JP2024521632A - 自己組織化構造における複数の試料の並列プロービング - Google Patents
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Abstract
本明細書に開示されるのは、複数の試料の並列プロービングのための方法、複数の試料の並列プロービングのためのセンサチップ、複数の試料の並列プロービングのための感知デバイス、及び複数の試料の並列プロービングのための測定システムである。本方法は、センサチップを提供することを含み、センサチップは、基板内又は基板上に配置された感知層と、感知層に隣接する測定ボリュームと、を備える。感知層は、複数の感知要素を備え、その各々は、それぞれの感知要素の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される。複数の試料物体を含む担体流体が測定ボリュームに提供され、試料物体の各々は、それぞれの試料を備えるか、又は形成する。測定ボリューム内の試料物体の数は、試料物体が測定ボリューム内で自己組織化構造を形成するように制御される。自己組織化構造は、試料物体の配置が試料物体自体の間の相互作用によって少なくとも部分的に規定される構造である。試料物体が自己組織化構造内に配置されている間に、試料のうちの１又は複数に対して測定が実施され、試料に対する測定は、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接して配置された１又は複数の感知要素を使用して実施される。
Description
本発明は、化学分析及び医療診断の分野に属する。特に、本発明は、複数の試料の並列プロービングのための方法、対応するセンサチップ、対応する感知デバイス、及び対応する測定システムに関する。
試料の高スループット並列分析は、化学、ライフサイエンス、及び医学における多くの用途に不可欠である。かかる実験は、例えば、試料を受容するためのウェルの長方形アレイを通常備えた標準化されたマイクロプレート上で行うことができ、それらの標準化されたウェルレイアウトにより、液体ハンドリングロボットを使用して、多数の試料の効率的処理が可能になる。
スループットを更に増加させるために、マイクロ流体試料ウェルなどの複数の試料部位を備えるマイクロ流体チップが開発されており、同時に試料を提供及び処理することができる。試料ウェルは、代表的には、１０μｍ～１００μｍのオーダーのサイズを有しており、これは、単一のチップ上に多数の試料ウェルを配置することを可能にするだけでなく、試料に近接してセンサを配置することを容易にする。センサは、チップに統合させることができ、例えば、試料の温度又は電気的若しくは磁気的特性を測定するように構成することができ、例えば、Ｃ．Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｖｏｌ．３，ｎｏ．３，ｐｐ．１６０－１６８（２００９）、Ｈ．Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０１７，８９，１１，５８３２－５８３９、及びＨ．Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，ｎｐｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆ．３：３１（２０１７）を参照されたい。他の例では、試料は、蛍光分光法などの光学手段によってプロービングすることができる。
しかしながら、かかるマイクロ流体チップは、並列して多数の試料の迅速なプロービングを可能にするが、試料ウェルのサイズが小さいと、製造、特に、チップの取り扱いにおいて複数の課題が生じる。マイクロ流体チップは、測定後に試料ウェルから試料を完全に除去することがほぼ不可能であるため、機械的損傷並びに以前の試料からの汚染を受けやすい。その結果、マイクロ流体チップは、典型的には、使い捨て製品であり、新しいチップを取り付け、場合によっては各実験のために再整列させる必要があることから、実験にコストがかかり、時間もかかる。更に、試料ウェル内で試料を調製することは、関与する長さスケールが小さいために困難である。試料ウェルのボリュームが小さいため、調製及び測定中に試料が蒸発することもあり、これにより測定結果の信頼性が低下することがある。
米国特許出願公開第２０１９／０２８５５７９号明細書は、誘電泳動デバイスを有する蛍光試験システムを開示している。該誘電泳動デバイスは、細胞などの試験物体を対応するフォトダイオードの上方に配置することができるマイクロウェルを備えている。一対の電極を使用して、試験物体は、誘電泳動によってマイクロウェルのうちの１つに捕捉され得る。
同様のデバイスは、米国特許出願公開第２０１９／０２５０１０２号明細書においても公知である。
米国特許出願公開第２０１９／０２８５５７９号明細書は、誘電泳動デバイスを有する蛍光試験システムを開示している。該誘電泳動デバイスは、細胞などの試験物体を対応するフォトダイオードの上方に配置することができるマイクロウェルを備えている。一対の電極を使用して、試験物体は、誘電泳動によってマイクロウェルのうちの１つに捕捉され得る。
同様のデバイスは、米国特許出願公開第２０１９／０２５０１０２号明細書においても公知である。
Ｃ．Ｙａｎｇ ｅｔ ａｌ．，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ Ｂｉｏｍｅｄｉｃａｌ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ ａｎｄ Ｓｙｓｔｅｍｓ，ｖｏｌ．３，ｎｏ．３，ｐｐ．１６０－１６８（２００９）
Ｈ．Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ａｎａｌ．Ｃｈｅｍ．２０１７，８９，１１，５８３２－５８３９
Ｈ．Ｚｈａｎｇ ｅｔ ａｌ．，ｎｐｊ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｉｎｆ．３：３１（２０１７）
したがって、本発明の目的は、マイクロ流体センサチップ上の複数の試料の高スループット並列プロービングのための試料調製及び試料取り扱いを単純化することである。
この目的は、請求項１に記載の複数の試料の並列プロービングのための方法、請求項１４に記載の複数の試料の並列プロービングのためのセンサチップ、請求項２６に記載の複数の試料の並列プロービングのための感知デバイス、及び請求項３５に記載の複数の試料の並列プロービングのための測定システムによって達成される。本発明の実施形態は、従属請求項に詳述されている。
本発明による複数の試料の並列プロービングのための方法は、センサチップを提供することを含み、センサチップは、基板内又は基板上に配置された感知層と、感知層に隣接する測定ボリュームと、を備える。感知層は、複数の感知要素を備え、その各々は、それぞれの感知要素の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される。複数の試料物体を含む担体流体が測定ボリュームに提供され、試料物体の各々は、それぞれの試料を備えるか、又は形成する。測定ボリューム内の試料物体の数は、試料物体が測定ボリューム内で自己組織化構造を形成するように制御される。試料物体が自己組織化構造内に配置されている間に、試料のうちの１又は複数に対して測定が実施され、試料に対する測定は、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接して配置された１又は複数の感知要素を使用して実施される。
センサチップは、単層又は多層基板を備えることができ、測定ボリュームは、例えば、基板の上面の凹部又は基板によって囲まれた中空ボリュームであってもよい。加えて、センサチップは、測定ボリュームと流体連通し、そこに担体流体を提供する入口流路及び／又は出口流路などのマイクロ流体構造を備え得る。一部の例では、センサチップは、本明細書に記載される本発明の実施形態のうちのいずれか１つによるセンサチップ、又は本明細書に記載される本発明の実施形態のうちのいずれか１つによる感知デバイスのセンサチップであってもよい。
感知要素の各々は、感知要素の近傍において、例えば感知要素の位置において、又は感知要素の周囲の感知ボリューム内において、物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号、例えば光信号、磁気信号、及び／又は電気信号を生成するように構成される。本開示の文脈において、感知要素は、それぞれの物理的可観測量を測定又は定量化することを可能にするセンサ信号を読み出すために使用され得る任意の要素又はユニットを指すことができる。感知要素は、例えば、微小電極、サーミスタ、又は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）などの容量性、誘導性、及び／又は抵抗性感知要素、圧電感知要素、ホール効果感知要素、及びフォトダイオードなどの感光感知要素のうちの１又は複数を備えることができ、センサ信号は、例えば、電流又は電圧であってもよい。一部の実施形態では、感知要素の一部又は全部は、原子スケール又は分子スケールの感知要素、例えば、物理的可観測量に依存する光吸収及び／又は発光スペクトルを有する原子スケール又は分子スケールの構造であってもよく、センサ信号は、例えば、透過光強度又は放射光強度であってもよい。感知要素は、特に、例えば以下に詳述するような固体スピン系であってもよい。
物理的可観測量は、任意の測定可能な物理量、例えば、温度、ｐＨ値、電気伝導度、誘電率、電場、磁場、及び／又は光強度であってもよい。感知要素の各々は、同じ物理的可観測量を測定するように構成されてもよく、又は感知要素の少なくとも一部は、異なる物理的可観測量を測定するように構成されてもよい。一部の例では、感知要素は、例えばそれぞれの感知要素の位置で第１の物理的可観測量を測定するように構成されてもよく、これは、第２の物理的可観測量、例えば感知要素の周囲の異なる位置又は感知ボリューム内、特に測定ボリューム内の位置又は感知ボリューム内の同じ又は異なる物理的可観測量に依存し得る。したがって、感知要素のセンサ信号は、第１の物理的可観測量に加えて第２の物理的可観測量も特徴付けることができる。
感知要素は、例えば、均一な密度及び／又は隣接する感知要素間の均一な間隔で均質に、感知層全体にわたって分布してもよく、又は、例えば、以下に詳述されるように、感知層内の空間的に分離された領域に閉じ込められていてもよい。感知層の領域又は部分内の隣接する感知要素の集合体は、以下では感知領域と称されることがある。所与の感知領域内の感知要素は、感知層内の他の感知要素から空間的に分離されてもよく、又は感知層全体にわたって分布する感知要素、例えば、感知層内の他の感知要素から空間的に分離されない場合がある感知層の選択された領域又は部分内の感知要素から選択される感知要素のサブセットであってもよい。
一部の実施形態では、感知要素は、複数のセンサを形成することができる。センサの各々は、１又は複数の感知要素、例えば、共通のセンサ信号を生成するように構成された感知要素の集合体を備えることができ、共通のセンサ信号は、例えば、集合体内の感知要素のセンサ信号の和又は平均であってもよい。センサは、空間的に分離されてもよく、かつ／又は他のセンサから独立して読み出されるように構成されてもよい。一部の実施形態では、センサの各々は、それぞれの感知領域内に感知要素を備えてもよく、感知領域は、互いから空間的に分離されてもよく、すなわち、各センサは、感知層内の複数の空間的に分離された感知領域のうちの１つに対応してもよい。一部の例では、センサの一部又は全部は、単一の感知要素のみを備え得る。
一部の実施形態では、１又は複数の試料に対して測定を実施することは、１又は複数の試料の各々について、感知要素のサブセットを選択することと、それぞれのサブセット内の感知要素からのセンサ信号を選択的に決定することと、を含み得る。例えば、センサ信号は、測定が実施される１又は複数の試料に関連するサブセット内の感知要素についてのみ決定されてもよい。所与の試料についてのサブセット内の感知要素は、例えば、感知領域内に、特に自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接する感知領域内に配置されてもよい。サブセットは、例えば、それぞれの感知領域内の全ての感知要素を備えてもよい。測定が実施される１又は複数の試料に関連する感知領域の外側の感知要素、すなわち、感知層の他の部分における感知要素については、センサ信号が決定されなくてもよい。
