ケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法
【課題】高精度に生体分子を検出することが可能なケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法を提供すること
【解決手段】本発明のケミカルセンサは、基板と、光学層と、中間層とを具備する。基板は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成されている。光学層は、基板に積層され、入射光をフォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成されている。中間層は、光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が導波路毎に形成されている。
【解決手段】本発明のケミカルセンサは、基板と、光学層と、中間層とを具備する。基板は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成されている。光学層は、基板に積層され、入射光をフォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成されている。中間層は、光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が導波路毎に形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本技術は、蛍光発光に基づいて生体分子を検出するためのケミカルセンサ、当該ケミカルセンサを搭載する生体分子検出装置及び当該生体分子検出装置を用いる生体分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医学、生化学、分子生物学等の分野において、蛋白質、各種抗原分子、ＤＮＡdeoxyribonucleic acid）、ＲＮＡ(ribo nucleic acid)等の生体分子の検出が重要となってきている。特に、これら生体分子のサンプル量が、場合により、ｐｍｏｌからｆｍｏｌオーダと非常に少ない為、高感度・高精度な検出方法の開発が要求されている。
【０００３】
高感度な検出方法として、蛍光を検出する方法が最も一般的に用いられている。この蛍光による検出方法は、例えば、予め検出対象であるターゲット材料を蛍光マーカで標識しておき、当該ターゲット材料と特異的に相互作用するプローブ材料を固着させた光学センサによって、プローブ材料に吸着したターゲット材料からの蛍光を検出するものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、有機分子プローブ配置領域が形成されたシリコン基板と固体撮像素子が一体化された有機分子検出用半導体素子が開示されている。当該素子は、有機分子プローブ配置領域に配置された有機分子プローブとターゲット材料の結合によって生じる蛍光が個体撮像素子によって検出される構成となっている。
【０００５】
また、特許文献２には、ダブルゲート型トランジスタ（光電変換素子）とプローブ材料からなるスポットの間にマイクロレンズが搭載された生体高分子分析チップが開示されている。当該チップにおいては、プローブ材料と結合したターゲット材料から生じる蛍光がマイクロレンズによって集光され、ダブルゲート型トランジスタによって検出される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２０２３０３
【特許文献２】特開２００６−４９９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、有機分子プローブからの等方的な発光を、個体撮像素子に導く光学系が存在しないため、充分な光量を得ることができず、感度が低く精度に劣るという問題がある。さらに、等方的な発光は隣接する固体撮像素子にも入り、検出信号にクロストークが発生してしまうおそれがある。また、有機分子プローブを結合させる表面の材質も規定されておらず、有機分子プローブを表面に均一に結合させることによる検出精度の向上も図られていなかった。
【０００８】
また、特許文献２に記載の構成では、マイクロレンズの上面に光透過性のトップゲート電極が形成されている。このようなトップゲート電極は、光透過性の電極材料であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やグラフェン等によって形成されるものと考えられる。しかし、これらの材料は低い抵抗値とするためには膜厚を大きくする必要があり、それによって膜の光透過率が低下し、感度劣化を生じることが考えられる。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高精度に生体分子を検出することが可能なケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るケミカルセンサは、基板と、光学層と、中間層とを具備する。
上記基板は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成されている。
上記光学層は、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成されている。
上記中間層は、光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成されている。
【００１１】
この構成によれば、プローブ保持領域に保持されたプローブ材料と、当該プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光を、フォトダイオードで検出する。この際、各フォトダイオード毎に設けられた導波路によって蛍光がフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００１２】
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、導波路に入射した蛍光が反射面によって反射され、入射角度に係わらず蛍光を検出することが可能となる。さらに、反射面によって蛍光が隣接するセルに到達することを防止することが可能となる。
【００１４】
上記導波路は、上記中間層側から上記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
【００１５】
この構成によれば、等方的に発光する蛍光を広い角度範囲で導波路に導きつつ、フォトダイオードに集光させることが可能となる。
【００１６】
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、励起光がフォトダイオードに到達することを防止することができる。励起光は、蛍光を発生させるためにケミカルセンサに照射されるものであるが、フォトダイオードによる検出を理想的にはゼロにする必要がある。本構成によれば、分光フィルタによって、蛍光のみをフォトダイオードに到達させることが可能となる。
【００１８】
上記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタであってもよい。
【００１９】
この構成によれば、カラーフィルタによって、蛍光のみをフォトダイオードに到達させることが可能となる。
【００２０】
上記カラーフィルタは、隣接する上記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有してもよい。
【００２１】
この構成によれば、励起波長を変えた生体分子のセンシングが可能となり、多角的な解析による高精度解析が可能となる。
【００２２】
上記プローブ保持領域は、上記導波路に対向する大きさに形成されている。
【００２３】
この構成によれば、プローブ保持領域、即ち、蛍光の発生領域が導波路の入射口より小さいため、蛍光の大部分を導波路に導くことが可能となると共に、隣接するセルへの蛍光の到達を防止することが可能となる。
【００２４】
上記プローブ保持領域は、一部の上記導波路について形成されていてもよい。
【００２５】
この構成によれば、プローブ保持領域が形成されなかったセルを、漏洩した励起光の参照用として用いることが可能となる。上記のように励起光は、分光フィルタによって減衰されるが、完全には減衰されない場合もある。このため、プローブ保持領域が形成されず、即ち蛍光が生じないセルの信号を参照することにより、蛍光検出信号を補正することが可能となる。
【００２６】
上記ケミカルセンサは、上記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層をさらに具備してもよい。
【００２７】
この構成によれば、ユーザが任意のプローブ材料を接着剤層に接着させ、利用することが可能となる。
【００２８】
上記ケミカルセンサは、上記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備してもよい。
【００２９】
この構成によれば、ターゲット材料を含む測定試料をケミカルセンサに接触させることにより、ターゲット材料の検出が可能となる。
【００３０】
上記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原であってもよい。
【００３１】
この構成によれば、これらのプローブ材料に特異的に結合するターゲット材料の検出が可能となる。
【００３２】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体分子検出装置は、ケミカルセンサと、信号処理回路とを具備する。
上記ケミカルセンサは、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と有する。
上記信号処理回路は、上記ケミカルセンサのそれぞれの上記フォトダイオードの出力信号を処理する。
【００３３】
この構成によれば、プローブ保持領域に保持されたプローブ材料と、当該プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光を、フォトダイオードで検出する。この際、各フォトダイオード毎に設けられた導波路によって蛍光がフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００３４】
上記信号処理回路は、上記プローブ保持領域が設けられた上記フォトダイオードと、上記プローブ保持領域が設けられていない上記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出してもよい。
【００３５】
この構成によれば、信号処理回路はプローブ保持領域が形成されず、即ち蛍光が生じないセルの信号を参照することにより、蛍光検出信号を補正することが可能となる。
【００３６】
上記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号としてもよい。
【００３７】
この構成によれば、遮光されたフォトダイオードの出力信号をフォトダイオードの黒レベルの定義に利用することが可能となる。
【００３８】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体分子検出方法は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備する。
上記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成する。
上記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成する。
測定対象物質を上記プローブ材料層に接触させて、上記測定対象物質に含まれたターゲット材量を上記プローブ材料と結合させる。
上記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去する。
上記ターゲット材料と上記プローブ材料の結合に起因する蛍光を上記フォトダイオードによって検出する。
【００３９】
この構成によれば、ターゲット材料とプローブ材料の結合に起因する蛍光が導波路によってフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００４０】
上記導波路は光反射性を有する反射面によって囲まれ、上記導波路内には励起光を減衰させ蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、上記蛍光を検出するステップでは斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を上記ケミカルセンサに照射してもよい。
【００４１】
この構成によれば、蛍光を高精度に検出することが可能となる。上記ケミカルセンサは分光フィルタが形成された導波路と、導波路を囲む反射面を有しており、斜め方向から導波路に入射した励起光は、垂直方向から入射した場合に比べ、分光フィルタ内を進む距離が長く、より減衰される。即ち、励起光を斜入射光又は輪帯照明光とすることにより、励起光の減衰を促進させ、ＳＮ（signal/noise)比を向上させることが可能となる。
【００４２】
上記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている上記プローブ材料と上記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４３】
この構成によれば、プローブ材料とターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を高精度に検出することが可能となる。
【００４４】
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４５】
この構成によれば、プロー部材料と結合した蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００４６】
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と上記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４７】
この構成によれば、プローブ材料とターゲット材料の結合体による蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００４８】
以上のように、本技術によれば、高精度に生体分子を検出することが可能なケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本技術の第１の実施形態に係る生体分子検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】同生体分子検出装置のケミカルセンサの構造を示す模式図である。
