チャネル又は移動物体から放射される光子エネルギの検知
【課題】移動物体等の放射光から迅速に且つ小型で安価な装置によりスペクトラム情報を得る。
【解決手段】アナライザ10を構成する流路付構造物12に、複数個の構成部分からなり構成部分毎に流体移動方向が所定のチャネル14を形成し、更にそのセルがチャネル各部に沿って列をなすフォトセンサアレイを有する集積回路64〜70を、流体移動方向沿いに配置する。各列内セルを複数組に分け、各組では互いに異なるサブレンジに属するエネルギを有する光子を検知する。チャネル14のうち対応する部分内を流体移動方向に沿って物体が移動し更にその移動中の流体が光子を放出すると、各フォトセンサアレイの各列セルは、放出された光子のうち、対応するチャネル構成部分における検知対象光子エネルギレンジに属するエネルギを有するものを各組毎に即ち各サブレンジ毎に検知する。
【解決手段】アナライザ10を構成する流路付構造物12に、複数個の構成部分からなり構成部分毎に流体移動方向が所定のチャネル14を形成し、更にそのセルがチャネル各部に沿って列をなすフォトセンサアレイを有する集積回路64〜70を、流体移動方向沿いに配置する。各列内セルを複数組に分け、各組では互いに異なるサブレンジに属するエネルギを有する光子を検知する。チャネル14のうち対応する部分内を流体移動方向に沿って物体が移動し更にその移動中の流体が光子を放出すると、各フォトセンサアレイの各列セルは、放出された光子のうち、対応するチャネル構成部分における検知対象光子エネルギレンジに属するエネルギを有するものを各組毎に即ち各サブレンジ毎に検知する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、集積回路(IC)上に形成されたフォトセンサアレイを用いる光子検知に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献2には、細胞流用長尺状流路(チャネル)を複数個有するシステムが記載されている。このシステムにおいては、細胞流用チャネルからの輻射をモニタすべくアレイ型検知器が配置される。そのアレイ型検知器上には別々のグループをなす複数個の画素がある。アレイ型検知器は、チャネルのうち少なくとも2個からの輻射を、互いに別の画素グループにてモニタできるように、配置されている。
【0003】
【特許文献1】米国特許第5166755号明細書
【特許文献2】米国特許第6580507号明細書
【非特許文献1】S. Devasenathipathy and J. G. Santiago, "Electrokinetic Flow Diagnostics", in K. S. Breuer, Ed. 'Micro and Nano-Scale Diagnostic Techniques', Springer-Verlag, New York, 2003, pp. 113-154
【非特許文献2】M. Koch, A. G. R. Evans and A. Brunnschweiler, "Design and Fabrication of a Micromachined Coulter Counter", J. Micromech. Microeng., Vol. 9, 1999, pp. 159-161
【非特許文献3】V. Sivaprakasam, A. Houston, C. Scotto and J. Eversole, "Multiple UV Wavelength Excitation and Fluorescence of Bioaerosols", Optics Express, Vol. 12, No.9 (2004), pp. 4457-4466
【非特許文献4】Nicholas J. Goddard, Kirat Singh, Fatah Bounaira, Richard J. Holmes, Sara J. Baldock, Lynsay W. Pickering, Peter R. Fielden and Richard D. Snook, "Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguies (ARROWs) as Optimal Optical Detectors for MicroTAS Applications", [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/MicroTAS/MicroTas2.htm
【非特許文献5】K. Singh and N.J. Goddard, "Leaky ARROW Waveguides for Optical Chemical and Biosensors", Abstract Submitted to Biosensors 1998, [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/Biosensors/ARROW-Biosensors.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
既存技術例えば上述の従来技術を利用し光から情報を得る際に問題となることの一つに、流路付構造物に設けられているチャネル又はその中の移動物体から放射光を得てスペクトラム情報を得る動作を、迅速に実行することが難しいことや、それを実現するのに嵩張った高価な装置が必要であること等がある。その捕捉が難しく(或いは捕捉することが望ましくなく)移動中に計測等を行う必要がある物体の特性を光学的に調べる際、これらのことがとりわけ大きな支障になる。加えて、光学的粒子識別法には、取得可能な情報が限られ、また励起光・粒子間相互作用が弱いという制約がある等、また別の問題もある。
【0005】
従って、チャネル内物体から放出される光子を検知する技術を改良し、上掲の問題群を解決することが、求められているといえよう。
【課題を解決するための手段】
【0006】
ここに、本発明の一実施形態に係るセンサは、(1)チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう1本又は複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、(2)少なくとも1本のチャネル構成部分に対応して且つそのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、を備え、(3)各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも2組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、(4)各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知するセンサである。
【0007】
また、本発明の一実施形態に係る方法は、(1)光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、(2)それぞれ上記経路の一部である複数個のセグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を、検知する検知ステップと、を有し、(3)少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知する方法である。
【0008】
本実施形態においては、より好ましくは、(1)フォトセンサアレイを、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも2個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち1個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成し、(2)上記移動ステップでは、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させる。
【0009】
そして、本発明の他の実施形態に係るセンサは、(1)光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、(2)上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、(3)上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なるセンサである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1に、流路付構造物12を支持基体としその上に形成されているアナライザ10について、その構成要素のうち幾つかを模式的に示す。図示の如く、この流路付構造物12には蛇のように曲がりくねったチャネル14が形成されている。また、このチャネル14は、その内部に物体16を通すことができるよう、形成されている。物体16は、例えば、解析対象となる検体を含有する小体積流体乃至液滴であり、適当な物質例えば流体によって、このチャネル14内を運ばれていく。
【0011】
以下説明する構成にて検査しうる物体16には、例えば、液滴、流体の微小体積部分、単独の分子、凝集した分子、分子クラスタ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、DNA(デオキシリボ核酸)、マイクロパーティクル、ナノパーティクル、エマルジョン等と称されるものが含まれる。液滴や流体微小体積部分の中には、例えば、自発的に又は励起に応じ蛍光等の仕組みで光を輻射する粒子、例えば原子や分子等の蛍光成分・発光成分や、液滴等への入射光を吸収してしまいその粒子ひいては液滴等からの光の反射や散乱が生じない粒子即ち吸収成分や、液滴等への入射光をその光を構成する光子のエネルギ(波長又は振動数のこと;本願では光子エネルギと称する)に応じて散乱させる粒子即ち散乱成分等が含まれうる。吸収成分しか含まない液滴等は光を反射も散乱もさせないのに対し、散乱成分を含む液滴等はそれ相応に入射光を散乱させる。即ち、液滴内の検体即ち調査対象化学種は、蛍光体、光吸収体、光散乱体等として振る舞う。
【0012】
物体16は、図中矢印線20で示されるように、主流体により搬送されてチャネル14内に入っていく。その送給元は例えば補給用リザーバ及び標本ウェルであり、主流体内への入り方は等速送出用電極22によって制御される。ここでは等速送出(metering)の方法として電極22による電気的等速送出を使用しているが、圧力による等速送出も採用可能である。更に、チャネル14内に液滴その他の小物体を供給するのに使用できる手法は他にもある。
【0013】
アナライザ10に設けるチャネルの本数は適宜定めることができる。その場合、各チャネルの構成は図1中のチャネル14と同様の構成でよい。各チャネルに対する検体標本の供給元例えば標本ウェル、リザーバ、コンテナ等は、チャネル毎に設けてもよいし複数個のチャネルで共用してもよい。更に、各チャネルに設ける部材の個数及び種類は、そのチャネルを用いどのような種類の解析を実施したいかに応じて設定するとよく、従ってそれらはチャネル毎に異なる個数又は種類となりうる。使用できる解析手法としては、例えば蛍光分光(fluorescence spectroscopy)、レーザ誘起(laser-induced)蛍光分光(LIF)、吸収(absorption)分光、励起(excitation)分光、ラマン散乱(Raman scattering)分光、面拡張型(surface-enhanced)ラマン散乱分光(SERS)、遠赤外(far-infrared)分光等がある。また、1個の広いチャネルを区画して複数本のチャネルを形成すること、例えば互いに平行な数本のチャネルを形成することも可能である。
【0014】
物体16を搬送するための流体は、矢印線24で示すように別の入口からチャネル14内に入れることもできる。矢印線20又は24に沿ってチャネル14内に入った流体が辿る経路は、様々な装置により制御される。例えば、この図のチャネル14に設けられている分岐ジャンクションのうち2個は、それぞれ別のアウトレットにつながっており且つ弁を有している。図中の弁30及び32がそれである。チャネル14内の流体は、矢印線26で示すように弁30に対するトグル制御によって一方のアウトレットから排出させることができ、また、矢印線28で示すように弁32に対するトグル制御によって他方のアウトレットからも排出させることができる。即ち、物体16が到来したとき弁30又は32を開かせることによって、物体16及びそれを搬送する流体を、その弁に対応するアウトレットから排出させることができる。これは物体16を対象とするゲーティングの一形態であり、他の形態によるゲーティング、例えば電界印加により選別的に物体16を偏向させる仕組みによるゲーティングも実施可能である。帯電している粒子であればクーロン力によって偏向させることができるし、分極可能な粒子であれば誘電泳動力によって偏向させることができる。そして、流体は、矢印線34で示すように、最後段に設けられたアウトレットを介しチャネル14から排出させることができる。
【0015】
流体の流れを維持するには、チャネル14の長手方向に沿って、流体の流れを推進する部材を設ければよい。この推進部材は従来からある種類のものでよく、図示の例では電気浸透ポンプ40が用いられている。推進部材には、流体の流れを維持する機能だけでなく、圧送法によりシステムを洗浄する機能や同じく圧送法により流体を初期充填する機能を担わせることができる。電気浸透ポンプ40を含め、流路付構造物12に設けられた各種部材は、相応の回路を設けることによって、相互に同期をとりつつ動作させることができる。
【0016】
チャネル14は、180度に曲がった屈曲部により複数個の直線部間をつないだ構成を有している。チャネル14沿いには、それぞれ対応する直線部内を移動していく物体16についての情報を取得するため、複数個の検知部材が次から次へと配されている。設けられている検知部材の一つはコールタカウンタ(Coulter counter)50、他の一つはミー散乱センサ(Mie scatter sensor)52であって、これらは何れも既存手法を用いて構成することができる。図中、コールタカウンタ50及びミー散乱センサ52は、チャネル14を構成する同一の直線部沿いに配置されている。コールタカウンタ50は電気式粒子サイズ検知器の一種であり、ミー散乱センサ52は光学式検知器の一種である。ミー散乱センサ52は、側方からチャネル14に入射しチャネル14内の物体16例えば粒子により散乱された光を検知する。
【0017】
チャネル14沿いには、上述の一群の検知部材として、更に、可視光や赤外光に反応する光吸収検知部材54、第1の蛍光検知部材56、第2の蛍光検知部材58、並びにラマン散乱検知部材60が配されている。アナライザ10には、これ以外にも、適宜、様々な検知部材を様々な組合せで設けることができる。全部又は一部の検知部材間に相互直列接続乃至相互縦続関係がない配置としてもよい。また、更に、特性的に所定条件を満たす検体がチャネル14沿いのある位置を通過したとき、そのこと又はその時刻を示す起動信号を出力する光学式又は電気式の起動部品を、検知部材の一種として設けてもよい。こうした起動部品は既存の技術で実現できる。更に、生体粒子サイズ検知用差動抵抗に代え、電子病理学向けEIS(electrical impedance spectroscopy)用検知部材を、設けることもできる。
【0018】
図1に示す一群の検知部材によれば、移動する粒子その他の物体16についてのスペクトラム情報を取得することができる。取得したスペクトラム情報を用いれば、直交性のあるかたちで物体16の特徴を調べることができ、また物体16の識別を信頼性よく行うことができる。直交性のあるかたちで、とは、例えば相異なる光子エネルギレンジでの光子検知により得られた複数種類の情報や、相異なる強度レンジでの光子検知により得られた複数種類の情報のように、その間に直交性が成り立つ複数種類の情報を利用して、という意味である。素材選択が適切であれば、深紫外域から遠赤外域更にはTHz帯の周波数に至る光子エネルギレンジにてくまなく、スペクトラム情報を取得可能である。
【0019】
また、アナライザ10は、多信号解析を実行可能な構成、従って生体物質(bioagent)を試薬なしで識別可能な構成とすることができる。
【0020】
検知部材54、56、58及び60はそれぞれIC64、66、68又は70を有しており、それらIC64、66、68及び70はそれぞれフォトセンサアレイを内蔵しており、各フォトセンサアレイは一群のセルから構成されており、各セル群はある光子エネルギレンジ内の光子を検知するよう構成されている。言い換えれば、検知部材54、56、58及び60は内蔵するセル群により実現されている。更に、IC64、66、68及び70にて光子を検知可能な光子エネルギレンジを互いに同一にしてもよいし違えてもよい。例えば、IC66を構成するセル群は上述の如く可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジにて光子を検知し、IC68を構成するセル群は同じ可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジではあるがIC66を構成するセル群のそれとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知し、IC70を構成するセル群は赤外域に属する光子エネルギレンジにて光子を検知する、といった具合に構成することができる。また、光子を検知可能な光子エネルギレンジが同一の複数のICにて別々の検知結果が得られるよう構成することもできる。例えば、IC66及び68に係る光子エネルギレンジが互いに同一であるとする。そうした場合でも、それらIC66及び68に対応する励起光源同士を、互いに別々の波長で発光するように構成しておけば、互いに異なる結果が得られる。即ち、そうした構成では、一方の波長の励起光を受けて物体16が発する蛍光が例えばIC66で検知され、他方の波長の励起光を受けて物体16が発する蛍光が例えばIC68で検知されることとなるので、蛍光検知結果が両IC間で異なる結果となりうる。なお、励起光源は、LED(発光ダイオード)、レーザ等によって実現することができる。また、検知部材54、56、58及び60を構成するセル群の光子検知可能波長域即ち光子エネルギレンジは、この例では複数個のサブレンジに分割されており、各サブレンジに属する光子をセルの小群(組)のうち対応するものが検知する構成を採っている。各小群に係るサブレンジを他の小群のそれと同じにしてもかまわないが、同一フォトセンサアレイ内小群のうち少なくとも2個は、互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう構成しておく。
