JP2006504102A

JP2006504102A - 集積型発光読み取り装置

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Publication number: JP2006504102A
Application number: JP2004547747A
Authority: JP
Inventors: ピエール・ラブユ; パトリック・プートー; フランソワ・ペロー; フレデリック・ギノ
Original assignee: Biomerieux SA
Current assignee: Biomerieux SA
Priority date: 2002-10-24
Filing date: 2003-10-23
Publication date: 2006-02-02
Anticipated expiration: 2023-10-23
Also published as: FR2846420B1; EP1554565A2; FR2846420A1; EP1554565B1; WO2004040269A3; AU2003292366A1; AU2003292366A8; WO2004040269A2; US20060023216A1; JP4490281B2

Abstract

本発明は、発光の光学的検出により少なくとも１つの試料を検査する装置（１）に関し、その装置は、試料を受け取るためにサイト（３）を含み、前記サイトは、前記装置の光学誘導面（２）内で励起発光を試料が受け取って、発光による光を試料が放出することが可能なように適合される。この装置は、光学誘導面（２）に光学的に接続され、発光による光を受け取る収集手段（７）をさらに含む。この装置は、光学誘導面において放出され、収集手段により直接収集されなかった発光による光の一部を、収集手段（４）の方に送り返すことを可能にする手段をさらに含む。

Description

本発明は集積型発光読み取り装置に関わり、バイオ素子、言い換えれば検査しようとしている生物学的試料を受け取ることを意図するマイクロデバイス(micro−devices)の分野における適用を見出だすものであって、特に、チップにおける生物学的試料からの発光を読み取る手段の機能を集積して、新しいモデルのバイオチップ(biochip)に適用されるものに関する。

バイオチップの分野では、通常、生物学的試料の検査は、蛍光を光学的に検出することによって行われる。全ての前記試料は、とりわけ光の放出または発光の要因となるように励起されることがよくある。この励起は、光を生じさせる化学反応でありうる。しかしながら、しばしば、この励起は光ビームであり、それ故、試料は蛍光として知られた光を生じさせる。最も広く用いられる構成は、表面発光で機能する顕微鏡を使用すること、言い換えれば、生物学的試料を備えたチップの表面が顕微鏡レンズによって集束された光源を用いて照明され、そして生物学的試料から放出された螢光が同じレンズ、または、ある一定の方向に放出された螢光線の方向を変更するエッチングされた回折ネットワークによって収集される機能を使用することにある。

第２の構成によると、蛍光粒子の励起は、チップ面に形成された誘導面に伝達される光ビームによって行われ、そして、螢光線の回収は標準的な顕微鏡によって達成される。

第３の構成によると、蛍光励起は、チップ面に形成された導波路(waveguide)によって行われ、そして、放出された螢光線の回収は、チップ面で形成された導波路によって達成される（特許文献１参照）。

第４の構成によると、遥かにまれに、蛍光励起が、生物学的試料を備えたチップ表面を照明するビームによって行われ、そして、放出された螢光線の回収は、チップ面に形成された導波路によって達成される（特許文献２及び特許文献３）。

これらすべての従来技術の構成には、いくつかの短所がある。

導波路によって励起ビームをチップに導入するとき、光導波路における励起光のカップリング(coupling)の問題があり、それは、かなり厳しい位置設定許容誤差とそれによる高コストな調整システムを課す。

さらに、放出される蛍光線の収集効率の問題がある。実際に、蛍光粒子または分子によって放出された光は、主にチップ面に閉じ込められ、前記面のあらゆる方向に放出される。

非特許文献１には、蛍光の光学的検出のために毛細管をバイオチップに一体化することが提案されている。しかしながら、これらの毛細管の利点は機能の上だけで、それらは測定性能の向上のための、いかなる最適化も可能としない。結局、それらの幾何学的構造のため、光ファイバ探針のような毛細管によって多数の生物学的認識接触を満足するのは不可能である。
スイス特許出願公開第６６０６３３号明細書ドイツ特許出願公開第１９６５１９３５号明細書特開平１１−０２３４６８号公報Ｆ．Ｓ．Ｌｉｇｌｅｒら、「集積型導波路バイオセンサ (Integrating Waveguide Biosensor)」の記事、２００２年２月１日、第７４巻第３号、ｐ７１３〜ｐ７１９

