JP2003509701A - プログラム可能な照射パターン生産のためのシステム及び方法 - Google Patents

プログラム可能な照射パターン生産のためのシステム及び方法

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Abstract

(57)【要約】 事前に決定された明領域と暗領域の整列を有する、基板に重ね合わせる照射パターンをプログラム可能に生成する装置であって、照射供給源；画素のアレイからなる再配置可能なマスクであって、前記画素は、コンピューターで制御される回路とコンピューターインターフェイスによって積極的に制御可能で直接にアドレスで呼び出し可能であり、前記コンピューターで制御可能な回路は、明領域と暗領域の事前に決定された整列を含む照射パターンを形成するように、各画素から発散される照射の強度の時間的な制御を提供するソフトウェアープログラムを使用して操作されるマスク；基板上への再配置可能なマスクをイメージするのに適した投影手段；並びに重ね合わされた照射パターンで前記基板を視覚化可能なカメラを取り込んだイメージシステム；を含む装置が提供される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は一般的に、材料科学及び分析化学の分野に関する。
【０００２】 本発明は特に、医薬及び農薬輸送における応用、及びin vitro遺伝子診断にお
ける応用を有する、伝導性及び／または光伝導性基板の表面にフォーマットを小
型化した、平面における生化学的分析の実施のための完全な機能的集積システム
の実現に関する。さらに、本発明の方法及び装置は、所望のグラフィックレリー
フ及び化学的機能性を示す材料表面を作製し、レンズアレイのような表面成形光
学エレメントを作製するために使用されても良い。
【０００３】
【従来の技術】
I-イオン、電場、及び流体フロー：平面状ビーズアレイの場誘導性形成 電気的キネシスは、電解液において荷電した目的物を取り囲む移動性イオン上
の、電場の作用によって誘導される現象の分類を指す。所望の表面荷電の目的物
がイオンを含む溶液に浸液されると、拡散したイオン雲が、目的物の表面の荷電
を覆うように形成する。この浸液された目的物と関連する（移動可能な）荷電の
層と溶液中の（移動性）対イオンの覆っている雲の整列は、「二重層」と称され
る。小さいが限定された厚さのこの領域において、液は電気的に中性ではない。
従って、この領域に作用する電場が、拡散層においてイオンの運動を生じ、これ
らは次に周囲の液を運んで行くであろう。生成したフローの場は、流体中にイオ
ンフローの場所的な配置を反映する。電気的浸透は、電気的キネシス現象の最も
単純な例を表す。酸化ケイ素電極の場合におけるように、固定化表面荷電を示す
サンプル容器または電極の表面に平行に電場が適用された場合、電気的浸透は生
ずる（中性pHの範囲で）。電極二重層における対イオンは電場によって加速され
るため、それらは溶媒分子に沿って引きずられ、大きな流体フローを形成する。
この効果は狭い毛管において非常に実質的となり、流体ポンピングシステムにお
いて有利に使用されるであろう。
【０００４】 電気泳動は、電解質に浸液された荷電粒子の場誘導性の輸送に関する関連現象
である。電気的浸透と同様に、電場は粒子の二重層における移動性イオンを加速
する。もし前述の場合とは反対に、粒子自体が移動性であるならば、反対方向へ
の移動によって、イオン（及び生成したイオンフロー）の場誘導的な移動が埋め
合わされるであろう。電気泳動は、産業上のコーティング方法において重要な役
割を果たし、電気的浸透と共に現代生物学的分析的分離方法へのキャピラリー電
気泳動の開発と関連して特に興味が有されている。
【０００５】 二つの平面電極の「サンドイッチ」の形態における浅い実験チェンバーのもの
のような閉ざされた構造において、境界を形成する電極表面の表面荷電配置及び
トポロジーは、電気的浸透のフローの自然で場所的な構造を決定する点で特に重
要な役割を果たす。前記「サンドイッチ」電気化学的セルは、浅いギャップによ
って分離された電極のペアによって形成されても良い。典型的に、底の電極は酸
化物でキャップされたケイ素ウェハーによって形成され、他の電極は光学的に透
明な伝導性インジウムスズ酸化物(ITO)によって形成される。ケイ素(Si)ウェハ
ーは、適切なレベルの電気的な伝導性を得るためにドープ処理され、薄層の酸化
ケイ素(SiOx)によって電解液から絶縁されたケイ素の単結晶の薄片を表す。
【０００６】 電極表面に隣接した平面凝集物内へのビーズの可逆的な凝集は、電極表面に普
通に適用される（DCまたはAC）電場によって誘導されても良い。前記現象は、伝
導性ITO電極のペアによって形成されたセルにおいて以前に観察されており(Rich
etti, Prost及びBarois, J. Physique Lettr. 45, L-1137からL-1143 (1984))、
この文献の内容は参考としてここに取り込まれるが、ビーズ間に存在する誘引的
相互作用は、電気運動的なフローによって介在されることが最近示されている(Y
eh, Seul及びShraiman, "Assembly of Ordered Colloidal Aggregates by Elect
ric Field Induced Fluid Flow", Nature 386, 57-59 (1997), この内容は参考
としてここに取り込まれる)。このフローは、電極の近傍の電流の場所的な配置
における横方向の不均一性の作用を反映する。最も単純な場合、前記の不均一性
は、各ビーズが電極におけるイオンの運動を妨げる結果として、電極近傍のコロ
イド状ビーズの存在そのものによって導かれる。かくして、個々のビーズが電極
表面の近傍に配置される場合、ビーズに集中した流体のドーナッツ状のフローを
生産することが観察されている。電極の特性における場所的な不均一性はまた、
低インピーダンスの領域に向けた横方向の流体フローを生産するためのいくつか
の方法によって、故意に導くこともできる。これらの方法は、以下の後のセクシ
ョンで記載される。
【０００７】 電気的運動のフローに埋没した粒子は、その特異的な化学的または生物学的性
質にもかかわらず運搬され、同時にフローの場を改変する。その結果、平面凝集
物とアレイの電場誘導性のアセンブリーは、以下のものを含む多様なコロイド状
粒子に適用する：ビーズ状ポリマー樹脂（「ビーズ」）、脂質ビヒクル、染色体
全体、細胞、及びタンパク質とDNAを含む生体分子、並びに金属または半導体コ
ロイド及びクラスター。
【０００８】 記載される応用について重要なことは、ビーズ間のフロー介在性の誘引相互作
用が、特徴的なビーズの大きなを遙かに超えた距離で作用するという事実である
。平面凝集物は、外的に適用される電場に応答して形成され、電場が取り除かれ
ると消失する。適用される電場の強さは、アレイアセンブリー法に存在する誘引
相互作用の強さを決定し、それによってアレイ内のビーズによって採用される特
異的な整列を選択する。かくして、適用されるボルト数の関数として、ビーズは
最初に、粒子が移動性でありルーズにパックされている平面凝集物を形成し、つ
いでよりタイトなパッキングをとり、最後に結晶性の形態で場所的な整列を示し
、またはアレイを泡の集合体に似たように整列させる。適用されたボルト数が取
り除かれた場合の平面凝集物の完全な消失を含む、増大する内部順序の状態の間
の遷移の順番列は可逆的である。別の整列において、低初期濃度で、ビーズは小
さなクラスターを形成し、次に命令された「規則格子構造」内で位置をとる。
【０００９】 II-酸化ケイ素電極表面でのパターンづけ 所定のデザインに従った電極のパターンづけは、ここで興味あるEIS（電極−
絶縁体−半導体）構造の電気的インピーダンスの半永久的改変を容易にする。EI
Sインピーダンスを場所的に調節することによって、電極パターンづけは、電極
の近傍のイオンのフローを決定する。適用される電場の周波数に依存して、ビー
ズは高イオンフローの領域を見つけだすかまたは避けるかする。それ故場所的な
パターンづけは、ビーズアレイの配置及び形態に対する明確な外的コントロール
を伝える。
【００１０】 パターンづけが多くの方法で達成されても良い一方で、二つの方法が特定の利
点を与える。第一に、正確に製造されたケイ素表面上での酸化スズ層のUV介在性
再成長が、写真平版的なレジストパターンづけ及びエッチングを避ける従来の方
法体系である。酸素の存在下でUV照射は、さらされたケイ素の酸化物への変換を
介在する。特に酸化物層の厚さは露光時間に依存し、かくしてUV照射経路内にパ
ターン化マスクを配置することによって場所的に調節されても良い。典型的に約
１０オングストロームの変化を有するこの厚さの調節は、Si/SiOx界面のインピ
ーダンスにおける場所的調節に転換され、一方で電極液にさらされた平坦で化学
的に均質な上部表面を維持させる。第二に、電極表面荷電の配置の場所的な調節
が、SiOx表面に単一層として最初に沈着された適切な化学種のUV介在性の光化学
的酸化によって生産されても良い。この方法は、電極二重層の局所的な特徴、か
くして電気運動的フローに対する優れたコントロールを可能にする。
【００１１】 この光化学的調節の変形例は、EISインピーダンス、それ故適用された電場に
応答して生産された電流における良く方向の勾配の作製である。例えばこれは、
酸化物の厚さまたは表面電荷密度のゆっくりとした横方向の変化を導入するよう
に、UV露光をコントロールすることによって容易に達成される。以下に議論され
るように、横方向の勾配に対するコントロールは、横方向のビーズの輸送を誘導
するように機能し、Si/SiOx界面に埋め込まれたインピーダンス特性の形態の溝
に沿った所定の目的地へのビーズの捕獲及びチャネリングのような基本的な操作
の実施を容易にする。機能化した化学的被覆層の光化学的パターンづけはまた、
ITOを含む他のタイプの電極表面に適用される。
【００１２】 III-界面インピーダンスの光制御的調節 外的な照射のパターンに従ったEISインピーダンスの場所的及び時間的調節は
、ビーズ凝集を介在する電気運動的力を制御するために基礎を提供する。平面コ
ロイド状アレイの光調節的な電気運動的アセンブリーは、対応する照射パターン
に応答したビーズアレイの形成、配置及び再生列に対する遠隔的な相互作用的コ
ントロールを容易にし、それによってコロイド状ビーズ及び生体分子の広範囲の
相互作用的操作を与える。
【００１３】 この方法体系の原理を理解するために、半導体の付属する光化学的特性、とり
わけ電解液(E)、絶縁性SiOx層(I)及び半導体(S)によって形成されるEIS構造のも
のを簡単にレビューすることが有益であろう。この構造の光電的特徴は、S.M. S
ze, "The Physics of Semiconductors", 第２版、第７章(Wiley Interscience 1
981)に記載された標準的な金属−絶縁体−半導体装置(MIS)または金属−酸化物
−半導体(MOS)装置のものに緊密に関連し、この文献の内容は参考としてここに
取り込まれる。
【００１４】 半導体と絶縁酸化物層の間の界面は、特別な注意を払うに値する。光に対する
MOS構造の電気的応答の理解に対して重要なことは、バイアス電位の存在下にお
いてSi/SiOx界面で形成される小さいが有限の厚さの場所的な荷電領域の概念で
ある。EIS構造の場合、接合電位の形態の有効なバイアスが、ほとんど非常に特
別な条件下で存在する。空間荷電領域は、界面の近傍で半導体の原子価と伝導バ
ンド（「バンドベンディング」）のひずみに応答して形成される。このひずみは
次に、界面を横切ってバイアス電位が存在する一方で、絶縁性酸化物の存在下で
理想的には荷電の輸送が存在しないという事実を反映する。つまり電気化学的言
語において、EIS構造はファラデー効果を消去する。代わりに、反対のサインの
荷電が絶縁性酸化物の各側で蓄積し、有限の分極を生産する。
【００１５】 逆バイアスの存在下で、n-ドープ化半導体の原子価及び伝導バンドの端は、Si
/SiO界面の近傍に上向きに歪み、対応する電位勾配に応答して界面領域の外に電
子が流動する。その結果、多数のキャリアー空乏層が、Si/SiOx界面の近傍に形
成される。半導体における光吸収は、この領域内で電子空孔対を形成するメカニ
ズムを提供する。それらが瞬間的に再結合しないことを条件に、電子空孔対は局
所的に作用する電場によって裂かれ、対応する正電流が流れる。電解液中のビー
ズの電気運動的アセンブリーに対してコントロールを与えるものは、この後者の
効果である。
【００１６】 EISインピーダンスの光誘導性の調節に依存する付随的な周波数をより詳細に
理解するために、EIS構造を表す等価回路の二つの特徴点が注目すべきである。
第一に、電極−酸化物界面での電気的二重層の詳細な電気的特徴と、半導体と絶
縁体の間の界面での空乏層の間には、緊密な類似が存在する。二重層と同様に、
空乏層は、ボルト依存的な静電容量を有する絶縁体のものと同様な電気的特徴を
示す。議論されたように、照射は空乏層のインピーダンスを低下するように機能
する。第二に、その容量性の電気的応答を考慮して、酸化物層は、特徴的な（「
閾値」）の周波数より高い場合でのみ電流を通過するであろう。従って、適用さ
れるボルト数の周波数が閾値を超えていることを条件として、照射がEIS構造全
体の有効なインピーダンスを低下できる。
【００１７】 このEISインピーダンスの有効な減少はまた、電子空孔対の生産の速度を決定
する光強度に依存する。有意な再結合の不存在下で、光生産性の電子の大多数が
空乏領域の外に流れ、光電流に寄与する。残余の空乏電荷は、Si/SiOx界面の近
傍に蓄積し、空乏領域において作用する電場を覆う。その結果、再結合の速度が
増大し、電子空孔分離の効率、かくして光電流が減少する。それ故、所定の値の
周波数と適用ボルトの大きさについて、照射強度が増大すると、電流は最初に最
大レベルに増大し、次いで減少することが予測される。同様に、インピーダンス
は最初に最小レベルに減少し（最大の電流で）、次いで減少する。
【００１８】 この強度依存性は、界面の十分に露光され部分的にマスクされた領域の間で、
ビーズの横方向の置換を誘導する利益を得るために使用されても良い。照射強度
が増大すると、十分に露光された領域は、最も低いインピーダンス、それ故最も
高い電流の界面の領域に対応し、ビーズはこれらの領域内に引っ張られるであろ
う。十分に露光された領域が、減少する光電流の状態に到達すると、その領域の
有効なEISインピーダンスが、電流における横方向の勾配の逆転の生成と共に、
部分的にマスクされた領域のものを越えるであろう。次いでビーズは、十分に露
光された領域の外に引っ張られるであろう。さらに、照射パターンの時間ごとの
変化が、ビーズの運動に作用するために使用されても良い。
【００１９】 IV-小型化平面フォーマットにおける生化学的分析の集積 特に生体分子のスクリーニング及び医学的診断の関係における平面アレイフォ
ーマットの集積は、複雑で多工程の分析プロトコールにおいてハイスループット
を実現するために、高度の平行性と自動化の利点を有する。小型化は、小さい場
所的スケールに反映する付随する混合時間の減少、並びに必要なサンプルと試薬
の容量の減少、及び電力要求事項の減少を導くであろう。平面基板（「チップ」
）の表面への小型化システムへの生化学的分析手段の集積は、分析及び診断法の
実効性の実質的な改良、及びその費用の減少を生ずるであろう。
【００２０】 DNA操作と分析に関しては、ガラス基板上で、DNAの制限酵素処理と後のキャピ
ラリー電気泳動による酵素切断物の分離（例えばRamsey, PCT出版物WO 96/04547
号参照、この内容は参考としてここに取り込まれる）、またはポリメラーゼ連鎖
反応(PCR)の適用によるDNA配列の増幅と後の電気泳動分離（例えばWilding渡欧
に対する米国特許第5,498,392号及び第5,587,128号参照、この内容は参考してこ
こに取り込まれる）を組み合わせることによって、この方向（即ち小型化）で最
小の工程が採用されている。
【００２１】
【発明が解決しようとする課題】
これらの標準的な研究室的方法が小型化フォーマットにおいて示されている一
方で、それらは完全なシステムを形成するためには使用されていない。完全なシ
ステムは、プレプロセッシング、結合及び機能的アッセイ、並びに小さなシグナ
ルの検出に引き続く情報のプロセッシングのようなさらなる操作を必要とするで
あろう。ここで個々の構成成分に対するシステム構築及びデザインの制約は、そ
れら自体を明らかにするであろうために、真の挑戦は、完全な機能的集積化のも
のである。例えば、流体工程が、場所的分離を必要とする分析工程、及び後の分
析物のセットの新たな位置への輸送を連鎖するために必要である。局所的表面膨
張における温度誘導性勾配による小滴の電気浸透的ポンピングと輸送を含むいく
つかの可能性が考慮されている。試験実験において実施可能である一方で、これ
らの方法は、効率的な電気浸透的混合に必要な非常に有意なDCボルト数を扱うた
めに、並びにタンパク質及び他のサンプルに対する負の影響を避けるため、熱的
に生成された表面膨張勾配を生成する際の基板の加熱を制限するために、全体の
システムのレイアウトに対するさらなる厳しい条件を課す。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光感作性電極と電解液の間の界面で、コロイド状粒子（「ビーズ」
）と分子のリアルタイムの相互作用的場所的操作を容易にする方法と装置を提供
するために、３つの別個の機能的エレメントを組み合わせる。前記３つの機能的
エレメントは以下のものである：絶縁性または伝導性電極と電解液の間の界面で
の、平面粒子アレイの電場誘導的アセンブリー；UV介在性酸化物再生または表面
化学的パターンづけによる、界面インピーダンスの場所的調節；並びに最後に、
光による界面インピーダンスの状態についてのリアルタイムの相互作用的制御。
本発明の実施可能性は、イオン電流の場所的配置、かくしてアレイアセンブリー
を介在する流体フローが、外的介入によって調節されるという事実に基づく。適
用EIS構造の特性における場所的不均一の導入は、特に興味を有する。ここで記
載されるように、本質的に永久または一時的のいずれかのそのような不均等性は
、EIS構造の物理的及び化学的特性のの利用によって形成されるであろう。
【００２３】 本発明は、ケイ素ウエハーまたは同様な基板の表面上の平面の小型化フォーマ
ットにおける生化学的分析の実施のための、完全な機能的に集積したシステムの
実現に関する。さらに本発明の方法及び装置は、所望のグラフィックレリーフと
化学的官能性を示す材料表面を作製し、レンズアレイのような表面マウント光学
エレメントを作製するために使用されても良い。
【００２４】 ３つの機能的エレメントの組み合わせは、本発明に、生化学的分析法の実施を
可能にする平面幾何形状においてビーズとビーズアレイを操作する一連の操作可
能性を与える。これらの基本的操作は、以下のものを含むコロイド状粒子の凝集
物とアレイに適用される：ラテックスとも称されるビーズ状ポリマー樹脂、ベシ
クル、染色体全体、細胞、及びタンパク質とDNAを含む生体分子、並びに金属ま
たは半導体コロイドとクラスター。
【００２５】 コロイド状粒子のセットは捕獲されても良く、アレイは電極表面でデザインさ
れた領域に形成されても良い（図１ａ、１ｂ及び図２ａ−ｄ）。粒子、及びそれ
らが適用される場に応答して形成するアレイは、UV酸化物パターンづけによるSi
/SiOx界面において埋め込まれたものか、照射の外的パターンによって描写され
たもののいずれかの形態の溝に沿って向けられても良い。適用される電場のもの
に対して自然な方向でのこのチャンネリング（図１ｃ、１ｄ、１ｅ、図３ｃ、３
ｄ）は、EIS構造のインピーダンス、それ故場誘導性の電流における横方向の勾
配に依存する。ここで議論されるように、そのような勾配は、照射の適切なパタ
ーンによって導入されても良く、これは転流の開かれた形式を実施する手段を提
供する（図１ｅ）。アレイアセンブリー法を介在する電気運動的フローはまた、
電極の表面近傍に、DNAのような長い粒子の整列のために活用されても良い。さ
らに本発明は、粒子をソートし分離するための方法の実現を可能にする。
【００２６】 コロイド状粒子のアレイは、デザインされた領域に配置され、放出または消失
