偏光ベースの干渉型検出器
【課題】高いスループットのスクリーニング方法と統合可能であって、分子の正確な量を迅速かつ特異的に検出するのに十分なほど感度が高いセンサを提供する。
【解決手段】サンプル材料の光学特性を決定するセンサ及び方法が開示される。センサは、入射面に対して所定の偏光方位を有する直線偏光ビームを生成する光源を備える。直線偏光ビームは、サンプルで反射して、第２の光ビームと第３の光ビームに分割され、第２及び第３の光ビームは、第１の光ビームの相互に直交する成分の組合せ投影像で構成される。信号プロセッサが、第２の光ビームと第３の光ビームの強度差を測定して、サンプル材料によって誘発される位相差を計算する。
【解決手段】サンプル材料の光学特性を決定するセンサ及び方法が開示される。センサは、入射面に対して所定の偏光方位を有する直線偏光ビームを生成する光源を備える。直線偏光ビームは、サンプルで反射して、第２の光ビームと第３の光ビームに分割され、第２及び第３の光ビームは、第１の光ビームの相互に直交する成分の組合せ投影像で構成される。信号プロセッサが、第２の光ビームと第３の光ビームの強度差を測定して、サンプル材料によって誘発される位相差を計算する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0002] 本発明は、生体親和性及び化学センサに関し、液体及び気体サンプルを定量分析するための２つの直交する偏光成分間の位相ずれの測定に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
[0001] 本出願は、２００６年４月１７日出願の特許第１１／３７９，０２６号の一部継続出願であり、米国特許法第１２０条により本出願に対する優先権を主張する。その内容は、参照により全体を本明細書に組み込むものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003] 科学者も産業も同様に、分子間相互作用を評価し、当該分子の位置を検出するためのラベルの使用に伴う不確実性を解消する方法を探求し続けている。この問題を解決する点で、ラベルがない技術は非常に重要である。何故なら、これらの技術によって研究者は、相互作用の力学を根本的に変化させる外部の化学作用で摂動させることなく分子系を調べることができるからである。これらの分子間相互作用を分析するように設計された計器の感度こそが、最高の関心事となる。何故なら、当該分子は往々にして生成及び／又は隔離が困難で費用がかかるか、又は生体サンプル中に非常に低い濃度でしか存在しないからである。量が極めて少ないという問題をさらに悪化させるのは、結合特性が望ましい薬物開発の組合せの化学物質ライブラリにあるように分析物の種類が無数にあることである。 高いスループットのスクリーニング方法と統合可能なセンサを開発することが望ましい。これは、当該分子の正確な量を迅速かつ特異的に検出するのに十分なほど感度も高くなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004] 光源と、センサと、光学リターダと、ビームスプリッタと、サンプル材料の光学特性を決定する検出器とを備えるシステムを開示する。システムは、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成する光源を備え、第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有し、第１の直線偏光と第２の直線偏光は相互に対して直交し、第１の光波と第２の光波は相互に対して同相である。第１の直線偏光（ｐ偏光）は入射面にあり、第２の直線偏光（ｓ偏光）は入射面に対して直角である。第１の光波と第２の光波の強度は、所定の比率に設定される。システムは、第１の光波と第２の光波の間に相対遅延を加えることによって第１の光波と第２の光波の間に可変位相ずれを提供する光学リターダ、及び、サンプル材料からの第１の光ビームを内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の状態で反射するプリズムインタフェースも含む。
【０００５】
[0005] 第１の光ビームが光学インタフェースから反射した後に、第１の光ブームを第２の光ブームと第３の光ビームに分割するために、偏光ビームスプリッタを使用し、第２の光ビームと第３の光ビームは、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像を備える。信号プロセッサが、第２の光ビームと第３の光ビームの強度差を測定して、サンプル材料によって誘発された位相差を計算し、信号プロセッサは、第１の検出器から第１の強度測定値を、第２の検出器から第２の強度測定値を受信し、第１及び第２の検出器は、それぞれ第２及び第３の光ビームの強度を測定する。
【０００６】
[0006] システムの光源は、直線偏光するコヒーレント光ビームを含むことができ、直線偏光は、センサ表面の面に対して所定の角度で回転している。入射角は、センサ表面の変化による第１の光波と第２の光波との最大位相ずれに基づいて決定される。光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ、レーザダイオード、又は約５００〜７００ナノメートルの波長範囲を有する直線偏光コヒーレント光を提供する任意の光源を使用することができる。
【０００７】
[0007] 偏光ビームスプリッタは、第２及び第３の光ビームの強度が相互に実質的に等しいか、又は等しくなるように配向することができる。偏光ビームスプリッタは、光学インタフェースの面に対して約４５°の角度で配向することができる。
【０００８】
[0008] 第１及び第２の光波の強度の所定の比率はβである。ここで、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓ
であり、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、それぞれ、サンプル材料から反射する前及び反射した後の第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓは、第２の光波の強度である。
【０００９】
[0009] システムの光学リターダは、フレネル菱面体プリズム、又は直交する偏光成分間に実質的に９０°の位相ずれを提供する直角プリズムであってもよい。
【００１０】
[0010] システムは、更に、第１のビームの路に配置された１つ又は複数の光学構成要素を備えることができ、１つ又は複数の光学構成要素は、光ビームがビームスプリッタに伝達される前に、実質的に楕円の偏光を実質的に円形の偏光に変換する。
【００１１】
[0011] システムは、少なくとも１つのセンサを備え、少なくとも１つのＳＰＲトランスデューサを備えることができる。センサは、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、受容体リガンド、有機分子、及び触媒などの生体分子を含む検知材料を含むことができる。別の方法としては、サンプル材料は、アレイ状のトランスデューサに適用することができ、各トランスデューサが検知材料を含み、その後にセンサで分析する。サンプル材料は、核酸、タンパク質、ポリペプチド、有機分子、細菌及びウイルス粒子を含むことができる。
【００１２】
[0012] 本発明のシステムは、少なくとも５×１０−８という屈折率単位の表面屈折率の変化を検出することができる。システムは、分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。
【００１３】
[0013] 本発明の別の態様では、サンプル材料の光学特性を決定する方法が提供される。方法は、検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースにサンプル材料を適用するステップと、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成するステップとを含み、第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有し、第１の直線偏光と第２の直線偏光は相互に対して直交する。第１の光波と第２の光波の間に相対遅延を加えることによって、第１の光ビームがセンサ表面から反射した後に、第１の光波と第２の光波の間に実質的に９０°の位相ずれを提供する。第１の光ビームは、ＴＩＲ又はＦＴＲの状態でサンプル材料から反射し、その後に第１の光ビームは、提供するステップ及び反射するステップの後に、第２の光ビームと第３の光ビームに分割され、第２の光ビーム及び第３の光ビームは、第１の光ビームの相互に直交する偏光成分の組合せ投影像を備えるか、又はそれで構成される。第２の光ビームと第３の光ビームの間の強度差を測定して、サンプル材料によって誘発された位相差を計算する。
【００１４】
[0014] 本発明の更に別の態様では、サンプル中の分析物の存在を検出する方法が提供され、方法は、検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースにサンプルを適用するステップと、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを光学インタフェースで反射するステップと、第１の光ビームが光学インタフェースから反射した後に、これを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップと、サンプルによって誘発された位相差を計算するために、第２の光ビームと第３の光ビームの間の強度の差を測定するステップとを含む。
【００１５】
[0015] 本発明の方法では、第１の光ビームは直線偏光し、コヒーレントであってもよい。第１の光ビームは、第１及び第２の光波を有することができる。第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有することができる。第１の直線偏光と第２の直線偏光は、相互に対して直交する。第１の光ビームは、センサ表面から反射した後、実質的に楕円形に偏光し、第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、実質的に円形の偏光に変換することができる。内部全反射の状態で、及び／又は第１の光ビームの路の光学リターダを調整することによって、第１の光ビームを２つの反射面から反射させて、９０°又は実質的に９０°の位相ずれを提供する。
【００１６】
[0016] 本発明の方法では、第１の光波と第２の光波の強度の所定の比率はβであり、ここで、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓ
である。ここで、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、それぞれ、サンプル材料から反射する前、及び反射した後の第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓは、第２の光波の強度である。
【００１７】
[0017] 場合によっては、第２及び第３の光ビームの強度は等しいか、又は実質的に等しくてもよい。第２及び第３の光ビームは、ビームスプリッタの主軸上の相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成することができる。
【００１８】
[0018] 本明細書のシステムは、光学インタフェース上で固定化した検知材料を含むことができる。このような材料は、例えば、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、受容体リガンド、有機分子、及び触媒などの生体分子を含むことができる。サンプル材料は、核酸、タンパク質、ポリペプチド、有機分子、細菌及びウイルス粒子を含むことができる。サンプル材料は、１つのトランスデューサ又はアレイ状のトランスデューサに適用することができ、各トランスデューサが検知材料を含み、その後にセンサにより分析する。
【００１９】
[0019] 本発明の方法は、少なくとも５×１０−８という屈折率単位（ＲＩＵ）の表面屈折率の変化を検出することができ、分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。分析は、基準サンプルが存在し、分析物が存在する（又は存在しない）状態で、かつ、基準サンプル中に既知のアイデンティティ及び量の分析物が存在する（又は存在しない）状態で、実行することができる。
【００２０】
[0020] 本明細書で言及した全ての出版物及び特許出願は、個々の各出版物又は特許出願が特異的かつ個々に参照により組み込まれるものと示される場合と同程度に、参照により本明細書に組み込むものとする。
【００２１】
[0021] 本発明の新規の特徴は、添付の特許請求の範囲で詳細に記載される。本発明の原理を使用した例示的実施形態について記載する以下の詳細な説明、及び添付の図面を参照することにより、本発明の特徴及び利点をよりよく理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
[0027] センサ表面における受容体薄膜への分析物結合の検出に基づく光学センサが集中的に研究されている。干渉計、偏光解析装置、及び偏光器では、エバネッセント場での屈折率の変化を測定するために光学的内部全反射（ＴＩＲ）の構成を使用することが一般的である。これらの技術は全て、ラベルなしの検出を目的として、化学的又は生物学的層状媒体の測定に適用することができる。
【００２３】
[0028] 液晶を配向し、溶質を基板表面に吸収させ、液体の屈折率を測定するために、内部反射偏光解析法（ＩＲＥ）を使用することができる。感度が低いために厚さの測定には好ましくない入射角の内部全反射領域で測定を実行した。このような厚さ測定感度を向上させるために、表面プラズモン共振（ＳＰＲ）効果の実施態様が開発されており、この方法は、より一般的な阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の方法に入る。しかし、バイオ及び化学センシング装置で厚さ及び屈折率の変化の両方を測定するために、高感度装置が依然として必要とされている。
【００２４】
[0029] 空間反射係数及び全体的強度をセンサインタフェースから測定するために、いくつかの方法が使用されてきた。これらの強度に基づく技術は、光源の強度が変動し、センサ表面からの反射係数が比較的小さいという欠点を有する。検知性能を改善するためには、感度を向上させることが常に望ましい。高感度は、他の要素を使用して達成してもよい。表面の結合層の屈折率又は厚さが変化している場合、光波の位相は、強度よりもはるかに唐突に変化し得ることが判明している。ＳＰＲ中にセンサインタフェースから位相変化を測定することによって、センサアレイの結像機能があっても、センサでいくつかの方法を使用することができる。例えば、ＳＰＲ及びヘテロダイン干渉法と極めて高感度及び低ノイズとの組合せに基づくセンサが提案されている。
【００２５】
[0030] ＴＩＲ及びＦＴＲの両方の状態にある間、親和性に感度が高い層の屈折率又は厚さなどの隣接する媒体の光学特性が変化する度に、反射ビームのｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は、急速な変動を経験する。更に、入射ビームのｐ偏光成分の位相ずれを測定すると、入射角の変化に伴う強度を測定するＳＰＲ技術よりも感度がはるかに高くなる。更に、位相変化方法によって、金属でコーティングし、更に光学的に透明なトランスデューサを、特殊な金属質コーティングがない状態で使用することができる。