本発明は、放出されチップで捕らえられる発光による光を有利に扱うことによって、これらの問題を救済することを可能にするものである。

例えば高屈折率差を有する導波路を形成することにより、チップの外向きよりも多くの放出光をチップ内に存在させる。しかしながら、この光がチップ面に閉じ込められて残っていれば、その光は前記面のすべての方向に放出される。

従って、本発明は、発光の光学的検出により少なくとも１つの試料を検査する装置であって、試料を受け取るためのサイトを含み、前記サイトは、前記装置の光学誘導面内で励起発光を試料が受け取って、発光による光を試料が放出することが可能なように配置され、その装置は、前記発光による光を受け取るために光学誘導面に光学的に接続された収集手段をさらに含み、さらに、前記装置は、前記光学誘導面において放出され、前記収集手段により直接収集されなかった発光による光の一部を、前記収集手段の方に送り返すことを可能にする手段を、前記光学誘導面内に含むことを特徴とする装置を対象とする。

上記検査装置は、発光による光を検出する手段をさらに備えることができ、前記検出手段は前記収集手段の出力側に配置される。この場合、装置が基板上に形成されているならば、その光学誘導面は前記基板に平行な面にすることができ、前記発光による光検出手段は前記基板に平行な面に対し垂直な面に沿って配置されうる。

前記発光による光の一部を前記収集手段の方に送り返すことを可能にする手段は、楕円ミラー、放物面ミラー、光禁制帯構造(photonic forbidden bandstructure)、共振ディスク型構造(resonating disc type structure)、及び１つ以上の集束レンズのうちから選択されることができる。

前記収集手段は少なくとも１つの光導波路を含むことができる。それら収集手段は、装置における前記光学誘導面が終端するウェハ上に設置されることができる。また、それら収集手段は励起光ビームをフィルタリングする手段を含むことができる。

検査装置は、いくつかの試料受け取りサイトを含むことができる。

検査装置は、第１のシリコン酸化物層と、光学誘導面として機能するシリコン窒化物層と、試料を受け取るためのサイトが形成される第２のシリコン酸化物層と、により連続的に被覆されたシリコン基板から形成されることができる。

前記試料は、バクテリア、菌類、ウイルス、化合物、健全な細胞または腫瘍性の細胞、並びにペプチド、タンパク質、酵素、多糖類、脂質、リポ蛋白質、核酸、ホルモン、抗原、抗体、成長因子、またはハプテンなどの分子、のような微小有機体のうちから選択される生物学的試料とすることができる。

例示により、また全く非限定的に、さらに以下の添付図面の参照により与えられた下記の説明を読めば、本発明は、より完全に理解され、そして他の利点及び特徴が明白となるであろう。

以下の説明は、蛍光のような特定の光の場合に関するものである。

本発明によれば、チップ上に集積された光学的構造を形成し、前記チップ上にある生物学的試料から放出される蛍光線をチップのウェハ上で回収することが可能となる。試料の励起は、用いられる指示手段が励起ビームの波長に対して透明ならば、あるいは励起ビーム及び放出された螢光線を伝達するように動作する同様の光導波路により、上からも下からも無差別に実施できる。

本発明によれば、光学誘導面内のすべての方向に放出された最大の蛍光線を回収し、回収された蛍光線を１個または数個の光検出器の方に指向しようとすることが狙いである。

図１は本発明による第１の実施形態の概要を示す俯瞰図であり、その光学誘導面２に対応する断面に沿った装置１を示している。参照番号３は分析すべき試料を支持する検査コンタクト（contact、接触部）を示している。楕円ミラー４は、帯状の光検出器６を備えている装置のウェハ５の方に、試料から放出された蛍光線を指向するように、それぞれのコンタクト３を囲んでいる。