【図３】同生体分子検出装置のケミカルセンサの構造を示す斜視図である。
【図４】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図５】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図６】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図７】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図８】同生体分子検出装置のケミカルセンサによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】同生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【図１０】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置の模式図である。
【図１１】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置の絞りの形状を示す模式図である。
【図１２】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置による照明光の形状を示す模式図である。
【図１３】本技術の第２の実施形態に係る生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【図１４】本技術の第３の実施形態に係る生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。
【００５１】
［生体分子検出装置の全体構成］
図１は、本実施形態に係る生体分子検出装置１の構成を示す模式図である。同図に示すように、生体分子検出装置１は、基板２上に配列された複数のセル３０からなるケミカルセンサ３と、ケミカルセンサ３を駆動するための周辺回路から構成されている。詳細は後述するが、各セル３０にはそれぞれひとつのフォトダイオード２１が設けられている。
【００５２】
セル３０の数や配列については限定されず、適宜変更することが可能である。ここでは、セル３０は基板２の平面上において行列状に配列されているものとし、行の方向を垂直方向、列の方向を水平方向とする。
【００５３】
周辺回路は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７から構成されている。また、各セル３０のフォトダイオード２１は行毎に画素駆動線８に接続され、かつ列毎に垂直信号線９に接続されている。各画素駆動線８は垂直駆動回路４に接続され、垂直信号線９はカラム信号処理回路５に接続されている。
【００５４】
カラム信号処理回路５は、水平駆動回路６に接続され、システム制御回路７は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６に接続されている。なお、周辺回路は画素領域に積層される位置、あるいは基板２の反対側等に配置することも可能である。
【００５５】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線８を選択し、選択された画素駆動線８にフォトダイオード２１を駆動するためのパルスを供給し、フォトダイオード２１を行単位で駆動する。即ち、垂直駆動回路４は、各フォトダイオード２１を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線８に対して垂直に配線された垂直信号線９を通して、各フォトダイオード２１において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
【００５６】
カラム信号処理回路５は、１行分のフォトダイオード２１から出力される信号に対して画素列ごとにノイズ除去等の信号処理を行う。即ちカラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling)や、信号増幅、アナログ／デジタル変換（ＡＤ：Analog/Digital Conversion）等の信号処理を行う。
【００５７】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を出力させる。
【００５８】
システム制御回路７は、入力クロックと、動作モード等を指定するデータを受け取り、またケミカルセンサ３の内部情報等のデータを出力する。即ち、システム制御回路７は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、システム制御回路７は、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力する。
【００５９】
以上のように、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７と、後述するフォトダイオード２１に設けられた画素回路とによって、各フォトダイオード２１を駆動する駆動回路が構成されている。
【００６０】
［ケミカルセンサの構造］
上記ケミカルセンサ３の構成について説明する。
【００６１】
図２及び図３は、本実施形態に係るケミカルセンサ３の、ひとつのセル３０を示す模式図である。図２はセル３０の断面図であり、図３はセル３０の斜視図である。これらの図に示すようにケミカルセンサ３は、基板２上に、保護絶縁層３１、光学層３２、平坦化層３３、中間層３４、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が積層されて構成されている。
【００６２】
基板２は例えば単結晶シリコンからなり、基板２の一主面側を受光面とし、受光面側の表面層には、不純物領域からなるフォトダイオード２１が二次元的に配列形成されている。このフォトダイオード２１は、セル３０毎に設けられている。
【００６３】
なお、フォトダイオード２１は、図示したように基板２における受光面側となる一主面側のみに設けられるか、または一主面側から他の主面側にかけて設けられていても良い。ケミカルセンサ３は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ(Charge Coupled Device）型の素子構造であるものとすることができ、必要に応じてここでの図示を省略した素子分離やフローティングディフュージョンなどの他の不純物領域が配置されていることとする。
【００６４】
また、フォトダイオード２１を含む不純物領域が設けられた基板２上には、ここでの図示を省略したゲート絶縁膜やゲート電極等が配置されていても良い。この場合、ゲート絶縁膜やゲート電極を覆う状態で、保護絶縁層３１が配置されていることとする。また、ゲート絶縁膜やゲート電極を含む画素回路は、基板２における受光面とは反対側の面に配置されていても良い。
【００６５】
光学層３２は、後述する蛍光をフォトダイオード２１に導くための層である。図２及び図３に示すように、光学層３２には導波路３２１が形成されている。導波路３２１は、各フォトダイオード２１に蛍光を導くための構造であり、各フォトダイオード２１に向けて形成されている。本実施形態においては、導波路３２１は、光反射性を有する金属（Ａｌ、Ｃｕ等）からなる金属層３２２に貫通孔を形成することによって形成され、したがって光反射性を有する反射面によって囲まれている。
【００６６】
また、導波路３２１は、フォトダイオード２１側の径が漸次小さくなるテーパー形状とすることができる。これにより、等方的に発光する蛍光を広い範囲で導波路に導きつつ、フォトダイオード２１に集光させることが可能となる。
【００６７】
導波路３２１の内部には、分光材料からなる分光フィルタ３２３が設けられている。分光材料は励起光を減衰させ、蛍光を透過させる材料であり、励起光や蛍光の波長に応じて適宜選択することが可能である。分光フィルタ３２３として、蛍光の所定の波長帯域を透過させるカラーフィルタを用いることができる。カラーフィルタは、顔料や染料を用いたカラーフィルタが好適である。
【００６８】
金属層３２２と分光フィルタ３２３により、光を反射するクラッド層と光が伝播するコア層が形成される。コア層となる分光フィルタ３２３中を伝搬する時に、励起光は吸収、減衰しながら伝搬し、蛍光光はクラッド層で反射しながら低損失でＰＤまで伝搬することになる。生体材料からの蛍光は等方的であるので、光ファイバーのような屈折率差を利用した導波路構造では臨界角以上の角度成分を持つ蛍光は伝搬することができず、十分な検出信号強度が得られないだけでなく、隣接する画素に混色（クロストーク）してしまい検出ノイズになると言うケミカルセンサとしては致命的な不具合が発生する。
【００６９】
このため本技術ではクラッド層の材料としてはＡｌ、Ｃｕなどの金属材料を用いて、取り込める角度成分を増やすと共に隣接する画素への混色を大幅に低減する。なお、クラッド層材料は蛍光光波長に対して反射率が十分高いものを選択する必要がある。
【００７０】
平坦化層３３は、光学層３２の平坦化するための層である。光学層３２の上面には、分光フィルタ５１が形成される際に凹凸が生じる場合があり、平坦化層３３は上層（中間層３４等）の形成のためにこの凹凸を平坦化するための層である。平坦化層３３の材料は、蛍光光波長に対して透明であり、光学層３２を構成する金属材料や分光材料に対して密着性の高い有機系材料が好適である。
【００７１】
中間層３４は、接着剤層３５及びその上層に形成されるプローブ材料層３６を領域選択的に形成させる層である。具体的には、後述するプロセスにより中間層３４の所定領域のみに接着剤層３５が形成されるような表面処理を施すことができる。このような中間層３４は例えば、接着剤層３５を形成したい領域（以下、プローブ保持領域とする）を親水性とし、それ以外の領域を疎水性とした酸化シリコンや窒素シリコンとすることができる。
【００７２】
プローブ保持領域は、各フォトダイオード２１の直上に、導波路３２１の径より小さい大きさ、即ち、一個のプローブ保持領域の全体が導波路３２１に対向する大きさで形成されたものが好適である。これにより、プローブ材料層３６から生じる蛍光を効率的に導波路３２１に入射させることができる。
【００７３】
接着剤層３５は、プローブ材料層３６を保持するための層である。上述のように接着剤層３５は中間層３４のプローブ保持領域上のみに積層され、プローブ材料層３６をプローブ保持領域上のみに保持する。接着剤層３５は、上記プローブ保持領域のみに選択的に吸着し、かつプローブ材料（生体分子）が接着することが可能な生体分子接着剤からなるものとすることができ、このような材料としては例えばフィブロネクチンが挙げられる。
【００７４】
プローブ材料層３６は、生体分子（ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、各種抗原等）の中から検出対象のターゲット材料に応じて適宜選択されるプローブ材料からなる。プローブ材料層３６は、プローブ材料が上述の接着剤層３５に接着されて形成され、即ち接着剤層３５が形成されているプローブ保持領域上にのみ形成される。
【００７５】
ケミカルセンサ３は以上のような構造を有するセル３０によって構成されている。なお、ケミカルセンサ３は、プローブ材料層３６が設けられていない状態でユーザに供給されてもよい。この場合、ユーザが任意のプローブ材料を各接着剤層３５に接着させて利用することができる。
【００７６】
また、ケミカルセンサ３は、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が設けられていない状態でユーザに供給されてもよい。この場合、ユーザが任意の生体分子接着剤及びプローブ材料を用いて利用することができる。この場合であっても、中間層３４に上記のような表面処理が施されているため、ユーザはプローブ保持領域のみに接着剤を吸着させ、即ちプローブ保持領域のみにプローブ材料を接着させることができる。
【００７７】
［ケミカルセンサの作成方法］
上記のような構成を有するケミカルセンサ３の作成方法について説明する。
【００７８】
図４乃至図７は、ケミカルセンサ３の作成方法を示す模式図である。なお、これらの図においては一個のセル３０を示しているが、実際には、基板２上に配置される複数のセル３０を同時に作成することが可能である。
【００７９】
まず、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコン等からなる基板２にフォトダイオード２１を形成する。フォトダイオード２１は、マスクを用いたイオン注入及び熱処理によって不純物領域を形成し、さらに基板２の内部に図示しないゲート絶縁膜及びゲート電極等を形成することによって作成することが可能である。フォトダイオード２１は、上述のように基板２上に行列上に配列させることができる。
【００８０】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトダイオード２１が形成された基板２上に保護絶縁層３１を任意の成膜方法により成膜する。さらに図４（ｃ）に示すように、保護絶縁層３１上に金属層３２２を形成する。金属層３２２は、例えばスパッタリング法により形成することができる。
【００８１】
続いて図５（ａ）に示すように、各フォトダイオード２１の上部に位置する金属層３２２をパターニングして、導波路３２１となる開口３２４を形成する。金属層３２２のパターニングは例えば、リソグラフィとドライエッチングによりすることができる。次に図５（ｂ）に示すように、開口３２４に分光材料を充填して分光フィルタ３２３を形成する。この際、分光フィルタ３２３の上面に凹凸が発生する場合がある。開口３２４内での分光フィルタ３２３の形成により、導波路３２１が形成される
【００８２】
次に図５（ｃ）に示すように、分光フィルタ３２３上に平坦化材料をコートし、必要に応じてベーク処理を実施して平坦化層３３を形成する。さらに、平坦化層３３上に中間層３４を形成する。中間層３４は、図６（ａ）に示すように酸化シリコン等の材料を平坦化層３３上に積層し、図６（ｂ）に示すように感光性シランカップリング剤を積層することによって作成することができる。
【００８３】
さらに、図６（ｃ）に示すように、中間層３４にフォトマスクを介して紫外線を部分的に照射し、プローブ保持領域３４ａを形成する。感光性シランカップリング剤は紫外線が照射されることによって変性し、親水性となる。したがって、フォトリソグラフィによってプローブ保持領域３４ａを設定したい領域に選択的に紫外線を照射することにより、当該領域のみを親水性とし、その他の領域を疎水性とすることが可能となる。
【００８４】
本実施形態においては、プローブ保持領域３４ａは、各フォトダイオード２１の直上に、導波路３２１の径より小さい大きさ、即ち、一個のプローブ保持領域の全体が導波路３２１に対向する大きさで形成することができる。以上のようにして、ケミカルセンサ３を作成することが可能である。
