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(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】
(24)【登録日】2022-11-25
(45)【発行日】2022-12-05
(54)【発明の名称】媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置
(51)【国際特許分類】
G01N 21/64 20060101AFI20221128BHJP
G01N 21/03 20060101ALI20221128BHJP
G01N 33/483 20060101ALI20221128BHJP
G02B 6/125 20060101ALI20221128BHJP
G02B 6/12 20060101ALI20221128BHJP
G01N 21/05 20060101ALN20221128BHJP
【ＦＩ】
G01N21/64 G
G01N21/03 Z
G01N33/483 C
G02B6/125 301
G02B6/12 331
G01N21/05
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019531882
(86)(22)【出願日】2017-12-12
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2020-05-21
(86)【国際出願番号】 EP2017082391
(87)【国際公開番号】W WO2018114475
(87)【国際公開日】2018-06-28
【審査請求日】2020-12-10
(31)【優先権主張番号】16205663.4
(32)【優先日】2016-12-21
(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】519155413
【氏名又は名称】ミダイアグノスティクス・エヌブイ
【氏名又は名称原語表記】ｍｉＤｉａｇｎｏｓｔｉｃｓ ＮＶ
(74)【代理人】
【識別番号】100108855
【弁理士】
【氏名又は名称】蔵田 昌俊
(74)【代理人】
【識別番号】100179062
【弁理士】
【氏名又は名称】井上 正
(74)【代理人】
【識別番号】100199565
【弁理士】
【氏名又は名称】飯野 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100153051
【弁理士】
【氏名又は名称】河野 直樹
(74)【代理人】
【識別番号】100162570
【弁理士】
【氏名又は名称】金子 早苗
(72)【発明者】
【氏名】ヤンセン、ローロフ
【審査官】▲高▼場 正光
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１２－５２５５９５（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許第０５５６９９１１（ＵＳ，Ａ）
【文献】米国特許第０６０７５６１１（ＵＳ，Ａ）
【文献】特表２０１４－５２０２５８（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２０１４／０２６８１１３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／８３
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置であって、蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を保持するための室を有する基板と、
前記基板に配置され、前記室中へと延びる第１の導波路と、
ここで、前記第１の導波路は光源から励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記室を通して前記励起光を導き、前記励起光による前記粒子の励起に続いて前記粒子によって放出される蛍光を収集するように構成されるものであり、
前記第１の導波路に配置された結合器と、
を備え、
ここで、前記結合器は方向性結合器であり、収集された蛍光をその端部のうちの１つにおいて出力するように構成される第２の導波路を含み、
ここで、前記第２の導波路は、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路へと結合されるように、前記第１の導波路に対して配置されているとともに、第１の端部において収集された蛍光を出力し、第２の端部において、前記第１の導波路から前記第２の導波路へと結合された励起光を出力するように配置されている、装置。
【請求項2】
前記結合器が、前記第１の方向に対して前記室の上流の前記第１の導波路に配置されている、請求項１に記載の装置。
【請求項3】
前記第２の導波路が前記第１の導波路に隣接して配置され、それによって、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路に結合されていることを可能にする、請求項１又は請求項２に記載の装置。
【請求項4】
前記第１の導波路が、前記媒体中で蛍光を放出することができる粒子の濃度とは無関係に選択される長さを有する、請求項１～請求項３のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項5】
前記基板、前記第１の導波路、及び前記結合器が、使い捨てチップ上に配置されている、請求項１～４のうちのいずれか一項に記載の装置。
【請求項6】
媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するためのシステムであって、請求項１～請求項５のうちのいずれか一項に記載の、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置と、
前記装置の前記第１の導波路に励起光を入力するための、前記第１の導波路に結合された光源と、
前記装置の前記第２の導波路の前記端部のうちの１つから出力される前記収集された蛍光を検出するための、前記第２の導波路に結合された検出器と、
を備える、システム。
【請求項7】
前記システムが使い捨て部分と使い捨てでない部分とを備え、前記使い捨て部分は前記使い捨てでない部分に接続されるように配置され、前記光源及び前記検出器が、前記使い捨てでない部分に配置され、前記装置が前記使い捨て部分に配置されている、請求項６に記載のシステム。
【請求項8】
