JP5940081B2 - 平面状ハイブリッドオプトフルイディック集積物 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)に基づいて、2010年11月19日に出願された「Hybrid, Planar Optofluidic Integration」と題する米国仮特許出願第61/415,467号(代理人整理番号UCSC−0014 (SC2011−261))の利益を主張し、その内容は参照することによって本明細書にその全体が組み込まれる。
本発明は、集積光学の分野に、より具体的には、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のためのオプトフルイディックプラットフォームに、一般的に関する。オプトフルイディックプラットフォームは、1の光学層及び複数の流体層の鉛直方向の集積物を含む。光学層は、ARROWs又はARROW導波路として知られている、反共振反射光学導波路(antiresonant reflecting optical waveguide)を採用することができる。さらに、流体層は、オプトフルイディックプラットフォーム中へ導入した液体に対して流体学的機能を実施するように構成されていることができる。オプトフルイディックプラットフォームは、保護層を含むこともできる。
オプトフルイディックスは、マイクロスケールでの光学及び流体学、典型的には液体の相互作用を取り扱う、急速に成長する分野である。最近では、主要な研究トレンドは、特に生物学及びバイオ医薬における、流体によって定義される光学デバイス、液体中の光学粒子操作、及び、光学粒子検出及び分析を含む。
ここで、我々は、液体コア導波路をベースとするオプトフルイディック集積物に対する新規アプローチを説明する。その新規特徴は、次のとおりである:
・鉛直方向の集積のための完全に平面状の光学ビームパスを特徴とする液体コア導波路層の使用、
・個々の層中で所望の機能を達成するための異種材料、例えばシリコン、PDMS、ガラスの使用、
・鉛直方向に集積されたオプトフルイディックシステムの再構成可能なアセンブリー。
我々は、光と試料検体の間の相互作用を最大にする液体コア光学導波路を基礎とする、平面状オプトフルイディックアプローチを発明した。中空コア反共振反射光学導波路(ARROWs)の作出に基づいて、我々は、極めて高い感受性を有するが、しかし、改良した顕微鏡装置を必要としない光学粒子検出のための、自蔵式の、平面状オプトフルイディックプラットフォームを開発した[3]。中空コア導波路の形成のための製造工程と一緒に、プラットフォームの基礎的なレイアウトが、図1に示されている。
[態様1]
複数の導波路を含む光学層と、
複数の流体層とを含み、
前記複数の流体層のうち1つの流体層が前記光学層に取り付けられている、
試料を分析するためのオプトフルイディック装置。
[態様2]
さらに、前記複数の流体層のうち1つの流体層に取り付けられた1つの保護層を含む態様1記載の装置。
[態様3]
前記複数の導波路が、複数の中空コア導波路及び複数の中実コア導波路を含む態様1記載の装置。
[態様4]
前記複数の導波路が、複数の中空コア反共振反射光学導波路(ARROWs)を含む態様1記載の装置。
[態様5]
さらに、前記複数のARROWsと交差する複数の中実コアARROWsを含む態様4記載の装置。
[態様6]
前記複数の中実コアARROWs及び前記複数のARROWsが、垂直に交差する態様5記載の装置。
[態様7]
前記複数のARROWs及び前記複数の中実コアARROWsが、液体及び光に対する別個のアクセスパスを提供し、かつ、ピコリットル未満の体積で光学励起領域を定義して、単一分子感受性を達成するように構成されている態様5記載の装置。
[態様8]
中空コアARROWが、5×12μmの断面積寸法を有する実質的に長方形の中空コアを有する態様4記載の装置。
[態様9]
中空コアARROWが、1のシリコン基材及び複数の誘電層を含み、中空コア形態を形成すべく構成されている態様4記載の装置。
[態様10]
流体貯蔵所が、中空コアARROWの末端に配置されている態様4記載の装置。
[態様11]
前記光学層が、前記複数の流体層とは異なる基材材料から作成されている態様1記載の装置。
[態様12]
前記流体層が、光学的案内のために使用される領域中で複数の導波路の幾何学に従う形態を有する空気チャネルを含む態様1記載の装置。
[態様13]
前記流体層が、導波路と前記流体層の間に光学的案内のために使用される領域中で空気ギャップを提供すべく構成されている態様1記載の装置。
[態様14]
