JP6358482B2 - 結合親和性の検出に用いる装置 - Google Patents

Description

本発明は、結合親和性の検出に用いる装置および方法であって、それぞれの独立クレームに記載されたものに関する。

そのような装置は、たとえばバイオセンサとして、多様な用途で使用される。個別の用途の一つとしては、結合親和性または結合プロセスの検出または監視があげられる。たとえば、この種のバイオセンサを利用して、対象となる試料の結合サイトへの結合を検出するさまざまな分析検査を行うことができる。通常、多くのそのような分析検査は、バイオセンサ上で、当該バイオセンサの表面の２次元マイクロアレイに配置されたスポットで行われる。マイクロアレイの使用によって、高スループットの選別において異なる対象試料の結合親和性または結合プロセスを同時検出するためのツールが提供される。対象試料の、特定の結合サイトに結合する親和性（たとえば、対象分子が特定の捕獲分子に結合する親和性）を検出するために、バイオセンサの外表面上の個別のスポットで（たとえばインクジェットスポッティングまたはフォトリソグラフィーによって）、数多くの捕獲分子を固定化する。各スポットは、所定タイプの捕獲分子用の個別測定ゾーンを形成する。特定タイプの捕獲分子への対象分子の結合が検出され、当該特定の捕獲分子に対する当該対象分子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。

対象試料の結合親和性を検出するための公知の技術には、蛍光ラベルを用いるものがある。蛍光ラベルは、励起すると蛍光を発することが可能である。放出された蛍光は、特定のスポットで現在の蛍光ラベルを識別する特有の発光スペクトルを有する。識別された蛍光ラベルは、ラベリングされた対象分子がこのスポットに存在する特定のタイプの結合サイトに結合していることを示している。

ラベリングされた対象試料を検出するセンサーが、論文『Zeptosensのタンパク質マイクロアレイ：低存在度タンパク質分析のための新規な高性能マイクロアレイプラットフォーム（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 Weinheim, Germany）に記載されている。この論文に記載のセンサーは、基板上に配置された平面導波路を備える。平面導波路は、複数の結合サイトを付着させることが可能な外表面を有する。さらに、平面導波路は、コヒーレント光の光線が平面導波路に沿って伝播するように、コヒーレント光の光線を平面導波路内に結合させる複数のインカップリング線（incoupling lines）を有する。コヒーレント光は、平面導波路の外表面に沿って伝播する当該コヒーレント光のエバネッセント場を伴って全反射する状況下で、平面導波路を通って伝播する。平面導波路の外表面において低屈折率の媒質側へのエバネッセント場の浸透する深さは、平面導波路を伝播するコヒーレント光の波長の数分の１のオーダーである。エバネッセント場は、平面導波路の表面上に配置された結合サイトに結合されたラベル付対象試料の蛍光ラベルを励起する。平面導波路の外表面ではエバネッセント場の光学的に薄い媒質内への浸透深度が非常に小さいので、平面導波路の外表面で固定化された結合サイトに結合されたラベル付試料のみが励起される。そして、これらのラベルが発する蛍光が、ＣＣＤカメラにより検出される。

蛍光ラベルを用いて結合親和性を検出することは基本的に可能であるが、この技法は、検出信号が結合の相手方自体ではなく、蛍光ラベルによって生成される点に難点がある。また、対象試料のラベリングには、追加の準備工程が必要となる。さらに、ラベル付の対象試料は、比較的高価である。もう一つの問題は、対象試料の捕獲分子への結合に干渉する虞がある対象試料における蛍光ラベルの立体障害により、検出結果に歪曲が生じることである。さらに別の問題は、ラベルの光退色やクエンチングの効果により、検出結果に歪曲が生じることである。

本発明は、対象試料と結合サイトとの結合親和性の検出に利用する装置およびそのような結合親和性を表わす信号を提供することができる方法であって、前記した先行技術の問題を克服ないし大幅に低減するものを提供することを目的とする。

本発明にしたがって、この目的は、結合親和性の検出に用いる装置によって達成される。この装置は、基板上に配置された平面導波路を備える。平面導波路は、外表面と、複数のインカップリング線とを有し、当該複数のインカップリング線は、動作時に、平面導波路の外表面に沿って伝播するエバネッセント場を伴って、コヒーレント光の平行光線が平面導波路に沿って伝播するように、コヒーレント光の光線を平面導波路内に結合させるためのものである。複数のインカップリング線は湾曲し、コヒーレント光の平行光線が平面導波路に沿って伝播する方向で見て、隣接するインカップリング線間の距離が増加するように配置されており、当該複数のインカップリング線の配置および隣接するインカップリング線間の距離は、動作時に、所定の第１焦点位置から来て複数のインカップリング線に衝突する所定波長のコヒーレント光の発散光線が、コヒーレント光の平行光線が平面導波路に沿って伝播するように平面導波路内に結合するように設定される。対象試料を結合することが可能な複数の結合サイトは外表面に付着される。付着された結合サイトは、平面導波路のアウトカップリング部分に配された少なくとも１組の別の複数の回折線に沿って配置される。当該少なくとも１組の別の複数の回折線は、複数の湾曲したアウトカップリング線を含み、当該複数の湾曲したアウトカップリング線は、衝突するコヒーレント光の伝播方向で見て、隣接する湾曲したアウトカップリング線間の距離が減少していくように配置されていることで、所定波長のコヒーレント光の一部を回折させて平面導波路から分離させ、所定波長のコヒーレント光の当該分離した部分を所定の第２焦点位置に集束して、当該第２焦点位置で結合サイトと対象試料との結合親和性を表わす信号を提供することができるように構成される。