【００８５】
さらに、接着剤層３５及びプローブ材料層３６を積層する場合は次のようにすることができる。図７（ａ）に示すように、中間層３４のプローブ保持領域３４ａ上に接着剤層３５を形成する。プローブ保持領域３４ａは上記のように親水性となっているため、親水性の生体分子接着剤（フィブロネクチン等）を接触させることにより、生体分子接着剤がプローブ保持領域３４ａにのみ残留する。
【００８６】
続いて、図７（ｂ）に示すように、接着剤層３５上に任意のプローブ材料を接触させると、接着剤層３５にプローブ材料が接着され、プローブ材料層３６が形成される。接着剤層３５が存在しない領域においてはプローブ材料が接着されず、プローブ材料層３６が形成されない。したがって、上記中間層３４の表面処理によってプローブ材料層３６を形成したい領域を任意に設定することが可能である。
【００８７】
以上のようにしてケミカルセンサ３を作成することが可能である。
【００８８】
［ケミカルセンサの特性］
上記のような構成を有するケミカルセンサ３の分光特性について説明する。下記の［表１］に示すパラメータを有するケミカルセンサ３について数値計算を行い、フォトダイオード２１表層の電磁場強度を指標として、信号成分（蛍光強度）とノイズ成分（励起光）の評価をした。なお、プローブ材料及びターゲット材料の厚さはナノオーダの膜厚であるため計算モデルには反映されていない。
【００８９】
【表１】
【００９０】
シミュレーション結果を図８に示す。横軸に入射角度、縦軸に信号成分（蛍光強度）とノイズ成分（励起光）を任意単位でプロットしている。蛍光強度の結果（破線：左Ｙ軸）からは、角度依存性が小さく抑えられており、これは導波路３２１の効果であると解釈できる。また、励起光強度（実線：右Ｙ軸）については、入射角度が大きいほど減衰しており、これは分光フィルタ３２３内を伝搬する光の光路長が長くなっているためであると解釈できる。また、ＳＮ（signal/noise)比としては１０４のオーダとなり、高精度の検出が可能であることが分かる。
【００９１】
［ケミカルセンサのセル配置］
上記のようにケミカルセンサ３はセル３０によって構成されるが、参照用のセルを配置することによってケミカルセンサ３を構成することも可能である。以下、上述した構成を有するセル３０を検出セル３０ａとし、ケミカルセンサ３はこの他に参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとする。
【００９２】
図９は、ケミカルセンサ３を上面側（プローブ材料層３６側）からみた図である。同図に示すように、ケミカルセンサ３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されている。検出セル３０ａは上述した構成のものであり、その配置数は任意であるが、メガピクセル級のものが好適である。
【００９３】
参照セル３０ｂは、上述した検出セル３０ａの構造において、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が形成されていないものである。参照セル３０ｂは、例えば検出セル３０ａの周囲に配置することができる。上記のように、中間層３４の表面処理によって接着剤層３５が形成されるプローブ保持領域を任意に設定可能であるので、参照セル３０ｂを形成するにあたってはプローブ保持領域を形成しない画素を作成すればよい。
【００９４】
詳細は後述するが、検出セル３０ａには励起光が照射され、プローブ材料層３６において、プローブ材料とターゲット材料の結合に起因する蛍光が発生する。励起光は導波路３２１の分光フィルタ３２３によって遮蔽され、蛍光のみがフォトダイオード２１に到達し、検出される構成となっている。ここで、励起光は分光フィルタ３２３によって完全には遮蔽されず、フォトダイオード２１によって検出される可能性がある。このため、プローブ材料層３６が形成されない参照セル３０ｂによってこの励起光の漏洩量を検出し、検出セル３０ａの検出結果の補正に利用することが可能となる。
【００９５】
黒色セル３０ｃは、上述したセル３０の構成において、金属層３２２に開口３２４が形成されず、即ち、導波路３２１が金属層３２２によって完全に遮蔽されているものである。黒色セル３０ｃは、例えば参照セル３０ｂの周囲に配置することができる。黒色セル３０ｃは、温度等によって影響を受け得るフォトダイオード２１の黒レベルの定義に用いられる。
【００９６】
ケミカルセンサ３は以上のような画素配置とすることができる。検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃの配置や数はここに示すものに限られず、適宜変更することが可能である。
【００９７】
［ケミカルセンサを用いた生体分子検出方法］
上述したケミカルセンサ３を用いた生体分子検出方法について説明する。ケミカルセンサ３は、各検出セル３０ａに任意のプローブ材料からなるプローブ材料層３６が形成されているものとする。
【００９８】
ターゲット材料の検出においては、例えば、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合は、５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡを用いることが例示される。この５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡに対し、測定資料中に、相補的な配列を有するＤＮＡが含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、プローブ材料はｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ（ｓｓ−ＤＮＡ）から、ｄｏｕｂｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ（ｄｓ−ＤＮＡ）となる。この変化により、蛍光分子の周囲の誘電率が変化することにより、蛍光の発光波長・強度が変化することを、フォトダイオード２１によって検出することができる。
【００９９】
また、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合で、プローブ材料としては、蛍光標識をしていないＤＮＡを用い、サンプル側に、５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡを用いることが例示される。この場合は、プローブ材料としてのＤＮＡに、相補的な配列を有するＤＮＡが、サンプルに含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、蛍光標識を有するｄｓ−ＤＮＡとなる。この蛍光標識からの蛍光の発光をフォトダイオード２１によって検出することができる。
【０１００】
もしくは、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合で、プローブ材料としては、蛍光標識をしていないＤＮＡを用い、サンプル側にも蛍光色素を導入しない。この場合は、プローブ材料としてのＤＮＡに、相補的な配列を有するＤＮＡが、サンプルに含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、ｄｓ−ＤＮＡとなる。ついで、ｄｓ−ＤＮＡのみを選択的に染色し蛍光標識を行う処理を、例えば、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ プローブ社のＰｉｃｏＧｒｅｅｎ ２本鎖ＤＮＡ定量試薬をもって行うことにより、ｄｓ−ＤＮＡ部に蛍光標識を導入する。この蛍光標識からの蛍光の発光をフォトダイオード２１によって検出する。
【０１０１】
上記のように、プローブ材料、ターゲット材料又はプローブ材料とターゲット材量の結合体に蛍光標識が施されている状態で、ケミカルセンサ３に励起光が照射されると、蛍光標識から蛍光が生じ、又は蛍光の波長・強度が変化する。この励起光の照射について、以下のようにすると好適である。
【０１０２】
図１０は、励起光照射装置１００の構成を示す模式図である。同図に示すように、励起光照射装置１００は、励起光源１０１、コリメータレンズ１０２、フライアイレンズ１０３、絞り１０４、コンデンサレンズ１０５を有する。この配置は所謂、ケーラー照明としてよく知られたものである。
【０１０３】
図１１は絞り１０４の形状の例を示す模式図であり、斜線領域が遮光部である。下記の説明においては図１１（ａ）に示す絞り形状を用いるが、図１１（ｂ）に示すような絞り形状を用いることも可能である。図１２は照射光の形状を示す模式図である。
【０１０４】
励起光源１０１から放出された励起光（レーザやハロゲン光）はコリメータレンズ１０２によって平行光に変換され、フライアイレンズ（小型レンズアレイ）１０３によって均一化される。フライアイレンズ１０３から出射した光は図１１（ａ）に示す絞り１０４によって輪帯状の２次光源形状に変換され、コンデンサレンズ１０５によってケミカルセンサ３上に集光される。このような構成により、励起光は、ケミカルセンサ３上の位置に拠らず、均一な強度と照明形状、照明角度で照射される。
【０１０５】
ここで、絞り１０４によって励起光が輪帯形状に変換されることにより、励起光が斜め方向からケミカルセンサ３の各セル３０に入射することとなる。上記シミュレーション結果の解釈において説明したように、斜入射照明により、励起光が垂直方向からセル３０に入射する場合に比べて分光フィルタ３２３を通過する距離が長くなり、分光フィルタ３２３によって十分に減衰することが可能となる。したがって、斜めから入射する励起光（斜入射光）を用いることにより、励起光強度を減衰させ、蛍光強度を維持できるため、高いＳＮ比を得ることができる。
【０１０６】
即ち、図１０に示した励起光の照射方法は、本実施形態に係るケミカルセンサ３を用いる場合に特に効果的であるといえる。なお、ケミカルセンサ３への入射光は輪帯形状に限られず、任意の斜入射形状とすることが可能であり、絞り１０４の形状によって調整することが可能である。
【０１０７】
［生体分子検出装置による信号処理］
上記のように、ケミカルセンサ３に励起光を照射することによって生じる蛍光を、フォトダイオード２１によって検出することによって、ターゲット材料を検出することができる。この際の生体分子検出装置１による信号処理動作を図４に示したケミカルセンサ３を例にとって説明する。
【０１０８】
ある特定のセル３０のフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｓ、参照セル３０ｂのフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｒｅｆ、黒色セル３０ｃのフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｂとする。まず、以下の（式１）に示すように、通常のイメージセンサでの画像処理と同様に黒レベルを差し引き、（式２）に示すように変換して、通常のＡＤ変換スケールに規格化する。
【０１０９】
Ｉｓ＝Ｉｓ−Ｉｂ （式１）
【０１１０】
Ｉｒｅｆ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｂ （式２）
【０１１１】
次に、以下の（式３）に示すように、信号Ｉｓと信号Ｉｒｅｆの差分を演算することによって、励起光の漏れ成分を相殺して蛍光成分Ｉｆｌのみを抽出する。
【０１１２】
Ｉｆｌ＝Ｉｓ−Ｉｒｅｆ （式３）
【０１１３】
以上のようにして、各セル３０についての光成分Ｉｆｌを高精度に求めることが可能である。
【０１１４】
以上のように本実施形態によれば、プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光が導波路３２１によってフォトダイオード２１に導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。さらに、導波路３２１が光反射性を有する反射面によって囲まれたものとすることにより、導波路３２１に入射した蛍光が反射面によって反射され、入射角度に係わらず蛍光を検出することが可能となると共に、反射面によって蛍光が隣接するセル３０に到達することを防止することが可能となる。
【０１１５】
さらに、導波路３２１が中間層３４側からフォトダイオード２１側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有するものとすることにより、等方的に発光する蛍光を広い範囲で導波路３２１に導きつつ、フォトダイオード２１に集光させることが可能となる。また、導波路３２１内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタ３２３を形成することにより、励起光がフォトダイオード２１に到達することを防止することができる。
【０１１６】
さらに、プローブ保持領域３４ａを導波路３２１に対向する大きさに形成することにより、蛍光の発生領域が導波路３２１の入射口より小さいため、蛍光の大部分を導波路３２１に導くことが可能となると共に、隣接するセル３０への蛍光の到達を防止することが可能となる。また、プローブ保持領域３４ａを、一部のセル３０のみに形成することにより、プローブ保持領域３４ａが形成されなかったセル３０を、漏洩した励起光の参照用として用い、蛍光検出信号の補正に用いることが可能となる。
【０１１７】
（第２の実施形態）
本技術の第２の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。なお、本実施形態においては、ケミカルセンサの画素配置が第１の実施形態と異なるが、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１１８】
［ケミカルセンサの画素配置］
図１３は、本実施形態に係るケミカルセンサ２０３を上面側からみた模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ２０３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとすることができる。検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃのそれぞれの構成は、第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、各検出セル３０ａの間にも参照セル３０ｂが配置され、検出セル３０ａは互いに隣接しないように配置されている。
【０１１９】
これにより、隣接する検出セル３０ａの距離は２画素ピッチ（ＸＹ方向）及び２√２画素ピッチ（対角）となり、検出セル３０ａからの蛍光による、隣接する検出セル３０ａへのクロストークを大幅に軽減することが可能となり、検出精度が向上する。
