(57)【要約】  生物学的物質（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬物）がＧＣＷ型センサの検知領域にあるか否かを判定するために用いられる、光呼掛けシステム及びＧＣＷ型センサが明細書に説明される。光呼掛けシステムは、光源、偏極変調器及び検出システムを備える。光源は偏光ビームを出力し、偏極変調器は偏光ビームを変調して偏極変調光ビームを出力する。ＧＣＷ型センサは偏極変調光ビームを受信し、検出システムに誘導される振幅変調光ビームに変換する。検出システムは振幅変調光ビームを受信し、共鳴条件（例えば、共鳴角、共鳴波長）を検出するために、偏極変調光ビームの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音を無視することによって、受信した振幅変調光ビームを復調する。生物学的物質を含有している上層の屈折率と一対一の関係を有する、検出された共鳴条件が、ＧＣＷ型センサの検知領域に生物学的物質があるか否かを判定するために解析される。
2006528780.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回折格子結合導波路型センサであって、
基板、
回折格子、及び
導波路膜、
を備え、
前記回折格子及び前記導波路膜によって形成された導波路が偏極変調光ビームを受信し、光呼掛けシステムによって解析される振幅変調光ビームを出力し、前記光呼掛けシステムは、前記導波路膜上の検知領域に生物学的物質があるか否かを判定するために、前記偏極変調光ビームの変調周波数において信号に応答し、前記変調周波数とは異なる周波数において前記信号に影響している雑音は無視することによって、前記振幅変調光ビームを復調する、
ことを特徴とする回折格子結合導波路型センサ。
【請求項２】
前記生物学的物質が、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物であることを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路型センサ。
【請求項３】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜上の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路型センサ。
【請求項４】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜上の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路型センサ。
【請求項５】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜上の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路型センサ。
【請求項６】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜上の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項１に記載の回折格子結合導波路型センサ。
【請求項７】
回折格子結合導波路型センサに呼び掛けるための光呼掛けシステムにおいて、前記光呼掛けシステムが、
偏光ビームを出力することができる光源、
前記偏光ビームを変調し、偏極変調光ビームを出力することができる偏極変調器、
前記偏極変調光ビームを受信し、前記変調変更光ビームを振幅変調光ビームに変換することができる前記回折格子結合導波路型センサ、及び
前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに、前記回折格子結合導波路型センサの検知領域に生物学的物質があるか否かを示すあらかじめ定められた屈折率に対応する共鳴条件を検出するために、前記偏極変調光ビームの変調周波数において信号に応答し、前記変調周波数とは異なる周波数において前記信号に影響している雑音は無視することによって前記受信した振幅変調光ビームを復調することができる検出システム、
を備えることを特徴とする光呼掛けシステム。
【請求項８】
前記生物学的物質が、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物であることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項９】
前記偏極変調器が光弾性型変調器であることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１０】
前記偏極変調器が光屈折性の変調器であることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１１】
前記偏極変調器が液晶型変調器であることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１２】
前記回折格子結合導波路型センサがマイクロプレート内に配置されることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１３】
前記検出システムが、前記振幅変調光ビームを受信し、前記振幅変調光ビームをロックイン増幅器で復調される電気信号に変換することができるフォトダイオードを備えることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１４】
前記復調された電気信号内の位相情報が前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を識別するために用いられることを特徴とする請求項１３に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１５】
前記復調された電気信号内の振幅情報が前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を識別するために用いられることを特徴とする請求項１３に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１６】
前記偏極変調器から前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームの角度を走査することができる音響光学型変調器、及び
前記音響光学型変調器から前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームを前記回折格子結合導波路型センサ内に誘導することができるレンズ、
をさらに備え、
前記検出システムが、
前記回折格子結合導波路型センサから前記振幅変調光ビームを受け取ることができ、さらに前記振幅変調光ビームを電気信号に変換することができる検出器、及び
前記検出器から前記電気信号を受け取ることができ、さらに前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を検出するために前記電気信号を復調することができるロックイン増幅器、
を備え、
前記偏極変調器と前記ロックイン増幅器を同期化させることができる関数発生器、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１７】
前記偏極変調器から前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームを前記回折格子結合導波路型センサ内に誘導することができるレンズ、
をさらに備え、
前記検出システムが、
