JP2010532873A - 光電子センサシステム - Google Patents

Abstract

試料を均質に照明し、発生する蛍光光のみが光活性層へ達するようにする、光電子センサシステム。この課題は、実質的に、光電子センサ層の前または上方に、結合された光のための全反射層を形成することによって解決される。適用は、マイクロアレイ−バイオチップが使用される、すべての分野で行うことができる。

Description

本発明は、試料を刺激して検出するための光電子センサシステムに関する。

医学、薬学、生化学、遺伝学または微生物学の領域において、マイクロアレイ−バイオチップの使用は、ますます大きな役割を果たすようになって来ている。この種のチップは、短時間に数百万の反応の結果を供給する。マイクロアレイ−バイオチップは、キャリア材料からなり、その上に生物学的ゾンデ分子が、大きな数と高い密度で、いわゆるマイクロアレイ内に定められて固定されている。この点またはスポットの各々が、ほぼ反応容器の代わりをする。

本来の調査のために、たとえば蛍光ベースの方法が適用され、それにおいて試料のマーキングが行われるので、−光源、たとえばレーザーによる刺激後に−蛍光信号が生じ、それを検出することができる。従来のマイクロアレイ−読取りシステムは、蛍光を点状に刺激するためにレーザーを使用し、あるいは大面積で刺激するためにガス放電ランプ（水銀、キセノン、金属−ハロゲン化物）を使用する。すべてのシステムは、読取りプロセスにおいて、サンプルまたは光源をスキャンしなければならず、従って精密な処理技術を必要とする。さらに、この種のシステムは、検出器上に蛍光信号を結像させるために複雑な光学系を必要とする。このファクターが、必要なミニチュア化と読取りシステムの安価な形成も阻止する。

国際公開ＷＯ２００６／０２６７９６号パンフレットからは、マイクロアレイのような、この種の生化学的試料を評価することができる装置が知られている。

これは、試料キャリアと画像検出装置とからなる。この画像検出装置は、２つの電極層管に有機半導体ベースの光活性層を有しており、その電極層の１つは、光活性層と試料との間で少なくとも部分的に光を透過するように形成されている。この画像検出装置は、バイオチップの、マイクロアレイと対向する表面上に直接取り付けることができ、従って従来の読取りシステムにおけるような、精密な処理機構と複雑な結像光学系を不要にする。

この画像検出システムを、処理機構と結像光学系なしで生化学的試料を蛍光ベースで読み取るためには、以下の条件が満たされなければならない：
・試料は、刺激光に均質にさらされなければならない。
・生じる蛍光光のみが、光活性層へ達することを許される。
・蛍光を発する試料（マイクロアレイ−スポット内）とセンサとの間の間隔は、ピクセル間のクロストークを回避するために、マイクロアレイスポットのセンターツーセンターの間隔と同じオーダーの大きさにある。

従って、本発明の課題は、これらの条件を満たす、光電子センサシステムを提供することである。

均質な照明について：
画像検出システムが、試料に対向してバイオチップ上に直接取り付けられている場合に、試料は、それ以上走査される必要はない。もちろん、この種の構造は、試料を十分に高い刺激強度で均質に照明することを必要とする。

直接的または散乱された刺激光のブロックについて：
各蛍光ベースの測定システムは、蛍光を刺激するための光源を必要とする。その場合に、この刺激光の強度は、もたらされる蛍光光の強度よりも数オーダーの大きさだけ強い。信頼できる測定結果を得るためには、蛍光光のみが光活性層へ達することを許されるが、直接光または散乱光は、測定誤差をもたらすことになるので、達することを許されない。

試料とセンサの間の間隔について：
画像検出システム上で検出された信号をマイクロアレイスポットの蛍光に一義的に割当てることは、正確な測定結果を得るための前提である。典型的に、マイクロアレイスポット直径は、約３００μｍのセンターツーセンター間隔をもって１００−２００μｍである。従って、バイオチップ上に直接設けられた、マイクロアレイと対向する画像検出システムにおいて、クロストークを回避するためには、試料と画像検出システムとの間の間隔は、スポット間隔と同じオーダーの大きさになければならない。

この課題は、本発明によれば、試料を設けるための表面とその下に位置する層システムであって、試料を刺激するための光を結合可能な、第１の屈折率を有する透明な第１の層と、結合された光とそこからもたらされる、第１の層内で伝播するプレナーな光波の全反射を発生させるための、第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する、隣接する第２の層および第２の層の下に位置する、２つの電極層間の１つまたは複数の半導体層からなる、光電子センサ層を有し、電極層のうちの、試料へ向けられた電極層が少なくとも部分域的に光を透過するように形成されている層システム、を有する光電子センサシステムによって解決される。

より小さい屈折率を有する層における全反射によって、刺激光は、幾分大きい屈折率を有する第１の層内でのみ伝播する。
生物学的試料は、この層の上側にある。そこで、全反射が行われ、その全反射において、１００から５００ｎｍの進入深さを有する、いわゆるエバネッセント場が発生し、それが選択的に表面近傍の分子のみを刺激する。その後試料から送出された蛍光信号または発光信号も、じゃまされずに光電子センサ層によって受信することができ、散乱光による測定誤差が生じることはない。

好ましくは、刺激する光ビームの導入は、第１の層に光を結合するためのプリズムまたは格子が配置されていることによって、行われる。

好ましい形態によれば、より小さい屈折率を有する層は、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなる。
これに、さらに、光学フィルタとしての吸収するピグメント／色素を添加することができる。

