特許 6890669 微小毛細血管における生体分子の高効率な光学的検出

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6890669

(24)【登録日】2021年5月27日

(45)【発行日】2021年6月18日

(54)【発明の名称】微小毛細血管における生体分子の高効率な光学的検出

(51)【国際特許分類】

   G01N 21/05 20060101AFI20210607BHJP

   G01N 21/64 20060101ALI20210607BHJP

   G01N 15/00 20060101ALI20210607BHJP

【ＦＩ】

   G01N21/05

   G01N21/64 G

   G01N15/00 A

   G01N15/00 B

【請求項の数】26

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2019-544876(P2019-544876)

(86)(22)【出願日】2018年2月19日

(65)【公表番号】特表2020-510191(P2020-510191A)

(43)【公表日】2020年4月2日

(86)【国際出願番号】US2018018648

(87)【国際公開番号】WO2018152479

(87)【国際公開日】20180823

【審査請求日】2019年10月16日

(31)【優先権主張番号】62/461,166

(32)【優先日】2017年2月20日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】505093840

【氏名又は名称】ザ リージェンツ オブ ザ ユニヴァーシティ オブ カリフォルニア

【氏名又は名称原語表記】Ｔｈｅ Ｒｅｇｅｎｔｓ ｏｆ ｔｈｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ

(74)【代理人】

【識別番号】100114890

【弁理士】

【氏名又は名称】アインゼル・フェリックス＝ラインハルト

(74)【代理人】

【識別番号】100098501

【弁理士】

【氏名又は名称】森田 拓

(74)【代理人】

【識別番号】100116403

【弁理士】

【氏名又は名称】前川 純一

(74)【代理人】

【識別番号】100135633

【弁理士】

【氏名又は名称】二宮 浩康

(74)【代理人】

【識別番号】100162880

【弁理士】

【氏名又は名称】上島 類

(72)【発明者】

【氏名】ホルガー シュミット

【審査官】 嶋田 行志

(56)【参考文献】

【文献】 特表２００８−５３６１２９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１６／０３８０１５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 国際公開第２０１６／０３８１０８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 実開平０４−０７０６０７（ＪＰ，Ｕ）

【文献】 特開２０１３−０８８３６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００５−１４１００９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００４−５２９３４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平０７−０２７９２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１６−５０３４８９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許第０６０２０２０７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１９５５７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００９／００３２７３０（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 Optical waveguides with an aqueous core and a low-index nanoporous cladding，OPTICS EXPRESS，２００４年１２月２７日，Vol. 12, No. 26，pp. 6446-6455，doi: 10.1364/OPEX.12.006446

【文献】 A Multi-D-Shaped Optical Fiber for Refractive Index Sensing，Sensors，２０１０年，Vol. 10，pp. 4794-4804

【文献】 Integrated optical waveguides with liquid cores，APPLIED PHYSICS LETTERS，２００４年，Vol. 85, No. 16，pp. 3477-3479

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ ２１／００−２１／７４

Ｇ０１Ｎ １５／００−１５／１４

Ｇ０１Ｎ ３３／４８−３３／９８

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＯＳＡ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ

Ｓｃｉｔａｔｉｏｎ

Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｄｉｒｅｃｔ

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

粒子検出のための方法であって、
光源により、液体コア導波路における１つ又は複数の粒子に光を当てるステップであって、前記液体コア導波路が
第１屈折率を有する第１クラッド層と、
中空コアであって、前記導波路を通って延在するとともに前記中空コア内部に液体を含む中空コアであり、前記液体が前記第１屈折率より高い第２屈折率を有する中空コアと、
前記第１クラッド層と前記中空コアとの間の第２クラッド層であって、前記第２屈折率と同じ第３屈折率を有するか、前記第２屈折率の＋／−１０％以内である第３屈折率を有し、少なくとも１μｍ以上の厚さを有する第２クラッド層と
を含むステップと、
検出器により、前記１つ又は複数の粒子から放射された光を検出するステップと
を含む方法。

【請求項2】

前記１つ又は複数の粒子に光を当てる前に前記１つ又は複数の粒子を前記液体に導入するステップをさらに含む、請求項１に記載の方法。

【請求項3】

前記１つ又は複数の粒子に光を当てる前に前記液体を前記中空コアに導入するステップをさらに含む、請求項１又は２に記載の方法。

【請求項4】

前記第１屈折率が２以下、１．８以下、１．６以下、又は１．４以下である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項5】

前記第２屈折率が２以上、１．８以上、１．６以上、又は１．４以上である、請求項１〜３のいずれか一項に記載の方法。

【請求項6】

前記導波路が、総内部反射を介して前記光源から光を伝送するように構成される、請求項１〜５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項7】

前記導波路が、前記光源からの光が連結する基本横電磁モードを有する、請求項１〜６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項8】

前記導波路が、前記基本横電磁モードの強度が、前記第１クラッド層と前記中空コアとの間のインターフェイスで非ゼロ値を有するように構成される、請求項７に記載の方法。

【請求項9】

前記導波路が、前記第１クラッド層と前記中空コアとの間のインターフェイスでの前記基本横電磁モードの強度が、前記基本横電気モードの最大強度の２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、又は９９％以上であるように構成される、請求項７又は８に記載の方法。

【請求項10】

前記中空コアが、幅が２０μｍ以下、１０μｍ以下、５μｍ以下、又は１μｍ以下である、請求項１〜９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項11】

前記第１クラッド層が、厚さが１０μｍ以下、５μｍ以下、１μｍ以下、０．５μｍ以下、又は０．１μｍ以下である、請求項１〜１０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項12】

第１クラッド層が、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、又は窒化ケイ素、ＰＤＭＳ、又は１つ若しくは複数のプラスチックの１つ又は複数を含む、請求項１〜１１のいずれか一項に記載の方法。

【請求項13】

前記液体コア導波路が、幅が２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下であるとともに、長さが２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下である基板に配置されている、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の方法。

