JP2004500572A - 光ファイバ走査装置 - Google Patents
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Abstract
開示される走査構造には、該走査構造で測定される基板上の光励起可能領域に対する光伝達及び受光装置が含まれている。この光伝達及び受光装置には、基端及び先端を有する光ファイバが含まれていてもよい。この光ファイバは、ある波長の光又はいくつかの多様な波長の光を伝達して、基板のサンプルを励起する。また、この光ファイバは、基板上のサンプルに蛍光を発生させることにより放出された光を、同時に受光してもよい。さらに、走査構造には、測定又は検査対象となる基板上を可変の距離を持って横切ることが可能な光ファイバホルダーが含まれていてもよい。ホルダには、ガルバノスキャナや共振懸架ビームが含まれていてもよい。例えばレーザ等の光源が、光ファイバの基端に光学的に連結されてもよい。この光源は、ある波長のものであってもよいが、異なった波長の複数の光源が、波長マルチプレクサで光源を単一の光ファイバに結合するか、あるいは、異なる波長を伝達する個別の光ファイバを互いに近接させて配置することにより、同時に用いられてもよい。光は、光ファイバを通じて基板へと伝達され、光ファイバは、発せられた蛍光をも受光するのに充分に、この基板に近接している。
Description
【０００１】
〔関連出願の参照〕
本発明は、２０００年３月１３日に出願された米国仮出願番号６０／１８８，８７３による権利を主張し、参考としてここにその全てが盛り込まれている。
【０００２】
〔技術分野〕
本発明は、ＤＮＡマイクロアレイ、タンパク質マイクロアレイ、及び化合物マイクロアレイのような、マイクロプレート（ｍｉｃｒｏｐｌａｔｅ）におけるマイクロアレイ（ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ）又はマイクロウェル（ｍｉｃｒｏｗｅｌｌｓ）を、走査するための装置及び方法に関する。
【０００３】
〔背 景〕
マイクロアレイとは、基板上の所定の位置に固定された生物学又は化学サンプル（「プローブ」）のスポットの列である。各スポットには、単一の生物学的物質又は化学物質のいくつかの分子が含まれている。マイクロアレイは、１つ又はそれ以上の生物学的又は化学的サンプルを含んだ液体（「ターゲット」）に浸される。通例、ターゲットは、マイクロアレイ上で１つ又はそれ以上の相補的なプローブと互に影響し合う。特に、ＤＮＡマイクロアレイでは、プローブがオリゴヌクレオチド又はｃＤＮＡ菌株（ｓｔｒａｉｎｓ）であり、ターゲットが蛍光又は放射性ラベルがなされたＤＮＡサンプルである。ターゲット中の分子鎖は、プローブのマイクロアレイ中の相補的な分子鎖とハイブリッドを形成する。
【０００４】
ハイブリッド化されたマイクロアレイは、マイクロアレイ・リーダにより検査される。マイクロアレイ・リーダは、放射性ラベルの存在を検出するか、あるいは、レーザや他のエネルギー源を用いて蛍光ラベルを励起することにより、該蛍光ラベルを刺激し、光を放射させる。マイクロアレイ・リーダは、マイクロアレイにおけるラベルの放射の位置及び強度を検出する。プローブは、マイクロアレイにおける予め定められた既知の位置に配置されているので、液体中の一連のターゲットは、蛍光又は放射線が検出された位置及び蛍光又は放射線の強度により、識別される。
【０００５】
従って、マイクロアレイ・リーダは、マイクロアレイ技術の装置における重要な部分の１つである。現在、２種類のマイクロアレイ・リーダが利用可能である。第１種のものは、その一例が米国特許第５，３２４，６３３号に記述されており、走査顕微鏡の原理に基づくものである。それによると、２以上の波長のレーザビームが組み合わされ、マイクロアレイ上の１つのスポットに集束されて、蛍光ラベルを励起する。組み合わされたレーザビームは、２軸の平行移動ステージ上でマイクロアレイを動かすか、あるいは、顕微鏡のレンズを一方の軸で動かし、マイクロアレイ基板を他方の軸で動かすことにより、マイクロアレイ全体を各点毎に高い空間解像度（〜１０μｍ）で走査する。第２種のものは、その一例がＷＯ００／１２７５９号に示されており、ＣＣＤ画像装置を用いて、マイクロアレイからの蛍光の放出を、小領域毎に一度に検出してゆく。アークランプのような広帯域の光源が、蛍光の励起に用いられている。
【０００６】
走査顕微鏡技術では、コストに大きく影響するのは、その光学系である。これは、光学系が、波長の異なる複数のレーザビームを結合して正確に並べ、その後、別々の検出チャネルへと再び分割しなければならないためである。顕微鏡のレンズ及びスライドキャリアの双方とも、かさばって重く、高速に動かすことができない。このことにより、走査スピードが制限される。
【０００７】
ＣＣＤ方式のシステムでは、画像装置及びレンズの双方がコストに大きく影響する。ここでは、励起光は、エネルギー密度を大幅に減少させて、広範囲に拡がってしまう。この減少を補償するために、露光時間を数十分の１秒まで延ばさなければならない。露光時間が長いので、ＣＣＤ画像装置は、妥当なＳＮ比を維持するために、冷却されている必要がある。冷却されている大型のこのようなＣＣＤ画像装置は、現在のところ非常に高価である。さらに、このシステムの光学レンズは、色収差及び広い視野に亘る像の歪曲が補正されていなければならない。このことにより、走査顕微鏡の各点毎のシステムにおけるレンズに比べて、コストが非常に上昇する。そのうえ、スライドの全領域（２５ｍｍ×７５ｍｍ）に対応するのに充分な解像度と大きさを持ったＣＣＤ画像装置は、現在のところ存在しない。ＣＣＤ方式のシステムでは、機械的な走査が、これまで通り必要とされる。これにより、マイクロアレイ・リーダが低速になる。現在、ほとんどの市販のマイクロアレイ・リーダは、２５ｍｍ×７０ｍｍのスライドの走査を完了するのに、５分以上を要する。これは、多くの用途に対しておそすぎる。
【０００８】
光ファイバは、近接場走査顕微鏡法に用いられてきている（Ｄ． Ｗ． Ｐｏｈｌ， “Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ” ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ １２， Ｃ． Ｊ． Ｒ． Ｓｈｅｐｐａｒｄ ａｎｄ Ｔ． Ｍｕｌｖｅｙ， Ｅｄｓ． （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， １９９０）； Ｍ． Ｈ． Ｐ． Ｍｏｅｒｓ， Ｗ． Ｈ． Ｊ． Ｋａｌｌｅ， Ａ． Ｇ． Ｔ． Ｒｕｉｔｅｒ， Ｊ． Ｃ． Ａ． Ｇ． Ｗｉｅｇａｎｔ， Ａ． Ｋ． Ｒａａｐ， Ｊ． Ｇｒｅｖｅ， Ｂ． Ｇ． Ｄｅ Ｇｒｏｏｔｈ， Ｎ． Ｆ． ｖａｎ Ｈｕｌｓｔ， Ｊ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ １８２， ｐ． ４０， （１９９６））。ここでは、光エネルギーは、直径がサブマイクロメータにまで縮小されて、光ファイバ先端に導かれる。ファイバ先端は、被検面のナノメータの数十分の１以下のところに置かれる。そして、ファイバ先端は、小領域（通常１０ｍｍ角）を走査し、被検面からの直接散乱光を受光する。（Ｃｈｕｃｋ，開示されている発明で、ファイバのコアが集光を最大化するには大きすぎ、集光された光は、被検体からの蛍光のように、間接的に放出されたものである。）
一方、光ファイバ・リーダ・ヘッドは、ＡＢＩのＴａｑｍａｎリーダ（ＵＳ５５８９３５１）のようないくつかの機器で、マイクロタイタープレート（ｍｉｃｒｏｔｉｔｅｒ ｐｌａｔｅ）から放出された蛍光を受光するのに用いられてきた。ここで、リーダの空間解像度は、数ミリメートルのオーダである。励起光と受光された光とは、バンドルにおける別々のファイバで伝達される。光学ヘッドは、被検体から比較的大きく隔てられている。
【０００９】
〔概 要〕
以下に充分に記述するように、本発明により、プローブのマイクロアレイ又はサンプル（マイクロウェルに収納された乾式又は湿式）を走査するいくつかのシステム、装置、手段、及び方法が提供される。本開示内容のこの部分により、本発明の顕著な点についての要約が提供されるが、この部分は、本発明を、当該部分について考察された特徴及び実施形態のみに限定するように解釈されるためのものではない。むしろ、本発明には、特許請求の範囲とともに当該部分及びそれに続く部分で考察される全ての装置、システム、及び方法が含まれている。
【００１０】
開示される走査構造には、該走査構造で測定される基板上の光励起可能領域に対する光伝達及び受光装置が含まれている。この光伝達及び受光装置は、基端及び先端を有する光ファイバを備えていてもよい。この光ファイバは、ある波長の光又はいくつかの多様な波長の光を伝達して、サンプルを照射する。これにより、発光が励起されたり１つかそれ以上の波長がサンプルに吸収されたりする。また、この光ファイバは、基板上のサンプルに蛍光を発生させることにより放出されるかあるいは他の方式で生じた、反射又は回折した光を、同時に受光してもよい。さらに、走査構造には、検査対象の基板上を可変の間隔で横切ることが可能な光ファイバホルダが含まれていてもよい。例えば、ホルダには、ガルバノスキャナや共振懸架ビームが含まれていてもよい。基板のサンプルを励起する光を発生させるために、例えばレーザ等の光源が、光ファイバの基端に光学的に結合されてもよい。異なった波長の複数の光源が、波長マルチプレクサで光源を単一の光ファイバに結合するか、あるいは、異なる波長を伝達する個別の光ファイバを互いに近接させて配置することにより、同時に用いられてもよい。光は、光ファイバを通じて基板へと伝達され、光ファイバは、発せられた蛍光をも受光できるように、この基板に充分に近接している。
【００１１】
本発明のある実施形態は、蛍光を発するものとして記述されているが、本発明には、他の形式による光の発生も含まれている。他の形式として、化学ルミネセンス、及び、光が吸収されて吸収スペクトルが生じ、それが走査構造の導光部分（例えばファイバ又はロッド）により伝達されること等がある。このように、基板上の光励起可能領域は、湿式及び乾式のサンプルを含んだ基板の一部である。サンプルは、走査構造の導光部分により基板に伝達された複数の波長のうちのある波長が吸収された領域あるいは、基板（蛍光や化学ルミネセンスのような）により受光した光とは異なる波長の光を発生する。従って、基板上の光励起可能領域で「発生」した第２の波長は、光源により供給されていない波長であってもよく、光源から伝達されて、サンプルや基板により反射又は回折するものの光励起可能領域における基板やサンプルには吸収されていない波長であってもよい。このように、走査構造は、光を検出するか、あるいは、光においてある波長が欠落していることを検出するように、構成されうる。
【００１２】
走査装置の空間解像度は、励起光のエネルギーを伝達するファイバのコアの径にほぼ等しいので、好適なコア径は、５μｍ，１０μｍの空間解像度の走査装置に対して、それぞれ５μｍ，１０μｍとなる。このようなコア径は、通信ファイバで容易に入手可能である。ファイバ先端でコアのサイズを小さくする必要はない。
【００１３】
開示される本走査装置は、通常の正方形又は長方形状の基板上のマイクロアレイの他にも、ＣＤのように回転する基板を読み取ること、及び１次元のマイクロアレイにも適用可能である。
【００１４】
開示される本発明は、マイクロアレイに加え、高いスループットでスクリーニングすることの用途において、顕微鏡的リアクションウェルのアレイを読むことにさらに適用可能である。
【００１５】
現在のところ、ＨＴＳからの出力信号は、蛍光、化学ルミネセンス、あるいは吸光度であってもよく、これらは、「マイクロプレート・リーダ」と称する装置を用いて検出される。本発明は、現在のＤＮＡマイクロアレイと同等のサイズ及び密度（例えば、約５００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、好ましくは約１０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、より好ましくは約２０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、さらに好ましくは約５０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度）のマイクロウェルアレイ内の溶液からのこのような信号を読み取る走査装置に関する。マイクロウェルの内径は、約１００マイクロメータから約１０００マイクロメータであり、好ましくは約５００マイクロメータ未満であり、より好ましくは２００マイクロメータ未満である。ある特定の実施形態では、本発明の光ファイバ走査装置は、マイクロウェル内の溶液からの信号の読取装置に適用されている。例えば、光ファイバが基板となす角度は、垂直であってもよく、反射を防ぎながらも光が存在するかどうかを検出できるような垂直に近い角度であってもよい。ファイバ径は、マイクロウェルの径に基づいて選択されてもよい。走査前に読取装置が待機する時間は、サンプル及びプローブ（例えば、オリゴヌクレオチド、タンパク質、又は反応物）にサンプルと会合又は反応させるのに必要な反応又は会合時間に基づいて選択されてもよい。光ファイバによって読取装置が、スクリーニングシステムに統合可能となる柔軟性が提供される。
【００１６】
〔発明の詳細な説明〕
本発明では、多くの基本的な光学部材が、励起光を伝達することに、あるいは蛍光の放出を受光することにも、用いられてもよい。このような光学部材として、導光ロッド及び光ファイバのような部材が、含まれていてもよい。光学部材として光ファイバを用いることが好ましく、以下に開示する実施形態では、このような光ファイバを例として用いることが考察される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
図１（ａ）に、本発明の一実施形態としての走査構造１０が、図示されている。この図において、レーザ１４から射出された励起レーザ光２０は、光ファイバ１２の基端２８に入る前に、フィルタ１６により反射される。光ファイバ１２は、励起光２０を導いて、当該光ファイバ１２の先端２６から、マイクロアレイ・サンプル３０上の例えばＤＮＡプローブ等のサンプルを照射する。マイクロアレイ・サンプル３０は、上述の如く、基板３２及びプローブ３４から構成されていてもよい。フィルタ１６は、光の予め選択した波長又は帯域を反射しつつ、同時に、反射光における所望の波長又は帯域を通過できるように、選択的に設計されていてもよい。プローブ３４から発せられた蛍光２０´は、同ファイバ１２により受光され、フィルタ１６を通過した後、検出器１８へ導かれる。本実施形態１０における励起光２０及び蛍光２０´は、フィルタ１６によって分離される。フィルタ１６は、所定の波長の光を反射させる一方で、特定の波長を透過可能としている。図１（ａ）に示された特定の実施形態では、フィルタ１６が、励起光２０を反射するように設計されていてもよい。また、図１（ａ）におけるレーザ１４と検出器１８の位置を交換することにより、このシステムに、蛍光を反射するフィルタが用いられてもよい。
