(57)【要約】フォトニック結晶（ＰＣ）センサ、センサアレイ及びＰＣセンサを備えたセンシングシステムが記載されており、それらは、統合された流体含有及び／又は流体ハンドリング構造を有する。本開示のセンサとセンシングシステムは、流体試料中の分析物、バルクの屈折率検出、及び生体分子と治療候補を含む分子の領域の標識剤なしの検出の高スループットセンシングが可能である。本開示は、フォトニック結晶センサ及びシステムを高スループットのプロセシングに修正可能な商業的に魅力のある製造プラットフォームも提供し、そこでは統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造が、１回のモールディング又はインプリントプロセシングの工程の中で作製されている。
2010509590.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
統合された流体含有構造を備えたフォトニック結晶バイオセンサであって、
該バイオセンサはサンプルの測定のために取り付けられており、
上記サンプルを受容し、少なくとも１つの内面を有する空洞を有する流体含有構造と、
上記流体含有構造の内面に形成された周期的表面格子構造からなるフォトニック結晶センサとを有し、
上記流体含有構造と、上記フォトニック結晶センサの周期的表面格子構造とが、統合されたモノリシック構造からなる、フォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項２】
上記統合されたモノリシック構造が、光学的に透明な基材層、硬化させたポリマー層、及び該硬化させたポリマー層の上に堆積させた比較的高屈折率の材料からなる請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
上記空洞がサンプルウエルからなり、
上記統合されたモノリシック構造が、サンプルを受容するためのポートと、面を有し、該ポートを流体含有構造と接続する流体経路を提供するチャンネルと、該チャンネルの面に形成され、周期的表面格子構造を有する第２のフォトニック結晶センサとを有する請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
上記周期的表面格子構造が、ナノサイズ化された構造を有し、上記流体含有構造の上記空洞がマイクロサイズ化された特徴を有する請求項１記載のセンサ。
【請求項５】
上記周期的表面格子構造が、上記空洞の底面上に形成され、上記周期的表面格子構造が、上記空洞の第１側面から上記空洞の第２側面に延在している請求項４記載のセンサ。
【請求項６】
上記流体含有構造が、フローチャンネルを通り、フォトニック結晶構造の上をサンプルが流れる、マイクロ流体フローチャンネルを有する請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
上記流体含有構造が、マイクロウエルからなる請求項１記載のセンサ。
【請求項８】
上記流体含有構造を囲むカバー層を有する請求項１記載のセンサ。
【請求項９】
上記カバー層が、流体含有構造の中と外にサンプルを導く、入口用ホールと出口用ホールを有する請求項８記載のセンサ。
【請求項１０】
上記統合されたモノリシック構造が、上記流体含有構造と上記フォトニック結晶構造を支持するポリマー基材をさらに含む請求項１記載のセンサ。
【請求項１１】
上記フォトニック結晶構造の上記周期的表面格子構造に結合された標的物質をさらに含む請求項１記載のセンサ。
【請求項１２】
上記標的物質が、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、脂質、炭水化物、多糖類、糖タンパク質、脂タンパク質、砂糖、細胞、バクテリア、ウイルス及び候補分子からなる群から選択される請求項１１記載のセンサ。
【請求項１３】
ポート、該ポートに接続された多数のサンプルウエル、及び該ポートと該サンプルウエルを接続する多数のフローチャンネルを有する統合されたモノリシック基材と、
統合された構造を有する多数のフォトニック結晶センサとを有し、
該センサのそれぞれがポートとサンプルウエルを接続するフローチャンネルの中に配置されているバイオセンサ。
【請求項１４】
各上記フローチャンネルが、入口用ポートとサンプルウエルとの間では、実質的に同じ経路長さを有する請求項１３記載のバイオセンサ。
【請求項１５】
上記多数のフォトニック結晶センサが、整列状態で空間に配置されている請求項１３記載のバイオセンサ。
【請求項１６】
上記バイオセンサが、ＮｘＭのサンプルウエルのアレイからなり、Ｎはサンプルウエルの行の整数を表し、Ｍはウエルの列の整数を表すものであって、
上記バイオセンサは、ウエルのＭ列のそれぞれについて入口用ポートを有しており、各該入口用ポートは、ウエルの各列のＮ個のウエルとフローチャンネルによってそれぞれ接続され、バイオセンサの各該フローチャンネルは、フォトニック結晶センサを組み入れている、請求項１３記載のバイオセンサ。
【請求項１７】
上記ウエルの各列は実質的に整列した状態にあって、
ウエルの各列のフローチャンネルの中のフォトニック結晶センサも実質的に整列した状態となるように上記フローチャンネルが組み立てられている請求項１６記載のバイオセンサ。
【請求項１８】
各上記サンプルウエルは、各上記サンプルウエルの中に配置されたフォトニック結晶センサを含んでいる請求項１３記載のバイオセンサ。
【請求項１９】
統合された流体含有構造を有するフォトニック結晶センサの作製方法であって、
該方法が、以下の工程からなる：
フォトニック結晶用周期的表面格子構造と流体含有構造を形成するための構造とからなるパターンを備えた外面を有するマスターテンプレートを用意し、ここで、上記周期的表面格子構造は上記流体含有構造を形成する構造の中に配置されており；
上記マスターテンプレートの上記パターンを材料に転写し、空洞内に配置された上記フォトニック結晶用周期的表面格子構造を有する空洞を含む流体含有構造を上記材料に形成
せしめ；
上記フォトニック結晶用周期的表面格子構造の上に誘電体薄膜を堆積させ、フォトニック結晶センサを形成する。
【請求項２０】
上記空洞がサンプルウエルからなる請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
上記空洞が流体フローチャンネルからなる請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
上記の転写する工程が、レプリカモールディングにより行われる請求項１９記載の方法。
【請求項２３】
上記の転写する工程が、インプリントリソグラフィーにより行われる請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
上記材料が、硬化性液体材料からなり、上記の転写する工程が以下の工程からなる：
上記マスターテンプレートの上記外面を上記硬化性液体材料に接触させ、ここで、上記硬化性液体材料は上記マスターテンプレートの上記外面の形状に適合し；
上記マスターテンプレートの上記外面に接触させた状態で上記硬化性液体材料を硬化させ；
硬化させた上記の液体材料を上記マスターテンプレートから分離する。
【請求項２５】
上記マスターテンプレートの上記外面は、多数のサンプルウエル、少なくとも１個のポート、及びポートとサンプルウエルを接続する流体チャンネルを形成するように作製されており、上記外面には、少なくとも、１）各流体チャンネル及び２）各サンプルウエルの少なくとも１つにフォトニック結晶用周期的表面格子構造を形成するようにパターンが付与されている請求項１８記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
米国特許法第１１９条（ｅ）により、２００６年１１月９日に出願された米国仮出願番号６０／８６５，０９３に対して本出願は優先権を主張するものであり、出典を明示することにより、その内容は本開示の一部となる。
【０００２】
（政府援助による研究又は開発に関する記載）
本発明は、国立科学財団のＮＳＦ  ＤＭ１  ０３−２８１６４により与えられた合衆国政府の支援により、少なくともその一部がなされたものである。合衆国政府は、本発明に対し一定の権利を有している。
【背景技術】
【０００３】
フォトニック結晶は、一般にフォトニックバンドギャップ構造体とも呼ばれ、周期的な誘電体の又は金属の構造体であり、屈折率は空間的に周期的な変化を示し、それにより一定周波数の入射電磁放射線の伝搬を禁止している。フォトニック結晶のフォトニックバンドギャップは、構造体を通過する伝搬が妨げられている、電磁放射線の周波数域を指す。フォトニックバンドギャップの現象は、選択された周波数を有する入射電磁放射線がフォトニック結晶の周期的な構造領域と相互作用を行うことによる全反射として概念を説明できる。これらの構造領域の空間的な配置及び屈折率が、特定の周波数を中心とする電磁周波数の伝搬を妨げるフォトニックバンドギャップを発生させる。フォトニック結晶についての背景情報には、以下の文献が含まれる：
（１）ジョアノプラス（Joanopoulus）ら、「光フローをモールドするフォトニック結晶」、プリンストン大学出版、１９９５；（２）エー・ビルナー（A. Birner）ら、「シリコン系フォトニック結晶」、アドバンスト・マテリアルズ、第１３巻、第６刷、３７７−３８８頁；（３）スティーブン・Ｇ・ジョンソン（Stenen G. Johnson）、ジョン・Ｄ・ジョアノプラス（John D. Joanopoulus）、「フォトニック結晶：理論から実践への道」、スプリンガー、２００２。
【０００４】
フォトニック結晶は、結晶で観測される電子−波の挙動に対し電磁的類似物を提供するものであり、分散関係（dispersion relation）、ブロッホ波関数（Bloch wave functions）、ファンホーベ特異点（van Hove singularities）、トンネリング等の電子−波の概念は、フォトニック結晶において電磁的な対応物を有している。半導体結晶では、例えば、電子が禁止されているエネルギー状態である電子バンドギャップは、周期的な原子結晶構造に起因する。同様に、フォトニック結晶では、電磁放射線の禁止されたエネルギー（又は波長／周波数）であるフォトニックバンドギャップは、誘電材料の周期的構造に起因するものであり、その周期性は、入射電磁放射線と相互作用するのに適した距離を有するものである。
【０００５】
フォトニック結晶の、物理的な大きさ、屈折率、そして周期的構造部材の空間分布（表面グレーティング）の選択が、選択された周波数分布を有するフォトニックバンドギャップを持ったフォトニック結晶を設計するための有効な手段を提供する。もし、結晶の周期性と対称性及び用いられる材料の誘電率が適切に選択されれば、フォトニック結晶は、特定の波長で、それ以外の波長を除いて、エネルギーと選択的に結合する。一次元、二次元及び三次元のフォトニック結晶が修飾され、一以上の方向に選択された周波数分布のギャップを有する、完全な又は少なくとも部分的なフォトニックバンドを提供している。フォトニック結晶は、それらの周期的構造の中に、選択された局所的な分裂（例えば、周期的アレイの構造ドメインの消失した又は異なる形状を有する部分）が存在するようにも作製され、それにより、結晶の禁制バンドギャップの範囲内の周波数を有する欠陥又はキャビティモード（cavity modes）を発生させた。特別な欠陥を有するフォトニック結晶は、特に興味深いものであり、なぜなら、それらが、電磁放射線を制御及び操作するために有用な光学特性を提供するからであり、例えば、放射損失が非常にわずかあるいは実質的にない状態で光閉じ込め及び／又は導波を提供するからである。カニンガム（Cunningham）の米国特許第６，９９０，２５９はバイオセンサの「欠陥」について詳細に記載している。出典を明示することにより、その内容は本開示の一部となる。
【０００６】
回折及び光学的干渉のプロセスは、フォトニックバンドギャップ現象を生じさせるので、フォトニック結晶構造の周期性は、通常、入射電磁放射線の波長のオーダーである。したがって、可視及び紫外の電磁放射線を制御及び操作するためのフォトニック結晶は、通常、１００代のナノメータのオーダーであるサブミクロンの物理的大きさを有する周期的構造領域を有する誘電体又は金属の構造体から構成されている。これらの物理的大きさを有する周期的構造体を製造するための多くの作製経路が過去１０年に開発され、それには、マイクイロマシン及びナノマシン技術（例えば、リソグラフィーによるパターニング、及び／又はドライ／ウェットエッチング、電気化学プロセス等）、コロイドの自己集合法、レプリカモールディング法、交互積層法（layer by-layer assembly）、及び干渉リソグラフィー法が含まれる。これらの作製技術の進歩により、誘電体結晶、金属、ポリマー及びコロイド物質を含む一連の材料から、一次元、二次元及び三次元のフォトニック結晶を作製することが可能となった。
【０００７】
フォトニック結晶センサの応用は数多くあり、それには、自然放出を禁止又は促進するためのレーザとの一体化、導波管アングルステアリングデバイス（waveguide angle steering devices）、及びナローバンドの光フィルターが含まれる。フォトニック結晶構造体の形状は、光を非常に小さな領域に集中させて、非常に高い局所的な電磁場強度が得られるように設計することができる。
【０００８】
バイオセンサとして機能するようにフォトニック結晶デバイスを適合させるために、構造体のいくつかの部分を試験サンプルに接触させる必要がある。局所的に閉じ込められた電磁場強度（electromagnetic field intensity）が最大となるフォトニック結晶の部分に、生体分子又は細胞を取り付けることにより、結晶に入る光の共鳴カップリングが変更され、それにより反射と透過による出力（reflected/transmitted output）が調整される。フォトニック結晶構造体の中に高度に閉じ込められた電磁場は、イメージング用途におけるそれらの使用と整合し、蛍光イメージングスキャナーとほぼ同様に、高感度と、高い空間分解能を提供する。
【０００９】
