センサ装置およびこれを用いて試験媒体の１つ以上の物理的特性を解明する方法
【課題】 光ファイバの端部に位置する単一表面センサの処理能力を向上する。
【解決手段】 １つの端部１１２を備える光ファイバ１１０と、光ファイバ１１０の前記端部に配置された第１のセンサ１１４と、光ファイバ１１０の前記端部に配置された第２のセンサ１１６とを備え、第１及び第２のセンサ１１４、１１６が、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されていることを特徴とするセンサ装置を提供する。
【解決手段】 １つの端部１１２を備える光ファイバ１１０と、光ファイバ１１０の前記端部に配置された第１のセンサ１１４と、光ファイバ１１０の前記端部に配置された第２のセンサ１１６とを備え、第１及び第２のセンサ１１４、１１６が、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されていることを特徴とするセンサ装置を提供する。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
表面検知では、表面状態または表面状態の変化を利用して、試験媒質の物理的特性を測定する。表面検知用途の１つでは、センサ表面における屈折率の変化を測定することが可能である。もう１つの表面検知用途では、蛍光の指向性を高める表面状態を利用して、蛍光物質を検出することが可能である。
【０００２】
表面センサは、例えば、原位置検知の実施に利用可能な単一表面センサを造るため、光ファイバの端部に製作されてきている。光ファイバの端部に位置する単一表面センサによって、原位置検知が可能になるが、単一表面センサの処理能力は、ファイバ当り１試験に制限される。表面検知システムの処理能力は、商業的に有望な検知製品を実現する上においてクリティカルな要素になる場合が多い。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明によれば、表面検知システムは、同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つのセンサを含む。センサは、互いに区別ができる共振周波数またはＱ値を示すように構成されているが、ここで、Ｑ値は、共振周波数を半値全幅（ＦＷＨＭ）における共鳴スペクトルによって割った値と定義される。センサの区別可能な共振周波数またはＱ値は、例えば、誘電率の高い領域及び低い領域に関する空間プロファイルが異なるセンサを製作することによって実現可能である。センサは、区別可能な共振周波数またはＱ値を有していて、同じ光ファイバの端部に配置されているので、光学干渉をほとんどまたは全く伴うことなく、並行してモニタすることが可能である。区別可能な共振周波数またはＱ値を有する複数センサの並行モニタは、本明細書において「スペクトル・マルチプレクシング」と呼ばれる。同じ光ファイバの端部にあるセンサの並行モニタは、その波長範囲に両方のセンサの共振周波数を含む掃引光信号を光ファイバに送り込み、掃引光信号とセンサの相互作用が生じた後、単一検出器で掃引光信号を検出することによって可能になる。スペクトル・マルチプレクシングを可能にする表面センサ・システムは、例えば、バイオセンシング用途に用いることが可能である。
【０００４】
本発明の他の態様及び利点については、本発明の原理の一例として示される、添付の図面に関連して行われる下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本明細書全体を通じて、同様の要素の識別には、同様の参照番号を利用する。
【０００６】
図１Ａ〜図１Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、共振周波数またはＱ値の異なる２つのセンサの本発明による典型的な実施形態を記載している。図１Ａは、２つのセンサＳ１ １１４及びＳ２ １１６を示すファイバの端部１１２の拡大図と共に、光ファイバ１１０の透視図を記載している。図１Ａの例において、センサＳ１ １１４の共振周波数及びＱ値は、それぞれ、ＲＦλ1及びＱ1として識別され、センサＳ２ １１６の共振周波数及びＱ値は、それぞれ、ＲＦλ2及びＱ2として識別される。図１Ｂは、図１Ａからのファイバ端部１１２と、２つのセンサ１１４及び１１６を真正面から見た図を記載している。図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂからのファイバ１１０と、２つのセンサ１１４及び１１６の側面図を記載している。
【０００７】
本発明によれば、図１Ａ〜図１Ｃに関連して記載した２つのセンサは、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されている。センサ・タイプの例及び所望の共振周波数またはＱ値を示すようにセンサを構成するための技法については後述する。説明のため、２つのセンサは、その共振周波数が互いに区別可能になるように構成されるものと仮定する。図２は、２つのセンサの共振周波数が互いに区別可能である場合に関する、図１Ａ〜図１Ｃの２つのセンサ１１４及び１１６の反射率対波長のグラフである。図２に記載しているように、２つのセンサの反射率スペクトル１３０同士は、２つのセンサの共振周波数を互いに容易に区別できるように、スペクトル間隔があけられている。２つのセンサの反射率スペクトル１３０同士の間のスペクトル間隔は、共振周波数の区別が依然として可能である限りにおいて、さらに狭めることが可能である。
【０００８】
図１〜図１Ｃに関連して解説の表面センサ・システムを利用して試験媒質の１つ以上の物理的特性を解明するため、２つのセンサ１１４及び１１６が試験媒質（図示せず）にさらされる。例えば、試験媒質は、液体とすることが可能であり、２つのセンサを含む光ファイバ端部が液体内に配置される。図１Ｃを参照すると、光信号１１８が、センサの両方と並行して相互作用するように、光ファイバに送り込まれる。２つのセンサから反射される光は、測定され、測定された反射率スペクトルを利用して、センサの共振周波数及び／または反射率スペクトルが求められる。一実施形態では、２つのセンサが試験媒質にさらされる前、及び／または、２つのセンサが試験媒質にさらされている間に、光ファイバに光信号を送り込んで、共振周波数の変化を測定することが可能である。共振周波数の変化を利用して、試験媒質の１つ以上の物理特性が解明される。２つのセンサの共振周波数は区別可能であるため、複数特性解明の並行実施が可能である。例えば、バイオセンシング用途の場合には、異なる２組の生体分子間の親和性を並行測定することが可能である。
【０００９】
２つの特性解明を並行して実施可能にするため、図１Ａ〜図１Ｃに記載したセンサは、区別可能な共振周波数または区別可能なＱ値を示さなければならない。２つのセンサは、区別可能な共振周波数と区別可能なＱ値の両方を示すことができるが、これは必要というわけではない。
【００１０】
図３Ａは、２つのセンサが区別可能な共振周波数（例えば、ＲＦλ1≠ＲＦλ2）と区別できないＱ値（すなわち、Ｑ1＝Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトル１３０を記載している。２つのセンサの反射率スペクトルは、試験媒質への暴露に応答して変化するので、共振周波数は、依然として互いに区別可能なままである。図３Ｂは、共振周波数のシフト後における、２つのセンサの反射率スペクトルを記載している。共振周波数は、シフトしたが、光信号の全スペクトル・バンド幅にわたって互いに区別可能なままである。
【００１１】
図４Ａは、２つのセンサが区別可能なＱ値（例えば、Ｑ1≠Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトル１３０を記載している。２つのセンサが示すＱ値は、区別可能であるが、２つのセンサの共振周波数は、全ての試験条件下において区別可能というわけにはいかない可能性がある。図４Ｂは、２つのセンサの反射率スペクトルがシフトして、２つのセンサの共振周波数を互いに区別できなくなる場合を記載している。２つのセンサの共振周波数は互いに区別できないが（例えば、ＲＦλ1＝ＲＦλ2）、２つのセンサの反射率スペクトルは、Ｑ値が異なるため、依然として互いに区別可能である。例えば、高分解能の光検出システム及び技法を用いて、センサの光応答を個別に認識可能である場合には、センサが示す共振周波数及びＱ値は、互いに区別可能とみなされる。
【００１２】
一実施形態では、センサは、光ファイバの端部に製作される回折格子である。図５Ａは、図１Ａ〜図１Ｃのシステムに利用可能な、回折格子ベースのセンサのセクション１１５（例えば、図１Ｂに記載したセンサ１１４のセクション１１５）の拡大図を記載している。回折格子ベースのセンサは、高誘電率の領域１０２及び低誘電率の領域１０４を含む空間プロファイルを有しているが、この空間プロファイルは、センサ上面の二次元プロファイルである。低誘電率の領域は、低誘電率特徴１０４と呼ばれ、センサの残りの部分は、高誘電率の領域１０２である。低誘電率特徴１０４は、一般に、各特徴のサイズ及び形状が本質的に同じである、反復パターンを示す。センサは、例えば、光ファイバ端部の表面に金の層を付着させて、高誘電率の領域１０２を形成することによって、光ファイバ１１０の端部１１２に製作される。低誘電率の領域１０４は、一般に、金層の正方形の穴である。図５Ｂは、光ファイバ１１０、及び、光ファイバ１１０の端部に配置された高誘電率領域１０２及び低誘電率領域１０４を示す、センサ・セクションの側面図である。図５Ａ及び図５Ｂに記載した正方形の穴は、長さ寸法ｄとピッチ（格子定数とも呼ばれる）ａによって定義されるが、ここで、ピッチは、隣接特徴（例えば、正方形の穴）の中心間の距離である。図５Ａ及び図５Ｂに記載しているような回折格子ベースのセンサは、光リソグラフィ、インプリント・リソグラフィ、リフトオフ、及び、エッチングといった既知の半導体処理技法を含む各種技法を用いて、光ファイバの端部に製作することが可能である。回折格子ベースのセンサは、例えば、Ａｌ、Ａｇ、または、ＴｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4のような非導電性誘電体を含む他の材料を利用して形成することが可能である。
