JP2005513476A - 液状懸濁液または溶液中の分析物測定機器とその方法 - Google Patents

Abstract

【課題】液状懸濁液または溶液中の分析物分析用の光検出器を提供する。
【解決手段】一つの実施例では、光検出器は光供給手段４５、分析物ハンドリング手段７８、光ディレクティング手段１９並びに検出手段が備えられており、これらはプレーナ基板器４０、２０と３０、３１′上にそれぞれインテグレートされている。多数の光導波管が光供給手段４５から放射され、光検出器の異なったセクションを通過して検出手段へ導波するために、基板器にインテグレートされている。分析物ハンドリング手段７８には、分析物懸濁液または溶液の液体フロー用の分析物チャネル７０と数個の分類チャネル７２を備えた分析物分類手段７２が設けてある。

Description

本発明は、液状懸濁液または溶液中の分析物測定機器とその方法に関する。

フロー・サイトメトリーは、例えば懸濁液中の血液細胞をそれらの表現型の特性によって検出並びに分離するのに使われる周知の蛍光分析技術である。これは分析するサンプル中の細胞を、例えば表現型マーカーに特有で、それ自身蛍光染料に結合したモノクローム抗体で染色することによって達成できる。異なった表現型細胞表面マーカーは従って、例えば緑や赤など異なった蛍光波長の染料が多数おのおの各種のマーカーに特有な異なった抗体と結合していれば、区別できる。
この分析技術を遂行するのに、一般には FACS と呼ばれているフルオレスセンス・アクチベイティブ・セルソーターが周知である。これは通常離散的コンポーネントから組み立てられた光学的ならびに流体ハンドリングのサブシステムを含む複雑な機器である。そのような FACS の一例が、下記非特許文献１に公表されており、それを図１に示した。図１において蛍光染色されたサンプルの細胞懸濁液１が振動フローセル２に導入されている。

フローセル２を通ったセルフロー４は、別個に振動フローセル２に導入されている緩衝液体３のシースに収められる。フローセルは層流と流体力学的集束の原理を利用している。円筒型チューブを通過した液体の層流、即ち乱流でないフローはチューブの壁で粘性抗力の作用を受け、チューブ中心近くの流速が高まる。この結果、放物線状の流速分布となる。いわゆるベルヌーイ効果は、そのような流速分布の微分を、チューブ壁から放射状に内部を指す圧力変化率と結び付ける、即ち流体フローの内圧はチューブの壁面から中心へと低下する。この圧力勾配によって、フロー内懸濁液の粒子はフローの中心へ移動し、そこにととどまる。ブロッキングを防ぐために、粒子の懸濁液を、シース状流体を含んだより大きい穴によって同心的に囲まれた広口の穴を通してチューブ内へ導入できる。層流フローを維持する間、この同軸フローを締めつけることによって、粒子の集束された流れを形成できる。離散的粒子の懸濁液がこのようにチューブ内へ導入されると、粒子は互いに整列して連続的にチューブの中心を通って流れる。フロー・サイトメトリーで通常使われるシース状流体は、電気的にチャージ出来るリン酸塩緩衝の塩の溶液または同様な電解質溶液である。

フローセル２を通過したフロー４は、識別領域内でレーザー５に照射される。放射されたレーザー・ビームは懸濁液中の蛍光染色されたサンプル細胞に当たって、懸濁液中の粒子または分析物と特異マーカー検出目的で使われる蛍光染料の固有光学的性質に従い特異的に散乱する。
細胞フローを通過し、識別領域から出てくる散乱した蛍光光線は、複数のビーム・スプリッタ６、コリメーターレンズと集束レンズ（図示してない）が設置された光ディレクティングサブシステムによって集光され、いくつかの検出器７、８、９、１０からなる検出サブシステムに導かれる。検出器７はレーザーからの入射光の前方散乱を測り、これでレーザー５を通過したフロー４内の細胞の大きさを推定できる。同様に、ビーム・スプリッタ６のひとつで光が方向変えした後、検出器８で９０度の角度で散乱した光を集光して細胞の粒状度を検出できる。最後に検出器９と１０は、細胞上に存在する表面マーカーを識別するために、例えば緑と赤の蛍光染料から発光された緑と赤の蛍光をそれぞれ検出する。これは、フロー４から導出する同じ９０度経路で放射された蛍光光線を集光し、複数ビーム・スプリッタ６の二番目のスプリッタを光が通過して検出器９と１０を照射することで達成できる。従って検出器９と１０は、おのおの緑と赤の波長域で放射された光の検出目的だけにデザインされたものである。

可能な場合には、共通励起波長ピークをもち、単一の光源と緑または赤のスペクトルのような異なった発光波長ピークで発光できる蛍光染料を使用できる。今日最も使用されている商用フロー・サイトメトリー・システムは２〜６の異なった蛍光波長を検出する能力を持つ。検出器自体は多くの場合、光電子増倍管で、波長識別は通常受光管の入口面前の光経路に帯域フィルタを差し込む事で達成できる。検出サブシステムの各コンポーネントのサイズのために、比較的多数の検出器からなるシステムが必要な場合には、すべての光学的コンポーネントの空間配置を決めることは挑戦的なことである。そのような場合の時には、フローセルから各検出器までの異なった光経路の長さは異なった検出器間でかなり異なるであろう。これらの拘束要因によって、今日商用的に応用されている典型的な蛍光波長数を制限する傾向となっている。

細胞分類が必要とされる場合には、フローセル２の端に、通常単一細胞以上を含まない液滴に崩壊するようフロー４をフローセルから空気中に発散できる振動ノズルを備える。これらの液滴は、ノズルからそれらの初期速度と重力に従って地上へ向かって垂直に落ちるが、分析物分類サブシステムへ入り、そこで実質的にチャージングカラー１１を通り、これで各液滴はほぼ均一に荷電される。分類が必要な際には、検出器７、８、９、１０で受信したデータがコンピューター制御で電界偏向板１２へ導かれ、これによってフロー４中の異なった細胞群の方向を、検出した蛍光とその他の光学的特性に従って異なった角度で多数あるアウトプット・サンプルチューブ１３の一つに入るように変える。

他の実施例では、フローセルから放射するフローを集める最終リセプタクルまたはその入口を、細胞の重要な画分を受取するよう電気機械的に切り換える機械的分類が知られている。
上記の様に、今日応用されている典型的な商用 FACS 機器は２〜６の蛍光カラーを区別できる。同時にこれらの機器は大型で高価であり、研究分野や医学分野で広く採用されるのを制約している。これらは精密でかさの大きな光学的また離散的な機械的コンポーネントを必要とする。これと同時に、分析サンプルのより多くの変数を区別したいという研究者の要求も高まっている。

より多数のカラーを検出するセル・ソーターも設計されたが、広く実際に応用されていない。この理由は主に、従来のかさの大きな光学的また流体素子的技術を識別可能なより多数のカラーに拡大するのが極めて高価であり厄介である事実による。
そこで周知のような FACS 機器の小型化の最初の試みがある。例えば FACS の従来式フロー・チャンバをソフト・リソグラフィの様なマイクロ機械加工方式で製造されたマイクロ流体機器で置換した。下記非特許文献２には各種生物学分析物を分類する目的の FACS が記述されている。セルソーターは、サンプル流体用のチャネル付きシリコーン・チップとして製造される。このチップは逆顕微鏡上に装着され、蛍光はバルクレーザーで発生された集束レーザー・ビームでチャネル接合部に近接して励起され、これはチップの平面へ垂直にチップ上に向いている。蛍光発光は顕微鏡で収集され、チップ平面に垂直に放射される光を集光する光電子増倍管で測定される。レーザー・ビームはチップに垂直に集束され、多数のビーム・スプリッタ、ミラーなどが光導するのに必要である。

