JP2014528060A - 複数のセンサ領域を持つ光学バイオセンサ - Google Patents

Abstract

本発明は対応するセンサ領域１１１の一次像を生成するための複数の対物レンズ１５２を有する光学センサデバイス１００に関する。一次像は中間光学系１５３で検出器面１５４上に、特にイメージセンサの感光面上にマップされる。

Description

本発明は光学センサデバイス、特に光検出器で観察される複数のセンサ領域を有するバイオセンサに関する。

上述の種類のバイオセンサはＷＯ２０１０／１５０１６７ Ａ１から知られている。既知のバイオセンサでは、漏れ全反射（ＦＴＩＲ）によって生成される入射平行光線をイメージセンサのセンサ面上にフォーカスするために複数の小型レンズがアレイに配置される。このようにして像面湾曲によって歪められない均一像が得られる。しかしながら、検出ＮＡは非常に低く得られる像は低解像度を持つ。

改良された設計、特に高解像度で複数のセンサ領域の観察を可能にする設計を持つ光学センサデバイスを提供することが本発明の目的である。最も好適には、光学特性が単一磁気ビーズの検出を可能にするべきである。

この目的は請求項１及び請求項２に記載の光学センサデバイスによって達成される。好適な実施形態は従属請求項に開示される。

本発明にかかる光学センサデバイスは一般に関心のあるいかなる検出目的にも役立ち得る。特に、これは試料の光学的研究に、例えば生物試料中の標的成分の検出に役立ち得る。センサデバイスは以下の構成要素を有する：
ａ）Ｎ＞１の複数のセンサ領域、すなわち光学的に観察若しくは処理される領域。典型的に、センサ領域は中に試料が供され得るキャビティ若しくはチャンバであり得る。さらに、これらのキャビティ若しくはチャンバは好適には交換可能カートリッジに収容される。
ｂ）各対物レンズが上述のセンサ領域の一つの像を生成するように配置されるＮ個の複数の対物レンズ。参考のため、これらの異なる像は以下"一次像"とよばれる。これ以降、"対物レンズ"という語は一般に物体の光学実像を生成する光学系を意味するものとする。通常各対物レンズは唯一の検出領域の一次像を生成し、各対物レンズは他の対物レンズとは別のセンサ領域を結像する。
ｃ）上記一次像がマップされる感光性検出器面を持つ光検出器。光検出器はそれによって所与のスペクトルの光が検出され得る任意の適切なセンサ若しくは複数のセンサ、例えばフォトダイオード、フォトレジスタ、フォトセル、ＣＣＤ／ＣＭＯＳチップ、若しくは光電子増倍管を有し得る。

本発明の好適な実施形態によれば、光学センサデバイスは対物レンズによって生成される一次像を検出器面上にマップする光学系をさらに有し得る。これらの光学系は検出器面と対物レンズの間の光路内に配置されるので、これは以下"中間光学系"とよばれる。この実施形態においては対物レンズと中間光学系の間にタスク分割があり、これは対物レンズが互いに近づけられ、個々の小さなセンサ領域を結像することができるように、対物を小型化することを可能にする。

上記光学センサデバイスはセンサ領域が互いに非常に近接し広範な視野にわたって広がる場合であってもセンサ領域の高解像度像の生成を可能にするという利点を持つ。これはセンサ領域の一次結像のために専用対物レンズを用いることによって、及びこれら一次像を（随意に中間光学系で）共通検出器面上に投影することによって実現される。対物レンズの入射光は平行である必要がなく、すなわちセンサ領域は例えば暗視野照明の場合にも結像され得ることが留意されるべきである。

対物レンズの高光学的分解能は対物レンズの少なくとも一つ（好適には全部）が開口数ＮＡ＞０．１、好適にはＮＡ＞０．２５を持つ場合に得られる。これらのＮＡ値で、約１μｍ（若しくは厳密に言えば０．６λ／ＮＡ）の構造、例えば生物学的標的成分を標識する常磁性ビーズを解像することが可能である。

少なくとも一つの一次像はこれが全検出器面を埋めるようにマップされ得る。従って検出器の空間分解能（例えば利用可能ピクセルの数によって与えられる）が最適利用され得る。好適には全一次像がこのように全検出器面上にマップされる。この実施形態では（例えば色によって若しくは照明多重化（ｉｌｌｕｍｉｎａｔｉｏｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）によって）像間の区別を可能にする何らかの手段が典型的には要求される。

