JP5329753B2

JP5329753B2 - センサ及び経路内物体光子検知方法

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Publication number: JP5329753B2
Application number: JP2006342376A
Authority: JP
Inventors: シュミットオリバー; キーゼルピーター; エムジョンソンノーブル
Original assignee: Palo Alto Research Center Inc
Current assignee: Palo Alto Research Center Inc
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-12-20
Publication date: 2013-10-30
Anticipated expiration: 2026-12-20
Also published as: EP1801562B1; US20070146704A1; EP1801562A1; US7547904B2; JP2007171190A

Description

本発明は、集積回路（ＩＣ）上に形成されたフォトセンサアレイを用いる光子検知に関する。

特許文献２には、細胞流用長尺状流路（チャネル）を複数個有するシステムが記載されている。このシステムにおいては、細胞流用チャネルからの輻射をモニタすべくアレイ型検知器が配置される。そのアレイ型検知器上には別々のグループをなす複数個の画素がある。アレイ型検知器は、チャネルのうち少なくとも２個からの輻射を、互いに別の画素グループにてモニタできるように、配置されている。

米国特許第５１６６７５５号明細書米国特許第６５８０５０７号明細書 S. Devasenathipathy and J. G. Santiago, "Electrokinetic Flow Diagnostics", in K. S. Breuer, Ed. 'Micro and Nano-Scale Diagnostic Techniques', Springer-Verlag, New York, 2003, pp. 113-154 M. Koch, A. G. R. Evans and A. Brunnschweiler, "Design and Fabrication of a Micromachined Coulter Counter", J. Micromech. Microeng., Vol. 9, 1999, pp. 159-161 V. Sivaprakasam, A. Houston, C. Scotto and J. Eversole, "Multiple UV Wavelength Excitation and Fluorescence of Bioaerosols", Optics Express, Vol. 12, No.9 (2004), pp. 4457-4466 Nicholas J. Goddard, Kirat Singh, Fatah Bounaira, Richard J. Holmes, Sara J. Baldock, Lynsay W. Pickering, Peter R. Fielden and Richard D. Snook, "Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguies (ARROWs) as Optimal Optical Detectors for MicroTAS Applications", [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/MicroTAS/MicroTas2.htm K. Singh and N.J. Goddard, "Leaky ARROW Waveguides for Optical Chemical and Biosensors", Abstract Submitted to Biosensors 1998, [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/Biosensors/ARROW-Biosensors.htm

既存技術例えば上述の従来技術を利用し光から情報を得る際に問題となることの一つに、流路付構造物に設けられているチャネル又はその中の移動物体から放射光を得てスペクトラム情報を得る動作を、迅速に実行することが難しいことや、それを実現するのに嵩張った高価な装置が必要であること等がある。その捕捉が難しく（或いは捕捉することが望ましくなく）移動中に計測等を行う必要がある物体の特性を光学的に調べる際、これらのことがとりわけ大きな支障になる。加えて、光学的粒子識別法には、取得可能な情報が限られ、また励起光・粒子間相互作用が弱いという制約がある等、また別の問題もある。

従って、チャネル内物体から放出される光子を検知する技術を改良し、上掲の問題群を解決することが、求められているといえよう。

ここに、本発明の一実施形態に係るセンサは、（１）チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、（２）それぞれのチャネル構成部分に対応して且つそれぞれのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、を備え、（３）各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも２組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、（４）各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知し、さらに、各列内の複数個のセルに関して、チャネル構成部分から各列内の複数のセルに向かって光子を透過する透過構造を備え、その透過構造は、チャネル構成部分の流体移動方向に沿って設けられた複数の領域を有し、それぞれの領域は、光子エネルギレンジのサブレンジに属するそれぞれの組の光子を透過し、少なくとも２つの領域のサブレンジは互いに異なり、少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、センサである。

また、本発明の一実施形態に係る方法は、（１）光子を放出する１個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、（２）それぞれ上記経路の一部である複数個のセグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を、検知する検知ステップと、を有し、（３）少なくとも２個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知し、さらに、上記検知ステップは、上記経路を構成する少なくとも１つのセグメントにおいて、上記経路からそのセグメントのそれぞれのセルの組に向かってそれぞれの組についての光子だけを透過するステップと、上記セグメントのそれぞれのセルの組に透過された、上記セグメントのそれぞれの光子の量を検知するステップとを含み、上記経路は、複数本のチャネル構成部分を持つ流路付構造物におけるチャネル構成部分に設けられ、光子エネルギのそれぞれのレンジに属するエネルギを持つ光子がそれぞれのチャネル構成部分で放出され、少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、方法である。

本実施形態においては、より好ましくは、（１）フォトセンサアレイを、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも２個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち１個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成し、（２）上記移動ステップでは、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させる。

そして、本発明の他の実施形態に係るセンサは、（１）光子を放出する１個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、（２）上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、（３）上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも２個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なり、さらに、上記経路を構成するそれぞれのセグメントからそれぞれの組のセルに向かって生じる光子を透過する透過構造を備え、その透過構造は、上記経路に沿って列となる複数の領域を有し、それぞれの領域は、上記セグメントから光子エネルギレンジのサブレンジに属するそれぞれの組のセルに向かう光子を透過し、少なくとも２つの領域のサブレンジは互いに異なり、上記経路は、複数本のチャネル構成部分を持つ流路付構造物におけるチャネル構成部分に設けられ、光子エネルギのそれぞれのレンジに属するエネルギを持つ光子がそれぞれのチャネル構成部分で放出され、少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、センサである。

図１に、流路付構造物１２を支持基体としその上に形成されているアナライザ１０について、その構成要素のうち幾つかを模式的に示す。図示の如く、この流路付構造物１２には蛇のように曲がりくねったチャネル１４が形成されている。また、このチャネル１４は、その内部に物体１６を通すことができるよう、形成されている。物体１６は、例えば、解析対象となる検体を含有する小体積流体乃至液滴であり、適当な物質例えば流体によって、このチャネル１４内を運ばれていく。

以下説明する構成にて検査しうる物体１６には、例えば、液滴、流体の微小体積部分、単独の分子、凝集した分子、分子クラスタ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、ＤＮＡ（デオキシリボ核酸）、マイクロパーティクル、ナノパーティクル、エマルジョン等と称されるものが含まれる。液滴や流体微小体積部分の中には、例えば、自発的に又は励起に応じ蛍光等の仕組みで光を輻射する粒子、例えば原子や分子等の蛍光成分・発光成分や、液滴等への入射光を吸収してしまいその粒子ひいては液滴等からの光の反射や散乱が生じない粒子即ち吸収成分や、液滴等への入射光をその光を構成する光子のエネルギ（波長又は振動数のこと；本願では光子エネルギと称する）に応じて散乱させる粒子即ち散乱成分等が含まれうる。吸収成分しか含まない液滴等は光を反射も散乱もさせないのに対し、散乱成分を含む液滴等はそれ相応に入射光を散乱させる。即ち、液滴内の検体即ち調査対象化学種は、蛍光体、光吸収体、光散乱体等として振る舞う。

物体１６は、図中矢印線２０で示されるように、主流体により搬送されてチャネル１４内に入っていく。その送給元は例えば補給用リザーバ及び標本ウェルであり、主流体内への入り方は等速送出用電極２２によって制御される。ここでは等速送出(metering)の方法として電極２２による電気的等速送出を使用しているが、圧力による等速送出も採用可能である。更に、チャネル１４内に液滴その他の小物体を供給するのに使用できる手法は他にもある。

アナライザ１０に設けるチャネルの本数は適宜定めることができる。その場合、各チャネルの構成は図１中のチャネル１４と同様の構成でよい。各チャネルに対する検体標本の供給元例えば標本ウェル、リザーバ、コンテナ等は、チャネル毎に設けてもよいし複数個のチャネルで共用してもよい。更に、各チャネルに設ける部材の個数及び種類は、そのチャネルを用いどのような種類の解析を実施したいかに応じて設定するとよく、従ってそれらはチャネル毎に異なる個数又は種類となりうる。使用できる解析手法としては、例えば蛍光分光(fluorescence spectroscopy)、レーザ誘起(laser-induced)蛍光分光（ＬＩＦ）、吸収(absorption)分光、励起(excitation)分光、ラマン散乱(Raman scattering)分光、面拡張型(surface-enhanced)ラマン散乱分光（ＳＥＲＳ）、遠赤外(far-infrared)分光等がある。また、１個の広いチャネルを区画して複数本のチャネルを形成すること、例えば互いに平行な数本のチャネルを形成することも可能である。

