JP2009517653A - サンプルコンパートメント及び感光要素を有するバイオチップ装置、バイオチップ装置の少なくとも１つのサンプルコンパートメント内の蛍光粒子を検出する方法 - Google Patents

Abstract

本発明は、少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び少なくとも１つの感光要素を含んだバイオチップ装置を提供し、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントは前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に提供され、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面の反対側の第２側面から投射光が投射される。さらに、本発明は、バイオチップ装置の少なくとも１つのサンプルコンパートメント内の蛍光粒子を検出する方法を提供する。

Description

本発明は、少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び少なくとも１つの感光要素を含むバイオチップ装置に関する。本発明は、さらに、バイオチップ装置の少なくとも１つのサンプルコンパートメント内の蛍光粒子を検出する方法に関する。

マイクロ流体装置は、大部分のバイオチップ技術の中心であり、流体（例えば、血液ベースの）試料の調製にも後の分析にも使用されている。バイオセンサ及びマイクロ流体装置を含んだ統合装置が既知である。これらの装置には、ＤＮＡ／ＲＮＡチップ、バイオチップ、遺伝子チップ、及びラップオンチップ（ｌａｐ−ｏｎ−ａ−ｃｈｉｐ）等、種々の名称がある。特に、（マイクロ）アッセイのハイスループットスクリーニングは、例えば診断に使用される生化学分析のための新たな道具の一つである。これらのバイオチップ装置は、小容積のウェル又は反応器を含み、そのウェル又は反応器の中で、化学若しくは生化学反応が検査され、さらに、所望の物理的、化学的、及び生物学的反応並びに分析を多数実行するために、微小な量の液体を調節、移送、混合、及び保存することが別々に、迅速に、及び確実にできる。小容積でアッセイを実行することにより、時間、並びに、標的、化合物、及び試薬の費用において重大な節約を達成できる。

蛍光分析は、生化学及び分子生物物理学の分野において、最も広く使用されている技術の一つである。最近の生化学手順は蛍光ラベルをすでに組み込んでいるため、蛍光検出方法は非常に魅力的である。従って、チップベースのアッセイを、その生化学を変更することなく、現存する手順に容易に組み入れることができる。例えば、蛋白質の蛍光ラベリングは、生物科学において最も一般的であり、何百万という蛍光イムノアッセイが毎年世界中で行われている。さらに、サンガー配列決定法及びポリメラーゼ連鎖反応法（ＰＣＲ）等の反応が、蛍光ラベリング法に適応されてきた。実際に、医学的診断のための急成長技術である、リアルタイム定量ＰＣＲ増幅（ＲＱ−ＰＣＲ）が、蛍光ラベルを用いて高能率で行われている。この技術において、増幅された生成物の存在は、温度処理の間、同じ装置においてリアルタイムで測定される光学信号を生じるレポーター分子（例えば、分子ビーコン、スコーピオン等）を用いて量的に記録される。記録された信号は、例えば（それだけに限定されないが）細菌又は細菌のセット等の、特定の核酸分子の存在並びに濃度の程度である。結論的に、蛍光検出は、ＤＮＡ増幅中の光学ビーコン、ラベルされた蛋白質、及び、表面上で固定化された又はハイブリダイズされた（ラベルされた）核酸の蛍光検出等、分析チップにおける種々の応用において使用できる。

バイオチップ装置は一般的に既知である。例えば、米国特許出願ＵＳ２００４／００３８３９０Ａ１号は、光源により発生する励起ビームで２箇所以上の離れた反応領域を同時に照射するよう提供された光学機器を開示している。光源と反応領域との間のビーム路に沿ってコリメーティングレンズを配置して、平行励起ビームの束を形成することができ、各束は、それぞれの反応領域に対応する。米国特許出願ＵＳ２００４／００３８３９０Ａ１号によるバイオチップ装置では、存在するフルオロフォアの量を定量化するために、バイオチップの蛍光信号の検出が、光源、光学フィルタ、及び光学センサを含み、ベンチトップ／実験装置に局在された光学検出システムを用いて行われる。既知の装置における１つの欠点は、ベンチトップ／実験装置に使用される蛍光検出システムが、一般的に、蛍光信号を獲得及び分析するために高価な光学要素を必要とすることである。特に、鋭い波長カットオフを有する高価な光学フィルタが、これらの光学システムの必要とされた感受性を得るために使用される。これにより、訓練されていない人員により及び／又は自動的に、並びに、非常に高度な機械装置なしで、簡単に安価で扱うことができるバイオチップ装置を提供する可能性が制限される。

