JP2021534406A - 使い捨ての診断メンブレンと永続的なフォトニック検知デバイスとを含む光学バイオセンサー - Google Patents

Abstract

本発明は、フォトニック検知デバイス（２０）と、多孔材料シート（６０）と、光学的に透明なカバー層（７０）とを有する、バイオセンサー（１０）に関する。光学的に透明なカバー層（７０）は、取り外し可能かつ交換可能であり得、それにより、多孔材料シート（６０）を交換することができ、かつフォトニック検知デバイス（２０）を再使用することができる。バイオセンサー（１０）を含む検出デバイス（８１０、９１０）、ならびにバイオセンサー（１０）を製造及び使用する方法も開示されている。【選択図】図１

Description

本出願は、米国特許仮出願第６２／７１９，４９９号（２０１８年８月１７に出願）の優先権利益を主張する。この文献は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

使用分野
本開示は、バイオセンサー、バイオセンサーを含む検出デバイス、生体分子を検出する方法、及びバイオセンサーを製造する方法に関する。

背景
汎用性及び低コストの点から、紙ベースの診断の用途に対する関心は高い。しかし、定量的な診断テストを紙形式で実施することは非常に困難であり、分析感度も懸念事項である。対照的に、シリコンフォトニックデバイスについて、注目すべき感度を有する一方で多重（多検体）検出能力を可能にするということが実証されている。シリコンフォトニクスはコストが重大な懸念事項である。

一例として、Ｂｅａｒｍａｎらに対する米国特許第７，０１９，８４７号（特許文献１）（「Ｂｅａｒｍａｎ」）には、リング干渉計と、検知容積であるリング干渉計の１つの容積断面と、リング干渉計に光を供給するためのレーザと、干渉計から光を受け取るための光検出器とを含むバイオセンサーが記載されている。リング干渉計を構成するリング共振器の上に、捕捉分子を含むゾルゲルを堆積させる。しかし、Ｂｅａｒｍａｎには、バイオセンサーが再使用できることも、ゾルゲルを取り除いて新しいゾルゲルを堆積し得ることも示されていない。したがって、ゾルゲルを消費したら、または再生できない場合には、バイオセンサー全体が使用できなくなる。

Ｂｅａｒｍａｎは、最新の一体型フォトニックセンサ技術における実質的な欠陥を例証している。ここでは、捕捉分子を保持する非常に低コストで使い捨てのメンブレンを、永続的または半永続的なフォトニックセンサと組にするための高信頼システムが欠如している。

本発明は、当該技術分野におけるこれら及び他の欠陥に対処することに関する。

米国特許第７，０１９，８４７号

第１の態様は、基材と、基材上または基材内に形成された、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体とを含む、フォトニック検知デバイスと、光信号を生成するのに適した３次元構造体を覆う多孔材料シートであって、１つ以上の捕捉分子を含む多孔材料シートと、フォトニック検知デバイスに接続された光学的に透明なカバー層であって、多孔材料シートはカバー層と３次元構造体を含むフォトニック検知デバイスの一部との間にある、カバー層と、を含むバイオセンサーに関する。

第２の態様は、本明細書で説明するバイオセンサーと、フォトニック検知デバイスを照明する光源と、フォトニック検知デバイスによって放出される光を測定するように位置する光検出デバイスと、を含む検出デバイスに関する。

第３の態様は生体分子を検出する方法に関する。この方法には、本明細書で開示するバイオセンサーを用意することと、液体試料を導入して多孔材料シートと接触させることと、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化を測定することであって、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化が、１つ以上の捕捉分子による生体分子の結合を示す、測定することと、が含まれる。

第４の態様はバイオセンサーを作る方法に関する。この方法には、基材と、基材上または基材内に形成された、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体とを含む、フォトニック検知デバイスを、用意することと、基材上に多孔材料シートを取り付けることであって、シートは、光信号を生成するための３次元構造体を含むフォトニック検知デバイスの一部を覆い、多孔材料シートは１つ以上の捕捉分子を含む、取り付けることと、多孔材料シート上に光学的に透明なカバー層を取り付けることであって、多孔材料シートはカバー層とフォトニック検知デバイスの一部との間に存在する、取り付けることと、が含まれる。

本出願では、紙診断及びシリコンフォトニックの両方の最良の態様を組込んだ診断アッセイ形式を、試薬（たとえば、特定の生物学的捕捉分子）に対するキャリアとして薄い多孔材料シート（たとえば、紙）を用いる一方で、検出システムにおける生物学的センサとしてフォトニックチップを用いることによって、実証している。

説明する生物学的センサの潜在的な利点としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。（ｉ）単一デバイス上で数十のアッセイを同時に行い得るアレイ設計に対する適合性、（ｉｉ）異なる種類の範囲の検体の検出、（ｉｉｉ）小さい試料体積のみが要求されること、（ｉｖ）好ましくは１回の試料添加ステップのみが必要である動作の単純さ、（ｖ）単純な読み取り値の送出、（ｖｉ）より高価なフォトニック検知デバイスが再使用できること、（ｖｉｉ）多孔材料（１つ以上の捕捉分子が事前に充填された）の種々のシートのいずれかとともにフォトニック検知デバイスを用いて、単一デバイスを用いた無限の数の標的分子の検出が可能になること、及び（ｖｉｉｉ）選択した多孔材料シートに応じて、紙内に流体経路を製造するための当該技術分野で知られた方法（たとえば、ワックス転写印刷によって）によって、多孔材料シート上に再構成可能なマイクロフルイディクスを設けられること。

この概要は、本発明の特質が迅速に理解され得るように示している。この概要で述べたもの以外のさらなるステップ及び／または異なるステップを用いてもよい。以下の説明とともに添付図面を参照することにより、開示した方法及び製造物をより完全に理解することができ得る。

Ａは、リング共振器を伴うフォトニックチップと、多孔性シートと、光学的に透明なカバー層とを含むバイオセンサー１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサーの斜視図である。 Ａは、リング共振器を伴うフォトニックチップと、多孔性シートと、光学的に透明なカバー層と、クランピングメカニズムとを含むバイオセンサー１１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサー１１０の斜視図である。 Ａは、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計を伴うフォトニックチップと、多孔性シートと、光学的に透明なカバー層とを含むバイオセンサー２１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサー２１０の斜視図である。 Ａは、フォトニック結晶アレイを伴うフォトニックチップと、多孔性シートと、光学的に透明なカバー層とを含むバイオセンサー３１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサー３１０の斜視図である。 Ａは、多孔性シートを伴うフォトニックチップと、回折格子を含む光学的に透明なカバー層とを含むバイオセンサー４１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサー４１０の斜視図である。 Ａは、アルキメデスのウィスパリングギャラリーの螺旋状導波路を伴うフォトニックチップと、多孔性シートと、光学的に透明なカバー層とを含むバイオセンサー５１０の分解組立図である。Ｂは、組み立てたバイオセンサー５１０の斜視図である。 Ａは、フォトニック要素を伴うチップと、多孔材料シートと、カバーと、クランピングメカニズムとを含むバイオセンサー７１０の側面図である。Ｂは、バイオセンサーと、光源と、光検出デバイスとを含む検出器８１０の側面図である。Ｃは、光源からの光をセンサチップ上の入口内に結合するとともに、センサチップからの出力光を光検出デバイスに結合するファイバー光ケーブルを有するバイオセンサーを含む検出器９１０の側面図である。 フォトニックチップと多孔材料シートとを含むバイオセンサー１０１０の概略図である。左のパネルはバイオセンサーの分解組立図である。右のパネルは組み立てたバイオセンサー１０１０の斜視図である。 Ａ、Ｂは、ナノピュア水（左の塊）またはショ糖溶液（右の塊）で飽和したメンブレンに対して収集したスペクトルを示す図である。Ａは、ナノピュア水スペクトルは１５５０．７５ｎｍにおいて塊になった共振波長を示し、５％ショ糖は１５５１．３０ｎｍにおいて示し、平均の共振波長シフトは０．５５９ｎｍ（σ＝０．０１３ｎｍ）である図である。Ｂは、ナノピュア水スペクトルは１５４８．８５ｎｍにおいて塊になった共振波長を示し、５％ショ糖は１５４９．４５ｎｍにおいて示し、平均の共振波長シフトは０．６６２ｎｍ（σ＝０．０１３ｎｍ）である図である。 ナノピュア水に浸漬させたニトロセルロースメンブレン（青色）と、ナノピュア水に浸漬させた１％ＢＳＡブロックを伴う５００μｇ／ｍｌのα−ＣＲＰ抗体を伴ったニトロセルロースメンブレン（緑色）とのスペクトルを示す図である。結果として得られる共振波長シフトは０．０６ｎｍである。 ニトロセルロースの細片を用いてリング共振器にタンパク質溶液を送出したときの共振周波数の濃度依存変化を示す図である。５μｌのＢＳＡ添加ＰＢＳをニトロセルロース細片に付与した。グラフ（左のパネル）及びスペクトル（右のパネル）はそれぞれ、ＢＳＡ相対的共振シフト、及びＢＳＡ添加ＰＢＳ溶液の対応する共振波長を示す。 マルチリング共振器デバイス内の個々のリング共振器によって検出された空気に対する共振波長シフトを示すグラフである。各リングに対して、２つの別個の測定値（ＦＳＲ、自由スペクトル領域）を表す２つのデータ点を示す。

