JP2003531372A - 励起フィールドを強化するための格子導波路構造及びその使用 - Google Patents

励起フィールドを強化するための格子導波路構造及びその使用

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    • G01N2021/7786—Fluorescence

Abstract

(57)【要約】 本発明は、第一の光学的に透明な層（ａ）を、層（ａ）よりも低い屈折率の第二の光学的に透明な層（ｂ）の上に備え、前記光学的に透明な層（ａ）中で変調される格子構造（ｃ）を備えた平面薄膜導波路に基づく格子導波路構造の可変的な実施態様に関する。本発明は、層（ａ）中及び層（ａ）内に入射するための共振の角度で層（ａ）に照射される励起光の強さが、少なくとも格子構造（Ｃ）の領域で、励起光の入射なしでの基板面上の励起光の強さと比較して少なくとも１００倍増幅されることを特徴とする。本発明はまた、励起光源及び格子導波路構造の本発明実施態様を備えた光学系、さらには励起光の強さを増幅する方法、ならびに生分析検出法、非線形光学部品又は遠隔通信もしくは通信産業におけるその使用に関する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】 本発明は、第一の光学的に透明な層（ａ）を層（ａ）よりも低い屈折率の第二
の光学的に透明な層（ｂ）の上に有し、層（ａ）中で変調される格子構造（ｃ）
を有する平面薄膜導波路に基づき、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射
された励起光の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ
）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少
なくとも１００倍増強される格子導波路構造の可変的な実施態様に関する。本発
明はまた、励起光源及び本発明による格子導波路構造の実施態様を有する光学系
、及び励起光の強さを増強する方法、ならびに生分析検出法、非線形光学部品又
は遠隔通信もしくは通信産業におけるその使用に関する。
【０００２】 本発明の目標は、格子導波路構造の近視野、すなわち前記構造上又は約２００
nm未満の距離で励起光フィールドの大幅な増幅を達成するための光学構造及び使
いやすい光学的方法を提供することである。
【０００３】 光学部品中の回折部品として格子の使用は多数の出版物に記載され、それらに
基づく技術部品で実現されている。たとえば、分光計の一部としての周知の格子
モノクロメータは、照射された多色光束が波長に依存して異なる空間方向へと偏
向することに基づく。高精度の格子、特に非常に短い周期、たとえば４００nmよ
りもかなり小さい周期の格子を製造するための技術がますます改善されているた
め、格子構造は、現代光学における用途の増大を見いだしている。応用分野の例
は、集積光学、量子エレクトロニクス、光データ通信をたとえば光学式スイッチ
又は分配器に使用する遠隔通信などである。このため、回折又は反射率の変則を
生成するために使用することができる誘電性導波路又は金属と組み合わせた格子
構造が特に関心を寄せられている。すでにWoodが１９０２年に異常な反射率の観
察を記載し（R. W. Wood, “On a Remarkable case of uneven distri
bution of light in a diffraction grating spectrum”, Phil. Mag.
Vol. 4(1902)396-402）、Hessel及びOlinerが、金属格子構造における表面波
の生成によってこれらの変則性を説明している（A. Hessel and A. A. Oli
ner, “A new theory of Wood's anomalies”, Appl. Optics vol. 4
(1965)1275-1297）。
【０００４】 特に光学導波路の場合、パラメータ（たとえば、格子周期及び格子深さ、光学
導波路の光学的に透明な層（ａ）の厚さ及びその屈折率ならびに隣接媒体の１以
上の屈折率）の適切な選択により、伝送される光のほぼ完全な消滅と反射方向に
放射される光の割合のほぼ１００％までの増加とを観察することができる。伝送
光の消滅及び不規則な「反射」の同時出現（反射の規則的な部分と、放射法則に
引き続いて格子構造によって外結合された光との総和として）の物理条件が、た
とえば、D. Rosenblatt et al., “Resonant Grating Waveguide Struct
ures”, IEEE Journal of Quantum Electronics, Vol. 33(1997)2038-20
59に記載され、説明されている。しかし、これらすべての研究では、伝送又は反
射される光のうち、格子構造の遠視野で利用可能であり観察される部分を物理モ
デルによって記載し、説明しているだけである。構造の表面上の電磁場強度の分
布は示唆されていない。
【０００５】 他方、たとえば生化学的分析学では、供給されたサンプル中の分析対象物を、
表面に固定化された生化学的又は生物学的又は合成認識要素を使用して高い感度
及び選択性で検出することを可能にする配置及び方法が強く求められている。そ
れに関して、多くの公知の方法は、分析対象物の存在における一以上のルミネセ
ンスの検出に基づく。
【０００６】 それに関して、本出願では用語「ルミネセンス」は、光学的又は非光学的、た
とえば電気的又は化学的又は生化学的又は熱的励起ののちに起こる、紫外線から
赤外線までのスペクトル範囲における光子の自然発生的放出をいう。たとえば、
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ならびに特に
蛍光及びリン光が「ルミネセンス」に含まれる。
【０００７】 以下、用語「物質の光学透明性」は、少なくとも励起波長でその物質の透明性
が求められるという意味で使用する。より短い又はより長い波長では、この物質
は吸収性になることもできる。
【０００８】 近年、厚さわずか数１００ナノメートルの導波膜に基づく高屈折薄膜導波路に
より、感度が有意に高められた。たとえば、ＷＯ９５／３３１９７には、レリー
フ格子を回折光学要素として使用して励起光を導波膜中に結合する方法が記載さ
れている。センサプラットフォームの表面を、分析対象物を含有するサンプルと
接触させ、減衰フィールドの浸透深さ内に位置してルミネセンスを起こすことが
できる物質から等方的に発せられるルミネセンスを適切な計測装置、たとえばフ
ォトダイオード、光電子増倍管又はＣＣＤカメラによって記録する。また、減衰
的に励起されたルミネセンスのうち、導波路に逆結合された部分を回折光学要素
、たとえば格子によって外結合させ、計測することが可能である。この方法はた
とえばＷＯ９５／３３１９８に記載されている。
【０００９】 以下、「減衰フィールド」と「近視野」とは同義に使用する。
【００１０】 現在の技術水準、特にＷＯ９５／３３１９７及びＷＯ３３／１９８における上
記した減衰的に励起するルミネセンスを検出する方法の欠点は、センサプラット
フォームの、均質な膜として設けられた導波層上で常に１種のサンプルしか分析
することができないことである。同じセンサプラットフォーム上でさらなる計測
を可能にするためには、面倒な洗浄及び清浄工程が絶えず求められる。これは、
最初の計測とは別の分析対象物を測定しなければならない場合、特に当てはまる
。免疫検定の場合、これは通常、センサプラットフォームの固定化層をまるごと
交換しなければならないか、新たなセンサプラットフォームを全体として使用し
なければならないことを意味する。
【００１１】 したがって、いくつかのサンプルを平行に、すなわち同時に又は清浄工程をは
さむことなく続けざまに分析することを可能にする方法を開発する必要がある。
【００１２】 本質的に単モードの平面無機導波路を使用してルミネセンス検出のみに基づく
多重計測を同時又は順次に実施するため、たとえばＷＯ９６／３５９４０には、
、互いに別々に励起光が照射される少なくとも二つの別個の導波区域が一つのセ
ンサプラットフォーム上に配設されている装置（アレイ）が報告されている。し
かし、センサプラットフォームを別々の導波区域に隔離することから生じる欠点
として、共通のセンサプラットフォーム上の別個の導波領域において別個の計測
区域のための所要面積が比較的大きくなり、したがって、ここでもまた、異なる
計測フィールド（又はいわゆる「フィーチャ」）を比較的低密度でしか達成する
ことができない。
【００１３】 したがって、フィーチャ密度を増す又は計測面積あたりの所要面積を減らす必
要もある。
【００１４】 簡単なガラス又は顕微鏡スライドに基づき、さらなる導波層をもたない、非常
に高いフィーチャ密度のアレイが公知である。たとえば、米国特許第５，４４５
，９３４号（Affymax Technologies）では、１平方センチメートルあたり１０
００個を超えるフィーチャの密度を有するオリゴヌクレオチドのアレイが記載さ
れ、特許請求されている。このようなアレイの励起及び読出しは、従来の光学的
配置及び方法に基づく。拡大させた励起光束を使用するとアレイ全体を同時に照
らすことができるが、結果として、比較的低い感度しか得られず、散乱光の割合
が比較的大きくなり、散乱光又はガラス基板からのバックグラウンド蛍光が、分
析対象物の結合のためのオリゴヌクレオチドが固定化されていない領域において
も発生する。励起及び検出を固定化されたフィーチャの領域に限定し、隣接領域
における発光を抑制するため、共焦点計測配置が広く使用され、種々のフィーチ
ャが走査によって順次に分析される。しかし、その結果、大きなアレイの読出し
に要する時間が増し、光学構造が比較的複雑になる。
【００１５】 したがって、薄膜導波路に基づくセンサプラットフォームによって達成されて
きた同様の高感度を達成すると同時にフィーチャあたりの所要計測面積を最小限
にすることを可能にするセンサプラットフォーム及び光学構造を具現化する必要
がある。
【００１６】 同時係属出願（ＰＣＴ／ＥＰ００／０４８６９）には、光学的に透明な層（ａ
）を層（ａ）よりも低い屈折率の第二の層（ｂ）の上に含み、層（ａ）中で変調
される格子構造（ｃ）をその上に設けられた計測区域とともに含む膜導波路を有
するセンサプラットフォームが記載されている。それに関して、パラメータ、特
に格子深さの適切な選択により、励起光を計測区域に内結合し、対応するルミネ
センス励起を層（ａ）の近視野に内結合したのち層（ａ）の中に逆結合されるル
ミネセンス光を、きわめて短い距離、すなわち、何百マイクロメートルで完全に
外結合することでき、ひいては、導波層（ａ）中にさらに広がることを防ぐこと
ができる。
【００１７】 この構造は、非常に小さな区域での多数の分析対象物の高感度同時測定を可能
にする。光路を最適化し、反射又は散乱光を遮蔽すると、感度をさらに高めるこ
とができる。しかし、最後に、バックグラウンド信号及び対応するバックグラウ
ンドのノイズによる制限が残る。これは、とりわけ、大部分の被着されるルミネ
センス染料に関して、励起波長と発光波長との間のスペクトル分離（ストークス
シフト）が比較的小さく、通常は２０nm〜５０nmであるという事実による。３０
０nmまでの大きなストークスシフトを示すルミネセンス染料が知られているが、
これらの染料は一般に、欠点として、量子収率及び／又は光安定性が比較的低い
。
【００１８】 さらには、従来の励起と組み合わせた高屈折薄膜導波路、たとえばＴａ2Ｏ5又
はＴｉＯ2の導波膜に基づく公知の構造の欠点は、これらの導波路の伝搬損及び
これらの薄膜導波路の自己蛍光（たとえば層（ｂ）中の極微量の蛍光性汚染物に
よって生じる）が短い励起波長で強烈に増すことである。その結果、短波長励起
は約４５０nm〜５００nmに限られる。しかし、短めの波長ででもフルオロフォア
を励起し、できるだけ低いバックグラウンド又はできればバックグラウンドなし
でそのルミネセンスを検出することを可能にする構造が高く評価されるであろう
。
【００１９】 最近、ほぼバックグラウンドなしのルミネセンス検出を可能にする、２光子励
起に基づく方法が報告された。しかし、２光子励起は、きわめて高いフィールド
強度及び励起光の強さを要する。記載された構造では、これは、極めて短いパル
ス時間（通常は何フェムト秒か）を有する強力なパルスレーザによって達成され
る。しかし、これらの光学構造は、非常に高額なシステム費を特徴とし、使用者
の特定の資格に関して高い要件を課す。三次元画像の再現及び記憶のための構造
の開発に関する１９６７年の米国特許第３，５７２，９４１号における非常に初
期の研究では、たとえば、記憶媒体、たとえば単結晶、たとえばＬａでドープさ
