JP5383190B2 - Ｃｃｄ検出器の読み出し速度を増加させる方法 - Google Patents

Description

関連出願の相互参照

この出願は、２００５年８月８日に出願された米国仮特許出願第６０／７０６，８３２号の利益を主張するものであり、その内容を本明細書に引用して援用する。

本発明は、光バイオセンサの上面の上または付近の微小な／小さい生物学的事象を検出する能力を強化するＣＣＤ（電荷結合素子）検出器（この場合分光計の一部）の読み出し速度を増加させるオーバークロック方法を実施する光学的質問（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）システムに関する。

光バイオセンサの上面の上または付近の生物学的事象の検出に関連する研究を行うために、今日光センサ技術が学界および産業で用いられている。このような研究では、光を光バイオセンサ（例えば共振導波路格子（ＲＷＧ）バイオセンサ）に結合する出射システムを有する光学的質問システムが用いられる。そして光バイオセンサと共振する光が取り出される（反射される）とともに、光を解析してＲＷＧバイオセンサの上に生物学的事象が発生したか否かを判定する受光システムにより捕捉される。具体的には受光システムはその光を解析して、ＲＷＧバイオセンサの上面の上に生物学的事象が発生したか否かを示す光応答（共振波長／角度）を測定する。残念ながらこのような受光システム、特に今日産業で用いられるそのＣＣＤ検出器は、受けた光によって容易に飽和され得る。このようなＣＣＤ検出器飽和により、光応答内の微小なシフト（例えば分光計波長シフト）を検出することが困難になり、それはＲＷＧセンサの上面上の小さい生物学的事象の検出を困難にすることを意味する（これが発生する理由は以下に詳細に説明する）。

この飽和問題に対処しようと試みた手法は、出射システム内に光減衰器（例えば可変光減衰器（ＶＯＡ））を組み込んで、放射光の強度を分光計内のＣＣＤアレイ（例えばピクセル）の飽和限界未満であるレベルに低減することであった。しかし光学的質問システムは、分光計内のＣＣＤアレイで受光された光の強度により制限される、質問時間単位当たりの信号−ノイズ比（ＳＮＲ）を有する。このように光共振を特定する分光計の能力は、ＣＣＤアレイ（ピクセル）が飽和せずに処理可能なパワー量に定量的に関連する。その結果、分光計をより高い光パワーレベルを処理するように強化できる場合には、光応答の小さいシフトを検出し、そのためＲＷＧセンサの上の小さい生物学的事象を検出することも可能である。このニーズは本発明により満足される。

光バイオセンサ上の小さい生物学的事象をより良好に検出できるように、分光計の読み出し速度を増加してより高い光パワーレベルを処理可能にする、オーバークロック手法を実施するＣＣＤアレイによる分光計（例えば検出器アレイ）を有する光学的質問システムが本明細書に記載されている。一実施形態において光学的質問システムは、光ビームを光バイオセンサに向ける光源を含む出射システムを有する。加えて光学的質問システムは、ピクセルの部分集合のみが光バイオセンサから取り出された（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ）光ビームを受光できるように被覆されたＣＣＤ検出器を有する、分光計を含む受光システムを有する。分光計は、シフトレジスタが以前に転送された一組の電荷を出力する前に（注：ピクセルの部分集合からシフトレジスタ内に同時に転送される場合、以前に転送された一組の電荷は、新しい一組の電荷の前にシフトレジスタ内で「下流に」シフトされなければならなかった）、受光された光ビームに関連する一組の電荷をピクセルの部分集合からシフトレジスタ内に転送可能（同時に）にする、オーバークロック手法を実施するコントローラ（または制御ロジック）をさらに含む。分光計は、以前に転送された一組の電荷をシフトレジスタから出力された後に受光して、その後それらを電圧信号に変換する電圧変換器も有する。受光システムは電圧信号をデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器を有する。最後に受光システムは、デジタル信号を処理して、光バイオセンサの上に生物学的事象が発生したか否かを示す光応答（共振波長／角度）の位置を判定するプロセッサを有する。

