JP2012517015A - 流体解析システム - Google Patents

Abstract

流体解析システムは、光線を照射する光源と、光線の少なくとも一部を案内するための光路と、光路に沿って流体を案内するための流体チャネルと、光路に沿って伝搬された光の光学特性を検出するため検出器と、を備える。光路はマルチモード干渉構造を備え、該マルチモード干渉構造は少なくとも２つの伝搬モードで光線を伝搬させるように構成され、検出器は前記少なくとも２つの伝搬モードのそれぞれからの光を受光する位置に配置される。

Description

本発明は流体解析システムに係る。

特許文献１は、干渉計を備える検出装置について開示している。光線が、測定光路に沿って導かれる測定光線と参照部に沿って導かれる参照光線とに分割される。被検流体を測定部に沿って案内することにより、流体と該測定部を伝搬される光とが相互に作用し合う。測定光路に沿って伝搬された測定光線と参照光路に沿って伝搬された参照光線とで互いに干渉し重なり合う発散光線が形成され、ＣＣＤアレー等の検出器に干渉パターンが形成される。流体の性質や組成等（測定光路における光の伝搬特性に影響を与えるもの）に関する情報を、検出器によって検出された干渉パターンから導き出すことができる。

この方式では、光を測定光路用の光線と参照光路用の光線に分けるための光分岐器が設けられる。光分岐器を設けた場合、測定光路と参照光路の両方を分岐器のそれぞれの出力チャネルと整列させる必要があるため、光エネルギーの損失および／またはアラインメントの問題が生じるおそれがある。このような問題に対処するため、下掲の非特許文献１では内蔵光分岐器を有する平面構造を提案している。しかしながらこの方法の場合、平面構造の寸法が増すため、その分コストが増加し、しかも光学損失を生じる結果となる。

ＥＰ−Ａ−１ ０００ ３４２

Ａ． Ｂｒａｎｄｅｎｂｕｒｇ ｅｔ． ａｌ．， Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｙｏｕｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ， Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ， ３３（２５）， ５９４１−５９４７， （０１−０９−１９９４）

本発明の目的は、上記のような解決策に代わるものを提供することにある。

この目的を達成するために、本発明の一形態によるシステムは、光線を照射する光源と、前記光線の少なくとも一部を案内するための光路と、前記光路に沿って流体を案内するための流体チャネルと、前記光路に沿って伝搬された光の光学特性を検出するための検出器とを備え、前記光路はマルチモード干渉構造を備え、該マルチモード干渉構造は少なくとも２つの伝搬モードで光線を伝搬させるように構成され、前記検出器は前記少なくとも２つの伝搬モードのそれぞれからの光を受光する位置に配置される。

マルチモード干渉構造は様々な伝搬モードの光を伝搬するものである。伝搬路に沿って、測定領域と参照領域とが設けられる。少なくとも測定領域において１つまたはそれ以上の光のモードが（例えば流体内の粒子と測定領域に沿って設けられた抗体（またはその他の受容体）との結合により）相互作用することで、少なくとも１つのモードの伝搬に変化が生じると共に、モード間の干渉にも変化をもたらされる。その結果、様々なモードによって検出器上に形成された光のパターンに変化が生じるため、様々な光学的伝搬モードから検出器上に形成されたパターン、それらの伝搬、およびそれらの間の干渉を解析することによって伝搬特性を検出することが可能となる。それによって、光線を測定光線と参照光線に分割する代わりに単一の光線の様々な光学モードを使用することになるため、光分岐器の必要が無くなる。

流体チャネルは、光と流体とを相互作用させる感知窓を少なくとも２つ備え、一方の感知窓が測定領域として作用し、他方の感知窓が参照領域として作用する。それによって、測定値と参照値との間の小さな相違が検出器上のパターンの変化となって現れて、それを検出することができるため、安定的かつ正確な測定が可能となる。感知窓はマルチモード干渉構造における光の伝搬方向に沿って平行に伸びるように設けてもよく、これにより、光の伝搬に対する感知窓の効果が感知窓の長手方向に沿うため、最適感度を得ることができる。

特定の検体粒子（例えば、分子、分子群、ウィルス、バクテリア、細胞、バイオマーカー、タンパク質等）を検出するために、特異抗体のような抗体、またはその他の受容体を測定領域として作用する感知窓に沿って配置することができる。

マルチモード干渉構造は、少なくとも２つの伝搬モードを横方向最小値と最大値のパターンにおいて伝搬できるように構成される。第１のマルチモード干渉構造の伝搬長は、その端部において横方向最大値となるように寸法取りされ、それによって最適感度が得られる。少なくとも２つの伝搬モードからの光が空間的に分散した形で検出器上に当たるように、検出器はマルチモード干渉構造の一端部に配置される。検出器を実質的に直接マルチモード干渉構造の端部に配置することによって、検出器に向かって伝搬を行うための空気媒体等の媒体を少なくとも部分的に省略することができ、結果的に干渉パターンの安定性を向上させることができ、さらには測定の安定性の向上に資するため、変動が小さくなり、精度が向上すると共に感度が高くなる。また、マルチモード干渉構造の端面における散乱損失を抑制することができ、その結果干渉パターンの安定性をさらに向上させることができる。

