JP2007538292A - 信号変調を低減した集積光導波路センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、信号変調を低減し、感度を向上させた集積光導波路センサモジュール（２００）を提供する。光導波路センサモジュール（２００）は、第一の界面および第二の界面を有する光透過性基板（２１０）と、基板（２１０）上に配置された光導波路フィルム（２２０）とを備え、第一の界面（２２５）が基板とフィルムとの間にある。ここで、フィルム（２２０）は、そのフィルムと光学的に結合された少なくとも１つの格子パッド（２３５）を備える。基板（２１０）および光導波路フィルム（２２０）は、基板内側で寄生干渉を低減するように構成される。

Description

本出願は、米国仮特許出願第６０／５７２，５５６号（２００４年５月１８日出願）に対する優先権を主張するものであり、その出願の全体は、本明細書に参考として、援用される。

本発明は、化学および生物化学分析の分野に関する。より特定的には、化学および生物化学分析用の集積光センサに関する。

検体分子を高い特定度および感度をもって検出し、特徴付ける能力は、化学および生物化学分析の基本的な重要なものである。望ましいレベルの感度および選択度（ｓｅｌｅｃｔｉｖｉｔｙ）を達成するために、広範な物理現象を活用する化学および生物化学センサが開発されてきた。このようなデバイスは、例えば、医学診断で、薬学および基礎研究で、食品の品質管理で、環境モニタリングで、特に有用である。

これらセンサの特に重要なクラスは、光導波路を含むセンサである。光導波路の基本コンポーネントは、基板上に形成された導波路フィルムを含む多層構造である。光導波路は、特徴的共振モードの光が、内部全反射の結果として、フィルムを介して、導かれ得るように構成される。

導かれた光の適切な共振モードの決定の鍵となるパラメータは、光導波路の実効屈折率である。このパラメータは、導波路フィルムの物理的特性および寸法によって決定されるのみならず、導波路フィルムの界面上の、あるいは、その界面近くの物理的環境によっても修正され得る。例えば、導波路フィルム上の、あるいは、その近くの検体の特定のバインディングまたは吸着は、その実効屈折率を変化し得る。それゆえ、この変化の検出および測定は、そのような相互作用およびその他の環境変化の非常に高感度な指標として、機能し得る。

実効屈折率のこのような変化の検出および測定は、フィルム内側に導かれる光の特徴的共振モードを決定することによって、実行され得る。例えば、レーザのようにチューニング可能な光源は、所定の実効屈折率に対する特徴的な共振モードを決定するために、光導波路を探索する（ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅ）ために使用され得る。一度入射光が共振モードと合致すれば、導波路フィルム内側でその成功した伝播は、その結果、検出可能な信号となり得る。検体感知の結果、実効屈折率が変化する場合、その光源は、信号が回復されるまで、再チューニングされ得る。

典型的な光導波路センサにおいて、導波路フィルムは、回折格子として機能する表面波形を含む。これら格子は、導波路の内側と外側とで、光を結合するように構成される。このようにして、光導波路の探索は、内部結合格子に入射光を提供することに実行され、次いで、その内部結合格子は、光を導波路フィルムの中に結合する。別個の外側結合格子は、典型的には内部結合格子から距離を置いて配置され、導波路の外側に導かれた光を結合し得、ここで、出射ビームは、信号として検出され得る。

光導波路センサは有用であるにも関わらず、そのセンサの感度を悪化または制限する傾向があり、あるいは、測定された信号に厄介な変動を導く特定のアーチファクトが観察されている。

このような問題の一つは、測定された信号の「揺らぎ（ｗｏｂｂｌｅ）」の観測である。このアーチファクトは、例えば検体バインディング中のように実効屈折率が変化するので、測定されたピーク信号の変形としてだけではなく、外部結合された光の強度における変調として表れる。それゆえ、揺らぎは、測定された信号の感度と精度の双方を悪化する。経験的補正方法を使う従来の試みは、例えば、減算用キャリブレーション曲線を生成するために、導波路の角度を事前走査するなどの方法による試みは、せいぜい、不完全な解決策を提供するものに過ぎない。

それゆえ、観察された信号の変調と変形を低減して使用する改善光導波路センサおよび方法を提供することは、望ましい。

また、感度を向上させ、検出制約を低減して使用する改善光導波路センサおよび方法を提供することも、望ましい。

本発明は、信号の変調を低減する集積光導波路センサを提供することで、これらおよび他のニーズを解決する。センサモジュールは、第一の界面および第二の界面を有する光透過性基板を備える。光導波路フィルムは、そのフィルムと基板との間に第一の界面があるように基板上に配置され、そのフィルムは、そのフィルムと光学的に結合された少なくとも１つの格子パッドを備える。

第一の局面において、本発明は、光導波路センサモジュールを提供する。その基板および光導波路フィルムは、該基板内で寄生干渉を低減するように構成される。特定の実施形態において、本発明は、信号変調を低減する集積光導波路センサモジュールを提供する。このセンサモジュールは、第一の界面および第二の界面と、基板上に配置された光導波路フィルムとを備え、基板とフィルムとの間に第一の界面がある。フィルムは、このフィルムと光学的に結合した少なくとも１つの格子パッドを備え、基板と光導波路フィルムは、該基板内側での寄生干渉を低減するように構成される。