【０１２０】
また、図１３の斜線部に示すように、検出セル３０ａから十分離間した参照セル３０ｂからなる参照領域Ｒを設け、これらの参照セル３０ｂからの出力信号のみを参照信号（上記Ｉｒｅｆ）とすることも可能である。参照領域Ｒの配置や数は適宜変更することが可能である。
【０１２１】
以上のように、本実施形態においては、検出セル３０ａを離間させ、間に参照セル３０ｂを配置することにより、隣接する検出セル３０ａ間におけるクロストークを防止し、より高精度に生体分子を検出することが可能となる。
【０１２２】
（第３の実施形態）
本技術の第３の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。なお、本実施形態においては、ケミカルセンサの素子構造及び画素配置が第１の実施形態と異なるが、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１２３】
［ケミカルセンサの画素配置］
図１４は、本実施形態に係るケミカルセンサ３０３を上面側からみた模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ３０３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとすることができる。
【０１２４】
本実施形態に係る検出セル３０ａは、分光フィルタ３２３が蛍光波長の所定帯域のみを透過させるカラーフィルタであるものし、カットオフ波長（λｎより短波長側を遮光し、λｎより長波長側を透過する）が異なる４種のカラーフィルタが用いられるものする。即ち、ケミカルセンサ３０３には、第１色（λ１）のカラーフィルタを有する第１検出セル３０ａ１、第２色（λ２）のカラーフィルタを有する第２検出セル３０ａ２、第３色（λ３）のカラーフィルタを有する第３検出セル３０ａ２、第４色（λ４）のカラーフィルタを有する第４検出セル３０ａ４の４種類の検出セル３０ａが用いられているものとする。なお、カラーフィルタの種類（色）は４種に限られず、３種以下あるいは５種以上であってもよい。
【０１２５】
図１４に示すように、第１検出セル３０ａ１は、第２検出セル３０ａ２、第３検出セル３０ａ３及び第４検出セル３０ａ４とのみ隣接し、第１検出セル３０ａ１とは隣接しないように配置されている。第２検出セル３０ａ２、第３検出セル３０ａ３及び第４検出セル３０ａ４のそれぞれについても同様である。
【０１２６】
このような構成により、同種の検出セル３０ａｎ間(ｎ＝１、２、３、４）のクロストークを防止することができる。具体的には、図１０に示したような照射装置において、波長可変レーザ乃至はバンドパスフィルタを時系列で操作してλ１、λ２，λ３、λ４を順に発光するようにしてもよく、波長光源により同時照射してもよい。検出システム全体としては、コストへの効果は言うまでもなく、複数波長による検出が可能となり、より多角的な解析が可能となるとともに、共通のサンプルでの解析が可能となり、信頼性の高い解析が可能となると言う効果がある。
【０１２７】
本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
【０１２８】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
【０１２９】
（１）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、
上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、
上記光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と、
を具備するケミカルセンサ。
【０１３０】
（２）
上記（１）に記載のケミカルセンサであって、
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれている
ケミカルセンサ。
【０１３１】
（３）
上記（１）又は（２）に記載のケミカルセンサであって、
上記導波路は、上記中間層側から上記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
ケミカルセンサ。
【０１３２】
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３３】
（５）
上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタである
ケミカルセンサ。
【０１３４】
（６）
上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記カラーフィルタは、隣接する上記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有する
ケミカルセンサ。
【０１３５】
（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域は、上記導波路に対向する大きさに形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３６】
（８）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域は、一部の上記導波路について形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３７】
（９）
上記（１）から（８）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層
をさらに具備するケミカルセンサ。
【０１３８】
（１０）
上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
【０１３９】
（１１）
上記（１）から（１０）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原である
ケミカルセンサ。
【０１４０】
（１２）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と有するケミカルセンサと、
上記ケミカルセンサのそれぞれの上記フォトダイオードの出力信号を処理する信号処理回路と
を具備する生体分子検出装置。
【０１４１】
（１３）
上記（１２）に記載の生体分子検出装置であって、
上記信号処理回路は、上記プローブ保持領域が設けられた上記フォトダイオードと、上記プローブ保持領域が設けられていない上記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出する
生体分子検出装置。
【０１４２】
（１４）
上記（１２）又は（１３）に記載の生体分子検出装置であって、
上記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号とする
生体分子検出装置。
【０１４３】
（１５）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備し、
上記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成し、
上記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成し、
測定対象物質を上記プローブ材料層に接触させて、上記測定対象物質に含まれたターゲット材量を上記プローブ材料と結合させ、
上記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去し、
上記ターゲット材料と上記プローブ材料の結合に起因する蛍光を上記フォトダイオードによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４４】
（１６）
上記（１５）に記載の生体分子検出方法であって、
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれ、
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、
上記蛍光を検出するステップでは、斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を上記ケミカルセンサに照射する
生体分子検出方法。
【０１４５】
（１７）
上記（１５）又は（１６）に記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている上記プローブ材料と上記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４６】
（１８）
上記（１５）から（１７）のうちいずれか一つに記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４７】
（１９）
上記（１５）から（１８）のうちいずれか一つに記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と上記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【符号の説明】
【０１４８】
１…生体分子検出装置
２…基板
３…ケミカルセンサ
２１…フォトダイオード
３１…保護絶縁層
３２…光学層
３３…平坦化層
３４…中間層
３５…接着剤層
３６…プローブ材料層
【技術分野】
【０００１】
本技術は、蛍光発光に基づいて生体分子を検出するためのケミカルセンサ、当該ケミカルセンサを搭載する生体分子検出装置及び当該生体分子検出装置を用いる生体分子検出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、医学、生化学、分子生物学等の分野において、蛋白質、各種抗原分子、ＤＮＡdeoxyribonucleic acid）、ＲＮＡ(ribo nucleic acid)等の生体分子の検出が重要となってきている。特に、これら生体分子のサンプル量が、場合により、ｐｍｏｌからｆｍｏｌオーダと非常に少ない為、高感度・高精度な検出方法の開発が要求されている。
【０００３】
高感度な検出方法として、蛍光を検出する方法が最も一般的に用いられている。この蛍光による検出方法は、例えば、予め検出対象であるターゲット材料を蛍光マーカで標識しておき、当該ターゲット材料と特異的に相互作用するプローブ材料を固着させた光学センサによって、プローブ材料に吸着したターゲット材料からの蛍光を検出するものである。
【０００４】
例えば、特許文献１には、有機分子プローブ配置領域が形成されたシリコン基板と固体撮像素子が一体化された有機分子検出用半導体素子が開示されている。当該素子は、有機分子プローブ配置領域に配置された有機分子プローブとターゲット材料の結合によって生じる蛍光が個体撮像素子によって検出される構成となっている。
【０００５】
また、特許文献２には、ダブルゲート型トランジスタ（光電変換素子）とプローブ材料からなるスポットの間にマイクロレンズが搭載された生体高分子分析チップが開示されている。当該チップにおいては、プローブ材料と結合したターゲット材料から生じる蛍光がマイクロレンズによって集光され、ダブルゲート型トランジスタによって検出される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００２−２０２３０３
【特許文献２】特開２００６−４９９１
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献１に記載の構成では、有機分子プローブからの等方的な発光を、個体撮像素子に導く光学系が存在しないため、充分な光量を得ることができず、感度が低く精度に劣るという問題がある。さらに、等方的な発光は隣接する固体撮像素子にも入り、検出信号にクロストークが発生してしまうおそれがある。また、有機分子プローブを結合させる表面の材質も規定されておらず、有機分子プローブを表面に均一に結合させることによる検出精度の向上も図られていなかった。
【０００８】
また、特許文献２に記載の構成では、マイクロレンズの上面に光透過性のトップゲート電極が形成されている。このようなトップゲート電極は、光透過性の電極材料であるＩＴＯ（Indium Tin Oxide）やグラフェン等によって形成されるものと考えられる。しかし、これらの材料は低い抵抗値とするためには膜厚を大きくする必要があり、それによって膜の光透過率が低下し、感度劣化を生じることが考えられる。
【０００９】
以上のような事情に鑑み、本技術の目的は、高精度に生体分子を検出することが可能なケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係るケミカルセンサは、基板と、光学層と、中間層とを具備する。
上記基板は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成されている。
上記光学層は、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成されている。
上記中間層は、光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成されている。
【００１１】
この構成によれば、プローブ保持領域に保持されたプローブ材料と、当該プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光を、フォトダイオードで検出する。この際、各フォトダイオード毎に設けられた導波路によって蛍光がフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００１２】
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれていてもよい。
【００１３】
この構成によれば、導波路に入射した蛍光が反射面によって反射され、入射角度に係わらず蛍光を検出することが可能となる。さらに、反射面によって蛍光が隣接するセルに到達することを防止することが可能となる。
【００１４】
上記導波路は、上記中間層側から上記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
【００１５】
この構成によれば、等方的に発光する蛍光を広い角度範囲で導波路に導きつつ、フォトダイオードに集光させることが可能となる。
【００１６】
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されていてもよい。
【００１７】
この構成によれば、励起光がフォトダイオードに到達することを防止することができる。励起光は、蛍光を発生させるためにケミカルセンサに照射されるものであるが、フォトダイオードによる検出を理想的にはゼロにする必要がある。本構成によれば、分光フィルタによって、蛍光のみをフォトダイオードに到達させることが可能となる。