例えば、波長以下の周期的格子構造を有するフォトニック結晶が開発され、白色光を照射された時、非常に狭い波長域のみを反射する。バイオセンサを作製するために、非常に狭い共鳴モードを提供できるように最適化することができ、そのモードの波長は、表面に生化学物質が堆積することにより誘起される変調（すなわち、シフト）に対し、特に敏感である。通常の実施においては、フォトニック結晶センサは、高屈折の誘電体材料の薄膜でコートされた周期的表面構造を有する低誘電率のプラスチック材料から構成されている。センサは、表面に白色光を照射し、非接触の光ファイバープローブで反射光を集光することにより測定するもので、センサの異なる場所で、反射光のピーク波長（ＰＷＶ）のシフトを別々に測定するために、複数の平行プローブを用いることができる。バイオセンサのデザインが簡単な製造プロセスを可能とし、長さ数百メートルのプラスチックフィルムの連続したロールからなるセンサシートを製造することができる。大面積に亘り非接触モードで測定可能なバイオセンサ構造体の大量生産が、９６−、３８４−及び１５３６−ウエルの標準マイクロプレートのような１回の使用で捨てることができ消費できる部材の中に組み込むことができるセンサを可能とし、それにより、ほとんどの研究室で採用されている標準的な流体取り扱いの基盤構造（infrastructure）にセンサを適合させることができる。これらのケースでは、フォトニック結晶は別の製造操作で製造され、そして第２工程では、接着されあるいはさもなくば底のないマイクロプレートに付着させられる。マイクロプレートのウエルは、フォトニック結晶の表面上に流体サンプルが導入されるための溜めを提供する。
【００１０】
センサの機能は、生化学的結合の事象が表面で起きた時の反射光（ＰＷＶ）の波長の変化（シフト）を測定することである。例えば、タンパク質がセンサの表面に固定されている時、相補的結合タンパク質がセンサに曝される時の反射波長の増加が測定される。低コストの部品を用いて、読み出し装置は、表面におけるタンパク質の質量変化を１ｐｇ／ｍｍ２以下の精度で分析できる。固定されたタンパク質と小分子との相互作用を測定するにはこの精度のレベルで十分であるが、センサのダイナミックレンジは、生きた細胞、細胞膜、ウィルス及びバクテリアを含む大きな生化学的実在物も測定できるように十分大きい。センサ測定には約２０ミリ秒が必要であり、そのため、多くの数の相互作用を並行して測定することができ、そして速度情報が収集できる。センサの反射波長を「一点モード」（例えば、マイクロプレート内で単一の相互作用を測定すること）で測定することもでき、又は＜９μｍの解像度でセンサ表面の映像を生成させるためにイメージングシステムを用いることもできる。「イメージングモード」は、ラベルフリーのマイクロアレイ、イメージングプレート読み取り（imaging plate reading）、自己参照（self-referencing）マイクロプレート及び多重のスポット／ウエル（multiplexed spots/well）等のシステムの全体の解像度と処理量を増加させる用途に使用されている。
【００１１】
製造及び独特の光学特性について重要な進歩があり、フォトニック結晶系のセンサが、バイオセンサの領域で近年開発されている。バイオセンサとして動作させるために、検出される分析物を含む流体にその活性領域を露出させるように配置してフォトニック結晶が提供されている。フォトニック結晶に近接する分析物の存在は結晶内への光の共鳴カップリングを変調させ、結晶のフォトニックバンドギャップの変化に起因して、結晶により伝搬され、散乱され又は反射された電磁放射線の波長分布の測定可能な変化をもたらす。結晶により形成された閉じ込められた電磁場の、非常に局在化されているという特徴は、フォトニック結晶系センサを介する検出が、センサの活性領域に近接したプローブ領域（例えば、１００〜４００ｎｍ）に制限される、という点を確保している。一般的なセンシング用途では、読み取りシステムが使用され、そこでは、選択された波長分布を有する偏光電磁放射線がフォトニック結晶に提供され、続いて反射又は伝搬電磁放射線について、適当な検出器と組み合わせたスペクトロメーター等の適当な光検出器を用いて周波数分析がなされる。流体とフォトニック結晶との相互作用に起因する波長分布の変化を観測及び／又は定量することにより、プローブ領域の分析物が検出され及び／又は分析される。
【００１２】
フォトニック結晶構造体を取り込んだバイオセンサは以下の文献に記載されており、出典明示により本開示の一部となる：米国特許第７，１１８，７１０号、第７，０９４，５９５号、第７，０２３．５４４号及び第６，９９０，２５９号；カニンガム・ビー・ティー（Cunningham, B. T.）、ピー・リー（P. Li）、ビー・リン（B. Lin）、ジェイ・ペッパー（J. Pepper）、「直接生化学アッセイ技術としての色共鳴反射」、センサとアクチュエーターＢ、２００２、８１、３１６−３２８頁；カニンガム・ビー・ティー（Cunningham, B. T.）、ジェイ・キュー（J. Qiu）、ピー・リー（P. Li）、ジェイ・ペッパー（J. Pepper）、ビー・ハフ（B. Hugh）、「ラベル１０フリー生化学相互作用の多重パラレル検出のためのプラスチック色共鳴光学バイオセンサ」、センサとアクチュエータＢ、２００２、８５、２１９−２２６頁。
【００１３】
バイオセンシング用のフォトニック結晶により提供される利点として、蛍光試薬及び放射性配位子等の標識剤（labels）又は二次的なレポーターシステム（reporter system）を使用することなく、ペプチド、タンパク質、オリゴヌクレオチド、細胞、バクテリア及びウイルス粒子を含む広い範囲の材料を検出及び特徴付ける能力を含んでいる。フォトニック結晶センシングにより提供される直接検出は、人工的に連結したり、及び／又は標識剤又はレポーターシステムを読み取るのに必要な労働集約的なプロセスを減らすことにより、これらの技術を容易に実行できるように促進する。フォトニック結晶系センシングの有利な点は、分子の形態、反応性、対生物活性（bioactivity）、及び／又は速度論（kinetics）に対する標識剤又はレポーターシステムの影響に起因する実験的な不確定性についての重要な原因も減らし、そして液相での蛍光消光プロセスに起因する問題を減らすことである。フォトニック結晶系センサは、例えば、フォトニック結晶構造の活性領域の表面に結合した生体分子及び／又は候補治療分子を取り込むことにより、機能分化とも両立でき、スクリーン及びバイオセンシングの用途に用いる特別の標的分子を選択的に検出するために特に魅力的である能力である。バイオセンシングへのフォトニック結晶のアプローチにより提供される他の利点には、(i)優れた感度及びイメージ解像度、(ii)比較的簡単な光学読み出しシステムとの両立性、及び(iii) ゲノミクス（genomics）、プロテオミクス（proteomics）、製薬スクリーニング、及び生物医学的診断学を含む種々の分野における選択的な生化学的検出及び分析のための主要なツールとして出現している高面積密度センサを有するマルチチャンネルシステムに有用な高度に局在化された検出を提供する能力が含まれる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
現行の実施においては、フォトニック結晶バイオセンサ及びそれと結合した大面積の流体含有特徴（ウエル又はチャンネル等）は、通常別々に作製され、続いて配置及び接合のプロセスを経て一体化される。フォトニック結晶のサブミクロンという特徴と、流体含有構造物の物理的大きさがミクロン又はそれより大きいので、フォトニック結晶系センサにおける配置及び接合のプロセスは重要な実際的な課題を与え、そのためこれらデバイスの製造の全体コストと複雑性を増加させる。第１に、フォトニック結晶の活性領域の最大範囲を流体含有構造の中に保持された流体に対して露出させるように、フォトニック結晶センサの部品を最適に配置する。第２に、接合と配置は、液体が、所定の流体含有構造から出ること、及びマルチチャンネルセンサ配置の中の１以上の隣接する流体含有構造へ広がるのを効果的に防止しなければならない。この要求は、隣接するフォトニック結晶センサ間のクロストーク（cross talk）に起因するセンシングの干渉を抑制するのに必要である。第３に、配置及び接合の際にフォトニック結晶に加わる力は、結晶のナノスケールの周期特徴に損傷を与えないように十分に小さくなくてはならない。その特徴への損傷は、フォトニック結晶に好ましくない欠陥構造を生成させ、デバイスのセンシング能力や読み出しに大きな影響を与える。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本開示は、ウエル及びそれが結合した流体フローチャンネルのアレイを含む、ウエル及びフローチャンネル等の流体含有構造を有するモノリシックデバイスにフォトニック結晶センサを一体化することができる、という本発明者の洞察力を前提とするものである。本開示のセンサは、マイクロ流体ラボオンアチップ（lab-on-a chip）（ＬＯＣ）デバイス、マイクロトータルアナリシスシステム（μＴＡＳ）及びバイオセンサ埋め込みマイクロアレイシステムにおいて、実行のための大きな可能性を有している。
【００１６】
本開示のこれら用途において、ウエル又は流体フローチャンネル等の流体含有構造は、センサと直接的に一体化され、モノリシック、一体化構造となる。流体含有構造は、サンプルをフォトニック結晶の活性領域（周期的表面格子）に効果的に運搬するように設計することができる。いくつかの用途において、流体含有構造は、マルチチャンネルバイオセンサ配置においても機能し、同じ基板上の隣接するセンサの間に流体サンプルが広がるのを防ぐように、流体を選択されたフォトニック結晶に提供する。マイクロ流体チャンネル等のフローセルは、狭いチャンネルを通ってサンプル溜めから分析用のフォトニック結晶構造へと流体を運搬する手段を提供するために通常使用される。一般のフローセル配置は、取り付けられたカバープレートを有するエッチングされた長い溝（trench）を用いている。これらの流体含有及びデリバリーのシステムは、正確に配置され、かつサンプルが漏れないようにフォトニック結晶の活性領域に対して効果的にシールされなくてはならない。別の態様では、流体含有構造はキュベット（cuvette）のように静的であり、フォトニック結晶の活性領域の上に配置及び接合されている。これらの態様では、フォトニック結晶センサは、キュベットの内面として設けられている。マルチアレイ配置では、例えば、個々にアドレスされた独立のフォトニック結晶センサをそれぞれ有する多数のキュベットが、９６−、３８４−、又は１５３６−マイクロアレイフォーマット等のマイクロプレートフォーマットの中に設けられている。
【００１７】
別の態様では、入口用ポート、その入口用ポートに接続された多数のサンプルウエル、そしてその入口用ポートをサンプルウエルに接続する多数のフローチャンネル、そして多数のフォトニック結晶センサを有する一体構造を有するものとしてバイオセンサは記載されている。フォトニック結晶センサは、入口用ポートとサンプルウエルを連結するフローチャンネルの中に配置されている。一つの特別な態様では、各サンプルウエルも、フォトニック結晶センサを有している。
【００１８】
流体含有及び／又はハンドリング構造の物理的大きさ及び形状は、種々の形態をとることができる。いくつかの形態は、束縛、輸送あるいはさもなくばサンプル中の分析物が効果的に検出され、及び／又は分析されるように、流体サンプルをフォトニック結晶センサに対して提供するのに便利なものである。本開示の統合された流体含有及び／又は流体ハンドリング構造は、サンプルがフォトニック結晶の上を移動する、例えばマイクロ流体及びナノ流体フローチャンネルである、フローチャンネルの形態を有する能動的な流体構造も含むものである。別の態様では、流体含有構造は受動的であり、キュベット、ウエル及びマイクロウエルアレイの形態をとることができる。
【００１９】
本開示の態様は、実質的に整列した配置をとるように配向させた流体含有構造を含むものである。例えば、一態様では、流体含有構造は、チャンネルの底に形成されたフォトニック結晶をそれぞれ有する多数のチャンネルを有し、種々のチャンネルの中のフォトニック結晶は互いに整列し、すなわち一直線に並んでいる。それであるので、すべてのフォトニック結晶センサの測定は、ライン走査タイプのイメージングスペクトロメーター検出装置を用いて同時に行うことができる。整列は予め選択され、製造時にコントロールされる。得られたバイオセンサは、優れたイメージ解像度、高い感度及び検出効率を有する。
【００２０】
本開示のバイオセンサ及びそれが結合した検出装置は、流体サンプル中の分析物の高スループットセンシング、バルクの屈折率の検出、及び生体分子や治療候補を含む広い範囲の分子の標識剤なしの検出が可能である。バイオセンサ及びそれが結合した検出装置は、イメージング機能性も提供するものであり、それによれば、フォトニック結晶センサ又はフォトニック結晶センサアレイの活性領域の空間プロファイルを、優れた解像度と感度で特徴付けることができる。この機能性は、例えば、流体チャンネルの内部にイメージングアッセイを設ける、あるいはマイクロアレイ配置の中に設けられた多数のマイクロウエルを読み出すのに特に有用である。
【００２１】
本開示は、フォトニック結晶センサ、センサアレイ及び統合された流体含有構造を有するシステムを製造するための商業的に魅力のある作製方法も特徴とする。本開示の作製方法は、ポリマー系フォトニック結晶センサを含むフォトニック結晶センサの製造に対し、費用効果に優れ、高スループットの実行が可能である。本開示のこの態様のいくつかの方法は、統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造を、高スループットプロセシングに修正可能な１つの工程による統合を経て、同時に作製するというプロセシング戦略を用いている。本開示のこの態様の有用なプロセシング方法は、レプリカモールディングやインプリントリソグラフィー技術の使用を含むものである。これらの方法は、デバイスの高性能の機能を確保できるように、フォトニック結晶センサと流体含有構造の両方を自動で、高精度に整列させることができる。本作製方法は、機械的にフレキシブルなポリマー系のフォトニック結晶センサ及びシステムを含む、ポリマー材料からなるフォトニック結晶センサの製造、及び大面積を覆い、必要に応じて密集領域配置（dense area configurations）で設けたフォトニック結晶センサアレイの製造に特に適している。
