JP2001504213A

JP2001504213A - 化学的／生化学的な光センサ

Info

Publication number: JP2001504213A
Application number: JP51128798A
Authority: JP
Inventors: デュベネック，ゲルト・ルートビッヒ; デューベンドルファー，ユルグ; クンツ，リノ・エルンスト; クラウス，ゲロルフ
Original assignee: Zeptosens AG
Current assignee: Zeptosens AG
Priority date: 1996-08-29
Filing date: 1997-08-27
Publication date: 2001-03-27
Also published as: US6395558B1; AU4207897A; WO1998009156A1; EP0922214A1

Abstract

(57)【要約】本発明は、トランスデューサおよび認識層からなる平面状の光センサプラットフォームに関する。認識層の実効屈折率における変化が、集積光学的な光ポインタ原理に従って、測定可能な変数に変換される。本発明は、例えば、標識付けしないバイオセンサ分析のような、センサプラットフォームの使用方法およびこの方法そのものに関する。

Description

【発明の詳細な説明】化学的／生化学的な光センサ本発明は、トランスデューサおよび認識層からなる平面状の光センサプラットフォームに関する。認識層の実効屈折率における変化が、集積光学的な光ポインタ原理に従って、測定可能な変数に変換される。本発明は、例えば、標識のないバイオセンサ分析のような、センサプラットフォームの使用方法およびこの方法そのものに関する。集積光学的な光ポインタ原理については、ＷＯ９２／１９９７６で記述されている。これは、光ビームを回折格子により導波層に連結する際に、連結角度の変化を、いわゆる入連結（光を格子に取りこむ）位置と呼ばれる位置に依存するトランスデューサ上の信号変化に、変換することに基づいている。以下に説明する実施例により、格子は導波モードの伝播方向と実質的に垂直方向に伸びているが、格子の相当な大部分をカバーする光ビームの連結条件は、入連結格子の特定の位置においてのみ満足する。例えば、格子上の分子が光吸収する結果として、導波モードのいわゆる実効屈折率が変化すると、入連結位置は、導波モードの伝播方向と垂直な格子上で転移する。これについては、ＷＯ９２／１９９７６が、少なくとも１つの連結条件が位置に依存する装置および方法を提案している。導波層の厚みまたは格子周期を位置に依存して変化させたり、例えば位置に依存する材料、被膜層、および導波フィルムの屈折率など、その他のパラメータを変えることにより、連結条件の位置依存性を得ることが望ましい。上述の位置に依存する変形物の組み合わせは、またとりわけ興味深い。特に好適なのは、ＷＯ９２／１９９７６で提案された２つの変形物である。つまり、一定周期を有する入連結格子を用いて、導波モードの伝播方向に対して垂直方向に変化する層厚を有する導波層を採用するか、あるいは、一定の層厚を有する導波層を用いて、モード伝播に対して垂直な連結格子の格子周期を変えることができる。このような集積光学的な光ポインタを含むトランスデューサの計算、寸法決定、および製造に関して、「センサおよびアクチュエータＡ４６−４７」（１９９５）４８２ないし４８６頁に出版された「光学的検出用途のための複製されたチップ導波格子」でさらに記述されている。光ビームが導波層に導波されると、関連の電磁場は、実際の導波層に対して完全に特定されるのではなく、むしろ隣接する光学的に希薄な領域（つまりより低い屈折率を有する領域）に電磁場が伸びる。これは、横断減衰波と呼ばれる。この場は、導波層から遠ざかる程その強度が急激に減衰するが、エバネセント場と呼ばれる。導波層に隣接するより低い屈折率を有する媒体に貫通する深さは、１波長の分数の大きさのオーダであって、かなり大きな生物学的分子の大きさに匹敵するものである。エバネセント場の貫通深度の外側で生じる反応は、導波された光により（本質的に）検出されることはなく、したがって結果的に得られる測定信号上に（本質的に）影響を与えることはない。これが、センサ分析において数多くの光学的な導波層が用いられる根拠である。この提案されたセンサプラットフォームは、少なくとも一部がエバネセント場に配置される認識層の領域でのいわゆる実効屈折率の変化に基づいている。本発明によれば、最も簡単な場合、平面状のセンサは、トランスデューサおよび認識層からなる。トランスデューサはさらに、基板（支持材料）、光学的中間層、導波層、および択一的には、認識層を固定するための接着促進層を有する。とりわけ、導波層の層厚が光の波長より小さい場合の薄い導波層に対して、光の場の伝播可能なモード数は、いくつかの離散的な導波モードに制限されている。導波層が厚い場合、数多くのモードが導波される。例えば、この領域の層厚が１０分の２、３ミリメートルまたはそれ以上の大きさを有する場合、基板（支持材料）は、しばしば必要ない。先行技術によれば、導波された波を取り込み（入連結）、取り出す（出連結）するための１つまたはそれ以上の連結格子を利用することが、Ｊ.Ｏｐｔ.Ｓｏｃ .Ａｍ.ｂ６，２０９（１９８９）出版のＫ．ティーフェントハラ、Ｗ．ルコスによる「集積光学的な化学センサとしての格子カプラの感度」、センサおよびアクチュエータＢ１，５８５（１９９０）出版のＷ．ルコス、Ｐｈ．Ｍ．ネレン、Ｃｈ．スタム，Ｐ．バイスによる「集積光学的な化学センサとしての、平面状の導波層上の出力格子カプラ」、および応用物理１４，２３５‐２５４（１９７７）出版のＴ．タミル、Ｓ．Ｔ．ペングによる「格子カプラの分析および設訃」で開示されている。ティーフェントハラら、およびルコスらにより記述される処理手順は、（屈折率の変化による）直接検出方法を用いた親和性センサ分析に有用であり、このとき、表面上に分子が吸着または固定されることにより生じる連結角度の共鳴のずれが、屈折率の変化に起因するが、このずれが決定される。本発明の根底に流れる課題は、平面状の光学的な導波層および認識層に基づく縮小可能なセンサプラットフォームを提供することにあり、このとき集積光学的な光ポインタ原理に従って認識層の変化が変換される。この課題は、トランスデューサおよび認識層とからなる平面状の光学的センサプラットフォームにより解決される。このとき、認識層領域での実効屈折率の変化が、集積光学的な光ポインタ原理に従って測定可能な変数に変換される。現実的な理由により、平面状の光学的なセンサプラットフォームは、a)透明支持材料と、これに付加された少なくとも１つの薄いb)透明導波層と、およびc)認識層とからなることが望ましく、a)支持材料の屈折率が、b)導波層の屈折率よりも小さく、センサプラットフォームが励起光を取りこむための連結格子を有し、集積光学的な光ポインタ原理が導波層および入連結格子により実現される。センサプラットフォームは、第１の連結格子と物理的に離れているが、導波層内に導波された波を取り出すための第２の連結格子を有している。平面状の誘電性光学的センサプラットフォームが望ましい。センサプラットフォームの入連結格子および出連結格子（第２格子により取り出す場合）は、導波モードの伝播方向と垂直方向に一定でない格子周期を有することが望ましい。一定の層厚を有する導波層を用いることが望ましい。さらに、励起光の波長λ よりも短い層厚を有する導波層を用いて、励起光の波長における屈折率が１．８以上である材料からなる実施例が望ましい。加えて、発光励起を本発明による装置に関連付けることができる。エバネセント場内で励起され、導波層内に導波された発光を、第２格子を介して取り出すことにより検出することができ、さらにエバネセント場で励起されたがトランスデューサの上側または下側半分の空間内に発する発光量を集光して検出することができる。その処理手順および装置は、例えばＷＯ９５／３３１９８の先行技術により知られている。