下記特許文献１には二つのコンポーネント、即ちフロー・サイトメータ・光学ヘッドと可処分フロー・モジュールから構成されたフロー・サイトメータが開示されている。このフロー・モジュールはシリコン・ウェーハにマイクロ機械加工したフローチャネルを利用している。光学ヘッドは照射ビームを供給するレーザーと光検出機構を備えている。このレーザーと光検出機構は、光ビームを分析する角度に依存してウェーハの平面から外に配置されているので、光検出機構は分析ビームを集光出来る。
米国特許第5,726,751号明細書 国際公開第01/25827号パンフレット 国際公開第09/508787 国際公開第00/36445号パンフレット 国際公開第00/25156号パンフレット 国際公開第00/03461号パンフレット 国際公開第97/43676号パンフレット 米国特許第5,029,981号明細書 米国特許第5,467,418号明細書 欧州特許第0365125号明細書 国際公開第97/042534号パンフレット 国際公開第98/35250号パンフレット 国際公開第98/39677号パンフレット 国際公開第99/57591号パンフレット 国際公開第01/29598号パンフレット 米国特許第4,945,400号明細書 国際公開第98/35253号パンフレット 国際公開第99/28772号パンフレット ロイット、ブロストッフ、メイル、イムノロジー フィフスエディション、モスバイ パブリッシャー、（Roitt, Brostoff, Male, Immunology 5th edition, Mosby Publishers 1998）,p385） Anne Y.Fu 他、ネイチャー バイオテク、Vol 17, p 1109 (Nov.1999) "マイクロファブリケイテッド・フルオレスセンス−アクティヴェイテッド・セルソーター"（A microfabricated fluorescence-activated Cell Sorter） "シリコン・オン・絶縁体の大横断面をもつ低損失型単一モード光学導波管"（J.Schmidtchen et al in Electronic Letters, 27, p.1486, 1991）

本発明の目的は、入射した蛍光光線の多数の波長を同時に検出し、処理するのに評価でき、サイズが小さく、その応用可能性を拡大する各種の研究要求に容易に対応出来るような、流状懸濁液や溶液中の分析物を分析する光学検出機器を提供する事である。

本発明の第一の観点によると、流状懸濁液や溶液中の分析物を分析する機器で、分析物インプット領域、識別領域で分析物を照射する光供給手段からの受光用受光領域を包括した流状懸濁液や溶液に分析物を運び入れる分析物チャネル、分析物アウトプット領域、分析物チャネルの識別領域の分析物から出現した光を懸濁液または溶液中の分析物の一つの特性または多数の特性を検出する光検出手段へ導く光導手段を含めた分析物ハンドリング手段を備え、少なくとも上記の分析物チャネルと分析物チャネル中の分析物から出現した光を波導する第一の光学導波管が同一の第一プレーナ基板上に集積されていることを特徴とする。

好ましくは、分析物チャネル中の分析物から出現した光を波導する第二の光学導波管が上記の第一のプレーナ基板上に集積されている。

好ましくは、分析物チャネル中の分析物上にに入射する光を波導する第三の光学導波管が上記の第一のプレーナ基板上に集積されている。

好ましくは、分析物チャネルの前後軸から３０度〜６０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第一の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
好ましくは、分析物チャネルの前後軸から実質上４５度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第一の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
好ましくは、上記の第一の光学導波管によって集光された光から６０度〜１２０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第二の光学導波管が分析物チャネルと接合している。

好ましくは、上記の第一の光学導波層によって集光された光から実質上９０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第二の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
好ましくは、第一の基板中を伝搬する非導波光線を低減するために分析物チャネルと導波管（複数）に隣接してドープした吸収領域を第一の基板上に設けるのもよい。

好ましくは、導波管のどれかまたは全部の屈折率が実質的に分析物懸濁液または溶液の屈折率にマッチしていることである。それともまたはそれに加えて、単一またはマルティプル誘電被覆を導波管（複数）と分析物チャネル間の境界面に形成してもよい。
好ましくは、上記の導波管（複数）を分析物チャネルとの境界面でテーパ状に形成してもよい。

本発明の他の観点によると、第三の波導管は分析物チャネル内の二つの空間的に分離した認識領域へ光を注入するよう二つの導波管に分割しており、少なくとも一つの導波管は分離した認識領域のどれにも隣接して分析物から出現する光を集光するために設けられている。
本発明のもう一つ他の観点によると、液状懸濁液または溶液中の分析物測定方法、特に上記に説明したような光学検出機器を利用することによる方法が提供される。

本発明のもう一つ他の観点によると、光学検出機器によってすでに検出されたような各特性を考慮して異なった分析物を分類する分析物分類手段が提供される。この分析物ソーターは、分析物の液状懸濁液または溶液を導入する分析物インプット付きの分析物チャネルと少なくとも一つのＹ接合部をカスケード状に形成し基板上に集積された多数の分類チャネルを含み、しかも対極の電極が各々分析物の光学特性用の少なくとも１個のＹ接合の両サイドで基板中に形成されている。

この様にデザインされた分析物分類手段（ソーター）により、極僅かなサンプル量の分析物を分離できる。
本発明の更にもう一つの観点によると、液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用の際して、光供給手段が提供されるが、それでは光供給手段の一つまたは数個のコンポーネントが第二のプレーナ基板上に集積されている。

好ましくは、この光供給手段は少なくとも一つまたは多数の発光ダイオードまたはレーザー・ダイオードを備え、これらは第二のプレーナ基板に取り付けてある。
好ましくは、この光供給手段は発光ダイオード（複数）またはレーザーダイオード（複数）から発光する光を運ぶ少なくとも一つのインテグレートされた光学導波管を形成しており、発光ダイオード（複数）またはレーザーダイオード（複数）から引き出されている。

好ましくは、光供給手段は数個の導波管を形成し、これらは発光ダイオードまたはレーザーダイオードのアレイのどれからも引き出されており、導波管から受光した異なった波長 λ₁．．．λ_m の光を単一アウトプット導波管へ組合わせるように分散エレメントが第二のプレーナ基板上にインテグレートされている。
好ましくは、この分散エレメントは第二の基板にエッチングされたリセスのアレイによって形成された、アレイされた導波格子またはトランスミッション・格子である。

本発明のもう一つの観点によると、液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用の際して、光ディレクティング手段が提供されるが、その中では少なくとも一つの分散エレメント、少なくとも一つの光を分散エレメントの方向へ導く光学導波管ならびに、少なくとも一つの分散エレメントによって分離すべき波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n の光を集光する少なくとも一複数個のアウトプット導波管が第三のプレーナ基板上に集積されている。

好ましくは、光供給と光ディレクティング手段のどれにも使用される分散エレメント（複数）は、第二の基板中にエッチングされたリセスのアレイによって形成された、アレイされた導波格子（複数）またはトランスミッション格子である。
好ましくは、１個のの分散エレメント、光を分散エレメントに向かって導く１個の光学導波管と分離すべき波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、 λ′₁．．．λ′_n の光を集光する一複数個のアウトプット導波管が配置され、これらはおのおの前方散乱経路から受光した光を分離したり、分析物識別領域から通じるサイド散乱経路からの光を分離したりする目的をもつ。

好ましくは、上記第一、第二、第三の基板のどれもシリカとシリカ・オン・シリコンとシリコン・オン・絶縁体のどれかから成る。
本発明の更に他の観点によると、液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用の際して、検出手段が提供され、それでは少なくとも一つの光学検出器が第五プレーナ基板内にインテグレートまたは基板上に混成されている。

好ましくは、多数個の光学検出器は各々１個ずつ波長 λ₁．．．λ_m 、 λ′₁．．．λ′_n の異なった一つを検出するための検出器を備えている。
好ましくは、上記検出器はフォトダイオードである。
好ましくは、各検出器は第五基板中に形成された傾斜端面内に成端する数個のＶみぞの一つの上部に装着されており、上記Ｖみぞは基板の縁まで広がっている。