【００２６】
[0031] 本明細書で開示する方法は、システムの測定パラメータと一般的構成に関して、ＴＩＲ及びＦＴＲの両方の状態に類似の方法で適用される。いくつかの異なる構成で、感知用途にＳＰＲ現象を使用することが実証されている。一般的な方法は、クレッチュマン構成を使用する。コヒーレントなｐ偏光光波が、ＴＩＲ状態で、ガラスのプリズムのように光学的に密な材料と希薄媒体との間のインタフェースで反射し、希薄媒体はこの場合、サンプル媒体で、その屈折率は密な媒体より低い。２つの媒体の間のインタフェースは、薄い導電性金属膜でコーティングされ、これは光波の吸収材として作用する。光波の入射角、波長及び媒体の屈折率に依存する特定の状態に適合すると、光波は金属の表面プラズモン電子を共振で振動させ、金属膜内で波のエネルギーを吸収する。これらの共振状態の間、サンプルの屈折率が変動して、ｐ偏光成分の光位相が急変する一方、ｓ偏光の位相は比較的一定のままである。共振状態では、ＴＩＲ状態とは対照的に、ｐ偏光成分の大部分がＳＰＲ効果によって金属膜に吸収される。この事実は、強度に基づくＳＰＲセンサ及び偏光解析装置に活用され、反射光の最低強度の状態を光学的構成に関連させ、それによってサンプルの屈折率又は層の厚さを推定する。
【００２７】
[0032] 上記方法は、単一光ビームの構成を使用し、このビームに含まれて相互作用するＴＩＲ／ＳＰＲ表面から反射した直交偏光成分（すなわち、ｐ偏光とｓ偏光で、ｐ偏光は入射面にあり、ｓ偏光は入射面に直角である）の強度を観察することによって、層状媒体の変化を監視し、ビームの偏光成分が強度及び位相の変動を経験すると、その観察結果は、定常センサ状態の偏光間で実質的に９０°の位相ずれを得ることによって最適化される。
【００２８】
[0033] 本明細書の方法は、他の競合する技術ではこれまで入手できなかった感度レベルを可能にするために、内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）状態と組み合わせた偏光ベースの干渉法（ＰＢＩ）を利用する。ＦＴＲと組み合わせて、同じビームの２つの偏光状態（ｓ偏光及びｐ偏光状態）を干渉計で測定すると、表面屈折率の変化に対する感度が少なくとも５×１０−８屈折率単位（ＲＩＵ）まで向上し、これによって分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。
【００２９】
[0034] 本発明の方法は、ＴＩＲ又はＦＴＲの状態で適用される。入射ビームのｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は、トランスデューサ表面に隣接する媒体の誘電特性が変化すると、急速な変動を経験する。表面の結合層の屈折率又は厚さが変化している場合、ｐ偏光成分の位相は、強度よりもはるかに唐突に変化する。この差によって、トランスデューサ表面上で、又はその近傍で、屈折率変化の感度を検出するために、調整可能な特定の角度で傾斜した実質的に直線偏光する１本のビームを使用することができる。２つの成分が直交又は９０°位相がずれている場合、最高の感度が達成される。直交偏光成分の入手を、偏光ビームスプリッタ及び差分信号処理方式とを組み合わせると、小さい位相ずれを高感度で直接測定し、多重アレイ結像を検出する。
【００３０】
[0035] 本発明は、アレイフォーマットの複数の相補的化学物質を評価するために、高感度レベルで高いスループットのスクリーニングを可能にする方法を提供する。このような装置の潜在的用途は、血液中の感染症スクリーニング及び空気中のウイルス又は細菌粒子の検出、薬物開発用途の薬物動態研究及び主接着研究、更に個別的病状、特に癌に対する薬剤、生物学的及び化学的兵器剤／災害の検出、及び産業プロセスの品質管理である。
【００３１】
[0036] 感染症スクリーニングのいくつかの例は、全細菌、全ウイルス又はウイルス粒子、全感染性寄生体又は他のその生活周期同族体の識別、特定の細菌又はウイルス株に対して生じる抗体の識別、感染性因子から排出／分泌された抗原又は核酸マーカ、又はホスト又は病原因子からの病気のタンパク質バイオマーカを含むことができる。感染病スクリーニングは、診断目的又は血液供給の安全性監視のために使用することができる。個別的病状に応じた薬剤は、当該病状から生じる抗体、タンパク質、ペプチド、核酸、及び小有機分子の識別を使用することができる。製薬研究及び開発では、本発明を核酸、抗体、タンパク質、ペプチド及び合成有機分子のスクリーニングに使用して、薬品の候補として開発し、前臨床及び臨床開発を通して生体サンプル中で薬品の候補を検出し、検出及び数量化のために臨床及び社会的状況で被験者の安全性を監視するのに適切な活性分子を識別することができる。
【００３２】
[0037] 他の潜在的用途は、空気及び水質監視を含む。監視対象には、粒子、汚染物質、毒素、産業廃棄物、廃棄物の生物学的性質、又は無機の健康災害がある。
【００３３】
[0038] 図１は、提案された発明の実施形態による光学ＴＩＲセンサ１０を示す。センサ１０は、光源１００と、半波長板２００と、フレネル菱面体３００と、偏光ビームスプリッタ４００と、２つの光検出器５００及び６００と、サンプル８００と相互作用する特定のセンサ材料７００を含むスライドと、を備える。
【００３４】
[0039] 光源１００は、レーザなどの実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源を使用することができる。光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードであることが好ましい。光源１００は、５００〜７００ナノメートルの波長範囲の実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源であることが好ましい。光源１００は、実質的に直線の偏光ビームＳを生成するために使用される。半波長板２００を使用して、光ビームＳの偏光を回転し、縦軸から４５°ずれたビームＳの偏光の方位を提供する。その結果、信号Ｓ１は、ｓ及びｐ偏光成分の両方を含み、ｓ偏光とｐ偏光の位相差はゼロ度である。
【００３５】
[0040] フレネル菱面体３００は、信号Ｓ１のｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に実質的に９０°の位相差を導入するために使用される。信号Ｓ１のｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に９０°の位相ずれを導入するために知られている他の方法も、本発明では考慮する。特定のセンサ材料を含むスライド７００は、フレネル菱面体の表面の１つ、Ｒ１又はＲ２又は両方に配置される。スライド７００は、光源１００の波長に対して実質的に透明である材料で作成することが好ましい。スライド７００は、サンプルより高い屈折率を有する材料で作成することが好ましい。スライド７００はガラス、プラスチック、シリコン又はセラミックで作成することが好ましい。スライド７００のセンサ材料がサンプル８００と相互作用する。この相互作用は、菱面体／スライドの境界から信号Ｓ１が反射すると、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に位相ずれを生じる。スライド７００及びサンプル８００は、菱面体３００に光学的に結合されて、最小限の損失を確保し、内部全反射の状態を維持する。
【００３６】
[0041] 別の方法としては、スライド７００及びプリズム３００は、１つのアセンブリの一部であり、それによって屈折率が一致する流体を使用する必要がなくなる。一実施形態では、光源１００からの光ビームの入射角は、特定用途に対する最適なＴＩＲ／ＦＴＲ角度のあたりで変動することができる。入射角は、センサ表面の変化による第１の光波と第２の光波との最大位相ずれに基づいて決定される。入射角の正確な値は、動作状態が変化しても、すなわち新しいチップ、金属又はバイオコーティングの屈折の変動などがあっても、センサの最高感度及び計器反応のおよその直線性を所望の動的範囲内で生じる状態から決定することができる。この実施形態では、入射角に比例して変化する信号が、その周波数で変調される。次に、ジタリング（jittering）を生じる周波数が除去され、ＤＣ信号の測定値に影響しない。この周波数は、測定されたプロセスの特徴的な時間よりはるかに高いことが好ましい。
【００３７】
[0042] 偏光ビームスプリッタ４００は、信号Ｓ２のｓ偏光成分とｐ偏光成分の投影像を組み合わせるために使用される。ビームスプリッタ４００は、直交する偏光成分を組み合わせる任意のビームスプリッタを使用することができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ４００は立方体ビームスプリッタである。ｓ偏光成分とｐ偏光成分の分離された投影像は、検出器５００及び６００によって検出される。検出器５００及び６００は、光信号を受けて、光信号と同じ情報を含む電気信号を生成する任意の光検出器であり、例えば、光ダイオード（ＰＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）である。
【００３８】
[0043] 検出器５００及び６００によって生成される電気信号は、信号処理ユニット９００に伝送される。信号処理ユニット９００は、２つの検出器のパワーの差を読み取る。この差は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の位相ずれに正比例する。ｓ偏光成分とｐ偏光成分との位相ずれは、例えば、スライド７００上のセンサ材料の屈折率又は厚さなどの光学特性の変化を示す。
【００３９】
[0044] 図２は、本発明の一実施形態によるセンサシステム３０を示す。センサシステム３０は、直線偏光源３１４と、半波長板３２０と、直角プリズム３１０と、偏光ビームスプリッタ３４０と、検出器３５０及び３６０とを備える。光源３１４は、レーザなどの実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源を使用することができる。いくつかの実施形態では、光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードである。いくつかの実施形態では、光源１００は、５３２〜６８０ナノメートルの波長範囲の実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源である。光源３１４は、ある範囲の波長を提供する波長可変レーザであることが好ましい。光源３１４は、実質的に直線の偏光ビームＩを生成するために使用される。半波長板３２０は、光学信号Ｉの偏光を４５°回転して信号Ｉ１を生成するために使用される。また、半波長板３２０は、下式（１３）により信号を最適化するために、ＴＩＲ／ＳＰＲ感知表面にてｓ偏光とｐ偏光との間の相対的光パワーを調整するためにも使用することができる。ビームＩ１は、間の位相差がゼロ度のｓ偏光成分とｐ偏光成分の両方を含む。
【００４０】
[0045] ビームＩ１はプリズム３１０に送られ、ここで楕円偏光になる。また、センサシステム３０は、ガラスのホスト基板３７０、生体親和性コーティングが適用された金属膜３９０も含み、これがサンプル３８０と相互作用する。金属膜３９０は金の膜であることが好ましい。直角プリズム３１０は、液体又は気体の動作、又は異なる波長の光源に対応するように回転することができる。ビームＩ１は、プリズムの表面３１８でＴＩＲ状態を経験し、プリズム内の第２のＴＩＲ表面３２２で跳ね返って、ビームＩ２としてプリズムを出る。ビームＩ２は楕円偏光である。波長板３１１、３１２は、実質的に円形の偏光（実質的に９０°の位相ずれ）を有するビームＩ３を得るために使用される。いくつかの実施形態では、波長板の１つが速い軸で入射面に対して４５°に固定される。任意選択で、波長板３１６は、実質的に９０°の位相差を得るために使用される。これらの方法は両方とも、測定されたサンプルバッファの屈折率の範囲が広すぎ、プリズムのみのＴＩＲ反射では実質的に９０°の位相が入手できない場合に適用することができる。偏光ビームスプリッタ３４０は、ビームＩ３のｓ偏光成分とｐ偏光成分の投影像を組み合わせる。ビームスプリッタ３４０は、１本のビームの直交する偏光成分を組み合わせる任意のビームスプリッタを使用することができる。ビームスプリッタ３４０は立方体ビームスプリッタであることが好ましい。
【００４１】
[0046] ｓ偏光成分とｐ偏光成分の組み合わせた投影像は、それぞれの検出器３５０及び３６０によって検出される。検出器３５０及び３６０は、光ダイオード（ＰＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）などの光信号を受信し、光信号と同じ情報を含む電気信号を生成する任意の光検出器である。検出器３５０及び３６０によって生成された電気信号は、信号処理ユニット３３０に伝送される。信号処理ユニット３３０は、２つの検出器のパワーの差を読み取る。この差は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の位相ずれに正比例する。ｓ偏光成分とｐ偏光成分との位相ずれは、例えば、金属膜３９０上のセンサ材料の屈折率又は厚さなどの光学特性の変化を示す。
【００４２】
[0047] 任意選択で、プリズム３１０は、様々なタイプのサンプルに対応するために回転することができる。動作中に、サンプル基準が初期臨界ＳＰＲ角度の有意の変化につながる場合、最適に動作するには、プリズム３１０を回転する必要があることがある。任意選択で、プリズム３１０は測定中に動的に回転することができる。図示の構成により、プリズム３１０からの入出力光ビームは、プリズムが回転しても平行なままであり、それ故、動作中の追加的な動的位置合わせが回避される。
【００４３】
[0048] 本発明の方法は、内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の状態で光学インタフェースにおける屈折率の比率が変化すると、ｓ及びｐ偏光の偏光状態又は相対位相、及び個々の各偏光成分の強度が変化するという事実を活用する。本発明の方法は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に実質的に９０°の位相ずれを加えることによって、変化するこれらの成分の間に可能な最大の差を抽出しようとする。
【００４４】
[0049] 純粋なＴＩＲ状態では、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との光学的位相ずれ（δ）は、以下のように表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
ここで、θｉは、特定のＴＩＲ／ＦＴＲインタフェース上での光ビームの入射角であり、ｎ２及びｎ１は、それぞれ、サンプル媒体及びプリズム３１０の屈折率である。入射角は、より複雑なセンサシステムで可能な限り最高の感度を達成するために、ある範囲のバッファ溶液及びＳＰＲの状態に対応するように、簡易システムに対する内蔵静的利得補償システムがある所与の計器に対して固定するか、又は変動可能であってもよい。
【００４７】
[0050] ＳＰＲの場合、ｓ及びｐ偏光の反射係数は以下のように書くことができる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
[0051] ｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は下式の通りである。
【００５０】
【数３】
【００５１】
[0052] これは、全複素屈折関係式（２）から求めることができる。
