(57)【要約】  アナライト１４中の分子１６を検出するバイオセンサ装置１０は、分子１６を結合素子に結合させるために、アナライト１４と接触させられることができる該結合素子１２を有する。結合素子１２は、第１の層３８上にストリップ３６を有する光導波路３４である。光１７が、ストリップ３６に印加されることができる。バイオセンサ装置１０は更に、励起された分子１６によって発せられるルミネセント光２０を検出する光学検出システム２２を有する。
2010509584.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置であって、
前記分子を結合素子に結合させるために、前記アナライトと接触させられることができる結合素子を有し、前記結合素子は、第１の層上に配されるストリップを有する光導波路であり、光が、前記ストリップに印加されることができ、
前記バイオセンサ装置が更に、励起された分子によって発せられるルミネセント光を検出する光学検出システムを有する、バイオセンサ装置。
【請求項２】
前記結合素子は、帯電した分子に影響を与えるために、帯電されることができる、請求項１に記載のバイオセンサ装置。
【請求項３】
反対素子を更に有し、前記結合素子の電荷及び前記反対素子の逆の電荷が、交互に変更されることができる、請求項１又は２に記載のバイオセンサ装置。
【請求項４】
前記結合素子は、磁性分子に影響を与えるために、電流を供給されることができる、請求項１に記載のバイオセンサ装置。
【請求項５】
反対素子を更に有し、前記結合素子及び前記反対素子は、磁性分子に影響を与えるために、交互に電流を供給されることができる、請求項１又は４に記載のバイオセンサ装置。
【請求項６】
前記ストリップ及び前記第１の層は、前記光導波路の第２の層を形成する前記アナライトに、少なくとも部分的に露出される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項７】
前記ストリップは、金属でできている、請求項１乃至６のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項８】
前記ストリップは、銀でできている、請求項７に記載のバイオセンサ装置。
【請求項９】
前記第１の層は、誘電材料でできている、請求項１乃至８のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１０】
前記アナライトの屈折率は、前記アナライトのパラメータを調整することによって、前記第１の層の屈折率に適応可能である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１１】
前記第１の層及び前記アナライトの屈折率は、少なくともほぼ等しい、請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。  
【請求項１２】
前記第１の層及び前記アナライトの屈折率は、約１．４５である、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１３】
前記第１の層は、励起光に対してトランスペアレントであり、前記アナライトは、励起光及び前記分子によって発せられるルミネセント光に対してトランスペアレントである、請求項１乃至１２のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１４】
前記ストリップの厚さは、１ｎｍ乃至１０ｎｍである、請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１５】
前記ストリップの厚さは、３ｎｍ乃至８ｎｍである、請求項１乃至１４のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１６】
前記ストリップの厚さは、５ｎｍ乃至６ｎｍである、請求項１乃至１５のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１７】
前記ストリップの幅は、２μｍ乃至５μｍである、請求項１乃至１６のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項１８】
前記分子を結合させるための付着層が、前記ストリップ上に形成される、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。  
【請求項１９】
前記ルミネセント光を検出する前記光学検出システムは、前記アナライトの隣に位置する、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項２０】
前記ストリップ、前記第１の層、前記アナライト及び前記光学検出システムは、ハウジング内に配置される、請求項１乃至１９のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置。
【請求項２１】
アナライト中の分子を検出する方法であって、
（ａ）請求項１乃至２０のいずれか１項に記載のバイオセンサ装置を準備するステップと、
（ｂ）前記分子を前記結合素子に結合させるステップと、
（ｃ）前記バイオセンサ装置の前記ストリップに光を印加するステップと、
（ｄ）励起された分子によって発せられたルミネセント光を検出するステップと、
を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置に関する。