特定の実施形態において、基板の第二の界面は、基板−大気界面である。本発明の特定の実施形態において、反射防止層が、その第二の界面で基板上に形成される。特定の実施形態において、反射防止層は、ＭｇＦ_２、ＳｉＯ_２、ＴｉＯ_２、または、これらの任意の適切な組み合わせを備え得る。特定の実施形態において、反射防止層は、２つ以上の層を備え得る。特定の実施形態において、反射防止層は、所定の入射角に対する第二の界面での内部反射を低減するように寸法取りされる。

特定の実施形態において、本発明は、基板および光導波路フィルムが、導波路フィルムの格子パッドの少なくとも１つに入射光を結合できるように構成されるセンサモジュールを提供する。特定の実施形態において、提供された入射光の入射角が、結果的に、そこから派生される反射光となる。その反射光は、基板の内部であり、それゆえ、第二の界面の実質的にブルースター角で、基板の第二の界面上に入射する。

特定の実施形態において、本発明は、入射格子パッドの周期が、入射光の波長よりも大きいセンサモジュールを提供する。特定の実施形態において、入射格子パッドの周期は、入射光の波長の１．３倍よりも大きい。

特定の実施形態において、本発明は、基板が、第一の界面と第二の界面との間の距離に対して、適切に寸法取りされるセンサモジュールを提供する。このようなセンサモジュールの実施形態において、少なくとも１つの格子パッドに結合するために基板を介して透過した入射光と、基板中での内部反射光との間の重ね合わせは、実質的に低減される。内部反射光は、基板の第一の界面と第二の界面との間で反射される入射光から派生する。透過した光と内部反射光との間の重ね合わせの低減は、こうして、該基板内部の寄生干渉を低減する。

特定の実施形態において、本発明は、基板の第一の界面と第二の界面とが実質的に平行でないように、基板が寸法取りされるセンサモジュールを提供する。例えば、基板は、くさび状の断面形状を有し得る。

特定の実施形態において、本発明は、基板が、該基板と実質的に接触する一次光学基板および二次光学基板から形成されるセンサモジュールを提供する。一部の実施形態において、一次基板と二次基板とは、それぞれ異なる屈折率を有し得る。

特定の実施形態において、本発明は、基板を介して、モジュールに入る入射光の量を低減する手段を備えるセンサモジュールを提供する。ここで、該低減する手段は、少なくとも１つの格子パッドの１つに結合されていない光の量を低減する。例えば、少なくとも１つのアパーチャを有する不透明なマスクが、基板の第二の界面の上に配置され得る。少なくとも１つのマスクアパーチャは、第一の界面上の光導波路上の１つ以上の格子パッドに対して、以下のように配置され得る。それは、少なくとも１つのアパーチャは、入射光が、そのように配置された該アパーチャを介して基板に入ることと、少なくとも１つの格子パッドと結合することができるようにである。同様に、少なくとも１つのアパーチャは、外部結合された出射光が、少なくとも１つの格子パッドから、そのように置かれた該マスクアパーチャを介して、基板を出るように配置され得る。

特定の実施形態において、本発明は、第一の格子パッドに結合された入射光の重ね合わせた量を低減するように、第一の格子パッドが寸法取りされるセンサモジュールを提供する。一部の実施形態において、第二の格子パッドは、基板から出る重ね合わせ出射光の量を低減するように寸法取りされる。

特定の実施形態において、本発明は、光導波路フィルムが、基板の第一の界面にいて反射防止層として機能するように寸法取りされ、それによって、少なくとも１つの波長に対する、および、少なくとも１つの入射角に対する第一の界面における光の内部反射を低減するセンサモジュールを提供する。

特定の実施形態において、本発明は、第一の格子パッドが、入射光と結合するように構成されるセンサモジュールを提供する。ここで、該入射光は、そこから派生した反射光の少なくとも一部は、基板の第二の界面の実質的なブルースター角で第二の界面上に入射するような入射角でセンサモジュールに提供される。一部の実施形態において、第一の格子パッドを前述の方法で構成することは、第一の格子パッドの周期を設定または調整することを含む。

特定の実施形態において、本発明は、第一の格子パッドの周期が、第二の格子パッドの周期と異なるデュアル周期センサモジュールを提供する。特定の実施形態において、センサモジュールは、第一の格子パッドでの光導波路フィルムの厚さが第二の格子パッドでの光導波路フィルムの厚さと異なる深さ変調センサモジュールである。

特定の実施形態において、本発明は、光導波路フィルム上に配置された吸着層（ａｄｌａｙｅｒ）を備えるセンサモジュールを提供する。一部の実施形態において、吸着層は、吸着層の上またはその中に配置された検体の表面強化レーザ脱離／イオン化に適した表面を備える。好ましい実施形態において、この吸着層への検体のバインディングは、光導波路の性質に影響を及ぼし得る。