【００１３】
各センサの設計の多くの特徴が、特定センサの共振周波数及びＱ値に影響を及ぼす。例えば、特定センサの共振周波数及びＱ値は、光ファイバ組成、高誘電率領域の組成及び厚さ、低誘電率特徴の組成及び厚さ、低誘電率特徴のサイズ及び形状、低誘電率特徴のパターン対称性（例えば、正方形または六角形）、及び、低誘電率特徴のピッチによって影響される可能性がある。センサ設計の共振周波数及び／またはＱ値は、高誘電率領域及び低誘電率領域の空間プロファイルを変えることによって、変更することが可能である。例えば、低誘電率特徴のサイズまたはピッチといった、センサの空間プロファイルの１つの点だけを変えることによって、センサの共振周波数及び／またはＱ値が変化することになる。
【００１４】
図１Ａ〜図１Ｃの例では、図５Ａ及び図５Ｂに関連して解説したように、金層に異なるピッチで正方形の穴（図示せず）を形成することによって、２つのセンサ１１４及び１１６の共振周波数が異なるようにすることが可能である。例えば、第１のセンサ１１４の正方形の穴のピッチは、１，０００ｎｍ（ａ＝１．００ｕｍ）であり、第２のセンサ１１６の正方形の穴のピッチは、１，０３０ｎｍ（ａ＝１．０３ｕｍ）である。もう１つの実施形態では、異なるサイズの正方形の穴を形成することによって、２つのセンサ１１４及び１１６のＱ値が異なるようにすることが可能である。例えば、第１のセンサの正方形の穴は、２００ｎｍの辺を備え、一方、第２のセンサの正方形の穴は、５００ｎｍの辺を備えることが可能である。２つのセンサの正方形の穴のサイズを２００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で変化させることによって（１ｕｍの周期で）、２つのセンサの共振の線幅を３ｎｍ〜９０ｎｍの範囲で変化させることが可能である。
【００１５】
図１Ａ〜図１Ｃの例では、２つのセンサ１１４及び１１６は、それぞれ、光ファイバ端部１１２の表面領域の重なり合わない半分をカバーしている。図１Ａ〜図１Ｃに示す２つのセンサは光ファイバ端部の中央に沿って振り分けられているが、光ファイバ端部における２つのセンサの他の構成も可能である。図６Ａ〜図６Ｃには、光ファイバの端部１１２に配置された２つのセンサ１１４及び１１６の代替構成の例が示されている。図６Ａは、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部の象限を交互にカバーする典型的な構成を記載している。すなわち、センサＳ１は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、光ファイバ端部の右上及び左下の象限をカバーし、一方、センサＳ２は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、光ファイバ端部の右下及び左上の象限をカバーしている。図６Ｂは、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部１１２の同心円形領域をカバーする、典型的な構成を記載している。すなわち、センサＳ１が光ファイバ端部の内円領域をカバーし、センサＳ２は光ファイバ端部の外輪領域をカバーする。図６Ｃには、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部１１２の水平スライス状部分を交互にカバーする。図６Ａ〜図６Ｃの構成において、２つのセンサの表面積はほぼ等しいが、センサ表面積の他の構成比も可能である。
【００１６】
上述の表面検知システムは、同じ光ファイバ１１０の端部１１２に、共振周波数及び／またはＱ値の異なる２つのセンサ１１４及び１１６だけしか配置されていないが、同じ光ファイバの端部に、共振周波数及び／またはＱ値の異なる３つ以上のセンサを備えた表面検知システムを配置することも可能である。図７Ａ〜図７Ｃは、同じ光ファイバの端部１１２に配置された、それぞれ、共振周波数及び／またはＱ値の異なる４つの個別センサ１１４、１１６、１３４、及び、１３６を含む表面検知システムの典型的な構成を記載している。図７Ａを参照すると、ファイバ端部は、４つの象限に分割され、各象限毎に異なるセンサが配置されている。センサＳ１ １１４は、右上象限にあって、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、右下象限にあって、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、左下象限にあって、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、左上象限にあって、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。図７Ｂを参照すると、センサは、同心の輪をなすように割り振られ、各センサが異なる輪に配置されている。図５Ａのセンサと同様、センサＳ１ １１４は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。図７Ｃを参照すると、センサは、１／８分割された円の各部分に割り振られ、４つのセンサのそれぞれが、２つの非隣接分円部分に含まれている。やはり、センサＳ１ １１４は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。異なる共振周波数及び／またはＱ値は、例えば、２つのセンサの低誘電率特徴が異なるピッチ及び／または異なるサイズになるようにして、光ファイバ端部にセンサを製作することによって実現することが可能である。
【００１７】
図８は、図７Ａ〜図７Ｃからのセンサ構成の任意の１つによる４つのセンサ１１４、１１６、１３４、及び、１３６に関する反射率対波長のグラフである。４つのセンサの反射率は、例えば、ファイバに掃引光信号を送り込むことによって並行して測定される。図８に記載しているように、４つのセンサの反射率スペクトル１３２は、単一検出器を用いて、４つのセンサの共振周波数を容易に区別することができるように、スペクトル間隔があけられている。４つのセンサの共振スペクトル１３２間のスペクトル間隔は、共振周波数を依然として区別可能である限りにおいて、さらに狭めることが可能である。スペクトル間隔が狭くなると、同じスペクトル・バンド幅内に、区別可能なチャネルをより多く含むことが可能になる。センサのスペクトル・プロファイルを狭める（例えば、センサのＱ値を増す）ことによって、やはり、同じスペクトル・バンド幅内に、区別可能なチャネルをより多く含むことが可能になる。
【００１８】
概して、上述の表面検知システムは、反射または透過の際に機能するように設計することが可能である。表面検知システムが、反射時に機能するように設計されている場合、センサの共振周波数は、反射率スペクトルのディップまたは最小値によって識別される。表面検知システムが、透過時に機能するように設計されている場合、センサの共振周波数は、透過率スペクトルのピークまたは最大値によって識別される。
【００１９】
上述の表面検知システムを利用して、スペクトル・マルチプレクシングを実現するには、光信号、光ファイバ端部に光信号を加える方法、及び、光信号の反射または透過される部分を検出して、センサの共振周波数の変化を識別する方法が必要になる。反射型センサを利用するスペクトル・マルチプレクシング・システムの基本機能は、１）センサの共振周波数を含む光信号を発生すること、２）端部に配置されたセンサを含む光ファイバに光信号を送り込むこと、３）センサから反射される光信号の部分を集光すること、４）光信号の反射部分を検出することである。上述の機能をもたらすために利用可能なスペクトル・マルチプレクシング・システムの構成は数多く存在し、上述の機能が得られる限りにおいて、本発明にとって、そっくりそのままの構成であることが不可欠というわけではない。
【００２０】