ウェハ５の最も近くに位置する検査コンタクト３に対して、ミラー４はウェハ５に螢光線の焦点を直接合わせる。ウェハ５から最も遠くに位置する検査コンタクト３に対して、ミラー４は前記光をウェハ５まで伝達する光導波路７の端部に螢光線の焦点を合わせる。従って、収集手段を、簡単に検査装置のウェハから構成するようにでき、または、収集手段を、光導波路とウェハとによって形成された組み合わせから構成するようにできる。

必要に応じて、前記導波路によって伝達された寄生光を減少させるために、フィルタリングネットワーク(filtering network)８を光導波路７に組み合わせることができる。フィルタリング機能はブラッグ・ネットワーク(Bragg network)またはエバネセント結合(evanescent coupler)によって得られる。

図２は本発明による第２の実施形態の概要を示す俯瞰図であり、その光学誘導面１２に対応する断面に沿った装置１１を示している。参照番号１３は分析すべき試料を支持する検査コンタクトを示している。この実施形態では、光学誘導面は蛍光スペクトル帯域に適合させた光禁制帯構造を有し、蛍光線を経路１９の方へ方向付けるように分布させた複数のコンタクト１４から構成される。

示された例では、光導波路１７は、経路１９から発した蛍光線を装置１１のウェハ１５まで伝達することを可能にする。光禁制体構造の利点は、励起光をフィルタする機能を実行することも可能なことである。

図３は本発明による第３の実施形態の概要を示す俯瞰図であり、その光学誘導面２２に対応する断面に沿った装置２１を示している。参照番号２３は共振ディスク上の検査コンタクト示しており、このコンタクトは分析すべき試料を支持する検査コンタクトでもある。

共振型ディスクは試料の蛍光源から放出された光のより良好な過程を可能にする。この場合、放出された光はディスクの伝搬モードに従う円内を伝搬し、示された例では、共振型ディスクの近くに配置されたマイクロ導波路２７に向かうエバネセント波と結合される。蛍光源の発光波長に対応する共振条件を有するように、ディスクが正しく寸法設定されるならば、キャビティー(cavity)での共振増幅効果により、信号を最大化できるという利益を得ることができる。共振条件は以下の公式により得られる。

ここに、ｎは誘導構造における１次モードの伝搬の有効な屈折率、Ｌはディスクの全周、λは共振波長、ｋは干渉次数に対応する整数である。

結合の幾何学的構造は、種々の技法（ＢＰＭ、結合モード理論など）によって最適化できるが、その目的は、ディスクにおける共振子(resonator)及び異なる伝搬損失を与える光出力強度を最大にすることである。

マイクロ導波路２７は、装置２１のウェハ２５まで放出された螢光線を伝達し、光検出器２６が検出される螢光線を受け取る。必要に応じて、フィルタリングネットワーク２８をマイクロ導波路２７に組み合わせることができる。

図４は本発明に使用することができる放物面回収ミラー示す俯瞰図である。検査装置４１またはチップの光学誘導面４２上に、単一の検査コンタクト４３を図示した。検査コンタクト４３は放物面ミラーによって囲まれており、その放物面ミラーは、大表面積をもった光検出器４６を配置した装置のウェハ４５の方に、螢光線の光線を送り返すことを可能にする。送り返された光線は互いに平行である。

図５は螢光線を再集束するためのシステムを示す俯瞰図である。検査装置５１の光学誘導面５２上に、単一の検査コンタクト５３を表示した。光学誘導面５２上に形成された２つの集束レンズ５４により、コンタクト５３から来る螢光線の一部を回収することが可能となる。レンズ５４は、装置５１のウェハ５５上に位置した光検出器５６の方に回収される光を伝達するための導波路５７の最初の端部に向かって、回収される光を集束させる。