【請求項14】

前記光源が前記基板に配置されている、請求項１３に記載の方法。

【請求項15】

前記検出器が前記基板に配置されている、請求項１３又は１４に記載の方法。

【請求項16】

前記液体が、ヨウ化亜鉛、エチレングリコール、又はヨウ化ナトリウムの１つ又は複数を含む、請求項１〜１５のいずれか一項に記載の方法。

【請求項17】

前記１つ又は複数の粒子が、分子、バイオマーカー、核酸、タンパク質、及びＤＮＡの１つ又は複数を含む、請求項１〜１６のいずれか一項に記載の方法。

【請求項18】

前記第２屈折率と同じ前記第３屈折率を有するか、前記第２屈折率の＋／−５％以内、＋／−２％以内、＋／−１％以内、＋／−０．５％以内、＋／−０．１％以内、又は＋／−０．０１％以内である前記第３屈折率を有する、請求項１〜１７のいずれか一項に記載の方法。

【請求項19】

前記導波路が、前記第２クラッド層と前記中空コアとの間のインターフェイスでの前記基本横電磁モードの強度が、前記基本横電気モードの最大強度の２０％以上、３０％以上、４０％以上、５０％以上、６０％以上、７０％以上、８０％以上、９０％以上、又は９９％以上であるように構成される、請求項１〜１８のいずれか一項に記載の方法。

【請求項20】

前記第２クラッド層が二酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、ＰＤＭＳ、又はプラスチックの１つ又は複数を含む、請求項１〜１９のいずれか一項に記載の方法。

【請求項21】

検出された特徴に基づき前記検出された粒子の１つ又は複数を特定するステップをさらに含む、請求項１〜２０のいずれか一項に記載の方法。

【請求項22】

粒子検出システムであって、
１つ又は複数の粒子を励起するように構成された光源と、
液体コア導波路であって、
第１屈折率を有する第１クラッド層と、
中空コアであって、前記導波路を通って延在するとともに前記中空コア内部に液体を含む中空コアであり、
前記液体が前記第１屈折率より高い第２屈折率を有し、
前記液体が前記１つ又は複数の粒子を含む、中空コアと、
前記第１クラッド層と前記中空コアとの間の第２クラッド層であって、前記第２屈折率と同じ第３屈折率を有するか、前記第２屈折率の＋／−１０％以内である第３屈折率を有し、少なくとも１μｍ以上の厚さを有する第２クラッド層と
を含む液体コア導波路と、
前記１つ又は複数の粒子から放射された光を検出するように構成された検出器と
を含む、粒子検出システム。

【請求項23】

前記第２屈折率と同じ前記第３屈折率を有するか、前記第２屈折率の＋／−５％以内、＋／−１％以内、＋／−０．５％以内、＋／−０．１％以内、又は＋／−０．０１％以内である前記第３屈折率を有する、請求項２２に記載の粒子検出システム。

【請求項24】

前記液体コア導波路が、幅が２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下であるとともに、長さが２ｃｍ以下、１ｃｍ以下、５ｍｍ以下、又は２ｍｍ以下である基板に配置されている、請求項２２又は２３に記載の粒子検出システム。

【請求項25】

前記光源が前記基板に配置されている、請求項２４に記載の粒子検出システム。

【請求項26】

前記検出器が前記基板に配置されている、請求項２４又は２５に記載の粒子検出システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の開示は、概して、流体光学に、より詳細には、バイオマーカー及び他の物体の光学的検出のために生成された光の捕捉及び検出に関する。

【背景技術】

【0002】

生物試料（例えば、分子、粒子、バイオマーカー、核酸、タンパク質など）の光学的検出の１つの既知の方法は、固体導波路からのエバネセント場を使用した表面ベースの励起／検出である。別の既知の方法は、検出されるべき粒子を含有する水、生理的食塩水、又は緩衝溶液で満たされたマイクロチャネル／マイクロキャピラリー内部での励起／検出である。

【0003】

別の既知の解決策は、ＡＲＲＯＷ（反共振反射光学導波路）又はブラッグ導波路を使用することであり、これは、特別に設計されたクラッド層からの波干渉を使用することにより低インデックス材料に光を閉じ込める。これらの導波路は、低い伝搬損失でマイクロチャネルを通じて光を案内することが分かっており、単一の核酸レベルまでのバイオマーカーの高感度検出を可能にするために、固体コア導波路と連動し得る。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

上述のとおり、生物試料の光学的検出のための既知の方法には、固体導波路からのエバネセント場を使用した表面ベースの励起／検出、水、生理的食塩水、又は緩衝溶液で満たされたマイクロチャネル／マイクロキャピラリー内部での励起／検出、並びに特別に設計されたクラッド層からの波干渉を使用することにより低インデックス材料に光を閉じ込めるＡＲＲＯＷ又はブラッグ導波路の使用が含まれる。しかしながら、これら既知の方法には全て欠点がある。

【0005】

例えば、固体導波路からのエバネセント場を使用した表面ベースの励起／検出は極めて光学的に非効率であり、表面へのターゲット搬送及び結合を必要とし、ダイナミックレンジが極めて限られている。生体液体、例えば、水、生理的食塩水、及び緩衝溶液は、チャネルを構成する固体の材料の屈折率未満である屈折率を有するため、流体で満たされたマイクロチャネル内部での励起／検出は困難である。

【0006】

ＡＲＲＯＷ又はブラッグ導波路を使用することは、上述の他の方法に対して優れた性能を提供するが、標的分子及び被検物質の不完全な検出を含む他の欠点及び限界があり、検出器バックグラウンドに近い信号対雑音比（ＳＮＲ）を生成し、単一の又はわずかな蛍光性染料のみで標識された標的を検出することを極めて困難にする。

【0007】

これらの限界の背景にある主な理由は、リーキーモード導波路原理の性質にあり、図１Ａ及び１Ｂに示されている。図１Ａは、液体コア１０２の屈折率がクラッド１０４の屈折率未満である液体コア導波路１００の断面図を示す。図１Ｂは、ＡＲＲＯＷ／ブラッグ閉じ込めを使用して液体コア導波路１００の低インデックス媒体に閉じ込められた基本光学モードのための電界プロファイル１１０を示す。

【0008】

図１Ｂに示されるとおり、電界は、コアの中心における極大１１２からクラッドとのインターフェイス１１４ａ及び１１４ｂでの厳密にゼロまで減少する。電界はチャネル壁ではゼロであるため、チャネル壁の近くに位置する液体コア導波路１００の低インデックス媒体における粒子は、非効率的に励起及び検出されるか、全く励起も検出もされないが、これは、蛍光体は導波路モード内へ連結し得ないためである。この効果は又図１Ａにおけるモードの表現においても見ることができ、図１Ａは、モードの最も明るい部分が液体コア１０２の中心に閉じ込められることと、モードは液体コア１０２及びクラッド１０４のインターフェイスの近くでは極めて弱いことを示す。液体コアの壁から離れたところに位置する粒子のみが検出され得るため、これはデジタル検出体制における被検物質粒子の検出可能な数の減少をもたらす。