図９は、反射型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２の一例を記載している。図９のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２には、光源１４４と、カプラ１４６と、光ファイバ１４８、１５０、及び、１５２と、区別可能な共振周波数及び／またはＱ値を有する少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光スペクトル・アナライザ（ＯＳＡ）１５６と、プロセッサ１５８が含まれている。図９の例では、光源によって、光ファイバの端部にあるセンサの共振周波数を含む広帯域エネルギ・スペクトルを備えた光信号が生じる。センサを用いて、屈折率の変化が測定されるが、センサ測定は、生体分子の測定に用いることが可能である。すなわち、センサを試験媒質にさらす前に、センサにさまざまな捕獲物質を固定化することによって、同じ光ファイバ端部の複数センサを用いて、生体分子の特異性を測定することが可能である。一実施形態では、光ファイバの端部に配置されたセンサに捕獲物質が塗布される。多種多様な捕獲物質及びセンサへの捕獲物質の塗布技法を用いることが可能である。バイオセンシング用途では、捕獲物質には、問題となる特定の蛋白質に対する親和性のために選択される１つ以上の抗体を含むことが可能である。捕獲物質を厚さ５０ｎｍ未満の単一層として塗布することが可能である。センサに捕獲物質を塗布すると、センサ及び捕獲物質は、捕獲物質の抗体の１つ以上に対して高い親和性を示す蛋白質を含む、試験媒質にさらされる。センサ及び捕獲物質を試験媒質にさらすための技法（原位置技法を含む）は、当該技術において既知のところであり、本明細書ではこれ以上の説明を控えることにする。試験媒質内における蛋白質の屈折率は、全体として、試験媒質の屈折率とは異なるので、センサの屈折率が変化し、その結果、特定センサの共振周波数が変化することになる。
【００２１】
抗体と蛋白質との結合をセンサでモニタするため、光源１４４からの広帯域光信号が光ファイバ１４８に送り込まれる。光信号は、光ファイバ１４８、カプラ１４６、及び、光ファイバ１５０を通って伝搬し、光ファイバ１５０の端部に配置されたセンサに到達する。センサは、同じ光ファイバの端部に配置されているので、光信号は並行して相互作用する。センサは、それぞれの共振周波数の光エネルギを吸収し、光信号の一部を反射して、カプラ１４６に向けて戻す。カプラ１４６は、反射光信号を光ファイバ１５２に結合し、光ファイバ１５２は、その反射光信号をＯＳＡ１５６に送る。ＯＳＡ１５６は、波長の関数として反射光信号の強度を測定し、強度対波長情報をプロセッサ１５８に供給する。強度対波長情報を用いて、センサにおける抗体と蛋白質との分子の結合の結果生じる、センサの共振周波数のシフトが識別される。センサの共振周波数のシフトを利用して、試験媒質の１つ以上の物理的特性が解明される。
【００２２】
図１０は、反射型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２のもう１つの例を記載している。図１０のスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２には、同調可能レーザ光源１６４と、カプラ１４６と、光ファイバ１４８、１５０、及び、１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値を有する少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、検出器１６６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１０の例では、同調可能レーザ光源１６４によって、光ファイバ１５０の端部にあるセンサの共振周波数を含むある波長範囲にわたって掃引可能な、狭帯域光エネルギ・スペクトルを備えた光信号が発生する。典型的な操作において、上述のように、捕獲物質がセンサに塗布される。捕獲物質がセンサに塗布されると、上述のように、捕獲物質が試験媒質にさらされる。
【００２３】
センサにおける結合をモニタするため、同調可能レーザ光源１６４は、ある波長範囲にわたって掃引される光信号を発生するが、その波長範囲には、センサの共振周波数が含まれる。掃引光信号は、光ファイバ１４８に送り込まれ、カプラ１４６を通って、光ファイバ１５０の端部のセンサに到達する。センサは、同じ光ファイバ１５０の端部に配置されているので、光信号は並行して相互作用する。光信号によってある波長範囲の掃引が行われる間に、センサによって、センサの共振周波数の光エネルギが吸収される。掃引光信号の吸収されない部分は、反射されて、光ファイバ１５０に戻され、カプラ１４６に達する。カプラ１４６は、反射光信号を光ファイバ１５２に結合し、光信号は、検出器１６６まで伝搬する。検出器１６６は、集められた光信号の光強度を測定し、光強度情報をプロセッサ１５８に送る。プロセッサ１５８は、同調可能レーザ光源１６４からの波長情報、及び、検出器１６６からの光強度情報を受信し、これらの情報を利用して、強度対波長情報を生成する。強度対波長情報を利用して、センサにおける抗体と蛋白質との結合の結果生じる、センサの共振周波数のシフトが識別される。センサの共振周波数のシフトを利用して、試験媒質の１つ以上の物理的特性が解明される。
【００２４】
透過型センサを利用するスペクトル・マルチプレクシング・システムの基本機能は、１）センサの共振周波数を含む光信号を発生すること、２）端部にセンサを含む光ファイバに光信号を送り込むこと、３）センサを通過する光信号の部分を集光すること、４）光信号の通過部分を検出することである。上述の機能をもたらすために利用可能なスペクトル・マルチプレクシング・システムの構成は数多く存在し、上述の機能が得られる限りにおいて、本発明にとって、そっくりそのままの構成であることが不可欠というわけではない。
【００２５】
図１１は、透過型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２の一例を記載している。図１１のスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２には、光源１４４と、光ファイバ１５０及び１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値の少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光学素子１７４と、ＯＳＡ１５６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１１のスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２が、センサから反射される光ではなく、光ファイバ１５０の端部にあるセンサを通過する光をモニタするという点を除けば、スペクトル・マルチプレクシング・システム１７２は、図９に関連して解説のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２と同様である。操作中、光学素子１７４によって、センサを通過する光がＯＳＡ１５６に送られる。操作の残りの部分については、図９に関連して上述のものと本質的に同じである。
【００２６】
図１２は、透過型センサに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２のもう１つの例を記載している。図１２のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２には、同調可能レーザ光源１６４と、光ファイバ１５０及び１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値の少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光学素子１７４と、検出器１６６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１２のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２が、センサから反射される光ではなく、光ファイバ１５０の端部にあるセンサを通過する光をモニタするという点を除けば、スペクトル・マルチプレクシング・システム１８２は、図１０に関連して解説のスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２と同様である。操作中、光学素子１７４によって、センサを通過する光が検出器１６６に送られる。操作の残りの部分については、図１０に関連して上述のものと本質的に同じである。
【００２７】
図１３は、透過型センサに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１８３のもう１つの代替実施態様を記載している。図１３のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８３の場合、表面検知システム１５４が、外部から照射される（例えば、照射光が、最初に、表面検知システム１５４を含む光ファイバ１５０内に送り込まれることはない）。表面検知システムを通過して、光ファイバ１５０を伝搬する光源からの光が、ＯＳＡ１５６によって検出される。もう１つの実施形態では、図１０及び図１２に関連して上述のように、ＯＳＡは検出器であり、光源は同調可能レーザ光源である。
【００２８】
図９〜図１３に関連して、スペクトル・マルチプレクシング・システムのいくつかの例１４２、１６２、１７２、１８２、及び、１８３について解説されたが、他の構成も可能である。例えば、利用可能な検出チャネル数を増すために束ねられた複数光ファイバに、単一光ファイバにおけるスペクトル・マルチプレクシングを適用することが可能である。もう１つの代替構成の場合、光源は、順次起動されて、所望の波長範囲をカバーする、１組の狭帯域光源である。
【００２９】