【００５２】
[0053] 概して、感知表面に入射する実質的に直線の偏光ビームは、プリズム３１０を出る時に楕円偏光に変化する。ビームの電磁ベクトルは以下のように説明される。
【００５３】
【数４】
【００５４】
[0054] ここで、δ１及びδ２はｓ偏光とｐ偏光それぞれの位相ずれである。
【００５５】
【数５】
【００５６】
[0055] ２つの検出器Ｄ１及びＤ２が直交して配置され、入射面に対して角度Ψだけ回転すると、以下のように、それらの間のパワーの差を得ることができる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
[0056] 検出器が下式のように角度Ψで配置されている場合、
【００５９】
【数７】
【００６０】
よって、Ｄ１−Ｄ２＝０となる。
【００６１】
[0057] 次に、以下の仮定が真であると仮定する。
【００６２】
【数８】
【００６３】
[0058] ここで、ａ２０及びδ０は、初期又は定常状態を意味する。そこから、下式のようになる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
[0059] 従って、トランスデューサ表面の変化による強度差の変化は下式の通りである。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
式（１２）では、最初のカッコは「強度」寄与率を指し、２番目のカッコは応答Ｒの「位相」寄与率に対応する。ＴＩＲの間に、強度は変化せず、位相のみが変動する。しかし、ＳＰＲ事象では強度と位相の両方が変化する。にもかかわらず、強度寄与率を無視することができることが判明し、それ故センサの応答は下式のように簡略化される。
【００６８】
【数１１】
【００６９】
[0060] 上記方法の重要な概念は、位相変化に対する応答を最大にすることである。
【００７０】
[0061] 位相ずれの寄与率は、以下のような条件を満たした場合に最高になる。
【００７１】
【数１２】
【００７２】
条件（１５）は、前述したように直交又は実質的に９０°の位相ずれを意味する。条件（１４）は、検出器を入射面から４５°外して配置するべきことを示す。また、条件（１４）及び（１６）は、ＳＰＲ事象中に金属表面におけるビームのｐ偏光成分の吸収を補償するために、感知プリズムの前に配置された半波長板を回転することによっても満足することができる。回転角ηは下式のように与えられる。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
ここで、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、感知した表面から反射する前及び反射した後のｐ偏光成分の強度であり、Ｉ０Ｓはｓ偏光成分の強度である。
【００７５】
[0062] 最後に、円偏光に対応する最大応答は、下式のように表される。
【００７６】
【数１４】
【００７７】
[0063] 実質的に９０°の所望の位相差を得るために、位相遅延の種々の方法をビーム路で使用することができる。所望の位相ずれを達成する特定の例は、以下のパラメータを変更することによって実施することができる。すなわち、プリズム３１０の屈折率、プリズム内のセンサではない任意のＴＩＲ／ＦＴＲインタフェースの指数比、入射角θｉ、及びプリズム内のＴＩＲ／ＦＴＲ反射の数である。
【００７８】
[0064] 例えば、可変波長板は、水晶などのＺカット複屈折材料である。波長板は、屈折率が、光軸に対する傾斜角αがｎ０からｎｅの範囲で変動するように設計される。ここで、ｎｅは以下の式で表される。
【００７９】
【数１５】
【００８０】
[0065] 波長板は、ビームに対して直角に配置される、すなわちα＝０の場合は、ｎ０の屈折率、ビームに平行に位置合わせされた場合は、ｎｅの値を有する。従って、金属膜３９０におけるＳＰＲの位相差に関係なく、偏光ビームスプリッタ３４０で実質的に９０°になるように位相を調整することができる。
【００８１】
[0066] また、偏光が完全に円形ではなく、圧縮された垂直又は水平の長円である（ｓとｐとの位相ずれは依然として実質的に９０°である）場合は、プリズムの前方に半波長板を配置して、感知表面における相互作用の後に２つの偏光成分のパワーを平衡させ、所望の円偏光を生成することができる。
【００８２】
[0067] 円偏光を達成する更に別の方法は、信号の読み取りに応答して偏光角度を制御する容易な方法を与える液晶偏光回転子を使用する。例えば、加える電圧は、２つの偏光成分の間でゼロに近い読み取り値の差を提供するために、フィードバックループで調整することができる。
【００８３】
[0068] それ故、最大出力信号及び位相差直交を得るために、種々の方法を使用することができる。例えば、２つ以上の反射面を使用して、２つの偏光成分の間に実質的に９０°の位相ずれを提供することができる。これは、反射する毎にＴＩＲ状態を提供する適切な屈折率を有する特殊なプリズムの設計によって達成することができる。ＳＰＲの方法では、２回以上反射する特殊設計のプリズムを使用して、ｓ偏光とｐ偏光の間に実質的に９０°の位相ずれを提供することができる。任意の意図されたサンプルバッファの屈折率の範囲が広すぎる場合は、可変波長板３１６を使用しないと、実質的に９０°の位相ずれを得られない場合がある。また、プリズム３１０の後方に２つのλ／４波長板（３１１、３１２）を配置して、楕円偏光ビームを円偏光ビームに変換し、それ故、実質的に９０°の位相ずれを得ることができる。
【００８４】
[0069] 図３は、サンプル４１３が図４に示すＡｌｐｈａＳｎｉｆｆｅｒのウイルスチップ９５０のようなアレイ状のサンプルトランスデューサである本発明のある実施形態を示す。チップ９５０は図４に図示されている。図４のウイルスチップ９５０は、光源１００（図１）又は３１４（図２）に対して実質的に透明である任意の基板に載せることもできる。一実施形態では、チップ９５０はガラス又はＳＦＩ１基板上にある。チップ９５０は、他のラボオンチップ又はバイオチップの方法と類似の特性を有する。一実施形態では、チップ９５０が、分析される液体に曝露する表面上に開いた「親和性感知フィーチャ」を有するか、又は流体工学的流路をチップアセンブリの一部として構築することができる。流体路は、単一の流路又は複数の流路を使用することができる。搬送ストリーム（バッファ）があることが好ましい。サンプルは、チップ表面に、又はそのすぐ近傍に気泡が形成されるのを回避するために、チップに送出する前にサンプルを脱気することが好ましい。
【００８５】
[0070] 図３は、本発明の方法を使用して複数のサンプルトランスデューサ３８０（図４参照）を処理する生体親和性及び化学センサ４０を示す。センサ４０はトランスデューサレイ４１３を備え、これはアレイ状のトランスデューサ要素３８０、及びトランスデューサレイ４１３を構成する要素毎に対応する金属膜層３９０（図示せず）を備える。ビームはこのアレイで反射し、各要素３８０の位相及び強度情報を保持する。ビームスプリッタ４４０を使用して、ｓ及びｐ偏光成分の投影像を組み合わせ、次にこれが検出器４１５及び４１４によって検出される。検出器４１４及び４１５は、光検出器アレイ又はＣＣＤカメラを備える。検出器４１４及び４１５は、上述したものと類似の技術を使用する差分信号分析ツールを使用して「像の差」を得るために使用される。「像の差」は、アレイ４１３の各トランスデューサ要素３８０の位相情報を含む。
【００８６】
[0071] 図５は、本発明を実施する装置を使用して分析したサンプルの試験結果を示す。０．３ｍｇ／ｍＬ濃度のバッファ中のアビジン溶液１２０μＬを、連続して３回、ビオチン化ＢＳＡでコーティングした感知表面に注入する。デルタ応答とは、アビジンをトランスデューサの表面に結合した結果である応答と、バッファがトランスデューサ上を流れている間のシステムの初期応答との差である。デルタ応答の段階的増加は、トランスデューサの表面がアビジンサンプルの最初の注入では飽和せず、その後の注入中に追加の結合があったことを示す。また、この方法では、注入される分析物の体積及び濃度、及びトランスデューサの表面に対するサンプルの曝露時間を変化させることによって反応速度を調査することもできる。
【００８７】
[0072] 本明細書で開示するシステム及び方法は、１つ又は複数のサンプル中の複数の相補的化学作用を評価するために使用することができる。サンプルは、本来的に流体性（例えば、液体、気体など）であることが好ましい。動物から入手できる流体サンプルの例としては、全血、血清、汗、涙、耳垢、痰、リンパ液、骨髄懸濁液、尿、唾液、精液、膣の流動物、髄液、脳液、腹水、乳、呼吸分泌物、腸管及び尿生殖路、及び羊水が挙げられるが、これに限定されない。
【００８８】
[0073] サンプルは、分析物の相補的化学作用に基づいてサンプル中の特定の分析物を検出及び／又は識別するために分析することができる。相補的化学作用の例としては、サンドイッチ状の抗体の相互作用を含む抗体と抗原の相互作用、小分子、ペプチド及びタンパク質などの受容体リガンドの相互作用、天然及び合成両方の受容体との相互作用、核酸の相互関係及び組成間の他の相互作用、例えば、非受容体が介在するタンパク質／タンパク質、ペプチド、小有機分子又は無機分子の相互作用が挙げられるが、これに限定されない。
【００８９】
[0074] 例えば、抗体と抗原の相互作用を分析する場合、トランスデューサは生物膜（例えば、センサ材料）で構成することができ、生物膜は、血液、血漿、唾液、尿、胆汁など、又は他の媒体混合物などの任意の生物学的流体内の相補的化学作用を検出するために、抗体又は抗原で構成するか、又はそれでコーティングされる。以上を使用し、例えば、サンプル中のポリペプチド又はタンパク質を、当該ポリペプチド又はタンパク質と特に結合する抗体と生物膜で構成されたトランスデューサを使用して検出することができる。このような実施形態の有用な用途は、血液供給の安全性を含む感染症診断、医学診断、癌の特徴付け及び診断などの個別的病状に応じた薬剤、生物学的／化学的災害又は生物／化学兵器の検出、例えば、タンパク質及び小分子に基づく毒素及び毒物の検出、及び免疫学的研究を含む。このようなより広い用途のいずれでも、計器は、ウイルス又は病気に関連した抗原、ホスト免疫グロブリン、ウイルス粒子及び／又は細菌を検出するために使用される。
【００９０】
[0075] 酵素結合免疫溶媒検定（ＥＬＩＳＡ）と比較して、提案のシステムは顕著な利点を提供する。それは、追加のリポータ抗体と活性化酵素との培養を省くことにより、結果を出す時間がはるかに短いこと、リアルタイムで監視すること、更に検定プロセスに関して複雑性が大幅に低下することを含む。血液などの複雑な混合物の非特異的結合により背景信号が減少するので、ＥＬＩＳＡ研究に使用される遮断プロセスと類似の簡易的なステップが提案され、従って当該分析物がない複雑な混合物がトランスデューサ上を通過し、非特異的結合が測定され、次に当該分析物を含む複雑な混合物が添加され、その結果、当該分析物に特異的な信号になる。また、結合分子への当該分析物の混合及び分離速度に関連する情報をバイオセンサ上で得ることができる。
【００９１】
[0076] いくつかの実施形態では、本明細書のシステム及び方法を使用して、受容体リガンドの相互作用を検出することができる。このような実施形態では、受容体又はリガンドがトランスデューサ表面に結合され、それとリガンドの結合が検定される。通常、このような相互作用は、比色／蛍光又は放射ラベルなどのリポータシステムを使用して監視される。本明細書の方法及びシステムによって、薬剤の開発、薬物動態学、混合及び分離定数の生化学動態研究、望ましくない生成物又は副反応が生じることがある産業プロセスの品質管理、化学反応の終了の監視、触媒作用、イオン注入、及び基礎的化学研究のために、リアルタイムで多様な組合せ化学スクリーニングが可能になる。プラチナへの水素添加などの触媒プロセスに貴金属を使用する場合は、トランスデューサとして触媒表面を直接統合することにより、プロセスのリアルタイムの分析及び評価が可能になり得る。薬物の発見及び生物学的調査の両方で、当該生体分子、例えば、酵素を固定化することによって動態研究を実行することができ、これによって特定の小分子又は想定される生物学的ターゲットの混合及び分離又は処理速度を測定することができる。合成受容体、すなわち例えば、変性ポルフィリン、シクロデキストリンなども固定化し、選択的結合が可能な小分子を検出することができる。
【００９２】
[0077] いくつかの実施形態では、本明細書のシステム及び方法が、極めて高感度で核酸（例えば、ＤＮＡ）のハイブリダイゼーションを検出及び／又は監視する。これは、例えば、アレイ上のプローブへのターゲット核酸シーケンスのハイブリダイゼーションを検出するために使用することができる。核酸ハイブリダイゼーションを分析すると、ウイルス負荷を決定することもでき、他のシステムで要求される数百億ではなく、信号を登録するために十分な数（数十万）の分子が存在する場合は、核酸増幅ステップの必要がなくなる。また、本発明のシステム及び方法では、サンプル中のこのような分析物（例えば、ターゲット核酸シーケンス）をリアルタイムで検出することができる。
【００９３】
[0078] 本発明で実行可能な分子ターゲット分析の他の形態は、建物の給気システムの生物由来のウイルス粒子又は他の粒子、化学的及び生物学的兵器剤、水及び食品の品質を検出し、供給及び廃棄流又は環境生命維持システム及び発電所の排出物中の化学的汚染物質を監視することを含む。流体又は気体状サンプルで、全細菌も検出することができる。それ故、本発明は、血液中の感染症スクリーニング及び空気中のウイルス又は細菌粒子の検出、薬物開発用途での薬物動態研究及び基本的結合研究、更に個別的症状、特に癌に対する薬剤、生物学的及び化学的兵器剤／災害の検出、及び産業プロセスの品質管理に関する。
【００９４】
[0079] 本明細書の実施形態のいずれでも、個々の部位に異なるプローブ又はサンプルを有するアレイ状のトランスデューサを使用して、高いスループットのスクリーニングを可能にする装置を構成することができる。例えば、核内低分子多形性（ＳＮＰ）、又は出生前スクリーニング用の特定の遺伝マーカを分析するか、又は種々の薬物摂生に対する癌の感受性を決定するか、又は精神病の遺伝的性質を評価するか、又はＣ型肝炎又はＨＩＶなどの感染症の多数の患者による血液サンプルを分析するために、１０から１０００のフィーチャがあるチップを開発することができた。分析率は、一部はチップ上に離散した部位の数に、及びサンプルのボリュームにも依存する。いくつかの実施形態では、チップは離散した部位が１０、１００、１，０００又は１０，０００を超えるように設計されるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、本明細書の装置は、最大１２０μＬのサンプルを１〜２分で、又は最大５００μＬのサンプルを２〜５分で分析するが、これに限定されない。離散した部位は、例えば、血液又は他の体液、水、気体状物質などを含むサンプルを有することができる。離散した部位はそれぞれ、１つのサンプルの一意の部位から採取したデータを、特定のサンプル（例えば、患者Ｘから採取したサンプル）に関連付けられるように、アドレスを有することができる。
【００９５】
[0080] 本明細書では、本発明の好ましい実施形態を示し、説明してきたが、このような実施形態は例示によってのみ提供されていることが当業者には明白である。当業者には、本発明から逸脱することなしに、多くの変形、変更及び置換を行うことができることは明らかであろう。本発明を実施する際には、本明細書で説明した本発明の実施形態の種々の代替物を使用することができることを理解されたい。添付の特許請求の範囲が本発明の範囲を定義し、このような特許請求の範囲に入る方法及び構造及びその等価物がそれに含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】[0022] 本発明の一実施形態によりフレネル菱面体の方法を使用するＴＩＲセンサを示す。