別の局面において、本発明は、改善された検出限界を有する集積光センサモジュールを提供する。このセンサモジュールは、光透過性基板と、基板上に配置された光導波路フィルムとを備える。このフィルムは、基板からの入射光を光導波路フィルムの中に結合するように構成された第一の格子パッドであって、入射光は、基板のブルースター角に実質的に等しい角で提供される、第一の格子パッドと、光導波路フィルム内から導かれる光を基板に結合するように構成される第二の格子パッドとを備える。一部の実施形態において、第一の格子は、少なくとも入射光の波長の周期を有する。

本発明の上記および他の目的、ならびに、利点は、以下の詳細な説明を、添付図面とともに考慮することで、明らかになる。図面においては、同様の符号は、全体を通して、同様のパーツを示す。

（好ましい実施形態の詳細な説明）
本発明の装置および方法は、望ましくない内部寄生干渉の現象を低減するように構成されている改善された集積光導波路センサモジュールを提供する。このように改善された装置および方法によって、光導波路モジュールおよび関連装置は、感度および精度が改善される。本発明の他の局面において、集積光導波路センサモジュールの検出制約の低減する装置および方法が提供される。それによって、また、その感度が向上する。さらに、本発明の実施形態は、個々に、または、適切な組み合わせで使用され得る。それによって、さらに大きな改善すらも提供し得る。

寄生干渉は、共通のソースビームから生成する個別の光ビームの重ね合わせから生じる。個別の光ビームは、内部反射する界面を有する屈折媒体を介して、元々のソースビームを透過させる間に生じる。ビームの一部の成分は、内部反射をしない媒体を介して、屈折経路に従うが、ビームの他の成分は、基板の界面で、多重の内部反射を受け得る。この多重反射ビームは、反射されなかった成分の上に重ね合わされる場合、そのそれぞれの位相における任意の差によって、その結果、ビーム間での干渉が生じ得、それには、結果生じる最終的な信号の減衰または変調を伴い得る。この寄生干渉は、光センサの感度と精度とを悪化し得る。

図１を参照すると、従来技術のデバイスで起こり得るような寄生干渉の仮想的描写が示されている。図１において、元々の入射光ビーム１００は、光導波路センサ１５０の基板−大気の界面１６５で回折され、次いで、基板１６０を介した経路１１０で示すように、格子パッド１７０を介して導波路１８０の中に結合され得る。しかしながら、元々の入射ビームの別の成分は、その代わりに、基板−フィルム界面１７５および基板−大気界面１６５の双方で内部反射を受け得、その結果、経路１２０に従う。反射されなかったビーム１１０上に、この二重に反射されたビームを重ね合わせると、相対的な位相シフトがある場合、その結果、この２つのビームの間に干渉が起こり得る。次いで、この干渉の結果、最終的なセンサ信号の変調となり得る。さらに、入射光の波長走査を実行するアプリケーションにおいて、例えば、波長探索光学走査（ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ）（ＷＩＯＳ）のようなアプリケーションにおいて、干渉の程度は、波長によって変動し得る。その結果、信号の正弦波変調は、この波長依存干渉の結果として、観察され得る。

類似方法において、寄生干渉は、出射光ビームとともに生じ得る。さらに、多くの光導波路センサにおける探索する光ビームは、入射および出射成分の双方を有するので、干渉は、その双方の場所で生じ得、それゆえ、最終的な信号もさらに変調し得る。

光導波路の角度走査（ＣｏｔｔｉｅｒらによるＳｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ９１，２４１−２５１（２００３年）参照）のような内部反射から結果として生じる寄生干渉を修正する従来の装置および方法は、光導波路センサにおける寄生干渉の根本的問題に対処することなく、結果として得られた減衰信号を修正することを試みてきた。このようなエラー修正方法は、逆効果ですらあり得る。なぜなら、角度走査から生じる減衰および変調は、導波路の実効屈折率に対する変化から生じる減衰および変調と、根本的に異なるプロセスから生じるからである。それゆえ、このようなキャリブレーション方法を使用すると、精度および感度のよい分析をさらに混乱させ得る。

図２を参照すると、本発明の集積光導波路モジュールの実施形態が示される。本発明の他の実施形態と共通な本実施形態における特徴は、他に特記されない限り、実質的に同じであると推定される。

集積光導波路モジュール２００は、基板層２１０上に形成された導波路フィルム２２０を備える。基板２１０は、基板２１０とフィルム２２０との間の第一の界面（基板−フィルム界面２２５）、および、基板２１０と大気との間の第二の界面（基板−大気界面２１５）の２つの界面を、さらに規定する。

基板２１０は、ガラス（例えば、ホウケイ酸ガラス）、プラスチックのような材料、あるいは、業界で周知の適切な光学的性質を有する材料からなり得る。好ましい実施形態において、このような基板は、光に対して最小の散乱特性および吸収特性を示す。

