▶ ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツングの特許一覧
(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】2023-05-11
(45)【発行日】2023-05-19
(54)【発明の名称】回折バイオセンサ
(51)【国際特許分類】
G01N 21/47 20060101AFI20230512BHJP
【ＦＩ】
G01N21/47 A
【請求項の数】
6
(21)【出願番号】P 2021502488
(86)(22)【出願日】2019-04-16
(65)【公表番号】
(43)【公表日】2021-11-18
(86)【国際出願番号】 EP2019059853
(87)【国際公開番号】W WO2020015872
(87)【国際公開日】2020-01-23
【審査請求日】2022-01-13
(31)【優先権主張番号】102018212013.7
(32)【優先日】2018-07-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE
(73)【特許権者】
【識別番号】390014281
【氏名又は名称】ドクトル・ヨハネス・ハイデンハイン・ゲゼルシヤフト・ミツト・ベシユレンクテル・ハフツング
【氏名又は名称原語表記】ＤＲ． ＪＯＨＡＮＮＥＳ ＨＥＩＤＥＮＨＡＩＮ ＧＥＳＥＬＬＳＣＨＡＦＴ ＭＩＴ ＢＥＳＣＨＲＡＮＫＴＥＲ ＨＡＦＴＵＮＧ
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100092967
【弁理士】
【氏名又は名称】星野 修
(74)【代理人】
【識別番号】100220065
【弁理士】
【氏名又は名称】高梨 幸輝
(72)【発明者】
【氏名】ホルツアップフェル，ヴォルフガング
(72)【発明者】
【氏名】クグラー，ミヒャエル
(72)【発明者】
【氏名】シャーデ，マルコ
【審査官】古川 直樹
(56)【参考文献】
【文献】米国特許出願公開第２００３／００５９８５５（ＵＳ，Ａ１）
【文献】国際公開第２０１７／００６６７９（ＷＯ，Ａ１）
【文献】David G. Angeley，Optical transduction technique utilizing gratings with a potential application towards biosensing，Proceedings of SPIE，Vol.4958，米国，2003年，p.1～12
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｇ０１Ｎ ２１／００ － Ｇ０１Ｎ ２１／０１
Ｇ０１Ｎ ２１／１７ － Ｇ０１Ｎ ２１／６１
Ｇ０１Ｎ ３３／４８ － Ｇ０１Ｎ ３３／９８
Ｃ１２Ｍ １／００ － Ｃ１２Ｍ ３／１０
Ｃ１２Ｎ １５／００ － Ｃ１２Ｎ １５／９０
Ｃ１２Ｑ １／００ － Ｃ１２Ｑ ３／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板（ＳＵＢ）と、前記基板（ＳＵＢ）に配置された光学バイオグリッド（ＢＧ）と、検出器（Ｄ）と、入射光（L）を放出するためのコヒーレントレーザ光源と、前記検出器（Ｄ）によって取得された強度ストリップシステムを評価するための評価ユニットとを備える、生体分子の選択的同定のための回折バイオセンサであって、前記光学バイオグリッド（ＢＧ）が、周期的に配置された前記生体分子のレセプタを有し、導波路（Ｗ）を伝搬する前記入射光（Ｌ）の回折の効率、したがって前記検出器（Ｄ）に入射する測定光束（ＭＬ）の強度が、同定対象の生体分子による前記光学バイオグリッド（ＢＧ）の質量占有率に依存する回折バイオセンサにおいて、前記回折バイオセンサは、前記入射光（Ｌ）からデカップリングされ前記検出器（Ｄ）に向けられた参照光束（ＲＬ）を生成するためのデバイス（ＲＧ、ＳＴ１）を有し、参照光束（ＲＬ）を用いて、前記光学バイオグリッド（ＢＧ）によって前記入射光（Ｌ）から分離された前記測定光束（ＭＬ）に対する前記検出器（Ｄ）に入射する散乱光の位相位置が決定可能であり、
前記回折バイオセンサが、透明領域（ＳＯ）と、前記参照光束（ＲＬ）または前記測定光束（ＭＬ）を遮断する領域（ＳＢ）とを備える可動要素（Ｓ、Ｓ１、Ｓ２）または電子的に切り替え可能なスクリーンを含み、前記可動要素（Ｓ、Ｓ１、Ｓ２）によって、または前記電子的に切り替え可能なスクリーンによって、前記参照光束（ＲＬ）または前記測定光束（ＭＬ）の選択的な遮断が可能にされることを特徴とし、
前記光学バイオグリッド（ＢＧ）が、前記基板（ＳＵＢ）に平坦に配置された前記導波路（Ｗ）に取り付けられている、回折バイオセンサ。
【請求項2】
請求項１に記載の回折バイオセンサであって、前記参照光束（ＲＬ）を生成するための前記デバイスが、参照格子（ＲＧ）またはビームスプリッタ（ＳＴ１）であり、前記参照格子（ＲＧ）または前記ビームスプリッタ（ＳＴ１）によって、前記入射光（Ｌ）の一部が、参照光束（ＲＬ）として前記検出器（Ｄ）に偏向されることを特徴とする回折バイオセンサ。
【請求項3】
請求項２に記載の回折バイオセンサであって、前記参照格子（ＲＧ）が、前記導波路（Ｗ）内で、前記光学バイオグリッド（ＢＧ）の側方に配置されることを特徴とする回折バイオセンサ。
【請求項4】
請求項１または２に記載の回折バイオセンサであって、前記回折バイオセンサが第２のビームスプリッタ（ＳＴ２）または偏向要素を備え、前記参照光束（ＲＬ）を生成するための前記デバイスが、入射光（Ｌ）の一部を参照光束（ＲＬ）として前記第２のビームスプリッタ（ＳＴ２）または前記偏向要素に偏向する第１のビームスプリッタ（ＳＴ１）であり、前記第２のビームスプリッタ（ＳＴ２）または前記偏向要素から、前記参照光束（ＲＬ）が測定光束（ＭＬ）と重なり合って、前記検出器（Ｄ）に偏向されることを特徴とする回折バイオセンサ。
【請求項5】
請求項４に記載の回折バイオセンサであって、前記回折バイオセンサが第１および第２の対物レンズ（Ｏ１、Ｏ２）とフーリエスクリーン（ＦＢ）とを含み、前記測定光束（ＭＬ）のビーム経路内で、前記光学バイオグリッド（ＢＧ）の後、および前記第２のビームスプリッタ（ＳＴ２）または前記偏向要素の前に、前記第１および第２の対物レンズ（Ｏ１、Ｏ２）が配置され、前記第１および第２の対物レンズ（Ｏ１、Ｏ２）の間のフーリエ面に前記フーリエスクリーン（ＦＢ）が配置されることを特徴とする回折バイオセンサ。
【請求項6】
請求項１から５のいずれか一項に記載の回折バイオセンサであって、前記回折バイオセンサが複数の集光レンズ（ＳＬ）を有するレンズアレイを含み、前記検出器（Ｄ）に向けられる参照光束（ＲＬ）を生成するための複数のデバイス（ＲＧ、ＳＴ１）、および複数の光学バイオグリッド（ＢＧ）からの前記参照光束（ＲＬ）および前記測定光束（ＭＬ）が、前記レンズアレイによって前記検出器（Ｄ）に偏向されることを特徴とする回折バイオセンサ。【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、回折バイオセンサに関する。そのようなセンサは、光を回折するための回折格子に、検出対象の生体分子を吸着させることに基づく。回折された光に関する光検出器の信号は、生体分子によるバイオセンサの質量占有率に関する尺度として働く。
【背景技術】
【0002】
光学から、基板に配置された平面導波路が知られており、平面導波路は、光をカップリングまたはデカップリングするための光学格子を有する。そのような光学格子は、例えば基板または導波路にエッチングされた構造であり、したがって基板または導波路の材料からなる構造である。必要な格子周期は、使用する光の波長と、導波路の屈折率とに依存する。格子周期は、カップリング角に依存して、導波路内の光の実効波長の範囲内にある。典型的には、格子周期は、光の真空波長の約半分である。
【0003】
バイオセンサの分野では、光をカップリングおよびデカップリングするための格子も知られており、そのような格子は、生物学的物質からなり、検査対象の生体分子のためのレセプタとして機能する。そのような生体分子が、格子に構造化されたレセプタに付着する場合、生体分子は光学的に有効な格子を形成する。吸着された生体分子の有無にかかわらず格子に構造化されたそのようなレセプタを以下ではバイオグリッドと呼ぶ。そのようなバイオグリッドの回折効率は、生体分子による格子の質量占有率に依存するので、検出器によって測定される回折光の強度に基づいて、質量占有率に関する定量的な言明を行うことができる。
【0004】
国際公開第２０１５００４２６４号から、回折バイオセンサが知られており、その回折バイオセンサでは、発散光は、基板を通って、導波路に光をカップリングするための光学格子に当たる。次いで、導波路を伝播する光は、デカップリング格子として作用するバイオグリッドに当たる。これにより、デカップリングされた光は、基板を通して検出器に合焦（又は、集束）される。検出器で測定される光強度は、検査対象の生体分子によるデカップリング格子の占有率に関する尺度である。しかし、２つのバイオグリッドの使用は、カップリングが２分の１に弱まることにより、信号が非常に低くなることを意味する。さらに、所望の測定光は、望ましくない散乱光を重ね合わされ、散乱光はさらに測定光に対して固定された位相関係にあり、測定光と干渉する可能性があるので、最適な測定信号が得られない。
【0005】
米国特許第７００８７９４号にも回折バイオセンサが記載されている。ここでは、実際に所望の信号を際立たせるために、測定信号からバックグラウンド回折パターンを差し引くことが提案される。しかし、ここでも測定光に対する散乱光の固定位相関係は無視される。
【0006】
欧州特許出願公開第２６１８１３０号、欧州特許出願公開第２７５７３７４号、および欧州特許第２９２９３２６号にも、さらなるバイオセンサが記載されている。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
したがって、本発明の目的は、バイオグリッドの比較的低い回折効率および妨害的散乱光にもかかわらず、散乱光の影響を低減することによって測定精度の向上が達成される、回折バイオセンサおよびその使用方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0008】
この目的は、請求項１に記載の装置によって達成される。有利な詳細は、従属クレームからも明らかになる。
基板と、基板に配置された光学バイオグリッドとを備える、生体分子の選択的同定（又は、検出）のための回折バイオセンサであって、バイオグリッドが、生体分子ための周期的に配置されたレセプタを有し、入射光の回折の効率、したがって検出器に入射する測定光束の強度が、同定対象の生体分子によるバイオグリッドの質量占有率に依存する回折バイオセンサが開示される。このバイオセンサは、検出器に向けられた参照光束を生成するためのデバイスを有し、参照光束を用いて、測定光束に対する検出器に入射する散乱光の位相位置が決定可能である。
