JP7379610B2 - 生体検出装置、生体検出システム、および生体検出方法 - Google Patents

Description

本発明は、生体検出装置に関するものであり、特に、反射型副偏光ユニットを有する生体検出装置に関するものである。

最近、生物学的分析に用いられる統合型の感知装置が一般的になってきている。このようなアプリケーションを用いるとき、生物学的または生化学的サンプルを、バイオチップなどの生体検出装置上に配置されることができる。ＤＮＡ配列決定および免疫蛍光検出などの生体反応または相互作用は、蛍光分子の励起または発光スペクトルおよび／または強度を通して報告されることができる。蛍光分子は、より短い波長の励起光で励起され、光検出器に向けてより長い波長の発光光を生成することができる。蛍光のスペクトル分布および強度は、生物検出システムの光検出器で検出および判定されることができる。光検出器は、生体検出器に組み込まれてバイオセンサーを形成することもでき、従って、生体検出システムは、光検出器を含まなくてもよい。

生体検出装置の進化の過程では、生体検出装置上の画素アレイの密度は、一般に、より低いコストを追求し、より高いスループットを達成するために、間隔またはウェルピッチを減少することで増加してきた。しかしながら、このような画素アレイのサイズの減少は、隣接するウェル間のクロストークを引き起こす可能性があり、各それぞれの蛍光信号が正確に検出されない可能性があり、不正確な分析結果となる可能性がある。

既存の生体検出装置はその目的には十分であるが、全ての点で完全に満足できるものではない。従って、新規の生体検出システムおよび新規の生体検出方法を伴う新規の生体検出装置が依然として求められている。

生体検出装置、生体検出システム、および生体検出方法を提供する。

本開示のいくつかの実施形態によれば、生体検出装置が提供される。生体検出装置は、複数の画素ユニットを含む。各画素ユニットは、基板、１つ以上の対の反射型副偏光ユニット、および複数の反応部位を含む。１つ以上の対の反射型副偏光ユニットは、基板上に配置される。各対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットのそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°である。反応部位は、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの上方に定義される。反応部位および反射型副偏光ユニットは、１対１の対応にある。

本開示のいくつかの実施形態によれば、生体検出システムが提供される。生体検出システムは、励起光源、前偏光素子、および前述の生体検出装置を含む。励起光源は、励起光を出射するように構成される。前偏光素子は、励起光を偏光するように構成される。生体検出装置は、偏光された励起光を受光するように構成される。

本開示のいくつかの実施形態によれば、生体検出方法が提供される。生体検出方法は以下のステップ、上述の生体検出システムを提供するステップ、生体検出装置の反応部位にバイオサンプルを固定化するステップ、画素ユニット内の第１の対の反射型副偏光ユニットの第１の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位に固定化されたバイオサンプルから射出された第１の蛍光信号を得る第１の検出ステップを行うステップ、画素ユニット内の第１の対の反射型副偏光ユニットの第２の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位に固定化されたバイオサンプルから射出された第２の蛍光信号を得る第２の検出ステップを行うステップ、および第１の蛍光信号と第２の蛍光信号を組み合わせるステップを含む。

以下、添付の図面と併せて本開示の実施形態を詳細に説明する。

本発明によれば、分析結果の精度を高めることができる。

図１Ａは、様々な実施形態による生体検出装置の断面図である。 図１Ｂは、様々な実施形態による生体検出装置の上面図である。 図２Ａは、様々な実施形態による生体検出装置の断面図である。 図２Ｂは、様々な実施形態による生体検出装置の上面図である。 図２Ｃは、様々な実施形態による生体検出装置の断面図である。 図２Ｄは、様々な実施形態による生体検出装置の上面図である。 図３Ａは、様々な実施形態による生体検出システムの断面図である。 図３Ｂは、様々な実施形態による生体検出システムの断面図である。 図４Ａは、様々な実施形態による生体検出システムの断面図である。 図４Ｂは、様々な実施形態による生体検出システムの断面図である。 図５Ａは、様々な実施形態による、異なる配置を有する反射型副偏光ユニットの複数の対を有する画素ユニットの上面図である。 図５Ｂは、様々な実施形態による、異なる配置を有する反射型副偏光ユニットの複数の対を有する画素ユニットの上面図である。 図５Ｃは、様々な実施形態による、異なる配置を有する反射型副偏光ユニットの複数の対を有する画素ユニットの上面図である。 図５Ｄは、様々な実施形態による、異なる配置を有する反射型副偏光ユニットの複数の対を有する画素ユニットの上面図である。 図６Ａは、いくつかの実施形態による生体検出方法のフロー図である。 図６Ｂは、いくつかの実施形態による生体検出システムを用いたバイオサンプルの検出を示している。 図６Ｃは、いくつかの実施形態による生体検出システムを用いたバイオサンプルの検出を示している。 図７は、もう１つの実施形態による生体検出方法のフロー図である。

本開示の生体検出装置、生体検出システム、および生体検出方法は、以下の説明において詳細に説明される。以下の詳細な説明では、説明のために、多数の特定の詳細および実施形態が本開示の完全な理解を提供するために明記されている。以下の発明を実施するための形態で説明された特定の構成要素および構造は、本開示を明瞭に説明するために記述されている。しかしながら、本明細書で記述される例示的な実施形態は、単に説明のために用いられることは明らかであり、発明の概念は、これらの例示的な実施形態に限定されることなく、種々の形態で実施することができる。

また、異なる実施形態の図面では、本開示を明瞭に説明するために、類似の番号および／または対応の番号を用いて、類似の構成要素および／または対応の構成要素を示すことができる。しかしながら、異なる実施形態の図面では、類似の番号および／または対応の番号の使用は、異なる実施形態間の相関関係を示唆するものではない。例示的な実施形態の説明では、本発明の実施形態の一部として見なされる添付図面と合わせて検討すれば、より理解されるであろう。図面は、縮尺通りに描かれているものではない。また、構造および装置は、図を簡素化するために概略的に示されている。

また、「層はもう１つの層の上方（ａｂｏｖｅ）に配置される」、「層はもう１つの層上（ｏｎ）に配置される」、および「層はもう１つの層の上方（ｏｖｅｒ）に配置される」などの表現は、層がもう１つの層と直接接触していることを示しているか、または層がもう１つの層と直接接触しておらず、層ともう１つの層との間に配置された１つ以上の中間層があることを指すことができる。

第１、第２、第３などの用語は、ここでは各種の素子、構成要素、領域、層、および／または部分を説明するのに用いられることができるが、これらの素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、これらの用語によって制限されてはならない。これらの用語は単に一つの素子、構成要素、領域、層、および／または部分を他の素子、構成要素、領域、層、および／または部分から識別するのに用いられることは理解される。従って、第１の素子、構成要素、領域、層、および／または部分は、例示的な実施形態の技術から逸脱しない限りにおいては、第２の素子、構成要素、領域、層、および／または部分と呼ばれてもよい。

「約」という用語は、一般的に、記載されている値の＋／－１０％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－５％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－３％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－２％を意味し、より一般的に、記載されている値の＋／－１％を意味し、さらにより一般的に、記載されている値の＋／－０．５％を意味する。本開示の記載値は概算値である。具体的な説明がないとき、記載されている値は、「約」、および「実質的に」の意味を含む。

