JP2008530566A - 最適化格子に基づくバイオセンサーと基体との組合せ - Google Patents

Abstract

格子に基づくバイオセンサーが開示される。該バイオセンサーは、センサーの格子線が複屈折性基体の光学軸と一列に配列して共鳴ピークの一様性が改善されるように構成されて配置される。格子線を複屈折性基体の光学軸と一列に配列させるバイオセンサーの製造法も開示される。１つの実施態様においては、基体材料の連続的ウェブ上に格子を形成させる格子マスターウェーハが使用される。格子マスターウェーハを該ウェブに対して回転させることによって、マスターウェブ中の格子線が該ウェブの光学軸と実質上一列に並ぶようにする。ＵＶ硬化性材料を該ウェーハに塗布してその場で硬化させることによって、基体ウェブの表面上に格子を形成させる。いくつかの好ましい材料(例えば、PET膜)製のウェブを使用する場合には、所定のウェブに対して光学軸の方向は一回決定すればよい。何故ならば、光学軸の方向は、該ウェブの長手方向に沿って実質上一定になるからである。

Description

本発明は、一般的には、格子（grating）に基づく生化学的センサー装置、及び該装置の製造方法に関する。この種の装置は、一般的には、光子的結晶（photonic crystal）の製造技術に基づくものであり、生物学的物質（例えば、ＤＮＡ、タンパク質、ウイルス及び細胞等）又は化学物質の該装置の表面又は内部への吸着を光学的に検出するために使用されている。

格子に基づくバイオセンサーは、１００ｎｍ未満の精度で被処理物の正確な沈着と腐食を可能にする半導体製造装置の最近の発達によって開発された新規な光学的装置群である。

光子的結晶のいくつかの特性に起因して、該結晶は、回折格子型光学的バイオセンサーとしての用途に対して理想的な候補となっている。第１に、光子的結晶の反射率／透過率挙動は、生物学的物質（例えば、タンパク質、ＤＮＡ、細胞、ウイルス粒子及びバクテリア等）の吸着によって容易に調整することができる。この種の生物学的物質を用いた研究により、次のことが証明されている。即ち、該結晶は、該結晶を通過する光の光学距離を限定された誘電率によって変化させる特性を有する。

第２に、光子的結晶の反射／透過スペクトルは非常に狭いので、簡単な照明装置と検出装置を使用する場合でも、生化学的結合に起因する該結晶の光学的特性のシフトを高分解能で決定することが可能となる。第３に、光子的結晶構造を、電磁場伝搬を高度に局現化させるように設計することができるので、単一の光子的結晶表面を使用することによって、多数の生化学的結合現象を、３〜５ミクロンよりも狭い隣接領域間の光学的干渉を伴うことなく同時に測定することが可能となる。

さらに、高い表面／体積比を有すると共に、生化学的試験試料と接触する領域へ電磁場強度を集中させる機能を有する実用的な光子的結晶装置を形成させるためには、広範囲の材料と製造法が利用できる。製造材料と製造法は、プラスチックに基づく材料を用いる大容量装置の製造又は半導体材料を用いる高感度性能を最適化するように選択することができる。

従来技術における格子型バイオセンサーの代表的な例は下記の文献に開示されている：
１）Ｂ．Ｔ．カニングハム、Ｐ．リ、Ｂ．リン及びＪ．ペパー、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ Ｂ、第８１巻（２００２年）、第３１６頁〜第３２８頁（「直接的な生化学的アッセイ法としての熱量測定による共鳴反射」）、
２）Ｂ．Ｔ．カニングハム、Ｊ．キュウ、Ｐ．リ、Ｊ．ペパー及びＢ．フー、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ Ｂ、第８５巻（２００２年）、第２１９頁〜第２２６頁（「標識の介在しない生化学的相互作用の多重同時検出のための熱量測定によるプラスチック製共鳴光学的バイオセンサー」）、及び
３）Ａ．Ｊ．ヘス及びＲ．Ｐ．Ｖ．ドゥイン、ジャーナル・オブ・ジ・アメリカン・ケミカル・ソサイアティー、第１２４巻（２００２年）、第１０５９６頁〜第１０６０４頁（「ナノスケールの光学的バイオセンサー：三角形状の銀ナノ粒子の局存化表面プラスモン共鳴スペクトロスコピーに基づくアプローチの感度と選択度」）。

光子的結晶バイオセンサーが併有する上記の利点は、標識が介在しないその他のバイオセンサー技術によって凌駕されない。感度が高く、小型で、多数の同時検出が可能な安価なバイオセンサー及び簡単で、小型で、耐久性がある読み出し型の装置の開発が可能となれば、従来は経済的な観点から適合できなかった用途において、薬学的発見、診断試験、環境関連試験、及び食品の安全性の分野におけるバイオセンサーの利用を可能とする。

