結合表面の検査領域で反射される。前記光源はたとえば、レーザー又は発光ダイオード(LED)であって良く、前記入射光ビームを整形及び導光する光学系が任意で備えられて良い。「検査領域」とは、結合表面の副領域であって良く、又は完全な結合表面を有しても良い。検査領域は典型的には、入射光ビームによって照射される実質的に円形スポットの形状を有する。
c)  前記の光源から放出された入射放射線に応答した、検出容積内に存在する標的成分からの放射線を検出する検出器。「標的成分からの放射線」という語は、その標的成分-場合によってはラベル粒子-の存在を検出することが可能な任意の放射線を含む。限定することなく、前記放射線は、散乱する放射線、反射する放射線、又は発光する放射線であって良い。検出器は、所与のスペクトルの光を検出することが可能な任意の適切なセンサ又は複数のセンサを有して良い。そのようなセンサはたとえば、フォトダイオード、フォトレジスタ、フォトセル、又は光電子増倍管であって良い。本明細書において、光又は放射線という語が用いられる場合には、全ての種類の電磁放射線もが含まれることを意味する。文脈に依存するが、可視の電磁放射線のみならず非可視放射線も含まれる。
d)  結合表面付近に光学構造が供される。前記光学構造は、前記結合表面によって画定され、かつ前記結合表面から減衰長にわたって試料チャンバにまで延在する検出容積内において、前記結合表面に入射する放射線に応答してエバネッセント放射線を供する。所与の媒質中における「エバネッセント放射線」という語は、前記所与の媒質の波数（（真空中での波数）×（前記媒質の屈折率））よりも大きな空間周波数を有する非伝播波を指称する。例には、全内部反射又は回折限界未満の開口部への入射によって発生するエバネッセント波がある。特に、エバネッセント波の場は、照射光に依存して典型的には10-500nmの1/e減衰長で減衰する。それに加えて光学構造は、エバネッセント場が前記光学構造の入射後には実質的に伝播しないようなものであることが好ましい。このことは、開口部を画定する構造の面外寸法が1/e減衰長よりも実質的に長いことを意味する。
【００１４】
当該マイクロエレクトロニクスセンサデバイスは、結合表面の検査領域での標的成分の高感度で厳密な定量的又は定性的検出を可能にする。前述の光学検出法の一の利点は精度を有することである。その理由は、エバネッセント場は、キャリアに隣接する開口端部からその開口まで典型的には10〜30nm延在するわずかな容積しか利用しないので、前記容積の背後のバルク材料からの外乱（たとえば散乱、反射、発光）が回避されるからである。
【００１５】
当該マイクロエレクトロニクスセンサデバイスは標的成分の定性的検出に用いることができるので、たとえば特定の標的成分に対する単純な二値応答（「存在する」又は「存在しない」）が得られる。しかし当該センサデバイスは、検出された反射光から検査領域内に存在する標的成分の量を定量的に決定する評価モジュールを有して良い。これはたとえば、標的成分によって吸収又は散乱されるエバネッセント光波内の光の量が、前記の検査領域内の標的成分の濃度に比例するという事実に基づいて良い。よって前記の検査領域内標的成分の量は、関連する結合プロセスの動力学に従って、開口部とやりとりできる試料流体内のこれらの成分濃度を示すことができる。
【００１６】
好適実施例では、センサの結合表面には、回折限界よりも短い第1の最小面内開口部寸法(W1)を有する複数の開口部を画定する構造が備えられている。前記の標的成分を含む媒質の回折限界(Wmin)は、Wmin=λ/(2*nmedium)で定義される。ここでλは真空中での波長で、nmediumはワイヤグリッド前方での媒質の屈折率である。典型的には、波長は（近）可視範囲である400-800nmで変化する。この変化は典型的には、水中での最小開口150-300nmに相当する。好適実施例では、開口部を画定する構造は、第1及び第2の面内ベクトルを画定する。前記第1及び第2の面内ベクトルは、透明ではない材料（例には、金(Au)、銀(Ag)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)のような金属がある）のスラブに対して平行である。第1の（最小）面内開口部寸法は第1の面内ベクトルに対して平行である。第2の（最大）面内開口部寸法は第2の面内ベクトルに対して平行である。