従って、使い捨てのバイオチップ装置として使用することができ、精度を失うことなく、単純に、容易に、及び、対費用効果の高い方法で生化学反応の結果を読み取ることができるバイオチップ装置を提供することが本発明の目的である。

上記の目的は、少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び少なくとも１つの感光要素を含んだバイオチップ装置により達成され、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントは前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に提供され、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面の反対側の第２側面から投射光が投射される。

本発明による装置の利点は、従来の装置及び方法により現実化することが可能であったバイオアッセイの検出よりも、はるかに容易で、より対費用効果の高く、より速い方法を生じるバイオアッセイの検出を現実化することが可能であるということである。例えば、高価な光学フィルタ及び／又は高価なベンチトップ／実験装置を使用することなく生じるバイオアッセイの検出を現実化することが可能である。

さらなる利点は、オンチップ蛍光信号取得システムにより、例えばＤＮＡチップハイブリダイゼーションパターン分析等の分析バイオチップ装置の速度も信頼性も改善されることである。

さらに、バイオチップ装置の費用も生化学アッセイの分析結果を読み取るために必要とされる計測手段の費用も低いので、そのバイオチップ装置を、中心となるベンチトップ機械がもはや必要とされないために、ポイントオブケア診断及び路傍（ｒｏａｄｓｉｄｅ）テスト等の応用のための携帯型ハンドヘルド機器において使用することを可能にするということが有利である。

さらなる利点は、感光要素をバイオチップ装置に組み入れることにより、蛍光の収集立体角が増加することである。さらに、媒体境界面及び対応する反射の数が減少する。

さらに、さらなる利点は、ベンチトップ機械が多用途のバイオチップ装置及び種々のバイオチップを取り扱うことができるようになることである。光学センサをベンチトップ機械の一部として有することは、特定のアッセイのための特定のフィルタセットの取付けを要求し、その特定のフィルタセットは、種々の励起及び／又は放出スペクトルを有する蛍光ラベルの平行（多重）検出を妨害してしまう。従って、オンチップ光学センサ（感光要素）を読み取れることにより、柔軟な多目的ベンチトップ機械が可能になり、さらに、バイオチップ、ベンチトップ機械、及びその要素の標準化に向けたルートが開かれる。

本発明の好ましい実施形態において、当該バイオチップ装置は、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に蓋を含み、該蓋は反射防止用の蓋として提供される、及び／又は、前記蓋と前記少なくとも１つの感光要素との間に前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントが提供される。その結果、当該バイオチップ装置の種々の要素の適切な配置を提供することによって、及び／又は、反射された光の量を減少するために光学軸に対する適切な配置を提供することによって、並びに、前記サンプルコンパートメントを通るその透過後に前記反射防止用の蓋により投射光を適切に吸収することによって、高価なフィルタリング手段なしで光検出の選択性を高めることが可能である。特に、前記投射光による前記感光要素の直接照明は十分に抑制され、はるかに弱い蛍光信号の検出を可能にする。

当該バイオチップ装置が検出面に対して平行に延び、前記少なくとも１つの感光要素が前記検出面内に提供され、前記投射光が前記第２側面から前記検出面を通る前に濾光されるように少なくとも１つの第１フィルタ要素が提供されることがさらに好ましい。前記第１フィルタ要素を現実化することにおける安価なフィルタ材料により、前記投射光の不必要な部分が当該バイオチップ装置の検出ユニットに当たるのを防ぐ、すなわち、前記投射光のうちのそのような部分が前記サンプルコンパートメントを通過するのを防ぐことが可能になる。そのような投射光の不必要の部分は、定義によると、スペクトルのうち、蛍光放出の刺激に寄与しない（若しくは、それに匹敵するほどごくわずかに寄与する）部分、又は、スペクトルのうち、第２フィルタ要素を通過できる部分である。

当該バイオチップ装置が少なくとも１つの第２フィルタ手段を含み、該少なくとも１つの第２フィルタ手段が、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントと前記少なくとも１つの感光要素との間に提供されることがさらに好ましい。前記第１及び第２フィルタ手段の組合せを用いて、依然として比較できるほど安価な要素を使用しながら、前記検出システムの選択性を大いに高めることが可能である。このことは、使い捨ての形状で当該バイオチップ装置を提供することを可能にしている。

