JP4842930B2 - 寄生反射を低減する光呼掛け装置および寄生反射を除去する方法 - Google Patents

Description

本発明は一般に、生物剤および化学薬剤の無標識検出のための光センサを用いる光呼掛け装置に関する。さらに詳細には、本発明は、１）偏光光学ビームを反射するセンサにおいて生成される寄生反射を除去する方法および２）寄生反射を除去することができる光呼掛け装置に関する。

エバネッセント場に基づくセンサを用いる光呼掛け装置は急速に、生物学的物質、生化学物質または化学物質（たとえば、細胞、胞子、生物学的分子あるいは薬物分子、または化合物）の正確な無標識検出のための最適な技術となりつつある。この技術は一般に、導波路表面における濃度の変化、表面吸着、反応または生物学的物質または化学物質のわずかな存在を検知するために、回折格子結合導波路（ＧＣＷ）の使用を伴う。エバネッセント場に基づくセンサは一般に、導波路の表面に固定化される化合物と直接接触する平面回折格子結合導波路を用いる。生物学的反応、生化学反応または化学反応が導波路の表面で起こる場合には、薄層（厚さ数ナノメートル）の上で屈折率を変化させ、その結果として、回折格子結合導波路の実効屈折率もまた、変化する。光ビームが回折格子結合導波路に送り出される場合には、（共鳴条件下で）光はＧＣＷに結合し、次に、ある一定の角度およびある一定の波長で反射する。（これらの角度および波長は、共鳴角および共鳴波長と呼ばれる。）これらの角度および波長は、導波路の実効屈折率の関数である。

さらに具体的に言えば、共鳴条件は入射光ビームの一定の波長および角度の場合にのみ生じ、反射される（共鳴）光の角度または波長のいずれかにおける変化はＧＣＷの実効屈折率における変化に対応する。このように、光呼掛け装置は、ＧＣＷの実効屈折率における変化を検知するために用いられ、それにより、所定の物質がＧＣＷの検知領域内に位置しているかどうかを決定することができる。したがって、反射光の共鳴角および／または波長を測定することによって、導波路の実効屈折率の変動を検出することができ、それによって、生物学的物質、生化学物質または化学物質の存在を検出することができる。

この技術が実行可能であるためには、共鳴角および／または共鳴波長を正確に監視することができなければならない。エバネッセント場に基づくセンサを利用する光呼掛け装置は、２つの異なる呼掛け方法を用いる。第１の方法は、波長呼掛け手法と呼ばれる。この方法は、ＧＣＷにおいてある一定の角度で入射する平行光線化された広いスペクトル帯域の光ビームを利用し、分光計を用いて反射光ビームの（共鳴）波長を測定する。第２の方法は、角度呼掛け手法と呼ばれる。この方法は、ＧＣＷに呼掛けるために、複数の入射角で単独の波長光ビームを利用する。この手法を利用する場合には、検出器は、反射光ビームの（共鳴）角度を測定する。角度呼掛け手法を利用する光呼掛け装置は、たとえば、（特許文献１）に開示され、本願明細書に参照によって援用されるものとする。

しかし、共鳴波長または共鳴角における反射光に加えて、回折格子結合導波路（ＧＣＷ）はまた、他の波長および角度でも光を反射し（寄生幾何的反射）、したがって、検出される共鳴信号の品質を低下させる。さらに具体的に言えば、これらの寄生反射のために、すべての角度または波長で生じる反射光の背景に重なる低コントラストの弱い共鳴信号を認める可能性がある。背景は、信号対雑音比を低下させ、共鳴角または共鳴波長の測定精度を低下させる。第２の問題は、基板またはマイクロプレートの第１の（前）表面からの反射によって引き起こされるものであり、その反射は本願明細書では「寄生フレネル反射」と呼ばれる。寄生フレネル反射は、共鳴測定に干渉し、角度空間またはスペクトル空間において干渉縞を発生し、共鳴検出をきわめて雑音の多いものにし、温度変動および他の要因のために時間が経つにつれて、不安定なものにする。

波長呼掛け装置の一実施例が、図１に示されている。レンズ１０８は、広いスペクトル領域の光源１００に接続される入力ファイバ１０６によって提供される光ビームを平行光線化する。次に、平行光線化されたビームは、一定の角度でセンサに向けられる。センサは、マイクロプレート１０２およびＧＣＷ１０４を備える。反射される（共鳴）光ビームは、レンズ１０８によって集光され、分光計１０１に接続される出力ファイバ１０７によって結像される。

図２は、入力ファイバ１０６が単色光源１１０に接続され、光ビームがＧＣＷ１０４に集束される角度呼掛け装置の実施例を示す。光ビームがＧＣＷに結合された後で、共鳴条件に対応する角度で反射され、位置感知検出器１１１上で結像される。

