JP2008529013A - Method and apparatus for quadrature phase difference interference detection of an immunoassay - Google Patents

Method and apparatus for quadrature phase difference interference detection of an immunoassay Download PDF

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Abstract

サンプルにおける標的分析対象の有無を決定するための位相差直交干渉法。本方法は、サンプルに暴露された反射面を有する基板の少なくとも一部を探査するために、波長λおよびウェストw0を持つレーザービームを使用することを含む。反射面は、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を持つ少なくとも第1領域、および、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を含まない第2領域を含む。方法はさらに、第1領域および第2領域を探査しながら、探査ビームの反射回折信号の一対の直角位相角θqの一方における実質的に第1直交分のみについて、その時間依存性強度を、光検出器を用いて測定することをさらに含む。平面アレイにおいて標的分子の有無を位相差直交干渉計側によって検出するための装置は、探査ビームを発生するための光源を含む。本装置は、平面アレイを受容するためのプラットフォーム、および、探査ビームを、プラットフォームに対し実質的に面垂直となるように指向させる第1光学要素列を含む。本装置はさらに、第1面と第2面を持ち、焦点距離を有する対物レンズを含む。この対物レンズは、レンズの第1面において、プラットフォームから、焦点距離とほぼ等しい第1距離だけ離される。本装置はさらに、探査ビームの反射によって生じる信号における第1直交分および第2直交分を測定するための分割光検出手段を含む。
【選択図】図1
Phase difference orthogonal interferometry for determining the presence or absence of a target analyte in a sample. The method includes using a laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 to probe at least a portion of a substrate having a reflective surface exposed to the sample. The reflective surface includes at least a first region having a layer of recognition molecules specific to the target analyte and a second region not including a layer of recognition molecules specific to the target analyte. The method further explores the first region and the second region, and calculates the time-dependent intensity of substantially only the first orthogonal component at one of the pair of quadrature angles θq of the reflected diffraction signal of the probe beam. It further includes measuring using a detector. An apparatus for detecting the presence or absence of a target molecule in a planar array by the phase difference quadrature interferometer side includes a light source for generating a probe beam. The apparatus includes a platform for receiving a planar array and a first optical element array that directs the probe beam to be substantially perpendicular to the platform. The apparatus further includes an objective lens having a first surface and a second surface and having a focal length. The objective lens is separated from the platform by a first distance approximately equal to the focal length on the first surface of the lens. The apparatus further includes split light detection means for measuring the first orthogonal component and the second orthogonal component in the signal generated by reflection of the probe beam.
[Selection] Figure 1

Description

本発明は一般に、サンプルにおける特定の生物物質の存在を検出するための装置に関し、さらに詳細には、ディスク上の標的受容体に結合する、生物学的病原体および/または対象分子の存在を検出するためのレーザーコンパクトディスクシステムであって、該検出を、病原体および/または分析対象によってディスクから反射される探査ビームの光学特性の変化を感受することによって行うシステム、に関する。   The present invention relates generally to an apparatus for detecting the presence of a particular biological material in a sample, and more particularly to detecting the presence of biological pathogens and / or molecules of interest that bind to a target receptor on a disk. The invention relates to a laser compact disc system for performing the detection by sensing changes in the optical properties of the probe beam reflected from the disc by the pathogen and / or the analyte.

多くの化学的、生物学的、医学的、および診断学的用途において、サンプル中の特定の分子構造の存在を検出することが望まれる。多くの分子構造、例えば、細胞、ウィルス、細菌、トキシン、ペプチド、DNA断片、および抗体は、特定の受容体によって認識される。ガン細胞における遺伝子発現パターンを検出するための生化学的技法、例えば、遺伝子チップ、免疫学的チップ、およびDNAアレイを含む技法は、これらの分子構造と受容体の間の相互作用を利用する。[例えば、下記の論文の記述を参照されたい。Sanders, G.H.W. and A. Manz, 「ゲノムおよびプロテオーム分析用チップ仕様マイクロシステム(“Chip-based microsystems for genomic and proteomic analysis”)」, Trends in Anal. Chem., 2000, Vol. 19(6), p.364-378; Wang, J., 「DNAバイオセンサーから遺伝子チップまで(“From DNA biosensor to gene chips”)」、Nucl. Acids Res., 2000, Vol. 28(16), p.3011-3016; Hagman, M., 「チップの上で免疫学を実施する(“Doing immunology on a chip”)」、Science, 2000, Vol. 290, p.82-83; Marx, J., 「DNAアレイは、ガンをその多くの形状において明らかにする(“DNA Arrays reveal cancer in its many forms”)」、Science, 2000, Vol. 289, p.1670-1672]。これらの技法は主に、所望の受容体(標的物質または試験対象の分子構造と相互作用を持つもの)を含むように調製された静止チップを採用する。受容体の面積はごく小さくすることが可能なので、複数の分析対象を試験するチップを生産することが可能である。理想的には、完全アッセイを実現するために、数千もの結合受容体が提供される。この受容体が生物サンプルに暴露されると、ほんの僅かなものだけが特定のタンパクまたは病原体に結合する場合がある。理想的には、このような受容体部位ができるだけ短時間に特定される。   In many chemical, biological, medical, and diagnostic applications, it is desirable to detect the presence of specific molecular structures in a sample. Many molecular structures such as cells, viruses, bacteria, toxins, peptides, DNA fragments, and antibodies are recognized by specific receptors. Biochemical techniques for detecting gene expression patterns in cancer cells, such as those involving gene chips, immunological chips, and DNA arrays, take advantage of the interaction between these molecular structures and receptors. [See, for example, the description of the paper below. Sanders, GHW and A. Manz, “Chip-based microsystems for genomic and proteomic analysis”, Trends in Anal. Chem., 2000, Vol. 19 (6), p. .364-378; Wang, J., “From DNA biosensor to gene chips”, Nucl. Acids Res., 2000, Vol. 28 (16), p.3011-3016 Hagman, M., “Doing immunology on a chip”, Science, 2000, Vol. 290, p.82-83; Marx, J., “DNA arrays Reveal cancer in its many forms ("DNA Arrays reveal cancer in its many forms"), Science, 2000, Vol. 289, p.1670-1672]. These techniques primarily employ a stationary chip prepared to contain the desired receptor (one that interacts with the target substance or the molecular structure to be tested). Since the area of the receptor can be very small, it is possible to produce a chip for testing multiple analytes. Ideally, thousands of binding receptors are provided to achieve a complete assay. When this receptor is exposed to a biological sample, only a few may bind to a particular protein or pathogen. Ideally, such receptor sites are identified as quickly as possible.

複数の分子構造をスクリーニングするための、そのような一つの技法が、単純に抗体マイクロアレイを含む所謂免疫学的コンパクトディスクである。[例えば、下記の論文の記述を参照されたい。Ekins, R., F. Chu, and E. Biggart,「二重蛍光標識抗体による、微小スポット複数分析対象比率計測免疫アッセイ法の開発(“Development of microspot multi-analyte ratiometric immunoassay using dual fluorescent-labeled antibodies”)」、Anal. Chim. Acta, 1989, Vol. 227, p.73-96; Ekins, R. and F.W. Chu, 「複数分析対象微小スポット免疫アッセイ−未来の微小分析用「コンパクトディスク」(“Multianalyte microspot immunoassay−Microanalytical “compact Disk” of the future”)」、Clin. Chem., 1991, Vol. 37(11), p.1955-1967; Ekins, R., 「リガンドアッセイ:電気泳動から小型化マイクロアレイまで(“Ligand assays: from electrophoresis to miniaturized microarrays”)」、Clin. Chem., 1998, Vol. 44(9), p. 2015-2030]。マイクロアレイにおいて試験対象の分子構造の存在を感受するのに通例の蛍光検出が用いられている。免疫学的アッセイに対処する他の方法では、導波管と格子結合器を含む、従来型のマッハツェンダー干渉計が用いられる。[例えば、下記の論文の記述を参照されたい。Gao, H., et al., 「平坦な光学的導波管における光不動化免疫反応物質による免疫感受法(“Immunosensing with photo-immobilized immunoreagents on planar optical wave guides”)」、Biosensors and Bioelectronics, 1995, Vol. 10, p.317-328; Maisenholder, B., et al., 「集積的光学感受応用のためのGaAs/AlGaAsによる屈折計プラットフォーム(“A GaAs/AlGaAs-based refractometer platform for integrated optical sensing applications”)」、Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.324-329; Kunz, R.E., 「化学的および生化学的感受のための小型集積光学モジュール(“Miniature integrated optical modules for chemical and biochemical sensing”)」、Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.13-28; Duebendorfer, J. and R.E. Kunz, 「小型集積光学センサー用の参照パッド(“Reference pads for miniature integrated optical sensors”)」、Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.116-121; Brecht, A. and G. Gauglitz, 「化学的または生化学的応用に用いられる光学トランスジューサーにおける最近の進歩(“recent developments in optical transducers for chemical or biochemical applications”)」、Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.1-7]。干渉計による光学バイオセンサーには、干渉計感受性という内在的利点を持つが、多くの場合、要素当たり大きな表面積、相互作用に必要な長い距離、または、複雑な共鳴構造、という特徴を持つ。干渉計による光学バイオセンサーはまた、熱および機械的作用による位相ドリフトに過敏となる場合がある。   One such technique for screening multiple molecular structures is a so-called immunological compact disc that simply contains antibody microarrays. [See, for example, the description of the paper below. Ekins, R., F. Chu, and E. Biggart, “Development of microspot multi-analyte ratiometric immunoassay using dual fluorescent-labeled antibodies. ")", Anal. Chim. Acta, 1989, Vol. 227, p.73-96; Ekins, R. and FW Chu, "Multi-analytical microspot immunoassay-" Compact Disc "for future microanalysis (" Multianalyte microspot immunoassay-Microanalytical “compact Disk” of the future ”)”, Clin. Chem., 1991, Vol. 37 (11), p.1955-1967; Ekins, R., “Ligand assay: downsizing from electrophoresis “Ligand assays: from electrophoresis to miniaturized microarrays” ”, Clin. Chem., 1998, Vol. 44 (9), p. 2015-2030]. Conventional fluorescence detection is used to sense the presence of the molecular structure under test in a microarray. Another method for addressing immunological assays uses a conventional Mach-Zehnder interferometer, including waveguides and grating couplers. [See, for example, the description of the paper below. Gao, H., et al., “Immunosensing with photo-immobilized immunoreagents on planar optical wave guides”, Biosensors and Bioelectronics, 1995 , Vol. 10, p.317-328; Maisenholder, B., et al., “A GaAs / AlGaAs-based refractometer platform for integrated optical sensing for integrated optical sensing applications. applications ”), Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.324-329; Kunz, RE,“ Miniature integrated optical modules for chemical and biochemical sensing ” chemical and biochemical sensing ”)”, Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.13-28; Duebendorfer, J. and RE Kunz, “Reference pads for miniature optical sensors” integrated optical sensors ")", Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39, p.116-121; Brecht, A. and G. Gauglitz, “Recent developments in optical transducers for chemical or biochemical applications”, Sensors and Actuators B, 1997, Vol. 38-39 , p.1-7]. Interferometric optical biosensors have the inherent advantage of interferometer sensitivity, but often have the characteristics of a large surface area per element, a long distance required for interaction, or a complex resonant structure. Optical biosensors with interferometers can also be sensitive to phase drift due to thermal and mechanical effects.

前述の技術は、化学的、生物学的、医学的、および診断学的実施運用業界においてアッセイ情報を造り出し、読み取るためには有用であることが判明しているとはいうものの、既存の平面アレイ技術に対し、性能が著明に改善された平面アレイの改良型製造および読み取り技術を開発することは望ましい。   Although the aforementioned techniques have proven useful for creating and reading assay information in the chemical, biological, medical, and diagnostic practice industries, existing planar arrays It is desirable to develop an improved manufacturing and reading technique for planar arrays with significantly improved performance.

本発明の一つの局面では、生物サンプルにおける標的分析対象の有無を検出する、標識無添加の直交位相差干渉法がある。本方法は、基板の反射面を生物サンプルに暴露することを含む。反射面は、受容体分子のコーティングから成る空間パターンを有する。各コーティングは、ある特定の標的分析対象に対して特異的である。本方法はさらに、反射信号の遠視野回折パターンの強度を測定するために分割光検出器を使用することを含む。反射信号は、受容体分子コーティングの空間パターンに対しウェストw0をもって入射する、波長λを持つ、結像探査レーザービームから得られる。反射信号はまた、基板の少なくとも一部を走査することからも得られる。本方法はさらに、二つの観察角度の内の少なくとも一つについて、その強度を分割光検出器によって測定することによって、実質的に直交条件において、反射信号の少なくとも一部の強度を測定することを含む。この二つの観察角度は、一対の直交角度と実質的に等しい。直交角度θqは、基板に対して直角な光線において下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In one aspect of the present invention, there is an unlabeled quadrature phase difference interferometry that detects the presence or absence of a target analyte in a biological sample. The method includes exposing the reflective surface of the substrate to a biological sample. The reflective surface has a spatial pattern consisting of a coating of receptor molecules. Each coating is specific for a particular target analyte. The method further includes using a split photodetector to measure the intensity of the far field diffraction pattern of the reflected signal. The reflected signal is obtained from an imaging probe laser beam having a wavelength λ that is incident with a waist w 0 on the spatial pattern of the receptor molecular coating. The reflected signal can also be obtained from scanning at least a portion of the substrate. The method further comprises measuring the intensity of at least a portion of the reflected signal in substantially orthogonal conditions by measuring the intensity of at least one of the two viewing angles with a split photodetector. Including. These two observation angles are substantially equal to a pair of orthogonal angles. The orthogonal angle θq is given by
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面における一つの改変では、反射ビームの遠視野回折パターンの強度測定は、フーリエ面で実行される。   In one modification in one aspect of the invention, the intensity measurement of the far field diffraction pattern of the reflected beam is performed in the Fourier plane.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、一対の直交角度の一方において分割光検出器の出力を反転すること、および、該反転出力を、一対の直交角度の他方における分割光検出器の出力と加算すること、を含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further includes inverting the output of the split photodetector at one of the pair of orthogonal angles and splitting the inverted output at the other of the pair of orthogonal angles. Adding with the output of the photodetector.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、反射信号を、分割光検出器を用いて強度を測定する前に、対物レンズを通過させることを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further includes passing the reflected signal through an objective lens prior to measuring the intensity using a split photodetector.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、基板はディスクであり、基板の走査は、該ディスクを回転することによって実行される。   In another modification in one aspect of the invention, the substrate is a disk and scanning of the substrate is performed by rotating the disk.

本発明のもう一つの局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、直交干渉法がある。本方法は、基板の少なくとも一部を探査するための、波長λおよびウェストw0を有するレーザービームを用いることを含む。基板の一部は、サンプルに暴露される反射面を持つ。反射面は、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を持つ第1領域、および、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を持たない第2領域を含む。本方法はさらに、第1領域および第2領域を探査しながら、探査ビームの反射回折信号の一対の直交角度θqの内、実質的に第1直交分のみについて、その時間依存性強度を光検出器において測定することを含む。 In another aspect of the invention, there is orthogonal interferometry for determining the presence or absence of a target analyte in a sample. The method includes using a laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 to probe at least a portion of the substrate. A portion of the substrate has a reflective surface that is exposed to the sample. The reflective surface includes a first region having a layer of recognition molecules specific to the target analyte and a second region having no layer of recognition molecules specific to the target analyte. The method further detects the time-dependent intensity of only the first orthogonal portion of the pair of orthogonal angles θq of the reflected diffraction signal of the probe beam while searching the first region and the second region. Including measuring in a vessel.

本発明の一局面における一つの改変では、時間依存性は、基板に対する、入射レーザービームの相対的動きによって生じる。   In one modification in one aspect of the invention, the time dependence is caused by the relative movement of the incident laser beam relative to the substrate.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、基板はディスクであり、入射レーザービームに対するディスクの相対的動きは、ディスクを回転させることによって生成される。   In another modification in one aspect of the invention, the substrate is a disk, and the relative movement of the disk with respect to the incident laser beam is generated by rotating the disk.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、レーザービームの反射回折信号は、分割光検出器形態によって測定される。本方法はさらに、一対の直交角度の一方に対応する反射信号の第1出力部分を反転することを含む。反転された第1出力は、一対の直交角度の他方に対応する反射信号の第2出力に加算される。   In another modification in one aspect of the invention, the reflected diffraction signal of the laser beam is measured by a split photodetector configuration. The method further includes inverting the first output portion of the reflected signal corresponding to one of the pair of orthogonal angles. The inverted first output is added to the second output of the reflected signal corresponding to the other of the pair of orthogonal angles.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、基板はディスクであり、反射信号は、強度測定の前に、対物レンズを通過させられる。   In another modification in one aspect of the invention, the substrate is a disk and the reflected signal is passed through the objective lens prior to intensity measurement.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、探査ビームの反射回折信号を、強度測定の前に、π/2位相マスクを通過させることを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further includes passing the reflected diffraction signal of the probe beam through a π / 2 phase mask prior to intensity measurement.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、反射表面は実質的に平坦である。直交角度は、基板に対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In another modification in one aspect of the invention, the reflective surface is substantially flat. The orthogonal angle is calculated from the ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、基板はディスクであり、ディスクの反射面は、複数の平地と複数の台地を含む。台地は高さhを持つ。直交角度は、基板に対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1[λ/2 -4h)/w0]
によって定義される。
In another modification in one aspect of the invention, the substrate is a disk, and the reflective surface of the disk includes a plurality of flat lands and a plurality of terraces. The plateau has a height h. The orthogonal angle is calculated from the ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 [λ / 2 -4h) / w 0 ]
Defined by

本発明の別の局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、直角位相差干渉計による段差検出法がある。本方法は、認識分子の空間パターンを有するディスクに対して入射する探査レーザービームから得られた反射光信号の、遠視野回折パターンの時間依存性強度を、分割光検出器形態を用いて測定することを含む。本方法はさらに、得られた光信号の、第1直交分と、対向する第2直交分からの寄与を加算することを含む。該寄与の加算には、第1直交分の寄与の反転が先行する。   In another aspect of the present invention, there is a step detection method using a quadrature interferometer for determining the presence or absence of a target analysis target in a sample. The method measures the time-dependent intensity of the far-field diffraction pattern of a reflected light signal obtained from a probe laser beam incident on a disk having a spatial pattern of recognition molecules using a split photodetector configuration. Including that. The method further includes adding contributions from the first orthogonal component and the opposing second orthogonal component of the obtained optical signal. The addition of the contribution is preceded by the inversion of the contribution of the first orthogonal part.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、強度は、ディスクの反射面から反射された光信号について測定される。   In another modification in one aspect of the invention, the intensity is measured on the optical signal reflected from the reflective surface of the disk.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、分割光検出器形態は、分割リング光検出器である。   In another modification in one aspect of the invention, the split photodetector configuration is a split ring photodetector.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、分割光検出器形態は、四分円光検出器である。   In another modification in one aspect of the invention, the split photodetector configuration is a quadrant photodetector.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、分割光検出器形態は、第1および第2光検出器を含む。ディスクに入射する探査ビームは、波長λおよびウェストw0を有する。第1および第2光検出器は、実質的に一対の直交角度θq において強度を測定する。直交角度は、基板に対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In another modification in one aspect of the invention, the split photodetector configuration includes first and second photodetectors. The probe beam incident on the disk has a wavelength λ and a waist w 0 . First and second photodetectors, essentially measuring the intensity in a pair of quadrature angle theta q. The orthogonal angle is calculated from the ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、時間依存性強度は、ディスクを回転させることによって測定される。   In another modification in one aspect of the invention, the time dependent intensity is measured by rotating the disk.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、ディスクは、約80Hzで回転する。   In another modification in one aspect of the invention, the disc rotates at about 80 Hz.