さらに、当該バイオチップ装置は、前記少なくとも１つの感光要素の第２側面上に提供された遮蔽手段を含み、前記投射光が前記少なくとも１つの感光要素に直接到達するのを前記遮蔽手段が防ぐことが好ましい。それによって、当該バイオチップ装置の組立体を、製造するのに比較的単純で容易にすることが有利に可能である。例えば、前記遮蔽手段は、不透明な層又は別の透明ではない媒体の形状で提供することができる。前記遮蔽手段は、吸収物質若しくは反射物質、又はその組合せから作製することができる。吸収物質の例は、例えばブラックマスクである。反射物質の例は、例えば金属材料である。好都合に、前記遮蔽手段は伝導性であり、前記感光要素の電極構造体に組み込まれている。

本発明の好ましい実施形態において、当該バイオチップ装置は検出面に対して平行に延び、前記少なくとも１つの感光要素は前記検出面内に提供され、少なくとも１つの屈折要素は、前記検出面内で前記少なくとも１つの感光要素に隣接して提供され、及び／又は、前記少なくとも１つの屈折要素が前方散乱媒体若しくはレンズを含む。それによって、前記遮蔽手段の「裏」にできる陰の領域が、比較的対費用効果の高い処置により非常に減少することが有利に可能である。

非常に好ましくは、前記少なくとも１つの屈折要素は、前記前方散乱媒体と比較して低い屈折率を有する屈折領域を含む。それによって、それでもなお強度の屈折が可能である。例えば、エアギャップでさえも、どちらの屈折要素の効果も大いに高められるようするのが可能である。

本発明のさらなる実施形態によると、前記少なくとも１つの第１フィルタ手段が少なくとも１つの第１偏光フィルタを含み、前記少なくとも１つの第２フィルタ手段が少なくとも１つの第２偏光フィルタを含むことが好ましい。それによって、当該バイオチップ装置の総費用をはるかに増加させることなく、前記光学要素の選択性を大いに高めることが可能である。

本発明の好ましい実施形態において、前記少なくとも１つの第１偏光フィルタは、第１偏光面内の直線偏光に対して最も透過性があり、前記少なくとも１つの第２偏光フィルタは、第２偏光面内の直線偏光に対して最も透過性がある。直線偏光された光の偏光方向における好んだ９０°のシフトによって、選択性を高めることが、例えば偏光器フィルム等のたった２つの単純な偏光器により可能である。

非常に好ましくは、前記少なくとも１つの第１偏光フィルタは、第１の偏光の向きに円偏光された光に対して最も透過性があり、前記少なくとも１つの第２偏光フィルタは、前記第１の偏光の向きに円偏光された光に対して最も透過性があり、当該バイオチップ装置は、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に蓋を含み、該蓋は反射蓋として提供される。それによって、同じ偏光要素、すなわち、同じ偏光の向きにおいて偏光する偏光器を、前記第１及び前記第２偏光フィルタに使用できることがさらに可能である。これにより、本発明のバイオチップ装置の総費用が非常に減少する。

さらに、前記蓋は、金属性の反射蓋により提供されることが好ましい。これは、円偏光された光を提供する偏光フィルタを有する実施形態が使用される場合に、前記投射光の反射した光が前記第２偏光フィルタにより停止されるため、特に有利である。

本発明の好ましい実施形態において、当該バイオチップ装置は第１基質を含み、該第１基質は光学的に透明な基質として提供され、当該バイオチップ装置は遮蔽手段を含み、当該バイオチップ装置は少なくとも１つの第２フィルタ手段をさらに含み、前記遮蔽手段、前記少なくとも１つの感光要素、及び前記第２フィルタ手段が、前記第１基質の一側面で提供される。非常に好ましくは、当該バイオチップ装置は第２基質を含み、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び前記蓋が、前記第２基質により固定される。それによって、当該バイオチップ装置の非常に単純で対費用効果の高い構造体が、現実化するのに可能である。

本発明は、少なくとも１つのサンプルコンパートメント内の蛍光粒子を検出する方法も含み、当該方法は、少なくとも１つの感光要素を含んだバイオチップ装置を使用するステップを含み、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントは、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に提供され、光源が、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面の反対側の第２側面からの投射光を生じる。それによって、生化学アッセイの結果の読み取りを、光源を用いてバイオチップ装置を照らすのみの単純だが信頼できる方法により大いに改善することが可能である。