好ましくは、上記の第五基板は第三基板に突き合わせ接合しており、適当な接着剤かレジンで接着されている。
好ましくは、上記の多数個検出器の各々は第三プレーナ基板中にインテグレートした多数のアウトプット導波管の少なくとも一つ内の異なった導波管からの光を受光する。
本発明の他の観点によると、検出器のアレイはおのおの前方散乱経路から透過した光や分析物識別領域から通じるサイド散乱経路から透過した光を受光するのに設けられている。

他の観点によると、本発明はここに記述したような分析物ハンドリング手段、分析物分類手段、光供給手段、光ディレクティング手段ならびに光検出手段を備えた液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器を提供する。
本発明の他の優先される実施例では、少なくとも二つの分析物分類手段、光供給手段、光ディレクティング手段と光検出手段が光ファイバーで結合されている。それぞれの手段から通じる光ファイバー間の着脱可能な接続は、光ファイバー・コネクタによる。

本発明のもう一つの優先される実施例では、少なくとも二つの分析物分類手段、光供給手段、光ディレクティング手段と光検出手段が同一のプレーナ基板に集積されている。
本発明の他の観点は、液状懸濁液または溶液中の一つまたは複数の分析物の特性を測定するここに記述したような光検出機器の使用に関する。
好ましくは、ここに記述したような光検出機器の使用で、液状懸濁液または溶液中の一つまたは複数の分析物の光学特性は、既知の光学特性のマーカーでマークされ、光供給手段の一つまたは多数の波長または波長バンド（複数） λ₁．．．λ_m は、使うマーカーの発光と吸収ピークに従って選択される。

好ましくは、分析物用マーカーは蛍光性である。
好ましくは、懸濁液または溶液の分析物をそれらの異なった光学特性に従って分類する事は、これらを検出した異なった特性に従って異なった分類チャネルに導入することによって達成できる。
他の観点からは、本発明は上述の様な光学検出機器を使用して液状懸濁液または溶液中の分析物を測定する方法に関する。

好ましくは、上述の様な光学検出機器を使用して液状懸濁液または溶液中の分析物の測定方法は、分析物から出現する光の少なくとも２種類の波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、 λ′₁．．．λ′_n を同時に検出することで遂行される。
分析物チャネルと分類チャネルを通過する分析物懸濁液または溶液のフローは可逆的なフローである。

分離した半導体機器上の光学検出機器の色々異なった各手段の製造とこれら機器類の光ファイバーによる接続等の際、実質的な間隔はブリッジできる。従って分析物ハンドリング手段を実験フード内に配置したり、分離空間に据え付けられた光供給手段を使用したり、検出手段を更に別の空間に取り付ける事も可能である。
液状懸濁液または溶液中の分析物の分析機器を本発明によりデザインする事によって、極めてコンパクトで高度なチャネル・カウントシステムは費用有効的に実現できる。これによって、実験室における高価なベンチ−スペースを節約に役立ち、ポイント−オブ−ケェアのアプリケーション或いはポケット機器（手のひらにのる大きさの機器）すら可能である。光学検出機器は、広範囲までリソグラフィック方式パターン形成のような大容量半導体処理技術、マスキングやエッチプロセスまたは同様のもので高度な仕様や狭許容の機器類を大容量かつ低コストで実現することを考慮した技術で製造できる。光学検出機器の色々異なったセクションとこれらセクションの別個コンポーネントを互いに独立に基板上に配置する可能性は、例えば分析物や光源やコンポーネントの特殊な要求条件に従って最適化出来るような機器の組立を許す。それ故本発明は、新規な医学や科学分野における上述したフローサイトメトリックや類似の産業的また／或いは生物医学的分析物検出技術の使用やハンドリング・アプリケーション等を可能とするであろう。

チャネルと導波管をプレーナ基板の表面に集積することにより、光学検出機器によって要求される全面積は実質的に低下できる。
上述の周知のコンポーネントと技術を採用することにより、分析物分析用機器は極めてコスト効果的に製造できる。本発明の追加的な対象と長所は、以下の詳細な説明で詳しく述べるので、その説明から明白であろう。発明の優先的また随意的な特徴は付帯の特許請求の範囲から明白となろう。

図２ａに本発明による光学検出機器の実施例を示した。図において４５はプレーナ基板器４０上にインテグレートされた光供給手段、７８はプレーナ基板器２０上にインテグレートされた分析物ハンドリング手段、１９はプレーナ基板器８０上にインテグレートされた光ディレクティング手段、３０、３０′はプレーナ基板器上にインテグレートされた検出手段を意味する。即ち多数の光学導波管が示されており、これらは基板器上にインテグレートされ、光供給手段４５から放射された光を光検出機器の色々異なったセクションを通過して検出手段へと導くようにデザインされている。分析物ハンドリング手段７８には、分析物懸濁液または溶液の液状フローのための分析物チャネル７０と分析物の色々異なった特性のための数個の分類チャネル７２を含んだ分析物分類手段（ソーター）７２が示されている。

プレーナ基板器２０、４０、８０は例えばシリカまたはシリカ・オン・シリコン基板であり、これら基板に形成された光学導波管は、上記特許文献２に記載されているような集積光学の技術で一般に周知の方法で形成された埋設チャネル型導波管でありうる。或いは基板２０、４０、８０はシリコン・オン・絶縁体であってもよく、インテグレートされたシリコン・オン・絶縁体リッジ導波管を形成するためのシリコン・オン・絶縁体リッジ導波層方法として形成された導波管は上記特許文献３並びに上記非特許文献３に記載されている。それ以外のシリコン・オン・絶縁体光学導波管製造方法は上記特許文献４および上記特許文献５にも記述されている。プレーナ基板器３０はシリコンで形成されていてもよい。

光供給手段４５は予定特性の光を放射する離散型波長マルチ波長光源であってよく、これは懸濁液または溶液中の分析物と分析物の特性に従って相互作用することによって可変である。このシステムが蛍光検出に使用されると、ｍ−チャネル機器はｍ個の離散波長または狭域波長バンド λ₁．．．λ_m を放射する光源を備えてよい。これらは測定される分析物の特性に従って選択される。例えば λ₁．．．λ_m は検出に使用されるｎ個の選択された蛍光マーカーの吸収ピークの狭い許容範囲内にありうる。これは蛍光波長または狭域波長バンド λ′₁．．．λ′_n の蛍光放射に励起される。使用される蛍光マーカーは周知の化学または生物学的分子または蛍光ビードまたは粒子で、これらはその化学的性質と物理的寸法による特異の蛍光特性を示す。波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、 λ′₁．．．λ′_n のどれもそれによって伝搬される信号を区別するのが困難となる範囲までオーバーラップしないことが好ましい。実際にはこのオーバーラップは -20 dB より小さい事が好ましく、また更に-30 dB より小さいことはより好ましい。ｎ個の蛍光の全ての吸収ピークがお互いに異なっている場合には、ｍはｎに等しい。しかしこれらの吸収ピークがオーバーラップしている場合には、ｍはｎより小さい。

従って波長または波長バンド λ₁．．．λ_m の光を発生するｍ個の発光体４４が備えてある。発光体４４は上記特許文献６に記述されているように分散型フィードバック・レーザー（DFB lasers）または外部空洞レーザーでよく、これらは線形アレイ内の基板４０上にインテグレートまたは混成されている。外部導波管と連結した基板上の活性発光エレメント上に混成する方法は上記特許文献７に記載されている。この組立構造の活性発光エレメントは典型的には II, III, V, VI 型半導体材料の組み合わせから一般に周知の方法によって形成される。外部空洞レーザーが採択され、導波管が形成される基板材料がシリカの場合には、空洞の前部反射体を形成する格子は、通信ファイバーでの光学格子形成方式で周知のものと類似の方法を応用して形成できる。導波管４３は各発光体４４から出て分散エレメント４２へ通じている。このエレメントは各種発光体４４から放射される光線を多重化して単一導波管４１へ送り、この単一導波管は基板４０の端まで伸び、そこでファイバー５０に接続する。