【0021】
更に、検知部材56、58及び60には励起手段乃至照明手段を併設することができる。励起乃至照明の手法は、物体16から光を放射させることが可能な手法である限り、どのような手法でもよい。また、単独の粒子又は低濃度の生物学的若しくは化学的物質の特性を調べることができるようアナライザ10を構成する場合には、とりわけ、光標的間相互作用の強化(enhanced light-target interaction)が重要となる。チャネル14は、その内部にあり検体を含む流体を光導波用のコア部とし、それを取り巻く高屈折率の部分をクラッディング部とする反共振光導波構造(anti-resonant waveguide)とすることができるので、概略、その長手方向に沿ってフォトニック相互作用を発生させることができ、これによって光標的間相互作用を強化することができる。また、この反共振光導波構造における光標的間相互作用強化を妨げないようにするため、ここでは更に、IC66、68及び70を複数個のスペーサ72によって支持する構造を採用している。このようにすれば、IC66、68及び70とチャネル14の対応部分との間に適正な幅の間隙が形成されるため、IC66、68及び70が反共振光導波構造と機械的に抵触、競合することを、防ぐことができる。
【0022】
反共振光導波構造においては、長手方向に沿って相互作用が生じることから、光と標的粒子(例えば分子)との間の相互作用が格段に強くなる。反共振光導波構造は、例えば、ガラス毛細管内にエアロゾルを入れた構造や、或いはガラススライド間に液体膜を挟んだ構造によって実現するのが、望ましい。励起は相応の電磁波を照射することによって行うことができる。
【0023】
光標的間相互作用強化用光導波構造例えば反共振光導波構造を採用する場合、背景励起光抑圧機構の付加が必要になるかもしれない。背景励起光抑圧機構としては、例えば波長炉波特性を有する部材を、チャネル14を形成する壁の一部又はフォトセンサアレイの頂部被覆の一部として設ければよい。
【0024】
図2に、図1中の線2−2に沿ったアナライザ10の断面を模式的に示す。図示したのは第2の蛍光検知部材58を含む部分の断面であるが、第1の蛍光検知部材56も本質的にこれと同様の断面を呈する。また、ラマン散乱検知部材60の断面にも、これに類似する部分がある。
【0025】
矢印線82で示す如くチャネル14の構成部分80内を下流へと移動中の物体16は、例えばレーザ光源やLED光源として構成された光源84等の励起部材から、励起光を受光する。チャネル構成部分80は、例えば光源84から発せられた光を受けて反共振光導波路として機能する等して、強化されたかたちで光標的間相互作用を発生させる。
【0026】
光源84からの光が到達すると、物体16に内包されている検体が蛍光、即ち光子エネルギスペクトラムに特徴のある光を放射する。放射された光の一部は光束86となり検知器アセンブリ87に向かう。検知器アセンブリ87は少なくともIC68を有しており(実施形態によってはそれ以外の構造物も有しており)そのIC68上にはフォトセンサアレイがあるので、光束86内の光子はそのフォトセンサアレイを構成するセル群によって検知されることとなる。なお、検知器アセンブリ87は、IC68上のフォトセンサアレイがチャネル構成部分80内における物体16の移動経路近くに位置し且つ当該フォトセンサアレイが当該移動経路に対して平行になるよう、ひいては集光効率が高まるよう、配置しておく。ここでいう「経路」は複数個の位置を実質連続的に連ねたもののことであり、例えばある「経路」から光が放射されるならその経路は「放射元経路」、またある「経路」上で光がフォトセンサアレイに入射するならその経路は「光検知経路」という具合に使用する。また、「経路」は複数個の構成部分即ち「セグメント」又は「経路部分」を含むものとして理解することができる。ここでいう「セグメント」乃至「経路部分」は排他的なものではなく、セグメント同士の一部重複や全部包含も許される。
【0027】
また、アレイを構成するフォトセンサのうち何個かがある経路又はそのセグメントから放射される光を検知できるよう、そのフォトセンサアレイがその経路又はセグメントの近くに配置されている場合、そのことを、経路又はそのセグメントに「沿って」フォトセンサアレイが配置されている、と表すこととする。
【0028】
図中の検知器アセンブリ87は、チャネル14の構成部分80における反共振光導波を邪魔しないよう、複数個のスペーサ72によって支持されている。即ち、複数個のスペーサ72はチャネル構成部分80内に入り込まないように配置されており、それによって検知器アセンブリ87の下方には空隙88が生じているので、チャネル構成部分80内での反共振光導波は阻害されない。これは、空気の屈折率が、導波路(チャネル14)内の液体のそれよりも低いためである。なお、ここでは空隙88を形成しているがこれは反共振光導波が阻害されることを防ぐ方法の一例に過ぎず、十分な幅の間隙又は十分に屈折率の低い層乃至膜でさえあれば、設けるのが空気の層(空隙88)でなくとも、反共振光導波が阻害されることを防止できる。低屈折率の素材を使用する場合、形成乃至使用すべき間隙、層又は膜の幅若しくは厚みは数μm程度、例えば10μmという狭さ乃至薄さになる。
【0029】
また、物体16はチャネル構成部分80内通過中は途切れなしに励起光を受光するので、物体16内の検体からの蛍光もフォトセンサアレイの長手方向に沿って途切れなく発生し続ける。従って、物体16がチャネル構成部分80内を移動する期間を途切れなく利用して、スペクトラム情報を収集することができる。
【0030】
図2に示した構造は、更に、ラマン散乱検知部材60をかたちづくる構造としても用いることができる。ラマン散乱検知部材60をそのようにして形成した場合、専用のラマン散乱センサと比肩しうる程ではないにせよ、特定の注目ラマンバンド等に対し十分に適用できる性能及び分解能や十分なスペクトル域を有するものが得られる。また、その出力信号は、完全なラマンスペクトラムではなく、それぞれ、ラマンスペクトラム間にある狭い間隙の幅なり、指定された複数本のラマンライン間の強度比なりを表す信号になる。
【0031】
図2に示した形態でラマン散乱検知部材60を実現するには、光源84及びIC70を所定の仕様に適合させること、とりわけアナライザ10における感度及び背景光抑圧能力に関する仕様に適合させることが、必要となろう。加えて、光サンプリングを効率的且つ確実に行えるようにするため、IC70を構成するフォトセンサアレイとチャネル14との間に、相応の光学部品を配置することが必要となろう。
【0032】
図2からは、更に、流路付構造物12を実現、形成する手法の例も看取できる。即ち、図中の構成では、例えば光透過性のガラス又はシリコン基板である支持層90の上に、ポリジメチルシロキサン(polydimethylsiloxane;PDMS)によりマイクロモールド層92が形成されており、更にこのマイクロモールド層92内にチャネル14が形成されている。図中の各層例えばマイクロモールド層92をパターニングする際には、検体と検体の間の干渉ができるだけ少なくなるよう、チャネル14のうちの光標的間相互作用発生部分の長さを設定しておくとよい。
【0033】
PDMSからなるパターン化マイクロモールド層92を形成するには、例えば、ガラス等からなる支持層90の上にSU−8ポリマからなるテンプレートを形成し、その上にPDMSを堆積、成長させた上で、テンプレートを除去すればよい。そうすれば、テンプレートがなかった場所にパターン状の構造物が形成される。マイクロモールド層92の上を覆っているのはガラス等により形成された光透過性プレート94である。
【0034】
こうした方法に代え、ガラスをエッチングしチャネルを形成する、という手法も使用できる。また、SU−8等のポリマ素材の層をマイクロファブリケーション法によりパターニングしてチャネルを形成すれば、アスペクト比の高いチャネル壁を形成できる。また、チャネル14内で検体を搬送する媒体に応じ、チャネル14にまつわる各種パラメタを設定すれば、更に好適な結果が得られる。
【0035】
例えば、チャネル14にまつわるパラメタのうち、チャネル壁の接着性(adhesiveness)即ち生体粒子、バクテリア、タンパク質等の吸引されやすさを左右するパラメタをうまく設定することが、特に効果的である。
【0036】
チャネル壁面等の接着性による標本損失を減らす方法は幾つかある。具体的には、チャネル壁面等に抗接着性被覆を被着形成しておくことで、その壁面への生体粒子等の検体の付着を防止できる。特に、ポリエチレングリコール(polyethylene glycol;PEG)の浸漬被膜を形成しておけば、大抵の生物系素材はその被着を好適に防止することができ、それでいて水溶液に作用する毛細管力も確保することができる。この他の使用可能な被覆としては、例えばパリレンC(parylene C;商標)や、気相成長テトラグリム(tetraglyme;tetraethylene glycol dimethyl ether;pentaoxa pentadodecan)がある。どういった被覆を使用するかは、例えば標本の特性、素材界面の化学的性質、動作の条件・形態・機序等に応じて決めればよい。また、前述の反共振導波という手法はその内径が最大約1.0mmのチャネルに対して適用され、また恐らくはそれ以上の内径のチャネルに対しても適用可能な手法である。このように太いチャネルに適用される手法であるので、目詰まりのような大きな問題が壁面接着によって生じる恐れは少ないが、それでもなお接着防止措置は有益である。即ち、接着防止措置を施すことで、チャネル内壁への素材や物体の接着を防止でき、従って接着した素材や物体から光が放射され背景スプリアス光になってしまうことを防ぐことができる。
【0037】
更に、図2中、支持層90の表面のうちPDMSによるマイクロモールド層92とは逆側の面上には、その一部表面が励起光結合部98として機能するよう光学部品96が設けられている。光源84から発せられた光は、この面98を通ることで、チャネル14の構成部分80内にある反共振光導波路にカップリングされる。面98は良好な結合が実現されるように形成されている。また、適当な素材と適当なプロセスを用いさえすれば、支持層90及び光学部品96を同一の素材による単一の層として形成することもできる。
【0038】
図3に、検知器アセンブリ87の一例構成を模式的に示す。この図の検知器アセンブリ87内のIC68はフォトセンサアレイ100を有しており、更に当該IC68に取り付けられた複数個のスペーサ72を有している。フォトセンサアレイ100は図示の如く二次元アレイであり、少なくとも2個の行に亘り配列されたセル群を有している。そして、各セルにはフォトセンサが内蔵されている。
【0039】
フォトセンサアレイ100は、各部分例えば各行内に位置するセルが他の部分例えば他の行内に位置するセルとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知するように、また同一部分例えば同一行内に位置するセルが互いに異なるサブレンジにて光子を検知するように、例えば部位毎に異なる被覆によって覆われる等、異なる構造とされている。そのため、1個のICから得られる情報だけで、広範な光子エネルギレンジに亘り仔細に入射光子を解析することができる。加えて、基準セル群を設ければ、空間分解能の高いリアルタイムな基準信号を発生させることができる。
【0040】
このフォトセンサアレイ100の特徴の一つは、サブレンジセルの近傍に何個かの基準セルが設けられていることである。
【0041】
即ち、行102に属する各セルは、波長λallによって代表されるある好適な光子エネルギレンジ全体に亘り光子の検知を行いその結果を信号として出力する。この信号は、行104に属する近傍のセル用の基準信号として使用される。なお、セルの構成次第で出力信号の強度が異なるので、行102に属するセルから得られる信号の強度と、行104に属するセルのうちこれと対をなすセルから得られる信号の強度は、一般に異なるものになる。望みであれば、行102内のセルと行104内のセルの構成をそれ相応に異なる構成とすることによって、両信号強度を同じオーダにすることができる。
【0042】
他方、行104内にある各セルは、所定光子エネルギレンジを構成するサブレンジのうち、何れかのサブレンジにて光子を検知する。図示の例では、当該所定光子エネルギレンジの最短波長はλmin、最長波長はλmaxであり、これらの波長により光子エネルギレンジの広がりが定まっている。図中、セル106を例として示されているように、各セルはその光子エネルギレンジのサブレンジ例えば波長λpを中心とするサブレンジにて光子を検知する。IC68は、更に、これらのセルをアレイ化するためのアレイ回路や、フォトセンサアレイ100からの検知結果情報の読出に関連する各種機能を実行する周辺回路110を、内蔵している。
【0043】
図4に検知器アセンブリ87の構成例を示す。この図には、フォトセンサアレイを構成する幾つかのセル及びそれらにより光子が検知されるサブレンジが、より詳細に示されている。この図に示す検知器アセンブリ87は、図中の上方向を空隙88側に向け、複数個のスペーサ72によって空隙88上方に支持することができる。
【0044】
図4に示されているのはフォトセンサアレイの一部分150の断面であり、この部分150内のセル群152の断面が模式的に示されている。セル群152の上方にあるのは、レンズアレイ部164からの入射光162を受け入れるための透過構造160である。レンズアレイ部164は、例えばSelfocレンズアレイ等のGRIN(gradient index)レンズアレイとして形成できる部材であり、この部材を設けることは必須ではない。レンズアレイ部164は、例えば、図2に示した空隙88を介して光を受け取ることができるよう、また透過構造160に対し平行ビームを供給できるよう、構成するとよい。平行ビームを供給することによってスペクトラム分解能が向上する。なお、Selfocは登録商標、GRINは商標である。煩雑さを避けるため、以下の記載ではこれらについての登録商標表記及び商標表記を省略する。
【0045】
透過構造160は例えば光透過横変(laterally varying;「横方向位置により異なる」の意)特性を有する膜とすることができる。透過構造160のうち図4に示されている部分は、楔状透過型(空胴)共振子170を反射膜172と反射膜174の間に挟み込んだ構造、即ち楔状ファブリペローエタロンを形成している。透過構造160の各部の厚みはx軸沿い位置の関数であり、当該x軸沿い位置によって異なる厚みであるので、透過構造160を透過する波長も当該x軸沿い位置の関数となり、各部位毎に異なる波長になる。
【0046】
透過構造160は、フォトセンサアレイ150の上又は上方に複数層に及ぶ適当な被覆、即ち図中の反射膜172及び174並びに共振子170を形成することによって形成できる。これら反射膜172及び174並びに共振子170は何れも、蒸着室内で堆積ビームにさらすことにより形成することができる。また、その均一厚み部分は軸揃え堆積法(on-axis deposition)により、厚み横変部分即ちその厚みが各部位の横方向位置により異なる部分は適当に軸を外した堆積法即ち軸外し堆積法(off-axis deposition)により、それぞれ形成することができる。更に、図4に例示した反射膜172及び174は共振子170に比べて厚みがある。SiO2、TiO2、Ta2O5等の非金属素材の層によりそれらを形成する場合、こうした厚みになる。反射性のある金属により形成する場合は、反射膜172及び174は図示の例よりかなり薄くてもよい。
【0047】
共振子170並びに反射膜172及び174の具体的な厚みは、所望透過波長λ及び共振子170の屈折率nから決定できる。まず、共振子170の厚みは典型的にはλ/(2n)又はその整数倍に設定し、反射膜172及び174内のブラッグミラー層の厚みは典型的にはλ/(4n)に設定する。各反射膜172,174を構成するブラッグミラー層のペア数は、それらを形成する二種類の素材間の屈折率差、所望透過波長域幅、並びに所望阻止波長域内反射率に応じ、例えば2〜5ペアという少数から20〜30ペアに至るまでの数値範囲内で、適宜設定することができる。そのため、この構成を実施する場合、反射膜172及び174は大抵は共振子170に比べかなり厚くなる。
【0048】
図5に透過構造160の光透過横変特性を示す。共振子170の厚みがx軸沿い位置の関数でありその値が部位間で相違しているため、共振子170を透過する波長もx軸沿い位置の関数となり部位毎に異なっている。図4に示した部分150内にあるセル群152は、x方向及びこれに直交するy方向に沿って二次元的に並んだセルをそのx軸沿い位置毎にまとめたものであり、図示されているセル群152の個数は9である。図5においては、これら9組のセル群152へと大部分の光子が透過する波長が反射率極小点として示されており、各反射率極小点に1〜9の符号が付されている。このように、透過構造160が高い光透過率を呈するサブレンジは、横方向位置に応じて部位毎に異なっている。
【0049】
図6に検知器アセンブリ87の別例構成を示す。この検知器アセンブリ87は透過構造180を備えている。透過構造180は例えば横グレーデッドブラッグミラーとして形成する。ここでいう横グレーデッドブラッグミラーとは、それを構成する層182、184、186及び188それぞれに横方向の勾配が付されているブラッグミラーのことである。層182、184、186及び188は、先の例で共振子170の形成に使用されていた手法と同様の手法で形成することができる。
【0050】