光子的バンドギャップ装置をバイオセンサーとして機能するように適合させるためには、その構造の一部を液状の試験試料と接触させなければならない。生体分子、細胞、タンパク質、又はその他の物質は光子的結晶の一部へ導入され、局部的に制限された電磁場の強度が最大になる部位において吸着される。この結果、結晶内への光の共鳴カップリングが改変され、反射／透過出力（即ち、ピーク波長）が同調される（即ち、シフトする）。反射出力のシフト度は、センサー上に存在する被検試料の量と関連する。センサーは照明／検出装置と併用され、該装置は偏光をセンサー内へ方向付けると共に反射光又は透過光を捕獲する。反射光又は透過光は、ピーク波長を測定するスペクトロメーターへ送られる。

高い品質係数（Ｑ）、共鳴光カップリング、高い電磁エネルギー密度及び密閉した光学的閉じ込めをもたらす光子的結晶の機能を利用することによって、感度の高い生化学的センサーを製造することができる。この場合、Ｑは、共鳴周波数におけるピーク波長の鋭敏さの尺度である。光子的結晶のバイオセンサーは、液状の試験試料が周期的格子を透過し、生体分子又は細胞の結合による結晶の表面誘電率の改変によって光学的共鳴カップリング条件を同調させるように設計される。共鳴の高いＱ値及び結合電磁場と表面結合物質との強い相互作用に起因して、報告されている最高感度を有するいくつかのバイオセンサー装置が光子的結晶から誘導されている（クニングハムらによる前記の論文参照）。

この種の装置が、２００ダルトン（Ｄａ）未満の分子量を有する分子を高い信号対雑音の許容範囲で検出する機能及び個々の細胞を検出する機能を有していることは証明されている。光子的結晶内において共鳴的に結合した光は空間的に効果的に閉じ込めることができるので、光子的結晶表面は、アレイ形式による多数の同時におこなわれる生化学的アッセイを可能にする。この場合、相互に約１０μｍ以内の隣接領域は独立して測定することができる。この点に関しては次の文献を参照されたい：Ｐ．リ、Ｂ．リン、Ｊ．ゲルステンマイヤー及びＢ．Ｔ．クニングハム、センサーズ・アンド・アクチュエーターズ Ｂ、２００３年（「生体分子の相互作用の標識を介在させないイメージングに関する新規な方法」）。

光子的結晶構造に基づくバイオセンサーには多くの実用的な利点がある。蛍光団、放射リガンド又は二次的レポーターを使用しない生化学的な細胞性結合の直接的検出法は、実験上の不正確さ、即ち、分子のコンフォメーションに対する標識の効果、活性な結合性エピトープの遮断、立体障害、標識サイトへの不到達性、又は実験における全ての分子に対して同等に機能する適当な標識を見出すことができないことによってもたられる不正確さの問題を除去する。標識を使用しない検出法は、アッセイ法の開発に要する時間と労力を著しく単純化すると共に、失活、貯蔵寿命及びバックグラウンド蛍光のための必要な実験的道具を必要としない。

標識を使用しないその他の光学的バイオセンサーに比べて、光子的結晶の機能は、広帯域の光源（例えば、白熱電球又はＬＥＤ）から垂直の入射角で光を照射し、反射される色彩のシフトを測定することによって容易に調べることができる。簡単な励起／読み出しスキームの利用により、実験室用器具に使用するのに適した安価で小型の強靱なシステム、及びケア医療用診断法や環境の監視に使用される手持ちの携帯システムを得ることが可能となる。光子的結晶自体は電力を消費しないので、この種の装置は、種々の液体状又は気体状のサンプリングシステム内へ容易に埋設することができる。あるいは、この種の装置は、単一の照明／検出基地によって建物内の何千ものセンサーの状態が追跡される光学的ネットワーク中に配置させることができる。

光子的結晶のバイオセンサーは広範囲の材料と方法によって製造することができるが、連続的なフィルム状シートを用いておこなうプラスチックに基づく製法によれば、高感度の構造体が得られることが判明している。従来はその他のバイオセンサーに対しては経済的に不適当とされていたプラスチックに基づく設計と製法によれば、低コスト／アッセイが要求される用途において使用されるべき光子的結晶バイオセンサーが得られる。

本発明の譲受人は、光子的結晶バイオセンサーとこれに関連する検出装置を開発した。このセンサーと検出装置は次の特許文献に記載されている：米国特許出願公報２００３／００２７３２７号、同２００２／０１２７５６５号、同２００３／００５９８５５号及び同２００３／００３２０３９号。共鳴ピーク波長のシフトの検出法は、米国特許出願公報２００３／００７７６６０号に教示されている。これらの特許文献に記載されているバイオセンサーは、プラスチック製のフィルム又は基体の連続的シート上へ適用された一次元的又は二次元的な周期的構造化表面を含む。この結晶の共鳴波長は、垂直入射におけるピーク反射率を、０．５ピコメーターの波長分解能が得られるスペクトロメーターを用いて測定することによって決定される。三次元的なヒドロゲル表面の化学的性質を利用しないで得られた質量検出感度（１ｐｇ／ｍｍ^２）よりも小さな値は、その他の市販のバイオセンサーによっては証明されていない。