添付の図面と併用する場合、以下の詳細な説明を参照することにより本発明のより完全な理解が得られ得る。

図１を参照すると、本発明によるバイオセンサ１０４（例えばＲＷＧバイオセンサ１０４）に質問するために用いられる、例示的光学的質問（ｏｐｔｉｃａｌ ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ）システム１００（強化分光計１０２を内蔵する）のブロック図がある。光学的質問システム１００は出射システム１０６を含み、出射システム１０６は光ビーム１１０をレンズ付き光ファイバ１１２に出力する光源１０８を有し、光ファイバ１１２は光ビーム１１０をＲＷＧバイオセンサ１０４に向かって放射する。加えて光学的質問システム１００は受光システム１１４を含み、受光システム１１４はＲＷＧバイオセンサ１０４から反射された／取り出された（ｏｕｔ−ｃｏｕｐｌｅｄ）光ビーム１１８を受光するレンズ付き光ファイバ１１６を有する。受光システム１１４は、レンズ付き光ファイバ１１６から放射された光ビーム１１８を受光する分光計／検出器アレイ１０２（本発明により強化された）も含む。強化分光計１０２は電圧信号１２０（ＲＷＧバイオセンサ１０４の共振波長／角度を表わす）を、アナログ−デジタル変換器１２２（Ａ／Ｄ変換器１２２）に出力する。Ａ／Ｄ変換器１１８は電圧信号１２０をデジタル信号１２４に変換し、デジタル信号１２４はプロセッサ１２６により受信される。プロセッサ１２６はピーク発見アルゴリズムを用いて、デジタル信号１２４を処理するとともに、ＲＷＧバイオセンサ１０４の上面１３８上または付近で生物学的事象が発生したか否かを示す光応答（共振波長）の位置を特定する。分光計１０２が本発明によりどのように強化されるのかを、光学的質問システム１００およびＲＷＧバイオセンサ１０４について簡単な説明を提供した後に以下に詳細に説明する。

ＲＷＧバイオセンサ１０４（米国特許第４，８１５，８４３号明細書に詳述されている）は、その回折格子１２８および導波路１３０の構造を解析することにより最適に説明することができる。回折格子１２８で方向付けられる光ビーム１１０は、その波数ベクトルが式１に示す以下の共振条件を満足する場合にのみ、導波路１３０内に結合することができる。

ここでｋ_ｘ’は入射波数ベクトルのｘ成分であり、ｋ_ｘは導波モード波数ベクトルであり、さらにＫは格子ベクトルである。格子ベクトルＫは回折格子１２８の線に垂直な方向と、２π／Λにより与えられる大きさとを有するベクトルとして規定され、ここでΛは格子周期（ピッチ）である。この表現は式２に示すように波長λおよび入射角度θの観点で書かれ得る。

ここでθは光ビーム１１０の入射角度であり、ｎ_屈折率は入射媒体の屈折率であり、λは光ビーム１１０の波長であり、ｎ_{実行屈折率}は導波路１３０の実効屈折率である。導波路１３０は、光導波路モードフィールドが導波路１３０中を伝播するように「見える」屈折率の加重平均である実効屈折率を有する。光導波路モードは導波路１３０よりかなり広い空間的広がりを有することが好ましく、ここで空間的広がりは基板１３２の屈折率に依存する。その結果光導波路モードは、上層（ｓｕｐｅｒｓｔｒａｔｅ）１３４（検出領域１３４）内に延びるエバネセント波／尾を有し、上層１３４には生体物質１３６（例えば細胞、分子、たんぱく質、薬物、化合物、核酸、ペプチド、炭水化物）がバイオセンサの上面１３８に接近するまたは接触するなどの生物学的事象により生じる任意の表面変化が「見える」。

式２に示す表現は式３に示す、より便利な形状に書き換え得る。

これはｓｉｎθがｙ軸であり、λがｘ軸であり、Λｎ_ｅｆｆがｘ切片、−１／Λが傾斜である場合の線の式である。式３を得るために、この表現から省略できるようにｎ_屈折率は１に設定される。空気（ｎ〜１．０００３）は最も一般的な入射媒体であるためこの近似が用いられる。このようなものとして生体物質１３６が表面１３８に結合すると、導波路１３０の実効屈折率が変化し、ＲＷＧバイオセンサ１０４の光応答（例えば共振波長または共振角度）のシフトにつながる。このシフトは図２に示す線のｘ切片のシフトとして見られる。

このようなバイオセンサ１０４の光応答（または共振条件）を、ＲＷＧバイオセンサ１０４から反射された光ビーム１１８の特性を監視することにより観察し得る。これらの特性、すなわち共振波長または角度は屈折率が変化した時に変化する。このためＲＷＧバイオセンサ１０４の屈折率変化を監視するための２つの異なる動作モード、角度質問またはスペクトル質問がある。角度質問では、名目上単一波長光ビーム１１０が集束されてある範囲の照明角度を生じた後、ＲＷＧバイオセンサ１０４内に向けられる。強化検出器１０２（例えば強化分光計１０２）は反射光ビーム１１８を受光する。そしてＲＷＧバイオセンサ１０４により反射された共振角度の位置を監視することにより、バイオセンサの表面１３８上または付近の結合または屈折率変化を監視することができる。角度質問概念が図３に示されたグラフ内に図示されている。

スペクトル質問では、名目上平行広帯域光ビーム１１０がＲＷＧバイオセンサ１０４内に送られるとともに、反射光ビーム１１８が集光されて強化検出器１０２（例えば強化分光計１０２）に送られる。そして共振波長（ピーク）のスペクトル位置を観察することにより、バイオセンサの表面１３８上または付近の結合または屈折率変化を監視することができる。スペクトル質問概念が図４に示されたグラフに図示されている。