請求項１～５のうちのいずれか一項に記載の装置を備えるか、又は請求項６若しくは７に記載のシステムを備える、診断装置。
【請求項9】
媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するための方法であって、第１の導波路によって励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記励起光を導くことと、ここで、前記第１の導波路の一部が、蛍光を放出することができる前記粒子を含む媒体を通って延びており、
前記第１の導波路を使用して、前記励起光による励起に続いて前記粒子によって放出された蛍光を収集することと、
前記第１の導波路に配置された方向性結合器を使用して、前記第１の導波路から直接前記方向性結合器の第２の導波路へと、前記第１の方向と反対の方向に進む蛍光を結合することと、
検出器を使用して、前記第２の導波路の第１の端部において、前記収集された蛍光を検出することと、
前記第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、
前記第１の導波路によって受け取られた前記励起光のパワーに対する前記検出された光のパワーに基づいて前記方向性結合器の損失を決定することと、
を備える、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
例示的な実施形態は、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【0002】
患者自身が血液又は尿中の分子のような体液中の様々なタイプの粒子の濃度を測定する小型診断装置に対する需要が増大している。一般に、体液は、異なるタイプの分子等の粒子を含む流体媒体と見なすことができる。粒子の濃度は蛍光を使用して測定され得、すなわち、粒子は粒子を励起するように働く光にさらされ得、それによって粒子は蛍光を放出し、次いでその蛍光は、媒体中の粒子の濃度を検出するために収集される。体液中の粒子には、蛍光を放出する自然な能力を有し得るものもある。しかし、これに該当しない場合、蛍光染料、すなわち、粒子に結合して蛍光を放出することができる染料によって粒子を染色することも可能である。
【0003】
光導波路のエバネッセント場は、蛍光染料を含む様々なタイプの発光粒子の励起に使用されてきた。例えば、励起光を運ぶ光導波路は、発光粒子を含む媒体を通過し得る。次いで、同じ導波路を使用して、放出された光を収集し、それを検出器に導くことができる。
【0004】
図１ａ及び図１ｂはこの原理を示す。粒子１０４を含む媒体１０２は、基板１０８の室１０６によって保持される。導波路１１０は室１０６を通って延びるように、基板１０８に配置される。励起光１２０は、本明細書ではポート１と呼ばれる第１の端部１１２で導波路１１０に入力される。励起光１２０は、導波路１１０の周りにエバネッセント場を生じさせ、粒子１０４の励起を引き起こす。その結果、粒子１０４は、導波路１１２によって収集される蛍光１２２を放出する。収集された蛍光１２４と、導波路を通過した後に残る励起光１２０とは、次いで、検出のために、ここではポート２と呼ばれる導波路の第２の端部１１４において出力される。
【0005】
したがって導波路１１０は、励起光１２０及び収集された蛍光１２４の両方を導く。励起光１２０のパワーは典型的には収集された蛍光１２４のパワーよりも数桁大きいので、収集された放出された光が検出されることを可能にするために、励起光は、例えば強い阻止フィルタを用いてフィルタ除去される必要がある。このようなフィルタは、そのサイズのせいで、小型システムが望まれる場合など多くの場合に実用的ではない。したがって、改善の余地がある。
【発明の概要】
【0006】
媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置が提供される。収集された蛍光を励起光と共に導波路の出力ポートにおいて出力する代わりに、導波路内で励起光と反対の方向に進む収集された蛍光は、検出のために更なる導波路に直接結合される。このようにすることで、阻止フィルタが不要となる。
【図面の簡単な説明】
【0007】
上記及び追加の目的、特徴、及び利点は、添付の図面を参照して、本明細書に記載される実施形態の以下の例示的且つ非限定的な詳細な説明を通してよりよく理解されることとなり、ここで、同様の要素について同じ参照番号が使用されることとなる。
【詳細な説明】
【0008】
Ｉ．概要
本発明の目的は、上述の問題を少なくとも部分的に解決することであり、特に、小型システム内での統合を可能にする、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置、システム、及び方法を提供することである。
本発明の目的は、上述の問題を少なくとも部分的に解決することであり、特に、小型システム内での統合を可能にする、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置、システム、及び方法を提供することである。
【0009】
第１の態様によれば、蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を保持するための室を有する基板と、基板に配置され、室中に延びる第１の導波路と、ここにおいて、第１の導波路は、光源から励起光を受け取り、第１の導波路の第１の方向に沿って室を通して励起光を導き、励起光による粒子の励起に続いて粒子によって放出される蛍光を収集するように構成され、第１の導波路に配置された結合器とを備え、ここにおいて、結合器は、収集された蛍光をそれの端部のうちの１つにおいて出力するように構成された第２の導波路を含み、第２の導波路は、第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が第１の導波路から直接第２の導波路に結合されるように、第１の導波路に対して配置される、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置が提供される。
【0010】
この構成では、励起光と反対の方向に進む収集された蛍光が、第１の導波路から、収集された蛍光を出力する第２の導波路に直接結合される。このようにして、収集された蛍光は、阻止フィルタ等のいかなる大きな部品も必要としないような便利な方法で励起光から分離される。
【0011】
収集された蛍光は、第１の導波路から第２の導波路に直接結合される。これは、光が更なる導波路を通過することなく、第１の導波路から第２の導波路に直接的に進むことを意味する。いくつかの実施形態では、直接結合は、第１及び第２の導波路のエバネッセント場を重ね合わせることによって達成される。他の実施形態では、第１の導波路から光を直接第２の導波路に結合するために、結合器は、結合器によってサポートされる複数のモードの干渉パターンに依存する。