本発明によるセンサプラットフォームは、標識のない生物学的親和性のセンサシステムに関する、簡単に縮小できる装置に特に適している。この場合、認識層は、例えばＷＯ９５／３３１９７およびＷＯ９５／３３１９８や、以下で説明するように、直接にまたは適当な接着促進層を介してセンサプラットフォームに固定される、分析用の生化学的な認識要素からなる。認識層として適当なメンブレンを用いると、本発明によるセンサプラットフォームのさらなる便利な実施例が実現される。このメンブレンは、化学的または生化学的な認識要素を構成するか、あるいは全体として認識層を形成し、例えば、膨張または収縮の結果として、液体溶液中またはガス雰囲気中のアナライト（検出されるべき物質）に接触する界面上で、屈折率が変化することが特に好適である。本発明によるセンサプラットフォームはまた、特に光学的イオン強度センサとして適している。蛍光測定と同時に、光ポインタ原理に基づく実効屈折率を測定する際に、ｐＨ値およびイオン強度を同時に測定することができる。同様に、このセンサプラットフォームをイオン選択的な光センサとして用いることができ、この場合、イオン透過担体だけを用い、蛍光担体または発色担体を用いないことが必要である。最終的に、例えばシロキサンからなる適当なメンブレンが用いられると、本発明によるセンサプラットフォームは、炭化水素を液体中またはガス中、とりわけ空気中で検出することができる。好都合にも、本発明によるセンサプラットフォームは、屈折率依存型の既知の方法と比較して、かなり小さくすることができる。さらに光源および検出器の両方を件のセンサプラットフォーム内に集積することができ、あるいは、本発明によるセンサプラットフォームと、相補的な励起・検出チップとからなるサンドイッチ体を用いることができる。こうすることにより、より安定性の高い信号が得られる。光学的イオン強度センサとして用いる場合、本発明のセンサプラットフォームは、短い反応時間似より特徴づけられる。さらなる利点は、血液のような不透明な液体をイオン選択的に検出する場合、液体が光を吸収することにより起こる信号妨害、および発光効果が生じないことである。光ポインタ原理に基づく生物学的親和性センサとして用いると、同様の利点が享受される。平面状の導波層理論に基づいて、できるだけ有効に発光励起させるように、平面状の導波層の大きさを決定することができる。この目的のために次の変形物がある。（バイオセンサ＆バイオエレクトロニクス６、２１５−２５５（１９９１）出版のＷ．ルコスによる「直接的な親和性センサおよび免疫センサのための集積光学的な表面プラズモンセンサに関する原理および感度」；ニューヨーク、エルゼビア社出版（１９９１），Ｗ．ウルフ編の光学の発展ＸＸＩＸのＤ．Ｇ．ホールによる「光学的導波層の回折格子；導波モード間の連結」。）平面状導波層のエバネセント場のスーパーストレート（導波層の上方にある層；認識層）に対する貫通深度は、次式で与えられる。Ｎ_effを実効モード屈折率、ｎ_superをスーパーストレート屈折率、そしてλを作用波長とする。ここで導波層表面に垂直な座標軸はｚ、導波層伝播の座標軸がｘである。導波層表面における場の強さに対するスケール係数ｆを計算すると、次式で表される。ここで導波層の屈折率はｎ_film、そして基板（支持材料）の屈折率はｎ_subであって、導波層上のエバネセント場の強度曲線は、次式に比例する。Ｉ_E〜ｆ・ｅ^-2 ^π/ΔZeva 導波層表面に垂直な励起エバネセント場の強度曲線により、導波層の層厚と屈折率のための本質的なスケール倍数が決定される。導波層に隣接する発光分子を検出する分析的使用のために、導波層表面から分子までの距離が、導波層の大きさを決定する上で考慮される。発光検出に関して、ＷＯ９５／３３１９８は、高屈折率を有する薄い平面状の導波層に対して、発光のエバネセント逆連結が、実効的な方法であることを記述している。導波層の層厚および屈折率を選択することにより、（計算可能な）励起効率に、およびエバネセント逆連結の両方に効果を与える。後者の場合、導波層表面に近接する界面にある分子の発光成分の取り込みが、サンプル量からの境界にない分子の取り込みと競合する。本発明による好適なセンサプラットフォームは、次の範囲内の波長パラメータを有することが望ましい。・励起波長λにおいて、屈折率ｎ_film≧１．８・層厚ｔ_film≦励起波長λ、望ましくはｔ_film≦λ／２導波層の層厚は、特に３０ないし２００ｎｍである。格子の変調深度は、望ましくは３ないし６０ｎｍである。導波層の層厚が３０ないし２００ｎｍで、格子の変調深度が３ないし６０ｎｍであるとき、とりわけセンサプラットフォームの良好な装置が得られ、層厚に対する変調深度の比は、０．５未満である。これら導波層は一般に、低次のｍ≦３の導波モード伝播だけを許容できるようにすることができる。導波層内に急に減衰するように逆連結される光が搬送される。その特性は、導波された波の減衰定数Γで表される。ここで、微小なストークスのずれが生じ、励起および発光に対して同一の減衰値が推定される。（導波層の減衰に関する可能性のある原因は、導波層のインターフェイス部における散乱損失、および導波層内または基板（支持材料）内またはスーパーストレートでの吸収である。）散乱および吸収の両方に関して、狭小な吸収バンドに変わりがなければ、通常１０ないし５０ｎｍのストークスのずれの結果としての実質的な減衰変化はないと期待できる。（センサプラットフォームの材料を選択すると、このようなスペクトル狭小バンド吸収による影響を避けることができる。）追加的に発光励起され、および導波層に搬送される発光成分が検出された場合、この成分は、取り出され、検出システムに供給される。これは、取り出すために、第２の連結格子を用いることにより実施され、第２連結格子は、励起光を取り込むための連結格子とは物理的に異なるものである。この場合、格子間隔Ｂのための最適値は、Ｂ＝（０．２〜３）×_1/eの範囲にあるとき、Ｂ＝ｘ_1/eであることが分かっている（ｘ_1/e：Ｘ軸方向の導波された励起波の強度における降下のための1/e長さ）。（変換Γ［ｄＢ/ｃｍ］→ｘ_1/e ［１/ｍｍ］：ｘ_1/e＝１００/（ｌｎ１０×Γ））間隔をより大きくすると、励起光および導波光がかなり減衰され、信号が実質的に低減する結果となる。より低い制限値が、主に励起および逆連結によってではなく、むしろ２つの格子の位置、および入連結格子上の励起光の関連する要求により、決定される。１００μ ｍ未満の間隔は、以下に説明する入連結格子の幅、および入連結格子の端部上の励起光のビーム直径を寸法決定する観点からも好ましくない。取り込み（入連結）角度、および取り出し（出連結）角度は、選択された格子定数Λ₁およびΛ₂により決まる。２つの変形物の間に差異ができる。変形物１：連結角度が０°以外の場合（入射角度が垂直方向以外）。変形物２：連結角度が０°の場合。第１の変形物の場合、連結角度の範囲は、例えば格子定数を選択することで、｜θ｜＞１°から５０°（角度の値として）とすることができる。これより小さい角度は避けたほうがよい。さもなければ、配列する上での許容度が小さく、センサが一様であったとしても、光ポインタは、反対方向に励起されるため、その評価は不可能か困難である。９０°近くまでのより大きい角度が可能であるが、光路が好適な手法で実現されるならば、センサから離れた角度、直角は避けるべきである。第２の変形物の場合、｜θ｜≦１°となる入連結角度（角度の値として）を意識的に採用される。すると、反対方向に、つまり入連結格子から左および右方向に伝播する２つの光ポインタを励起することができる。この場合、好適には、１つまたはそれ以上の検出器に光ポインタを取り出せるように、入連結格子の左および右方向に２つの出連結格子が用いられる。差異測定のような適当な信号評価方法が、入連結角度が不安定であるような好ましくない影響を補償するために用いることができる。導波モードの伝播方向と垂直な格子周期（勾配）の変化である、いわゆる「チルプ」ｇ_Λは、件の応用例で期待される実効屈折率の変化の大きさにより決まる。この勾配は、次式で表される。直線勾配のために、ｇ_Λは次式により定義される。 