JP4382098B2 - 分析方法および分析装置 - Google Patents
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Description
本発明は、センサー表面上のサンプル領域の光学表面分析方法およびその装置に関するものである。
表面高感度測定技術に対する関心は近年著しく増大しているが、それと共に、分子相互作用を同定および定量化するいくつかの光学技術が開発されており、同技術はラベル処理を必要としない。これまでに最も頻繁に使用された光学技術は、表面プラズモン共鳴に基づいており、これは、以下にSPR(surface plasmon resonance)として頻繁に言及される。
本発明の目的は、上記欠点を克服し、高空間分解能で高屈折計感度および精度で、センサーチップまたはプレートの検知表面の大領域分析およびその顕微鏡測定法分析を可能にする光学方法および装置を提供することである。
(1)表面上の薄層構造を検査して、光学厚さの点で差異を求める方法であって、該方法は、
光が表面で内反射または外反射されるように、光で表面(SS)を照射する工程と、
二次元式第1光検出器(D1)上で反射光を画像化させる工程と、
角度範囲および/または波長範囲にわたり、光の入射角度および/または波長を経時的または連続的に走査する工程と、
同表面の異なる部分から反射された光の強度を測定し、かつ、少なくとも多数の入射角度および/または波長で、検出器の異なる部分に衝突させる工程であって、角度および/または波長についての同表面の各部から反射された光の強度が、その上の薄層構造の光学厚さに依存して決まる、工程と、
異なる光入射角度および/または波長の各々について検出された光強度から、同表面上の薄層構造の光学厚さ画像を判定する工程と
を含み、
表面で反射された光の一部が第2光検出器(D2)上で検出され、同表面を照射する偏向光の入射角度または波長をモニターすることを特徴とする、方法。
(2)前記入射角度または波長を判定するための前記光の前記部分は、点または線として前記第2検出器(D2)上に集光され、前記検出器上の該点または線の位置は、該入射光の角度または波長に関連づけられることを特徴とする、項目1に記載の方法。
(3)前記入射光の前記角度は走査されることを特徴とする、項目1または項目2に記載の方法。
(4)前記入射光の前記波長は走査されることを特徴とする、項目1または項目2に記載の方法。
(5)前記第1検出器および第2検出器(D1、D2)は、単一光検出器マトリクス配列の異なる部分であることを特徴とする、項目1から項目4のいずれかに記載の方法。
(6)前記光は非コヒーレントであることを特徴とする、項目1から項目5のいずれかに記載の方法。
(7)前記光はコヒーレントであることを特徴とする、項目1から項目5のいずれかに記載の方法。
(8)前記光は前記表面から全内反射されることを特徴とする、項目1から項目7のいずれかに記載の方法。
(9)前記光は、プリズム(Pr)または格子により前記表面(SS)に連結されることを特徴とする、項目8に記載の方法。
(10)反射対角度および/または波長の前記判定は、減衰波検知に基づくことを特徴とする、項目8または項目9に記載の方法。
(11)反射対角度および/または波長の前記判定は、表面プラズモン共鳴、ブリュースター角度、偏光測定、臨界角度、または漏れ全内反射導波路共鳴に基づいていることを特徴とする、項目10に記載の方法。
(12)前記光は前記表面から外反射されることを特徴とする、項目1から項目7のいずれかに記載の方法。
(13)反射対角度および/または波長の前記判定は、外ブリュースター角度または外偏光測定に基づいていることを特徴とする、項目12に記載の方法。
(14)前記表面(SS)は、多数のサブゾーンを有する化学または生化学センサー表面であり、各サブゾーンは特定分析物種と相互作用可能な反応物を支持し、前記表面は、1つ以上の該特定分析物種を含有すると推定されるサンプルと接触状態になり、該サンプル中にそれらが存在することを判定することを特徴とする、項目1から項目13のいずれかに記載の方法。
(15)前記入射光の前記入射角度および/または波長を判定するために使用される前記光は、とりわけ、前記サンプルによっては接触されない前記表面の一部において、前記薄層構造を提示しない前記表面の一部で反射されることを特徴とする、項目1から項目14のいずれかに記載の方法。
(16)前記方法は、前記表面上の前記厚さ画像に基づいて、対応する表面濃度、表面濃度変化、表面屈折率、表面屈折率変化、表面厚さ、および表面厚さ変化のうちの少なくとも1つを判定する工程を包含することを特徴とする、項目1から項目15のうちのいずれかに記載の方法。