【００２２】
本記載の文脈において、「モノリシック構造」の表現は、一体的に接続された多数の構造部材を有する一体構造物を意味する。いくつかの態様における典型的なモノリシック構造は、構造的に連続した材料からなる統合された多数の構造部材からなり、構造的に連続した複合（多層）材料を含むものである。いくつかの態様において、本開示のセンサのモノリシック構造は、フォトニック結晶の表面格子構造が流体含有構造の一つの内面の一部、例えば、サンプルウエル又は流体フローチャンネルの底面を形成する、単一の連続したポリマー構造からなる。いくつかの態様では、統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造からなるモノリシック構造は、機械的にフレキシブルなポリマー構造である。他の態様においては、モノリシック構造は堅いものである。そのような多成分のモノリシック構造を有する本開示の態様は、流体含有構造の内部にフォトニック結晶の周期的表面格子領域が実質的に整列したセンサを提供するために有用であり、分析物の高効率及び高感度の検出とキャラクタリゼーションを提供することが可能である。また、そのような多成分のモノリシック構造は、センサの流体含有構造から流体サンプルが漏れ出すことに関係する問題には影響を受けることのないフォトニック結晶センサを提供するために有用である。
【００２３】
一態様において、流体含有構造とフォトニック結晶構造からなるモノリシック構造は、独立の構造領域を有しており、一つは流体含有構造に対応し、他方はフォトニック結晶センサの周期的格子構造に対応する。独立の構造領域は、実質的に異なる物理的な大きさを有しており、例えば、物理的大きさは少なくとも１桁異なり、いくつかの態様では、物理的大きさは２桁異なる。例えば、フォトニック結晶表面格子構造はナノサイズ化された特徴を有するが、流体含有構造（フローチャンネル又はウエル）の空洞はミクロンサイズ化された特徴を有する。本開示の流体含有構造の物理的大きさ及び形状は、異なるセンシング用途に応じて大きく変化する。いくつかの可能性として、流体フローチャンネル、キュベット、マイクロウエル及びマイクロアレイ配置が含まれる。典型例として、周期的格子は、照明波長の大きさ以下、例えば、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲から選択された物理的な大きさを有するが、流体含有構造は、空洞、チャンネル、凹部又は光子構造等であり、約１０ミクロン〜約１０００ミクロンの範囲内にある。
【００２４】
本開示のこの態様の一例として、フォトニック結晶の格子構造が流体含有構造の空洞の底面又は内面に、格子構造が空洞の一方から他方へ延在するような配置で設けられている。例えば、本開示のセンサは、流体含有構造がチャンネルの一方からその反対側に延在する表面格子構造を有する流体フローチャンネルである配置を含むものである。周期的表面格子は、高い部分と低い部分が交互に並ぶパラレルアレイのような一次元の空間周期配置の形態をとることができる。他の周期的構造として、二次元格子（ポスト又はホールのアレイ）又は２つのレベル、二次元周期構造も含むことができる。
【００２５】
一態様として、流体含有構造の内面に設けられたフォトニック結晶構造は、少なくとも二次元で周期的に変化する屈折率の空間分布を有する、誘電体及び／又は半導体構造からなる。本開示のこの態様のセンサは、例えば、高屈折率要素と低屈折率要素が交互に並んだ２次元周期アレイを有するフォトニック結晶から構成することができる。
【００２６】
一つのセンサ配置として、誘電体及び／又は半導体の薄膜等の高屈折率要素を、周期的表面格子の少なくとも一部の上面と、格子の底面の上に配置する。本開示において有用な、高屈折率要素を提供する薄膜は、約２０ｎｍ〜約５００ｎｍの範囲から選択された厚みを有し、限定されるものではないが、酸化チタン膜、窒化シリコン、酸化タンタル、硫化亜鉛、及び酸化ハフニウムを含む。
【００２７】
本記載の文脈において、「高屈折率要素」は、「低屈折率要素」よりも高い屈折率を有するものであり、例えば、いくつかの態様では、低屈折率要素より少なくとも１．２倍大きい屈折率を有する。いくつかのセンサでは、低屈折率格子構造の上面（及び必要により格子構造の側面）に設けられた高屈折率薄膜を組み合わせることにより、二次元で周期的に変化する屈折率の空間分布を有するフォトニック結晶構造が得られる。本開示のセンサは、空間的に周期的である配置として設けられた格子構造を有するフォトニック結晶構造を追加的に含むものであり、その配置は、欠落レリーフの特徴、追加レリーフの特徴又は異なる物理的大きさを有するレリーフの特徴等の、一次元、二次元、又は三次元アレイにおける少なくとも１つの欠陥サイトを含むものである。本開示のセンサは、高屈折率要素と低屈折率要素が交互に並んだ３次元周期アレイからなる流体含有構造の内面上に設けられたフォトニック結晶構造も含むものである。
【００２８】
本開示のセンサは、広い範囲の統合された流体含有構造を含むものであり、能動的な流体デリバリー及びハンドリングシステム、受動的な流体溜め、及びそれらのすべての組み合わせ及びアレイ及びシステムを含んでいる。一態様では、流体含有構造の空洞は、マイクロ流体又はナノ流体チャンネル等の流体チャンネルである。本開示の流体含有構造に有用な流体チャンネルは、随意的には、ポンプ、バルブ、溜め、及び／又は流体チャンネルネットワークを有する能動流体システムの部品である。一態様では、流体含有構造の空洞は、キュベット、マイクロウエル、マイクロキュベット、及びマイクロ溜め等の静的溜めである。本開示のこの態様のセンサは、アレイ形式で設けることができ、そこでは、マイクロウエルからなる多数の流体含有構造がマイクロアレイ形式で設けられ、各マイクロウエルは内面に設けられたフォトニック結晶構造を有している。
【００２９】
本開示のいくつかの態様では、センサはさらに、流体含有構造の空洞を囲む、及び／又は密閉するために配置されたカバー層を含む。流体サンプルの漏れを防ぎかつハンドリングを楽にするため、例えばカバー層と流体含有構造との間に配置された接着剤層、例えば薄層の接着剤層を用いて、この態様のカバー層を流体含有構造に随意的に結合させることができる。能動的な流体デリバリーを有するセンサに有用なカバー層は、流体サンプルをセンサを通って移動させるための入口用ホールと出口用ホールを有し、随意的に入口及び出口用のフローコネクタも含む。
【００３０】
本開示の流体含有構造及びフォトニック結晶構造は、機械的にフレキシブルなポリマー等のポリマーを含む広い範囲の材料から構成することができる。使い捨てプラスチックセンサ、フォトニック結晶構造の格子構造、及び流体含有構造の大量製造に有用な態様は、
モールディング又はインプリント技術により作製された、モノリシックでフレキシブルなポリマー構造である。約１．６以下の屈折率を有するポリマーを統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造に用いることは、いくつかの用途において有益である。いくつかの態様では、本開示のセンサは、流体含有構造とフォトニック結晶構造を支持するためにセンサに設けられる、ポリマー、ガラス、セラミック、又は複合基材等の支持体をさらに含む。堅い基材を用いると構造の堅さが増し、センサの平坦さは、本開示のいくつかのセンサのハンドリングと光学的な読み出しを促進する。
【００３１】
少なくとも一部が光学的に透明な支持体及び／又は堅い基材を使用すると、フォトニック結晶構造の底にイルミネーションを施すことによる光学的な読み出しを許容するので、いくつかの態様については有益である。いくつかの態様では、本開示の統合された流体含有構造は、例えば底のないマイクロプレートであり、サンプルに利用可能な体積をさらに増加させる標準の３８４又は１５３６マイクロプレート配置のように、例えばウエルマイクロプレート配置で設けられた、機械的支持構造に操作により連結される。
【００３２】
いくつかの態様では、本開示のセンサは、フォトニック結晶の活性面に結合した標的物質を、その標的物質を流体含有構造の空洞に対して露出させるように取り込むことにより機能化されたフォトニック結晶構造を有する。これらの態様では、標的物質には、流体サンプルに存在する特定の分析物の選択的な検出及び分析ができるように、選択的な結合特性を有するものを用いることができる。これらの態様では、フォトニック結晶の活性面に結合した標的物質に対する分析物の結合は、プローブ領域における屈折率の変化をもたらし、それによりフォトニック結晶への電磁放射線のカップリングに影響を与え、その結果、フォトニックバンドギャップが変化する。バイオセンシングの用途に有用な標的物質は、特に限定されるものではないが、１種以上の、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、脂質、炭水化物、多糖類、糖タンパク質、脂タンパク質、砂糖、細胞、バクテリア、ウイルス、候補分子、これらのすべての誘導体及び変形体及び複合体を含む。当業者には明らかなように、センシング及びバイオセンシングの分野で知られている種々の技術及び結合システムを用いてフォトニック結晶構造に標的物質を結合させることができる。
【００３３】
本開示は、多数のセンサが設けられ、各センサがそれぞれ統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造を有する、センサアレイ及びセンシングシステムを包含するものである。いくつかの態様では、１個のモノリシック構造からなる多数の流体含有構造及びフォトニック結晶構造が設けられている。一の態様では、センシング及び能動流体デリバリー部品を含む多数のセンサがマルチチャンネルセンシングシステムの中に設けられている。あるいは、本開示は、センシング及び流体含有部品を構成する多数のセンサがマルチチャンネルセンシングシステムの中に設けられている態様を含む。本センサ及び関係する作製方法の利点は、センサを互いに近接させて高密度形式で提供できるので、ラボオンチップデバイス、マルチチャンネルセンシングシステム及びマイクロアレイ用途に有用である。
【００３４】
別の態様では、本開示は、統合された流体含有構造を有するフォトニック結晶センサの作製方法を提供する。一態様では、統合された流体含有構造を有するフォトニック結晶センサの作製方法は、（i）パターンを外面に有するマスターテンプレートを用意し、該パターンは、（a）フォトニック結晶用周期的表面格子構造と（b）流体含有構造を形成するための構造を有し、該周期的表面格子構造は、流体含有構造を形成する構造の内部に設けられており、（ii）マスターテンプレートのパターンを材料に転写して、空洞内に配置されたフォトニック結晶用周期的表面格子構造を備えた該空洞を有する流体含有構造を該材料に形成し、そして（iii）フォトニック結晶用周期的表面格子構造の上に薄い誘電体膜を堆積させ、フォトニック結晶センサを作製する。一態様では、その材料はポリマーであり、例えば、機械的にフレキシブルな紫外線硬化性ポリマーである。流体含有構造とフォトニック結晶構造はモノリシック構造であり（同じ連続するポリマー材料の一部）、同様に作製することができる。誘電体薄膜の堆積は、公知のあらゆる化学的及び物理的な薄膜堆積技術を用いることができ、例えば、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、プラズマ強化化学薄膜堆積、電子ビーム蒸着及び熱蒸着を用いることができる。
【００３５】
製造プロセスは、レプリカモールディングプロセスを含み、そのプロセスでは、マスター格子のパターンを転写して、マスターテンプレートの表面のネガを材料に基本的に形成する。格子マスター上の選択された物理的な大きさを有する周期的格子構造パターンは、材料に転写される。あるいは、製造方法は、インプリントリソグラフィー法を用いてパターンの転写を行う方法を含む。本開示のモールディング及びインプリントの作製方法は、大面積の上に（例えば、一度に１ｆｔ２の大きさで、長さが数千メーターのフレキシブルな基材の連続したロールの上に）、フォトニック結晶アレイ及びセンシングシステムを低コスト及び高スループットで作製することを可能とする。パターン転写にレプリカモールディングを用いる本開示の方法は、パターン転写時にマスターテンプレートの外面に大きな力を加える必要がないため、マスターテンプレートのレリーフパターンの格子構造に損傷又は歪みを与えるのを防止できる点において有利である。これにより、本開示により、一つのマスターテンプレートを用いて繰り返し処理を行うことができ、パターン転写の忠実度を促進させることができる。ポリマーレプリカモールディング技術を用いることは、室温で行うことができ、連続したロールツーロール（roll to roll）スタイルでフレキシブルで光学的に透明な基材の上に実施できるという点で特に有利である。
【００３６】
フォトニック結晶用周期的表面格子構造と流体含有構造を形成するための構造を形成するためのマスターテンプレートのパターニングは、深紫外線光学リソグラフィー、Ｅビーム書き込み、通常の光学リソグラフィー、光学書き込みリソグラフィー及びマイクロマシニングを含む公知のあらゆる方法を用いて行うことができる。いくつかの方法では、マスターテンプレートは、半導体ウエハを２段階のトップダウン処理手順により形成され、ここで、フォトニック結晶構造に対応するナノサイズ化された格子構造特徴と、マイクロサイズ化された流体含有構造は、別々の処理工程で規定される。第１の処理工程では、ウエハの外面がフォトレジストでパターン形成され、そしてエッチングされ、空間的に周期性を有する配置を備えたナノサイズ化された特徴を有する外面のパターン化された層を形成する。この第１の処理工程は、例えば、深紫外線リソグラフィーと反応性イオンエッチングを用いて行うことができる。第２の処理工程では、半導体ウエハの外部のパターン化された層は、続いて処理され、流体含有構造を形成する構造を規定する。この第２の処理工程は、従来の光学リソグラフィーと深反応性イオンエッチングを用いて行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１Ａ】統合された流体含有構造とフォトニック結晶センサを有する本開示のバイオセンサの断面図を現す模式図である。