【００１７】
従って開口部は以下の種類に分類することができる。
1.  回折限界未満である第1の面内寸法W1と前記回折限界よりも大きい第2の面内寸法W2を有する第1型の開口部には、第1の面内ベクトルと、前記第1及び第2の面内ベクトルに垂直な第3ベクトルで構成される透過面が存在する。R偏光の入射光-前記透過面に対して垂直な電場を有する光-は、開口部を画定する構造によって実質的に反射されて、その開口部内部にエバネッセント場を発生させる。第1型の開口部で構成される開口部を画定する構造に入射するT偏光-1つ以上の開口部の透過面に対して平行な電場を有する光-は、開口部を画定する構造によって実質的に透過されて、開口部内部を伝播する場を発生させる。
2.  いずれの面内寸法も回折限界未満である第2型の開口部では、透過面を画定することができない。任意の入射偏光（たとえば直線偏光、円偏光、楕円偏光、ランダム偏光）は、開口部を画定する構造によって実質的に反射され、開口部内部にエバネッセント場を発生させる。
【００１８】
例として、一の面内寸法が回折限界未満で他の面内寸法が前記回折限界よりも大きいワイヤグリッドでは、エバネッセント減衰長を30nmと仮定すると、励起容積は30×244×244nm3であることが分かる（波長632.8nmの赤色励起光でワイヤ間は水で満たされていると仮定した）。これは、励起容積内部において1分子について0.9Mの濃度に相当する。
【００１９】
エバネッセント場の発生は、全内部反射を用いることによっても可能であることに留意して欲しい。ガラスプリズムの屈折率nglass、キャリア内での入射角θA、及び用いられた光の波長λに依存して、エバネッセント場の大きさは、
【００２０】
【数１】
2011503536.tif 000003
と表されて良い。ここで、zは界面からの距離で、kは波数(2π/λ)である。水への侵入深さ（(1/e)強度）の範囲は、検出表面の法線に対して80°のビーム角で、シリカ（屈折率1.45）では100nmで、高屈折率ガラス（屈折率2）では35nmにまで減少する。ここで、試料母体はnfluid=1.33の屈折率（水と同程度）を有し、かつ用いられる光の波長は650nm（DVDレーザー）であると仮定する。
【００２１】
最も実用的な用途では、キャリア上部の試料母体へのエバネッセント場の侵入は、基板に結合する粒子に制限される。侵入深さtdecay（エバネッセント場の1/e強度）は、次式で表されるように、プリズムの屈折率(nglass)、試料母体の屈折率(nfluid)、及び入射角(α)に依存する。
【００２２】
【数２】
2011503536.tif 000004
例として、たとえば30nmの減衰長は少なくとも1.87のプリズムの屈折率に相当する。低コスト材料-たとえばポリスチレン及びポリカーボネートで、これらの典型的な屈折率はそれぞれ1.55及び1.58である-で作られたプリズムでは、水中での侵入深さはそれぞれ65nm及び60nmに制限される。
【００２３】
図1aを参照すると、本発明の態様によるマイクロエレクトロニクスセンサデバイス100の一般的な設定が図示されている。キャリア11はたとえばガラス又はポリスチレンのような透明プラスチックで作られて良い。キャリア11は、試料チャンバ2の隣に設けられ、かつ実際に試料チャンバ2の壁の1つを構成する。試料チャンバ2内には、検出されるべき標的成分（たとえば薬、抗体、DNA等）を有する試料流体が供されて良い。それに加えてチャンバ2は、直立する壁11によって画定されて良い。好適実施例において、直立する壁11は、連続的に繰り返されることで、複数の隣接する壁111を構成し、それによりたとえばマイクロバイオアッセイ用のウエルプレートを構成する。試料は粒子10をさらに有する。試料10はたとえば、上述の標的成分の選択的結合用の結合サイト（たとえば抗体）によって通常官能化される。粒子は、帯電して良いし、蛍光粒子であっても良く、又は他の検出可能な特性を有しても良い。