感知要素のサブセットを選択し、サブセット内、例えばそれぞれの感知領域内の感知要素からのセンサ信号を選択的に決定することは、サブセット内の感知要素を選択的にアクティブ化すること、及び／又はサブセット内の感知要素を選択的に読み出すことを含み得る。例えば、測定が実施される１又は複数の試料に関連付けられた感知領域内の感知要素のみが、アクティブ化及び／又は読み出されてもよい。感知要素をアクティブ化することは、例えば、感知要素の状態を、例えば、感知要素がセンサ信号を生成しないオフ状態から、感知要素がセンサ信号を生成するオン状態に変化させることを含み得る。感知要素は、例えば、電気的に、例えば電気スイッチを使用して、かつ／又は光学的に、例えば感知要素を光学的に励起することによって、アクティブ化され得る。サブセット内の感知要素を選択的に読み出すことは、例えば、それぞれのサブセット内の感知要素に対してのみセンサ信号を測定すること、又は、例えば、測定されたセンサ信号を処理又は分析するときに、それぞれのサブセットに含まれない感知要素に対するセンサ信号を破棄することを含み得る。
一部の実施形態では、感知層内の感知要素は、空間的に分離されたセンサのアレイを形成し、センサの各々は、１又は複数の感知要素を備える。自己組織化構造では、それぞれの試料物体は、アレイ内のセンサの各々に隣接して配置されてもよく、試料上の測定は、それぞれのセンサを使用して実施されてもよい。一部の例では、アレイ内のセンサは、空間的に分離された感知領域であってもよく、その各々は、複数の感知要素を備える。
センサは、センサが例えば隣接するセンサ間に間隔を置いて第１の方向に沿って配置され得る１次元アレイ、又はセンサが例えば隣接するセンサ間に間隔を置いて平面内に配置され得る２次元アレイで配置することができる。一部の実施形態では、センサアレイは、周期アレイであり得る。センサは、例えば、１次元周期アレイに配置されてもよく、センサは、例えば、第１の方向に沿って等距離間隔で位置決めされてもよい。好ましくは、センサは、２次元周期アレイに配置され、センサは、例えば、第１の方向に第１の等距離間隔で、第２の方向に第２の等距離間隔で位置決めされてもよい。第２の間隔は、第１の間隔と同じであってもよいし、異なっていてもよい。好ましくは、アレイの全てのセンサは、測定ボリュームの壁に平行であり得る共通平面内に配置される。感知要素は、例えば、測定ボリュームの底壁又は上壁に埋め込まれてもよく、各感知要素の表面は、測定ボリュームに露出されてもよい。他の例では、感知要素は、感知要素が測定ボリュームに露出されないように、底壁又は上壁に完全に埋め込まれてもよい。各センサは、アレイのそれぞれの単位セルと関連付けられてもよく、単位セルは、同一の単位セルの連続タイリング又は並進によってアレイが形成される基本単位である。アレイの単位セルは、例えば、アレイの任意の他のセンサよりも所与のセンサに近い領域であってもよい。
好ましい実施形態では、各試料物体の物理的寸法は、センサアレイの間隔、すなわち、第１及び／又は第２の方向に沿ったセンサアレイ内の隣接するセンサ間のピッチ又は中心間距離に対応する。試料物体は、例えば、センサアレイの第１及び／又は第２の間隔に対応する直径又は幅を有する単分散物体であってもよい。このために、センサアレイの間隔は、例えば、細胞又はビーズなどの所定のサイズの試料物体をプロービングするときに、センサアレイの間隔が試料物体の物理的寸法に対応するように選択されてもよい。換言すれば、提供されるセンサチップは、試料物体の物理的寸法に適合され得る。代替的に、試料物体の物理的寸法は、例えば、微小液滴などの調整可能なサイズを有する試料物体をプロービングするときに、試料物体の物理的寸法がセンサアレイの間隔に対応するように選択されてもよい。例えば、微小液滴の物理的寸法をセンサアレイの間隔に適合させるために、液滴生成器内の担体流体及び／又は試料流体の流速、担体流体及び／又は試料流体の粘度、及び／又は担体流体－試料流体界面における表面張力を調整することができる。一部の実施形態では、試料物体の物理的寸法は、センサ又は感知領域の物理的寸法より大きくてもよい。試料物体の直径又は幅は、例えば、センサ又は感知領域の直径又は幅よりも少なくとも５０％、一部の例では少なくとも１００％大きくてもよい。
試料物体は、例えば、担体流体中に分散された微小液滴であってもよい。微小液滴は、例えば、試料流体を含むか、又は試料流体からなってもよく、これは例えば、タンパク質、ＤＮＡ、細菌、細胞若しくはその一部などの生体試料を含み得る生体試料流体、あるいは例えば、１又は複数の試薬及び／若しくは化学反応の生成物を含み得る化学的試料流体であってもよい。微小液滴は、例えば、微小液滴と担体流体との間の界面における表面張力に起因して、担体流体中で明確に規定された形状（例えば、球形）を有することができ、これはまた、微小液滴が互いに接触したときに融合することを防止することができる。一部の例において、微小液滴は、単分散微小液滴であってもよく、すなわち、同じ直径又は幅を有してもよい。他の実施形態では、試料物体はまた、他の物体、特に細胞又はその成分、固体微粒子、又は微小気泡であってもよい。試料物体は、例えば、マイクロビーズ、例えばアガロースビーズ、又は磁性微粒子であってもよい。
一部の例では、試料流体及び担体流体は不混和性であってもよく、試料流体は例えば水溶液であってもよく、担体流体は例えば油などの疎水性流体を含んでもよい。好ましくは、担体流体は、トルエン、クロロホルム、メタノール、ジメチルスルホキシド（ＤＭＳＯ）、及びテトラヒドロフラン（ＴＨＦ）のうちの１又は複数を含む。担体流体及び微小液滴は、担体流体が連続相であり、試料流体が分散相であるエマルジョンを形成することができる。追加的又は代替的に、担体流体及び／又は試料物体は、例えば担体流体中の微小液滴を安定化させるために、両親媒性分子などの界面活性剤を含み得る。微小液滴は、例えば、界面活性剤によって形成されたシェル層を含むことができ、これは、例えば、試料流体を含むコアを囲むことができる。一部の例では、微小液滴は、試料流体によって形成されたコアを囲む脂質二重層を有する小胞又はリポソームである。
複数の試料物体を含む担体流体は、例えば、測定ボリューム内にピペットで入れることによって、又はセンサチップの入口流路を通して、測定ボリュームに提供される。測定ボリューム内の試料物体の数は、試料物体が測定ボリューム内で自己組織化構造を形成するように制御される。このために、測定における試料物体の数は、例えば、追加の試料物体を測定ボリュームに提供することによって、又は試料物体を測定ボリュームから除去することによって調整されてもよい。これは、例えば、試料物体を含む担体流体を連続的に提供して、自己組織化構造が形成されるまで測定ボリューム内の試料物体の数を増加させることを含み得る。一部の実施形態では、これはまた、例えば、ピペット操作によって、又は試料物体の断面積より小さい断面積を有する出口流路を通して、そこから試料物体を除去することなく、測定ボリュームから担体流体を放出することを含み得る。
本開示の文脈において、試料物体の自己組織化構造とは、試料物体の配置が、試料物体自体の間の相互作用によって、例えば、互いに接触しているか又は近接している試料物体の間の反発性及び／又は誘引性の表面－表面相互作用によって、少なくとも部分的に規定される構造をいう。一部の実施形態では、試料物体間の相互作用は、少なくとも部分的に担体流体によって媒介されてもよい。隣接する試料物体との相互作用は、自己組織化構造内の所与の試料物体の動きを防止することができる。換言すれば、自己組織化構造における所与の試料物体の位置は、センサチップの構造的特徴によって決定されなくてもよく、又は少なくともそれによってのみ決定されなくてもよい。一部の実施形態では、自己組織化構造は、例えば、隣接する試料物体が１つ又は２つの方向に等距離間隔で位置決めされるように、周期的であってもよい。
測定ボリューム内に形成される自己組織化構造において、試料物体は、例えば、それぞれの試料物体がセンサアレイ内のセンサの各々に隣接するように配置され得る。例えば、試料物体は、それぞれのセンサに関連付けられた単位セルと整列されてもよい。一部の例では、試料物体の中心は、例えば、試料物体の中心とそれぞれのセンサの中心との間の距離が最小になるように、それぞれのセンサの中心と整列されてもよい。一部の例では、試料物体は、それぞれのセンサの表面と、又はそれぞれのセンサに最も近い測定ボリュームの壁部分の表面と接触していてもよい。好ましくは、試料物体の各々は、それぞれのセンサに隣接して配置される。自己組織化構造は、例えば、センサアレイと同じ構造を有してもよく、すなわち、試料物体は、センサと同じパターンで配置されてもよい。一部の実施形態では、自己組織化構造は、周期的であってもよく、センサアレイと同じ格子構造を有してもよく、すなわち、試料物体は、例えば、試料物体の各々がアレイの単位セルのそれぞれ１つと整列されるように、センサと同じ周期的パターンで配置されてもよい。
他の実施形態では、自己組織化構造内の試料物体は、試料物体の一部又は全部が感知層内のそれぞれの感知領域に隣接して配置されるように配置することができ、各感知領域は、例えば、それぞれの試料に対して選択された感知要素のサブセットの感知要素を備えることができる。換言すれば、自己組織化構造における試料物体の配置は、感知層における選択されたサブセット又は感知領域の配置に適合されてもよく、又はその逆であってもよい。一部の例では、感知領域は、例えば、感知層内の感知要素の分布などのセンサチップの構造的特徴によって規定され得るか、又は自己組織化構造の形成前に選択され得る所定の感知領域であってもよく、自己組織化構造内の試料物体は、試料物体の一部又は全部がそれぞれの所定の感知領域に隣接して配置されるように配置されてもよい。
自己組織化構造が形成された後、試料物体が自己組織化構造内に配置されている間に、感知層内の感知要素の一部又は全部を使用して測定が実施される。試料に対する測定は、例えば、それぞれの試料に関連付けられた感知領域又はセンサの感知要素を使用して実施されてもよい。好ましくは、試料物体は、測定が実施されている間に移動せず、すなわち、自己組織化構造は、測定中に静止していてもよい。一部の例では、これは、測定ボリュームを通る担体流体の流れを中断することを含み得る。
測定ボリューム内に自己組織化構造を調製することによって、試料物体は、試料ウェル又は感知領域若しくはセンサの各々のための親水性若しくは疎水性表面コーティングなどの個々の構造的特徴を必要とすることなく、対応する感知領域又はセンサに隣接して配置され得る。代わりに、測定ボリュームの側壁などの少数の境界又は誘導構造を使用して、感知領域又はセンサアレイに対する自己組織化構造の位置を全体的に規定することができる。これにより、例えば、平坦な壁面を有する測定ボリュームを使用することが可能になり、センサチップの製造及びその取り扱いが非常に容易になる。特に、測定ボリュームは、個々の試料ウェルよりも容易に洗浄することができ、これにより、汚染のリスクを伴わずに、センサチップを複数回再使用することが可能になり得る。これは、コストを削減するだけでなく、センサチップが測定の間に交換される必要がないため、スループットを向上させる。更に、例えば目標を定めたピペット操作による個々の試料物体の位置決めは必要とされず、センサチップ上の試料の調製が簡単になる。したがって、提案される方法は、容易に自動化することができ、多数の試料の高速で費用効率の高い並列プロービングを可能にする。
周期的構造に配置された微小液滴は、例えば、顕微鏡の結像面においてマイクロリアクタとして使用される微小液滴の密度を増加させるために以前に使用されており、米国特許出願公開第２０１２／０１８４４６４号明細書及びＡ．Ｃ．Ｈａｔｃｈ ｅｔ ａｌ，Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，２０１１，１１，２５０９を参照されたい。マイクロ流体構造内に微小液滴アレイを形成するための同様の方法は、例えば、Ｃ．Ｅ．Ｓｔａｎｌｅｙ ｅｔ ａｌ．，Ｃｈｅｍ．Ｃｏｍｍｕｎ．，２０１０，４６，１６２０－１６２２及びＰ．Ｐａｒｔｈｉｂａｎ ｅｔ ａｌ．，Ｓｏｆｔ Ｍａｔｔｅｒ，２０１９，１５，４２４４－４２５４において公知である。