図１４は、本発明に従って、試験媒質の１つ以上の特性を解明するための方法のプロセス流れ図を記載している。ブロック３００では、第１及び第２のセンサが、試験媒質にさらされるが、第１及び第２のセンサは、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されている。ブロック３０２では、第１及び第２のセンサと並行して相互作用するように、光信号が光ファイバへと送り込まれる。ブロック３０４では、第１及び第２のセンサと相互作用した後の光信号を検出する。
【００３０】
異なる共振周波数及び／またはＱ値を有するセンサが同じ光ファイバの端部に配置された表面検知システムでスペクトル・マルチプレクシングを実施することによって、試験媒質の異なる物理特性を平行して解明することが可能になる。解明することが可能な試験媒質の物理特性には、制限するわけではないが、温度、圧力、生物学的構成、及び、化学的構成が含まれる。上述のように、さまざまな物理的特性を並行して解明することが可能である。例えば、同じ光ファイバの端部に配置された２つの異なるセンサを用いて、試験媒質の温度及び試験媒質中における特定蛋白質の濃度を並行して特性解明することが可能である。
【００３１】
図９〜図１３に関連して既述のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２、１６２、１７２、１８２、及び、１８３の利点は、スペクトル・マルチプレクシングが、単一光信号源１４４、１６４と、単一検出器１５６、１６６で実施される点にある。
【００３２】
表面センサを利用して、蛍光の集光効率が向上した。すなわち、金属構造（例えば、周期的または一様な）を利用して、蛍光体の放射崩壊時間がうまく処理され、同時に、蛍光体からの通常は等方性の放出が特定の角度に向けられた。この技法については、参考までに引用することにより本明細書の一部をなす、Ｊｏｓｅｐｈ Ｒ．Ｌａｋｏｗｉｃｚ、「Ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｅｃａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５：ｍｅｔａｌ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｐｌａｓｍｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２００５年２月１５日、第３３７巻、第２号、ｐ．１７１−１９４に記載がある。本発明による一実施形態では、同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つの異なるセンサが、１以上の蛍光体からの蛍光をより効率よく結合するように構成されている。すなわち、同じ光ファイバの端部にあるセンサに、少なくとも２つの異なる色の蛍光の集光効率が向上するように、波長依存性の構成が施されている。同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つのセンサを用いて、２つの異なる色の蛍光の集光効率を高めることによって、スペクトル・マルチプレクシングが可能になる。同じ光ファイバの端部にあるセンサは、電磁界を局在化する働きもし、その結果、背景蛍光雑音が低減する。
【００３３】
典型的なセンサ・タイプの１つとして、回折格子ベースのセンサについて解説してきたが、同じ光ファイバの端部に他のセンサ構造を配置して、表面検知システムにおけるスペクトル・マルチプレクシングを可能にすることも可能である。
【００３４】
本発明の具体的な実施形態について解説して説明してきたが、本発明は、このようにして解説され、説明された部分の具体的な形態または構成に制限されるものではない。本発明の範囲は、添付の請求項及びその均等物によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、共振周波数及び／またはＱ値の異なる２つのセンサの、本発明による典型的な実施形態を示す図である。
【図２】図１Ａ〜図１Ｃの２つのセンサに関する反射率対波長のグラフである。
【図３】Ａ及びＢは、２つのセンサが区別可能な共振周波数（例えば、ＲＦλ1≠ＲＦλ2）と区別できないＱ値（すなわち、Ｑ1＝Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトルを示す図である。
【図４】Ａ及びＢは、２つのセンサが区別可能なＱ値（例えば、Ｑ1≠Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトルを示す図である。
【図５】Ａは、図１Ａ〜図１Ｃのシステムに用いることが可能な回折格子ベースのセンサのあるセクションの拡大図である。Ｂは、図５Ａからの回折格子ベース・センサの側面図である。
【図６】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された２つのセンサの代替構成例を示す図である。
【図７】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、それぞれ、共振周波数の異なる４つの個別センサを含む、バイオセンサの典型的な構成を示す図である。
【図８】図７Ａ〜図７Ｃからのバイオセンサ構成の任意の１つに関する４つのセンサの反射率対波長のグラフである。
【図９】光ファイバの端部に配置された反射型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムの一例を示す図である。
【図１０】光ファイバの端部に配置された反射型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１１】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムの一例を示す図である。
【図１２】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１３】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１４】本発明に従って生体分子の結合の特性解明をするための方法のプロセス流れ図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０４ 低誘電率特徴
１１０ 光ファイバ
１１２ 光ファイバの端部
１１４ 第１のセンサ
１１６ 第２のセンサ
１４２ スペクトル・マルチプレクシング・システム
１５６ 検出器
１６２ スペクトル・マルチプレクシング・システム
１６４ 同調可能レーザ光源
１７２、１８２、１８３ スペクトル・マルチプレクシング・システム
【背景技術】
【０００１】
表面検知では、表面状態または表面状態の変化を利用して、試験媒質の物理的特性を測定する。表面検知用途の１つでは、センサ表面における屈折率の変化を測定することが可能である。もう１つの表面検知用途では、蛍光の指向性を高める表面状態を利用して、蛍光物質を検出することが可能である。
【０００２】
表面センサは、例えば、原位置検知の実施に利用可能な単一表面センサを造るため、光ファイバの端部に製作されてきている。光ファイバの端部に位置する単一表面センサによって、原位置検知が可能になるが、単一表面センサの処理能力は、ファイバ当り１試験に制限される。表面検知システムの処理能力は、商業的に有望な検知製品を実現する上においてクリティカルな要素になる場合が多い。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明によれば、表面検知システムは、同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つのセンサを含む。センサは、互いに区別ができる共振周波数またはＱ値を示すように構成されているが、ここで、Ｑ値は、共振周波数を半値全幅（ＦＷＨＭ）における共鳴スペクトルによって割った値と定義される。センサの区別可能な共振周波数またはＱ値は、例えば、誘電率の高い領域及び低い領域に関する空間プロファイルが異なるセンサを製作することによって実現可能である。センサは、区別可能な共振周波数またはＱ値を有していて、同じ光ファイバの端部に配置されているので、光学干渉をほとんどまたは全く伴うことなく、並行してモニタすることが可能である。区別可能な共振周波数またはＱ値を有する複数センサの並行モニタは、本明細書において「スペクトル・マルチプレクシング」と呼ばれる。同じ光ファイバの端部にあるセンサの並行モニタは、その波長範囲に両方のセンサの共振周波数を含む掃引光信号を光ファイバに送り込み、掃引光信号とセンサの相互作用が生じた後、単一検出器で掃引光信号を検出することによって可能になる。スペクトル・マルチプレクシングを可能にする表面センサ・システムは、例えば、バイオセンシング用途に用いることが可能である。
【０００４】
本発明の他の態様及び利点については、本発明の原理の一例として示される、添付の図面に関連して行われる下記の詳細な説明から明らかになるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
本明細書全体を通じて、同様の要素の識別には、同様の参照番号を利用する。
【０００６】