【図２】[0023] 直角プリズムの構成を使用する本発明の一実施形態を示す。
【図３】[0024] 本発明の一実施形態によるセンサアレイを示す。
【図４】[0025] 本発明により作動できる感知用途用のバイオセンサアレイを示す。
【図５】[0026] 生体親和性センサとしてのシステムの典型的な反応を示す。
【技術分野】
【０００１】
[0002] 本発明は、生体親和性及び化学センサに関し、液体及び気体サンプルを定量分析するための２つの直交する偏光成分間の位相ずれの測定に基づいている。
【背景技術】
【０００２】
[0001] 本出願は、２００６年４月１７日出願の特許第１１／３７９，０２６号の一部継続出願であり、米国特許法第１２０条により本出願に対する優先権を主張する。その内容は、参照により全体を本明細書に組み込むものとする。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
[0003] 科学者も産業も同様に、分子間相互作用を評価し、当該分子の位置を検出するためのラベルの使用に伴う不確実性を解消する方法を探求し続けている。この問題を解決する点で、ラベルがない技術は非常に重要である。何故なら、これらの技術によって研究者は、相互作用の力学を根本的に変化させる外部の化学作用で摂動させることなく分子系を調べることができるからである。これらの分子間相互作用を分析するように設計された計器の感度こそが、最高の関心事となる。何故なら、当該分子は往々にして生成及び／又は隔離が困難で費用がかかるか、又は生体サンプル中に非常に低い濃度でしか存在しないからである。量が極めて少ないという問題をさらに悪化させるのは、結合特性が望ましい薬物開発の組合せの化学物質ライブラリにあるように分析物の種類が無数にあることである。 高いスループットのスクリーニング方法と統合可能なセンサを開発することが望ましい。これは、当該分子の正確な量を迅速かつ特異的に検出するのに十分なほど感度も高くなければならない。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
[0004] 光源と、センサと、光学リターダと、ビームスプリッタと、サンプル材料の光学特性を決定する検出器とを備えるシステムを開示する。システムは、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成する光源を備え、第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有し、第１の直線偏光と第２の直線偏光は相互に対して直交し、第１の光波と第２の光波は相互に対して同相である。第１の直線偏光（ｐ偏光）は入射面にあり、第２の直線偏光（ｓ偏光）は入射面に対して直角である。第１の光波と第２の光波の強度は、所定の比率に設定される。システムは、第１の光波と第２の光波の間に相対遅延を加えることによって第１の光波と第２の光波の間に可変位相ずれを提供する光学リターダ、及び、サンプル材料からの第１の光ビームを内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の状態で反射するプリズムインタフェースも含む。
【０００５】
[0005] 第１の光ビームが光学インタフェースから反射した後に、第１の光ブームを第２の光ブームと第３の光ビームに分割するために、偏光ビームスプリッタを使用し、第２の光ビームと第３の光ビームは、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像を備える。信号プロセッサが、第２の光ビームと第３の光ビームの強度差を測定して、サンプル材料によって誘発された位相差を計算し、信号プロセッサは、第１の検出器から第１の強度測定値を、第２の検出器から第２の強度測定値を受信し、第１及び第２の検出器は、それぞれ第２及び第３の光ビームの強度を測定する。
【０００６】
[0006] システムの光源は、直線偏光するコヒーレント光ビームを含むことができ、直線偏光は、センサ表面の面に対して所定の角度で回転している。入射角は、センサ表面の変化による第１の光波と第２の光波との最大位相ずれに基づいて決定される。光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ、レーザダイオード、又は約５００〜７００ナノメートルの波長範囲を有する直線偏光コヒーレント光を提供する任意の光源を使用することができる。
【０００７】
[0007] 偏光ビームスプリッタは、第２及び第３の光ビームの強度が相互に実質的に等しいか、又は等しくなるように配向することができる。偏光ビームスプリッタは、光学インタフェースの面に対して約４５°の角度で配向することができる。
【０００８】
[0008] 第１及び第２の光波の強度の所定の比率はβである。ここで、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓ
であり、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、それぞれ、サンプル材料から反射する前及び反射した後の第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓは、第２の光波の強度である。
【０００９】
[0009] システムの光学リターダは、フレネル菱面体プリズム、又は直交する偏光成分間に実質的に９０°の位相ずれを提供する直角プリズムであってもよい。
【００１０】
[0010] システムは、更に、第１のビームの路に配置された１つ又は複数の光学構成要素を備えることができ、１つ又は複数の光学構成要素は、光ビームがビームスプリッタに伝達される前に、実質的に楕円の偏光を実質的に円形の偏光に変換する。
【００１１】
[0011] システムは、少なくとも１つのセンサを備え、少なくとも１つのＳＰＲトランスデューサを備えることができる。センサは、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、受容体リガンド、有機分子、及び触媒などの生体分子を含む検知材料を含むことができる。別の方法としては、サンプル材料は、アレイ状のトランスデューサに適用することができ、各トランスデューサが検知材料を含み、その後にセンサで分析する。サンプル材料は、核酸、タンパク質、ポリペプチド、有機分子、細菌及びウイルス粒子を含むことができる。
【００１２】
[0012] 本発明のシステムは、少なくとも５×１０−８という屈折率単位の表面屈折率の変化を検出することができる。システムは、分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。
【００１３】
[0013] 本発明の別の態様では、サンプル材料の光学特性を決定する方法が提供される。方法は、検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースにサンプル材料を適用するステップと、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成するステップとを含み、第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有し、第１の直線偏光と第２の直線偏光は相互に対して直交する。第１の光波と第２の光波の間に相対遅延を加えることによって、第１の光ビームがセンサ表面から反射した後に、第１の光波と第２の光波の間に実質的に９０°の位相ずれを提供する。第１の光ビームは、ＴＩＲ又はＦＴＲの状態でサンプル材料から反射し、その後に第１の光ビームは、提供するステップ及び反射するステップの後に、第２の光ビームと第３の光ビームに分割され、第２の光ビーム及び第３の光ビームは、第１の光ビームの相互に直交する偏光成分の組合せ投影像を備えるか、又はそれで構成される。第２の光ビームと第３の光ビームの間の強度差を測定して、サンプル材料によって誘発された位相差を計算する。
【００１４】
[0014] 本発明の更に別の態様では、サンプル中の分析物の存在を検出する方法が提供され、方法は、検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースにサンプルを適用するステップと、第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを光学インタフェースで反射するステップと、第１の光ビームが光学インタフェースから反射した後に、これを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップと、サンプルによって誘発された位相差を計算するために、第２の光ビームと第３の光ビームの間の強度の差を測定するステップとを含む。
【００１５】
[0015] 本発明の方法では、第１の光ビームは直線偏光し、コヒーレントであってもよい。第１の光ビームは、第１及び第２の光波を有することができる。第１の光波は第１の直線偏光を有し、第２の光波は第２の直線偏光を有することができる。第１の直線偏光と第２の直線偏光は、相互に対して直交する。第１の光ビームは、センサ表面から反射した後、実質的に楕円形に偏光し、第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、実質的に円形の偏光に変換することができる。内部全反射の状態で、及び／又は第１の光ビームの路の光学リターダを調整することによって、第１の光ビームを２つの反射面から反射させて、９０°又は実質的に９０°の位相ずれを提供する。
【００１６】
[0016] 本発明の方法では、第１の光波と第２の光波の強度の所定の比率はβであり、ここで、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓ
である。ここで、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、それぞれ、サンプル材料から反射する前、及び反射した後の第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓは、第２の光波の強度である。
【００１７】
[0017] 場合によっては、第２及び第３の光ビームの強度は等しいか、又は実質的に等しくてもよい。第２及び第３の光ビームは、ビームスプリッタの主軸上の相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成することができる。
【００１８】
[0018] 本明細書のシステムは、光学インタフェース上で固定化した検知材料を含むことができる。このような材料は、例えば、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、受容体リガンド、有機分子、及び触媒などの生体分子を含むことができる。サンプル材料は、核酸、タンパク質、ポリペプチド、有機分子、細菌及びウイルス粒子を含むことができる。サンプル材料は、１つのトランスデューサ又はアレイ状のトランスデューサに適用することができ、各トランスデューサが検知材料を含み、その後にセンサにより分析する。
【００１９】
[0019] 本発明の方法は、少なくとも５×１０−８という屈折率単位（ＲＩＵ）の表面屈折率の変化を検出することができ、分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。分析は、基準サンプルが存在し、分析物が存在する（又は存在しない）状態で、かつ、基準サンプル中に既知のアイデンティティ及び量の分析物が存在する（又は存在しない）状態で、実行することができる。
【００２０】
[0020] 本明細書で言及した全ての出版物及び特許出願は、個々の各出版物又は特許出願が特異的かつ個々に参照により組み込まれるものと示される場合と同程度に、参照により本明細書に組み込むものとする。
【００２１】
[0021] 本発明の新規の特徴は、添付の特許請求の範囲で詳細に記載される。本発明の原理を使用した例示的実施形態について記載する以下の詳細な説明、及び添付の図面を参照することにより、本発明の特徴及び利点をよりよく理解することができるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
[0027] センサ表面における受容体薄膜への分析物結合の検出に基づく光学センサが集中的に研究されている。干渉計、偏光解析装置、及び偏光器では、エバネッセント場での屈折率の変化を測定するために光学的内部全反射（ＴＩＲ）の構成を使用することが一般的である。これらの技術は全て、ラベルなしの検出を目的として、化学的又は生物学的層状媒体の測定に適用することができる。
【００２３】
[0028] 液晶を配向し、溶質を基板表面に吸収させ、液体の屈折率を測定するために、内部反射偏光解析法（ＩＲＥ）を使用することができる。感度が低いために厚さの測定には好ましくない入射角の内部全反射領域で測定を実行した。このような厚さ測定感度を向上させるために、表面プラズモン共振（ＳＰＲ）効果の実施態様が開発されており、この方法は、より一般的な阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の方法に入る。しかし、バイオ及び化学センシング装置で厚さ及び屈折率の変化の両方を測定するために、高感度装置が依然として必要とされている。
【００２４】
[0029] 空間反射係数及び全体的強度をセンサインタフェースから測定するために、いくつかの方法が使用されてきた。これらの強度に基づく技術は、光源の強度が変動し、センサ表面からの反射係数が比較的小さいという欠点を有する。検知性能を改善するためには、感度を向上させることが常に望ましい。高感度は、他の要素を使用して達成してもよい。表面の結合層の屈折率又は厚さが変化している場合、光波の位相は、強度よりもはるかに唐突に変化し得ることが判明している。ＳＰＲ中にセンサインタフェースから位相変化を測定することによって、センサアレイの結像機能があっても、センサでいくつかの方法を使用することができる。例えば、ＳＰＲ及びヘテロダイン干渉法と極めて高感度及び低ノイズとの組合せに基づくセンサが提案されている。
【００２５】
[0030] ＴＩＲ及びＦＴＲの両方の状態にある間、親和性に感度が高い層の屈折率又は厚さなどの隣接する媒体の光学特性が変化する度に、反射ビームのｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は、急速な変動を経験する。更に、入射ビームのｐ偏光成分の位相ずれを測定すると、入射角の変化に伴う強度を測定するＳＰＲ技術よりも感度がはるかに高くなる。更に、位相変化方法によって、金属でコーティングし、更に光学的に透明なトランスデューサを、特殊な金属質コーティングがない状態で使用することができる。
【００２６】
[0031] 本明細書で開示する方法は、システムの測定パラメータと一般的構成に関して、ＴＩＲ及びＦＴＲの両方の状態に類似の方法で適用される。いくつかの異なる構成で、感知用途にＳＰＲ現象を使用することが実証されている。一般的な方法は、クレッチュマン構成を使用する。コヒーレントなｐ偏光光波が、ＴＩＲ状態で、ガラスのプリズムのように光学的に密な材料と希薄媒体との間のインタフェースで反射し、希薄媒体はこの場合、サンプル媒体で、その屈折率は密な媒体より低い。２つの媒体の間のインタフェースは、薄い導電性金属膜でコーティングされ、これは光波の吸収材として作用する。光波の入射角、波長及び媒体の屈折率に依存する特定の状態に適合すると、光波は金属の表面プラズモン電子を共振で振動させ、金属膜内で波のエネルギーを吸収する。これらの共振状態の間、サンプルの屈折率が変動して、ｐ偏光成分の光位相が急変する一方、ｓ偏光の位相は比較的一定のままである。共振状態では、ＴＩＲ状態とは対照的に、ｐ偏光成分の大部分がＳＰＲ効果によって金属膜に吸収される。この事実は、強度に基づくＳＰＲセンサ及び偏光解析装置に活用され、反射光の最低強度の状態を光学的構成に関連させ、それによってサンプルの屈折率又は層の厚さを推定する。