【００２４】
キャリア11と試料チャンバ2との間の界面は、「結合表面」12と呼ばれる表面によって形成される。この結合表面12は任意で、標的成分と選択的に結合可能な捕獲要素-たとえば抗体、リガンド-によってコーティングされて良い。
【００２５】
当該センサデバイスは、キャリア11を透過する入射光ビーム101を発生させる光源21-たとえばレーザー又はLED-をさらに有する。入射光ビーム101は、結合表面12に到達し、かつこの例では、「反射光ビーム」102として反射される。反射光ビーム102は、キャリア11を飛び出し、かつ光検出器31-たとえばフォトダイオード-によって検出される。光検出器31は、反射光ビーム102のパワー/エネルギーを決定する（たとえばパワー/エネルギーは全スペクトル又はスペクトルのある特定の部分でのこの光ビームの光強度によって表される）。測定結果は、検出器31と結合する評価及び記録モジュール32によって評価され、かつ任意で観察周期全体にわたって観測される。キャリア表面12では、好適には金属（たとえば金(Au)、銀(Ag)、クロム(Cr)、アルミニウム(Al)）である透明ではない材料のスラブがストリップ20として供される。それにより回折限界未満である最小面内開口部寸法(W1)を有するワイヤグリッドが画定される。ここで回折限界は、波長と、標的成分10を含む媒質2の屈折率の2倍との比によって定義される。入射角θは原則として0〜90°まで変化する。開口部が回折限界未満であるため、検査領域13では、エバネッセント場が生成される。そのエバネッセント場は、キャリア表面12に結合する粒子の存在、又は開口部を画定する構造20によって発生するエバネッセント場の到達範囲内にある粒子の存在によって、選択的に妨害されうる。
【００２６】
ストリップ20に加えて、誘電材料-たとえば屈折率が1.2〜3.4である材料-で構成される直立する壁3が供される。ポリ（テトラフルオロエテン）、SiO2、Si3N4、SiOxNy及びこれらの混合物が、利用可能な誘電材料の非限定的例として適したものである。ここでxとyは相対比を表す。
【００２７】
従って測定容積4が生成される。測定容積4内では、入射光ビーム101に対する光学応答によって粒子10を検出することが可能である。光学応答は反射光ビーム102として検出される。従って検出容積は、回折限界未満である最大面内検出容積寸法W1に制限される。金属ストリップ20を誘電材料3で覆うことによって、金属材料の存在に起因する蛍光消光効果を顕著に減少させることが可能である。この効果を最適化するため、金属だけではなく全検出容積に誘電材料層を供することが好ましい。例として、係る装置は図1bに図示されている。図1bに図示された装置では、開口部Xの全ての壁A-Cが誘電材料3によってコーティングされている。これは、ワイヤ間の空間の一部のワイヤグリッド上部で流体が選択的に濡れることが防止されるという付加的利点を有する。一般的には、表面張力が小さいということは、流体の濡れが良好であることを意味し、かつ、金属（たとえばアルミニウムの表面張力は871.03dyne/cmでアルミニウム酸化物の表面張力は579.56dyne/cmである）の濡れ特性と誘電材料（たとえばSiO2の表面張力は205.70  dyne/cmである）の濡れ特性はかなり異なる。
【００２８】
本発明で利用可能な誘電材料は、水の屈折率(1.33)に近い値の屈折率を有していることが好ましい。その理由は、一般的には検出容積は水のような流体で満たされているからである。1〜1.7で、より好適には1.2〜1.5の屈折率が考えられる。本発明で使用される誘電材料の例には、ポリ（テトラフルオロエテン）(1.29-1.31)、SiO2(1.46)、Si3N4、及びSiOxNyが含まれるが、これらに限定されるわけではない。SiOxNyは、1.48(x=1,y=0)〜2.0(x=0,y=1)の屈折率を有する。
【００２９】
当該マイクロエレクトロニクスセンサデバイス100は、粒子10及び実際の関心対象である標的成分を検出するための光学手段31を用いる。（たとえば唾液、血液等の試料流体の）バックグラウンドの影響を除去又は少なくとも最小限に抑制するため、検出手法は表面選択性を有することが好ましい。
