JP2003521684A - 導波板及びセンサプラットフォーム、試料区画の配置構造ならびに前記導波板に基づく分析対象物測定方法 - Google Patents
導波板及びセンサプラットフォーム、試料区画の配置構造ならびに前記導波板に基づく分析対象物測定方法Info
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Abstract
Description
の態様、ならびに本発明の導波板又はセンサプラットフォームを境界表面として
有する試料区画の配置構造に関する。本発明はまた、たとえば生化学的又は医学
的分野における分析目的のために、前記導波板又はセンサプラットフォームの適
用に基づいて一以上の分析対象物を測定するための光学系又は方法に関する。
ラス、特に石英ガラス、セラミックス又は主に有機物質の基板に被着させること
によって結合格子が製造されている、たとえばSiO2の厚さ20nmの中間層を
設けることができ、エキシマレーザの二つの重畳したビームの照射又はマスクに
よって変性された光線の照射による融食又は屈折率の変化によって前記結合格子
を構造化することができる、本発明の種の導波板が公知である。また、その代わ
りに、より低い融食しきい値を有する中間層、たとえばTiO2の中間層を構造
化することができ、この中間層が導波層又はその基板に被着され、後者の場合、
構造化工程の後で導波層を重畳される。格子定数はたとえば375nm又は440
nmである。格子面積は自由に選択することができ、たとえば1mm×1mm又は8mm
×8mmであることができる。
体に被着させた厚さ40nm〜160nmのTiO2、ZnO、Nb2O5、Ta2O5
、HfO2又はZrO2の導波層を有する化学分析のための導波板が公知である。
支持体と導波層との間に、石英のような非発光材料の、たとえば厚さ100nmの
中間層を設けることができ、この中間層が同時に付着促進材として働く。内結合
(インカップリング)格子及び外結合(アウトカップリング)格子が設けられ、
これらは、公知の光リトグラフィー又はホログラフィー法及びエッチング法によ
って支持体中又は導波層中に形成することができ、200nm〜1000nmの格子
定数を有することができる。格子は2mm(互いに平行な線で)×4mmの寸法を有
することができ、導波板の総面積は12mm×20mmになる。
osensor using replicated chirped grating coupler sensor chips”,
Applied Optics 37/10 (April 1st, 1998)から、420nm〜422.8n
mの範囲で異なる格子周期を有する変調内結合格子及び595.1nm〜600.
8nmの範囲で異なる格子周期を有する外結合格子が構造化されているポリカーボ
ネートの支持板を有する導波板が公知である。そして、厚さ137nm及び屈折率
2.346のTiO2の導波層が低温DCマグネトロンスパッタリングによって
被着され、最後にこの導波板がシラン化されている。内結合角は−9.5゜であ
り、外結合角は22.5゜である。
いる。このマイクロタイタプレートの下面には、TiO2、Ta2O5、HfO2、
ZrO2、SiO2、Si3N4、Al2O3、Nb2O5、Al、Si又はHfの窒化
物又は酸窒化物の厚さ20nm〜1000nm、好ましくは30nm〜500nmの導波
層が被着され、プラスチックの層で覆われている。各空洞の下に内結合格子及び
外結合格子が設けられている。格子は、330nm〜1000nm、特に約400nm
〜800nmの格子周期を有し、リトグラフィー又は機械的方法によって製造され
たものである。
。この表面は、機械的に、すなわち圧延成形、型押又は射出成形によって特に結
合格子を具備して構造化され、TiO2、Ta2O5、ZrO2、Al2O3、SiO 2 −TiO2、HfO2、Y2O3、Nb2O5、窒化ケイ素、酸窒化物、SiOxNy
、HFOxNy、AlOxNy、TiOxNy、MgF2又はCaF2の導波層を支持す
る。導波層の被着の前に、減衰損失を減らすため、同時に付着促進材としても働
く無機物質、たとえばSiO2の厚さ約20nmの中間層が被着される。
ができず、比較的大きな結合角の偏差を招く方法によって製造したものである。
その結果、照明装置と導波板との互いに対する相対的角位置をステップごとにか
なり努めて最適化しなければならない。前記製造方法のいくつかはまた、多大な
努力を要し、非常に大きな製造ロットを一定の品質で可能にすることはできない
。
構造を製造するための、まず、位相マスクを製造し、次に、Lithrow角の下で、
その位相マスクを介して基板、たとえばInPに照射を加える方法が公知である
。照射は、波長約365nmの3本の線が選択される光源直径0.25mmのHg−
Xeアーク灯によって実施することができる。基板は、位相マスクの近場、すな
わち10μm以下の距離に配置される。
ニウム層及び最後に電子ビームに感応性のレジストからなる三層で被覆する。次
に、電子ビーム書き込み、上層の現像及び未露光部分の除去によって上層を構造
化する。その構造を、まずCF3Brを使用し、次にO2を使用する反応性イオン
エッチングにより、下に位置する層に移し、もう一つの反応性イオンエッチング
工程によって石英基板そのものに移したのち、これらの層の残り部分を除去する
。格子周期(定数)は、たとえば190nm〜250nmであることができる。位相
マスクは長さ数センチメートルであることができ、格子は位相マスクの全長にわ
たることができる。しかし、通常、線の長さはわずか5〜20μmである。より
大きな線長が可能であるが、非常に長い製造時間を要する。妥当な努力及び良好
な実践精度で1mm2を超える格子を製造することは困難である。特に、電子ビー
ム書き込みの間、オフセット誤差を避けることはできない。
に基づく。この課題は、導波層(2)を担持するプレート状ガラス基板(1)を
有し、前記導波層(2)を担持する面に少なくとも一つの結合格子を有し、この
結合格子が、150nm〜1000nmの周期の線の格子として形成されており、前