【図１Ｂ】統合された流体含有構造とフォトニック結晶センサを有する本開示のバイオセンサの平面図を現す模式図である。
【図１Ｃ】フォトニック結晶バイオセンサ構造を、標準の９６ウエルマイクロプレート形式に配置された流体含有キュベットのアレイと一体化するための複数の配置を示す模式図である。
【図１Ｄ】フォトニック結晶バイオセンサ構造を、標準の９６ウエルマイクロプレート形式に配置された流体含有キュベットのアレイと一体化するための複数の配置を示す模式図である。
【図１Ｅ】フォトニック結晶バイオセンサ構造を、標準の９６ウエルマイクロプレート形式に配置された流体含有キュベットのアレイと一体化するための複数の配置を示す模式図である。
【図１Ｆ】フォトニック結晶バイオセンサ構造を、標準の９６ウエルマイクロプレート形式に配置された流体含有キュベットのアレイと一体化するための複数の配置を示す模式図である。
【図２Ａ】統合された流体含有構造とフォトニック結晶センサを有するセンサを作製するための一例を示すプロセスフロー図である。
【図２Ｂ】レプリカモールディングを用いたフォトニック結晶センサの従来の作製方法を示す模式図である。
【図２Ｃ】レプリカモールディングを用いて統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造を作製するための本方法を示す模式図である。
【図３Ａ】マイクロ流体フローチャンネル及びフローチャンネル内に位置するフォトニック結晶を有するバイオセンサを製造するために用いられる作製方法を示す。
【図３Ｂ】埋め込まれたフォトニック結晶センサを有するマイクロ流体チャンネルの走査型電子顕微鏡の観察像である。
【図４】本開示のバイオセンサとともに用いる代表的なイメージング読み出し装置の模式図である。
【図５Ａ】フォトニック結晶センサを保持し、蒸留（ＤＩ）水で満たされた３つの流体チャンネルを有するバイオセンサの図４のイメージング装置で収集したピーク波長値（ＰＷＶ）のデータを示す。３つのチャンネルの空間ＰＷＶイメージを示す。ＰＷＶのシフトは、８７０ｎｍから８８０ｎｍに延びるスケールバーにより示されている。
【図５Ｂ】フォトニック結晶センサを保持し、蒸留（ＤＩ）水で満たされた３つの流体チャンネルを有するバイオセンサの図４のイメージング装置で収集したピーク波長値（ＰＷＶ）のデータを示す。３つのチャンネルそれぞれからのサンプルの反射スペクトルである。
【図５Ｃ】フォトニック結晶センサを保持し、蒸留（ＤＩ）水で満たされた３つの流体チャンネルを有するバイオセンサの図４のイメージング装置で収集したピーク波長値（ＰＷＶ）のデータを示す。図５Ａの緑の水平断面ラインに沿った、ＰＷＶデータの水平断面プロットを示す。
【図５Ｄ】フォトニック結晶センサを保持し、蒸留（ＤＩ）水で満たされた３つの流体チャンネルを有するバイオセンサの図４のイメージング装置で収集したピーク波長値（ＰＷＶ）のデータを示す。図５Ａの垂直オレンジ断面ラインに沿った、ＰＷＶデータの垂直断面プロットを示す。
【図６Ａ】チャンネル１と３に、６．２５％のジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）を流し、チャンネル２に蒸留水を比較として流して測定したＰＷＶシフトを示す。ＰＷＶシフトは、−０．２０から２．７０ｎｍに延びるスケールバーとして示され、赤色の領域は大きなポジティブシフトの領域を示す。
【図６Ｂ】濃度範囲０〜２５％のＤＭＳＯ溶液を用いて測定したＰＷＶシフトのプロットであり、データは、最小二乗近似で直線にフィットし、Ｒ２値は０．９９６である。
【図７ａ】シフトしたＰＷＶのイメージである（ＩｇＧ分子に結合したチャンネル２と３のＰＷＶイメージからチャンネルにコートされたタンパク質ＡのＰＷＶイメージを減法した）。シフト量は−０．６０〜１．６５ｎｍに延びるスケールバーで示され、赤色の領域は最大のポジティブシフトの領域を示す。
【図７ｂ】ライン１，２及び３に沿った断面ＰＷＶシフトプロットであり、３つのチャンネルはそれぞれ、ＰＢＳバッファー、鶏ＩｇＧ、豚ＩｇＧを示す。
【図８】統合された流体含有構造（流体フローチャンネル）及び流体フローチャンネル内に位置するフォトニック結晶センサを有するバイオセンサを示す。
【図９】底にフォトニック結晶構造を有するマイクロウエルに流体サンプルを配送するための流体チャンネルシステムを有するバイオセンサのためのマイクロプレート外形の平面図である。
【図１０】マイクロ流体カートリッジの形態におけるバイオセンサのプレート外形の斜視図である。
【図１１】図１０のバイオセンサを用いて一のシナリオで本センサシステムを以下にして使用するかを示す処理工程の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
モノリシック構造、例えば、モノリシックポリマー構造を有する、１以上の統合された流体含有構造及びフォトニック結晶センサを含むバイオセンサがここに記載されている。バイオセンサと統合流体含有構造を作製するための作製方法も以下に記載されている。
【００３９】
図１Ａは、統合された流体含有構造１１０とフォトニック結晶センサ１２０を有する本開示のバイオセンサ１００の断面側面図を現す模式図である。図１Ａはスケールは考慮されていない。図１Ａに示されたセンサは、一つの単位セルと考えることができ、Ｘ方向に繰り返されている。センサはＹ方向については頁の中にいくらかの距離延在し、Ｙ方向に単位セルは繰り返す。センサは、モノリシックな、層状の構造として形成されていることが示されている。ベース層２００は、基材材料であり、好ましくは光学的に透明な材料で、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）であり、層１０５は透明なポリマー材料で、例えば紫外線硬化性エポキシである。
【００４０】
流体含有構造１１０は、空洞１３０を含み、マイクロ流体システムのチャンネルの形状又はマイクロアレイシステムのマイクロウエル等の静的溜めの形状をとることができる。空洞１３０は、底内面１４０と内側面１５０を有する。フォトニック結晶センサ１２０は、空洞１３０の底内面１４０の上に設けられている。図１Ａに示すように、フォトニック結晶センサ１２０は、高い領域と低い領域１６０，１７０がそれぞれ交互に並び、一次元の空間周期配置として設けられ、１Ｄの線形格子構造を集合的に形成する格子構造を有する。格子構造１６０／１７０は、一次元（一次元の周期性）、又はＸ及びＹ方向に延在するポスト又はホールのアレイ形状等の２次元の周期性を有することができる。あるいは、格子構造は、２Ｄ、２段レベルの格子の形状をとることができる。
【００４１】
比較的高屈折率の材料からなる薄膜１８０、例えば誘電体膜又は半導体膜が、高及び低構造１６０，１７０の上に設けられている。随意的に、薄膜１８０は、格子構造１６０の側面及び流体含有構造１１０の空洞１３０の内側面１５０の上にも設けることができる。一般的な態様では、薄膜１８０は、格子構造の上に堆積させたＴｉＯ２又はＴｉ２Ｏ３層である。
【００４２】
格子構造１６０１７０は、後に記載した製造プロセス、例えば、格子マスターを用いるレプリカモールディング等を用いて材料１０５に形成される。
【００４３】
図１Ａに示すように、フォトニック結晶センサ１２０の格子構造１６０／１７０と流体含有構造１１０は、フォトニック結晶は独立に製造され、その後でマイクロウエル等の別のデバイスに固定されていたという従来の技術と異なり、１つのモノリシック構造、例えばモノリシックポリマー構造として組み立てられている。このモノリシック構造の外形は、正確に配列された流体含有構造及びフォトニック結晶構造を有するセンサを提供する。
【００４４】
基材２００は、統合された流体含有構造１１０及びフォトニック結晶構造１２０を支持するように配置された、ポリマー、セラミック又はガラスの基材の形態をとることができる。
【００４５】
随意的に、センサ１００は、流体含有構造１００の空洞１３０を囲むように配置されたカバー層２１０をさらに含む。カバー層２１０は、接着剤層２２０、例えば薄層の接着剤層により流体含有構造１１０に固定することができ、そして流体をセンサの中に流す手段となる、入口２４０及び入口用フローコネクタ２６０並びに出口２３０及び出口用フローコネクタ２３５を随意的に有することもできる。図１Ａの矢印は、センサの中の流体サンプルの流れを示している。
【００４６】
図１Ｂは、図１Ａ（スケールか考慮されていない。）のセンサ１００の平面図を示し、カバー層２１０と接着剤層２２０は除去されている。流体含有構造１１０は、その内底面上にフォトニック結晶センサを有するマイクロ流体チャンネルの形状を有している。見易くするため、高及び低格子構造１６０と１７０の上面上の薄膜１８０は除去されている。図１Ｂにも、入口用フローコネクタ２６０と出口用フローコネクタ２３５が示されている。流体含有構造１１０は、容器又はウエルの形状をとると考えることもでき、試験されるサンプルは入口用コネクタ２６０を通してウエルに導入され、出口用コネクタ２３５を通して除去される。変形例として、図１Ｂの流体含有チャンネルは、Ｙ方向に延在してから方向を変えることができ、例えば曲がりくねった経路である流体チャンネルに沿って流体が流れるように組立てられる（例えば図８を参照）。
【００４７】
図１Ｃ〜１Ｆは、フォトニック結晶バイオセンサを、標準の９６ウエルのマイクロプレート形式で配列された流体含有キュベットのアレイと一体化するための複数の配置を示すものであり、１つのモノリシックの統合された構造として製造されている。フォトニック結晶センサの表面の上を通り過ぎるような動的な流体の流れを目的とした流体チャンネルを有するように、キュベット流体含有溜めは、キュベット流体含有溜めの内面上に少なくとも１つのフォトニック結晶センサを製造できる同様の方法を用いて作製される。
【００４８】
図１Ｃは、統合された流体含有及びフォトニック結晶センサをそれぞれ有する多数のバイオセンサキュベットセンサ１００からなるセンサアレイ３００の平面図を示す。各キュベットセンサ１００は、図１Ａと１Ｂの一般的な構造を有することができる。図１Ｄは、センサアレイ３００の断面図であり、光学的に透明なプラスチック基材２００に支持された、硬化させたレプリカモールディングバイオセンサキュベットセンサ１００を示している。図１Ｃと１Ｄはスケールは考慮されていない。図１Ｄに示すように、各バイオセンサキュベットセンサ１００は流体含有構造３３０（サンプルを保持するための壁）を含み、その底内面に設けられたフォトニック結晶センサ１２０を有している。いくつかの態様では、流体含有構造３３０はマイクロサイズ化された物理的な大きさを有し（例えば、長さ、幅、高さが１０代又は数百代のミクロンのオーダー）、フォトニック結晶センサ３４０の格子構造はナノサイズ化された高さと幅を有し（１０代又は１００代のナノメータのオーダー）、一次元の線形格子配置ではミクロンサイズ化された長さを有している。
【００４９】
図１Ｅは、図１Ｃと１Ｄのセンサアレイ３００用のプラスチック基材２００を支持するために、透き通って堅い基材３５０をさらに設けた態様を示す断面側面図である。基材３５０は構造的な一体性を付加し、センサアレイをハンドリングし易くする。堅い基材３５０を組み込んだ態様は、フォトニック結晶構造の平坦性も維持するので、センサの信頼性の高い読み出しを確保するのには有効である。
【００５０】
図１Ｆは、含有構造３３０により提供される流体含有体積を、含有構造３３０の上面に底のないマイクロプレートフレーム３６０を組み込むことにより増加させて態様の断面側面図である。図１Ｃ〜１Ｆに示すデバイス配置は、標準３８４及び１５３６ウエルマイクロプレート配置を含む多数の溜めを有するセンサアレイにも適用できる。
【００５１】
図２Ａは、バイオセンサの作製方法の典型例を示すプロセスフロー図を提供するものであり、流体含有構造とフォトニック結晶センサ構造は同時に、すなわち、同じ製造プロセスで作製されている。図の工程４００に示すように、最初の工程は、レプリカモールディングプロセスで使用するマスターテンプレートの製造である。この工程は、サブ工程として、（i）シリコンウエハを用意する工程と、（ii）周期的表面格子構造（例えば１次元又は２次元の周期格子）を形成するために深紫外線リソグラフィーによりシリコンウエハの外面を処理する工程を含む。周期的表面格子は、材料１０５の中の図１に示す表面格子構造１６０／１７０を有するフォトニック結晶を形成するのに使用される。工程は、サブ工程（iii）も含み、フォトニック結晶用格子構造を取り込んだ（囲んだ）流体含有構造を形成する少なくとも１つのミクロンサイズ化された特徴を形成させるために、従来の光学リソグラフィーを用いてウエハの外面をさらに処理する。
【００５２】
工程４０２では、工程４００で作製された、マスターテンプレートのパターンを付与された表面を、硬化可能な材料と接触させる。工程４０２は、サブ工程として、（i）パターンを付与された外面を有するマスターテンプレートを用意する工程と、（ii）マスターテンプレートのパターンを付与された外面を紫外線硬化性エポキシと接触させる工程と、（iii）マスターテンプレートのパターンを付与された外面に形成された形状に、紫外線硬化性エポキシを適合させる工程とを有する。エポキシを、マスターテンプレートのパターンを付与された外面と、ポリマー（例えばＰＥＴ）基材（図１の基材２００）との間に挟むことができる。
【００５３】
図２Ａの工程４０４では、硬化性材料を硬化させ、マスターテンプレートから離す。この工程は、サブ工程として、（i）テンプレートのパターンを付与された外面に接触している液体の紫外線硬化性エポキシを、紫外線硬化性エポキシを硬化させるために、紫外電磁放射線に露出させ、マスターテンプレートと接触しパターンを付与されたポリマー層を形成する工程と、（ii）マスターテンプレートからパターンを付与された紫外線材料を剥離し、流体含有構造とフォトニック結晶センサを有する統合されたモノリシック構造を得る工程を有する。
【００５４】
