JPH03503806A - バイオセンサ動作中の光位相変化の検出法、前記バイオセンサ動作中の光位相変化の検出に用いると適切であるバイオセンシング装置とバイオセンサ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 バイオセンサ動作中の光位相変化の検出法、前記バイオセンサ動作中の光位相変 化の検出に用いると適切であるバイオセンシングＨ１ｄとバイオセンサ 技術分野 本発明は光バイオセンサ、特に、共振形光バイオセンサの構造と利用法の改良に 関するものである。このようなバイオセンサは敏感化された被覆体層を有する。

口の敏感化された被覆体層は、共振ｇＡ域のエバネセント領域の中に配置される 。検定種とこの検定に対して敏感化が行なわれた被覆体層とが相互作用すること により、被覆体層の厚さが変化する。この厚さの変化は、共振信号の光位相の変 化として現われる。

この種のバイオセンサの実施例は英達邦特許出願番号第２１７３８９号および、 第２１７４８０２号、および英達邦特許出願中特許出ａＳ号第８９００５５６． ５（エイジェント参照番号第Ｆ２０６１４号）に開示されている。

これらの文献のうちの第１の文献では、敏感化された被覆体層と光結合体との間 に、金属層またはメタライズされた回折格子が配置される。この敏感化された被 覆体層は、光周波数の電子共振領域界のエバネセント領域内に配置される。

これらの文献のうちの第２の文献では、この敏感化された被覆体層が監視用空洞 共振器の一部分を構成する。

光の空洞共振器の中への結合および空洞共振器から外への結合は、プリズム結合 か、鏡面壁を有する共振空洞の一部分を構成する低屈折率の薄膜層または多層膜 誘電体鏡かのいずれかにより行なわれる。これらの文献のうちの最後の文献では 、はぼ同じ構造であるが、プリズム結合の代りに、回折格子結合が用いられる。

背景技術 前記文献のうちの第２の文献、づなわち、英連邦特許出願番号第２１７４８０２ 号に開示されているのと同等な共振形光バイオセンサ１が第１図に示されている 。このバイオセンサ１は鏡面壁付き空洞共振器３を有している。この空洞共振器 ３は、端部が開放されている流体試料容器５を有する。光源Ｓから放射された光 は、比較的大きな屈折率ｎ０を有するプリズム１０によって、空洞共振器３の中 に入＃４する。このプリズム１０はまた、光を空洞共振器３から光検出器りへ進 める役割りも果たす。

空洞共振器３の１つの鏡面壁は、厚さがｔｌで比較的小さな屈折率ｎ１の層であ る。空洞共振器の本体１２は、厚さが１２で比較的大きな屈折率ｎ２の層である 。光との結合は、内部全反射（Ｍ面壁層１１は薄い）によってえられる。空洞共 振器３のもう１つの鏡面壁は、厚さがｔ３で比較的小さな屈折率ｎ３の時１３で ある。この宕１３は均一な厚さを有し、そしてその全体が与えられた検定料に対 して敏感化されている。図面に示されているように、この敏感化された被覆体１ １３は、屈折率がｎ　で厚さが１４の流体試料１４と接触する。流体試料中に検 定料が存在すると、この検定料がこの検定料に対して敏感化された被覆体１ｉ！ １１３に吸収されるに伴って、敏感化された被覆体層１３の厚さｔ３が増分変化 Δｔ３する。その結果、信号の位相が変化し、そして共振状態が移動する。この バイオセンサの応答特性は第２図に示されている。ここでは、検出された信号の 相対位相が、光ｌＩＳと検出器りの仰角ψの関数として示されている。

曲線（ａ）、かう（Ｃ）は、廟の厚さｔ３の変化Δｔ３がそれぞれゼロ、＋５ｎ ｓ、および＋１０ｎ−である時にえられた、異なる応答特性を表す。これらのお のおのの場合において、光源と検出器が共振状態を横切って掃引される時、２π だけ位相が変化する。仰角が一定値ψｉにあるとすると、層の厚さｔ　の変化Δ ｔ３は、位相の変化Δφとして識別される。、１つの問題点は、位相の変化が他 の原因によっても生じうろことである。このような場合には、位相の変化の絶対 測定をそのまま信用すれば、誤った検出を行なう可能性があり、そしてこのよう な測定に基づく定優的な解析に誤りを生ずる可能性がある。