【００３０】
本発明は周期構造（周期Λの回折格子構造）に適用可能であるが、このことは必須ではない。特に構造は非周期的であって良いし、又は疑似周期的であっても良い。最小寸法の開口部寸法W1-適用可能である場合には回折格子周期Λ-は典型的には回折限界未満である。回折限界は、入射光ビームの主波長又は波長帯及び標的成分を含む媒質によって決められる。入射光ビームは回折限界よりも長い波長を有する放射線のみからなることが好ましい。上で定められ、かつ図2-Iに示された第1型の開口部を備えた開口部を画定する構造20-たとえばワイヤグリッド技術のような-の優れた特性は、開口部内部の光が、入射光の偏光を切り換えることによって、エバネッセントモードから伝播モードへ極めて容易に切り換えることが可能なことである。このため表面選択的な測定もバルク測定も可能となる。
【００３１】
図2を参照すると、エバネッセント放射線を供するためにストリップ20を上に有するキャリア11の上面図(A)、及び断面X-Xに沿った側面図(B)が図示されている。ストリップ20は、本明細書で上述した第1(I)型及び第2(II)型の開口部に従って形成される。特に図2-Iは、入射放射線の回折限界未満である第1面内寸法W1と前記回折限界よりも大きな寸法である第2面内寸法W2を有する開口部を有する実施例を図示している。図中、W2は方向Yに沿って延在している。面内検出容積寸法のうちの少なくとも1つは250nmよりも短いことが好ましく、50nmよりも短いことがより好ましい。
【００３２】
対照的に、実施例2-IIは、回折限界未満である面内寸法W1とW2を有するピンホールの改良型を図示している。より具体的には、この実施例では、ナノサイズ穴4は約50nm以下の直径を有する。それにより、μM濃度では励起容積中に平均として1つのヌクレオチドしか存在しないことが保証される。ワイヤグリッドのワイヤ間でのエバネッセント減衰長は典型的には30nmである。誘電材料3は、散乱を防止するためにナノサイズの穴4に充填される材料2（たとえば水。図1参照のこと）と略等しい屈折率を有することが好ましい。テフロン（登録商標）は、水に近い屈折率を有する良好な候補となりうる。誘電材料3は、緩衝溶液中に存在するヌクレオチド又は他の分子が表面に留まるのを防止する特性を有することが好ましい。金属ワイヤ20をこの材料3で覆うことによって、基板と溶液との間の相互作用をさらに減少させることができる。
【００３３】
ワイヤグリッド20は、周期Λを有し、かつ図2-IIに図示されているように、開口W1と厚さDによって画定されて良い。回折限界は典型的には、波長と最小開口部寸法の2倍との比として定義することができる。
【００３４】
代替例として、図2-Iのワイヤグリッド20は、ピンホール構造とも呼ばれる第2型の2D回折限界未満の開口のアレイ（図2-IIを参照のこと）によって置き換えられても良い。この場合では、開口部を画定する構造は、前述の第2型の開口部で構成される。従ってこれらのアレイは、任意の偏光に対して高い反射率（及び開口部内部でのエバネッセント場）を有する。
【００３５】
従って図2では、たとえば生体分子-特に配列決定されるべきDNA-分子-の単分子検出容積にすることが可能な検出容積4が供される。これらの用途では、単分子が検出容積内に供されることで、特定のラベル成分の後続ハイブリダイゼーションが適切に特定される。特に、測定容積は、一辺が50nmである正方形の検出表面12と約150nmであるストリップ20である光学構造の高さDによって画定される容積であって良い。その結果、測定容積は、真空中での波長が650nmである場合については、標的成分を含む媒質へ入り込むように20-40nmだけ延在する。
【００３６】