前記の特許出願の明細書に記載されているバイオセンサー装置の基本的な利点は、プラスチック材料を用いる連続的な工程（１〜２フィート／分）によって大量生産できることである。このようなセンサーを大量生産する方法は、米国特許出願公報２００３／００１７５８１号に記載されている。

図１に示すように、バイオセンサー１０の周期的表面構造体は低屈折率を有する材料１２から形成されており、該材料は、より屈折率の高い材料１４によって被覆される。低屈折率材料１２は基体１６と結合される。この表面構造体は、ポリエステル製の基体１６の表面上での連続的膜法を用いることによって、シリコンウェーハ「マスター」金型（即ち、所望の複製構造体のネガティブ）からの硬化エポキシ層１２の内部で複製される。液状のエポキシをマスター格子の形態に適合させ、次いで紫外線の照射によって硬化させる。好ましくは、硬化エポキシ１２は、ポリエステル製のシート状基体１６と接着させ、シリコンウェーハから剥離させる。センサーの製造工程は、屈折率の高い材料である酸化チタン（ＴｉＯ_２）を硬化エポキシ１２の格子表面上へスパッター法により１２０ｎｍの厚さで沈着させることによって完結する。酸化チタンを沈着させた後、マイクロプレートの切片（３×５インチ）をセンサーのシートから切り取り、該切片を、底のない９６個のウェル及び３８４個のウェルを具有するマイクロタイタープレート（microtiter plate）の底部へエポキシを用いて結合さる。

図２に示すように、マイクロタイタープレートのウェルを規定するウェル２０は液状試料２２を保有する。底のないマイクロプレートとバイオセンサー構造体を組み合わせたものは集合的にバイオセンサー装置２６として図示する。この方法によれば、非常に低いコストで、光子的結晶のセンサーを平方ヤードの規模で大量生産することができる。

光子的結晶のバイオセンサー用の検出装置は、構造が簡単で、安価で、消費電力が少なく、強靱である。このシステムの模式図を図２に示す。反射される共鳴を検出するためには、白色光源からの光を、光ファイバー３２（直径：１００μｍ）とコリメーターレンズ３４を通して、通常はマイクロプレートの底部を垂直の入射角で通過させることによってセンサーの表面領域（直径が約１ｍｍの領域）へ照射する。検出ファイバー３６は、スペクトロメーター３８を用いる分析用の反射光を集めるための照射ファイバー３２を用いて束ねられる。８個の一連の照明／検出ヘッド４０は直線上に配置されるので、反射スペクトルは、マイクロプレートの一列内の８個の全てのウェルから一度に集められる（図３参照）。

マイクロプレート＋バイオセンサー１０は、Ｘ−Ｙ軸方向でのアドレスで呼び出せる作動段階（motion stage）にあるので（図２には図示せず）、マイクロプレート内の各々のウェル列は順次アドレス指定することができる。測定時間は、変動段階の速度によって制限されるが、この装置を使用する場合には、９６個の全てのウェルに関する測定は約１５秒間でおこなわれる。図２及び図３に示すシステムの構成に関するさらに詳細な説明は、米国特許出願公報２００３／００５９８５５号に記載されている。
上記の全ての引用技術は、本願明細書の一部を構成するものである。

本発明は、従来の上記問題点を解決する格子に基づく新規なバイオセンサーを提供するためになされたものである。

即ち、（i）光学軸を有する物質を含有する基体及び（ii）該基体に付与された格子を具備するバイオセンサーであって、該格子が複数の平行線に沿って配置され、該格子の線が該基体の光学軸と実質上一列に配置された該バイオセンサーに関する。

本発明によれば、格子に基づくバイオセンサーが開示される。この場合、バイオセンサーは、格子の線が基体シート（例えば、ＰＥＴフィルム）の光学軸のうちの１つの軸と一列に並ぶことによって共鳴ピークの一様性が改良されるように構成されて配置される。このような配列（alignment）は、例えば、基体材料のウェブ（web）の軸に対して格子のマスターウェーハ（master wafer）を回転させた後、該マスターを用いて格子の線が基体の光学軸と一列に並ぶように基体ウェブの表面上に格子を形成させることによって、バイオセンサーの製造過程中は維持される。オペレーターは、格子の複製の開始前における基体の光学軸配向を測定し、次いで格子が該光学軸と一列に並ぶように格子のマスターウェーハを回転させる。