れたＣａＦ2の光学密度の（永久的）変化に関して、２０MW/cm2のオーダの励起
強さ密度が必要であると記載されている。たとえば、このような高強度密度は、
たとえば米国特許第５，０３４，６１３号では、パルス高出力レーザを共焦点顕
微鏡配置で使用し、レーザ焦点の直径を顕微鏡の焦点面で１マイクロメートル未
満にして達成され、記載されている。しかし、走査による拡大区域の計測は、高
い計器的努力の他に、大きな時間的投資を要する。
【００２０】 驚くことに今、格子導波路構造の物理的パラメータを適切に選択し、励起光を
構造の導波層（ａ）に内結合するための共振角に近い励起光を照射すると、この
構造の近視野で、たとえば２００nm未満の距離で３０倍を超える励起光の増幅を
達成しうることがわかった。導波層（ａ）の中ではさらに大きな増幅定数に達す
る。
【００２１】 驚くべきことに、たとえば、本発明による構造を使用すると、より大きな技術
的努力を払うことなく、構造の近視野で２光子励起に必要なフィールド強度に達
することができる。
【００２２】 比較的低い照射励起光強さの場合に比較的小さな努力で達成することができる
非常に高い表面閉じ込め励起光強さのおかげで、非常に大きな増幅定数のため、
本発明による格子導波路構造は、多様な異なる技術分野での応用に適している。
生物学的分析学における表面に固定化された認識要素に対する分析対象物の結合
の測定の他に、通信技術がもう一つの重要な応用分野である。データ転送速度、
システムネットワーキングの程度及び転送するデータの量に対する常に増大する
要求に応じて、光学的方法による信号転送がますます重要になる。特に、光学的
に転送されたデータを光学的に切り換える能力に対して高い必要性がある。現在
使用されているシステムは、まず、光信号を電気信号に変換しなければならない
。そして、これらの電気信号を電気的に切り換えたのち、再び光信号に変換する
。これは高い技術的努力を要し、さらには、データ転送速度の有意な損失を伴う
。
【００２３】 純粋に光学的なデータ切り換えの最初の発案が種々の科学出版物で成されてい
る。したがって、高い三次非線形性を示す材料の導波路が使用されている。高い
三次非線形性を示す当該材料は、特に、ポリマー、たとえばポリジアセチレン（
ｎ＝１．５９）、ポリトルエンスルホネート（ｎ＝１．８８）及びポリフェニレ
ンビニレン（ｎ＝２．０）を含む。そのような材料に特徴的であることに、その
屈折率は高い電磁場強度の存在で変化する。導波路中、「ブラッグ格子」の形態
の格子が構成される。これは、導波路中で誘導される光の特定の波長に対しては
反射性であり、他の波長に対して透過性であるという特徴を有する。光スイッチ
として応用する場合、上述した導波路及び対応する格子は、導波路の非構造化領
域から出る誘導光信号（光パルス）が、切換え信号無しに、格子構造によってそ
の伝搬方向に伝送される、すなわち、格子構造を越えてさらに誘導されるような
方法で設計される。しかし、いわゆる「切換えパルス」としての非常に高い強さ
の第二のパルスが信号パルスと同時にブラッグ格子に到達するならば、この格子
構造の光学的性質は、三次非線形性のせいで信号パルスが反射されるような方法
で変化する（たとえば、C. M. de. Sterke及びJ. E. Sipe, “Switching
dynamics of finite periodic nonlinear media: A numerical study
”, Phys. Rev. A, Vol. 42, No, 5, 2858-2869(1990)ならびにN. D.
Sankey et al., “All-optical switching in a nonlinear periodic
-waveguide structure”, Appl. Phys. Lett. 60(12), 1427-1429(1992)
を参照）。
【００２４】 これら記載の方法の場合、切換えパルスは信号パルスと同じ導波路中で誘導さ
れ、したがって、さらなる手段によって内結合及び外結合されなければならない
。
【００２５】 対照的に、格子構造（ｃ）としてブラッグ格子を有し、光学的に透明な導波層
（ａ）として高い三次線形性の材料を有する格子導波路構造の実施態様により、
驚くことに、導波路（ａ）中のフィールド強度の強い増大により、共振の場合、
有意に低くめの切換えパルスの強さででも切換え効果を達成することができる。
本発明による光スイッチのこの新たな実施態様は、さらなる内結合、導波路中の
誘導及び構造上の異なる領域での切換えパルスの最終的な外結合が必要ではない
という利点をさらに有する。
【００２６】 本発明の第一の主題は、少なくとも一つの励起波長で透明な層（ａ）を、少な
くとも前記励起波長で同じく透明で層（ａ）よりも低い屈折率の第二の層（ｂ）
の上に有し、層（ａ）中で変調される少なくとも一つの格子構造（ｃ）を有する
平面薄膜導波路を含み、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起
光の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で
、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して、少なくとも
１００倍増強される格子導波路構造である。
【００２７】 できるだけ大きな増幅効果を達成するために、格子導波路構造の設計で最も重
要なパラメータは、格子構造（ｃ）の深さならびに光学層（ａ）の屈折率及び深
さである。これらのパラメータを最適化すると、層（ａ）中に内結合するための
共振角で照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも
格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さ
と比較して少なくとも１０００倍又は１００００倍又は１０００００倍増強する
ことが可能である。
【００２８】 本発明の格子導波路構造による照射励起光の強さのこの大きな増幅の結果とし
て、層（ａ）における励起光強さは、層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm
未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するの
に十分な大きさになる。
【００２９】 一般には断面マイクロメートルまでの励起レーザ光の合焦を要する、２光子励
起にとって十分に強い励起光の強さを生成するための公知の構造とは対照的に、
本発明による構造は、大きな面積、すなわち数平方ミリメートル〜数平方センチ
メートルのオーダの面積に必要な強さ密度を達成することを可能にする。したが
って、層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の少なくとも１mm2 の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置
する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに十分な大きさで
ある当該格子導波路構造が好ましい。
【００３０】 特に２光子励起を可能にするための非常に高い励起光強さは、多様な異なる用
途、たとえば、以下さらに詳細に記載する生感知学で有用であるが、高速信号転
送のための通信及び遠隔通信技術ででも有用である。最後に挙げた分野に応用す
る場合、格子導波路構造は、隣接格子導波路構造への信号転送のための手段を含
むことが好ましい。これは、層（ａ）の上又はその近視野で２光子吸収によって
生成されるルミネセンスを格子構造（ｃ）による外結合によって隣接格子導波路
構造に伝送することによって実現することができる。
【００３１】 しかし、信号転送は、格子導波路構造内、すなわち層（ａ）内でも起こること
がある。したがって、構造は、格子構造（ｃ）によって内結合され、層（ａ）中
を誘導される励起光の伝搬方向に配設されることが好ましい、層（ａ）の連続非
変調領域を含むことが好ましい。構造は、特に、同一又は異なる周期を有する多
数の格子構造（ｃ）を、場合によってはそれらに隣接する層（ａ）の連続非変調
領域とともに共通の連続基板上に含むような方法で設計することができる。した
がって、２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成されるルミネセ
ンスを少なくとも部分的に層（ａ）中に結合し、層（ａ）中の誘導によって前記
格子導波路構造の隣接領域に伝搬させることもまた可能である。
【００３２】 通信技術に応用する場合、層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強さが、少な
くとも格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のために格子構
造（ｃ）の伝送特性を切り換えるのに十分な高さであることを特徴とするような
本発明による格子導波路構造の実施態様が好ましい。切換え効果の基礎は、高い
光強さ及びこの場合は層（ａ）内のフィールド強さが、この場合は上記特性を有
する「ブラッグ格子」として設けられる本発明による格子導波路構造の伝送性を
変化させるのに十分であるということである。特別な利点として、このような本
発明による格子導波路構造は、層（ａ）の外側から前記格子構造に投射される励
起光によって格子構造（ｃ）の伝送性を切り換えることを可能にする。
【００３３】 本発明による格子導波路構造の切換え機能を可能にするには、前記格子構造（
ｃ）が「ブラッグ格子」として設けられることが好ましく、切換え機能は、層（
ａ）中の増幅された励起光強さによって生じる、格子構造の領域における光学屈
折率の変化により、層（ａ）中を誘導される光信号の伝送から反射への格子機能
の変化に基づく。
【００３４】 特定の用途では、異なる波長の励起光を同じ格子導波路構造に同時又は順次に
適用することが望ましい。その場合、その構造が、異なる周期性の二以上の格子
構造を重畳したものを含み、格子線が平行又は非平行、好ましくは非平行に配設
され、その構造が異なる波長の励起光を内結合するように作動することができる
ならば、それは有利であることができる。二つの格子構造が重畳されている場合
、それらの格子線は互いに対して垂直に配設されることが好ましい。
【００３５】 光学導波層（ａ）中を誘導されるモードの伝搬損の量は、下に位置する支持層
の表面粗さ及びこの担体層で起こるかもしれないクロモフォアの吸収（層（ａ）
中を誘導されるモードの減衰フィールドの浸透による、多くの用途に望ましくな
い、この担体におけるルミネセンスの危険をさらに伴う）によって多大な程度ま
で決まる。さらには、光学的に透明な層（ａ）及び（ｂ）の熱膨張率の違いによ
って熱ひずみが発生することもある。化学的に高感度で光学的に透明な層（ｂ）
の場合、それがたとえば透明な熱可塑性プラスチックからなる場合、層（ｂ）を
侵食するかもしれない溶剤の、光学的に透明な層（ａ）中に存在するかもしれな
い微孔への浸透を防ぐことが望ましい。
【００３６】 したがって、層（ａ）よりも低い屈折率を有し、５nm〜１００００nm、好まし
くは１０nm〜１０００nmの厚さを有するさらなる光学的に透明な層（ｂ′）が、
層（ａ）と（ｂ）との間に位置し、層（ａ）と接触しているならば、それは有利
である。この中間層の導入により、多様な課題―層（ａ）の下の表面粗さの減少
、層（ａ）中を誘導される光の減衰フィールドの、下に位置する一以上の層への
浸透の軽減、格子導波路構造内で熱的に誘発される応力の減少、層（ａ）の微孔
を下に位置する層に対してシールすることによる、下に位置する層からの光学的
に透明な層（ａ）の化学的隔離―を満たすことができる。
【００３７】 本発明による格子導波路構造の格子構造（ｃ）は、一定な周期の回折格子であ
ることもできるし、多回折格子であることもできる。また、格子構造（ｃ）には
、周期性を横方向に変化させつつ、光学的に透明な層（ａ）中に結合される励起
光の伝搬方向に対して垂直又は平行に設けることもできる。
【００３８】 本発明の格子導波路構造の第二の光学的に透明な層（ｂ）の材料は、ガラス、
石英又はたとえばポリカーボネート、ポリイミドもしくはポリメチルメタクリレ
ートによって形成される群からの透明な熱可塑性もしくは成形性プラスチックを
含むことが好ましい。適当なプラスチックのさらなる例は、ポリスチレン、ポリ
エチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリプロピレン又はポリウレタン及び
それらの誘導体である。
【００３９】 第一の光学的に透明な層（ａ）の屈折率が１．８よりも大きいことがさらに好
ましい。多様な材料が光学的に透明な層（ａ）に適している。一般論を限定する