基板と、基板に配置された光学バイオグリッドとを備える、生体分子の選択的同定（又は、検出）のための回折バイオセンサであって、バイオグリッドが、生体分子ための周期的に配置されたレセプタを有し、入射光の回折の効率、したがって検出器に入射する測定光束の強度が、同定対象の生体分子によるバイオグリッドの質量占有率に依存する回折バイオセンサが開示される。このバイオセンサは、検出器に向けられた参照光束を生成するためのデバイスを有し、参照光束を用いて、測定光束に対する検出器に入射する散乱光の位相位置が決定可能である。
【0009】
この位相位置が分かれば、測定信号での散乱光の悪影響をなくすことができる。
コヒーレント光で散乱表面を照射するとき、いわゆるスペックルが発生する。スペックルとは、それ自体がランダムな位相位置と干渉し、それによりランダムな位相および振幅分布を生成する散乱光である。この現象は、回折バイオセンサ（例えば、上で引用した従来技術などにおけるもの）でも発生し、測定精度に影響を与える。回折測定場は、漂遊場によってコヒーレントに重ね合わされ、それによって歪曲される。２つの電場は、以下の式に従ってコヒーレントに重ね合わされる。
コヒーレント光で散乱表面を照射するとき、いわゆるスペックルが発生する。スペックルとは、それ自体がランダムな位相位置と干渉し、それによりランダムな位相および振幅分布を生成する散乱光である。この現象は、回折バイオセンサ（例えば、上で引用した従来技術などにおけるもの）でも発生し、測定精度に影響を与える。回折測定場は、漂遊場によってコヒーレントに重ね合わされ、それによって歪曲される。２つの電場は、以下の式に従ってコヒーレントに重ね合わされる。
【0010】
ＩＭ＋Ｓ＝ＩＭ＋ＩＳ＋２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）
ここで、ＥＭおよびＥＳは、測定場および散乱場の電場強度であり、ＩＭ＝ＥＭ ２およびＩＳ＝ＥＳ ２は、関連する強度であり（以下、簡潔に測定強度および散乱強度とも呼ぶ）、φＭおよびφＳはそれぞれの位相であり、ＩＭ＋Ｓは検出面での関連する総強度である。ここで、式は、例えば平坦検出器の画素ごとに成り立ち、検出器面での位置依存性が暗黙的に含まれる。相対位相位置ΔφＭＳ＝φＭ－φＳが時間的に一定であるとき、積分時間が長くても、干渉項２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）は平均してゼロにならない。ここで、漂遊場は、位相差ΔφＭＳが分かっているときにのみ修正することができる。したがって、本発明は、漂遊場を正しく差し引くことができ、したがって、乱されていない測定場ＥＭまたはその強度ＩＭを導出することができるようにするために、この位相差を測定するための装置および関連する方法を提供する。
ここで、ＥＭおよびＥＳは、測定場および散乱場の電場強度であり、ＩＭ＝ＥＭ ２およびＩＳ＝ＥＳ ２は、関連する強度であり（以下、簡潔に測定強度および散乱強度とも呼ぶ）、φＭおよびφＳはそれぞれの位相であり、ＩＭ＋Ｓは検出面での関連する総強度である。ここで、式は、例えば平坦検出器の画素ごとに成り立ち、検出器面での位置依存性が暗黙的に含まれる。相対位相位置ΔφＭＳ＝φＭ－φＳが時間的に一定であるとき、積分時間が長くても、干渉項２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）は平均してゼロにならない。ここで、漂遊場は、位相差ΔφＭＳが分かっているときにのみ修正することができる。したがって、本発明は、漂遊場を正しく差し引くことができ、したがって、乱されていない測定場ＥＭまたはその強度ＩＭを導出することができるようにするために、この位相差を測定するための装置および関連する方法を提供する。
【0011】
しかし、回折バイオセンサに関して、これまで散乱光は全く考慮されていないか、完全には考慮されていない。通常、漂遊場の強度ＩＳを測定場の強度ＩＭとは別個に決定し、その平均値を単純に差し引いて、測定場を求めることが提案される。しかし、この手法は、散乱光の位相位置が時間的にランダムに変化し、したがって干渉項が平均して打ち消される場合にのみ正しく、または測定場の強度が散乱場の強度よりも大幅に大きいことが成り立つときにほぼ正しい。それに対し、センサの検出限界付近での固定の散乱光位相および測定強度に関しては、この簡略化された手法では精度が不十分である。
【0012】
好ましくない散乱中心（すなわち、表面粗さ、表面の汚染、導波路の粒界、非特異的に付着された粒子／生体分子など、あらゆる種類の外乱）は、バイオグリッドと同様に光を散乱する。しかし、好ましくない散乱中心は構造化されておらず、ランダムに配置されるので、散乱光は、検出位置の方向に特異的にではなく、広い立体角で放射される。これが、回折バイオグリッドが不特定の付着に対して非常に堅牢である理由である。
【0013】
しかし、好ましくない散乱中心（とりわけ基板の粗さでの散乱の場合）は構造化されていないが、固定して配置されていることに留意すべきである。したがって、結果として生じる漂遊磁場ＥＳの位相位置はランダムだが、それでも時間的に一定である。非常に小さいが無視できない漂遊磁場の部分のみが、検出位置の方向に放射される。検出対象の生体分子の回折バイオグリッドを生成し、適切なスクリーンおよびアパーチャによって他のすべてのモードを遮断する光モード（以下、測定モードと呼ぶ）のみを、検出光学系の最適な設計により検出器に到達させることができる。それにより、これらの他のモードでの散乱光が抑制され、検出器に到達しない。しかし、測定モードで放射される散乱光は、原理上抑制することができない。これは、電場強度ＥＳおよび位相φＳと共に、検出される合計強度ＩＭ＋Ｓに寄与する。結果として生じる干渉項２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）を平均して打ち消すことはできない。測定強度ＩＭが、合計強度ＩＭ＋Ｓから散乱強度ＩＳを単純に差し引くことによって決定される場合（すなわち、ＩＭ≒ＩＭ＋Ｓ－ＩＳ）、大きさ２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）の誤差があり、この誤差は、特にＥＭ≒ＥＳの場合に測定精度を制限する。
【0014】
固定せずに配置された、すなわち変動する散乱中心によって生成される測定モードでの散乱光は、検出される強度の時間平均によって抑制することができる。これは、干渉項の期待値がゼロであるからである。
【0015】
いずれかのパラメータ（例えば、位置、波長、偏光など）が測定光の生成とは異なり、したがって測定モードでは放射されない望ましくない散乱光は、このパラメータを使用して抑制することができる。測定モードで放射される散乱光の一部は、測定光と同じ基板位置で生じ、同じ方向に同じ偏光で生成される。したがって、測定モードでの測定光および散乱光成分は、光学モードで分割不能に混合され、もはや分離することができない。例えば光源のコヒーレンス長を短縮する、導波路の位置をランダムに振動させる、または他の方法で位相位置をランダムに変動させることによって測定モードでの散乱強度を低減しようとするすべての試みが適していない。なぜなら、それらは、同じ程度だけコヒーレント測定強度も乱すからである。測定モードでの測定光と散乱光は、同じ位置または同じｋベクトル分布で生成されるので、例えばスクリーンによる位置またはｋ空間でのフィルタリングも可能でない。乱されていない測定強度を再構成することができる唯一の方法は、測定場と漂遊場との位相差φＭＳを測定し、漂遊場をコヒーレントに差し引くことである。
【0016】
漂遊磁場ＥＳの具体例として、これまで、コヒーレント光で散乱表面を照射したときに発生するスペックルのみを考慮した。漂遊磁場ＥＳのさらなる具体的な例（および特殊なケース）は、バイオグリッドの光学バイアスである。
【0017】
バイオグリッドのウェブとギャップとの間に屈折率のコントラストがある場合、検出対象の生体分子の結合がなくても、一定のゼロ信号がバックグラウンドとして発生し、このバックグラウンドはバイアスと呼ばれる。このバイアスは、測定場と重なり合って強め合いまたは弱め合い、測定場を歪曲することがある。したがって、適切な材料で格子ギャップを充填すること（いわゆる「バックフィリング」）によってバイアスを最小限にする、さらにはなくすことが有利である。
【0018】
しかし、そのようなバイオグリッドのフォトリソグラフィ製造では、バイアスが完全になくなるように正確にバックフィリングを行うことは一般に不可能であり、したがって通常は、符号が分からないバイアスが残り、このバイアスが測定精度に影響を及ぼす。この問題に対処し得る解決策は、例えば、較正溶液の追加によるバイアスの測定であるが、これは複雑であり、非破壊で／可逆的には不可能であることがある。
【0019】
前述したスペックルと全く同様に、バイアスは、測定場ＥＭとコヒーレントに重ね合わされた所与の位相φＳおよび強度ＩＳ＝ＥＳ
２を有する漂遊電場ＥＳとして説明することもできる。スペックルとは対照的に、バイアスは、その位相を任意にランダムに向けることはできず、測定場ＥＭと同相（φＳ＝φＭ、正のバイアス）または測定場ＥＭと逆相（φＳ＝φＭ＋１８０°、負のバイアス）に向けられる限りにおいて、そのような漂遊磁場の特殊なケースである。
【0020】
測定場ＥＭと漂遊場ＥＳと位相差ΔφＭＳを測定するとき、電場ＥＳの起源がスペックルであるかバイアスであるかを区別することはできない。したがって、測定場ＥＭと漂遊場ＥＳとの位相差ΔφＭＳの測定およびその後の漂遊場のコヒーレント減算のための提案される方法は、バイアスを測定または排除する可能性もある。
【0021】
それに伴うバイオセンサの測定精度の向上は特に有利である。これは、測定信号がバイアスまたはスペックルによってもはや歪曲されなくなるからである。さらに有利なのは、バックフィリングによってバイアスを完全になくす必要がないことであり、これにより、そのようなバイオグリッドの製造においてより大きな公差が許容される。
【0022】
本発明は、測定場ＥＭと漂遊場ＥＳとの未知の位相差ΔφＭＳを測定し、次いでコヒーレント差分生成によって漂遊場を完全に差し引くことができるようにすることを企図する。フローチャートは以下の通りであり、個々のステップを以下で詳しく説明する。
【0023】
（ｉ）検出対象の生体分子を含む分析物の追加前および追加後の、所要の強度分布の測定。
（ｉｉ）位相計算の実施。
（ｉｉ）位相計算の実施。
【0024】
（ｉｉｉ）位相が分かっている場合の漂遊場のコヒーレント減算による、乱されていない測定場への逆算。
ステップ（ｉ）では、取得可能な強度分布が測定される。一般に、光波の未知の位相は、既知の参照波との干渉によって決定することができる。したがって、ここでは、測定場ＥＭおよび漂遊場ＥＳのすでに定義されている電場強度に加えて、参照場ＥＲの電場強度が定義される。それぞれの強度について、ＩＭ＝ＥＭ ２、ＩＳ＝ＥＳ ２、およびＩＲ＝ＥＲ ２が成り立つ。測定場、散乱場、および参照場の様々な組合せ（すなわち、コヒーレントな重ね合わせ）の合計強度は、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ、ＩＭ＋Ｓなどと表される。強度分布とは、特に、２次元検出器（例えばカメラ）での空間強度分布を意味する。これらの強度分布の評価は、カメラ画素ごとにも、領域ごとにも行うことができ、すなわち、計算能力を節約するために、精度を犠牲にしてカメラ画像の特定の領域を統合し、次いでこれらの領域に関して様々な評価を実施することができる。