記格子の長さが、線が互いに平行な状態で少なくとも5cmであり、結合角(θ)
が前記格子の線に沿って0.1゜/cm以下しか変動せず、前記導波板上の結合角
(θ)の、所定の所望値からの偏差の絶対値が0.5゜を超えない本発明の導波
板によって解決される。
配置構造が提供される。これらの課題は、以下に記すセンサプラットフォーム及
び試料区画の配置構造によって解決される。
又はセンサプラットフォーム又は試料区画の配置構造のより大きな部分を同時に
照射し、読み出し、励起光をそこに送り、そこから出る光を一以上の検出器で検
出することが可能になる。また、導波板又はセンサプラットフォーム又は試料区
画の配置構造の異なる部分の連続露光は、それらの相対的角位置及び照射装置の
新たな最適化が求められないか、少なくとも有意に簡略化されるため、簡素化さ
れる。
た、連続する個々の計測の間のさらなる面倒なシステム調節の必要なく可能にす
る、一以上の試料中の一以上の分析対象物を測定する方法を提供する課題に基づ
く。本発明にしたがって、これは、高精度の大きな格子、特に互いに対して平行
な長い線を有する格子の配置構造によって可能になって、簡単であると同時に経
済的である格子の幾何学的配置構造の設計の自由をさらに提供する。
を有し、前記導波層(2)を担持する面に少なくとも一つの結合格子を有し、こ
の結合格子が、150nm〜1000nmの周期の線の格子として形成されており、
前記格子の伸長が、線が互いに平行な状態で少なくとも5cmであり、結合角(θ
)が前記格子の線に沿って0.1゜/cm以下しか変動せず、前記導波板上の結合
角(θ)の、所定の所望値からの偏差の絶対値が0.5゜を超えない導波板であ
る。
が好ましい。
とが好ましい。
゜を超えない、好ましくは0.15゜を超えないことが好ましい。
は、たとえば、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2−
TiO2、HfO2、Y2O3、SiOxNy、Si3N4、HfOxNy、AlOxNy、
TiOxNy、MgF2又はCaF2を含むことができる。導波層の厚さは、好まし
くは50nm〜200nmである。少なくとも一つの結合格子の溝/平坦部の比が0
.3:1〜3:1、好ましくは0.7:1〜1.5:1であるならば、それは有
利である。さらに、少なくとも一つの結合格子の格子深さが5nm〜75nmの間で
あることが好ましい。
ず、前記導波板の表面の残り部分が覆われていないならば、それは有利である。
これに関して、前記導波板が、前記導波板の本質的に全幅又は全長にわたって延
びる互いに対して平行な線を有する結合格子ストリップ(3)として形成されて
いる少なくとも一つの結合格子を設けられていることが特に好ましい。これに関
して、好ましくはいくつかの結合格子が互いに対して別個かつ平行に配置されて
いる。
ることができる。たとえば、たとえば可変性の格子線間距離を有する可変格子を
製造し、結合格子として導波板上に設けることもできる。
る、本発明の導波板の更なる実施態様がある。
してはならないが、たとえば、互いに対して直交方向(垂直)に配置することは
できる。また、二以上の結合格子を重畳することができる。特定の用途では、結
合格子は単回折性であることが好ましい。しかし、特定の用途、たとえば多数の
光源からの異なる波長の励起光を導波層(2)に内結合する場合、一以上の結合
格子が多回折性であるならば、それは有利であることができる。
全面を覆う。この好ましい実施態様では、たとえば導波板の境界区域及び/又は
結合格子を設けられるより大きな部分の間の区域(平方センチメートルオーダの
面積)は、結合格子を有しなくてもよいことが理解されなければならない。
)に内結合する及び/又は導波層(2)中を誘導される光を外結合するように作
動することができることが本発明の導波板に特徴的である。
及び/又は前記分析対象物との特異的相互作用のための生物学的又は生化学的又
は合成認識要素が導波層(2)上に直接又は前記導波層(2)にさらに被着され
た付着促進層によって固定化されている、上記に開示した実施態様のいずれかの
導波板を有する特定のセンサプラットフォームである。
が別個の計測区域の少なくとも一つの配列として導波層(2)上に直接又は前記
導波層(2)にさらに被着された付着促進層によって固定化されていることが好
ましい。
に固定化された生物学的又は生化学的又は合成認識要素によって占められる閉鎖
区域によって画定されなければならない。これらの区域は、いかなる形状、たと
えば点、円、矩形、三角形、楕円又はストリップの形を有することもできる。
被着される付着促進層は、少なくとも、投射される励起光及び場合によっては測
定されるルミネセンス光のスペクトル範囲で透明であるべきである。これに関し
て、前記透明なスペクトル範囲は、紫外線ないし赤外線であることができる。
電気的又は化学的又は生化学的又は熱的な励起ののちの、紫外線ないし赤外線の
スペクトル範囲の光子の自発的放出をいう。ケミルミネセンス、バイオルミネセ
ンス、エレクトロルミネセンス、特に蛍光及びりん光が「ルミネセンス」に含ま
れる。
の浸透深さを超えるべきではない。たとえば、付着促進層は、厚さが200nm未
満、好ましくは20nm未満であることができる。
、エポキシド、官能化、帯電又は極性ポリマー及び「自己組織化パッシブ又は官
能化単分子又は多分子層」を含む群からの化合物を含む。
たとえばDNA、RNA、オリゴヌクレオチド)及び核酸類似体(たとえばPN
A「ペプチド核酸」)、タンパク質、特にモノクロナール及びポリクロナール抗
体、ペプチド、酵素、アプタマー、合成ペプチド構造、膜結合した、また膜から
単離した可溶性のタンパク質、膜受容体、それらのリガンド、抗体に対する抗原
、「ヒスチジンタグ成分」及びそれらの錯形成相手、分子インプリントをホスト
するための、化学合成によって生成された空洞によって形成される群からの成分
が導波層(2)上に直接又は前記導波層(2)にさらに被着された付着促進層に
よって固定化されている、本発明のセンサプラットフォームの実施態様である。