(17)表面上の薄層構造を検査し、光学厚さの点で差異を求める装置であって、該装置は、
特にサンプルとの接触の結果として、変化する光学厚さの薄層構造を提示可能な多数のゾーンを備えた検知表面(SS)を有するセンサーユニットと、
光ビームを発する光源(LS)と、
光ビームをセンサーユニットに連結する光学手段(Pr)と、
第1光検出器手段(D1)と、
該センサー表面の異なる部分から該第1光検出器手段(D1)に反射する光を、該反射する光りの強度を検出するために画像化する手段と、
或る範囲の入射角度および/または波長にわたって、センサー表面への光入射を経時的または連続的に走査する手段(SM1、SM2)と、
該センサー表面に衝突する光の角度および/または波長の各々を判定する手段と、
反射光の検出強度と入射光角度および/または波長との間の関係から、該検知表面の各ゾーンの光学厚さを判定することにより、センサー表面の光学厚さの形態測定画像を生成する、評価手段とを備え、
該装置は、第2光検出器を備えること、および、光角度および/または波長を判定する手段が、検知表面で該第2光検出器手段へと反射される光の一部を集光する手段(SO,CL1,CL2)を備え、該第2光検出器手段(D2)で集光された光の各位置が、検知表面(SS)での光入射の特定角度および/または波長に関連することを特徴とする、装置。
(18)項目17に記載の装置であって、前記画像化手段は、その実像平面が前記第1光検出器手段(D1)の平面にある第1部分(SO)と、その背面集光面が前記第2光検出器手段(D2)の平面にある第2部分(SO、CL1、CL2)とを備える2焦点レンズシステムを備え、該背面集光面において、空間反射率が空間反射角度に変成されることを特徴とする、装置。
(19)前記装置は波長分散要素を含み、前記背面集光面において、前記空間反射率は空間反射波長に変成されることを特徴とする、項目17または18に記載の装置。
(20)前記第1光検出手段および前記第2光検出手段(D1、D2)は、光検出器要素のひとつの二次元マトリクス配列の異なる部分であることを特徴とする、項目17、18、または19のいずれかに記載の装置。
(21)前記光検出器マトリクス配列は、前記2焦点レンズシステムの画像平面に位置する第1主要検出器領域(D1)と、前記2焦点レンズシステムの前記背面集光面に位置する第2検出器領域(D2)とを備え、該第1主要検出器領域では、前記センサー表面の実像による各検出器要素が前記センサー表面の座標に対応するようにし、また、該第2検出器領域では、光の位置による各検出器要素が前記入射角度に対応するようにすることを特徴とする、項目20に記載の装置。
(22)前記光検出器マトリクス配列は、前記2焦点レンズシステムの前記画像平面に位置した第1主要検出器領域(D1)と、前記2焦点レンズシステムの前記背面集光面に位置した第2検出器領域(D2)とを備え、前記第1主要検出器領域では、前記センサー表面の前記実像による各検出器要素は前記センサー表面の座標に対応するようにし、そして前記第2検出器領域では、光の位置による各検出器要素が波長に対応するようにすることを特徴とした、項目20に記載の装置。
(23)前記走査手段は、実質的に静止した照射センサー表面領域と所与の角度間隔についての領域位置とに関して、前記センサー表面の角度走査された平行照射を発生するために、ビーム偏向手段(SM1、SM2)を備え、該センサー領域において、各表面ポイントは、同一の入射角度および波長の光線により瞬間的に照射されることを特徴とする、項目1から項目17〜22のいずれかに記載の装置。
(24)前記光学連結手段は、少なくとも1つの平面側部、または格子を有するプリズム(Pr)またはレンズのいずれかであることを特徴とする、項目17〜23のいずれかに記載の装置。
(25)前記評価手段は、p偏向光の最小反射率についての角度および/または波長、および/または、前記特定多数ゾーンの各々についての光のp偏光電界成分およびs偏光電界成分の相対反射率および位相を判定するための評価ユニットを備えることを特徴とする、項目17〜24のいずれかに記載の装置。
(26)前記評価手段は、前記検知表面の前記特定多数ゾーンの各々について、前記表面構造を算出および提示するための評価ユニットを備えることを特徴とする、項目17〜25のいずれかに記載の装置。
(27)前記検知表面(SS)は、サンプル中の種、特に生物分子と相互に結びつけることが可能な反応物質を支持し、検査されるべき前記薄い表面構造を生成することを特徴とする、項目17〜26のいずれかに記載の装置。
(28)
