JP2006512577A - 表面プラズモン共鳴センサー - Google Patents

表面プラズモン共鳴センサー Download PDF

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Abstract

表面プラズモン共鳴(SPR)センサーであって、透明な基板の表面上に形成された少なくとも一つの導体要素を含む薄膜伝導層と、該伝導層と該基板の界面を照射するよう制御可能なシステムと、界面領域より反射された光源からの光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、少なくとも一部が弾性材料から形成され、一部が伝導層領域により形成された壁より定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルと、針のルーメンに通じる吐出開口部を有する少なくとも一つの中空針であって、吐出開口部が流路ルーメンに通じるように少なくとも一つの針で弾性材料を貫通することにより該流路と針のルーメンとの間に流体の流れが達成される少なくとも一つの中空針とを有する。

Description

本発明は表面プラズモン共鳴 (SPR) センサーに係るものであり、特にSPR センサー表面上にプローブを形成する方法と装置、SPR センサー表面を照射する方法と装置、SPR センサーでの液流を制御する方法と装置に関するものである。
SPR センサーは伝導性材料の薄い層に接触する材料層 (本発明では「プローブ層」と呼称される) の領域の比誘電率や厚さ(本発明では「光学特性」と呼称される) に対応した光学信号を発生する。伝導性の薄膜は、ここではSPR導体と呼称され、通常厚さは100nm以下であり、通常銀または金などの金属により、ガラスなどの透明な基板表面上に形成される。SPR導体が形成された表面は以下「センサー表面」と呼称される。
随意的に、SPR センサーのクレッチャマン構成などにおいては、センサー表面は三角形断面を有するプリズムの第一表面である。適切な光源からの光はプリズムの第二表面を通しプリズム内に導入され、光がプリズム内部から、SPR導体上にゼロではない入射角で光が入射するようになる。光は直線偏光され、「p」偏光成分を有する。SPR導体は十分に薄く、プリズムとSPR導体の境界で臨界角度より大きな入射角については、光のエバネッセント場は十分にプローブ層まで透過する。光源からの光は、センサー表面とSPR導体の境界から反射され、プリズムの第三表面よりプリズムを通過し、CCDなどの適切な光電表面により検知される。
入射角のある角度に於いて、臨界角度よりも大きい「共鳴角度」と呼ばれる特定の角度があり、この角度に於いて、光のp偏光のエバネッセント場は、SPR導体内の電子の電荷密度波の伝播モードと共鳴する。電荷密度波はSPR導体表面に沿って伝播する傾向にあり、通常「表面プラズモン」と呼称される。
共鳴角度と共鳴角度近傍の「共鳴角度幅」の範囲内で、エネルギーはエバネッセント場からのエネルギーは表面プラズモンに結合される。
エバネッセント場から表面プラズモンにより吸収されたエネルギーのため、一定の波長に対し、入射角度に対応する光の反射は、プラズモン共鳴の角度幅内の角度で顕著に減少し、共鳴角度で極小値をとる。更に角度の関数としての反射光の位相は、プラズモン共鳴の角度幅内の角度に対して比較的早く変化する。
同様に、入射光のある入射角度に於いて、入射光がSPR導体の表面プラズモンと共鳴する固有の共鳴波長が存在する。入射波長の関数としての光の反射はプラズモン共鳴の「波長幅内」の波長で顕著に減少し、共鳴波長で極小値をとる。波長の関数としての反射光の位相は、プラズモン共鳴の波長幅内の波長に対して比較的早く変化する。
表面プラズモン共鳴を特徴づける、SPR共鳴角度、共鳴波長、反射と位相の変化はここでは「SPRパラメタ」として呼称される。SPRパラメタは(プリズムガラスのような)基板、SPR導体、更には、エバネッセント場がプローブ層にまで浸透するため、プローブ層の光学特性の関数である。
SPRセンサーの典型的な操作では、センサー表面への入射光の波長は固定され、光の入射角度が変化するか、光の入射角度が固定され、波長が変化するかのいずれかである。これらいずれかの条件のもとで、センサー表面領域から光電表面へ反射された光に対応する光電表面により生じた信号は、その領域に関して少なくとも一つのSPRパラメタを決定するのに用いられる。少なくとも一つのパラメタが、プローブ層と相互作用によりプローブ層の屈折率に影響を与える材料 (本発明では「ターゲット材料」と呼称される) の特性を決定するのに使用される。ターゲット材料は通常液体または気体であり、ターゲット液体またはターゲット気体は適切な「フローセル」によりプローブ層の表面へ移送される。
例えば、幾つかの例に於いて、SPRセンサーのセンサー表面上を流れ、プローブ層の構成要素と相互作用することで、プローブ層の光学特性を少なくとも一つ変化させるターゲット液体または気体中の検体を同定し分析するのにSPRパラメタは使用される。幾つかの適用例に於いて、SPRパラメタは、プローブ層の材料とプローブ層の光学特性に影響をもたらすターゲット材料との間での相互作用速度率といった相互作用特性の決定に用いられる。相互作用速度率はプローブ層の光学特性の変化率であり、それ故、SPRセンサーにより決定されたSPRパラメタの変化率に等しい。求められたSPRパラメタの変化率は相互作用の速度率を決定するのに用いられる。
SPRセンサーとその手法は、通常プローブ層の光学特性に非常に敏感であり、比較的小さい刺激により生じたプローブ層の光学特性の変化を検知するのに有用であることが実証済みである。SPRプローブ層は複数検体「マイクロアレイ」として構成でき、それは単一のターゲット材料との相互作用を調べるための異種のプローブ材料を有するセンサー表面の異なる比較的小さな領域、「マイクロスポット」、からなる比較的多くの群として表される。従って、例えば、SPRプローブ層は比較的多数の異種検体の分析用に構成可能であり、または、比較的数多くの相互作用を解明するのに使用される。結果として、SPRセンサーとその手法は生化学分野により多く使用されつつあり、生体分子の同定及び分析と生体分子間での反応の特性評価に使用されている。
その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Charles E. H. Berger等による文献「表面プラズモン共鳴マルチセンシング」(Surface Plasmon Resonance Multisensing, Anal. Chem. Vol. 70, February 1998, pp 703-706) には、抗原の抗体への結合を解析するのに用いられたSPR センサーと方法について記載がある。SPR センサーは、光学的にプリズムに結合されたガラス基板のセンサー表面上に設けられた金のSPR導体を有する。フローセルは4つの平行で線形な「マイクロ流路」(一般に、少なくとも一次元の方向に1mm以下の大きさを有する流路を指す) を含み、それぞれは1mm幅、10mm長、およそ0.1mmの深さで、SPR導体上に配置される。異なる抗体が個々のマイクロ流路より吐出され、金の導体上に吸着され、プローブ層を形成する。この結果、複数の検体プローブ層は４つの異なる抗体の線形アレイを有し、SPR導体上の異なる「抗体」片として固定化される。
次にフローセルはマイクロ流路が抗体片に対し垂直になるように再配置される。異なる抗原が個々のマイクロ流路より送り出される。それ故、個々の抗原は金の導体上に吸着された４つの抗体と接する。抗原が特定の抗体に結合する過程で、特定の抗体が抗原と接触する抗体片の矩形領域の光学特性が変化する。４つの個々の抗原が４つの個々の抗体に結合する速度率は、SPR共鳴角度近傍の角度で、センサー表面での入射光の反射変化測定により決定される。この文献ではマイクロ流路を通して抗体を流すことでプローブ層を形成しているが、インクジェットノズルを用い特定の領域に少量の抗原を堆積するといった他の方法でプローブ層を形成することが可能なことについても言及している。
その開示が参照により本明細書に組み込まれるPCT 刊行物 WO 02/055993は、チオール誘導化されたオリゴヌクレオチドなどの生体分子の固定化の制御に静電場が使用できることに言及している。その開示が参照により本明細書に組み込まれる、Mark Schena著、書籍「マイクロアレイ分析」 (Microarray Analysis)、John Wiley and Sons, Inc. 2003年には、表面の微小領域に所望のリガンドを少量堆積または生成し、マイクロアレイを製造する様々な方法が記載されている。これら手法の中で、例えば第7章に、接触または非接触による印刷法とリソグラフィー法に関する記載がある。