シリコン・オン・絶縁体が基板２０、４０、８０の材料に選ばれている場合には、シリコンは 1100 nm 以下の波長では透明でないので、光学的分析は 1100 nm 以上の波長で遂行される。しかしレーザーダイオードやフォトダイオードのような光学コンポーネントは通常その様な波長要求で入手できるので、これで問題を起こすことはない。 従って蛍光染料または粒子は、それらの吸収と発光ピークが 1100 nm 以上であるものを使用しなくてはならない。

多重化プロセスで分散エレメント４２を使用すること自体周知であり、伝送損失を最小限に抑えるメリットをもつ。その様な分散エレメントを形成する事例は、例えば上記特許文献８や上記特許文献９に示されている。両者とも集積光学系で周知のアレイ型導波管タイプのエレメントを記述している。その様な場合には、多数の異なった長さの導波管（導波管アレイ）によってアレイを通過して移動する光線フロントに、所要の分散を発生するのに必要な位相差が生じる。分散エレメントのもう一つの実施例は上記特許文献１０に開示されている；ここでは一次元反射型回折格子が基板４０の平面に垂直な壁で形成されたウェルの一次元アレイによってスラブ型導波管に形成されている。

ファイバー５０と導波管４１間の接続は、この種の周知の方法で達成できる；例えば上記特許文献１１〜１５等に記載されている方法でも、また他の周知の方法で達成できる。ファイバーはマルチモード型ファイバー、更に好ましくは単一モード型シリカ・ファイバーで、これらは通常通信技術分野で広く使われている。典型的な単一モード型光学ファイバーは 125 micrometer のシリカ被覆層と 8 micrometer の単一モード型シリカ・コアの構造で、コア部のシリカは被覆層のシリカより高い屈折率をもつ。

ファイバー５０はコネクター５１でインプット・ファイバー５２に接続し、プレーナ基板器２０の端まで通じる。コネクター５１は光通信ファイバー間接続に通常使用されるような標準タイプのファイバー・ツー・ファイバー型コネクターでよい。この基板器２０では、光学導波管２１はファイバー５２を通して光供給手段４５から受光したマルチ波長型光ビームを集める。導波管２１へのファイバー５２の接続は、ファイバー５０と導波管４１間の接続について既に述べたのと類似の方法で行える。

導波管２１はプレーナ基板器２０にある分析物チャネル７０へ光ビームを導く。分析物の液状懸濁液または溶液はインプット・ポート７１から分析物チャネル７０へ導入され、チャネル７０を分析物分類手段７２（詳細には後で述べる）に向かって通過する。この分析物分類手段には、多数の分類チャネル７２′が備わっており、これらは各々多数のアウトプット・ポート７４へ通じている。分析物チャネル７０、複数存在する分析物分類チャネル７２′、インプット・ポート７１と複数あるアウトプット・ポート７４は、基板の上部表面に機械加工によって形成されるか、標準リソグラフィック・プロセスによってパターンし、反応性イオン・エッチングのような半導体製造方式で周知のプロセスを用いて基板の上部表面にエッチングされたリセスの拡張されたパターンとして、基板２０上に形成されている。

分析物チャネル７０の識別領域１８に導波管２１から光が入射される。導波管がシリカまたはシリカ・オン・シリコン基板に形成されている場合には、導波管２１は分析物チャネル７０とある角度で接するので、分析物チャネル７０と導波管２１とのインターフェースを横断して屈折された光はチャネルに運ばれている分析物懸濁液または溶液に分析物チャネルの軸に３０度〜６０度の角度、より好ましくは約４５度の角度で入射するであろう。分析物懸濁液に存在する分析物は蛍光染料で標識されている。後ほど詳細に説明するように、分析物懸濁液は分析物チャネル７０を通過し、その際識別領域１８を通って移動し、この識別領域で分析物は導波管２１から受光した光に照射される。懸濁液中の分析物は、検出すべき分析物の表現的性質に各々特異なｎ種の蛍光染料のレンジでフロー・サイトメトリー方式で周知の方法で前もって染色されており、染色された分析物が導波管２１から識別領域１８へ入射された光で照射されると、識別領域１８内で分析物中に吸収、分散と蛍光するという組み合わせが生じる。

好ましくは、導波管２１の屈折率と分析物懸濁液または溶液の屈折率が有意義な回折損失を回避できるように整合（マッチング）されている。その様な屈折率のマッチングは、例えば分析物懸濁液用の緩衝構成を変えるか、使用する光導波管をドープすることによって達成できる。分析物懸濁液または溶液と基板２０上の光学導波管間での残存不整合が回避できない実施例では、反射防止膜が識別領域１８内の分析物チャネル７０の側壁上に、インターフェースでの後方反射を低減する目的の集積光学で従来周知のプロセスに従って形成されてもよい。その様な場合には、分析物懸濁液に入射された光が分析物チャネル７０の軸に３０度〜６０度の角度、より好ましくは約４５度の角度で移動する事を目的として、
そのようなインターフェースでの回折角度は波動光学の標準原則に従って考慮されるべきであろう。分析物チャネル７０の反対側で、光線が識別領域１８を通過した後に前方散乱された光が導波管２７で集められ、９０度分散されて蛍光の光線は導波管２６で集められる。その結果導波管２６と２７は、分析物懸濁液または溶液中で移動する入射光の角度を考慮して、分析物懸濁液または溶液中をそれぞれ０度と９０度で移動する光を集光するよう配列される。ここで懸濁液または溶液と導波管間で屈折率の不整合がない場合には、これは導波管２６と２７間での９０度の角度となるが、しかしこれら屈折率が不整合の時には、導波管２６と２７間とこれら導波管と分析物チャネルの側面間での異なった角度を波動光学の標準原則に基づいて決定されなくてはならない。通常前方散乱された光を検出する目的は、分析物粒子の大きさを決定することであり、９０度散乱された光を検出する目的は、これら粒子の粒状度と同様にこれらが放射する蛍光を検出することである。このような配置の長所は、前方散乱パスで集光する場合よりも高い信号対雑音比で蛍光光線を集光出来ることである。導波管２１、２６、２７を分析物チャネル７０とのインターフェースでテーパー付きに形成することはこれらインターフェースの光学伝搬特性を改善するために、好都合である。

分析物チャネル７０とのインターフェースにおける導波管２１、２６、２７の断面の直径は好ましくは 1 micron 〜 10 micron 、より好ましくは 3 micron 〜 8 micron の範囲にある。 分析物チャネル７０は好ましくは直径 5 micron 〜 100 micron 、より好ましくは 10 micron 〜 25 micron の断面をもつ。
分析物の液状懸濁液または溶液と相互作用した後に識別領域１８から出てくる光は、導波管２６と２７によって基板２０の端まで導かれ、そこでおのおの光ファイバー５３と５６に接続する。これらのファイバーまで伝搬された光はファイバー・光学コネクター５４と５７を経ておのおの光ファイバー５５と５８に伝搬され、これらファイバーは伝搬された光を基板８０上に集積されている光ディレクティング手段１９へ導く。光ファイバー５３、５５、５６、５７とコネクター５４、５７は光供給手段４５と分析物ハンドリング手段７８との接続について上述したコンポーネントと類似のものである。光ファイバー５５と５８から受光した光は導波管８２と８１で集光される。それぞれ導波管８２と８１中を移動する光はインテグレートされた分散エレメント２８、２８′へ進む。上記の分散エレメント２８、２８′は、好ましくは既に記述したようなアレイされた導波格子または伝搬或いは反射格子として光線供給手段４５上の分散エレメント４２と類似にデザインされたものである。分散エレメント２８、２８′は導波管８２と８１中を移動する光を、分析物ハンドリング手段７８から前方と側方散乱パス中で検出すべき多数の個別波長バンドに分割する事を意図している。典型的には、検出すべき波長は光供給手段４５によって発光された波長 λ₁．．．λ_m と使用される蛍光マーカーによって発光される波長 λ₁．．．λ_n である。普通、ｍはｎより小さいかｎに等しく、従って検出すべき波長バンドの最大数は２ｎより小さいか２ｎに等しい。分散エレメント２８、２８′によって分離されたｍ＋ｎの個別波長バンドはおのおの多数の導波管２９、２９′へ向かって導かれ、各分離された波長バンドは多数の導波管２９、２９′のどれかひとつに分離された波面としてキャッチされる。多数の導波管２９、２９′中の隣接導波管間波長混線は、図６に示したように好ましくは -20 dB より好ましくは -30 dB よりよい。図６に示した波長スペクトルは等しい間隔の波長バンドとなっているが、バンドの等しい間隔は要求されておらず、これは使用する蛍光マーカーに従って調整できる。更に波長または波長バンド λ₁．．．λ_m とλ₁．．．λ_n は、図示したようにインターリーブ（介在）されてもよい或いはお互いに考慮して異なった方法で配列されてもよい。