ことなく、第一の光学的に透明な層（ａ）は、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、Ｎｂ2Ｏ5、Ｔ
ａ2Ｏ5、ＨｆＯ2又はＺｒＯ2の群の材料、特に好ましくはＴｉＯ2又はＮｂ2Ｏ5
又はＴａ2Ｏ5の群の材料又は屈折率の高い三次非線形性の材料、たとえばポリジ
アセチレン、ポリトルエンスルホネート又はポリフェニレンビニレンを含むこと
が好ましい。
【００４０】 光学的に透明な導波層（ａ）の屈折率の他にも、その厚さが、より低い屈折率
の隣接層との界面でできるだけ強い減衰フィールドを発生させ、層（ａ）中でで
きるだけ高いエネルギー密度を発生させるのに重要な第二のパラメータである。
層厚さが少なくとも一つの励起波長モードを誘導するのに十分である限り、導波
層（ａ）の厚さの減少とともに減衰フィールドの強さが増す。それに関して、モ
ードを誘導するための最小「カットオフ」層厚さは、このモードの波長に依存す
る。「カットオフ」層厚さは、短めの波長の光よりも長めの波長の光の場合の方
が大きい。しかし、「カットオフ」層厚さに近づくと、望まれない伝搬損もまた
強く増大し、それにより、好ましい層厚さの選択の下限がさらに定められる。好
ましいものは、所与の励起波長で一つから三つのモードだけを誘導することを許
す光学的に透明な層（ａ）の厚さである。特に好ましいものは、この所与の励起
波長で単モード導波路を生じさせる層厚さである。誘導される光の別々のモード
の特性は横モードだけに関することが理解されなければならない。
【００４１】 これらの要件の結果として、層（ａ）の厚さとその屈折率との積は、層（ａ）
中に結合される励起光の励起波長の、好ましくは１／１０〜１０／１０であり、
もっとも好ましくは１／３〜２／３である。
【００４２】 光学的に透明な導波層（ａ）及び隣接層の屈折率が所与であると、上記共振条
件にしたがって励起光を内結合するための共振角は、内結合される回折オーダ、
励起波長及び格子周期に依存する。第一の回折オーダの内結合は、内結合効率を
増すのに有利である。内結合効率の量のためには、回折オーダの数の他に、格子
深さが重要である。原則として、結合効率は、格子深さが増すとともに増大する
。しかし、外結合の過程が内結合に対して完全に逆であるため、外結合効率が同
時に増し、その結果、格子構造（ｃ）の上又はそれに隣接して位置する計測区域
（ｄ）（以下の定義に準じる）におけるルミネセンスの励起のための最適値が得
られる。この最適値は、計測区域及び投射される励起光束の形状に依存する。こ
れらの境界条件に基づき、格子（ｃ）が２００nm〜１０００nmの周期及び３nm〜
１００nm、好ましくは１０nm〜３０nmの変調深さを有するならば、それは有利で
ある。
【００４３】 さらには、第一の光学的に透明な層（ａ）の厚さに対する格子の変調深さの比
は０．２以下であることが好ましい。
【００４４】 それに関して、格子構造（ｃ）は、矩形、三角形又は半円形の断面のレリーフ
格子であることもできるし、本質的に平面的な光学的に透明な層（ａ）中で屈折
率の周期的な変調を有する位相格子又は容積格子であることもできる。
【００４５】 さらには、光学系における調節の簡素化及び／又は分析系の一部としてのサン
プル区画への接続のための光学的又は機械的に認識可能なマークが前記構造上に
設けられるならば、それは有利であることができる。
【００４６】 本発明による格子導波路構造は、生化学的分析学における応用において一以上
の供給されるサンプル中の１種以上の分析対象物の高感度検出に特に適している
。以下の群の好ましい態様は主にこの応用分野に関する。これらの応用の場合、
測定する分析対象物の認識及び結合のための生物学的又は生化学的又は合成認識
要素が格子導波路構造上に固定化される。固定化は、おそらくは構造全体に及ぶ
大きな面で実施することもできるし、別個のいわゆる計測区域で実施することも
できる。
【００４７】 本発明の本質では、液体サンプル中の一種又は多種の分析対象物の認識のため
、横方向に分けられた計測区域（ｄ）が、その上に固定化された生物学的又は生
化学的区域又は合成認識要素によって占有される区域によって画定される。これ
らの区域は、いかなる形状、たとえば点、円、矩形、三角形、楕円又は線の形を
有することもできる。１００００００個までの計測区域を本発明による格子導波
路構造上に二次元配列で設けることが可能であり、その場合、単一の計測区域が
たとえば０．００１mm2〜６mm2の面積を占有することができる。所与の計測区域
内には、単一の分析対象物の認識及び結合ならびに測定のための同一の認識要素
又は種々の分析対象物の認識のための種々の認識要素を固定化することができる
。また、認識要素として、異なる分析対象物を結合させることができるいくつか
（すなわち二以上）の異なる範囲又はセグメントが設けられている当該化合物を
被着させることもできる。
【００４８】 たとえば、格子導波路構造として励起光の内結合のための一以上の格子構造（
ｃ）を有する平面薄膜導波路の場合、計測区域は、そのような格子構造上に配設
することもできるし、誘導励起光の伝搬方向に関してそのような格子構造の後に
位置する連続非変調領域に配設することもできる。
【００４９】 サンプル中の多種の分析対象物を同時に測定するためには、横方向に分けられ
た二以上の計測区域が格子導波路構造上でセグメントに組み合わされるならば、
それは有利であることができる。隣接セグメントで生成され、層（ａ）中に逆結
合されるルミネセンスのクロストークを格子構造（ｃ）によって又は格子導波路
構造上で生成される他の分離、たとえば被着される顔料の吸収ストリップによっ
てもしくはサンプル区画の生成のための、格子導波路構造を下面として有する構
造の隔壁によって防止するのならば、種々のセグメントを特に光学的に互いに分
けることができる。種々のセグメントは、隣接区域間の流体シールを支持する及
び／又は隣接区域間の光学クロストークの減少に貢献する被着されたリムにより
、互いからさらに分けることができる。
【００５０】 生物学的又は生化学的又は合成認識要素を光学的に透明な層（ａ）に被着させ
る方法は数多くある。たとえば、被着は、物理的吸着又は静電気的相互作用によ
って実施することができる。その場合、一般に、認識要素の向きは統計的性質で
ある。さらには、分析対象物を含有するサンプルと分析過程で加えられる試薬と
が異なる組成を有するならば、固定化された認識要素の一部が洗い落とされる危
険がある。したがって、生物学的又は生化学的又は合成認識要素（ｅ）の固定化
のために付着促進層（ｆ）が光学的に透明な層（ａ）に被着されるならば、それ
は有利であることができる。この付着促進層はもまた、透明であるべきである。
特に、付着促進層の厚さは、導波層（ａ）から出てその上に位置する媒体に入る
減衰フィールドの浸透深さを超えるべきではない。したがって、付着促進層（ａ
）は、２００nm未満、好ましくは２０nm未満の厚さを有するべきである。付着促
進層は、たとえば、シラン、エポキシド、官能化された帯電又は極性ポリマー及
び「自己組織化官能化単分子層」を含む群の化合物を含むことができる。
【００５１】 計測区域の定義で述べたように、横方向に分けられた計測区域（ｄ）は、生物
学的又は生化学的又は合成認識要素を格子導波路構造上に横方向に選択的に被着
させることによって生成することができる。ルミネセンスを起こすことができる
分析対象物、又は固定化された認識要素との結合を求めて分析対象物と競合する
ルミネセンスで印がつけられた分析対象物類似体若しくは多工程検定におけるさ
らにルミネセンスで印がつけられた結合相手と接触させられると、ルミネセンス
を起こすことができるこれらの分子は、固定化された認識要素によって占有され
た区域によって画定される計測区域だけで選択的にセンサプラットフォームの表
面に結合する。
【００５２】 生物学的又は生化学的又は合成認識要素を被着させるためには、インクジェッ
トスポッティング、機械的スポッティング、マイクロコンタクトプリント、生物
学的又は生化学的又は合成認識要素を平行又は交差マイクロチャネルに供給し、
圧力差又は電気もしくは電磁ポテンシャルを印加して計測区域と流体接触させる
ことを含む方法の群の一つ以上の方法を適用することができる。
【００５３】 たとえば核酸（たとえばＤＮＡ、ＲＮＡ、オリゴヌクレオチド）、核酸類似体
（たとえばＰＮＡ）、抗体、アプタマー、膜結合し、単離された受容体、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」、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キャビティなどを含む群の成分
を生物学的又は生化学的又は合成認識要素として被着させることができる。
【００５４】 最後に挙げたタイプの認識要素は、「分子インプリンティング」として文献に
記載されている方法によって製造されるキャビティをいう。この手法では、大部
分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、適切な試薬の添加によ
り、分析対象物又はその類似体をポリマー構造から溶解させ、ポリマー構造中に
空のキャビティを残す。そして、この空のキャビティを、分析対象物測定のその
後の方法で、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。
【００５５】 当然、考慮される用途に望まれ、求められる選択性にしたがって、測定する分
析対象物を選択的に認識し、それと相互作用する他の化合物もまた、認識要素と
して適当である。
【００５６】 また、全細胞又は細胞断片を生物学的又は生化学的又は合成認識要素として被
着させることもできる。
【００５７】 多くの場合、分析方法の検出限界は、いわゆる非特異的結合によって生じる信
号によって、すなわち、分析対象物又は分析対象物測定に加えられる他の成分（
たとえば、疎水性吸着又は静電気的相互作用により、設けられた固定化生物学的
又は生化学的又は合成認識要素の区域で結合するだけでなく、これらの認識要素
によって占有されないセンサプラットフォームの区域ででも結合する）の結合に
よって生じる信号によって制限される。したがって、非特異的結合又は吸着を最
小限にするため、分析対象物に対して「化学的に中性」である化合物が横方向に
分けられた計測区域（ｄ）の間に被着されるならば、それは有利である。「化学
的に中性の」化合物としては、分析対象物又は分析対象物の類似体又は多工程検
定におけるさらなる結合相手の認識及び結合のための特異的結合サイトを有さず
、その存在のため、分析対象物又はその類似体又はさらなる結合相手のセンサプ
ラットフォームの表面へのアクセスを阻止するような化合物がそう呼ばれる。
【００５８】 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、分析され
るポリヌクレオチドとでハイブリダイズしない、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液又は帯電していないが親水性のポリマ
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によって形成される
群の化合物を「化学的に中性」な化合物として被着させることができる。
【００５９】 それに関して、特に、ポリヌクレオチドハイブリダイゼーション検定で非特異
的ハイブリダイゼーションの低減のための前述の化合物（たとえばニシン又はサ
ケ精液）の選択は、分析されるポリヌクレオチドとはできるだけ異なる、分析さ
れるポリヌクレオチド配列との相互作用が知られていないＤＮＡの経験的好適さ
によって決定される。
【００６０】 本発明のさらなる主題は、少なくとも一つの励起光源と、本発明による格子導
波路構造とを含み、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の
強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励
起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００
倍増強される、励起光の強さを増幅するための光学系である。
【００６１】 上記のように、特に格子導波路構造の物理的パラメータの最適化により、増幅
定数を有意に増すことができる。したがって、本発明による光学系の好ましい実
施態様は、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の強さが、
層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内
結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０００倍又は
１００００倍又は１０００００倍増強されるような実施態様を含む。