導波路フィルム２２０は、入射格子パッド２３０、出射格子パッド２３５を含む。これら格子パッドは、導波路フィルム２２０の中で、および、外で光をそれぞれ結合するために役立つ回折格子である。本発明の好ましい実施形態において、それぞれは、導波路フィルム２２０上で所定の周期性を有する表面波形から形成される。導波路フィルム２２０は、五酸化タンタル（Ｔａ_２Ｏ_５）のような適切な誘電材料を備え得る。

本発明の一部の実施形態において、格子パッドの特性は、光結合特性を修正するために、業界で知られるように、適切に構成され得る。例えば、格子パッドの周期性は、適切に構成され得る。それによって、格子パッドと結合するのに適切な入射光または出射光の角度を決定する。一部の実施形態において、チャープ格子パッドが使用され得る。この格子パッドは、軸に沿って、周期性の勾配を有する。本発明の一部の実施形態において、また適切に構成され得る格子パッドの他の特性は、導波路フィルム２２０の厚さ（例えば、図８でｈ_ｆ１およびｈ_ｆ２とラベル付けされた寸法を参照）、回折線の深さ（例えば、図８でｈ_ｇとラベル付けされた寸法を参照）、および、導波路の軸に対する格子パッドの長さ（例えば、図７および図８でＬとラベル付けされた寸法を参照）を含む。格子パッドの他の特性およびその回折格子は、業界で周知のように構成され得る。さらに、内部結合される格子パッドおよび外部結合される格子パッドのそれぞれの特性は、製造時に個別に構成され得る。例えば、内部結合格子パッドが有する周期、厚さ、長さ、格子深さ、または、他のパラメータは、外部結合格子パッドが有するものとは異なり得る。例えば、一部の実施形態において、センサモジュールは、デュアル周期センサモジュールであり得る。このとき、内部結合格子パッドと外部結合格子パッドとは、異なる格子周期を有する。一部の実施形態において、センサモジュールは、深さ変調センサモジュールであり得る。このとき、導波路フィルムの厚さは、内部結合格子パッドと外部結合格子パッドとで異なる。

さらに別の実施形態において、光が、業界で周知の他の手段およびコンポーネントによって導波路の中に導かれるとき、光センサは、外部結合格子パッドのみを備え得る。一部の実施形態において、本発明は、単一の格子パッドが、内部結合と外部結合との双方のパッドとして機能し得る光導波路センサを含む。

センサモジュール２００が、光センサとして使用されるとき、ターゲットサンプルは、カバー層２５０内に提供される。カバー層は、基板−フィルム界面２２５および基板２１０の側と反対側で、導波路フィルム２１０と接触する。本発明の一部の実施形態において、検体サンプルは、カバー層２５０を占有するバルク体積に提供され得る。本発明の別の実施形態において、光学吸着層は、吸着層２６０のように、最初にフィルム上に提供され得る。次いで、サンプルがカバー層２５０内に提供され、吸着層２６０と接触することが可能になる。吸着層２６０は、化学的、物理的、酵素的または業界で周知の他の適切な相互作用によって、サンプル内の所望の検体と相互作用可能である種（ｓｐｅｃｉｅｓ）を含み得る。これらの例は、米国特許第４，８１５，８４３号および同第６，３４６，３７６号明細書に記載されており、これら特許の開示は、本明細書において、その全体を参考として援用する。このような所望の検体と吸着層２６０との相互作用は、結果として、導波路の実効屈折率における検出可能な変化となり得る。

吸着層２６０は、アフィニティキャプチャプローブ上に見出されるような１つ以上の吸着性表面または種を含み得る。例えば、吸着層２６０は、クロマトグラフ吸着表面および生体分子アフィニティ表面を含み得る。典型的には、このようなクロマトグラフ吸着表面は、逆相、アニオン交換、カチオン交換、固定化金属アフィニティキャプチャおよび混合モード表面からなる群から選択され、このような生体分子アフィニティ表面の生体分子は、抗体、レセプタ、核酸、レクチン、酵素、ビオチン、アビジン、ストレプトアビジン、スタフ（Ｓｔａｐｈ）タンパク質Ａおよびスタフタンパク質Ｇからなる群から選択される。

本発明の第一の局面においては、装置と方法は、集積光導波路センサモジュールにおける寄生干渉を低減するために提供される。

一部の実施形態において、光導波路センサにおける寄生干渉は、基板界面において入射光および出射光の内部反射を低減することによって、低減される。基板での内部反射光の量を低減することによって、寄生干渉の原因となり得る干渉する波同士の重ね合わせの量は、対応して、低減される。

例えば、本発明の一部の実施形態において、基板層は、その基板−大気界面での反射防止層をさらに備え得る。図３を参照すると、光センサ３００の反射防止層３１０は、基板−大気界面２１５での内部反射を低減するように構成される。反射入射光３２０または出射光３３０は、界面２１５に到達するとき、いずれの光導波路ビームの更なる反射は低減され得る。界面の反射率減少の結果として、寄生干渉の量も同様に低減される。