【００１８】
図１（ｂ）には、同システム設計の代替的な実施形態２２が図示されている。ここでは、かさばっていた光ビーム分割及び結合構造が、光ファイバカプラ２４で置き換えられている。この記述の全体に亘り、別々の実施形態における構造で同一の番号が付されたものは、その機能が類似している。また、カプラ２４は、特定の波長を他の分岐ファイバへと選択的に結合する波長多重（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｏｍａｉｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）であってもよい。好ましくは、励起光を遮断するために、検出器１８の前に、追加のフィルタ１６が配置されてもよい。
【００１９】
さらなる他の実施形態では、レーザの代わりに、励起光２０の光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。単一のＬＥＤ、又は複数のＬＥＤで各ＬＥＤが別々の波長の光を発するものを、基板３２に直に近接して配置してもよい。このようにしても、光ファイバ１２が蛍光２０´を集光可能であり、光ファイバの基端２８にあるレーザ１４を置換可能である。
【００２０】
図２に示すように、光ファイバの先端２６から出射する光３６は、ファイバの開口数（ＮＡ）で規定される固有の角度で発散する。光ビームがファイバで導かれるために、光ビームは、以下の両条件を満たさなければならない。１）光ビームは、ファイバの開口数で規定されるコアの領域に入射すること、そして、２）光ビームは、ファイバの軸に対して、ＮＡよりも小さい角度をなしていること。例えば、矢で示された光ビーム３８は、上記の両条件を満たしているので、コア領域４２に導かれうる。しかし、光ビーム４０は、上記条件の一方のみを満たしているだけなので、導かれることなく、コア領域４２ではなくクラッド４４に入射する。
【００２１】
図１の（ａ）及び（ｂ）に図示された実施形態において、ビームの発散及び導光条件により、ファイバのコアに非常に近い領域へ発せられた光が集光される。ファイバの集光能力は、２つの要素で規定される。すなわち、１）コアのサイズ、及び２）ＮＡである。これら２つのパラメータが大きくなるほど、ファイバ１２の集光能力が高くなる。しかしながら、コアのサイズが大きくなると、システムの空間解像度が低下するおそれがある。ファイバ先端１２と基板３２との間隔がｄｃ／２ＮＡ以内であれば、空間解像度は、ファイバのコアのサイズにほぼ等しい。ここで、ｄｃは、ファイバのコア４２の直径とする。基板３２がファイバ先端１２からｄｃ／２ＮＡの間隔より大きく離れていれば、蛍光を受光する効率が著しく低下する。標準的な通信ファイバは、そのコア径が約９μｍであり、ＮＡ＝０．１２である。従って、本発明の走査構造を構成するのに標準的な通信ファイバが用いられると、基板表面がファイバ端面２７から３８μｍ以内に保たれていれば、約１０μｍの空間解像度が達成可能となる。ＮＡが０．６６のファイバが報告されている。ファイバ端面２７を基板の約７μｍ以内に保つことにより、集光能力を約２７倍に引き上げる可能性が存在する。
【００２２】
ファイバ１２を基板３２に近接させておくように、いくつかの方法を用いうる。
【００２３】
本発明の走査構造の第１実施形態では、ファイバ先端１２と基板３２表面との間隔がリアルタイムで検出され、この間隔が能動的に制御される。間隔の大きさは、干渉計を用いた光学干渉のような通常の方法で検出され、干渉計から取得した信号に応答して動作する例えば圧電アクチュエータ（米国特許第６，１４２，４４４号記載のようなもの）に、光ファイバを取り付けることにより、制御される。
【００２４】
本発明の第２の走査構造は、基板近傍でファイバ先端が高速動作することにより発生するエアクッション上に、マイクロアレイ基板３２全体に亘ってファイバ１２の先端を空気力学的に「浮ばせる」ことができるように、構成されている。これは、例えば、フロッピーディスクドライブ（ＴＭ）、ハードドライブ、及びＣＤ−ＲＯＭドライブに使用されている技術である。フロッピーディスクドライブ（ＴＭ）の読取ヘッドは、厚さが２マイクロメートルのエアギャップで浮遊する。エアギャップは、回転するフロッピーディスク（ＴＭ）及び読取ヘッド間に発生したいわゆる「地面効果」により空気力学的に形成される。読取ヘッドとフロッピーディスク（ＴＭ）との相対動作により、真空が形成されて読取ヘッドがフロッピーディスク（ＴＭ）表面へ引き付けられる。しかし、読取ヘッドが表面に近接してゆくと、読取ヘッド及び表面間のギャップにおいて圧力が充分に増大し、読取ヘッドはディスク表面に接触しない。
【００２５】
この「地面効果」が、本発明の走査装置に適用されてもよい。ファイバ先端が基板表面において充分に早く動作して、ファイバ及び基板間の相対動作により、ファイバ先端は、基板表面の数マイクロメータ以内に引き付けられる。図３に示すように、ファイバ先端は、読取ヘッド５０内に収容されていてもよい。読取ヘッド５０は、基板３２とともにベンチュリを形成するような形状を有しており、それにより気流に地面効果を発生させる。以下に詳述するように、読取ヘッドは、１本の光ファイバが、該ファイバを基板表面全体に亘って移動するホルダに取り付けられたものであってもよく、あるいは、読取ヘッドは、光ファイバの束がホルダに取り付けられたものであってもよい。図３に示すように、読取ヘッドにおける基板に対向した表面は、側面から見てパラボラ状の形状を有していてもよい。あるいは、図１や図２に示すように、読取ヘッドは、平坦な表面を有していてもよい。読取ヘッドすなわちファイバ先端が、反対方向へ移動する際に、方向を変えるために減速してマイクロアレイを走査するので、速度が地面効果を得るのに必要な速度より小さければ、読取ヘッドやファイバ先端が、基板又は基板のホルダの一部に接触するおそれがある。
【００２６】
磁気及び空気力学的浮揚を併用した走査構造４６では、読取ヘッドやファイバ先端が走査中に方向を変えるために減速する時に、読取ヘッドやファイバ先端が基板や基板ホルダに接触するのを、防止することができる。図３に示すように、走査構造４６のマイクロアレイ基板３２は、極性の方向が同じの一対の磁石４８で支持されている。光ファイバが組み込まれた読取ヘッド５０は、永久磁石が組み込まれて形成されるか、あるいは、それ自体が磁化されて（磁性材料で形成される場合）、その極性が支持磁石４８の対と同じになっており、読取ヘッド及び磁石４８間で斥力が発生する。基板３２の中央の位置１では、読取ヘッド５０は、比較的速く動作し、空気力学的に浮揚する。読取ヘッド５０は、基板３２の端へと位置２から位置３へ移動するにつれて、おそくなってゆく。おそくなると、空気力学的な浮揚力が減少するが、読取ヘッド５０は、磁気支持部４８からの磁力により支持され、当該読取ヘッドがマイクロアレイ基板３２や磁石４８に接触しないように浮揚した状態が保たれる。
【００２７】
本発明の走査構造の第３の実施形態は、特に、表面が粗い基板上のマイクロアレイのラベルを励起して検出するのに適している。但し、その用途は、表面の粗い基板上のマイクロアレイに限定されるものではない。図４に示す走査構造５２では、読取ヘッド５０を一定な状態で空気力学的に浮揚させておくために、光ファイバ５６間に毛管５４が組み込まれていてもよい。複数本のファイバが用いられる場合には、それらは、任意に束ねられるか、あるいは、高速又は冗長性を持たせてマイクロアレイを走査できるように、周知の空間配列で連続的に又は規則正しい配列に束ねられる。毛管ファイバ５４を通じて、気体を下方へ吹きつけることにより、極めて薄い気体クッション５８が、読取ヘッド５０及び基板３２間に形成される。空気や窒素のような不活性な気体であれば、何でも使用可能である。ファイバ方式の読取ヘッド５０は極めて軽いため、読取ヘッド５０を基板３２上に浮揚させて、両者を数マイクロメータのオーダの小さな間隔に保つのには、小さな正の圧力で充分なはずである。正の圧力の大きさは、読取ヘッド５０の個々の設計に依存する。
【００２８】
信号対雑音比の向上、複数波長での励起及び受光、並びに走査機構といったいくつかの特徴について、以下、考察する。
【００２９】
〔信号対雑音比の向上〕
ファイバ１２の長さ方向の軸が、基板３２の表面に対して実質的に垂直であると、元の励起光２０のうちのある部分は、ファイバ１２の端面２７を出て基板３２で反射され、そして、ファイバ１２へと戻ってくる。これにより、信号中にバックグラウンドノイズが生じる。図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、このバックグラウンドノイズは、システム中のフィルタ１６により抑制しうる。フィルタ１６は、それがなければ検出器１８が検出してしまう望ましくない波長の光を反射することにより、バックグラウンドノイズを抑制するように作用する。しかしながら、発せられた蛍光が比較的小さいために、フィルタが抑制するにもかかわらず、かなりのレベルのノイズがなおも存在するおそれがある。より高い信号対雑音比（ＳＮ比）を有する走査構造では、基板３２の表面に対して角度θで傾いたファイバ１２が、含まれている。この角度は、図１及び図５に示すように、ファイバ１２のＮＡよりもわずかに大きい。この構成により、反射された励起光は、光ファイバで検出器へと導かれるのではなく、ファイバの壁面を透過するようになる。
【００３０】
ＳＮ比がより高い走査構造の代替的な実施形態には、基板３２の表面と実質的に平行に端面２７が研磨されたファイバ１２が、含まれている。このように研磨すると、全ての光（励起光２０を含む）が、直接、ファイバ端面２７及びマイクロアレイ基板３２で反射され、ファイバ１２の軸とＮＡより大きい角度で交差するので、この光がファイバコア４２を通じて検出器１８へ導かれることがない。一方、蛍光２０´は、あらゆる方向へ発せられ、端面が研磨されていないファイバに受光されるのと同じ割合の光２０´が、その信号レベルを変化させずにファイバ１２に受光される。その結果、システムのＳＮ比は、著しく向上する。
【００３１】
ＳＮ比が向上した他の走査構造には、ダブルコアファイバ６０が用いられている。図５に示すように、ダブルコアファイバ６０は、２つの同軸のコア６２，６４を有し、コア６２の屈折率は、コア６４の屈折率よりも大きくなっている。ダブルコアファイバ６０の相対屈折率の縦断面図を、図５に示す。この図において、ピーク７０は、インナーコア６２の相対屈折率に相当し、ピーク７２は、アウターコア６４の相対屈折率に相当し、ピーク７４は、ファイバ６０のクラッドの相対屈折率に相当する。
【００３２】
ダブルコアファイバ６０を備えた走査構造は、レーザからの光をインナーコア６２を通じて伝達する一方、基板からアウターコア６４へ入射した光については、１００％に近い結合比（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｉｏ）を有する。このように、ダブルコアファイバは、コアセレクティブカプラ（ｃｏｒｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）として機能する。
【００３３】
アウターコア６４は、インナーコア６２よりも低い屈折率を有するので、インナーコア６２に対してクラッドのように機能する。従って、ダブルコアファイバが図１の（ｂ）のシステムに用いられると、例えばレーザから発せられた励起光２０は、臨界角より小さな角度でインナーコア６２に入射し、励起光は、実質的に、インナーコア６２内に閉じ込められる。
【００３４】
アウターコア６４内の光は、このダブルコアファイバにより外側に結合されることになる。インナーコア６２の臨界角より大きな角度でアウターコア６４に入射した光は、インナーコア６２へと内部反射することがないので、主にアウターコア内６４で見い出され、インナーコア６２には実質的にレーザからの光だけに任せた状態となる。
【００３５】
さらに、インナーコア６２は、該インナーコア６２から出射した後の光ビーム６８の発散が小さくなるように、小さなＮＡを有していてもよい。一方、発せられた蛍光６６の大部分は、アウターコア６４に入射して、ファイバ６０を遡って検出器へと伝達する。このような方法で、集光効率が著しく向上し、そのために、ＳＮ比が向上することになる。さらに、アウターコア６４は、インナーコア６２よりもはるかに大径に形成可能であるため、集光された光の強度は、ファイバ１２の端面２７と基板３２との間隔に決定的に依存するということがより少なくなる。このため、機器設計の許容度及び自由度がより高くなる。
【００３６】
ダブルコアファイバ６０を製造する一方法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）がある。これによると、例えばシラン及びＯ２をともなった気体のＧｅ等のドーパントを、通常のファイバ形成チューブ（プリフォーム）の内面に第１の濃度で蒸着させ、層を形成する。次に、ドーパント（第１の濃度のドーパントと同じか又は同様の通常のドーパントからなる）を、第１の濃度よりも高い第２の濃度で、前記層上にドープしてもよい。その後、プリフォームを伸ばしてファイバ６０を形成する。
【００３７】
〔複数波長での励起及び受光〕
通常、本発明の走査構造は、少なくとも２つの別々の波長の光を伝達する。２つの波長の光とは、ある波長の励起光、及び、蛍光マーカから発せられた他の波長の蛍光である。現在知られている技術として、５つまでの別々の励起及び／又は受光波長を有する走査装置がある。現状のマイクロアレイ走査装置では、波長の異なる全ての光ビームが、顕微鏡の対物レンズに通じた単一の光路に集約される。通常の走査装置で用いられている複数の大きな光学コンポーネントには、これらの大きな光学コンポーネントの運搬及び移動させるために、高精度のアライメント及び複雑な構成が必要とされる。高精度で大きな光学コンポーネントにより、現行の走査装置はかさばって高価なものとなっている。さらに、集約された光路を有する現行の光学検出器では、ある波長を他のものから分離することが、困難であることが多い。２つ以上のレーザが同時に稼動しているときには、ＳＮ比が悪化する。現行の多くのマイクロアレイ走査装置では、走査速度を大幅に低下させてしまうという犠牲を払いながら、一度に一つのレーザに切り替えることにより、この問題の発生を防止している。
【００３８】
図６に、本発明の走査構造７６を示す。ここでは、複数の波長に対応した複数の光源１４λ １〜１４λ ｎが、波長多重（ＷＤＭ）７８１，７８ｎを用いて、単一の光ファイバ１２に集約されている。この走査構造は単純である。これは、特に、現行の走査装置で現在使用されている例えばレンズ及びミラーアセンブリのための複雑な支持構造を必要としない光ファイバ１２の柔軟性によるものである。ＷＤＭ７８１，７８ｎは、例えば、プレーナ又は溶融型カプラの作製することにおいて電気通信業界で周知の技術を用いて、作製される。