光ディレクティング手段１９のアウトプット導波管２９、２９′を通って伝搬された光はおのおの二つの検出器グループ３１、３１′を備えた検出手段へ導かれる；これらグループには多数の検出器があり、各検出器グループ３１、３１′はおのおのプレーナ検出器基板器３０、３０′上に装備されている。
この基板器３０、３０′は詳細を図３ａに示したように基板８０の端に突き合わせ接続されている。

図３ａに多数のアウトプット導波管２９と検出器基板３０とのインターフェースを詳細に示した。上記の検出器基板３０と導波管２９が基板８０の端まで延長している領域の基板８０の側面はおのおの研摩され、突き合わせ接続で結合されている。基板３０は基板８０に透明な接着剤または樹脂で付着されてよい。検出器３１は検出器基板３０にエッチングされたＶみぞ上にフリップチップボンディング形成されたトップエントリー・フォトダイオードでよく、これは基板８０の端に結合した基板３０の端から各フォトダイオードの入口面下部の位置まで伸びている。この目的のために、検出器基板３０は好ましくは、上記特許文献１６に記載されているような選択結晶エッチングによってＶみぞ３５にエッチングされる結晶性シリコンから成るのがよい。この加工方法によって、このように形成されたＶみぞは自動的に傾斜した端面に終着し、この端面は光を上方へ光検出器の入口面へ反射するのに使われる。即ち上記特許文献１６には、金属層３２で端面をコーティングする方法が記述されており、この金属層はＶみぞ３５の端上に伸びて形成され、同時にみぞの端面の反射能を高めかつハンダ付けパットと光検出器３１への最上の接触を提供するのに役立つ。この適切な配置によって、信号リード線３３、３４は都合よく金属層３２とフォトダイオード３１のボトム接点へ取付でき、こうして電子処理回路１００へ連結される。

本発明のもう一つの実施例（図示されない）では検出器グループ３１、３１′は、おのおの多数のアウトプット導波管２９、２９′を備えた同じ基板器８０に直接混成される。これは上記特許文献１７に記載されている検出器混成技術を利用するか集積光学方式で従来周知の他の技術を利用して達成できる。例えば導波管を提供するのにシリカまたはシリカ・オン・シリコン基板が使用される場合には、短形のリセスが基板にエッチングされ、トップエントリー・フォトダイオードが横からリセスの中に接着され、関連のある導波管をそのトップエントリー面に突き合わせる。フォトダイオードへの接続は、基板８０から突起しているダイオードの部分のダイオードのトップとボトム面へ直接ハンダ付けして行える。

本発明の他の好ましい実施例は図２ｂに示した。この例では、分析物ハンドリング手段７８が分散エレメント２８、２８′と多数のアウトプット導波管２９、２９′を備えた光学検出器の光ディレクティング手段１９と同じ基板２０の上にインテグレートされている。多数の検出器３１、３１′を積載している検出器基板３０、３０′は図２ａの基板８０で前に説明したのと同じ方法で基板２０に連結されている。この場合、分析物ハンドリング手段７８と光ディレクティング手段１９間を別の光ファイバーで接続する必要はない。

本発明の更に別の実施例では（図示しない）、光供給手段４５が同様に同じ基板２０にインテグレートされる。光供給手段、分析物ハンドリング手段と光ディレクティングならびに検出手段の全部或いはその中の幾つかが同じ基板上にインテグレートされるか或いは光ファイバーで接続された別個の基板に備えられるかは、選択される最終製造プロセス、最終機器の期待される製造歩どまりと目指す特異な応用目的に依存する。

分離した別個の基板に光供給手段、分析物ハンドリング手段と光ディレクティングならびに検出手段がインテグレートされるというパターンが選択された場合には、これらコンポーネントのどれかが故障した時、これらコンポーネントを交換または個々に保守する事が可能となる。更にその様な実施例は、これら機器類がかなりの間隔で物質的に分離できるという長所を持つ。その様な状況では、光通信ファイバーの低損失によって光供給手段、分析物ハンドリング手段と光ディレクティングならびに検出手段を数メートル、或いは数十メートルの間隔で分離することが可能である。これは、分析物ハンドリング手段を光供給手段と光検出手段よりも高い格納容器レベル・コンパートメントに位置させたり、又これら機器類を同じ建物の中で異なった場所に分散する事も出来るという長所を意味する。

図３ｂに示した好ましい実施例では、導波管２１はＹ接合部によって導波管２３と２４に分岐する。これら両者は分析物チャネル７０と導波管の分析物チャネルとの境界を横断して反射した光がチャネルに導かれている液状懸濁液または溶液に３０度〜６０度、より好ましくは４５度の角度で二つの異なった認識領域１８と１８′内で入射するような角度でインターフェースしている。分析物チャネル７０の反対側で、導波管２７は前方散乱された光を集め、導波管２６は側方散乱された光と認識領域１８′から発光された蛍光を集め、導波管２７′は前方散乱された光を集め、導波管２６′は側方散乱された光と認識領域１８″から発光された蛍光を集める。各種導波管のインターフェース角度の選択とこれらインターフェースの一般的デザインは図２ａの前述実施例において述べたのと同じ原則に基づく。その様な配置の長所は、分析物内容の測定は２ヶ所の連続した認識領域１８′と１８″で行われ、この計測によって分析物チャネル７０中を伝搬する分析物の流速とダイナミクスを直接決定出来ることである。これは、もしそのような高精度分類が要求されるならばより高精度の分析物分類、並びに分析物の差動モーションの検出を許すという長所を持つであろう。

図３ｂには、基板２０の周囲を移動する光で散乱され、導波されていない光のノイズレベルを下げるために吸収領域２５が示されている。多数のその様にドープされた吸収領域２５が導波管２３、２４、２６、２７とそれらの分析物チャネル７０とのインターフェースに近接して存在する。その様な吸収領域は例えば上記特許文献１８に記載されている。
分析物分類手段７２を備えた分析物ハンドリング手段７８を図３ｃに詳細に示した。分析物分類手段７２は、分析物チャネル７０を２^N個の分類チャネル（Ｎはカスケードのステージの数）に分岐するＹ接合部のカスケードとして形成されており、この分類チャネル群７２′は２^N個のアウトプット・ポート７４に末端を持つ。末端分類チャネル７２′の数が分析物の特性検出に使用される蛍光波長の数よりも大きいかまたはそれに等しい事が望ましい。上述したように、多数群７２′の分類チャネル並びに分析物チャネルとそれらのＹ接合部は例えば反応性イオンエッチングプロセスの方法によって基板２０にエッチングされた壕（トレンチ）として形成され、またポート７０と７４は類似のエッチングプロセスの方法によって基板２０に拡大したリセスとして形成されている。

