JP5547484B2 - 導波モード共振センサアセンブリ - Google Patents
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Description
本出願は、1999年11月5日出願の仮特許出願第60/163,705号の優先権を主張するものであり、当該仮特許出願の全文を本明細書において参照することにより、当該仮特許出願の全文が特許権の一部放棄を伴うことなく本明細書に特に組み込まれる。本出願はまた、1999年11月6日出願の仮特許出願第60/164,089号の優先権を主張するものであり、当該仮特許出願の全文を本明細書において参照することにより、当該仮特許出願の全文が特許権の一部放棄を伴うことなく本明細書に特に組み込まれる。本出願は更に、2006年9月8日出願の仮特許出願第60/825,066号の優先権を主張するものであり、当該仮特許出願の全文を本明細書において参照することにより、当該仮特許出願の全文が特許権の一部放棄を伴うことなく本明細書に特に組み込まれる。本出願は更に、仮特許出願第60/163,705号及び第60/164,089号の優先権を主張した2000年11月6日出願の米国特許出願第09/707,435号の優先権を主張するものであり、当該米国特許出願の全文を本明細書において参照することにより、当該米国特許出願の全文が特許権の一部放棄を伴うことなく本明細書に特に組み込まれる。
(発明の分野)
本開示は、共振漏洩モードで周期構造の中で動作する光センサを提供するものであり、周期構造では、角度ダイバーシチ、スペクトルダイバーシチ、モードダイバーシチ、及び偏波ダイバーシチを有利に適用して高精度検出を小型システム構成で行なう。このようにして得られ、かつ数値モデルにフィッティングされる相互参照データセットによって精度及び確度が高くなって、非常に広範囲の用途において検出動作の信頼性が向上する。
バイオ検出及び化学検出用の非常に多くの光センサが開発され市販され、そして研究文献に公開されている。例示的なデバイスとして、表面プラズモン共振センサ、MEMS加工カンチレバーセンサ、共振ミラー、ブラッグ格子センサ、導波路センサ、干渉導波路センサ、エリプソメトリー及び格子を適用したセンサを挙げることができる。これらのデバイスのうち表面プラズモン共振(SPR)センサは、コンセプト、機能、及び性能の点で大幅に異なるものの、本開示の主題である導波モード共振(GMR)センサに最も類似している。GMRセンサ及びSPRセンサは共に、タグ不要の生化学的検出能を備える。
本願発明者らによって、共振導波路格子の屈折率及び/又は厚さを変化させることにより、共振導波路格子の共振周波数を変化させる、または調整することができることが提案されている。本願発明者らは、このアイデアをバイオセンサに適用することができることを発見した。というのは、接着する生体層の蓄積をリアルタイムに、化学タグを使用することなく、該当する共振周波数シフトを分光計で追跡調査することによりモニタリングすることができるからである。従って、検体と当該検体に対して指定された受容体との間の会合速度を定量化することができる。実際、会合、解離、及び再生を含む結合サイクル全体の特性を記録することができる。同様に、周囲媒質の屈折率の小さな変化、または導波路格子層群の内のいずれかの導波路格子層の小さな変化を測定することができる。このようにして非常に高い感度の新種のバイオセンサまたは化学センサが実用化されている。このセンサ技術は医療診断、薬剤開発、産業プロセス制御、ゲノミクス、環境モニタリング、及び自国の保安に広く適用することができる。
図3は、薄膜導波路格子(フォトニック結晶スラブ)及び入射面波の相互作用を示す。周期Λが短くなると、図3(b)のようにゼロ次成分(zero−order regime)が得られるようになるまで、高次数の伝搬波はますます遮断される。この構造が適切な導波路を含む場合、この時点で減衰しているまたは遮断されている1次モード波は、漏洩モードとカップリングすることにより共振を誘発することができる。実際には、ゼロ次のモード波は好ましい場合が多いが、これは、図3(a)の回折波のように高次数の回折波が伝搬する際にエネルギーが浪費されないからである。