図7に透過構造180の光透過横変特性を示す。透過構造180の反射波長はx軸沿い位置の関数であり、部位毎に異なる波長の光が反射される。図7中の曲線200、202、204及び206は透過構造180各部の反射率、即ち図6に示された部分150内に存するセル群152のうち4個の上方にある部位での反射率を表している。例えば曲線200は図6で最左端にあるセル群152上方の部分の反射率であり、曲線206は4個のセル群152のうちの最右端の(即ち最左端から4個目の)セル群152上方の部分の反射率である。このように、透過構造180が高い反射率を呈するサブレンジは、各部横方向位置により異なっている。
【0051】
図8に、光透過横変特性を呈する点で図5及び図7に示した構成と共通しているが、但しそうした光透過横変特性が二方向それぞれに沿って現れる透過構造210を、形成する手法を示す。
【0052】
透過構造210は、フォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)の上又は上方に形成される。その際には、堆積源212から透過構造210の表面に向けて堆積ビーム214を出射する。この堆積ビーム214はその方向によって特徴付けうる。即ち、図8の右半分に示すx方向断面及び左半分に示すy方向断面双方において、透過構造210の表面に対する堆積ビーム214の射突方向が傾いている。従って、堆積ビーム214の方向はそれら二種類の傾き角で記述でき、記述される堆積ビーム214の方向はx軸沿い位置及びy軸沿い位置に応じ各部毎に異なるものになる。このように堆積ビーム214のy方向断面内射突方向及びy方向断面内射突方向が共に傾いているため(それに伴い各部位から見た堆積ビーム214の到来方向が二次元的に異なっているため)、透過構造210においては、x軸沿い及びy軸沿い共に、程度の差はあるが、同じ傾向の厚み勾配が現れる。従って、ある方向に沿って並べられたセル間で光子検知可能なサブレンジが部位毎に異なることは図7に示したものと同様であるが、この例では更に、他方の方向に沿って並べられたセル間にも光子検知可能なサブレンジの部位間相違が生じる。
【0053】
図9に、光透過横変特性を呈する透過構造220をその物理的厚みに差を付けることなく形成する手法を示す。この図に示した手法の特徴は、実際の即ち物理的な厚みdに差を付けることなく、物理的な厚みdと屈折率nの積である光学的厚みd×nを横方向位置に応じ変化させ得るようにしたことである。
【0054】
この手法においては、まず、図9の上半分に示す如く、堆積源224からフォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)の表面に向け堆積ビーム226を照射する。この照射は、均質且つ均一厚の被覆222が堆積し成長するように行う。
【0055】
次いで、図9の下半分に示す如く光源230から輻射232を発してフォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)上の表面を横断走査する。これによって、屈折率がその横方向位置により異なる透過構造220が形成される。そのために使用する光源230は、例えば、y軸と平行な(即ち図9の紙面に垂直な)線上では発光出力強度Iが一定だが、それらの線同士では発光出力強度Iが異なる紫外光源とする。図中の線の中では、最左端の線上の発光出力強度Iが最低値Iminであり、最右端の線上の発光出力強度Iが最高値Imaxである。従って、フォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)内に存するセル群に向け透過する光の波長も、図中最左端における最短波長λminから最右端における最長波長λmaxまで、x軸沿い位置によって異なる長さになる。また、複数個のフォトセンサアレイを並べ、それら複数個のフォトセンサアレイに対し単一の光源230から同時に同一強度パターンで光を当てて横断走査することもできる。並べ方等が適切であれば、この手法により複数個のフォトセンサアレイをバッチ生産することができる。更に、図8に示した手法で得られる二次元横変構造も、この手法を応用して実現することが可能である。
【0056】
図4〜図9に示した構成は、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。また、図4〜図9に示した構成にて使用されるフォトセンサアレイ、即ちある光子エネルギレンジ中の互いに僅かに異なるサブレンジにてそれぞれ光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイも、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。更に、例えばステップ状透過構造等の形態にて透過構造を製作する等、透過構造の製造・調整方法・形態は、上述のもの以外にも数多くある。
【0057】
図6〜図8に示すように、フォトダイオードアレイ等のフォトンセンサアレイ100の上方に1個のDBR(分布型ブラッグ反射)ミラーが組み込まれており、且つそのミラーの光透過特性が僅かに横変している構成においては、各セルに流れる光電流の大きさがそのセルへの入射光のスペクトラムによって異なり、従って例えばその隣にある別のセルに流れる光電流と比べても僅かに異なる大きさになる。そのため、DBRミラーのうちセル上方に位置する部分での光透過特性がセル毎に解っていれば、各セルに流れる光電流に基づきそもそもの入射光スペクトラムを再現することができる。このとき、セルの個数によってスペクトラム再現用スペクトラム点数が決まり、ひいてはスペクトラム分解能が決まる。こうした手順によるスペクトラム再現が最もうまくいくのは、あるセルでは良好な透過特性を示すがその隣のセルでは示さない、というようにセル間で急峻な透過特性変化を呈する波長である。
【0058】
図4に示した被覆を試作してみたところ、個々のサブレンジにおける光子透過率として約60%という典型値が得られた。また、各サブレンジの幅は、波長でいうなら例えば0.01〜数十nmの範囲内の広さにするとよい。どの程度の幅にするかはそのフォトセンサアレイにおける被覆の構造及び勾配並びにセルのサイズによって変わる。また、フォトセンサとして高感度のものを使用することによって、受光出力強度を格段に高めることができる。
【0059】
図10に、図1に示したアナライザ10の如きアナライザの製造手順の一例を示す。
【0060】
図中のステップ250では、流体により搬送される物体がその内部を通るチャネルを有する構造体、即ち流路付構造物を製作する。例えば、構造形成されたスペーサ層を2個のクオーツスライド間に設けること例えば配置することによって、流路付構造物を製作する。スペーサ層としては、例えばパターン付のPDMS層を設ける。但し、スペーサ層に適するものである限り、他種素材又は他種素材の組合せによってスペーサ層を形成してもよい。例えば、Gelfilm(登録商標)や水晶を使用できる。また、ステップ270にて使用できる手法にはこれ以外にも様々な手法がある。例えば、チャネルが形成されるようガラスエッチング又はPDMS成型を実施することによりクオーツスライド内に流体チャネルを形成し、そしてその結果得られた構造の上にもう1枚のクオーツスライドを載せる、という手法を採ってもよい。或いは、別々の基板上にそれぞれPDMS層を製作し、一方の基板を上下裏返し、位置を整えて他方の基板上に載せる、というチップオンチップアセンブリ方式も採りうる。そして、形成された流路付構造物にて最終的に基板として残る部分は、十分な硬度となるよう、例えばガラス、PCB、PDMS等の素材によって製作しておく。基板に十分な硬度があれば、制御、検知、計測等のための回路への直結が可能になる。
【0061】
ステップ252では、ステップ250にて製作された流路付構造物に各種流路形成用部品を取り付ける。即ち、チャネル内物体移動を引き起こしその移動を制御するための部材が、ステップ252にて取り付けられる。
【0062】
ステップ254では、光標的間相互作用を強化するための部材を取り付ける。例えば、支持層90の片側に光学部品96を取り付けることによって、チャネル14のうち反共振光導波路として機能する部分の中に光を好適に入射できる面98を形成する。また例えば、複数個のスペーサ72を設けることによって、反共振光導波路に対する干渉、抵触を防ぐのに十分な間隙を形成する。
【0063】
ステップ260では、互いに別々のサブレンジにて光子を検知するセル群を有する一群のフォトセンサアレイを取り付ける。これは検知器アセンブリ87の取付として実行される。基準セルを有するものも、検知器アセンブリ87として使用できる。
【0064】
ステップ262は、上述の流れに破線でつながっていることから解るように、図示の時点でもまた図示以外の時点でも実施することができる。例えばステップ254にて実施することもできるし、ステップ254以後に実施することもできる。ステップ262は光源を位置決めするステップであり、検知器アセンブリと同様に光源も、一旦取り付けた後はその位置で固定される。このステップ262では、チャネル内を搬送されていく物体に励起光を供給できるよう、それら何個かの光源を配置する。また、先に説明した別のステップと同様、ステップ262でも、マイクロプロセッサやI/O装置から光源へと信号を供給することができるように、配線その他の回路を取り付ける等の措置を実施する。
【0065】
以上説明した図10の手順は変形も可能である。例えば、ステップ252、254及び260における処置を適当な形態で組み合わせることによって、各種部材の取付をより望ましい順序でよりうまく行えるようにすることが、可能である。また、図示説明した処置以外の処置、例えばICやゲートや対マイクロプロセッサ若しくはコンピュータコネクタ等、各種回路乃至回路間接続部材を整列させ、取り付け、接続する処置を、実施するようにしてもよい。また、こういった処置を、ステップ252、254、260及び262にて、部分的に或いは少しずつ実施するようにしてもよい。
【0066】
図11に、図10に示した手順により製作可能な別の構成を示す。この図に示すように、チャネル14沿いに設ける複数個の検知部材、例えば第1及び第2の蛍光検知部材56及び58を互いに隣り合うように配置する場合、それらを共に覆うようにIC270を取り付けるとよい。この構成においては、IC270を構成するフォトセンサアレイのセル群のうち一部が、チャネル14のうち蛍光検知部材56が設けられた部分沿いに、また他の一部が、チャネル14のうち蛍光検知部材58が設けられた部分沿いに、それぞれ配置されている。
【0067】
図12に、図11中の線12−12に沿った断面を示す。この図には、IC270を内蔵する検知器アセンブリ272の支持形態、即ち複数個のスペーサ72により空隙88の上方に検知器アセンブリ272を支持する形態が、示されている。透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、例えば、蛍光検知部材56にて光子が検知される光子エネルギレンジ及びサブレンジが蛍光検知部材58におけるそれと異なるように設定することもできるし、同じになるように設定することもできる。また、蛍光検知部材56と蛍光検知部材58の間に、光吸収壁として機能する形状及び配置で複数個のスペーサ72を設ければ、好適にも、蛍光検知部材56・蛍光検知部材58間クロストークが減る。
【0068】
図13に更に別の構成を示す。この図の構成においても、図12に示した構成と同様、検知器アセンブリ272が互いに平行な複数本のチャネル274を覆うように配置されている。また、チャネル274とチャネル274の間は壁276によって仕切られている。こうした構造は、まず幅広のチャネルを1個形成しておき、壁276を設けることによってその幅広チャネルを複数本のチャネル274に区分する、という手法で形成できる。この図に示す構成の利点は、一つには、複数本の物体流を同時並行的に解析することができ、ひいてはアナライザのスループットや特定能力を高めることができる点にある。また、透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、チャネル274毎に異なる光子エネルギレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、チャネル274毎に異なるサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、どのチャネル274でも同じ光子エネルギレンジ及びサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよい。
【0069】
図14に更に別の構成を示す。この構成においては、光源84からの光に応じチャネル14の構成部分80が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分80沿いには検知器アセンブリ87が配置されており、この検知器アセンブリ87は複数個のスペーサ72によってプレート94から分離されている。チャネル構成部分80より上流で光源84より下流に位置する箇所には、後述のステップ480等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。この図では、起動用フォトディテクタ290が複数個のスペーサ292によって支持されている。
【0070】
チャネル構成部分80内にある物体300、302及び304は、起動用フォトディテクタ290を作動させた後、チャネル14内を搬送されていく。その間、励起光に応じ蛍光を発し続ける。蛍光中の物体300、302及び304から放出される一群の光子は、この図ではそれぞれ光線310、312又は314として表されている。
【0071】
図15にまた別の構成を示す。この構成においては、図示しない光源84からの光に応じチャネル14の構成部分80が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分80沿いに配置されている検知器アセンブリ87は、複数個のスペーサ72により支持され、空隙88を隔てプレート94から分離されている。チャネル構成部分80より上流で光源84より下流に位置する箇所には各種の検知器、例えば後述のステップ480等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。
【0072】
チャネル14の構成部分80内では、蛍光を発する複数個の物体が、さほど間隔をおかずに次々と、数珠繋がりになって搬送されていく。この図では、複数個の物体が、一群となってチャネル構成部分80内を流れ、検知器アセンブリ87の面前を通過中である。それらの物体のうち先頭に位置するものは物体330であり、その後数個の物体332が続いており、最後尾には物体334が位置している。物体330、332及び334から蛍光時に放射される光子は、検知器アセンブリ87に取り付けられている光学部品340を通り、検知器アセンブリ87に入射する。この光学部品340は、例えば、図4及び図6に示したレンズアレイ部164と同じくSelfocレンズアレイにより実現することができる。また、この光学部品340を設けた場合、レンズアレイ部164は省略できる。
【0073】
物体330、332及び334から放出された光子は、検知器アセンブリ87を構成するセルのうち何れかに入射する。このとき、光学部品340の作用によって入射先が絞られるため、図中光線342により示されるように、各物体から放出される光子は至近のセルに入射される。従って、各物体から放出される光子の入射先は物体毎に異なっており、また、各セルにて検知される光子量は(至近の物体以外の物体によるものに比べ)至近の物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、一群の物体330、332及び334が微小間隔で数珠繋がりになって流れ、フォトセンサアレイの面前をほとんど同時に通過していくにもかかわらず、検知器アセンブリ87を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、物体330、332及び334についての情報を取得、弁別することができる。
【0074】
図16に、図15に示した構成の別の用例を示す。この図においては、互いに区別の付かない複数個の物体360、362及び364が搬送されている。即ち、この図では、チャネル14内流体流を、チャネル14内で途切れなしに搬送される複数個の仮想的微小体積物体の集まりと見なし、そのように描いてある。このように、流体流を仮想的微小体積物体群に分割し、各仮想的微小体積物体をあたかも現実の物体であるかのように見なして解析することにより、流体から放射される光子エネルギ分布が(例えば流体組成の変化に伴って)どのように経時変化するかを、連続的にモニタすることができる。図示されている仮想的微小体積物体群は、その先頭に位置する仮想的微小体積物体360、それに続く何個かの仮想的微小体積物体362、そして最後尾に位置する仮想的微小体積物体364から構成されており、それらはチャネル構成部分80内を移動し検知器アセンブリ87の面前を一群となって通過している。
【0075】
仮想的微小体積物体360、362及び364内の粒子は、光との相互作用によって光子を放出する。このとき放射される光子のエネルギ分布、即ち各仮想的微小体積物体における光子エネルギ分布は、蛍光や散乱に関わる分子の濃度に依存している。放射された光子は、図15に示した用例と同じく、検知器アセンブリ87に取り付けられている光学部品340を介し検知器アセンブリ87に入射する。各仮想的微小体積物体から放出される光子即ち図中の光線370は至近のセルに入射するので、各仮想的微小体積物体から放出される光子の入射先は仮想的微小体積物体毎に異なるセルとなり、また、各セルにて検知される光子量は(至近の仮想的微小体積物体以外の仮想的微小体積物体によるものに比べ)至近の仮想的微小体積物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、そもそも区切りのない流体がフォトセンサアレイの面前を通過していくだけであるのに、検知器アセンブリ87を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、仮想的微小体積物体360、362及び364における分子濃度情報を取得、弁別することができる。