【００３９】
本発明の一実施形態では、複数波長の光ビームが、マイクロアレイ基板３２全体に亘って同時に走査されるが、これら光ビームは、正確に同じ位置にある必要はない。図７に、代替的な実施形態８０を示す。これによると、１つの波長が、他の波長からより容易に、速度の犠牲を払うことなく分離されている。図７に示すように、各波長の光１４λ １〜１４λ ｎが、別々であっても比較的近接した位置を照射する一方、同期して走査することを可能にする応用例に応じていくつかの所望の構成に、光ファイバ１２を配列してもよい。束になった光ファイバは、例えば、ファイバが挿入されてその順序を保つように束ねるガイドプレートを使用して、あるいは使用せずに、形成されてもよい。ここに言及された全ての論文、特許、及び特許出願は、その全体が一体に組み入れられる。光ファイバ１２は、極めて軽量で、細く正確な直径なので、各波長毎に別々のファイバを用いて、同期したマルチスポット走査が実現する。ここで、個々のファイバ１２がマイクロアレイ状に束ねられて、光ファイバ走査ヘッドを形成してもよい。このようなマイクロアレイは、規則的な配列又はランダムなバンドルとなるように、束ねられてもよい。バンドル中のファイバの本数は任意であるが、多くの例で、その本数は１０よりも少ない。システムにおける各ファイバの先端の相対位置が既知となるため、どちらの変形例も実現可能である。ファイバ端が極めて近接しているにもかかわらず、全てのファイバ１２が、同一のスポットを照射するように集束される必要はない。但し、そのようになされても、さしつかえない。逆に、各光ファイバ１２は、別々のスポットを同時に照射し、必要に応じて各スポットから同時に蛍光を集光するように、配列されてもよい。
【００４０】
〔走査機構〕
光ファイバ１２は、極めて軽いので、上記の走査ヘッド５０は、非常に高速に移動し、それにより、マイクロアレイを読み取る速度が増大する。図８に、走査装置８２の実施形態を示す。ここでは、光ファイバ１２の読取ヘッド５０が、通常のガルバノスキャナ（Ｇａｌｖａｎｏ ｓｃａｎｎｅｒ）８４によりｙ方向に往復移動する。ガルバノスキャナ８４は、光ファイバ１２及び読取ヘッド５０を保持した懸架ビーム（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｅａｍ）８６を、所望の角度αに亘って、基板３２の幾何学的構成に応じた所望の周波数で、移動させるように設定されている。走査装置は、Ｘステージ位置決め機構を備えていてもよい。Ｘステージ位置決め機構は、基板を読取ヘッドの下側を移動させるとともに、光ファイバ１２がＸ軸上のどの位置を読み取っているのかを確定する情報を提供する。光ファイバ１２のＹ軸上の位置は、ガルバノスキャナ８４に組み込まれた角度エンコーダにより検出される。ガルバノスキャナ８４が懸架ビーム８６をＹ方向に移動させると、基板３２は、通常の移動ステージ８８によりＸ方向に段階的に移動する。
【００４１】
図９に、走査装置９０の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、ガルバノスキャナ８４及び懸架ビーム８６が、共振アクティベータ９２及び共振懸架ビーム９４に置き換えられている。ここでは、光ファイバ読取ヘッド５０は、共振懸架ビーム９４がその共振周波数で共振アクティベータにより駆動されることにより、Ｙ方向に往復するように振動する。共振懸架ビーム９４近傍に配置された圧電素子のような任意個数の通常の共振アクティベータ９２装置により、あるいは、共振懸架ビーム９４の両側に配置された磁気素子により駆動されて、共振が発生する。どちらの実施形態であっても、読取ヘッド５０は、基板３２の端部又は外側で止まるように設定される。基板３２の端部や外側には、プローブが存在していない。読取ヘッド５０及び基板３２間の接触（それにより汚染を防止）は、基板３２上に読取ヘッド５０を浮揚させるのに用いた空気力学的浮揚機構を実装すること等による通常の、あるいは、上述のいくつかの方法により、防止される。
【００４２】
図８及び図９に示す個々の実施形態では、走査ヘッド５０は、Ｙ方向における湾曲した経路を通る。このことは、未処理のデータにおける画像の画素が、ほとんどの画像ファイルのような矩形の格子状になっていないことを意味する。しかしながら、各画素の正確な位置が登録されているかぎり、この走査装置で生成される画像ファイルは、通常のソフトウェアによって標準的な画像ファイルに変換可能である。どちらの実施形態においても、Ｘ位置は、移動ステージ８８の通常の位置エンコーダにより記録されてもよい。図８に示す実施形態では、Ｙ位置は、ガルバノスキャナ８４が角度αに亘って掃引することにより生じる角変位から算出されてもよい。図９に示す実施形態では、Ｙ位置は、いくつかの異なった方法のうちの任意のものにより、算出されてもよい。１つの方法として、共振懸架ビーム９４の両側表面上の既知の位置における変形歪力を、通常の歪ゲージを用いることにより測定して記録する方法がある。２番目の方法では、新規の光学方式位置測定装置が用いられる。これについては後ほど詳述する。この方法は、このような測定の目的に適合したものである。第３の方法として、共振周期をリアルタイムで測定し、経時的な振動の両極値間の読取ヘッド５０の位置を算出する方法がある。
【００４３】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）には、ＣＣＤアレイ及び光ファイバビーコンが組み込まれた単純な位置検出装置９６の代替的な実施形態が示されている。この実施形態は、スライドする大きさおよび移動速度が多様であったとしても、実施可能である。
【００４４】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すように、光ファイバ９８，１００が、移動ステージ１０６の移動部分に、ビーコンとして実装されている。固定ステージ１０４は、移動ステージ１０６とは異なり、静止している。その代わりに、ステージ１０４が動いて、ステージ１０６が固定されていてもよい。第１のビーコン９８は最も明るく、第２のビーコンはより暗くというようになっている。また、リニアＣＣＤアレイ１０２が、ステージの固定部分１０４又はステージの移動部分１０６に実装されていてもよい。近接した２つのビーコン９８，１００の間隔は、リニアＣＣＤアレイ１０２よりもわずかに短い。移動開始時に、リニアＣＣＤアレイ１０２は、そのピクセルアレイの一端において、単一の明るいスポットを検出する。図１０の（ａ）に示すように、このスポットの位置は、移動ステージ１０６の相対位置を示している。図１０の（ｂ）、図１０の（ｃ）に順に示すように、ステージ１０６が移動してゆきながら第１のビーコン９８がリニアＣＣＤ１０２の範囲を越える手前で、このスポットがリニアＣＣＤの他端へ移動してゆくと、第２のビーコン１００が移動してきて、位置監視が継続される。全範囲に亘る移動ステージ１０６の位置を絶対位置で監視可能とするのに必要であれば、ビーコンは、いくつ用いられてもよい。
【００４５】
ＣＣＤの長さと比較したビーコンの分離間隔の一例として、ピクセルアレイに沿ったスポットの正確な位置は、中心軌跡アルゴリズム（ｃｅｎｔｒｏｉｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて、少なくともピクセルのピッチの約１／５０まで算出されてもよい。例えば、通常の２０４８ピクセルでピッチが２４μｍの代表的で安価なＣＣＤアレイ１０２を考慮すると、リニアＣＣＤアレイ１０２の有効な長さは、約４９ｍｍである。２つのファイバビーコンを例えば約４０ｍｍ間隔で実装すると、位置検出装置９６は、移動ステージ１０６の位置を、約８０ｍｍの範囲に亘って０．４８μｍの解像度で監視可能となる。これは、マイクロアレイ走査装置のためには、充分過ぎるものである。
【００４６】
図１１に示すように、位置検出装置９６は、１次元のマイクロアレイ１０８の実施形態に用いられてもよい。ここで、特許出願中の米国特許出願番号６０／２４４，４１８（名称「Ｇｅｎｅ Ｔｈｒｅａｄ」，発明者：Ｓｈｉｐｉｎｇ Ｃｈｅｎ， Ｙｕｌｉｎｇ Ｌｕｏ， ａｎｄ Ａｎｔｈｏｎｙ Ｃｈｅｎ，出願日：２０００年１０月３０日）に記述されているように、１次元のマイクロアレイ１０８は、移動ステージ１０６上に位置していてもよい。この米国特許出願番号６０／２４４，４１８は、その全てがここに一体に組み入れられる。１次元のマイクロアレイ１０８上には、ハイブリッド化のためのサンプルが含まれた標準的なプローブ１１０が配列されていてもよい。その代わりに、プローブは、所望の応用例に応じた様々な構成で配置されてもよい。いくつかの例として、プローブは、直線状１１２にあるいは斜め１１４に配置されてもよい。どのような場合であっても、プローブの位置は、上述の方法及び装置のいずれかを用いて、監視され読み取られる。
【００４７】
その代わりに、本発明の走査装置の一実施形態では、１次元のマイクロアレイ１０８が当該読取ヘッド５０の下側を移動する一方で、読取ヘッド５０は、固定された状態で、走査可能となっていてもよい。これにより、１次元だけのプローブ１１０がステージ１０６上で一方向に移動しているため、読取ヘッドを振動させる必要がなくなる。
【００４８】
また、位置検出装置９６を調整するのに、ビーコン９８，１００をその相対的なピーク強度で識別するシステムが用いられてもよい。図１０の（ａ）乃至図１０の（ｃ）に示すように、ＣＣＤアレイは、該アレイ上の位置の関数になった相対的な信号強度を出力する。所与の信号強度が、所与のビーコンに対応している。例えば、第１のビーコン９８は、最も明るいビーコンであるため、最も明るい信号９８´に対応し、第２のビーコン１００は、第１のビーコン９８よりも暗いビーコンであり、より暗い信号１００´に対応し、以下同様である。従って、ＣＣＤアレイからの出力は、ビーコンをその相対強度で監視することにも用いられうる。その代わりに、スポットの大きさやビーコンにおけるファイバの本数により、個々のビーコンが識別されてもよい。例えば、第１のビーコン９８が、一本のファイバを備えていて、ＣＣＤ上に単一のスポットを形成し、第２のビーコン１００が、近接配置された２つの光ファイバを備えていて、近接した２つのスポットを形成するというようにである。なお、第２のビーコン１００の２つのファイバは、第１のビーコン９８と第２のビーコン１００との間隔に比べて、極めて小さな間隔で互いに離れていてもよい。例えば、隣接した第１及び第２のビーコン９８，１００が４０ｍｍ離れていて、第２のビーコン１００の２つのファイバが０．１ｍｍといった小さな間隔で離れていてもよい。
【００４９】
さらに、Ｘ方向における必要な走査範囲が約３０ｍｍよりも小さい場合に、単一のビーコンが、ＣＣＤアレイ又はアナログ位置検出装置とともに用いられてもよい。例えば、アナログ位置検出装置は、ストリップ上の光のスポット位置に比例した２端子における差動電圧出力が得られる連続フォトレジスタ・ストリップであってもよい。
【００５０】
図１２に、回転位置検出機構１１６を備えた走査装置の実施形態を示す。ここでは、マイクロアレイは、回転する基板１２２上に形成されている。基板１２２は、上記の特許出願中の米国特許出願番号６０／２４４，４１８に記載されているように、ＣＤ−ＲＯＭディスクに類似した形状を有している。本実施形態では、マイクロアレイ基板１２２は、回転ステージ１２０により連続的に回転し、その一方で、１つの光学読取ヘッド１１８又は複数のヘッドが段階的に径方向へ移動して、マイクロアレイ基板１２２表面の全体を走査してもよい。この設計の利点は、成熟したＣＤ−ＲＯＭ設計及び製造能力による多くの利点が、システムコストを削減可能とすることにある。基板が連続的に高速で回転しうるので、通常の読取機構によるよりも高速の読取速度が達成可能である。走査装置の本実施形態には、上述のように、基板１２２における光学又は磁気マーカが組み込まれてもよい。これにより、読取ヘッドの位置が指示されるようになる。
【００５１】
走査装置には、上述のような光ファイバを有する読取ヘッド１１８の他にも、コンパクトディスク（ＣＤ）リーダに見られるものに似た大きな光学レンズに基づく読取ヘッドが組み込まれてもよい。このように構成されることにより、現行のＣＤ−ＲＯＭドライブの成熟した技術の利点が存分に活かされうる。
【００５２】
マイクロアレイ走査装置が高いスループットの読取装置として用いられている場合、このシステムにおけるマイクロアレイ基板は、マイクロ反応ウェル（ｍｉｃｒｏ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗｅｌｌ）に置き換えられてもよい。マイクロ反応ウェルは、流体で満たされている。全ての型のマイクロアレイ走査装置が、この用途に適合可能であろう。特に、開示されている発明がこの用途に用いられた場合、光ファイバは、励起光のエネルギーをウェルに導き、発せられた光を同時に集光する。ウェルアレイは、一方向に移動してもよい。この際、読取ヘッドは、他の方向へ移動する。走査を完全なものにするため、通常、当該他の方向は直交方向である。一方、アレイが固定されていて、読取ヘッドにより両方向への走査運動が得られてもよい。読取ヘッドは、開示されている発明では光ファイバ式であるため、光源から独立して移動可能である。このことにより、コンパクトで経済的な構造設計を実現するための自由度が追加される。
【００５３】
本発明のどの実施形態においても、走査構造は、基板上の乾式領域又は湿式領域からの光を受光できるように構成されている。本発明のある好適な実施形態では、当該領域の直径は、約１０マイクロメータ乃至約５００マイクロメータである。他の好適な実施形態では、当該領域は、直径が約１００乃至１０００マイクロメータのマイクロウェルである。通常、当該領域は既知のスポット形成技術により形成され、また、ウェル内の液体は断面が円形であるため、当該領域は、直径を有するものとして記述されているが、円形の形状に限定されるものではない。
【００５４】
走査構造は、特定のサイズのいくつかの方式の領域からの第２の波長の光を受光するように、構成されうる。例えば、ファイバ又はロッドは、この領域からの光を読み取るのに適した直径になっている。（すなわち、ファイバ又はロッドが所与の領域からの信号を読み取っている時にはいつでも２以上の領域からはみ出すほどには、この直径は大きくない。）検出器は、既知の技術によりタイミングが調節され、読み取られるべき領域を横切る走査構造の導光部分に対応した、所与の時刻及び／又は所与の位置で信号を読み取る。走査速度は、アレイ密度に対応させて変更されてもよい。また、これらの技術の任意のものが組み合わされて、用いられてもよい。
【００５５】
