(57)【要約】  本願では、マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路を用いたオプトフルイディックアナライト検出及び解析のためのシステム、方法、及び技術が開示される。幾つかの実施形態において、粒子の空間及びスペクトル多重光検出は、１つのＭＭＩ導波路と交差する複数のアナライトチャネルを含むオプトフルイディックプラットフォーム上で実施される。幾つかの実施形態において、異なる波長の光を空間的に相互に分離することによって、光信号を多重分離するための第一のステージのＭＭＩ導波路を含むマルチステージフォトニック構造が実装されてもよい。幾つかの実施形態において、第二のステージは、シングルモード導波路及び／又はＭＭＩ導波路を使って、第一のステージから射出された多重分離された空間分離光を用いてマルチスポットパターンを作ってもよい。幾つかの実施形態において、液体コアを交換すること、液体コアを加熱／冷却すること、及び／又はＬＣ−ＭＭＩを変形させてその幅を変化させることによって調整可能な液体コアＭＭＩ（ＬＣ−ＭＭＩ）導波路は、本願で開示されるアナライト検出／解析システムの１つ又は複数において実装されてよい。
2020512543.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになる第一のアナライトを含む第一の液体を受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、
前記基板上に配置され、前記システムにより検出されることになる第二のアナライトを含む第二の液体を受けるように構成された第二のアナライトチャネルと、
前記基板上に設置され、第一の位置において前記第一のアナライトチャネルと、また第二の位置において前記第二のアナライトチャネルと交差するマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取り、
前記第一のアナライトチャネルに入射する前記第一の波長の光の第一の数のスポットを有する第一のスポットパターンを生成し、
前記第二のアナライトチャネルに入射する前記第一の波長の光の第二の数のスポットを有する第二のスポットパターンを生成し、
前記第一のアナライトチャネルに入射する前記第二の波長の光の第三の数のスポットを有する第三のスポットパターンを生成し、
前記第二のアナライトチャネルに入射する前記第二の波長の光の第四の数のスポットを有する第四のスポットパターンを生成する
ように構成されたＭＭＩ導波路と、
前記第一のスポットパターン、前記第二のスポットパターン、前記第三のスポットパターン、及び前記第四のスポットパターンのうちの１つにより励起されるアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器と、
１つ又は複数のプロセッサであって、
前記検出された蛍光バーストを表す前記検出器からの信号を受け取り、
前記受け取った信号内の検出されたバーストの数に基づいて、前記信号が前記第一のチャネル又は前記第二のチャネルのどちらに対応するかを特定し、
前記受け取った信号内の前記検出されたバーストの数に基づいて、前記信号が前記第一の波長の光又は前記第二の波長の光のどちらに対応するかを特定する
ように構成された１つ又は複数のプロセッサと、
を含むオンチップアナライト検出システム。
【請求項２】
前記プロセッサはさらに、前記受け取った信号内の前記検出されたバーストの数に基づいて、前記アナライトの身元を同定するように構成される、請求項１に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３】
前記第一のアナライトチャネルと前記第二のアナライトチャネルは各々、蛍光バーストの光を前記検出器に向かって案内するように構成される導波路である、請求項１及び２の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４】
前記検出器は前記チップ上に設置され、前記アナライトチャネルと同一平面内で前記アナライトチャネルから案内された光を受け取るように構成される、請求項１〜３の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項５】
前記第一の位置は前記ＭＭＩ導波路の光入射ポートから第一の距離に位置し、それによって前記第一の波長の前記光は前記第一の位置において前記第一の数のスポットを形成し、前記第二の波長の前記光は前記第一の位置において前記第三の数のスポットを形成し、
前記第二の位置は前記ＭＭＩ導波路の前記光入射ポートから第二の距離に位置し、それによって前記第一の波長の前記光は前記第二の位置において前記第二の数のスポットを形成し、前記第二の波長の前記光は前記第四の位置において前記第四の数のスポットを形成する、
請求項１〜４の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項６】
前記ＭＭＩ導波路の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
前記ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項１〜５の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項７】
前記第一のアナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記第一のアナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項１〜６の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項８】
前記基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
前記基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい、
請求項１〜７の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項９】
オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受けるように構成されたアナライトチャネルと、
前記基板上に配置され、前記アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第一の導波路であって、第一の入射ポートにおいて第一の波長の入射光を受け取り、前記第一の波長の前記入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを交差する前記アナライトチャネルへと向けるように構成された１つ又は複数の第一の導波路と、
前記基板上に設置され、前記アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第二の導波路であって、第二の入射ポートにおいて第二の波長の入射光を受け取り、前記第二の波長の前記入射光から生成された第二のマルチスポットパターンを交差する前記アナライトチャネルへと向けるように構成された１つ又は複数の第二の導波路と、
前記基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、前記第一の波長の入射光と前記第二の波長の入射光を受け取るように構成された第三の入射ポートと、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の、前記第一の端と反対の第二の端に設置され、前記第一の波長の光が１つ又は複数の導波路の第一の群の前記第一の入射ポートに向けられるような第一の射出ポートと、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記第二の端に設置され、前記第二の波長の光の鏡像を射出するように構成された第二の射出ポートであって、前記第二の波長の光は１つ又は複数の導波路の前第二の群の前記第二の入射ポートに向けられるような第二の射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含むオンチップアナライト検出システム。
【請求項１０】
前記第三の入射ポートは、前記多重分離ＭＭＩ導波路内の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に、前記多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれている、請求項９に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１１】
前記第一の射出ポートは、前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記中心から前記第一の方向にずれており、前記第一の波長の光の実像を出力するように構成され、
前記第二の射出ポートは、前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記中心から、前記第一の方向と反対の第二の方向にずれている、
請求項１０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１２】
前記１つ又は複数の導波路の第一の群は、マルチモード干渉により前記第一のマルチスポットパターンを生成するように構成された第一のアナライト励起ＭＭＩ導波路を含む、請求項９〜１１の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１３】
前記１つ又は複数の導波路の第二の群は、マルチモード干渉により前記第二のマルチスポットパターンを生成するように構成された第二のアナライト励起ＭＭＩ導波路を含む、請求項９〜１２の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１４】
前記１つ又は複数の導波路の第一の群は１つ又は複数のシングルモード導波路を含む、請求項９〜１３の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１５】
前記１つ又は複数の導波路の第二の群は１つ又は複数のシングルモード導波路を含む、請求項９〜１４の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１６】
前記第一の波長の前記光と前記第二の波長の前記光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む、請求項９〜１５の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１７】
前記多重分離ＭＭＩ導波路の高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項９〜１６の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１８】
前記第三の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、前記多重分離ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい、請求項１０〜１７の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項１９】
前記アナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記アナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項９〜１８の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２０】
前記基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
前記基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい、
請求項９〜１９の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２１】
オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受けるように構成されたアナライトチャネルと、
前記基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記第一の端の反対の前記多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、前記第一の波長の光を射出するように構成された第一の射出ポートと、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記第二の端に設置され、前記第二の波長の光を射出するように構成された第二の射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含み、
前記多重分離ＭＭＩ導波路は、前記第一の波長の射出光と前記第二の波長の射出光を前記アナライトチャネルに入射させて、前記チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起させるように構成されるオンチップアナライト検出システム。
【請求項２２】
前記第一の入射ポートは、前記多重分離ＭＭＩ導波路内の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に、前記多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれている、請求項２１に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２３】
前記第一の射出ポートは、前記第一の方向に前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記中心からずれ、前記第一の波長の光の実像を出力するように構成され、
前記第二の射出ポートは、前記第一の方向と反対の第二の方向に前記多重分離ＭＭＩ導波路の前記中心からずれ、前記第二の波長の光の鏡像を出力するように構成される、
請求項２２に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２４】
前記第一の波長の前記射出光と前記第二の波長の前記射出光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む、請求項２１〜２３の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２５】
前記第一の波長の前記光と前記第二の波長の前記光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む、請求項２１〜２４の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２６】
前記多重分離ＭＭＩ導波路の高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
前記多重分離ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項２１〜２５の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２７】
前記第一の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、前記多重分離ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい、請求項２２〜２６の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２８】
前記アナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記アナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項２１〜２７の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項２９】
前記基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
前記基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい、
請求項２１〜２８の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３０】
オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受けるように構成されたアナライトチャネルと、
前記基板上に設置された多重化マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
前記多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、
前記多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第二の波長の光を受け取るように構成された第二の入射ポートと、
前記多重化ＭＭＩ導波路の前記第一の端の反対の前記多重化ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、前記第一の波長の光と前記第二の波長の光の光を射出するように構成された射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含み、
前記多重化ＭＭＩ導波路は、前記第一の波長の射出光と前記第二の波長の射出光を前記アナライトチャネルに入射させて、前記チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起するように構成されるオンチップアナライト検出システム。
【請求項３１】
前記第一の入射ポートは、前記多重化ＭＭＩ導波路の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に前記多重化ＭＭＩ導波路の中心からずれ、
前記第二の入射ポートは、前記第一の方向と反対の第二の方向に前記多重化ＭＭＩ導波路の前記中心からずれている、
請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３２】
前記射出ポートは、前記第一の方向に前記多重化ＭＭＩ導波路の前記中心からずれ、前記第一の波長の光の実像と前記第二の波長の光の光の鏡像を出力するように構成される、
請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３３】
前記第一の波長の射出光及び前記第二の波長の射出光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む、請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３４】
前記多重化ＭＭＩ導波路の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
前記多重化ＭＭＩ導波路の幅は、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３５】
前記第一の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、前記多重化ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい、請求項３１に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３６】
前記アナライトチャネルの高さは、１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記アナライトチャネルの幅は、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３７】
前記基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
前記基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい、
請求項３０に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項３８】
オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになる第一のアナライトを含む第一の溶液を受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、
前記基板上に設置され、前記第一のアナライトチャネルと交差する調節可能な液体コアマルチモード干渉（ＬＣ−ＭＭＩ）導波路であって、
第一の液体コア部分であって、
第一の流体を受け取るように構成された中空のチャネルと、
前記中空のチャネルの境界を定める側壁と、
前記第一の流体が前記中空のチャネルの中に、又はそこから流れることができるように構成された第一の開口と、
を含む第一の液体コア部分と、
第一の波長の入射光を受け取るように構成された第一の光入射ポートと、
を含むＬＣ−ＭＭＩ導波路と、
を含み、
前記ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、前記第一の波長の前記入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを前記交差する第一のアナライトチャネルへと向けるように構成されるオンチップアナライト検出システム。
【請求項３９】
前記第一の液体コア部分は、前記第一の流体が前記中空のチャネルから流出し、前記第一の流体を第二の流体と交換できるように構成され、前記第二の流体は前記第一の流体とは異なる屈折率を有する、請求項３８に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４０】