図１Ａ〜図１Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、共振周波数またはＱ値の異なる２つのセンサの本発明による典型的な実施形態を記載している。図１Ａは、２つのセンサＳ１ １１４及びＳ２ １１６を示すファイバの端部１１２の拡大図と共に、光ファイバ１１０の透視図を記載している。図１Ａの例において、センサＳ１ １１４の共振周波数及びＱ値は、それぞれ、ＲＦλ1及びＱ1として識別され、センサＳ２ １１６の共振周波数及びＱ値は、それぞれ、ＲＦλ2及びＱ2として識別される。図１Ｂは、図１Ａからのファイバ端部１１２と、２つのセンサ１１４及び１１６を真正面から見た図を記載している。図１Ｃは、図１Ａ及び図１Ｂからのファイバ１１０と、２つのセンサ１１４及び１１６の側面図を記載している。
【０００７】
本発明によれば、図１Ａ〜図１Ｃに関連して記載した２つのセンサは、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されている。センサ・タイプの例及び所望の共振周波数またはＱ値を示すようにセンサを構成するための技法については後述する。説明のため、２つのセンサは、その共振周波数が互いに区別可能になるように構成されるものと仮定する。図２は、２つのセンサの共振周波数が互いに区別可能である場合に関する、図１Ａ〜図１Ｃの２つのセンサ１１４及び１１６の反射率対波長のグラフである。図２に記載しているように、２つのセンサの反射率スペクトル１３０同士は、２つのセンサの共振周波数を互いに容易に区別できるように、スペクトル間隔があけられている。２つのセンサの反射率スペクトル１３０同士の間のスペクトル間隔は、共振周波数の区別が依然として可能である限りにおいて、さらに狭めることが可能である。
【０００８】
図１〜図１Ｃに関連して解説の表面センサ・システムを利用して試験媒質の１つ以上の物理的特性を解明するため、２つのセンサ１１４及び１１６が試験媒質（図示せず）にさらされる。例えば、試験媒質は、液体とすることが可能であり、２つのセンサを含む光ファイバ端部が液体内に配置される。図１Ｃを参照すると、光信号１１８が、センサの両方と並行して相互作用するように、光ファイバに送り込まれる。２つのセンサから反射される光は、測定され、測定された反射率スペクトルを利用して、センサの共振周波数及び／または反射率スペクトルが求められる。一実施形態では、２つのセンサが試験媒質にさらされる前、及び／または、２つのセンサが試験媒質にさらされている間に、光ファイバに光信号を送り込んで、共振周波数の変化を測定することが可能である。共振周波数の変化を利用して、試験媒質の１つ以上の物理特性が解明される。２つのセンサの共振周波数は区別可能であるため、複数特性解明の並行実施が可能である。例えば、バイオセンシング用途の場合には、異なる２組の生体分子間の親和性を並行測定することが可能である。
【０００９】
２つの特性解明を並行して実施可能にするため、図１Ａ〜図１Ｃに記載したセンサは、区別可能な共振周波数または区別可能なＱ値を示さなければならない。２つのセンサは、区別可能な共振周波数と区別可能なＱ値の両方を示すことができるが、これは必要というわけではない。
【００１０】
図３Ａは、２つのセンサが区別可能な共振周波数（例えば、ＲＦλ1≠ＲＦλ2）と区別できないＱ値（すなわち、Ｑ1＝Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトル１３０を記載している。２つのセンサの反射率スペクトルは、試験媒質への暴露に応答して変化するので、共振周波数は、依然として互いに区別可能なままである。図３Ｂは、共振周波数のシフト後における、２つのセンサの反射率スペクトルを記載している。共振周波数は、シフトしたが、光信号の全スペクトル・バンド幅にわたって互いに区別可能なままである。
【００１１】
図４Ａは、２つのセンサが区別可能なＱ値（例えば、Ｑ1≠Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトル１３０を記載している。２つのセンサが示すＱ値は、区別可能であるが、２つのセンサの共振周波数は、全ての試験条件下において区別可能というわけにはいかない可能性がある。図４Ｂは、２つのセンサの反射率スペクトルがシフトして、２つのセンサの共振周波数を互いに区別できなくなる場合を記載している。２つのセンサの共振周波数は互いに区別できないが（例えば、ＲＦλ1＝ＲＦλ2）、２つのセンサの反射率スペクトルは、Ｑ値が異なるため、依然として互いに区別可能である。例えば、高分解能の光検出システム及び技法を用いて、センサの光応答を個別に認識可能である場合には、センサが示す共振周波数及びＱ値は、互いに区別可能とみなされる。
【００１２】
一実施形態では、センサは、光ファイバの端部に製作される回折格子である。図５Ａは、図１Ａ〜図１Ｃのシステムに利用可能な、回折格子ベースのセンサのセクション１１５（例えば、図１Ｂに記載したセンサ１１４のセクション１１５）の拡大図を記載している。回折格子ベースのセンサは、高誘電率の領域１０２及び低誘電率の領域１０４を含む空間プロファイルを有しているが、この空間プロファイルは、センサ上面の二次元プロファイルである。低誘電率の領域は、低誘電率特徴１０４と呼ばれ、センサの残りの部分は、高誘電率の領域１０２である。低誘電率特徴１０４は、一般に、各特徴のサイズ及び形状が本質的に同じである、反復パターンを示す。センサは、例えば、光ファイバ端部の表面に金の層を付着させて、高誘電率の領域１０２を形成することによって、光ファイバ１１０の端部１１２に製作される。低誘電率の領域１０４は、一般に、金層の正方形の穴である。図５Ｂは、光ファイバ１１０、及び、光ファイバ１１０の端部に配置された高誘電率領域１０２及び低誘電率領域１０４を示す、センサ・セクションの側面図である。図５Ａ及び図５Ｂに記載した正方形の穴は、長さ寸法ｄとピッチ（格子定数とも呼ばれる）ａによって定義されるが、ここで、ピッチは、隣接特徴（例えば、正方形の穴）の中心間の距離である。図５Ａ及び図５Ｂに記載しているような回折格子ベースのセンサは、光リソグラフィ、インプリント・リソグラフィ、リフトオフ、及び、エッチングといった既知の半導体処理技法を含む各種技法を用いて、光ファイバの端部に製作することが可能である。回折格子ベースのセンサは、例えば、Ａｌ、Ａｇ、または、ＴｉＯ2またはＳｉ3Ｎ4のような非導電性誘電体を含む他の材料を利用して形成することが可能である。
【００１３】
各センサの設計の多くの特徴が、特定センサの共振周波数及びＱ値に影響を及ぼす。例えば、特定センサの共振周波数及びＱ値は、光ファイバ組成、高誘電率領域の組成及び厚さ、低誘電率特徴の組成及び厚さ、低誘電率特徴のサイズ及び形状、低誘電率特徴のパターン対称性（例えば、正方形または六角形）、及び、低誘電率特徴のピッチによって影響される可能性がある。センサ設計の共振周波数及び／またはＱ値は、高誘電率領域及び低誘電率領域の空間プロファイルを変えることによって、変更することが可能である。例えば、低誘電率特徴のサイズまたはピッチといった、センサの空間プロファイルの１つの点だけを変えることによって、センサの共振周波数及び／またはＱ値が変化することになる。
【００１４】
図１Ａ〜図１Ｃの例では、図５Ａ及び図５Ｂに関連して解説したように、金層に異なるピッチで正方形の穴（図示せず）を形成することによって、２つのセンサ１１４及び１１６の共振周波数が異なるようにすることが可能である。例えば、第１のセンサ１１４の正方形の穴のピッチは、１，０００ｎｍ（ａ＝１．００ｕｍ）であり、第２のセンサ１１６の正方形の穴のピッチは、１，０３０ｎｍ（ａ＝１．０３ｕｍ）である。もう１つの実施形態では、異なるサイズの正方形の穴を形成することによって、２つのセンサ１１４及び１１６のＱ値が異なるようにすることが可能である。例えば、第１のセンサの正方形の穴は、２００ｎｍの辺を備え、一方、第２のセンサの正方形の穴は、５００ｎｍの辺を備えることが可能である。２つのセンサの正方形の穴のサイズを２００ｎｍ〜５００ｎｍの範囲で変化させることによって（１ｕｍの周期で）、２つのセンサの共振の線幅を３ｎｍ〜９０ｎｍの範囲で変化させることが可能である。
【００１５】
図１Ａ〜図１Ｃの例では、２つのセンサ１１４及び１１６は、それぞれ、光ファイバ端部１１２の表面領域の重なり合わない半分をカバーしている。図１Ａ〜図１Ｃに示す２つのセンサは光ファイバ端部の中央に沿って振り分けられているが、光ファイバ端部における２つのセンサの他の構成も可能である。図６Ａ〜図６Ｃには、光ファイバの端部１１２に配置された２つのセンサ１１４及び１１６の代替構成の例が示されている。図６Ａは、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部の象限を交互にカバーする典型的な構成を記載している。すなわち、センサＳ１は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、光ファイバ端部の右上及び左下の象限をカバーし、一方、センサＳ２は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、光ファイバ端部の右下及び左上の象限をカバーしている。図６Ｂは、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部１１２の同心円形領域をカバーする、典型的な構成を記載している。すなわち、センサＳ１が光ファイバ端部の内円領域をカバーし、センサＳ２は光ファイバ端部の外輪領域をカバーする。図６Ｃには、２つのセンサ１１４及び１１６が光ファイバ端部１１２の水平スライス状部分を交互にカバーする。図６Ａ〜図６Ｃの構成において、２つのセンサの表面積はほぼ等しいが、センサ表面積の他の構成比も可能である。
