JP2572829B2 - 導波管センサー - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 発明の分野 本発明は、試料中の化学的、生化学的または生物学的
種の定性的および／または定量的検出が達成され得るよ
うな分析技術に関し、そしてそのような技術における利
用に適するセンサーにも関する。

発明の背景 本出願に関連する分析技術は、分析すべき種（以下
“リガンド”と称する）と、特定のタイプの表面にコー
ティングされる該リガンドに特異的な結合剤（以下“特
異的結合相手”と称する）との間に親和力に基づいてい
る。国際特許公開W084/02578およびW086/01901は、
（ａ）特異的結合相手の薄膜で支持体の表面の少なくと
も一部分（予備成形されたリレーフ面のある）をコーテ
ィングし、前記表面部分はある波長のバンドを超える輻
射線に関して光学的に活性であり、そして（ｂ）そのコ
ートされた表面を試料と接触させ、そして該表面上の特
異的結合相手の薄膜へのリガンドの結合の結果として光
学的性質の定性的および／または定量的変化を測定する
ために、該表面の前記部分の光学的性質を観察する；こ
とを含んで成る方法を記載している。

上記の刊行物に記載されているように、予備成形され
たレリーフ面は、典型的には単純な単一格子または２つ
以上交差した格子であることのできる光格子の形であ
り、それのリッジは、例えば正方形、正弦または三角形
の横断面形を有することができ、そして本明細書におい
て格子のことを言及する時には、そのような格子全てを
包含するつもりである。

W084/02578の刊行物では、分析すべきリガンド（例え
ば血清中の特異的抗原）の結合の結果としての格子の光
学的性質の変化は、本質的に（１）結合したリガンドの
質量または嵩および（２）それの誘電特性の結果として
引き起こされる。

W086/01901刊行物では、結合の結果がセンサー表面に
付着された色素標識された結合相手の蛍光特性の変化に
よってモニターされている。

本発明の目的は、代わりの分析方法およびこの分析技
術が達成され得るようなより感受性のタイプのセンサー
を提供することである。

発明の要約 従って、最も広い態様においては、本発明は試験中の
リガンドについて分析する方法を提供し、この方法は、 ａ）試料を光学構造の表面と接触させてインキュベー
トし、前記光学構造は第一の屈析率N1を有する支持体お
よび第二の屈折率N2を有する表層を含んで成り、前記表
層は使用の際には共鳴輻射線の誘導波モードがその中に
伝達され得るようなものであり、そして前記表層には、
検出を所望するリガンドに対する特異的結合相手が直接
的または間接的に吸着しているかまたは結合しており； ｂ）法線に対してある角度またはある範囲の角度にお
いて前記光学構造を照射し；そして ｃ）前記リガンドと前記特異的結合相手との間の複合
体の形成により誘導波モードの特徴が変化するかどう
か、そして所望によりその範囲および／または速度を測
定するために、反射光、透過光および／または伝達光を
分析する； ことを含んで成る。

表層の内側に誘導波モードを伝達させるためには、N2
がN1よりも大きいことが望ましいであろう。しかしなが
ら、屈折率N1とN2が近似しており（ただじ正確には等し
くない）、且つ約1.5であるのが特に好ましい。

好ましくは、光学構造は、透明なプラスチック、例え
ばポリカーボネート、またはガラスの支持体、および或
る適切な屈折率の表層を有する回折格子である。本発明
に従って方法においては、表層が厚さ700nmよりも薄い
光学構造を利用することが有利である。

屈折率N2の表層は薄層の材料を含んで成ってもよい。
例えば、光学構造の支持体がプラスチックである場合に
はその上の薄層材料がガラスまたはシリカであることが
でき、そして支持体ガラス、例えばホスフェートガラス
である場合には、薄層材料がシリカまたはスパンコート
されたポリマー、例えばポリスチレンであることができ
る。しかし、光学構造の支持体がガラスであり、そして
屈折率N2の表層が金属イオン、例えば銀および／または
鉛イオンで含浸された前記支持体の表層を含んで成るの
が特に好ましい。従って、本発明のさらなる観点は、本
明細書中に定義されるような光学構造上に屈折率N2の表
層を形成せしめる方法を提供し、該方法は、該光学構造
の表面を硝酸銀および／または硝酸鉛に暴露することを
含んで成る。