前記基板上に設置され、前記第一の流体の温度を変化させて、前記ＬＣ−ＭＭＩ導波路を摂氏０．０１度、摂氏０．１度、摂氏１度、摂氏１０度、又は摂氏１００度より大きいか、それと等しいだけ温度調整するように構成された温度制御装置をさらに含む、請求項３８及び３９の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４１】
前記システムは、前記基板上に設置され、前記システムにより検出されることになる第二のアナライトを含む第二の溶液を受けるように構成された第二のアナライトチャネルをさらに含み、
前記ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、前記第一の波長の前記入射光から生成された第二のマルチスポットパターンを前記交差する第二のアナライトチャネルに向けるように構成され、前記第一の液体コア部分とは独立して調節できるように構成された第二の液体コア部分をさらに含む、
請求項３８〜４０の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４２】
前記第一のマルチスポットパターンにより励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む、請求項３８〜４１の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４３】
前記中空のチャネルの高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記中空のチャネルの幅は１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、又は５００μｍより小さいか、それと等しい、
請求項３８〜４２の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４４】
前記第一のアナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
前記第一のアナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい、
請求項３８〜４３の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４５】
前記基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
前記基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい、
請求項３８〜４４の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４６】
前記側壁の１つ又は複数により前記中空のチャネルから分離された加圧チャネルをさらに含み、前記加圧チャネルを加圧することにより、前記側壁の１つ又は複数が変形して、前記第一の液体コア部分の幅が調節される、請求項３８〜４５の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４７】
前記システムは、前記液体コア部分の中の前記第一の流体を加圧して、前記側壁の１つ又は複数を変形させて、前記第一の液体コア部分の幅を調節するように構成される、請求項３８〜４６の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４８】
前記第一の液体コア部分の幅を調節することは、前記幅を０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、又は１０μｍより大きいか、これと等しいだけ調節することを含む、請求項４７に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項４９】
前記第一の液体コア部分の幅を調節することは、前記幅を前記部分の静的幅の１２５％、前記部分の静的幅の１５０％、前記部分の静的幅の２００％、又は前記部分の静的幅の５００％より大きいか、それと等しくなるように増大させることを含む、請求項４７及び４８の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【請求項５０】
前記第一の液体コア部分の幅を調節することは、前記幅を前記部分の静的幅の１％、前記部分の静的幅の１０％、前記部分の静的幅の２５％、前記部分の静的幅の５０％、又は前記部分の静的幅の７５％より小さいか、それと等しくなるように減少させることを含む、請求項３８〜４９の何れか１項に記載のオンチップアナライト検出システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は一般に、オプトフルイディックシステムに関し、より詳しくは、スペクトル多重化及び／又は微小流体チャネル内のアナライト検出のためにマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路を使用するためのシステム、方法、及び技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
オプトフルイディクスは、フォトニクスとマイクロ流体技術を統合したものであり、非常にコンパクトで高感度のバイオメディカルセンサをもたらした。反共振反射光導波路（ＡＲＲＯＷ：ａｎｔｉ−ｒｅｓｏｎａｎｔ  ｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇ  ｏｐｔｉｃａｌ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ）型オプトフルイディックデバイスは、蛍光分光法のための高感度で再構成可能なプラットフォームであることが判明している。
【０００３】
さらに、毛細管やオンチップマイクロチャネル内のアナライトのスペクトル依存性マルチスポット励起が最近紹介され、バイオマーカ及びその他のターゲットの多項目同時光解析を実行するための強力な方法であると実証された。その原理は、組み込まれた光学素子、例えばマルチモード干渉（ＭＭＩ：ｍｕｌｔｉ−ｍｏｄｅ  ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ）導波路を使って、ターゲットが流れるチャネル内の波長依存スポットパターンを作ることに基づいている。最良の性能と感度を得るためには、スポットパターンはできるだけクリーンで、光がスポット位置のみに当たり、それらの間にほとんどバックグラウンドがないものとすべきである。それに加えて、複数の励起波長により作られる信号は、適切な信号処理アルゴリズムで容易にピックアップされるべきである。１つのＭＭＩ導波路が使用された場合、スポット間バックグラウンドは非ゼロであり得、集められた波長の異なる蛍光信号の強度が、色割り当ての問題の原因となるほど異なるかもしれない。
【０００４】
それに加えて、光多重化及び多重分離−異なる波長の信号の空間的合成又は分離−は、光電子システム、例えば光通信又は集積バイオセンサにとって重要な構成要素である。確立されている導波路に基づく方法は典型的に、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ：ａｒｒａｙｅｄ  ｗａｖｅｇｕｉｄｅ  ｇｒａｔｉｎｓ）を利用するが、これらは常に理想的とはかぎらないかもしれず、例えば、湾曲した導波路を回避しようとする場合、又は検討対象の波長が比較的広範囲にわたる場合等である。後者は例えば、可視範囲の市販の染料を使った蛍光多項目同時検出の応用に当てはまる。
【０００５】
さらに、ＭＭＩ導波路を使って波長依存スポットパターンを作る場合、中実材料で製作されたＭＭＩ導波路では屈折率の不均一性により完璧なスポットパターンができないかもしれず、最良のパターンは、どちらも標準的なＣＭＯＳ又はＭＥＭＳのような微細加工プロセスの結果として生じる屈折率のばらつき又は寸法のわずかな変化により、所望の波長からずれるかもしれない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上述のように、高い感度で複数のターゲット分子を同定できれば、オプトフルイディックデバイスの能力が改善される。そこで近年、ＭＭＩ導波路が、単独の流体チャネル内のスペクトル依存励起パターンを作ることによる複数のターゲットの多項目同時検出に使用されている。それに加えて、マルチスポット励起方式により、これらのバイオセンサの信号対ノイズ比と感度が一層増大している。ＭＭＩマルチスポット励起はまた、異なるチャネルに異なるＭＭＩ導波路を使用することによる空間多重化検出にも使用できる。しかしながら、より増強され、より改善された多重化技術が依然として求められている。本明細書で開示されるように、スペクトル多重化及び空間多重化を組み合わせることによって、オプトフルイディックデバイスの多重化パワーと能力がさらに高まるかもしれない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示は、幾つかの実施形態によれば、ターゲットアナライトを含む流体チャネルと交差する１つのＭＭＩ導波路を使用することによって、空間及びスペクトル多重化を複合して複数のマイクロ流体チャネルの中の光学活性なターゲットを検出するためのシステムと方法について述べる。
【０００８】
さらに前述したように、ＭＭＩ導波路を使ってマルチスポットパターンを作るための最良の性能と感度を得るために、スポットパターンはできるだけクリーンで、光はスポット位置にのみ当たり、それらの間にほとんどバッグラウンドがないものとすべきである。それに加えて、複数の励起導波路により作られた信号は、適切な信号処理アルゴリズムによって容易にピックアップされるべきである。１つのＭＭＩ導波路が使用される場合、スポット間バックグラウンドは非ゼロであるかもしれず、集められた異なる波長の蛍光信号の強度は、色割り当ての問題の原因となるほど異なっているかもしれない。
【０００９】
それゆえ、本開示は、空間的に分離された色依存励起スポットパターンを作る２ステージフォトニック構造によって、マイクロ流体チャネル内の光学活性なターゲットのスペクトル多重化検出のためのシステム、方法、及び技術について述べる。幾つかの実施形態において、マルチステージ方式は、異なる波長の光を空間的に分離する（多重分離）ための第一のステージと、多重分離された光を使って、毛細管又はチャネルの異なる部分に波長依存スポットパターンを作る第二のステージを特徴とする。後述のように、本明細書で開示される技術は、１つのＭＭＩ導波路を使用し、スポット間バックグラウンド信号にかかわらず、相互に色を区別するという課題に対処するかもしれない。
【００１０】
さらに前述のように、例えばＡＷＧを使用する、光多重化及び／又は多重分離のための導波路を用いた特定の既知の方法は、例えば湾曲した導波路を回避したい場合、検討対象の波長が比較的広い間隔である場合、及び／又は所期の用途が、可視範囲の市販の染料を用いた蛍光多重項目同時検出である場合（例えば、可視範囲染料は相互の間隔が広いかもしれない）、理想的ではないかもしれない。
【００１１】
それゆえ、本明細書では、既知の方法の上述の欠点に対処するかもしれない、ＭＭＩ導波路を用いた空間光多重化及び多重分離のためのシステム、方法、及び技術が記載されている。幾つかの実施形態において、オンチップでのフォトニック多重化及び／又は多重分離は、１つ又は複数のＭＭＩ導波路を使用することにより実現されるかもしれない。ＭＭＩ導波路は、光伝搬方向に垂直な可変的な空間パターンを作るかもしれない。本明細書に記載されているように、横方向に（例えば、光の伝搬方向に垂直な方向に）中心に置かれていない入力／出力を有するＭＭＩ導波路を使用することにより、異なる波長の光が、ＭＭＩ導波路に沿った伝搬方向の幾つかの距離で相互に多重化／多重分離されるかもしれず、同じ距離で一方の波長の光は実像（ｓｅｌｆ−ｉｍａｇｅ）を形成し、他の波長の光は鏡像を形成する。
【００１２】
さらに前述のように、中実材料で製作されたＭＭＩ導波路は、どちらも相補型金属酸化膜半導体のマイクロ加工、微小電気機械システムのマイクロ加工等の結果である中実ＭＭＩ導波路材料の屈折率の不均一性により、不完全なスポットパターンを作るかもしれない。
【００１３】
それゆえ、本開示は、コアの屈折率、圧力、温度、流量、又はそれらの何れかの組合せにより調整可能な液体コアＭＭＩ導波路を使用することによって、マイクロ流体チャネル内の光学活性なターゲットのスペクトル多重化検出のためのシステム、方法、及び技術について述べる。本明細書において説明されているように、液体コアの調整可能なＭＭＩ導波路（調整可能なＬＣ−ＭＭＩ導波路）は、前述の中実ＭＭＩ導波路の問題の１つ又は複数に対処するかもしれず、例えば液体コアＭＭＩ導波路はより均一なコアを有するかもしれず、及び／又は製造の欠陥を補償するために、例えばコアの液体を変える（及び、したがってＭＭＩ導波路のコアの屈折率を変える）ことによって、コアの液体を加熱することによって、又はＬＣ−ＭＭＩ導波路の液体コアの寸法を変える（例えば、ＬＣ−ＭＭＩ導波路の壁の製造にフレキシブルな材料を使用する場合）ことによって、微調整可能であるかもしれない。
【００１４】
幾つかの実施形態において、オンチップアナライト検出システムが提供され、これは、基板と、基板上に設置され、システムにより検出されることになる第一のアナライトを含む第一の液体を受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、基板上に設置され、システムにより検出されることになる第二のアナライトを含む第二の液体を受けるように構成された第二のアナライトチャネルと、基板上に設置され、第一の位置において第一のアナライトチャネルと、第二の位置において第二のアナライトチャネルとそれぞれ交差するマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け、第一のアナライトチャネル上に入射した第一の波長の光の第一の数のスポットを有する第一のスポットパターンを生成し、第二のアナライトチャネルに入射する第一の波長の光の第二の数のスポットを有する第二のスポットパターンを生成し、第一のアナライトチャネルに入射する第二の波長の光の第三の数のスポットを有する第三のスポットパターンを生成し、第二のアナライトチャネル上に入射する第二の波長の光の第四の数のスポットを有する第四のスポットパターンを生成するように構成されたＭＭＩ導波路と、第一のスポットパターン、第二のスポットパターン、第三のスポットパターン、及び第四のスポットパターンのうちの１つにより励起されるアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器と、検出器から、検出された蛍光バーストを表す信号を受信し、受信した信号の中の検出されたバーストの数に基づいて、その信号が第一のチャネルと第二のチャネルのどちらに対応するかを特定し、受信した信号の中の検出されたバーストの数に基づいて、信号が第一の被長の光と第二の波長の光のどちらに対応するかを特定するように構成された１つ又は複数のプロセッサと、を含む。
【００１５】
幾つかの実施形態において、オンチップアナライト検出システムが提供され、これは、基板と、基板上に設置され、システムにより検出されることになる液体を含むアナライトを受け取るように構成されたアナライトチャネルと、基板上に設置され、アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第一の導波路であって、第一の入射ポートにおいて第一の波長の入射光を受け取り、第一の波長の入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを交差するアナライトチャネルに向けるように構成された１つ又は複数の第一の導波路と、基板上に設置され、アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第二の導波路であって、第二の入射ポートにおいて第二の波長の入射光を受け取り、第二の波長の入射光から生成された第二のマルチスポットパターンを交差するアナライトチャネルに向けるように構成された１つ又は複数の第二の導波路と、基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取るように構成された第三の入射ポートを含み、多重分離ＭＭＩ導波路の、第一の端と反対の第二の端に設置された第一の射出ポートを含み、第一の波長の光は１つ又は複数の導波路の第一の群の第一の入射ポートに向けられ、多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第二の波長の光の鏡像を射出するように構成された第二の射出ポートを含み、第二の波長の光は１つ又は複数の導波路の第二の群の第二の入射ポートに向けられる多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路と、を含む。
【００１６】
幾つかの実施形態において、オンチップアナライト検出システムが提供され、これは、基板と、基板上に設置され、システムにより検出されることになる液体を含むアナライトを受けるように構成されたアナライトチャネルと、基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端と反対の多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第一の波長の光を射出するように構成された第一の射出ポートと、多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第二の波長の光を射出するように構成された第二の射出ポートと、を含む多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路と、を含み、多重分離ＭＭＩ導波路は、第一の波長の射出光と第二の波長の射出光をアナライトチャネルに入射されるように向けて、チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起するように構成される。
【００１７】
幾つかの実施形態において、オンチップアナライト検出システムが提供され、これは、基板と、基板上に設置され、システムにより検出されることになる液体を含むアナライトを受けるように構成されたアナライトチャネルと、基板上に設置された多重化マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第二の波長の光を受け取るように構成された第二の入射ポートと、多重化ＭＭＩ導波路の第一の端と反対の多重化ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第一の波長の光と第二の波長の光の光を射出するように構成された射出ポートを含む多重分離ＭＭＩ導波路と、を含み、多重化ＭＭＩ導波路は、第一の波長の射出光と第二の波長の射出光をアナライトチャネルに入射されるように向けて、チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起させるように構成される。
【００１８】
幾つかの実施形態において、オンチップアナライト検出システムが提供され、これは、基板と、基板上に設置され、システムにより検出されることになる第一の溶液を含む第一のアナライトを受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、基板上に配置され、第一のアナライトチャネルと交差する調節可能な液体コアマルチモード干渉（ＬＣ−ＭＭＩ）導波路と、を含み、ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、第一の流体を受け取るように構成された中空のチャネルと、中空のチャネルと接する側壁と、第一の流体が中空のチャネルに出入りできるように構成された第一の開口と、第一の波長の入射光を受け取るように構成された第一の光入射ポートと、を含み、ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、第一の波長の入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを交差する第一のアナライトチャネルへと向けるように構成される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１Ａ】幾つかの実施形態によるオプトフルイディックプラットフォームの概略図を示す。
【図１Ｂ】幾つかの実施形態によるオプトフルイディックプラットフォームの概略図を示す。
【図１Ｃ】幾つかの実施形態による、アナライトが異なる速度で移動するオプトフルイディックプラットフォームとそれに対応する蛍光発光信号の概略図を示す。
【図１Ｄ】幾つかの実施形態による、アナライトが異なる速度で移動するオプトフルイディックプラットフォームの概略図を示す。
【図１Ｅ】幾つかの実施形態によるオプトフルイディックプラットフォームの概略図を示す。
【図１Ｆ】幾つかの実施形態による、複数のＭＭＩを有するオプトフルイディックプラットフォームの概略図を示す。
【図２】幾つかの実施形態による、２つの異なる波長の多重化光で励起される３つの異なるチャネルにより作られる励起パターンを示す。
【図３Ａ】幾つかの実施形態による、２つの異なる波長の多重化光で励起される３つの異なるチャネル内のウイルスに関する蛍光信号を示す。
【図３Ｂ】幾つかの実施形態による、２つの異なる波長の多重化光で励起される３つの異なるチャネル内のウイルスに関する蛍光信号を示す。
【図４Ａ】幾つかの実施形態による２つの異なる波長の多重化光で励起される３つの異なるチャネル内のウイルスに関する蛍光信号と励起パターンを示す。
【図４Ｂ】幾つかの実施形態による２つの異なる波長の多重化光で励起される３つの異なるチャネル内のウイルスに関する蛍光信号と励起パターンを示す。
【図５】幾つかの実施形態によるＭＭＩ型マルチステージ多重化システムを示す。
【図６Ａ】幾つかの実施形態によるＭＭＩ型マルチステージ多重化システム。
【図６Ｂ】幾つかの実施形態による、ＭＭＩ型マルチステージ多重化システムにより生成される、シミュレーションによる光信号を示す。
【図７】幾つかの実施形態による、ＭＭＩ型及びシングルモード導波路型マルチステージ多重化システムを示す。