Λ＝ｆ_Λ（ｙ）＝Λ_O＋ｇ_ΛｙここでΛは格子の頂点における格子周期、Λ_Oはポイントｙ＝０での格子周期である。ｇ_Λ＝１０^-6の値は、横方向の位置が１ｍｍ変化して格子定数が１ｎｍ変化した場合に相当する。実際に用いる場合、光ポインタが全領域に亙って３ｍｍだけ移動し、励起波長が７８５ｎｍで、二酸化チタニウム（ｎ＝２．４８）がポリカーボネイト基板（ｎ＝１．５７１）上に設けられ、ほぼ垂直な光の入連結角度に対して、次の「チルプ」および格子周期Λ_Oが特に好適である。ｎ_c＝１．５からｎ_c＝１．６： Λ_O＝４５０−４６０ｎｍ；ｇ_Λ＝３０−４０×１０^-7 ｎ_c＝１．５１からｎ_c＝１．５２： Λ_O＝４２０−４６０ｎｍ；ｇ_Λ＝３−４×１０^-7 ＴＥ_OおよびＴＭ_Oモードに対して、値は各々異なる。ここでｎ_cは、スーパーストレートの屈折率を示す。格子深度の寸法は、先行技術により決定することができる（応用物理１４，２３５−２５４（１９７９）のＴ．タミール、Ｓ．Ｔ．ペングによる「格子カプラによる分析および設計」；ベルリン、シュプリンゲルＴ．タミール編（１９７９）のＴ．タミールによる「集積光学」における「ビームと導波カプラ」）。いわゆる「リークパラメータ」αが１つの特性として用いられる。αは、導波層中の導波された波の強度の１／ｅ降下について記述し、そのインターフェイス部には深度ｔ_depthを有する連結格子が設けられている。したがって、１/αは、導波された波から自由に伝播する波に、光エネルギが伝播するための特徴的な長さであって、逆も同様である。入連結格子の深度を選択する際の主要因は、リークパラメータの絶対値ではなくて、リークパラメータと入射光のビームパラメータ（ビーム径およびピーム発散）との照合である。最も重要な参考文献は、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥＶｏｌ．２０６８，６９−８６（１９９４）出版のＲ．Ｅ．クンツおよびＬ．Ｕ．ケンペンによる「小型集積光学的センサ」にある。発光検出に関連するリークパラメータについて、さらに、ＷＯ９５／３３１９８で記述され、本発明の追加的に発光が検出される場合には同様に考慮する必要がある。センサプラットフォームの支持材料は、励起波長および発光波長において、透明であることが望ましい。支持材料が透明でない場合、導波層は、十分な厚さを有する中間層（下記参照）により支持層から離しておくことが望ましい。この場合、光はスーパーストレート側面から入射させることが望ましい。用いられる支持材料は、例えばＥＰ−Ａ０５３３０７４で記述されたようなプラスチックであってもよい。基板が透明である場合、センサプラットフォームの下側から、すなわち透明基板を通して、励起および検出を行うのが好ましい。支持材料は、例えば支持プレートなどの上に層構造システムのような、異なる材料を有する、例えば合成的なシステムからなっていてもよい。この場合、導波層にすぐ近くの材料の屈折率だけが、導波層の屈折率よりも小さいことが必要である。導波層を被膜するための支持材料として、微小構造を有するポリマーを用いることができる場合、センサプラットフォームは、特に経済的に製造できる。検出感度はこのとき、支持材料による励起光の吸収、または特に追加的な発光が検出される場合に、支持材料の固有発光に関する励起により制約を受けることがある。固有発光に関する励起およびエバネセント逆連結が、導波層／スーパーストレートのインターフェイス部における上述のメカニズムと類似した手法で、導波層／支持材料のインターフェイス部で起こる。低い屈折率（すなわち導波層の屈折率よりも小さい屈折率）を有する、吸収も発光もしない中間層が、導波層を被膜する前に支持材料に設けられるが、支持材料によるこのような吸収または発光をこの中間層により回避することができる。中間層としての特に適した材料は、ＳｉＯ₂、またはＳｉＯ_xＨ_yＣ_zの組成を有する少量の炭化水素の残渣を含む、実質的にＳｉＯ₂に類似する層である。導波された波のエバネセント場から支持材料側面にまで伝播するエネルギが、実質的に中間層内に配置されるように、中間層の層厚を選択する必要がある。中間層を用いることによる別の利点は、支持材料の表面の粗さを少なくすることができる点にある。その結果、導波層による減衰が減り、信号／ノイズ比が改善される。本発明による方法に関して、実質的に平行な光だけが適している。本発明の文脈において、「実質的に平行である」ということは、ばらつきが５°以内であることを意味している。すなわち、この光は多少発散してもよいし、収束してもよい。より大きく発散すると、入連結角度を配列しやすくするが、受信できる信号量が減る。なぜなら、入連結共振の幅は発散角度よりも小さいためである。本発明の文脈において、「平面状の光センサプラットフォーム」とは、肉眼で二次元に見えるならば、ストリップ状、プレート状、円盤状、あるいはその他の幾何学的形状に構成してもよい。導波された波が導波層内を伝播することができるならば、平面状でなくとも重要なことではない。選択された幾何学的形状は、センサプラットフォームが実装される全体の装置の構造に依存していてもよい。実質的に小型化できる装置が望ましい。有機の小型構造を有する支持材料を上述のように用いることに加えて、ガラスまたは水晶のような無機の支持材料を用いることもできる。このような材料は、ポリマと比較すると、固有発光がより少ないという利点を有する。センサプラットフォームを経済的に製造するために、ＥＰ−Ａ０５３３０７４で記述されたように連結格子のための格子構造が組み込まれた、低屈折率の被膜を含む支持材料を提供することが望ましい。連結格子は、導波層／スーパーストレートのインターフェイス部に設けてもよい。このような格子を製造する方法はよく知られている。フォトリソグラフィ処理およびエッチング技術が、これを製造するために主に用いられ、例えば、Ｐｒｏｃ．ＳＰＩＥ，Ｖｏｌ．２０６８，３１３−３２５（１９９４）発行の、Ｒ．Ｅ．クンツ、Ｊ．エドリンガ、Ｂ．Ｊ．カーティス、Ｍ．Ｔ．ゲイル，Ｌ．Ｕ．ケンペン、Ｈ．ルディギエール、およびＨ．シュンツによる「集積光学的な検出のための傾斜する導波層における格子カプラ」、およびセンサ＆アクチュエータＡ、Ｖｏｌ４７，４８２−４８６（１９９５）発行の、Ｒ．Ｅ．クンツ、エドリンガ、Ｐ．シックス、およびＭ．Ｔ．ゲールによる「光学的な検出応用のための複製チルプされた導波格子」で記述されている。格子構造は、支持材料の上に形成されると、導波層に転写される。このとき格子構造は再生されるか、あるいは格子が導波層自体に形成される。格子周期は、２００ないし１０００ｎｍの範囲であることが望ましい。導波層の形成に適した材料は、例えば無機材料で、とりわけＴｉＯ₂、ＺｎＯ、Ｎｂ₅Ｏ₅、Ｔａ₂ｏ₅、ＨｆＯ₂またはＺｒＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、およびＴｉＯ₂のような酸化物である。本出願は、平面状の光センサプラットフォームの認識層における実効屈折率の変化を測定する方法に関する。この方法は、サンプルを認識層に接触させるステップと、認識層での実効屈折率の変化に伴い、集積光学的な光ポインタ原理に従って測定可能な変数に変換するステップと、を有する。上述の詳細および好適例は、同様にこのセンサプラットフォーム、および集積光学的な光ポインタ原理に基づく測定可能な変数への変換に適用される。同様に、例えば上述の認識層のような方法の好適な実施例において、センサプラットフォームの特別の装置を形成してもよい。さらに、本出願が関係する方法に関する実施例、およびこの方法を使用する実施例が以下で記述される。この発明の文脈において、「サンプル」とは、分析すべき物質、アナライトで構成される、分析すべき全ての溶液、または択一的にガス混合物を含む混合ガスであると理解すべきである。１ステップまたは複数のステップによる検定で検出が行われ、その途上でセンサプラットフォームの表面は、１つまたはそれ以上の溶液と接触する。この過程で、追加的な蛍光が検出された場合、用いられた少なくとも１つの溶液が、本発明により検出できる発光物質を含んでいる。