しかし、上述したように、これらの手法はいずれも寄生反射を受け、真の共鳴信号を損なう。この問題を例示するために、図３の曲線１３０は、センサによって反射される光のシミュレートされたスペクトル共鳴形状を示している。この曲線は、きわめて非対称であり、異なる波長にわたるＧＣＷの幾何的反射にのみ起因する比較的不良なコントラストの鮮明度を有する。

マイクロプレートの第１の面で起こる寄生フレネル反射の問題は、図４の曲線１３２によって示される。この共鳴曲線１３２は、共鳴光とマイクロプレート１０２の第１の面の寄生フレネル反射との間の干渉の影響のために、高い周波数で変調される。この変調の位相および周波数は、マイクロプレート１０２の厚さの関数である。

入射ビームおよび反射ビームの空間間隔および／または角度間隔を増大するなどの寄生反射を避けるためのいくつかの解決策が、文献（たとえば（非特許文献１））で提案されている。この手法の原理は、光が回折格子結合導波路の１つの領域の中に注入され、回折格子結合導波路の別の領域から集光されるようにリーダ光学素子を定義することにある。そのような構成が、図５に示されている。したがって、検出器は、ＧＣＷの入力側で生じる寄生反射を集光するのではなく、回折格子結合導波路に伝搬された光のみを集光する。

しかし、コティア、Ｋ．（Ｃｏｔｔｉｅｒ、Ｋ．）らによる解決策は、一方向の光の伝搬に制限される。場合によっては、両方の方向にＧＣＷの中を伝搬中である光を集光することが重要であり、したがって、コティアの解決策は、たとえば、ゴリア（Ｇｏｌｌｉｅｒ）によって２００３年９月３０日に出願された（特許文献２）（この特許は本願明細書に参照によって援用されるものとする。）に記載の手法などの二重共鳴手法と互換性がない。コティアの技術の別の制限は、導波路内の光伝搬距離が入力光ビーム径より大きい場合に利用されることができるに過ぎないことである。さらに、場合によっては、異なる伝搬モード（ＴＥおよびＴＭ）を測定することが望まれる。これらのモードは、著しく異なる伝搬距離を有する。コティアの手法を利用する場合には、すべてのモードを維持し、同時に寄生反射を除去することができるような（ＧＣＷにおける）入射入力ビームと（ＧＣＷからの）集光された出力ビームとの間の距離を求めることは不可能である。最後に、何か他の場合には、ＧＣＷに対して法線入射で光ビームを送り出すことが望ましいことがある。しかし、この場合には、定常波がＧＣＷの中で励起される。したがって、光がＧＣＷ内を伝搬されないため、コティアによって提案された空間間隔を用いることは不可能である。

そのような問題を例示するために、図６Ａは、図１のデバイスによって生成される４共鳴スペクトルを示している。スペクトル曲線の左側の２つのピーク１４０は、対向する方向に伝搬する２つのＴＭモードを表している。スペクトル曲線の右側の２つのピーク１４１は、２つの方向に伝搬する２つのＴＥモードを表している。図６Ａは、ピーク１４０が寄生反射のために検出することが困難であり、すべてのピークが高い周波数変調を受けることを示している。ＴＭモードの一方に対応する共鳴波長の一方の周囲の寄生反射を除去するために、入力光ビームおよび出力光ビームがコティアによって教示されたように離隔される場合には、第２のＴＭモードに対応する共鳴波長をもはや検出することはできない。さらに、（導波路内の小さい方の伝搬距離を有する）２つのＴＥモードは、（寄生反射のために）背景雑音の中で消失し始め、今度は検出しにくくなる。これは、図６Ｂに示されている。したがって、ＴＭモードおよびＴＥ（共鳴モード）の両方を検出する必要がある場合、および／または対向する方向に伝搬する共鳴モードを検出する必要がある場合には、コティアの方法を利用することはできない。
米国特許第６，２１８，１９４号明細書 米国特許出願第１０／６７６，３５２号明細書 コティア、Ｋ．（Ｃｏｔｔｉｅｒ、Ｋ．）ら著、「Ｌａｂｅｌ−ｆｒｅｅ Ｈｉｇｈｌｙ Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ｏｆ （Ｓｍａｌｌ） Ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ ｂｙ Ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ ｏｆ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｃｈｉｐｓ」、Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ Ｂ：Ｃｈｅｍｉｃａｌ，２００３年６月

本発明の一態様によれば、光呼掛け装置は、光センサと、光センサによって持ち込まれる寄生反射を除去する光アイソレータと、を備える。

本発明の一実施形態によれば、ＧＣＷに基づく光呼掛け装置における寄生反射を除去する方法は、
ａ）光源を含む光学検出装置を提供するステップと、
ｂ）光学検出装置によって提供される偏光ビームを反射することができる少なくとも１つの回折格子結合導波路を備えたセンサを提供するステップと、
ｃ）偏光ビームを回折格子結合導波路に導入するステップと、
ｄ）光アイソレータを光学検出装置内の光路に配置し、（ｉ）センサの第１の表面から生成されるフレネル反射および／または（ｉｉ）回折格子結合導波路の幾何的反射を除去するステップと、を含む。