前記回折格子結合導波路型センサから前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに前記振幅変調光ビームの角度を走査することができる走査ピンホール板、
前記走査ピンホール板から前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに前記振幅変調光ビームを電気信号に変換することができる検出器、及び
前記電気信号を受信することができ、さらに前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を検出するために前記電気信号を復調することができるロックイン増幅器、
を備え、
前記偏極変調器と前記ロックイン増幅器を同期化することができる関数発生器、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１８】
前記偏極変調器から広帯域の前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームの波長を走査することができる可調フィルタ、及び
前記可調フィルタから前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームを前記回折格子結合導波路型センサ内に誘導することができるビームスプリッタ、
をさらに備え、
前記検出システムが、
前記回折格子結合導波路型センサから前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに前記振幅変調光ビームを電気信号に変換することができる検出器、及び
前記検出器から前記電気信号を受信することができ、さらに前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を検出するために前記電気信号を復調することができるロックイン増幅器、
を備え、
前記偏極変調器と前記ロックイン増幅器を同期化することができる関数発生器、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項１９】
前記偏極変調器から前記偏極変調光ビームを受信することができ、さらに前記偏極変調光ビームを前記回折格子結合導波路型センサ内に誘導することができるビームスプリッタ、
をさらに備え、
前記検出システムが、
前記回折格子結合導波路型センサから前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに前記振幅変調光ビームの波長を走査することができる走査フィルタ、
前記走査フィルタから前記振幅変調光ビームを受信することができ、さらに前記振幅変調光ビームを電気信号に変換することができる検出器、及び
前記検出器から前記電気信号を受信することができ、さらに前記回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を検出するために前記電気信号を復調することができるロックイン増幅器、
を備え、
前記偏極変調器と前記ロックイン増幅器を同期化することができる関数発生器、
をさらに備えることを特徴とする請求項７に記載の光呼掛けシステム。
【請求項２０】
１つまたはそれより多くの回折格子結合導波路型センサに呼び掛けるための方法において、前記方法が、
偏極変調光ビームをそれぞれの前記回折格子結合導波路型センサ内に誘導する工程、
前記それぞれの回折格子結合導波路型センサから振幅変調光ビームを受信する工程、及び
前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの検知領域に生物学的物質があるか否かを示す上層屈折率に対応する共鳴条件を検出するために前記受信した振幅変調光ビームのそれぞれを解析する工程、
を有してなることを特徴とする方法。
【請求項２１】
前記生物学的物質が、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物であることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記解析する工程が、
前記受信した振幅変調光ビームのそれぞれを電気信号に変換する工程、及び
前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を識別するために前記電気信号のそれぞれを復調する工程、
をさらに含むことを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
前記復調された電気信号内の位相情報が前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を識別するために用いられることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記復調された電気信号内の振幅情報が前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す前記共鳴条件を識別するために用いられることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
【請求項２５】
前記解析する工程が、前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
前記解析する工程が、前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記解析する工程が、前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記解析する工程が、前記それぞれの回折格子結合導波路型センサの前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項２９】
前記回折格子結合導波路型センサがマイクロプレート内に配置されることを特徴とする請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
マイクロプレートにおいて、
フレーム、
を備え、
前記フレームに複数のウエルが形成され、
前記ウエルのそれぞれに、
基板、
回折格子、及び
導波路膜、
を有する回折格子結合導波路であって、
前記基板が偏極変調光ビームを受信し、前記偏極変調光ビームは前記回折格子、前記導波路膜及び前記導波路膜の検知領域との相互作用後に振幅変調光ビームに変換され、
前記基板が、前記導波路膜の前記検知領域に生物学的物質があるか否かを判定するために、前記偏極変調光ビームの変調周波数において信号に応答し、前記変調周波数とは異なる周波数において前記信号に影響している雑音は無視することによって前記振幅変調光ビームを復調する、光呼掛けシステムによって受け取られる前記振幅変調光ビームを出力する、
回折格子結合導波路、
が組み込まれていることを特徴とするマイクロプレート。
【請求項３１】
前記生物学的物質が、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物であることを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【請求項３２】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【請求項３３】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴角の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に角度走査法を利用することを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【請求項３４】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記偏極変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【請求項３５】