図4は、誘電体導波モード共振素子の測定スペクトル反射率と計算スペクトル反射率を示す。この素子、低次数の側帯波を含む狭帯域で反射される注目スペクトルを持つ帯域阻止フィルタとして機能する。理論計算上では、平面波が入射する場合に100%のピーク効率が予測されるが、実際には、当該平面波は材料損失、散乱損失、入射ビーム発散、及び横方向素子サイズのような種々の要因によって減衰し、ここで実験により得られるピーク効率は90%である。この共振素子は、HfO2層(約210nm)及びSiO2層(約135nm)を溶融シリカ基板(直径1インチ)の上に堆積させることにより作製された。SiO2格子は、一連のプロセスによって得られ、これらのプロセスでは、フォトレジストマスク格子(□=446nmの周期)のホログラフィック転写をAr+UVレーザ(□=364nm)を用いてロイドミラー干渉光学系の中で行ない、現像を行ない、約10nmのクロムマスク層をフォトレジスト格子の上に堆積させ、フォトレジスト格子をリフトオフし、そして次に、SiO2層をCF4で反応性イオンエッチングする。SEM(走査型電子顕微鏡)によって明らかになる表面粗さがピーク効率の低下の原因になる。
伝搬する電磁波の反射/透過特性の他に、局在化及び電磁場強度増大を含む共振周期構造格子の近接場特性がセンサ用途において注目されている。図4の例示的な作製構造に関連する計算による近接場パターンを図5に示す。厳密な結合波解析(PCWA)によって得られる数値結果が、近接場に関連する相対的な電磁場強度及び電磁場空間分布に関する定量情報を提供する。図5に示すように、ゼロ次のS0波(S0はゼロ次の電場を指す)は、ほぼ同じ(close to unity)反射波振幅をもって伝搬し、単位振幅の入射波との干渉によって示される定在波パターンを生成する。従って、共振を起こすと、エネルギーのほとんどは元に戻る方向に反射される。同時に、S1及びS−1で示される1次のエバネッセント回折波がこの例では、反対方向に伝搬する漏洩モードを構成する。この特定のセンサでは、最大電磁場値は均質層の中に位置し、この場合、エバネッセント減衰波が図5に明瞭に表示されるように、基板及び被覆層の中にまで徐々に伝搬する。図6は、反対方向に伝搬するS−1波及びS+1波によって所定の時点で形成される定在波パターンを示す。S±1空間高調波は局在波に対応するので、これらの空間高調波は、共振が起こるときに非常に強くなることができる。格子変調(Δε=nH 2−nL 2)の大きさによって変わるが、層内の電磁場振幅は、局在強度I〜S2の大きな増加を表わす入射波振幅に対して約10倍〜1000倍の大きさとなり得る。S1の最大振幅は変調強度にほぼ逆比例する。S1の最大振幅は変調強度にほぼ逆比例する。一般的に、変調が小さいということは、ライン幅Δλが狭く、かつ共振器QファクタQ=λ/Δλが大きいことを意味する。
液体環境における使用のために設計される単層センサに関して計算されるスペクトル応答を図7に示す。このセンサは、Si3N4を用いて作製されることができ、回折層を形成するためのプラズマエッチングによりパターニングされることができる。1次元共振導波路格子構造はTE偏光入射波(用紙面の法線方向の電気ベクトル)及びTM偏光入射波に対応する個別の反射率ピークを有する。計算によれば、この構造によって、分光計の分解能を0.01nmとすると、3×10−5屈折率単位(RIU)の平均屈折率変化を分解可能であると判明している。ほぼ直線的な波長シフトが、格子構造(nC=nL=1.3〜1.8)と接触する媒質の広範囲の屈折率変化に対して維持されて(図8)、この格子構造を広いダイナミックレンジを有する汎用センサとすることができる。バイオセンサの感度は、検出対象の特定量の材料に関して測定される応答(ピーク波長シフトのような)として定義される。この測定応答は、検出対象の検体に対する達成可能な最大感度を示す。センサ分解能には、分光装置分解能、パワーメータ精度、生体に対し高い選択性を示す物質の応答、及びピーク形状またはライン幅のような実際の要素上の制約が含まれる。ライン幅は反射ピーク応答の半値全幅(FWHM)である。ライン幅は分光センサの精度に影響を与えるが、これは、ラインが狭くなることによって通常、波長シフトの分解能を高くすることができるからであり、導波路格子を用いた共振センサは通常、構造によって制御することができる約1nmのレベルの狭いライン幅を有する。実際の材料及び波長に関する図9の計算結果が示すように、共振センサは非常に小さい屈折率変化をモニタリングすることができるとともに、センサ表面での厚さ変化を検出するために使用することもできる。