センサチップは、測定ボリューム内の試料物体の動きを制限又は誘導するように構成された境界又は誘導構造を備えることができる。以下で境界構造と総称される境界又は誘導構造は、例えば、以下で詳述されるように、例えば、測定ボリュームの側壁、測定ボリュームの底壁及び／若しくは上壁から突出する誘導壁、並びに／又は測定ボリュームの底壁及び／若しくは上壁上の親水性及び／若しくは疎水性コーティングのうちの１又は複数を備えることができる。自己組織化構造は、試料物体と境界構造との間の相互作用によって、かつ試料物体間の表面－表面相互作用によって形成され得る。試料物体と境界構造との間の相互作用は、例えば、境界構造と試料物体自体との直接的な相互作用であってもよく、又は担体流体によって媒介されてもよい。境界構造は、例えば、本発明によるセンサチップ及び本発明による感知デバイスに関して後述するように、自己組織化構造が感知領域又はセンサアレイに対して整列されるように配置又は成形することができる。このために、境界構造は、例えば、アレイ内の最も外側のセンサからセンサアレイの間隔の半分に対応する距離に配置されてもよい。境界構造は、例えば、センサアレイの最も外側の単位セルの各々の縁部が境界構造のうちの１つと整列されるように、例えば、センサアレイの単位セルの縁部と整列されてもよい。
自己組織化構造において、試料物体と境界構造との間の相互作用及び試料物体間の表面－表面相互作用は、試料物体が移動することを防止することができ、したがって、例えば、それぞれのセンサ又は感知領域に隣接し得る所定の位置に試料物体を固定することができる。換言すれば、例えば、それぞれの試料物体が接触しているため、少なくとも１つの他の試料物体を移動させることなく、所与の試料物体を移動させることが可能でない場合がある。好ましくは、自己組織化構造は、試料物体の少なくとも９０％、一部の例では少なくとも９５％が、例えば測定ボリュームの底壁又は上壁に平行な平面内で、２つ以上の直交方向に沿って移動することを防止されるように形成される。これは、自己組織化構造全体が測定中に移動又は崩壊するのを防止するのに十分であり得る。一部の例では、測定ボリュームの入口又は出口に隣接して配置された自己組織化構造内の試料物体は、他の試料物体を移動させることなく、依然として１又は複数の方向に移動することが可能であり得る。
一部の実施形態では、試料物体は、円形断面を有することができる。試料物体は、例えば、球形、回転楕円体、楕円形、又は円筒形状を有してもよい。自己組織化構造は、例えば、感知層及び／又は感知層に隣接する測定チャンバの壁に対して垂直な方向に沿って投影又は観察されるとき、円の最密充填であってもよい。円の最密充填では、試料物体は、それらの円周が互いに接触又は近接し、したがって、試料物体が移動することを防止するように、単一層内に配置されてもよい。円の最密充填は、測定ボリューム内の境界構造によって課される境界条件下での試料物体の可能な限り密な配置に対応することができる。
一部の実施形態では、自己組織化構造内の試料物体は、円形断面を有さなくてもよいが、自己組織化構造は、それにもかかわらず、例えば、試料物体の中心及び／又は試料物体間の接触点が、円の理想的な最密充填における対応する点と整列されるという意味で、円の最密充填に似ている場合がある。自己組織化構造内の試料物体の円周は、例えば、試料物体が隣接する試料物体と接触しているか又は近接している点において、円の最密充填内の円に対して（又はその逆）接していてもよい。試料物体の物理的寸法は、例えば、最密充填の円の直径に等しくてもよい。試料物体は、例えば、担体流体中に提供されるとき、本質的に非円形の断面を有してもよく、かつ／又は、自己組織化構造を形成するとき、例えば、隣接する試料物体及び／又はセンサチップの境界構造と接触するとき、変形してもよい。
自己組織化構造は、特に、等しい円の最密充填、すなわち、同じ直径を有する円の最密充填であり得る。試料物体の全ては、例えば、同じ直径を有する円形断面を有してもよい。したがって、試料物体の一部又は全部は、例えば、自己組織化構造内の２次元六方格子内に、すなわち、各試料物体が６つの等距離の隣接する試料物体によって取り囲まれ、それによって自己組織化周期構造を形成するように配置されてもよい。２次元六方格子は、均一な空間における等しい円の最密充填に対応し、以下では、等しい円の均一な最密充填と称されることもある。他の例では、試料物体の一部又は全部は、自己組織化構造内で線形チェーン状に配置されてもよく、各試料物体は、２つの隣接する試料物体と接触している。
一部の例では、試料物体は、球形状を有してもよく、自己組織化構造は、球体の最密充填、特に、等しい球体の最密充填であってもよく、すなわち、測定ボリューム内の境界構造によって課される境界条件下で球体の最も密な可能な配置に対応してもよい。自己組織化構造内の試料物体は、単一層内に、例えば、単一平面内に配置されてもよく、単一層内の球体の最密充填は、層に垂直な方向に投影されたときの円の最密充填に対応する。
一部の実施形態では、試料物体を含む担体流体は、測定ボリュームと流体連通するマイクロ流体入口流路を通して提供することができる。測定ボリューム内の試料物体の数を制御することは、自己組織化構造が形成されるまで、入口流路を通る試料物体を含む担体流体の流れを維持することを含み得る。このようにして、自己組織化構造が形成されるまで、試料物体を連続的に測定ボリュームに追加することができる。一部の例では、これは、例えば、試料物体の幅及び断面積よりもそれぞれ小さい幅又は断面積を有する出口流路を使用することによって、又は例えば弁を使用して出口流路の幅又は断面積を適宜調整することによって、試料物体が測定ボリュームから出るのを防止しながら、例えばマイクロ流体出口流路を介して、測定ボリュームから担体流体を放出することを含み得る。
好ましい実施形態では、本方法は、例えば、それぞれの試料に対して測定を実施する前及び／又は後に、センサチップ上の１又は複数の試料物体の動きを追跡することを更に含む。試料物体の動きを追跡することは、例えば、試料物体がセンサチップ上の１又は複数の所定の点、例えば、測定ボリュームの入口、測定ボリュームの出口、及び／又はセンサチップの出力ポートに到達する時点を決定することを含み得る。試料物体の動きを追跡することは、例えば、試料物体をそれぞれのセンサ又は感知要素から取得された測定結果と関連付けるために、試料物体をそれぞれのセンサ又は感知要素と関連付けることを更に含み得る。追加的又は代替的に、試料物体の動きを追跡することは、試料物体及び／又は測定結果を、試料物体の組成及び／又は形成プロセスに関する情報と関連付けることも含み得る。試料物体は、例えば、液滴生成器を使用して、例えば、経時的に変化する組成及び／又は他の特性で形成されてもよい。試料物体の動きを追跡することは、試料物体及び／又は測定結果を、それぞれの試料物体が形成された時点、特定の組成、例えば試料物質の濃度、及び／又は試料物体を形成するために使用される特定のパラメータ、例えば液滴生成器内の流速、流体組成、及び／又は温度と関連付けることを可能にし得る。試料物体の動きは、例えば、担体流体の流速、担体流体の流れの持続時間、及び／又はそれぞれのセンサ若しくは感知要素の位置に基づいて追跡されてもよい。好ましい実施形態では、センサチップ上の１又は複数の試料物体の動きは、例えば、複数の時点でセンサチップ上の試料物体の位置を決定することによって、連続的に追跡される。１又は複数の試料物体は、例えば、センサチップ上に試料物体の画像を記録するように構成されたカメラを使用して追跡されてもよい。センサチップ上の試料物体を追跡することは、例えば、それぞれの測定結果に基づいて試料物体を選別することを可能にし得る。一部の例では、試料物体は、例えばＹ．Ｆｅｎｇ ｅｔ ａｌ．，Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍｓ＆Ｎａｎｏｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｖｏｌ．６，１０９（２０２０）に記載されているように、例えば分光手段によって試料物体を互いに区別することを可能にするマーカーを含むことができる。
好ましい実施形態では、感知要素は、磁気量感知要素、例えば、磁気量感知要素の異なる状態間の磁場依存挙動、例えば、磁場依存エネルギースペクトル及び／又は磁場依存遷移率を示す原子又は分子スケール構造である。感知要素は、特に、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系であり得る。光学的にアドレス指定可能な固体スピン系は、固体ホスト材料中に配置又は埋め込まれたスピン自由度を有する量子系であり、スピン自由度は、光学遷移及び／又はマイクロ波場を介して読み出し及び／又は操作することができる。スピン系は、特に、人工原子又は分子のように挙動する物体、すなわち、原子又は分子のようなエネルギースペクトルを示し、少なくとも２つの異なるスピン状態を有する系であり得る。スピン系は、例えば、結晶構造中の光学活性欠陥であってもよい。異なるスピン状態のエネルギーレベルは、磁場の存在下でシフトし得る。更に、スピン系は、例えば、スピン系の異なる状態（例えば、スピン系の電子状態）間のスピン状態依存遷移速度を有してもよい。したがって、固体スピン系は、例えば、スピン系の状態間のエネルギー差及び／又は遷移速度を決定することによって、磁場のためのプローブとして使用されてもよい。好ましい実施形態では、基板はダイヤモンドを含むか、又はダイヤモンドからなり、固体スピン系はダイヤモンド色中心、すなわちダイヤモンド結晶構造中の光学活性点欠陥である。好ましくは、スピン系は、ダイヤモンド中の窒素空孔（ＮＶ）中心、特に負に帯電した窒素空孔中心である。
試料に対して測定を実施することは、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接する感知領域内に配置された固体スピン系に光を照明して、感知領域内の固体スピン系を光学的に励起することと、感知領域内の固体スピン系によって放出された光信号を検出することと、を含むことができる。
好ましくは、感知領域の一部又は全部における固体スピン系は、感知領域の一部又は全部を接続するセンサチップを通る光学照明経路に沿って伝搬する光で感知領域を照明することによって、すなわち、照明経路に沿って伝搬する光パルスがそれぞれの感知領域を順次通過するように、同時に励起される。光の波長は、例えば、スピン系の吸収波長に調整することができる。照明経路に沿った感知領域の照明は、特に、感知領域内のスピン系を光学的に偏極させるために、かつ／又は感知領域内のスピン系を励起して検出される光信号を誘起するために、すなわち、光学的読み出しのために使用することができる。光パルスの強度及び／又はパルス持続時間は、例えば、スピン系が所定の量子状態で準備されるように選択されてもよい。一部の例では、強度及び／又はパルス持続時間は、例えば、蛍光強度を増加させるために、かつ／又はスピン系の光学的偏光のために、すなわち、スピン系を所定の状態に光学的にポンピングするために、センサ内のスピン系が複数の遷移を経るように選択されてもよい。好ましい実施形態では、感知領域は、複数回、例えば、光学偏光のための第１の時間及び検出される光信号を誘起するための第２の時間、照明される。照明の少なくとも１つ、好ましくは照明の両方は、照明経路に沿って伝搬する光によって生じる。
光信号は、例えばマルチ流路光検出器を使用して、同時に検出することができる。光信号は、例えば、１又は複数の放出波長でスピン系によって放出される光（例えば、励起されたスピン系によって放出される蛍光）の強度であってもよく、又は、例えば、スピン系による１又は複数の吸収波長での光の吸収率を決定するために、感知領域を透過した光の強度であってもよい。検出された信号は、例えば、スピン系の状態に関する情報、例えば、１又は複数のスピン状態の占有確率を抽出することを可能にすることができ、この情報は、例えば、対応する試料から少なくとも部分的に生じ得るそれぞれのセンサにおける磁場の強度及び／又は配向に関する情報を抽出するために使用することができる。
本発明は、本明細書に記載された実施形態のうちのいずれか１つによる方法を使用して複数の試料の並列プロービングのためのセンサチップを更に提供する。センサチップは、複数の試料物体を含む担体流体を受容するように構成された測定ボリュームを備える。センサチップは、測定ボリュームの第１の壁内に又はそれに隣接して配置されたセンサのアレイを更に備え、センサアレイは、第１の間隔ａ１を有する。センサの各々は、１又は複数の感知要素を備え、その各々は、それぞれの感知要素の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される。センサチップは、測定ボリューム内の試料物体の動きを制限又は誘導するように構成された２つ以上の境界又は誘導構造を備える。２つ以上の境界又は誘導構造は、第１の間隔ａ１に等しい直径を有する円形断面を有する固体物体の最密充填が測定ボリューム内に配置され、固体物体の最密充填が測定ボリュームの第１の壁全体を覆うときに、それぞれの固体物体がセンサの各々と整列されるように２つ以上の境界又は誘導構造が固体物体を閉じ込めるように配置される。