本発明ではスペクトル質問の方法に焦点を当てている（本発明を同様なアレイ検出器を利用する角度質問方法と一緒に用いることが可能であるが）。特に本発明は回折格子とＣＣＤアレイ（例えばピクセル）とを用いる強化分光計１０２に反射光ビーム１１８を送って、ＲＷＧセンサ１０４の反射スペクトル（光応答）を観察する技術を詳述する。図５は単一モード／単一モード二重ファイバコリメータ１１２および１１６を用いる光学的質問システム１００により観察される、例示的スペクトル信号光応答を図示するグラフである。生体物質１３６がＲＷＧセンサ１０４に結合すると屈折率は変化し、それによりスペクトル内の共振反射ピーク５０２（光応答５０２）はより長い波長にシフトする。光学的質問システム１００がこの共振ピーク５０２内の微小なシフトをより良好に検出可能であるほど、小さい生物結合事象をより良好に確実に検出することができる。共振ピーク５０２内の微小なシフトを検出する能力が、分光計１０２内のオーバークロック手法を実施する主な利点である。

図６を参照すると、ＲＷＧバイオセンサ１０４の上の小さい生物学的事象（例えば生体物質１３６）を検出する能力を効果的に強化するオーバークロック手法を実施する、分光計１０２（例えば検出器アレイ１０２）のブロック図がある。分光計１０２（例えば１Ｄ分光計１０２）は、一組の電荷６０６（電子６０６）を生成することより入射光ビーム１１８の光パワーに応答するピクセルの部分集合６０２（ピクセル６０４の総数と比べて）を有する。電荷６０６の大きさは入射光ビーム１１８の強度に直接関係する。その上電荷６０６は、シフトレジスタ６０８内に転送される時点の統合期間の終了まで、常にピクセルの部分集合６０２（例えば光子電子収集ウェル６０２）内に蓄積している。

分光計１０２は、一組の電荷６０６がシフトレジスタ６０８内に転送される時を制御するプロセッサ６１０（または制御論理６１０）を有する。加えてプロセッサ６１０（または制御論理６１０）は、１つまたは複数の組の以前に転送された電荷６０６ａ、６０６ｂおよび６０６ｃがシフトレジスタ６０８から電圧変換器６１２内に連続して転送される時を制御する。プロセッサ６１０はこれらの２つの能力を用いて、１つまたは複数の組の以前に転送された電荷６０６ａ、６０６ｂおよび６０６ｃがシフトレジスタ６０８から転送される前に一組の電荷６０６がシフトレジスタ６０８内に転送される、オーバークロック手法を実施する。換言すれば一組の以前に転送された電荷６０６ｃがシフトレジスタ６０８から転送される前に、多数の組の転送された電荷６０６、６０６ａおよび６０６ｂをピクセルの部分集合６０２からシフトレジスタ６０８内に転送することができる。

図示の例においてプロセッサ６１０が一組の電荷６０６をシフトレジスタ６０８内に転送すると同時に、一組の電荷６０６ｃ（質問期間Ｎ−２においてシフトレジスタ６０８内に転送された）がシフトレジスタ６０８から電圧変換器６１２内に転送される。また一組の電荷６０６がシフトでレジスタ６０８内に転送された時、それらの電荷６０６はまだシフトレジスタ６０８内にある二組の電荷６０６ａおよび６０６ｂに連続的に追加される。図示のように二組の電荷６０６ａおよび６０６ｂはそれぞれ質問期間ＮおよびＮ−１中にシフトレジスタ６０８内に転送された。オーバークロック手法は、新しい組の電荷をシフトレジスタ６０８内に転送可能になる前にシフトレジスタ６０８内に位置する電荷のすべてがシフトレジスタ６０８からシフトされる必要があった、従来のクロック手法を超える著しい改善である。

図示のようにオーバークロック手法は、電荷６０６、６０６ａ、６０６ｂおよび６０６ｃをピクセルの部分集合６０２からシフトレジスタ６０８内に転送することができる速度を増加させる。また光パワーレベルは通例、個々に露光されたＣＣＤピクセルが、それらの電荷が転送できる前に飽和しないように制限される。しかし電荷が露光ＣＣＤピクセル６０２から転送できる速度を増加させることにより、分光計１０２の光パワー処理能力を上げることが可能であり、これによりＲＷＧセンサ１０４の上の小さい／微小生物学的事象の検出が可能になる。図示のようにオーバークロック手法は、分光計１０２内のピクセル６０４の総数の副領域が、ＲＷＧバイオセンサ１０４から反射された入射光１１８で照明される際に実施されることが好適である。これを達成するために、光シャッタ６１４を用いて分光計１０２の一部を遮断することができる。一実施形態において光シャッタ６１４は、ピクセル６０４の前方で平行移動（ねじ調整により）して、ピクセル６０４のほとんど（オーバークロック領域６１６ａ、６１６ｂおよび６１６ｃを参照）を遮断／遮蔽するように作製された金属片である。光シャッタ６１４は「オーバークロック」量が調整できるように、いくつのピクセル６０４が遮蔽／非遮蔽されるべきかを効果的に制御する。この例において光シャッタ６１４はピクセルの部分集合６０２（オーバークロック領域６１６ｄと関連する）のみが、ＲＷＧセンサ１０４から反射された入射光ビーム１１８を受光できる場所に位置決めされる。