【００１６】
上述の表面検知システムは、同じ光ファイバ１１０の端部１１２に、共振周波数及び／またはＱ値の異なる２つのセンサ１１４及び１１６だけしか配置されていないが、同じ光ファイバの端部に、共振周波数及び／またはＱ値の異なる３つ以上のセンサを備えた表面検知システムを配置することも可能である。図７Ａ〜図７Ｃは、同じ光ファイバの端部１１２に配置された、それぞれ、共振周波数及び／またはＱ値の異なる４つの個別センサ１１４、１１６、１３４、及び、１３６を含む表面検知システムの典型的な構成を記載している。図７Ａを参照すると、ファイバ端部は、４つの象限に分割され、各象限毎に異なるセンサが配置されている。センサＳ１ １１４は、右上象限にあって、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、右下象限にあって、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、左下象限にあって、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、左上象限にあって、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。図７Ｂを参照すると、センサは、同心の輪をなすように割り振られ、各センサが異なる輪に配置されている。図５Ａのセンサと同様、センサＳ１ １１４は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。図７Ｃを参照すると、センサは、１／８分割された円の各部分に割り振られ、４つのセンサのそれぞれが、２つの非隣接分円部分に含まれている。やはり、センサＳ１ １１４は、共振周波数がＲＦλ1で、Ｑ値がＱ1であり、センサＳ２ １１６は、共振周波数がＲＦλ2で、Ｑ値がＱ2であり、センサＳ３ １３４は、共振周波数がＲＦλ3で、Ｑ値がＱ3であり、センサＳ４ １３６は、共振周波数がＲＦλ4で、Ｑ値がＱ4である。異なる共振周波数及び／またはＱ値は、例えば、２つのセンサの低誘電率特徴が異なるピッチ及び／または異なるサイズになるようにして、光ファイバ端部にセンサを製作することによって実現することが可能である。
【００１７】
図８は、図７Ａ〜図７Ｃからのセンサ構成の任意の１つによる４つのセンサ１１４、１１６、１３４、及び、１３６に関する反射率対波長のグラフである。４つのセンサの反射率は、例えば、ファイバに掃引光信号を送り込むことによって並行して測定される。図８に記載しているように、４つのセンサの反射率スペクトル１３２は、単一検出器を用いて、４つのセンサの共振周波数を容易に区別することができるように、スペクトル間隔があけられている。４つのセンサの共振スペクトル１３２間のスペクトル間隔は、共振周波数を依然として区別可能である限りにおいて、さらに狭めることが可能である。スペクトル間隔が狭くなると、同じスペクトル・バンド幅内に、区別可能なチャネルをより多く含むことが可能になる。センサのスペクトル・プロファイルを狭める（例えば、センサのＱ値を増す）ことによって、やはり、同じスペクトル・バンド幅内に、区別可能なチャネルをより多く含むことが可能になる。
【００１８】
概して、上述の表面検知システムは、反射または透過の際に機能するように設計することが可能である。表面検知システムが、反射時に機能するように設計されている場合、センサの共振周波数は、反射率スペクトルのディップまたは最小値によって識別される。表面検知システムが、透過時に機能するように設計されている場合、センサの共振周波数は、透過率スペクトルのピークまたは最大値によって識別される。
【００１９】
上述の表面検知システムを利用して、スペクトル・マルチプレクシングを実現するには、光信号、光ファイバ端部に光信号を加える方法、及び、光信号の反射または透過される部分を検出して、センサの共振周波数の変化を識別する方法が必要になる。反射型センサを利用するスペクトル・マルチプレクシング・システムの基本機能は、１）センサの共振周波数を含む光信号を発生すること、２）端部に配置されたセンサを含む光ファイバに光信号を送り込むこと、３）センサから反射される光信号の部分を集光すること、４）光信号の反射部分を検出することである。上述の機能をもたらすために利用可能なスペクトル・マルチプレクシング・システムの構成は数多く存在し、上述の機能が得られる限りにおいて、本発明にとって、そっくりそのままの構成であることが不可欠というわけではない。
【００２０】
図９は、反射型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２の一例を記載している。図９のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２には、光源１４４と、カプラ１４６と、光ファイバ１４８、１５０、及び、１５２と、区別可能な共振周波数及び／またはＱ値を有する少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光スペクトル・アナライザ（ＯＳＡ）１５６と、プロセッサ１５８が含まれている。図９の例では、光源によって、光ファイバの端部にあるセンサの共振周波数を含む広帯域エネルギ・スペクトルを備えた光信号が生じる。センサを用いて、屈折率の変化が測定されるが、センサ測定は、生体分子の測定に用いることが可能である。すなわち、センサを試験媒質にさらす前に、センサにさまざまな捕獲物質を固定化することによって、同じ光ファイバ端部の複数センサを用いて、生体分子の特異性を測定することが可能である。一実施形態では、光ファイバの端部に配置されたセンサに捕獲物質が塗布される。多種多様な捕獲物質及びセンサへの捕獲物質の塗布技法を用いることが可能である。バイオセンシング用途では、捕獲物質には、問題となる特定の蛋白質に対する親和性のために選択される１つ以上の抗体を含むことが可能である。捕獲物質を厚さ５０ｎｍ未満の単一層として塗布することが可能である。センサに捕獲物質を塗布すると、センサ及び捕獲物質は、捕獲物質の抗体の１つ以上に対して高い親和性を示す蛋白質を含む、試験媒質にさらされる。センサ及び捕獲物質を試験媒質にさらすための技法（原位置技法を含む）は、当該技術において既知のところであり、本明細書ではこれ以上の説明を控えることにする。試験媒質内における蛋白質の屈折率は、全体として、試験媒質の屈折率とは異なるので、センサの屈折率が変化し、その結果、特定センサの共振周波数が変化することになる。
【００２１】
抗体と蛋白質との結合をセンサでモニタするため、光源１４４からの広帯域光信号が光ファイバ１４８に送り込まれる。光信号は、光ファイバ１４８、カプラ１４６、及び、光ファイバ１５０を通って伝搬し、光ファイバ１５０の端部に配置されたセンサに到達する。センサは、同じ光ファイバの端部に配置されているので、光信号は並行して相互作用する。センサは、それぞれの共振周波数の光エネルギを吸収し、光信号の一部を反射して、カプラ１４６に向けて戻す。カプラ１４６は、反射光信号を光ファイバ１５２に結合し、光ファイバ１５２は、その反射光信号をＯＳＡ１５６に送る。ＯＳＡ１５６は、波長の関数として反射光信号の強度を測定し、強度対波長情報をプロセッサ１５８に供給する。強度対波長情報を用いて、センサにおける抗体と蛋白質との分子の結合の結果生じる、センサの共振周波数のシフトが識別される。センサの共振周波数のシフトを利用して、試験媒質の１つ以上の物理的特性が解明される。
【００２２】
図１０は、反射型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２のもう１つの例を記載している。図１０のスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２には、同調可能レーザ光源１６４と、カプラ１４６と、光ファイバ１４８、１５０、及び、１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値を有する少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、検出器１６６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１０の例では、同調可能レーザ光源１６４によって、光ファイバ１５０の端部にあるセンサの共振周波数を含むある波長範囲にわたって掃引可能な、狭帯域光エネルギ・スペクトルを備えた光信号が発生する。典型的な操作において、上述のように、捕獲物質がセンサに塗布される。捕獲物質がセンサに塗布されると、上述のように、捕獲物質が試験媒質にさらされる。
【００２３】