前記光呼掛けシステムが、前記導波路膜の前記検知領域に前記生物学的物質があるか否かを示す共鳴波長の検出を可能にするために、前記振幅変調光ビームの走査に波長走査手法を利用することを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【請求項３６】
前記光呼掛けシステムが、前記複数のウエルに誘導される複数の前記偏極変調光ビームを生成するために回折光学素子を利用することを特徴とする請求項３０に記載のマイクロプレート。
【発明の詳細な説明】
【関連出願の説明】
【０００１】
本出願は２００３年７月２５日に出願された米国特許出願第１０/６２７４３８号の優先権の利益を主張するものである。
【技術分野】
【０００２】
本発明は全般的には回折格子結合導波路（ＧＣＷ）型センサに関し、特に、ＧＣＷ型センサの検知領域内に生物学的物質があるか否かを判定するためのＧＣＷ型センサへの呼掛けに偏極変調光ビームを用いるための光呼掛けシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
回折格子結合導波路（ＧＣＷ）型センサは急速に、生物学的物質（例えば、細胞、薬物、化合物）の正確な無標識検出を可能にするために選ばれる技術となりつつある。この技術は一般に、ＧＣＷ型センサの検知領域内の生物学的物質の存在により生じるＧＣＷ型センサの屈折率変化を検知するための導波路エバネッセント場の利用を伴う。エバネッセント場を発生させるため、光ビームをＧＣＷ型センサの導波路に結合させる光源を有する光呼掛けシステムが用いられる。光呼掛けシステムは、導波路の実効屈折率を決定するために解析される、導波路から出てくる結合光ビームを受信する検出器も備える。ＧＣＷ型センサの実効屈折率の決定に際しては、検出器によって受信される光ビームが、回折格子、入り光ビーム及び導波モードの波動ベクトルの総和がゼロである共鳴条件の下で導波路と相互作用していることを理解すべきである。しかも、この共鳴条件は入り光ビームの特定の波長及び角度に対してのみ生じ、この角度または波長の変化はＧＣＷ型センサの検知領域における生物学的物質の存在によって生じる導波路の実効屈折率の変化に対応する。すなわち、光呼掛けシステムは、ＧＣＷ型センサの検知領域内に生物学的物質があるか否かの判定を可能にする、ＧＣＷ型センサの実効屈折率の変化を検知するために用いられる。
【０００４】
この技術が実行可能であるためには、光呼掛けシステム、特に、共鳴角、共鳴波長、またはこれらのいずれをも正確に測定できる検出器が与えられなければならない。特に、光呼掛けシステムはＧＣＷ型センサと相互作用する光ビームを放射する必要があり、続いて、ＧＣＷ型センサから出てくる結合光ビームを受信し、その光ビームを共鳴角及び／または共鳴波長のいかなる変化も実時間で検出するために処理しなければならない。この作業を達成するためには多くの手法があるが、ＧＣＷ型センサから出力される光ビームは比較的微弱であり、高スループット判別検査用途においては特に、光ビームを劣化させる多くの雑音源があるから、それぞれの手法には実行上特有の難題がある。
【０００５】
ＧＣＷ型センサは、蛍光標識がなく、偽陰性の低減の可能性があることから、大きな費用上の利点が得られる高スループット判別検査用途での使用に特に魅力的である。この理由のため、そのようなセンサのためのプラットフォームとして、９６個または３８１個の独立ウエルを工業上要する高スループットアクセスを提供するマイクロプレートが対象になっている。この用途において、ＧＣＷ型センサの導波路及び回折格子はそれぞれのウエルの底にある。例えば、回折格子がウエル底に刻印され、続いて導波路が回折格子の上面に形成される。ウエル自体は、一般に数ｍｍ厚の、光透過性で、低複屈折の、低コストプラスチックで一般につくられる。ウエル頂部は液体取扱等のために開けたままにしておいて、ウエル底にあるＧＣＷ型センサをプロービングするため、光ビームはマイクロプレートの底に入るように放射され、ウエルのプラスチックを通過してからＧＣＷ型センサに当たる。このタイプの光呼掛けシステムの雑音源の１つは、それぞれのウエルの底面から発するフレネル反射によって生じる。ウエル数が多いことから、理想的には、垂直入射に近い入り光ビームで動作するようなＧＣＷ型センサの設計が試みられる。この結果、雑音としてはたらくスプリアスフレネル反射が、共鳴角及び／または共鳴波長に関する所望の情報を含むＧＣＷ型センサからの光ビーム出力と分かちがたく混合されることが多い。マイクロプレートの底面で生じるフレネル反射に加えて、導波路の上面が、導波路モードとして伝搬し、回折格子を介してＧＣＷ型センサを励起した光ビームと混合される、また別のフレネル反射を出力光ビームに挿入する。
【０００６】
これらの直接光雑音源に加えて、従来の光呼掛けシステムはその他の電気雑音及び光雑音を受け易い。例えば、出力光ビームの波長または角度は信号をＤＣ態様で観測する電化結合素子（ＣＣＤ）カメラまたは分光器のような検出器で測定されることが多い。ＤＣ電気雑音及び光（迷光）雑音の全てが出力光ビームの共鳴角及び／または共鳴波長の検出を妨げ得る。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
したがって、１つまたはそれより多くのＧＣＷ型センサに呼び掛ける際に問題となる上述した雑音源を回避できる光呼掛けシステム及び方法が必要とされている。この要求及びその他の要求は、本発明の光呼掛けシステム、ＧＣＷ型センサ及び方法によって満たされる。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、ＧＣＷ型センサの検知領域に生物学的物質（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬物）があるか否かを判定するためにＧＣＷ型センサに呼び掛けることができる光呼掛けシステムを含む。本光呼掛けシステムは、光源、偏極変調器及び検出システムを備える。光源は偏光ビームを出力し、偏極変調器は偏光ビームを変調して偏極変調光ビームを出力する。ＧＣＷ型センサは偏極変調光ビームを受信し、検出システムに誘導される振幅変調光ビームに変換する。検出システムは振幅変調光ビームを受信し、共鳴条件（例えば、共鳴角、共鳴波長）を検出するために、偏極変調光ビームの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音を無視することによって、受信したビームを復調する。ＧＣＷ型センサの検知領域に生物学的物質があるか否かを判定するために、生物学的物質を含有する上層の屈折率と一対一の関係を有する、検出された共鳴条件が解析される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
本発明のより完全な理解は、添付図面とともになされる以下の詳細な説明を参照することによって得ることができる。
【００１０】