マルチモード干渉構造の端部に検出器を配置する代わりに、マルチモード干渉構造の下流側に別のマルチモード干渉構造を配置し、この別のマルチモード干渉構造の幅を先のマルチモード干渉構造の幅より大きくして、別のマルチモード干渉構造において多重伝搬モードとし、これらの多重伝搬モード間の干渉パターンを検出器によって検出するようにしても良い。第２のマルチモード干渉構造は第１のマルチモード干渉構造より多くの伝搬モードを生成することができるため、該第２のマルチモード干渉構造においてこれらのモード間の干渉を生む結果、測定感度をさらに高くすることができる。この構造においては、干渉パターンの測定の他に、第２のマルチモード干渉構造における強度分布の変化を測定できる可能性がある。これによって結合事象に関する代替情報または付加的情報が与えられ、感度をさらに高める結果ともなる。

光源は単一モードの光線源を備える。光線は１つまたはそれ以上の個別の波長または波長スペクトルで構成することができる。好ましくは、光線を中心としてガウスフィールド分布を有するものとする。そうすることで、第１のマルチモード干渉構造においては対称モードのみ励起させるようにすることができる。対称モードが励起される場合、ＭＭＩ構造に沿って対照的なフィールド分布が形成される。このことはマルチモード干渉構造に沿って対称的に配置される測定領域と参照領域とを選択する場合に好ましい。

例えば、それぞれ異なる波長および／または偏光をもつ２つまたはそれ以上の光線をマルチモード干渉構造内に結合するなど、その他の方法も可能である。複数の波長および／または偏光（例えば定期的に変化する適当なフィルタを測定することで断続的に検出される）を、結合事象に関する付加的な情報を得るために使用しても良い。この付加的情報を用いて例えば体液（血清、血液等）、乳汁のような複雑な試料の解析を行う場合に生じる非特異的結合の測定／推定などに利用することができる。その結果精度および感度を向上させることができる。

マルチモード干渉構造はチップに設けることができるため、小型で低コストの測定構造を得ることができる。チップにはさらに検出器を備えても良く、そうすることで、検出器に光を結合することによる結合損失を防ぐことができる。

検出器の処理部は、検出器によって検出されたパターンに対する示差測定を行うように構成することができ、そうすることで測定領域と参照領域との間の伝搬の差に関する情報を干渉パターンから導き出すことができる。干渉パターンは、高速フーリエ変換アルゴリズムに基づくコンピュータプログラムによって解析することができる。フーリエ変換された干渉パターンの位相部分において、測定領域と参照領域との間の伝搬の差に相当する位相変化信号を導出することができる。

流体チャネルに沿って伸びる検出域を有する検出器をさらに設け、光学路沿いの光の散乱を検出するようにしても良い。そこから伝搬特性の空間分布を導き出すことができる。測定領域の感知面および／または該感知面 に結合した検体粒子から散乱する光を検知することにより、結合現象に関する付加的情報を得ることができる。検体粒子が感知面に結合すると、感知面から散乱した光の強度が変わり、そのことからさらに感知面に結合した検体粒子の量に関する表示が得られる。また、光の散乱は粒径によっても決まるため、タンパク質、ウィルス、またはバクテリア等の検体粒子の区別をそれらの大きさに基づいて行うことが可能となる。

光源によって生成された光線をマルチモード干渉構造上に位置合わせするために、システムはさらに、光線の光路の位置を調整する光線調整装置と、該光線調整装置を制御する制御装置とを備え、制御装置は光線の光路の複数の異なる位置において検出器が検出した光学パターンを測定し、所望の光学パターンが得られるように調整装置を制御可能に構成される。

好ましくは均等な厚さのコア層を感知窓のみならず、感知窓と感知窓の間の空間にも設けても良い。そうすることで、読み出し時にいずれかの感知窓に発生するおそれのある温度変化をより速く低減または補償することができ、さらには温度ドリフトを低減することができる。均等なコア層はＳｉ_３Ｎ_４を含むことができる。三層導波構造の場合、「導波層」と呼ばれることもあるコア層は中間層となり、基板層および被覆層より高い屈折率を有し、このような導波構造を通して光を導くことが可能となる。

本発明の非限定的な実施形態を示した添付図面および以下の説明から、本発明のさらなる利点、特徴および効果についても明らかとなろう。

本発明の一実施形態による単式マルチモード干渉（ＭＭＩ）構造を備えるシステムを示す図である。 本発明の別の実施形態による複式ＭＭＩ構造を備えるシステムを示す図である。 図２に示した実施形態によるＭＭＩにおけるモードの分布および干渉を示す図である。