その開示が参照により本明細書に組み込まれる米国特許5,313, 264号には、マイクロ水路とバルブのネットワークを含む「リガンド取り扱いブロック」を有するSPRセンサーについての記述がある。マイクロ水路とバルブのネットワークは、プローブ材料を有する適切な液体がセンサー上に形成されたSPR導体を横断するのに使用され、SPR導体の上にプローブ層を形成し、さらに、ターゲット液体をプローブ層に沿って移動させる。
またSPRセンサーは、実質的に単色の光源と、光源から供給される光から楔形に収束するビームを発生し、さらに楔形のビームをセンサー表面に指向させる光学系を有する。楔形のビームは空間的に固定されたセンサー表面の比較的狭い矩形領域を入射角範囲以内で照射する。入射角度の範囲は楔形のビームの収束角度により決定される。センサー表面より反射された光は「二次元フォトン検知器」へイメージされる。フォトン検知器へ供給された信号は処理され、液体操作ブロックによりプローブ層に沿って移送されたターゲット液体中での材料と、プローブ層内の材料の相互作用によるプローブ層の屈折率変化を測定する。
通常のSPR法と、プローブ層を形成するための、プローブ層表面に液体を流すための、またはセンサー表面を光学的にスキャンするための装置の多くは、比較的複雑か、高価であり、または測定時間が長い。従って、複数の検体プローブ層を形成し、プローブ上に液体を吐出し、センサー表面を照射する代替のSPRセンサーと方法が必要である。
本発明のいくつかの実施例の一態様は、プローブとターゲット材料間での複数の相互作用の特性を同時に決定する、または、ターゲット材料の複数の異なる構成要素を同定する新規なSPRセンサーを提供することに関する。
本発明のいくつかの実施例の一態様は、SPRセンサーに於いてマイクロアレイプローブ層を形成する方法と装置を提供することに関する。
本発明のいくつかの実施例によれば、SPRセンサー内のSPR導体が、適切な基材のセンサー表面上に形成された複数の導体要素を含む。随意的に、導体要素は複数の平行な導体片を有する。SPRセンサー内のフロー装置はフローセル表面上に形成された複数の、随意的に、平行なフローマイクロ流路を含む。フローセルはセンサー表面上に設定され、個々のマイクロ流路は導体片の上にあり、個々のマイクロ流路を流れる液体は対応する個々の矩形に接触する。随意的に、流路は導体片に対し垂直とすることができる。流路が交差する導体片の領域は、「交差領域」と呼称される。
以下「ストリップ電極」と呼称される導体片は電源に接続され、他の複数の電極の電位からは独立した適切な基準電極に対して帯電させることが可能である。ストリップ電極が帯電するとマイクロ流路内に電場が生じる。電場の方向と電荷、または、マイクロ流路を通じ流れる液体内にあるリガンドの電荷もしくは電荷分布により、リガンドは電極に吸着されるか、電極から反発される。
所望のリガンドを電極の特定の交差領域に固定するため、所望のリガンドを含む液体がマイクロ流路より吐出され、所望の交差領域と交差する。そのストリップ電極は電極に所望のリガンドを吸着するように帯電され、リガンドは電極の交差領域に結合する。
流路が交差する他のストリップ電極の交差領域にリガンドが堆積することを防止するのが好ましい場合、他の電極はそのリガンドを反発するように帯電される。適切な流路への適切なリガンドのフローとストリップ電極を適切に帯電させることにより、実質的にあらゆるパターンのリガンドのマイクロアレイを形成できる。
マイクロアレイの形成に続く本発明の実施例によれば、適切な緩衝溶液がマイクロ流路を通して吐出され固定されていないリガンドを洗い流し、SPRセンサーにより吟味されるターゲット溶液がマイクロ流路より吐出される。上述のCharles E. H. Berger等による「表面プラズモン共鳴マルチセンシング」で記載された従来法とは異なり、マイクロアレイを用いたターゲット液体を吟味するに当たり、フローセルの製造後、マイクロアレイに対し再配置することは不要である。
本発明のいくつかの実施例に於いて、SPR導体内の導体要素は比較的小さい伝導性の「ピクセル電極」である。個々の流路は少なくとも一つのピクセル電極と交差し、個々のピクセル電極は単一の流路の下に位置する。個々のピクセル電極は公知の技術により電源に接続され、電源は独立に個々のピクセルを帯電できる。適切にピクセル電極を帯電することで、マイクロ流路を通じたリガンドの流れに於いての適切な電荷または電荷分布を有するリガンドは、特定のピクセル電極へ吸着されるか、電極より反発される。
本発明のいくつかの実施例の一態様は、特定領域に於いてバルブを使用することなく、SPRセンサー内で液体の流れを制御し、マイクロ流路の局所領域でマイクロ流路への液体の流入を供給もしくは阻止する「フロー装置」を提供することに関する。局所領域はここでは「フロー制御領域」と呼称される。
本発明の一実施例によれば、マイクロ流路は、弾性材料より形成されるフロー制御領域の壁により定義される。本発明のいくつかの実施例に於いては、弾性材料より形成されたフローセル内にマイクロ流路が形成される。本発明のいくつかの実施例に於いては、弾性材料により形成された挿入物を有する非弾性材料より作成されたフローセル内にマイクロ流路が形成される。弾性挿入物はフロー制御領域に位置するマイクロ流路の壁の少なくとも一部を形成する。
本発明の一実施例によれば、ここでは「フローニードル」と呼称される注射針のような中空の針で針のルーメンに外部に通じる開口部を有するものが経路結合領域での気体または液体の流れを制御するのに使用される。フロー制御領域での弾性材料は針により貫通され、流路内に針は押し込まれており、流路ルーメンと針開口部が実質的に並ぶように、流路ルーメンへ針は少なくとも部分的に貫通している。ポンプなどの公知の数多くの機器と方法により、針の開口部を通して、針を経由しマイクロ流路から、気体もしくは液体が吐出されるか吸引される。
本発明のいくつかの実施例に於いて、針は、マイクロ流路ルーメンに導入された際、じゃま板として機能し、同一マイクロ流路の上流側から、或いは他のマイクロ流路の上流側からマイクロ流路の下流側への流体の流れを少なくとも一部阻止する。
本発明の一実施例によれば、マイクロ流路と弾性基板材料より針を十分に引き抜いた際、マイクロ流路に挿入された針に起因する開口部は実質的に封印される。結果として、針の挿入により阻害されたマイクロ流路の結合構成は、針を引き抜いた際に、実質的に阻害する前の状態に戻る。
本発明のいくつかの実施例に於いて、針は凹部を有するように形成され、ここでは「切り替え凹部」と呼称される。マイクロ流路ルーメンへ針が十分に貫通することで、切り替え凹部は実質的にマイクロ流路と並び、マイクロ流路の上流部を他のマイクロ流路に結合する切り替えマイクロ流路として機能する。切り替え凹部は上流からの液体の流れを他の流路に切り替える。
本発明の一実施例により作製された「バルブ無し」フローセルは液体流を制御するバルブを有する従来型のフローセルよりも一般に低コストで生産できる点に留意されたい。結果として、本発明の実施例の態様に係り作製されたフローセルは一度の使用限りで廃棄するのに十分に廉価なものとすることができる。「使い捨て」フローセルを使用することで、フローセルを通し送り出される流体汚染の可能性は減少する。
本発明のいくつかの実施例の一態様は、複数の選択可能な入射角、同一の波長でセンサー表面の比較的大きな領域を照射するSPRセンサー用の照射システムを提供することに関する。本発明のいくつかの実施例に係る態様では、複数の入射角で異なる角度を選択する場合に、照射システムが可動部分を必要としない点にある。
本発明のいくつかの実施例の一態様は、複数の選択可能な波長、同一の入射角でセンサー表面の比較的大きな領域を照射するSPRセンサー用の照射システムを提供することに関する。本発明のいくつかの実施例に係る態様では、複数の波長で異なる波長を選択する場合に、照射システムが可動部分を必要としない点にある。
本発明の一実施例によれば、照射システムは光源アレイを有する。光システムは、アレイ内の光源からの光を略平行な光束のビームにし、略同一の入射角度でセンサー表面に入射する。入射角は光源の位置に依存する関数である。