【０００２】
本発明は、更に、アナライト中の分子を検出する方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
一般に、バイオセンサ装置は、分子をバイオセンサ装置の結合素子に結合させ、バイオセンサ装置の化学的又は物理的特性の変化を測定することによって、周囲物中の分子を検出するために使用される。このようにして、結合素子は、バイオセンサ装置の周囲物に、例えば空気に又は分子を含むアナライトに、直接露出される。
【０００４】
アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置は、米国特許出願公開第2006/0045809 A1号から知られており、このバイオセンサ装置は、Mach-Zehnderインターフェロメトリ構成において基板上に配置されるストリップを有する光導波路として設計される結合素子を有する。アナライトが、結合素子と接触させられるとき、導波路は、光を供給されることができる。バイオセンサ装置は、ストリップに結合される分子の振動運動を引き起こす振動励起手段を更に有する。この振動運動のため、結合された分子を有する導波路部分と結合された分子を有さない基準導波路部分との間で供給される光の位相差が、誘起される。測定された位相差は、出力信号に変換され、その出力信号から、結合された分子の量が導き出される。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
このバイオセンサ装置の不利な点は、多くの技術的な努力が、この種のインターフェロメトリ測定及び出力信号の変換及び解析を実現するのに必要とされるので、このバイオセンサ装置の測定原理及び設計が、非常に複雑であることである。従って、このバイオセンサ装置の製造及び運転費用は、簡素な検出メカニズムに基づくバイオセンサ装置と比較して高い。
【０００６】
加えて、このバイオセンサ装置の不利な点は、結合された分子の量とMach-Zehnderインターフェロメトリ構成において測定される光の位相差との間の直接的な相関がないので、結合された分子の定量分析がかなり複雑であることである。こうして、例えば結合された分子を有する及び有さないレセプタ分子の振動周波数の他の測定が必要とされ、それによって、このような測定を実現するための付加の技術的な努力を生じさせる。
【０００７】
更に、レセプタ分子は、わずかな特定の種の検出されるべき分子に限定されるので、このバイオセンサ装置は、わずかな特定のアプリケーションに制限されることが不利益である。他の分子を検出する場合、異なるレセプタ分子が、ストリップ上に配置されなければならない。
【０００８】
本発明の目的は、アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置であって、非常に簡素な検出原理を可能にし、さまざまな種の分子に対して非常にセンシティブであるバイオセンサ装置を提供することである。
【０００９】
更に、本発明の目的は、アナライト中の分子を検出する方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明によれば、この目的は、アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置であって、分子を結合素子に結合させるためにアナライトと接触させられることが可能な結合素子を有し、結合素子は、第１の層上に配置されるストリップを有する光導波路であり、光が、ストリップに印加されることができ、バイオセンサ装置が更に、励起された分子によって発せられるルミネセント光を検出する光学検出システムを有する、バイオセンサ装置によって達成される。
【００１１】
本発明によれば、この目的は、アナライト中の分子を検出する方法であって、（ａ）本発明によるバイオセンサ装置を準備するステップと、（ｂ）分子を結合素子に結合させるステップと、（ｃ）バイオセンサ装置のストリップに光を印加するステップと、（ｄ）励起された分子によって発せられるルミネセント光を検出するステップと、を含む方法によって達成される。
【００１２】
本発明によれば、「分子」なる語は、概して、分子、ビーズ及び粒子をさすものと理解されたい。
【００１３】
バイオセンサ装置及び方法は、アナライト中の分子、粒子及びビーズを検出するための新しい概念を提供する。このバイオセンサ装置は、第１の層上に配置されるストリップを有する光導波路の形の結合素子を有する。光がストリップに印加されると、ＴＭ偏波導波モードが、ストリップを通って伝搬する。ここで、ＴＭ偏波とは、電界が、第１の層とストリップとの間のインタフェースの法線に平行であることを意味する。これらの導波モードは、導波モードの伝搬方向の横断方向において、すなわちストリップの伸張方向に対して横方向において、励起光を引き起こす。励起光は、導波モードのエバネセント場を表す。励起光は、ストリップ周辺に集中され、その強度は、ストリップからの距離とともに減衰する。励起光は、励起されるように、結合素子の近傍の、すなわちストリップの近傍の、分子によって、吸収されることができる。本発明によれば、「分子を結合素子に結合させる」とは、分子を、例えばストリップの表面に化学的に結合させることを意味する。しかしながら、この表現は、拡散によって、分子が、ストリップに接触することなくストリップの近傍に来るようにさせることも含み、その結果、分子は、結合素子の近傍で励起光によって励起される。非励起状態に戻るとき、ルミネセント光、特に蛍光が、分子によって発せられ、光学検出システムによって検出されることができる。本発明によれば、分子は、内部ルミネセンス特性を有し、又は分子は、ルミネセント光を発するために、ルミネセントマーカ分子によって、ルミネセンスに関して標識化されることが理解されるべきである。バイオセンサ装置のこの概念は、有利に、分子を励起するためにストリップ導波路によって提供される励起光を使用し、従って、検出されることができるバイオセンサ装置の化学的又は物理的特性の変化を引き起こすために他の手段が必要でない。