図２Ａの工程４０６では、高屈折材料の薄膜（図１の１８０と１９０）を、フォトニック結晶構造の上に堆積させる。例えば、厚さが５０〜５００ｎｍのＴｉＯ２層を、フォトニック結晶用周期的格子構造の高及び低構造の上に堆積させる。図１Ａに示すように、流体含有構造の上面及び側壁の上に薄膜を置くこともできる。薄い誘電体膜の堆積は、例えば、電子ビーム蒸着又は他の適切なプロセスを用いて行うことができる。
【００５５】
図２Ａの工程４０８では、流体含有構造は、カバー層で随意的に密閉され、そしてカバー層には入口ポート及び出口ポートを随意的に設ける。カバー層は、流体含有構造とカバー層との間の接着剤層によりその構造に接着させることができる。次いでカバー層と接着剤層に入口ホール及び出口ホールが形成される。チューブ又はポート又は他の類似の構造等の付加的な特徴を、サンプルをセンサに注入するための真空用、ポンプ用又は注入用デバイスの取り付けを容易にするために加えることもできる。
【００５６】
図２Ｂは、レプリカモールディングを用いてフォトニック結晶センサを作製する従来の方法を示す模式図を提供する。この図に示すように、シリコン基材５０２と、作製するフォトニック結晶センサの格子構造に対応する多数の格子構造５０６を有する外面５０４を有するシリコンマスターテンプレート５００が用意されている。エンボス工程では、紫外線硬化性材料層１０５は、テンプレートの外面５０４に接触させられ、マスターテンプレート５００の格子構造の形状に適合させられる。マスターテンプレートの外面と接触している紫外線硬化性材料の層１０５は、ＰＥＴのバッキング層２００とも接触している。紫外光は、材料１０５の上に向けられている。紫外線硬化性材料１０５は、硬化され、シリコンマスター５００から取り除かれる。得られる製品は、フォトニック結晶構造のアレイである。
【００５７】
図２Ｃは、統合された流体含有構造及びフォトニック結晶構造をレプリカモールディングを用いて作製する本開示の方法を示す模式図である。図２Ｃに示すように、シリコンマスターテンプレートには、流体含有構造、この例では一対の流体チャンネル５２０からなる、に対応する外面上の構造５１６が追加的にパターン付与されている（エッチングされている）。構造５１６は、紫外線硬化性材料では高められた構造になる低い領域であるが、領域５１８は、高い領域であり、フォトニック結晶格子構造５０６の中及び上を流体が流れることができるチャンネルになる。図２Ｃの一番下の部分に示すように、追加構造５０６を組み込むと、レプリカモールディングプロセスが終了すると、流体チャンネル（流体含有構造）とフォトニック結晶構造も同時に形成される。また、追加構造５１６を取り込むと、流体含有構造５２０とフォトニック結晶構造５０６の自動的及び高精度の配列が可能となる。
【実施例】
【００５８】
実施例１．
ポリマーマイクロ流体チャンネルを備えたフォトニック結晶バイオセンサの１段階作製及びキャラクタリゼーション
【００５９】
（緒言）
１段階レプリカモールディングプロセスを用いて、マイクロ流体チャンネルの中に標識剤なしのフォトニック結晶バイオセンサ技術を同時に統合する方法が、開示の一つの可能な手段としてこの実施例において提示される。
【００６０】
フォトニック結晶センサ構造のサブミクロンの特徴と、フローチャンネルネットワークの１０μｍより大きい特徴の両方を、プラスチック基材上に室温で一段階で作製することにより、センサはフローチャンネルに対し自動的に自己整列し、所望パターンの形状が製造可能である。表面近くのエバネッセント場の領域での誘電率の変化により誘起される、フォトニック結晶構造からの共鳴ピーク反射波長の変化を測定することにより、流体チャンネル内のバルクの屈折率変化の検出、又はセンサ表面への生物材料の吸着が証明されている。フォトニック結晶共鳴波長の空間分布をキャラクタライズし、１つの流体チャンネル内の数千の独立したセンサの記録を収集する、イメージング検出装置についても記載されている。
【００６１】
最近、マイクロ流体ラボオンアチップ（ＬＯＣ）及びマイクロトータルアナリシスシステム（μＴＡＳ）が研究され、ゲノミクス、プロテオミクス、薬剤のハイスループット化合物スクリーニング、及び微小チップへの臨床上の診断／生物医学的応用のための複雑な生化学検出プロトコルを改良及び簡略化する努力がなされている。多数の生化学相互作用を測定するための自動化されたμＴＡＳに対する要求は、産業界及び世界的な生物学的研究により、現在活発に行われている（currently being driven）。マイクロ流体システムを操作し、多数の複雑な生化学プロトコルを実行するためには、プロセスのモニタリングと確認のための、フィードバック制御及び生化学相互作用の検出のために、センサを組み込むことは、基本的に重要である。本開示は、これらの要求を満たすセンサを提供する。
【００６２】
現在実施されているアッセイの大部分においては、蛍光又は比色の化学標識剤が、検討される分子に通常結合されて、速やかに可視化される。しかしながら、標識剤を用いると、標識剤の分子構造への影響、活性な結合エピトープ（epitopes）のブロッキング、立体障害、標識サイトへの近づきにくさ、又は実験においてすべての分子に対して同等に機能する適切な標識剤を見出すことの困難性により、実験上の不明確性をもたらす。そのため、蛍光標識剤を使用しないで高感度の生化学検出を行うことを可能にできれば、蛍光消光、貯蔵寿命及びバックグラウンド蛍光現象から実験上の人為要素（artifacts）を取り除きながら、アッセイプロトコルをさらに簡略化でき、定量的な速度論データを提供できるであろう。過去において、別途取り付けられたフローチャンネルの中に標識剤なしのバイオセンサが組み込まれたが、ほとんどのシステムは、少数の独立したセンサ領域に結合されている。必要とされているのは、クロストークなしで機能し、高面積密度の独立したセンサを備え、生化学相互作用を高度に並行的に検出できるセンサである。理想的には、そのシステムは、フローチャンネルに対してセンサを配列させることなく、流体フローネットワークと容易に一体化させることができる。最後に、チップ全体に配置されているセンサは、数百の生化学相互作用をモニタリングし、統合されたフロー制御システムにリアルタイムのフィードバックを提供することが可能となるであろう。
【００６３】
前に、サブ波長フォトニック結晶構造に基づく標識剤なしの光学バイオセンサが示された。フォトニック結晶構造は共鳴的に結合した光の横方向の伝搬を許容しないので、１個のフォトニック結晶表面は、隣接するセンサ領域との間の光学クロストークなしで、多数の独立したバイオセンサ測定を維持することを可能としている。イメージベースセンサの読み出し方法を用い、バイオセンサのイメージピクセル解像度は９×９μｍ２まで低くなることを示し、そのイメージング法を、マイクロアレイのスポット、個々の細胞、及び９６ウエルのマイクロプレートの中の自己参照アッセイ（self-referenced assays）を検出するのに適用した。フォトニック結晶表面は、プラスチックフィルムの連続シートから大表面積の上に製造され、１回使用で使い捨ての９６、３８４、及び１５３６ウエルのマイクロプレートの中に組み込まれた（全表面積に亘り、９×９μｍ２ピクセル解像度の生化学結合密度でそれらすべてはイメージ化可能である。）。
【００６４】
この例では、フォトニック結晶センサと流体チャンネルを同時にレプリカモールディングすることにより、マイクロ流体ネットワークの中に標識剤なしのフォトニック結晶バイオセンサを統合できる新規な技術を、我々は初めて提供する。この方法は、標識剤なしの生化学検出、サンプルのバルク屈折率検出、及びマイクロチャンネル内の流体の存在等の検出様式を可能とする。近接した多数の並行チャンネルを作製することにより、高スループットの生化学アッセイが可能である。温度及びバルク溶液の屈折率の変化性等の通常モードの誤差の原因を正確に補正することは、並行チャンネルの一つの中に埋め込まれたセンサを参照に用いることにより可能である。
【００６５】
フォトニック結晶バイオセンサ構造をここに提示されたマイクロ流体チャンネルの中に１段階で統合することは、レプリカモールディング法を用いてフレキシブルなプラスチック基材上で実行され、互いに自動的に配列するような所望形状のセンサ及びフローチャンネルを製造するための簡単で低コストの製造方法が可能となる。使い捨てのプラスチックチップは、再使用可能なガラスデバイスよりも安価であり、時間のかかる再生工程を削減できる。さらに、モールドされた構造に用いるポリマーは、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、多くの有機溶剤との親和性が低いので、水系用途への使用は制限される、に比べて優れた耐溶剤性とガス透過性を有している。最後に、イメージベースの検出方法を用いることにより、本システムは、流体チャンネル内の生化学結合の空間プロファイルを、チャンネルの幅方向を横切って、及びチャンネルの長さ方向に沿ってのいずれについても観察することができる。
【００６６】
（材料及び方法）
１．マイクロ流体センサの作製
作製方法は、マイクロ流体チャンネルの１０μｍより大きい特徴を同時に製造しながら、フォトニック結晶構造のためのサブミクロン特徴を正確に製造できる方法を要求している。型と成形される材料との間に大きな力を加える必要がなく室温で実施できるので、
堅い「マスター」構造と紫外線硬化性液体ポリマー材料を用いるレプリカモールディング法がこの目的のために選択された。
【００６７】
作製手順の概要を図３Ａに示す。まず、５５０ｎｍ周期で、一次元の線形格子構造５０６を有するシリコンマスターウエハ５００を作製した。格子構造５０６は、深紫外線リソグラフィーを用いてフォトレジストでパターン付与され、直径６．７ｍｍの円形ダイがステップされ、９ｍｍごとに繰り返された。露光させたフォトレジストが現像された後、パターン付与された格子構造は、反応性イオンエッチングを深さ約１７０ｎｍまで行うことにより、シリコンウエハに転写された。エッチング後、フォトレジストは除去された。次に、流体チャンネル構造５１６は、前の工程からの、格子構造を有する同じシリコンマスターウエハの上にまたフォトレジストを用い、従来のリソグラフィーを用いてパターン付与された。チャンネル（幅３０〜２５０μｍのチャンネルが検討された。）を規定するのには高解像度は要求されず、そして検討する異なるチャンネル形状のフレキシビリティを最大化するために、チャンネルパターン用のフォトマスクを、５０８０ｄｐｉの高解像度プリンティングを用いて透明なプラスチックシートの上に作製した。露光させたフォトレジストを現像した後、深さ約２０μｍの深反応性イオンエッチングを行い、シリコンウエハの上にチャンネル構造５１６を転写させ、続いてフォトレジストを除去した。その結果、サブミクロンスケールの線形格子構造が組み込まれたマイクロ流体チャンネルのネガパターンのテンプレートが形成された。続いて、完成させたシリコンテンプレートは、テンプレート構造がポリマー残渣を含まないように、テンプレートからのレプリカの完全除去を促進するために、撥水シラン（ＧＥヘルスケア社製）で処理された。
【００６８】
モールドとしてシリコンマスターを用い、シリコンマスターウエハ５００とポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）基材の間に液体紫外線硬化性ポリマー１０５を配布することにより、マスターウエハ５００の表面構造５０６／５１６が、厚さ２５０μｍのＰＥＴ基材の上に複製された。液体ポリマーはマスターウエハの形状に適合し、次いでＵＶライト６００に露出させて固体状態に硬化される。ポリマーを硬化させた後、表面構造をシリコンウエハから剥がして、ＰＥＴシート（図３（iv））に付着したシリコンマスターウエハのレプリカを後に残した。レプリカ表面への電子ビーム蒸着を用いて、図３（v）の層１８０として示す厚さ１５０ｎｍの二酸化チタン（ＴｉＯ２）を堆積させることによりセンサを完成させた。図３Ｂの走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）のイメージは、ＴｉＯ２でコートされた硬化させたレプリカの表面を示し、複製されたフローチャンネル５２０は、その底面にフォトニック結晶バイオセンサを有している。
【００６９】
マイクロ流体チャンネル５２０の上面は、間（図３、部分（iv））に両面感圧性接着フィルム２２０（３Ｍ社製）を挟んで、入口用及び出口用ホールを有する別のＰＥＴシート２１０で密閉することにより完成させた。その後、密閉されたプラスチックマイクロ流体センサチップは、構造に堅さを付与するために、透明の同じ接着性フィルムを用いて、１×３平方インチの顕微鏡用スライドガラスの表面に取り付けられた。ＰＥＴカバー層の入口用ホールの上にポリプロピレン（ＰＰ）のフローコネクタを接着剤を用いて取り付け、透明なエポキシで補強封止することにより、マイクロ流体チップを完成させた。流体をマイクロ流体チャンネル５２０の中に流すことは、ＰＰフローコネクタに溶液又は分析物を予め満たし、シリンジを用いてＰＰフローコネクタに接続された配管に手動でポンピングすることにより達成された。本研究で実施される実験は、チャンネルを溶液で満たし、室温で保温し／安定化させ、バッファで洗浄し／すすぐことを含み、そのため流体の流速とは無関係であるので、手動のシリンジによるポンピング法で十分であった。
【００７０】
２．イメージング装置
当業者には理解されるように、非常に多くの、光学的な照明、分析及び検出システムが、例えば、前に引用した特許文献に記載されているように、本センサと組み合わせて用いることができる。そのような装置は、適切な照明装置、そして光学的なイメージング及び点検出モードを含む光学的読み出しを可能とする光学及び検出部品を通常含んでいる。その装置は、選択された波長分布を有する電磁放射線によりフォトニック結晶構造が照らされように、光源はセンサと光学的に連絡している状態で配置されており、ここで例えば電磁放射線は、電磁スペクトルの可視、紫外又は赤外領域の波長分布を有している。フォトニック結晶構造により反射され、散乱され又は透過される電磁放射線を分析及び検出可能なように、フォトニック結晶構造と光学的に連絡している状態で、光検出器は配置されている。有用な光源は、石英ランプ、キセノンランプ、ハロゲンランプ及び／又は重水素ランプを含む広域源を含む。有用な光検出器は、スペクトロメーター、格子及びプリズム等の分散エレメント、並びに光電子倍増管、フォトダイオード、ダイオードアレイ及びＣＣＤイメージングシステム等の光学検出器を含む。