本発明のいくつかの実施例に於いて、少なくともアレイ内の光源のサブセットについて、異なる光源については入射角が異なるように、光源の位置は設定されている。少なくともサブセット内の個々の光源は同一波長の光を供給する。少なくともサブセット内の光源を適宜オンオフすることで、センサー表面は適切な波長と異なる入射角で照射される。
本発明のいくつかの実施例に於いて、少なくともアレイ内の光源のサブセットについて、異なる光源については入射角が同一であるように、光源の位置は設定されている。少なくともサブセット内の個々の光源は異なる波長の光を供給する。少なくともサブセット内の光源を適宜オンオフすることで、センサー表面は同一の入射角と異なる波長で照射される。
それ故、本発明の一実施例によれば、透明な基板の表面上に形成された少なくとも一つの導体要素を含む薄膜伝導層と、伝導層と基板の界面を照射する制御可能なシステムと、界面領域より反射された光源からの光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、弾性材料と伝導層領域により形成された少なくとも一部の壁より定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路を有し、針のルーメンと通じる吐出開口部を有する少なくとも一つの中空の針であり、そして吐出開口部が流路ルーメンと通じるように少なくとも一つの針で弾性材料を貫通することにより流路と針のルーメンの間に流体の流れが達成される少なくとも一つの中空針を有するSPRセンサーが提供される。
随意的に、流路は弾性材料より形成される。
本発明のいくつかの実施例に於いては、フローセルが弾性材料より形成される挿入物を有する比較的非弾性の材料より形成され、該挿入物の材料が、少なくとも一つの流路の壁の一部を形成する。
本発明のいくつかの実施例では、針の端部は封止され、針の長手方向にそった位置に吐出開口部が位置する。
本発明のいくつかの実施例では、針の流路上流部の一部から針の針下流部への流体の流れを少なくとも一部阻止する。
随意的に、針が流路に貫通する際、針の流路上流部の一部から針の針下流部への流体の流れを実質的に全て阻止する。
本発明のいくつかの実施例では、針の壁部に凹部が形成された針と、針が流路内に貫通すると、凹部は流路の上流部と他の流路の間に切り替え流路を形成し、流路の上流部より下流部への流体の流れの少なくとも一部は、切り替え流路を通じ他の流路へ切り替えられる。
本発明のいくつかの実施例では、弾性材料より十分な距離まで針を引き抜いた際に、貫通により生じた弾性材料の開口部が封止される。
本発明のいくつかの実施例では、少なくとも一つの針は少なくとも一つの流路の一流路に対して少なくとも二つの針を有し、流路内に流体を流すために両針は弾性材料を貫通し、流路ルーメンに通じる個々の開口部を有する流路に突き出るように位置づけられ、一方の針より流体は送り込まれ、他の針より流体は吸引される。随意的に、吐出開口部、または吸引開口部が塞がった盲流路とすることができる。
本発明のいくつかの実施例では、SPRセンサーは、少なくとも一つの針に接続されていて、流体を針に送り込み、針の開口部が流路ルーメンと通じている場合には、流体を流路へ送り込む流体ポンプを有する。
本発明のいくつかの実施例では、SPRセンサーは、少なくとも一つの針に接続されていて、流体を針から吸引し、針の開口部が流路ルーメンと通じている場合には、流体を流路から吸引する流体ポンプを有する。
本発明のいくつかの実施例では、照射システムが、光源アレイと、基板に入って、基板と少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域との界面領域に入射する平行光として各光源からの光を方向付けるコリメータと、アレイの他の光源とは独立にアレイ内の光源をオンオフ制御できる光源制御機器とを有する。
更に、本発明の実施例によれば、透明な基板の表面上に形成された少なくとも一つの導体要素を含む薄膜伝導層と、一部が伝導層領域により形成された壁により定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルと、少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域と該基板との界面領域より反射された光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、光源アレイと、該基板に入って、該基板と少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域との界面領域に入射する平行光として各光源からの光を方向付けるコリメータと、該アレイの他の光源とは独立にアレイ内の光源をオンオフ制御できる光源制御機器とを備えた照射システムとを有するSPRセンサーが提供される。
更に、または、随意的に、アレイはアレイ軸を有する線形アレイである。随意的に、アレイ軸と界面の法線が略同一面上にある。或いは随意的に、アレイ軸と境界の法線が略垂直に交差する。
本発明のいくつかの実施例では、アレイは二次元アレイである。随意的に、アレイは光源の列と行を有する。随意的に、個々の列と界面の法線が略同一面上にある。代替的に、或いは、更に、個々の行は法線に対し略垂直である。
本発明のいくつかの実施例では、同じ行にある光源は略同一波長の光を提供する。
本発明のいくつかの実施例では、アレイにある全光源は略同一波長の光を提供する。
本発明のいくつかの実施例では、同じ列にある光源は異なる波長の光を提供する。
本発明のいくつかの実施例では、SPRセンサーは、界面に入射する以前に個々の光源からの光が通過する二つの平行面を有する光学要素であり、任意の光源からの光が界面に入射する角度を変えるために法線に対して垂直な軸に関し回転可能な光学要素を備える。
本発明のいくつかの実施例では、少なくとも一つの導体要素が複数の導体要素を有する。
更に、本発明の一実施例によれば、透明な基板の表面上に形成された複数の導体要素を有する薄膜伝導層と、伝導層と基板との界面を照射するよう制御可能な照射システムと、界面領域より反射された光源からの光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、一部が伝導層領域により形成された壁によって定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルとを有するSPRセンサーが提供される。
更に、或いは、代替的に、個々の導体要素は制御可能な電源に接続され、基準電極に対し導体要素が帯電される。
本発明のいくつかの実施例では、複数の導体要素は複数の導体片を含む。随意的に、少なくとも一つの個々の流路が個々の導体片に交差する。
本発明のいくつかの実施例では、複数の導体要素は複数の導体ピクセルを含む。随意的に、少なくとも一つの個々の流路が少なくとも一つの導体ピクセルに交差し、個々のピクセルは流路の下にある。
本発明のいくつかの実施例では、SPRセンサーは導体要素が帯電されている個々の導体要素に対しての排他的な基準電極を有する。
本発明のいくつかの実施例では、全ての導体要素が共通の基準電極に対し帯電されている。
代替的に、或いは、更に、基準電極はフローセルの外部表面上に位置する。
本発明のいくつかの実施例では、基準電極はフローセルが形成される材料の内部に位置する。
本発明のいくつかの実施例では、基準電極は基板の表面上に位置する。随意的に、基準電極が共通骨格に結合された平行な伝導性の歯を有する櫛型である。随意的に、伝導要素は伝導性の歯の間に位置する。
本発明のいくつかの実施例では、流路は略１mm2以下の断面積を有する。随意的に流路は略0.5 mm2以下の断面積を有する。随意的に流路は略0.2 mm2以下の断面積を有する。随意的に流路は略0.1 mm2以下の断面積を有する。
本発明のいくつかの実施例では、少なくとも一つの流路は複数の流路を有する。
本発明に係る実施例の制約を受けない例が以下に図を用いて記述される。図に於いて、複数回表れる同一の構成、構成要素、部品については、一般に、全ての図において共通の番号が使用される。図に示される構成要素と機構の縮尺度については簡便性と明確性に応じて選択されており、必ずしも実尺に基づく縮小ではない。
図１Ａは本発明に係るSPRセンサー20を概略的に示す。構成要素の位置とSPRセンサー20の機能を明確にするため、座標系22が使用される。
