JP2023550981A - 結合親和性を検出するための回折センサ - Google Patents

Abstract

回折センサ（１）は、基板（３）と、親和性要素（２０１）を有する第１のユニットセル（２００）を含む第１の親和性格子（２０）と、親和性要素（２１１）を有する第２のユニットセル（２１０）を含む第２の親和性格子（２１）との２つの噛み合った親和性格子（２）と、を備え、第１のユニットセル（２００）および第２のユニットセル（２１０）は、所定のビーム生成位置（４０）において生成され且つ親和性要素（２０１、２１１）に結合した標的分子（２０４、２１４）によって回折された所定の波長のコヒーレント光が、所定の検出位置（５０）において逆位相と建設的に干渉するように構成および配置され、第１および第２の親和性格子（２０、２１）は、０．００１ｐｇ／ｍｍ２から３００００ｐｇ／ｍｍ２の範囲内にある第１および第２の親和性格子（２０、２１）の散乱質量の差（Δｍ）に対応するバイアス信号を所定の検出位置（５０）において生成するように平衡がとられる。【選択図】図１

Description

本発明は、結合親和性を検出するための回折センサに関する。

結合親和性の検出または監視（例えば、サンプルに含まれる標的分子の存在を検出する場合）において、相互作用センサは、多種多様なタイプおよび用途において頻繁に使用される。例として、親和性要素に結合する共通の特性または結合部位を共有する標的分子または標的分子の群の親和性を検出するために、特定の種類の多数の親和性要素が相互作用センサの外面に固定化される。親和性要素は、相互作用センサ上の特定の標的分子または標的分子群の結合または所定の最小滞留時間のいずれかをもたらす要素の任意の種類の要素または部分を表す（最小滞留時間は、標的分子または標的分子群の信頼できる検出を可能にするために少なくとも十分に長くなければならない）。この特定の種類の親和性要素への標的分子の結合（または非結合）が検出され、この特定の種類の親和性要素に関して共通の特性または結合部位を共有する標的分子または標的分子の群の結合親和性に関する情報を提供するために使用される。

相互作用センサの重要な用途は、標的分子の結合親和性を妨害することがある大量且つ膨大な多様性のバックグラウンド分子を含有するサンプル中の標的分子の結合親和性の検出または監視を含む。最新技術の相互作用センサでは、標的分子の結合親和性の検出または監視におけるバックグラウンド分子の干渉を最小限に抑えるために、センサ表面の洗浄が行われる。

結合親和性を検出するための１つのタイプの相互作用センサは、標的分子に結合した蛍光標識を利用する。蛍光標識は、励起時に蛍光を放射することができる。放射された蛍光は、センサ上の蛍光標識の存在を示す特徴的な発光スペクトルを有する。次いで、蛍光標識の存在は、標識された標的分子がセンサ上の親和性要素に結合したことを示す。

標識標的分子を検出するためのセンサは、論文「Ｚｅｐｔｏｓｅｎｓ’ ｐｒｏｔｅｉｎ ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ：「Ａ ＮＯＶＥＬ ＨＩＧＨ ＰＥＲＦＯＲＭＡＮＣＥ ＭＩＣＲＯＡＲＲＡＹ ＰＬＡＴＦＯＲＭ ＦＯＲ Ｌｏｗ ａｂｕｎｄａｎｃｅ ｐｒｏｔｅｉｎ ａｎａｌｙｓｉｓ」、Ｐｒｏｔｅｏｍｉｃｓ ２００２，２，Ｓ．３８３－３９３，Ｗｉｌｅｙ－ＶＣＨ Ｖｅｒｌａｇ ＧｍｂＨ，６９４５１に記載されている。そこに記載されたセンサは、基板上に配置された平面導波路を備える。平面導波路は、複数の結合部位（親和性要素）を有する外面を有する。さらに、平面導波路は、平面導波路内に結合されたコヒーレント光が導波路に沿って伝播するように、コヒーレント光のビームを平面導波路内に結合するための複数の格子線を有する。コヒーレント光は、全反射下で平面導波路を伝播し、コヒーレント光のエバネッセント場は、平面導波路の外面に沿って伝播する。平面導波路の外面におけるより低い屈折率の媒体へのエバネッセント場の浸透深さは、平面導波路を伝播するコヒーレント光の波長の一部の大きさのオーダーである。エバネッセント場は、平面導波路の表面に配置された結合部位（親和性要素）に結合した標識標的分子の蛍光標識を励起する。平面導波路の外面における光学的により薄い媒体へのエバネッセント場の浸透深さが非常に小さいため、平面導波路の外面上の結合部位（親和性要素）に結合した標識標的分子のみが励起される。次いで、標識によって放射された蛍光は、ＣＣＤカメラを用いて検出される。

蛍光標識を使用して結合親和性を検出することは主に可能であるが、この技術は、検出された信号が結合パートナー自体ではなく蛍光標識によって生成されるという点で不利である。さらに、標的分子を標識することは、さらなる調製ステップを必要とする。さらに、標識された標的分子は、比較的高価である。別の欠点は、標的分子の結合部位（親和性要素）への結合を妨害することがある標的分子における蛍光標識の立体障害によって引き起こされる結果の改ざんである。さらなる欠点は、標識の光退色または消光効果による結果の改ざんである。

別のタイプの相互作用センサは、屈折率センサ、すなわち、相互作用センサ上の親和性要素に結合した標的分子によって引き起こされる屈折率（ＲＩ）の変化に基づいて信号を生成するセンサである。屈折率センサの性能指数（ＦＯＭ_ＲＩ）は、屈折率単位（ＲＩＵ）当たり１００～１０００のオーダー、すなわち１００～１０００／ＲＩＵである。性能指数（ＦＯＭ_ＲＩ）は、次式にしたがって測定精度（正規化されたセンサ出力信号、例えば強度測定値の標準偏差σ_ｒｅｌによって表される）をセンサの屈折率分解能（屈折率分解能の標準偏差σ_ＲＩによって表される）に接続する。
σ_ＲＩ＝σ_ｒｅｌ／ＦＯＭ_ＲＩ

換言すれば、屈折率センサの性能指数（ＦＯＭ_ＲＩ）が低いほど、同じ屈折率分解能σ_ＲＩを達成するために必要な正規化されたセンサ出力信号の測定精度σ_ｒｅｌは高くなる。最新技術の屈折率相互作用センサでは、１０^－７ＲＩＵのオーダーの屈折率分解能σ_ＲＩが達成されることができる。

その結果、１００～１０００／ＲＩＵの範囲のＦＯＭ_ＲＩでは、必要な測定精度σ_ｒｅｌは、１０^－５のオーダーである。そのような測定精度は、仮にあったとしても、非常に高価な科学的測定機器でしか達成されることができない。

また、標的分子がセンサの表面に適用されて親和性要素に結合した後、検出の前に、センサの親和性要素に結合していないバックグラウンド分子をセンサの表面から洗い流すために、センサの表面の広範な洗浄が行われなければならない。広範な洗浄プロセスの１つの結果は、たとえ親和性要素に弱く結合する場合であっても、洗浄プロセス中に洗浄除去されるため、センサの親和性要素に弱く結合するだけの標的分子が全く検出されることができないことである。

本発明の目的は、屈折率測定相互作用センサに関連する上述した欠点を示さないセンサを提案することであり、特に、単純で安価な測定機器を使用して極めて少量の標的分子の信頼できる検出が可能であるように、著しく高い性能指数（ＦＯＭ）を有する相互作用センサを提案することである。また、センサは、大量且つ膨大な多様性のバックグラウンド分子を含有するサンプル中の標的分子を検出することができなければならない。また、センサは、センサの親和性要素に弱くしか結合しない標的分子を検出することができなければならない。

本発明によれば、この目的は、以下において「回折センサ」と呼ばれる全く新たなタイプのセンサによって達成される。回折センサは、独立請求項の特徴によって特定される。本発明にかかる回折センサの有利な態様は、従属請求項の主題である。
本発明にかかる回折センサは、
基板と、
基板上に配置された２つの噛み合った親和性格子、すなわち、第１の親和性格子および第２の親和性格子と、
を備える。

第１の親和性格子は、第１のユニットセルを備え、第２の親和性格子は、第２のユニットセルを備える。

第１の親和性格子の第１のユニットセルは、第１のタイプの標的分子と結合することができる第１のタイプの親和性要素を備え、第２の親和性格子の第２のユニットセルは、第２のタイプの標的分子と結合することができる第２のタイプの親和性要素を備える。

第１の親和性格子の第１のユニットセルは、所定のビーム生成位置において生成され、第１のタイプの親和性要素に結合した第１のタイプの標的分子によって回折された所定の波長のコヒーレント光が、所定の検出位置において第１の位相と建設的に干渉するように構成および配置されている。

第２の親和性格子の第２のユニットセルは、所定のビーム生成位置において生成され、第２のタイプの親和性要素に結合した第２のタイプの標的分子によって回折された所定の波長のコヒーレント光が、所定の検出位置において、第１の位相とは逆の第２の位相と建設的に干渉するように構成および配置されている。

第１および第２の親和性格子は、０．００１ｐｇ／ｍｍ^２から３００００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内にある第１および第２の親和性格子の散乱質量の差に対応するバイアス信号を所定の検出位置において生成するように、第１および第２の親和性格子の散乱質量に対して平衡がとられる。

親和性格子は、親和性要素、すなわち特定の標的分子または特定のタイプの標的分子に結合することができる要素を含む格子である。標的分子の「タイプ」は、同じ「タイプ」の全ての標的分子が、これらの標的分子が同じ親和性要素に結合することを可能にする共通の特性または部分（例えば、結合部位）を有することを意味する。

親和性要素は、それぞれの親和性格子のユニットセルに配置され、すなわち、第１のユニットセルは、第１のタイプの標的分子と結合することができる第１のタイプの親和性要素を備え、第２のユニットセルは、第２のタイプの標的分子と結合することができる第２のタイプの親和性要素を備える。第１のタイプの親和性要素および第２のタイプの親和性要素は、同一であっても異なっていてもよい。多くの用途において、第１のタイプの親和性要素および第２のタイプの親和性要素は異なり、したがって、第１のタイプの親和性要素に結合することができる第１のタイプの標的分子および第２のタイプの親和性要素に結合することができる第２のタイプの標的分子も異なる。