物体１６を搬送するための流体は、矢印線２４で示すように別の入口からチャネル１４内に入れることもできる。矢印線２０又は２４に沿ってチャネル１４内に入った流体が辿る経路は、様々な装置により制御される。例えば、この図のチャネル１４に設けられている分岐ジャンクションのうち２個は、それぞれ別のアウトレットにつながっており且つ弁を有している。図中の弁３０及び３２がそれである。チャネル１４内の流体は、矢印線２６で示すように弁３０に対するトグル制御によって一方のアウトレットから排出させることができ、また、矢印線２８で示すように弁３２に対するトグル制御によって他方のアウトレットからも排出させることができる。即ち、物体１６が到来したとき弁３０又は３２を開かせることによって、物体１６及びそれを搬送する流体を、その弁に対応するアウトレットから排出させることができる。これは物体１６を対象とするゲーティングの一形態であり、他の形態によるゲーティング、例えば電界印加により選別的に物体１６を偏向させる仕組みによるゲーティングも実施可能である。帯電している粒子であればクーロン力によって偏向させることができるし、分極可能な粒子であれば誘電泳動力によって偏向させることができる。そして、流体は、矢印線３４で示すように、最後段に設けられたアウトレットを介しチャネル１４から排出させることができる。

流体の流れを維持するには、チャネル１４の長手方向に沿って、流体の流れを推進する部材を設ければよい。この推進部材は従来からある種類のものでよく、図示の例では電気浸透ポンプ４０が用いられている。推進部材には、流体の流れを維持する機能だけでなく、圧送法によりシステムを洗浄する機能や同じく圧送法により流体を初期充填する機能を担わせることができる。電気浸透ポンプ４０を含め、流路付構造物１２に設けられた各種部材は、相応の回路を設けることによって、相互に同期をとりつつ動作させることができる。

チャネル１４は、１８０度に曲がった屈曲部により複数個の直線部間をつないだ構成を有している。チャネル１４沿いには、それぞれ対応する直線部内を移動していく物体１６についての情報を取得するため、複数個の検知部材が次から次へと配されている。設けられている検知部材の一つはコールタカウンタ(Coulter counter)５０、他の一つはミー散乱センサ(Mie scatter sensor)５２であって、これらは何れも既存手法を用いて構成することができる。図中、コールタカウンタ５０及びミー散乱センサ５２は、チャネル１４を構成する同一の直線部沿いに配置されている。コールタカウンタ５０は電気式粒子サイズ検知器の一種であり、ミー散乱センサ５２は光学式検知器の一種である。ミー散乱センサ５２は、側方からチャネル１４に入射しチャネル１４内の物体１６例えば粒子により散乱された光を検知する。

チャネル１４沿いには、上述の一群の検知部材として、更に、可視光や赤外光に反応する光吸収検知部材５４、第１の蛍光検知部材５６、第２の蛍光検知部材５８、並びにラマン散乱検知部材６０が配されている。アナライザ１０には、これ以外にも、適宜、様々な検知部材を様々な組合せで設けることができる。全部又は一部の検知部材間に相互直列接続乃至相互縦続関係がない配置としてもよい。また、更に、特性的に所定条件を満たす検体がチャネル１４沿いのある位置を通過したとき、そのこと又はその時刻を示す起動信号を出力する光学式又は電気式の起動部品を、検知部材の一種として設けてもよい。こうした起動部品は既存の技術で実現できる。更に、生体粒子サイズ検知用差動抵抗に代え、電子病理学向けＥＩＳ(electrical impedance spectroscopy)用検知部材を、設けることもできる。

図１に示す一群の検知部材によれば、移動する粒子その他の物体１６についてのスペクトラム情報を取得することができる。取得したスペクトラム情報を用いれば、直交性のあるかたちで物体１６の特徴を調べることができ、また物体１６の識別を信頼性よく行うことができる。直交性のあるかたちで、とは、例えば相異なる光子エネルギレンジでの光子検知により得られた複数種類の情報や、相異なる強度レンジでの光子検知により得られた複数種類の情報のように、その間に直交性が成り立つ複数種類の情報を利用して、という意味である。素材選択が適切であれば、深紫外域から遠赤外域更にはＴＨｚ帯の周波数に至る光子エネルギレンジにてくまなく、スペクトラム情報を取得可能である。

また、アナライザ１０は、多信号解析を実行可能な構成、従って生体物質(bioagent)を試薬なしで識別可能な構成とすることができる。

検知部材５４、５６、５８及び６０はそれぞれＩＣ６４、６６、６８又は７０を有しており、それらＩＣ６４、６６、６８及び７０はそれぞれフォトセンサアレイを内蔵しており、各フォトセンサアレイは一群のセルから構成されており、各セル群はある光子エネルギレンジ内の光子を検知するよう構成されている。言い換えれば、検知部材５４、５６、５８及び６０は内蔵するセル群により実現されている。更に、ＩＣ６４、６６、６８及び７０にて光子を検知可能な光子エネルギレンジを互いに同一にしてもよいし違えてもよい。例えば、ＩＣ６６を構成するセル群は上述の如く可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジにて光子を検知し、ＩＣ６８を構成するセル群は同じ可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジではあるがＩＣ６６を構成するセル群のそれとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知し、ＩＣ７０を構成するセル群は赤外域に属する光子エネルギレンジにて光子を検知する、といった具合に構成することができる。また、光子を検知可能な光子エネルギレンジが同一の複数のＩＣにて別々の検知結果が得られるよう構成することもできる。例えば、ＩＣ６６及び６８に係る光子エネルギレンジが互いに同一であるとする。そうした場合でも、それらＩＣ６６及び６８に対応する励起光源同士を、互いに別々の波長で発光するように構成しておけば、互いに異なる結果が得られる。即ち、そうした構成では、一方の波長の励起光を受けて物体１６が発する蛍光が例えばＩＣ６６で検知され、他方の波長の励起光を受けて物体１６が発する蛍光が例えばＩＣ６８で検知されることとなるので、蛍光検知結果が両ＩＣ間で異なる結果となりうる。なお、励起光源は、ＬＥＤ（発光ダイオード）、レーザ等によって実現することができる。また、検知部材５４、５６、５８及び６０を構成するセル群の光子検知可能波長域即ち光子エネルギレンジは、この例では複数個のサブレンジに分割されており、各サブレンジに属する光子をセルの小群（組）のうち対応するものが検知する構成を採っている。各小群に係るサブレンジを他の小群のそれと同じにしてもかまわないが、同一フォトセンサアレイ内小群のうち少なくとも２個は、互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう構成しておく。

更に、検知部材５６、５８及び６０には励起手段乃至照明手段を併設することができる。励起乃至照明の手法は、物体１６から光を放射させることが可能な手法である限り、どのような手法でもよい。また、単独の粒子又は低濃度の生物学的若しくは化学的物質の特性を調べることができるようアナライザ１０を構成する場合には、とりわけ、光標的間相互作用の強化(enhanced light-target interaction)が重要となる。チャネル１４は、その内部にあり検体を含む流体を光導波用のコア部とし、それを取り巻く高屈折率の部分をクラッディング部とする反共振光導波構造(anti-resonant waveguide)とすることができるので、概略、その長手方向に沿ってフォトニック相互作用を発生させることができ、これによって光標的間相互作用を強化することができる。また、この反共振光導波構造における光標的間相互作用強化を妨げないようにするため、ここでは更に、ＩＣ６６、６８及び７０を複数個のスペーサ７２によって支持する構造を採用している。このようにすれば、ＩＣ６６、６８及び７０とチャネル１４の対応部分との間に適正な幅の間隙が形成されるため、ＩＣ６６、６８及び７０が反共振光導波構造と機械的に抵触、競合することを、防ぐことができる。