本発明の別の局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、直角位相差干渉による段差検出法がある。本方法は、実質的に第1直交分のみから成る反射光信号の第1部分の時間依存性差分を、実質的に第1直角干渉角において測定することを含む。反射光信号は、平面アレイにおける特異的抗体および非特異的抗体の交互反復領域を横切ってレーザービームをトレースするから得られる。   In another aspect of the present invention, there is a step detection method using quadrature phase difference interference for determining the presence or absence of a target analysis target in a sample. The method includes measuring a time-dependent difference of a first portion of a reflected optical signal that substantially consists of only a first orthogonal component at a substantially first orthogonal interference angle. The reflected light signal is obtained from tracing the laser beam across alternating regions of specific and non-specific antibodies in a planar array.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、平面アレイの交互反復領域を横切ってレーザービームをトレースすることから得られる、実質的に第2直交分のみから成る反射光信号の第2部分の時間依存性差分を、実質的に第2直交干渉角において測定することを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further comprises a reflected light signal consisting essentially of only the second orthogonal component obtained from tracing the laser beam across alternating repeating regions of the planar array. Measuring the time dependent difference of the second part substantially at the second orthogonal interference angle.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、反射光信号の第1部分の第1出力を反転することを含む。本方法はさらに、該反転第1出力に対し、反射光信号の第2部分の第2出力を加算することを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further includes inverting the first output of the first portion of the reflected light signal. The method further includes adding a second output of the second portion of the reflected light signal to the inverted first output.

本発明の別の局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、スケールに依存しない、標識無添加の直角位相差干渉による段差検出法がある。本方法は、ディスクを走査するために、入射ウェストw0および波長λを有する結像レーザービームを用いることを含む。ディスクは、標的分析対象に対して特異的な受容体分子を含む、空間的にパターン化された層を持つ。層は、実質的に急峻な層末端を持つ。本方法はさらに、分割光検出器形態を用いて実質的に急峻な層末端を走査することによって、遠視野回折パターンにおける強度変化を検出することを含む。分割光検出器形態は、ディスクに対して垂直な光線によって定義される、一対の直角干渉角度の内の、実質的に少なくとも一方において遠視野回折パターンの出力を与える。 In another aspect of the present invention, there is a step detection method using quadrature phase difference interference without adding a label, which does not depend on a scale, for determining the presence or absence of a target analysis target in a sample. The method includes using an imaging laser beam having an incident waist w 0 and a wavelength λ to scan the disk. The disc has a spatially patterned layer containing receptor molecules specific for the target analyte. The layer has a substantially steep layer end. The method further includes detecting intensity changes in the far-field diffraction pattern by scanning a substantially steep layer end using a split photodetector configuration. The split photodetector configuration provides a far-field diffraction pattern output at substantially at least one of a pair of right angle interference angles defined by rays perpendicular to the disk.

本発明の別の局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、直角位相差干渉法がある。本方法は、反射光信号の実質的に第1直交分のみを受容するための光学要素列に軸揃えされた、第1光検出器の出力を測定することを含む。実質的な第1直交分のみは、反射光信号を実質的に第1直交角において観察することから得られる。反射光信号は、平面アレイに入射する、波長λおよびウェストw0を有する探査レーザービームから得られる。平面アレイは、標的分析対象に対して特異的な1層の受容体分子によって定義される少なくとも一つの台地を持つ。直交角度θqは、平面アレイに対して垂直な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In another aspect of the invention, there is quadrature phase difference interferometry for determining the presence or absence of a target analyte in a sample. The method includes measuring an output of a first photodetector that is axially aligned with an array of optical elements for receiving substantially only the first orthogonal portion of the reflected light signal. Only the substantial first orthogonal component is obtained from observing the reflected light signal substantially at the first orthogonal angle. The reflected light signal is obtained from a probe laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 incident on the planar array. A planar array has at least one plateau defined by a layer of receptor molecules specific for the target analyte. The orthogonal angle θq is calculated from the ray perpendicular to the planar array:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、反射光信号を実質的に第2直交角において観察することから得られる、第2対向直交分のみを実質的に受容するための光学要素列に軸揃えされた、第2光検出器の出力を測定することを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further includes for substantially accepting only the second opposite orthogonal component resulting from observing the reflected light signal substantially at the second orthogonal angle. Measuring the output of the second photodetector, aligned with the optical element array.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、第1および第2光検出器は、反射光信号の遠視野回折パターンをフーリエ面において測定する。   In another modification in one aspect of the invention, the first and second photodetectors measure the far field diffraction pattern of the reflected light signal in the Fourier plane.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本方法はさらに、第1光検出器の出力を反転し、第1光検出器の反転出力を第2光検出器の出力に加算することを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the method further comprises inverting the output of the first photodetector and adding the inverted output of the first photodetector to the output of the second photodetector. .

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、光学要素列は対物レンズを含む。   In another modification in one aspect of the invention, the optical element array includes an objective lens.

本発明のさらに別の局面では、生物サンプル中の標的分析対象の有無を干渉検出するためのキットがある。本キットは、波長λおよびウェストw0を有する結像レーザービームの光源を含む。光源は、レーザービームを基板に対して入射させるように直接または間接に軸揃えされる。基板は、空間的にパターン化されたバイオ層を有する反射面を持つ。バイオ層は、受容体分子の、複数のコーティングを含む。各コーティングは、特定の標的分析対象に結合するように構成される。本キットはさらに、遠視野回折パターンの強度を測定するための分割光検出器を含む。分割光検出器は、一対の直交角度の内の少なくとも一方に実質的に等しい観察角度においてのみ強度を検出するように配置される。直交角度は、基板に対して垂直な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In yet another aspect of the present invention, there is a kit for interference detection of the presence or absence of a target analyte in a biological sample. The kit includes a light source of an imaging laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 . The light source is aligned directly or indirectly so that the laser beam is incident on the substrate. The substrate has a reflective surface with a spatially patterned biolayer. The biolayer includes a plurality of coatings of receptor molecules. Each coating is configured to bind to a specific target analyte. The kit further includes a split photodetector for measuring the intensity of the far field diffraction pattern. The split photodetector is arranged to detect intensity only at an observation angle that is substantially equal to at least one of a pair of orthogonal angles. The orthogonal angle is calculated from the ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、分割光検出器は、直交角度を除いては、遠視野回折パターンの部分をブロックするための開口を含む。   In another modification in one aspect of the invention, the split photodetector includes an aperture for blocking portions of the far-field diffraction pattern except for orthogonal angles.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、反射面は、レーザーミラーとして働く、TiO2/SiO2から成る、10層の誘電積層体を含む。 In another modification in one aspect of the invention, the reflective surface comprises a 10 layer dielectric stack of TiO 2 / SiO 2 that acts as a laser mirror.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、分割光検出器は、四分円光検出器であり、反射面は、四分の一波誘電積層体を含む。   In another modification in one aspect of the invention, the split photodetector is a quadrant photodetector and the reflective surface includes a quarter wave dielectric stack.

本発明のさらに別の局面では、平面アレイにおける標的分析対象の有無を検出する、位相差直交干渉検出のための装置がある。本装置は、探査ビームを発生するためのレーザー光源を含む。本装置はまた、平面アレイを受容するためのプラットフォームを含む。本装置はさらに、プラットフォームに対し探査ビームを実質的に垂直に向けるための第1光学要素列を含む。本装置はまた、第1側面と第2側面、および焦点距離を有する対物レンズを含む。対物レンズは、レンズの第1面において、プラットフォームから、焦点距離にほぼ等しい第1距離だけ隔てられる。本装置はさらに、探査ビームの反射によって得られる第1直交分および第2直交分を測定するための分割光検出器手段を含む。   In yet another aspect of the invention, there is an apparatus for phase difference quadrature interference detection that detects the presence or absence of a target analyte in a planar array. The apparatus includes a laser light source for generating a probe beam. The apparatus also includes a platform for receiving the planar array. The apparatus further includes a first optical element array for directing the probe beam substantially perpendicular to the platform. The apparatus also includes an objective lens having a first side and a second side and a focal length. The objective lens is separated from the platform on a first surface of the lens by a first distance approximately equal to the focal length. The apparatus further includes split photodetector means for measuring the first and second orthogonal components obtained by reflection of the probe beam.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、平面アレイはディスクである。本装置はさらに、プラットフォームに付着される、ディスクを回転するための回転器を含む。   In another modification in one aspect of the invention, the planar array is a disk. The apparatus further includes a rotator for rotating the disk attached to the platform.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、測定用の分割光検出手段は、信号における第1直交分用として第1出力を、信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される、直交光検出器である。   In another modification in one aspect of the present invention, the measurement split light detection means generates a first output for the first orthogonal component in the signal and a second output for the second orthogonal component in the signal. Arranged is a quadrature photodetector.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本装置はさらに、第1出力および第2出力の内の一方に付着される反転回路、および、反転回路と、第1出力と第2出力の内の他方とに付着される加算回路、を含む。   In another modification of one aspect of the invention, the apparatus further includes an inverting circuit attached to one of the first output and the second output, and the inverting circuit, the first output, and the second output. And an adder circuit attached to the other.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、測定用の分割光検出手段は、信号における第1直交分用として第1出力を生成するように配置される第1光検出器、および、信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される第2直交光検出器、である。   In another modification in one aspect of the invention, the split light detection means for measurement is a first photodetector arranged to generate a first output for the first orthogonal component in the signal, and in the signal A second orthogonal photodetector arranged to generate a second output for the second orthogonal component.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、測定用の分割光検出手段は、信号における第1直交分用として第1出力、および信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される、分割リング光検出器である。   In another modification in one aspect of the present invention, the measurement split light detection means generates a first output for the first orthogonal component in the signal and a second output for the second orthogonal component in the signal. It is a split ring photodetector arranged.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、測定手段は、対物レンズの第2側面から、焦点距離にほぼ等しい第2距離だけ隔てられる。   In another modification in one aspect of the invention, the measuring means is separated from the second side of the objective lens by a second distance approximately equal to the focal length.

本発明のさらに別の局面では、サンプルにおける標的分析対象の有無を直交位相差検出するためのシステムがあり、該サンプルは、空間的にパターン化された認識分子の複数のコーティングを含む反射面を有するディスクに暴露され、該認識分子の少なくとも一つは、標的分析対象に対して特異的である。本装置は、ディスクを受容するためのプラットフォーム、およびディスクを回転するための回転器を含む。本装置はまた、波長λの結像レーザービームのための光源を含む。光源は、レーザーが、ディスクに対し、ウェストw0をもって入射させるように直接または間接に軸揃えされる。本装置はさらに、空間的にパターン化された認識分子の複数のコーティングを横切って、レーザービームをトレースするための手段を含む。本装置はまた、実質的に、一対の遠視野回折パターンの直交干渉角度θq において強度を測定するための分割光検出器を含む。遠視野回折パターンは、レーザービームを平面アレイの上を横切ってトレースすることによって得られる。直交干渉角度θqは下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される。
In yet another aspect of the invention, there is a system for quadrature phase difference detection of the presence or absence of a target analyte in a sample, the sample comprising a reflective surface comprising a plurality of spatially patterned recognition molecule coatings. And at least one of the recognition molecules is specific for the target analyte. The apparatus includes a platform for receiving a disk and a rotator for rotating the disk. The apparatus also includes a light source for the imaging laser beam of wavelength λ. The light source is aligned directly or indirectly so that the laser is incident on the disk with a waist w 0 . The apparatus further includes means for tracing the laser beam across a plurality of coatings of spatially patterned recognition molecules. The apparatus also includes a split photodetector for measuring the intensity substantially at the orthogonal interference angle θ q of the pair of far field diffraction patterns. A far field diffraction pattern is obtained by tracing the laser beam across a planar array. The orthogonal interference angle θq is expressed by the following equation:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Defined by

本発明の一局面における一つの改変では、本システムはさらに、プラットフォーム上のディスクと、強度を測定するための分割光検出手段との間に配置される対物レンズを含む。   In one modification in one aspect of the invention, the system further includes an objective lens disposed between the disk on the platform and the split light detection means for measuring the intensity.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、強度を測定するための分割光検出手段は、一対の直交干渉角度θqの内の一方における強度に対応する第1出力、および、一対の直交干渉角度θqの他方における強度に対応する第2出力を有する。   In another modification in one aspect of the present invention, the split light detection means for measuring the intensity includes a first output corresponding to the intensity at one of the pair of orthogonal interference angles θq, and the pair of orthogonal interference angles. It has a second output corresponding to the intensity at the other of θq.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、本システムはさらに、第1出力および第2出力の内の一方に付着される反転回路、および、反転回路と、第1出力および第2出力の内の他方とに付着される加算回路、を含む。   In another modification in one aspect of the invention, the system further includes an inverting circuit attached to one of the first output and the second output, and the inverting circuit and the first output and the second output. And an adder circuit attached to the other.

本発明の一局面におけるもう一つの改変では、測定用分割光検出手段は、四分円光検出器である。   In another modification in one aspect of the present invention, the divided light detection means for measurement is a quadrant light detector.

〔関連出願〕
本出願は、2005年2月1日出願、名称「回転ディスク干渉計測および免疫学的アッセイのための直角位相差(“Phase-Contrast Quadrature For Spinning Disk Interferometery And Immunological Assay”)」なる米国特許仮出願第60/649,070号に対する優先権を主張する。本出願はまた、2005年12月30日出願、名称「位相差バイオCD:サブピコグラム検出レベルで行われる高速免疫アッセイ(“Phase-Contrast BioCD: High-Speed Immunoassays at Sub-Picogram Detection Levels”)」なる米国特許仮出願第60/755,177号に対する優先権も主張する。
[Related applications]
This application is a US patent provisional application filed on February 1, 2005, entitled “Phase-Contrast Quadrature For Spinning Disk Interferometery And Immunological Assay”. Claim priority to 60 / 649,070. This application is also filed December 30, 2005, entitled “Phase-Contrast BioCD: High-Speed Immunoassays at Sub-Picogram Detection Levels”. We also claim priority to US Provisional Patent Application No. 60 / 755,177.

本出願は、2003年12月3日出願の米国特許出願第10/726,772号の外に、米国特許第6,685,885号となった、その親出願にも関連する。本出願はまた、名称「レーザー走査干渉計アッセイ(“Laser Scanning Interferometric Assays”)」なる米国特許仮出願第60/649,071号、[および、本出願と同じ日に出願され、本仮出願に対する優先権を主張する、名称「レーザー走査干渉計による表面計測(“Laser Scanning Interferometric Surface Metrology”)」なる米国特許出願第??/???,???]、名称「多重化レーザー走査干渉計測バイオチップおよびバイオディスク(“Multiplexed Laser-Scanning Interferometric Biochips and Biodisks”)」なる米国特許仮出願第60/649,043号、[および、本出願と同じ日に出願され、本仮出願に対する優先権を主張する、名称「多重化生物学分析器平面アレイ装置および方法(“Multiplexed Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods”)」なる米国特許出願第??/???,???]、および、名称「分子認識のために搬送波側波帯光学アッセイを実行するための方法(“Method for Conducting Carrier-Wave Side-Band Optical Assays for Molecular Recognition”)」なる米国特許仮出願第60/648,724号、[および、本出願と同じ日に出願され、本仮出願に対する優先権を主張する、名称「差動符号化生物学分析器平面アレイ装置および方法(“Differentially Encoded Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods”)」なる米国特許出願第??/???,???]にも関連する。なお、上記3通の米国特許仮出願は全て2005年2月1日に出願された。   This application is related to its parent application which became US Pat. No. 6,685,885 in addition to US patent application Ser. No. 10 / 726,772 filed Dec. 3, 2003. This application is also filed with US Patent Provisional Application No. 60 / 649,071, entitled “Laser Scanning Interferometric Assays”, [and filed on the same date as this application, and priority to this provisional application. US Patent Application No.? / ???, ???] entitled “Laser Scanning Interferometric Surface Metrology”, entitled “Multiplexed Laser Scanning Interferometric Biochip” U.S. Provisional Application No. 60 / 649,043, entitled “Multiplexed Laser-Scanning Interferometric Biochips and Biodisks”, [and the name filed on the same date as this application and claims priority to this provisional application. US Patent Application No.? / ???, ???] entitled “Multiplexed Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods” and the name “For Molecular Recognition” To carrier sideband light US Provisional Application No. 60 / 648,724, entitled “Method for Conducting Carrier-Wave Side-Band Optical Assays for Molecular Recognition”, [and filed on the same date as this application, US Patent Application No.? / ???, entitled "Differentially Encoded Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods", claiming priority over the provisional application. Also related to ???]. The above three US patent provisional applications were all filed on February 1, 2005.

背景技術セクションで記載したものとは別の新たな対処法が、現在開発中であり、または既に開発されたものもある。ある別の対処法は、生物学的CD走査用のCDプレイヤーを含む、生物学的、光学的コンパクトディスク(「バイオ光学CD」または「バイオCD」)を利用する。このシステムは、生物サンプルにおける特定分析対象の存在を感受するのに、干渉計検出技術の利用を可能とする。後述するように、このようなバイオCDデバイスは、実質的に直交条件で動作する干渉計検出システムと共に使用されるのが好ましい。   New workarounds different from those described in the background section are currently being developed or have already been developed. One other approach utilizes a biological, optical compact disc ("Bio-Optical CD" or "Bio-CD") that includes a CD player for biological CD scanning. This system allows the use of interferometric detection techniques to sense the presence of a particular analyte in a biological sample. As will be described below, such a bio-CD device is preferably used with an interferometer detection system operating in substantially orthogonal conditions.

