JP2006501809A - Dnaプローブアレイの合成方法及び装置 - Google Patents
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Abstract
Description
これらの手法の両方の欠点は、各々のモノマー塩基について4種の異なるリソグラフマスクが必要とされ、従って、必要とされる異なるマスクの合計数が、合成されるDNAプローブシーケンス付けの長さの4倍であることである。必要とされる多くの精密なフォトリソグラフィマスクを製造するコストが高いことと、露出毎のマスクの再位置決めのために複数の処理段階が必要とされることが、比較的高いコスト及び長過ぎる処理時間の要因となる。
ピクセルは、可動ミラー間のスペースに対応する暗い「レーン」によって分離される。これらのレーンは、反応部位のマイクロミラーイメージにおいてはっきりと解像される場合には、各ピクセルを区別し、識別するのを助ける。イメージにおいてレーンがはっきりと描写されるようにするために、投射光学系は、マイクロミラーの間隔に相当する高い解像度を与えなければならない。市販のマイクロミラーは、16マイクロメートル四方で約1マイクロメートルのレーンを有する。したがって、1マイクロメートル又はそれ以下の解像度のイメージ光学系が必要とされるであろう。こうした高解像度の光学系は高価であり、レンズ系及び反応部位の位置決めに対して該光学系を敏感にさせる、制限された被写界深度を有する。さらに、高解像度光学系に関連する高い開口数(NA)は、NA2がよりコントラストの低いイメージを生成するのにつれて、さらに多くの量の散乱光を集光する。
本発明者らは、特定の理論に縛られることを望むわけではないが、光が重なり合う領域においては、試験されるサンプルとハイブリダイズされない傾向がある、乱れたDNAプローブが生成されると考えられる。さらに、光の強度の低さは、こうした乱れたプローブの合成異常を招き、不均一分布を生じさせ、試験されるDNAとの重要なハイブリダイゼーションの実現性をさらに低下させる。
低解像度の光学系を使用できることにより、本出願のDNAプローブ合成において多くの他の利点が与えられる。低解像度の光学系は、光学要素のコストを低下させることにより、合成装置のコストを低下させる。それらは、合成されたプローブの光学的分離度を増加させることにより、低解像度の走査装置が用いられることを可能にする。低解像度の光学系は、被写界深度を増加させることにより、正確な焦点面制御の必要性を減少させる。最終的に、及び重要なことに、低開口数では、散乱光があまり集光されず、改善されたコントラストをもつイメージが与えられ、それによりDNA合成が改善される。これは、システムの重要なイメージング段階に屈折型光学要素ではなく反射型光学要素を用いることにより、本発明において増大される。
具体的には、本発明は、ヌクレオチド付加反応を起こすことができる反応部位を与える反応器と、ヌクレオチド付加反応を促進することができる光を与える光源と、を含むDNAプローブを形成する装置を提供する。電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーの組は、光を受光し、反射させるために、光源と反応器との間の光学路に沿って位置決めされ、マイクロミラーは、所与のレーン幅のレーンにより分離される。投射光学系は、レーンのイメージを反応部位に合焦するために、反応部位とイメージ生成器との間の光学路に沿って位置決めされ、解像可能な線対間の分離距離として表わされる投射光学系の解像度は、イメージングされたレーン幅より大きい。
本発明のさらに別の目的は、被写界深度及びコントラストにおける改善を含む、こうした光学系の解像度の要求条件を緩和させることによって得られる投射光学系における改善を与えることである。
本発明のさらなる目的、特徴、及び利点は、付属の図面と組み合わされたときに、以下の詳細な説明から明らかとなるであろう。
一実施形態においては、ビーム30は、ビームスプリッタ32(ペリクル又はガラス)上に投射され、該ビームスプリッタがビーム30の一部を反射させてビーム33にし、該ビーム33が光学要素アレイ35上に投射される。光切換器を垂直入射で用いるために、照射とイメージ生成を同時に可能にする装置が必要とされる。或る角度にそらすことができる装置においては、側部照射を用いることができるので、これは必要ではない。
しかしながら、マイクロミラーサイズは、DNAマイクロアレイの必要条件に合致させられるので、単純な1×システムを使用できることが好ましい。このシステムは、単純であること、収差が低いこと、及び視野が広いことといった利点をもつ。
屈折型又は反射型光学系は、両方とも、コマ収差及び球面収差といった収差を相殺により最小にするように設計される。図3及び図5のテレセントリック光学系の両方は、1:1イメージング系である。反射系は、色収差をなくして、可視光を用いる系のアラインメントを可能にするという可能性のある利点をもち、小型であり、さほど高価ではない。
1:1イメージングを行うための別の好ましい系は、凹面ミラーをレンズ及びプリズムと組み合わせたウィン−ダイソン型の系であろう。例えば、F.N.Goodall他の「Excimer Laser Photolithography with 1:1 Wynne−Dyson Optics」、Optical/Laser Microlithography、SPIE第922巻(1988年)、及びB.Ruff他の「Broadband Deep−UV High NA Photolithography System」、Optical/Laser Microlithography II、SPIE第1088巻(1989年)を参照されたい。