本発明の一実施形態によれば、生物学的物質、生化学物質または化学物質を検出するための無標識光呼掛け装置は、１）生物学的物質、生化学物質または化学物質を固定化することができる検知領域を有する表面を備えたＧＣＷを備えるセンサと、２）検知領域を監視するための光学検出装置であって、光源、光供給装置および検出機器を備えた光学検出装置とを備え、
光呼掛け装置は、センサによって生成される寄生反射を除去するために光アイソレータをさらに備える。一部の実施形態によれば、光アイソレータは、偏光子および、（ｉ）波長板または（ｉｉ）ファラデー回転子のいずれか、を備えてもよい。

本発明の光呼掛け装置の利点の１つは、生物学的物質、生化学物質および化学物質の検出のためのその増大した感度であり、寄生反射から生成された背景雑音の減少である。

本発明の実施形態の一部の別の利点は、光アイソレータが１つの回折格子の異なる領域を検知するか、または空間的に分離された回折格子結合導波路を検知することができるかのいずれかのために、入射光ビームを複数の光ビームに分割することができ、したがって、自己参照型センサ手法の利用を可能にすることである。

本発明のさらに別の利点は、光の伝搬の両方向および／またはＴＭモードおよびＴＥモードの両方を利用して、センサから共鳴信号を導出することができることである。

本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明において明らかになるであろう。前述の概要および以下の詳細な説明および実施例のいずれも、本発明の例示に過ぎず、特許請求された本発明を理解するための概要を提供することを目的としている。添付の図および以下の詳細な説明を参照すれば、本発明のよりよい理解を得られると考えられる。

無標識センサを備える光呼掛け装置は、回折格子構造を介して導波路に導入される光ビームの角度または波長のいずれかを測定することによって機能する。そのような導波路は、たとえば、光学回折格子を組み込んだプレーナ型導波路であってもよい。光呼掛けの１つの方法は、広いスペクトルの入力ビームの入射角を固定することと、共鳴を生じる波長を測定することと、を含む（波長呼掛け手法）。別の手法は、単色光源を用いることと、共鳴を生じる角度を測定することと、を含む（角度呼掛け手法）。

上述のように、従来技術の構成は、真の共鳴信号を損なう「寄生反射」を受ける。これらの寄生反射は、光センサによって持ち込まれ、マイクロプレート／基板の第１の表面における反射から生じるか、またはＧＣＷの表面の幾何的反射によって生成される。寄生反射の存在の結果として、測定精度は、以下の２つの考えられる影響のために劣化される。考えられる影響とは（ｉ）寄生反射が比較的不良な信号対雑音比を生じる、（ｉｉ）そのような反射がマイクロプレート／基板の第１の面から生じる場合には、寄生反射は（波長空間または角度空間のいずれかにおける）高い周波数の干渉縞を発生しうる、というものである。

ここで、本発明の好ましい本実施例を詳細に参照されたい。その実施例は、添付図面に示されている。可能である場合には常に、同一の部分または類似の部分を指すために、図面全体を通して同一の参照符号が用いられる。本発明の光呼掛け装置の一実施形態は、図７に示されており、全体を通じて参照符号１０によって一般に表される。

本発明の実施形態によれば、回折格子結合導波路（ＧＣＷ）に基づく光呼掛け装置における寄生反射を除去する方法は、ａ）偏光ビームを反射する少なくとも１つの回折格子結合導波路を有する光センサ２０を提供するステップと、ｂ）センサ２０と相互に作用する光学検出装置３０を提供するステップと、ｃ）光ビームを回折格子結合導波路に導入するステップと、ｄ）光アイソレータを光学検出装置内の光路に導入し、（ｉ）光センサ２０の第１の表面から生成されるフレネル反射および／または（ｉｉ）回折格子結合導波路の幾何的反射を除去するステップと、を含む。

一実施形態によれば、生物剤、生化学製剤または化学薬剤を検出するための光呼掛け装置は、１）生物学的反応層または化学物質反応層を有する表面を備えたＧＣＷを備えるセンサ２０と、２）生物学的反応層または化学物質反応層を監視するための光学検出装置３０と、を備え、光学検出装置３０は、光源、光供給装置および検出機器を備え、光学検出装置はまた、光センサによって生成される寄生反射を除去するために、偏光子および、（ｉ）波長板または（ｉｉ）ファラデー回転子のいずれか、を備える光アイソレータを備える。

光アイソレータは、たとえば、偏光子と、四分の一波長板またはファラデー回転子のいずれかと、を備えてもよい。偏光子はまた、複数のウォラストンプリズムを備えていてもよい。光センサ２０によって生成された寄生反射を除去するために、他の光アイソレータが利用されてもよい。