基板の光に反応する領域は乾式であっても湿式であってもよい。遺伝子又はタンパク質のマイクロアレイは、マイクロウェルが反応や会合（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）の生成物を含むことがある（高いスループットの薬品のスクリーニングで発生するように）ので、走査装置を使って読み取られてもよい。このようなマイクロアレイとしては、ＷＯ９９／５５４６０、ＷＯ９９／５５４６１、ＥＰ０９５５０８４、ＷＯ００／５３７３６、ＷＯ００／５３７３９、２００１年１月１０日出願の米国特許出願番号０９／７５８，８７３、２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，９９８、２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，４１０、及び２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，４１１（これらのうち最後の４件は、本出願人による発明）に、記述されているものがある。これらの全てがここに一体に組み入れられる。
【００５６】
本発明の走査構造は、上述したような高いスループットのために構成された基板と組み合わされて用いられてもよい。この走査構造は、光源及び検出器を備えている。基板は、光源からの光を受光し、検出器は、基板からの光を受光して、１つ又はそれ以上の波長の光が存在するかどうかを検出する。オリゴヌクレオチドを含んだマイクロアレイ上のハイブリッド化を検出するのに用いられる他の走査装置が、同様に使用されてもよい。このようなマイクロアレイは、上述の背景の部分で考察されている。例えば、これらのマイクロアレイには、液体サンプルの処理のために、１平方センチメートル当たり少なくとも１００、４００、又は１０００のマイクロウェルが含まれている。
【００５７】
本発明は、特定の実施形態を参照して記述されているが、この記述は、本発明の適用例に過ぎず、これにより何らの制限がなされるものではない。様々な改良及び開示された実施形態の特徴の組み合わせが、通常の技術を有する者に今や明らかとなり、これらは、本発明の範囲に属するものである。ここに考察又は言及された全ての参考文献は、その全体が一体に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）はプローブ・マイクロアレイを走査するために用いられる本発明の実施形態を示す図である。
【図２】光ファイバがその先端面のコアの部分に極めて近接した領域を励起し、照射された領域の一部からの光が同ファイバに受光されうることを示す図である。
【図３】読取ヘッド支持用に磁気的及び空気力学的浮揚を組み合わせた実施形態を示す図である。
【図４】読取ヘッド支持用に薄い気体クッションを発生させるための実施形態を示す図である。
【図５】一様でない屈折率のダブルコア光ファイバを示す図である。
【図６】複数の異なった波長を単一の光路にまとめた走査装置の実施形態を示す図である。
【図７】異なった波長の個々のファイバを束ねるか近接させて構成した走査装置の実施形態を示す図である。
【図８】ガルバノスキャナを利用した走査装置の実施形態の側面図及び平面図である。
【図９】共振懸架ビームを利用した走査装置の実施形態の側面図及び平面図である。
【図１０】移動ステージの固定ステージに対する移動、及び強度の異なる複数のビーコンを用いてそれを測定することを示す図である。
【図１１】図１０（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１０（ｃ）の移動ステージを利用した１次元のマイクロアレイ上に配置された様々な複数のプローブを示す図である。
【図１２】回転する基板を備えた走査装置の実施形態を示す図である。
〔関連出願の参照〕
本発明は、２０００年３月１３日に出願された米国仮出願番号６０／１８８，８７３による権利を主張し、参考としてここにその全てが盛り込まれている。
【０００２】
〔技術分野〕
本発明は、ＤＮＡマイクロアレイ、タンパク質マイクロアレイ、及び化合物マイクロアレイのような、マイクロプレート（ｍｉｃｒｏｐｌａｔｅ）におけるマイクロアレイ（ｍｉｃｒｏａｒｒａｙｓ）又はマイクロウェル（ｍｉｃｒｏｗｅｌｌｓ）を、走査するための装置及び方法に関する。
【０００３】
〔背 景〕
マイクロアレイとは、基板上の所定の位置に固定された生物学又は化学サンプル（「プローブ」）のスポットの列である。各スポットには、単一の生物学的物質又は化学物質のいくつかの分子が含まれている。マイクロアレイは、１つ又はそれ以上の生物学的又は化学的サンプルを含んだ液体（「ターゲット」）に浸される。通例、ターゲットは、マイクロアレイ上で１つ又はそれ以上の相補的なプローブと互に影響し合う。特に、ＤＮＡマイクロアレイでは、プローブがオリゴヌクレオチド又はｃＤＮＡ菌株（ｓｔｒａｉｎｓ）であり、ターゲットが蛍光又は放射性ラベルがなされたＤＮＡサンプルである。ターゲット中の分子鎖は、プローブのマイクロアレイ中の相補的な分子鎖とハイブリッドを形成する。
【０００４】
ハイブリッド化されたマイクロアレイは、マイクロアレイ・リーダにより検査される。マイクロアレイ・リーダは、放射性ラベルの存在を検出するか、あるいは、レーザや他のエネルギー源を用いて蛍光ラベルを励起することにより、該蛍光ラベルを刺激し、光を放射させる。マイクロアレイ・リーダは、マイクロアレイにおけるラベルの放射の位置及び強度を検出する。プローブは、マイクロアレイにおける予め定められた既知の位置に配置されているので、液体中の一連のターゲットは、蛍光又は放射線が検出された位置及び蛍光又は放射線の強度により、識別される。
【０００５】
従って、マイクロアレイ・リーダは、マイクロアレイ技術の装置における重要な部分の１つである。現在、２種類のマイクロアレイ・リーダが利用可能である。第１種のものは、その一例が米国特許第５，３２４，６３３号に記述されており、走査顕微鏡の原理に基づくものである。それによると、２以上の波長のレーザビームが組み合わされ、マイクロアレイ上の１つのスポットに集束されて、蛍光ラベルを励起する。組み合わされたレーザビームは、２軸の平行移動ステージ上でマイクロアレイを動かすか、あるいは、顕微鏡のレンズを一方の軸で動かし、マイクロアレイ基板を他方の軸で動かすことにより、マイクロアレイ全体を各点毎に高い空間解像度（〜１０μｍ）で走査する。第２種のものは、その一例がＷＯ００／１２７５９号に示されており、ＣＣＤ画像装置を用いて、マイクロアレイからの蛍光の放出を、小領域毎に一度に検出してゆく。アークランプのような広帯域の光源が、蛍光の励起に用いられている。
【０００６】
走査顕微鏡技術では、コストに大きく影響するのは、その光学系である。これは、光学系が、波長の異なる複数のレーザビームを結合して正確に並べ、その後、別々の検出チャネルへと再び分割しなければならないためである。顕微鏡のレンズ及びスライドキャリアの双方とも、かさばって重く、高速に動かすことができない。このことにより、走査スピードが制限される。
【０００７】
ＣＣＤ方式のシステムでは、画像装置及びレンズの双方がコストに大きく影響する。ここでは、励起光は、エネルギー密度を大幅に減少させて、広範囲に拡がってしまう。この減少を補償するために、露光時間を数十分の１秒まで延ばさなければならない。露光時間が長いので、ＣＣＤ画像装置は、妥当なＳＮ比を維持するために、冷却されている必要がある。冷却されている大型のこのようなＣＣＤ画像装置は、現在のところ非常に高価である。さらに、このシステムの光学レンズは、色収差及び広い視野に亘る像の歪曲が補正されていなければならない。このことにより、走査顕微鏡の各点毎のシステムにおけるレンズに比べて、コストが非常に上昇する。そのうえ、スライドの全領域（２５ｍｍ×７５ｍｍ）に対応するのに充分な解像度と大きさを持ったＣＣＤ画像装置は、現在のところ存在しない。ＣＣＤ方式のシステムでは、機械的な走査が、これまで通り必要とされる。これにより、マイクロアレイ・リーダが低速になる。現在、ほとんどの市販のマイクロアレイ・リーダは、２５ｍｍ×７０ｍｍのスライドの走査を完了するのに、５分以上を要する。これは、多くの用途に対しておそすぎる。
【０００８】
光ファイバは、近接場走査顕微鏡法に用いられてきている（Ｄ． Ｗ． Ｐｏｈｌ， “Ｓｃａｎｎｉｎｇ ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ” ｉｎ Ａｄｖａｎｃｅｓ ｉｎ Ｏｐｔｉｃａｌ ａｎｄ Ｅｌｅｃｔｒｏｎ Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ １２， Ｃ． Ｊ． Ｒ． Ｓｈｅｐｐａｒｄ ａｎｄ Ｔ． Ｍｕｌｖｅｙ， Ｅｄｓ． （Ａｃａｄｅｍｉｃ Ｐｒｅｓｓ， Ｌｏｎｄｏｎ， １９９０）； Ｍ． Ｈ． Ｐ． Ｍｏｅｒｓ， Ｗ． Ｈ． Ｊ． Ｋａｌｌｅ， Ａ． Ｇ． Ｔ． Ｒｕｉｔｅｒ， Ｊ． Ｃ． Ａ． Ｇ． Ｗｉｅｇａｎｔ， Ａ． Ｋ． Ｒａａｐ， Ｊ． Ｇｒｅｖｅ， Ｂ． Ｇ． Ｄｅ Ｇｒｏｏｔｈ， Ｎ． Ｆ． ｖａｎ Ｈｕｌｓｔ， Ｊ． Ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｙ １８２， ｐ． ４０， （１９９６））。ここでは、光エネルギーは、直径がサブマイクロメータにまで縮小されて、光ファイバ先端に導かれる。ファイバ先端は、被検面のナノメータの数十分の１以下のところに置かれる。そして、ファイバ先端は、小領域（通常１０ｍｍ角）を走査し、被検面からの直接散乱光を受光する。（Ｃｈｕｃｋ，開示されている発明で、ファイバのコアが集光を最大化するには大きすぎ、集光された光は、被検体からの蛍光のように、間接的に放出されたものである。）
一方、光ファイバ・リーダ・ヘッドは、ＡＢＩのＴａｑｍａｎリーダ（ＵＳ５５８９３５１）のようないくつかの機器で、マイクロタイタープレート（ｍｉｃｒｏｔｉｔｅｒ ｐｌａｔｅ）から放出された蛍光を受光するのに用いられてきた。ここで、リーダの空間解像度は、数ミリメートルのオーダである。励起光と受光された光とは、バンドルにおける別々のファイバで伝達される。光学ヘッドは、被検体から比較的大きく隔てられている。
【０００９】
〔概 要〕
以下に充分に記述するように、本発明により、プローブのマイクロアレイ又はサンプル（マイクロウェルに収納された乾式又は湿式）を走査するいくつかのシステム、装置、手段、及び方法が提供される。本開示内容のこの部分により、本発明の顕著な点についての要約が提供されるが、この部分は、本発明を、当該部分について考察された特徴及び実施形態のみに限定するように解釈されるためのものではない。むしろ、本発明には、特許請求の範囲とともに当該部分及びそれに続く部分で考察される全ての装置、システム、及び方法が含まれている。
【００１０】
開示される走査構造には、該走査構造で測定される基板上の光励起可能領域に対する光伝達及び受光装置が含まれている。この光伝達及び受光装置は、基端及び先端を有する光ファイバを備えていてもよい。この光ファイバは、ある波長の光又はいくつかの多様な波長の光を伝達して、サンプルを照射する。これにより、発光が励起されたり１つかそれ以上の波長がサンプルに吸収されたりする。また、この光ファイバは、基板上のサンプルに蛍光を発生させることにより放出されるかあるいは他の方式で生じた、反射又は回折した光を、同時に受光してもよい。さらに、走査構造には、検査対象の基板上を可変の間隔で横切ることが可能な光ファイバホルダが含まれていてもよい。例えば、ホルダには、ガルバノスキャナや共振懸架ビームが含まれていてもよい。基板のサンプルを励起する光を発生させるために、例えばレーザ等の光源が、光ファイバの基端に光学的に結合されてもよい。異なった波長の複数の光源が、波長マルチプレクサで光源を単一の光ファイバに結合するか、あるいは、異なる波長を伝達する個別の光ファイバを互いに近接させて配置することにより、同時に用いられてもよい。光は、光ファイバを通じて基板へと伝達され、光ファイバは、発せられた蛍光をも受光できるように、この基板に充分に近接している。
【００１１】
本発明のある実施形態は、蛍光を発するものとして記述されているが、本発明には、他の形式による光の発生も含まれている。他の形式として、化学ルミネセンス、及び、光が吸収されて吸収スペクトルが生じ、それが走査構造の導光部分（例えばファイバ又はロッド）により伝達されること等がある。このように、基板上の光励起可能領域は、湿式及び乾式のサンプルを含んだ基板の一部である。サンプルは、走査構造の導光部分により基板に伝達された複数の波長のうちのある波長が吸収された領域あるいは、基板（蛍光や化学ルミネセンスのような）により受光した光とは異なる波長の光を発生する。従って、基板上の光励起可能領域で「発生」した第２の波長は、光源により供給されていない波長であってもよく、光源から伝達されて、サンプルや基板により反射又は回折するものの光励起可能領域における基板やサンプルには吸収されていない波長であってもよい。このように、走査構造は、光を検出するか、あるいは、光においてある波長が欠落していることを検出するように、構成されうる。
【００１２】
走査装置の空間解像度は、励起光のエネルギーを伝達するファイバのコアの径にほぼ等しいので、好適なコア径は、５μｍ，１０μｍの空間解像度の走査装置に対して、それぞれ５μｍ，１０μｍとなる。このようなコア径は、通信ファイバで容易に入手可能である。ファイバ先端でコアのサイズを小さくする必要はない。
【００１３】
開示される本走査装置は、通常の正方形又は長方形状の基板上のマイクロアレイの他にも、ＣＤのように回転する基板を読み取ること、及び１次元のマイクロアレイにも適用可能である。
【００１４】
開示される本発明は、マイクロアレイに加え、高いスループットでスクリーニングすることの用途において、顕微鏡的リアクションウェルのアレイを読むことにさらに適用可能である。
【００１５】
現在のところ、ＨＴＳからの出力信号は、蛍光、化学ルミネセンス、あるいは吸光度であってもよく、これらは、「マイクロプレート・リーダ」と称する装置を用いて検出される。本発明は、現在のＤＮＡマイクロアレイと同等のサイズ及び密度（例えば、約５００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、好ましくは約１０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、より好ましくは約２０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度、さらに好ましくは約５０００ウェル／ｃｍ２よりも高密度）のマイクロウェルアレイ内の溶液からのこのような信号を読み取る走査装置に関する。マイクロウェルの内径は、約１００マイクロメータから約１０００マイクロメータであり、好ましくは約５００マイクロメータ未満であり、より好ましくは２００マイクロメータ未満である。ある特定の実施形態では、本発明の光ファイバ走査装置は、マイクロウェル内の溶液からの信号の読取装置に適用されている。例えば、光ファイバが基板となす角度は、垂直であってもよく、反射を防ぎながらも光が存在するかどうかを検出できるような垂直に近い角度であってもよい。ファイバ径は、マイクロウェルの径に基づいて選択されてもよい。走査前に読取装置が待機する時間は、サンプル及びプローブ（例えば、オリゴヌクレオチド、タンパク質、又は反応物）にサンプルと会合又は反応させるのに必要な反応又は会合時間に基づいて選択されてもよい。光ファイバによって読取装置が、スクリーニングシステムに統合可能となる柔軟性が提供される。
