JP2009511896A - 全ポリマー光導波路センサ - Google Patents

Abstract

本発明は、生体分子を検出するためのバイオセンサとして用いられる、薄い透明ポリマー導波路でコーティングされた透明ポリマー基板で作られた、エバネッセント場を誘起する光センサに関する。透明ポリマー導波路の屈折率nは1.4から1.79で、前記透明ポリマー導波路は、結合回折格子凹部構造を有することで、光波と結合する。前記透明ポリマー導波路の下側面は透明ポリマー基板と接触する。前記透明ポリマー基板の屈折率nは1.29から1.69である。前記透明ポリマー基板の外側上部表面すなわち光センサの外側上部表面は、少なくとも1の特定化学物質を検出するための特定結合化合物を有する。

Description

本発明は全ポリマー光導波路センサに関する。より詳細には本発明は、生体分子を検出するための化学又はバイオセンサとして用いられる、透明ポリマー基板及び薄い透明ポリマー導波路からなる、エバネッセント場を誘起する光センサ、並びにその製造方法に関する。本発明はまた、定性的親和力センシングにおける前記センサの使用、及び溶液中での発光物質成分を選択的かつ定量的に決定するための前記センサの使用にも関する。

エバネッセント励起発光は、導波層のすぐ近辺に限定されるため、分析分野で非常に強い関心が持たれている。特にエバネッセント場によって励起される蛍光は、その固有の感度故に、バイオセンサにとって非常に重要な技術である。

導波路バイオセンサは一般的に、最も単純なもので3層系から構成されている。その3層系は、第1基板、無機導波層、及び分析用を含む第2基板からなる。無機導波層を有する導波路バイオセンサの一例が特許文献1に開示されている。無機導波層を有する、又は無機導波層上の導波路バイオセンサの問題は、柔軟性が十分でないこと、及び製造コストが高いことである。さらに有機基板上で無機導波層を有する導波路バイオセンサを曲げる、及び/又は加熱することは、製造に係る時間を短縮できるため費用対効果が良いが、大抵の場合において無機導波層に付着したポリマー基板の剥離を招く。よって柔軟性が高く、剥離耐性が高く、及び製造物の垂直高さの低い導波路バイオセンサを供することが求められている。

発光色素によってラベルされた抗体又は抗原のエバネッセント励起発光を検出する方法及び装置それ自体は、特許文献2に記載されて知られている。特許文献2主張されている装置は、導波路を含む反応マトリックス系を使用する。その導波路は光を導光し、かつ通り抜けさせることを可能にし、前記導波路の表面上にナノスケールの井戸である空乏領域を少なくとも1つ有するクラッド層を有する。前記空乏領域内に設けられた物質は前記導波路を通り抜けたエバネッセント光波によって発光することができる。ナノスケール井戸のマイクロアレイクラッド層の製造には、より複雑かつより正確なプロセスが求められる。かなり小さなナノスケールの井戸には、全ての井戸において、より正確でさらにより複雑な結合分子の位置設定が求められる。これはさらなる困難を伴う。
国際公開第95/33197号パンフレット 米国特許出願第2002/0110839号明細書 ルーコス(W.Lukosz)及びティーフェンタラー(K.Tiefenthaler)、米国光学会誌(Journal of Optical Society of America)、第B6巻、1989年、pp.209-220

従って本発明の目的の1つは、生体分子を検出する化学又はバイオセンサとして用いられる光導波路センサであって、十分に高い光学品質及び検出能力についての要求を満たしながらも、低製造及び材料コストの観点から使い捨て可能なものとして使用できるように、容易に製造可能で、高い精度を必要とせず、柔軟性が高く、剥離耐性が高く、及び製造物の垂直高さが低い光導波路センサを供することである。

本発明の目的は、生体分子を検出するためのバイオセンサとして用いられる、薄い透明ポリマー導波路でコーティングされた透明ポリマー基板で作られた、エバネッセント場を誘起する光センサによって実現される。透明ポリマー導波路の屈折率nは1.4から1.79で、前記透明ポリマー導波路は、光波と結合するための結合回折格子である凹部構造を有する。前記透明ポリマー導波路の下側面は透明ポリマー基板と接触する。前記透明ポリマー基板の屈折率nは1.29から1.69である。前記透明ポリマー基板の外側上部表面すなわち光センサの外側上部表面は、少なくとも1の特定化学物質及び/又は生化学物質を検出するための特定結合化合物を有する。あるいは前記ポリマー導波路の外側上部表面は、薄い貴金属層で被覆されている。

生体分子を検出するバイオセンサとして用いられる、薄い透明ポリマー導波路でコーティングされた透明ポリマー基板の前記光センサは、厚さが0.10から0.50μmで屈折率nが1.39から1.79の透明ポリマー導波路を有する。前記透明ポリマー導波路は、光波と前記透明ポリマー導波路との結合を促進する結合回折格子である凹部構造を有する。前記透明ポリマー導波路の下側表面は透明ポリマー基板と接触する。前記透明ポリマー基板の屈折率nは1.29から1.69である。前記透明ポリマー導波路及び前記透明ポリマー基板の材料は、両者の屈折率差Δnが少なくとも0.1となるように選ばれる。

最も単純な形式では、光センサは、低屈折率の透明ポリマー基板、及び該透明ポリマー基板の上側表面にスピンコーティングされる高屈折率の透明ポリマー導波路からなる。前記透明ポリマー基板の外側上部表面は、少なくとも1の特定化学物質及び/又は生化学物質を検出するための特定結合化合物を有する。

光センサは全ポリマーセンサであることが好ましい。

ポリマー導波路及び透明ポリマー基板を構成する透明ポリマーは透明有機ポリマーであることがより好ましい。

光センサの十分強いエバネッセント場を実現するためには、透明ポリマー導波路の厚さ、及び前記透明ポリマー導波路と前記透明ポリマー基板の屈折率差Δnを調節することが重要である。