第１の親和性格子の第１のユニットセルは、所定のビーム生成位置において生成され、第１のタイプの親和性要素に結合した第１のタイプの標的分子によって回折された所定の波長のコヒーレント光が、所定の検出位置において第１の位相と建設的に干渉するように構成および配置されている。「所定波長」という用語は、事前に知られていなければならず、典型的には単一波長であるコヒーレント光の波長を示す（コヒーレント光が単色であることを意味する）。「所定のビーム生成位置」という用語は、コヒーレント光のビームが生成される位置を示し、事前に知られていなければならない。もちろん、センサが（例えば、光源の正確な位置に関して、コヒーレント光のビームの衝突方向に関して、コヒーレント光の所定の波長に関して、または検出器の正確な位置に関して非常に小さい範囲内で）調整可能である場合、所定のビーム生成位置は、それがセンサの調整範囲内にあるような程度まで変化することが可能である。同様に、「所定の検出位置」という用語は、第１のタイプの親和性要素に結合した第１のタイプの標的分子によって回折されたコヒーレント光が検出される位置を示し、事前に知られていなければならない。ここでも、センサが調整可能である場合、所定の検出位置は、それがセンサの調整範囲内にあるような程度まで変化してもよい。コヒーレント光が所定の波長を有する場合にのみ、この所定の波長のコヒーレント光のビームが所定のビーム生成位置において生成され、第１のタイプの親和性要素に結合した第１のタイプの標的分子によって回折されたコヒーレント光が所定の検出位置において検出され、回折光は、検出位置において第１の位相と建設的に干渉する。

第２の親和性格子の第２のユニットセルは、所定のビーム生成位置において生成され、第２のタイプの親和性要素に結合した第２のタイプの標的分子によって回折された所定の波長のコヒーレント光が所定の検出位置において第２の位相と建設的に干渉するように構成および配置されている。しかしながら、第２の親和性格子は、この第２の位相が第１の位相と逆になるように構成されている。

これらの逆位相に起因して、２つの噛み合った親和性格子は、２つの噛み合った格子（すなわち、第１の親和性格子および第２の親和性格子）の回折効率の差を測定する光学コンパレータを表す。回折効率の差は、単位面積当たりの散乱質量の差Γ_ｂの２乗に比例する（例えば、ｐｇ／ｍｍ^２、ピコグラム／平方ミリメートル）。

散乱質量は、格子の回折条件を満たす質量密度分布の空間フーリエ成分の質量密度である。回折条件を満たさない質量密度の全てのフーリエ成分は、センサによって検出可能でない。これは、ウォッシュフリーおよびリアルタイム形式で標的分子の結合親和性を妨害することがある大量且つ膨大な多様性のバックグラウンド分子を含有するサンプル中の標的分子の結合親和性の検出または監視を可能にし、すなわち、ウォッシュフリーおよびリアルタイムイムノアッセイを可能にする。これは、バックグラウンド分子の非特異的結合がフーリエ空間において大きなスペクトルにわたって希釈され、したがってセンサによって検出可能でないためである。
そのような回折センサの性能指数（ＦＯＭ_ｄｉｆｆ）は、以下の式にしたがって単位面積当たりの散乱質量のこの差Γ_ｂに反比例する。
ＦＯＭ_ｄｉｆｆ＝２／Γ_ｂ

この式から、単位面積当たりの散乱質量（したがって、回折効率）の差Γ_ｂが（測定を実行する時点で）小さいほど、回折センサの性能指数（ＦＯＭ_ｄｉｆｆ）は高くなり、測定機器の要求精度は低くなる。

一般に、これは、米国特許出願公開第２０１５／０２７６６１２号明細書において示唆されているように、第１の親和性格子と第２の親和性格子の回折効率の差（すなわち、単位面積当たりの散乱質量の差）が測定時に可能な限り小さく、理想的にはゼロに選択されることを示唆している。一方、所定の検出位置に配置された最適に平衡のとれた回折センサ（すなわち、２つの噛み合った親和性格子の散乱質量に対して完全に平衡がとれた回折センサ）であっても、第１の親和性格子と第２の親和性格子との間の散乱質量（回折効率）の特定の差に対応する小さなバックグラウンド信号（スペックル）を生成する。したがって、ここでの問題は、回折センサによって確実に検出されることができる標的分子の最小質量が可能な限り小さくなければならないが、同時に、そのような最小検出可能質量の標的分子によって生成される信号がスペックルとして解釈されることが回避されるべきであることである（偽陰性の回避）。一方、スペックルが最小検出可能質量の標的分子によって引き起こされる信号として不注意に解釈されることが回避されなければならない（偽陽性の回避）。

既に説明したように、回折センサの性能指数（ＦＯＭ_ｄｉｆｆ）は、単位面積当たりの散乱質量の差に反比例する（一方、屈折率センサの性能指数（ＦＯＭ_ＲＩ）はそれとは無関係である）。またはより直接的に言えば、回折センサの性能指数（ＦＯＭ_ｄｉｆｆ）は、検出位置に配置された検出器によって生成されたバイアス信号に反比例し、その結果、高すぎるバイアス信号を選択すると、屈折率センサに必要な測定精度よりも高い測定精度を必要とする回折センサの性能指数（ＦＯＭ_ｄｉｆｆ）をもたらす。

したがって、本発明にかかる回折センサの噛み合った第１および第２の親和性格子は、回折センサの特定の実施形態および用途に応じて（以下により詳細に説明するように）、０．００１ｐｇ／ｍｍ^２から３００００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内にある第１および第２の親和性格子の散乱質量の差に対応するバイアス信号を所定の検出位置において生成するように、第１および第２の親和性格子の散乱質量の差に関して平衡がとられる。

従来技術の屈折率センサに対する本発明にかかる回折センサの利点を示す簡単な例を挙げると、以下のとおりである。

既知の屈折率センサの性能指数ＦＯＭ_ＲＩは、約ＦＯＭ_ＲＩ＝１００／ＲＩＵ（ＲＩＵ＝屈折率単位）とすることができる。

回折センサの性能指数ＦＯＭ_ｄｉｆｆ－Ｄｅ Ｆｅｉｊｔｅｒ式を使用して逆ＲＩＵに変換した後－は、約ＦＯＭ_ｄｉｆｆ＝５・１０^５／ＲＩＵとすることができる。

測定精度σ_ｒｅｌおよび性能指数（ＦＯＭ）は、σ_ＲＩ＝σ_ｒｅｌ／ＦＯＭ（上記を参照）にしたがってリンクされるため、σ_ＲＩ＝１０^－７の屈折率分解能が達成されると仮定すると、屈折率センサに必要な測定精度は、σ_ｒｅｌ＝σ_ＲＩ・ＦＯＭ_ＲＩ＝０．００００１、すなわち１０^－５（または０．００１％）でなければならない。そのような測定精度は、仮にあったとしても、非常に高価な科学的測定機器を使用して達成されることができる。本発明にかかる回折センサでは、必要な測定精度は、σ_ｒｅｌ＝σ_ＲＩ・ＦＯＭ_ｄｉｆｆ＝０．０５、すなわち５・１０^－２（または５％）であり、これは、簡単で安価な測定機器を使用して容易に達成されることができる。これは、回折センサを極めて有利な状態にする。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、第１および第２の親和性格子の散乱質量の差に対応するバイアス信号は、０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１０００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲、より具体的には０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲、さらにより具体的には１ｐｇ／ｍｍ^２から１０ｐｇ／ｍｍ^２の範囲である。これらの範囲は、本発明にかかる回折センサの実際の実施形態のための有利な部分範囲を表す。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、第１のユニットセルにおける第１のタイプの親和性要素の濃度または空間的配置と、（噛み合った親和性格子の）第２のユニットセルにおける第２のタイプの親和性要素の濃度または空間的配置とは異なる。「異なる濃度」は、同じ体積の第１および第２のユニットセル中の異なる数の親和性要素を示すのに対して、「異なる空間的配置」は、第１および第２のユニットセル中の親和性要素の数が同じであり得るが、第１および第２のユニットセル中の親和性要素の空間的分布が有意に異なる場合を包含することを意図している。

親和性要素の濃度または空間的配置のこの差は、一般に、第１のユニットセル中の第１のタイプの親和性要素と第２のユニットセル中の第２のタイプの親和性要素とが同一であるか異なるかに依存しない。しかしながら、回折センサの一実施形態では、第１のユニットセル内の第１のタイプの親和性要素と第２のユニットセル内の第２のタイプの親和性要素とは同一である。標的分子がこの（同一の）タイプの親和性要素に結合する場合、第１および第２のユニットセルにおける親和性要素の異なる濃度または異なる空間的配置に起因して、異なる量（質量）の標的分子が第１のユニットセルおよび第２のユニットセルに結合される。

例えば、第１および第２のユニットセルにおける親和性要素の空間的分布は、第１のユニットセルにおける２つ以上の親和性要素が同じ標的分子に結合し、一方、第２のユニットセルにおいて、各親和性要素が１つの標的分子に結合するようなものとすることができる。その結果、第１のユニットセルの親和性要素に結合した標的分子の総質量は、第２のユニットセルの親和性要素に結合した標的分子の総質量よりも小さい。さらに、２つの親和性要素が標的分子に結合する場合、親和性は、２つの個々の親和性要素の追加された親和性よりも高い、すなわち、相乗的な結合または結合活性効果がある。しかしながら、第１のユニットセルおよび第２のユニットセルの双方の親和性要素に結合した標的分子は、コヒーレント光を検出位置に回折させるため、逆位相で、差動信号が検出位置に生成され、これが検出され、標的分子の存在を決定するために使用されることができる。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、第１のタイプの親和性要素は、第２のタイプの標的分子に対して非結合性（不活性）であるか、または第２のタイプの親和性要素は、第１のタイプの標的分子に対して非結合性（不活性）であるか、またはその双方である（すなわち、第１のタイプの親和性要素は、第２のタイプの標的分子に対して非結合であり、第２のタイプの親和性要素は、第１のタイプの標的分子に対して非結合である）。さらに、第１のタイプの親和性要素および第２のタイプの親和性要素は、好ましくは、バックグラウンド分子（すなわち、標的分子以外の分子）に結合する同様の、好ましくは最小の能力を可能にする。

実際には、標的分子は、－１つのタイプの親和性要素に優先的に結合するが－他のタイプの親和性要素にも結合することが多い（しかしながら、かなり小さい親和性を有する）。そのようなシナリオは、第１のタイプの親和性要素が第２のタイプの標的分子に対して非結合であり、その逆も同様であると述べる場合に含まれる（これに関して完全な親和性要素は存在しないため）。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、２つの噛み合った親和性格子のうちの少なくとも１つ（すなわち、２つの噛み合った格子のうちの１つのみ、または２つの噛み合った格子の双方）は、散乱要素を結合することができる結合部位をさらに含む。散乱要素を結合することができるそのような結合部位は、基板内または基板上に配置されてもよいが、特に、ユニットセルに配置されてもよい。散乱要素に結合することができるそのような結合部位は、本質的にバイアス信号を増加させないが、散乱要素を追加することを可能にし、散乱要素は、散乱要素に結合することができるこれらの結合部位に結合することができる。散乱要素の追加は、アッセイの前または最中に行われてもよい。