別の実施形態によれば、少なくとも二つの一次像が検出器面の非重複領域上にマップされる。好適には全一次像が検出器面の相互非重複領域上にマップされる。従って個々の像の同時観察が実現され得る。

最も単純な場合、対物レンズはたった一つの単（焦点）レンズから成り得る。しかしながら好適には対物レンズの少なくとも一つは複数のレンズ、特に球面及び／又は非球面レンズから成る。これは高開口数で高品質像の生成を可能にする。

本発明の別の実施形態によれば、対物レンズの少なくとも二つ（好適には全部）はＷａｆｅｒＯｐｔｉｃｓ（登録商標）で形成されるレンズを有する。このようにしてそれらの相互配向が非常に精密な小型対物レンズを実現することが可能である。

中間光学系はＮ個の一次像全部を同時に検出器面（の個別サブエリア）上にマップするように構成され得る。別の実施形態において、中間光学系はｎ＜Ｎ個の一次像の異なるセットを検出器面上に選択的にマップするための多重化ユニットを有する。極端な場合として、単一一次像が順々に検出器面上に、好適には当該面を完全に埋めるような方法でマップされ得る。このように検出器面の分解能が最適利用され得る。一次像の異なるセット間を区別することは例えば照明源の時分割多重化及び／又は波長分割多重化によって得られる。

中間光学系はその機能を実現するために異なる光学素子を有し得る。これらの素子は反射素子、例えば鏡、屈折素子、例えば楔状構造若しくはプリズム、及び／又は格子のような回折素子を有し得る。これらの光学素子は１≦ｎ≦Ｎの一次像のセットが検出器面上に適切に（例えば重ならないように）マップされるように配置され得る。

光学センサデバイスはセンサ領域へ向けられる入力光線を生成するための光源、例えばレーザ若しくは発光ダイオード（ＬＥＤ）をさらに有し、ここでこれは例えば内部全反射及び／又は散乱される。

上述の光源は随意に個別センサ領域を選択的に照射するように構成され得る。これは例えば選択的にオン及びオフにスイッチされることができ、異なるセンサ領域へ光を発する、複数の個別照明素子を有し得る。代替的に多重化光学系（例えば可動鏡）が（単）光源とセンサ領域の間に配置され得る。この実施形態において、現在照射されているセンサ領域（群）は非照射センサ領域の像によって妨害されることなく全検出器面上にマップされ得る。

光検出器は好適には複数の個別検出器ユニットを有し、これは以下通常"ピクセル"とよばれる。かかるピクセル化光検出器は特にイメージセンサ、例えばデジタルカメラから知られる通りＣＣＤ若しくはＣＭＯＳデバイスによって実現され得る。複数の検出器ピクセルは研究領域に対して空間分解された方法で出力光線によって含まれる情報を評価することを可能にする。

別の実施形態によれば、光学センサデバイスは画像処理ユニット、例えばデジタル画像処理のための付随ソフトウェアを伴うマイクロプロセッサを有し、当該画像処理ユニットは対物レンズと中間光学系によって検出器面上に生成される像を処理することができる。

本発明は分子診断、生物試料分析、若しくは化学試料分析、食品分析、及び／又は法医学的分析のための上記光学センサデバイスの使用にさらに関する。分子診断は例えば標的分子に直接若しくは間接的に結合した磁気ビーズ若しくは蛍光粒子の助けを借りて達成され得る。

本発明のこれらの及び他の態様は以下に記載の実施形態から明らかとなりそれらを参照して解明される。

本発明にかかるセンサデバイスの上面図を概略的に示す。 図１のセンサデバイスの略側面図を示す。 一次像が検出器面の非重複領域上にマップされることを示す図２の光路の簡略化スケッチである。 図３に対応する斜視図である。 本発明にかかる対物レンズにおける光線経路例を示す。 一次像が全検出器面上にマップされるセンサデバイスの光路の簡略化スケッチである。