【0012】
励起光とは、媒体中の粒子の励起に適した波長を有する光を意味し、それによって粒子に蛍光を放出させる。
【0013】
粒子は、蛍光を放出する自然な能力を有する可能性がある。しかし、粒子が蛍光染料、すなわち、粒子に結合して蛍光を放出することができる染料によって染色されることも可能である。
【0014】
結合器は、第１の方向に関して室の上流の第１の導波路に配置されてもよい。したがって、結合器は室の前に、すなわち、励起光が受け取られる第１の導波路の端部と室との間に配置される。
【0015】
第１の導波路内のパワーは第１の導波路が室に入る場所でその最高レベルにあり、ここが大部分の光が放出され導波路長により収集される場所であることを意味する。励起光及び収集された蛍光はその後、導波路損失及び媒体中の粒子による吸収に起因して、第１の導波路に沿って伝播するにつれて減衰される。したがって、結合器を室の上流に配置することによって、結合器は、大部分の蛍光が導波路長により収集される第１の導波路の室への入口の近くに配置され、したがって可能な限り強い信号を生じさせる。さらに、収集された蛍光は結合器に戻るための短い経路を有することになり、これは、収集された蛍光が結合器に到達するときに基本的に減衰されないことを意味する。したがって、室に対する結合器のこの位置は、第１の導波路から外へと結合される収集された蛍光のパワーを最適化するのに役立つ。
【0016】
図１ａ及び図１ｂに示されるもののような従来技術のシステムでは、第１の導波路の出力である収集された全蛍光を最大にするために導波路の最適な長さを見つける必要があり、それによって第１の導波路に沿って収集される光のパワーを、減衰又は吸収によって失われる収集された光に対してバランス良く調整する。簡単に言えば、各導波路減衰量について、第１の導波路の単一の最適な長さが存在し、これは、出力において収集された蛍光のパワーを最大にする。さらに、吸収の一部が粒子による収集された光の再吸収によるものである場合、最適な長さは、粒子の異なる濃度ごとに異なることになる。
【0017】
これは、導波路１１０の長さの関数として、図１ａ及び図１ｂの第２の端部１１４、つまりポート２において収集された蛍光の収集された信号パワーを示す図２にさらに示されている。実線の曲線は粒子の第１の濃度に対応し、一方、破線の曲線は、粒子の第２のより低い濃度に対応する。特に、より高い濃度に対応する実線の曲線についての収集された信号パワーは、より低い濃度に対応する破線の曲線よりも低い導波路長でピークに達する。したがって、最適な導波路長は、より低い濃度についての最適な導波路長に比べて、より高い濃度についてより短く、したがって、蛍光がポート２において収集されるときに異なる濃度ごとに異なる最適な導波路長が存在することを示す。
【0018】
結合器に到達する収集された蛍光のパワーは、導波路が十分に長いときに飽和に達するので、結合器を室の上流に配置することによって、うまく設計された最適な長さを有するという要件が取り除かれる。
【0019】
第２の導波路は、第１の導波路に隣接して配置されてもよく、それによって、第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が第１の導波路から直接第２の導波路に結合されることを可能にする。結合は、第１及び第２の導波路の重なり合うエバネッセントモードによって達成される。これは、第１の導波路から第２の導波路への直接結合を提供する容易な方法である。
【0020】
実施形態によれば、結合器は方向性結合器である。方向性結合器は、製造のばらつきに比較的影響されないという点で有益である。さらに、方向性結合器による反射はわずかな量しか生じない。言い換えれば、第１の導波路によって第１の方向に導かれた励起光の多くは、第１の導波路から第２の導波路に後方散乱されない。
【0021】
方向性結合器の場合、励起光の一部を第２の導波路に結合することもできる。特に、第２の導波路は第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、第１の導波路から第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成されてもよい。第２の導波路の第２の端部において励起光を測定し、それを第１の導波路によって受け取られる励起光のパワーに関して位置付けることによって、結合器内の損失を決定することができる。
【0022】
実施形態によれば、結合器は波長スプリッタであってもよい。方向性結合器と比較して波長スプリッタは、結合損失がないか又は少なくとも非常に少ないという点で、有益である。方向性結合器は５０％の結合効率を有し得、一方、波長スプリッタは１００％の理論結合効率を有する。この波長スプリッタは、励起光と収集された蛍光との間の波長差をうまく利用して、各波長を正しい出力ポートに最適に結合（１００％まで）する。波長スプリッタは、収集された蛍光から後方散乱励起光を分離する働きもする。このようにすることで、第２の導波路の出力で測定された収集された蛍光は、後方散乱励起光によって汚染されない。
【0023】
或いは、結合器がマルチモード干渉（ＭＭＩ）結合器であってもよい。ＭＭＩ結合器は、製造公差に影響されないという点で有益である。別の利点はそれが広帯域であることであり、これは、励起光及び蛍光の波長について、同じ又は同様の、結合効率等の特性を有することを意味する。
【0024】
例えば、結合器は波長選択ＭＭＩであってもよい。波長選択ＭＭＩ結合器は、励起パワーが１つの出力ポートに進み、収集された蛍光パワーが別の出力ポートに進むように、励起光と収集された蛍光との間の波長差をうまく利用するように設計されたＭＭＩ結合器である。このようにして、標準的なＭＭＩ結合器と比較して結合効率が改善される。伝送の理論結合効率は１００％である。しかし、実際にはポート当たり２ｄＢのオーダーのいくらかのパワー損失がある。さらに、波長選択特性により、後方散乱された励起光と収集された蛍光とが分離され、これは、第２の導波路の出力において測定された収集された蛍光が後方散乱された励起光によって汚染されないことを意味する。さらに別の利点は、標準的なＭＭＩ結合器とは異なり、しかし方向性結合器と同様に、波長選択ＭＭＩ結合器が励起光の反射をほとんど又は全く引き起こさないことであり、これは第１の導波路によって第１の方向に導かれた励起光の多くが、第１の導波路から第２の導波路に後方散乱されないことを意味する。
【0025】