センサチップは、単層又は多層基板を備えてもよく、好ましくは、基板又は少なくともその一部は、紫外、可視、及び／又は近赤外スペクトルにおいて光学的に透明である。測定ボリュームは、例えば、基板の上面の凹部、又は基板によって囲まれた中空ボリュームであってもよい。一部の実施形態では、センサチップは、測定ボリュームを開閉するための取り外し可能なカバーを備え得る。加えて、センサチップは、担体流体を測定ボリュームに／から提供又は放出するように、測定ボリュームと流体連通する入口流路及び／又は出口流路などのマイクロ流体構造を備え得る。センサチップはまた、例えば以下に詳述されるように、液滴生成器を備えてもよい。第１の壁は、例えば、測定ボリュームの底壁又は上壁であってもよく、これは、例えば、基板及び／又は取り外し可能なカバーによって形成されてもよい。好ましくは、第１の壁は、平坦な表面を有し、いかなる突起及び／又は窪みも備えない。一部の例では、センサの表面及び／又は感知要素の表面は、測定ボリュームに露出されてもよく、例えば、第１の壁の表面と同一平面であってもよい。他の例では、センサ及び／又は感知要素は、第１の壁内又は第１の壁の下の別の層内に完全に埋め込まれてもよく、測定ボリュームに露出されなくてもよい。一部の実施形態では、センサの各々は、例えば、上記で詳述されるように、それぞれの感知領域内に感知要素を備えてもよい。感知要素は、複数の空間的に分離された感知領域に、例えば、第１の壁内又はそれに隣接する感知層内に閉じ込められてもよく、感知領域は、アレイ状に配置され、それによって、センサのアレイを形成する。
センサは、１次元アレイ又は２次元アレイに配置することができる。センサは、１次元周期アレイに配置されてもよく、センサは、例えば、第１の方向に沿って等距離間隔ａ１で位置決めされてもよい。代替的に、センサは、２次元周期アレイに配置されてもよく、センサは、例えば、第１の方向に第１の等距離間隔ａ１で、第２の方向に第２の等距離間隔ａ２で位置決めされてもよい。以下では、第１の間隔又は第２の間隔は、センサアレイの間隔ａ０と称されることもある。したがって、間隔ａ０へのいかなる言及も、１次元アレイについては第１の間隔を指し、２次元アレイについては第１の間隔ａ１又は第２の間隔ａ２のいずれかを指すものとして理解されるべきである。
好ましくは、センサの全ては、例えば第１の壁に平行であり得る同じ平面に配置される。センサは、例えば、測定ボリュームに隣接するセンサチップの基板内又は基板上の感知層内に配置されてもよい。各センサは、アレイのそれぞれの単位セルと関連付けられてもよく、単位セルは、同一の単位セルの連続タイリング又は並進によってアレイが形成される基本単位である。一例では、センサは、２次元六方格子に、すなわち、各センサが６つの等距離の隣接するセンサによって囲まれるように配置される。したがって、アレイの単位セルは、例えば六角形であってもよく、所与のセンサに関連付けられた単位セルの縁部は、センサをその隣接するセンサに接続するベクトルの垂直二等分線によって規定される。別の例では、センサは、２次元矩形格子に配置され、アレイの単位セルは、矩形形状を有する。更に別の例では、センサは、１次元等距離チェーンに配置され、単位セルは、例えば、隣接するセンサ間の間隔ａ０に対応する正方形のサイズを有する所与のセンサの周囲の正方形として規定されてもよい。
以下で境界構造と総称される境界又は誘導構造は、例えば、測定ボリュームの１又は複数の側壁を備えることができ、側壁の各々は、第１の壁に対してある角度で、好ましくは６０°を超える角度で延在する。側壁は、特に、第１の壁に対して垂直であり得る。好ましくは、測定ボリュームの側壁のうちの一部又は全部は、平坦な表面を有し、すなわち、いかなる傾斜部分、突起、及び／又は窪みも備えない。追加的又は代替的に、境界構造は、測定ボリュームの第１の壁から、かつ／又は第１の壁に対向する測定ボリュームの第２の壁から突出する１又は複数の誘導壁を備えることができる。境界構造は、測定ボリュームの第１及び／又は第２の壁上に１又は複数の親水性及び／又は疎水性コーティングを更に備えることができ、コーティングは、例えば、担体流体によって湿潤させることができる第１の壁上の領域、又は担体流体によって湿潤させることができない第１の壁の領域を規定することができる。
境界構造は、変形することができず、センサアレイの間隔ａ０に等しい直径を有する円形断面を有する十分に多数の固体物体が第１の壁上に配置されたときに、固体物体が、それぞれの固体物体がセンサの各々と整列される平面最密充填で配置されるように配置される。固体物体は、例えば、球形、回転楕円体、楕円形又は円筒形状を有してもよい。第１の壁に対して垂直な方向に沿って投影されたとき、固体物体の最密充填は、等しい円の最密充填に対応することができる。それぞれの固体物体は、例えば、第１の壁に平行な平面内の固体物体の中心がセンサの中心と整列されるように、かつ／又は固体物体がセンサに関連付けられた単位セル内に配置されるように、例えば、第１の壁に垂直な方向に沿って見たときに単位セルの縁部が固体物体の円周に接するように、センサの各々の上方に配置することができる。上記で詳述したように、円形断面を有する固体物体の最密充填は、測定ボリューム内の境界構造によって課される境界条件下での固体物体の可能な限り密な配置に対応することができる。得られる構造体において、固体物体の各々は、少なくとも１つの他の固体物体と接触していてもよい。更に、固体物体の少なくとも一部は、境界構造のうちの１又は複数と接触していてもよい。固体物体と境界構造との間の接触は、等しい円の均一な最密充填の固有の並進不変性を破壊することができ、それによって、固体物体を所望の配置に固定することができる。一部の実施形態では、境界構造のうちの１又は複数は、固体物体との直接相互作用の代わりに、又はそれに加えて、担体流体によって媒介される相互作用によって、固体物体を閉じ込めることができる。例えば、親水性又は疎水性コーティングは、担体流体によるそれぞれの表面の湿潤を促進又は防止し、それによって、担体流体中に提供される物体を閉じ込めることができる。換言すれば、一部の例では、測定ボリューム内の固体物体の最密充填は、固体物体が担体流体内に提供された場合のみ、センサアレイとともに形成及び／又は整列される。
したがって、２つ以上の境界構造は、上述したような真に非変形性の固体物体ではないが、円形断面を有する複数の試料物体を、それぞれの試料物体がセンサの各々に隣接して配置されるように、測定ボリューム内の等しい円の自己組織化された最密充填に閉じ込めるように構成されてもよい。換言すれば、十分に多数の試料物体が測定ボリューム内に配置されると、試料物体は、それぞれの試料物体がセンサアレイ内のセンサの各々と整列される測定ボリューム内の自己組織化構造を形成する。本発明による方法に関して上記で詳述したように、同じことが、円形断面を有さないが、それにもかかわらず、等しい円の最密充填に似た自己組織化構造を形成するように構成された試料物体にも当てはまる。試料物体の物理的寸法は、例えば、試料物体の物理的寸法がセンサアレイの間隔に対応するように選択されてもよい。
上記で詳述したように、センサアレイは、各センサがそれぞれの単位セルに関連付けられた、同一の単位セルのタイリングに対応することができる。境界構造は、例えば、境界構造のセグメントがセンサアレイの円周に沿ってセンサアレイの単位セルの縁部と整列されるように配置されて、例えば、試料物体と境界構造との間の相互作用によって、かつ試料物体自体の間の相互作用によって、試料物体を自己組織化構造内のそれぞれの単位セルに閉じ込めることができる。好ましくは、センサアレイの最も外側の単位セルの各々の縁部は、境界構造のうちの１つと整列される。
一部の実施形態では、センサアレイ内の最も外側のセンサの各々は、境界構造のうちの少なくとも１つから、第１の間隔ａ１の半分に対応する距離、すなわち、ａ１／２の距離に配置されてもよく、センサと境界構造との間の距離は、例えば、センサの中心とそれぞれの境界構造との間の距離であってもよい。このようにして、最も外側のセンサのうちの１つと整列された、第１の間隔に対応する物理的寸法、例えば第１の間隔に対応する直径を有する試料物体は、それぞれの境界構造と接触することができる。センサアレイの最も外側のセンサは、例えば、センサと整列された最密充填内のそれぞれの固体物体が、最密充填内の他の固体物体によって完全に閉じ込められていない、すなわち、境界構造でない場合に別の固体物体を移動させることなく移動させることができるセンサであってもよい。
一部の実施形態では、２つ以上の境界構造は、それぞれの固体物体がセンサの各々と整列される、例えばそれぞれの単位セルと整列される固体物体の最密充填において、固体物体間の接触及び固体物体と境界構造との間の接触が、固体物体の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％が第１の壁に平行な平面内で移動することを防止するように配置される。
一部の実施形態では、２つ以上の境界構造は、センサアレイの間隔ａ０の整数倍に等しい距離Ｄだけ分離された２つの対向する境界構造を備え、すなわち、Ｄ＝Ｍ・ａ０であり、Ｍは正の整数、特に１より大きい整数である。整数Ｍは、例えば５～１０００、一例では１０～１００であってもよい。これは、例えば、ａ０に対応する物理的寸法、例えばａ０に対応する直径を有するＭ個の固体物体又は試料物体を、Ｍ個の固体物体又は試料物体が互いに及び対向する境界構造と接触し、それによってほぼ非圧縮性のチェーン（例えば、固体物体又は試料物体を変形させることによってのみ変形され得るチェーン）を形成するように、対向する境界構造の間に配置することを可能にし得る。
追加的に又は代替的に、２つ以上の境界構造は、センサアレイの間隔ａ０の
に等しい距離Ｄ、すなわち
によって分離された２つの対向する境界構造を備えることができ、ここでＮは正の整数、特に１より大きい整数である。整数Ｎは、例えば４～９９９、一例では９～９９であってもよい。これは、例えば、対向する境界構造の間にａ０に対応する直径を有する円形断面を有する固体物体又は試料物体の（Ｎ＋１）個の線形チェーンを配置することを可能にすることができ、固体物体又は試料物体は、等しい円の均一な最密充填を形成する。したがって、試料物体は、互いに、かつ対向する境界構造と接触していてもよく、それによって、ほぼ非圧縮性の構造（例えば、固体物体又は試料物体を変形させることによってのみ変形され得る構造）を形成する。
上述したように、センサアレイは、第１の方向に第１の間隔ａ１を有し、第２の方向に第２の間隔ａ２を有する２次元周期アレイであり得る。第２の間隔ａ２は、第１の間隔ａ１と等しくてもよいし、第１の間隔ａ１と異なっていてもよい。一部の例では、アレイ内のセンサは、例えば、矩形格子状に配置されてもよく、第２の方向は第１の方向に対して垂直であり、第２の間隔は第１の間隔とは異なる。
好ましい実施形態では、アレイ内のセンサは、間隔ａｈ＝ａ１＝ａ２を有する六方格子に配置される。六方格子は、正三角形の２つの辺に対応する、２つの基本ベクトル又は変換ベクトル
及び
によって広がることができる。境界構造は、第１の対の対向する境界構造、特に測定ボリュームの第１の対の対向する側壁と、第２の対の対向する境界構造、特に測定ボリュームの第２の対の対向する側壁とを備えることができる。好ましくは、境界構造又は側壁の各々は、２つの基本ベクトルの線形結合に対応するそれぞれのベクトルに平行に、最も好ましくは、基本ベクトルのうちの１つに平行又は垂直に延在する。一部の例では、所与の対の境界構造又は側壁は、互いに平行であり得る。第１の対の境界構造又は側壁は、第１の距離
によって分離されてもよく、Ｎ１は、１より大きい正の整数である。第２の対の境界構造又は側壁は、第２の距離Ｄ２によって分離されてもよく、Ｄ２＝（Ｎ２＋１）・ａｈ又は
であり、Ｎ２は、１より大きい正の整数である。整数Ｎ１及びＮ２の各々は、例えば、４～９９９、一例では９～９９であり得る。対向する境界構造又は側壁の間の距離は、例えば、それぞれの構造の間の最小距離であってもよい。
一部の実施形態では、センサチップは、担体流体中の試料流体の微小液滴、特に単分散微小液滴、すなわち均一なサイズを有する微小液滴を生成するように構成された液滴生成器を更に備えることができる。液滴生成器は、例えば、クロスフロー液滴生成によって微小液滴を生成するように構成されてもよく、例えば、担体流体が提供される第１の流路が、試料流体が提供される第２の流路とある角度で交差するＴ字接合部を備えてもよい。他の例では、液滴生成器は、平行流液滴生成によって、流体力学的フローフォーカシングによって、かつ／又はステップ乳化によって、微小液滴を生成するように構成され得る。微小液滴のサイズは、例えば、担体流体及び／又は試料流体の流速及び／又は組成を調整することによって制御されてもよい。