【００６２】 好ましいものは、層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）上又は層（ａ）か
ら２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって
励起するのに十分な大きさであることを特徴とするような光学系の実施態様であ
る。層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の少なくとも１mm2
の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置す
る分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに十分な大きさであ
るならば、それは特に好ましい。
【００６３】 上記した通信技術における応用の場合、本発明による光学系は、好ましくは、
層（ａ）の上又は層（ａ）の近視野で２光子吸収によって生成されるルミネセン
スを格子構造（ｃ）による外結合によって隣接格子導波路構造に伝送することが
できるような実施態様で提供される。
【００６４】 このためには、光学系の一部としての格子導波路構造が、格子構造（ｃ）によ
って内結合され、層（ａ）中を誘導される励起光の伝搬方向に配設されることが
好ましい、層（ａ）の連続非変調領域を含むならば、それは適切であることがで
きる。格子導波路構造が、同一又は異なる周期を有する多数の格子構造（ｃ）を
、場合によってはそれらに隣接する層（ａ）の連続非変調領域とともに共通の連
続基板上に含むならば、それは特に有利であることができる。それに関して、光
学系は、好ましい実施態様では、２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視
野で生成されるルミネセンスが、少なくとも部分的に層（ａ）中に結合され、層
（ａ）中の誘導によって前記格子導波路構造の隣接領域に伝搬するような方法で
提供される。
【００６５】 本発明の光学系を応用するためには、層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強
さが、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のた
めに光学系の一部である格子構造（ｃ）の伝送特性を切り換えるのに十分な高さ
であることが好ましい。
【００６６】 本発明の光学系が、本発明による格子導波路構造とで、層（ａ）の外側から前
記格子構造に投射される励起光によって格子構造（ｃ）の伝送特性を切り換える
ことを可能にすることが特に利点である。
【００６７】 それに関して、好ましくは、本発明による光学系は、前記格子構造（ｃ）が「
ブラッグ格子」として設けられ、切換え機能が、層（ａ）中の増幅された励起光
強さによって生じる、格子構造の領域における光学屈折率の変化により、層（ａ
）中を誘導される光信号の伝送から反射への格子機能の変化に基づくということ
を特徴とする。
【００６８】 本発明による光学系は、格子導波路構造からの一以上のルミネセンスを計測す
るための少なくとも一つの検出器を含むことがさらに好ましい。
【００６９】 本発明による格子導波路構造上に投射されるまでの励起の光線誘導の形状に関
して、多様な異なる実施態様が可能である。好ましい実施態様の一つは、少なく
とも一つの励起光源から発される励起光が本質的に平行であり、層（ａ）中に内
結合するための共振角で、光学的に透明な層（ａ）中で変調される格子構造に照
射されるということを特徴とする。
【００７０】 特に好ましい実施態様に特徴的であることは、少なくとも一つの光学部品から
の励起光が拡大光学部品によって本質的に平行な光束に拡大され、層（ａ）中に
内結合するための共振角で、光学的に透明な層（ａ）中で変調される肉眼で見え
る区域の格子構造（ｃ）に照射されるということである。
【００７１】 もう一つの好ましい実施態様に特徴的であることは、少なくとも一つの光源か
らの励起光が、回折光学要素又は、光源が多数ある場合には、好ましくはDamman
n格子である多数の回折光学要素又は好ましくはマイクロレンズアレイである屈
折光学要素によってできるだけ均一な強さの複数の個々の光線に分割され、個々
の光線が、互いに対して本質的に平行に、層（ａ）中に内結合するための共振角
で格子構造（ｃ）に投射されるということである。
【００７２】 特定の用途では、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。
【００７３】 二以上の異なる励起波長が適用される用途の場合、二以上の光源からの励起光
が異なる方向から同時又は順次に格子構造（ｃ）に投射され、異なる周期性の格
子構造を重畳したものを含む格子構造によって層（ａ）中に内結合される光学系
の実施態様が好ましい。
【００７４】 たとえば、ＣＣＤカメラ、ＣＣＤチップ、フォトダイオードアレイ、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からの少なくとも一つの横方向に解像する検出器を信号
検出に使用することが好ましい。
【００７５】 本発明によると、光学系は、伝送される光束を成形するためのレンズもしくは
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
は励起及び／又はルミネセンス光の別個の偏光方向を選択するための偏光選択要
素によって形成される群の光学部品が、一つ以上の励起光源と本発明の格子導波
路構造との間及び／又は前記格子導波路構造と一以上の検出器との間に配置され
ているような実施態様を含む。
【００７６】 また、励起光を１fsec〜１０minの間隔のパルスで投射し、計測区域からの発
光を時間分解的に計測することが可能である。
【００７７】 さらには、参照のため、光源の位置での励起光又は拡大後の励起光又は個々の
ビームに分割された後の励起光、一以上の横方向に分けられた計測区域の位置か
らの励起波長の散乱光、及び格子構造（ｃ）によって外結合された励起波長の光
によって形成される群の光信号を計測区域の他に計測することが好ましい。それ
に関して、発光の測定のための計測区域と参照信号の測定のための計測区域とが
同一であるならば、それは特に有利である。
【００７８】 励起光の投射と一以上の計測区域からの発光の検出とはまた、一以上の計測区
域で順次に実施することもできる。これは、特に、ミラー、偏向プリズム及びダ
イクロイックミラーによって形成される群の可動光学部品によって励起及び検出
を順次に実施することによって実施することができる。
【００７９】 また、本発明の主題は、本質的に焦点及び角度を維持するスキャナを使用して
順次の励起及び検出が実施されるような光学系である。また、格子導波路構造を
順次の励起及び検出の過程の間で動かすことが可能である。
【００８０】 本発明のさらなる主題は、格子導波路構造上の一以上の計測区域上の少なくと
も１種のサンプル中の１種以上の分析対象物をルミネセンス検出によって測定す
るための分析系であって、 本発明による格子導波路構造と、 本発明による光学系と、 １種以上のサンプルを格子導波路構造の計測区域と接触させるための供給手段
と、 を含む分析系である。
【００８１】 分析系が、少なくとも、一以上の計測区域又はセグメントに組み合わされた計
測区域の区域にある、格子導波路構造に向けて開口した一以上のサンプル区画を
さらに含むことが好ましい。それに関して、サンプル区画は、それぞれが０．１
nl〜１００μlの容積を有することが好ましい。
【００８２】 一つの可能な実施態様では、サンプル区画は、光学的に透明な層（ａ）とは反
対側にある、サンプル及び場合によってはさらなる試薬の供給又は出口のための
入口及び／又は出口を除いて閉じられ、サンプル及び場合によってはさらなる試
薬の供給又は出口が系を通して閉鎖流で実施され、共通の入口及び出口開口を有
するいくつかの計測区域又はセグメントへの液体供給の場合、これらの開口は好
ましくは行ごと又は列ごとに指定される。
【００８３】 もう一つの可能な実施態様に特徴的であることは、サンプル区画が、サンプル
又は他の試薬の場所指定供給又は除去のための開口を光学的に透明な層（ａ）と
は反対側に有するということである。
【００８４】 さらなる実施態様では、１種以上の分析対象物の測定の検定の間に湿めらされ
、計測区域と接触させられる試薬のための区画が設けられる。
【００８５】 本発明のさらなる主題は、層（ａ）中に内結合するための共振角で本発明の格
子導波路構造の層（ａ）中で変調される格子構造（ｃ）に照射される励起光の強
さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起
光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００倍
増強する、励起光の強さを増幅する方法である。
【００８６】 上記のように、特に格子導波路構造の物理的パラメータの最適化により、増幅
定数をさらに増大させることができる。したがって、本発明による方法の好まし
い実施態様は、層（ａ）中に内結合するための共振角で層（ａ）中で変調される
格子構造（ｃ）に照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少
なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起
光の強さと比較して少なくとも１０００倍又は１００００倍又は１０００００倍
増強するような実施態様を含む。
【００８７】 好ましくは、層（ａ）における励起光の強さは、層（ａ）の表面又は層（ａ）
から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によっ
て励起するのに十分な強さである。それに関して、層（ａ）における励起光強さ
が、前記格子導波路構造上の少なくとも１mm2の面積上で同時に層（ａ）の表面
又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光
子吸収によって励起するのに十分な大きさであるならば、それは特に好ましい。
【００８８】 上述した通信又は遠隔通信技術に応用する場合、層（ａ）の上又はその近視野
で２光子吸収によって生成されるルミネセンスを格子構造（ｃ）による外結合に
よって隣接格子導波路構造に伝送するような本発明による方法の実施態様が好ま
しい。
【００８９】 このためには、格子導波路構造が、格子構造（ｃ）によって内結合され、層（
ａ）中を誘導される励起光の伝搬方向に配設されることが好ましい、層（ａ）の
連続非変調領域を含むならば、それが適切であることができる。格子導波路構造
が、同一又は異なる周期を有する多数の格子構造（ｃ）を、場合によってはそれ
らに隣接する層（ａ）の連続非変調領域とともに共通の連続基板上に含むならば
、それは特に有利であることができる。それに関して、方法の好ましい実施態様
では、光学系は、２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成される
ルミネセンスが少なくとも部分的に層（ａ）中に結合され、層（ａ）中の誘導に
よって前記格子導波路構造の隣接領域に伝搬するような方法で設計されている。
【００９０】 本発明のさらなる主題は、本発明の格子導波路構造上の一以上の計測区域上の
１種以上のサンプル中の１つ以上の分析対象物をルミネセンス検出によって測定
するための方法であり、計測区域から又は前記格子導波路構造上の少なくとも二
以上の横方向に分けられた計測区域（ｄ）のアレイ又はいくつかの計測区域を含
む少なくとも二以上の横方向に分けられたセグメントのアレイからの一以上のル
ミネセンスを測定する方法であって、層（ａ）中に内結合するための共振角で照
射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（
ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して
少なくとも１００倍増強する方法である。
【００９１】 ここでもまた、本発明による方法の好ましい変形は、層（ａ）中に内結合する
ための共振角で照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少な
くとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光
の強さと比較して少なくとも１０００倍又は１００００倍又は１０００００倍増
強するような実施態様を含む。
【００９２】 層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未
