JP2016526690A - 結合親和性の検出に用いる装置 - Google Patents

Abstract

結合親和性の検出に用いる装置（１）は、導波路がない基板（２）を含む。基板（２）は、対象分子（３２）と結合可能な複数の結合サイト（３１）がその表面に配置された平坦面（２１）を有する。結合サイト（３１）は、複数の隣接配置された曲線（４）に沿って配されている。これらの線は、動作時に、対象分子（３２）を結合させている結合サイト（３１）に入射する所定波長のコヒーレント光（５１）の光線が回折して、回折部分（６１）が所定の検出域（６２）において当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の光路差で干渉するように、一定間隔を空けて相互に離間している。装置は、さらに、コヒーレント光（５１）の入射光の非回折部分（６３）が検出域（６２）に伝播することがないように配置されたビームストップ（７）を含む。

Description

本発明は、結合サイトと対象分子との間の結合親和性の検出に用いる装置および結合親和性を検出する方法に関する。

光学バイオセンサは、結合親和性の検出を可能にする装置である。結合親和性は、分子間相互作用の強度（例えば、高い結合親和性は、結合サイトと対象分子との間の大きな分子間力から得られる）を意味する。このような光学バイオセンサを使用する典型的な分野は、対象となる特定の化学的、生物学的または医薬的物質に限定されることなく、（結合サイトとしての）受容体分子と所定の対象分子との間の結合親和性を検出することである。この検出は、対象分子が結合サイトと標識相補的バインダー分子とに結合しているサンドイッチ分析において行われる。標識から発する光が測定され、結合親和性が検出される。

代替的に、受容体分子に結合する対象分子の特性を、標識を用いない方法で検出することもできる。例えば、表面プラズモン共鳴分光法（ＳＰＲ）では、光学バイオンサは、吸収スペクトルにおける共鳴シフトを分光的に測定することで標識を用いない検出を可能とする。スペクトル信号は、対象分子が付着された受容体分子と結合している場合には特徴的に変化し、この変化が結合親和性を表わす。

従来技術のＳＰＲ装置は、透明基板の一端に金属層（例えば、金の薄膜層）を含む。当該基板の金属層が配置された側と反対側にはプリズムが配置されている。結合サイトとして作用する受容体分子は金属層上で固定される。そして、受容体分子に対象分子を接触させて、受容体分子と対象分子の間で結合親和性を検出する。

このような装置の使用時、入射光線がプリズムを介して透明基板を通り金属層へと導かれる。入射光線は電磁気的に表面プラズモンと結合する。表面プラズモンは、金属の外表面の上方で金属と媒質の界面で発生し、金属層に沿って伝播するコヒーレントな電子振動である。付着された受容体分子が接触させた対象分子に結合している場合、プラズモンが変化する。物理学の観点からは、受容体分子と対象分子の間に発生する結合事象に関連して特徴的に変化するのは、伝播型表面プラズモンの共鳴振動数である。入射光の反射部分は、受容体分子と対象分子の間の発生した結合事象を表わす信号を提供する角吸収スペクトルの変化を測定することで分光的に分析される。

上述したＳＰＲ装置に付随する欠点は、対象分子が非特異的に結合する可能性がある金属層が必要になることである。他の欠点は、プラズモンの伝播経路上に累積する屈折率の変化によって感度が制約を受けることである。

本発明の目的は、結合サイトと対象分子との間の結合親和性の検出に使用され、先行技術の装置に付随する欠点を解消または少なくとも大幅に減少させる装置を提供することである。

本発明によると、この目的は結合親和性の検出に用いる装置によって達成される。当該装置は、導波路がない基板を含み、当該基板は、対象分子と結合可能な複数の結合サイトがその表面に配置された平坦面を含む。結合サイトは、複数の隣接配置された曲線に沿って平坦面に配され、当該曲線は、動作時に、複数の隣接配置された曲線に対して所定の光線発光域で発生し、結合サイトに入射する所定波長のコヒーレント光の光線が、対象分子を結合させている結合サイトで回折して、コヒーレント光の入射光線の回折部分が、複数の隣接配置された曲線に対して所定の検出域において当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、結合サイトおよび対象分子の結合親和性を表わす信号を当該検出域で提供するように、一定間隔を空けて相互に離間する。当該装置は、さらに、コヒーレント光の入射光線の非回折部分が所定の検出域に伝播することを防ぐように配置されたビームストップを含む。