具体的にいえば、周囲温度が変化すると、監視されている空洞共振器の寸法が変 化し、それにより共振状態の移動が生じる。第２図の曲１１（ｄ）は、このよう な変化による効果の１つの例を示したものである。ここでは、空洞共振器本体１ ２の厚さｔ２の変化Δｔ２が＋１０ｎ−である場合を想定している。共振状態の 移動がはっきりとわかるであろう。表面が完全な清らかさを有していないことや 、誂の不整合もまた、このような効果を生ずる。

発明の要約 本発明の目的は、前記ＩＦｔＪｆｆｉ点を解決することである。

本発明の１つの目的は、周囲温度の変化等の影響を受けない、位相に関する測定 を提供することである。

本発明の第１の特徴により、バイオセンサの動作中の光位相変化を検出する方法 が与えられる。この方法は、被覆体層が少なくとも１つの与えられた検定料に対 して敏感化され、かつ、その被覆体層が光回折を起こすようにパターン化された 、共振形光バイオセンサを準備する段階と、 パターン化されかつ敏感化された被覆体−を流体試料と接触させる段階と、 広がった光源から放射された光をパターン化されかつ敏感化された被覆体層に向 けかっこれに共振的に結合させる段階と、 パターン化されかつ敏感化された被覆体層から光検出器へ回折された光を集光し 、焦点を結ばせ、およびこのようにして光検出器の平面内に回折視野を画定する 段階と、 測定のために回折視野に対して光検出器を走査し、およびそれにより前記の少な くとも１つの所与の検定料が流体試料の中に在合する時これを検出または定Ｉｉ する段所与の検定料が流体試料の中に存在しない場合には、被覆体層の敏感化さ れた部分は、被覆体層の残りの部分と光学的に区別することかできない。このよ うな場合には、回折視野は観測できない。けれども、もし所与の検定料が流体試 料の中に存在するならば、この検定料は被覆体層に引き寄せられ、そして被覆体 層の敏感化されている部分の厚さを増加させる。その結果、位相の局所的な移動 が起こり、光の干渉および回折が生ずる。したがって、測定可能な回折視野が現 わるということは、所与の検定料が検出されたことの指標となる。流体試料中に 存在する所与の検定料の量は、回折視野の測定結果を解析することによって決定 することができる。

例えば、１次の回折スポットの位置と大きさ、または、その位置と強度の測定か ら、所与の検定料の量を決定することができる。この後者の測定の方が表面の不 完全性により鈍感であるので好ましい。

上述の方法は、流体試料中に存在する２１！麺の異なる検定料の一方または両方 の、検出と足場を行なうように拡張することができる。

以下に説明するように、１次および高次の回折スポットの位置と強度を測定しか つそれらを比較プることにより、有用な情報をうることができる。

回折視野はバイオセンサの形状の変化によって大幅に変わることがないことに、 注目されたい。それは主として、被覆体層の配置と、厚さの分布形状によって決 定される。

本発明の第２の特徴により、上述の方法を実施するのに適切なバイオセンシング ｌｉｔが与えられる。この装置は、 少なくとも１つの所与の検定料に対して部分的に敏感化されかつ光回折を起こず ようにパターン化された被覆体層をその中に有する共振形光バイオセンサと、広 がった光源と、 その広がった光源からｔｌｉｔＪＪされた光を前記共振結合形光バイオセンサへ 向けるためのコリメータ手段と、光検出器と、 パターン化されかつ＠感化された被覆体によって回折された光を光検出器へ向け 、それにより検出器の平面内に回折視野を画定するように配置された光結像手段 と、その回折視野に対して前記光検出器を走査するように配置された走査手段と 、 を有する。

上述の＠置において、回折視野を機械的方式によって走査することができる。こ の目的のために、光検出器を高さが揃った検出素子の線状アレイで構成すること ができ、また光源と光検出器のおのおのは横方向に移動して、水平方位角方向の 走査を実行することができる。この配ｄにおいて、光＃Ｒはまた高さが揃った発 光ダイオードの線状アレイで構成すると便利である。

別の方法として、視野を電子的方式によって走査することもできる。光検出器と 光源のおのおのを素子の２次元アレイで構成し、そしてこれらの素子を列毎にス イッチすることにより、水平方位角方向の走査が実行できるようにしてもよい。

本発明の第３の特徴により、被覆体層を有し、この被覆体層が少なくとも１つの 検定種に対して部分的に敏感化され、そして光回折を起こすようにパターン化さ れている。共振形光バイオセンサが与えられる。

