(57)【要約】  ラベル粒子を有する目標成分の検出に対するマイクロエレクトロニクスセンサ装置が提供され、前記センサ装置は、目標成分が集まることができる結合表面を持つキャリアと、前記結合表面に入射する光ビームを放出する光源と、反射光ビーム内の光の量を決定する光検出器とを有する。本発明の一態様において、前記結合表面は、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法を持つ複数の開口規定構造により与えられる。好ましくは、目標成分が非発光性であるセンサ装置が使用される。
2010540924.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
目標成分の検出に対するマイクロエレクトロニクスセンサ装置において、前記マイクロエレクトロニクスセンサ装置が、
目標成分が集まることができる結合表面を持つキャリアと、
前記結合表面に入射する波長を持つ放射線のビームを放出する光源と、
反射モードにおいて前記放出された放射線の量を決定する検出器と、
を有し、
前記結合表面が、回折限界より小さい最小の面内開口寸法を持つ複数の開口規定構造を備え、前記回折限界が、前記放射線波長及び前記目標成分を含む媒体により規定される、マイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項２】
前記開口規定構造が、最大の面内開口寸法を規定し、前記最大の面内開口寸法が、前記回折限界より大きい、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項３】
前記開口規定構造が、前記キャリア上に設けられた不透明媒体を有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項４】
前記目標成分が非発光性である、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項５】
ラベル粒子に影響を与えることができる磁場及び／又は電場を生成するフィールド発生器を有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項６】
前記目標成分が、前記媒体の屈折率とは異なる屈折率を規定する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項７】
目標成分を持つサンプルが提供されることができ、前記開口と連通し、前記結合表面に隣接するサンプルチャンバを有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項８】
前記反射モードにおいて測定された光ビームから調査領域内の前記目標成分の量を決定する評価モジュールを有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項９】
観測期間にわたり前記反射モードにおいて決定された光の量をモニタする記録モジュールを有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項１０】
前記反射モードにおいて前記放出された放射線の量を決定する検出器が、検出された光ビームを基準ビームと比較し、前記目標成分の存在を示す反射光の減少を測定する比較器を有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項１１】
前記検出器が、前記目標成分の存在を示す回折光ビームから分離された散乱ビームを検出する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項１２】
前記検出器が、検出された光ビームの空間周波数スペクトル内のＤＣ成分をフィルタリングするマスクを有する、請求項１に記載のマイクロエレクトロニクスセンサ装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の複数のキャリアを有するウェルプレート。
【請求項１４】
媒体内の目標成分の存在を検出する方法において、
目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法を持つ複数の開口規定構造により、前記目標成分が集まることができる結合表面を提供するステップと、
前記結合表面に入射する放射線のビームを放出するステップであって、前記結合表面が、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法を持つ複数の開口規定構造により形成される、当該放出するステップと、
反射モードにおいて前記放射線の量を検出するステップと、
を有する方法。
【請求項１５】
前記目標成分が、生体分子と結合する、請求項１４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、目標成分の検出に対するマイクロエレクトロニクスセンサ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