同様の参照番号は図面において同一若しくは同様の構成要素をあらわす。

ＷＯ２０１０／１５０１６７ Ａ１（引用により本願に組み込まれる）は超常磁性ナノ粒子（以下ビーズとよぶ）の光学的検出に基づく免疫測定バイオセンシング技術を記載する。ここで、ナノ粒子の磁気特性は（ｉ）検出面へ向かう被分析物の拡散プロセスを加速し、（ｉｉ）非結合ナノ粒子が光学的検出前に検出域から抽出される磁気洗浄ステップを可能にするために使用されている。検出のために漏れ全反射（ＦＴＩＲ）が使用され得る。さらに、基質結合ナノ粒子からの散乱光の暗視野検出（単一ビーズ検出ともよばれる）が使用され得る。

上述の技術においては、例えば血液フィルタと、検出チャンバへの血漿の輸送のための微小流体系（当該検出チャンバはバッファ成分とナノ粒子を含む）と、内部全反射に必要な励起光のカップリングイン、及びＦＴＩＲ検出のための漏れ全反射（ＦＴＩＲ）ビーム若しくは暗視野検出のための結合ナノ粒子の散乱光のカップリングアウトのための光学窓とを有する、使い捨てプラスチック射出成形カートリッジが使用される。

単一ビーズ検出プラットフォームにとって、多重免疫測定反応チャンバの同時読み出しは重要な要件である。しかしながら、単一ビーズイメージングは個々の単一ビーズを解像するために中程度（＞０．２５）から高度（＞０．５）の開口数の対物レンズを要する（バイオセンサで使用される典型的なビーズ直径は約５００ｎｍである）。高ＮＡで結像するときの問題は利用可能な物体視野が限られることである。例えば標準ＮＡ＝０．２５，Ｍ＝１０×顕微鏡対物レンズの場合、利用可能な視野直径は典型的には２ｍｍである。多重反応チャンバの検出は典型的に約５ｍｍ以上の物体視野を要するので、標準対物レンズは使用されることができない。大きな視野面積を結像することができるようにするために、基本的には二つのことが可能である：
１．さらにレンズ素子及び／又は非球面レンズ面を追加することによって顕微鏡対物レンズの物体視野を拡大する。この方法の欠点はかなりかさばり高価な対物レンズであり、これは手持ち式の低コスト製品において実現するためには好適な解決法ではない。
２．顕微鏡対物視野の下で物体を機械的に走査する。この方法の一般的な欠点は駆動機構及びアクティブな焦点制御のさらなる必要性である。そして異なる反応チャンバが時分割多重化方式で順々に読み出される。しかしながら、全チャンバは好適には全アッセイ時間中ずっと連続的に読み出されるべきであり、これはカートリッジが常に前後に走査される必要があることを意味し、電力消費及びシステム安定性に悪影響を及ぼす。

ここで提案される代替的方法は、センサ領域若しくはチャンバの離散セットで（最もよく）はたらく。この方法によれば、このセンサ領域若しくはチャンバのセットは各々その独自の対応する小型対物レンズで個別に結像される。各対物レンズによって結像されるエリアはこの場合単一センサ領域（反応チャンバ）のサイズに限られるので、これは典型的には５００乃至１０００μｍであり、所要物体視野もこの値に限定される。

図１乃至４は本発明にかかる光学バイオセンサデバイス１００を概略的に示す。バイオセンサ１００は二つの主要部品、すなわち取り外し可能な使い捨てカートリッジ１１０とアナライザ若しくはリーダ１５０とを有する。カートリッジ１１０は典型的には射出成形によってガラス若しくはプラスチックから作られ、血液若しくは唾液のような試料流体で満たされ得る微小流体系を有する。図面にはこの微小流体系の四つのセンサ領域若しくは反応チャンバ１１１のみが例示的に示される。試料の移動、通気などのための付加的なチャネルは詳細に図示されない。

リーダ１５０はセンサ領域１１１の配置に対応する配置で互いに並んで（それらの光軸を横断する面内に）配置される複数の対物レンズ１５２を有する。従って各対物レンズ１５２は関連するセンサ領域１１１の"一次像"を生成し得る。これらの一次像は共通中間光学系１５３で検出器面１５４上にマップ若しくは投影される。これは特にイメージセンサ、例えばＣＭＯＳ若しくはＣＣＤデバイスのピクセルの面であり得る。この検出器面１５４において生成される像はさらなる処理と評価のために評価ユニット１５５へ輸送される。評価ユニット１５５は例えば付随ソフトウェアを伴うマイクロプロセッサによって実現され得る。