結合親和性を検出するため、結合サイトが複数の曲線に沿って配置され、対象分子を結合サイトに接触させる。一般的に、「結合サイト」は、対象分子が結合する可能性がある（すなわち結合親和性のある場合に対象分子が結合する）平坦面上の位置である。本発明による結合親和性の検出は、対象分子の特定の種類、結合サイトの任意の種類に限定されるものではなく、むしろ対象分子は平坦面上の任意の好適な種類の結合サイトについて分析することができるので、分子、タンパク質、ＤＮＡなどの結合特性に限定される。入射光線の回折「部分」という用語は、回折するのがコヒーレント光の全入射光線ではなく、入射光線の一部（実際には入射光線の主要部分）は入射光線の方向に伝播し続けることを意味する。所定波長のコヒーレント光の入射光線は所定の光線発光域で発生するが、レーザ光源によって発生させてもよい。入射光線が伝播して曲線に衝突することで、入射光線の一部が回折して、所定の検出域に向かって伝播する。コヒーレント光の入射光線の回折部分は所定の検出域（例えば、光学ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器の検知面）で干渉して、所定の検出域で最大の信号を提供する。所定の検出域での信号は、例えば、（対象分子が結合していない）結合サイトのみで回折した光の信号である参照信号或いは別の（公知の）参照信号と比較される。代替的に、結合親和性を表わす信号を測定して、それを過去に測定した結合親和性を表わす信号と比較する経時変化の測定を行うこともできる。コヒーレント光の入射光線の非回折部分が所定の検出域に伝播することは、当該非回折部分を完全に覆い隠すか或いは当該非回折部分の強度を大幅に減少させると防止される。所定の検出域での信号がコヒーレント光の非回折部分によって悪影響を受けず、信号の読取りができる程度の減少が必要である。技術的には、「非回折部分」という用語は、コヒーレント光の入射光線の回折部分とは異なるすべての部分を含むものと解釈することができる。特に、非回折部分は、（基板の内側或いは外側の面で反射した）反射部分、（基板と周辺媒体の間の界面で屈折した）屈折部分、または所定の検出域に直接伝播する入射光線の部分（一部）を含んでいてもよい。

回折した光は、非回折光（例えば、基板で反射または屈折する光）の強度と比較してその強度が低いので、入射光線の非回折部分の所定の検出域への伝播をビームストップによって防ぐことが必要になる。好ましくは、これらの線に沿って配置された結合サイトに結合した対象分子から生じる被検出強度信号は、非特異的に結合した（無作為に配置され、配置された曲線に沿っていない）対象分子から生じる信号−この被検出強度信号は非特異的に結合した対象分子の量に比例して必ず直線的に増加する−と比較して、結合した対象分子の量の２乗に比例して増加する。これにより、原則として、平坦面上の結合サイトへの対象分子の特異的な結合から生じる信号を検出する前に、非特異的に結合した対象分子を平坦面から洗い流すことを不要とする（或いは少なくともその必要性を減少させる）ことができる。

同一線上の異なる位置および異なる線上の異なる位置からの回折部分は、異なる部分に対して所定の検出域での光路長の差が所定波長の整数倍であるという条件が満たされる限り、所定の検出位置において信号が最大になることに貢献する。これは、回折部分が焦点位置（所定の検出位置）で干渉するような回折方法で回折部分を所定の検出域に合焦する回折レンズを形成する位相格子として配置された線、すなわち、互いに段階的に間隔を変えるように配置されている曲線によって達成することができる。信号の強度は所定の検出域で増加し、とりわけコヒーレント光の入射光線の一部が結合サイトに結合する対象分子によって回折する線の数（回折中心（分子）の密度（単位表面積あたりの数）が曲線に沿って一定であると仮定する）が多くなるにつれて増加する。隣接する線間の距離は変化し、特定の実施例では２６０ｎｍ〜６８０ｎｍの範囲に及ぶ。本発明の意義の範囲内における線は、結合サイトが配置される平坦面での位置を画定する理想線である。回折中心（分子）の理想線からの配置ずれ（特に、不規則なずれ）、すなわち理想線からの回折中心の距離の変動が生じても、このようなずれの大部分が隣接する線間の距離の１／４よりも小さい限り、所定の検出域で信号が劣化することがない。光路長は、コヒーレント光の所定波長と当該コヒーレント光が伝播する材料の屈折率（例えば、空気、試料液（ｎ_水溶液≒１．３３）、液浸（ｎ_液浸≒ｎ_基板）または基板（ｎ_ガラス＝１．５２１））との積である。最良の場合には、回折部分が、アッベの式（Abbe’s formula）Ｄ＝λ／２ＮＡで与えられる直径を有する（式中のＤは曲線で覆われた（円形）領域の直径を、ＮＡは技術的に顕微鏡の口径と同様に定義される開口数を表わす）エアリーディスク（すなわち、円形開口を有する「理想」レンズが作り出す光の回折によって境界が画定される光の集光スポット）の空間的強度分布を有する所定の検出域で干渉する。