されるまでそこで制限されても良い。前記アレイの全体の形状は、UV-酸化物パ
ターンづけによって、またはリアルタイムに照射のパターンを成形することによ
って表されても良い。この可能出力は、電極表面で永久にまたは一時的に、機能
的に区別される区画の定義を可能にする。アレイはリアルタイムに負わされる形
状の変化を受けても良く、それは別のアレイと併合されても良く（図１ｆ）、ま
たは二つ以上のサブアレイ若しくはクラスターに分割されても良い（図１ｇ、図
４ａ、４ｂ）さらに前記アレイの順番の局所的状態、並びに横方向の粒子密度は
、外的電場によって可逆的に調節されても良く、または第二の化学的に不活性な
ビーズ成分の添加により変更されても良い。
【００２７】 本発明はまた、さらに複雑な製品及び工程を開発するために、基本的な操作の
組み合わせをも可能にする。ここで挙げられる例は、材料科学、医薬的薬剤輸送
、ゲノムマッピング、及びシークエンシング法における広範囲の問題に対して必
須の分析法の実施を記載する。平面幾何形状におけるこれら及び他の機能性の集
積に対して重要なことは、本発明によって提供される、同時的工程またはプロト
コールにおける連続した工程を特に単離するために、一時的または永久の区画化
を負わせる可能出力、並びに基板表面上の異なってデザインされた領域で実施さ
れる分析法の集積を可能にする態様で、粒子のセットを捜査する能力である。
【００２８】 本発明は、プログラム可能な照射パターンの生成のためのシステム及び方法に
対するものである。本発明は、照射のパターンを生成し、例えばここに記載され
るような電解質−絶縁体−半導体(EIS)によって形成される界面のような、平面
表面または平面界面で前記パターンを投影する新規な方法及び装置を開示する。
本発明の方法及び装置は、グラフィックデザインを使用して、またはパーソナル
コンピューターでソフトウェアを引き出して、パターンまたはパターンの列の作
成が可能であり、液晶ディスプレー(LCD)パネル、及び興味ある表面にLCDパネル
をイメージする光学的デザインを使用してインターフェイスに前記パターンまた
はパターンの列（「時間変更的パターン」）の投影が可能である。本発明におけ
るLCD法の使用は、照射パターンの場所的レイアウト、一時的列、及び強度（「
グレイスケール」）に対する柔軟性と制御を提供する。後者の可能出力は、不意
に変化する光強度を有するパターン、並びに段階的に変化する強度プロフィール
を有するパターンの作製を許容する。
【００２９】 本発明は、閉ざされた流体環境内でのコロイド状粒子のアセンブリーと横方向
の動きを制御するための照射のパターンを提供する。液体を制限している二つの
平面電極表面の間に適用される時間変化的な電場の存在下で、パターンのレイア
ウト、透過光強度、電場の強度と周波数、接合ギャップの分離、及び半導体ソー
プレベルに依存して、粒子が電極の照射領域の内側または外側に移動するように
誘導できる。
【００３０】 プログラム可能な照射パターン発生器を開示する本発明と結びつけて、アレイ
再配置、分割及び（場所的）符号化の進歩した操作が可能であり、それは次に各
種の進歩した操作及び応用を導く。
【００３１】 基板の照射の明領域及び暗領域を規定する固定化マスクの投影によって、パタ
ーンが生成される本発明の応用が記載される。本発明において記載されたプログ
ラム可能なパターン発生器は、コロイド状粒子のセットの組織化した配向的な動
きを可能にする新規な態様で、たくさんのコロイド状粒子の配置についての柔軟
性と制御を提供する。例えば、極端な平面層内にアセンブリーされた粒子は、マ
ウスを使用するコンピュータースクリーンでのグラフィックデザインを「ドラッ
グ」及び「ドロップ」することによって相互作用的に「ドラッグ」及び「ドロッ
プ」できる。別法として、パターンの列またはパターンの変換は、決まった態様
で粒子のアレイを扱うようにプログラム可能であり実行できる。粒子の複数の「
サブアセンブリー」は、照射の下での基板の異なる領域で同時的に且つ独立に操
作できる。 上述の簡単な説明において議論された本発明の他の目的、特徴及び利点は、以
下の説明的なものとしてのみ理解される発明の詳細な説明と、その実施態様の特
徴点を反映する添付の図面と共に考慮された場合、より明確に理解されるであろ
う。
【００３２】
【発明の実施の形態】 本発明の３つの機能性要素は、電極表面に近接した平面集合体内に並べられた
コロイド状粒子と分子の相互作用の場所的操作のための基本操作のセットを提供
するために組み合わされて良い。以下の記述において、この「ツールセット」に
おける基本操作が増加する複雑さのために記載される。特に、与えられる操作に
含まれた、インプット及びアウトプット、又は「末端」のトータルな数に基づい
て分類されるスキームを採用するため、それが用いられる。例えば２つの分離し
たアレイ、又は粒子のセット、「３つの-末端」処理となるであろう一つの中の
、マージングは２つのインプットと一つのアウトプットを含む。一つのインプッ
トと２つのアウトプットを含む正反対の３つの末端処理は２つのサブアレイ内に
与えられたアレイの分割化である。
【００３３】 ここに含まれた各種の写真において移された現象から生じた実験的条件は以下
の通りである。電気化学セルは、ガラス基板上にＩＴＯ層を堆積して構成された
平面ＩＴＯ電極の対によって、又は底上のSi/SiOx電極と頂部側のＩＴＯ電極と
によって、典型的には５０ミクロン以下のギャップにより分離して形成される。
それはSi/SiOx界面の光電気特性に基づいて与えられ、光の制御はSi/SiOx電極の
使用に基礎を置く。プラチナ線で形成されたリードは、銀エポキシの手段によっ
て接触領域中の隔離酸化物を除去するために最初にエッチングされる、ＩＴＯに
及びシリコン電極に接合される。そのセルは最初にアッセンブリされ次いで典型
的には０．１ｍＭアジド溶液中の０．１％固体の、ほぼ２ｘ１０8粒子／ミリメ
ーターに相当する濃度で、コロイド状ビーズの懸濁液とともに毛管作用によって
充填する。その数は電極表面上の粒子の単層を満たす1/2から１の間の量となる
ように選択される。アニオン性(例えば、カルボキシル化ポリスチレン、シリカ)
、カチオン性(例えばアミン化ポリスチレン)又は名目上中性(例えばポリスチレ
ン)は本発明の３つの機能的要素の基礎となる基本的な現象を表すのに全て用い
られている。シリコン電極は、Ｓｉ(100)ウエハーの１インチ角部分から製作さ
れ、典型的には３０-４０オングストロームの厚さの薄い酸化物層でキャップさ
れる。９５０℃で炉中の標準的な条件の下での成長させる、典型的には6000-800
0オングストロームの厚い酸化物層は、重要な構造を表すための標準的なホトリ
ソグラフィーによってエッチングして良い。代替的に、厚い酸化物層はＵＶ照光
の下で(100)-オリエンテーションの予め剥離された表面上に再成長させても良い
。それの実行と施行のケースを与える、ＵＶ-介在酸化再成長は好ましい技術で
ある：ＵＶ照光のパスにおける望ましいパターンを表した石英マスクの配置によ
って表面をパターン化するための手段を提供し且つ化学的に均質でトポグラフィ
ック的に平滑な先端表面を達成する。電極表面に吸着する非-特異的な粒子を避
けるために、清潔な緊縮条件が、後述する「一般的な実験条件」中の記載の通り
にするべきである。
【００３４】 基本的な１つの末端処理は、表面上の任意のアウトラインの指示したエリア中
の粒子の、すなわちＵＶ-介在酸化パターンによって又は均質なSi/SiOx基板表面
の他方の上に投射される照光のパターンの一致によって描写されるアレイを形成
する「捕捉-及び-保持」処理(図１ａ)である。図２ａと２ｂは、残りの表面がも
とから高インピーダンスに相当する厚い酸化物によって被覆される一方で、非常
に薄い酸化物領域２２(厚みにおいてほぼ２０-３０オングストローム)によって
特徴付けられた表面上に捕捉されたビーズを表す。図２ａにおいて、電場の適用
はなく、且つ故にビーズの捕捉はない。それに対して、図２ｂにおいては、電場
が適用され(１０Ｖｐ-ｐソース、１ｋＨｚ)且つ薄い酸化物領域２２内でビーズ
の捕捉が生じる。これらの条件の下、配列は、２度以内の成長のため及び領域２
２周囲の外方への成長を加えるために増加的により大きい距離から到達したビー
ズとして次にほぼ１０秒を越えて続けて成長するために開始される。そのアレイ
がデッドライン化された標的エリアの範囲を越えて到達した時に成長が停止する
、すなわちそのエリアは低いインピーダンスを有する薄い酸化物によって表され
る。ビーズの捕捉された集合のアレイの内部状態は、適用される電圧、ビーズの
最密充填の増加の高い値の支持、且つ泡の積重の形態における六方晶的結晶配置
を表す並びの究極的な形成によって決定される。適用した電圧と同じ長さだけそ
の場所に残るアレイが存在する。適用電圧の変動はそのアレイの崩壊を招く結果
となる。
【００３５】 「捕捉-及び-保持」処理は可視の又は赤外光での照光、例えばSi/SiOx電極上
の望ましいレイアウトを持ったパターン化したマスクへの単純な投射によって、
の下でも実行可能である。規定の１００Ｗ石英顕微鏡イルミネーター、Zeiss UE
M microscopeは、電極の平面上の形状の要求により準備されるイメージプレーン
媒体において挿入される窓又はマスクとともに、この目的のために使用されてい
る(Koehler照光の条件の下で特徴的にフォーカスされる場合)。代替的に、６５
０-６８０ｎｍで３ｍＷの出力を持つＩＲレーザーダイオードもまた、使用され
る。粒子の場所的な閉じ込めのための酸化物パターン化よりもむしろ外的の照光
の使用は、閉じ込めパターンの修正を容易化させる。
【００３６】 「捕捉-及び-保持」に関しては、表面の支持したエリアから粒子がクリアーで
ある「排除-及び-保持」(図１ｂ)の１つの-末端処理である。ほぼ１００ｋＨｚ
への適用電圧の周波数の増加は表面の薄-酸化物部分において集合する粒子の優
先性における転換(例えば領域２２，図２ｂ)、及び標的エリア周辺の外方の修飾
構造の代替的な形成に至る。この効果に頼るよりはむしろ、望ましいエリアから
の粒子の排除もまた、ＵＶ-介在酸化物再成長によってSi/SiOx界面における構造
に一致する単純な埋め込みによって、元の「捕捉-及び-保持」処理との類似性に
おいて、達成される。図２ｃと２ｄの実施例において、これは１０ｋＨｚで２０
Ｖ(pp)適用によって、図２ａと２ｂに関して、上述したそれらと同じ条件の下で
達成される。非支持エリア２４における酸化物厚さがほぼ３０オングストローム
である一方で、支持された方形エリア２６における値はほぼ４０オングストロー
ムであり、周波数適用で相当するより高いインピーダンスを含む。
【００３７】 「捕捉-及び-保持」処理は機能的に別個の領域内の基板表面の場所的区画化を
可能にする。例えば、異なる時間で電気化学的セル内に導入された又は異なる位
置で注入された別個の化学タイプの粒子は、この操作の使用によって場所的に分
離した位置に保持することができる。
【００３８】 基本的な二つの-末端操作はトランスロケーション(図１ｃ)であり、又は表面
上の位置Ｏから位置Ｆまでの粒子のセットの制御された転移である；ここで、Ｏ
とＦは適用して良い上述した１つの-末端処理の標的エリアである。１次元的な
、トランスロケーションにおいて用いられる横方向のビーズの移動は、図３ａと
３ｂ中に示したような、エリアＯとＦをつなぐ溝に沿う横方向の強制的な流れに
よって、又は照光の直線パターンに一致する投射によって達成される。このチャ
ンネリング操作において、ビーズは動電学的な流れの基礎に従って、図３ａと３
ｂ中に示す矢印の方向における低インピーダンスの方向に移動する。
【００３９】 酸化物パターン化はSi/SiOx界面二層横方向の電流を創作するための２つの手
法において利用して良い。最もシンプルな方法が図３ｃ中に記載され、それは熱
的な酸化物のエッチングによって表される３つの狭い溝３４によって与えられた
大きな開口保持エリア３２を示す。ビーズは、ビーズアレイを形成するために狭
い溝３４に沿って保持エリア３２に移動する。図３ｄは図３ｃのアレイの拡大図
である。創作される移動を発動する原理は、図３ａ中に示されたように、薄い酸
化物厚さと厚い酸化物厚さの定数によって埋め込まれたパターンのアスペクト比
の変更(狭い溝が広い保持エリアに接続した)である。図３ｃと３ｄにおいて、電
圧適用は１０ｋＨｚで１０Ｖ(pp)である。ＵＶ-介在酸化物再成長によって可能
な、ビーズ移動の創作のための代替的アプローチは制御された形式において溝に
沿った酸化物厚さを変更することである。これは傾斜したフィルターを通してＵ
Ｖ露光によって直ちに達成される。５-１０オングストロームと同じほどに小さ
いＯとＦ間の酸化物厚さにおける相違は横方向の移動に影響を及ぼすには十分で
ある。この状況において、溝と保持エリアのアスペクト比は改める必要はない。
これは図３ｂ中に示される。
【００４０】 要求されるインピーダンス傾斜を創作するため溝に沿って照光強度の変更によ
って、溝を表すための外的な照光の使用はその溝が永続的構造のみであり、且つ
もしそれを望むなら移動の方向を修正又は逆転することができるという効果を有
する。本発明は相互作用の制御に基づいてビーズの平面集合化の光-介在活性化
直線移動(light-mediated active linear transport)のメカニズムを提供する。
これは、照光されるビーズアレイを流れに沿って移動させるためのそのような基
板表面を横切るパターンの移動によって、又は粒子の移動を誘導するためのパタ
ーンの形状を電気的に調整することによってのいずれか一方で、リアルタイムに
おける照光の外的なパターンを調節することによって達成される。
【００４１】 光-介在の２つのモード、活性な移動は： ｉ）ここに記載されたように、表面の照光されたエリア内に集合した粒
子を支持するために調整パラメーターによって輸送するアレイの及びそれらのオ
ーバーオール形状の描写の方法である直接トランスロケーション(「トラクター
ビーム」)。アレイはシンプルに強制されたパターンに従う。その移動率は流体
中の粒子の移動性によって且つ粒子直径と流体粘度に基づいて制限される。
【００４２】 ii）横方向のアレイ圧縮は、可撓管を通して流体の蠕動的ポンピングに
関するビーズ移動メカニズムである。本発明の光-制御成分は、この非常に一般
的な概念の単純な実行のために使用して良い。ビーズの多-成分平面集合は、Ｕ
Ｖ-パターン化によって、もし望むのであれば又は単純な光によって、直交する
チャンネルに閉じ込められる。ビーズは拡散(一方向における)によってチャンネ
ルに沿って移動することがない。横方向のチャンネル方向に調合した照光パター
ンが起動され、且つ次いで該チャンネルに沿う一方向において移動する横方向圧
縮波(transverse constriction wave)を生産するように時間的に変更される。そ
のような圧縮波は幾つかの手段において起動して良い。概念的にシンプルな方法
は、サンプル上の圧縮マスク投影、及び望ましい形式において投影されたマスク
パターンの移動である。またこの方法は、光源の好適なアレイの照光パターンの
制御化によって電気的に実行して良く、かくして光学列中の可動パーツの必要性
を排除する。
【００４３】 照光の変更又はパターン移動による横方向のビーズの移動の制御は、予め表し
たＵＶパターン化によってインピーダンスの強制的傾斜の必要性を除き、要求に
応じ、いつでも及びどこでも(与えられた基質表面上で)適用することができると
いう効果を有する。一方、予め表されたインピーダンスパターンは、光-制御に
結合された補足的な可能出力を提供できる。例えば、それは可動性の基礎となる
ビーズを分離するために基板-埋め込みしたインピーダンス傾斜に対してビーズ
を移動させるために望ましい。
【００４４】 ＯとＦとをつなぐ溝は直線である必要はなく：列の移動を支持するトラックで
あれば、溝が何れかの望ましい形式における形状で良い(図１ｄ)。トランスロケ
ーションのゲート化翻訳(図１ｅ)はゲート化信号によって開かれた(又はリアル
タイムにおいて形成される)溝の直後のＯからＦまでの粒子の移動を許す。この
操作はＯとＦ、２つの保持エリアを確立するためにＵＶ酸化物パターン化を利用
し、またＯとＦをつなぐ溝を永続的に確立するために光を制御する。代替的な実
行は埋め込まれたインピーダンス傾斜酸化物に基づく。溝に沿うゾーンは粒子の
保持のために十分に高い強度で照光され、それによって入り口をブロックする。
照光の除去(又は強度の減少)は溝を開く。前のケースにおいて、後者においては
光がビーズの移動を防止する一方で、前のケースにおいては、光がビーズの移動
を可能とする。
【００４５】 基本的な３つの-末端処理はビーズのセット又はアレイのマージング及びスプ
リッティングである(図１ｆと１ｇ)。２つのアレイのマージング(図１ｆ)は、位
置Ｏ１とＯ２におけるビーズの２つの場所的に分離したセットに適用される「捕
捉-及び-保持」の予備の２つの基本的な操作を含み、且つそれらの各々は通常の
標的エリア内のマージング溝に沿ってチャンネリングされ、且つ最終的にチャン
ネリングされたそれらは最終的な目的地である第３の保持エリアＦ内で、続いて
混合されるため又は化学反応する。これは、１つの-末端及びゲート化された２
つの-末端操作によって、上述したような条件の下で達成される。
【００４６】 アレイ(array)を２つのサブアレイ(subarrays)への分割化(スプリッティング
；図１ｇ)は、一般により複雑な分類操作の特有なケースである。分類は、与え
られたセット又はサブセットにおけるビーズの分類化、例えばそれらの蛍光強度
に従って、を含む。よりシンプルな特有のケースにおいて、エリアＯ中に保持さ
れる与えられたアレイは、境界画定ラインに沿って２つのサブアレイ内に分割さ
れるべきものであり、且つそのサブアレイは標的エリアＦ１とＦ２に移動される
べきものである。上述した条件の下で、これはＯ中のアレイに「捕捉-及び-保持
」操作の適用によって達成される。溝がＯからＦ１とＦ２をつなぐ。より狭い集
中したラインに沿った高強度照光は表された形式におけるアレイを分割するため
に利用でき、保持エリアＯから延びる溝に沿う移動を制御するためのゲート化さ
れたトランスロケーションに再び頼る。一様にシンプルな翻訳で、分類された無
差別な分割は、上述したように溝が開かれた後にＯからＦ１及びＦ２中のアレイ
のゲート化したトランスロケーションによってＦ１とＦ２内のアレイがランダム
に割り当てられる。
【００４７】 図４ａと４ｂは、領域Ｏ(図４ａ)中のビーズが多数の領域Ｆ１，Ｆ２，...Ｆ
ｎ(図４ｂ)内に分割される変形例を示す。このサブアレイ内の集合体又はアレイ
、又はクラスターの分割(スプリッティング)は、典型的には５Ｖから２０Ｖ(pp)
までの適用電圧の印可によって、５００Ｈｚの周波数で、単層の小さなフラクシ
ョンの電極適用範囲に一致する濃度で２ミクロンのカルボキシル化スチレン球体
によって達成される。より小さいクラスター内のアレイのこのフラグメンテーシ
ョンは、場-誘導した粒子極性化の影響を反映する。その分割は、溶液中の可能
性のある分析物への提示のために、個々の読み込みを形成するための分析的機器
を持った個々のクラスターの連続したスキャニングのために、基板のより広いエ
リアを越えてアレイ中に粒子が拡散するために使用される。
【００４８】 ここに記載した本発明の３つの機能的な要素は、電極表面で適用される電場に
よって創作される電気浸透性の流れにおいて埋め込まれた異方性の目的物のアレ
イを制御するための付加的な基本的操作をもたらすために組み合わされても良い
。基板の平面における流れのその方向は、チャンネリング操作との結合に望まし
い手法において形状化されるインピーダンスにおける傾斜によって制御される。
これは図１ｈ中に示したように異方性目的物を制御可能に整列させるために使用
され、且つＤＮＡのような伸ばされた且つ整列された生物分子に適用して良い。
【００４９】 予備のセットを補足する付加的な基本操作は基板へのアレイの永続的な固定化
(anchoring)である。これは、アミド結合の形成を経てタンパク質を固定するた
めの異種二機能性架橋剤に頼るそれらの固定化学類似物を用いることにより最も
良く達成される。例えばビオチニル化粒子と表面固定化ストレプトアビジンの間
のような分子認定は、永続的な固定のためのカップリング化学の別なクラスを提
供する。
