白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ
本考案は、ある種の特殊な生体（または化学）物質の存在および変化を検出するための、白色光反射干渉の分光変化規則を応用した光ファイバアレイバイオチップを開示する。該チップは光ファイバをバイオセンサとして用いており、薄膜反射干渉測定装置の感知基準となり得るよう、光ファイバおよび被検物質とは異なる一層以上の材料を光ファイバの端部に塗布するものであって、このうちの少なくとも一層は被検目標生体（または化学）分子を吸着可能な相補材料である。被検分子が相補材料の表面または内部に吸着された後、反射干渉光の分光分布が変化する。このようなスペクトル線の偏移が、つまり試料分子の濃度、吸着速度、および幾何学的寸法の変化を量的または質的に分析するのに用いられる。複数の光ファイバを線状アレイまたは面状アレイに配列してバイオチップを形成するとともに、Ｎ：１の光ファイバカプラを合わせて、一台の検出装置による生化学物質の単一試薬の複数標識または複数試薬の複数標識の並行検出が可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本考案は光電検出技術分野における検出装置に関し、詳細にはある種の特殊な生体（または化学）物質の存在および変化を検出するための白色光反射の分光位相偏移を応用した光ファイバアレイバイオチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料中におけるある種の特殊な生体または化学物質の有無を検出するものは、ライフサイエンスの研究、医薬品開発および医学診断において常用される方法である。例えば、免疫検査においては、血漿中におけるある種の特殊な抗体の有無を検査する必要がある。抗原はその相補的な抗体とともに反応する物質であるため、これを用いて血漿中におけるその相補的な抗体の有無を検査することができる。生体検査では、拡散法、電気泳動法、蛍光法などの方法を用いてある種の抗体の有無を検出することができる。
【０００３】
拡散法は通常免疫試験に用いられ、これは血清の処理プロセスであり、抗体と抗原の溶液を細胞ゲル層の互いの間に拡散させることにより、抗原とこれに相補する抗体との作用が二種類の液体の間に一本の沈澱線として現れるものである。電気泳動法は複数の生体検出に広く用いられている。これはある試料の処理プロセスであり、電気泳動により生じたイオン移動により被検成分を分離して、さらに相補的な生体の拡散または標識作用によりこれらを観察するものである。蛍光法は生体反応を識別するプロセスであり、ある種の抗原が特殊な標識上に付着し、ある種の波長の光（例えば紫外線）が照射されたときに蛍光発光が発生し、これによりこの種の抗原の識別が容易になるものであり、その他の標識には更に放射性同位元素、電子、磁性、酵素標識などがある。
【０００４】
光ファイバ技術を用いて試験を行なう方法は、現在、主に光ファイバ蛍光と化学発光バイオセンサである。このような光ファイバのセンサは商品化応用および研究開発において最も広く汎用しているものとの一つとして考えられる。そしてそれぞれ異なる作用原理に基づくサンドイッチ型のバイオセンサおよびディスプレースメント型のバイオセンサという二種類のタイプの光ファイババイオセンサがすでに開発されている。これらの動作原理は図１ａ、図１ｂ、図１ｃおよび図１ｄに示すとおりである。便宜上、抗原抗体の試験を例として、この二種類のバイオセンサの動作原理を説明する。
【０００５】
図１ａに示すように、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサは以下のように動作する。末端に試薬１０２（例えば抗原）が塗布された光ファイバ１００を溶液１０４に浸し、溶液１０４中における試薬１０２と相補する抗体１０６の有無を検出する。もし溶液１０４中に相補的な抗体１０６が確かに存在している場合、該抗体は試薬１０２と結合する。光ファイバ１００は、十分な長さの反応時間を確保するために溶液１０４中に十分な長さの時間分浸し、その後塩水類で洗浄することになる。
【０００６】
図１ｂに示すように、符号１１２の蛍光標識剤が試薬１１０に吸着される。試薬１０２が塗布された光ファイバ１００およびその上に結合した抗体１０６を試薬１１０（例えば抗原）内に浸すと、標識１１２を有する試薬１１０が抗体１０６と結合する。光源（図示しない）が光ファイバ１００の根元部を照射すると、光ファイバ１００に沿って末端にまで導光され、試薬１０２、抗体１０６の順に照射し、最終的には抗体１０６に結合した蛍光標識１１２を有する試薬１１０を照射する。試薬１１０は光により励起され、蛍光信号を発する。以上から理解できるように、光ファイババイオセンサの末端は試薬１０２、抗体１０６および蛍光標識１１２を有する試薬１１０などの三層の物質を備えているため、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサと呼ばれる。サンドイッチ型の光ファイババイオセンサについては、試料中の抗体１０６の濃度が高いほど、蛍光標識を有する試薬１１０と更に多く結合するため、発せられる蛍光信号はより強くなる。
【０００７】
図１ｃに示すように、オフセット型の光ファイババイオセンサは光ファイバ１００とその末端に塗布された試薬１２０（例えばある種の抗原）とから構成されている。酵素標識１２４を有する試薬１２２（抗体）は透析能力を持つ薄膜１３０内に密封されている。試薬１２２（抗体）と試薬層１２０（抗原）とが相補する。したがって、試薬１２２は常に試薬層と結合する傾向にある。この装置を試料溶液１５０中に浸し、試料溶液１５０中における試薬１２０と相補する抗体１４０の有無を検査する。図１ｄに示すように、もし試料溶液１５０中に該抗体があると、この抗体は蛍光標識を有する試薬１２２と競合し、光ファイバ１００の末端の抗原層１２０と結合しようとする。このとき、光ファイバ１００の根元部に光源（図示しない）を付与すると、試薬層１２０と結合し標識を有する試薬１２２が光の励起により、蛍光信号を発する。この場合、試料溶液１５０中の抗体１４０濃度が高いほど、より多くの抗体１４０と光ファイバ１００末端の試薬１２０とが結合し、蛍光標識を有する試薬１２２と試薬１２０との結合量が減るほど、結果として発せられた蛍光信号の強度が弱くなる。したがって、抗体１４０の濃度と発せられる光強度とが反比例する。
【０００８】
上記の光ファイババイオセンサには少なからず欠点がある。サンドイッチ型の光ファイババイオセンサについては、光ファイバ１００を先ず試料溶液１０４に浸し、洗浄し、更に試薬１１０を含有する（標識１１２を有する）溶液１０８内に浸さなければならない。化学的検査では二つの異なる反応工程を経る必要があり、繁雑で、しかも、被検物の濃度がある閾値を超えたときのみ検出され、抗体１０６と試薬１０２の結合速度をリアルタイムで検出することはできない。さらに、化学的検査が繁雑で、そして大部分の標識（蛍光標識剤）は有毒で、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサは体内での直接の検出に用いることはできない。
【０００９】
大部分の標識は保存時、特に光の下では不安定である。これ以外にも、上記方法中における光の強い信号は、例えば光源の不安定、温度変化、ファイバの屈曲に起因する光の損失など、環境およびノイズを含むシステムの影響を受けやすい。
【００１０】
ディスプレースメント型の光ファイババイオセンサについては、薄膜１３０がバイオセンサのコストとサイズの増大を招く。このようなセンサは大型で、試薬の標識も有毒である可能性があり、これもまた体内での検出に不向きである。
【００１１】
別のタイプの光学センサは表面プラズモン共鳴（ＳＰＲと略される）センサと呼ばれ、図２ａに示すように、薄い金属層２０４でめっき処理されたプリズム２０２を備え、金属層２０４がプリズムと絶縁体２０８との界面とされている。横方向で磁化され単方向に偏光した一本の光がプリズム２０２の一面に入射すると、金属層２０４で反射され、プリズムの他面に達する。反射されたビームの強度が、入射ビーム２０６の入射角θの大きさを計算するために検出される。図２ｂに示すように、屈折したビームの強度はある特殊な入射角θＳＰ箇所で突然下降するが、この角度において、入射光のエネルギーは金属絶縁体との境界面での励起により生じた表面プラズマ（またはＳＰ）の波形と一致する。もし一層の薄膜が薄膜金属層２０４上に堆積していると、特に金属層近傍で絶縁物質の有効屈折係数が変化してしまう。有効屈折係数は絶縁物質と堆積膜との厚さおよび密度の大きさに依存することから、もし堆積膜の膜厚に変化が生じると、屈折率も変化するため、臨界入射角θＳＰも変化してしまう。臨界入射角θＳＰの値を試算することにより、堆積膜の膜厚および密度が導きだされる。
【００１２】
さらに、別のタイプのバイオセンサは、グレーティングバイオセンサと呼ばれ、図３に示すように、入射した一本のレーザビーム３０２が平面導光体３０４の一端に進入する。平面導光体３０４は非常に薄い高屈折率膜３０６と、該膜の基体としてのガラス体３０８とを備える。薄膜３０６の一部表面にはグレーティング３１０が刻設されている。表面で突出したグレーティング３１０はレーザ光３０２をαの角度で平面導光体に射出するものであり、αは導光法線と光線との挟み角である。αの大きさはレーザ光の導光モードの有効屈折係数に関係する。
【００１３】
表面で突出したグレーティング３１０には先ず試薬層が塗布される。液体試料３１４を収容した容器３１２をグレーティング３１０上に装着するが、もし試料３１４中の物質と試薬層とが反応した場合、有効屈折係数に変化が生じ、出射角αが変化してしまう。
【００１４】
レンズ３１６は出射ビームを一次元の光センサ（またはＰＳＤ）３１８に集光させる。光センサ３１８の出力はＡ／Ｄコンバータ３２０によりサンプリングされ、コンピュータ３２２中に送られ分析される。有効屈折係数の変化による出射ビーム角度αの変化は、試薬およびそれに結合した物質が生成する薄膜の膜厚に関係することから、光点の移動量に基づいて該薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１５】
グレーティングバイオセンサには数々の欠点がある。まず、センサの反応速度が遅いという、「ドリフト現象」と呼ばれているものである。もし試料が含有する被検物の濃度が低い場合、有効屈折係数の増加がドリフト現象によるものか否かを判断するのが難しい。第二に、グレーティングバイオセンサは遠距離の測定には使用できない。また、センサのサイズが大きいことから、体内での検出に適さない。このような大きなサイズは単一試料の数回の検出に不利で、しかもセンサが長すぎるため、大量の試料が必要となる。最後に、特にマイクロ型の場合、グレーティング内蔵型の平面導光体は複雑で且つ製造コストが嵩む、というものである。
【００１６】
また、微小溝薄膜の反射干渉を原理としたバイオセンサもある。図５に示すように、ガラスまたは石英からなる基板５１４上をポリスチレン膜５０２で被覆して生体基板５００を形成する。図６に示すように、生体基板５００を流路６０２の底部に配置し、シリコンを溝上部とする。複数本の石英光ファイバ６０４の一端を基板５１４の下面に接続する。光ファイバ６０４の他端の第一分岐６０６と分光測定装置６１０とを接続する。他の分岐６０８と光源６１２とを接続する（ 例えばキセノンランプまたは２０Ｗのハロゲンランプ）。
【００１７】
続いて、一定濃度の試薬５０４を含有する溶液（例えばある種の免疫抗原）を流路６０２に流し、これにより膜５０２上に抗原層５０４が付着する。流路を洗浄し、増加された抗原層５０４の厚さを一定に保持するが、このときタンパク質でこれを凝固させる。その後再度洗浄する。
【００１８】
最後に、試料溶液を流路６０２に一定時間内流す。もし試料溶液内に抗原５０４と相補する抗体５０６が含まれていると、これらは溝内で結合し、このようにして溝内膜の膜厚が増加することになる。タンパク質分子は通常、光源６１２が出射した光波の波長より短いため、増加した単一分子タンパク質層は膜厚を増加させたのみと見なされることができる。
【００１９】
分光測定装置６１０は異なる時間内における反射光波のスペクトルまたは強度を測定するものである。図４に示すように、膜厚が増加したとき、分光測定装置６１０の一回目の出力がＡ、二回目の出力がＢとされる。膜厚の増加量Δはフレネルの法則により確定する。つまり、薄膜反射の干渉光の強度Ｉは下記式により表すことができる。
【数１】
式中、Δは光路長であり、λは入射光の波長である。Ｉ1とＩ2の強度は近似していることから、両者は概ね等しいと考えることができる。
【００２０】
Ｉ1＝Ｉ2＝ＩＲとした場合、上記式は下記のように簡素化できる。
【数２】
したがって、有効光路長Δは反射光の光強度および光波の波長により確定できる。Δに基づいて膜厚を求めることができる。
【００２１】
上記の微小溝の干渉測定装置では、標識を必要とせず、しかも検出結果が最終的なデータに限らない等という長所があるものの、しかし数々の問題点がある。まず、微小溝のサイズが依然大きく、多量の試料が必要となるか、または高濃度の試料が要求される。次にこの方法では大量の並行試験の実現が確実に困難となる。最後に、大きなサイズは体内での検出に適さない、というものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記した従来技術に存在する欠点または不足に基づいて、バイオセンサは下記するいくつかの面で改善を施さなければならない。
（１）複数種および並行での化学的検査の目的を同時に実現可能なアレイ型バイオチップ。
（２）不安定または有毒な試薬または標識剤を使用しない。
（３）連続的にサンプリングすることで反応工程を監視し、同時に反応の最終値も測定できる。
（４）製造コストが低廉で、サイズが小さく、使用に便利。
（５）高感度で、線形域が大きい。
（６）非相補的な吸着を防止可能である。
【００２３】
本考案の目的は、白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップを提供するものであり、該チップは集積化された光ファイバが生体プローブとされ、プローブ上に塗布された生体または化学塗布層を薄膜反射干渉測定装置の感知基準とするものであり、このうちの少なくとも一層は被検目標生体（または化学）分子を吸着可能な相補材料である。被検分子が相補材料の表面または内部に吸着された後、反射干渉光の分光分布が変化する。このようなスペクトル線の偏移により、試料分子の濃度、吸着速度、および幾何学的寸法の変化を量的または質的に分析する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を実現するための技術において、白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップは、
ａ）線状アレイ光ファイババイオチップ、面状アレイ光ファイババイオチップ、面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップと、
ｂ）前記チップに対応した微小流路と、
ｃ）光ファイバアレイコンバータと、を備え、
前記線状アレイ光ファイババイオチップは、一つ以上の線状アレイ光ファイバモジュール１０００がチップ本体１００８内に封止されたものであり、前記線状アレイ光ファイバモジュール１０００は線状アレイに配列された光ファイバ１００１が密封器１００２内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイババイオチップは面状アレイ光ファイバモジュール１０１０がチップ本体１０１９内に封止されたものであり、前記面状アレイ光ファイバモジュールは面状アレイに配列された光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップは、ガラス基板１０２２表面を所望の生体（化学）分子層１０２３で被覆したものであり、生体（化学）分子層はドットマトリクス状に配置され、ガラス基板１０２２は微小流路体１０２４と一体に封止されており、光ファイバモジュール１０２５または光ファイバコンバータ１３００、１３０４はガラス基板１０２２の後面に配設され、これらの間に屈折率を一致させる液体１０２８が注入され、光ファイバモジュール１０２５または光ファイバコンバータ１３００、１３０４の全ての光ファイバ１０２６、１３０１または１３０５は生体（化学）分子層のドットマトリクス１０２３に一対一で対向していることを特徴とする。