このような形態で構成されたバイオセンサーを用いることによって、共鳴現象にとって重要な偏光は、格子へ移動するとき又は格子から移動するときに、著しい相シフトは受けない。このようなバイオセンサーは一様で信頼性のある質の共鳴ピークをもたらす。

１つの実施態様においては、複屈折性の透明ポリマーフィルムのような基体を具有するバイオセンサーが提供される。１つの好ましいフィルムはＰＥＴであるが、その他の種類のフィルムを採用してもよい。複屈折性フィルムであってもよい基体は、光学軸を有する物質を含有する。格子は基体上へ適用される。格子は、複数の平行線の状態で配設されるという特徴を有しており、格子の線は基体の光学軸と実質上一列に並ぶ。

格子の線を複屈折性基体の光学軸と一列に並べるバイオセンサーの製造方法も提供される。

１つの実施態様においては、下記の工程（ａ）及び（ｂ）を含むバイオセンサーの製造方法であって、該工程（ｂ）の実施に際して、格子の線が基体材料のウェブの光学軸と実質上一列に並ぶように、基体上へ格子を適用する該方法が提供される：
（ａ）光学軸を有する基体材料のウェブをステーション（station）へ供給し、次いで
（ｂ）該ステーションにおいて、複数の平行線を含む格子を基体へ適用する。

別の実施態様においては、バイオセンサーの連続的な製造を可能にするバイオセンサーの製造方法が提供される。この方法は下記の工程ａ）〜ｆ）を含む：
ａ）基体材料の連続的ウェブを供給し、
ｂ）基体材料ウェブにおける光学軸の配向を決定し、
ｃ）複数の平行線を有する格子マスターウェーハを供給し、
ｄ）基体材料ウェブに対して格子のマスターウェブを配向させることによって、該格子のマスターウェーハの平行線を光学軸と実質上一列に配列させ、
ｅ）該格子のマスターウェーハを用いて材料ウェブ上に格子を形成させ、
ｆ）該格子のマスターウェーハに対して基体材料ウェブを前進させ、次いで工程ｅ）を繰り返す。

上記の例示的な観点と実施態様のほかに、その他の観点と実施態様は、添付図に基づく以下の詳細な説明の検討によって明らかにする。

例示的な実施態様を添付図に基づいて説明する。これらの実施態様及び添付図は、本願発明を例示的に説明するためのものであって、本願発明を限定するものではない。

図１は、従来技術によるバイオセンサーの部分的な模式的断面図である。
図２は、従来技術によるバイオセンサー／検出システムであって、該バイオセンサーを照明すると共に、該バイオセンサーからの反射光のピーク波長のシフトを測定するための該システムの模式図である。
図３は、底のないマイクロタイタープレート（microtiter plate）の基底部へ固定された図１に示す構造を有するバイオセンサー装置のウェルの全列を読み取る８個の照明ヘッドを具備する模式的構成図である。

図４は、被検物質を単位セル中に存在させたとき、図３に示す構成のマイクロタイタープレート内の１２個のウェルを含む列における波長の関数として測定された照射強度（相対的単位）のグラフを示す。このグラフ中の各々のラインは、別々のウェルに関して得られたデータを示す。各々のウェルに関しては、８５２ｎｍにおいて共鳴周波数ピークが観測された。この実施例においては、基体の光学軸と格子は約２５度の分離角を有する。検出装置内には、格子に対して垂直に配列して横方向の磁気モード偏光が装置内を通過して発生するように固定偏光子が配設される。

図５は、本発明によって開示された教示内容に従って、基体の光学軸と格子を実質的に一列に配列させたとき、マイクロタイタープレートのセル中の同じ列における波長の関数として測定された強度のグラフを示す。この実施例においては、該光学軸と格子は約２度の分離角を有する。固定偏光子は格子に対して垂直に配列する。次のことに留意すべきである。即ち、図５の場合においては、格子の軸と基体の光学軸が実質上一列に配列された構成を採用することによって、当該列における全ての単位セルにおける共鳴周波数ピークは、図４に示す場合よりも鋭利になり、これによってピーク波長値の検出精度が高まる。

図６Ａ及び図６Ｂは、それぞれ、格子のマスターウェーハの線及び基体材料のウェブの光学軸を一列に配列させる前及び後における格子のマスターウェーハと基体シートの配置状態を示す模式的底面図である。

以下においては、センサーの格子線とセンサーの基体の光学軸が実質上一列に配列された格子に基づくバイオセンサーについて詳細に説明する。実際上は、該格子線と光学軸は相互に平行又は垂直な配向度を有しており、一般的には、相互に数度以内に配置され、好ましくはより密接して配置される。

背景技術のセクションにおいて記載したバイオセンサーを利用する技術は、センサーの格子構造から光が反射される時に共鳴が発生するスペクトル波長の正確な決定に依存している。共鳴は狭いスペクトルのピークとして出現する。ピークの位置の決定の精度は、ピークの形状の勾配に比例する。従って、狭くて高いピークによってセンサーの感度は改良される。本発明によれば、バイオセンサーのピークの質の空間的一様性とロット（lot）間一致性は顕著に改良される。