プロテオミクス [E.F. Petricoin, K.C. Zoon, E.C. Kohn, J.C. Barrett, and L. A. Lotta, 「臨床プロテオミクス:実験室の約束をベッドサイドの現実に移し変える(“Clinical proteomics: Translating benchside promise into bedside reality”)」、Nature Reviews Drug Discovery, vol. 1, pp.683-695, 2002を参照]、およびタンパク同士の相互作用ネットワークの増大する複雑性[P. Bork, L.J. Jensen, C. von Mering, A.K. Ramani, I. Lee, and E.M. Marmotte, 「タンパク相互作用ネットワーク、酵母からヒトまで(“Protein interaction network from yeast to human”)」、Current Opinion In Structural Biology, vol. 14, pp. 292-299, 2004; S.-H. Yook, Z.N. Oltvai, and A.-L. Barabasi, 「タンパク相互作用ネットワークの機能的および位相幾何学的解明(“Functional and topological characterization of protein interaction networks”)」、Proteomics, vol. 4, pp. 828-942, 2004を参照]は、多数の分析対象分子の認識について高速な試験を可能とするバイオチップに対する需要を生み出している。重要な例は、発現試験用タンパクマイクロアレイである[P.F. Predki, 「機能的タンパクマイクロアレイ:発見の機熟す(“Functional protein microarrays: ripe for discovery”)」、Current Opinion In Chemical Biology, vol. 8, pp.8-13, 2004; B. Schweitzer, P. Predki, and M. Snyder, 「全プロテオームスケールでタンパク相互作用の特徴を解明するマイクロアレイ(“Microarrays to characterize protein interactions on a whole-proteome scale”)」、Proteomics, vol. 3, pp.2190-2199, 2003を参照]、および、診断医学用の抗体チップである[S.R. Lal, R.I. Christopherson, and C.G. dos Remedios, 「抗体アレイ:発生したばかりであるが急激に成長する技術(“Antibody arrays: an embryonic but rapidly growing technology”)」、Drug Discovery Today, vol. 7, pp. S143-S149, 2002; Y.P. Ding, L.Y. Chen, W. Zhang, H.J. Cao, S.M. Ni, M.F. Zhou, H. Liang, Z.C. Ling, Y.Y. Geng, and S.Q. Wang, 「マイクロアレイによる血清中の複数抗体の同時検出に関する研究(“Studies on simultaneously detecting multiple antibodies in the serum using microarray”)」、Progress in Biochemistry and Biophysics, vol. 29, pp. 640-644, 2002; W. Kusnezow and J.D. Hoheisel, 「抗体マイクロアレイ:有望点と問題点(“Antibody Microarrays: Promises and Problems”)」、Biotechniques, vol. 33, pp. S14-S23, 2002を参照]。干渉計測法は、通例の蛍光検出よりも高いフォトンフラックスを生ずるという利点を持つので、より短い検出時間および/または高い信号対雑音比を可能とする。   Proteomics [EF Petricoin, KC Zoon, EC Kohn, JC Barrett, and LA Lotta, “Clinical proteomics: Translating benchside promise into bedside reality”, Nature Reviews Drug Discovery, vol. 1, pp. 683-695, 2002], and increasing complexity of protein-protein interaction networks [P. Bork, LJ Jensen, C. von Mering, AK Ramani, I. Lee , and EM Marmotte, “Protein interaction network from yeast to human”, Current Opinion In Structural Biology, vol. 14, pp. 292-299, 2004; S.-H Yook, ZN Oltvai, and A.-L. Barabasi, “Functional and topological characterization of protein interaction networks”, Proteomics, vol. 4, pp. 828-942, 2004], a number of analyzes It has created demand for bio-chip to enable high-speed test for recognition of elephants molecule. An important example is a protein microarray for expression testing [PF Predki, “Functional protein microarrays: ripe for discovery”, Current Opinion In Chemical Biology, vol. 8, pp .8-13, 2004; B. Schweitzer, P. Predki, and M. Snyder, “Microarrays to characterize protein interactions on a whole-proteome scale” , Proteomics, vol. 3, pp.2190-2199, 2003], and antibody chips for diagnostic medicine [SR Lal, RI Christopherson, and CG dos Remedios, “Antibody array: just emerging” "Antibody arrays: an embryonic but rapidly growing technology" ", Drug Discovery Today, vol. 7, pp. S143-S149, 2002; YP Ding, LY Chen, W. Zhang, HJ Cao, SM Ni, MF Zhou, H. Liang, ZC Ling, YY Geng, and SQ Wang, "Studies on simultaneously detecting multiple antibodies in the serum using microarray" ", Progress in Biochemistry and Biophysics, vol. 29, pp. 640-644, 2002; W. Kusnezow and JD Hoheisel, “Antibody Microarrays: Promises and Problems”, Biotechniques, vol. 33, pp. S14-S23, 2002]. Interferometry has the advantage of producing a higher photon flux than conventional fluorescence detection, thus allowing shorter detection times and / or higher signal to noise ratios.

本発明人達の1名以上が、高速で動作し、かつ、自己参照的である高感度回転ディスク干渉計として生物学的コンパクトディスクを導入した[M.M. Varma, H.D. Inerowicz, F.E. Regnier, and D.D. Nolte, 「回転ディスク微小干渉計側による高速無標識検出(“High-speed label free detection by spinning-disk micro-interferometery”)」、Biosensors & Bioelectronics, vol. 19, pp. 1371-1376, 2004を参照]。機械的に回転するディスクにおいて安定な干渉計測を実施するには自己参照法が好ましい。光路長に対して高感度とするために、信号ビームと参照ビームの間の相対的位相を実質的に直角(π/2位相差)に、できれば機械的振動または動きに無関係に、ロックする。本発明人達の1名以上が、以前に、バイオCDについて2クラスの直交干渉計検出を定義した。微小回折クラス(「MD-クラス」[M.M. Varma, D.D. Nolte, H.D. Inerowicz, and F.E. Regnier, 「抗原抗体認識に関する、回転ディスク自己参照干渉計測(“Spinning-disk self-referencing interferometry of antigen-antibody recognition”)」、Optics Letters, vol. 29, pp. 950-952, 2004を参照、また、Nolte等に交付された米国特許第6,685,885号も参照]、および、適応的光学クラス(「AO-クラス」)[2003年12月3日出願、名称「適応的干渉計測による複数分析対象高速バイオセンサー(“Adaptive Interferometric Multi-Analyte High-Speed Biosensor”)」なる米国特許出願第10/726,772号を参照、なお、この特許文書の全体を引用することにより本明細書に含める]である。   One or more of the inventors have introduced a biological compact disc as a highly sensitive rotating disc interferometer that operates at high speed and is self-referencing [MM Varma, HD Inerowicz, FE Regnier, and DD Nolte, See "High-speed label free detection by spinning-disk micro-interferometery", Biosensors & Bioelectronics, vol. 19, pp. 1371-1376, 2004]. The self-referencing method is preferable for performing stable interference measurement on a mechanically rotating disk. In order to be highly sensitive to the optical path length, the relative phase between the signal beam and the reference beam is locked at substantially a right angle (π / 2 phase difference), preferably regardless of mechanical vibration or motion. One or more of the inventors previously defined two classes of orthogonal interferometer detection for bio-CDs. Micro-Diffraction Class (“MD-Class” [MM Varma, DD Nolte, HD Inerowicz, and FE Regnier, “Spinning-disk self-referencing interferometry of antigen-antibody recognition” ””, Optics Letters, vol. 29, pp. 950-952, 2004, see also US Pat. No. 6,685,885 issued to Nolte et al.], And adaptive optics class (“AO-class”) [See US Patent Application No. 10 / 726,772, filed December 3, 2003, entitled “Adaptive Interferometric Multi-Analyte High-Speed Biosensor”), This patent document is hereby incorporated by reference in its entirety.

MD-クラスバイオCDは、ディスクの上に製造される微小構造を用いて直角位相にロックされる。この微小構造は、結像レーザービームを、固定された相対的位相を添えて遠視野に回折する。一つの実施態様では、λ/8の高さを持つ、好ましくは1枚のディスクに対し1024個の金スポークが、反射面に蒸着され、かつ、バイオ分子は、金スポークか、平地のいずれかに不動化される。位相差は、局所の微小構造の高低差によって設定されるので、それは、機械的動きまたは振動に影響されない。不動化バイオ分子は、遠視野の振幅変調に変換されると、相対的位相を変える。   MD-class bio-CDs are locked in quadrature using a microstructure fabricated on the disc. This microstructure diffracts the imaging laser beam into the far field with a fixed relative phase. In one embodiment, preferably 1024 gold spokes are deposited on the reflective surface with a height of λ / 8, preferably for one disc, and the biomolecules are either gold spokes or flat ground. Immobilized. Since the phase difference is set by the local microstructure elevation, it is not affected by mechanical movement or vibration. Immobilized biomolecules change the relative phase when converted to far-field amplitude modulation.

AOクラスは、自己適応的非直線性光学ミキシングによって、好ましくは光屈折性量子ウェルにおいて直角位相に固定される[D.D. Nolte, 「半絶縁性半導体ヘテロ構造:光電子特性および用途(“Semi-insulating semiconductor heterostructures: Optoelectronic properties and applications”)」、J. Appl. Phys., vol. 85, pp.6259, 1999; D.D. Nolte and M.R. Melloch, 「光屈折性量子ウェルおよび薄層(“Photorefractive Quantum Wells and Thin Films,”)、Photorefractive Effects and Materials、D.D. Nolte, Ed. Dordrecht: Kluver Academic Publishers, 1995参照」。直角位相は、信号と参照の間の位相を適応的に追跡する[D.D. Nolte, T. Cubel, L.J. Pyrak-Nolte, and M.R. Melloch, 「光屈折性量子ウェルによる適応的ビーム結合および干渉計測(“Adaptive Beam Combining and Interferometry using Photorefractive Quantum Wells”)」、J. Opt. Soc. Am. B, vol. 18, pp.192-205, 2001を参照]。一つの実施態様では、パターン化タンパク構造は、光屈折性量子ウェル(PRQW)デバイスに送られ、2波ミキシングによって参照局所発振ビームと混合される探査ビームの光学位相を変調する。この2波ミキシングは、kHzよりも高い補償率で直交条件を維持するために機械的撹乱を自己補償する。回転ディスクに対してタンパク構造によってもたらされる位相変調は、補償率よりも高い周波数を持ち、光検出器によって読み取られる。   The AO class is fixed in quadrature, preferably in a photorefractive quantum well, by self-adaptive nonlinear optical mixing [DD Nolte, “Semi-insulating semiconductor heterostructures: optoelectronic properties and applications (“ Semi-insulating semiconductor heterostructures: Optoelectronic properties and applications ”), J. Appl. Phys., vol. 85, pp. 6259, 1999; DD Nolte and MR Melloch,“ Photorefractive Quantum Wells and Thin Films , ”), Photorefractive Effects and Materials, DD Nolte, Ed. Dordrecht: Kluver Academic Publishers, 1995”. Quadrature phase adaptively tracks the phase between the signal and reference [DD Nolte, T. Cubel, LJ Pyrak-Nolte, and MR Melloch, “Adaptive beam combining and interferometry with photorefractive quantum wells (“ Adaptive Beam Combining and Interferometry using Photorefractive Quantum Wells ”)”, J. Opt. Soc. Am. B, vol. 18, pp.192-205, 2001]. In one embodiment, the patterned protein structure is sent to a photorefractive quantum well (PRQW) device and modulates the optical phase of the probe beam that is mixed with the reference local oscillator beam by two-wave mixing. This two-wave mixing self-compensates for mechanical disturbances to maintain the orthogonal condition with a compensation rate higher than kHz. The phase modulation caused by the protein structure on the rotating disk has a frequency higher than the compensation rate and is read by the photodetector.

これらのバイオCD直交クラスは、近視野および遠視野間の複雑性に関してバランスを図る。MDクラスのバイオCDは、ディスクの上により複雑な微小構造を要求するように見えるが、一方、AOクラスのディスクは、非直線性光学ミキシングのためにホログラフィーフィルムを要求する。本発明は、位相差画像法と近似する新規直交クラスを導入する。このため、本発明の各種実施態様は、本明細書では、しばしば「位相差クラス(「PCクラス」)」と呼ばれる。   These bio-CD orthogonal classes balance the complexity between near and far fields. MD class bio CDs appear to require more complex microstructures on the disk, whereas AO class disks require holographic film for non-linear optical mixing. The present invention introduces a new orthogonal class that approximates the phase contrast imaging method. For this reason, various embodiments of the present invention are often referred to herein as "phase difference classes (" PC classes ").

PCクラスの各種実施態様を説明する前に、本発明の干渉計検出システム(単数又は複数)において意図される直交の意味をさらに説明する。ある特異的応用では、直交とは、共通の光学的「モード」が、位相において約N*π/2(Nは奇数)異なる、少なくとも二つの「散乱」モードに分割される場合に干渉計システムに起こると限定的に考えることが可能である。しかしながら、本発明(および、以前に言及した発行済み特許および/または、Nolte等の係属中出願)で用いる場合、干渉計システムは、少なくとも一つのモードが標的分子と「相互作用」を持ち、他のモードの内の少なくとも一つが相互作用を持たず、これらのモードが、位相において、約N*π/2(Nは奇数)異なる時、直角位相にあるとする。この直角位相の定義は、「他のモード(単数又は複数)」が別の分子と相互作用を持つ、干渉計システムにも適用が可能である。この干渉計システムは、位相差がπ/2(または、N*π/2で、Nは奇数)、プラス・マイナス約20%である場合、実質的に直交条件にあると見なされる。   Before describing the various embodiments of the PC class, the intended orthogonal meaning in the interferometer detection system (s) of the present invention will be further described. In one specific application, orthogonal is an interferometer system where a common optical “mode” is divided into at least two “scattering” modes that differ by about N * π / 2 (where N is an odd number) in phase. It is possible to think in a limited way that happens. However, as used in the present invention (and previously mentioned issued patents and / or pending applications such as Nolte et al.), The interferometer system has at least one mode of “interacting” with the target molecule and others Suppose that at least one of the modes has no interaction and these modes are in quadrature when they differ in phase by approximately N * π / 2 (where N is an odd number). This quadrature definition can also be applied to interferometer systems where “other mode (s)” interact with another molecule. This interferometer system is considered to be substantially in an orthogonal condition if the phase difference is π / 2 (or N * π / 2, where N is an odd number) plus or minus about 20%.

さらに、PC-クラスの各種実施態様を記述する前に、本発明の直交干渉計検出における「末端」または「末端検出」の意図される意味をさらに説明する。下記の一つ以上の実施態様の説明の様々な部分が、光を回折する末端に言及するであろう。当業者であれば、本明細書に開示される全ての実施態様において、光を回折する段差、または末端についての記述は、実際には、光回折が、全光学的波面に渡って積分されるという事実を指すことが理解されるであろう。厳密に言うと、光を回折するのは単に末端だけではない。遠視野に回折され、検出されるのは、ビーム全体について積分される不連続性、つまり段差である。異なる高さを持つ段差の不連続性は、波の左と右に異なる条件を課す。回折として検出されるのは、この積分された差異であり、単に段差または末端ではない。さらに、本出願に関して言えば、「末端」または「末端検出」という用語は、一般に、本出願に開示される差動検出技術を網羅することが意図される。すなわち、表面高の傾斜、つまり導関数を検出する直交干渉計検出である。信号は、dh(x)/dxに比例する。この用語の比較的一般的用法は、不連続段差の特殊な場合にのみ、何かが「末端検出」過程となることを示すと思われるが、本明細書で用いる用語は、このパラグラフに記述されたように、段差を横切る「傾斜検出」も含むように、より広く定義されることが意図される。   Furthermore, before describing the various embodiments of the PC-class, the intended meaning of “end” or “end detection” in orthogonal interferometer detection of the present invention will be further described. Various portions of the description of one or more embodiments below will refer to the end that diffracts light. For those skilled in the art, in all embodiments disclosed herein, a description of a step or end that diffracts light is actually integrated over the entire optical wavefront. It will be understood that it refers to the fact that Strictly speaking, it is not just the ends that diffract light. What is diffracted and detected in the far field is a discontinuity or step that is integrated over the entire beam. Step discontinuities with different heights impose different conditions on the left and right of the wave. It is this integrated difference that is detected as diffraction, not simply a step or end. Furthermore, in the context of this application, the term “end” or “end detection” is generally intended to cover the differential detection techniques disclosed in this application. That is, the detection of an orthogonal interferometer that detects the slope of the surface height, ie, the derivative. The signal is proportional to dh (x) / dx. Although the relatively common usage of this term appears to indicate that something is an “end-detection” process only in the special case of a discontinuous step, the term used herein is described in this paragraph. As was done, it is intended to be more broadly defined to include “tilt detection” across a step.

本発明は一般に、回転ディスク免疫アッセイ(バイオCD)の、改良された製造および読み取りに関する。一つの実施態様では、ディスクのために、直交位相差干渉計測条件が実現されることが好ましい。システムは、最大100%の光検出効率を持つのが好ましい。システムはまた、レーザー強度ドリフトの自働補償を有することが好ましい。   The present invention relates generally to improved manufacture and reading of a rotating disk immunoassay (BioCD). In one embodiment, the quadrature phase difference interference measurement condition is preferably realized for the disc. The system preferably has a light detection efficiency of up to 100%. The system also preferably has automatic compensation for laser intensity drift.

本発明の各種実施態様は一般に、信号波と参照波の間の直交条件を用いて、材料における空間的光学位相変動を、時間依存性強度に変換するための方法に関する。その際、直交条件は、指標変動からの回折によって定められる。光学位相変動は、基板材料に対する、内因性の屈折率変動であってもよく、または、基板に加えられた材料、例えば、不動化タンパクまたは核酸から生じるものであってもよい。位相変調を検出するために、位相マスクか、振幅マスクか、または位相および振幅の両マスクから構成される、フーリエフィルタリングが用いられる。マスクは、フーリエ平面または斜面の中心に置かれる。この信号は、全体または一部が、検出口を持つ光検出器によって、または、対向直交分からの寄与を合計する分割検出器構成によって検出される。時間依存性は、材料に対する探査レーザースポットの、またはその逆の、相対的動きによって生ずる。   Various embodiments of the present invention generally relate to a method for converting spatial optical phase variation in a material to a time-dependent intensity using an orthogonal condition between a signal wave and a reference wave. In this case, the orthogonal condition is determined by diffraction from the index variation. The optical phase variation may be an intrinsic refractive index variation relative to the substrate material or may result from a material added to the substrate, such as immobilized proteins or nucleic acids. To detect phase modulation, Fourier filtering is used, consisting of a phase mask, an amplitude mask, or both a phase and amplitude mask. The mask is placed in the center of the Fourier plane or slope. This signal is detected in whole or in part by a photodetector with a detection aperture or by a split detector configuration that sums the contributions from the opposing orthogonal components. Time dependence is caused by the relative movement of the probe laser spot relative to the material, or vice versa.

後述するように、本発明の一つ以上の実施態様は、1個以上のレンズを用いる光学的要素列を含む。レンズを用いる光学システムにはどんなものでも、特別面が定義される。そのようなものとして、対物面(対象物が安置される面)、レンズ面(レンズが安置される面)、および、結像面(結像が安置する面)、および検出面(光が検出される面)が挙げられる。複数のレンズがある場合、複数の結像面が生じることがある。対物面が、レンズ面から1焦点距離離れる特殊な光学システムでは、フーリエ面は、レンズから、対物面と反対側に1焦点距離の場所に定義される。開口およびマスクは、フーリエ面、または結像面、またはレンズ面(レンズの直前または直後)、または検出面に置かれてもよい。これらの開口およびマスクは、透過光の量(振幅マスク)、または光の位相(位相マスク)を調節することが可能である。異なる面におけるマスクの目的は、検出器において最強の構成的干渉、従って、信号を創出することである。単一の検出器、または検出器アレイによって検出される強度を調節するための、可能なマスクパターンおよび位置の選択については、多様に変動する一組のパラメータが、本発明の範囲内にあるものとして考えられる。このようにして、マスクと場所を適切に選択することによって信号は最適化され、最大化される。   As described below, one or more embodiments of the present invention include an optical element array using one or more lenses. A special surface is defined for any optical system that uses a lens. As such, the objective surface (the surface on which the object is placed), the lens surface (the surface on which the lens is placed), the imaging surface (the surface on which imaging is placed), and the detection surface (light is detected) Surface). When there are a plurality of lenses, a plurality of imaging planes may be generated. In special optical systems where the object plane is one focal distance away from the lens surface, the Fourier plane is defined at a focal distance from the lens opposite the object plane. The aperture and mask may be placed on the Fourier plane, the imaging plane, the lens plane (immediately before or after the lens), or the detection plane. These openings and masks can adjust the amount of transmitted light (amplitude mask) or the phase of light (phase mask). The purpose of the mask in the different planes is to create the strongest constructive interference and thus a signal at the detector. For the selection of possible mask patterns and positions for adjusting the intensity detected by a single detector or detector array, a varied set of parameters is within the scope of the present invention. Is considered. In this way, the signal is optimized and maximized by proper selection of mask and location.