【００２５】
本考案のその他の特徴は、前記光ファイババイオチップおよびこれに対応した微小流路の構造形式には、
１）線状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この線状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、
光ファイバ１００１が密封器１００２内に封止され光ファイバモジュール１０００を構成し、二つの光ファイバモジュール１０００ａおよび１０００ｂが相対的に平行に配置されて、微小流路１００５を形成し、微小流路１００５の両側が入口１００６および出口１００７に連通しており、出口１００７は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
２）面状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この面状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、
光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止され光ファイバモジュール１０１０を構成し、光ファイバ１０１１は線状アレイでも面状アレイでも配列可能であり、光ファイバモジュール１０１０はチップ本体１０１９の底部に垂直に嵌設されており、光ファイバ端面１０１３の前方は水平の微小流路１０１５であり、その両側は分配溝１０１４および１０１６にそれぞれ連通しており、分配溝１０１４および１０１６の上部はそれぞれ入口１０１７および出口１０１８であり、出口１０１８は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
３）面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型であって、
この面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型は、
ガラス基板１０２２上にドットマトリクス状に配置した生体（化学）分子層１０２３を作製し、これをもって前記チップの光ファイバモジュール表面１０１３と置換し、微小流路体１０２４がガラス基板１０２２上における生体（化学）分子層が作製された面に圧接され、ガラス基板１０２２の他面は光ファイバモジュール１０２５に接続され、両者の間には屈折率を一致させる液体１０２８が注入されているものと、
の三種類の基本型があり、
前記光ファイバチップおよびこれに対応する微小流路の構造形式は、前記三種類の基本型を基礎として、その他数種類の実用化されたチップ構造を開発することが可能である。
【００２６】
前記その他の実用化されたチップ構造とは、
１）複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せであって、
光ファイバ１１０１を均等距離で密封器１１０２内に封止して光ファイバモジュール１１００を構成し、光ファイバモジュールの上面が複数チャネルの微小流路体１１０３となり、その両端が入口１１０５および出口１１０６にそれぞれ連通し、押え板１１０７が下向きで微小流路体１１０３をチップ１１００上に圧接し、押え板１１０７の下面にはキャビティ１１０８が設けられ、該キャビティは全ての出口１１０６の上に配設されており、キャビティの上方には何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ１１０９が設けられているもの、
２）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップであって、
線状アレイ光ファイバモジュール１２００がチップ本体１２０３内に封止され、生体（化学）分子層が作製された光ファイバ端面１２０２を微小流路１２０５に対向させており、微小流路の一端が廃液室１２０７および出口１２０６に連通し、他端が吸引パイプ１２０４に連通しており、吸引パイプ１２０４の配列形態は試薬槽１２１０と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、押え体１２０９がチップ本体１２０３上に圧接され、吸気パイプ１２０８が押え体１２０９内に嵌設され、吸気パイプ１２０８は何らかの微流量ポンプに連通可能であるもの、
３）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールであって、
複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ１２０３’が押え体１２１２に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、また、押え体１２１５の下面に気体溝１２１３が設けられ、何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ１２１４が気体溝中央位置の上方に設けられ、全てのチップを一括に排気することも可能であるもの、
４）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップであって、
予めガラス基板１０２２’上面にドットマトリクス状の生体（化学）分子層１０２３’を作製し、そしてチップ本体１２２９上に嵌設し、光ファイバモジュール１０２７’をガラス基板１０２２’の後面に配置し、その間に屈折率を一致させる液体１０２８’を注入し、押え体１２３０がチップの排気孔１２０６’の上部に圧接され、押え体１２３０上の吸気パイプ１２１４’が何らかの微流量ポンプに連通可能であり、前記モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップと同様に、Ｎ個の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップ１２２９を並列にして組合せモジュールを構成することが可能であり、吸引パイプ１２０４’は試料容器１２１０’の位置と一致するように配列することが可能であり、Ｎの数は限定されないもの、
５）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップの組合せモジュールであって、
モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理で、複数の線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップ１２２９を組合せモジュールとして組立てるものであり、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよいもの、である。
【００２７】
前記光ファイバモジュール１０００、１０１０、１０２５、１１００および１２００の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、光ファイバ端面はさらに活性化処理、通常はシラン化処理が施されており、必要な際には最後に所望の生体（化学）分子層が被覆される。
【００２８】
本考案の光ファイバアレイバイオチップは集積化された光ファイバが生体プローブとされ、プローブ上に塗布された生体または化学塗布層を薄膜反射干渉測定装置の感知基準とするものであり、このうちの少なくとも一層は被検目標生体（または化学）分子を吸着可能な相補材料である。被検分子が相補材料の表面または内部に吸着された後、反射干渉光の分光分布が変化する。このようなスペクトル線の偏移が、つまり試料分子の濃度、吸着速度、および幾何学的寸法の変化を量的または質的に分析するのに用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本考案の光ファイバアレイバイオチップを詳細に説明する前に、その光ファイバプローブのバイオセンサについて説明しなければならない。
白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバプローブのバイオセンサは、
ａ）光源８０４と、
ｂ）光ファイバ生体プローブ７００と、
ｃ）反射ビームが形成する干渉分光パターンを検出する検出手段８１８、８２９と、
ｄ）光源と光ファイバプローブを接合し、光ファイバプローブと検出手段とを接合するカプラまたはコネクタ８０２と、
ｅ）検出手段８１８が二回検出した干渉分光パターンの位相を確定するとともに、二回のパターンの位相移動により確定された被検物質の濃度を検出する信号処理手段と、
信号処理手段は、マイクロプロセッサ８３０と、プログラム記憶手段８３２と、ＲＡＭ８３４とを備え、通常の方法で接続されており、
ｆ）位相トラッキング手段８２２と、
ｇ）出力手段８２４と、
ｈ）周期信号生成手段８２０と、
ｉ）光学カプラ８０８、８１２と
ｊ）導光手段８０６、８２８、８１６、８１４、８１０と、を備え、
光ファイバ生体プローブ７００は末端に試薬が塗布されている光ファイバであり、その根元部が入射ビームを受光し、その末端には一層以上の材料および試薬が塗布されている一本の光ファイバを含み、光ファイバ生体プローブは少なくとも入射ビームにより生じた反射ビームを発生させるものであり、光ファイバ生体プローブ７００はコネクタ８０２を介して光ファイバ生体検出装置の導光手段８１４に接続されている。
【００３０】
光源８０４は広帯域光源である。光源が出射したビームは、例えば光ファイバといった導光体に入射するものであり、「Ｙ」形の光学カプラ８０８を介して光学的な方法で導光手段８０６と他の導光手段８２８とを接続し、導光手段８２８は検出手段８２９に接続されており、前記検出手段８２９は分光測定装置であり、更に一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備えている。検出手段８２９は周期信号生成手段８２０に接続されている。
【００３１】
光学カプラ８１２は導光手段８１４と他の導光手段８１６とを接続しており、導光手段８１６は検出手段８１８に接続されており、前記検出手段８１８も分光測定装置であり、更に一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備えている。検出手段８１８は周期信号生成手段８２０に接続されている。
【００３２】
光学カプラ８０８は更に導光手段８０６と他の導光手段８１０とを光学的に接続し、光学カプラ８１２は導光手段８１０と他の導光手段８１４とを光学的に接続している。
導光手段８１４はカプラ８０２を介して生体プローブ７００に接続されている。
【００３３】
位相トラッキング手段８２２は周期信号生成手段８２０と、出力手段８２４と、信号処理手段とに接続されており、周期信号生成手段８２０もまた信号処理手段に接続されており、光源８０４と、検出手段８１８と、出力手段８２４はいずれも信号処理手段に接続されている。
導光手段８０６、８２８、８１６、８１４、８１０はシングルモードの光ファイバであるが、マルチモードの光ファイバを使用してもよく、光ファイバの直径は６μｍないし６００μｍの間とされる。
【００３４】
該光ファイバプローブの製造では、（ａ）光ファイバプローブの末端を試料溶液に浸し、（ｂ）光ファイバの根元部に光源を配設し、（ｃ）光ファイバ末端表面と試薬層との界面から反射して戻ってきた第一ビームと、試薬層と試料溶液との界面から反射して戻ってきた第二ビームとの二本のビームを少なくとも検出し、（ｄ）二本のビームが形成した干渉模様を一回目として検査し、（ｅ）二本のビームが形成した干渉模様を二回目として検査し、（ｆ）干渉模様に移動が生じたか否かにより試料溶液中に被検物質を含有するか否かを確定する、ステップを含む。物質の濃度は干渉模様の移動量および二回の検査で得られた模様の相違により確定される。
【００３５】
最良の結果を得るために、検出における各回は、（ａ）二本のビームが形成した干渉ビームを分光測定装置に送り、（ｂ）スペクトル図の分布に基づき周期関数を確定し、（ｃ）周期関数の位相を確定する、ステップが含まれるべきである。
【００３６】
該検出装置がより良好に実現されるためには、信号処理手段は周期信号生成手段と、位相トラッキング手段と、コンピュータとを備える。周期信号生成手段は、検出手段が一回目で検出した干渉模様から得られる第一周期信号と、検出手段が二回目で検出した干渉模様から得られる第二周期信号の二つの周期信号を生成する。位相トラッキング手段は第一周期信号と第二周期信号との位相を確定するものであり、コンピュータは位相差を確定するとともに、位相差から試料溶液中における被検物質の濃度を算出する。
【００３７】
該検出装置は更に他の実施形態を有する。検出装置は、光源に接続され、光源が提供するビームの周波数を調節する周波数調節手段を備える。この場合、信号処理手段は周波数調節手段と同期する。
【００３８】
ここで、線状アレイ／リング状および面状アレイ／リング状の光ファイバのカップリングシステムを説明する。該カップリングシステムは、
ａ）線状アレイ／リング状光ファイバコンバータと、
ｂ）面状アレイ／リング状光ファイバコンバータと、
ｃ）リング状光ファイバカプラと、
ｄ）Ｎ：１光ファイバカップリングシステムと、を備える。
線状アレイ／リング状光ファイバコンバータは線状アレイ光ファイバモジュール１３０１をリング状に配置された光ファイバモジュール１３０２に変換するための装置であり、二つの光ファイバモジュールは全てケーシング１３０４内に固定封止されており、該光ファイバコンバータの二つの端面はいずれも光学的に精密研磨されるとともに、広帯域の反射膜でめっき処理されている。
【００３９】
面状アレイ／リング状光ファイバコンバータは面状アレイ光ファイバモジュール１３０５の光ファイバの後端を均等間隔で配列するリング状光ファイバモジュール１３０６であり、二つの光ファイバモジュールは全てケーシング１３０７内に固定封止されており、該光ファイバコンバータの二つの端面はいずれも光学的に精密研磨されるとともに、広帯域の反射膜でめっき処理されている。
【００４０】
リング状光ファイバカプラは、以下の二つの部分から構成されている。
ａ）光ファイバ１４０４を円周運動させるための間欠回転手段であり、閉ループ制御のステップモータまたはサーボモータを駆動手段としつつ、機械式の間欠回転機構を駆動手段とすることも可能であり、溝付きカム１５０１と駆動カム１５０５を用いて構成される間欠回転機構は比較的理想的な方法の一つであり、また何らかの機械式の間欠駆動機構を駆動手段として用いることも可能であり、
ｂ）光ファイバ１４０４の円周運動における絡まりを防止するために、クランクリンク機構の原理で絡まり防止手段を設計することも可能であり、絡まり防止手段はスリーブ１４０６と、方向規制ロッド１４０７と、スライドブッシュ１４０８と、支持部材１４０９などの部材から構成され、このような原理に基づいて、その他形態の機構を設計することも可能である。
【００４１】
以下、図７ａ、７ｂ、８、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄ、１３ａ、１３ｂを合わせて本考案をより詳細に説明したい。
図７ａおよび７ｂに示すものは単一チャネルの光ファイババイオセンサの原理である。図７ａに示すように、光ファイバ生体プローブ７００は一本の光ファイバ７０２および光ファイバ７０２の末端に塗布された試薬７０４を備える。試薬７０４は例えば免疫抗原などのある種の抗原や、特殊な抗体、化学物質、ＤＮＡ断片、酵素またはタンパク質であり得る。一定濃度の試薬７０４を一定時間内で光ファイバ７０２の末端に塗布し、光ファイバ７０２に試薬層７０４が確実に形成されたのを確認した後、該装置を洗浄し包装する。当業者であれば、その他の方法で光ファイバ７０２の末端に試薬７０４を塗布することは可能であり、試薬の違いにより異なる塗布方法を決定すればよい。入射ビーム７１０が光ファイバの根元部から光ファイバの末端に伝搬される。試薬層７０４と光ファイバ７０２との境界面で第一ビーム反射光７１２が反射して戻され、同時に入射ビーム７１０の一部７１４が引続き試薬７０４を通過する。試薬７０４の露出した外面７０８上で、第二反射ビーム７１６が反射して戻され、そして入射ビーム７１０の他の一部７１８が引続き試薬層７０４近傍の媒体に向けて出射される。出入射ビーム７１０の一部７１４の反射した反射光７１６の一部７６０は光ファイバ７０２を介して根元部に伝搬され、反射光７１６の他の部分は境界面７０６で反射して試薬層７０４に戻される（図示しない）。