ステップ（ｉ）では、取得可能な強度分布が測定される。一般に、光波の未知の位相は、既知の参照波との干渉によって決定することができる。したがって、ここでは、測定場ＥＭおよび漂遊場ＥＳのすでに定義されている電場強度に加えて、参照場ＥＲの電場強度が定義される。それぞれの強度について、ＩＭ＝ＥＭ ２、ＩＳ＝ＥＳ ２、およびＩＲ＝ＥＲ ２が成り立つ。測定場、散乱場、および参照場の様々な組合せ（すなわち、コヒーレントな重ね合わせ）の合計強度は、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ、ＩＭ＋Ｓなどと表される。強度分布とは、特に、２次元検出器（例えばカメラ）での空間強度分布を意味する。これらの強度分布の評価は、カメラ画素ごとにも、領域ごとにも行うことができ、すなわち、計算能力を節約するために、精度を犠牲にしてカメラ画像の特定の領域を統合し、次いでこれらの領域に関して様々な評価を実施することができる。
【0025】
分析物の追加前に測定場なしの強度を測定することができ（バックグラウンド測定、ＩＭ＝０）、分析物の追加後に測定場ありの強度を測定することができる。参照場ＩＲは、簡単な遮蔽によってオンとオフを切り替えることができる。さらに、ＩＲのみを記録するために、測定場と漂遊場とが放出される領域を含むバイオグリッド全体を遮蔽することができる。それにより、基本的に、測定場、漂遊場、および参照場からなる以下の５つの組合せが、測定変数として実験により取得可能である。
【0026】
ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ＝ＩＭ＋ＩＳ＋ＩＲ＋２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）＋２ＥＭＥＲｃｏｓ（φＲ－φＭ）＋２ＥＳＥＲｃｏｓ（φＲ－φＳ）
ＩＭ＋Ｓ＝ＩＭ＋ＩＳ＋２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）
ＩＳ＋Ｒ＝ＩＳ＋ＩＲ＋２ＥＳＥＲｃｏｓ（φＲ－φＳ）
ＩＳ＝ＩＳ
ＩＲ＝ＩＲ
それに対し、測定モードでは常に測定場が漂遊場と混合して現れるので、ＩＭとＩＭ＋Ｒは実験により取得可能でない（これが実際の問題である）。以下、目的は、所望の測定強度ＩＭを計算できるようにすることである。
ＩＭ＋Ｓ＝ＩＭ＋ＩＳ＋２ＥＭＥＳｃｏｓ（φＭ－φＳ）
ＩＳ＋Ｒ＝ＩＳ＋ＩＲ＋２ＥＳＥＲｃｏｓ（φＲ－φＳ）
ＩＳ＝ＩＳ
ＩＲ＝ＩＲ
それに対し、測定モードでは常に測定場が漂遊場と混合して現れるので、ＩＭとＩＭ＋Ｒは実験により取得可能でない（これが実際の問題である）。以下、目的は、所望の測定強度ＩＭを計算できるようにすることである。
【0027】
すでに上で示したように、ステップ（ｉｉ）で、光波の未知の位相を、既知の参照波との干渉によって決定することができる。これには、参照位相が搬送波周波数として提供される搬送波法（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ８ ”Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｎｅａｒ ｕｎｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃａｒｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ“参照）、または参照位相が少なくとも３つのステップで変更される位相シフト法（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ７ ”Ｐｈａｓｅ ｓｈｉｆｔｉｎｇ ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ“参照）のいずれかが適している。結果として、両方の方法は同じである。分析対象の出力波の未知の位相が決定される。以下、両方の方法を簡単に説明する。
【0028】
まず、搬送波法に基づく位相計算を述べる。
搬送波法では、例えば参照波の傾いた放射により、搬送波周波数ｆ０の提供によって参照位相φＲが変調される。平面参照波の場合、参照位相φＲは、幾何形状に応じて、以下の式によって与えられる。
搬送波法では、例えば参照波の傾いた放射により、搬送波周波数ｆ０の提供によって参照位相φＲが変調される。平面参照波の場合、参照位相φＲは、幾何形状に応じて、以下の式によって与えられる。
【0029】
φＲ＝２πｆ０ｘｘ＋２πｆ０ｙｙ
ここで、検出器での得られる強度分布は、縞模様、いわゆる「フリンジ」の出現によって特徴付けられる。
ここで、検出器での得られる強度分布は、縞模様、いわゆる「フリンジ」の出現によって特徴付けられる。
【0030】
平坦な傾斜していない出力波と共にのみ参照波が放射される場合、すべての位置での出力波の位相が同じであるので、この縞模様の空間周波数は、搬送波周波数に正確に対応する。対照的に、任意の出力波に関して、出力波の位相分布により、縞模様の最大値がシフトする。この縞模様は、縞の方向を横切ってシフトする。結果として得られるこの縞模様と乱されていない縞模様との偏差において、分析対象の出力波に関する所望の位相情報がコード化され、これを、例えば、あてはめ、ヒルベルト変換、またはフーリエ変換によって抽出することができる。対応するアルゴリズムは、文献において多くの形態で述べられている。例として、Ｔａｋｅｄａ， Ｊ． Ｏｐｔ． Ｓｏｃ． Ａｍ． ７２（１） （１９８２）によるアルゴリズム（簡単に言うと、強度分布のフーリエ変換、不要な周波数成分の削除、原点への搬送波周波数ピークのシフト、および逆変換）またはＳ． Ｗａｎｇ， Ｏｐｔｉｋ １２４ （２０１３）， １８９７－１９０１によるアルゴリズム（簡単に言うと、φ＝ａｒｃｔａｎ（ｓｉｎφ／ｃｏｓφ）に基づく差分生成および位相獲得を伴う４回のヒルベルト変換）が挙げられる。この方法およびさらなる方法に関しては、Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ８ ”Ｓｐａｔｉａｌ Ｌｉｎｅａｒ ｕｎｄ Ｃｉｒｃｕｌａｒ Ｃａｒｒｉｅｒ ａｎａｌｙｓｉｓ“も参照されたい。
【0031】
安定した位相計算のために、参照波が、測定モードでの測定光および散乱光成分の開口数（と、フーリエ空間で参照波を完全に分離するための安全距離との和）よりも大きい角度で放射されることを保証すべきである。したがって、参照波は、バイオグリッド外で、参照波の横方向ｋベクトルが測定光の各横方向ｋベクトルよりも大きくなる（ｋｍａｘ＝２πＮＡ／λ）ように生成されなければならない。言い換えると、これは、参照波の波面の傾斜が、分析対象の出力波の傾斜よりも大きくなければならないことを意味する。このようにして、搬送周波数は残りの周波数スペクトルから分離され、前述した評価法を使用することができる。
【0032】
次に、位相シフト法に基づく位相計算を説明する。
搬送波法では、参照位相は、幾何形状依存性によって定義され、それ自体が空間的に変化するが、位相シフト法では、参照位相を能動的に変化、すなわちシフトさせなければならない。
搬送波法では、参照位相は、幾何形状依存性によって定義され、それ自体が空間的に変化するが、位相シフト法では、参照位相を能動的に変化、すなわちシフトさせなければならない。
【0033】
ここで、参照波の位相遅延は、多くの異なる方法によって達成することができる。文献で知られているのは、例えば、参照ビーム経路への平面平行（遅延）ガラス／プラスチックプレートの挿入、電気光学位相遅延要素、例えば液晶要素の導入、リニアアクチュエータによる参照ビーム経路内でのミラーのシフト、または参照ビーム経路内のビームに垂直な回折格子のシフトである。
【0034】
参照波の相対位相がいくつか（少なくとも３つ）の固定値に設定され、その結果得られる、参照波と出力波とのコヒーレントな重ね合わせの強度分布が記録される。
未知の位相のその後の計算に関しては、多くのアルゴリズム（３ステップ法、４ステップ法、５ステップ法など、連続法）が知られている（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ６ ”Ｐｈａｓｅ－Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ“）。例として、ここでは、ステップ間に１２０°の位相差がある３ステップアルゴリズムを述べる。
未知の位相のその後の計算に関しては、多くのアルゴリズム（３ステップ法、４ステップ法、５ステップ法など、連続法）が知られている（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ６ ”Ｐｈａｓｅ－Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｌｇｏｒｉｔｈｍｓ“）。例として、ここでは、ステップ間に１２０°の位相差がある３ステップアルゴリズムを述べる。
【0035】
このために、参照波と出力波との重ね合わせの３つの画像が撮影され、参照波は、画像間でそれぞれ一定量（６０°、１８０°、および３００°）だけ位相が変化／遅延される。記録された強度は、以下の式Ａに従って互いに算入される。所望の位相差φは、アークタンジェントによって得られる。
【0036】
φ＝ａｒｃｔａｎ（－√３（Ｉ１－Ｉ３）／（Ｉ１－２Ｉ２＋Ｉ３）） （式Ａ）
この方法は、以下のことが成り立つので使用することができる。参照波の３つの位相遅延をφＲ１、φＲ２、φＲ３＝６０°、１８０°、３００°とする。初期位相φを有する画像平面内の各点に関して、式Ｉｉ＝ａ＋ｂ・ｃｏｓ（φ＋φＲｉ）の強度が得られる。これは、Ｉｉ＝ａ＋ｂ・ｃｏｓφ・ｃｏｓφＲｉ－ｂ・ｓｉｎφ・ｓｉｎφＲｉと書き換えることができる。したがって、簡単な変形（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ６．２．１ ”１２０° Ｔｈｒｅｅ－Ｓｔｅｐ－Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ“での導出）により、上の式Ａが得られ、それにより、参照波に対する分析対象の出力波の未知の位相差が一意に再構成される。