【0076】
図17に、アナライザ10を動作させうるシステム400を示す。この図のシステム400は、バス404を介し各種部材をCPU(中央処理ユニット)402に接続する構成を有している。
【0077】
システム400は、共にバス404に接続された外部I/O(入出力部)406及びメモリ408を備えている。外部I/O406は、CPU402がシステム400外の装置と通信できるようにする部材である。
【0078】
バス404にはこれら以外にも様々な部材が接続されている。まず、集積回路I/O410は、CPU402がアナライザ10内のICと通信できるようにする部材であり、この図にはICとして第0IC412から第M−1IC414に至るΜ個のICが示されている。また、それらIC412〜414はフォトセンサアレイを内蔵している。この図では、第mIC416の内部にフォトセンサアレイ418が描かれている。フォトセンサアレイ418は、先に述べた通り、それぞれ対応するサブレンジにて光子を検知する一群のセルを有している。同様に、流路形成装置I/O420もCPU402が各種流路形成装置と通信できるようにする部材であり、この図には流路形成装置として第0装置422から第N−1装置424に至るN個の装置が示されている。
【0079】
メモリ408としてはプログラムメモリ430等が設けられている。プログラムメモリ430内には、図示の如く、流体/物体運動ルーチン440、検知読出結合ルーチン442等のルーチンが格納されている。
【0080】
CPU402は、流体/物体運動ルーチン440を実行して流路形成装置422〜424と通信する。これにより、CPU402は、例えば種々のセンサから信号を受け取って計算を行い、どのような流路制御が必要かを計算結果に基づき判別し、そして各種ポンプ、等速送出用電極、ゲート、弁等に信号を出力してそれらを作動させることにより、チャネル14内の流体及びそれにより搬送される物体を適宜移動させる。
【0081】
CPU402により実行される検知読出結合ルーチン442は、図18に示す手順を含んでいる。例えば、図18に示す手順を実行するサブルーチンを検知読出結合ルーチン442から呼び出すようにしてもよいし、或いは検知読出結合ルーチン442の本体に図18に示す手順を組み込んでおいてもよい。何れにせよ、図18に示す手順は、図2に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく単独の物体を調べることができるよう、或いは図14に示したように相互間隔をおいてフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図15に示したように数珠繋がりになってフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図16に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく連続的な流体流を調べることができるよう、構成しておく。更に、図18にその概略を示す手法によれば、一連の読出動作を行った後結合処理によりスペクトラム情報を提供することができるだけでなく、個別に読み出した検知結果を即座に提供することもできる。
【0082】
CPU402は、図18中のステップ480にて検知前読出を実行する。このステップでは、図14中に起動用フォトディテクタ290として示したものに代表される一群の起動用フォトディテクタや、図3中に行102内のセル群として示したフォトセンサアレイ内基準セル群から、後に実行する検知結果読出に先立ってその実行に必要な情報を取得する。また、フォトセンサアレイを変形し、サブレンジセル(特定のサブレンジで光子を検知するセル)の配置線上、それらのセルより上流側に起動用セルを設けてもよい。その場合、起動用セルは例えば被覆なしのセル、即ち波長域(光子エネルギレンジ)を問わず様々な光子を検知してその結果を示す情報を出力できるセルとして、形成しておくとよい。
【0083】
ステップ482では、CPU402は、ステップ480にて得た情報を利用して各物体又は各仮想的微小体積物体に関する情報を取得し、また適切な検知周期を物体毎又は各仮想的微小体積物体毎に決定する。ここで決定される検知周期は積分時間を決定するものであるので、大まかには、その物体又は仮想的微小体積物体が各サブレンジセルを通過するのに要する時間よりも短くなくてはならない。従って、検知周期は物体毎又は仮想的微小体積物体毎にユニークな周期となるように設定するとよい。物体毎又は仮想的微小体積物体毎に検知周期を設定する手順に代え、CPU402からの信号出力により流体の流速を調整する手順によっても、同等の結果が得られる。
【0084】
CPU402は、次いで、ステップ484にて検知結果読出動作を実行する。ここでは、例えば、ステップ482にて決定された検知周期に亘り累積加算的に光子が検知されるようCPU402から信号を供給する動作を実行する。場合によっては、各サブレンジセルにおけるアナログ検知結果(光子量)がそのサブレンジセルと対をなす基準セルにおけるアナログ検知結果に基づき調整されるよう、IC上の周辺回路に信号を供給する動作を実行してもよい。更に、もし必要なら、アナログ調整が済んだアナログ量を読出に便利なディジタル形式に変換しておくようにしてもよい。
【0085】
ステップ490においては、CPU402は、ステップ484にて読み出した光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に格納する。このとき、読み出した光子量検知結果をディジタル的に調整してもよい。ここで実行できるディジタル調整には、例えば、各サブレンジセルによる光子量検知結果を対をなす基準セルによる光子量検知結果に基づき調整する処理がある。また、ステップ482にて各物体又は各仮想的微小体積物体の位置情報及び速度情報が得られている場合、それを利用することによって、各光子量検知結果がどの物体又は仮想的微小体積物体から放射された光子によってもたらされたものかを、特定することができる。
【0086】
ステップ482及び490の動作を実行する際、CPU402は、例えば、ある種のデータ構造をメモリ408内に作成、格納する。例えば、物体又は仮想的微小体積物体の位置及び速度の計算値を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に1個のデータ構造にまとめて格納しておけば、そのデータ構造を利用した計算によって後に同じ物体又は仮想的微小体積物体を識別することができる。また、物体毎又は仮想的微小体積物体毎の調整済光子量検知結果全てをある読出用データ構造に保持させておくこともできる。読出用データ構造化されている物体又は仮想的微小体積物体について新たな情報が得られた場合は、その都度、ステップ490にてその読出用データ構造を更新すればよい。更に、図17に示した通り複数個のIC412〜414を備える構成においては、ステップ480、482、484及び490に係る動作をIC毎に別々に実行することもできる。更に、図中ステップ490からステップ480に至る破線によって示唆されているように、IC毎に同一動作を繰り返し実行させることができる。
【0087】
ステップ480、482、484及び490からなる一連の動作を実行してからその次に実行するまでの間に、各物体からの信号光入射位置は光検知経路に沿ってほんの数セル動くだけであるので、複数個の物体を連続して検知する場合、それらの物体同士の間に十分な間隔をおき、それらの混同が生じないようにする必要がある。
【0088】
また、ステップ490の動作を1回実行するだけでは、目的とする光子エネルギレンジのうちのごく一部分でしか光子を検知できず、従ってごく一部分のレンジについての光子量検知結果しか格納できない。しかし、物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を経路に沿って通過していく間にステップ480、482、484及び490が繰り返し実行されるため、物体又は仮想的微小体積物体からの光を受けるセルひいてはサブレンジが物体又は仮想的微小体積物体の移動につれて移り変わり、次から次へと別のサブレンジで光子検知が行われていき、その結果検知済スペクトル域が徐々に拡がっていく。その物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を完全に通り過ぎた時点では、その時点までに部分毎に格納された光子量検知結果を寄せ集めることで、スペクトラム情報を再現することが可能な状況になっている。
【0089】
そこで、こうして情報収集を終えた時点で、CPU402はステップ492の動作を実行し光子量検知結果を出力する。図示の通り、ここでは光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に結合させ、各物体又は各仮想的微小体積物体についてのスペクトラム情報を物体毎又は仮想的微小体積物体毎にデータプロファイルその他のデータ構造にして出力する動作等が、実行される。
【0090】
以上例示説明した構成によれば、コンパクト且つ安価なコンポーネントが得られる。また、得られるコンポーネントを使用すれば分光分析等の機能を実現でき、その際、概ね、機械部品や光学部品を別途追加する必要もない。その結果得られるのは、例えば上述したアナライザを備え携帯可能で使い勝手のよい分光装置であり、そうした携帯型のコンパクトなユニットは、例えば、緊急事態対処チーム等の標準装備とすることができる。また、検知結果の読出は多数のICから迅速且つ並列的に行うことができ、従ってデータを高速で取得することができる。これは、物体の特徴を初期的に調査、特定する処理に利用できる。初期調査/特定の結果を利用すれば、その物体についてより細かな又はより立ち入った解析を行うべきかどうか、また別種解析を実施すべきかどうか、実施するとしたらどういう種類の解析か等を判別、決定することができる。このような多信号解析は試薬なしでの物体識別と相性がよく、また、この多信号解析によって様々な流体内に存する様々な物体、例えば各種エアロゾル、水、血液、食料等の標本に含まれる各種ナノパーティクル、マイクロパーティクル、微生物、生体物質、毒素等を、識別することができる。
【0091】
また、以上説明した各種部材は、説明したものとは異なる様々な形状、寸法、特性数値、質的特性等を有し又は呈するものとすることができる。
【0092】
更に、上の説明では、流路付構造物、フォトセンサアレイ、透過構造等を構成する素材として特定の素材を示したが、使用できる素材は多様であり、また別々の素材により形成された副層を様々に組み合わせて層構造としたものを使用することもできる。
【0093】
上の説明では、それぞれ特定の種類の透過構造を有する構成を示したが、説明した各種の透過構造はそれぞれ一例に過ぎず、光透過横変特性例えば光学的厚みの横方向位置による違いを実現できる限り、どのような構成の透過構造でも使用可能である。横変性のある透過構造は、説明していないものも含め、様々な手法により形成することができる。
【0094】
更に、互いに異なるサブレンジにて光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイが得られるものであれば、透過構造を使用しない構成でもよく、使用できる構成は種々あろう。
【0095】
以上の説明においては、流路付構造物に対し特定の形態でICを配置した例を示したが、流路付構造物に対するICの配置の仕方、設け方は説明したもの以外にも色々あるし、また流路付構造物自体を具備しない構成とすることもできる。また、本発明にて使用するフォトセンサアレイは、本発明にてフォトセンサアレイとして使用するのに適切なものである限り、上述したものとは異なる種類のものであってもよい。例えば、単純な構成の光電気信号トランスデューサを複数個並べ、各トランスデューサを個々のセルとして使用するタイプのフォトセンサアレイを、使用してもよい。また、先に説明した構成によれば、複数の物体について同時に光子検知を行うだけでなく、相互に区別できるような物体を含んでいない流体の各部について光子検知を行うことすらできる。更に、ある単一のIC上にある単一の二次元フォトセンサアレイ内で、ある行と別の行とに別様の被覆を施し、別々の光子エネルギレンジにて光子検知を行わせるようにしてもよい。
【0096】
また、上述した構成のうち幾つかにおいては、蛍光を生成、検知できるよう光標的間相互作用を強化する機能を備えた流路付構造物を用いている。こうした手法は、総じて、自己発光(self-emitting)乃至自発蛍光(auto-fluorescing)する物体例えば粒子に対しても、適用できる。
【0097】
また、図17に例示した構成ではCPUが用いられているが、これは、適当なものである限り、マイクロプロセッサその他の部材に置き換えてもよい。
【0098】
上に例示した各種構成では、各種構成部材が特定の形態で動作するように製造及び使用されているが、説明した動作とは異なる動作を実行させてもよいし、説明した順序とは異なる順序で動作を実行させてもよいし、説明外の動作を実行させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0099】
【図1】流路付構造物上のアナライザを示す模式図である。
【図2】上記アナライザの2−2断面を示す模式的断面図である。
【図3】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的平面図である。
【図4】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的断面図である。
【図5】図4中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。
【図6】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの別例構成を示す模式的断面図である。
【図7】図6中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。
【図8】上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の一例形成方法を示す図である。
【図9】上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の別例形成方法を示す図である。
【図10】上記アナライザの概略製造手順を示すフローチャートである。
【図11】上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式図である。
【図12】図11に示した構成の12−12断面を示す模式的断面図である。
【図13】上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式的平面図である。
【図14】図2中の検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。
【図15】図14に示した検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。
【図16】図15に示した検知部材の他の用途を示す模式的断面図である。
【図17】上記アナライザを制御するシステムを示す模式的ブロック図である。
【図18】図17中の検知読出結合ルーチンにより実行される動作の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0100】
10 アナライザ、12 流路付構造物、14,274 チャネル、16,300,302,304,330,332,334 物体、40 電気浸透ポンプ、54,56,58,60 検知部材、64,66,68,70,270,412,414,416 IC、80 チャネル構成部分、82 物体/流体移動方向、86,162,310,312,314,342 物体/流体からの光、87,272 検知器アセンブリ、100,418 フォトセンサアレイ、102,104 セルの行、106 セル、152 セル群、360,362,364 仮想的微小体積物体、440 流体/物体運動ルーチン、442 検知読出結合ルーチン、482 情報取得ステップ、484 検知結果読出ステップ、492 スペクトラム情報出力ステップ、λ 物体/流体からの光の波長、λmin,λmax 光子エネルギレンジを決める波長、λp サブレンジを代表する波長。
【技術分野】
【0001】
本発明は、集積回路(IC)上に形成されたフォトセンサアレイを用いる光子検知に関する。
【背景技術】
【0002】
特許文献2には、細胞流用長尺状流路(チャネル)を複数個有するシステムが記載されている。このシステムにおいては、細胞流用チャネルからの輻射をモニタすべくアレイ型検知器が配置される。そのアレイ型検知器上には別々のグループをなす複数個の画素がある。アレイ型検知器は、チャネルのうち少なくとも2個からの輻射を、互いに別の画素グループにてモニタできるように、配置されている。
【0003】
【特許文献1】米国特許第5166755号明細書
【特許文献2】米国特許第6580507号明細書
【非特許文献1】S. Devasenathipathy and J. G. Santiago, "Electrokinetic Flow Diagnostics", in K. S. Breuer, Ed. 'Micro and Nano-Scale Diagnostic Techniques', Springer-Verlag, New York, 2003, pp. 113-154
【非特許文献2】M. Koch, A. G. R. Evans and A. Brunnschweiler, "Design and Fabrication of a Micromachined Coulter Counter", J. Micromech. Microeng., Vol. 9, 1999, pp. 159-161