特に定義されない限り、本明細書で使用される全ての技術的および科学的用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般的に理解されるのと同じ意味を有する。さらに、いずれの場合も、一般的に使用される辞書に定義されているような用語は、本開示の関連技術および本開示の背景または文脈における意味と一致する意味を有するものと解釈されるべきであり、本明細書で明示的に定義されていない限り、理想化された、または過度に形式的な意味で解釈されるべきではない。

本開示のいくつかの実施形態によれば、生体検出装置の各画素ユニットは、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットを含む。各対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットのそれぞれの偏光角間の絶対値の差は、９０°である。画素ユニットの反射型サブ偏光ユニットは、バイオサンプルが固定化された反応部位に反射回折点を誘導する可能性があり、これにより、局所的な増強を実現し、特定の回折点にあるバイオサンプルが十分な発光光を生成することができるようにする。さらに、いくつかの実施形態によれば、生体検出システムは、反射型副偏光ユニットのいずれか１つと同じ偏光角を有するように回転によって配向可能である（ｏｒｉｅｎｔａｂｌｅ ｂｙ ｒｏｔａｔｉｏｎ）前偏光素子を含む。多段階検出方法を伴うこのような構成により、隣接する反応部位の蛍光信号間のクロストークを低減することができ、生体検出装置は、より高い画素アレイ密度で製造されることができる。

図１Ａおよび図１Ｂは、いくつかの実施形態による生体検出装置１０の断面図および上面図である。図１Ａに示された生体検出装置１０の断面図は、図１Ｂに示された線Ａ－Ａ’に沿った断面図であることに留意されたい。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、生体検出装置１０は、複数の画素ユニット１００Ａを含む。画素ユニット１００Ａは、１×２の画素アレイを定義する。各画素ユニット１００Ａは、基板１０２、第１の対の反射副偏光ユニット１０４Ａ、および複数の反応部位１０８を含む。

基板１０２は、任意の適切な材料を含むことができる。いくつかの実施形態では、基板１０２は、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリスルホン（ＰＥＳ）、ポリイミド（ＰＩ）、ポリカーボネート（ＰＣ）、ポリメチルメタクリレート（ＰＭＭＡ）、シリコン、エポキシ、またはそれらの組み合わせなどの可撓性材料であることができる。もう１つの実施形態では、基板１０２は、ガラス基板またはサファイア基板などの剛性材料であってもよい。さらに、いくつかの実施形態では、基板１０２は、透明または半透明であってもよい。より具体的には、基板１０２が透明である実施形態では、基板１０２の材料は、４００ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長の光に対して、８５％以上、または好ましくは９２％以上の光透過率を有し得る。基板１０２が半透明である実施形態では、基板１０２の材料は、４００ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長の光に対して、２５％以上、且つ８５％以下の光透過率を有し得る。いくつかの特定の実施形態では、基板１０２は透明である。

反射型副偏光ユニット１０４Ａの第１の対は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２を含む。本明細書で用いられる「反射型」という用語は、副偏光ユニットが、入射光を所望の偏光で透過させることができ、入射光の残りを吸収する代わりに反射させることができることを意味している。第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａにおける反射型副偏光ユニット１０４Ａ１と１０４Ａ２の偏光角間の絶対値の差は９０°である。本明細書で用いられる「偏光角」という用語は、９０°シフトした角度、または偏光角に垂直な角度で偏光した光が、この偏光角を有する反射型副偏光ユニットを通過できないことを意味している。従って、入射光（励起光など）が、９０°シフトした角度、または反射型サブ偏光ユニットの偏光角に垂直な角度で偏光したとき、偏光した入射光は反射型副偏光ユニットを通過することができないため、反射型副偏光ユニットから反射する。

いくつかの実施形態によれば、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、金属ワイヤ格子の層を含むことができる。反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の金属材料は、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、またはそれらの組み合わせなどの不透明な材料であることができる。他の実施形態では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、格子構造を形成するようにパターン化されたシリコン層であることができる。いくつかの実施形態では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の格子構造は、約２０ｎｍから約５００ｎｍの厚さを有することができる。いくつかの実施形態では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の格子構造は、約２０ｎｍから約４００ｎｍの格子周期を有することができる。いくつかの実施形態では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の格子構造は、約０．２から約０．８の充填比（またはデューティサイクル）を有することができる。

以下の実施形態に記載される反射型副偏光ユニットは、類似または同じ組成および厚さを有することができるが、本明細書では繰り返されないことを理解されたい。

グレーティングリッジ（ｇｒａｔｉｎｇ ｒｉｄｇｅ）の配向は、主に偏光の透過率に影響する。特に、偏光が反射型副偏光ユニット１０４Ａ１または１０４Ａ２の配向に対して平行、４５°シフト、または９０°シフトされたとき、副偏光ユニットを通過した後の透過光強度はそれぞれ最大、約５０％、または最小となる。従って、励起光が反射型偏光ユニットに対して９０°シフトした偏光であるとき、反応部位の下にある反射型副偏光ユニットは、励起光が反射型副偏光ユニットを通過するのを遮断し、励起光を反応部位上のバイオサンプルに向けて反射させる。

反射型副偏光ユニットの偏光角に加えて、ブロッキング効率の消光比は、格子構造の厚さ、格子周期、格子プロファイル、および充填率によっても影響される可能性がある。Ｐｅｎｇ Ｌｉらは、「Ｉｎｖｅｓｔｉｇａｔｉｏｎ ｏｆ ａｃｈｒｏｍａｔｉｃ ｍｉｃｒｏ ｐｏｌａｒｉｚｅｒ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｉｎ ｖｉｓｉｂｌｅ－ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ.」Ｏｐｔｉｋ， ｖｏｌ １５８， Ａｐｒｉｌ ２０１８， ｐｐ．１４２７－１４３５において、厚さ１６０ｎｍ、充填率０．５、および周期１５０ｎｍのアルミニウム線を用いて、消光比が１０^４（光学密度（ＯＤ）4に相当）に達することができることをシミュレーションしている。いくつかの実施形態では、励起光を遮断する、３以上の光学密度を有する光照明システムがバイオセンシングアプリケーションに用いるのに十分であり得る。

図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、いくつかの実施形態によれば、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａにおける反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、同じ格子周期を有することができる。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、反射型副変更ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、同じ線密度を有するように示されている。

１対の反射型副偏光ユニット１０４Ａのみが各画素ユニット１００Ａに含まれるように示されているが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態では、生体検出装置の各画素ユニットは、２、３、４、６、またはそれ以上の対の副偏光ユニットなど、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットを含んでもよく、その構成は以下の文脈および実施形態で詳細に説明される。

反応部位１０８は、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの上方に定義されている（設けられている）。図１Ａおよび図１Ｂに示されるように、反応部位１０８および反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、１対１の対応にある。即ち、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１の上方に１つの反応部位１０８が定義されており、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２の上方に１つの反応部位１０８が定義されている。いくつかの実施形態によれば、反応部位１０８は、ナノウェルまたはナノパターンとして形成されることができる。反応部位１０８は、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ上に形成されたサンプル分離層１０６に形成された開口部によって規定される。従って、反応部位１０８の底面は、サンプル分離層１０６に形成された開口部の底面でもある。

いくつかの実施形態では、反応部位１０８は、バイオサンプルの固定化を強化するために設計されてもよい。例えば、いくつかの実施形態では、サンプル分離層１０６は、反応部位１０８に、自己組織化単分子膜（ＳＡＭ）、機能性ポリマー、またはヒドロゲルでコーティングまたは処理されることができる。しかしながら、もう１つの実施形態では、サンプル分離層１０６は設計されなくてもよい。バイオサンプルは、その重量、サイズ、表面電荷、またはファンデルワールス力などに応じて、反応部位１０８に固定化され得る。