センサにおける結合をモニタするため、同調可能レーザ光源１６４は、ある波長範囲にわたって掃引される光信号を発生するが、その波長範囲には、センサの共振周波数が含まれる。掃引光信号は、光ファイバ１４８に送り込まれ、カプラ１４６を通って、光ファイバ１５０の端部のセンサに到達する。センサは、同じ光ファイバ１５０の端部に配置されているので、光信号は並行して相互作用する。光信号によってある波長範囲の掃引が行われる間に、センサによって、センサの共振周波数の光エネルギが吸収される。掃引光信号の吸収されない部分は、反射されて、光ファイバ１５０に戻され、カプラ１４６に達する。カプラ１４６は、反射光信号を光ファイバ１５２に結合し、光信号は、検出器１６６まで伝搬する。検出器１６６は、集められた光信号の光強度を測定し、光強度情報をプロセッサ１５８に送る。プロセッサ１５８は、同調可能レーザ光源１６４からの波長情報、及び、検出器１６６からの光強度情報を受信し、これらの情報を利用して、強度対波長情報を生成する。強度対波長情報を利用して、センサにおける抗体と蛋白質との結合の結果生じる、センサの共振周波数のシフトが識別される。センサの共振周波数のシフトを利用して、試験媒質の１つ以上の物理的特性が解明される。
【００２４】
透過型センサを利用するスペクトル・マルチプレクシング・システムの基本機能は、１）センサの共振周波数を含む光信号を発生すること、２）端部にセンサを含む光ファイバに光信号を送り込むこと、３）センサを通過する光信号の部分を集光すること、４）光信号の通過部分を検出することである。上述の機能をもたらすために利用可能なスペクトル・マルチプレクシング・システムの構成は数多く存在し、上述の機能が得られる限りにおいて、本発明にとって、そっくりそのままの構成であることが不可欠というわけではない。
【００２５】
図１１は、透過型表面検知システムに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２の一例を記載している。図１１のスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２には、光源１４４と、光ファイバ１５０及び１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値の少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光学素子１７４と、ＯＳＡ１５６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１１のスペクトル・マルチプレクシング・システム１７２が、センサから反射される光ではなく、光ファイバ１５０の端部にあるセンサを通過する光をモニタするという点を除けば、スペクトル・マルチプレクシング・システム１７２は、図９に関連して解説のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２と同様である。操作中、光学素子１７４によって、センサを通過する光がＯＳＡ１５６に送られる。操作の残りの部分については、図９に関連して上述のものと本質的に同じである。
【００２６】
図１２は、透過型センサに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２のもう１つの例を記載している。図１２のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２には、同調可能レーザ光源１６４と、光ファイバ１５０及び１５２と、異なる共振周波数及び／またはＱ値の少なくとも２つのセンサ（図示せず）が光ファイバ１５０の端部に配置されている表面検知システム１５４と、光学素子１７４と、検出器１６６と、プロセッサ１５８が含まれている。図１２のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８２が、センサから反射される光ではなく、光ファイバ１５０の端部にあるセンサを通過する光をモニタするという点を除けば、スペクトル・マルチプレクシング・システム１８２は、図１０に関連して解説のスペクトル・マルチプレクシング・システム１６２と同様である。操作中、光学素子１７４によって、センサを通過する光が検出器１６６に送られる。操作の残りの部分については、図１０に関連して上述のものと本質的に同じである。
【００２７】
図１３は、透過型センサに用いられるスペクトル・マルチプレクシング・システム１８３のもう１つの代替実施態様を記載している。図１３のスペクトル・マルチプレクシング・システム１８３の場合、表面検知システム１５４が、外部から照射される（例えば、照射光が、最初に、表面検知システム１５４を含む光ファイバ１５０内に送り込まれることはない）。表面検知システムを通過して、光ファイバ１５０を伝搬する光源からの光が、ＯＳＡ１５６によって検出される。もう１つの実施形態では、図１０及び図１２に関連して上述のように、ＯＳＡは検出器であり、光源は同調可能レーザ光源である。
【００２８】
図９〜図１３に関連して、スペクトル・マルチプレクシング・システムのいくつかの例１４２、１６２、１７２、１８２、及び、１８３について解説されたが、他の構成も可能である。例えば、利用可能な検出チャネル数を増すために束ねられた複数光ファイバに、単一光ファイバにおけるスペクトル・マルチプレクシングを適用することが可能である。もう１つの代替構成の場合、光源は、順次起動されて、所望の波長範囲をカバーする、１組の狭帯域光源である。
【００２９】
図１４は、本発明に従って、試験媒質の１つ以上の特性を解明するための方法のプロセス流れ図を記載している。ブロック３００では、第１及び第２のセンサが、試験媒質にさらされるが、第１及び第２のセンサは、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されている。ブロック３０２では、第１及び第２のセンサと並行して相互作用するように、光信号が光ファイバへと送り込まれる。ブロック３０４では、第１及び第２のセンサと相互作用した後の光信号を検出する。
【００３０】
異なる共振周波数及び／またはＱ値を有するセンサが同じ光ファイバの端部に配置された表面検知システムでスペクトル・マルチプレクシングを実施することによって、試験媒質の異なる物理特性を平行して解明することが可能になる。解明することが可能な試験媒質の物理特性には、制限するわけではないが、温度、圧力、生物学的構成、及び、化学的構成が含まれる。上述のように、さまざまな物理的特性を並行して解明することが可能である。例えば、同じ光ファイバの端部に配置された２つの異なるセンサを用いて、試験媒質の温度及び試験媒質中における特定蛋白質の濃度を並行して特性解明することが可能である。
【００３１】
図９〜図１３に関連して既述のスペクトル・マルチプレクシング・システム１４２、１６２、１７２、１８２、及び、１８３の利点は、スペクトル・マルチプレクシングが、単一光信号源１４４、１６４と、単一検出器１５６、１６６で実施される点にある。
【００３２】
表面センサを利用して、蛍光の集光効率が向上した。すなわち、金属構造（例えば、周期的または一様な）を利用して、蛍光体の放射崩壊時間がうまく処理され、同時に、蛍光体からの通常は等方性の放出が特定の角度に向けられた。この技法については、参考までに引用することにより本明細書の一部をなす、Ｊｏｓｅｐｈ Ｒ．Ｌａｋｏｗｉｃｚ、「Ｒａｄｉａｔｉｖｅ ｄｅｃａｙ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ５：ｍｅｔａｌ−ｅｎｈａｎｃｅｄ ｆｌｕｏｒｅｓｃｅｎｃｅ ａｎｄ ｐｌａｓｍｏｎ ｅｍｉｓｓｉｏｎ」、Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｂｉｏｃｈｅｍｉｓｔｒｙ、２００５年２月１５日、第３３７巻、第２号、ｐ．１７１−１９４に記載がある。本発明による一実施形態では、同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つの異なるセンサが、１以上の蛍光体からの蛍光をより効率よく結合するように構成されている。すなわち、同じ光ファイバの端部にあるセンサに、少なくとも２つの異なる色の蛍光の集光効率が向上するように、波長依存性の構成が施されている。同じ光ファイバの端部に配置された少なくとも２つのセンサを用いて、２つの異なる色の蛍光の集光効率を高めることによって、スペクトル・マルチプレクシングが可能になる。同じ光ファイバの端部にあるセンサは、電磁界を局在化する働きもし、その結果、背景蛍光雑音が低減する。
【００３３】
典型的なセンサ・タイプの１つとして、回折格子ベースのセンサについて解説してきたが、同じ光ファイバの端部に他のセンサ構造を配置して、表面検知システムにおけるスペクトル・マルチプレクシングを可能にすることも可能である。
【００３４】
本発明の具体的な実施形態について解説して説明してきたが、本発明は、このようにして解説され、説明された部分の具体的な形態または構成に制限されるものではない。本発明の範囲は、添付の請求項及びその均等物によって規定されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、共振周波数及び／またはＱ値の異なる２つのセンサの、本発明による典型的な実施形態を示す図である。
【図２】図１Ａ〜図１Ｃの２つのセンサに関する反射率対波長のグラフである。
【図３】Ａ及びＢは、２つのセンサが区別可能な共振周波数（例えば、ＲＦλ1≠ＲＦλ2）と区別できないＱ値（すなわち、Ｑ1＝Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトルを示す図である。
【図４】Ａ及びＢは、２つのセンサが区別可能なＱ値（例えば、Ｑ1≠Ｑ2）を示す場合に、並行して測定される２つのセンサの反射率スペクトルを示す図である。
