JP2009519464A - 試料分析素子 - Google Patents
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Abstract
本発明は、試料を分析して、その試料中に含まれる1種類以上の検体の検出、定量、又は同定を行う素子に関する。当該素子は、検体の光学検出の信号/雑音比を改善する焦点マイクロ構造を有する。
Description
本発明は、試料中に存在する1種類以上の検体の処理及び/又は検出を行う素子の分野に関する。具体的には本発明は、溶液中の生体分子の処理及び検出を行う素子の分野に関する。
本発明は、試料中の検体の処理及び検出を行う素子、具体的には、溶液中の生体分子の検出に関する。検出は通常、検出される検体用の結合物質を含む基板材料上に、分析される流体を供することによって行われる。係る捕獲プローブは、検体がDNAストランドである場合には、対応するDNAストランドであって良い。通常ラベルが付され、好適には蛍光ラベルが付されている流体中の検体は、結合物質によって捕獲され（2つの相補的DNAストランドの場合、この過程はハイブリダイゼーションと呼ばれる）、流体が除去された後でもそのまま残る。よって検体は検出可能となる。
しかし光学検出の場合、試料中の検体の体積すなわち量が非常に少なく、信号/雑音比が試料の適切な分析を行うには小さすぎるため、検出手順の分解能が、ある程度制限されてしまう。
従って本発明の目的は、良好な感度を実現可能にする分析素子を提供することである。
この目的は、本願の請求項1に記載の素子によって解決される。
当該素子は、少なくとも第1材料と第2材料を有する。第1材料と第2材料は、少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供される。焦点マイクロ構造上での波長300nm〜800nmの光の反射率は50%以上である。
上述の事項を実行することによって、本発明のほとんどの用途について、以下の利点のうちの1つ以上が実現可能となる。
-焦点マイクロ構造によって光が集中するため、ほとんどの用途で、信号/バックグラウンド比が劇的に改善できる。
-しかし当該素子はほとんどの用途において、極めて単純なものであり、複雑な設計を必要としない。
-効率的な照射及び収集（高NA）によって高感度が実現される。
-検出部分と生体部分との間のワーキングディスタンスが長くなる。
-流体工学の利用が容易である。
-焦点マイクロ構造によって光が集中するため、ほとんどの用途で、信号/バックグラウンド比が劇的に改善できる。
-しかし当該素子はほとんどの用途において、極めて単純なものであり、複雑な設計を必要としない。
-効率的な照射及び収集（高NA）によって高感度が実現される。
-検出部分と生体部分との間のワーキングディスタンスが長くなる。
-流体工学の利用が容易である。
本発明の実施例によると、
(a)当該素子には、前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質が供される。
(a)当該素子には、前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質が供される。
(b)第1材料と第2材料は、少なくとも1つの結合物質の付近に焦点を有する少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供される。
本発明において“焦点”という語は、特に“焦点体積”も含む。“焦点体積”とはつまり、焦点マイクロ構造の製造における小さな誤りによって、全ての光が1点にのみ集まるわけではなく、体積に集まるような場合である。
本発明の好適実施例によると、焦点マイクロ構造上での波長300nm〜800nmの光の反射率は60%以上である。
有利となるように、焦点マイクロ構造上でのこの光の反射率は、70%以上、又は80%以上、90%以上、又は95%以上である。
有利となるように、第1マイクロ基板上でのこの光の反射率は、60%以上、又は70%以上、又は80%以上、90%以上、又は95%以上である。
本発明の好適実施例によると、第1材料は、波長領域300nm〜800nmの光について50%〜99.99%の透明度を有する。
本発明において“透明”という語は、特に大気中で法線入射する光のうち材料によって吸収されない波長を有するものが試料を透過する状態を意味する。
本発明の好適実施例によると、第1材料は、波長領域400nm〜900nmの光について50%〜99.99%の透明度を有する。