に記載されている方法によって形成される空洞が理解されなければならない。こ
の方法にしたがって、通常は有機溶液中の分析対象物又は分析対象物類似体をポ
リマー構造中に封入する。すると、これが「インプリント」と呼ばれる。そして
、適切な試薬の適用により、分析対象物又はその類似体をポリマー構造から再び
溶解させ、空洞を残す。その後の分析方法で、この空洞を、高い立体選択性をも
つ結合サイトとして使用することができる。
識要素として固定化することができる。
ら制限され、これらの信号は、分析対象物又は分析対象物測定のために、固定化
された生物学的又は生化学的又は合成認識要素の領域だけでなく、これらの認識
要素を有しない他の領域にも加えられる他の成分の、たとえば疎水性吸着又は静
電気的相互作用によって生じる結合によって生じる。
の最小化のために、導波層(2)上又は導波層(2)にさらに被着された付着促
進層上に固定化された生物学的又は生化学的又は合成認識要素の間及び/又は横
方向に分けられた計測区域の間の区域が「パシベート」され、好ましくは、アル
ブミン、特にウシ血清アルブミンもしくはヒト血清アルブミン、カゼイン、非特
異的ポリクロナールもしくはモノクロナール、測定される分析対象物に対して異
質もしくは経験的に非特異的な抗体(特にイムノアッセイの場合)、洗浄剤、た
とえばTween 20、合成もしくは天然脂質、分析されるポリヌクレオチドとでハ
イブリッド形成しない断片化された天然もしくは合成DNA、たとえばニシンも
しくはサケ精子の抽出物(特にポリヌクレオチドハイブリッド形成の場合)又は
親水性ポリマー、たとえばポリエチレングリコールもしくはデキストランを含む
群からの化合物を含む、分析対象物に対して「化学的に中性」である化合物が前
記間欠区域に被着されていると、それは有利である。
を受けるための、好ましくは本質的に閉止された試料区画の配置構造を設けられ
ることが好ましい。そのため、本発明の主題は、本発明の導波板又はセンサプラ
ットフォームをベースプレートとして含み、前記ベースプレートと組み合わされ
るボディを、互いに対して流体的にシールされる、それぞれ少なくとも一つの入
口及び少なくとも一つの出口を有する一以上のフローセルを形成するための一以
上の空間凹みが前記ベースプレートと前記ボディとの間に形成されるような方法
で含む、一以上の試料区画の配置構造である。
トとして含み、前記ベースプレートと組み合わされるボディを、互いに対して流
体的にシールされる、それぞれ少なくとも一つの入口及び少なくとも一つの出口
を有するフローセルの配列を形成するための空間凹みの配列が前記ベースプレー
トと前記ボディとの間に形成されるような方法で含む、試料区画の一次元又は二
次元配列の配置構造である。
配列のフットプリントの形状を有する空間構造がベースプレートとしての導波板
又はセンサプラットフォーム上に形成されている。
レートと組み合わされる前記ボディとの間に空間凹みを形成するため、前記ボデ
ィ中に凹みが形成されていることが好ましい。
トフォームと組み合わされるボディがいくつかの部品から形成され、前記ボディ
の組み合わせ部品が好ましくは不可逆的に組み合わされるユニットを形成するな
らば、それは有利であることができる。
組み合わされるボディは、前記ボディとベースプレートとの組み合わせを容易に
する手段を備えることが好ましい。
00個、さらに好ましくは2〜100個のフローセルを含むことができる。
格プレートのウェルのピッチ(幾何学的配置)に合致することが好ましい。
の試料区画又はたとえば1行に2〜12個の試料区画があり、試料区画そのもの
が、工業規格プレートの寸法を有するキャリヤ(「メタキャリヤ」)と、フロー
セルの入口のピッチ(行及び/又は列としての幾何学的配置)が工業規格プレー
トのウェルのピッチ(幾何学的配置)に合致するような方法で組み合わされてい
るものに関する。
む核酸ハイブリッド形成の過程で、本発明の試料区画の配置構造がさらなるカバ
ートップ、たとえばフィルム、膜又はカバープレートで閉止されるならば、それ
は有利であることができる。これにより、たとえば、試料区画の入口及び出口か
らの液体の蒸発を避けることができる。
1000μl、好ましくは1μl〜20μlであることができる。
レートと組み合わされるボディとの間の凹みの深さは1〜1000μm、好まし
くは20〜200μmであることが好ましい。
レートと組み合わされるボディとの間の凹みのベース面積は、通常0.1mm2〜
200mm2、好ましくは1mm2〜100mm2であり、配列の凹みの大きさは、均等
であることもできるし異なることもでき、ベース区域は、いかなる形状、好まし
くは矩形もしくは多角形又は他の幾何学形状であることができる。
ボディ及び場合によるさらなるカバートップの材料が、成形性、金型成形性又は
ロール練り性プラスチック、金属、ケイ酸塩、たとえばガラス、石英又はセラミ
ックスの群から選択されることが本発明の試料区画の配置構造に特徴的である。
8に記載されている。本発明の導波板との組み合わせにおける、同明細書に記載
されている試料区画の配置構造が本発明のもう一つの主題である。
区域から出る光を測定するための少なくとも一つの検出器と を含む、一以上のルミネセンスを測定するための光学系である。
で計測区域に投射される。
ンス光もまた検出されるような方法で実施されることが好ましい。
光は、本質的に平行であり、結合格子によって導波層(2)に内結合させて、導
波板もしくはセンサプラットフォーム又は試料区画の配置構造の結合格子に送る
ための共振角で投射される。
なければならない。相応に、「本質的に直交」又は「本質的に垂直」とは、対応
する直交又は垂直方向を1゜未満しか逸しないことをいう。
励起光が本質的に単色であることが好ましい。「本質的に単色」の光とは、その
帯域幅が1nm未満であると理解されなければならない。
ため、励起光が直線偏光状態で投射されることが好ましい。
使用されることが好ましい。好ましくは、これらはコヒーレント光源である。
拡大され、結合格子上の一以上の計測区域に投射され、それが、好ましくは、導
波層(a)への内結合のための共振角で実施されることが本発明の光学系の特定