満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに
十分な大きさであるならば、それは特に好ましい。それに関して、層（ａ）にお
ける励起光強さが、前記格子導波路構造上の少なくとも１mm2の面積上で同時に
層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミ
ネセンスを２光子吸収によって励起するのに十分な大きさであるならば、それは
特に好ましい。
【００９３】 通信技術に応用する場合、層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強さが、少な
くとも格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のために格子構
造（ｃ）の伝送性を切り換えるのに十分な高さであるような本発明による方法の
実施態様が好ましい。
【００９４】 この方法の特別な利点は、層（ａ）の外側から前記格子構造に投射される励起
光によって格子構造（ｃ）の伝送性を切り換えることを可能にするということで
ある。
【００９５】 それに関して、前記格子構造（ｃ）が「ブラッグ格子」として設けられ、切換
え機能が、層（ａ）中の増幅された励起光強さによって生じる、格子構造の領域
における光学屈折率の変化により、層（ａ）中を誘導される光信号の伝送から反
射への格子機能の変化に基づくことを特徴とするような本発明による方法の実施
態様が好ましい。
【００９６】 この方法の特に好ましい実施態様に特徴的であることは、信号光としての第一
の励起光が、一時的なパルスの形態で又は連続的に、第一の格子構造によって層
（ａ）中に結合され、層（ａ）中を誘導されて、層（ａ）中で構造化された、前
記第一の格子構造（ｃ）と同じ又は異なる格子周期を有する別の格子構造（ｃ′
）の領域に到達し、切換え光として一時的なパルスの形態で又は連続的に外から
照射される励起光が、前記第二の格子構造によって層（ａ）中に内結合され、層
（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結
合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００倍のこの切
換え光の対応する増幅により、少なくとも格子構造（ｃ′）の領域で、高い三次
非線形性により、層（ａ）の屈折率を変化させて、前記格子構造（ｃ′）の機能
を前記信号光の伝送から反射へと変化させるということである。
【００９７】 上記ルミネセンス検出法の場合、（１）等方向に発されるルミネセンス又は（
２）光学的に透明な層（ａ）に逆結合され、格子構造（ｃ）によって外結合され
るルミネセンス又は両方の部分（１）及び（２）のルミネセンスを同時に計測す
ることが可能である。
【００９８】 ルミネセンス又は蛍光の生成のために、本発明による方法では、励起させるこ
とができ、２００nm〜１１００nmの波長で発光するルミネセンス又は蛍光標識を
使用することができる。ルミネセンス又は蛍光標識は、従来のルミネセンス又は
蛍光染料であってもよいし、半導体に基づく発光又は蛍光ナノ粒子であってもよ
い（W. C. W. Chan及びS. Nieの“Quantum dot bioconjugates for ult
rasensitive nonisotopic detection”, Science 281 (1998) 2016-2018
）。
【００９９】 前記ルミネセンス標識は、２格子吸収によって励起することが好ましい。それ
に関して、前記ルミネセンス標識は、可視又は近赤外の励起光の２光子吸収によ
って紫外線又は青ルミネセンスに励起させることが特に好ましい。
【０１００】 ルミネセンス標識は、分析対象物に結合することもできるし、競合検定では、
分析対象物類似体に結合することもできるし、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に結合することもできる
し、生物学的又は生化学的又は合成認識要素に結合することもできる。
【０１０１】 さらには、第一のルミネセンス標識と同じ又は異なる励起波長及び同じ又は異
なる発光波長の第二以降のルミネセンス標識を使用することができる。それに関
して、第二以降のルミネセンス標識が、第一のルミネセンス標識と同じ波長で励
起され、他の波長で発光することができるならば、それは有利であることができ
る。
【０１０２】 他の用途では、加えられる発光染料の励起スペクトルと発光スペクトルとが重
複しないか、又は部分的にしか重複しないならば、それは有利であることができ
る。
【０１０３】 本発明による方法では、供与体として働く第一の発光染料から受容体として働
く第二の発光染料への電荷又は光エネルギーの移動を分析対象物の検出に使用す
るならば、それはさらに有利であることができる。
【０１０４】 さらには、励起波長における光信号の一以上のルミネセンス及び／又は測定を
偏光選択的に実施するならば、それは有利であることができる。さらには、方法
は、励起光の偏光とは異なる偏光で一以上のルミネセンスを計測することを可能
にする。
【０１０５】 本発明によるルミネセンス検出による１種以上の分析対象物の測定方法の特別
な実施態様は、層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置する
蛍光が可能である生分子、たとえばトリプトファンの固有の蛍光（「自己蛍光」
）を２光子吸収によって励起する能力に基づく。トリプトファンは、たとえば、
２８０nmで吸収極大を有する。したがって、トリプトファン蛍光の励起は通常、
高屈折導波路の減衰フィールドにおける従来の１光子吸収法によっては可能では
ない。理由は、そのような短い波長の励起光は、導波路中で有意な距離を誘導さ
れることはなく、吸収されたり散乱したりするからである。しかし、本発明の方
法に従うと、適切な長めの波長の励起光を２光子吸収法に適用し、それを導波路
（ａ）中で有意な距離にわたって誘導し、それにより、短波長蛍光を励起するこ
とが可能である。特別な利点として、方法のこの変形は、測定方法における分析
対象物又はその結合相手とルミネセンス標識との化学的会合を要しない。その代
わりに、測定は、これらの化合物の天然部分として存在するか、生物学的製造法
で分析対象物又はその結合相手の一つに挿入されて、ルミネセンスが可能である
生物学的化合物の検出に直接基づくこともできる。
【０１０６】 本発明による方法の特別な変形に特徴的であることは、層（ａ）の表面又は層
（ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子が、層（ａ）及び層（ａ）内に照
射される励起光の大きな増幅により、この距離で捕らえられるということである
。理由は、高い表面閉じ込め励起光の強さと表面に向かう方向におけるその勾配
の増大とが、これらの分子を「光学ピンセット」の効果に受けさせるからである
。
【０１０７】 本発明による方法は、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Ｒ
ＮＡ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
薬、レクチン及び炭水化物を含む群の１つ以上の分析対象物の同時又は順次の定
量的又は定性的測定を可能にする。
【０１０８】 試験するサンプルは、天然に生じる体液、たとえば血液、血清、血漿、リンパ
液もしくは尿又は卵黄であることができる。
【０１０９】 試験するサンプルはまた、光学的に濁った液体、表面水、土壌又は植物抽出物
又はバイオもしくはプロセスブロスであることができる。
【０１１０】 試験するサンプルはまた、生物学的組織片から採取することができる。
【０１１１】 本発明のさらなる主題は、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、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のための、特にＤＮＡ及びＲＮＡ分
析学のための分析対象物定性及び定量のための、毒性発生研究及び発現プロフィ
ールの決定のための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のための、医薬品開発
及び治療薬選択における患者層別化のための、食品及び環境分析学における病原
体、有害薬剤及び細菌、特にサルモネラ、プリオン及びバクテリアの決定のため
の、それぞれ上記実施態様のいずれかに準じる本発明の格子／導波路構造及び／
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。
【０１１２】 本発明のさらなる主題は、本発明の格子導波路構造及び／又は本発明の光学系
及び／又は本発明の方法の、非線形光学部品又は遠隔通信もしくは通信技術にお
ける使用である。
【０１１３】 非常に一般的に、本発明の格子導波路構造及び／又は本発明の光学系及び／又
は本発明の分析系及び／又は本発明の方法はまた、非常に高い励起光強さ及び／
又は励起期間の適用を要する表面閉じ込め研究、たとえば材料の光安定性の研究
、光触媒法などに適している。
【０１１４】 以下の例で本発明をさらに説明し、例示する。
【０１１５】 例１ １．ルミネセンスの２光子励起のための導波路構造 導波路構造は、ガラス基板（光学層（ｂ）としてのＡＦガラス、８００nmでｎ
＝１．４９６）と、五酸化タンタルの１５０nm薄層（ａ）（導波層（ａ）、８０
０nmでｎ＝２．０９２）からなる。層（ａ）中に９mmの間隔で生成したレリーフ
格子の形態の結合格子（格子周期３６０nm、格子深さ１２nm）を、層（ａ）への
光の内結合及び層（ａ）からの光の外結合に使用した。これらの条件の下、ガラ
ス基板（光学層（ｂ）、８００nmでｎ＝１．４９６）から導波層（ａ）への方向
における内結合角は−２０．４゜であった。層（ａ）への外部投射角（導波路構
造の法線に対して計測）は−３１．４゜に達した。
【０１１６】 ２光子励起のためのこの導波路構造の適性の生成及び実証のために、ローダミ
ンのエタノール溶液（エタノール中ローダミンＢ１５．９μM）０．５μlの小滴
を層（ａ）上の二つの格子構造の間に被着させて、エタノールの蒸発後、ルミネ
センスが可能である分子の例としてのローダミン分子が層（ａ）上に残るように
した。
【０１１７】 ２．２光子ルミネセンス励起のための光学系、２光子ルミネセンス励起の計測方
法及び結果 約８００nmで発光するパルス式チタンサファイヤレーザ（パルス長：１００fs
、繰返し速度：８０MHz、平均印加電力：最大０．６W、スペクトルパルス幅：８
nm）を励起光源として使用した。レーザによって発せられる励起光の強さは、電
気光学変調器を使用して本来の出力の０％〜１００％の間で連続的に調整した。
【０１１８】 導波路構造の内結合格子（ｃ）上に所望の形状の平行な投射励起光束を生成す
るため、励起光路中の電気光学変調器の後（導波路構造に向かう方向で）にレン
ズを挿入した。ｘ、ｙ及びｚ方向への並進（格子線に対して平行及び垂直）及び
回転（内結合格子の格子線と同一である回転軸中心）を可能にするための調節部
品に取り付けられたミラーを使用して、投射された励起光を導波路構造の内結合
格子（ｃ）に向けた。
【０１１９】 ０．５Wの平均投射出力で、平行化したビームを内結合のための共振角で内結
合格子に向けた。したがって、レンズ（ｆ＝１２．７cm）によってビームをわず
かに合焦させ、内結合格子（導波路構造の平面）を、励起光がこうして平面波と
して到達する「ビームウエスト」に位置づけた。固定化されたルミネセンス染料
の領域で、導波路構造中を誘導されるモードに沿って、屋内照明の下で肉眼でも
観察することができるような強さの２格子蛍光が励起した（図１、ＩＲ識別フィ
ルタ（ＢＧ３９）を用いて撮影）。左側の明るい光点は、内結合格子への励起光
の内結合の位置を示す。層（ａ）上の励起光の極めて高い増幅及び格子構造（ｃ
）（内結合格子）中で起こるさらなる散乱のため、散乱した励起光の強さは、長
波長における感度の低下にもかかわらず、カメラによって記録するのに十分な強
さであった。内結合モード（波長８００nm）は、画像面で左から右に伝搬した。
ローダミン染料が固定化されている領域に達する前に、誘導モードは見えなくな
った。そして、モード伝搬がさらに右に向かうと、２格子励起によって生成され
たローダミン染料の蛍光が明らかに見えるようになった。観察された光の跡は、
誘導された励起光が再び外結合される次の格子構造までの８mmの長さに相当した
。全距離にわたり、誘導光及び励起された２格子蛍光の有意な減衰を観察するこ
とはできなかった。
【０１２０】 例２：２格子励起のための光学系 発光波長８１０nmの高出力レーザダイオード（ファイバ結合、１０W）を励起
光源として使用した。ファイバの背後（光の伝搬方向で）に位置するビーム成形