本件出願人の譲受人による前記の公開された特許出願の明細書に開示された検出装置においては、格子線に垂直な一部のベクトル成分によって偏光される光によって誘導される光学的共鳴モードが利用される。共鳴現象によって、格子線に対して垂直な偏光を有する該成分の１００％は反射される。該特許文献においては、このモードは「トランスバース磁気（Transverse Magnetic；ＴＭ）モード」と呼ばれている。ＴＭモードに対して垂直なＴＥモードも存在するが、このモードは、幅がより広くて有用性の劣る共鳴ピークの形状を有する。センサーに応答させる装置内の偏光子は、他の偏光において反射される非共鳴性背景光からシャープなＴＭ共鳴ピークを分離させる。

最大のピーク強度を達成するためには、測定器の偏光子の光学軸を、格子から反射されるＴＭ光と一列に整列させなければならず、及び／又は偏光入射光はＴＭ偏光を有しているべきである。従って、理想的な形態においては、偏光子の軸は格子線に対して垂直に整列させる。最も用途の多い形態においては、検出装置には、センサーに応答させる底部からの光、特にセンサーの基体を２回透過した光が必要である。本発明によれば、複屈折性（偏光改変性）基体材料が利用できるだけでなく、バイオセンサーの全表面にわたって理想的な偏光条件を保持することができる。

出願人の譲受人は、低コストのポリマーウェブに基づく製品であって、共鳴性格子バイオセンサーの改変型製品を開発した。基体１６（図１参照）の材料として、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）ポリマーフィルムを選択することによって、多くの利点がもたらされる。例えば、ＰＥＴは比較的高い機械的強度（モジュラス）、熱安定性（Ｔｇ）及び化学的許容性を有する。光学的バイオセンサー及びその他の多くの技術的用途に対して最も重要な利点は、高い光学的透明性と品質を有するＰＥＴを低コストで容易に得ることができる点である。格子に基づくバイオセンサーの基体としてＰＥＴを使用する場合には、１つの重大な問題点がある。即ち、ＰＥＴの製造時に発生する二次元的延伸に起因して、複屈折性材料がもたらされる。延伸度（従って、複屈折性の度合）は、ＰＥＴウェブの製造プロセスにおける横方向に沿って変化する。延伸性と複屈折性は、ＰＥＴの製造プロセスの縦方向に沿っては一定に保たれる。本発明によれば、バイオセンサーの製造時におけるＰＥＴの複屈折性に関する問題点は解消される。

最も初歩的な光学のテキストにおいては、複屈折と複屈折性物質に関するテーマが取り扱われている。本明細書においては、これらについて簡単に説明するが、興味のある読者は、この現象を詳細に解析するテキストを参照されたい。

複屈折性物質は２つの光学軸を有する。複屈折性物質中においては、偏光は異なる速度で進行する２つの成分を有する。屈折率が高い「低速」軸に沿った偏光は、「高速」軸に対して垂直な偏光よりも遅く進行する。各軸に沿った屈折率（速度）の差異によって、該２成分間には位相差がもたらされる。該位相差は、光が複屈折性物質中を進行するに伴って、増大する。基体のいずれかの特定の位置においては、放射光は、２成分の大きさと位相差の関数である複合偏光の方位と強度を有する。ＰＥＴフィルムの場合、これらの軸は相互にほぼ直交する。以下の関係式によって、位相差は波長数で表示される。

位相差（波長数）＝Ｄｎ×ｄ／λ

式中、Ｄｎは基体の複屈折率（基体の２つの光学軸間の屈折率の差）を示し、ｄは基体の厚さを示し、λは光の波長を示す。
楕円偏光に関する方程式は、一般に複屈折物質から放射される光の方位と振幅によって表示される。

基体の２つの光学軸は数値的には小さな屈折率差（例えば、ＰＥＴの場合には、約０．０５）を有する。しかしながら、光学的に大きな厚さを有する基体の場合には、各々の軸に沿って進行する光の成分間における全体的な遅延によって、多数の波長の周期がもたらされる。基体（ＰＥＴの製造プロセスによって得られる基体）の屈折率（Ｄｎ）又は厚さ（ｄ）における小さな漸次的変化によって、偏光状態に大きな漸次的変化がもたらされる。偏光の方位における高い空間的変動性によって、バイオセンサーのピークの質に高い変動性がもたらされる。この変動性はバイオセンサーの全領域にわたって空間的に発生し、また、ＰＥＴの製造業者のマスターロール（master roll）の異なるセクションを用いることによって一時的に発生する。