有利となるように、第1材料は、波長領域500nm〜800nmの光について50%〜99.99%の透明度を有する。
有利となるように、第1材料は、波長領域300nm〜1000nmの光について80%〜99.99%の透明度を有する。
有利となるように、第1材料は、波長領域400nm〜900nmの光について80%〜99.99%の透明度を有する。
有利となるように、第1材料は、波長領域500nm〜800nmの光について80%〜99.99%の透明度を有する。
本発明の実施例によると、第1材料は誘電材料で、第2材料の屈折率n2は第1材料の屈折率n1よりも大きく、2≧n2-n1≧0.1を満足する。他の実施例では、1.5≧n2-n1≧0.5が満たされる。さらに他の実施例では、1.2≧n2-n1≧0.8が満たされる。
本発明の実施例によると、第１材料は金属材料である。
本発明の好適実施例によると、焦点マイクロ構造は球形断面形状を有する。
本発明の別な実施例によると、焦点マイクロ構造は楕円断面形状を有する。
本発明の好適実施例によると、少なくとも1つの焦点マイクロ構造は溝形状で供される。
本発明の好適実施例によると、少なくとも1つの焦点マイクロ構造は細長いストライプ形状で供される。
本発明において、“ストライプ”の語は、ある程度まっすぐな構造に限定されないことに留意して欲しい。つまり本発明の実施例によると、ストライプは曲がった素子を含む。
本発明の好適実施例によると、焦点マイクロ構造の高さと幅の比は、0.1〜1で、好適には0.2〜0.8で、最も好適には0.3〜0.6である。
本発明の好適実施例によると、焦点マイクロ構造の焦点距離と高さの比は、1〜3で、好適には1.5〜2.5で、最も好適には1.8〜2である。
本発明において、“高さ”及び“幅”の語は以下を含む。高さは、ミラーの頂点と、実際には得られた円の弦である断面との距離である。幅はこの弦の長さである。
本発明において、“焦点距離”という語は、マイクロ構造の焦点から第1材料内の凹部の底部までの距離を含む。
本発明の好適実施例によると、前記少なくとも1つの焦点マイクロ構造の高さは、0.2μm〜100μmで、好適には1μm〜80μmで、最も好適には10μm〜30μmである。
本発明の好適実施例によると、前記少なくとも1つの焦点マイクロ構造の幅は、2μm〜100μmで、好適には10μm〜80μmで、より好適には20μm〜70μmで、最も好適には30μm〜50μmである。
本発明の好適実施例によると、当該素子はさらに、第1材料付近に供される少なくとも1つの結合層及び/又は結合領域を有する。この結合層及び/又は結合領域は、たとえば結合物質と当該素子とを結合する土台として機能して良い（本発明の好適実施例については以降で説明する）。
本発明の好適実施例によると、第1材料は、Si、Mo、Ti、TiO、TiN、Al、Au、Ag、Cu、有機ポリマーを有する群から選ばれ、好適にはポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルエステル、ポリメタクリルエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、及びこれらの混合物、SiO2、又はこれらの混合物を有する群から選ばれる。
本発明の好適実施例によると、第2材料は、SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5、及びこれらの混合物を有する群から選ばれる。
本発明の好適実施例によると、当該素子は基板材料をさらに有する。第2材料に選ばれる材料に依存して、本発明の範囲内にはさらに2つの好適実施例が存在する。
第1材料が金属材料であるときには、用途によっては、第2材料が層として供され、かつ基板材料が第2材料付近に供されることが好ましい。
本発明の好適実施例によると、当該素子は、焦点マイクロ構造へ光を放出する少なくとも1つの発光手段、及びたとえばラベルが付された検体によって放出される光を検出する検出手段をさらに有する。
本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段は単一波長の発光手段である。本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段はレーザーである。
本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段は、少なくとも2種類の異なる波長で発光する手段を有する。