【００１４】
更に、分子のための励起光は、ストリップ付近に集中され、それゆえ、分子は、ストリップと結合すると、支配的に励起される。このようにして、ストリップから離れたアナライト中の励起された分子又は他の励起された不純物に起因するバックグラウンドノイズが、大幅に低減される。更に、最も高い光強度が、ストリップとその周囲物との間のインタフェースにあり、インタフェースには、結合部位も位置する。こうして、バイオセンサ装置は、有利に、非常に高い検出効率及び検出されるべき分子の表面特異性を提供する。
【００１５】
有利に、アナライト中の分子を検出するバイオセンサ装置及び方法は、更に、ルミネセント光を検出することによって、結合された分子を識別するとともに、結合された分子の量を定量的に決定することを可能にする。ルミネセント光の波長を決定することは、結合された分子の励起されていない状態及び励起された状態の間の遷移についての情報、及び分子自体についての情報を直接的に与える。結合された分子の量は、ルミネセント光の測定された強度から、直接的に評価されることができる。
【００１６】
バイオセンサ装置の好適な実施例において、結合素子は、帯電した分子に影響を与えるために、帯電されることができる。
【００１７】
この文脈において、「帯電した分子に影響を与える」とは、結合素子とは逆に帯電した分子を引き寄せ、等しく帯電した分子を結合素子から反発させることを意味する。
【００１８】
こうして、結合素子は、有利に、それらの固有の電荷に基づいて分子に影響を与えることができる電極として働く。これは、バイオセンサ装置の感度を手動で調整する非常に簡単なやり方を提供する。更に、多くの分子は、正又は負の自由電荷を有するので、検出されるべき分子の電荷を使用することは、バイオセンサ装置が、多くのアプリケーションにおいて使用されることを可能にする。具体的には、検出されるべき分子の電荷とは逆に結合素子を帯電させることによって、分子がそれらの固有の電荷に基づいて結合素子に引き寄せられるので、励起光が位置するストリップ近傍の分子の濃度を改善する非常に簡素な可能性を提供する。更に、分子の電荷に等しく結合素子を帯電させることによって、不所望の分子は、結合素子から離れるように移動され、それゆえ励起されず、光学検出システムによってもはや検出されないので、バックグラウンドノイズを低減し、バイオセンサ装置の信号対雑音比を改善する可能性を提供する。後者の効果は、例えば、結合素子に多数の分子を結合させた後に実施される「洗浄ステップ」の間、使用されることができる。このプロシージャの間、導波モードのエバネセント場の及ぶ範囲内のアナライトにまだ残る結合されていない分子は、結合素子から反発され、それゆえ光学場を離れ、ルミネセント信号を提供しない。更に、特異的な結合は、通常、非特異的な結合より強いので、分子の電荷に等しく結合素子を帯電させることによって、特異的に結合された分子と非特異的に結合された分子との間の区別を可能にする。非特異的に結合された分子、すなわち他の所望の結合反応にもかかわらず結合素子に化学的に結合された分子は、非特異的結合を除去するのに十分であって、特異的結合を除去するには不十分である力によって、それらを引き離すことによって、結合素子から除去される。
【００１９】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、バイオセンサ装置は、反対素子を更に有し、結合素子の電荷及び反対素子の逆の電荷が、交互に変更されることができる。
【００２０】
この利点は、逆に帯電された反対素子が、結合素子の逆電極として働き、それゆえ、分子が、両者間の電気力線に沿って移動される。所望の分子は、最初に結合素子に引き寄せられ、その後、不所望の分子、すなわち結合されていない又は非特異的に結合された分子が、結合素子から反発されるので、結合素子の電荷及び結合素子の電荷と反対の反対素子の電荷の両方を交互に変更することによって、所望の分子の特異的結合を改善する、従って、バイオセンサ装置の信号対雑音比は、大幅に増加される。この文脈において、結合素子及び反対素子の電荷の変更は、周期的に実施されることが好ましい。ここで、変更の間の時間期間は、バイオセンサ装置の所望の用途に適応されることができる。
【００２１】
バイオセンサ装置の代替の好適な実施例によれば、結合素子は、磁性分子に影響を与えるために、電流を供給されることができる。
【００２２】