【００２７】
[0032] 上記方法は、単一光ビームの構成を使用し、このビームに含まれて相互作用するＴＩＲ／ＳＰＲ表面から反射した直交偏光成分（すなわち、ｐ偏光とｓ偏光で、ｐ偏光は入射面にあり、ｓ偏光は入射面に直角である）の強度を観察することによって、層状媒体の変化を監視し、ビームの偏光成分が強度及び位相の変動を経験すると、その観察結果は、定常センサ状態の偏光間で実質的に９０°の位相ずれを得ることによって最適化される。
【００２８】
[0033] 本明細書の方法は、他の競合する技術ではこれまで入手できなかった感度レベルを可能にするために、内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）状態と組み合わせた偏光ベースの干渉法（ＰＢＩ）を利用する。ＦＴＲと組み合わせて、同じビームの２つの偏光状態（ｓ偏光及びｐ偏光状態）を干渉計で測定すると、表面屈折率の変化に対する感度が少なくとも５×１０−８屈折率単位（ＲＩＵ）まで向上し、これによって分子に特異な表面と関連させると、少なくとも５０フェムトグラムのサンプル、又は少なくとも２，２３０，０００個の分子の１００アミノ酸ペプチドを検出することができる。
【００２９】
[0034] 本発明の方法は、ＴＩＲ又はＦＴＲの状態で適用される。入射ビームのｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は、トランスデューサ表面に隣接する媒体の誘電特性が変化すると、急速な変動を経験する。表面の結合層の屈折率又は厚さが変化している場合、ｐ偏光成分の位相は、強度よりもはるかに唐突に変化する。この差によって、トランスデューサ表面上で、又はその近傍で、屈折率変化の感度を検出するために、調整可能な特定の角度で傾斜した実質的に直線偏光する１本のビームを使用することができる。２つの成分が直交又は９０°位相がずれている場合、最高の感度が達成される。直交偏光成分の入手を、偏光ビームスプリッタ及び差分信号処理方式とを組み合わせると、小さい位相ずれを高感度で直接測定し、多重アレイ結像を検出する。
【００３０】
[0035] 本発明は、アレイフォーマットの複数の相補的化学物質を評価するために、高感度レベルで高いスループットのスクリーニングを可能にする方法を提供する。このような装置の潜在的用途は、血液中の感染症スクリーニング及び空気中のウイルス又は細菌粒子の検出、薬物開発用途の薬物動態研究及び主接着研究、更に個別的病状、特に癌に対する薬剤、生物学的及び化学的兵器剤／災害の検出、及び産業プロセスの品質管理である。
【００３１】
[0036] 感染症スクリーニングのいくつかの例は、全細菌、全ウイルス又はウイルス粒子、全感染性寄生体又は他のその生活周期同族体の識別、特定の細菌又はウイルス株に対して生じる抗体の識別、感染性因子から排出／分泌された抗原又は核酸マーカ、又はホスト又は病原因子からの病気のタンパク質バイオマーカを含むことができる。感染病スクリーニングは、診断目的又は血液供給の安全性監視のために使用することができる。個別的病状に応じた薬剤は、当該病状から生じる抗体、タンパク質、ペプチド、核酸、及び小有機分子の識別を使用することができる。製薬研究及び開発では、本発明を核酸、抗体、タンパク質、ペプチド及び合成有機分子のスクリーニングに使用して、薬品の候補として開発し、前臨床及び臨床開発を通して生体サンプル中で薬品の候補を検出し、検出及び数量化のために臨床及び社会的状況で被験者の安全性を監視するのに適切な活性分子を識別することができる。
【００３２】
[0037] 他の潜在的用途は、空気及び水質監視を含む。監視対象には、粒子、汚染物質、毒素、産業廃棄物、廃棄物の生物学的性質、又は無機の健康災害がある。
【００３３】
[0038] 図１は、提案された発明の実施形態による光学ＴＩＲセンサ１０を示す。センサ１０は、光源１００と、半波長板２００と、フレネル菱面体３００と、偏光ビームスプリッタ４００と、２つの光検出器５００及び６００と、サンプル８００と相互作用する特定のセンサ材料７００を含むスライドと、を備える。
【００３４】
[0039] 光源１００は、レーザなどの実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源を使用することができる。光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードであることが好ましい。光源１００は、５００〜７００ナノメートルの波長範囲の実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源であることが好ましい。光源１００は、実質的に直線の偏光ビームＳを生成するために使用される。半波長板２００を使用して、光ビームＳの偏光を回転し、縦軸から４５°ずれたビームＳの偏光の方位を提供する。その結果、信号Ｓ１は、ｓ及びｐ偏光成分の両方を含み、ｓ偏光とｐ偏光の位相差はゼロ度である。
【００３５】
[0040] フレネル菱面体３００は、信号Ｓ１のｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に実質的に９０°の位相差を導入するために使用される。信号Ｓ１のｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に９０°の位相ずれを導入するために知られている他の方法も、本発明では考慮する。特定のセンサ材料を含むスライド７００は、フレネル菱面体の表面の１つ、Ｒ１又はＲ２又は両方に配置される。スライド７００は、光源１００の波長に対して実質的に透明である材料で作成することが好ましい。スライド７００は、サンプルより高い屈折率を有する材料で作成することが好ましい。スライド７００はガラス、プラスチック、シリコン又はセラミックで作成することが好ましい。スライド７００のセンサ材料がサンプル８００と相互作用する。この相互作用は、菱面体／スライドの境界から信号Ｓ１が反射すると、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に位相ずれを生じる。スライド７００及びサンプル８００は、菱面体３００に光学的に結合されて、最小限の損失を確保し、内部全反射の状態を維持する。
【００３６】
[0041] 別の方法としては、スライド７００及びプリズム３００は、１つのアセンブリの一部であり、それによって屈折率が一致する流体を使用する必要がなくなる。一実施形態では、光源１００からの光ビームの入射角は、特定用途に対する最適なＴＩＲ／ＦＴＲ角度のあたりで変動することができる。入射角は、センサ表面の変化による第１の光波と第２の光波との最大位相ずれに基づいて決定される。入射角の正確な値は、動作状態が変化しても、すなわち新しいチップ、金属又はバイオコーティングの屈折の変動などがあっても、センサの最高感度及び計器反応のおよその直線性を所望の動的範囲内で生じる状態から決定することができる。この実施形態では、入射角に比例して変化する信号が、その周波数で変調される。次に、ジタリング（jittering）を生じる周波数が除去され、ＤＣ信号の測定値に影響しない。この周波数は、測定されたプロセスの特徴的な時間よりはるかに高いことが好ましい。
【００３７】
[0042] 偏光ビームスプリッタ４００は、信号Ｓ２のｓ偏光成分とｐ偏光成分の投影像を組み合わせるために使用される。ビームスプリッタ４００は、直交する偏光成分を組み合わせる任意のビームスプリッタを使用することができる。いくつかの実施形態では、ビームスプリッタ４００は立方体ビームスプリッタである。ｓ偏光成分とｐ偏光成分の分離された投影像は、検出器５００及び６００によって検出される。検出器５００及び６００は、光信号を受けて、光信号と同じ情報を含む電気信号を生成する任意の光検出器であり、例えば、光ダイオード（ＰＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）である。
【００３８】
[0043] 検出器５００及び６００によって生成される電気信号は、信号処理ユニット９００に伝送される。信号処理ユニット９００は、２つの検出器のパワーの差を読み取る。この差は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の位相ずれに正比例する。ｓ偏光成分とｐ偏光成分との位相ずれは、例えば、スライド７００上のセンサ材料の屈折率又は厚さなどの光学特性の変化を示す。
【００３９】
[0044] 図２は、本発明の一実施形態によるセンサシステム３０を示す。センサシステム３０は、直線偏光源３１４と、半波長板３２０と、直角プリズム３１０と、偏光ビームスプリッタ３４０と、検出器３５０及び３６０とを備える。光源３１４は、レーザなどの実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源を使用することができる。いくつかの実施形態では、光源は、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードである。いくつかの実施形態では、光源１００は、５３２〜６８０ナノメートルの波長範囲の実質的に単色のコヒーレント放射を提供する任意の光源である。光源３１４は、ある範囲の波長を提供する波長可変レーザであることが好ましい。光源３１４は、実質的に直線の偏光ビームＩを生成するために使用される。半波長板３２０は、光学信号Ｉの偏光を４５°回転して信号Ｉ１を生成するために使用される。また、半波長板３２０は、下式（１３）により信号を最適化するために、ＴＩＲ／ＳＰＲ感知表面にてｓ偏光とｐ偏光との間の相対的光パワーを調整するためにも使用することができる。ビームＩ１は、間の位相差がゼロ度のｓ偏光成分とｐ偏光成分の両方を含む。
【００４０】
[0045] ビームＩ１はプリズム３１０に送られ、ここで楕円偏光になる。また、センサシステム３０は、ガラスのホスト基板３７０、生体親和性コーティングが適用された金属膜３９０も含み、これがサンプル３８０と相互作用する。金属膜３９０は金の膜であることが好ましい。直角プリズム３１０は、液体又は気体の動作、又は異なる波長の光源に対応するように回転することができる。ビームＩ１は、プリズムの表面３１８でＴＩＲ状態を経験し、プリズム内の第２のＴＩＲ表面３２２で跳ね返って、ビームＩ２としてプリズムを出る。ビームＩ２は楕円偏光である。波長板３１１、３１２は、実質的に円形の偏光（実質的に９０°の位相ずれ）を有するビームＩ３を得るために使用される。いくつかの実施形態では、波長板の１つが速い軸で入射面に対して４５°に固定される。任意選択で、波長板３１６は、実質的に９０°の位相差を得るために使用される。これらの方法は両方とも、測定されたサンプルバッファの屈折率の範囲が広すぎ、プリズムのみのＴＩＲ反射では実質的に９０°の位相が入手できない場合に適用することができる。偏光ビームスプリッタ３４０は、ビームＩ３のｓ偏光成分とｐ偏光成分の投影像を組み合わせる。ビームスプリッタ３４０は、１本のビームの直交する偏光成分を組み合わせる任意のビームスプリッタを使用することができる。ビームスプリッタ３４０は立方体ビームスプリッタであることが好ましい。
【００４１】
[0046] ｓ偏光成分とｐ偏光成分の組み合わせた投影像は、それぞれの検出器３５０及び３６０によって検出される。検出器３５０及び３６０は、光ダイオード（ＰＤ）又は電荷結合素子（ＣＣＤ）などの光信号を受信し、光信号と同じ情報を含む電気信号を生成する任意の光検出器である。検出器３５０及び３６０によって生成された電気信号は、信号処理ユニット３３０に伝送される。信号処理ユニット３３０は、２つの検出器のパワーの差を読み取る。この差は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の位相ずれに正比例する。ｓ偏光成分とｐ偏光成分との位相ずれは、例えば、金属膜３９０上のセンサ材料の屈折率又は厚さなどの光学特性の変化を示す。
【００４２】
[0047] 任意選択で、プリズム３１０は、様々なタイプのサンプルに対応するために回転することができる。動作中に、サンプル基準が初期臨界ＳＰＲ角度の有意の変化につながる場合、最適に動作するには、プリズム３１０を回転する必要があることがある。任意選択で、プリズム３１０は測定中に動的に回転することができる。図示の構成により、プリズム３１０からの入出力光ビームは、プリズムが回転しても平行なままであり、それ故、動作中の追加的な動的位置合わせが回避される。
【００４３】
[0048] 本発明の方法は、内部全反射（ＴＩＲ）又は阻止波内部全反射（ＦＴＲ）の状態で光学インタフェースにおける屈折率の比率が変化すると、ｓ及びｐ偏光の偏光状態又は相対位相、及び個々の各偏光成分の強度が変化するという事実を活用する。本発明の方法は、ｓ偏光成分とｐ偏光成分の間に実質的に９０°の位相ずれを加えることによって、変化するこれらの成分の間に可能な最大の差を抽出しようとする。
【００４４】
[0049] 純粋なＴＩＲ状態では、ｐ偏光成分とｓ偏光成分との光学的位相ずれ（δ）は、以下のように表される。
【００４５】
【数１】
【００４６】
ここで、θｉは、特定のＴＩＲ／ＦＴＲインタフェース上での光ビームの入射角であり、ｎ２及びｎ１は、それぞれ、サンプル媒体及びプリズム３１０の屈折率である。入射角は、より複雑なセンサシステムで可能な限り最高の感度を達成するために、ある範囲のバッファ溶液及びＳＰＲの状態に対応するように、簡易システムに対する内蔵静的利得補償システムがある所与の計器に対して固定するか、又は変動可能であってもよい。
【００４７】
[0050] ＳＰＲの場合、ｓ及びｐ偏光の反射係数は以下のように書くことができる。
【００４８】
【数２】
【００４９】
[0051] ｐ偏光成分とｓ偏光成分との位相差は下式の通りである。
【００５０】
【数３】
【００５１】
[0052] これは、全複素屈折関係式（２）から求めることができる。
【００５２】
[0053] 概して、感知表面に入射する実質的に直線の偏光ビームは、プリズム３１０を出る時に楕円偏光に変化する。ビームの電磁ベクトルは以下のように説明される。
【００５３】
【数４】
【００５４】
[0054] ここで、δ１及びδ２はｓ偏光とｐ偏光それぞれの位相ずれである。
【００５５】
【数５】
【００５６】
[0055] ２つの検出器Ｄ１及びＤ２が直交して配置され、入射面に対して角度Ψだけ回転すると、以下のように、それらの間のパワーの差を得ることができる。
【００５７】
【数６】
【００５８】
[0056] 検出器が下式のように角度Ψで配置されている場合、
【００５９】
【数７】
【００６０】
よって、Ｄ１−Ｄ２＝０となる。
【００６１】
[0057] 次に、以下の仮定が真であると仮定する。
【００６２】
【数８】
【００６３】
[0058] ここで、ａ２０及びδ０は、初期又は定常状態を意味する。そこから、下式のようになる。
【００６４】
【数９】
【００６５】
[0059] 従って、トランスデューサ表面の変化による強度差の変化は下式の通りである。
【００６６】
【数１０】
【００６７】
式（１２）では、最初のカッコは「強度」寄与率を指し、２番目のカッコは応答Ｒの「位相」寄与率に対応する。ＴＩＲの間に、強度は変化せず、位相のみが変動する。しかし、ＳＰＲ事象では強度と位相の両方が変化する。にもかかわらず、強度寄与率を無視することができることが判明し、それ故センサの応答は下式のように簡略化される。