【非特許文献3】V. Sivaprakasam, A. Houston, C. Scotto and J. Eversole, "Multiple UV Wavelength Excitation and Fluorescence of Bioaerosols", Optics Express, Vol. 12, No.9 (2004), pp. 4457-4466
【非特許文献4】Nicholas J. Goddard, Kirat Singh, Fatah Bounaira, Richard J. Holmes, Sara J. Baldock, Lynsay W. Pickering, Peter R. Fielden and Richard D. Snook, "Anti-Resonant Reflecting Optical Waveguies (ARROWs) as Optimal Optical Detectors for MicroTAS Applications", [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/MicroTAS/MicroTas2.htm
【非特許文献5】K. Singh and N.J. Goddard, "Leaky ARROW Waveguides for Optical Chemical and Biosensors", Abstract Submitted to Biosensors 1998, [Online] Internet URL: http://www.dias.umist.ac.uk/NJG/Abstracts/Biosensors/ARROW-Biosensors.htm
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
既存技術例えば上述の従来技術を利用し光から情報を得る際に問題となることの一つに、流路付構造物に設けられているチャネル又はその中の移動物体から放射光を得てスペクトラム情報を得る動作を、迅速に実行することが難しいことや、それを実現するのに嵩張った高価な装置が必要であること等がある。その捕捉が難しく(或いは捕捉することが望ましくなく)移動中に計測等を行う必要がある物体の特性を光学的に調べる際、これらのことがとりわけ大きな支障になる。加えて、光学的粒子識別法には、取得可能な情報が限られ、また励起光・粒子間相互作用が弱いという制約がある等、また別の問題もある。
【0005】
従って、チャネル内物体から放出される光子を検知する技術を改良し、上掲の問題群を解決することが、求められているといえよう。
【課題を解決するための手段】
【0006】
ここに、本発明の一実施形態に係るセンサは、(1)チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう1本又は複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、(2)少なくとも1本のチャネル構成部分に対応して且つそのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、を備え、(3)各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも2組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、(4)各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知するセンサである。
【0007】
また、本発明の一実施形態に係る方法は、(1)光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、(2)それぞれ上記経路の一部である複数個のセグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を、検知する検知ステップと、を有し、(3)少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知する方法である。
【0008】
本実施形態においては、より好ましくは、(1)フォトセンサアレイを、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも2個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち1個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成し、(2)上記移動ステップでは、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させる。
【0009】
そして、本発明の他の実施形態に係るセンサは、(1)光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、(2)上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、(3)上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なるセンサである。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
図1に、流路付構造物12を支持基体としその上に形成されているアナライザ10について、その構成要素のうち幾つかを模式的に示す。図示の如く、この流路付構造物12には蛇のように曲がりくねったチャネル14が形成されている。また、このチャネル14は、その内部に物体16を通すことができるよう、形成されている。物体16は、例えば、解析対象となる検体を含有する小体積流体乃至液滴であり、適当な物質例えば流体によって、このチャネル14内を運ばれていく。
【0011】
以下説明する構成にて検査しうる物体16には、例えば、液滴、流体の微小体積部分、単独の分子、凝集した分子、分子クラスタ、細胞、ウイルス、バクテリア、タンパク質、DNA(デオキシリボ核酸)、マイクロパーティクル、ナノパーティクル、エマルジョン等と称されるものが含まれる。液滴や流体微小体積部分の中には、例えば、自発的に又は励起に応じ蛍光等の仕組みで光を輻射する粒子、例えば原子や分子等の蛍光成分・発光成分や、液滴等への入射光を吸収してしまいその粒子ひいては液滴等からの光の反射や散乱が生じない粒子即ち吸収成分や、液滴等への入射光をその光を構成する光子のエネルギ(波長又は振動数のこと;本願では光子エネルギと称する)に応じて散乱させる粒子即ち散乱成分等が含まれうる。吸収成分しか含まない液滴等は光を反射も散乱もさせないのに対し、散乱成分を含む液滴等はそれ相応に入射光を散乱させる。即ち、液滴内の検体即ち調査対象化学種は、蛍光体、光吸収体、光散乱体等として振る舞う。
【0012】
物体16は、図中矢印線20で示されるように、主流体により搬送されてチャネル14内に入っていく。その送給元は例えば補給用リザーバ及び標本ウェルであり、主流体内への入り方は等速送出用電極22によって制御される。ここでは等速送出(metering)の方法として電極22による電気的等速送出を使用しているが、圧力による等速送出も採用可能である。更に、チャネル14内に液滴その他の小物体を供給するのに使用できる手法は他にもある。
【0013】
アナライザ10に設けるチャネルの本数は適宜定めることができる。その場合、各チャネルの構成は図1中のチャネル14と同様の構成でよい。各チャネルに対する検体標本の供給元例えば標本ウェル、リザーバ、コンテナ等は、チャネル毎に設けてもよいし複数個のチャネルで共用してもよい。更に、各チャネルに設ける部材の個数及び種類は、そのチャネルを用いどのような種類の解析を実施したいかに応じて設定するとよく、従ってそれらはチャネル毎に異なる個数又は種類となりうる。使用できる解析手法としては、例えば蛍光分光(fluorescence spectroscopy)、レーザ誘起(laser-induced)蛍光分光(LIF)、吸収(absorption)分光、励起(excitation)分光、ラマン散乱(Raman scattering)分光、面拡張型(surface-enhanced)ラマン散乱分光(SERS)、遠赤外(far-infrared)分光等がある。また、1個の広いチャネルを区画して複数本のチャネルを形成すること、例えば互いに平行な数本のチャネルを形成することも可能である。
【0014】
物体16を搬送するための流体は、矢印線24で示すように別の入口からチャネル14内に入れることもできる。矢印線20又は24に沿ってチャネル14内に入った流体が辿る経路は、様々な装置により制御される。例えば、この図のチャネル14に設けられている分岐ジャンクションのうち2個は、それぞれ別のアウトレットにつながっており且つ弁を有している。図中の弁30及び32がそれである。チャネル14内の流体は、矢印線26で示すように弁30に対するトグル制御によって一方のアウトレットから排出させることができ、また、矢印線28で示すように弁32に対するトグル制御によって他方のアウトレットからも排出させることができる。即ち、物体16が到来したとき弁30又は32を開かせることによって、物体16及びそれを搬送する流体を、その弁に対応するアウトレットから排出させることができる。これは物体16を対象とするゲーティングの一形態であり、他の形態によるゲーティング、例えば電界印加により選別的に物体16を偏向させる仕組みによるゲーティングも実施可能である。帯電している粒子であればクーロン力によって偏向させることができるし、分極可能な粒子であれば誘電泳動力によって偏向させることができる。そして、流体は、矢印線34で示すように、最後段に設けられたアウトレットを介しチャネル14から排出させることができる。
【0015】
流体の流れを維持するには、チャネル14の長手方向に沿って、流体の流れを推進する部材を設ければよい。この推進部材は従来からある種類のものでよく、図示の例では電気浸透ポンプ40が用いられている。推進部材には、流体の流れを維持する機能だけでなく、圧送法によりシステムを洗浄する機能や同じく圧送法により流体を初期充填する機能を担わせることができる。電気浸透ポンプ40を含め、流路付構造物12に設けられた各種部材は、相応の回路を設けることによって、相互に同期をとりつつ動作させることができる。
【0016】
チャネル14は、180度に曲がった屈曲部により複数個の直線部間をつないだ構成を有している。チャネル14沿いには、それぞれ対応する直線部内を移動していく物体16についての情報を取得するため、複数個の検知部材が次から次へと配されている。設けられている検知部材の一つはコールタカウンタ(Coulter counter)50、他の一つはミー散乱センサ(Mie scatter sensor)52であって、これらは何れも既存手法を用いて構成することができる。図中、コールタカウンタ50及びミー散乱センサ52は、チャネル14を構成する同一の直線部沿いに配置されている。コールタカウンタ50は電気式粒子サイズ検知器の一種であり、ミー散乱センサ52は光学式検知器の一種である。ミー散乱センサ52は、側方からチャネル14に入射しチャネル14内の物体16例えば粒子により散乱された光を検知する。
【0017】
チャネル14沿いには、上述の一群の検知部材として、更に、可視光や赤外光に反応する光吸収検知部材54、第1の蛍光検知部材56、第2の蛍光検知部材58、並びにラマン散乱検知部材60が配されている。アナライザ10には、これ以外にも、適宜、様々な検知部材を様々な組合せで設けることができる。全部又は一部の検知部材間に相互直列接続乃至相互縦続関係がない配置としてもよい。また、更に、特性的に所定条件を満たす検体がチャネル14沿いのある位置を通過したとき、そのこと又はその時刻を示す起動信号を出力する光学式又は電気式の起動部品を、検知部材の一種として設けてもよい。こうした起動部品は既存の技術で実現できる。更に、生体粒子サイズ検知用差動抵抗に代え、電子病理学向けEIS(electrical impedance spectroscopy)用検知部材を、設けることもできる。
【0018】
図1に示す一群の検知部材によれば、移動する粒子その他の物体16についてのスペクトラム情報を取得することができる。取得したスペクトラム情報を用いれば、直交性のあるかたちで物体16の特徴を調べることができ、また物体16の識別を信頼性よく行うことができる。直交性のあるかたちで、とは、例えば相異なる光子エネルギレンジでの光子検知により得られた複数種類の情報や、相異なる強度レンジでの光子検知により得られた複数種類の情報のように、その間に直交性が成り立つ複数種類の情報を利用して、という意味である。素材選択が適切であれば、深紫外域から遠赤外域更にはTHz帯の周波数に至る光子エネルギレンジにてくまなく、スペクトラム情報を取得可能である。
【0019】
また、アナライザ10は、多信号解析を実行可能な構成、従って生体物質(bioagent)を試薬なしで識別可能な構成とすることができる。
【0020】
検知部材54、56、58及び60はそれぞれIC64、66、68又は70を有しており、それらIC64、66、68及び70はそれぞれフォトセンサアレイを内蔵しており、各フォトセンサアレイは一群のセルから構成されており、各セル群はある光子エネルギレンジ内の光子を検知するよう構成されている。言い換えれば、検知部材54、56、58及び60は内蔵するセル群により実現されている。更に、IC64、66、68及び70にて光子を検知可能な光子エネルギレンジを互いに同一にしてもよいし違えてもよい。例えば、IC66を構成するセル群は上述の如く可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジにて光子を検知し、IC68を構成するセル群は同じ可視域から紫外域に至る光子エネルギレンジではあるがIC66を構成するセル群のそれとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知し、IC70を構成するセル群は赤外域に属する光子エネルギレンジにて光子を検知する、といった具合に構成することができる。また、光子を検知可能な光子エネルギレンジが同一の複数のICにて別々の検知結果が得られるよう構成することもできる。例えば、IC66及び68に係る光子エネルギレンジが互いに同一であるとする。そうした場合でも、それらIC66及び68に対応する励起光源同士を、互いに別々の波長で発光するように構成しておけば、互いに異なる結果が得られる。即ち、そうした構成では、一方の波長の励起光を受けて物体16が発する蛍光が例えばIC66で検知され、他方の波長の励起光を受けて物体16が発する蛍光が例えばIC68で検知されることとなるので、蛍光検知結果が両IC間で異なる結果となりうる。なお、励起光源は、LED(発光ダイオード)、レーザ等によって実現することができる。また、検知部材54、56、58及び60を構成するセル群の光子検知可能波長域即ち光子エネルギレンジは、この例では複数個のサブレンジに分割されており、各サブレンジに属する光子をセルの小群(組)のうち対応するものが検知する構成を採っている。各小群に係るサブレンジを他の小群のそれと同じにしてもかまわないが、同一フォトセンサアレイ内小群のうち少なくとも2個は、互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう構成しておく。
【0021】
更に、検知部材56、58及び60には励起手段乃至照明手段を併設することができる。励起乃至照明の手法は、物体16から光を放射させることが可能な手法である限り、どのような手法でもよい。また、単独の粒子又は低濃度の生物学的若しくは化学的物質の特性を調べることができるようアナライザ10を構成する場合には、とりわけ、光標的間相互作用の強化(enhanced light-target interaction)が重要となる。チャネル14は、その内部にあり検体を含む流体を光導波用のコア部とし、それを取り巻く高屈折率の部分をクラッディング部とする反共振光導波構造(anti-resonant waveguide)とすることができるので、概略、その長手方向に沿ってフォトニック相互作用を発生させることができ、これによって光標的間相互作用を強化することができる。また、この反共振光導波構造における光標的間相互作用強化を妨げないようにするため、ここでは更に、IC66、68及び70を複数個のスペーサ72によって支持する構造を採用している。このようにすれば、IC66、68及び70とチャネル14の対応部分との間に適正な幅の間隙が形成されるため、IC66、68及び70が反共振光導波構造と機械的に抵触、競合することを、防ぐことができる。
【0022】
反共振光導波構造においては、長手方向に沿って相互作用が生じることから、光と標的粒子(例えば分子)との間の相互作用が格段に強くなる。反共振光導波構造は、例えば、ガラス毛細管内にエアロゾルを入れた構造や、或いはガラススライド間に液体膜を挟んだ構造によって実現するのが、望ましい。励起は相応の電磁波を照射することによって行うことができる。
【0023】
光標的間相互作用強化用光導波構造例えば反共振光導波構造を採用する場合、背景励起光抑圧機構の付加が必要になるかもしれない。背景励起光抑圧機構としては、例えば波長炉波特性を有する部材を、チャネル14を形成する壁の一部又はフォトセンサアレイの頂部被覆の一部として設ければよい。
【0024】
図2に、図1中の線2−2に沿ったアナライザ10の断面を模式的に示す。図示したのは第2の蛍光検知部材58を含む部分の断面であるが、第1の蛍光検知部材56も本質的にこれと同様の断面を呈する。また、ラマン散乱検知部材60の断面にも、これに類似する部分がある。
【0025】
矢印線82で示す如くチャネル14の構成部分80内を下流へと移動中の物体16は、例えばレーザ光源やLED光源として構成された光源84等の励起部材から、励起光を受光する。チャネル構成部分80は、例えば光源84から発せられた光を受けて反共振光導波路として機能する等して、強化されたかたちで光標的間相互作用を発生させる。
【0026】