の実施態様に特徴的である。
多数の回折光学要素、好ましくはDammann格子又は屈折光学要素、好ましくはマ
イクロレンズアレイにより、共通の光源から発される個々のビームの可能な限り
同じ強さの多数の個々のビームに分割され、個々のビームが、互いに対して本質
的に平行に、前記結合格子の上又は脇に設けられることができる一以上の結合格
子及び横方向に分けられた計測区域に送られることが、もう一つの特定の実施態
様に特徴的である。
、同様な又は異なる発光波長の二以上の光源を励起光源として使用することが好
ましい。
、異なる周期数を有することが好ましい二以上の重畳した結合格子(本発明の導
波板もしくはセンサプラットフォーム又は試料区画の配置構造の特定の実施態様
の一部としての)に投射することができる。
イ、アバランシェダイオードアレイ、マルチチャネルプレート及びマルチチャネ
ル光電子増倍管によって形成される群のからの少なくとも一つの横方向に解像す
る検出器が検出に使用される。
ズもしくはレンズ系、光束を偏向させ、場合によってはさらに成形するための平
面もしくは湾曲したミラー、光束を偏向させ、場合によってはスペクトル分離す
るためのプリズム、光束の部分をスペクトル選択的に偏向させるためのダイクロ
イックミラー、伝送される光の強さを調整するためのニュートラルフィルタ、光
束の部分をスペクトル選択的に透過させるための光学フィルタもしくはモノクロ
メータ又は励起もしくはルミネセンス光の離散的な偏光方向を選択するための偏
光選択要素を含む群の光学部品を、一以上の励起光源と、前記実施態様のいずれ
かの導波板、センサプラットフォーム及び試料区画の配置構造によって形成され
る部品の群の部品との間の光路及び/又は前記部品群と一以上の検出器との間の
光路に配置することができる。
発光が時間分解的に計測されることが本発明の特定の実施態様に特徴的である。
のビームに多重化された後の励起光、励起波長の散乱光又は一以上の横方向に分
けられた計測区域の位置からの分析対象物検出に使用される波長とは異なる波長
の発光及び計測区域の脇の格子構造によって外結合された励起波長の光を含む群
の光信号が計測される。
域とが同一であるならば、それは特に有利である。
同時に実施することもできるし、順次に実施することもできる。
クミラーを含む群の可動光学部品を使用して実施される。
ナを使用して実施されるということが本発明の光学系の特定の実施態様に特徴的
である。
導波板もしくはセンサプラットフォーム又は試料区画の配置構造を、順次の励起
及び検出の過程の間で動かす。
及び本発明のセンサプラットフォーム及び本発明の試料区画の配置構造によって
形成される部品の群の部品によって及び/又は本発明の光学系の使用によって多
数の分析対象物を同時に定性及び/又は定量する方法であって、前記一以上の分
析対象物に関して分析される一以上の液体試料を前記部品の一つの上の計測区域
と接触させ、計測区域に向けて励起光を投射し、一以上の分析対象物と、前記計
測区域に固定化された生物学的又は生化学的又は合成認識要素との結合又は前記
分析対象物と前記固定化された認識要素との相互作用から生じる、(A)計測区
域から出る光及び(B)場合によっては、前記試料と接触させられた計測区域か
らの一以上のルミネセンスの少なくとも一つを計測し、前記ルミネセンスを導波
層(2)の近場で発生させる方法である。
が好ましい。導波層(2)中を誘導されるTE0モード又はTM0モードの励起の
ため、励起光を直線偏光状態で投射するならば、それは特に有利である。
をビーム拡大光学部品によって本質的に平行な光束に可能な限り均一に拡大し、
一以上の計測区域に送るならば、それは特に好ましい。それに関して、投射され
る励起光束の直径が少なくとも一つの方向で少なくとも2mm、好ましくは少なく
とも10mmであることが好ましい。
多数の回折光学要素、好ましくはDammann格子又は屈折光学要素、好ましくはマ
イクロレンズアレイにより、共通の光源から発される個々のビームの可能な限り
同じ強さの多数の個々のビームに分割し、個々のビームを、互いに対して本質的
に平行に、横方向に分けられた計測区域に送ることが、本発明の方法のもう一つ
の実施態様に特徴的である。
のコヒーレント光源を励起光源として使用することが好ましい。
結合することが好ましい。
(2)に内結合され、結合格子によって外結合されるルミネセンス又は両部分(
a)及び(b)を含むルミネセンスを同時に計測することを可能にする。
100nmの波長で発光する発光染料又は発光ナノ粒子をルミネセンス標識として
使用することが本発明の方法に特徴的である。
類似体に結合させるか、多工程検定では、固定化された生物学的又は生化学的又
は合成認識要素の結合相手の一つ又は生物学的又は生化学的又は合成認識要素に
結合させることが本発明の好ましい方法に特徴的である。
光波長の第二又はより多くのルミネセンス標識を使用することが特定の実施態様
に特徴的である。
識と同じ波長で励起させ、第一のルミネセンス標識と異なる波長で発光させるこ
とができることが好ましい。
複しないか、ほとんど重複しないならば、それは特定の用途にとって有利である
。
センス標識への電荷移動又は光エネルギー移動を分析対象物測定に使用すること
が本発明の分析方法のもう一つの特定の実施態様に特徴的である。
対する影響を減らすため、励起波長における一以上のルミネセンス及び/又は光
信号の測定を偏光の選択性をもって決定し、好ましくは、一以上のルミネセンス
を、励起光の偏光とは異なる偏光で計測するならば、それは有利であることがで
きる。
測定することが本発明の分析方法のもう一つの特定の実施態様に特徴的である。
み合わせ方法として、たとえば、分析対象物としてリガンドの、一以上の計測区
域に固定化された受容体としての生物学的又は生化学的又は合成認識要素への結
合を有効屈折率の変化によって検出することを可能にし、前記リガンド−受容体
系の機能応答を前記計測区域からのルミネセンスの変化によって測定することを
可能にする。
き、供給された試料中のリガンドが前記膜貫通受容体タンパク質に結合する。こ