分析物分類手段７２のどの分析物チャネルＹ接合部には一対の分類エレメント７３が取り付けられている。ここに示した好ましい実施例では、この分類エレメント７３は対極性電極で、これらは分類手段７２中に各Ｙ接合部に隣接して拡張したリセスとして分析物チャネルの両側に埋設されている。図４ｂに図３ｃの分析物チャネル７０と電極７３のＢ−Ｂ線断面を示した。電極７３はエッチングされた分析物チャネルの両側で基板の上部から基板器２０の中へ伸びている。これは反応性イオンエッチングの様な指向性エッチングプロセスで分析物チャネルの両側で基板をエッチングし、その後エッチングしたリセスにマスクを通して金属層を溶着することにより達成できる。図示したように、各電極７３の上部表面は電気リード・トレース７５（図３ｃに示した）が都合よく接続出来るように基板２０の上部の上に広まっている。この電極７３は直接分析物チャネル７０と接続されてもよいし、或いは図４ｂに示したように、基板の誘電体壁によってチャネルから分離されてもよい。図３ｃに示したように、基板器２０の表面には多数の接点トレース７５がリソグラフィック・プロセスによって形成されており、これらは電極７３から基板２０の端まで伸びており、これで電子制御ユニット７６が、図３ｃで電極７３を制御するために多数の外部リード線７７経由で接点トレース７５に接続される事が可能である。

検出セクションが分析物分類に使われる時には、使われる分析物はマイナスかプラスに荷電される。
この荷電は例えば通常の表面マーカーによって全ての分析物をマイクロビードでコーティングすればよく、この際ビードは例えばビードをＮｉＦｅまたはＣｕイオンでコーティングする事によって、マイナスやプラスのイオンチャージを懸濁液または溶液中を運ぶであろう。認識領域１８を通過する分析物は光供給手段から放射されて導波管２１で伝搬される光で照射される。認識領域１８を出た光は導波管２６、２７によって集光されて検出器３１に導かれる。もし分析物チャネルの幅、分析物の流量ならびに分析物の濃度が、一度に唯１個の粒子が導波管２１を通過できるようになっていれば、チャネル中の分析物の速度は正確に予測できる。分類領域７２の流動力学特性を考慮して正確な決定が出来るのは、分析物粒子が各Ｙ接続部を進み、対として多数あるどの電極７３も検出した蛍光波長に従って各分析物粒子をＹ接合部の分枝に方向変えするのに利用できるからである。その様な場合には、対として多数ある各電極７３に加えられる電界は粒子を方向変えできるよう十分強く、しかし粒子が分析物チャネルの壁に寄りかかって移動不能になるほど強くない事が必要である。

前述のように、分析物チャネル７０と分析物分類チャネル７２′は基板器２０野中に拡張したリセスとして形成されるが、これはこれらが基板器２０の上部表面に向かって開口していることを意味する。チャネルをシールする為に、分析物チャネル７０と分析物分類チャネル７２′周囲の範囲上に広がっている基板６０は基板２０の上部面に接着されている。基板６０の水平境界は図２ｂの破線に相当する。基板２０の状態を図２ｃにより詳しく示してある。分析物インプットポート７１と多数ある各アウトプットポート７４の位置にはシール基板６０の中に開口６１、６２が形成されており、液体導液手段６３、６４は各ポートに接続出来る。液体導液手段６３がインプット・ポート７１の領域で開口６１とインターフェースする断面は、図４ａに詳しく図示した。基板器６０の基板器２０へ接着は、両方の接着面を研摩し、基板２０と６０間におけるファンデルワールス相互作用により維持される接触結合させることによって容易に達成できる。基板２０の表面を研摩できるよう、埋設された導波管構造を採用するか、もしシリコン・オン・絶縁体リッジ導波管が使われていれば、付加的な無定形シリカまたは他の層を導波管上部に溶着し、結合が達成される前にスムースな表面状態へバック研摩すればよい。その他の結合方法としては、接着剤、レジンまたはハンダ付け等この種の方法として周知の方法があるが、重要なことは、その様な接着剤、レジンやハンダが基板上の光導波管や分析物チャネルの光学特性を害さない事である。

分析物インプット・ポート７１の領域における基板器２０と基板６０間の結合部の断面を図４ｃに示した。基板２０には分析物インプット・ポート７１用のリセスがある。基板６０にある開口６１は、厳密に上記ポート７１上方に位置する。基板６０の上部面には液体導液手段６３が位置し、これは基板６０とフランジ接続している。液体アウトプット導液手段６４は、同様にアウトプット・ポート７４の上方に配置されている。

ある実施例では分析物フローが液体導液手段６３を通ってインプット・ポート７１内に、好ましくは前決定された一定の流量で導入される。分析物フローは分析物チャネル７０を通り、分類手段７２を経てアウトプット・ポート７４へ向けられ、そこで液体導液手段６４に引き継がれる。もし分析物チャネル７０が細胞の塊のような懸濁液中の分析物集合体で閉そくする可能性を低減するのが目的の場合には、適当な前置フィルターを使える。

図５ａによる分析物ハンドリング手段の他の実施例では、シース液体を分析物チャネルに導入するインプット・チャネル２００の形の第一液体導液手段と分析物懸濁液または溶液を導入する第二のインプットチャネル２１０の形の第二液体導液手段が備え付けてある。
チャネル２１０は基板６０上方の領域でチャネル２００と同心位置にある。分析物フローの方向を追うと、チャネル２００は基板６０と接合し、他方チャネル２１０はインプット・ポート７１の空洞内へ延長しており、これは垂直にオーバーエッチングされてこの付加的機器を調節できるように構成されている。その後チャネル２１０は９０度カーブして分析物チャネル７０へ向かって進み、分析物懸濁液または溶液を分析物チャネル７０へ導入するために、チャネル７０方向を指す円すいノズル２１１が末端についている。シースとなる液体は第一のインプットチャネル２００へノズル２１１から射出する分析物懸濁液または溶液と少なくとも等しいかそれよりも高い速度で導入されるので、分析物液状懸濁液または溶液がノズル２１１からシース液体の取り囲む流れの中に導入されると、分析物フローとシース液体のフローは共に分析物チャネル７０に集中する。そして分析物フローは、先に記述した流動力学的集束のベルヌーイ効果に従って分析物チャネル７０の断面の中心へ集束される。その結果、分析物は分析物チャネルの中心部分に閉じこめられ、その際分析物チャネル７０の横断面に沿う放物線状圧力分布の中心に分析物フローが形成される。

通常フロー・サイトメトリーの応用で行っているように、分析物懸濁液または溶液用のシース液も緩衝液も酢酸塩で緩衝した塩水または類似の電解質溶液である。
図５ｂには図５ａに示した流動力学的に集束する組立構造へ利用するシース液体と液状懸濁液または溶液を提供する配置を図示した。簡単に示す為に、基板２０上に導波管は図示してない。シース液体はポンプ２２０で貯蔵タンク２６０から前置フィルター２９０のひとつとチャネル２００を通って分析物チャネル７０の入り口７１へ送られる。二番目のポンプ２３０は懸濁液または溶液緩衝液を貯蔵タンク２７０から分析物注入弁２８０へ送る。上記のポンプ２２０と２３０は通常プロテイン・液体クロマトグラフィーに使われるものと類似のものであり、注入弁２８０は液体クロマトグラフィー応用で一般に使用される注入弁でよい。分析物懸濁液または溶液のサンプルを、チャネル２１０を経由し、もう一つの前置フィルター２９０を通って入り口７１へ送られるポンプ２３０から出る分析物サンプル緩衝フローと一致して送る為に、弁２８０と共に注入ループ２４０が使われている。ポンプ２２０、２３０と注入ループ２４０は制御器２５０で電子制御される。