前記複数の流体層が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー又はガラス材料から作成されている態様1記載の装置。
[態様15]
前記複数の流体層が、前記複数の導波路内及び前記複数の導波路外へ液体を導くように構成されている複数の開口部を含む態様1記載の装置。
[態様16]
前記流体層が、光学層と保護層の間に液体のためのシールを提供するガスケットとして作用するように構成されている態様1記載の装置。
[態様17]
前記複数の流体層のうち少なくとも1の流体層が、流体学的機能を提供すべく構成されている態様1記載の装置。
[態様18]
前記流体学的機能が、前記複数の導波路へと試料を分配することを含む態様17記載の装置。
[態様19]
前記少なくとも1の流体層が、前記複数の導波路に試料を負荷するための分配点を含む態様18記載の装置。
[態様20]
前記流体学的機能が、試料の機械的濾過を含む態様17記載の装置。
[態様21]
前記少なくとも1の流体層が、試料内容物をフィルタリングするための杭ベースのフィルター構造を含む態様20記載の装置。
[態様22]
前記流体層及び前記光学層が、永続的に取り付けられている態様1記載の装置。
[態様23]
前記永続的取付が、酸素プラズマ結合を含む態様22記載の装置。
[態様24]
前記流体層及び前記光学層が、一時的に取り付けられている態様1記載の装置。
[態様25]
前記一時的取付が、圧力結合を含む態様24記載の装置。
[態様26]
別の流体層への流体層取付が、永続的又は一時的取付を含む態様1記載の装置。
[態様27]
前記保護層が、アクリルプラスチックから作成されている態様2記載の装置。
[態様28]
前記保護層が、液体を導入するための複数のチャネルを含む態様2記載の装置。
[態様29]
前記チャネルが、シリンジ及びシリンジポンプを用いた使用のために構成されているルアーコネクションで終端している態様28記載の装置。
[態様30]
前記保護層及び前記流体層の取付が、永続的又は一時的な取付を含む態様1記載の装置。
[態様31]
さらに、光学的粒子検出のために、コンパクトサイズの自蔵式平面状オプトフルイディックプラットフォームを提供すべく構成されている態様1記載の装置。
[態様32]
導波路を含む1の光学層の作出、
複数の流体層の作出、
1の保護層の作出、
前記複数の流体層のうちの1の流体層への前記光学層の取付、及び
前記保護層への前記複数の流体層のうちの1の流体層の取付
を含むオプトフルイディックデバイスを製造するための方法。
[態様33]
前記光学層の作出が、
シリコン基材上への誘電層の堆積、
導波路中空コア形態への材料のパターニング、
更なる誘電層での前記材料の被覆、及び
前記材料の除去
を含む態様32記載の方法。
[態様34]
前記材料の除去が、プラズマエッチングへの前記材料末端の暴露及び化学的エッチングによる前記材料の除去を含む態様33記載の方法。
[態様35]
複数の流体層の作出が、
一時的隔離シリンダーでの前記導波路の開口部の被覆、
ソフトリソグラフィ法を用いた材料の調製、
前記光学層上への前記調製された材料の注ぎ込み、
前記注ぎ込まれた材料の硬化、及び
前記一時的隔離シリンダーの除去
を含む態様32記載の方法。
[態様36]
前記材料の作出が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー、又はガラス材料を含む態様35記載の方法。
[態様37]
前記複数の流体層の作出が、前記光学層に取り付けられるように構成された少なくとも1の流体層の作出を含み、前記少なくとも1の流体層が、光学的案内のために使用される領域における導波路の幾何学に従う形態を有する空気チャネルを含む態様32記載の方法。
[態様38]
前記複数の流体層の作出が、前記光学層に取り付けられるように構成された少なくとも1の流体層の作出を含み、前記少なくとも1の流体層が、前記導波路と前記少なくとも1の流体層との間の空気ギャップを提供するように構成されている態様32記載の方法。
[態様39]
前記複数の流体層の作出が、前記保護層に取り付けられるように構成された少なくとも1の流体層の作出を含み、前記少なくとも1の流体層が、前記導波路への試料の分配、前記試料内容物のフィルタリング、又はその組み合わせを含む流体学的機能を実施するように構成されている態様32記載の方法。
[態様40]
前記複数の流体層の作出が、前記保護層及び前記光学層の間の液体のためのシールを提供するガスケットとして作用するための少なくとも1の流体層を構成することを含む態様32記載の方法。
[態様41]
前記保護層の作出が、前記保護層のためのアクリルプラスチックの使用を含む態様32記載の方法。