不均一なアッセイにおいて、目標にされた生体分子の濃度は、センサ表面に結合した前記目標にされた生体分子又は（前記目標にされた生体分子に対する代理である）ビーズの表面濃度を測定することにより決定されることができる。一例として、結合表面（基板）が、目標分子で覆われる競合アッセイを思いつくことができる。前記ビーズは、（前記目標分子に対して）特異的な抗体で覆われることができ、前記目標分子を含む流体中に分散される。サンプル内の自由な目標分子は、抗体被覆ビーズに結合するために前記センサ表面上の固定された目標分子と競合する。低濃度の場合、抗体が前記センサ表面において目標分子と結合する可能性は、抗体が溶液中の目標分子と結合する可能性より高い。前記基板において結合されたビーズの表面濃度を測定することにより、前記目標分子の濃度を決定することができる。しかしながら、濃度の正確な測定は、溶液中のビーズに対して十分に低い感度である高度に表面特異的（surface specific）な検出スキームを必要とする。更に、検出される信号は、血液全体、唾液全体、尿又は他の体液であることができるサンプルマトリクスとは独立であるべきである。光学的検出スキームに対して、高い表面選択性が、測定体積を減少することにより達成されることができる。これを達成する１つのやり方は、測定体積が典型的には数波長（例えば１ミクロン）に減少される共焦点撮像による。ＵＳ２００５／００４８５９９Ａ１は、（例えば磁）力が、及ばされることができるように粒子でタグ付けされた微生物の調査に対する方法を開示する。この方法の一実施例において、光ビームは、透明材料を通って、全内部反射される表面に向けられる。エバネセント波として前記透明材料を離れるこのビームの光は、前記表面において微生物及び／又は他の成分により散乱され、光検出器により検出されるか又は視覚的観察のために前記微生物を照射するのに使用される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
目標成分の検出に対するマイクロエレクトロニクスセンサ装置であって、前記目標成分を含む媒体が、キャリアより小さな屈折率を持つ材料に限定されず、前記目標成分に付着した粒子の屈折率が、例えば、生体感知目的で前記センサ装置を提供するために、感度に大幅に影響を与えることなしに前記キャリアの屈折率より上及び下に選択されることができる、当該センサ装置を提供する要望が存在する。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
したがって、本発明の一態様において、目標成分の検出に対するマイクロエレクトロニクスセンサ装置が提供され、前記センサ装置は、目標成分が集まることができる結合表面を持つキャリアと、前記結合表面に入射する放射線のビームを放出する光源と、反射モードにおいて前記放出された放射線の量を決定する検出器とを有する。本発明の一態様において、前記結合表面は、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法（in plane aperture dimension）Ｗ１を持つ複数の開口規定構造により提供される。
【０００５】
本発明の他の態様において、媒体内の目標成分の存在を検出する方法が提供され、前記方法は、目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法Ｗ１を持つ複数の開口規定構造（aperture defining structures）により、目標成分が集まることができる結合表面を提供するステップと、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法Ｗ１を持つ複数の開口規定構造により形成される前記結合表面に入射する放射線のビームを放出するステップと、反射モードにおいて前記放射線の量を検出するステップとを有する。本発明のこれら及び他の態様は、以下に記載される実施例を参照して説明され、明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【０００６】
【図１】本発明の一態様によるマイクロエレクトロニクスセンサ装置の全体的なセットアップを示す。
【図２】図１に描かれた結合表面の実例的な概略図を示す。
【図３】電場の変化する大きさを持つワイヤグリッド偏光子の内部のシミュレートされた磁場分布を示す。
【図４】本発明の一態様による第１の実施例を示す。
【図５】エバネセント体積内のビーズの存在による増加された散乱が測定される代替的なセットアップを示す。
【図６】ワイヤ間の空間内のビーズの存在による減少された反射を検出する改良されたスキームを示す。
【図７】パラメータとしてワイヤグリッドを満たす媒体の屈折率を用いて、反射された回折次数の和に対するスリットの幅の影響を示す。
【図８】基本反射に対するワイヤ間の空間内の屈折率の影響を示す。
【図９】基本（0R）反射並びに反射及び透過の和（Total）に対する屈折率１．５８を持つ層の厚さの影響を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００７】
本発明によるマイクロエレクトロニクスセンサ装置は、目標成分の定性的又は定量的な検出に役立つことができ、前記目標成分は、例えば、生体分子、錯体、細胞小部分又は細胞のような生物学的物質であることができる。用語"ラベル及び／又は粒子"は、検出されることができ、したがって関連した目標成分の存在を間接的に明らかにする何らかの性質（例えば光学密度、磁化率、電荷）を持つ粒子（原子、分子、錯体、ナノ粒子、マイクロ粒子等）を示すべきである。"目標成分"及び"ラベル粒子"は、同一であってもよい。本発明の一態様による前記マイクロエレクトロニクスセンサ装置は、以下の構成要素を有する。