SPRセンサー20は、アレイ軸27を有する光源26の線形アレイ24とセンサー表面32を有するプリズム30を随意的に有する。フローセル34はセンサー表面32と交差し接触する液体を流すためのマイクロ流路36とセンサー表面上に形成された適切なSPR導体上に生成された所望リガンドのプローブ層 (ここでは図示されていない) を含む。SPRセンサー20に於いて、プローブ層はSPR導体上に生成され、随意的に、複数のストリップ電極33を有する。
フロー針42のアレイ40は適切なポンプ装置 (ここでは図示されていない) に結合され、随意的に、マイクロ流路36へ液体を導入するのに使用される。マイクロ流路36へ液体を導入するにあたってのフロー針42の操作は以下に記述される。マイクロ流路36とフロー針42はマイクロ流路とフロー針の表示を明確にするため、正方形または長方形の断面を有するように表示されているが、本発明の実施例に基づき、マイクロ流路とフロー針は正方形または長方形以外の断面を有することが可能である。例えば、断面の形態は円形、楕円形、あるいは不規則な形態であって構わない。さらにマイクロ流路36の直角に曲げられた箇所は、丸みがありなだらかな形態にすることができる。本発明のいくつかの実施例に基づき、図１Ａに示されたような曲げられた箇所は存在しなくても差し支えない。
マイクロ流路36は、随意的に、略１mm2以下の断面積を有する。マイクロ流路は、随意的に、略0.5 mm2以下の断面積を有する。マイクロ流路は、随意的に、略0.2 mm2リ以下の断面積を有する。マイクロ流路は、随意的に、略0.1 mm2以下の断面積を有する。
フローセル34の外部は破線で表示され、フローセルの内部にあるマイクロ流路36などの内部の構成の詳細が、より明確な表示を目的として実線で表示されている。センサー表面32は座標軸系22のxy面の任意の位置に位置し、光源26は所望のSPR角度スキャン応用に適切な同一波長の光を提供し、線形アレイ24のアレイ軸27は、随意的に、yz面内にある。
線形アレイ24は、yz面内に光軸48を有するレンズ46により代表される光学系の焦点面に位置している。レンズ46は個々の光源26から光を収束、平行な光束のビームを形成し、平行化された光がプリズム30の「入力」プリズム表面50に入射するように方向付ける。入力表面50に垂直なものは、随意的に、yz面に平行である。コリメータ46により導かれ入力表面50に垂直な光はプリズム30に入り、センサー表面32に入射される。
特定の光源26からのセンサー表面32上への全ての光入射は略同一の入射角でセンサー表面上に入射する。特定の光源26よりセンサー表面32へ入射するのは、線形アレイ24の軸に沿った特定の光源の位置、レンズ46の焦点距離「f」、そしてプリズム30が形成される材料からの屈折率「n」により決定される。二つの隣り合う光源26からの光のセンサー表面32への入射角度の相違は、近接する光源間の距離をDとした場合、凡そ (D/f) (1/n) に等しい。随意的に、アレイ軸27に沿った二つの隣合う光源26間の距離は同じである。
光源アレイ24より使用できる入射角度は (D/f) (1/n) ラジアンの刻みで「量子化」されていることに留意されたい。本発明のいくつかの実施例では、図１Ｂ に示されるSPRセンサー21のようなSPRセンサーは、適切に透明な材料より形成された「変位板」100を有し、変位板は平行な面101と102を有し、光源アレイ24とプリズム30の間に設置される。変位板100を除き、SPRセンサー21はSPRセンサー20と同一である。変位板100は光源アレイ24とレンズ46の間に随意的に設定され、x軸に平行な軸104に関して回転制御可能である。変位板の角度回転は制御可能であり、光軸48に対し所望の角度で表面101と102の法線を (ここでは図示されていない) 回転できる。
光軸48と面101と102の法線間のゼロではない「変位角度」に関しては、変位板100が、変位された光源26の仮想的像をアレイ軸27に沿って作る。光源26の変位の大きさは、変位角度、表面101と表面102の間隔、そして変位板100が形成される材料の屈折率の関数である。変位板100を適切に回転することにより、任意の光源26からの光を、実質的に任意の入射角度でセンサー表面32へ入射でき、量子化された入射角度に限定されない。
センサー表面32上への入射光は、表面より反射され、出力プリズム表面52を通じプリズム30を抜け出る。そしてこの光は、CCDといった二次元光電表面54の上に、ここではレンズ53に代表される、適切な光学系により集められ、結像される。偏光器 (ここでは図示されず)はアレイ24とプリズム30の間に設置され、好ましくはプリズム30と光電表面54の間に設置される。偏光器は光電表面54により受け取られた光を線形的に偏光し、センサー表面32は、実質的にp偏光成分のみを受け取る。
図１Ａ (及び図 １Ｂ、しかしながら、一般に図１ＡがSPRセンサー21とSPRセンサー22に共通の特徴を参照するために用いられる) に示されるSPR導体は５つのストリップ電極のみ有するが、これは例にすぎず、本発明を実施するにあたり、５つ以外とすることができる。例えば、本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、センサー表面32を覆うストリップ電極33は、x軸方向とy軸方向に凡そ20 mmの広がりを持つ。個々のストリップ電極33は、随意的に、約100 μmの幅であり、電極は、随意的に、センサー表面32上に凡そ200 μmのピッチで形成される。これらの寸法に対しては、センサー表面32上のストリップ電極33の数は凡そ100となる。
フローセル34内のマイクロ流路36は、随意的に、互いに平行であり、フローセル34はプリズム30に装着され、随意的に、マイクロ流路がストリップ電極33に対し垂直になっている。個々のマイクロ流路36は、随意的に、導入部分55と、センサー表面32に対面したマイクロ流路側が開放され部分を有し、マイクロ流路内を流れる液体は、マイクロ流路が交差する交差領域58で個々のストリップ電極に接触する。図１Ａでは、SPRセンサー20におけるマイクロ流路36の一部分は交差領域58を示すために切断されている。個々のマイクロ流路36は、随意的に、マイクロ流路を流れる液体がマイクロ流路から吐出されるように端部が開放された吐出部分61を有する。
本発明にかかる実施例においては、個々のストリップ電極33は電源60に接続されている。電源60は制御可能であり、個々のストリップ電極33は、電源に接続された適切な基準電極に対し、帯電され、電極の交差領域58のセンサー表面32に対し垂直な成分を有する電場を発生する。個々の交差領域で電場は、電極と交差するマイクロ流路36のルーメンを通過する。個々のストリップ電極33を適切に電気的に独立したものとするため、フローセル34は絶縁材料より形成されるか、絶縁材料により適切に被覆される。フローセルの一部は導体より形成されて構わないが、本発明にかかる実施例においては、説明の簡便性のために、以下では、適切な絶縁材料より形成されるものとする。
本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、図１ＡのSPRセンサー20に示される如く、個々のストリップ電極33はフローセル34の表面64上に位置する共通の比較的大きな基準電極62に対し帯電される。本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、基準電極62はフローセル34の内部に「埋め込まれ」、個々のストリップ電極33は大きな電極により近接した位置となる。基準電極62をストリップ電極33に近づけることで、ストリップ電極と基準電極の間の空間で電場を封じ込めることとなり、ストリップ電極間での「干渉」が削減される。
本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、上部表面64は、上部表面の他の領域よりも相対的にストリップ電極33の近くに凹部を有する。基準電極62は凹部に取り付けられ、基準電極とストリップ電極33間の距離が削減される。図１Ｃは本発明の実施例に係るSPRセンサーを概略的に示し、これは、フローセル74の上部表面72が、基準電極62が装着された凹部75を有するものに類似している。図１Ｃに於いては明確な表示を意図して、内部マイクロ流路、フローセル74の他の内部機構、そしてストリップ電極33は表示されていない。