【００１６】
〔発明の詳細な説明〕
本発明では、多くの基本的な光学部材が、励起光を伝達することに、あるいは蛍光の放出を受光することにも、用いられてもよい。このような光学部材として、導光ロッド及び光ファイバのような部材が、含まれていてもよい。光学部材として光ファイバを用いることが好ましく、以下に開示する実施形態では、このような光ファイバを例として用いることが考察される。しかしながら、本発明はこれに限定されるものではない。
【００１７】
図１（ａ）に、本発明の一実施形態としての走査構造１０が、図示されている。この図において、レーザ１４から射出された励起レーザ光２０は、光ファイバ１２の基端２８に入る前に、フィルタ１６により反射される。光ファイバ１２は、励起光２０を導いて、当該光ファイバ１２の先端２６から、マイクロアレイ・サンプル３０上の例えばＤＮＡプローブ等のサンプルを照射する。マイクロアレイ・サンプル３０は、上述の如く、基板３２及びプローブ３４から構成されていてもよい。フィルタ１６は、光の予め選択した波長又は帯域を反射しつつ、同時に、反射光における所望の波長又は帯域を通過できるように、選択的に設計されていてもよい。プローブ３４から発せられた蛍光２０´は、同ファイバ１２により受光され、フィルタ１６を通過した後、検出器１８へ導かれる。本実施形態１０における励起光２０及び蛍光２０´は、フィルタ１６によって分離される。フィルタ１６は、所定の波長の光を反射させる一方で、特定の波長を透過可能としている。図１（ａ）に示された特定の実施形態では、フィルタ１６が、励起光２０を反射するように設計されていてもよい。また、図１（ａ）におけるレーザ１４と検出器１８の位置を交換することにより、このシステムに、蛍光を反射するフィルタが用いられてもよい。
【００１８】
図１（ｂ）には、同システム設計の代替的な実施形態２２が図示されている。ここでは、かさばっていた光ビーム分割及び結合構造が、光ファイバカプラ２４で置き換えられている。この記述の全体に亘り、別々の実施形態における構造で同一の番号が付されたものは、その機能が類似している。また、カプラ２４は、特定の波長を他の分岐ファイバへと選択的に結合する波長多重（ＷＤＭ：ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｏｍａｉｎ ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｅｒ）であってもよい。好ましくは、励起光を遮断するために、検出器１８の前に、追加のフィルタ１６が配置されてもよい。
【００１９】
さらなる他の実施形態では、レーザの代わりに、励起光２０の光源として発光ダイオード（ＬＥＤ）が用いられる。単一のＬＥＤ、又は複数のＬＥＤで各ＬＥＤが別々の波長の光を発するものを、基板３２に直に近接して配置してもよい。このようにしても、光ファイバ１２が蛍光２０´を集光可能であり、光ファイバの基端２８にあるレーザ１４を置換可能である。
【００２０】
図２に示すように、光ファイバの先端２６から出射する光３６は、ファイバの開口数（ＮＡ）で規定される固有の角度で発散する。光ビームがファイバで導かれるために、光ビームは、以下の両条件を満たさなければならない。１）光ビームは、ファイバの開口数で規定されるコアの領域に入射すること、そして、２）光ビームは、ファイバの軸に対して、ＮＡよりも小さい角度をなしていること。例えば、矢で示された光ビーム３８は、上記の両条件を満たしているので、コア領域４２に導かれうる。しかし、光ビーム４０は、上記条件の一方のみを満たしているだけなので、導かれることなく、コア領域４２ではなくクラッド４４に入射する。
【００２１】
図１の（ａ）及び（ｂ）に図示された実施形態において、ビームの発散及び導光条件により、ファイバのコアに非常に近い領域へ発せられた光が集光される。ファイバの集光能力は、２つの要素で規定される。すなわち、１）コアのサイズ、及び２）ＮＡである。これら２つのパラメータが大きくなるほど、ファイバ１２の集光能力が高くなる。しかしながら、コアのサイズが大きくなると、システムの空間解像度が低下するおそれがある。ファイバ先端１２と基板３２との間隔がｄｃ／２ＮＡ以内であれば、空間解像度は、ファイバのコアのサイズにほぼ等しい。ここで、ｄｃは、ファイバのコア４２の直径とする。基板３２がファイバ先端１２からｄｃ／２ＮＡの間隔より大きく離れていれば、蛍光を受光する効率が著しく低下する。標準的な通信ファイバは、そのコア径が約９μｍであり、ＮＡ＝０．１２である。従って、本発明の走査構造を構成するのに標準的な通信ファイバが用いられると、基板表面がファイバ端面２７から３８μｍ以内に保たれていれば、約１０μｍの空間解像度が達成可能となる。ＮＡが０．６６のファイバが報告されている。ファイバ端面２７を基板の約７μｍ以内に保つことにより、集光能力を約２７倍に引き上げる可能性が存在する。
【００２２】
ファイバ１２を基板３２に近接させておくように、いくつかの方法を用いうる。
【００２３】
本発明の走査構造の第１実施形態では、ファイバ先端１２と基板３２表面との間隔がリアルタイムで検出され、この間隔が能動的に制御される。間隔の大きさは、干渉計を用いた光学干渉のような通常の方法で検出され、干渉計から取得した信号に応答して動作する例えば圧電アクチュエータ（米国特許第６，１４２，４４４号記載のようなもの）に、光ファイバを取り付けることにより、制御される。
【００２４】
本発明の第２の走査構造は、基板近傍でファイバ先端が高速動作することにより発生するエアクッション上に、マイクロアレイ基板３２全体に亘ってファイバ１２の先端を空気力学的に「浮ばせる」ことができるように、構成されている。これは、例えば、フロッピーディスクドライブ（ＴＭ）、ハードドライブ、及びＣＤ−ＲＯＭドライブに使用されている技術である。フロッピーディスクドライブ（ＴＭ）の読取ヘッドは、厚さが２マイクロメートルのエアギャップで浮遊する。エアギャップは、回転するフロッピーディスク（ＴＭ）及び読取ヘッド間に発生したいわゆる「地面効果」により空気力学的に形成される。読取ヘッドとフロッピーディスク（ＴＭ）との相対動作により、真空が形成されて読取ヘッドがフロッピーディスク（ＴＭ）表面へ引き付けられる。しかし、読取ヘッドが表面に近接してゆくと、読取ヘッド及び表面間のギャップにおいて圧力が充分に増大し、読取ヘッドはディスク表面に接触しない。
【００２５】
この「地面効果」が、本発明の走査装置に適用されてもよい。ファイバ先端が基板表面において充分に早く動作して、ファイバ及び基板間の相対動作により、ファイバ先端は、基板表面の数マイクロメータ以内に引き付けられる。図３に示すように、ファイバ先端は、読取ヘッド５０内に収容されていてもよい。読取ヘッド５０は、基板３２とともにベンチュリを形成するような形状を有しており、それにより気流に地面効果を発生させる。以下に詳述するように、読取ヘッドは、１本の光ファイバが、該ファイバを基板表面全体に亘って移動するホルダに取り付けられたものであってもよく、あるいは、読取ヘッドは、光ファイバの束がホルダに取り付けられたものであってもよい。図３に示すように、読取ヘッドにおける基板に対向した表面は、側面から見てパラボラ状の形状を有していてもよい。あるいは、図１や図２に示すように、読取ヘッドは、平坦な表面を有していてもよい。読取ヘッドすなわちファイバ先端が、反対方向へ移動する際に、方向を変えるために減速してマイクロアレイを走査するので、速度が地面効果を得るのに必要な速度より小さければ、読取ヘッドやファイバ先端が、基板又は基板のホルダの一部に接触するおそれがある。
【００２６】
磁気及び空気力学的浮揚を併用した走査構造４６では、読取ヘッドやファイバ先端が走査中に方向を変えるために減速する時に、読取ヘッドやファイバ先端が基板や基板ホルダに接触するのを、防止することができる。図３に示すように、走査構造４６のマイクロアレイ基板３２は、極性の方向が同じの一対の磁石４８で支持されている。光ファイバが組み込まれた読取ヘッド５０は、永久磁石が組み込まれて形成されるか、あるいは、それ自体が磁化されて（磁性材料で形成される場合）、その極性が支持磁石４８の対と同じになっており、読取ヘッド及び磁石４８間で斥力が発生する。基板３２の中央の位置１では、読取ヘッド５０は、比較的速く動作し、空気力学的に浮揚する。読取ヘッド５０は、基板３２の端へと位置２から位置３へ移動するにつれて、おそくなってゆく。おそくなると、空気力学的な浮揚力が減少するが、読取ヘッド５０は、磁気支持部４８からの磁力により支持され、当該読取ヘッドがマイクロアレイ基板３２や磁石４８に接触しないように浮揚した状態が保たれる。
【００２７】
本発明の走査構造の第３の実施形態は、特に、表面が粗い基板上のマイクロアレイのラベルを励起して検出するのに適している。但し、その用途は、表面の粗い基板上のマイクロアレイに限定されるものではない。図４に示す走査構造５２では、読取ヘッド５０を一定な状態で空気力学的に浮揚させておくために、光ファイバ５６間に毛管５４が組み込まれていてもよい。複数本のファイバが用いられる場合には、それらは、任意に束ねられるか、あるいは、高速又は冗長性を持たせてマイクロアレイを走査できるように、周知の空間配列で連続的に又は規則正しい配列に束ねられる。毛管ファイバ５４を通じて、気体を下方へ吹きつけることにより、極めて薄い気体クッション５８が、読取ヘッド５０及び基板３２間に形成される。空気や窒素のような不活性な気体であれば、何でも使用可能である。ファイバ方式の読取ヘッド５０は極めて軽いため、読取ヘッド５０を基板３２上に浮揚させて、両者を数マイクロメータのオーダの小さな間隔に保つのには、小さな正の圧力で充分なはずである。正の圧力の大きさは、読取ヘッド５０の個々の設計に依存する。
【００２８】
信号対雑音比の向上、複数波長での励起及び受光、並びに走査機構といったいくつかの特徴について、以下、考察する。
【００２９】
〔信号対雑音比の向上〕
ファイバ１２の長さ方向の軸が、基板３２の表面に対して実質的に垂直であると、元の励起光２０のうちのある部分は、ファイバ１２の端面２７を出て基板３２で反射され、そして、ファイバ１２へと戻ってくる。これにより、信号中にバックグラウンドノイズが生じる。図１の（ａ）及び（ｂ）に示すように、このバックグラウンドノイズは、システム中のフィルタ１６により抑制しうる。フィルタ１６は、それがなければ検出器１８が検出してしまう望ましくない波長の光を反射することにより、バックグラウンドノイズを抑制するように作用する。しかしながら、発せられた蛍光が比較的小さいために、フィルタが抑制するにもかかわらず、かなりのレベルのノイズがなおも存在するおそれがある。より高い信号対雑音比（ＳＮ比）を有する走査構造では、基板３２の表面に対して角度θで傾いたファイバ１２が、含まれている。この角度は、図１及び図５に示すように、ファイバ１２のＮＡよりもわずかに大きい。この構成により、反射された励起光は、光ファイバで検出器へと導かれるのではなく、ファイバの壁面を透過するようになる。
【００３０】
ＳＮ比がより高い走査構造の代替的な実施形態には、基板３２の表面と実質的に平行に端面２７が研磨されたファイバ１２が、含まれている。このように研磨すると、全ての光（励起光２０を含む）が、直接、ファイバ端面２７及びマイクロアレイ基板３２で反射され、ファイバ１２の軸とＮＡより大きい角度で交差するので、この光がファイバコア４２を通じて検出器１８へ導かれることがない。一方、蛍光２０´は、あらゆる方向へ発せられ、端面が研磨されていないファイバに受光されるのと同じ割合の光２０´が、その信号レベルを変化させずにファイバ１２に受光される。その結果、システムのＳＮ比は、著しく向上する。
【００３１】
ＳＮ比が向上した他の走査構造には、ダブルコアファイバ６０が用いられている。図５に示すように、ダブルコアファイバ６０は、２つの同軸のコア６２，６４を有し、コア６２の屈折率は、コア６４の屈折率よりも大きくなっている。ダブルコアファイバ６０の相対屈折率の縦断面図を、図５に示す。この図において、ピーク７０は、インナーコア６２の相対屈折率に相当し、ピーク７２は、アウターコア６４の相対屈折率に相当し、ピーク７４は、ファイバ６０のクラッドの相対屈折率に相当する。
【００３２】
ダブルコアファイバ６０を備えた走査構造は、レーザからの光をインナーコア６２を通じて伝達する一方、基板からアウターコア６４へ入射した光については、１００％に近い結合比（ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｒａｔｉｏ）を有する。このように、ダブルコアファイバは、コアセレクティブカプラ（ｃｏｒｅ−ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ ｃｏｕｐｌｅｒ）として機能する。
【００３３】
アウターコア６４は、インナーコア６２よりも低い屈折率を有するので、インナーコア６２に対してクラッドのように機能する。従って、ダブルコアファイバが図１の（ｂ）のシステムに用いられると、例えばレーザから発せられた励起光２０は、臨界角より小さな角度でインナーコア６２に入射し、励起光は、実質的に、インナーコア６２内に閉じ込められる。
【００３４】
アウターコア６４内の光は、このダブルコアファイバにより外側に結合されることになる。インナーコア６２の臨界角より大きな角度でアウターコア６４に入射した光は、インナーコア６２へと内部反射することがないので、主にアウターコア内６４で見い出され、インナーコア６２には実質的にレーザからの光だけに任せた状態となる。
【００３５】
さらに、インナーコア６２は、該インナーコア６２から出射した後の光ビーム６８の発散が小さくなるように、小さなＮＡを有していてもよい。一方、発せられた蛍光６６の大部分は、アウターコア６４に入射して、ファイバ６０を遡って検出器へと伝達する。このような方法で、集光効率が著しく向上し、そのために、ＳＮ比が向上することになる。さらに、アウターコア６４は、インナーコア６２よりもはるかに大径に形成可能であるため、集光された光の強度は、ファイバ１２の端面２７と基板３２との間隔に決定的に依存するということがより少なくなる。このため、機器設計の許容度及び自由度がより高くなる。
【００３６】
ダブルコアファイバ６０を製造する一方法として、化学気相成長法（ＣＶＤ）がある。これによると、例えばシラン及びＯ２をともなった気体のＧｅ等のドーパントを、通常のファイバ形成チューブ（プリフォーム）の内面に第１の濃度で蒸着させ、層を形成する。次に、ドーパント（第１の濃度のドーパントと同じか又は同様の通常のドーパントからなる）を、第１の濃度よりも高い第２の濃度で、前記層上にドープしてもよい。その後、プリフォームを伸ばしてファイバ６０を形成する。