の受容体−リガンド系の機能応答は、たとえば、pH又は/及びイオン濃度の局
所変化に通じるイオンチャネルの開放であることができる。このような局所変化
は、たとえば、pH依存性又は/及びイオン依存性のルミネセンス強さ及び/又
はスペクトル発光を示す発光染料によって検出することができる。
原、受容体もしくはリガンド、キレート化剤もしくは「ヒスチジンタグ成分」、
オリゴヌクレオチド、DNAもしくはRNAストランド、DNAもしくはRNA
類似体、酵素、酵素補因子もしくは阻害剤、レクチン及び炭水化物を含む群から
の一以上の分析対象物を同時又は順次に定量及び/又は定性するのに適している
。
、たとえば血液、血清、血漿、リンパ液もしくは尿又は卵黄又は光学的に濁った
液体又は組織流体又は表面水又は土壌又は植物抽出物又はバイオもしくは合成ブ
ロスであるか、生物学的組織断片又は細胞培養物もしくは細胞抽出物から採取さ
れるということが、本発明の方法に特徴的である。
床及び臨床前開発におけるスクリーニング法での化学的、生化学的又は生物学的
分析対象物の測定のための定量的及び/又は定性的分析、アフィニティースクリ
ーニング及び研究における運動パラメータのリアルタイム結合研究及び測定、特
にDNA及びRNA分析のための分析対象物定性及び定量、毒性発生研究及び遺
伝子又はタンパク質発現プロフィールの決定ならびに医薬品研究開発、ヒト及び
動物の診断、農薬製品研究開発における抗体、抗原、病原体又はバクテリアの決
定、医薬品開発及び治療薬選択における患者層別化、食品及び環境分析における
病原体、有害薬剤及び細菌、特にサルモネラ、プリオン、ウイルス及びバクテリ
アの決定のための、本発明の導波板、本発明のセンサプラットフォーム及び本発
明の試料区画の配置構造によって形成される部品の群からの部品及び/又は本発
明の光学系及び/又は本発明の方法の使用である。
ばSchott DESAG社のガラスAF45のガラス基板を含み、102mm×72mmの
寸法及び厚さ0.7mmであり、厚さ150nmのTa2O5の導波層2を一面に担持
する。屈折率は製造方法に依存し、たとえば633nmでは2.11である。Ta 2 O5の他に、他の材料、特にNb2O5、TiO2、ZrO2、Al2O3、SiO2
−TiO2、HfO2、Y2O3、SiOxNy、Si3N4、HfOxNy、AlOxNy 、TiOxNy、MgF2又はCaF2が導波層に適している。
て平行かつ別個に配置され、導波板の全幅にわたって平行な線で延びている。各
結合格子ストリップ3の幅は0.5mmである。格子周期は∧=360nmであり、
溝/平坦部の比は約1:1であり、格子深さは約20nmである。格子を画定する
パラメータは、常に、結合格子ストリップの全長に沿って非常に正確に満たされ
る。それにより、下からガラス基板1を介して結合格子ストリップ3に向けられ
る光線が最大結合効率で導波層2に結合される結合角θの変化が非常に狭い限界
に維持される。結合格子ストリップ3の線に沿って、結合角は、0.05゜/cm
(最大)以下しか変化しない。導波板全体で、記載した例で2.31゜である結
合角の平均値からの偏差は0.15゜未満である。
カム形ヘッドピース4によって達成されて、たとえば工業規格プレートのフット
プリントを有する試料区画の配置構造を形成する。
導波板2の隣接する結合格子ストリップ3を、適切な光源からの光で、結合角θ
の下、主に公知の物質で、この例ではHe−Neレーザから波長633nmの光で
照射する。空洞8のベース(底)を形成する導波層2の中を、この例では、本発
明の一般的態様を限定しないが、隣接する結合格子ストリップ3′に向けて誘導
され、そこで再び外結合される光が空洞8中の分子を励起して蛍光させ、それを
光学系9によって検出したのち、分析することができる。結合格子ストリップ3
の長手に沿って結合角θを保証することができる高い精度が、前記結合格子スト
リップに沿って配置された空洞の同時分析を効率よく可能にする。また、結合角
θは導波板2全体にわたって平均値をほとんど逸脱しないため、次の行の空洞8
を分析するために前記結合角の面倒な最適化は不要である。
決定する。導波板は、96個の試料区画を図1の幾何学的配置(8行×12列の
試料区画)で配置するためのベースプレートとして使用するために設計されてい
る。導波板の物理的性質を特性決定するためには、以下のパラメータを測定しな
ければならない。(a)結合角及び(b)最大内結合の場合の共振角の半幅、(
c)結合格子ストリップにおける最適な内結合のための横方向位置(x位置)及
び(d)その半幅、(e)内結合効率、(f)試料区画の領域の単位面積あたり
の散乱中心の数及び大きさ、(g)試料区画の領域の励起光プロフィールの分析
、(h)後で実施する分析対象物測定のためのルミネセンス計測の波長における
バックグラウンドルミネセンス。
ら出る計測光の測定の間隔は9mmである。
532nm及び492nmで発光する3個のレーザ又は代替励起光源としてレーザダ
イオードを含む。異なるレーザからの励起光を、レンズ、アパーチュア(ビーム
成形用)及びミラーの系によって導波板の結合格子に向ける。導波板に投射され
る全励起光強さ(I0)及び反射励起光の強さとすぐに外結合される励起光の強
さ(Ir、反射光に対して平行)との合計の測定のために結合角の正確な調節又
は励起光の偏向を可能にするため、光が導波板に当たる前の励起光路中の最後の
ミラーはゴニオメータ(この例では分解能0.01゜)に取り付けられている。
導波板に対する励起光の投射の横方向位置の調節(x:結合格子ストリップに対
して直角、y:結合格子ストリップに対して平行)は、並進位置決め要素(この
例では分解能20μm)によって導波板を動かすことによって実施される。
子で外結合された光を計測するフォトダイオード(増幅器に接続)の信号を最大
限にすることによって達成される。その最適化の間、外結合される光の強さ(I out )を、いずれもユーザが定めることができる調節範囲内及び可変分解能で、
フォトダイオードによって内結合角(導波板の法線に対する角度と定義される)