【００６８】
【数１１】
【００６９】
[0060] 上記方法の重要な概念は、位相変化に対する応答を最大にすることである。
【００７０】
[0061] 位相ずれの寄与率は、以下のような条件を満たした場合に最高になる。
【００７１】
【数１２】
【００７２】
条件（１５）は、前述したように直交又は実質的に９０°の位相ずれを意味する。条件（１４）は、検出器を入射面から４５°外して配置するべきことを示す。また、条件（１４）及び（１６）は、ＳＰＲ事象中に金属表面におけるビームのｐ偏光成分の吸収を補償するために、感知プリズムの前に配置された半波長板を回転することによっても満足することができる。回転角ηは下式のように与えられる。
【００７３】
【数１３】
【００７４】
ここで、Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐは、感知した表面から反射する前及び反射した後のｐ偏光成分の強度であり、Ｉ０Ｓはｓ偏光成分の強度である。
【００７５】
[0062] 最後に、円偏光に対応する最大応答は、下式のように表される。
【００７６】
【数１４】
【００７７】
[0063] 実質的に９０°の所望の位相差を得るために、位相遅延の種々の方法をビーム路で使用することができる。所望の位相ずれを達成する特定の例は、以下のパラメータを変更することによって実施することができる。すなわち、プリズム３１０の屈折率、プリズム内のセンサではない任意のＴＩＲ／ＦＴＲインタフェースの指数比、入射角θｉ、及びプリズム内のＴＩＲ／ＦＴＲ反射の数である。
【００７８】
[0064] 例えば、可変波長板は、水晶などのＺカット複屈折材料である。波長板は、屈折率が、光軸に対する傾斜角αがｎ０からｎｅの範囲で変動するように設計される。ここで、ｎｅは以下の式で表される。
【００７９】
【数１５】
【００８０】
[0065] 波長板は、ビームに対して直角に配置される、すなわちα＝０の場合は、ｎ０の屈折率、ビームに平行に位置合わせされた場合は、ｎｅの値を有する。従って、金属膜３９０におけるＳＰＲの位相差に関係なく、偏光ビームスプリッタ３４０で実質的に９０°になるように位相を調整することができる。
【００８１】
[0066] また、偏光が完全に円形ではなく、圧縮された垂直又は水平の長円である（ｓとｐとの位相ずれは依然として実質的に９０°である）場合は、プリズムの前方に半波長板を配置して、感知表面における相互作用の後に２つの偏光成分のパワーを平衡させ、所望の円偏光を生成することができる。
【００８２】
[0067] 円偏光を達成する更に別の方法は、信号の読み取りに応答して偏光角度を制御する容易な方法を与える液晶偏光回転子を使用する。例えば、加える電圧は、２つの偏光成分の間でゼロに近い読み取り値の差を提供するために、フィードバックループで調整することができる。
【００８３】
[0068] それ故、最大出力信号及び位相差直交を得るために、種々の方法を使用することができる。例えば、２つ以上の反射面を使用して、２つの偏光成分の間に実質的に９０°の位相ずれを提供することができる。これは、反射する毎にＴＩＲ状態を提供する適切な屈折率を有する特殊なプリズムの設計によって達成することができる。ＳＰＲの方法では、２回以上反射する特殊設計のプリズムを使用して、ｓ偏光とｐ偏光の間に実質的に９０°の位相ずれを提供することができる。任意の意図されたサンプルバッファの屈折率の範囲が広すぎる場合は、可変波長板３１６を使用しないと、実質的に９０°の位相ずれを得られない場合がある。また、プリズム３１０の後方に２つのλ／４波長板（３１１、３１２）を配置して、楕円偏光ビームを円偏光ビームに変換し、それ故、実質的に９０°の位相ずれを得ることができる。
【００８４】
[0069] 図３は、サンプル４１３が図４に示すＡｌｐｈａＳｎｉｆｆｅｒのウイルスチップ９５０のようなアレイ状のサンプルトランスデューサである本発明のある実施形態を示す。チップ９５０は図４に図示されている。図４のウイルスチップ９５０は、光源１００（図１）又は３１４（図２）に対して実質的に透明である任意の基板に載せることもできる。一実施形態では、チップ９５０はガラス又はＳＦＩ１基板上にある。チップ９５０は、他のラボオンチップ又はバイオチップの方法と類似の特性を有する。一実施形態では、チップ９５０が、分析される液体に曝露する表面上に開いた「親和性感知フィーチャ」を有するか、又は流体工学的流路をチップアセンブリの一部として構築することができる。流体路は、単一の流路又は複数の流路を使用することができる。搬送ストリーム（バッファ）があることが好ましい。サンプルは、チップ表面に、又はそのすぐ近傍に気泡が形成されるのを回避するために、チップに送出する前にサンプルを脱気することが好ましい。
【００８５】
[0070] 図３は、本発明の方法を使用して複数のサンプルトランスデューサ３８０（図４参照）を処理する生体親和性及び化学センサ４０を示す。センサ４０はトランスデューサレイ４１３を備え、これはアレイ状のトランスデューサ要素３８０、及びトランスデューサレイ４１３を構成する要素毎に対応する金属膜層３９０（図示せず）を備える。ビームはこのアレイで反射し、各要素３８０の位相及び強度情報を保持する。ビームスプリッタ４４０を使用して、ｓ及びｐ偏光成分の投影像を組み合わせ、次にこれが検出器４１５及び４１４によって検出される。検出器４１４及び４１５は、光検出器アレイ又はＣＣＤカメラを備える。検出器４１４及び４１５は、上述したものと類似の技術を使用する差分信号分析ツールを使用して「像の差」を得るために使用される。「像の差」は、アレイ４１３の各トランスデューサ要素３８０の位相情報を含む。
【００８６】
[0071] 図５は、本発明を実施する装置を使用して分析したサンプルの試験結果を示す。０．３ｍｇ／ｍＬ濃度のバッファ中のアビジン溶液１２０μＬを、連続して３回、ビオチン化ＢＳＡでコーティングした感知表面に注入する。デルタ応答とは、アビジンをトランスデューサの表面に結合した結果である応答と、バッファがトランスデューサ上を流れている間のシステムの初期応答との差である。デルタ応答の段階的増加は、トランスデューサの表面がアビジンサンプルの最初の注入では飽和せず、その後の注入中に追加の結合があったことを示す。また、この方法では、注入される分析物の体積及び濃度、及びトランスデューサの表面に対するサンプルの曝露時間を変化させることによって反応速度を調査することもできる。
【００８７】
[0072] 本明細書で開示するシステム及び方法は、１つ又は複数のサンプル中の複数の相補的化学作用を評価するために使用することができる。サンプルは、本来的に流体性（例えば、液体、気体など）であることが好ましい。動物から入手できる流体サンプルの例としては、全血、血清、汗、涙、耳垢、痰、リンパ液、骨髄懸濁液、尿、唾液、精液、膣の流動物、髄液、脳液、腹水、乳、呼吸分泌物、腸管及び尿生殖路、及び羊水が挙げられるが、これに限定されない。
【００８８】
[0073] サンプルは、分析物の相補的化学作用に基づいてサンプル中の特定の分析物を検出及び／又は識別するために分析することができる。相補的化学作用の例としては、サンドイッチ状の抗体の相互作用を含む抗体と抗原の相互作用、小分子、ペプチド及びタンパク質などの受容体リガンドの相互作用、天然及び合成両方の受容体との相互作用、核酸の相互関係及び組成間の他の相互作用、例えば、非受容体が介在するタンパク質／タンパク質、ペプチド、小有機分子又は無機分子の相互作用が挙げられるが、これに限定されない。
【００８９】
[0074] 例えば、抗体と抗原の相互作用を分析する場合、トランスデューサは生物膜（例えば、センサ材料）で構成することができ、生物膜は、血液、血漿、唾液、尿、胆汁など、又は他の媒体混合物などの任意の生物学的流体内の相補的化学作用を検出するために、抗体又は抗原で構成するか、又はそれでコーティングされる。以上を使用し、例えば、サンプル中のポリペプチド又はタンパク質を、当該ポリペプチド又はタンパク質と特に結合する抗体と生物膜で構成されたトランスデューサを使用して検出することができる。このような実施形態の有用な用途は、血液供給の安全性を含む感染症診断、医学診断、癌の特徴付け及び診断などの個別的病状に応じた薬剤、生物学的／化学的災害又は生物／化学兵器の検出、例えば、タンパク質及び小分子に基づく毒素及び毒物の検出、及び免疫学的研究を含む。このようなより広い用途のいずれでも、計器は、ウイルス又は病気に関連した抗原、ホスト免疫グロブリン、ウイルス粒子及び／又は細菌を検出するために使用される。
【００９０】
[0075] 酵素結合免疫溶媒検定（ＥＬＩＳＡ）と比較して、提案のシステムは顕著な利点を提供する。それは、追加のリポータ抗体と活性化酵素との培養を省くことにより、結果を出す時間がはるかに短いこと、リアルタイムで監視すること、更に検定プロセスに関して複雑性が大幅に低下することを含む。血液などの複雑な混合物の非特異的結合により背景信号が減少するので、ＥＬＩＳＡ研究に使用される遮断プロセスと類似の簡易的なステップが提案され、従って当該分析物がない複雑な混合物がトランスデューサ上を通過し、非特異的結合が測定され、次に当該分析物を含む複雑な混合物が添加され、その結果、当該分析物に特異的な信号になる。また、結合分子への当該分析物の混合及び分離速度に関連する情報をバイオセンサ上で得ることができる。
【００９１】
[0076] いくつかの実施形態では、本明細書のシステム及び方法を使用して、受容体リガンドの相互作用を検出することができる。このような実施形態では、受容体又はリガンドがトランスデューサ表面に結合され、それとリガンドの結合が検定される。通常、このような相互作用は、比色／蛍光又は放射ラベルなどのリポータシステムを使用して監視される。本明細書の方法及びシステムによって、薬剤の開発、薬物動態学、混合及び分離定数の生化学動態研究、望ましくない生成物又は副反応が生じることがある産業プロセスの品質管理、化学反応の終了の監視、触媒作用、イオン注入、及び基礎的化学研究のために、リアルタイムで多様な組合せ化学スクリーニングが可能になる。プラチナへの水素添加などの触媒プロセスに貴金属を使用する場合は、トランスデューサとして触媒表面を直接統合することにより、プロセスのリアルタイムの分析及び評価が可能になり得る。薬物の発見及び生物学的調査の両方で、当該生体分子、例えば、酵素を固定化することによって動態研究を実行することができ、これによって特定の小分子又は想定される生物学的ターゲットの混合及び分離又は処理速度を測定することができる。合成受容体、すなわち例えば、変性ポルフィリン、シクロデキストリンなども固定化し、選択的結合が可能な小分子を検出することができる。
【００９２】
[0077] いくつかの実施形態では、本明細書のシステム及び方法が、極めて高感度で核酸（例えば、ＤＮＡ）のハイブリダイゼーションを検出及び／又は監視する。これは、例えば、アレイ上のプローブへのターゲット核酸シーケンスのハイブリダイゼーションを検出するために使用することができる。核酸ハイブリダイゼーションを分析すると、ウイルス負荷を決定することもでき、他のシステムで要求される数百億ではなく、信号を登録するために十分な数（数十万）の分子が存在する場合は、核酸増幅ステップの必要がなくなる。また、本発明のシステム及び方法では、サンプル中のこのような分析物（例えば、ターゲット核酸シーケンス）をリアルタイムで検出することができる。
【００９３】
[0078] 本発明で実行可能な分子ターゲット分析の他の形態は、建物の給気システムの生物由来のウイルス粒子又は他の粒子、化学的及び生物学的兵器剤、水及び食品の品質を検出し、供給及び廃棄流又は環境生命維持システム及び発電所の排出物中の化学的汚染物質を監視することを含む。流体又は気体状サンプルで、全細菌も検出することができる。それ故、本発明は、血液中の感染症スクリーニング及び空気中のウイルス又は細菌粒子の検出、薬物開発用途での薬物動態研究及び基本的結合研究、更に個別的症状、特に癌に対する薬剤、生物学的及び化学的兵器剤／災害の検出、及び産業プロセスの品質管理に関する。
【００９４】
[0079] 本明細書の実施形態のいずれでも、個々の部位に異なるプローブ又はサンプルを有するアレイ状のトランスデューサを使用して、高いスループットのスクリーニングを可能にする装置を構成することができる。例えば、核内低分子多形性（ＳＮＰ）、又は出生前スクリーニング用の特定の遺伝マーカを分析するか、又は種々の薬物摂生に対する癌の感受性を決定するか、又は精神病の遺伝的性質を評価するか、又はＣ型肝炎又はＨＩＶなどの感染症の多数の患者による血液サンプルを分析するために、１０から１０００のフィーチャがあるチップを開発することができた。分析率は、一部はチップ上に離散した部位の数に、及びサンプルのボリュームにも依存する。いくつかの実施形態では、チップは離散した部位が１０、１００、１，０００又は１０，０００を超えるように設計されるが、これに限定されない。いくつかの実施形態では、本明細書の装置は、最大１２０μＬのサンプルを１〜２分で、又は最大５００μＬのサンプルを２〜５分で分析するが、これに限定されない。離散した部位は、例えば、血液又は他の体液、水、気体状物質などを含むサンプルを有することができる。離散した部位はそれぞれ、１つのサンプルの一意の部位から採取したデータを、特定のサンプル（例えば、患者Ｘから採取したサンプル）に関連付けられるように、アドレスを有することができる。
【００９５】
[0080] 本明細書では、本発明の好ましい実施形態を示し、説明してきたが、このような実施形態は例示によってのみ提供されていることが当業者には明白である。当業者には、本発明から逸脱することなしに、多くの変形、変更及び置換を行うことができることは明らかであろう。本発明を実施する際には、本明細書で説明した本発明の実施形態の種々の代替物を使用することができることを理解されたい。添付の特許請求の範囲が本発明の範囲を定義し、このような特許請求の範囲に入る方法及び構造及びその等価物がそれに含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【００９６】
【図１】[0022] 本発明の一実施形態によりフレネル菱面体の方法を使用するＴＩＲセンサを示す。
【図２】[0023] 直角プリズムの構成を使用する本発明の一実施形態を示す。
【図３】[0024] 本発明の一実施形態によるセンサアレイを示す。
【図４】[0025] 本発明により作動できる感知用途用のバイオセンサアレイを示す。
【図５】[0026] 生体親和性センサとしてのシステムの典型的な反応を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
サンプル材料の光学特性を決定するシステムであって、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成する光源を備え、前記第１の光波が第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１及び第２の直線偏光が相互に実質的に直交し、前記第１及び第２の光波が相互に同相であり、更に、
前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と第２の光波の間に合計９０°の位相ずれを提供する光学リターダと、
前記サンプル材料からの前記第１の光ビームを内部全反射の状態で反射する光学インタフェースと、
前記第１の光ビームが前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１のビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する偏光ビームスプリッタと、を備え、前記第２及び第３の光ビームが、前記ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成され、更に、