詳細な説明
別に定義がない限り、本明細書で用いるすべての技術及び科学用語は、本開示が属する当業者によって広く理解されているものと同じ意味を有する。本明細書で参照するすべての特許、特許出願（公開または未公開）、及び他の刊行物は、その全体において参照により組み込まれている。このセクションで述べる定義が、参照により本明細書に組み込まれている特許、出願、公開された出願、及び他の刊行物で述べる定義と反対であるかまたは他の点で一致しない場合、参照により本明細書に組み込まれている定義よりもこのセクションで述べる定義が優先する。

本明細書で「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」「含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」または「有する」及びそれらの変化を用いた場合、その後に列記される物品及びその均等物ならびに付加的な物品を包含することが意図されている。すべての例または典型的な言葉遣い（たとえば、「など」）を用いることは、実施形態をより良好に明らかにすることを意図しており、特に明記しない限り、特許請求の範囲に限定を課すものではない。

本明細書及び添付の特許請求の範囲で用いる場合、単数形「１つの（ａ）」「１つの（ａｎ）」及び「その（ｔｈｅ）」には、文脈上明らかに別の意味が示される場合を除き、複数の指示対象が含まれる。同様に、複数形を用いた場合は、文脈上許される限り、単数形にも及ぶものと解釈される。たとえば、「１つの（ａ）」または「１つの（ａｎ）」は「少なくとも１つ」または「１つ以上」を意味する。したがって、「検体」または「生体分子」に言及した場合、１つ以上の検体または生体分子を指し、「方法」に言及した場合、本明細書で開示した及び／または当業者に知られた等価なステップ及び方法に言及することが含まれる。

本開示の全体にわたって、特許請求の範囲に記載された対象の種々の態様が範囲形式で示されている。当然のことながら、範囲形式における説明は単に便宜及び簡略のためであり、特許請求の範囲に記載された対象の範囲に対する柔軟性のない限定と解釈してはならない。したがって、範囲の説明は、すべての可能な部分範囲ならびにその範囲内の個々の数値を具体的に開示していると考えるべきである。たとえば、ある値の範囲が示されている場合、当然のことながら、その範囲の上限値及び下限値の間の各介在値、ならびに任意の他の提示値またはその提示範囲における介在値が、特許請求の範囲に記載された対象内に包含されている。これらのより小さい範囲の上限値及び下限値は、そのより小さい範囲に独立に含めてもよく、やはり特許請求された主題に包含され、提示範囲での任意の具体的に除かれた限界を受ける。提示範囲に限界の一方または両方が含まれる場合、それらの含まれる限界の一方または両方を除く範囲も、特許請求された主題に含まれる。これは、範囲の広さとは関係なく適用される。

本明細書で寸法、量または濃度、及び変化の係数に関して用語「約」を用いる場合はいつも、このような計量値は概算であり、したがって本明細書で特定した数から±１０％、たとえば±５％、好ましくは±２％（たとえば±１％）だけ変化し得ると理解されたい。

本明細書で用いる場合、用語「検体」または「標的分子」は、望ましくは吸着（保持）及び検出される試料の構成要素を指す。この用語は、試料中の単一構成要素または構成要素の組を指すことができる。検体または標的分子は生体分子であってもよく、ほとんどの場合に生体分子である。

一態様は、基材と、基材上または基材内に形成された、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体とを含むフォトニック検知デバイスを含む、バイオセンサーに関する。バイオセンサーはまた、光信号を生成するのに適した３次元構造体を覆う多孔材料シートであって、１つ以上の捕捉分子を含む多孔材料シートと、フォトニック検知デバイスに接続された光学的に透明なカバー層であって、多孔材料シートはカバー層と３次元構造体を含むフォトニック検知デバイスの一部との間にあるカバー層と、を含む。これらの構成部品のそれぞれについては後述する。

一実施形態では、フォトニック検知デバイスは、２Ｄフォトニック結晶アレイ、リング共振器、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計、トロイダルマイクロキャビティ、ブラッグ反射器、回折格子、プラズモニック導波路、アルキメデスのウィスパリングギャラリーの螺旋状導波路、またはナノプラズモニック孔である。

２Ｄフォトニック結晶アレイは、任意の好適な配置の孔が基材内に形成されていてもよい。２Ｄフォトニック結晶アレイの一例が米国特許出願公開第２０１０／０２７９８８６号（Ｆａｕｃｈｅｔら）に記載されており、この文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。フォトニック結晶（または結晶アレイ）は魅力的な検知プラットフォームである。なぜならば、強力な光閉じ込めが起きるからである。これらの結晶は、低屈折率領域（たとえば、空気孔）内に電界を局在化するように設計することができる。その結果、標的となった生体分子を孔壁上で捕捉することによって生じる小さい屈折率変化に対してセンサが極めて高感度になる。

リング共振器は任意の好適な配置のリング特徴部及び作用導波路表面を有していてもよく、完全な、分割された、単一の、及び／または複数のリング共振器構成が含まれる。リング共振器検出器の一例がＰＣＴ公開ＷＯ２０１３／０５３４５９に記載されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。この種類のフォトニック検知デバイスは、リング内を伝搬する光波のエバネッセント場によってリングの表面がスキャンされるため、非常に高感度である。現在のところ、リング共振器を用いて、測定を、選択的に作用する吸収体表面を用いて行う。吸収体表面は、１つ以上の捕捉分子によって標識化され、したがってセンサの適切な特異性に対して重要な役割を果たす。標的となった生体分子を作用面に捕捉することによって、リングの共振状態が変化する。こうして、標的となった生体分子が捕捉されると、リング共振器の付近の環境の有効な屈折率が変化して、共振モードの波長がシフトする。結合された検出導波路内へのシフトが検出されることは、生体分子の存在を示すことができる。

フォトニック検知デバイスが複数のリング共振器を含むとき、複数の各リング共振器を単一のバス導波路上で直列に配置してもよい。一実施形態では、フォトニック検知デバイスは、バス導波路に光学的に結合された第１のリング共振器及び第２のリング共振器を含む。別の実施形態では、フォトニック検知デバイスは、バス導波路に光学的に結合された２つ以上のリング共振器を含む。さらに他の実施形態では、フォトニック検知デバイスは２つ以上のバス導波路を含み、各バス導波路には２つ以上のリング共振器が光学的に結合されている。

導波路は、全反射（「ＴＩＲ」）によって光波をガイドする構造体である。導波路内を移動する光ビームが、導波路と、隣接する媒体（屈折率が低い）との間のインターフェースで内部全反射されると、ＴＩＲ光の電磁界の一部が、隣接する媒体内に浅く侵入する。バイオセンサーの設計において導波路を用いることは、米国特許第５，８１４，５６５号（Ｒｅｉｃｈｅｒｔら）を含む多くの刊行物に記載がある。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。導波路を基材表面上に作製することができる。代替的に、導波路を基材の凹部領域内に形成して、導波路の両側に溝を形成することができる。

アルキメデスのウィスパリングギャラリーの螺旋状導波路の構成及び設計上の考察が、Ｃｈｅｎらの「Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ ｏｆ Ｗｈｉｓｐｅｒｉｎｇ−ｇａｌｌｅｒｙ Ｓｐｉｒａｌ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ」Ｏｐｔｉｃｓ Ｅｘｐｒｅｓｓ ２２（５）：５１９６，ＤＯＩ：１０．１３６４／ＯＥ.２２．００５１９６（２０１４）に記載されている。なおこの文献は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。典型的な設計には２つの交互配置されたアルキメデス形状の螺旋が含まれる。一方は外部から内部に光を運び、他方は外部に光を戻す。交互配置されたアルキメデスの螺旋を、中心にあるＳ字湾曲の接続導波路によって接続して、時計回り及び反時計回りの螺旋状導波路の間のモード場所の断熱変化を起こす。標的分子が結合すると共振応答の変化が生じて、導波路の外側の屈折率が変化し、その結果、共振応答が変化する。