この利点は、アナライト中の分子が、結合素子に引き寄せられ、結合素子から反発されるので、結合素子が磁場を提供し、例えば分子の磁化率又は磁気双極子モーメントのような分子の固有の磁気特性が、それらに作用して、バイオセンサ装置の検出感度を制御するために使用されることである。本発明によれば、磁性分子は、固有の磁気特性を有し、又はそれらは、例えば周囲物と実質的に異なる磁化率を有する磁性分子によって標識化されることが理解されるべきである。分子は、より高い磁気強度を有する領域に向かう磁気力を経験するので、周囲物より大きい磁化率を有する分子の場合、分子は、結合素子によって引き寄せられる（例えばMoore at al., J. Magn. Mat. 225, 2001, 277-284）。他方、周囲物より小さい磁化率を有する分子は、より小さい磁界強度を有する領域に向かう磁気力が、それらに働くので、結合素子から反発される。
【００２３】
別の好適な実施例において、バイオセンサ装置は、反対素子を更に有し、結合素子及び反対素子は、磁性分子に影響を与えるために、交互に電流を供給されることができる。
【００２４】
この利点は、まず所望の磁性分子が、検出信号を増加させるために結合素子によって引き寄せられ、その後、不所望の分子が、反対素子によって引き寄せられてエバネセント場の圏外に移動され、それによってバイオセンサ装置の改善された信号対雑音比をもたらすことである。反対素子に対する磁性分子の引力は、例えば洗浄ステップの間又は特異的及び非特異的に結合された分子間の区別を行うために、電気的な駆動と同様に使用されることができる。ここで、結合素子及び反対素子への電流の供給は、周期的に実施されることが好ましく、両者間の変更の間の時間期間は、バイオセンサ装置の所望の用途に適応されることができる。検出されるべき分子を磁気的に駆動するための反対素子は、分子を電気的に駆動するための反対素子とは異なりうる。
【００２５】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ストリップ及び第１の層は、光導波路の第２の層を形成するアナライトに、少なくとも部分的に露出される。
【００２６】
このようにして光導波路を設計することによって、有利に、コンパクトで経済的なバイオセンサ装置を可能にし、アナライトは、ストリップ導波路の第２の層として使用される。更に、バイオセンサ装置の表面特異性は、第１及び第２の層の間の屈折率差Δｎを調整することによって、制御されることができる。この屈折率差Δｎは、第１及び第２の層の間の屈折率ｎ１、ｎ２があまりに大きく非対称である場合、導波モードが、カットオフ波長以下になり、もはやストリップに沿ってガイドされないという事実によって制限される。
【００２７】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ストリップは、金属でできている。
【００２８】
この利点は、金属が導電材料であり、それゆえ、金属ストリップは、容易に帯電されることができ、又は更なる手段なく電流を供給されることができることである。
【００２９】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、金属ストリップは、銀でできている。
【００３０】
銀は、ストリップの所与の幅ｗ及び厚さｄの他の金属と比較して、ストリップに沿って伝搬する導波モードのより低い伝搬損失を示す。従って、ストリップのより長い長さが、分子を励起するために使用されることができ、又は光が導波路に結合されるポイントまでの固定の距離に関して、導波管を伝搬するパワーが、より高い。従って、バイオセンサ装置の効率は、有利に増大される。更に、金属ストリップは、アルミニウム、金又はクロミウムでできていてもよい。
【００３１】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、第１の層は、誘電材料でできている。
【００３２】
誘電層は、周囲物に対する金属ストリップの電気絶縁が成し遂げられるように、金属ストリップの絶縁層分離（誘電分離）として働く。誘電層は、例えばポリマー又は酸化物からなりうる。
【００３３】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、アナライトの屈折率ｎ２は、アナライトのパラメータを調整することによって、第１の層の屈折率ｎ１に適応可能である。
【００３４】
光導波路の伝搬損失に関して、第１及び第２の層が、それらの屈折率ｎ１、ｎ２及び厚さｄに関してほぼ対称な構造を示す場合に有利である。対称な構造は、特に小さい層厚さｄの場合の層厚さｄ及び屈折率ｎ１、ｎ２の局所的なバリエーションに対してさほどセンシティブでなく、その結果、導波モードは、カットオフ波長以下であり、第１及び第２の層への局所的なリークを生じさせうる。アナライトのパラメータを調整することは、有利に、第１の層に対する屈折率整合アナライトを達成するための非常に簡単で良好な制御可能なやり方を表す。更に、アナライトの屈折率ｎ２を調整するこの方法は、アナライトのほぼあらゆる要求される屈折率ｎ２が、アナライトの内部パラメータを変更することによって達成されることができる点において、非常に柔軟性がある。例えば、アナライトとしてショ糖水溶液が使用される場合、水溶液の屈折率ｎ２は、単に水溶液にショ糖を加えることによって変更されることができる。
【００３５】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、第１の層及びアナライトの屈折率ｎ１、ｎ２は、少なくともほぼ等しい。
【００３６】