【００４２】
以下で詳述するように、光ファイバ７０２の根元部で、反射光７１２と７６０が検出および分析される。光ファイバ７０２におけるいずれかの所定点に沿って、光ファイバの根元部を備え、反射光７１２と７６０とには位相差が存在し、この位相差に基づいて、試薬層７０４の厚さを検出することができる。
【００４３】
図７ｂに示すように、プローブ７００を試料溶液７３４に浸し、抗原７０４に相補する抗体７３６の有無、および試料溶液７３４中における抗体７３６の濃度を検出する。抗体７３６と抗原７０４の特性によりこれらの間に特別な反応が生じるかが決定され、抗体７３６が試薬層７０４上に付着するので、一定時間内において、試薬層７０４上に抗体層７３２が形成される。しかしながら、非相補の抗体７３８は試薬層７０４上には付着しないよう、試料溶液７３４についてはプローブ７００と（抗体を除く）その他物質とが結着する可能性を低減しなければならない。つまり、プローブ７００上の試薬７０４においては非相補の抗体７３８とで結着が生じる可能性を減らす必要がある。
【００４４】
例えば、典型的な例を述べるならば、検出される分子（例えば抗原および抗体）のサイズは入射光７１０の波長より大幅に小さくしなければならない。したがって、光学的な見地から見ると、試薬層７０４と抗体層７３２は単一の層と見なすことができる。つまり、光学的な見地で言えば、図７ｂに示す試薬層７０４と抗体層７３２の境界面７３０は通常明確ではないということである。このように、図７ｂに示す試薬層７０４と抗体層７３２との複合層と図７ａにおける試薬層７０４とは相似性を有している。しかし、両層の合計厚さＳ２は単独の試薬層７０４よりも厚いため、したがって、図７ａ中のプローブ７００に似て、入射光７１０が光ファイバ７０２の末端に進入すると、光ファイバ７０２と複合層との境界面７０６上で、入射光７１０の一部７１２が反射して戻され、同時に、入射光７１０の他の部分７２０は引続き複合層と試料溶液７３４を通過し、７２０の一部７２４が反射して戻され、一方７２０の他の部分７２２は引続き試料溶液７３４を通過しており、反射光７２４については、反射光の一部７２６が光ファイバ７０２中に戻され、一方他の部分（図示しない）は境界面７０６により複合層中に反射される。
【００４５】
光ファイバ７０２におけるいずれかの所定点に沿って、光ファイバの根元部を備え、反射して戻ってきた反射光７１２と７２６とに位相差が現れ、この位相差に基づいて、複合層の厚さＳ２を検出することができる。
【００４６】
複合層の厚さＳ２と試薬層７０４の厚さＳ１とを比較することで、抗体層７０４の厚さを確定することができる。この厚さに基づいて、相補的な抗体７３６の試料溶液７３４中における有無を確定することができる。更に言えば、複合層の厚さＳ２は離散時点でサンプリングすることができる。この方法を用いて、複合層の厚さＳ２と試薬層７０４の厚さＳ１との厚さ差の増加の速度（例えば、抗体層７３２の厚さの増加速度）を検出することができる。この速度に基づいて、短い培養時間内で相補的な抗体７３６の試料溶液７３４中における濃度を測定することができる。
【００４７】
図８に記載するものは更に改善を施した前記生体プローブ７００を応用したバイオセンサの実現方法であり、再度重複するが、光ファイバ７０２および光ファイバ７０２の末端に塗布された試薬層７０４を内包した生体プローブ７００が、試料溶液７３４中に浸されるものであり、図中で拡大された部分から理解できるように、光ファイバの外被は光ファイバ芯から光ファイバ芯の末端までを覆っている。更に特別なことは、光ファイバの外被は光ファイバ芯を先端から尾端まで覆っており、試料溶液７３４は試験チューブ７８０内に収容され、光ファイバプローブ７００はコネクタ８０２を介してバイオセンサの光学分析装置８００に接続されているところである。
【００４８】
バイオセンサの光学分析装置８００は光源８０４と、分光測定装置８１８と、周期信号生成手段８２０と、位相トラッキング手段８２２と、出力手段８２４を備えている。バイオセンサの光学分析装置８００は、例えば、（１）外部のコンピュータまたはコンピュータネットワーク８２６のコマンドによるもの、（２）ＲＡＭ８３４を更に備え、プログラム記憶手段８３２が送出したコマンドを実行するマイクロプロセッサ８３０のコマンドによるもの、（３）特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）８３０が送出したコマンドによるもの、など数々の方法で実現することが可能である。
【００４９】
光源８０４は、例えば発光ダイオードなどの広帯域光源である。光源８０４はタングステンハロゲンランプでもよい。光源８０４が出射したビームは、例えば光ファイバといった導光体に入射するが、光学カプラ８０８を付加して、光学的な方法で導光手段８０６と他の導光手段８２８とを接続し、導光手段８２８が選択可能な分光測定装置８２９に接続されてもよい。分光測定装置８２９は、例えば１×１０２４の一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備え、周期信号生成手段８２０に接続されていることが最も好ましい。
【００５０】
光学カプラ８０８が導光手段８０６と他の導光手段８１０とを光学的に接合し、光学カプラ８１２は導光手段８１０と他の導光手段８１４とを光学的に接合し、導光手段８１４はカプラ８０２を介して生体プローブ７００に接続されている。
光学カプラ８１２は更に導光手段８１４と導光手段８１６とを接続し、導光手段８１６は分光測定装置８１８に接続され、分光測定装置８２９と同様に、分光測定装置８１８は例えば１×１０２４の一次元のＣＣＤを備え、周期信号生成手段に接続されていることが最も好ましい。
【００５１】
光源８０４が発した光は、導光手段８０６、光学カプラ８０８、導光手段８１０、光学カプラ８１２、導光手段８１４および光学カプラ８０２を通過して生体プローブ７００に受光される。上面から図７ｂを説明すると分かるように、反射して戻ってきた二本のビーム７１２および７２６は生体プローブを通過した後に戻され、しかもカプラ８０２、導光手段８１４および導光手段８１６を通過した後に分光測定装置８１８に受光される。上記のように、複合層は厚さＳ２を有するため、反射ビーム７１２と７２６とに微弱な位相偏移現象が見られる。したがって、フレネルの理論に基づき、反射ビーム７１２と７２６とで分光測定装置８１８上にて回折パターンが形成される。複合層の厚さＳ２の増加に伴い、回折パターンは移動する。
【００５２】
分光測定装置８１８がＣＣＤの画素を記録した後、周期信号生成手段８２０に周期信号波形が発生する。回折パターンにより決定された周期信号波形（例えば正弦波）の位相は位相トラッキング手段８２２により検出される。正弦波の位相を比較することで、この位相が異なる時間で分光測定装置によりサンプリングされ得られた回折パターンが決定され、複合層の厚さＳ２の増加速度が検出される。位相データを得た後または得たと同時に、Ｓ２の増加の速度を確定することができる。
【００５３】
図７ａに戻ると、生体プローブ７００が試料溶液７３４に浸される前に、試薬層７０４の厚さＳ１により、反射ビーム７１２と７６０とが形成する回折パターンも得ることができる。図９に示すものは分光測定装置８２０上における一次元のＣＣＤ素子が表示する回折パターンの一部分である（つまり生体プローブが試料溶液７３４に浸される前）。図９ｂに示すものは分光測定装置８２０上における一次元のＣＣＤ素子が表示する回折パターンの一部分である。図９ａと図９ｂとが示すパターンを比較すると、回折パターンに移動が見られる。移動量に基づいて、試料溶液７３４中における抗原７０４と相補する抗体７３６の有無が確定できる。生体プローブ７００が試料溶液７３４中に浸された後には、異なる時間での分光測定装置による一次元のＣＣＤに対するサンプリングの結果を通じて、パターンの移動変化の速度が検出されるとともに、これにより試料溶液７３４中における相補的な抗体７３６の濃度が確定される。
【００５４】
図８に示す実施形態においては、導光手段８０６、８１０、８１４、８１６および８２８は例えば通信レベル程度のシングルモード光ファイバでも、例えば段差状の光ファイバであるマルチモードのものを使用してもよい。光ファイバの直径は最小で３μｍで、通常は１００〜６００μｍである。
【００５５】
光学カプラ８０８および８１２は「Ｙ」型光ファイバが最も好ましいが、「Ｘ」型の光学カプラでもよい。しかし、仮に後者の光学カプラを使用する場合には、開放端での反射雑音（ノイズ）を消除するためにゲル化のマッチング指数を高めなければならない。
【００５６】
光源８０４と接合される分光測定装置８２９は、光源８０４であるレーザダイオードのスペクトルが不安定なときにのみ必要とされるものであり、特殊な状況とは、生体プローブ７００の末端の厚さ変化に起因する位相偏移と光源周波数の移動がもたらす位相偏移とを峻別すべき場合に、分光測定装置８２９が用いられることである。しかし、光源８０４であるレーザダイオードのスペクトルが安定しているならば、光源８０４および光学カプラ８０８と導光手段８２８は必要なくなる。
【００５７】
図１０ａに示すものは線状アレイ光ファイババイオチップの基本型の概略図である。光ファイバモジュール１０００は均等間隔で配列された光ファイバ１００１および密封器１００２から構成されており、光ファイバ１００１の二つの端面１００３および１００４は、最適の光伝搬および光コヒーレント性能を奏するために、それぞれ異なる媒体膜でめっき処理されている。光ファイバ端面１００４は、端面と生体（化学）分子とに極力強い結合性能を持たせるよう更に特殊な活性化処理が施され、そして所望の生体（化学）分子層で覆われる。このような処理工程は以下にて「Ｂタイプ前処理」とする。最後に前記二つの線状アレイ光ファイバモジュール１０００ａおよび１０００ｂをチップ本体１００８内に対称に配置し、対称に配置された二組の線状アレイ光ファイバ端面１００４ａおよび１００４ｂを微小距離で保持し、流体の微小流路１００５を形成する。入口１００６と出口１００７がそれぞれ微小流路１００５に連通され、位置決め用切欠き１００９でチップの正確な動作方向を確保できる。試薬は入口１００６から注入され、微小流路１００５に流入すると、全ての光ファイバ端面１００４と反応して、その後出口１００７に流れる。流体を流動させるために、制御可能な何らかの微流量ポンプが出口１００７に連通し、負圧吸引または加圧によって試薬を流動させている。
【００５８】
図１０ｂに示すものは面状アレイ光ファイババイオチップの基本型の概略図であり、光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止されて光ファイバモジュール１０１０を構成しており、光ファイバモジュール１０１０はチップ本体１０１９の底部に垂直に嵌設されている。光ファイバモジュールの二つの端面１０１３および１０２０は、最適の光伝搬および光コヒーレント性能を奏するために、それぞれ異なる媒体膜でめっき処置され、そして端面１０１３は、端面と生体（化学）分子とに極力強い結合性能を持たせるよう更に特殊な活性化処理が施されており、このような処理工程は以下にて「Ａタイプ前処理」とするが、引続き所望の生体（化学）分子層で覆われる、つまり「Ｂタイプ前処理」を行なってもよい。光ファイバ端面１０１３の前方は水平の微小流路１０１５であり、その両側は分配溝１０１４および１０１６にそれぞれ連通しており、分配溝１０１４および１０１６の上部はそれぞれ入口１０１７および出口１０１８であり、位置決め溝１０２１でチップの正確な動作方向を確保できる。試薬が入口１０１７に注入され、分配溝１０１４を介して水平の微小流路１０１５に進入すると、全ての光ファイバ端面１０１３と反応して、その後分配溝１０１６を介して垂直出口１０１８に流れる。流体を流動させるために、制御可能な何らかの微流量ポンプが出口１０１８に連通し、負圧吸引または加圧によって試薬を流動させている。
【００５９】
図１０ｃに示すものは面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップの組合せ基本型である。ガラス基板１０２２の上面にＢタイプ前処理を施し、ドットマトリクス状に配置した生体（化学）分子層１０２３を形成し、これをもって図１０ｂに示すチップの光ファイバ端面１０１３と置換する。ガラス基板１０２２の下面は光ファイバモジュール１０２５に連通し、両者の間に屈折率を一致させる液体１０２８が注入されている。微小流路体１０２４がガラス基板の上部に圧接されているため、図１０ｂに示すチップに似た構造を構成している。試薬が入口１０１７’から注入された後、ガラス基板の表面を流れて、生体（化学）分子ドットマトリク１０２３と反応が生じるものであり、その反応プロセスの信号がガラス基板１０２２を透過して光ファイバモジュール１０２５に伝搬する。このモジュール中の全ての光ファイバ１０２６は当然のこと生体（化学）分子ドットマトリクス１０２３に一対一で対向しているため、信号は検出装置に伝送される。前記光ファイバモジュール１０２５には図１３ａの線状アレイ／リング状光ファイバコンバータまたは図１３ｂの面状アレイ／リング状光ファイバコンバータを直接用いることができる。
【００６０】
図１１は複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せである。光ファイバ１１０１を均等距離で密封器１１０２内に封止して光ファイバモジュール１１００を構成し、光ファイバの両端面１１１０および１１１１にＡタイプ前処理を施す。複数チャネルの微小流路体１１０３が光ファイバモジュール１１００上に圧接され、光ファイバ端面１１１０および複数チャネルの微小流路体１１０３とが微小流路１１０４を構成している。各種の試薬が各々の入口１１０５にそれぞれ注入された後、入口に連通している微小流路１１０４に進入し、対応する光ファイバ端面１１１０を流れ、各種試薬中の生体（化学）分子が光ファイバ端面１１１０をそれぞれ覆って、試薬は最終的に出口１１０６に流れ込む。押え板１１０７が下向きで複数チャネルの微小流路体１１０３と光ファイバモジュール１１００上に圧接され、押え板１１０７の下面にはキャビティ１１０８が設けられ、このキャビティは全ての出口１１０６の上に配設されており、キャビティの上方には制御可能な何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ１１０９が設けられている。動作時にはキャビティ１１０８が負圧または正圧となるため、試薬を微小流路１１０４内で一方向または往復流動させる。押え板１１０７と微小流路１１０３とを持上げることで、被覆が完了した光ファイバモジュール１１００を取出すことができる。
【００６１】
図１２ａに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイバチップである。Ｂタイプ前処理済みの光ファイバモジュール１２００がチップ本体１２０３内に嵌設される。押え体１２０９がチップ本体１２０３上に圧接され、吸気パイプ１２０８が押え体１２０９内に嵌設されており、その位置はちょうど排気孔１２０６と位置合わせされ、吸気パイプ１２０８が制御可能な何らかの微流量ポンプに連通しており、微流量ポンプが吸気を行なうと、チップ本体１２０３内が負圧となり、このとき、チップ本体１２０３に嵌設された吸引パイプ１２０４が試薬槽１２１０の試料溶液１２１１中に挿入され、試料が吸入されて微小流路１２０５に流れ、最終的には廃液室１２０７に流入する。このプロセスにて、各々の光ファイバ端面１２０２がそれぞれ試料と生体（化学）反応することで、単一試料の複数標識の検査が実現する。各々の光ファイバ端面１２０１は対応する光ファイバアレイコンバータに接合される。
【００６２】
図１２ｂに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールである。複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ１２０３’が押え体１２１２に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、全ての吸引パイプ１２０４は対応する試薬槽１２１０内に同時に延出し、複数試料の複数標識の検査が行なわれる。
【００６３】