発光材料が導波層b)の上ですでに吸収されていたとき、このサンプルはこの場合、発光成分とはなり得ない。このサンプルは、例えばｐＨ緩衝液、塩、酸、塩基、界面活性剤、粘性誘導添加剤、色素などの別の構成物を含んでいるかもしれない。とりわけ溶媒として生理食塩水を用いることができる。追加的な発光が検出され、発光成分が液体ならば、溶媒を追加しなくてもよい。この場合、サンプル内の発光物質の含有率は、１００％まで上げることができる。サンプルは、例えば卵の黄身、体液、または特に血液、血清、血しょう、または尿などの成分のような生物学的な媒体であってもよい。さらにサンプルは、地表水や、例えば表土植物の一部または生物学的または人工的分泌液のような、自然または人工の媒体から抽出した溶液であってもよい。サンプルは、そのまま、あるいは溶媒を加えて用いることができる。適当な溶媒は、水、緩衝水溶液、蛋白質溶液、および有機溶媒である。適当な有機溶媒は、アルコール、ケトン、エステル、および脂肪族炭化水素である。水、緩衝水溶液、または水と混和性有機溶媒との混合物が用いられるのが好ましい。しかしサンプルは、例えば色素粒子、分散剤、自然および人工のオリゴマまたポリマ等の溶媒に溶けない成分を有していてもよい。この場合サンプルは、光学的に不透明で、散乱または乳濁する形態のものである。追加的な発光が検出される場合、発光化合物として、３３０ｎｍないし１０００ｎｍの波長範囲で発光する発光色素を用いてもよい。その例として、ローダミン、フルオレセイン誘導体、クマリン誘導体、ディスティリル・ビフェニル、ステルベン誘導体、フタロシアニン、ナフタロシアニン、例えばトリス（２，２’ −ビピリディル）ルテニウム塩化物やトリス（１，１０−ペナンスロリン）ルテニウム塩化物やトリス（４，７−ディフェニル−１，１０−ペナンスロリン）− テニウム塩化物及びポリピリディル／フェナジン／ルテニウム複合物などのポリピリディル／ルテニウム複合物、オクタエチル−プラチナ−ポルフィリンなどのプラチナ／ポルフィリン複合物、長命ヨーロピウムやテルビウム複合物、もしくはシアニン色素、などがある。血液や血清の分析に特に適したものは、吸収および発光波長が６００から９００ｎｍの範囲にある色素である。サンプルが植物の抽出物からなる溶液である場合、葉緑素の光吸収範囲（６６０ｎｍないし７００ｎｍ）を除く可視領域および近赤外領域における励起および発光スペクトルを有する色素がとりわけ好適である。特に適したものは、共有結合される官能基グループを含む、例えばフルオレセイン・イソシアネートなどのフルオレセイン誘導体などの色素である。さらに非常に適しているのは、バイオロジカル・ディテクション・システムズ社またはアメルスハムから市販されている、例えば１−、または２−官能基Ｃｙ５^TMおよびＣｙ５．５^TMなどのような官能基蛍光色素であり、この色素は例えば、臨床化学（９）：１８１９−１８２２，１９９４でも記述されている。追加的な発光励起がある場合、好適な発光は蛍光である。入連結格子において、高効率に共振条件を満足させることができるので、可干渉光を用いて励起することが望ましい。この目的のために用いられるレーザ光源は、発光分子または蛍光分子の吸収波長に基づいて選択する必要がある。レーザダイオードまたは高輝度発光ダイオードにより、センサプラットフォームの担う検出システムを大幅に縮小することができるので、これらの光源は特に重要である。特に適しているのは、検出ユニットを選択的に備えたレーザダイオードであって、このレーザダイオードは、センサプラットフォーム内に集積されるか、あるいはセンサプラットフォームと相補する励起・検出チップからなるサンドイッチ構造体を形成するために組み込まれる。追加的な発光励起がある場合に用いられる発光色素は、ポリマ、または生化学的親和性システム内の結合パートナの１つと化学的に結合してもよく、その例としては、抗体又は抗体残存物、抗原、蛋白質、ペプチド、受容体やその配位子、ホルモンもしくはホルモン受容体、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ螺旋及びＲＮＡ螺旋、ＤＮＡもしくはＲＮＡ類似体、淡白質Ａ及びＧなどの結合蛋白質、アビジン又はビオチン、酵素、酵素共同因子もしくは阻害因子、レクチンもしくは炭化水素、などがある。さらに、発光−標識付けされたステロイド、脂質、キレートの使用も可能である。追加的な発光励起があるときにＤＮＡ螺旋やオリゴヌクレオチドとの交雑検定する場合には、特に多くのルテニウム複合物のように、間に挿入されると発光が増える場合、中間発光色素が特に適している。これらの発光−標識付けされた成分が、センサプラットフォーム表面上に固定されたその親和性パートナと接触すると、測定された発光強度を参考にして、その結合を容易に定量的に測定することができる。同様に、例えば酸素による光の吸収、または蛋白質の構造変化に起因する光の増幅という形で、アナライトが発光担体と反応するとき、発光の変化を測定することにより、アナライトを定量的に測定することができる。本発明による方法では、サンプルは、導波層に接触させてじっとさせておいてもよいし、あるいは導波層の上を連続的に流通させてもよい。このとき、サンプルの循環は閉じていてもよいし開いていてもよい。この方法の特別の実施例は、追加的な発光がある場合、アナライトを検出するために用いられる発光材料を、b)導波層の表面上に直接固定するステップを含む。このような材料として、例えば、導波層の表面上の発光を励起できる蛋白結合の発光担体であってもよい。蛋白質に対する親和性パートナが、固定層の上を通過すると、発光が変化し、これにより親和性を有するパートナの量を決定できる。特に、発光担体に標識付けされる親和性複合物の両方のパートナにより、例えば発光励起の形態で、２つの間のエネルギが搬送されることに基づいて、濃度を決定することができる。この方法の別の実施例は、認識層として適当なメンブレンを用いるステップからなる。このメンブレンは、化学的または生物学的な認識要素からなるか、または全体として認識層を形成し、例えば膨張または収縮の結果として、液体溶液中またはガス雰囲気中のアナライトに接触させたところの屈折率が変化させる。ここでも追加的な発光が検出された場合、光ポインタ原理に従って、複合的に検出する可能性がある。化学的または生物学的な親和性検定に関する方法の別の好適な実施例によると、アナライト自身のための、または結合パートナの１つのための化学的または生化学的な認識要素として、特別の結合パートナをセンサプラットフォームの表面上に固定するステップからなる。これは、１つのステップまたは複数のステップによる検定であって、後続のステップとして、センサプラットフォームの表面上に固定された認識要素のための特定の結合パートナを含む１つまたはそれ以上の溶液が、その表面上を通過し、アナライトはその要素ステップの１つにおいて結合する。アナライトは、認識層の実効屈折率の変化により検出される。追加的に発光が検出される場合、親和性検定の発光−標識付けされた関係物との結合を用いることができる。用いられた発光−標識付けされた材料は、１つまたはそれ以上の親和性検定の結合パートナであってもよいし、必要ならば択一的に、発光担体を有するアナライトに類似したものであってもよい。唯一の前提条件は、アナライトの存在により、発光信号が選択的に生じるか、発光信号の変化が選択的であることが必要である。疎水性吸収させるか、または導波層上に直接に共有結合させることにより、あるいは例えば、シラン化またはポリマ層を付加することにより、化学的に表面処理した後、認識要素を固定することができる。加えて、認識要素を固定しやすくするために、例えばＳｉＯ₂からなる薄い中間層を接着促進層として導波層上に直接設けてもよい。中間層の厚さは、５０ｎｍを超えてはならず、好適には２０ｎｍを超えない。考えられる認識要素は、例えば抗原に対する抗体、免疫グロブリンに対する蛋白質ＡおよびＧなどの結合蛋白質、配位子に対する受容体、ＲＮＡやＤＮＡの補完的螺旋に対するオリゴヌクレオチドやＲＮＡ、ＤＮＡの単一螺旋、ビオチンに対するアビジン、酵素基質、酵素共同因子もしくは酵素阻害因子に対する酵素、炭水化物に対するレクチン、などである。