ａ）目標成分が集まることができる結合表面を持つキャリア。用語"結合表面"は、ここでは主に前記キャリアの表面の特定の部分に対するユニークな参照として選択され、前記目標成分は、多くの応用例において、実際に前記表面に結合するが、必ずしもそうである必要はない。必要とされるのは、前記目標成分が（典型的には前記目標成分、前記結合表面との相互作用及び流動性等に関連付けられたパラメータにより決定される濃度で）集まるように前記結合表面に到達することができることだけである。前記キャリアは、所定のスペクトル範囲の光、特に以下に規定される光源により放出される光に対する高い透明度を持つべきである。前記キャリアは、例えば、ガラス又は透明なプラスチックから製造されることができる。前記キャリアは、浸透性であることができ、これは、回折限界より小さい最小の面内開口寸法（Ｗ１）を持つ前記キャリア上に設けられる開口規定構造に対して運搬機能を提供する。
ｂ）以下"入射光ビーム"と称される、前述のキャリアの結合表面における少なくとも調査領域において反射されるように前記キャリア内に放射線のビームを放出する光源。前記光源は、例えば、オプションとして前記入射光ビームを成形及び配向する光学素子を備えた、レーザ又は発光ダイオード（ＬＥＤ）であることができる。前記"調査領域"は、前記結合表面の部分領域であるか、又は完全な結合表面を有してもよく、典型的には、前記入射光ビームにより照射される実質的に円形のスポットの形状を持つ。
ｃ）反射モードにおいて前記放出された放射線の量を決定する検出器。ここで用語"反射光ビーム"は、前記検出器により捕らえられた光に対する参照であるべきであり、このビームの光が前記入射光ビームの前述の反射から生じることを意味すべきである。しかしながら、この光の一部が、例えば他の目的で使用される又は単純に失われることがありうるので、前記"反射光ビーム"が全ての反射光を含むことは必要ではない。加えて、この応用例において、用語反射モードが使用される場合、文脈に依存して、これは、前記光源から放出され、前記開口規定構造により反射される如何なるタイプの放射線をも含むことができ、散乱及び鏡面的に反射された回折タイプの反射を含むことができる。前記検出器は、所定のスペクトルの光が検出されることができる如何なる適切なセンサ又は複数のセンサ、例えばフォトダイオード、フォトレジスタ、フォトセル又は高電子増倍管を含むことができる。この明細書において、用語光又は放射線が使用される場合、これは、全てのタイプの電磁放射線、特に、文脈に依存して、可視及び非可視電磁放射線を含むことを意図される。
ｄ）前記センサの前記結合表面は、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界（Ｗｍｉｎ）より小さい第１の最小の面内開口寸法（Ｗ１）を持つ複数の開口規定構造を備え、
Ｗｍｉｎ＝波長／(２×ｎmedium)
であり、ここでλは真空中の波長であり、ｎmediumはワイヤグリッドの前の媒体の屈折率である。
【０００８】
好適な実施例において、前記開口規定構造は、透明ではない材料（例は、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）のような金属である）のスラブに平行である第１及び第２の面内ベクトルを規定する。前記第１の（最小の）面内開口寸法は、前記第１の面内ベクトルに平行であり、第２の（最大の）面内開口寸法は、前記第２の面内ベクトルに平行である。
【０００９】
したがって、２つのタイプの開口が区別されることができる。
１．前記回折限界より下の第１の面内寸法Ｗ１及び前記回折限界より上の第２の面内寸法Ｗ２を持つ第１のタイプの開口。前記第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のベクトルとからなる透過面が存在する。前記透過面に直交する電場を持つ光であるＲ偏光入射光は、前記開口規定構造により実質的に反射され、前記開口内のエバネセント場を生成する。１以上の開口の前記透過面に平行な電場を持つ光である、前記第１のタイプの開口からなる開口規定構造に入射するＴ偏光光は、前記開口規定構造により実質的に透過され、前記開口の内側で伝搬場を生成する。
２．両方とも前記回折限界より下の面内寸法を持つ第２のタイプの開口に対して、透過面を規定することができない。（線形、円形、楕円、ランダム偏光のような）如何なる偏光の入射光も、前記開口規定構造により実質的に反射され、前記開口の内側でエバネセント場を生成する。
【００１０】
上述のマイクロエレクトロニクスセンサ装置は、前記結合表面における調査領域内の目標成分の敏感かつ正確な定量的又は定性的な検出を可能にする。これは、好ましくは前記第１のタイプの開口に対してはＲ偏光であり、前記第２のタイプの開口に対しては如何なる偏光をも持ちうる、前記開口規定構造に入射する光ビームが、前記キャリアに隣接する開口の端部から前記開口内に短い距離だけ延在するエバネセント波を生成する。このエバネセント波の光が、前記結合表面に存在する目標成分又はラベル粒子により散乱又は吸収される場合、結果として、鏡面的に反射された光ビームのパワー／エネルギの減少を生じる。したがって、前記反射された光ビームのパワー／エネルギ（より正確には、前記結合表面に存在する目標成分又はラベル粒子の存在による前記反射された光ビームのパワー／エネルギの減少）は、前記結合表面における目標成分／ラベルの存在及び量の指標である。前記エバネセント波が前記キャリアに隣接した開口の端部から前記開口内に典型的には１０ないし３０ｎｍ延在する小体積のみ探査し、したがってこの体積の後ろのバルク材料からの（散乱、反射のような）妨害を防止するので、上記の光学的検出手順の１つの利点は、精度である。前記鏡面的に反射された光の減少は、本質的に前記結合表面に存在する目標成分又はラベル粒子のみにより引き起こされるので、高い感度が達成される。更に、前記光学的検出は、オプションとして、離れて、すなわち前記キャリアと前記光源又は光検出器との間の機械的接触なしで実行されることができる。
