JP2014503800A - 平面状ハイブリッドオプトフルイディック集積物 - Google Patents
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Abstract
オプトフルイディックプラットフォームは、光学層及び流体層の鉛直方向の集積物を含むように構築されている。光学層は、粒子検出、操作及び分析を含めた種々の目的のために光と流体との相互作用を可能にする。鉛直方向の集積によって、層が永続的に又は一時的に相互に取り付けられることが可能になる。一時的取付は、異なる流体層を有する同じ光学層の再使用の利点を提供する。最も好ましくは、光学層は、反共振反射光学導波路（ＡＲＲＯＷｓ）を含む。さらに、流体層は、光学層とそれに取り付けた他の流体層との間の中間層として作用できるように構成されることができる。さらに、前記流体層は、流体学的機能を実施するように構成されることができる。オプトフルイディックプラットフォームは、保護層を含むこともできる。こうして液体溶液は、オプトフルイディックプラットフォーム中へ導入されることができ、かつ、その中に含まれる単一粒子は、極めて高い感受性をもって、かつ、改良した顕微鏡装置の必要なく、光学的に検出されることができる。
Description
関連出願に対する相互参照
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、２０１０年１１月１９日に出願された「Ｈｙｂｒｉｄ， Ｐｌａｎａｒ Ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」と題する米国仮特許出願第６１／４１５，４６７号（代理人整理番号ＵＣＳＣ−００１４ （ＳＣ２０１１−２６１））の利益を主張し、その内容は参照することによって本明細書にその全体が組み込まれる。
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）に基づいて、２０１０年１１月１９日に出願された「Ｈｙｂｒｉｄ， Ｐｌａｎａｒ Ｏｐｔｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ」と題する米国仮特許出願第６１／４１５，４６７号（代理人整理番号ＵＣＳＣ−００１４ （ＳＣ２０１１−２６１））の利益を主張し、その内容は参照することによって本明細書にその全体が組み込まれる。
技術分野
本発明は、集積光学の分野に、より具体的には、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のためのオプトフルイディックプラットフォームに、一般的に関する。オプトフルイディックプラットフォームは、１の光学層及び複数の流体層の鉛直方向の集積物を含む。光学層は、ＡＲＲＯＷｓ又はＡＲＲＯＷ導波路として知られている、反共振反射光学導波路（antiresonant reflecting optical waveguide）を採用することができる。さらに、流体層は、オプトフルイディックプラットフォーム中へ導入した液体に対して流体学的機能を実施するように構成されていることができる。オプトフルイディックプラットフォームは、保護層を含むこともできる。
本発明は、集積光学の分野に、より具体的には、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のためのオプトフルイディックプラットフォームに、一般的に関する。オプトフルイディックプラットフォームは、１の光学層及び複数の流体層の鉛直方向の集積物を含む。光学層は、ＡＲＲＯＷｓ又はＡＲＲＯＷ導波路として知られている、反共振反射光学導波路（antiresonant reflecting optical waveguide）を採用することができる。さらに、流体層は、オプトフルイディックプラットフォーム中へ導入した液体に対して流体学的機能を実施するように構成されていることができる。オプトフルイディックプラットフォームは、保護層を含むこともできる。
背景技術