上述の被覆体層は、単一の所与の検定種に対して、部分的に敏感化することがで きる。この場合には、被覆体層は１組の長手方向に延びる帯状領域で敏感化され かつパターン化され、そして１つおきの帯状領域が、単一の所与の検定種に対し て敏感化される。

別法として、さらに複雑な検出と解析のために、上述の被覆体層を、２種または さらに多くの種類の異なる検定種に対して、部分的に敏感化することができる。

その結果、被覆体層は、第１の検定秤に対して敏感化された第１部分＊ｉａと、 第２の検定種に対して敏感化された第２部分領域と、残りの第３部分領域とを有 することができる。この場合には、被覆体層は、第１帯状領域が第１の検定種に 対して、第２ストライブｆｊＡ域が第２検定種に対して敏感化された、長手方向 に伸びる第１、第２、第３の帯状領域の隣接集合体の形で敏感化されることがで き、そして第１と第２の帯状ｖ４Ｉ４！は異なる幅を有する。

図面の簡単な説明 本明細這に添付されている図面は次の通りである。

１１図は従来の構造のバイオセンサを有するバイオセンシング装置の横断面図、 第２図は、厚さの異なる種々の層に対し、第１図の装置で検出される信号の位相 を、光源と検出器の両方から定められる仰角の関数として示したグラフ、第３図 はバイオセンサの敏感化された被覆体層が本発明に従って修飾されたバイオセン シング装置の立体図、第４図は前回に示す修飾された被覆体層の変更例の平面図 、 第５図および第６図は、それぞれ、第３図に示す被覆体層を用いる装置により得 られる回折スポット・パターン、および第４図に示す変更された被覆体層を用い る装置により得られる回折スポット・パターンを示す。

好ましい実施例の説明 本発明をさらによく理解することができるようにするため、以下に、第３図から 第６図までの図面を参照しながら幾つかの実施例について説明する。下記の説明 は単に例示のためのものである。

第３図に示すバイオセンシング装２では、均一に敏感化された前記被覆体１ｉ１ １３が別の被覆体１１３’で置き換えられ、変更された共振形光バイオセンサ１ が示されている。この置き換えられた層１３′の面は、部分的にだ番ブ敏感化が 行なわれている。その面は、検出光の視野に回折を生じさせる手段として作用す る。敏感化パターンの好都合な形を、図示している。ここでは置き換えられた層 １３′の面が、一連の細長い帯状領域に分割され、帯状領１ｉｉ１５は、所与の 検定種に敏感化された層材料の部分に対応する。そして、（帯状領域１５と交互 になっている）帯状領域１７は、このような敏感化が行なわれていない残りの層 材料部分に対応しており、局所的位相基準の役割りを果たで。パターン化された 。８１３’　は、まず全体が敏感な材料で作成され、そして基準帯状ｇＢ域１７ に対応する部分を選択的に鼻敏感化することによって作成することができる。こ のバイオセンナは、広がった光源Ｓ′とコリメータ・レンズ１９とによって作ら れる発散光で照射される。光源Ｓ′は高さ方向にかなりの距離に広がっており、 大きな光発散角Δψを有している。

バイオセンサからの光は、望遠対物レンズ２０によって集められ、そしてその無 事面に配置された光検出器Ｄ′に集まる。

所与の検定種が流体試料中に存在しない場合は、パターン化されたＭ１３′のど のｆＩｉ域部弁部分その厚さは変化しない。どの領域部分も、検出された信号の 位相の変化に対し等しい寄与をする。望遠対物レンズ２０の無事面上には、顕著 な干渉も明確な回折パターンも生じない。

与えられた検定種が流体試料中に存在する場合は、帯状＠域１５の敏感化された 材料部分の厚さが珊大し、敏感化された基準帯状領域１７とは、光学的に区別が できるようになる。光の干渉が起こり、そして望遠対物レンズ２０の無事面上に 、識別可能な回折パターンを生ずる。