図10に例示されるように、バイオセンシング用途にGMRセンサ技術を使用する手法は、法線入射で照明される2層共振素子を利用する空気中でのタンパク質結合分析を利用して研究されている。この場合、まずクリーンな格子表面を3%アミノプロピルトリメトキシシラン(Sigma社製)を含むメタノール溶液で処理してアミン基で化学修飾する(図10の左上に示す)。次に、当該素子をウシ血清アルブミン(BSA,100mg/ml,Sigma社製)溶液中で洗浄する。そして堆積した38nm厚さのBSA層が、6.4nmの反射共振ピークスペクトルシフトを生じる(図10の左下に示す)。BSA付着の前後で反射率が約90%に維持されたことから、センサ表面上の生体材料層に起因して最小の信号劣化しか生じていないことに注目されたい。
これまで説明してきた方法の他に、光学ポリマーに所望のサブミクロン格子パターンを転写するコスト効率の高いコンタクト印刷法が非常に有用である。シリコーン格子スタンプを使用することにより、格子をUV硬化型光学接着剤の薄膜層に転写することができる(図11(a))。次に、導波路層を格子の上側表面に、Si3N4または他の適切な媒質から成る薄膜層をスパッタリングで形成することにより堆積させる。別の方法として、格子を高屈折率のスピン塗布TiO2ポリマー膜で被覆して、高品質の共振センサ素子を形成する。コンタクト印刷された格子の例を図11(b)に示す。
センサに対する生体層の付着によるTE共振シフト及びTM共振シフトを同時に検出することにより、検出動作の精度を著しく向上させることができる。これにより、全ての生体層の特性、すなわち、屈折率及び厚さを正確に求めることができる。図12及び13は、両方の偏光に関して角度に対する共振シフトの関係を示す計算結果を示す。実際、素子を正しく設計することにより実現するTE/TMモード共振の適切な角度分離を行なうことにより、2つの信号を、図14に示すような1次元検出器アレイ上で発散照明光を用いて同時に検出することができ、この場合、発散照明光は、発光ダイオード(LED,フィルタリングすることによりスペクトルを狭くすることができる)、または垂直共振器型面発光レーザ(VCSEL)、または注目する角度範囲に自動的に対応する□=850nmのレーザダイオード(LD)によって放出される。この例では、調査光ビームが溶融シリカまたはプラスティックシート(屈折率nC)のようなカバー媒質を通って入射する。注目する光分布が反射ピークとして検出器上に現われる。この例は、均質層及び周期層の両方として機能する高屈折率ポリマー材料を使用する様子を示す。この構造は、例えばシリコーン鋳型を使用して、格子を、支持ウェハにスピン塗布される市販のTiO2リッチの熱硬化型またはUV硬化型ポリマー媒質の中に形成することにより作製することができる。別の構成として、高屈折率導波路層を支持ウェハに堆積させることができ、そして周期層を支持ウェハの上面に成形することができる。
透過型センサ素子、または帯域通過共振センサ素子は種々の媒質の中に作製することができ、これらの媒質として、シリコン・オン・インシュレータ(SOI)、シリコン・オン・サファイア(SOS)、及び直接転写型熱硬化性ポリマーまたはUV硬化性ポリマーを挙げることができる。周期層の形成は、従来の方法を利用して行なうことができ、これらの方法として、電子ビーム描写及びエッチング法、ホログラフィック干渉法、及び予め成形された原版(マスター)を利用するナノ転写リソグラフィ技術を挙げることができる。この実施形態を明示するために、図19は、例示的なSOI構造の中に構成される透過型センサを示す。図20は、厚さdbioの生体分子層がセンサ表面に付着したときのセンサの応答を示す。透過率ピークは、当該ピークのスペクトル位置を高感度で変える。このプロットを、例えば反射モードで動作する図12〜14のセンサと比較する必要がある。生体材料がセンサの表面に付着すると、共振波長はほぼ、付着材料1nm当たり、約1.6nmのスペクトルシフトの割合でシフトする。この性能をこの事例において達成する特定のプロファイルの形に注目されたい。
作製を容易にし、かつコストを下げるために、我々は次に、上に提示した本発明の実施形態を平板状のシステム機構として実施した構造を開示する。センサは透過モードで動作するものとする。従って、光は、媒質と接触するセンサに入射し、この媒質とセンサとの相互作用に注目する。光は媒質を通過して検出器に到達し、検出器上で、透過光強度の最小値が測定される(帯域阻止フィルタ)、または強度の最大値が測定される(帯域通過フィルタ)。これらの光分布の位置の空間シフトによって生体分子結合反応の重要な特徴を定量化することができる。