【００１１】
前記マイクロエレクトロニクスセンサ装置は、目標成分の定性的な検出に使用されることができ、例えば特定の目標分子に対する単純なバイナリ応答（"存在"又は"不在"）を生じることができる。好ましくは、前記センサ装置は、しかしながら、前記検出された反射光から前記調査領域内の前記目標成分の量を定量的に決定する評価モジュールを有する。これは、例えば、目標成分により吸収又は散乱されたエバネセント光波の光の量が、前記調査領域内のこれらの目標成分の濃度に比例するという事実に基づくことができる。前記調査領域内の前記目標成分の量は、関連した結合処理の反応速度論により前記開口と連通しているサンプル流体内のこれらの成分の濃度を示すことができる。
【００１２】
図１を参照すると、本発明の一態様によるマイクロエレクトロニクスセンサ装置の全体的なセットアップが示される。この装置の中心の構成要素は、例えばガラス又はポリスチレンのような透明なプラスチックから作られることができるキャリア１１である。キャリア１１は、検出されるべき目標成分（例えば薬物、抗体、ＤＮＡ等）を持つサンプル流体が提供されることができるサンプルチャンバ２の隣に配置される。チャンバ２は、これに加えて、好適な実施例において、例えばマイクロ生体アッセイに対するウェルプレート（well-plate）を形成する複数の隣接した壁１１１を形成するように連続的に反復される直立した壁１１により規定されることができる。サンプルは、磁性粒子、例えば超常磁性ビーズを更に有し、これらの粒子１０は、通常は、前述の目標成分の特異的結合に対する結合サイト（例えば抗体）で官能化される（単純のため、磁性粒子１のみが図示される）。磁性粒子の代わりに、他のラベル粒子、例えば荷電又は蛍光粒子が同様に使用されることができることに注意すべきである。
【００１３】
キャリア１１とサンプルチャンバ２との間のインタフェースは、"結合表面"１２と称される表面により形成される。この結合表面１２は、オプションとして、取得要素、例えば前記目標成分を特異的に結合することができる抗体、リガンドで官能化又は被覆されることができる。
【００１４】
ここで、官能化表面又は粒子が、前記目標成分を特異的に結合することができる取得要素、例えば抗体、リガンドが固定されることができる表面又は粒子として参照されることが指摘される。
【００１５】
前記センサ装置は、オプションとして、結合表面１２において及びサンプルチャンバ２の隣接した空間において磁場Ｂを制御可能に生成する磁場発生器４１、例えばコイル及びコアを持つ電磁石を有しうる。この磁場Ｂの助けにより、磁性粒子１０は操作されることができ、すなわち（勾配を持つ磁場が使用される場合に）磁化され、特に移動されることができる。したがって、例えば、結合表面１２に対する関連付けられた目標成分の結合を加速するために前記面に磁性粒子１０を引き付けることが可能である。
【００１６】
前記センサ装置は、キャリア１１内に送られる入射光ビーム１０１を生成する光源２１、例えばレーザ又はＬＥＤを更に有する。入射光ビーム１０１は、結合表面１２に到来し、"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を離れ、光検出器３１、例えばフォトダイオードにより検出される。光検出器３１は、反射光ビーム１０２のパワー／エネルギを決定する（例えば、スペクトル全体又はスペクトルの特定の部分においてこの光ビームの光強度により表される）。測定結果は、検出器３１に結合された評価及び記録モジュール３２により観測期間にわたり評価され、オプションとして、モニタされる。キャリア表面１２において、透明ではない材料、好ましくは金属（例えば金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、クロム（Ｃｒ）、アルミニウム（Ａｌ）のスラブは、ストリップ２０の形式で提供され、波長と目標成分１０を含む媒体２の屈折率の２倍との間の比により規定される回折限界より小さい最小の面内開口寸法（Ｗ１）を持つワイヤグリッドを規定する。入射角θは、原理的に、０から９０°まで変化することができる。前記開口の回折限界性質により、調査領域１３において、キャリア表面１２により結合される粒子の存在により、又は構造２０を規定する開口により生成されたエバネセント場の範囲内で選択的に妨害されることができるエバネセント場が作成される。
【００１７】
上記のマイクロエレクトロニクスセンサ装置は、粒子１０及び実際に関心がある前記目標成分の検出に対して光学的手段を使用する。バックグラウンド（例えば唾液、血液等のようなサンプル流体）の影響を除去又は少なくとも最小化するために、検出技術は、表面に特異的であるべきである。ワイヤグリッドバイオセンサにおける磁性ラベルの使用は、（非磁性ラベルの使用と比較して）磁気作動が様々な理由、すなわち、
・アッセイ速度及び検出限界を改良するための前記表面の近くの目標分子の濃縮（キャッチアッセイ）、
・（より複雑かつより再生可能性の低い流体洗浄の代わりに）厳重さに対する磁気的洗浄、
に対して使用されることができるという利点を持つ。
【００１８】