反共振光導波構造においては、長手方向に沿って相互作用が生じることから、光と標的粒子（例えば分子）との間の相互作用が格段に強くなる。反共振光導波構造は、例えば、ガラス毛細管内にエアロゾルを入れた構造や、或いはガラススライド間に液体膜を挟んだ構造によって実現するのが、望ましい。励起は相応の電磁波を照射することによって行うことができる。

光標的間相互作用強化用光導波構造例えば反共振光導波構造を採用する場合、背景励起光抑圧機構の付加が必要になるかもしれない。背景励起光抑圧機構としては、例えば波長炉波特性を有する部材を、チャネル１４を形成する壁の一部又はフォトセンサアレイの頂部被覆の一部として設ければよい。

図２に、図１中の線２−２に沿ったアナライザ１０の断面を模式的に示す。図示したのは第２の蛍光検知部材５８を含む部分の断面であるが、第１の蛍光検知部材５６も本質的にこれと同様の断面を呈する。また、ラマン散乱検知部材６０の断面にも、これに類似する部分がある。

矢印線８２で示す如くチャネル１４の構成部分８０内を下流へと移動中の物体１６は、例えばレーザ光源やＬＥＤ光源として構成された光源８４等の励起部材から、励起光を受光する。チャネル構成部分８０は、例えば光源８４から発せられた光を受けて反共振光導波路として機能する等して、強化されたかたちで光標的間相互作用を発生させる。

光源８４からの光が到達すると、物体１６に内包されている検体が蛍光、即ち光子エネルギスペクトラムに特徴のある光を放射する。放射された光の一部は光束８６となり検知器アセンブリ８７に向かう。検知器アセンブリ８７は少なくともＩＣ６８を有しており（実施形態によってはそれ以外の構造物も有しており）そのＩＣ６８上にはフォトセンサアレイがあるので、光束８６内の光子はそのフォトセンサアレイを構成するセル群によって検知されることとなる。なお、検知器アセンブリ８７は、ＩＣ６８上のフォトセンサアレイがチャネル構成部分８０内における物体１６の移動経路近くに位置し且つ当該フォトセンサアレイが当該移動経路に対して平行になるよう、ひいては集光効率が高まるよう、配置しておく。ここでいう「経路」は複数個の位置を実質連続的に連ねたもののことであり、例えばある「経路」から光が放射されるならその経路は「放射元経路」、またある「経路」上で光がフォトセンサアレイに入射するならその経路は「光検知経路」という具合に使用する。また、「経路」は複数個の構成部分即ち「セグメント」又は「経路部分」を含むものとして理解することができる。ここでいう「セグメント」乃至「経路部分」は排他的なものではなく、セグメント同士の一部重複や全部包含も許される。

また、アレイを構成するフォトセンサのうち何個かがある経路又はそのセグメントから放射される光を検知できるよう、そのフォトセンサアレイがその経路又はセグメントの近くに配置されている場合、そのことを、経路又はそのセグメントに「沿って」フォトセンサアレイが配置されている、と表すこととする。

図中の検知器アセンブリ８７は、チャネル１４の構成部分８０における反共振光導波を邪魔しないよう、複数個のスペーサ７２によって支持されている。即ち、複数個のスペーサ７２はチャネル構成部分８０内に入り込まないように配置されており、それによって検知器アセンブリ８７の下方には空隙８８が生じているので、チャネル構成部分８０内での反共振光導波は阻害されない。これは、空気の屈折率が、導波路（チャネル１４）内の液体のそれよりも低いためである。なお、ここでは空隙８８を形成しているがこれは反共振光導波が阻害されることを防ぐ方法の一例に過ぎず、十分な幅の間隙又は十分に屈折率の低い層乃至膜でさえあれば、設けるのが空気の層（空隙８８）でなくとも、反共振光導波が阻害されることを防止できる。低屈折率の素材を使用する場合、形成乃至使用すべき間隙、層又は膜の幅若しくは厚みは数μｍ程度、例えば１０μｍという狭さ乃至薄さになる。

また、物体１６はチャネル構成部分８０内通過中は途切れなしに励起光を受光するので、物体１６内の検体からの蛍光もフォトセンサアレイの長手方向に沿って途切れなく発生し続ける。従って、物体１６がチャネル構成部分８０内を移動する期間を途切れなく利用して、スペクトラム情報を収集することができる。

図２に示した構造は、更に、ラマン散乱検知部材６０をかたちづくる構造としても用いることができる。ラマン散乱検知部材６０をそのようにして形成した場合、専用のラマン散乱センサと比肩しうる程ではないにせよ、特定の注目ラマンバンド等に対し十分に適用できる性能及び分解能や十分なスペクトル域を有するものが得られる。また、その出力信号は、完全なラマンスペクトラムではなく、それぞれ、ラマンスペクトラム間にある狭い間隙の幅なり、指定された複数本のラマンライン間の強度比なりを表す信号になる。

図２に示した形態でラマン散乱検知部材６０を実現するには、光源８４及びＩＣ７０を所定の仕様に適合させること、とりわけアナライザ１０における感度及び背景光抑圧能力に関する仕様に適合させることが、必要となろう。加えて、光サンプリングを効率的且つ確実に行えるようにするため、ＩＣ７０を構成するフォトセンサアレイとチャネル１４との間に、相応の光学部品を配置することが必要となろう。

図２からは、更に、流路付構造物１２を実現、形成する手法の例も看取できる。即ち、図中の構成では、例えば光透過性のガラス又はシリコン基板である支持層９０の上に、ポリジメチルシロキサン(polydimethylsiloxane；ＰＤＭＳ)によりマイクロモールド層９２が形成されており、更にこのマイクロモールド層９２内にチャネル１４が形成されている。図中の各層例えばマイクロモールド層９２をパターニングする際には、検体と検体の間の干渉ができるだけ少なくなるよう、チャネル１４のうちの光標的間相互作用発生部分の長さを設定しておくとよい。

ＰＤＭＳからなるパターン化マイクロモールド層９２を形成するには、例えば、ガラス等からなる支持層９０の上にＳＵ−８ポリマからなるテンプレートを形成し、その上にＰＤＭＳを堆積、成長させた上で、テンプレートを除去すればよい。そうすれば、テンプレートがなかった場所にパターン状の構造物が形成される。マイクロモールド層９２の上を覆っているのはガラス等により形成された光透過性プレート９４である。

こうした方法に代え、ガラスをエッチングしチャネルを形成する、という手法も使用できる。また、ＳＵ−８等のポリマ素材の層をマイクロファブリケーション法によりパターニングしてチャネルを形成すれば、アスペクト比の高いチャネル壁を形成できる。また、チャネル１４内で検体を搬送する媒体に応じ、チャネル１４にまつわる各種パラメタを設定すれば、更に好適な結果が得られる。

例えば、チャネル１４にまつわるパラメタのうち、チャネル壁の接着性(adhesiveness)即ち生体粒子、バクテリア、タンパク質等の吸引されやすさを左右するパラメタをうまく設定することが、特に効果的である。

チャネル壁面等の接着性による標本損失を減らす方法は幾つかある。具体的には、チャネル壁面等に抗接着性被覆を被着形成しておくことで、その壁面への生体粒子等の検体の付着を防止できる。特に、ポリエチレングリコール(polyethylene glycol；ＰＥＧ)の浸漬被膜を形成しておけば、大抵の生物系素材はその被着を好適に防止することができ、それでいて水溶液に作用する毛細管力も確保することができる。この他の使用可能な被覆としては、例えばパリレンＣ(parylene C；商標)や、気相成長テトラグリム(tetraglyme；tetraethylene glycol dimethyl ether；pentaoxa pentadodecan)がある。どういった被覆を使用するかは、例えば標本の特性、素材界面の化学的性質、動作の条件・形態・機序等に応じて決めればよい。また、前述の反共振導波という手法はその内径が最大約１．０ｍｍのチャネルに対して適用され、また恐らくはそれ以上の内径のチャネルに対しても適用可能な手法である。このように太いチャネルに適用される手法であるので、目詰まりのような大きな問題が壁面接着によって生じる恐れは少ないが、それでもなお接着防止措置は有益である。即ち、接着防止措置を施すことで、チャネル内壁への素材や物体の接着を防止でき、従って接着した素材や物体から光が放射され背景スプリアス光になってしまうことを防ぐことができる。