第１及び第２の層の屈折率ｎ１、ｎ２がほぼ同じであるこのような対称の層スタックの場合、ストリップのあらゆる厚さについてガイドモードがあるので、導波モードのカットオフ波長がないことが知られている。屈折率ｎ１、ｎ２の間の差Δｎが十分に小さい場合、導波モードはカットオフ波長からまだかなり離れており、導波モードの光は、ストリップ付近に実質的に位置する。従って、第１及び第２の層の屈折率ｎ１、ｎ２の小さい差Δｎを有する実質的に対称な層スタックは、厚さｄのバリエーションによる第１及び／又は第２の層への光の放射の結果としての伝搬損失に対して実際にセンシティブでない導波路を実現可能にし、これは、導波モードを局所的にカットオフ波長以下にする。更に、導波路の減衰長は、第１及び第２の層において小さく、その結果、このストリップに結合される分子について高い表面特異性を有するバイオセンサ装置を与える。第１及び第２の層の屈折率ｎ１、ｎ２の差Δｎは、０．００４より小さいことが好ましい。
【００３７】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、第１の層及びアナライトの屈折率ｎ１、ｎ２は、ほぼ１．４５である。
【００３８】
このような屈折率を有する第１及び第２の層は、例えば６００ｎｍの波長の光が印加される銀ストリップと組み合わされて、ストリップ周辺で励起光の最適条件を提供し、それゆえバイオセンサ装置の高い効率を与える。
【００３９】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、第１の層は、励起光に対してトランスペアレントであり、アナライトは、分子によって発せられる励起光及びルミネセント光に対してトランスペアレントである。
【００４０】
この利点は、分子の励起光に対してトランスペアレントな第１及び第２の層が、ストリップ周辺の均一な励起光分布を提供し、かかる励起光は、ストリップ近傍の分子を励起するために使用されることができることである。ルミネセント光に対するアナライトの更なるトランスペアレンシーは、ルミネセント光が、アナライトの外側で検出されることを可能にし、従って、ルミネセント光のための検出システムが、例えばアナライトの隣に位置することができる。
【００４１】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ストリップの厚さｄは、１ｎｍ乃至１０ｎｍであり、好適には３ｎｍ乃至８ｎｍであり、更に好適には５ｎｍ乃至６ｎｍである。
【００４２】
ストリップの厚さｄがこれらのレンジにある場合、ストリップに沿った伝搬損失は、相当に小さく保たれることができ、更に、十分な強度の均一な励起光が得られ、それによって、有利に、分子の高められた励起効率を与える。厚さｄが減少すると、伝搬損失もまた減少する。最適な厚さｄは、バイオセンサ装置の用途に依存し、伝搬損失及び第１及び第２の層への導波モードの所望の減衰長の間の妥協を表現する。
【００４３】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ストリップの幅ｗは、２μｍ乃至５μｍである。
【００４４】
この利点は、このような値のストリップ幅ｗが、十分に小さい伝搬損失をもたらすことであり、それによって、アナライトに露出されて、分子の検出に役立つストリップの十分大きい領域を与える。ストリップは、その伸張に沿って、異なる幅ｗを有する（複数の）セクションを有し、より広い幅ｗを有するセクションは、より多くの分子が金属ストリップと結合することができるので、バイオセンサ装置のより高い出力信号をもたらす。
【００４５】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、分子を結合させるための付着層が、ストリップ上に形成される。
【００４６】
付着層は、特定の種の分子のみが結合することができるレセプタ分子を有することができるので、ストリップ上の付着層は、有利に、特定の種の分子に対するバイオセンサ装置の感度及び特異性を増加させる。
【００４７】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ルミネセント光を検出する光学検出システムが、アナライトの隣に位置する。
【００４８】
この利点は、検出システムが、分子によって発せられるルミネセント光に対してトランスペアレントである第２の層の近傍に位置するので、分子によって発せられるルミネセント光が、実質的な損失なく、検出システムによって受け取られることができることである。
【００４９】
バイオセンサ装置の他の好適な実施例において、ストリップ、第１の層、アナライト及び光学検出システムは、ハウジング内に配置される。
【００５０】
有利には、バイオセンサ装置は、すべての基本のユニットがハウジング内に実現されるように構成される。このようにして、バイオセンサ装置は、柔軟性のあるやり方で、さまざまなロケーションにおいて、例えば検査室の外部で、使用されることができる。
【００５１】
他の利点は、以下の説明及び添付の図面から明らかである。
【００５２】
上述のフィーチャ及び以下に説明されるフィーチャは、与えられる組み合わせにおいて適用できるだけでなく、本発明の範囲から逸脱することなく、他の組み合わせにおいて又は単独でも適用可能であることを理解すべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５３】
【図１Ａ】本発明によるバイオセンサ装置の概略断面図。
【図１Ｂ】図１Ａのバイオセンサ装置の他の概略断面図。
【図２】スラブ導波路の厚さｄに依存する基本導波モードの減衰の図。
【図３】ストリップ導波路の幅ｗに依存するＴＭ偏波導波モードの実効屈折率ｎｅｆｆの図。