図３ａによる分析物ハンドリング手段７８の実施例では、２個の入射導波管２３、２４と４個の緊急導波管２６、２６′、２７、２７′が使われるが、２回光ディレクティング手段１９の分散エレメントと検出手段の検出器３１のグループが導波管２６、２６′、２７、２７′で集められた信号の検出に使われる。
本発明のもう一つの実施例では、エレメントのいくつか、または全部、即ち光供給手段、分析物分類と識別領域１８と信号検出領域は均一で繰返し操業環境を確保するために、温度制御されてもよい。システムの光学と流体コンポーネントの基板インテグレーションによって、これはそれぞれの基板をペルチェ冷却機器上に据付ける事で都合よく達成できる。その様な機器は販売されており、これらを利用すれば冷却されたパッケージ式機器のコンパクトなデザインが可能である。

本発明は、その広義の観点において前述の実施例に示され、また図に示された特異な詳細に限定されない。本発明の真意から逸脱することなしに各種の修正が可能である。
もし、例えば蛍光検出のみ要求され、分析物の分類は必要でなければ、分析物チャネル７０が分岐されないほうが有利である、即ち分析物分類領域７２は含まれず、機器は唯単一の分析物アウトプット・ポート７４を備えているに過ぎないであろう。

他の実施例では、分析物ハンドリング手段の分析物チャネル７０は基板器２０の端に沿って伸びており、分析物チャネル中の識別領域１８内での光による分析物の照射は基板の端から直接受光できる。
前述したようにいくつかの本発明実施例では、蛍光波長の数は入射波長の数よりも大きい、即ち蛍光の幾つかまたは全部はそれらの吸収ピークとして共通の波長を共有することがありうる一方、個々ではそれらの発光ピークとして異なった波長を持つ。その様な方法は、それによって光供給手段の簡素化が可能となるので、先行技術では一般に応用されている。他方励起波長の数を限定することは、
共通励起ピークを共有する一方、異なった蛍光発光ピークをもつ十分に大きな数の蛍光を特定の応用ケースに見つけることは不可能であるので、利用できる適当な蛍光数を低減することになる。場合によっては、上述したように本発明に従って構成された機器は使用する励起波長の数と一定の応用に選択された蛍光染料または粒子間での理想的な妥協を見つけるデザイン上の柔軟性を実質的に改善するであろう。

他の本発明実施例では、識別領域１８に入射する光は波長管２１に沿って基板２０を通過するよう導波する代わりに、直接分析物チャネル７０に沿う方向へ導くことによって識別領域１８へ導入されることも出来る、即ち分析物チャネル自身を光導波管として利用する。このケースでは、入射光は液体フローに平行に識別領域１８へ導入される。

従来技術として周知の蛍光活性化細胞ソーター概要図。 本発明の１実施例による光学検出機器の概要平面図。 本発明の他の実施例による光学検出機器の概要平面図。 図２ｃは分析物ハンドリング手段内のエリアを被覆する基板を示す図２ｂの光学検出機器の一部の概要透視図。 本発明の光学検出機器の検出手段の概要拡大平面図。 光学検出機器内の分析物チャネルと接合する導波管の代替実施例の概要拡大平面図。 分析物ハンドリング手段内の液体チャネルと光学導波管のレイアウトを示す概要拡大平面図。 図３ｃのＡ−Ａ線に沿った横断面で、光学検出機器内の分析物チャネルと埋設導波管を示す。 図３ｃのＢ−Ｂ線に沿った横断面で、分析物チャネルと埋設ソーター要素を示す。 図３ｃのＣ−Ｃ線に沿った横断面で、本発明の分析物ハンドリング手段の分析物インプットを示す。 流体力学的集束の補足システムを含む分析物インプット領域を示す横断面。 分析物ハンドリング手段の外部液体ハンドリング装置の概要図。 本発明の光学検出機器の光学アウトプット・スペクトル図。

Claims (56)