第１の導波路の長さは、媒体中で蛍光を放出することができる粒子の濃度とは無関係に選択することができる。さらに上述したように、これは、結合器を室の上流に配置することで励起光の方向と反対の方向に進む収集された蛍光を外に結合することによって可能である。
【0026】
基板、第１の導波路、及び結合器は、使い捨てチップ上に配置することができる。これは、関連する部品の小型性及び低コストの観点から可能にされる。
【0027】
第２の態様によれば、上記の目的は、以下を備える、媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するためのシステムによって達成される：
第１の態様による媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置、
装置の第１の導波路に励起光を入力するための、第１の導波路に結合された光源、及び
装置の第２の導波路の端部のうちの１つから出力される収集された蛍光を検出するための、第２の導波路に結合された検出器。
第１の態様による媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置、
装置の第１の導波路に励起光を入力するための、第１の導波路に結合された光源、及び
装置の第２の導波路の端部のうちの１つから出力される収集された蛍光を検出するための、第２の導波路に結合された検出器。
【0028】
システムは、使い捨て部分と使い捨てでない部分とを含むことができ、使い捨て部分は使い捨てでない部分に接続されるように配置され、光源及び検出器は使い捨てでない部分に配置され、装置は使い捨て部分に配置される。
【0029】
使い捨てでない部分上に結合器を有することと比較して、これは、使い捨て部分と使い捨てでない部分とをフォトニックに接続するために統合工程が必要とされないという点で有益である。また、使い捨て部分上に結合器を有することは、いかなる追加の製造コストも生じさせない。
【0030】
結合器は方向性結合器であってもよく、第２の導波路は、第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、第１の導波路から第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成されてもよい。検出器は前記第２の端部において出力される光を検出し、第１の導波路に入力される励起光のパワーに対する第２の導波路の第２の端部において検出される光のパワーに基づいて方向性結合器の損失を決定するために、第２の導波路の第２の端部にさらに結合されてもよい。
【0031】
第３の態様によれば、第１の態様による装置又は第２の態様のシステムを備える診断装置が提供される。
【0032】
第４の態様によれば、以下を備える、媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するための方法が提供される：
第１の導波路によって励起光を受け取り、第１の導波路の第１の方向に沿って励起光を導くことと、ここにおいて、第１の導波路の一部は、蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を通って延び、
第１の導波路を使用して、励起光による励起に続いて粒子によって放出された蛍光を収集することと、
第１の導波路に配置された結合器を使用して、第１の方向とは反対方向に進む蛍光を第１の導波路から結合器の第２の導波路に直接結合することと、
検出器を使用して、第２の導波路の端部のうちの１つにおいて、収集された蛍光を検出すること。
第１の導波路によって励起光を受け取り、第１の導波路の第１の方向に沿って励起光を導くことと、ここにおいて、第１の導波路の一部は、蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を通って延び、
第１の導波路を使用して、励起光による励起に続いて粒子によって放出された蛍光を収集することと、
第１の導波路に配置された結合器を使用して、第１の方向とは反対方向に進む蛍光を第１の導波路から結合器の第２の導波路に直接結合することと、
検出器を使用して、第２の導波路の端部のうちの１つにおいて、収集された蛍光を検出すること。
【0033】
結合器は方向性結合器であってもよく、方法は、以下をさらに備え得る：
第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、
第１の導波路によって受け取られる励起光のパワーに対する検出された光のパワーに基づいて方向性結合器の損失を決定すること。
第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、
第１の導波路によって受け取られる励起光のパワーに対する検出された光のパワーに基づいて方向性結合器の損失を決定すること。
【0034】
第２、第３、及び第４の態様は一般に、第１の態様と同じ特徴及び利点を有することができる。さらに、本発明の概念は、そうでないと特に明記しない限り、特徴のすべての可能な組合せに関することに留意されたい。
【0035】
ＩＩ．例示的な実施形態
これより、添付の図面を参照して例示的な実施形態をより十分に説明する。しかし、本発明の概念は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供されており、本発明の概念の範囲を当業者に完全に伝える。
これより、添付の図面を参照して例示的な実施形態をより十分に説明する。しかし、本発明の概念は多くの異なる形態で具現化することができ、本明細書に記載の実施形態に限定されると解釈されるべきではなく、むしろ、これらの実施形態は、徹底性及び完全性のために提供されており、本発明の概念の範囲を当業者に完全に伝える。
【0036】
図３は、蛍光を収集するための装置３００を示す。装置３００は、室３０６、第１の導波路３１０、結合器３１６、及び第２の導波路３１７を有する基板３０８を備える。
【0037】
一般に、装置３００は、フォトニック集積回路であってもよい。基板３０８は、フォトニック集積回路のためのプラットフォームとして機能する。基板３０８は例えば、上に処理された集積フォトニクスを有する酸化物で覆われている、シリコンチップ又は石英チップであり得る。基板３０８には、室３０６が形成されている。使用時、室３０６は、粒子３０４を含む体液等の媒体を保持する。したがって、室３０６は、媒体を保持するための容器として機能する。実施形態によれば、室３０６は、媒体が流れることができるマイクロ流体チャンネル等のチャンネルの形態であってもよい。粒子３０４は、それ自身の動きで、又は粒子に結合する蛍光染料によって、蛍光を放出することができる。