他の導波路収容型のバイオセンサーを用いることもできる。たとえば、限定することなく、米国特許出願公開第２０１８０２０９９１０号に例示及び記載される種類のスラブ導波路、米国特許出願公開第２０１８０１０６７２４号に例示及び記載される種類の平面導波路、ならびに米国特許出願公開第２０１８００３１４７６号に例示及び記載される種類の交差導波路センサである。これらの開示は参照によりその全体において本明細書に組み込まれている。

超高Ｑ値シリカトロイダルマイクロキャビティは任意の所望する構成を有することができる。たとえば、リング、楕円体、または多角形構成である。１つのアプローチでは、ＳｉＯ_２ディスクキャビティをシリコンウェハ上に作製することが、たとえば、熱二酸化、フォトリソグラフィ、及びＳｉＯ_２エッチングによって可能である。二酸化物層はミクロンまたはサブミクロンレベルとすることができる。次に、シリコン犠牲層をアンダーカットしてＳｉ柱を形成する。等方性及び異方性エッチングを組み合わせて、シリコン柱を得ることができ、そしてＳｉＯ_２をレーザ露光する。レーザは、シリコン柱の形状をＳｉＯ_２に転写し、所望の構成の滑らかなトロイダルキャビティを形成するのに適したものを用いる。ＳｉＯ_２の代わりとして、他の酸化物ガラスを用いてトロイダルマイクロキャビティを形成することができる。トロイダルマイクロキャビティは、マイクロキャビティと作用導波路表面との間に任意の好適な配置を有することができ、たとえば、単一または複数マイクロキャビティ構成が挙げられる。トロイダルマイクロキャビティは、隣接する共振波長間の距離を延ばすのに有用である。マイクロキャビティセンサの１つの好適な構造体が、米国特許出願公開第２００９００９７０３１Ａ１号（Ａｒｍａｎｉら）に記載及び例示されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。バイオセンサーにおいてトロイダルマイクロキャビティを用いることに対する一例が、米国特許出願公開第２００９００９３３７５号に記載及び例示されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

ブラッグ反射器は、種々の屈折率の２つ以上の材料層を用いるセンサ素子であるため、１つ以上のはっきりと規定された発光ピークを有する反射率シフトが検出される。ブラッグ反射器を含むバイオセンサーが米国特許第７，２２６，７３３号（Ｃｈａｎら）に記載されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。上部及び下部ブラッグ反射器の周期性及び設計は任意の好適な構成とすることができる。マクロポーラスまたはメソポーラスブラッグ構造とともに用いるとき、ブラッグ構造の孔に捕捉分子の場所を制限することができる。ブラッグ構造の外面ではなく孔に制限することは、捕捉分子結合の前にヒドロゲル粒子によって外面をマスキングすることによって実現することができる。

回折格子上に化学的または生物学的種が存在することによって生じる回折効率の変化を利用することによって、回折格子は固定の波長及び検出角度で動作する。種々の好適な回折格子構造（チャネル深さ、幅、及び間隔）のいずれかを用いることができる。従来の回折ベースのバイオセンサーでは、回折格子の表面に化学的または生物学的種が選択的に吸着される結果、格子厚さの変化に比例して回折効率が増加する。回折格子は刻線回折格子であってもよい。刻線回折格子は一連の溝が基材の表面内に刻線されている。１つの典型的な回折格子ベースのセンサデバイスが米国特許第８，３４９，６１７号（Ｗｅｉｓｓら）に記載されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。別の典型的な回折格子センサデバイスが米国特許出願公開第２０１８００７３９８７号に記載及び例示されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

プラズモニック導波路が伴う励起は、光源を用いて特定の結合事象を決めることに付随する不利な点を示さない。これらの表面プラズモンポラリトンまたはプラズモニックモード励起（すなわち、金属‐誘電体界面における電磁励起）は、同じ周波数の光子の波長よりもはるかに小さい構造を用いてガイドしてもよい。本明細書で説明するバイオセンサーを形成するときに、種々の表面プラズモン共鳴（「ＳＰＲ」）バイオセンサー構造のいずれかを用いることができる。これらの構造は、検知面上の種々のトポグラフィ構造のいずれかを用いて得ることができる。１つの典型的なプラズモニック導波路が、米国特許第６，３７３，５７７号（Ｂｒａｕｅｒら）に記載されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。別の典型的なプラズモニック導波路が、米国特許出願公開第２０１７００９００７７号に例示及び記載されている。なおこの文献の開示内容は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

ナノプラズモニック孔には、共振波長において特有の光伝送特性を示す利点がある。本発明では、ナノプラズモニック孔を含む任意のセンサ構造体を用いることができる。ナノ孔は、金属膜（たとえば、金、銀、プラチナ）を含むサブミクロンメンブレン内に形成されている。ナノ孔の寸法は、標的分子を考慮して最大応答を助長するように設定することができる。しかし典型的には、ナノ孔は直径が２５０ｎｍ未満、好ましくは１５０ｎｍ未満のオーダーである。捕捉分子がナノ孔特徴部内で結合されると、ナノ孔構造内での標的分子の特定の結合が可能になる。構造のプラズモン共鳴の時間変化をモニタすることによって、特定の生体認識事象のフロースルー式ナノプラズモニック検知（すなわち、標的分子の検出）を低体積フロースルーデバイスにおいて迅速に実現することができる。典型的なナノプラズモニックバイオセンサーが以下の文献に開示されている。米国特許出願公開第２０１２０２１８５５０号（Ｏ’Ｍａｈｏｎｙ、及びＪｏｎｓｓｏｎら）、「Ｌｏｃａｌｌｙ Ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌｉｚｅｄ Ｓｈｏｒｔ−ｒａｎｇｅ Ｏｒｄｅｒｅｄ Ｎａｎｏｐｌａｓｍｏｎｉｃ Ｐｏｒｅｓ ｆｏｒ Ｂｉｏａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｓｅｎｓｉｎｇ」Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．８２（５）：２０８７−９４（２０１０）。なおこれらの文献の開示は、それらの全体において参照により本明細書に組み込まれている。

当業者であれば分かるように、本発明では種々の基材のいずれかを用いることができる。種々の材料のいずれかを用いて基材を形成することができる。典型的な材料としては、限定することなく、シリコンたとえば結晶シリコン、アモルファスシリコン、または単結晶シリコン、酸化物ガラスたとえば二酸化ケイ素、及びポリマーたとえばポリスチレンが挙げられる。

基材は、光を、３次元構造体内に、３次元構造体上に、または３次元構造体にわたって結合するための入口と、３次元構造体から、３次元構造体を通って、または３次元構造体を過ぎて進む光を結合するための出口とをもたらす１つ以上の一体型導波路を含んでいてもよい。３次元構造体あたり単一の導波路、または３次元構造体あたり２つ以上の導波路とすることができる。基材と一体になった導波路の構成は、当該技術分野において良く知られている。

多孔材料シートは、たとえば、水性媒体が材料に沿ってまたは材料を通って動くことができるような十分に多孔性の任意の好適な材料で形成してもよい。ある実施形態では、多孔性は、標的分子及び／または非共有結合的に繋がれた捕捉分子が材料を通ってまたは材料を横切って移動することを可能にするのに十分でもある。典型的な材料としては、限定することなく、以下が挙げられる。ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ポリエステル、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン（「ＰＴＦＥ」）、ポリフッ化ビニル、エチルビニルアセテート、ポリカーボネート、ポリカーボネート合金、ナイロン、ナイロン６、ナイロン６６、ガラス、ポリサッカライド、セラミックス、熱可塑性ポリウレタン、ポリエーテルスルフォン、ポリフッ化ビニリデン（「ＰＶＤＦ」）、またはそれらの誘導体。

好適なポリサッカライドとしては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。セルロースまたはセルロース誘導体、たとえば、酢酸セルロース、酢酸セルロースプロピオネート、ニトロセルロース、カルボキシメチルセルロース、またはカルボキシメチルセルロースのジメチルアミド。さらなる好適なセルロース誘導体が、米国特許出願公開第２０１２／０１２２６９１号に記載されている。なおこの文献はその全体において参照により本明細書に組み込まれている。