好適には、基板は、コヒーレント光の入射光線が基板を通して伝播することと、コヒーレント光の回折部分が基板を通して伝播することを可能とするように、所定波長のコヒーレント光に対して透明な材料を含む。これにより、入射光線が基板を通って曲線へと誘導され、さらにそこから回折して、再度基板を通って所定の検出域へと誘導される装置の有益な使用が可能となる。特定の実施例では、基板の全体が透明な材料で形成される。

有益には、ビームストップは、コヒーレント光の入射光線の非回折部分（例えば、反射部分）が所定の検出域に伝播することを防止するように、基板上にまたは基板内に配置された不透明部分を含む。不透明部分は、基板の一部を光吸収材料から構成してもよく、別の要素を基板内または基板上に配置してもよい。

一態様によると、ビームストップは基板の平坦面に配置された反射防止部分を含む。これにより、コヒーレント光の入射光線の非回折部分（例えば、反射部分）が検出域に伝播することおよび検出域に衝突することを防止することが可能となる。一つの特定の実施例では、反射防止層は、光の非回折部分（反射部分）が所定の検出域へと伝播することを減少または防止することができるような厚みと材料で構成される平坦面上の光学被膜である。

本発明の他の実施形態によると、ビームストップは基板上にまたは基板内に配された偏向器本体を含む。偏向器本体は、動作時に、当該偏向器本体に入射するコヒーレント光を、コヒーレント光の入射光線の非回折部分（例えば、反射部分）が所定の検出域に伝播することを防ぐように散乱させることが可能な湾曲した外面を有する。換言すると、コヒーレント光の入射光線の非回折部分が放散される。この点について放散とは、コヒーレント光の入射光線の回折部分を検出して結合親和性を表わす信号を発生することができる程度に、検出域に衝突するコヒーレント光の非回折部分（例えば、反射部分）の強度を減少させることを意味する。偏向器本体は金属球として実施してもよく、基板内で平坦面に隣接させて配置することができる。金属球は、一方向のみに伝播する非回折部分（反射部分）の非偏向光の強度と比較して強度が低下した偏向光が様々な方向に伝播するように放散させることで、コヒーレント光の入射光線を広角に偏向することができる湾曲した金属外面を有していてもよい。

一態様によると、所定の光線発光域および所定の検出域は、基板の平坦面の反対側の外面に接触させて（または近接させて）配置される。基板の平坦面の反対側の外面に接触させて（または近接させて）配置される所定の光線発光域および所定の検出域は、基板の平坦面と平行な共通面内に配置される。所定の光線発光域は、コヒーレント光の入射光線として伝播するレーザ光線を発生させるレーザ光源を取り付けることによって、基板の平坦面の反対側の外面に配置することができる。また、基板の平坦面の反対側の外面にＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器を取り付けることで、基板の平坦面の反対側の外面に所定の検出域を配置することもできる。

別の態様によると、装置は所定の光線発光域および所定の検出域をその表面に配置したキャリアを含む。キャリアは、所定の光線発光域および所定の検出域が基板の平坦面と平行な共通面内に配置されるように、基板に対して配置される。複数の曲線の大きさと幾何学的形状に応じて、光線発光域と検出域をキャリア上に配置することが有益である。これにより所定の検出域と基板上に配置された線との間の距離を変化させることができる。このことは装置の寸法に差（例えば、製造公差により生じる寸法差）がある場合には、特に有益である。

一態様によると、複数の曲線の各線は、所定の光線発光域からそれぞれ同一の曲線上に配置された結合サイトまでの入射コヒーレント光の全光路長と、それぞれ同一の曲線から所定の検出域までのコヒーレント光の回折部分の全光路長が一定となるように、基板の平坦面上に配置されている。基板の平坦面と平行な面内に離れて配置された所定の光線発光域と所定の検出域に対して距離を一定に保つことにより、楕円形状を有する曲線が得られる。特定の実施例では、曲線は、次式により基板の平坦面におけるｘｙ平面内で幾何学的に定義される。