本発明にかかる回折センサのいくつかのさらなる実施形態では、２つの噛み合った親和性格子のうちの少なくとも１つ（すなわち、２つの噛み合った格子のうちの１つのみ、または２つの噛み合った格子の双方）は、散乱要素をさらに含む。散乱要素を結合することができる結合部位と同様に、散乱要素は、一般に、基板内または基板上に配置されてもよいが、特に、ユニットセルに配置されてもよい。いくつかの実施形態（散乱要素を結合することができる結合部位を含む実施形態）では、散乱要素は、散乱要素を結合することができる結合部位に結合される。他の実施形態（散乱要素を結合することができる結合部位を含まない）では、散乱要素は、基板内または基板上またはユニットセルに配置されてもよい。「散乱要素」という用語は、親和性格子のユニットセルの散乱能または散乱強度を変化させる要素（標的分子以外）を示すと理解されるべきである。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、散乱要素は、散乱能／強度の調整または散乱要素の除去を可能にするように調整可能または開裂可能である。「調整可能」は、散乱要素の散乱能／強度が変化することができることを意味する。例として、散乱要素が電気光学材料から作製される場合、散乱要素の散乱能／強度は、外部電場の印加によって変化することができる。「開裂可能」は、散乱要素が除去可能とすることができることを意味する。散乱能／強度のそのような変化（または散乱要素の開裂／除去さえも）は、バイアス信号を調整するのに役立つことができる。

本発明にかかる回折センサのいくつかの実施形態では、２つの噛み合った親和性格子が基板の表面上に配置されている。一般に、そのような実施形態では、所定のビーム生成位置および所定の検出位置は、基板の同じ側（例えば、所定のビーム生成および所定の検出位置は双方とも基板の上方または下方に配置される）または基板の異なる側（例えば、一方は基板の上方に位置し、他方は基板の下方に位置する）に配置されてもよい。さらなる態様によれば、そのような回折センサは、所定のビーム生成位置から到来するコヒーレント光を基板の表面上に配置された２つの噛み合った親和性格子へ方向付けるように構成および配置された光カプラをさらに備えることができる。また、なおさらなる態様によれば、そのような回折センサは、２つの噛み合った親和性格子によって回折されたコヒーレント光を所定の検出位置へ方向付けるように構成および配置された光デカプラをさらに備えることができる。

他の実施形態では、本発明にかかる回折センサは、基板の表面に配置された共振導波構造をさらに備えてもよい。共振構造は、所定のビーム生成位置において生成された所定の波長のコヒーレント光を共振導波路構造内に結合して、基板に面する共振導波路構造の表面の反対側の共振導波路構造の最外面に沿って伝播するエバネッセント場を生成することを可能にするように構成されている。２つの噛み合った親和性格子は、共振導波構造の最外面に配置されている。

そのような共振導波構造は、一実施形態では、異なる屈折率を有する材料の誘電体層のスタックを含む多層共振構造を含み、交互に上下に配置され（すなわち、より高い屈折率の層、より低い屈折率の層、より高い屈折率の層、より低い屈折率の層など）、基板に面する表面の反対側の最外面でブロッホ表面波の生成を可能にする。例えば、そのような誘電体層の垂直に積層された配置では、所定の波長のコヒーレント光は、最下層内に結合されてもよく、次いで、最下層のすぐ上に配置された隣接層内に結合され、最上層に到達するまで続く。前記最上層内に結合されたコヒーレント光は、この最上層内を伝播し、そのエバネッセント場は、この最上層の最上面に沿って伝播する。次いで、２つの噛み合った親和性格子が、この最上面に配置されている。

本発明にかかる回折センサの他の実施形態では、基板の表面上に配置された共振導波路構造は、（単一の）平面導波路であってもよく、２つの噛み合った親和性格子は、基板に面する平面導波路の表面とは反対側の平面導波路の表面上に配置されている。ここでも、平面導波路内に結合されたコヒーレント光は、平面導波路に沿って伝播し、そのエバネッセント場は、基板に面する平面導波路の表面とは反対側の平面導波路の表面に沿って伝播する。基板に面する表面とは反対側の平面導波路のこの表面上に、２つの噛み合った親和性格子が配置されている。

本発明にかかる回折センサのいくつかのさらなる実施形態では、平面導波路は、ビーム生成位置において生成され、基板に面する表面とは反対側の平面導波路の表面に沿った１つ以上の所定の方向に平面導波路内に結合された所定の波長のコヒーレント光を導くように構造化されている。そのような構造化導波路は、コヒーレント光を実質的に任意の所望の方向に導くことを可能にし、その結果、この構成は、いわゆるフォトニック集積回路（ＰＩＣ）を形成するのに有利であり得る。

本発明にかかる回折センサのまたさらなる実施形態では、センサは、平面導波路上に配置され、且つ、ビーム生成位置において生成されたコヒーレント光のビームを平面導波路内に結合して２つの噛み合った親和性格子に衝突するように構成された光カプラ（例えば、結合格子）をさらに備えることができる。また、本発明にかかる回折センサのさらなる実施形態では、センサは、平面導波路上に配置され、且つ、２つの噛み合った親和性格子によって回折されたコヒーレント光を平面導波路から分離し、それを所定の検出位置へ方向付けるように構成された光デカプラ（例えば、分離格子）をさらに備えることができる。

本発明にかかる回折センサのいくつかのさらなる実施形態では、センサは、２つの噛み合った親和性格子によって回折されたコヒーレント光を検出するための検出器をさらに備えてもよく、検出器は、平面導波路または基板に一体化されている。そのような実施形態では、検出器は、既に所定の検出位置に配置されているため、センサは、ビーム生成位置に対して正確に位置決めされなければならず、２つの噛み合った親和性格子に対する検出器のいかなる位置決めももはや必要とされない。また、本発明にかかる回折センサのさらにいくつかのさらなる実施形態では、センサは、所定の波長のコヒーレント光のビームを生成するための光源をさらに備えることができ、光源は、平面導波路または基板に一体化されている。そのような実施形態では、光源は、２つの噛み合った親和性格子に対する光源のいかなる位置決めももはや必要とされないように、ビーム生成位置に既に配置されている。センサが平面導波路または基板に一体化された光源と検出器の双方を含む場合、２つの噛み合った格子に対する光源の位置決めも検出器の位置決めももはや必要とされない。むしろ、これらの構成要素は、既にセンサに一体化されており、適切な位置に配置されている。

本発明にかかる回折センサの他の実施形態では、基板の表面上に配置された共振導波路構造は金属層を含み、２つの噛み合った親和性格子は、基板に面する金属層の表面とは反対側の金属層の表面上に配置されている。例として、基板の表面上に配置された共振導波構造は、単一の金属層であってもよく、これは、基板に面する金属層の表面とは反対側の金属層の表面において伝播表面プラズモンの生成を可能にする。ここで、金属層内に結合されたコヒーレント光は、金属層（すなわち、伝播する表面プラズモン内に結合する）に沿って伝播し、そのエバネッセント場は、基板に面する金属層の表面とは反対側の金属層の表面に沿って伝播する。基板に面する金属層の表面とは反対側の金属層のこの表面上に、２つの噛み合った親和性格子が配置されている。

本発明にかかる回折センサのさらにいくつかのさらなる実施形態では、第１の格子の第１のユニットセルに含まれる第１のタイプの親和性要素および第２の格子の第２のユニットセルに含まれる第２のタイプの親和性要素は、生体直交結合化学を使用して得られる。第１のタイプの親和性要素（第１の格子のユニットセルに含まれる）および第２のタイプの親和性要素（第２の格子のユニットセルに含まれる）を得るための生体直交結合化学の使用は、１つのタイプの親和性要素（第１のタイプまたは第２のタイプのいずれか）が標的分子として生体分子と結合することを可能にするが、それぞれの他のタイプの親和性要素－第２のタイプまたは第１のタイプ－は、標的分子として生体分子と結合することができない。

さらなる有利な態様および実施形態は、概略図を用いて本発明の態様および実施形態の以下の説明から明らかになる。
２つの噛み合った親和性格子が基板の表面上に配置されている、本発明にかかる回折センサの実施形態を示している。 平面導波路が基板の表面上に配置され、２つの噛み合った親和性格子が、基板に面する平面導波路の表面とは反対側の平面導波路の表面上に配置されている、本発明にかかる回折センサの実施形態を示している。 平面導波路が基板上に配置され、光カプラもしくは光デカプラまたはその双方が平面導波路上に配置されている、本発明にかかる回折センサの実施形態を示している。 本発明にかかる回折センサの２つの噛み合った親和性格子の第１および第２のユニットセルの１次元、２次元および３次元の実施形態を示している。 同一または異なる親和性要素を有し、散乱要素を有するまたは有しない、２つの噛み合った親和性格子の第１および第２のユニットセルの実施形態を示している。 散乱要素に対する結合部位を有する（およびこれらの結合部位に結合されているそのような散乱要素の有無にかかわらず）、２つの噛み合った親和性格子の第１および第２のユニットセルの実施形態を示している。 組み合わされた親和性要素／散乱要素ならびに別個の親和性要素および散乱要素を有する第１および第２のユニットセルのさらなる実施形態を示している。 アッセイ中の異なる時間における第１および第２のユニットセルのさらなる実施形態を、経時的なそれぞれの散乱質量差とともに示している。 アッセイ中の異なる時間における第１および第２のユニットセルのさらなる実施形態を、アッセイ中のそれぞれの強度の経時変化とともに示している。 アッセイ中の異なる時間における、第１のユニットセルおよび第２のユニットセルの一方の親和性要素に結合することができる標的の群から特定の標的を検出するための第１のユニットセルおよび第２のユニットセルのさらなる実施形態を、経時的なそれぞれの散乱質量差とともに示している。 アッセイ中の異なる時間における、親和性要素に結合した特定量の標的を検出するための第１および第２のユニットセルのさらなる実施形態を、経時的なそれぞれの強度および経時的なそれぞれの質量差とともに示している。 本発明にかかる複数の回折センサを含むアレイを示している。 生体直交結合化学を使用した第１および第２のユニットセルにおける親和性要素の固定化中の反応速度論を示すための、２つの噛み合った親和性格子の散乱質量の差を表す信号を示している。