前記装置は、前記検知表面をサンプル溶液に晒すために、前記センサーユニットと接触状態にあるサンプル溶液容器を備えることを特徴とする、項目17〜27のいずれかに記載の装置。
(29)前記角度走査手段は、2つの相関関係にある振動ミラー(SM1、SM2)を備えることを特徴とする、項目17〜28のいずれかに記載の装置。
(30)前記角度走査手段は、振動または回転させられる固定構成の2つのミラーを備えることを特徴とする、項目17〜28のいずれかに記載の装置。
(31)前記角度走査手段は、振動平面ミラー(SM1)および凹状ミラー(Mc)を備えることを特徴とする、項目17から項目28のいずれかに記載の装置。
(32)前記角度走査手段は、一般に凹状の円筒型固定ミラーと組合わさった並進可能に移動する平面ミラーを備えることを特徴とする、項目17から項目28のいずれかに記載の装置。
(33)前記角度走査手段は、前記光学連結手段と組合わさった旋回自在移動平面ミラーを備えることを特徴とする、項目17から項目28のいずれかに記載の装置。
(34)前記角度走査手段は、前記光学連結手段と組合わさった回転多角形平面ミラーを備えることを特徴とする、項目17から項目28のいずれかに記載の装置。
(35)前記角度走査手段は、振動平面ミラーおよび第1集光光学コンポーネントを含む2つのテレセントリック角度スキャナーを備え、該第1集光光学コンポーネントは走査集光線を生じ、前記集光線ー集光面は第2集光光学コンポーネントの該集光線ー集光面と一致し、従って、走査入射角の平行ビームを生じることを特徴とする、項目17から項目28のいずれかに記載の装置。
(36)前記第1の集光光学コンポーネントおよび前記第2の集光光学コンポーネントは、凸状円筒型レンズであることを特徴とする、項目35に記載の装置。
(37)前記第1集光コンポーネントは凸状円筒型レンズであり、前記第2の事実上集光するコンポーネントは事実上集光する凹状円筒型レンズであることを特徴とする、項目35に記載の装置。
(38)前記第1集光コンポーネントは、発散(負)レンズの形態の事実上集光するコンポーネントであり、前記第2の集光コンポーネントは凸状円筒型レンズであることを特徴とする、項目35に記載の装置。
(39)前記角度走査手段は、旋回自在に移動する照射システムを備えることを特徴とする、項目35に記載の装置。
(40)項目18〜39のいずれか1項に記載の装置であって、前記2焦点レンズシステムの第1の部分が球状レンズシステム(SO)であり、該2焦点レンズシステムの第2の部分が円筒型レンズシステム(CL1、CL2)を組み合わせた球状レンズシステム(SO)である、装置。
(41) 前記光源(LS)は、実質的に単色かつ非コヒーレントの光を発することを特徴とする、項目17から項目40のいずれかに記載の装置。
(42) 前記光源は、干渉フィルタと組合わさった発光ダイオードであることを特徴とする、項目41に記載の装置。
(43) 前記光源(LS)は、実質的に単色かつコヒーレント光を発することを特徴とする、項目17から項目40のいずれかに記載の装置。
(44) 前記光源(LS)は、半導体ダイオードレーザ、色素レーザ、またはガスレーザであることを特徴とする、項目43に記載の装置。
(45) 前記ビーム偏向手段はホログラフィックビーム偏向器を備えることを特徴とする、項目44に記載の装置。
(46) 前記ビーム偏向手段が音響光学偏向装置を備える、項目23〜44のいずれか1項に記載の装置。
(47) 前記光源(LS)は連続光スペクトルを発し、更に、1種類を越える波長を連続的に提供するための走査モノクロメータと組み合わされることを特徴とする、項目17から項目46のいずれかに記載の装置。
(48) 前記第1および第2光検出器手段(D1、D2)の前記平面は、反射の前記平面に関して傾斜され、前記センサー表面の前記実像の前記集光面は、前記光検出器平面と一致することを特徴とする、項目17から項目47のいずれかに記載の装置。
(49) 前記装置は、傾斜した観察視野における、入射角度の範囲についての光連結素子の内部の焦点外れの屈折について補正を行う、楔形状の透明本体を備えることを特徴とする、項目17から項目48のいずれかに記載の装置。
(50) 前記装置は、全内反射対入射角度および/入射波長を判定する処理に基づいていることを特徴とする、項目17から項目49のいずれかに記載の装置。
(51) 前記内反射対入射角度および/または入射波長判定は、表面プラズモン共鳴、ブリュースター角度、偏光測定法、臨界角度、または漏れ全反射導波路共鳴に基づくことを特徴とする、項目50に記載の装置。
(52)前記サンプル溶液は、フローセルに含まれる、項目28〜51のいずれか1項に記載されている装置。