この回折パターンは第５図に示されており、ここでは、明確化のために、ゼロ次 と１次の回折スポットだけが示されている。回折パターンの詳細構造は帯の形状 によって支配され、敏感化された帯状領域１５と１７との相対的な厚さに依存す る。回折パターンは、回折視野を横断する水平方位角φ方向に、検出器Ｏ′を走 査することによって測定される。強度データと方位角データが集められ、そして 定量的な解析に用いられる。前記バイオセンサを少し変更するだけで、もっと複 雑な検出と解析を行なうことができる。２種類の異なる検定種を同時に用いて、 検出と定量的解析とを行なうことも可能である。この目的のために、被覆体層は 、第１部第１検定種に対して敏感化される第１部分と、第２検定種に対して敏感 化される第２部分と、そして残りの部分に対する第３部分とを有する。１つの可 能な構造を第４図に示す。この場合には、被覆体層１３″の面が３つの長手方向 に伸びる帯状領域２１．２２．２３の組を繰り返したものに分割される。これら の帯状領域のうちの第１のもの２１は、第１検定種に対して敏感化される。第２ のもの２２は、第２検定種に対して敏感化される。残りの帯状領域２３はこのよ うな敏感化はされず、基準を与える。結果に曖ＩＩξが生じないように、敏感化 された帯状領域２１および２２は、異なる幅を有する。図面に例示されている実 施例では、帯状領域２２の方がより大きな幅を有している。

このパターン化された被覆体が流体試料に触れた時、このようなバイオセンシン グ装置がどのように応答するのかを考える。第１検定種と第２検定種のいずれも 存在しない時、被覆体１１１３　″の各部分は区別されず、したがって回折パタ ーンは認められないであろう。しかし、第１検定種または第２検定種のいずれか が存在する場合には、これらの検定種に対応する帯状領域２１または２２がそれ ぞれ活性になる、すなわち、厚さが増すであろう。その結果、前と同じように、 回折パターンが生ずる。

この回折パターンの一部分が第６図に示されており、ゼロ次と１次の回折スポッ トと、次の高次の２次回折スポットとが示されている。第１と第２の検定種に対 する回折パターンは、定量的には似ているであろう。しかし、これらの回折パタ ーンは区別することができる。帯状領域２１と２２は異なる幅を有しており、領 域２２がより大きな幅を有していることを想起されたい。第２検定種に対しては 、１次の回折スポットは、ゼロ次の回折スポットに比べて、強度が小さいであろ う。この強度の減少は次の式で表される。

ここで、ｎ　（１，２，など）は外側線の次数、Ｗは対応する帯状領域の幅、Ｗ は空間的な繰り返し周期である。

回折パターンの左側と右側にある同じ次数のスポットは、同じ強度を有している ことに注意されたい。

もし第１と第２の検定種の両方が存在しているならば、帯状領域２１と２２の両 方が活性化されるでろう。しかし、この場合に得られる回折パターンは、回折パ ターンの左側部分と右側部分にある同じ次数のスポットの強度がもはや同じには ならないので、前記のものから区別することができる。ただし、帯状領域２１と ２２が同じ位相変化を生ずる場合は、この規則はあてはまらない。この場合でも 、回折パターンは、第１検定種または第２検定種のいずれによる回折パターンか らは区別することができる。それは、有効な層パターンの形状が異なるからであ る。ＷｌとＷ２を帯状ａ域２１と２２の幅とした時、第１または第２の検定種の どれかが存在する時に前記公式に用いられる幅ＷはＷ　またはＷ２であるのに対 し、この場合に幅Ｗとして用いられる適切な値はｗ１＋ｗ２である。要約すると 、第１と第２の検定種のいずれも存在しない場合、いずれか一方だけが存在する 場合、および両方が存在する場合が識別可能であることがわかる。

強度と角度位置に関するデータを集め、そしてそれに対して数値解析（たたみ込 み逆変換）を行なうことにより、定量的なデータを得ることができる。

先竹技財 轡泉　（ラジ゛アン）Ｃｙ） ！Ｌ后咀才打 国際調査報告 、−、−一１．−１１□＝＝、、＝＝　　Ｉ）ｆ′Ｔ／ｆｌＲ９０／１１０１１ ９ぃｌ＋＋’ａｍ＋１４゜、、１゜、５．い工ＰＣＴ／田９０１００１１９国際 調査報告 “°“−＋　１＋＊ｌ”°−”°−“”＋ｌｙ　′″″″′１°°“°″〜”° −“′−°“°“°“°“°−”″″″″′コ°６７翁２茄求g−°”°°−” − マ１ｗ１ｍ＋ｓｍａ＋＋−１１−１１１ｅｌ１１ｃＩＩＩＩＩＩＩｍ＋―マ１ｌ ａｌ’ｎｌ＃Ｉ―鴫ｎｍｍｎ＋ｃｗａｎｗ＋ｃ＋ｔａｎｍ喝塩蜩Q１マ曽を管鴫 −内１ｍｔｌｈｅ−鴫一一雪ａｌ１Ｍ−＃＋ＴｎｔトＣ−１゜