透明ポリマー導波路の厚さd[nm]は次式に基づいて計算される。

X=d*n₂*2π/λ
dを選ぶ際には、Xの範囲は、1から9であって良く、1.2から6であることが好ましく、1.5から4.5であることがより好ましく、かつ2から3.5であることが最も好ましい。

ここでn₂は透明ポリマー導波路の屈折率で、λは波長[nm]である。波長の範囲は、360nmから1000nmで、400nmから800nmであることが好ましく、かつ600nmから750nmであることがより好ましい。

薄い透明ポリマー導波路の厚さは、波長630nmに対しては、0.12μmから0.40μmであって良く、0.14μmから0.30μmであることが好ましく、0.16μmから0.28μmであることがより好ましく、かつ0.18μmから0.24μmであることが最も好ましい。

しかし、前記透明ポリマー導波路と前記透明ポリマー基板の屈折率差Δnが小さければ小さいほど、前記ポリマー導波路は厚くなるだろう。

薄い透明ポリマー導波路の厚さは、0.13μmから0.29μmであることが好ましいと思われる。厚さが0.17μmから0.22μmの薄い透明ポリマー導波路で、光センサのエバネッセント場の強度を増大させることができる。

透明ポリマー基板の厚さは、2μmから5mmであって良い。しかし透明ポリマー基板の厚さは、20μmから3mmであることが好ましく、50μmから1.5mmであることがより好ましいものと思われる。透明ポリマー基板の厚さは、100μmから500μmであっても良い。

前記透明ポリマー導波路の下側表面は、前記透明ポリマー基板の上側表面と完全に接触することが好ましいと思われる。

他の重要な特性としては、本発明の光センサによって化学若しくは生化学化合物を定性的及び/又は定性的に決定をするために十分な大きさのエバネッセント強度を実現するため、前記透明ポリマー導波路と前記透明ポリマー基板の屈折率差Δnは、0.1から0.5で、0.2から0.4であることが好ましく、0.25から0.35であることがより好ましい。

さらに透明ポリマー導波路の屈折率nは、該導波路の下側表面と接触する透明ポリマー基板の屈折率nよりも大きいことが重要である。

光センサを取り囲むスーパーストレートは一般的に、屈折率nが1.33の水である。

屈折率は、特に言及がなければ、温度23℃及び波長632.8nmで測定される。

本発明による光センサの利点の1つは、明確な材料特性を上述したように選択することで、定性的及び/又は定量的にも高い精度で、特定の化学物質及び/又は生化学物質を検出する能力の高い光バイオセンサが供されることである。

他の利点は、スピンコーティング又はプリントによって成型されたポリマー基板へポリマー導波路を塗布するため、本発明による光センサの製造物としての垂直高さが低いことである。しかしスピンコーティングされた又はプリントされたポリマー導波路上にポリマー基板を成型することも可能である。

本発明による光センサを供する好適方法は：
透明ポリマー基板の上側表面にポリマー光導波路をスピンコーティング又はプリントする工程；及び/又は、
ポリマー基板をポリマー導波路層上に成型する工程；及び/又は、
マイクロ構造の成型物から回折格子構造を複製する工程；
を有する。

光センサの他の実施例は、導波路表面での化学分子及び/又は生化学分子の存在の検出にもと表面プラズモン共鳴に用いられて良い。この場合表面は、薄い金属層で被覆されている。その金属はAuであることが好ましい。

本発明による光センサの1つの利点は、ポリマー材料同士の化学及び熱機械特性が一致することである。よって導波路上でのバイオセンシング用途に必要とされる様々な処理の間での故障は、無機導波路層を有する光センサと比較して顕著に減少する。無機導波路層に係る後者の問題は、無機導波路層と基板との間の熱膨張における固有の差異が、前記層中に応力を生じさせ、かつ界面に強い機械的応力を発生させることで、クラック及び層間剥離が起こることに起因する。従って透明ポリマー導波路層は、分析用に含まれている生化学物質によって決定される化学環境中においてかなり安定である。故障に対するポリマー層の熱機械特性、具体的には負荷が高いこと、により、光センサ素子は、無機層と比較して、温度サイクル条件下でも非常に安定する。よって光センサ素子は、温度変化によるひび割れ又は機械的故障を起こさないように、良好な機械的強度を示す。導波路層の弾性モジュラスが低いために界面で進展する応力のレベルが低いこと、及び導波路層の疎水特性のために光センサは、透明ポリマー導波路と取り付けられた透明ポリマー基板との間の界面での水の侵襲に対して感受性を有していないため、導波路層は、基板に対して良好に接合することを示す。

本発明による全プラスチック光センサの他の利点は、ポリマー材料は、無機導波路材料と比較して、製造が高価ではなく、かつ容易であることである。このため、本発明による光センサは、診断用途において要求される程度に使い捨て可能であるため、医療分野での用途にとって魅力的となる。

ポリマー導波路層を使用する他の利点は、スピンコーティングによる塗布が可能なことである。スピンコーティングによる塗布は、無機層にとって必要とされる高真空を用いた技術よりもかなり容易であるため、費用対効果が良い。

係る無機導波路層は、低屈折率の透明ポリマー基板上に塗布されることで、たとえば導波路層表面に固定されたバイオレセプタに基づくバイオセンシング素子で用いるのに十分なエバネッセント強度を与える。

本発明による光センサ及び基板は、平坦な状態であることが好ましいと思われる。

本発明の技術的範囲内で、光センサは、細片、平板、円盤、又は如何なる幾何学形状であっても良い。選ばれた幾何学形状は、本質的には重要ではなく、意図したセンサでの使用に決定されて良い。しかし光センサは、励起光源及び光電子検出系から空間的に分離した独立の素子として用いられても良い。