光学部品により、所望の形状の平行な励起光束を生成し、格子導波路構造の導波
層（ａ）中への内結合のための結合角で格子（格子周期３６０nm、格子深さ１２
nm）に照射した。ガラス基板（光学層（ｂ）、８１０nmでｎ＝１．４９６）にお
ける内結合角は−２１．７゜であり、外投射角は−３４．１゜であった。導波層
（ａ）は１５０nm五酸化タンタル（８１０nmでｎ＝２．０９）であった。これら
のパラメータを使用して、２４％の部分を層（ａ）中に結合することができ、層
（ａ）の表面における励起光強さが２格子励起に十分になった。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の導波路構造による２光子励起ののちに生成され肉眼で見える蛍光のＣ
ＣＤカメラ画像を示す。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ，ＴＲ)，ＯＡ(ＢＦ ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ， ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，Ｇ Ｍ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ ，ＵＧ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ， ＭＤ，ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ， ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，Ｂ Ｚ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＯ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ ，ＤＫ，ＤＭ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ， ＧＥ，ＧＨ，ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，Ｉ Ｓ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，Ｐ Ｔ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ ，ＴＪ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ， ＵＺ，ＶＮ，ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 パウラク，ミヒャエル ドイツ国、79725 ローフェンブルク、ア ンデルスバッハシュトラーセ ５ (72)発明者 エーラート，マルクス スイス国、ツェーハー−4312 マグデン、 イム ブリューエル ６ (72)発明者 マロースキー，ゲルト ドイツ国 37077 ゲッティンゲン ミュ ールシュピュールヴェーク 19 Ｆターム(参考） 2G043 AA01 BA16 CA03 CA05 EA01 FA01 GA02 GB01 GB03 GB05 HA02 HA09 JA01 KA01 KA02 KA03 LA03 2G045 CB01 DA13 DA36 FA11 FB02 FB03 JA07

Claims (96)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 少なくとも一つの励起波長で透明な層（ａ）を、少なくとも
    前記励起波長で同じく透明で層（ａ）よりも低い屈折率の第二の層（ｂ）の上に
    有し、層（ａ）中で変調される少なくとも一つの格子構造（ｃ）を有する平面薄
    膜導波路を含み、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の強
    さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起
    光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して、少なくとも１００
    倍増強される格子導波路構造。
  2. 【請求項２】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の
    強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励
    起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００
    ０倍増強される、請求項１記載の格子導波路構造。
  3. 【請求項３】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の
    強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励
    起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００
    ００倍増強される、請求項１記載の格子導波路構造。
  4. 【請求項４】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光の
    強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励
    起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１００
    ０００倍増強される、請求項１記載の格子導波路構造。
  5. 【請求項５】 層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）の表面又は層（ａ
    ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によ
    って励起するのに十分な大きさである、請求項１〜４のいずれか記載の格子導波
    路構造。
  6. 【請求項６】 層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の少
    なくとも１mm2の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満
    の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに十
    分な大きさである、請求項５記載の格子導波路構造。
  7. 【請求項７】 格子導波路構造が、隣接する格子導波路構造への信号転送の
    ための手段を含む、請求項１〜６のいずれか記載の格子導波路構造。
  8. 【請求項８】 層（ａ）の上又はその近視野で２光子吸収によって生成され
    るルミネセンスが格子構造（ｃ）による外結合によって隣接格子導波路構造に伝
    送される、請求項７記載の格子導波路構造。
  9. 【請求項９】 格子構造（ｃ）によって内結合され、層（ａ）中を誘導され
    る励起光の伝搬方向に配設されることが好ましい、層（ａ）の連続非変調領域を
    含む、請求項１〜８のいずれか記載の格子導波路構造。
  10. 【請求項１０】 同一又は異なる周期を有する多数の格子構造を、任意にそ
    れらに隣接する層（ａ）の連続非変調領域とともに共通の連続基板上に含む、請
    求項１〜９のいずれか記載の格子導波路構造。
  11. 【請求項１１】 ２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成さ
    れるルミネセンスが少なくとも部分的に層（ａ）中に結合され、層（ａ）中の誘
    導によって前記格子導波路構造の隣接領域に伝搬する、請求項１〜１０のいずれ
    か記載の格子導波路構造。
  12. 【請求項１２】 層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強さが、少なくとも
    格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のために格子構造（ｃ
    ）の伝送特性を切り換えるのに十分な高さである、請求項１〜１１のいずれか記
    載の格子導波路構造。
  13. 【請求項１３】 層（ａ）の外側から前記格子構造に投射される励起光によ
    って格子構造（ｃ）の伝送特性を切り換えることを可能にすることを特徴とする
    、請求項１２記載の格子導波路構造。
  14. 【請求項１４】 前記格子構造（ｃ）が好ましくは「ブラッグ格子」として
    設けられ、切換え機能が、層（ａ）中の増幅された励起光強さによって生じる、
    格子構造の領域における光学屈折率の変化により、層（ａ）中を誘導される光信
    号の伝送から反射への格子機能の変化に基づく、請求項１２〜１３のいずれか記
    載の格子導波路構造。
  15. 【請求項１５】 前記構造が、異なる周期性を有する二以上の格子構造を重
    畳したものを含み、格子線が平行又は非平行、好ましくは非平行に配設され、そ
    の構造が異なる波長の励起光を内結合するように作動することができ、二つの格
    子構造が重畳している場合、それらの格子線が好ましくは互いに対して垂直に配
    設されている、請求項１〜１４のいずれか記載の格子導波路構造。
  16. 【請求項１６】 層（ａ）の一つよりも低い屈折率を有し、５nm〜１０００
    ０nm、好ましくは１０nm〜１０００nmの厚さを有するさらなる光学的に透明な層
    （ｂ′）が、層（ａ）と（ｂ）との間に位置し、かつ、層（ａ）と接触している
    、請求項１〜１５のいずれか記載の格子導波路構造。
  17. 【請求項１７】 格子構造（ｃ）が、一定な周期の回折格子又は多回折格子
    である、請求項１〜１４又は１６のいずれか記載の格子導波路構造。
  18. 【請求項１８】 格子構造（ｃ）が、周期性を横方向に変化させつつ、光学
    的に透明な層（ａ）に結合される励起光の伝搬方向に対して垂直又は平行に設け
    られている、請求項１〜１８のいずれか記載の格子導波路構造。
  19. 【請求項１９】 第二の光学的に透明な層（ｂ）の材料が、ガラス、石英又
    はたとえばポリカーボネート、ポリイミドもしくはポリメチルメタクリレートに
    よって形成される群からの透明な熱可塑性もしくは成形性プラスチックを含む、
    請求項１〜１８のいずれか記載の格子導波路構造。
  20. 【請求項２０】 第一の光学的に透明な層（ａ）の屈折率が１．８よりも大
    きい、請求項１〜１９のいずれか記載の格子導波路構造。
  21. 【請求項２１】 第一の光学的に透明な層（ａ）が、ＴｉＯ2、ＺｎＯ、Ｎ
    ｂ2Ｏ5、Ｔａ2Ｏ5、ＨｆＯ2又はＺｒＯ2の群の材料、特に好ましくはＴｉＯ2又
    はＮｂ2Ｏ5又はＴａ2Ｏ5の群の材料又は屈折率の高い三次非線形性の材料、たと
    えばポリジアセチレン、ポリトルエンスルホネートもしくはポリフェニレンビニ
    レンを含む、請求項１〜２０のいずれか記載の格子導波路構造。
  22. 【請求項２２】 層（ａ）の厚さとその屈折率との積が、層（ａ）中に結合
    される励起光の励起波長の１／１０〜１０／１０、好ましくは１／３〜２／３で
    ある、請求項１〜２１のいずれか記載の格子導波路構造。
  23. 【請求項２３】 層（ａ）中で変調される格子構造（ｃ）が、２００nm〜１
    ０００nmの周期及び３nm〜１００nm、好ましくは１０nm〜３０nmの変調深さを有
    する、請求項１〜２２のいずれか記載の格子導波路構造。
  24. 【請求項２４】 第一の光学的に透明な層（ａ）の厚さに対する格子の変調
    深さの比が０．２以下である、請求項１〜２３のいずれか記載の格子導波路構造
    。
  25. 【請求項２５】 格子構造（ｃ）が、矩形、三角形又は半円形の断面のレリ
    ーフ格子又は本質的に平面的な光学的に透明な層（ａ）中に屈折率の周期的な変
    調を有する位相格子もしくは容積格子である、請求項１〜２４のいずれか記載の
    格子導波路構造。
  26. 【請求項２６】 光学系における調節の簡素化及び／又は分析系の一部とし
    てのサンプル区画への接続のための光学的又は機械的に認識可能なマークが前記
    構造上に設けられている、請求項１〜２５のいずれか記載の格子導波路構造。
  27. 【請求項２７】 供給されるサンプル中の１種以上の分析対象物の測定のた
    めの生物学的又は生化学的又は合成認識要素（ｅ）の固定化のために、厚さが好