いくつかの実施形態では、サンプル分離層１０６は、透明または半透明であり得る。より具体的には、サンプル分離層１０６が透明である実施形態では、サンプル分離層１０６の材料は、４００ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長の光に対して、８５％以上、または好ましくは９２％以上の光透過率を有し得る。サンプル分離層１０６が半透明である実施形態では、サンプル分離層１０６の材料は、４００ｎｍ～７５０ｎｍの範囲の波長の光に対して、２５％以上、且つ８５％以下の光透過率を有し得る。

サンプル分離層１０６の材料は、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物、シリコン、シリコン酸化物、シリコン窒化物、またはそれらの組み合わせを含み得る。いくつかの実施形態では、金属、金属合金、金属酸化物、金属窒化物は、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）、金（Ａｕ）、ニオブ（Ｎｂ）、チタン（Ｔｉ）、タングステン（Ｗ）、これらの合金、酸化チタン（例えば、ＴｉＯ_２）、酸化タンタル（例えば、Ｔａ_２Ｏ_５）、酸化アルミニウム（例えば、Ａｌ_２Ｏ_３）、酸化ニオブ（例えば、Ｎｂ_２Ｏ_５）、窒化チタン、窒化タンタル、またはこれらの組み合わせを含むことができるが、これらに限定されない。

サンプル分離層１０６は、スパッタリング、蒸着、スピンコーティング、化学蒸着（ＣＶＤ）、分子線蒸着、任意のその他の適切なプロセス、またはそれらの組み合わせを用いて形成されることができる。例えば化学蒸着プロセスには、低圧化学蒸着（ＬＰＣＶＤ）、低温化学蒸着（ＬＴＣＶＤ）、急速熱化学蒸着（ＲＴＣＶＤ）、プラズマ化学気相成長（ＰＥＣＶＤ）、原子層蒸着（ＡＬＤ）、またはそれらの組み合わせを含むことができる。

図２Ａおよび図２Ｂは、いくつかの実施形態による、生体検出装置２０の断面図および上面図である。図２Ａおよび図２Ｂに示された生体検出装置２０は、生体検出装置２０が複数の画素ユニット１００Ｂを含み、各画素ユニット１００Ｂが２×２の画素アレイを定義することを除いて、図１Ａおよび図１Ｂに示された生体検出装置１０と類似している。 図２Ａに示された生体検出装置２０の断面図は、図２Ｂに示された線Ｂ－Ｂ’に沿った断面図であることに留意されたい。

図２Ａに示されるように、画素ユニット１００Ｂは、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａおよび第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂを含む。第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａは、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２を含み、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂは、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２を含む。いくつかの実施形態では、図２Ｂに示されるように、反射型副偏光ユニット１０４Ａの第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、画素ユニット１００Ｂの対角線上に配置され得る。同様に、反射型副偏光ユニット１０４Ｂの第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２は、画素ユニット１００Ｂのもう１の対角線上に配置され得る。

第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１と１０４Ａ２の偏光角間の絶対値の差は９０°である。第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１と１０４Ｂ２の偏光角間の絶対値の差は９０°である。さらに、いくつかの実施形態によれば、図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、画素ユニット１００Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｂ１、および１０４Ｂ２の全ては、異なるそれぞれの偏光角を有し得る。

さらに、いくつかの実施形態では、同じ対の反射型副偏光ユニット内の２つの反射型副偏光ユニットは、同じ格子周期を有し得る。具体的には、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、同じ格子周期を有し（図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、同じ線密度を有する）、且つ反射型副偏光ユニット１０４Ｂの第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２は、同じ格子周期を有する（図２Ａおよび図２Ｂに示されるように、同じ線密度を有する）。しかしながら、いくつかの実施形態では、異なる対の反射型副偏光ユニットの反射型副偏光ユニットは、異なる格子周期を有し得る。具体的には、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２と異なる格子周期を有する（図２Ａおよび図２Ｂに示すように異なる線密度を有する）。

さらに、いくつかの実施形態によれば、同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位１０８は、同じ高さを有し得る。図２Ａに示されるように、本明細書で言及される反応部位１０８の高さは、反射型副偏光ユニットの上面から反応部位１０８の底面まで測定される。図２Ａでは、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、それぞれ高さＨ１およびＨ３を有し得る。高さＨ１と高さＨ３は同じである。同様に、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２は、それぞれ高さＨ２およびＨ４を有し得る。高さＨ２と高さＨ４は同じである。しかしながら、いくつかの実施形態によれば、異なる対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位１０８は、異なる高さを有し得る。例えば、図２Ａでは、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの反射型偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の高さＨ１およびＨ３は、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２の高さＨ２およびＨ４と異なる。

反射型副偏光ユニットによって誘発される反射回折点の位置は、反射型副偏光ユニット間のピッチ、反射型副偏光ユニットの格子周期、励起光の波長、および励起光の角度によって決まることができる。バイオサンプルを受け取る反応部位の高さは、バイオサンプルが反射された回折点に配置されることができるように調整されることができる。従って、反応部位での励起光の局所的な増強を達成することができる。一方、反射回折点に位置しない反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルは、照射されないか、または照射量が少ないため、これらのバイオサンプルからの発光光は弱い。そのため、隣接する反応部位からの蛍光信号間のクロストークが減少されることができる。

また、反射型副偏光ユニットの材料、フィルファクター（即ち、格子幅と格子周期の比）、または格子構造の深さは、反射型副偏光ユニットを反射する励起光の回折効率に影響を与える可能性がある。より良い局所増強を達成するために、反射型副偏光ユニットの材料、フィルファクター、または格子構造の深さが調整されてもよい。しかしながら、本開示では、反射型副偏光ユニットの格子構造のこれらのファクターは、反応部位が反射された回折点に位置する限り、特に限定されない。

図２Ｃおよび図２Ｄは、いくつかの実施形態による生体検出装置３０の断面図および上面図である。図２Ｃおよび図２Ｄに示された生体検出装置３０は、生体検出装置２０および３０内の第１の対および第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａおよび１０４Ｂの配置が異なることを除いて、図２Ａおよび図２Ｂにされた生体検出装置２０と類似している。特に、いくつかの実施形態では、図２Ｃおよび図２Ｄに示されるように、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は互いに隣接し、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂの反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２は互いに隣接している。反射型副偏光ユニット１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｂ１、および１０４Ｂ２の配置は、同じ対の反射型副偏光ユニットが互いに隣接している限り、図２Ｄに示されたものに特に限定されないことを理解されたい。

同様に、上記のように、且つ図２Ｃに示されるように、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２に対応する反応部位１０８、または第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２に対応する反応部位１０８は、同じ高さを有することができる。

図３Ａは、いくつかの実施形態による生体検出システム２００Ａの断面図である。図３Ａに示すように、生体検出システム２００Ａは、励起光源１１０、前偏光素子１１４、および生体検出装置２０を含む。図３Ａは、生体検知装置２０が生体検知システム２００Ａに含まれることを示しているが、上記の図を参照して実施形態に説明された生体検出装置１０、２０、および３０のいずれか１つは、生体検出システム２００Ａに適用されて含まれることができる、または以下の図を参照して、他の実施形態で論じられる他の生体検出システムに適用されて含まれることができることを理解されたい。