ここでｊ_０およびｊはそれぞれ整数、λはコヒーレント光の所定の真空波長、ｎ_ｓは基板の屈折率、ξは光線発光域と検出域の間の距離の半分、ｆは曲線の中心と検出域の間の距離に対応する数である。

一態様によると、複数の曲線のうちの隣接する曲線は、所定の光線発光域から当該複数の曲線の異なる曲線上に配置された結合サイトまでの入射コヒーレント光の全光路長と、これらの異なる曲線上に配置された結合サイトから所定の検出域までの当該コヒーレント光の回折部分の全光路長とが当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の差を有するように、一定間隔を空けて相互に離間して配置されている。これにより、所定の光線発光域で発生して所定の検出域へと回折する光が検出域で強めあうように干渉し、最大信号を提供する。

一態様によると、所定の検出域は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器の検出面であり、当該検出器は検出面上に格子状に配置された複数の画素を有している。各画素は、所定の検出域でコヒーレント光の干渉する回折部分の全空間分布光度の半分未満を１つの単一画素で検出できるような大きさを有している。検出面は、コヒーレント光の入射光線の干渉する回折部分の強度を検出することができる２次元画素格子を含んでいる。特定の実施例では、画素サイズは、バックグラウンド信号がなく単一画素で焦点を検出することができるように１μｍ²（平方マイクロメートル）よりも小さい。

一態様によると、装置はさらに、所定の光線発光域に配置され、コヒーレント光の拡散する入射光線を発生させることが可能な点光源をさらに含んでいる。点光源は、発散する球面波を発生させるために小孔を通って伝播するレーザ光として実施してもよい。

他の態様によると、別の外層が基板の平坦面に設けられる。当該外層は外側緻密層または外側多孔質層とすることができる。外側多孔質層は、対象分子のみ（または優先的に対象分子）が外側多孔質層を貫通できるような多孔率を有する材料を含むものとしてもよい。外側緻密層または外側多孔質層は、平坦面上に直接配置するか或いは流体（例えば、対象分子を運ぶことができる流体または対象分子と結合することができ、散乱エンハンサーを担持することができる相補的バインダー分子を運ぶことが可能な流体）が流れる溝を形成するように平坦面から僅かな距離離して配置することができる。

本発明の他の態様によると、結合親和性を検出する方法が提供され、当該方法は、明細書中に記載、特に装置クレームのいずれかに記載の装置を準備するステップと、
複数の対象分子を結合サイトに接触させるステップと、
複数の隣接配置された曲線に対して所定の光線発光域で、対象分子を結合させている結合サイトに入射する所定波長のコヒーレント光の光線を発生させ、当該光線を、コヒーレント光の入射光線の回折部分が、複数の隣接配置された曲線に対して所定の検出域において当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、所定の検出域において、対象分子を結合させている結合サイトを表わす信号を提供するように、対象分子を結合させている結合サイトで回折させるステップと、
所定の検出域において、対象分子を結合させている結合サイトを表わす信号を測定するステップと、
対象分子を結合させている結合サイトを表わす信号と結合サイトのみを表わす既知の信号とを比較することで、結合サイトおよび対象分子の結合親和性を検出するステップと、
を含むことを特徴とする。

好適には、本発明による方法は、複数の対象分子を結合サイトに接触させるステップの前に、
コヒーレント光の入射光線の回折部分が、所定の検出域において当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、結合サイトを表わす信号を所定の検出域のみにおいて提供するような方法によってのみ、所定の光線発生域において、結合サイトで回折するコヒーレント光の入射光線を発生させるステップと、
当該所定の検出域において、参照信号を提供するために結合サイトのみであることを表わす信号を測定するステップと、
を含む。

好適には、当該方法はさらに、複数の相補的バインダー分子を基板の平坦面に接触させるステップを含み、相補的バインダー分子は結合サイトに結合した対象分子に結合することが可能であり、相補的バインダー分子が散乱エンハンサーを含んでいる。特定の実施例において、散乱エンハンサーは金（金ナノ粒子）を含み、数ナノメートル、特に１０ｎｍ〜１５０ｎｍの範囲の大きさを有する。散乱エンハンサーの大きさを変化させると、結合親和性の検出感度を変化させることができる。一例として、多重相補的バインダー分子は、複合強度（親和力）を示す多重結合相互作用が可能となるように単一の散乱エンハンサーと結合することができる。