【0038】
第１の導波路３１０は、基板３０８に配置される。例えば、第１の導波路３１０は基板３０８に、すなわちフォトニック集積回路のプラットフォーム上に集積することができる。第１の導波路３１０は、室３０６内に延びる。図示された実施形態では、第１の導波路３１０が基板３０８の第１の側から室３０６内へと、且つ室３０６を通って、そして基板３０８の第２の側に延びる。しかし、他の実施形態では、導波路３１０が基板の第２の側へと延びるのでなく、室３０６内で終わる前に室３０６を通る蛇行経路を進む。
【0039】
第１の導波路３１０は、本明細書では励起光と呼ばれる光３２０を第１の端部３１２で受け取るように構成される。第１の端部３１２は、ポート１とも呼ばれ得る。励起光３２０は１つ又は複数のレーザ等の光源から受け取ることができ、粒子３０４の励起を引き起こすのに適した単一又は複数の別個の波長を含むことができる。第１の導波路３１０はまた、本明細書ではポート２と呼ばれる第２の端部３１４を有する。
【0040】
励起光３２０が受光されると、第１の導波路３１０は、励起光３２０を第１の導波路３１０の第１の方向３１３、ここでは左から右に導く。第１の導波路３１０は室３０６内へと、且つ室３０６を通って延びるので、第１の導波路３１０は、室３０６を通すように励起光を導く。
【0041】
第１の導波路３１０の表面は２つの誘電体間の界面であり、これは、第１の導波路３１０によって導かれる電磁波の場、すなわち励起光３２０が、エバネッセント波又はエバネッセント場の形態で第１の導波路３１０の外側に貫通することを意味する。エバネッセント場の存在により、第１の導波路３１０の近傍にある粒子３０４は励起光３２０の光子を吸収し、次いで蛍光３２２を放出することができる。蛍光３２２は、典型的には励起光３２０よりも低いエネルギーに対応する波長のスペクトルを有する。次いで、蛍光３２２の一部は、第１の導波路３１０によって収集され、第１の導波路３１０の両方向に導かれる。収集される蛍光３２２のその部分は、導波路モードと蛍光双極子モードとの間のモード重複によって決定される。
【0042】
結合器３１６は、第１の導波路３１０に配置される。好ましくは、結合器３１６は、第１の方向３１３に関して室３０６の上流に、すなわち、導波路３１０の、第１の端部３１２と室３０６との間に延在する部分に、配置される。
【0043】
結合器３１６は、第２の導波路３１７を含む。第２の導波路３１７は、第１の方向３１３と反対の方向に進む収集された蛍光３２４が第１の導波路３１０から直接第２の導波路３１７に結合されるように、第１の導波路３１０に対して配置される。これは、第２の導波路３１７を第１の導波路３１０に隣接して配置することによって達成することができる。このようにして、第１の導波路３１０内の第１の方向３１３と反対の方向に伝播する収集された蛍光３２４によって生じるエバネッセント場は、第２の導波路３１７において波を励起し、それによって、第１の導波路３１０から第２の導波路３１７に光を結合する。したがって、結合器３１６は、第１の導波路３１０と第２の導波路３１７との間のエバネッセント波結合を使用して、収集された蛍光３２４を第１の導波路３１０から第２の導波路３１７に直接結合する。したがって、結合器３１６は、エバネッセント結合器と呼ぶことができる。
【0044】
第２の導波路３１７は、第２の導波路３１７に結合された蛍光３２６を、それの端部のうちの１つにおいて出力するように構成される。特に、第２の導波路３１７は、収集された蛍光３２６が出力される、ここではポート３とも呼ばれる第１の端部３１８を有する。言い換えれば、収集された蛍光３２６は、第２の導波路３１７の第１の端部３１８、つまりポート３において直接測定されてもよい。第２の導波路３１７は、ここではポート４と呼ばれる第２の端部３１９も有する。
【0045】
一実施形態によれば、結合器３１６は方向性結合器である。方向性結合器は、結合損失に関連する。より詳細には、ポート１に入る励起光３２０は２つの部分に分割されることとなり、ここにおいて、一方の部分は第１の導波路３１０を介してポート２に伝送され、もう一方の部分は第２の導波路３１７に結合されてポート４において出力される。これは、図４ａにさらに示されている。同様に、ポート２の方向から第１の導波路３１０内を伝搬する収集された蛍光３２４は、２つの部分に分割され、一方の部分が第１の導波路３１０を介してポート１に伝送され、もう一方の部分３２６が第２の導波路３１７へと結合されてポート３において出力される。これは、図４ｂにさらに示されている。図４ａ及び図４ｂにおいて、及び本出願全体を通して、実線の矢印は励起光を指し、破線の矢印は蛍光を指す。
【0046】
ポート１において入力されるパワーに対するポート４における信号のパワーを測定することにより、方向性結合器の結合効率を決定することができる。
【0047】
図５は、別の実施形態による、蛍光を収集するための装置５００を示す。図５の実施形態は、結合器５１６が方向性結合器の代わりに波長スプリッタである点で、図３の実施形態と異なる。異なる波長の２つの信号が波長スプリッタの共通ポートに入力される場合、波長スプリッタは１００％の効率で波長のうちの一方を第１のポートに伝送し、１００％の効率でもう一方の波長を別のポートに結合することになる。これは、図６ａにさらに示されている。
【0048】
したがって、装置５００で使用される場合、波長スプリッタ５１６は、ポート１において入力された励起光３２０を、第１の導波路３１０を介してポート２に伝送する。これは、図６ｂにさらに示されている。同様に、ポート２の方向から第１の導波路３１０内を伝播する収集された蛍光３２４は、１００％の効率で第２の導波路３１７へと結合され、ポート３において出力される。これは、図６ｃにさらに示されている。図６ｃでは、励起光３２０の一部が後方散乱されて、少量の励起光が第１の導波路３１０内を結合器５１６に向かって後方に伝播することも（実線の矢印によって）示されている（これは図４ｂでは省略された）。波長スプリッタ５１６の波長分割特性により、後方散乱励起光は、ポート３へと結合される代わりにポート１に伝送される。したがって、ポート３で検出される信号のパワーは、収集された蛍光からのみ生じ、後方散乱励起光によって汚染されない。したがって、波長スプリッタは方向性結合器よりも改善された効率を有し、また、後方散乱された励起光を収集された蛍光から分離する。
【0049】
