JP2000508768A - 光学導波管検出を用いる分子検出装置および方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 結合部の標的分子は、結合部に近接する表面を有する光学導波管と、光学導波管に結合される導波管検出器とを用いて検出される。入射光線は、光学導波管の表面に対して横向きの軸に沿って結合部に照射される。入射光線は、標的分子に接続する光学インジケータに衝突して二次光を形成し、この二次光が光学導波管内に結合する。二次光は導波管検出器によって検出され、それにより標的分子が検出される。

Description

【発明の詳細な説明】 光学導波管検出を用いる分子検出装置および方法 技術分野 本発明は、光学導波管を用いる分子検出方法およびシステムに関する。 発明の背景 近年、分子検出のためのチップの開発に注がれる努力が増大しつつある。一般 に、分子検出チップは、結合部のアレイが配列される基板を備える。各結合部（ または交雑点）は、所定の構造を有する分子と結合する、あるいは交雑する各々 の分子受容体（レセプタ）を有する。サンプル溶液が分子検出チップに接触され 、サンプル内の分子が結合部の１つまたはそれ以上と結合あるいは交雑する。交 雑が起こる特定の結合部が検出され、サンプル内の１つ以上の分子構造が推論さ れる。 遺伝子配列決定のための分子検出チップがおおいに注目される。これらのチッ プは、DNAチップと呼ばれることが多いが、各々が個別の一本鎖DNAプローブを有 する選択的結合部のアレイを利用する。標的DNAと呼ばれる一本鎖 DNA片のサンプルをDNAチップと接触する。DNA片は、交雑プロセスにより１つ以 上のDNAプローブに付着する。どのDNAプローブがそれに交雑するDNA片を有する かを検出することにより、DNA片内部のヌクレオチド塩基の配列を決定すること ができる。 結合部において交雑現象を検出するために種々の方法が利用されてきた。ある 方法では、サンプル内の複数の分子の各々に放射性マーカが付着される。これで 分子受容体に対する分子の結合は、放射性マーカを検出することによって検出可 能になる。 他の検出法では、交雑が起こると選択的に発光する蛍光体などの蛍光性ラベル を利用する。これらの蛍光体は、基板の外部にあるポンプ光源により発光する。 外部の電荷結合素子（CCD：charge-coupled device）カメラが、発光蛍光体から の蛍光発光を検出するために利用される。 光学検出に基づくDNAチップは、「Real-TimeDetection of DNA Hybridization and Melting on Oligonucleotide Arrays by using Optical Wave Guides」（P roceedings of the National Academy of Sciences，Vol 92，pp.6379-6383）に 開示される。この論文に説明されるDNAチップは、結合部を規定する表面を有す るガラス基板を利用する。ガラス基板は、外部光源により光が入射される表面に 隣接する端部を有する。外部CCDカメラを利用して、交雑が起こる結合部におけ る散 乱光を検出する。 図面の簡単な説明 本発明は、添付の請求項に独自に明記される。しかし、以下の詳細な説明を添 付の図面と関連して参照することにより本発明の他の特徴がより明白になり、本 発明がもっとも良く理解頂けよう。 第１図は、本発明による分子検出装置の実施例のブロック図である。 第２図は、分子検出装置の別の実施例の概略断面図である。 第３図は、本発明による分子検出アレイの実施例の図である。 第４図は、本発明による分子検出アレイの別の実施例の図である。 第５図は、本発明による分子検出方法の実施例の流れ図である。 第６図は、本発明による分子検出方法の別の実施例の流れ図である。 好適な実施例の詳細説明 本発明の実施例は、結合部と光学検出器とを単独のチッ プ上に組み込む分子検出装置を有利に提供する。結合現象の検出可能性は、チッ プ上の光学導波管内に（散乱光または蛍光などの）二次光を伝播させることだけ で改善される。入射光が、光学導波管の表面に対して横向きの軸に沿って照射さ れる。 第１図は、本発明による分子検出装置の実施例のブロック図である。分子検出 装置は、結合部１４を規定する表面１２を有する光学導波管１０によって構成さ れる。通常、結合部１４は、検出しようとする標的分子２０に特定の親和力（ア フィニティ）を有する分子受容体１６を受け入れるために利用される。たとえば 、分子受容体１６は、標的分子２０内に含まれる少なくとも１つのヌクレオチド の相補鎖と交雑する少なくとも１つのヌクレオチド鎖を含むことができる。ここ では、分子受容体１６は、標的分子２０内の相補DNA配列を検出するDNAプローブ を含むことができる。しかし、本発明の範囲は、DNA分子交雑の検知に限らない ことに留意されたい。