オプトフルイディックスは、マイクロスケールでの光学及び流体学、典型的には液体の相互作用を取り扱う、急速に成長する分野である。最近では、主要な研究トレンドは、特に生物学及びバイオ医薬における、流体によって定義される光学デバイス、液体中の光学粒子操作、及び、光学粒子検出及び分析を含む。
オプトフルイディックスは、マイクロスケールでの光学及び流体学、典型的には液体の相互作用を取り扱う、急速に成長する分野である。最近では、主要な研究トレンドは、特に生物学及びバイオ医薬における、流体によって定義される光学デバイス、液体中の光学粒子操作、及び、光学粒子検出及び分析を含む。
オプトフルイディックアプローチの主要な利点の１つは、異なる機能を有する複数の層を単一のデバイスへと鉛直方向に組み合わせることができることであると指摘されている。原理実証は、流体によって同調可能な導波路伝送［１］及び電気層及び流体層の組み合わせ［２］を含む。
要約
ここで、我々は、液体コア導波路をベースとするオプトフルイディック集積物に対する新規アプローチを説明する。その新規特徴は、次のとおりである：
・鉛直方向の集積のための完全に平面状の光学ビームパスを特徴とする液体コア導波路層の使用、
・個々の層中で所望の機能を達成するための異種材料、例えばシリコン、ＰＤＭＳ、ガラスの使用、
・鉛直方向に集積されたオプトフルイディックシステムの再構成可能なアセンブリー。
ここで、我々は、液体コア導波路をベースとするオプトフルイディック集積物に対する新規アプローチを説明する。その新規特徴は、次のとおりである：
・鉛直方向の集積のための完全に平面状の光学ビームパスを特徴とする液体コア導波路層の使用、
・個々の層中で所望の機能を達成するための異種材料、例えばシリコン、ＰＤＭＳ、ガラスの使用、
・鉛直方向に集積されたオプトフルイディックシステムの再構成可能なアセンブリー。
現在好ましい本発明の一実施態様において、オプトフルイディックプラットフォームは、光学層及び流体層の鉛直方向の集積物を含むように構築されている。オプトフルイディックプラットフォームは、保護層を含むこともできる。鉛直方向の集積によって、層が永続的に又は一時的に相互に取り付けられることが可能になる。一時的取付は、異なる流体層を有する同じ光学層の再使用の利点を提供する。
一実施態様において、光学層は、極めて高い感受性を有するが、しかし、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のための、自蔵式の、平面状オプトフルイディックプラットフォームを含むことができる。更なる一実施態様において、光学層は、中空コア反共振反射光学導波路（ＡＲＲＯＷｓ）、充実コアＡＲＲＯＷｓ及び流体貯蔵所を含むことができる。光学層内の種々の要素の構成によって、液体が中空コアＡＲＲＯＷｓへと導入されること、そして、そのピコリットル未満の体積が単一粒子検出のために光学的に励起されること、を可能にできる。
一実施態様において、流体層は、光学層に取り付けられることができ、かつ、保護層と光学層との間に液体のためのシールを提供するガスケットとして作用することができる。更なる一実施態様において、前記光学層へと取り付けた流体層は、光学層の光学導波路特性を回復するように構成されることができ、かつ、光学層とそれに取り付けた他の流体層との間の中間層として作用できる。さらに、流体層は、流体学的機能、例えばフィルタリング、及び、保護層で導入された光学層液体への分配、を実施するように構成されていることができる。
一実施態様において、保護層は流体層に取り付けられることができる。保護層は、シリンジ及びシリンジポンプを用いてオプトフルイディックプラットフォームへ液体を導入するように構成されることができる。
一実施態様において、光学層は、シリコン基材上への誘電層の堆積、所望の中空形状をパターニングするための犠牲材料の使用、更なる誘電層を用いての前記犠牲材料の被覆、及び、前記犠牲材料を除去するための化学的エッチングの使用、によって製作されることができる。さらに、流体層は、ポリジメチルシロキサン、ポリマー又はガラス材料から作成されることができる。保護層は、アクリルガラスから作成されることができる。これら層は、標準的酸素プラズマ結合によって永続的に連結されることができ、又は、加圧下で一時的な固定手段を用いてアセンブリー化されることができる。