図3を参照すると、後続の工程が、検出容積4が供される光学構造20の前面図及び上面図として図示されている。第1工程301において図示されているように、基板11には、スリット構造、すなわち図2に記載されているように、具体的には面外厚さD及び第1面内寸法W1を有する開口部を画定する構造20が供されている。図3aの工程302に図示されているように、誘電材料3-たとえばテフロン（登録商標）-がスリット構造20上に供されている。誘電材料3-は、スリット構造20の面外厚さと実質的に同一の寸法の面外厚さを有する。後続の工程303では、パターン310が、スリット20を横切る方向にストリップを刻印することによって供される。この様子は工程303の穴4によって概略的に図示されている。工程304では、誘電層3が面外厚さDまでエッチングされる。それにより、直立する壁3が供され、かつ検出容積4は少なくとも部分的に誘電材料3によって囲まれる。散乱又は反射効果を減少させるため、誘電材料3は、キャリア11の上部に供される媒質2（図1を参照のこと）の中間程度の回折次数に適合することが好ましい。選ばれる材料は、ポリ（テトラフルオロエテン）、SiO2、Si3N4、SiOxNy及びこれらの混合物を有する群から選ばれることが好ましい。ここでxとyは相対比を表す。
【００３７】
検出容積4の面内寸法は、誘電材料内に画定されるナノサイズ穴の寸法によって決定される。検出容積4の面外寸法は、励起強度のエバネッセント減衰長によって決定される。たとえば励起強度のエバネッセント減衰長は約30nmである。厚さ100nmのワイヤ（面外寸法）及び隣接するワイヤ間の間隔が50nmのワイヤグリッドでは、波長が632.8nmのTE偏光の励起光で励起容積が14*50*50=35000nm3については、14nmのエバネッセント減衰長が得られる。この容積は、最大47μMの濃度について励起容積内部で平均として1つのヌクレオチドしか含まないのに十分な大きさとなりうる。10μMの濃度については、刻印のストリップ幅は230nmにまで増大させて良い。
【００３８】
図4は、入射ビーム101及び反射ビーム102による全内部反射を用いた実施例を図示している。ここでは検出容積を供する穴4でパターニングされた誘電媒質からなる上部透明層3が供される。誘電層3及びキャリア層11は層の界面401を画定する。ここで底部透明層11は、上部誘電層3よりも高い誘電率を有する。この装置では、全内部反射によって、好ましくは誘電層3の厚さ以下である減衰長にわたって減衰するエバネッセント放射線403が発生する。本発明の一の態様では、標的成分は媒質とは光学的に異なり、そのため媒質の屈折率とは異なる（複素）屈折率を有する。
【００３９】
従ってプリズム11は、試料媒質2の屈折率よりも高い屈折率NPAを有し、誘電材料3（屈折率nd）は、回折限界未満の寸法を有するナノサイズ穴4でパターニングされる。レンズ系404と406が、粒子10からの光学応答-たとえば蛍光又は他の光学応答（散乱）-を検出するために供される。蛍光201が検出される状況では、散乱放射線101はフィルタ5によって阻止され、かつ蛍光202は透過することができる。検出器7は、検出器7に集光される入射ビーム203として蛍光202を検出する。
【００４０】
たとえば水中での強度減衰長が30nmで波長650nmの場合については、プリズムの屈折率は1.87以上であって良い。ポリスチレンやポリカーボネートのような低コスト材料については、典型的な屈折率はそれぞれ1.55及び1.58であり、それにより水中への侵入深さはそれぞれ65nmと60nmに制限される。従ってこの実施例は（プリズム11の使用による）全内部反射について開示している。本発明の態様によると、誘電材料3の表面はナノサイズ穴でパターニングされ、かつ基板11の屈折率以上かつ試料2の屈折率以下の屈折率を有する。
【００４１】
プリズム上に直接誘電材料を有する代わりに、平坦基板上に層2を堆積し、かつプリズムの上部に前記基板を設けても良い。基板とプリズムとの間で屈折率を適合させる流体が用いられることで、基板11とプリズムとの間にコンタクトを必要とすることなく光を基板に結合させることで、プリズム-基板界面での反射を防止することが可能となる。
【００４２】
図5は、LaSF9で作られたプリズム、632.8nmの励起波長、水の試料（屈折率1.33）、及びプリズム上部でのパターニングされた誘電材料としてのSiO2（屈折率1.45）を有する典型例では、入射角に依存するエバネッセント減衰長（1/e強度）の最小値は40-50nmであることを示している。10μMの濃度のヌクレオチド/ラベルを仮定すると、単一のヌクレオチド/ラベルに相当する容積は1.66×105nm3である。その結果、円筒形のナノサイズ穴の直径は70nmよりも小さくて良い。