二つの直交角度において反射光信号の、少なくとも一つの、恐らくは両方の(対向)直交条件の反射光信号(遠視野回折パターンを含むが、それに限定されない)の強度を測定するためには、多種多様な分割検出器構成およびその他の手段が可能であることが理解されなければならない。測定のための、このような分割検出器構成または手段は、本発明の範囲内にあるものと見なされる。一つの実施態様では、分割検出器構成は、分割リング光検出器であってもよい。下記にさらに詳述するように、一つの実施態様では、分割光検出器が、反転および加算回路と組み合わせて用いられる。別態様として、それぞれが、対向直交分の信号を受容するように配置された、二つの、別々の光検出器が用いられる。本明細書に記載される上記およびその他の改変種では、強度を測定するための手段は、開口、各種位相および/または振幅マスク、および当業者には既知のその他の成分を含む、それよりも大きな光学要素列の一部であってもよいことが理解されなければならない。もう一つの可能な改変は、単一の光検出器を用いる。その際、信号は、光検出器の少なくとも一部を遮蔽する、開口および/またはナイフエッジに遭遇し、そのため、光検出器は、実質的に単一直交分しか含まない信号を受容する。分割検出器構成はまた、直交光検出器であってもよい。当業者には既知の他の改変種も本発明の範囲内にあるものと見なされる。例えば、分割検出器または直交検出器は、多数の検出器要素を有する、極めて大きく成長することが可能な検出器アレイの、具体例に過ぎないことに注意しなければならない。   In order to measure the intensity of the reflected light signal (including but not limited to far-field diffraction patterns) of the reflected light signal at two orthogonal angles, at least one, perhaps both (opposing) orthogonal conditions It should be understood that various split detector configurations and other means are possible. Such split detector configurations or means for measurement are considered to be within the scope of the present invention. In one embodiment, the split detector configuration may be a split ring photodetector. As described in further detail below, in one embodiment, a split photodetector is used in combination with an inverting and adding circuit. Alternatively, two separate photodetectors are used, each arranged to receive opposite quadrature signals. In the above and other variations described herein, the means for measuring the intensity includes apertures, various phase and / or amplitude masks, and other components known to those skilled in the art, It should be understood that it may be part of a large optical element array. Another possible modification uses a single photodetector. In doing so, the signal encounters an aperture and / or knife edge that shields at least a portion of the photodetector, so that the photodetector accepts a signal that includes substantially only a single orthogonal component. The split detector configuration may also be a quadrature photodetector. Other variants known to those skilled in the art are also considered to be within the scope of the present invention. For example, it should be noted that a split detector or quadrature detector is only an example of a detector array that has a large number of detector elements and can grow very large.

本発明の少なくともいくつかの実施態様では、光学システムにおける位相マスクの役割は、差動電子出力を持つ分割光検出器によって置換される。このような実施態様の導入は、近視野および遠視野の両方において少なくとも部分的に有利と考えられる。近視野では(MDクラスに比べて)、ディスクの微細構造化が要求されないことが好ましい。遠視野では(AOクラスに比べて)、より複雑ではない検出が使用されることが好ましい。対処法はやはり、自己参照的(機械的運動に対して少なくともある程度の安定性を与える)であることが好ましい。さらに、本発明の各種実施態様は、段差回折によって、例えば、ディスクにおける不動化タンパクパターンを空間的に変動させることによって、直角位相にロックされる。   In at least some embodiments of the invention, the role of the phase mask in the optical system is replaced by a split photodetector with a differential electronic output. The introduction of such an embodiment is believed to be at least partially advantageous in both near and far field. In the near field (compared to the MD class), it is preferable that no fine structure of the disc is required. In the far field (compared to the AO class), less complex detection is preferably used. The coping method is still preferably self-referential (providing at least some stability against mechanical motion). Furthermore, various embodiments of the present invention are locked in quadrature by step diffraction, for example, by spatially varying the immobilized protein pattern on the disk.

以下図1−4を参照しながら、段差回折直角位相に関連する、本発明の一つ以上の実施態様の局面のいくつかを説明する。図1は、段差回折および直交角度を利用する、本発明の少なくともいくつかの実施態様の一局面を示す。   With reference to FIGS. 1-4, some of the aspects of one or more embodiments of the present invention relating to step diffraction quadrature will now be described. FIG. 1 illustrates one aspect of at least some embodiments of the present invention that utilizes step diffraction and orthogonal angles.

図1を参照すると、本発明の一つの実施態様において、基板200は複数の平地215および台地225を含み、平地215と台地225との境界部には末端205を有することが好ましい。光線210は平地215に入射し、光線220は台地225に入射する。台地225は、底面226と頂上面228の間の厚みの外に、1層の受容体分子250の付け加えられた厚みを含む、台地225によって定義される高さh(図1の参照番号230)を持つ。高さの微分δhは、標的分子260の付け加えられた厚みによって引き起こされたものである(標的分析対象/分子は、タンパクを含むが、ただしそれに限定されない)。他の実施態様、例えば、受容体分子250が、反射基板200の平地215、または、反射基板200の台地225に直接結合されるのではなく、ある中間層に結合される実施態様は、本発明の範囲内にあると見なされることを理解しなければならない。   Referring to FIG. 1, in one embodiment of the present invention, the substrate 200 includes a plurality of flat 215 and a plateau 225, and preferably has a terminal end 205 at the boundary between the flat 215 and the plateau 225. Light ray 210 is incident on flat ground 215 and light ray 220 is incident on plateau 225. Plateau 225 includes a height h defined by plateau 225 (reference number 230 in FIG. 1) that includes the added thickness of a single layer of receptor molecule 250 in addition to the thickness between bottom surface 226 and top surface 228. have. The height derivative δh is caused by the added thickness of the target molecule 260 (target analyte / molecule includes but is not limited to protein). Other embodiments, such as embodiments in which the acceptor molecule 250 is bound to one intermediate layer rather than directly to the flat 215 of the reflective substrate 200 or the plateau 225 of the reflective substrate 200, are described in the present invention. Must be understood to be considered within the scope of

図1に示すように、末端205は光を回折し、段差の一側に入射する光線210と、段差の他側に入射する光線220の間に直交条件を確立する。例えば、高さ230(下記の方程式では高さhと呼ばれる)において不動化されるタンパクまたは他の標的分析対象において、直交角度θqは、波長λおよびビーム幅w0を持つ入射レーザービームに対し、下式:
0.5*w0*sinθq + 2h = λ/4
によって与えられる。従って、下式の通りである。
θq = arcsin[(λ/2 - 4h)/wo]
As shown in FIG. 1, the end 205 diffracts light and establishes an orthogonal condition between a light beam 210 incident on one side of the step and a light beam 220 incident on the other side of the step. For example, in a protein or other target analyte immobilized at height 230 (referred to as height h in the equations below), the orthogonal angle θq is for an incident laser beam with wavelength λ and beam width w 0 The following formula:
0.5 * w 0 * sinθ q + 2h = λ / 4
Given by. Therefore, it is as the following formula.
θ q = arcsin [(λ / 2-4h) / w o ]

直交角度θqにおいて、台地からの反射光222と、平地からの反射光212は、π/2の、すなわち直角位相の相対的位相差を持つ。遠視野では、直交角度θqにおける強度は2分の1に等しい。直交角度θqにおける強度は、台地225上の標的分子260(タンパク、またはその他の生物分子を含むが、ただしこれらに限定されない)の存在に対し直線的感受性を持つ。当業者であれば、別の等価的記述としては、光学相における不連続変化によって、反射ビームが検出器において側方に転位させられる、または角度変位を受けるという言い方がされることが理解されよう。   At the orthogonal angle θq, the reflected light 222 from the plateau and the reflected light 212 from the flat ground have a relative phase difference of π / 2, that is, a quadrature phase. In the far field, the intensity at the orthogonal angle θq is equal to one half. The intensity at the orthogonal angle θq is linearly sensitive to the presence of the target molecule 260 (including but not limited to proteins or other biomolecules) on the plateau 225. One skilled in the art will understand that another equivalent description is that a discontinuous change in the optical phase will cause the reflected beam to be displaced laterally or undergo angular displacement at the detector. .

図2を参照すると、「台地」は、受容体層350そのものによって設定される高さh(図2の参照番号330)を持つことが可能である(言い換えれば、高さhは、バイオ層または受容体分子350の厚みと同じぐらい小さくなる)ことを理解すべきである。本発明のこの実施態様では、基板300は、複数の平地315および台地325を含み、平地315と台地325との境界部には末端305を有することが好ましい。光線310は平地315に入射し、光線320は台地325に入射する。台地325は、1層の受容体分子350の厚みによって定義される高さh(図2の参照番号330)を持つ。高さの微分δhは、受容体分子350に結合することが好ましい標的分子360の付け加えられた厚みによって引き起こされたものである(標的分析対象/分子の例としては、タンパクが挙げられるが、ただしそれに限定されない)。   Referring to FIG. 2, a “plateau” can have a height h (reference number 330 in FIG. 2) set by the receptor layer 350 itself (in other words, the height h is a biolayer or It should be understood that it is as small as the thickness of the receptor molecule 350). In this embodiment of the present invention, substrate 300 preferably includes a plurality of flat 315 and plateau 325, and has a terminal 305 at the boundary between flat 315 and plateau 325. The light ray 310 is incident on the flat ground 315 and the light ray 320 is incident on the plateau 325. The plateau 325 has a height h (reference number 330 in FIG. 2) defined by the thickness of the receptor molecule 350 in one layer. The height derivative δh is caused by the added thickness of the target molecule 360 that preferably binds to the receptor molecule 350 (examples of target analyte / molecule include protein, Not limited to that).

図2に示すように、末端305は光を回折し、末端の一側に入射する光線310と、末端の他側に入射する光線320の間に直交条件を確立する。例えば、高さ330(下記の方程式では高さhと呼ばれる)において不動化されるタンパクまたは他の標的分析対象において、直交角度θqは、波長λおよびビーム幅w0を持つ入射レーザービームに対し、下式:
0.5*w0*sinθq = λ/4
によって与えられる。従って、下式の通りである。
θq = arcsin[(λ/2 *wo)]
この場合も、図2に示すように、直交角度θqにおいて生物分子に対し直線的感受性がある。
As shown in FIG. 2, end 305 diffracts light and establishes an orthogonal condition between ray 310 incident on one side of the end and ray 320 incident on the other side of the end. For example, in a protein or other target analyte that is immobilized at height 330 (referred to as height h in the equation below), the orthogonal angle θq is for an incident laser beam with wavelength λ and beam width w 0 The following formula:
0.5 * w 0 * sinθ q = λ / 4
Given by. Therefore, it is as the following formula.
θ q = arcsin [(λ / 2 * w o )]
Again, as shown in FIG. 2, there is a linear sensitivity to the biomolecule at the orthogonal angle θq.

もしもタンパクがスポークパターンとして、または四角形アレイ要素としてプリントされていて、プリントされたタンパクが、有限の幅を持つレーザースポットを通り抜けて走査した場合、直交条件が、レーザースポットのサイズにのみ依存し、タンパク受容体層の厚みとは実質的に無関係な、明瞭な角度において出現する。図3Aおよび3Bを参照すると、回折遠視野に直交角度を定める、段差(または傾斜)検出位相差検出の局面が描かれる。一般的に言うと、段差が有限なビームサイズで照らされると、タンパクおよび裸の基板(または、隣接タンパク)からの散乱波の一部が、部分波の間にπ/2位相差があると、θqによって設定される直交角度において同相直交分となる。   If the protein is printed as a spoke pattern or as a square array element and the printed protein is scanned through a laser spot with a finite width, the orthogonality condition depends only on the size of the laser spot, It appears at a distinct angle that is substantially independent of the thickness of the protein receptor layer. Referring to FIGS. 3A and 3B, a step (or tilt) detection phase difference detection aspect that defines an orthogonal angle in the diffractive far field is depicted. Generally speaking, if the step is illuminated with a finite beam size, some of the scattered waves from the protein and bare substrate (or adjacent protein) will have a π / 2 phase difference between the partial waves. , Θq is an in-phase orthogonal component at an orthogonal angle set by θq.

図3Aは、強度I0、波長λ、および幅w0を持つ有限ビーム440が、反射性基板400の上にプリントされたタンパク450(プリントされたタンパクのパターンであることが好ましい)の末端405を照らしているところを示す。基板400(回転ディスクであることが好ましい)の動きは矢印475によって示される。反射光線412および422は、ビームの各半分の中点からトレースされる。ある特定の角度、直交角度θqにおいて、両光線は、相対的にπ/2位相転位を持つ。直交角度θqは、下式の通りである。
θq = arcsin [λ/(2*w0)]
FIG. 3A shows that a finite beam 440 having intensity I 0 , wavelength λ, and width w 0 is the end 405 of a protein 450 (preferably a printed protein pattern) printed on a reflective substrate 400. Shows where the light is illuminated. The movement of the substrate 400 (preferably a rotating disk) is indicated by arrow 475. The reflected rays 412 and 422 are traced from the midpoint of each half of the beam. At a certain angle, orthogonal angle θq, both rays have a relative π / 2 phase shift. The orthogonal angle θq is as follows.
θ q = arcsin [λ / (2 * w 0 )]

図3Bを参照すると、反射光線が直交条件になる二つの角度が存在することが理解される。一つは+θqであり、一つは−θqである。図3Bは、強度I0、波長λ、および幅w0を持つ有限ビーム540が、反射基板500の上にプリントされたタンパク550(好ましくは、プリントされたタンパクパターンの一部)の末端505を照らしているところを示す。図3Bの基底部は、ビームウェストの幅w0を横切る、強度の(ガウス)低下を示す。基板500(好ましくは回転ディスク)の動きは、矢印575によって示される。反射光線512および522は、ビームの各半分の中点からトレースされ、+θq直交角度をトレースする。その際、該反射光線同士は、相対的π/2位相転移および直交干渉を持つ。反射光線513および523は、ビームの各半分の中点からトレースされ、−θq直交角度をトレースする。その際、該反射光線同士は、相対的−π/2位相転移および直交干渉を持つ。 Referring to FIG. 3B, it can be seen that there are two angles at which the reflected rays are orthogonal. One is + θq and one is -θq. FIG. 3B shows that a finite beam 540 having intensity I 0 , wavelength λ, and width w 0 is applied to the end 505 of a protein 550 (preferably part of the printed protein pattern) printed on the reflective substrate 500. Shows where it is illuminated. The base of FIG. 3B shows a (Gaussian) drop in intensity across the beam waist width w 0 . The movement of the substrate 500 (preferably a rotating disk) is indicated by arrows 575. The reflected rays 512 and 522 are traced from the midpoint of each half of the beam and trace the + θq orthogonal angle. At this time, the reflected rays have a relative π / 2 phase transition and orthogonal interference. The reflected rays 513 and 523 are traced from the midpoint of each half of the beam and trace a -θq orthogonal angle. At this time, the reflected rays have a relative −π / 2 phase transition and orthogonal interference.

ここで図4を参照するが、類似の要素は、以前に使用されたものと同じ参照番号によって標識されることを理解しなければならない。遠視野における強度変化が図4の上段にプロットされており、ビームの一方の半分では増加を、他方の半分では減少を示す。前述したように、タンパクの回折段差は、遠視野において二重の直交角度を持つ。一方は、強度において正の変化をもたらし、他方は負の変化をもたらす。検出時、一方または他方が検出されるのが好ましい。あるいは、両方を検出し、両方を加算する前に、一方の位相を反転する。従って、全視野を検出した場合、一方の直交信号を反転しなかったら、これら二つの直交分は互いに打ち消し合うことになろう。しかしながら、遠視野の半分が、例えば、ナイフエッジによって収集されたならば、可能な信号の半分が抽出される。さらに、分割検出器形態が、反転器および加算回路と共に用いられるならば、図5Aおよび5Bに関連して後述されるように、完全信号が得られる。   Referring now to FIG. 4, it should be understood that similar elements are labeled with the same reference numbers as previously used. The intensity change in the far field is plotted in the upper part of FIG. 4, showing an increase in one half of the beam and a decrease in the other half. As described above, the protein diffraction step has a double orthogonal angle in the far field. One produces a positive change in intensity and the other produces a negative change. During detection, one or the other is preferably detected. Alternatively, both are detected and one phase is inverted before adding both. Therefore, when the entire field of view is detected, if one orthogonal signal is not inverted, these two orthogonal components will cancel each other. However, if half of the far field is collected, for example by a knife edge, half of the possible signal is extracted. Further, if the split detector configuration is used with an inverter and summing circuit, a complete signal is obtained as described below in connection with FIGS. 5A and 5B.

図5Aおよび5Bを参照すると、プリントされたタンパクまたは他の標的分子の段差または傾斜検出のための光学的レイアウトの二つの実施態様が描かれる。類似の要素は、同じ参照番号によって標識されることを理解しなければならない。基板600は、回転軸610の周囲に回転する回転ディスクであることが好ましい。光学要素列の光学軸650は、例えば、何か特定の標的領域と軸揃えするために、基板600の回転軸610から放射方向内側または外側に移動可能とされる。この光学レイアウトでは、焦点距離fを持つ対物レンズ620が利用されることが好ましく、該レンズは、基板600と光検出器630(図5A)または730(図5B)の間に挿入される。図示の実施態様では、対物レンズ620は、ディスク600から、該レンズの焦点距離に等しい距離fだけ隔てられ、さらに、光検出器630(図5A)または730(図5B)からも距離fだけ隔てられる。図5Aおよび5Bの実施態様では、光検出器630、730は、それぞれ、635、735によって示されるように分割される、分割光検出器であることが好ましい。分割光検出器形態については外にも様々な実施態様が、本発明の範囲内において考えることが可能であることを理解しなければならない。光検出器は、例えば、直交光検出器であってもよいし、あるいは、分割リング光検出器であってもよい。同様に、前述したように、本発明のいくつかの実施態様では、遠視野の半分だけが、ナイフエッジまたは他の類似の機構によって採取され、可能な信号の半分だけが抽出される(その半分は、実質的には1直交分のみである)。   With reference to FIGS. 5A and 5B, two embodiments of an optical layout for step or tilt detection of a printed protein or other target molecule are depicted. It should be understood that similar elements are labeled with the same reference number. The substrate 600 is preferably a rotating disk that rotates around the rotating shaft 610. The optical axis 650 of the optical element array is movable radially inward or outward from the rotational axis 610 of the substrate 600, for example, to align with some specific target area. In this optical layout, an objective lens 620 having a focal length f is preferably used, which is inserted between the substrate 600 and the photodetector 630 (FIG. 5A) or 730 (FIG. 5B). In the illustrated embodiment, the objective lens 620 is separated from the disc 600 by a distance f equal to the focal length of the lens, and further from the photodetector 630 (FIG. 5A) or 730 (FIG. 5B) by a distance f. It is done. In the embodiment of FIGS. 5A and 5B, the photodetectors 630, 730 are preferably segmented photodetectors that are segmented as indicated by 635, 735, respectively. It should be understood that various other embodiments of the split photodetector configuration are possible within the scope of the present invention. The photodetector may be, for example, an orthogonal photodetector or a split ring photodetector. Similarly, as described above, in some embodiments of the present invention, only half of the far field is sampled by a knife edge or other similar mechanism and only half of the possible signal is extracted (half of that). Is essentially only one orthogonal part).