の関数として計測する。そして、これらの強さプロフィールから最大内結合の最
適値及び結合曲線(共振曲線)の半幅を決定する。
の強さ(Itr)、投射された励起の強さ(I0)及び反射光と内結合格子で外結
合された光(反射光に対して平行に外結合されるため反射光と区別できない)と
の和の強さ(Ir)を、較正したフォトダイオード(増幅器に接続)によって計
測する。内結合効率は、比(I0−Itr−Ir)/I0として決定する。
出る光を、イメージングシステム(対物レンズの組み合わせ)によって横方向分
解検出器、たとえばカメラまたはCCDチップに結像させる。パラメータ(f)
及び(g)の測定のための計測を実際の励起波長で再び実施し(必要ならば、光
の強さを減衰させるためにニュートラルフィルタを使用するが、スペクトル選択
性のフィルタは使用しない)、この計測光の収集のための光路中で回転可能なフ
ィルタホイールに取り付けられる適切な干渉フィルタを使用してバックグラウン
ドルミネセンス(h)を測定する。
さ(全画素からの)の平均値をイメージ(励起波長で記録)から決定する。それ
に関して、結合格子の領域又は結合格子に隣接する区域をこの平均化過程に考慮
しないよう注意しなければならず、当然、検出器に到達する反射を避けなければ
ならない。そして、平均値を中心とする統計的変動の上限(ユーザが決定可能、
たとえば平均値+その標準偏差の10倍)よりも有意に高いしきい強さを決定す
る。このしきい値を超えるすべての画素信号を散乱中心に起因するものとみなし
、(二次元)連続区域中のこれらの画素のどれくらいの数がこのしきい値(散乱
中心のサイズ)を超える信号を有するかの表を生成する。そして、散乱中心の完
全な分析を、散乱中心の数をそれらの大きさの関数として示すヒストグラムの形
で提供する。(g)導波板の対象区域の励起光プロフィールの測定のためには、
導波板上の対応区域のストリップ状のイメージ部分に記録された画素値のライン
プロフィール(y方向で、格子線に対して平行)を生成する。これらのラインプ
ロフィールに基づき、たとえば、異なる場所での結合格子の欠陥のせいで光内結
合が起こらないか減少するかどうか、又は、内結合され、誘導される光の伝播が
中断又は損なわれるか(x方向のさらに先の場所で局所化した欠陥のせいで)を
決定することができる。計測される強さの均一性のしきい値(y方向、たとえば
、計測した平均値からの変動又は相対偏差の量)を決定することができ、それを
超えた場合にはその導波板を廃棄する。
ス波長に適切なスペクトルフィルタを使用して測定される。局所化された発光汚
染は、たとえば、散乱中心の分析と同様な方法で測定することができ、また、全
対象区域の分析に関連する全画素値の積分ルミネセンス強さを測定することもで
きる。好ましくは、計測した値を利用可能な励起光強さで修正し、参照して、匹
敵しうる導波板の間で経験的比較を可能にする。上述したすべてのパラメータの
場合と同様に、ここでもまた、しきい値を定義し、このしきい値を超える又は下
回るならば導波板を廃棄する。
コンピュータ制御する。たとえば、決定したパラメータの表及び場合によっては
グラフ表現を含むプロトコルを生成することが特に好ましい。好ましくは、特性
決定した導波板の等級付け及び分類をも自動化方法で実施する。
での励起に関して、結合格子ストリップ(カラム、8計測位置の平均)に沿って
測定した結合角の平均値及び結合格子ストリップ(カラム、カラムの最初の計測
位置と最後の計測位置との距離:63mm)に沿って測定した最大偏差(△max-、
△max+)を以下の表にまとめる。
.1゜/cm未満であり、導波板全体で、平均値からの偏差は0.5゜未満である
。
ットプリントに合致する形状を有する試料区画の配置構造を形成する本発明の導
波板の平面図である。
て有する試料区画の配置構造の一部の、前記導波板又は前記センサプラットフォ
ームに隣接する挿入を略示する。
Claims (47)
- 【請求項1】 導波層(2)を担持するプレート状ガラス基板(1)を有し
、前記導波層(2)を担持する面に少なくとも一つの結合格子を有する導波板で
あって、この結合格子が、150nm〜1000nmの周期の線の格子として形成さ
れており、前記格子の長さが、線が互いに平行な状態で少なくとも5cmであり、
結合角(θ)が前記格子の線に沿って0.1゜/cm以下しか変動せず、前記導波
板上の結合角(θ)の、所定の所望値からの偏差の絶対値が0.5゜を超えない
導波板。 - 【請求項2】 前記線沿いの前記結合格子の長さが少なくとも1cmである、
請求項1記載の導波板。 - 【請求項3】 結合角(θ)が前記線に沿って0.05゜/cm以下しか変動
しない、請求項1〜2のいずれか記載の導波板。 - 【請求項4】 導波板上の結合角(θ)の、その平均値からの偏差の絶対値
が0.3゜を超えず、好ましくは0.15゜を超えない、請求項1〜3のいずれ
か記載の導波板。 - 【請求項5】 導波層(2)の屈折率が1.65〜2.8である、請求項1
〜4のいずれか記載の導波板。 - 【請求項6】 導波層(2)が、Ta2O5、Nb2O5、TiO2、ZrO2、
Al2O3、SiO2−TiO2、HfO2、Y2O3、SiOxNy、Si3N4、Hf
OxNy、AlOxNy、TiOxNy、MgF2又はCaF2を含む、請求項1〜5の
いずれか記載の導波板。 - 【請求項7】 導波層の厚さが50nm〜200nmである、請求項1〜6のい
ずれか記載の導波板。 - 【請求項8】 溝/平坦部の比が0.3:1〜3:1、好ましくは0.7:
1〜1.5:1である、請求項1〜7のいずれか記載の導波板。 - 【請求項9】 少なくとも一つの結合格子の格子深さが5nm〜75nmである
、請求項1〜8のいずれか記載の導波板。 - 【請求項10】 少なくとも一つの結合格子が導波板の表面の一部しか覆わ
ず、前記導波板の表面の残り部分が覆われていない、請求項1〜9のいずれか記
載の導波板。 - 【請求項11】 前記導波板が、前記導波板の本質的に全幅又は全長にわた
って延びる互いに対して平行な線を有する結合格子ストリップ(3)として形成