図６は本発明に使用することができる楕円ミラーの作用の説明図である。楕円ミラー６４はコンタクト６３を囲んでいる。コンタクト６３は、光学誘導面の上に配置された光導波路６７の光軸と一致するミラー６４の軸上に配置される。

放出コンタクト６３の半径をｒ、楕円ミラーの長軸をａ、短軸をｂ、焦点をｆと指定すると、ｆ、ａ、及びｂの関係は以下の公式を与える。

従って、楕円ミラーによるコンタクトの像は、コンタクトから２ｆの距離にできる。ｄを導波路６７の直径、ｎ_ｃを導波路のコアの屈折率、ｎ_ｇを導波路のコア周囲の中間層の屈折率とすると、これらの条件の下では、開口数ＮＡは以下の関係から与えられる。

周囲の環境における光の回収の最大角度（図６参照）は、以下の式で与えられる。

この場合、楕円ミラーによって回収され、導波路で伝達される光の広がり角(sector)γは以下の式で与えられる。

ここで、

この広がり角に対し、コンタクト６３から導波路に向かって直接伝達される光、即ち以下の式で表される広がり角βに対応する光を加えることができる。

従って、回収される光のレベルは以下の通りとなる。

例えば、シリカ（二酸化ケイ素）中に窒化ケイ素を閉じ込めた誘導層、１００ｍｍ幅の導波路、及び１ｍｍの長軸と０．５ｍｍ短軸をもつ楕円ミラーを採用すると、以下の値が得られる。即ち、ｆ＝０．８６ｍｍ、及びη＝９５％が得られる。

図７は、本発明に使用することができる楕円ミラーとレンズの組み合わせを示す。コンタクト７３は、楕円ミラー７４と、２つの集束レンズ１７４及び２７４の間に配置される。楕円ミラー７４は、図６に示すように、蛍光線の一部を導波路７７の方に送り返す。楕円ミラー７４によって回収されなかった光、または導波路７７によって直接捕らえられなかった光は、導波路１７７及び２７７の端部に受け取られた光をそれぞれ集束させるレンズ１７４及び２７４により完全に回収される。そして、導波路７７、１７７及び２７７は、コンタクト７３から放出された螢光線を光検出器の方へと伝達する。

図１から７に表示された光回収構造は、例えばフォトリソグラフィー及びエッチングにより、上述した装置の面内に形成される。

図８は本発明による検査装置の縦方向断面図である。装置８１は、良好な機械的特性のために、基板８０、つまり、例えばシリコンで形成される。第１シリカ層９０が、例えばシリコンの熱酸化により基板８０上に形成される。層９０は、１．５μｍとすることができ、基板８０から誘導層８２を光学的に分離するのに十分な厚みである。従って、層９０は、例えばＬＰＣＶＤ（減圧化学蒸着）法で蒸着された窒化シリコンからなる誘導層８２を備える。５０ｎｍから２００ｎｍの厚さは、緑色（０．５μｍ）から近赤外まで（１μｍまで）の蛍光源の古典的な発光波長もつ光の単一モード誘導を可能にする。

誘導層８２は、例えばＰＥＣＶＤ（プラズマ促進化学蒸着）法で蒸着された第２シリカ層１００を備える。１μｍより厚い厚みは、シリカ層１００／空気界面の光導波路が分離されることを可能にする。

パターンは、例えばフォトリゾグラフィ及び反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）により、種々の層で被覆された基板上に形成される。そして、螢光線発光コンタクトを形成する試料９３を受け取るためのサイト８３を構成するために、層１００は誘導層８２までエッチングされる。生物学的粒子をこれらの材料に移植することは簡単であるので、これらの材料は、全てが特に興味深い。層１００、８２、及び９０は、基板８０までエッチングされ、螢光線を回収するためのミラー８４がエッチングされた側のその部分に形成される。ミラーはステンシル型マスク(stencil type mask)を通した蒸着により堆積したアルミニウムから成すことができる。