この方法は、以下のことが成り立つので使用することができる。参照波の３つの位相遅延をφＲ１、φＲ２、φＲ３＝６０°、１８０°、３００°とする。初期位相φを有する画像平面内の各点に関して、式Ｉｉ＝ａ＋ｂ・ｃｏｓ（φ＋φＲｉ）の強度が得られる。これは、Ｉｉ＝ａ＋ｂ・ｃｏｓφ・ｃｏｓφＲｉ－ｂ・ｓｉｎφ・ｓｉｎφＲｉと書き換えることができる。したがって、簡単な変形（Ｄ． Ｍａｌａｃａｒａ， Ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｇｒａｍ ａｎａｌｙｓｉｓ ｆｏｒ ｏｐｔｉｃａｌ ｔｅｓｔｉｎｇ， Ｋａｐ ６．２．１ ”１２０° Ｔｈｒｅｅ－Ｓｔｅｐ－Ａｌｇｏｒｉｔｈｍ“での導出）により、上の式Ａが得られ、それにより、参照波に対する分析対象の出力波の未知の位相差が一意に再構成される。
【0037】
位相シフト法の欠点は、強度分布ごとに少なくとも３つの画像を撮影することであり、これは、多少の追加コストを意味する。この方法の利点は、搬送波法とは対照的に、参照波をｋ空間内で分離するために参照波を必ずしも斜めに放射する必要がないことである。
【0038】
ステップ（ｉ）で述べた取得可能な強度分布と、放射された参照場に対する測定場および漂遊場の位相を測定することができるステップ（ｉｉ）で述べた方法とを用いて、次いで、ステップ（ｉｉｉ）で、所望の乱れていない測定強度ＩＭを導出することができる。
【0039】
このために、上記の出力式を最大５つ使用する様々な方法が提供され、これらはすべて共通して、ＩＳ＋ＲとＩＭ＋Ｓ＋Ｒを少なくとも１回測定して、その後、干渉項の未知の位相を再構成しなければならない。以下、例として２つの評価方法を説明する。
【0040】
第１の評価方法（ｉｉｉ ａ）では、ＩＳ＋ＲおよびＩＭ＋Ｓ＋Ｒの強度分布の画像が撮影され、そこから、上記の方法の１つに従ってそれぞれ参照波に対する出力波（漂遊場ＥＳ、または漂遊場と測定場の合成ＥＳ＋ＥＭ）の位相差が計算される。次いで、強度分布ＩＲの画像が撮影され、ＩＳ＋ＲおよびＩＭ＋Ｓ＋Ｒに関する上記の式からそれぞれの位相差の知識により、電場ＥＳおよびＥＳ＋ＥＭの量を計算する。ここで、電場ＥＳまたは漂遊電場と測定電場との合成ＥＳ＋ＥＭは、量と位相に関して既知であるので、これらをベクトル的に互いに差し引き、所望のＥＭを得ることができる。
【0041】
詳細：強度分布ＩＳ＋Ｒを測定する。ステップ（ｉｉ）で述べた位相計算の方法の１つを使用することによって、そこから、位相差（φＲ－φＳ）が計算される。位相シフト法の場合、ここで、位相差を含むｃｏｓ項を有するいくつかの方程式が得られ、その方程式から位相を再構成することができる。搬送波法では、所望の位相情報が、搬送波周波数に対する縞模様の偏差から得られる。次いで、参照波ＩＲの強度の記録と共に、散乱強度ＩＳを以下のように計算することができる。
【0042】
【数1】
【0043】
ここで、量ＥＳ＝√ＩＳおよび位相（φＲ－φＳ）を用いて、（参照波に対する）漂遊場ＥＳの複素電場ベクトルが完全に既知である。
次いで、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒが記録され、ステップ（ｉｉ）で述べた方法の１つを使用して、参照波に対する合成場の相対位相ＥＭ＋Ｓ＝ＥＭ＋ＥＳが決定される。ＩＲの知識により、ここでも同様に、ＥＭ＋Ｓの量がＩＭ＋Ｓ＋Ｒから計算される。ここで、ＥＭ＋Ｓの複素電場ベクトルも、量と、参照波に対する位相とに関して完全に分かる。
次いで、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒが記録され、ステップ（ｉｉ）で述べた方法の１つを使用して、参照波に対する合成場の相対位相ＥＭ＋Ｓ＝ＥＭ＋ＥＳが決定される。ＩＲの知識により、ここでも同様に、ＥＭ＋Ｓの量がＩＭ＋Ｓ＋Ｒから計算される。ここで、ＥＭ＋Ｓの複素電場ベクトルも、量と、参照波に対する位相とに関して完全に分かる。
【0044】
次いで、所望の測定場ＥＭは、ＥＭ＋ＳとＥＳとのベクトル減算から得られ、その後の累乗に従って、ＩＭ＝｜ＥＭ｜２が得られる。差分生成により、参照波の位相はなくなる。
【0045】
この方法の利点は、３つの強度分布のみを記録すればよいことである。ＩＲの代わりに強度分布ＩＳおよびＩＭ＋Ｓが記録される場合、参照波の影響を受けたこれらの強度分布からＩＲを用いて位相決定後にこれらを逆算するのではなく、強度分布ＩＳおよびＩＭ＋Ｓから、Ｉ＝｜Ｅ｜２によって電場ＥＳおよびＥＭ＋Ｓの量を導出することもできる。次いで、４つの強度分布ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ、ＩＭ＋Ｓ、ＩＳ＋Ｒ、およびＩＳで同じ結果が得られる。
【0046】
第２の評価方法（ｉｉｉ ｂ）では、まず、５つの測定量すべてを使用して、強度
Ｉｃｌｅａｎ＝ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ－ＩＭ＋Ｓ－ＩＳ＋Ｒ＋ＩＳ＝２ＥＭＥＲｃｏｓ（φＲ－φＭ）
が生成され、これは、すでに完全に漂遊場項を含まない。そこから、ステップ（ｉｉ）で述べた位相計算のためのアルゴリズムの１つを使用して、位相差（φＲ－φＭ）が計算される。位相シフト法（上記参照）では、ここでｃｏｓ項を含む複数の方程式が得られ、そこから位相を再構成することができるが、搬送波法では１つの方程式だけである。次いで、測定強度ＩＭが以下のように計算される。
Ｉｃｌｅａｎ＝ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ－ＩＭ＋Ｓ－ＩＳ＋Ｒ＋ＩＳ＝２ＥＭＥＲｃｏｓ（φＲ－φＭ）
が生成され、これは、すでに完全に漂遊場項を含まない。そこから、ステップ（ｉｉ）で述べた位相計算のためのアルゴリズムの１つを使用して、位相差（φＲ－φＭ）が計算される。位相シフト法（上記参照）では、ここでｃｏｓ項を含む複数の方程式が得られ、そこから位相を再構成することができるが、搬送波法では１つの方程式だけである。次いで、測定強度ＩＭが以下のように計算される。
【0047】
【数2】
【0048】
この方法の利点は、実験により取得可能なすべての情報が使用され、位相測定の前でも漂遊場を含まない強度分布がすでに得られることである。
搬送波法と位相シフト法とはどちらも、コヒーレントな差分生成である。これらの方法の測定の不確かさは、相対位相位置の測定の不確かさによって制限され、２ＥＭＥＳｃｏｓ（Δφ）である。したがって、測定強度ＩＭの相対測定誤差は以下のようになる。
搬送波法と位相シフト法とはどちらも、コヒーレントな差分生成である。これらの方法の測定の不確かさは、相対位相位置の測定の不確かさによって制限され、２ＥＭＥＳｃｏｓ（Δφ）である。したがって、測定強度ＩＭの相対測定誤差は以下のようになる。
【0049】
【数3】
【0050】
相対誤差の標準偏差σは、以下のようである。
【0051】
【数4】
【0052】
簡単な差分生成ＩＭ＋Ｓ－ＩＳ（従来技術）では、位相位置は全く分からない。
【0053】
【数5】
【0054】
および
【0055】
【数6】
【0056】
したがって、位相をより正確に測定する各方法は、すでに従来技術に対する改良となっている。高精度を達成するためには、様々な測定間で相対位相位置が変化しないことを保証しなければならない。特に、ここで温度Ｔ、分析物濃度Ｃ、および圧力ｐが変化し得るので、バックグラウンド測定（ＩＳ、ＩＳ＋Ｒ）と実際の強度測定（ＩＭ＋Ｓ、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ）との間での所要のサンプル交換が重要である。
【0057】
さらに、一般に成り立つように、２つの波の干渉コントラストが以下の式によって与えられる。
【0058】
【数7】
【0059】
したがって、２つの波の干渉コントラストはＩＲ＝ＩＳでその最大ξ＝１に達する。搬送波法に関しても位相シフト法に関しても、これは、参照波ＩＲの強度を、散乱光バックグラウンドＩＳの強度にほぼ対応するように設定すべきであることを意味する。
【0060】
参照波の位相安定性および強度に対するこれらの考慮事項は、本発明の以下の実施形態、とりわけ参照波の生成に組み込まれる。また、本発明のさらなる利点および詳細は、図に基づく様々な実施形態の以下の説明から明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【0061】
【図1】平面参照波および合焦バイオグリッドを用いる、搬送波法による第１の実施形態を示す図である。
【図2】平面参照波および合焦バイオグリッドを用いる、搬送波法による第１の実施形態を示す図である。
【図3】平面参照波および合焦バイオグリッドを用いる、搬送波法による第１の実施形態を示す図である。
【図4】平面参照波および合焦バイオグリッドを用いる、搬送波法による第１の実施形態を示す図である。
【図5】球面参照波およびコリメートバイオグリッドを用いる、位相シフト法による第２の実施形態を示す図である。
【図6】球面参照波およびコリメートバイオグリッドを用いる、位相シフト法による第２の実施形態を示す図である。
【図7】球面参照波およびコリメートバイオグリッドを用いる、位相シフト法による第２の実施形態を示す図である。
【図8】球面参照波およびコリメートバイオグリッドを用いる、位相シフト法による第２の実施形態を示す図である。
【図9】球面参照波およびコリメートバイオグリッドを用いる、位相シフト法による第２の実施形態を示す図である。
【図10】外部参照波および合焦バイオグリッドを用いる、位相シフト法による第３の実施形態を示す図である。
【図11】外部参照波および合焦バイオグリッドを用いる、位相シフト法による第３の実施形態を示す図である。
【図12】外部参照波および合焦バイオグリッドを用いる、位相シフト法による第３の実施形態を示す図である。
【図13】外部参照波および合焦バイオグリッドを用いる、位相シフト法による第３の実施形態を示す図である。
【図14】導波管内でのブラッグ偏向、およびセルスペーサを用いる第４の実施形態を示す図である。
【図15】導波管内でのブラッグ偏向、およびセルスペーサを用いる第４の実施形態を示す図である。
【図16】導波管内でのブラッグ偏向、およびセルスペーサを用いる第４の実施形態を示す図である。
【図17】外部参照波と、光学系を用いて検出器に投影される合焦バイオグリッドを用いる、第５の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0062】
第１の実施形態
図１～４は、２つの側面図ＸＺ（図１）およびＹＺ（図４）、ならびに構成部品であるバイオチップおよびスクリーンプレート（図２）ならびにシャッタ（図３）に関する平面図で、第１の実施形態を示す。
図１～４は、２つの側面図ＸＺ（図１）およびＹＺ（図４）、ならびに構成部品であるバイオチップおよびスクリーンプレート（図２）ならびにシャッタ（図３）に関する平面図で、第１の実施形態を示す。
【0063】
コヒーレントレーザ光源（図示せず）からの光Ｌは、カップリング格子ＥＫＧを通って、基板ＳＵＢに配置されたバイオチップＢＣの平面導波路Ｗにカップリングされる。ここで、バイオチップＢＣによって、基板ＳＵＢと、基板ＳＵＢのおもて面および背面に配置された要素とが示される。光源および検出器ならびに可動スクリーンなどさらなる要素と共に、バイオセンサが得られる。
【0064】