一部の実施形態では、センサチップは、マイクロ流体入口流路及びマイクロ流体出口流路を備えることができ、入口及び出口流路は、測定ボリュームと流体連通している。センサチップは、試料物体が出口流路を通って測定ボリュームから出ることを選択的に防止するための手段を更に備えることができる。センサチップは、例えば、出口流路の一部の幅又は断面積を調整するように構成された弁を備えてもよく、例えば、担体流体は、出口流路を通って測定ボリュームから放出され得るが、試料物体は、弁を通過することができないようになっている。
感知要素の各々は、センサ信号、特に光センサ信号、磁気センサ信号、及び／又は電気センサ信号を生成するように構成され、センサ信号は、例えば本発明による方法に関して上記で詳述したように、それぞれの感知要素の近傍、例えばそれぞれの感知要素の位置又はそれぞれの感知要素の周囲の感知ボリュームにおける物理的可観測量を特徴付ける。センサ信号は、例えば、温度、ｐＨ値、電気伝導率、誘電率、電場、磁場、及び／又は光強度を特徴付けることができる。感知要素の各々は、例えば、電極、特に測定ボリュームに露出される電極、容量感知要素、誘導感知要素、抵抗感知要素、圧電感知要素、ホール効果感知要素、及びフォトダイオードのうちの１又は複数を備えてもよい。
好ましい実施形態では、センサは、磁気量センサであり、感知要素は、磁気量感知要素であり、センサの各々は、複数の磁気量感知要素を備える。感知要素は、例えば、上で詳述したように、例えば、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系であってもよい。光学的にアドレス指定可能な固体スピン系は、特に、ダイヤモンド中の窒素空孔（ＮＶ）中心であってもよい。ＮＶ中心は、例えば、電場及び磁場を局所的に測定するために（例えば、Ｒ．Ｓｃｈｉｒｈａｇｌ ｅｔ ａｌ．，Ａｎｎｕ．Ｒｅｖ．Ｐｈｙｓ．Ｃｈｅｍ．６５、８３－１０５（２０１４）を参照）、及び例えば、Ｄ．Ｒ．Ｇｌｅｎｎ ｅｔ ａｌ．，Ｎａｔｕｒｅ ５５５、３５１～３５４（２０１８）及びＷＯ２０１８／０５２４９７Ａ２に報告されているように、少量の試料に対して核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光分析を行うために使用することができる。
固体スピン系は、例えば、感知層に位置する感知領域に配置されてもよく、感知層は、例えば、測定ボリュームに露出される第１の壁の表面の下の表面層であってもよい。感知層は、例えば、ダイヤモンドを含んでもよく、又はダイヤモンドからなってもよく、１μｍ～１０００μｍ、一部の例では２μｍ～１００μｍ、一例では５μｍ～１０μｍの、表面に垂直な厚さを有してもよい。一部の例では、感知層は、少なくとも部分的に第１の壁の上面を形成することができる。他の例では、感知層と第１の壁の表面との間に１又は複数の追加の層、例えば光学コーティングが配置されてもよい。一部の例では、スピン系は感知領域に閉じ込められてもよく、一方、他の例では、スピン系は表面層全体にわたって分布してもよい。一部の実施形態では、感知領域外の感知層内のスピン系の密度は、感知領域内のスピン系の密度の少なくとも１００分の１、好ましくは少なくとも１０００分の１であってもよい。
一部の実施形態では、センサチップは、センサチップを通る光路を提供するように構成された導光システムを備えてもよく、光路は、例えば、光路に沿って伝搬する光が少なくとも１回それぞれの感知領域を順次通過するように、感知領域の一部又は全部を接続する。換言すれば、感知領域の一部又は全部は、導光システムによって提供される光路に沿って配置され得る。好ましくは、光路に沿って伝搬する光は、各感知領域を同じ回数、例えば１回通過する。
導光システムは、特に、反射構造、光学コーティング、及び／又は導波路などの、光路に沿った光の伝搬を変更する１又は複数の光学要素を備えることができる。導光システムは、例えば、１又は複数の反射コーティング、特に、広帯域又は二色性反射コーティングを備えてもよい。反射コーティングは、例えば、測定ボリュームに露出された第１の壁の表面上、第１の壁の表面に対向する基板の底面上、かつ／又は上面と底面との間に延在する基板の１又は複数の側面上に配置することができる。一部の例では、光路に沿った光の伝搬はまた、センサチップの表面における１又は複数の内部全反射を含んでもよく、すなわち、導光システムは、それぞれの表面上の光路の入射角が内部全反射の臨界角よりも大きくなるように構成されてもよい。
一部の実施形態では、光路の少なくとも２つのセグメントは、例えば、導光システムの反射要素からの反射に起因して、又は導光システムの導波要素の湾曲又は屈曲部に起因して、互いに平行ではない。非平行セグメントの各々は、特に、感知領域のうちの２つ以上の間に配置されてもよく、又は延在してもよい。一部の例では、光路は、平行セグメントの１又は複数のセットを追加的に備えることができる。光路は、例えば、１又は複数の平面、例えば第１の壁の表面に対して垂直又は平行な平面において、周期的パターン、例えばジグザグパターン及び／又は蛇行パターンを形成してもよい。一部の例では、光路は、非交差パターン、特に非交差周期パターンを形成してもよい。
センサ及び／又は感知要素は、測定ボリュームに露出されてもよく、又は第１の壁の一部によって測定ボリュームから分離されてもよい。センサ及び／又は感知要素は、例えば、第１の壁に完全に埋め込まれてもよく、又は第１の壁の下の層に配置されてもよい。センサの各々と測定ボリュームに露出された第１の壁の表面との間の距離は、例えば、センサアレイの間隔ａ０の５倍未満、好ましくは２倍未満であってもよい。一部の例では、センサと第１の壁の表面との間の距離は、間隔ａ０以下であってもよく、一例では間隔ａ０の５０％未満であってもよい。これにより、それぞれの感知要素と測定ボリューム内の試料物体との間の相互作用を容易にすることができ、センサ間のクロストークを低減することができる。センサと第１の壁の表面との間の距離は、例えば、センサの中心と第１の壁の表面との間の距離であってもよい。
本発明は更に、本明細書に記載された実施形態のうちのいずれか１つによる方法を使用して、複数の試料の並列プロービングのための感知デバイスを提供する。感知デバイスはセンサチップを備え、センサチップは、基板と、複数の試料物体を含む担体流体を受容するように構成された測定ボリュームと、を備える。基板は、測定ボリュームの第１の壁の中又は下の感知層内に配置された複数の光学的にアドレス指定可能な感知要素を備え、感知要素の各々は、それぞれの感知要素の近傍の物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される。感知デバイスは、感知要素を照明するための照明システムを更に備える。センサチップは、測定ボリューム内の試料物体の動きを制限又は誘導するように構成された２つ以上の境界又は誘導構造を備える。２つ以上の境界又は誘導構造は、直径ｄの円形断面を有する固体物体が測定ボリューム内に配置され、固体物体が測定ボリュームの第１の壁全体を覆うときに、固体物体が、固体物体の複数のサブセットがそれぞれ複数の直線のそれぞれ１つに沿って配置される自己組織化構造で配置されるように配置される。照明システムは、複数の照明光ビームを提供するように構成され、その各々は、自己組織化構造内のそれぞれのサブセットの固体物体に隣接する感知要素を照明するために、複数の直線のそれぞれ１つと整列された光路に沿って基板を通って伝搬する。
本発明による感知デバイスは、本発明によるセンサチップと比較して、本発明による方法を実装する代替的な方法を提供する。本発明によるセンサチップは、上で詳述したようにセンサチップ上の個々の空間的に分離されたセンサのアレイに適合された自己組織化構造内に複数の試料物体を配置することを可能にする境界構造を提供するが、本発明による感知デバイスは、境界構造によって課されるような測定ボリューム内の試料物体の自己組織化構造に適合された光のパターンを使用して、例えば感知層全体にわたって均一に分布し得る感知要素を選択的に照明するための手段を提供する。このようにして、自己組織化構造内の試料物体に隣接する感知領域は、例えば、選択的にアクティブ化及び／又は読み出され、それにより、自己組織化構造に適合されたセンサの「照明誘起」アレイを形成することができる。
感知デバイスのセンサチップは、本明細書に記載される本発明によるセンサチップの実施形態のうちのいずれか１つと少なくとも部分的に同様であり得る。例えば、感知デバイスのセンサチップの基板、測定ボリューム、及び／又は境界構造は、上記で説明されるそれぞれの要素に類似してもよく、その説明は、簡潔にするためにここでは省略される。センサチップはまた、本発明によるセンサチップについて上述したような追加の構成要素、例えば、液滴生成器、マイクロ流体入口及び／又は出口流路、及び／又は弁を備えることができる。一部の実施形態では、感知デバイスのセンサチップは、本明細書に説明される本発明の実施形態のうちの１つによるセンサチップであり得る。感知層内の感知要素は、例えば、空間的に分離された感知領域又はセンサのアレイを形成してもよい。
光学的にアドレス指定可能な感知要素が配置される感知層は、第１の壁の少なくとも一部を形成してもよく、すなわち、測定ボリュームに露出される表面を有してもよい。感知層は、例えば、基板の表面層であってもよく、又は基板の表面層上に配置若しくは堆積されてもよい。他の実施形態では、１又は複数の層、例えば光学コーティング及び／又は親水性若しくは疎水性コーティングが、感知層が第１のボリュームに露出されないように、感知層と測定ボリュームとの間に配置することができる。
本開示の文脈において、光学的にアドレス指定可能な感知要素は、光を使用してその状態を変化させることができる感知要素を指す。感知要素は、例えば、光学的にアクティブ化されるように構成されてもよい。感知要素の各々は、例えば、光を使用して、感知要素がセンサ信号を生成しないオフ状態から、感知要素がセンサ信号を生成するオン状態に切り替えられるように構成されてもよい。追加的又は代替的に、感知要素は、例えば、光学的に読み出されるように構成されてもよい。感知要素の各々は、例えば、第１の状態から第２の状態に光学的に励起され、励起に応答してセンサ信号を生成するように構成されてもよい。センサ信号は、特に光センサ信号であり得る。センサ信号は、例えば、光励起に続いてそれぞれの感知要素によって放出される光の強度、例えば蛍光強度、又は光励起に起因してそれぞれの感知要素によって吸収される光の強度であってもよい。好ましい実施形態では、感知要素は、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、例えば窒素空孔中心である。
境界構造は、自己組織化構造内の固体物体が複数のサブセットを形成するように配置され、所与のサブセットの固体物体は、それぞれの直線に沿って配置される。上記で詳述したように、これはまた、対応する自己組織化パターンで試料物体、特に同じ直径ｄを有する円形断面を有する試料物体を配置することを可能にし得る。所与のサブセットの固体物体は、例えば、固体物体の各々が２つの隣接する固体物体に接触しているか又は近接している状態で線形チェーンを形成することができる。サブセットの各々は、例えば、５～１０００個の固体物体、一部の例では１０～１００個の固体物体を備えることができる。自己組織化構造は、例えば、２～１００個、一部の例では５～２０個のかかるサブセットを含み得る。直線の一部又は好ましくは全ては、互いに平行であってもよく、すなわち、それぞれのサブセットは、平行に配置されてもよい。一部の実施形態では、自己組織化構造は、等しい円又は球の均一な最密充填であってもよく、複数の直線は、対応する六方格子の基本ベクトルに平行であってもよい。自己組織化構造内の固体物体の各々は、一部の例では、サブセットの一部であってもよく、一方、他の例では、自己組織化構造内の１又は複数の固体物体は、サブセットの一部でなくてもよい。