本発明のこれらの及び他の特徴、特色、並びに利点は、本発明の原理を例により示している添付の図面と共に、以下の詳細説明から明らかになるだろう。前記説明は、本発明の範囲を限定することなく、例のためだけに与えられている。以下に引用されている参考図は、添付の図面を言及している。

本発明は、特定の実施形態に関して、及び、特定の図面を参考にして記述されるが、本発明はそれに限定されず、特許請求の範囲によってのみ限定される。記述されている図面は、概略的なだけであり、無制限的である。図面においては、要素のうちいくつかのサイズが過大視されている場合があり、例証目的のために尺度で描かれていない。

単数名詞を言及する際に不定冠詞又は定冠詞が使用されている場合は、何か他に明確に述べられていない限りその名詞の複数形を含む。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲において第１、第２、第３等の用語は、類似の要素を区別するために使用され、必ずしも順番又は時系列順を記述するために使用されているのではない。そのように使用されている用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書において記述されている本発明の実施形態は、本明細書に記述又は例示された順序以外の順序で操作できることが理解されたい。

さらに、本明細書及び特許請求の範囲において、上、下等の用語は、説明目的のために使用され、必ずしも相対的な位置を記述するために使用されているのではない。そのように使用されている用語は、適切な状況下で交換可能であり、本明細書において記述されている本発明の実施形態は、本明細書に記述又は例示された定位以外の定位で操作できることが理解されたい。

本明細書及び特許請求の範囲において使用されている「含む」という用語は、その後に記載されている手段に限定されるとして解釈されるべきではなく、他の要素又はステップを除外しないことに注目されたい。従って、「装置は手段Ａ及びＢを含む」という表現の範囲は、Ａ及びＢという要素のみからなる装置に限定されるべきではない。本発明に関しては、該表現は、前記装置の要素のうち本発明に関連する要素はＡ及びＢであるという意味である。

図１では、従来技術による、例えばマイクロ流体装置等のバイオチップから発生する蛍光信号を検出するための光学機構の概略的例証が示されている。

一般的に、図１に示されているように、存在するフルオロフォアの量を定量化するために、バイオチップの蛍光信号の検知が、光源２０４、光学フィルタ２０４’、及びセンサ２０１（例えば、ＣＣＤカメラ、電荷結合素子等）を含み、ベンチトップ／実験装置内に位置された光学検出システムを用いて行われる。そのような配置は、通常、蛍光フィルタ２０２、レンズ２０３、蛍光試料２０５、及びキャリア２０６も含む。ベンチトップ／実験装置内で使用される蛍光検出システムは、一般に、蛍光信号を獲得及び分析するために高価な光学要素を必要とする。特に、励起スペクトル（吸収）と放出スペクトル（蛍光）との間のシフト（いわゆるストークスシフト）が小さい（＜５０ｎｍ）多くの場合に、鋭い波長カットオフを有する（すなわち、非常に選択性である）高価な光学フィルタが、これらの光学システムの必要とされた感受性を得るために使用される。その結果、蛍光ベースの光学システムにおける雑音の主な出所は、励起光及び励起光のレイリー散乱の一部の反射である。

図２から１０において、本発明における異なる実施形態によるバイオチップ装置１０の全般的な概念の概略的な描写が示されている。バイオチップ装置１０は、感光要素７０、特に、フォトダイオード、フォトトランジスター、又は、光検出器若しくは別の装置のような別の感光性要素を含む。感光要素７０は、例えば、アモルファスシリコン、低温多結晶シリコン（ＬＴＰＳ）、又は、有機半導体技術等、種々の技術で製造することができる。感光要素を、ＴＦＴ（薄膜トランジスター）、又は、ＭＩＭ（金属−絶縁体−金属技術）要素若しくはダイオード要素としてさらに提供することができる。好ましい実施形態において、バイオチップ装置の駆動（すなわち、バイオチップ装置の読み取り）は、アクティブマトリックス原理に基づき、フォトダイオード又はフォトトランジスターのアレイを読み取ることにより行われる。

投射光２０は、感光要素７０の下から、感光要素７０のキャリア基質１５として提供されている第１基質１５を通り達する。キャリア基質１５又は第１基質１５は、例えば、ガラス若しくは透明なプラスチック材料から作製された透明な基質として提供される。感光要素７０に直接達する投射光２０から感光要素７０を遮蔽するために、遮蔽手段７５が第１基質１５上に提供される。