    ましくは２００nm未満、もっとも好ましくは２０nm未満の付着促進層（ｆ）が光
    学的に透明な層（ａ）に被着され、付着促進層（ｆ）が、好ましくは、シラン、
    エポキシド、官能化された帯電又は極性ポリマー及び「自己組織化官能化単分子
    層」を含む群からの化合物を含む、請求項１〜２６のいずれか記載の格子導波路
    構造。
  28. 【請求項２８】 横方向に分けられた計測区域（ｄ）が、生物学的又は生化
    学的又は合成認識要素を前記格子導波路構造上に横方向に選択的に被着させるこ
    とにより、好ましくは、インクジェットスポッティング、機械的スポッティング
    、マイクロコンタクトプリント、生物学的又は生化学的又は合成認識要素を平行
    又は交差マイクロチャネルに供給し、圧力差又は電気もしくは電磁ポテンシャル
    を印加して計測区域と流体接触させることを含む方法の群の一つ以上の方法で要
    素を適用することによって生成される、請求項１〜２７のいずれか記載の格子導
    波路構造。
  29. 【請求項２９】 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ＰＮＡ）、抗体、アプタマー、膜結合し、単離された受
    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」、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キャビティなど又
    は全細胞もしくは細胞断片によって形成される群の成分が、生物学的又は生化学
    的又は合成認識要素として被着されている、請求項１〜２８のいずれか記載の格
    子導波路構造。
  30. 【請求項３０】 分析対象物に対して「化学的に中性」である化合物、好ま
    しくは、たとえばアルブミン、特にウシ血清アルブミンもしくはヒト血清アルブ
    ミン、分析されるポリヌクレオチドとでハイブリダイズしない、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液又は帯電していないが
    親水性のポリマー、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によ
    って形成される群からの化合物が、横方向に分けられた計測区域（ｄ）の間に被
    着されている、請求項１〜２９のいずれか記載の格子導波路構造。
  31. 【請求項３１】 二以上の横方向に分けられた計測区域が格子導波路構造上
    でセグメントに組み合わされ、好ましくは、種々のセグメントが、隣接区域間の
    流体シールを支持する及び／又は隣接区域間の光学クロストークの軽減に貢献す
    る被着されたリムにより、互いからさらに分けられている、請求項２８〜３０の
    いずれか記載の格子導波路構造。
  32. 【請求項３２】 １００００００個までの計測区域が二次元配列で設けられ
    、単一の計測区域が０．００１mm2〜６mm2の面積を占有する、請求項２８〜３１
    のいずれか記載の格子導波路構造。
  33. 【請求項３３】 少なくとも一つの励起光源と、請求項１〜３２のいずれか
    記載の格子導波路構造とを含み、層（ａ）中に内結合するための共振角で照射さ
    れる励起光の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）
    の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少な
    くとも１００倍増強される、励起光の強さを増幅するための光学系。
  34. 【請求項３４】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ００倍増強される、請求項３３記載の光学系。
  35. 【請求項３５】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ０００倍増強される、請求項３３記載の光学系。
  36. 【請求項３６】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さが、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ００００倍増強される、請求項３３記載の光学系。
  37. 【請求項３７】 層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）の表面又は層（
    ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収に
    よって励起するのに十分な大きさであることを特徴とする、請求項３３〜３６の
    いずれか記載の光学系。
  38. 【請求項３８】 層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の
    少なくとも１mm2の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未
    満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに
    十分な大きさである、請求項３７記載の光学系。
  39. 【請求項３９】 ２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成さ
    れるルミネセンスが、格子構造（ｃ）による外結合によって隣接格子導波路構造
    に伝送される、請求項３３〜３８のいずれか記載の光学系。
  40. 【請求項４０】 格子導波路構造が、格子構造（ｃ）によって内結合され、
    層（ａ）中を誘導される励起光の伝搬方向に配設されることが好ましい、層（ａ
    ）の連続非変調領域を含む、請求項３３〜３９のいずれか記載の光学系。
  41. 【請求項４１】 格子導波路構造が、同一又は異なる周期を有する多数の格
    子構造（ｃ）を、場合によってはそれらに隣接する層（ａ）の連続非変調領域と
    ともに共通の連続基板上に含む、請求項３３〜４０のいずれか記載の光学系。
  42. 【請求項４２】 ２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成さ
    れるルミネセンスが、少なくとも部分的に層（ａ）中に結合され、層（ａ）中の
    誘導によって前記格子導波路構造の隣接領域に伝搬する、請求項３３〜４１のい
    ずれか記載の光学系。
  43. 【請求項４３】 層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強さが、少なくとも
    格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のために格子構造（ｃ
    ）の伝送特性を切り換えるのに十分な強さである、請求項３３〜４２のいずれか
    記載の光学系。
  44. 【請求項４４】 層（ａ）の外側から前記格子構造に投射される励起光によ
    って格子構造（ｃ）の伝送特性の切換えが可能であることを特徴とする、請求項
    ４３記載の光学系。
  45. 【請求項４５】 前記格子構造（ｃ）が「ブラッグ格子」として設けられ、
    切換え機能が、層（ａ）中の増幅された励起光強さによって生じる、格子構造の
    領域における光学屈折率の変化により、層（ａ）中を誘導される光信号の伝送か
    ら反射への格子機能の変化に基づく、請求項３３〜４４のいずれか記載の光学系
    。
  46. 【請求項４６】 前記光学系が、格子導波路構造からの一以上のルミネセン
    スの計測のための少なくとも一つの検出器を含む、請求項３３〜４５のいずれか
    記載の光学系。
  47. 【請求項４７】 少なくとも一つの励起光源から発される励起光が本質的に
    平行であり、層（ａ）中に内結合するための共振角で、光学的に透明な層（ａ）
    中で変調される格子構造に照射される、請求項３３〜４６のいずれか記載の光学
    系。
  48. 【請求項４８】 少なくとも一つの光学部品からの励起光が拡大光学部品に
    よって本質的に平行な光束に拡大され、層（ａ）中に内結合するための共振角で
    、光学的に透明な層（ａ）中で変調される肉眼で見える区域の格子構造（ｃ）に
    照射される、請求項３３〜４７のいずれか記載の光学系。
  49. 【請求項４９】 少なくとも一つの光源からの励起光が、回折光学要素又は
    、光源が多数ある場合には、好ましくはDammann格子である多数の回折光学要素
    又は好ましくはマイクロレンズアレイである屈折光学要素によってできるだけ均
    一な強さの複数の個々の光線に分割され、個々の光線が、互いに対して本質的に
    平行に、層（ａ）中に内結合するための共振角で、格子構造（ｃ）に投射される
    、請求項３３〜４７のいずれか記載の光学系。
  50. 【請求項５０】 同様な又は異なる発光波長の二以上の光源が励起光源とし
    て使用される、請求項３３〜４９のいずれか記載の光学系。
  51. 【請求項５１】 二以上の光源からの励起光が異なる方向から同時又は順次
    に格子構造（ｃ）に投射され、異なる周期性の格子構造を重畳したものを含む構
    造によって層（ａ）中に内結合される、請求項５０記載の光学系。
  52. 【請求項５２】 たとえばＣＣＤカメラ、ＣＣＤチップ、フォトダイオード
    アレイ、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からの少なくとも一つの横方向に解像
    する検出器が信号検出に使用される、請求項３３〜５１のいずれか記載の光学系
    。
  53. 【請求項５３】 伝送される光束を成形するためのレン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、又は励起及
    び／又はルミネセンス光の別個の偏光方向を選択するための偏光選択要素によっ
    て形成される群の光学部品が、一つ以上の励起光源と本発明による格子導波路構
    造との間及び／又は前記格子導波路構造と一以上の検出器との間に配置されてい
    る、請求項３３〜５２のいずれか記載の光学系。
  54. 【請求項５４】 励起光が１fsec〜１０minの間隔のパルスで投射され、計
    測区域からの発光を時間分解的に計測される、請求項３３〜５３のいずれか記載
    の光学系。
  55. 【請求項５５】 参照のため、光源の位置での励起光又は拡大後の励起光又
    は個々のビームに分割された後の励起光、一以上の横方向に分けられた計測区域
    の位置からの励起波長の散乱光、及び格子構造（ｃ）によって外結合された励起
    波長の光によって形成される群の光信号が計測区域の他に計測される、請求項３
    ３〜５４のいずれか記載の光学系。
  56. 【請求項５６】 発光の測定のための計測区域と参照信号の測定のための計
    測区域とが同一である、請求項５５記載の光学系。
  57. 【請求項５７】 励起光の投射と一以上の計測区域からの発光の検出とが一
    以上の計測区域で順次に実施される、請求項３３〜５６のいずれか記載の光学系
    。
  58. 【請求項５８】 ミラー、偏向プリズム及びダイクロイックミラーによって
    形成される群の可動光学部品によって順次の励起及び検出が実施される、請求項
    ５７記載の光学系。
  59. 【請求項５９】 本質的に焦点及び角度を維持するスキャナを使用して順次
    の励起及び検出が実施される、請求項５７記載の光学系。
  60. 【請求項６０】 格子導波路構造が順次の励起及び検出の過程の間で動かさ
    れる、請求項５７〜５９のいずれか記載の光学系。
  61. 【請求項６１】 層（ａ）中に内結合するための共振角で請求項１〜３２の
    いずれか記載の格子導波路構造の層（ａ）中で変調される格子構造（ｃ）に照射
    される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ
    ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少
    なくとも１００倍増強する、励起光の強さを増幅する方法。
  62. 【請求項６２】 層（ａ）中に内結合するための共振角で層（ａ）中で変調
    される格子構造（ｃ）に照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内
    で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前