図２において、図１に描かれた結合表面１２の実例的な概略図が示される。これは、前記表面が、構造２０を規定する複数の開口を備えることを示す。特に、図示された実施例において、これらの構造は、金属ワイヤ又はストリップ２０により設けられることができ、前記回折限界より実質的に上の第２の面内寸法Ｗ２とともに上述の第１のタイプの開口Ｗ１を規定する。典型的には、これらのストリップは、キャリア本体１１に付着された細長い平行なワイヤ２０の周期的な構造として形成される。このような構造は、典型的には、ワイヤグリッドと称される。本発明は、周期的な構造（格子構造）において使用されることができるが、これは必要ではなく、実際に、前記構造は、非周期的又は準周期的であることもできる。前記最小の寸法の開口寸法Ｗ１、又は使用可能であれば格子周期Λは、典型的には、前記入射光ビームの主波長又は波長の帯域と、前記目標成分を含む媒体により規定される回折限界より小さい。好ましくは、前記入射光ビームは、排他的に、前記回折限界より上の波長を持つ放射線からなる。前記ワイヤグリッド技術のような前記第１のタイプの開口を持つ開口規定構造の素晴らしい性質は、前記開口内の光が、入力光の偏光を切り替えることにより容易にエバネセントモードから伝搬モードに切り替えられることができることであり、これは、表面特異測定及びバルク測定の両方を可能にする。
【００１９】
図２において、前記透過面は、紙面に平行であり、Ｒ偏光（紙面の外に向けられた電場）入射光（１０１）は、前記ワイヤグリッドのワイヤ間の空間におけるエバネセント場及び大量の反射光（１０２）を生じる。図３において、前記シミュレートされた磁場分布から、ビーズ（１０）のみが前記エバネセント場の増加された透過（１０４）又は散乱により鏡面的反射（１０３）の減少を生じる前記エバネセント場の範囲内にあることがわかる。前記エバネセント場内のビーズの存在による散乱光又は反射光（の減少）を測定することにより、高い表面特異性でビーズの濃度を決定することができる。
【００２０】
典型的なビーズサイズは、１０ないし１０００ｎｍのオーダである。赤色励起光（例えば６３２．８ｎｍの波長をもつＨｅＮｅレーザ）に対して使用されるアルミニウムからなるワイヤグリッドに対する典型的なパラメータは、１４０ｎｍの周期（この波長に対する水の回折限界の５９％）、５０％のデューティサイクル及び１６０ｎｍの高さである。これらのパラメータに対し、水で満たされた開口内の（１／ｅ）強度減衰長は、１７ｎｍだけである。最大のビーズサイズ（すなわち、前記ワイヤ間の空間に'ちょうど'フィットするビーズ）は、これらのパラメータに対して７０ｎｍよりやや小さく限定される。前記第１のタイプの開口に対して、第１の面内寸法Ｗ１に対する好適な値は、前記回折限界の５０％より小さいか、又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）１１９ｎｍより小さく、より好ましくは、第１の面内寸法Ｗ１は、前記回折限界の４０％より小さいか、又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）９５ｎｍより小さく、最も好ましくは、第１の面内寸法Ｗ１は、前記回折限界の３０％より小さいか、又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）７１ｎｍより小さい。第２の面内寸法Ｗ２に対する好適な値は、少なくとも前記回折限界又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）少なくとも２３８ｎｍであり、より好ましくは、第２の面内寸法は、前記回折限界の２０ないし２００倍又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）４．８ないし４８μｍであり、更に好ましくは、第２の面内寸法Ｗ２は、前記回折限界の２００ないし２０００倍又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）４８ないし４８０μｍであり、最も好ましくは、第２の面内寸法Ｗ２は、前記回折限界の少なくとも２００倍又は（６３２．８ｎｍの波長及び水で満たされた開口に対して）４８０μｍである。
【００２１】
一例として、２００ｎｍの直径を持つビーズの場合を考える。この直径に対して、５８０ｎｍの周期及び２／３のデューティサイクルが合理的な選択であり、３８７ｎｍの前記ワイヤ間の開口である。透過光に対する伝搬回折次数を避けるために、格子周期は、水（１．３３の屈折率）内の回折限界より下であるべきであり、５８０ｎｍの周期に対して、これは、前記入射光の波長が少なくとも１５４０ｎｍであることを意味する。１６００ｎｍの波長及び６００ｎｍの厚さに対して、これは、１０９ｎｍの（１／ｅ）強度減衰長及び２５０の（前記ワイヤグリッドの上のバルクに対する）バックグラウンド抑制を生じる。
【００２２】
図３において、ワイヤグリッド偏光子の内側のシミュレートされた強度分布が、キャリア表面１２上に設けられたワイヤ２０の間及び上のビーズを示す球１０を用いて示される。
【００２３】
好ましくは、小さな超常磁性粒（例えば酸化鉄）を含むポリママトリクスを持つビーズが使用される。前記ビーズの屈折率は、（典型的には水である）前記ワイヤを満たす流体の屈折率とは異なるべきである。
【００２４】