[態様42]
前記保護層の作出が、前記保護層へのチャネルの孔あけ及びルアーコネクションでの前記チャネルの終端化を含み、前記チャネル及び前記ルアーコネクションが、シリンジ及びシリンジポンプを使用して前記導波路中へと液体を導入するように構成されている態様32記載の方法。
[態様43]
前記流体層への前記光学層の取付が、永続的又は一時的取付を含む態様32記載の方法。
[態様44]
前記永続的取付が、酸素プラズマ結合を含む態様43記載の方法。
[態様45]
前記一時的取付が、圧力結合を含む態様43記載の方法。
[態様46]
前記保護層への前記流体層の取付が、永続的又は一時的取付を含む態様32記載の方法。
[態様47]
前記複数の流体層の作出が、各流体層を別の流体層へと永続的又は一時的に取り付けることを含む態様32記載の方法。
[態様48]
垂直に交差するように構成されている中空コア導波路と中実コア導波路とを含む光学導波路を含む、1の光学層
流体学的機能を提供するように構成されている複数の流体層、
1の保護層、
前記流体層に前記光学層を取り付けるための手段、
前記光学導波路の光学的指数を回復するための手段、
前記保護層に前記流体層を取り付けるための手段、
前記保護層を通して前記中空コア導波路中へと試料液体を注入するための手段、
前記流体層を通して注入された試料液体へと流体学的機能を適用するための手段、
前記中実コア導波路中へと光を注入する手段
を含み、注入された光は、前記中実コア導波路内で、かつ、前記中空コア導波路中へと注入された前記試料液体を通して案内される、オプトフルイディックデバイス。
[態様49]
前記光学導波路がARROWsを含む態様48記載のデバイス。
[態様50]
前記流体学的機能が、試料液体の分配及び試料液体内有物のフィルタリングを含む態様48記載のデバイス。
[態様51]
前記保護層が、シリンジ及びシリンジポンプを使用した液体試料の導入のための手段を含む態様48記載のデバイス。
[態様52]
前記流体層に前記光学層を取り付けるための前記手段が、永続的又は一時的取付手段を含む態様48記載のデバイス。
[態様53]
前記光学的指数を回復するための前記手段が、前記光学導波路及び前記複数の流体層のうちの1つの取付流体層の間の空気ギャップを含む態様48記載のデバイス。
[態様54]
前記保護層へと前記流体層を取り付けるための前記手段が、永続的又は一時的取付手段を含む態様48記載のデバイス。
Claims (24)
- 複数の導波路を含む光学層と、
複数の流体層とを含み、
前記複数の流体層のうち第1の流体層が、前記光学層に取り付けられ、かつ、中間層として構成され、前記複数の流体層のうち第2の流体層が、前記第1の流体層に取り付けられ、かつ、機能的流体層として構成されており、
前記第2の流体層の第一の機能が、前記複数の導波路へと試料を分配することを含み、前記第2の流体層の第二の機能が、試料の機械的濾過を含み、
保護層が前記複数の流体層のうち1の流体層に取り付けられており、
前記光学層が、前記複数の流体層とは異なる基材材料から作製されており、かつ、
前記光学層、前記複数の流体層及び前記保護層が、鉛直方向に集積されている、
試料を分析するための及び個々の粒子の検出のためのオプトフルイディック装置。 - 前記複数の導波路が、複数の中空コア導波路及び複数の中実コア導波路を含む請求項1記載の装置。
- 前記複数の導波路が、複数の中空コア反共振反射光学導波路(ARROWs)を含む請求項1記載の装置。
- 前記複数の導波路が、前記複数の中空コアARROWsと交差する複数の中実コアARROWsをさらに含む請求項3記載の装置。
- 前記複数の中実コアARROWs及び前記複数の中空コアARROWsが、垂直に交差し、又は、液体及び光に対する別個のアクセスパスを提供し、かつ、ピコリットル未満の体積で光学励起領域を定義して、単一分子感受性を達成するように構成されている請求項4記載の装置。
- 中空コアARROWが、5×12μmの断面積寸法を有する実質的に長方形の中空コアを有し、又は、1のシリコン基材及び複数の誘電層を含み、中空コア形態を形成すべく構成されている請求項3記載の装置。
- 流体貯蔵器が、中空コアARROWの末端に配置されている請求項3記載の装置。
- 前記第1の流体層が、少なくとも1の導波路と前記第1の流体層の間に光学的案内のために使用される領域中で空気ギャップを提供すべく構成されている請求項1記載の装置。
- 前記複数の流体層が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー又はガラス材料から作製されている、及び/又は、前記複数の導波路内及び前記複数の導波路外へ液体を導くように構成されている複数の開口部を含む請求項1記載の装置。