更に、図２中、支持層９０の表面のうちＰＤＭＳによるマイクロモールド層９２とは逆側の面上には、その一部表面が励起光結合部９８として機能するよう光学部品９６が設けられている。光源８４から発せられた光は、この面９８を通ることで、チャネル１４の構成部分８０内にある反共振光導波路にカップリングされる。面９８は良好な結合が実現されるように形成されている。また、適当な素材と適当なプロセスを用いさえすれば、支持層９０及び光学部品９６を同一の素材による単一の層として形成することもできる。

図３に、検知器アセンブリ８７の一例構成を模式的に示す。この図の検知器アセンブリ８７内のＩＣ６８はフォトセンサアレイ１００を有しており、更に当該ＩＣ６８に取り付けられた複数個のスペーサ７２を有している。フォトセンサアレイ１００は図示の如く二次元アレイであり、少なくとも２個の行に亘り配列されたセル群を有している。そして、各セルにはフォトセンサが内蔵されている。

フォトセンサアレイ１００は、各部分例えば各行内に位置するセルが他の部分例えば他の行内に位置するセルとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知するように、また同一部分例えば同一行内に位置するセルが互いに異なるサブレンジにて光子を検知するように、例えば部位毎に異なる被覆によって覆われる等、異なる構造とされている。そのため、１個のＩＣから得られる情報だけで、広範な光子エネルギレンジに亘り仔細に入射光子を解析することができる。加えて、基準セル群を設ければ、空間分解能の高いリアルタイムな基準信号を発生させることができる。

このフォトセンサアレイ１００の特徴の一つは、サブレンジセルの近傍に何個かの基準セルが設けられていることである。

即ち、行１０２に属する各セルは、波長λａｌｌによって代表されるある好適な光子エネルギレンジ全体に亘り光子の検知を行いその結果を信号として出力する。この信号は、行１０４に属する近傍のセル用の基準信号として使用される。なお、セルの構成次第で出力信号の強度が異なるので、行１０２に属するセルから得られる信号の強度と、行１０４に属するセルのうちこれと対をなすセルから得られる信号の強度は、一般に異なるものになる。望みであれば、行１０２内のセルと行１０４内のセルの構成をそれ相応に異なる構成とすることによって、両信号強度を同じオーダにすることができる。

他方、行１０４内にある各セルは、所定光子エネルギレンジを構成するサブレンジのうち、何れかのサブレンジにて光子を検知する。図示の例では、当該所定光子エネルギレンジの最短波長はλｍｉｎ、最長波長はλｍａｘであり、これらの波長により光子エネルギレンジの広がりが定まっている。図中、セル１０６を例として示されているように、各セルはその光子エネルギレンジのサブレンジ例えば波長λｐを中心とするサブレンジにて光子を検知する。ＩＣ６８は、更に、これらのセルをアレイ化するためのアレイ回路や、フォトセンサアレイ１００からの検知結果情報の読出に関連する各種機能を実行する周辺回路１１０を、内蔵している。

図４に検知器アセンブリ８７の構成例を示す。この図には、フォトセンサアレイを構成する幾つかのセル及びそれらにより光子が検知されるサブレンジが、より詳細に示されている。この図に示す検知器アセンブリ８７は、図中の上方向を空隙８８側に向け、複数個のスペーサ７２によって空隙８８上方に支持することができる。

図４に示されているのはフォトセンサアレイの一部分１５０の断面であり、この部分１５０内のセル群１５２の断面が模式的に示されている。セル群１５２の上方にあるのは、レンズアレイ部１６４からの入射光１６２を受け入れるための透過構造１６０である。レンズアレイ部１６４は、例えばＳｅｌｆｏｃレンズアレイ等のＧＲＩＮ(gradient index)レンズアレイとして形成できる部材であり、この部材を設けることは必須ではない。レンズアレイ部１６４は、例えば、図２に示した空隙８８を介して光を受け取ることができるよう、また透過構造１６０に対し平行ビームを供給できるよう、構成するとよい。平行ビームを供給することによってスペクトラム分解能が向上する。なお、Ｓｅｌｆｏｃは登録商標、ＧＲＩＮは商標である。煩雑さを避けるため、以下の記載ではこれらについての登録商標表記及び商標表記を省略する。

透過構造１６０は例えば光透過横変(laterally varying；「横方向位置により異なる」の意)特性を有する膜とすることができる。透過構造１６０のうち図４に示されている部分は、楔状透過型（空胴）共振子１７０を反射膜１７２と反射膜１７４の間に挟み込んだ構造、即ち楔状ファブリペローエタロンを形成している。透過構造１６０の各部の厚みはｘ軸沿い位置の関数であり、当該ｘ軸沿い位置によって異なる厚みであるので、透過構造１６０を透過する波長も当該ｘ軸沿い位置の関数となり、各部位毎に異なる波長になる。

透過構造１６０は、フォトセンサアレイ１５０の上又は上方に複数層に及ぶ適当な被覆、即ち図中の反射膜１７２及び１７４並びに共振子１７０を形成することによって形成できる。これら反射膜１７２及び１７４並びに共振子１７０は何れも、蒸着室内で堆積ビームにさらすことにより形成することができる。また、その均一厚み部分は軸揃え堆積法(on-axis deposition)により、厚み横変部分即ちその厚みが各部位の横方向位置により異なる部分は適当に軸を外した堆積法即ち軸外し堆積法(off-axis deposition)により、それぞれ形成することができる。更に、図４に例示した反射膜１７２及び１７４は共振子１７０に比べて厚みがある。ＳｉＯ₂、ＴｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅等の非金属素材の層によりそれらを形成する場合、こうした厚みになる。反射性のある金属により形成する場合は、反射膜１７２及び１７４は図示の例よりかなり薄くてもよい。

共振子１７０並びに反射膜１７２及び１７４の具体的な厚みは、所望透過波長λ及び共振子１７０の屈折率ｎから決定できる。まず、共振子１７０の厚みは典型的にはλ／（２ｎ）又はその整数倍に設定し、反射膜１７２及び１７４内のブラッグミラー層の厚みは典型的にはλ／（４ｎ）に設定する。各反射膜１７２，１７４を構成するブラッグミラー層のペア数は、それらを形成する二種類の素材間の屈折率差、所望透過波長域幅、並びに所望阻止波長域内反射率に応じ、例えば２〜５ペアという少数から２０〜３０ペアに至るまでの数値範囲内で、適宜設定することができる。そのため、この構成を実施する場合、反射膜１７２及び１７４は大抵は共振子１７０に比べかなり厚くなる。

図５に透過構造１６０の光透過横変特性を示す。共振子１７０の厚みがｘ軸沿い位置の関数でありその値が部位間で相違しているため、共振子１７０を透過する波長もｘ軸沿い位置の関数となり部位毎に異なっている。図４に示した部分１５０内にあるセル群１５２は、ｘ方向及びこれに直交するｙ方向に沿って二次元的に並んだセルをそのｘ軸沿い位置毎にまとめたものであり、図示されているセル群１５２の個数は９である。図５においては、これら９組のセル群１５２へと大部分の光子が透過する波長が反射率極小点として示されており、各反射率極小点に１〜９の符号が付されている。このように、透過構造１６０が高い光透過率を呈するサブレンジは、横方向位置に応じて部位毎に異なっている。

図６に検知器アセンブリ８７の別例構成を示す。この検知器アセンブリ８７は透過構造１８０を備えている。透過構造１８０は例えば横グレーデッドブラッグミラーとして形成する。ここでいう横グレーデッドブラッグミラーとは、それを構成する層１８２、１８４、１８６及び１８８それぞれに横方向の勾配が付されているブラッグミラーのことである。層１８２、１８４、１８６及び１８８は、先の例で共振子１７０の形成に使用されていた手法と同様の手法で形成することができる。