本発明の開示内容による基本的な観点においては、バイオセンサーは、センサーの製造中において格子線とＰＥＴの光学軸との一列配列が特定されるように構成されて配設される。この配列は正確である必要はないが、理想的には、製造性とコストの点で適合して合理的に該配列が達成されるようにする。この構成配置においては、共鳴現象にとって重要な偏光は、格子内へ進入するとき、又は格子から放射されるときに、著しい位相シフトを受けない。この種のバイオセンサーは一様で信頼性のある共鳴ピークの質をもたらす。このような一列配列を達成するためには、製造ラインにおけるオペレーターは、基体状への格子の複製が開始する前に基体の光学軸の方位を測定し、この方位が決定されたならば、基体上に形成される格子が、決定された光学軸の方位と実質上一列に配列するように格子のマスターウェーハを回転させる。

図４に示すように、入射光が基体の２つの光学軸の間の方位へ偏光されるならば（この条件は、従来技術においては一般的に存在する条件である。）、入射光は、基体の底部表面から図３に示す検出装置内の上部表面上の格子へ向けて進行するときに、複屈折を受ける。材料特性（光学軸の方位）における空間的変動によって、格子上において偏光の変動がもたらされる。格子上における偏光の変動によって、共鳴ピークの一様性が失われる。光が基体から跳ね返って格子から反射させるときに類似の現象が発生する。

しかしながら、図５に示すように、本明細書に記載のようにして基体の光学軸の１つと一列配列又はほぼ一列配列した偏光は、１つの屈折率のみを「認識する」ので、複屈折を受けない。この結果、よりシャープなピークの共鳴周波数が検出され、センサー装置の精度が高くなる。

本発明の原理に従うバイオセンサーの好ましい製造方法について以下に説明する。この製法には、基体上への格子の「印刷」又は複製が含まれる。格子は、出願人の譲受人による前記の特許出願文献に記載のようにして、基体ウェブ上へ形成される。格子のＸ軸とＹ軸が基体の光学軸（該光学軸も一般的には直角である。）に対して平行で垂直な状態で整列されるならば、基体の複屈折特性は共鳴ピークの質に影響を及ぼさない。従って、製造中は、基体に対して、例えば、格子のマスターウェーハの回転により該マスターウェーハを正確に配向させることによって、格子が基体上に形成されたときに、格子線と光学軸との間に所望の一列配列が観測されるように留意すべきである。

ＰＥＴの製造業者は、一般的には幅が２Ｍ（２メーター）のＰＥＴフィルムのロール又はウェブを製造している。ウェブの方向に対する光学軸の方位はウェブの幅方向に沿って変化するが、ウェブの方向においては変化しない。２Ｍロールはより小さなロール（幅が０．２Ｍのロール）に切断される。バイオセンサーは幅が０．２Ｍのロールから製造される。従って、この製法によれば、マスターロールの幅に沿って多くの断面を有するサンプルが得られる。本発明によれば、マスターロールの幅に沿った光学軸の方位の変動は補償される。何故ならば、光学軸の測定は各々の０．２Ｍロールについておこなわれ、また、格子と光学軸との間の一列配列は各々の０．２Ｍロールに関しておこなわれるからである。

本発明の好ましい実施態様においては、ウェブの方向（又はウェブのエッジ）に関して垂直な基体の２つの光学軸の方位は、０．２Ｍのウェブの中心において測定される。次いで、格子のパターン形成型（マスターウェーハ）を回転させることによって、格子をウェブの光学軸の１つに一列配列させる。一般に、格子をいずれの軸（高速軸又は低速軸）と整列させるかは問題ではない。ウェブの中心における一般的な回転角は０〜３０度である。次いで、格子のマスターウェーハを用いて格子を形成させた後、該格子をＵＶ照射によって基体へ結合させる。この結合は、ＵＶ硬化中におこなわれる。ポリマー材料が格子構造中で硬化／架橋すると、該ポリマーはＰＥＴ基体と結合する。ウェブを前進させるか、又は指標を付した後、別の格子を形成させ、これをウェブへ結合させる。ウェブを前進させ、上記のプロセスを繰り返す。このようにしてセンサーが製造されると、第２の垂直軸（基本的には、ウェブ方向における軸）に沿って偏光された入射光のＴＭ方位は、格子上へ入射したときに維持される。

上記の製法によれば、０．２Ｍのウェブの中心における配列を最適化することができる。サンプリング点が該中心からずれるときには、理想的な一列配列からのずれが発生する。しかしながら、複屈折の効果は、光学軸と入射偏光との間の角度の二乗のほぼ正弦値として増加するだけである。また、０．２Ｍのウェブは、該ウェブの幅に沿って比較的小さな光学軸の空間的変化率を有する。これらの２つの点に起因して、次の結果がもたらされる。即ち、ウェブの中心への最適化により、マイクロプレートに基づくバイオセンサーの領域にわたって優れた共鳴ピークの一様性がもたらされる。