【００１８】
上記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタであってもよい。
【００１９】
この構成によれば、カラーフィルタによって、蛍光のみをフォトダイオードに到達させることが可能となる。
【００２０】
上記カラーフィルタは、隣接する上記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有してもよい。
【００２１】
この構成によれば、励起波長を変えた生体分子のセンシングが可能となり、多角的な解析による高精度解析が可能となる。
【００２２】
上記プローブ保持領域は、上記導波路に対向する大きさに形成されている。
【００２３】
この構成によれば、プローブ保持領域、即ち、蛍光の発生領域が導波路の入射口より小さいため、蛍光の大部分を導波路に導くことが可能となると共に、隣接するセルへの蛍光の到達を防止することが可能となる。
【００２４】
上記プローブ保持領域は、一部の上記導波路について形成されていてもよい。
【００２５】
この構成によれば、プローブ保持領域が形成されなかったセルを、漏洩した励起光の参照用として用いることが可能となる。上記のように励起光は、分光フィルタによって減衰されるが、完全には減衰されない場合もある。このため、プローブ保持領域が形成されず、即ち蛍光が生じないセルの信号を参照することにより、蛍光検出信号を補正することが可能となる。
【００２６】
上記ケミカルセンサは、上記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層をさらに具備してもよい。
【００２７】
この構成によれば、ユーザが任意のプローブ材料を接着剤層に接着させ、利用することが可能となる。
【００２８】
上記ケミカルセンサは、上記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備してもよい。
【００２９】
この構成によれば、ターゲット材料を含む測定試料をケミカルセンサに接触させることにより、ターゲット材料の検出が可能となる。
【００３０】
上記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原であってもよい。
【００３１】
この構成によれば、これらのプローブ材料に特異的に結合するターゲット材料の検出が可能となる。
【００３２】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体分子検出装置は、ケミカルセンサと、信号処理回路とを具備する。
上記ケミカルセンサは、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と有する。
上記信号処理回路は、上記ケミカルセンサのそれぞれの上記フォトダイオードの出力信号を処理する。
【００３３】
この構成によれば、プローブ保持領域に保持されたプローブ材料と、当該プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光を、フォトダイオードで検出する。この際、各フォトダイオード毎に設けられた導波路によって蛍光がフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００３４】
上記信号処理回路は、上記プローブ保持領域が設けられた上記フォトダイオードと、上記プローブ保持領域が設けられていない上記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出してもよい。
【００３５】
この構成によれば、信号処理回路はプローブ保持領域が形成されず、即ち蛍光が生じないセルの信号を参照することにより、蛍光検出信号を補正することが可能となる。
【００３６】
上記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号としてもよい。
【００３７】
この構成によれば、遮光されたフォトダイオードの出力信号をフォトダイオードの黒レベルの定義に利用することが可能となる。
【００３８】
上記目的を達成するため、本技術の一形態に係る生体分子検出方法は、平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備する。
上記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成する。
上記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成する。
測定対象物質を上記プローブ材料層に接触させて、上記測定対象物質に含まれたターゲット材量を上記プローブ材料と結合させる。
上記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去する。
上記ターゲット材料と上記プローブ材料の結合に起因する蛍光を上記フォトダイオードによって検出する。
【００３９】
この構成によれば、ターゲット材料とプローブ材料の結合に起因する蛍光が導波路によってフォトダイオードに導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００４０】
上記導波路は光反射性を有する反射面によって囲まれ、上記導波路内には励起光を減衰させ蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、上記蛍光を検出するステップでは斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を上記ケミカルセンサに照射してもよい。
【００４１】
この構成によれば、蛍光を高精度に検出することが可能となる。上記ケミカルセンサは分光フィルタが形成された導波路と、導波路を囲む反射面を有しており、斜め方向から導波路に入射した励起光は、垂直方向から入射した場合に比べ、分光フィルタ内を進む距離が長く、より減衰される。即ち、励起光を斜入射光又は輪帯照明光とすることにより、励起光の減衰を促進させ、ＳＮ（signal/noise)比を向上させることが可能となる。
【００４２】
上記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている上記プローブ材料と上記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４３】
この構成によれば、プローブ材料とターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を高精度に検出することが可能となる。
【００４４】
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４５】
この構成によれば、プロー部材料と結合した蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【００４６】
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と上記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を上記ケミカルセンサによって検出してもよい。
【００４７】
この構成によれば、プローブ材料とターゲット材料の結合体による蛍光を高精度に検出することが可能となる。
【発明の効果】
【００４８】
以上のように、本技術によれば、高精度に生体分子を検出することが可能なケミカルセンサ、生体分子検出装置及び生体分子検出方法を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００４９】
【図１】本技術の第１の実施形態に係る生体分子検出装置の構成を示す模式図である。
【図２】同生体分子検出装置のケミカルセンサの構造を示す模式図である。
【図３】同生体分子検出装置のケミカルセンサの構造を示す斜視図である。
【図４】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図５】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図６】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図７】同生体分子検出装置のケミカルセンサの作成方法を示す模式図である。
【図８】同生体分子検出装置のケミカルセンサによるシミュレーション結果を示すグラフである。
【図９】同生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【図１０】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置の模式図である。
【図１１】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置の絞りの形状を示す模式図である。
【図１２】同生体分子検出装置のケミカルセンサに適した照明装置による照明光の形状を示す模式図である。
【図１３】本技術の第２の実施形態に係る生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【図１４】本技術の第３の実施形態に係る生体分子検出装置のケミカルセンサのセル配置を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００５０】
（第１の実施形態）
本技術の第１の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。
【００５１】
［生体分子検出装置の全体構成］
図１は、本実施形態に係る生体分子検出装置１の構成を示す模式図である。同図に示すように、生体分子検出装置１は、基板２上に配列された複数のセル３０からなるケミカルセンサ３と、ケミカルセンサ３を駆動するための周辺回路から構成されている。詳細は後述するが、各セル３０にはそれぞれひとつのフォトダイオード２１が設けられている。
【００５２】
セル３０の数や配列については限定されず、適宜変更することが可能である。ここでは、セル３０は基板２の平面上において行列状に配列されているものとし、行の方向を垂直方向、列の方向を水平方向とする。
【００５３】
周辺回路は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７から構成されている。また、各セル３０のフォトダイオード２１は行毎に画素駆動線８に接続され、かつ列毎に垂直信号線９に接続されている。各画素駆動線８は垂直駆動回路４に接続され、垂直信号線９はカラム信号処理回路５に接続されている。
【００５４】
カラム信号処理回路５は、水平駆動回路６に接続され、システム制御回路７は、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６に接続されている。なお、周辺回路は画素領域に積層される位置、あるいは基板２の反対側等に配置することも可能である。
【００５５】
垂直駆動回路４は、例えばシフトレジスタによって構成され、画素駆動線８を選択し、選択された画素駆動線８にフォトダイオード２１を駆動するためのパルスを供給し、フォトダイオード２１を行単位で駆動する。即ち、垂直駆動回路４は、各フォトダイオード２１を行単位で順次垂直方向に選択走査する。そして、画素駆動線８に対して垂直に配線された垂直信号線９を通して、各フォトダイオード２１において受光量に応じて生成した信号電荷に基づく画素信号をカラム信号処理回路５に供給する。
【００５６】
カラム信号処理回路５は、１行分のフォトダイオード２１から出力される信号に対して画素列ごとにノイズ除去等の信号処理を行う。即ちカラム信号処理回路５は、画素固有の固定パターンノイズを除去するための相関二重サンプリング（ＣＤＳ：Correlated Double Sampling)や、信号増幅、アナログ／デジタル変換（ＡＤ：Analog/Digital Conversion）等の信号処理を行う。
【００５７】
水平駆動回路６は、例えばシフトレジスタによって構成され、水平走査パルスを順次出力することによって、カラム信号処理回路５の各々を順番に選択し、カラム信号処理回路５の各々から画素信号を出力させる。
【００５８】
システム制御回路７は、入力クロックと、動作モード等を指定するデータを受け取り、またケミカルセンサ３の内部情報等のデータを出力する。即ち、システム制御回路７は、垂直同期信号、水平同期信号及びマスタクロックに基づいて、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６などの動作の基準となるクロック信号や制御信号を生成する。そして、システム制御回路７は、これらの信号を垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５及び水平駆動回路６等に入力する。
【００５９】
以上のように、垂直駆動回路４、カラム信号処理回路５、水平駆動回路６及びシステム制御回路７と、後述するフォトダイオード２１に設けられた画素回路とによって、各フォトダイオード２１を駆動する駆動回路が構成されている。
【００６０】
［ケミカルセンサの構造］
上記ケミカルセンサ３の構成について説明する。
【００６１】
図２及び図３は、本実施形態に係るケミカルセンサ３の、ひとつのセル３０を示す模式図である。図２はセル３０の断面図であり、図３はセル３０の斜視図である。これらの図に示すようにケミカルセンサ３は、基板２上に、保護絶縁層３１、光学層３２、平坦化層３３、中間層３４、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が積層されて構成されている。
【００６２】
基板２は例えば単結晶シリコンからなり、基板２の一主面側を受光面とし、受光面側の表面層には、不純物領域からなるフォトダイオード２１が二次元的に配列形成されている。このフォトダイオード２１は、セル３０毎に設けられている。
【００６３】
なお、フォトダイオード２１は、図示したように基板２における受光面側となる一主面側のみに設けられるか、または一主面側から他の主面側にかけて設けられていても良い。ケミカルセンサ３は、ＣＭＯＳ（Complementary Metal Oxide Semiconductor）やＣＣＤ(Charge Coupled Device）型の素子構造であるものとすることができ、必要に応じてここでの図示を省略した素子分離やフローティングディフュージョンなどの他の不純物領域が配置されていることとする。
【００６４】
また、フォトダイオード２１を含む不純物領域が設けられた基板２上には、ここでの図示を省略したゲート絶縁膜やゲート電極等が配置されていても良い。この場合、ゲート絶縁膜やゲート電極を覆う状態で、保護絶縁層３１が配置されていることとする。また、ゲート絶縁膜やゲート電極を含む画素回路は、基板２における受光面とは反対側の面に配置されていても良い。