励起光源１１０は、励起光１１２を出射するように構成される。いくつかの実施形態では、励起光源１１０は、複数の副励起光源（図示せず）を含むことができ、各副励起光源は、１つの励起光波長を有する励起光を出射することができる。いくつかの実施形態では、副励起光源は、様々な励起光波長を有する複数の励起光を順に出射することができる。あるいは、副励起光源は、グループで励起光を出射することもできる。いくつかの実施形態では、励起光源１１０は、短波長から長波長へ（または長波長から短波長へ）光を連続的に出射するモノクロメータである。例えば、モノクロメータは、約２００ｎｍ～約１０００ｎｍの範囲の波長の光を出射することができる。

前偏光素子１１４は、励起光源１１０から出射された励起光１１２を偏光させるように構成される。従って、生体検出装置２０は、前偏光素子１１４によって偏光された励起光１１２を受光することができる。いくつかの実施形態によれば、前偏光素子１１４は、前偏光素子１１４が、各画素ユニット内の１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの反射副偏光ユニットのいずれかの偏光角と同じ偏光角を有することができるように、回転によって配向可能であることができる。例えば、前偏光素子１１４は、偏光された励起光が反射型副偏光ユニット１０４Ａ１を通過することができるが、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２、１０４Ｂ１、および１０４Ｂ２を完全には通過することができないように、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１の偏光角と同じ偏光角を有するように配向されることができる。従って、反射型副偏光ユニットを通過しない残りの偏光励起光は、これらの反射型副偏光ユニットに対応する反応部位１０８に位置したバイオサンプルに向けて反射し、バイオサンプルを照射することができる。さらに、反射された偏光励起光は、これらの反応部位に固定化されたバイオサンプルがより高い強度の反射された偏光励起光を受光することができるように高さが調整された反応部位に反射回折点を生成することができる。

図３Ａに示すように、いくつかの実施形態では、生体検出システム２００Ａは、レンズ１１６、光検出器１２０、およびフィルタ素子１１８をさらに含むことができる。レンズ１１６は、任意の適切な光学レンズであることができる。いくつかの実施形態では、レンズ１１６は、特定の高さで焦点に調整されることができる焦点調整可能なレンズとしてもよい。従って、反応部位の下方にある対の反射型副偏光ユニットのいずれか一方と同じ偏光角を有するように配向された前偏光素子１１４を通過した偏光励起光によってバイオサンプルが照射された後、１対の反射型副偏光ユニットのみに対応する反応部位に固定化されたバイオサンプルからの発光光が毎回集光されることができる。さらに、反応部位は、焦点調整可能なレンズの焦点と同じ高さを有することができる。

例えば、前偏光素子１１４が反射型副偏光ユニット１０４Ａ１と同じ偏光角を有するように配向され、レンズ１１６が図２Ａに示された高さＨ１またはＨ３で焦点に調整されたとき、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルからの発光信号のみが収集される。焦点調整可能なレンズの焦点が位置する高さＨ１またはＨ３は、図２Ａに示された高さＨ２またはＨ４と異なるため、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂに対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルからの発光信号は収集されず、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂの反応部位に固定化されたバイオサンプルからの発光信号が発生する。

光検出器１２０は、発光光を検出するように構成され得る。光検出器１２０は、フォトダイオード、または測定された光を電流信号に変換することができる任意の適切な光感知コンポーネントであり得る。光検出器１２０がフォトダイオードである実施形態では、光検出器１２０は、電流を別のＭＯＳトランジスタなどの別の構成要素に伝達することができる金属酸化物半導体（ＭＯＳ）トランジスタ（図示せず）のソースおよびドレインに接続することができる。別の構成要素は、リセットトランジスタ、電流源フォロワ、または行セレクタを含み、電流をデジタル信号に変換することができるが、これらに限定されない。

いくつかの実施形態によれば、フィルタ素子１１８は、励起光が光検出器１２０に入るのをフィルタリングできる阻止フィルタであってもよい。いくつかの実施形態では、フィルタ素子１１８は、図３Ａに示されるように、レンズ１１６と光検出器１２０との間の光路に配置できるが、開示はこれに限定されない。もう１つの実施形態では、フィルタ素子１１８は、生体検出装置２０とレンズ１１６との間の光路に配置されてもよい。いくつかの実施形態では、フィルタ素子１１８は、吸収フィルタ、干渉フィルタ、プラズモニックメタサーフェス構造、誘電体メタサーフェス構造、またはそれらの組合せを含むことができる。

本開示の実施形態によれば、生体検出システムは、前述の生体検出装置および前偏光素子を含む。生体検出システムの生体検出装置は、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットを含む。各対の反射型副偏光ユニット（例えば、図３Ａに示された第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ、または第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ）内の反射型副偏光ユニット（例えば、図３Ａに示された反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２、または反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１または１０４Ｂ２）のそれぞれの偏光角間の絶対値の差は、９０°である。さらに、前偏光素子は、前偏光素子が各画素ユニット内の１つ以上の対の反射型副偏光ユニットのいずれかの偏光角と同じ偏光角を有することができるように、回転によって配向可能であることができる。さらに、各画素ユニットが１つ以上の対の反射型副偏光ユニットを含むとき、特定の高さに調整できる焦点調整可能レンズの焦点が、１対の反射型副偏光ユニットにのみ対応する反応部位に固定化されたバイオサンプルからの発光光を毎回集光するように用いられることができる。一対の反射副偏光ユニットに対応する反応部位は、焦点調整可能レンズの焦点と同じ高さを有する。このように、生体検出システムは、異なる反射副偏光ユニットに対応する異なる高さの反応部位に固定化されたバイオサンプルを順次検出することができ、バイオサンプルから生成された蛍光信号は、組み合わされて、完全で正確な分析結果を得ることができる。従って、各画像内の隣接する反応部位間のクロストークは、より良い空間分解能のために減少されることができ、生体検出装置は、より高い画素アレイ密度で製造されることができる。

次いで、図３に示すように、図３Ｂは、いくつかの実施形態による生体検出システム２００Ｂの断面図である。図３Ｂに示された生体検出システム２００Ｂは、生体検出システム２００Ｂが、反射装置を用いて、励起光を生体検出デバイス２０に向けることを除いて、図３Ａに示された生体検出システム２００Ａと類似している。

図３Ｂに示されるように、いくつかの実施形態では、生体検出システム２００Ｂは、励起光を生体検出装置２０に向けて導くことができる反射装置として、光分割素子（ｌｉｇｈｔ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ ｅｌｅｍｅｎｔ）１３０をさらに含むことができる。いくつかの実施形態によれば、光分割素子１３０は、レンズ１１６とフィルタ素子１１８との間の光路に配置され得る。いくつかの実施形態では、光分割素子１３０は、５８０ｎｍ以下の短波長の反射特性および５８０ｎｍ以上の長波長の透過特性を有するダイクロイックフィルタ（即ち、干渉フィルタ）を含み得る。反射および透過のカットオフ波長は、蛍光分子の励起および発光特性に基づいて変えられることができる。

偏光励起光１１２’とバイオサンプルからの発光光１３２との間の光スペクトルの違いにより、光分割素子１３０は、偏光励起光１１２’が生体検出装置２０に向けて反射するようにさせることができ、発光光１３２が通過するようにさせることができる。いくつかの他の実施形態によれば、光分割素子１３０は、５０／５０の分割比を有するビームスプリッタを含み得るが、本開示はこれに限定されない。いくつかのさらなる実施形態では、光分割素子１３０は、６０／４０または７０／３０などの５０／５０以外の分割比を有するビームスプリッタであってもよい。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタは、キューブビームスプリッタ、プレートビームスプリッタ、またはペリクルビームスプリッタであってもよい。