照明システムは、複数の照明光ビームを提供するために、ビームスプリッタ、回折光学要素、反射コーティング、ミラー、導波管、及び／又はレンズなどの１又は複数の光学要素を備えることができる。照明システムは、照明光ビームの各々が、それぞれの直線と、したがって自己組織化構造内の固体物体のそれぞれのサブセットと整列された光路に沿って基板を通って伝搬するように、照明光ビームを提供するように構成される。光路は、例えば、光路が直線に対して垂直な方向に沿ってそれぞれの直線上に投影され得るように、すなわち、直線に対して垂直な方向に沿って見たときに直線と重なるように、延在してもよい。換言すれば、光路は、直線を含む平面内に延在してもよく、特に、直線に平行であってもよい。光路の少なくとも一部は、照明光ビームによって感知要素を照明することができるように、感知層を通って延在する。照明光ビームを生成するための光は、レーザなどの１又は複数の外部光源によって提供され得る。照明システムは、一部の実施形態では、光源を含まなくてもよい。他の実施形態では、照明システムはまた、照明光ビームを生成するための１又は複数の光源を備え得る。
照明システムは、入射光ビームを複数の照明光ビームに分割するように構成することができる。入射光ビームは、例えば、外部光源又は照明システムの一部を形成する光源によって供給されてもよい。照明システムは、例えば、１又は複数のビームスプリッタを備えてもよく、ビームスプリッタの各々は、例えば、入射光ビームから照明光ビームを分割し、照明光ビームをそれぞれの光路に結合するように構成されてもよい。ビームスプリッタは、例えば、部分反射面又は界面によって入射光ビームを分割するように構成することができる非偏光ビームスプリッタ、及び／又は偏光依存反射率を有する界面の表面によって入射光ビームを分割するように構成することができる偏光ビームスプリッタとすることができる。追加的に又は代替的に、照明光システムは、１又は複数の回折光学要素を備えることもでき、その各々は、入射光ビームなどの光ビームを回折によって２つ以上のビームに分割するように構成される。
照明光ビームの光路の一部又は全部は、互いに平行であってもよく、光路は、例えば、隣接する光路間に均一な間隔Ａ１で配置されてもよい。光路は、特に、間隔Ａ１＝ｄ又は
によって、すなわち、固体物体の直径に対応する間隔（Ａ１＝ｄ）と、等しい円又は球の均一な最密充填における固体物体の隣接する線形チェーン間の距離に対応する間隔
とによって分離することができる。
照明光ビームの光路のうちの１又は複数、一部の例では照明光ビームの光路の全ては、測定ボリュームの第１の壁に対して１０°未満、好ましくは５°未満の角度で感知層を通って延在することができる。一部の実施形態では、それぞれの光路の各々は、感知層の上方又は下方の表面における反射、例えば、測定ボリュームの第１の壁における全内部反射、又は第１の壁上の反射コーティングにおける反射を備えてもよい。他の実施形態では、それぞれの光路は、測定ボリュームの第１の壁に平行であり得る。
追加的に又は代替的に、照明光ビームの光路のうちの１又は複数について、一部の例では、照明光ビームの光路の全てについて、それぞれの光路に沿って伝搬する光は、光路が感知領域内で感知層と交差するように、感知層の上の第１の表面及び感知層の下の第２の表面から順次反射され得る。感知領域は、感知要素が照明光ビームによって照明される感知層の部分に対応することができ、したがって、例えば、それぞれの感知要素をアクティブ化及び／又は読み出すために、照明システムを使用して光学的にアドレス指定することができる。照明光ビームの光路は、対応する感知領域の各々を順次通過し、その結果、これらの感知領域内の感知要素は、単一の光ビームを使用してアドレス指定することができる。好ましくは、感知領域の各々は、例えば、感知領域の中心が自己組織化構造内のそれぞれの固体物体の中心と整列されるように、自己組織化構造内の固体物体のそれぞれ１つに隣接する。これは、例えば、対応する自己組織化構造における試料物体の近傍における感知要素のターゲットアドレス指定を可能にし得る。
第１の表面及び／又は第２の表面における反射は、例えば、それぞれの表面又は界面における全内部反射によって起こり得る。一部の実施形態では、照明システムはまた、第１の表面上及び／又は第２の表面上に反射コーティングを備えてもよく、反射コーティングは、照明光ビームを反射するように構成される。第１の表面は、感知層に近接していてもよく、例えば、感知層の上面から２μｍ未満、一部の例では１μｍ未満であってもよい。感知層の上面と第１の表面との間の距離は、第１の表面における反射の前及び後の感知層内のそれぞれの光路の部分が、単一の感知領域が形成されるように互いに十分に近くなるように、例えば、それぞれの部分の間の距離が照明光ビームの直径よりも小さくなるように選択され得る。第１の表面は、例えば、測定ボリュームの第１の壁であってもよく、かつ／又は感知層の上面であってもよい。第２の表面は、第２の表面での反射の前及び後のそれぞれの光路の一部が感知層の外側に配置され、それによって空間的に分離された感知領域を形成することを可能にするように、感知層からより大きい距離に、例えば感知層の底面から１０μｍ～１０００μｍの距離に配置することができる。第２の表面は、例えば、基板の底面であってもよい。好ましくは、第１及び第２の表面は、互いに平行である。
一部の実施形態では、感知要素は、例えば、感知要素の密度又は隣接する感知要素間の平均間隔が感知層内で均一であるように、感知層全体にわたって均一に分布してもよい。したがって、感知要素は、照明光ビームの光路の近傍に配置されるだけでなく、感知層の他の部分に配置されてもよい。基板を通って伝搬する照明光ビームは、感知領域、すなわち、感知要素が照明され、したがって、例えば、それぞれの感知要素の選択的アクティブ化及び／又は読み出しのために、照明光ビームによってアドレス指定され得る感知層の部分を規定することができる。照明光ビームの光路と自己組織化構造内の固体物体との間の整列の結果として、これらの「照明誘起」感知領域も、自己組織化構造に適合されたパターンを形成する。感知領域は、例えば、自己組織化構造内の固体物体のサブセットに対して平行に延在する感知層のストリップ状部分又は領域であってもよく、あるいは、自己組織化構造内の固体物体の配置に一致し得る空間的に分離された感知領域のアレイを形成してもよい。
他の実施形態では、感知要素は、感知層全体にわたって分布していなくてもよく、感知層の一部に閉じ込められていてもよい。感知要素は、例えば、本発明によるセンサチップについて上述したように、空間的に分離された感知領域のアレイに閉じ込められていてもよい。
一部の実施形態では、感知要素の各々は、光センサ信号を生成するように構成されてもよく、光センサ信号は、例えば、それぞれの感知要素によって放出又は透過される光であってもよい。感知デバイスは、例えば、感知要素のうちの１又は複数によって放出又は透過された光の強度を決定することによって、感知要素のセンサ信号を記録するように構成された感光検出器を更に備えることができる。感光検出器は、特に、感知要素のセンサ信号の空間分解画像を記録するように、すなわち、感知層内の位置の関数として感知要素のセンサ信号を記録するように構成することができる。感光検出器は、例えば、測定ボリュームの第１の壁に平行な平面において、感知層内の位置の関数として光の強度を決定するように構成されてもよい。感光検出器は、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳチップなどの複数の感光ピクセルを有するカメラチップを備えてもよく、その上に、感知層又はその一部が、例えば顕微鏡撮像システムを使用して撮像される。
感知デバイスは、感光検出器からセンサ信号の空間分解画像を取得するように構成されたコントローラを備えることができる。コントローラは、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで実装され得る。コントローラは、例えば、プロセッサと、本明細書で説明される機能を提供するためにプロセッサによって実行される命令を記憶するメモリとを備えることができる。コントローラは、自己組織化構造内の固体物体のうちの少なくとも一部の各々について、空間分解画像内の関心領域を選択するように構成されてもよく、関心領域は、自己組織化構造内のそれぞれの固体物体に隣接する感知領域から生じるセンサ信号を含む。それによって、コントローラはまた、例えば、本発明による方法について上で詳述されたように、対応する自己組織化構造内の特定の試料物体に関連付けられたセンサ信号を選択的に決定するように構成されてもよい。関心領域は、例えば、それぞれの感知領域が結像される感光検出器の一部に対応することができる。他の例では、関心領域は、感知領域よりも小さくてもよく、例えば、それぞれの感知領域の中央部分から生じるセンサ信号のみを含んでもよい。関心領域は、例えば、それぞれの固体物体又は試料物体の中心に関連付けられた空間分解画像内の点の周囲の所定のサイズの領域であってもよい。コントローラは、関心領域を選択するために、自己組織化構造内の固体物体に関連付けられた位置のリストを記憶することができる。他の例では、コントローラは、例えば測定ボリューム内のそれぞれの物体の画像から、測定ボリューム内のそれぞれの固体物体又は試料物体の位置を決定し、それに応じて関心領域を選択するように構成されてもよい。
好ましい実施形態では、感知要素は、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、特にダイヤモンド色中心、例えばダイヤモンド中の窒素空孔中心である。上記で詳述したように、固体スピン系は、感知層全体にわたって均一に分布してもよく、又は感知層内の空間的に分離された感知領域に閉じ込められてもよい。一部の例では、感知領域の外側の基板内の固体スピン系の密度は、例えば、感知領域内の固体スピン系の密度の少なくとも１００分の１、好ましくは少なくとも１０００分の１であってよい。
感知デバイスは、センサチップを受容するように、例えば、照明システムに対して固定位置にセンサチップを保持するように構成されたマウントを更に備えることができる。一部の実施形態では、照明システム又はその一部は、マウント上に、例えば、センサチップが配置されるマウントのフレーム上に配置される。マウントは、調整可能であってもよく、例えば、センサチップ及び／又は照明システムを互いに対して及び／又は光源によって供給される入射光ビームに対して整列するために、例えば、センサチップ及び／又は照明システムを移動及び／又は傾斜させるように構成されてもよい。
本発明は更に、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれか１つによる方法を使用して複数の試料の並列プロービングのための測定システムを提供する。測定システムは、センサチップを受容するように構成されたマウントを備え、センサチップは、基板内又は基板上に配置された感知層と、感知層に隣接する測定ボリュームと、を備える。感知層は、複数の感知要素を備え、その各々は、それぞれの感知要素の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される。測定システムは、センサチップがマウント内に配置されたときに、複数の試料物体を含む担体流体を測定ボリュームに供給するように構成されたマイクロ流体ユニットを更に備える。測定システムはまた、センサチップがマウント内に配置されたときに感知要素からセンサ信号を読み出すように構成された測定デバイスを備える。測定システムは、コントローラを更に備え、コントローラは、マイクロ流体ユニット及び測定デバイスを制御するように構成される。コントローラは、試料物体が測定ボリューム内で自己組織化構造を形成するように、測定ボリューム内の複数の試料物体を制御するようにマイクロ流体ユニットを制御するように構成される。コントローラは、試料物体が自己組織化構造内に配置されている間に試料のうちの１又は複数に対して測定を実施するように測定デバイスを制御するように更に構成され、試料に対する測定は、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接して配置された１又は複数の感知要素を使用して実施される。
測定システムは、特に、本明細書で説明される実施形態のうちの１つによるセンサチップ及び／又は感知デバイスとともに使用するために構成され得る。一部の例では、測定システムはまた、本明細書で説明される実施形態のうちの１つによる１又は複数のセンサチップ、上述のような複数の照明光ビームを提供するための照明システム、及び／又は本明細書で説明される実施形態のうちの１つによる感知デバイスを備えることができる。