コヒーレントレーザ光源の波長は、好ましくは４００ｎｍ～１０００ｎｍの範囲内にある。カップリング格子ＥＫＧは、平面導波路Ｗの下側に位置している。平面導波路Ｗにカップリングされた光Ｌは、Ｘ方向に伝播し（導波路Ｗ外では、この光モードは指数関数的に低下する）、第１の参照格子ＲＧに当たる。この第１の参照格子ＲＧは、平面導波路Ｗの下側にある線形格子として構成され、好ましくは、カップリング格子ＥＫＧを生成するのと同じプロセスステップによって製造される。
【0065】
参照格子ＲＧの線形格子形状により、デカップリングされた第１の参照光束ＲＬがコリメートされる。参照光束ＲＬは、好ましくはＣＭＯＳまたはＣＣＤイメージセンサとして構成されたいくつかの個別検出器を有する検出器Ｄに到達する。平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部のみが、第１の参照格子ＲＧによってデカップリングされる。大部分は、第１のバイオグリッドＢＧにさらに伝播する。第１のバイオグリッドＢＧは、バイオチップＢＣの表面に格子状に、すなわち格子のウェブのように接続された第１の捕捉分子からなる。これらの第１の捕捉分子は、第１の分析物分子に特異的に結合し、それにより、第１の分析物分子も同様に格子状に付着し、その質量占有率が測定される。
【0066】
第１の分析物分子が捕捉分子に格子状に付着することによって、平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部が、第１の測定光束ＭＬとしてデカップリングされ、同様に検出器Ｄに到達する。ここで、上で引用した国際公開第２０１５００４２６４号に記載されているように、バイオグリッドＢＧの格子形状は、デカップリングされた第１の測定光束ＭＬが検出器Ｄ上の小さな合焦面（又は、焦点領域）に合焦されるように選択される。したがって、格子形状は、焦点距離ｆを有する回折レンズとなる。第１の参照格子ＲＧおよび第１のバイオグリッドＢＧは、検出器Ｄの位置で第１の参照光束ＲＬと第１の測定光束ＭＬとが重ね合わされるように選択される。このコヒーレントな重ね合わせは、第１の強度ストリップシステムをもたらし、第１の強度ストリップシステムは、検出器Ｄによって取得され、評価ユニット（図示せず）で評価される。検出器Ｄの位置での２つの光束ＲＬ、ＭＬの重ね合わせは、例えば、第１の参照格子ＲＧのデカップリング角の選択によって達成することができ、このデカップリング角は、第１の参照格子ＲＧの格子向きおよび格子定数によって与えられる。
【0067】
第１のバイオグリッドＢＧも、平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部しかデカップリングしない。大部分は、第２の参照格子ＲＧおよびそれに続く第２のバイオグリッドＢＧにさらに伝播する。第２の参照格子ＲＧも、第１の参照格子ＲＧと同様に線形格子として構成され、第２の参照光束ＲＬをデカップリングし、第２の参照光束ＲＬは、第１の参照光束からオフセットされて検出器Ｄに到達する。第２のバイオグリッドＢＧは、やはり格子状につなぎ留められた第２の捕捉分子からなる。格子形状は、第１のバイオグリッドＢＧの格子形状と同一であり、したがって同様に回折レンズとなる。第２の捕捉分子は、第１のバイオグリッドＢＧの第１の捕捉分子とは異なり、したがって別の特定の分析物分子に結合し、その質量占有率が測定される。第２の参照光束ＲＬと第２の測定光束ＭＬとは、やはり検出器Ｄの位置で重ね合わされ、第１の参照光束および第１の測定光束からオフセットされて現れ、独立して検出することができる。第２の強度ストリップシステムが生じ、検出器Ｄによって取得され、評価ユニット（図示せず）で評価される。
【0068】
バイオチップＢＣの平面図に示されるように、第１および第２の参照格子ＲＧおよびバイオグリッドＢＧに加えて、さらなる参照格子ＲＧおよびバイオグリッドＢＧが配置されて、さらなる分析物分子を検出することができる。すなわち、この例示的実施形態からの単一のバイオチップＢＣを用いて、４つの異なる分析物分子を調べることができる。
【0069】
バイオチップＢＣと検出器Ｄとの間のビーム経路にスクリーンプレートＢＰが導入される。スクリーンプレートＢＰは、複数の参照光束ＲＬおよび測定光束ＲＬ、ＭＬのための開口部ＯＲ、ＯＭを有し、これらの光束ＲＬ、ＭＬ以外に生じる散乱光を遮断する。したがって、開口部ＯＲ、ＯＭは、高い散乱光抑制を達成するためにできるだけ小さく、しかし参照光束ＲＬおよび測定光束ＭＬが著しく損なわれないように十分に大きく選択される。スクリーンプレートＢＰは、開口部ＯＲ、ＯＭを有する薄い金属プレートとして形成することができる。代替として、ガラス板に吸収層を塗布し、開口部ＯＲ、ＯＭを適宜設けることもできる。この第２の代替形態は、このガラス板が同時に光学モジュールのカバープレートにもなり得るという利点を有し、このカバープレートは、バイオチップの投入または取出し時に生じ得る汚染から検出器Ｄおよびさらなる光学部品を保護することができる。
【0070】
評価ユニット（図示せず）は、測定光束ＭＬの合焦面で強度ストリップシステムを評価する。間に位置するイメージセンサの個別検出器または画素は、測定モード外で生じて評価には関連しない散乱光しか検出しないので、評価には使用されない。合焦面の領域のみにおけるこの画素の選択は、検出器Ｄの位置での仮想スクリーン構造に対応する。スクリーンプレートＢＰのスクリーン開口部ＯＲ、ＯＭと共に、測定モードの位置および方向に関して対応する光のみを通過させるスクリーンシステムが得られる。光の位置および／または光の方向が測定モードと異なる他のすべてのモードは遮断される。これにより、所望のモードフィルタが得られる。
【0071】
本明細書の全般部分で説明したように、バイオグリッドＢＧの散乱測定強度ＩＭの決定には一連の測定が必要であり、測定において、参照光束ＲＬもしくは測定光束ＭＬのいずれかのみ、または両方が一緒に検出される。したがって、バイオチップＢＣから検出器Ｄまでのビーム経路にシャッタＳを挿入する必要がある。このシャッタＳは、参照光束ＲＬおよび／または測定光束ＭＬが透過される開口部または透明領域ＳＯを有する。ｘ方向へのシャッタＳのシフトにより、ビーム遮断領域ＳＢを参照光束ＲＬのビーム経路または測定光束ＲＢのビーム経路に差し込むことができ、その結果、強度値ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ、ＩＭ＋Ｓ、およびＩＲの測定が可能にされる。強度値ＩＳ＋ＲおよびＩＳの測定は、分析物分子の付着前に行われる。
【0072】
図１～４には、さらなる有利な構成要素が示されている。すなわち、隔壁Ｔは、ビームカップリングの領域をビーム検出の領域から分離する。さらに、ビーム捕捉器Ｆが、カップリング格子ＥＫＧを透過した光を吸収する。どちらも散乱光を減少させる。
第２の実施形態
図５～９は、２つの側面図ＸＺ（図５）およびＹＺ（図９）、ならびに構成部品であるバイオチップ（図６）およびスクリーンプレート（図７）ならびに複合シャッタ／遅延プレート支持体（図８）に関する平面図で、第２の実施形態を示す。
第２の実施形態
図５～９は、２つの側面図ＸＺ（図５）およびＹＺ（図９）、ならびに構成部品であるバイオチップ（図６）およびスクリーンプレート（図７）ならびに複合シャッタ／遅延プレート支持体（図８）に関する平面図で、第２の実施形態を示す。
【0073】
第１の実施形態との相違点のみを以下に述べる。参照格子ＲＧは、関連するバイオグリッドＢＧの下に（ｚ方向に）あり、そこでそれぞれ、平面導波路Ｗ内で光のごく一部を球面波の形での参照光束ＲＬとしてデカップリングする。この目的のために、参照格子ＲＧは、曲線の格子線を有するチャープ格子として設計され、回折発散レンズとして機能する。それに対し、バイオグリッドＢＧは、一定の格子周期を有する線形格子として設計され、導波路Ｗからのコリメートされた測定光束ＭＬをデカップリングする。ブラッグ条件に従った二次回折による平面導波路Ｗへの線形格子の逆反射を回避するために、デカップリングは角度α≠９０°で行われる。図６の平面図から分かるように、参照格子ＲＧは円形に定められ、それぞれ、バイオグリッドＢＧを有する円形リングによって取り囲まれている。したがって、生じる参照光束ＲＬは、それぞれ関連する測定光束ＭＬによって取り囲まれる。
【0074】
デカップリングされた測定光束ＭＬおよび参照光束ＲＬは、固定スクリーンプレートＢＰ（図７）を通過し、その後、ｘおよびｙ方向にシフト可能な複合スクリーンおよび位相遅延プレートＢＰＶ（図８）に当たる。図８による平面図に見られるように、複合スクリーンおよび位相遅延プレートＢＰＶに、参照光束ＲＬまたは測定光束ＭＬのいずれかを遮断することができるスクリーン要素Ｂ１、Ｂ２が提供される。さらに、参照光束ＲＬのビーム経路に差し込むことができ、参照光束ＲＬの位相をそれぞれ６０°、１８０°、または３００°遅延させる位相遅延要素Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３もある。すべてのスクリーンおよび位相遅延要素Ｂ１、Ｂ２、Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、測定光束ＭＬおよび参照光束ＲＬのラスタ内に配置され、したがって、光学作用はすべての参照光束ＲＬおよび同様にすべての測定光束ＭＬに関して常に同じである。
【0075】
スクリーン構造Ｂ１、Ｂ２、ならびに複合スクリーンおよび遅延プレートの対応するｘおよびｙ方向シフトにより、強度値ＩＲおよびＩＭ＋Ｓ＋Ｒ、ＩＭ＋Ｓ（分析物の追加後）またはＩＳ＋ＲおよびＩＳ（分析物の追加前）を取得することが可能である。参照光束ＲＬへの位相遅延要素Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３の差込み時、参照光束の位相も遅延することができ、したがって、対応する干渉項の位相を位相シフト法に従って決定することができる。位相遅延要素Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３は、所望の位相遅延を得るために、周囲媒体空気、例えばガラスまたは適切な厚さの透明ポリマーなどの透明で光学的に高密度の材料からなる。
【0076】
さらなる光線経路で、参照光束ＲＬおよび測定光束ＭＬがレンズアレイプレートに当たる。このレンズアレイプレートには、集光レンズＳＬが、測定光束ＲＬ、ＭＬのラスタとして配置される。集光レンズはそれぞれ、下にある検出器Ｄに測定光束ＭＬを合焦する。したがって、集光レンズＳＬまたはレンズアレイプレートと検出器Ｄとの間の距離は、集光レンズＳＬの焦点距離に等しくなるように選択される。参照光束ＲＬも、レンズアレイプレートの集光レンズＳＬによって検出器Ｄに集束される。しかし、参照光束ＲＬは球面波として放射されるので、検出器Ｄは、参照光束ＲＬに関して合焦平面に位置していない。
【0077】
バイオグリッドＢＧの線形格子構造、したがってコリメートされた測定光束ＭＬを、測定光束ＭＬを検出器に合焦させる集光レンズＳＬを有するレンズアレイプレートと組み合わせて使用することには、以下に述べるかなりの利点がある。
【0078】