たとえば、本発明の実施例を、抗体−抗原結合の検出に利 用することもできる。 光源２２は、結合部１４に入射光線２４を照射する。入射光線２４は、光学導 波管１０の表面１２に対し横向きの軸２６に沿って送られる。好ましくは、軸２ ６は、表面１２に対し実質的に垂直であるので、入射光線２４は光学導波管１０ 内に直接的には結合しない。入射光線２４は、たとえば視準光線またはポンプ光 線の形態をとることができ る。 入射光線２４は、結合部１４に固定される光学インジケータ３０に衝突する。 光学インジケータ３０は、標的分子２０と分子受容体１６との間の結合現象を標 示する。光学インジケータ３０は、少なくとも１つの蛍光性分子を含むことがで きる。あるいは、光学インジケータ３０は、入射光線２４を散乱させる少なくと も１つの散乱部材を含むことができる。ここでは、光学インジケータ３０は、標 的分子２０に付着される散乱ビードの形態をとることができる。 入射光線２４が光学インジケータ３０に衝突すると、二次光３４が形成される 。蛍光性インジケータに関しては、二次光３４は光学インジケータ３０から放射 する蛍光を含む。散乱インジケータに関しては、二次光３４は光学インジケータ ３０からの散乱光を含む。 その形態に関わらず、二次光３４の一部分が光学導波管１０内に結合される。 光学導波管１０内の伝播界は表面１２に対して平行に進むので、入射光線２４は 光学導波管１０内に実質的に分離される。このため、表面１２で起こる蛍光現象 または散乱現象のみが光学導波管１０内に効率的に結合する。 二次光３４は、軸２６に対し横向きの方向に、光学導波管１０内を伝播する。 導波管検出器３６が光学導波管１０に結合され、二次光３４を検出する。二次光 ３４を検出することにより、分子検出装置は標的分子２０と分子受容体 １６との間の結合現象を検出する。 蛍光現象の分化を強化するために、光学導波管１０を入射光線２４は吸収する が二次光３４は吸収しない材料から作成することができる。ここでは、光学導波 管１０内に結合する入射光線２４の迷光部を、導波管検出器３６に到達する前に 減衰する。蛍光現象の分化は、表面１２に付着する蛍光分子の数を増やすことに よりさらに強化することができる。これは、多重蛍光染料分子を標的分子２０に 付着されるビードに付着することにより達成することができる。 任意で、反射部材３８を具備して、結合部１４を通過する入射光線２４の一部 を結合部１４に対して反射させる。反射部材３８は、入射光線２４の強度を上げ ることなく結合部１４の照度を強める場合に有益である。 第２図は、分子検出装置の別の実施例の概略断面図である。分子検出装置は、 基板４０上に作成される。基板４０は、好ましくは、シリコン・ウェハまたはガ ラスなどの平滑な基板部材により作成される。基板４０上に、オーミック・コン タクト４２が配置される。オーミック・コンタクト４２は、基板４０上に付着さ れるクロムなどの金属層によって形成することができる。 光検出器４４がオーミック・コンタクト４２上に配置される。好適な実施例に おいては、光検出器４４は、オーミック・コンタクト４２上に付着されるシリコ ン単結晶PINダイオード(a-Si PIN diode)により形成される。オーミッ ク・コンタクト４２は、PINダイオードのnコンタクトとなる。光検出器４４上に 第２オーミック層４６が配置される。第２オーミック層４６は、シリコン単結晶 PINダイオード上に付着されpコンタクトとなる。その結果得られる構造を１つ以 上の個別の検出器ダイオードにパターニングすることができる。 光学導波管５０が、基板４０上で光検出器４４に隣接して配置される。光学導 波管５０は、基板４０上に付着されるSiNなどの誘電性材料で形成することがで きる。蛍光検出のために、光学導波管５０は、入射光線は吸収するが蛍光は透過 する適切な組成のa-SiC材料により形成される。 光学導波管５０は、結合部５４を規定する上表面５２を有する。結合部５４は 、上表面５２に対し横向きの軸に沿って入射光線を受光する。入射光線が結合現 象を標示する光学インジケータ５６に衝突すると、二次光が生成される。二次光 は、光学導波管５０内に結合され光検出器４４に連通される。ここで結合現象は 、オーミック・コンタクト４２と第２オーミック・コンタクト４６との間に生成 される信号により検出される。 第３図は、本発明による分子検出アレイの実施例の図である。分子検出アレイ は、アレイとして配列される複数の結合部を規定する。実際には、複数の結合部 の各々が、対応する標的分子を検出する個別の分子受容体を受け入れる。各結合 部は、ポンプ光線により照射されて、光学導波管が 存在する場合は蛍光または散乱光などの二次光を生成する。 分子検出アレイは、基板62により支持される第１群の光学導波管６０を備える 。第１群の光学導波管６０の各々は、それと光学的に連通する結合部の個々の下 部集合を有する。これを、表面６８上に規定される結合部６６を有する第１光学 導波管６４により代表して示す。 