薄い透明ポリマー導波路は、該導波路の外側表面に、少なくとも1つの凹部及び/又は少なくとも1つの隆起部を有して良い。

さらに薄い透明ポリマー導波路は、透明ポリマー基板と接触する前記導波路の下側上部表面に、少なくとも1つの凹部及び/又は少なくとも1つの隆起部を有して良い。隆起部は、前記ポリマー導波路と接触する透明ポリマー基板と良好に係合する。透明ポリマー基板は、前記導波路の下側上部表面と良好に係合する。凹部は、光波と前記透明ポリマー導波路との結合を促進するのに重要であると考えられる。前記凹部の深さは、前記透明ポリマー導波路の厚さ未満である。光波と前記透明ポリマー導波路との結合を促進する複数の凹部からなる回折格子構造は、ポリマー導波路の上側及び/又は下側表面に形成されることが好ましい。

本発明の好適実施例によると、隆起部の上側表面は、ポリマー導波路の上部外側表面を超えない。

前記透明ポリマー導波路の上部外側表面及び/又は下部内側表面の少なくとも5%から95%で、好適には5%から25%で、より好適には5%から15%、に相当する前記透明ポリマー導波路の表面積は、光波と前記透明ポリマー導波路との結合を促進する複数の凹部からなる回折格子構造を有する。

回折格子の周期は、250nmから950nmで良く、300nmから750nmであることがより好ましく、かつ350nmから450nmであることが最も好ましいと思われる。その回折格子は1周期しか示さない。つまりその回折格子は単回折(monodiffractive)である。しかし回折格子は、たとえば2又は3周期、及び/又は周期が段階的に変化するように、2周期以上を示すことが好ましいと思われる。

少なくとも1種類の化学及び/若しくは生化学物質を検出する特定結合化合物は、ポリマー導波路の外側上部表面と直接的に結合するか、又はたとえば吸収の手段によってポリマー導波路の外側上部表面と接触して良い。かつ/又は、少なくとも1種類の化学及び/若しくは生化学物質を検出する特定結合化合物は、たとえば直接の化学反応若しくは化学架橋分子によって、ポリマー導波路の外側上部表面に固定されても良い。これは、プリント技術によりパターニングすることで、多数のそれぞれ異なる種類の特定プローブについて実現可能である。

製造物の垂直範囲を最小にするため、本発明による光センサは、ナノスケールの井戸である少なくとも1つの空乏領域が上に設けられたクラッド層を有する導波路を有していないことが、最も好ましい。結合分子は、検出材料として前記空乏領域内部に設けられる。よって本発明による光センサは、光を導光して通り抜けさせることを可能にし、かつ表面上に少なくとも1つの空乏領域を有する導波路を用いない。前記空乏領域内部に設けられた物質は、前記導波路中を通り抜けるエバネッセント波によって発光可能である。

さらに回折格子又は凹部は、検出材料を含まないことが好ましいと思われる。

他の好適実施例では、検出材料は、回折格子構造上に塗布されて良い。

典型的には、導波路中で導光された光波の減衰は、633nmで発光する光源で測定して、0.5dB/cm未満で、好適には0.01dB/cm未満である。その結果、導光されるビームは長距離となり、かつそのビームを取り囲む媒質での導かれた波の散乱は少なくなる。具体的にはこれらの条件下で、TE及び/又はTMモードを導光することが好ましい。

本発明による導波路の厚さは、1つのTMモード及び/又は1つのTEモードしか導波路中を伝播できないような薄さである。

基板は一般的に、如何なる種類のポリマー材料も適している。用いられるポリマーは、可能な限り屈折率が小さく、及び/又は可能な限り固有の発光が弱いものであって、可能な限り単純な方法で光学的な取り扱いが可能であることが好ましい。単純な方法とはたとえば、押出加工又は注入成型である。基板は、少なくとも励起及び発光波長で透明でなければならない。

本発明では、“透明ポリマー”の語は、熱可塑性、熱硬化性、及び/又は構造上架橋したプラスチックを含む。

基板用の透明ポリマー材料は、オレフィン、環状オレフィン、アクリル酸、メタクリル酸、エーテル、エステル、ウレタン、エーテル-エステル、エーテル-ウレタン、ウレタンアクリラート、エノール等、及びこれらの材料の部分類似体又はペルフルオロ類似体、シリコーン、シリコーンアクリラート、及びシリコーンメタクリラートからなる群から選ばれることが好ましい。

透明ポリマー材料はハロゲン化ポリマーであることがより好ましい。具体的には、ペルフルオロ又はペルフルオロポリマーである。よって最も好ましいのは、ハロゲン化アクリラート、ハロゲン化メタクリラート、ペルフルオロ側鎖を有するアクリル酸、及び/又はペルフルオロ側鎖を有するメタクリル酸、及びそれらの共重合体である。これらの屈折率n_Dは1.37-1.41と低い。

基板の透明材料の屈折率は、透明ポリマー導波路の屈折率よりも低い。つまり屈折率n_Dは最大でも1.69である。

基板の透明ポリマー材料は架橋していることが最も好ましい。

透明導波路材料は一般的に、透明ポリマー基板よりも高い屈折率を有する如何なる種類のポリマー材料も適している。可能な限り大きな屈折率を有するポリマーを用いることが好ましい。また導波路材料は、可能な限り単純な方法で光学的な取り扱いが可能であることが好ましい。単純な方法とはたとえば、透明ポリマー基板の上部外側表面上でのスピンコーティングである。基板は、少なくとも励起波長で透明性が高くなければならず、かつ自己蛍光を示さないことが好ましい。また発光波長でも透明であることがより好ましい。

本発明では、“透明導波路”の語は、透明ポリマー基板よりも大きな屈折率を有する、熱可塑性、熱硬化性、及び/又は構造上架橋したプラスチックを含む。つまり屈折率n_Dは少なくとも1.39である。