図７に透過構造１８０の光透過横変特性を示す。透過構造１８０の反射波長はｘ軸沿い位置の関数であり、部位毎に異なる波長の光が反射される。図７中の曲線２００、２０２、２０４及び２０６は透過構造１８０各部の反射率、即ち図６に示された部分１５０内に存するセル群１５２のうち４個の上方にある部位での反射率を表している。例えば曲線２００は図６で最左端にあるセル群１５２上方の部分の反射率であり、曲線２０６は４個のセル群１５２のうちの最右端の（即ち最左端から４個目の）セル群１５２上方の部分の反射率である。このように、透過構造１８０が高い反射率を呈するサブレンジは、各部横方向位置により異なっている。

図８に、光透過横変特性を呈する点で図５及び図７に示した構成と共通しているが、但しそうした光透過横変特性が二方向それぞれに沿って現れる透過構造２１０を、形成する手法を示す。

透過構造２１０は、フォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）の上又は上方に形成される。その際には、堆積源２１２から透過構造２１０の表面に向けて堆積ビーム２１４を出射する。この堆積ビーム２１４はその方向によって特徴付けうる。即ち、図８の右半分に示すｘ方向断面及び左半分に示すｙ方向断面双方において、透過構造２１０の表面に対する堆積ビーム２１４の射突方向が傾いている。従って、堆積ビーム２１４の方向はそれら二種類の傾き角で記述でき、記述される堆積ビーム２１４の方向はｘ軸沿い位置及びｙ軸沿い位置に応じ各部毎に異なるものになる。このように堆積ビーム２１４のｙ方向断面内射突方向及びｙ方向断面内射突方向が共に傾いているため（それに伴い各部位から見た堆積ビーム２１４の到来方向が二次元的に異なっているため）、透過構造２１０においては、ｘ軸沿い及びｙ軸沿い共に、程度の差はあるが、同じ傾向の厚み勾配が現れる。従って、ある方向に沿って並べられたセル間で光子検知可能なサブレンジが部位毎に異なることは図７に示したものと同様であるが、この例では更に、他方の方向に沿って並べられたセル間にも光子検知可能なサブレンジの部位間相違が生じる。

図９に、光透過横変特性を呈する透過構造２２０をその物理的厚みに差を付けることなく形成する手法を示す。この図に示した手法の特徴は、実際の即ち物理的な厚みｄに差を付けることなく、物理的な厚みｄと屈折率ｎの積である光学的厚みｄ×ｎを横方向位置に応じ変化させ得るようにしたことである。

この手法においては、まず、図９の上半分に示す如く、堆積源２２４からフォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）の表面に向け堆積ビーム２２６を照射する。この照射は、均質且つ均一厚の被覆２２２が堆積し成長するように行う。

次いで、図９の下半分に示す如く光源２３０から輻射２３２を発してフォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）上の表面を横断走査する。これによって、屈折率がその横方向位置により異なる透過構造２２０が形成される。そのために使用する光源２３０は、例えば、ｙ軸と平行な（即ち図９の紙面に垂直な）線上では発光出力強度Ｉが一定だが、それらの線同士では発光出力強度Ｉが異なる紫外光源とする。図中の線の中では、最左端の線上の発光出力強度Ｉが最低値Ｉｍｉｎであり、最右端の線上の発光出力強度Ｉが最高値Ｉｍａｘである。従って、フォトセンサアレイ１００（図ではその一部分１５０）内に存するセル群に向け透過する光の波長も、図中最左端における最短波長λｍｉｎから最右端における最長波長λｍａｘまで、ｘ軸沿い位置によって異なる長さになる。また、複数個のフォトセンサアレイを並べ、それら複数個のフォトセンサアレイに対し単一の光源２３０から同時に同一強度パターンで光を当てて横断走査することもできる。並べ方等が適切であれば、この手法により複数個のフォトセンサアレイをバッチ生産することができる。更に、図８に示した手法で得られる二次元横変構造も、この手法を応用して実現することが可能である。

図４〜図９に示した構成は、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。また、図４〜図９に示した構成にて使用されるフォトセンサアレイ、即ちある光子エネルギレンジ中の互いに僅かに異なるサブレンジにてそれぞれ光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイも、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。更に、例えばステップ状透過構造等の形態にて透過構造を製作する等、透過構造の製造・調整方法・形態は、上述のもの以外にも数多くある。

図６〜図８に示すように、フォトダイオードアレイ等のフォトンセンサアレイ１００の上方に１個のＤＢＲ（分布型ブラッグ反射）ミラーが組み込まれており、且つそのミラーの光透過特性が僅かに横変している構成においては、各セルに流れる光電流の大きさがそのセルへの入射光のスペクトラムによって異なり、従って例えばその隣にある別のセルに流れる光電流と比べても僅かに異なる大きさになる。そのため、ＤＢＲミラーのうちセル上方に位置する部分での光透過特性がセル毎に解っていれば、各セルに流れる光電流に基づきそもそもの入射光スペクトラムを再現することができる。このとき、セルの個数によってスペクトラム再現用スペクトラム点数が決まり、ひいてはスペクトラム分解能が決まる。こうした手順によるスペクトラム再現が最もうまくいくのは、あるセルでは良好な透過特性を示すがその隣のセルでは示さない、というようにセル間で急峻な透過特性変化を呈する波長である。

図４に示した被覆を試作してみたところ、個々のサブレンジにおける光子透過率として約６０％という典型値が得られた。また、各サブレンジの幅は、波長でいうなら例えば０．０１〜数十ｎｍの範囲内の広さにするとよい。どの程度の幅にするかはそのフォトセンサアレイにおける被覆の構造及び勾配並びにセルのサイズによって変わる。また、フォトセンサとして高感度のものを使用することによって、受光出力強度を格段に高めることができる。

図１０に、図１に示したアナライザ１０の如きアナライザの製造手順の一例を示す。

図中のステップ２５０では、流体により搬送される物体がその内部を通るチャネルを有する構造体、即ち流路付構造物を製作する。例えば、構造形成されたスペーサ層を２個のクオーツスライド間に設けること例えば配置することによって、流路付構造物を製作する。スペーサ層としては、例えばパターン付のＰＤＭＳ層を設ける。但し、スペーサ層に適するものである限り、他種素材又は他種素材の組合せによってスペーサ層を形成してもよい。例えば、Ｇｅｌｆｉｌｍ（登録商標）や水晶を使用できる。また、ステップ２７０にて使用できる手法にはこれ以外にも様々な手法がある。例えば、チャネルが形成されるようガラスエッチング又はＰＤＭＳ成型を実施することによりクオーツスライド内に流体チャネルを形成し、そしてその結果得られた構造の上にもう１枚のクオーツスライドを載せる、という手法を採ってもよい。或いは、別々の基板上にそれぞれＰＤＭＳ層を製作し、一方の基板を上下裏返し、位置を整えて他方の基板上に載せる、というチップオンチップアセンブリ方式も採りうる。そして、形成された流路付構造物にて最終的に基板として残る部分は、十分な硬度となるよう、例えばガラス、ＰＣＢ、ＰＤＭＳ等の素材によって製作しておく。基板に十分な硬度があれば、制御、検知、計測等のための回路への直結が可能になる。

ステップ２５２では、ステップ２５０にて製作された流路付構造物に各種流路形成用部品を取り付ける。即ち、チャネル内物体移動を引き起こしその移動を制御するための部材が、ステップ２５２にて取り付けられる。

ステップ２５４では、光標的間相互作用を強化するための部材を取り付ける。例えば、支持層９０の片側に光学部品９６を取り付けることによって、チャネル１４のうち反共振光導波路として機能する部分の中に光を好適に入射できる面９８を形成する。また例えば、複数個のスペーサ７２を設けることによって、反共振光導波路に対する干渉、抵触を防ぐのに十分な間隙を形成する。