図１２ｃに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュール一括吸気装置である。押え体１２１５が、複数のチップ本体１２０３’から構成されたモジュール上に圧接され、押え体１２１５の下方の凹溝１２１３が全てのチップの排気孔１２０６’に位置合わせされており、凹溝の上方は制御可能な何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ１２１４であり、全てのチップを一括して吸気する。組合せモジュールのチップ数が多い場合には、このような一括吸気装置を用いて、吸気システムを簡素化できる。
【００６４】
図１２ｄに示すものは線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップである。ガラス基板１０２２’上面に、ドットマトリクス状に配置された生体（化学）分子層１０２３’をＢタイプ前処理により作製した後、チップ本体１２２９上に嵌設し、光ファイバモジュール１０２７’がガラス基板１０２２’の後面に配置され、その間に屈折率を一致させる液体１０２８’が注入されるものであり、光ファイバアレイ１０２６’は干渉層ドットマトリクス１０２３’に一対一で対向しなければならない。押え体１２３０がシップの排気孔１２０６’の上部に圧接されている。吸気する場合、試薬が生体（化学）分子層１０２３’を流れるとともに、これと反応して、信号がガラス基板後面の光ファイバモジュール１０２５’内の光ファイバアレイ１０２６’を介して測定装置に送られる。
【００６５】
また、モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理を用いて、複数の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップを組合せモジュールに組立てることも可能である。
【００６６】
以上をまとめると、本考案が開示する白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップは、構造が簡単、小型化、製造コストが低廉、検出感度が高く、直線性が高く、標識または標識剤を必要とせずに、微量の試料を必要とするのみである等の長所を備える。しかも多種多様な形態の光ファイババイオチップを作製可能で、一回の動作プロセスにて単一試料の複数標識または複数標識の検査を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１ａ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｂ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｃ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｄ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図２ａ】従来の表面プラズモンセンサの断面概略図。
【図２ｂ】従来の表面プラズモンセンサのおける入射光の入射角と反射光の強度との間の関係曲線を示す図。
【図２ｃ】従来の光ファイバ表面プラズモンセンサのプローブの断面図。
【図２ｄ】従来の光ファイバ表面プラズモン反応生体プローブを用いたシステムブロック図。
【図３】従来のグレーティング出力の生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図４】従来の微小溝の反射干渉測定計であり、バイオセンサの第一時間ｔ１および第二時間ｔ２の反射波長と光強度との関係曲線を示す図。
【図５】従来の微小溝のバイオセンサに用いられる流路の断面概略図であり、このうちＯは抗体（すなわち目標分子）、Ｙは抗体（すなわちプローブ分子）を表す図。
【図６】従来の微小溝のバイオセンサにおける方法のシステム実現図。
【図７ａ】バイオセンサに用いられる生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図７ｂ】バイオセンサに用いられる生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図８】バイオセンサの基本実施形態を示す図。
【図９ａ】このバイオセンサで用いられる分光測定装置が受光する移動した分光分布図。
【図９ｂ】このバイオセンサで用いられる分光測定装置が受光する移動した分光分布図。
【図１０ａ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの１つの基本型を示す図。
【図１０ｂ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの別の１つの基本型を示す図。
【図１０ｃ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの更に別の１つの基本型を示す図。
【図１１】複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せを示す図。
【図１２ａ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｂ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｃ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｄ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１３ａ】線状アレイ／リング状光ファイバアレイのコンバータを示す図。
【図１３ｂ】面状アレイ／リング状光ファイバアレイのコンバータを示す図。
【図１４ａ】線状アレイ／リング状光ファイバアレイのカップリングシステムを示す図。
【図１４ｂ】面状アレイ／リング状光ファイバアレイのカップリングシステムを示す図。
【図１５】機械式の精密位置決め間欠回転機構を示す図。
【技術分野】
【０００１】
本考案は光電検出技術分野における検出装置に関し、詳細にはある種の特殊な生体（または化学）物質の存在および変化を検出するための白色光反射の分光位相偏移を応用した光ファイバアレイバイオチップに関する。
【背景技術】
【０００２】
試料中におけるある種の特殊な生体または化学物質の有無を検出するものは、ライフサイエンスの研究、医薬品開発および医学診断において常用される方法である。例えば、免疫検査においては、血漿中におけるある種の特殊な抗体の有無を検査する必要がある。抗原はその相補的な抗体とともに反応する物質であるため、これを用いて血漿中におけるその相補的な抗体の有無を検査することができる。生体検査では、拡散法、電気泳動法、蛍光法などの方法を用いてある種の抗体の有無を検出することができる。
【０００３】
拡散法は通常免疫試験に用いられ、これは血清の処理プロセスであり、抗体と抗原の溶液を細胞ゲル層の互いの間に拡散させることにより、抗原とこれに相補する抗体との作用が二種類の液体の間に一本の沈澱線として現れるものである。電気泳動法は複数の生体検出に広く用いられている。これはある試料の処理プロセスであり、電気泳動により生じたイオン移動により被検成分を分離して、さらに相補的な生体の拡散または標識作用によりこれらを観察するものである。蛍光法は生体反応を識別するプロセスであり、ある種の抗原が特殊な標識上に付着し、ある種の波長の光（例えば紫外線）が照射されたときに蛍光発光が発生し、これによりこの種の抗原の識別が容易になるものであり、その他の標識には更に放射性同位元素、電子、磁性、酵素標識などがある。
【０００４】
光ファイバ技術を用いて試験を行なう方法は、現在、主に光ファイバ蛍光と化学発光バイオセンサである。このような光ファイバのセンサは商品化応用および研究開発において最も広く汎用しているものとの一つとして考えられる。そしてそれぞれ異なる作用原理に基づくサンドイッチ型のバイオセンサおよびディスプレースメント型のバイオセンサという二種類のタイプの光ファイババイオセンサがすでに開発されている。これらの動作原理は図１ａ、図１ｂ、図１ｃおよび図１ｄに示すとおりである。便宜上、抗原抗体の試験を例として、この二種類のバイオセンサの動作原理を説明する。
【０００５】
図１ａに示すように、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサは以下のように動作する。末端に試薬１０２（例えば抗原）が塗布された光ファイバ１００を溶液１０４に浸し、溶液１０４中における試薬１０２と相補する抗体１０６の有無を検出する。もし溶液１０４中に相補的な抗体１０６が確かに存在している場合、該抗体は試薬１０２と結合する。光ファイバ１００は、十分な長さの反応時間を確保するために溶液１０４中に十分な長さの時間分浸し、その後塩水類で洗浄することになる。
【０００６】
図１ｂに示すように、符号１１２の蛍光標識剤が試薬１１０に吸着される。試薬１０２が塗布された光ファイバ１００およびその上に結合した抗体１０６を試薬１１０（例えば抗原）内に浸すと、標識１１２を有する試薬１１０が抗体１０６と結合する。光源（図示しない）が光ファイバ１００の根元部を照射すると、光ファイバ１００に沿って末端にまで導光され、試薬１０２、抗体１０６の順に照射し、最終的には抗体１０６に結合した蛍光標識１１２を有する試薬１１０を照射する。試薬１１０は光により励起され、蛍光信号を発する。以上から理解できるように、光ファイババイオセンサの末端は試薬１０２、抗体１０６および蛍光標識１１２を有する試薬１１０などの三層の物質を備えているため、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサと呼ばれる。サンドイッチ型の光ファイババイオセンサについては、試料中の抗体１０６の濃度が高いほど、蛍光標識を有する試薬１１０と更に多く結合するため、発せられる蛍光信号はより強くなる。
【０００７】
図１ｃに示すように、オフセット型の光ファイババイオセンサは光ファイバ１００とその末端に塗布された試薬１２０（例えばある種の抗原）とから構成されている。酵素標識１２４を有する試薬１２２（抗体）は透析能力を持つ薄膜１３０内に密封されている。試薬１２２（抗体）と試薬層１２０（抗原）とが相補する。したがって、試薬１２２は常に試薬層と結合する傾向にある。この装置を試料溶液１５０中に浸し、試料溶液１５０中における試薬１２０と相補する抗体１４０の有無を検査する。図１ｄに示すように、もし試料溶液１５０中に該抗体があると、この抗体は蛍光標識を有する試薬１２２と競合し、光ファイバ１００の末端の抗原層１２０と結合しようとする。このとき、光ファイバ１００の根元部に光源（図示しない）を付与すると、試薬層１２０と結合し標識を有する試薬１２２が光の励起により、蛍光信号を発する。この場合、試料溶液１５０中の抗体１４０濃度が高いほど、より多くの抗体１４０と光ファイバ１００末端の試薬１２０とが結合し、蛍光標識を有する試薬１２２と試薬１２０との結合量が減るほど、結果として発せられた蛍光信号の強度が弱くなる。したがって、抗体１４０の濃度と発せられる光強度とが反比例する。
【０００８】
上記の光ファイババイオセンサには少なからず欠点がある。サンドイッチ型の光ファイババイオセンサについては、光ファイバ１００を先ず試料溶液１０４に浸し、洗浄し、更に試薬１１０を含有する（標識１１２を有する）溶液１０８内に浸さなければならない。化学的検査では二つの異なる反応工程を経る必要があり、繁雑で、しかも、被検物の濃度がある閾値を超えたときのみ検出され、抗体１０６と試薬１０２の結合速度をリアルタイムで検出することはできない。さらに、化学的検査が繁雑で、そして大部分の標識（蛍光標識剤）は有毒で、サンドイッチ型の光ファイババイオセンサは体内での直接の検出に用いることはできない。
【０００９】
大部分の標識は保存時、特に光の下では不安定である。これ以外にも、上記方法中における光の強い信号は、例えば光源の不安定、温度変化、ファイバの屈曲に起因する光の損失など、環境およびノイズを含むシステムの影響を受けやすい。
【００１０】
ディスプレースメント型の光ファイババイオセンサについては、薄膜１３０がバイオセンサのコストとサイズの増大を招く。このようなセンサは大型で、試薬の標識も有毒である可能性があり、これもまた体内での検出に不向きである。
【００１１】
別のタイプの光学センサは表面プラズモン共鳴（ＳＰＲと略される）センサと呼ばれ、図２ａに示すように、薄い金属層２０４でめっき処理されたプリズム２０２を備え、金属層２０４がプリズムと絶縁体２０８との界面とされている。横方向で磁化され単方向に偏光した一本の光がプリズム２０２の一面に入射すると、金属層２０４で反射され、プリズムの他面に達する。反射されたビームの強度が、入射ビーム２０６の入射角θの大きさを計算するために検出される。図２ｂに示すように、屈折したビームの強度はある特殊な入射角θＳＰ箇所で突然下降するが、この角度において、入射光のエネルギーは金属絶縁体との境界面での励起により生じた表面プラズマ（またはＳＰ）の波形と一致する。もし一層の薄膜が薄膜金属層２０４上に堆積していると、特に金属層近傍で絶縁物質の有効屈折係数が変化してしまう。有効屈折係数は絶縁物質と堆積膜との厚さおよび密度の大きさに依存することから、もし堆積膜の膜厚に変化が生じると、屈折率も変化するため、臨界入射角θＳＰも変化してしまう。臨界入射角θＳＰの値を試算することにより、堆積膜の膜厚および密度が導きだされる。
【００１２】
さらに、別のタイプのバイオセンサは、グレーティングバイオセンサと呼ばれ、図３に示すように、入射した一本のレーザビーム３０２が平面導光体３０４の一端に進入する。平面導光体３０４は非常に薄い高屈折率膜３０６と、該膜の基体としてのガラス体３０８とを備える。薄膜３０６の一部表面にはグレーティング３１０が刻設されている。表面で突出したグレーティング３１０はレーザ光３０２をαの角度で平面導光体に射出するものであり、αは導光法線と光線との挟み角である。αの大きさはレーザ光の導光モードの有効屈折係数に関係する。
【００１３】
表面で突出したグレーティング３１０には先ず試薬層が塗布される。液体試料３１４を収容した容器３１２をグレーティング３１０上に装着するが、もし試料３１４中の物質と試薬層とが反応した場合、有効屈折係数に変化が生じ、出射角αが変化してしまう。
【００１４】
レンズ３１６は出射ビームを一次元の光センサ（またはＰＳＤ）３１８に集光させる。光センサ３１８の出力はＡ／Ｄコンバータ３２０によりサンプリングされ、コンピュータ３２２中に送られ分析される。有効屈折係数の変化による出射ビーム角度αの変化は、試薬およびそれに結合した物質が生成する薄膜の膜厚に関係することから、光点の移動量に基づいて該薄膜の膜厚を算出することができる。
【００１５】
グレーティングバイオセンサには数々の欠点がある。まず、センサの反応速度が遅いという、「ドリフト現象」と呼ばれているものである。もし試料が含有する被検物の濃度が低い場合、有効屈折係数の増加がドリフト現象によるものか否かを判断するのが難しい。第二に、グレーティングバイオセンサは遠距離の測定には使用できない。また、センサのサイズが大きいことから、体内での検出に適さない。このような大きなサイズは単一試料の数回の検出に不利で、しかもセンサが長すぎるため、大量の試料が必要となる。最後に、特にマイクロ型の場合、グレーティング内蔵型の平面導光体は複雑で且つ製造コストが嵩む、というものである。
【００１６】
また、微小溝薄膜の反射干渉を原理としたバイオセンサもある。図５に示すように、ガラスまたは石英からなる基板５１４上をポリスチレン膜５０２で被覆して生体基板５００を形成する。図６に示すように、生体基板５００を流路６０２の底部に配置し、シリコンを溝上部とする。複数本の石英光ファイバ６０４の一端を基板５１４の下面に接続する。光ファイバ６０４の他端の第一分岐６０６と分光測定装置６１０とを接続する。他の分岐６０８と光源６１２とを接続する（ 例えばキセノンランプまたは２０Ｗのハロゲンランプ）。
【００１７】
続いて、一定濃度の試薬５０４を含有する溶液（例えばある種の免疫抗原）を流路６０２に流し、これにより膜５０２上に抗原層５０４が付着する。流路を洗浄し、増加された抗原層５０４の厚さを一定に保持するが、このときタンパク質でこれを凝固させる。その後再度洗浄する。
【００１８】