本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段は、ビーム幅が0.8*（焦点マイクロ構造の幅）の光を放出する手段を有する。
本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段は、変調した光を放出する手段を有する。
本発明の実施例によると、前記変調には、振幅、位相、及び/又は偏光の変調が含まれる。
本発明の実施例によると、前記少なくとも1つの発光手段と検出手段は互いに同期する。
本発明の実施例によると、当該素子は、少なくとも1つのフィルタ及び/又は偏光手段を有する。
本発明の実施例によると、フィルタは波長フィルタである。
本発明の実施例によると、フィルタは、発光手段と焦点マイクロ構造との間に供される。
本発明の実施例によると、フィルタは、検出手段と焦点マイクロ構造との間に供される。
本発明の実施例によると、偏光子は、円偏光子、共線偏光子、及び/又はλ/4偏光子を含む。
本発明の実施例によると、偏光子は、発光手段と焦点マイクロ構造との間に供される。
本発明の実施例によると、偏光子は、検出手段と焦点マイクロ構造との間に供される。
本発明の実施例によると、検出手段は、たとえば像、スペクトル、一連のデータ点の形式であるデータを蓄積する検出手段を有する。
本発明の実施例によると、当該素子は、検出手段からのデータを保存しかつ処理するデータ処理手段を有する。そのデータは、偏光、変調、及び/又は温度と一緒になっていることが好ましい。
本発明の好適実施例によると、当該素子は、試料、その試料中に存在する検体、又はその試料の一部を結合物質へ導く少なくとも1つの案内手段をさらに有する。本発明の好適実施例によると、これらの案内手段は、結合物質付近に設けられた電気伝導手段を有する。電気伝導手段は金属ストライプであることが好ましい。電気伝導手段間に電圧を印加することによって、不均一な電場が生成される。特定の検体は電場によって操作可能であることがよく知られている。この電場により、分子を結合位置へ運ぶことが可能となる。それにより結合効率が増大する。本発明の好適実施例によると、電場は変調される。電場が変調されることで、溶液中の未結合分子が移動し、結合した分子の蛍光信号の測定が可能となる。それにより、多くの用途において、信号対バックグラウンド比をさらに増大させることが可能で、かつわずか数分子でも信頼性の高い検出が可能となる。
本発明の実施例によると、当該素子は、焦点マイクロ構造（の周辺）及び/又は当該素子内の温度を制御及び/又は調節する温度制御及び/又は調節手段をさらに有する。
本発明の実施例によると、たとえば特に焦点マイクロ構造がストライプ形状で供されているとき、温度制御及び/又は調節手段は、異なる焦点マイクロ構造間及び/又は1つの焦点マイクロ構造内で温度勾配を起こすように機能する。
本発明はさらに、本発明による素子の製造方法に関する。当該方法は、
(a)屈折率がn2である第1材料と第2材料を、少なくとも1つの結合物質の付近に焦点を有する少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供する手順、
(b)前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質を供する手順、
(c)焦点マイクロ構造へ向かうように光を放出することによって、前記少なくとも1つの結合物質の一部と当該素子とを、前記焦点マイクロ構造の焦点付近で結合させる手順、
を有する。
(a)屈折率がn2である第1材料と第2材料を、少なくとも1つの結合物質の付近に焦点を有する少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供する手順、
(b)前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質を供する手順、
(c)焦点マイクロ構造へ向かうように光を放出することによって、前記少なくとも1つの結合物質の一部と当該素子とを、前記焦点マイクロ構造の焦点付近で結合させる手順、
を有する。
手順(c)で用いられる光は、200nm〜500nmの波長の光であることが好ましい。実際にこの波長の光を用いることによって、マイクロ構造と結合物質との間での良好な結合が実現することが示された。光は、200nm〜400nmの波長を有することが好ましく、300nm〜400nmの波長を有することがより好ましい。