ステップ２６０では、互いに別々のサブレンジにて光子を検知するセル群を有する一群のフォトセンサアレイを取り付ける。これは検知器アセンブリ８７の取付として実行される。基準セルを有するものも、検知器アセンブリ８７として使用できる。

ステップ２６２は、上述の流れに破線でつながっていることから解るように、図示の時点でもまた図示以外の時点でも実施することができる。例えばステップ２５４にて実施することもできるし、ステップ２５４以後に実施することもできる。ステップ２６２は光源を位置決めするステップであり、検知器アセンブリと同様に光源も、一旦取り付けた後はその位置で固定される。このステップ２６２では、チャネル内を搬送されていく物体に励起光を供給できるよう、それら何個かの光源を配置する。また、先に説明した別のステップと同様、ステップ２６２でも、マイクロプロセッサやＩ／Ｏ装置から光源へと信号を供給することができるように、配線その他の回路を取り付ける等の措置を実施する。

以上説明した図１０の手順は変形も可能である。例えば、ステップ２５２、２５４及び２６０における処置を適当な形態で組み合わせることによって、各種部材の取付をより望ましい順序でよりうまく行えるようにすることが、可能である。また、図示説明した処置以外の処置、例えばＩＣやゲートや対マイクロプロセッサ若しくはコンピュータコネクタ等、各種回路乃至回路間接続部材を整列させ、取り付け、接続する処置を、実施するようにしてもよい。また、こういった処置を、ステップ２５２、２５４、２６０及び２６２にて、部分的に或いは少しずつ実施するようにしてもよい。

図１１に、図１０に示した手順により製作可能な別の構成を示す。この図に示すように、チャネル１４沿いに設ける複数個の検知部材、例えば第１及び第２の蛍光検知部材５６及び５８を互いに隣り合うように配置する場合、それらを共に覆うようにＩＣ２７０を取り付けるとよい。この構成においては、ＩＣ２７０を構成するフォトセンサアレイのセル群のうち一部が、チャネル１４のうち蛍光検知部材５６が設けられた部分沿いに、また他の一部が、チャネル１４のうち蛍光検知部材５８が設けられた部分沿いに、それぞれ配置されている。

図１２に、図１１中の線１２−１２に沿った断面を示す。この図には、ＩＣ２７０を内蔵する検知器アセンブリ２７２の支持形態、即ち複数個のスペーサ７２により空隙８８の上方に検知器アセンブリ２７２を支持する形態が、示されている。透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、例えば、蛍光検知部材５６にて光子が検知される光子エネルギレンジ及びサブレンジが蛍光検知部材５８におけるそれと異なるように設定することもできるし、同じになるように設定することもできる。また、蛍光検知部材５６と蛍光検知部材５８の間に、光吸収壁として機能する形状及び配置で複数個のスペーサ７２を設ければ、好適にも、蛍光検知部材５６・蛍光検知部材５８間クロストークが減る。

図１３に更に別の構成を示す。この図の構成においても、図１２に示した構成と同様、検知器アセンブリ２７２が互いに平行な複数本のチャネル２７４を覆うように配置されている。また、チャネル２７４とチャネル２７４の間は壁２７６によって仕切られている。こうした構造は、まず幅広のチャネルを１個形成しておき、壁２７６を設けることによってその幅広チャネルを複数本のチャネル２７４に区分する、という手法で形成できる。この図に示す構成の利点は、一つには、複数本の物体流を同時並行的に解析することができ、ひいてはアナライザのスループットや特定能力を高めることができる点にある。また、透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、チャネル２７４毎に異なる光子エネルギレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、チャネル２７４毎に異なるサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、どのチャネル２７４でも同じ光子エネルギレンジ及びサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよい。

図１４に更に別の構成を示す。この構成においては、光源８４からの光に応じチャネル１４の構成部分８０が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分８０沿いには検知器アセンブリ８７が配置されており、この検知器アセンブリ８７は複数個のスペーサ７２によってプレート９４から分離されている。チャネル構成部分８０より上流で光源８４より下流に位置する箇所には、後述のステップ４８０等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。この図では、起動用フォトディテクタ２９０が複数個のスペーサ２９２によって支持されている。

チャネル構成部分８０内にある物体３００、３０２及び３０４は、起動用フォトディテクタ２９０を作動させた後、チャネル１４内を搬送されていく。その間、励起光に応じ蛍光を発し続ける。蛍光中の物体３００、３０２及び３０４から放出される一群の光子は、この図ではそれぞれ光線３１０、３１２又は３１４として表されている。

図１５にまた別の構成を示す。この構成においては、図示しない光源８４からの光に応じチャネル１４の構成部分８０が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分８０沿いに配置されている検知器アセンブリ８７は、複数個のスペーサ７２により支持され、空隙８８を隔てプレート９４から分離されている。チャネル構成部分８０より上流で光源８４より下流に位置する箇所には各種の検知器、例えば後述のステップ４８０等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。

チャネル１４の構成部分８０内では、蛍光を発する複数個の物体が、さほど間隔をおかずに次々と、数珠繋がりになって搬送されていく。この図では、複数個の物体が、一群となってチャネル構成部分８０内を流れ、検知器アセンブリ８７の面前を通過中である。それらの物体のうち先頭に位置するものは物体３３０であり、その後数個の物体３３２が続いており、最後尾には物体３３４が位置している。物体３３０、３３２及び３３４から蛍光時に放射される光子は、検知器アセンブリ８７に取り付けられている光学部品３４０を通り、検知器アセンブリ８７に入射する。この光学部品３４０は、例えば、図４及び図６に示したレンズアレイ部１６４と同じくＳｅｌｆｏｃレンズアレイにより実現することができる。また、この光学部品３４０を設けた場合、レンズアレイ部１６４は省略できる。

物体３３０、３３２及び３３４から放出された光子は、検知器アセンブリ８７を構成するセルのうち何れかに入射する。このとき、光学部品３４０の作用によって入射先が絞られるため、図中光線３４２により示されるように、各物体から放出される光子は至近のセルに入射される。従って、各物体から放出される光子の入射先は物体毎に異なっており、また、各セルにて検知される光子量は（至近の物体以外の物体によるものに比べ）至近の物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、一群の物体３３０、３３２及び３３４が微小間隔で数珠繋がりになって流れ、フォトセンサアレイの面前をほとんど同時に通過していくにもかかわらず、検知器アセンブリ８７を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、物体３３０、３３２及び３３４についての情報を取得、弁別することができる。

図１６に、図１５に示した構成の別の用例を示す。この図においては、互いに区別の付かない複数個の物体３６０、３６２及び３６４が搬送されている。即ち、この図では、チャネル１４内流体流を、チャネル１４内で途切れなしに搬送される複数個の仮想的微小体積物体の集まりと見なし、そのように描いてある。このように、流体流を仮想的微小体積物体群に分割し、各仮想的微小体積物体をあたかも現実の物体であるかのように見なして解析することにより、流体から放射される光子エネルギ分布が（例えば流体組成の変化に伴って）どのように経時変化するかを、連続的にモニタすることができる。図示されている仮想的微小体積物体群は、その先頭に位置する仮想的微小体積物体３６０、それに続く何個かの仮想的微小体積物体３６２、そして最後尾に位置する仮想的微小体積物体３６４から構成されており、それらはチャネル構成部分８０内を移動し検知器アセンブリ８７の面前を一群となって通過している。

仮想的微小体積物体３６０、３６２及び３６４内の粒子は、光との相互作用によって光子を放出する。このとき放射される光子のエネルギ分布、即ち各仮想的微小体積物体における光子エネルギ分布は、蛍光や散乱に関わる分子の濃度に依存している。放射された光子は、図１５に示した用例と同じく、検知器アセンブリ８７に取り付けられている光学部品３４０を介し検知器アセンブリ８７に入射する。各仮想的微小体積物体から放出される光子即ち図中の光線３７０は至近のセルに入射するので、各仮想的微小体積物体から放出される光子の入射先は仮想的微小体積物体毎に異なるセルとなり、また、各セルにて検知される光子量は（至近の仮想的微小体積物体以外の仮想的微小体積物体によるものに比べ）至近の仮想的微小体積物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、そもそも区切りのない流体がフォトセンサアレイの面前を通過していくだけであるのに、検知器アセンブリ８７を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、仮想的微小体積物体３６０、３６２及び３６４における分子濃度情報を取得、弁別することができる。