最後に、試料溶液を流路６０２に一定時間内流す。もし試料溶液内に抗原５０４と相補する抗体５０６が含まれていると、これらは溝内で結合し、このようにして溝内膜の膜厚が増加することになる。タンパク質分子は通常、光源６１２が出射した光波の波長より短いため、増加した単一分子タンパク質層は膜厚を増加させたのみと見なされることができる。
【００１９】
分光測定装置６１０は異なる時間内における反射光波のスペクトルまたは強度を測定するものである。図４に示すように、膜厚が増加したとき、分光測定装置６１０の一回目の出力がＡ、二回目の出力がＢとされる。膜厚の増加量Δはフレネルの法則により確定する。つまり、薄膜反射の干渉光の強度Ｉは下記式により表すことができる。
【数１】
式中、Δは光路長であり、λは入射光の波長である。Ｉ1とＩ2の強度は近似していることから、両者は概ね等しいと考えることができる。
【００２０】
Ｉ1＝Ｉ2＝ＩＲとした場合、上記式は下記のように簡素化できる。
【数２】
したがって、有効光路長Δは反射光の光強度および光波の波長により確定できる。Δに基づいて膜厚を求めることができる。
【００２１】
上記の微小溝の干渉測定装置では、標識を必要とせず、しかも検出結果が最終的なデータに限らない等という長所があるものの、しかし数々の問題点がある。まず、微小溝のサイズが依然大きく、多量の試料が必要となるか、または高濃度の試料が要求される。次にこの方法では大量の並行試験の実現が確実に困難となる。最後に、大きなサイズは体内での検出に適さない、というものである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２２】
上記した従来技術に存在する欠点または不足に基づいて、バイオセンサは下記するいくつかの面で改善を施さなければならない。
（１）複数種および並行での化学的検査の目的を同時に実現可能なアレイ型バイオチップ。
（２）不安定または有毒な試薬または標識剤を使用しない。
（３）連続的にサンプリングすることで反応工程を監視し、同時に反応の最終値も測定できる。
（４）製造コストが低廉で、サイズが小さく、使用に便利。
（５）高感度で、線形域が大きい。
（６）非相補的な吸着を防止可能である。
【００２３】
本考案の目的は、白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップを提供するものであり、該チップは集積化された光ファイバが生体プローブとされ、プローブ上に塗布された生体または化学塗布層を薄膜反射干渉測定装置の感知基準とするものであり、このうちの少なくとも一層は被検目標生体（または化学）分子を吸着可能な相補材料である。被検分子が相補材料の表面または内部に吸着された後、反射干渉光の分光分布が変化する。このようなスペクトル線の偏移により、試料分子の濃度、吸着速度、および幾何学的寸法の変化を量的または質的に分析する。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
上記目的を実現するための技術において、白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップは、
ａ）線状アレイ光ファイババイオチップ、面状アレイ光ファイババイオチップ、面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップと、
ｂ）前記チップに対応した微小流路と、
ｃ）光ファイバアレイコンバータと、を備え、
前記線状アレイ光ファイババイオチップは、一つ以上の線状アレイ光ファイバモジュール１０００がチップ本体１００８内に封止されたものであり、前記線状アレイ光ファイバモジュール１０００は線状アレイに配列された光ファイバ１００１が密封器１００２内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイババイオチップは面状アレイ光ファイバモジュール１０１０がチップ本体１０１９内に封止されたものであり、前記面状アレイ光ファイバモジュールは面状アレイに配列された光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップは、ガラス基板１０２２表面を所望の生体（化学）分子層１０２３で被覆したものであり、生体（化学）分子層はドットマトリクス状に配置され、ガラス基板１０２２は微小流路体１０２４と一体に封止されており、光ファイバモジュール１０２５または光ファイバコンバータ１３００、１３０４はガラス基板１０２２の後面に配設され、これらの間に屈折率を一致させる液体１０２８が注入され、光ファイバモジュール１０２５または光ファイバコンバータ１３００、１３０４の全ての光ファイバ１０２６、１３０１または１３０５は生体（化学）分子層のドットマトリクス１０２３に一対一で対向していることを特徴とする。
【００２５】
本考案のその他の特徴は、前記光ファイババイオチップおよびこれに対応した微小流路の構造形式には、
１）線状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この線状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、
光ファイバ１００１が密封器１００２内に封止され光ファイバモジュール１０００を構成し、二つの光ファイバモジュール１０００ａおよび１０００ｂが相対的に平行に配置されて、微小流路１００５を形成し、微小流路１００５の両側が入口１００６および出口１００７に連通しており、出口１００７は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
２）面状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この面状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、
光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止され光ファイバモジュール１０１０を構成し、光ファイバ１０１１は線状アレイでも面状アレイでも配列可能であり、光ファイバモジュール１０１０はチップ本体１０１９の底部に垂直に嵌設されており、光ファイバ端面１０１３の前方は水平の微小流路１０１５であり、その両側は分配溝１０１４および１０１６にそれぞれ連通しており、分配溝１０１４および１０１６の上部はそれぞれ入口１０１７および出口１０１８であり、出口１０１８は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
３）面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型であって、
この面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型は、
ガラス基板１０２２上にドットマトリクス状に配置した生体（化学）分子層１０２３を作製し、これをもって前記チップの光ファイバモジュール表面１０１３と置換し、微小流路体１０２４がガラス基板１０２２上における生体（化学）分子層が作製された面に圧接され、ガラス基板１０２２の他面は光ファイバモジュール１０２５に接続され、両者の間には屈折率を一致させる液体１０２８が注入されているものと、
の三種類の基本型があり、
前記光ファイバチップおよびこれに対応する微小流路の構造形式は、前記三種類の基本型を基礎として、その他数種類の実用化されたチップ構造を開発することが可能である。
【００２６】
前記その他の実用化されたチップ構造とは、
１）複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せであって、
光ファイバ１１０１を均等距離で密封器１１０２内に封止して光ファイバモジュール１１００を構成し、光ファイバモジュールの上面が複数チャネルの微小流路体１１０３となり、その両端が入口１１０５および出口１１０６にそれぞれ連通し、押え板１１０７が下向きで微小流路体１１０３をチップ１１００上に圧接し、押え板１１０７の下面にはキャビティ１１０８が設けられ、該キャビティは全ての出口１１０６の上に配設されており、キャビティの上方には何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ１１０９が設けられているもの、
２）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップであって、
線状アレイ光ファイバモジュール１２００がチップ本体１２０３内に封止され、生体（化学）分子層が作製された光ファイバ端面１２０２を微小流路１２０５に対向させており、微小流路の一端が廃液室１２０７および出口１２０６に連通し、他端が吸引パイプ１２０４に連通しており、吸引パイプ１２０４の配列形態は試薬槽１２１０と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、押え体１２０９がチップ本体１２０３上に圧接され、吸気パイプ１２０８が押え体１２０９内に嵌設され、吸気パイプ１２０８は何らかの微流量ポンプに連通可能であるもの、
３）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールであって、
複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ１２０３’が押え体１２１２に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、また、押え体１２１５の下面に気体溝１２１３が設けられ、何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ１２１４が気体溝中央位置の上方に設けられ、全てのチップを一括に排気することも可能であるもの、
４）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップであって、
予めガラス基板１０２２’上面にドットマトリクス状の生体（化学）分子層１０２３’を作製し、そしてチップ本体１２２９上に嵌設し、光ファイバモジュール１０２７’をガラス基板１０２２’の後面に配置し、その間に屈折率を一致させる液体１０２８’を注入し、押え体１２３０がチップの排気孔１２０６’の上部に圧接され、押え体１２３０上の吸気パイプ１２１４’が何らかの微流量ポンプに連通可能であり、前記モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップと同様に、Ｎ個の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップ１２２９を並列にして組合せモジュールを構成することが可能であり、吸引パイプ１２０４’は試料容器１２１０’の位置と一致するように配列することが可能であり、Ｎの数は限定されないもの、
５）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップの組合せモジュールであって、
モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理で、複数の線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップ１２２９を組合せモジュールとして組立てるものであり、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよいもの、である。
【００２７】
前記光ファイバモジュール１０００、１０１０、１０２５、１１００および１２００の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、光ファイバ端面はさらに活性化処理、通常はシラン化処理が施されており、必要な際には最後に所望の生体（化学）分子層が被覆される。
【００２８】
本考案の光ファイバアレイバイオチップは集積化された光ファイバが生体プローブとされ、プローブ上に塗布された生体または化学塗布層を薄膜反射干渉測定装置の感知基準とするものであり、このうちの少なくとも一層は被検目標生体（または化学）分子を吸着可能な相補材料である。被検分子が相補材料の表面または内部に吸着された後、反射干渉光の分光分布が変化する。このようなスペクトル線の偏移が、つまり試料分子の濃度、吸着速度、および幾何学的寸法の変化を量的または質的に分析するのに用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本考案の光ファイバアレイバイオチップを詳細に説明する前に、その光ファイバプローブのバイオセンサについて説明しなければならない。
白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバプローブのバイオセンサは、
ａ）光源８０４と、
ｂ）光ファイバ生体プローブ７００と、
ｃ）反射ビームが形成する干渉分光パターンを検出する検出手段８１８、８２９と、
ｄ）光源と光ファイバプローブを接合し、光ファイバプローブと検出手段とを接合するカプラまたはコネクタ８０２と、
ｅ）検出手段８１８が二回検出した干渉分光パターンの位相を確定するとともに、二回のパターンの位相移動により確定された被検物質の濃度を検出する信号処理手段と、
信号処理手段は、マイクロプロセッサ８３０と、プログラム記憶手段８３２と、ＲＡＭ８３４とを備え、通常の方法で接続されており、
ｆ）位相トラッキング手段８２２と、
ｇ）出力手段８２４と、
ｈ）周期信号生成手段８２０と、
ｉ）光学カプラ８０８、８１２と
ｊ）導光手段８０６、８２８、８１６、８１４、８１０と、を備え、
光ファイバ生体プローブ７００は末端に試薬が塗布されている光ファイバであり、その根元部が入射ビームを受光し、その末端には一層以上の材料および試薬が塗布されている一本の光ファイバを含み、光ファイバ生体プローブは少なくとも入射ビームにより生じた反射ビームを発生させるものであり、光ファイバ生体プローブ７００はコネクタ８０２を介して光ファイバ生体検出装置の導光手段８１４に接続されている。
【００３０】
光源８０４は広帯域光源である。光源が出射したビームは、例えば光ファイバといった導光体に入射するものであり、「Ｙ」形の光学カプラ８０８を介して光学的な方法で導光手段８０６と他の導光手段８２８とを接続し、導光手段８２８は検出手段８２９に接続されており、前記検出手段８２９は分光測定装置であり、更に一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備えている。検出手段８２９は周期信号生成手段８２０に接続されている。
【００３１】
光学カプラ８１２は導光手段８１４と他の導光手段８１６とを接続しており、導光手段８１６は検出手段８１８に接続されており、前記検出手段８１８も分光測定装置であり、更に一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備えている。検出手段８１８は周期信号生成手段８２０に接続されている。
【００３２】
光学カプラ８０８は更に導光手段８０６と他の導光手段８１０とを光学的に接続し、光学カプラ８１２は導光手段８１０と他の導光手段８１４とを光学的に接続している。
導光手段８１４はカプラ８０２を介して生体プローブ７００に接続されている。
【００３３】
位相トラッキング手段８２２は周期信号生成手段８２０と、出力手段８２４と、信号処理手段とに接続されており、周期信号生成手段８２０もまた信号処理手段に接続されており、光源８０４と、検出手段８１８と、出力手段８２４はいずれも信号処理手段に接続されている。
導光手段８０６、８２８、８１６、８１４、８１０はシングルモードの光ファイバであるが、マルチモードの光ファイバを使用してもよく、光ファイバの直径は６μｍないし６００μｍの間とされる。
【００３４】
該光ファイバプローブの製造では、（ａ）光ファイバプローブの末端を試料溶液に浸し、（ｂ）光ファイバの根元部に光源を配設し、（ｃ）光ファイバ末端表面と試薬層との界面から反射して戻ってきた第一ビームと、試薬層と試料溶液との界面から反射して戻ってきた第二ビームとの二本のビームを少なくとも検出し、（ｄ）二本のビームが形成した干渉模様を一回目として検査し、（ｅ）二本のビームが形成した干渉模様を二回目として検査し、（ｆ）干渉模様に移動が生じたか否かにより試料溶液中に被検物質を含有するか否かを確定する、ステップを含む。物質の濃度は干渉模様の移動量および二回の検査で得られた模様の相違により確定される。