図5Aおよび5Bに示されるように、光検出器630、730は、分割光検出器の二つの半分の間の差動信号を収集するために、中心をスポークの長軸と平行にフーリエ面に置かれる。図示の実施態様では、分割光検出器630、730の一部(実質的には一つの直交分に対応)からの信号は、光検出器の別の部分(他の直交分に対応)と加算回路660を介して加算される前に、反転回路640に送られ、出力信号680を生成するのが好ましい。出力信号680は、遠視野強度の測定値であり、探査レーザービームが、基板600の上を走査する(例えば、基板600が回転する)に従って変動する。それとは別に、前述したように、できれば実質的に1直交分に対応する、半分の信号だけを採取してもよい(ただし、比較的少量の両直交分の重複は、信号対雑音比に対して目立った悪影響をもたらすことなく認容することが可能である)。   As shown in FIGS. 5A and 5B, the photodetectors 630, 730 are centered in the Fourier plane parallel to the long axis of the spoke to collect differential signals between the two halves of the split photodetector. Placed. In the illustrated embodiment, the signal from one of the split photodetectors 630, 730 (substantially corresponding to one orthogonal component) is summed with another portion of the photodetector (corresponding to the other orthogonal component). Before being summed through circuit 660, it is preferably sent to inverting circuit 640 to generate output signal 680. The output signal 680 is a measurement of the far field intensity and varies as the probe laser beam scans over the substrate 600 (eg, the substrate 600 rotates). Alternatively, as described above, if possible, only half of the signal corresponding to one orthogonal component may be sampled (however, a relatively small amount of overlap between the two orthogonal components can be compared with the signal-to-noise ratio). Can be tolerated without causing any noticeable adverse effects).

図6Aおよび6Bを参照すると、本発明の少なくともいくつかの実施態様の段差または傾斜検出の、スケールに依存しない性質が示される。末端は、内在的に長さスケールを持たない。従って、フーリエ面では、末端開口も長さスケールを持たない。これは、ビームサイズ(変動する可能性がある)とフィルターサイズとを適合させる必要がないという利点を持つ。図6Aおよび6Bに示すように、レーザースポットのサイズ(810a、820a、830a)を減らすことは単に、フーリエ面に置かれるのが好ましい分割光検出器形態850におけるスポットサイズを大きくする(810b、820b、830b)にすぎない。すなわち、レーザースポットのサイズを変えることは、分割検出器の形態における変化を必要としない。従って、システムは、スポーク幅がビーム直径よりも大きくある限り、スポットサイズまたはスポーク幅のスケールとは無関係である。   With reference to FIGS. 6A and 6B, the scale independent nature of the step or tilt detection of at least some embodiments of the present invention is shown. The ends have no inherent length scale. Thus, in the Fourier plane, the end openings also have no length scale. This has the advantage that the beam size (which can vary) and the filter size need not be matched. As shown in FIGS. 6A and 6B, reducing the size of the laser spot (810a, 820a, 830a) simply increases the spot size (810b, 820b) in the split photodetector configuration 850, which is preferably placed in the Fourier plane. 830b). That is, changing the size of the laser spot does not require a change in the form of the split detector. Thus, the system is independent of the spot size or spoke width scale as long as the spoke width is greater than the beam diameter.

図7Aおよび7Bを参照すると、本発明の一つ以上の実施態様に適用可能なさらに別の局面が描かれる。簡単に図7Aに示すように、搬送波無しの側方帯域検出を実行することが好ましい。レーザービーム1050は、特異的抗体1000および非特異的抗体1010の交互出現スポークの上を、矢印1075の示す方向にそってトレースする。スポーク1000、1010の末端におけるピーク高は、特異的結合および非特異的結合の間の差に単純に関連する。従って、基質に対する非特異的結合に関する「別の」測定値はない。図7Bを参照すると、非特異的結合の直接差分および時間トレースが描かれる。信号高は、特異的および非特異的結合の間の差のみに依存する。搬送周波数はなく、検出される強度変化は全て包絡線において得られる。詳細については、2005年2月1日出願、名称「分子認識のために搬送波側波帯光学アッセイを実行するための方法(“Method for Conducting Carrier-Wave Side-Band Optical Assays for Molecular Recognition”)」なる米国特許仮出願第60/648,724号を参照されたい。さらにまた、本出願と同じ日に出願され、本仮出願に対する優先権を主張する、名称「差動符号化生物学分析器平面アレイ装置および方法(“Differentially Encoded Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods”)」なる米国特許出願第??/???,???を参照されたい。   With reference to FIGS. 7A and 7B, yet another aspect applicable to one or more embodiments of the present invention is depicted. As shown briefly in FIG. 7A, it is preferable to perform sideband detection without a carrier wave. Laser beam 1050 traces over the alternating spokes of specific antibody 1000 and non-specific antibody 1010 along the direction indicated by arrow 1075. The peak height at the ends of spokes 1000, 1010 is simply related to the difference between specific binding and non-specific binding. Therefore, there is no “another” measurement for non-specific binding to the substrate. Referring to FIG. 7B, a direct difference and time trace of non-specific binding is depicted. The signal height depends only on the difference between specific and non-specific binding. There is no carrier frequency and all detected intensity changes are obtained in the envelope. For details, filed February 1, 2005, entitled “Method for Conducting Carrier-Wave Side-Band Optical Assays for Molecular Recognition”. See US Provisional Patent Application No. 60 / 648,724. Furthermore, the name “Differentially Encoded Biological Analyzer Planar Array Apparatus and Methods” filed on the same date as this application and claims priority to this provisional application. U.S. Patent Application No ./?, ???

図8を参照すると、較正用ディスクにおけるスポークパターンのナイフエッジ検出に関する実験的表示から得られたデータが示される。本発明による一つの実施例では、ガラスディスクにおいて12nmの深さに腐刻された較正ディスクを用いて実験性能を表示した。全視野は、図8の最上段曲線において検出され、最適信号条件は、下から2番目の曲線の1/2パワーにおいて得られた。雑音基底が、ゼロ桁および、ガラスの示数変動から来る散乱光の間のヘテロダイン混合から生じる、この透過実験では、ゼロ桁ビームの抑圧は、雑音基底をさらに下げる。   Referring to FIG. 8, data obtained from an experimental display relating to knife edge detection of a spoke pattern on a calibration disk is shown. In one embodiment according to the present invention, experimental performance was displayed using a calibration disc that was etched to a depth of 12 nm in a glass disc. The entire field of view was detected in the top curve of FIG. 8, and the optimal signal condition was obtained at 1/2 power of the second curve from the bottom. In this transmission experiment, where the noise basis results from heterodyne mixing between the zero digit and the scattered light coming from the glass index variation, suppression of the zero digit beam further reduces the noise basis.

図9を参照すると、単一スポーク検出が示される。特に、ビーム940に対して極めて薄いスポークまたはスポット900の検出が示される。ビーム幅よりも小さなサイズを持つスポークまたはスポットでも、遠視野において直交条件を確立することが可能であることを理解しなければならない。図9に示される実施態様では、幅a≪w −前式においてwはビーム940(図示のようにガウス分布を持つレーザービームであることが好ましい)の幅である− を持つ単一の小さなスポークまたはドットも検出が可能である。小さい台地も、広いスポーク同様、同じ分割検出形態を用いて検出することが可能である。しかしながら、図10に示すように、π/2対物マスクを、口径調節検出器と組み合わせて用いた場合、やや高い性能が可能である。上に説明したように、種々の光学面におけるマスクを選択することによって、検出器における構造的干渉を最大化することが可能である。ディスクにおける傾斜および末端を変換し、検出器における強度変調をもたらすには、π/2マスクは極めて有用である。特別な場合、マスクは、分割検出器を無しで済ますことが可能であり、そのため遠視野において全強度が検出される。この方法は、検出器を単純化するが、光学システムの中にマスクの挿入を必要とする。   Referring to FIG. 9, single spoke detection is shown. In particular, the detection of very thin spokes or spots 900 relative to beam 940 is shown. It should be understood that a spoke or spot having a size smaller than the beam width can establish orthogonal conditions in the far field. In the embodiment shown in FIG. 9, a single small spoke having a width a << w, where w is the width of the beam 940 (preferably a laser beam having a Gaussian distribution as shown). Alternatively, dots can also be detected. Small plateaus can be detected using the same split detection configuration as well as wide spokes. However, as shown in FIG. 10, when a π / 2 objective mask is used in combination with an aperture adjustment detector, a slightly higher performance is possible. As explained above, by selecting masks at various optical surfaces, it is possible to maximize structural interference at the detector. A π / 2 mask is very useful to convert the tilt and end in the disk and provide intensity modulation in the detector. In special cases, the mask can dispense with a split detector so that full intensity is detected in the far field. This method simplifies the detector but requires the insertion of a mask into the optical system.

本発明の、および/または、本発明と共に使用される生物学的コンパクトディスク(バイオCD)は、例えば、回転ディスクの表面に固定された、パターン化生体分子を検出するための、高感度検出プラットフォームである。本発明の各種実施態様により、光路長変化が最低ナノメートル以下のスケールで、高い再現性を持つ高速検出(スポット当たり10マイクロ秒)を可能とする回転ディスク干渉計側が得られる。前述したように、機械的に回転するディスクの上で安定な干渉計測を実行する際の一つの重要な局面は、自己参照法である。すなわち、機械的振動または相対運動と無関係に、信号ビームと参照ビームの位相を直角位相(π/2位相差)にロックすることである。   The biological compact disc (Bio CD) of the present invention and / or used with the present invention is a sensitive detection platform for detecting patterned biomolecules, eg, fixed on the surface of a rotating disc It is. Various embodiments of the present invention provide a rotating disk interferometer side that allows high-speed detection (10 microseconds per spot) with high reproducibility on a scale with optical path length changes of at least nanometers or less. As mentioned above, one important aspect in performing stable interference measurements on a mechanically rotating disk is the self-referencing method. That is, the phase of the signal beam and the reference beam is locked to a quadrature (π / 2 phase difference) regardless of mechanical vibration or relative motion.

干渉計検出の位相差クラス(PCクラス)は、当業者には既知の様々なやり方で実行することが可能であることを理解しなければならない。本発明の一つの実施態様では、タンパクは、写真蝕刻を用いてディスクの上に1024スポークパターンとして不動化される(スポークの数が、他の設計パラメータと共に大きく変動されることは本発明の範囲内と見なされる)。プリントされたタンパクの段差が、結像レーザービームを回折し、これが、好ましくは、フーリエ面において分割検出器形態、例えば、分割光検出器、2個の別々の光検出器、直角位相光検出器、および、より一般的には、光検出器アレイを含む、ただしこれらに限定されない検出器によって検出される。分割検出器形態からの信号は差別化されていてもよい。これは、光学的位相差画像記録の場合と同様、電子世界においても有効である。   It should be understood that the phase difference class (PC class) of interferometer detection can be implemented in various ways known to those skilled in the art. In one embodiment of the invention, the protein is immobilized as a 1024 spoke pattern on the disk using photolithography (the number of spokes varies greatly with other design parameters, and is within the scope of the invention). Is considered within). The step of the printed protein diffracts the imaging laser beam, which is preferably split detector form in the Fourier plane, eg split photodetector, two separate photodetectors, quadrature photodetector And, more generally, detected by a detector, including but not limited to a photodetector array. The signal from the split detector configuration may be differentiated. This is effective in the electronic world as in the case of optical phase difference image recording.

下記にさらに詳述するように、高速で標識無添加のバイオセンシングにおけるPCクラスの潜在能力は、非特異的結合および低い抗体間の交差反応性を適切に拒絶する2分析対象免疫アッセイによって証明される。免疫アッセイをIgG免疫グロブリンに対して行い、1ピコグラム以下の結合した分析対象を検出した。ディスク当たり数百または数千の分析対象にまで規模が拡大可能であるという潜在能力を示すために、タンパク液の小滴についても実験を行った。   As detailed further below, the PC class potential in fast, label-free biosensing is demonstrated by two analyte immunoassays that adequately reject non-specific binding and low cross-reactivity between antibodies. The Immunoassays were performed on IgG immunoglobulins to detect bound analytes of 1 picogram or less. Experiments were also conducted on protein droplets to demonstrate the potential to scale to hundreds or thousands of analytes per disk.

空間的にパターン化されたバイオ層を支える反射面は、結像レーザービームを回折して、図4に示すような非対称遠視野強度パターンとする。図4は、基板500にm入射する、ウェストw0を持つ、結像ガウスビーム540を示す。前述したように、直交条件は、下記の式(1)、すなわち、

Figure 2008529013
によって与えられる角度で観察した場合、裸の表面に入射する光線と、バイオ層530を貫通する光線との間に存在する。 The reflective surface that supports the spatially patterned biolayer diffracts the imaging laser beam into an asymmetric far-field intensity pattern as shown in FIG. FIG. 4 shows an imaging Gaussian beam 540 with a waist w 0 that is incident m on the substrate 500. As described above, the orthogonal condition is the following equation (1), that is,
Figure 2008529013
When observed at an angle given by, there is between a light ray incident on the bare surface and a light ray penetrating the biolayer 530.

遠視野における強度の最大変化は、急峻なバイオ層の末端によって引き起こされ、この直交角度において観察される。反対符号の回折角度において反対符号を持つ、二つの直交干渉角度がある。タンパク信号を得るためには、反転および加算回路を含む分割検出器を、フーリエ面において使用することが好ましい(その例を図5Aおよび5Bに示す。他の分割検出器形態、例えば、直交位相差光検出器も本発明の範囲内にあるものと見なされる)。急峻末端の場合、信号は、タンパク層によってもたらされる位相転位に直線比例し、従ってタンパクの高さに直線比例する。   The maximum change in intensity in the far field is caused by the sharp biolayer end and is observed at this orthogonal angle. There are two orthogonal interference angles with opposite signs at opposite diffraction angles. In order to obtain a protein signal, it is preferable to use a split detector including an inverting and summing circuit in the Fourier plane (examples are shown in FIGS. 5A and 5B. Other split detector configurations, eg, quadrature phase difference) Photodetectors are also considered to be within the scope of the present invention). In the case of a steep end, the signal is linearly proportional to the phase shift caused by the protein layer and thus linearly proportional to the protein height.

パターン化されたバイオ層によって遠視野に惹起される変化は、下記の式(2)、すなわち、

Figure 2008529013
によって与えられる。上式において、K(θ)はフレネル係数であり、θは検出角度であり、Einc(x)は入射ビームの照射野であり、
Figure 2008529013
は、屈折率nおよび、速度νで動く変動タンパク高h(x)を持つバイオ層に対する相
Figure 2008529013
を持つタンパクの位相関数である。我々の実験では、h(x)は、高さ8nmおよび屈折率1.33の、ほぼ矩形波である。式2の二乗係数から、別チャンネルにおいて分割光検出器によって検出される遠視野強度が得られる。得られた電子タンパク信号は、ビームプロフィールと、タンパク高分布dh(x)dxの第1導関数との重畳にほぼ比例する。従って、この技術は、傾斜検出技術である。タンパクパターンがさらに急峻な場合、より強力な信号が得られる。 The change induced in the far field by the patterned biolayer is the following equation (2):
Figure 2008529013
Given by. In the above equation, K (θ) is the Fresnel coefficient, θ is the detection angle, E inc (x) is the irradiation field of the incident beam,
Figure 2008529013
Is the phase for a biolayer with a refractive index n and a variable protein height h (x) moving at a speed ν
Figure 2008529013
It is a phase function of a protein with In our experiments, h (x) is a nearly square wave with a height of 8 nm and a refractive index of 1.33. From the square coefficient of Equation 2, the far field intensity detected by the split photodetector in another channel is obtained. The obtained electronic protein signal is approximately proportional to the superposition of the beam profile and the first derivative of the protein height distribution dh (x) dx. Therefore, this technique is a tilt detection technique. If the protein pattern is steeper, a stronger signal is obtained.

実験データを得るのに使用される装置および方法の詳細に続く実験的論議に関し、好ましい紹介を以下に論ずる。これらの詳細な単に例示的なものであって、同じものについて広範な改変内容が、本発明の範囲内において考慮される。位相差バイオCDは、100mm直径、1mm厚のホウケイ酸ガラスディスクから製造されるのが好ましい。ディスクは、好ましくは、633nmに中心波長を持つレーザーミラーとなる、10層の、Ti2O5/SiO2から成る誘電積層体によって塗布されるのが好ましい。タンパクをディスク表面に不動化するためにはいくつかの異なるやり方がある。タンパクは、物理的吸着によって表面に不動化されてもよい。すなわち、1)シリカ表面のシラン化、2)高親和性不動化のためのビオチン-アビジン共有結合、または、3)ATPESエポキシド表面コーティングに対する共有結合、によってもよい。 For an experimental discussion that follows the details of the apparatus and methods used to obtain the experimental data, a preferred introduction is discussed below. These detailed details are merely exemplary, and a wide range of modifications of the same are considered within the scope of the present invention. The phase difference bio CD is preferably manufactured from a 100 mm diameter, 1 mm thick borosilicate glass disk. The disc is preferably coated with a 10 layer dielectric stack consisting of Ti 2 O 5 / SiO 2 , which becomes a laser mirror with a center wavelength at 633 nm. There are several different ways to immobilize proteins on the disk surface. The protein may be immobilized on the surface by physical adsorption. That is, 1) silanization of the silica surface, 2) biotin-avidin covalent bond for high affinity immobilization, or 3) covalent bond to the ATPES epoxide surface coating.

バイオCDディスクの反射面は、光の反射を強調し、表面電場の大きさを最大にするために、複数層から成る誘電媒体であることが好ましい。四分の一波積層体は、この条件を実現するために使用される、もっとも一般的な誘電構造の一つであるが、例えば、シリコン上の、酸化物層も使用が可能である。   The reflective surface of the bio-CD disc is preferably a multi-layer dielectric medium in order to enhance light reflection and maximize the surface electric field. The quarter wave stack is one of the most common dielectric structures used to achieve this condition, but an oxide layer on silicon, for example, can also be used.

シラン化は、シリカ表面のクロロオクタデシルシラン処理を用いる標準的プロトコルに従う。タンパクは、疎水性相互作用を通じて有機末端基と結合する。タンパクのパターン化は、ゲルスタンプ法によって実現するのが好ましい。   Silanization follows standard protocols using chlorooctadecyl silane treatment of silica surfaces. Proteins bind to organic end groups through hydrophobic interactions. Protein patterning is preferably achieved by gel stamping.

高親和性ビオチン-アビジン法では、表面は、ビオチンに接合されるポリスクシニミドポリマーによって被われる。次に、写真腐刻が適用される。フォトレジストが、ポリスクシニミドポリマー・コーティングの上に回転され、例えば、1024-スポークフォトマスクを介して露光され、現像される。次に、ディスク表面は、アビジンに暴露され、アビジンは、露出領域のビオチンに付着する。次に、ビオチニル化抗体を加え、露出領域に結合するアビジンに付着させる。   In the high affinity biotin-avidin method, the surface is covered by a polysuccinimide polymer that is conjugated to biotin. Next, photographic engraving is applied. The photoresist is spun onto the polysuccinimide polymer coating, exposed, for example, through a 1024-spoke photomask and developed. The disk surface is then exposed to avidin, which adheres to biotin in the exposed areas. Next, a biotinylated antibody is added and attached to avidin that binds to the exposed areas.