【図４】ストリップ導波路の幅ｗに依存するＴＭ偏波導波モードの減衰の図。
【図５】第１及び第２の層の屈折率ｎ１、ｎ２の差Δｎに依存するスラブ導波路の第１及び第２の層の基本導波モードの減衰長の図。
【図６】水溶液のショ糖濃度に依存するショ糖水溶液の屈折率ｎ２の図。
【発明を実施するための形態】
【００５４】
本発明の例示の実施例が、図面に示されており、それらを参照して以下に記述される。
【００５５】
図１Ａ及び図１Ｂは、バイオセンサ装置１０を概略的に示している。バイオセンサ装置１０は、アナライト中の例えばＤＮＡのような生体分子である分子を検出するために使用され、バイオセンサ装置１０の検出感度は、検出されるべき分子の磁気的又は電気的特性に基づいて、高められることができる。
【００５６】
本発明によれば、「分子」なる語は、概して、アナライト中に含まれる分子、ビーズ及び粒子をいう。
【００５７】
バイオセンサ装置１０は、アナライト１４中の分子１６を結合させるために、アナライト１４と接触させられることが可能な結合素子１２を有する。拡散によって、アナライト１４中の分子は、結合素子１２に結合するように結合素子１２に向かう方へ及びそれから離れる方へ移動させられる。光１７が、結合素子１２に印加され、励起光１８が、結合素子１２付近に集中されるので、結合素子１２付近に位置する分子１６に励起光１８を提供する。結合素子１２への結合の際、分子１６は、励起光１８によって励起され、それらは、ルミネセント光２０、特に蛍光光２１を発する。ここでは蛍光光２１であるルミネセント光２０は、バイオセンサ装置１０の出力信号であり、この出力信号は、光学検出システム２２によって検出される。
【００５８】
本発明によれば、「分子１６を結合素子１２に結合させる」なる表現は、この文脈において、分子１６を例えば結合素子１２の表面２４に化学的に結合させること、又は結合素子１２の近傍の励起光１８が分子１６を励起するように、結合素子に接触させることなく分子１６を結合素子１２の極めて近傍にこさせること、を意味する。
【００５９】
バイオセンサ装置１０は、ガラスのような非導電性のトランスペアレントな材料でできているハウジング２６を有し、ハウジング内に、結合素子１２が位置する。アナライト１４は、十分な量のアナライト１４が、ハウジング２６内に、結合素子１２上に入れられることができるような高さ３２において、ハウジング２６の側壁３０に位置する開口部２８を介してピペットを使用してハウジング２６内に満たされることができる。開口部２８は、ガラスハウジング２６の上部に位置してもよい。
【００６０】
結合素子１２は、第１の層３８上に配置される薄い、特に非常に薄いストリップ３６（厚さｄ、幅ｗ）を有する光導波路３４として設計される。好適には、ストリップ３６は、第１の層３８の表面４０上に位置する。しかしながら、ストリップ３６は、第１の層３８の表面４０がストリップ３６の上側表面４２と本質的に一致するように、第１の層３８に埋め込まれることもできる。ストリップ３６は、バイオセンサ装置１０の検出効率が、ストリップ３６の伸張方向に沿って変わりうるような異なる幅ｗをもつセクションを有することができる。ストリップ３６は更に、金属でできており、第１の層３８は、約１．４５の屈折率ｎ１を有する誘電材料でできている。例えば、第１の層３８は、ポリマー又は酸化物でできている。
【００６１】
金属ストリップ３６の表面４２及び第１の層３６の表面４０は、光導波路３４の第２の層４４を形成するアナライト１４に、少なくとも部分的に露出される。第１及び第２の層３８、４４は両方とも、励起光１８に対してトランスペアレントであり、第２の層４４は更に、分子１６によって発せられる蛍光光２１に対してもトランスペアレントである。アナライト１４は、その屈折率ｎ２が第１の層３８の屈折率ｎ１に少なくともほぼ等しいショ糖水溶液である。
【００６２】
バイオセンサ装置１０は更に、第１の層３８を支持する基板４６を有する。基板４６は、シリカ製でありうる。
【００６３】
分子１６のための励起光１８は、光導波路３４によって提供される。バイオセンサ装置１０のハウジング２８の外部に配置されるレーザのような光源４８の光１７を、ストリップ３６に印加すると、ＴＭ偏波導波モードが、金属ストリップ３６を通じて伝達される。これらのＴＭ偏波導波モードは、ストリップ３６と第１及び第２の層３８、４４との間のインタフェースに沿って伝搬し、それによって、導波モードの伝搬方向に対して横方向に、第１及び第２の層３８、４４に、導波モードのエバネセント場として励起光１８を引き起こす。励起光１８は、金属ストリップ３６付近に集中され、その強度は、ストリップ３６からの距離とともに本質的に減衰する。従って、ストリップ３６の近傍の大部分の分子１６が、励起され、蛍光光２１を発し、例えばストリップ３６から遠く離れたところの分子１６又はアナライト１４中の不純物５０の励起に起因するバックグラウンド信号が、大幅に低減される。
【００６４】
バイオセンサ装置１０の感度を増加させるために、結合素子１２は、帯電した分子１６に影響を与え、それを駆動するために、帯電されることができる。従って、バイオセンサ装置は、結合素子１２及び金属反対素子５４に、電圧を印加する手段５２を有する。金属反対素子５４は、結合素子１２と離れて配置され、アナライト１４の隣に、アナライト１４と接触して位置する。これらの手段５２は、バイオセンサ装置１０のハウジング２６の外側に位置し、通常の電源として設計されることができる。結合素子１２及び反対素子５４は、逆に帯電され、電極及び逆電極として働く。こうして、帯電した分子１６は、結合素子１２と反対素子５４との間の電気力線に沿って移動する。