【図８Ａ】幾つかの実施形態によるＭＭＩ導波路を用いた多重分離を示す。
【図８Ｂ】幾つかの実施形態によるＭＭＩ導波路を用いた多重化を示す。
【図８Ｃ】幾つかの実施形態による、アナライトチャネルから信号を集めるために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するためのシステムを示す。
【図８Ｄ】幾つかの実施形態による、アナライトチャネルから信号を集めるために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するためのシステムを示す。
【図８Ｅ】幾つかの実施形態による、励起光を１つ又は複数のアナライトチャネルに送達するために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するためのシステムを示す。
【図８Ｆ】幾つかの実施形態による、励起光を１つ又は複数のアナライトチャネルに送達するために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するためのシステムを示す。
【図９】幾つかの実施形態による、ＭＭＩを用いた、多重分離に使用されてよい方法での２つの異なる波長に関する光の伝搬を示す。
【図１０Ａ】幾つかの実施形態による、オプトフルイディック多項目同時検出のための液体コアのＭＭＩ（ＬＣ−ＭＭＩ）導波路を示す。
【図１０Ｂ】幾つかの実施形態による、直列に配置された複数のＬＣ−ＭＭＩ導波路を示す。
【図１１Ａ】幾つかの実施形態による固体コア及び液体コアの導波路を示す。
【図１１Ｂ】幾つかの実施形態による機械的に調整可能なＬＣ−ＭＭＩ導波路の各種の図を示す。
【図１１Ｃ】幾つかの実施形態による、ＬＣ−ＭＭＩ導波路のための実験及びシミュレーションによるマルチスポット導波路パターンを示す。
【図１１Ｄ】幾つかの実施形態による、製作されたＬＣ−ＭＭＩ導波路の長さとスポット数の関係を示す。
【図１１Ｅ】幾つかの実施形態による、製作されたＬＣ−ＭＭＩ導波路に関する長さと屈折率の関係を示す。
【図１１Ｆ】幾つかの実施形態による、製作されたＬＣ−ＭＭＩ導波路に関する幅変形とスポット数との関係を示す。
【図１１Ｇ】幾つかの実施形態による、機械的に調整可能なＬＣ−ＭＭＩ導波路を含む多項目同時粒子検出システムを示す。
【図１２】幾つかの実施形態によるコンピュータを示す。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
ＭＭＩ導波路を用いた複数の流体チャネルにおけるスペクトル、空間、及びスペクトル−空間多重化アナライト検出
幾つかの実施形態において、マルチターゲット感知プラットフォームは、ＭＭＩ導波路に沿って複数（例えば、２又はそれ以上）の異なる励起波長を使用し、複数（例えば、２、３、又はそれ以上）の別々の交差する流体チャネルの中のチャネル依存且つ色依存のマルチスポットパターンを作ることによって、生体粒子の空間多重化とスペクトル多重化を組み合わせてよい。各蛍光信号のためのスポット数は、高い感度での複数のターゲットの直接同定を提供してよい。
【００２１】
ＭＭＩ導波路として機能する幅広の中実光導波路を使って、複数の、直角に交差する液体コアの導波路のための位置依存のマルチスポットパターンを作ってよい。ＭＭＩ導波路は、異なる伝搬定数の多数の波長モードをサポートしてよく、それによってこれらはＭＭＩ構造に沿って伝搬する際に相互に干渉し得る。これらのモードの相対位相が正しくマッチする特定の伝搬距離において、明確に画定されたスポットパターンが作られるかもしれない。そのモードにより作られるマルチスポットパターンはＭＭＩ導波路に沿った伝搬方向への距離によって異なるかもしれないため、ＭＭＩ導波路を通って伝搬する同じ波長の光のためのマルチスポットパターンは、ＭＭＩ導波路に沿って異なる距離でＭＭＩ導波路と交差する、複数の、交差する液体コアのチャネル／導波路において異なっていてもよい。
【００２２】
プラットフォーム１００を示す図１Ａ及び１Ｂの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２に沿った３つの液体コア導波路１０４、１０６、及び１０８が、それらが異なる励起波長についての明確に画定された整数のスポットに対応する位置においてＭＭＩ導波路１０２と交差するように示されている。
【００２３】
図１Ａはオプトフルイディックプラットフォーム１００の概略図を示しており、図中、ＭＭＩ導波路１０２はＭＭＩ導波路の始まりから（例えば、ＭＭＩ導波路の光入射ポートから）（ＭＭＩ導波路に沿った光の伝搬方向への）異なる距離Ｌにおいて３つの異なる液体コア導波路（１０４、１０６、及び１０８）と交差している。幾つかの実施形態において、液体コア導波路は、システムにより検出されることになる１つ又は複数の蛍光ターゲットアナライト、例えば分子、粒子、バイオマーカ、核酸、ＤＮＡ、たんぱく質等を含む１つ又は複数の溶液を受けるように構成されている。
【００２４】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路は、アナライト溶液が導波路の中央の中空チャネルに沿って流れることができるように構成されてよく、それによって液体の中のアナライトはＭＭＩ導波路により導波路へと入射させられるスポットパターンを通過して流れる。幾つかの実施形態において、アナライトチャネルを通る流れは、アナライトチャネル内の流体に（例えば１つ又は複数のポンプによって）流体が流れるように加えられる圧力により起こされてよく、それによってアナライトは励起スポットを通過する。幾つかの実施形態において、流れは電気浸透により誘発されてもよい。幾つかの実施形態において、アナライト溶液中のアナライト粒子の移動は、アナライト溶液の流れがなくても、又はアナライト溶液の流れに加えて、例えば電気泳動により誘発されてもよい。
【００２５】
ＭＭＩ導波路により形成されるスポットパターンのスポットによって各アナライトが励起されると、アナライトの蛍光発光が液体コア導波路によって検出器へと案内されてよく、これは信号の各々に起因するそれぞれの蛍光発光バーストを検出してよい。
【００２６】
図１Ａに示されるように、液体コア導波路の各々は、それぞれの入口ウェル１１２ａ〜ｃ及び１つの流体出口ウェル１１４に流体的に接続されていてよい。幾つかの実施形態において、１つ又は複数の液体コア導波路は、他の液体コア導波路と共有されない専用の出口ウェルを有していてもよい。
【００２７】
図のように、プラットフォームは３つの別々の液体コア導波路（１０４、１０６、及び１０８）及びＹカプラ１０９と交差して液体コア導波路内の励起された粒子からの蛍光発光の全信号を合成するＭＭＩ導波路１０２を含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、１つ又は複数の導波路、カプラ、レンズ、ミラー、ＭＭＩ導波路、又はその他の光学素子の何れの適当な組み合わせを使って、液体コア導波路内で励起された粒子からの蛍光発光を検出器に輸送してもよい。
【００２８】
幾つかの実施形態において、検出器は、例えばプラットフォーム１００がチップである場合、プラットフォーム１００の基板上で液体コア導波路と同一平面内に配置されてよい。幾つかの実施形態において、検出器は各種の異なる波長の蛍光発光を検出するように構成されてよい。
【００２９】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２は、ＳｉＯ２等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物、ＳｉＯＮ等の酸窒化物、ＰＤＭＳ、プラスチック、及び／又は半導体で製作されてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の高さは０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより大きいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の高さは、０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の高さは０．１μｍ〜５μｍの間であってもよい。
【００３０】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の幅は、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、又は１０００μｍより大きいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の幅は１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、又は１０００μｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の幅は１０μｍ〜２５０μｍの間であってもよい。
【００３１】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の長さは、０．１ｍｍ、０．２５ｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ、又は１００ｍｍより大きいか、これと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１０２の長さは、０．１ｍｍ、０．２５ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ、又は１００ｍｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路の長さは０．５ｍｍ〜２０ｍｍの間であってもよい。
【００３２】
ＭＭＩ導波路１０２は図の例では長方形として示されているが、幾つかの実施形態において、正方形、丸、半円、又は何れの適当な断面形状を有していてもよい。
【００３３】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８のうちの何れか１つ又は複数は、ＳｉＯ２等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物、ＳｉＯＮ等の酸窒化物、ＰＤＭＳ、プラスチック、及び／又は半導体で製作されてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れか１つ又は複数の内部の溶液は、Ｈ２Ｏ、エチレングリコール、及び／又はエチレンシンナマートを含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れか１つ又は複数の内部の溶液は、ヨウ化亜鉛溶液、エチレングリコール溶液、ヨウ化ナトリウム溶液、又はクラッドの屈折率より大きい屈折率を有する他の何れの適当な液体を含んでいてもよく、これには例えば下記が含まれる：
・ヨウ化亜鉛水溶液
・ヨウ化ナトリウム水溶液
・ＺｎＣｌ２水溶液
・イオン液体、例えば（カチオン／アニオン）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ−Ｎ）／（ＳＯ２Ｆ）２）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ−Ｎ／（ＣＮ）２）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＴＣＢ）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＣＮ）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＯ３ＯＨ）
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＯ３ＣＨ３）
〇（Ｅｔ−Ｐｙ−Ｎ／（ＳＯ２Ｆ）２）、及び／又は
〇（Ｈｅ−Ｐｙ−Ｎ／（ＳＯ２Ｆ）２）
・その他のイオン液体、例えば
〇コリンリン酸二水素、及び／又は
〇融点降下溶媒
・エチレングリコール
・有機液体、例えば
〇ベンジルベンゾアート
〇２−ブロメチルベンゼン
〇ＤＭＳＯ
〇１，１，２，２−テトラブロモエタン
〇１，１，２，２−テトラクロロエタン、及び／又は
〇テトラクロロエチレン、及び／又は
・水溶液、例えば
〇ＡｇＮＯ３
〇ＣｄＣｌ２
〇ＫＢｒ＋ＨｇＢｒ
〇Ｈｇ（ＮＯ３）２：Ｈ２Ｏ＋ＨｇＢｒ２、及び／又は
〇Ｈｇ（ＮＯ３）２：Ｈ２Ｏ＋ＨｇＩ２
【００３４】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の高さも、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、又は５０μｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の高さも、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、又は５０μｍより小さいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の高さも１μｍ〜１０μｍの間であってよい。
【００３５】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の幅も、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、又は１００μｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の幅も、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、５０μｍ、又は１００μｍより小さいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の幅も１μｍ〜２０μｍの間であってよい。
【００３６】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の長さも、０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ、又は１００ｍｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の長さも、０．０１ｍｍ、０．０５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．５ｍｍ、１ｍｍ、５ｍｍ、１０ｍｍ、２０ｍｍ、５０ｍｍ、又は１００ｍｍより小さいか、それと等しくもよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数の長さも、０．１ｍｍ〜２０ｍｍの間であってよい。
【００３７】
液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８は図の例では長方形として示されているが、幾つかの実施形態において、それらの何れの１つ又は複数も正方形、丸、半円、又は何れの適当な断面形状を有していてよい。
【００３８】
幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数を通る流体の流速も、０．１μｍ／秒、０．５μｍ／秒、１μｍ／秒、１０μｍ／秒、１００μｍ／秒、１ｍｍ／秒、１ｃｍ／秒、５ｃｍ／秒、１０ｃｍ／秒、２０ｃｍ／秒、又は５０ｃｍ／秒より速いか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数を通る流体の流速も、０．１μｍ／秒、０．５μｍ／秒、１μｍ／秒、１０μｍ／秒、１００μｍ／秒、１ｍｍ／秒、１ｃｍ／秒、５ｃｍ／秒、１０ｃｍ／秒、２０ｃｍ／秒、又は５０ｃｍ／秒より遅いか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８の何れの１つ又は複数を通る流体の流速も、１μｍ／秒〜１０ｃｍ／秒の間であってよい。
【００３９】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１００及び／又は関連するシステムの１つ又は複数の構成要素は、基板１０１の上に配置されてもよく、これは幾つかの実施形態においてチップの基板であってよい。幾つかの実施形態において、基板１０１の長さ及び／又は幅は、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、又は２０ｃｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、基板１０１の長さ及び／又は幅は、０．５ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、又は２０ｃｍより小さいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、基板１０１の長さ及び／又は幅は２ｍｍ〜５ｃｍの間であってよい。
【００４０】
図１Ｂは、図１Ａに示されるプラットフォーム１００の拡大図を示す。
【００４１】
図１Ｃ〜１Ｆは、１つ又は複数のＭＭＩ導波路を使って１つ又は複数のスポットパターンを１つ又は複数のアナライトチャネル内のアナライトへと向けるオプトフルイディックプラットフォームの代替的な実施形態を示す。幾つかの実施形態において、図１Ｃ〜１Ｆに関して後述するオプトフルイディックプラットフォーム及び／又はそれらのサブコンポーネントは、それぞれ前述したオプトフルイディックプラットフォーム１００及び／又はそのサブコンポーネントと共通の何れか１つ又は複数の特性を共有していてよい。図に示し、後述するように、図１Ｃ〜１Ｆのプラットフォームは、プラットフォーム１００並びに図１Ａ及び１Ｂに関して上述したものと同様の光学及び流体構成要素とは異なる空間配置を有していてもよい。
【００４２】
図１Ｃは、左側に、基板１１１を含むオプトフルイディックプラットフォーム１１０の概略図を示しており、図中、ＭＭＩ導波路１１２はＭＭＩ導波路の始まりから（例えば、図１Ｃの下に示されるＭＭＩ導波路の光入射ポートから）（ＭＭＩ導波路に沿った光の伝搬方向への）異なる距離Ｌにおいて３つの異なるアナライトチャネル（１１４、１１６、及び１１８）と交差している。図１Ｃは、右側に、プラットフォーム１１０の３つのアナライトチャネルのそれぞれ１つの中にあるアナライトにより生成される例示的な蛍光出力信号をさらに示す。
【００４３】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１１０は、プラットフォーム１１０の３つの異なるアナライトチャネル１１４、１１６、及び１１８はそれぞれのチャネル内のアナライトに関する蛍光発光信号を案内するための液体コア導波路としても機能し、そのように呼ばれてよいが、その各々が同じ単独スポットパターンと交差してよいという点でプラットフォーム１００と異なっていてよい。すなわち、プラットフォーム１００のチャネル１０４、１０６、及び１０８は異なるスポットパターン（異なる数のスポットを有する）に対応する異なる距離においてＭＭＩ導波路１０２と交差してよいが、プラットフォーム１１０のチャネル１１４、１１６、及び１１８はすべてが１つの単独スポットパターンと交差してよく、それによって同じ数の励起スポットがチャネル１１４、１１６、及び１１８の各々に入射してよい。図１Ｃに示されるように、干渉パターン１２８は、３つのチャネル１１４、１１６、及び１１８の各々上に同じ、又は実質的に同じ干渉パターン１２８（例えば、スポットパターン）を形成してよく、干渉パターン１２８のスポット長さ１２６は、３つのチャネルが相互に離間される距離全体より長くてもよい。幾つかの実施形態において、スポット長さ１２６は、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、又は５００μｍより大きいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、スポット長さ１２６は、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、２５０μｍ、３００μｍ、又は５００μｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、スポット長さ１２６は１０μｍ〜２００μｍの間であってよい。幾つかの実施形態において、チャネル１１４、１１６、及び１１８のうちの何れの２つ又はそれ以上も、相互から０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、又は２５０μｍより大きいか、それと等しいだけ相互に離間されていてよい。幾つかの実施形態において、チャネル１１４、１１６、及び１１８のうちの何れの２つ又はそれ以上も、相互から０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、１５０μｍ、２００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しいだけ相互に離間されていてよい。幾つかの実施形態において、チャネル１１４、１１６、及び１１８のうちの何れの２つ又はそれ以上も、相互から１μｍ〜１５０μｍの間だけ相互に離間されていてよい。
【００４４】
それゆえ、幾つかの実施形態において、３つのチャネルの各々は、干渉パターン１２８の単独スポットパターンのスポット長さ内に設置されてもよく、したがって、同じスポットパターン内の各チャネルは同じ数のスポットにより励起されてもよい。（幾つかの実施形態において、複数のチャネルは干渉パターンの１つのスポットパターン内に設置されてもよく、その一方で異なる複数のチャネルは、同じＭＭＩ導波路に沿った他の位置において、同じ干渉パターンの他のスポットパターン内に設置されてもよい。）