(53)前記センサーユニットは、前記装置で交換可能となるように設計されることを特徴とする、項目17から項目52のいずれかに記載の装置。
(54)前記センサーユニットは、前記光学連結手段、とりわけプリズム(Pr)または格子の統合部分であることを特徴とする、項目17から項目53のいずれかに記載の装置。
(55)前記センサーユニットは、前記検知表面ゾーンによりカバーされる第1部分と、入射角度および入射波長のうち少なくとも一方の走査中に、一定の屈折率を提供する第2部分とを備える、項目17から項目54のいずれかに記載の装置。
(56)前記装置は、前記センサーユニットと前記光学連結手段の両方の界面となるように設計された、交換可能な弾性光学連結部材を備えることを特徴とする、項目17から項目55のいずれかに記載の装置。
(57)前記評価手段は画像処理を提供し、同処理では、前記センサー表面についての検出非コヒーレント光反射率パターンは、前記入射角度と時間の両方に対して相関関係にあり、前記検知表面上の横方向光学厚さ分布の四次元実時間屈折率表示を作成することを特徴とする、項目17から項目56のいずれかに記載の装置。
(58)前記評価手段は画像処理を提供し、同処理では、前記センサー表面についての検出コヒーレント光反射率パターンおよび干渉パターンは、前記入射角度と時間の両方に対して相関関係にあり、前記検知表面上の横方向光学厚さ分布の四次元実時間屈折率測定表示を作成することを特徴とする、項目17から項目56のいずれかに記載の装置。
(59)前記評価手段は画像処理を提供し、同処理では、前記検知表面についての検出非コヒーレント光反射率パターンは、前記入射角度および/または波長と時間の両方に対して相関関係にあり、前記検知表面上の、前記全内反射で作られた減衰波の透過深さの関数として、横方向光学厚さ分布の五次元実時間屈折率表示を作成することを特徴とする、項目17から項目57のいずれかに記載の装置。
(60)前記評価手段は画像処理を提供し、同処理では、前記センサー表面についての検出非コヒーレント光反射率パターンおよび干渉パターンは、前記入射角度および/または波長と時間の両方に対して相関関係にあり、前記検知表面上の、前記全内反射で作られた減衰波の透過深さの関数として、横方向光学厚さ分布の五次元実時間屈折率表示を作成することを特徴とする、項目17から項目56のいずれかに記載の装置。
(61) 前記サンプル溶液容器は、ジェットフローが前記検知表面に対して直交方向に向けられる、ウォールジェットフローセルであることを特徴とする、項目51〜60に記載の装置。
(62)項目21〜60のいずれか1項に記載の装置であって、前記光検出マトリックス配列が、前記検出表面を画像化するための第1部分、および前記入射角度を判定するための第2部分を備え、そして、前記入射光の波長を判定する第3部分を備える、装置。
(63)項目1〜62のいずれか1項に記載の光学装置を較正するための方法であって、該方法が、以下の工程:
特定の較正センサーユニットを提供する工程であって、該較正センサーユニットの検知表面が、水平方向に分布するゾーンを備えており、該ゾーンの各々が、既知の屈折率の誘電性フィルムを有する、工程;
サンプル溶液と接触している、項目17、27および53〜55のいずれか1項に規定される特異的センサーユニットを提供する工程であって、該較正センサーユニットの検知表面が、水平方向に分布するゾーンを備えており、該ゾーンの各々が、既知の一定の屈折率を有する、工程
前記生成した実画像内の既知の屈折率ゾーンに対応する検出器素子からの電気信号、その対応する決定された、入射角および/または波長をメモリ上に記憶し、その結果として、最小の反射または最大の反射を介して測定した場合の共鳴に関する、角度または波長あるいは偏光状態の変化と前記誘電性フィルムの屈折率との間の既知の関係を取得する、工程
を包含することで特徴付けられる、方法。
(64)光学厚さ画像の前記判定工程は、
a) 前記第1検出器上の画素、または画素のクラスタを規定する工程であって、各画素または画素の各クラスタが前記表面上の多数の異なるゾーンのそれぞれのものに対応する、工程と、
b) 前記薄層構造の無い異なるゾーンから得られた反射率データを規格化および記憶し、データが全ての入射光角度および/または波長について同一となるようにする工程と、
c) 好適な数の角度および/または波長走査の間は、所定の期間にわたり、前記ゾーンに対応する前記画素の素子により検出される生データ画像をメモリに記憶させる工程と、
d) 前記表面上の一定反射率ゾーンおよび時間に対応して、前記第2検出器の1つまたは複数の画素列により検出された角度データおよび/または波長データをメモリに同時に記憶させる工程と、