「湾曲したアウトカップリング線（curved outcoupling lines）」という用語は、光学的に回折する効果を有し、（たとえば、光回折格子の線のように物理的に存在する線）である所定波長のコヒーレント光の一部を所定の第２焦点位置へと回折させる「実」線（この場合、結合サイトは、コヒーレント光の平行光線の一部を当該「実」線に向けて回折させるために、対象試料と共に生物学的格子を形成するように、別の複数の「仮想」線に沿って配置される）だけではなく、「仮想」線（導波路の外表面には物理的に存在しなくてもよい線、或いはそれ自体が光学的に回折する効果を有さないものの、対象試料と共に生物学的格子を形成するように、これらの「仮想」線に沿って配置された結合サイトにより形成される線）も含んでいる。両方のタイプの「湾曲したアウトカップリング線」、「実」線ならびに「仮想」線は、所定波長のコヒーレント光の一部を所定の第２焦点位置へと回折させる。後者の場合、つまり湾曲したアウトカップリング線が生物学的格子の「仮想」線によって形成される場合、生物学的格子に加えて、光回折格子のような「実」線が存在しても存在していなくてもよい。

また、「湾曲したインカップリング線（curved incoupling lines）」という用語は、光学的に回折する効果を有し、（たとえば、光回折格子の線のように物理的に存在する線）である所定波長のコヒーレント光の一部を回折させて、コヒーレント光の当該回折部分を平面導波路内に結合させる「実」線だけではなく、「仮想」線（導波路の外表面には物理的に存在しなくてもよい線、或いはそれ自体が光学的に回折する効果を有さないものの、対象試料と共に生物学的格子を形成するように、これらの「仮想」線に沿って配置された結合サイトにより形成される線）も含んでいる。「実」線は、たとえば、コヒーレント光の発散光線を導波路内に結合させる湾曲した物理線として実施してもよく、「仮想」線は、（所定の位置に配置された）点光源から来るコヒーレント光の発散光線の一部を（結合された対象試料とともに）回折させて、コヒーレント光の当該回折部分を平面導波路内に結合させるように結合サイトがこれらの仮想線に沿って配置された状態で、コヒーレント光の発散光線を平面導波路内に結合させる湾曲線でもよい。湾曲したインカップリング線（「実」線または「仮想」線）は、平面導波路内に結合するコヒーレント光の伝播方向で見て、相互に距離が増加していく。したがって、インカップリング線とアウトカップリング線の両方が、生物学的格子のみからなる（「実」線を含まない）ものとすることも可能である。このことは、インカップリング線とアウトカップリング線の両方をリソグラフィ技術を用いた単一工程で製造することができるので、そのような格子の製造に関して有利になる。これにより、格子を安価に製造することができる。

動作時に、接触させた対象試料に結合した付着結合サイト（共に生物学的格子を形成する）で、アウトカップリング部分内で回折したコヒーレント光が、結合親和性の測定値として第２焦点位置において得られる。たとえば、所定の第２焦点位置で得られるコヒーレント光の強度が検出され、（対象試料が接触していない）結合サイトのみで回折したコヒーレント光の既知の強度と比較される。強度の変化は、結合サイトと対象試料との結合親和性を表わす（結合親和性に対する測定値の大きさとなる）。なぜなら、所定の第２焦点位置における強度は、結合サイトのみで発生した所定の第２焦点位置における強度と比較すると、対象試料が結合サイトに結合しているので著しく異なるからである。これにより、コヒーレント光のアウトカップリングした部分が所定の第２焦点位置で強めあうように干渉して、検出可能な信号を提供するので、対象試料にラベリングする必要がなくなる。「所定の第２焦点位置で強めあうように干渉」とは、換言すると、所定の第２焦点位置に集束するコヒーレント光が、前記所定の第２焦点位置において、所定波長の整数倍の光路長差を有していることを意味する。この所定の第２焦点位置における干渉の最大値が、対象試料に結合した結合サイトから発生する検出可能な信号を提供する。

一般に、「結合サイト」は、対象試料が結合する可能性のある（または結合親和性の場合には結合する）平面導波路の外表面上の位置である。本発明による結合親和性の検出は、対象試料の特定の種類や結合サイトの任意の種類に限定されるものではなく、対象試料としてのたとえば分子、タンパク質、ＤＮＡなどの結合特性が、平面導波路上の任意の種類の結合サイトについて分析可能である。技術的には、「回折（した）」という用語は、結合サイトに結合した対象試料と既に反応したエバネッセント場のコヒーレント光の干渉を意味する。回折「部分」という用語は、導波路から分離するためにすべての光が回折するのではなく、コヒーレント光の平行光線の一部（実際には主要部分）は平面導波路に沿って伝播し続けることを意味する。「平行光線」という用語は、光が導波路内を多少集束して或いは発散して伝播するような形態も明示的に含む。このようなずれの程度は、「平行」が、第２焦点位置において、結合サイトと対象試料との結合親和性を表わす信号を提供することが可能なずれを含むように、検出した信号の強度によって制限される。コヒーレント光の光路の可逆性により、インカップリング線とアウトカップリング線の役割は通常交換することができ、本発明で記載する実施形態では類似した機能を発揮する。結合サイトを２組以上の複数の線において配置してもよい。当該複数の線に沿った結合サイトの配置は、すべての結合サイトが理想線上に正確に配されているような最適な場合を表わしている。結合サイトの最適な配置は、第２焦点位置における最大信号に関連しているが、実際には、第２焦点位置に集束するコヒーレント光の平行光線の分離した部分が存在する間は、結合サイトの配置は、このような最適な配置から多少ずれることになる。複数のインカップリング線および複数の湾曲したアウトカップリング線は、ｘ_ｊ，ｙ_ｊ座標におけるこれらの線の位置が下記の数式によって幾何学的に画定されるように、平面導波路の外表面上に配置される。