光源84からの光が到達すると、物体16に内包されている検体が蛍光、即ち光子エネルギスペクトラムに特徴のある光を放射する。放射された光の一部は光束86となり検知器アセンブリ87に向かう。検知器アセンブリ87は少なくともIC68を有しており(実施形態によってはそれ以外の構造物も有しており)そのIC68上にはフォトセンサアレイがあるので、光束86内の光子はそのフォトセンサアレイを構成するセル群によって検知されることとなる。なお、検知器アセンブリ87は、IC68上のフォトセンサアレイがチャネル構成部分80内における物体16の移動経路近くに位置し且つ当該フォトセンサアレイが当該移動経路に対して平行になるよう、ひいては集光効率が高まるよう、配置しておく。ここでいう「経路」は複数個の位置を実質連続的に連ねたもののことであり、例えばある「経路」から光が放射されるならその経路は「放射元経路」、またある「経路」上で光がフォトセンサアレイに入射するならその経路は「光検知経路」という具合に使用する。また、「経路」は複数個の構成部分即ち「セグメント」又は「経路部分」を含むものとして理解することができる。ここでいう「セグメント」乃至「経路部分」は排他的なものではなく、セグメント同士の一部重複や全部包含も許される。
【0027】
また、アレイを構成するフォトセンサのうち何個かがある経路又はそのセグメントから放射される光を検知できるよう、そのフォトセンサアレイがその経路又はセグメントの近くに配置されている場合、そのことを、経路又はそのセグメントに「沿って」フォトセンサアレイが配置されている、と表すこととする。
【0028】
図中の検知器アセンブリ87は、チャネル14の構成部分80における反共振光導波を邪魔しないよう、複数個のスペーサ72によって支持されている。即ち、複数個のスペーサ72はチャネル構成部分80内に入り込まないように配置されており、それによって検知器アセンブリ87の下方には空隙88が生じているので、チャネル構成部分80内での反共振光導波は阻害されない。これは、空気の屈折率が、導波路(チャネル14)内の液体のそれよりも低いためである。なお、ここでは空隙88を形成しているがこれは反共振光導波が阻害されることを防ぐ方法の一例に過ぎず、十分な幅の間隙又は十分に屈折率の低い層乃至膜でさえあれば、設けるのが空気の層(空隙88)でなくとも、反共振光導波が阻害されることを防止できる。低屈折率の素材を使用する場合、形成乃至使用すべき間隙、層又は膜の幅若しくは厚みは数μm程度、例えば10μmという狭さ乃至薄さになる。
【0029】
また、物体16はチャネル構成部分80内通過中は途切れなしに励起光を受光するので、物体16内の検体からの蛍光もフォトセンサアレイの長手方向に沿って途切れなく発生し続ける。従って、物体16がチャネル構成部分80内を移動する期間を途切れなく利用して、スペクトラム情報を収集することができる。
【0030】
図2に示した構造は、更に、ラマン散乱検知部材60をかたちづくる構造としても用いることができる。ラマン散乱検知部材60をそのようにして形成した場合、専用のラマン散乱センサと比肩しうる程ではないにせよ、特定の注目ラマンバンド等に対し十分に適用できる性能及び分解能や十分なスペクトル域を有するものが得られる。また、その出力信号は、完全なラマンスペクトラムではなく、それぞれ、ラマンスペクトラム間にある狭い間隙の幅なり、指定された複数本のラマンライン間の強度比なりを表す信号になる。
【0031】
図2に示した形態でラマン散乱検知部材60を実現するには、光源84及びIC70を所定の仕様に適合させること、とりわけアナライザ10における感度及び背景光抑圧能力に関する仕様に適合させることが、必要となろう。加えて、光サンプリングを効率的且つ確実に行えるようにするため、IC70を構成するフォトセンサアレイとチャネル14との間に、相応の光学部品を配置することが必要となろう。
【0032】
図2からは、更に、流路付構造物12を実現、形成する手法の例も看取できる。即ち、図中の構成では、例えば光透過性のガラス又はシリコン基板である支持層90の上に、ポリジメチルシロキサン(polydimethylsiloxane;PDMS)によりマイクロモールド層92が形成されており、更にこのマイクロモールド層92内にチャネル14が形成されている。図中の各層例えばマイクロモールド層92をパターニングする際には、検体と検体の間の干渉ができるだけ少なくなるよう、チャネル14のうちの光標的間相互作用発生部分の長さを設定しておくとよい。
【0033】
PDMSからなるパターン化マイクロモールド層92を形成するには、例えば、ガラス等からなる支持層90の上にSU−8ポリマからなるテンプレートを形成し、その上にPDMSを堆積、成長させた上で、テンプレートを除去すればよい。そうすれば、テンプレートがなかった場所にパターン状の構造物が形成される。マイクロモールド層92の上を覆っているのはガラス等により形成された光透過性プレート94である。
【0034】
こうした方法に代え、ガラスをエッチングしチャネルを形成する、という手法も使用できる。また、SU−8等のポリマ素材の層をマイクロファブリケーション法によりパターニングしてチャネルを形成すれば、アスペクト比の高いチャネル壁を形成できる。また、チャネル14内で検体を搬送する媒体に応じ、チャネル14にまつわる各種パラメタを設定すれば、更に好適な結果が得られる。
【0035】
例えば、チャネル14にまつわるパラメタのうち、チャネル壁の接着性(adhesiveness)即ち生体粒子、バクテリア、タンパク質等の吸引されやすさを左右するパラメタをうまく設定することが、特に効果的である。
【0036】
チャネル壁面等の接着性による標本損失を減らす方法は幾つかある。具体的には、チャネル壁面等に抗接着性被覆を被着形成しておくことで、その壁面への生体粒子等の検体の付着を防止できる。特に、ポリエチレングリコール(polyethylene glycol;PEG)の浸漬被膜を形成しておけば、大抵の生物系素材はその被着を好適に防止することができ、それでいて水溶液に作用する毛細管力も確保することができる。この他の使用可能な被覆としては、例えばパリレンC(parylene C;商標)や、気相成長テトラグリム(tetraglyme;tetraethylene glycol dimethyl ether;pentaoxa pentadodecan)がある。どういった被覆を使用するかは、例えば標本の特性、素材界面の化学的性質、動作の条件・形態・機序等に応じて決めればよい。また、前述の反共振導波という手法はその内径が最大約1.0mmのチャネルに対して適用され、また恐らくはそれ以上の内径のチャネルに対しても適用可能な手法である。このように太いチャネルに適用される手法であるので、目詰まりのような大きな問題が壁面接着によって生じる恐れは少ないが、それでもなお接着防止措置は有益である。即ち、接着防止措置を施すことで、チャネル内壁への素材や物体の接着を防止でき、従って接着した素材や物体から光が放射され背景スプリアス光になってしまうことを防ぐことができる。
【0037】
更に、図2中、支持層90の表面のうちPDMSによるマイクロモールド層92とは逆側の面上には、その一部表面が励起光結合部98として機能するよう光学部品96が設けられている。光源84から発せられた光は、この面98を通ることで、チャネル14の構成部分80内にある反共振光導波路にカップリングされる。面98は良好な結合が実現されるように形成されている。また、適当な素材と適当なプロセスを用いさえすれば、支持層90及び光学部品96を同一の素材による単一の層として形成することもできる。
【0038】
図3に、検知器アセンブリ87の一例構成を模式的に示す。この図の検知器アセンブリ87内のIC68はフォトセンサアレイ100を有しており、更に当該IC68に取り付けられた複数個のスペーサ72を有している。フォトセンサアレイ100は図示の如く二次元アレイであり、少なくとも2個の行に亘り配列されたセル群を有している。そして、各セルにはフォトセンサが内蔵されている。
【0039】
フォトセンサアレイ100は、各部分例えば各行内に位置するセルが他の部分例えば他の行内に位置するセルとは異なる光子エネルギレンジにて光子を検知するように、また同一部分例えば同一行内に位置するセルが互いに異なるサブレンジにて光子を検知するように、例えば部位毎に異なる被覆によって覆われる等、異なる構造とされている。そのため、1個のICから得られる情報だけで、広範な光子エネルギレンジに亘り仔細に入射光子を解析することができる。加えて、基準セル群を設ければ、空間分解能の高いリアルタイムな基準信号を発生させることができる。
【0040】
このフォトセンサアレイ100の特徴の一つは、サブレンジセルの近傍に何個かの基準セルが設けられていることである。
【0041】
即ち、行102に属する各セルは、波長λallによって代表されるある好適な光子エネルギレンジ全体に亘り光子の検知を行いその結果を信号として出力する。この信号は、行104に属する近傍のセル用の基準信号として使用される。なお、セルの構成次第で出力信号の強度が異なるので、行102に属するセルから得られる信号の強度と、行104に属するセルのうちこれと対をなすセルから得られる信号の強度は、一般に異なるものになる。望みであれば、行102内のセルと行104内のセルの構成をそれ相応に異なる構成とすることによって、両信号強度を同じオーダにすることができる。
【0042】
他方、行104内にある各セルは、所定光子エネルギレンジを構成するサブレンジのうち、何れかのサブレンジにて光子を検知する。図示の例では、当該所定光子エネルギレンジの最短波長はλmin、最長波長はλmaxであり、これらの波長により光子エネルギレンジの広がりが定まっている。図中、セル106を例として示されているように、各セルはその光子エネルギレンジのサブレンジ例えば波長λpを中心とするサブレンジにて光子を検知する。IC68は、更に、これらのセルをアレイ化するためのアレイ回路や、フォトセンサアレイ100からの検知結果情報の読出に関連する各種機能を実行する周辺回路110を、内蔵している。
【0043】
図4に検知器アセンブリ87の構成例を示す。この図には、フォトセンサアレイを構成する幾つかのセル及びそれらにより光子が検知されるサブレンジが、より詳細に示されている。この図に示す検知器アセンブリ87は、図中の上方向を空隙88側に向け、複数個のスペーサ72によって空隙88上方に支持することができる。
【0044】
図4に示されているのはフォトセンサアレイの一部分150の断面であり、この部分150内のセル群152の断面が模式的に示されている。セル群152の上方にあるのは、レンズアレイ部164からの入射光162を受け入れるための透過構造160である。レンズアレイ部164は、例えばSelfocレンズアレイ等のGRIN(gradient index)レンズアレイとして形成できる部材であり、この部材を設けることは必須ではない。レンズアレイ部164は、例えば、図2に示した空隙88を介して光を受け取ることができるよう、また透過構造160に対し平行ビームを供給できるよう、構成するとよい。平行ビームを供給することによってスペクトラム分解能が向上する。なお、Selfocは登録商標、GRINは商標である。煩雑さを避けるため、以下の記載ではこれらについての登録商標表記及び商標表記を省略する。
【0045】
透過構造160は例えば光透過横変(laterally varying;「横方向位置により異なる」の意)特性を有する膜とすることができる。透過構造160のうち図4に示されている部分は、楔状透過型(空胴)共振子170を反射膜172と反射膜174の間に挟み込んだ構造、即ち楔状ファブリペローエタロンを形成している。透過構造160の各部の厚みはx軸沿い位置の関数であり、当該x軸沿い位置によって異なる厚みであるので、透過構造160を透過する波長も当該x軸沿い位置の関数となり、各部位毎に異なる波長になる。
【0046】
透過構造160は、フォトセンサアレイ150の上又は上方に複数層に及ぶ適当な被覆、即ち図中の反射膜172及び174並びに共振子170を形成することによって形成できる。これら反射膜172及び174並びに共振子170は何れも、蒸着室内で堆積ビームにさらすことにより形成することができる。また、その均一厚み部分は軸揃え堆積法(on-axis deposition)により、厚み横変部分即ちその厚みが各部位の横方向位置により異なる部分は適当に軸を外した堆積法即ち軸外し堆積法(off-axis deposition)により、それぞれ形成することができる。更に、図4に例示した反射膜172及び174は共振子170に比べて厚みがある。SiO2、TiO2、Ta2O5等の非金属素材の層によりそれらを形成する場合、こうした厚みになる。反射性のある金属により形成する場合は、反射膜172及び174は図示の例よりかなり薄くてもよい。
【0047】
共振子170並びに反射膜172及び174の具体的な厚みは、所望透過波長λ及び共振子170の屈折率nから決定できる。まず、共振子170の厚みは典型的にはλ/(2n)又はその整数倍に設定し、反射膜172及び174内のブラッグミラー層の厚みは典型的にはλ/(4n)に設定する。各反射膜172,174を構成するブラッグミラー層のペア数は、それらを形成する二種類の素材間の屈折率差、所望透過波長域幅、並びに所望阻止波長域内反射率に応じ、例えば2〜5ペアという少数から20〜30ペアに至るまでの数値範囲内で、適宜設定することができる。そのため、この構成を実施する場合、反射膜172及び174は大抵は共振子170に比べかなり厚くなる。
【0048】
図5に透過構造160の光透過横変特性を示す。共振子170の厚みがx軸沿い位置の関数でありその値が部位間で相違しているため、共振子170を透過する波長もx軸沿い位置の関数となり部位毎に異なっている。図4に示した部分150内にあるセル群152は、x方向及びこれに直交するy方向に沿って二次元的に並んだセルをそのx軸沿い位置毎にまとめたものであり、図示されているセル群152の個数は9である。図5においては、これら9組のセル群152へと大部分の光子が透過する波長が反射率極小点として示されており、各反射率極小点に1〜9の符号が付されている。このように、透過構造160が高い光透過率を呈するサブレンジは、横方向位置に応じて部位毎に異なっている。
【0049】
図6に検知器アセンブリ87の別例構成を示す。この検知器アセンブリ87は透過構造180を備えている。透過構造180は例えば横グレーデッドブラッグミラーとして形成する。ここでいう横グレーデッドブラッグミラーとは、それを構成する層182、184、186及び188それぞれに横方向の勾配が付されているブラッグミラーのことである。層182、184、186及び188は、先の例で共振子170の形成に使用されていた手法と同様の手法で形成することができる。
【0050】
図7に透過構造180の光透過横変特性を示す。透過構造180の反射波長はx軸沿い位置の関数であり、部位毎に異なる波長の光が反射される。図7中の曲線200、202、204及び206は透過構造180各部の反射率、即ち図6に示された部分150内に存するセル群152のうち4個の上方にある部位での反射率を表している。例えば曲線200は図6で最左端にあるセル群152上方の部分の反射率であり、曲線206は4個のセル群152のうちの最右端の(即ち最左端から4個目の)セル群152上方の部分の反射率である。このように、透過構造180が高い反射率を呈するサブレンジは、各部横方向位置により異なっている。
【0051】
図8に、光透過横変特性を呈する点で図5及び図7に示した構成と共通しているが、但しそうした光透過横変特性が二方向それぞれに沿って現れる透過構造210を、形成する手法を示す。
【0052】
透過構造210は、フォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)の上又は上方に形成される。その際には、堆積源212から透過構造210の表面に向けて堆積ビーム214を出射する。この堆積ビーム214はその方向によって特徴付けうる。即ち、図8の右半分に示すx方向断面及び左半分に示すy方向断面双方において、透過構造210の表面に対する堆積ビーム214の射突方向が傾いている。従って、堆積ビーム214の方向はそれら二種類の傾き角で記述でき、記述される堆積ビーム214の方向はx軸沿い位置及びy軸沿い位置に応じ各部毎に異なるものになる。このように堆積ビーム214のy方向断面内射突方向及びy方向断面内射突方向が共に傾いているため(それに伴い各部位から見た堆積ビーム214の到来方向が二次元的に異なっているため)、透過構造210においては、x軸沿い及びy軸沿い共に、程度の差はあるが、同じ傾向の厚み勾配が現れる。従って、ある方向に沿って並べられたセル間で光子検知可能なサブレンジが部位毎に異なることは図7に示したものと同様であるが、この例では更に、他方の方向に沿って並べられたセル間にも光子検知可能なサブレンジの部位間相違が生じる。
【0053】
図9に、光透過横変特性を呈する透過構造220をその物理的厚みに差を付けることなく形成する手法を示す。この図に示した手法の特徴は、実際の即ち物理的な厚みdに差を付けることなく、物理的な厚みdと屈折率nの積である光学的厚みd×nを横方向位置に応じ変化させ得るようにしたことである。
【0054】
この手法においては、まず、図9の上半分に示す如く、堆積源224からフォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)の表面に向け堆積ビーム226を照射する。この照射は、均質且つ均一厚の被覆222が堆積し成長するように行う。
【0055】
次いで、図9の下半分に示す如く光源230から輻射232を発してフォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)上の表面を横断走査する。これによって、屈折率がその横方向位置により異なる透過構造220が形成される。そのために使用する光源230は、例えば、y軸と平行な(即ち図9の紙面に垂直な)線上では発光出力強度Iが一定だが、それらの線同士では発光出力強度Iが異なる紫外光源とする。図中の線の中では、最左端の線上の発光出力強度Iが最低値Iminであり、最右端の線上の発光出力強度Iが最高値Imaxである。従って、フォトセンサアレイ100(図ではその一部分150)内に存するセル群に向け透過する光の波長も、図中最左端における最短波長λminから最右端における最長波長λmaxまで、x軸沿い位置によって異なる長さになる。また、複数個のフォトセンサアレイを並べ、それら複数個のフォトセンサアレイに対し単一の光源230から同時に同一強度パターンで光を当てて横断走査することもできる。並べ方等が適切であれば、この手法により複数個のフォトセンサアレイをバッチ生産することができる。更に、図8に示した手法で得られる二次元横変構造も、この手法を応用して実現することが可能である。