サンプルコンパートメント４０が、第２フィルタ手段６０の上に示されている。サンプルコンパートメント４０は、試料、特に、蛍光粒子４５を含有した液体を含む。一般的に、これらの粒子は、フルオロフォアでラベルされた分子である。蛍光粒子は、投射光２０により刺激又は活性化され、蛍光放射線又は蛍光を、一般的に全ての方向で無作為に放出する。

非常に好ましくは、バイオチップ装置１０は、第１基質１５の主面に対して平行な面で延びる。感光要素７０は、特に、第１基質１５の主面上に提供された層の形状で提供される。感光要素７０の層は、いわゆる検出面１１を画定している。その検出面１１から、第１側面７１（「上」）及び第２側面（「下」）、検出面１１を画定することができる。投射光２０は、検出面１１の下から達している。検出面１１（すなわち、感光要素７０）、遮蔽手段７５，並びに第２フィルタ手段６０に相関する第１基質１５の構造及び位置は、例えば、機械的強度、化学的に攻撃的な物質に対する抵抗性等の必要性に従い変更できる。図２から９では、１つの可能な配置が示され、遮蔽手段７５が第１基質１５上に層として形成され、感光要素７０が第１基質１５上（遮蔽手段の「上」）に別の層として形成され、第２フィルタ手段６０が第１基質１５上（感光要素７０の「上」）にさらなる層として形成され、さらに、３層全てが、サンプルコンパートメント４０に隣接する第１基質１５の側面上に形成される。第１基質１５に相関したこれらの層の他の可能な配置が、図１０において概略的に示されている。図１０の左側に示された配置では、層（遮蔽手段７５、感光要素７０、第２フィルタ手段６０；図１０では個々に参照符は付けられていない）は、第１基質１５の側面のうち、サンプルコンパートメント４０から離れた側の側面上に形成されている。図１０の右側に示された配置では、層（遮蔽手段７５、感光要素７０、第２フィルタ手段６０；図１０では個々に参照符は付けられていない）は、第１基質１５の中に形成又は配置され、すなわち、第１基質１５は層の周りでマトリックス構造を形成している。

遮蔽手段７５は、投射光が、感光要素７０に直接到達するのを防ぐ。任意選択で、投射光が、遮蔽手段７５にさえ到達する前にまず通らなければならない第１フィルタ手段２５を有する本発明のバイオチップ装置を提供することが可能である。遮蔽手段７５による感光要素７０の遮蔽は、照準を合わせた又は合わせていない投射光２０が、サンプルコンパートメント４０のうちいくつかの領域を照射することができないという問題をもたらす。従って、これらの陰の領域に局在する蛍光粒子４５は、蛍光を放出するよう刺激されない。この問題を軽減するために、本発明によるバイオチップ装置１０は、検出面１１内で感光要素７０に隣接して局在されていることが好ましい屈折要素３０を含んでいることが好ましい。屈折要素３０は、投射光２０の方向の異なる角分布を提供する。そのような屈折要素３０（角分布変更要素３０とも呼ばれる）は、光学センサの種々の部分の間に位置することができ、散乱、回析、及び／又は屈折効果に基づきうる。屈折要素３０は、（屈折要素３０なしでは）感光要素７０により及び／又は遮蔽手段７５により陰にされるサンプルコンパートメントの領域に励起光が浸透できるように、投射光２０の散乱／回析／屈折を引き起こす。

本発明によると、バイオチップ装置１０は、蓋５０と呼ばれ、図２から７の実施形態に対して反射防止用の蓋５０の形態で使用される構造体５０を含む。蓋５０の機能は、これらの実施形態において、投射光がサンプルコンパートメント４０に、及び、感光要素７０の方へはね返されるのを防ぐことである。それによって、安価な第１及び第２フィルタ手段２５、６０のみを使用し、光学システムの高い選択性を依然として提供することが可能である。反射防止の実施形態における蓋５０は、反射防止の性質を有しており、実質的に透明な材料若しくは実質的に吸収する材料、又は、透明及び吸収する材料の組合せから形成することができる。前記蓋と前記サンプルコンパートメント４０の媒体との間に存在しうる指数差（回析指数）が、依然として反射を引き起こすことがある。従って、蓋の指数は、媒体（例えば、水）及び／又は反射防止用のコーティングの指数に一致していることが好ましい。反射防止用のコーティングは、表示分野において一般的に適用されており、蓋の側面のうち、光源に面している側面上に施用することができる。