ここで、λは伝播する光の真空波長である。 Ｎは平面導波路の被嚮導モードの有効屈折率であり、平面導波路の厚さおよび屈折率、基板の屈折率、平面導波路の外表面上の媒質の屈折率、および被嚮導モードの偏光に依存する。 ｎ_ｓは基板の屈折率である。 ｆは焦点位置と平面導波路の外表面との距離（焦点距離）である。 Ａ₀はｎ_ｓｆ/λに近くなるように選択される整数である。 ｊは各線の指標を表わす連続する整数である。

選択された整数Ａ₀は、負のｊ値に対しては線の中心のｘ座標を負とし、正のｊ値をもつ線の中心のｘ座標を正とする。換言すると、整数Ａ₀は、平面導波路の外表面における線の位置に対して用いられるｘ，ｙ座標系の原点を画定し、選択されたＡ₀値は、ｘ＝0、ｙ＝0、ｚ＝−ｆに検出位置を割り当てる。

第１焦点位置と第２焦点位置は、好ましい実施形態では、直径が略０．５μｍで、１０〜２００μｍの範囲の距離で配置されている。

一つの態様によると、複数のインカップリング線が平面導波路の外表面の第１表面部分に配置され、複数の湾曲したアウトカップリング線が平面導波路の外表面の第２表面部分に配置される。第１表面部分は線のない空白部分（blank section）を含み、第２表面部分は線のない別の空白部分（further blank section）を含む。当該空白部分は、二次ブラッグ反射（平面導波路に現れた各複数の線で回折したコヒーレント光の干渉の最大値）や検出信号の全体の強度を潜在的に減少させる虞がある同様の光学効果を回避するように形成される。好適には、第１表面部分および第２表面部分は、２５〜３００μｍの直径を有する。

別の態様によると、第１表面部分および第２表面部分は、平面導波路の外表面に空間的に離間して配置される。この空間的に離間した配置により、（複数のインカップリング線のすべての線によってインカップリング（incoupled）された）コヒーレント光の平行光線のエバネッセント場の極大部分を、複数の湾曲したアウトカップリング線のすべての線で回折させることができる。

別の態様によると、第１表面部分および第２表面部分は、平面導波路の外表面に、空白部分と別の空白部分が共通の空白部分を形成するように少なくとも部分的に重なって配置される。このように少なくとも部分的に重なった配置では、前記第１および第２表面部分によって覆われる平面導波路の外表面の面積が最小となる。当該覆われた領域の面積が減少することで、平面導波路の外表面に第１および第２表面部分を多数配置することが可能となる。

さらに別の態様によると、第１表面部分および第２表面部分は同じ大きさである。

さらに別の態様によると、アウトカップリング部分に配置された少なくとも１組の別の複数の回折線は、さらに複数の直線を含む。これらの直線は、隣接する直線間で一定の距離を置いて相互に平行に延びており、コヒーレント光の平行光線の一部を直線に対して回折角αで回折させることで、コヒーレント光の平行光線の回折部分が複数の湾曲したアウトカップリング線に衝突するように、コヒーレント光の平行光線の伝播方向に対して角度βをなすように配置されている。付着された結合サイトは、複数の直線に沿って配置されるか或いは複数の湾曲したアウトカップリング線に沿って配置される。

コヒーレント光の平行光線の伝播方向は、複数のインカップリング線から始まり、通常は複数のインカップリング線と直交する方向に近い、平面導波路内にコヒーレント光が結合する方向に延びるものとして画定される。対象試料に結合した結合サイトで回折するコヒーレント光は、直線に対して回折角αで第２表面部分の複数の湾曲したアウトカップリング線に衝突する。回折角αの条件下で、複数の直線から来る光は、複数の湾曲したアウトカップリング線で強めあう
ように干渉する（すなわち、異なる直線で回折した光が所定波長の整数倍の光路差を有する）。回折角αは、所定波長と、基板の屈折率と、平面導波路の屈折率と、平面導波路の外表面における媒質（たとえば、外表面の媒質が対象試料を含んでいてもよい）の屈折率とを考慮して、隣接する所定の直線間の一定距離に依存する。

一つの態様によると、複数の湾曲したアウトカップリング線が、直線で回折したコヒーレント光の平行光線の一部が伝播するとともにコヒーレント光の平行光線のその他の光が伝播しないような平面導波路外面の境界に配置される。これにより、第２焦点位置でバックグラウンド信号が減少した光を検出することができる。なぜなら、第２焦点位置は、コヒーレント光の平行光線のその他の「非回折」光がまったく伝播しないような平面導波路の外表面の領域に直角に配置されているからである。

別の態様によると、表面被覆層が平面導波路の外表面の上に配置されている。表面被覆層は多孔性の内部構造を有しており、当該被覆層に接触させる対象試料が被覆層を通して拡散し、平面導波路の外表面に付着した結合サイトに達することが可能となる。有益には、対象試料を他の化合物を含む混合物にも付着させることができるが、対象試料のみが被覆層の多孔性内部構造を通して拡散し、平面導波路の外表面に到達する。

別の態様では、本発明は結合親和性を検出する方法に関し、当該方法は、 本明細書で説明する装置を用意するステップと、 結合サイトが配置された前記少なくとも１組の別の複数の回折線に沿って、平面導波路のアウトカップリング部分に対して、結合サイトとの結合親和性を検出する対象試料を接触させるステップと、 所定の第１焦点位置で、コヒーレント光の発散光を、平面導波路内に結合するために平面導波路の複数のインカップリング線に衝突させることで、平面導波路内に結合したコヒーレント光の光線が、平面導波路の外表面に沿って伝播するコヒーレント光の平行光線のエバネッセント場を伴って、平面導波路に沿ったコヒーレント光の平行光線として伝播するように発生させるステップであって、当該コヒーレント光の一部を、平面導波路から分離して、コヒーレント光の当該分離された部分が第２の所定の焦点位置に集束するように、平面導波路のアウトカップリング部分の複数の湾曲したアウトカップリング線によって回折させる発生ステップと、 第２の所定の焦点位置で、コヒーレント光の当該分離された部分を、結合サイトと対象試料との結合親和性を表わす信号として検出するステップと、を含むことを特徴とする。