本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、個々のストリップ電極33は固有の排他的な「対」となる基準電極を有し、それに対してストリップ電極は電源60により帯電されている。このような基準電極は、随意的に、対となるストリップ電極の鏡像である。随意的に個々のストリップ電極の対となる電極はフローセル34の中に埋め込まれる。図１Ｄは、概略的に、本発明の実施例に係るフローセル82を有するSPRセンサー80を示しており、ストリップ電極33はフローセル内に埋め込まれた固有の鏡像の対となる電極83を有する。
本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、センサー表面32の上のSPR 導体は、ストリップ電極33の代わりに、複数のピクセル電極を有する。図１Ｅは、概略的に、ピクセル電極142を有するSPR導体を含むSPRセンサーを示す。明確さの観点から、フローセルの内部構成は図１Ｅに表示されておらず、フローセルと基準電極62は破線で示されている。ピクセル電極142は、随意的に、互いに平行な行144内でアレイ化されており、個々は、随意的に、フローセル34のマイクロ流路36 (図１Ａ) に垂直であり、行144での個々のフローセルは異なるマイクロ流路の下に位置している。個々のピクセル電極142は電源60に接続されており、他のピクセル電極の帯電状態とは独立に基準電極62に対し帯電され得る。
本発明にかかる幾つかの実施例に於いては、SPR導体と基準導体、または導体は、SPRセンサー表面上に位置する。この例に準じ、本発明にかかる実施例に応じて、図１Ｆは、概略的に、SPRセンサーのセンサー表面32の上に複数のストリップ電極152を有するSPR導体と基準電極の両者を有するSPRセンサー150を示す。基準電極154はストリップ電極152と交互配置された歯156を有する櫛状であり、すべてのストリップ電極に対し共通の基準電極となる。随意的に、基準電極は接地される。随意的に、個々のストリップ電極152は他のストリップ電極の帯電とは独立に、基準電極に対し電源60により帯電される。
本発明にかかる実施例に於いては、フローセルは弾性材料により形成され、フロー針の吐出開口部がマイクロ流路と実質的に並ぶまで、フロー針により貫通されることにより、フローセル内に形成されたマイクロ流路へ液体が導入される。液体は開口部を通じ、フロー針のルーメンよりマイクロ流路へと送り込まれる。この分野で公知の任意の手段と「位置決め」装置を、フロー針の動きと位置決めの制御に、そしてフロー針の内外に液体を導入する制御に使用可能である。本発明の実施例によれば、フロー針を用いたフローセルのマイクロ流路内における流体流れの制御方法が、図１Ａを参照して議論される。
液体は、個々の流入部55またはフロー針42により、図１Ａに示されるフローセル34のマイクロ流路36へ導入される。個々のマイクロ流路36は自己のフロー針42に対応しており、フロー針の位置により、流入部55から、または、フロー針42からマイクロ流路内へ液体が流れ込むか否かが左右される。個々のマイクロ流路36は自己の排出マイクロ流路59に対応している。個々のマイクロ流路36と排出マイクロ流路59はフローセル34内に形成された流路によって結合されていない。
個々のフロー針42は吐出開口部43を有し、随意的に、フロー針のルーメンとやり取りがあるフロー針の長さ方向に沿って位置し、更に随意的に、閉じた比較的鋭い先端部45を有する。随意的に、凹部47、即ち、「切り替え凹部47」は、フロー針42の吐出開口部43とは反対側の「後ろ側」の壁49に形成される。図１Ａの挿入図90はフロー針の「裏側」の壁49とその切り替え凹部47の拡大図を概略的に示す。
図１Ａに於いて、切り替え凹部47の幅は「裏側」の壁49の幅よりも狭いが、本発明の幾つかの実施例に於いては、切り替え凹部47は「裏側」の壁49と略同等の幅を有し、このような幅は利点となりうる。フロー針42は長さ方向に沿った吐出開口部43を有し、端部が閉じたものが示されているが、本発明の実施にあたり適切なフロー針は開放端部を有し、それら開放端部は吐出開口部として機能してもよい。
本発明にかかる実施例に於いては、フロー針42には待機位置と挿入位置がある。図１Ａに於いて、すべてのフロー針42は待機位置に示されている。待機位置ではフロー針42はマイクロ流路36での液体の流れに影響をもたらさず、マイクロ流路の導入部分55へ導入された液体がマイクロ流路内を流れる。
フロー針42を待機位置から挿入位置へ移動するには、本発明にかかる実施例によれば、フロー針はフローセル34内に強制的に挿入され、弾性フローセル材料を通過、貫通する。フロー針は、フロー針の開口部43がマイクロ流路のルーメンと実質的に並ぶまで挿入される。挿入位置では、フロー針42は、マイクロ流路の導入部分55から導入部分のマイクロ流路のルーメン下流部へ液体が流れるのを防止し、フロー針のルーメンよりマイクロ流路へ液体が流れるようにする。切り替え凹部を有するフロー針42は、本発明にかかる実施例に於いては、挿入位置において、マイクロ流路36の導入部分55へ導入される液体をマイクロ流路の排出マイクロ流路59へ切り替える。
図２は、番号92により識別され最も左に位置するフロー針42が挿入位置にあるSPRセンサー20を概略的に示している。図３Ａ−３Ｄは、概略的に、フローセル34内に於いて待機位置から挿入位置へ移動したフロー針92の断面図を示す。断面図に於いて、フロー針92の開口部43はフロー針の壁にあるギャップにより表示され、切り替え凹部47は壁の凹みとして示される。
図３Ａでは、フロー針92は待機位置にあり、矢印で示された液体94は適切な供給源よりマイクロ流路36の導入部分55へ送り込まれる。液体94は導入部分55からマイクロ流路36へ制約なしに流れ込む。図３Ｂでは、以下「セプタム96」と呼称される、排出マイクロ流路59とマイクロ流路36とが分離されるフローセル34の領域96、にフロー針先端部45が接触するまで、フロー針92は、排出マイクロ流路59内に押し下げられている。図３Ｃでは、フロー針92は、概略的にセプタム96内に押し込まれている。
図３Ｄでは、フロー針92はフローセル34へ十分に貫通し、吐出開口部43はマイクロ流路36と実質的に並んでおり、フロー針は挿入位置にある。更に、挿入位置で、切り替え凹部47は導入部分55と排出マイクロ流路59の間に切り替え流路を形成するように配置されている。切り替え凹部47は十分に深く狭く、フローセル34の弾性材料は切り替え凹部を押し付けず、封止することはない。矢印98で表示された液体はフロー針92より、フロー針の吐出開口部43を経て、マイクロ流路36へ流れ込む。導入部分55からフロー針のマイクロ流路36下流部分への液体94の流れは、フロー針により実質的に阻止され、切り替え凹部47により排出マイクロ流路59へ切り替えられ、排出マイクロ流路を通じて液体はフローセル34より排出される。
本発明の幾つかの実施例は、フロー針92が挿入位置にある場合、吐出開口部43とマイクロ流路36の配列の自由度を提供するものであり、マイクロ流路36はフロー針が導入されるマイクロ流路の領域内で比較的大きな断面を有する。代替的に、または、付加的に、排出開口部43はフロー針92が導入されるところのマイクロ流路の領域内のマイクロ流路断面よりも小さくすることもできる。
上の例ではフローセル34は弾性材料より形成されると仮定されたが、本発明の幾つかの実施例では、フローセルは比較的非弾性の材料より形成される。フロー針がマイクロ流路へ導入されるのに必要なマイクロ流路領域を供給するため、本発明の実施例は、マイクロ流路領域を形成する弾性材料の挿入を含む。フロー針は弾性材料を適切に貫通することで、本発明の実施例において、流路内に位置付けることが出来る。
図３Ｅは、概略的に、本発明の実施例において、マイクロ流路162が形成されたフローセル160の断面形態を示す。フローセル160は比較的非弾性材料より形成され、フロー針をマイクロ流路162に導入するための適切な領域を提供するため、本発明の実施例においては、フローセルに弾性挿入物164と166がはめ込まれている。チャネル59については、フローセル160の比較的非弾性な材料に形成される部分と弾性的挿入物164に形成される部分とを有する。