検出精度を高めるための更に別のアプローチでは、動作共振漏洩モードの数を増やすことにより、より多くのスペクトルを検出及び高精度カーブフィッティングに適用する。従って、複数の導波路モードが存在することに起因する複数の共振ピークを生成し、そしてモニタリングすることができる。これらの複数のモードによって、高精度検出に利用することができる異なるスペクトル軌跡が得られる。図31は、側壁への付着が生じないと仮定した場合に、図の説明文に指定されるパラメータを持つ2重層GMRセンサのTE偏光応答を示す。入力波長が固定される場合、反射率スペクトルは、異なる漏洩モードで生じる幾つかの共振ピークを示す。生体層が付着すると、スペクトルは、図31に示すように、角度スペクトルの測定可能な変化を示す応答スペクトルとして現われる。このスペクトルは、例えば図16の構造に関する反射率スペクトルとしてモニタリングされる。図32は、例えば図27のシステムにおいてモニタリングされる該当する透過率スペクトルを示す。図33は、法線入射時のこのセンサの波長スペクトルを示し、3つの漏洩モードが図示のスペクトル帯域に含まれる様子を示す。電磁場のこのセンサ内部での特定の分布によって、TE2モードでの動作が最高の感度を示す、すなわち図31〜33に示すように、付着厚さ単位当たり最大の角度シフト及びスペクトルシフトを示す。
入力光の一以上の漏洩モードでまたはその付近で動作するように構成される導波路構造と、そして少なくともM×N個のセンサ素子群を含むセンサアレイを有するTE共振検出器及びTM共振検出器と、を備えるGMRセンサアセンブリ。
更に、照明光を整形する反射レンズアレイを備え、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
更に、入力光の波面の偏光状態、及び波面の波形の特徴を求める手段を備え、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
更に、少なくとも第1及び第2の偏光特性を有する入力光を供給する手段を備え、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
前記導波路構造に隣接する高密度マイクロ流体流路を備え、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
アレイが、半導体、半導体/誘電体複合体、半導体/誘電体/金属複合体、及び誘電体から成る群から選択される高密度媒質に配置される構成であり、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
アレイ状のセンサ素子群が、照明入力光源と一体化される構成であり、かつ上述の節76に定義されるGMRセンサアセンブリ。
照明光源からの光がファイバに結合する、または導波路に結合する構成の導波モード共振センサ。
照明光源からの光を、ライン集光素子を使用して線状に集光する構成の導波モード共振センサ。
照明光源及び検出素子群でセンサアレイを走査する構成の導波モード共振センサ。
光ファイバ/導波路から成るアレイを有する導波モード共振センサを使用して光をセンサ素子アレイに照射する。
Claims (24)
- 複数の漏洩モードでまたはその付近で動作するように構成され、光導波路及び入力光によって励振される前記複数の漏洩モードの共振波長より小さい周期の光回折格子を有する導波路構造と、
光源から導波路構造への入力光を受信して複数の共振漏洩モードを生じさせる手段と、
複数の異なる漏洩モードであって、当該複数の異なる漏洩モードのうちの少なくとも一つがゼロより高いモードである、前記複数の異なる漏洩モードの位相、波形、振幅の内の一以上のパラメータの変化を検出することにより、前記導波路構造またはその直近環境の第1物理状態と第2物理状態とを区別可能にする手段と、
を備えるGMRセンサアセンブリ。 - 前記GMRセンサアセンブリは更に帯域阻止モードで動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 前記GMRセンサアセンブリは更に帯域通過モードで動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 前記GMRセンサアセンブリは更に入力光が発散光を含む場所で動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 前記GMRセンサアセンブリは更に、入力光が収束光を含む場所で動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 既知の振幅及び位相特性を持つ入力光の入力波面を成形するビーム整形素子を更に備える、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 