【００５０】 一般的実験条件 本発明で用いられる機能的要素、主に平坦な粒子アレイのアッセンブリを誘導
する電場、UV介在性酸化物または表面−化学的パターンによる界面インピーダン
スの場所的調節、そして最後に光による界面インピーダンスの状態における制御
は、実験的な研究で示されている。これらの研究は、数千オングストロームの厚
さの熱生成酸化物層を用いて、またはHFにおけるもともとの「天然の」酸化物の
除去の後、酸素の存在下で重水素源由来のUV照光の下で、10から50オングストロ
ームの間の典型的な厚さに再生成された薄い酸化物層を用いてのいずれかでキャ
ップされた、n-ドープ処理されたシリコンウエハー（0.01オームcmの範囲の固有
抵抗）を用いた。熱生成酸化物の印刷パターンは、数ミクロンの範囲で特性を形
成するようにベンチトップ（クリーンルームよりむしろ）上で実行される標準的
な方法を用いた。
【００５１】 表面は、工業的に標準的なRCA及びPiranhaクリーニングプロトコールを用いて
徹底的に洗浄された。基質は、使用前にMilliporeクリーニング系によって形成
された水内で貯蔵された。表面に置かれテレスコープを通じて（側面から）明視
化された水の20マイクロリッターの水滴によって示された接触角度を測定するこ
とによって、表面は特徴付けられた。接触角度は、該表面に対する角度及び該表
面との接点での水滴の輪郭（側面で）に対する接線として定義される。例えば、
好ましい半球状の水滴の形態は、90度の接触角度に相当するであろう。メルカプ
ト−プロピル−トリメトキシシラン（乾燥トルエンにおいて2%）を用いた表面化
学的誘導化は、70度の典型的な接触角度を与える表面を形成した。酸化物の存在
下でのUV照光の下での末端チオール官能性の酸化は、重水素源由来のUVに対して
10分より少なくさらすと、接触角度をゼロに減少した。他のシラン試薬は、110
度よりも多い接触角度によって特徴付けられる、疎水性表面を形成するために同
様の方法で用いられた。
【００５２】 単純な「サンドイッチ」電気化学的セルを、薄いガラス基質上に沈着されたSi
/SiOx及び伝導性インジウムスズ酸化物(ITO)の間の空間として、カプトンフィル
ムを用いることによって構築した。プラチナリードに対する接触は、ITO電極の
上部に対して、及びSi電極の（酸化物がはがれた）裏側に対して真っ直ぐに銀エ
ポキシを用いてなされた。二電極形態においては、20Vまでの範囲の適用電圧とD
Cから1MHzまで変化する周波数を用いて、作用発電機によってAC場が生み出され
、高周波数は電極に接続した粒子鎖の形成が好適である。電流はポテンシオスタ
ットを用いてモニターされ、オシロスコープ上にディスプレイされた。簡便には
、後蛍光、同様に反射位相干渉対照顕微鏡が、レーザー照射を用いた。EISイン
ピーダンスにおける光誘導性調節はまた、単一の100W顕微鏡イルミネーターを用
いて、同様に650-680nmでの3mWレーザージオール放射光を用いて形成された。
【００５３】 NaN2に貯蔵された、数百オングストロームから20ミクロンの範囲の直径を持つ
、アニオン性及びカチオン性、同様に名目上は中性のコロイド状ビーズを用いた
。
【００５４】 粒子間及び粒子と電極表面の間の非特異的相互作用を避けるためのコロイド状
の安定性に対して、深い注意が払われた。コロイド状懸濁液の細菌の混入は、綿
密に避けられた。
【００５５】 もし他に指示がなければ、ここに記載される結果のほとんどで用いられた典型
的な実施条件は以下のものであった：電極に沈着された場合完全な粒子の単層を
形成するのみであるような濃度で粒子を含む、0.2mM NaN2（アジ化ナトリウム）
；50ミクロンの電極ギャップを持つ、1-4Vの範囲の適用DC電位、及び1-10V（ピ
ークからピーク）及び500Hz-10kHzの範囲のAC電位；2ミクロンの直径のアニオン
性（カルボキシル化ポリスチレン）ビーズ、同様に2-20ミクロンの直径の（通常
の中性の）ポリスチレンビーズ。
【００５６】 本発明の方法及び器具は、いくつかの異なる領域で用いられ、その実施例は詳
細に議論されている。各実施例には、その特定の応用に対する本発明の応用によ
って引き続く背景の情報が含まれる。
【００５７】
【実施例】
実施例１−表面の製作及びデザインされた性質を持つコーティング 本発明は平坦な表面及びデザインされた性質を持つコーティングを製作するた
めに用いられる。特異的には、本発明の機能的要素は、広範囲のサイズ（およそ
100オングストロームから10ミクロン）の粒子と化学的組成物あるいはACまたはD
C電場に応答する表面官能性より成るアレイの形成を可能にする。これらのアレ
イは、基質のデザインされた領域に置かれそして正確に描かれ、アレイ内の粒子
間空間及び順序の内部状態は、基質に対して該アレイを埋め込む前に適用場を調
節することによって制御される。新たに形成された表面は、前もってデザインさ
れた機械的な、光学的なそして化学的な性質を示し、それらは化学的架橋のよう
な後の処理によってさらなる修飾を受ける。
【００５８】 表面及びコーティングの機械的及び／または化学的修飾は、低接着性（例えば
家庭用品で重要な普通の「非粘着性」表面）または低摩擦性（例えばコンピュー
ターハードディスクにおいて摩耗を減少するために）、疎水性度（例えば特定の
生地の水をはじく傾向）、表面との分子相互作用を抑制するため、またはそれら
を促進するためのそれぞれの触媒活性または特異的化学的官能性に依存する広い
範囲の応用において、物質間の相互作用を主に決定する。後者の領域は、信頼性
のあるそして耐久性のあるバイオセンサー及び生体電子光学的装置の開発に対し
て特に重要である。最後に、大量の応用が、沈着物質の形成形態構造を制御する
テンプレートとして、または液体結晶ディスプレイ応用におけるような、沈着薄
有機フィルムにおける光学的に活性な分子のアレイに向ける「コマンド表面」と
して機能するための定義された構造的特徴の表面及び／または化学的官能性に依
存する。
【００５９】 いくつかの方法により液体または気体相からの周知の組成物の薄い有機フィル
ムの吸着による表面の形成に対する過度の研究が向けられている。その外見上の
単純性及び広範囲の用途にも関わらず、これらの方法は信頼性のある再生産可能
な結果を生ずるように扱うことは困難であり得る。加えて、分子フィルムは規則
正しい構造的特徴を提示する表面を形成するのにあまり適していない。
【００６０】 該問題に対する代わりのアプローチは、懸濁微粒子の電気泳動的沈着による伝
導表面の修飾である。これは金属部品の塗装コーティングを形成するため、及び
ディスプレイスクリーンに対する燐光物質を沈着するため、産業の場面で広く用
いられる方法である。活性沈着工程は（溶液からの有機フィルムの受動的な吸着
とは対照的に）形成の動力学を有意に促進し、現実の応用に重要な考察を与える
。電気泳動的吸着は高DC電場を必要とし、粒子が該表面に永続的に吸着される層
を形成する。そのように吸着された単層における粒子が通常ランダムに配置され
る一方で、炭素コート銅格子上の小（150オングストローム）金コロイドのポリ
結晶化単層の形成もまた周知である。しかしながら、基質としての炭素コート銅
格子の使用は、ほとんどの応用で望ましくはない。
【００６１】 前分野の方法は、特定の条件下で粒子の順序だった平坦なアレイの形成につい
て記載している。例えば、伝導性インジウムスズ酸化物(ITO)電極上でAC電場に
応答する順序だったコロイド状アレイの形成が周知である。しかしながら、結果
として生じた層は、順序だったアレイの小パッチより成り、さもなければむき出
しのITO基質の表面にランダムに配置した。単分散のコロイド状ビーズ及び球状
タンパク質のアレイはまた、伝導的な流れ及び毛管力を用いることによって以前
に製作されている。しかしながら後者の工程は、吸着された粒子アレイが固定化
され空気にさらされ、後の液相化学物質によってアレイが修飾されることを困難
にするという欠点を持つ。
【００６２】 本発明は、新たに形成された層の機械的、光学的及び／または化学的性質に対
する正確な制御を持つ、平坦なアレイを形成する方法を提供する。本方法は以前
の分野のものに対していくつかの特別な利点を持つ。これらは、UV介在性酸化物
再生成によってパターン化される絶縁電極(Si/SiOx)上でのAC電場誘導性アレイ
形成の組み合わせに起因する。本発明の工程は、デザインされた位置で、与えら
れた全体のアウトラインにしたがって、液相（その中に粒子がもともと懸濁され
ている）から順序だった平坦なアレイの形成を可能にする。これは、以前の分野
の前記議論された欠点、即ち、乾燥状態、不規則性または形態的特徴の不存在、
凝集内でのランダムな配置、粒子の固定化、及び基質上での順序だったパッチの
非制御的なランダムな配置といったものを排除する。
【００６３】 本発明の利点は、アレイが液体環境において適用された電場によって維持され
ることである。該工程は該アレイを、容易に脱集合させ、架橋のようなさらなる
化学的修飾を受けさせ、または基質に埋め込まれた化学物質によって永続する状
態にさせる。さらに、該液体環境は、多くのタンパク質及びアレイを構成するタ
ンパク質大分子のアッセンブリの正しい機能化を可能にするために好ましい。そ
れはまた、分子のさらなる層の後の液相の沈殿（沈殿層におけるビーズまたはタ
ンパク質に対する化学的な結合によって）、電場に応答する異なる密度及び内部
順序（該アレイの完全な崩壊を含む）の状態の間のアレイのサイクリング、及び
二次元的結合層またはゲル、形成物への粒子の、例えば化学的機能化シリカ小球
体の化学的架橋をも容易にする。本発明は、ゲル化工程または基質への該アレイ
の埋め込みに関与する化学的反応に逆に影響するであろうファラデー的な工程を
最小化するために、酸化物キャップシリコンのような電極を絶縁することを実施
する。Si/SiOx電極の使用もまた、外的照光によってアレイの位置の制御を可能
にする。
【００６４】 本発明にしたがって、小粒子より成るコロイド状アレイの形成は、粒子の直径
の大きさに対するレリーフ構造とともに表面の形成に対する経路を提供する。他
の光学的な性質から離れて、前記「マイクロ−ラフ」な表面は、立体化学的拘束
を緩和し、それ故酵素の接近を容易にするための前記方法において、DNAの沈殿
に対する基質として興味深い。
【００６５】 本発明が適用する粒子には、膜パッチ及びディスクまたは小胞の形態で抽出さ
れうるバクテリオロドプシン(bR)-光運動性プロトンポンプのような、膜タンパ
ク質を含むシリカ小球体、ポリマーコロイド、脂質ベシクル（及び関連する集合
体）が含まれる。光活性色素より成る構造的及び機能化表面は、革新的ディスプ
レイ及びメモリーテクノロジーの開発に対する平坦な光学的装置の要素を提供す
るという意味で興味深い。構造特徴的に構造的及び化学的に機能化した表面の潜
在的なインパクトの他の領域は、沈着した層の生成の制御された核形成のテンプ
レートの表面、及び液体結晶アレイに対するコマンド表面の製作である。本発明
はまた、ランダムに異種の構成物表面の製作を可能にする。例えば、同じ大きさ
の疎水性及び親水性ビーズの混合物より成るアレイの形成は、その湿度及び潤滑
性が沈着した混合ビーズアレイの組成物によって制御される表面を製作する。こ
の方法において、個々のビーズの位置はランダムであるが、該アレイ中のそれぞ
れのタイプのビーズの相対的位置は制御可能である。
【００６６】 実施例２−レンズアレイのアッセンブリ及び光学的回析要素 本発明は、レンズアレイ及び回析格子のような他の表面搭載光学要素に用い得
る。本発明の機能的要素は、ITO上にこれらの要素の設置及び描写を可能にし、
存在する平坦ディスプレイ法を用いて統合を容易にし、そしてSi/SiOx上で存在
するシリコン−ベース装置法を用いて統合を容易にする。
【００６７】 シリカまたは他の酸化物粒子、ポリマーラテックスビーズまたは水溶液中に懸
濁された高屈折率の他の目的物は、光を反射するであろう。順序だった平坦なビ
ーズのアレイはまた可視光を反射し、鋭いスポットの特徴的な回析パターンを形
成する。この効果は、光学的情報プロセッシングの応用におけるホログラフィー
法の基礎を形成する。
【００６８】 Ａ．本発明は、低光レベルの検出及びCCDイメージングと関連した平坦なアレイ
フォーマットにおける光集積要素としての屈折コロイド状ビーズのアレイの使用
を提供する。CCD及び関連領域の検出スキームは、固相蛍光または発光結合アッ
セイにおいて増大された光集積効率から有益である。
【００６９】 本アッセイフォーマットは、検出器の近くのビーズ埋め込み標的に対するプロ
ーブの結合を調べる蛍光シグナルの検出に基づく。スループットを最大にするた
めに、できる限り多くの結合現象を同時にモニターすることが望ましい。本発明
の方法によるアレイ形成は、それがCCD検出器によってモニターされる標的領域
におけるビーズの配置及びタイトなパッキングを容易にし、一方でレンズ機能の
さらなる利益を同時に提供し、結果として光集積効率を増大するために、特に価
値がある。
【００７０】 増大された集積効率は、ここで用いられる実験、小（１ミクロンの直径）蛍光
ポリスチレンビーズをイメージするために、レンズ要素として個々の大（10ミク
ロンの直径）ポリスチレンビーズを用いる実験に示される。前記示される実験条
件の下では、300Hzで5V(pp)の適用電圧が、一秒以内に個々の大ビーズの下で小
粒子の集積を誘導した。これは図５に示されており、例えば52の小粒子単独はか
すんで現れ、そこでは大ビーズ56の下で集合した例えば54の小粒子はより明るく
拡大されて現れる。電圧をオフにすると、該小ビーズは再び拡散する。
【００７１】 Ｂ．回析格子及びそれ故にホログラフィー要素としてのコロイド状ビーズアレイ
の使用は周知である。回析格子は狭い範囲の波長に対して光を反射する性質を持
つが、それは照射された光の与えられた入射角及び波長に対して、該アレイが粒
子間空間によって決定される特異的な波長（またはほんのわずかな値に集中した
波長の狭い幅）のみを通過するためであろう。単一の波長の通過から、さらに厳
しい場所的なフィルター及び光学情報プロセッシングに必須であるホログラフィ
ー要素の実現までの範囲の回析格子の応用が広く議論されている。
【００７２】 本発明は、表面搭載光学回析要素として機能するであろう結晶整列の状態にあ
る平坦アレイを形成する、迅速でよく制御された工程を提供する。加えて、結果
として生じた表面は、波長感受性反射性を増大するために構造的特徴のあるレリ
ーフをディスプレイするようにデザインされうる。これらのアレイは、基質表面
上のデザインされた領域で形成される。低塩含有量の水溶液で平衡化した結晶を
形成するために、前記アレイを製作する遅く面倒な前分野の方法とは対照的に、
本発明は固相界面で粒子アレイを迅速に信頼可能に製作するための新規なアプロ
ーチを提供する。このアプローチは、該工程を開始するためのアレイの場誘導性
形成、及び該アレイを配置し形作るためのUV介在性パターン及び光制御に依存す
る。加えて、粒子間距離、及び配列の内部状態、そしてそれ故の該アレイの回析
特性は、適用される電場を調節することによってよく調節される。例えば、該ア
レイの場誘導性の可逆的整列−非整列変換は、鋭いスッポトより成るものから拡
散リングより成るものまで回析パターンを変化させるであろう。ここで記載され
るシリコンウエハーの表面での前記アレイのアッセンブリは、存在するミクロ電
気的デザイン内での統合の直接的な方法を提供する。アレイ基質表面に対する化
学的カップリングによって、またはビーズと基質間のファンデルワールス力に依
存することによって、アレイはその場にロックされるであろう。
【００７３】 実施例３−粒子ベースディスプレイの実現のための新規なメカニズム 本発明は、粒子ベースディスプレイの実現に対する新規なアプローチとして、
横方向の粒子の動きを実行するための要素を提供する。本発明の要素は、大きな
屈折性の粒子より成る形成前レンズアレイの存在下で小粒子の横の動きの制御を
提供する。
【００７４】 コロイド状粒子は、平面パネルディスプレイ法において以前に用いられている
。これらのデザインの作用原理は、2の平坦な電極の間で閉じこめられたカラー
の液体における色素の電気泳動的な動きに基づく。OFF（暗）状態では、色素は
液体内に懸濁されており、液体の色はその状態のディスプレイの現象を定義する
。ON（明）状態に到達すると、粒子は電場の動きの下で前方（透明な）電極の近
傍に集合する。この後者の状態では、付随する光が電極の近傍に集合した粒子の
層によって反射され、ディスプレイは明るくなる。このデザインにしたがって小
反射粒子を用いたプロトタイプディスプレイが周知である。しかしながら、これ
らのディスプレイは、以下のものを含む数多くの重大な問題に苦しんだ：許容可
能なスイッチスピードを達成するために必要とされる高DC電場に対して、長期的
にさらされる結果としてコロイド状の安定性が電気化学的に分解し欠除すること
；及び委ねたスキームのデザインに固有の場の勾配に応答した粒子の移動によっ
て導入される非均一性。
【００７５】 本発明は、電場誘導性アレイ形成、同様に制御され液体誘導性横方向粒子移動
を利用する粒子ベースディスプレイのデザインについての新規なメカニズムを提
供する。第一に、コロイド状ビーズより成るレンズアレイが形成される。このレ
ンズアレイはまた、（前もって形成された）アレイに対して置かれる下部電極及
び上部電極の間のうまく限定されたギャップを維持するためのスペーサーアレイ
として機能もする。これは、粒子の直径によって決定される狭いギャップを用い
て均一で平坦なパネルディスプレイの製作を容易にする。
【００７６】 次に、小コロイド状粒子をギャップ間の電解液溶液に加える。これらは蛍光的
であり、または入射白色光を反射するであろう。適切な周波数のAC電場の動きの
下で、これらの小粒子はより大きなビーズの足跡内で優先的に集合するように横
方向で動きうる。より大きなビーズを通じてみると、大ビーズの下で集合した小
蛍光ビーズは、大ビーズのレンズ機能によって提供される増大した光集積効率の
結果として明るく現れる；これがON状態である（図５）。より大きなビーズの足
跡の外側に動いた場合、粒子はかすみ、適切なマスキングによって完全に非明視
化される；これがOFF状態である。不可欠な横方向の粒子の動きは、適用電圧の
変化または光強度の変化によって誘導される。各大ビーズまたはレンズビーズは
、電流が各レンズビーズの存在によって混乱されるため、電解液内での正しい配
置における横方向の非均一性を導入する。
【００７７】 前分野のディスプレイとは対照的に、本発明はDC場ではなくAC、及び絶縁（伝
導性よりもむしろ）電極を用い、それによって電気化学的分解を最小化する。レ
ンズアレイによって導入される横方向の非均一性は、それがディスプレイセル内
での正しい配置における横の勾配を導入するために、望ましい。これらの勾配は
、ON及びOFF状態の間のスイッチングに影響するために、大レンズビーズの直径
によってセットされた短い特徴的な距離に対して小ビーズの横の動きを介在する
。それ故、本発明は活性マトリックスアドレッシングに対する存在する方法を容
易に適応する。
【００７８】 実施例４−ビーズまたは粒子の分離及び分類 本発明は、平面幾何形状のコロイド粒子及び生物分子の分離及び分類のための
幾つかの方法を実施するために用いられる。特に、これらは、混合物中のビーズ
の側方分離の技術を含む。個々のビーズは、光学ピンセットの応用により電場に
応答して形成されたアレイから取り出される。
【００７９】 与えられた化合物の混合物における成分の分離は、分析化学の基本的課題であ
る。同様に、生化学分析は、生物分子、ビーズまたは細胞を、サイズ及び／また
は表面電荷に従って電気泳動技術により分離することをしばしば要求される一方
、懸濁された細胞又は全ての染色体の（最も普通には、２つのサブクラスへの）
分類が、フローサイトメトリ−及び蛍光活性化細胞分類を含むフィールドフロー
(field flow)分画を用いて通常は行われる。
【００８０】 平面幾何形状では、拡散するビーズ混合物は、方向づけられた漂流を促進する
ために設計された電極表面のリソグラフパターンに接続されたＡＣ電場の印加に
よって、移動度に従って既に分離されている。本質的に、小ビーズの所定時間の
特定方向への移動にはＡＣまたはパルス状電場がかけられる。キャピラリー電気
泳動は、平面幾何形状において行われる、B.B. Haab and R.A. Mathies, Anal.