また、図３Ｂに示された実施形態では、前偏光素子１１４は、励起光源１１０と光分割素子１３０との間の光路に配置されるが、本開示はこれに限定されない。他の実施形態によれば、前偏光素子１１４は、レンズ１１６と生体検出装置２０（図示せず）との間の光路に配置され得る。

図４Ａ～図４Ｂは、様々な実施形態による生体検出システム２００Ｃの断面図である。図４Ａに示すように、図４Ａに示された生体検知システム２００Ｃは、レンズ、光検出器、およびフィルタ素子が生体検出装置３０に組み込まれていることを除いて、図３Ａに示された生体検知システム２００Ａと類似している。図４Ａに示されたように、いくつかの実施形態では、前述の実施形態に示された生体検出装置１０または２０の素子に加えて、生体検出装置３０の各画素ユニット１００Ｃは、フォトダイオード１２２、フィルタ層１２４、およびレンズ１２６をさらに含むことができる。フォトダイオード１２２は、基板１０２に埋め込まれている。フィルタ層１２４は、フォトダイオード１２２上に配置されている。レンズ１２６は、フィルタ層１２４と、第１および第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａおよび１０４Ｂとの間に配置されている。生体検出装置３０のフォトダイオード１２２、フィルタ層１２４、およびレンズ１２６の機能および材料は、図３Ａの生体検出システム２００Ａの光検出器１２０、フィルタ素子１１８、およびレンズ１１６とそれぞれ類似または同一であるため、ここでは繰り返されない。

さらに、いくつかの実施形態では、生体検出装置３０のレンズ１２６は、焦点調整可能なレンズであり得る。例えば、焦点調整可能なレンズは、その焦点距離を機械的、流体的、または電気的方法で調整されることができる、音響調整可能なレンズ、液体曲率調整可能なレンズ、または電気的に調整可能なレンズでもよい。即ち、焦点調整可能なレンズは、制御可能な方法で焦点調整可能なレンズを通過する光ビームの焦点位置を変えるように適合されている光学素子である。音響（ａｃｏｕｓｔｉｃ）調整可能なレンズは、流体で充填され、音波によって駆動された適応型光学素子であり、電気的に調整可能なレンズも流体で充填された適応型光学機能であるが、異なる電気信号を適用することによって駆動される。

図４Ｂに示すように、いくつかの実施形態によれば、生体検出装置３０の各画素ユニット１００Ｃは、光吸収層１２８をさらに含み得る。光吸収層１２８は、フィルタ層１２４とレンズ１２６との間に配置される。いくつかの実施形態によれば、光吸収層１２８は、吸収フィルタを含み得る。フィルタ層１２４が吸収フィルタの代わりに反射フィルタであるとき、光吸収層１２８がフィルタ層１２４の上方にさらに構成されて、フィルタ層１２４から反射した励起光の残りを吸収するようにすることもできる。また、光吸収層１２８は、照射後にバイオサンプルから生成された発光光（または蛍光信号）を吸収しないように設計されている。

図５Ａ～図５Ｄは、様々な実施形態による、異なる配置を有する複数対の反射型副偏光ユニットを有する画素ユニット１００Ｄおよび１００Ｅの上面図である。図５Ａに示すように、図５Ａの画素ユニット１００Ｄは、画素ユニット１００Ｄが３対の反射型副偏光ユニット、即ち、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ、および第３の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｃを含むことを除いて、図１Ａの画素ユニット１００Ａまたは図２Ａの画素ユニット１００Ｂと類似している。

図５Ａに示されるように、いくつかの実施形態によれば、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａは、互いに対向して配置された反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２を含む。第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂは、互いに対向して配置された反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２を含む。第３の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｃは、互いに対向して配置された反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１および１０４Ｃ２を含む。同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットのそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°である。例えば、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１およびＡ２のそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°であり、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１およびＢ２のそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°であり、反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１およびＣ２のそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°である。

さらに、いくつかの実施形態では、同じ対の反射型副偏光ユニット内の２つの反射型副偏光ユニットは、同じ格子周期を有し得る。例えば、図５Ａの線密度によって示されるように、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１およびＡ２は、同じ格子周期（即ち、図５Ａの同じ線密度）を有し、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１およびＢ２は、同じ格子周期（即ち、図５Ａの同じ線密度）を有し、反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１およびＣ２は、同じ格子周期（即ち、図５Ａの同じ線密度）を有する。）。

さらに、上述のように、いくつかの実施形態では、同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位１０８は、同じ高さを有し得る。例えば、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１およびＡ２に対応する反応部位１０８は、同じ高さを有することができ、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１およびＢ２に対応する反応部位１０８は、同じ高さを有することができ、且つ反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１およびＣ２に対応する反応部位１０８は、同じ高さを有することができる。

いくつかの実施形態では、異なる対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットに対応する反応部位１０８は、異なる高さを有し得る。例えば、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１に対応する反応部位１０８は、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１、１０４Ｂ２、１０４Ｃ１、および１０４Ｃ２に対応する反応部位１０８と異なる高さを有することができ、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１に対応する反応部位１０８は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｃ１、および１０４Ｃ２に対応する反応部位１０８と異なる高さを有することができ、且つ反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１に対応する反応部位１０８は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｂ１、および１０４Ｂ２に対応する反応部位１０８と異なる高さを有することができる。

いくつかの実施形態によれば、反射型副偏光ユニットは、時計回り方向に配置されて、先の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して３０°シフトした偏光角を有することができる。図５Ａに示されるように、反射型副偏光ユニット１０４Ｃ２は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１の偏光角に対して３０°シフトした偏光角を有することができる。反射型副偏光ユニット１０４Ｂ２は、反射型副偏光ユニット１０４Ｃ２の偏光角に対して３０°シフトした偏光角を有することができる。反射型副偏光ユニット１０４Ａ２は、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ２の偏光角に対して３０°シフトした偏光角を有することができる。しかしながら、本開示はこれに限定されない。

もう１つの実施形態では、同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットは、互いに隣接するように配置され得る。図５Ｂに示されるように、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、互いに隣接するように配置され、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２は、互いに隣接するように配置され、且つ第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｃ内の反射型副偏光ユニット１０４Ｃ１および１０４Ｃ２は、互いに隣接するように配置される。同じ高さを有する同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットを、互いに近接して配置することにより、製造プロセスの複雑さを低減することができる。

次いでに、図５Ｃおよび図５Ｄに示すように、図５Ｃおよび図５Ｄに示された画素ユニット１００Ｅは、画素ユニット１００Ｅが４対の反射型副偏光ユニット、即ち、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂ、第３の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｃ、および第４の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｄを含むことを除いて、図５Ａおよび図５Ｂに示された画素ユニット１００Ｄと類似している。同様に、いくつかの実施形態では、図５Ｃに示されるように、反射型副偏光ユニットは、時計回り方向に配置されて、先の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して２２．５°シフトした偏光角を有することができる。もう１つの実施形態では、図５Ｄに示されるように、同じ対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットは、互いに隣接するように配置され得る。図５Ｂに示されるように、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａ内の反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２は、互いに隣接するように配置され、図５Ｃおよび図５Ｄに示された実施形態における反射型副偏光ユニットの配置原理は、図５Ａおよび図５Ｂに示された実施形態における反射型副偏光ユニットの配置原理と類似しており、ここでは詳細の説明は繰り返されない。