【００４３】
図6は、エバネッセント放射線403が全内部反射によって発生する代替実施例を図示している。ここで対象物は、回折限界未満のナノサイズ穴4を有するパターニングされた層3と併用することによる環状スポットで照射される。
【００４４】
エバネッセント場を発生させるため、図4のプリズムを用いる代わりに、対象物と高屈折率のスラブとの間に屈折率適合流体を備えた対物レンズ404を用いることによってエバネッセント場を発生させても良い。この場合、対物レンズとスラブ11のいずれも同一の屈折率(np)を有し、その同一の屈折率は試料媒質2の屈折率も高い屈折率である。エバネッセントスポット20を生成するため、平行入射ビーム105が、光学素子609を用いることによって環状スポット104に変換される。光学素子609は、スポットの中心部分を阻止するマスクであって良いが、「均一な」スポットを環状スポットに変換する回折素子がより好ましい。環状スポットの光路と蛍光202の光路を部分的に重ね、かつ反射励起光を除去するのに、二色性ミラー8が用いられて良い。
【００４５】
基板の大部分を照射するため、光学素子609が取り除かれ、かつ励起光105が対象物の後焦点面に集光されて良い。阻止フィルタ5、集光レンズ6、及び検出器7が、検出器7上に蛍光を形成するため、図4に図示された実施例と同様に設計されても良い。
【００４６】
図7は、回折限界未満のナノサイズ穴4を有する導波路の上部に設けられたパターニングされたクラッド層2を有する光導波路712によってエバネッセント場706が発生する。
【００４７】
特に誘電体2は、屈折率n3のナノサイズ穴でパターニングされる。屈折率は試料媒質2に適合することが好ましい。
【００４８】
導波路700は、屈折率n1の透明基板711及び屈折率n2(>n1,  n3,  n4)の透明コア層712を有する。良好なコア材料を選択するとSi3N4になると考えられる。Si3N4は高い屈折率を有し、かつ低損失材料であることが分かったからである。誘電層2では、導波路700は、コア層712の外側でエバネッセントテール706を有する。
【００４９】
原理は先述した実施例と似ている。本実施例では、導波路712がエバネッセント場706（1次元が回折限界未満である容積）の発生に用いられ、かつナノサイズ穴4でパターニングされた誘電体と併用することで3次元の回折限界未満容積となる。（実施例Iのような）スポットで照射される試料と比較した導波路を用いることの利点は、導波路での強度が強くなる（導波路の典型的なモード面積は数μm2で、その結果1mWモード出力での強度は10-100kW/cm2となる）こと、及び、依然として大面積を励起できるようにモードを伝播させることが可能なことである。大面積を励起できるようなモードの伝播の例はたとえば、10μm幅のモードでは、100×100mm2相当の面積を励起するのに1mmの伝播長が必要となる。レンズ4と6、阻止フィルタ5、及び検出器7の設計は、図4及び図6に図示された実施例と同様である。
【００５０】
前述の光読み取りの利点は以下の通りである。
-  多くの検体検査を行うための大規模多重化が可能である。使い捨てカートリッジ内の結合表面12は大面積全体にわたって光学的に走査されて良い。あるいはその代わりに、大面積イメージングが可能となることで、大規模検出アレイが可能となる。（光学的に透明な表面に設けられる）そのようなアレイは、たとえば光学表面上の様々な結合分子のインクジェットプリントによって作成されて良い。
【００５１】
その方法はまた、多重ビーム、多重検出器、及び多重作動マグネット（機械的に動くか、又は電磁的に作動する）を用いることによるウエルプレートでの高スループット検査をも可能にする。
-  エバネッセント場は示数関数的に減少するので、そのシステムは実際に表面に敏感である。
-  界面が扱いやすくなる。カートリッジと読み取り装置との間での電気的な相互接続は必要とされない。カートリッジを調べるのに光学窓しか必要としない。従って非接触読み取りの実現が可能である。