されている少なくとも一つの結合格子を有する、請求項10記載の導波板。 - 【請求項12】 いくつかの結合格子ストリップ(3)が互いに対して別個
かつ平行に配置されている、請求項11記載の導波板。 - 【請求項13】 いくつかの結合格子が、互いに対して平行ではなく、たと
えば垂直に配置されている、請求項1〜11のいずれか記載の導波板。 - 【請求項14】 二以上の結合格子が重畳している、請求項1〜13のいず
れか記載の導波板。 - 【請求項15】 一以上の結合格子が多回折性である、請求項1〜14のい
ずれか記載の導波板。 - 【請求項16】 結合格子が前記導波板の本質的に全面を覆う、請求項1〜
15のいずれか記載の導波板。 - 【請求項17】 前記導波板に配置された結合格子が、一以上の光源からの
励起光を導波層(2)に内結合する及び/又は導波層(2)中を誘導された光を
外結合するように作動することができる、請求項1〜16のいずれか記載の導波
板。 - 【請求項18】 一以上の分析対象物の特異的認識及び/又は結合及び/又
は前記分析対象物との特異的相互作用のための生物学的又は生化学的又は合成認
識要素が導波層(2)上に直接又は前記導波層(2)にさらに被着された付着促
進層によって固定化されている、請求項1〜17のいずれか記載の導波板を有す
るセンサプラットフォーム。 - 【請求項19】 多数の同種又は異なる生物学的又は生化学的又は合成認識
要素が別個の計測区域の少なくとも一つの配列として導波層(2)上に直接又は
前記導波層(2)にさらに被着された付着促進層によって固定化されている、請
求項18記載のセンサプラットフォーム。 - 【請求項20】 前記導波層(2)にさらに被着された付着促進層が、厚さ
200nm未満、好ましくは20nm未満である、請求項18〜19のいずれか記載
のセンサプラットフォーム。 - 【請求項21】 導波層(2)にさらに被着された付着促進層が、好ましく
は、シラン、官能化シラン、エポキシド、官能化、帯電又は極性ポリマー及び「
自己組織化パッシブ又は官能化単分子層又は多分子層」を含む群からの化合物を
含む、請求項18〜20のいずれか記載のセンサプラットフォーム。 - 【請求項22】 前記生物学的又は生化学的又は合成認識要素として、核酸
(たとえばDNA、RNA、オリゴヌクレオチド)及び核酸類似体(たとえばP
NA)、タンパク質、特にモノクロナール及びポリクロナール抗体、ペプチド、
酵素、アプタマー、合成ペプチド構造、膜結合した、また膜から単離した可溶性
のタンパク質、たとえば膜受容体、それらのリガンド、抗体に対する抗原、「ヒ
スチジンタグ成分」及びそれらの錯形成相手、分子インプリントをホストするた
めの、化学合成によって生成された空洞又は全細胞、細胞成分、細胞膜もしくは
それらの断片によって形成される群からの成分が導波層(2)上に直接又は前記
導波層(2)にさらに被着された付着促進層によって固定化されている、請求項
18〜21のいずれか記載のセンサプラットフォーム。 - 【請求項23】 分析対象物又は前記分析対象物のトレーサ化合物の非特異
的結合の最小化のために、導波層(2)上又は導波層(2)にさらに被着された
付着促進層に固定化された生物学的又は生化学的又は合成認識要素の間及び/又
は横方向に分けられた計測区域の間の区域が「パシベート」され、好ましくは、
アルブミン、特にウシ血清アルブミンもしくはヒト血清アルブミン、カゼイン、
非特異的ポリクロナールもしくはモノクロナール、測定される分析対象物に対し
て異質もしくは経験的に非特異的な抗体(特にイムノアッセイの場合)、洗浄剤
、たとえばTween 20、合成もしくは天然脂質、分析されるポリヌクレオチドと
ハイブリッド形成しない断片化された天然もしくは合成DNA、たとえばニシン
もしくはサケ精子の抽出物(特にポリヌクレオチドハイブリッド形成の場合)又
は親水性ポリマー、たとえばポリエチレングリコールもしくはデキストランを含
む群からの化合物を含む、分析対象物に対して「化学的に中性」である化合物が
前記間欠区域に被着されている、請求項18〜22のいずれか記載のセンサプラ
ットフォーム。 - 【請求項24】 請求項1〜12のいずれか記載の導波板又は請求項13〜
23のいずれか記載のセンサプラットフォームをベースプレートとして含み、前
記ベースプレートと組み合わされるボディを、互いに対して流体的にシールされ
る、それぞれ少なくとも一つの入口及び少なくとも一つの出口を有する一以上の
フローセルを形成するための一以上の空間凹みがベースプレートと前記ボディと
の間に形成されるような方法で含む、一以上の試料区画の配置構造。 - 【請求項25】 請求項1〜12のいずれか記載の導波板又は請求項13〜
22のいずれか記載のセンサプラットフォームをベースプレートとして含み、前
記ベースプレートと組み合わされるボディを、互いに対して流体的にシールされ
る、それぞれ少なくとも一つの入口及び少なくとも一つの出口を有するフローセ
ルの配列を形成するための空間凹みの配列がベースプレートと前記ボディとの間
に形成されるような方法で含む、請求項24記載の試料区画の一次元又は二次元
配列の配置構造。 - 【請求項26】 形成されるフローセルの配列のフットプリントの形状を有
する空間構造がベースプレートとしての導波板又はセンサプラットフォーム上に
形成されている、請求項24〜25のいずれか記載の試料区画の配置構造。 - 【請求項27】 ベースプレートとしての導波板又はセンサプラットフォー
ムと、前記ベースプレートと組み合わされる前記ボディとの間に空間凹みを形成
するため、前記ボディ中に凹みが形成されている、請求項24〜26のいずれか
記載の試料区画の配置構造。 - 【請求項28】 フローセルの入口のピッチ(行及び/又は列としての幾何
学的配置)が工業規格プレートのウェルのピッチ(幾何学的配置)に合致する、
請求項24〜27のいずれか記載の試料区画の配置構造。 - 【請求項29】 ベースプレートとしての導波板又はセンサプラットフォー
ムと組み合わされるボディ及び場合によるさらなるカバートップの材料が、成形
性、金型成形性又はロール練り性プラスチック、金属、ケイ酸塩、たとえばガラ