図３Ａから図３Ｅにおいて、フロー針92によりマイクロ流路36内へ導入された流体は、開放排出部61を経由して流路より吐出されると仮定されていることに留意されたい。本発明の幾つかの実施例に於いては、第一のフロー針を通してマイクロ流路内へ導入された流体は、排出部分からではなく、第二のフロー針を通して排出されることが可能である。第一のフロー針と第二のフロー針の両者は弾性材料より形成されるマイクロ流路の壁を貫通し、個々の開口部がマイクロ流路のルーメンと通じるよう、マイクロ流路のルーメンへ導入されている。第一のフロー針の開口部は下流側に面しており、第二のフロー針の開口部は上流側に面している。流体は、例えば、第一の針のルーメンを経由し、マイクロ流路に送り込むことでマイクロ流路へ導入される。流体は、例えば、第二の針のルーメンを経由し、マイクロ流路から吸引することでマイクロ流路より排出される。
更に図１Ａから３Ｅの説明において、フロー針42 (図１Ａ−２) または個別化されたフロー針92 (図３Ａから３Ｄ) がマイクロ流路36に導入される場合、フロー針は針の上流部よりマイクロ流路へ流入する液体の流れを完全に阻止ことに留意されたい。本発明の幾つかの実施例に於いては、フロー針は針の上流部よりの液体の流れを部分的にのみ阻止する。例えば、液体の流れを上流側から部分的に阻止するようにフロー針が部分的にマイクロ流路ルーメンへ導入された場合、針の開口部がマイクロ流路ルーメンと通じるようにフロー針の開口部を設置することができる。代替的に、フロー針がマイクロ流路へ導入されるマイクロ流路の領域に於いて、フロー針はマイクロ流路の断面幅よりも狭いものとすることが可能である。結果として、フロー針が完全にマイクロ流路へ挿入された場合でも、針の領域で上流側から下流側への液体が流れる。針の上流側から下流側へ流れる液体を有するフロー針を経てマイクロ流路に導入された液体と混合することが望ましい場合に、フロー針が部分的にのみマイクロ流路内の液体の流れを阻止することが可能なフロー針とマイクロ流路の構成は優位である。流体をマイクロ流路へ導入し、また、マイクロ流路より除去する本発明の幾つかの実施例によれば、フロー針の使用方法に関する変形例は、当該分野に属する者により想到し得る。
SPRセンサー20の操作を説明するため、本発明の実施例によれば、複数異種の「プローブ」たんぱく質と特定の「ターゲット」たんぱく質の間での相互作用の速度論的評価が必要であると仮定する。例として、複数のプローブたんぱく質の数はマイクロ流路36とSPRセンサー20のストリップ電極33の間の交差領域の数に等しいと仮定し、更に個々の交差領域にはそれぞれ異種のプローブたんぱく質が固定化されていると仮定する。本発明の実施例によれば、交差領域での固定化は、ストリップ電極33が形成される導体に対して直接為されるか、或いは、様々な公知の方法のいずれかを用いて導体上に形成された適切な分子層に対して為される。
ストリップ電極36上にプローブたんぱく質の適切なマイクロアレイを準備するために、まず、導入部分55よりマイクロ流路36へ緩衝液または水が送り込まれ、交差領域58でプローブたんぱく質を固定化するためのストリップ電極を清浄、準備する。公知の様々な任意の方法と装置を用い、複数のプローブたんぱく質より選択された異なる単一のプローブたんぱく質を含む適切な溶液を、個々のフロー針42により吸引する。異なるプローブたんぱく質が第一のストリップ電極33に固定化されると仮定する。プローブたんぱく質が負あるいは正に帯電しているかに応じ、基準電極62に対し第一のストリップ電極は正または負に帯電される。残るストリップ電極は基準電極に対し第一の電極が帯電された電圧、あるいは逆特性の電圧に帯電される。対応するヌクレオチド溶液を有するフロー針42はフローセルを貫通するように制御され、挿入された箇所に配置される。
フロー針42を挿入位置へ挿入することにより、導入部分55を経たマイクロ流路を通しての緩衝液または水の流れは停止され、導入部分に導入された緩衝液または水の流れはフロー針の切り替え凹部47を介して排出マイクロ流路59に切り替えられる。個々のフロー針42のプローブたんぱく質液体はフロー針より押し出され、対応するマイクロ流路36へ送り込まれる。ストリップ電極33の帯電パターンと溶液中のプローブたんぱく質の電荷により、プローブたんぱく質は第一のストリップ電極33に吸着され、他のストリップ電極33からは反発される。プローブたんぱく質はそれ故、マイクロ流路33と第一のストリップ電極33の交差領域に固定化され、他のストリップ電極33の交差領域で固定化されることは防止されている。
プローブたんぱく質の固定化の過程で、交差領域58に固定されるプローブたんぱく質の固定化過程と量はセンサー表面64のSPR角度スキャンをおこなうことでモニターされる。アレイ24の光源26は逐次的にオンオフされ、センサー表面64の角度SPRスキャンをおこない、複数の異なる入射角度で、少なくとも全ての交差領域58を含むセンサー表面64の略同一の表面を照射する。
第一ストリップ電極33の各々の交差領域 (即ち、交差領域があるセンサー表面64の領域) で反射された各光源26からの光に反応するCCD 54により生成された信号は交差領域のSPRパラメタを決定するのに使用される。SPRパラメタは交差領域に固定化されたプローブたんぱく質の付着をモニターするのに使用される。他のストリップ電極33の交差領域58と交差領域でないストリップ電極33の領域からの信号は第一ストリップ電極33の交差領域からの信号を補正し、規格化するのに使用される。
次にフロー針42はフローセル34より抜き取られる。 フロー針42に起因するマイクロ流路36の導入部分55の阻害が取り除かれると、フロー針42の挿入によりフローセルの弾性材料内に形成された「挿入」開口部は塞がれる。導入部分55を経てマイクロ流路36を通じる緩衝液または水の流れは再開し、第一ストリップ電極33の交差領域、他のストリップ電極33、そしてマイクロ流路33にある固定化されなかったプローブたんぱく質を除去する。
上で記載された手順は、個々の交差領域58で異なる所望のプローブたんぱく質が固定化され、25のプローブたんぱく質マイクロ流路が準備されるまで、前記複数のプローブたんぱく質とは異なるプローブたんぱく質を含む溶液を用い、他のストリップ電極33に対して繰り返される。
マイクロアレイの準備の後に、プローブたんぱく質との相互作用速度論的評価の対象となるターゲットたんぱく質を含む液体がフロー針42に吸引される。フロー針は導入部分55からの水または緩衝液を阻止するために対応する挿入位置へとフローセル34内に挿入され、ターゲットたんぱく質溶液を含む液体を個々のマイクロ流路36に提供する。センサー表面62の角度SPRスキャンは複数の光源26を適切にオンオフすることで行われる。各々の交差領域58で反射された各光源からの光に反応するCCD 54に供給された信号は処理され、交差領域での固定化されたプローブたんぱく質とターゲットたんぱく質の相互作用速度をモニターする。
上の例では、25の個々のプローブたんぱく質と単一のターゲットたんぱく質との相互作用速度がSPRセンサー20によりモニターされる。勿論、本発明の実施例によれば、マイクロアレイの準備後に各々のマイクロ流路に異なるターゲットたんぱく質を流すことができる。この場合、5つの異なるプローブたんぱく質について、個々の５つのターゲットたんぱく質の相互作用速度がモニターされる。ある任意のターゲットたんぱく質の相互作用速度は、個々のストリップ電極33と特定のターゲットたんぱく質が流れる特定のマイクロ流路の間の交差領域に固定化されたプローブたんぱく質に対してモニターされる。
上述の25のプローブたんぱく質のマイクロアレイの準備の記述に際しては以下に留意されたい。たんぱく質を固定化する際、ストリップ電極33の帯電を設定するため、マイクロ流路36を経由する全てのたんぱく質は同時に同じ極性電荷を有すると暗黙に仮定された。それ故、結果として、同一のストリップ電極33の交差領域58に固定されたマイクロアレイプローブたんぱく質は等しい極性電荷を有する。しかしながら、本発明の幾つかの実施例に於いては、一つのストリップ電極33に異なる電荷極性を有する生体分子が固定される。
一般に、例えば共有結合によりストリップ電極33に結合した生体分子は、ストリップ電極を帯電するのに発生された生体分子を吸着もしくは反発するのに使用された電界よりもはるかに大きな電界により結合している。結果として、同じストリップ電極33に逆の極性電荷を有する生体分子を結合することが可能である。