e) 時間の関数として、モニターされた入射角度および/または波長を算出する工程と、
f) 算出された角度、時間、および/または波長に基づいて、生データ画像をメモリに記憶させる工程と、
g) 工程b)において画像規格化データを使用することにより、各記憶された生データについて、規格化された画像を算出する工程と、
h) 規格化された画像についての算出された角度、時間、および/または波長をメモリに記憶させる工程と、
i) 各ゾーンごとに、該規格化された画像メモリにおいて、規格化された反射率/角度/波長/時間についての対応データを反射率曲線対角度に変換し、各角度は走査範囲内の特定時間に対応し、かつ/または、反射率曲線対波長に翻訳し、各波長は走査範囲内の特定時間に対応する、工程と、
j) 各ゾーンごとに、該メモリにおいて、各走査ごとの最小反射率、最大反射率、および/または反射率曲線についての重心、ならびに中間時間において、角度および/または波長を算出する工程と、
k) 各ゾーンについて、該メモリにおいて、走査に対する角度シフトおよび/または波長シフト対中間時間を算出する工程と、
l) 各ゾーンごとに、該角度シフトおよび/または波長シフトから、表面濃度の変化、屈折率、または厚さを算出する工程と、
m) 選択されたゾーンについて、表面濃度、屈折率、または厚さの同時の内的および/または相対的変化を、グラフまたは表として提示する工程とを包含することを特徴とする、項目1から項目16のいずれかに記載の方法。
(65)前記規格化は、
a) 前記第1検出器マトリクス上の画素または画素のクラスタを規定し、各画素または画素のクラスタは、前記表面上の多数の異なるゾーンのそれぞれのものに対応する、工程と、
b) 前記ゾーン/画素または画素クラスタから、基準ゾーンとして使用されるべきゾーン/画素クラスタを規定する工程と、
c) 検出された集光強度曲線の位置と、わかっている入射角度および/または波長との間の関係を算出することにより、該角度および/または波長測定を較正する工程と、
d) 好適な数の角度および/または波長走査の間に、各ゾーンに対応して前記画素または画素クラスタにより検出された前記生データ画像を、メモリに記憶させる工程と、
e) 所定の数の角度および/または波長走査中に、前記一定反射率ゾーンに対応して前記1つまたは複数の画素列により検出された角度データおよび/または波長データを、時間の関数として第2のコンピュータメモリに記憶させる工程と、
f) モニターされた入射の角度および/または波長を、時間の関数として算出する工程と、
g) 関連する算出角度および/または波長、時間、ならびに生データ画像をメモリに記憶させる工程と、
h) 前記ゾーンの全てで全内反射を可能にする屈折率を有する媒体と、前記表面を接触させる工程と、
i) 前記生データ画像メモリに記憶された各生データ画像について、反射率規格化データマトリックスを算出する工程と、
j) 算出角度および/または波長、時間、ならびに画像規格化データを、メモリに記憶させる工程とを包含することを特徴とする、項目64に記載の方法。
(66)前記方法は、
前記検出器マトリクス上の前記画素のクラスタを選択し、各クラスタは前記表面上のそれぞれのゾーンの位置に対応し、更に、少なくとも1つの画素列は前記表面上の一定反射率ゾーンの位置に対応するようにする、工程と、
特定の中心画素を画像化されたゾーンの各々に割り当て、およびこの中心画素付近の近隣画素のクラスタを、センサーゾーンの画像の寸法の少なくとも1つ、該ゾーンの画像の形状、前記検出器マトリクスの画素の寸法、近隣画素についての反射率の検出された差、異なる数の画素およびクラスタ内の画素パターンの形状について、電子光感度およびノイズの差、および、画素の電子平均応答の統合時間として割り当てる工程とを含むことを特徴とする、項目64または項目65に記載の方法。
(67) 前記画像化表面ゾーンの各々と一定反射率ゾーンとに対応する前記特定の中心画素の前記割り当てがマニュアルで実施され、および、
ゾーンパターンを規定することにより、符合するデフォルト中心画素パターンの自動生成と、前記それぞれのゾーンの画像に対する、この生成されたデフォルト画素パターンの位置符合およびロック工程とを開始させる工程と、
前記入射角度および波長の少なくとも一方の走査中に、該画素パターンと前記表面ゾーンの画像とをスクリーン上で視覚化する工程とを更に包含することを特徴とする、項目66に記載の方法。
(68) 各画像化された表面ゾーンに対応する前記特定の中心画素と、前記特定の1つまたは複数の画素列とを、前記一定反射率ゾーンに割り当てる前記処理が、自動的に実施され、前記方法は、