第２群の光学導波管７０も基板６２上に支持される。第２群の光学導波管７０ の各々は、それと光学的に連通する結合部の個々の下部集合を有する。これを、 それに近接する結合部７４を有する第２光学導波管７２により代表して示す。 ある実施例においては、第１群の光学導波管６０は分子検出アレイ上の第２群 の光学導波管７０上方に位置する。ここでは、第１群の光学導波管６０と第２群 の光学導波管７０とは、それぞれ、ポンプ光線の軸に対し横向きに、好ましくは 垂直に向く平担面を有する。その結果、ポンプ光線は第１群の光学導波管６０と 第２群の光学導波管７０とに実質的に分離される。 別の実施例において、第１群の光学導波管６０と第２群の光学導波管７０とが 単独の平面上に位置する。ここでは、第１群の光学導波管６０と第２群の光学導 波管７０とが複数の結合部の各々に近接して単独面上で交差する。それに起因す る各交差領域は、ポンプ光線に対し横向きに、好ましくは垂直に向く平坦面を有 するので、ポンプ光線は実質 的にその中に分離される。 第１群の光学導波管６０と第２群の光学導波管７０とは、複数の結合部の各々 が第１群の導波管６０のうちの１つと、第２群の導波管７０のうちの１つとに光 学的に近接するように配置される。図示されるように、これは、第１群の光学導 波管６０を、各々が結合部の各行に近接するように配列し、第２群の光学導波管 ７０を各々が結合部の各列に近接するように配列することによって実行すること ができる。その結果、結合部において生成される二次光は結合部下方で２つの光 学導波管の平面内に等方的に結合される。この２つの光学導波管とは、第１群の 光学導波管６０のうちの１つと、第２群の光学導波管７０のうちの１つである。 分子検出アレイは、基板６２により支持される第１群の検出器７６と第２群の 検出器７８とをさらに備える。第１群の検出器７６の各々は、第１群の光学導波 管６０の各個に結合される。同様に、第２群の検出器７８の各々は、第２群の光 学導波管７０の各個に結合される。この構造を用いて、結合部で生成される二次 光が２つの検出器、すなわち第１群の検出器７６のうち１つと、第２群の検出器 ７８のうちの１つとにより検出される。検出器の各組み合わせから被検出信号を 読み取ることにより、一致する標的を持つ結合部を容易に識別することができる 。 この実施例における検出感度を、基板６２の背面８２に光反射性塗膜８０を利 用することにより２倍にすることが できる。光反射性塗膜８０は、結合部を貫通して結合部を照射するポンプ光線を 反射して、２回通過するように作用する。 第４図は、本発明による分子検出アレイの別の実施例の図である。分子検出ア レイは、アレイとして配列することのできる複数の結合部９０を規定する。本発 実施例においては、複数の結合部９０の各々が、それ自身の光学導波管と導波管 検出器とを有する。参照番号９２により標示される複数の結合部の代表的な１つ が詳細に図示される。 光学導波管９４は、結合部９２に近接して位置する。光学導波管９４は、基板 ９６により支持される。光学導波管９４は、１つ以上の分子受容体１００が付着 される表面９８を有する。表面９８は、ポンプ光線が結合部９２を照射するよう 向けられる軸１０２に対し横向きとなる。 導波管検出器１０４は、光学導波管９４に結合され、そこに結合される二次光 を検出する。導波管検出器１０４は、前述のように基板９６上に作成されるフォ トダイオードまたはその他の同様の光検出器によって具現することができる。好 ましくは、導波管検出器１０４は、結合部９２において実質的に光学導波管９４ を囲む形状とされる。導波管検出器１０４は、結合部９２を囲む、たとえば矩形 または円形の形状のいずれとしてもよい。導波管検出器１０４で結合部９２を囲 むことにより、光学導波管９４内に結合されるすべての二次光が導波管検出器１ ０４により収集され る。この構造は、隣接導波管同士の光学的クロストークを最小限に抑える際に有 用である。 読取装置１０６が導波管検出器１０４に結合され、結合部９２のマトリクス・ アドレス指定を可能にする。読取装置１０６は、相互接続部１０８により導波管 検出器１０４に結合される薄膜トランジスタの形態をとることができる。読取装 置１０６は、アクティブ・マトリクス・ディスプレイで用いられる標準的なマト リクス・アドレス指定技術を用いて、複数の電気コンタクトを介してアドレス指 定される。 第５図は、本発明による分子検出方法の実施例の流れ図である。ブロック１２ ０により示されるように、本方法は結合部に近接する表面を有する光学導波管を 設ける段階を備える。好ましくは、光学導波管は、本明細書に説明される分子検 出装置の実施例内に設けられるが、本方法に説明される段階は、説明された実施 例に制限されない。 ブロック１２２により示されるように、結合部に入射光線を照射する段階が実 行される。入射光線は、光学導波管の表面に対し横向きの軸に沿って照射される 。好ましくは、入射光線は表面に垂直な軸に沿って照射される。