図１を参照すれば、本発明にしたがうＧＣＷ型センサ１００及び光呼掛けシステム１２０の基本コンポーネントの概念図が示される。基本的に、光呼掛けシステム１２０はＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３（上層１０３）に生物学的物質１０２（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチド、炭水化物）があるか否かを判定するためにＧＣＷ型センサ１００に呼び掛ける。光呼掛けシステム１２０は、光源１２２，偏極変調器１２７（例えば、光弾性型変調器１２７，光屈折性の変調器１２７，液晶型変調器１２７）及び検出システム１２４を備える。光源１２２は偏光ビーム１２５を出力し、偏極変調器１２７は偏光ビーム１２５を変調して偏極変調光ビーム１２６を出力する。ＧＣＷ型センサ１００は、偏極変調光ビーム１２６を受け取って、検出システム１２４に誘導される振幅変調光ビーム１２８に変換する。検出システム１２４は振幅変調光ビーム１２８を受け取って、共鳴条件（例えば、共鳴角、共鳴波長）を検出するために、偏極変調光ビーム１２６の変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音を無視することによって、受信した振幅変調光ビーム１２８を復調する。検出された共鳴条件は、ＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３に生物学的物質１０２があるか否かを示す、生物学的物質１０２を含有する上層の屈折率と一対一の関係を有する。ＧＣＷ型センサ１００が偏極変調光ビーム１２６を、雑音源（例えば、フレネル反射、ＤＣ電気雑音及び迷光雑音）によって生じる問題を回避する態様での光呼掛けシステム１２０による振幅変調光ビーム１２８の復調を可能にする振幅変調光ビーム１２８にどのように変換するかは、ＧＣＷ型センサ１００の基本構造及び機能に関する簡単な議論の後に以下でさらに詳細に論じられる。
【００１１】
図１に示されるように、ＧＣＷ型センサ１００は、回折格子１０８とともに導波路１１０を形成する、回折格子１０８の表面上に被着された薄い（〜１００ｎｍ）材料層１０６（例えば導波路膜１０６）を有する。導波路膜１０６は、Ｔａ２Ｏ５，ＴｉＯ２，ＴｉＯ２−ＳｉＯ２，ＨｆＯ２，ＺｒＯ２，Ａｌ２Ｏ３，Ｓｉ３Ｎ４，ＨｆＯＮ，ＳｉＯＮ，酸化スカンジウムまたはこれらの混合物のような誘電体材料でつくられることが好ましい。回折格子１０８は基板１１２または導波路膜１０６内に、型押し、ホログラフィまたはその他の方法によって形成される。したがって、回折格子１０８は導波路膜１０６の上または下に、あるいは導波路膜１０６内にさえも配置することができる。さらに、回折格子１０８は導波路膜１０６と物理的に直接接触している必要はなく、導波路モードに光学的に影響するに十分に近くにあることだけが必要である。さらに、実効屈折率導波により、回折格子１０８自体を適切な十分高い屈折率をもたせて作成して、導波路膜をさらに被着することなしに、導波路自体としてはたらかせることができる。基板１１２はガラスまたは環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）のようなプラスチックでつくられることが好ましい。例えば、ＧＣＷ型センサ１００は、屈折率ｎｓ＝１.５３を有する環状オレフィン基板１１２，格子ピッチΛ＝５３８ｎｍ，格子厚ｔｇ＝１０ｎｍ，導波路屈折率ｎｆ＝２.０１，導波路厚ｔｆ＝１１０ｎｍ及び、実質的に水（ほとんどの実験が実施される溶媒、ｎｃ≧１.３３）の屈折率である、上層屈折率を有することができる。このＧＣＷ型センサ１００は本明細書で例示的ＧＣＷ型センサ１００と称される。
【００１２】
液塊内におかれ得る生物学的物質１０２はＧＣＷ型センサ１００の上層１０３（検知領域）に導入され、ＧＣＷ型センサ１００の表面１０４において屈折率を変化させるのはこの生物学的物質１０２の存在である。したがって、生物学的物質１０２を検出するため、ＧＣＷ型センサ１００が光源１２２から放射される光ビームでプロービングされ、次いで、検出システム１２４において受信された反射光ビーム１２８が、ＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の存在によって生じる屈折率の何らかの変化（〜１ｐｐｍ）があるか否かの判定のために解析される。一実施形態において、極めて高感度で極めて特異性のＧＣＷ型センサ１００の作成を可能にする、特定の相補性生物学的物質１０２だけが表面付着できる生物学的物質（図示せず）で上面１０４を被覆することができる。このようにすれば、広範な生物学的物質１０２を検出するために光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ型センサ１００を用いることができ、ＧＣＷ型センサ１００がアレイに配列されていれば、ＧＣＷ型センサ１００を用いてスループットの高い薬物または化学物質の判別検査を可能にすることができる（図１５参照）。
【００１３】
ＧＣＷ型センサ１００の感度は回折格子１０８及び導波路１１０の構造を解析することによって最もよく理解することができる。回折格子１０８上に誘導された光ビーム１２６は、波動ベクトルが以下の式[１]：
【数１】
2006528780.tif 000003
【００１４】
で示されるような共鳴条件を満たす場合にのみ、導波路１１０に結合することができる。ここで、ｋ’ｘは入射波動ベクトルのｘ成分、ｋｘは導波モード波動ベクトル、κは回折格子ベクトルである。回折格子ベクトルκは回折格子１０８の格子線に垂直な方向及び２π/Λで与えられる大きさを有するベクトルとして定義され、ここでΛは格子周期（ピッチ）である。式[１]は式[２]：
【数２】
2006528780.tif 000004
【００１５】
で示されるように、波長λ及び入射角θに関して書くこともできる。ここで、θは光ビーム１２６の入射角、ｎ入射は入射媒質の屈折率、λは光１２６の波長、ｎ実効は導波路１１０の実効屈折率である。導波路１１０の実効屈折率は、光導波路モード場または基本モードが導波路１１０を通って伝搬しながら“見る”屈折率の加重平均である。基本モードは導波路１１０自体よりかなり広い空間的広がりを有することが好ましく、この広がりは導波路１１０と基板１１２の間の屈折率差及び導波路１１０と上層１０３の間の屈折率差のいずれにも依存する。詳しくは、基本モードは、生物学的物質１０２がＧＣＷ型センサ１００の上面１０４に近付くかまたは上面１０４に接触するときに生じる何らかの表面変化を“見る”、上層１０３（検知領域）に延び込むエバネッセント波／テールを有する。
【００１６】
式[２]で示される前式は、sinθがｙ軸であり、λがｘ軸であって、Λｎ実効がｘ切片、−１/Λが勾配である、直線の式[３]：
【数３】
2006528780.tif 000005
【００１７】
に示される、さらに便宜のよい形に書き換えることができる。式[３]を得るため、式[２]からｎ実効を取り除くことができるように、ｎ実効を１に設定した。この近似は、空気（ｎ〜１.０００３）が最も普通の入射媒質であることから用いられる。この関係が図２に示されるグラフに表されている。生物学的物質１０２が表面１０４に結合すると導波路１１０の実効屈折率が変化し、この実効屈折率の変化によりＧＣＷ型センサ１００の共鳴波長または共鳴角のシフトが生じる。このシフトは、図２に示される直線のｘ切片のシフトとして見ることができる。
【００１８】
そのようなＧＣＷ型センサ１００の共鳴条件（例えば、共鳴波長または共鳴角）は、ＧＣＷ型センサ１００からの反射光１２８を観測することによって屈折率変化を決定するために呼び掛けることができる（図１参照）。屈折率変化を測定するためには異なる２つの動作モード−分光呼掛けまたは角度呼掛け−がある。分光呼掛けにおいては、実質的にコリメートされ、波長走査された、変調偏光ビーム１２６がＧＣＷ型センサ１００に送り込まれ、反射された振幅変調光１２８が集められて、検出システム１２４内の（例えば）フォトダイオードによって測定される。共鳴波長（ピーク）のスペクトル位置を観測することにより、生物学的物質の結合すなわちＧＣＷ型センサ１００の表面１０４上またはその近くでの屈折率変化を測定することができる。分光呼掛けの概念が図３に示されるグラフに図式表示されている。逆に、角度呼掛けにおいては、実質的に単一波長の変調偏光１２６が、ある範囲の照射角が生じるように角度走査され、ＧＣＷ型センサ１００内に誘導される。反射された振幅変調光１２８が検出システム１２４内の（例えば）フォトダイオードによって測定される。ＧＣＷ型センサ１００によって反射された共鳴角の位置を測定することによって、生物学的物質の結合すなわちＧＣＷ型センサ１００の表面１０４上またはその近くでの屈折率変化を測定することができる。角度呼掛けの概念が図４に示されるグラフに図式表示されている。