導波路用の透明ポリマー材料は、同素環式及び/又は複素環式芳香族化合物、ハロゲン化及び/又は硫黄含有ポリマーを有する群から選ばれることが好ましい。ハロゲン化及び/又は硫黄含有ポリマーとは、具体的にはわずかに非局在のπシステムを有する臭素及び/又は硫黄含有ポリマーであることが好ましい。

導波路にとってより好ましい材料は、ポリ（ペンタ-ブロモフェニルメタクリラート）(n_D=1.71)、ポリ（ビニルフェニルサルファイド）(n_D=1.657)、ビスフェノール-Sベースのエポキシド及び/又はアクリラート等である。

前記透明ポリマー導波路の外側上部表面は、少なくとも1の特定化学物質及び/又は生化学物質を検出するための特定結合化合物を有する。

前記透明ポリマー導波路の表面は処理され、たとえば接合層のような特定の層で被覆されて良い。それにより、たとえば抗体又はcDNAストランドのような生体分子を結合させることで、素子の被処理表面上に導かれる液体試料中での生物学的標的の選択的結合又はハイブリッド形成することで、関心対象である液体を分析することができる。結合生体分子の存在は、たとえば本発明によるセンサの導波路のエバネッセント場によって励起される蛍光によって検出される。

本発明の技術的範囲内では、“試料”という語は、分析される溶液全体を意味するものとする。溶液全体は、検出される物質、すなわち検体を含んで良い。検出は、本発明による光センサ表面に1種類以上の溶液を接触させる過程において、単一段階で行われても良いし、又は多段階に分けて行われても良い。用いられる溶液の少なくとも1種類は、発光特性を有する物質を含んで良い。この物質は、本発明の実施によって検出可能である。

発光特性を有する物質がすでに導波路の上部表面に吸着している場合には、試料もまた発光成分を含まなくて良くなる。試料はさらに他の成分を含んで良い。他の構成要素とは典型的には、pH緩衝剤、塩、酸、塩基、表面を活性にする物質、粘性に影響を及ぼす重合調整剤又は色素である。具体的には、生理食塩水が溶媒として用いられて良い。発光成分それ自体が液体である場合、溶媒を加えることで、分散させることが可能である。

試料はさらに、たとえば卵黄、体液、又はその成分のような生体媒質を含んで良い。体液の成分とは具体的には、血液、血清、血漿、又は尿である。さらに試料は、地表水、たとえば土壌若しくは植物の一部のような天然又は合成媒質から抽出された溶液、バイオプロセス培養液、又は合成培養液で構成されて良い。

試料は、希釈されなくても良いし、又は溶媒を加えて用いられても良い。

適切な溶媒は、アルコール、ケトン、エステル、及び脂肪族炭化水素である。水、水性緩衝剤又は水、及び水和性有機溶媒との混合物を用いることが好ましい。しかし試料は、溶媒中で溶けない成分をも含んで良い。溶媒中で溶けない成分とはたとえば、色素粒子、分散剤、天然及び合成のオリゴマー又はポリマーである。この場合試料は、光学的に不透明となるように分散している、すなわち乳液の状態である。

適切な発光化合物は、360nmから1000nm範囲の波長で発光する発光性色素である。そのような発光性色素は典型的には、ローダミン、フルオロセイン誘導体、クマリン誘導体、ジスチリルフェニル、スチルベン誘導体、フタロシアニン、ナフタロシアニン、たとえばトリス（2,2’-ビピリジル）ルテニウムクロライド、トリス（1,10’-フェナントロリン）ルテニウムクロライド、トリス（4,7-ジフェニル-1,10-フェナントロリン）ルテニウムクロライド、並びにポリピリジル-フェナジン-ルテニウム複合体のようなポリピリジル-ルテニウム複合体、たとえばオクタエチル-プラチナ-ポルフィリンのようなプラチナ-ポルフィリン複合体、長寿命ユーロピウム及び/若しくはテルビウム複合体、又はシアニン色素を含む。血液又は血清の分析に適しているのは、360nmから1000nmの範囲に吸収及び発光波長を有する色素である。

特に適した発光化合物は、共有結合可能な官能基を含む、たとえばフルオロセイン誘導体のような色素である。フルオロセイン誘導体とはたとえば、フルオロセインイソチオシアネートである。

好適な発光物質はフルオロセインである。

使用に適した発光色素は、ポリマー又は生化学親和系での結合相手の1つと化学結合しても良い。生化学親和系での結合相手とはたとえば、抗体若しくは抗原の断片、抗原、タンパク質、ペプチド、受容体、又はそれらのリガンド、ホルモン若しくはホルモン受容体、オリゴヌクレオチド、DNAストランド、及びRNAストランド、DNA若しくはRNA類似体、タンパク質A及びGのような結合タンパク質、アビジン若しくはビオチン、酵素、酵素補助因子若しくはゼロ抑制剤、レクチン、又は炭化水素である。上述した共有結合の発光物質によるラベリングは、可逆的であれ不可逆的であれ（生）化学親和性分析にとって好ましい用途である。発光物質によってラベリングされたステロイド、脂質、及びキレート剤をさらに用いることも可能である。侵入発光物質はまた、様々なルテニウム複合体のように、インターカレーションにおいて改善された発光を示す場合、DNAストランド又はオリゴヌクレオチドでのハイブリッド形成分析にとって非常に興味深い。これらの発光物質によってラベリングされた化合物が、本発明による光センサ表面で固定されている親和性を示す相手と接触する場合には、その結合は、発光物質の測定強度から定量的に決定することができる。試料が、酸素による消光又はタンパク質の立体構造の変化という形で、発光物質と相互作用するとき、発光変化を測定することによって、検体を定量的に決定することも可能である。

発光励起用にコヒーレント光を用いることが好ましく、そのようなコヒーレント光は、より好適には波長300nmから1100nmのレーザー光で、さらにより好適には波長400nmから850nmのレーザー光で、最も好適には550nmから700nmである。