【0009】

第２に、リーキーモード導波路が、低いが常に有限の（例えば、非ゼロの）損失を伴って生じ得る。このことは、生成された光学的蛍光又は散乱信号は、有限の効率で導波路に沿って伝達され得るのみであることを意味する。これは、低インデックス媒体液体コア導波路の壁に近い粒子の検出の困難さをさらに悪化させる。

【0010】

したがって、光学導波路を使用したチップ上での高感度での生物試料の光学的検出（例えば、分子、粒子、バイオマーカー、核酸、タンパク質など）は、既知の方法によっては難しい。したがって、光学導波路を使用したチップ上での高感度での生物試料の光学的検出のための改良された方法が必要である。特に、標的分子及び被検物質、特に液体コア導波路のチャネル壁の近くに位置する粒子の改良された検出を可能にするとともに、単一の又はわずかな蛍光性染料のみで標識された標的の改良された検出を可能にする方法の必要性がある。

【課題を解決するための手段】

【0011】

本明細書において開示されているのは、上で検討された既知の方法の欠点を克服するとともに上で検討された必要性に対応し得る、液体コア導波路を使用したバイオマーカー及び他の物体の改良された光学的検出のためのシステム、方法、及び技術である。本明細書において開示されているシステム、方法、及び技術は、生成された光の改良された捕捉及び光検出器へのその伝達を可能にし得る。

【0012】

いくつかの実施形態において、液体コア導波路は、クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する液体コアを含む。これは、基本光学モードが液体コアとクラッドとの間のインターフェイスで非ゼロの電界強度を有することを可能にし得、したがって、液体コアにおけるインターフェイスに近接して位置する粒子の効率的な励起及び検出を可能にし得る。

【0013】

いくつかの実施形態において、液体コア導波路は、液体コア、内側クラッド層、及び外側クラッド層を含む。液体コアの屈折率を内側クラッド層の屈折率と一致させることにより、並びに内側クラッド層及び液体コアの両方より低い屈折率を有する外側クラッド層を選択することにより、基本光学モードは、液体コアと内側クラッド層との間のインターフェイスで非ゼロの電界強度を有することができ、したがって液体コアにおけるインターフェイスに近接して位置する粒子の効率的な励起及び検出を可能にし得る。

【0014】

いくつかの実施形態において、粒子検出のための方法が提供され、この方法は、光源により、液体コア導波路における１つ又は複数の粒子に光を当てるステップであって、液体コア導波路が、第１屈折率を有する第１クラッド層と、中空コアであって、導波路を通って延在するとともに中空コア内部に液体を含む中空コアであり、液体が第１屈折率より高い第２屈折率を有する中空コアとを含むステップと、検出器により、１つ又は複数の粒子から放射された光を検出するステップとを含む。

【0015】

本方法のいくつかの実施形態において、本方法は、１つ又は複数の粒子に光を当てる前に１つ又は複数の粒子を液体に導入するステップをさらに含む。

【0016】

本方法のいくつかの実施形態において、本方法は、１つ又は複数の粒子に光を当てる前に液体を中空コアに導入するステップをさらに含む。

【0017】

本方法のいくつかの実施形態において、第１屈折率は２、１．８、１．６、又は１．４以下である。

【0018】

本方法のいくつかの実施形態において、第２屈折率は２、１．８、１．６、又は１．４以上である。

【0019】

本方法のいくつかの実施形態において、導波路は、総内部反射を介して光源から光を伝送するように構成されている。

【0020】

本方法のいくつかの実施形態において、導波路は、光源からの光の基本横電磁モードを支持するように構成されている。

【0021】

本方法のいくつかの実施形態において、導波路は、基本横電磁モードの強度が、第１クラッド層と中空コアとの間のインターフェイスで非ゼロ値を有するように構成される。

【0022】

本方法のいくつかの実施形態において、導波路は、第１クラッド層と中空コアとの間のインターフェイスでの基本横電磁モードの強度が、基本横電気モードの最大強度の２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、又は９９％以上であるように構成されている。

【0023】

本方法のいくつかの実施形態において、中空コアは、幅が２０μｍ、１０μｍ、５μｍ、又は１μｍ以下である。

【0024】

本方法のいくつかの実施形態において、第１クラッド層は、厚さが１０μｍ、５μｍ、１μｍ、０．５μｍ、又は０．１μｍ以下である。

【0025】

本方法のいくつかの実施形態において、第１クラッド層は、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、又は窒化ケイ素、ＰＤＭＳ、又は１つ若しくは複数のプラスチックの１つ又は複数を含む。

【0026】

本方法のいくつかの実施形態において、液体コア導波路は、幅が２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、又は２ｍｍ以下であるとともに、長さが２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、又は２ｍｍ以下である基板に配置されている。

【0027】

本方法のいくつかの実施形態において、光源は基板に配置されている。

【0028】

本方法のいくつかの実施形態において、検出器は基板に配置されている。

【0029】

本方法のいくつかの実施形態において、液体は、ヨウ化亜鉛、エチレングリコール、又はヨウ化ナトリウムの１つ又は複数を含む。

【0030】

本方法のいくつかの実施形態において、１つ又は複数の粒子は、分子、粒子、バイオマーカー、核酸、タンパク質、及びＤＮＡの１つ又は複数を含む。

【0031】

本方法のいくつかの実施形態において、液体コア導波路は第１クラッド層と中空コアとの間に第２クラッド層を含み、第２クラッド層は第２屈折率と同じ第３屈折率を有するか、又は第２屈折率の＋／−１０％、＋／−５％、＋／−２％、＋／−１％、＋／−０．５％、＋／−０．１％、若しくは＋／−０．０１％以内である。

【0032】

本方法のいくつかの実施形態において、導波路は、第２クラッド層と中空コアとの間のインターフェイスでの基本横電磁モードの強度が、基本横電気モードの最大強度の２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、又は９９％以上であるように構成される。