一旦一組の電荷６０６ａ、６０６ｂおよび６０６ｃがシフトレジスタ６０８内に転送されると、それらはシフトレジスタ６０８の一端に向かってに連続的にシフトされ、特定の組の電荷６０６ｃ（例えば）内の個々の電荷が最終的に電圧変換器６１２内に転送されることになる。電圧変換器６１２は個々の電荷６０６ｃをアナログ信号１２０に変換する。必要に応じて電圧変換器６１２はアナログ信号１２０を増幅することができる。図示の例において、アナログ信号１２０は以前の三組の電荷６０６ｄ、６０６ｅおよび６０６ｆに関連する電圧を含む。Ａ／Ｄ変換器１２２（分光計１０２の外側に示されている）はアナログ信号１２０を受信して、そのアナログ信号１２０をデジタル信号１２４に変換する。プロセッサ１２６（例えばパーソナルコンピュータ１２６、デジタル信号プロセッサ１２６、フィールド・プログラマブル・ゲートアレイ（ＦＰＧＡ）１２６）はデジタル信号１２４を受信するとともに、ピーク発見アルゴリズムを用いてそのデジタル信号１２４を処理して、ＲＷＧバイオセンサ１０４の上に生物学的事象が発生したか否かを示す光応答の位置を特定する。

一実施形態においてプロセッサ１２６は、オーバークロック領域６１６ｄの大きさ（ピクセルの部分集合６０２の大きさに相当する）に基づいて、デジタル信号１２４をクロッピングして個々の信号にすることができる。その後プロセッサ１２６はピーク発見アルゴリズムを用いて、個々のデジタル信号（波長）を処理し、ＲＷＧバイオセンサ１０４の上に生物学的事象が発生したか否かを示す光応答の位置を特定することができる。代替的にはプロセッサ１２６は、以前に転送された組の電荷６０６ｄ、６０６ｅおよび６０６ｆに関連する様々な信号（波長）を蓄積して単一波形にすることができる。その後プロセッサ１２６はピーク発見アルゴリズムを用いて単一の蓄積波形を処理し、ＲＷＧバイオセンサ１０４の上に生物学的事象が発生した時を示す経時的光応答の移動を監視することができる。

オーバークロック手法を、例えばＣＣＤアレイおよびＣＭＯＳ（相補型金属酸化膜半導体）アレイを始めとする、異なるタイプのアレイ検出器アーキテクチャに適用することもできる。事実電荷シフトレジスタ６０８を用いず、その代わりにそれ自体が電荷−電圧変換器を有するピクセルを用いるアレイ検出器を本発明で用いることもできる。オーバークロック手法をこのタイプのアレイ検出器と共に用いることも可能であるが、それは各電荷−電圧変換器からの電圧が取り出せるより速く、電荷を各ピクセルに位置する統合デバイス／電荷蓄積デバイスから除去することができるからである。根本的に「電荷」のアレイ全体が検出器アレイから読み出すことができるより速く、電荷を電荷蓄積デバイスの副領域から除去することが、オーバークロック手法の主な特徴である。このようにして検出器１０２のパワー処理能力をＮ倍上昇させることが可能であり、ここでＮはオーバークロック領域６０６内のピクセル６０２の数に対するアレイ全体のピクセル６０４の数の比である。しかし検出器１０２のスペクトルダイナミックレンジは低減することになるが、それはオーバークロック手法を用いる場合、小さいスペクトルウインドのみが照明されて撮像されるからである。

オーバークロック手法が光学的質問システム１００の改善／利益に役立つ少なくとも３つの手法がある。

１．より高い光パワー飽和限界：オーバークロック手法を用いると、単位時間当たりより多くの電荷をデバイスから転送することにより、分光計１０２（検出器アレイ１０２）の光パワー飽和限界を広げることができる。これがより高いＳＮＲ測定値をもたらす。

２．より高い「１秒当たりのフレーム」：オーバークロック手法を用いるさらなる利益は、対象の信号（オーバークロック領域６１６ｄ内）がより高速で取り出せるということである。これは光学的質問システム１００を用いて測定用途における時間ベースの過渡事象を見る際に有利であり得る。加えて光学的質問システム１００を、リアルタイムフィードバック測定を有する制御用途で用いる際に有利であり得る。

３．同一光パワー飽和限界およびフレーム速度に対するより低いピクセルクロック速度：システムのノイズ源が主に読み出されるノイズである場合には、同一光パワー飽和限界を維持しつつも、オーバークロック手法を展開して全体ピクセルクロック速度を低下させることができる。ピクセルクロック速度を低下させることにより、アナログ波形が分光計１０２（検出器アレイ１０２）からの電気ノイズを平均して下げるのに役立つＡ／Ｄ変換器１２２に到達する前に、アナログ波形をより効果的にフィルタリングすることができる。