図１には、本発明にかかる回折センサ１の実施形態が示されている。図１に示す実施形態では、２つの噛み合った親和性格子２（参照符号２によって総称されるが、第１の親和性格子２０および第２の親和性格子２１を含み、図４を参照）が基板３の表面上に配置されている。図１の左側には、所定の波長のコヒーレント光のビームを生成することができる光源４（単色光源）が回折センサ１の下方の所定のビーム生成位置４０に配置され、ビーム成形開口部４１が光源４から回折センサ１に向かうコヒーレント光のビームの光路に配置されている実施形態が示されている。コヒーレント光のビームを基板３内に結合し、コヒーレント光のビームを噛み合った親和性格子２に衝突するように方向付けるために、光カプラ１０が基板３の下面に配置されている。検出器５は、基板３の上方の所定の検出位置５０に配置され、ビーム成形開口部５１は、２つの噛み合った親和性格子２によって回折される光ビームの光路に配置されている。コヒーレント光の光路が可逆的であるために、光源４および検出器５の位置が交換されることができることは言うまでもないが、これは、コヒーレント光のビームのそれぞれの部分における２つの矢印によって示されている。所定のビーム生成位置４０（すなわち、光源４が配置されている位置）および所定の検出位置５０（すなわち、検出器５が配置されている位置）、ならびに光源４によって生成されたコヒーレント光のビームの波長が知られていなければならないことはさらに注目に値し（センサの可能な調整範囲に関する上述した意見を参照）、２つの噛み合った親和性格子２は、所定のビーム生成位置４０、所定の検出位置５０、および光源４の所定の波長のこの特定の組み合わせについてのみ、回折センサ１が以下にさらに説明される方法で動作可能であるように構成されている。

図１の右側に示されている回折センサ１の実施形態は、図１の左側に示されている実施形態と非常に類似している。ここでの相違点は、光源４および検出器５の双方が基板３の下方に配置され、光カプラ１０がカプラ（光源４から到来するコヒーレント光のビーム用）およびデカプラ（２つの噛み合った親和性格子２から到来する回折光のビーム用）の双方として同時に機能することである。

一見すると、図１に示す回折センサ１の実施形態は周知であるように見えるが、２つの噛み合った親和性格子２（より詳細に説明される）は、本発明の回折センサ１を従来技術のセンサよりも特別で優れたものにする。

図２には、平面導波路６が基板３の表面上に配置され、２つの噛み合った親和性格子２が、平面導波路６の、基板３に面する平面導波路６の表面とは反対側の平面導波路６の表面上に配置されている、本発明にかかる回折センサ１の実施形態が示されている。さらに、図２の左側に示す実施形態では、光源４、開口部４１、検出器５、および開口部５１は、平面導波路６または基板３のいずれかに配置されているという点で、回折センサ１に一体化されている。したがって、図１の左側に示す実施形態は、完全なフォトニック集積回路を表す。図２の右側に示される実施形態では、光源４および開口部４１は、回折センサ１内に一体化されておらず、回折センサ１の外部にあるが、検出器５および開口部５１は、センサ内に一体化されている。あるいは、図２の右側に示す実施形態では、光源４および開口部４１は、センサ１に一体化されてもよく、検出器５および開口部５１は、センサ１の外部に配置されてもよい。

図３には、ここでも基板３上に平面導波路６が配置されている、本発明にかかる回折センサ１の実施形態が示されている。左側に示されている回折センサ１の実施形態は、図２の右側に示されている実施形態と非常に類似しているが、さらに、光カプラ１０が平面導波路６の表面に配置され、したがって回折センサ１の一体部分を形成する。光カプラ１０は、光源からのコヒーレント光が平面導波路６内を伝播して２つの噛み合った親和性格子２に衝突するように、コヒーレント光を平面導波路６内に結合する。これらの２つの噛み合った親和性格子２によって回折されたコヒーレント光は、センサ１に一体化され、平面導波路６または基板３のいずれかに配置された検出器５に（開口部５１を介して）入射する。ここでも、光源４が外部にあり、検出器５がセンサ１に一体化されている代わりに、光源４がセンサ１の一体部分を形成し、検出器５がセンサ１の外部に配置されてもよいことも考えられることに留意されたい。

図３の右側に示されている回折センサ１の実施形態は、光源４（および関連する開口部４１）ならびに検出器５（および関連する開口部５１）の双方が回折センサ１の外部にある（すなわち、それらのいずれもセンサ１に一体化されていない）という点で、左側に示されている実施形態とは異なる。しかしながら、光源４から到来するコヒーレント光を（開口部４１を介して）平面導波路６内に結合し、それを２つの噛み合った親和性格子２に衝突するように方向付け、２つの噛み合った親和性格子２によって回折された光を平面導波路６から分離し、それを（開口部５１を介して）検出器５に衝突するように方向付けるために、光カプラ１０ならびに光デカプラ１１が平面導波路６上に配置されている。したがって、図３の右側に示されている回折センサ１の実施形態では、光カプラ１０および光デカプラ１１は、回折センサ１に一体化されている。

図１～図３の助けを借りて、回折センサ１がより一般的な構造的観点からどのように見えるかについて実施形態が説明された。以下では、２つの噛み合った親和性格子２がどのように具現化されることができ、それらがどのように機能するかについて説明される。

一般に、２つの噛み合った格子２は、１次元の噛み合った親和性格子、２次元の噛み合った親和性格子、または３次元の噛み合った格子として具現化されることができる。図４に見られるように、１次元、２次元または３次元にかかわらず、２つの噛み合った親和性格子２（図１～図３において総称される）は、一般に、第１の親和性格子２０および第２の親和性格子２１を備える。第１の親和性格子２０は、第１のユニットセル２００を含み、第２の親和性格子２１は、第２のユニットセル２１０を含む。第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０のそれぞれは、親和性要素（以下により詳細に説明する）を含む。第１のユニットセル２００は、第１のタイプの親和性要素を含み、第２のユニットセル２１０は、第２のタイプの親和性要素を含む。一般に、第１のタイプの親和性要素および第２のタイプの親和性要素は同一であり得るが、好ましくは、第１のタイプの親和性要素および第２のタイプの親和性要素は異なる。一般に、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の寸法（少なくともコヒーレント光の伝播方向）は、コヒーレント光の所定波長よりも小さい。コヒーレント光の伝播方向は、図４において矢印Ｐによって示されている。

図４に示す最上段の実施形態では、第１のユニットセル２００（点線によって囲まれている）および第２のユニットセル２１０（破線によって囲まれている）は、第１のユニットセル２００を含む１次元の第１の親和性格子２０のものおよび第２のユニットセル２１０を含む第２の１次元の親和性格子２１のものであり、伝播方向は矢印Ｐによって示されている。そのような１次元の親和性格子２０、２１は、コヒーレント光が伝播する交互に配置された第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０のフィラメント状構造として具現化されることができる。このフィラメント状構造に起因して、１次元の親和性格子は、図４に示されている直線構成に幾何学的に配置されている必要はなく、これらのユニットセルを通って伝播するコヒーレント光が、例えばフォトニック集積回路の場合のように、任意の所望の方向に導かれることができるように、様々な他の幾何学的配置に配置されてもよい。

親和性要素に結合した標的分子、または第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に含まれる散乱要素によって回折された所定の波長のコヒーレント光は、第１の親和性格子２０（ユニットセル２００を含む）および第２の親和性格子２１（ユニットセル２１０を含む）が１次元、２次元、または３次元の親和性格子として具現化されているかどうかにかかわらず、検出器５（図１～図３を参照）が配置されている同じ所定の検出位置５０に回折される。

図４の左側に示す下側の実施形態では、第１のユニットセル２００は、２次元の第１の親和性格子２０のユニットセルのものであり、第２のユニットセル２１０は、２次元の第２の親和性格子２１のユニットセルのものである。コヒーレント光の伝播方向は、同様に矢印Ｐによって示されている。

最後に、図４の右側に示す下側実施形態では、第１のユニットセル２００は、３次元第１の親和性格子２０のものであり、ユニットセル２１０は、３次元第２の親和性格子２１のものである。この実施形態では、ブラッグ条件は、光源４が所定のビーム生成位置４０に配置され、検出器５が所定の検出位置５０に配置されているとき、第１の親和性格子２０（第１のユニットセル２００を含む）および第２の親和性格子２１（第２のユニットセル２１０を含む）のそれぞれについて満たされなければならない。

１次元、２次元、または３次元にかかわらず、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素に結合した標的分子（または第１のユニットセル２００に配置された任意の散乱要素）によって回折されたコヒーレント光は、所定の検出位置５０に回折され、検出器５は、この所定の検出位置５０において第１の位相と建設的に干渉するように配置されている。第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素に結合した標的分子（または第２のユニットセル２１０に配置された任意の散乱要素）によって回折されたコヒーレント光はまた、所定の検出位置５０に回折され、検出器５は、この所定の検出位置５０において第２の相と建設的に干渉するように配置されている。しかしながら、この第２の位相は、第１の位相と逆であるため、検出器５が配置された所定の検出位置５０において、第１の位相を有する回折光と第２の位相を有する回折光とが干渉する。あるいは別の言い方をすれば、２つの噛み合った格子２０および２１は、光学コンパレータを形成する。

ここで図５を参照して、２つの噛み合った親和性格子、すなわち第１の親和性格子２０および第２の親和性格子２１の第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０がどのように具現化されることができるかについて、実施形態が記載される。簡略化のため、図５以降では、第１の親和性格子２０の一方の第１のユニットセル２００と、第２の親和性格子２１の隣接して配置された一方の第２のユニットセル２１０のみが示されている。ここでも、第１の親和性格子２０の第１のユニットセル２００は、点線によって囲まれ、第２の親和性格子２１の第２のユニットセル２１０は、破線によって囲まれている。

図５に示す最上段の実施形態から分かるように、第１のタイプの親和性要素２０１（「Ｙ」の２つの上腕が交わる位置において部分的に塗りつぶされたＹ字形によって示される）は、第１のユニットセル２００に配置され、異なる第２のタイプの親和性要素２１１（塗りつぶされていないＹ字形によって示される）は、第２のユニットセル２１０に配置されている。第１のタイプの標的分子は、第１のタイプの親和性要素２０１にのみ結合してもよく、第２のタイプの標的分子（第１のタイプの標的分子とは異なる）は、第２のタイプの親和性要素２１１にのみ結合してもよい。第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０には、サンプル中に第１のタイプの標的分子または第２のタイプの標的分子が含まれているか否かを検出するために、分析対象のサンプルが適用されてもよい。第１のタイプの標的分子がサンプルに含まれる場合（その結果、第１のタイプの親和性要素２０１に結合し、それによって第１のユニットセル２００の散乱質量を変化させる）、第１の位相を有する検出位置において信号が生成される。第２のタイプの標的分子が分析対象のサンプルに含まれる場合（その結果、第２のタイプの親和性要素２１１に結合し、それによって第２のユニットセル２１０の散乱質量を変化させる）、第２の位相（第１の位相の逆）を有する検出位置において信号が生成される。第１のタイプの標的分子または第２のタイプの標的分子がサンプル中に含まれているかどうかがどのようにして検出されることができるかは、特定の実施形態に関連して以下にさらに記載される。