線形格子構造としてのバイオグリッドＢＧの製造は、回折レンズ構造の製造よりもはるかに容易である。回折レンズ構造は、局所格子定数の連続的な変化を有する。バイオグリッドＢＧの製造に必要な非接触リソグラフィでは、マスク格子のタルボット効果によって、マスク格子の様々な回折次数の妨害的干渉が生じて、好ましくない光変調がもたらされることにより、マスクから、製造すべきバイオチップＢＣの基板ＳＵＢへの光投影が損なわれる。回折レンズ構造の製造時、すべての局所格子定数が一様に適切に投影されるわけではなく、追加の変調が生じる。バイオグリッドＢＧの対応する外乱により、平面導波路Ｗの光は、より低い回折効率で平面導波路Ｗからデカップリングされ、散乱光として検出を乱す追加の光束が生じる。さらに、測定光束ＭＬは、それらの断面にわたって妨害的強度変動を有し、この妨害的強度変動は、検出器Ｄでのより大きな合焦面、したがってより大きな測定ノイズをもたらす。線形格子構造を有するバイオグリッドＢＧの製造では、これらの欠点は生じない。さらに、例えば最適な露光発散の選択、最適な露光距離の選択、または最適な露光波長の選択によって、この１つの格子定数に関してリソグラフィを最適化することができる。露光強度の不可避の変動時、バイオグリッドＢＧのウェブ－ギャップ比の対応する変動が生じるが、この変動はそれらの横方向範囲にわたって一定である。したがって、測定光束ＭＬの回折効率または強度も、横方向範囲にわたって一定のままであり、したがって、測定光束ＭＬを回折限界で検出器Ｄに合焦させることができる。この結果、測定ノイズも小さくなる。
【0079】
線形格子構造を有するバイオグリッドＢＧの固定格子定数は、この格子定数に関するウェブ－ギャップ比の最適化を可能にする。これにより、カップリング効率が向上し、したがって測定光束ＭＬの強度が向上する。
【0080】
この実施形態におけるデカップリングは、光学素子および平面導波路Ｗにおける多重反射および後方反射を抑制するために、バイオチップＢＣの法線に対してわずかに斜めに行うべきである。レンズアレイプレートの集光レンズＳＬの適切なレンズ形状によって、この角度は、必要に応じて検出器Ｄに対して垂直に再び揃えることができる。
【0081】
さらに、線形格子構造を有するバイオグリッドＢＧでは、導波路への後方反射を回避するために合焦格子内に提供される格子線を有さない従来技術（欧州特許出願第２６１８１３０号）に記載された区域も省略される。これにより、製造コストが低減され、バイオグリッドＢＧの表面積が大きくなることにより、測定光束ＭＬの強度が高まる。
【0082】
線形格子構造としてのバイオグリッドＢＧのさらなる利点は、回折格子構造において横方向範囲にわたって変化する偏光とは対照的に、コリメートされた測定光束ＭＬの一定の偏光である。曲率がないため、伝播波の偏光は常に格子線に平行であり、これはデカップリング効率を高める。
【0083】
線形格子構造を有するバイオグリッドＢＧの使用は、上述したように、その後の測定光束の合焦を必要とし、したがって、少なくとも１つの集光レンズＳＬまたはレンズアレイプレート（バイオチップＢＣ上の複数のバイオグリッドＢＧに関して）の使用に関連付けられる。レンズアレイプレートの場合にのみ、集光レンズＳＬの互いの位置公差は十分に小さい。非常に狭いラスタに配置しなければならない個別レンズの調整は、非常に複雑である。
【0084】
レンズアレイプレートの集光レンズＳＬは、屈折性にすることも回折性にすることもできる。回折性の場合には、一段のバイナリ構造として、または有利には多段のブレーズド構造として製造することができる。
【0085】
検出器Ｄと集光レンズＳＬまたはレンズアレイプレートとの間の位置が固定であるので、走査光学系に対するバイオチップＢＣのシフト時に、検出器Ｄでの合焦面の位置は変化せず、これにより評価が簡略化される。３つの空間方向すべてにおけるそのようなシフトが、読み出しユニットへのバイオチップの投入時に、または熱ドリフトプロセスにより発生する可能性がある。ｘ軸またはｙ軸周りでのバイオチップＢＣの回転のみが、合焦面をシフトさせる。したがって、バイオチップＢＣを、バイオチップＢＣの縁部の近くにあるストッパによって位置合わせしなければならない。９０°に対するデカップリング角αの偏差が小さいため、ｚ軸周りでの回転は影響がわずかであり、ストッパによって簡単に制御することもできる。
【0086】
検出器Ｄ上での参照光束ＲＬの横方向範囲は、回折発散レンズの形での参照格子ＲＧの焦点距離によって選択することができるので、この実施形態で使用される球面波の形での参照光束ＲＬは有利である。したがって、参照光束ＲＬは、検出器Ｄ上で、参照光束ＲＬの均一な強度が測定光束ＭＬの合焦面にわたって生じるように設計することができる。
【0087】
ここで使用される位相シフト法は、搬送波法と比較して、ビーム傾斜が小さい、すなわち開口数が小さい光束のみを必要とする。スクリーンプレートＢＰなどの光学部品での不可避の多重反射は、ビーム傾斜が小さいため、ある測定光束ＭＬから隣接する測定光束ＭＬへのクロストークを引き起こさない。それに応じて、測定精度が高められる。さらに、測定ビーム束ＭＬおよび関連する参照ビーム束ＲＬは、非常に隣接する位置でバイオチップＢＣからデカップリングされる。したがって、それに対応して、平面導波路Ｗの屈折率変化によって生じる測定光束ＭＬと参照光束ＲＬとの間の位相シフトに対する温度の影響は小さい。さらに、位相決定のために縞模様を評価する必要がなく、簡単な算術計算およびアークタンジェント生成のみが必要なので、評価ユニットでの計算量は、搬送波法におけるよりも少ない。
第３の実施形態
図１０～１３は、側面図ＸＺ（図１０）、ならびに構成部品であるバイオチップ導波路（図１１）、参照格子導波路を有するスクリーンプレートの上側（図１２）、およびスクリーンプレートの下側（図１３）に関する平面図で第３の実施形態を示す。第１の実施形態との相違点のみを以下に述べる。
第３の実施形態
図１０～１３は、側面図ＸＺ（図１０）、ならびに構成部品であるバイオチップ導波路（図１１）、参照格子導波路を有するスクリーンプレートの上側（図１２）、およびスクリーンプレートの下側（図１３）に関する平面図で第３の実施形態を示す。第１の実施形態との相違点のみを以下に述べる。
【0088】
この実施形態でも、バイオグリッドＢＧは、回折レンズとして形成され、測定光束ＭＬを検出器Ｄに合焦させる。参照光束Ｒは、スクリーンプレートＢＰを通過する。このために、スクリーンプレートＢＰは、基板ＳＵＢ’、カップリング格子ＥＫＧ、および別個の平面導波路Ｗを有する。コヒーレントレーザ光源（図示せず）からの光Ｌの一部は、液晶要素または電気光学変調器の形態での電気光学位相遅延要素ＰＶＥによって位相シフトされ、カップリング格子ＥＫＧを介してスクリーンプレートＢＰの平面導波路Ｗ’にカップリングされる。光は、そこで＋ｘ方向に参照格子ＲＧへと伝播し、参照格子ＲＧは参照光束ＲＬをデカップリングする。参照格子ＲＧは、参照光束がコリメートされるように線形格子として構成される。参照格子の格子定数は、導波路Ｗ’での後方反射を回避するために、参照光束ＲＬがバイオチップＢＣの法線方向に対してわずかに傾斜して（α≠９０）デカップリングされるように選択される。これは、欧州特許第２６１８１３０号で述べられているブラッグ区域と同様に行われる。ブラッグ区域では、ブラッグ条件に従う平面導波路への反射を回避するために、それぞれのバイオグリッドで格子線が省かれる。参照格子ＲＧは、参照光束ＲＬがそれぞれ関連する測定光束ＭＬと検出器Ｄの位置で重なり合い、したがって干渉するように、バイオグリッドＢＧに対して位置決めされる。電気光学位相遅延要素ＰＶＥによる参照光束ＲＬの位相シフトは、測定光束ＭＬと参照光束ＭＲとの間での相対位相のシフト、したがって上述した位相シフト法に従った評価ユニット（図示せず）での相対位相の決定を可能にする。
【0089】
ｘ方向に可動のシャッタＳは、光Ｌがそれぞれのカップリング格子ＥＫＧに当たる前に、測定光束ＭＬまたは参照光束ＲＬの遮断を可能にする。
バイオチップＢＣは、バイオグリッドＢＧに加えて、位相ドリフト関連格子ＰＤＢＧとも呼ばれる参照用格子も支持する。バイオチップの平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部が、この第１の参照用格子ＰＤＢＧによってデカップリングされ、第１の参照用光束ＲＺＬを生成する。参照用格子ＰＤＢＧは線形格子として構成されており、したがって第１の参照用光束ＲＺＬ１がコリメートされて現れる。第１の参照光束ＲＺＬ１は、その後、検出器Ｄによって検出される。スクリーンプレートＢＰは、さらなる参照格子ＲＧを支持し、このさらなる参照格子ＲＧは、バイオチップＢＣ上の第１の参照用格子ＰＤＢＧの下に配置され、同様に線形格子として構成される。ここでも、スクリーンプレートＢＰの平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部がデカップリングされ、それにより、コリメートされた第２の参照用光束ＲＺＬ２が生じる。第１の参照用光束ＲＺＬ１と第２の参照用光束ＲＺＬ１、ＲＺＬ２とは、検出器Ｄの位置で重なり合って干渉する。
バイオチップＢＣは、バイオグリッドＢＧに加えて、位相ドリフト関連格子ＰＤＢＧとも呼ばれる参照用格子も支持する。バイオチップの平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部が、この第１の参照用格子ＰＤＢＧによってデカップリングされ、第１の参照用光束ＲＺＬを生成する。参照用格子ＰＤＢＧは線形格子として構成されており、したがって第１の参照用光束ＲＺＬ１がコリメートされて現れる。第１の参照光束ＲＺＬ１は、その後、検出器Ｄによって検出される。スクリーンプレートＢＰは、さらなる参照格子ＲＧを支持し、このさらなる参照格子ＲＧは、バイオチップＢＣ上の第１の参照用格子ＰＤＢＧの下に配置され、同様に線形格子として構成される。ここでも、スクリーンプレートＢＰの平面導波路Ｗを伝播する光Ｌのごく一部がデカップリングされ、それにより、コリメートされた第２の参照用光束ＲＺＬ２が生じる。第１の参照用光束ＲＺＬ１と第２の参照用光束ＲＺＬ１、ＲＺＬ２とは、検出器Ｄの位置で重なり合って干渉する。
【0090】
第２の参照用光束ＲＺＬ２は、電気光学位相遅延要素ＰＶＥによって位相シフトすることができ、ここでも、第１の参照用光束ＲＺＬ１と第２の参照用光束ＲＺＬ２との相対位相の決定を可能にする。この相対位相は、バイオチップＢＣとスクリーンプレートＢＰとの相対位置に依存する。しかし、相対位置は、測定光束ＭＬと関連する参照光束ＲＬとの相対位相にも影響を及ぼす。第１の参照用光束ＲＺＬ１と第２の参照用光束ＲＺＬ２との相対位相を決定することによって、測定光束ＭＬと関連する参照光束ＲＬとの相対位相の部分を決定して差し引くことができ、この相対位相の部分は、バイオチップＢＣとスクリーンプレートＢＰとの相対位置に依存する。したがって、測定期間中のスクリーンプレートＢＰに対するバイオチップＢＣの相対位置のドリフトを補償することができる。ここで、測定光束ＭＬと関連する参照光束ＲＬとの相対位相を決定する相対位置に関して高感度の方向があることに注意すべきである。また、第１の参照用光束ＲＺＬ１と第２の参照用光束ＲＺＬ２との相対位相に関して高感度の方向もある。それら２つの高感度の方向は、それぞれ、カップリング格子ＥＫＧの前での光束Ｌの方向、およびデカップリングされた光束の方向によって与えられる。それら２つの高感度の方向をできるだけ同一にすべきである。バイオチップＢＣとスクリーンプレートＢＰとに関するカップリング角が同じである場合、測定光束ＭＬ、参照光束、ならびに第１の参照用光束ＲＺＬ１および第２の参照用光束ＲＺＬ２に関して、同じデカップリング方向のための条件が得られる。これは、参照格子ＲＧおよび参照用格子ＰＤＢＧの適切な格子定数および格子方向によって可能である。