本発明による素子同様に本発明によって製造される素子も、広範なシステム及び/又は用途で利用可能である。とりわけ以下のうちの1以上での利用が可能である。
-分子診断に用いられるバイオセンサ
-たとえば血液又は唾液のような複合的生体混合物中でのタンパク質及び核酸の迅速かつ高感度な検出
-化学、薬学、又は分子生物学用の高速処理能力スクリーニング素子
-たとえば犯罪捜査でのDNA若しくはタンパク質検査、（病院内での）その場検査、又は中央研究所若しくは科学研究での診断に用いられる検査素子
-心臓病、感染症及び腫瘍、食物、並びに環境診断のためのDNA又はタンパク質診断ツール
-コンビナトリアル化学用ツール
-分析素子
-ナノ又はミクロン流体素子
請求項に記載された構成要素及び記載された実施例において本発明に従って用いられる構成要素のみならず上述の構成要素も、大きさ、形状、材料選択、及び技術的思想について如何なる例外に服することはない。そのため当該分野で知られた選択基準が制限なく適用されて良い。
-分子診断に用いられるバイオセンサ
-たとえば血液又は唾液のような複合的生体混合物中でのタンパク質及び核酸の迅速かつ高感度な検出
-化学、薬学、又は分子生物学用の高速処理能力スクリーニング素子
-たとえば犯罪捜査でのDNA若しくはタンパク質検査、（病院内での）その場検査、又は中央研究所若しくは科学研究での診断に用いられる検査素子
-心臓病、感染症及び腫瘍、食物、並びに環境診断のためのDNA又はタンパク質診断ツール
-コンビナトリアル化学用ツール
-分析素子
-ナノ又はミクロン流体素子
請求項に記載された構成要素及び記載された実施例において本発明に従って用いられる構成要素のみならず上述の構成要素も、大きさ、形状、材料選択、及び技術的思想について如何なる例外に服することはない。そのため当該分野で知られた選択基準が制限なく適用されて良い。
本発明の対象のさらなる詳細、特性、及び利点は従属請求項、図、並びにそれぞれの図及び実施例に対応する詳細な説明中に開示されている。図及びそれに対応する詳細な説明は、本発明による検出器の好適実施例を例示している。
図1は、本発明の第1実施例による第1材料と第2材料の集合体の断面を非常に概略的に図示している。図1から分かるように、第1材料10及び第2材料20は、ある程度球面形状である焦点マイクロ構造を形成する。入射光hνは、焦点マイクロ構造によって曲げられて、そのマイクロ構造の焦点（付近）に位置する結合物質40のうちの1つへ向かうように導光される。第1材料の上部には、結合物質40と組として機能する結合層50が設けられている。焦点マイクロ構造の焦点距離は”F”で表され、焦点マイクロ構造の高さは”H”で表される。幅は”W”で表される。
図2は、本発明による第2実施例による第1材料10’の斜視図を示している。図2から分かるように、焦点マイクロ構造は、ある程度細長いピットすなわち溝のような形状をとっている。しかし用途によっては、焦点マイクロ構造は、（上部から見て）円又は楕円形状で形成されることが望ましいことも考えられる。
図3は、本発明の第3実施例による第1材料、第2材料及び基板材料の集合体の断面を非常に概略的に図示している。この実施例では、第1材料が薄い金属層10として形成され、かつその薄い金属層は、第2材料を向く面とは反対の面で基板材料30によって取り囲まれている。よってその点で、この実施例は図1の実施例とは異なる。この実施例による解決法と図1の実施例による解決法のどちらが有利なのかは、本発明の実際の用途による。
図4は、発光手段及び検出手段を含む本発明の第4実施例による素子を非常に概略的に図示している。当該素子には発光素子140（ランプなど）が備えられている。その発光素子140は（半）平行ビームである光を放出する。その（半）平行ビームは、2色性ミラー100へ向かい、基板材料30上に供された第1及び第2材料からなる焦点マイクロ構造60（非常に概略的に図示されている）へ向かう。たとえば蛍光ラベルが付された結合検体の放出光はマイクロ構造によって集められ、その後ミラー100を通り抜けて、レンズ110によって集光されて、カメラ150によって検出される。通常当該素子はフィルタ120,130をも有する。