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの強度差を測定して、前記サンプル材料によって誘発された位相差を計算する信号プロセッサを備え、前記信号プロセッサが、第１の検出器からの第１の強度測定値及び第２の検出器からの第２の強度測定値を受信し、前記第１及び第２の検出器が、それぞれ前記第２及び第３の光ビームの強度を測定する、
システム。
【請求項２】
前記光源が、直線偏光し、入射面に対して所定の角度で回転するコヒーレント光を備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光源が、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードである、
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源が、約５００〜７００ナノメートルの範囲の波長を有する直線偏光コヒーレント光を提供する任意の光源である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームの強度が実質的に等しいように、前記偏光ビームスプリッタが配向される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記偏光ビームスプリッタが、前記光学インタフェースの面に対して４５°の角度で配向される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
合計９０°の位相ずれを提供する前記光学リターダが、フレネル菱面体プリズムである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
合計９０°の位相ずれを提供する前記光学リターダが、直角プリズムである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のビームの路に配置された１つ又は複数の光学構成要素を更に備え、前記光ビームが前記ビームスプリッタへ伝送される前に、前記１つ又は複数の光学構成要素が前記光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光へと変換する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記センサが、少なくとも１つのＳＰＲトランスデューサを備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記サンプル材料が、検知材料を含むトランスデューサに適用される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
前記サンプル材料が、アレイ状のトランスデューサに適用され、各トランスデューサが検知材料を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記サンプル材料が、トランスデューサのアレイチップに適用される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記サンプル材料が、核酸を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記サンプル材料が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記サンプル材料が、ウイルス粒子を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記サンプル材料が、細菌を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記サンプル材料が、有機分子を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
少なくとも５×１０−８屈折率単位の表面屈折率の変化が検出される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
少なくとも５０フェムトグラムのサンプルが検出される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
サンプル材料の光学特性を決定する方法であって、
検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースに前記サンプル材料を適用するステップと、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成するステップであって、前記第１の光波が第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１及び第２の直線偏光が相互に直交するステップと、
前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と第２の光波との間に合計９０°の位相ずれを提供するステップと、
前記光学インタフェースで前記第１の光ビームを反射するステップと、
前記第１の光ビームが前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップであって、前記第２及び第３の光ビームが、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成されるステップと、
前記サンプル材料によって誘発された位相差を計算するために、前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの間の強度差を測定するステップと、を含む、
方法。
【請求項２８】
前記第１の光ビームが、前記入射面に対して所定の角度で回転した直線偏光コヒーレント光ビームである、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が実質的に等しい、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が等しい、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、前記第１の光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光に変換するステップを更に含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の光ビームを内部全反射の状態で２つ以上の反射面から反射させることによって、実質的に９０°の前記位相ずれが提供される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記サンプル材料が、核酸を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記サンプル材料が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記サンプル材料が、ウイルス粒子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３８】
前記サンプル材料が、細菌を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
前記サンプル材料が、有機分子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４０】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４１】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４４】
前記サンプル材料によって誘発される前記位相差が、少なくとも５×１０−８屈折率単位の表面屈折率変化である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４５】
少なくとも５０フェムトグラムのサンプル材料が検出される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４６】
サンプル中の分析物の存在を検出する方法であって、
検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースに前記サンプルを適用するステップと、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを前記光学インタフェースから反射するステップと、
前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップと、
前記サンプルによって誘発された位相差を計算するために、前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとの間の強度差を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項４７】
前記サンプルによって誘発された前記位相差を、基準サンプルによって誘発された位相差と比較するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記基準サンプルに分析物が存在しない、
請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記基準サンプルに既知の分析物が存在する、
請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記基準サンプルに既知の量の分析物が存在する、
請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の光波が、第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とが相互に直交する、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の光波と第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と前記第２の光波との間に位相ずれを提供するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５３】
前記位相ずれが、実質的に９０°である、
請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記位相ずれが、９０°である、
請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームが、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成される、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の光ビームが、入射面に対して所定の角度で回転する直線偏光コヒーレント光ビームである、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームの強度が実質的に等しい、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５８】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が等しい、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５９】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項５６に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、前記第１の光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光に変換するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の光ビームを内部全反射の状態で２つの反射面から反射させることによって、実質的に９０°の前記位相ずれが提供される、
請求項５３に記載の方法。
【請求項６３】
前記分析物が、核酸を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６４】
前記分析物が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６５】
前記分析物が、ウイルス粒子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６６】
前記分析物が、細菌を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６７】
前記分析物が、有機分子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６８】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６９】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項７２】
前記位相差が、少なくとも５×１０−８屈折率ユニットの表面屈折率変化である、
請求項４６に記載の方法。
【請求項７３】
少なくとも５０フェムトグラムの分析物が検出される、
請求項４６に記載の方法。
【請求項１】
サンプル材料の光学特性を決定するシステムであって、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成する光源を備え、前記第１の光波が第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１及び第２の直線偏光が相互に実質的に直交し、前記第１及び第２の光波が相互に同相であり、更に、
前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と第２の光波の間に合計９０°の位相ずれを提供する光学リターダと、
前記サンプル材料からの前記第１の光ビームを内部全反射の状態で反射する光学インタフェースと、
前記第１の光ビームが前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１のビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する偏光ビームスプリッタと、を備え、前記第２及び第３の光ビームが、前記ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成され、更に、
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの強度差を測定して、前記サンプル材料によって誘発された位相差を計算する信号プロセッサを備え、前記信号プロセッサが、第１の検出器からの第１の強度測定値及び第２の検出器からの第２の強度測定値を受信し、前記第１及び第２の検出器が、それぞれ前記第２及び第３の光ビームの強度を測定する、
システム。
【請求項２】
前記光源が、直線偏光し、入射面に対して所定の角度で回転するコヒーレント光を備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記光源が、ガスレーザ、ダイオード励起固体レーザ、エキシマランプ、垂直共振器型面発光レーザ又はレーザダイオードである、