マイクロ流体ユニットは、例えば、担体流体及び／又は試料流体のための１又は複数のリザーバ、並びに担体流体及び／又は試料流体を提供又は除去するためのセンサチップの入力又は出力ポートに接続されるように構成される１又は複数のコネクタを備えてもよい。マイクロ流体ユニットは、担体流体及び／又は試料流体の流れを生成するための１又は複数のポンプを更に備えることができる。一部の実施形態では、マイクロ流体ユニットはまた、例えば上述のように、担体流体中で試料物体を調製するための液滴生成器を備えてもよい。他の例では、マイクロ流体ユニットは、担体流体及び試料流体をセンサチップに別々に、例えば、センサチップ上の液滴生成器に供給するように構成されてもよく、又は試料物体は、担体流体をマイクロ流体ユニットに提供する前に担体流体中で調製されてもよい。
測定デバイスは、例えば、複数の測定流路を備えてもよく、各測定流路は、例えば、センサチップ上のそれぞれのセンサ又は感知領域に関連付けられ、それぞれのセンサ又は感知領域からセンサ信号を読み出すように構成されてもよい。上記で詳述したように、センサ信号は、例えば、電気信号又は光信号であってもよい。したがって、各測定流路は、例えば、電圧計、電流計、及び／又は感光検出器、例えば、フォトダイオード若しくは光電子増倍管を備えてもよい。測定デバイスは、特に、本発明による感知デバイスについて上述したように、感知要素の光センサ信号の空間分解画像を記録するように構成された感光検出器を備えることができる。
コントローラは、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで実装され得る。コントローラは、例えば、プロセッサと、本明細書で説明される機能を提供するためにプロセッサによって実行される命令を記憶するメモリとを備えることができる。コントローラは、例えば、マイクロ流体ユニットのポンプ又は弁のための制御信号を生成して、測定ボリューム内の試料物体の数を制御するように構成されてもよい。コントローラは、例えば、担体流体及び／又は試料流体の流量を監視することによって、光学又は電磁液滴検出器を使用して、かつ／又はカメラを使用して、測定ボリューム内の試料物体の数を決定するように更に構成されてもよい。コントローラは、特に、センサチップ上の試料物体を追跡するように構成され得る。コントローラは、自己組織化構造が形成されると、測定デバイスが１又は複数の試料に対する測定を開始するための制御又はトリガ信号を生成するように更に構成され得る。コントローラはまた、測定デバイスから測定結果を読み出すように構成されてもよく、測定結果は、例えば、センサ信号を定量化するアナログ又はデジタル信号であってもよい。一部の実施形態では、コントローラは、本明細書に開示される実施形態のうちのいずれか１つによる、複数の試料の並列プロービングのための方法の工程のうちの一部又は全部を実行するように更に構成することができる。コントローラはまた、上述した本発明による感知デバイスのコントローラの機能の一部又は全部を提供するように構成されてもよく、すなわち、感知デバイスのコントローラは、少なくとも部分的に測定システムのコントローラに統合されてもよい。
本発明は、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれか１つによる測定システムと、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれか１つによるセンサチップとを備えるセットを更に提供し、測定システムは、それぞれのセンサチップとともに使用するように適合される。特に、測定システムのマウントは、それぞれのセンサチップを受容するように構成することができる。更に、マイクロ流体ユニットは、複数の試料物体を含む担体流体をセンサチップの測定ボリュームに提供するように構成することができ、測定デバイスは、センサチップのセンサアレイ内のセンサの各々からセンサ信号を読み出すように構成することができる。
本発明はまた、本明細書に記載された実施形態のうちのいずれか１つによる測定システムと、本明細書に記載された実施形態のうちのいずれか１つによる感知デバイスとを備えるセットを提供し、測定システムは、それぞれのセンサチップとともに使用するように適合される。特に、測定システムのマウントは、感知デバイスのセンサチップを受容するように構成することができる。感知デバイスの照明システム及び測定システム又はその一部は、単一の統合システムとして提供することができる。例えば、照明システム又はその一部は、測定システムのマウント上に配置されてもよい。マイクロ流体ユニットは、複数の試料物体を含む担体流体をセンサチップの測定ボリュームに提供するように構成されてもよく、測定デバイスは、例えば上述したように、センサチップ上の感知要素からセンサ信号を読み出すように構成されてもよい。
以下では、本発明及びその例示的な実施形態の詳細な説明が、図面を参照して与えられる。図面は、以下の概略図を示している。
図１ａ及び図１ｂは、本発明の例示的な実施形態による、複数の試料１１２Ａの並列プロービングのためのセンサチップ１００の概略図（正確な縮尺ではない）を示している。センサチップ１００は、図１ａにおいて上面図で示され、図１ｂにおいて側面図で示されている。
センサチップ１００は、単層又は多層基板であり得る基板１０２を備え、例えば、ガラスなどの光学的に透明な材料及び／又はポリ（メチルメタクリレート）（ＰＭＭＡ）などの透明な熱可塑性物質を備えるか又はそれからなってもよい。好ましくは、基板１０２はダイヤモンドを含むか、又はダイヤモンドからなる。基板１０２は、特に、ダイヤモンドからなる１又は複数の層又は部分、例えば少なくとも感知層１０２Ｃを備えることができる。図１ａ、図１ｂの例では、基板１０２は、下部基板１０２Ａと、上部基板又はカバー１０２Ｂとを備え、上部基板又はカバー１０２Ｂは、例えばセンサチップ１００の測定ボリューム１０４を開閉するために、下部基板１０２Ａ上に取り外し可能に配置することができる。他の例では、下部及び上部基板１０２は、互いに恒久的に取り付けられてもよく、又は単一片として形成されてもよい。更に別の例では、センサチップ１００は、カバー１０２Ｂを備えなくてもよい。下部基板１０２Ａの上面に垂直な、すなわち、図１ｂのＺ軸に平行な下部基板１０２Ａの厚さは、例えば、１０μｍ～５ｍｍであってもよい。以下で水平面とも称され得る図１ａのＸＹ平面におけるセンサチップ１００の断面積は、例えば、０．０１ｍｍ２～１００ｃｍ２、一部の例では、０．１ｃｍ２～１０ｃｍ２であってもよい。
センサチップ１００は、図１ａ、図１ｂの例では下部基板１０２Ａの上面の凹部によって形成される測定ボリューム１０４を備え、下部基板１０２Ａは、測定ボリューム１０４を密封するためにカバー１０２Ｂによって覆われてもよい。したがって、凹部の底面は、測定ボリューム１０４の第１の壁又は底壁１０４－Ａを形成し、カバー１０２Ｂの底面は、底壁１０４－Ａに対向する測定ボリューム１０４の第２の壁又は上壁１０４－Ｂを形成する。測定ボリューム１０４は、例えば、１０μｍ～１ｍｍの高さを有することができ、測定ボリューム１０４の高さは、底壁１０４－Ａと上壁１０４－Ｂとの間の距離である。図１ａ、図１ｂの例では、測定ボリューム１０４は、Ｘ方向に沿って延在するマイクロ流体流路であり、マイクロ流体流路内の流れの方向に垂直な測定ボリューム１０４の幅Ｄは、例えば、１０μｍ～１００μｍであってもよく、流れの方向に平行な測定ボリューム１０４の長さは、例えば、１００μｍ～１０ｍｍであってもよい。
センサチップ１００は、２つの入口又は入力ポート１０６Ａ、１０６Ｂと、出口又は出力ポート１０８とを更に備え、それらは、測定ボリューム１０４と流体連通し、例えば、測定ボリューム１０４に／から流体を供給又は除去するために使用されてもよい。センサチップ１００は、入力ポート１０６Ａ、１０６Ｂと測定ボリューム１０４との間に配置された液滴生成器１１０も備える。液滴生成器１１０は、第２の流体（例えば、担体流体）中の第１の流体（例えば、試料流体）の微小液滴、特に、均一なサイズを有する単分散微小液滴を生成するように構成される。このために、液滴生成器１１０は、例えば、第１の入力ポート１０６Ａからの第１の流路が第２の入力ポート１０６Ｂからの第２の流路とある角度で交差するＴ字接合部を備えることができ、Ｔ字接合部の出口は、測定ボリューム１０４と流体連通している。これは、第２の入力ポート１０６Ｂにおいて提供される担体流体中に、第１の入力ポート１０６Ａにおいて提供される試料流体の微小液滴を生成することを可能にし得る。他の例では、液滴生成器１１０は、異なる設計を有してもよく、例えば、平行流液滴生成によって、流体力学的フローフォーカシングによって、かつ／又はステップ乳化によって、微小液滴を生成するように構成されてもよい。他の実施形態では、センサチップ１００は、液滴生成器１１０を備えなくてもよいが、試料物体をすでに含有する担体流体が、入力ポートを介してセンサチップ１００に提供されてもよい。
測定ボリューム１０４は、複数の試料物体１１２を含む担体流体を受容するように構成される。図１ａ、図１ｂの例では、試料物体１１２は、例えば、試料流体又はその中に含まれる物体若しくは物質の特性を研究するために、液滴生成器１１０によって生成される担体流体中の試料流体の微小液滴である。他の実施形態において、試料物体１１２は、例えば、マイクロビーズ、例えばアガロースビーズなどの微小気泡又は微粒子であってもよい。微小液滴１１２を生成するために、例えば方法５００について以下に詳述するように、試料流体と不混和性である担体流体を使用して、担体流体及び微小液滴をエマルジョンから得ることができる。追加的又は代替的に、両親媒性分子などの界面活性剤は、例えば、図１ｂに示されるように、シェル層１１２Ｂ、例えば脂質二重層が微小液滴１１２のコア１１２Ａの周囲に形成されるように、試料流体及び／又は担体流体に混合されてもよく、微小液滴１１２のコア１１２Ａは、それぞれの試料、例えば一定量の試料流体を含有する。微小液滴１１２は、同一の組成を有してもよく、又は、例えば、試料流体の組成、例えば、試料流体中の１又は複数の物体又は物質の濃度を経時的に変動させることによって、異なる組成を有してもよい。幅又は直径ｄなどの試料物体又は微小液滴１１２の物理的寸法は、例えば１０μｍ～１００μｍであってもよい。
センサチップ１００は、下部基板１０２Ｃ内又はその上にあり、測定ボリューム１０４に隣接する感知層１０２Ｃを更に備える。複数の感知要素１１５Ａ、１１５Ｂは、感知層１０２Ｃ内に配置され、その各々は、それぞれの感知要素１１５Ａ、１１５Ｂの近傍、例えばそれぞれの感知要素１１５Ａ、１１５Ｂの位置における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号、例えば光センサ信号又は電気センサ信号を生成するように構成される。感知要素１１５Ａ、１１５Ｂの各々は、例えば、図１ｂの下の挿入図に示されるように、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系１１５Ａ（例えば、窒素空孔中心）又は微小電極１１５Ｂであり得る。
感知要素は、試料１１２Ａをプロービングするための複数の空間的に分離されたセンサ１１４Ａ／１１４Ｂにグループ化され、これらは図１ａ、図１ｂにおいて点線の矩形によって示されている。センサ１１４Ａ／１１４Ｂの各々は、例えば、感知層１０２Ｃ内の感知領域１１４Ａであってもよく、感知領域１１４Ａは、複数の固体スピン系１１５Ａを備え、固体スピン系を備えないか、又はより小さい密度の固体スピン系を備える感知層１０２Ｃの部分によって、隣接する感知領域１１４Ａから分離される。別の例では、センサ１１４Ａ／１１４Ｂの各々は、例えば、単一の微小電極１１５Ｂなどの単一の感知要素を備えるセンサ１１４Ｂであってもよい。一部の例では、センサチップ１００はまた、異なるタイプのセンサ及び／又は感知要素、例えば微小電極と固体スピン系との組み合わせを含んでもよい。以下では、感知層１０２Ｃ内のセンサ１１４Ａ／１１４Ｂは、センサ１１４と称され、各センサ１１４は、例えば、上述したような感知領域１１４Ａ又はセンサ１１４Ｂであってもよい。したがって、感知要素１１５Ａ／１１５Ｂは、感知要素１１５と称されることもある。
センサ１１４は、測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに周期アレイで配置される。図１ａ、図１ｂの例では、センサ１１４は、隣接するセンサ１１４間に間隔ａ１を有する１次元アレイ又は線形チェーンに配置され、間隔ａ１は、それぞれのセンサ１１４の中心間で測定される。センサアレイの単位セル１１６、すなわち、アレイが連続的なタイリングによって形成され得る基本単位は、例えば、図１ａの太い破線によって示されるように、それぞれのセンサを中心とする長さａ１の正方形として規定され得る。