本発明は、以下の実施例によってさらに明白となるであろう。

実施例１
光学（波長）呼掛け装置の一実施例が、図７に示されている。図７の光呼掛け装置１０は、光センサ２０および光学検出装置３０を備える。光センサ２０は、生物検体または化学検体を検知領域に供給するように設計されたマクロまたはマイクロのいずれかの流体通路を備える空気流体供給装置を備えていてもよい。光センサ２０は、光場検知領域を有してもよく、基板および生物学的反応層または化学物質反応層を備えてもよい。たとえば、基板は、所望の表面化学反応による材料の１つ以上のコーティングまたは層を用いて改変されることができ、それによって、上記の生物学的反応層または化学物質反応層の安定的な固定化を強化する。この実施例において、波長呼掛け装置１０の光センサ２０は、マイクロプレートまたは基板１０２と、マイクロプレートまたは基板１０２の上に位置する少なくとも１つのＧＣＷ１０４と、を備える。

光学検出装置３０は、入力光ビームの供給に適した光源１００と、出力光ビームを受光して解析するための分光計１０１と、光センサ２０と分光計１０１との間に位置する光アイソレータ１０５のほか、入力ファイバ１０６、出力ファイバ１０７およびレンズ１０８を備える。

この実施形態において、光源１００は、光ファイバ１０６の中に結合される広いスペクトル領域の（白色）光を提供する。光は、次に入力ファイバ１０６の出力端１０６ａから出射し、レンズ１０８によって集光される。レンズ１０８は、入力ファイバ１０６から出る入力ビームを平行光線化する。平行光線化されたビームは次に、光センサ２０のマイクロプレートまたは基板１０２の方に向けられる。平行光線化されたビームは、所定の角度でマイクロプレート１０２およびＧＣＷ１０４に当たる。光の一部は、ＧＣＷ１０４の導波路／回折格子構造に結合される。この実施形態のＧＣＷ１０４の概略図が、図８に示されている。ＧＣＷ１０４は、基板１０２と光学的に透明な流体１０３との間に挟まれた光導波路１０４ａおよび回折格子構造を備え、ＴＭモードおよび／またはＴＥモードのいずれかにおいて２つの異なる方向に入射光を伝搬することができる。ＧＣＷ１０４は、任意の他のモードで伝搬する光を支持することはない。結合光（ＴＭモードおよび／またはＴＥモード）は、（対向する矢印ＡおよびＢで示されているように１つの方向または２つの対向する方向において）ＧＣＷ１０４の中である距離を伝搬し、（導波路回折格子構造から）コリメートレンズ１０８に向かって反射する。この反射光は、等価な屈折率に関する情報を搬送し、言い換えれば、生物学的材料、生化学材料または化学材料がＧＣＷの表面に存在するかどうかに関する情報を提供する。

反射ビームＣは、レンズ１０８によって集光され、出力ファイバ１０７に提供される。出力ファイバ１０７は、分光計１０１に接続される。分光計１０１は、反射光ビームの波長を測定する。反射光ビームの波長は、導波路内の光の伝搬モードおよび回折格子結合導波路（ＧＣＷ）１０４の実効屈折率の関数である。回折格子結合導波路の実効屈折率は、ＧＣＷ１０４の厚さ、基板１０２の屈折率ｎ_１、導波路の屈折率ｎ_２、導波路の一番上に位置する流体１０３（たとえば、水）の屈折率ｎ_３のほか、その存在を検出しようとする材料の屈折率ｎ_４の関数である。さらに具体的に言えば、この材料が存在しない場合には、検出される反射波長（本願明細書では参照波長と呼ぶ）は値の１つの集合を有し、この集合は生物学的物質、生化学物質または化学物質のいずれかが、導波路の表面に存在する場合の反射光の波長とは異なる。したがって、参照波長の変化から検出されるビーム波長の変化は、生物学的物質、生化学物質または化学物質の存在を意味する。

この実施例において、ｎ_１＝１．５、ｎ_２＝２．１およびｎ_３＝１．３である。これらの屈折率は、一定である。屈折率ｎ_４は一定ではなく、ＧＣＷ１０４の表面１０４’に付着される特定の材料に左右される。回折格子結合導波路は、厚さｔが約１９０ｎｍであり、深さｄが約５０ｎｍであり、そのピッチＰが約５００ｎｍである。当然のことながら、他の屈折率を有する材料および他の寸法を有する回折格子結合導波路を用いてもよい。この実施形態において、ＴＭモードおよびＴＥモードはいずれも、２つの方向に導波路を通って伝搬する。したがって、分光計１０１は、ＴＭモードに対応する２つの波長（各伝搬方向ごとに１つの波長）およびＴＥモードに対応する２つの波長を検出する。測定は、以下の方法で行われる。第一に、ＧＣＷ１０４が、周知の屈折率ｎ_１を有する任意の非反応性の光学的に透明な流体１０３（たとえば脱イオン水）に浸漬される。参照測定が行われ、ＧＣＷ１０４から反射された光の参照波長を決定する。続いて、生物学的材料、生化学材料または化学材料が流体によってＧＣＷに提供され、この材料の一部がＧＣＷに付着する。ここで、流体はこの材料の一部を含んでもよく、この材料の一部は流体の屈折率に影響を及ぼしうるため、流体は次に同一の屈折率ｎ_１を有する新たな汚染されていない流体（たとえば、新たな脱イオン水）と交換される。測定が再び行われ、波長における任意の差は、ＧＣＷの表面にある材料の存在に対応する。マイクロプレートは、複数のＧＣＷを含んでもよく、複数のＧＣＷは複数のビームによって同時に呼掛けが行われてもよく、利用者は複数の材料の存在に関する照合を同時に行うことができる。図９は、それぞれがＧＣＷ１０４を含む複数のウェル１０２Ａを含むマイクロプレート１０２を概略的に示している。ウェル１０２Ａは、ＧＣＷ１０４を覆う光学的に透明な流体１０３、水などを含んでもよい。一般的なマイクロプレートは、たとえば、１００〜５００個のウェル１０２Ａを有しうる。