当該方法の一つの態様によると、コヒーレント光の平行光線の当該分離された部分は、所定の大きさを有するとともに第２の所定の焦点位置を含むように配置された検出域内で検出され、その検出域における、所定の波長を有するコヒーレント光の当該分離された部分が相対最大強度を有する位置を決定する。相対最大強度の位置は、第２の所定の焦点位置として画定される。相対最大強度により、検出域内で検出可能な信号を見つけることができる。検出域の大きさは、一般に１００ｎｍ〜３００ｎｍの範囲の厚さを有する平面導波路の製作公差に依存し、導波路の厚さの一般的な製作公差は数ナノメートルである。この公差は、アウトカップリング部分の横方向の延びの数パーセントのオーダーで、検出域の横方向の延びに対応する。

当該方法の別の態様によると、コヒーレント光の発散光線は、所定の大きさを有するとともに第１の所定の焦点位置を含むように配置された光線発生域内の異なる位置で連続的に発生する。コヒーレント光の連続的に発生した各光線に対して、コヒーレント光の平行光線の分離された部分が相対最大強度を有する検出域内の位置が決定され、相対最大強度が最大となる検出域内の位置を第２の所定の焦点位置として画定し、さらに対応する光線が発生する光線発生域内の位置を第１の所定の焦点位置として画定する。有益には、相対最大強度が最大となる第１の所定の焦点位置を画定することにより、第２の所定の焦点位置における最良の検出可能信号として、絶対最大強度を見つけることが可能となる。このことは、異なる平面導波路が通常は異なる厚さ（たとえば、製作公差が生じた場合）を有することで、各装置ごとに第１および第２の所定の焦点位置が異なる位置になるために、有利である。両方の所定の焦点位置の正確な位置は、このような方法で見つけることができる。光線発生域の大きさおよび検出域の大きさは、製作公差の大きさに依存する。

以下、本発明による方法の２つの好適な変形例について説明する。両実施形態は、それぞれ製作公差を示す装置の第１実施形態および第２実施形態を用いた結合親和性の検出に関するものである。

方法の第１変形例では、光線発生域は、平面導波路の外表面に平行な第１平面内の領域である。検出域は、平面導波路の外表面に平行な第２平面内で、コヒーレント光の平行光線の伝播方向に平行に延びる直線である。これにより、第１実施形態による装置を用いて結合親和性を検出することができる。ここでの不要な説明の繰り返しを避けるため、図７を参照して以下に動作原理および利点を詳細に説明する。

方法の第２変形例では、光線発生域は、平面導波路の外表面に平行な第１平面内の領域である。検出域は、平面導波路の外表面に平行な第２平面内の領域である。これにより、アウトカップリング部分がさらに複数の直線を含む第２実施形態による装置の第２の所定の焦点位置で、コヒーレント光の平行光線の分離された部分を検出することが可能となる。ここでの不要な説明の繰り返しを避けるため、図８を参照して動作原理および利点を詳細に説明する。

本発明のさらなる有利な態様は、添付の図面を参照して、本発明の諸実施形態の以下の説明から明らかになる。

第１表面部分と第２表面部分が平面導波路の外表面に空間的に離間して配置された、本発明の第１実施形態による装置の斜視図を示す。 第１表面部分と第２表面部分が少なくとも部分的に重なるように平面導波路の外表面に配置された、本発明の第２実施形態による装置の斜視図を示す。 おおよそ第２表面部分と重なる第１表面部分の大きさを有する基板を備えた、図２の装置の斜視図を示す。 表面被覆層を備えた、図３の装置の斜視図を示す。 アウトカップリング部分がさらに複数の直線を一組備えた、本発明の第３実施形態による装置の斜視図を示す。 結合親和性の検出に利用する装置を用いるシステムの第１実施形態を示す。 光線発生域に配置された異なる第１焦点位置と、平面導波路の外表面と平行な平面内に直線を形成する検出域に配置された異なる第２焦点位置とを備えた、図１の装置を示す。 光線発生域に配置された異なる第１焦点位置と、平面導波路の外表面と平行な平面内の領域を形成する検出域に配置された異なる第２焦点位置とを備えた、図５の装置を示す。 第１部分的ビームストップと第２部分的ビームストップを含む、図６のシステムを示す。

本発明による装置１の第１実施形態を図１に斜視図で示す。平面導波路２が基板２２の上に配されており、平面導波路２はその上面に外表面２１を含む。平面導波路の外表面２１は、第１表面部分３に配置された複数のインカップリング線３１と、第２表面部分４に配置された複数の湾曲したアウトカップリング線４１とを含む。当該複数の湾曲したアウトカップリング線４１は、対象試料５２がその幾つかと結合する結合サイト５１を含む。

複数のインカップリング線３１は湾曲し、隣接するインカップリング線３１間の距離が（左から右に向けて）増加するように配置されている。曲率と隣接する線どうしの増加する距離は、第１焦点位置６１１が図示した実施形態において基板２２の下面に配置された状態で、第１焦点位置６１１からのコヒーレント光６１の発散光線を平面導波路内に結合させることができるように選択される。コヒーレント光６１のこのような発散光線の発生は、図６を参照して以下に説明するシステムにおいて説明する。コヒーレント光６１の発散光（またはその一部）は、複数の格子線（たとえば、溝、長尺な突起、平面導波路の屈折率の周期的な変化）を有する光回折格子として作用する複数のインカップリング線３１によって平面導波路２内に結合する。コヒーレント光６１の発散光が平面導波路２内に結合することで、平面導波路２の外表面２１に近接してエバネッセント場（図示せず）を形成するように、外表面２１に沿って伝播するコヒーレント光６２の平行光線の一部を伴って、コヒーレント光６２の平行光線を平面導波路２に沿って伝播させる。