【００７１】
一の可能な態様では、光源は偏光フィルターと組み合わせた広域源であり、フォトニック結晶構造の格子ラインに垂直な偏光方向を有するセンサに対し電磁放射線の通常の投射を行う。センサから反射された電磁放射線を収集し、それをスペクトロメーターの窓（aperture）に向けるための、ビームスピッリッターとイメージングレンズが設けられている。検出は、ＣＣＤカメラ等の２次元検出器を用いて行う。本光学読み出し配置では、フォトニック結晶構造上のラインからの電磁放射線は、必要により時間の関数として波長が分析され、検出される。この検出配置により提供されるスペクトル分析は、ライン内の各点の空間分解スペクトルであるので、波長分布の決定が可能であり、及び必要に応じてライン上の各点のピーク波長を決定することができる。検出システムは、フォトニック結晶構造の二次元イメージが得られるようにセンサを移動させることの可能な電動ステージをさらに含む。あるいは、検出装置は、フォトニック結晶構造の二次元イメージが得られるように、電磁放射線の照明ビームをセンサの選択された領域の上を走査させることの可能な光学装置を含む。
【００７２】
実施例１に用いられる、バイオセンサピーク波長値（ＰＷＶ）用イメージング装置の模式図を図４に示す。装置は、光源６１０、ミラー６１２、ビームスピリッター６１４、偏光フィルター６１６、及びイメージングスペクトロメーター６２０を有している。光源５１０から白色光５１０が通常の投射でセンサ１００を照らすと、偏光フィルター６１６は、センサ格子ラインに垂直な偏光方向を有する光の通過のみを許容する。反射光はビームスピリッター６１４を通って、単一倍率のイメージングレンズ（不図示）及びイメージングスペクトロメーター６２０の狭い入口スリット窓６２２へと向けられる。スリット６２２の幅は、所望の値に設定することができ、例えば６〜２００μｍの範囲とすることができる。この方法を用いて、センサ１００表面上のラインから反射光が収集され、イメージ化されたラインの幅は、イメージングスペクトロメーターの入口スリット６２２の幅により決定される。イメージングスペクトロメーター６２０は、２０４８×５１２のピクセルを有する二次元ＣＣＤカメラ（アクトンリサーチ社製）を備えている。反射光のラインは、バイオセンサの共鳴信号を含んでおり、スペクトロメーター６２０内の回折格子により回折され、ライン内の各点からの空間分解スペクトルを作り出す。ＣＣＤカメラが２０４８×５１２のピクセルモードで使用されている時、スリットを通過するラインイメージは５１２ピクセルの上にイメージされる。２０４８波長データポイントの解像度のスペクトルが、５１２ピクセルのそれぞれに対して得られる。すべての５１２スペクトルにピーク検出分析を行うことにより、５１２ピクセルのＰＷＶが決定される。このようにして、５１２ピクセルのライン６２８が、センサのＰＷＶイメージ６３０に対して生じる。
【００７３】
センサの二次元ＰＷＶイメージを作るため、電動ステージ（不図示）は、正確な保持用取付具の上に配置されたセンサ１００をイメージラインに垂直な方向に移動させる。図４の矢印６３２を参照されたい。イメージラインの空間的な分離は、各イメージライン取得の間のステージのステップサイズにより決定される（さらに、ＣＣＤはビニングピクセル（binning pixels）により種々の解像度で読み出しができる。）。この技術により、一連のラインがソフトウエアにより一つのイメージに集められ、センサを移動させた後でセンサ内の同じスポットを繰り返しスキャンすることができる。現在のシステムでは、ＣＣＤチップの大きさにより決定され、バイオセンサの表面を横切る、イメージラインの長さは９．１ｍｍである。イメージライン方向に沿って９．１ｍｍのステップでセンサを移動させることにより、タイル張り形式の大面積をスキャンすることができ、タイルの幅は９．１ｍｍである。
【００７４】
一般的には、バイオセンサの実験はＰＷＶのシフトの測定を含むので、センサ表面は２回スキャンされ、１回は生体分子が結合する前、そして１回は生体分子が結合した後であり、イメージは整列され、センサで検出されたようにＰＷＶの差を決定するために差し引かれる。このスキャン法は、表面を横切ってあるいはプローブ配置のセット内で、イメージされた表面のＰＷＶが完全に均一であることを要求せず、あるいは表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）イメージングを用いた場合のような共鳴条件に対するセンサ角度のチューニングも要求しない。
【００７５】
（結果及び議論）
１．バルク屈折率感度実験
流体チャンネル内に統合されたセンサ構造は、その表面の誘電率の変化を測定する。そのため、種々の屈折率を有する流体を流体チャンネルを通して流すことによりＰＷＶのシフトが誘起される。屈折率は蒸留（ＤＩ）水中のジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）濃度に直線的に対応するので、異なる濃度のＤＭＳＯを含む蒸留水の溶液を流体チャンネルに流すことにより、ＰＷＶのバルク屈折率に対する依存性が決定された。
【００７６】
この実験では、３個の流体チャンネルを有し、それぞれが、それらの底に自身のフォトニック結晶センサを有するセンサ１００を用いた。３個のチャンネルは、以下の議論及び図５よ６においては、ｐ１，ｐ２，ｐ３と符号が付けられている。
【００７７】
最初に、すべての３個のチャンネルは蒸留水で満たされ、２２．３μｍの解像度でベースラインＰＷＶイメージングが装置を用いてなされた。図５Ａに示す得られた空間ＰＷＶイメージでは、ＰＷＶは、８７０ｎｍから８８０ｎｍの範囲のスケールバー６７０で示され、赤領域６８０はより高いＰＷＶ領域を示す。図５Ｂは、各チャンネルからの１個のデータピクセルからのサンプルの反射スペクトルを示しており、チャンネルｐ１，ｐ２，ｐ３に対し、ＰＷＶがそれぞれ、８７７．７９、８７７．６５、８７６．８７ｎｍである。図５Ｃと５Ｄは、空間ＰＷＶイメージの断面プロットである。図５Ｃのプロットは、図５Ａの緑の水平断面ライン６５０に沿ったＰＷＶを示し、同様に、図５Ｄは、図５Ａのオレンジの垂直断面ライン６６０に沿ったＰＷＶを示す。断面ＰＷＶプロットは、ＰＷＶを示しが異なるチャンネルからわずかに変化すること、及び同じチャンネル内（図５Ｃ）でさえも僅かに変化することを示す。この場合、ＰＷＶ値自身によるものというより、異なる溶液が導入されたり、センサ表面でいくつかの生化学反応が起きている時のＰＷＶシフトであるので、許容できる。
【００７８】
蒸留水で満たしたチャンネルについてＰＷＶイメージを取得した後、チャンネル１と３をＤＭＳＯ溶液で満たす一方、参照として用いるためチャンネル２を蒸留水で再度満たした。図６Ａは、チャンネル１と３を通して６．２％ＤＭＳＯ溶液を流すことにより測定した空間ＰＷＶシフトイメージを示す。シフトしたＰＷＶイメージは、蒸留水で満たしたすべてのチャンネルについて、チャンネル１と３に６．２％ＤＭＳＯ溶液を満たした正確に同じデバイスの空間ＰＷＶイメージから参照用空間ＰＷＶイメージを差し引くことにより得られる。
【００７９】
そのため、図５Ａ、Ｃ、Ｄに示す均一でない作製方法に起因するＰＷＶの変化は、ＰＷＶイメージの差し引きが行われた場合には、大きな感度の不均一性をもたらすものではない。ＰＷＶのシフトは、−０．２から２．７ｎｍへのスケールバー６７により示され、赤領域は最も大きいポジティブシフトを示している。ＰＷＶデータのシフトのすべての標準偏差は０．２６３ｎｍであった。
【００８０】
一旦、シフトしたＰＷＶイメージが得られると、センサ領域のグリッドが選択され（図６Ａの区画領域）、そこでは、各グリッド内の多くの独立のピクセル記録が１つの測定の中に平均化可能である。マスク機能を適用して、ユーザーが選択した値より大きい最大反射強度を有する共鳴ピークのみを、グリッド内のスペクトルの選択のために考慮させることができる。そのため、マスク機能により、フォトニック結晶構造を含まないチップの領域（例えばフローチャンネルの間の領域）で共鳴ピークを反射しないものを、さらなる検討の前に自動的に除去することができる。各グリッドは、「能動」又は「参照」と呼ぶことが可能であり、参照領域からのＰＷＶシフトは、通常モードの人為要素を差し引くための所望のあらゆる能動領域と関係付けることができる。この実験では、チャンネル２のグリッド内の平均ＰＷＶシフト（参照）を、チャンネル１と３のグリッドの平均ＰＷＶシフト（能動）から差し引くことにより計算した。チャンネル幅の違いにより（チャンネル１，２及び３は、それぞれ１５０、２００及び２５０μｍ）、チャンネル１，２及び３の各グリッド内のマスク機能を満たす独立のデータピクセルの数は、それぞれ、２２５６０，４３３７及び７５０９であった。
【００８１】
０．７８％から２５％の異なるＤＭＳＯ濃度の各濃度を、チャンネル１と３に流した後でスキャンを行った。異なる濃度のＤＭＳＯ溶液を流す前に、両方のチャンネルは蒸留水で濯ぎ、乾燥させた。図６Ｂは、ＤＭＳＯ濃度の関数としてＰＷＶシフトをプロットしたものであり、データ点は最小二乗近似法でＲ２値が０．９９６となって直線に適合し、フォトニック結晶反射共鳴ＰＷＶと溶液のバルク屈折率との間に予想された直線的な依存性が認められた。ＤＭＳＯ濃度の６．２５％の変化（ΔＰＷＶが１．８４１ｎｍ）に対応する大まかなバルク屈折率の変化は、前の研究から決定されたバルク屈折率シフト定数（σ＝δＰＷＶ／δｎ）の値２７０に基づいて、０．００６８２である。
【００８２】
２．タンパク質Ａ−イムノグロブリンＧ（ＩｇＧ）実験
流体チャンネル内のフォトニック結晶センサの表面に結合する生体分子あの検出を示すために実験がなされた。
タンパク質Ａ（ピエスバイオテクノロジー社製）を、センサ表面上の固定化タンパク質リガンドとして用い、鶏ＩｇＧ及び豚ＩｇＧ（シグマアルドリッチ社製）を分析物として用いた。豚ＩｇＧはタンパク質Ａに対し強い結合親和性を有することが知られているが、鶏ＩｇＧはタンパク質Ａと結合せず、そのため、我々の実験ではネガティブコントロールとして働く。
【００８３】
タンパク質Ａを固定する前に、ＰＢＳバッファ（シグマアルドリッチ社製）で満たした３つのチャンネルのベースラインＰＷＶイメージを２２．３μｍのピクセル解像度で取得した。タンパク質Ａは簡単な物理吸着法、すなわち、すべての３つのチャンネルｐ１，ｐ２，ｐ３に０．５ｍｇ／ｍＬの溶液を流し、溶液を１０分間インキュベートし、続いてＰＢＡバッファで未結合のタンパク質Ａを洗い流した。ＰＢＳバッファがチャンネル内にある状態で、タンパク質Ａを固定した後、第２のＰＷＶイメージを収集した。次に、参照として使用するためチャンネル１にＰＢＳバッファを満たす一方、チャンネル２と３に０．５ｍｇ／ｍＬの濃度の鶏ＩｇＧと豚ＩｇＧの溶液をそれぞれ流した。ＩｇＧは固定されたタンパク質Ａとともに１０分間インキュベートされ、次いでＰＢＳを流して結合していないＩｇＧを除去した。その後、ＰＢＳバッファで満たしたすべての３つのチャンネルについて最後のＰＷＶスキャンを行った。
【００８４】
図７ａは、すべての３つのチャンネルについて、ＩｇＧを結合させた後のＰＷＶイメージから、タンパク質Ａコーティング後のＰＷＶイメージを差し引くためのＰＷＶシフトイメージを示している。ＰＷＶシフトは、−０．６０から１．６５ｎｍへのスケールバーで示され、赤領域６８０は最大のポジティブシフトの領域を示している。図７Ａに示すように、各チャンネル内の３つの水平ライン７００，７０２及び７０４（ライン１，２及び３はそれぞれオレンジ、赤及び青に色づけされている。）が選択され、そのラインに沿った独立のＰＷＶシフトピクセルデータがサンプルにされている。各ライン内のサンプルにされた独立のデータピクセルの数は１９０である。
【００８５】
図７ｂは、ライン１，２及び３（７００，７０２，７０４）に沿った断面ＰＷＶシフトのプロットであり、３つのチャンネルはそれぞれ、ＰＢＳバッファ、鶏ＩｇＧ及び豚ＩｇＧに対応する。ＩｇＧ全体についてのＰＷＶシフトを計算するために、図７ａに示すセンサ領域の四角グリッド７０６が選択され、そこでは、各グリッド７０６内の多くの独立ピクセルＰＷＶデータが平均されることができる。また、チャンネル幅の差（チャンネル１，２及び３は、それぞれ１５０，２００及び２５０μｍである。）により、チャンネル１，２及び３の各グリッド内でサンプルにされた独立のデータピクセルの数は、それぞれ２２２３，５４４９及び６２０８であった。この実験のため、ＩｇＧ全体の平均ＰＷＶシフトが、参照であるチャンネル１のグリッド内の平均ＰＷＶシフトを、それぞれ鶏ＩｇＧ及び豚ＩｇＧに対応するチャンネル２と３のグリッドの平均ＰＷＶシフトから差し引くことにより計算した。上記の方法を用いることにより、鶏ＩｇＧ及び豚ＩｇＧを含むセンサチャンネルで測定及び計算される平均ＰＷＶシフトは、それぞれ、−０．０５１及び０．８１５ｎｍであり、固定されたタンパク質Ａへの豚ＩｇＧの選択的な付着を示している。
【００８６】
図８は、上記のような実験の実施に使用するのに適したバイオセンサを示している。センサ３００は、流体サンプルを導入するための入口用ポート８００を有している。センサ３００は、それぞれが、上記のようなフォトニック結晶センサを含むミクロンスケールの流体チャンネル５２０を特徴とする。出口用ポート８０２は、チャンネル５２０を通り、そこに組み込まれているフォトニック結晶センサの上をサンプルが吸引されるように、真空装置（不図示）又はポンプ又は注入デバイスに接続するように設けられている。フォトニック結晶センサ及び流体チャンネルは、前述の方法によりマスターテンプレートを用いモールディングプロセスにより作製された、統合されたモノリシック構造の一部である。
【００８７】
（議論）