本発明のさらなる有利な態様は、以下の、添付の図面を参照した本発明の実施形態の説明により明らかになる。

複数の楕円形の曲線とビームストップとしての偏向器本体を有する本発明の一実施形態による装置を上から見た平面図を示す。 図１の装置の側面図を示し、光の入射光線の光路長と、当該入射光線の回折し反射した部分の光路長を説明するものである。 キャリアを有する図１の装置の側面図であり、コヒーレント光の入射光線が分散性であることを示している。 平坦面の上方に配置された多孔質層を有する図３の装置を示す。 ビームストップとしての不透明部分を基板の平坦面とは反対側の外面に有する本発明による装置の別の実施形態であり、コヒーレント光の入射光線が平行であることを示している。 図１の装置の側面図であり、装置に対する光線発光域と検出域の配置の変形例を示す。 コヒーレント光の全反射を可能とするために光線発光域と検出域に対して配置された所定の表面領域で複数の線をその上面に配置した図１の装置の上面図を示す。 コヒーレント光の全反射を可能とするために光線発光域と検出域に対して配置された所定の表面領域で複数の線をその上面に配置した図１の装置の上面図を示す。 図７ａの装置の側面図を示す。 結合親和性を検出するために実行されるサンドイッチ分析のステップを示すものである。 結合親和性を検出するために実行されるサンドイッチ分析のステップを示すものである。 結合親和性を検出するために実行されるサンドイッチ分析のステップを示すものである。 結合親和性を検出するために実行されるサンドイッチ分析のステップを示すものである。 異なる散乱エンハンサーを用いた図９から図１２のサンドイッチ分析の変形例を示す。

図１は、本発明による装置１の実施形態を示す。構造的には、透明基板２の平坦面２１に複数の曲線４が１組配置されている。図１に示す円内の拡大図では、結合サイト３１と対象分子３２が図示されている。曲線の密度が高いために、５０本ごとに１本の曲線４のみをそれぞれ隣接する線と合わせて図示している。実際は、図１に示す曲線４の群どうしの間に存在するスペースも曲線で満たされている。図１の曲線４は楕円の形のパターンをとるように配置されている。楕円形のパターンは、光線発光域５２から特定の曲線４までのコヒーレント光５１と、当該特定の曲線４から検出域６２までの当該コヒーレント光の回折部分６１の光路長の積算光路長が各線ごとに一定となるものである。複数の曲線４は、光線発光域５２から異なる複数の曲線４までのコヒーレント光の積算光路長と、当該異なる曲線４のそれぞれから検出域６２までの当該コヒーレント光の回折部分６１の積算光路長が、当該コヒーレント光６３の所定波長の整数倍の差を有するように、隣どうしの間隔を置いて配置されている。この例では、隣接する曲線間の距離は、６３５ｎｍのコヒーレント光の波長に対して約３００ｎｍから６００ｎｍの範囲である。光線発光域５２と、検出域６２を形成するＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器６２１の検知面（図示せず）とは、装置１よりも所定距離だけ下方に位置する平坦面２１に平行な共通面内に配置されている。ビームストップが基板２の内部に配置されている。ビームストップは、平坦面２１で基板２の内部に配置された偏向器本体７２であり、コヒーレント光の伝播経路に沿って光線発光域５２と検出域６２との間に配置されている。

図１の装置の結合親和性の検出への使用と曲線４の配置について、図２を参照して説明する。

使用に際して、コヒーレント光５１の入射光線を光線発光域５２（例えば、コヒーレント光の拡散入射光線を発する点光源５２１（スポット光源）としてのレーザ）で発生させる。光線発光域５２から発する光は曲線４に当たる（この図では、各線は別々の線として示されていない）。入射光線５１は、複数の曲線４のうち２つの異なる曲線４に向かって伝播するように示されている。対象分子３２に結合された結合サイト３１で回折した後、コヒーレント光の回折部分６１は検出域６２に当たる。光の検出域６２の異なる線で回折した光の衝突部分６１は、光路長（光線発光域−各線−検出域）に差があり、この差はコヒーレント光の波長の整数倍であり、検出域６２で信号が最大強度となることに寄与する。

曲線４は、光線発光域５２から異なる曲線４（個別には示していない）までのコヒーレント光５１と、各異なる曲線４から検出域６２までの回折部分６１の積算（合計）光路長が、コヒーレント光の所定波長の整数倍である。したがって、異なる線４に対して、それぞれの積算光路長がコヒーレント光の波長の整数倍の差を有している。