上述したように、複数の湾曲したアウトカップリング線４１は、平面導波路２の外表面２１に結合した結合サイト５１を含む。付着された結合サイト５１の幾つかは、平面導波路２の外表面２１に接触させる対象試料５２に結合する。複数の湾曲したアウトカップリング線４１の曲率と、左から右へ行くにつれて隣接するインカップリング線３１間の距離が減少するような隣接するインカップリング線の配置は、コヒーレント光６３の平行光線の分離された部分が第２焦点位置６３１に集束することができるように選択される。第２焦点位置６３１は基板２２の下面に配置される。第２焦点位置６３１に集束するコヒーレント光６３の平行光線のアウトカップリングされた（outcoupled）部分は、結合サイト５１が対象試料５２と結合されている場合にはその強度が変化するので、結合サイト５１と対象試料５２との結合親和性を表わす信号（強度）が第２焦点位置６３１で提供される。

図示したように、第１表面部分３は空白部分３２を含み、第２表面部分４は別の空白部分４２を含み、それぞれが線のない表面領域を形成する。空白部分３２と別の空白部分４２は、空間的に完全に離間している。別の配置を以下に説明する。

別の配置を図２に示す。空白部分３２と別の空白部分４２は共通の空白部分３２２を形成する。第１表面部分３と第２表面部分４は、空白部分３２と別の空白部分４２が共通の空白部分３２２を形成すべく「重なる」ように、複数のインカップリング線３１が複数の湾曲したアウトカップリング線４１と重なる重ね合わせ配置となる。

使用に際して、コヒーレント光６１の発散光線は複数のインカップリング線３１によって平面導波路２内に結合され、コヒーレント光６２の平行光線が、平面導波路２の外表面２１に沿って伝播するエバネッセント場を伴って平面導波路２に沿って伝播する。エバネッセント場（したがって光線）の一部は、複数の湾曲したアウトカップリング線４１に沿って配置された対象試料（図示せず）に結合した結合サイト（図示せず）で回折する。そのため、コヒーレント光６２の平行光線の一部は、コヒーレント光６３の平行光線のアウトカップリングされた部分が第２焦点位置６３１に集束するように平面導波路２から分離される。原則として、エバネッセント場のコヒーレント光は対象試料と結合した結合サイトで回折され、複数の湾曲したアウトカップリング線４１のそれぞれに沿って配置された対象試料に結合した結合サイトで回折した光が、第２焦点位置６３１で強めあうように干渉する。第１焦点位置６１１および隣接する第２焦点位置６３１は、１０μｍ〜２０μｍの距離だけ離間している。

図３は、基板２２と当該基板２２上に配された平面導波路２とを備え、第１表面部分３の第２表面部分４と重なる部分の大きさに対応する直径を有する装置１を示す。したがって、非常に小さい直径、特に２５μｍ〜５００μｍの範囲、好適には３００μｍの直径の外形形状を有するコンパクトな装置１が提供される。

図４は、表面被覆層７が、基板２２上に配された平面導波路２の外表面の上に形成されている別の有益な態様による装置１を示す。この実施形態における表面被覆層７は、ナノ細孔を備えた光吸収（黒）膜によって覆われたヒドロゲルにより形成される。これらの材料は、５％〜９０％の範囲内の所定の多孔度（全体積に対して細孔の体積が占める割合）と、１０ｎｍ〜１０μｍの範囲内の所定の細孔径（細孔の平均径）を有する多孔性の内部構造を備えている。これにより、接触させた対象試料（たとえば、特定種類の分子）が当該内部構造を通して拡散し、外表面に付着した結合サイトに到達する。

装置１の別の実施形態を図５に上面図で示す。左側には複数のインカップリング線３１が、右側には複数の湾曲したアウトカップリング線４１が配置されている。上述した各実施形態とは異なり、アウトカップリング部分が、インカップリング線３１とアウトカップリング線４１の間に配置された複数の直線４２をさらに含んでいる。この実施形態では、結合サイト（図示せず）が当該複数の線４２に沿って配置されている。直線４２は、隣接する直線間で一定の距離を置いて相互に平行に延びるように配置される。コヒーレント光（図示せず）の発散光線は、複数のインカップリング線３１によって平面導波路２内に結合されることで、コヒーレント光６２の光線（コヒーレント光の光線を破線で示し、コヒーレント光の光線の回折部分を平行な矢印で示す）が、平行光線として、対応するエバネッセント場と共に平面導波路２に沿って伝播する。複数の直線４２の各線は、コヒーレント光６２の平行光線の伝播方向に対して角度βをなすように配置される。複数の直線４２に沿って配置された対象試料４２に結合する結合サイトは、エバネッセント場（したがって、コヒーレント光の平行光線）の一部を回折させ、コヒーレント光６２の光線の当該回折した部分が、平面導波路２に沿って複数の湾曲したアウトカップリング線４１に向かって伝播する。コヒーレント光６２の平行光線の当該部分は、前記直線に対して回折角α（βと等しい）で回折する。複数の湾曲したアウトカップリング線４１に衝突し、その一部が平面導波路２から分離されるコヒーレント光６２の平行光線の回折部分の強度により、第１実施形態で既に説明したように、結合親和性を表わす信号が提供される。