好ましくは、第２の層と光電子センサシステムとの間に、光学的フィルタ特性または部分的な光透過性を有する付加的な層を設けることができる。

フォトセンシティブな層は、有機半導体ベースで形成することができる。

本発明に基づく光電子センサシステムは、以下の構造を特徴とすることができる。
その表面上にマイクロアレイスポットを設けるための、第１のガラスキャリア、
センサ用の基板としての第２のガラスキャリア、
センサ用のカプセルとしての第３のガラスキャリア、
２つの電極層間の１つまたは複数の半導体層からなる、第２と第３のガラスキャリアの間に位置するフォトセンシティブな光電子層であって、電極層のうちの、試料へ向けられた電極層が部分的に光を透過するフォトセンシティブな光電子層、
第１と第３のガラスキャリアの間のＰＤＭＳ中間層、および
第１のガラスキャリアの表面上に配置されたプリズムであって、そのプリズムが光源から放出された光ビームを定められた角度で第１のガラスキャリア内へ導入し、そこで光ビームがＰＤＭＳ中間層で全反射して、プラナー光波として第１のガラスキャリア内で導波されるプリズム。

この構造が、図面にも、図式的に示されている。

本発明に基づく光電子センサシステムを図式的に示している。

第１のガラスキャリア内へ光ビームが入射する入射角度は、好ましくはガラスとＰＤＭＳの間の全反射のための限界角度よりも大きく、従って６９°よりも大きい（屈折率：ガラス：ｎ１＝１．５２、ＰＤＭＳ：ｎ２＝１．４２→全反射のための角度：α＝arcsin（ｎ２／ｎ１）＝６９．１°）。

この構造を有する光電子センサシステムは、その小さい寸法を特徴としており、すなわち第１のガラスキャリアの厚みは、たとえば５０−２００μｍ、第３のガラスキャリアとＰＤＭＳ中間層とあわせた第１のガラスキャリアの厚みは、約３００μｍであり、センサの全体の厚みは、約１ｍｍである。

刺激する光源として、レーザー、ＬＥＤまたは３００−６５０ｎｍの波長を有するＯＬＥＤが使用される。

Claims (15)

1. 試料を刺激して検出するための光電子センサシステムであって、
   試料を設けるための表面と、
   前記表面の下に位置する層システムであって、
   試料を刺激するための光を結合可能な、第１の屈折率を有する透明な第１の層と、
   結合された光とそこからもたらされる、前記第１の層内で伝播するプレナーな光波の全反射を発生させるための、前記第１の屈折率より小さい第２の屈折率を有する、隣接する第２の層と、
   前記第２の層の下に位置する、２つの電極層間の１つまたは複数の半導体層からなる、光電子センサ層を有し、前記電極層のうちの、試料へ向けられた電極層が少なくとも部分的に光を透過するように形成されている層システムと、
   を有する光電子センサシステム。
2. 前記第１の層に、光を結合するためのプリズムまたは格子が配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光電子センサシステム。
3. 前記第１の層が、ガラスからなることを特徴とする請求項１または２に記載の光電子センサシステム。
4. 前記第１の層が、５０−３００μｍの厚みを有していることを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
5. 前記第２の層が、ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）からなることを特徴とする請求項１〜４の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
6. 前記第２の層と前記センサ層との間に、他の光学的なフィルタ層が設けられていることを特徴とする請求項１〜５の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
7. 前記光電子センサ層が、２つのガラス層の間に配置されていることを特徴とする請求項１〜６の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
8. 前記第２の層に、当該第２の層の光学的透過挙動を変化させる物質が添加されていることを特徴とする請求項５に記載の光電子センサシステム。
9. 前記添加される物質が、吸収するピグメントまたは色素であることを特徴とする請求項８に記載の光電子センサシステム。
10. 前記表面上にマイクロアレイスポットを設けるための、第１のガラスキャリアと、
    センサ用の基板としての第２のガラスキャリアと、
    前記センサ用のカプセルとしての第３のガラスキャリアと、
    前記２つの電極層間の１つまたは複数の半導体層からなる、前記第２と第３のガラスキャリアの間に位置するフォトセンシティブな光電子層であって、前記電極層のうちの、試料へ向けられた電極層が、部分的に光を透過するように形成されているフォトセンシティブな光電子層と、
    前記第１と第３のガラスキャリアの間のＰＤＭＳ中間層と、
    前記第１のガラスキャリアの表面上に配置されたプリズムであって、前記プリズムが光源から放出された光ビームを定められた角度で前記第１のガラスキャリア内へ導入し、前記第１のガラスキャリア内で光ビームが前記ＰＤＭＳ中間層で全反射して、プラナー光波として前記第１のガラスキャリア内で導波されるプリズムと、
    を有することを特徴とする請求項１〜９の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
11. 前記第１のガラスキャリア内へ入射する光ビームの入射角度が、好ましくは、ガラスとＰＤＭＳの間の全反射のための限界角度よりも大きく、従って６９°よりも大きいことを特徴とする請求項１０に記載の光電子センサシステム。
12. 前記第１のガラスキャリアの厚みが５０−２００μｍであり、前記第３のガラスキャリアと前記ＰＤＭＳ中間層をあわせた前記第１のガラスキャリアの厚みが、約３００μｍであり、前記センサの全体の厚みは、約１ｍｍであることを特徴とする請求項１〜１１の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
13. フォトセンシティブな層が、前記第２のガラスキャリア上に設けられていることを特徴とする請求項１〜１２の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
14. 刺激する光源として、レーザー、ＬＥＤまたは３００−６５０ｎｍの波長を有するＯＬＥＤが使用されることを特徴とする請求項１〜１３の何れか一項に記載の光電子センサシステム。
15. フォトセンシティブな層が、有機半導体ベースで形成されていることを特徴とする請求項１〜１４の何れか一項に記載の光電子センサシステム。

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