本発明はさらに、試料中のリガンドを検出するための
センサーを提供し、このセンサーは、第一の屈折率N1を
有する支持体および第二の屈折率N2を有する表層を有す
る光学構造を含んで成り、前記表層は、使用時に共鳴輻
射線の誘導波モードがその中に伝達され得るようなもの
であり、そして前記表層は、検出を所望するリガンドに
対する特異適結合相手を、直接的または間接的に、吸着
しているかまたは結合している。

本発明に従って製造されたセンサーは、特に抗体また
は抗原の検出に有用である〔この場合の特異的結合相手
はそれぞれ抗原または抗体（モノクローナルもしくはポ
リクローナル）であろう〕が、以後に論議されるよう
に、他のリガンドも他の特異的結合相手の利用により検
出され得る。しかしながら、本発明に従って製造された
センサーは、バイオセンサーに限定されるものではな
く、例えば、表層上への特異的吸着または表層内部への
特異的吸収が起こり得る気体の化学検出器、といった化
学センサーを含むことができる。

本発明は、抗体または抗原に関して特異的結合相手ま
たはリガンドとして詳細に記載されるであろう。しかし
ながら、本発明は、抗体または抗原の分析方法に限定さ
れるものとして解釈してはならず、試料中のあらゆる化
学的、生化学的または生物学的種を検出するために利用
され得るアッセイをその範囲内に包含する。本発明に従
って光学構造上に固定され得る適当な結合相手の例、お
よび本発明の方法により分析され得るリガンドの例を下
の第Ｉ表に示す。

本発明の方法は非常に広い適応正を有するが、特に次
のアッセイに利用することができる：ペプチドホルモン
〔例えば、甲状腺刺激ホルモン（TSH）、黄体形成ホル
モン（LH）、ヒト絨毛性性腺刺激ホルモン（hCG）、濾
胞刺激ホルモン（FSH）、インシュリンおよびプロラク
チン〕および非−ペプチルドホルモン〔例えば、コルチ
ゾール、エストラジオール、プロゲステロンおよびテス
トステロンのようなステロイドホルモン、またはチロキ
シン（T4）およびトリヨードチロニンのようなチロイド
ホルモン〕を包含するホルモン、タンパク質〔癌胎児性
抗原（CFA）およびαフェトロプロテイン（AFP）〕、薬
剤（例えばジゴキシン）、糖類、毒素、ビタミン、ウイ
ルス、バクテリアまたは微生物。

本明細書中で使用する“抗体”という用語は、次の範
囲内のものを包含すると解釈されるだろう。

ａ）常用の動物のいずれか、例えば羊、ウサギ、ヤギ
またはマウスから由来する免疫グロブリンの種々のクラ
スまたはサブクラスのいずれか、例えばIgG,IgA,IgMま
たはIgE、 ｂ）モノクローナル抗体、 ｃ）モノクローナルまたはポリクローナルの抗体の完
全な分子または“断片”、断片は抗体の結合性領域を含
むもの、例えばFc部分の欠けている断片〔例えばFab,Fa
b′Ｆ（ab′）_２〕または完全な抗体中の重鎖部分を結
合しているジスルフィド結合の還元的開裂により得られ
る“半分子”と称される断片である。

抗体の断片の調製方法は当業界においてはよく知られ
ており、本明細書中では記載しない。

本明細書中で使われる“抗原”という用語は、抗原性
の種（例えば、タンパク質、バクテリア、バクテリア断
片、細胞、細胞断片およびウイルス）および適当な条件
下で抗原性になり得るハプテンを共に不変的に包含する
と解釈されるだろう。

本発明は、光学構造が回折格子であるような好ましい
態様に関して、より詳細に記載されるであろう。しかし
ながら、例えば光学導波管、光学繊維およびコーティン
グされたプリズムといった他の光学構造も、正確な配列
（configuration）において、本発明の範囲内に含まれ
るであろう。

本発明は、系のゼロオーダー回折効率を観察する時、
本明細書中に記載の光学構造、例えばコートされた回折
格子と、前記光学構造の表層に接触した試料との間で形
成される三層の誘電性配置中での誘導波の励起のための
シャープな共鳴の異変にその効果を頼っている。理論上
この共鳴が観察されることが予想されなかったが、実際
は、通常その現象を観察するのに十分な入射光の減衰が
あるであろう。しかしながら、ある状況においては、そ
の配置の１つまたは複数の層の適当な変更により、カッ
プルされた輻射線の吸収を促進させることが望ましいか
もしれない。そのような配置は、空気またはさらなる屈
折率N3の液体と接触して屈折率N2の相似被覆でコートさ
れた屈折率N1の支持体から成るであろう。格子の深さ、
N1およびN2、並びに格子間隔（リッジ間）の適当な選択
により、0.1nmのオーダーのごく狭いスペクトル幅を有
する共鳴が可能である。