【0033】

本方法のいくつかの実施形態において、第２クラッド層は厚さが１μｍ、０．５μｍ、又は０，１μｍ以下である。

【0034】

本方法のいくつかの実施形態において、第２クラッド層は二酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、ＰＤＭＳ、又はプラスチックの１つ又は複数を含む。

【0035】

本方法のいくつかの実施形態において、本方法は、検出された特徴に基づき検出された粒子の１つ又は複数を特定するステップをさらに含む。

【0036】

いくつかの実施形態において、粒子検出システムが提供され、本システムは、１つ又は複数の粒子を励起するように構成された光源と、液体コア導波路であって、第１屈折率を有する第１クラッド層と、中空コアであって、導波路を通って延在するとともに中空コア内部に液体を含む中空コアであり、液体が第１屈折率より高い第２屈折率を有し、液体が１つ又は複数の粒子を含む中空コアとを含む液体コア導波路と、１つ又は複数の粒子から放射された光を検出するように構成された検出器とを含む。

【0037】

本システムのいくつかの実施形態において、システムは第１クラッド層と中空コアとの間に第２クラッド層をさらに含み、第２クラッド層は第２屈折率と同じ第３屈折率を有するか、又は第２屈折率の＋／−１０％、＋／−５％、＋／−１％、＋／−０．５％、＋／−０．１％、又は＋／−０．０１％以内である。

【0038】

本システムのいくつかの実施形態において、液体コア導波路は、幅が２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、又は２ｍｍ以下であるとともに、長さが２ｃｍ、１ｃｍ、５ｍｍ、又は２ｍｍ以下である基板に配置されている。

【0039】

本システムのいくつかの実施形態において、光源は基板に配置されている。

【0040】

本システムのいくつかの実施形態において、検出器は基板に配置されている。

【図面の簡単な説明】

【0041】

【図1A】液体コアの屈折率がクラッドの屈折率未満である液体コア導波路の断面図を示す。

【図1B】ＡＲＲＯＷ／ブラッグ閉じ込めを使用して液体コア導波路の低インデックス媒体において閉じ込められた基本光学モードのための電界プロファイルを示す。

【図2A】いくつかの実施形態による、液体コアの屈折率がクラッドの屈折率よりも高い、液体コア導波路の断面図を示す。

【図2B】いくつかの実施形態による、高インデックス液体コア導波路における基本光学モードのための電界プロファイルを示す。

【図3A】いくつかの実施形態による、ヨウ化亜鉛を含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号を示す。

【図3B】いくつかの実施形態による、水を含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号を示す。

【図3C】いくつかの実施形態による、図３Ａにおける信号及び図３Ｂにおける信号のピークの下の領域を比較するヒストグラムを示す。

【図4A】いくつかの実施形態による、エチレングリコールを含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号を示す。

【図4B】いくつかの実施形態による、水を含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号を示す。

【図4C】いくつかの実施形態による、図４Ａにおける信号及び図４Ｂにおける信号のピークの下の領域を比較するヒストグラムを示す。

【図5A】いくつかの実施形態による、ヨウ化亜鉛を含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号と、水を含有する液体コアチャネルにおける蛍光性ビーズの検出に対応する信号とを示す。

【図5B】いくつかの実施形態による、図５Ａにおける２つの信号のピークの下の領域を比較するヒストグラムを示す。

【図6A】いくつかの実施形態による、２つのクラッド層を備えた液体コア導波路の断面図を示す。

【図6B】いくつかの実施形態による、２つのクラッド層を備えた液体コア導波路のための屈折率プロファイルを示す。

【図6C】いくつかの実施形態による、２つのクラッド層を備えた液体コア導波路における基本光学モードのための電界プロファイルを示す。

【発明を実施するための形態】

【0042】

本明細書において開示されているのは、上で検討された既知の方法の欠点を克服し得るとともに上で検討された必要性に対応し得る、液体コア導波路を使用したバイオマーカー及び他の物体の改良された光学的検出のためのシステム、方法、及び技術である。本明細書において開示されているシステム、方法、及び技術は、生成された光の改良された捕捉及び光検出器へのその伝達を可能にし得る。説明されたとおり、本明細書における技術及びシステムによる高インデックス液体における標的検出は、単一被検物質の制限での生物学的標的のチップベースの検出を制限している主な課題を解決し得る。

【0043】

いくつかの実施形態において、本明細書において説明された導波路は「高インデックス液体コア導波路」と呼ばれ得る。「高インデックス」という用語は、本明細書で使用される場合、液体コア導波路であって、キャリア液体のコア屈折率が包囲クラッド層（例えば、ガラスチャネル内部のエチレングリコール液体）のコア屈折率より高い液体コア導波路を指し得る。「高インデックス」という用語は又、本明細書で使用される場合、このような液体コア導波路において含まれる液体を指すのに使用され得る（例えば、エチレングリコール液体は、エチレングリコール液体の屈折率より低い屈折率のクラッド層を備えた液体コア導波路におけるその使用との関連において、「高インデックス液体」と呼ばれ得る）。

【0044】

いくつかの実施形態において、液体コア導波路は、クラッドの屈折率よりも高い屈折率を有する液体コアを含む。これは、基本光学モードが液体コアとクラッドとの間のインターフェイスで非ゼロの電界強度を有することを可能にし得、したがって、液体コアにおけるインターフェイスに近接して位置する粒子の効率的な励起及び検出を可能にし得る。

【0045】

本明細書において説明されたとおり、高インデックス液体コア導波路を用いることの効果は、液体コア導波路を、光が総内部反射を介して案内される従来の光学導波路と同様のやり方で機能させることであり得る。このアプローチの結果は、図２Ａ及び２Ｂにおいて一例において示されている。