【００３５】
最良の結果を得るために、検出における各回は、（ａ）二本のビームが形成した干渉ビームを分光測定装置に送り、（ｂ）スペクトル図の分布に基づき周期関数を確定し、（ｃ）周期関数の位相を確定する、ステップが含まれるべきである。
【００３６】
該検出装置がより良好に実現されるためには、信号処理手段は周期信号生成手段と、位相トラッキング手段と、コンピュータとを備える。周期信号生成手段は、検出手段が一回目で検出した干渉模様から得られる第一周期信号と、検出手段が二回目で検出した干渉模様から得られる第二周期信号の二つの周期信号を生成する。位相トラッキング手段は第一周期信号と第二周期信号との位相を確定するものであり、コンピュータは位相差を確定するとともに、位相差から試料溶液中における被検物質の濃度を算出する。
【００３７】
該検出装置は更に他の実施形態を有する。検出装置は、光源に接続され、光源が提供するビームの周波数を調節する周波数調節手段を備える。この場合、信号処理手段は周波数調節手段と同期する。
【００３８】
ここで、線状アレイ／リング状および面状アレイ／リング状の光ファイバのカップリングシステムを説明する。該カップリングシステムは、
ａ）線状アレイ／リング状光ファイバコンバータと、
ｂ）面状アレイ／リング状光ファイバコンバータと、
ｃ）リング状光ファイバカプラと、
ｄ）Ｎ：１光ファイバカップリングシステムと、を備える。
線状アレイ／リング状光ファイバコンバータは線状アレイ光ファイバモジュール１３０１をリング状に配置された光ファイバモジュール１３０２に変換するための装置であり、二つの光ファイバモジュールは全てケーシング１３０４内に固定封止されており、該光ファイバコンバータの二つの端面はいずれも光学的に精密研磨されるとともに、広帯域の反射膜でめっき処理されている。
【００３９】
面状アレイ／リング状光ファイバコンバータは面状アレイ光ファイバモジュール１３０５の光ファイバの後端を均等間隔で配列するリング状光ファイバモジュール１３０６であり、二つの光ファイバモジュールは全てケーシング１３０７内に固定封止されており、該光ファイバコンバータの二つの端面はいずれも光学的に精密研磨されるとともに、広帯域の反射膜でめっき処理されている。
【００４０】
リング状光ファイバカプラは、以下の二つの部分から構成されている。
ａ）光ファイバ１４０４を円周運動させるための間欠回転手段であり、閉ループ制御のステップモータまたはサーボモータを駆動手段としつつ、機械式の間欠回転機構を駆動手段とすることも可能であり、溝付きカム１５０１と駆動カム１５０５を用いて構成される間欠回転機構は比較的理想的な方法の一つであり、また何らかの機械式の間欠駆動機構を駆動手段として用いることも可能であり、
ｂ）光ファイバ１４０４の円周運動における絡まりを防止するために、クランクリンク機構の原理で絡まり防止手段を設計することも可能であり、絡まり防止手段はスリーブ１４０６と、方向規制ロッド１４０７と、スライドブッシュ１４０８と、支持部材１４０９などの部材から構成され、このような原理に基づいて、その他形態の機構を設計することも可能である。
【００４１】
以下、図７ａ、７ｂ、８、９ａ、９ｂ、１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１１、１２ａ、１２ｂ、１２ｃおよび１２ｄ、１３ａ、１３ｂを合わせて本考案をより詳細に説明したい。
図７ａおよび７ｂに示すものは単一チャネルの光ファイババイオセンサの原理である。図７ａに示すように、光ファイバ生体プローブ７００は一本の光ファイバ７０２および光ファイバ７０２の末端に塗布された試薬７０４を備える。試薬７０４は例えば免疫抗原などのある種の抗原や、特殊な抗体、化学物質、ＤＮＡ断片、酵素またはタンパク質であり得る。一定濃度の試薬７０４を一定時間内で光ファイバ７０２の末端に塗布し、光ファイバ７０２に試薬層７０４が確実に形成されたのを確認した後、該装置を洗浄し包装する。当業者であれば、その他の方法で光ファイバ７０２の末端に試薬７０４を塗布することは可能であり、試薬の違いにより異なる塗布方法を決定すればよい。入射ビーム７１０が光ファイバの根元部から光ファイバの末端に伝搬される。試薬層７０４と光ファイバ７０２との境界面で第一ビーム反射光７１２が反射して戻され、同時に入射ビーム７１０の一部７１４が引続き試薬７０４を通過する。試薬７０４の露出した外面７０８上で、第二反射ビーム７１６が反射して戻され、そして入射ビーム７１０の他の一部７１８が引続き試薬層７０４近傍の媒体に向けて出射される。出入射ビーム７１０の一部７１４の反射した反射光７１６の一部７６０は光ファイバ７０２を介して根元部に伝搬され、反射光７１６の他の部分は境界面７０６で反射して試薬層７０４に戻される（図示しない）。
【００４２】
以下で詳述するように、光ファイバ７０２の根元部で、反射光７１２と７６０が検出および分析される。光ファイバ７０２におけるいずれかの所定点に沿って、光ファイバの根元部を備え、反射光７１２と７６０とには位相差が存在し、この位相差に基づいて、試薬層７０４の厚さを検出することができる。
【００４３】
図７ｂに示すように、プローブ７００を試料溶液７３４に浸し、抗原７０４に相補する抗体７３６の有無、および試料溶液７３４中における抗体７３６の濃度を検出する。抗体７３６と抗原７０４の特性によりこれらの間に特別な反応が生じるかが決定され、抗体７３６が試薬層７０４上に付着するので、一定時間内において、試薬層７０４上に抗体層７３２が形成される。しかしながら、非相補の抗体７３８は試薬層７０４上には付着しないよう、試料溶液７３４についてはプローブ７００と（抗体を除く）その他物質とが結着する可能性を低減しなければならない。つまり、プローブ７００上の試薬７０４においては非相補の抗体７３８とで結着が生じる可能性を減らす必要がある。
【００４４】
例えば、典型的な例を述べるならば、検出される分子（例えば抗原および抗体）のサイズは入射光７１０の波長より大幅に小さくしなければならない。したがって、光学的な見地から見ると、試薬層７０４と抗体層７３２は単一の層と見なすことができる。つまり、光学的な見地で言えば、図７ｂに示す試薬層７０４と抗体層７３２の境界面７３０は通常明確ではないということである。このように、図７ｂに示す試薬層７０４と抗体層７３２との複合層と図７ａにおける試薬層７０４とは相似性を有している。しかし、両層の合計厚さＳ２は単独の試薬層７０４よりも厚いため、したがって、図７ａ中のプローブ７００に似て、入射光７１０が光ファイバ７０２の末端に進入すると、光ファイバ７０２と複合層との境界面７０６上で、入射光７１０の一部７１２が反射して戻され、同時に、入射光７１０の他の部分７２０は引続き複合層と試料溶液７３４を通過し、７２０の一部７２４が反射して戻され、一方７２０の他の部分７２２は引続き試料溶液７３４を通過しており、反射光７２４については、反射光の一部７２６が光ファイバ７０２中に戻され、一方他の部分（図示しない）は境界面７０６により複合層中に反射される。
【００４５】
光ファイバ７０２におけるいずれかの所定点に沿って、光ファイバの根元部を備え、反射して戻ってきた反射光７１２と７２６とに位相差が現れ、この位相差に基づいて、複合層の厚さＳ２を検出することができる。
【００４６】
複合層の厚さＳ２と試薬層７０４の厚さＳ１とを比較することで、抗体層７０４の厚さを確定することができる。この厚さに基づいて、相補的な抗体７３６の試料溶液７３４中における有無を確定することができる。更に言えば、複合層の厚さＳ２は離散時点でサンプリングすることができる。この方法を用いて、複合層の厚さＳ２と試薬層７０４の厚さＳ１との厚さ差の増加の速度（例えば、抗体層７３２の厚さの増加速度）を検出することができる。この速度に基づいて、短い培養時間内で相補的な抗体７３６の試料溶液７３４中における濃度を測定することができる。
【００４７】
図８に記載するものは更に改善を施した前記生体プローブ７００を応用したバイオセンサの実現方法であり、再度重複するが、光ファイバ７０２および光ファイバ７０２の末端に塗布された試薬層７０４を内包した生体プローブ７００が、試料溶液７３４中に浸されるものであり、図中で拡大された部分から理解できるように、光ファイバの外被は光ファイバ芯から光ファイバ芯の末端までを覆っている。更に特別なことは、光ファイバの外被は光ファイバ芯を先端から尾端まで覆っており、試料溶液７３４は試験チューブ７８０内に収容され、光ファイバプローブ７００はコネクタ８０２を介してバイオセンサの光学分析装置８００に接続されているところである。
【００４８】
バイオセンサの光学分析装置８００は光源８０４と、分光測定装置８１８と、周期信号生成手段８２０と、位相トラッキング手段８２２と、出力手段８２４を備えている。バイオセンサの光学分析装置８００は、例えば、（１）外部のコンピュータまたはコンピュータネットワーク８２６のコマンドによるもの、（２）ＲＡＭ８３４を更に備え、プログラム記憶手段８３２が送出したコマンドを実行するマイクロプロセッサ８３０のコマンドによるもの、（３）特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）８３０が送出したコマンドによるもの、など数々の方法で実現することが可能である。
【００４９】
光源８０４は、例えば発光ダイオードなどの広帯域光源である。光源８０４はタングステンハロゲンランプでもよい。光源８０４が出射したビームは、例えば光ファイバといった導光体に入射するが、光学カプラ８０８を付加して、光学的な方法で導光手段８０６と他の導光手段８２８とを接続し、導光手段８２８が選択可能な分光測定装置８２９に接続されてもよい。分光測定装置８２９は、例えば１×１０２４の一次元の電荷結合素子（ＣＣＤ）を備え、周期信号生成手段８２０に接続されていることが最も好ましい。
【００５０】
光学カプラ８０８が導光手段８０６と他の導光手段８１０とを光学的に接合し、光学カプラ８１２は導光手段８１０と他の導光手段８１４とを光学的に接合し、導光手段８１４はカプラ８０２を介して生体プローブ７００に接続されている。
光学カプラ８１２は更に導光手段８１４と導光手段８１６とを接続し、導光手段８１６は分光測定装置８１８に接続され、分光測定装置８２９と同様に、分光測定装置８１８は例えば１×１０２４の一次元のＣＣＤを備え、周期信号生成手段に接続されていることが最も好ましい。
【００５１】
光源８０４が発した光は、導光手段８０６、光学カプラ８０８、導光手段８１０、光学カプラ８１２、導光手段８１４および光学カプラ８０２を通過して生体プローブ７００に受光される。上面から図７ｂを説明すると分かるように、反射して戻ってきた二本のビーム７１２および７２６は生体プローブを通過した後に戻され、しかもカプラ８０２、導光手段８１４および導光手段８１６を通過した後に分光測定装置８１８に受光される。上記のように、複合層は厚さＳ２を有するため、反射ビーム７１２と７２６とに微弱な位相偏移現象が見られる。したがって、フレネルの理論に基づき、反射ビーム７１２と７２６とで分光測定装置８１８上にて回折パターンが形成される。複合層の厚さＳ２の増加に伴い、回折パターンは移動する。
【００５２】
分光測定装置８１８がＣＣＤの画素を記録した後、周期信号生成手段８２０に周期信号波形が発生する。回折パターンにより決定された周期信号波形（例えば正弦波）の位相は位相トラッキング手段８２２により検出される。正弦波の位相を比較することで、この位相が異なる時間で分光測定装置によりサンプリングされ得られた回折パターンが決定され、複合層の厚さＳ２の増加速度が検出される。位相データを得た後または得たと同時に、Ｓ２の増加の速度を確定することができる。
【００５３】
図７ａに戻ると、生体プローブ７００が試料溶液７３４に浸される前に、試薬層７０４の厚さＳ１により、反射ビーム７１２と７６０とが形成する回折パターンも得ることができる。図９に示すものは分光測定装置８２０上における一次元のＣＣＤ素子が表示する回折パターンの一部分である（つまり生体プローブが試料溶液７３４に浸される前）。図９ｂに示すものは分光測定装置８２０上における一次元のＣＣＤ素子が表示する回折パターンの一部分である。図９ａと図９ｂとが示すパターンを比較すると、回折パターンに移動が見られる。移動量に基づいて、試料溶液７３４中における抗原７０４と相補する抗体７３６の有無が確定できる。生体プローブ７００が試料溶液７３４中に浸された後には、異なる時間での分光測定装置による一次元のＣＣＤに対するサンプリングの結果を通じて、パターンの移動変化の速度が検出されるとともに、これにより試料溶液７３４中における相補的な抗体７３６の濃度が確定される。
【００５４】
図８に示す実施形態においては、導光手段８０６、８１０、８１４、８１６および８２８は例えば通信レベル程度のシングルモード光ファイバでも、例えば段差状の光ファイバであるマルチモードのものを使用してもよい。光ファイバの直径は最小で３μｍで、通常は１００〜６００μｍである。
【００５５】
光学カプラ８０８および８１２は「Ｙ」型光ファイバが最も好ましいが、「Ｘ」型の光学カプラでもよい。しかし、仮に後者の光学カプラを使用する場合には、開放端での反射雑音（ノイズ）を消除するためにゲル化のマッチング指数を高めなければならない。
【００５６】
光源８０４と接合される分光測定装置８２９は、光源８０４であるレーザダイオードのスペクトルが不安定なときにのみ必要とされるものであり、特殊な状況とは、生体プローブ７００の末端の厚さ変化に起因する位相偏移と光源周波数の移動がもたらす位相偏移とを峻別すべき場合に、分光測定装置８２９が用いられることである。しかし、光源８０４であるレーザダイオードのスペクトルが安定しているならば、光源８０４および光学カプラ８０８と導光手段８２８は必要なくなる。
【００５７】
図１０ａに示すものは線状アレイ光ファイババイオチップの基本型の概略図である。光ファイバモジュール１０００は均等間隔で配列された光ファイバ１００１および密封器１００２から構成されており、光ファイバ１００１の二つの端面１００３および１００４は、最適の光伝搬および光コヒーレント性能を奏するために、それぞれ異なる媒体膜でめっき処理されている。光ファイバ端面１００４は、端面と生体（化学）分子とに極力強い結合性能を持たせるよう更に特殊な活性化処理が施され、そして所望の生体（化学）分子層で覆われる。このような処理工程は以下にて「Ｂタイプ前処理」とする。最後に前記二つの線状アレイ光ファイバモジュール１０００ａおよび１０００ｂをチップ本体１００８内に対称に配置し、対称に配置された二組の線状アレイ光ファイバ端面１００４ａおよび１００４ｂを微小距離で保持し、流体の微小流路１００５を形成する。入口１００６と出口１００７がそれぞれ微小流路１００５に連通され、位置決め用切欠き１００９でチップの正確な動作方向を確保できる。試薬は入口１００６から注入され、微小流路１００５に流入すると、全ての光ファイバ端面１００４と反応して、その後出口１００７に流れる。流体を流動させるために、制御可能な何らかの微流量ポンプが出口１００７に連通し、負圧吸引または加圧によって試薬を流動させている。
【００５８】
図１０ｂに示すものは面状アレイ光ファイババイオチップの基本型の概略図であり、光ファイバ１０１１が密封器１０１２内に封止されて光ファイバモジュール１０１０を構成しており、光ファイバモジュール１０１０はチップ本体１０１９の底部に垂直に嵌設されている。光ファイバモジュールの二つの端面１０１３および１０２０は、最適の光伝搬および光コヒーレント性能を奏するために、それぞれ異なる媒体膜でめっき処置され、そして端面１０１３は、端面と生体（化学）分子とに極力強い結合性能を持たせるよう更に特殊な活性化処理が施されており、このような処理工程は以下にて「Ａタイプ前処理」とするが、引続き所望の生体（化学）分子層で覆われる、つまり「Ｂタイプ前処理」を行なってもよい。光ファイバ端面１０１３の前方は水平の微小流路１０１５であり、その両側は分配溝１０１４および１０１６にそれぞれ連通しており、分配溝１０１４および１０１６の上部はそれぞれ入口１０１７および出口１０１８であり、位置決め溝１０２１でチップの正確な動作方向を確保できる。試薬が入口１０１７に注入され、分配溝１０１４を介して水平の微小流路１０１５に進入すると、全ての光ファイバ端面１０１３と反応して、その後分配溝１０１６を介して垂直出口１０１８に流れる。流体を流動させるために、制御可能な何らかの微流量ポンプが出口１０１８に連通し、負圧吸引または加圧によって試薬を流動させている。