表面ゾーンパターンを規定することにより、一致するデフォルト中心画素パターンの自動生成を開始させる工程と、
画像分析を実施して、前記画像内の前記表面ゾーンの位置および境界を判定する工程と、
前記表面ゾーンの前記判定された画像に対し、前記生成されたデフォルト画素パターンを位置符合およびロックする工程と、
前記入射角度および波長のうちの少なくとも一方の走査中に、前記画素パターンと前記表面ゾーンの画像とをスクリーン上で視覚化する工程とを更に含むことを特徴とする、項目66または項目67に記載の方法。
(69)コンピュータ手段を備える、項目17〜68のいずれか1項に記載の装置。
(70)前記コンピュータ手段が、項目64〜68のいずれか1項に記載の方法を実施するために設計されていることを特徴とする、項目69に記載の方法。
(71)前記装置は、前記光源(LS)と前記検出器(D)との間に設置され、光を偏光させる光学手段(P)を備えることを特徴とする、項目17〜62、69、および70のいずれかに記載の装置。
(72)前記光源(LS)は偏向光を発することを特徴とする、項目17〜62、69、および70のいずれかに記載の装置。
(73)項目1〜16のいずれか1項に記載の方法であって、光の角度および/または波長をモニターする光が、少なくとも1つの覆いおける少なくとも1つの開口を通ることで特徴付けられる、方法。
(74)前記装置は入射角度または入射波長のうち少なくとも一方について走査されるビームの少なくとも一部に位置する少なくとも1つの覆いにおいて、少なくとも1つの開口を備え、角度および/または波長をモニターするために使用される光ビームの断面形状を判定することを特徴とした、項目17から項目72のいずれかに記載の装置。
光が表面で内反射または外反射されるように、光で表面を照射する工程と、
二次元式第1光検出器上で反射光を画像化させる工程と、
角度範囲および/または波長範囲にわたり、光の入射角度および/または波長を経時的または連続的に走査する工程と、
同表面の異なる部分から反射された光の強度を測定し、かつ、少なくとも多数の入射角度および/または波長で、検出器の異なる部分に衝突させる工程であって、角度および/または波長についての同表面の各部から反射された光の強度が、その上の薄層構造の光学厚さで決まる、工程と、
異なる光入射角度および/または波長の各々について検出された光強度から、同表面上の薄層構造の光学厚さ画像を判定する工程とを含み、
同方法は、表面で反射された光の一部が第2光検出器上で検出され、同表面を照射する偏向光の入射角度または波長をモニターすることを特徴とする。
特にサンプルとの接触の結果として、変化する光学厚さの薄層構造を提示可能な多数のゾーンを備えた検知表面を有するセンサーユニットと、
光ビームを発する光源と、
光ビームをセンサーユニットに連結する光学手段と、
第1光検出器手段と、
或る範囲の入射角度および/または波長にわたって、センサー表面への光入射を経時的または連続的に走査する手段と、
同センサー表面の異なる部分から、反射光の強度を検出するための光検出器手段へと反射される光を画像化する手段と、
同センサー表面に衝突する光の角度および/または波長の各々を判定する手段と、
反射光の検出強度と入射光角度および/または波長との間の関係から、同検知表面の各ゾーンの光学厚さを判定することにより、センサー表面の光学厚さの形態測定画像を生成およびモニターする評価手段とを備え、
同装置は、第2光検出器を備えること、および、光角度および/または波長を判定する手段が、検知表面で同第2光検出器手段へと反射される光の一部を集光する手段を備え、同第2光検出器手段で集光された光の各位置が、検知表面での光入射の特定角度および/または波長に関連することを特徴とする。
背面集光面内の他の検出器素子は、集光された線の位置、すなわち入射角度を検出する。
- 絶対的および相対的反射最小波長のより高い解像度、
- より高い画像コントラストおよび画像コントラストの解像度、
- 反射画像データ検出用のより高い周波数、
- より高い光学機械的強度(より低い磨損性、より低い維持費)
- 向上した(より廉価でより迅速な)サーモスタットを可能にし、よって、向上した測定システム性能を可能にする、光学機械装置用のより小さい総体積、が挙げられる。