適切に使用できるレーザーは、色素レーザー、気体レーザー、固体レーザー、及び半導体レーザーである。必要な場合には、発光波長は、非線形結晶光学系によって2倍にされて良い。ビームはまた、光学素子によってさらに集光され、偏光され、又はグレイフィルタによって減衰されても良い。特に適したレーザーは、457nmから514nmの間の波長で発光するアルゴンイオンレーザー、及び543nmから633nmの間の波長で発光するヘリウム-ネオンレーザーである。特別に適したレーザーは、半導体材料からなるダイオードレーザー又は630nmから1100nmの基本周波数で発光する周波数2倍(frequency-doubled)ダイオードレーザーである。これらのレーザーダイオードは、サイズが小さくかつ電力消費が小さいため、全体のセンサシステムをかなり小型することを可能にする。しかし波長約405nmで十分な出力を有するダイオードレーザーが用いられても良い。

本発明の方法では、試料は光センサと接触することができる。その際、固定状態及びセンサ全体にわたって連続的に導かれるような状態で接触する。循環は開放であっても良いし、又は閉じていても良い。

当該方法の特定実施例では、導波層表面に直接的に接する検体を検出するのに用いられる発光特性を有する物質を固定することが重要である。発光特性を有する物質はたとえば、タンパク質と結合し、かつこれまでに説明してきたようにして導波層表面で発光を励起することのできる発光物質であって良い。タンパク質との親和性を有する結合相手が、この固定層全体にわたって導かれる場合、発光は修正され、かつこれまでに説明してきたようにして前記結合相手の量を決定することができる。特に親和性の複合体である両結合相手はまた、消光という形の両者間でのエネルギー移動から濃度を決定する効果を生じさせることができるように、ラベリングされて良い。

化学又は生化学親和性分析を実行する方法に係る他の好適実施例では、光センサ表面、つまり導波路上部外側表面で、検体それ自体又は結合相手の1つとしての化学又は生化学検出物質としての特定結合相手を固定することが重要である。分析法は、過程中において、単一段階で行われる分析法であっても良いし又は多段階に分けて行われる分析法であっても良い。多段階における一連の工程では、本発明による光センサ表面上に固定された検出物質用の結合相手を含む1種類以上の溶液が導かれ、かつ検体は部分に分かれたある工程中に結合する。親和性分析法に関与する発光物質によってラベリングされた結合は、検体に検出に影響を及ぼす。用いられる発光物質によってラベリングされた物質は、1種類以上の親和性分析の結合相手、又は発光物質が供された検体の類似体から構成されて良い。唯一の基準は、検体が存在することによる、選択的な発光信号の発生、又は選択的な発光信号の変化である。

検出物質の固定は、導波路の上部外側表面での直接的な共有結合若しくは疎水性吸収によって、又はたとえばシラン化若しくはポリマー層の塗布による表面の化学修飾後に実行されて良い。それに加えて、たとえばSiO₂からなる薄い層間膜が、接合促進層として導波路の上部外側表面に直接塗布されることで、導波路上での直接的な検出物質の固定を促進して良い。検出物質は典型的には、抗原用抗体、たとえばタンパク質A及びGのようなイムノグロブリン用の結合タンパク質、リガンド用受容体、ヌクレオチド、相補的ストランド用のRNA及びDNAの単一ストランド、ビオチン用アビジン、酵素基板用酵素、酵素補助因子、又は抑制剤、炭化水素用レクチンが適している。本発明の光センサ表面にどのそれぞれの親和性結合相手が固定されるのかは、分析法の設計に依存する。

競合的分析法の最も単純な場合では、未知濃度の検体及び発光物質ラベルを除く既知濃度の同様の化合物を含む試料が、本発明による光センサ表面に接触する。ラベリングされた発光物質及びラベリングされていない分子は、固定された検出物質の結合位置を得るために競う。この分析法の構成では、最大発光信号は、試料が検体を含まないときに、得られる。検出される物質濃度が増大することで、観測されている発光信号は弱くなる。

競合的イムノアッセイ法では、固定される抗体である必要は必ずしもない。抗原もまた、本発明による光センサ表面に、検出物質として固定されて良い。通常の場合、化学又は生化学親和性分析法においてどの結合相手が固定されているのかは重要なことではない。このことは、たとえば導波路層のエバネッセント場での吸着質量変化に基づく表面プラズモン共鳴又は干渉計による方法よりも優れた、発光に基づく分析法の基本的な長所である。

さらに競合的分析法では、競合は、本発明による光センサ表面での結合位置に限定される必要はない。たとえば既知量の抗原もまた前記センサ表面に固定され、かつ未知両の検出される検体としての同一の抗原及び発光物質によってラベリングされた抗体を含む試料と接触させても良い。この場合、抗体との結合について、表面上で固定される抗原と溶液中に存在する抗原との間での競合が起こる。

多段階分析法の最も単純な場合は、サンドイッチイムノアッセイ法である。この方法では、1次抗体が本発明による光センサ表面に固定される。検出される抗原及び発光物質によってラベリングされる2次抗原のエピトープへの結合は、抗原を含む溶液と発光物質によってラベリングされている抗体を含む第2溶液を順次接触させることにより、又は、事前にこれら2種類の溶液を混合することにより実行されて良い。それにより最終的には、抗原及び発光物質によってラベリングされた抗体からなる部分的複合体が結合される。親和性分析はまた、他の結合工程を有して良い。たとえばサンドイッチイムノアッセイ法の場合では、第1工程において、順次行われるサンドイッチアッセイ法で1次抗体として機能するイムノグロブリンに特化して結合するタンパク質Aは、所謂F_c部分にて、本発明による光センサ表面に固定されて良い。