図７は、さらに別の実施形態による、蛍光を収集するための装置７００を示す。装置７００は、結合器７１６がマルチモード干渉結合器（ＭＭＩ）である点で、図３及び図５の装置３００及び５００とは異なる。ＭＭＩは、収集された蛍光３２４を第１の導波路３１０から第２の導波路３１７に直接結合する方法の別の例である。ＭＭＩは、第１の導波路３１０から光を第２の導波路３１７に直接結合するために、ＭＭＩでサポートされる複数のモードの干渉パターンに依存する結合器の一例である。
【0050】
ＭＭＩ結合器は基本的に、複数のモードをサポートする幅広のスラブガイド状構造からなる。これらのモードの干渉パターンが利用される。スラブガイドの寸法を選択することによって、入口導波路における像は、出口導波路（１つ又は複数）において映される。
【0051】
装置７００で使用される場合、ＭＭＩ結合器７１６は、ポート１において入力された励起光３２０を、第１の導波路３１０を介してポート２に伝送する。これは、図８ａにさらに示されている。伝送には損失があり、励起光３２０のポーザの約５０％がポート１からポート２に伝送される。ポート２の方向から第１の導波路３１０内を伝播する収集された蛍光３２４は、２つの等しいサイズの部分に分割され、一方の部分は第１の導波路３１０を介してポート１に伝送され、もう一方の部分は第２の導波路３１７に結合されて、ポート３において出力される。これは、図８ｂにさらに示されている。ＭＭＩ結合器７１６は別の物理的原理に従って動作するが、その機能はしたがって、図３、図４ａ、及び図４ｂに関連して説明した方向性結合器と同様である。
【0052】
ＭＭＩ結合器７１６はまた、波長選択型であってもよい。波長選択型のＭＭＩ結合器は、方向性結合器ではなく、波長スプリッタとより機能が類似している。特に、励起光３２０は１つのポートに出力され、収集された蛍光は別のポートに出力されるように設計される。
【0053】
装置７００で使用される場合、波長選択型のＭＭＩ結合器は、ポート１において入力された励起光３２０を、第１の導波路３１０を介してポート２に伝送することになる。これは、図９ａにさらに示されている。同様に、ポート２の方向から第１の導波路３１０内を伝播する収集された蛍光３２４は、１００％までの効率で第２の導波路３１７に結合され、ポート３において出力される。これは、図９ｂにさらに示されている。図９ｂでは、励起光３２０の一部が後方散乱され、少量の励起光が第１の導波路３１０内を結合器７１６に向かって後方に伝播することも（実線の矢印によって）示されている。波長選択ＭＭＩの波長分割特性により、後方散乱励起光は、ポート３へと結合される代わりにポート１に伝送される。したがって、ポート３で検出される信号のパワーは、収集された蛍光からのみ生じ、後方散乱励起光によって汚染されない。したがって、波長選択ＭＭＩは、図８ａ及び図９ｂの基準ＭＭＩよりも改善された効率を有し、また、後方散乱励起光を収集された蛍光から分離する。波長選択ＭＭＩ結合器は、更なる出力ポートを備えてもよく、ここにおいて、ＭＭＩ結合器は、異なる波長を異なるポートに出力するように構成される。例えば、波長選択ＭＭＩ結合器は、収集された蛍光が直接結合される第３の導波路を備えてもよく、第１の波長の蛍光が第２の導波路に結合され、第２の波長の蛍光が第３の導波路に結合される。これは、図１０にさらに示されており、ここでは、第１の波長の蛍光（破線の矢印）がポート３とラベル付けされた第２の導波路に結合され、第２の波長の蛍光（点線の矢印）がポート５とラベル付けされた第３の導波路に結合されている。これは、媒体中に異なるタイプの蛍光粒子、例えば、異なる波長の蛍光を放出する２つの異なる蛍光染料によって染色された粒子が存在する場合に有用である。次に、第１のタイプの蛍光粒子から生じる蛍光は第２の導波路、つまりポート３へと結合され、一方、第２のタイプの蛍光粒子からの蛍光は第３の導波路、つまりポート５へと結合される。
【0054】
図１１は、２つの異なる粒子濃度についての導波路長の関数として、ポート３における収集された信号パワーを示す。参考のために、図１ａ及び図１ｂの従来技術の装置を使用してポート２において測定された、同じ２つの濃度についての収集された信号パワーも示されている。図２を参照して説明したように、ポート２の収集では、各濃度に対して最適な導波路長が存在する。しかし、これは、図３～図１０を参照して上述したことに従って蛍光が代わりにポート３において収集される場合には、当てはまらない。図１１に見られるように、収集された光のパワーは、第１の導波路の長さがあるレベルに達すると飽和する。さらに、その特定のレベルは、粒子濃度とは無関係である。したがって、ポート３の収集により、粒子濃度とは無関係に第１の導波路の長さを選択することが可能である。単一の「十分に長い」導波路を使用して、すべての濃度を捕らえることができる。
【0055】
図３～１０を参照して説明した装置はさらに、媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するためのシステムの一部であってもよい。図１２は、そのようなシステム９００を示す。このシステムは、装置３００、５００、７００（装置３００が図示されているが、装置５００、７００を使用することもできることを理解されたい）、光源９０２、好ましくはレーザ、及び検出器９０４を含む。検出器９０４は例えば、撮影装置とすることができる。
【0056】
光源９０２は、励起光を第１の導波路に入力するために装置３００、５００、７００の第１の導波路に結合され得る。検出器９０４は装置のポート３から出力される収集された蛍光を検出するために、装置３００、５００、７００の第２の導波路に結合され得る。例えば、前述の方向性結合器の場合の結合効率を決定するために、検出器を装置のポート２及びポート４（存在する場合）に結合して、これらの出力ポートにおいても信号パワーを検出することも可能である。
【0057】
システム９００は、典型的には１回より多く使用されることが意図された使い捨てでない部分９０６と、一回使用のみが意図された使い捨て部分９０８とを含む。使い捨て部分９０８は、使い捨てでない部分に解除可能なように接続されてもよい。より高価で大きな部品、ここでは光源９０２及び検出器９０４は、使い捨てでない部分９０６上に配置される。しかしながら、装置３００、５００、７００は、使い捨て部分９０８上に配置される。
【0058】
装置３００、５００、７００、及びシステム９００は、診断装置の一部を形成することができる。例えば、装置は、体液中の粒子の濃度を測定する診断装置の一部を形成することができる。
【0059】
【0060】
第１の工程Ｓ０２において、第１の導波路３１０は励起光３２０を受け取り、第１の導波路３１０の第１の方向３１３に沿って励起光３２０を導く。励起光３２０は、図９の光源９０２等の光源から受け取られる。先に説明したように、第１の導波路３１０の周囲にはエバネッセント場が存在することになり、これは、第１の導波路が媒体３０２を通って延びているので、粒子３０４が励起光３２０の光子を吸収することを可能にする。吸収に続いて、粒子３０４は次いで蛍光３２２を放出する。