コヒーレント光５１の入射光線の（非回折部分を表す）反射部分６３が検出域６２に伝播することを防ぐため、基板２内には、当該基板の平坦面２１に近接する偏向器本体７２としての半球（または多角形）が配置されている。偏向器本体７２は、入射したコヒーレント光を異なる方向に散乱させることができるように凸面形状の外面７２１を有している。これにより、偏向器本体７２により検出域の方向に反射される光の強度が減少される。したがって、偏向器本体７２により、反射光６３が検出域６２に衝突しないこと或いは検出域に衝突する反射光の強度が少なくとも大幅に減少されることが確実になる。偏向器本体７２は、平坦面２１における入射光線５１の検出域６２へ向かう反射をなくす（または減少させる）位置に配置される。

図３では、コヒーレント光５１の拡散する入射光線が、キャリア２２上に配置された光線発光域５２で発生する。キャリア２２は、例えば、レーザ光源がその上に配置された別の平坦な基板でもよい。レーザ光源から発光されたコヒーレント光は、キャリア２２上に配置された検出域６２に回折部分６１が衝突するように回折する。光線発光域５２および検出域６２は、基板２の平坦面２１と平行な共通面内に配置されるように共にキャリア２２上に配置される。

図３に示す装置と同様の原理であるが、多孔質層８がその上に配置された別の変形例を図４に示す。多孔質層８は溝８１を形成するために平坦面２１と距離を置いて配置され、当該溝８１を通して結合サイト、対象分子または相補的バインダー分子（図示せず）を液体中で運び、これらを平坦面２１に接触させることができる。

図５では、ビームストップを形成する不透明部７１を有する装置１の別の実施形態を示す。不透明部７１は、基板２の平坦面２１と反対側にある外面２３に配置されている。コヒーレント光５１の平行な入射光線は、回折したコヒーレント光６１が検出域６２に衝突するように曲線（図示せず）で回折する。コヒーレント光５１の平行な入射光線の、検出域６２に衝突する反射部分（非回折部分）を形成することになるであろう部分は、不透明部７１によって覆い隠される。

図６は、基本的には図２を参照してすでに説明した装置と同様の装置の側面図である。しかしながら、図２の装置とは異なり、光線発光域５２と検出域６２が装置１の反対側に配置されている（光線発光域５２が装置１の上方に、検出域６２が装置１の下方に配置されている）。この例では、ビームストップは、コヒーレント光の入射光線の非回折部分６３（反射部分）が検出域６２に伝播することを防ぐように平坦面２１に配置された偏向器本体７２である。図示した例では、反射部分６３は、基板と当該基板を囲む媒質との界面を通過するときに、検出域に伝播するように伝播方向が変化する光の入射光線の一部である。

図７ａおよび図７ｂは共に別の態様に関するものであり、コヒーレント光の入射光線が、全反射、特に「全内部反射」の角度で複数の曲線４に衝突するように、光線発光域が平坦面２１上の複数の曲線４に対して配置されている。したがって、コヒーレント光の全反射した入射光線の光が、基板と平坦面２１より上の媒質との間の界面を通って、基板の外側に伝播することはない。実際には、複数の曲線４で回折させるため、全反射した光は所定距離だけ外面を透過する。全反射させるため、全内部反射点におけるエバネッセント場の浸透深さによって所定距離が与えられる。

さらに、図７ａおよび図７ｂは別の態様に関するものであり、全内部反射の臨界角よりも大きな、平坦面２１の法線に対する角度で、コヒーレント光の光線の回折光線が曲線４から発する（すなわち、界面出射）するように、検出域６２が平坦面２１上に配置されている。全内部反射の臨界角は、基板および当該基板の上方の媒質の屈折率に依存する。したがって、平坦面２１より上からの光が、平坦面２１上の複数の曲線４を覆う領域を通って検出域に到達することはない。本発明のこの態様により、使用時に装置の検出感度を増加させることができる。

図７ａにその平坦面を示した装置の側面図である図８からわかるように、コヒーレント光の入射光線の全反射は、全反射が起こる角度（その面の法線に対する特定の臨界角、すなわち基板の屈折率および当該基板の上方の媒質の屈折率に依存する臨界角よりも大きな角度）で入射光が衝突するように、光線発光域を複数の隣接配置された曲線に対して配置することで達成される。基板２とキャリア２２の間には、所定の屈折率（例えば、基板および／またはキャリアの屈折率と同じ屈折率）を有する液浸８２が設けられる。図８に示すように、コヒーレント光の回折光線は、全（内部）反射の臨界角よりも大きな、平坦面２１の法線に対する角度で、複数の曲線４から発する。