1. 流状懸濁液や溶液中の分析物を分析する機器で、分析物インプット領域、識別領域で分析物を照射する光供給手段からの受光用受光領域を包括した流状懸濁液や溶液に分析物を運び入れる分析物チャネル、分析物アウトプット領域、分析物チャネルの識別領域の分析物から出現した光を懸濁液または溶液中の分析物の一つの特性または多数の特性を検出する光学検出手段へ導く光導手段を含めた分析物ハンドリング手段を備え、少なくとも上記の分析物チャネルと分析物チャネル中の分析物から出現した光を波導する第一の光学導波管が同一の第一プレーナ基板上に集積されていることを特徴とする。
2. 請求項１に記載したような機器で、分析物チャネル中の分析物から出現した光を波導する第二の光学導波管が上記の第一のプレーナ基板上に集積されている。
3. 請求項１または２に記載したような機器で、分析物チャネル中の分析物から出現した光を波導する第三の光学導波管が上記の第一のプレーナ基板上に集積されている。
4. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、分析物チャネルの前後軸から３０度〜６０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第一の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
5. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、分析物チャネルの前後軸から実質上４５度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、上記の第一の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
6. 請求項２ないし５のいずれかに記載されたような機器で、第一の光学導波管によって集光された光から６０度〜１２０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、第二の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
7. 請求項２ないし６のいずれかに記載された機器で、第一の光学導波管によって集光された光から実質上９０度の角度で分析物チャネル中を移動する光を集めるように、第二の光学導波管が分析物チャネルと接合している。
8. 請求項３ないし７のいずれかに記載されたような機器で、第三の波導管は分析物チャネル内の二つの空間的に分離した認識領域へ光を注入するよう二つの導波管に分割しており、少なくとも一つの導波管は分離した認識領域のどれにも隣接して分析物から出現する光を集光するために設けられている。
9. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、第一の基板中を伝搬する非導波光線を低減するために分析物チャネルと導波管に隣接してドープした吸収領域を第一の基板上に設けるのもよい。
10. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、導波管のどれかまたは全部の屈折率が実質的に分析物懸濁液または溶液の屈折率にマッチしていることである。
11. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、少なくとも１個の導波管は、その分析物チャネルとの接合面でテーパー付きに形成されている。
12. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、少なくとも１個の導波管と分析物チャネル間の接合面に単一またはマルチプル誘電体被覆が形成されている。
13. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、予定特性の光を放射する光供給手段を備え、これは懸濁液または溶液中の分析物と分析物の特性に従って相互作用することによって可変である。
14. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、光供給手段は一つまたはより多くの離散的波長または波長バンドλ, λ₁．．．λ_m の光を放射する。
15. 請求項１４に記載したような機器で、上記の波長または波長バンドλ、λ₁．．．λ_m は測定される分析物の特性に従って選択される。
16. 請求項１４または１５のどちらかに記載したような機器で、蛍光の結果分析物が放射した波長または波長バンド λ、λ₁．．．λ_m 並びに波長または波長バンド λ、λ′₁．．．λ′_nを光検出手段によって識別できる光検出手段を備えている。
17. 請求項１４ないし１６のいずれかに記載したような機器で、いずれの波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n もお互いに -20 dB 以上オーベーラップしていない。
18. 請求項１４ないし１６のいずれかに記載したような機器で、いずれの波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n も -30 dB 以上オーベーラップしていない。
19. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、シース液体を分析物チャネルに導入する第一液体導液手段と分析物懸濁液を分析物チャネルに導入すれ第二液体導液手段を備え、これら２個の液体導液手段は、分析物懸濁液または溶液が分析物チャネルの中心へ流動力学的に集束出来るように形成されている。
20. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、分析物チャネルが第一プレーナ基板の上部表面に機械加工されているかエッチングされており、かつ上記分析物チャネルは上記の上部表面の方へ開いており、分析物チャネルは、分析物チャネルの領域上へ広がった第四の基板を第一の基板へ取り付ける事によってシールされている。
21. 請求項２０に記載したような機器で、開口が第四基板にあり、分析物インプット・ポート並びにアウトプット・ポートを経由して液体を分析物チャネルへ注入また分析物チャネルから受け取れるように、液体導液手段が機器に結合している。
22. 請求項１、２、４ないし７、９ないし２１のいずれかに記載したような機器で、分析物チャネル７０は基板器２０の端に沿って伸びており、分析物チャネル中の識別領域１８内での光による分析物の照射は基板の端から直接受光できる。
23. 請求項１、２、４ないし７、９ないし２１のいずれかに記載したような機器で、導波管と分析物チャネルが第一基板の同じリセスに形成され、入射光は光を分析チャネルに沿った方向へ向けることにより、識別領域内へ導入される。
24. 前述のいずれかの請求項に記載したような機器で、少なくとも一つの請求項３０ないし３２のいずれかに記載された分析物分類手段、請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、請求項３８ないし４０のいずれかに記載された光ディレクティング手段、請求項４１ないし４７のいずれかに記載された光検出手段を備えている。
25. 請求項２４に記載されたような機器で、少なくとも二つの請求項３０ないし３２のいずれかに記載された分析物分類手段、請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、請求項３８ないし４０のいずれかに記載された光ディレクティング手段、請求項４１ないし４７のいずれかに記載された光検出手段を光ファイバーを使ってお互いに接続できる。
26. 請求項２４または２５のどちらかに記載したような機器で、少なくとも二つの請求項３０ないし３２のいずれかに記載された分析物分類手段、請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、請求項３８ないし４０のいずれかに記載された光ディレクティング手段、請求項４１ないし４７のいずれかに記載された光検出手段が同じプレーナ基板上に集積されている。
27. 請求項１ないし２６のいずれかに記載された機器、または請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、または請求項３８ないし４０のいずれかに記載された光ディレクティング手段で、第一基板、第二基板と第三基板のどれもシリカから成る。
28. 請求項１ないし２６のいずれかに記載された機器、または請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、または請求項３８ないし４０）項のいずれかに記載された光ディレクティング手段で、第一基板、第二基板と第三基板のどれもシリカ・オン・シリコンから成る。
29. 請求項１ないし２６のいずれかに記載された機器、または請求項３３ないし３７のいずれかに記載された光供給手段、または請求項３８ないし４０のいずれかに記載された光ディレクティング手段で、第一基板、第二基板と第三基板のどれもシリコン・オン・絶縁体から成る。
30. 少なくとも一つのＹ接合部を含む多数の分類チャネルを備えた液状懸濁液または溶液中の分析物を分類する分析物分類手段が第一基板上にインテグレートされており、対極の電極が少なくとも１個のＹ接合の両サイドで第一基板中に形成されている。
31. 請求項２８に記載したような分析物分類手段で、多数の分類チャネルが少なくとも２個のステージをもつＹ接合部のカスケードとして形成されている。
32. 請求項２９に記載したような分析物分類手段で、外部のコンピューター制御された電源を第一基板上に形成された多数の対として存在する各対極電極に接続するために、多数のコンタクト・トレースが第一基板上に形成されている。
33. 液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用目的の光供給手段で、光供給手段の一つまたは数個のコンポーネントが第二のプレーナ基板上に集積されている。
34. 請求項３３に記載したような光供給手段で、少なくとも一つまたは多数の発光ダイオードまたはレーザー・ダイオードを備え、これらは第二のプレーナ基板に取り付けてある。
35. 請求項３４に記載したような光供給手段で、発光ダイオードまたはレーザーダイオードから発光する光を運ぶ少なくとも一つのインテグレートされた光学導波管を形成しており、発光ダイオードまたはレーザーダイオードから引き出されている。
36. 請求項３４に記載したような光供給手段で、数個の導波管が発光ダイオードまたはレーザーダイオードのアレイのどれからも引き出されており、導波管から受光した異なった波長 λ₁．．．λ_m の光を単一アウトプット導波管へ組合わせるように分散エレメントが第二のプレーナ基板上にインテグレートされている。
37. 請求項３６に記載したような光供給手段で、分散エレメントは第二の基板にエッチングされたリセスのアレイによって形成されたアレイされた導波格子またはトランスミッション・格子である。
38. 液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用目的の光ディレクティング手段で、少なくとも一つの分散エレメント、少なくとも一つの光を分散エレメントの方向へ導く光学導波管ならびに、少なくとも一つの分散エレメントによって分離すべき波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．． λ′_n の光を集光する少なくとも一複数個のアウトプット導波管が第三のプレーナ基板上に集積されている。
39. 請求項３８に記載したような光ディレクティング手段で、分散エレメントは第二の基板にエッチングされたリセスのアレイによって形成された、アレイされた導波格子またはトランスミッション・格子である。
40. 請求項３８または３９のいずれかに記載された光ディレクティング手段で、１個のの分散エレメント、光を分散エレメントに向かって導く１個の光学導波管と分離すべき波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n の光を集光する一複数個のアウトプット導波管が配置され、これらはおのおの前方散乱経路から受光した光を分離したり、分析物識別領域から通じるサイド散乱経路からの光を分離したりする目的をもつ。
41. 液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用目的の光検出手段で、少なくとも一つの光学検出器が第五プレーナ基板内にインテグレートまたは基板上に混成されている。
42. 請求第項４１に記載したような液状懸濁液または溶液中の分析物を分析する機器の応用目的の検出手段で、各々１個ずつ波長 λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n の異なった一つを検出するための検出器を備えた多数個の光検出器が設けてある。
43. 請求項４１または４２のどちらかに記載したような光検出器で、検出器はどれもフォトダイオードである。
44. 請求項４１ないし４３のいずれかに記載された光検出器で、各検出器は第五基板中に形成された傾斜端面内に成端する数個のＶみぞの一つの上部に装着されており、上記Ｖみぞは基板の縁まで広がっている。
45. 請求項４１ないし４４のいずれかに記載した光ような検出器で、第五基板は第三基板に突き合わせ接合しており、適当な接着剤かレジンで接着されている。
46. 請求項４１ないし４５のいずれかに記載したような光検出器で、多数個検出器の各々は第三プレーナ基板中にインテグレートした多数のアウトプット導波管の少なくとも一つ内の異なった導波管からの光を受光する。
47. 請求項４１ないし４６のいずれかに記載された光検出器で、検出器のアレイはおのおの前方散乱経路から透過した光や分析物識別領域から通じるサイド散乱経路から透過した光を受光するのに設けられている。
48. 液状懸濁液または溶液中の一つまたは複数の分析物の特性を測定する請求項１ないし２９のいずれかに記載したような光検出機器の使用。
49. 請求項４８に記載したような光検出器の使用で、液状懸濁液または溶液中の一つまたは複数の分析物の光学特性は、既知の光学特性のマーカーでマークされ、光供給手段の一つまたは多数の波長または波長バンド（複数 λ₁．．．λ_m は、使うマーカーの発光と吸収ピークに従って選択される。
50. 請求項４８または４９のどちらかに記載したような光検出器の使用で、分析物用マーカーは蛍光性である。
51. 請求項４８ないし５０のいずれかに記載したような光検出器の使用で、懸濁液または溶液の分析物をそれらの異なった光学特性に従って分類する事は、これらを異なった特性に従って異なった分類チャネルに導入することによって行う。
52. 請求項１ないし２９に記載したような光検出機器を使用して液状懸濁液または溶液中の分析物を測定する方法。
53. 請求項５２に記載したような光検出機器を使用して液状懸濁液または溶液中の分析物を測定する方法で、分析物から出現する光の少なくとも２種類の波長または波長バンド λ₁．．．λ_m 、λ′₁．．．λ′_n を同時に検出することで遂行される。
54. 請求項５２または５３のいずれかに記載したような光検出器を使用する方法で、分析物チャネルと分類チャネルを通過する分析物懸濁液または溶液のフローは可逆的なフローである。
55. 請求項５２ないし５４のいずれかに記載したような光検出機器を使用する方法で、第一インプット・チャネルによって導入されたシース液体は、第二インプットチャネルによって分析物チャネルの中心へ導入された分析物懸濁液または溶液を閉じ込める。
56. 請求項５２ないし５４に記載したような光検出機器を使用する方法で、識別領域中の分析物を照射する光は、これを分析物チャネルに沿って導光することによって識別領域へ導入される。

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