【0046】

図２Ａは、いくつかの実施形態による液体コア導波路２００の断面図を示す。いくつかの実施形態において、液体コアの屈折率はクラッドの屈折率よりも高い。

【0047】

液体コア２０２の屈折率は、いくつかの実施形態において、ヨウ化亜鉛液体、エチレングリコール液体、ヨウ化ナトリウム溶液、又は、例えば以下を含む、クラッド２０４の屈折率より大きい屈折率を有する他の任意の好適な液体を含み得る液体コアの全て又は一部を満たす流体の屈折率であり得る：
・水に溶解しているヨウ化亜鉛、
・水に溶解しているヨウ化ナトリウム、
・水に溶解しているＺｎＣｌ２、
・イオン性液体、例えば（カチオン／アニオン）：
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ−Ｎ）／（ＳＯ_２Ｆ）_２）、
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ−Ｎ／（ＣＮ）_２）、
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＴＣＢ）、
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＣＮ）、
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＯ_３ＯＨ）、
〇（１−Ｅｔ−３−Ｍｅ−Ｉｍ／ＳＯ_３ＣＨ_３）、
〇（Ｅｔ−Ｐｙ−Ｎ／（ＳＯ_２Ｆ）_２）、及び／又は
〇（Ｈｅ−Ｐｙ−Ｎ／（ＳＯ_２Ｆ）_２）、
・他のイオン性液体、例えば：
〇リン酸二水素型コリン、及び／又は
〇深共晶溶媒、
・エチレングリコール
・有機液体、例えば：
〇安息香酸ベンジル、
〇２−ブロメチルベンゼン、
〇ＤＭＳＯ、
〇１，１，２，２−テトラブロモエタン、
〇１，１，２，２−テトラクロロエタン、及び／又は
〇テトラクロロエチレン、及び／又は
・水溶液、例えば：
〇ＡｇＮＯ_３、
〇ＣｄＣｌ_２、
〇ＫＢｒ＋ＨｇＢｒ、
〇Ｈｇ（ＮＯ_３）_２：Ｈ_２Ｏ＋ＨｇＢｒ_２、及び／又は
〇Ｈｇ（ＮＯ_３）_２：Ｈ_２Ｏ＋ＨｇＩ_２。

【0048】

いくつかの実施形態において、液体コア２０２の屈折率は、１．２５、１．３３、１．５、１．７５、２．０、又は２．２５以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア２０２の屈折率は、１．２５、１．３３、１．５、１．７５、２．０、又は２．２５以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア２０２の屈折率は１．３３〜２．０であり得る。

【0049】

クラッド２０４の屈折率は、クラッドを作り出すために使用される固体（及び／又は可撓性）材料の屈折率であってもよく、これは、いくつかの実施形態において、ＰＤＭＳ、１つ又は複数のプラスチック、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、又は任意の好適なガラス及び／又は酸化物を含み得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４の屈折率は、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、又は１．８以下であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４の屈折率は、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、又は１．８以上であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４の屈折率は１．４〜１．６であり得る。

【0050】

いくつかの実施形態において、液体コア導波路２００の液体コア２０２の幅（図２Ｂに示される「ｗ」）は０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア導波路２００の液体コア２０２の幅は０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍ以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア２０２の幅は１μｍ〜２０μｍであり得る。

【0051】

いくつかの実施形態において、液体コア２０２の高さは０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア２０２の高さは０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア２０２の高さは１μｍ〜１０μｍであり得る。

【0052】

液体コア２０２は図２Ａ及び２Ｂの例においては長方形として示されているが、これは、いくつかの実施形態において、四角形、円形、半円形、又は任意の好適な断面形状を有していてもよい。

【0053】

いくつかの実施形態において、クラッド２０４は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ未満の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍより大きい厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４は．０１μｍ〜１０μｍの厚さを有し得る。

【0054】

図２Ｂは、いくつかの実施形態による、高インデックス液体コア導波路、例えば導波路２００における基本光学モードのための電界プロファイルを示す。図示のとおり、モードプロファイルは、ヘルムホルツ方程式に対する解の性質を原因として、液体コア２０２とクラッド２０４との間のインターフェイス２１４ａ及び２１４ｂで有限の、非ゼロの強度を有する。これは、モードプロファイルが低インデックス液体コア１０２及びクラッド１０４のインターフェイスで強制的にゼロになる図１Ｂに示されたモードと区別可能である。いくつかの実施形態において、インターフェイス２１４ａ及び／又は２１４ｂでのモード強度は、液体コア２０２の中心での極大２１２で、モード強度の１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は９９％以上であり得る。いくつかの実施形態において、２１４ａ及び／又は２１４ｂでのモード強度は、液体コア２０２の中心での極大２１２で、モード強度の１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は９９％以下であり得る。液体コア２０２の中心での電界強度極大２１２と比べて、インターフェイス２１４ａ及び／又は２１４ｂでのモードの電界強度の値は、コア及びクラッド材料のチャネル寸法及び相対インデックスを介して制御され得る。

【0055】

本明細書において（図２Ｂの例に関して且つ図６Ｃに関して）図示及び検討された電界プロファイルは、基本横電磁モードの横方向寸法（例えば、導波路にわたる幅方向）についての電界プロファイルを示すとともにこれを指すことに留意されるべきである。しかしながら、本明細書において開示されている導波路を通って伝搬する光のモードの電界は、横方向寸法における垂直寸法（例えば、導波路にわたる高さ方向）において同様の特性を有し得ることに留意されるべきである。

【0056】

図２Ｂにおけるモードのプロファイルの効果は、図２Ａにおけるモードの表現にも見ることができ、図２Ａは、液体コアの中心にのみ集結された、すなわちチャネル壁の近くで極めて弱い液体コア１０２におけるモードスポットと比較して、液体コア２０２全体にわたって延在するより均一な明るさを示す。

【0057】

したがって、インターフェイス１１４ａ又は１１４ｂの近くの液体コア１０２における粒子が、そこでの弱いモード強度を理由として、励起可能及び／又は検出可能ではない一方で、インターフェイス２１４ａ又は２１４ｂの近くでの液体コア２０２における粒子は、そこでのモード強度が、クラッド２０４内へのモードの延在を原因として、及びモードがインターフェイス２１４ａ又は２１４ｂで強制的にゼロにならないという事実を原因として実質的により強いことから、励起可能及び検出可能であり得る。

【0058】

このようにして、標的被検物質の不完全な検出という上で検討された問題は、被検物質が液体コアの全ての部分で検出可能であることを確実にするために高インデックス液体を使用することにより対応され得る。さらに、単一の又はわずかな蛍光性染料のみで標識された標的を検出することの困難さという上で検討された問題も対応され得、その理由は、総内面反射案内導波路は理論上は無損失であり、したがって実際には極めて効率的（例えば、本質的に無損失）であるように作られ得るからである。実際には、唯一の損失は製造欠陥を原因とするものであり得、これは独立して対応及び最小化され得る。したがって、チャネル、例えば、導波路２００により画定されたものに沿った光の伝達は、例えば導波路１００でのリーキーモード案内と比べて著しく改良され得る。