多孔材料シートは紙または薄いメンブレンの形態であってもよい。具体的には、メンブレンは、Ｓａｒｔｏｒｉｕｓ、Ｍｉｌｌｉｐｏｒｅ、Ｔｏｙｏ Ｒｏｓｈｉ、Ｗｈａｔｍａｎなどから市販されているガラス繊維濾紙、セルロース濾紙などであってもよい。一実施形態では、多孔材料シートは、ＰＶＤＦメンブレンまたはＰＴＦＥメンブレンである。合成メンブレンも考えられる。たとえば、Ｈａｎｓｓｏｎら、「Ｓｙｎｔｈｅｔｉｃ Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｐａｐｅｒ：Ｈｉｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｒｅａ ａｎｄ Ｈｉｇｈ Ｐｏｒｏｓｉｔｙ Ｐｏｌｙｍｅｒ Ｍｉｃｒｏｐｉｌｌａｒ Ａｒｒａｙｓ、」Ｌａｂ Ｃｈｉｐ １６（２）：２９８−３０４（２０１６）を参照のこと。なおこの文献は、その全体において参照により本明細書に組み込まれている。

多孔材料シートはマクロポーラス、メソポーラス、またはマイクロポーラスであってもよい。本明細書で用いる場合、用語「マクロポーラス」は、直径が５０ｎｍよりも大きい明確な孔を含む母材を指し、用語「メソポーラス」は、直径が２〜５０ｎｍの中間範囲の明確な孔を伴う母材を含む材料を指し、用語「マイクロポーラス」は、直径が２ｎｍ未満の明確な孔を伴う母材を指す。

多孔材料シートは、使用目的に応じて任意の好適な厚さとすることができるが、好ましくは約１８０ミクロンであり、より好ましくは約１００〜約１８０ミクロンである。一実施形態では、紙は少なくとも１００、１１０、１２０、１３０、１４０、１５０、１６０、または１７０ミクロン厚である。典型的に、厚さは、所望の多孔性に反比例して変化し（すなわち、多孔性の高い構造体の方が多孔性の低い構造体よりも厚い）、ならびに検出すべき光の波長にしたがって変化する（すなわち、短い波長の光とともに用いる構造体は、長い波長の光とともに用いる構造体よりも薄くすることができる）。

多孔材料シートには、少なくとも部分的に、フォトニック検知デバイスの基材上または基材内に形成された３次元構造体の真上に位置する種々のゾーンが含まれていてもよい。一例として、フォトニック検知デバイスの基材上または基材内に形成された３次元構造体に１つ以上のリング共振器が含まれるとき、多孔材料シートには、少なくとも部分的に、１つ以上のリング共振器のそれぞれの真上に位置する１つ以上のゾーンが含まれる。

一実施形態では、多孔材料シートには、１つ以上の捕捉分子を含む第１のゾーンと対照捕捉分子を含む第２のゾーンとが含まれる。別の実施形態では、多孔材料シートには、（ｉ）複数のテストゾーン（各テストゾーンには１つ以上の捕捉分子が含まれる）と、（ｉｉ）１つ以上の参照ゾーン（各参照ゾーンには対照捕捉分子が含まれる）とが含まれる。このように、多孔材料シートは、捕捉分子が配置されるサイト（または「スポット」）のアレイをもたらすことができる。各スポットには、検出にとって最適化された任意の好適な濃度の１つ以上の捕捉分子が含まれていてもよいが、典型的にはナノモル、マイクロモル、またはピコモル量の１つ以上の捕捉分子が各スポットに存在する。

捕捉分子を固体表面に付与する方法は当該技術分野において良く知られており、接触及び非接触印刷技術を用いることが含まれる。好適な接触印刷技術としてはむ、たとえば、固体ピン印刷、分割ピン印刷、キャピラリ印刷、及びマイクロスポット印刷が挙げられる。好適な非接触印刷技術としては、たとえば、圧電印刷及びシリンジ‐ソレノイド印刷が挙げられる。所望の場所またはゾーンで、１つ以上の捕捉分子を多孔材料シートに付与するために、これらの同じ技術を用いることができる。

いくつかの実施形態では、プリンタ（たとえば、レーザまたはインクジェットプリンタ）を用いて種々の物質を紙層にコーティングすることによって、多孔材料シートを作製してもよい。プリンタを用いて不透水性コーティングを多孔材料シート上に形成してもよい。プリンタによって生成されるトナーまたは他の物質を熱接着剤として用いて、複数の紙層を互いに結合して、３Ｄ多孔材料シートを形成してもよい。

前述したように、本発明の態様を、紙を用いて具体化してもよい。紙を用いる潜在的な利点としては以下が挙げられる。紙は安価で、毛管現象によって流体を吸い上げ、試薬を固定化及び貯蔵するための大きな表面積が得られ得る。

必要に応じて、疎水性バリアと境界を接する、親水性チャネル及びテストゾーンのネットワークに、紙をパターニングすることによって、多孔材料シートを作製してもよい。パターニングプロセスは好ましくは、チャネルの幅及び長さを規定し、紙厚さは好ましくは、チャネルの高さ及び／または時間的側面を規定する。これは、たとえば、疎水性及び／または他の物質を紙上に直接印刷することによって実現することができる。詳細には、ある種のレーザ及び／またはインクジェットプリンタによって、ワックス、ゼラチン、及び／または他の物質を紙上に直接、低コストで堆積及び／または事前堆積させることができる。物質を堆積させるための他の技術を用いてもよい。

たとえば、デバイスの設計を最初にコンピュータ上で用意して、次にパターンをワックス、ゼラチン、及び／または他の物質内で、紙上に、市販のプリンタを用いて印刷してもよく、そして紙を材料（複数可）の融点を上回る温度まで加熱してもよい。その結果、材料（複数可）がリフローして、紙の厚さに及ぶ疎水性バリアが形成される。デバイスを作製したら、デバイス上に試薬を充填してもよい。充填は、デバイス上に試薬（複数可）の溶液（複数可）を付与して、試薬（複数可）を保持した関連する溶媒（複数可）を蒸発させることによって行う。

紙の個別の層をパターニングすることに加えて、パターニングした紙の複数の層を積み重ねることが可能であってもよい。

１つ以上の捕捉分子を取り付けるための利用可能な方策としては、限定することなく、以下が挙げられる。多孔材料シートに捕捉分子を共有結合させる、多孔材料シートに捕捉分子をイオン結合的に結びつける、多孔材料シート上に捕捉分子を吸着させるなどである。一実施形態では、多孔材料シートに１つ以上の捕捉分子が共有結合している。この実施形態によれば、１つ以上の捕捉分子には、多孔材料シートの別個の場所に共有結合している複数の捕捉分子が含まれる。

紙及び他の薄いメンブレンに捕捉分子を共有結合させることは、当該技術分野において知られている。たとえば、以下の文献を参照のこと。Ｋｏｎｇら、「Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌｅ Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｆｏｒ Ｂｉｏａｃｔｉｖｅ Ｐａｐｅｒ」、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．４０３：７−１３，ＤＯＩ：１０．１００７／ｓ００２１６−０１２−５８２１−１（２０１２）；Ｓｕら、「Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ ａｎｄ Ｃｏｖａｌｅｎｔ Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｏｆ ＡＴＰ−Ｂｉｎｄｉｎｇ ＤＮＡ Ａｐｔａｍｅｒｓ ｏｎｔｏ Ｃｅｌｌｕｌｏｓｅ」、ラングミュア２３：１３００−１３０２（２００７）；Ｂｏｈｍら、「Ｃｏｖａｌｅｎｔ ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ ｏｆ ｅｎｚｙｍｅｓ ｔｏ ｐａｐｅｒ ｆｉｂｅｒｓ ｆｏｒ ｐａｐｅｒ−ｂａｓｅｄ ａｎａｌｙｔｉｃａｌ ｄｅｖｉｃｅｓ」、Ｆｒｏｎｔ． Ｃｈｅｍ．６：２１４（２０１８）；Ｈｏｌｓｔｅｉｎら、「Ｉｍｍｏｂｉｌｉｚｉｎｇ ａｆｆｉｎｉｔｙ ｐｒｏｔｅｉｎｓ ｔｏ ｎｉｔｒｏｃｅｌｌｕｌｏｓｅ：ａ ｔｏｏｌｂｏｘ ｆｏｒ ｐａｐｅｒ−ｂａｓｅｄ ａｓｓａｙ ｄｅｖｅｌｏｐｅｒｓｓ」、Ａｎａｌ．Ｂｉｏａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．ＤＯＩ１０．１００７／ｓ００２１６−０１５−９０５２−０（２０１５）を参照のこと。これらの文献の開示は、それらの全体において参照により本明細書に組み込まれている。

光学的に透明なカバーは任意の好適な材料、たとえば、ガラス、石英、またはプラスチックで形成してもよい。一実施形態では、光学的に透明なカバーは、溶融シリカガラスまたは合成シリカガラスである（たとえば、アルミノケイ酸ガラス、ホウケイ酸ガラス、及びソーダ石灰ガラス）。