【0091】
必要に応じて、さらなる参照用格子ＰＤＢＧをバイオチップＢＣに導入し、関連するＲＧ参照格子をスクリーンプレートＢＰに導入することができる。相対位相の対応するさらなる測定は、バイオチップＢＣとスクリーンプレートＢＰとの間の線形シフトの補償に加え、回転の補償も可能にする。これにより、特に正確な変形実施形態が得られる。
【0092】
この実施形態の特別な利点は、参照格子ＲＧが、検出装置に固定して構成された導波路Ｗ内に構造化されるだけでよく、各バイオチップに導波路Ｗが存在する必要はないことである。さらに、較正も簡略化される。また、参照光束ＲＬの位相シフトのための可動部品は必要とされない。
【0093】
バイオチップまたはスクリーンプレートＢＰのカップリング格子ＥＫＧに当たる光束Ｌの空間的分離により、ビーム経路内の対応する構成要素によって光束Ｌの強度の個別の調整が可能である。したがって、測定光束ＭＬと参照光束ＲＬとの強度比を調整して、最適な検出のために最適化することができる。この場合、シャッタＳは、カップリング格子ＥＫＧの前に配置され、したがって２つの光束のうちの１つが遮断される場合、生じる散乱光はより少ない。
第４の実施形態
図１４～１６は、側面図ＸＺ（図１４）、ならびに構成部品であるバイオチップ（図１５）、ならびにスクリーンプレートおよび複合シャッタ／遅延プレート支持体（図１６）に関する平面図で、第４の実施形態を示す。
第４の実施形態
図１４～１６は、側面図ＸＺ（図１４）、ならびに構成部品であるバイオチップ（図１５）、ならびにスクリーンプレートおよび複合シャッタ／遅延プレート支持体（図１６）に関する平面図で、第４の実施形態を示す。
【0094】
第１の実施形態との相違点のみを以下に述べる。
この実施形態は、欧州特許第２９２９３２６号に記載されている構成に基づく。ここで、バイオグリッドＢＧは、平面導波路Ｗ内で光Ｌを偏向させるだけであり、平面導波路Ｗから光Ｌをデカップリングしない。バイオグリッドＢＧは、線形格子として設計される。導波路Ｗからのデカップリングは、追加のデカップリング格子ＡＧによって行われる。
この実施形態は、欧州特許第２９２９３２６号に記載されている構成に基づく。ここで、バイオグリッドＢＧは、平面導波路Ｗ内で光Ｌを偏向させるだけであり、平面導波路Ｗから光Ｌをデカップリングしない。バイオグリッドＢＧは、線形格子として設計される。導波路Ｗからのデカップリングは、追加のデカップリング格子ＡＧによって行われる。
【0095】
上述した実施形態と同様に、バイオグリッドＢＧおよび参照格子ＲＧで光成分を個別に遮蔽することができるように、光Ｌは、まず（後で参照格子ＲＧで偏向される光成分のための）電気光学位相遅延要素ＰＶＥおよびシャッタＳを通過する。第１の実施形態と同様に、光のカップリングは、カップリング格子ＥＫＧによって行われる。
【0096】
その後、ｘ方向に伝播する光Ｌは、中央に第１の参照格子ＲＧが形成された第１の線形の２部品バイオグリッドＢＧに当たる。両方の格子ＢＧ、ＲＧの格子線は、光Ｌの伝播方向に対して等距離で斜めに形成され、導波路内の光をデカップリング格子ＡＧの方向に偏向させるためのブラッグ条件を満たす。したがって、格子線間の距離ｄは、格子線に対する光Ｌの角度θによって、導波路内の光の波長λに関連付けられる。追加の妨害的回折次数を生成せずに回折効率を高めるために、回折次数ｎは通常、１である。
【0097】
バイオグリッドＢＧおよび参照格子ＲＧによって偏向された全光Ｌのごく一部が、導波路Ｗの下側にある合焦デカップリング格子ＡＧに当たり、それら両方の部分が検出器Ｄに偏向し、そこで重なり合う。両方の部分の確実な重ね合わせを保証するために、参照格子ＲＧは、この参照光束ＲＬの小さな発散を保証するためにわずかに湾曲形状にすることができる。適切なアクチュエータによるｙ方向でのカップリング格子ＥＫＧのカップリング角の連続的な変化も、バイオグリッドＢＧのブラッグ条件を満たすために、したがって測定強度を最適化するために有用である。
【0098】
導波路Ｗに残っている光成分は、別の場所にある次のバイオグリッドＢＧおよび参照格子ＲＧにおいて偏向されてデカップリングされる。
さらに、適切な孔径を有する粒子スペーサＭが提供される。この措置は、他のすべての実施形態に関しても有用であり得る。目的は、望ましくない散乱粒子ＳＰ（例えば細胞）をフィルタリングによって導波路Ｗから遠ざけておくことである。このために、粒子スペーサＭは導波路Ｗのエバネッセント場の外に提供され、細孔径は、分析対象の生体分子または分析物Ａが粒子スペーサＭを通過することができる一方で、望ましくないより大きい粒子ＳＰは上澄み液中に留まるように選択される。粒子スペーサＭは、膜の形態で、または分子層もしくは多孔質カバー層として、導波路Ｗの近くまたは導波路Ｗ上に配置することができる。粒子スペーサＭによって、腫瘍細胞（通常は直径１０～３０μｍ）などのより大きな粒子が、導波路Ｗ上またはその付近のエバネッセント場に達したときに散乱光バックグラウンドを変化させることが妨げられる。
さらに、適切な孔径を有する粒子スペーサＭが提供される。この措置は、他のすべての実施形態に関しても有用であり得る。目的は、望ましくない散乱粒子ＳＰ（例えば細胞）をフィルタリングによって導波路Ｗから遠ざけておくことである。このために、粒子スペーサＭは導波路Ｗのエバネッセント場の外に提供され、細孔径は、分析対象の生体分子または分析物Ａが粒子スペーサＭを通過することができる一方で、望ましくないより大きい粒子ＳＰは上澄み液中に留まるように選択される。粒子スペーサＭは、膜の形態で、または分子層もしくは多孔質カバー層として、導波路Ｗの近くまたは導波路Ｗ上に配置することができる。粒子スペーサＭによって、腫瘍細胞（通常は直径１０～３０μｍ）などのより大きな粒子が、導波路Ｗ上またはその付近のエバネッセント場に達したときに散乱光バックグラウンドを変化させることが妨げられる。
【0099】
粒子スペーサＭを用いるこの実施形態の利点は、分析物媒体と共に導入されるこれらのより大きな粒子または細胞によって変化されることなく同じ条件下で、測定波の有無にかかわらず散乱光バックグラウンドを測定することができることが保証されることである。
第５の実施形態
図１７は、第５の実施形態をＸＺ側面図で示す。とりわけ第１の実施形態との相違点を説明する。
第５の実施形態
図１７は、第５の実施形態をＸＺ側面図で示す。とりわけ第１の実施形態との相違点を説明する。
【0100】
コヒーレントレーザ光源ＬＱからの光Ｌは、第１のビームスプリッタＳＴ１によって２つの部分に分割され、これらの部分は、以下で、互いに別々に測定光束ＭＬ（第１の部分）および外部参照光束ＲＬ（第２の部分）を生成するために使用される。
【0101】
ビームスプリッタＳＴ１で分割された光の第１の部分は、適切な第１のビーム成形光学系ＳＦＯ１および第１のシャッタＳ１を通過した後、カップリング格子ＥＫＧを介して、基板ＳＵＢに配置されたバイオチップＢＣの平面導波路Ｗにカップリングされる。バイオグリッドＢＧは、この実施形態でも、焦点距離ｆを有する回折レンズとして構成され、導波路Ｗに対して距離ｆにある焦点面ＢＥに測定光束ＭＬを合焦させる。ｘ方向に可動のシャッタＳ１は、光Ｌがそれぞれのカップリング格子ＥＫＧに当たる前に、測定光束ＭＬの遮断を可能にする。
【0102】
焦点面ＢＥは、焦点距離ｆｏｂｊ，１およびｆｏｂｊ，２を有する２つの対物レンズＯ１、Ｏ２によって検出器Ｄに投影され、検出器Ｄは、焦点面ＢＥから２ｆｏｂｊ，１＋２ｆｏｂｊ，２の距離にある。したがって、同じ焦点距離ｆｏｂｊ，１＝ｆｏｂｊ，２＝ｆｏｂｊの２つの対物レンズＯ１、Ｏ２の場合、倍率Ｍ＝－１の４ｆ投影が得られる。この実施形態で使用される検出器Ｄ上への焦点面ＢＥの光学的投影は、焦点面ＢＥからの距離２ｆｏｂｊ，１、または検出器Ｄからの距離２ｆｏｂｊ，２でフーリエ面が得られるので特に有利であり、このフーリエ面に、ｋ空間フィルタリング（すなわち角度フィルタリング）が実現されるように適切な開口部ＯＦを有するフーリエスクリーンＦＢが導入される。このようにして、検出光学系の開口数は、測定モード以外のモードで放射される望ましくない散乱光が遮断されるように適合させることができる。したがって、これにより、望ましいモードフィルタが得られる。フーリエスクリーンＦＢは、ＸおよびＹ方向にシフト可能であるように設計されており、したがって、バイオチップＢＣからデカップリングされた測定光束ＭＬの傾きは、ＲｘおよびＲｙ軸周りで補償することができる。
【0103】
ビームスプリッタＳＴ１で分割された光Ｌの第２の部分は、適切な第２のビーム成形光学系ＳＦＯ２によってコリメートされ、外部参照光束ＲＬとして使用される。ｚ方向に可動の第２のシャッタＳ２は、参照光束ＲＬの遮断を可能にする。次いで、参照光束ＲＬは、第２のビームスプリッタＳＴ２（または偏向およびビームカップリングに使用される別の偏向要素）によって検出器Ｄに向けられ、測定光束ＭＬと重なり合い、その結果両方の光束が検出器Ｄの位置で干渉する。搬送波法による位相測定を実施できるようにするために、第２のビームスプリッタＳＴ２の角度Ｒｙは、放射される参照光ＲＬが測定モードでの測定光および散乱光成分の開口数よりも大きい角度で放射されるように選択すべきである。さらに、第２のビームスプリッタＳＴ２は、測定光束ＭＬおよび散乱光の角度がドリフトする場合に、それに対応して参照光束ＲＬの角度を追跡できるように、Ｒｙで調整可能であるように設計することができる。機械的追跡が提供されていない場合、測定光束ＭＬと参照光束ＲＬとの干渉により生じる強度ストリップシステムの周期を推定し、測定された位相を関連の傾き誤差だけ補正すべきである。
【0104】
図示される実施形態とは異なり、位相シフト法に従って位相測定を実施することもできる。この場合にも、第２のビームスプリッタＳＴ２の角度Ｒｙは、自由に選択可能であり、必ずしも調整可能に設計される必要はない。次いで、参照光束ＲＬの位相を６０°、１８０°、または３００°遅延させるために、位相遅延要素を、適切な位置で参照光束ＲＬのビーム経路に導入しなければならない。
【0105】