【図５】Ａは、図１Ａ〜図１Ｃのシステムに用いることが可能な回折格子ベースのセンサのあるセクションの拡大図である。Ｂは、図５Ａからの回折格子ベース・センサの側面図である。
【図６】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された２つのセンサの代替構成例を示す図である。
【図７】Ａ〜Ｃは、同じ光ファイバの端部に配置された、それぞれ、共振周波数の異なる４つの個別センサを含む、バイオセンサの典型的な構成を示す図である。
【図８】図７Ａ〜図７Ｃからのバイオセンサ構成の任意の１つに関する４つのセンサの反射率対波長のグラフである。
【図９】光ファイバの端部に配置された反射型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムの一例を示す図である。
【図１０】光ファイバの端部に配置された反射型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１１】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムの一例を示す図である。
【図１２】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１３】光ファイバの端部に配置された透過型バイオセンサに用いられる、スペクトル・マルチプレクシング・システムのもう１つの例を示す図である。
【図１４】本発明に従って生体分子の結合の特性解明をするための方法のプロセス流れ図である。
【符号の説明】
【００３６】
１０４ 低誘電率特徴
１１０ 光ファイバ
１１２ 光ファイバの端部
１１４ 第１のセンサ
１１６ 第２のセンサ
１４２ スペクトル・マルチプレクシング・システム
１５６ 検出器
１６２ スペクトル・マルチプレクシング・システム
１６４ 同調可能レーザ光源
１７２、１８２、１８３ スペクトル・マルチプレクシング・システム
【特許請求の範囲】
【請求項１】
１つの端部を備える光ファイバと、
前記光ファイバの前記端部に配置された第１のセンサと、
前記光ファイバの前記端部に配置された第２のセンサと
を含んでなり、前記第１及び第２のセンサが、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記第１のセンサが、第１の共振周波数及びＱ値を生じることになる、誘電率の高い領域及び低い領域の空間プロファイルを有することと、前記第２のセンサが、第２の共振周波数及びＱ値を生じることになる、誘電率の高い領域及び低い領域の空間プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のセンサの前記空間プロファイルに、低誘電率特徴のパターンを含むことを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記第１のセンサの前記空間プロファイルのある点が、前記第２のセンサの前記空間プロファイルの同じ点と異なっていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２のセンサが、前記光ファイバ端部の重なり合わない部分をカバーしていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のセンサと相互作用する光信号の並行検出を可能にするように構成された、前記光ファイバと光学的に通じているスペクトル・マルチプレクシング・システムをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記スペクトル・マルチプレクシング・システムに、同調可能レーザ光源を含むことと、前記同調可能レーザ光源の波長範囲に、前記第１及び第２のセンサの共振周波数を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記光ファイバと光学的に通じているスペクトル・マルチプレクシング・システムを有し、該スペクトル・マルチプレクシング・システムが、前記光ファイバに掃引光信号を供給するように構成された光信号源と、前記第１及び第２のセンサと相互作用する前記光信号の部分を検出するように構成された検出器とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項９】
同じ光ファイバの端部に配置されて、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成された第１及び第２のセンサを試験媒質にさらすステップと、
前記光ファイバに光信号を送り込んで、前記光信号と前記第１及び第２のセンサを並行して相互作用させるステップと、
前記第１及び第２のセンサとの相互作用がすんだ後の前記光信号を検出するステップと
を含んでなる、試験媒質の１つ以上の物理的特性を解明する方法。
【請求項１０】
前記検出するステップは、単一光検出器において前記光信号を検出することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１】
１つの端部を備える光ファイバと、
前記光ファイバの前記端部に配置された第１のセンサと、
前記光ファイバの前記端部に配置された第２のセンサと
を含んでなり、前記第１及び第２のセンサが、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成されていることを特徴とするセンサ装置。
【請求項２】
前記第１のセンサが、第１の共振周波数及びＱ値を生じることになる、誘電率の高い領域及び低い領域の空間プロファイルを有することと、前記第２のセンサが、第２の共振周波数及びＱ値を生じることになる、誘電率の高い領域及び低い領域の空間プロファイルを有することを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項３】
前記第１及び第２のセンサの前記空間プロファイルに、低誘電率特徴のパターンを含むことを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項４】
前記第１のセンサの前記空間プロファイルのある点が、前記第２のセンサの前記空間プロファイルの同じ点と異なっていることを特徴とする請求項２に記載のセンサ装置。
【請求項５】
前記第１及び第２のセンサが、前記光ファイバ端部の重なり合わない部分をカバーしていることを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項６】
前記第１及び第２のセンサと相互作用する光信号の並行検出を可能にするように構成された、前記光ファイバと光学的に通じているスペクトル・マルチプレクシング・システムをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項７】
前記スペクトル・マルチプレクシング・システムに、同調可能レーザ光源を含むことと、前記同調可能レーザ光源の波長範囲に、前記第１及び第２のセンサの共振周波数を含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項８】
前記光ファイバと光学的に通じているスペクトル・マルチプレクシング・システムを有し、該スペクトル・マルチプレクシング・システムが、前記光ファイバに掃引光信号を供給するように構成された光信号源と、前記第１及び第２のセンサと相互作用する前記光信号の部分を検出するように構成された検出器とをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載のセンサ装置。
【請求項９】
同じ光ファイバの端部に配置されて、互いに区別可能な共振周波数またはＱ値を示すように構成された第１及び第２のセンサを試験媒質にさらすステップと、
前記光ファイバに光信号を送り込んで、前記光信号と前記第１及び第２のセンサを並行して相互作用させるステップと、
前記第１及び第２のセンサとの相互作用がすんだ後の前記光信号を検出するステップと
を含んでなる、試験媒質の１つ以上の物理的特性を解明する方法。
【請求項１０】
前記検出するステップは、単一光検出器において前記光信号を検出することを含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【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２００７−３５２７（Ｐ２００７−３５２７Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７１９７２（Ｐ２００６−１７１９７２）
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（３９９１１７１２１）アジレント・テクノロジーズ・インク (710)
【氏名又は名称原語表記】ＡＧＩＬＥＮＴ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＩＥＳ， ＩＮＣ．
【住所又は居所原語表記】３９５ Ｐａｇｅ Ｍｉｌｌ Ｒｏａｄ Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ，Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ Ｕ．Ｓ．Ａ．
【Ｆターム（参考）】
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