光学的に透明なカバーには、疎水性表面、親水性表面、または両方が含まれていてもよい。の。一実施形態では、光学的に透明なカバーは疎水性表面及び親水性表面をもたらす。親水性表面は多孔材料シートに直接隣接して位置してもよい。疎水性表面は多孔材料シートと反対側に位置してもよい。

一実施形態では、光学的に透明なカバー層は取り外し可能かつ交換可能であり、それにより、多孔材料シートを交換してバイオセンサーを再使用することができる。

カバー層及び使用済み多孔材料シートの取り外し、基材及びカバー層の洗浄（及び乾燥）、ならびに新しい多孔材料シートを用いたバイオセンサーの再組立てを容易にするために、バイオセンサーにはさらに、（ｉ）カバー層とフォトニック検知デバイスの一部との間で多孔材料シートを圧縮するクランピングメカニズム、または（ｉｉ）光学的に透明なカバー層の一部をフォトニック検知デバイスの基材に直接接続する接着層が含まれていてもよい。

クランピングメカニズムには、機械的ロック、留め具、ネジ、または当該技術分野で知られた任意の他の特徴部であって、２つ以上の構成部品を互いに保持するためのものが含まれていてもよい。この実施形態によれば、光学的に透明なカバー層には、その周囲の周りに位置する複数のスルーホールが含まれていてもよく、それらは、対応するフォトニック検知デバイスの基材内の凹部と位置が合うように設計されていてもよい。光学的に透明なカバー層内のスルーホールと基材内の凹部とは、デバイス（すなわち、基材及びカバー層）の周囲の周りに位置するネジボルトまたは小ネジを受け入れるように設計してもよい。

本明細書で用いる場合、「スプリングクリップ」は、バネ張力を通して挿入された構成部品を把持する留め具である。一実施形態では、クランピングメカニズムには、バイオセンサー（すなわち、フォトニック検知デバイス、多孔材料シート、及び光学的に透明なカバー層）の周囲の周りに位置するスプリングクリップが含まれる。

一実施形態では、接着層は、フォトニック検知デバイス、光学的に透明なカバー、または両方の再使用を可能にするのに適している。この実施形態によれば、接着層は、光学的に透明なカバー層上に付与される両面テープまたは接着剤層の形態である。カバー層に接着剤が含まれるとき、組み立て（または再組み立て）の間、多孔材料シートが接着層とフォトニック検知デバイスの基材との間の接触を妨害しないことを確実にするように注意しなければならない。

本発明のさらなる態様はバイオセンサーを作る方法に関する。この方法には、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体を含む基材を含むフォトニック検知デバイスを用意することが含まれる。この方法にはさらに、基材上に多孔材料シートを取り付けることであって、シートは、光信号を生成するための３次元構造を含むフォトニック検知デバイスの一部を覆い、多孔材料シートは１つ以上の捕捉分子を含む、取り付けることと、多孔材料シート上に光学的に透明なカバー層を取り付けることであって、多孔材料シートは、カバー層とフォトニック検知デバイスの部分との間に存在する、取り付けることと、が含まれる。

一実施形態では、基材シート、多孔材料シート、及び光学的に透明なカバー層は、クランピングメカニズムを用いて一緒に挟まれていて、多孔材料シートが基材及び光学的に透明なカバー層に対して固定されるようになっている。この実施形態によれば、多孔材料シートはクランピングメカニズムと接触しない。

バイオセンサーの特定の実施形態については図１〜図６に関連して後述する。しかし当然のことながら、図１〜図６に例示した実施形態は典型であり、前述した種類の異なるフォトニック検知デバイスに適応するように変更することができる。

図１Ａ〜図１Ｂにバイオセンサー１０を例示する。バイオセンサー１０には、フォトニックチップ２０、多孔材料シート６０、及び光学的に透明なカバー層７０が含まれる。フォトニックチップ２０には基材３０が含まれ、基材内には、リング共振器５０に光学的に結合されたバス導波路４０が形成されている。

図２Ａ〜図２Ｂにバイオセンサー１１０を例示する。バイオセンサー１１０には、フォトニックチップ１２０、多孔材料シート１６０、光学的に透明なカバー１７０が含まれる。フォトニックチップ１２０には基材１３０が含まれる。基材１３０には、リング共振器１５０に光学的に結合されたバス導波路１４０と、それぞれの角部に位置する孔１３５とが含まれる。光学的に透明なカバー１７０には、それぞれの角部に位置する孔１７５が含まれる。孔１７５は、基材１３０内の孔１３５と位置が合うように意図されている。共に、孔１３５及び１７５はクランピングメカニズム１８０を収容する。孔１３５に好適にネジが付いているか、または孔１３５が、ネジが付いたオス型及びメス型部材と嵌合するならば、クランピングメカニズム１８０は複数の小ネジという形を取ることができる。

図３Ａはバイオセンサー２１０の分解組立図であり、フォトニックチップ２２０、多孔材料シート２６０、光学的に透明なカバー２７０が含まれている。フォトニックチップ２２０には基材２３０が含まれる。基材２３０には、基材内に形成されたＭａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計に結合されたリング共振器が含まれる。フォトニックチップ２２０には入力導波路２５０が含まれ、入力導波路２５０はスプリッタ２５２に結合されている。スプリッタ２５２は、参照導波路２５４と検知導波路２５６との間で光信号を分割する。参照導波路２５４はリング共振器２４０に光学的に結合され、検知導波路２５６はリング共振器２４５に光学的に結合されている。参照導波路２５４及び検知導波路２５６の出力端は、出力導波路２５９に対する結合器２５８において結合している。多孔材料シート２６０には、サイト２６５において標識化された捕捉分子が含まれる。図３Ｂに示す組み立てたデバイスでは、サイト２６５は、リング共振器２４５及び検知導波路２５６に対するその光学的結合は覆っているが、リング共振器２４０及び参照導波路２５４に対するその光学的結合は覆っていない。カバー層２７０とフォトニックチップ２２０との間の接続を維持するために用いるクランピングメカニズムまたは接着層は図示していないが、両方ともこの実施形態に対して考えられる。

図４Ａはバイオセンサー３１０の分解組立図であり、フォトニックチップ３２０、多孔材料シート３６０、光学的に透明なカバー３７０が含まれる。フォトニックチップ３２０には基材３３０が含まれる。基材３３０には、基材内に形成されたフォトニック結晶アレイ３４０が含まれる。フォトニック結晶アレイ３４０は、中央の欠陥と、中央の欠陥の周りに形成された欠陥の順序付けされたアレイとからなる。光は導波路３５０によってアレイ内に結合され、光は導波路３５５によってアレイから外に結合される。多孔材料シート３６０には、サイト３６５において標識化された捕捉分子が含まれる。図４Ｂに示す組み立てたデバイスでは、サイト３６５は結晶アレイ３４０を覆っている。カバー層３７０とフォトニックチップ３２０との間の接続を維持するために用いるクランピングメカニズムまたは接着層は図示していないが、両方ともこの実施形態に対して考慮されている。

図５Ａはバイオセンサー４１０の分解組立図であり、フォトニックチップ４２０、多孔材料シート４６０、光学的に透明なカバー４７０が含まれる。フォトニックチップ４２０に基材４３０が含まれる。基材４３０には、その内部に形成された回折勾配が含まれる。回折勾配は、基材内に形成された突起部４３５（対応する隣接した溝を伴う）の周期的な組立品から構成されている。図４Ｂに示す組み立てたデバイスでは、多孔材料シート４６０は基材４３０を覆っている。カバー層４７０とフォトニックチップ４２０との間の接続を維持するために用いるクランピングメカニズムまたは接着層は図示していないが、両方ともこの実施形態に対して考慮されている。

図６Ａはバイオセンサー５１０の分解組立図であり、フォトニックチップ５２０、多孔材料シート５６０、光学的に透明なカバー５７０が含まれる。フォトニックチップ５２０には基材５３０が含まれる。基材５３０には、基材内に形成されたアルキメデスのウィスパリングギャラリーの螺旋状導波路５４０が含まれる。この導波路５４０は、中央のＳ字コネクタによって互いに結合された入力及び出口導波路の螺旋構成によって特徴付けられる。多孔材料シート５６０には、サイト５６５において標識化された捕捉分子が含まれる。図４Ｂに示す組み立てたデバイスでは、サイト５６５は螺旋状導波路５４０を覆っている。カバー層５７０とフォトニックチップ５２０との間の接続を維持するために用いるクランピングメカニズムまたは接着層は図示していないが、両方ともこの実施形態に対して考慮されている。

図１〜図６に示す各実施形態において、バイオセンサー及び光学的に透明なカバーはほぼ同じサイズ及び形状であり、多孔材料シートはデバイスの縁部においてのみ露出している。多孔材料シートを液体試料で濡らすことを、デバイスの縁部に試料を導入することによって行ってもよい。