図３及び４における光路の略図から明らかに見られる通り、個々のセンサ領域１１１の一次像は検出器面１５４の非重複領域上にマップされる。従ってこれらは同時に記録され評価され得る。

リーダ１５０は光線Ｌでセンサ領域１１１を照射するための光源１５６をさらに有し得る。センサ領域内の標的成分によって散乱される光は対物レンズ１５２によって収集され得る。さらに、読み出し装置１５０は磁場がセンサ領域１１１内に生成され得るようにカートリッジ１１０の下に配置される磁石ヨーク１５１を有し得る。

個々のセンサ領域若しくは反応チャンバ１１１の間の間隔は均一な磁気駆動のためのスイートスポットの限られたサイズのために好適には小さく維持される。密集した反応チャンバ１１１の離散セットを結像光学系によって妨げられることなく結像することができるようにするために、各対物レンズ１５２の直径は反応チャンバ間隔よりも小さくなるべきである。これは小型レンズを要する。高度から中程度のＮＡは対物レンズが一つよりも多くのレンズ素子を持つことを要する。大量生産にとって非常に費用効果的な見事な解決法がＡｎｔｅｒｙｏｎ（アイントホーフェン、ＮＬ）のＷａｆｅｒＯｐｔｉｃｓ（登録商標）技術によって提案されている。このウェハスケール製造プロセスは単一ガラスウェハ上に大量の光学素子の製造を可能にする。こうした微小光学素子は（非）球面、（非）円柱若しくは自由形状レンズなどの屈折素子又は回折光学素子であり得る。

こうした小型スケール光学部品を用いることは二つのさらなる利点を持つ：
光学収差は一般に開口サイズの減少に伴って小さくなる。小開口ウェハ光学系を用いることはたった二つ、場合によっては三つのレンズ素子（すなわち積み重ねられる二つ若しくは三つのウェハ）を持つＮＡ＝０．２５対物レンズの実現を可能にする。さらにＡｎｔｅｒｙｏｎの技術（ガラスポリマーフォトレプリケーションを用いる）はこうした高ＮＡにおける球面収差及びコマ収差を補正する非球面表面の適用を可能にする。
個々の対物レンズの直径が低く維持され得るので、これらは単一ビーズバイオセンサセットアップのＵ字形磁石の真下に、又はＵ字形磁石の二つの極先端の間にさえ容易に取り付けられ得る（図１及び２に図示の通り）。

要約すると、本発明は図２乃至４に示す通り数ミリメートルの大きな物体空間のサブ空間への分割を提案する。各サブ空間は単一免疫測定反応チャンバ１１１をカバーし、対応する小型対物レンズ１５２によって結像されている。小型光学系を用いてＮＡ＝０．２５の対物レンズを作る実現可能性は、四つの屈折面を持ち、そのうち三つ若しくは四つの面が非球面層を備えている二つのウェハのスタックで示され得る。結像される必要がある物体視野は例えば０．５ｍｍの直径を持つ。最大視野座標は０．２５ｍｍであり物体は好適には無限遠で結像される。

図５は０．８ｍｍの物体視野（全視野；無限共役；ＮＡ＝０．２５）を持つ三素子小型対物レンズ設計例を示す。この設計のための所要開口は１．８ｍｍであり、それによって２×２ｍｍ平方の光学部品にフィットする。

対物レンズの離散セットを用いて物体のセットを結像するとき、サブイメージの離散セットが形成される。これらのサブイメージは好適には単一検出器上に結像される必要がある。このため何らかの専用検出器結像光学系（"中間光学系"）が必要である。この光学系の正確な光学機能性は以下に依存する：
（ｉ）個々のサブイメージ（"一次像"）が同時に検出器上に結像される必要があるか、若しくは各サブイメージが何らかの多重化スキーム、例えば時分割多重化を用いて全センサエリア上に結像され、ここで各検出チャンバが照射され対応像が連続的に読み出されるかどうか。
（ｉｉ）カートリッジ内部の反応チャンバのレイアウト、例えばチャンバが線に沿って（全物体視野は典型的に８×１ｍｍ）、若しくは正方形に（全視野は典型的に３×３ｍｍ）配置されるかどうか。かなり長く狭い空隙を持つＵ字形磁石が使用されるとき、反応チャンバの配置は好適には線に沿ったものになる。
（ｉｉｉ）小型対物レンズの実際の設計、及び各小型対物レンズによって形成されるサブイメージの対応する位置。無限共役対物レンズ設計の場合、全（例えば四）サブイメージが無限遠に位置し、単検出器レンズ１５３（"中間光学系"）によって作られる最終像は検出器面において重複することになる。