ス、石英又はセラミックスの群から選択される、請求項24〜28のいずれか記
載の試料区画の配置構造。 - 【請求項30】 請求項1〜17のいずれか記載の導波板又は請求項18〜
23のいずれか記載のセンサプラットフォーム又は請求項24〜29のいずれか
記載の試料区画の配置構造によって形成される部品の群の部品によって多数の分
析対象物を同時に定性化及び/又は定量化する方法であって、前記一以上の分析
対象物に関して分析される一以上の液体試料を前記部品の一つの上の計測区域と
接触させ、計測区域に向けて励起光を投射し、一以上の分析対象物と、前記計測
区域に固定化された生物学的又は生化学的又は合成認識要素との結合又は前記分
析対象物と前記固定化された認識要素との相互作用から生じる、(A)計測区域
から出る光及び(B)場合によっては、前記試料と接触させられた計測区域から
の一以上のルミネセンスの少なくとも一つを計測し、前記ルミネセンスを導波層
(2)の近場で発生させる方法。 - 【請求項31】 励起光が本質的に単色であり、本質的に平行に投射される
、請求項30記載の方法。 - 【請求項32】 導波層(2)中を誘導されるTE0モード又はTM0モード
の励起のため、励起光を直線偏光状態で投射する、請求項31記載の方法。 - 【請求項33】 少なくとも一つの光源からの励起光をビーム拡大光学部品
によって本質的に平行な光束に可能な限り均一に拡大し、一以上の計測区域に送
る、請求項30〜32のいずれか記載の方法。 - 【請求項34】 投射される励起光束の直径が少なくとも一つの方向で少な
くとも2mm、好ましくは少なくとも10mmである、請求項33記載の方法。 - 【請求項35】 少なくとも一つの光源からの励起光を、一つ又は光源がい
くつかある場合には多数の回折光学要素、好ましくはDammann格子又は屈折光学
要素、好ましくはマイクロレンズアレイにより、共通の光源から発される個々の
ビームの可能な限り同じ強さの多数の個々のビームに分割し、その個々のビーム
を、互いに対して本質的に平行に、横方向に分けられた計測区域に送る、請求項
30〜32のいずれか記載の方法。 - 【請求項36】 等しい又は異なる発光波長の二以上のコヒーレント光源を
励起光源として使用する、請求項30〜35のいずれか記載の方法。 - 【請求項37】 計測区域の励起光を一以上の結合格子によって導波層(2
)に結合する、請求項30〜36のいずれか記載の方法。 - 【請求項38】 (a)等方向に発されたルミネセンス又は(b)導波層(
2)に内結合され、結合格子によって外結合されるルミネセンス又は両部分(a
)及び(b)を含むルミネセンスを同時に計測する、請求項30〜37のいずれ
か記載の方法。 - 【請求項39】 前記ルミネセンスの生成のため、励起されることができ、
300nm〜1100nmの波長で発光する発光染料又は発光ナノ粒子をルミネセン
ス標識として使用する、請求項30〜38のいずれか記載の方法。 - 【請求項40】 ルミネセンス標識を、分析対象物に結合させるか、競合検
定では、分析対象物類似体に結合させるか、多工程検定では、固定化された生物
学的又は生化学的又は合成認識要素の結合相手の一つ又は生物学的又は生化学的
又は合成認識要素に結合させる、請求項39記載の方法。 - 【請求項41】 第一のルミネセンス標識と同様な又は異なる励起波長及び
同様な又は異なる発光波長の第二又はより多くのルミネセンス標識を使用する、
請求項39〜40のいずれか記載の方法。 - 【請求項42】 供与体として働く第一のルミネセンス標識から受容体とし
て働く第二のルミネセンス標識への電荷移動又は光エネルギー移動を分析対象物
測定に使用する、請求項41記載の方法。 - 【請求項43】 励起波長における一以上のルミネセンス及び/又は光信号
の測定を偏光の選択性をもって決定し、好ましくは、一以上のルミネセンスを、
励起光の偏光とは異なる偏光で計測する、請求項30〜42のいずれか記載の方
法。 - 【請求項44】 一以上のルミネセンスの測定に加えて、有効屈折率の変化
を測定する、請求項30〜43のいずれか記載の方法。 - 【請求項45】 抗体もしくは抗原、受容体もしくはリガンド、キレート化
剤もしくは「ヒスチジンタグ成分」、オリゴヌクレオチド、DNAもしくはRN
Aストランド、DNAもしくはRNA類似体、酵素、酵素補因子もしくは阻害剤
、レクチン及び炭水化物を含む群からの一以上の分析対象物を同時又は順次に定
量又は定性するための、請求項30〜44のいずれか1項記載の方法。 - 【請求項46】 試験する試料が、たとえば、水性溶液、たとえば特に緩衝
剤溶液、天然の体液、たとえば血液、血清、血漿、リンパ液もしくは尿又は卵黄
又は光学的に濁った液体又は組織流体又は表面水又は土壌又は植物抽出物又はバ
イオブロスもしくはプロセスブロスであるか、生物学的組織断片又は細胞培養物
もしくは細胞抽出物から採取される、請求項30〜45のいずれか記載の方法。 - 【請求項47】 薬学的研究、コンビナトリアルケミストリー、臨床及び臨
床前開発におけるスクリーニング法での化学的、生化学的又は生物学的分析対象
物の測定のための定量的及び/又は定性的分析、アフィニティースクリーニング
及び研究における動的パラメータのリアルタイム結合研究及び測定、特にDNA
及びRNA分析のための分析対象物定性及び定量、毒性発生研究及び遺伝子又は
タンパク質発現プロフィールの決定ならびに医薬品研究開発、ヒト及び動物の診
断、農薬製品研究開発における抗体、抗原、病原体又はバクテリアの決定、医薬
品開発及び治療薬選択における患者層別化、食品及び環境分析における病原体、
有害薬剤及び細菌、特にサルモネラ、プリオン、ウイルス及びバクテリアの決定
のための、請求項1〜17のいずれか記載の導波板、請求項18〜23のいずれ
か記載のセンサプラットフォーム及び請求項24〜29のいずれか記載の試料区
画の配置構造によって形成される部品の群からの部品及び/又は請求項30〜4
6のいずれか記載の方法の使用。
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