典型的には既知のアビジン-ビオチン親和系を用いるような、全体が他の型の親和分析法によるホストが存在する。

さらに本発明による光センサの表面は1回だけの使用のみならず再使用も可能である。たとえば低pH、高温のような適切な条件下で、有機溶媒、又は所謂カオトロピック剤（塩）を用いることで、固定された検出物質の結合能力をほとんど弱めることなく親和複合体を選択的に分解することが可能である。厳密な条件は、特定の親和系に強く依存する。

当該方法の他の重要な実施例においては、一方では、信号の生成を制限することが重要である。これは逆結合の場合についてで、このことはまた、信号の検出、つまり導波路のエバネッセント場にも当てはまる。他方で需要なことは、平衡過程としての親和複合体形成の可逆性である。連続的に流れる系において適切な流速を用いることによって、エバネッセント場によって、結合した発光物質によってラベリングされた親和結合の相手の結合もしくは脱離又は分解をリアルタイムで観察することが可能である。従って当該方法は、各異なる結合又は分解定数を決定する動力学研究に適しているし、変位分析法にも適している。

好適実施例では、閉じたマイクロ流体系での測定の実行に必要な検体及び他の流体を導くチャネルを有するカバープレートが設けられる。
導波路表面からの発光信号を検出する光学素子を含む検出器は、導波路そうの上又は基板の下に設けられて良い。
最も重要な設計上の基準は、導波路表面でのエバネッセント場の強度である。この強度は、導波路層(n₂)、基板(n₃)、及びスーパーストレート(n₁)の屈折率、導波路層の厚さ(d)によって決定される。

屈折率の測定は、特に言及がなければ、23℃で波長632.8nmで行われている。さらに導波路層の厚さは特に言及がなければμm単位で表される。
この強度は、表面からの距離の増大とともに指数関数的に減衰する。設計の最適化を行うにあたっては、吸着した生体分子の予想厚さの範囲でのエバネッセント場の平均強度が採用されて良い。吸着した生体分子に含まれる色素分子も同一の場によって励起される。
本発明による光センサの好適実施例は以下に示される。
基板
-シラン接合促進剤で処理されたガラス
-低屈折率基板:2,2,3,3,4,4,5,5-オクタフルオロ-1,6-ヘキサンジオルジメタクリラート(ABCR)
高屈折率導波路
-ポリ-ペンタブロモフェニルアクリラート(Aldrich)
-イルガキュア184(Ciba)が、光重合を可能にするために単量体に加えられた。

高屈折率ポリマーは、20%の濃度(w/w)をシクロヘキサン中で溶解した。最終的に架橋されたポリマーと高屈折率ポリマーの屈折率は、それぞれ1.44と1.70である。架橋ポリマーの最終厚さは約2mμmである。高屈折率ポリマーの最終厚さは約210nmである。複製用マスターは、シリコンウエハ上での電子ビームリソグラフィによって得られた。

図1は、厚さ1mmで屈折率n₃が1.49のポリメチルメタクリラート(PMMA)からなるポリマー基板3上に厚さ0.25μmで屈折率n₂が1.65のポリエーテルスルホン(PES)からなるポリマー導波路2が設けられた2層光センサ1を図示している。ポリマー導波路2の上部外側表面4a及びポリマー導波路2の下部内側表面は、前記透明ポリマー導波路と光波との結合を促進する複数の凹部6を構成する隆起部5a及び陥没部5bの回折格子構造を一端に有する。ポリマー導波路2の上部外側表面4a上では、特定化学物質を検出する結合化合物はコーティングされる（図示されていない）。使用中（図示されていない）、少なくとも、上に結合化合物を有する光センサ1のポリマー導波路2の上部外側表面は、たとえば水(n₁=1.33)のようなスーパーストレートと接触する。

図2は、図1とは異なる2層光センサ1を図示している。図2の2層光センサ1が図1の光センサと異なる点は、回折格子構造の隆起部5aが、ポリマー導波路2の上部外側表面4aを突き出た構造にしている点である。

図3は、図1とは異なる2層光センサ1を図示している。図3の2層光センサ1が図1の光センサと異なる点は、回折格子構造の隆起部5aが、ポリマー導波路2の上部外側表面4aを突き出た構造にして、かつ陥没部5bが存在しない、つまりポリマー導波路2の下部内側表面4bは回折格子構造を有していない点である。

図4は、図1とは異なる2層光センサ1を図示している。図4の2層光センサ1が図1の光センサと異なる点は、ポリマー導波路2の上部外側表面4aは回折格子構造を有していない、つまり陥没部5bが存在しないが、ポリマー導波路2の下部内側表面4bは、図1に図示されたような陥没部5bを有する回折格子構造を有する点である。

図5は、横方向磁場(TM)偏光した全エバネッセント場の割合の計算結果を、従来技術に係る導波路の厚さに対して図示している。光センサはTa₂O₅無機導波路を有する。その無機導波路は、光の波長よりもはるかに長い0.5mmの厚さを有するゼオネックス(Zeonex)280（登録商標）基板上に設けられる。基板の屈折率n₃は1.53であり、無機導波路Ta₂O₅の屈折率n₂は2.13である。基板と無機導波路は、屈折率n₁が1.33の水に取り囲まれている。

図6は、導波路上部外側表面に対して垂直方向に20nm離れた位置でのエバネッセントTM電場の割合の計算結果を、図5の導波路の厚さに対して図示している。

図7は、全エバネッセントTM電場の割合の計算結果を、本発明による光センサの導波路の厚さに対して図示している。光センサはポリマー導波路を有する。そのポリマー導波路は、光の波長よりもはるかに長い0.5mmの厚さを有するポリマー基板上に設けられる。ポリマー基板の屈折率n₃は1.49であり、ポリマー導波路の屈折率n₂は1.65である。ポリマー基板とポリマー導波路は、屈折率n₁が1.33の水に取り囲まれている。