代替的な構成として、図７Ａに示すように、フォトニックチップ７２０が１つの寸法においてカバー７７０よりも長く、クランピングメカニズム７８０（３つ示す）によって２つの構成部品が互いに保持されている（そしてそれらの間に多孔材料シート７６０が圧縮されている）。結果として、多孔材料シート７６０はフォトニックチップ７２０の一方の側面に沿って部分的に露出している。これにより、シートの部分的に露出した部分上に試料を導入することによって多孔材料シートを液体試料で濡らすことが容易になる。液体試料（及び内部に含まれる任意の標的分子）は、吸い上げ作用によって多孔材料シートをわたって運ばれる。

本発明の別の態様は、本明細書で説明するバイオセンサーと、フォトニック検知デバイスを照明する光源と、フォトニック検知デバイスによって放出される光を測定するように位置する光検出デバイスと、を含む検出デバイスに関する。

光源は照明源として機能し、たとえば、アルゴン、カドミウム、ヘリウム、または窒素レーザ、及びバイオセンサー及び検出器を照明するように配置された付随する光学部品であってもよい。光源はレーザまたは広帯域光源であり、任意的にフィルタを伴ってもよい。一実施形態では、光源は連続波光源である。この実施形態によれば、光源は発光ダイオード（「ＬＥＤ」）である。熟練した科学者であれば分かるように、異なるＬＥＤは約２５０〜１，５００ｎｍの異なるスペクトル領域をカバーする。さらなる好適な連続波光源としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。キセノンアークランプ、水銀アークランプ、重水素ランプ、タングステンランプ、ダイオードレーザ、アルゴンイオンレーザ、ヘリウムネオンレーザ、及びクリプトンレーザ。

検出デバイスにはさらに、光源からの光をフォトニック検知デバイス内に結合する導波路、及びフォトニック検知デバイスからの光を光検出デバイス内に結合する導波路の、一方または両方が含まれていてもよい。

検出器は、バイオセンサーからのフォトルミネセンス放射を捕捉し、バイオセンサーからのフォトルミネセンス放射の変化を検出するように位置する。典型的な検出器としては、限定することなく、電荷結合素子、分光光度計、フォトダイオードアレイ、光電子増倍管アレイ、またはアクティブピクセルセンサアレイが挙げられる。一実施形態では、光検出デバイスは、分光光度計、フォトダイオードアレイ、光電子増倍管アレイ、電荷結合素子（「ＣＣＤ」）センサ、相補型金属酸化膜半導体（「ＣＭＯＳ」）センサ、またはアクティブピクセルセンサアレイである。

次に図７Ｂを参照して、検出器８１０の側面図を例示する。検出器８１０には、バイオセンサー（基材８２０、多孔材料シート８６０、及び光学的に透明なカバー層８７０を伴う）、光源８００、及び光検出デバイス８０５が含まれる。光が基材の表面に向けられると、同じ場所から反射され、そして検出器８０５によって測定される。デバイスが試料にさらされる前後の反射光の変化を検出することができる。

次に図７Ｃを参照して、検出器９１０の側面図を例示する。検出器９１０には、バイオセンサー（基材９２０、多孔材料シート９６０、及び光学的に透明なカバー層９７０を伴う）、光源９２２、及び光検出デバイス９２４が含まれる。光導波路を用いて、光源の光をバイオセンサー（基材の表面上に一体型の入力導波路を有する）に結合する。光導波路を用いて、バイオセンサー（具体的には、基材の表面上の一体型の出力導波路）からの光を検出器に結合する。デバイスが試料にさらされる前後の出力光の変化を検出することができる。

本発明のさらに別の態様は生体分子を検出する方法に関する。この方法は、本発明によるバイオセンサーを用意することと、液体試料を導入して多孔材料シートと接触させることと、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化を測定することであって、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化が、１つ以上の捕捉分子による生体分子の結合を示す、測定することと、を伴う。

理論に拘束されるものではないが、バイオセンサーにリング共振器が含まれていると、リング共振器の円周に正確に等しい波長の光はリング内に閉じ込められて共振するが、他の波長の光はすべてリング共振器を出て、フォトニック検知デバイスによって検出される。リングに閉じ込められた共振波長によって、リング共振器を離れる光のスペクトルに負のピークが残る。

リング共振器は、光エネルギーの一部が、リング共振器の直近で多孔材料シートと相互作用するエバネッセントテールの形態で、リングの表面共振器を越えて延びるように形成してもよい。１つ以上の捕捉分子によって結合された特定の検体が多孔材料シート内に存在すると、屈折率が変化し、したがってリング共振器の共振波長が変化する場合がある。多孔材料シート内のリング共振器の上方により多くの検体が捕捉されると、共振波長は比例して高い方にシフトする。この波長のシフトは、リング共振器を離れる光のスペクトルにおける負のピークのシフトとして、フォトニック検知デバイスによって検出される。その結果、光の強度における負のピークは共振波長を示し、負のピークの波長のシフトはリングクラスタ上方での屈折率の変化を示し、そしてこれは、クラスタの上方で捕捉分子に結合した重量に比例している。一実施形態では、放出される光の変化は、フォトニック検知デバイスによって検出される光の波長のシフトとして測定される。

本明細書で用いる場合、「生体分子」とは生体系から得られる分子または生体系とともに用いられる分子を指す。この用語には、限定することなく、生体高分子、たとえばタンパク質、ペプチド、炭水化物、代謝産物、ポリサッカライド、核酸、及び有機小分子が含まれる。生物学的マーカーは疾病マーカーであってもよい。

一実施形態では、液体試料は被検体からのものである。本明細書で用いる場合、「固体」または「被検体」は任意の生物とすることができ、ヒト及び他の哺乳動物が含まれる。本明細書で用いる場合、用語「被検体」は特定の種または試料種類に限定されない。たとえば、用語「被検体」は患者を指してもよく、多くの場合にヒト患者（より具体的には、女性ヒト患者または男性ヒト患者）を指してもよい。しかし、この用語はヒトに限定されず、したがって、種々の哺乳類または他の種が包含される。一実施形態では、被検体は哺乳動物または細胞、組織、臓器、または哺乳動物の一部とすることができる。哺乳動物には、哺乳綱の種のいずれか、好ましくはヒト（ヒト、ヒト被験者、またはヒト患者を含む）が含まれる。哺乳動物としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。家畜、スポーツ動物、ペット、霊長類、馬、犬、猫、マウス、及びラット。

本明細書で用いる場合、用語「試料」は、検体アッセイが要求される検体（たとえば、生体分子）を含み得るどんなものでも指す。本明細書で用いる場合、「生物試料」は、生体もしくはウィルス源または他の巨大分子及び生体分子源から取得される任意の試料を指し、核酸またはタンパク質または他の巨大分子を取得することができる被検体の任意の細胞型または組織が含まれる。生物試料は、処理された生物源または試料から直接取得した試料とすることができる。たとえば、増殖させた孤立核酸が生物試料を構成する。生物試料としては以下が挙げられる（しかし、これらに限定されない）。体液、たとえば唾液、尿、血液、血漿、血清、精液、糞便、痰、脳脊髄液、滑液、汗、涙、粘液、羊水、膣分泌物、動物及び植物からの組織及び臓器試料、ならびにそれらから得られる処理済み試料。生体組織の例としては、臓器、腫瘍、リンパ節、動脈、及び個々の細胞（複数可）も挙げられる。一実施形態では、液体試料は生物試料である。

生体分子としては、限定することなく、以下を挙げてもよい。タンパク質（限定することなく酵素、抗体、またはそれらのフラグメントが含まれる）、糖タンパク質、ペプチドグリカン、炭水化物、リポタンパク質、リポテイコ酸、脂質Ａ、ホスフェート、病原体（たとえば、細菌、ウィルス、多細胞真菌、酵母菌、原生動物、多細胞性寄生生物など）によって発現される核酸、または有機化合物、たとえば自然発生の毒素または有機兵器剤など。また、複数の層の生体分子相互作用を検出するために生物学的センサを効果的に用いることもできる（「カスケード検知」と言われる）。したがって、生体分子は、結合したらすぐに、二次的な生体分子に対するプローブになる。これには、多孔材料シートから比較的遠くで起こる小分子認識事象の検出を伴うことができる。

一実施形態では、液体試料を導入して多孔材料シートと接触させることを、多孔材料シート（またはその一部）上に液体試料を直接置くことによって行ってもよい。代替的に、バイオセンサーを組み立てる前に、好ましくは直前に、多孔材料シートを液体試料にさらすことができる。