図９〜１２は、本発明による装置の平坦面２１上で行われるサンドイッチ分析法の４つのステップを示す。このような「サンドイッチ」は、平坦面２１と結合している結合サイト３１と、結合サイト３１と結合している対象分子３２と、対象分子３２と結合している相補的バインダー分子３１１とを含む。第１のステップ（図９）では、結合サイト３１が複数の曲線４に沿って装置の平坦面２１上に配置されている。

図１０に示す相補的バインダー分子３１１は、特定の例においては、コヒーレント光の回折部分６１の強度を増加させることができる金ナノ粒子である散乱エンハンサー（scattering enhancer）３１２を有する。相補的バインダー分子３１１は、例えば、平坦面２１上にスプレーすること或いは多孔質層に付着させること（図４および図８参照）によって、結合サイトに近接して無作為に配置されている。無作為に配置された散乱エンハンサー３１２が検出域で干渉最大を提供することはなく、単に散乱された背景光を発生させるのみである。

対象分子３２が結合サイト３１に接触させる（図１１）ことで、そのような結合サイト３１において対象分子３２と散乱エンハンサー３１２を含む相補的バインダー分子３１１とが「サンドイッチ」を形成する。したがって、散乱エンハンサー３１２が複数の曲線４に沿って配置される（図１２）。複数の曲線４に沿って配置された散乱エンハンサー３１２によって回折した光により発生する信号は、残りの無作為に配置された散乱エンハンサー３１２により発生する信号と比較して強度が高い。

図１３は、図９〜１２に示すサンドイッチ分析法の変形例を示す。第１の態様によると、相補的バインダー分子に設けられる散乱エンハンサー３１２の大きさは、回折部分で高い強度が発生して使用時に装置の感度が増加するように大きくなっている（図９〜１２と比較して大きさが増加している）。第２の態様によると、散乱エンハンサー３１２は２つ以上（例えば、２つ、３つ等）の相補的バインダー分子に結合する。２つの相補的バインダー分子により、２つの異なる対象分子に同時に或いは（短時間内で）続けて結合することが可能となり、複合強度（親和性）を有する多重結合相互作用が可能となる。

Claims (15)