Chem., 67, 3253-3260 (1995) 参照、この内容は、参考としてここに取り入れる
。
【００８１】 本発明の方法は、平面幾何形状における分離、分類又は単離の仕事を行うため
の幾つかの方法に置いて応用される。従来技術の試みとは異なり、本発明は、幾
つかの利用可能な方法の中から、手にしている仕事に特に最も好適なものを選択
するというかなりの順応性を提供する。或る場合には、１つ以上の分離技術が適
用され、これは、二次元的分離の実施のための基礎を与える。即ち、ビーズは２
つの異なる物理化学的特性に従って分離される。例えば、ビーズは、まずサイズ
で分離し、次いで、鎖形成を誘発する印加周波数を上げることにより分極性によ
って分離してもよい。この順応性は、平面幾何形状における分析機能を集積化す
ることにおいて特別な利点がある。
【００８２】 i)本発明は、ＵＶ−媒介酸化物再成長によってパターン化された表面における
、混合物中のビーズをサイズで分類するための、側方の電場誘発性流動での”篩
別(sieving)”を実施するのに用いられる。発明の基本的操作は、ＵＶ−媒介酸
化物再成長によって描かれた溝に沿って、方向付けされた側方粒子移動を構成す
ることである。溝(conduits)は、連続的に狭くなるよう構造を含むように設計さ
れ、そこを介して粒子が通過する。この”篩別”機構（図９ａ）では、連続的に
微細になる段階で、連続的により小さな粒子のみが通過できる。図９ａに見られ
るように、主要な粒子流は左から右への方向だが、示したような酸化物形状を用
いて、上から下方向への横断方向の流れができる。さらに、厚い酸化物からなる
障壁９２の列が、溝に沿って配置され、各列における障壁間を離間させ、横断流
を減少させている。粒子が溝に沿って移動するとき、障壁の列は小粒子が横断方
向に分離してゆくように作用する。大きなＤＣ電場、及びそれに伴う電解及び電
場方向の粒子流と反対方向の電気浸透流の干渉の問題がある従来の電気泳動分離
とは異なり、本発明は、移動させるために、ＡＣ電場及び界面インピーダンスに
おける側方勾配を利用する。この方法は、電解を回避する利点を持ち、粒子移動
を発生及び制御するための電気浸透の明らかな利点を利用する。
【００８３】 さらに、Ｓｉ／ＳｉＯx電極は、ビーズの側方移動を実時間で調整するための
本発明の光制御成分の利用を可能にする。例えば、外部照射は、ＵＶ−誘発性酸
化物再成長によって誘起された側方インピーダンスの局所的中和に用いられる。
これらの中和した”ゾーン”は、もはや正味の力を受けず休止状態となる。この
概念は、粒子を鋭いバンドに極種的に集中させることにより、続く分離における
解像度を向上させる機構を実施するための基礎となる。
【００８４】 ii)本発明は、混合物中の少数成分を、サイズ、形状により成長している多数
成分の結晶性アレイから除去する過程である”ゾーン精製(zone refining)”の
実施に用いられる。この過程は、本発明の方向性結晶化を誘発する可能出力に明
らかに依存している。
【００８５】 ゾーン精製の過程は、ホスト格子から不純物を除くことにより極めて高精度の
大きなシリコン単結晶を製造する異において大きな成功をもって用いられる。こ
の概念は、ホスト格子とはサイズ、形状又は電荷が十分に異なり、置換される不
純物としてホストの結晶格子の形成に適合しない原子または分子が溶液中に追い
出される再結晶による精製の標準的な化学的方法から馴染み深い。
【００８６】 平面状アレイを与えられた方向に制御された速度で成長させることを可能にす
ることにより、本発明は、平面状アレイ用の類似ゾーン精製過程の実施を容易に
する。最も基本的な幾何形状は線形幾何形状である。異なるサイズ及び／または
形状のビーズの多成分混合物は、まず、ＵＶ−パターンづけで描かれた表面上の
方形の保持領域に捕捉される。次に、保持領域の末端において、照光によって結
晶化が開始され、照光の進行パターンに応じて全保持領域を横切って徐々に進行
させる。一般に、ビーズ径の約１９％の相違が追放を誘発する。
【００８７】 iii)本発明は、移動度により粒子を分離する方法における横断流における分画
の実施に用いられる。
【００８８】 フィールドフロー分画は、分子又は懸濁粒子の分離に広く用いられる全ての技
術を参照する。この概念は、流れを横切るように作用する場において流体の流れ
に従う粒子を分離することである。このような範疇の技術は、平面状幾何形状が
適当であるので、自由流動電気泳動が適切な例である電場流体分画の項を包含す
る。自由流動電気泳動は、流体の流れを横切る方向に境界プレートの面にかけら
れたＤＣ電場の存在下での２つの狭窄空間を設けたプレートの間に満たされたバ
ッファーの連続流動を用いる。それらは電場を横切るので、荷電粒子はその電気
泳動的移動度に比例して偏向し、次の分析のために別の出口に集められる。従来
の電気泳動とは異なり、自由流動電気泳動は、高いスループットを持つ連続過程
であり、ゲルなどの支持媒体を必要としない。
【００８９】 本発明は、平面幾何形状におけるフィールドフロー分画の実施を可能にする。
既に議論したように、ＵＶ−酸化物で描かれたインピーダンス勾配は、外部電場
に応じた粒子の電極表面に沿った移動を媒介する。小さな間隙を持つセルでは、
得られた動電学的流れは、”プラグ”形状を有し、これは、流速場の値を同定す
るために全ての粒子に露出され、それにより、自由流動電気泳動に典型的に用い
られる層流の放射線状の速度特性に誘起されるバンドの歪みを最小にするという
利点を有する。
【００９０】 主要な流れ方向を横切る第２の流体場は、粒子分離を媒介するのに用いられる
。この偏向した流れは、第２のインピーダンス勾配によって生成できる。この第
２の勾配を付加する便利な方法は、適当な流体場を設計するのにＵＶ−酸化物パ
ターンづけの利点を用いることである。縦及び横切る流れの両方は再循環され、
よって、全ての従来技術関連とは異なって連続操作が可能になる。
【００９１】 さらなる順応性は、主要な流体流を横切る方向の強度の形状が所望のインピー
ダンス勾配を誘起し従って横切る流れを生成するのに満足なパターンで基体を照
光するのに本発明の光制御成分を使用することである（図９ｂ）。これは、モニ
ター窓の上流を横切る蛍光ビーズの検出に応じて横切る流れを選択的に活性化で
きることに大きな利点を有する。非−蛍光ビーズは、横切る流れを活性化せず検
出もされない。この方法は、フローサイトメトリーまたは蛍光活性化細胞分類の
平面状の類似法を提供する。
【００９２】 iv)本発明は、電極面に垂直な方向の粒子鎖の形成の誘発に用いられる。この
鎖は、電極間の電流移動のコンジットを示し、その形成は場に誘発された分極を
表す。鎖は、個々の粒子よりも横切る方向への移動度が小さく、この効果は、全
分極に寄与する表面特性に従う粒子の分離に用いられる。可逆的な鎖形成の効果
は、個々に述べる実験条件下で立証された。例えば、１ミクロン径のカルボキシ
ル化ポリスチレンビーズについての鎖の可逆的形成は、１５Ｖ(pp)の電圧で、１
ＭＨｚを越える周波数において起こる。
【００９３】 v)本発明は、平面状アレイから個々のビーズを単離するのに用いられる。平面
アレイ形状での蛍光結合アッセイは、ここに述べたように、大きなアレイ内に単
一の明るいビーズを生成でき、特に強い結合を示す。対応するビーズを単離し回
収するために、鋭く集中したレーザースポットの形態の光学ピンセットが用いら
れ、対象とする個々のビーズを固定する。本発明の光制御成分は、光学ピンセッ
トとともに用いられ、そのような個々のビーズを、ビーズに対してアレイを、又
はその逆を動かすことによって、あるいは、アレイを分解し標識されたビーズの
みを残すことによって回収する。これは、ある種の結合アッセイにおけるビーズ
の単離において特に有用な独特の可能出力である。
【００９４】 光学ピンセットを顕微鏡の視野内で位置決めするのに市販の装置が利用できる
。大きなスケールの動きは、アレイをその場で動かすか、単に外部のサンプル固
定器を動かすことにより行える。この方法は、ピーク検出画像分析ソフトウェア
及びフィードバック制御と組み合わせることにより、それ自体自動化できる。
【００９５】 vi)本発明は、アレイの蛍光又は他の線引き部分を残りの部分から分離するた
めの光誘発アレイ切断（”剪断”）操作の実施に用いられる。この操作は、下流
分析のための、与えられたアレイの分割及び対応するビーズの単離を可能にする
。
【００９６】 このアレイ分割の実施の基礎は、高強度で照光されたＳｉ／ＳｉＯx界面の領
域から粒子を追い出す方法における本発明の光制御成分である。ここで、この効
果が、光学ピンセットの作用の下にあるビーズへの光誘発力とは完全に無関係で
あることを強調しておく。粒子の大きな組に作用するこの効果は、ここに述べる
上照光で作動するZeiss UEM顕微鏡上での１００Ｗのイルミネーターを用いた実
験条件下で立証された。単純な道具立ては、アレイ全体に照光される均一な照光
パターンに、顕微鏡の外部のビーム操縦部材の操作によって位置決めされる線形
に集中したビームを重ね合わせることである。ビーズは、照光された線形パター
ンから追い出される。他の道具立ては、部分的に重ね合わされた２つの別個に制
御されるビームの利点を利用する。線形分割は、剪断及びアレイの異なる相対的
配向において繰り返される。
【００９７】 実施例５−場所的に符号化されたビーズアレーの調製 本発明は、貯蔵器のもともとの配列、最も一般的にはマイクロタイタープレー
トにおける伝統的な8×12のウェルの配列内における場所的な符号を保存するた
めの方法において、電極表面に対してビーズまたは生体分子の懸濁液を移転する
方法を提供する。前記液体移転スキームは、化合物ライブラリーが8×12（又は
同等の数）ウェルにおいて一般的に扱われ載せられているとすると、有意に実践
的に重要である。
【００９８】 本発明は、MxNセットのそれぞれに対する個々の区画を限定し、それらをそれ
相応に制限するための化学的パターンを利用する。本実施例においては、Si/SiO
x基質に化学的に吸着されたチオール末端化アルキルシランの単層のUV介在性光
化学酸化によって、パターンが成し遂げられる。チオール部分の部分的酸化は、
スルホン酸塩部分を形成し、さらされた表面を電荷させ親水性にする。四角また
は丸型の格子形態における該表面の親水性部分は、保持エリアとして機能する。
【００９９】 本発明にしたがって、疎水性部分によって囲われた親水性部分内の表面化学的
パターンの第一の機能は、異なるウェルから適応された水滴が、一度それらが基
質と接触すると融合しないであろうことを確かなものにすることである。その結
果として、それぞれのビーズ懸濁液は、場所的に単離されたままであり、もとも
とのMxNウェルプレートのレイアウトを保存するであろう。本発明の表面化学的
パターンの第二の役割は、MxN格子パターンの形態で、表面電荷配置を強制する
ことであり、それは個々のビーズアレイが、液相が接触するようになった場合で
さえその各自の保持エリアに制限したままにするであろうことを確かなものにす
る。
【０１００】 転移法には、図６a-cに説明された段階が含まれる。第一に、図６aに側面図が
示されているように、ウェル62のMxNプレートが、平坦な基質表面上でパターン6
4になるようにデザインされる。ウェル下部の62は、懸濁液のペンダントドロッ
プの形成を許容し、あるいは好ましくは該工程は、上部でMxNプレートの幾何学
的寸法にマッチし、適用する最後のサイズを減少するために、MxN有効漏斗を提
供する取り付け具（示されていない）によって容易にされる。前記適用取り付け
具は、パターン化基質表面上の標的保持エリアをわずかにいっぱいにしすぎる様
に調節されることで、水滴容積の正確な制御を可能にもするであろう。それから
一連のMxN水滴を、前もってパターン化された基質の親水性保持エリアに接触さ
せ、毛細管機能に依存することによって沈着される。
【０１０１】 次に、該プレートを引っ込め、上部電極を電気化学セルを形成するために注意
深く降ろし、懸濁液を制限する基質上の個々の液体で満たした保持エリアと、図
６bに示されるように第一に接触させる。いっぱいになることによって、接触が
個々の懸濁液となされることが可能になる。それから、MxN保持エリア内にアレ
イ形成を誘導し、ビーズのMxNセットの全体の空間配列の保存を確実にするよう
に電場を調節し、一方で図６cに示されるような近接した液相内で個々の懸濁液
の水滴を結局は融合するように、ギャップをさらに近づける（または付加的なバ
ッファーで満たす）。図６cの十分に集合したセルにおいて、水滴は互いに融合
する一方で、各水滴由来のビーズはその各自の位置を維持しそして単一化し、ウ
ェルのもともとのMxN配列を反映する。それ故本発明は、平坦な電気化学的セル
を搭載するためのレイアウト保存的転移法のこの実行化に必要とされる操作を提
供する。
【０１０２】 実施例６−平行アッセイ用の動的平面状ビーズの調製 本発明は、隣接する液体中の被分析物(analyte)に提示するためのビーズ及び
潜在的には生物分子(biomolecules)の異種パネルの製造方法を提供する。異種パ
ネルは粒子又は生物分子を含み、それは、それらが溶液中で被分析物に提供する
化学的又は生物学的結合部位の性質において異なる。この方法は、本発明の機能
的要素に依存し、タグ分子の形態で化学的ラベルを持つビーズの多成分混合物の
平面状配置を組み立て、アッセイを実施した後でそのように同定することができ
る。結合の場合には、被分析物は、正のスコアの、ビーズまたはビーズの集団を
検査することによって同定される。
【０１０３】 診断用アッセイは、単純なリガンド、タンパク質及び生物分子標的からなる異
種パネルの平面状形態で実施されることが多い。例えば、診断用試験キットにお
いて、異種パネルは、標的全部の組ではなく、溶液に添加され、与えられた被分
析物の迅速な試験を促進する。タンパク質の異種パネルは、プロテオーム(prote
ome)研究の新生分野に関連して現在非常に興味の対象となっている。この研究の
目的は、マススペクトルなどの鋭敏な分析技術でパネルを探査することにより、
細胞から抽出され、二次元ゲル電気泳動で分離された多成分混合物中の各タンパ
ク質を同定することである。理想的には、各スポットの位置が、一つの特定のタ
ンパク質に一対一で対応している。この分析は、例えば、細胞中の遺伝子発現レ
ベルの、そのサイクル中の特定の時点での、あるいは、胚の発生中の所定の段階
での直接モニターを可能にする。
【０１０４】 異種標的のアレイの組立は、平面状形態の薬剤スクリーニング及びＤＮＡ変異
分析の最近提案された方法の中心である。平面状基体の表面の特定の配置におけ
るリガンドの配置は、結合又はハイブリダイゼーションのための溶液中の被分析
物と同時に提示される標的の大きな組の任意の一つを同定する鍵を維持するため
に役に立つ。蛍光発光によるアッセイにおいて、特定の標的への結合は、基体の
上に明るいスポットを生じ、その立体的配位が標的の同一性を直接に表示する。
【０１０５】 ３つの主要な方法が、異種パネルを組み立てるのに既に採用されている。第１
に、タンパク質パネルは、まず電荷により、次いでサイズ（または分子量）によ
りタンパク質を分離するＤＣ電場による二次元ゲル電気泳動によって作製できる
。長年の改良の後でも、この技術は再現性に乏しく、それは、ゲルマトリクスの
性質が一般的にあまり特定されていないことによる。
【０１０６】 第２に、異なる標的の溶液を含む容器から取り出される個々の小滴は、手また
は自動分配（または”印刷”、Schena 等, Science, 270, 467-470 参照、この
内容は参考としてここに取り入れる）の幾つかの方法の一つを用いて分配される
。印刷は、ハイブリダイゼーションに基づくスクリーニングアッセイのためのオ
リゴヌクレオチドのパネルを作製するのに応用されている。印刷は、乾燥したサ
ンプルを残すので、そのような状況では変性するタンパク質には適していないよ
うだ。さらに、維持に内在する付随流体の取り扱い問題があり、多数の容器から
のサンプルの取り出しが厄介である。
【０１０７】 第３に、標的リガンドは、光化学的に活性化された延長反応の組み合わせに基
づく種々の固相合成を実施することにより作製される。この試みは、最も簡単な
直鎖状オリゴマーの化学合成においても、極めて厄介な技術的問題によって制限
される。この平面的幾何形状における非−直鎖状化合物の合成は極めて困難であ
る。
【０１０８】 異種パネルを形成する本発明は、標的リガンドのビーズへの化学結合を必要と
する。リガンドは、良好に確立された種々のカップリング反応により、”オフ−
ライン”でビーズに結合してもよい。この目的のために、ビーズの同一性は、化
学的に符号化され、必要に応じて決定されねばならない。ビーズを符号化する、
又はバイナリ符号化する幾つかの方法が利用できる。例えば、短いオリゴヌクレ
オチドは、それらの配列を通してビーズを同定する目的で提供され、マイクロス
ケール配列技術によって決定できる。あるいは、既に標準的な分析技術で同定さ
れている化学的不活性なタグが用いられる。
【０１０９】 全ての従来技術の方法とは異なり、本発明は、電極に隣接する溶液中の化学的
に符号化されたビーズの平面状アレイの、その場における可逆的形成によって異
種パネルを作製する新規な方法を提供する。このアレイは、化学的同一性に関し
てはランダムであるが、場所的位置に関しては整列している。この方法は、幾つ
かの利点を供する。第１に、それは可逆的であり、パネルは結合アッセイに続い
て分解し、負の評点のビーズを廃棄することができる。正のビーズは、サンプル
修復、精製、または容器間の移動の中間過程を必要とせずに、さらなる分析を施
すことができる。第２に、パネルは必要なときに形成でき、即ち、実際の結合ア
ッセイを実施する前、または懸濁液中の個々のビーズの表面でアッセイを実施し
た後のいずれにも形成できる。後者の方法は、標的部位が高濃度のときにプロー
ブが平面状の標的表面に結合するとき生じ得る潜在的な悪影響を最小限にする。
第３に、個々のビーズの走査プローブ分析に適応させるために、アレイ内の粒子
間距離を、場に誘導された分極、あるいは符号化したビーズとはサイズの異なる
不活性なスペーサー粒子を添加することによって調節することができる。図７は
、符号化したビーズ７４を離間させるための小さなスペーサービーズ７２の使用
を示す。ビーズ７４の間隔は、図４ｂの対応するビーズの間隔より大きいことが
見られる。最後に、本発明で提供されるようなＵＶ−媒介の酸化物再成長は、選
択された次元の格子パターンを基体に埋め込み、格子の低インピーダンス場にお
いて、小さな、配置保持された補助アレイ(subarray)を確かなものにする。
【０１１０】 パネルを作製するために、例えば、ビーズに基づく組み合わせによって化学的
に生成された化合物を持つビーズの多成分混合物を、電極の間に配置する。各タ
イプのビーズは、多数コピーで存在できる。アレイは、電極表面の設定した領域
における外部場に応答して形成される。パネルのその場での組み立てのこの新規
な方法は、独特の化学的ラベル又は符号を持ち、結合アッセイに引き続いてその
同定が可能なビーズに基づく。あるいは、ビーズはオンラインで光化学的ビーズ
着色法により標識（「色付け」）される。アレイ内で選択されたビーズは、集中
した光源によって個々に照光され、ビーズ表面又はビーズ内部の着色反応が開始
され、正のアッセイ評点を示す。そのように標識されたビーズは、次いで、ここ
に述べる光活性化分類方法によって未標識ビーズから分離される。このビーズ着
色法を行うのに、多くのＵＶ−活性化反応が利用できる。
【０１１１】 本発明は、負の評点を持つビーズ、典型的には大多数を廃棄するとともに正の
評点を持つビーズを保持する幾つかの方法を提供する。この方法は、全ての従来
技術の方法とは異なり、アレイが粒子の一時的な配置を示し、それが印加された
電場によって保持され、希望すれば再配列又は分解が可能であるという利点を有
する。この可能性は、生物分子が決して（従来の印刷方法のように）空気に曝さ
れないという事実とともに、その場における分析方法の集中を容易にし、引き続
く”下流(downstream)”分析に関連して異種パネルを必要とする。
【０１１２】 第１に、正のビーズがアレイの補助部(subsection)で集合したとき、本発明の
光制御されたアレイ分割操作を行って、アレイを分割し、アレイの負の位置を廃
棄する（あるいは次の使用に再利用する）ようにしてもよい。第２に、正及び負
のビーズがランダムに分散しているとき、ここに述べるような、平面形態におけ
る本発明に基づいて実行される蛍光−活性化分類法を用いてもよい。蛍光−活性
化分類において、正及び負のビーズは、各々明るい及び暗い物体として同定でき
る。僅かな正のビーズのみが際立っているような特殊な場合には、それらは、個
々の屈折性粒子を照光下で捕捉及び／または取り扱う道具である光学ピンセット
で固定し、場を取り除くことによってアレイを分解し、または本発明の基本的操
作によってアレイ全体に側方置換を施すことにより、アレイから取り出すことが
できる。
【０１１３】 化合物の大きな組のスクリーニングにおける典型的な課題は、莫大な数の試験
において、極めて少ない正の物体を見いだすことである。廃棄されたビーズは、
典型的には、アッセイの各段階において大多数を占める。従って、本発明の方法
は、溶液中に提供されたプローブに結合する興味のあるものであるかないかに関
わらず標的リガンドのその場での合成に挑戦するなどの負の物体に為される努力
を最小にする。
【０１１４】 本発明の異種パネルの形成方法は、一般的にランダムに組み立てられた各タイ
プのビーズを含む。各位置において同じタイプのビーズ、即ち、同じ容器からの
ビーズ（図６ａ）の集団を含む異種パネルの作製は、検出を容易にするのに十分
に多数の正の物体を確かにするので好ましい。実際の溶液は、ここに記載する配
置を維持した流体移動機構の応用に従う。この方法では、Ｍ×Ｎウェルプレート
からのビーズは、配置を維持したまま、化学的にパターン化された基体に、場所
的に符号化されたビーズ同一性を保持するように移される。
【０１１５】 実施例７−平面状ビーズアレイ形態における結合及び機能アッセイ 本発明は、平面状アレイ形態での混合相結合アッセイ並びにある種の機能アッ
セイの実施に用いることができる。幾つかの組み合わせは、溶液中、コロイド状
ビーズの表面、または電極表面におけるプローブまたは標的の存在を反映するこ
とがある。本発明の方法は、結合アッセイを行う前の、溶液中の標的をプローブ
に提示する平面状アレイの形成を容易にする（”形成前(preformed)”アレイ；
図８）。あるいは、ビーズの平面状アレイは、懸濁物中での結合アッセイを行っ
た後に、検出器表面の前に形成してもよい（”形成後(postformed)”アレイ；図
８）。また、本発明は、細胞を溶液中の小分子薬物に曝した影響をモニターする
ための検出器又はセンサー表面に隣接する、ある種の細胞系の組立を可能にする
ことにより、機能アッセイを実施する方法を提供する。