【0061】
次の工程Ｓ０４では、粒子によって放出された蛍光３２２が第１の導波路３１０によって収集される。工程Ｓ０４は、放出された蛍光３２２と第１の導波路３１０との間の相互作用によって生じるものである。
【0062】
工程Ｓ０６において、第１の導波路中を第１の方向と反対の方向に進む蛍光３２４は、前述されたように、結合器３１６、５１６、７１６によって、第１の導波路３１０から直接第２の導波路３１７に結合される。
【0063】
工程Ｓ０８において、収集された蛍光は、検出器９０４によって、第２の導波路３１７のポート３で検出される。
【0064】
結合器が方向性結合器３１６である場合、この方法はまた、第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、第１の導波路によって受け取られた励起光のパワーに対する検出された光のパワーに基づいて方向性結合器の損失を決定することとを備え得る。
【0065】
本明細書における実施形態は、上で説明された例に限定されない。様々な代替、修正、及び均等物を使用することができる。波長スプリッタ、ＭＭＩ及び方向性結合器は、基本的な分光計の例として見られ得る。原則として、エシェル回折格子型又はアレイ導波路回折格子型の分光計等の他のタイプの分光計を使用することも可能であろう。したがって、本開示は、本明細書に記載される特定の形態に限定されるべきではない。本開示は、添付の特許請求の範囲によってのみ限定され、上記以外の他の実施形態も、特許請求の範囲内で同様に可能である。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置であって、
蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を保持するための室を有する基板と、
前記基板に配置され、前記室中へと延びる第１の導波路と、
ここで、前記第１の導波路は光源から励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記室を通して前記励起光を導き、前記励起光による前記粒子の励起に続いて前記粒子によって放出される蛍光を収集するように構成されるものであり、
前記第１の導波路に配置された結合器と、
を備え、
ここで、前記結合器は収集された蛍光をその端部のうちの１つにおいて出力するように構成される第２の導波路を含み、
ここで、前記第２の導波路は、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路へと結合されるように、前記第１の導波路に対して配置されている、
装置。
［２］ 前記結合器が、前記第１の方向に関して前記室の上流の前記第１の導波路に配置されている、［１］に記載の装置。
［３］ 前記第２の導波路が前記第１の導波路に隣接して配置され、それによって、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路に結合されていることを可能にする、［１］又は［２］に記載の装置。
［４］ 前記結合器が方向性結合器である、［１］～［３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［５］ 前記第２の導波路が、第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、前記第１の導波路から前記第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成されている、［４］に記載の装置。
［６］ 前記結合器が波長スプリッタである、［１］～［３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［７］ 前記結合器がマルチモード干渉結合器である、［１］又は［２］に記載の装置。
［８］ 前記第１の導波路が、前記媒体中で蛍光を放出することができる粒子の濃度とは無関係に選択される長さを有する、［１］～［７］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［９］ 前記基板、前記第１の導波路、及び前記結合器が、使い捨てチップ上に配置されている、［１］～［８］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１０］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するためのシステムであって、
［１］～［９］のうちのいずれか一項に記載の、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置と、
前記装置の前記第１の導波路に励起光を入力するための、前記第１の導波路に結合された光源と、
前記装置の前記第２の導波路の前記端部のうちの１つから出力される前記収集された蛍光を検出するための、前記第２の導波路に結合された検出器と、
を備える、システム。
［１１］ 前記システムが使い捨て部分と使い捨てでない部分とを備え、前記使い捨て部分は前記使い捨てでない部分に接続されるように配置され、
前記光源及び前記検出器が、前記使い捨てでない部分に配置され、前記装置が前記使い捨て部分に配置されている、
［１０］に記載のシステム。
［１２］ 前記結合器が方向性結合器であり、前記第２の導波路が、第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、前記第１の導波路から前記第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成され、
前記検出器がさらに、前記第２の端部において出力される光を検出し、前記第１の導波路に入力される前記励起光のパワーに対する前記第２の導波路の前記第２の端部において検出された前記光のパワーに基づいて前記方向性結合器の損失を決定するために、前記第２の導波路の前記第２の端部に結合されている、
［１０］～［１１］のうちのいずれか一項に記載のシステム。
［１３］ ［１］～［９］のうちのいずれか一項に記載の装置を備えるか、又は［１０］～［１２］のうちのいずれか一項に記載のシステムを備える、診断装置。
［１４］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するための方法であって、