入力光の入力波面を生成する照明光源は、発光ダイオード、レーザダイオード、垂直共振器型面発光レーザ、及びフィルタ付きの広帯域光源から成る群から選択される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 導波路構造は、ほぼ無偏光の入力光で動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 第1の既知の時点で第1の既知の偏光状態を適用し、第2の既知の時点で第2の既知の偏光状態を適用する手段を更に備える、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 異なる波長の入力光を導波路構造に選択的に入力する手段を更に備える、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 導波路構造から検出する手段の上に反射された複数の共振を検出するように、検出する手段は配置される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 導波路構造の平面を透過し検出する手段の上に達する複数の共振を検出するように、検出する手段は配置される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 検出する手段は光検出素子群から成るマトリクスである、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- センサは一を超える共振漏洩モードで動作するように構成される、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 入力光を回折させるホログラフィック回折素子を更に備える、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 入力光は任意の角度で入射されるものであり、検出手段は複数の共振を任意の角度で受信する、請求項1記載のGMRセンサアセンブリ。
- 入力光によって励振される複数の漏洩モードでまたはその付近で動作するように構成され、光導波路及び前記入力光によって励振される前記複数の漏洩モードの共振波長より小さい周期の光回折格子を有する導波路構造と、
少なくともN×M個のセンサ素子を含むセンサアレイを有する複数の導波モード共振を検出するための検出器と、
を備え、
前記検出器は、複数の異なる漏洩モードであって、当該複数の異なる漏洩モードのうちの少なくとも一つがゼロより高いモードである、前記複数の異なる漏洩モードの位相、波形、振幅の内の一以上のパラメータの変化を検出することにより、前記導波路構造またはその直近環境の第1物理状態と第2物理状態とを区別可能にするように構成されているGMRセンサアセンブリ。 - 導波路構造は、入力光の発散ビームを受信するように構成される、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- 検出器は、導波路構造の平面の内、入力光とは反対側に配置されて、導波路構造の平面を透過してきた共振信号を受信する、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- 入力光は既知の振幅及び位相特性を有する、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- 導波路構造は、入力光の発散ビームを受信するように構成される、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- 検出器は、導波路構造の平面の内、入力光と同じ側に配置されて、導波路構造により反射される共振信号を受信する、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- 各センサ素子は、発光ダイオード、レーザダイオード、または垂直共振器型面発光レーザから成る群から選択される入力光源によって照明される、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
- N×M個のセンサ素子は、光整形ポートを通過して入力される単一光源からの光によって照明されるように構成される、請求項17記載のGMRセンサアセンブリ。
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