残りの光の大部分は基板およびＧＣＷを通って伝搬し、コリメートレンズ１０８に向かって反射されない。しかし、上述のように、マイクロプレート／基板の表面に面する入射ビームおよびＧＣＷによって生成される寄生反射がある。

この実施形態において、図７の光呼掛け装置１０は、コリメートレンズ１０８と、マイクロプレートまたは基板１０２との間に位置する光アイソレータ１０５も備える。光アイソレータ１０５は、ＧＣＷ１０４から寄生反射を除去するが、信号（すなわち、情報搬送）光Ｃをレンズ１０８に向かって伝搬することができ、出力ファイバ１０７の入力端面１０７’で集束する。出力ファイバ１０７は、この光を分光計１０１に供給する。

光アイソレータ１０５は、センサ１０４によって変形されなかった偏光を有する（光センサ１０４からの）すべて反射光を除去する。 しかし、変形された偏光状態を有する反射光は、部分的にアイソレータ１０５を通ることになる。マイクロプレート１０２の第１の面で生じる寄生反射およびＧＣＷの幾何的な寄生反射の偏光状態は、変形されない。したがって、寄生反射のいずれのタイプも光アイソレータ１０５によって除去される。他方、共鳴の偏光状態は、励起モードに応じて、ＴＥ配向またはＴＭ配向によって直線状である。

実施例２
図１０は、角度呼掛けを利用する本発明の光呼掛け装置の実施例を概略的に示している。この光呼掛け装置は、単色光源１１０を利用する。入力ファイバは、単色光源１１０に接続され、発散光ビームをコリメートレンズ１０８に提供する。コリメートレンズ１０８は、平行光線化された光ビームを光学素子１１２に向かって送り出し、光アイソレータ１０５を通過する。光ビームは次に、大きな角度の収束角θ_１で集束レンズ１０８ａによって、ＧＣＷ１０４の回折格子に集束される。集束ビームの収束角は、レンズ１０８ａの有効口径およびその焦点距離の関数である。光アイソレータ１０５は、基板／マイクロプレート１０２およびＧＣＷ１０４からの寄生反射を最小限に抑えるか、または除去する。

光ビームは、共鳴条件に対応する２つの対称な角度θ_２で反射され、レンズ１０８によって平行光線化され、光アイソレータ１０５を通過し、光学素子１１２によって検出器１１１に供給される。検出器１１１は、ＣＣＤカメラまたは任意の種類の位置感知検出器のいずれであってもよい。

光アイソレータ
実施例１
本発明の上述の実施形態（図７および図１０に示される）は、光アイソレータ１０５を利用する。光アイソレータ１０５は、入力ビーム（ＧＣＷにおける入射）と集光される出力ビーム（ＧＣＷによって反射）との間の任意の空間間隔または角度間隔を必要とすることなく、寄生反射を除去する。さらに具体的に言えば、図７および図１０は、波長検知光呼掛け装置（図７）または角度呼掛けを利用する光呼掛け装置（図８）におけるアイソレータ１０５の１つの具体的な実装例を示している。光呼掛け装置のこのような２つの実施形態において、光アイソレータ１０５は、偏光感知アイソレータである。

偏光感知アイソレータ１０５の実施例が、図１１に概略的に示されている。この実施形態によれば、このアイソレータは、直線偏光子１２０および四分の一波長板１２１を備える。直線偏光子１２０は、四分の一波長板１２１の偏光軸１２３ａおよび１２３ｂに対して４５°に向けられたその偏光軸１２２を有する。ＧＣＷ１０４に向けられた入射光ビームは、直線偏光子１２０を通過し、直線偏光となる。直線偏光は次に、四分の一波長板１２１を通過し、円偏光となる。すべての寄生反射は元の偏光を保持し、したがって、この光ビームは、ＧＣＷ１０４から反射した後には円偏光が維持される。反射された円偏光（寄生反射）は、波長板１２１を再び通過し、偏光の変化を受ける。その偏光軸は直線に変化し、偏光子１２０の軸１２２に対して約９０°に向けられる。次に、偏光子１２０は寄生反射をブロックする。