共鳴における導波管として作用する、コーティングの
厚さの変化は、ガイドのモード構造の変化を引き起こし
て、そして入射の角度または励起が要求される波長の対
応するシフトを引き起こす。

カップリングしている共鳴の角度の半巾値（約0.1
゜）に対応するシフトのためには、屈折率N2のコーティ
ング（導波管）が厚さ約2nmまで変化しなければならな
いことが示され得る。これは、生化学的反応、例えばバ
イオアッセイにおける抗原と抗体との特異的結合の結果
として付着するであろう物質の厚さに一致する。

N1およびN2の値をより接近させ、そしてコーティング
−導波管の厚さを減らすことにより、感度は増加され得
る。これは、コーティングの厚さを減らすとコーティン
グの厚さの与えられた変化に対する内側への伝達速度の
変化の割合が増加するために起こり、そしてこれは厚さ
の変化に関連して入射光（与えられた波長について）の
臨界角のシフトを増加せしめる。

従って、本説明の一態様は、センサーを提供し、この
センサーは、N1とN2が近似しており且つ共に1.5に等し
く、約0.1ミクロンの格子の深さ、約0.3ミクロンの格子
間隔、および約0.7ミクロンのコーティング−導波管を
有する回折格子を含んで成る。国際特許公開W084/02578
に記載されているようなセンサーのものと同様な感度を
有する。コーティング−導波管の厚さが0.7ミクロン以
下に減少されると、この感度が４または５倍に増加され
得る。

回折格子は、いかなる常用の手段によっても調製され
得る。従って、例えばプラスチックの格子は、レーザー
干渉計により製造された格子の原型から注入成形により
作成され得る。本発明に係るセンサーは、格子上へ誘電
材の薄層を付着せしめることにより、例えばそれぞれの
スパッターまたは真空蒸発によるガラスまたはSiO₂の付
着により、合成され得る。

また、ガラス回折格子は、光学的に平らなガラスの表
面に線を描くことにより、または光学的に平らなガラス
の表面上にフォトレジストをスピンニングし、干渉パタ
ーンにそれを暴露し、そして該レジスト中の干渉パター
ンを反応性イオンに暴露することによりガラス表面をエ
ッチングすることにより、製造され得る。本発明に従っ
てイオン−含浸された表面を有するガラス格子が作成さ
れ得る。例えば、表面を硝酸銀および／または硝酸鉛に
暴露することにより、銀および／または鉛イオンを該格
子の表層に結合することができる。これはガラス表面内
への銀および／または鉛イオンの移動を許容し、かくし
てガラスの残部とわずかに異なる屈折率を有するごく薄
い表面領域を確立する。該表面の薄さおよび基質と表層
の屈折率の近似が、ともに優れた感度を与えるための必
要条件である。

特異的結合相手のコーティングされた光学構造の光学
的性質は、特異的結合相手と相補的なリガンドとの間の
複合体形成により変化し、本発明の一態様においては、
該表面の標準の（未処理の）領域の光学的性質と処理済
のテスト領域のもとの比較により、該テスト領域におい
て結合反応が起こったかどうかを定性的または定量的に
測定することができる。例えば、特異的結合相手が抗体
であるような他の一態様においては、テストされるべき
抗原に特異的な抗体が光学構造の表面上の少なくとも１
つの分離したテスト領域上に吸着されるかまたは結合さ
れる。そしてテストされるべき試料中に存在するであろ
ういずれのリガンドに対しても特異的結合相手とならな
いタンパク質（本明細書中では“非−特異的タンパク
質”と表示される）が、前記表面上の少なくとも１つの
分離した対照領域上に吸着されるかまたは結合される。
この非−特異的タンパク質は、例えば、不活性化された
抗体またはテストされる試料中に存在しないリガンドに
対して誘起された抗体であり、例えばテストされるべき
試料がヒト血清である場合は、非−特異的タンパク質が
抗−マウス抗体であってもよい。例えば試料中に存在す
るタンパク質の、特異的抗体または非−特異的タンパク
質への非−特異的結合のあらゆる差異は、テストされる
べき抗原を含まない試料に暴露した後にテスト領域の光
学的性質を対照領域と比較することにより測定され得、
必要であれば、適当な補正を行うことができる。テスト
されるべき試料への暴露の間または後での同じバイオセ
ンサーのテスト領域と標準領域との比較は、テストされ
るべき抗原とそれの特異的抗体との間の複合体形成の測
定を提供することができる。各領域が特異的結合相手の
連続層を含んで成ってもよく、または各結合相手がある
与えられた領域内で分離した間隔で存在して不連続層を
形成してもよい。