どの親和性パートナをセンサプラットフォームの表面に固定するかは、その検定の構成に依存する。検定自身は、例えば直接的な検定または競合的な検定などの、単一ステップによる複合処理であってもよいし、例えばサンドイッチ検定などの複数ステップによる処理であってもよい。実効屈折率の変化により検出できる、単一結合ステップからなる直接的な検定の最も簡単な例において、未知濃度のアナライトからなるサンプルをセンサプラットフォームの表面に接触させると、アナライト分子が固定された認識要素と結合する。これにより、結合アナライト分子の質量に依存して、実効屈折率が変化し、これに伴い、対応する光ポインタの位置が変化する。この場合の信号変化量は、結合アナライト分子の量に比例する。追加的な発光が検出される場合、最も簡単な例が競合的な検定である。この場合サンプルは同様に、未知濃度の中にあるアナライトとともに、類似するが発光−標識付けされた既知量の化合物を含んでいる。サンプルがセンサプラットフォームの表面に接触すると、発光−標識付けされた分子と標識付けされていない分子とが、固定された認識要素上で結合場所をめぐって競合する。この検定構成では、サンプルがアナライトを全く含んでいないときに最大の発光信号を得る。検出すべき物質の濃度が高まるにしたがって、観察される発光信号は減少する。このような競合的な検定は、実効屈折率の変化に基づいて実施される。このとき発光−標識の代わりに、質量−標識が用いられる。競合的な免疫学的検定では、センサプラットフォームの表面上に固定される認識要素は、必ずしも抗体でなくても、代りに抗原であってもよい。通常どちらのパートナを固定するかは、化学的又は生化学的な親和性検定の選択の問題である。更に、競合的な検定での競合は、センサプラットフォームの表面上での結合場所に制限されることはない。例えば、既知量の抗原をセンサプラットフォームの表面上に固定し、検査すべき同じ抗原とともに、対応する未知量の特定の抗体をアナライトとして含むサンプルを接触させることができる。この場合には、その抗体との結合をめぐる競合は、表面に固定された抗原と溶液中の抗原との間で行われる。複数ステップによる検定の最も簡単な例は、サンドイッチ免疫学的検定で、ここでは一次抗体がセンサプラットフォーム表面上に固定される。検出すべき抗原と、その抗原の第２エピトープの検出に用いられる二次抗体の結合させるために、その抗原を含む溶液、および二次抗体を含む第２溶液とを連続して接触させるか、もしくは２つの溶液を事前に混ぜ合わせた後に、最後に抗原と二次抗体からなる部分複合体を結合させる。サンドイッチ検定では、信号レベルは、結合アナライト分子の量に比例する。ここで記述したように、発光−標識付けされた抗体を用い、追加的な発光を検出することにより、光ポインタ原理に基づいて、アナライトが検出される。親和性検定は、更に追加の結合ステップを含むことができる。サンドイッチ免疫学的検定の場合の例では、第１ステップで蛋白質Ａがセンサプラットフォーム表面上に固定される。その蛋白質により、免疫グロブリンがいわゆるＦｃ部分と呼ばれる場所に特に結合し、説明すように、これがその後のサンドイッチ検定における一次抗体として作用する。例えば、既知のアビジン−ビオチン親和性システムを使用するなど、その他多くの親和性検定の形態がある。親和性検定の例は、Ｊ．Ｈ．リッテンバーグ、免疫学的検定の基礎；食物分析のための免疫学的検定の開発と応用、Ｊ．Ｈ．リッテンバーグ編、エルゼビア、エセックス１９９０、またはＰ．ティセン、酵素の免疫学的検定の実際と理論、Ｒ．Ｈ．ブルドン、Ｐ．Ｈ．ファンクニッペンバーグ編、エルゼビア、アムステルダム１９８５、に開示されている。さらにセンサプラットフォーム表面は、１度だけ用いられるか、あるいは再生することができる。例えば、ｐＨが低く、高温で、有機溶媒またはいわゆる撹乱反応物（塩）を用いるなどして適当な条件下で、固定した認識要素の結合能力を実質的に阻害することなく親和性複合物が選択的に分離できる。正確な条件は、個々の親和性システムに大きく依存する。この方法を用いる別の重要な形態は、第１に、導波層のエバネセント場に対する信号形成および信号検出を特定することに基づいている。第２に、平衡プロセスとしての親和性複合物が可逆的に形成されることに基づいている。つまり、フローシステムで適切な流速を用いて、例えば、エバネセント場での結合親和性パートナの結合または脱着、つまり解離を、リアルタイムで追跡することができる。したがってこの方法は、異なる結合定数または解離定数を測定するための動力学的研究、および転移検定に適している。この検出は、既知の方法を用いて実施することができる。ホトダイオード、ホトマルチプライヤ、例えばＣＣＤ列のようなＣＣＤカメラ検出アレイ、が適している。光ポインタ原理による信号を記録するために特に、位置感応式のものがてきしており、より好適なのは、例えばＣＣＤ列またはアレイを用いる横方向解像の検出方法である。光路を検出する際、検出器に照射するために、例えば、鏡、プリズム、レンズ、フレネルレンズ、および格子定数レンズ、マイクロレンズ、マイクロレンズアレイなどの光学部品を用いることができる。追加的な発光が検出された場合、例えば、フィルタ、プリズム、単色光分光器、二色光鏡、および回折格子のような既知の部品が発光波長を選択するのに適している。この方法は、励起光を「連続波」（ｃｗ）動作により発光させることにより、簡単に実行することができる。すなわち、時間によらず一定の光強度により励起される。さらに、パルス励起も採用することができる。この場合、励起光は、例えば１ピコ秒から１００秒までのパルス長を有する時間分割されたパルスの形態で発光させ、光ポインタの位置または発光における変化が、短いパルス長の場合か、数秒から数分の範囲間隔の場合かにより、時間分割されて検出される。例えば、結合が形成される速度を分析しながら、あるいは追加的な発光が検出されるとき、光化学的漂白の結果として、発光信号の減衰が短い露光時間を用いることにより回避される場合に、この方法は特に都合がよい。さらに、追加的な発光が検出されるとき、適当な短いパルス長を用い、かつ適当に検出時間を分割することにより、散乱光、ラマン効果による発光、およびサンプルおよびセンサ材料の不要な発光成分による短寿命発光を区別することができ、この短寿命発光は、これが消滅した後にアナライトによる発光を検出することにより、標識分子の発光（この場合できるだけ長寿命である）と区別することができる。加えて、パルス励起後の時間分割された光の検出と同様、励起および検出を調整することにより、分子発光の消滅の状況に関してアナライト結合への影響を調べることができる。認識要素を固定し、導波層のエバネセント場における信号形成を物理的に特定することにより、特定のアナライト認識と共に、分子発光の消滅時間を、別の選択基準として用いることができる。追加的な発光が検出される場合、この方法は、、１つのまたはそれ以上の周波数で強度変化する励起光を発光させ、結果的に生じる位相のずれとサンプルの発光変化を検出することにより実施される。本発明は、既知の親和性パートナおよび検定構造を用いて、化学的または生化学的な親和性検定でアナライトを定量測定するための、本発明の方法の利用に関する。光ポインタ原理に基づいて検出する場合、アナライトの濃度は、光ポインタの位置変化の程度から求めることができる。追加的な発光が検出されたとき、アナライトの定量測定は、発光−標識付けされた結合パートナの発光を検出することにより、あるいはアナライトとの相互作用に起因する固定された発光−標識付けされた親和性パートナの発光特性における変化を検出することにより、実施することができる。信号形成および信号検出は、導波層上の化学的または生化学的な認識表面で特定され、媒体からの干渉信号とは異なるので、固定された認識要素に物質が結合することをリアルタイムで測定することができる。