【００１９】
動作の単純性及び効率を維持するため、バイオセンシング用途に用いられるＧＣＷ型センサ１００は、入射光１２６のゼロ次回折光だけが自由空間を伝搬し、±１次であろう回折光が導波路１１０の基本モードに結合するように、設計することができる。より高次の回折光は、入射光１２６の所望の動作波長λより小さい格子ピッチΛを有する亜波長回折格子１０８を設計することによって避けることができる。この場合、２次以上の回折光はＧＣＷ型センサ１００から光量を取らないから、導波路１１０の結合効率は大きい。さらに、ゼロ次の反射及び透過ビームだけが自由空間に存在するから、ＧＣＷ型センサ１００は入射光１２６の所望の（異常）波長λのほぼ全反射または全透過を生じさせることができる。図５は、上層１０３にある物質（水）が屈折率１.３３を有する場合の、ＴＥ入力光１２６の角度が３°であり、法線から３°にある反射光ビーム１２８が８２４ｎｍ近傍に共鳴５０２を有する、例示的ＧＣＷ型センサ１００のＧＳＯＬＶＥＲ解析（厳密結合波解析、すなわちＲＣＷＡコード）を示す。
【００２０】
上述したように、ＧＣＷ型センサ１００は、上層１０３の屈折率に直接対応し、したがってＧＣＷ型センサ１００上に結合する生物学的物質１０２の測定を可能にする、共鳴角／共鳴波長５０２の位置を決定できるから、バイオセンシング用途に用いられる。これは全て、導波路１１０内を伝搬する基本モードのエバネッセントテールが生物学的物質１０２の存在によって生じる上層１０３における屈折率変化を検知することから可能になる。上層１０３における屈折率変化が式[１]にしたがってＧＣＷ１００の共鳴条件を変化させ、次いで共鳴５０２が新しい波長位置または角度位置にシフトする。シフトした共鳴位置は、ＧＣＷ１００の上層１０３に生物学的物質１０２があるか否かを示す、上層１０３の現時点での屈折率を示す。共鳴５０２は上層１０３の屈折率の単位変化に対して数１００ｎｍシフトし得ることが示された（図２参照）。角度と波長の間の関係はＢＩＯＳ−１ＧＣＷ型センサ１００について図６に示されるグラフに表示されている。グラフの様々な線は、２つの異なるカバー屈折率に関するＴＥ偏波及びＴＭ偏波の両者についての挙動を示す。
【００２１】
図７〜１５を参照すれば、生物学的物質１０２の存在を検出するための、１つまたはそれより多くのＧＣＷ型センサ１００と相互作用するために異なる手法を利用する、図１に示される光呼掛けシステムの５つの実施形態が示されている。本明細書には光呼掛けシステムの５つの実施形態しか説明されないが、生物学的物質１０２の存在を検出するためのＧＣＷ型センサ１００との相互作用に別の構成の光呼掛けシステム１２０が用いられ得ることは当然である。したがって、光呼掛けシステム１２０は限定された態様にあると解されるべきではない。
【００２２】
図７を参照すれば、本発明にしたがう第１の実施形態の光呼掛けシステム１２０ａの基本コンポーネントを示す概念図がある。光呼掛けシステム１２０ａは生物学的物質１０２の検出を可能にするためのＧＣＷ型センサ１００に誘導される偏極変調光ビーム１２６の走査に角度走査法を利用する。
【００２３】
図示されるように、光呼掛けシステム１２０ａは、偏極変調器１２７ａ（例えば光弾性型変調器１２７ａ）によって受信される偏光ビーム１２５ａを出力する光源１２２ａを備える。偏光変調器１２７ａは、ＴＥモードとＴＭモードの間に時間変化偏極交番（図７の揺らいでいるベクトル参照）を生じさせることによって偏光ビーム１２５ａを変調する。偏極変調器１２７ａは、偏極変調光ビーム１２６ａを音波と混合することによって偏極変調光ビーム１２６ａの角度を変化させる、音響光学型変調器７０２ａに偏極変調光ビーム１２６ａを出力する。角度偏向の大きさは音響光学型変調器７０２ａの駆動周波数、したがって音波の周波数に依存する。実際上、音響光学型変調器７０２ａは偏極変調光ビーム１２６ａの角度走査の制御を可能にする。偏極変調光ビーム１２６ａは一定の位置でマイクロウエルプレート７０４ａと交差するべきであるから、レンズ７０６ａ及びビームスプリッタ７０８ａが音響光学型変調器７０２ａとマイクロウエルプレート７０４ａの間に配置され、レンズ７０６ａからそれぞれのＧＣＷ型センサ１００までの距離は焦点距離である。この態様において、マイクロウエルプレート７０４ａ上に入射する偏極変調光ビーム１２６ａの角度は、音響光学型変調器７０２ａの周波数にしたがって変化するが、入射位置は一定のままである。マイクロウエルプレート７０４ａにおけるＧＣＷ型センサ１００との相互作用後、ＧＣＷ型センサ１００内で共鳴する２つの偏極状態の内の１つだけを有する偏極変調光ビーム１２６ａが偏極変調光ビーム１２６ａと同じ周波数において変調された振幅変調光ビーム１２８ａに変換される。振幅変調光ビーム１２８ａは検出システム１２４ａ、特に、振幅変調光ビーム１２８ａを電気信号に変換する検出器７１０ａ（例えばフォトダイオード７１０ａ）に受信され、電気信号は次いでロックイン増幅器７１２ａまたは特定の周波数において電気信号を検出できる同様の計測器（例えばＲＦミキサ）によって復調される。ロックイン増幅器７１２ａは、偏極変調光ビーム１２６ａの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音は無視することによって、電気信号を復調する。次いでコンピュータ７１６ａが、上層１０３の屈折率に、したがってＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の含有量に相関する共鳴角を決定するために復調電気信号（例えば、元の変調された反射光強度に比例するＤＣ電圧）を解析する。ロックイン増幅器７１２ａによって検出されている周波数は偏極変調器１２７ａも駆動する関数発生器７１４ａから得ることができる。
【００２４】
音響光学型変調器７０２ａの使用は可動部品を利用しないことから魅力的であるが、その他の角度走査法も本発明に用いることができる。例えば、ガラス／空気界面における屈折によって偏極変調光ビーム１２６ａを偏向させる、単純な回転ガラス板を用いることができよう。偏向角は、回転する板が角度の滑らかな変化を生じさせるようなガラス板の、回転角に依存する。光呼掛けシステム１２０ａ及び例示的ＧＣＷ型センサ１００を用いたいくつかの実験結果が図８〜１１に関して以下に与えられる。
【００２５】
図８を参照すれば、ロックイン増幅器７１２ａで記録された振幅対音響光学型変調器７０２ａの周波数が信号を表している、実験的光呼掛けシステム１２０ａの試験時に観測された共鳴を示すグラフがある。この走査を得るには０.５秒〜２分かかり、図８に示される信号対雑音が非常に高い曲線が得られた。検出器７１０ａ（例えばＳｉフォトダイオード７１０ａ）の飽和を避けるために光源１２２ａ（例えばＨｅ/Ｎｅレーザ１２２ａ）は大きく減衰させなければならず、それでもロックイン増幅器７１２ａはそのように低められたレーザレベルを受け入れるだけの大きな（＞５）桁の入力利得設定を有していたことに注意すべきである。
【００２６】
生物学的イベントに対する光呼掛けシステム１２０ａの実感度が、ＧＣＷ型センサ１００，計測器、角度安定性等に依存することは当然である。したがって、実験的光呼掛けシステム１２０ａの性能のある程度の評価を得るため、ＧＣＷ型センサ１００の上面１０４上に指標液体をおいて、共鳴角の変化を禁じ、よって単位屈折率感度を決定した。図９はこの試験の結果を示す。雑音レベルは低く、〜１０−５（一標準偏差）であると決定され、さらなる研究により、所望の１０−６の感度がさらに正確な走査エレクトロニクスによって容易に達成されることが示された。