前記ワイヤグリッドサンプルの透過及び反射に対する前記ワイヤ間のビーズの影響に対する概算は、前記強度減衰に対するより高い屈折率の材料で前記ワイヤ間の空間を満たす影響を計算することから得られることができる。前記（１／ｅ）強度減衰長は、ＳｉＯ２（１．４５の屈折率）で満たされるワイヤグリッドに対する１２５ｎｍからＳｉ３Ｎ４（２の屈折率）で満たされるワイヤグリッドに対する１５５０ｎｍまで増加する。２００ｎｍの直径を持つビーズが、１００ｎｍの厚さを持つ一様な層により表されることができると仮定する場合、−前記ビーズ間の屈折率の不一致及びその環境による追加の反射が無いと仮定して−それぞれ１２％及び２３５％の前記ワイヤグリッドによる透過の増加を見つける。
【００２５】
ワイヤグリッド２０は、周期（Λ）を持ち、開口Ｗ１及び厚さＴを規定する。良好な反射に対して、材料のセクション間の開口は、好ましくは、回折限界開口の８０％より下である。開口に対する回折限界波長は、典型的には、最小の開口寸法Ｗ１の２倍に等しい開口の内側の媒体内の波長として規定されることができる。典型的には、効率は、ゼロ度入射に対する０．９８から（入射面の法線に対する）９０度入射に対するほとんど１まで変化する。
【００２６】
代替例として、ワイヤグリッド２０は、ピンホール構造とも称される、２次元部分回折限界開口のアレイにより置き換えられることができる。この場合、前記開口規定構造は、上述の第２のタイプの開口からなる。したがって、これらのアレイは、如何なる偏光に対しても高い反射（及び前記開口内のエバネセント場）を持つ。
【００２７】
図４は、本発明の一態様による第１の実施例を示し、ここでエバネセント体積内のビーズ（１０、１１）の存在による前記入射ビームの偏光された反射の直接的な測定が実行される。したがって、前記エバネセント体積内のビーズ（１０）の存在により偏光された反射が測定される。ワイヤグリッド（２０）のワイヤ間のエバネセント体積内のビーズ（１０）の存在は、流体３の屈折率より高い屈折率を持つビーズに対する減少された反射と、前記ビーズ／粒子による散乱が無い場合に、流体３の屈折率より高い屈折率を持つビーズに対する増加された反射とを生じる。［前記流体より］高い前記ビーズの屈折率は、局所的に前記エバネセント場の勾配が小さい減衰を生じ、結果として、増加された透過（１０４）及び減少された反射（１０３）を生じる。反射光（１０２、１０３）は、レンズ（３１０）により検出器／ＣＣＤ（２２）において撮像される。典型的には、比較器（図示されない）は、目標成分の存在を示す反射光の減少を測定するために検出された光ビームを基準ビームと比較するように前記検出内に配置される。
【００２８】
図５は、代替的なセットアップを示し、ここで前記エバネセント体積内のビーズの存在による増加された散乱が測定される。この実施例において、検出器２２は、散乱ビーム１０５を検出するように構成される。散乱ビーム１０５は、レンズ２１を介して検出器表面２２上で撮像され、それに応じて目標成分（１０）の存在を示すために鏡面的に反射された光ビーム（１０２）から分離される。特に、前記エバネセント場内のビーズ（１０）の存在は、散乱（１０５、１０６）を生じる。特に、検出開口（２２）を鏡面的に反射されたビーム（１０２）から離れるように配向することにより、前記反射光は、撮像レンズ（２１）の開口数（ＮＡ）より大きな角度の下で前記ワイヤグリッドを照射することにより、散乱光（１０５）から空間的に分離される。
【００２９】
図６は、前記ワイヤ間の空間内のビーズ／粒子（１０）の存在による減少された反射の検出に対する改良されたスキームを示す。ビーズ／粒子（１０）の存在は、前記反射の局所的な減少を生じる。これは、図６に示され、ここで前記反射の局所的な減少は、前記反射光に対する強度プロファイル（１６０）を生じる。フーリエ光学アプローチを使用して、前記ワイヤ間の空間内にビーズが無い場合の反射信号における寄与をフィルタリングして取り除くことができる。これは、第１のレンズの焦点面におけるマスク（７１）とともにレンズ（７０、７２）の対を使用することにより、図６に示される。平面波入力及び前記ワイヤ間の空間内にビーズが無い場合の信号寄与は、システムの光学軸、したがって空間周波数スペクトルのＤＣ成分に平行な方向に伝搬する平面波である。ＤＣ成分１０２は、第１のレンズ（７０）により前記光学軸上に撮像され、結果として生じる屈折ビーム１３２は、マスク（７１）によりブロックされる。前記光学軸に対する角度の下で伝搬するビーム（１０５ａ、ｂ）により示される、より高い空間周波数成分は、透過され、前記第１のレンズの後ろの前記光学軸から離れた位置に集束されるようにビーム１３５ａ及び１３５ｂとして屈折される。第２のレンズ（７２）は、前記光学軸に対する角度の下で伝搬する平面波（１４５ａ、ｂ）を取りだすのに使用される。図４の実施例の構成の不利点は、（これ自体は大きな信号である）反射信号の小さな減少の測定を必要とすることである。図６に描かれた実施例のレンズシステム７０、７２を図４に描かれた実施例のレンズ（２１）の前に配置することにより、ビーズが無い場合のベースライン反射信号をフィルタリングして取り除くことができる。結果として、前記反射信号の減少を測定するのに前記検出器の全体的なダイナミックレンジを使用することができる。可能な限り多くの光をあつめるために高いＮＡを持つ光学システムが好ましいことに注意する。
【００３０】