フローシステムにおける結合および分離の速度を直接に測定することにより、親和性スクリーニングおよび転移検定、および特に薬剤製品の開発のために、本発明による方法を用いることができる。本発明は、抗体および抗原を定量測定する方法の使用に関する。本発明はまた、受容体または配位子、オリゴヌクレオチド、ＤＮＡ螺旋またはＲＮＡ螺旋、ＤＮＡまたはＲＮＡ類似体、酵素、酵素物質、酵素共同因子または阻害因子、レクチンおよび炭化水素、を定量測定する方法の使用に関する。本発明はまた、ｐＨおよびイオン強度の測定と、光ポインタ原理に従って、特に光学的に不透明な液体中のイオンを選択的に定量測定する本発明の方法の使用に関する。本発明はまた、光ポインタ原理に従って、液体中または気体雰囲気中の炭化水素を測定する本発明の方法の使用に関する。本発明はまた、追加的な発光が検出された場合、光学的に不透明な流体中の成分、特に発光成分を選択的に定量測定する本発明の方法の使用に関する。光学的に不透明な流体は、生物学的な流体として、例えば、卵の黄身、血液、血清、血しよう、または尿のような体液であってもよいが、さらに環境分析のためのサンプルとして、例えば、地表水や、分解された土壌抽出物または分解された植物抽出物であってもよい。生成された反応溶液として、例えば、化学的製造において、特に色素溶液または光増白剤の反応溶液などが考えられる。例えば織物産業などで利用されるすべての形式の散乱剤および調整剤が好適で、追加的な発光が検出された場合、１つまたはそれ以上の発光成分を有する。実施例を参照しながら、本発明を以下でより詳しく説明する。濃度Ｍは、１リットル当たりのモル数を意味する。実施例光学系システム用いられた光源は、ヘリウム−ネオンレーザ（λ＝６３２．８ｎｍ、ＴＭ_Oモード、単一位相、アメリカ合衆国マンティーカ）であって、これは、連結格子のラインに垂直な０．４ｍｍの直径を有するセンサ平面上に３ｍｍ間隔で格子と平行なビームスポットを有する投影システムを用いる。自動調整ユニットが、入連結角度を調整し、格子端に対してビームスポットを位置合わせするために用いられる。ＴＥまたはＴＭ方向の直線偏光された光は、必要ならば、回転可能な偏光要素により連結させることができる。センサプラットフォームの上側には、センサに対してＯリングで封印されるフローセルが設けられている。このセルの試料体積は、約２０μｌである。注入ポンプまたは切り換えバルブにより、異なる溶液をセル内に導入することができる。光ポインタの位置を検出するために用いられる検出器は、画素面積が１１μｍ ×１１μｍの７５６×５８１（水平方向×垂直方向）の動的画素を有する２次元ＣＣＤカメラ（ソニー製ＸＣ−７７Ｃ）である。センサプラットフォーム用いられる材料は、以下のような入連結用および出連結用の２つの格子を有する微小構造を有するポリカーボネイトである。入連結格子の周期Λ_O＝３５６ｎｍ、格子深度＝５ｎｍチルプｇ_Λ＝８．５７×１０^-7 出連結格子の周期Λ_O＝５０４．４ｎｍ、格子深度＝５ｎｍチルプｇ_Λ＝１．７１×１０^-6 センサ上の格子構成は、次の幾何学的大きさに対応する。つまり、センサプラットフォームの大きさが１２．５×２５ｍｍ²のとき、格子間隔Ａ＝４００μｍ、格子幅（ラインに対して垂直）Ｂ₁＝Ｂ₂＝８００μｍ、格子高さ（ラインに対して水平）２．８ｍｍである。ポリカーボネイトの支持材料（６３２．８ｎｍで、ｎ＝１．５８１）の上に、 λ＝６３２．８ｎｍ、層厚ｔ_film＝１５４．５ｎｍのとき、屈折率ｎ_film＝２．３８９を有するＴｉＯ₂からなる高屈折率の導波層が設けてある。免疫グロブリンの検出使用溶液１）緩衝溶液：１／３リン酸緩衝液（0.041ＭＮａ₂ＨＰＯ₄＋0.028ＭＫＨ₂ＰＯ₄）、 0.151ＭのＮａＣｌ、20０ｍｇ／ｌのアジ化ナトリウム、 50ｍｌメタノールを加えて、１リットルになるまで蒸留水を加える。２）固定蛋白質Ａ（シグマ・ケミカルズ）のための溶液：１ｍｇの蛋白質Ａを１ｍｌの蒸留水に加える。３）洗浄溶液：基本信号検出のため、および残渣結合部分を飽和させるために用いられる。（蛋白質Ａの固定後、以下参照）１）の緩衝溶液＋１ｍｇ／ｌの牛の血清アルブミン（ＢＳＡ、シグマ・ケミカルズ）４）サンプル溶液：兎の免疫グロブリン（兎のＩｇＧ、シグマ・ケミカルズ）１）の緩衝溶液中に１ｍｇ／ｍｌのＢＳＡ、濃度１０⁸Ｍ５）再生溶液：グリシン緩衝液、ｐＨ３．４蛋白質Ａの生化学的な認識層の応用光学的センサプラットフォームが、蛋白質Ａを固定するために溶液に２時間浸漬されている。その後、このチップは、３）の洗浄溶液で洗浄される。残存する余剰吸収部分を飽和させるために、洗浄後、センサプラットフォームを１ｍｇ／ｍｌのＢＳＡを含む洗浄溶液の中に１時間浸漬させる。測定動作／実験的処理処理される間中、０．２５ｍｌ／ｍｉｎの流速でフローが動作センサ表面の上を通過する。処理は、次の個別のステップからなる。ステップ１：３）の洗浄溶液で７分間洗浄し、基本信号を記録する。ステップ２：４）のサンプル溶液を１８分間供給する。ステップ３：３）の洗浄溶液で５分間洗浄する。ステップ４：５）の再生溶液を５分間供給する。ステップ５：３）の洗浄溶液で５分間洗浄する。処理される間中、第２格子から取り出された信号が測定される。認識層である蛋白質Ａで被膜されたセンサプラットフォームを用いて処理すると、光ポインタの位置が次のようになり、これはＣＣＤカメラの画素位置（ｐｘ）で表示され、実効的な層厚Δｈ₁の変化として変換され、各ステップの終わり毎に測定される。（これに関しては、プロシーディングＳＰＩＥ、Ｖｏｌ．２３３１，２−１７（１９９４）出版のＲ．Ｅ．クンツ、Ｇ．ドゥベンネック、Ｍ．イーラートによる「ハイブリッドおよびモノリシック集積光学的免疫センサのためのセンサパッド」を参照されたい。）ステップ１：ｙ＝２７３．６ｐｘ；Δｈ₁＝０（基本線）ステップ２：ｙ＝２９１．２ｐｘ；Δｈ₁＝１６５０ｎｍステップ３：ｙ＝２９１．２ｐｘ；Δｈ₁＝１６５０ｎｍステップ４：ｙ＝２７０．０ｐｘ；Δｈ₁＝−３４０ｎｍステップ５：ｙ＝２７０．４ｐｘ；Δｈ₁＝−２９０ｎｍこの場合の測定精度は、約１ｐｘである。再生後に基本線が復帰するということは、用いられた条件の下で、蛋白質Ａの認識層の部分が除去されたことを意味する。イオン強度とｐＨ値ｐＨ感応式メンブレンの作成Ｎ，Ｎ−ジメチルアクリル酸および第３ブチルアクリル酸を１：１の割合でアンプル内に入れ、ジメチルスルフォキシド内で分解すると、３０％の溶液が得られる。α,α'−アゾイソブチロニトリルおよび４−アクリロラミノフルオレセインを加えて分解させた後（最終製品には１％の含有量）、アンプルを反復して凍らせて、空っぽにし、酸素を追い出すために窒素充満させる。６０℃の水槽中に４８時間入れて、重合化させる。透明で高い粘性の黄色い物体が得られ、これをかき混ぜ、必要ならば熱して、（ジメチルスルフォキシドの量に対して）２倍の量のメタノールで分解する。力強くかき混ぜながら、、蒸留水またはジエチルエーテルの量の２０倍まで溶液を滴下して加える。その結果、ポリマが黄色いフロック形状で沈殿し、急速に固まる。このポリマは濾過され、１００℃で２４時間乾燥され、メタノール内で溶かし、再び蒸留水またはジエチルエーテル内で沈殿させる。母液から分離させた後、製品を１００℃で４８時間乾燥させる。生成されたもろく黄色い固体物は、非常に吸湿性に富んでいる。共重合体の組成がＦＴ −ＩＲ測定、およびＵＶ分光測定による色素の最大吸収量における色素濃度により検証される（純粋色素：４４２ｎｍ、共重合化された色素：４５４ｎｍ）。トランスデューサは、ポリマ・メタノール溶液（５０ｍｇ／ｌ）を用いて、スピンコート（１分間に５００回転）により被膜される。これらの条件下で、約１ μｍ厚のメンブレンが得られ、これは、エバネセント場の貫通深度よりはるかに大きい。４つの異なるリン酸クエン酸緩衝剤が検証のために用いられる。溶液１：ｐＨ６．７イオン強度Ｉ＝０．１Ｍ溶液２：ｐＨ７．９Ｉ＝０．１Ｍ溶液３：ｐＨ６．７Ｉ＝０．３Ｍ溶液４：ｐＨ７．９Ｉ＝０．３Ｍさまざまな溶液が被膜されたセンサプラットフォームに供給され、次のようなＣＣＤカメラの画素位置（ｐｘ）で表された光ポインタ位置が得られる。溶液１：ｙ＝９１２ｐｘ；Δｎ_c＝６×１０^-3 溶液２：ｙ＝８６４ｐｘ；Δｎ_c＝０×１０^-3（基準ライン）溶液３：ｙ＝１２１２ｐｘ；Δｎ_c＝４５×１０^-3 溶液４：ｙ＝１１８８ｐｘ；Δｎ_c＝４２×１０^-3 測定精度は、約５ｐｘで、センサの反応時間は（全体信号変化の約９０％）、１分以下である。