図１７に、アナライザ１０を動作させうるシステム４００を示す。この図のシステム４００は、バス４０４を介し各種部材をＣＰＵ（中央処理ユニット）４０２に接続する構成を有している。

システム４００は、共にバス４０４に接続された外部Ｉ／Ｏ（入出力部）４０６及びメモリ４０８を備えている。外部Ｉ／Ｏ４０６は、ＣＰＵ４０２がシステム４００外の装置と通信できるようにする部材である。

バス４０４にはこれら以外にも様々な部材が接続されている。まず、集積回路Ｉ／Ｏ４１０は、ＣＰＵ４０２がアナライザ１０内のＩＣと通信できるようにする部材であり、この図にはＩＣとして第０ＩＣ４１２から第Ｍ−１ＩＣ４１４に至るΜ個のＩＣが示されている。また、それらＩＣ４１２〜４１４はフォトセンサアレイを内蔵している。この図では、第ｍＩＣ４１６の内部にフォトセンサアレイ４１８が描かれている。フォトセンサアレイ４１８は、先に述べた通り、それぞれ対応するサブレンジにて光子を検知する一群のセルを有している。同様に、流路形成装置Ｉ／Ｏ４２０もＣＰＵ４０２が各種流路形成装置と通信できるようにする部材であり、この図には流路形成装置として第０装置４２２から第Ｎ−１装置４２４に至るＮ個の装置が示されている。

メモリ４０８としてはプログラムメモリ４３０等が設けられている。プログラムメモリ４３０内には、図示の如く、流体／物体運動ルーチン４４０、検知読出結合ルーチン４４２等のルーチンが格納されている。

ＣＰＵ４０２は、流体／物体運動ルーチン４４０を実行して流路形成装置４２２〜４２４と通信する。これにより、ＣＰＵ４０２は、例えば種々のセンサから信号を受け取って計算を行い、どのような流路制御が必要かを計算結果に基づき判別し、そして各種ポンプ、等速送出用電極、ゲート、弁等に信号を出力してそれらを作動させることにより、チャネル１４内の流体及びそれにより搬送される物体を適宜移動させる。

ＣＰＵ４０２により実行される検知読出結合ルーチン４４２は、図１８に示す手順を含んでいる。例えば、図１８に示す手順を実行するサブルーチンを検知読出結合ルーチン４４２から呼び出すようにしてもよいし、或いは検知読出結合ルーチン４４２の本体に図１８に示す手順を組み込んでおいてもよい。何れにせよ、図１８に示す手順は、図２に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく単独の物体を調べることができるよう、或いは図１４に示したように相互間隔をおいてフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図１５に示したように数珠繋がりになってフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図１６に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく連続的な流体流を調べることができるよう、構成しておく。更に、図１８にその概略を示す手法によれば、一連の読出動作を行った後結合処理によりスペクトラム情報を提供することができるだけでなく、個別に読み出した検知結果を即座に提供することもできる。

ＣＰＵ４０２は、図１８中のステップ４８０にて検知前読出を実行する。このステップでは、図１４中に起動用フォトディテクタ２９０として示したものに代表される一群の起動用フォトディテクタや、図３中に行１０２内のセル群として示したフォトセンサアレイ内基準セル群から、後に実行する検知結果読出に先立ってその実行に必要な情報を取得する。また、フォトセンサアレイを変形し、サブレンジセル（特定のサブレンジで光子を検知するセル）の配置線上、それらのセルより上流側に起動用セルを設けてもよい。その場合、起動用セルは例えば被覆なしのセル、即ち波長域（光子エネルギレンジ）を問わず様々な光子を検知してその結果を示す情報を出力できるセルとして、形成しておくとよい。

ステップ４８２では、ＣＰＵ４０２は、ステップ４８０にて得た情報を利用して各物体又は各仮想的微小体積物体に関する情報を取得し、また適切な検知周期を物体毎又は各仮想的微小体積物体毎に決定する。ここで決定される検知周期は積分時間を決定するものであるので、大まかには、その物体又は仮想的微小体積物体が各サブレンジセルを通過するのに要する時間よりも短くなくてはならない。従って、検知周期は物体毎又は仮想的微小体積物体毎にユニークな周期となるように設定するとよい。物体毎又は仮想的微小体積物体毎に検知周期を設定する手順に代え、ＣＰＵ４０２からの信号出力により流体の流速を調整する手順によっても、同等の結果が得られる。

ＣＰＵ４０２は、次いで、ステップ４８４にて検知結果読出動作を実行する。ここでは、例えば、ステップ４８２にて決定された検知周期に亘り累積加算的に光子が検知されるようＣＰＵ４０２から信号を供給する動作を実行する。場合によっては、各サブレンジセルにおけるアナログ検知結果（光子量）がそのサブレンジセルと対をなす基準セルにおけるアナログ検知結果に基づき調整されるよう、ＩＣ上の周辺回路に信号を供給する動作を実行してもよい。更に、もし必要なら、アナログ調整が済んだアナログ量を読出に便利なディジタル形式に変換しておくようにしてもよい。

ステップ４９０においては、ＣＰＵ４０２は、ステップ４８４にて読み出した光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に格納する。このとき、読み出した光子量検知結果をディジタル的に調整してもよい。ここで実行できるディジタル調整には、例えば、各サブレンジセルによる光子量検知結果を対をなす基準セルによる光子量検知結果に基づき調整する処理がある。また、ステップ４８２にて各物体又は各仮想的微小体積物体の位置情報及び速度情報が得られている場合、それを利用することによって、各光子量検知結果がどの物体又は仮想的微小体積物体から放射された光子によってもたらされたものかを、特定することができる。

ステップ４８２及び４９０の動作を実行する際、ＣＰＵ４０２は、例えば、ある種のデータ構造をメモリ４０８内に作成、格納する。例えば、物体又は仮想的微小体積物体の位置及び速度の計算値を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に１個のデータ構造にまとめて格納しておけば、そのデータ構造を利用した計算によって後に同じ物体又は仮想的微小体積物体を識別することができる。また、物体毎又は仮想的微小体積物体毎の調整済光子量検知結果全てをある読出用データ構造に保持させておくこともできる。読出用データ構造化されている物体又は仮想的微小体積物体について新たな情報が得られた場合は、その都度、ステップ４９０にてその読出用データ構造を更新すればよい。更に、図１７に示した通り複数個のＩＣ４１２〜４１４を備える構成においては、ステップ４８０、４８２、４８４及び４９０に係る動作をＩＣ毎に別々に実行することもできる。更に、図中ステップ４９０からステップ４８０に至る破線によって示唆されているように、ＩＣ毎に同一動作を繰り返し実行させることができる。

ステップ４８０、４８２、４８４及び４９０からなる一連の動作を実行してからその次に実行するまでの間に、各物体からの信号光入射位置は光検知経路に沿ってほんの数セル動くだけであるので、複数個の物体を連続して検知する場合、それらの物体同士の間に十分な間隔をおき、それらの混同が生じないようにする必要がある。

また、ステップ４９０の動作を１回実行するだけでは、目的とする光子エネルギレンジのうちのごく一部分でしか光子を検知できず、従ってごく一部分のレンジについての光子量検知結果しか格納できない。しかし、物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を経路に沿って通過していく間にステップ４８０、４８２、４８４及び４９０が繰り返し実行されるため、物体又は仮想的微小体積物体からの光を受けるセルひいてはサブレンジが物体又は仮想的微小体積物体の移動につれて移り変わり、次から次へと別のサブレンジで光子検知が行われていき、その結果検知済スペクトル域が徐々に拡がっていく。その物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を完全に通り過ぎた時点では、その時点までに部分毎に格納された光子量検知結果を寄せ集めることで、スペクトラム情報を再現することが可能な状況になっている。