【実施例】

【0059】

図３Ａ〜３Ｃは、液体コア導波路における４８８ｎｍ光で照らされた、１０^７ビーズ毎ｍＬの濃度での液体における１００ｎｍ蛍光体からの放射についての実験データを示す。図３Ａは、６０％ヨウ化亜鉛及び約１．４９の屈折率及び約２ｃＰの粘度を有する４０％Ｈ_２Ｏを包含する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応する信号を示す。図３Ｂは、底部側にＡＲＲＯＷ層及び他の３つの側にＳｉＯ_２層（１．４６の屈折率を有する）を有する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応する信号を示し、チャネルは約１．３３の屈折率及び約１ｃＰの粘度を有する水を含有する。

【0060】

図３Ａ及び３Ｂに示されるとおり、ヨウ化亜鉛溶液における蛍光性ビーズからの放射の山形（図３Ａ）は、水における蛍光性ビーズからの山形（図３Ｂ）より実質的に高かった。図３Ａ及び３Ｂにおけるｘ軸は秒単位での時間を示し、ｙ軸は１ｍｓ毎の光度計のカウントを示す。

【0061】

図３Ｃは、図３Ａにおける信号及び図３Ｂにおける信号のピークの下の領域を比較するヒストグラムを示す。ヒストグラムの左にあるより濃い色のバーが水におけるビーズに対応し、一方で、より薄い色のバーはヨウ化亜鉛溶液におけるビーズに対応する。

【0062】

表１（下記）は、水におけるビーズ、及びヨウ化亜鉛におけるビーズに対応するデータ、並びに各液体からのデータを比較する比率を示す。示されたとおり、ヨウ化亜鉛溶液におけるビーズは、より高い平均ピーク強度及びより高いバックグラウンド信号を示した。

【0063】

【表1】

【0064】

図４Ａ〜４Ｃは、液体コア導波路における４８８ｎｍ光で照らされた、１０^７ビーズ毎ｍＬの濃度での液体における１００ｎｍ蛍光体からの放射についての実験データを示す。図４Ａは、約１．４３の屈折率及び約１６ｃＰの粘度を有する、エチレングリコール液体を含有する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応する信号を示す。図４Ｂは、底部側にＡＲＲＯＷ層及び他の３つの側にＳｉＯ_２層（１．４６の屈折率を有する）を有する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応する信号を示し、チャネルは約１．３３の屈折率及び約１ｃＰの粘度を有する水を含有する。

【0065】

図４Ａ及び４Ｂに示されるとおり、エチレングリコール液体における蛍光性ビーズからの放射の山形（図４Ａ）は、水における蛍光性ビーズからの山形（図４Ｂ）より実質的に高かった。図４Ａ及び４Ｂにおけるｘ軸は秒単位での時間を示し、ｙ軸は時間毎の光度計のカウントを示す。

【0066】

図４Ｃは図４Ａにおける信号及び図４Ｂにおける信号のピークの下の領域を比較するヒストグラムを示す。ヒストグラムの左にあるより薄い色のバーが水におけるビーズに対応し、一方で、より濃い色のバーはエチレングリコール液体におけるビーズに対応する。

【0067】

表２（下記）は、水におけるビーズ及びエチレングリコール液体におけるビーズに対応するデータ、並びに各液体からのデータを比較する比率を示す。示されたとおり、エチレングリコール液体におけるビーズはより高い平均ピーク強度及び同様のバックグラウンド信号を示した。

【0068】

【表2】

【0069】

図５Ａ及び５Ｂは、液体コア導波路において４８８ｎｍ光で照らされた、１０^７ビーズ毎ｍＬの濃度での液体における２μｍ蛍光性ビーズからの放射についての実験データを示す。図５Ａにおいて、より高いピークを含む信号５０２は、１．５３の屈折率及び３ｃＰの粘度を有する７０％ヨウ化亜鉛を含有する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応する。より低いピークを含む信号５０４は、底部側にＡＲＲＯＷ層及び他の３つの側にＳｉＯ_２層（１．４６の屈折率を有する）を有する液体コアチャネルにおけるビーズの検出に対応し、チャネルは約１．３３の屈折率及び約１ｃＰの粘度を有する水を含有する。図５Ａに示されるとおり、ヨウ化亜鉛溶液における蛍光性ビーズからの放射の山形は、水における蛍光性ビーズからの山形より実質的に高かった。

【0070】

図５Ｂは、信号５０２のピークの下の領域と信号５０４のピークの下の領域とを比較するヒストグラムを示す。ヒストグラムの左にあるより薄い色のバーが水におけるビーズに対応し、一方で、より濃い色のバーはヨウ化亜鉛溶液におけるビーズに対応する。

【0071】

表３（下記）は、水におけるビーズ及びヨウ化亜鉛溶液におけるビーズに対応するデータ、並びに各液体からのデータを比較する比率を示す。示されたとおり、ヨウ化亜鉛溶液におけるビーズは、水におけるビーズと比べて、より高い平均ピーク強度、同様のバックグラウンド信号、及び事象ごとの光子取集におけるほぼ２５倍の増加を見せた。

【0072】

【表3】

【0073】

二層クラッドを備えた高インデックス液体コア導波路
いくつかの実施形態において、液体コア導波路は、液体コア、内側クラッド層、及び外側クラッド層を含む。液体コアの屈折率を内側クラッド層の屈折率と一致させることにより、並びに内側クラッド層及び液体コアの両方より低い屈折率を有する外側クラッド層を選択することにより、基本光学モードは、液体コアと内側クラッド層との間のインターフェイスで非ゼロの電界強度を有することができ、したがって、液体コアにおけるインターフェイスに近接して位置する粒子の効率的な励起及び検出を可能にし得る。このアプローチの結果は、図６Ａ〜６Ｃにおいて一例において示されている。