【００５９】
図１０ｃに示すものは面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップの組合せ基本型である。ガラス基板１０２２の上面にＢタイプ前処理を施し、ドットマトリクス状に配置した生体（化学）分子層１０２３を形成し、これをもって図１０ｂに示すチップの光ファイバ端面１０１３と置換する。ガラス基板１０２２の下面は光ファイバモジュール１０２５に連通し、両者の間に屈折率を一致させる液体１０２８が注入されている。微小流路体１０２４がガラス基板の上部に圧接されているため、図１０ｂに示すチップに似た構造を構成している。試薬が入口１０１７’から注入された後、ガラス基板の表面を流れて、生体（化学）分子ドットマトリク１０２３と反応が生じるものであり、その反応プロセスの信号がガラス基板１０２２を透過して光ファイバモジュール１０２５に伝搬する。このモジュール中の全ての光ファイバ１０２６は当然のこと生体（化学）分子ドットマトリクス１０２３に一対一で対向しているため、信号は検出装置に伝送される。前記光ファイバモジュール１０２５には図１３ａの線状アレイ／リング状光ファイバコンバータまたは図１３ｂの面状アレイ／リング状光ファイバコンバータを直接用いることができる。
【００６０】
図１１は複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せである。光ファイバ１１０１を均等距離で密封器１１０２内に封止して光ファイバモジュール１１００を構成し、光ファイバの両端面１１１０および１１１１にＡタイプ前処理を施す。複数チャネルの微小流路体１１０３が光ファイバモジュール１１００上に圧接され、光ファイバ端面１１１０および複数チャネルの微小流路体１１０３とが微小流路１１０４を構成している。各種の試薬が各々の入口１１０５にそれぞれ注入された後、入口に連通している微小流路１１０４に進入し、対応する光ファイバ端面１１１０を流れ、各種試薬中の生体（化学）分子が光ファイバ端面１１１０をそれぞれ覆って、試薬は最終的に出口１１０６に流れ込む。押え板１１０７が下向きで複数チャネルの微小流路体１１０３と光ファイバモジュール１１００上に圧接され、押え板１１０７の下面にはキャビティ１１０８が設けられ、このキャビティは全ての出口１１０６の上に配設されており、キャビティの上方には制御可能な何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ１１０９が設けられている。動作時にはキャビティ１１０８が負圧または正圧となるため、試薬を微小流路１１０４内で一方向または往復流動させる。押え板１１０７と微小流路１１０３とを持上げることで、被覆が完了した光ファイバモジュール１１００を取出すことができる。
【００６１】
図１２ａに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイバチップである。Ｂタイプ前処理済みの光ファイバモジュール１２００がチップ本体１２０３内に嵌設される。押え体１２０９がチップ本体１２０３上に圧接され、吸気パイプ１２０８が押え体１２０９内に嵌設されており、その位置はちょうど排気孔１２０６と位置合わせされ、吸気パイプ１２０８が制御可能な何らかの微流量ポンプに連通しており、微流量ポンプが吸気を行なうと、チップ本体１２０３内が負圧となり、このとき、チップ本体１２０３に嵌設された吸引パイプ１２０４が試薬槽１２１０の試料溶液１２１１中に挿入され、試料が吸入されて微小流路１２０５に流れ、最終的には廃液室１２０７に流入する。このプロセスにて、各々の光ファイバ端面１２０２がそれぞれ試料と生体（化学）反応することで、単一試料の複数標識の検査が実現する。各々の光ファイバ端面１２０１は対応する光ファイバアレイコンバータに接合される。
【００６２】
図１２ｂに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールである。複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ１２０３’が押え体１２１２に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ１２０４’の配列形態は試薬槽１２１０’と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、全ての吸引パイプ１２０４は対応する試薬槽１２１０内に同時に延出し、複数試料の複数標識の検査が行なわれる。
【００６３】
図１２ｃに示すものはモスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュール一括吸気装置である。押え体１２１５が、複数のチップ本体１２０３’から構成されたモジュール上に圧接され、押え体１２１５の下方の凹溝１２１３が全てのチップの排気孔１２０６’に位置合わせされており、凹溝の上方は制御可能な何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ１２１４であり、全てのチップを一括して吸気する。組合せモジュールのチップ数が多い場合には、このような一括吸気装置を用いて、吸気システムを簡素化できる。
【００６４】
図１２ｄに示すものは線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップである。ガラス基板１０２２’上面に、ドットマトリクス状に配置された生体（化学）分子層１０２３’をＢタイプ前処理により作製した後、チップ本体１２２９上に嵌設し、光ファイバモジュール１０２７’がガラス基板１０２２’の後面に配置され、その間に屈折率を一致させる液体１０２８’が注入されるものであり、光ファイバアレイ１０２６’は干渉層ドットマトリクス１０２３’に一対一で対向しなければならない。押え体１２３０がシップの排気孔１２０６’の上部に圧接されている。吸気する場合、試薬が生体（化学）分子層１０２３’を流れるとともに、これと反応して、信号がガラス基板後面の光ファイバモジュール１０２５’内の光ファイバアレイ１０２６’を介して測定装置に送られる。
【００６５】
また、モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理を用いて、複数の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップを組合せモジュールに組立てることも可能である。
【００６６】
以上をまとめると、本考案が開示する白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップは、構造が簡単、小型化、製造コストが低廉、検出感度が高く、直線性が高く、標識または標識剤を必要とせずに、微量の試料を必要とするのみである等の長所を備える。しかも多種多様な形態の光ファイババイオチップを作製可能で、一回の動作プロセスにて単一試料の複数標識または複数標識の検査を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１ａ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｂ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｃ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図１ｄ】従来のサンドイッチ型、ディスプレースメント型、競合型の光ファイバ蛍光バイオセンサを示す図。
【図２ａ】従来の表面プラズモンセンサの断面概略図。
【図２ｂ】従来の表面プラズモンセンサのおける入射光の入射角と反射光の強度との間の関係曲線を示す図。
【図２ｃ】従来の光ファイバ表面プラズモンセンサのプローブの断面図。
【図２ｄ】従来の光ファイバ表面プラズモン反応生体プローブを用いたシステムブロック図。
【図３】従来のグレーティング出力の生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図４】従来の微小溝の反射干渉測定計であり、バイオセンサの第一時間ｔ１および第二時間ｔ２の反射波長と光強度との関係曲線を示す図。
【図５】従来の微小溝のバイオセンサに用いられる流路の断面概略図であり、このうちＯは抗体（すなわち目標分子）、Ｙは抗体（すなわちプローブ分子）を表す図。
【図６】従来の微小溝のバイオセンサにおける方法のシステム実現図。
【図７ａ】バイオセンサに用いられる生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図７ｂ】バイオセンサに用いられる生体プローブの動作プロセスを示す図。
【図８】バイオセンサの基本実施形態を示す図。
【図９ａ】このバイオセンサで用いられる分光測定装置が受光する移動した分光分布図。
【図９ｂ】このバイオセンサで用いられる分光測定装置が受光する移動した分光分布図。
【図１０ａ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの１つの基本型を示す図。
【図１０ｂ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの別の１つの基本型を示す図。
【図１０ｃ】三種類の光ファイバアレイバイオチップの更に別の１つの基本型を示す図。
【図１１】複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せを示す図。
【図１２ａ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｂ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｃ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１２ｄ】モスキート型光ファイババイオチップおよびその組合せモジュールを示す図。
【図１３ａ】線状アレイ／リング状光ファイバアレイのコンバータを示す図。
【図１３ｂ】面状アレイ／リング状光ファイバアレイのコンバータを示す図。
【図１４ａ】線状アレイ／リング状光ファイバアレイのカップリングシステムを示す図。
【図１４ｂ】面状アレイ／リング状光ファイバアレイのカップリングシステムを示す図。
【図１５】機械式の精密位置決め間欠回転機構を示す図。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
線状アレイ光ファイババイオチップと、面状アレイ光ファイババイオチップと、面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップとを含む白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップであって、
前記線状アレイ光ファイババイオチップは、一つ以上の線状アレイ光ファイバモジュール（１０００）がチップ本体（１００８）内に封止されたものであり、前記線状アレイ光ファイバモジュール（１０００）は線状アレイに配列された光ファイバ（１００１）が密封器（１００２）内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイババイオチップは面状アレイ光ファイバモジュール（１０１０）がチップ本体（１０１９）内に封止されたものであり、前記面状アレイ光ファイバモジュールは面状アレイに配列された光ファイバ（１０１１）が密封器（１０１２）内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップは、ガラス基板（１０２２）表面を所望の生体または化学分子層（１０２３）で被覆したものであり、生体または化学分子層はドットマトリクス状に配置され、ガラス基板（１０２２）は微小流路体（１０２４）と一体に封止されており、光ファイバモジュール（１０２５）または光ファイバコンバータ（１３００）、（１３０４）はガラス基板（１０２２）の後面に配設され、これらの間に屈折率を一致させる液体（１０２８）が注入され、光ファイバモジュール（１０２５）または光ファイバコンバータ（１３００）、（１３０４）の全ての光ファイバ（１０２６）、（１３０１）または（１３０５）は生体または化学分子層のドットマトリクス（１０２３）に一対一で対向していることを特徴とする白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項２】
前記光ファイババイオチップおよびこれに対応した微小流路の構造形式には、
１）線状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この線状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、光ファイバ（１００１）が密封器（１００２）内に封止され光ファイバモジュール（１０００）を構成し、二つの光ファイバモジュール（１０００ａ）および（１０００ｂ）が相対的に平行に配置されて、微小流路（１００５）を形成し、微小流路（１００５）の両側が入口（１００６）および出口（１００７）に連通しており、出口（１００７）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
２）面状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この面状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、光ファイバ（１０１１）が密封器（１０１２）内に封止され光ファイバモジュール（１０１０）を構成し、光ファイバ（１０１１）は線状アレイでも面状アレイでも配列可能であり、光ファイバモジュール（１０１０）はチップ本体（１０１９）の底部に垂直に嵌設されており、光ファイバ端面（１０１３）の前方は水平の微小流路（１０１５）であり、その両側は分配溝（１０１４）および（１０１６）にそれぞれ連通しており、分配溝（１０１４）および（１０１６）の上部はそれぞれ入口（１０１７）および出口（１０１８）であり、出口（１０１８）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
３）面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型であって、
この面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型は、ガラス基板（１０２２）上にドットマトリクス状に配置した生体または化学分子層（１０２３）を作製し、これをもって前記チップの光ファイバモジュール表面（１０１３）と置換し、微小流路体（１０２４）がガラス基板（１０２２）上における生体または化学分子層が作製された面に圧接され、ガラス基板（１０２２）の他面は光ファイバモジュール（１０２５）に接続され、両者の間には屈折率を一致させる液体（１０２８）が注入されているものと、
の三種類の基本型があり、
前記光ファイバチップおよびこれに対応する微小流路の構造形式は、前記三種類の基本型を基礎として、その他数種類の実用化されたチップ構造を開発することが可能であることを特徴とする請求項１記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項３】
前記その他の実用化されたチップ構造とは、
１）複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せであって、
光ファイバ（１１０１）を均等距離で密封器（１１０２）内に封止して光ファイバモジュール（１１００）を構成し、光ファイバモジュールの上面が複数チャネルの微小流路体（１１０３）となり、その両端が入口（１１０５）および出口（１１０６）にそれぞれ連通し、押え板（１１０７）が下向きで微小流路体（１１０３）をチップ（１１００）上に圧接し、押え板（１１０７）の下面にはキャビティ（１１０８）が設けられ、該キャビティは全ての出口（１１０６）の上に配設されており、キャビティの上方には何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ（１１０９）が設けられているもの、