測定される共鳴ピークの一様性と質の改良の外に、本発明の実施により、出願人の譲受人はバイオセンサーの読取りの計測化を簡単化することができた。本願発明がなされる前においては、センサーの読取り器には、基体によって誘発される偏光の回転を部分的に補償するための調節可能な偏光子が必要であった。この装置によれば、格子と基体の光学軸との間に約１５度未満の不整列を伴う基体のロールに対して使用可能な共鳴ピークがもたらされる。譲受人が使用するロールの約４０％は、ウェブの方向（従来の格子の方向）から１５度よりも大きな角度の光学軸を有する。本発明によるセンサーの調製後は、基体の在庫品を完全に利用することができる。さらに、従来の調節可能な偏光子は、より簡単な固定偏光子によって置き換えてもよい。

図６Ａは、出願人の譲受人による前記の特許出願において開示されたタイプの格子に基づくバイオセンサーの製造中において、格子ステーションに対して縦方向（１０２）へ前進するＰＥＴフィルム（センサー基体の材料）のウェブ（１００）を示す模式図である。この実施例においては、ウェブ（１００）の幅は０．２Ｍである。該ウェブの試料を交差偏光子（相互に垂直な軸を有する２つの偏光子）の間に設置し、該試料を交差偏光子に対して減光が発生する方位に一致するまで回転させることによって、ウェブの材料の光学軸は予め測定される。交差偏光子に対するウェブの方位は、ウェブのエッジに対する光学軸の方位を決定する。

ウェブの試料の高速の光学軸と低速の光学軸はそれぞれ１０４及び１０６で示されており、通常は、これらの光学軸は相互に垂直である。光学軸１０４はウェブの移動方向とウェブのエッジ方向からθの角度でずれている。図６Ａにおいては、軸１１６が、光学軸１０４又は１０６ではなくてウェブの移動方向１０２と一列配列されている状態（本発明により補正された状態）に注意すべきである。図示されていないロールをウェブ１００に適用し、該ウェブをシリコンウェーハの格子マスター（１１０）上で回転させる。該マスターによって、ＵＶ硬化物の格子１１２がウェブ（１００）上に形成される。格子１１２は、低屈折率材料製の周期的表面から成り、該表面は複数のユニット（又はセル）の縦列と横列の状態で配設され、各々のユニットは、図１において１２で示すタイプの多数の格子素子１１４を有する。格子素子の長方形状の配置によって、１１６で示す格子軸を有する線が規定される。

図６Ｂに示すように、格子ステーションにおけるバイオセンサーの製造は、格子軸１１６とウェブ基体１００の光学軸１０４又は１０６との間において整列が規定されるように設計される。この目的を達成するためには、ウェーハ格子マスター１１０を、格子軸１１６と光学軸１０４が相互に実質上一列に配列するようになる角度（好ましくは数度）で回転させる。ＵＶ硬化性物質（例えば、液状エポキシ等）を小滴状態でウェーハ格子マスター（１１０）上へ滴下し、該ＵＶ硬化性物質をウェブの背後に配設されるロールからの圧力を用いて塗る広げ、次いで、該ＵＶ硬化性物質をＵＶ照射により硬化させることによって、格子パターン１１２をＰＥＴ製のウェブ（１００）上に形成させると共に結合させる。

ウェブ１００に対するマスター１１０と格子１１２の配置状態を図６Ｂに示す。２つの軸の正確な一列配列は必要ではないが、これにより近い配列状態がより好ましい。光学軸１０４と格子軸１１６は、ウェブの進行方向１０２に対して同じ角度（θ）を成す。ウェブの進行に伴って、硬化エポキシ格子＋ウェブはウェーハ格子マスター１１０から剥離し、次いでウェーハ格子マスター１１０を用いて別の格子がウェブ（１００）上に形成される。このようなプロセスは連続的に繰り返される。

下流のステーション（図示せず）においては、高屈折率物質が格子上に沈着され、得られる格子はウェブ１００から切り取られる。次いで、該格子は、個々のセル１１８を備えた９６個のウェルを有する底なしマイクロタイタープレートの基底部へ結合させる（この場合、個々のセルは該マイクロタイタープレートの個々のウェルと整列させる）。次いで、バイオセンサー装置は、例えば、前記特許出願の明細書に記載のような検出装置を用いる用途に供される。

以上の説明においては、多数の例示的な観点と態様について議論したが、当業者であれば、これらの観点や態様に種々の修正、置換、付加及びこれらの任意の併用手法を適用することができる。例えば、本発明の範囲から逸脱することなく、本明細書に記載のものとは異なる別の器具類や方法を使用することによって、基体材料上に格子を形成させてもよい。従って、本願の特許請求の範囲は、全てのこのような修正、置換、付加およびこれらの任意の併用手法も本発明の範囲と技術的思想に包含されるように解釈されるべきものである。