【手続補正書】特許法第１８４条の８第１項【提出日】平成１０年１０月８日（１９９８．１０．８）【補正内容】請求の範囲１．平面状の光センサプラットフォームであって、（ａ）支持材料と、（ｂ）少なくとも１つの薄い導波層と、（ａ）支持材料の屈折率が（ｂ）導波層の屈折率よりも小さく、センサプラットフォームが、光を取り込むための連結格子を有し、（１）（ｃ）認識層が導波層の上に配置され、（２）連結格子がモード伝播方向と垂直で一定でない格子周期を有するか、（３）連結格子が一定周期を有し、導波層の層厚が導波モードの伝播方向と垂直方向に変化することを特徴とする光センサプラットフォーム。２．請求項１の光センサプラットフォームであって、（ａ）支持材料が透明であることを特徴とする光センサプラットフォーム。３．請求項１の光センサプラットフォームであって、さらに、取り込むための格子とは物理的に異なる、導波層内に導波された波を取り出すための第２の連結格子を有することを特徴とする光七ンサプラットフォーム。４．請求項３の光センサプラットフォームであって、取り出すための格子が導波モードの伝播方向と垂直で一定でない格子周期を有することを特徴とする光センサプラットフォーム。５．請求項１の光センサプラットフォームであって、（ｂ）導波層の膜厚が３０ないし２００ｎｍであることを特徴とする光センサプラットフォーム。６．請求項３の光センサプラットフォームであって、さらに、取り込むための格子とは物理的に異なる、導波層内に導波された波を取り出すための別の連結格子を有し、取り出すための連結格子が取り込むための格子の右および左方向に配置されることを特徴とする光センサプラットフォーム。７．請求項１の光センサプラットフォームであって、認識層は、疎水性吸収させるか、または導波層の表面上に直接に共有結合させることにより固定される認識要素を有し、認識層は、処理されないか、または化学的に処理されることを特徴とする光センサプラットフォーム。８．請求項７の光センサプラットフォームであって、認識要素が、アナライトのための特定の化学的または生化学的結合パートナであることを特徴とする光センサプラットフォーム。９．請求項８の光センサプラットフォームであって、認識層が、抗原に対する抗体、免疫グロブリンに対する結合蛋白質ＡおよびＧ、配位子に対する受容体、ＲＮＡやＤＮＡの補完的螺旋に対するオリゴヌクレオチドやＲＮＡ、ＤＮＡの単一螺旋、ビオチンに対するアビジン、酵素基質、酵素共同因子もしくは酵素阻害因子に対する酵素、炭水化物に対するレクチンからなるグループのうちの１つであることを特徴とする光七ンサプラットフォーム。１０．請求項１の光センサプラットフォームであって、認識層が、メンブレン、または化学的または生化学的な認識要素を有するメンブレンからなる構成するかことを特徴とする光センサプラットフォーム。１１．請求項１の平面状の光センサプラットフォームにサンプルを接触させるステップを含む、アナライトを光学的に測定する方法であって、光源からの光を回折することにより連結するステップと、認識層領域における実効屈折率の変化を、光ポイントの位置を記録することにより、測定するステップを有することを特徴とする測定方法。１２．請求項１１の方法であって、光ポイントを測定するためにＣＣＤ列またはアレイが用いられることを特徴とする方法。１３．請求項１１の方法であって、さらに導波層内に導波された発光が、第２の格子により取り出されるか、あるいはエバネセント場で励起されたがトランスデューサの上側または下側半分の空間内に発する発光量を測定システムに供給されることを特徴とする方法。１４．請求項１１の方法であって、サンプルが、体液またはその成分、地表水、土壌または植物抽出物、あるいは生物学的または人工的処理から得られた分泌液であることを特徴とする方法。１５．請求項１３の方法であって、ｐＨおよびイオン強度を同時に測定するために用いることを特徴とする方法。１６．請求項１１の方法であって、１°以下で光を取り込むこより、２つの波が取り込み格子の右および左方向の反対方向に伝播することを特徴とする方法。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ，ＧＨ，ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＷ (72)発明者クンツ，リノ・エルンストスイス、ツェーハー―8162シュタインマウアー、クレプスバッハシュトラーセ73番 (72)発明者クラウス，ゲロルフドイツ連邦共和国デー―79415バート・ベリンゲン―バムラッハ、カペレンベーク18 番

Claims

【特許請求の範囲】１．平面状の光センサプラットフォームであって、トランスデューサと、認識層からなり、認識層の領域における実効屈折率の変化が、集積光学的な光ポインタ原理に基づいて、測定可能な変数に変換されることを特徴とする平面状の光センサプラットフォーム。２．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、集積光学的な光ポインタ原理が、導波層の層厚、および・または格子定数を位置に依存して変化させることにより、あるいは・そして基板の屈折率、認識層の屈折率、および導波層の屈折率から選択したパラメータを変えることにより、実現されることを特徴とする光センサプラットフォーム。３．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、（ａ）支持材料と、（ｂ）支持材料に配置される、少なくとも１つの薄い透明な導波層と、（ｃ）認識層と、からなり、（ａ）支持材料の屈折率が、（ｂ）導波層の屈折率よりも小さく、センサプラットフォームが、励起光を取り込むための連結格子を有し、集積光学的な光ポインタ原理が、導波層および入連結格子により実現されることを特徴とする光センサプラットフォーム。４．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、（ａ）支持材料が透明であることを特徴とする光センサプラットフォーム。５．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、格子周期が２００ないし１０００ｎｍの範囲にあることを特徴とする光センサプラットフォーム。６．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、微小構造を有するポリマが、導波層被膜のための支持材料として用いられることを特徴とする光センサプラットフォーム。７．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、導波層被膜する前に、低い屈折率（つまり導波層の屈折率よりも小さい屈折率）を有し、吸収も発光もしない中間層が支持材料に配置されることを特徴とする光センサプラットフォーム。８．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、さらに、第１の連結格子とは物理的に異なる、導波層内に導波された波を取り出すための第２の連結格子を有することを特徴とする光センサプラットフォーム。９．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、入連結格子の格子周期が、導波モードの伝播方向に対して垂直方向で、一定していないことを特徴とする光センサプラットフォーム。１０．請求項６の平面状の光センサプラットフォームであって、出連結格子の格子周期が、導波モードの伝播方向に対して垂直方向で、一定していないことを特徴とする光センサプラットフォーム。１１．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、（ｂ）導波層の層厚が一定であることを特徴とする光センサプラットフォーム。