図示されている実施形態とは異なり、第１のビームスプリッタＳＴ１で分割された光の第２の部分は、第１の開口部ＯＦに加えて、光軸からｘ方向にオフセットされてフーリエスクリーンＦＢに位置する小さな開口部を照明するために使用することもできる。照射されるこの小さい開口部は、第２の対物レンズＯ２のフーリエ面における点光源のように働き、その結果、検出器Ｄに向けられた平坦な参照光束が生じ、この参照光束は、測定光束ＭＬと重なり合い、したがって検出器Ｄの位置で干渉する。この小さな第２の開口部と光軸との間の距離は、参照光束ＲＬが測定光束ＭＬおよび散乱光に対して傾いて検出器Ｄに放射される角度Ｒｙを決定し、ここでも、測定光束ＭＬおよび散乱光の角度がドリフトした場合にそれに対応して参照光束ＲＬの角度を追跡することができるように調整可能に選択することができる。また、第１のビームスプリッタＳＴ１からフーリエスクリーンＦＢへの光路は、光ファイバで光を案内することによってブリッジすることができる。
【0106】
これまでの実施形態とは対照的に、参照光束ＲＬは、複数の参照格子ＲＧによってではなく、第１のビームスプリッタＳＴ１によってデカップリングされる。１つの参照光束ＲＬのみが生成され、すべての測定光束ＭＬを測定するために使用される。この実施形態は、バイオチップＢＣの表面に参照格子ＲＧのためのスペースを確保する必要がないので特に有利であり、バイオグリッドＢＧは、第１および第４の実施形態とは対照的に、より密に配置することができ、または第２および第３の実施形態とは対照的に、全面で使用することができる。さらに、参照格子ＲＧの複雑な構造化がなくされ、検出装置に固定して設置されるビームスプリッタＳＴ１、ＳＴ２のみが必要とされることも有利である。
【0107】
この実施形態の欠点は、まず、参照光束ＲＬと測定光束ＭＬとの光学経路が一致しないことである。干渉安定性を達成するために、通常はいわゆる「共通経路」幾何形状が選択され、この幾何形状では、参照光束ＲＬと測定光束ＭＬとの光路はほぼ一致する、すなわち（第１、第２、および第４の実施形態と同様。また制限を伴って第３の実施形態とも同様）同じ光学要素を通過する。このようにして、機械的または熱的ドリフトプロセスが両方の光束ＲＬ、ＭＬに同じ強さで作用することが保証され、したがって相対位相が一定に保たれる。しかし、この第５の実施形態で述べた解決策は、光束ＲＬ、ＭＬの光路が異なるため、いわゆる「ダブルパス」幾何形状であり、この幾何形状はそのようなドリフトプロセスの影響を本質的に受けやすい。
【0108】
しかし、この欠点は特に簡単に解消することができる。不可避の漂遊磁場ＥＳが、主に基板ＳＵＢの固定の粗さでの散乱によって生成されるので、結果として生じるスペックルバックグラウンドの位相分布φＳは時間的および空間的に一定であり、参照光束ＲＬと測定光束ＭＬとの間の相対位相のドリフトを測定して補償するために固有の位相標準として使用することができる。ここでは、例えば光源に対するおよび／または検出器に対するバイオチップのドリフトによって生じ得るスペックルバックグラウンドの一般的な位相オフセットが参照波の位相シフトに割り当てられ、これは同じ効果を有する。
【0109】
このために、第１の時点ｔ１で、強度分布ＩＳ＋Ｒ、ＩＳ、およびＩＲが記録される。漂遊場と放射された参照場との相対位相位置はφＳ－φＲとする。後の時点ｔ２で、強度分布ＩＳ＋Ｒ’が再度測定される。ここで、漂遊場と放射された参照場との相対位相位置はφＳ－φＲ’とする。散乱光の位相が一定である（φＳ＝ｃｏｎｓｔ．）という上記の前提条件の下で、平面検出器Ｄの各位置（すなわち画素ごと）での時点ｔ１とｔ２の間の参照位相の差は、以下のように計算することができる。
【0110】
【数8】
【0111】
次いで、画素ごとに測定された、参照光束ＲＬと散乱光との間の位相ドリフトΔφＲは、様々なドリフトプロセス（位相偏差、位相傾斜など）に関する対応する自由度を含む波面モデルで推定することができ、それにより、全体的な位相ドリフトΔφＲを得て、それに対応して、通常は減算によって補償することができる。
【0112】
散乱光と測定光束ＭＬとが導波路Ｗの同じ位置に生じ、同じ光路に沿って検出器Ｄに投影されるので、それらの相対位相位置ΔφＭＳ＝φＭ－φＳは時間的に一定である。したがって、参照光束ＲＬの位相は、散乱光の位相φＳに対してΔφＲだけドリフトするとき、測定光束ＭＬの位相φＭに対してもΔφＲだけドリフトする。したがって、参照光束ＲＬと測定光束ＭＬとの間の位相ドリフトが決定され、その結果、２つのビーム束の間で干渉安定性を確立することができる。
【0113】
通常、参照光束ＲＬと測定光束ＭＬとの間の位相ドリフトが決定される時点ｔ２は、分析物の追加の時点の後である。この場合、強度分布ＩＳ＋Ｒ’は取得可能でなくなる。しかし、分析物の追加時、信号強度は、測定光束ＭＬの小さい合焦面内でのみ変化するため、合焦面外では、ＩＭ＋Ｓ＋Ｒ≒ＩＳ＋Ｒ’が成り立つ。したがって、合焦面外での不変のスペックルバックグラウンドを、固有の位相標準として引き続き使用することができ、位相ドリフトΔφＲの対応する評価は、上記の式に従って同様に行われる。
【0114】
また、測定間のバイオチップの横方向シフトを、スペックルバックグラウンドの相関によって決定することができる。参照光束なしで測定する場合、スペックルバックグラウンドの強度分布がこの相関に使用される。参照光束を用いて、位置依存の位相分布を相関に使用することがより有益である。横方向シフトは、ソフトウェアによる画素割当てのシフトによって容易に修正することができる。
【0115】
この方法の利点は、スペックルバックグラウンドを検出器面全体にわたって固有の位相標準として使用することができ、したがって追加の参照用格子が必要とされないことである。
【0116】
ここで説明した例示的実施形態に対し、個別にまたは組み合わせて、以下に説明する一般化も可能である。
上述した実施形態では、より良く理解できるように、具体的な設計上の決定を伴った実現形態を例示してきた。しかし、これらの例は、一般性を制限することなく理解されるべきであり、様々な実施形態の基本的な機能原理に影響を与えることなく適宜変更することができる。
上述した実施形態では、より良く理解できるように、具体的な設計上の決定を伴った実現形態を例示してきた。しかし、これらの例は、一般性を制限することなく理解されるべきであり、様々な実施形態の基本的な機能原理に影響を与えることなく適宜変更することができる。
【0117】
・例えば、カップリング格子ＥＫＧおよび／または参照格子ＲＧは、導波路Ｗの下側だけでなく、導波路Ｗの上側にも形成することができる。
・導波路Ｗを伝播する光ＬによるバイオグリッドＢＧおよび／または参照格子ＲＧの励起の代わりに、励起は、バイオチップＢＣの境界面で全反射される光ビームによって行うこともできる。この境界面に、バイオグリッドＢＧと参照格子ＲＧが位置する。ここで、全反射光のエバネッセント電場は、それぞれの格子を有する導波路による励起を用いる変形形態と全く同様に相互作用する。
・導波路Ｗを伝播する光ＬによるバイオグリッドＢＧおよび／または参照格子ＲＧの励起の代わりに、励起は、バイオチップＢＣの境界面で全反射される光ビームによって行うこともできる。この境界面に、バイオグリッドＢＧと参照格子ＲＧが位置する。ここで、全反射光のエバネッセント電場は、それぞれの格子を有する導波路による励起を用いる変形形態と全く同様に相互作用する。
【0118】
・検出器Ｄとして、カメラ（すなわち光検出器の２Ｄアレイ）の代わりに、検出位置ごとに平坦な個別の検出器と、測定場の直径、すなわち測定モードの直径を有するスクリーンを使用することができる。
【0119】
・位相シフタとして、ビームに対して垂直にシフト可能な回折格子も文献において知られている。これは、その回折次数において、ビームに対するウェブとギャップの位置に依存して位相が変化するからである。代替として、例えばピエゾアクチュエータによって動かされるミラーも、位相を変えるために参照ビームのビーム経路を変えることができる。
【0120】
・参照波が、例えば、参照ビームに導入された適切に方向付けられたλ／２プレートを通って測定波に垂直に偏光される場合、検出器の前にある回転可能な偏光フィルタによって、観察したいビーム成分を選択することができる。参照波または測定波の偏光と並行して、それぞれの波のみが測定される。参照波の偏光に対して０°から９０°の間での調整時に、２つの部分波の相対強度を調整して最適な干渉コントラスト（上記参照）を得て、それらを検出器で干渉させることができる。
【0121】
・さらに、すべての変形形態において、クロストークを防ぐために、個々の検出位置の間にセパレータを導入することができる。
・バイオグリッドＢＧの検出器分解能と焦点径は、焦点径が５～５０画素の範囲内で動くように選択すべきである。
・バイオグリッドＢＧの検出器分解能と焦点径は、焦点径が５～５０画素の範囲内で動くように選択すべきである。
【0122】
・搬送波法での検波器分解能および縞の間隔は、縞の間隔が５～５０画素の範囲内で動くように選択すべきである。
・参照格子ＲＧは、搬送波法において、バイオグリッドＢＧの前（第１の例示的実施形態に示されるように）でも後でも、ｘ方向にオフセットして提供することができる。ｙ方向へのオフセットを有する配置またはそれらの組合せも可能である。バイオグリッドＢＧに対してｙ方向でのみオフセットする利点は、参照格子ＲＧとバイオグリッドＢＧとに関する導波路Ｗでの光路長が同じ長さであり、このことによって、参照格子とバイオグリッドとの間での位相のドリフトを最小限に抑えることである。参照格子がｘ方向でバイオグリッドの前後にそれぞれ置かれる場合、位相ドリフトは、２つの参照格子の１つを使用してバイオグリッドに対する位相差をそれぞれ１回計算することにより、算術的に補償することもできる。２つの参照格子の位相ドリフトは反対方向に挙動し、したがって修正することができる。
・参照格子ＲＧは、搬送波法において、バイオグリッドＢＧの前（第１の例示的実施形態に示されるように）でも後でも、ｘ方向にオフセットして提供することができる。ｙ方向へのオフセットを有する配置またはそれらの組合せも可能である。バイオグリッドＢＧに対してｙ方向でのみオフセットする利点は、参照格子ＲＧとバイオグリッドＢＧとに関する導波路Ｗでの光路長が同じ長さであり、このことによって、参照格子とバイオグリッドとの間での位相のドリフトを最小限に抑えることである。参照格子がｘ方向でバイオグリッドの前後にそれぞれ置かれる場合、位相ドリフトは、２つの参照格子の１つを使用してバイオグリッドに対する位相差をそれぞれ１回計算することにより、算術的に補償することもできる。２つの参照格子の位相ドリフトは反対方向に挙動し、したがって修正することができる。
【0123】
・さらに、参照格子ＲＧは、（例えば、２つの互いにねじれて形成された格子構造を重ね合わせる、または強く発散する波を生成することにより）周囲のいくつかのバイオグリッドＢＧに対して参照波を生成することもできる。その下にあるスクリーン構造は、生成された参照波から、それぞれのバイオグリッドＢＧに関する適切な部分波を選択する。
【0124】
・光束を遮断または解放するために、可動シャッタ（Ｓ）の代わりに、ＬＣＤなどの電子的に切り替え可能な要素を使用することもできる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】