【００６５】
光学層３２は、後述する蛍光をフォトダイオード２１に導くための層である。図２及び図３に示すように、光学層３２には導波路３２１が形成されている。導波路３２１は、各フォトダイオード２１に蛍光を導くための構造であり、各フォトダイオード２１に向けて形成されている。本実施形態においては、導波路３２１は、光反射性を有する金属（Ａｌ、Ｃｕ等）からなる金属層３２２に貫通孔を形成することによって形成され、したがって光反射性を有する反射面によって囲まれている。
【００６６】
また、導波路３２１は、フォトダイオード２１側の径が漸次小さくなるテーパー形状とすることができる。これにより、等方的に発光する蛍光を広い範囲で導波路に導きつつ、フォトダイオード２１に集光させることが可能となる。
【００６７】
導波路３２１の内部には、分光材料からなる分光フィルタ３２３が設けられている。分光材料は励起光を減衰させ、蛍光を透過させる材料であり、励起光や蛍光の波長に応じて適宜選択することが可能である。分光フィルタ３２３として、蛍光の所定の波長帯域を透過させるカラーフィルタを用いることができる。カラーフィルタは、顔料や染料を用いたカラーフィルタが好適である。
【００６８】
金属層３２２と分光フィルタ３２３により、光を反射するクラッド層と光が伝播するコア層が形成される。コア層となる分光フィルタ３２３中を伝搬する時に、励起光は吸収、減衰しながら伝搬し、蛍光光はクラッド層で反射しながら低損失でＰＤまで伝搬することになる。生体材料からの蛍光は等方的であるので、光ファイバーのような屈折率差を利用した導波路構造では臨界角以上の角度成分を持つ蛍光は伝搬することができず、十分な検出信号強度が得られないだけでなく、隣接する画素に混色（クロストーク）してしまい検出ノイズになると言うケミカルセンサとしては致命的な不具合が発生する。
【００６９】
このため本技術ではクラッド層の材料としてはＡｌ、Ｃｕなどの金属材料を用いて、取り込める角度成分を増やすと共に隣接する画素への混色を大幅に低減する。なお、クラッド層材料は蛍光光波長に対して反射率が十分高いものを選択する必要がある。
【００７０】
平坦化層３３は、光学層３２の平坦化するための層である。光学層３２の上面には、分光フィルタ５１が形成される際に凹凸が生じる場合があり、平坦化層３３は上層（中間層３４等）の形成のためにこの凹凸を平坦化するための層である。平坦化層３３の材料は、蛍光光波長に対して透明であり、光学層３２を構成する金属材料や分光材料に対して密着性の高い有機系材料が好適である。
【００７１】
中間層３４は、接着剤層３５及びその上層に形成されるプローブ材料層３６を領域選択的に形成させる層である。具体的には、後述するプロセスにより中間層３４の所定領域のみに接着剤層３５が形成されるような表面処理を施すことができる。このような中間層３４は例えば、接着剤層３５を形成したい領域（以下、プローブ保持領域とする）を親水性とし、それ以外の領域を疎水性とした酸化シリコンや窒素シリコンとすることができる。
【００７２】
プローブ保持領域は、各フォトダイオード２１の直上に、導波路３２１の径より小さい大きさ、即ち、一個のプローブ保持領域の全体が導波路３２１に対向する大きさで形成されたものが好適である。これにより、プローブ材料層３６から生じる蛍光を効率的に導波路３２１に入射させることができる。
【００７３】
接着剤層３５は、プローブ材料層３６を保持するための層である。上述のように接着剤層３５は中間層３４のプローブ保持領域上のみに積層され、プローブ材料層３６をプローブ保持領域上のみに保持する。接着剤層３５は、上記プローブ保持領域のみに選択的に吸着し、かつプローブ材料（生体分子）が接着することが可能な生体分子接着剤からなるものとすることができ、このような材料としては例えばフィブロネクチンが挙げられる。
【００７４】
プローブ材料層３６は、生体分子（ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質、各種抗原等）の中から検出対象のターゲット材料に応じて適宜選択されるプローブ材料からなる。プローブ材料層３６は、プローブ材料が上述の接着剤層３５に接着されて形成され、即ち接着剤層３５が形成されているプローブ保持領域上にのみ形成される。
【００７５】
ケミカルセンサ３は以上のような構造を有するセル３０によって構成されている。なお、ケミカルセンサ３は、プローブ材料層３６が設けられていない状態でユーザに供給されてもよい。この場合、ユーザが任意のプローブ材料を各接着剤層３５に接着させて利用することができる。
【００７６】
また、ケミカルセンサ３は、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が設けられていない状態でユーザに供給されてもよい。この場合、ユーザが任意の生体分子接着剤及びプローブ材料を用いて利用することができる。この場合であっても、中間層３４に上記のような表面処理が施されているため、ユーザはプローブ保持領域のみに接着剤を吸着させ、即ちプローブ保持領域のみにプローブ材料を接着させることができる。
【００７７】
［ケミカルセンサの作成方法］
上記のような構成を有するケミカルセンサ３の作成方法について説明する。
【００７８】
図４乃至図７は、ケミカルセンサ３の作成方法を示す模式図である。なお、これらの図においては一個のセル３０を示しているが、実際には、基板２上に配置される複数のセル３０を同時に作成することが可能である。
【００７９】
まず、図４（ａ）に示すように、単結晶シリコン等からなる基板２にフォトダイオード２１を形成する。フォトダイオード２１は、マスクを用いたイオン注入及び熱処理によって不純物領域を形成し、さらに基板２の内部に図示しないゲート絶縁膜及びゲート電極等を形成することによって作成することが可能である。フォトダイオード２１は、上述のように基板２上に行列上に配列させることができる。
【００８０】
次に、図４（ｂ）に示すように、フォトダイオード２１が形成された基板２上に保護絶縁層３１を任意の成膜方法により成膜する。さらに図４（ｃ）に示すように、保護絶縁層３１上に金属層３２２を形成する。金属層３２２は、例えばスパッタリング法により形成することができる。
【００８１】
続いて図５（ａ）に示すように、各フォトダイオード２１の上部に位置する金属層３２２をパターニングして、導波路３２１となる開口３２４を形成する。金属層３２２のパターニングは例えば、リソグラフィとドライエッチングによりすることができる。次に図５（ｂ）に示すように、開口３２４に分光材料を充填して分光フィルタ３２３を形成する。この際、分光フィルタ３２３の上面に凹凸が発生する場合がある。開口３２４内での分光フィルタ３２３の形成により、導波路３２１が形成される
【００８２】
次に図５（ｃ）に示すように、分光フィルタ３２３上に平坦化材料をコートし、必要に応じてベーク処理を実施して平坦化層３３を形成する。さらに、平坦化層３３上に中間層３４を形成する。中間層３４は、図６（ａ）に示すように酸化シリコン等の材料を平坦化層３３上に積層し、図６（ｂ）に示すように感光性シランカップリング剤を積層することによって作成することができる。
【００８３】
さらに、図６（ｃ）に示すように、中間層３４にフォトマスクを介して紫外線を部分的に照射し、プローブ保持領域３４ａを形成する。感光性シランカップリング剤は紫外線が照射されることによって変性し、親水性となる。したがって、フォトリソグラフィによってプローブ保持領域３４ａを設定したい領域に選択的に紫外線を照射することにより、当該領域のみを親水性とし、その他の領域を疎水性とすることが可能となる。
【００８４】
本実施形態においては、プローブ保持領域３４ａは、各フォトダイオード２１の直上に、導波路３２１の径より小さい大きさ、即ち、一個のプローブ保持領域の全体が導波路３２１に対向する大きさで形成することができる。以上のようにして、ケミカルセンサ３を作成することが可能である。
【００８５】
さらに、接着剤層３５及びプローブ材料層３６を積層する場合は次のようにすることができる。図７（ａ）に示すように、中間層３４のプローブ保持領域３４ａ上に接着剤層３５を形成する。プローブ保持領域３４ａは上記のように親水性となっているため、親水性の生体分子接着剤（フィブロネクチン等）を接触させることにより、生体分子接着剤がプローブ保持領域３４ａにのみ残留する。
【００８６】
続いて、図７（ｂ）に示すように、接着剤層３５上に任意のプローブ材料を接触させると、接着剤層３５にプローブ材料が接着され、プローブ材料層３６が形成される。接着剤層３５が存在しない領域においてはプローブ材料が接着されず、プローブ材料層３６が形成されない。したがって、上記中間層３４の表面処理によってプローブ材料層３６を形成したい領域を任意に設定することが可能である。
【００８７】
以上のようにしてケミカルセンサ３を作成することが可能である。
【００８８】
［ケミカルセンサの特性］
上記のような構成を有するケミカルセンサ３の分光特性について説明する。下記の［表１］に示すパラメータを有するケミカルセンサ３について数値計算を行い、フォトダイオード２１表層の電磁場強度を指標として、信号成分（蛍光強度）とノイズ成分（励起光）の評価をした。なお、プローブ材料及びターゲット材料の厚さはナノオーダの膜厚であるため計算モデルには反映されていない。
【００８９】
【表１】
【００９０】
シミュレーション結果を図８に示す。横軸に入射角度、縦軸に信号成分（蛍光強度）とノイズ成分（励起光）を任意単位でプロットしている。蛍光強度の結果（破線：左Ｙ軸）からは、角度依存性が小さく抑えられており、これは導波路３２１の効果であると解釈できる。また、励起光強度（実線：右Ｙ軸）については、入射角度が大きいほど減衰しており、これは分光フィルタ３２３内を伝搬する光の光路長が長くなっているためであると解釈できる。また、ＳＮ（signal/noise)比としては１０４のオーダとなり、高精度の検出が可能であることが分かる。
【００９１】
［ケミカルセンサのセル配置］
上記のようにケミカルセンサ３はセル３０によって構成されるが、参照用のセルを配置することによってケミカルセンサ３を構成することも可能である。以下、上述した構成を有するセル３０を検出セル３０ａとし、ケミカルセンサ３はこの他に参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとする。
【００９２】
図９は、ケミカルセンサ３を上面側（プローブ材料層３６側）からみた図である。同図に示すように、ケミカルセンサ３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されている。検出セル３０ａは上述した構成のものであり、その配置数は任意であるが、メガピクセル級のものが好適である。
【００９３】
参照セル３０ｂは、上述した検出セル３０ａの構造において、接着剤層３５及びプローブ材料層３６が形成されていないものである。参照セル３０ｂは、例えば検出セル３０ａの周囲に配置することができる。上記のように、中間層３４の表面処理によって接着剤層３５が形成されるプローブ保持領域を任意に設定可能であるので、参照セル３０ｂを形成するにあたってはプローブ保持領域を形成しない画素を作成すればよい。
【００９４】
詳細は後述するが、検出セル３０ａには励起光が照射され、プローブ材料層３６において、プローブ材料とターゲット材料の結合に起因する蛍光が発生する。励起光は導波路３２１の分光フィルタ３２３によって遮蔽され、蛍光のみがフォトダイオード２１に到達し、検出される構成となっている。ここで、励起光は分光フィルタ３２３によって完全には遮蔽されず、フォトダイオード２１によって検出される可能性がある。このため、プローブ材料層３６が形成されない参照セル３０ｂによってこの励起光の漏洩量を検出し、検出セル３０ａの検出結果の補正に利用することが可能となる。
【００９５】
黒色セル３０ｃは、上述したセル３０の構成において、金属層３２２に開口３２４が形成されず、即ち、導波路３２１が金属層３２２によって完全に遮蔽されているものである。黒色セル３０ｃは、例えば参照セル３０ｂの周囲に配置することができる。黒色セル３０ｃは、温度等によって影響を受け得るフォトダイオード２１の黒レベルの定義に用いられる。
【００９６】
ケミカルセンサ３は以上のような画素配置とすることができる。検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃの配置や数はここに示すものに限られず、適宜変更することが可能である。
【００９７】
［ケミカルセンサを用いた生体分子検出方法］
上述したケミカルセンサ３を用いた生体分子検出方法について説明する。ケミカルセンサ３は、各検出セル３０ａに任意のプローブ材料からなるプローブ材料層３６が形成されているものとする。
【００９８】
ターゲット材料の検出においては、例えば、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合は、５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡを用いることが例示される。この５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡに対し、測定資料中に、相補的な配列を有するＤＮＡが含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、プローブ材料はｓｉｎｇｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ（ｓｓ−ＤＮＡ）から、ｄｏｕｂｌｅ−ｓｔｒａｎｄｅｄ ＤＮＡ（ｄｓ−ＤＮＡ）となる。この変化により、蛍光分子の周囲の誘電率が変化することにより、蛍光の発光波長・強度が変化することを、フォトダイオード２１によって検出することができる。
【００９９】
また、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合で、プローブ材料としては、蛍光標識をしていないＤＮＡを用い、サンプル側に、５’−ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｉｎ化されたＤＮＡを用いることが例示される。この場合は、プローブ材料としてのＤＮＡに、相補的な配列を有するＤＮＡが、サンプルに含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、蛍光標識を有するｄｓ−ＤＮＡとなる。この蛍光標識からの蛍光の発光をフォトダイオード２１によって検出することができる。
【０１００】