【００４５】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１１０内の多重化は、１つのアナライトチャネルを他のアナライトチャネルから、それぞれのチャネル内を移動するアナライトの速度に基づいて差異化することにより達成されてもよい。すなわち、プラットフォーム１００の異なるアナライトチャネルは各チャネル内のアナライトから異なる数の励起スポット（及びその結果としての異なる数の蛍光出力バースト）をカウントすることにより、多重化について相互に差異化されてよいが、プラットフォーム１１０内の３つのチャネルの各々の中のアナライトは（同じスポットパターンからの）同じ数のスポットにより励起されて、同じ図の蛍光出力バーストを生成してもよい。しかしながら、図１Ｃに示されるように、プラットフォーム１１０内の３つのチャネルの各々の中のアナライトは、異なるそれぞれの速度（図のようにｖ１、ｖ２、及びｖ３）で移動してもよく、したがって、相互に時間的に差異化される蛍光発光信号を生成してもよい。
【００４６】
例えば図１Ｃの右側の３つの信号１０５ａ、１０５ｂ、及び１０５ｃにより示されているように、同じスポットパターンを通って移動する際に、より速い速度を有するアナライト（例えば、チャネル１１４内のｖ３）は、より速い速度を有するアナライト（例えば、信号１０５ｃを生成するチャネル１１８内のｖ１）より圧縮された蛍光出力信号（例えば、信号１０５ａ）を生成するかもしれない。それゆえ、相互からの蛍光バーストの相対幅及び／又はバーストの相対間隔を分析することによって、システム又はユーザは異なるアナライトチャネル内を異なる速度で移動するアナライトを区別することができるかもしれない。
【００４７】
幾つかの実施形態において、異なるチャネルを異なる速度で移動するアナライトの動きは、チャネル内の流体の異なる流速によって、及び／又は異なる電気泳動力を受けた電気泳動移動によって、又は異なる粘度を有する流体を通じて誘発されてもよい。
【００４８】
図１Ｄは、基板１３１を含むオプトフルイディックプラットフォーム１３０の概略図を示しており、図中、ＭＭＩ導波路１３２は、ＭＭＩ導波路の始まりから（例えば、図１Ｄの下に示されるＭＭＩ導波路の光入射ポートから）（ＭＭＩ導波路に沿った光の伝搬方向に）異なる距離Ｌで３つの異なる液体コア導波路（１３４、１３６、及び１３８）と交差する。
【００４９】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１３０は、図１Ｃに関して上述したプラットフォーム１１０と共通の１つ又は複数の特性を共有していてもよいが、それぞれのチャネル内のアナライトに関する蛍光発光信号を案内するための液体コア導波路としても機能し、そのように呼ばれてもよいチャネル１３４、１３６、及び１３８の各々が相互に結合され、共通の下流出口領域に向かって流れてよいという点で、プラットフォーム１１０とは異なっていてもよい。さらに、図のように、プラットフォーム１３０はＹカプラ１３９を含んでいてもよく、これは、図１Ａに関して上述したＹカプラ１０９と共通の何れの１つ又は複数の特性を有していてもよい。幾つかの実施形態において、Ｙカプラ１３９は、チャネルの平面内のチャネル１３４、１３６、及び１３８のうちの２つ又はそれ以上からの蛍光射出信号を同時に収集できるように構成されてもよい。図のように、アナライトチャネルはすべてプラットフォーム１３０の左側で直角に分岐しているため、Ｙカプラ１３９は、液体コア導波路としても機能するアナライトチャネルに効率的に連結されて、アナライトチャネルにより案内される蛍光発光信号を合成して、例えば検出のために１つの検出器に案内されるようにすることができる。
【００５０】
図１Ｅは、基板１５１を含むオプトフルイディックプラットフォーム１５０の概略図を示しており、図中、ＭＭＩ導波路１５２は、ＭＭＩ導波路の始まりから（例えば、図１Ｅの下に示されるＭＭＩ導波路の光入射ポートから）（ＭＭＩ導波路に沿った光の伝搬方向に）異なる距離Ｌで３つの異なる液体コア導波路（１５４、１５６、及び１５８）と交差する。
【００５１】
図１Ｃ及び１Ｄに示されるプラットフォーム１１０及び１３０と異なり、プラットフォーム１５０内のアナライトチャネル（液体コア導波路とも呼ばれ、それとして機能してもよい）１５４、１５６、及び１５８は各々、異なるスポットパターンに対応する位置においてＭＭＩ導波路１５２と交差してよい。図１Ｅに示されるように、チャネル１５４、１５６、及び１５８は、干渉パターンがそれぞれ５つのスポット（１６８ａ）、４つのスポット（１６８ｂ）、及び３つのスポット（１６８ｃ）を有している場合、スポットパターンに対応する位置においてＭＭＩ導波路１５２と交差する。図のように、プラットフォーム１５０により励起されるアナライトからの蛍光発光信号は、発光信号を発しているチャネルに応じて、導波路１５９ａ、１５９ｂ、及び１５９ｃへと案内され、それによって収集されてよい。幾つかの実施形態において、導波路１５９ａ、１５９ｂ、及び１５９ｃは、相互に結合されてＹカプラを形成してもよく、及び／又は蛍光発光信号を１つ又は複数の検出器に案内してもよい。幾つかの実施形態において、導波路１５９ａ、１５９ｂ、及び１５９ｃは、すべてが結合されるとは限られなくてもよく、及び／又は蛍光発光信号を２つ又はそれ以上の異なる検出器に案内してもよい。
【００５２】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１５０及びそのサブコンポーネントは、図１Ａ及び１Ｂに関して前述したプラットフォーム１００及びその対応するサブコンポーネントと共通の１つ又は複数の特性を共有していてもよい。図１Ａ及び１Ｂに関して説明し、また以下にさらに説明するように、多重化はプラットフォーム１５０においても、蛍光発光信号における蛍光バーストの異なる数をカウントし、それによって発光信号を発したアナライトチャネル上に入射する励起スポットの数を推測することによって同様に達成されてよく、それゆえ、システム又はユーザは異なる数の励起スポットが入射するアナライトチャネルからの発光信号を区別することができる。
【００５３】
図１Ｆは、基板１８１を含むオプトフルイディックプラットフォーム１８０の概略図を示し、図中、２つのＭＭＩ導波路１８２ａ及び１８２ｂの各々には、ＭＭＩ導波路の始まりから（例えば、図１Ｆの下に示されるＭＭＩ導波路の光入射ポートから）（ＭＭＩ導波路に沿った光の伝搬方向に）異なる距離Ｌで３つの異なる液体コア導波路（１８４、１８６、及び１８８）が交差する。
【００５４】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１８０は、図１Ｅに関して上述したプラットフォーム１５０と共通の何れかの１つ又は複数の特性を共有してよいが、プラットフォーム１８０が両側性及び／又は対称性を有していてよい点は例外である。図のように、プラットフォーム１８０は、アナライトチャネル（液体コア導波路とも呼ばれ、それとして機能してもよい）１８４、１８６、及び１８８を含んでいてもよく、これは基板１８１の中央の共通チャネル源１９９から２つの異なる（反対の）方向に延びる。２つの異なる方向に延びることにより、アナライトチャネルは、片側で１つのＭＭＩ導波路１８２ａと、反対側で他のＭＭＩ導波路１８２ｂと交差してよい。図のように、スポットパターン１９８ａ（１）、１９８ａ（２）、及び１９８ａ（３）は、それぞれのチャネルがＭＭＩ導波路１８２ａと交差する位置においてそれぞれチャネル１８４、１８６、及び１８８に入射してよい。基板１８１の反対側では、スポットパターン１９８ｂ（１）、１９８ｂ（２）、及び１９８ｂ（３）は、それぞれのチャネルがＭＭＩ導波路１８２ｂと交差する位置においてそれぞれチャネル１８４、１８６、及び１８８に入射してよい。
【００５５】
幾つかの実施形態において、左側のスポットパターンと右側のスポットパターンは、同じ波長でも異なる波長でもよく、１つのパターンあたり同じ又は異なる数のスポットを有していてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路１８２ａ及び１８２ｂは、相互に共通する何れかの１つ又は複数の特性を有していてもよいが、これらは大きさ、幅、高さ、それらが製作される材料、基板１８１上に配置される角度、又は他の何れの適当な特性においても相互に異なっていてよい。チャネル１８４、１８６、及び１８８は図１Ｆにおいて対称であるように示されているが、これらは幾つかの実施形態において、基板１８１の片側において、他方の側とは異なる形状及び空間配置を有していてもよく、それによってこれらは例えば、ＭＭＩ導波路１８２ａ及び１８２ｂと、各ＭＭＩ導波路に沿ったそれぞれの異なる距離Ｌにおいて交差してもよい。両側性の２つのＭＭＩとフラットフォームの非対称の配置により、幾つかの実施形態において、異なるＭＭＩ導波路において、異なる波長の励起光を使用することができ、したがって多項目データを収集し、分析することができる。
【００５６】
図１Ｆに示されるように、プラットフォーム１８０のスポットパターンにより励起されるアナライトからの蛍光発光信号は、発光信号が発せられたチャネルに応じて、プラットフォーム１８１の左側の導波路１８９ａ（１）、１８９ａ（２）、及び１８９ａ（３）とプラットフォーム１８１の右側の導波路１８９ｂ（１）、１８９ｂ（２）、及び１８９ｂ（３）により案内され、収集されてよい。幾つかの実施形態において、導波路の１つ又は複数は相互に結合されて１つ又は複数のＹカプラを形成してよく、及び／又は蛍光発光信号を１つ又は複数の検出器に案内してもよい。
【００５７】
幾つかの実施形態において、プラットフォーム１００、１１０、１３０、１５０、１７０、及び／又は１８０の何れの１つ又は複数の構成要素も、相互の何れの１つ又は複数の構成要素とも、及び／又は本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの、何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【００５８】
図２は、２つの波長の３つの異なるチャネルにおける励起パターンの写真を示す。チャネルは、写真で画像化するための蛍光液体で満たされている。特定のＭＭＩ導波路のスポット数Ｎと距離Ｌの積と波長λは以下のように示される：
【数１】
2020512543.tif 000003
式中、ｗは有効ＭＭＩ導波路幅（図１Ａに示される例では、７５μｍプラスクラッドへのモードのしみ出し深さ）であり、ｎｃはＭＭＩ導波路の有効屈折率（図１Ａの例では１．４６）であり、λは励起波長（図１（ａ）の例では７６２ｎｍ）である。それゆえ、８、６、及び４つの明確に画定されたスポットを有する３つのスポットパターンが、それぞれＭＭＩ導波路の長さＬ１＝１４２６μｍ、Ｌ２＝１８９５μｍ、及びＬ３＝２８４７μｍにおいて生成されてよい。同じ又は同様のシステムの場合、式１を使用すると、λ＝５２０ｎｍの励起波長で、１０、７、及び５つの明確に画定されたスポットを持つスポットパターンが、それぞれ同じ３つのＭＭＩ導波路の長さ（Ｌ１＝１４２６μｍ、Ｌ２＝１８９５μｍ、及びＬ３＝２８４７μｍ）において生成されてよい。
【００５９】
複数の波長の光を同じＭＭＩ導波路に沿って同時に伝搬させることにより、ＭＭＩ導波路の空間及びスペクトル特性の両方を組み合わせて、１つのＭＭＩ導波路から多重化のための多数の異なるスポットパターンを生成してもよく、この数は交差する異なるチャネルの数より大きい（例えば、交差する異なるチャネルの数と光の異なる波長の数の積）。すなわち、上述のλ１＝７６２ｎｍ及びλ２＝５２０ｎｍの２つの異なる波長について、３つの交差するチャネルを使用すると、６つの異なるスポットパターン（それぞれ８、６、４、１０、７、及び５つのスポット）が生成されてよく、スポットパターンの各々は、他のスポットパターンのうちの１つ又は複数から、スポット数又は隣接するスポットからの信号間の時間間隔の違いに注目することによって区別されてよい。
【００６０】
図２は、幾つかの実施形態において、３つの交差する流体チャネルが蛍光液体を含む溶液で満たされ、オーバヘッドＣＣＤカメラで画像化されたときに作られるかもしれない励起パターンを示している。図２に示されるように、その結果として得られる励起パターンは、３つのチャネルすべてについて明確に画定された励起スポットを示してよく、異なるスポットパターンは前述のようにそれぞれ８、６、４、１０、７、及び５つのスポットを有する。
【実施例】
【００６１】
実施例１
空間的に多重化されたバイオセンシングウイルス検出アッセイの実証のために、Ｈ２Ｎ２不活性化ウイルス型に赤の（Ｄｙｌｉｇｈｔ  ６３３）蛍光染料で標識し、Ｈ１Ｎ１不活性ウイルス型に緑の（Ｄｙｌｉｇｈｔ  ５５０）蛍光染料で標識した。これらを混合し、図１Ａに示されるような配置で、ＭＭＩ導波路の端からそれぞれ異なる３つの距離Ｌにおいて同じＭＭＩ導波路と交差する３つの別々の流体チャネル全ての端をカバーする３つの入口貯蔵部にピペットで注入した。６３３ｎｍ及び５２０ｎｍに調整したレーザを使って、両方の波長の標識されたウイルスを同時に励起し、出口貯蔵部に真空をかけて、粒子の流れを誘発した。ウイルスは液体コア導波路を下流に移動しながら、それが移動しているチャネルに応じて異なる数の励起スポットを通過する。これらが励起スポットを通過すると、それらがタグ付けされた色にしたがって異なる数の励起スポット（例えば、異なるスポットパターン）により励起される。粒子の蛍光発光信号は、粒子が移動しているそれぞれの液体コア導波路により捕捉されて、その後、固体コア集光導波路により集光され、３×１のＹジャンクション（例えば、図１Ａ参照）を使って１つの出力導波路へと合成される。すると、信号はバンドパス及びノッチ光学フィルタを通過し、励起波長が取り除かれ、最終的に単一光子計数検出器により検出された。
【００６２】
図３Ａは、その結果得られた、異なる数のピークを有する蛍光信号を示しており、各ピークは３つの異なるチャネルのうちの１つからのＨ１Ｎ１又はＨ２Ｎ２ウイルスから発せられている。アナライトは、λ＝５２０ｎｍとλ＝６３３ｎｍの両方の波長により励起された。ピークの数を計数することにより、６つの別々の多重化ルートが相互に区別され、各ピークについてのチャネルとウイルスの型の両方が同定された。自動的に得られた結果では、手作業による検査と比較して、流れのばらつきに起因する歪曲信号によって同定中に３％のエラーが生じた。
【００６３】
図３Ｂは、Ｈ２Ｎ２及びＨ１Ｎ１から生成された個別のウイルス信号を示し、３つの別々のチャネルからの６つの異なるピーク群（Ｈ２Ｎ２に関する８つのピーク、６つのピーク、及び４つのピークの群とＨ１Ｎ１に関する１０のピーク、７つのピーク、及び５つのピークの群）を示している。さらに、試料の速度と濃度は、ピーク間の時間差と既知のスポット間隔Δｘを使って抽出した。平均速度は０．８７ｃｍ／秒であることが分かり、濃度は６×１０５粒子／ｍＬであると（ピークの数に断面積と速度を乗じることによって）推定され、これは臨床的に関係のある濃度範囲である。
【００６４】
それゆえ、上述の例によれば、インフルエンザウイルスの複合（例えば、空間及びスペクトル）多重化検出は、１つのＭＭＩ導波路と交差する複数の液体コア導波路を含むオプトフルイディックプラットフォーム上で実装できる。２つの異なる系統のための各チャネルからのインフルエンザウイルスの検出の成功は、１つの分子検出感度により達成されてよく、異なる系統及び異なるチャネルは、生成されたスポットパターン内で検出されたスポットの数を検出すること、又は信号処理技術を使用することに基づいて相互に区別されてよい。
【００６５】
実施例２
図４Ａ及び４Ｂは、図３Ａ及び３Ｂの例と同様に、３つの異なるアナライトチャネルと、１つのＭＭＩ導波路を通って伝搬する２つの異なる光の波長（５２０ｎｍと６３３ｎｍ）を使った複数のウイルスの検出の別の例を示す。図４Ａは、その結果として得られる、異なる数のピークを有する蛍光信号を示し、図４Ｂは個別のウイルス信号を示し、３つの別々のチャネルからの６つの異なるピーク群（６３３ｎｍの光により励起されるウイルスについての８つのピーク、６つのピーク、及び４つのピークの群及び、５２０ｎｍの光により励起されるウイルスの１０つのピーク、７つのピーク、及び５つのピークの群）を示している。
【００６６】
分散型スペクトル多重化のためのカスケードＭＭＩ導波路
前述のように、毛細管及びチップ型マイクロチャネル内のアナライトの依存型マルチスポット励起が最近紹介され、バイオマーカ及びその他のターゲットの多項目同時光解析を実行するための強力な方法であることが判明している。その原理は、集積された光学素子、例えばＭＭＩ導波路を使って、ターゲットが流れるチャネル内に波長依存のスポットパターンを作ることに基づいている。
【００６７】
最善の性能と感度を得るために、スポットパターンはできるだけ明確で、光はスポット位置にのみ当たり、それらの間にバックグラウンドがほとんどないものであるべきである。それに加えて、複数の励起波長により作られる信号は、適当な信号処理アルゴリズムで容易にピックアップされるべきである。１つのＭＭＩ波長が使用される場合、スポット間バックグラウンドは非ゼロであるかもしれず、異なる波長で収集された蛍光信号は強度の差は、色割り当ての問題の原因となるほど異なるかもしれない。
【００６８】
それゆえ、本開示は空間的に分離された色依存励起スポットパターンを作る２ステージフォトニック構造によりマイクロ流体チャネル内の光学活性なターゲットをスペクトル多重化して検出するためのシステム、方法、及び技術を説明する。後述のように、本明細書において開示される技術は、１つのＭＭＩ導波路を使用し、スポット間バックグラウンド信号にかかわらず、相互に色を区別するという問題に対処するかもしれない。
【００６９】
上述の課題に対する発明性のある解決策は、異なる波長の光の空間分離（多重分離）のための第一のステージと、多重分離された光を使ってキャピラリ又はチャネルの異なる部分における波長依存スポットパターンを作るための第二のステージを特徴とするマルチステージ方式である。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路は、第一の（多重分離）ステージのために使用されてよい。幾つかの実施形態において、アレイ導波路回折格子（ＡＷＧ）等のその他のスペクトル選択機器が代替的又は追加的に使用されてもよい。
【００７０】
第一のステージは、非対称（中心からずれている）の入力を有するＭＭＩセクションを使用してよい。この形態は、空間スイッチ及びカプラ（例えば、１×２スイッチ若しくはカプラ及び／又は２×２スイッチ若しくはカプラ）を作るために使用されてよい。ここで、光伝搬のスペクトル依存に頼って、異なる波長での光の多重分離を実現してもよい。非対称入力を有するＭＭＩ導波路（例えば、図５に示される）の場合、（何れの波長についても）入力モードプロファイルが再現される（実像）距離があるが、鏡像が作られる他の距離がある。これらの像のための条件は：
実像  Ｌ＝３ｐＬπ、ｐは偶数
鏡像  Ｌ＝３ｑＬπ、ｑは奇数
及び、
【数２】
2020512543.tif 000004
であり、ｎｃは基本のＭＭＩ導波路モードの有効屈折率、ｗはその有効幅、及びλは波長である。
【００７１】
適切に設計すると、ＭＭＩ導波路の長さと幅は、同じポートを通じて入射する２つの波長が空間的にそれぞれ実像と鏡像に分割されるように選択されてよく、それゆえ、２つの波長は、それらを相互に空間的に分離し、それらが２つの空間的に分離された出力から射出されるようにする（例えば図５に示される）ことによって多重分割される。この効果が得られるための条件は：
ｐλＭ＝ｑλＳ
で、λＭは実像を生成する波長であり、λＳは鏡像を生成する波長である。
【００７２】
第一のステージの入力色の空間分離の後、第二のステージを使って、チャネル上に入射する波長依存スポットパターンを作ってもよく、これは例えば、そのチャネルに入射するスポットパターンの光により励起されることになるアナライトを含むように構成された液体コアチャネルである。幾つかの実施形態において、第二のステージは複数のＭＭＩ導波路を含んでいてもよく、その各々は第一のステージからの多重分離された光の１つの波長を受け入れるように構成されている。第二のステージの各ＭＭＩ導波路は、次式：
【数３】
2020512543.tif 000005
による所望のスポット数Ｎとチャネルの内の間隔を有する単色スポットパターンを生成するように最適化されてよく、式中、Ｌは第二のステージのＭＭＩセクションの長さである。幾つかの実施形態において、第二のステージのＭＭＩ導波路は、交差するチャネルと、及び／又はシングルモード導波路の、ＭＭＩ導波路の出力を交差するチャネルに接続してもよい短い部分と直接相互作用してよい（例えば、図５に示される）。幾つかの実施形態において、シングルモード導波路の短いセクションを使って第二のステージのＭＭＩ導波路からの射出光を交差するチャネルに案内することにより、交差するチャネル内にスポット間バックグラウンドの少ない、より明確な励起信号が生成されてよく、幾つかの実施形態において、シングルモード導波路の短いセクションの数及び間隔は、対応するＭＭＩ導波路から出力されるスポットパターンの数及び間隔とマッチしてもよい。
【００７３】
ＭＭＩベースのマルチステージ多重化を用いた実施形態の一例が図５のシステム５００により示されている。第一のステージは、ＭＭＩ導波路５０２を含んでいてもよく、これは１つの、中心からずれた入力５０４を通じて第一のＭＭＩ導波路に入る、１つの色（図の例においては、より明るい色のドットで表される黄色）の実像と第二の色（図の例において、より濃い色のドットにより表される赤）の鏡像を生成するように設計される。
【００７４】
図のように、ＭＭＩ導波路５０２は１つの、中心からずれた入力５０４を含んでいてよく、これは、複数の波長の入射光を受け取って、この光を導波路へと結合するように構成された光ポートであってよい。入力５０４は、ＭＭＩ導波路５０２の、ＭＭＩ導波路を通る光の伝搬方向において第一の端に配置されてよく、ＭＭＩ導波路５０２の中心から、ＭＭＩ導波路を通る光の伝搬方向に垂直な方向にオフセット距離だけずれていてもよい。幾つかの実施形態において、入力５０４は、オフセット方向へとＭＭＩ導波路の幅の５％、１０％、２０％、３０％、４０％、又は４５％より大きい、又はそれと等しいだけずれていてもよい。幾つかの実施形態において、入力５０４は、オフセット方向へとＭＭＩ導波路の幅の１０％、２０％、３０％、４０％、又は４５％より小さいか、それと等しいだけずれていてもよい。
【００７５】