１２．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、（ｂ）導波層が、励起光の波長よりも薄い層厚を有し、励起光の波長における屈折率が１．８以上である物質からなることを特徴とする光センサプラットフォーム。１３．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、ｍ≦３の低次モードだけを許容することを特徴とする光センサプラットフォーム。１４．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、（ｂ）導波層の膜厚が３０ないし２００ｎｍであることを特徴とする光センサプラットフォーム。１５．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、格子の変調深度が３ないし６０ｎｍであることを特徴とする光センサプラットフォーム。１６．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、光を取り込む範囲として１°ないし５０°（角度の値として）が可能であることを特徴とする光センサプラットフォーム。１７．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、光を取り出す範囲として１°ないし５０°（角度の値として）が可能であることを特徴とする光センサプラットフォーム。１８．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、光を取り出す範囲として１°以下が（角度の値として）可能で、反対方向につまり入連結格子から右および左方向に伝播する２つの光ポインタを励起することを特徴とする光センサプラットフォーム。１９．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、２つの出連結格子が入連結格子の左方向および右方向に用いられることを特徴とする光センサプラットフォーム。２０．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、疎水性吸収させるか、または導波層上に直接に、化学的に表面処理した後に、共有結合させることにより、認識層の認識要素を固定することを特徴とする光センサプラットフォーム。２１．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、認識層の認識要素を固定させるために、接着促進層を導波層上に直接設けることを特徴とする光センサプラットフォーム。２２．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、接着促進層の層厚が５０ｎｍより薄いことを特徴とする光センサプラットフォーム。２３．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、アナライト自身のための、または結合パートナの１つのための、化学的または生化学的な認識要素として、１つのステップまたは複数のステップによる検定において、導波層の上の認識層として特定の結合パートナをセンサプラットフォームの表面上に固定し、その途上で、別の要素ステップの１つに結合することを特徴とする光センサプラットフォーム。２４．請求項１の平面状の光センサプラットフォームであって、認識層が、抗原に対する抗体、免疫グロブリンに対する結合蛋白質ＡおよびＧ、配位子に対する受容体、ＲＮＡやＤＮＡの補完的螺旋に対するオリゴヌクレオチドやＲＮＡ、ＤＮＡの単一螺旋、ビオチンに対するアビジン、酵素基質、酵素共同因子もしくは酵素阻害因子に対する酵素、炭水化物に対するレクチンである、認識要素のうちの１つであることを特徴とする光センサプラットフォーム。２５．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、メンブレンが、認識層として、化学的または生化学的な認識要素を構成するか、あるいは全体として認識層を形成し、アナライトとの接触界面上で屈折率が変化することを特徴とする光センサプラットフォーム。２６．請求項３の平面状の光センサプラットフォームであって、認識層の領域において実効屈折率の変化を測定するとともに、エバネセント場内で励起され、第２格子を介して取り出すことにより、導波層内に導波された発光、あるいはエバネセント場で励起されたがトランスデューサの上側または下側半分の空間内に発する発光量を測定システムに供給することを特徴とする光センサプラットフォーム。２７．平面状の光センサプラットフォームの認識層領域における実効屈折率の変化を測定する方法であって、この光センサプラットフォームが、トランスデューサと、認識層からなり、認識層の領域における実効屈折率の変化が、集積光学的な光ポインタ原理に基づいて、測定可能な変数に変換されることを特徴とする測定方法。２８．請求項２７の測定方法であって、平面状光センサプラットフォームの認識層の領域において実効屈折率の変化を測定するとともに、エバネセント場内で励起され、第２格子を介して取り出すことにより、導波層内に導波された発光、あるいはエバネセント場で励起されたがトランスデューサの上側または下側半分の空間内に発する発光量を測定システムに供給することを特徴とする測定方法。２９．請求項２７の測定方法であって、サンプルが体液またはその成分であることを特徴とする方法。３０．請求項２７の測定方法であって、検出すべきサンプルが、卵の黄身、血清、血しょう、または尿であることを特徴とする測定方法。３１．請求項２７の測定方法であって、地表水、土壌または植物抽出物、生物学的または人工的処理から得られた分泌液であることを特徴とする測定方法。３２．請求項２７の測定方法であって、サンプルは、希釈しないで用いるか、溶媒を加えて用いることを特徴とする測定方法。３３．請求項２７の測定方法であって、溶媒が、水、水性緩衝剤、蛋白緩衝剤、または混和性有機溶媒の混合物であることを特徴とする測定方法。３４．請求項２７の測定方法であって、取り込まれる励起光として、実質的に平行な光が用いられることを特徴とする測定方法。３５．請求項２７の測定方法であって、励起光として、可干渉な光が用いられることを特徴とする測定方法。３６．請求項２７の測定方法であって、用いられる光源が、レーザダイオードまたは高輝度ダイオードであることを特徴とする測定方法。３７．請求項２７の測定方法であって、用いられる光源がレーザーダイオードで、選択的に検出ユニットと共に、センサプラットフォーム内に集積するか、あるいは、センサプラットフォームと、相補的な励起・検出チップとからなるサンドイッチ体を形成するように組み合わせることを特徴とする測定方法。３８．請求項２７の測定方法であって、信号が、例えばＣＣＤの行またはアレイを用いて。特に横方向に分解して検出する方法である、位置感応検出方法により記憶されることを特徴とする測定方法。３９．請求項２７の測定方法であって、センサプラットフォームが適当な条件の下で再生されることを特徴とする測定方法。４０．請求項２７の測定方法の使用であって、親和性センサ分析における生化学的な物質を定量測定するために用いることを特徴とする使用。４１．請求項２７の測定方法の使用であって、抗体または抗原を定量測定するために用いることを特徴とする使用。４２．請求項２７の測定方法の使用であって、イオン強度を定量測定するために用いることを特徴とする使用。４３．請求項２７の測定方法の使用であって、結合定数または解離定数を測定するための動力学的研究、および転移検定に適することを特徴とする使用。４４．請求項２７の測定方法の使用であって、ｐＨ測定するために用いることを特徴とする使用。４５．請求項２７の測定方法の使用であって、イオンを選択的に、定量測定するために用いることを特徴とする使用。４６．請求項２７の測定方法の使用であって、液体または気体内の炭化水素を定量測定するために用いることを特徴とする使用。