本発明の例示的実施態様の他の観点は、以下に説明される。
例示的実施態様の詳細な説明
我々は、光と試料検体の間の相互作用を最大にする液体コア光学導波路を基礎とする、平面状オプトフルイディックアプローチを発明した。中空コア反共振反射光学導波路（ＡＲＲＯＷｓ）の作出に基づいて、我々は、極めて高い感受性を有するが、しかし、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のための、自蔵式の、平面状オプトフルイディックプラットフォームを開発した［３］。中空コア導波路の形成のための製造工程と一緒に、プラットフォームの基礎的なレイアウトが、図１に示されている。
我々は、光と試料検体の間の相互作用を最大にする液体コア光学導波路を基礎とする、平面状オプトフルイディックアプローチを発明した。中空コア反共振反射光学導波路（ＡＲＲＯＷｓ）の作出に基づいて、我々は、極めて高い感受性を有するが、しかし、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のための、自蔵式の、平面状オプトフルイディックプラットフォームを開発した［３］。中空コア導波路の形成のための製造工程と一緒に、プラットフォームの基礎的なレイアウトが、図１に示されている。
図１の中央下の走査電子イメージは、５×１２μｍの中空コア寸法を有するかかる導波路の断面図を示す。さらに、充実コアＡＲＲＯＷ導波路（図１ａの右下のＳＥＭ参照）は、液体コアの種々の点に連結されている。これは、メインチャネル中への液体及び光のための別個のアクセスパスを作出し、かつ、ピコリットル未満の体積で光学励起領域を定義して、単一分子感受性を達成するためにも使用できる。図１ａは、励起光（緑色：オプトフルイディックプラットフォーム中を指し示す矢印）が、液体コアへと、直交して交差する充実コアＡＲＲＯＷを介して入る典型的実験レイアウトを描写する。発生した光（赤色：オプトフルイディックプラットフォームから出るものを示す矢印）は、チップ面中で垂直に回収され、かつ、検出のためチップ縁へと案内されている。チャネル末端の流体貯蔵所によって、容易なチャネル充填及び電極挿入が動電学的粒子運動を誘発することが可能になる。図１ａの左下中の写真は、コンパクトなサイズの完成したオプトフルイディックチップを描写する。
図１ｂに示した製造プロセスは、（ｉ）シリコン基材上へ正確な厚さの誘電層（例えばＳｉＯ2及びＳｉＮ）を堆積すること、（ｉｉ）犠牲材料（例えばＳＵ−８）を所望の中空コア形状へパターンニングすること、（ｉｉｉ）更なるＡＲＲＯＷ案内層を用いて前記犠牲層を被覆すること、及び、（ｉｖ）プラズマエッチングによって末端を暴露した後に化学的エッチングで犠牲コアを除去すること、を含む。これは、マイクロスケールの正確性でもって、種々の光学的及び流体学的レイアウトを定義するために柔軟に使用することができる。
図１に示したプラットフォームは、種々の分子の検出及び分析、例えば、単一染料分子の蛍光検出、リポソーム及びリボソームの蛍光相関分析及びローダミン６Ｇ分子の表面増強ラマン検出、のために成功して使用されている［３］。
我々は、オプトフルイディック層のハイブリッド垂直アラインメントに対する原理実証研究も実施した。鍵となる意図は、シリコンベースのＡＲＲＯＷチップが、マイクロフルイディックデバイスのために典型的に使用されている材料、例えばポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）、ポリマー又はガラスと組み合わされることができることを確立することであった。図２ａは、この試験アプローチの概略側面図を示す。ＰＤＭＳ層は、ＡＲＲＯＷチップの頂部に取り付けられ、その後、アクリルプラスチックのカバーが続く。このＰＤＭＳ層は、チップ上の高められている導波路構造に一致させて、アクリル層とシリコン層の間の液体のためのシールを提供するガスケットとして作用する（図１参照）。