図7から、ポリマー導波路の最適厚さが約0.25μmであることが分かる。

図8は、導波路上部外側表面に対して垂直方向に20nm離れた位置でのエバネッセントTM電場の割合の計算結果を、図7の導波路の厚さに対して図示している。

図9は、全エバネッセントTM電場の割合の計算結果を、本発明による光センサの導波路の厚さに対して図示している。光センサはポリマー導波路を有する。そのポリマー導波路は、光の波長よりもはるかに長い0.5mmの厚さを有するポリマー基板上に設けられる。ポリマー基板の屈折率n₃は1.45であり、ポリマー導波路の屈折率n₂は1.75である。ポリマー基板とポリマー導波路は、屈折率n₁が1.33の水に取り囲まれている。

図9から、ポリマー導波路の最適厚さが約0.17μmであることが分かる。さらに図9から、導波路の最適厚さでのエバネッセント場は、図7の光センサと比較して2倍大きい。

図10は、導波路上部外側表面に対して垂直方向に20nm離れた位置でのエバネッセントTM電場の割合の計算結果を、図9の導波路の厚さに対して図示している。導波路の最適厚さの場合における20nmでのエバネッセント場は、図8の光センサと比較して2倍大きい。

本発明によると、前記光センサの外側上部表面から垂直方向に20nmの距離にわたるエバネッセント強度、つまりスーパーストレートである水でのTM電場の割合、は、0.002から0.01の範囲で調節すべきで、0.003から0.008の範囲で調節することが好ましく、0.004から0.007の範囲で調節することがより好ましい。

TM電場は、屈折率n_Dが2.13のTa₂O₅導波路及び屈折率n_Dが1.53のゼオネックス(Zeonex)280（登録商標）基板（日本ゼオン株式会社から入手可能）からなる光センサ（図2参照）のベンチマークと比較して、非特許文献1に従って計算されて良い。

導波路内での電場に対するスーパーストレート内での電場の割合は、次式を用いて計算するできることが好ましい。

ここでδz₁はスーパーストレートへの侵入深さで、δz₃は基板への侵入深さである。δz₁及びδz₃は次式で与えられる。

これらの式において、q₁はスーパーストレート内での波数ベクトルの虚数部分で、q₃は基板内での波数ベクトルの虚数部分である。q₁及びq₃は次式で与えられる。

n_effは伝播モードの実効屈折率を表す。TMモードの伝播定数の値は、以下の方程式を解くことによって見つけることができる。

ここでm=0,1,2…はモード数で、位相関数φ_m1及びφ_m3は次式で与えられる。

ここで

上式では、スーパーストレート、導波路層、及び基板の誘電率は、それぞれε₁、ε₂、及びε₃で表され、k₀は真空中での波数ベクトルで、dは導波路層の厚さである。

態様の1つでは、本発明は、本発明に係る光センサによって発光を検出する方法に関する。当該方法は、導波路の上部表面又は導波路の上部表面に付着した結合材料の上部表面に液体試料を接触させる工程、及び、試料中の発光特性を有する物質又は前記導波路上に固定された発光特性を有する物質によって生成される発光を測定する工程を有する。励起光は前記導波路と結合して、導波路層を進行する。それにより発光特性を有する物質は、導波路層内でのエバネッセント場で励起されて発光する。

エバネッセント場による励起発光は、既知の方法及び既知の検出器によって検出されて良い。

エバネッセント場による励起発光を検出する検出器は、たとえばフォトダイオード、太陽電池、光電子増倍管、CCDカメラである。たとえばCCDセルのような検出器アレイも適切に用いることができる。発光は、たとえばミラー、プリズム、レンズ、フレネルレンズ、及び屈折率勾配レンズのような光学素子で結像されて良い。発光波長を選択するために、たとえばフィルタ、プリズム、単色フィルタ、2色フィルタ、及び回折格子のような既知の素子を用いることが可能である。

他の態様では、本発明は、たとえば抗体又は抗原のような化学又は生化学化合物を定量的に決定するための本発明による光センサの使用に関する。

本発明による光センサのさらに他の用途は、受容体、又はリガンド、オリゴヌクレオチド、DNA若しくはRNAストランド、DNA若しくはRNA類似体、酵素、酵素基板、酵素補助因子若しくは抑制剤、レクチン、及び炭化水素の定量的決定である。

他の態様では、本発明は、光学的に不透明な流体中での発光成分を選択的かつ定量的に決定するための本発明による光センサの使用に関する。

光学的に不透明な流体は典型的には、たとえば卵黄、又はたとえば血液、血清、若しくは血漿のような体液、及び、地表水、溶解した土壌抽出物及び溶解した植物抽出物を含む、環境分析から出てくる試料であって良い。適切な流体は、化学製造で得られた反応溶液、特に蛍光漂白色素の製造で生じた色素溶液又は反応溶液でもある。また繊維産業で一般的に用いられる全種類の分散剤及び製剤が1種類以上の発光成分を含んでいる場合には、これらも適している。

本発明による光センサはまた、品質安全保証にも用いられて良い。

まとめると、本発明による光センサは、たとえば以下に用いられて良い。
-たとえば卵黄、血液、血清、又は血漿のような生物学的流体の分析を含む化学又は生化学分析
-水、溶解した土壌抽出物及び溶解した植物抽出物の分析を含む環境分析
-特に色素溶液又は反応溶液のような化学製造物中の分析を含む、反応溶液、分散剤、及び/若しくは製剤分析、並びに/又は
-品質安全保証分析
本発明の他の態様は、少なくとも1つの光源、上述した本発明による1つの光センサ、及び上述したエバネッセント場による励起発光を検出する少なくとも1つの検出器を有するシステムに関する。