【００６５】
検出されるべき分子１６の電荷に対して、結合素子１２、すなわち金属ストリップ３６を逆に帯電させ、反対素子５４を等しく帯電させると、分子１６は、それらの固有の電荷に基づいて、結合素子１２に引き寄せられる。例えば、負に帯電したＤＮＡ分子１６は、正に帯電した結合素子１２によって引き寄せられる。次に、分子１６の電荷に対して、結合素子１２を等しく帯電させ、反対素子５４を逆に帯電させると、結果として、不所望の分子１６は、結合素子１２から離れるほうに移動し、従って励起されず、光学検出システム２２によってもはや検出されない。後者のように結合素子１２及び反対素子５４を帯電させることは、例えば多数の分子１６が結合素子１２に結合された後に実施される「洗浄ステップ」のために、使用されることができる。このプロシージャの間、導波モードのエバネセント場の及ぶ範囲内のアナライト１４にまだ残っている結合されていない分子１６は、結合素子１２から反発され、それゆえ光学場を離れ、ルミネセント又は蛍光信号を提供しない。更に、特異的な結合は、一般に非特異的な結合より強いので、こうして結合素子１２及び反対素子５４を帯電させることは、特異的に及び非特異的に結合された分子１６間の区別を行うことを可能にする。非特異的に結合された分子１６、すなわち他の所望の結合反応にもかかわらず結合素子１２に化学的に結合された分子１６は、非特異的結合を除去するのに十分であって特異的結合を除去するには不十分である力によって、それらを引き離すことによって、結合素子１２から除去される。
【００６６】
更に、まず、検出されるべき分子１６が、結合素子１２によって引き寄せられ、その後、例えば結合されていない分子１６又は非特異的結合を有する分子１６のような不所望の分子１６が、反対素子５４によって引き寄せられるように、結合素子１２及び反対素子５４は、交替して帯電されることができる。従って、バイオセンサ装置１６の効率、感度及び特異性は、大幅に増加される。結合素子１２及び反対素子５４に対する電圧印加の交替は、周期的に実施され、電圧変化の間の時間間隔は、例えば検出されるべき分子１６の種類に適応されることができる。
【００６７】
代替として、電流は、金属ストリップ３８付近に磁場を生じさせる手段５２を使用して、金属ストリップ３６に供給されることができる。かかる磁場は、例えばそれらの磁気双極子モーメント又はそれらの磁化率に起因するそれらの固有の磁気特性に基づいて、アナライト１４中の分子１６に影響を与える。検出されるべき分子１６が、いかなる固有の磁気特性も有しない場合、分子１６は、例えば周囲物と実質的に異なる磁化率を有する磁性分子５５によって標識化されることができることを理解されたい。周囲物より大きい磁化率を有する分子１６は、これら分子１６がより高い磁界強度を有する領域に向かう磁気力を経験するので、結合素子１２によって引き寄せられる。対照的に、周囲物より小さい磁化率を有する分子１６は、より小さい磁界強度を有する領域に向かう磁気力がそれらに働くので、結合素子１２から反発される。
【００６８】
更に、反対素子５４は、手段５２を使用して電流を供給されることができる。反対素子５４に対する磁気分子１６の引力は、例えば洗浄ステップの間又は特異的に及び非特異的に結合された分子間の区別を行うために、電気的な駆動と同様に使用されることができる。結合素子１２及び反対素子５４に交替で電流を供給することによって、バイオセンサ装置１０の高められた感度及び選択性をもたらす。ここで、結合素子１２及び反対素子５４への電流の供給は、周期的に実施され、変化の間の時間期間は、バイオセンサ装置１０の所望の用途に適応可能であることが好ましい。
【００６９】
更に付着層５６が、金属ストリップ３６上に、すなわちアナライト１４に露出される金属ストリップ３６の上側表面４２上に、形成される。レセプタ分子５８は、検出されるべき分子１６と相互作用し、それらの間に化学結合を形成するので、この付着層５６は、少なくとも分子１６の単分子層を結合させるためのレセプタ分子５８を有する。従って、特定の種の分子１６の選択性が達成され、アナライト１４中の不純物５０は、結合素子１２と結合することができない。
【００７０】
光学検出システム２２が、バイオセンサ装置１０のハウジング２６の上壁６０に位置し、それは、反対素子５４内に受容される。ハウジング２６にアナライト１４を満たすことができるように、光学検出システム２２及び反対素子５４は、ハウジング２６の側壁３０から間隔をおいて配置される。光学検出システム２２は、基板４６と下壁６２との間に、ハウジング２６の側壁３０、６４の一方に、ハウジング２６の外側に、又はそれらの組み合わせにおいて、配置されることができる。発せられた蛍光光２１は、金属フィルム３６を通り抜けることができないので、検出システム２２は、上壁６０に、アナライト１４の隣に位置することが好ましい。光学検出システム２２は、蛍光光２１を、測定されるべき電流に変換するフォトダイオード６６として設計されることができる。この変換は、アナライト１４中の励起された分子１６の数の定量分析を可能にする。更に、発せられた蛍光光２１の波長に基づいて、結合された分子１６の種が、判定されることができる。従って、バイオセンサ装置１０は、アナライト１４中の分子１６を定量的に判定するとともに、分子１６自体を識別するように構成される。
【００７１】