本発明を一態様においては、光学構造を固定した入射
角において多色光で照射し、そして反射光および／また
は透過光を分析して誘導された波の共鳴のために吸収さ
れる光の波長を測定する。

反射光または透過光を分析するための手段はスペクト
ル検出器であることができ、これは照射光と比較して反
射光または透過光から消失しているある波長を測定し、
そして消失波長を示すシグナルを発生させる。シグナル
発生手段の目盛を定めて直接の読取りを提供してもよ
い。

もしコートされた格子面に試料を接触させる前と後の
スペクトルを消失部分の間に有意な波長シフトが認めら
れるならば、相補的物質の結合がその表面に起こってお
り、従って試料が、その特異的結合相手のコーティング
に結合することがわかっている特異的リガンドを含んで
いたことが推測され得る。

もう一つの態様においては、光学構造を１または複数
の入射の角度において、単色光または半−単色光で照射
し、そして反射光、透過光および／または伝達光を分析
して、入射光の特定の角度において、共鳴光の誘導波モ
ードが伝達されるかどうかを決定する。

Claims (11)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】試料中のリガンドについて分析する方法で
   あって、 ａ）試料を光学構造の表面と接触させてインキュベート
   し、前記光学構造は第一の屈折率N1を有する支持体およ
   び第二の屈折率N2を有する表層を含んで成り、前記表層
   は使用の際には共鳴輻射線の誘導波モードがその中に伝
   達され得るようなものであり、そして前記表層には、検
   出を所望するリガンドに対する特異的結合相手が直接的
   または間接的に吸着しているかまたは結合しており； ｂ）法線に対して固定した角度において前記光学構造を
   多色光で照射し；そして ｃ）前記リガンドと前記特異的結合相手との間の複合体
   の形成により誘導波の共鳴の結果として任意の波長の光
   の吸収が変化するかどうか、そして所望により光の吸収
   の変化の範囲および／または光の吸収の変化の速度を測
   定するために、その反射光および／または透過光を分析
   する； ことを含んで成る方法。
2. 【請求項２】前記光学構造が回折格子である、請求項１
   に記載の方法。
3. 【請求項３】前記特異的結合相手が抗原または抗体であ
   る、請求項１または２に記載の方法。
4. 【請求項４】前記屈折率N1およびN2が近似しており、た
   だし正確には等しくなく、且つ両方とも約1.5である、
   上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。
5. 【請求項５】屈折率N2の前記表層が薄層の材料を含んで
   成る、上記の請求項のいずれか一項に記載の方法。
6. 【請求項６】前記光学構造の支持体がガラスであり、そ
   して薄層の材料がシリカである、請求項５に記載の方
   法。
7. 【請求項７】前記光学構造の支持体がプラスチックであ
   り、そして薄層の材料がガラスまたはシリカである、請
   求項５に記載の方法。
8. 【請求項８】屈折率N2の前記表層が金属イオンで含浸さ
   れた支持体の表面を含んで成る、請求項１〜４のいずれ
   か一項に記載の方法。
9. 【請求項９】前記光学構造の支持体がガラス製であり、
   そして前記表層が銀および／または鉛イオンで含浸され
   た前記支持体の表面を含んで成る、請求項８に記載の方
   法。
10. 【請求項１０】屈折率N2の前記表層が700nmよりも薄い
    厚さである、上記の請求項のいずれか一項に記載の方
    法。
11. 【請求項１１】請求項１に記載の方法において使用する
    ための装置であって、 （Ａ）第一の屈折率N1を有する支持体および第二の屈折
    率N2を有する表層を有するセンサー、ここで前記表層は
    使用の際には共鳴輻射線の誘導波モードがその中に伝達
    され得るようなものであり、そして前記表層には、検出
    を所望するリガンドに対する特異的組合相手が直接的ま
    た間接的に吸着しているかまたは結合している； （Ｂ）スペクトル検出器；並びに （Ｃ）多色光源； を含んでなる装置。