上述のように、本発明は、化学センサー表面またはバイオセンサー表面の実時間モニター処理のような、センサー表面上の構造の大面積分析または顕微鏡分析のための光学的方法およびその装置に関連する。通常は、センサー表面は複数の個別のサブゾーンまたは領域を有するが、同ゾーンでは、異なる相互作用が起こり、かつ、サブゾーン間で異なる光学厚さの薄層構造を生成し得る。かかる「複数スポット」表面は、多様な分析目的で使用され得る。例えば、表面上の異なるリガンドを支持する表面は、同表面上のそれぞれのリガンドに結着可能な1つ以上の種または分析物を含有し得るサンプルに左右され得る。それにより、サンプルは「1スポットで」いくつもの分析物の存在について分析され得る。他の例および用途は、当業者には容易に明白となる。
照射システムは、好適な単色波長で平行ビームを発生する。本発明の角度走査モードでは、ビームは平行ビームを発生する平面ミラーシステムにより走査され、入射角度は検知表面で走査されるが、検知表面における照射面積は、主として一定である。波長走査モードでは、光学コリメータと組み合わせた波長分散装置は、固定角度で検知表面に入射する平行ビームを発生する。
基本的には、走査装置は光ビーム偏向器である。偏向器は、反射型、屈折型、および回折型に分類可能である(音響光学スキャナー、ホログラフィックスキャナー)。走査パターンおよび走査運動は、ビーム変位量およびビーム変位率と、ビーム偏向量およびビーム偏向率との両方に関与して、込み入って相互に関連付けられる。走査運動は本質的に、回転運動、振動運動、並進運動の3種の基本運動に分類される。
本発明の方法および装置における反射率測定法が固定角度における入射波長の関数として実施される場合には、光源は、実像化および画像検出と組み合わせて、特定波長の各々で、一連の画像を経時的に生成する走査モノクロメータと組み合わされる。同じ画像検出器(または分離した検出器)のより小さい部分は、波長を測定するために使用される。この二重検出器機能が可能になるためには、このより小さな検出器部分は、波長分散要素と組み合わされ、同素子は異なる波長で光を空間的に分離する。
好ましい実施態様においては、平行光は、全内反射条件下で、センサー表面基材と実際のセンサー表面との間の界面に衝突する。基材/センサー表面は、上記の光学結合媒体と光学的接触状態になる、例えばガラスまたはプラスティックの透明基材を被膜する検知層から構成される、分離した交換可能なコンポーネントであり得る。基材は、センサー表面へと照射システムの光ビームを透過する連結プリズムに、屈折率の点で一致するべきである。代わりに、連結プリズムの平面側は基材であり得る。
顕微鏡モニターまたは大型領域モニターの程度の選択に依存して、当業者は好適な画像化システムを設計し得る。
1. 15 × 15 平方μメートルの画素寸法を有する光検出器配列と、6 × 8 平方ミリメートルの配列面積とを一緒に有する、倍率15Xの対物レンズは、1 × 1平方μメートルの方位分解能(lateral resolution)を有する、およそ0.4 × 0.5 平方ミリメートルの全センサー面積をモニターし得る。
2. 15 × 15 平方μメートルの画素寸法と、6 × 8 平方ミリメートルの配列面積とを有する、倍率0.2Xの対物レンズは、75 × 75 平方μメートルの方位分解能(lateral resolution)を有する、およそ 3 × 4 平方センチメートルの全センサー面積をモニターし得る。
モニターされた反応ゾーンの分析および提示用のコンピュータソフトウエアについての要件の概要を以下に挙げる。
a) 各センサーゾーンについて、中心画素および選択された数の近隣画素を含む、光検出器マトリクス上の画素のクラスターを規定する、
b) 測定工程について計時(clock)を開始する、
c) 所定の角度範囲にわたり、角度走査の駆動を開始する(駆動は、例えば、ステッピングモータまたは回転モータの制御もしくは振動ミラー用の移動コイル電流である)、
d) 光検出器マトリクスの2-D画像検出器部分から画像データメモリへ、各センサー表面ゾーンに対応する検出器画素からの平均2-D反射についての一連の生データ画像を読み出す、
e) 光検出器の角度検出器画素列(row)から角度データメモリへ、反射強度ピークについての一連の生データ(画素数、時間)を同時に読み出す、
f) 各2-D画像について、検出器画素列上のそれぞれの強度ピークの画素数から入射角度を算出する、
g) 画像/角度/時間マトリクスにおいて、それぞれの生データ画像についての角度および時間を記憶する、
h) 2-D画像の測定された反射率値から規格化マトリクスを算出し、規格化反射率が全ての角度について、センサーゾーン内部で同一である、および、
i) 規格化マトリクス(規格化データ、角度)を記憶する。
a) 測定過程について計時を開始する、
b) 所定の角度範囲にわたり、角度走査の駆動を開始する、