APTESエポキシドコーティングは、標準プロトコールに従う。写真腐刻を適用し、ディスクを、露出ディスク表面を腐刻する1%の水素化ホウ素ナトリウム液で処理する。フォトレジスト除去後、ディスクは、共有的にタンパクに結合するパターン化表面を持つ。表面に対する、物理的吸着と共有的結合の両方によって、スポークパターンに明確に定められた末端を持つタンパクパターンが得られる。パターンは、ディスクが回転すると探査レーザースポットを横切って掃引する。   APTES epoxide coating follows standard protocols. Photo-etching is applied and the disc is treated with 1% sodium borohydride solution that etches the exposed disc surface. After removal of the photoresist, the disc has a patterned surface that covalently binds to the protein. Both physical adsorption and covalent binding to the surface yields a protein pattern with well-defined ends in the spoke pattern. The pattern is swept across the probe laser spot as the disk rotates.

一つの実施態様では、光学的検出システムは、635nm波長のダイオードレーザービームを、ディスクに対し、約20ミクロン直径として結像するために、焦点距離5cmの対物レンズを使用することが好ましい。反射および散乱光は、ビームスプリッターで分割され、対物レンズのフーリエ面に置かれた直交光検出器に向けられる。直交検出器は、3個の出力チャンネルを持つことが好ましい。すなわち、全体強度、上半分および下半分の間の差、および、左と右の間の差である。タンパクスポークの方向性に応じて、差分チャンネルの内の一つは、所望の位相信号を与える。他方の差分チャンネルは、軸揃えおよびディスク微動に関して診断を与え、一方、加算チャンネルは、均一タンパクプリントに対しては、小さいか無視できる、ディスクからのレイリーおよびその他の散乱損失に関連する振幅情報を与える。   In one embodiment, the optical detection system preferably uses an objective lens with a focal length of 5 cm to image a 635 nm wavelength diode laser beam onto the disk as a diameter of about 20 microns. The reflected and scattered light is split by a beam splitter and directed to an orthogonal photodetector placed in the Fourier plane of the objective lens. The quadrature detector preferably has three output channels. That is, the overall intensity, the difference between the upper and lower halves, and the difference between the left and right. Depending on the direction of the protein spokes, one of the differential channels provides the desired phase signal. The other differential channel provides diagnostics for axial alignment and disc tremor while the sum channel provides small or negligible amplitude information related to Rayleigh and other scattering losses from the disc for uniform protein prints. give.

ディスクは、安定な回転器(Lincoln Laser, Inc.)によって80Hzの定常な周波数で回転され、タンパクスポークが結像レーザースポットを通過する際に、時間依存性位相および振幅信号を形成することが好ましい。図11は、高さ8nm幅100ミクロンのタンパクスポークを仮定したコンピュータシミュレーションと比較した場合の、写真腐刻FITC-接合アビジン(Sigma)およびビオチン接合抗ウサギIgG(Sigma)二重タンパク層の測定された時間トレースを示す。図12は、3kHz帯域によって検出される電力スペクトラムを示す。誘電体積層体の複数の界面に渡って分布する表面粗度からの雑音は、検出器およびレーザーシステムの雑音基底よりも15dB高い。タンパクスポークのタンパク信号は、25dBの信号対雑音比を持つ。   The disc is preferably rotated at a steady frequency of 80 Hz by a stable rotator (Lincoln Laser, Inc.) to form a time-dependent phase and amplitude signal as the protein spoke passes through the imaging laser spot. . FIG. 11 shows the measurements of photo-engraved FITC-conjugated avidin (Sigma) and biotin-conjugated anti-rabbit IgG (Sigma) double protein layers when compared to computer simulations assuming protein spokes 8 nm high and 100 microns wide. Shows a time trace. FIG. 12 shows the power spectrum detected by the 3 kHz band. Noise from surface roughness distributed across multiple interfaces of the dielectric stack is 15 dB above the noise base of the detector and laser system. The protein signal of the protein spoke has a signal to noise ratio of 25 dB.

免疫アッセイとしてPC-クラスのバイオCDを実行する潜在能力を証明するために、我々は、二成分アッセイにおいて特異的抗原抗体反応を実施した。フルオレセン接合ウシ血清アルブミン(FBSA)を浸透させたパターン化ポリアクリアミドゲルを、誘電体塗布ガラスディスクと直接接触させて、FBSAをプリントした。この実験のために、表面を、クロロジメチルオクタデシルシランによって活性化した。ポリアクリルアミドゲルと表面の間の接触領域では、タンパクがゲルから拡散し、物理的吸着によって不動化される。印刷技術の品質は、フルオレセン画像記録および原子間力顕微鏡によって検査した。BSAは比較的不活性で、ディスク表面における普遍的な担体鋳型となり、次に、これに(BSA間のスポーク領域に)、活性または不活性タンパクまたは他のコントロール分子を充填させることが可能である。   To demonstrate the potential to perform PC-class bio-CD as an immunoassay, we performed specific antigen-antibody reactions in a two-component assay. Patterned polyacrylamide gel impregnated with fluorescein conjugated bovine serum albumin (FBSA) was contacted directly with a dielectric coated glass disk to print FBSA. For this experiment, the surface was activated with chlorodimethyloctadecylsilane. In the contact area between the polyacrylamide gel and the surface, the protein diffuses from the gel and is immobilized by physical adsorption. The quality of the printing technique was examined by fluorescein image recording and atomic force microscopy. BSA is relatively inert and becomes a universal carrier template on the disk surface, which can then be loaded (in the spoke region between BSA) with active or inactive proteins or other control molecules. .

次に、ディスクを特異的抗原分子で再充填する。BSAをプリントしたディスクを、4個の、90度四分円に分割した。四分円それぞれにおけるプリントされていない平地に、それぞれ、4種の異なる薬品を充填した。すなわち、1)リン酸バッファー、2)ウサギIgG、3)FBSA、および、4)ウマIgGである。再充填タンパク液の濃度は20 μg/mlであった。次に、この調製済みディスクを、特異的認識分子に対するバンドにおいてインキュベートした。4個の四半分円を横断すると、3本の環状バンドは、合計12個の仮想「ウェル」を形成し、これは、多数のコントロールアッセイを持つ特異的アッセイの働きをする。内部バンドを抗ウマIgGとインキュベートし、外部バンドを抗ウサギIgGとインキュベートした。共に濃度は20 μg/mlであった。中間バンドは、標的サンプルとはインキュベートせず、全てのバンドと同じ洗浄を受けたので、これは、アッセイの安定性の尺度を与えることになり、陰性コントロールとして作動した。12ウェルの内、4ウェルは、休薬処置を測定するためのコントロールウェルとなり、4つはBSAに対する抗体の非特異的結合を測定するためのコントロールウェルとなり、2つは、抗体-抗原の交差反応性を調べ、2つは、特異的抗体-抗原結合を調べた。   The disc is then refilled with specific antigen molecules. The disc on which BSA was printed was divided into four 90 degree quadrants. Each of the quadrants was filled with four different chemicals on the unprinted flat ground. 1) phosphate buffer, 2) rabbit IgG, 3) FBSA, and 4) horse IgG. The concentration of the refilled protein solution was 20 μg / ml. The prepared disc was then incubated in a band for specific recognition molecules. Crossing four quadrants, the three circular bands form a total of 12 virtual “wells” that serve as specific assays with multiple control assays. The inner band was incubated with anti-horse IgG and the outer band was incubated with anti-rabbit IgG. In both cases, the concentration was 20 μg / ml. Since the intermediate band was not incubated with the target sample and received the same wash as all bands, this provided a measure of assay stability and served as a negative control. Of the 12 wells, 4 are control wells for measuring drug withdrawal treatment, 4 are control wells for measuring non-specific binding of antibodies to BSA, and 2 are antibody-antigen crossings. The reactivity was examined and two were examined for specific antibody-antigen binding.

このアッセイの結果を図13および14に示す。抗体に対する暴露後の様々なセグメントにおける高さ変化の分布を図13に示す。二つの特異的アッセイは、互いに有意に異なる振る舞いをするが、陰性コントロール、抗体のFBSAに対する非特異的結合、および、抗ウマ抗体のウサギに対する、また、抗ウサギ抗体のウマに対する交差反応性(CR)の間には大きな差は無かった。これは、本実験には、著明な交差反応性または非特異的結合は無いことを示す。この二つの、特異的二成分アッセイ(抗ウサギがウサギに結合し、抗ウマがウマに結合する)は、60%および80%の反応を得た。標準偏差はそれぞれ20%と30%であった。図14は、本実験の受容体動作特性(ROC)曲線を示す。非特異的結合セグメントは、擬似陽性として使用される。曲線は、特異的結合と非特異的結合の間の明瞭な差を示し、交差反応性および非特異的結合の間にはほとんど差がない。p-値は分布から0.01未満であると計算された。   The results of this assay are shown in FIGS. The distribution of height change in various segments after exposure to the antibody is shown in FIG. The two specific assays behave significantly different from each other, but include negative controls, nonspecific binding of antibodies to FBSA, and cross-reactivity (CR of anti-rabbit antibodies to horses and anti-rabbit antibodies to horses). ) Was not significantly different. This indicates that there is no significant cross-reactivity or non-specific binding in this experiment. The two specific two-component assays (anti-rabbit binds to rabbit and anti-horse binds to horse) gave 60% and 80% responses. Standard deviations were 20% and 30%, respectively. FIG. 14 shows the receptor operating characteristic (ROC) curve of this experiment. Non-specific binding segments are used as false positives. The curve shows a clear difference between specific and non-specific binding, with little difference between cross-reactivity and non-specific binding. The p-value was calculated to be less than 0.01 from the distribution.

光学的検出法の可変性を試験するために、本実験の前に、物理的表面吸着に基づいてゲルスタンププリンティングによってFBSAを用いてプリントしたディスクを外し、90度の全体回転を与えて再度取り付け、再び4回走査したところ、全ての値は、5%の標準誤差以内で繰り返された。ディスクを回転無しで再度装着した場合、標準誤差は2%未満に下がる。従って、光学的検出は、安定であり、好ましくは固定およびインキュベーション化学条件がより均一にされるならば、用量・反応の将来のテストにおいて十分小さい標準誤差の下に繰り返しが可能である。   In order to test the variability of the optical detection method, before this experiment, remove the disc printed with FBSA by gel stamp printing based on physical surface adsorption and reattach it with a 90 degree total rotation When scanned again 4 times, all values were repeated within 5% standard error. If the disc is loaded again without rotation, the standard error drops to less than 2%. Thus, optical detection is stable and preferably repeatable with sufficiently small standard errors in future tests of dose-response if the fixation and incubation chemistry conditions are made more uniform.

ディスク当たり数百または数千のアッセイにまで規模を拡大できる潜在能力を実証するために、タンパクのスポット液による実験を、ARTESエポキシドコーティングにおいて行った。写真腐刻後、ディスクを、脱イオン水に溶解した1%水素化ホウ素ナトリウムに12時間浸した。露出表面を、溶液にて腐刻したところ、極端に親水性になったためにタンパクを惹きつけなくなった。フォトレジスト除去後、ディスクの被覆部分は、強力にタンパクと結合するARTESコーティングを保持していた。ウマIgGおよびトリIgGの領域をディスク上にスポットした。領域のサイズは約10mmであった。次に、タンパクの領域を、同じサイズの抗ウマIgGのスポットとインキュベートした。異なる小滴におけるタンパク高変化の分布を図13に示す。特異的および非特異的結合の間の違いは、この図において明瞭に見て取ることができる。p-値は0.01未満と計算された。この実験における小滴のサイズは10mmであったが、インクジェットプリンターを用いれば、サイズは、簡単に1mmあるいはもっと小さく下げることが可能で、従って、ディスク当たり数千、またはそれ以上のアッセイを実行することは可能である。   To demonstrate the potential to scale to hundreds or thousands of assays per disc, protein spot solution experiments were performed on ARTES epoxide coatings. After photo-etching, the disc was immersed in 1% sodium borohydride dissolved in deionized water for 12 hours. When the exposed surface was etched with a solution, it became extremely hydrophilic and no longer attracted protein. After removal of the photoresist, the coated portion of the disc retained an ARTES coating that binds strongly to the protein. Horse IgG and avian IgG regions were spotted on the disc. The area size was about 10 mm. The protein region was then incubated with a spot of anti-horse IgG of the same size. The distribution of protein height change in different droplets is shown in FIG. The difference between specific and non-specific binding can be clearly seen in this figure. The p-value was calculated to be less than 0.01. The droplet size in this experiment was 10 mm, but using an inkjet printer, the size can easily be reduced by 1 mm or even smaller, thus running thousands of or more assays per disk It is possible.

これまでにいくつかの実験データの結果を記載したので、それ以外の本発明のさらなる特質または予想される利点について、そのような特質を含むか含まないかはともかく、特選した実施態様に基づいて説明する。本発明は、一般に、回転ディスク上のタンパクから得られる位相変調を測定する、自己参照干渉計光学的バイオセンサーに関することが理解されよう。高速におけるパターンの光学的検出は、1/f雑音よりもはるかに低い雑音基底を生成する。ディスクの上の周期的タンパクパターンは、空間的搬送波を与えるが、これは、好適に脱変調されると、高い正確度をもって区別される、ゆっくりと変動するタンパク包絡線を生成する。   Having described the results of some experimental data so far, further features or expected advantages of the invention, whether or not including such features, are based on the selected embodiment. explain. It will be appreciated that the present invention generally relates to a self-referencing interferometer optical biosensor that measures phase modulation obtained from proteins on a rotating disk. Optical detection of the pattern at high speed produces a noise basis that is much lower than 1 / f noise. The periodic protein pattern on the disc provides a spatial carrier that, when suitably demodulated, produces a slowly varying protein envelope that is distinguished with high accuracy.

本発明の一つの実施態様では、ディスクの、2回の連続的差動走査が、ディスクを全く取り外すことなく区別される。これは、直径20ミクロンの焦点スポット内部の5フェムトグラムのタンパクに相当する、僅かに20pmの、二乗平均表面高測定誤差しか生じない。免疫アッセイの性能をウェルサイズの関数として予測する、単純な面積計測関係を下記に論ずる。下記にさらに論じるものは、差動位相差バイオCDの、下は0.2pg/mmにまで至る表面質量感度の実証である。このバイオCDの感度は、表面プラズモン共鳴センサーの感度に匹敵するが、好適に共鳴構造無しに達成されるので、製造および操作が比較的簡単である。   In one embodiment of the invention, two consecutive differential scans of the disc are distinguished without removing the disc at all. This results in a root mean surface height measurement error of only 20 pm, corresponding to 5 femtograms of protein within a 20 micron diameter focal spot. A simple area measurement relationship that predicts immunoassay performance as a function of well size is discussed below. Further discussed below is the demonstration of surface mass sensitivity of differential phase difference bio-CD, down to 0.2 pg / mm. The sensitivity of this bio-CD is comparable to that of a surface plasmon resonance sensor, but is preferably achieved without a resonant structure and is relatively simple to manufacture and operate.

上記二つのパラグラフを序論として、周波数脱変調されるとゆっくりと変動するタンパク包絡線を生成する、空間搬送波を与える空間的にパターン化されたタンパクと組み合わせた、差動位相差検出の使用に関しさらに詳細を以下に論じすることにする。パターンを高速で光学的に検出することは、1/f雑音よりもはるかに低い雑音基底を生成する。ディスクの、2回の連続的差動走査が区別されるが、これは、直径20ミクロンの焦点スポット内部の5フェムトグラムのタンパクに相当する、僅かに20pmの、二乗平均表面高測定誤差しか生じない。サイズについて適当に尺度を合わせれば、0.2pg/mmの表面感度も好適に実現される。   Using the above two paragraphs as an introduction to the use of differential phase difference detection in combination with a spatially patterned protein that provides a spatial carrier that produces a slowly varying protein envelope when frequency demodulated. Details will be discussed below. Detecting the pattern optically at high speed produces a noise basis that is much lower than 1 / f noise. A distinction is made between two consecutive differential scans of the disc, which results in only a mean square surface height measurement error of only 20pm, which corresponds to 5 femtograms of protein within a 20 micron diameter focal spot. Absent. A surface sensitivity of 0.2 pg / mm is suitably achieved if the scales are scaled appropriately.

上記に関して、光学的走査システムは、前述したように差動位相差システムであることが好ましい。このようなシステムは、安定なモータ(Lincoln Laser)、635nmレーザー光源(Coherent)、および、ディスク面の動きに対して垂直なチャンネル間で出力信号が区別される、分割直交検出器を含むことが好ましい。従って、正味の信号は、ディスク面の高さの空間第1導関数に比例し、または、パターン化タンパクを担うディスクの場合、位相変調が表面密度に比例すると仮定すると、タンパク表面質量密度の導関数に比例する。   With respect to the above, the optical scanning system is preferably a differential phase difference system as described above. Such a system may include a stable motor (Lincoln Laser), a 635 nm laser source (Coherent), and a split quadrature detector where the output signal is distinguished between channels perpendicular to the disk surface motion. preferable. Thus, the net signal is proportional to the spatial first derivative of the height of the disk surface, or in the case of a disk bearing a patterned protein, assuming that the phase modulation is proportional to the surface density, the protein surface mass density derivative. Proportional to function.

本発明の一つの実施態様では、バイオCDディスクは、中心波長を635nmに持つ多層誘電体ミラーである。ディスクのSiO2最上面は、シリカ表面に対しシランで付着されたビオチニル化ポリスクシニミドポリマーのコーティングの上に、アビジンでパターン化される。アビジンパターンは、ディスクの半径の関数として直線的に変化する空間周期性を持つ一連の台地を含む。典型的な周期は約150ミクロンである。ディスクは5000rpmで回転され、レーザーは、20ミクロン直径のスポットに結像される。検出頻度は通常50kHzであり、これは、レーザーおよび電子増幅器の1/f雑音から遠い。光学的性能は、ショット雑音限界の大きさの1.5桁以内である。多様な動作パラメータが、本発明の範囲内にあるものとして考えられることを理解しなければならない。前述の空間周期、ディスク回転速度、結像レーザースポットの直径、および検出頻度は単に例示にすぎない。 In one embodiment of the present invention, the bio CD disc is a multilayer dielectric mirror having a center wavelength of 635 nm. The SiO 2 top surface of the disk is patterned with avidin on a coating of biotinylated polysuccinimide polymer attached with silane to the silica surface. The avidin pattern includes a series of terraces with a spatial periodicity that varies linearly as a function of the radius of the disk. A typical period is about 150 microns. The disc is rotated at 5000 rpm and the laser is imaged into a 20 micron diameter spot. The detection frequency is typically 50 kHz, which is far from the 1 / f noise of lasers and electronic amplifiers. The optical performance is within 1.5 orders of magnitude of the shot noise limit. It should be understood that various operating parameters are contemplated as being within the scope of the present invention. The aforementioned spatial period, disk rotation speed, imaging laser spot diameter, and detection frequency are merely examples.

図16を参照すると、ディスクの選択された部分における、タンパクのスポークの表面位置関係が示される。差動信号は、目には、影つきの3Dトポロジーのように見える。明るい信号は先導するタンパクの段差からのものであり、一方、暗い陰性信号は、対応する後続の段差からのものである。空間搬送周波数は脱変調されて、図17に示す、タンパクの包絡線関数が得られる。包絡線は、探査レーザービームの大きさに応じてゆっくりと変動する。前述のように、本発明の各種実施態様において、二つの連続走査の間の差が定量されることが好ましい。   Referring to FIG. 16, the surface relationship of protein spokes in selected portions of the disc is shown. The differential signal looks to the eye like a shaded 3D topology. The bright signal is from the leading protein step, while the dark negative signal is from the corresponding subsequent step. The spatial carrier frequency is demodulated to obtain the protein envelope function shown in FIG. The envelope varies slowly depending on the size of the probe laser beam. As mentioned above, in various embodiments of the present invention, it is preferred that the difference between two successive scans be quantified.