図５の上から２番目の実施形態では、同じタイプの親和性要素２０１が第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に配置されているが、異なる濃度で配置されている（これは、第１のタイプの２つの親和性要素２０１が第１のユニットセル２００に配置されている一方で、第１のタイプの１つの親和性要素２０１のみが第２のユニットセル２１０に配置されていることによって示されている）。その結果、分析対象のサンプルに第１のタイプの標的分子が含まれている場合、第１のタイプの標的分子のうちの２つの標的分子は、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの２つの親和性要素２０１に結合し、第１のタイプの標的分子のうちの１つの標的分子（同種）のみが第２のユニットセル２１０に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合する。したがって、第１のユニットセル２００の散乱質量の変化は、第２のユニットセル２１０の散乱質量の変化よりも大きく、その結果、対応する差動信号が検出位置において生成される。図面には示されていないが、同じ結果は、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０内の同じタイプの親和性要素（例えば、第１のタイプの親和性要素２０１）の異なる空間的配置によって達成されることができる。すなわち、同じ量の第１のタイプの親和性要素２０１が第１のユニットセルおよび第２のユニットセルに含まれることができるが、第１のユニットセル２００および第２のユニットセルにおける第１のタイプの親和性要素２０１の空間的配置は、大きく異なることができる。第１のユニットセル２００において、複数の親和性要素２０１は、それらが第１のタイプの１つのみの標的分子に結合することができるように配置され、一方、第２のユニットセルにおいて、各親和性要素２０１は、第１のタイプの１つの標的分子に結合し、その結果、最終的に、異なる総数の第１のタイプの標的分子が、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に含まれる親和性要素２０１に結合する。

図５の上から３番目の実施形態では、第１のタイプの親和性要素２０１が第１のユニットセル２００内に存在してもよく、第２のタイプの親和性要素２１１が第２のユニットセル２１０内に存在してもよいことが示されている。さらに、異なる濃度の親和性要素および／または異なる空間的配置の親和性要素が、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に存在してもよい。

図５の下から３番目の実施形態では、一方のユニットセルに（標的分子以外の）散乱要素が設けられることができることが示されている。この実施形態では、第２のタイプの散乱要素２１２（塗りつぶし四角によって示される）が第２のユニットセル２１０に配置されている。図５に示す下から２番目の実施形態では、第１のタイプの散乱要素２０２が第１のユニットセル２００に配置され（塗りつぶし円によって示される）、第２のタイプの散乱要素２１２が第２のユニットセル２１０に配置されている。図５に示す最下段の実施形態では、１つのタイプの散乱要素、ここでは第１のタイプの散乱要素２０２のみが、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に配置されてもよいが、異なる濃度であってもよいことが示されている。

図５に示す実施形態では、第１のタイプの散乱要素２０２および第２のタイプの散乱要素２１２は、除去可能ではなく（例えば、それらはユニットセルに固定化されていてもよい）ユニットセルに配置されている。ユニットセル内の散乱要素の配置は、（散乱質量の差に対応する、上記を参照）特定のレベルのバイアス信号を検出位置において提供する１つの方法であってもよい。

ここで図６を参照すると、図６に示す最上段の実施形態では、第１のタイプの散乱要素２０２を結合することができる結合部位（半円形状のカップ状要素によって示される）が、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０のうちの一方に配置されてもよい。図示の実施形態では、第１のタイプの結合部位２０３が第１のユニットセル２００に配置されている。そのような結合部位２０３は、実際には、検出器におけるバイアス信号を変化させないが、第１のタイプの散乱要素２０２を第１のユニットセル２００に加え、（図６に示す第２の最下段の実施形態に示すように）第１のタイプの結合部位２０３に結合させることを可能にし、また、これが望ましくなる場合には、結合部位２０３から開裂されることによって散乱要素２０２が第１のユニットセル２０１から除去されることも可能にする。図６の上から２番目の実施形態では、第１のユニットセル２００には、第１のタイプの散乱要素２０２を結合可能な第１のタイプの結合部位２０３が配置され、第２のユニットセル２１０には、第２のタイプの散乱要素２１２を結合可能な第２のタイプの結合部位２１３（上面が開口した正方形状のカップ状要素で示される）が配置されている。これは、（図６の最下段の実施形態に示すように）第１のタイプの散乱要素２０２および第２のタイプの散乱要素２１２が対応する第１のタイプの結合部位２０３および第２のタイプの結合部位２１３に結合するように、これらを第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０に加えることを可能にする。また、これは、結合部位から開裂されることによって、ユニットセルから散乱要素（例えば、アッセイ中に）を後に除去することを可能にする。

ここで図７を参照すると、結合された親和性要素／散乱要素２１５（Ｙ字形の親和性要素が付着した塗りつぶし五角形によって示される）が第２のユニットセル２１０に配置されている一方で、別個の親和性要素２０１および散乱要素２０２が第１のユニットセル２００に配置されている実施形態が示されている。別個の散乱要素２０２は、センサによって生成されたバイアスを所望の範囲に保つために、第１のユニットセル２００に配置され、第２のユニットセル２１０に配置された親和性要素／散乱要素２１４の組み合わせの散乱質量を補償する。

図８の上部に示す実施形態を参照すると、アッセイ中の第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の状態、ならびにアッセイ中の時間ｔ（横軸）にわたる散乱質量差Δｍ（縦軸）を示す対応する図が示されている。

第１のユニットセル２００は、第１のタイプの親和性要素２０１と、第１のタイプの散乱要素２０２に結合することができる第１のタイプの結合部位２０３とを含む。既に述べたように、結合部位２０３は、実際には検出器においていかなるバイアス信号も生成しない。第２のユニットセル２１０は、第２のタイプの親和性要素２１１を含む。このアッセイでは、第２のタイプの標的分子２１４が分析対象のサンプルに含まれ、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合することが知られており、親和性要素２１１に結合する標的分子２１４の量（散乱質量）も知られている。

期間ｔ０の間、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の初期状態が示されている。経時的な散乱質量差（ｔに対するΔｍ）を示す図では、これは実質的にゼロである散乱質量差Δｍによって表され、非常に小さい散乱質量差に対応するバイアスが検出器５において生成される。上記でさらに説明したように、一般に、バイアスは、０．００１ｐｇ／ｍｍ^２から３００００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内にある第１の親和性格子２０および第２の親和性格子２１の散乱質量差（第１の親和性格子の全てのユニットセル２００および第２の親和性格子２１の全てのユニットセル２１０を含む）に対応することができ、多くの実際的な実施形態では、バイアスは、０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１０００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内、より具体的には０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内、さらにより具体的には１ｐｇ／ｍｍ^２から１０ｐｇ／ｍｍ^２の範囲内にある散乱質量差に対応することができる。上述した実施形態と同様に、以下では、１つの第１のユニットセル２００および１つの第２のユニットセル２１０のみが見られる。

期間ｔ１の間、第２のタイプの標的分子２１４（下向きの先端を有する塗りつぶされた三角形によって示される）は、センサ１、特にセンサ１の２つの噛み合った親和性格子２（図１～図３を参照）、すなわち、第１のユニットセル２００を含む第１の親和性格子２０および第２のユニットセル２１０を含む第２の親和性格子２１に適用される。第２のタイプの親和性要素２１１（塗りつぶされていないＹ字形）のみが第２のタイプの標的分子２１４と結合することができるため（これに関して、親和性要素が１つのタイプの標的分子にのみ結合する能力に関して上記の意見を参照）、標的分子２１４は、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１にのみ結合し、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１には結合しない。図から分かるように、第２のユニットセル２１０に含まれる親和性要素２１１への第２のタイプの標的分子２１４のこの結合は、散乱質量差Δｍの増加をもたらす。

期間ｔ１の終了時に（あるいはアッセイ中に動的に）、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの結合部位２０３に結合する第１のタイプの散乱要素２０２（塗りつぶし円）が追加される。追加された散乱要素２０２の量（散乱質量）は正確に知られている。したがって、散乱要素２０２を追加した後、散乱質量差Δｍ（したがって、バイアス）は、期間ｔ２において再び小さくなる。次いで、散乱質量差Δｍを表す検出器における信号が測定されることができ、散乱要素２０２の追加量（散乱質量）が正確に知られているため、安価な測定機器を使用して第２のタイプの親和性要素２１１に実際に結合した第２のタイプの標的分子２１４の正確な量（散乱質量）を非常に正確に決定することが可能である。ユニットセル２００に結合部位２０３を有する代わりに、ユニットセル２００または２１０に調整可能な散乱要素を有することによっても同じ機能を達成されることができることは当業者にとって明らかである。

ここで図８の下部に示されている実施形態を参照すると、ここでも、別のアッセイ中の第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の状態が示され、アッセイ中の時間ｔ（横軸）にわたる散乱質量差Δｍ（縦軸）を示す図が示されている。

ユニットセル２００は、ここでも第１のタイプの親和性要素２０１を含むが、この実施形態では、第１のユニットセル２００は、第１のユニットセル２００に固定化されることができる既知量（散乱質量）の散乱要素２０２をさらに含む。第２のユニットセル２１０は、ここでも第２のタイプの親和性要素２１１を含む。このアッセイでは、第２のタイプの標的分子２１４が、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合することがここでも知られており、これらの親和性要素２１１に結合する標的分子の量（散乱質量）も知られている。

時間ｔ０では、第１のユニットセル２００内に散乱要素２０２が存在するので、第２のタイプの標的分子２１４がセンサ１にまだ適用されていないため、散乱質量差Δｍが大きい。第２のタイプの標的分子２１４がセンサに適用されると、それらは第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合し、その結果、散乱質量差Δｍは、散乱質量差Δｍが再び小さくなるまで減少する。次いで、散乱質量差Δｍを表す検出器における信号が測定されることができ、第１のユニットセル２００に固定化された散乱要素２０２の量（散乱質量）は正確に知られているため、安価な測定機器を使用して、第２のタイプの親和性要素２１１に実際に結合した第２のタイプの標的分子２１４の正確な量（散乱質量）を非常に正確に決定することが可能である。

図８に示される実施形態から、図８の上部に示される実施形態における散乱質量差Δｍは、最初に正の符号を有することが分かる（標的分子２１４は、散乱要素２０２を第１のユニットセル２００に加えることによって散乱質量補償が行われる前に第２のユニットセル２１０の親和性要素２１１に結合するため）。図８の下部に示される実施形態では、散乱質量差は、（第２のユニットセル２１０の親和性要素２１１に結合する標的分子２１４によって散乱質量補償が行われる前に第１のユニットセル２００において散乱質量がより大きいために）最初に負の符号を有する。検出器５が配置された所定の検出位置５０に回折されたコヒーレント光に関して、これは、図８の上部に示された実施形態では、第２のユニットセルの親和性要素２１１に結合した標的分子２１４によって回折されたコヒーレント光が、検出位置において建設的に干渉し、（散乱要素２０２を第１のユニットセル２００に追加することによって散乱質量補償が開始される前に）第２の位相を有することを意味する。これとは対照的に、図８の下部に示される実施形態では、第１のユニットセル２００の散乱要素２０２によって回折されたコヒーレント光は、検出器５が第２の相と逆の第１の相で配置されている検出位置５０において建設的に干渉する（散乱質量補償が、標的分子２１４をセンサに適用し、標的分子を第２のユニットセル２１０の親和性要素２１１に結合させることによって開始する前）。