図６は結合親和性を検出するためのシステム１０を示す。システム１０は、（上述したように）装置１の第１焦点位置６１１でコヒーレント光６１の発散光線を提供することができるレーザ光源１１を含む。レーザ光源１１は、焦点レンズ１２により第１焦点位置６１１に焦点が合うコヒーレント光の光線を発生する。光学走査ユニット１２,１７は走査装置１７と焦点レンズ１２を含み、光線発生域（図７および図８を参照して説明する）でコヒーレント光６１の発散光線を発生する。第１焦点位置６１１からのコヒーレント光６１の発散光線は平面導波路２内に結合され、第２焦点位置６３１に集束する回折コヒーレント光の分離された部分６３を発生する。システム１０は、空間フィルタ１００を提供する光検出ユニットをさらに含み、当該空間フィルタ１００は、（光路の方向で見て）絞り１４の背後に配置された光検出器１３によって、回折コヒーレント光の分離された部分６３の集束光線の強度を検出することができる。光検出器１３は光軸１８に垂直に延びる。絞り１４は可動位置決めサポート１５上に配置されている。絞り１４は、第２焦点位置６３１からの光以外の光をすべて遮蔽することで、第２焦点位置６３１からの光のみが絞り１４の開口１４１を通して光検出器１３に衝突する位置に、光検出器１３の延長方向に平行に移動可能である。可動位置決めサポート１５上に配置された絞り１４により、平面導波路の外表面に平行な平面で（すなわち検出域で）複数の湾曲したアウトカップリング線４１に対して異なる位置に配置された異なる場所で、回折コヒーレント光の分離された部分６３を検出することが可能となる。

換言すると、結合親和性の検出に上述した（すなわち、装置の請求項のいずれかに記載の）装置１を使用するためのシステム１０は、 装置の請求項のいずれかに記載された装置１の第１焦点位置６１１で光の発散光線を発生させて、第２焦点位置６３１に集束する回折コヒーレント光の分離された部分６３を提供することができるような光源１１および光学走査ユニット１２,１７と、 回折コヒーレント光の分離された部分６３の集束光線の強度を検出することができる光検出ユニット１３,１４,１６,２０と、を含む。光検出ユニット１３,１４,１６,２０は、開口１４１を有する絞り１４の背後に配置された光検出器１３を含む。光検出ユニット１３,１４,１６,２０は、ビームスプリッタ１６と、第２焦点レンズ２０と、絞り１４用の可動位置決めサポート１５とをさらに含む。回折コヒーレント光の集束光線（分離された部分６３）は、焦点レンズ１２と、走査装置１７と、ビームスプリッタ１６と、第２焦点レンズ２０により、絞り１４に衝突するように伝播する。光軸に垂直な面内で可動位置決めサポート１５上に配置された絞り１４を移動させることで、絞り１４の開口１４１を、回折コヒーレント光の分離された部分６３（集束光線）の第２焦点位置６３１に対して光学的に共役な位置に位置決めすることができる。絞り１４の当該位置で、回折コヒーレント光の分離された部分６３（集束光線）が絞り１４の開口１４１を通過し、光検出器１３に衝突して、当該検出器でその強度が測定される。

有益には、システム１０が上述した装置１をさらに含む。

図７および図８は、光線発生域６１２でコヒーレント光６１の発散光線を発生し、第２焦点位置６３１に集束する回折コヒーレント光の光線の分離された部分を検出域６３２で検出するという同じ技術的側面に関連するものであるため、これらを以下に一緒に説明する。このような構成により、装置１の製造により生じた構造的なずれ（たとえば、一般的な製作公差の範囲内における平面導波路の厚さの変動）を装置１が有している場合であっても、第２焦点位置６３１において信号を検出することが可能となる。換言すると、第１および第２焦点位置の場所が確実且つ正確にはわからないような装置１においても、結合親和性を検出することが可能となる。

図７を参照して、第２焦点位置６３１の検出域６３２において最大強度の信号を検出する方法を、第１実施形態による装置１（アウトカップリング部分が複数の湾曲したアウトカップリング線のみを含む）の場合で説明する。装置１が備える平面導波路２は、製造時に数ナノメートルの範囲内の既知の製作公差が含まれた厚さを有する。コヒーレント光６１の発散光線は、光線発生域６１２の異なる位置で連続的に発生する。光線発生域６１２は、たとえば、（導波路の外表面に平行な第１平面としての）基板２２の下面に配置された円形形状の領域であり、その大きさは製作公差によって決まる。コヒーレント光６１の連続的に発生した光線のそれぞれに対して、回折コヒーレント光の分離された部分６３の相対最大強度が生じる検出域６３２内の位置が決定される。相対最大強度は、回折コヒーレント光６３の分離された部分が（検出域としての）直線６３２に沿って（走査することで）検出されることで決定される。これにより、光線発生域６１２で発生したコヒーレント光６１の各発散光線に対して、回折コヒーレント光の分離した部分６３の相対最大強度が生じる直線６３２上の位置を決定することができる。そして、第２焦点位置６３１を、相対最大強度が最も高くなる位置として画定する。最後に、第２焦点位置６３１において相対最大強度が最も高くなるように光線が発生する光線発生域６１２内の位置を、第１焦点位置６１１として画定する。

図７に示す構成では、導波路内をコヒーレント光６２の光線が伝播する方向における小さなずれが第２焦点位置６３１で同じ絶対最大強度に帰するので、直線６３２のみに沿った（領域によって形成される検出域内ではない）検出が可能となる。原則として、この方法を逆に行うこともできる。すなわち、回折コヒーレント光６３の分離された部分６３が、直線６３２に沿って連続的に検出され、当該連続する検出位置のそれぞれに対して、コヒーレント光６１の発散光線が光線発生域６全体におけるすべての位置で発生して、第２焦点位置６３１で最大の強度を検出することができる。