1. 結合親和性の検出に用いる装置（１）であって、導波路がない基板（２）を含み、当該基板（２）は、対象分子（３２）と結合可能な複数の結合サイト（３１）がその表面に配置された平坦面（２１）を含み、前記結合サイト（３１）は、複数の隣接配置された曲線（４）に沿って前記平坦面（２１）に配され、当該曲線は、動作時に、前記複数の隣接配置された曲線（４）に対して所定の光線発光域（５２）で発生し、対象分子（３２）を結合させている結合サイト（３１）に入射する所定波長のコヒーレント光（５１）の光線が前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）で回折して、コヒーレント光（５１）の入射光線の回折部分（６１）が、前記複数の隣接配置された曲線（４）に対して所定の検出域（６２）において当該コヒーレント光の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、前記結合サイト（３１）と前記対象分子（３２）との結合親和性を表わす信号を提供するように、一定間隔を空けて相互に離間し、前記装置は、さらに、コヒーレント光（５１）の入射光線の非回折部分（６３）が前記所定の検出域（６２）に伝播することがないように配置されたビームストップ（７）を含むことを特徴とする装置（１）。
2. 前記基板（２）は、コヒーレント光（５１）の前記入射光線の伝播と、前記基板（２）を通したコヒーレント光の前記回折部分（６１）の伝播が可能となるように、前記所定波長のコヒーレント光に対して透明な材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記ビームストップ（７）は、コヒーレント光（５１）の前記入射光線の前記非回折部分（６３）が前記所定の検出域（６２）に伝播することを防止するように、前記基板（２）上にまたは前記基板（２）内に配された不透明部分（７１）を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
4. 前記ビームストップ（７）は、前記基板（２）の前記平坦面（２１）に配置された反射防止部分を含むことを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
5. 前記ビームストップ（７）は、前記基板（２）上にまたは前記基板（２）内に配された偏向器本体（７２）を含み、当該偏向器本体（７２）は、動作時に、当該偏向器本体（７２）に入射するコヒーレント光を、コヒーレント光の前記入射光線の前記非回折部分（６３）が前記所定の検出域（６２）に伝播することを防ぐように散乱させることが可能な湾曲した外面（７２１）を有することを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
6. 前記所定の光線発光域（５２）および前記所定の検出域（６２）は、前記基板（２）の前記平坦面（２１）の反対側の外面（２３）に配置され、前記所定の光線発光域（５２）および前記所定の検出域（６２）は、前記基板（２）の前記平坦面（２１）と平行な共通面内で、前記基板（２）の前記平坦面（２１）の反対側の前記外面（２３）に配置されていることを特徴とする先行する請求項のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
7. 前記所定の光線発光域（５２）および前記所定の検出域（６２）を表面に配置したキャリア（２２）をさらに含み、当該キャリア（２２）は、前記所定の光線発光域（５２）および前記所定の検出域（６２）が前記基板（２）の前記平坦面（２１）と平行な共通面内に配置されるように、前記基板（２）に対して配置されることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の装置（１）。
8. 前記複数の曲線（４）の各線は、前記所定の光線発光域（５２）からそれぞれ同一の曲線（４）上に配置された前記結合サイト（３１）までの前記入射コヒーレント光（５１）と、それぞれ同一の曲線（４）から前記所定の検出域（６２）までの前記コヒーレント光の前記回折部分（６１）の全光路長が一定となるように、前記基板（２）の前記平坦面（２１）上に配置されていることを特徴とする請求項６または請求項７のいずれか一項に記載の装置（１）。
9. 前記複数の曲線（４）の隣接する曲線（４）は、前記所定の光線発光域（５２）から異なる曲線（４）上に配置された前記結合サイト（３１）までの前記入射コヒーレント光（５１）と、これらの異なる曲線（４）上に配置された前記結合サイト（３１）から前記所定の検出域（６２）までの当該コヒーレント光（５１）の前記回折部分（６１）の全光路長が前記コヒーレント光の前記所定波長の整数倍となる差を有するように、一定間隔を空けて相互に離間して配置されていることを特徴とする請求項８に記載の装置（１）。
10. 前記所定の検出域（６２）は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳ検出器（６２１）の検出面（６２２）であり、当該検出器（６２１）は前記検出面（６２２）上に格子状に配置された複数の画素を有し、各画素は、前記所定の検出域（６２）で前記コヒーレント光の前記干渉する回折部分（６１）の全空間分布光度の半分未満を単一画素で検出できるような大きさを有することを特徴とする先行する請求項のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
11. 前記光線発光域（５２）に配置され、コヒーレント光（５１）の拡散する入射光線を発生させることが可能な点光源（５２１）をさらに含むことを特徴とする先行する請求項のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
12. 前記基板（２）の前記平坦面（２１）に設けられた別の外層（８）をさらに含むことを特徴とする先行する請求項のうちいずれか一項に記載の装置（１）。
13. 結合親和性を検出する方法であって、
    先行する請求項のうちいずれか一項に記載の装置（１）を準備するステップと、
    複数の対象分子（３２）を前記結合サイト（３１）に接触させるステップと、
    前記複数の隣接配置された曲線（４）に対して所定の光線発光域（５２）で、前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）に入射する所定波長のコヒーレント光（５１）の光線を発生させ、当該光線を、コヒーレント光（５１）の前記入射光線の回折部分（６１）が、前記複数の隣接配置された曲線（４）に対して所定の検出域（６２）において当該コヒーレント光（５１）の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、前記所定の検出域（６２）において、前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）を表わす信号を提供するように、前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）で回折させるステップと、
    前記所定の検出域（６２）において、前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）を表わす前記信号を測定するステップと、
    前記対象分子（３２）を結合させている前記結合サイト（３１）を表わす前記信号と前記結合サイト（３１）のみを表わす参照信号とを比較することで、前記結合サイト（３１）および前記対象分子（３２）の結合親和性を検出するステップと、
    を含むことを特徴とする方法。
14. 前記方法が、前記複数の対象分子（３２）を前記結合サイト（３１）に接触させるステップの前に、
    コヒーレント光（５１）の前記入射光線の回折部分（６１）が、前記所定の検出域（６２）において当該コヒーレント光（５１）の所定波長の整数倍の光路差で干渉して、前記結合サイト（３１）を表わす信号を前記所定の検出域（６２）のみにおいて提供するような方法によってのみ、前記所定の光線発生域（５２）において、前記結合サイト（３１）で回折するコヒーレント光（５１）の前記入射光線を発生させるステップと、
    前記所定の検出域（６２）において、前記参照信号を提供するために前記結合サイト（３１）のみであることを表わす前記信号を測定するステップと、
    を含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
15. 前記結合サイト（３１）に結合した前記対象分子（３２）に結合することが可能であるとともに、散乱エンハンサー（３１２）を含む複数の相補的バインダー分子（３１１）を前記基板の前記平坦面（２１）に接触させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項１３または請求項１４のいずれか一項に記載の方法。