図のように、ＭＭＩ導波路５０２は、中心からずれた出力５０６及び５０８を含んでいてもよく、これは、例えば光をシングルモード導波路に結合することによってＭＭＩ導波路から１つ又は複数の波長の光を射出するように構成された光ポートであってもよい。幾つかの実施形態において、出力５０６はオフセット方向に入力５０４と整列されていてもよく、入力５０４から入る光の実像を出力するように構成されていてもよい。幾つかの実施形態において、出力５０８は、入力５０４のオフセットと反対方向に入力５０４と同じオフセット距離だけＭＭＩ導波路５０４の中心からずれていてもよく、入力５０４から入る光の鏡像を出力するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、入射ポート５０４のオフセット距離以外のオフセット距離を、出力５０６及び５０８の１つ又は複数のために使用されてもよい。
【００７６】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路５０２等の多重分離ＭＭＩ導波路は、図１Ａに関して前述したＭＭＩ導波路１０２と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料の組成と大きさが含まれる。
【００７７】
出力５０６及び５０８はすると、第二のステージへと（例えば、１つ若しくは複数の導波路又はその他の適当な光学素子によって）案内されてよく、これは２つの別々のＭＭＩ導波路５１０及び５１２を含んでいてよい。幾つかの実施形態において、射出光の異なる色の各々はそれぞれ第二のステージのＭＭＩ導波路の１つのための入力として使用されてよい。第二のステージの複数のＭＭＩ導波路の１つ又は複数は各々、アナライトチャネル５１４に入射することになるマルチスポットパターンを作るように構成できる。幾つかの実施形態において、第二のステージのためのＭＭＩ導波路は、例えば異なる大きさ、組成、出力構成、射出ポート／カプリングの数、又はその他を有することを含め、相互から独立して設計及び最適化されてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路５１０及び／又は５１２等のアナライトチャネルに入射するスポットパターンを作るためのＭＭＩ導波路は、図１Ａに関して前述したＭＭＩ導波路１０２と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料の組成及び大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、アナライトチャネル５１４等のアナライトチャネルは、図１Ａに関して前述したアナライトチャネル１０４、１０６、及び／又は１０８と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料の組成、大きさ、流体の内容物、流速、及び制御システム等が含まれる。
【００７８】
幾つかの実施形態において、システム５００及び／又は関連するシステムの何れか１つ又は複数の構成要素が基板５０１上に設置されてよく、これらは幾つかの実施形態において、図１Ａに関して前述された基板１０１と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。幾つかの実施形態において、システム５００の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されているその他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてもよい。
【００７９】
図６Ａ及び６Ｂは、異なる組合せの蛍光色素で標識された、２ステージ光多重化分離及び粒子励起システムの液体コアチャネルを通って流れるインフルエンザウイルス粒子の励起のためのシステム６００とシミュレーションによる出力信号を示している。
【００８０】
図６Ａは、第一のステージのＭＭＩ導波路を使って、各々が同じ、中心からずれた入力に入射する４８８ｎｍ及び７４５ｎｍの２つの異なる入射波長を分離するための２ステージシステム６００を示す。図のように、４８８ｎｍの光は図の上側に示される第二のステージのＭＭＩ導波路６１０に向けられ、７４５ｎｍの光は図の下側に示される第二のステージのＭＭＩ導波路６１２に向けられる。第二のステージのＭＭＩ導波路の各々は、単一波長（又は、主として単一波長）の入射光を、図のように９つのスポット又は６つのスポットを有するスポットパターン等のスポットパターンに分離するように構成されてもよい。図６Ａの例において、Ｓ字形導波路６１６ａ及び６１６ｂが、第一のステージのＭＭＩ導波路６０２から２つの第二のステージのＭＭＩ導波路６１０及び６１２の各々に案内するために使用される。幾つかの実施形態において、Ｓ字形導波路６１６ａ及び６１６ｂはシングルモードの導波路であってよい。
【００８１】
図６Ｂは、液体コアチャネルの中を流れ、異なる組合せの傾向色素で標識された粒子の２ステージＭＭＩ導波路励起、例えば図６Ａに示される２ステージシステムによる励起により作られる各種のシミュレーションによる光信号を示している。図のように、結果として得られる図６Ｂにおける時間信号は、９スポットパターンにより励起されたＨ１Ｎ１、６スポットパターンにより照明されたＨ３Ｎ３、及び９スポットパターンと６スポットパターンの両方により照明されたＨ２Ｎ２を示す信号を含んでいてもよい。Ｈ２Ｎ２に対応する信号の中に示されるように、１色の９スポットパターンに対応する信号は、他の色の６スポットパターンに対応する信号から時間的に分離され、これは、各パターンに関連するＭＭＩ導波路はアナライトチャネルに沿って相互から空間的に分離されるため、粒子は異なる時点で逐次的に各ＭＭＩ導波路を通過して流れるかもしれないという事実による。この分離によって、幾つかの実施形態において、混合信号をより明確且つ容易に区別できる。
【００８２】
幾つかの実施形態において、システム６００及びその構成要素は、図５に関して前述したシステム５００及びその対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。幾つかの実施形態において、システム６００の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてよい。
【００８３】
幾つかの実施形態において、スポットパターンは、第二のステージにおける代替的又は追加的な機器及び／又は技術により作られてもよい。例えば、図７は、複数のシングルモード導波路を含むシステム７００を使って異なる間隔の所望の数のスポットを作る実施を示している。
【００８４】
図７は、幾つかの実施形態によるＭＭＩベースのマルチステージ多重化システム７００を示す。図７に示されるシステムにおいて、第一の導波路７０２からの射出光は、その数、長さ、及び間隔を独立して設計及び最適化できる複数のシングルモード導波路を使うことにより、チャネル上に入射することになるマルチスポットパターンを作る第二のステージに案内され、そのための入力として使用されてよい。図の例において、第二のステージは、３つのシングルモード導波路の群であるシングルモード導波路７１０と６つのシングルモード導波路の群であるシングルモード導波路７１２を含む。図のように、複数のシングルモード導波路は、同じ入力源（例えば、ＭＭＩ導波路７０２）から１つ又は複数の光スプリッタ７１８ａ及び７１８ｂ（例えば、ｙ−スプリッタ）又はその他を介して光を受け取るように構成されてよい。それゆえ、幾つかの実施形態において、第二のステージの中のＭＭＩ導波路に頼って１つの波長の光からスポットパターンを作るのではなく、単純なシングルモード導波路（例えば、スプリッタ）を使って粒子励起のためのアナライトチャネル（例えば、チャネル７１４）に入射するスポットパターンを作ってもよい。留意すべき点として、第二のステージでＭＭＩ導波路を使用することによって、スポットが相互から均等に離間されているスポットパターンを作るかもしれないが、１つ又は複数のシングルモード導波路は、相互からのスポットの間隔が何れの高次のマルチスポットモードの間隔にも従う必要がないため、スポットが相互から不規則的に離間されているスポットパターンを作るように容易に構成されるかもしない。
【００８５】
幾つかの実施形態において、システム７００及びその構成要素は、それぞれ図５及び６に関して上述したシステム５００及びその対応する構成要素又はシステム６００及びその対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。幾つかの実施形態において、システム６００の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてよい。
【００８６】
ＭＭＩ導波路を用いた波長多重化及び多重分離
前述のように、光学多重化及び多重分離は、光通信システム又は集積されたバイオセンサ等、フォトニックシステムの重要な構成要素であってよい。しかしながら、例えばＡＷＧを使用する、光多重化及び／又は多重分離のための導波路を用いた特定の既知の方法は、例えば湾曲した導波路を回避したい場合、検討対象の波長が比較的広い間隔である場合、及び／又は所期の用途が、可視範囲の市販の染料を用いた蛍光多重項目同時検出である場合（例えば、可視範囲染料は相互の間隔が広いかもしれない）、理想的ではないかもしれない。
【００８７】
それゆえ、本明細書には、既知の方法の上述の欠点に対処するかもしれない、ＭＭＩ導波路を使って空間的に光多重化及び多重分離するためのシステム、方法、及び技術が説明される。
【００８８】
幾つかの実施形態において、オンチップのフォトニック多重化及び／又は多重分離は、１つ又は複数のＭＭＩ導波路の使用を通じて達成されるかもしれない。ＭＭＩ導波路は、光伝搬方向に垂直な機変的空間パターンを作るかもしれない。
【００８９】
前述のように、この効果は、空間スイッチ及びカプラ（例えば、１×２スイッチ若しくはカプラ及び／又は２×２スイッチ若しくはカプラ）を作るために使用されてよい。ここで、光伝搬のスペクトル依存に頼って、異なる波長での光の多重分解を実現してもよい。非対称の入力を有するＭＭＩ導波路（例えば、図８Ａに示される）の場合、（何れの波長についても）入力モードプロファイルが再現される（実像）距離があるが、鏡像が作られる他の距離がある。これらの像のための条件は：
実像  Ｌ＝３ｐＬπ、ｐは偶数
鏡像  Ｌ＝３ｑＬπ、ｑは奇数
及び、
【数４】
2020512543.tif 000006
であり、ｎｃは基本のＭＭＩ導波路モードの有効屈折率、ｗはその有効幅、及びλは波長である。
【００９０】
適切に設計すると、ＭＭＩ導波路の長さと幅は、同じポートを通じて入射する２つの波長が空間的にそれぞれ実像と鏡像に分割されるように選択されてよく、それゆえ、２つの波長は、それらを相互に空間的に分離し、それらが２つの空間的に分離された出力から射出されるようにする（例えば図８Ａに示される）ことによって多重分割される。この効果が得られるための条件は：
ｐλＭ＝ｑλＳ
で、λＭは実像を生成する波長であり、λＳは鏡像を生成する波長である。
【００９１】
幾つかの実施形態において、上述の多重分割と反対の動作でＭＭＩ導波路を使用することにより、スペクトル多重化（例えば、図８Ｂに示される）が行われてよい。例えば、２つの異なる波長の２つの光が１つのＭＭＩ導波路の２つの離間された入力にそれぞれ入射する場合、伝搬方向にＭＭＩ導波路に沿って、２つの光ビームが１つの多重化された光ビームに合成される距離があるかもしれず、それがＭＭＩ導波路から１つの（例えば、中心からずれた）出力において射出されるかもしれない。
【００９２】
ＭＭＩ導波路を使用する多重分割及び多重化の例が図８Ａ〜８Ｆ及び図９に示されている。
【００９３】
図８Ａは、ＭＭＩ導波路８０２を用いた多重分割のためのシステム８００を示し、ＭＭＩ導波路８０２は、１つの、中心からずれた入力８０４からＭＭＩ導波路８０２に入る１色（ここでは、より明るいドットが表す黄色の光）の実像と第二の色（ここでは、より濃いドットが表す赤い光）の鏡像を生成するように設計される。図のように、生成された鏡像と実像は、相互に鏡像関係の空間的に離間された射出ポート８０６及び８０８を通じてＭＭＩ導波路から射出されてよい。
【００９４】
幾つかの実施形態において、システム８００、ＭＭＩ導波路８０２、及びそれらの構成要素の何れの１つ又は複数は、図５に関して前述したシステム５００、ＭＭＩ導波路５０２、及びそれらの対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよく、これには材料の組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８００の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてもよい。
【００９５】
図８Ｂは、図８Ａに示される配置の逆転による多重化のためのシステム８１０を示している。幾つかの実施形態において、システム８１０はシステム８００と同等であってよいが、それがＭＭＩ導波路内の光の伝搬方向に関して逆転している点は例外である。すなわち、ＭＭＩ導波路８１２は、相互に鏡像関係の、異なる、中心からずれた入力８１４及び８１６からＭＭＩ導波路に入る１色（例えば、黄）の実像と第二の色（例えば、赤）の鏡像を生成するように設計される。図のように、各波長の光が、相互に鏡像関係である空間的に分離された入射ポートを通じてＭＭＩ導波路に入るかもしれないが、生成された鏡像と実像は入射ポートの一方（８１４）と整列し、もう一方（８１６）の鏡像である１つの射出ポート８１８を通じてＭＭＩ導波路から射出されてよい。
【００９６】
幾つかの実施形態において、システム８１０、ＭＭＩ導波路８１２、及びそれらの構成要素の何れの１つ又は複数は、図８に関して上述したシステム８００、ＭＭＩ導波路８０２、及びそれらの対応する構成要素又は、図５に関して前述したシステム５００、ＭＭＩ導波路５０２、及びそれらの対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよく、これには材料の組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８１０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてもよい。
【００９７】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路８０２等の多重分離ＭＭＩ導波路とＭＭＩ導波路８１２等の多重化ＭＭＩ導波路は、相互に直列に（何れかの適当な順序で）配置されて、異なる波長の光を分離し、その後再合成し、及び／又は異なる波長の光を合成し、その後再分離してもよい。幾つかの実施形態において、相互に直列に配置される多重分離及び／又は多重化ＭＭＩ導波路は、同じ基板及び／又はチップ上に配置されてよい。
【００９８】
図８Ｃ及び８Ｄは、アナライトチャネルからの信号を収集するために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するシステムを示している。
【００９９】
図８Ｃは、１つのアナライトチャネルの第一の励起スポット及び第二の励起スポットから受け取った２つの異なる発光信号を多重化するシステム８３０を示す。図のように、アナライトチャネル８３９は、第一の励起スポットにおいて第一の波長で、またアナライトチャネル８３９に沿った異なる位置の第二の励起スポットにおいて第二の波長で発光信号（例えば、蛍光射出光）を生成するアナライトを含んでいてもよい。励起スポットの各々は、複数の中心からずれた入力のそれぞれ１つ（入力８３４及び８３６の１つ）と整列して、ＭＭＩ導波路８３２への発光信号を収集してもよい。収集された発光信号がＭＭＩ導波路８３２の中で右から左に伝搬する際、ＭＭＩ導波路８３２は２つの発光信号を多重化して、入力８３４からの光の実像と入力８３６からの光の鏡像を作ってよく、これらはどちらも１つの出力８３８によってＭＭＩ導波路８３２から射出されてよい。
【０１００】
幾つかの実施形態において、システム８３０は、一方又は両方の励起スポットにおいて粒子を励起するための励起光が、上から、横のアナライトチャネル８３９から、及び／又はアナライトチャネル８３９に沿ってアナライトチャネル８３９に入射してもよいように設計されてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路８３２の寸法は、アナライトチャネル８３９の中の粒子の発光波長に応じて、発光信号を正しく多重化するように選択されてよい。
【０１０１】
幾つかの実施形態において、システム８３０は図８Ｂに関して上述したシステム８１０と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよいが、ＭＭＩ導波路に入射する光がアナライトチャネルからの発光信号からのものである点が例外である。幾つかの実施形態において、システム８３０、ＭＭＩ導波路８３２、及びそれらの何れの１つ又は複数も、本明細書の他の箇所に記載されている多重化及び／又は多重分離ＭＭＩ導波路及び関連システムを含め、何れの１つ又は複数のその他のＭＭＩ導波路及び関連システムと共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８３０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１０２】
図８Ｄは、アナライトチャネルの１つの励起スポットから受け取った２つの異なる発光信号を多重分離するためのシステム８４０を示す。図のように、アナライトチャネル８４９は、１つの励起スポットにおいて第一の波長及び第二の波長の複数の発光信号（例えば、蛍光射出光）を生成するアナライトを含んでいてもよい。１つの励起スポットは、１つの、中心からずれた入力８４４と整列して、ＭＭＩ導波路８４２へと発光信号を収集してよい。収集された発光信号がＭＭＩ導波路８４２内で右から左に伝搬する際、ＭＭＩ導波路８４２は２つの発光信号を多重分離し、１つの波長の光の実像ともう一方の波長の光の鏡像を作り、実像を出力８４６に、鏡像を出力８４８に向けてよい。
【０１０３】
幾つかの実施形態において、システム８４０は、励起スポットにおいて粒子を励起するための励起光が、上から、横のアナライトチャネル８４９から、及び／又はアナライトチャネル８４９に沿ってアナライトチャネル８４９に入射してもよいように設計されてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路８４２の寸法は、アナライトチャネル８４９の中の粒子の発光波長に応じて、発光信号を正しく多重分離するように選択されてよい。
【０１０４】
幾つかの実施形態において、システム８４０は図８Ａに関して上述したシステム８００と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよいが、ＭＭＩ導波路に入射する光がアナライトチャネルからの発光信号からのものである点が例外である。幾つかの実施形態において、システム８４０、ＭＭＩ導波路８４２、及びそれらの何れの１つ又は複数も、本明細書の他の箇所に記載されている多重化及び／又は多重分離ＭＭＩ導波路及び関連システムを含め、何れの１つ又は複数のその他のＭＭＩ導波路及び関連システムと共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８４０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１０５】
図８Ｅ及び図８Ｆは、１つ又は複数のアナライトチャネルに励起光を送達するために多重化又は多重分離ＭＭＩ導波路を使用するシステムを示している。
【０１０６】
図８Ｅは、アナライトチャネルの２つの励起スポットに送達するために２つの異なる波長の励起光を多重分離するシステム８５０を示す。図のように、ＭＭＩ８５２は入力８５４で２つの異なる波長の入射励起光を受け取るように構成されていてもよく、２つの波長の光を多重分離して、出力８５６で第一の波長の光の実像を、出力８５８で第二の波長の光の鏡像を生成するように構成されていてもよい。出力８５６は、第一の波長の光を第一の位置においてアナライトチャネル８５９に向けて、第一の励起スポットを生成してもよく、その一方で、出力８５８は第二の波長の光を第二の位置においてアナライトチャネル８５９に向けて、第二の励起スポットを生成してもよい。幾つかの実施形態において、アナライトチャネルに直接向けられるのではなく、出力８５６及び／又は８５８から射出した光は、例えば１つの出力信号から１つ又は複数のマルチスポットパターンを作るために、１つ又は複数の中間導波路、スプリッタ、及び／又はＭＭＩ導波路を通過してもよい。
【０１０７】
幾つかの実施形態において、システム８５０は発光（例えば、蛍光射出信号）が、上のアナライトチャネル８５９から、横のアナライトチャネル８５９から、及び／又はアナライトチャネル８５９に沿って収集されてよいように構成されてよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路８５２の寸法は、アナライトチャネル８５９の中の粒子の励起波長に応じて、励起信号を正しく多重分離するように選択されてよい。
【０１０８】
幾つかの実施形態において、システム８５０は図８Ａに関して上述したシステム８００と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよいが、ＭＭＩ導波路から射出する光がアナライトチャネルに向けられてよい点が例外である。幾つかの実施形態において、システム８５０、ＭＭＩ導波路８５２、及びそれらの何れの１つ又は複数も、本明細書の他の箇所に記載されている多重化及び／又は多重分離ＭＭＩ導波路及び関連システムを含め、何れの１つ又は複数のその他のＭＭＩ導波路及び関連システムと共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８５０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１０９】
図８Ｆは、別々のアナライトチャネルに入射する２つの励起スポットに送達するために２つの異なる波長の励起光を多重分離するシステム８６０を示す。図のように、ＭＭＩ８６２は、入力８５４において２つの異なる波長の入射励起光を受け取るように構成されてもよく、また、２つの波長の光を多重分離して、出力８６６において第一の波長の光の実像を、出力８６８において第二の波長の光の鏡像を生成するように構成されてもよい。出力８６６は、第一の波長の光を第一の位置においてアナライトチャネル８６９ａに向けて、第一の励起スポットを生成してもよく、その一方で、出力８６８は第二の波長の光を第二の位置においてアナライトチャネル８６９ｂに向けて第二の励起スポットを生成してもよい。
【０１１０】