液体試料中に生体分子が存在することが、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化を決定する。フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化には全般的に、透過ピーク波長シフト、吸収ピーク波長シフト、または屈折率変化のうちのいずれか１つ以上における変化が含まれ得る。フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化が生じたか否かを判定するために、試料にさらす前にベースライン光学測定を行ってもよい。試料にさらした後に、第２の光学測定を行ってもよく、第１及び第２の測定値を比べる。典型的には、いかなる変化も、認識すべき標的のサイズ及び試料中のその濃度に依存する。

理論に拘束されるものではないが、フォトニック検知デバイスにリング共振器が含まれていると、液体試料中に生体分子が存在することで吸収ピーク波長シフトに変化が生じ、変化の大きさは液体試料中の生体分子の濃度を示す。

一実施形態では、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化の程度によって、液体試料中の生体分子の量が定量化される。このように、本発明の生物学的センサは液体試料中の検体（たとえば、生体分子）を定量的に検出するのに適している。

本明細書で用いる場合、「検体を定量的に検出する」の意味は、各検体を決定する精度、または変動係数（ＣＶ）が、約３０％以下である、検体（複数可）の１つ以上の望ましい閾値を含む検体レベル（複数可）または濃度（複数可）である、及び／または検体（複数可）の１つ以上の望ましい基準範囲を下回る、そのほぼ下限、その内側、そのほぼ上限、及び／または上回る検体レベル（複数可）または濃度（複数可）であるということである。いくつかの実施形態では、もっと高い精度であること、たとえば、ＣＶが３０％、２５％、２０％、１５％、１０％、９％、８％、７％、６％、５％、４％、３％、２％、１％、０．５％、０．１％未満、またはそれを下回ることが多くの場合に望ましいかまたは重要である。他の実施形態では、検体が、検体（複数可）の望ましいまたは必要な閾値よりも実質的に低い、ほぼその値、またはその値、及び／または実質的に高い検体レベル（複数可）または濃度（複数可）で、望ましいまたは必要なＣＶで定量化されることが、多くの場合に望ましいかまたは重要である。さらなる他の実施形態では、検体が、基準範囲（複数可）の下限よりも実質的に低い（基準範囲（複数可）の少なくとも１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、または全体を含む）及び／または基準範囲（複数可）の上限よりも実質的に高い検体レベル（複数可）または濃度（複数可）で、望ましいまたは必要なＣＶで定量化されることが、多くの場合に望ましいかまたは重要である。

本明細書で用いる場合、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または特定の点の「ほぼその値である」、たとえば下限または上限であるの意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または特定の点のプラスまたはマイナス２０％、たとえば下限または上限の内側であるということである。言い換えれば、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または特定の点の「ほぼその値である」の意味は、検体レベルまたは濃度が基準範囲の閾値または特定の点の８０％〜１２０％であるということである。いくつかの実施形態では、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または特定の点の「ほぼその値である」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または特定の点のプラスまたはマイナス１５％、１０％、５％、４％、３％、２％、１％以内、または等しいということである。

本明細書で用いる場合、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または下限「よりも実質的に低い」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または下限のマイナス５０％以内であるということである。言い換えれば、検体レベルまたは濃度が基準範囲の閾値または下限「よりも実質的に低い」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または下限の５０％であるということである。いくつかの実施形態では、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または下限「よりも実質的に低い」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または下限の６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９６％、９７％、９８％、９９％であるということである。

本明細書で用いる場合、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または上限「よりも実質的に高い」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または上限のプラス５倍以内であるということである。言い換えれば、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または上限「よりも実質的に高い」の意味は、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または上限の１０１％から５倍であるということである。いくつかの実施形態では、検体レベルまたは濃度が、基準範囲の閾値または上限「よりも実質的に高い」の意味は、検体レベルまたは濃度が少なくとも、基準範囲の閾値または上限の１０１％、１０２％、１０３％、１０４％、１０５％、１１０％、１２０％、１３０％、１４０％、１５０％、２倍、３倍、４倍、または５倍であるということである。

本明細書で用いる場合、「閾値」が指すのは、所望の被検体または集団の試料から取得された検体レベルまたは濃度、たとえば、正常な臨床上の健康人で見出された検体レベルまたは濃度の値、「病気の」被検体または集団で見出された検体レベルまたは濃度、または所望の被検体または集団の試料から予め決定された検体レベルまたは濃度である。特定のテストに応じて、「正常値」を「閾値範囲」として用いる場合、検体レベルまたは濃度の値が正常値よりも多いか少ない場合に、結果を異常であると考えることができる。「閾値」は較正または未較正の検体レベルまたは濃度に基づくことができる。

本明細書で用いる場合、「基準範囲」が指すのは、所望の被検体または集団の試料から取得された検体レベルまたは濃度の範囲、たとえば、正常な臨床上の健康人で見出された検体レベルまたは濃度の値の範囲、「病気の」被検体または集団で見出された検体レベルまたは濃度の値の範囲、または所望の被検体または集団の試料から予め決定された検体レベルまたは濃度の値の範囲である。「正常範囲」を「基準範囲」として用いる場合、検体レベルまたは濃度の値が正常範囲の下限よりも小さいかまたは上限よりも大きい場合に、結果は異常であると考えられる。「基準範囲」は較正または未較正の検体レベルまたは濃度に基づくことができる。

本発明のこの態様によれば、本方法はさらに、フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化が、ほぼ閾値に対応するのか、閾値よりも実質的に低いのか、または閾値よりも実質的に高いのかを判定することを伴ってもよい。

開示したバイオセンサーの重要な利点は、バイオセンサーに、使い捨ての構成部品（多孔材料シート）と再使用できる構成部品（カバー層、基材、及び任意のクランピングメカニズムのうちの１つ以上）とが含まれることである。したがって、光学的に透明なカバー層は取り外し可能かつ交換可能であり、バイオセンサーは、バイオセンサーを用いた後に光学的に透明なカバー層及び多孔材料シートを取り除くことと、フォトニック検知デバイス及び（任意的に）光学的に透明なカバー層を十分に洗浄することと、新しい多孔材料シート（及び任意的に透明なカバー層）を用いて、取り付けステップをそれぞれ繰り返すことと、によって再び組み立てて再使用することが可能である。フォトニック検知デバイスの洗浄は、既知のすすぎ剤を使用し、それに続いて水の中ですすぎ洗いし、不活性ガス（たとえば、窒素）下で乾燥させることによって行うことができる。その後、説明したように洗浄及び多孔材料シートの交換に続いて、再びバイオセンサーを用いて複数の検出サイクルを行うことが可能である。

以下の例は、本開示の実施形態の実施を例示するためのものであり、決してその範囲を限定するためのものではない。

例１−一体型フォトニック紙ベースセンサ
バス導波路１０５０に結合された一対のリング共振器１０４０、１０４５を有する説明したバイオセンサー１０１０の１つの実施態様において、ニトロセルロースメンブレン１０６０上の２つの場所、１０６２、１０６４のうちの１つに捕捉抗体の斑点をつける。これは、紙への単純な吸着または共有結合のいずれかによって行ってもよい。他方の領域１０６４は、対照分子（たとえば、抗フルオレセイン抗体）によって機能を持たせるか、または空白のままにして参照ゾーンを形成する。リング共振器１０４５と位置関係が合うように、抗体フォトニックチップ上にニトロセルロースメンブレンを配置する（図８）。ニトロセルロースメンブレン／フォトニックの「サンドイッチ」を、対象とする試料にさらした後、好適な潜伏期間の後に洗浄ステップを行う。

例２−参照を伴う一体型フォトニック紙ベースセンサ
説明したバイオセンサーの別の実施態様では、ニトロセルロースメンブレン上に捕捉抗体の斑点をつける。メンブレンを試料にさらし、洗浄し、そして任意的に乾燥させることを、フォトニックチップと接触するように置く前に行う。参照を、メンブレンの空白領域によって、または抗フルオレセインなどの非反応性の抗体スポットと比べることによって行う。

説明したバイオセンサーの別の実施態様では、ニトロセルロースメンブレン上に捕捉抗体の斑点をつける。メンブレンを流体デバイスとして用いて、試料を、活性領域を介して吸い上げさせる。参照を、メンブレンの空白領域によって、または抗フルオレセインなどの非反応性抗体スポットと比べることによって行う。