【０１１６】 結合アッセイ、特に酵素及び抗体などのタンパク質を含むものは、医学的診断
の主要な手段である。これらは、小分子などのプローブと、タンパク質などの標
的との間の特異的相互作用に基づく。アッセイは、溶液中の少量の被分析物を高
度の分子特異性で迅速に検出することを容易にする。結合を示すシグナルを発生
させるための多くの方法が設計され、それらは、定性的回答（結合の有無）また
は定量的結果を結合または会合定数の形で与える。例えば、酵素が被分析物に結
合すると、その結果としての触媒反応は、結合を示す単純な変色を生ずるのに用
いられ、あるいは、他の過程と組み合わせて、化学的または電気的シグナルを発
生させ、そこから結合定数を決定することもできる。単一の共通の前駆体から生
じたモノクローナル抗体は、実質的に任意の与えられた標的を認識するために調
製され、抗原−抗体認識及び結合に基づくイムノアッセイは、重要な診断手段に
発展している。酵素結合と同様に、抗原性被分析物の抗体結合は、抗体結合酵素
がインジケータとして利用される固相酵素免疫検定法（ＥＬＩＳＡ）を含む種々
の技術によって検出される。共通の概念的に単純な機構は、第１の（又は主要な
）抗体を認識する蛍光ラベルされた第２の抗体を添加することにより、標的の被
分析物に結合する抗体の検出を確かなものにする。
【０１１７】 可溶性の球状タンパク質を含む結合アッセイは、タンパク質と標的との公平な
相互作用を確実にするために、しばしば溶液中で実施される。このような液相ア
ッセイは、特に、標的またはプローブの低濃度で行われると、標的またはプロー
ブが豊富又は接近して存在するときに生ずる潜在的な困難性を最小にする。同様
に、速度は遅くなる傾向がある。プローブの接近によって生ずる集群(crowding)
等の共同効果は、プローブまたは標的が固体基体に化学的に固定されているとき
には注意深く制御する必要がある。
【０１１８】 それにも拘わらず、結合アッセイのこの後者の固相形態は、それが必要とされ
る状況で極めて一般に用いられる。例えば、細胞表面のタンパク質の存在は、培
地中の多数の他の細胞の存在下で、このタンパク質を表現する細胞のための”パ
ンニング(panning)”において利用されるが、それは、所望の細胞表面タンパク
質を修飾する主要抗原に対して向けられる第２の抗原の層で予備被覆された容器
の表面には所望の細胞接着自体を行わない。同様に、ある種のファージは、遺伝
子操作されてその表面にタンパク質を表示してもよく、これらは、表示されたタ
ンパク質が抗体ならば抗原といった小分子プローブを含む結合アッセイで同定で
きる（Watson 等, "Recombinant DNA", 2nd Edition (Scientific American Boo
ks, W.H. Freeman and Co., New York, NY, 1983)、この内容は参考としてここ
に取り入れる）。さらに、平面幾何形状のトランスデューサー及びセンサーを具
備する種々の光及び電気的検出に適合する。
【０１１９】 液相及び固相アッセイの組み合わせは、修飾した磁気粒子を用い、与えられた
多成分混合物中で結合した分子を非結合分子から分離することによるサンプル調
製又は精製する方法におけるように、プローブ又は標的のいずれかで修飾された
ビーズを用いて発達した。これらの粒子を用いた最近の例は、ＤＮＡ配列用のテ
ンプレートの精製、または、ポリ−アデニン（ｐｏｌｙＡ）残基で修飾されたビ
ーズへのハイブリダイゼーションによる（溶解した）細胞からのｍＲＮＡの抽出
を含む。
【０１２０】 適当なタイプの細胞を含む機能アッセイが、小分子薬剤の代謝への細胞外効果
のモニターに用いられる。細胞は、平面電極の極く近傍に配置され、細胞によっ
て放出される試薬の局所的濃度を最大にし、局所的ｐＨをモニターする。
【０１２１】 本発明は、従来技術の方法では得られなかった程度の順応性及び制御性を持つ
、平面幾何形状の混合相結合アッセイを実施する手段を提供する。即ち、その場
での、可逆的な、外部空間制御下での、隣接する液相中に存在する被分析物の結
合のための標的部位の平面状パネルか、あるいは溶液中で結合アッセイの実施に
続くプローブ−標的複合体の平面状アレイの形成の順応性を提供する。結合は、
溶液中に懸濁された個々のビーズ表面、電極表面に隣接するアレイに予め配置さ
れたビーズ表面、または、電極自体の表面で起こりうる。標的またはプローブ分
子のいずれかは、ビーズ上に配置され、本発明のビーズに基づくアッセイを可能
にする必要がある。図８に示すように、プローブ分子Ｐがビーズに配置された場
合、標的分子Ｔは、溶液中、ビーズ上、または電極上のいずれかにある。その逆
のこともある。
【０１２２】 例えば、本発明の方法は、従来技術の方法に比べて極めて能率的で制御された
方法で、細胞表面レセプターのクローンを実施するパンニングを行うのに用いら
れる。探索された細胞表面タンパク質に対して向けられた抗体の層で被覆された
基体が与えられると、本発明は、細胞または修飾されたビーズの抗体の層に隣接
した迅速な配列、及び、引き続く、それらの細胞またはビーズの背面のみにおけ
るアレイを分解を促進し、表面結合抗体との複合体の形成を可能にする。
【０１２３】 この範疇のさらに興味ある例は、ファージ表示に属する。この技術は、ビーズ
に固定されたプローブにタンパク質標的の層を提供するのに用いられる。ここで
、ビーズアレイは、対象となるタンパク質を同定するのに用いられる。即ち、ビ
ーズは小分子プローブで修飾され、アレイはファージ表示に隣接して形成される
。結合はプローブ−標的複合体をもたらし、それは、ビーズに保持されるが、そ
の他は電場を切ったとき、または、光制御を適用してファージ表示からビーズを
除いたときに取り除かれる。ビーズが符号化されている場合、残ったビーズは結
合に続いて個々に同定されるので、多くの結合試験が平行して実施できる。
【０１２４】 本発明の方法は、競合結合アッセイを容易に促進する。例えば、標的修飾され
たビーズへの蛍光プローブの結合及び電極に隣接した平面状ビーズアレイの形成
に続いて、アレイ内の蛍光領域は、正の標的の位置を示し、これらは、競合アッ
セイを施すことにより更にプローブされる。即ち、平面状アレイの選択された部
分の蛍光をモニターする一方、（酵素アッセイのための）阻害剤または（結合定
数の知られた）他のアンタゴニストが、電気化学セルに添加され、対象領域から
発せられる蛍光の減少が、アンタゴニスト濃度の関数として測定され、最初のプ
ローブに対する結合定数が決定される。これは、本発明の方法によって可能な分
析過程の結びつきの一例である。
【０１２５】 本発明の方法におけるように、プローブ−標的複合体がコロイド状ビーズに固
定されているという事実は、正の物体を負の物体から分離することを容易にする
ので実用的な利点をもたらす。実際に、平面状基体において固相アッセイを行っ
た場合、平面状ビーズアレイの更なる利点は、ここに議論するような、ビーズに
よって提供される光回収効率の向上である。
【０１２６】 必要ならば、ビーズは、小分子プローブのための輸送媒体として提供してもよ
い。即ち、プローブ修飾したビーズのアレイは、本発明の方法に従って、標的修
飾した表面に隣接して形成される。ＵＶ−活性化されたビーズ支持体からのプロ
ーブの開裂は、プローブが標的層に極めて接近して放出されることを確実にし、
それによってアッセイの速度及び効率を向上させる。標的と相互作用する特定の
プローブの同一性は、プローブを輸送するビーズの位置から確かめられる。
【０１２７】 本発明の方法は、（例えば磁性にする等の予備的処理が不要な）広範な種類の
コロイド状ビーズのみならず、プローブ又は標的で修飾された、またはそれを外
壁内に含有する脂質小胞又は細胞に対しても適用できる。従って本発明の方法は
、ビーズ固定化可溶性タンパク質だけでなく、潜在的には、膜レセプター全体ま
たは細胞表面レセプターにも適用できる。
【０１２８】 特に、基体表面の所定の領域における細胞の迅速な配置は、高度に平行な細胞
ベースの機能アッセイの実施を容易にする。本発明は、細胞を溶液内の小分子薬
剤候補に露出し、それらを、電極表面に配設されたセンサーに隣接して配置させ
ること、あるいは、予め配置された細胞を、隣接する液相に放出されるような試
薬にさらすことを可能にする。最も単純な場合では、全ての細胞が同じタイプで
あり、試薬は連続的に投与される。この連続的な場合においても、動電学的混合
はスループットを向上させる。しかし、ここに述べるように、本発明の方法は、
異なる細胞の同一性を、ここに述べた８×１２ウェルからの”レイアウト保持移
動”過程による符号化により、平面状形態での平行した結合アッセイ及び機能ア
ッセイも可能にし、場所的に解析された画像化または細胞アレイの特定の位置を
標的とする検出過程からのフィードバックを与えることにより正の評点の細胞を
単離することを可能にする。
【０１２９】 実施例８−平面幾何的な薬剤探知(Drug Discovery)のためのスクリーニング 本発明の機能的要素は、化合物および平面形式の組み合わせライブラリーの取
り扱いおよびスクリーニングのための手順を実施するために組み合わされてもよ
い。この仕事の主な必須要素は：一般的にはミクロタイタープレートの８ｘ１２
ウェルの形式の一組の最初のサンプル貯蔵器からの、平面セルへのサンプルおよ
び試薬の輸送；結合アッセイを行う前または後で平面電極表面に隣接する標的ま
たはプローブ−標的複合体の平面アレイの作成；マーカーである蛍光または放射
線活性の場所的な分散をイメージングすることによる結合アッセイの評価、その
後任意に親和または結合定数の定量的な薬動力学的測定；陽性のスコアのビーズ
の分離、並びにさらなる処理からの他のビーズの除去；および付加的な後の分析
のために特異的ビーズの回収、である。本発明はこれらの要素の全てに関するも
のであり、本発明の基本的な作業は、平面的な形式におけるこれらの手順をつな
ぐための手段を提供する。
【０１３０】 近代的な治療薬発見のためのコスト的に有効な方法の実施における中心的な課
題は、化合物の概して広大なライブラリーから有望な薬剤リード(drug leads)を
選択するための根拠として薬動力学的データを提供すると同時に、高度の処理能
力を容易化する方法でスクリーニングアッセイを設計および実施することである
。すなわち、標的に特異的な分子、結合定数によって特徴付けされた分子は、治
療可能性のある薬剤として新規化合物の評価において重要なファクターである。
通常の標的は、酵素およびレセプター、並びに特徴的な二次構造を示す核酸リガ
ンドを含む。
【０１３１】 薬学的および農業分野におけるバイオテクノロジーのような関連産業における
先導的発見のために浮かび上がる例(emerging paradigm)は、広大な種類の固体
状“組み合わせ”合成の新規の方法による新規合成化合物ライブラリーの組み立
て（アッセンブリ）である。組み合わせ化学(combinatorial chemistry)とは、
並行合成(parallel synthesis)および溶液中または固体支持体上における多価化
合物または化合物の混合物のテストのための方法の範疇を指す。例えば、ｎアミ
ノ酸を含む直鎖状オリゴペプチドの組み合わせ合成は、ｎアミノ酸の可能な配列
組み合わせを示す全ての化合物を同時に生成するであろう。最も一般的に用いら
れる組み合わせ合成の実施は、反応工程を符号化(encode)するためにコロイド状
ビーズ支持体、しかして各化合物の同一性によるものである。現状で好ましいビ
ーズは大きいものになりがちであり（直径が５００ミクロンまで）、その化合物
貯蔵容量を最大限にするために多孔質であり、それらが保有する化合物の同一性
を維持するように符号化されていなければならない。
【０１３２】 ビーズの符号化、またはバイナリー符号化(binary encoding)には、いくつか
の方法が利用できる。二つの例は以下の通りである。まず第一の方法は、ビーズ
がハイブリダイゼーションで典型的に用いられる１７マーのような短いオリゴヌ
クレオチドでラベルされてもよい。このような短いプローブの配列は、直接マキ
サムギルバート配列決定法または質量分析のようなミクロスケール(microscale)
配列決定技術で決定されてもよい。この符号化方法は、仕事が核酸リガンドまた
はオリゴペプチドのライブラリーのスクリーニングを必要とする場合に適してい
る。第二の方法は、組み合わせライブラリーのメンバーが、化学的に不活性な分
子タグと関連づけされてもよい。先の場合とは対照的に、これらのタグ分子は連
続的に関連するものではない。その代わりに、反応工程の配列は、連続的な反応
工程でビーズに取り付けられた個々のタグ分子およびその混合物に対するバイナ
リー符号の正式な割り当てによって符号化される。タグは、ガスクロマトグラフ
ィーのような標準的な分析技術によって容易に同定される。この普通の符号化方
法は、コロイド状ビーズの組み合わせライブラリーの合成において現在用いられ
ている。
【０１３３】 商業的な化合物ライブラリーは広大で、前記１７マーでさえ、配列の組み合わ
せの総数は４＾１７、すなわち約１０＾１０である。しかしながら、典型的な生
物学的基質−標的相互作用の高度の特異性は、収集物中の広大な大半の化合物が
、いずれか一つの特定の標的に対して不活性であることを暗示する。スクリーニ
ングの仕事は、この広い集団の中から、結合または機能アッセイにおいて可能性
のある活性を示すわずかなリード化合物(lead compound)を選択することである
。製薬業における天然化合物ライブラリーに広く適用された主な薬剤発見方法は
、ランダムにライブラリーから個々の化合物を選び出し、それらを一連の試験に
処することである。しかして、実際には１０＾７種のオーダーを含むとされる、
合成化合物の全ライブラリーの早急なスクリーニングと評価を実施するために、
系統的なスクリーニング方法が要求される。
【０１３４】 現状では、化合物は最初に切断され、固体支持体から溶出され、ミクロタイタ
ープレートに貯蔵される。スクリーニングにおけるさらなるサンプルの取り扱い
は、機械的ピペッティングによるものとし、異なる容器、典型的にはミクロタイ
タープレートのウェルの間を移す。機械的ワークステーション(robotic worksta
tions)は、この方法を自動化する方向の工程を表すが、それらは８ｘ１２ウェル
を含むミクロタイタープレートの伝統的な形式、ピペッティングによるサンプル
の取り扱いによるものであり、しかして増分操作の改良を表すにすぎない。さら
に考慮すべきことで重要なことは、分析手段の場所的スケールを減少させること
により試薬とサンプルを浪費しない必要性である。
【０１３５】 本発明は、統合されたサンプルの取り扱いを実現する一連の操作並びに平面形
式においてビーズをベースとする化合物ライブラリーのスクリーニング方法を提
供する。これは、試薬とサンプルの体積により、時間とコストを顕著に低減する
。本発明の方法の主な利点は、多工程分析手段(a multi-step analytical proce
dure)のステーション間でビーズの取り扱いを可能にする、平面形式でのビーズ
の集団を操作するための多くの基本的な操作を提供することである。
【０１３６】 特に、先に記載したように、本発明の方法は、以下の関連する工程：ミクロタ
イタープレートから平面的な電気化学的セルにサンプルを移すこと；基質表面に
隣接する標的部位の不均一なパネルの形成；固体相結合アッセイ；およびアレイ
からの特異的ビーズの分離の実施を容易にする。さらに、本発明の基本的操作は
、平面電極の表面上におけるこれらの工程を連関させる手段を提供する。
【０１３７】 ハイブリダイゼーションアッセイについて上述したように、いくつかの変形が
可能である。すなわち、結合アッセイは、懸濁液中もしくは平面アレイに配置さ
れたいずれかにおいて、酵素のようなタンパク標的をビーズ表面の化合物に結合
させることによって行われてもよい。大きい多孔性キャリアービーズをベースと
する組み合わせ化学の通常の実施は、化合物が不活性な化学的スペーサーを介し
て外表面に連結されたより小さいビーズの同時使用をしてもよい。このような小
型ビーズ（直径が１０ミクロンまで）は、本発明の方法で容易に扱われる。大型
のビーズは、ラベルされた化合物の貯蔵コンテナとして用いられる。
【０１３８】 あるいは、化合物が既に合成支持体から切断されているのであれば、標的と放
射活性またはその他で標識されたプローブとの間の結合が、ミクロタイタープレ
ートウェル内で溶液中で行われてもよい。その場合には、例えばタンパク標的を
ビーズ連結抗体にカップリングする第二抗体法を介して、プローブ−標的複合体
が、複合体形成反応によって各ウェルの符号化されたビーズに捕捉されてもよい
。ビーズ捕捉プローブ−標的複合体は、次いで近接分析(proximity analysis)お
よび図１０に例証したようなさらなる処置のために平面セルに移される。図１０
に示されているように、プローブ−標的複合体１０２は溶液中で形成される。抗
体被覆ビーズ１０４がこの溶液に添加され、ビーズ連結複合体１０６が得られる
。このビーズ連結複合体１０６はウェル１１０から電極１０８上に堆積させられ
、ビーズ連結複合体の平面アレイが形成される。蛍光プローブ１１４が用いられ
た場合には、これらがビーズ連結複合体に蛍光を付与し、検出を容易にする。
【０１３９】 本発明の方法および装置は、大集団における少数の陽性を同定する仕事によく
適している。プローブ−標的複合体の全体のアレイのイメージングは、エリア検
出器(an area detector)に近接すること、並びにビーズレンジング作用(bead le
nsing action)によってさらに増強される。上述したように例えば光学的ピンセ
ット(optical tweezers)を適用することによって、アレイからの少数の陽性のス
コアの分離が容易に達成される。次いで、アレイの大きな残余は捨てられてもよ
い。これは、代わりに、少数の維持されたビーズに限定されるため、結合定数の
決定のようなより厳密な試験を適用する複雑さを顕著に低減する。これらのテス
トは、新しい容器にさらにサンプルを移す必要なしに、最初のスクリーニングを
通過して残ったサンプルに直接適用されてもよい。
【０１４０】 実施例９−平面アレイ形式におけるハイブリダイゼーションアッセイ 本発明は、標的分子が化学的にコロイド状ビーズに付着されるタンパク結合ア
ッセイに関連する外形で平面アレイ形式の固体相ハイブリダイゼーションアッセ
イを実施するために用いることができる。本発明の方法は、溶液中の鎖の混合物
に対する提示のための異なる標的オリゴヌクレオチドの平面アレイの形成を容易
にする。あるいは、アレイにおける蛍光または放射線活性の場所的分散の検出お
よび分析を容易にするために、溶液中におけるハイブリダイゼーションの後にア
レイが形成されてもよい。
【０１４１】 現在、ハイブリダイゼーションアッセイおよび電気泳動による分離に基づくさ
らなる分析を伴う、増幅、転写、ラベリングおよびフラグメント化を含むＤＮＡ
サンプルの抽出および調製のための小型化された装置を開発すべく、多くの調査
および開発が行われている。平面アレイ形式のハイブリダイゼーションアッセイ
は、ＤＮＡの既知のセグメントにおける特異的な単一ベースペアの変異の早急な
検出、並びに対応するｍＲＮＡまたはｃＤＮＡのレベルの分析を介して細胞性遺
伝子の発現レベルの同定のための診断手段として開発される。ＤＮＡの二つの相
補的な一本鎖のハイブリダイゼーションは、分子認識と、それに次ぐＡ−Ｔおよ
びＧ−Ｃの規則に従って二つの対抗する鎖の対応するヌクレオチド塩基間の水素
結合形成を含む。ここでＡ、Ｔ、ＧおよびＣは、ＤＮＡに見出されるそれぞれ４
つのヌクレオチド塩基アデニン、チミン、グアノシンおよびシトシンを示し、Ｒ
ＮＡではチミンはウラシルで置換される。二本鎖すなわちデュプレックス(duple
x)ＤＮＡの形成は、二つの高度に陰性にチャージしたＤＮＡ鎖のペアリングを必
要とし、温度に依存したバッファーのイオン強度が重大な役割を演じる。
【０１４２】 上述したように、平面基質の表面の標的配列の不均一なアレイを調製するため
の二つの主な方法は、ミクロディスペンシング(micro-dispensing)（“プリンテ
ィング”）およびin-situでの、鎖の所定の全長に対して全ての可能な配列組み
合わせを示すオリゴヌクレオチドの場所的に符号化された合成である。この場合
には、ハイブリダイゼーションは必然的に平面基質表面の近接で起こらなければ
ならず、この条件は、場所的障害および基質に対する鎖の非特異的結合から混乱
が避けられているかどうか注意を要する。非特異的吸着は、特に表面でのハイブ
リダイゼーションの動力学を促進するために電気泳動堆積による現在の商業的な
設計で用いられるＤＣ電場の存在において深刻な問題である。さらに、上述した
ように、立体障害および表面近くにプローブ鎖が密集することによる集団的影響
から生じる技術的困難性がある。
【０１４３】 ＤＮＡ解析の場合には、コロイド状（磁気）ビーズが通常用いられる。例えば
、クローンライブラリーからｃＤＮＡを選択するための広範に用いられるスクリ
ーニング工程においてＤＮＡを捕捉するために用いられる。具体的には、ｃＤＮ
Ａを長いゲノムＤＮＡ内の配列にハイブリダイズさせて、次いで混合物からハイ
ブリダイズしたｃＤＮＡを抽出するためにゲノムＤＮＡが磁気ビーズに連結され
る。
【０１４４】 本発明は、ビーズに連結された標的鎖に対する蛍光プローブ鎖のハイブリダイ
ゼーションの前後もしくはフリー溶液中におけるハイブリダイゼーションおよび
末端機能性標的鎖のビーズ捕捉後の、オリゴヌクレオチド修飾コロイド状ビーズ
の平面アレイの形成を容易にする。従来技術の方法とは対照的に、ビーズ連結プ
ローブ鎖は、基質連結標的鎖に運ばれるのであれば任意に選択可能であるが、本
発明はハイブリダイゼーションを平面基質表面の付近で行う必要がない。
【０１４５】 溶液中、個々のビーズ表面、または基質表面のいずれかでハイブリダイゼーシ
ョンを行うことができることにより、かつてないほどの柔軟性が付与される。さ
らに、上述したビーズアレイの利点は、ハイブリダイゼーションアッセイにおけ
るスコアを基礎として、大きなアレイから個々のビーズまたは一群のビーズを選
別および分離することを可能にする。この分離は、関心の向けられた鎖における
後のアッセイの実施を容易にする。ビーズが移動可能であるという事実は、関心
の向けられたビーズが、ミクロシークエンシングの指定された保持エリアに集め
られてもよいこと、あるいはＰＣＲ増幅用に指定された基質のエリアに移動され
てもよいことを意味する。
【０１４６】 本発明の方法は、二つの主なバリエーションの一つで平面アレイ形式でハイブ
リダイゼーションアッセイを実施するために用いられてもよい。全てのものが、
並行読みだし(parallel read-out)用の電極表面に隣接して形成された平面アレ
イまたはパネルにおけるビーズの完全なレパートリーの存在を含む。一般に不均
一なパネルとして、アレイ内のビーズの配置は不規則（化学的同一性に関して）