第１の導波路によって励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記励起光を導くことと、ここで、前記第１の導波路の一部が、蛍光を放出することができる前記粒子を含む媒体を通って延びており、
前記第１の導波路を使用して、前記励起光による励起に続いて前記粒子によって放出された蛍光を収集することと、
前記第１の導波路に配置された結合器を使用して、前記第１の導波路から直接前記結合器の第２の導波路へと、前記第１の方向と反対の方向に進む蛍光を結合することと、
検出器を使用して、前記第２の導波路の端部のうちの１つにおいて、前記収集された蛍光を検出することと、
を備える、方法。
［１５］ 前記結合器が方向性結合器であり、前記方法がさらに、
前記第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、
前記第１の導波路によって受け取られた前記励起光のパワーに対する前記検出された光のパワーに基づいて前記方向性結合器の損失を決定することと、
を備える、［１４］に記載の方法。
以下に、出願当初の特許請求の範囲に記載の事項を、そのまま、付記しておく。
［１］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置であって、
蛍光を放出することができる粒子を含む媒体を保持するための室を有する基板と、
前記基板に配置され、前記室中へと延びる第１の導波路と、
ここで、前記第１の導波路は光源から励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記室を通して前記励起光を導き、前記励起光による前記粒子の励起に続いて前記粒子によって放出される蛍光を収集するように構成されるものであり、
前記第１の導波路に配置された結合器と、
を備え、
ここで、前記結合器は収集された蛍光をその端部のうちの１つにおいて出力するように構成される第２の導波路を含み、
ここで、前記第２の導波路は、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路へと結合されるように、前記第１の導波路に対して配置されている、
装置。
［２］ 前記結合器が、前記第１の方向に関して前記室の上流の前記第１の導波路に配置されている、［１］に記載の装置。
［３］ 前記第２の導波路が前記第１の導波路に隣接して配置され、それによって、前記第１の方向と反対の方向に進む収集された蛍光が前記第１の導波路から直接前記第２の導波路に結合されていることを可能にする、［１］又は［２］に記載の装置。
［４］ 前記結合器が方向性結合器である、［１］～［３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［５］ 前記第２の導波路が、第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、前記第１の導波路から前記第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成されている、［４］に記載の装置。
［６］ 前記結合器が波長スプリッタである、［１］～［３］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［７］ 前記結合器がマルチモード干渉結合器である、［１］又は［２］に記載の装置。
［８］ 前記第１の導波路が、前記媒体中で蛍光を放出することができる粒子の濃度とは無関係に選択される長さを有する、［１］～［７］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［９］ 前記基板、前記第１の導波路、及び前記結合器が、使い捨てチップ上に配置されている、［１］～［８］のうちのいずれか一項に記載の装置。
［１０］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するためのシステムであって、
［１］～［９］のうちのいずれか一項に記載の、媒体中の粒子によって放出される蛍光を収集するための装置と、
前記装置の前記第１の導波路に励起光を入力するための、前記第１の導波路に結合された光源と、
前記装置の前記第２の導波路の前記端部のうちの１つから出力される前記収集された蛍光を検出するための、前記第２の導波路に結合された検出器と、
を備える、システム。
［１１］ 前記システムが使い捨て部分と使い捨てでない部分とを備え、前記使い捨て部分は前記使い捨てでない部分に接続されるように配置され、
前記光源及び前記検出器が、前記使い捨てでない部分に配置され、前記装置が前記使い捨て部分に配置されている、
［１０］に記載のシステム。
［１２］ 前記結合器が方向性結合器であり、前記第２の導波路が、第１の端部において、収集された蛍光を出力し、第２の端部において、前記第１の導波路から前記第２の導波路へと結合された励起光を出力するように構成され、
前記検出器がさらに、前記第２の端部において出力される光を検出し、前記第１の導波路に入力される前記励起光のパワーに対する前記第２の導波路の前記第２の端部において検出された前記光のパワーに基づいて前記方向性結合器の損失を決定するために、前記第２の導波路の前記第２の端部に結合されている、
［１０］～［１１］のうちのいずれか一項に記載のシステム。
［１３］ ［１］～［９］のうちのいずれか一項に記載の装置を備えるか、又は［１０］～［１２］のうちのいずれか一項に記載のシステムを備える、診断装置。
［１４］ 媒体中の粒子によって放出される蛍光を検出するための方法であって、
第１の導波路によって励起光を受け取り、前記第１の導波路の第１の方向に沿って前記励起光を導くことと、ここで、前記第１の導波路の一部が、蛍光を放出することができる前記粒子を含む媒体を通って延びており、
前記第１の導波路を使用して、前記励起光による励起に続いて前記粒子によって放出された蛍光を収集することと、
前記第１の導波路に配置された結合器を使用して、前記第１の導波路から直接前記結合器の第２の導波路へと、前記第１の方向と反対の方向に進む蛍光を結合することと、
検出器を使用して、前記第２の導波路の端部のうちの１つにおいて、前記収集された蛍光を検出することと、
を備える、方法。
［１５］ 前記結合器が方向性結合器であり、前記方法がさらに、
前記第２の導波路の第２の端部において光を検出することと、
前記第１の導波路によって受け取られた前記励起光のパワーに対する前記検出された光のパワーに基づいて前記方向性結合器の損失を決定することと、
を備える、［１４］に記載の方法。
【図1a】
【図1b】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】