【００３７】
〔複数波長での励起及び受光〕
通常、本発明の走査構造は、少なくとも２つの別々の波長の光を伝達する。２つの波長の光とは、ある波長の励起光、及び、蛍光マーカから発せられた他の波長の蛍光である。現在知られている技術として、５つまでの別々の励起及び／又は受光波長を有する走査装置がある。現状のマイクロアレイ走査装置では、波長の異なる全ての光ビームが、顕微鏡の対物レンズに通じた単一の光路に集約される。通常の走査装置で用いられている複数の大きな光学コンポーネントには、これらの大きな光学コンポーネントの運搬及び移動させるために、高精度のアライメント及び複雑な構成が必要とされる。高精度で大きな光学コンポーネントにより、現行の走査装置はかさばって高価なものとなっている。さらに、集約された光路を有する現行の光学検出器では、ある波長を他のものから分離することが、困難であることが多い。２つ以上のレーザが同時に稼動しているときには、ＳＮ比が悪化する。現行の多くのマイクロアレイ走査装置では、走査速度を大幅に低下させてしまうという犠牲を払いながら、一度に一つのレーザに切り替えることにより、この問題の発生を防止している。
【００３８】
図６に、本発明の走査構造７６を示す。ここでは、複数の波長に対応した複数の光源１４λ １〜１４λ ｎが、波長多重（ＷＤＭ）７８１，７８ｎを用いて、単一の光ファイバ１２に集約されている。この走査構造は単純である。これは、特に、現行の走査装置で現在使用されている例えばレンズ及びミラーアセンブリのための複雑な支持構造を必要としない光ファイバ１２の柔軟性によるものである。ＷＤＭ７８１，７８ｎは、例えば、プレーナ又は溶融型カプラの作製することにおいて電気通信業界で周知の技術を用いて、作製される。
【００３９】
本発明の一実施形態では、複数波長の光ビームが、マイクロアレイ基板３２全体に亘って同時に走査されるが、これら光ビームは、正確に同じ位置にある必要はない。図７に、代替的な実施形態８０を示す。これによると、１つの波長が、他の波長からより容易に、速度の犠牲を払うことなく分離されている。図７に示すように、各波長の光１４λ １〜１４λ ｎが、別々であっても比較的近接した位置を照射する一方、同期して走査することを可能にする応用例に応じていくつかの所望の構成に、光ファイバ１２を配列してもよい。束になった光ファイバは、例えば、ファイバが挿入されてその順序を保つように束ねるガイドプレートを使用して、あるいは使用せずに、形成されてもよい。ここに言及された全ての論文、特許、及び特許出願は、その全体が一体に組み入れられる。光ファイバ１２は、極めて軽量で、細く正確な直径なので、各波長毎に別々のファイバを用いて、同期したマルチスポット走査が実現する。ここで、個々のファイバ１２がマイクロアレイ状に束ねられて、光ファイバ走査ヘッドを形成してもよい。このようなマイクロアレイは、規則的な配列又はランダムなバンドルとなるように、束ねられてもよい。バンドル中のファイバの本数は任意であるが、多くの例で、その本数は１０よりも少ない。システムにおける各ファイバの先端の相対位置が既知となるため、どちらの変形例も実現可能である。ファイバ端が極めて近接しているにもかかわらず、全てのファイバ１２が、同一のスポットを照射するように集束される必要はない。但し、そのようになされても、さしつかえない。逆に、各光ファイバ１２は、別々のスポットを同時に照射し、必要に応じて各スポットから同時に蛍光を集光するように、配列されてもよい。
【００４０】
〔走査機構〕
光ファイバ１２は、極めて軽いので、上記の走査ヘッド５０は、非常に高速に移動し、それにより、マイクロアレイを読み取る速度が増大する。図８に、走査装置８２の実施形態を示す。ここでは、光ファイバ１２の読取ヘッド５０が、通常のガルバノスキャナ（Ｇａｌｖａｎｏ ｓｃａｎｎｅｒ）８４によりｙ方向に往復移動する。ガルバノスキャナ８４は、光ファイバ１２及び読取ヘッド５０を保持した懸架ビーム（ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ ｂｅａｍ）８６を、所望の角度αに亘って、基板３２の幾何学的構成に応じた所望の周波数で、移動させるように設定されている。走査装置は、Ｘステージ位置決め機構を備えていてもよい。Ｘステージ位置決め機構は、基板を読取ヘッドの下側を移動させるとともに、光ファイバ１２がＸ軸上のどの位置を読み取っているのかを確定する情報を提供する。光ファイバ１２のＹ軸上の位置は、ガルバノスキャナ８４に組み込まれた角度エンコーダにより検出される。ガルバノスキャナ８４が懸架ビーム８６をＹ方向に移動させると、基板３２は、通常の移動ステージ８８によりＸ方向に段階的に移動する。
【００４１】
図９に、走査装置９０の代替的な実施形態を示す。この実施形態では、ガルバノスキャナ８４及び懸架ビーム８６が、共振アクティベータ９２及び共振懸架ビーム９４に置き換えられている。ここでは、光ファイバ読取ヘッド５０は、共振懸架ビーム９４がその共振周波数で共振アクティベータにより駆動されることにより、Ｙ方向に往復するように振動する。共振懸架ビーム９４近傍に配置された圧電素子のような任意個数の通常の共振アクティベータ９２装置により、あるいは、共振懸架ビーム９４の両側に配置された磁気素子により駆動されて、共振が発生する。どちらの実施形態であっても、読取ヘッド５０は、基板３２の端部又は外側で止まるように設定される。基板３２の端部や外側には、プローブが存在していない。読取ヘッド５０及び基板３２間の接触（それにより汚染を防止）は、基板３２上に読取ヘッド５０を浮揚させるのに用いた空気力学的浮揚機構を実装すること等による通常の、あるいは、上述のいくつかの方法により、防止される。
【００４２】
図８及び図９に示す個々の実施形態では、走査ヘッド５０は、Ｙ方向における湾曲した経路を通る。このことは、未処理のデータにおける画像の画素が、ほとんどの画像ファイルのような矩形の格子状になっていないことを意味する。しかしながら、各画素の正確な位置が登録されているかぎり、この走査装置で生成される画像ファイルは、通常のソフトウェアによって標準的な画像ファイルに変換可能である。どちらの実施形態においても、Ｘ位置は、移動ステージ８８の通常の位置エンコーダにより記録されてもよい。図８に示す実施形態では、Ｙ位置は、ガルバノスキャナ８４が角度αに亘って掃引することにより生じる角変位から算出されてもよい。図９に示す実施形態では、Ｙ位置は、いくつかの異なった方法のうちの任意のものにより、算出されてもよい。１つの方法として、共振懸架ビーム９４の両側表面上の既知の位置における変形歪力を、通常の歪ゲージを用いることにより測定して記録する方法がある。２番目の方法では、新規の光学方式位置測定装置が用いられる。これについては後ほど詳述する。この方法は、このような測定の目的に適合したものである。第３の方法として、共振周期をリアルタイムで測定し、経時的な振動の両極値間の読取ヘッド５０の位置を算出する方法がある。
【００４３】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）には、ＣＣＤアレイ及び光ファイバビーコンが組み込まれた単純な位置検出装置９６の代替的な実施形態が示されている。この実施形態は、スライドする大きさおよび移動速度が多様であったとしても、実施可能である。
【００４４】
図１０（ａ）乃至図１０（ｃ）に示すように、光ファイバ９８，１００が、移動ステージ１０６の移動部分に、ビーコンとして実装されている。固定ステージ１０４は、移動ステージ１０６とは異なり、静止している。その代わりに、ステージ１０４が動いて、ステージ１０６が固定されていてもよい。第１のビーコン９８は最も明るく、第２のビーコンはより暗くというようになっている。また、リニアＣＣＤアレイ１０２が、ステージの固定部分１０４又はステージの移動部分１０６に実装されていてもよい。近接した２つのビーコン９８，１００の間隔は、リニアＣＣＤアレイ１０２よりもわずかに短い。移動開始時に、リニアＣＣＤアレイ１０２は、そのピクセルアレイの一端において、単一の明るいスポットを検出する。図１０の（ａ）に示すように、このスポットの位置は、移動ステージ１０６の相対位置を示している。図１０の（ｂ）、図１０の（ｃ）に順に示すように、ステージ１０６が移動してゆきながら第１のビーコン９８がリニアＣＣＤ１０２の範囲を越える手前で、このスポットがリニアＣＣＤの他端へ移動してゆくと、第２のビーコン１００が移動してきて、位置監視が継続される。全範囲に亘る移動ステージ１０６の位置を絶対位置で監視可能とするのに必要であれば、ビーコンは、いくつ用いられてもよい。
【００４５】
ＣＣＤの長さと比較したビーコンの分離間隔の一例として、ピクセルアレイに沿ったスポットの正確な位置は、中心軌跡アルゴリズム（ｃｅｎｔｒｏｉｄ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ）を用いて、少なくともピクセルのピッチの約１／５０まで算出されてもよい。例えば、通常の２０４８ピクセルでピッチが２４μｍの代表的で安価なＣＣＤアレイ１０２を考慮すると、リニアＣＣＤアレイ１０２の有効な長さは、約４９ｍｍである。２つのファイバビーコンを例えば約４０ｍｍ間隔で実装すると、位置検出装置９６は、移動ステージ１０６の位置を、約８０ｍｍの範囲に亘って０．４８μｍの解像度で監視可能となる。これは、マイクロアレイ走査装置のためには、充分過ぎるものである。
【００４６】
図１１に示すように、位置検出装置９６は、１次元のマイクロアレイ１０８の実施形態に用いられてもよい。ここで、特許出願中の米国特許出願番号６０／２４４，４１８（名称「Ｇｅｎｅ Ｔｈｒｅａｄ」，発明者：Ｓｈｉｐｉｎｇ Ｃｈｅｎ， Ｙｕｌｉｎｇ Ｌｕｏ， ａｎｄ Ａｎｔｈｏｎｙ Ｃｈｅｎ，出願日：２０００年１０月３０日）に記述されているように、１次元のマイクロアレイ１０８は、移動ステージ１０６上に位置していてもよい。この米国特許出願番号６０／２４４，４１８は、その全てがここに一体に組み入れられる。１次元のマイクロアレイ１０８上には、ハイブリッド化のためのサンプルが含まれた標準的なプローブ１１０が配列されていてもよい。その代わりに、プローブは、所望の応用例に応じた様々な構成で配置されてもよい。いくつかの例として、プローブは、直線状１１２にあるいは斜め１１４に配置されてもよい。どのような場合であっても、プローブの位置は、上述の方法及び装置のいずれかを用いて、監視され読み取られる。
【００４７】
その代わりに、本発明の走査装置の一実施形態では、１次元のマイクロアレイ１０８が当該読取ヘッド５０の下側を移動する一方で、読取ヘッド５０は、固定された状態で、走査可能となっていてもよい。これにより、１次元だけのプローブ１１０がステージ１０６上で一方向に移動しているため、読取ヘッドを振動させる必要がなくなる。
【００４８】
また、位置検出装置９６を調整するのに、ビーコン９８，１００をその相対的なピーク強度で識別するシステムが用いられてもよい。図１０の（ａ）乃至図１０の（ｃ）に示すように、ＣＣＤアレイは、該アレイ上の位置の関数になった相対的な信号強度を出力する。所与の信号強度が、所与のビーコンに対応している。例えば、第１のビーコン９８は、最も明るいビーコンであるため、最も明るい信号９８´に対応し、第２のビーコン１００は、第１のビーコン９８よりも暗いビーコンであり、より暗い信号１００´に対応し、以下同様である。従って、ＣＣＤアレイからの出力は、ビーコンをその相対強度で監視することにも用いられうる。その代わりに、スポットの大きさやビーコンにおけるファイバの本数により、個々のビーコンが識別されてもよい。例えば、第１のビーコン９８が、一本のファイバを備えていて、ＣＣＤ上に単一のスポットを形成し、第２のビーコン１００が、近接配置された２つの光ファイバを備えていて、近接した２つのスポットを形成するというようにである。なお、第２のビーコン１００の２つのファイバは、第１のビーコン９８と第２のビーコン１００との間隔に比べて、極めて小さな間隔で互いに離れていてもよい。例えば、隣接した第１及び第２のビーコン９８，１００が４０ｍｍ離れていて、第２のビーコン１００の２つのファイバが０．１ｍｍといった小さな間隔で離れていてもよい。
【００４９】
さらに、Ｘ方向における必要な走査範囲が約３０ｍｍよりも小さい場合に、単一のビーコンが、ＣＣＤアレイ又はアナログ位置検出装置とともに用いられてもよい。例えば、アナログ位置検出装置は、ストリップ上の光のスポット位置に比例した２端子における差動電圧出力が得られる連続フォトレジスタ・ストリップであってもよい。
【００５０】
図１２に、回転位置検出機構１１６を備えた走査装置の実施形態を示す。ここでは、マイクロアレイは、回転する基板１２２上に形成されている。基板１２２は、上記の特許出願中の米国特許出願番号６０／２４４，４１８に記載されているように、ＣＤ−ＲＯＭディスクに類似した形状を有している。本実施形態では、マイクロアレイ基板１２２は、回転ステージ１２０により連続的に回転し、その一方で、１つの光学読取ヘッド１１８又は複数のヘッドが段階的に径方向へ移動して、マイクロアレイ基板１２２表面の全体を走査してもよい。この設計の利点は、成熟したＣＤ−ＲＯＭ設計及び製造能力による多くの利点が、システムコストを削減可能とすることにある。基板が連続的に高速で回転しうるので、通常の読取機構によるよりも高速の読取速度が達成可能である。走査装置の本実施形態には、上述のように、基板１２２における光学又は磁気マーカが組み込まれてもよい。これにより、読取ヘッドの位置が指示されるようになる。
【００５１】
走査装置には、上述のような光ファイバを有する読取ヘッド１１８の他にも、コンパクトディスク（ＣＤ）リーダに見られるものに似た大きな光学レンズに基づく読取ヘッドが組み込まれてもよい。このように構成されることにより、現行のＣＤ−ＲＯＭドライブの成熟した技術の利点が存分に活かされうる。
【００５２】
マイクロアレイ走査装置が高いスループットの読取装置として用いられている場合、このシステムにおけるマイクロアレイ基板は、マイクロ反応ウェル（ｍｉｃｒｏ ｒｅａｃｔｉｏｎ ｗｅｌｌ）に置き換えられてもよい。マイクロ反応ウェルは、流体で満たされている。全ての型のマイクロアレイ走査装置が、この用途に適合可能であろう。特に、開示されている発明がこの用途に用いられた場合、光ファイバは、励起光のエネルギーをウェルに導き、発せられた光を同時に集光する。ウェルアレイは、一方向に移動してもよい。この際、読取ヘッドは、他の方向へ移動する。走査を完全なものにするため、通常、当該他の方向は直交方向である。一方、アレイが固定されていて、読取ヘッドにより両方向への走査運動が得られてもよい。読取ヘッドは、開示されている発明では光ファイバ式であるため、光源から独立して移動可能である。このことにより、コンパクトで経済的な構造設計を実現するための自由度が追加される。