第２シリカ層の蒸着の前に、必要に応じて、窒化シリコン層に反応性イオンエッチングを施し、チップの端部まで光を伝達することを可能にする導波路を形成することができる。

図９はそのような導波路を有する検査装置１１１の横方向断面図である。この断面は、第１シリカ層１２０、窒化ケイ素からなる光導波路１１７、及び第２シリカ層１３０を備え、シリコンからなる基板１１０を示している。導波路は１μｍ（コンタクトのフォトリソグラフィーが可能な限界の幅）から数十μｍ、あるいは数百μｍにもなる幅を有することができる。

図１０、１１Ａ及び１１Ｂは、本発明による検査装置の一部分に対応し、集束レンズと光導波路を示している。

図１０は検査装置１２１の一部分の俯瞰図であり、その誘導層の上部限定層１４０を示している。矢印は、図示しないコンタクトから放出された螢光線の伝搬の方向を表す。図１０では、集束レンズ１２４と、装置１２１のウェハ１２５まで集束された光を伝達することを意図した光導波路１２７が示されている。

集束レンズ１２４は、誘導層１２２に達するまで（図１１Ａ参照）上部限定層１４０をエッチングすることにより得られる。このレンズ領域は、エッチングによって周囲の環境より低い屈折率を有するので、表示された構成は、この特定の場合においては集束性の構成となる。図１１Ａでは、下部限定層１５０をも示しており、基板は表示されていない。

図１１Ｂは、層１５０と層１４０の間に螢光線を伝達することを意図した導波路１２７を示している。

本発明によれば、いくつかの光学現象が集積された光学的構造の使用により有利に採用される。検査に必要なフィルタリング機能を除外することを可能にする、ある一定の波長範囲にこの蛍光を「強制」することによって、チップ表面上に刻まれたフォニック結晶を使用することを、蛍光の放出が可能な状態で直接実施することができる。これが、ある一定の波長範囲で放出された光の一部を保つだけの効果を有するような波長フィルタリングに関与しないが、その代わりそれらの波長での放出に「強制」する機構に関与する、ということを指摘することは重要である。従って、有用な全てのエネルギーが適切な波長に存在する。そして、検出すべき光量における最初の改善が得られる。

そして、チップ上に集積される構造を形成することの可能性により、チップに放出された光を、より効率的に回収することもできる。検出器に向かって光を伝達するマイクロ導波路を形成でき、放出された光を再回収することを可能にするミラー、またはその代わりに信号とノイズの比を改善することを可能にする波長フィルタを形成できる。

全体的に見て、本発明は、蛍光検査システム（読み取りバイオ素子）を低コストで得ることを可能にする。実際に、導波路によって照明を行わずに、単に上方から行なうならば、読み取りシステムは、読み取り機と関係する、また特に励起光源と関係するチップの正確な配列を必要としない。しかも、蛍光コンタクトを検出するための何らかのイメージングシステムに関係するように正確にチップを配列することは、もはや必要でない。さらに、回収がウェハによって行われるので、列状の光検出器を選択することにより、マトリクス状の検出器の場合よりも遥かにコストを削減することができる。最終的には、例えばコンタクトの再集束またはフィルタリングなどのチップ上に刻み込まれた全ての光学機能は、それらの機能を読み取り機に含める必要性をなくすことができ、その読み取り機は、事実上、幅広の光源、チップのための容器、及び列状の検出器として集約できる。蛍光を回収することは非常に効率的であるので、このような低コストの読み取り機は益々高感度な読み取り機にできるであろう。

本発明の第１の実施形態の俯瞰図である。本発明の第２の実施形態の俯瞰図である。本発明の第３の実施形態の俯瞰図である。本発明に使用することができる放物面回収ミラー示す俯瞰図である。本発明に使用することができる螢光線を再集束するためのシステムを示す俯瞰図である。本発明に使用することができる楕円ミラーの作用の説明図である。本発明に使用することができる楕円ミラーとレンズの組み合わせを示す。本発明による検査装置の縦方向断面図である。本発明による検査装置の横方向断面図である。本発明による検査装置の一部分の俯瞰図であって、集束レンズと光導波路を示す。図１０のＡＡに沿った断面図である。図１０のＢＢに沿った断面図である。