投射光２０を提供する光源（図２から１０には示されていない）を、以下の光源：重水素ランプ、キセノン−水銀ランプ、パルス状のキセノンランプ、水銀ランプ、連続的なキセノンランプ、レーザー、及びＬＥＤのうちどれでも（しかしそれだけに限定されず）現実化することができる。好ましくは、装置に投射する励起光２０の強度は可変である。好都合に、励起光２０は照準が合わされ、検出面１１に対して垂直に、すなわち、バイオチップ装置１０の法線に対して平行に投射している。その理由は、バイオチップ装置１０の内部にある種々の媒体間の界面上の反射をそれによって減少できるためである。（例えば、励起及び／又は蛍光性質を変更する等して）種々の蛍光分子を用いて蛍光スペクトロスコピーを行うために、例えば、異なるスペクトルの放出光を有する複数の光源を提供することも本発明により可能である。好ましい実施形態において、種々の蛍光試薬（例えば、分子ビーコン）を使用することができる多重リアルタイム定量ＰＣＲ（反応チャンバーのアレイを用いて行われる）の目的のために、光学システムは適用される。さらに、パルス状の光源を用いた時間分解蛍光検出等、追加の技術を使用して、関心のある蛍光信号の検出感受性をさらに増加することが本発明により可能である。その場合、背景ルミネセンスが関心のある分子のルミネセンスよりもはるかに速く減衰するように、蛍光分子は、長波長の励起及び放出、並びに／又は、長い減衰時間を有していることが好ましい。

第１基質１５上には、任意選択で、バイオチップ装置１０に入り込む前に投射光２０を濾光する第１フィルタ要素２５（励起フィルタとも呼ばれている）も提供される。例えば、第１フィルタ要素２５は、入ってくる励起光をスペクトルで濾光するために、シリコン酸化膜、シリコン窒化膜（窒化珪素）、及び／又はシリコン窒化酸化膜の交互層を含むことができる。検出面１１の第１側面７１上に、蛍光粒子から生じる蛍光を濾光する第２フィルタ手段６０（検出フィルタとも呼ばれている）が提供される。

例えば、感光要素７０の構造は、検出面１１において、格子若しくはマトリックス、又は、別の特別な配置の形態で提供される。感光要素７０は、複数の異なる感光要素７０から構成されていることが好ましいが、その複数の異なる感光要素７０は、本発明の文脈において区別されていない。１又は多数の異なる感光要素７０が、１つのサンプルコンパートメント４０に対応し、別の１又は多数の他の感光要素７０が、複数のサンプルコンパートメント４０のうち別のものに対応することが本発明により可能である。それによって、バイオチップ装置１０内で同時に行われた種々のアッセイの結果を読み取ることが可能である。

図２は、本発明のバイオチップ装置１０の断面図を示しており、感光要素７０又は複数の感光要素７０が開口部により分かれ、それによって、投射光２０が、バイオチップ装置１０の内部（サンプルコンパートメント４０）に達しうることを示している。バイオチップ装置１０は、遮蔽手段７５により感光要素７０上に直接当たる光の量を減少することによって、及び、蓋５０による反射の後、感光要素７０上に当たる光の量を減少することによって作動し、光にサンプルコンパートメント４０内に位置した蛍光材料を励起させる。サンプルコンパートメント４０に相関的な感光要素７０の立体角が本発明によるバイオチップ装置１０の構造のため比較的重要であるので、蛍光が全ての方向で放出された場合、かなりの量の蛍光が感光要素７０上に当たることになる。それによって、信号対雑音比においてかなりの増加を達成することができる。

図３は、不透明な感光要素７０により（及び遮蔽手段７５により）発生した感光要素７０の上（すなわち、第１側面上）の陰の領域を示している。

図４から６は、屈折要素３０の異なる好ましい例を示している。

図４において、屈折要素３０は、投射光２０の前方散乱を提供する散乱性媒体３１を含んでいる。散乱性媒体３１の一例は、拡散箔（ｄｉｆｆｕｓｉｖｅ ｆｏｉｌ）である。それによって、投射光の角分布は、感光要素７０の（投射光の方向で）「裏」にできる陰の領域が投射光２０により照射されるように変更される。これにより、蛍光粒子４５の励起が、サンプルコンパートメント４０のこれらの部分において高められる。