この機能を達成するために、ＰＤＭＳを標準的ソフトリソグラフィ法に一致して調製し、かつ、ＡＲＲＯＷチップ上に直接的に注いだ。一時的隔離シリンダーを、ＰＤＭＳ中へ貫通孔を作出するために液体コアＡＲＲＯＷに対する開口部上に配置し、かつ、ＰＤＭＳが熱硬化した後に除去した。チャネルをアクリル片中に孔あけし、かつ、シリンジ及びシリンジポンプを用いた液体コア導波路中への液体の導入のためにルアーコネクションで終端化させた（図２ｂ）。図２ｃは、頂部アクリル片なしのチップのトップダウンイメージを示す。蛍光染色を、１つのＰＤＭＳ孔中に導入し、かつ、導波路を介して真空引きして反対側の開口部へと導いた。２つの貯蔵所中のみでの明るい赤色蛍光の観察は、基本的なマイクロフルイディック機能性が、ＰＤＭＳ及びＡＲＲＯＷチップの間のいかなる漏れもなく成功して実現されることができたことを実証する。
オプトフルイディック集積物に対する多層アプローチは、各層がその所望の機能性に関して最適化されることができるという利点を有する。我々のシリコンベースデバイスが、優れた光学的特性を示す一方で、これらはパッケージングの観点からは理想的でない。ハイブリッド集積物への１つの可能性のある好ましいアプローチは、図３ａに示したように流体層と光学層とを単一デバイスに組み合わせることである。好ましい具現化は、シリコンベースの光学層と、流体連結（シリンジ、ポンプ）取り付けのために硬質アクセス層（例えばアクリルプラスチック）によって覆われた軟質ポリジメチルシロキサン（ＰＤＭＳ）の２つの流体層とを組み合わせることである。これら層は、標準的酸素プラズマ結合を介して一時的に連結されてもよいし、又は、加圧下で一時的固定手段を用いてアセンブリー化されてもよい。後者のアプローチは、層が交換可能である、例えば種々の流体チャネル設計が単一光学的チップと一緒に使用可能である、という利点を有する。
ＡＲＲＯＷチップ上のＰＤＭＳの直接的キャスティングは、ＡＲＲＯＷ導波路の頂部への高屈折率ＰＤＭＳの配置及び光学的導波特性の破壊、という欠点を有する。多層アプローチは前記問題を克服し、それというのも、第１のＰＤＭＳ層は、光学的案内のために重要である領域において導波路幾何学の形態に従う空気チャネルを含むものであるからである。このことは、図３ｂに説明したような、要求される指数プロファイルを回復する導波路の周囲の空気ギャップを生じる。
第２の工程は、第２のＰＤＭＳ層（ＰＤＭＳ２）を付加でき、かつ、試料分配及び機械的濾過といった、この層中の本質的な流体学的デバイス機能を実証する。図４は、試料分配レイアウトの２つの好ましい例の具現化を示す（ＰＤＭＳ１層は明確化のために示していないことに留意されたい）。図４ａでは、ＰＤＭＳ２層は、同じ試料混合物で３つのＡＲＲＯＷ導波路を負荷するための１−ｉｎ−３分配器として設計されている。他方で、図４ｂは、３−ｉｎ−３のインプット構成を示し、ここでは３つの異なる試料混合物が同時に３つの導波路チャネル中で検査されることができる。両方の具現化は、たとえ異なるやり方であったとしても、検出プラットフォームの能力の多重可を可能にする。より多くの構成が考えられ、特に液体コア導波路の数が増えるにつれより多くの構成が考えられる。再度、極めて様々な機能性が、同じ基礎となる光学的ＡＲＲＯＷ層で達成されることに留意されたい。このデバイスが永続的結合なしにアセンブリー化されている場合には、このことは前記プラットフォームを高度にカスタマイズ可能にかつ再構成可能にする。
マイクロフルイディックシステムにおいては試料調製は不変の関心事である。かかる機能性に関する一例は、オフチップ溶解プロセス後に大きい細胞成分を分子レベルターゲットから分離する機械的流体フィルタリング工程である。我々のケースにおける制約事項は、典型的には５×１２μｍのオーダーにある光学層中の液体コア導波路寸法によって設定される。３μｍよりも大きい全ての検体内容物を除去するために、杭（pillar）ベースのフィルター構造が、図５に示されるようにＰＤＭＳ２層中のインプットマニホルドに付加されることができる。数ミクロンの必要な解像度は、ＳＵ−８モールドリソグラフィを使用して容易に達成できる。
Claims (54)
- 複数の導波路を含む光学層と、
複数の流体層とを含み、
前記複数の流体層のうち１つの流体層が前記光学層に取り付けられている、
試料を分析するためのオプトフルイディック装置。 - さらに、前記複数の流体層のうち１つの流体層に取り付けられた１つの保護層を含む請求項１記載の装置。