入射光線は、結 合部において結合される光学インジケータに衝突して二次光を形成し、この二次 光が光学導波管内に結合される。 任意で、ブロック１２４により示されるように、結合部 を通過する入射光線の一部を結合部に向けて反射する段階が実行される。この段 階は、結合部の照度を強化するために有益である。 ブロック１２６により示されるように、光学導波管内に結合する入射光線の迷 光部を濾波する任意の段階が実行される。前述のように、入射光線の迷光部は、 入射光を吸収して二次光を透過する導波管材料を利用して濾波することができる 。 ブロック１２８により示されるように、光学導波管内の二次光を検出する段階 が実行され、結合部における標的分子を検出する。好ましくは、この段階には、 基板上の光学導波管に結合され、それと一体化される導波管検出器から生成され る信号を検出する段階が含まれる。この信号は、検出される二次光の量を標示す る。ここで、この信号が所定の閾値を超えると標的分子が検出される。 第６図は、本発明による分子検出方法の別の実施例の流れ図である。ブロック １３０により示されるように、第１群の光学導波管を設ける段階が実行される。 第１群の光学導波管の各々は、それと光学的に連通する複数の結合部の個々の下 部集合を有する。ブロック１３２により示されるように、第２群の光学導波管を 提供する段階が実行される。第２群の光学導波管の各々は、それと光学的に連通 する複数の結合部の個々の下部集合を有する。そのため、複数の結合部の各々が 第１群の光学導波管の各個および第２群の 光学導波管の各個と光学的に連通する。 ブロック１３４によって示されるように、第１群の検出器を設ける段階が実行 される。第１群の検出器の各々は、第１群の光学導波管の各個と結合される。ブ ロック１３６によって示されるように、第２群の検出器を提供する段階が実行さ れる。第２群の検出器の各々は、第２群の光学導波管の各個と結合される。 好ましくは、ブロック１３０，１３２，１３４，１３６により示される段階が 、第３図の分子検出アレイを設ける段階によって実行される。しかし、これらの 段階は第３図の装置に制限されないことに留意されたい。 ブロック１３８によって示されるように、入射光線を複数の結合部のうち少な くとも１つの結合部に照射する段階が実行される。ここでは、たとえば、入射光 線を単独の結合部，結合部の行，結合部の列またはすべての結合部に照射するこ とができる。 任意で、ブロック１４０により示されるように、少なくとも１つの結合部を通 過する入射光線の一部分を少なくとも１つの結合部に向けて反射する段階が実行 される。この段階は、少なくとも１つの結合部の照度を強めるために有益である 。 第１群の光学導波管および第２群の光学導波管に結合する入射光線の迷光部を 濾波する別の任意の段階がブロック１４２により示されるように実行される。 ブロック１４４により示されるように、本方法は、第１群の検出器のうち１つ の検出器および第２群の検出器のうち１つの検出器において、二次光を検出する ことにより、複数の結合部のうち１つの結合部において標的分子を検出する段階 を含む。たとえば、第３図の装置の行−列構造を用いると、結合部の行に対応す る検出器および結合部の列に対応する検出器において二次光を検出することによ り、結合部において標的分子が検出される。 かくして、光学導波管検出を用いる分子検出装置および方法の好適な実施例を 含むいくつかの実施例と共に概念が説明された。 本発明の種々の実施例は、光学導波管内の伝播軸に対し横向きの入射光線を照 射するので、結合現象を標示する二次光のみが光学導波管内に結合されるという 点で大きな改善となる。その結果、導波管検出器から見た二次光の入射光線との 弁別が大幅に改善される。 また、本明細書に説明される本発明の種々の実施例は、分子検出器のアレイに おいて結合現象を読み取るためのマトリクス・アドレス指定法を提供する。 開示された発明は、多くの方法で修正が可能であり、上記に明記および説明さ れた好適な実施例の他にも多くの実施例が可能であることは当業者には明白であ ろう。 従って、本発明の精神と範囲に入る本発明のすべての実施例を添付の請求項に より包含するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，Ｌ Ｕ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ， ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＫＥ，ＬＳ，ＭＷ，Ｓ Ｄ，ＳＺ，ＵＧ)，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ，ＡＵ，ＡＺ，Ｂ Ａ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＵ ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＥ， ＨＵ，ＩＬ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＥ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，Ｋ Ｚ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＤ ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ，ＭＷ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ， ＰＴ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，Ｔ Ｊ，ＴＭ，ＴＲ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 マラカス，ジョージ・エヌ アメリカ合衆国アリゾナ州フェニックス、 イースト・ビッグホーン・アベニュー2614 (72)発明者 ハーベイ ザ・サード，トーマス・ビー アメリカ合衆国アリゾナ州スコッツデー ル、ノース・80ス・ウェイ8919

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．分子検出方法であって： 結合部に近接する表面を有する光学導波管を設ける段階； 前記光学導波管の前記表面に対して横向きの軸に沿って、前記結合部に入射光 線を照射する段階であって、前記入射光線は前記結合部において結合する光学イ ンジケータに衝突して、前記光学導波管に結合される二次光を形成する段階；お よび 前記光学導波管において前記二次光を検出する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ２．前記光学インジケータが前記結合部における標的分子と分子受容体との結 合に関連することを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記分子受容体が少なくとも１つのヌクレオチド鎖を含み、前記標的分子 が少なくとも１つのヌクレオチドの相補鎖を含むことを特徴とする請求項２記載 の方法。 ４．結合部に近接する表面を有する光学導波管であって、前記結合部が前記表 面に対して横向きの軸に沿って照射される入射光線を受光する光学導波管；およ び 前記光学導波管に結合される導波管検出器； によって構成され、前記入射光線が前記結合部において光学インジケータに衝 突すると二次光が形成され、前記二次光は前記光学導波管に結合されて前記導波 管検出器によ り検出されることを特徴とする分子検出装置。 ５．前記分子受容体がDNAプローブを含み、前記標的分子がDNA分子を含むこと を特徴とする請求項４記載の分子検出装置。 ６．前記光学導波管および前記導波管検出器を支持する基板によってさらに構 成されることを特徴とする請求項４記載の分子検出装置。 ７．分子検出方法であって： 各々がそれと光学的に連通する複数の結合部の個々の下部集合を有する第１群 の光学導波管を設ける段階； 各々がそれと光学的に連通する複数の結合部の個々の下部集合を有する第２群 の光学導波管を設ける段階であって、前記複数の結合部の各々が前記第１群の光 学導波管の各個および前記第２群の光学導波管の各個と光学的に連通する段階； 各々が前記第１群の光学導波管の各個と結合される第１群の検出器を設ける段 階； 各々が前記第２群の光学導波管の各個と結合される第２群の検出器を設ける段 階； 前記複数の結合部のうち少なくとも１つの結合部に対し入射光線を照射する段 階；および 前記第１群の検出器のうちの１つおよび前記第２群の検出器のうちの１つにお いて二次光を検出することにより、前記複数の結合部の１つにおける標的分子を 検出する段階； によって構成されることを特徴とする方法。 ８．前記入射光線が前記複数の結合部の１つにおいて結合する光学インジケー タに衝突して前記光学導波管に結合される二次光を形成することを特徴とする請 求項７記載の方法。 ９．各々がそれと光学的に連通する複数の結合部の個々の下部集合を有する第 １群の光学導波管； 各々がそれと光学的に連通する複数の結合部の個々の下部集合を有する第２群 の光学導波管； 各々が前記第１群の光学導波管の各個に結合される第１群の検出器；および 各々が前記第２群の光学導波管の各個に結合される第２群の検出器； によって構成され、前記複数の結合部の各々が前記第１群の光学導波管の各個 および前記第２群の光学導波管の各個と光学的に連通し、結合部における標的分 子を標示する二次光が前記第１群の検出器のうちの１つと前記第２群の検出器の うちの１つとによって検出されることを特徴とする分子検出装置。 １０．入射光線が前記結合部において光学インジケータに衝突すると二次光が 形成されることを特徴とする請求項９記載の分子検出装置。