Claims (13)

【特許請求の範囲】
1. １．被覆体層が少なくとも１つの所与の検定種に対して部分的に敏感化されかつ 前記被覆体層が光回折を起こすようにバターン化された共振形光バイオセンサを 準備する段階と、 バターン化されかつ敏感化された前記被覆体層を流体試料と接触させる段階と、 広がりを有する光源から放射された光をパターン化されかり敏感化された前記被 覆体層に向け、かつ前記被覆体層に共振的に結合させる段階と、 バターン化されかつ敏感化された前記被覆体層から光検出器へ回折された光を集 光しかつ焦点を結ばせ、およびこのようにして前記光検出器の平面内に回折視野 を画定する段階と、 前記回折視野を測定するために該視野に対して前記光検出器を走査し、およびそ れにより前記少なくとも１つの所与の検定種が前記流体試料の中に存在する時該 検定種を検出または定量する段階と、 を有する、バイオセンサ動作中の光学位相変化を検出する方法。
2. ２．請求項１において、前記被覆体層が第１検定種に対して敏感化された第１部 分と第２検定種に対して敏感化された第２部分とを有する、前記方法。
3. ３．請求項２において、前記被覆体層が長手方向に伸びる３つの帯状領域の組の 繰り返しによって分割され、かつ、第１帯状領域が第１検定種に対して敏感化さ れ、かつ、第２帯状領域が第２検定種に対して敏感化され、かつ、第３帯状領域 が敏感化されなることく基準領域となる、前記方法。
4. ４．請求項３において、敏感化された前記第１帯状領域の幅と敏感化された前記 第２帯状領域の幅とが異なる、前記方法。
5. ５．請求項１において、前記複覆体層が１組の長手方向に延びる帯状領域におい て敏感化されかつバターン化される際に、前記帯状領域の１つおきの帯状領域が 単一の検定種に対して敏感化される、前記方法。
6. ６．少なくとも１つの所与の検定種に対して部分的に敏感化されかつ光回折を起 こすようにバターン化された被覆体層をその中に有する共振形光バイオセンサと 、広がりを有する光源と、 前記光源から放射された光を前記共振形光バイオセンサへ向けるためのコリメー タ手段と、 光検出器と、 前記バターン化されかつ敏感化された被覆体で回折された光を前記光検出器へ向 けそれにより前記検出器の平面内に回折視野を画定する光結像手段と、前記回折 視野に対して前記光検出器を走査するための走査手段と、 を有するバイオセンサ装置。
7. ７．請求項６において、前記光検出器が高さを揃えて整列させた検出素子の線状 アレイを有し、かつ、前記光源および前記光検出器が横方向に可動で方位角方向 の走査を行うことができる、前記装置。
8. ８．請求項６において、前記光源が発光タイオードの線状アレイである、前記装 置。
9. ９．請求項６において、前記光検出器および前記光源のおのおのが素子の２次元 アレイを有し、かつ、前記素子が列毎にスイッチされて水平方位角方向の走直を 行うことができる、前記装置。
10. １０．請求項６から請求項９までのいずれかにおいて、前記被覆体層が第１検定 種に対して敏感化された第１部分と第２検定種に対して敏感化された第２部分と を有する、前記装置。
11. １１．請求項１０において、前記被覆体層が長手方向に伸びる３つの帯状領域の 繰り返しによって分割され、かつ、第１帯状領域が第１検定種に対して敏感化さ れ、かつ、第２帯状領域が第２検定種に対して敏感化され、かつ、第３帯状領域 が敏感化されることなく基準領域となる、前記装置。
12. １２．請求項１１において、敏感化された前記第１帯状領域の幅と敏感化された 前記第２帯状領域の幅とが異なる、前記装置。
13. １３．請求項６から請求項９までのいずれかにおいて、前記被覆体層が１組の長 手方向に伸びる帯状領域において敏感化されかつハバターン化される際に、前記 帯状領域の１つおきの帯状領域が単一の検定種に対して敏感化される、前記装置 。