図９の上部に示される実施形態を参照すると、分析対象のサンプルに含まれる標的分子が、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合するか、または第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合するかが分からないアッセイを開始する前の初期状態における第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の状態が示されている。ここで、標的分子が第１のユニットセル２００に結合しているか第２のユニットセル２１０に結合しているかの検出は、検出器５が異なる時点ｔ１、ｔ２に配置されている所定の検出位置５０において検出される強度Ｉの変化を監視することによって可能である。その目的のために、第１のユニットセル２００には、第１のタイプの親和性要素２０１、ならびに既知量（散乱質量）の散乱要素２０２が結合した複数の結合部位２０３が配置され、結合部位２０３から開裂可能である。ここで、標的分子がセンサに加えられ、これらの標的分子が、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合するか、または第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合するかが決定されるべきである。

図９の上部に示される実施形態の左側の分岐に続いて、分析対象のサンプルに含まれる標的分子は、第１のタイプの標的分子２０４（下向きの先端が切り取られた三角形）であり、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合する。これは、左側の分岐の下方の図（強度Ｉ－縦軸；時間ｔ－横軸）に見られるように、時間ｔ１に検出器において測定される第１の強度Ｉをもたらす。検出器における信号のこの第１の強度Ｉは、第１のユニットセル２００（散乱要素２０２の散乱質量＋親和性要素２０１に結合した第１のタイプの標的分子２０４の散乱質量）と第２のユニットセル２１０との散乱質量の差によって引き起こされる。

次に、散乱要素２０２が開裂され、第１のユニットセル２００から除去される。これは、散乱質量差の減少をもたらし、したがって、時間ｔ２に検出器において測定される強度Ｉの減少をもたらす。この強度Ｉの変化（減少）から、サンプルに含まれる標的分子は、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合した第１のタイプの標的分子２０４でなければならないことが検出されることができる。

図９の上部の実施形態の右側の分岐に続いて、分析対象のサンプルに含まれる標的分子は、第２のタイプの標的分子２１４（下向きの先端を有する三角形）であり、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合する。これは、右側の分岐の下方の図（強度Ｉ－縦軸；時間ｔ－横軸）に見られるように、時間ｔ１に検出器において測定される第１の強度Ｉをもたらす。この検出器における信号の第１の強度Ｉは、第１のユニットセル２００（散乱要素２０２）と第２のユニットセル２１０との散乱質量（親和性要素２１１に結合した標的分子２１４の散乱質量）の差によって引き起こされる。

次に、散乱要素２０２が開裂され、第１のユニットセル２００から除去される。これは、第１のユニットセル２００と第２のユニットセル２１０との間の散乱質量差の増加をもたらし、したがって、時間ｔ２に検出器において測定される強度Ｉの増加をもたらす。この強度Ｉの変化（増加）から、サンプルに含まれる標的分子は、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合した第２のタイプの標的分子２１４でなければならないことが検出されることができる。

図９の下部に示される実施形態を参照すると、分析対象のサンプルに含まれる標的分子が、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合するか、または第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合するかが分からないアッセイを開始する前の初期状態における第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の状態が示されている。標的分子が第１のユニットセル２００に結合しているか第２のユニットセル２１０に結合しているかは、検出器５が異なる時点ｔ１、ｔ２に配置されている所定の検出位置５０において検出される強度Ｉの変化を監視することによって検出されることができる。しかしながら、図９の上部に示された実施形態とは対照的に、散乱要素２０２は、第１のユニットセル２００に配置されず、そのような散乱要素２０２を結合することができる結合部位２０３のみが第１のユニットセル２００に配置されている。ここで、サンプルの標的分子がセンサに加えられ、これらの標的分子が、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合するか、または第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合するかが決定されるべきである。

図９の下部の実施形態の左側の分岐に続いて、分析対象のサンプルに含まれる標的分子は、ここでも第１のタイプの標的分子２０４（下向きの先端が切り取られた三角形）であり、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合する。これは、左側の分岐の下方の図（強度Ｉ－縦軸；時間ｔ－横軸）に見られるように、時間ｔ１に検出器において測定される第１の強度Ｉをもたらす。この検出器における信号の第１の強度Ｉは、第１のユニットセル２００と第２のユニットセル２１０との散乱質量（親和性要素２０１に結合した第１のタイプの標的分子２０４の散乱質量）の差によって引き起こされる。

次に、散乱要素２０２が第１のユニットセル２００に加えられる。これは、第１のユニットセル２００と第２のユニットセル２１０の散乱質量差の増加をもたらし、時間ｔ２に検出器において測定される強度Ｉの増加をもたらす。この強度Ｉの変化（増加）から、サンプルに含まれる標的分子は、第１のユニットセル２００に含まれる第１のタイプの親和性要素２０１に結合した第１のタイプの標的分子２０４でなければならないことが検出されることができる。

図９の下部の実施形態の右側の分岐に続いて、分析対象のサンプルに含まれる標的分子は、第２のタイプの標的分子２１４（下向きの先端を有する三角形）であり、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合する。これは、右側の分岐の下方の図（強度Ｉ－縦軸；時間ｔ－横軸）に見られるように、時間ｔ１に検出器において測定される第１の強度Ｉをもたらす。この検出器における信号の第１の強度Ｉは、第１のユニットセル２００と第２のユニットセル２１０との散乱質量（親和性要素２１１に結合した標的分子２１４の散乱質量）の差によって引き起こされる。

次に、散乱要素２０２が第１のユニットセル２００に加えられる。これは、第１のユニットセル２００と第２のユニットセル２１０の散乱質量差の減少をもたらし、時間ｔ２に検出器において測定される強度Ｉの減少をもたらす。この強度Ｉの変化（減少）から、サンプルに含まれる標的分子は、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１に結合した第２のタイプの標的分子２１４でなければならないことが検出されることができる。

図１０に示される実施形態を参照すると、最初に第１のユニットセル２００が第１のタイプの親和性要素２０１ならびに散乱要素２０２に結合することができる結合部位２０３を含むアッセイが示される（しかしながら、散乱要素２０２はまだ結合部位２０３に結合されていない）。第２のユニットセル２１０は、最初は第２のタイプの親和性要素２１１のみを含む（標的分子がまだ結合されておらず、この初期状態は図１０には示されていない）。期間ｔ０の間、第２のタイプの標的分子２１４（下向きの先端を有する三角形）を含むサンプルがセンサに適用され、第２のタイプの標的分子２１４は、第２のタイプの親和性要素２１１に結合する。これは、時間ｔ（Δｍ－縦軸；ｔ－横軸）にわたる質量差Δｍを示す右側の図から分かるように、第１のユニットセル２００および第２のユニットセル２１０の散乱質量差Δｍの増加をもたらす。期間ｔ０の終わりに、散乱要素２０２が追加され、第１のユニットセル２００の結合部位２０３に結合する。この散乱質量補償の結果として、期間ｔ１の間、右側の図から分かるように、散乱質量差Δｍは再び小さくなる。第２のタイプの親和性要素２１１が特定のタイプの標的分子２１４（例えば、共通の結合部位または結合部分を有する異なる標的分子２１４の群であって、それにより、この群の全ての標的分子２１４が第２のタイプの親和性要素２１１に結合することができる群）に結合することができる場合、このタイプ（または群）の特定の標的分子を識別することが必要な場合がある。例えば、期間ｔ１の終わりに、標的分子２１４の第２のタイプ（または群）の１つの特定の標的分子にのみ結合することができる特定のタイプの検出抗体２１６が追加されることができる。したがって、全てが第２のタイプの親和性要素２１１に結合することができる標的分子２１４のタイプ（または群）から特定の標的分子を識別することが可能である。特異的なタイプの検出抗体２１６が標的分子２１４に結合すると、右側の図から分かるように、時間ｔ２の間に散乱質量差Δｍが再び増加する。そのようなセンサは、大量且つ膨大な多様性のバックグラウンド分子を含むサンプル中の標的分子をウォッシュフリー形式で検出することができる。

図１１に示す実施形態を参照すると、（単純で安価な測定機器を使用して測定を行うことができるように）測定に要求される精度を低く保ちながら測定のダイナミックレンジを増加させることを可能にするバイアスが選択されるアッセイが示されている。その目的のために、時間ｔ０における初期状態において、第１のユニットセル２００は、第１のタイプの親和性要素２０１と、第１のユニットセル２００に配置された散乱要素２０２とを含む（例えば、散乱要素２０２は、第１のユニットセル２００に固定化される）。この期間ｔ０の間、第２のユニットセル２１０は、第２のタイプの親和性要素２１１のみを含むが、標的分子は結合していない。

図１１の右側に示す２つの図は、時間ｔ（最右：散乱質量差Δｍ－縦軸；時間ｔ－横軸）にわたる散乱質量差Δｍおよび時間ｔ（第２の最右：強度Ｉ－縦軸；時間ｔ－横軸）にわたる強度Ｉを示している。期間ｔ０の間、散乱質量差Δｍは正である（第１のユニットセル２００に含まれる散乱要素２０２に起因して、第１のユニットセル２００の散乱質量は、第２のユニットセル２１０の散乱質量よりも大きい）。

期間ｔ０の終わりに、第２のタイプの標的分子２１４を含むサンプルがセンサに適用され、この第２のタイプの標的分子２１４は、第２のユニットセル２１０に含まれる第２のタイプの親和性要素２１１への結合を開始する。

時間ｔにわたる散乱質量差Δｍの経過を示す図の曲線を見ると、例として、散乱質量差Δｍは、直線的に減少し、期間ｔ１中（例えば、標的分子２１４のうちの３つが、第２のユニットセル２１０に含まれる３つの親和性要素２１１に結合した時点における）のある時間の後、散乱質量差Δｍはゼロである（曲線は横軸と交差する）ことが分かる。検出器５が位置する所定の検出位置５０では、第１のユニットセル２００（第１の親和性格子２０を表す）および第２のユニットセル２１０（第２の親和性格子２１を表す）によって回折されたコヒーレント光の振幅は、上述したように、第１のユニットセル２００（第１の親和性格子２０を表す）によって回折されたコヒーレント光と、第２のユニットセル２１０（第２の親和性格子２１を表す）によって回折されたコヒーレント光とが逆位相であるため、第１のユニットセル２００（第１の親和性格子２０を表す）および第２のユニットセル（第２の親和性格子２１を表す）の散乱質量差Δｍに正比例する。