図７は、パラメータとしてワイヤグリッドを満たす空気（３００）、水（３１０）及び高屈折率媒体（３３０）の屈折率を用いて、６５０の波長に対する反射された回折次数の和に対するスリットの幅の影響を示す。特に、前記スリットを満たす屈折率に対する反射の強力な依存性が存在することが示される。好ましくは、前記スリットの幅は、前記ワイヤグリッドが構成される材料の回折限界、水に対する回折限界（３１１）又はスリット２０を満たし、前記スリットの上にある屈折材料（３３０）の回折限界３３１を大きく下回る。ここで検討された場合に対して、これは、前記スリットの幅が２４６ｎｍより小さいことを意味する。前記スリットの幅に対する良好な選択は、１５０ｎｍの幅であり、これは、含まれる材料の回折限界を大きく下回り（水（３１０）における回折限界（３１１）の６１％）、前記スリット内の前記材料の屈折率の変更は、反射の合理的な変更を生じ、反射は、前記スリットを満たす１．５８の屈折率を持つ媒体（３３０）に対する７７％から前記スリットの中及び上の空気（３００）に対する８４％まで変化する（図８を参照）。
【００３１】
図８は、鏡面的反射に対する（前記ワイヤグリッドの上に水を持つ）前記ワイヤ間の空間内の屈折率の影響を示す。ここで、ワイヤグリッド開口幅が１５０ｎｍであり、スリット高さが３００ｎｍであると仮定する。基板上のビーズの存在の影響を推定するために、前記基板上のビーズは、前記ビーズの高さに等しい高さを持つ前記スリット内の一様な層としてモデル化される。たとえこれが、散乱効果が一様な層ではなく粒子の存在により無視される過度の単純化であるとしても、結果は、この場合、鏡面的反射に対して、０．８２（反射率１）と０．７７（反射率１．５８）との間で変化することができるワイヤグリッドの反射及び透過に対する前記ワイヤ間のビーズの影響の合理的な指標を与える。図は、一般には実部Ｎ及び虚部Ｋを持つ複素数である前記目標成分又はビーズの屈折率が、検出可能なコントラストを提供するように、前記目標成分が収容される流体又は媒体の屈折率とは異なるべきであることを示す。典型的な範囲は、０．１の実部の差であることができる（例えば、水はＮ＝１．３３の屈折率の実部を持ち、前記ビーズは、前記屈折率から０．１異なる屈折率を持つ）。加えて、コントラスト効果は、典型的には１の差を持つ虚部Ｋの差により与えられることができる。
【００３２】
図９は、鏡面（0R）反射（線９００）及び反射及び透過の和（Total）（線９１０）に対する屈折率１．５８を持つ層の厚さの影響を示す。（前記層の厚さに等しい直径を持つポリスチレンビーズを表す）屈折率１．５８を持つ層の厚さを増加することが、基本（０次）反射の減少を生じることがわかる。この減少は、５０ｎｍより小さい厚さに対して特に顕著であり、これは、エバネセント場の侵入深さが３９ｎｍであるので予測されるべきである。反射次数及び透過次数の和に対する曲線は、基本反射に対する曲線とまあまあ良好に重複し、これは、反射の減少が、透過の増加ではなく損失（前記ワイヤグリッドの金属ワイヤによる吸収）の増加を生じることを示す。
【００３３】
作動に対する磁性ラベルと組み合わせた上記の光学的読み出しの利点は、以下のとおりである。
−安価なカートリッジ：キャリアカートリッジ１１は、流体チャネルを含むこともできるポリマ材料の比較的単純な射出成型ピースからなることができる。
−多検体試験に対する大きな多重化可能性：ディスポーザブルカートリッジ内の結合表面１２は、大きな面積にわたり光学的に走査されることができる。代替的には、大きな検出アレイを可能にする大面積撮像が可能である。（光学的透明表面上に配置された）このようなアレイは、例えば前記光学的表面上の異なる結合分子のインクジェット印刷により作られることができる。
この方法は、複数のビーム及び複数の検出器及び（機械的に移動されるか又は電磁的に作動されるかのいずれかの）複数の作動磁石を使用することによりウェルプレートにおける高スループット試験を可能にする。
−作動及び感知が直交する：（大きな磁場及び磁場勾配による）前記磁性粒子の磁気的作動は、感知プロセスに影響しない。前記光学的方法は、したがって、作動中の前記信号の連続的なモニタリングを可能にする。これは、アッセイプロセスに多数の洞察を与え、信号傾斜に基づく容易な動的検出方法を可能にする。
−このシステムは、指数的に減少するエバネセント場により現実に表面特異的である。
−容易なインタフェース：カートリッジとリーダとの間の電気的相互接続が必要ではない。光学窓は、前記カートリッジを探査する唯一の要件である。したがって非接触読み出しが実行される。
−低ノイズ読み出しが可能である。
【００３４】
実験室の環境において、異なる試験が並列して行われることができる多数のサンプルチャンバ（"ウェル"）のアレイを有するウェルプレートが、典型的には使用される。これらの（ディスポーザブル）ウェルの製造は、単一の射出成型ステップが十分であるので、非常に単純かつ安価である。
【００３５】
本発明は、図面及び先行する説明において詳細に図示及び記載されているが、このような図示及び記載は、実例的又は模範的であり、限定的ではないと見なされるべきであり、本発明は、開示された実施例に限定されない。
【００３６】
一例において、特にキャリア媒体１２より小さい屈折率の他の隣接した媒体が使用される。エバネセント場の生成が、全内部反射を使用しても可能であることに注意する。ガラスプリズムに対する屈折率ｎglass、前記キャリアにおける入射角θA及び使用される光の波長λに依存して、前記エバネセント場の大きさは、
【数１】
2010540924.tif 000003