例えば時分割多重化の場合、検出器上に次々にサブイメージを結像するために単検出器レンズ１５３が使用され得る。図６は中間光学系が使用されないこの方法の代替的な実施形態を示す。対物レンズアレイ１５２によって生成される一次像は検出器面１５４上に直接マップされ、各一次像は面全体を埋める。個々の像間を区別するために、照明多重化が例えば使用され得る。

全サブイメージが同時に検出器上に結像される必要があるとき、各サブイメージを検出器面上のその適切な位置に向け直し（すなわち傾け）拡大する何らかの追加光学系が対物レンズ１５２と検出器面１５４の間の中間光学系に組み込まれる必要がある。傾斜／向け直し部のために、反射（鏡）及び屈折（楔状構造）若しくは回折（例えば格子）光学系が使用され得る。後者二つの場合、こうした楔状構造若しくは格子は検出器レンズ１５３に組み込まれ得る。より多くのサブイメージが同時に検出器上に結像される場合、極限解像度はピクセルの数が同様に増加されない限り一定サイズ検出器の場合それに従って下降する。

本発明は図面と上記説明において詳細に図示され記載されているが、かかる図示と記載は例示若しくは説明であって限定ではないとみなされるものとする。本発明は開示の実施形態に限定されない。開示の実施形態への他の変更は図面、開示、及び添付の請求項の考察から、請求される発明を実施する上で当業者によって理解され、もたらされ得る。請求項において、"有する"という語は他の要素若しくはステップを除外せず、不定冠詞"ａ"若しくは"ａｎ"は複数を除外しない。特定の手段が相互に異なる従属請求項に列挙されるという単なる事実はこれら手段の組み合わせが有利に使用されることができないことを示さない。請求項における任意の参照符号は範囲を限定するものと解釈されてはならない。

Claims (14)

1. ａ）複数のセンサ領域と、
   ｂ）各々が前記センサ領域の一つの一次像を生成するように配置される複数の対物レンズと、
   ｃ）検出器ピクセルのアレイを持つ光検出器と、
   ｄ）前記検出器面上に前記対物レンズの一次像をマップする中間光学系と、
   ｅ）前記センサ領域へ向けられる入力光線を生成するための光源と
   を有し、
   前記対物レンズの少なくとも一つが０．１よりも大きい開口数を持ち複数のレンズを有する、
   光学センサデバイス。
2. ａ）複数のセンサ領域と、
   ｂ）各々が前記センサ領域の一つの一次像を生成するように配置される複数の対物レンズと、
   ｃ）前記一次像がマップされる検出器面を持つ光検出器と
   を有する光学センサデバイス。
3. 前記対物レンズの一次像を前記検出器面上にマップする中間光学系を有する、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
4. 少なくとも一つの一次像が前記検出器面全体上にマップされる、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
5. 少なくとも二つの一次像が前記検出器面の非重複領域上にマップされる、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
6. 前記対物レンズの少なくとも一つが０．１よりも大きい、好適には０．２５よりも大きい開口数を持つ、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
7. 前記対物レンズの少なくとも一つが複数のレンズを有する、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
8. 前記中間光学系が前記検出器面上に一次像の異なるセットを選択的にマップするための多重化ユニットを有する、請求項３に記載の光学センサデバイス。
9. 前記中間光学系が反射、屈折、及び／又は回折素子を有する、請求項３に記載の光学センサデバイス。
10. 前記センサ領域において内部全反射される及び／又は散乱される入力光線を生成するための光源を有する、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
11. 前記光源が個別センサ領域を選択的に照射する、請求項１０に記載の光学センサデバイス。
12. 前記検出器面が検出器ピクセルのアレイを有する、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
13. 前記検出器面上に生成される画像を処理するための画像処理ユニットを有する、請求項１又は２に記載の光学センサデバイス。
14. 分子診断、生物試料分析、化学試料分析、食品分析、及び／又は法医学的分析のための請求項１又は２に記載の光学センサデバイスの使用。

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