請求項２に記載のシステム。
【請求項４】
前記光源が、約５００〜７００ナノメートルの範囲の波長を有する直線偏光コヒーレント光を提供する任意の光源である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項５】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームの強度が実質的に等しいように、前記偏光ビームスプリッタが配向される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項６】
前記偏光ビームスプリッタが、前記光学インタフェースの面に対して４５°の角度で配向される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項７】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項８】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
合計９０°の位相ずれを提供する前記光学リターダが、フレネル菱面体プリズムである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
合計９０°の位相ずれを提供する前記光学リターダが、直角プリズムである、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１のビームの路に配置された１つ又は複数の光学構成要素を更に備え、前記光ビームが前記ビームスプリッタへ伝送される前に、前記１つ又は複数の光学構成要素が前記光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光へと変換する、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記センサが、少なくとも１つのＳＰＲトランスデューサを備える、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記サンプル材料が、検知材料を含むトランスデューサに適用される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１６】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１７】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項１３に記載のシステム。
【請求項１８】
前記サンプル材料が、アレイ状のトランスデューサに適用され、各トランスデューサが検知材料を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記サンプル材料が、トランスデューサのアレイチップに適用される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記サンプル材料が、核酸を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２１】
前記サンプル材料が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２２】
前記サンプル材料が、ウイルス粒子を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２３】
前記サンプル材料が、細菌を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２４】
前記サンプル材料が、有機分子を含む、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２５】
少なくとも５×１０−８屈折率単位の表面屈折率の変化が検出される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２６】
少なくとも５０フェムトグラムのサンプルが検出される、
請求項１に記載のシステム。
【請求項２７】
サンプル材料の光学特性を決定する方法であって、
検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースに前記サンプル材料を適用するステップと、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを生成するステップであって、前記第１の光波が第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１及び第２の直線偏光が相互に直交するステップと、
前記第１の光波と前記第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と第２の光波との間に合計９０°の位相ずれを提供するステップと、
前記光学インタフェースで前記第１の光ビームを反射するステップと、
前記第１の光ビームが前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップであって、前記第２及び第３の光ビームが、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成されるステップと、
前記サンプル材料によって誘発された位相差を計算するために、前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの間の強度差を測定するステップと、を含む、
方法。
【請求項２８】
前記第１の光ビームが、前記入射面に対して所定の角度で回転した直線偏光コヒーレント光ビームである、
請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が実質的に等しい、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３０】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が等しい、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３２】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３３】
前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、前記第１の光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光に変換するステップを更に含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３４】
前記第１の光ビームを内部全反射の状態で２つ以上の反射面から反射させることによって、実質的に９０°の前記位相ずれが提供される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３５】
前記サンプル材料が、核酸を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３６】
前記サンプル材料が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３７】
前記サンプル材料が、ウイルス粒子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３８】
前記サンプル材料が、細菌を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項３９】
前記サンプル材料が、有機分子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４０】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４１】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項４０に記載の方法。
【請求項４３】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４４】
前記サンプル材料によって誘発される前記位相差が、少なくとも５×１０−８屈折率単位の表面屈折率変化である、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４５】
少なくとも５０フェムトグラムのサンプル材料が検出される、
請求項２７に記載の方法。
【請求項４６】
サンプル中の分析物の存在を検出する方法であって、
検知材料を含むトランスデューサの光学インタフェースに前記サンプルを適用するステップと、
第１及び第２の光波を有する第１の光ビームを前記光学インタフェースから反射するステップと、
前記光学インタフェースから反射した後に、前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割するステップと、
前記サンプルによって誘発された位相差を計算するために、前記第２の光ビームと前記第３の光ビームとの間の強度差を測定するステップと、
を含む方法。
【請求項４７】
前記サンプルによって誘発された前記位相差を、基準サンプルによって誘発された位相差と比較するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記基準サンプルに分析物が存在しない、
請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記基準サンプルに既知の分析物が存在する、
請求項４７に記載の方法。
【請求項５０】
前記基準サンプルに既知の量の分析物が存在する、
請求項４７に記載の方法。
【請求項５１】
前記第１の光波が、第１の直線偏光を有し、前記第２の光波が第２の直線偏光を有し、前記第１の直線偏光と前記第２の直線偏光とが相互に直交する、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１の光波と第２の光波との間に相対遅延を加えることによって、前記第１の光波と前記第２の光波との間に位相ずれを提供するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５３】
前記位相ずれが、実質的に９０°である、
請求項５２に記載の方法。
【請求項５４】
前記位相ずれが、９０°である、
請求項５２に記載の方法。
【請求項５５】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームが、ビームスプリッタの主軸上で相互に直交する偏光成分の組合せ投影像で構成される、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１の光ビームが、入射面に対して所定の角度で回転する直線偏光コヒーレント光ビームである、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２の光ビーム及び前記第３の光ビームの強度が実質的に等しい、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５８】
前記第２の光ビームと前記第３の光ビームの前記強度が等しい、
請求項４６に記載の方法。
【請求項５９】
前記所定の角度が、前記入射面に対して実質的に４５°である、
請求項５６に記載の方法。
【請求項６０】
前記第１及び第２の光波の前記強度の前記所定の比率が、
β＝Ｉ０Ｐ／Ｉ１Ｐ＝Ｉ０Ｐ／Ｉ０Ｓであり、
Ｉ０Ｐ及びＩ１Ｐが、それぞれ、前記サンプル材料から反射する前及び反射した後の前記第１の光波の強度であり、Ｉ０Ｓが、前記第２の光波の強度である、
請求項５６に記載の方法。
【請求項６１】
前記第１の光ビームを第２の光ビームと第３の光ビームに分割する前に、前記第１の光ビームの前記偏光を実質的に楕円の偏光から実質的に円形の偏光に変換するステップを更に含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６２】
前記第１の光ビームを内部全反射の状態で２つの反射面から反射させることによって、実質的に９０°の前記位相ずれが提供される、
請求項５３に記載の方法。
【請求項６３】
前記分析物が、核酸を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６４】
前記分析物が、タンパク質及びポリペプチドからなる群から選択される、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６５】
前記分析物が、ウイルス粒子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６６】
前記分析物が、細菌を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６７】
前記分析物が、有機分子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６８】
前記検知材料が、生体分子を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項６９】
前記検知材料が、抗体、抗原、オリゴヌクレオチド、タンパク質、酵素、受容体、及び受容体リガンドからなる群から選択される、
請求項６８に記載の方法。
【請求項７０】
前記検知材料が、有機分子を含む、
請求項６８に記載の方法。
【請求項７１】
前記検知材料が、触媒を含む、
請求項４６に記載の方法。
【請求項７２】
前記位相差が、少なくとも５×１０−８屈折率ユニットの表面屈折率変化である、
請求項４６に記載の方法。
【請求項７３】
少なくとも５０フェムトグラムの分析物が検出される、
請求項４６に記載の方法。
【図４】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【図５】
【図１】
【図２】
【図３】
【公表番号】特表２００９−５３３６９６（Ｐ２００９−５３３６９６Ａ）
【公表日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５０６７０７（Ｐ２００９−５０６７０７）
【出願日】平成１９年４月１６日（２００７．４．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６６７２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２１４０６
【国際公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（５０８３１０２２９）バイオプティックス，エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２１年９月１７日（２００９．９．１７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年４月１６日（２００７．４．１６）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００７／０６６７２３
【国際公開番号】ＷＯ２００７／１２１４０６
【国際公開日】平成１９年１０月２５日（２００７．１０．２５）
【出願人】（５０８３１０２２９）バイオプティックス，エルエルシー (1)
【Ｆターム（参考）】
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