であって、次いで結合アッセイで高いスコアのビーズの同一性が調べられなけれ
ばならないか、あるいは上述したサンプル充填の“レイアウト保護トランスファ
ー(Layout-Preserving Transfer)”を引き起こすことによって場所的に符号化さ
れる。
【０１４７】 前者の例は容易に実施され、結合アッセイを行う前後でアレイ形成をする。例
えば、ビーズがアレイに組み込まれる前に懸濁液中で結合が行われてもよい。ま
た前記ｃＤＮＡ選択工程については、本発明の方法は、例えばビオチン−ストレ
プトアビジン複合体を介して末端機能性標的ＤＮＡ用の捕捉部材としてビーズの
使用をする。この後者のケースでは、ビーズは、全てのプローブ−標的複合体が
分析の容易のためのアレイに組み込まれる電極表面に、前記複合体を集めるため
の輸送媒体として提供される。特に、電極上のビーズの近接ＣＣＤ検出(proximi
ty CCD detection)は、アレイのビーズのレンジング作用(the lensing action)
で利益を受けるであろう。たとえ少数の陽性スコアが予想される場合でも、アッ
セイのこのバージョンは好ましく用いられる。
【０１４８】 予め形成されたビーズアレイのハイブリダイゼーションは、場所的符号化を維
持する種々のアッセイの利点を得ることができる。ビーズクラスターのアレイが
、前記“レイアウト保護トランスファー”方法によって形成され、ｃＤＮＡの混
合物にさらされる。蛍光強度または放射線活性の結果的な場所的分散が、混合物
中のｃＤＮＡの相対残存量を反映する。この工程は、単一のビーズの表面のプロ
ーブ−標的複合体から特徴的蛍光または他のシグナルの検出による。アレイが本
発明の方法で容易に固定されるという事実を仮定すれば、画像収集は低レベルの
シグナルの検出用の粗いシグナル−ノイズを得るために拡張されてもよい。例え
ば、ビーズ表面上のせいぜい１０＾８プローブ−標的複合体を備えた１０ミクロ
ンの直径のビーズによって生成されるシグナルが検出されてもよい。ビーズレン
ジング作用も検出を補助する。
【０１４９】 薬剤スクリーニングの実施については、本発明の機能部材が、ＤＮＡの準備ま
たは分析工程を実施するために組み合わされてもよい。
【０１５０】 実施例１０−電場−誘導フローにおけるＤＮＡの直線化および引き延ばし 本発明は、他のコロイド状粒子に適用するような基本的な作業によりコイル状
の外形に高分子重量のＤＮＡを配置するために用いることができる。しかしなが
ら、さらに、パターン化された電極表面における電場によって誘導された界面動
電フロー(the electrokinetic flow)が、流れの方向に直線的な外形になるよう
にＤＮＡを伸ばすために用いられてもよい。
【０１５１】 最近になって、引き伸ばされたＤＮＡ分子の外形にそった制限酵素の切断部位
の地図を作成するための視覚的イメージングによる方法が導入された。これは一
般的に“制限地図”として知られる。これらの並びに他のタンパクとＤＮＡとの
相互作用の研究を容易にし、ＤＮＡ配列決定の技術の開発に至らしめるこれらの
方法は、平面基質にＤＮＡを引き延ばしかつ直線化する能力に依存する。
【０１５２】 これは、各ＤＮＡ分子に対して、流体の流れ、ＤＮＡ連結磁気ビーズに作用す
る磁界または毛細管力(capillary force)によって及ぼされるような伸長力に分
子をさらすことにより前もって行われる。例えば、ＤＮＡ“クシ(combs)”は、
電解質の蒸着液滴(an evaporating droplet of electrolyte)中にＤＮＡ分子を
単に配置することによって製造された。表面に分子の一端を化学的に付着するこ
とを促進するように準備がなされるのであれば、縮む液滴(the shrinking dropl
et)と繋がれた分子の表面通過(the surface passes)との間の接触の減少ライン(
the receding line)として、ＤＮＡ鎖が引き伸ばされる。これは、液滴によって
最初に被覆される基質エリア内の不規則な位置に付着され、種々の程度に引き伸
ばされ、かつ液滴の形状を反映して放射状に対称的なパターンで一般的に直線化
された、乾燥ＤＮＡ分子を残す。連結位置の通常のラインに一端が化学的に繋が
れたＤＮＡ分子群からなる直線状の“ブラシ”は、基質上に予め蒸着された二つ
の金属電極間に適用されたＡＣ電場において誘電電気泳動(dielectrophoresis)
によってＤＮＡ分子を直線化および引き延ばすことによって予め作成される。
【０１５３】 本発明は、平面電極表面の所定の配置におけるＤＮＡ分子の配置、および本来
的なコイル状の外形から、予め決められた方向に直線化された引き伸ばされた直
線形になるように分子を引き伸ばす新規の試みを提供するために、酸素のＵＶ仲
介性再成長(UV-mediated regrowth)によってパターン化された電極に隣接する電
気動力学的フロー(electrokinetic flow)をもたらす。この方法は、図１１に示
されており、ＤＮＡコイルの大きさを横切る周辺のフローに制御された勾配を作
り出すことによって達成される。速度勾配は、コイルの異なる部分をコイルを引
き伸ばす異なる速度で動かす。ゼロの速度で停滞点(a stagnation point)を維持
することにより、引き伸ばされたコイルが固定される。この方法は、従来技術の
試みを越えたいくつかの利点を有する。第一に、コイル状のＤＮＡ分子が、表面
のあらゆる位置で所望の形状のアレイを形成する光制御（light control）に処
せられる。これは、コスミドまたはＹＡＣの巨大なＤＮＡが１ミクロンの範囲の
半径のコイルを形成し、しかしてコロイド状ビーズに類似する方式で作用するこ
とから、可能性のあることである。しかして一組のＤＮＡ分子は、所望の最初の
配置に向けられてもよい。第二に、ＵＶ−パターンづけ(UV-patterning)は、電
気動力学的フローによって作られた引き延ばし力が予め決められた方向に向けら
れることを確実にする。サンプルと接触した金属電極の存在、すなわち従来の電
気泳動法の欠点は、特に電場の存在下において、制御することが困難な混入の源
を除くことによって避けられる。フロー中で単一のＤＮＡ分子の引き延ばしに必
要とされるパターン化されたＳｉ／ＳｉＯｘ電極では、数ミクロン／秒という範
囲の流速が作り出される。しかして、フローフィールドにおける勾配は、断片の
引き延ばしと、現れる直線形状の方向付けの両方を決定する。第三に、本発明は
、電場に誘導されたフローの速度の直接的なリアルタイム制御を容易にし、断片
の引き延ばしに対して明白な制御を伝える。
【０１５４】 本発明は、プログラム可能な照射パターン生成のためのシステム及び方法に関
する。本発明は、照射のパターンを生成し、例えばここに記載されるような電解
質−絶縁体−半導体(EIS)によって形成される界面のような平面状表面または平
面状界面にそれらを投影する新規な方法及び装置を開示する。本発明の方法及び
装置は、グラフィックデザインを使用して、またはパーソナルコンピューターで
ソフトウェアーを引き出して、パターンまたはパターンの列を作製し、液晶ディ
スプレー(LCD)パネル及び興味ある表面上にLCDパネルをイメージする光学的デザ
インを使用して界面に、前記パターンまたはパターンの列（「時間変化的パター
ン」）の投影を可能にする。本発明におけるLCD技術の使用は、照射パターンの
場所的レイアウト、一時的列と強度（「グレイスケール」）に対する柔軟性と制
御を提供する。後者の可能出力は、突然変化する光強度を有するパターン、また
は段階的に変化する強度プロフィールを有するパターンの作成を可能にする。
【０１５５】 本発明は、閉ざされた流体環境内でのコロイド状粒子のアセンブリーと横方向
の動きを制御するための照射のパターンを提供する。液体を取り囲む二つの平面
状電極表面の間に提供された時間変化的な電場の存在下で、パターンのレイアウ
ト、透過光強度、電場の強さと周波数、接合ギャップの分離、および半導体ドー
プレベルに依存して、粒子が電極の照射領域の内側または外側に移動することを
誘導できる。
【０１５６】 プログラム可能な照射パターン発生器を開示する本発明と結びつけて、アレイ
再配置、分割、及び（場所的）符号化の進歩した操作が可能であり、それは次に
各種の進歩した操作と応用を導く。
【０１５７】 基板の照射の明領域及び暗領域を規定する固定化マスクの投影によって、パタ
ーンが生成される本発明の応用が記載される。本発明において記載されたプログ
ラム可能なパターン発生器は、コロイド状粒子のセットの組織化した配向的な動
きを可能にする新規な態様で、たくさんのコロイド状粒子の配置についての柔軟
性と制御を提供する。例えば、極端な平面層内にアセンブリーされた粒子は、マ
ウスを使用するコンピュータースクリーンでのグラフィックデザインを「ドラッ
グ」及び「ドロップ」することによって相互作用的に「ドラッグ」及び「ドロッ
プ」できる。別法として、パターンの列またはパターンの変換は、決まった態様
で粒子のアレイを扱うようにプログラム可能であり実行できる。粒子の複数の「
サブアセンブリー」は、照射の下での基板の異なる領域で同時的に且つ独立に操
作できる。
【０１５８】 本発明に従ったプログラム可能な照射パターン発生器は、界面制御を介する個
々的に接近可能な画素のアレイのそれぞれに対して、複数の透過のレベルを可能
にする場所的に接近可能なマスクとして機能する、液晶ディスプレー(LCD)パネ
ルと、パーソナルコンピューターで一般的に使用されるもののような、ビデオグ
ラフィックアダプターによって生成される出力を受け取る駆動回路を含む。前記
LCDパネルは、画素に投射される光強度の一部を透過するように個々的にプログ
ラムされた画素のアレイを含む。利用可能なLCD技術は、256レベル（「グレイス
ケール」）における透過性の制御と、積極的なマトリックスの接近の下での4mm
×6mmのパネルに整列された240×320画素からなるパターン全体の変化を可能に
する。そのようなディスプレーは、例えばKopin Corp, Taunton, MAから入手可
能なCyberDisplay, KCD-QK01-AA, 320 Evaluation Kitを含む。LCDパネル駆動回
路は、VGAまたはシステムモニターを駆動する他のグラフィック出力の形態でPC
から入力を受ける。
【０１５９】 複数のコントラストメカニズムによって微視的イメージの構築が可能である光
学的イメージング機器の視野内のLCDパネル（「マスク」）のプログラム可能な
配置を投影する、結合光学投影及びイメージング装置の光学的デザインと機械的
器具が図１２及び１３に示されている。図１２は、場所的及び時間的に制御され
た照射パターンを作製し、観察カメラを利用してイメージングの視野においてこ
れらのパターンの投影されたイメージを生産するのに適したソフトウェア制御と
応用を有する、投影及びイメージング光学、ＬＣＤ投影ディプレー技術を組み合
わせたプログラム可能な照射パターン発生器のレイアウトを説明するブロック図
である。図１３は、照射とオンライン観察サブシステムを有するプログラム可能
な照射パターン発赤を説明するブロック図である。照射トレインは、レーザーダ
イオードまたは他の平行光供給源のような光供給源を含み、対物レンズの目標面
内にLCDパネルをイメージするように、標準的なKoehler照射に従って形成される
。オンライン観察（「イメージング」）システムは、CCD（または他の）イメー
ジング装置の表面にサンプルのイメージと重ね合わされた投影LCDパターンを生
産するために、明視野、暗視野または蛍光コントラストを引き出す。照射及びイ
メージング光線は、図１３に示されている。
【０１６０】 本発明の装置は、グラフィックユーザーインターフェイスを提供するNational
Instruments' LabView(Vs. 5.1)ソフトウェアーを使用して作製される。LabVie
wで現像されるアプリケーションソフトウェアモジュールは、以下の構築と投影
が可能である： − グラフィックファイルからロードされ、または相互作用的に作製される「ス
ティル」フレーム（粒子の静的な場所的コントロール） − それぞれグレイスケールイメージからなり、以下のものの少なくとも一つに
よって投射システムを介して粒子のアセンブリーに適用されるフレームの列（動
的な場所的及び時間的コントロール）： −− 単一のグラフィック特性（「形状」）に「マウス」で適用される「ドラ
ッグおよびドロップ」操作 −− 作製、貯蔵、及び形状に対する「軌跡」へのプレイバック −− 予備作製イメージファイルの列の搭載。
【０１６１】 この一般的目的のデザインの具体的な構造は、特定の応用において可能であり
、以下のものの使用を含む： − 事前に決定された形状に整列されるレーザーダイオードのような静的照射供
給源、 − 反復性のロングレンジ「ドラッグアンドドロップ」操作が実施される場合の
スキャニングスポットまたはライン。
【０１６２】 本発明の装置は、単一のアレイ、または一般的な流体相内に維持される複数の
分割アレイ（「サブアレイ」）に対する進歩した操作のセットを提供する。これ
らの操作は、以下に詳細に記載される再配置、分割及び（場所的）符号化を含む
（「サブアレイ」）。
【０１６３】 再配置の場合、粒子のアレイは、図１４ａ−ｄに説明されるように照射の投影
パターンの形状及び輪郭を調節することによってin situで再配置されても良い
。図１４ａ−ｄは、暗視野コントラストを使用してここにイメージされた、2.2
μmの直径のコロイド状粒子からなるアレイな全体の形状における光誘導性の調
節の例を説明する。ここに示されたもののようなアレイは、AC場（典型的に1-5V
（ピークからピーク）及び0.1-10kHz）と、中間ドープレベル（典型的に0.01か
ら5オームcmの範囲）の酸化スズ(<100Å)で被膜されたケイ素基板に輸送される
照射の組み合わせに応答して形成される；水または弱電解質溶液（典型的に10mM
未満の塩を含む）のような水性媒体、またはDMSOのような非水性媒体が使用され
ても良い。形状転移の列は、第一に丸く制限された領域内で粒子をアセンブリー
し、次いでここに記載されるアプリケーションソフトウェアーを使用して投影さ
れた照射領域の形状を連続的に変化することによって生産される。特に、縦長長
方形（図１４ｂ）、横長長方形（図１４ｃ）、及び正方形（図１４ｄ）。引用さ
れた条件下で、ここに示されたもののような2.2μmの直径の範囲内の粒子は、ほ
ぼ数秒以内で課された変化に応答する。
【０１６４】 本発明に従ったプログラム可能な方法は、複雑なアレイ再配置の形成を容易に
する。特に「吸引」モード（図１５Ａ）及び「排除」モード（図１５Ｂ）が達成
されても良く、ここで照射領域内で動いて安定性を維持するように粒子を誘導す
るか、または照射領域の外側に動かすかするために、適用電場の適切な周波数の
選択と関連して、照射の強度が調節される。複数の基本的な形状は、粒子が制限
される（「トラップされる」）領域を構築するように複雑な形状に組み合わせる
ことができる（図１５Ｂ）。これらの制限領域は、光の制御の下で所望の数の粒
子を放出できる局所的貯蔵器として機能する。
【０１６５】 図１５ａ−ｂは、本発明に従った粒子位置、及びアレイアセンブリーと再配置
、特に照射基板領域内の集積とアレイアセンブリーと、照射基板領域から照射領
域の形状を描写する別個の位置への排除の制御に対する可能出力を説明する。こ
の実施例において、2.2μmの粒子が、暗視野コントラストを使用してイメージ化
され、長方形フレームの形状に成形された領域内、並びにそのフレームに含まれ
る円形領域内にアセンブリーされた。操作条件は以下のものであった：1kHz/10V
p-p。投射照射強度を変化されない条件の２０％まで増大する場合、粒子は両方
の照射領域から放出され、代わりにフレーム形状を囲む領域に回収される（各側
で）。フレームの内部部分に放出された粒子と、中央円形形状から放出された粒
子は、中間的空間に制限され、そこでそれらは、最も隣接した照射領域の円形内
部形状予兆方形外部形状をトレースする内側及び外側輪郭を有するアレイにアセ
ンブリーする。
【０１６６】 排除は、ω＜ω c（特徴的な周波数）である範囲で、一定周波数ωで照射強度
を増大することによって誘導できる。別法として排除は、値ω＞ω cに一定照射
強度で周波数を増大することによって誘導できる（以下の図２０ａ−ｂ参照）。
周波数ω cは、代わりに粒子の界面分極によって測定される、場誘導性粒子分極
と関連した特徴的な誘電緩和周波数であり、第一に各粒子の重量、形状、サイズ
、及び電気感受率（維持媒体のものに対する）を含む各粒子の物理化学的特性を
反映し、その特性は次に粒子の表面化学的組成を反映する。粒子の枯渇した明（
暗）バンドの広さは、Vp-p、周波数、適用DCバイアスボルト数、及び照射強度の
組み合わせによって決定される。排除のメカニズムは、フロー指数と位置に対す
る正確な制御を可能にする。
【０１６７】 基本的な形状と共に、複雑な形状が、基板上の所望の位置に粒子の制限された
アセンブリーを輸送するために「ドラッグ」及び「ドロップ」できる（図１６）
。ここで開示される方法及び装置は、「ドラッグアンドドロップ」粒子アセンブ
リーにいくつかの手段を可能にする。これらは以下のものを含む：相互作用的に
動くマウス／カーソル；静的な照射パターンに対するサンプルの横方向の転置；
または基板上の最終目的地に対する粒子のアセンブリーの横方向の移動に向けた
強度プロフィールのラインアウト。密接にパックされたアレイ配置、または粒子
のセットの分散したアセンブリー配置のいずれかを好むために、光強度、並びに
変化する電場のボルト数と周波数が調節されても良い。分散した配置は、「ドラ
ッグ」操作について嗜好され、密接にパックされた配置は、「ドロップ」操作に
引き続き安定性を提供する。
【０１６８】 図１６は、連続した流体維持媒体内の、初期のビーズの３つの束のセット（上
部列）、左及び中央の束を併合することに夜二つの束（中央列）、最後に中央の
束と左の束を併合することによる単一の束（下部列）への併合の３の連続した工
程を説明する。これは、「ドラッグアンドドロップ」並びに併合操作の能力を説
明する。この実施例における粒子と操作条件は、図１５ａ−ｂのものと同一であ
る。
【０１６９】 分割の場合、上述のような操作は、形状、サイズ、及び表面電荷と分極性のよ
うな電気化学的特性に基づいて、粒子の混合物を分別し、興味ある特異的粒子を
単離し引き出すためにアレイをサブアレイに分割する方法を可能にする。この分
割操作は、粒子が排除される位置に高い強度を投影する照射パターンの列を適用
し、それによって投影されたパターンに従ってアレイをサブアレイに分割するこ
とによって実施される。
【０１７０】 例えば、それぞれ「メス」として作用する高強度の「ライン」の列を適用する
ことによって、アレイをサブアレイに分割しても良い（図１７）。この操作を相
互作用させることによって、興味ある小さなセットの粒子を単離し、これらの粒
子を含む領域を照射することによってアレイから引き出し、次いで前記領域を連
続してさらに分割しても良い。図１７は、縦のラインの形状で高強度の照射パタ
ーンを投影し、それによってアレイ内の興味ある際だった領域を摘出することに
よるアレイの分割の工程を説明する。個々の工程は左から右に示され、相互作用
は完全な摘出を導く。
【０１７１】 さらに、複数の個々の粒子が、制限パターンを確立し提示することによって場
内に維持され操作されても良い（図１８ａ及び１８ｂ）。生成した可能出力は、
多時的「光学的ピンセット」のものと類似する。実際「光学的ピンセット」は、
フォーカスレーザービームと検流計ミラーを使用して特異的な個々の粒子を閉ざ
すために、ここに記載される方法と装置と結びつけて適用されても良い。
【０１７２】 図１８ａ−ｂに示されるように、個々の粒子及びセルに対する制御は、照射領
域内への粒子の集積を確保する条件下で、光学的制限を適用することによって達
成されても良い（図１５ａ参照）。二つの照射領域が「ドラッグアンドドロップ
」を使用して近接される場合、個々の粒子は隣接する制限領域（「トラップ」）
の間で移動できる。移動の方向は、照射強度の小さい差異によって決定される：
排除の形式を避けることを確保する条件下で、より明るい領域が好ましい（図１
５ｂ）。例えば、二つの照射制限領域の間で示されるように粒子は交換する：初
期状態では（図１８ａ）、一つの粒子が縦長の照射長方形に制限され、三つが横
長の照射長方形に制限される；最終状態において（図１８ｂ）、この配置は逆転
する。この実施例の粒子及び操作条件は、図１５ａ−ｂのものと同様である。
【０１７３】 複数のタイプの粒子からなる粒子の異種混合物の分別は、異なる粒子タイプに
作用する各種の力に対する前記粒子の異なる応答を作製することによって達成さ
れても良い。興味ある物理化学的粒子特性は、サイズ、形状及び電気的分極性を
含む。操作パラメーターは、照射強度、周波数、及び変化する電場のボルト数、
並びにケイ素基板ドープレベルを含む。
【０１７４】 ここで図１９を参照して、粒子の残りの排除を確保する条件下で照射領域内に
混合物で存在する一つの粒子タイプのみの選択的な回収が説明される。図１９は
、円形状の照射領域内の二つの粒子タイプの一方の選択的回収による、粒子の混
合物の分別を説明する。適切な条件下で（以下の図２０ａ−ｂと関連して排除の
議論と特徴的周波数を参照）、3.2μmの直径を有する粒子を、照射領域内に回収
してアレイにアセンブリーし、4.5μmの直径を有する粒子を、前記領域から排除
して、中央領域から外側に放射状に広がる紐状にアセンブリーし、前記領域の輪
郭に並べる。この実施例における操作条件は、図２０ａ−ｂと関連して使用され
たものと同一である。
【０１７５】 同様に図２０ａは、照射強度、周波数、及び電場のボルト数の特徴的な組み合
わせを使用して、他のタイプの排除を確保する条件下で、照射領域内に一つのタ
イプの粒子を選択的に保持することを説明する。異なるサイズまたは電気的分極
の粒子は特徴的な周波数を示し、適用電場の周波数がこの特徴的な値に低下され
た場合、対応するタイプの粒子を排除する。
【０１７６】 図２０ａは、４つのサブパネルよりなり、照射基板領域からの粒子排除の異な
る周波数依存性を課すことによる、粒子の異種混合物をその構成均質粒子サブ集
団に分別する概念を説明する。単一の粒子タイプとして、図２０ａの上部左及び
下部左は、適用電場の周波数であるωが、特徴的な緩和周波数であるω cより低
い値にセットされる場合に、照射領域内に粒子が集積され、ω＞ω cの場合に粒
子が排除されることを説明する（図１５ａ−ｂ参照）。サイズ及び電気感受性を
含む物理化学的特性の一つが相違し、対応してその特徴的周波数が相違する（ω
c（タイプ１）＜ω c（タイプ２））タイプを有する、二つのタイプの粒子の混
合物について（図２０ａ、上部右及び下部右）、分別の新規な方法が説明される
。特に、照射領域からの単一のタイプの粒子の排除が、第二のタイプが制限され