    記励起光の強さと比較して少なくとも１０００倍増強する、請求項６１記載の方
    法。
  63. 【請求項６３】 層（ａ）中に内結合するための共振角で層（ａ）中で変調
    される格子構造（ｃ）に照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内
    で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前
    記励起光の強さと比較して少なくとも１００００倍増強する、請求項６１記載の
    方法。
  64. 【請求項６４】 層（ａ）中に内結合するための共振角で層（ａ）中で変調
    される格子構造（ｃ）に照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内
    で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前
    記励起光の強さと比較して少なくとも１０００００倍増強する、請求項６１記載
    の方法。
  65. 【請求項６５】 層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）の表面又は層（
    ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収に
    よって励起するのに十分な大きさである、請求項６１〜６４のいずれか記載の方
    法。
  66. 【請求項６６】 層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の
    少なくとも１mm2の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未
    満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに
    十分な大きさである、請求項６５記載の方法。
  67. 【請求項６７】 層（ａ）の上又はその近視野で２光子吸収によって生成さ
    れるルミネセンスを格子構造（ｃ）による外結合によって隣接格子導波路構造に
    伝送する、請求項６１〜６６のいずれか記載の方法。
  68. 【請求項６８】 格子導波路構造が、格子構造（ｃ）によって内結合され、
    層（ａ）中を誘導される励起光の伝搬方向に配設されることが好ましい、層（ａ
    ）の連続非変調領域を含む、請求項６１〜６７のいずれか記載の方法。
  69. 【請求項６９】 格子導波路構造が、同一又は異なる周期を有する多数の格
    子構造（ｃ）を、場合によってはそれらに隣接する層（ａ）の連続非変調領域と
    ともに共通の連続基板上に含む、請求項６１〜６８のいずれか記載の方法。
  70. 【請求項７０】 ２光子吸収によって層（ａ）の上又はその近視野で生成さ
    れるルミネセンスを少なくとも部分的に層（ａ）中に結合し、層（ａ）中の誘導
    によって前記格子導波路構造の隣接領域に伝搬させる、請求項６１〜６９のいず
    れか記載の方法。
  71. 【請求項７１】 層（ａ）上及び層（ａ）内の励起光の強さが、少なくとも
    格子構造（ｃ）の領域で、層（ａ）中を誘導される光信号のために格子構造（ｃ
    ）の伝送性を切り換えるのに十分な強さである、請求項６１〜７０のいずれか記
    載の方法。
  72. 【請求項７２】 層（ａ）の外側から前記格子構造に投射される励起光によ
    って格子構造（ｃ）の伝送性を切り換えることを可能にすることを特徴とする、
    請求項７１記載の方法。
  73. 【請求項７３】 前記格子構造（ｃ）が「ブラッグ格子」として設けられ、
    切換え機能が、層（ａ）中の増幅された励起光強さによって生じる、格子構造の
    領域における光学屈折率の変化により、層（ａ）中を誘導される光信号の伝送か
    ら反射への格子機能の変化に基づく、請求項７１〜７２のいずれか記載の方法。
  74. 【請求項７４】 信号光としての第一の励起光を、一時的なパルスの形態で
    又は連続的に、第一の格子構造によって層（ａ）中に結合し、層（ａ）中を誘導
    して、層（ａ）中で構造化された、前記第一の格子構造（ｃ）と同じ又は異なる
    格子周期を有する別の格子構造（ｃ′）の領域に到達させ、切換え光として一時
    的なパルスの形態で又は連続的に外から照射される励起光を前記第二の格子構造
    によって層（ａ）中に内結合し、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子
    構造の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して
    少なくとも１００倍のこの切換え光の対応する増幅により、少なくとも格子構造
    （ｃ′）の領域で、高い三次非線形性により、層（ａ）の屈折率を変化させて、
    前記格子構造（ｃ′）の機能を前記信号光の伝送から反射へと変化させる、請求
    項７１〜７３のいずれか記載の方法。
  75. 【請求項７５】 請求項２８〜３２のいずれか記載の格子導波路構造の一以
    上の計測区域上の１種以上のサンプル中の１つ以上の分析対象物をルミネセンス
    検出によって測定するための方法であり、計測区域から又は前記格子導波路構造
    上の少なくとも二以上の横方向に分けられた計測区域（ｄ）のアレイ又はいくつ
    かの計測区域を含む少なくとも二以上の横方向に分けられたセグメントのアレイ
    からの一以上のルミネセンスを測定する方法であって、層（ａ）中に内結合する
    ための共振角で照射される励起光の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少な
    くとも格子構造（ｃ）の領域で、励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光
    の強さと比較して少なくとも１００倍増強する方法。
  76. 【請求項７６】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ００倍増強する、請求項７５記載の方法。
  77. 【請求項７７】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ０００倍増強する、請求項７５記載の方法。
  78. 【請求項７８】 層（ａ）中に内結合するための共振角で照射される励起光
    の強さを、層（ａ）上及び層（ａ）内で、少なくとも格子構造（ｃ）の領域で、
    励起光の内結合なしでの基板面上の前記励起光の強さと比較して少なくとも１０
    ００００倍増強する、請求項７５記載の方法。
  79. 【請求項７９】 層（ａ）における励起光強さが、層（ａ）の表面又は層（
    ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収に
    よって励起するのに十分な大きさである、請求項７１〜７８のいずれか記載の方
    法。
  80. 【請求項８０】 層（ａ）における励起光強さが、前記格子導波路構造上の
    少なくとも１mm2の面積上で同時に層（ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未
    満の距離に位置する分子からのルミネセンスを２光子吸収によって励起するのに
    十分な大きさである、請求項７９記載の方法。
  81. 【請求項８１】 （１）等方向に発されるルミネセンス又は（２）光学的に
    透明な層（ａ）に逆結合され、格子構造（ｃ）によって外結合されるルミネセン
    ス、又は両方の部分（１）及び（２）のルミネセンスを同時に計測する、請求項
    ６１〜８０のいずれか記載の方法。
  82. 【請求項８２】 ルミネセンスの生成のために、２００nm〜１１００nmの波
    長で励起させることができるルミネセンス染料又は発光性ナノ粒子をルミネセン
    ス標識として使用する、請求項６１〜８１のいずれか記載の方法。
  83. 【請求項８３】 前記ルミネセンス標識を２格子吸収によって励起させる、
    請求項８２記載の方法。
  84. 【請求項８４】 前記ルミネセンス標識を、可視又は近赤外の励起光の２光
    子吸収によって紫外線又は青ルミネセンスに励起させる、請求項８３記載の方法
    。
  85. 【請求項８５】 ルミネセンス標識を、分析対象物に結合するか、競合検定
    では、分析対象物類似体に結合するか、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に結合するか、生物学的又は生
    化学的又は合成認識要素に結合する、請求項８２〜８４のいずれか記載の方法。
  86. 【請求項８６】 第一のルミネセンス標識と同じ又は異なる励起波長及び同
    じ又は異なる発光波長の第二以降のルミネセンス標識を使用する、請求項８２〜
    ８５のいずれか記載の方法。
  87. 【請求項８７】 第二以降のルミネセンス標識が、第一のルミネセンス標識
    と同じ波長で励起され、他の波長で発光することができる、請求項８６記載の方
    法。
  88. 【請求項８８】 加えられる発光染料の励起スペクトルと発光スペクトルと
    が重複しないか、又は部分的にしか重複しない、請求項８６記載の方法。
  89. 【請求項８９】 供与体として働く第一の発光染料から受容体として働く第
    二の発光染料への電荷又は光エネルギーの移動を分析対象物の検出に使用する、
    請求項８６記載の方法。
  90. 【請求項９０】 励起波長における光信号の一以上のルミネセンス及び／又
    は測定を偏光選択的に実施し、好ましくは、励起光の偏光とは異なる偏光で一以
    上のルミネセンスを計測する、請求項６１〜８９のいずれか記載の方法。
  91. 【請求項９１】 層（ａ）上及び層（ａ）内に照射された励起光の大きな増
    幅により、高い表面閉じ込め励起光の強さと表面に向かう方向におけるその勾配
    の増大とが、これらの分子を「光学ピンセット」の効果に受けさせるとき、層（
    ａ）の表面又は層（ａ）から２００nm未満の距離に位置する分子を、この距離内
    で捕らえる、請求項６１〜９０のいずれか記載の方法。
  92. 【請求項９２】 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薬
    、レクチン及び炭水化物を含む群の１つ以上の分析対象物の同時又は順次の定量
    的又は定性的測定のための、請求項６１〜９１のいずれか記載の方法。
  93. 【請求項９３】 試験するサンプルが、天然に生じる体液、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表面水又
    は土壌又は植物抽出物又はバイオもしくはプロセスブロットであるか、又は生物
    学的組織片から採取される、請求項６１〜９２のいずれか記載の方法。
  94. 【請求項９４】 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、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のための、特にＤＮＡ及びＲＮＡ分析学の
    ための分析対象物定性及び定量のための、毒性発生研究及び発現プロフィールの
    決定のための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のための、医薬品開発及び治
    療薬選択における患者層別化のための、食品及び環境分析学における病原体、有
    害薬剤及び細菌、特にサルモネラ、プリオン及びバクテリアの決定のための、請
    求項６１〜９３のいずれか記載の方法の使用。
  95. 【請求項９５】 非線形光学部品又は遠隔通信もしくは通信技術における、
    請求項１〜３２のいずれか記載の格子導波路構造及び／又は請求項３３〜６０の
    いずれか記載の光学系及び／又は請求項６１〜９３のいずれか記載の方法の使用
    。
  96. 【請求項９６】 非常に高い励起光強さ及び／又は励起期間の適用を要する
    表面閉じ込め研究、たとえば材料の光安定性の研究、光触媒法などにおける、請
    求項１〜３２のいずれか記載の格子導波路構造及び／又は請求項３３〜６０のい
    ずれか記載の光学系及び／又は請求項６１〜９３のいずれか記載の方法の使用。
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