【００２７】
本発明の別の重要な態様は、ロックイン増幅器７１２ａが図８上に表された単純な振幅共鳴だけではなく別の観測可能量も与えることである。位相ロック手法であるから、ロックイン増幅器７１２ａは共鳴信号の振幅だけでなく、偏極変調器１２７ａを駆動する電気的機能のような安定周波数信号を基準とする、共鳴信号の位相も与える。この情報は（ロックイン増幅器７１２ａ以外の）ほとんどの位相感受性検出器によって、あるいはＧＣＷ型センサ１００から出力される振幅変調光ビーム１２８ａのＴＥ偏波及びＴＭ偏波を個別に測定できる装置によってさえも、得られるであろうことに注意すべきである。
【００２８】
位相信号がどのような情報を与え得るかを理解するため、振幅信号をさらに詳しく調べることができる。図１０は、ＴＥモードがＧＣＷ型センサ１００に位相整合されている場合に、実験及び理論で見られる特性山／谷形状をもつ振幅共鳴１００２の概念図である。負値ディップ（図の左側の底にある矢印の元）は、ＧＣＷ型センサ１００（図１参照）を通してＴＥ光を共鳴透過させることによって生じる、ＴＥ光量が周辺ＴＭ信号より小さい領域を表す。ピークは、ＴＥ光がＧＣＷ型センサ１００から共鳴反射して、検出器７１０ａ上の光量を強めている領域を表す。ＴＭモードは導波路１１０と相互作用しないから、ＴＭモードは谷及びピークのいずれにおいても一定である。したがって、光はＴＥモードとＴＭモードの間で時間軸で変調されることを思い出せば、図１０に引かれている曲線は変調周波数においてロックイン増幅器７１２ａに現れる時間変化信号を表す。ピーク領域及び谷領域からの信号を比較することによって、波が互いに１８０°位相シフトされていることがわかる。さらに、この位相シフトは振幅が共鳴の中心において負から正に移る瞬間におこるはずである。
【００２９】
この簡単な理解は、実験的光呼掛けシステム１２０ａによる実験の間に観測されたことの正確な予測に役立つ。図１１は図８に示された振幅曲線に重畳された共鳴１１０２の位相を示す。ロックイン増幅器７１２ａは３６０°の位相濡対して−１０Ｖ〜＋１０Ｖの信号をコンピュータ７１６ａに出力するから、図１１に示される〜＋８Ｖから〜−２Ｖの変化は１８０°の位相変化を表す。遷移はゼロ振幅の極めて近くでおこり、小さな差は、実際上、異なる時点で捕捉された位相信号に対して振幅信号をシフトさせる振幅信号のフィルタリングによる。この位相遷移は共鳴振幅に比較して極めて急峻であることに注意すべきである。さらに、位相遷移は共鳴位置のデジタル表示（オン／オフ）に類似であり、したがって信号処理の観点からは検出のための最も簡単な信号を表す。急峻さは遷移がトリガモードでおこるという事実によって生じ、ＴＥ/ＴＭモードの相対強度に依存する。この信号は非常に狭いから、共鳴の検出及び位置に関係するような、共鳴幅への束縛条件をおそらく緩和できるであろう。しかし、位相信号は振幅共鳴に分かち難く結びつけられているから、位相信号を用いて共鳴ピークの位置精度が向上するかは明らかではないが、この位相信号１１０２から何らかの感度向上を得るために信号処理手法（例えばシュミットトリガ）を利用することができるであろう。これができるとすれば、振幅共鳴の幅の有意性は低くなり、幅束縛条件が大きく緩和される全く新しいタイプのセンサ設計が可能になるであろう。
【００３０】
図１２を参照すれば、本発明にしたがう第２の実施形態の光呼掛けシステム１２０ｂの基本コンポーネントを示す概念図がある。光呼掛けシステム１２０ｂは生物学的物質１０２の検出を可能にするためのＧＣＷ型センサ１００から放射される振幅変調光ビーム１２８ｂの走査に角度走査法を利用する。図示されるように、光呼掛けシステム１２０ｂは、偏極変調器１２７ｂ（例えば光弾性型変調器１２７ｂ）によって受信される偏光ビーム１２５ｂを出力する光源１２２ｂを備える。偏光変調器１２７ｂは、ＴＥモードとＴＭモードの間に時間変化偏極交番（図１２の揺らいでいるベクトル参照）を生じさせることによって偏光ビーム１２５ｂを変調する。偏極変調器１２７ｂは偏極変調光ビーム１２６ｂをレンズ１２０６ｂ及びビームスプリッタ１２０８ｂに出力する。レンズ１２０６ｂ及びビームスプリッタ１２０８ｂは偏極変調光ビーム１２６ｂをマイクロプレート１２０４ｂ内のＧＣＷ型センサ１００に誘導する。マイクロウエルプレート１２０４ｂにおけるＧＣＷ型センサ１００との相互作用後、ＧＣＷ型センサ１００内で共鳴する２つの偏極状態の内の１つだけを有する偏極変調光ビーム１２６ｂが偏極変調光ビーム１２６ｂと同じ周波数において変調された振幅変調光ビーム１２８ｂに変換される。振幅変調光ビーム１２８ｂは検出システム１２４ｂ、特に、振幅変調光ビーム１２８ｂの角度を走査する走査ピンホール板１２０２ｂによって受信される。検出器１２１０ｂ（例えばフォトダイオード１２１０ｂ）が走査された振幅変調光ビーム１２８ｂを電気信号に変換し、電気信号は次いでロックイン増幅器１２１２ｂによって復調される。ロックイン増幅器１２１２ｂは、偏極変調光ビーム１２６ｂの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音は無視することによって、電気信号を復調する。次いでコンピュータ１２１６ｂが、上層１０３の屈折率、したがってＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の含有量に相関する共鳴角を決定するために復調電気信号（例えば、元の変調された反射光信号強度に比例するＤＣ電圧）を解析する。ロックイン増幅器１２１２ｂによって検出されている周波数は偏極変調器１２７ｂも駆動する関数発生器１２１４ｂから得ることができる。
【００３１】
図１３を参照すれば、第３の実施形態の光呼掛けシステム１２０ｃの基本コンポーメントを示す概念図がある。光呼掛けシステム１２０ｃは生物学的物質１０２の検出を可能にするためのＧＣＷ型センサ１００に誘導される偏極変調光ビーム１２６ｃの走査に波長走査手法を利用する。図示されるように、光呼掛けシステム１２０ｃは、偏極変調器１２７ｃ（例えば光弾性型変調器１２７ｃ）によって受信される偏向光ビーム１２５ｃを出力する広帯域光源１２２ｃを備える。偏極変調器１２７ｃはＴＥモードとＴＭモードの間に時間変化偏極交番（図１３の揺らいでいるベクトル参照）を生じさせることによって偏光ビーム１２５ｃを変調する。偏極変調器１２７ｃは偏極変調光ビーム１２６ｃを可調フィルタ１３０６ｃに出力する。可調フィルタ１３０６ｃは偏極変調光ビーム１２６ｃの波長を走査して、走査された偏極変調光ビーム１２６ｃをビームスプリッタ１３０８ｃに誘導する。ビームスプリッタ１３０８ｃは偏極変調光ビーム１２６ｃをマイクロウエルプレート１３０４ｃ内のＧＣＷ型センサ１００に誘導する。マイクロウエルプレート１３０４ｃにおけるＧＣＷ型センサ１００との相互作用後、ＧＣＷ型センサ１００内で共鳴する２つの偏極状態の内の１つだけを有する偏極変調光ビーム１２６ｃが偏極変調光ビーム１２６ｃと同じ周波数において変調された振幅変調光ビーム１２８ｃに変換される。振幅変調光ビーム１２８ｃは検出システム１２４ｃ、特に、振幅変調光ビーム１２８ｃを電気信号に変換する検出器１３１０ｃ（例えばフォトダイオード１３１０ｃ）によって受信され、電気信号は次いでロックイン増幅器１３１２ｃによって復調される。ロックイン増幅器１３１２ｃは、偏極変調光ビーム１２６ｃの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音は無視することによって、電気信号を復調する。次いでコンピュータ１３１６ｃが、上層１０３の屈折率、したがってＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の含有量に相関する共鳴波長を決定するために復調電気信号（例えば、元の変調された反射光信号強度に比例するＤＣ電圧）を解析する。ロックイン増幅器１３１２ｃによって検出されている周波数は偏極変調器１２７ｃも駆動する関数発生器１３１４ｃから得ることができる。