光反射防止層に対して適切な材料と寸法は、業界で周知である。例えば、反射防止層は、
フッ化マグネシウム（ＭｇＦ_２）、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）、二酸化チタン（ＴｉＯ_２）、および、その他の適切な材料を備え得る。さらに、一部の実施形態において、反射防止層は、１つの組み合わせた反射防止層を形成する２つ以上の層（例えば、ＳｉＯ_２／ＴｉＯ_２層）を備え得る。一部の実施形態において、反射防止層の特定の性質（例えば、その屈折率またはその厚さ）は、特定の入射角および／または波長を有する光の反射を低減するように、適切に構成され得る。このような実施形態において、光導波路センサは、このような反射防止層と調整して構成され得る。例えば、外部結合格子パッドは、外部結合格子パッドからの入射ビームの角度が、基板界面の最適反射防止角に合致するように構成され得て、その結果、この界面での内部反射は低減される。同様に、入射光は、入射光が反射防止に対する最適角度で界面に入射するような角度で提供され得る。反射防止層は、入射光または出射光のＴＥ（横電気）偏光が望まれる実施形態において、特に適切である。

本発明の一部の実施形態において、光導波路は、入射光または出射光が所定の基板界面に対する適切なブルースター角で動作するように構成され得る。例えば、図４に示すように、入射光４１０は、第一の内部反射に続く界面２１５でのその入射角が、適切なブルースター角と実質的になるように、光導波路センサ４００に提供され得る。このブルースター角で、基板界面（４３０）への入射光は、反射されるというよりも、ほぼ完全に透過（４４０）される。同様に、外部結合格子パッド２３５は、外部結合する出射光４２０が、実質的に適切なブルースター角で、界面２１５上に衝突するように構成され得、それによって、また反射が抑えられる。ブルースター角で動作することは、入射光または出射光のＴＭ（横磁気）偏光が望まれる実施形態において、特に適切である。

本発明の一部の実施形態において、反射防止層およびブルースター角の使用の双方は、上述のように、適切かつ効果的に組み合わせて使用され得る。さらに、ブルースター角の使用は、比較的大きな入射角または出射角を有する光ビームを必要とし得る。それゆえ、ブルースター角が界面における反射を低減するために使用される本発明の一部の実施形態において、格子パッドが、このような角度で適切に光を結合するようにそれ相応に構成される。例えば、大きな入射角または出射角を有する光の結合を実行するためには、それぞれの格子パッドは、著しく大きな周期を必要とし得る。以下に記載するように、格子パッドの周期性を９００ｎｍまたは１０００ｎｍのような値に増やすと、導波路の感度を増すという予測しない影響が生じる。

本発明の別の局面において、反射光の重ね合わせから生じる基板内部の寄生干渉は、光導波路センサの幾何学的最適化によって低減され得る。このような幾何学的最適化には、例えば、重ね合わせと、それゆえ、寄生干渉とが低減され得るように、適切な寸法および／または形状を有する光導波路センサモジュールの基板層を製造することを含み得る。

図７を参照すると、光導波路センサ７００が、格子パッド７３０と内部結合するときの反射光の重ね合わせを示して、描かれている。図７でラベル付けされるように、内部結合するときの反射光ビーム間の重なり比は、以下：
ＯＲ＝Ｍａｘ｛０，（Ｌ＋ｄ−２ｈ_ｓｓｉｎ｜θ_ｓ｜）／Ｌ｝ （１）
のように表され得る。ここで、ＯＲは双方のビームの重なり比、Ｌは格子パッド７３０の長さ、ｄは入射ビームで使用されなかった部分（すなわち、入射しなかったビームの部分で、それゆえ、格子パッド７３０と結合しない）、ｈ_ｓは基板層７１０の高さ、そして、θ_ｓは導波路へのビームの入射角である。外部結合された格子パッドからの外部結合された出射光の重ね合わせも、また、同様の関係によって規定され得る。

したがって、重ね合わせと、それゆえ、寄生干渉とは、ＯＲの値を最小化することによって低減され得る。したがって、本発明の特定の実施形態において、格子パッドの長さ（Ｌ）を小さくすると、その結果、重ね合わせも低減する。このような実施形態において、格子パッドの寸法を小さくすると、その結果、重ね合わせ干渉の影響を受ける光の内部結合が、より少なくなり得る。同様にして、また、入射角（θ_ｓ）を大きくすると、同様の方法で、重ね合わせも低減し得る。

本発明の一部の実施形態において、重ね合わせは、入射ビームまたは出射ビームのサイズを小さくすることで、低減され得る。ビームサイズを小さくすると、それゆえ、寄生干渉用に利用される内部反射光が少なくな得る。入射光源を収束することによって、あるいは、例えば、適切に構成されたアパーチャを有する不透明なマスクで入射光ソースをマスキングすることによって、ビームサイズは、低減され得る。不透明なマスクは、基板に入る入射をブロックするために、基板の第二の界面上に配置され得る。ただし、アパーチャを介して入る光を除く。アパーチャは、通過する光が、内部結合された格子パッドに導かれるように、適切に配置され、寸法取りされる。