２）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップであって、
線状アレイ光ファイバモジュール（１２００）がチップ本体（１２０３）内に封止され、生体（化学）分子層が作製された光ファイバ端面（１２０２）を微小流路（１２０５）に対向させており、微小流路の一端が廃液室（１２０７）および出口（１２０６）に連通し、他端が吸引パイプ（１２０４）に連通しており、吸引パイプ（１２０４）の配列形態は試薬槽（１２１０）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、押え体（１２０９）がチップ本体（１２０３）上に圧接され、吸気パイプ（１２０８）が押え体（１２０９）内に嵌設され、吸気パイプ（１２０８）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるもの、
３）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールであって、
複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ（１２０３’）が押え体（１２１２）に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ（１２０４’）の配列形態は試薬槽（１２１０’）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、また、押え体（１２１５）の下面に気体溝（１２１３）が設けられ、何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ（１２１４）が気体溝中央位置の上方に設けられ、全てのチップを一括に排気することも可能であるもの、
４）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップであって、
予めガラス基板（１０２２’）上面にドットマトリクス状の生体（化学）分子層（１０２３’）を作製し、そしてチップ本体（１２２９）上に嵌設し、光ファイバモジュール（１０２７’）をガラス基板（１０２２’）の後面に配置し、その間に屈折率を一致させる液体（１０２８’）を注入し、押え体（１２３０）がチップの排気孔（１２０６’）の上部に圧接され、押え体（１２３０）上の吸気パイプ（１２１４’）が何らかの微流量ポンプに連通可能であり、前記モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップと同様に、Ｎ個の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップ（１２２９）を並列にして組合せモジュールを構成することが可能であり、吸引パイプ（１２０４’）は試料容器（１２１０’）の位置と一致するように配列することが可能であり、Ｎの数は限定されないもの、
５）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップの組合せモジュールであって、
モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理で、複数の線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップ（１２２９）を組合せモジュールとして組立てるものであり、吸引パイプ（１２０４’）の配列形態は試薬槽（１２１０’）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよいもの、
であることを特徴とする請求項２記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項４】
前記光ファイバモジュール（１０００）、（１０１０）、（１０２５）の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、または広帯域の反射防止膜上を更に生体または化学分子層で被覆したことを特徴とする請求項１または２記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項５】
前記光ファイバモジュール（１１００）および（１２００）の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、または広帯域の反射防止膜上を更に生体または化学分子層で被覆したことを特徴とする請求項３記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項１】
線状アレイ光ファイババイオチップと、面状アレイ光ファイババイオチップと、面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップとを含む白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップであって、
前記線状アレイ光ファイババイオチップは、一つ以上の線状アレイ光ファイバモジュール（１０００）がチップ本体（１００８）内に封止されたものであり、前記線状アレイ光ファイバモジュール（１０００）は線状アレイに配列された光ファイバ（１００１）が密封器（１００２）内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイババイオチップは面状アレイ光ファイバモジュール（１０１０）がチップ本体（１０１９）内に封止されたものであり、前記面状アレイ光ファイバモジュールは面状アレイに配列された光ファイバ（１０１１）が密封器（１０１２）内に封止されたものであり、
前記面状アレイ光ファイバ−ガラス基板バイオチップは、ガラス基板（１０２２）表面を所望の生体または化学分子層（１０２３）で被覆したものであり、生体または化学分子層はドットマトリクス状に配置され、ガラス基板（１０２２）は微小流路体（１０２４）と一体に封止されており、光ファイバモジュール（１０２５）または光ファイバコンバータ（１３００）、（１３０４）はガラス基板（１０２２）の後面に配設され、これらの間に屈折率を一致させる液体（１０２８）が注入され、光ファイバモジュール（１０２５）または光ファイバコンバータ（１３００）、（１３０４）の全ての光ファイバ（１０２６）、（１３０１）または（１３０５）は生体または化学分子層のドットマトリクス（１０２３）に一対一で対向していることを特徴とする白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項２】
前記光ファイババイオチップおよびこれに対応した微小流路の構造形式には、
１）線状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この線状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、光ファイバ（１００１）が密封器（１００２）内に封止され光ファイバモジュール（１０００）を構成し、二つの光ファイバモジュール（１０００ａ）および（１０００ｂ）が相対的に平行に配置されて、微小流路（１００５）を形成し、微小流路（１００５）の両側が入口（１００６）および出口（１００７）に連通しており、出口（１００７）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
２）面状アレイ光ファイババイオチップの基本型であって、
この面状アレイ光ファイババイオチップの基本型は、光ファイバ（１０１１）が密封器（１０１２）内に封止され光ファイバモジュール（１０１０）を構成し、光ファイバ（１０１１）は線状アレイでも面状アレイでも配列可能であり、光ファイバモジュール（１０１０）はチップ本体（１０１９）の底部に垂直に嵌設されており、光ファイバ端面（１０１３）の前方は水平の微小流路（１０１５）であり、その両側は分配溝（１０１４）および（１０１６）にそれぞれ連通しており、分配溝（１０１４）および（１０１６）の上部はそれぞれ入口（１０１７）および出口（１０１８）であり、出口（１０１８）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるものと、
３）面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型であって、
この面状アレイ光ファイバ／ガラス基板バイオチップの組合せの基本型は、ガラス基板（１０２２）上にドットマトリクス状に配置した生体または化学分子層（１０２３）を作製し、これをもって前記チップの光ファイバモジュール表面（１０１３）と置換し、微小流路体（１０２４）がガラス基板（１０２２）上における生体または化学分子層が作製された面に圧接され、ガラス基板（１０２２）の他面は光ファイバモジュール（１０２５）に接続され、両者の間には屈折率を一致させる液体（１０２８）が注入されているものと、
の三種類の基本型があり、
前記光ファイバチップおよびこれに対応する微小流路の構造形式は、前記三種類の基本型を基礎として、その他数種類の実用化されたチップ構造を開発することが可能であることを特徴とする請求項１記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項３】
前記その他の実用化されたチップ構造とは、
１）複数チャネルの微小流路および線状アレイ光ファイババイオチップの組合せであって、
光ファイバ（１１０１）を均等距離で密封器（１１０２）内に封止して光ファイバモジュール（１１００）を構成し、光ファイバモジュールの上面が複数チャネルの微小流路体（１１０３）となり、その両端が入口（１１０５）および出口（１１０６）にそれぞれ連通し、押え板（１１０７）が下向きで微小流路体（１１０３）をチップ（１１００）上に圧接し、押え板（１１０７）の下面にはキャビティ（１１０８）が設けられ、該キャビティは全ての出口（１１０６）の上に配設されており、キャビティの上方には何らかの微流量ポンプに連通可能である吸気パイプ（１１０９）が設けられているもの、
２）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップであって、
線状アレイ光ファイバモジュール（１２００）がチップ本体（１２０３）内に封止され、生体（化学）分子層が作製された光ファイバ端面（１２０２）を微小流路（１２０５）に対向させており、微小流路の一端が廃液室（１２０７）および出口（１２０６）に連通し、他端が吸引パイプ（１２０４）に連通しており、吸引パイプ（１２０４）の配列形態は試薬槽（１２１０）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、押え体（１２０９）がチップ本体（１２０３）上に圧接され、吸気パイプ（１２０８）が押え体（１２０９）内に嵌設され、吸気パイプ（１２０８）は何らかの微流量ポンプに連通可能であるもの、
３）モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールであって、
複数のモスキート型線状アレイ光ファイバチップ（１２０３’）が押え体（１２１２）に並列に組合され、二次元の面状アレイチップが形成されており、吸引パイプ（１２０４’）の配列形態は試薬槽（１２１０’）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよく、また、押え体（１２１５）の下面に気体溝（１２１３）が設けられ、何らかの微流量ポンプに連通可能である排気パイプ（１２１４）が気体溝中央位置の上方に設けられ、全てのチップを一括に排気することも可能であるもの、
４）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップであって、
予めガラス基板（１０２２’）上面にドットマトリクス状の生体（化学）分子層（１０２３’）を作製し、そしてチップ本体（１２２９）上に嵌設し、光ファイバモジュール（１０２７’）をガラス基板（１０２２’）の後面に配置し、その間に屈折率を一致させる液体（１０２８’）を注入し、押え体（１２３０）がチップの排気孔（１２０６’）の上部に圧接され、押え体（１２３０）上の吸気パイプ（１２１４’）が何らかの微流量ポンプに連通可能であり、前記モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップと同様に、Ｎ個の線状アレイ光ファイバ−ガラス基板のモスキート型バイオチップ（１２２９）を並列にして組合せモジュールを構成することが可能であり、吸引パイプ（１２０４’）は試料容器（１２１０’）の位置と一致するように配列することが可能であり、Ｎの数は限定されないもの、
５）線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップの組合せモジュールであって、
モスキート型線状アレイ光ファイババイオチップの組合せモジュールと同じ原理で、複数の線状アレイ光ファイバ／ガラス基板のモスキート型バイオチップ（１２２９）を組合せモジュールとして組立てるものであり、吸引パイプ（１２０４’）の配列形態は試薬槽（１２１０’）と一致すべきであるが、一次元でも二次元的配列のいずれでもよいもの、
であることを特徴とする請求項２記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項４】
前記光ファイバモジュール（１０００）、（１０１０）、（１０２５）の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、または広帯域の反射防止膜上を更に生体または化学分子層で被覆したことを特徴とする請求項１または２記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【請求項５】
前記光ファイバモジュール（１１００）および（１２００）の端面はいずれも広帯域の反射防止膜でめっき処理され、または広帯域の反射防止膜上を更に生体または化学分子層で被覆したことを特徴とする請求項３記載の白色光反射干渉の分光変化規則に基づく光ファイバアレイバイオチップ。
【図１ａ】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１２ｃ】
【図１２ｄ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１５】
【図１ｂ】
【図１ｃ】
【図１ｄ】
【図２ａ】
【図２ｂ】
【図２ｃ】
【図２ｄ】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７ａ】
【図７ｂ】
【図８】
【図９ａ】
【図９ｂ】
【図１０ａ】
【図１０ｂ】
【図１０ｃ】
【図１１】
【図１２ａ】
【図１２ｂ】
【図１２ｃ】
【図１２ｄ】
【図１３ａ】
【図１３ｂ】
【図１４ａ】
【図１４ｂ】
【図１５】
【公表番号】特表２００７−５０１４０３（Ｐ２００７−５０１４０３Ａ）
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−５２９５５０（Ｐ２００６−５２９５５０）
【出願日】平成１６年４月２３日（２００４．４．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００４／０００３９０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０２１７０
【国際公開日】平成１６年１１月２５日（２００４．１１．２５）
【出願人】（５０５３９８７７８）フォルテバイオ，インク． (6)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成１９年１月２５日（２００７．１．２５）
【国際特許分類】
【出願日】平成１６年４月２３日（２００４．４．２３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＣＮ２００４／０００３９０
【国際公開番号】ＷＯ２００４／１０２１７０
【国際公開日】平成１６年１１月２５日（２００４．１１．２５）
【出願人】（５０５３９８７７８）フォルテバイオ，インク． (6)
【Ｆターム（参考）】
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