本研究に記載された作製及び検出方法は、標識剤なしの生化学用又は細胞分析用のセンサを組み込んだ、より複雑はラボオンアチップシステムを設計及び組み立てるために使用できる組立用ブロックを示す。本研究は、フローチャンネル内の狭いフォトニック結晶領域が強い共鳴反射シグナルを提供すること、及び多数の独立のピクセルを微小チップ内で一度にモニターできることを示す。イメージングの能力は、標識剤なしの測定の解像度及び／又はスループットを向上させるためにいくつかの方法で用いることができる。曲がりくねったフローチャンネル構造で示したように、多くのフローチャンネルの幅方向を横切る１つの「ライン」を用いるＰＷＶ測定は、多数のフローチャンネルでの生化学結合を一度にモニターするのに用いることができる。「終点」測定のみがここに示されているが、ラインを交差するすべてのフローチャンネルについての速度論的結合データを収集するために、速くスキャンすることができる（〜２０ミリ秒／スキャン）。また、ＰＷＶ測定は、フローチャンネルの幅方向を横切る１つの記録に限定されず、チャンネルの中心から端部への結合密度の変化も容易に検出できる。
【００８８】
これらの測定タイプは、流れの状態を最適化し、通常は検出できないエッジ効果を直接観察することも可能にする。同様に、曲がりくねったフローチャンネルは、我々に、１つのフローチャンネルの長さまで小さい生化学結合の検出を示すことを可能とし、そこでは、また速いスキャンにより、固定されたリガンドの結合密度の変化や検出された分析物の変化、及び物質移動の制限に起因するあらゆる不均一性を直接観察することができる。多くの独立した結合記録をチャンネルの長さまで小さくすることにより、我々は、個々のＰＷＶ測定の統計（ランダム）ノイズを平均化により非常に小さいレベルまで低減することを期待できる。我々の曲がりくねったチャンネル配置では、すべてのＰＷＶイメージの断面プロットシフトの記録が、〜２２×２２μｍ２  ピクセルの１つのチャンネル内で＞６０００記録であり、すべてのチャンネルについて、平均ＰＷＶシフト測定を計算するために、容易に一緒に収集することができる。
【００８９】
本開示のセンサは、温度及びバッファの変動を非常に正確に補正するために、能動チャンネルに物理的に密に接近して参照チャンネルを組み込むことを可能とする。能動及び参照領域は小さいので、多くの参照領域を１つのチップの上に組み込むことができる。
【００９０】
本開示は、バルブ及び混合要素をチップの中に組み込んだ、より複雑なセンサ／フローチャンネル配置にも適合する。この能力は、生化学アッセイだけでなく、細胞、細胞毒アッセイ用バクテリア、走化性アッセイ、診断試験、及び細胞／バクテリアの同定を含む、大きな生物学的対象の固定のための検出にも有用である。
【００９１】
上記の開示から、フォトニック結晶バイオセンサとマイクロ流体チャンネルの作製を統合するための一段階プロセスをこの実施例で我々が示したことは理解されるであろう。そのプロセスは、フォトニック結晶のサブミクロン構造と１０ミクロンを超える流体チャンネル構造を同時に実施させ、フォトニック結晶をチャンネルに対し自己整列させることができる。そのプロセスは、低コスト製造のためにフレキシブルなプラスチック基材の上で、室温のレプリカモールディング法を用いて実施することが可能なものである。作製されたセンサは、高解像度のイメージングモードで測定され、チップ表面内の多くの場所からの情報だけでなく、高スループットの方法で生化学反応をモニターし、チャンネルの長さ方向に沿って及び幅方向を横切る均一な結合相互作用の観察も同時に可能である。我々は、統合されたセンサの能力が、チャンネル内に導入された流体のバルク屈折率の変化を検出できること、固定されたリガンドを有する抗体を高濃度で選択的に検出できることも示した。現在の研究では、フローはチャンネル内のセンサに試薬を導入するために用いた。我々は、薬剤化合物のスクリーンニング、タンパク質−タンパク質相互作用のキャラクタリゼーション、ここに記載したプロセスを用いた細胞ベースのアッセイ、及び追加的なフローシステム及び要素を組み込んだ構造への応用についての可能性について示した。
【００９２】
実施例２．
マイクロプレート配置を有する流体含有構造を備えたフォトニック結晶センサ
（緒言）
本開示は、それぞれが個々にアドレスされたフォトニック結晶センサを有するマイクロウエルのアレイからなるマイクロプレートセンサシステムも企図している。本開示のこの態様のマイクロプレートセンサシステムは、分析物を含有する流体サンプルを選択されたマイクロウエルの中に導入するための統合されたミクロンスケールの流体含有構造（チャンネル）をさらに含んでいる。
【００９３】
図９は、この態様のセンサシステムに用いるマイクロウエル配置９００の模式平面図であり、１２×８のマイクロウエル９２０のアレイの形態を有する。センサは、流体サンプルをポート９３０からマイクロウエル９２０へ送る流体チャンネル９４０の形状を有する流体ハンドリングシステム９１０を有している。各流体チャンネル９４０は、フォトニック結晶センサ９５０を有している。マイクロウエル９２０の底面は、図１Ａの態様に示すフォトニック結晶センサを有している。センサ９５０は、サンプルの標識剤なしの測定（ここでは時々「ＢＩＮＤ」測定と呼ぶ。）を可能とし、マイクロウエル９２０の底のフォトニック結晶センサは、チャンネル内を流れるサンプルがウエルの中へ入り、マイクロウエルに添加される第２のサンプル材料と相互作用するようにした後で、測定を可能とする。センサのこの可能な使用方法については以下で詳細に説明する。
【００９４】
図９中の挿入図は、マイクロウエルの１列部分及び対応する流体ハンドリングシステム９１０の拡大図を提示する。このセンサの特徴は、（i）各列の８個のマイクロウエルは、装填及び廃棄のために共通のポート９３０に取り付けられ、（ii）８個のウエルのそれぞれに接続されたチャンネル内のフォトニック結晶センサ９５０は実質的に整列しており、同じ水平線の上に位置し、（iii）８個のウエルの各チャンネル９４０の抵抗（長さ）は、マイクロウエル９２０とフォトニック結晶センサ９５０との間と、センサ９５０と共通ポート９３０の間の両方とも同じである。これは図１１に示す態様において曲がりくねったチャンネル９６０を用いて、チャンネルの経路長さをすべて同じにするのに必要な余分の長さを追加することによって達成される。
【００９５】
図９に示すシステムの利点は、（i）すべてのフォトニック結晶センサ９５０が一つの行に整列されているので、センサ９５０での結合相互作用を測定するためには１次元のスキャンのみで良く、（ii）各チャンネル９４０は、同じ長さと流体抵抗を有しているので、サンプル材料がセンサに移動する時間とマイクロウエルに移動する時間は、ウエルの列のすべてのウエルでは同じであり、（iii）８個の共通ポート、ウエルの列当たりに１個のポートは、ウエルに添加された８個の異なるレセプター（分析物）を並行して試験することができる。
【００９６】
図１０は、この実施例のマイクロウエル配置の斜視図の模式図であり、マイクロ流体カートリッジ１０００の形状を有している。この図に示すように、ＰＥＴの支持基材層２００が設けられており、多数の統合された流体含有構造とフォトニック結晶構造からなるパターン付与されたポリマー層１０５を支持している。サンプルウエル９２０は、それらを満たすのに必要な流体体積を最小限にするためにテーパー形状を有する。マイクロウエルの体積能力を増加させ、構造に堅さを付与するために追加のポリカーボネート層３６０が設けられている（図１Ｆの構造を参照）。
【００９７】
図９と１０の態様としていくつかのデバイスシナリオが企図されている。
【００９８】
シナリオＡ：１２個の共通ウエル９３０が、同じレセプタータンパク質ですべて満たされ、それはすべてのチャンネルに入り、ウエル９２０に繋がるチャンネル９４０内に配置されたフォトニック結晶ＢＩＮＤセンサに結合する。次いで、９６個のユニークな（unique）分析物をサンプルウエルの中に直接装填し、サンプルウエル９２０の中に含まれるフォトニック結晶センサを用いて同時に９６のアッセイを行う。あるいは、ユーザーは、ウエルの１列当たり、１２個のユニークなアッセイを、各アッセイについて８回繰り返すことにより行うことができる。
【００９９】
シナリオＢ：１２個の共通ウエル９３０は、異なるレセプタータンパク質でそれぞれ満たされ、それにより８個のウエル９２０のそれぞれを異なるタンパク質で標識している。次いで、１２の行を横切って８個のユニークな分析物が導入され、８個の分析物対１２個のレセプターを試験する９６個の同時アッセイを行う。
【０１００】
シナリオＣ：９６個のユニークなタンパク質がサンプルウエル９２０の中に堆積され、サンプルウエル９２０の底に配置されているフォトニック結晶センサと結合する。１個の分析物が１２個の共通ウエル９３０の中に導入され、ウエル９２０の中に流れ込む。９６個のユニークなアッセイが同じ分析物と異なるレセプターについて実施される。
【０１０１】
共通ウエル（及びデータ読み出し）が他の方向で作動するように形状を変えることができ、シナリオＢを逆にして１２個の分析物対８個のレセプターとすることができる。
【０１０２】
図１１は、この実施例のシナリオＡにおいて本センサシステムがどのように使用されるかを示す、典型的な作製工程を示す模式図を提示している。図１１は、簡単のために、１個の共通ウエル９３０と、２個のサンプルウエル９２０のみを示している。サンプルウエルにはテーパーがないが、テーパーを付与されたウエルは本態様の範囲内であることには留意されたい。共通ウエル９３０は、チャンネル９４０Ａと９４０Ｂを通してサンプルウエル９２０に接続され、それぞれ、チャンネル９４０Ａと９４０Ｂの底面に配置されたフォトニック結晶センサ９５０を有している。
【０１０３】
工程１は、空のデバイスを有するセンサシステムを示している。工程２は、共通ウエル９３０の中に装填されたレセプタータンパク質１１００を有するセンサシステムを示している。工程３は、水圧と毛細管作用によりチャンネル９４０Ａと９４０Ｂの中に入るレセプタータンパク質を示している。流体は、フォトニック結晶センサ９５０をカバーするのに十分なだけ遠くまで移動するが、それ以上遠くまでは移動しない。デバイスは、チャンネル９４０内であってフォトニック結晶センサ９５０を超えない程度の適切な距離で流体の流れが止まるように設計されている。レセプター分子はこの状態でセンサ９５０に結合し、標識剤なしの「ＢＩＮＤ」ＰＷＶ測定がセンサ９５０から行われた（例えば、図４の装置を使用して）。工程４は、２個の異なる分析物１１０２と１１０４がサンプルウエル９２０の中に装填された時のシステムを示している。工程５は、サンプルウエル９２０と共通ウエル９３０の柱の高さが同じになるまで、水圧又は真空により、分析物１１０２と１１０４がチャンネル９４０Ａと９４０Ｂの中に吸い込まれている時のシステムを示している。これは、サンプルの流れがセンサ９５０を超えて進むように設計されている。分析物１１０２及び１１０４と、フォトニック結晶センサ９５０に結合したレセプター分子との間の結合反応は開始し、前に説明した方法によりＰＷＶ測定により測定されることができる。
【０１０４】
上記の議論から、我々が、空洞（ウエル又はチャンネル）を有する流体含有構造であって、図に示すように、該流体含有構造の内面又は空洞の中に形成された周期的表面格子構造からなるフォトニック結晶センサ（１２０／９５０）と統合された流体含有構造（例えばチャンネル９４０あるいはウエル１３０又は９２０）を備えたフォトニック結晶バイオセンサ（１００，３００，１０００）であり、流体含有構造と、フォトニック結晶構造の周期的表面格子構造が、統合されたモノリシックな構造からなる、ことを記載したことが理解されるであろう。
【０１０５】
図１Ａに示すように、統合されたモノリシックな構造は、光学的に透明な基材層２００、硬化させたポリマー層１０５、及び硬化させたポリマー層１０５の上に堆積させた比較的高屈折率の材料１８０とからなる統合されたポリマー構造の形状をとることができる。
【０１０６】
例えば、図９と１１に示すように、センサはサンプルウエル９２０の形状として空洞を含み、統合されたモノリシックな構造は、さらに、流体サンプルを受容するためのポート９３０と、面を有し、ポート９３０をミクロンスケールの流体含有構造９２０に接続する流体経路を提供するチャンネル９４０と、及びチャンネルの表面に形成された周期的表面格子構造からなる第２のフォトニック結晶構造９５０を有している。
【０１０７】
上記の態様では、センサは、フォトニック結晶構造の周期的格子構造に結合された標的物質を含むことができ、分析物と結合するために、標的物質は流体含有構造（ウエル又はチャンネル）の内部で露出した状態となっている。標的物質の例は、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、脂質、炭水化物、多糖類、糖タンパク質、脂タンパク質、砂糖、細胞、バクテリア、ウイルス及び候補分子を含む。
【０１０８】
（用語解説）
「ポリマー」は、通常モノマーと呼ばれる多数の繰り返し化学基からなる分子を指す。ポリマーは、しばしば高分子量により特徴付けられる。本開示で使用できるポリマーは、有機ポリマー又は無機ポリマーでも良く、そして非晶性でも、半非晶性でも、結晶性でも部分結晶性状態でも良い。ポリマーは、同じ化学組成のモノマーからなるものでも良く、コポリマー等の異なる化学組成の多数のモノマーからなるものでも良い。連結したモノマー鎖を有する架橋ポリマーは、本開示のいくつかの用途には特に有用である。本開示の方法、デバイス、及びデバイス部品に使用できるポリマーは、限定されるものではないが、プラスチック、熱可塑性樹脂、エラストマー、エラストプラスチック、サーモスタット（thermostats）、及びアクリレートを含む。ポリマーの具体例は、限定されるものではないが、ポリメチルメタクリレート、アセタールポリマー、生分解性ポリマー、セルロースポリマー、フッ素ポリマー、ナイロン、ポリアクリロニトリルポリマー、ポリアミド・イミドポリマー、ポリイミド、ポリアクリレート、ポリベンズイミダゾール、ポリブチレン、ポリカーボネート、ポリエステル、ポリエーテルイミド、ポリエチレン、ポリエチレン共重合体及び変性ポリエチレン、ポリケトン、ポリメチルペンテン、ポリフェニレンオキサイド及びポリフェニレンスルフィド、ポリフタルアミド、ポリプロピレン、ポリウレタン、スチレン樹脂、スルホン系樹脂、ビニル系樹脂又はこれらのいずれかの組み合わせを含む。
【０１０９】
「電磁放射線」及び「光線」の用語は、本開示では同じ意味で使用され、電場及び磁場の波を指す。本開示の方法に有用な電磁放射線は、紫外線に限定されるものではなく、可視光線、赤外線、マイクロ波、ラジオ波又はこれらのいずれかの組み合わせを含む。