例えば、第一の極性を有する第一の生体分子を含む第一の液体は流路36へ送り込まれ、第一の交差領域58でのストリップ電極33と接触すると仮定する。第一の交差領域に第一の生体分子を吸引し固定するため、そのストリップ電極は適切に帯電しており、第一の生体分子を引き寄せる。次に、第二の極性を有する第二の生体分子を含む第二の液体は流路36へ送り込まれ、第二の交差領域58でのストリップ電極33と接触する。第二の交差領域に第二の生体分子を吸引し固定するため、ストリップ電極の帯電は反転される。このストリップ電極33の逆極性帯電により生じた電場は、第二の生体分子をストリップ電極に吸着するには十分強いものの、既にストリップ電極に結合した第一の生体分子と、ストリップ電極間での結合を断ち切るほどには十分に強くない。
図１Ｅに示されているようなピクセル電極142を有するSPR電極といった複数のピクセル電極を有するSPR電極は、本発明の実施例に応じて、異なる極性電荷配置を有する生体分子のマイクロアレイの作成に利点を有することに留意されたい。「ピクセル化」SPR電極は、本発明の実施例に応じて、SPR電極の異なる位置で異なる極性電場を発生するのにより多くの柔軟性をもたらす。
上の例のSPRセンサーの記述では、本発明の実施例に応じて、角度SPRスキャンのみが、センサー表面32の上に形成されたSPR電極の上に形成されるマイクロアレイで起こる事象をモニターするのに使用された。本発明の実施例によれば、いくつかのSPRセンサーは、センサー表面の波長スキャンを行うよう設定され、同じ入射角度で異なる波長の光を供給する単一の光源アレイを含む。
本発明の実施例によれば、図４に概略的に示されるSPRセンサー120は、一定の入射角度でセンサー表面32をSPR波長スキャンするように構成されている。SPRセンサー120は図１ＡにあるSPRセンサー20と類似している。しかしながら、SPRセンサー20とは異なり、SPRセンサー120は、随意的に、異なる所望の波長の光を供給する光源124の線形光源アレイ122を有し、アレイのアレイ軸126はx軸と平行である。
SPRセンサー20 (図１Ａ) のアレイ24の光源26、または光源124といった光源からの光の入射角度は、実質的にz軸に関して測定された光源位置の仰角にのみ決定される。入射角度は方位角の二次関数であり、例えば、光源26または光源124におけるx軸とxy平面において測定される。
SPRセンサー20 (図１Ａ) の各光源26は同一の方位角に位置する (全ての光源26は実質的にyz平面内に位置する) が、偏角が実質的に異なり、一方、アレイ120の光源124は略同一の偏角に位置するが、方位角が大きく異なる。従って、本発明に係る実施例によれば、異なる光源26は、異なる入射角の光を供給し、一定波長でSPRセンサー表面を角度SPRスキャンするのに適している。一方、光源124は光を略同一の入射角度で、しかし異なる波長で供給する。それ故、光源アレイ122は一定の入射角度でセンサー表面32のSPR波長スキャンを実施するのに適している。
本発明の幾つかの実施例によれば、SPRセンサーは、二次元の、随意的には平坦な、光源アレイを有する。本発明の幾つかの実施例によれば、光源は、仰角の範囲と方位角の範囲で、異なる波長を供給するように、アレイ内で構成されている。アレイの光源を適切にオンオフすることで、SPRセンサーのSPR角度スキャンとSPR波長スキャンが行われる。
図５は、概略的に、光源134の二次元アレイを有するSPRセンサー130を示す。アレイ132は随意的に直方体であり、光源134の行136と列138を有する。行136はx軸に平行であり行136にある各光源136は、随意的に、センサー表面32の所望のSPR波長スキャンに適した異なる波長の光を供給する。随意的に、ある任意の同一の列138にある全ての光源は同一波長の光を供給する。列138にある光源134は列内の光源により供給される光波長でセンサー表面32のSPR角度スキャンを実施するのに適している。
角度SPRスキャンを実行するに当たり、複数の異なる所望の入射角度それぞれでSPRセンサー表面を照射するための高強度の光を供給することが困難な場合があることに留意されたい。本発明の幾つかの実施例によれば、アレイ132内の全ての光源134は同一波長の光を供給する。全ての光源134が同一波長の光を供給する構成に対しては、光源アレイ132は、スキャンで使用される各入射角度で、比較的強い光の角度SPRスキャンを実施するのに使用できる。
例えば、上述のように、アレイ132の行136内で個々の光源134は同一の入射角度の光を供給し、その角度は行の仰角により実質的に定義される。
異なる行136における光源134は異なる入射角の光を供給する。SPR角度スキャンに関する所望のスキャン角度は、異なる行136の光源134により供給される異なる入射角度であると仮定する。特定の入射角度での光を供給する光源については、行136の全ての光源134を同時にオンすることで、所望の入射角度で比較的強い光が供給される。
光源アレイ24 (図１Ｂに表示)、光源アレイ122、図５にあるアレイ132のような二次元光源アレイの場合、センサー表面32に入射するアレイ内の光源からの光の角度を調節する機能を有する変位板 (図１Ｂに表示) と組み合わせることが可能である。
ここで、本発明の態様と特徴は、SPRセンサーに具備されるものとして記載されたが、これらの態様及び特徴はSPRセンサーの使用に限定されるものではない。例えば、本発明の実施例に係る照射システム、フロー機器、電極の構成は、臨界角屈折計法及び全内部反射蛍光(または燐光)システムに使用できる。
本願の記述と請求項において、 「備える(comprise)」、「含む(include)」、「有する(have)」、そしてそれらの活用形は、動詞の目的語が必ずしも、動詞の主語の部材、構成要素、要素、または部分を完全に列挙したものではないことを示すのに使用される。
本発明は詳細な実施例により記述されているが、それらは例としてもたらされたものであって、本発明の範囲を制限することを意図したものではない。記載された実施例は異なる特徴を包含しているが、それらの全てが本発明の全実施例において必要とされるものではない。本発明の幾つかの実施例は、幾つかの特徴、または幾つかの特徴の可能な組み合わせを用いるにすぎない。ここで記載された本発明の実施例と記載された実施例で記述された特徴の異なる組み合わせを含む本発明の実施例の変形例は当該分野に属する者により想到し得る。本発明の範囲は請求項にのみ制約を受ける。
図１Ａは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図１Ｂは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図１Ｃは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図１Ｄは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図１Ｅは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図１Ｆは本発明の実施例に基づくSPRセンサーを概略的に示す。 図２は、本発明の実施例に基づく、マイクロ流路へ液体を注入するフロー針を有するSPRセンサーを概略的に示す。 図３Ａは、本発明の実施例に基づく、液体をフローセル内のマイクロ流路に導入するためにフロー針が貫通し、マイクロ流路へ流れ込む液体を排出マイクロ流路に切り替える過程を示す概略断面図を示す。 図３Ｂは、本発明の実施例に基づく、液体をフローセル内のマイクロ流路に導入するためにフロー針が貫通し、マイクロ流路へ流れ込む液体を排出マイクロ流路に切り替える過程を示す概略断面図を示す。 図３Ｃは、本発明の実施例に基づく、液体をフローセル内のマイクロ流路に導入するためにフロー針が貫通し、マイクロ流路へ流れ込む液体を排出マイクロ流路に切り替える過程を示す概略断面図を示す。 図３Ｄは、本発明の実施例に基づく、液体をフローセル内のマイクロ流路に導入するためにフロー針が貫通し、マイクロ流路へ流れ込む液体を排出マイクロ流路に切り替える過程を示す概略断面図を示す。 図３Ｅは、本発明の実施例に基づく、マイクロ流路と弾性挿入物を有するフローセルの断面図を概略的に示す。 図４は、本発明の実施例に基づく、センサー表面をSPR波長スキャンするSPRセンサーを概略的に示す。 図５は、本発明の実施例に基づく、センサー表面をSPR波長スキャン、または、SPR入射角度スキャンするSPRセンサーを概略的に示す。

Claims (44)

  1. 透明な基板の表面上に形成された少なくとも一つの導体要素を含む薄膜伝導層と、
    該伝導層と該基板の界面を照射するよう制御可能な照射システムと、
    界面領域より反射された光源からの光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、