本発明の一部の実施形態において、光導波路センサは、基板層を含む。その基板層は、反射した光ビームと反射しなかった光ビームとの間での重なりを低減するように、適切に寸法取りされ得る。それによって、寄生干渉を低減する。例えば、図５Ａおよび図５Ｂを参照すると、図５Ａの光センサ５１０は、高さＨ１を有する基板層５１５を備える。ここで、この高さは、図５Ｂに示す光センサ５５０の基板層５５５の対応する高さＨ２よりも適度に高い。図５Ａに示すように、基板５１５内の内部反射光５２０は、図５Ｂの基板５５５内の内部反射光５６０より、大きな横変位を有する。この増加した変位の結果、重なりと、その結果生じる寄生干渉は、低減され得る。したがって、光導波路センサの基板層は、同様な結果を達成するように、寸法取りされ得る。

本発明の一部の実施形態において、同じ効果が、追加の二次基板層の追加によって、既存の光導波路センサの一次基板層を拡張することによって達成され得る。本発明の一部の実施形態において、一次層と二次層の屈折率は、合致される。その相互の界面における反射は、業界で周知のように、屈折率整合流体（ｉｎｄｅｘ ｍａｔｃｈｉｎｇ ｆｌｕｉｄ）を適用することによって、低減され得る。

本発明の一部の実施形態において、光導波路センサの基板層は、「くさび（ｗｅｄｇｅ）」状の断面を有するように、形成または拡張され得る。図６を参照すると、光センサ６００は、くさび状の断面を有するように寸法取りされた基板層６１０を備える。図６に示される構成は、他の図面の構成と同様に、模式的な方法で描かれており、必ずしも縮尺どおりではない。このような実施形態において、第一の界面６１５および第二の界面６２５は、一方の界面が他方の界面に対し傾くように、実質的に平行ではない。その結果、内部反射光６３０および元々の入射光６４０のそれぞれのベクトルは、重ね合わせに対する適切さが劣化し得るので、寄生干渉を低減する。

本発明の一部の実施形態において、重ね合わせは、基板−フィルム界面での反射率を低減することによって、減少され得る。基板−大気界面とは異なり、導波路フィルムが存在するので、追加の反射防止層の付加は不要である。しかしながら、導波路フィルム自体は、その厚さと屈折率に対して適正に構成されると、業界で周知のように、反射防止層として機能し得る。さらに、内部結合格子パッドおよび外部結合格子パッドの適切な構成も、また、基板の全体の反射率を低減し得る。

図８および以下の表１を参照すると、３つの例示的な光導波路センサ（Ａ、ＢおよびＣ）において選択された特性およびパラメータは、各センサの内部結合する格子（「内部パッド」）および外部結合する格子（「外部パッド」）の特性に特に焦点を合わせて、示される。これら３つのセンサの代表である光センサ８００において、基板８１０の屈折率（ｎ_ｓ）は１．５２（ホウケイ酸ガラスに相当）で、基板厚さは０．７ｍｍであり、導波路フィルム８２０の屈折率（ｎ_ｆ）は２．１０であり、カバー層８５０の屈折率（ｎ_ｃ）は１．３２８（水に相当）であり、ＴＭ偏光を有する中央波長は７６３ｎｍである。

表１において、ｈ_ｆは格子パッド８３０および８３５での導波路フィルム８２０の厚さであり、Λは格子パッドの周期であり、Ｌは格子パッドの長さであり、ｈ_ｇは格子回折線の深さであり、θは格子パッドでの結合（入射または出射）角であり、ｒ_ｓは合成反射率であり、ＯＲは重なり比であり、Ｍ_ｐｐはピークツーピーク変調であり、δΓは検出限界である。

表１に示すように、現行の光センサＡは、本発明の改善センサＢおよびＣと比較される。ＢおよびＣにおける反射の最小化と、それゆえ、重ね合わせおよび寄生干渉の低減とは、反射率を最小化するために最適フィルム厚さ（ｈｆ）の選択と、反射光の重ね合わせを低減する低減格子パッド長さ（Ｌ）の選択と、適切なブルースター角（θ）での内部結合格子パッドへの入射光の提供と、この比較的大きな角度で入射光を受け入れる内部結合格子パッドの周期（Λ）を大きくすることとを組み合わせることによって、達成され得る。

表１から明らかなように、ＢおよびＣの双方とも、現行のセンサＡに比べ、反射率が著しく低減される。驚くべきことに、内部結合格子パッドの周期が増加すると、より低い検出限界を提供するとともに、光センサの感度向上にも、また著しく作用し得る。

別の局面において、本発明は、業界で周知のような様々な装置および分析方法に使用され得る集積光導波路モジュールを記載する。例えば、本発明の光導波路は、任意の適切な光学的検出スキームで使用され得る。例えば、格子結合偏光解析、チャープ格子結合分光分析、波長探索光学走査（ＷＩＯＳ）、光導波路光モード分光分析（ＯＷＬＳ）、比色共鳴反射検出、マッハ・ツェンダー干渉計およびヤング干渉計、ならびに、格子結合蛍光検出のようなスキームであるが、これらには限定されない。