たままであることを確保する条件下で誘導される。
【０１７７】 図２０ｂは、それぞれ3.2μm及び4.5μmの直径の二つのタイプのビーズを使用
して、図２０ａの下部右サブパネルに表されたものに類似する分別の実際の実現
を説明する。この実施例において、実際の実現は、両タイプの粒子が基板表面に
ランダムに配置された最初の状態から進行する。場の中央の円形領域は、照射領
域内で小さい方の粒子より排他的になるアレイのアセンブリーを誘導し、同時に
外側方向に放射状に大きい方の粒子の排除を誘導するように、強度、AC電圧（約
3Vp-p）及び周波数（約1kHz）の条件下で照射された。その結果、排除された粒
子は、再循環する流体フローの拡散「リング」にトラップされる。
【０１７８】 さらなる可能出力は、照射領域内に単一のタイプの粒子の選択的集積を可能に
する条件下で、視野を横切る照射パターン（「形状」）を動かし、それによって
与えられたランダムな混合物からデザインされたタイプの粒子を物理的に分離し
、標的位置に前記デザインされた粒子を富化して沈着するものである。これは図
２１ａ−ｂに説明され、この図は、平面状基板表面にランダムな位置で沈着して
いる小さなコロイド状粒子（2.8μｍの直径）のセットを含むサンプルを横切る
照射パターンを動かす過程での連続した時間で撮られたスナップショットを説明
する。パターンが左（図２１ａ）から右（図２１ｂ）に移動するに連れて、粒子
は表面の照射領域内で集合する（図２１ａ）。典型的な操作条件は、1-10Vの適
用ピークからピークのボルト数、0.1-5kHzの典型的周波数（興味ある粒子のサイ
ズと表面化学的特性に依存する）、並びに670mmで放出される100mWレーザーダイ
オードによって輸送された光強度を含む。図２１ａ−ｂに示された実施例におい
て、投影されたパターンは、約20sで400μmの視野を横切って動かされた。照射
パターンが動くにつれて、粒子がこの動きを追跡し、粒子が実質的に除去されて
いる動いた領域を残して、さらなる粒子がこのパターン内に動かされた。重量、
サイズ、表面形態、または電気的分極性を含む電気化学的特性を含む物理化学的
粒子特性の差異は、異なる粒子移動を導くことができる。図２１ａ−ｂに示され
た実施例において、引きずられた粒子は、移動する照射パターンの背後に広がる
（図２１ｂ）。より低い粒子の移動度は、よりゆっくりと背後に移動するに連れ
てより広いテールを導く。この異なる粒子移動は、粒子の異種混合物を構成粒子
集団に分別するために使用できる。同様の分別可能出力は、照射強度が規定され
た場所的変位を示すように、照射プロフィールを課すことによって達成される。
【０１７９】 ビーズの異種ランダム混合物を複数の構成集団に分別する特に有用な方法は、
照射強度勾配の作製であり、そこで適用された電場の周波数が、複数のタイプの
粒子を強度勾配内の別個の特徴的な位置に残すようにすることを可能にするよう
に選択される。
【０１８０】 分別が主にアッセイに引き続くアレイの「ポストプロセッシング」に関する一
方で、アレイの「プレプロセッシング」は、アレイ内でビーズの表面に展示され
た分子の複数の化学的同一性の独特の符号化を確保する。抗体またはDNAのアレ
イの「プリンティング」または「スポッティング」またはオリゴヌクレオチドの
in situ化学合成によるような従来の方法とは対照的に、本発明は、粒子の場所
的及び化学的に符号化された平面上アレイを生産するための方法及び装置を開示
し、そこでは化学的化合物（抗体または抗原を含むタンパク質、オリゴヌクレオ
チド、DNA及びRNAを制限することなく含む）がビーズ表面に展示され、アレイが
アセンブリーされる基板には結合しない。
【０１８１】 図２２ａ−ｂは、アセンブリーされたアレイ内のビーズの末端の化学的同一性
の独特のin situ測定を可能にするための、アレイの化学的及び場所的符号化の
方法と手順の外観（図２２ａ）、及び基板への個々のビーズの選択的つなぎ止め
、分割、及び分別の手段によるアレイの脱符号化の方法（図２２ｂ）を表す。前
者の方法及び手順は、試験方法（「アッセイ」）または同時的プロセッシングに
おける使用の前のアレイの「プレプロセッシング」において特に興味深い；後者
は、アッセイに引き続くアレイの「ポストプロセッシング」において特に興味深
い。場所的符号化の方法は、以下に詳述される(Sequential Injectionの小差に
ついては図２３及び２４を参照)。脱符号化の方法またはアレイの「ポストプロ
セッシング」は、図１７，１９及び２０ａ−ｂに関して議論されるように、分割
及び分別によって引き続かれる。
【０１８２】 本発明に従って、化学的及び場所的符号化は、平面状アレイ内でコロイド状ビ
ーズのような粒子の同一性（「タイプ」）を符号化し脱符号化することを組み合
わせても良い。つまり、共通の貯蔵庫から由来し、複数の化学手金符号化された
ビーズタイプを含むビーズの別個の束が、光学的にプログラム可能なアレイアセ
ンブリー方法の間で共通の流体相内で維持される。束は、束内のビーズの起源（
「貯蔵庫」）の間で明白な一致を維持するようにドラッグアンドドロップされる
。最終の「ドロップ」位置で、束はサブアレイにアセンブリーされ、各サブアレ
イは、サブアレイ内のランダムな位置で「タグ化」ビーズの複数の識別可能なタ
イプからなる。つまり個々のビーズの位置は事前に未知である。最終の位置で、
セット内のビーズは、物理化学的方法を使用して永久にまたは一時的に固定化で
きる；例えばそれらは、ここに記載されるような照射パターンを使用して位置に
維持できる。
【０１８３】 この方法の例は、各サブアレイ内のビーズが、ビーズを埋め込みin situで脱
符号化可能な物理化学的タグによって独特に同定され、複数のランダムな符号化
サブアレイが基板表面の別個の標的（「ドロップ」）位置で形成されるような、
ランダムに符号化されたサブアレイのアレイのアセンブリーである。かくして10
,000タイプの複雑性を達成するために、１０×１０のアレイをアセンブリーする
ことで十分であり、それぞれは１００のタグ識別可能ビーズを含む。このストラ
テジーの「ランダム化」バージョンは、連続的注入によって可能である。
【０１８４】 このアプローチの利点は、ビーズ化学及び基板プロセッシングが、それによっ
てアレイを形成する工程から分離されることである。例えば、イムノアッセイま
たはDNA発現プロフィールのような各種の応用が、同じアセンブリー工程によっ
て補助でき、前記応用は、使用されるビーズの化学的特異性でのみ異なる。物理
化学的符号化のような工程、並びに特定の化学性（「官能性」）の表面結合性、
並びに量的制御を含むビーズプロセッシングは、アレイアセンブリーの前にオフ
ラインで扱われても良い。
【０１８５】 ランダムな連続的注入とビーズつなぎ止め（図２３参照）及びサブアレイの光
制御的配置（図２４参照）を含む連続的注入は、基板に個々に制御可能な外的貯
蔵庫のセットを連結することによって実施されても良い。別法としてビーズの懸
濁液のべっこの等量物が、これらのドロップから抽出されるビーズからなる符号
化ビーズアレイの連続的なアセンブリーと共に、基板上に沈着されても良い（「
マクロスケール」）。
【０１８６】 図２３は、周知の貯蔵庫に由来するビーズの注入の複数の連続的工程による、
符号化マルチ構成ビーズアレイを構築する方法を説明する。各注入工程は、必要
なようにイメージング機械の視野内への粒子の集積を介して、ビーズのランダム
な構成を導く；これが記録され、ビーズが固定化される。次の工程は、以前に構
成にビーズを添加する。これらは、それぞれ新しいフレームで際だたせられる。
連続したイメージ、Im 1、Im 2、・・・Im nは、各注入工程によって生成された
構成の記録を提供する。列内の個々のイメージを調べ、列における適切なイメー
ジと結合アッセイ法（ここで以前に開示されたような）で得られたイメージをマ
ッチさせることによって、前記アレイが脱符号化される。
【０１８７】 図２４は、図２３の方法の一般化を説明する。特に、周知の貯蔵庫に由来する
ビーズの複数の注入工程による、符号化マルチ構成ビーズアレイを構築する方法
を説明する。各注入工程に引き続き、ビーズを照射領域内に集積し、次いで「ド
ラッグアンドドロップ」によりデザインされた標的位置に動かす（図１６参照）
；「ドロップ」位置で、ビーズは安定性を保持し、または永久に固定化される。
各「サブアレイ」は、化学的符号化されたビーズの混合物を含むことができる。
【０１８８】 「Bead Packet Demultiplexing」は、本発明の好ましい実施態様に従って達成
され、そこでは光感受性電極の表面に導かれた孔に対して流体状溝（「チャンネ
ル」）によって連結されたコンピューター制御のマイクロ貯蔵庫を使用して、連
続的な注入が実施される。複数のビーズの「束」は、連続的な流体の流れ内に配
置され、入力流れ内で近接する「束」の間で相互の混合を除去するように空間が
空けられる。流れ内の束の列の順序は、ビーズの各束の起源を独特に表す。各束
が電極表面に出現すると、それぞれは最終区画にドラッグアンドドロップされる
。
【０１８９】 この方法は、複数のビーズタイプに対する単一の入力チャンネルの使用を可能
にし、それによって表面基板にビーズを運搬するのに必要なマイクロ流体循環構
造の複雑性を有意に減少する。これは特に、多くの別個のサブアレイを含むアレ
イがアセンブリーされる場合に有利である。
【０１９０】 別のアプローチは、平面状基板表面のデザインされた位置内にデザインされた
貯蔵庫から由来する複数の粒子を含む懸濁液を分配することであり、ここで前記
懸濁液は、分配の後で小滴内に制限されたままであり、選択された位置は前記小
滴内の各複数の粒子を同定する。この方法は、複数の貯蔵庫と、この貯蔵庫に含
まれる複数の多様性の粒子に連続的または同時的に適用されても良い。分配小滴
に典型的な容量は100nlから1μlであり、従って近接する小滴はその近接する隣
接物と接触しないように空間を空けられる。
【０１９１】 底の電極上の複数の小滴の沈着に引き続き、上部の電極が適用され、粒子アレ
イが同時的に各小滴において形成され、連続的な流体相を生産するように電極の
ギャップが閉ざされる。連続的な「ドラッグアンドドロップ」操作が複数のビー
ズに適用され、それぞれの前記多様性は独特の貯蔵庫に由来し、それぞれが基板
上の独特の最終配置にドロップされる。
【０１９２】 特別の実施態様では、基板（「チップ」）が貯蔵庫に各壁に沈着され、前記壁
は、標準的な８×１２マクロプレートの形態因子に従って整列される。複数のビ
ーズ懸濁物の小滴が、同一の構成及びレイアウトのアレイを運搬する９６チップ
を生産するように、８×１２チップのそれぞれに連測的に沈着される。沈着とギ
ャップを閉ざすことに引き続き、照射勾配を使用する「ドラッグアンドドロップ
」操作が、標的位置内にサブアレイを動かすように機能し、与えられたチップ上
の全てのサブアレイの標的位置がチップの中央の全ての領域で占められ、アブア
レイが初期の位置よりも最終位置でより近接する（図２５ａ−ｃ）。
【０１９３】 図２５ａ−ｃは、粒子アレイの符号化複雑性を増大するための化学的及び場所
的符号化の組み合わせた使用を説明する。３つのパネルは、関連する態様を説明
する。図２５ａは、複数のウェル内にサブアレイを配置する（「チップ」）方法
を説明する。各チップは、複数の別個のサブアレイからなるビーズアレイを展示
するように構成される（図２４参照）。図２４の方法を実施することによって、
複数の周知の貯蔵庫から由来するビーズが、典型的に１００ミクロンの小滴から
小滴の間隔のスケールに、小滴に最初に沈着される。小滴が連続する流体相内に
合流された後、場所的に符号化されたビーズアレイが、ドラッグアンドドロップ
操作を適用ようすることによって形成され、それによって１０ミクロンに場所的
スケール（サブアレイとサブアレイの間隔）が減少される。図２５ｂは、ここで
議論されるような化学的及び場所的符号をかけ算することによって達成される符
号化複雑性を示す。図２５ｃは、各サブアレイ（周知の「ドロップ」位置）と、
起源となる貯蔵庫の間の１対１の対応性を説明し、例えば貯蔵庫r1,...r8が示さ
れている。
【０１９４】 ビーズの「縞模様の」アセンブリーが、混合物中に存在する粒子の一つの特異
的なタイプのみの選択的なアセンブリーを好む連続的な選択条件によって、与え
られた粒子のランダムな異種混合物から形成されても良い。これらの条件は、照
射強度の最適化、及び適用電場の周波数を含む。例えば、与えられた照射強度に
ついて、連続したより低い周波数は、連続したより大きな粒子のアセンブリーを
好む。粒子の連続したアセンブリーは、場所的に分離した「バンド」を形成し、
それぞれのそのようなバンドは、一つのタイプの粒子のみよりなり、各前記バン
ドの位置は、対応するタイプの粒子を独特に同定する。
【０１９５】 図２６ａ−ｂは、構成の別個のバンドの同心円のセットを示す複合粒子アレイ
の生産方法を説明する。この複合構造は、粒子のアセンブリーの複数の工程を実
施することによって生産され、各工程は、基板表面上に配置されたいくつかのタ
イプの粒子のランダムな混合物から一つのみのタイプの粒子を選択する。図２６
ａは、Ａ，Ｂ，Ｃ及びＤの文字によって表された４のタイプの粒子を含む縞模様
の構成を示すことによってこの方法を説明する。図２６ｂは、2.8μmの粒子のア
レイを含む前記の縞模様の複合アレイの認識を説明する：これらは、より小さい
粒子のみの回収を好む条件下でアセンブリーされた（図１９及び２０ａ−ｃと、
特徴的な周波数の議論を参照）；つまり、前記周波数は、ω c（より大きい粒子
）＜ω＜ω c（より小さい粒子）のように選択された。次の工程では、周波数は
ω＜ω c（より大きい粒子）に調節され、より小さい粒子の中央のアレイを取り
囲むリングの形状により大きい粒子のアレイのアセンブリーが誘導された。この
方法は、図２６ａに考慮される態様で一般化できる。
【０１９６】 図２７は、粒子が外的に課されたレイアウトに従って配向的な「自己アセンブ
リー」を受けることができるように、ボルト数及び周波数の適切な条件下で高強
度で照射された基板領域からの粒子の排除を好む賦課条件の原理を説明する（図
１５ａ−ｂ、１９及び２０ａ−ｂに関する議論参照）。これは、長方形照射領域
からの粒子の排除と、イメージの中央における照射長方形の名目の境界から特定
の距離でのこれらの粒子のアセンブリーによって生産された、3.2μmの直径の粒
子の形状によってここで説明される。粒子のセットは、長方形の中央を装飾する
。この実施例において、条件は図１５ｂにおけるものと同様であった。交差する
プロフィールの形態での強度勾配を課すことによって、粒子は非常に正確に配置
されても良い。例えば、二つの対立して伸びていく直線状のプロフィール（「ラ
ンプ」）の切り込みは、粒子が並ぶ向きに沿った線の形状で局所的な最小値を定
義する。これは、粒子の線の「記載」を可能にする。
【０１９７】 本発明に従った装置は、以下の特徴及び機能を提供するような操作システムと
しての、パーソナルコンピューター上のNational Instruments' LabViewグラフ
ィックインターフェイスコントロールソフトウェアーを使用して構築されても良
い： − 入力／出力モジュール、イメージ獲得、デジタル化及び貯蔵を含む全てのハ
ードウェアのインターフェイスとコントロール機能のマネージメント； − 以下のことを実施するための符号モジュールを生産するグラフィックプログ
ラミング環境： −− 円形、楕円形、正方形、及び長方形を含む単純な幾何形状；複雑な形状；
並びに複数の画素を横切る具体的な強度バリエーションを規定するプロフィール
を作製（「描く」）可能出力を提供するグラフィック作品の生産； −− グラフィック入力装置（「マウス」）を使用する各種の形状の互換的な「
ドラッグアンドドロップ」； −− 連続的な「ドラッグアンドドロップ」操作の列の作製、貯蔵及びプレイバ
ックであって、「ドロップ」位置の列は、多角形軌跡の頂点を定義し、前記頂点
は「マウスのクリック」に応答して貯蔵され、完全な多角形を構築して貯蔵し；
プレイバック速度は、相互作用的に調節可能であり、並びに前記多角形で貯蔵可
能である； −− 商業的に入手可能なグラフィックまたはコンピューター補助デザインソフ
トウェアーパッケージを使用して、オフラインで作製された恣意的な複雑なグラ
フィックレイアウト及びデザインを含むビットマップの搭載 − 入力がLCDコントロールエレクトロニクスに対する例えばVGAといった標準的
なPCグラフィックフォーマットにおいて提供される、LCDパネルコントロールエ
レクトロニクスに対する入力； − 上述の機能の相互作用的なマネージメントとプログラム可能性を提供するグ
ラフィックユーザーインターフェイス。
【０１９８】 本発明の方法及び装置の応用は、以下の実施例を含む。
【０１９９】 高速度でプログラム可能な粒子アレイアセンブリー 例えば照射の勾配を課すことによる、粒子のサイズを介して特徴的なサイズを
規定し、ミクロン以下の正確性で粒子を配置する複雑なレイアウト（「記載」）
に従った粒子のプログラム可能なアセンブリー（図２７）。
【０２００】 「操作された」表面の作製 複数の多様な粒子の配置を表面の指摘された領域に緊密にパックされたアセン
ブリーに使用する、複数の多様な特定のタイプの所定の注入列に従った、化学的
に異種の表面のアセンブリー。前記表面は、触媒を含む各種の応用に有用である
。
【０２０１】 コピーできない「バーコード」 例えば二次元マトリックスのフォーマットにおける、アセンブリーされた粒子
のサブアレイの整列であって、マトリックス内に占有した位置のセット及びコー
ディネートが独特の符号を表すように、それぞれがミクロ粒子の正確に制御され
た数からなる。このアプローチを使用して、N×Mのマトリックスは、２＾(N+M)
の独特の形状を生産する。図２８は、独特の小型化したコピー不可能な符号を生
産する、ビーズのランダムなアレイで集合化した６の場を有する４×４の的リッ
クを有する例を説明する。ここで図２８を参照して、ここで開示された方法によ
って生産されたビーズの複数のランダムな符号化アレイからなるパターンが説明
される。前記パターンは、沈着した基板に対する独特の小型化した「ラベル」を
表す。独特のラベルをデザインするため、ビーズアレイによって占められたN×N
マトリックス内の位置は、ランダムに選択される。さらに、各アレイ内のビーズ
の位置は完全にランダムである。つまり、前記構造は二つのレベルのランダム化
を有し、文献に評価されている符号化可能出力を有するランダムマトリックスの
ランダムマトリックスを表す。ラベルの模写は、上部レベル、つまり指摘された
位置へのビーズのアレイ全体の配置が場所的コントロールを必要とする、元々の
構造において必要とされない可能出力である、元々の構造に従った正確なビーズ
ごとのアセンブリーを必要とする。
【０２０２】 自己同調性フィルター／インディケーター 入射光制御性のアレイアセンブリーを部分的にブロックするように形成された
粒子の平面状アレイ。フィードバックループに従ったアレイ自己調製の横方向の
密度は、以下のように作製された： − 構成粒子の特徴的な誘導緩和周波数を超える値への周波数の調節（これは自
発的なアセンブリーを妨げるように機能する）； − 照射領域の定義； − 照射領域の中へ粒子の集積を誘導し、その内部でアセンブリーするような照
射の調節； − 照射領域内部での粒子アセンブリーが、光感受性電極に対する光の透過を減
少し、それによって照射領域内に粒子を吸引する力が減少し、粒子密度が減少す
る； − 粒子密度が減少すると、透過密度が増大し、粒子が再び照射領域内に吸引さ
れ、照射領域内の粒子の最適な密度が出現する。
【０２０３】 この方法の利点は、照射領域内の粒子の最適な横方向の密度が、選択された照
射強度と適用電場の周波数を反映することである。この態様では、最適な密度は
、前記強度または周波数、並びに照射供給源の場所的形状を「ディスプレー」す
るように機能する。
【０２０４】 光制御的な局所的流体フロー 外的な照射パターンに従ったミクロ混合と横方向の輸送を誘導するように、数
１０から数１００ミクロンのスケールでの局所的流体フローの誘導。再循環する
フロー場は、照射領域の境界に沿って作製されても良い。また複雑なフローパタ
ーンが、所望の輪郭の形状を投影することによって生産される（図２９）。ここ
で図２９を参照して、基板の照射領域と非照射領域の間の境界で生成された光誘
導性の流体フローが説明される。再循環するフロー場は、照射領域に向けて集中
する底の基板に沿ったインフローと、前記領域の境界から離れるアウトフローを
有するドーナッツ型の形状を有する。フロー速度は、適用電場のボルト数と周波
数（特定の上限値まで）と共に増大する。近接する適切に選択された形状の複数
の照射領域を整列させることによって、複雑なフローパターンが生成できる。こ
の方法は、光誘導性のミクロ混合と局所的攪拌を可能にする。この例は、ビーズ
アレイを含む中央の円形領域と、と、前記領域の周辺を描く放射状に向いたぼん
やりとした「ライン」を示す。詳しい観察により、各ラインが照射領域から上向
きに且つ離れるように位置し、再循環を装飾する粒子のひもよりなることが示さ
れる。この実施例における粒子と操作条件は、図１５ａ−ｂ及び１９のものと同
一であった。
【０２０５】 ランダム混合物との結合反応：交差結合性ビーズクラスター 粒子の二つの集団のセットアップであり、各集団は、溶液中に存在してもしな
くても良いマルチ有歯リガンド（単純な場合：デザインされた末端を有する直鎖
状分子：DNAまたはペプチド）の非対応末端とマッチするようにデザインされた
二つの末端を有する長い分子の一方の「末端」に対するレセプターをディスプレ
ーする。前記リガンドの存在は、交差結合性ビーズクラスターの形成によって示
される。
【０２０６】 例として、二つのサブアレイが定義されても良く、それぞれは化学的に符号化
されたビーズのランダムな混合物を含み、前記符号は表面にディスプレーされた
特異的レセプターに対応する。二つのサブアレイの混合を誘導し（二次元で）、
リアルタイムで各粒子に対する軌道を記録する。これは、例えばS2で由来する赤
色ビーズからサブアレイ１(S1)に由来する赤色ビーズを独特に区別することが可
能である：赤色(S1)!＝赤色(S2)；同じセットの色は、サブアレイのそれぞれに
ついて使用できる。交差結合は、交差結合したレセプターの同一性を明らかにす
るように分析できる構成ビーズの列を有するダイマー（より一般的にクラスター
）を作製しても良い。
【０２０７】 分割−結合−再結合合成の二次元実施 以下のような、ビーズに基づく固相合成のDCRストラテジーに典型的な反応の
列を実施するための、毛細管／表面化学的パターンづけ、調節可能なギャップ液
体セル、及びLEAPSの組み合わせ： − 流体ドロップのアレイの形成であって、それぞれは、本発明に従った液体セ
ルの平行な電極（典型的に100μmの距離を空ける）の間に複数の粒子を含む；各
ドロップは、マッチするN×Mの形状に二つの近接する電極内に機械処理された二