もしくは、プローブ材料としてＤＮＡを用いる場合で、プローブ材料としては、蛍光標識をしていないＤＮＡを用い、サンプル側にも蛍光色素を導入しない。この場合は、プローブ材料としてのＤＮＡに、相補的な配列を有するＤＮＡが、サンプルに含有されていると、ハイブリダイゼーション反応がおき、ｄｓ−ＤＮＡとなる。ついで、ｄｓ−ＤＮＡのみを選択的に染色し蛍光標識を行う処理を、例えば、Ｍｏｌｅｃｕｌａｒ プローブ社のＰｉｃｏＧｒｅｅｎ ２本鎖ＤＮＡ定量試薬をもって行うことにより、ｄｓ−ＤＮＡ部に蛍光標識を導入する。この蛍光標識からの蛍光の発光をフォトダイオード２１によって検出する。
【０１０１】
上記のように、プローブ材料、ターゲット材料又はプローブ材料とターゲット材量の結合体に蛍光標識が施されている状態で、ケミカルセンサ３に励起光が照射されると、蛍光標識から蛍光が生じ、又は蛍光の波長・強度が変化する。この励起光の照射について、以下のようにすると好適である。
【０１０２】
図１０は、励起光照射装置１００の構成を示す模式図である。同図に示すように、励起光照射装置１００は、励起光源１０１、コリメータレンズ１０２、フライアイレンズ１０３、絞り１０４、コンデンサレンズ１０５を有する。この配置は所謂、ケーラー照明としてよく知られたものである。
【０１０３】
図１１は絞り１０４の形状の例を示す模式図であり、斜線領域が遮光部である。下記の説明においては図１１（ａ）に示す絞り形状を用いるが、図１１（ｂ）に示すような絞り形状を用いることも可能である。図１２は照射光の形状を示す模式図である。
【０１０４】
励起光源１０１から放出された励起光（レーザやハロゲン光）はコリメータレンズ１０２によって平行光に変換され、フライアイレンズ（小型レンズアレイ）１０３によって均一化される。フライアイレンズ１０３から出射した光は図１１（ａ）に示す絞り１０４によって輪帯状の２次光源形状に変換され、コンデンサレンズ１０５によってケミカルセンサ３上に集光される。このような構成により、励起光は、ケミカルセンサ３上の位置に拠らず、均一な強度と照明形状、照明角度で照射される。
【０１０５】
ここで、絞り１０４によって励起光が輪帯形状に変換されることにより、励起光が斜め方向からケミカルセンサ３の各セル３０に入射することとなる。上記シミュレーション結果の解釈において説明したように、斜入射照明により、励起光が垂直方向からセル３０に入射する場合に比べて分光フィルタ３２３を通過する距離が長くなり、分光フィルタ３２３によって十分に減衰することが可能となる。したがって、斜めから入射する励起光（斜入射光）を用いることにより、励起光強度を減衰させ、蛍光強度を維持できるため、高いＳＮ比を得ることができる。
【０１０６】
即ち、図１０に示した励起光の照射方法は、本実施形態に係るケミカルセンサ３を用いる場合に特に効果的であるといえる。なお、ケミカルセンサ３への入射光は輪帯形状に限られず、任意の斜入射形状とすることが可能であり、絞り１０４の形状によって調整することが可能である。
【０１０７】
［生体分子検出装置による信号処理］
上記のように、ケミカルセンサ３に励起光を照射することによって生じる蛍光を、フォトダイオード２１によって検出することによって、ターゲット材料を検出することができる。この際の生体分子検出装置１による信号処理動作を図４に示したケミカルセンサ３を例にとって説明する。
【０１０８】
ある特定のセル３０のフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｓ、参照セル３０ｂのフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｒｅｆ、黒色セル３０ｃのフォトダイオード２１の出力信号を信号Ｉｂとする。まず、以下の（式１）に示すように、通常のイメージセンサでの画像処理と同様に黒レベルを差し引き、（式２）に示すように変換して、通常のＡＤ変換スケールに規格化する。
【０１０９】
Ｉｓ＝Ｉｓ−Ｉｂ （式１）
【０１１０】
Ｉｒｅｆ＝Ｉｒｅｆ−Ｉｂ （式２）
【０１１１】
次に、以下の（式３）に示すように、信号Ｉｓと信号Ｉｒｅｆの差分を演算することによって、励起光の漏れ成分を相殺して蛍光成分Ｉｆｌのみを抽出する。
【０１１２】
Ｉｆｌ＝Ｉｓ−Ｉｒｅｆ （式３）
【０１１３】
以上のようにして、各セル３０についての光成分Ｉｆｌを高精度に求めることが可能である。
【０１１４】
以上のように本実施形態によれば、プローブ材料と特異的に結合するターゲット材料の結合に起因する蛍光が導波路３２１によってフォトダイオード２１に導かれるため、蛍光を高精度に検出することが可能となる。さらに、導波路３２１が光反射性を有する反射面によって囲まれたものとすることにより、導波路３２１に入射した蛍光が反射面によって反射され、入射角度に係わらず蛍光を検出することが可能となると共に、反射面によって蛍光が隣接するセル３０に到達することを防止することが可能となる。
【０１１５】
さらに、導波路３２１が中間層３４側からフォトダイオード２１側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有するものとすることにより、等方的に発光する蛍光を広い範囲で導波路３２１に導きつつ、フォトダイオード２１に集光させることが可能となる。また、導波路３２１内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタ３２３を形成することにより、励起光がフォトダイオード２１に到達することを防止することができる。
【０１１６】
さらに、プローブ保持領域３４ａを導波路３２１に対向する大きさに形成することにより、蛍光の発生領域が導波路３２１の入射口より小さいため、蛍光の大部分を導波路３２１に導くことが可能となると共に、隣接するセル３０への蛍光の到達を防止することが可能となる。また、プローブ保持領域３４ａを、一部のセル３０のみに形成することにより、プローブ保持領域３４ａが形成されなかったセル３０を、漏洩した励起光の参照用として用い、蛍光検出信号の補正に用いることが可能となる。
【０１１７】
（第２の実施形態）
本技術の第２の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。なお、本実施形態においては、ケミカルセンサの画素配置が第１の実施形態と異なるが、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１１８】
［ケミカルセンサの画素配置］
図１３は、本実施形態に係るケミカルセンサ２０３を上面側からみた模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ２０３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとすることができる。検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃのそれぞれの構成は、第１の実施形態と同様であるが、本実施形態においては、各検出セル３０ａの間にも参照セル３０ｂが配置され、検出セル３０ａは互いに隣接しないように配置されている。
【０１１９】
これにより、隣接する検出セル３０ａの距離は２画素ピッチ（ＸＹ方向）及び２√２画素ピッチ（対角）となり、検出セル３０ａからの蛍光による、隣接する検出セル３０ａへのクロストークを大幅に軽減することが可能となり、検出精度が向上する。
【０１２０】
また、図１３の斜線部に示すように、検出セル３０ａから十分離間した参照セル３０ｂからなる参照領域Ｒを設け、これらの参照セル３０ｂからの出力信号のみを参照信号（上記Ｉｒｅｆ）とすることも可能である。参照領域Ｒの配置や数は適宜変更することが可能である。
【０１２１】
以上のように、本実施形態においては、検出セル３０ａを離間させ、間に参照セル３０ｂを配置することにより、隣接する検出セル３０ａ間におけるクロストークを防止し、より高精度に生体分子を検出することが可能となる。
【０１２２】
（第３の実施形態）
本技術の第３の実施形態に係る生体分子検出装置について説明する。なお、本実施形態においては、ケミカルセンサの素子構造及び画素配置が第１の実施形態と異なるが、その他の構成については第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。
【０１２３】
［ケミカルセンサの画素配置］
図１４は、本実施形態に係るケミカルセンサ３０３を上面側からみた模式図である。同図に示すように、ケミカルセンサ３０３は、検出セル３０ａ、参照セル３０ｂ及び黒色セル３０ｃによって構成されるものとすることができる。
【０１２４】
本実施形態に係る検出セル３０ａは、分光フィルタ３２３が蛍光波長の所定帯域のみを透過させるカラーフィルタであるものし、カットオフ波長（λｎより短波長側を遮光し、λｎより長波長側を透過する）が異なる４種のカラーフィルタが用いられるものする。即ち、ケミカルセンサ３０３には、第１色（λ１）のカラーフィルタを有する第１検出セル３０ａ１、第２色（λ２）のカラーフィルタを有する第２検出セル３０ａ２、第３色（λ３）のカラーフィルタを有する第３検出セル３０ａ２、第４色（λ４）のカラーフィルタを有する第４検出セル３０ａ４の４種類の検出セル３０ａが用いられているものとする。なお、カラーフィルタの種類（色）は４種に限られず、３種以下あるいは５種以上であってもよい。
【０１２５】
図１４に示すように、第１検出セル３０ａ１は、第２検出セル３０ａ２、第３検出セル３０ａ３及び第４検出セル３０ａ４とのみ隣接し、第１検出セル３０ａ１とは隣接しないように配置されている。第２検出セル３０ａ２、第３検出セル３０ａ３及び第４検出セル３０ａ４のそれぞれについても同様である。
【０１２６】
このような構成により、同種の検出セル３０ａｎ間(ｎ＝１、２、３、４）のクロストークを防止することができる。具体的には、図１０に示したような照射装置において、波長可変レーザ乃至はバンドパスフィルタを時系列で操作してλ１、λ２，λ３、λ４を順に発光するようにしてもよく、波長光源により同時照射してもよい。検出システム全体としては、コストへの効果は言うまでもなく、複数波長による検出が可能となり、より多角的な解析が可能となるとともに、共通のサンプルでの解析が可能となり、信頼性の高い解析が可能となると言う効果がある。
【０１２７】
本技術は上記各実施形態にのみ限定されるものではなく、本技術の要旨を逸脱しない範囲内において変更することが可能である。
【０１２８】
なお、本技術は以下のような構成も採ることができる。
【０１２９】
（１）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、
上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、
上記光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と、
を具備するケミカルセンサ。
【０１３０】
（２）
上記（１）に記載のケミカルセンサであって、
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれている
ケミカルセンサ。
【０１３１】
（３）
上記（１）又は（２）に記載のケミカルセンサであって、
上記導波路は、上記中間層側から上記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
ケミカルセンサ。
【０１３２】
（４）
上記（１）から（３）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３３】
（５）
上記（１）から（４）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタである
ケミカルセンサ。
【０１３４】
（６）
上記（１）から（５）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記カラーフィルタは、隣接する上記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有する
ケミカルセンサ。
【０１３５】
（７）
上記（１）から（６）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域は、上記導波路に対向する大きさに形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３６】
（８）
上記（１）から（７）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域は、一部の上記導波路について形成されている
ケミカルセンサ。
【０１３７】
（９）
上記（１）から（８）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層
をさらに具備するケミカルセンサ。
【０１３８】
（１０）
上記（１）から（９）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
【０１３９】
（１１）
上記（１）から（１０）のうちいずれか一つに記載のケミカルセンサであって、
上記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原である
ケミカルセンサ。
【０１４０】
（１２）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され、蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層と有するケミカルセンサと、
上記ケミカルセンサのそれぞれの上記フォトダイオードの出力信号を処理する信号処理回路と
を具備する生体分子検出装置。
【０１４１】
（１３）
上記（１２）に記載の生体分子検出装置であって、
上記信号処理回路は、上記プローブ保持領域が設けられた上記フォトダイオードと、上記プローブ保持領域が設けられていない上記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出する
生体分子検出装置。
【０１４２】
（１４）
上記（１２）又は（１３）に記載の生体分子検出装置であって、
上記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号とする
生体分子検出装置。
【０１４３】
（１５）
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、上記基板に積層され蛍光を上記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、上記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が上記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備し、
上記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成し、