本発明の別の局面において、基板は２つ以上の光学モジュールを備え得る。図９を参照すると、マルチセンサチップ９００は、基板９１０および複数の個別センサモジュール９２０を備える。各モジュールは、導波路フィルム９３０、内部結合格子パッド９４０および外部結合格子パッド９５０を備える。チップ９００は、一例として描かれており、マルチセンサチップの他の適切な配列および構成も本発明の範囲内である。

他の局面において、本発明の光導波路センサモジュールは、キュベット、連結キュベット、マイクロタイタープレート、および、他の任意の適切な研究室・診断用容器製品の中に組み込まれ得る。このような実施形態は、サンプルおよびセンサをより取り扱いやすくすることを可能にし得る。さらに、このような実施形態は、サンプルの探索を容易にし得る。なぜなら、このような形状因子（例えば、様々なサイズのキュベットおよびマイクロタイタープレート）を取り扱うように設計された装置は、業界で周知であり、理解され、そして、商業化可能であり得るからである。

別の局面において、本発明は、質量分析計の基板として機能し得る光導波路センサを提供する。例えば、図２を参照すると、導波路フィルム２２０上に配置された吸着層２６０は、ＳＥＬＤＩ（表面増強レーザ脱離イオン化）質量分析に適した表面を備え得る。本発明の一部の実施形態において、吸着層は、例えば、抗体、アフィニティマトリックス、レセプタ、または、他の適切な種のように、検体をバインディングする手段を備え得る。それゆえ、吸着層中での検体とこのようなバインディング手段との間の相互作用は、光導波路センサによって、検出および測定され得る。さらに、検体が十分に固定化される場合、同じ基板は、直接ＳＥＬＤＩ−ＭＳ分析で用いられ得る。一部の実施形態において、吸着層は、例えば、吸着層の中に配置された検体の表面強化巧妙脱着（ｓｕｒｆａｃｅ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｎｅａｔ ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ）（ＳＥＮＤ）に適したエネルギ吸収部分を有するモノマおよび／またはポリマを備え得る。例えば、これらモノマおよびポリマは、米国特許出願公開第２００３／０２０７４６２号および同第２００３／０２０７４６０号に記載されており、これらの開示は、本明細書において、その全体が参考として援用される。レーザ脱離／イオン化分析を用いた他の適切な組み合わせの応用も、本発明の範囲の中に含まれる。

本発明の実施形態の全ては、上述のように、光センサにおいて独立で使用され得るし、あるいは、単一の光センサまたは光学機器の中で、適切な方法で組み合わせて使用され得ることは理解される。

本明細書に記載した全すべての特許、特許出願、およびその他の刊行物参考文献は、個々に、かつ特定的に本明細書に参考として組み込まれたもののように、その全体を本明細書に参考として援用する。本願特許出願人は、本明細書における様々な参考文献の引用によって、任意の特定の参考が、本発明の「先行技術」であるとは認めない。

特定の例が提供されたが、上記の記述は、例示的なものであって、限定的なものではない。以上に記載された実施形態の任意の１つ以上の特徴は、本発明の任意の他の実施形態の１つ以上の特徴と、任意の方法で組み合わせ得る。さらに、本発明の多数のバリエーションは、本明細書を再検討すると、当業者には明らかとなる。それゆえ、本発明の範囲は、以上の記述を参照して決定されるべきでなく、添付の請求の範囲を、その均等物の全範囲とともに参照して、決定されるべきである。

図１は、光導波路センサモジュールの模式的な断面図であり、特定の従来技術のデバイスに存在する寄生干渉現象を示す。 図２は、本発明の集積光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図である。 図３は、反射防止層を有する本発明の光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図である。 図４は、本発明の光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図であり、ブルースター角の使用を示す。 図５Ａおよび図５Ｂは、異なる基板高さを有する本発明の光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図である。 図６は、くさび状基板層を有する光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図である。 図７は、光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図であり、選択された幾何学的パラメータを示す。 図８は、光導波路センサモジュール実施形態の模式的な断面図であり、選択された幾何学的パラメータを示す。 図９は、複数の光導波路センサモジュールを有する本発明の実施形態の模式的な平面図である。

Claims (28)