【0056】
図4〜図9に示した構成は、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。また、図4〜図9に示した構成にて使用されるフォトセンサアレイ、即ちある光子エネルギレンジ中の互いに僅かに異なるサブレンジにてそれぞれ光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイも、上述のものも含め様々な形態にて実施することができる。更に、例えばステップ状透過構造等の形態にて透過構造を製作する等、透過構造の製造・調整方法・形態は、上述のもの以外にも数多くある。
【0057】
図6〜図8に示すように、フォトダイオードアレイ等のフォトンセンサアレイ100の上方に1個のDBR(分布型ブラッグ反射)ミラーが組み込まれており、且つそのミラーの光透過特性が僅かに横変している構成においては、各セルに流れる光電流の大きさがそのセルへの入射光のスペクトラムによって異なり、従って例えばその隣にある別のセルに流れる光電流と比べても僅かに異なる大きさになる。そのため、DBRミラーのうちセル上方に位置する部分での光透過特性がセル毎に解っていれば、各セルに流れる光電流に基づきそもそもの入射光スペクトラムを再現することができる。このとき、セルの個数によってスペクトラム再現用スペクトラム点数が決まり、ひいてはスペクトラム分解能が決まる。こうした手順によるスペクトラム再現が最もうまくいくのは、あるセルでは良好な透過特性を示すがその隣のセルでは示さない、というようにセル間で急峻な透過特性変化を呈する波長である。
【0058】
図4に示した被覆を試作してみたところ、個々のサブレンジにおける光子透過率として約60%という典型値が得られた。また、各サブレンジの幅は、波長でいうなら例えば0.01〜数十nmの範囲内の広さにするとよい。どの程度の幅にするかはそのフォトセンサアレイにおける被覆の構造及び勾配並びにセルのサイズによって変わる。また、フォトセンサとして高感度のものを使用することによって、受光出力強度を格段に高めることができる。
【0059】
図10に、図1に示したアナライザ10の如きアナライザの製造手順の一例を示す。
【0060】
図中のステップ250では、流体により搬送される物体がその内部を通るチャネルを有する構造体、即ち流路付構造物を製作する。例えば、構造形成されたスペーサ層を2個のクオーツスライド間に設けること例えば配置することによって、流路付構造物を製作する。スペーサ層としては、例えばパターン付のPDMS層を設ける。但し、スペーサ層に適するものである限り、他種素材又は他種素材の組合せによってスペーサ層を形成してもよい。例えば、Gelfilm(登録商標)や水晶を使用できる。また、ステップ270にて使用できる手法にはこれ以外にも様々な手法がある。例えば、チャネルが形成されるようガラスエッチング又はPDMS成型を実施することによりクオーツスライド内に流体チャネルを形成し、そしてその結果得られた構造の上にもう1枚のクオーツスライドを載せる、という手法を採ってもよい。或いは、別々の基板上にそれぞれPDMS層を製作し、一方の基板を上下裏返し、位置を整えて他方の基板上に載せる、というチップオンチップアセンブリ方式も採りうる。そして、形成された流路付構造物にて最終的に基板として残る部分は、十分な硬度となるよう、例えばガラス、PCB、PDMS等の素材によって製作しておく。基板に十分な硬度があれば、制御、検知、計測等のための回路への直結が可能になる。
【0061】
ステップ252では、ステップ250にて製作された流路付構造物に各種流路形成用部品を取り付ける。即ち、チャネル内物体移動を引き起こしその移動を制御するための部材が、ステップ252にて取り付けられる。
【0062】
ステップ254では、光標的間相互作用を強化するための部材を取り付ける。例えば、支持層90の片側に光学部品96を取り付けることによって、チャネル14のうち反共振光導波路として機能する部分の中に光を好適に入射できる面98を形成する。また例えば、複数個のスペーサ72を設けることによって、反共振光導波路に対する干渉、抵触を防ぐのに十分な間隙を形成する。
【0063】
ステップ260では、互いに別々のサブレンジにて光子を検知するセル群を有する一群のフォトセンサアレイを取り付ける。これは検知器アセンブリ87の取付として実行される。基準セルを有するものも、検知器アセンブリ87として使用できる。
【0064】
ステップ262は、上述の流れに破線でつながっていることから解るように、図示の時点でもまた図示以外の時点でも実施することができる。例えばステップ254にて実施することもできるし、ステップ254以後に実施することもできる。ステップ262は光源を位置決めするステップであり、検知器アセンブリと同様に光源も、一旦取り付けた後はその位置で固定される。このステップ262では、チャネル内を搬送されていく物体に励起光を供給できるよう、それら何個かの光源を配置する。また、先に説明した別のステップと同様、ステップ262でも、マイクロプロセッサやI/O装置から光源へと信号を供給することができるように、配線その他の回路を取り付ける等の措置を実施する。
【0065】
以上説明した図10の手順は変形も可能である。例えば、ステップ252、254及び260における処置を適当な形態で組み合わせることによって、各種部材の取付をより望ましい順序でよりうまく行えるようにすることが、可能である。また、図示説明した処置以外の処置、例えばICやゲートや対マイクロプロセッサ若しくはコンピュータコネクタ等、各種回路乃至回路間接続部材を整列させ、取り付け、接続する処置を、実施するようにしてもよい。また、こういった処置を、ステップ252、254、260及び262にて、部分的に或いは少しずつ実施するようにしてもよい。
【0066】
図11に、図10に示した手順により製作可能な別の構成を示す。この図に示すように、チャネル14沿いに設ける複数個の検知部材、例えば第1及び第2の蛍光検知部材56及び58を互いに隣り合うように配置する場合、それらを共に覆うようにIC270を取り付けるとよい。この構成においては、IC270を構成するフォトセンサアレイのセル群のうち一部が、チャネル14のうち蛍光検知部材56が設けられた部分沿いに、また他の一部が、チャネル14のうち蛍光検知部材58が設けられた部分沿いに、それぞれ配置されている。
【0067】
図12に、図11中の線12−12に沿った断面を示す。この図には、IC270を内蔵する検知器アセンブリ272の支持形態、即ち複数個のスペーサ72により空隙88の上方に検知器アセンブリ272を支持する形態が、示されている。透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、例えば、蛍光検知部材56にて光子が検知される光子エネルギレンジ及びサブレンジが蛍光検知部材58におけるそれと異なるように設定することもできるし、同じになるように設定することもできる。また、蛍光検知部材56と蛍光検知部材58の間に、光吸収壁として機能する形状及び配置で複数個のスペーサ72を設ければ、好適にも、蛍光検知部材56・蛍光検知部材58間クロストークが減る。
【0068】
図13に更に別の構成を示す。この図の構成においても、図12に示した構成と同様、検知器アセンブリ272が互いに平行な複数本のチャネル274を覆うように配置されている。また、チャネル274とチャネル274の間は壁276によって仕切られている。こうした構造は、まず幅広のチャネルを1個形成しておき、壁276を設けることによってその幅広チャネルを複数本のチャネル274に区分する、という手法で形成できる。この図に示す構成の利点は、一つには、複数本の物体流を同時並行的に解析することができ、ひいてはアナライザのスループットや特定能力を高めることができる点にある。また、透過構造を構成する膜の光学的厚みの横変具合は、チャネル274毎に異なる光子エネルギレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、チャネル274毎に異なるサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよいし、どのチャネル274でも同じ光子エネルギレンジ及びサブレンジにて光子が検知されるように設定してもよい。
【0069】
図14に更に別の構成を示す。この構成においては、光源84からの光に応じチャネル14の構成部分80が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分80沿いには検知器アセンブリ87が配置されており、この検知器アセンブリ87は複数個のスペーサ72によってプレート94から分離されている。チャネル構成部分80より上流で光源84より下流に位置する箇所には、後述のステップ480等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。この図では、起動用フォトディテクタ290が複数個のスペーサ292によって支持されている。
【0070】
チャネル構成部分80内にある物体300、302及び304は、起動用フォトディテクタ290を作動させた後、チャネル14内を搬送されていく。その間、励起光に応じ蛍光を発し続ける。蛍光中の物体300、302及び304から放出される一群の光子は、この図ではそれぞれ光線310、312又は314として表されている。
【0071】
図15にまた別の構成を示す。この構成においては、図示しない光源84からの光に応じチャネル14の構成部分80が反共振光導波路として機能する。チャネル構成部分80沿いに配置されている検知器アセンブリ87は、複数個のスペーサ72により支持され、空隙88を隔てプレート94から分離されている。チャネル構成部分80より上流で光源84より下流に位置する箇所には各種の検知器、例えば後述のステップ480等で使用される何個かの起動用フォトディテクタが配置される。
【0072】
チャネル14の構成部分80内では、蛍光を発する複数個の物体が、さほど間隔をおかずに次々と、数珠繋がりになって搬送されていく。この図では、複数個の物体が、一群となってチャネル構成部分80内を流れ、検知器アセンブリ87の面前を通過中である。それらの物体のうち先頭に位置するものは物体330であり、その後数個の物体332が続いており、最後尾には物体334が位置している。物体330、332及び334から蛍光時に放射される光子は、検知器アセンブリ87に取り付けられている光学部品340を通り、検知器アセンブリ87に入射する。この光学部品340は、例えば、図4及び図6に示したレンズアレイ部164と同じくSelfocレンズアレイにより実現することができる。また、この光学部品340を設けた場合、レンズアレイ部164は省略できる。
【0073】
物体330、332及び334から放出された光子は、検知器アセンブリ87を構成するセルのうち何れかに入射する。このとき、光学部品340の作用によって入射先が絞られるため、図中光線342により示されるように、各物体から放出される光子は至近のセルに入射される。従って、各物体から放出される光子の入射先は物体毎に異なっており、また、各セルにて検知される光子量は(至近の物体以外の物体によるものに比べ)至近の物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、一群の物体330、332及び334が微小間隔で数珠繋がりになって流れ、フォトセンサアレイの面前をほとんど同時に通過していくにもかかわらず、検知器アセンブリ87を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、物体330、332及び334についての情報を取得、弁別することができる。
【0074】
図16に、図15に示した構成の別の用例を示す。この図においては、互いに区別の付かない複数個の物体360、362及び364が搬送されている。即ち、この図では、チャネル14内流体流を、チャネル14内で途切れなしに搬送される複数個の仮想的微小体積物体の集まりと見なし、そのように描いてある。このように、流体流を仮想的微小体積物体群に分割し、各仮想的微小体積物体をあたかも現実の物体であるかのように見なして解析することにより、流体から放射される光子エネルギ分布が(例えば流体組成の変化に伴って)どのように経時変化するかを、連続的にモニタすることができる。図示されている仮想的微小体積物体群は、その先頭に位置する仮想的微小体積物体360、それに続く何個かの仮想的微小体積物体362、そして最後尾に位置する仮想的微小体積物体364から構成されており、それらはチャネル構成部分80内を移動し検知器アセンブリ87の面前を一群となって通過している。
【0075】
仮想的微小体積物体360、362及び364内の粒子は、光との相互作用によって光子を放出する。このとき放射される光子のエネルギ分布、即ち各仮想的微小体積物体における光子エネルギ分布は、蛍光や散乱に関わる分子の濃度に依存している。放射された光子は、図15に示した用例と同じく、検知器アセンブリ87に取り付けられている光学部品340を介し検知器アセンブリ87に入射する。各仮想的微小体積物体から放出される光子即ち図中の光線370は至近のセルに入射するので、各仮想的微小体積物体から放出される光子の入射先は仮想的微小体積物体毎に異なるセルとなり、また、各セルにて検知される光子量は(至近の仮想的微小体積物体以外の仮想的微小体積物体によるものに比べ)至近の仮想的微小体積物体からの入射によるものの方が多くなる。そのため、そもそも区切りのない流体がフォトセンサアレイの面前を通過していくだけであるのに、検知器アセンブリ87を構成するフォトセンサアレイから読み出した光子量検知結果に基づき、仮想的微小体積物体360、362及び364における分子濃度情報を取得、弁別することができる。
【0076】
図17に、アナライザ10を動作させうるシステム400を示す。この図のシステム400は、バス404を介し各種部材をCPU(中央処理ユニット)402に接続する構成を有している。
【0077】
システム400は、共にバス404に接続された外部I/O(入出力部)406及びメモリ408を備えている。外部I/O406は、CPU402がシステム400外の装置と通信できるようにする部材である。
【0078】
バス404にはこれら以外にも様々な部材が接続されている。まず、集積回路I/O410は、CPU402がアナライザ10内のICと通信できるようにする部材であり、この図にはICとして第0IC412から第M−1IC414に至るΜ個のICが示されている。また、それらIC412〜414はフォトセンサアレイを内蔵している。この図では、第mIC416の内部にフォトセンサアレイ418が描かれている。フォトセンサアレイ418は、先に述べた通り、それぞれ対応するサブレンジにて光子を検知する一群のセルを有している。同様に、流路形成装置I/O420もCPU402が各種流路形成装置と通信できるようにする部材であり、この図には流路形成装置として第0装置422から第N−1装置424に至るN個の装置が示されている。
【0079】
メモリ408としてはプログラムメモリ430等が設けられている。プログラムメモリ430内には、図示の如く、流体/物体運動ルーチン440、検知読出結合ルーチン442等のルーチンが格納されている。
【0080】
CPU402は、流体/物体運動ルーチン440を実行して流路形成装置422〜424と通信する。これにより、CPU402は、例えば種々のセンサから信号を受け取って計算を行い、どのような流路制御が必要かを計算結果に基づき判別し、そして各種ポンプ、等速送出用電極、ゲート、弁等に信号を出力してそれらを作動させることにより、チャネル14内の流体及びそれにより搬送される物体を適宜移動させる。
【0081】
CPU402により実行される検知読出結合ルーチン442は、図18に示す手順を含んでいる。例えば、図18に示す手順を実行するサブルーチンを検知読出結合ルーチン442から呼び出すようにしてもよいし、或いは検知読出結合ルーチン442の本体に図18に示す手順を組み込んでおいてもよい。何れにせよ、図18に示す手順は、図2に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく単独の物体を調べることができるよう、或いは図14に示したように相互間隔をおいてフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図15に示したように数珠繋がりになってフォトセンサアレイの面前を通過していく複数個の物体を調べることができるよう、或いは図16に示したようにフォトセンサアレイの面前を通過していく連続的な流体流を調べることができるよう、構成しておく。更に、図18にその概略を示す手法によれば、一連の読出動作を行った後結合処理によりスペクトラム情報を提供することができるだけでなく、個別に読み出した検知結果を即座に提供することもできる。
【0082】
CPU402は、図18中のステップ480にて検知前読出を実行する。このステップでは、図14中に起動用フォトディテクタ290として示したものに代表される一群の起動用フォトディテクタや、図3中に行102内のセル群として示したフォトセンサアレイ内基準セル群から、後に実行する検知結果読出に先立ってその実行に必要な情報を取得する。また、フォトセンサアレイを変形し、サブレンジセル(特定のサブレンジで光子を検知するセル)の配置線上、それらのセルより上流側に起動用セルを設けてもよい。その場合、起動用セルは例えば被覆なしのセル、即ち波長域(光子エネルギレンジ)を問わず様々な光子を検知してその結果を示す情報を出力できるセルとして、形成しておくとよい。
【0083】