図１は、図の左側に入射口を有するＭＭＩ構造の第１のＭＭＩを示している。単一モード光線のような光線が、不図示の光源から第１のＭＭＩに入射し、２つのモードで伝搬される。第１のＭＭＩには２つの感知窓が設けられている。これらの感知窓は、ＭＭＩが設けられている平面構造の上部に設けることができる。被試験流体（液体、ガス、懸濁液等）を両方の感知窓の上を通るように案内することにより、流体は両モードの伝搬特性に影響を及ぼす。一方の感知窓では、抗体またはその他の受容体を設けて、被検流体と相互作用するようにすることで、分子群、分子、ウィルス、細胞構造、バクテリア等の特定実体の結合が生じる。各伝搬モードが第１のＭＭＩをその長手方向に進むことにより、測定窓および参照窓の両方と相互作用する。第１のＭＭＩにおけるモードの分布を図３の左側（第１のＭＭＩ）に示している。特異相互作用は測定チャネルでのみ発生するため、モードの一方が他方より大きく影響を受け、その結果として第１のＭＭＩの端部においては両モードの間で相対的変化が生じる。ここに検出器を平面構造とは別に、あるいは平面構造と一体的に配置し、パターンを検出してそこから測定チャネルにおける伝搬速度の変化を導出するようにしても良い。

図２は第２実施形態を示しており、第２のマルチモード干渉構造の第２ＭＭＩが第１ＭＭＩの端部に配設されている。第２ＭＭＩの幅が大きいため、第１ＭＭＩからの光はより多くの伝搬モードで第２ＭＭＩを伝搬され、その間に図３に示すようにモード間の干渉が生じる。その結果、この例ではＣＣＤである検出器に干渉パターンが形成される。

Claims (15)

1. 光線を照射する光源と、
   前記光線の少なくとも一部を案内するための光路と、
   前記光路に沿って流体を案内するための流体チャネルと、
   前記光路に沿って伝搬された光の光学特性を検出するための検出器と、を備える流体解析システムにおいて、
   前記光路がマルチモード干渉構造を備え、該マルチモード干渉構造は少なくとも２つの伝搬モードで光線を伝搬させるように構成され、前記検出器は前記少なくとも２つの伝搬モードのそれぞれからの光を受光する位置に配置されることを特徴とする流体解析システム。
2. 前記流体チャネルが光と流体を相互作用させる少なくとも２つの感知窓を備え、該感知窓の一方が参照領域として作用し、他方が測定領域として作用することを特徴とする、請求項１に記載のシステム。
3. 前記２つの感知窓が前記マルチモード干渉構造における光の伝搬方向に沿って平行に延設されていることを特徴とする、請求項２に記載のシステム。
4. 前記測定領域として作用する感知窓に沿って抗体またはその他の受容体が設けられていることを特徴とする、請求項２または３に記載のシステム。
5. 前記マルチモード干渉構造が、横方向最小値と最大値のパターン内を前記少なくとも２つの伝搬モードが伝搬されるように構成されており、前記第１のマルチモード干渉構造の伝搬長がその端部において横方向最大値となるように寸法取りされていることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一項に記載のシステム。
6. 前記検出器は、前記少なくとも２つの伝搬モードからの光が空間的に分散されて前記検出器上に入射するように、マルチモード干渉構造の一端部に配置されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
7. 前記マルチモード干渉構造の下流側に配置されたさらに別のマルチモード干渉構造を備え、該別のマルチモード干渉構造は前記マルチモード干渉構造の幅よりも大きい幅を有しており、該別のマルチモード干渉構造において複数の伝搬モードを生成し、該複数の伝搬モード間の干渉パターンを前記検出器によって検出するように構成されることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一項に記載のシステム。
8. 前記光源が単一モードの光線源を備えることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一項に記載のシステム。
9. 前記マルチモード干渉構造がチップに設けられていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一項に記載のシステム。
10. 前記チップがさらに前記検出器を備えることを特徴とする、請求項９に記載のシステム。
11. 前記検出器の処理部が検出器によって検出されたパターンに対して示差測定を行うように構成されていることを特徴とする、請求項１〜１０のいずれか一項に記載のシステム。
12. 前記流体チャネルに沿って伸びる検出域を有するさらに別の検出器が設けられており、該別の検出器は前記光路に沿って分散する光を検出することを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一項に記載のシステム。
13. 前記光線の光路の位置を調整する光線調整装置と、該光線調整装置を制御する制御装置とをさらに備え、前記制御装置は前記光線の光路の複数の異なる位置において前記検出器が検出した光学パターンを測定し、検出器が検出した光学パターンを測定し、所望の光学パターンが得られるように調整装置を制御することを特徴とする、請求項１〜１２のいずれか一項に記載のシステム。
14. 前記マルチモード干渉構造に均等なコア層が設けられていることを特徴とする、請求項１〜１３のいずれか一項に記載のシステム。
15. 前記均等なコア層がＳｉ_３Ｎ_４を含むことを特徴とする、請求項１４に記載のシステム。

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