アレイを製造するための別の実施形態を図15に示す。図15Aにおいては、アレイが形成されることになる基板の全表面が、ライナ(「O」)により光不安定保護基(「P」)で被覆される。どんな適切な光不安定保護基をも用いることができるが、好ましい化学機構は、Hasan他のTetrahdron、53:12、p4247−4264(1997年)、並びにBeier及びHoheiselのNucl.Acids Res.、2000、28:4(2000年)に記載されるような5’−[1−ニトロフェニル)−プロピルオキシカルボニル]−2’−デオキシヌクレオシドフォスフォアミド(NPPOC)を用いるものである。或いは、基板はまた、単一のヌクレオチド、すなわち、末端に同じく光不安定保護基をもつ同一の短いポリヌクレオチドで被覆することができる。次いで、マイクロミラーアレイが照射されて、選択されたアレイセグメント又はセルにおけるNPPOCが脱落され、そこにDNAが付加されることになる。これは、図15Bに示されている。次いで、DNAダイマー、この場合には配列ATのダイマーが基板に曝され、それにより、マイクロミラーアレイによって光が向けられたセルのアレイにのみ化学的に結合する。これは図15Cに示されている。小さいDNAポリマーは、末端に付加された別の光不安定保護基を含む。次いで、図15Dに示されるように、この同じ光照射及びダイマー付加プロセスがダイマー配列ACについて繰り返される。この同じプロセスは、次いで、2つのヌクレオチドの組み合わせから作成することができる他の可能なDNAダイマーの各々について、14より多い回数だけ繰り返される。図15Eに示されるように、DNAプローブ層の合成プロセスの完了時には、マイクロアレイの未完成プローブの各々に2つのヌクレオチドが付加されている。次いで、このプロセスは、次のレベルで再スタートされ、該プロセスは、プローブが所望の長さに増大されるまで繰り返される。
図16を参照すると、マイクロミラー36の表面は、16マイクロメートルのほぼ正方形のアウトラインをもつ正方形ミラー200の直線グリッドを与える。ミラー200の各々は、点線で示される単一ピクセル201を定める。
ミラー200を互いに分離させるのは、ミラー200の隣接する縁の間にギャップを与えるレーン202である。市販のマイクロミラー36におけるレーン202は、幅1マイクロメートルであり、それによりミラー200を分離する17マイクロメートルのピッチを定める。
所与のミラー200がオン状態にあるときに、マイクロミラー36の表面の法線から20度の角度をなす入射光204が、法線に平行なビーム206としてミラー200に反射される。ミラー200の各々は、その面積を対角線方向に横切る偏光軸208の周りで、投射又は「オン」状態(光をひとみにそらさせる)から、吸収又は「オフ」状態まで傾けることができ、該「オフ」状態においては、入射光204がマイクロミラー36の表面の法線からおよそ10°の角度をなしてビーム210に沿ってひとみの外方に吸収体へとそらされる。所与のミラー200がオン状態のとき、ミラー200のイメージは、明るく照射されたピクセル201を与えることになる。所与のミラー200が吸収状態にあるとき、ミラー200のイメージは、光が上述のように投射光学系にではなく吸収体へとそらされることに起因して、暗ピクセル201を与えることになる。
NA=sin(α)
角度が小さいとき、sin(α)は、おおよそαとすることができるので、開口数は、おおよそ、投射光学系の最後の要素(対物レンズ)の照射開口数を、その焦点距離の二倍で割ったものとすることができる。図5の実施においては、対物レンズの開口数は、凸面レンズの直径によって制御される。
式中、λは光の波長であり、NAは投射光学系44の開口数であり、kは干渉性の光についての0.5より小さくない、典型的には0.7から0.5までの間の何処かであるイメージ品質係数である。空間的なケースでは、kは、0.5より低いものとすることができる(例えば相マスクによって)。
それにもかかわらず、ここで説明されるように、本発明においては、さらに小さい開口数が許容可能であり、0.5マイクロメートルをかなり超える線幅値をもたらすことでさえも望ましく、1つの好ましい実施形態においては、そのレーン幅をかなり上回る2.7マイクロメートル程の大きい線幅がもたらされる。こうした線幅は、直観的に要求されるものの1/4より小さい、0.08程の小さい開口数に関連させることができる。
図19に示されるように、本発明によってもたらされる小さい開口数をもつピクセル201の最小回折パターン226が隣接ピクセル201’に延びることになり、本発明によってもたらされる小さい開口数をもつピクセル201の最小回折パターン226’が隣接ピクセル201に延びることになる。この場合には、レーン202は、ピクセル201及び201’からスプリットされた重なり合う光を受光することになる。
上述のレーンは物理的ミラー間のギャップであるが、ピクセル間に暗い分離バンドが生じるように電気的に仕向けられたミラー自体を用いることによって大きいレーンを形成できることが分かるであろう。例えば、2行2列のミラー(全部で4つのミラー)からなるセルにおいては、投射状態とオフ状態とを切換可能な単一ミラーに関するほぼ1つのミラー幅のレーンが生じるように、1つを除く全てのミラーをオフ状態に設定することができる。本発明はこの状況に等しく適用可能であり、それにより、ここで及び請求項において用いられる「レーン」という用語は、ミラー間のギャップと、ミラーがオフ状態に固定されるときのミラー自体との両方を包含すると理解されるべきである。
本明細書に記載された特定の実施形態は、例示的なものであって、本発明を限定することを意図するものではなく、特許請求の範囲内に入る全ての修正形態を包含することが分かる。
Claims (24)
- DNAプローブを形成するための装置であって、
(a)ヌクレオチド付加反応を行うことができる反応部位を与える反応器と、
(b)ヌクレオチド付加反応を促進することができる光を与える光源と、
(c)光を受光し、反射させるために、前記光源と前記反応器との間の光学路に沿って配置され、レーン幅を有するレーンにより分離された、電子工学的に位置付け可能な一組のマイクロミラーと、
(d)前記レーンのイメージを前記反応部位に合焦するために、前記反応部位とイメージ生成器との間の光学路に沿って配置された投射光学系と、