ステップ482では、CPU402は、ステップ480にて得た情報を利用して各物体又は各仮想的微小体積物体に関する情報を取得し、また適切な検知周期を物体毎又は各仮想的微小体積物体毎に決定する。ここで決定される検知周期は積分時間を決定するものであるので、大まかには、その物体又は仮想的微小体積物体が各サブレンジセルを通過するのに要する時間よりも短くなくてはならない。従って、検知周期は物体毎又は仮想的微小体積物体毎にユニークな周期となるように設定するとよい。物体毎又は仮想的微小体積物体毎に検知周期を設定する手順に代え、CPU402からの信号出力により流体の流速を調整する手順によっても、同等の結果が得られる。
【0084】
CPU402は、次いで、ステップ484にて検知結果読出動作を実行する。ここでは、例えば、ステップ482にて決定された検知周期に亘り累積加算的に光子が検知されるようCPU402から信号を供給する動作を実行する。場合によっては、各サブレンジセルにおけるアナログ検知結果(光子量)がそのサブレンジセルと対をなす基準セルにおけるアナログ検知結果に基づき調整されるよう、IC上の周辺回路に信号を供給する動作を実行してもよい。更に、もし必要なら、アナログ調整が済んだアナログ量を読出に便利なディジタル形式に変換しておくようにしてもよい。
【0085】
ステップ490においては、CPU402は、ステップ484にて読み出した光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に格納する。このとき、読み出した光子量検知結果をディジタル的に調整してもよい。ここで実行できるディジタル調整には、例えば、各サブレンジセルによる光子量検知結果を対をなす基準セルによる光子量検知結果に基づき調整する処理がある。また、ステップ482にて各物体又は各仮想的微小体積物体の位置情報及び速度情報が得られている場合、それを利用することによって、各光子量検知結果がどの物体又は仮想的微小体積物体から放射された光子によってもたらされたものかを、特定することができる。
【0086】
ステップ482及び490の動作を実行する際、CPU402は、例えば、ある種のデータ構造をメモリ408内に作成、格納する。例えば、物体又は仮想的微小体積物体の位置及び速度の計算値を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に1個のデータ構造にまとめて格納しておけば、そのデータ構造を利用した計算によって後に同じ物体又は仮想的微小体積物体を識別することができる。また、物体毎又は仮想的微小体積物体毎の調整済光子量検知結果全てをある読出用データ構造に保持させておくこともできる。読出用データ構造化されている物体又は仮想的微小体積物体について新たな情報が得られた場合は、その都度、ステップ490にてその読出用データ構造を更新すればよい。更に、図17に示した通り複数個のIC412〜414を備える構成においては、ステップ480、482、484及び490に係る動作をIC毎に別々に実行することもできる。更に、図中ステップ490からステップ480に至る破線によって示唆されているように、IC毎に同一動作を繰り返し実行させることができる。
【0087】
ステップ480、482、484及び490からなる一連の動作を実行してからその次に実行するまでの間に、各物体からの信号光入射位置は光検知経路に沿ってほんの数セル動くだけであるので、複数個の物体を連続して検知する場合、それらの物体同士の間に十分な間隔をおき、それらの混同が生じないようにする必要がある。
【0088】
また、ステップ490の動作を1回実行するだけでは、目的とする光子エネルギレンジのうちのごく一部分でしか光子を検知できず、従ってごく一部分のレンジについての光子量検知結果しか格納できない。しかし、物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を経路に沿って通過していく間にステップ480、482、484及び490が繰り返し実行されるため、物体又は仮想的微小体積物体からの光を受けるセルひいてはサブレンジが物体又は仮想的微小体積物体の移動につれて移り変わり、次から次へと別のサブレンジで光子検知が行われていき、その結果検知済スペクトル域が徐々に拡がっていく。その物体又は仮想的微小体積物体がフォトセンサアレイの面前を完全に通り過ぎた時点では、その時点までに部分毎に格納された光子量検知結果を寄せ集めることで、スペクトラム情報を再現することが可能な状況になっている。
【0089】
そこで、こうして情報収集を終えた時点で、CPU402はステップ492の動作を実行し光子量検知結果を出力する。図示の通り、ここでは光子量検知結果を物体毎又は仮想的微小体積物体毎に結合させ、各物体又は各仮想的微小体積物体についてのスペクトラム情報を物体毎又は仮想的微小体積物体毎にデータプロファイルその他のデータ構造にして出力する動作等が、実行される。
【0090】
以上例示説明した構成によれば、コンパクト且つ安価なコンポーネントが得られる。また、得られるコンポーネントを使用すれば分光分析等の機能を実現でき、その際、概ね、機械部品や光学部品を別途追加する必要もない。その結果得られるのは、例えば上述したアナライザを備え携帯可能で使い勝手のよい分光装置であり、そうした携帯型のコンパクトなユニットは、例えば、緊急事態対処チーム等の標準装備とすることができる。また、検知結果の読出は多数のICから迅速且つ並列的に行うことができ、従ってデータを高速で取得することができる。これは、物体の特徴を初期的に調査、特定する処理に利用できる。初期調査/特定の結果を利用すれば、その物体についてより細かな又はより立ち入った解析を行うべきかどうか、また別種解析を実施すべきかどうか、実施するとしたらどういう種類の解析か等を判別、決定することができる。このような多信号解析は試薬なしでの物体識別と相性がよく、また、この多信号解析によって様々な流体内に存する様々な物体、例えば各種エアロゾル、水、血液、食料等の標本に含まれる各種ナノパーティクル、マイクロパーティクル、微生物、生体物質、毒素等を、識別することができる。
【0091】
また、以上説明した各種部材は、説明したものとは異なる様々な形状、寸法、特性数値、質的特性等を有し又は呈するものとすることができる。
【0092】
更に、上の説明では、流路付構造物、フォトセンサアレイ、透過構造等を構成する素材として特定の素材を示したが、使用できる素材は多様であり、また別々の素材により形成された副層を様々に組み合わせて層構造としたものを使用することもできる。
【0093】
上の説明では、それぞれ特定の種類の透過構造を有する構成を示したが、説明した各種の透過構造はそれぞれ一例に過ぎず、光透過横変特性例えば光学的厚みの横方向位置による違いを実現できる限り、どのような構成の透過構造でも使用可能である。横変性のある透過構造は、説明していないものも含め、様々な手法により形成することができる。
【0094】
更に、互いに異なるサブレンジにて光子を検知する複数個のセルからなるフォトセンサアレイが得られるものであれば、透過構造を使用しない構成でもよく、使用できる構成は種々あろう。
【0095】
以上の説明においては、流路付構造物に対し特定の形態でICを配置した例を示したが、流路付構造物に対するICの配置の仕方、設け方は説明したもの以外にも色々あるし、また流路付構造物自体を具備しない構成とすることもできる。また、本発明にて使用するフォトセンサアレイは、本発明にてフォトセンサアレイとして使用するのに適切なものである限り、上述したものとは異なる種類のものであってもよい。例えば、単純な構成の光電気信号トランスデューサを複数個並べ、各トランスデューサを個々のセルとして使用するタイプのフォトセンサアレイを、使用してもよい。また、先に説明した構成によれば、複数の物体について同時に光子検知を行うだけでなく、相互に区別できるような物体を含んでいない流体の各部について光子検知を行うことすらできる。更に、ある単一のIC上にある単一の二次元フォトセンサアレイ内で、ある行と別の行とに別様の被覆を施し、別々の光子エネルギレンジにて光子検知を行わせるようにしてもよい。
【0096】
また、上述した構成のうち幾つかにおいては、蛍光を生成、検知できるよう光標的間相互作用を強化する機能を備えた流路付構造物を用いている。こうした手法は、総じて、自己発光(self-emitting)乃至自発蛍光(auto-fluorescing)する物体例えば粒子に対しても、適用できる。
【0097】
また、図17に例示した構成ではCPUが用いられているが、これは、適当なものである限り、マイクロプロセッサその他の部材に置き換えてもよい。
【0098】
上に例示した各種構成では、各種構成部材が特定の形態で動作するように製造及び使用されているが、説明した動作とは異なる動作を実行させてもよいし、説明した順序とは異なる順序で動作を実行させてもよいし、説明外の動作を実行させてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0099】
【図1】流路付構造物上のアナライザを示す模式図である。
【図2】上記アナライザの2−2断面を示す模式的断面図である。
【図3】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的平面図である。
【図4】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの一例構成を示す模式的断面図である。
【図5】図4中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。
【図6】上記アナライザにて使用しうるアセンブリの別例構成を示す模式的断面図である。
【図7】図6中の透過構造の光透過横変特性を示すグラフである。
【図8】上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の一例形成方法を示す図である。
【図9】上記各アセンブリにて使用しうる透過構造の別例形成方法を示す図である。
【図10】上記アナライザの概略製造手順を示すフローチャートである。
【図11】上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式図である。
【図12】図11に示した構成の12−12断面を示す模式的断面図である。
【図13】上記アナライザの別例構成を部分的に示す模式的平面図である。
【図14】図2中の検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。
【図15】図14に示した検知部材の別例構成を示す模式的断面図である。
【図16】図15に示した検知部材の他の用途を示す模式的断面図である。
【図17】上記アナライザを制御するシステムを示す模式的ブロック図である。
【図18】図17中の検知読出結合ルーチンにより実行される動作の概要を示すフローチャートである。
【符号の説明】
【0100】
10 アナライザ、12 流路付構造物、14,274 チャネル、16,300,302,304,330,332,334 物体、40 電気浸透ポンプ、54,56,58,60 検知部材、64,66,68,70,270,412,414,416 IC、80 チャネル構成部分、82 物体/流体移動方向、86,162,310,312,314,342 物体/流体からの光、87,272 検知器アセンブリ、100,418 フォトセンサアレイ、102,104 セルの行、106 セル、152 セル群、360,362,364 仮想的微小体積物体、440 流体/物体運動ルーチン、442 検知読出結合ルーチン、482 情報取得ステップ、484 検知結果読出ステップ、492 スペクトラム情報出力ステップ、λ 物体/流体からの光の波長、λmin,λmax 光子エネルギレンジを決める波長、λp サブレンジを代表する波長。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう1本又は複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、
少なくとも1本のチャネル構成部分に対応して且つそのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、
を備え、
各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも2組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、
各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知するセンサ。
【請求項2】
光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、
それぞれ上記経路の一部である上記セグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を、検知する検知ステップと、
を有し、少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知する方法。
【請求項3】
請求項2記載の方法であって、
フォトセンサアレイが、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも2個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち1個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成されており、
上記移動ステップが、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させるステップを含む方法。
【請求項4】
光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、
上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なるセンサ。
【請求項1】
チャネル構成部分毎に流体移動方向が決まるよう1本又は複数本のチャネル構成部分が形成された流路付構造物と、
少なくとも1本のチャネル構成部分に対応して且つそのチャネル構成部分における流体移動方向に沿って列をなし、更に各列内で複数個の組をなすよう、セル同士が配置された複数個のセルを有するフォトセンサアレイが組み込まれた集積回路と、
を備え、
各組のセルが、対応するチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジのうち一部即ち対応するサブレンジにて光子を検知するよう、また上記複数個の組のうち少なくとも2組が互いに異なるサブレンジにて光子を検知するよう、構成されており、
各チャネル構成部分内をその流体移動方向沿いに移動中の流体から放出される光子のうち、そのチャネル構成部分にて検知対象とする光子エネルギレンジに属するエネルギを有する光子を、そのチャネル構成部分に対応する列のセルによって且つセルの各組により対応するサブレンジ毎に、検知するセンサ。
【請求項2】
光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる移動ステップと、
それぞれ上記経路の一部である上記セグメントのうち相異なるセグメント沿いにある複数の場所にて、集積回路内フォトセンサアレイを構成するセルのうちその場所に対応する組に属する複数個のセルを用い、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を、検知する検知ステップと、
を有し、少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジを違えて、物体から放射される光子エネルギを検知する方法。
【請求項3】
請求項2記載の方法であって、
フォトセンサアレイが、経路を構成する複数個のセグメントのうち少なくとも2個の連なりに沿うよう、且つその一連のセグメント内を同時に複数個の物体が移動しているときに各組のセルがそのうち1個の物体から光子を検知できるよう、複数個のセルにより構成されており、
上記移動ステップが、上記複数組のセルを併用して光子量を検知することができるよう、上記一連のセグメント内で同時に複数個の物体を移動させるステップを含む方法。
【請求項4】
光子を放出する1個又は複数個の物体を経路沿いに移動させる物体駆動手段と、上記経路沿いに配置され集積回路内に組み込まれたフォトセンサアレイと、を備え、
上記フォトセンサアレイが、それぞれ上記経路を構成する各セグメント沿いにある複数の場所のうち対応する場所に各組が設けられた複数組のセルを含み、各組のセルが、物体から放出される光子のうち検知対象とする光子エネルギレンジの一部即ちその組に対応するサブレンジに属する光子の量を検知し、更に少なくとも2個のセグメントについては対応するサブレンジが互いに異なるセンサ。
【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15】
【図16】
【図17】
【図18】
【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15】
【図16】
【図17】
【図18】
【公開番号】特開2007−171190(P2007−171190A)
【公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2006−342376(P2006−342376)
【出願日】平成18年12月20日(2006.12.20)
【出願人】(502096543)パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Palo Alto Research Center Incorporated
【Fターム(参考)】
【公開日】平成19年7月5日(2007.7.5)
【国際特許分類】
【出願日】平成18年12月20日(2006.12.20)
【出願人】(502096543)パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Palo Alto Research Center Incorporated
【Fターム(参考)】
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