【００３２】
図１４を参照すれば、第４の実施形態の光呼掛けシステム１２０ｄの基本コンポーネントを示す概念図がある。光呼掛けシステム１２０ｄは生物学的物質１０２の検出を可能にするためのＧＣＷ型センサ１００から放射される振幅変調光ビーム１２８ｄの走査に波長走査手法を利用する。図示されるように、光呼掛けシステム１２０ｄは偏極変調器１２７ｄ（例えば光弾性型変調器１２７ｄ）によって受信される偏光ビーム１２５ｄを出力する広帯域光源１２２ｄを備える。偏極変調器１２７ｄはＴＥモードとＴＭモードの間に時間変化偏極交番（図１４の揺らいでいるベクトル参照）を生じさせることによって偏光ビーム１２５ｄを変調する。偏極変調器１２７ｄは偏極変調光ビーム１２６ｄをビームスプリッタ１４０８ｄに出力する。ビームスプリッタ１４０８ｄは偏極変調光ビーム１２６ｄをマイクロプレート１４０４ｄ内のＧＣＷ型センサ１００に誘導する。マイクロプレート１４０４ｄにおけるＧＣＷ型センサ１００との相互作用後、ＧＣＷ型センサ１００内で共鳴する２つの偏極状態の内の１つだけを有する偏極変調光ビーム１２６ｄが偏極変調光ビーム１２６ｄと同じ周波数において変調された振幅変調光ビーム１２８ｄに変換される。振幅変調光ビーム１２８ｄは検出システム１２４ｄ、特に、振幅変調光ビーム１２８ｄの波長を走査する走査フィルタ１４０６ｄによって受信される。検出器１４１０ｄ（例えばフォトダイオード１４１０ｄ）が走査された振幅変調光ビーム１２８ｄを電気信号に変換し、電気信号は次いでロックイン増幅器１４１２ｄによって復調される。ロックイン増幅器１４１２ｄは、偏極変調光ビーム１２６ｄの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音は無視することによって、電気信号を復調する。次いでコンピュータ１４１６ｃが、上層１０３の屈折率、したがってＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の含有量に相関する共鳴波長を決定するために復調電気信号（例えば、元の変調された反射光信号強度に比例するＤＣ電圧）を解析する。ロックイン増幅器１４１２ｄによって検出されている周波数は偏極変調器１２７ｄも駆動する関数発生器１４１４ｄから得ることができる。
【００３３】
図１５を参照すれば、第５の実施形態の光呼掛けシステム１２０ｅの基本コンポーネントを示す概念図がある。光呼掛けシステム１２０ｅは生物学的物質１０２の高スループット検出を可能にするための複数のＧＣＷ型センサ１００に誘導される複数の偏極変調光ビーム１２６ｅの走査に角度／波長並行走査手法を利用する。図示されるように、光呼掛けシステム１２０ｅは偏極変調器１２７ｅ（例えば光弾性型変調器１２７ｅ）によって受信される偏光ビーム１２５ｅを出力する光源１２２ｅを備える。偏極変調器１２７ｅはＴＥモードとＴＭモードの間に時間変化偏極交番を生じさせることによって偏光ビーム１２５ｅを変調し、偏極変調光ビーム１２６ｅを回折光学素子１５０２ｅに出力する。回折光学素子１５０２ｅは偏極変調光ビーム１２６ｅのアレイをビームスプリッタ１５０８ｅに放射する。ビームスプリッタ１５０８ｅは偏極変調光ビーム１２６ｅをマイクロウエルプレート１５０４ｅ内のＧＣＷ型センサ１００に誘導する。マイクロウエルプレート１５０４ｅにおけるＧＣＷ型センサ１００との相互作用後、偏極変調光ビーム１２６ｅは偏極変調光ビーム１２６ｅと同じ周波数において変調された振幅変調光ビーム１２８ｅに変換される。振幅変調光ビーム１２８ｅは検出システム１２４ｅ、特に、走査された振幅変調光ビーム１２８ｅを電気信号に変換する検出器１５１０ｅ（例えばフォトダイオード１５１０ｅ）のアレイによって受信され、電気信号は次いでロックイン増幅器１５１２ｅのアレイによって復調される。ロックイン増幅器１５１２ｅは、偏極変調光ビーム１２６ｅの変調周波数において信号に応答し、変調周波数とは異なる周波数において信号に影響している雑音は無視することによって、電気信号を復調する。次いでコンピュータ１５１６ｅが、上層１０３の屈折率、したがってＧＣＷ型センサ１００の検知領域１０３における生物学的物質１０２の含有量に相関する共鳴角を決定するために復調電気信号（例えば、元の変調された反射光信号強度に比例するＤＣ電圧）を解析する。ロックイン増幅器１５１２ｅによって検出されている周波数は偏極変調器１２７ｅも駆動する関数発生器１５１４ｅから得ることができる。この光呼掛けシステム１２０ｅの構成は高スループット判別検査用途に用いることができる多くの様々な可能な構成の内の１つに過ぎないことは当然である。基本的に、本発明は偏極変調に適合する全てのマルチプレックスシステム、走査システム等に適用できる。
【００３４】
図１５は角度または波長の走査に必要なコンポーネントを、図７，１２，１３または１４に示される多くの実施形態の内の１つのようには、明示的に示していないが、すべてのウエルにかけてＧＣＷ１００の共鳴を走査するシステムを達成するために、これらの走査手法の内の１つ（または適する代用手法）が図１５のコンポーネントとともに用いられるであろうと想定される。図７及び１３に実施形態については、１つの走査素子（音響光学型変調器またはフィルタ）を回折光学素子の前に配置することだけが必要であり、したがって個別のビームのそれぞれについて図７及び１３の走査動作にならうことになる。図１２及び１４の実施形態においては、おそらくは走査装置（ピンホールまたはフィルタ）がプレートのそれぞれのウエルから反射されるビームのそれぞれに対して繰り返して必要となるであろう。
【００３５】
図１６を参照すれば、本発明にしたがって生物学的物質１０２を検出するために光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ型センサ１００を用いるための好ましい方法の基本工程を示すフローチャートがある。本明細書において、ＧＣＷ型センサ１００及び光呼掛けシステム１２０はＧＣＷ型センサ１００の表面１０４上の、細胞、分子、タンパク質、薬物、化合物、核酸、ペプチドまたは炭水化物のような生物学的物質１０２の存在の検出に用いられるとして説明されるが、広範な試験を実施するためにＧＣＷ型センサ１００及び光呼掛けシステム１２０を用い得ることは当然である。例えば、ＧＣＷ型センサ１００及び光呼掛けシステム１２０は、細胞移動検定、薬物浸透性検定、薬物溶解度試験、ウィルス検出試験及びタンパク質分泌物試験に用いることができる。
【００３６】
工程１６０２で開始され、光源１２２及び偏極変調器１２７がＧＣＷ型センサ１００に偏極変調光ビーム１２６を誘導するために用いられる。工程１６０４において、検出システム１２４がＧＣＷ型センサ１００から振幅変調光ビーム１２８を受信する。次いで工程１６０６において、ＧＣＷ型センサ１００の表面１０４上に生物学的物質１０２があるか否かを示す上層１０３の屈折率に対応する共鳴波長または共鳴角を検出するために、検出システム１２４が受信した振幅変調光ビーム１２８を復調及び解析する。
【００３７】
以下は本発明の光呼掛けシステム１２０及びＧＣＷ型センサ１００の利点及び使用のいくつかである：