-  低ノイズ読み取りが可能である。
-  実験室環境では、様々な試験を並行して行うことが可能な多くの試料チャンバからなるアレイ（「ウエル」）を有するウエルプレートが一般的には用いられる。これらの（使い捨て）ウエルの製造は非常に単純かつ安価である。その理由は1つの注入成形工程で十分であるためである。
【００５２】
本発明が上述の実施例を参照しながら説明されているが、様々な修正型及び拡張型が可能である。そのような修正型及び拡張型にはたとえば以下のようなものがある。
-  分子アッセイ法に加えて、大きな部分(moiety)-たとえば細胞、ウイルス、又は細胞若しくはウイルス片、細胞抽出物等-も本発明によるセンサデバイスによって検出可能である。
-  検出は、センサ表面に対してセンサ素子を走査しても可能だし、走査しなくても可能である。
-  測定データは、終点測定及び動力学的又は間断的に信号を記録することによっても得ることができる。
-  ラベルとして機能する粒子は走査方法によって直接的に検出することが可能である。同様に粒子は検出前にさらに処理されて良い。更なる処理の一例は、検出を促進するように、材料が加えられること、又はラベルの（生）化学又は物理特性が改質されることである。
-  当該デバイス及び方法は、複数の種類の生化学アッセイで用いられて良い。複数の種類の生化学アッセイとはたとえば、結合/未結合アッセイ、サンドイッチアッセイ、競合アッセイ、変位アッセイ、酵素アッセイ等である。それは特にDNA検出に適している。その理由は、大規模多重化が容易に可能であり、かつ光学基板上でのインクジェットプリントによって様々な小糖類の検出が可能であるからである。
-  当該デバイス及び方法は、センサ多重化（つまり様々なセンサ及びセンサ表面の並列使用）、ラベル多重化（つまり様々な種類のラベルの並列使用）、及びチャンバ多重化（つまり様々な反応チャンバの並列しよう）に適している。
-  当該デバイス及び方法は、迅速で、頑丈で、かつ使用しやすい小さな試料容積向けのポイントオブケアバイオセンサとして用いられて良い。反応チャンバは小型読み取り装置と併用される使い捨ての道具であって良く、1つ以上の電場発生手段及び1つ以上の検出手段を有する。また本発明のデバイス、方法、及びシステムは、自動化された高スループット検査に用いられても良い。この場合、反応チャンバはたとえば、自動化装置に適合するたとえばウエルプレート又はキューベットである。
【００５３】
本発明の特定の態様によると、誘電体の直立する壁を供することで以下のような利点を得ることができる。
【００５４】
1)  面内寸法が回折限界未満である検出容積を有するワイヤグリッドセンサについては、ピンホールバイオセンサ法はワイヤグリッドバイオセンサに固有な利点を失うことなく実現可能であるため同程度の励起容積が得られること、及び、蛍光の一の偏光成分がほとんど抑制されず、かつ励起光の偏光状態を変化させることによってエバネッセント励起から非エバネッセント励起へ変化するので、その蛍光の収集効率が高くなる。
【００５５】
2)  金属ピンホールバイオセンサと比較して、金属の代わりに誘電材料によって検出容積が取り囲まれる結果、蛍光の消光を軽減することが可能である。
【００５６】
3)  面内検出容積寸法が面内開口部寸法に対して擬似的に独立して制御可能であることで、エバネッセント励起場の減衰長が定められる。
【図１Ａ】
2011503536.tif 000005
【図１Ｂ】
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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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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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