共鳴（すなわち、導波路の内外に結合される情報搬送光ビーム）の場合には、ＧＣＷ１０４からの反射後に、光ビームの偏光は、円偏光から直線偏光に変化し、偏光ベクトルの配向はＧＣＷの配向および光伝搬モード（ＴＥまたはＴＭ）に左右される。たとえば、光の偏光ベクトルが四分の一波長板１２１の軸１２３ａまたは１２３ｂの一方に沿っていると仮定すると、四分の一波長板１２１は、伝搬光の偏光状態に影響せず、偏光子はこのとき光学パワーの２分の１を透過する。透過された光（寄生反射なし）は、検出器に提供され、高精度の検出および解析を可能にする。

実施例２
アイソレータ１０５の別の実施例が、図１２に概略的に示されている。この実施例のアイソレータ１０５は、偏光子１２０およびファラデー回転子１２５を備える。（ＧＣＷに向かって伝搬する）入射光ビームが偏光子１２０を通過するとき、直線偏光となる。光ビームがファラデー回転子１２５を通過した後、その偏光は依然として直線偏光であるが、伝搬光の偏光ベクトル１２６は４５°回転される。反射後、すべての寄生反射に関連する光の偏光配向（偏光ベクトル）は、この光が再びファラデー回転子を通るように伝搬されるまで変化しない。ファラデー回転子は、光の偏光軸を４５°再び回転する。ここでこの光の偏光軸が偏光子１２０の軸１２２に対して９０°回転されるため、寄生反射が偏光子１２０によって除去される。

ＧＣＷ１０４の回折格子が偏光子の偏光軸１２２の方向に沿う方向か、または偏光子の偏光軸１２２の方向に垂直な方向のいずれかに向けられる場合には、共鳴条件に対応する反射光（すなわち、導波路の内外に結合され、反射される情報搬送光ビーム）は、その偏光ベクトルが偏光子の軸１２２に対して４５°であるように直線偏光される。したがって、この光ビームは次に、偏光子１２０によって部分的に透過され、検出器に提供され、高精度の検出および解析を可能にする。

図１３は、２つの共鳴曲線１４５および１４６を示している。曲線１４５は、光アイソレータ１０５を利用しない波長呼掛け装置において測定した共鳴波長に対応する。曲線１４６は、光アイソレータ１０５を備える図７の波長呼掛け装置によって測定した共鳴波長に対応する。図から分かるように、除去されていない共鳴（曲線１４５）は、図３のシミュレーションに対応する著しい非対称性を呈し、コントラストは比較的不良である。曲線１４５に現れる別の問題は、マイクロプレートの第１の面に関する反射によって生成される高い周波数変調である。（図４のシミュレーションで示されたこの変調は大きなコントラストを示さないという事実は、この変調が分光計の制限されたスペクトル解像度によって部分的に除去されるという事実による。しかし、この変調は、共鳴の形状を著しく変化させ、測定の再現可能性に影響を及ぼすほどには十分に大きい。）曲線１４６は、高い周波数変調がなく、狭く、コントラストの高い対称な曲線である。したがって、上述したように、光アイソレータ１０５は、戻ってくるビームから寄生反射を除去し、光呼掛け装置の品質を向上させる。類似の結果はまた、角度呼掛け手法を利用する光呼掛け装置において光アイソレータを用いることによって得られることができる。

実施例３
この具体的な光アイソレータ（図１４）は、実施例１の光アイソレータに類似している。しかし、アイソレータ１０５の偏光子１２０は、複屈折ビーム変位偏光材料、たとえばＹＶＯ４、石英または大きな複屈折率Δｎを呈する任意の他の材料から構成され、入射ビームを２つの異なる（直線）偏光入力ビーム成分に分割する。１つのビームではなく、２つの入力光ビームを有することにより、少なくとも２つのＧＣＷ１０４を同時に呼掛けることが可能である。これは、図１４に概略的に示されている。図１４は、非偏光ビーム入力Ａ’が偏光子１２０によって２つのビームＢ_１およびＢ_２に分割されることを示している。入力光ビームＢ_１およびＢ_２は、互いに垂直である直線偏光を有し、波長板１２１を交差した後で円偏光となる。２つのＧＣＷ１０４は、（たとえば、わずかに異なる厚さのために）わずかに異なる実効屈折率を有する。その結果、結合され、わずかに異なる共鳴波長によって特徴付けられる光Ｃ_１およびＣ_２を反射する。したがって、（２つの光ビームがＧＣＷによって反射され、偏光子１２０を再び通過することによって結合された後、）反射光は、２つの異なる材料の存在に関して、同時に呼掛けることができる。

２つのビームＣ_１、Ｃ_２は、偏光子１２０によって結合され、結合されたビームは出力ファイバに提供され、次に分光計１０１に提供される。続いて、分光計は、２つの異なるＧＣＷ１０４に対応する異なる共鳴波長を検出する。したがって、２つのＧＣＷ１０４の回折格子のピッチまたは実効屈折率が異なる場合には、２つの反射ビームは、２組の異なる波長によって特徴付けられる。