【0074】

図６Ａは、いくつかの実施形態による液体コア導波路６００の断面図を示す。図示のとおり、導波路６００は、液体コア６０２、内側クラッド６０４、及び外側クラッド６０６を含む。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の追加的なクラッド（例えば、他のクラッド層）も又含められ得る。いくつかの実施形態において、本明細書において説明されたとおり、液体コア６０２の屈折率はクラッド６０４の屈折率と一致させられてもよく（例えば、それと均等又はそれと同様であってもよく）、一方で、クラッド６０６はクラッド６０４及び液体コア６０２の両方より低い屈折率を有してもよい。本明細書において説明されたとおり、この配置構成は、基本モードの電界プロファイルを、液体コア６０２の幅全体にわたって、比較的均一及び強くし得る。

【0075】

液体コア６０２の屈折率は、いくつかの実施形態において、ヨウ化亜鉛液体、エチレングリコール液体、又はクラッド６０６の屈折率より大きい屈折率を有する任意の好適な液体を含み得る液体コアの全て又は一部を満たす流体の屈折率であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２は、図２に関して上で検討された液体コア２０２と任意の１つ又は複数の特徴を共通して有してもよい。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の屈折率は、１．２５、１．３５、１．４５、１．７５、２．０、又は２．２５以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の屈折率は１．２５、１．３５、１．４５、１．７５、２．０、又は２．２５以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の屈折率は１．４５〜２．０であり得る。

【0076】

いくつかの実施形態において、液体コア導波路６００の液体コア６０２の幅（図６Ｂに示される「ｄ_ｃ」）は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア導波路６００の液体コア６０２の幅は０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、２０μｍ、３０μｍ、又は５０μｍ以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の幅は１μｍ〜２０μｍであり得る。

【0077】

いくつかの実施形態において、液体コア６０２の高さは０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以下であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の高さは０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以上であり得る。いくつかの実施形態において、液体コア６０２の高さは１μｍ〜１０μｍであり得る。

【0078】

液体コア６０２は図２Ａ及び２Ｂの例においては長方形として示されているが、これは、いくつかの実施形態において、四角形、円形、半円形の、又は任意の好適な断面形状を有していてもよい。

【0079】

クラッド６０４の屈折率は、いくつかの実施形態において、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、又は任意の好適なガラス及び／若しくは酸化物、ＰＤＭＳ、又はプラスチックを含み得るクラッド６０４を作り出すために使用される中実（及び／又は可撓性）材料の屈折率であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０４は、図２に関して上で検討されたクラッド２０４と任意の１つ又は複数の特徴を共通して有してもよい。いくつかの実施形態において、クラッド６０４の屈折率は、１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、又は２．２以下であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０４の屈折率は１．２、１．３、１．４、１．５、１．６、１．７、１．８、１．９、２．０、２．１、又は２．２以上であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド２０４の屈折率は１．４〜２．０であり得る。

【0080】

いくつかの実施形態において、クラッド６０４の屈折率は、モードが図６Ａに示される領域の両方にわたって連続的に支持されるように、液体コア６０２の屈折率の＋／−０．５％、＋／−１％、＋／−２％、＋／−３％、又は＋／−５％内になるように選択され得る。

【0081】

いくつかの実施形態において、クラッド６０４は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以下の厚さ（図６Ｂに示されるとおり（ｄ_ｈ−ｄ_ｃ））を有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０４は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以上の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０４は１μｍ〜１０μｍの厚さを有し得る。

【0082】

クラッド６０６の屈折率は、いくつかの実施形態において、二酸化ケイ素、五酸化タンタル、窒化ケイ素、又は任意の好適なガラス及び／若しくは酸化物、又はＰＤＭＳ若しくはプラスチックを含み得るクラッド６０６を作り出すために使用される中実（及び／又は可撓性）材料の屈折率であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０６は、上で検討されたクラッド６０４と、又は図２に関して上で検討されたクラッド２０４と任意の１つ又は複数の特徴を共通して有していてもよい。いくつかの実施形態において、クラッド６０６の屈折率は、０．８、０．９、１、１．１、１．２５、１．５、１．７５、１．９、２、２．１、又は２．２以下であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０６の屈折率は０．８、０．９、１、１．１、１．２５、１．５、１．７５、１．９、２、２．１、又は２．２以上であり得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０６の屈折率は１〜２であり得る。

【0083】

いくつかの実施形態において、クラッド６０６の屈折率は、クラッド６０４の屈折率より少なくとも１％、５％、１０％、５０％、７５％、又は１００％少なくなるように選択され得る。

【0084】

いくつかの実施形態において、クラッド６０６は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以下の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０６は、０．２５μｍ、０．５μｍ、１μｍ、５μｍ、１０μｍ、１５μｍ、又は２０μｍ以上の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、クラッド６０６は１μｍ〜１０μｍの厚さを有し得る。

【0085】

図６Ｂは、いくつかの実施形態による、液体コアの屈折率と一致する屈折率を有する内側クラッド層を備えた、高インデックス液体コア導波路、例えば、導波路６００のための屈折率プロファイルを示す。図示のとおり、液体コア６０２の屈折率ｎ_ｃは、内側クラッド層６０４の屈折率ｎ_Ｈと等しくてもよい（又は所定の百分率又は絶対範囲内で同様であってもよい）。さらに示されているとおり、液体コアの屈折率ｎ_ｃ及び内側クラッド層の屈折率ｎ_Ｈは、両方とも外側クラッド層６０６の屈折率より大きくてもよい。

【0086】

図６Ｃは、いくつかの実施形態による、液体コアの屈折率と一致する屈折率を有する内側クラッド層を備えた、高インデックス液体コア導波路、例えば導波路６００における基本光学モードのための電界プロファイルを示す。図示のとおり、モードプロファイルは、ヘルムホルツ方程式に対する解の性質を原因として、液体コア６０２とクラッド６０４との間のインターフェイス６１４ａ及び６１４ｂで有限の、非ゼロの強度を有する。さらに、モードは、（内側クラッド層６０４の屈折率は液体コア６０２の屈折率と等しくてもよいため）内側クラッド層６０４の屈折率の結果としてではなく外側クラッド層６０６におけるより低い屈折率の結果として、減衰することから、液体コア６０２にわたるモードの電界のプロファイルは、上で検討された液体コア２０２にわたるモードの電界のプロファイルよりさらに強くより安定的であり得る、すなわち、液体コア２０２におけるモードは、インターフェイス２１４ａ及び２１４ｂのすぐ外側のインデックス変化を原因としてより速やかに減衰し、一方で、液体コア６０２におけるモードは、インターフェイス６１４ａ及び６１４ｂから離間したインデックス変化を原因として減衰する。