二つの連続走査の間において区別されたデータのヒストグラムを図18に示す。脱変調がないと、高さの分布の幅は75pmである。脱変調後、分布は僅かに20pmである。これは、結像したスポット面積当たりの、高さ測定の平均誤差である。これは、システムの機械的性能(走査間の再配置誤差)によって支配されるもので、レーザーの安定性によって制限されないし、また基本的限界でもない。この表面高の不確定性は、差動位相差バイオCDでは表面質量感度に転換される。   A histogram of the data distinguished between two consecutive scans is shown in FIG. Without demodulation, the width of the height distribution is 75pm. After demodulation, the distribution is only 20pm. This is the average error in height measurement per spot area spotted. This is governed by the mechanical performance of the system (relocation error between scans) and is not limited by the stability of the laser, nor is it a fundamental limitation. This surface height uncertainty translates to surface mass sensitivity in differential phase difference bio-CDs.

下記の推論において設けた基本的尺度の仮定は、バイオCD表面高さ分布に関する2回の連続走査における測定誤差の、無相関的なランダム分布の仮定である。この条件からの逸脱について簡単に触れておくが、この仮定は、バイオCDに見られる通常の条件と関連する。無相関でランダムな表面粗度の仮定から逸脱することは、異なる尺度設定を招き、従って、異なる、面積当たり質量値をもたらす。例えば、表面の微分測定値の誤差が空間的に相関するとすれば、Smmは、下記で導かれた値に比べて増すであろう(現在のシステムでは約10 pg/mm2の限界値を持つ、ただし、安定性を改善したシステムでは、この数字はもっと小さくなると考えられる)。 The assumption of the basic measure provided in the following inference is the assumption of an uncorrelated random distribution of measurement errors in two consecutive scans for the bio-CD surface height distribution. Let me briefly touch on deviations from this condition, but this assumption is related to the normal conditions found in bio-CDs. Deviations from the uncorrelated and random surface roughness assumption lead to different scaling and therefore different mass per area values. For example, if the surface differential measurement error is spatially correlated, Smm will increase compared to the value derived below (current systems have a limit of about 10 pg / mm 2). However, this number will be smaller on systems with improved stability.)

図18から、2回の反復走査の間の表面高の不確定性は、焦点スポット当たり20pmと定められた。これは、20ミクロンの直径を持つ焦点スポット当たり、5フェムトグラムのタンパクに相当する。この測定値に関連する表面質量感度は、0.004 pg/(0.02 mm)2 = 10 pg/mm2となる。しかしながら、他の表面質量検出技術、例えば、表面プラスモン共鳴と比較するためには、この数字は、無相関でランダムな表面粗度の条件下における1mmの対応サイズに適正にスケールを合わせる必要があり、それは、測定値の標準誤差を、センサー面積の平方根だけ下げる。1mmのスケールにおける等価スケール表面高感度は、下記の式(3)によって与えられる。すなわち、

Figure 2008529013
上式において、Wmeasは、測定された高さの差△hmeasに関連するスポット直径である。△hmeas = 20 pmで、w0 = 20ミクロンの場合、△hmm = 0.4 pmが得られる。この表面高さの平均感度が、プロトンの半径よりも小さいことを注記するのは興味あることである。このタンパク高に関連する質量は、下記の式(4)によって与えられる。すなわち、
Figure 2008529013
上式から、△hmm = 0.4 pmの場合、△mmm = 0.4 pgが得られる。 From FIG. 18, the surface height uncertainty between two repeated scans was determined to be 20 pm per focal spot. This corresponds to 5 femtograms of protein per focal spot with a diameter of 20 microns. The surface mass sensitivity associated with this measurement is 0.004 pg / (0.02 mm) 2 = 10 pg / mm 2 . However, to compare with other surface mass detection techniques, such as surface plasmon resonance, this number needs to be properly scaled to the corresponding size of 1 mm under uncorrelated and random surface roughness conditions. Yes, it reduces the standard error of the measurement by the square root of the sensor area. The equivalent scale surface sensitivity at a scale of 1 mm is given by the following equation (3). That is,
Figure 2008529013
Where W meas is the spot diameter associated with the measured height difference Δh meas . When Δh meas = 20 pm and w 0 = 20 microns, Δh mm = 0.4 pm is obtained. It is interesting to note that the average sensitivity of this surface height is smaller than the proton radius. The mass associated with this protein height is given by equation (4) below. That is,
Figure 2008529013
From the above equation, Δm mm = 0.4 pg is obtained when Δh mm = 0.4 pm.

表面質量感度に関する一般的な尺度を得るために、上記の式(3)と(4)を組み合わせると、下記の式(5)が得られる。すなわち、

Figure 2008529013
上式から、感度が下記の式(6)のように求められる。すなわち、
Figure 2008529013
これは、質量/長さの単位を持つ。 Combining the above equations (3) and (4) to obtain a general measure for surface mass sensitivity yields the following equation (5). That is,
Figure 2008529013
From the above equation, the sensitivity is obtained as in the following equation (6). That is,
Figure 2008529013
It has a mass / length unit.

面積Aの上にセンサーを分布させる単一アッセイでは、そのアッセイで検出が可能な、最小捕捉質量は下記の式(7)で与えられる。すなわち、

Figure 2008529013
In a single assay that distributes the sensor over area A, the minimum capture mass that can be detected in that assay is given by equation (7) below. That is,
Figure 2008529013

例として、アッセイ面積が1mm2であるとすると、検出質量は0.2 pgである。このことから、我々は、適正に尺度設定された場合、1平方ミリにおける表面質量感度は、下記の式(8)によって与えられると結論する。すなわち、

Figure 2008529013
この面積依存性感度は、SPRによって定められる最善値に匹敵する。この感度は、共鳴を要することなく獲得することが可能であり、従って、高感度を実現するのに共鳴に依存する他の干渉法または共鳴法よりも、はるかに安定で、製造も容易である。 As an example, if the assay area is 1 mm 2 , the detected mass is 0.2 pg. From this we conclude that, when properly scaled, the surface mass sensitivity in 1 square millimeter is given by equation (8) below. That is,
Figure 2008529013
This area-dependent sensitivity is comparable to the best value defined by SPR. This sensitivity can be obtained without the need for resonance and is therefore much more stable and easier to manufacture than other interferometry or resonance methods that rely on resonance to achieve high sensitivity. .

上記の式(7)の平方根尺度設定は、比較的大きな面積において信号を平均化した結果である。これは、バイオCDにおける測定に対し強力な利点を与える。干渉計感度によって得られる焦点スポット当たりの感度は、単一の焦点スポットの数倍もある面積において信号を平均化することによって増大する。例えば、20ミクロン直径のスポットが1mm2の面積に進入する時、50倍の係数が得られる。この平方根は、係数が7、つまり、ほぼ1桁の改善となる。 The square root scale setting in Equation (7) above is the result of averaging the signal over a relatively large area. This provides a powerful advantage over measurements in bio CD. The sensitivity per focal spot obtained by interferometer sensitivity is increased by averaging the signal over an area several times that of a single focal spot. For example, when a 20 micron diameter spot enters an area of 1 mm 2 , a factor of 50 is obtained. This square root is a factor of 7, or an improvement of almost an order of magnitude.

PCクラスバイオCDの性能は、有用な妥協点を提示することによって、前述の、MDクラスおよびAOクラスの性能の間に来る。位相差信号は、MDクラスよりも有意に強く、不動化は、シリカ表面ではより均一である。一方、PC-クラスは、ディスク上のタンパクパターンの導関数h’(x)を検出するが、AO-クラスは、タンパクプロフィールh(x)に対して直接反応する。AOクラス法も、その能動的な適応性のために比較的安定であるが、実行するのが比較的難しい。一例として、米国特許出願公報第2004/0166593A1に認められるAOクラス関連開示に関連して、光検出器444Aおよび444Bが描かれる。しかしながら、AOクラスでは、二つのビームが、別々の空間モードから生じるもので、それぞれ別々で分離する。この二つのビームはまた、極めて異なる情報を担う。「直接」ビームはほとんど振幅情報を担い、「回折」ビームは位相情報を担う。従って、米国特許出願公報第2004/0166593A1号の図21の光検出器444Aおよび444Bは、位相と情報を、それぞれ別々にするのではなく、組み合わせる。一方、PCクラスでは、非対称的に散乱される、単一生成空間モードしかないことが好ましい。この散乱光が、本発明の分割光検出形態において検出され、区別される場合、位相情報のみが回収される。振幅情報は、単に光全部を検出することによって得られる。   The performance of the PC class bio CD comes between the aforementioned MD class and AO class performance by presenting a useful compromise. The phase difference signal is significantly stronger than the MD class and the immobilization is more uniform on the silica surface. On the other hand, the PC-class detects the derivative h '(x) of the protein pattern on the disc, whereas the AO-class reacts directly to the protein profile h (x). The AO class method is also relatively stable because of its active adaptability, but is relatively difficult to implement. As an example, photodetectors 444A and 444B are depicted in connection with the AO class related disclosure found in US Patent Application Publication No. 2004 / 0166593A1. However, in the AO class, the two beams originate from different spatial modes and are separated separately. The two beams also carry very different information. The “direct” beam is mostly responsible for amplitude information and the “diffracted” beam is responsible for phase information. Accordingly, the photodetectors 444A and 444B of FIG. 21 of US Patent Application Publication No. 2004 / 0166593A1 combine the phase and information rather than making them separate. On the other hand, in the PC class, it is preferable that there is only a single generated spatial mode that is asymmetrically scattered. When this scattered light is detected and distinguished in the split light detection mode of the present invention, only the phase information is collected. Amplitude information is obtained simply by detecting all the light.

以上まとめると、ディスク製造が簡単で、検出が単純なPCクラスの利点により、この新規バイオCD直交クラスは、多様な、多数分析対象アッセイの推進において有望な地位を占める。PCクラスとは、好ましくは共鳴構造を持たない、回転ディスクの自由表面において面垂直的で、自己参照性の干渉計を持つクラスである。好ましくは、この干渉計要素は、レーザーの焦点スポットと同じぐらい小さな表面積を持ち、相互作用の長さは、僅かにバイオ層の厚みと同程度であり、かつ、構造体の製造を困難とする光学的共鳴体に全く依存しない。   In summary, this novel bio-CD orthogonal class occupies a promising position in the promotion of diverse, multi-analyte assays, thanks to the advantages of the PC class, which is simple to manufacture and simple to detect. The PC class is preferably a class having a self-referential interferometer that is perpendicular to the free surface of the rotating disk and does not have a resonance structure. Preferably, the interferometer element has a surface area as small as the focal spot of the laser, the length of interaction is slightly the same as the thickness of the biolayer, and makes the structure difficult to manufacture. It does not depend on optical resonators at all.

前述の検出システムは、反射信号を利用するように構成されるバイオCDと共に使用される検出システム(単数又は複数)として記載され、図示されてきた。本発明はまた、透過信号ビームを生成するように構成されるバイオCDと共に使用されるように構成される検出システムも含むことも、本発明の範囲内にあると見なされることを理解しなければならない。   The foregoing detection system has been described and illustrated as detection system (s) for use with a bio-CD configured to utilize a reflected signal. It should be understood that the present invention also includes a detection system configured to be used with a bio-CD configured to generate a transmitted signal beam, which is considered within the scope of the present invention. Don't be.

バイオCDおよび関連検出システムは、生物サンプルにおける血液タンパクの存在の検出に使用される場合について記載されてきたけれども、バイオCDおよび関連検出システムはまた、さらに別の用途、例えば、水またはその他の流体サンプルを含む環境サンプルの分析に利用されてもよいことを理解しなければならない。   Although bio-CDs and related detection systems have been described for use in detecting the presence of blood proteins in biological samples, bio-CDs and related detection systems are also useful in other applications, such as water or other fluids. It should be understood that it may be used to analyze environmental samples, including samples.

本システムは、各種改変および代替形態に対して受容的であって、その例示の実施態様が、図面の例を通じて示され、本明細書において詳細に説明されてきた。ただし、該システムを、開示される特定の形態に限定する意図は無く、むしろ逆に、付属の特許請求の範囲によって定義されるシステムの精神と範囲内に含まれる、全ての改変、等価物、および代替物を取り扱うことが意図されるということを理解しなければならない。   The system is receptive to various modifications and alternative forms, exemplary embodiments of which are illustrated through example drawings and have been described in detail herein. However, there is no intention to limit the system to the particular forms disclosed, but on the contrary, all modifications, equivalents, which are included within the spirit and scope of the system as defined by the appended claims. And it should be understood that it is intended to handle alternatives.

図1は、台地と平地を持つ基板において、段差の一側に入射する光線の、段差の他側に入射する光線に対する直交条件に関する、本発明の一局面を示す。FIG. 1 shows one aspect of the present invention relating to an orthogonal condition of a light beam incident on one side of a step with respect to a light beam incident on the other side of the step in a substrate having a plateau and a flat surface. 図2は、図1の実施態様と同様であるが、「台地」の高さが、バイオ層の厚みと同程度に小さい実施態様を示す。FIG. 2 is similar to the embodiment of FIG. 1 but shows an embodiment where the height of the “plateau” is as small as the thickness of the biolayer. 図3Aは、回折遠視野における段差検出を実現する直角位相を示す。FIG. 3A shows a quadrature that realizes step detection in the diffractive far field. 図3Bは、タンパク段差に結像したレーザービーム、および、入射レーザービームウェストの強度分布の模式図である。二つの直交角度において、タンパク層によって引き起こされた位相転移(+π/2または-π/2)が、回折遠視野光強度において直角位相を定める。FIG. 3B is a schematic diagram of the intensity distribution of the laser beam imaged on the protein level difference and the incident laser beam waist. At two orthogonal angles, the phase transition (+ π / 2 or −π / 2) caused by the protein layer defines a quadrature phase in the diffracted far-field light intensity. 図4は、回折タンパク段差が、遠視野において二重直角位相を有する、本発明の一局面を示す。FIG. 4 illustrates one aspect of the present invention where the diffractive protein step has a double quadrature in the far field. 図5Aおよび5Bは、僅かな変動をもつプリントされたタンパクの段差検出を行うための、分割光検出器形態における光学レイアウトの実施態様を示す。FIGS. 5A and 5B show an embodiment of the optical layout in a split photodetector configuration to perform printed protein step detection with slight variations. 図6Aおよび6Bは、本発明の一つ以上の実施態様での段差検出の、スケールに依存しない性質を示す。6A and 6B illustrate the scale-independent nature of step detection in one or more embodiments of the present invention. 図7Aおよび7Bは、非特異的結合の直接差分、およびその結果得られる時間トレースを示す。Figures 7A and 7B show the direct difference of non-specific binding and the resulting time trace. 図8は、較正用ディスクにおけるスポークパターンのナイフエッジ検出に関する実験的表示から得られたデータを示す。FIG. 8 shows data obtained from an experimental display for the knife edge detection of a spoke pattern on a calibration disk. 図9は、単一スポーク検出を示す。FIG. 9 shows single spoke detection. 図10は、分割検出器(点線曲線)およびπ/2マスク(実線)の場合におけるビームサイズに対し極めて細いスポークまたはスポットの検出を示す。FIG. 10 shows the detection of very thin spokes or spots versus beam size in the case of a split detector (dotted curve) and a π / 2 mask (solid line). 図11は、8nmのタンパクスポークのコンピュータシミュレーションと比較した場合の、タンパクスポークの測定された時間トレースを示す。FIG. 11 shows a measured time trace of protein spokes when compared to a computer simulation of 8 nm protein spokes. 図12は、タンパク信号の測定されたパワースペクトラムを示す。FIG. 12 shows the measured power spectrum of the protein signal. 図13は、インキュベーション後、ディスクの異なるセグメントにおけるタンパク高の変化の分布を示す。FIG. 13 shows the distribution of changes in protein height in different segments of the disc after incubation. 図14は、二成分アッセイの受容体動作特性を示す。FIG. 14 shows the receptor operating characteristics of the two component assay. 図15は、異なるタンパク小滴における、インキュベーション後のタンパク高の分布を示す。FIG. 15 shows the distribution of protein height after incubation in different protein droplets. 図16は、バイオCDにおけるプリントされたアビジン台地の空間的トポロジーを示す。FIG. 16 shows the spatial topology of the printed avidin plateau on the bio CD. 図17は、図16のディスクの、空間周波数脱変調画像を示す。FIG. 17 shows a spatial frequency demodulated image of the disk of FIG. 図18は、ディスクを取り外さずに得られた、バイオCDにおけるアビジン微分高のヒストグラムを示す。FIG. 18 shows a histogram of avidin differential height in bio CD obtained without removing the disc.