上述の実施例の構成要素及び特徴に係る特定の組み合わせは単なる例である。本願及び参考文献として挙げた他の特許（出願）での教示によってこれらの教示を置き換えることもまた考えられる。当業者はすぐに理解するように、「特許請求の範囲」で定義された技術的範囲及び技術的思想から逸脱することなく、当業者は、変化型、修正型、及び他の実施例を想到できる。従って前記の記載は例示に過ぎず、本発明を限定するものではない。本発明の技術的範囲は、「特許請求の範囲」の請求項及びその均等物の範囲内で定義される。さらに本記載に用いられた参照番号は、本発明の技術的範囲を限定するものではない。

本発明による第1光センサを図示している。 本発明による第2光センサを図示している。 本発明による第3光センサを図示している。 本発明による第4光センサを図示している。 無機導波路及びゼオネックス280（登録商標）基板を有する従来技術に係る光センサのエバネッセント強度を図示している。 図5の従来技術に係る光センサについての、20nmのスーパーストレート構造の水でのエバネッセント強度を図示している。 本発明による第1光センサのエバネッセント強度を図示している。 図7の光センサについての、20nmのスーパーストレート構造の水でのエバネッセント強度を図示している。 本発明による第2光センサのエバネッセント強度を図示している。 図9の光センサについての、20nmのスーパーストレート構造の水でのエバネッセント強度を図示している。

Claims (11)

1. 生体分子を検出するためのバイオセンサとして用いられる、薄い透明ポリマー導波路でコーティングされた透明ポリマー基板で作られた、エバネッセント場を誘起する光センサであって、
   前記透明ポリマー導波路の屈折率nは1.4から1.79で、
   前記透明ポリマー導波路は、光波と結合するための結合回折格子である凹部構造を有し、
   前記透明ポリマー導波路の下側面は透明ポリマー基板と接触し、
   前記透明ポリマー基板の屈折率nは1.29から1.69で、
   前記透明ポリマー基板の外側上部表面すなわち光センサの外側上部表面は、少なくとも1の特定化学物質及び/又は生化学物質を検出するための特定結合化合物を有する、
   光センサ。
2. 前記透明ポリマー導波路の厚さd[nm]が、
   X=d*n₂*2π/λ
   に基づいて計算され、
   dを選ぶ際には、Xの範囲は1から9で、好適には1.2から6で、より好適には1.5から4.5で、かつ最も好適には2から3.5で、
   n₂は前記透明ポリマー導波路の屈折率で、
   λは波長[nm]で、前記波長の範囲は、360nmから1000nmで、好適には400nmから800nmで、かつより好適には600nmから750nmである、
   請求項1に記載の光センサ。
3. 前記導波路の上部外側表面及び/又は下部内側表面が、前記光波との結合を促進するための少なくとも1つの凹部を有し、
   前記凹部の深さは前記透明ポリマー導波路の厚さ未満であり、かつ
   凹部が前記導波路の下部内側表面に形成される場合には、前記透明ポリマー基板は前記凹部と良好に接合する、
   請求項1又は2に記載の光センサ。
4. 前記透明ポリマー導波路の厚さは、0.10μm以上0.50μm以下で、好適には0.12μm以上0.40μm以下で、より好適には0.14μm以上0.30μm以下で、かつ最も好適には0.16μmから0.28μmである、上記請求項のうちのいずれかに記載の光センサ。
5. 前記透明ポリマー導波路の材料と前記透明ポリマー基板の材料は、透明ポリマー導波路の材料と前記透明ポリマー基板の材料との屈折率差Δnが、0.1から0.5、好適には0.2から0.4で、より好適には0.25から0.35、となるように選ばれる、上記請求項のうちのいずれかに記載の光センサ。
6. 前記透明ポリマー基板のポリマーが架橋する、上記請求項のうちのいずれかに記載の光センサ。
7. 前記透明ポリマー基板のポリマー材料が、オレフィン、環状オレフィン、アクリル酸、メタクリル酸、エーテル、エステル、ウレタン、エーテル-エステル、エーテル-ウレタン、ウレタンアクリラート、エノール、好適にはこれらの材料の部分類似体又はペルフルオロ類似体、シリコーン、シリコーンアクリラート、及びシリコーンメタクリラート、より好適にはペルフルオロポリアクリラート、ペルフルオロポリメタクリラート、ペルフルオロ側鎖を有するポリアクリラート及び/又はポリメタクリラートを含む群から選ばれるペルフルオロポリマー、の重合体、並びに、これらの共重合体を含む群から選ばれ、
   前記ポリマー導波路のポリマー材料は、同素環式及び/又は複素環式芳香族ポリマー、好適には硫黄及び/又は臭素含有ポリマー、最も好適にはポリ（ペンタ-ブロモフェニルメタクリラート）、ポリ（ビニルフェニルサルファイド）、ビスフェノール-Sベースのエポキシド及び/又はアクリラートを含む群から選ばれる、
   上記請求項のうちのいずれかに記載の光センサ。
8. 前記ポリマー導波路の外側上部表面が薄い貴金属層で被覆されている、上記請求項のうちのいずれかに記載の光センサ。
9. 請求項1から8に記載の1つの光センサ、少なくとも1つの光源、及びエバネッセント場による励起発光を検出する少なくとも1つの検出器を有するシステム。
10. 請求項1から8に記載の1つの光センサを供する方法であって：
    前記透明ポリマー基板の上側表面にポリマー光導波路をスピンコーティング又はプリントする工程；及び/又は、
    前記ポリマー基板をポリマー導波路層上に成型する工程；及び/又は、
    マイクロ構造の成型物から前記回折格子構造を複製する工程；
    を有する方法。
11. 卵黄、血液、血清、又は血漿のような生物学的流体の分析を含む化学又は生化学分析；
    水、溶解した土壌抽出物及び溶解した植物抽出物の分析を含む環境分析；
    特に色素溶液又は反応溶液のような化学製造物中の分析を含む、反応溶液、分散剤、及び/若しくは製剤分析；並びに/又は
    品質安全保証分析；
    への、請求項1から8に記載の光センサの使用。

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