のように記述されることができ、ここでｚは、前記インタフェースからの距離であり、ｋは、波数（２π／λ）である。水への侵入深さ（（１／ｅ）強度）は、前記検出表面の法線に対して８０度のビーム角度においてシリカ（屈折率１．４５）に対する１００ｎｍから高屈折ガラス（屈折率２）に対する３５ｎｍまでの範囲を取る。ここで、サンプルマトリクスが屈折率ｎfulid＝１．３３（水と同様）を持ち、前記使用される光の波長が６５０ｎｍ（ＤＶＤレーザ）であると仮定する。しかしながら、全内部反射との関連で、前記キャリアと前記サンプルマトリクスとの間のインタフェースにおけるビーズの存在による鏡面反射の所望の減少は、ビーズの屈折率に対する最小値、
ｎbead≧ｎglass・sin(α)    （１）
をセットし、これは、前記ビーズの屈折率に対する最小値が存在することを意味する。特に、最も実際的な応用に対して、前記キャリアの上のサンプルマトリクス（１００３）内への前記エバネセント場の侵入は、好ましくは、前記基板に結合された粒子に限定される。侵入深さｔdecay（前記エバネセント場の１／ｅ強度）は、前記プリズムの屈折率（ｎglass）、前記サンプルマトリクスの屈折率（ｎfluid）及び入射角（α）に依存する。
ｔdecay＝λ／(４・π・√[(ｎglass・sin(α))2−ｎfluid2])    （２）
（１）及び（２）を組み合わせることにより、前記エバネセント場の所定の侵入深さに対する前記ビーズの屈折率に対する基準を見つける。
ｎ2bead−ｎ2fluid≧(λ／(４π・ｔdecay))2    （３）
【００３７】
加えて、全内部反射との関連で、前記媒体内への侵入深さは、前記キャリア材料及び前記目標成分を含む前記媒体の選択により制限される。
【００３８】
例えば３０ｎｍの適切な減衰長は、少なくとも１．８７の前記プリズムの屈折率を必要とする。好ましくは、全内部反射に対する前記プリズムは、１．５５及び１．５８の典型的な屈折率をそれぞれ持つポリスチレン及びポリカーボネートのような低コスト材料からなる。これらの材料は、水における侵入深さを６５ｎｍ及び６０ｎｍの最小値にそれぞれ制限する。
【００３９】
加えて、全内部反射は、斜入射を必要とする。また、前記減衰長も、前記入射角に依存する。ポリカーボネートプリズムに対して、６０度の入射角は、５０４ｎｍの侵入深さを生じる。本発明は、回折限界より小さい最小の面内開口寸法を持つ複数の開口規定構造によるエバネセント場の生成を使用して、全内部反射構成の制限を和らげる。
【００４０】
本発明は、特定の実施例を参照して上で記載されたが、様々な変更及び拡張が可能であり、例えば、
−分子アッセイに加えて、より大きな部分、例えば、細胞、ウイルス、又は細胞若しくはウイルスの一部、組織抽出物等も、本発明によるセンサ装置を用いて検出されることができる。
−前記検出は、前記センサ表面に関するセンサ素子の走査の有無にかかわらず発生することができる。
−測定データは、終点測定として、及び動的に又は間欠的に信号を記録することにより得られることができる。
−ラベルとして役立つ前記粒子は、前記感知方法により直接的に検出されることができる。同様に、前記粒子は、検出の前に更に処理されることができる。更なる処理の例は、材料が加えられること、又は前記ラベルの（生）化学若しくは物理的性質が検出を容易化するように修正されることである。
−前記装置及び方法は、複数の生化学アッセイタイプ、例えば結合／非結合アッセイ、サンドイッチアッセイ、競合アッセイ、変位アッセイ、酵素アッセイ等を用いて使用されることができる。大規模多重化が容易に可能であり、異なるオリゴが前記光学的基板上のインクジェット印刷によりスポットされることができるので、ＤＮＡ検出に対して特に適切である。
−前記装置及び方法は、センサ多重化（すなわち異なるセンサ及びセンサ表面の並列使用）、ラベル多重化（すなわち異なるタイプのラベルの並列使用）及びチャンバ多重化（すなわち異なる反応チャンバの並列使用）に適している。
−前記装置及び方法は、小さなサンプル体積に対する迅速、ロバストかつ使用しやすいポイントオブケアバイオセンサとして使用されることができる。前記反応チャンバは、コンパクトなリーダとともに使用され、１以上の磁場生成手段及び１以上の検出手段を含むディスポーザブルアイテムであることができる。また、本発明の装置、方法及びシステムは、自動化された高スループット試験において使用されることもできる。この場合、前記反応チャンバは、例えば、自動化された器具にフィットするウェルプレート又はキュベットである。
【００４１】
開示された実施例の他の変形例は、図面、開示及び添付の請求項の検討から、請求された発明を実施する当業者により理解及び達成されることができる。最後に、本明細書において、用語"有する"が他の要素又はステップを除外せず、"１つの"（"a"又は"an"）が複数を除外せず、単一のプロセッサ又は他のユニットが複数の手段の機能を満たすことができることが指摘される。本発明は、あらゆる新規の特徴的フィーチャ及び特徴的なフィーチャのあらゆる組み合わせにある。更に、請求項内の参照符号は、範囲を限定するように解釈されるべきでない。
【図１】
2010540924.tif 000004
【図２】
2010540924.tif 000005
【図３】
2010540924.tif 000006
【図４】
2010540924.tif 000007
【図５】
2010540924.tif 000008
【図６】
2010540924.tif 000009
【図７】
2010540924.tif 000010
【図８】
2010540924.tif 000011
【図９】
2010540924.tif 000012
【国際調査報告】
2010540924.tif 000013
2010540924.tif 000014
2010540924.tif 000015