上述したように、すべての寄生反射は、元の入射）偏光（たとえば、円偏光）を保持する。２つの反射された（寄生）ビームは、ＧＣＷ１０４からの帰路で波長板１２１を通過する。波長板１２１は、偏光を９０°回転することによって２つの戻るビームのそれぞれの偏光を変化させる。したがって、偏光子１２０によって生成される偏光シフトは、最初に進む方向ではなく、対向する方向に進む。そのとき、寄生反射が除去される。したがって、ＴＭモードおよびＴＥモードがいずれも、２つのＧＣＷ１０４の内部で２つの対向する方向に伝搬中であった場合には、分光計１０１は８つの波長の合計を測定することになる。

図１２は、ＧＣＷ１０４が法線入射で呼掛けを行い、光アイソレータ１０５が波長板１２１を備える場合を示していることに留意されたい。この手法はまた、非法線入射を用い、四分の一波長板１２１ではなくファラデー回転子１２５を用いる場合とも互換性があることが分かる。

図１４に示された手法は、少なくとも２つの異なるＧＣＷに呼掛けることが可能である。類似の手法であるが、２つの同一のＧＣＷを利用する手法もまた、生物学的物質、生化学物質または化学物質の存在を検出すると同時に、任意の環境の変化を検出するために用いられることができる。すなわち、入力光ビームを２つのビームに分割することにより、光ビームのそれぞれが異なるＧＣＷに呼掛けることが可能となる。ＧＣＷの一方は（時間および／または環境の変化に関するセンサドリフト、たとえば温度変動または入射ビームにおける角度変化を監視することによって）参照測定を提供し、他方のＧＣＷは生物学的物質、生化学物質または化学物質の存在を検出するために用いられる。この呼掛け装置は、自己参照型装置と呼ばれる。環境の変化は、参照ＧＣＷの回折格子のピッチおよび実効屈折率を変化させ、共鳴波長または共鳴角をわずかに異なる波長または角度にシフトさせる原因となる。他の同一のＧＣＷは、すべての変化による変化、すなわち生物学的物質、生化学物質または化学物質による変化のほか、環境の変化、角度の変化などによる変化を記録する。したがって、２つのＧＣＷは、２つの異なる測定および検出された物質の存在にのみ対応し、環境の変化によるものではないデータの２つの集合の間の差を提供する。しかし、両方の共鳴に対応する波長は同一の出力ファイバによって結像されるため、２つのＧＣＷに対応する波長はそれらを識別することができるようにするためにスペクトルによって分離することが必要である。これは、たとえば、２つの戻る異なった偏光のビームの偏光感知角度分離を利用することによって行うことができる。

実施例４
本発明の別の実施形態によるこの光アイソレータが、図１５に示されている。この実施形態は、２つのウォラストンプリズムＷ_１、Ｗ_２およびウォラストンプリズムＷ_２とセンサ２０との間に位置する四分の一波長板１２１を利用する。第１のウォラストンプリズムＷ_１を光ビームに導入することによって、異なる方向に伝搬する直交偏光を有する２つの発散光ビームを得る。図１５に示されているように、２つの光ビームが同一の第２のウォラストンプリズムＷ_２を通過するときに、２つの伝搬光ビームは再び平行となり、空間的に分離される。ビーム間の距離は、プリズムの角度、それらの間の距離の関数である。２つのプリズムＷ_１、Ｗ_２の一方がその光軸を中心にして回転される場合には、他方の光ビームに対して一方の光ビームの配向を変化させることが可能である。共鳴波長は入射角の関数であることから、一方のプリズムの回転の影響は他方の光路に対する一方の光路のスペクトルをシフトさせることである。したがって、参照回折格子および測定回折格子が同一であっても、プリズムの回転により、互いにスペクトルをシフトさせることが可能であり、その結果、参照チャネルおよび測定チャネルから共鳴波長を分離することができる。

図１６Ａおよび図１６Ｂは、図１５の構成によって得られた実験結果を示している。角度の位置ずれがない場合には、２つのＴＥモードおよびＴＭモードに対応する４つの共鳴を得る（図１６Ａ）。角度の位置ずれが導入される場合には、ピークが分割され、最終的には８つの分離された共鳴ピークとなる（図１６Ｂ）。

本発明の精神および範囲を逸脱することなく、本発明に種々の修正および変形を施すことができることは、当業者には明白であろう。したがって、本発明は、本発明の修正および変形が添付の特許請求項およびその等価物の範囲内に収まるのであれば、それらの修正および変形を網羅するものとする。