c) 光検出器マトリクスの2-D画像検出器部分から画像データメモリーへと、各センサー表面ゾーンに対応する検出器画素からの、平均2-D反射画像についての一連の生データを読み出す、
d) 光検出器の角度検出器画素列または同複数列(単数または複数)から角度データメモリーへと、反射強度ピークについての一連の生データ(画素数、時間)を同時に読み出す、
e) 各2-D画像について、検出器画素行列のそれぞれの強度ピークの画素数から入射角度を算出する、
f) 画像/角度/時間マトリクスにおけるそれぞれの画像について、角度および時間を記憶する、
g) それぞれの規格化マトリクスを用いて補正することにより、2-D画像の生データマトリクスから規格化2-D画像を算出する、
h) 規格化された画像/角度/時間マトリクスにおけるそれぞれの規格化画像について、角度および時間を記憶する、
i) 特定センサーゾーンと、規格化された画像/角度/時間マトリクスの対応部分とを選択する、
j) 反射曲線に関連する角度依存性についてのデータ(規格化反射率、角度)をコピーする、
k) j)におけるデータから、最小反射の角度および反射率を算出する、
l) 規格化反射マトリクスから、角度走査についての中間時間((開始時間 + 停止時間)/2)を算出する、
m) 最小反射角度(kにおける)におけると、最小反射角度/センサーゾーン/中間時間マトリクスにおける特定センサーゾーンとについて、中間時間を記憶する、
n) それぞれのセンサーゾーンと時間についての最小反射角度シフトを、センサーゾーンとサンプル反応前にともに得られた、センサーゾーンについての基準角度に関連させて算出する、
o) 角度シフトから、センサーゾーンの内部表面濃度を算出する、
p) 内部表面濃度をマトリクスに記憶する(表面濃度、中間時間)、
q) 次の特定センサー表面ゾーンを選択し、上記のように表面濃度を算出する、
r) 選択された基準ゾーンについて表面濃度格差を算出する、
s) 相対的表面濃度をマトリクスに記憶する(表面濃度格差、中間時間)、
t) それぞれの表面ゾーンについての時間の関数として、内部表面濃度と相対的表面濃度を、それぞれ、グラフと表に同時に提示する、
u) 次の角度走査の駆動を開始する、および
v) 最終分析時間まで、上記測定手順を反復する。
本発明の原理は、図22に記載されるシステムに類似する軸回転的に移動する照射システムの使用により、766 nm の中心波長の発光ダイオード、8 mm の直径のp偏光された平行ビームを提供するレンズおよびシート偏光器、3 nm の帯域の干渉フィルタ、図3、図4、および図5に従った画像化実施態様、およびビデオレコーダに接続されたCCD光検出器マトリクスを用いて、図24aから図24dに提示されるように変更された。図24a〜図24dにおいて暗色の右部分として画像化され、画像の約25%を占める覆い部は、図23の干渉フィルタIに位置決めされるが、ビーム断面に関して偏心されており、その結果、これはビーム幅の約15%を占める。
Claims (8)
- 分析装置であって、当該装置が、
多数のゾーンを備えた検知表面を有するセンサーユニットと、
上記検知表面を平行光ビームで照射するための手段と、
照射された検知表面からの反射光を光検出器の画像平面に画像化する手段と、
或る範囲の入射角度及び/又は波長にわたって、検知表面に入射する光の入射角度及び/又は波長を走査する手段と、
画像平面での画像と、検知表面を照射する光の入射角度及び/又は波長とを同時に検知する手段と、
画像の様々な部分の検出強度と入射角度及び/又は波長との関係から、検知表面の各ゾーンの光学的厚さを判定するための評価手段と
を備え、上記評価手段が、さらに、反射光のp偏光電界成分及びs偏光電界成分の相対位相を判定するように構成されている、装置。 - 前記同時に検知する手段が同じ光検出器手段を含む、請求項1記載の装置。
- 前記入射角度及び/又は波長を走査する手段が、前記検知表面の角度走査された平行照射を発生させるためのビーム偏向手段を備える、請求項1記載の装置。
- 前記検知表面が、サンプル中のサンプル中の分析物種と相互作用し得る反応物を支持する、請求項1記載の装置。
- 当該装置がセンサーユニットと接触したフローセルを備えていて、検知表面がサンプル溶液に曝される、請求項1記載の装置。
- 検知表面を照射するための前記平行光ビームが楕円偏光されている、請求項1記載の装置。
- 当該装置が、全内反射と入射角度及び/又は入射波長とに基づく分析用のものである、請求項1記載の装置
- 当該装置が、表面プラズモン共鳴に基づく分析用のものである、請求項7記載の装置。
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