1. 第一の界面および第二の界面を有する光透過性基板と、
   該基板上に配置された光導波路フィルムであって、該第一の界面が該基板と該フィルムとの間にある、光導波路フィルムと、
   を備える、集積光センサモジュールであって、
   該フィルムは、該フィルムと光学的に結合された少なくとも１つの格子パッドを備え、
   該基板および該光導波路フィルムは、該基板内側で寄生干渉を低減するように構成されており、それによって、該センサモジュール内の信号変調を低減する、センサモジュール。
2. 前記少なくとも１つの格子パッドは、
   前記基板からの入射光を前記光導波路フィルムの中に結合するように構成された第一の内部結合格子パッドと、
   該光導波路フィルム内側から導かれる光を該基板に結合するように構成された第二の外部結合格子パッドと
   を備える、請求項１に記載のセンサモジュール。
3. 前記少なくとも１つの格子パッドは、前記基板からの入射光を前記光導波路フィルムの中に結合するように、かつ、該光導波路フィルム内側から導かれる光を該基板に結合するように構成された、格子パッドを備える、請求項１に記載のセンサモジュール。
4. 前記基板の前記第二の界面上に配置された反射防止層をさらに備え、
   該反射防止層は、該基板内側の寄生干渉を低減する、請求項１〜３のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
5. 前記反射防止層は、前記基板の前記第二の界面で、内部反射を低減するように構成される、請求項４に記載のセンサモジュール。
6. 前記反射防止層は、ＭｇＦ_２層を備える、請求項４または請求項５に記載のセンサモジュール。
7. 前記反射防止層は、ＳｉＯ_２層およびＴｉＯ_２層を備える、請求項４または請求項５に記載のセンサモジュール。
8. 前記反射防止層は、所定の入射角に対し、前記第二の界面での内部反射を低減するような寸法取りされる、請求項４〜７のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
9. 前記基板および前記光導波路フィルムは、前記少なくとも１つの格子パッドの１つへの入射光を結合できるように、動作可能なように構成され、
   該入射光の前記入射角が、そこから派生し、前記第二の界面の実質的にブルースター角で、該第二の界面上に入射する反射光となり、
   それによって、該基板内部の寄生干渉を低減する、請求項１〜８のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
10. 前記入射格子パッドの周期は、前記入射光の波長よりも大きい、請求項９に記載のセンサモジュール。
11. 前記入射格子パッドの周期は、前記入射光の波長の１．３倍よりも大きい、請求項９に記載のセンサモジュール。
12. 前記第一の界面と前記第二の界面との間の距離が、
    前記少なくとも１つの格子パッドの１つに結合するための前記基板を直接透過した光と、
    該基板の該第一の界面と該第二の界面との間の多数の反射に続く同じ光と
    の重ね合わせを低減するのに十分なように、該基板は寸法取りされ、
    該重ね合わせの低減は、該基板内部の寄生干渉を低減する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
13. 前記基板は、前記第一の界面と前記第二の界面とが、実質的に平行でないように寸法取りされている、請求項１〜１２のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
14. 前記基板は、実質的に該基板と接触する一次光学基板および二次光学基板を備え、
    該接触する基板の合成屈折率は、該基板内部の寄生干渉を低減する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
15. 前記一次光学基板および前記二次光学基板は、異なる屈折率を有する、請求項１４に記載のセンサモジュール。
16. 前記基板を介し、前記モジュールに入る入射光の量を低減する手段をさらに備え、
    該低減する手段は、前記少なくとも１つの格子パッドの１つに結合されていない光の量を低減する、請求項１〜１５のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
17. 前記低減する手段は、アパーチャを有する不透明なマスクを備える、請求項１６に記載のセンサモジュール。
18. 前記第一の格子パッドは、該第一の格子パッドに結合された前記重ね合わせ入射光の量を低減するように寸法取りされる、請求項１〜１７のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
19. 前記第二の格子パッドは、前記基板から出て行く重ね合わせ出射光の量を低減するように寸法取りされる、請求項１〜１８のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
20. 前記光導波路フィルムは、前記基板の前記第一の界面において反射防止層として機能するように寸法取りされ、
    該光導波路フィルムは、該基板内部の寄生干渉を低減する、請求項１〜１９のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
21. 前記第一の格子パッドは、入射光と結合するように構成され、
    該入射光は、そこから派生した反射光が、前記基板の前記第二の界面において、実質的にブルースター角で該第二の界面上に入射するような入射角で前記センサモジュールに提供される、請求項１〜２０のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
22. 前記第一の格子パッドの構成は、該第一の格子パッドの周期の構成を備える、請求項２１に記載のセンサモジュール。
23. 前記センサモジュールは、デュアルモードセンサモジュールであり、
    前記第一の格子パッドの周期は、前記第二の格子パッドの周期とは異なる、請求項２および４〜２２のいずれか一項に記載のセンサモジュール。
24. 前記センサモジュールは、深さ変調センサモジュールであり、
    前記第一の格子パッドでの前記光導波路フィルムの厚さは、前記第二の格子パッドでの該光導波路フィルムの厚さと異なる、請求項２３に記載のセンサモジュール。
25. 前記光導波路フィルム上に配置された吸着層をさらに備える、請求項１〜２４のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
26. 前記吸着層は、該吸着層の上またはその中に配置された検体の表面強化レーザ脱離／イオン化に適した表面を備える、請求項１〜２５のいずれか１項に記載のセンサモジュール。
27. 光透過性基板と、
    該基板上に配置された光導波路フィルムと
    を備える、改善された検出限界を有する集積光センサモジュールであって、
    該フィルムは、
    該基板からの入射光を該光導波路フィルムの中に結合するように構成された第一の格子パッドであって、該入射光は、該基板のブルースター角に実質的に等しい角で提供される、第一の格子パッドと、
    該光導波路フィルム内から導かれる光を該基板に結合するように構成された第二の格子パッドと
    を備える、センサモジュール。
28. 前記第一の格子は、少なくとも前記入射光の波長の周期を有する、請求項２７に記載のセンサモジュール。

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