- 前記複数の流体層が、光学層と保護層の間に液体のためのシールを提供するガスケットとして作用するように構成されている請求項1記載の装置。
- さらに、前記複数の導波路に試料を負荷するための分配点を含む請求項1記載の装置。
- 前記第2の流体層が、試料内容物をフィルタリングするための杭ベースのフィルター構造を含む請求項1記載の装置。
- 前記第1の流体層及び前記光学層、又は、前記第1の流体層及び前記第2の流体層が、永続的に又は一時的に取り付けられている請求項1記載の装置。
- 前記第1の流体層及び前記光学層が、酸素プラズマ結合によって永続的に取り付けられ、又は、圧力結合によって一時的に取り付けられている請求項13記載の装置。
- 前記保護層が、アクリルプラスチックから作製され、及び/又は、液体を導入するための複数のチャネルを含み、前記チャネルが、シリンジ及びシリンジポンプを用いた使用のために構成されているルアーコネクションで終端している請求項1記載の装置。
- 前記複数の流体層のうちの1の流体層への前記保護層の取付が、永続的又は一時的な取付を含む請求項1記載の装置。
- さらに、光学的粒子検出のために、コンパクトサイズの自蔵式平面状オプトフルイディックプラットフォームを提供すべく構成されている請求項1記載の装置。
- 導波路を含む1の光学層の作出、
複数の流体層の作出、
1の保護層の作出、
前記複数の流体層のうちの第1の流体層への前記光学層の取付、及び
前記保護層への前記複数の流体層のうちの1の流体層の取付
を含み、
前記光学層、前記複数の流体層及び前記保護層が、鉛直方向に集積されており、
前記光学層が、前記複数の流体層とは異なる基材材料から作製されており、
前記複数の流体層のうち第1の流体層が、前記光学層に取り付けられ、かつ、中間層として構成され、前記複数の流体層のうち第2の流体層が、前記第1の流体層に取り付けられ、かつ、機能的流体層として構成されており、
前記第2の流体層の第一の機能が、前記複数の導波路へと試料を分配することを含み、前記第2の流体層の第二の機能が、試料の機械的濾過を含み、
個々の粒子の検出のために構成されているオプトフルイディックデバイスを製造するための方法。 - 前記光学層の作出が、
シリコン基材上への誘電層の堆積、
導波路中空コア形態への材料のパターニング、
更なる誘電層での前記材料の被覆、及び
前記材料の除去
を含み、前記材料の除去が、プラズマエッチングへの前記材料末端の暴露及び化学的エッチングによる前記材料の除去を含む請求項18記載の方法。 - 複数の流体層の作出が、
一時的隔離シリンダーでの前記導波路の開口部の被覆、
ソフトリソグラフィ法を用いた材料の調製、
前記光学層上への前記調製された材料の注ぎ込み、
前記注ぎ込まれた材料の硬化、及び
前記一時的隔離シリンダーの除去
を含み、前記材料の作出が、ポリジメチルシロキサン、ポリマー、又はガラス材料を含む請求項18記載の方法。 - 前記複数の流体層の作出が、前記光学層に取り付けられるように構成された少なくとも1の流体層の作出を含み、前記少なくとも1の流体層が、前記導波路と前記少なくとも1の流体層との間の空気ギャップを提供するように構成されている、又は
前記複数の流体層の作出が、前記保護層に取り付けられるように構成された少なくとも1の流体層の作出を含み、前記少なくとも1の流体層が、前記導波路への試料の分配、前記試料内容物のフィルタリング、又はその組み合わせを含む流体学的機能を実施するように構成されている、又は
前記複数の流体層の作出が、前記保護層及び前記光学層の間の液体のためのシールを提供するガスケットとして作用する少なくとも1の流体層を構成することを含む、又は
前記複数の流体層の作出が、各流体層を別の流体層へと永続的又は一時的に取り付けることを含む
請求項18記載の方法。 - 前記保護層の作出が、前記保護層のためのアクリルプラスチックの使用を含み、及び/又は、前記保護層へのチャネルの孔あけ及びルアーコネクションでの前記チャネルの終端化を含み、前記チャネル及び前記ルアーコネクションが、シリンジ及びシリンジポンプを使用して前記導波路中へと液体を導入するように構成されている、請求項18記載の方法。
- 前記流体層への前記光学層の取付又は前記保護層への前記流体層の取付が、永続的又は一時的取付を含む請求項18記載の方法。
- 前記流体層への前記光学層の永続的取付が、酸素プラズマ結合を含み、又は、前記流体層への前記光学層の一時的取付が、圧力結合を含む請求項23記載の方法。
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