図5は、本発明の第5実施例による、電気伝導手段を備えた第1材料と第2材料の集合体の断面を非常に概略的に図示している。この実施例では、電気伝導手段70及び80が、結合層50上の金属板として供されている。第1材料が図2に図示された形状である場合には、電気伝導手段は、焦点マイクロ構造の左側と右側に設けられた単純な細片であって良い。多くの用途については、両細片間に電圧を印加することで、試料又は試料中の検体を結合物質へ向かわせることが可能である。電気伝導手段70及び80は、単なる例示として図示されていることに留意して欲しい。実際の用途のほとんどでは、電気伝導手段70及び80は、かなり小さくなる。
上述の実施例の構成要素及び特徴についての特定の組合せは例示に過ぎない。これらの教示と他の教示とを交換及び置換することも明らかに考えられる。当業者には分かるように、本明細書に記載された事項の変化型、修正型、及び他の実施形態は、本発明の技術的思想及び範囲から逸脱することなく当業者には想到しうるものである。従って前記記載は単なる例示であって、限定を意図していない。本発明の技術的範囲は、「特許請求の範囲」によって定義される。
Claims (11)
- 試料を分析して、前記試料中に含まれる1種類以上の検体の検出、定量、又は同定を行う素子であって、
当該素子は、少なくとも第1材料と第2材料を有し、
前記第1材料と前記第2材料は、少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供され、
前記焦点マイクロ構造上での波長300nm〜800nmの光の反射率は少なくとも50%以上である、
素子。 - 前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質が供される素子であって、前記第1材料と前記第2材料は、少なくとも1つの前記結合物質の付近に焦点を有する少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供される、請求項1に記載の素子。
- 前記焦点マイクロ構造が球又は楕円形状を有する、請求項1に記載の素子。
- 前記第1材料付近に供される結合層をさらに有する、請求項1又は2に記載の素子。
- 前記第1材料が、Si、Mo、Ti、TiO、TiN、Al、Au、Ag、Cu、有機ポリマーを有する群から選ばれ、好適にはポリアクリル酸、ポリメタクリル酸、ポリアクリルエステル、ポリメタクリルエステル、ポリカーボネート、ポリスチレン、及びこれらの混合物、SiO2、又はこれらの混合物を有する群から選ばれる、請求項1から4のうちのいずれかに記載の素子。
- 前記第2材料が、SiO2、Al2O3、HfO、MgF2、Ta2O5、及びこれらの混合物を有する群から選ばれる、請求項1から5のうちのいずれかに記載の素子。
- 前記少なくとも1つの焦点マイクロ構造の高さは、0.2μm〜100μmで、好適には1μm〜80μmで、最も好適には10μm〜30μmである、請求項1から6のうちのいずれかに記載の素子。
- 前記少なくとも1つの焦点マイクロ構造の幅は、2μm〜100μmで、好適には10μm〜80μmで、より好適には20μm〜70μmで、最も好適には30μm〜50μmである、請求項1から7のうちのいずれかに記載の素子。
- 前記少なくとも1つの焦点マイクロ構造は、細長いストライプ形状で供される、請求項1から8のうちのいずれかに記載の素子。
- 請求項1から9のうちのいずれかに記載の素子を製造する方法であって：
屈折率がn2である第1材料と第2材料を、少なくとも1つの結合物質の付近に焦点を有する少なくとも1つの焦点マイクロ構造を形成するように相互に対向した状態で供する手順、
前記検体のうちの少なくとも1つに固有な少なくとも1つの結合物質を供する手順、
前記焦点マイクロ構造へ向かうように光を放出することによって、前記少なくとも1つの結合物質の一部と当該素子とを、前記焦点マイクロ構造の焦点付近で結合させる手順、
を有する方法。 - 請求項1から9のうちのいずれかに記載の素子を組み込んだシステムであって、請求項10に記載の方法を実行するように備えられ、かつ
-分子診断に用いられるバイオセンサ
-たとえば血液又は唾液のような複合的生体混合物中でのタンパク質及び核酸の迅速かつ高感度な検出
-化学、薬学、又は分子生物学用の高速処理能力スクリーニング素子
-たとえば犯罪捜査でのDNA若しくはタンパク質検査、（病院内での）その場検査、又は中央研究所若しくは科学研究での診断に用いられる検査素子
-心臓病、感染症及び腫瘍、食物、並びに環境診断のためのDNA又はタンパク質診断ツール
-コンビナトリアル化学用ツール
-分析素子
-ナノ又はミクロン流体素子
に用いられる、システム。
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