【０１１０】
「光学的連絡（optical communication）」は、１以上の電磁放射線が一の素子から別の素子へ伝搬可能な、２以上の要素の配置を指す。光学的連絡における素子は、直接的に光学的連絡をしても良く、又は間接的に光学的連絡をしても良い。
【０１１１】
「直接的な光学的連絡」は、１以上の電磁放射線が、指向させる及び／又はビームを結合させるための光学部品を用いることなく、第１のデバイス素子から別の素子に直接的に伝搬するような、２以上の素子の配置を指す。一方、「間接的な光学的連絡」は、限定されるものではないが、導波管、ファイバー光学素子、反射鏡、フィルター、プリズム、レンズ、格子、及びこれらデバイス部品のいずれかの組み合わせを含む１以上のデバイス部品を介して２つの素子の間を、１以上の電磁放射線が伝搬するような、２以上の素子の配置を指す。
【０１１２】
「薄膜」は、原子、分子又はイオン又はそれらの混合物及び／又はそれらのクラスターの被膜又は層を指す。本開示の薄膜は、実質的に組成が一定な一つの層、物理的な厚さの関数として組成が変化する一つの層又は多数の薄膜層からなる。本開示の薄膜層は、限定されるものではないが、誘電材料、半導体、導電材料、ポリマー等の有機材料及びこれら材料のいずれかの組み合わせを含む。好ましい態様では、本開示の誘電体薄膜に関係して、限定されるものではないが、金属酸化物、非金属酸化物及び塩薄膜を含む。本開示の薄膜層は、選択された用途に適した、いかなる大きさ、形状、物理的厚さ又は光学的厚さを有することができる。
【０１１３】
「フォトニックバンドギャップの周波数分布」及び「フォトニックバンドギャップの反射スペクトル」は、本開示では同じ意味で使用され、フォトニック結晶を透過する入射電磁放射線の周波数が少なくとも部分的に妨げられることを指す。本開示は、整調可能なフォトニックバンドギャップを有する動的フォトニック結晶を提供することができ、それによれば、結晶を偏光励起電磁放射線に曝すことによりフォトニックバンドギャップの周波数分布を選択的に調整できる。
【０１１４】
ここで用いる「ナノサイズ化された（nanosized）」は、１０代のナノメータから１００代のナノメータの範囲を含む、数ナノメータからミクロンの範囲の少なくとも１つの物理的大きさ（例えば、高さ、幅、長さ、直径等）を有する特徴を指す。一態様では、ナノサイズ化された特徴は、構造、レリーフ特徴又は、１００代のナノメータのオーダーである少なくとも１つの物理的大きさを有するレリーフ特徴である。例えば、ナノサイズ化された特徴の幅及び／又は高さは、１０代から１００代のｎｍのオーダーをとることができ、ナノサイズ化された特徴の長さは１０００代のミクロンのオーダーをとることができる。
【０１１５】
ここで用いる「ミクロンサイズ化された（micron-sized）」は、１０代のミクロンから１００代のミクロンの範囲を含む、１ミクロンから１０００ミクロンの範囲の少なくとも１つの物理的大きさ（例えば、高さ、幅、長さ、直径等）を有する特徴を指す。一態様では、ミクロンサイズ化された特徴は、構造、レリーフ特徴又は、約１ミクロンから約１０００ミクロンの範囲の少なくとも１つの物理的大きさを有するレリーフ特徴である。例えば、ミクロンサイズ化された特徴の幅及び／又は高さは、１０代から１００代のミクロンのオーダーをとることができ、ナノサイズ化された特徴の長さはミリメーターからセンチメーターのオーダーをとることができる。
【０１１６】
ここで用いる「流体」は、流れることができ、容器の外形に少なくとも部分的に適合できる特徴を指す。本開示の流体は、液体、ガス、溶液、コロイド（例えばアエロゾル、エマルジョン、ゲル及び泡）及びこれらの組み合わせ並びにこれらの混合物を含む。「ポリマー層」は、１以上のポリマーからなる層を指す。本開示に有用なポリマー層は、実質的に純粋なポリマー層又は多数の異なるポリマーからなる層からなる。本開示に有用なポリマー層は、多相のポリマー層及び／又は、１以上のポリマーと、ドーパント又は構造用添加剤等の１以上の添加物質との組み合わせからなる複合ポリマー層も含む。
【０１１７】
「候補分子（candidate molecules）」は、人間、他の動物又は植物に投予した時に、一の生物学的プロセス又は一連の生物学的プロセスにいくらかの影響を与える分子である、治療候補分子を含む。治療候補分子は、限定されるものではないが、薬物、医薬、潜在薬物候補及び薬物の代謝産物、生物学的治療薬、潜在生物学的治療候補及び生物学的治療薬の代謝産物、１以上の生体分子と相互作用する有機、無機及び／又はハイブリッド有機・無機分子、生体分子の生物学的活性を禁止、減少又は増加させる分子、抑制剤、リガンド及びこれらの誘導体、変異体及び複合体を含む。
【０１１８】
ここで使われている、「成る」（comprise）、「成る」（comprises）、「成る」（comprised）、「成る」（comprising）は、言及された、決められた特徴群、整数群、工程群、又は部品群の存在を明記するものとして理解されるべきであり、１以上の他の特徴、整数、工程、部品又はそれらの群の存在又は追加を排除するものと理解されるべきではない。「成る」（comprising）、又は「成る」（comprise(s)）、又は「成る」（comprised）の用語が、文法的に類似した用語、例えば、「成る（consisting/consist(s)」又は「実質的に成る（consisting essentially of/consist(s) essentially of）」で随意的に置き換えられ、必ずしも同一の広がりをもつものではないさらなる態様を記載する場合でも、開示の別々の態様は包含されるべきものである。
【０１１９】
本開示は、種々の特別で好ましい態様及び技術を参照して記載されている。しかしながら、本開示の精神及び範囲を逸脱しない範囲、多くの変形例と変更例が可能であることは理解されるべきである。ここで特別に記載した以外の組成、方法、デバイス、デバイス素子、材料、手順及び技術が、過度の実験を行うことなく、ここで広く開示されているように開示の実施に適用できることは当業者には明らかであろう。ここに記載されている組成物、方法、デバイス、デバイス素子、材料、手順及び技術についてのすべての公知の機能的な等価物は、本開示により包含されるべきものである。本開示は、明細書中に示したすべての図面又は具体例を含む、開示した態様に限定されるものではなく、それらは例示又は図示のためであり限定のためではない。本開示の範囲に関するすべての質問は、添付のクレームを参照して回答されるべきである。
【図１Ａ】
2010509590.tif 000003
【図１Ｂ】
2010509590.tif 000004
【図１Ｃ】
2010509590.tif 000005
【図１Ｄ】
2010509590.tif 000006
【図１Ｅ】
2010509590.tif 000007
【図１Ｆ】
2010509590.tif 000008
【図２Ａ】
2010509590.tif 000009
【図２Ｂ】
2010509590.tif 000010
【図２Ｃ】
2010509590.tif 000011
【図３Ａ】
2010509590.tif 000012
【図３Ｂ】
2010509590.tif 000013
【図４】
2010509590.tif 000014
【図５Ａ】
2010509590.tif 000015
【図５Ｂ】
2010509590.tif 000016
【図５Ｃ】
2010509590.tif 000017
【図５Ｄ】
2010509590.tif 000018
【図６Ａ】
2010509590.tif 000019
【図６Ｂ】
2010509590.tif 000020
【図７ａ】
2010509590.tif 000021
【図７ｂ】
2010509590.tif 000022
【図８】
2010509590.tif 000023
【図９】
2010509590.tif 000024
【図１０】
2010509590.tif 000025
【図１１】
2010509590.tif 000026
【手続補正書】
【提出日】平成21年7月8日(2009.7.8)
【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】
統合された流体含有構造を備えたフォトニック結晶バイオセンサであって、
該バイオセンサはサンプルの測定のために取り付けられており、
上記サンプルを受容し少なくとも１つの内面を有するサンプルウエルからなる流体含有構造と、
上記の少なくとも１つの内面に形成された周期的表面格子構造からなるフォトニック結晶センサとからなり、
上記流体含有構造と上記フォトニック結晶センサの周期的表面格子構造とが統合されたモノリシック構造からなるものであって、
上記統合されたモノリシック構造が、さらに、上記サンプルを受容するためのポートと、面を有し上記ポートを上記チャンネルに接続する流体経路を提供するチャンネルと、該チャンネルの面に形成された周期的表面格子構造からなる第２のフォトニック結晶センサとを有する、フォトニック結晶バイオセンサ。
【請求項２】
上記統合されたモノリシック構造が、光学的に透明な基材層、硬化させたポリマー層、及び該硬化させたポリマー層の上に堆積させた比較的高屈折率の材料からなる統合されたポリマー構造からなる請求項１記載のセンサ。
【請求項３】
上記流体含有構造を囲むカバー層を有する請求項１記載のセンサ。
【請求項４】
上記カバー層が、流体含有構造の中と外にサンプルを導く、入口用ホールと出口用ホールを有する請求項３記載のセンサ。
【請求項５】
上記統合されたモノリシック構造が、上記流体含有構造と上記フォトニック結晶構造を支持するポリマー基材をさらに含む請求項１記載のセンサ。
【請求項６】
上記フォトニック結晶構造の上記周期的表面格子構造に結合された標的物質をさらに含む請求項１記載のセンサ。
【請求項７】
上記標的物質が、タンパク質、ペプチド、ＤＮＡ分子、ＲＮＡ分子、オリゴヌクレオチド、脂質、炭水化物、多糖類、糖タンパク質、脂タンパク質、砂糖、細胞、バクテリア、ウイルス及び候補分子からなる群から選択される請求項６記載のセンサ。
【請求項８】
ポートと、該ポートに接続された多数のサンプルウエルと、該ポートを該サンプルウエルに接続する多数のフローチャンネルとを有する流体ハンドリングデバイスの形態をとる、統合されたモノリシック基材と、
上記構造の中に統合的に形成され、それぞれがポートをサンプルウエルに接続するフローチャンネルの中に配置されている多数のフォトニック結晶センサ、とからなるバイオセンサ。
【請求項９】
上記流体ハンドリングデバイスが、ウエルの１以上の列に配置された多数のサンプルウエルを有するマイクロプレートからなり、流体フローチャンネルがマイクロ流体チャンネルのネットワークからなる請求項８記載のバイオセンサ。
【請求項１０】
各上記フローチャンネルが、入口用ポートとサンプルウエルとの間では、実質的に同じ経路長さを有する請求項８記載のバイオセンサ。
【請求項１１】
上記多数のフォトニック結晶センサが、整列状態で空間に配置されている請求項８記載のバイオセンサ。
【請求項１２】
上記バイオセンサが、Ｎ×Ｍのサンプルウエルのアレイからなり、Ｎはサンプルウエルの行の整数を表し、Ｍはウエルの列の整数を表すものであって、
上記バイオセンサは、ウエルのＭ列のそれぞれについて入口用ポートを有しており、各該入口用ポートは、ウエルの各列のＮ個のウエルとフローチャンネルによってそれぞれ接続され、バイオセンサの各該フローチャンネルは、フォトニック結晶センサを組み入れている、請求項９記載のバイオセンサ。
【請求項１３】
上記ウエルの各列は実質的に整列した状態にあって、
ウエルの各列のフローチャンネルの中のフォトニック結晶センサも実質的に整列した状態となるように上記フローチャンネルが組み立てられている請求項１２記載のバイオセンサ。
【請求項１４】
各上記サンプルウエルは、各上記サンプルウエルの中に配置されたフォトニック結晶センサを含んでいる請求項１３記載のバイオセンサ。
【請求項１５】
統合された流体含有構造を有するフォトニック結晶センサの作製方法であって、
該方法が、
フォトニック結晶用周期的表面格子構造と流体含有構造を形成するための構造とからなるパターンを備えた外面を有するマスターテンプレートを用意する工程と、ここで、上記周期的表面格子構造は上記流体含有構造を形成する構造の中に配置されており、
上記マスターテンプレートの上記パターンを材料に転写し、空洞内に配置された上記フォトニック結晶用周期的表面格子構造を有する空洞を含む流体含有構造を上記材料に形成
する工程と、
上記フォトニック結晶用周期的表面格子構造の上に誘電体薄膜を堆積させ、フォトニック結晶センサを形成する工程からなり、
上記マスターテンプレートの上記外面は、多数のサンプルウエル、少なくとも１個のポート、及びポートとサンプルウエルを接続する流体チャンネルを形成するように作製されており、上記外面には、少なくとも、１）各流体チャンネル及び２）各サンプルウエルの少なくとも１つにフォトニック結晶用周期的表面格子構造を形成するようにパターンが付与されているフォトニック結晶センサの作製方法。
【請求項１６】
フォトニック結晶バイオセンサを用いるサンプルの検査方法であって、該バイオセンサは、多数のサンプルウエルと共通のポートを有するサンプルハンドリングデバイスと、該共通のポートを多数のサンプルウエルに接続する共通の入口を備えたマイクロ流体フローチャンネルのネットワークとを有し、該マイクロ流体フローチャンネルはその中にフォトニック結晶センサを組み込んでいる形態を有するものであって、
ａ）サンプルを共通のポートに導入する工程と、
ｂ）マイクロ流体フローチャンネルの中及びその中に形成されたフォトニック結晶センサの上にサンプルを移動させる工程とからなり、以下の測定の少なくとも１つを行う：
ｃ１）速度論的結合測定を行い、フォトニック結晶バイオセンサのピーク波長値測定を時間の関数として取得し；
ｃ２）上記フローチャンネルの２次元イメージと、該チャンネル内に形成されたフォトニック結晶バイオセンサのピーク波長値シフトを取得する。
【国際調査報告】
2010509590.tif 000027