さらに、図５Ｃおよび図５Ｄでは、いくつかの実施形態によれば、反射型副偏光ユニットが配置されていない画素ユニット１００Ｅの空間は、前述のサンプル分離層で充填されることができ、これにより反応部位は形成されない。

図６Ａは、いくつかの実施形態による生体検出方法３００のフロー図であり、図６Ｂおよび図６Ｃは、いくつかの実施形態による生体検出システム２００Ｄを用いたバイオサンプル４００Ａおよび４００Ｂの検出を示している。図６Ａ～図６Ｃに示すように、生体検出方法３００は、図６Ｂおよび図６Ｃの生体検出システム２００Ｄを用いた２段階の検出方法であり、生体検出装置１０が含まれている。

生体検出方法３００は、生体検出システム２００Ｄで用いられる生体検出装置１０を提供するステップ３０２から開始する。次いで、図６Ａおよび図６Ｂのステップ３０４に示すように、バイオサンプル４００Ａおよび４００Ｂは、反応部位１０８に固定化されている。具体的には、バイオサンプルを含む適切な量の溶液が、生体検出装置１０に適用される。バイオサンプルを含む溶液が乾燥された後、余分な残りのバイオサンプルは、反応部位１０８以外の領域から除去され、バイオサンプルが各反応部位１０８に固定化されることができる。図６Ｂでは、バイオサンプル４００Ａは、画素ユニット１００Ａ内の第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの反射型副偏光ユニット１０４Ａ１に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルを指しており、バイオサンプル４００Ｂは、画素ユニット１００Ａ内の第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの反射型副偏光ユニット１０４Ａ２に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルを指している。

いくつかの実施形態では、バイオサンプル４００Ａおよび４００Ｂは、生体分子、化学分子、またはそれらの組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態では、生体分子は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、またはそれらの組み合わせを含み得るが、これらに限定されない。いくつかの実施形態によれば、バイオサンプル４００Ａおよび４００Ｂが分析されて、遺伝子配列、ＤＮＡ－ＤＮＡハイブリダイゼーション、一塩基多型（ＳＮＰ）、タンパク質相互作用、ペプチド相互作用、抗原抗体相互作用、グルコースモニタリング、コレステロールモニタリングなどを判定することができる。

次いで、図６Ａおよび図６Ｂのステップ３０６に示すように、第１の検出ステップは、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプル４００Ｂから出射された第１の蛍光信号４００ＢＳを得るように行なわれる。具体的には、いくつかの実施形態では、前偏光素子１１４は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２の偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように配向されている。バイオサンプル４００Ｂは、前偏光素子１１４を通過し、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２から反射した偏光励起光１１２’が照射される。反射型副偏光ユニットから反射した偏光励起光１１２’は、「回折偏光励起光１１２”」となる。一方、バイオサンプル４００Ａは、偏光励起光１１２’が反射型副偏光ユニット１０４Ａ１から反射しないため、偏光励起光１１２’がより少なく照射され、回折偏光励起光１１２”は、バイオサンプル４００Ａが配置された反応部位１０８に到達しない。従って、バイオサンプル４００Ｂから生成された蛍光信号と比較して、より弱い蛍光信号がバイオサンプル４００Ａから生成され、これによりクロストークを回避する。

いくつかの実施形態によれば、回折偏光励起光１１２”は、０次（０－ｏｒｄｅｒ）（反射副偏光ユニットに垂直方向に）、１次、２次などで反射型副偏光ユニットからの回折によって、生成されることができる。 回折偏光励起光１１２”は、特定の高さを有するように設計されることができる隣接する反応部位１０８で局所的な増強を生成することができる。偏光励起光１１２’に加えて、特定の高さを有する隣接する反応部位１０８は、回折偏光励起光１１２”をさらに受光することができ、従って、これらの反応部位１０８に固定化されたバイオサンプル４００Ｂは、より高い強度の励起光によって照射され得る。そのため、図６Ｂに示されるように、偏光励起光１１２’および回折偏光励起光１１２”で照射されたバイオサンプル４００Ｂは、より高い強度を有する第１の蛍光信号４００ＢＳを生成することができる。発散した第１の蛍光信号４００ＢＳは、レンズ１１６によって集束されて、より大きな信号強度となることができ、次いで、光検出器１２０によって検出されることができる。一方、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１に対応する反応部位１０８に位置したバイオサンプル４００Ａは、回折偏光励起光１１２”で照射されないため、弱い蛍光信号を生成するか、または蛍光信号を生成しないこともある。

次いで、図６Ａおよび図６Ｃのステップ３０８に示すように、第２の検出ステップは、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプル４００Ａから出射された第２の蛍光信号４００ＡＳを得るように行なわれる。具体的には、いくつかの実施形態では、前偏光素子１１４は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１の偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように配向されている。バイオサンプル４００Ａは、前偏光素子１１４および回折偏光励起光１１２”を通過する偏光励起光１１２’が照射され、これにより、第２の蛍光信号４００ＡＳを生成する。発散した第２の蛍光信号４００ＡＳは、レンズ１１６によって集束されて、より大きな信号強度となることができ、次いで、光検出器１２０によって検出されることができる。同様に、偏光励起光１１２’は、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２を通過することができ、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２から反射しないことができるため、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２に対応する反応部位１０８に位置したバイオサンプル４００Ｂは、回折偏光励起光１１２”で照射されない。従って、バイオサンプル４００Ｂから弱い蛍光信号または全く蛍光信号が生成されず、隣接する反応部位１０８間のクロストークが回避されることができる。

次いで、図６Ａのステップ３１０に示すように、第１の蛍光信号４００ＢＳおよび第２の蛍光信号４００ＡＳは組み合わされて、バイオサンプル４００Ａおよび４００Ｂから完全な蛍光信号を得て、これにより、バイオ検出を完了する。具体的には、第１の蛍光信号４００ＢＳおよび第２の蛍光信号４００ＡＳをそれぞれ含む２つの画像は、マージされ、続いてマージされた画像を分析して、完全な蛍光信号を得ることができる。あるいは、第１の蛍光信号４００ＢＳを含む画像および第２の蛍光信号４００ＡＳを含む画像がそれぞれ分析され、続いて２つの画像からの結果を組み合わせることができる。前述の画像は、バイオサンプルからの蛍光信号の存在によって、または蛍光信号の蛍光スペクトルによって分析されて、反応部位１０８に固定化された異なる分子を区別することができる。第１の検出のステップおよび第２の検出のステップの順序は上述されているが、第２の検出のステップは、第１の検出のステップの前に行なわれてもよいことを理解されたい。

図７は、もう１つの実施形態による生体検出方法５００のフロー図である。図７の生体検出方法５００は、生体検出方法５００が、図３Ａの生体検出システム２００Ａまたは図４Ａの生体検出システム２００Ｃを用いて行なわれることを除いて、図６の生体検出方法に類似している。さらに、これらの特定の実施形態では、生体検出システム２００Ａのレンズ１１６または生体検出システム２００Ｃの生体検出装置３０のレンズ１２６は、焦点調整可能なレンズである。いくつかの実施形態によれば、第１および第２の検出ステップに加えて、生体検出方法５００は、焦点調整可能なレンズの焦点面を調整し、第３の検出ステップおよび第４の検出ステップを行うステップをさらに含む。