Claims (45)

生物サンプルにおける標的分析対象の有無を検出する、標識無添加の、位相差直交干渉法であって、
生物サンプルに対して基板の反射面を暴露する工程であって、反射面は、受容体分子のコーティングから成る空間パターンを有し、かつ、各コーティングは特定の標識分析対象に対して特異的である工程と、
基板の少なくとも一部を走査しながら、受容体分子のコーティングから成る空間パターンに対しウェストw0で入射する、波長λを持つ結像探査レーザービームから得られる反射信号の遠視野回折パターンの強度を測定するために、分割光検出器を使用する工程、
を含み、
強度は、一対の直交角度と実質的に等しい、二つの観察角度の内の少なくとも一つについて、分割光検出器によってその強度を測定することによって、実質的に直交条件において、反射信号の一部について測定され、直交角度θqは、基板に対して直角な光線において下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義されることを特徴とする、前記方法。
A label-free quadrature interferometry method for detecting the presence or absence of a target analyte in a biological sample,
Exposing a reflective surface of a substrate to a biological sample, the reflective surface having a spatial pattern of coatings of receptor molecules, and each coating is specific to a particular label analyte A process,
While scanning at least a portion of the substrate, the intensity of the far-field diffraction pattern of the reflected signal obtained from the imaging probe laser beam with wavelength λ, incident at a waist w 0 against the spatial pattern of the receptor molecule coating. Using a split photodetector to measure,
Including
The intensity is a portion of the reflected signal in substantially orthogonal conditions by measuring its intensity with a split photodetector for at least one of two viewing angles that is substantially equal to a pair of orthogonal angles. The orthogonal angle θq is determined by the following equation for a ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Said method, characterized in that it is defined by
一対の直交角度の一方において分割光検出器の出力を反転する工程、および、該反転出力を、一対の直交角度の他方における分割光検出器の出力と加算する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項1の方法。   Further comprising the steps of inverting the output of the split photodetector at one of the pair of orthogonal angles, and adding the inverted output to the output of the split photodetector at the other of the pair of orthogonal angles. The method of claim 1. 反射信号を、分割光検出器を用いて強度を測定する前に、対物レンズを通過させる工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項2の方法。   The method of claim 2, further comprising the step of passing the reflected signal through an objective lens before measuring the intensity using a split photodetector. 反射ビームの遠視野回折パターンの強度測定が、フーリエ面で実行されることを特徴とする、請求項3の方法。   Method according to claim 3, characterized in that the intensity measurement of the far-field diffraction pattern of the reflected beam is performed in the Fourier plane. 基板がディスクであり、基板の走査が、該ディスクを回転することによって実行されることを特徴とする、請求項1の方法。   The method of claim 1, wherein the substrate is a disk and scanning of the substrate is performed by rotating the disk. サンプルにおける標的分析対象の有無を決定するための直交干渉計側法であって、
サンプルに暴露される反射面を持つ基板の少なくとも一部を探査するための、波長λおよびウェストw0を有するレーザービームを用いる工程であって、反射面は、少なくとも、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を持つ第1領域、および、標的分析対象に対して特異的な認識分子の層を持たない第2領域を含む工程と、
第1領域および第2領域を探査しながら、探査ビームの反射回折信号の一対の直交角度θqの内、実質的に第1直交分のみについて、光検出器においてその時間依存性強度を測定する工程、
を含む前記方法。
An orthogonal interferometer side method for determining the presence or absence of a target analyte in a sample,
Using a laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 to probe at least a portion of a substrate having a reflective surface exposed to a sample, the reflective surface being at least specific to a target analyte Including a first region having a layer of a specific recognition molecule and a second region having no layer of a recognition molecule specific for a target analyte;
A step of measuring the time-dependent intensity at the photodetector for substantially only the first orthogonal portion of the pair of orthogonal angles θq of the reflected diffraction signal of the probe beam while searching the first region and the second region. ,
Including said method.
時間依存性が、基板に対する、入射レーザービームの相対的動きによって生じることを特徴とする、請求項6の方法。   The method of claim 6, wherein the time dependence is caused by the relative movement of the incident laser beam relative to the substrate. 基板がディスクであり、入射レーザービームに対するディスクの相対的動きは、ディスクを回転させることによって生成されることを特徴とする、請求項7の方法。   The method of claim 7, wherein the substrate is a disk and the relative movement of the disk relative to the incident laser beam is generated by rotating the disk. レーザービームの反射回折信号が、分割光検出器形態によって測定され、一対の直交角度の一方に対応する反射信号の第1出力部分を反転する工程、および、反転された第1出力を、一対の直交角度の他方に対応する反射信号の第2出力と加算する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項8の方法。   The reflected diffraction signal of the laser beam is measured by a split photodetector configuration, inverting the first output portion of the reflected signal corresponding to one of the pair of orthogonal angles, and the inverted first output 9. The method of claim 8, further comprising adding to the second output of the reflected signal corresponding to the other of the orthogonal angles. 基板がディスクであり、反射回折信号は、強度測定の前に、対物レンズを通過させられることを特徴とする、請求項9の方法。   Method according to claim 9, characterized in that the substrate is a disc and the reflected diffraction signal is passed through the objective lens before the intensity measurement. 探査ビームの反射回折信号を、強度測定の前に、π/2位相マスクを通過させる工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項7の方法。   The method of claim 7, further comprising the step of passing the reflected diffraction signal of the probe beam through a π / 2 phase mask prior to intensity measurement. 反射表面が実質的に平坦であり、かつ、直交角度が、基板に対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義されることを特徴とする、請求項6の方法。
The reflection surface is substantially flat and the orthogonal angle is calculated from the ray perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
The method of claim 6, characterized by:
基板がディスクであり、ディスクの反射面が複数の平地と複数の台地を含み、台地が高さhを持ち、直交角度は、基板に対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1[λ/2 -4h]/w0]
によって定義されることを特徴とする、請求項6の方法。
The substrate is a disk, the reflective surface of the disk includes a plurality of flat surfaces and a plurality of plateaus, the plateau has a height h, and the orthogonal angle is calculated from the light ray perpendicular to the substrate as follows:
θ q = sin -1 [λ / 2 -4h] / w 0 ]
The method of claim 6, characterized by:
サンプルにおける標的分析対象の有無を決めるための、位相差直交干渉による段差検出法であって、
認識分子の空間パターンを有するディスクに対して入射する探査レーザービームから得られた反射光信号の、遠視野回折パターンの時間依存性強度を、分割光検出器形態を用いて測定する工程、および、
得られた光信号の、第1直交分と、対向する第2直交分からの寄与を加算する工程であって、寄与の加算には、第1直交分の寄与の反転を先行させる工程、
を含む前記方法。
A step detection method using phase difference orthogonal interference to determine the presence or absence of a target analysis target in a sample,
Measuring a time-dependent intensity of a far-field diffraction pattern of a reflected light signal obtained from a probe laser beam incident on a disk having a spatial pattern of recognition molecules using a split photodetector configuration; and
The step of adding the contribution from the first orthogonal component and the opposing second orthogonal component of the obtained optical signal, the addition of the contribution precedes the inversion of the contribution of the first orthogonal component,
Including said method.
強度は、ディスクの反射面から反射された光信号について測定されることを特徴とする、請求項14の方法。   15. The method of claim 14, wherein the intensity is measured for an optical signal reflected from the reflective surface of the disk. 分割光検出器形態が、分割リング光検出器であることを特徴とする、請求項15の方法。   The method of claim 15, wherein the split photodetector configuration is a split ring photodetector. 分割光検出器形態が、四分円光検出器であることを特徴とする、請求項15の方法。   The method of claim 15, wherein the split photodetector configuration is a quadrant photodetector. 分割光検出器形態は、第1および第2光検出器を含み、ディスクに入射する探査ビームは、波長λおよびウェストw0を有し、第1および第2光検出器は、実質的に一対の直交角度θq において強度を測定し、直交角度は、ディスクに対して直角な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義されることを特徴とする、請求項15の方法。
The split photodetector configuration includes first and second photodetectors, the probe beam incident on the disk has a wavelength λ and a waist w 0 , and the first and second photodetectors are substantially paired. Intensity is measured at an orthogonal angle θ q of
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
The method of claim 15, characterized by:
時間依存性強度が、ディスクを回転させることによって測定されることを特徴とする、請求項15の方法。   The method of claim 15, wherein the time-dependent intensity is measured by rotating the disk. ディスクは、約80Hzで回転することを特徴とする、請求項19の方法。   The method of claim 19, wherein the disk rotates at about 80 Hz. サンプルにおける標的分析対象の有無を決定するための、位相差直交干渉による段差検出法であって、
実質的に第1直交分のみから成る反射光信号の第1部分の時間依存性差分を、実質的に第1直角干渉角において測定する工程であって、反射光信号は、平面アレイにおける特異的抗体および非特異的抗体の交互反復領域を横切ってレーザービームをトレースすることから得られる工程、
を含む前記方法。
A step detection method using phase difference orthogonal interference for determining the presence or absence of a target analysis target in a sample,
Measuring a time-dependent difference of a first portion of the reflected light signal substantially consisting only of the first orthogonal component at a substantially first orthogonal interference angle, wherein the reflected light signal is specific to the planar array. A step resulting from tracing the laser beam across alternating regions of antibody and non-specific antibody;
Including said method.
平面アレイの交互反復領域を横切ってレーザービームをトレースすることから得られる、実質的に第2直交分のみから成る反射光信号の第2部分の時間依存性差分を、実質的に第2直交干渉角において測定する工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項22の方法。   The time-dependent difference of the second part of the reflected optical signal, which consists essentially of only the second orthogonal component, obtained by tracing the laser beam across the alternating repeating area of the planar array, is substantially the second orthogonal interference. 23. The method of claim 22, further comprising measuring at a corner. 反射光信号の第1部分の第1出力を反転する工程と、
該反転第1出力に対し、反射光信号の第2部分の第2出力を加算する工程、
をさらに含むことを特徴とする、請求項22の方法。
Inverting the first output of the first portion of the reflected light signal;
Adding the second output of the second portion of the reflected light signal to the inverted first output;
24. The method of claim 22, further comprising:
サンプルにおける標的分析対象の有無を決定するための、スケールに依存しない、標識無添加の、直角位相差干渉による段差検出法であって、
ディスクを走査するために、入射ウェストw0および波長λを有する結像レーザービームを用いる工程であって、ディスクは、標的分析対象に対して特異的な受容体分子を含む、空間的にパターン化された層を持ち、層は、実質的に急峻な層末端を持つ工程と、
分割光検出器形態を用いて実質的に急峻な層末端を走査することによって生じる、遠視野回折パターンにおける強度変化を検出する工程であって、分割光検出器形態は、ディスクに対して垂直な光線によって定義される、一対の直角干渉角度の内の、実質的に少なくとも一方において遠視野回折パターンの出力を与える工程、
を含む前記方法。
A scale-independent, label-free, step detection method using quadrature phase difference interference to determine the presence or absence of a target analyte in a sample,
Using an imaging laser beam having an incident waist w 0 and a wavelength λ to scan the disk, the disk containing spatially patterned containing receptor molecules specific for the target analyte A layer having a substantially steep layer end,
Detecting an intensity change in a far-field diffraction pattern caused by scanning a substantially sharp layer end using a split photodetector configuration, wherein the split photodetector configuration is perpendicular to the disk Providing a far-field diffraction pattern output at substantially at least one of a pair of right-angle interference angles defined by the rays;
Including said method.
サンプルにおける標的分析対象の有無を決定するための、直交干渉法であって、
反射光信号の実質的に第1直交分のみを受容するための光学要素列に軸揃えされた、第1光検出器の出力を測定する工程であって、第1直交分は、反射光信号を実質的に第1直交角において観察することから得られ、反射光信号は、平面アレイに入射する、波長λおよびウェストw0を有する探査レーザービームから得られ、平面アレイは、標的分析対象に対して特異的な1層の受容体分子によって定義される少なくとも一つの台地を持つ工程、を含み、
直交角度θqは、平面アレイに対して垂直な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義されることを特徴とする、前記方法。
Orthogonal interferometry for determining the presence or absence of a target analyte in a sample,
Measuring the output of the first photodetector, axially aligned with the optical element array for receiving substantially only the first orthogonal component of the reflected light signal, wherein the first orthogonal component is the reflected light signal The reflected light signal is obtained from a probe laser beam having a wavelength λ and a waist w 0 incident on the planar array, the planar array being directed to the target analyte. Having at least one plateau defined by a single layer of receptor molecules specific to
The orthogonal angle θq is calculated from the ray perpendicular to the planar array:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Said method, characterized in that it is defined by
第2対向直交分のみを実質的に受容するための光学要素列に軸揃えされた、第2光検出器の出力を測定する工程であって、第2対向直交成分は、反射光信号を実質的に第2直交角において観察することから得られる工程、をさらに含むことを特徴とする、請求項25の方法。   Measuring the output of the second photodetector, aligned to an optical element array for substantially receiving only the second opposite orthogonal component, wherein the second opposite orthogonal component substantially reflects the reflected light signal. 26. The method of claim 25, further comprising the step of obtaining from observation at a second orthogonal angle. 第1光検出器の出力を反転する工程と、
第1光検出器の反転出力を第2光検出器の出力と加算する工程、
をさらに含むことを特徴とする、請求項26の方法。
Inverting the output of the first photodetector;
Adding the inverted output of the first photodetector with the output of the second photodetector;
27. The method of claim 26, further comprising:
光学要素列が対物レンズを含むことを特徴とする、請求項26の方法。   27. The method of claim 26, wherein the optical element array includes an objective lens. 第1および第2光検出器は、反射光信号の遠視野回折パターンをフーリエ面において測定することを特徴とする、請求項28の方法。   30. The method of claim 28, wherein the first and second photodetectors measure a far field diffraction pattern of the reflected light signal in a Fourier plane. 生物サンプル中の標的分析対象の有無を干渉検出するためのキットであって、
波長λおよびウェストw0を有する結像レーザービームの光源であって、レーザービームを基板に対して入射させるように直接または間接に軸揃えされる光源と、
空間的にパターン化されたバイオ層を有する反射面を持つ基板であって、バイオ層は、受容体分子の複数のコーティングを含み、各コーティングは、特定の標的分析対象に結合するように構成される基板と、
遠視野回折パターンの強度を測定するための分割光検出器であって、一対の直交角度の内の少なくとも一方に実質的に等しい観察角度においてのみ強度を検出するように配置され、直交角度は、基板に対して垂直な光線から下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される分割光検出器、を含む、前記キット。
A kit for interference detection of the presence or absence of a target analyte in a biological sample,
A light source of an imaging laser beam having a wavelength λ and a waist w 0, which is directly or indirectly aligned so that the laser beam is incident on the substrate;
A substrate having a reflective surface having a spatially patterned biolayer, wherein the biolayer includes a plurality of coatings of receptor molecules, each coating configured to bind to a specific target analyte. A substrate,
A split photodetector for measuring the intensity of a far-field diffraction pattern, arranged to detect intensity only at an observation angle substantially equal to at least one of a pair of orthogonal angles, From the light beam perpendicular to the substrate:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
A split photodetector as defined by said kit.
分割光検出器が、直交角度を除いては、遠視野回折パターンの部分をブロックするための開口を含むことを特徴とする、請求項30のキット。   31. The kit of claim 30, wherein the split photodetector includes an aperture for blocking portions of the far-field diffraction pattern except for orthogonal angles. 反射面が、レーザーミラーとして働く、TiO2/SiO2から成る、10層の誘電積層体を含むことを特徴とする、請求項30の装置。 Reflective surface acts as a laser mirror, consisting of TiO 2 / SiO 2, characterized in that it comprises a dielectric stack of 10 layers The apparatus of claim 30. 分割光検出器が、四分円光検出器であり、反射面は、四分の一波誘電積層体を含むことを特徴とする、請求項30の装置。   32. The apparatus of claim 30, wherein the split photodetector is a quadrant photodetector and the reflective surface comprises a quarter wave dielectric stack. 平面アレイにおける標的分析対象の有無を検出する、位相差直交干渉検出のための装置であって、
探査ビームを発生するためのレーザー光源と、
平面アレイを受容するためのプラットフォームと、
プラットフォームに対し探査ビームを実質的に垂直に向けるための第1光学要素列と、
第1側面と第2側面、および焦点距離を有する対物レンズであって、レンズの第1面において、プラットフォームから、焦点距離にほぼ等しい第1距離だけ隔てられる対物レンズと、
探査ビームの反射から得られる信号における第1直交分および第2直交分を測定するための分割光検出器手段、
を含む前記装置。
An apparatus for phase difference quadrature interference detection that detects the presence or absence of a target analyte in a planar array,
A laser light source for generating a probe beam;
A platform for receiving a planar array;
A first optical element array for directing the exploration beam substantially perpendicular to the platform;
An objective lens having a first side and a second side, and a focal length, the objective lens being separated from the platform by a first distance approximately equal to the focal length on the first side of the lens;
A split photodetector means for measuring the first and second orthogonal components in the signal obtained from the reflection of the probe beam;
Including said device.
平面アレイがディスクであり、装置が、プラットフォームに付着される、ディスクを回転するための回転器をさらに含むことを特徴とする、請求項34の装置。   35. The apparatus of claim 34, wherein the planar array is a disk and the apparatus further comprises a rotator for rotating the disk attached to the platform. 測定用の分割光検出手段が、信号における第1直交分用として第1出力を、信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される、直交光検出器であることを特徴とする、請求項34の装置。   The split light detection means for measurement is an orthogonal photodetector arranged to generate a first output for the first orthogonal component in the signal and a second output for the second orthogonal component in the signal. 35. The device of claim 34, characterized. 第1出力および第2出力の内の一方に付着される反転回路、および、反転回路と、第1出力と第2出力の内の他方とに付着される加算回路、をさらに含むことを特徴とする、請求項36の装置。   An inverter circuit attached to one of the first output and the second output; an inverter circuit; and an adder circuit attached to the other of the first output and the second output. The apparatus of claim 36. 測定用の分割光検出手段が、信号における第1直交分用として第1出力を生成するように配置される第1光検出器、および、信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される第2直交光検出器、であることを特徴とする、請求項34の装置。   A split light detection means for measurement generates a first output for generating a first output for the first orthogonal component in the signal, and generates a second output for the second orthogonal component in the signal 35. The apparatus of claim 34, wherein the apparatus is a second orthogonal photodetector arranged in the manner described above. 測定用の分割光検出手段が、信号における第1直交分用として第1出力、および信号における第2直交分用として第2出力を生成するように配置される、分割リング光検出器であることを特徴とする、請求項35の装置。   The split light detector for measurement is a split ring photodetector arranged to generate a first output for the first quadrature component in the signal and a second output for the second quadrature component in the signal. 36. The device of claim 35. 測定手段は、対物レンズの第2側面から、焦点距離にほぼ等しい第2距離だけ離れることを特徴とする、請求項34の装置。   35. The apparatus of claim 34, wherein the measuring means is separated from the second side of the objective lens by a second distance substantially equal to the focal length. サンプルにおける標的分析対象の有無を位相差直交干渉検出するためのシステムであって、該サンプルは、空間的にパターン化された認識分子の複数のコーティングを含む反射面を有するディスクに暴露され、該認識分子の少なくとも一つは、標的分析対象に対して特異的であり、
ディスクを受容するためのプラットフォームと、
ディスクを回転するための回転器と、
波長λの結像レーザービームのための光源であって、レーザーが、ディスクに対し、ウェストw0をもって入射させるように直接または間接に軸揃えされる光源と、
空間的にパターン化された認識分子の複数のコーティングを横切ってレーザービームをトレースするための手段と、
実質的に、一対の遠視野回折パターンの直交干渉角度θq において強度を測定するための分割光検出器であって、遠視野回折パターンは、レーザービームを平面アレイの上を横切ってトレースすることから得られ、直交干渉角度θqは下式、すなわち、
θq = sin-1(λ/2w0)
によって定義される分割光検出器、
を含む、前記システム。
A system for phase difference orthogonal interference detection of the presence or absence of a target analyte in a sample, wherein the sample is exposed to a disk having a reflective surface comprising a plurality of coatings of spatially patterned recognition molecules, At least one of the recognition molecules is specific for the target analyte;
A platform for receiving discs,
A rotator for rotating the disk;
A light source for an imaging laser beam of wavelength λ, wherein the laser is directly or indirectly axially aligned to enter the disc with a waist w 0 ;
Means for tracing the laser beam across a plurality of coatings of spatially patterned recognition molecules;
In effect, a split photodetector for measuring intensity at a quadrature interference angle θ q of a pair of far-field diffraction patterns, the far-field diffraction pattern tracing a laser beam across a planar array And the orthogonal interference angle θq is given by:
θ q = sin -1 (λ / 2w 0 )
Split photodetector, defined by
Including the system.
プラットフォーム上のディスクと強度を測定するための分割光検出手段との間に配置される対物レンズをさらに含むことを特徴とする、請求項41のシステム。   42. The system of claim 41, further comprising an objective lens disposed between a disk on the platform and a split light detection means for measuring intensity. 強度を測定するための分割光検出手段が、一対の直交干渉角度θqの内の一方における強度に対応する第1出力、および、一対の直交干渉角度θqの他方における強度に対応する第2出力、を有することを特徴とする、請求項41のシステム。   The split light detection means for measuring the intensity has a first output corresponding to the intensity at one of the pair of orthogonal interference angles θq, and a second output corresponding to the intensity at the other of the pair of orthogonal interference angles θq, 42. The system of claim 41, comprising: 第1出力および第2出力の内の一方に付着される反転回路、および、反転回路と、第1出力および第2出力の内の他方とに付着される加算回路、をさらに含むことを特徴とする、請求項43のシステム。   An inverter circuit attached to one of the first output and the second output; and an adder circuit attached to the inverter circuit and the other of the first output and the second output. 44. The system of claim 43. 測定用分割光検出手段が、四分円光検出器であることを特徴とする、請求項43のシステム。   44. The system of claim 43, wherein the measuring split light detection means is a quadrant light detector.
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