そこで、こうして情報収集を終えた時点で、ＣＰＵ４０２はステップ４９２の動作を実行し光子量検知結果を出力する。図示の通り、ここでは光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に結合させ、各物体又は各仮想的微小体積物体についてのスペクトラム情報を物体毎又は仮想的微小体積物体毎にデータプロファイルその他のデータ構造にして出力する動作等が、実行される。

以上例示説明した構成によれば、コンパクト且つ安価なコンポーネントが得られる。また、得られるコンポーネントを使用すれば分光分析等の機能を実現でき、その際、概ね、機械部品や光学部品を別途追加する必要もない。その結果得られるのは、例えば上述したアナライザを備え携帯可能で使い勝手のよい分光装置であり、そうした携帯型のコンパクトなユニットは、例えば、緊急事態対処チーム等の標準装備とすることができる。また、検知結果の読出は多数のＩＣから迅速且つ並列的に行うことができ、従ってデータを高速で取得することができる。これは、物体の特徴を初期的に調査、特定する処理に利用できる。初期調査／特定の結果を利用すれば、その物体についてより細かな又はより立ち入った解析を行うべきかどうか、また別種解析を実施すべきかどうか、実施するとしたらどういう種類の解析か等を判別、決定することができる。このような多信号解析は試薬なしでの物体識別と相性がよく、また、この多信号解析によって様々な流体内に存する様々な物体、例えば各種エアロゾル、水、血液、食料等の標本に含まれる各種ナノパーティクル、マイクロパーティクル、微生物、生体物質、毒素等を、識別することができる。

また、以上説明した各種部材は、説明したものとは異なる様々な形状、寸法、特性数値、質的特性等を有し又は呈するものとすることができる。

更に、上の説明では、流路付構造物、フォトセンサアレイ、透過構造等を構成する素材として特定の素材を示したが、使用できる素材は多様であり、また別々の素材により形成された副層を様々に組み合わせて層構造としたものを使用することもできる。

上の説明では、それぞれ特定の種類の透過構造を有する構成を示したが、説明した各種の透過構造はそれぞれ一例に過ぎず、光透過横変特性例えば光学的厚みの横方向位置による違いを実現できる限り、どのような構成の透過構造でも使用可能である。横変性のある透過構造は、説明していないものも含め、様々な手法により形成することができる。

更に、互いに異なるサブレンジにて光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイが得られるものであれば、透過構造を使用しない構成でもよく、使用できる構成は種々あろう。

以上の説明においては、流路付構造物に対し特定の形態でＩＣを配置した例を示したが、流路付構造物に対するＩＣの配置の仕方、設け方は説明したもの以外にも色々あるし、また流路付構造物自体を具備しない構成とすることもできる。また、本発明にて使用するフォトセンサアレイは、本発明にてフォトセンサアレイとして使用するのに適切なものである限り、上述したものとは異なる種類のものであってもよい。例えば、単純な構成の光電気信号トランスデューサを複数個並べ、各トランスデューサを個々のセルとして使用するタイプのフォトセンサアレイを、使用してもよい。また、先に説明した構成によれば、複数の物体について同時に光子検知を行うだけでなく、相互に区別できるような物体を含んでいない流体の各部について光子検知を行うことすらできる。更に、ある単一のＩＣ上にある単一の二次元フォトセンサアレイ内で、ある行と別の行とに別様の被覆を施し、別々の光子エネルギレンジにて光子検知を行わせるようにしてもよい。

また、上述した構成のうち幾つかにおいては、蛍光を生成、検知できるよう光標的間相互作用を強化する機能を備えた流路付構造物を用いている。こうした手法は、総じて、自己発光(self-emitting)乃至自発蛍光(auto-fluorescing)する物体例えば粒子に対しても、適用できる。

また、図１７に例示した構成ではＣＰＵが用いられているが、これは、適当なものである限り、マイクロプロセッサその他の部材に置き換えてもよい。

上に例示した各種構成では、各種構成部材が特定の形態で動作するように製造及び使用されているが、説明した動作とは異なる動作を実行させてもよいし、説明した順序とは異なる順序で動作を実行させてもよいし、説明外の動作を実行させてもよい。

流路付構造物上のアナライザを示す模式図である。上記アナライザの２−２断面を示す模式的断面図である。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的平面図である。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的断面図である。図４中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。上記アナライザにて使用しうるアセンブリの別例構成を示す模式的断面図である。図６中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の一例形成方法を示す図である。上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の別例形成方法を示す図である。上記アナライザの概略製造手順を示すフローチャートである。上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式図である。図１１に示した構成の１２−１２断面を示す模式的断面図である。上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式的平面図である。図２中の検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。図１４に示した検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。図１５に示した検知部材の他の用途を示す模式的断面図である。上記アナライザを制御するシステムを示す模式的ブロック図である。図１７中の検知読出結合ルーチンにより実行される動作の概要を示すフローチャートである。

符号の説明

１０アナライザ、１２流路付構造物、１４，２７４チャネル、１６，３００，３０２，３０４，３３０，３３２，３３４物体、４０電気浸透ポンプ、５４，５６，５８，６０検知部材、６４，６６，６８，７０，２７０，４１２，４１４，４１６ＩＣ、８０チャネル構成部分、８２物体／流体移動方向、８６，１６２，３１０，３１２，３１４，３４２物体／流体からの光、８７，２７２検知器アセンブリ、１００，４１８フォトセンサアレイ、１０２，１０４セルの行、１０６セル、１５２セル群、３６０，３６２，３６４仮想的微小体積物体、４４０流体／物体運動ルーチン、４４２検知読出結合ルーチン、４８２情報取得ステップ、４８４検知結果読出ステップ、４９２スペクトラム情報出力ステップ、λ 物体／流体からの光の波長、λｍｉｎ，λｍａｘ光子エネルギレンジを決める波長、λｐサブレンジを代表する波長。

Claims

チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、
それぞれのチャネル構成部分に対応して且つそれぞれのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、
を備え、
各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも２組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、
各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知し、
さらに、各列内の複数個のセルに関して、チャネル構成部分から各列内の複数のセルに向かって光子を透過する透過構造を備え、その透過構造は、チャネル構成部分の流体移動方向に沿って設けられた複数の領域を有し、それぞれの領域は、光子エネルギレンジのサブレンジに属するそれぞれの組の光子を透過し、少なくとも２つの領域のサブレンジは互いに異なり、
少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、センサ。
光子を放出する１個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、
それぞれ上記経路の一部である複数個のセグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知する検知ステップと、
を有し、少なくとも２個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知し、
さらに、上記検知ステップは、上記経路を構成する少なくとも１つのセグメントにおいて、
上記経路からそのセグメントのそれぞれのセルの組に向かってそれぞれの組についての光子だけを透過するステップと、
上記セグメントのそれぞれのセルの組に透過された、上記セグメントのそれぞれの光子の量を検知するステップとを含み、
上記経路は、複数本のチャネル構成部分を持つ流路付構造物におけるチャネル構成部分に設けられ、光子エネルギのそれぞれのレンジに属するエネルギを持つ光子がそれぞれのチャネル構成部分で放出され、
少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、方法。
請求項２記載の方法であって、
フォトセンサアレイが、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも２個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち１個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成されており、
上記移動ステップが、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させるステップを含む方法。
光子を放出する１個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、
上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも２個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なり、
さらに、上記経路を構成するそれぞれのセグメントからそれぞれの組のセルに向かって生じる光子を透過する透過構造を備え、その透過構造は、上記経路に沿って列となる複数の領域を有し、それぞれの領域は、上記セグメントから光子エネルギレンジのサブレンジに属するそれぞれの組のセルに向かう光子を透過し、少なくとも２つの領域のサブレンジは互いに異なり、
上記経路は、複数本のチャネル構成部分を持つ流路付構造物におけるチャネル構成部分に設けられ、光子エネルギのそれぞれのレンジに属するエネルギを持つ光子がそれぞれのチャネル構成部分で放出され、
少なくとも２本のチャネル構成部分についての光子エネルギレンジのそれぞれは互いに異なっている、センサ。