注：これらの主たる利益を同じ解決策で合わせることができる。例えばより高い飽和限界を有するとともに、必要に応じてクロック速度を低下させることが可能である。実行できる程度に対する限界は、分光計１０２（検出器アレイ１０２）内に位置するオーバークロック領域６１６ａ、６１６ｂ、６１６ｃおよび６１６ｄの数により規定される。例えば各オーバークロック領域当たり５０ピクセルで２０００ピクセルの１Ｄアレイを有する分光計１０２は、４０オーバークロック領域を有することになる。これを用いて分光計１０２（検出器１０２）の飽和限界を１０倍増大させるとともに、クロック速度を４倍低減することができる。もちろん特定の用途は２つの潜在的利益をどのようにトレードオフするかを規定し得る。

上述したようにオーバークロック手法は分光計１０２の光パワー飽和限界を効果的に増大させ、これは単位時間当たりに達成されるＳＮＲも増加させて、ＲＷＧバイオセンサ１０４の光応答の位置の微小な変化の検出を可能にする。次にＲＷＧバイオセンサ１０４が光学的質問システム１００（例えばラベル独立光学的質問システム１００）により質問された時に、なぜオーバークロック手法がＳＮＲを増加させるかについての説明をする。

一般に共振ピーク（光応答）の位置を解像する光学的質問システム１００の能力はＳＮＲの関数である。共振ピークの位置を特定する理論解像限界は以下の式で示される。

上記表現は近似であり、完全に正確であるためには、１に近い係数を掛ける必要があり、ここで係数の正確な値はピーク形状の関数形式（ガウス、ローレンツ等）に依存する。

広帯域スペクトル検出受光システム１１４の場合、ＣＣＤシステム１０２が共振ピークで達成できるＳＮＲ（光源パワーに基づく）は以下により与えられる。

ここでＱＥは検出器の量子効率であり、εはシステム全体の光学効率であり、Ｐ_ｓ（λ）は光源のパワースペクトル密度（Ｗ／ｎｍ）、Δλ_ピークは共振ピークのスペクトル幅であり、Ｔ_質問は光学的質問システム１００により利用される質問時間である。またｈはプランクの定数として規定され、ｃは光の速度であり、λは共振の波長であり、（ｈｃ／λ）がジュール単位の光子のエネルギーである。この解析においてショットノイズ制限性能を前提とするため、ＳＮＲは共振ピーク内に観察される光電子の数の平方根である。その結果式４および５を組み合わせて以下を得ることができる。

この表現は単位がｆｍ／（Ｈｚ）^１／２である、光学的質問システム１００に対する性能指数（Ｆ．Ｏ．Ｍ）である。この値が低いほど検出システム１１４は、所与の時間内に共振ピークをより良好に解像することができる。図示のように、より狭い共振と、より高い量子効率（または光学効率）と、より大きい光源パワースペクトル密度とを有することは有利である。しかし光源１０６が分光計１０２（検出アレイ器１０２）を飽和させるのに十分なパワーを有する限り、光学的質問システム１００は光源１０８から得られる光子により制限されないが、その代わり分光計１０２（検出器アレイ１０２）のパワー処理能力により制限される。その結果、光学的質問システム１００に対するＦ．Ｏ．Ｍ．は、ＣＣＤアレイ１０２の速度パラメータの観点で表現されなければならない。

このＦ．Ｏ．Ｍ．を判定するために、所与のＣＣＤピクセルが処理することができる１秒当たりの光電子の最大速度Ｒが、ピクセル（電子内）のウェルの深さ（または飽和レベル）Ｎ_飽和×ＣＣＤアレイ全体の映像読み出し速度（またはフレーム速度）Ｒ_映像により与えられるという事実を利用する。この関係は以下のように表現される。

そしてピークがＣＣＤアレイ１０２を飽和し始めると、この速度Ｒを以下のように表わし得る。

ここでΔλ_ピクセルはＣＣＤピクセル（ｐｍで）のスペクトル幅である。次に式７および８を組み合わせて以下を得ることができる。

ここでこのＳＮＲ表現を理論解像限界式（式４）内に代入して以下を得る。

この式は分光計１０２（検出器アレイ１０２）に関連するパラメータを有するＦ．Ｏ．Ｍ（ｆｍ／（Ｈｚ）^１／２）である。また狭い共振は性能にとって有益である。しかしここでウェルの深さと映像読み出し速度との積により表わされるように、ＣＣＤアレイ１０２が処理することができる光子が多いほど、Ｆ．Ｏ．Ｍが良好であるということが分かる。また狭いピクセルも一定のウェル深さに対して、より多くのピクセルを有する分光計１０２（検出器アレイ１０２）が所与の共振ピーク内でより多くの光子を処理できるようにする。