上記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成し、
測定対象物質を上記プローブ材料層に接触させて、上記測定対象物質に含まれたターゲット材量を上記プローブ材料と結合させ、
上記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去し、
上記ターゲット材料と上記プローブ材料の結合に起因する蛍光を上記フォトダイオードによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４４】
（１６）
上記（１５）に記載の生体分子検出方法であって、
上記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれ、
上記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、
上記蛍光を検出するステップでは、斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を上記ケミカルセンサに照射する
生体分子検出方法。
【０１４５】
（１７）
上記（１５）又は（１６）に記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている上記プローブ材料と上記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４６】
（１８）
上記（１５）から（１７）のうちいずれか一つに記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【０１４７】
（１９）
上記（１５）から（１８）のうちいずれか一つに記載の生体分子検出方法であって、
上記蛍光を検出するステップでは、上記プローブ材料と上記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を上記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【符号の説明】
【０１４８】
１…生体分子検出装置
２…基板
３…ケミカルセンサ
２１…フォトダイオード
３１…保護絶縁層
３２…光学層
３３…平坦化層
３４…中間層
３５…接着剤層
３６…プローブ材料層
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、
前記基板に積層され、蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、
前記光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層と
を具備するケミカルセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれている
ケミカルセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路は、前記中間層側から前記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
ケミカルセンサ。
【請求項４】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のケミカルセンサであって、
前記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタである
ケミカルセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のケミカルセンサであって、
前記カラーフィルタは、隣接する前記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有する
ケミカルセンサ。
【請求項７】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域は、前記導波路に対向する大きさに形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域は、一部の前記導波路について形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項９】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層
をさらに具備するケミカルセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のケミカルセンサであって、
前記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原である
ケミカルセンサ。
【請求項１２】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、前記基板に積層され、蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、前記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層と有するケミカルセンサと、
前記ケミカルセンサのそれぞれの前記フォトダイオードの出力信号を処理する信号処理回路と
を具備する生体分子検出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の生体分子検出装置であって、
前記信号処理回路は、前記プローブ保持領域が設けられた前記フォトダイオードと、前記プローブ保持領域が設けられていない前記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出する
生体分子検出装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の生体分子検出装置であって、
前記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号とする
生体分子検出装置。
【請求項１５】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、前記基板に積層され蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、前記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備し、
前記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成し、
前記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成し、
測定対象物質を前記プローブ材料層に接触させて、前記測定対象物質に含まれたターゲット材量を前記プローブ材料と結合させ、
前記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去し、
前記ターゲット材料と前記プローブ材料の結合に起因する蛍光を前記フォトダイオードによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の生体分子検出方法であって、
前記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれ、
前記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、
前記蛍光を検出するステップでは、斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を前記ケミカルセンサに照射する
生体分子検出方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている前記プローブ材料と前記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、前記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、前記プローブ材料と前記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、
前記基板に積層され、蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、
前記光学層に積層され、プローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層と
を具備するケミカルセンサ。
【請求項２】
請求項１に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれている
ケミカルセンサ。
【請求項３】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路は、前記中間層側から前記フォトダイオード側に径が漸次小さくなるテーパー形状を有する
ケミカルセンサ。
【請求項４】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項５】
請求項４に記載のケミカルセンサであって、
前記分光フィルタは、蛍光の波長の一部を透過させるカラーフィルタである
ケミカルセンサ。
【請求項６】
請求項５に記載のケミカルセンサであって、
前記カラーフィルタは、隣接する前記導波路に形成されたものとは異なる透過波長を有する
ケミカルセンサ。
【請求項７】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域は、前記導波路に対向する大きさに形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項８】
請求項７に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域は、一部の前記導波路について形成されている
ケミカルセンサ。
【請求項９】
請求項２に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ保持領域上に形成された生体分子接着剤からなる接着剤層
をさらに具備するケミカルセンサ。
【請求項１０】
請求項９に記載のケミカルセンサであって、
前記接着剤層上に接着されたプローブ材料からなるプローブ材料層をさらに具備する
ケミカルセンサ。
【請求項１１】
請求項１０に記載のケミカルセンサであって、
前記プローブ材料は、ＤＮＡ、ＲＮＡ、タンパク質又は抗原である
ケミカルセンサ。
【請求項１２】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、前記基板に積層され、蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、前記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層と有するケミカルセンサと、
前記ケミカルセンサのそれぞれの前記フォトダイオードの出力信号を処理する信号処理回路と
を具備する生体分子検出装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の生体分子検出装置であって、
前記信号処理回路は、前記プローブ保持領域が設けられた前記フォトダイオードと、前記プローブ保持領域が設けられていない前記フォトダイオードの出力信号の差分を蛍光に相当する信号として抽出する
生体分子検出装置。
【請求項１４】
請求項１２に記載の生体分子検出装置であって、
前記信号処理回路は、遮光されたフォトダイオードの出力信号を参照信号とする
生体分子検出装置。
【請求項１５】
平面状に配列する複数のフォトダイオードが形成された基板と、前記基板に積層され蛍光を前記フォトダイオードのそれぞれに導く導波路が形成された光学層と、前記光学層に積層されプローブ材料を保持することが可能なプローブ保持領域が前記導波路毎に形成された中間層とを有するケミカルセンサを準備し、
前記プローブ保持領域に生体分子接着剤からなる接着剤層を形成し、
前記接着剤層に、それぞれ異なるプローブ材料を接着してプローブ材料層を形成し、
測定対象物質を前記プローブ材料層に接触させて、前記測定対象物質に含まれたターゲット材量を前記プローブ材料と結合させ、
前記プローブ材料と結合しなかった測定対象物質を除去し、
前記ターゲット材料と前記プローブ材料の結合に起因する蛍光を前記フォトダイオードによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１６】
請求項１５に記載の生体分子検出方法であって、
前記導波路は、光反射性を有する反射面によって囲まれ、
前記導波路内には励起光を減衰させ、蛍光を透過させる分光材料からなる分光フィルタが形成され、
前記蛍光を検出するステップでは、斜入射光又は輪帯照明光によって励起光を前記ケミカルセンサに照射する
生体分子検出方法。
【請求項１７】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、予め蛍光標識されている前記プローブ材料と前記ターゲット材料の相互作用による蛍光の波長及び輝度の変化を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１８】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、前記プローブ材料と結合した予め蛍光標識されているターゲット材料による蛍光を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【請求項１９】
請求項１６に記載の生体分子検出方法であって、
前記蛍光を検出するステップでは、前記プローブ材料と前記ターゲット材料の結合体に対して蛍光標識を実施し、その蛍光を前記ケミカルセンサによって検出する
生体分子検出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−９２３９３（Ｐ２０１３−９２３９３Ａ）
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３３００３（Ｐ２０１１−２３３００３）
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月１６日（２０１３．５．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２４日（２０１１．１０．２４）
【出願人】（０００００２１８５）ソニー株式会社 (34,172)
【Ｆターム（参考）】
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