図５において、屈折要素３０は、感光要素７０の裏にできる陰の領域が可能な限り減少されるように、入ってくる投射光２０を転じるレンズ３２を含んでいる。屈折要素３０のさらなる例は、レンズのアレイである。屈折要素３０を組み入れる場合、方向を変えられた投射光２０が感光要素７０の方へ向けられないよう気をつけるべきである。

図６において、散乱性媒体３１を含んだ屈折要素３０の効果は、散乱性媒体３１と比較して低い屈折率を有する屈折領域３３によりさらに高められている。そのような屈折領域３３の例は、散乱性媒体３１とサンプルコンパートメント４０との間にあるエアギャップ３３である。屈折領域３３との界面での屈折のため（屈折領域３３の屈折率は、媒体、特に散乱性媒体３１の屈折率よりも低いと仮定して）、投射光２０は、感光要素７０の裏にある陰の領域により容易に浸透することができる。

図７及び８では、バイオチップ装置１０のさらなる実施形態が、投射光２０による感光要素７０の照明を抑制するための偏光手段を用いて示されている。図７及び８において、第１フィルタ手段２５は第１偏光フィルタ２６を含み、さらに、第２フィルタ手段６０は第２偏光フィルタ６１を含んでいる。（好ましくは、感光要素の「上」、すなわち、第１側面７１上の）第２偏光フィルタ６１は、（第１偏光フィルタ２６を通過した後の）偏光された投射光２０による感光要素７０の照明を防いでいる。それによって、光に蛍光粒子４５を励起させるのと同時に、（反射後）センシング要素上に当たる投射光２０の量を減少することが可能である。蛍光が種々の偏光で放出されるに従い、かなりの量の蛍光がセンサ上に当たる。この方法で、信号対雑音比においてかなりの増加を達成することができる。シート偏光フィルタは、特定の波長を抑制する干渉フィルタよりも実質的に安価であるため、光学（干渉）フィルタの代わりに、励起光による光学センサの照明における偏光ベースの抑制を利用することは有利である。投射光２０は、ｐ偏光フィルタ、ｓ偏光フィルタ、円偏光フィルタ、又は別の偏光フィルタを用いて偏光できる。図７及び８において、第１及び第２偏光フィルタ２６、６１を含んだバイオチップ装置１０の実施形態が、散乱性媒体３１及び屈折領域３３を含んで示されている。当然ながら、これらの実施形態は、レンズ３２のように、他の種々の屈折要素３０と組み合わせることも可能である。

図７では、第１偏光フィルタ２６が、第１偏光面における直線偏光の光に対して提供され、第２偏光フィルタ６１が、第２偏光面における直線偏光の光に対して提供されている。第１及び第２偏光面は、互いに相関的な直交であり、それによって、（反射後）センシング要素７０上に当たる投射光２０の量を減少することが好ましい。蓋５０は、以前に記述した実施形態に類似して反射防止であることが好ましい。

図８では、円偏光の偏光フィルタ２６、６１を含んだ実施形態が示されている。この実施形態において、反射型の蓋５０を反射防止型の蓋５０の代わりに使用することが可能である。例えば、投射光２０を反射する金属性表面を持つ蓋５０を使用することが可能である。投射光２０が、（第１偏光フィルタ２６により）円偏光される場合、偏光の向きは蓋５０での反射中に変えられる（位相スキップ）。それによって、第１偏光フィルタ２６にも第２偏光フィルタ６１にも、同じ偏光の向きの円偏光を提供する偏光フィルタを使用することが可能である。反射における位相スキップのため、反射された投射光２０は、第２偏光フィルタ６１で遮断される。

図９では、図８で示されている実施形態に類似の実施形態が描かれている。両方の実施形態間で唯一異なる点は、第１及び第２偏光フィルタ２６、６１を形成する材料が、基質１５の同じ側面上に提供され、それによって、偏光フィルタ２６にも６１にも同時に施用できることである。これは、円偏光する材料を、一ステップにおいて、遮蔽手段７５間の位置で施用して、第１偏光フィルタの機能を現実化し、さらに、遮蔽手段７５の上（及び、感光要素７０の上）の位置で施用して、第２偏光フィルタ６１の機能を現実化することを意味している。