図８では、第２焦点位置６３１の検出域において最大強度の信号を検出する方法を、第３実施形態による装置１（図５に示すように、アウトカップリング部分が複数の湾曲したアウトカップリング線と複数の直線を含む）の場合で説明する。よりわかり易く示すために、この構成を上面図で示す。上述したように、第３実施形態は、複数の直線４２で回折条件（ブラッグ条件）が付加的に満たされる点において異なる。この付加的な要件は、単一の第１焦点位置６１１のみと、１つの対応する単一の第２焦点位置６３１のみが、平面導波路内に、平面導波路内で、および平面導波路外に、コヒーレント光が最大結合する条件を満たすことを含意している。したがって、第２焦点位置６３１での検出が、直線ではなく（図７と異なり）領域である検出域６３３において行われる。コヒーレント光６１の発散光線は、光線発生域６１２の異なる位置で連続的に発生する。光線発生域６１２は、たとえば、平面導波路が形成される基板の下面に配置された円形形状の領域である。コヒーレント光の連続的に発生する各光線（図示せず）に対して、回折コヒーレント光の分離された部分（図示せず）が相対最大強度を有する検出域６３２内の位置を決定する。相対最大強度は、（検出域としての）円形形状の領域６３３内で回折コヒーレント光の分離された部分の最大強度を検出することにより決定される。これにより、コヒーレント光６１の発生した発散光線のそれぞれに対して、回折コヒーレント光の分離された部分が相対最大強度を有する円形形状の領域内の位置を決定することができる。第２焦点位置６３１は、相対最大強度が最も高い位置（この実施形態では、検出域における１つの位置のみ）で画定される。最後に、第２焦点位置において相対最大強度が最も高くなるように光線が発生する光線発生域６１２内の位置を、第１焦点位置６１１として画定する。

図９は、図６を参照して概略については既に説明したシステム１０を示す。しかしながら、図９に示すシステムは、第１部分的ビームストップ１９と第２部分的ビームストップ１９１を含む点において構造的に異なっている。

システム１０を使用する間、装置１が使用される。本実施形態では、装置１が、部分的な第１表面部分３１１に配置されたインカップリング線３１と、部分的な第２表面部分４１１に配置された湾曲したアウトカップリング線４１とを有している。部分的な第１表面部分３１１と部分的な第２表面部分４１１は重なっておらず、複数のインカップリング線３１と複数の湾曲したアウトカップリング線が空間的に分離して配置されている。対象試料（図示せず）は、本実施形態では湾曲したアウトカップリング線４１に沿って配置される（しかし一般的には複数のインカップリング線３１にも配置することができる）結合サイトに接触させる。

図６と同様に、装置を使用する間、インカップリング線３１は、第１焦点位置で発生したコヒーレント光６１の発散光線を平面導波路内に結合させる（添付の図面において別途図示していない）。導波路内に結合されるコヒーレント光の光線は、そのエバネッセント場と共に光線６２として伝播する。エバネッセント場の一部（したがって導波路を伝播する光線の一部）は複数の湾曲したアウトカップリング線４１で回折され、回折コヒーレント光６３の分離された部分が第２焦点位置に集束して、結合サイトと対象試料との結合親和性を表わす信号として検出される。

有益には、第１部分的ビームストップ１９が、レーザ光源１１が発生させたコヒーレント光の光線を制限（すなわち遮蔽）する。したがって、コヒーレント光６１の制限された発散光線が、複数のインカップリング線３１を含む第１の部分的な表面部分３１１のみを照射する。換言すると、第１ビームストップ１９は、インカップリング線３１のみが照射され、湾曲したアウトカップリング線４１が配置された第２の部分的な表面部分４１１に向けて伝播する光がないように、コヒーレント光を制限する。このことは、コヒーレント光の反射部分が検出されることを防止することで、バックグラウンド光を減衰させるのに特に有益である。

第２ビームストップ１９１は、湾曲したアウトカップリング線４１で回折し、絞り１４を通って光検出器１３に伝播する光以外の光を遮蔽するように、コヒーレント光の分離された部分６３の伝播経路に沿って配置されている。

Claims (13)