符号の説明

１検査装置
２光学誘導面
３検査コンタクト
４楕円ミラー
５ウェハ
６光検出器
７光導波路
１１検査装置
１２光学誘導面
１３検査コンタクト
１４コンタクト
１５ウェハ
１７光導波路
１９経路
２１検査装置
２２光学誘導面
２３検査コンタクト
２５ウェハ
２６光検出器
２７マイクロ導波路
２８フィルタリングネットワーク
４１検査装置
４２光学誘導面
４３検査コンタクト
４５ウェハ
４６光検出器
５１検査装置
５２光学誘導面
５３検査コンタクト
５４集束レンズ
５５ウェハ
５６光検出器
５７導波路
６３コンタクト
６４楕円ミラー
６７光導波路
７３コンタクト
７４楕円ミラー
７７導波路
８０基板
８１装置
８２誘導層
８３サイト
８４ミラー
９０第１シリカ層
９３試料
１００第２シリカ層
１１０基板
１１１検査装置
１１７光導波路
１２１検査装置
１２２誘導層
１２４集束レンズ
１２５ウェハ
１２７光導波路
１４０上部限定層
１５０下部限定層
１７４集束レンズ
１７７導波路

Claims

発光の光学的検出により少なくとも１つの試料を検査する装置（１、１１、２１、４１、５１、８１、１１１）であって、試料を受け取るためのサイト（３、１３、２３、４３、５３、６３、７３）を含み、前記サイトは、前記装置の光学誘導面（１、１２、２２、４２、５２）内で励起発光を前記試料が受け取って、発光による光を前記試料が放出することが可能なように配置され、前記装置は、前記発光による光を収集するために光学誘導面に光学的に接続された収集手段をさらに含み、さらに、前記装置は、前記光学誘導面において放出され、前記収集手段により直接収集されなかった発光による光の一部を、前記収集手段の方に送り返すことを可能にする手段（４、１４、４４、５４、６４、７４）を、前記光学誘導面内に含むことを特徴とする装置。
発光による光を検出する手段（６、２６、４６、５６）をさらに備え、前記検出手段は前記収集手段の出力側に配置されることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記装置は基板上に形成されており、前記光学誘導面は前記基板に平行な面であり、前記発光による光検出手段は前記基板に平行な面に対し垂直な面に沿って配置されることを特徴とする請求項２に記載の検査装置。
前記発光による光の一部を前記収集手段の方に送り返すことを可能にする手段は、楕円ミラー（４、６４、７４）、放物面ミラー（４４）、光禁制帯構造（１４）、共振ディスク型構造、及び１つ以上の集束レンズ（５４、１７４）のうちから選択されることを特徴とする請求項１に記載のことを特徴とする検査装置。
前記収集手段は少なくとも１つの光導波路（７、１７、２７、５７、６７、１７７、２７７）を含むことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記収集手段は、前記装置における前記光学誘導面が終端するウェハ上に設置されていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
励起が光ビームによるものであって、前記収集手段は励起光ビームをフィルタリングする手段（８、２８）を含むことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
いくつかの試料受け取りサイトを含むことを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
第１のシリコン酸化物層（９０）と、光学誘導面（８２）として機能するシリコン窒化物層と、試料（９３）を受け取るためのサイト（８３）が形成される第２のシリコン酸化物層（１００）と、により連続的に被覆されたシリコン基板（８０）から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の検査装置。
前記試料は、バクテリア、菌類、ウイルス、化合物、健全な細胞または腫瘍性の細胞、並びにペプチド、タンパク質、酵素、多糖類、脂質、リポ蛋白質、核酸、ホルモン、抗原、抗体、成長因子、またはハプテンなどの分子、のような微小有機体のうちから選択される生物学的試料であることを特徴とする請求項１から９のうちいずれか１項に記載の検査装置。