特に、図３Ａ、図４Ａ、および図７は、第１および第２の検出ステップ５０８および５１０を行う前に、焦点調整可能なレンズの焦点面は、図３Ａの光検出器１２０または図４Ａのフォトダイオード１２２が第１および第２の検出ステップ５０８および５１０の間にキャプチャされた鮮明な画像を得るために、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２の高さに調整される（図７のステップ５０６）。

続いて、第１の検出ステップ５０８および第２の検出ステップ５１０が行われ、例えば、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２にそれぞれ対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルから射出された第１の蛍光信号および第２の蛍光信号を得る。具体的には、いくつかの実施形態では、第１の検出ステップ５０８および第２の検出ステップ５１０は、前偏光素子１１４が反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２の偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有することができるように、前偏光素子１１４を配向するステップを含むことができる。従って、第１の検出ステップ５０８では、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルは照射され、それにより、第１の蛍光信号を生成することができる。第２の検出ステップ５１０では、反射型副偏光ユニット１０４Ｂ２に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルは、照射され、それにより、第２の蛍光信号を生成することができる。

第１の検出ステップ５０８および第２の検出ステップ５１０を行った後、図７のステップ５１２が行われ、焦点調整可能なレンズの焦点面を図３Ａの光検出器１２０または図４Ａのフォトダイオード１２２が後続する第３および第４の検出ステップ５１４および５１６の間にキャプチャされた鮮明な画像を得るために、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の高さに調整する。

続いて、第３の検出ステップ５１４および第４の検出ステップ５１６が行われ、例えば、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２にそれぞれ対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルから射出された第３の蛍光信号および第４の蛍光信号を得る。具体的には、いくつかの実施形態では、第３の検出ステップ５１４および第４の検出ステップ５１６は、前偏光素子１１４が反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有することができるように、前偏光素子１１４を配向するステップを含むことができる。従って、第３の検出ステップ５１４では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ１に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルは照射され、それにより、第３の蛍光信号を生成することができる。第４の検出ステップ５１６では、反射型副偏光ユニット１０４Ａ２に対応する反応部位１０８に固定化されたバイオサンプルは、照射され、それにより、第４の蛍光信号を生成することができる。

図７のステップ５１８に示すように、第１の検出ステップ５０８、第２の検出ステップ５１０、第３の検出ステップ５１４、および第４の検出ステップ５１６を完了した後、第１、第２、第３、および第４の蛍光信号は組み合わされて、図３Ａの各画素ユニット１００Ｂまたは図４Ａの各画素ユニット１００Ｃ内の 反射型副偏光ユニット１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｂ１、および１０４Ｂ２の全てに対応する反応部位１０８に固定されたバイオサンプルから完全な蛍光信号を得て、これにより、バイオ検出を完了する。

上記のように、且つ図３Ａおよび図４Ａに示されるように、第１の対の反射型副偏光ユニット１０４Ａの反射型副偏光ユニット１０４Ａ１および１０４Ａ２の高さは、第２の対の反射型副偏光ユニット１０４Ｂの反射型副偏光ユニット１０４Ｂ１および１０４Ｂ２の高さと異なる。従って、図７のステップ５０６および５１２は、焦点調整可能なレンズの焦点面を異なる高さに調整しているため、各検出ステップ（図７のステップ５０８、５１０、５１４、または５１６）中に鮮明な画像がキャプチャされることができる。

さらに、いくつかの実施形態によれば、生体検出方法は、６つの検出ステップ（図示せず）などの４つ以上の検出ステップを含むことができ、生体検出方法は、画素ユニットが３対の反射型副偏光ユニット（図５Ａまたは図５Ｂに示された画素ユニット１００Ｄなど）を含む生体検出装置を用いて行なわれることができる。同様に、生体検出方法は、各対の反射型副偏光ユニットの高さが互いに異なるため、焦点調整可能なレンズの焦点面を異なる高さに調整するステップをさらに含むことができる。焦点調整可能なレンズの焦点面を毎回特定の高さに調整することにより、鮮明な画像が各検出ステップ中にキャプチャされ、完全な生体情報がより少ないクロストークで得られることができる。

要約すると、本開示のいくつかの実施形態によれば、生体検出装置の各画素ユニットは、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットを含む。各対の反射型副偏光ユニット内の反射型副偏光ユニットのそれぞれの偏光角間の絶対値の差は、９０°である。画素ユニット内の反射型副偏光ユニットは、バイオサンプルが固定化されている反応部位に反射回折点を誘発し、これにより、局所的な増強を実現し、特定の回折点にあるバイオサンプルが十分な発光光（または十分な蛍光信号）を生成することができるようにする。さらに、いくつかの実施形態によれば、生体検出システムは、反射型副偏光ユニットのいずれか１つと同じ偏光角を有するように、回転によって配向可能である前偏光素子を含む。このような多段階検出法を伴う構成により、隣接する反応部位の蛍光シグナル間のクロストークを低減することができ、バイオ検出デバイスをより高いピクセルアレイ密度で製造することができる。このような多段階の検出方法を伴う構成により、隣接する反応部位の蛍光信号間のクロストークは低減されることができ、生体検出装置は、より高い画素アレイ密度で製造されることができる。

前述の内容は、当業者が本開示の態様をよりよく理解できるように、いくつかの実施形態の特徴を概説している。当業者は、同じ目的を実行するため、および／または本明細書に導入される実施形態の同じ利点を達成するための他のプロセスおよび構造を設計または修正するための基礎として本開示を容易に使用できることを理解できる。当業者はまた、そのような同等の構造が本開示の精神および範囲から逸脱せず、且つそれらは、本開示の趣旨および範囲から逸脱することなく、本明細書で様々な変更、置換、および代替を行うことができることを理解するべきである。従って、保護の範囲は特許請求の範囲を通じて決定される必要がある。さらに、本開示のいくつかの実施形態が上記に開示されているが、それらは、本開示の範囲を限定することを意図していない。

１０、２０、３０ 生体検出装置
１００Ａ、１００Ｂ、１００Ｃ、１００Ｄ、１００Ｅ 画素ユニット
１０２ 基板
１０４Ａ 第１の対の反射副偏光ユニット
１０４Ｂ 第２の対の反射副偏光ユニット
１０４Ｃ 第３の対の反射副偏光ユニット
１０４Ｄ 第４の対の反射副偏光ユニット
１０４Ａ１、１０４Ａ２、１０４Ｂ１、１０４Ｂ２、１０４Ｃ１、１０４Ｃ２、１０４Ｄ１、１０４Ｄ２ 反射型副偏光ユニット
１０６ サンプル分離層
１０８ 反応部位
１１０ 励起光源
１１２ 励起光
１１２’ 偏光励起光
１１２” 回折偏光励起光
１１４ 前偏光素子
１１６、１２６ レンズ
１１８ フィルタ素子
１２０ 光検出器
１２２ フォトダイオード
１２４ フィルタ層
１２８ 光吸収層
１３０ 光分割素子
１３２ 発光光
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ 生体検出システム
３００、５００ 生体検出方法
３０２、３０４、３０６、３０８、３１０、５０２、５０４、５０６、５０８、５１０、５１２、５１４、５１６、５１８ ステップ
４００Ａ、４００Ｂ バイオサンプル
４００ＡＳ 第２の蛍光信号
４００ＢＳ 第１の蛍光信号
Ａ－Ａ’、Ｂ－Ｂ’ 線
Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３、Ｈ４ 高さ