波長呼掛けを利用する従来技術のＧＣＷ（回折格子結合導波路）に基づく光呼掛け装置を概略的に示している。 角度呼掛けを利用する従来技術のＧＣＷに基づく光呼掛け装置を概略的に示している。 図１の光呼掛け装置の波長共鳴形状のシミュレーションを示している。 図１の光呼掛け装置において利用されるセンサのマイクロプレートの第１の面からの反射の影響を示している。 寄生反射が入力光ビームとＧＣＷによって反射される光ビームとを空間的に分割することによってどのように低減されるかを概略的に示している。 図６Ａは、図１の光呼掛け装置によって測定された実験データを提供する。データは、寄生反射の背景に重ねられる共鳴波長を示す。図６Ｂは、図５によって示される特殊な分割方法に基づいて寄生反射が除去された共鳴波長データの曲線である。 本発明の第１の実施形態によるＧＣＷに基づく光呼掛け装置を概略的に示している。この光呼掛け装置は、波長呼掛けを利用する。 図７の光呼掛け装置において利用されるＧＣＷを概略的に示している。 複数のウェルを有するマイクロプレートを示し、ウェルのそれぞれは少なくとも１つのＧＣＷセンサを含む。 本発明のＧＣＷに基づく光呼掛け装置の第２の実施形態を概略的に示している。この光呼掛け装置は、角度呼掛け手法を利用する。 偏光子および四分の一波長板を備える光アイソレータを概略的に示している。 偏光子およびファラデー回転子を備える光アイソレータを概略的に示している。 共鳴波長測定の２つの集合に対応する２つの実験曲線を示している。 本発明のＧＣＷに基づく光呼掛け装置において利用される光アイソレータを概略的に示している。この光アイソレータは、複屈折ビーム変位偏光子を備え、ＧＣＷの光呼掛け用の２つの光ビームを生成する。 本発明の光呼掛け装置において利用される別の具体的な光アイソレータを概略的に示している。この光アイソレータは、２組のウォラストン複屈折プリズムによって入射光ビームを２つの光ビームに分割する。 図１５の構成において得られる実験結果を示している。

Claims (9)

1. 生物剤、生化学製剤または化学薬剤を検出するための無標識光呼掛け装置であって、当該無標識光呼掛け装置が、
   １）生物学的物質、生化学物質または化学物質を固定化することができ、かつ、信号光の偏光状態を変化させることができる検知領域を有する表面を有する回折格子結合導波路（ＧＣＷ）を備える光センサと、
   ２）前記検知領域を監視するための光学検出装置であって、光源、検出機器、および、(i)前記光源から前記光センサに、及び、(ii)前記光センサから前記検出機器に、光を供給する光供給装置と、を備えたものと、
   を有してなり、
   さらに、前記検出機器と前記光センサの間に光学的に位置する、偏光に基づく光アイソレータであって、前記光センサによって生成されて、前記検出機器に伝搬しようとする寄生反射を実質的に除去し、前記光センサにより変化させられた偏光状態を有する光ビームの少なくとも一部を通して前記検出機器に伝搬させるものをさらに備えることを特徴とする無標識光呼掛け装置。
2. 前記光アイソレータは、偏光子および、（ｉ）波長板または（ｉｉ）ファラデー回転子のいずれか、を備えることを特徴とする請求項１に記載の無標識光呼掛け装置。
3. 前記光アイソレータは、少なくとも１対のウォラストンプリズムを備えることを特徴とする請求項１に記載の無標識光呼掛け装置。
4. 前記光アイソレータは、前記光ビームを分離して２つの光ビームを生成することを特徴とする請求項１に記載の無標識光呼掛け装置。
5. 前記２つの光ビームは、平行光線化された光ビームであることを特徴とする請求項４に記載の無標識光呼掛け装置。
6. ＧＣＷに基づく光呼掛け装置において寄生反射を除去する方法であって、
   ａ）光源を含む光学検出装置を提供するステップと、
   ｂ）前記光学検出装置によって提供される偏光ビームを反射することができる少なくとも１つの回折格子結合導波路（ＧＣＷ）を備えた光センサを提供するステップと、
   ｃ）偏光ビームを前記回折格子結合導波路（ＧＣＷ）に導入し、前記回折格子結合導波路に提供された前記偏光ビームの偏光状態を変化させるステップと、
   ｄ）偏光に基づく光アイソレータを前記光学検出装置内の検出機器と前記光センサの間の光路に配置し、（ｉ）前記光センサの第１の表面から生成されるフレネル反射および／または（ｉｉ）前記回折格子結合導波路の幾何的反射を実質的に除去するステップと
   を含み、
   前記フレネル反射及び幾何学的反射が、前記回折格子結合導波路で変化させられない偏光を有し、前記光アイソレータが、変化させられた偏光状態を有する光の内の少なくとも一部を前記光センサに伝搬することを特徴とする方法。
7. 前記光呼掛け装置は、前記センサによって反射された光の共鳴波長または共鳴角を測定することを特徴とする請求項６に記載の方法。
8. 前記光ビームを２つのビームに分離するステップをさらに含むことを特徴とする請求項６に記載の方法。
9. 前記光アイソレータは、
   １）偏光子および、（ｉ）波長板または（ｉｉ）ファラデー回転子のいずれか、を備え、かつ
   ２）非直線偏光を前記センサに送り込む、
   ことを特徴とする請求項６に記載の方法。

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