多くのＣＣＤによる分光計１０２に伴う課題は、それらを低光レベルを処理するとともに、通常は飽和前に程々の光パワー処理能力を有するように設計することである。分光計１０２のパワー処理能力を上げるために、オーバークロック手法を用いて映像読み出し速度Ｒ_映像を効果的に増加させる。基本的にはオーバークロック手法および光シャッタ６１４はＣＣＤアレイ１０２を、各々がより大きいＣＣＤアレイ（ピクセル６０４を参照）よりかなり速い映像読み出し速度Ｒ_映像を有する、より短いＣＣＤアレイ（オーバークロック領域６１６ａ、６１６ｂ…６１６ｄを参照）の連結に変える。個々のピクセルからのシャッフリングデータのクロック速度がＲ_クロックである場合には、

図示のようにＣＣＤアレイの有用部分を短くする（より少ないピクセルを利用するように）ことにより、個々のピクセルのクロック速度が一定に保持されていても、映像読み出し速度を効果的に増加させることができる。このため分光計１０２のパワー処理能力が改善され、それにより所与の質問時間内の全体のピーク解像度（Ｆ．Ｏ．Ｍ．）が改善される。これによりＲＷＧバイオセンサ１０４の上の小さい生物学的事象を検出することができる。

以上から共振ピークの位置を判定する能力は測定のＳＮＲに依存し、ここでＳＮＲが高いほど光信号の波長位置をより良好に解像可能であるということが理解されよう。通常分光計１０２（検出器アレイ１０２）に対して光パワーの余剰があるため、オーバークロック手法は、分光計１０２の光パワー飽和限界を少なくとも１０倍増大することによりこのタイプの測定を効果的に強化し、そのためＳＮＲは３．３倍増大される。当然図１に示す光学的質問システム１００は、強化分光計１０２を内蔵することにより改善されたシステムの１つのタイプに過ぎない。強化分光計１０２を内蔵することにより改善可能ないくつかの他のタイプの光学的質問システムが、以下の同一出願人による特許出願に開示されている。

・「空間的走査光学リーダシステムおよびその使用方法（Ｓｐａｔｉａｌｌｙ Ｓｃａｎｎｅｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅａｄｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ）」と題された、米国特許出願第１１／０２７，５４７号明細書
・「バイオセンシング用途用の単一ファイバ出射／受光システム（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｆｉｂｅｒ Ｌａｕｎｃｈ／Ｒｅｃｅｉｖｅ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｂｉｏｓｅｎｓｉｎｇ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ）」と題された、米国特許出願第１０／９７７，５２０号明細書
・「低寄生反射を有する光学的質問システムおよび寄生反射のフィルタリング方法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｗｉｔｈ Ｒｅｄｕｃｅｄ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ ａｎｄ ａ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ Ｐａｒａｓｉｔｉｃ Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ）」と題された、米国特許出願第１０／８５６，５７２号明細書
・「単一モード（ＳＭ）ファイバ光学リーダシステムおよび共振導波路−格子センサに質問する方法（Ｓｉｎｇｌｅ Ｍｏｄｅ（ＳＭ） Ｆｉｂｅｒ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｒｅａｄｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｎｔ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ−Ｇｒａｔｉｎｇ Ｓｅｎｓｏｒ（ｓ））」と題された、米国特許出願第１１／０５８，１５５号明細書
・「ラベルフリー高スループット生体分子スクリーニングシステムおよび方法（Ｌａｂｅｌ−Ｆｒｅｅ Ｈｉｇｈ Ｔｈｒｏｕｇｈｐｕｔ Ｂｉｏｍｏｌｅｃｕｌａｒ Ｓｃｒｅｅｎｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」と題された、米国特許出願第６０／７０１，４４５号明細書
・「光学的質問システムおよびその使用方法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｕｓｉｎｇ Ｓａｍｅ）」と題された、米国特許出願第１０／６０２，３０４号明細書
・「配列センサ測定システムおよび方法（Ａｒｒａｙｅｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ）」と題された、米国特許出願第１１／０１９，４３９号明細書
・「導波路格子アレイおよび光学測定装置（Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｇｒｉｄ Ａｒｒａｙ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）」と題された、米国特許第６，７８５，４３３号明細書
・「２−Ｄセンサアレイの光学的質問システムおよび方法（Ｏｐｔｉｃａｌ Ｉｎｔｅｒｒｏｇａｔｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ａｎｄ Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ ２−Ｄ Ｓｅｎｓｏｒ Ａｒｒａｙｓ）」と題された、米国特許出願第１１／１００，１９９号明細書
これらの文献の内容を本明細書に引用して援用する。