従来技術による、バイオチップから発生する蛍光信号を検出するための光学機構を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。 本発明におけるバイオチップ装置の異なる実施形態を概略的に示している。

Claims (21)

1. 少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び少なくとも１つの感光要素を含んだバイオチップ装置であって、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントが前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に提供され、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面の反対側の第２側面から投射光が投射される、バイオチップ装置。
2. 当該バイオチップ装置が、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に蓋を含み、該蓋は反射防止用の蓋として提供される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
3. 前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントが、前記蓋と前記少なくとも１つの感光要素との間に提供される、請求項２に記載のバイオチップ装置。
4. 当該バイオチップ装置が検出面に対して平行に延び、前記少なくとも１つの感光要素が前記検出面内に提供され、前記投射光が前記第２側面から前記検出面を通る前に濾光されるように少なくとも１つの第１フィルタ要素が提供される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
5. 当該バイオチップ装置が少なくとも１つの第２フィルタ手段を含み、該少なくとも１つの第２フィルタ手段が、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントと前記少なくとも１つの感光要素との間に提供される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
6. 当該バイオチップ装置が、前記少なくとも１つの感光要素の第２側面上に提供された遮蔽手段を含み、前記投射光が前記少なくとも１つの感光要素に直接到達するのを前記遮蔽手段が防ぐ、請求項１に記載のバイオチップ装置。
7. 当該バイオチップ装置が検出面に対して平行に延び、前記少なくとも１つの感光要素が前記検出面内に提供され、少なくとも１つの屈折要素が、前記検出面内で前記少なくとも１つの感光要素に隣接して提供される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
8. 前記少なくとも１つの屈折要素が前方散乱媒体を含む、請求項７に記載のバイオチップ装置。
9. 前記少なくとも１つの屈折要素がレンズを含む、請求項７に記載のバイオチップ装置。
10. 前記少なくとも１つの屈折要素が、前記前方散乱媒体と比較して低い屈折率を有する屈折領域を含む、請求項７に記載のバイオチップ装置。
11. 前記少なくとも１つの第１フィルタ手段が少なくとも１つの第１偏光フィルタを含み、前記少なくとも１つの第２フィルタ手段が少なくとも１つの第２偏光フィルタを含む、請求項４に記載のバイオチップ装置。
12. 前記少なくとも１つの第１偏光フィルタが、第１偏光面内の直線偏光に対して最も透過性があり、前記少なくとも１つの第２偏光フィルタが、第２偏光面内の直線偏光に対して最も透過性がある、請求項１１に記載のバイオチップ装置。
13. 前記少なくとも１つの第１偏光フィルタが、第１の偏光の向きに円偏光された光に対して最も透過性があり、前記少なくとも１つの第２偏光フィルタが、前記第１の偏光の向きに円偏光された光に対して最も透過性があり、当該バイオチップ装置が、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に蓋を含み、該蓋が反射蓋として提供される、請求項１１に記載のバイオチップ装置。
14. 前記蓋が、金属性の蓋により提供される、請求項１３に記載のバイオチップ装置。
15. 当該バイオチップ装置が第１基質を含み、該第１基質が光学的に透明な基質として提供され、当該バイオチップ装置が遮蔽手段を含み、当該バイオチップ装置が少なくとも１つの第２フィルタ手段をさらに含み、前記遮蔽手段、前記少なくとも１つの感光要素、及び前記第２フィルタ手段が、前記第１基質の一側面で提供される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
16. 当該バイオチップ装置が第２基質を含み、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメント及び前記蓋が、前記第２基質により固定される、請求項１に記載のバイオチップ装置。
17. 少なくとも１つのサンプルコンパートメント内の蛍光粒子を検出する方法であって、当該方法は、少なくとも１つの感光要素を含んだバイオチップ装置を使用するステップを含み、前記少なくとも１つのサンプルコンパートメントが、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面上に提供され、光源が、前記少なくとも１つの感光要素の第１側面の反対側の第２側面からの投射光を生じる、方法。
18. 投射光が蓋により吸収される、請求項１７に記載の方法。
19. 投射光が、第１偏光面において直線偏光される、請求項１７に記載の方法。
20. 投射光が、第１の偏光の向きに円偏光される、請求項１７に記載の方法。
21. 投射光が蓋により反射される、請求項２０に記載の方法。

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