Claims (16)

1. 複数の画素ユニットを含み、
   各前記画素ユニットは、
   基板、
   前記基板上に配置され、各対の反射型副偏光ユニット内の前記反射型副偏光ユニットのそれぞれの偏光角間の絶対値の差は９０°である１つ以上の対の反射型副偏光ユニット、および
   前記１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの上方に定義された複数の反応部位を含み、前記反応部位および前記反射型副偏光ユニットは、１対１の対応にあり、
   同じ対の反射型副偏光ユニット内の前記反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位は、前記反射型副偏光ユニットの上面から前記反応部位の底面まで測定された同じ高さを有し、
   異なる対の反射型副偏光ユニット内の前記反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位は、前記反射型副偏光ユニットの上面から前記反応部位の底面まで測定された異なる高さを有する生体検出装置。
2. 各前記画素ユニット内の１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの全ては、異なるそれぞれの偏光角を有し、同じ対の反射型副偏光ユニット内の２つの前記反射型副偏光ユニットは同じ格子周期を有する請求項１に記載の生体検出装置。
3. 前記反応部位は、ナノウェルまたはナノパターンとして形成され、前記基板は透明基板である請求項１に記載の生体検出装置。
4. 各前記画素ユニットは、
   前記基板に埋め込まれたフォトダイオード、
   前記フォトダイオード上に配置されたフィルタ層、および
   前記フィルタ層と、１つ以上の対の反射型副偏光ユニットとの間に配置されたレンズをさらに含む請求項１に記載の生体検出装置。
5. 前記レンズは、焦点調整可能なレンズである請求項４に記載の生体検出装置。
6. 各前記画素ユニットは、前記フィルタ層と前記レンズとの間に配置された光吸収層をさらに含む請求項４に記載の生体検出装置。
7. 励起光を出射するように構成された励起光源、
   前記励起光を偏光するように構成された前偏光素子、および
   前記偏光された励起光を受光するように構成された請求項１に記載の生体検出装置を含む生体検出システム。
8. 前記前偏光素子は、前記前偏光素子が、各画素ユニット内の１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの反射副偏光ユニットのいずれか１つの偏光角と同じ偏光角を有するように、回転によって配向可能である請求項７に記載の生体検出システム。
9. 前記生体検出装置の前記反応部位に固定化されたバイオサンプルからの発光光を集光するように構成されたレンズ、
   前記発光光を検出するように構成された光検出器、および
   励起光が光検出器に入るのをフィルタリングするように構成されたフィルタ素子をさらに含む請求項７に記載の生体検出システム。
10. 前記励起光を前記生体検出装置に向けて導くように構成された光分割素子をさらに含む請求項７に記載の生体検出システム。
11. 請求項７に記載の生体検出システムを提供するステップ、
    前記生体検出装置の前記反応部位にバイオサンプルを固定化するステップ、
    前記画素ユニット内の第１の対の反射型副偏光ユニットの第１の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルから射出された第１の蛍光信号を得る第１の検出ステップを行うステップ、
    前記画素ユニット内の前記第１の対の反射型副偏光ユニットの第２の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルから射出された第２の蛍光信号を得る第２の検出ステップを行うステップ、および
    前記第１の蛍光信号と前記第２の蛍光信号を組み合わせるステップを含む生体検出方法。
12. 前記第１の検出ステップは、
    前記前偏光素子が前記第１の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように前記前偏光素子を配向するステップ、および
    前記第１の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルに、前記前偏光素子を通過し、かつ、前記第１の反射型副偏光ユニットから反射した前記励起光を照射させるステップを含み、且つ
    前記第２の検出ステップは、
    前記前偏光素子が前記第２の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように前記前偏光素子を配向するステップ、および
    前記第２の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルに、前記前偏光素子を通過し、かつ、前記第２の反射型副偏光ユニットから反射した前記励起光を照射させるステップを含む請求項１１に記載の生体検出方法。
13. 前記画素ユニット内の第２の対の反射型副偏光ユニットの第３の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルから射出された第３の蛍光信号を得る第３の検出ステップを行うステップ、
    前記画素ユニット内の前記第２の対の反射型副偏光ユニットの第４の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルから射出された第４の蛍光信号を得る第４の検出ステップを行うステップ、および
    前記第１の蛍光信号、前記第２の蛍光信号、前記第３の蛍光信号、および前記第４の蛍光信号を組み合わせるステップをさらに含む請求項１１に記載の生体検出方法。
14. 前記第３の検出ステップは、
    前記前偏光素子が前記第３の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように前記前偏光素子を配向するステップ、および
    前記第３の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルに、前記前偏光素子を通過し、かつ、前記第３の反射型副偏光ユニットから反射した前記励起光を照射させるステップを含み、
    前記第４の検出ステップは、
    前記前偏光素子が前記第４の反射型副偏光ユニットの偏光角に対して９０°シフトした偏光角を有するように前記前偏光素子を配向するステップ、および
    前記第４の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位に固定化された前記バイオサンプルに、前記前偏光素子を通過し、かつ、前記第４の反射型副偏光ユニットから反射した前記励起光を照射させるステップを含み、
    前記第１、前記第２、前記第３、および前記第４の反射型副偏光ユニットの偏光角は互いに異なる請求項１３に記載の生体検出方法。
15. 各前記画素ユニットは、前記基板と前記１つ以上の対の反射型副偏光ユニットの間に配置された焦点調整可能なレンズをさらに含み、
    前記生体検出方法は、
    前記第１の検出ステップおよび前記第２の検出ステップを行う前に、前記焦点調整可能なレンズの焦点面を前記第１の対の反射型副偏光ユニットの第１の高さに調整し、前記第１の高さは、前記第１および前記第２の反射型副偏光ユニットの上面から、前記第１および前記第２の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位の底面まで測定されるステップ、および
    前記第１の検出ステップおよび前記第２の検出ステップと前記第３の検出ステップおよび前記第４の検出ステップを行う間に、前記焦点調整可能なレンズの焦点面を前記第２の対の反射型副偏光ユニットの第２の高さに調整し、前記第２の高さは、前記第３および前記第４の反射型副偏光ユニットの上面から、前記第３および前記第４の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位の底面まで測定されるステップをさらに含み、且つ
    前記第１の高さは前記第２の高さと異なる請求項１３に記載の生体検出方法。
16. 前記生体検出システムは、前記生体検出装置の反応部位に固定化された前記バイオサンプルからの発光光を集光するように構成された焦点調整可能なレンズをさらに含み、
    前記生体検出方法は、
    前記第１の検出ステップおよび前記第２の検出ステップを行う前に、前記焦点調整可能なレンズの焦点面を前記第１の対の反射型副偏光ユニットの第１の高さに調整し、前記第１の高さは、前記第１および前記第２の反射型副偏光ユニットの上面から、前記第１および前記第２の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位の底面まで測定されるステップ、および
    前記第１の検出ステップおよび前記第２の検出ステップと前記第３の検出ステップおよび前記第４の検出ステップを行う間に、前記焦点調整可能なレンズの焦点面を前記第２の対の反射型副偏光ユニットの第２の高さに調整し、前記第２の高さは、前記第３および前記第４の反射型副偏光ユニットの上面から、前記第３および前記第４の反射型副偏光ユニットに対応する前記反応部位の底面まで測定されるステップをさらに含み、且つ
    前記第１の高さは前記第２の高さと異なる請求項１３に記載の生体検出方法。

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