- 前記複数の導波路が、複数の中空コア導波路及び複数の充実コア導波路を含む請求項１記載の装置。
- 前記複数の導波路が、複数の中空コア反共振反射光学導波路（ＡＲＲＯＷｓ）を含む請求項１記載の装置。
- さらに、前記複数のＡＲＲＯＷｓと交差する複数の充実コアＡＲＲＯＷｓを含む請求項４記載の装置。
- 前記複数の充実コアＡＲＲＯＷｓ及び前記複数のＡＲＲＯＷｓが、垂直に交差する請求項５記載の装置。
- 前記複数のＡＲＲＯＷｓ及び前記複数の充実コアＡＲＲＯＷｓが、液体及び光に対する別個のアクセスパスを提供し、かつ、ピコリットル未満の体積で光学励起領域を定義して、単一分子感受性を達成するように構成されている請求項５記載の装置。
- 中空コアＡＲＲＯＷが、５×１２μｍの断面積寸法を有する実質的に長方形の中空コアを有する請求項４記載の装置。
- 中空コアＡＲＲＯＷが、１のシリコン基材及び複数の誘電層を含み、中空コア形態を形成すべく構成されている請求項４記載の装置。
- 流体貯蔵所が、中空コアＡＲＲＯＷの末端に配置されている請求項４記載の装置。
- 前記光学層が、前記複数の流体層とは異なる基材材料から作成されている請求項１記載の装置。
- 前記流体層が、光学的案内のために使用される領域中で複数の導波路の幾何学に従う形態を有する空気チャネルを含む請求項１記載の装置。
- 前記流体層が、導波路と前記流体層の間に光学的案内のために使用される領域中で空気ギャップを提供すべく構成されている請求項１記載の装置。
- 前記複数の流体層が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー又はガラス材料から作成されている請求項１記載の装置。
- 前記複数の流体層が、前記複数の導波路内及び前記複数の導波路外へ液体を導くように構成されている複数の開口部を含む請求項１記載の装置。
- 前記流体層が、光学層と保護層の間に液体のためのシールを提供するガスケットとして作用するように構成されている請求項１記載の装置。
- 前記複数の流体層のうち少なくとも１の流体層が、流体学的機能を提供すべく構成されている請求項１記載の装置。
- 前記流体学的機能が、前記複数の導波路へと試料を分配することを含む請求項１７記載の装置。
- 前記少なくとも１の流体層が、前記複数の導波路に試料を負荷するための分配点を含む請求項１８記載の装置。
- 前記流体学的機能が、試料の機械的濾過を含む請求項１７記載の装置。
- 前記少なくとも１の流体層が、試料内容物をフィルタリングするための杭ベースのフィルター構造を含む請求項２０記載の装置。
- 前記流体層及び前記光学層が、永続的に取り付けられている請求項１記載の装置。
- 前記永続的取付が、酸素プラズマ結合を含む請求項２２記載の装置。
- 前記流体層及び前記光学層が、一時的に取り付けられている請求項１記載の装置。
- 前記一時的取付が、圧力結合を含む請求項２４記載の装置。
- 別の流体層への流体層取付が、永続的又は一時的取付を含む請求項１記載の装置。
- 前記保護層が、アクリルプラスチックから作成されている請求項２記載の装置。
- 前記保護層が、液体を導入するための複数のチャネルを含む請求項２記載の装置。
- 前記チャネルが、シリンジ及びシリンジポンプを用いた使用のために構成されているルアーコネクションで終端している請求項２８記載の装置。
- 前記保護層及び前記流体層の取付が、永続的又は一時的な取付を含む請求項１記載の装置。
- さらに、光学的粒子検出のために、コンパクトサイズの自蔵式平面状オプトフルイディックプラットフォームを提供すべく構成されている請求項１記載の装置。
- 導波路を含む１の光学層の作出、
複数の流体層の作出、
１の保護層の作出、
前記複数の流体層のうちの１の流体層への前記光学層の取付、及び
前記保護層への前記複数の流体層のうちの１の流体層の取付
を含むオプトフルイディックデバイスを製造するための方法。 - 前記光学層の作出が、
シリコン基材上への誘電層の堆積、
導波路中空コア形態への材料のパターニング、
更なる誘電層での前記材料の被覆、及び
前記材料の除去
を含む請求項３２記載の方法。 - 前記材料の除去が、プラズマエッチングへの前記材料末端の暴露及び化学的エッチングによる前記材料の除去を含む請求項３３記載の方法。