【0087】

いくつかの実施形態において、インターフェイス６１４ａ及び／又は６１４ｂでのモード強度は、液体コア６０２の中心での極大６１２でのモード強度の１％、５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、又は９５％以上であり得る。いくつかの実施形態において、６１４ａ及び／又は６１４ｂでのモード強度は、液体コア６０２の中心での極大６１２でのモード強度の５％、１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、又は９９％以下であり得る。

【0088】

いくつかの実施形態において、インターフェイス６１４ａ及び／又は６１４ｂでのモード強度は、内側クラッド層６０４と外側クラッド層６０６との間のインターフェイス６１６ａ及び／又は６１６ｂでのモード強度の、１０１％、１０５％、１１０％、１５０％、２倍、３倍、又は５倍以上であり得る。いくつかの実施形態において、インターフェイス６１４ａ及び／又は６１４ｂでのモード強度は、インターフェイス６１６ａ及び／又は６１６ｂでのモード強度より１０５％、１１０％、１５０％、２倍、３倍、５倍、又は１０倍以下だけ大きくてもよい。

【0089】

極大６１２、インターフェイス６１４ａ及び／若しくは６１４ｂ、並びに／又はインターフェイス６１６ａ及び／若しくは６１６ｂでのモードの電界強度の相対的値は、コア及び複数のクラッド材料のチャネル寸法及び相対インデックスを介して制御され得る。

【0090】

したがって、インターフェイス１１４ａ又は１１４ｂの近くの液体コア１０２における粒子は、そこでの弱いモード強度を原因として、励起可能及び／又は検出可能ではない一方で、インターフェイス６１４ａ又は６１４ｂ近くの液体コア６０２における粒子は、そこでのモード強度は、クラッド６０４内へのモードの延在を原因として、及びモードはインターフェイス６１４ａ又は６１４ｂで強制的にゼロとならないという事実を原因として、実質的により強いことから、励起可能及び検出可能であり得る。さらに、インターフェイス２１４ａ又は２１４ｂ近くの液体コア２０２における粒子は励起可能及び検出可能であり得る一方で、インターフェイス６１４ａ又は６１４ｂ近くの液体コア６０２における粒子は、インターフェイス６１４ａ及び／又は６１４ｂでのインデックス変化がない（又は極めてわずかである）ことから液体コア６０２におけるモードはそれほど速やかに減衰しないため、より大きい強度でより励起可能であるとともにより検出可能であり得る。

【0091】

このようにして、被検物質が液体コアの全ての部分で検出可能であることを確実にするために高インデックス液体を使用することにより、標的被検物質の不完全な検出の上で検討された問題は対応され得る。さらに、単一の又はわずかな蛍光性染料のみで標識された標的を検出することの困難さという上で検討された問題が対応され得るが、その理由は、総内面反射案内導波路は理論上は無損失であり、したがって実際には極めて効率的（例えば、本質的に無損失）であるように作られ得るからである。実際には、唯一の損失は製造欠陥を原因とするものであり得、これは独立して対応及び最小化され得る。したがって、チャネル、例えば、導波路２００及び／又は導波路６００により画定されたものに沿った光の伝達は、例えば導波路１００でのリーキーモード案内と比べて著しく改良され得る。

【0092】

高インデックス液体コア導波路を使用するシステム
本明細書において説明されたとおり粒子検出のために高インデックス液体コア導波路を使用するためのいくつかの実施形態において、全ての試料調製ステップが、典型的には水性であるオリジナルのマトリクス（例えば、血液）を使用して実施されてもよく、光学活性された（例えば、蛍光標識した）標的は、中空マイクロチャネルにおける検出のすぐ前又は少し前に高インデックス液体内へ放出され得る。いくつかの実施形態において、標的は、検出の１秒、３０秒、１分、５分、１０分、又は３０分未満前に高インデックス液体内へ放出され得る。

【0093】

いくつかの実施形態において、ＤＮＡを破壊せず、タンパク質を変性させず、及び／又は被検物質を他の方法で損傷又は変化させない高インデックス液体が、高インデックス液体コア導波路における使用のために選択され得る。

【0094】

いくつかの実施形態において、高インデックス液体コア導波路を使用した粒子検出のためのシステムは、細胞溶解、蛍光性ラベリング、標的抽出、被検物質流体の濾過（例えば、被検物質チャネルにとって大きすぎる片を取り除くため）、（例えば１つ又は複数のマイクロバルブに基づくコンポーネントによる）試料フロー制御、又は他の試料調製プロセスのための１つ又は複数のコンポーネントを含み得る。いくつかの実施形態において、これらのコンポーネントの任意の１つ又は複数が、本明細書において検討された他のコンポーネントの１つ又は複数と同じ基板（例えば、チップ）に配置され得る。

【0095】

いくつかの実施形態において、本明細書において開示されたシステム及び／又は技術を使用しての粒子の検出は、１つ又は複数の検出された粒子を特定するために使用されてもよい。例えば、検出された粒子は、その放射波長、その放射強度、検出された速度、又は、検出された粒子のアイデンティティを決定するために１つ又は複数のデータベース若しくは他の既知の情報に比較し得る粒子についての他の任意の検出された特徴に基づき特定され得る。

【0096】

いくつかの実施形態において、１つ又は複数の高インデックス液体コア導波路が、チップ又は別の好適な基板に配置され得る。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の高インデックス液体コア導波路が配置された基板又はチップは、幅が１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は３ｃｍ未満であってもよく、長さが１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は３ｃｍ未満であり得る。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の高インデックス液体コア導波路が配置された基板又はチップは、幅が１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は３ｃｍより大きくてもよく、長さが１ｍｍ、２ｍｍ、５ｍｍ、１ｃｍ、２ｃｍ、又は３ｃｍより大きくてもよい。いくつかの実施形態において、１つ又は複数の高インデックス液体コア導波路が配置された基板又はチップは２ｘ２ｍｍ〜２ｘ２ｃｍであり得る。

【図1A】

【図1B】

【図2A】

【図2B】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図4C】

【図5A】

【図5B】

【図6A】

【図6B】

【図6C】