時間ｔにわたって強度Ｉを示す図の曲線を見ると、同時に強度Ｉもゼロに減少することが分かる。強度Ｉは、検出器５が位置する所定の検出位置５０におけるコヒーレント光の振幅の２乗に比例する。これが、経時的な強度Ｉの曲線が放物線の形状を有し、放物線の曲線にしたがってゼロに減少する理由である。

時間ｔにわたって散乱質量差Δｍを示す図の曲線を再び見ると、５つ全ての標的分子２１４が第２のユニットセル２１０に含まれる５つの親和性要素２１１に結合した時点で、第２のユニットセル２１０（第２の親和性格子２１を表す）の散乱質量が第１のユニットセル２００（第１の親和性格子２０を表す）の散乱質量よりも大きくなるため、散乱質量差Δｍの符号は負である（したがって、検出器が配置された所定の検出位置５０における回折コヒーレント光の振幅である）ことが分かる。

時間ｔにわたって強度Ｉを示す図の曲線を見ると、この時間の間に強度Ｉが再び増加することが分かる（強度Ｉが散乱質量差Δｍの２乗または回折コヒーレント光の振幅に比例するため）。

したがって、（ここで、散乱要素２０２を第１のユニットセル２００内に設けることによって）検出器にバイアスを提供することは、測定精度の要件を維持しながら標的分子の質量の測定のダイナミックレンジを増加させることができ、したがって単純で安価な測定機器を使用することを可能にする。連続測定により、質量差Δｍの符号は常に既知である。

最後に、図１２には、本発明にかかる複数の個々の回折センサを備えるセンサアレイの実施形態が示されており、各センサは、２つの噛み合った格子２を含む。個々のセンサの基板は、共通の基板３によって形成されてもよい。さらに、所定の波長のコヒーレント光のビームを生成するための共通の光源４が、所定のビーム生成位置４０に設けられるとともに、コヒーレント光が、所定の波長のコヒーレント光を共通の検出器５（例えば、ＣＣＤアレイ）へと回折させる噛み合った格子２のそれぞれへと通過することを可能にする共通の開口部４１が設けられ、個々の噛み合った格子２によって回折される光のための個々の開口部５１が設けられる。センサアレイの一実施形態では、個々のそれぞれの噛み合った格子２は、全て同じタイプの親和性要素を含むことができるが、広範囲の検出可能な散乱質量に対する測定の最大分解能を可能にするために、異なってバイアスされる（散乱質量差）。センサアレイの別の実施形態では、異なる噛み合った格子２は、サンプルが分析される場合に、そのようなセンサアレイを使用してサンプルの特性「指紋」を決定することができるように、異なる親和性要素を含むことができる（すなわち、サンプルに含まれる様々な異なる標的分子は、上述した方法において様々な異なる噛み合った格子２を使用してサンプルに含まれるものとして識別されることができる）。センサアレイのさらに他の実施形態では、高度に特異的なセンサ（１つの特定の標的分子にのみ結合することができる）は、高度に非特異的なセンサ（分子のタイプ／群または分子の特定の特徴または特性、例えば親水性または疎水性のみを検出することができる）とともに配列されてもよい。

本発明にかかる回折センサの基礎となる一般的な教示が上記で説明されたが、本発明にかかるセンサのいくつかの要素のいくつかの特定の技術的選択肢が例として以下に説明される。

親和性格子またはユニットセルの組成、親和性要素および散乱要素の配置
いくつかの実施形態では、第１および第２の親和性格子（ユニットセル）は、親和性要素のみを含んでもよい。さらに、第１の親和性格子および第２の親和性格子のうちの一方は、散乱要素を含んでもよい。他の実施形態では、第１の親和性格子および第２の親和性格子は、双方とも、異なるタイプまたは数の散乱要素を含んでもよい。

いくつかの実施形態では、ユニットセルは、分析物または分析物の群の拡散入射を可能にする任意の材料とすることができるバルク材料／フレームワーク材料を含んでもよい。例えば、バルク材料／フレームワーク材料は、親和性要素または散乱要素によって官能化されることができるポリマー、好ましくは非汚染ポリマーを含んでもよい。バルク材料／フレームワーク材料のメッシュサイズ／多孔度は、所望の用途に適合するように調整されることができる。

いくつかの実施形態では、格子のユニットセルは、薄いポリマー（ユニットセルの高さの一部のみ）によってコーティングされることができる基板を含むことができる。そのような実施形態では、散乱要素は、任意の構成で（好ましくは上記のもので）基板内に配置されることができる。

散乱要素の作製
いくつかの実施形態では、ユニットセルをバルク材料／フレームワーク材料によって充填する前に、散乱要素は、基板上に誘電材料を堆積することによって、または基板をエッチングすることによって形成されることができる。他の実施形態では、ユニットセル内のバルク材料／フレームワーク材料の形成中に、異なる重合時間、架橋密度、厚さ、多孔度などが使用されて散乱要素を形成することができる。さらに他の実施形態では、ユニットセルのバルク材料／フレームワーク材料が形成された後、散乱要素は、適切な架橋化学を使用してナノ粒子または大きな分子の光誘起沈殿または共有結合固定化を用いて形成されることができる。

いくつかの実施形態では、散乱要素に結合することができる結合部位のみがユニットセル内に存在することができる。異なる格子の結合部位は、異なるタイプの散乱要素を結合することができる。散乱要素は、ユニットセルから除去されることができるように、結合部位から開裂可能とすることができる。他の実施形態では、親和性要素自体は、複合散乱要素／親和性要素として具現化されてもよい。

散乱要素の散乱能／散乱強度の制御
散乱要素は、不活性／静的とすることができ、または機能的／調整可能とすることができる。「不活性／静的」とは、散乱能／散乱強度が固定されており、オペレータまたは実験条件によって変更されることができないことを意味する。「機能的／調整可能」とは、散乱能／散乱強度が物理的、化学的または生物学的手段によって調整されることができることを意味する。例えば、「物理的手段」は、散乱要素が電気光学材料から作製される場合に屈折率の変化を引き起こすための外部場の印加、またはエバネッセント場を含む実施形態では磁気プルダウンを含む。「化学的手段」は、散乱要素のエッチング、散乱要素の重合、核生成部位における散乱要素の沈殿、散乱要素における酸化還元反応などを含む。「生物学的手段」は、散乱要素への追加の散乱質量の結合または散乱要素の酵素分解を含む。

回折センサの照明
好ましくは、回折センサは、寄生迷光を低減するために（例えば、平面導波路を使用して）エバネッセント波によるコヒーレント光によって照明されるが、自由に伝播するビームによる照明も可能である。コヒーレント光は、好ましくは偏光されるが、これは必須ではない。光源は、回折条件を走査するために、波長（所定の波長付近の小さな範囲内）または空間方向のいずれかで調整可能とすることができる。アレイ検出器は、好ましくは、僅かな機械的運動を補償するために、ならびに回折条件の調整のために使用されることができる。好ましくは、静的（クロムスクリーン）または動的（ＬＣＤディスプレイ）とすることができる開口部が使用される。

他のアッセイ形式
上述したセンサの実施形態および制御バイアスの適用のいずれも、全ての既知の表面ベースのアッセイ形式、例えば、直接結合アッセイ、競合アッセイ、酵素分解アッセイ、サンドイッチアッセイ、逆相アッセイ、標識アッセイによって実装されることができ、標識は散乱要素を含む。特に重要なのは、親和性要素が、標的と相互作用すると散乱要素の開裂をもたらす認識部分を含むアッセイである。そのような標的媒介性開裂反応は、例えば、ＣＲＩＳＰＲ／Ｃａｓ９または同様の検出系を含む。認識部分を含む親和性要素は、開裂時に放出される散乱要素に連結されていてもよい。そのような場合、他方の格子のユニットセル内の散乱要素は、認識部分に連結された散乱要素を補償することができる。

以上、本発明の実施形態について説明されたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではない。むしろ、本発明の基礎となる教示から逸脱することなく、多くの変形および変更を行うことができる。したがって、保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

異なる速度定数を有する生体直交化学に基づく散乱質量調整
この実施形態では、所定の波長のコヒーレント光が第１の相を有する検出位置５０（図１～図３を参照）において干渉するように、第１のタイプの親和性要素２０１が第１の格子２０の第１のユニットセル２００（例えば、図４および図５を参照）に固定化され、所定の波長のコヒーレント光が第１の相とは逆の第２の相を有する検出位置５０において干渉するように、第２のタイプの親和性要素２１１（第１のタイプとは異なる）が第２の格子２１の第２のユニットセル２１０に固定化される。

これを達成するために、第１の格子２０の第１のユニットセル２００は、第１のユニットセル２００に固定化される第１のタイプの親和性要素２０１の特定の官能基（すなわち、高分子）と一定の反応速度論で反応する官能基を有する要素を含む。第２の格子２１の第２のユニットセル２１０は、第２のタイプの親和性要素２１１の特定の官能基（すなわち、高分子）と異なる反応速度論でも反応する異なる官能基を有する要素を含み、第２のユニットセル２１０の反応速度論の率（速度）は、優先的には、第１のユニットセル２００の反応速度論の率（速度）とは２倍から１０倍異なる。

反応速度論の率（速度）が異なる２つの双直交結合化学の例示的な実施形態は、
（ａ）トランスシクロオクテンと反応するテトラジン、および
（ｂ）トランスシクロオクテンと反応するメチルテトラジンである。

図１３を用いて、テトラジンとトランスシクロオクテン（第１のユニットセルに固定化される第１のタイプの（修飾）親和性要素の特定の官能基）およびメチルテトラジンとトランスシクロオクテン（第２のユニットセルに固定化される第２のタイプの（修飾）親和性要素の特定の官能基）との（上記に示す）生体直交反応の速度論が以下に記載される。