分子１６が、欠けている自己蛍光能力のため発光団として働かないものとすると、それらは、アナライト１４に蛍光マーカ分子６８を加えることによって、蛍光に関して標識化されることができる。これらのマーカ分子６８は、分子１６に化学的に結合し、マーカ分子６８を有する分子１６が、結合素子１２に結合すると、蛍光光２１を発する。分子１６の化学構造に依存して、特異的なマーカ分子６８のみが、分子１６との化学結合を形成することができる。これらマーカ分子６８から発せられる蛍光光２１は、元の分子１６を識別するのを助ける。
【００７２】
光導波路３４の設計は、導波路３４を通る光１７の伝搬能力及びそれゆえストリップ３６付近の励起光１８の強度を重要に決定する。ストリップ材料、ストリップ３６の厚さｄ及び幅ｗ、並びに第１の層３８及び第２の層４４の屈折率ｎ１、ｎ２の影響は、以下の分析に示されており、その中で、ＴＭ偏波光１７の波長は、約６００ｎｍ（可視オレンジ光）であり、第１及び第２の層３８、４４の屈折率ｎ１、ｎ２は、約１．４５である。
【００７３】
図２に示すように、金属ストリップ３６の材料は、ストリップ３６を通る際の基本導波モードの減衰を明らかに決定する。無限の幅ｗを有する薄いストリップである、金属スラブ導波路の所与の厚さｄが、例えばｄ＝５ｎｍである場合、基本スラブモードの減衰は、スラブ材料に依存して、２０ｄＢ／ｃｍ乃至１２０ｄＢ／ｃｍの範囲であり、これは、ガイドされるスラブモードのパワーが、０．８−５ｍｍの距離の後に入力パワーの１０％に下がることを意味する。こうして、金属ストリップ３６の厚さｄは、好適には１ｎｍ乃至１０ｎｍであり、更に好適には３ｎｍ乃至８ｎｍであり、更に好適には５ｎｍ乃至６ｎｍである。加えて、銀は、基本スラブモードの最も低い減衰を表すことが示されている。こうして、金属ストリップ３６は、好適には銀でできているが、例えば金（Ａｕ）、アルミニウム（Ａｌ）及びクロミウム（Ｃｒ）のような他の材料が、ストリップ材料として使用されることもできる。
【００７４】
他の分析において、波長依存の複素屈折率ｎｍ＝０．１２＋３．７３ｉが、銀の導波路のために使用される。
【００７５】
導波モードの伝搬は、ストリップ３６の幅ｗに依存する。ＴＭ偏波導波モードＴＭｐ，ｑの実効屈折率ｎｅｆｆの、銀ストリップ３６（ｄ＝５．１ｎｍ）の幅ｗに対する依存が、図３に示されており、ここで、ｐ及びｑは、横方向及び縦方向のモード−オーダーを示す。銀ストリップ３６の増加する幅ｗは、１．４５００から１．４５１５のレンジにおいて増加する実効屈折率ｎｅｆｆをもたらし、マルチモード方法は、上記において、約５．０μｍのストリップ幅ｗ（図４）をセットする。銀ストリップ３６（ｄ＝５．１ｎｍ）のＴＭ偏波導波モードＴＭｐ，ｑの減衰もまた、ストリップの幅ｗとともに増加する。従って、ストリップ３６の幅ｗは、２μｍ乃至５μｍであることが好ましい。
【００７６】
金属ストリップ３６に沿った導波モード伝搬を支援するために、第１の層３８、及び第２の層４４すなわちアナライト１４の屈折率ｎ１、ｎ２は、ほぼ等しく、それによって、ほぼ対称の層スタックを提供する。図５は、第１及び第２の層３８、４４の屈折率差Δｎに依存する、銀スラブ（ｄ＝５．１ｎｍ）の場合の第１及び第２の層３８、４４の基本ＴＭ導波モードの強度の減衰長（強度の（１／ｅ）２の値）７０、７２を示している。第１及び第２の層３８、４４の屈折率差Δｎが、約−０．００４乃至＋０．００４のレンジにある場合、減衰長７０、７２は、６μｍより小さい。あまりに大きい減衰長７０、７２は、第１の層３８を支持する基板４６への導波モードのリークを生じさせることがありえ、これは、このリークを回避するための非常に厚い第２の層４４を意味する。例えば、非常に薄い第２の層４４の場合、第２の層４４上の空気層によって引き起こされる第１及び第２の層３８、４４間の非対称の影響が、非常に大きく、導波路は、もはや導波モードを支援することができない。
【００７７】
第１及び第２の層３８、４４のほぼ等しい屈折率ｎ１、ｎ２を達成するために、第２の層４４、すなわちアナライト１４、の屈折率ｎ２は、アナライト１４のパラメータを調整することによって、第１の層３８の屈折率ｎ１に適応できる。ショ糖水溶液の場合、ショ糖濃度が、少量のショ糖を加えることによって水溶液の屈折率ｎ２を制御するために、使用されることができる。図６は、２０°Ｃの水溶液の屈折率ｎ２に対する水溶ショ糖濃度の依存を示している。水溶液にショ糖を加えることは、１．３３から１．５０まで屈折率ｎ２をほぼ線形に増加させることにつながる。
【００７８】
バイオセンサ装置１０は、互いに少なくとも１μｍの間隔をおいて配置される複数の金属ストリップ３６を有することが可能である。こうして、より多くのアナライト１４が、金属ストリップ３６と接触させられるので、出力信号が増大され、それゆえ、より多くの分子１６が、励起光１８によって励起されることができる。これは、ほんのわずかな分子１６がアナライト１４に含まれるだけでよいので、特に有利である。
【図１Ａ】
2010509584.tif 000003
【図１Ｂ】
2010509584.tif 000004
【図２】
2010509584.tif 000005
【図３】
2010509584.tif 000006
【図４】
2010509584.tif 000007
【図５】
2010509584.tif 000008
【図６】
2010509584.tif 000009
【国際調査報告】
2010509584.tif 000010
2010509584.tif 000011