【００５３】
本発明のどの実施形態においても、走査構造は、基板上の乾式領域又は湿式領域からの光を受光できるように構成されている。本発明のある好適な実施形態では、当該領域の直径は、約１０マイクロメータ乃至約５００マイクロメータである。他の好適な実施形態では、当該領域は、直径が約１００乃至１０００マイクロメータのマイクロウェルである。通常、当該領域は既知のスポット形成技術により形成され、また、ウェル内の液体は断面が円形であるため、当該領域は、直径を有するものとして記述されているが、円形の形状に限定されるものではない。
【００５４】
走査構造は、特定のサイズのいくつかの方式の領域からの第２の波長の光を受光するように、構成されうる。例えば、ファイバ又はロッドは、この領域からの光を読み取るのに適した直径になっている。（すなわち、ファイバ又はロッドが所与の領域からの信号を読み取っている時にはいつでも２以上の領域からはみ出すほどには、この直径は大きくない。）検出器は、既知の技術によりタイミングが調節され、読み取られるべき領域を横切る走査構造の導光部分に対応した、所与の時刻及び／又は所与の位置で信号を読み取る。走査速度は、アレイ密度に対応させて変更されてもよい。また、これらの技術の任意のものが組み合わされて、用いられてもよい。
【００５５】
基板の光に反応する領域は乾式であっても湿式であってもよい。遺伝子又はタンパク質のマイクロアレイは、マイクロウェルが反応や会合（ａｓｓｏｃｉａｔｉｏｎ）の生成物を含むことがある（高いスループットの薬品のスクリーニングで発生するように）ので、走査装置を使って読み取られてもよい。このようなマイクロアレイとしては、ＷＯ９９／５５４６０、ＷＯ９９／５５４６１、ＥＰ０９５５０８４、ＷＯ００／５３７３６、ＷＯ００／５３７３９、２００１年１月１０日出願の米国特許出願番号０９／７５８，８７３、２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，９９８、２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，４１０、及び２００１年２月２２日出願の米国特許出願番号０９／７９１，４１１（これらのうち最後の４件は、本出願人による発明）に、記述されているものがある。これらの全てがここに一体に組み入れられる。
【００５６】
本発明の走査構造は、上述したような高いスループットのために構成された基板と組み合わされて用いられてもよい。この走査構造は、光源及び検出器を備えている。基板は、光源からの光を受光し、検出器は、基板からの光を受光して、１つ又はそれ以上の波長の光が存在するかどうかを検出する。オリゴヌクレオチドを含んだマイクロアレイ上のハイブリッド化を検出するのに用いられる他の走査装置が、同様に使用されてもよい。このようなマイクロアレイは、上述の背景の部分で考察されている。例えば、これらのマイクロアレイには、液体サンプルの処理のために、１平方センチメートル当たり少なくとも１００、４００、又は１０００のマイクロウェルが含まれている。
【００５７】
本発明は、特定の実施形態を参照して記述されているが、この記述は、本発明の適用例に過ぎず、これにより何らの制限がなされるものではない。様々な改良及び開示された実施形態の特徴の組み合わせが、通常の技術を有する者に今や明らかとなり、これらは、本発明の範囲に属するものである。ここに考察又は言及された全ての参考文献は、その全体が一体に組み入れられる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）及び（ｂ）はプローブ・マイクロアレイを走査するために用いられる本発明の実施形態を示す図である。
【図２】光ファイバがその先端面のコアの部分に極めて近接した領域を励起し、照射された領域の一部からの光が同ファイバに受光されうることを示す図である。
【図３】読取ヘッド支持用に磁気的及び空気力学的浮揚を組み合わせた実施形態を示す図である。
【図４】読取ヘッド支持用に薄い気体クッションを発生させるための実施形態を示す図である。
【図５】一様でない屈折率のダブルコア光ファイバを示す図である。
【図６】複数の異なった波長を単一の光路にまとめた走査装置の実施形態を示す図である。
【図７】異なった波長の個々のファイバを束ねるか近接させて構成した走査装置の実施形態を示す図である。
【図８】ガルバノスキャナを利用した走査装置の実施形態の側面図及び平面図である。
【図９】共振懸架ビームを利用した走査装置の実施形態の側面図及び平面図である。
【図１０】移動ステージの固定ステージに対する移動、及び強度の異なる複数のビーコンを用いてそれを測定することを示す図である。
【図１１】図１０（ａ）、図１０（ｂ）、及び図１０（ｃ）の移動ステージを利用した１次元のマイクロアレイ上に配置された様々な複数のプローブを示す図である。
【図１２】回転する基板を備えた走査装置の実施形態を示す図である。
Claims (74)
- 基板上の光励起可能領域へ光を導くとともに該光励起可能領域から発せられた光を受光する走査構造であって、該走査構造は、第１の波長の光及び第２の波長の光を伝達し、基端及び先端を有する光ファイバを備え、該光ファイバは、前記光励起可能領域が前記第１の波長の光を受光したときに発生する前記第２の波長の光の少なくとも一部を受光するように構成された走査構造。
- 前記第１の波長の光及び前記第２の波長の光を伝達する追加的な複数本の光ファイバをさらに備え、前記の追加的な各光ファイバは、基端及び先端を有するとともに、前記基板の前記光励起可能領域に充分近接した状態で移動して、該光ファイバが、前記光励起可能領域が前記第１の波長の光を受光したときに発生する前記第２の波長の光の少なくとも一部を捉えるように構成された請求項１に記載の走査構造。
- 前記光ファイバの先端と前記追加的な光ファイバの先端とが、固定された関係で保持されている請求項２に記載の走査構造。
- 前記光ファイバの前記基端に光学的に連結されて、前記第２の波長の光を受光する検出器をさらに備えた請求項１〜３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバが前記基板を走査するように該基板を移動させるべく構成された基板ホルダをさらに備えた請求項１〜４のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバが前記基板の前記光励起可能領域を移動するのに充分である第１の位置及び第２の位置間の距離を移動する光ファイバホルダをさらに備えた請求項１〜５のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光励起可能領域を励起するために前記第１の波長の光を発する光源をさらに備え、該光源は、前記第１の波長の光が前記光ファイバの先端から出射するように、該光ファイバの基端に光学的に連結されている請求項１〜６のいずれか一項に記載の走査構造。
- 基板上の光励起可能領域へ光を導くとともに該光励起可能領域から発せられた光を受光する走査構造であって、該走査構造は、
ａ）基端及び先端を有し、第１の波長の光及び第２の波長の光を伝達する光ファイバと、
ｂ）前記光励起可能領域が前記第１の波長の光を受光したときに、前記光励起可能領域から前記第２の波長の光が発せられる前記基板の前記光励起可能領域を移動するのに充分である第１の位置及び第２の位置間の距離を移動する光ファイバホルダと、
ｃ）前記光励起可能領域を励起するために前記第１の波長の光を発する光源であって、前記第１の波長の光が前記光ファイバの先端から出射するように、該光ファイバの基端に光学的に連結された光源とを備え、
ｄ）前記光ファイバは、マイクロアレイに充分近接して、該光ファイバが、前記光励起可能領域により生じた前記第２の波長の光を、該光ファイバの先端で受光し、該第２の波長の光を該光ファイバの基端へ伝達するように、前記ホルダに取り付けられ、
ｅ）前記ホルダは、前記光源が前記第１の波長の光を発しているときに、前記第１の位置及び前記第２の位置間を移動するように構成されている
走査構造。 - 前記走査構造は、先端部分及び基端部分を有するビームをさらに備え、前記先端部分は、前記ホルダを備え、前記ビームは、該ビームの基端で、マウントに取り付けられるとともに、該ビームの先端部分が前記第１の位置及び前記第２の位置間を移動するように構成された請求項１〜８のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記ビームは、ガルバノメータの可動ビームである請求項９に記載の走査構造。
- 前記ビームは、前記第１の位置及び前記第２の位置間を、該ビームの共振周波数で移動する請求項９に記載の走査構造。
- 前記ビームの共振周波数が圧電的に駆動される請求項１１に記載の走査構造。
- 前記ビームの共振周波数が磁気的に駆動される請求項１１に記載の走査構造。
- 前記ビームの基端は、該ビームの基端が動かないように、前記マウントに取り付けられた請求項９に記載の走査構造。
- 前記ホルダは、前記第１の位置及び前記第２の位置間を水平移動するように構成され、前記走査構造は、前記ホルダが前記第１の位置及び第２の位置の少なくとも一方に達したときに、該ホルダを垂直方向に反発させる磁石をさらに備えた請求項８〜１４のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光源は、前記第１の波長の光を発するレーザを備えた請求項７〜１５のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、第１の分岐チャネル及び第２の分岐チャネルを有する光学フィルタをさらに備え、該光学フィルタは、該第１の分岐チャネルで、前記レーザからの前記第１の波長の光を受光するように構成されるとともに、該第２の分岐チャネルを通じて、前記受光可能領域からの前記第２の波長の光を伝達するように構成された請求項１〜１６のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、前記第１の位置及び前記第２の位置で規定される線に対して概ね垂直な方向に向って、基板を移動させる基板平行移動ステージをさらに備えた請求項８〜１７のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記ホルダは、前記光ファイバが基板に対して垂直以外の角度になるようにしておく請求項８〜１８のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバの先端を規定する表面は、前記基板と実質的に平行である請求項８〜１９のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバは、毛管ファイバをさらに備えた請求項１〜２０のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバは、第１の屈折率の内側コア及び該内側コアの外側にあり第２の屈折率の外側コアを備えたダブルコアファイバであり、前記第１の屈折率は、前記第２の屈折率よりも大きい請求項１〜２０のいずれか一項に記載の走査構造。
- 基板上の光励起可能領域へ光を導くとともに該光励起可能領域から発せられた光を受光する走査構造であって、該走査構造は、
ａ）複数本の光ファイバであって、各光ファイバは、対応する基端及び対応する先端を有して、予め選択された複数の異なる波長の光を伝達し、各波長は各光ファイバに対応している複数本の光ファイバを備え、
ｂ）前記複数本の光ファイバは、第１の波長の光及び第２の波長の光を伝達する第１の光ファイバを少なくとも具備し、
ｃ）前記複数本の光ファイバが、前記光励起可能領域が少なくとも前記第１の波長の光を受光したときに、該光励起可能領域から少なくとも前記第２の波長の光が発せられる前記基板の前記光励起可能領域に沿って移動するのに充分な距離を有する第１の位置及び第２の位置間を移動する前記複数本の光ファイバ用のホルダと、
ｄ）前記各光ファイバに対応した複数の光源であって、前記光励起可能領域を励起するために前記第１の波長の光を少なくとも発し、少なくとも前記第１の波長の光が少なくとも前記第１の光ファイバの先端から出射するように、前記複数本の光ファイバの対応する基端に光学的に連結された複数の光源とを、前記走査構造が備え、
ｅ）前記複数本の光ファイバは、マイクロアレイに充分近接して、各光ファイバが、前記光励起可能領域により生じた少なくとも前記第２の波長の光を、各光ファイバの先端で受光し、この少なくとも第２の波長の光を少なくとも前記第１の光ファイバの基端へ伝達するように、前記ホルダに取り付けられ、
ｆ）前記ホルダは、前記複数の光源が少なくとも前記第１の波長の光を発しているときに、前記第１の位置及び前記第２の位置間を移動するように構成されている
走査構造。 - 先端部分及び基端部分を有するビームをさらに備え、前記先端部分は、前記ホルダを備え、前記ビームは、そのビームの基端で、マウントに取り付けられるとともに、そのビームの先端部分が前記第１の位置及び前記第２の位置間で移動するように構成された請求項２３に記載の走査構造。
- 前記ビームは、ガルバノメータの可動ビームである請求項２４に記載の走査構造。
- 前記ビームは、前記第１の位置及び前記第２の位置間を、そのビームの共振周波数で移動する請求項２４に記載の走査構造。
- 前記ビームの共振周波数が圧電駆動される請求項２６に記載の走査構造。
- 前記ビームの共振周波数が磁気駆動される請求項２６に記載の走査構造。
- 前記ビームの基端は、該ビームの基端が動かないように、前記マウントに取り付けられた請求項２４に記載の走査構造。
- 前記ホルダは、前記第１の位置及び前記第２の位置間を水平移動するように構成され、前記走査構造は、前記ホルダが前記第１の位置及び第２の位置の少なくとも一方に達したときに、該ホルダを垂直に反発させる磁石をさらに備えた請求項２３〜２９のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数の光源は、少なくとも前記第１の波長の光を発する複数のレーザを備えた請求項２３〜３０のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、少なくとも第１の分岐チャネル及び第２の分岐チャネルを有する複数の光学フィルタをさらに備え、該光学フィルタは、その第１の分岐チャネルで、前記複数のレーザからの少なくとも前記第１の波長の光を受光するように構成されるとともに、その第２の分岐チャネルを通じて、前記光励起可能領域からの少なくとも前記第２の波長の光を伝達するように構成された請求項２３〜３１のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数本の光ファイバのうちの少なくとも１本は、複数の毛管ファイバをさらに備えた請求項２３〜３２のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数本の光ファイバのうちの少なくとも１本は、第１の屈折率を有する内側コア及び該内側コアの外側にある第２の屈折率を有する外側コアを備えたダブルコアファイバであり、前記第１の屈折率は、前記第２の屈折率よりも大きい請求項２３〜３３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数本の光ファイバの先端は、複数のファイバ読取ヘッドを備え、各先端は、予め選択されたバンドル構成を有している請求項２３〜３４のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数本の光ファイバの先端は、複数のファイバ読取ヘッドを備え、各先端は、線状に隣接している請求項２３〜３４のいずれか一項に記載の走査構造。