幾つかの実施形態において、１つ又は複数のアナライトチャネルに直接向けられるのではなく、出力８６６及び／又は８６８から射出した光は、例えば１つの出力信号から１つ又は複数のマルチスポットパターンを作るために、１つ又は複数の中間導波路、スプリッタ、及び／又はＭＭＩ導波路を通過してもよい。
【０１１１】
幾つかの実施形態において、システム８６０は、発光（例えば、蛍光射出信号）が、上のアナライトチャネル８６９ａから、横のアナライトチャネル８６９ａ及び８６９ｂから、及び／又はアナライトチャネル８６９ａ及び８６９ｂに沿って収集されてよいように構成されてよい。図のように、システム８６０は発光信号収集導波路８６７ａ及び８６７ｂを含んでいてもよく、これらはＭＭＩ８６２及び／又はアナライトチャネル８６９ａ及び８６９ｂと同一平面内に配置されてよく、また、それぞれアナライトチャネル８６９ａ及び８６９ｂの中から生成される発光信号を収集するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路８６２の寸法は、アナライトチャネル８６９ａ及び８６９ｂの中の粒子の励起波長に応じて、励起信号を正しく多重分離するように選択されてよい。
【０１１２】
幾つかの実施形態において、システム８６０は図８Ａに関して上述したシステム８００と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよいが、ＭＭＩ導波路から射出した、多重分離された光が１つ又は複数のアナライトチャネルに向けられてよい点が例外である。幾つかの実施形態において、システム８６０、ＭＭＩ導波路８６２、及びそれらの何れの１つ又は複数も、本明細書の他の箇所に記載されている多重化及び／又は多重分離ＭＭＩ導波路及び関連システムを含め、何れの１つ又は複数のその他のＭＭＩ導波路及び関連システムと共通の何れの１つ又は複数の特性を共有していてもよく、これには材料組成と大きさが含まれる。幾つかの実施形態において、システム８６０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１１３】
図９は、２つの特定の色に関するＭＭＩを用いた多重分離の原理を示すシミュレーションを示している。図９の上部は、左から右に伝搬する青色光（４８８ｎｍ）のＭＭＩ導波路の表現を示す。図のように、青色光は左側の上端の、中心からずれた入射ポートを通じてＭＭＩ導波路に入り、伝搬してＭＭＩ導波路の右側に実像を作り、ここで右側の上端の、中心からずれた射出ポートを通じて出てよい。
【０１１４】
これに対して、図９の下部は、左から右に伝搬する赤色光（７４５ｎｍ）のＭＭＩ導波路の表現を示す。図のように、赤色光は、左側の上端の、中心からずれた入射ポートを通じてＭＭＩ導波路に入り、伝搬してＭＭＩ導波路の右側に鏡像を作り、ここで右側の下端の、中心からずれた射出ポートを通じて出てよい。
【０１１５】
幾つかの実施形態において、１つのＭＭＩ導波路を使って、図の赤色光と図の青色光の両方を伝搬させ、両方の波長の光が同じ入射ポート（例えば、左側の上端）を通じてＭＭＩ導波路に入るようにしてもよく、導波路は、青色光が１つの射出ポート（例えば、右側の上端）から出て、赤色光が他の射出ポート（例えば、右側の下端）から出るように多重分離されてよく、どちらの射出ポートも１つの入射ポートから伝搬方向に同じ距離に配置される。
【０１１６】
幾つかの実施形態において、２つの特定の波長λＢ及びλＣについての多重化／多重分離の原理は以下のように示されてよい：
【数５】
2020512543.tif 000007
【０１１７】
幾つかの実施形態において、多重化（その前に多重分離された光の再多重化を含む）のために、図９の逆の配置が使用されてよく、赤色及び青色光は、ＭＭＩ導波路の右側の２つの異なる、中心からずれたポートから１つのＭＭＩ導波路に入り、右から左に伝搬してＭＭＩ導波路の左側の１つの、中心からずれたポートからＭＭＩ導波路を出る。
【０１１８】
スペクトル、空間、及びスペクトル空間多重化検出のための調整可能な液体コアＭＭＩ導波路
上で説明したように、ＭＭＩ導波路は、バイオマーカ及びその他のターゲットの多項目同時光解析のためのパワーフルなツールとして、毛細管内のアナライトのスペクトル依存型マルチスポット励起に使用されてよい。しかしながら、中実材料で製作されたＭＭＩ導波路は、中実ＭＭＩ導波路材料の屈折率における不均一性によって、不完全なスポットパターンが作られるかもしれない。さらに、最良のパターンは、どちらも相補型金属酸化膜半導体マイクロ加工、微小電気機械システムのマイクロ加工、又はその他の結果である屈折率のばらつき又は寸法のわずかな変化により、所望の波長からずれるかもしれない。
【０１１９】
本開示では、コア屈折率（例えば、液体又は温度を変化させることによる）、圧力、又は両方によって調整可能な、液体コアＭＭＩ導波路を使用することにより、マイクロ流体チャネル内の光学活性なターゲットのスペクトル多重化検出のためのシステム、方法、及び技術が説明される。本明細書で説明するように、液体コアの調整可能なＭＭＩ導波路は、前述の中実ＭＭＩ導波路の１つ又は複数の問題に対処するかもしれず、これは例えば、液体コアＭＭＩ導波路には製造上の欠陥が少ないかもしれず、及び／又は製造の欠陥を補償するために微調整可能であるかもしれないからである。
【０１２０】
幾つかの実施形態において、ＭＭＩ導波路に固体コアではなく液体コアを実装することにより、上述の問題の１つ又は複数が対処されるかもしれない。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路のためのコア液体は、固体コアより均一な屈折率を特徴としてもよく、ＬＣ−ＭＭＩ導波路により生成されるスポットパターンは、例えばコア液体を交換する（及びそれゆえ、ＭＭＩ導波路のコア屈折率を変化させる）、コア液体を加熱する、又はＬＣ−ＭＭＩ導波路の液体コアの寸法を変化させる（例えば、ＬＣ−ＭＭＩ導波路の壁の製造にフレキシブル材料を使用する場合）ことによって、容易に、有効に調整されてよい。
【０１２１】
図１０Ａは、オプトフルイディック多項目同時検出のためのＬＣ−ＭＭＩ導波路システム１０００を示す。図１０Ａは、スポットパターンにより励起されることになる１種又は複数のアナライトを含んでいてもよい、交差する流体チャネル１００８に入射するチューナフルスポットパターン（図の例では３つのスポットを有する）を生成するＬＣ−ＭＭＩセクション１００２の上面図を示す。図のように、ＬＣ−ＭＭＩセクション１００２は、ＬＣ−ＭＭＩ導波路の、流入口ポート１００４及び流体出口ポート１００６を含むセクションであってよく、これらはどちらもＬＣ−ＭＭＩセクション１００２の中央に画定される中空のチャネルに流体接続されて、ＬＣ−ＭＭＩセクション１００２の内部の流体／液体が排出され、他の液体、例えば異なる屈折率等、異なる光学特性を有する他の液体と交換できるように構成される。ＬＣ−ＭＭＩセクション１００２の内部の液体を、異なる屈折率を有する他の液体と交換することにより、ＬＣ−ＭＭＩ導波路システム１０００の光学特性は相応に調節されてよい。
【０１２２】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２はＳｉＯ２等の酸化物、ＳｉＮ等の窒化物、ＳｉＯＮ等の酸窒化物、ＰＤＭＳ、プラスチック、及び／又は半導体で製作されてよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の内部の液体又は流体は、液体コア導波路１０４、１０６、又は１０８に関して上述した流体又は液体の何れの１つ又は複数を含んでいてもよい。
【０１２３】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の高さは０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、又は５０μｍより大きいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の高さは、０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、２５μｍ、又は５０μｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の高さは０．１μｍ〜１０μｍの間であってもよい。
【０１２４】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の幅は、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、又は２ｍｍより大きいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の幅は１μｍ、５μｍ、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、又は２ｍｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の幅は１０μｍ〜５００μｍの間であってもよい。
【０１２５】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の長さは、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、１ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、又は２０ｃｍより大きいか、これと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の長さは、１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、５００μｍ、１ｍｍ、１ｃｍ、５ｃｍ、１０ｃｍ、又は２０ｃｍより小さいか、それと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の長さは１００μｍ〜５ｃｍの間であってもよい。
【０１２６】
上述のＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の高さ、幅、及び長さは、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２の外面ではなく、ＬＣ−ＭＭＩ導波路セクション１００２を画定する液体コアの寸法に関していてもよい点に留意されたい。
【０１２７】
幾つかの実施形態において、光はシングルモード導波路（例えば、固体コアのシングルモード導波路）、例えば図１０Ａに示されるシングルモード導波路１０１０によりＬＣ−ＭＭＩ導波路に送達されてよい。ＬＣ−ＭＭＩシステムのより広いＭＭＩ領域１００２の複数の横方向のモードに結合した後、モードは干渉して、距離Ｌだけ伝搬した後、次式
【数６】
2020512543.tif 000008
により画定されるスポット数Ｎを有するスポットパターンを生成してもよく、式中、Ｌは第二のステージのＭＭＩセクションの長さ、ｎｃはその有効幅、λは伝搬する光の波長である。中実材料（例えば、ＳｉＯ２）で構成されたＭＭＩ導波路において、スポット数を調整する唯一のメカニズムはλを変更することである。しかしながら、ＭＭＩ導波路のコアが本明細書で開示されるＬＣ−ＭＭＩ導波路の場合のように液体で製作される場合、少なくともｎｃ及びｗを含め、式（２）のその他のパラメータを製造終了後に調節できる。
【０１２８】
ＭＭＩセクションのための液体は、光学入口とは別の入口（例えば、入口１００４）及び出口（例えば、出口１００６）を通じて供給されてよい。ＭＭＩセクション１００２は、第二の、交差する流体チャネル１００８から分離されていてもよく、これは、生成されたスポットパターンが伝搬してもよい固体バリア１０１２による光学解析のためのアナライトを含んでいてもよい。すると、第二のチャネルを通って流れる粒子は、式（２）により作られたスポットパターンにさらされてよく、これらは波長を特徴とする光信号を生成してよく、これがスペクトル同定に使用されてよい。
【０１２９】
幾つかの実施形態において、システム１０００の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１３０】
図１０Ｂは、相互に直列に配置された複数のＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２及び１０４２を含むシステム１０２０を示しており、それによって第一のステージのＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２から射出されたスポットパターンが第二のステージのＬＣ−ＭＭＩ導波路１０４２への入力として使用されてよく、これは光をさらに伝搬させて、第二のＬＣ−ＭＭＩ導波路１０４２からの出力として異なるモードに起因する異なるスポットパターン（図の例では２つのスポットを有する）を作ってよい。図のように、各ＬＣ−ＭＭＩ導波路（１０２２及び１０４２）からの出力は、交差する液体コアアナライトチャネル（それぞれ１０２８及び１０４８）に入射してもよく、これはチャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起するために使用されてよい。図のように、システム１０２０のようなマルチステージＬＣ−ＭＭＩ導波路システムの各ＬＣ−ＭＭＩセグメントは、ＬＣ−ＭＭＩ導波路への液体の挿入及び／又はそこからの除去のための専用ポート（ここでは、ポート１０２４／１０２６及びポート１０４４／１０４６）を有していてもよく、それによってＬＣ−ＭＭＩセグメントの１つ又は複数の液体は、１つ又は複数の他のＬＣ−ＭＭＩセグメント内の液体とは独立して交換されてよく、その結果、ＬＣ−ＭＭＩセグメントの各々を独立して調整できる。さらに、このようにして、その後のアナライトチャネル内で、同じ波長で別のスポット数を作ることによる空間多重化が可能である。
【０１３１】
図のように、システム１０２０において、光は当初、シングルモード導波路１０３０によりＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２に入ってよい。図のように、交差するアナライトチャネル１０２８及び１０４８は、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２及び／又は１０４２から固体バリア１０３２、１０５２及び／又は１０５４によって分離されてよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０４２及びそれに関連する構成要素は、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２及びそれに対応する関連の構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。図の例において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０４２は、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２より短くてもよい。図の例において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１０２２は、チャネル１０２８に入射する３つのスポットを有するスポットパターンを生成するように構成されてよく、すると、ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、チャネル１０４８に入射する２つのスポットを有する同じ波長のスポットパターンを生成するように構成されてよい。
【０１３２】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路システム１０２０とその構成要素は、図１０Ａに関して上述したＬＣ−ＭＭＩ導波路システム１０００及びそれに対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよく、これには材料の組成、大きさ、流体の内容物、流速、及び制御システム等が含まれる。幾つかの実施形態において、システム１０２０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１３３】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路の液体コアが中実の剛質材料により取り囲まれている場合、スポットパターンのための唯一の調整の選択肢は、式（２）からわかるようにλ及びｎｃを通じたものであるかもしれない。しかしながら、幾つかの実施形態において、機器が柔軟材料、例えばＰＤＭＳで構築される場合、ｗ及びＬも調節可能であってよい。このコンセプトが、幾つかの実施形態により、図１１Ａ〜１１Ｇに示されている。
【０１３４】
図１１Ａは、ＰＤＭＳに基づく固体コア及び液体コア導波路を示す。図１１Ｂ〜１１Ｆは、ソフトリソグラフィ技術で製作されるＰＤＭＳチップ上の機械的に調整可能なＬＣ−ＭＭＩ導波路の例示的な実施と、中央の液体の流速と機械的圧力を使った膜壁の変形を介してスポットパターンの調節の結果を示している。図１１Ｇは、この原理が、前述のように交差するアナライトチャネルと相互作用する際に、調整可能なスポットパターンを作ることにどのように応用されてよいかを示している。
【０１３５】
図１１Ａは、幾つかの実施形態によるＰＤＭＳベースの固体コア及び液体コア導波路の断面図の図である。
【０１３６】
図１１Ａは、液体コア導波路１１００及び固体コア導波路１１１０の断面図を示す。図のように、液体コア導波路１１００は下層１１０２と上層１１０４を含んでいてもよく、これらは第一の屈折率を有するＰＤＭＳ層であってよい。液体コア導波路１１００は、層１１０２及び１１０４間に液体コア１１０６を含んでいてもよく、液体コア１１０６は、第二の屈折率を有する液体で満たすことができるように構成された中空のチャネルを含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、層１１０２及び１１０４の一方又は両方は柔軟、変形可能、及び／又は移動可能であってよく、それによって層１１０２及び１１０４間に位置する液体コア１１０６の寸法は変化してもよい。
【０１３７】
図のように、固体コア導波路１１１０は下層１１１２及び上層１１１４を含んでいてもよく、これらは第三の屈折率を有するＰＤＭＳ層であってよい。固体コア導波路１１１０は層１１１２及び１１１４間に固体コア１１１６を含んでいてもよく、固体コア１１１６は、ＰＤＭＳ層又は、光を透過させるように構成されたその他の層を含んでいてもよく、この層は第四の屈折率を有する。幾つかの実施形態において、層１１１２及び１１１４の一方又は両方は柔軟、変形可能、及び／又は移動可能であってよく、それによって、層１１０２及び１１０４間に配置された固体コア１１１６の位置、寸法、角度、張力、又は１つ若しくは複数のその他の特性が変更されてよい。幾つかの実施形態において、横方向の導光は、固体コア１１１６を空気の通路で取り囲むことによって確保されてよく、その結果、伝搬損失が低くなる。
【０１３８】
図１１Ｂは、調節可能な（例えば、機械的に調整可能な）ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０の各種の図を示している。ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０は、上面図（１１２０（ａ））、加圧されていない状態の断面図（１１２０（ｂ））、外から圧縮された状態の断面図（１１２０（ｃ））、及び内側から圧縮された状態の断面図（１１２０（ｄ））で示されている。
【０１３９】
幾つかの実施形態において、ファイバ注入レーザ光は、励起固体コア導波路を通ってＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０の液体コアの中へと伝搬するかもしれない。１１２０（ａ）及び１１２０（ｂ）に示されるように、液体コアの静的（例えば、圧縮されていない）幅はｗ０であってよい。幾つかの実施形態において、外からの空気圧によって、図１１２０（ｃ）に示されるように液体コア導波路の幅は減少し、その一方で、１１２０（ｄ）に示されるように、液体が流れると導波路の幅は増大するかもしれない。幾つかの実施形態において、外から加えられる負圧（例えば、真空力）により、１１２０（ｃ）に示されるものと同様の液体コア導波路の幅が減少し、その一方で、内側から加えられる陽圧（例えば、流体力）により、１１２０（ｄ）に示されるものと同様に、液体コア導波路の幅が増大するかもしれない。
【０１４０】
図のように、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０は、下層１１２２と上層１１２４を含んでいてもよく、これらは第一の屈折率を有するＰＤＭＳ層であってよい。液体コア導波路１１００は、層１１２２及び１１２４間に液体コア１１０６を含んでいてもよく、液体コア１１２６は、上と下において、それぞれ１１２４及び１１２２を境界とし、側面において側壁を境界とし、第二の屈折率を有する液体で満たすことができるように構成された中空のチャネルを含んでいてもよい。幾つかの実施形態において、層１１２２及び１１２４の一方又は両方は、柔軟、変形可能、及び／又は移動可能であってよく、それによって、層１１２２及び１１２４間に位置する液体コア１１２６の寸法は変化してもよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６の中空チャネルを取り囲む側壁は、柔軟、変形可能、及び／又は移動可能であってよく、それによって液体コア１１２６の寸法は、１１２０（ｂ）〜１１２０（ｄ）の図に示されるように変化してもよい。
【０１４１】
図のように、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０は、流体入口／出口ポート１１２８を含んでいてもよく、これらは液体コア１１２６の中空チャネルに流体的に接続され、流体／液体が中空のチャネルの中に、及び／又はそこから流れることができるように構成された流体ポートであってよい。幾つかの実施形態において、ポート１１２８は、液体コア１１２６の中の流体を排出させ、及び／又は交換するために使用されてよい。幾つかの実施形態において、ポート１１２８は液体コア１１２６の中の流体が流れるようにするために使用されてよい。幾つかの実施形態において、ポート１１２８は液体コア１１２６の中の流体に圧力をかけて、流体が中空のチャネルの上及び／又は側壁に外向きの力を加えるようにするために使用されてよく、これは幾つかの実施形態において、例えば１１２０（ｄ）の図に示されるように液体コア１１２６の幅を変化させるかもしれない。