1. 結合親和性の検出に利用する装置（１）であって、
   当該装置（１）が基板（２２）上に配置された平面導波路（２）を備え、当該平面導波路（２）が外表面（２１）と複数のインカップリング線（３１）とを有し、当該複数のインカップリング線（３１）は、動作時に、前記平面導波路（２）の外表面（２１）に沿って伝播するエバネッセント場を伴って、コヒーレント光（６２）の平行光線が前記平面導波路（２）に沿って伝播するように、コヒーレント光の光線を前記平面導波路（２）内に結合させるものである装置において、
   前記複数のインカップリング線（３１）は湾曲し、コヒーレント光（６２）の平行光線が平面導波路に沿って伝播する方向で見て、隣接するインカップリング線（３１）間の距離が増加するように配置されており、当該複数のインカップリング線の配置および隣接するインカップリング線間の距離は、動作時に、所定の第１焦点位置（６１１）から来て前記複数のインカップリング線に衝突する所定波長のコヒーレント光（６１）の発散光線が、コヒーレント光（６２）の前記平行光線が前記平面導波路（２）に沿って伝播するように前記平面導波路（２）内に結合するように設定され、対象試料を結合することが可能な複数の結合サイト（５１）は、前記平面導波路（２）のアウトカップリング部分に配された少なくとも１組の別の複数の回折線に沿って前記外表面（２１）に付着され、当該少なくとも１組の別の複数の回折線は、複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）を含み、当該複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）は、衝突するコヒーレント光（６２）の伝播方向で見て、隣接する湾曲したアウトカップリング線間の距離が減少していくように配置されていることで、前記湾曲したアウトカップリング線に衝突する前記所定波長のコヒーレント光（６２）の一部を回折させて前記平面導波路（２）から分離させ、前記所定波長のコヒーレント光（６３）の当該分離した部分を所定の第２焦点位置（６３１）に集束して、当該第２焦点位置（６３１）で前記結合サイト（５１）と前記対象試料（５２）との結合親和性を表わす信号を提供することができるように構成されることを特徴とする装置（１）。
2. 前記複数のインカップリング線（３１）が前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）の第１表面部分（３）に配置され、前記複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）が前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）の第２表面部分（４）に配置され、当該第１表面部分（３）は線のない空白部分（３２）を含み、当該第２表面部分（４）は線のない別の空白部分（４２）を含むことを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
3. 前記第１表面部分（３）および前記第２表面部分（４）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）で空間的に離間して配置されることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
4. 前記第１表面部分（３）および前記第２表面部分（４）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）で、前記空白部分（３２）と前記別の空白部分（４２）が共通の空白部分（３２２）を形成するように少なくとも部分的に重なって配置されることを特徴とする請求項２に記載の装置（１）。
5. 第１表面部分（３）および前記第２表面部分（４）は同じ大きさであることを特徴とする請求項２から請求項４のいずれか一項に記載の装置（１）。
6. 前記アウトカップリング部分に配置された前記少なくとも１組の別の複数の回折線は、さらに複数の直線（４２）を含み、当該直線は、隣接する直線間で一定の距離を置いて相互に平行に延びており、コヒーレント光（６２）の前記平行光線の一部を前記直線に対して回折角（α）で回折させることで、コヒーレント光（６２）の前記平行光線の当該回折部分が前記複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）に衝突するように、コヒーレント光（６２）の前記平行光線の伝播方向に対して角度（β）をなすように配置され、前記付着された結合サイト（５１）は、前記複数の直線（４２）に沿って配置されるか或いは前記複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）に沿って配置されることを特徴とする請求項１に記載の装置（１）。
7. 前記複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）が、前記直線（４）で回折したコヒーレント光の前記平行光線の前記一部が伝播するとともにコヒーレント光（６２）の前記平行光線のその他の光が伝播しないような前記平面導波路（２）の境界（２３）で、前記外表面（２１）に配置されることを特徴とする請求項６に記載の装置（１）。
8. 表面被覆層（７）が前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）の上に配置され、当該表面被覆層（７）は多孔性の内部構造を有し、当該被覆層（７）に接触させる対象試料（５２）が当該被覆層（７）を通して拡散して、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に付着した前記結合サイト（５１）に達することが可能となることを特徴とする先行する請求項のいずれか一項に記載の装置（１）。
9. 結合親和性の検出方法であって、
   先行する請求項のいずれか一項に記載の装置（１）を用意するステップと、
   前記結合サイト（５１）が配置された少なくとも１組の別の複数の回折線に沿って、前記平面導波路（２）の前記アウトカップリング部分に対して、前記結合サイト（５１）との結合親和性を検出する対象試料（５２）を接触させるステップと、 前記所定の第１焦点位置（６１１）で、コヒーレント光（６１）の発散光を、前記平面導波路（２）内に結合するために前記平面導波路（２）の前記複数のインカップリング線（３１）に衝突させることで、前記平面導波路内に結合したコヒーレント光（６２）の前記光線が、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に沿って伝播するコヒーレント光（６１）の前記平行光線のエバネッセント場を伴って、前記平面導波路（２）に沿ったコヒーレント光（６２）の平行光線として伝播するように発生させるステップであって、前記コヒーレント光（６２）の一部を、前記平面導波路（２）から分離して、前記コヒーレント光（６３）の当該分離された部分が前記第２の所定の焦点位置（６３１）に集束するように、前記平面導波路（２）の前記アウトカップリング部分の前記複数の湾曲したアウトカップリング線（４１）によって回折させる発生ステップと、 前記第２の所定の焦点位置（６３１）で、コヒーレント光（６３）の当該分離された部分を、前記結合サイト（５１）と前記対象試料（５２）との結合親和性を表わす信号として検出するステップと、を含むことを特徴とする方法。
10. コヒーレント光（６３）の前記分離された部分は、所定の大きさを有するとともに前記第２の所定の焦点位置（６３１）を含むように配置された検出域（６３２）で検出され、前記所定の波長を有するコヒーレント光（６３）の前記分離された部分が相対最大強度を有する前記検出域（６３２）における位置を決定し、前記相対最大強度の位置を、前記第２の所定の焦点位置（６３１）として画定することを特徴とする請求項９に記載の方法。
11. コヒーレント光（６１）の前記発散光線は、所定の大きさを有するとともに前記第１の所定の焦点位置（６１１）を含むように配置された光線発生域（６１２）内の異なる位置で連続的に発生され、コヒーレント光（６１）の連続的に発生した各光線に対して、コヒーレント光（６３）の前記分離された部分が相対最大強度を有する前記検出域（６３２，６３３）内の位置が決定され、当該相対最大強度が最大となる前記検出域（６３２，６３３）内の位置を前記第２の所定の焦点位置（６３１）として画定し、さらに対応する光線が発生する前記光線発生域（６１２）内の位置を前記第１の所定の焦点位置（６１１）として画定することを特徴とする請求項１０に記載の方法。
12. 前記光線発生域（６１２）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に平行な第１平面内の領域であり、前記検出域（６３２）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に平行な第２平面内で、コヒーレント光（６２）の前記平行光線の伝播方向に平行に延びる直線であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。
13. 前記光線発生域（６１２）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に平行な第１平面内の領域であり、前記検出域（６３３）は、前記平面導波路（２）の前記外表面（２１）に平行な第２平面内の領域であることを特徴とする請求項１１に記載の方法。