図７を参照すると、本発明の他の実施形態による、１つの光検出器（例えば光ダイオード）７０１と１つの強化分光計１０２とを利用可能な光学的質問システム７００が示されている。図示のように調節可能レーザ７０２（光源７０２）はＲＷＧセンサ１０４（またはＬＩＤセンサ１０４）に、取り出された光がパワー検知光検出器７０１（または他の単一要素光ダイオード／ＣＣＤデバイス７０１）により検出されるように質問する。光検出器７０１は、時間の関数である反射パワー７０６を表わす光スペクトル７０６を出力する。この実施形態においてスペクトル７０６を正確に再構築できるように、掃引中の任意の所与の時点における調節可能レーザ７０２の正確な波長の判定が重要である。これを達成するために、調節可能レーザ７０２は特定の波長範囲にわたり掃引される。そして調節可能レーザ７０２からのパワーの一部は、１×２スプリッタ７０８により分割されて波長参照分光計１０２内に向けられる。１×２スプリッタ７０８からのパワーの残りは、ＲＷＧセンサ１０４を通してパワー検波器７０１上に送られる。参照波長７１０（分光計１０２から得られる）および光パワースペクトル７０６（パワー検出器７０１から得られる）が同時に獲得されて、波形７０２を形成する。その結果得られる波形７１２は、光パワー７０６をＹ軸としておよび参照波長７１０をＸ軸として示す。参照分光計１０２なしにこの測定を行うことが可能であるが、その存在および利用が調節可能レーザ７０２の安定性要件を緩和する。例えば調節可能レーザ７０２はステップが実行されると、安定せずに到達するように命令された正確な波長まで動作しない場合がある。これは得られる波形７１２内のＸ軸を変形させることになる。このため実際の波長を参照分光計１０２により各ステップで測定することにより、調節可能レーザ７０２のいかなる波長不安定性も補償することが可能である。

以下は本発明のいくつかのさらなる利点、特徴および用途である。

・オーバークロック技術は、光信号１１８により充填されたピクセルの割合が小さい場合、一次または二次元分光計１０２の読み出し速度を増加させる。

・オーバークロック技術は分光計１０２の読み出し速度を一桁増加させる。

・オーバークロック技術は分光計１０２の光パワー飽和レベルを少なくとも一桁上昇させる。

・オーバークロック技術は検出された信号１１８のＳＮＲを少なくとも３．３倍上昇させる。

・オーバークロック技術は、大型分光計の空間／スペクトルダイナミックレンジを維持しつつ高い読み出し速度を達成する。

・これらのデバイスを用いて空間的に／スペクトル的に狭い光信号を受信することができるため、オーバークロック技術をスペクトルグラフで用いられる検出器に適用することもできる。

本発明の２つの実施形態を添付の図面に図示するとともに上記の詳細な説明で説明したが、本発明が開示の実施形態に限定されず、以下の特許請求の範囲に記載されるとともに規定される本発明の要旨から逸脱することなく多数の再配列、変更例および代替例が可能であることは理解されよう。

本発明によるＲＷＧバイオセンサに質問するために用いられる光学的質問システム（強化分光計を内蔵する）のブロック図である。 図１に示すＲＷＧバイオセンサの共振角度と共振波長との関係を図示するグラフである。 角度質問手法をどのように光学的質問システムによって用いて、図１に示すＲＷＧバイオセンサの共振角度を判定することができるかの説明を助けるために用いられるグラフである。 スペクトル質問手法をどのように光学的質問システムによって用いて、図１に示すＲＷＧバイオセンサの共振波長を判定することができるかの説明を助けるために用いられるグラフである。 図１に示すＲＷＧバイオセンサに質問するためのスペクトル質問手法を用いた光学的質問システムにより観察された例示的スペクトル信号を図示するグラフである。 本発明により強化された図１に示す分光計の基本的構成要素を図示するブロック図である。 図１に示したものとは異なる構成を有するが、なお本発明によるＲＷＧバイオセンサに質問するために用いることができる光学的質問システムのブロック図である。

Claims (10)