    少なくとも一部が弾性材料から形成され、一部が伝導層領域により形成された壁より定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルと、
    針のルーメンに通じる吐出開口部を有する少なくとも一つの中空針であって、吐出開口部が流路ルーメンに通じるように少なくとも一つの針で弾性材料を貫通することにより該流路と針のルーメンとの間に流体の流れが達成される少なくとも一つの中空針とを備えるSPRセンサー。
  2. フローセルが弾性材料より作製される請求項１に記載のSPRセンサー。
  3. フローセルが弾性材料より形成される挿入物を有する比較的非弾性の材料より形成され、該挿入物の材料が、少なくとも一つの流路の壁の少なくとも一部を形成する請求項１に記載のSPRセンサー。
  4. 針の端部は封止され、針の長手方向に沿って吐出開口部が配置される請求項１から３のいずれかに記載のSPRセンサー。
  5. 針が流路に貫通する際、針の流路上流部の一部から下流部への流体の流れを少なくとも一部阻止する、請求項１から４のいずれかに記載のSPRセンサー。
  6. 針が流路に貫通する際、針の流路上流部から下流部への流体の流れを実質的に全て阻止する、請求項５に記載のSPRセンサー。
  7. 針の壁部に凹部が形成され、針が流路内に貫通すると、該凹部は流路の上流部と他の流路の間に切り替え流路を形成し、流路の上流部より下流部への流体の流れの少なくとも一部は、切り替え流路を通じて他の流路へ切り替えられる、請求項１から６のいずれかに記載のSPRセンサー。
  8. 弾性材料より十分な距離まで針を引き抜いた際に、貫通により生じた弾性材料の開口部が封止される請求項１から７のいずれかに記載のSPRセンサー。
  9. 前記少なくとも一つの針は前記少なくとも一つの流路の一流路に対して少なくとも二つの針を備え、流路内に流体を流すために両針は弾性材料を貫通し、流路ルーメンに通じる個々の開口部を有する流路に突き出るように位置づけられ、一方の針より流体は送り込まれ、他の針より流体は吸引される請求項１から８のいずれかに記載のSPRセンサー。
  10. 該流路が吸引部及び吐出部の開口部が封止された盲流路である、請求項９に記載のSPRセンサー。
  11. 請求項１から１０のいずれかに記載され、少なくとも一つの針に接続され、流体を針に送り込み、針の開口部が流路ルーメンに通じている場合には、流路へと送り込むよう制御可能な流体ポンプを備えるSPRセンサー。
  12. 請求項１から１１のいずれかに記載され、少なくとも一つの針に接続され、流体を針から吸引し、針の開口部が流路と通じている場合には、流路から吸引するよう制御可能な流体ポンプを備えるSPRセンサー。
  13. 請求項１から１２のいずれかに記載され、照射システムが、光源アレイと、該基板内に入り、該基板と少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域との界面領域に入射する平行光として各光源からの光を方向付けるコリメータと、該アレイの他の光源とは独立にアレイ内の光源をオンオフ制御できる光源制御機器とを備えるSPRセンサー。
  14. 透明な基板の表面上に形成された少なくとも一つの導体要素を含む薄膜伝導層と、
    一部が伝導層領域により形成された壁により定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルと、
    少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域と該基板との界面領域より反射された光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、
    光源アレイと、該基板内に入り、該基板と少なくとも一つの流路それぞれの壁部分を形成する伝導層領域との界面領域に入射する平行光として各光源からの光を方向付けるコリメータと、該アレイの他の光源とは独立にアレイ内の光源をオンオフ制御できる光源制御機器とを備えた照射システムとを備えるSPRセンサー。
  15. アレイがアレイ軸を有する線形アレイである請求項１３または１４に記載のSPRセンサー。
  16. アレイ軸と界面の法線が略同一面上にある請求項１５に記載のSPRセンサー。
  17. アレイ軸と界面の法線が略垂直に交差する請求項１５に記載のSPRセンサー。
  18. アレイが二次元アレイである請求項１３または１４に記載のSPRセンサー。
  19. アレイが光源の行と列を有する請求項１３または１４に記載のSPRセンサー。
  20. 個々の列と界面の法線が略同一面上にある請求項１９に記載のSPRセンサー。
  21. 個々の行と界面の法線が略垂直な請求項１９または２０に記載のSPRセンサー。
  22. 同じ列にある光源が略同一波長の光を提供する請求項１９から２１のいずれかに記載のSPRセンサー。
  23. アレイ内の全光源が略同一波長の光を提供する請求項１８から２２のいずれかに記載のSPRセンサー。
  24. 同じ行にある光源が異なる波長の光を提供する請求項１９から２３に記載のSPRセンサー。
  25. 請求項１４から２４のいずれかに記載され、界面に入射する以前に個々の光源からの光が通過する二つの平行面を有する光学要素であり、任意の光源からの光が界面に入射する角度を変えるために法線に対して垂直な軸に関し回転可能な光学要素を備えるSPRセンサー。
  26. 少なくとも一つの導体要素が複数の導体要素を有する請求項１から２５のいずれかに記載のSPRセンサー。
  27. 透明な基板の表面上に形成された複数の導体要素を有する薄膜伝導層と、
    該伝導層と基板との界面を照射するよう制御可能な照射システムと、
    界面領域より反射された光源からの光に対応した信号を発生する光感受性の表面と、
    一部が伝導層領域により形成された壁によって定義されるルーメンを有する少なくとも一つの流路が形成されたフローセルとを備えるSPRセンサー。
  28. 個々の導体要素が、基準電極に対し導体要素を帯電できるよう制御可能な電源に接続されている請求項２６または２７に記載のSPRセンサー。
  29. 複数の導体要素が複数の導体片を含む請求項２８に記載のSPRセンサー。
  30. 少なくとも一つの個々の流路が個々の導体片上を交差する請求項２９に記載のSPRセンサー。
  31. 複数の導体要素が複数の導体ピクセルを含む請求項２８に記載のSPRセンサー。
  32. 少なくとも一つの個々の流路が少なくとも一つの導体ピクセル上を通過し、個々のピクセルは流路の下にある請求項３１に記載のSPRセンサー。
  33. 各導体要素に対する排他的な基準電極であって、それに対し導体要素が帯電されている基準電極を有する請求項２８から３２のいずれかに記載のSPRセンサー。
  34. 請求項２８から３２に記載され、全ての導体要素が共通の基準電極に対し帯電されているSPRセンサー。
  35. 請求項３３または請求項３４に記載され、基準電極がフローセルの外部表面上に位置するSPRセンサー。
  36. 請求項３３または請求項３４に記載され、基準電極がフローセルを形成する材料の内部に位置するSPRセンサー。
  37. 請求項３３または請求項３４に記載され、基準電極が基板表面上に位置するSPRセンサー。
  38. 請求項３７に記載され、基準電極が、共通骨格に結合された平行な伝導性の歯を有する櫛型である、SPRセンサー。
  39. 請求項３８に記載され、導体要素が伝導性の歯の間に位置するSPRセンサー。
  40. 請求項１から請求項３９のいずれかに記載され、少なくとも一つの流路が略1mm2 以下の断面積を有するSPRセンサー。
  41. 請求項１から請求項３９のいずれかに記載され、少なくとも一つの流路が略0.5mm2 以下の断面積を有するSPRセンサー。
  42. 請求項１から請求項３９のいずれかに記載され、少なくとも一つの流路が略0.2mm2 以下の断面積を有するSPRセンサー。
  43. 請求項１から請求項３９のいずれかに記載され、少なくとも一つの流路が略0.1mm2 以下の断面積を有するSPRセンサー。
  44. 請求項１から請求項４３のいずれかに記載され、少なくとも一つの流路が複数の流路を有するSPRセンサー。
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