従来技術によるバイオセンサーの部分的な模式的断面図である。 従来技術によるバイオセンサー／検出システムであって、該バイオセンサーを照明すると共に、該バイオセンサーからの反射光のピーク波長のシフトを測定するための該システムの模式図である。 底のないマイクロタイタープレートの基底部へ固定された図１に示す構造を有するバイオセンサー装置のウェルの全列を読み取る８個の照明ヘッドを具備する模式的構成図である。 被検物質を単位セル中に存在させたとき、図３に示す構成のマイクロタイタープレート内の１２個のウェルを含む列における波長の関数として測定された照射強度（相対的単位）のグラフを示す。 本発明によって開示された教示内容に従って、基体の光学軸と格子を実質的に一列に配列させたとき、マイクロタイタープレートのセル中の同じ列における波長の関数として測定された強度のグラフを示す。 格子のマスターウェーハの線及び基体材料のウェブの光学軸を一列に配列させる前における格子のマスターウェーハと基体シートの配置状態を示す模式的底面図である。 格子のマスターウェーハの線及び基体材料のウェブの光学軸を一列に配列させた後における格子のマスターウェーハと基体シートの配置状態を示す模式的底面図である。

符号の説明

１０ バイオセンサー
１２ 低屈折率材料
１４ 高屈折率材料
１６ 基体
２０ ウェル
２２ 液状試料
３２ 光ファイバー
３４ コリメーターレンズ
３６ 検出ファイバー
３８ スペクトロメーター
１００ ウェブ
１０２ 縦方向
１０４ 高速の光学軸
１０６ 低速の光学軸
１１０ ウェーハ格子マスター
１１２ 格子
１１４ 格子素子
１１６ 格子軸
１１８ セル

Claims (16)

1. （i）光学軸を有する物質を含有する基体及び（ii）該基体に付与された格子を具備するバイオセンサーであって、該格子が複数の平行線に沿って配置され、該格子の線が該基体の光学軸と実質上一列に配置された該バイオセンサー。
2. 基体が透明なポリマー膜を具有する請求項１記載のバイオセンサー。
3. ポリマー膜がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）膜を含む請求項２記載のバイオセンサー。
4. 格子が、マスターウェーハを用いて基体上に適用されたＵＶ硬化性物質を含有する請求項１記載のバイオセンサー。
5. 下記の工程（ａ）及び（ｂ）を含むバイオセンサーの製造方法であって、該工程（ｂ）の実施に際して、格子の線が基体材料のウェブの光学軸と実質上一列に並ぶように、基体上へ格子を適用する該方法：
   （ａ）光学軸を有する基体材料のウェブをステーションへ供給し、次いで
   （ｂ）該ステーションにおいて、複数の平行線を含む格子を基体へ適用する。
6. 解の工程（ｃ）及び（ｄ）をさらに含む請求項５記載の方法：
   （ｃ）基体材料のウェブの光学的軸方向を決定し、及び
   （ｄ）工程（ｂ）の実施前又は実施中において、格子を基体材料へ適用する際に使用される格子ウェーハを基体に対して配向させることによって、該格子ウェーハを該光学軸方向と実質上一列に並ぶように配向させる。
7. ＵＶ硬化性材料から格子を形成させる工程をさらに含む請求項６記載の方法。
8. 基体材料が透明なポリマー膜を含む請求項５記載の方法。
9. 透明なポリマー膜がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）膜を含む請求項８記載の方法。
10. 基体材料の連続的ウェブを用いて実質上連続的におこなう請求項５記載の方法。
11. 基体材料の連続的ウェブを、基体材料のマスターウェブを長手方向に延びる複数の連続的ストリップに分割することにより、各々のストリップが基体材料の連続的ウェブを形成するようにして調製する請求項１０記載の方法。
12. 光学軸の方向を決定する工程を、材料ウェブの実質上中心においておこなう請求項６記載の方法。
13. 下記の工程ａ）〜ｆ）を含むバイオセンサーの製造方法：
    ａ）基体材料の連続的ウェブを供給し、
    ｂ）基体材料ウェブにおける光学軸の方向を決定し、
    ｃ）複数の平行線を有する格子マスターウェーハを供給し、
    ｄ）基体材料ウェブに対して格子マスターウェブを配向させることによって、該格子マスターウェーハの平行線を光学軸と実質上一列に配列させ、
    ｅ）該格子マスターウェーハを用いて材料ウェブ上に格子を形成させ、
    ｆ）格子マスターウェーハに対して基体材料ウェブを前進させ、次いで工程ｅ）を繰り返す。
14. 格子を、ＵＶ硬化性材料から形成させる請求項１３記載の方法。
15. 基体材料が透明なポリマー膜を含む請求項１３記載の方法。
16. 透明ポリマー膜がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）膜を含む請求項１５記載の方法。

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