を備え、解像可能な線対間の分離距離として表わされる前記投射光学系の解像度が、前記レーン幅の半分より大きいことを特徴とする装置。 - 前記解像可能な線対間の分離距離として表わされる解像度が、前記レーン幅より大きいことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記解像可能な線対間の分離距離として表わされる解像度が、前記レーン幅の二倍より大きいことを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記解像度が、次式、すなわち、
LW=kλ/NA
式中、kは、0.7から0.5までの範囲内であり、
λは、光の波長であり、
NAは、投射光学系の開口数である、
に従って計算されるものであることを特徴とする請求項1に記載の装置。 - NAは、前記投射光学系から前記反応器の中心点により受光された光のコーンの半角の正弦として計測されることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記開口数は、前記投射光学系の最後の要素の開口数を、該最後の要素の焦点距離の二倍で割ったものによって概算されることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 前記反応器が、1つ又はそれ以上の反応チャンバを有するフローセルであり、該フローセルの中でヌクレオチド付加反応を行うことができることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記フローセルがさらに、下側ベースと、上側カバー部と、前記ベースに設置されたガスケットとからなるハウジングを備え、前記上側カバー部と前記ベースとの間に透明な基板が固定されて、前記基板と前記ベースとの間に、ガスケットによりシールされた密閉反応チャンバが定められ、少なくとも1つのチャネルが、前記ハウジングを貫通して入力ポートから反応チャンバに、及び反応チャンバから出力ポートに延び、前記基板の活性表面が、前記密閉反応チャンバに対向することを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記フローセルが複数の反応チャンバを含み、前記反応チャンバ内でヌクレオチド付加反応を溶液相で行うことができることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記フローセルがセル部材を備え、前記セル部材は、上面と下面とを有し、かつ前記上面と前記下面との間の流体連通を可能にする複数のチャネルを定め、前記チャネルは複数の反応チャンバを定め、該反応チャンバ内でヌクレオチド付加反応を溶液相で行うことができることを特徴とする請求項7に記載の装置。
- 前記投射光学系が、合焦レンズと調節可能な絞りを含み、前記レンズの1つは、光を前記調節可能な絞りに通過させ、他の前記レンズは、前記絞りを通過した光を受光し、その光を前記反応器に合焦させることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記投射光学系は、凹面ミラーと凸面ミラーを含み、前記凹面ミラーは、光を前記電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーから前記凸面ミラーに反射させ、該凸面ミラーが光を凹面ミラーに反射させて戻し、該凹面ミラーが光をフローセルに反射させて、そこでイメージングされることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記投射光学系がオフナー光学系を形成することを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記投射光学系がテレセントリックであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記光源から光を受光するフィルタをさらに備え、前記フィルタは、所望の波長のみを前記電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーの組へと選択的に透過させることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記マイクロミラーの位置決めを制御して、前記反応器に投射する所望のパターンを与えるための命令信号を与えるために、前記電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーの組に接続されたコンピュータをさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記光は、紫外波長から近紫外波長までの範囲内であることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記レーンのイメージは、前記電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーアレイのレーンと実質的に同じサイズであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 試薬を前記反応器に供給するために接続されたDNA合成器をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記レーンは、隣接する電子工学的に位置付け可能なマイクロミラー間のギャップであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 解像可能な線対間の分離距離として表わされる前記解像度が、1マイクロメートルより大きいことを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 解像可能な線対間の分離距離として表わされる前記解像度が、2マイクロメートルより大きいことを特徴とする請求項20に記載の装置。
- 前記レーンが、光を前記投射光学系から離れる方向に向けるための一定の信号を受信する電子工学的に位置付け可能なマイクロミラーであることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 前記投射光学系が、実質的に倍率1を与えることを特徴とする請求項1に記載の装置。
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