つの液体ポートに連結される：上部電極のポートは、核反応工程を実施する溶媒
として機能する等量の懸濁流体を供給する：下部電極のポートは、ミクロ多孔性
「膜」を備え、それは溶媒から残余のビーズを吸い取るためのフィルターとして
機能する。
【０２０８】 以下の工程の列が、ここで実施される −− 上部電極のポートを介したN×M位置内への服すの粒子の懸濁液の注入； −− N×Mのバラバラの小滴の形成（液体セルギャップは開いている） −− 以下の工程を繰り返す −− 小滴当たり１の反応溶媒中のN×Mの反応物の等量の添加； −− ビーズ表面の化合物に溶液含有反応物を反応させることを繰り返す； −− 反応を符号化するビーズ表面への化学的ラベルの添加； −− 照射パターンを形成して電場を適用し、底部電極におけるマイクロ孔に
隣接するが一致しない照射領域への粒子アレイの形成； −− ギャップを閉じ、全てのN×M小滴を連結する連続的流体相の形成； −− 粒子を分配する周波数の増大と、N×Mマトリックスの位置の間に粒子を
ランダムに再配置するための本発明の原理の使用（N×Mアレイ内の位置の間への
プログラムされた分配、分割及び「ドラッグアンドドロップ」を介する）； −− 別個のN×M小滴を再形成するためのギャップの開口 −− 流体の吸引（ビーズは残したまま） −− 繰り返し終了。
【０２０９】 このシステムの利点は、多様な平行的オンチップ反応が、平面上「反応チェン
バー」を開口する必要なく、且つ反応容器の間で再アレイ化のためにチェンバー
から粒子を除去する必要なく同時に適応されることを含む。試薬の消費を最小化
するが、より重要なことは、混在かを最小化し、リアルタイムの光学的モニタリ
ングに直接接近可能な制御された環境内で少量のビーズを扱うように、可能出力
が提供される。
【０２１０】 本発明が、その好ましい実施態様を参考にして特に示され記載される場合、形
態及び詳細に関する各種の変化が、本発明の精神及び範囲から離れることなく実
施できることは、当業者に理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１ａ−ｈは、ビーズ操作ののための基本的な操作の説明図で
ある。
【図２】 図２ａ及び２ｂは、基板表面上のデザインされた領域における
粒子の捕獲法を説明する写真である。図２ｃ及び２ｄは、基板表面上のデザイン
された領域における粒子の排除法を説明する写真である。
【図３】 図３ａ及び３ｂは、Si/SiOx電極の酸化物プロフィールの説明
図である。図３Ｃ及び３Ｄは、溝に沿った粒子のチャンネリングの写真である。
【図４】 図４ａ及び４ｂは、小さなクラスターへの存在する凝集物の分
割の写真である。
【図５】 図５は、個々のコロイド状ビーズのレンズ作用の写真である。
【図６】 図６ａ−ｃは、ミクロタイタープレート型平面セルへのレイオ
ウト保存転移法の側面説明図である。
【図７】 図７は、ビーズクラスター内のスペーサー粒子の封入の写真で
ある。
【図８】 図８は、アッセイバリエーションを結合する説明図である。
【図９ａ】 図９ａは、粒子ソーティングのメカニズムの説明図でる。
【図９ｂ】 図９ｂは、粒子ソーティングのメカニズムの説明図である。
【図９ｃ】 図９ｃは、粒子ソーティングのメカニズムの説明図である。
【図１０】 図１０は、ビーズ結合プローブ−標的複合体の平面アレイの
説明図である。
【図１１】 図１１は、本発明に従ったDNA引き延ばしの説明図である。
【図１２】 図１２は、本発明に従った照射パターン発生器のブロック図
である。
【図１３】 図１３は、本発明に従った照射パターン発生器のブロック図
である。
【図１４】 図１４ａ−ｄは、光誘導性アレイの異なる形状の写真である
。
【図１５ａ】 図１５ａは、粒子吸引を説明する集積粒子の写真である。
【図１５ｂ】 図１５ｂは、粒子反発を説明する制限粒子の写真である。
【図１６】 図１６は、粒子に適用される「ドラッグアンドドロップ」操
作を説明する写真である。
【図１７】 図１７は、サブアレイ境界を作製する照射プロフィールの使
用の説明図である。
【図１８】 図１８ａ及び１８ｂは、粒子制限パターンの確立と維持を説
明する写真である。
【図１９】 図１９は、粒子の残りの排除を確保する条件下での、照射領
域内への混合物で存在する粒子の一つのみのタイプの選択的な集積を説明する写
真である。
【図２０ａ】 図２０ａは、照射強度、周波数、及び電場のボルト数の特
別な組み合わせを使用する、他の者の排除を確保する条件下での、照射領域内の
一つのタイプの粒子の選択的保持を説明する。
【図２０ｂ】 図２０ａは、照射強度、周波数、及び電場のボルト数の特
別な組み合わせを使用する、他の者の排除を確保する条件下での、照射領域内の
一つのタイプの粒子の選択的保持を説明する。
【図２１】 図２１ａ及２１ｂは、平面基板表面上でランダムな位置で沈
着している小さなコロイド状粒子(2.8μmの直径)のセットを含むサンプルを通過
する照射パターンを動かす過程での連続した時間で撮った写真である。
【図２２】 図２２ａ及び２２ｂは、アレイの化学的及び場所的符号化の
方法と手順、並びに基板に対する個々のビーズの選択的固定化、分割化、及び断
片化のそれぞれによるアレイの翻訳の方法の説明図である。
【図２３】 図２３は、ランダム連続的注入の説明図である。
【図２４】 図２４は、連続的注入と光制御的アレイ配置の説明図である
。
【図２５ａ】 図２５ａは、粒子アレイの符号化複雑性を増大する化学的
及び場所的符号化の組み合わせた使用を説明する。
【図２５ｂ】 図２５ｂは、粒子アレイの符号化複雑性を増大する化学的
及び場所的符号化の組み合わせた使用を説明する。
【図２５ｃ】 図２５ｃは、粒子アレイの符号化複雑性を増大する化学的
及び場所的符号化の組み合わせた使用を説明する。
【図２６ａ】 図２６ａは、組成物の区別されるビーズの同軸セットを示
す複合粒子アレイを生産する方法を説明する。
【図２６ｂ】 図２６ｂは、組成物の区別されるビーズの同軸セットを示
す複合粒子アレイを生産する方法を説明する。
【図２７】 図２７は、高強度で照射された基板領域からの粒子の排除を
好む条件を課す原理を説明する
【図２８】 図２８は、独特の、小型化した、コピー不可能な符号を生ず
るビーズのランダムアレイで集団化した６のフィールドを有する４×４マトリッ
クスの例を説明する。
【図２９】 図２９は、基板の照射領域と非照射領域の間の境界で生成さ
れる光誘導性局所的流体フローを説明する。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＣＹ， ＤＥ，ＤＫ，ＥＳ，ＦＩ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，Ｉ Ｔ，ＬＵ，ＭＣ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ ，ＣＦ，ＣＧ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＧＷ，ＭＬ， ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ，ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＧＨ，ＧＭ，Ｋ Ｅ，ＬＳ，ＭＷ，ＭＺ，ＳＤ，ＳＬ，ＳＺ，ＴＺ，ＵＧ ，ＺＷ)，ＥＡ(ＡＭ，ＡＺ，ＢＹ，ＫＧ，ＫＺ，ＭＤ， ＲＵ，ＴＪ，ＴＭ)，ＡＥ，ＡＧ，ＡＬ，ＡＭ，ＡＴ， ＡＵ，ＡＺ，ＢＡ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＢＺ，Ｃ Ａ，ＣＨ，ＣＮ，ＣＲ，ＣＵ，ＣＺ，ＤＥ，ＤＫ，ＤＭ ，ＤＺ，ＥＥ，ＥＳ，ＦＩ，ＧＢ，ＧＤ，ＧＥ，ＧＨ， ＧＭ，ＨＲ，ＨＵ，ＩＤ，ＩＬ，ＩＮ，ＩＳ，ＪＰ，Ｋ Ｅ，ＫＧ，ＫＰ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＣ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＳ ，ＬＴ，ＬＵ，ＬＶ，ＭＡ，ＭＤ，ＭＧ，ＭＫ，ＭＮ， ＭＷ，ＭＸ，ＭＺ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＰＴ，ＲＯ，Ｒ Ｕ，ＳＤ，ＳＥ，ＳＧ，ＳＩ，ＳＫ，ＳＬ，ＴＪ，ＴＭ ，ＴＲ，ＴＴ，ＴＺ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＳ，ＵＺ，ＶＮ， ＹＵ，ＺＡ，ＺＷ (72)発明者 チウ・ウォ・チャウ アメリカ合衆国・ニュージャージー・ 08820・エディソン・ホワイトホール・ア ヴェニュ・16 Ｆターム(参考） 2G045 CB01 FA11 FB05

Claims (31)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 事前に決定された明領域と暗領域の整列を有する、基板に重
    ね合わせる照射パターンをプログラム可能に生成する装置であって、 照射供給源； 画素のアレイからなる再配置可能なマスクであって、前記画素は、コンピュー
    ターで制御される回路とコンピューターインターフェイスによって積極的に制御
    可能で直接にアドレスで呼び出し可能であり、前記コンピューターで制御可能な
    回路は、明領域と暗領域の事前に決定された整列を含む照射パターンを形成する
    ように、各画素から発散される照射の強度の時間的な制御を提供するソフトウェ
    アープログラムを使用して操作されるマスク； 基板上への再配置可能なマスクをイメージするのに適した投影手段；並びに 重ね合わされた照射パターンで前記基板を視覚化可能なカメラを取り込んだイ
    メージシステム； を含む装置。
  2. 【請求項２】 前記照射パターンのデジタル化イメージの獲得を可能にする
    イメージ分析システムをさらに含み、前記デジタル化イメージの分析は、興味あ
    る特徴的ベクターを抽出し、それによって前記興味ある特徴的ベクターに基づい
    て派生パターンの作製を可能にする、請求項１記載の装置。
  3. 【請求項３】 前記コンピューターにより制御可能な回路及びコンピュータ
    ーインターフェイスが、ビデオディスプレーアダプターからの入力を受けること
    ができる、請求項１記載の装置。
  4. 【請求項４】 前記画素のアレイが、画素の透過率または反射率の可変的で
    制御可能なレベルの調節を可能にするように積極的に制御される、請求項１記載
    の装置。
  5. 【請求項５】 前記画素のアレイが、液晶ディスプレーまたはデジタルミク
    ロミラー装置を含む、請求項４記載の装置。
  6. 【請求項６】 前記ソフトウェアープログラムが一連の照射パターンを提供
    し、前記パターンが、グラフィックユーザーインターフェイスソフトウェアープ
    ログラムにおいて相互作用的に生産され、または以前に生産されたパターンを含
    む貯蔵装置からリプレイされる、請求項１記載の装置。
  7. 【請求項７】 前記基板が、光感受性平面状電極を含み、前記光感受性電極
    が、実質的に平行な整列で別の平面状電極と並べられ、これらの電極がギャップ
    によって分離され、前記ギャップが、前記電極と接触し、光感受性電極と電解液
    の間の界面で懸濁されたコロイド状粒子を含む電解液を含み、前記照射パターン
    が、前記コロイド状粒子のアセンブリーと横方向の動きを制御するように、前記
    光感受性電極上で投影され、前記アセンブリー及び横方向の動きが、前記電極の
    間に適用される時間変化的な電場によって誘導される、請求項１記載の装置。
  8. 【請求項８】 光感受性平面状電極であって、実質的に平行な整列で別の平
    面状電極と並べられ、これらの電極がギャップによって分離され、前記ギャップ
    が、前記電極と接触し、コロイド状粒子を含む電解液を含み、前記粒子が光感受
    性電極上の平面状アレイにおいてアセンブリーされ、前記アレイが、電場に応答
    したアレイアセンブリーを制御する入射光を部分的にブロックするように形成さ
    れ、前記アレイの横方向の密度が、透過光強度に応答して自己調節する電極； 前記適用電場の周波数を、前記粒子の特徴的な誘電緩和周波数より低い値に調節
    する手段； 前記光感受性電極上に照射領域を規定する手段；並びに 前記照射領域内で前記粒子のアセンブリーを誘導するように、照射強度を調節
    する手段； を含む自己同調フィルター。
  9. 【請求項９】 自己調節が、適用電場の周波数の透過光強度と相関する獲得
    平衡に最適な横方向の密度を決定する、請求項８記載の自己同調フィルター。
  10. 【請求項１０】 基板上に粒子の混合物を場所的に分離分別するための分別
    装置であって： 光感受性平面状電極を含む基板であって、前記光感受性電極が、実質的に平行
    な整列で別の平面状電極と並べられ、前記電極がギャップによって分離され、前
    記ギャップが、前記電極と接触し、電解液中に懸濁されたコロイド状粒子を含む
    電解液を含み、前記粒子が、各前記粒子タイプのそれぞれの特徴的周波数に従っ
    て適用電場に異なる周波数依存的な応答を示す多様な粒子タイプを含む基板； 時間変化的な電場を生成し、前記粒子の動きを誘導するように、前記電極の間
    で時間変化的なボルト数を適用する手段； 少なくとも一つの粒子タイプの特徴的周波数よりも低い値に周波数を調節する
    手段；並びに 事前に決定された強度で基板の事前に決定された部分の照射を可能にする光制
    御的構成成分であって、適用場の周波数を超えるそれぞれ特徴的周波数を有する
    少なくとも一つの前記粒子タイプの実質的に全ての前記粒子の前記照射部分への
    回収を誘導する成分； を含む装置。
  11. 【請求項１１】 上記粒子が細胞である、請求項１０記載の分別装置。
  12. 【請求項１２】 前記光制御的構成成分が、プログラム可能な照射パターン
    発生器である、請求項１０記載の分別装置。
  13. 【請求項１３】 前記粒子が、横方向にスキャンされ再配置される照射部分
    内で回収される、請求項１０記載の分別装置。
  14. 【請求項１４】 前記粒子が、粒子サイズまたは粒子の化学的組成によって
    決定される異なる周波数応答に基づいて分離される、請求項１０記載の分別装置
    。
  15. 【請求項１５】 基板上に投影された照射パターンのプログラム可能な調節
    によって、基板上に粒子のアレイをプログラム可能に再配置するための装置であ
    って： 照射供給源； 画素のアレイからなる再配置可能なマスクであって、前記画素は、コンピュー
    ターで制御される回路とコンピューターインターフェイスによって積極的に制御
    可能で直接にアドレスで呼び出し可能であり、前記コンピューターで制御可能な
    回路は、明領域と暗領域の事前に決定された整列を含む照射パターンを形成する
    ように、各画素から発散される照射の強度の時間的な制御を提供するソフトウェ
    アープログラムを使用して操作されるマスク； 基板上への再配置可能なマスクをイメージするのに適した投影システムであっ
    て、前記基板が光感受性平面状電極を含み、前記光感受性電極が、実質的に平行
    な整列で別の平面状電極と並べられ、前記電極がギャップによって分離され、前
    記ギャップが、前記電極と接触し、電解液中に懸濁されたコロイド状粒子を含む
    電解液を含むシステム； 重ね合わされた照射パターンで前記基板を視覚化可能なカメラを取り込んだイ
    メージシステム； を含む装置。
  16. 【請求項１６】 パターン発生器によって生成された照射パターンの最適化
    において積極的なフィードバックを提供するように、プログラム可能な照射パタ
    ーン発生器を使用する方法であって： 事前に決定された照射パターンを製造する工程； 前記事前に決定された照射パターンに従って、プログラム可能な照射パターン
    発生器を配置する工程； 前記プログラム可能な照射パターン発生器を使用して、光供給源と投影システ
    ムの使用により基板上に視野を照射する工程； 視野のイメージを獲得する工程； 前記イメージ内で特徴的な座標のセットを抽出するように、前記イメージを分
    析する工程；並びに 前記製造、配置、照射、獲得、及び分析工程をｎ回繰り返す工程であって、ｎ
    は０から１０，０００の整数であり、第（ｎ−１）番目の分析工程で決定された
    前記特徴的な座標を使用して、派生する最適化照射パターンを作製する工程； を含む方法。
  17. 【請求項１７】 前記事前に決定された照射パターンが、グラフィックユー
    ザー環境で作製される、請求項１６記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記配置工程が、液晶ディスプレーパネルを使用して実行
    される、請求項１６記載の方法。
  19. 【請求項１９】 前記プログラム可能な照射パターン発生器が、積極的なマ
    スク制御回路でインターフェイスされたビデオアダプターによって配置される積
    極的なマスクを含む、請求項１６記載の方法。
  20. 【請求項２０】 積極的なフィードバックが、請求項１５記載の基板にアセ
    ンブリーされた粒子のアレイをプログラム可能な再配置するために使用される、
    請求項１６記載の方法。
  21. 【請求項２１】 前記粒子が、分割操作を適用することによって再配置され
    、前記操作が少なくとも二つのサブアレイを生産する、請求項２０記載の方法。
  22. 【請求項２２】 前記積極的なフィードバックが、アレイ分割の操作を繰り
    返すことによってアセンブリーされた粒子アレイの配置を最適化するために使用
    される、請求項１６記載の方法。
  23. 【請求項２３】 流体フローを生成するためのフロー制御装置であって： 光感受性平面状電極であって、実質的に平行な整列で別の平面状電極と並べら
    れ、前記電極がギャップによって分離され、前記ギャップが、前記電極と接触す
    る流体媒体を含む電極； 時間変化的な電場を生成し、前記流体媒体が横方向のフローを受けるように誘
    導するように、前記電極の間で時間変化的なボルト数を適用する手段； ボルト数の大きさと周波数をフロー速度を制御するように事前に選択された値に
    調節する手段； 光感受性電極の指摘された部分の照射を可能にする光制御的構成成分であって
    、前記時間変化的な電場と照射の組み合わせが、照射部分の外形の形態に従って
    横方向の流体フローを生産し、前記フローが、表面に平行に向けられ外形に沿っ
    たいずれかの場所で速度構成成分を有する成分； を含む装置。
  24. 【請求項２４】 前記装置が、フローの配置の列を生産するように操作され
    る、請求項２３記載のフロー制御装置。
  25. 【請求項２５】 前記装置が、流体媒体の混合に作用する配置で局所的フロ
    ー場を生産するように操作される、請求項２３記載のフロー制御装置。
  26. 【請求項２６】 少なくとも一つのタイプの粒子の多様な群の連続的注入に
    よって、基板上に形成された粒子の平面状アセンブリーをプログラム可能に符号
    化する方法であって： 光感受性平面状電極を含む基板を準備する工程であって、前記光感受性電極が
    、実質的に平行な整列で別の平面状電極と並べられ、前記電極がギャップによっ
    て分離され、前記ギャップが、前記電極と接触する電解液を含む工程； 電解液に少なくとも一つのタイプの粒子を含む貯蔵庫から選択された少なくと
    も一つのタイプの粒子の群を配置する工程であって、プログラム可能な照射パタ
    ーン発生器を使用して調製された第一の照射パターンによって描かれた光感受性
    電極の第一の部分内に上記注入された粒子を制限する工程； プログラム可能な照射パターン発生器を使用して調製された第二の照射パター
    ンによって描かれた光感受性電極の第二の部分に、前記制限された粒子を移動さ
    せる工程； 前記光感受性電極の前記第二の部分に以前に形成された粒子の事前に存在する
    いずれかの平面状アセンブリーと前記粒子を併合する工程； 第二の部分内に最終位置で前記粒子の群の前記移動された粒子を示すイメージ
    を記録する工程；並びに 前記アレイを符号化するように、配置、移動、併合及び記録工程をｎ回（ｎは
    ０から１０，０００の整数である）繰り返す工程； を含む方法。
  27. 【請求項２７】 請求項２６記載の方法に従って符号化された粒子の平面状
    アセンブリーを脱符号化する方法であって、各配置、移動及び併合工程の完成時
    に記録されたイメージのそれぞれと、前記平面状アセンブリーのイメージとを相
    互関連させる工程を含む方法。
  28. 【請求項２８】 化学的にパターン化された表面または表面コーティングを
    生産するためのプログラム可能なパターンづけ装置であって、前記表面に明領域
    及び暗領域の事前に決定された整列を有する照射パターンをプログラム可能な生
    成するための器具を含み、前記器具が 照射供給源； 画素のアレイからなる再配置可能なマスクであって、前記画素は、コンピュー
    ターで制御される回路とコンピューターインターフェイスによって積極的に制御
    可能で直接にアドレスで呼び出し可能であり、前記コンピューターで制御可能な
    回路は、明領域と暗領域の事前に決定された整列を含む照射パターンを形成する
    ように、各画素から発散される照射の強度の時間的な制御を提供するソフトウェ
    アープログラムを使用して操作されるマスク； 基板上への再配置可能なマスクをイメージするのに適した投影手段； 重ね合わされた照射パターンで前記基板を視覚化可能なカメラを取り込んだイ
    メージシステム；並びに プログラムされた照射パターンに従った事前に選択されたスペクトル組成の光
    にさらすことによって、光感受性表面または表面コーティングの物理化学的特性
    を永久に改変する手段； を含む装置。
  29. 【請求項２９】 前記物理化学的特性が、事前に選択された溶媒中の可溶性
    を含み、前記溶媒に表面をさらすことによって前記化学的にパターン化された表
    面または表面コーティングを生成する、請求項２８記載の装置。
  30. 【請求項３０】 前記物理化学的反応性が、化学的反応性を含み、化学反応
    によって前記表面で後の官能化することによって、前記化学的にパターン化され
    た表面または表面コーティングを生成する、請求項２８記載の装置。
  31. 【請求項３１】 前記スペクトル組成が、可視スペクトルの波長を含む、請
    求項２８記載の装置。
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