例３−一体型フォトニックニトロセルロースメンブレンベースセンサを用いたナノピュア水及びショ糖溶液の光学センサ検出
ニトロセルロースメンブレンと接触するように置いたときにリング共振器が機能するか否か、及びその感度がリング共振器単体に匹敵するか否かを、ナノピュア水及びショ糖溶液を用いて評価した。図９Ａ〜図９Ｂに、ナノピュア水（左の塊）またはショ糖溶液（右の塊）で飽和したメンブレンに対して収集したスペクトルを示す。図９Ａにおいて、ナノピュア水スペクトルは１５５０．７５ｎｍにおいて塊になった共振波長を示し、５％ショ糖は１５５１．３０ｎｍにおいて示し、平均の共振波長シフトは０．５５９ｎｍ（σ＝０．０１３ｎｍ）である。図９Ｂにおいて、ナノピュア水スペクトルは１５４８．８５ｎｍにおいて塊になった共振波長を示し、５％ショ糖は１５４９．４５ｎｍにおいて示し、平均の共振波長シフトは０．６６２ｎｍ（σ＝０．０３９ｎｍ）である。

例４−一体型フォトニックニトロセルロースメンブレンベースセンサを用いたＣＲＰの光学センサ検出
メンブレン上でのタンパク質のバルク吸着に起因する信号を観察できるか否かを次に評価した。図１０に、ナノピュア水に浸漬させたニトロセルロースメンブレンと、ナノ孔水に浸漬させた１％ＢＳＡブロックを伴う５００μｇ／ｍｌのα−ＣＲＰ抗体を伴ったニトロセルロースメンブレンとのスペクトルを示す。結果として得られる共振波長シフトは０．０６ｎｍである。これによって、多孔材料シートは、捕捉分子及び標的分子を（これらが捕捉されたときに）フォトニック検知デバイス上に、共振挙動を変えて出力光の中に検出可能な変化を形成できるように、適切に送出できることが確認される。

例５−一体型フォトニックニトロセルロースメンブレンベースセンサを用いたＢＳＡの光学センサ検出
ニトロセルロースの細片を用いてリング共振器にタンパク質溶液を送出した。異なる濃度のウシ血清アルブミン（ＢＳＡ）の５マイクロリットル試料をニトロセルロース細片に付与して、リング共振器を介して吸い上げさせた。濃度に依存する共振周波数の変化を観察した（図１１）。デバイスのバルク屈折率感度は９０．８ｎｍ／ＲＩＵと測定された（既知のショ糖溶液によって）。１６０ｎｍ／ＲＩＵという高いチップ感度が測定されたため、検出感度を大幅に高められる可能性がある。

例６−一体型フォトニックニトロセルロースメンブレンベースセンサを用いたヒト絨毛性ゴナドトロピンの光学センサ検出
リング共振器を用いてラテラルフローアッセイの結果を検出できる否かをテストするために、ヒト絨毛性ゴナドトロピンに対する市販のラテラルフローアッセイをリング共振器のバンクにわたって置いた。図１２に、陽性対照バンド（斜線領域で示す）下のリングに対して、より強いシフトが観察されたことを示す。２つの別個の共振測定値（ＦＳＲ、自由スペクトル領域）を表す２つのデータ点が、各リングに対して示されている。

本明細書では好ましい実施形態を図示して詳細に説明してきたが、当業者には明らかなように、本発明の趣旨から逸脱することなく種々の変更、追加、置換などを行うことができ、したがって、これらは以下の特許請求の範囲に規定される本発明の範囲内であると考えられる。

Claims (20)

1. 基材と、前記基材上または前記基材内に形成された、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体とを含む、フォトニック検知デバイスと、
   光信号を生成するのに適した前記３次元構造体を覆う多孔材料シートであって、１つ以上の捕捉分子を含む、前記多孔材料シートと、
   前記フォトニック検知デバイスに接続された光学的に透明なカバー層であって、前記多孔材料シートは、前記カバー層と、前記３次元構造体を含む前記フォトニック検知デバイスの一部との間にある、前記カバー層と
   を含む、バイオセンサー。
2. （ｉ）前記カバー層と前記フォトニック検知デバイスの前記一部との間の前記多孔材料シートを圧縮する、クランピングメカニズム、または
   （ｉｉ）前記光学的に透明なカバー層の一部を前記フォトニック検知デバイスの前記基材に直接接続する、接着層
   をさらに含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
3. 前記フォトニック検知デバイスは、２Ｄフォトニック結晶アレイ、リング共振器、Ｍａｃｈ−Ｚｅｈｎｄｅｒ干渉計、トロイダルマイクロキャビティ、ブラッグ反射器、回折格子、プラズモニック導波路、アルキメデスのウィスパリングギャラリーの螺旋状導波路、またはナノプラズモニック孔を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
4. 前記多孔材料シートは、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタレート、ナイロン、ガラス、ポリサッカライド、またはセラミックスを含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
5. 前記多孔材料シートは紙の形態である、請求項１に記載のバイオセンサー。
6. 前記紙は約１８０ミクロン未満の厚さ寸法である、請求項５に記載のバイオセンサー。
7. 前記光学的に透明なカバー層は取り外し可能かつ交換可能であり、それにより、前記多孔材料シートを交換することができ、かつ前記バイオセンサーを再使用することができる、請求項１に記載のバイオセンサー。
8. 前記１つ以上の捕捉分子は、タンパク質またはポリペプチド、ペプチド、核酸分子、抗原、及び小分子の群から選択される、請求項１に記載のバイオセンサー。
9. 前記１つ以上の捕捉分子は前記多孔材料シートに共有結合している、請求項１に記載のバイオセンサー。
10. 前記１つ以上の捕捉分子は、前記多孔材料シートに別個の場所で共有結合している複数の捕捉分子を含む、請求項９に記載のバイオセンサー。
11. 前記基材は、
    光を、前記３次元構造体内に、前記３次元構造体上に、または前記３次元構造体にわたって結合するための入口と、
    前記３次元構造体から、前記３次元構造体を通って、または前記３次元構造体を過ぎて進む光を結合するための出口と
    を含む、請求項１に記載のバイオセンサー。
12. 請求項１〜１１のうちの１項に記載のバイオセンサーと、
    前記フォトニック検知デバイスを照明する光源と、
    前記フォトニック検知デバイスによって放出される光を測定するように位置する光検出デバイスと
    を含む、検出デバイス。
13. 前記光源からの光を前記フォトニック検知デバイス内に結合する導波路、及び前記フォトニック検知デバイスからの光を前記光検出デバイス内に結合する導波路の、一方または両方をさらに含む、請求項１２に記載の検出デバイス。
14. 前記光源は、レーザまたは広帯域光源であり、任意にフィルタを有する、請求項１２に記載の検出デバイス。
15. 前記光検出デバイスは、分光光度計、フォトダイオードアレイ、光電子増倍管アレイ、電荷結合素子（ＣＣＤ）センサ、相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）センサ、またはアクティブピクセルセンサアレイである、請求項１２に記載の検出デバイス。
16. 請求項１〜１１のうちの１項に記載のバイオセンサーを用意することと、
    液体試料を導入して前記多孔材料シートと接触させることと、
    前記フォトニック検知デバイスによって放出される光の変化を測定することであって、前記フォトニック検知デバイスによって放出される前記光の前記変化が、前記１つ以上の捕捉分子による生体分子の結合を示す、前記測定することと
    を含む、生体分子を検出する方法。
17. 前記フォトニック検知デバイスによって放出される前記光の前記変化の程度によって、前記液体試料中の前記生体分子の量を定量化する、請求項１６に記載の方法。
18. 前記バイオセンサーは、前記バイオセンサーを洗浄すること、及び前記液体試料が導入された前記多孔材料シートを、液体試料に以前に接触させていない第２の多孔材料シートと交換することで、再使用できる、請求項１６に記載の方法。
19. 基材と、前記基材上または前記基材内に形成された、光曝露時に光信号を生成するのに適した３次元構造体とを含む、フォトニック検知デバイスを、用意することと、
    前記基材上に多孔材料シートを取り付けることであって、前記シートは、光信号を生成するための前記３次元構造体を含む前記フォトニック検知デバイスの一部を覆い、前記多孔材料シートは１つ以上の捕捉分子を含む、前記取り付けることと、
    前記多孔材料シート上に、光学的に透明なカバー層を取り付けることであって、前記多孔材料シートは、前記カバー層と、前記フォトニック検知デバイスの前記一部との間に存在する、前記取り付けることと
    を含む、バイオセンサーを作る方法。
20. 前記バイオセンサーが、以下：
    前記バイオセンサーを用いた後に、前記光学的に透明なカバー層及び前記多孔材料シートを取り外すこと、
    前記フォトニック検知デバイスを洗浄すること、ならびに
    新しい多孔材料シートを用いて、前記取り付けステップのそれぞれを繰り返すこと
    によって、再び組み立てて再使用することができるように、前記光学的に透明なカバー層は、取り外し可能かつ交換可能である、請求項１９に記載の方法。

Images