- 複数の流体層の作出が、
一時的隔離シリンダーでの前記導波路の開口部の被覆、
ソフトリソグラフィ法を用いた材料の調製、
前記光学層上への前記調製された材料の注ぎ込み、
前記注ぎ込まれた材料の硬化、及び
前記一時的隔離シリンダーの除去
を含む請求項３２記載の方法。 - 前記材料の作出が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー、又はガラス材料を含む請求項３５記載の方法。
- 前記複数の流体層の作出が、前記光学層に取り付けられるように構成された少なくとも１の流体層の作出を含み、前記少なくとも１の流体層が、光学的案内のために使用される領域における導波路の幾何学に従う形態を有する空気チャネルを含む請求項３２記載の方法。
- 前記複数の流体層の作出が、前記光学層に取り付けられるように構成された少なくとも１の流体層の作出を含み、前記少なくとも１の流体層が、前記導波路と前記少なくとも１の流体層との間の空気ギャップを提供するように構成されている請求項３２記載の方法。
- 前記複数の流体層の作出が、前記保護層に取り付けられるように構成された少なくとも１の流体層の作出を含み、前記少なくとも１の流体層が、前記導波路への試料の分配、前記試料内容物のフィルタリング、又はその組み合わせを含む流体学的機能を実施するように構成されている請求項３２記載の方法。
- 前記複数の流体層の作出が、前記保護層及び前記光学層の間の液体のためのシールを提供するガスケットとして作用するための少なくとも１の流体層を構成することを含む請求項３２記載の方法。
- 前記保護層の作出が、前記保護層のためのアクリルプラスチックの使用を含む請求項３２記載の方法。
- 前記保護層の作出が、前記保護層へのチャネルの孔あけ及びルアーコネクションでの前記チャネルの終端化を含み、前記チャネル及び前記ルアーコネクションが、シリンジ及びシリンジポンプを使用して前記導波路中へと液体を導入するように構成されている請求項３２記載の方法。
- 前記流体層への前記光学層の取付が、永続的又は一時的取付を含む請求項３２記載の方法。
- 前記永続的取付が、酸素プラズマ結合を含む請求項４３記載の方法。
- 前記一時的取付が、圧力結合を含む請求項４３記載の方法。
- 前記保護層への前記流体層の取付が、永続的又は一時的取付を含む請求項３２記載の方法。
- 前記複数の流体層の作出が、各流体層を別の流体層へと永続的又は一時的に取り付けることを含む請求項３２記載の方法。
- 垂直に交差するように構成されている中空コア導波路と充実コア導波路とを含む光学導波路を含む、１の光学層
流体学的機能を提供するように構成されている複数の流体層、
１の保護層、
前記流体層に前記光学層を取り付けるための手段、
前記光学導波路の光学的指数を回復するための手段、
前記保護層に前記流体層を取り付けるための手段、
前記保護層を通して前記中空コア導波路中へと試料液体を注入するための手段、
前記流体層を通して注入された試料液体へと流体学的機能を適用するための手段、
前記充実コア導波路中へと光を注入する手段
を含み、注入された光は、前記充実コア導波路内で、かつ、前記中空コア導波路中へと注入された前記試料液体を通して案内される、オプトフルイディックデバイス。 - 前記光学導波路がＡＲＲＯＷｓを含む請求項４８記載のデバイス。
- 前記流体学的機能が、試料液体の分配及び試料液体内有物のフィルタリングを含む請求項４８記載のデバイス。
- 前記保護層が、シリンジ及びシリンジポンプを使用した液体試料の導入のための手段を含む請求項４８記載のデバイス。
- 前記流体層に前記光学層を取り付けるための前記手段が、永続的又は一時的取付手段を含む請求項４８記載のデバイス。
- 前記光学的指数を回復するための前記手段が、前記光学導波路の間の空気ギャップ及び前記複数の流体層のうちの１つの取付流体層を含む請求項４８記載のデバイス。
- 前記保護層へと前記流体層を取り付けるための前記手段が、永続的又は一時的取付手段を含む請求項４８記載のデバイス。
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