- 基板上の光励起可能領域へ光を導くとともに該光励起可能領域から発せられた光を受光する走査構造であって、該走査構造は、
ａ）複数本の光ファイバであって、各光ファイバは、対応する基端及び対応する先端を有して、予め選択された異なる複数の波長の光を伝達し、各波長は各光ファイバに対応している複数本の光ファイバを備え、
ｂ）前記複数本の光ファイバは、少なくとも第１の波長の光及び少なくとも第２の波長の光を伝達し、
ｃ）前記複数本の光ファイバの対応する先端のそれぞれを、主基端及び主先端を有する少なくとも１本の主光ファイバに、光学的に結合する複数のマルチプレクサと、
ｄ）前記主光ファイバが、前記光励起可能領域が少なくとも前記第１の波長の光を受光したときに、該光励起可能領域から少なくとも前記第２の波長の光が発せられる前記基板の前記光励起可能領域に沿って移動するのに充分な距離を有する第１の位置及び第２の位置間を移動する前記主光ファイバ用のホルダと、
ｅ）前記複数の各光ファイバに対応した複数の光源であって、前記光励起可能領域を励起するために前記第１の波長の光を少なくとも発し、少なくとも前記第１の波長の光が少なくとも１つの前記マルチプレクサを通じて前記主光ファイバの先端から出射するように、前記複数本の光ファイバの対応する基端に光学的に結合された複数の光源とを備え、
ｆ）前記主光ファイバは、マイクロアレイに充分近接して、前記光励起可能領域により生じた少なくとも前記第２の波長の光を、前記主光ファイバの先端で受光し、前記少なくとも第２の波長の光を、前記複数のマルチプレクサを通じて、前記複数本の光ファイバの基端へ伝達するように、前記ホルダに取り付けられ、 ｇ）前記ホルダは、前記複数の光源が少なくとも前記第１の波長の光を発しているときに、前記第１の位置及び前記第２の位置間を移動するように構成されている
走査構造。 - 先端部分及び基端部分を有するビームをさらに備え、前記先端部分は、前記ホルダを備え、前記ビームは、該ビームの基端で、マウントに取り付けられるとともに、該ビームの先端部分が前記第１の位置及び前記第２の位置間で移動するように構成された請求項３７に記載の走査構造。
- 前記ホルダは、前記第１の位置及び前記第２の位置間を水平移動するように構成され、前記走査構造は、前記ホルダが前記第１の位置及び第２の位置の少なくとも一方に達したときに、当該ホルダを垂直に反発させる磁石をさらに備えた請求項３７〜３８のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記複数の光源は、少なくとも前記第１の波長の光を発する複数のレーザを備えた請求項３７〜３９のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、少なくとも第１の分岐チャネル及び第２の分岐チャネルを有する複数の光学フィルタをさらに備え、該光学フィルタは、その第１の分岐チャネルで、前記複数のレーザからの少なくとも前記第１の波長の光を受光するように構成されるとともに、その第２の分岐チャネルを通じて、前記光励起可能領域からの少なくとも前記第２の波長の光を伝達するように構成された請求項３７〜４０のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記主光ファイバは、毛管ファイバをさらに備えた請求項３７〜４１のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記主光ファイバは、第１の屈折率を有する内側コア及び該内側コアの外側にある第２の屈折率を有する外側コアを備えたダブルコアファイバからなり、前記第１の屈折率は、前記第２の屈折率よりも大きい請求項３７〜４１のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバは、該光ファイバの先端における径が、該光ファイバの全長に亘っての径と同じである請求項１〜４３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 被検体の表面へ光を導くとともに該表面からの光を受光する走査構造であって、前記被検体は、前記表面が第１の波長の光を受光すると第２の波長の光を発するものであり、前記表面は、（ｉ）第１の方向に配列されたプローブの１次元のマイクロアレイであって、前記プローブが第２の方向に幅を有しているマイクロアレイ、又は（ｉｉ）基板の第１の方向及び第２の方向に沿って配列されたプローブの２次元のマイクロアレイを有し、前記走査構造は、
ａ）前記表面の少なくとも一部に、前記第１の波長の光を照射する光源と、
ｂ）先端が前記表面に充分に近接して、前記表面で発せられた前記第２の波長の光を捉えるように配置された導光ロッドと、
ｃ）前記導光ロッドを、前記表面上で第１の位置から第２の位置まで前記第２の方向に沿って移動させるように構成されたキャリアであって、前記第１の位置と前記第２の位置との距離は、（ｉ）前記１次元のマイクロアレイについては、少なくともプローブの幅、又は（ｉｉ）前記２次元のマイクロアレイについては、前記第２の方向に最も離れたプローブ間の距離となっているキャリアとを、備えた走査構造。 - 前記導光ロッドの基端が、前記光源により発生した前記第１の波長の光の少なくとも一部を受光し、その光を該導光ロッドの先端へ伝達するように、前記導光ロッドが構成されている請求項４５に記載の走査構造。
- 前記導光ロッドは、光ファイバを備えた請求項４５又は４６に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、第２の導光ロッドをさらに備え、該第２の導光ロッドが、前記光源からの前記第１の波長の光を該第２の導光ロッドの基端にて受光するように構成されるとともに、前記光が、前記基板の表面の近傍にある該第２の導光ロッドの先端から出射するように構成された請求項４５〜４７のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記第２の導光ロッドは、光ファイバを備えた請求項４８に記載の走査構造。
- 前記基板は、実質的に円形であり、該基板の光励起可能領域に対して垂直な回転軸を規定している請求項１〜４９のいずれか一項に記載の走査構造。
- 被検体の表面へ光を導くとともに該表面からの光を受光する走査構造であって、前記被検体は、前記表面が第１の波長の光を受光すると第２の波長の光を発するものであり、前記表面は、第１の方向に配列されたプローブの１次元のマイクロアレイであって、前記プローブが第２の方向に幅を有しているマイクロアレイを有し、前記走査構造は、
ａ）前記表面の少なくとも一部に、前記第１の波長の光を照射する光源と、
ｂ）先端が前記表面に充分に近接して、前記表面で発せられた前記第２の波長の光を捉えるように固定的に配置された導光ロッドと、
ｃ）前記導光ロッドを、前記表面上で第１の位置から第２の位置まで前記第１の方向に沿って移動させるように構成されたステージであって、前記第１の位置及び前記第２の位置間の距離は、少なくとも前記第１の方向に沿って配列されたプローブ間の距離になっているステージとを、
備えた走査構造。 - 前記導光ロッドの基端が、前記光源により発生した前記第１の波長の光の少なくとも一部を受光し、該光を該導光ロッドの先端へ伝達するように前記導光ロッドが構成された請求項５１に記載の走査構造。
- 前記導光ロッドは、光ファイバを備えた請求項５１又は５２に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、前記基板上の前記光励起可能領域からの前記第２の波長の光を受光するように構成され、前記光励起可能領域には、約１０マイクロメータ乃至約５００マイクロメータの径を有する該領域内に乾式サンプルが含まれている請求項１〜５３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、前記基板上の前記光励起可能領域からの前記第２の波長の光を受光するように構成され、前記光励起可能領域には、約１０マイクロメータ乃至約５００マイクロメータの径を有する該領域内に湿式サンプルが含まれている請求項１〜５３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記走査構造は、前記基板上の前記光励起可能領域からの前記第２の波長の光を受光するように構成され、前記光励起可能領域には、約１００マイクロメータ乃至約１０００マイクロメータの径を有する該領域内に湿式サンプルが含まれている請求項１〜５３のいずれか一項に記載の走査構造。
- 前記光ファイバ又は前記導光ロッドは、第１の光励起可能領域からの前記第２の波長の光を受光するために充分に小さい径であるものの隣接した第２の光励起可能領域からは受光しない請求項５４〜５６のいずれか一項に記載の走査構造。
- 第１のターゲット分子と第１のプローブとの会合及び第２のターゲット分子と第２のプローブとの会合の存在を検出する方法であって、前記第１のプローブは、基板表面の第１の部分上にあって前記第１のターゲット分子と相補的な第１の分子を複数含み、前記第２のプローブは、基板表面の第２の部分上にあって前記第２のターゲット分子と相補的な第２の分子を複数含み、前記プローブは、前記基板上の複数のプローブのうちの１つであり、これらプローブは、（ｉ）前記基板に沿って配列されたプローブの１次元のマイクロアレイであって、前記基板の第２の方向に沿って配列された複数のプローブを有し、前記複数の各プローブは、前記基板上の第１の方向に幅を有する１次元のマイクロアレイ、又は（ｉｉ）前記基板の第１の方向及び第２の方向に沿って配列されたプローブの２次元のマイクロアレイであって、前記第１の方向に沿って配列された複数のプローブ及び前記第２の方向に沿って配列された複数のプローブを有する２次元のマイクロアレイのいずれかとなっており、前記ターゲット分子は、第１の波長の光が照射されたときに第２の波長の光を発する成分を有し、前記方法は、
ａ）前記基板表面の前記第１の部分に、前記第１の波長の光を照射し、
ｂ）光検出器と前記表面の前記第１の部分との前記第１の方向に沿った相対移動により、前記第２の波長の光の存在を検出して、前記第１のターゲット分子が前記第１のプローブと会合しているかどうか判別し、
ｃ）前記基板を前記第２の方向へ進め、
ｄ）前記基板表面の前記第２の部分に前記第１の波長の光を照射し、前記光検出器を前記表面の前記第２の部分に亘って前記第１の方向へ移動させることにより、前記第２の波長の光の存在を再び検出して、前記第２のターゲット分子が前記第２のプローブと会合しているかどうか判別する
行為を含む方法。 - 前記光検出器は、第１の光ファイバを備えた請求項５８に記載の方法。
- 前記照射の行為は、前記第１の光ファイバの基端に前記第１の波長の光を照射して、前記第１の波長の光を前記第１の光ファイバの先端から射出し、前記基板の前記第１の部分及び前記第２の部分を照射することを含む請求項５９に記載の方法。
- 前記照射の行為は、第２の光ファイバの基端に前記第１の波長の光を照射して、前記第１の波長の光を前記第２の光ファイバの先端から射出し、前記基板の前記第１の部分及び前記第２の部分を照射することを含む請求項５９に記載の方法。
- 走査装置により蛍光部分の存在を検出する方法であって、前記方法は、前記光ファイバの先端から出射する第１の波長の光で前記蛍光部分を励起して、第２の波長の光を放出させるように、前記走査装置のホルダの光ファイバの先端を位置ずけて、前記光ファイバの前記先端を前記蛍光部分に充分に近接させて、前記光ファイバの前記先端が前記第２の波長の光を受光して、前記第２の波長の光を前記光ファイバの前記基端へ伝達させる方法。
- 前記方法は、前記光ファイバの前記先端を、該先端が前記蛍光部分の存在する表面に対して垂直とならないように配置する請求項６２に記載の方法。
- 走査装置で用いられるリニアステージの位置を検出する方法であって、
ａ）対応する第１の信号を有する第１のビーコンを、前記ステージ上の第１の位置に配置し、
ｂ）前記第１の信号よりも弱い第２の信号が対応している第２のビーコンを、前記ステージ上の第２の位置に少なくとも配置し、該第２の位置は、前記第１のビーコンから所定の距離にあるとともに前記第１のビーコンから前記第２のビーコンへの線が第１の方向を規定するようになっており、
ｃ）前記ステージを前記第１の方向へ移動させ、
ｄ）前記ステージを移動させている間に、検出器により前記第１の信号、そして前記第２の信号を検出し、
ｅ）検出した前記第１の信号及びより弱い前記第２の信号を、前記ステージの対応する位置に関連づける
行為を含む方法。 - 前記検出器は、リニアＣＣＤである請求項６４に記載の方法。
- 前記第１のビーコン及び第２のビーコンは、光ファイバを備えた請求項６４又は６５に記載の方法。
- 前記所定の距離は、前記リニアＣＣＤよりも短い請求項６５又は５４に記載の方法。
- 走査構造を、高いスループットのスクリーニング用に構成された基板に用いる方法であって、前記走査構造は、光源及び検出器を有し、前記方法は、前記光源からの光を前記基板に照射し、該基板から受光した光を前記検出器で検出する方法。
- 前記基板には、１平方センチメートル当たり少なくとも４００個のマイクロウェルが含まれる請求項６８に記載の方法。
- 前記基板には、１平方センチメートル当たり少なくとも１０００個のマイクロウェルが含まれる請求項６８に記載の方法。
- 前記基板には、液体内のプローブが含まれる請求項６８〜７０のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板から受光される前記光は、サンプルの蛍光により発生される請求項６８〜７１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板から受光される前記光は、化学ルミネセンスにより発生される請求項６８〜７１のいずれか一項に記載の方法。
- 前記基板から受光される前記光には、前記光源により供給された光における少なくとも１つの波長が欠けている請求項６８〜７１のいずれか一項に記載の方法。
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