テトラジンとトランスシクロオクテンとの反応は、メチルテトラジンとトランスシクロオクテンとの反応よりも約４から５倍速い。原則として、反応速度の差は、ｐＨ、溶媒、イオン強度、温度、音響および照明などの手段によって調整されることができる。したがって、第１のステップでは、第１のユニットセル２００に固定化され、官能基としてトランスシクロオクテンを有する第１のタイプの親和性要素２０１が、噛み合った格子２の位置において回折センサ１の表面に適用される。トランスシクロオクテンとテトラジン（第１のユニットセル２００に存在する要素の官能基）との反応速度が、シクロオクテンとメチルテトラジン（第２のユニットセル２１０に存在する要素の官能基）との反応速度よりも非常にかなり速いため、第１のタイプの親和性要素２０１のトランスシクロオクテンは、テトラジンに結合し、それによって第１のタイプの親和性要素２０１を第１のユニットセル２０に固定化する（同時に、第１のタイプの親和性要素２０１は、トランスシクロオクテンとメチルテトラジンとの反応速度が非常にかなり遅いため、第２のユニットセル２１０にはごく僅かしか固定化されない）。インキュベーションは、検出器５における信号が優先的に安定期５００（図１３）を形成するまで、適切な濃度、優先的には１μＭ（Ｍ＝モル＝ｍｏｌ／ｌ）の、第１の格子の第１のユニットセルに固定化される第１のタイプの親和性要素のトランスシクロオクテン修飾分子部分で行われる。このインキュベーションに要する時間ｔ１が図１３に示されている。検出器５における信号の安定期５００は、テトラジンの大部分が第１のユニットセル２００内の第１のタイプの親和性要素２０１のトランスシクロオクテンと反応したことを示す。その後、残りの第１のタイプの親和性要素が回折センサ１の表面から除去され、第２のユニットセル２１０に固定化される第２のタイプの親和性要素２１１が、同様に官能基としてトランスシクロオクテンを有する噛み合った格子２の位置において回折センサ１の表面に適用される。第２のユニットセル２１０に存在するメチルテトラジンの大部分は、（反応速度が非常に遅いために）第１のタイプの親和性要素２０１のトランスシクロオクテンと反応していないため、このメチルテトラジンは、ここで第２のタイプの親和性要素２１１のトランスシクロオクテンと反応することが可能にされる。そのため、第２の格子２１の第２のユニットセル２１０に固定化される第２のタイプの親和性要素２１１のトランスシクロオクテン修飾分子部分との第２のインキュベーションは、ここで、検出器５における信号が所望の散乱質量差Δｍに対応するバイアスを表すレベル５０１に到達するまで優先的に実行される。この第２のインキュベーションに要する時間ｔ２が図１３に示されている。図１３からも分かるように、検出器５における信号のレベル５０１は、約５ｐｇ／ｍｍ^２の散乱質量差Δｍに対応する。

前述の反応対は、その比較的速い反応速度（典型的には、２時間未満の範囲内）およびタンパク質とのその良好な適合性のために、他の双直交結合化学、例えば、タンパク質との性能が低いだけである銅触媒クリック化学（ＣｕＡＡＣ）および反応速度が比較的遅い（典型的には、１０から２０時間の範囲内である）歪み促進クリック化学（ＳＰＡＡＣ）と比較して特に好ましい。

図面および具体例を用いて本発明の実施形態が説明されてきたが、本発明の基礎となる教示から逸脱することなく様々な変形および変更が考えられるため、本発明は、これらの実施形態および例に限定されない。むしろ、保護の範囲は、添付の特許請求の範囲によって定義される。

Claims (23)

1. 回折センサ（１）であって、
   基板（３）と、
   前記基板上に配置された２つの噛み合った親和性格子（２；２０、２１）、すなわち第１の親和性格子（２０）および第２の親和性格子（２１）であって、前記第１の親和性格子が第１のユニットセル（２００）を含み、前記第２の親和性格子（２１）が第２のユニットセル（２１０）を含む、第１の親和性格子（２０）および第２の親和性格子（２１）と、を備え、
   前記第１の親和性格子（２０）の前記第１のユニットセル（２００）が、第１のタイプの標的分子（２０４）と結合することができる第１のタイプの親和性要素（２０１）を含み、
   前記第２の親和性格子（２１）の前記第２のユニットセル（２１０）が、第２のタイプの標的分子（２１４）と結合することができる第２のタイプの親和性要素（２１１）を含み、
   所定のビーム生成位置（４０）において生成されると共に、前記第１のタイプの前記親和性要素（２０１）に結合した前記第１のタイプの標的分子（２０４）によって回折された所定の波長のコヒーレント光が、所定の検出位置（５０）において第１の位相と建設的に干渉するように前記第１の親和性格子（２０）の前記第１のユニットセル（２００）が構成および配置され、
   前記所定のビーム生成位置（４０）において生成されると共に、前記第２のタイプの前記親和性要素（２１１）に結合した前記第２のタイプの標的分子（２１４）によって回折された前記所定の波長の前記コヒーレント光が、前記所定の検出位置（５０）において前記第１の位相とは逆の第２の位相と建設的に干渉するように前記第２の親和性格子（２０）の前記第２のユニットセル（２１０）が構成および配置され、
   ０．００１ｐｇ／ｍｍ^２から３００００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲にある前記第１および第２の親和性格子（２０、２１）の散乱質量の差（Δｍ）に対応するバイアス信号を前記所定の検出位置（５０）において生成するように、前記第１および第２の親和性格子（２０、２１）が、前記第１および第２の親和性格子（２０、２１）の散乱質量に対して平衡がとられる、回折センサ。
2. 前記第１および第２の親和性格子（２０、２１）の散乱質量の前記差（Δｍ）に対応する前記バイアス信号が、０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１０００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲、より具体的には０．１ｐｇ／ｍｍ^２から１００ｐｇ／ｍｍ^２の範囲、さらにより具体的には１ｐｇ／ｍｍ^２から１０ｐｇ／ｍｍ^２の範囲にある、請求項１に記載の回折センサ。
3. 前記第１のユニットセル（２００）内の前記第１のタイプの前記親和性要素（２０１）の濃度または空間的配置と、前記第２のユニットセル（２１０）内の前記第２のタイプの前記親和性要素（２１１）の濃度または空間的配置とが異なる、請求項１または２に記載の回折センサ。
4. 前記第１のタイプの前記親和性要素（２０１）および前記第２のタイプの前記親和性要素（２１１）が同一である、請求項３に記載の回折センサ。
5. 前記第１のタイプの前記親和性要素（２０１）および前記第２のタイプの前記親和性要素（２１１）が異なる、請求項１から３のいずれか一項に記載の回折センサ。
6. 前記第１のタイプの前記親和性要素（２０１）が、前記第２のタイプの前記標的分子に対して非結合であるか、または前記第２のタイプの前記親和性要素（２１１）が、前記第１のタイプの前記標的分子に対して非結合であるか、またはその双方である、請求項１から３のいずれか一項に記載の回折センサ。
7. 前記２つの噛み合った親和性格子（２）のうちの少なくとも１つ（２０、２１）が、散乱要素（２０２、２１２）を結合することができる結合部位（２０３、２１３）をさらに含む、請求項１から６のいずれか一項に記載の回折センサ。
8. 前記２つの噛み合った親和性格子（２）のうちの少なくとも１つ（２０、２１）が、散乱要素（２０２、２１２）をさらに含む、請求項１から７のいずれか一項に記載の回折センサ。
9. 前記散乱要素（２０２、２１２）が、前記２つの噛み合った親和性格子の前記第１のユニットセル（２００）もしくは前記第２のユニットセル（２１０）のいずれか、または前記第１および第２のユニットセル（２００、２１０）の双方に配置されている、請求項８に記載の回折センサ。
10. 前記散乱要素（２０２、２１２）が前記結合部位（２０３、２１３）に結合される、請求項７および８に記載の回折センサ。
11. 前記散乱要素（２０２、２１２）が、散乱能の調整または前記散乱要素（２０２、２１２）の除去を可能にするように調整可能または開裂可能である、請求項８から１０のいずれか一項に記載の回折センサ。
12. 前記２つの噛み合った親和性格子（２）が、前記基板（３）の表面上に配置されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の回折センサ。
13. 前記所定のビーム生成位置（４０）から到来する前記コヒーレント光を、前記基板（３）の前記表面上に配置された前記２つの噛み合った親和性格子（２）へ方向付けるように構成および配置された光カプラ（１０）をさらに備える、請求項１２に記載の回折センサ。
14. 前記２つの噛み合った親和性格子（２）によって回折された前記コヒーレント光を、前記所定の検出位置（５０）へ方向付けるように構成および配置された光学デカプラ（１０）をさらに備える、請求項１２または１３に記載の回折センサ。
15. 前記基板（３）の前記表面上に配置された共振導波路構造をさらに備え、
    前記共振構造が、前記所定のビーム生成位置（４０）において生成された前記所定の波長の前記コヒーレント光を前記共振導波路構造内に結合して、前記基板（３）に面する前記共振導波路構造の表面とは反対側の前記共振導波路構造の最外面に沿って伝播するエバネッセント場を生成することを可能にするように構成され、
    前記２つの噛み合った親和性格子（２）が、前記共振導波路構造の前記最外面上に配置されている、請求項１から１１のいずれか一項に記載の回折センサ。
16. 前記基板の前記表面上に配置された前記共振導波路構造が平面導波路（６）であり、
    前記２つの噛み合った親和性格子（２）が、前記基板（３）に面する前記平面導波路（６）の表面とは反対側の前記平面導波路（６）の表面上に配置されている、請求項１５に記載の回折センサ。
17. 前記ビーム生成位置（４０）において生成され、且つ、前記平面導波路（６）内に結合された前記所定の波長の前記コヒーレント光を、前記平面導波路（６）の、前記基板（３）に面する前記表面とは反対側の前記表面に沿った１つ以上の所定の方向に導くように前記平面導波路（６）が構造化されている、請求項１６に記載の回折センサ。
18. 前記平面導波路上に配置され、且つ、前記ビーム生成位置（４０）において生成された前記コヒーレント光のビームを前記平面導波路（６）内に結合して前記２つの噛み合った親和性格子（２）に衝突させるように構成された光カプラ（１０）をさらに備える、請求項１６または１７のいずれか一項に記載の回折センサ。
19. 前記平面導波路（６）上に配置され、且つ、前記２つの噛み合った親和性格子（２）によって回折された前記コヒーレント光を前記平面導波路（６）から分離し、それを前記所定の検出位置（５０）へ方向付けるように構成された光学デカプラ（１１）をさらに備える、請求項１６から１８のいずれか一項に記載の回折センサ。
20. 前記２つの噛み合った親和性格子（２）によって回折された前記コヒーレント光を検出するための検出器（５）をさらに備え、
    前記検出器（５）が、前記平面導波路（６）または前記基板（３）に一体化されている、請求項１６から１９のいずれか一項に記載の回折センサ。
21. 前記所定の波長のコヒーレント光のビームを生成するための光源（４）をさらに備え、
    前記光源（４）が、前記平面導波路（６）または前記基板（３）に一体化されている、請求項１６から２０のいずれか一項に記載の回折センサ。
22. 前記基板の前記表面上に配置された前記共振導波路構造が金属層を含み、
    前記２つの噛み合った親和性格子が、前記基板に面する前記金属層の前記表面とは反対側の前記金属層の表面上に配置されている、請求項１５に記載の回折センサ。
23. 前記第１の格子の前記第１のユニットセルに含まれる前記第１のタイプの前記親和性要素および前記第２の格子の前記第２のユニットセルに含まれる前記第２のタイプの前記親和性要素が、生体直交結合化学的性質を使用して得られる、請求項１から２２のいずれか一項に記載の回折センサ。
    
    

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