・本発明にしたがう偏極変調の使用により、従来の光呼掛けシステムでは現在利用できない、計測器設計に対する費用上の利点及び頑健性を提供する大面積フォトダイオードの使用が可能になる。さらに、大面積検出器の使用により、センサウエルプレートに要求される性能（平坦性等）が大きく緩和される。基本的に、反射ビームが正しく検出及び復調されるためには、単に反射ビームがフォトダイオード領域のどこかでフォトダイオードに当たればよい。この状況における唯一の束縛条件は、個々のウエルからのビームが遠視野で互いに“交差”しないことである。言い換えれば、それぞれのビームはそれぞれのビームの隣のビームに対する関係を、隣のビームとの近接度はウエル毎に変わり得るであろうが、維持するべきである。これは、例えば光ファイバへの戻り結合、あるいは従来の光呼掛けシステムで用いられるＣＣＤ上への反射の結像に必要とされるであろう条件よりかなり緩い条件である。
【００３８】
・本発明にしたがう偏極変調の使用は、回折格子結合バイオセンサに呼び掛けるために設計されるほとんど全ての計測器に適用できる。本発明は偏極変調と従来の光呼掛けシステムの構造上でのコヒーレント（位相感受性）検出の併用を含む。これは、ＧＣＷ型センサ１００の入力または出力のいずれにおいて、角度、波長または何か別のパラメータのいずれが走査されているかに全く関わらない。
【００３９】
・本発明は光ビーム偏極を利用することにより大多数の雑音源を排除する。
【００４０】
・本発明は生物学的物質の検出に必要な光量を極めて小さくする。この結果、ＣＣＤ素子による高感度検出に対して出力ビームに一般に必要とされる数ｍＷの光量が、本発明の下では数桁下げられる。これは、９６個または３８４個のウエルが、あるいは１５３６個のウエルでさえも、同じ光源（レーザ）によって並行して呼び掛けることができるから、高スループット判別検査分野に対して極めて重要である。
【００４１】
・本発明にともなう信号対雑音改善に加えて、等しく重要な技術上のいくつかの利点がある。第１に、偏極変調手法によって普通のフォトダイオードから信号対雑音の高いデータが得られるから、従来の光呼掛けシステムで用いられる高価なＣＣＤまたは分光器による手法に比較して計測の費用及び複雑性を大きく軽減することができる。さらに、プレートに９６個または３８４個のウエルを収容するための光呼掛けシステムの規模拡大が、より安価な検出器及びロックイン増幅器の使用だけが必要であるから、より一層容易になる。
【００４２】
・本発明の費用及び複雑性に関する利点に加えて、ロックイン増幅器の使用により、以前は得ることができなかった共鳴に関する位相情報が得られる。位相感受性検出器からの振幅情報及び位相情報のいずれもが存在することにより、また別の観測可能量が得られる。上で論じたように、この位相情報は実際上、共鳴位置を示す、便宜がよく、一意的な信号を含む。
【００４３】
・本発明の偏極変調の概念はほとんどの呼掛け機構（例えば角度ベースまたは波長ベースの手法）内に実装することができる。偏極変調では、システムの他の変数とはある程度独立に、雑音から導波路出力を弁別するために偏極が変調されることだけが必要である。本発明の一実施形態においては、それぞれの角度段階に対する復調プロセスの間は角度位置が基本的に一定であるように、入力ビームの偏極を角度走査速度よりかなり高速で変調することができよう。
【００４４】
・上述したように、好ましい変調方法は、光弾性効果による時間的に可変の複屈折を生じさせるために石英板を振動させる、光弾性法である。この技術は偏極変調の純度の点及び高い、１００ｋＨｚの、変調周波数を利用できる点のいずれからも好ましい。
【００４５】
・上に説明した本発明の好ましい実施形態は生物学的物質の検出を可能にするために反射光ビームを利用したが、生物学的物質を検出するために透過ビームも用いることができ、センサの側面を出てくるビームさえも用い得ることは容易に理解されるはずである。もちろん、透過ビームまたはセンサの側面を出てくるビームを検出するため、システムの構成には若干の変更が必要になるであろう。
【００４６】
本発明のいくつかの実施形態を、添付図面に示し、上記の詳細な説明に述べたが、本発明は開示された実施形態に限定されず、添付される特許請求の範囲に述べられ、定められる、本発明の精神を逸脱することなく、数多くの再構成、改変及び置換が可能であることは当然である。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明にしたがう光呼掛けシステム及びＧＣＷ型センサの基本コンポーネントの概念図である
【図２】図１に示されるＧＣＷ型センサの共鳴角と共鳴波長の間の関係を示すグラフである
【図３】図１に示されるＧＣＷ型センサの共鳴波長を決定するために分光呼掛け手法を光呼掛けシステムでどのように用いることができるかの説明を補助するために用いられるグラフである
【図４】図１に示されるＧＣＷ型センサの共鳴角を決定するために角度呼掛け手法を光呼掛けシステムでどのように用いることができるかの説明を補助するために用いられるグラフである
【図５】環状オレフィン共重合体（ＣＯＣ）でつくられた基板及びＴａ２Ｏ５でつくられた導波路膜を有する例示的ＧＣＷ型センサの共鳴波長（反射異常）を示す、ＧＳＯＬＶＥＲによってつくられたグラフである
【図６】２つの相異なるカバー屈折率を有する例示的ＧＣＷ型センサの共鳴角と共鳴波長の間の関係を示すグラフである
【図７】本発明にしたがって生物学的物質を検出するためにＧＣＷ型センサ内に誘導される偏極変調光ビームを走査するために角度走査法を利用する、図１に示される光呼掛けシステムの第１の実施形態の基本コンポーネントを示す概念図である
【図８】図７に示される光呼掛けシステムの試験時に観測された例示的ＧＣＷ型センサの振幅共鳴を示すグラフである
【図９】図７に示される光呼掛けシステムを試験するために５％グリセロール溶液が例示的ＧＣＷ型センサの上面におかれたときに観測された共鳴位置を示すグラフである
【図１０】図７に示される光呼掛けシステムの試験中に見られた、特性山／谷形状を有する例示的ＧＣＷ型センサの、振幅共鳴を示す概念図である
【図１１】図７に示される光呼掛けシステムの試験時に図８に示される振幅曲線に重畳された共鳴の位相を示すグラフである
【図１２】本発明にしたがって生物学的物質を検出するためにＧＣＷ型センサから放射される振幅変調光ビームを走査するために角度走査法を利用する、図１に示される光呼掛けシステムの第２の実施形態の基本コンポーネントを示す概念図である
【図１３】本発明にしたがって生物学的物質を検出するためにＧＣＷ型センサ内に誘導される偏極変調光ビームを走査するために波長走査手法を利用する、図１に示される光呼掛けシステムの第３の実施形態の基本コンポーネントを示す概念図である
【図１４】本発明にしたがって生物学的物質を検出するためにＧＣＷ型センサから放射される振幅変調光ビームを走査するために波長走査手法を利用する、図１に示される光呼掛けシステムの第４の実施形態の基本コンポーネントを示す概念図である
【図１５】本発明にしたがってマイクロプレート内に組み込まれたＧＣＷ型センサのアレイを走査するために角度走査法または波長走査手法を利用することができる、図１に示される光呼掛けシステムの第５の実施形態の基本コンポーネントを示す概念図である
【図１６】本発明にしたがって生物学的物質を検出するために図１に示される光呼掛けシステム及びＧＣＷ型センサを用いるための好ましい方法の基本工程を示すフローチャートである
【符号の説明】
【００４８】
１００    ＧＣＷ型センサ
１０２    生物学的物質
１０３    検知領域
１０４    ＧＣＷ型センサ上面
１０６    導波路膜
１０８    回折格子
１１０    導波路
１１２    基板
１２０    光呼掛けシステム
１２２    光源
１２４    検出システム
１２６    偏極変調光ビーム
１２７    偏極変調器
１２８    振幅変調光ビーム
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【国際調査報告】
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