【０１４２】
図のように、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０は、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂを含んでいてもよく、これは液体コア１１２６の側壁の外側に設置されてよく、正の（例えば、１１２０（ｃ）の図参照）、又は負の圧力を受けて、液体コア１１２６の側壁に力を加え、例えば１１２０（ｃ）の図に示されるように、液体コア１１２６を変化させることができるように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、圧力チャンバ１１３０ａ及び／又は１１３０ｂは、適当なガス又は流体、例えば１１２０（ａ）に示されるように空気等で圧縮されてもよい。
【０１４３】
図のように、光は当初、シングルモード導波路１１３２によりＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０に入ってよい。
【０１４４】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０及びその関連構成要素は、図１０Ａに関して前述したＬＣ−ＭＭＩ導波路１００２及び対応するその関連構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよく、これには材料の組成、大きさ、流体の内容物、流速、及び制御システム等が含まれる。
【０１４５】
幾つかの実施形態において、液体コア１１２６の側壁はＰＤＭＳから製作されてよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６の側壁の厚さは、０．１μｍ、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６の側壁の厚さは、０．１μｍ、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍより小さいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６の側壁の厚さは０．５μｍ〜２０μｍの間であってよい。
【０１４６】
幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍより大きいか、それと等しくてよい。幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数の高さは１μｍ〜２０μｍの間であってよい。
【０１４７】
幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数は、０．１ｐｓｉ、０．５ｐｓｉ、１ｐｓｉ、５ｐｓｉ、１０ｐｓｉ、２５ｐｓｉ、５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉ、１５０ｐｓｉ、又は２５０ｐｓｉより高いか、又はそれと等しい圧力まで加圧されるように構成されてよい。幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数は、０．１ｐｓｉ、０．５ｐｓｉ、１ｐｓｉ、５ｐｓｉ、１０ｐｓｉ、２５ｐｓｉ、５０ｐｓｉ、１００ｐｓｉ、１５０ｐｓｉ、又は２５０ｐｓｉより低いか、又はそれと等しい圧力まで加圧されるように構成されてよい。幾つかの実施形態において、加圧チャンバ１１３０ａ及び１１３０ｂの１つ又は複数は、１ｐｓｉ〜１００ｐｓｉの間の圧力まで加圧されるように構成されてよい。
【０１４８】
幾つかの実施形態において、液体コア１１２６は、流体が０．１μｍ／秒、０．５μｍ／秒、１μｍ／秒、１０μｍ／秒、１００μｍ／秒、１ｍｍ／秒、１ｃｍ／秒、１０ｃｍ／秒、１ｍ／秒、２ｍ／秒、又は５ｍ／秒より速い、又はそれと等しい流速で流れるように構成されてよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６は、流体が０．１μｍ／秒、０．５μｍ／秒、１μｍ／秒、１０μｍ／秒、１００μｍ／秒、１ｍｍ／秒、１ｃｍ／秒、１０ｃｍ／秒、１ｍ／秒、２ｍ／秒、又は５ｍ／秒より遅い、又はそれと等しい流速で流れるように構成されてよい。幾つかの実施形態において、液体コア１１２６は、流体が１μｍ／秒〜１ｍ／秒の間の流速で流れるように構成されてよい。
【０１４９】
図のように、チャンバ１１３０ａ及び／又は１１３０ｂの加圧及び／又はコア１１２６の中の流体の流れによって、液体コア１１２６の幅ｗ０を＋／−Δｗだけ変化してもよく、例えばｗ＝ｗ０＋／−Δｗである。幾つかの実施形態において、ｗはｗ０の０．１％、０．５％、１％、５％、１０％、２５％、５０％、７５％、９０％、９５％、９９％、１０１％、１０５％、１１０％、１２５％、１５０％、１７５％、２００％、３００％、又は５００％より大きいか、これと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、ｗはｗ０の０．１％、０．５％、１％、５％、１０％、２５％、５０％、７５％、９０％、９５％、９９％、１０１％、１０５％、１１０％、１２５％、１５０％、１７５％、２００％、３００％、又は５００％より小さいか、これと等しくてもよい。
【０１５０】
幾つかの実施形態において、Δｗは、０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、又は５０μｍより大きいか、これと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、Δｗは、０．０１μｍ、０．０５μｍ、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、２０μｍ、又は５０μｍより小さいか、これと等しくてもよい。幾つかの実施形態において、Δｗは０．１μｍ〜１０μｍの間であってよい。
【０１５１】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０及び／又は本明細書において論じられている他の何れのＬＣ−ＭＭＩ導波路も、加熱及び／又は冷却により調整可能であるように構成されてもよい。すなわち、幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、そのコアの中の流体が加熱又は冷却されて、ＬＣ−ＭＭＩ導波路の屈折率を変化させ、したがって、ＬＣ−ＭＭＩ導波路を通る光の伝搬を変化させてよいように構成されてよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、１つ又は複数の加熱装置若しくは冷却装置、例えば伝導加熱装置、輻射加熱装置、冷却装置、及び／又は熱電加熱及び／又は冷却装置を含むチップ、基板、又はその他のシステム上に設置されてもよい。幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０は、導波路内の流体が、流体の融点とその沸点との差以下の範囲の温度だけ加熱及び／又は冷却されてよいように構成されてよい。幾つかの実施形態において、導波路内の流体は、摂氏０．０１度、摂氏０．１度、摂氏１度、摂氏１０度、又は摂氏１００度より大きい、又はそれと等しいだけ加熱及び／又は冷却されてもよい。幾つかの実施形態において、導波路内の流体は、摂氏０．０１度、摂氏０．１度、摂氏１度、摂氏１０度、又は摂氏１００度より小さい、又はそれと等しいだけ加熱及び／又は冷却されてもよい。
【０１５２】
幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０の何れの１つ又は複数の構成要素も、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素と組み合わされてよい。
【０１５３】
図１１Ｃは、幅５０μｍの液体コア導波路に関する実験（１１４０）及びシミュレーション（１１５０）によるマルチスポット導波路パターンを示す。
【０１５４】
図１１Ｄは、製作された７つのＬＣ−ＭＭＩ導波路に関する長さとスポット数の関係を示している。７つの曲線の各々は、幅の異なるＬＣ−ＭＭＩ導波路を示しており、より濃い色のドット（下側の曲線）はより狭いＬＣ−ＭＭＩ導波路を示す。７つのＬＣ−ＭＭＩ導波路の幅は、一番下の曲線から一番上の曲線へと、５０μｍ、７５μｍ、１００μｍ、１２５μｍ、１５０μｍ、１７５μｍ、及び２００μｍである。
【０１５５】
図１１Ｅは、それぞれの静的幅が５０μｍ（Ｎ＝２）、１２５μｍ（Ｎ＝１２）、及び２００μｍ（Ｎ＝３３）の３つの異なるＬＣ−ＭＭＩ導波路に関するＬＣ−ＭＭＩ導波路の長さと屈折率の関係を示す。図のように、液体コアの屈折率を変化させることは、ＬＣ−ＭＭＩ導波路を動的に調整して、あるスポット数が出現する長さをシフトさせるために使用されてもよい。
【０１５６】
図１１Ｆは、スポット数Ｎに対する幅の変形（ｗ／ｗ０）の関係を示す。下側の曲線はｗ０＝５０のＬＣ−ＭＭＩ導波路に対応し、上側の曲線はｗ０＝１００μｍのＬＣ−ＭＭＩ導波路に対応する。幾つかの実施形態において、正の空気圧点は左に２０、４０、及び６０ＰＳＩまで上昇してもよく、液体流速は１ｍＬ／分である。図のように、可変ＬＣ−ＭＭＩ導波路の幅を変化させることは、ＬＣ−ＭＭＩ導波路を動的に調整するために利用されてよい。
【０１５７】
図１１Ｄ、１１Ｅ、及び１１Ｆにおいて、ドットはデータポイントを表し、実線／曲線は式（１）を使った理論的予測を表す。
【０１５８】
図１１Ｇは、交差する液体コアアナライトチャネルを用いた多項目同時粒子検出のための（機械的、流体的、及び／又は温度的に）調整可能なＬＣ−ＭＭＩ導波路システム１１６０の実施を示している。システム１１６０は、図１０Ａに関して前述したシステム１０００と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよいが、システム１１６０は、外的圧力又は内部の流れの変化を使って図１１Ｂに関して前述した１つ又は複数の構成要素、特徴、及び特性にしたがってＬＣ−ＭＭＩ導波路の液体コアの幅を変化させることによって調整するように構成されてよい点は例外である。図のように、システム１１６０は、幾つかの実施形態において、ＬＣ−ＭＭＩ導波路液体コア１１６６、流体入口／出口ポート１１６８、加圧チャンバ１１７０ａ及び１１７０ｂ、シングルモード励起導波路１１７２、及びＬＣ−ＭＭＩ導波路液体コア１１６６から固体バリア１１７６により分離された液体コアアナライトチャネル（及び／又は液体コア導波路）１１７４を含む。
【０１５９】
幾つかの実施形態において、システム１１６０とその構成要素は、図１０Ａに関して前述したシステム１０００及びその対応する構成要素と共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。幾つかの実施形態においてシステム１１６０とその構成要素は、図１１Ｂに関して前述したＬＣ−ＭＭＩ導波路１１２０とその対応する構成要素を含むシステムと共通の何れの１つ又は複数の特性を共有してもよい。幾つかの実施形態において、システム１１６０は、本明細書に記載されている他のシステム、プラットフォーム、又は機器の何れの１つ又は複数の構成要素とも組み合わされてよい。
【０１６０】
図１２は、幾つかの実施形態によるコンピュータを示す。コンピュータ１２００は、図１に関して前述したシステム１００及び／又はそのサブコンポーネントの何れか等、統合マルチレイヤＣＰＳシミュレーションを提供するシステムの構成要素とすることができる。幾つかの実施形態において、コンピュータ１２００は、例えば、それぞれ図２及び５の方法２００及び／又は５００の全部又は一部等、統合マルチレイヤＣＰＳシミュレーションを提供し、作成し、及び／又は実行するための方法を行うように構成される。幾つかの実施形態において、コンピュータ１２００は、本明細書に記載されているオプトフルイディックアナライト検出及び／又はＭＭＩ導波路システム、機器、及び／又はプラットフォームの何れか１つ又は複数への、及び／又はそれからの電子信号を制御、モニタ、又はその他送信、及び／又は受信するように構成されてもよい。幾つかの実施形態において、コンピュータ１２００は本明細書に記載されているシステム、機器、及び／又はプラットフォームの何れか１つ又は複数に含められる、又はそれに関連して提供される基板又はチップの上に設置されるように構成されたマイクロプロセシングデバイスであってもよい。
【０１６１】
コンピュータ１２００は、ネットワークに接続されたホストコンピュータとすることができる。コンピュータ１２００は、クライアントコンピュータ又はサーバとすることができる。図１２に示されるように、コンピュータ１２００は、何れの適当な種類のマイクロプロセッサベースのデバイス、例えばパーソナルコンピュータ、ワークステーション、サーバ、又はフォン若しくはタブレット等のハンドヘルドコンピューティングデバイスとすることもできる。コンピュータは、例えばプロセッサ１２１０、入力装置１２２０、出力装置１２３０、ストレージ１２４０、及び通信装置１２６０のうちの１つ又は複数を含むことができる。
【０１６２】
入力装置１２２０は、入力を提供する何れの適当な装置とすることもでき、これは例えば、タッチスクリーン若しくはモニタ、キーボード、マウス、又は音声認識装置である。出力装置１２３０は、出力を提供する何れの適当な装置とすることもでき、これは例えばタッチスクリーン、モニタ、プリンタ、ディスクドライブ、又はスピーカである。
【０１６３】
ストレージ１２４０は、ストレージを提供する何れの適当な装置とすることもでき、これは例えば電気、磁気、又は光メモリ等であり、これにはＲＡＭ、キャッシュ、ハードドライブ、ＣＤ−ＲＯＭドライブ、テープドライブ、又はリムーバブルストレージディスクが含まれる。通信装置１２６０は、ネットワーク上で信号を送受信できる何れの適当な装置を含むこともでき、これは例えばネットワークインタフェースチップ又はカードである。コンピュータの構成要素は、何れの適当な方法でも接続でき、これは例えば物理バスを介するもの又は無線による。ストレージ１２４０は、１つ又は複数のプログラムを含む非一時的コンピュータ可読媒体とすることができ、これは、プロセッサ１２１０等の１つ又は複数のプロセッサにより実行されたときに、１つ又は複数のプロセッサに、本明細書に記載されている方法及び／又は技術、例えば、これらに限定されないが、本明細書に記載されている信号収集、システム制御、信号処理、データ解析、データ送信、及び／又は何れかの特定のための何れかの方法の全部又は一部を実行させ、これには本明細書に記載されているオプトフルイディックアナライト検出及び／又はＭＭＩ導波路システム、機器、及び／又はプラットフォームに関するものが含まれる。
【０１６４】
ストレージ１２４０に保存し、プロセッサ１２１０により実行できるソフトウェア１２５０は、例えば、本開示の機能を具現化するプログラミング（例えば、上述のシステム、コンピュータ、サーバ、及び／又は機器に具現化される）を含むことができる。幾つかの実施形態において、ソフトウェア１２５０は、アプリケーションサーバ及びデータベースサーバ等のサーバの組合せで実装し、実行できる。
【０１６５】
ソフトウェア１２５０はまた、命令実行システム、装置、又は機器からソフトウェアに関連する命令をフェッチし、実行できる、前述のもののような、命令実行システム、装置、又は機器により、又はそれと共に使用するための何れのコンピュータ可読記憶媒体の中でも記憶及び／又は輸送できる。本開示に関して、コンピュータ可読記憶媒体は、命令実行システム、装置、又は機器により、又はそれと共に使用されるプログラミングを含み、又は保存できる、ストレージ１２４０等の何れの媒体とすることもできる。
【０１６６】
ソフトウェア１２５０はまた、命令実行システム、装置、又は機器からソフトウェアに関連する命令をフェッチし、実行できる、前述のもののような、命令実行システム、装置、又は機器により、又はそれと共に使用するための何れの輸送媒体の中でも伝搬させることができる。本開示に関して、輸送媒体は、命令実行システム、装置、又は機器より、又はそれにと共に使用されるプログラミングを通信し、伝搬し、又は輸送することのできる何れの媒体とすることもできる。輸送読み取り可能媒体には電子、磁気、光、電磁、又は赤外線の有線又は無線伝搬媒体を含むことができるが、これらに限定されない。
【０１６７】
コンピュータ１２００はネットワークに接続されてよく、これは相互接続される何れの適当な種類の通信システムとすることもできる。ネットワークは、何れの適当な通信プロトコルも実装でき、何れの適当なセキュリティプロトコルによってもセキュリティ保護できる。ネットワークは、無線ネットワーク接続、Ｔ１若しくはＴ３回線、ケーブルネットワーク、ＤＳＬ、又は電話回線等、ネットワーク信号の送受信を実行できる何れの適当な配置のネットワークリンクも含むことができる。
【０１６８】
コンピュータ１２００は、ネットワーク上で動作するのに適した何れのオペレーティングシステムを実装することもできる。ソフトウェア１２５０は、Ｃ、Ｃ＋＋、Ｊａｖａ、又はＰｙｔｈｏｎ等、何れの適当なプログラミング言語で書くこともできる。各種の実施形態において、本開示の機能を具現化するアプリケーションソフトウェアは、クライアント／サーバ配置の中で、又は例えばウェブベースアプリケーション若しくはウェブサービスとしてウェブブラウザを通じて等、各種のコンフィギュレーションで展開できる。
【０１６９】
上記の記述は、説明を目的とした具体的な実施形態に関して記されている。しかしながら、上記の例示的な議論は網羅的である、又は開示されている正確な形式に本発明を限定する、とは意図されていない。上記の教示から、多くの改良及び変更が可能である。実施形態は、技術の原理とそれらの実践的な応用を最もよく説明するために選択され、記された。当業者であれば、それによって、これらの技術と、想定される特定の用途に適した各種の変更を加えた様々な実施形態を最もよく使用することができる。
【０１７０】
開示及び例は添付の図面に関して十分に説明されているが、当業者には、様々な変更及び改良が明らかとなることに留意されたい。このような変更及び改良は、特許請求の範囲により定義される開示と例の範囲に含められると理解される。最後に、本願において言及されたすべての特許と出版物の開示はすべて、ここに、参照によって本願に援用される。
【０１７１】
各種の実施形態
以下に、本明細書の開示による各種の非限定的な実施形態の列挙を示す。下記の実施形態の何れの１つ又は複数も、全体的又は部分的に、本明細書で論じられた他の何れの１つ又は複数の実施形態とも組み合わせられてよい。
【０１７２】
実施形態１．オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
基板上に設置され、システムにより検出されることになる第一のアナライトを含む第一の液体を受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、
基板上に配置され、システムにより検出されることになる第二のアナライトを含む第二の液体を受けるように構成された第二のアナライトチャネルと、  
基板上に設置され、第一の位置において第一のアナライトチャネルと、また第二の位置において第二のアナライトチャネルと交差するマルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取り、
第一のアナライトチャネルに入射する第一の波長の光の第一の数のスポットを有する第一のスポットパターンを生成し、
第二のアナライトチャネルに入射する第一の波長の光の第二の数のスポットを有する第二のスポットパターンを生成し、
第一のアナライトチャネルに入射する第二の波長の光の第三の数のスポットを有する第三のスポットパターンを生成し、
第二のアナライトチャネルに入射する第二の波長の光の第四の数のスポットを有する第四のスポットパターンを生成する
ように構成されたＭＭＩ導波路と、
第一のスポットパターン、第二のスポットパターン、第三のスポットパターン、及び第四のスポットパターンのうちの１つにより励起されるアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器と、
１つ又は複数のプロセッサであって、
検出された蛍光バーストを表す検出器からの信号を受け取り、
受け取った信号内の検出されたバーストの数に基づいて、信号が第一のチャネル又は第二のチャネルのどちらに対応するかを特定し、
受け取った信号内の検出されたバーストの数に基づいて、信号が第一の波長の光又は第二の波長の光のどちらに対応するかを特定する
ように構成された１つ又は複数のプロセッサと、
を含む。
【０１７３】
実施形態２．実施形態１のオンチップアナライト検出システムにおいて、プロセッサはさらに、受け取った信号内の検出されたバーストの数に基づいて、アナライトを同定するように構成される。
【０１７４】
実施形態３．実施形態１及び２の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一のアナライトチャネルと第二のアナライトチャネルは各々、蛍光バーストの光を検出器に向かって案内するように構成される。
【０１７５】
実施形態４．実施形態１〜３の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、検出器はチップ上に設置され、アナライトチャネルと同一平面内でアナライトチャネルから案内された光を受け取るように構成される。
【０１７６】
実施形態５．実施形態１〜４の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一の位置はＭＭＩ導波路の光入射ポートから第一の距離に位置し、それによって第一の波長の光は第一の位置において第一の数のスポットを形成し、第二の波長の光は第一の位置において第三の数のスポットを形成し、
第二の位置はＭＭＩ導波路の光入射ポートから第二の距離に位置し、それによって第一の波長の光は第二の位置において第二の数のスポットを形成し、第二の波長の光は第四の位置において第四の数のスポットを形成する。