1. 光学的質問システムにおける検出器の読み出し速度を増加させる方法であって、当該光学的光質問システムが、出射システムと受光システムとを含み、前記出射システムが光ビームをバイオセンサに向けるとともに、前記受光システムが、前記バイオセンサから取り出された光ビームを受光する検出器を含む、光学的質問システムであって、前記方法が、
   ピクセルの部分集合のみが前記バイオセンサから取り出された前記光ビームを受光できるように、前記検出器内に位置する複数のピクセルを遮断するステップ、
   以前に受光した光ビームに関連する以前に転送した一組の電荷／電圧を表わす電圧信号を前記検出器から出力する前に、前記検出器内に位置するシフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスに、前記受光した光ビームに関連する一組の電荷／電圧を前記ピクセルの部分集合から転送するステップ、
   前記電圧信号を、前記以前に転送した一組の電荷／電圧を表わすデジタル信号に変換するステップ、
   前記デジタル信号を処理して、前記以前に転送した一組の電荷／電圧に対応する光応答について前記バイオセンサの上に生体物質／生化学的相互作用があったか否かを判定するステップ、
   一組の以前転送された電荷が前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスから出力される前に、前記ピクセルの部分集合から、前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスに、複数の組の転送された電荷を転送することにより、オーバークロック手法を実施して、前記検出器の光パワー飽和限界を広げるステップ、
   を有してなる方法であって、
   前記広げられた光パワー飽和限界により、信号−ノイズ比ＳＮＲが高められ、前記バイオセンサの前記光応答の位置シフトを検出する精度が高められることを特徴とする方法。
2. 前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げることに関連する利益と前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減することに関連する利益とをトレードオフするように、前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げるステップ、及び、前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減するステップを更に含むことを特徴とする請求項１記載の方法。
3. バイオセンサの光質問システムであって、当該光質問システムが、
   光ビームを前記バイオセンサに向ける光源を含む出射システムと、
   光シャッタ、検出器、及びプロセッサを有する受光システムと、を有してなり、
   前記検出器が、
   (i)前記バイオセンサから取り出された光ビームを受光するピクセルの部分集合と、
   (ii)以前に受光した光ビームに関連する以前に転送した一組の電荷／電圧を表わす電圧信号が前記検出器から出力される前に、前記受光した光ビームに関連する一組の電荷／電圧を前記ピクセルの部分集合からシフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスに転送させるコントローラと、
   (iii)前記電圧信号を前記以前に転送した一組の電荷／電圧を表わすデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器と、
   を備え、
   前記光シャッタは、前記ピクセルの部分集合のみが前記バイオセンサから取り出された前記光ビームを受光できるように、前記検出器内に位置する複数のピクセルを遮断し、
   前記プロセッサが、前記デジタル信号を処理して、前記以前に転送した一組の電荷／電圧に対応する光応答について前記バイオセンサの上に生体物質／生化学的相互作用があったか否かを判定し、かつ、
   前記光シャッタ及び前記コントローラが、一組の以前転送された電荷が前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスから出力される前に、前記ピクセルの部分集合から、前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスに、複数の組の転送された電荷を転送することによりオーバークロック手法を実施し、前記検出器の光パワー飽和限界を広げ、前記広げられた光パワー飽和限界により、信号−ノイズ比ＳＮＲが高められ、前記バイオセンサの前記光応答の位置シフトを検出する精度が高められることを特徴とする光学的質問システム。
4. 前記検出器が、
   １−Ｄ分光器、
   １−Ｄ ＣＣＤ検出器、または
   １−Ｄ ＣＭＯＳ検出器
   であることを特徴とする請求項３に記載の光学的質問システム。
5. 前記受光システムが、前記バイオセンサに向けられた前記光ビームの一部を受光する参照検出器をさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の光学的質問システム。
6. 前記光シャッタ及び前記コントローラが、前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げることに関連する利益と前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減することに関連する利益とをトレードオフするように、前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げ、かつ、前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減することを特徴とする請求項３記載の光学的質問システム。
7. 前記検出器が、更に、
   前記ピクセルの部分集合から転送された前記受信された光ビームに関連する前記一組の電荷を受信する前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスであって、当該シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスが、前記以前に受光した光ビームに関連する前記以前に転送された一組の電荷を出力するもの、及び
   前記以前に転送された一組の電荷を、前記以前に転送された一組の電荷が前記シフトレジスタから出力された後に受信して、前記以前に転送された一組の電荷を前記電圧信号に変換する電圧変換器を有してなることを特徴とする請求項３記載の光学的質問システム。
8. 光シャッタ、
   検出器であって、
   バイオセンサから取り出された光ビームを受光するピクセルの部分集合と、
   シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスと、
   前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスが、以前に受光した光ビームに関連する以前に転送した一組の電荷を、出力する前に、前記受光した光ビームに関連する一組の電荷を、前記ピクセルの部分集合から、前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイス内に転送させるコントローラと、
   前記以前に転送した一組の電荷を前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスから出力された後に受信するとともに、前記以前に転送した一組の電荷を電圧信号に変換する電圧変換器と、を有してなる検出器、
   前記電圧信号を、前記以前に転送した一組の電荷を表わすデジタル信号に変換するアナログ／デジタル変換器、および
   前記デジタル信号を処理して、前記以前に転送した一組の電荷／電圧に対応する光応答について前記バイオセンサの上に生体物質／生化学的相互作用があったか否かを判定するプロセッサを有してなる受光システムであって、
   前記光シャッタは、前記ピクセルの部分集合のみが前記バイオセンサから取り出された前記光ビームを受光できるように、前記検出器内に位置する複数のピクセルを遮断し、
   前記光シャッタ及び前記コントローラが、一組の以前転送された電荷が前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスから出力される前に、前記ピクセルの部分集合から、前記シフトレジスタまたは電荷蓄積デバイスに、複数の組の転送された電荷を転送することによりオーバークロック手法を実施し、前記検出器の光パワー飽和限界を広げ、前記広げられた光パワー飽和限界により、信号−ノイズ比ＳＮＲが高められ、前記バイオセンサの前記光応答の位置シフトを検出する精度が高められること、
   を特徴とする受光システム。
9. 前記バイオセンサに向けられた前記光ビームの一部を受光する参照検出器をさらに備えることを特徴とする請求項８に記載の受光システム。
10. 前記光シャッタ及び前記コントローラが、前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げることに関連する利益と前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減することに関連する利益とをトレードオフするように、前記検出器の前記光パワー飽和限界を広げ、かつ、前記検出器における全体のピクセルクロック速度を低減することを特徴とする請求項８記載の受光システム。

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