【０１７７】
実施形態６．実施形態１〜５の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
ＭＭＩ導波路の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい。
【０１７８】
実施形態７．実施形態１〜６の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一のアナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
第一のアナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい。
【０１７９】
実施形態８．実施形態１〜７の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい。
【０１８０】
実施形態９．オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
基板上に設置され、システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受けるように構成されたアナライトチャネルと、
基板上に配置され、アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第一の導波路であって、第一の入射ポートにおいて第一の波長の入射光を受け取り、第一の波長の入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを交差するアナライトチャネルへと向けるように構成された１つ又は複数の第一の導波路と、
基板上に設置され、アナライトチャネルと交差する１つ又は複数の第二の導波路であって、第二の入射ポートにおいて第二の波長の入射光を受け取り、第二の波長の入射光から生成された第二のマルチスポットパターンを交差するアナライトチャネルへと向けるように構成された１つ又は複数の第二の導波路と、
基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取るように構成された第三の入射ポートと、
多重分離ＭＭＩ導波路の、第一の端と反対の第二の端に設置され、第一の波長の光が１つ又は複数の導波路の第一の群の第一の入射ポートに向けられるような第一の射出ポートと、
多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第二の波長の光の鏡像を射出するように構成された第二の射出ポートであって、第二の波長の光は１つ又は複数の導波路の第二の群の第二の入射ポートに向けられるような第二の射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含む。
【０１８１】
実施形態１０．実施形態９のオンチップアナライト検出システムにおいて、第三の入射ポートは、多重分離ＭＭＩ導波路内の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に、多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれている。
【０１８２】
実施形態１１．実施形態１０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一の射出ポートは、多重分離ＭＭＩ導波路の中心から第一の方向にずれており、第一の波長の光の実像を出力するように構成され、
第二の射出ポートは、多重分離ＭＭＩ導波路の中心から、第一の方向と反対の第二の方向にずれている。
【０１８３】
実施形態１２．実施形態９〜１１の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、１つ又は複数の導波路の第一の群は、マルチモード干渉により第一のマルチスポットパターンを生成するように構成された第一のアナライト励起ＭＭＩ導波路を含む。
【０１８４】
実施形態１３．実施形態９〜１２の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、１つ又は複数の導波路の第二の群は、マルチモード干渉により第二のマルチスポットパターンを生成するように構成された第二のアナライト励起ＭＭＩ導波路を含む。
【０１８５】
実施形態１４．実施形態９〜１３の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、１つ又は複数の導波路の第一の群は１つ又は複数のシングルモード導波路を含む。
【０１８６】
実施形態１５．実施形態９〜１４の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、１つ又は複数の導波路の第二の群は１つ又は複数のシングルモード導波路を含む。
【０１８７】
実施形態１６．実施形態９〜１５の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の波長の光と第二の波長の光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む。
【０１８８】
実施形態１７．実施形態９〜１６の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
多重分離ＭＭＩ導波路の高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
多重分離ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい。
【０１８９】
実施形態１８．実施形態１０〜１７の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第三の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、多重分離ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい。
【０１９０】
実施形態１９．実施形態９〜１８の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
アナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
アナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい。
【０１９１】
実施形態２０．実施形態９〜１９の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい。
【０１９２】
実施形態２１．オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
基板上に設置され、システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受け取るように構成されたアナライトチャネルと、
基板上に設置された多重分離マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の入射光と第二の波長の入射光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、
多重分離ＭＭＩ導波路の第一の端の反対の多重分離ＭＭＩの第二の端に設置され、第一の波長の光を射出するように構成された第一の射出ポートと、
多重分離ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第二の波長の光を射出するように構成された第二の射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含み、
多重分離ＭＭＩ導波路は、第一の波長の射出光と第二の波長の射出光をアナライトチャネルに入射させて、チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起させるように構成される。
【０１９３】
実施形態２２．実施形態２１のオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の入射ポートは、多重分離ＭＭＩ導波路内の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に、多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれている。
【０１９４】
実施形態２３．実施形態２２のオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一の射出ポートは、第一の方向に多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれ、第一の波長の光の実像を出力するように構成され、
第二の射出ポートは、第一の方向と反対の第二の方向に多重分離ＭＭＩ導波路の中心からずれ、第二の波長の光の鏡像を出力するように構成される。
【０１９５】
実施形態２４．実施形態２１〜２３の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の波長の射出光と第二の波長の射出光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む。
【０１９６】
実施形態２５．実施形態２１〜２４の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の波長の光と第二の波長の光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む。
【０１９７】
実施形態２６．実施形態２１〜２５の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
多重分離ＭＭＩ導波路の高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
多重分離ＭＭＩ導波路の幅は１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい。
【０１９８】
実施形態２７．実施形態２２〜２６の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、多重分離ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい。
【０１９９】
実施形態２８．実施形態２１〜２７の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
アナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
アナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい。
【０２００】
実施形態２９．実施形態２１〜２８の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい。
【０２０１】
実施形態３０．オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
基板上に設置され、システムにより検出されることになるアナライトを含む液体を受けるように構成されたアナライトチャネルと、
基板上に設置された多重化マルチモード干渉（ＭＭＩ）導波路であって、
多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第一の波長の光を受け取るように構成された第一の入射ポートと、
多重化ＭＭＩ導波路の第一の端に設置され、第二の波長の光を受け取るように構成された第二の入射ポートと、
多重化ＭＭＩ導波路の第一の端の反対の多重化ＭＭＩ導波路の第二の端に設置され、第一の波長の光と第二の波長の光の光を射出するように構成された射出ポートと、
を含む多重分離ＭＭＩ導波路と、
を含み、
多重化ＭＭＩ導波路は、第一の波長の射出光と第二の波長の射出光をアナライトチャネルに入射させて、チャネル内の１つ又は複数のアナライトを励起するように構成される。
【０２０２】
実施形態３１．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一の入射ポートは、多重化ＭＭＩ導波路の光の伝搬方向に垂直な第一の方向に多重化ＭＭＩ導波路の中心からずれ、
第二の入射ポートは、第一の方向と反対の第二の方向に多重化ＭＭＩ導波路の中心からずれている。
【０２０３】
実施形態３２．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
射出ポートは、第一の方向に多重化ＭＭＩ導波路の中心からずれ、第一の波長の光の実像と第二の波長の光の光の鏡像を出力するように構成される。
【０２０４】
実施形態３３．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の波長の射出光及び第二の波長の射出光の一方又は両方により励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む。
【０２０５】
実施形態３４．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
多重化ＭＭＩ導波路の高さは、０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、又は５μｍより小さいか、それと等しく、
多重化ＭＭＩ導波路の幅は、１０μｍ、２５μｍ、５０μｍ、１００μｍ、又は２５０μｍより小さいか、それと等しい。
【０２０６】
実施形態３５．実施形態３１のオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の入射ポートが中心からずれるオフセット距離は、多重化ＭＭＩ導波路の幅の１０％、２５％、又は４５％より大きいか、それと等しい。
【０２０７】
実施形態３６．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
アナライトチャネルの高さは、１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１μｍより小さいか、それと等しく、
アナライトチャネルの幅は、１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい。
【０２０８】
実施形態３７．実施形態３０のオンチップアナライト検出システムにおいて、
基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい。
【０２０９】
実施形態３８．オンチップアナライト検出システムにおいて、
基板と、
基板上に設置され、システムにより検出されることになる第一のアナライトを含む第一の溶液を受けるように構成された第一のアナライトチャネルと、
基板上に設置され、第一のアナライトチャネルと交差する調節可能な液体コアマルチモード干渉（ＬＣ−ＭＭＩ）導波路であって、
第一の液体コア部分であって、
第一の流体を受け取るように構成された中空のチャネルと、
中空のチャネルの境界を定める側壁と、
第一の流体が中空のチャネルの中に、又はそこから流れることができるように構成された第一の開口と、
を含む第一の液体コア部分と、
第一の波長の入射光を受け取るように構成された第一の光入射ポートと、
を含むＬＣ−ＭＭＩ導波路と、
を含み、
ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、第一の波長の入射光から生成された第一のマルチスポットパターンを交差する第一のアナライトチャネルへと向けるように構成される。
【０２１０】
実施形態３９．実施形態３８のオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の液体コア部分は、第一の流体が中空のチャネルから流出し、第一の流体を第二の流体と交換できるように構成され、第二の流体は第一の流体とは異なる屈折率を有する。
【０２１１】
実施形態４０．実施形態３８及び３９の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、基板上に設置され、第一の流体の温度を変化させて、ＬＣ−ＭＭＩ導波路を摂氏０．０１度、摂氏０．１度、摂氏１度、摂氏１０度、又は摂氏１００度より大きいか、それと等しいだけ温度調整するように構成された温度制御装置をさらに含む。
【０２１２】
実施形態４１．実施形態３８〜４０の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
システムは、基板上に設置され、システムにより検出されることになる第二のアナライトを含む第二の溶液を受けるように構成された第二のアナライトチャネルをさらに含み、
ＬＣ−ＭＭＩ導波路は、第一の波長の入射光から生成された第二のマルチスポットパターンを交差する第二のアナライトチャネルに向けるように構成され、第一の液体コア部分とは独立して調節できるように構成された第二の液体コア部分をさらに含む。
【０２１３】
実施形態４２．実施形態３８〜４１の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一のマルチスポットパターンにより励起されたアナライトからの蛍光バーストを検出するように構成された検出器をさらに含む。
【０２１４】
実施形態４３．実施形態３８〜４２の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
中空のチャネルの高さは０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
中空のチャネルの幅は１０μｍ、５０μｍ、１００μｍ、２５０μｍ、又は５００μｍより小さいか、それと等しい。
【０２１５】
実施形態４４．実施形態３８〜４３の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
第一のアナライトチャネルの高さは１μｍ、２μｍ、５μｍ、又は１０μｍより小さいか、それと等しく、
第一のアナライトチャネルの幅は１μｍ、２μｍ、５μｍ、１０μｍ、又は２０μｍより小さいか、それと等しい。
【０２１６】
実施形態４５．実施形態３８〜４４の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、
基板の幅は２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しく、
基板の長さは２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は５ｃｍより小さいか、それと等しい。
【０２１７】
実施形態４６．実施形態３８〜４５の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、側壁の１つ又は複数により中空のチャネルから分離された加圧チャネルをさらに含み、加圧チャネルを加圧することにより、側壁の１つ又は複数が変形して、第一の液体コア部分の幅が調節される。
【０２１８】
実施形態４７．実施形態３８〜４６の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、システムは、液体コア部分の中の第一の流体を加圧して、側壁の１つ又は複数を変形させて、第一の液体コア部分の幅を調節するように構成される。
【０２１９】
実施形態４８．実施形態４７のオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の液体コア部分の幅を調節することは、幅を０．１μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、又は１０μｍより大きいか、これと等しいだけ調節することを含む。
【０２２０】
実施形態４９．実施形態４７及び４８の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の液体コア部分の幅を調節することは、幅を部分の静的幅の１２５％、部分の静的幅の１５０％、部分の静的幅の２００％、又は部分の静的幅の５００％より大きいか、それと等しくなるように増大させることを含む。
【０２２１】
実施形態５０．実施形態３８〜４９の何れか１つのオンチップアナライト検出システムにおいて、第一の液体コア部分の幅を調節することは、幅を部分の静的幅の１％、部分の静的幅の１０％、部分の静的幅の２５％、部分の静的幅の５０％、又は部分の静的幅の７５％より小さいか、それと等しくなるように減少させることを含む。
【図１Ａ】
2020512543.tif 000009
【図１Ｂ】
2020512543.tif 000010
【図１Ｃ】
2020512543.tif 000011
【図１Ｄ】
2020512543.tif 000012
【図１Ｆ】
2020512543.tif 000013
【図３Ａ】
2020512543.tif 000014
【図３Ｂ】
2020512543.tif 000015
【図５】
2020512543.tif 000016
【図６Ａ】
2020512543.tif 000017
【図６Ｂ】
2020512543.tif 000018
【図８Ｃ】
2020512543.tif 000019
【図８Ｄ】
2020512543.tif 000020
【図８Ｅ】
2020512543.tif 000021
【図８Ｆ】
2020512543.tif 000022
【図９】
2020512543.tif 000023
【図１１Ｂ】
2020512543.tif 000024
【図１１Ｃ】
2020512543.tif 000025
【図１１Ｄ】
2020512543.tif 000026
【図１１Ｅ】
2020512543.tif 000027
【図１１Ｆ】
2020512543.tif 000028
【国際調査報告】
2020512543.tif 000029
2020512543.tif 000030
2020512543.tif 000031
2020512543.tif 000032
2020512543.tif 000033