センサ１１４の各々は、それぞれのセンサ１１４の近傍、例えばそれぞれのセンサ１１４の位置における物理的可観測量を特徴付ける共通のセンサ信号を生成するように構成される。センサ１１４の共通のセンサ信号は、例えば、それぞれのセンサ１１４の感知要素１１５のセンサ信号の合計又は平均に対応してもよく、又は、それぞれのセンサ１１４が単一の感知要素のみを備える場合には、感知要素１１５のセンサ信号に対応してもよい。センサ１１４の共通センサ信号によって特徴付けられる物理的可観測量の値は、センサ１１４を取り囲む感知ボリュームの変化に敏感であり得、感知ボリュームの少なくとも一部は、測定ボリューム１０４の一部と重複し、したがって、試料１１２Ａの特性をプロービングすることを可能にし得る。図１ｂの例では、センサ１１４は、センサ１１４及びその中の感知要素１１５が測定ボリュームに露出されないように、下部基板１０２Ａに完全に埋め込まれる。他の例では、センサ１１４はまた、例えば、感知要素１１５のうちの一部又は全部が測定ボリューム１０４に露出されるように、測定ボリューム１０４に露出されてもよい。センサ１１４又は感知要素１１５の表面は、例えば、下部基板１０２Ａの上面と同一平面であってもよく、又は下部基板１０２Ａの上面から突出してもよい。一部の例では、センサ１１４はまた、下部基板１０２Ａの代わりにカバー１０２Ｂに配置されてもよい。
好ましい実施形態では、センサ１１４の各々は、図１ｂの下の左の挿入図に示されるように、感知領域１１４Ａに配置された複数の光学的にアドレス指定可能な固体量子システム１１５Ａを備える磁気量子センサである。特に、感知層１０２Ｃなどの測定ボリューム１０４に隣接する下部基板１０２Ａの表面層、又は下部基板１０２Ａ全体は、ダイヤモンドのスラブである。感知層１０２Ｃでは、複数の窒素空孔中心が、感知要素１１５Ａとしてダイヤモンド結晶構造に埋め込まれ、それによって感知領域１１４Ａを形成する。ＮＶ中心は、特に、Ｓ＝１のスピンを有する三重項電子基底状態を示す負電荷状態にあってもよい。ＮＶ中心のスピン状態は、マイクロ波を使用して操作することができ、励起三重項状態への光学遷移を介して、例えば、励起状態におけるスピン依存蛍光を通して、読み出し及び／又は初期化することができる。これにより、例えば光学的に検出される磁気共鳴（ＯＤＭＲ）を通じて、磁場を測定するためのナノスケール磁力計としてＮＶ中心を使用することが可能になる。
他の実施形態では、異なるタイプの感知要素、例えば、温度感知要素、電流感知要素、電圧感知要素、誘導性感知要素、及び／又は容量性感知要素が使用され得る。一部の例では、センサ１１４の各々は、例えば、図１ｂの下の右の挿入図に示されるような１又は複数の電極１１５Ｂを備えることができ、電極１１５Ｂは、測定ボリューム１０４に露出され得る。
センサチップ１００は、試料物体１１２をセンサアレイと整列するために、測定ボリューム１０４内の試料物体１１２の動きを制限又は誘導するように構成された２つ以上の境界又は誘導構造を備える。図１ａ、図１ｂの例では、測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａと上壁１０４－Ｂとの間に延在し、例えば下部基板１０２Ａ内の凹部の側壁に対応し得る２つの対向する側壁１０４－１、１０４－２が、境界又は誘導構造を形成する。側壁１０４－１、１０４－２は、Ｘ軸に沿って互いに平行に延在し、距離Ｄだけ分離される。距離Ｄは、センサアレイの間隔ａ１に一致するように選択される。更に、側壁１０４－１、１０４－２は、センサ１１４が側壁１０４－１、１０４－２の間の中心に置かれるように配置され、したがって、側壁１０４－１、１０４－２は、センサアレイの各単位セル１１６の２つの対向する縁部と整列される。
このようにして、測定ボリューム１０４が、間隔ａ１に対応する直径ｄを有する円形断面を有する試料物体１１２などの物体で完全に充填されると、例えば、底壁１０４－Ａ全体が試料物体１１２によって覆われるように、側壁１０４－１、１０４－２は、試料物体１１２を、試料物体１１２の各々がセンサ１１４のそれぞれ１つと整列される自己組織化構造に配置させ、例えば、図１ａに示すように、試料物体１１２がそれぞれの単位セル１１６内の中心に置かれるようにする。自己組織化構造では、試料物体１１２は、等しい円の最密充填を形成し、試料物体１１２の各々は、側壁１０４－１、１０４－２並びに他の試料物体１１２と接触している。一部の例では、試料物体１１２は、図１ａ、図１ｂに示すような球形を有することができ、自己組織化構造は、等しい球の最密充填に対応することができる。自己組織化構造において、試料物体１１２と側壁１０４－１、１０４－２との間の相互作用、及び試料物体１１２自体の間の相互作用は、自己組織化構造の縁部に配置された試料物体以外の全ての試料物体１１２が測定ボリューム１０４内で移動することを防止し、それによってそれぞれのセンサ１１４に対する安定した位置決めが確実となる。一部の実施形態では、センサチップ１００は、自己組織化構造又はその縁部に配置された試料物体が測定ボリューム１０４内の流れの方向に沿って移動するのを防止する境界又は誘導構造（図示せず）を更に備えることができる。
図１ｂの例では、測定ボリューム１０４の高さはまた、球状の試料物体１１２が底壁１０４－Ａ及び上壁１０４－Ｂの両方と接触し、それによって、試料物体１１２が、垂直方向とも称され得る図１ｂのＺ方向に沿ってセンサ１１４に隣接することを確実にするように、間隔ａ１に対応する。他の例では、測定ボリューム１０４の高さは、間隔ａ１より大きくてもよく、又は測定ボリューム１０４は、例えば、カバー１０２Ｂが存在しないとき、上部から開放されてもよい。かかる場合、垂直方向に沿った試料物体１１２の位置は、例えば、測定ボリューム１０４内の担体流体の充填レベルを制御することによって、かつ／又は試料物体１１２よりも低い密度を有する担体流体を使用することによって、制御することができる。一部の例では、試料物体１１２は、球形でなくてもよいが、それでもなお、図１ａのＸＹ平面において直径ｄを有する円形断面を有してもよく、例えば、回転楕円体、楕円形、又は円筒形状を有してもよい。測定ボリューム１０４の高さは、例えば、間隔ａ１より小さくてもよい。更に他の例では、自己組織化構造内の試料物体１１２は、円形断面を有さなくてもよいが、自己組織化構造は、それにもかかわらず、例えば、試料物体の中心及び／又は試料物体間の接触点が、等しい円の理想的な最密充填内の対応する点と整列されるという意味で、等しい円の最密充填に似ている場合がある。
図２は、本発明の別の例示的な実施形態による複数の試料の並列プロービングのためのセンサチップ２００の概略図（正確な縮尺ではない）を上面図で示している。
センサチップ２００は、図１ａ、図１ｂのセンサチップ１００と同様であり、また、基板１０２を備え、測定ボリューム又は測定チャンバ１０４が、微小液滴又は細胞などの複数の試料物体１１２を含む担体流体を受容するために配置される。図２の例では、測定ボリュームは、第１の距離Ｄ１だけ分離された第１の対の対向する側壁１０４－１、１０４－２と、第２の距離Ｄ２だけ分離された第２の対の対向する側壁１０４－３、１０４－３とを有する矩形形状を有する。第１及び第２の距離は、例えば、それぞれ１００μｍ～２ｍｍであってもよい。測定ボリューム１０４の底壁は、側壁１０４－１～１０４－４の間に延在し、測定ボリューム１０４に露出される底壁の上面は、いかなる突起又は窪みも備えない平坦な表面である。一部の実施形態では、底壁及び／又は側壁１０４－１～１０４－４のうちの１又は複数は、例えば、担体流体によるそれぞれの表面の湿潤を促進又は防止するように、親水性又は疎水性コーティングでコーティングされてもよい。それぞれのコーティングは、特に、表面全体に適用され、いかなる方法でもパターン化又は構造化されていない均一なコーティングであり得る。
センサチップ１００と同様に、センサチップ２００は、２つの入力ポート１０６Ａ、１０６Ｂと、出力ポート１０８と、入力ポート１０６Ａ、１０６Ｂと測定ボリューム１０４との間に配置された液滴生成器１１０と、を備える。センサチップ２００は、液滴生成器１１０によって生成された微小液滴１１２を含む担体流体を測定ボリューム１０４に提供するために、液滴生成器１１０と測定ボリューム１０４との間に配置されたマイクロ流体入口流路２０２を更に備える。センサチップ１００はまた、測定ボリューム１０４を出力ポート１０８に接続するマイクロ流体出口流路２０４を備える。出口流路２０４に沿って、マイクロ流体弁２０６が配置され、弁２０６は、出口流路２０４の断面積を調整するように、例えば、出口流路２０４を通る担体流体の流れを可能にしながら、試料物体１１２が出口流路２０４を介して測定ボリューム１０４を出ることを選択的に防止するように構成される。
測定ボリューム１０４の底壁には、複数のセンサ１１４が２次元周期アレイで配置され、センサ１１４の各々は、例えば図１ａ、図１ｂを参照して上述したように、１又は複数の感知要素（図示せず）を備える。図２の例では、２次元周期アレイは、隣接するセンサ１１４間に間隔ａｈを有する六方格子である。六方格子は、図２のそれぞれの矢印によって示されるように、隣接するセンサ１１４の中心を接続する基本ベクトル
及び
によって広がる。センサ１１４のそれぞれ１つが配置される六方格子の単位セル１１６は、図２の太い破線によって示されるように六角形の形状を有する。
測定ボリューム１０４の側壁１０４－１～１０４－４は、測定ボリューム１０４内の試料物体１１２の動きを制限又は誘導するように構成された境界又は誘導構造を構成する。距離Ｄ１及びＤ２は、センサアレイの間隔ａｈに対応する直径を有する等しい円又は球（例えば、円筒形又は球形の試料物体１１２）の均一な最密充填が、最も外側の円／球が側壁１０４－１～１０４－４と接触した状態で測定ボリューム１０４内に配置することができるように選択される。測定ボリューム１０４の底壁全体が図２に示されるように円／球によって覆われるとき、円／球の各々の位置は、それぞれの円／球を取り囲む他の円／球との接触によって、又は隣接する円／球並びに側壁１０４－１～１０４－４のうちの１又は複数との接触によって固定される。したがって、入口及び出口流路２０２、２０４のオリフィスに位置する円／球を除いて、円／球のいずれも、少なくとも１つの他の円／球を移動させることなく移動することができず、すなわち、測定ボリューム１０４の底壁に平行な円／球の並進自由度が排除されるため、結果として得られる自己組織化構造は安定している。一部の例では、入口及び出口流路２０２、２０４はまた、入口及び出口流路２０２、２０４のオリフィスにおける円／球が移動することを防止するように、球で充填されてもよい。
図２の例では、数１０４－１と側壁１０４－２との間の距離Ｄ１は、センサアレイの基本ベクトル
に平行に延在し、
に等しく、Ｎ１は、１より大きい正の整数であり、側壁１０４－、１０４－２に対して平行に延在する円又は球の正確に（Ｎ１＋１）個の１次元チェーンが、等しい円又は球の均一な最密充填で側壁１０４－１、１０４－２の間に配置することができる。側壁１０４－１、１０４－２に対して垂直に延在する側壁１０４－３、１０４－４の間の距離Ｄ２は、（Ｎ２＋１）・ａｈに等しく、Ｎ２は、側壁１０４－３、１０４－４に対して垂直に延在する長さ（Ｎ２＋１）の１次元チェーンが側壁１０４－３、１０４－４の間に配置することができるように、１より大きい正の整数である。整数Ｎ１及びＮ２は、例えば、それぞれ９～９９であってもよい。他の例では、測定ボリューム１０４は異なる形状を有してもよく、側壁１０４－１～１０４－４は例えば平行四辺形を形成してもよい。具体的には、側壁の各対は、基本ベクトル
のそれぞれ１つに対して平行に延在することができ、それぞれ距離
及び
だけ分離することができる。更に他の例では、対向する側壁は互いに平行でなくてもよく、かつ／又は側壁の数は異なっていてもよい。測定ボリューム１０４は、例えば、三角形又は六角形の形状を有することもできる。
センサ１１４が配置される六方格子は、具体的には、球体などの円形断面を有する物体を、等しい円又は球体を２次元で均一に最密充填して配置するように適合され、これも六方格子を構成する。更に、側壁１０４－１～１０４－４の位置は、センサ１１４が配置される六方格子と、等しい円又は球の最密充填の六方格子とが互いに整列されるように、例えば、２つの格子の単位セルが、測定ボリューム１０４の底壁に垂直な視野方向において互いに整列されるように、選択される。このようにして、測定ボリューム内の円／球又は試料物体１１２の各々は、例えば、それぞれの単位セル１１６の縁部が底壁に垂直な視野方向で球の円周に接し、円／球の中心が対応するセンサ１１４の中心と整列されるように、センサ１１４のそれぞれ１つの上方に配置することができる。これは、例えば、アレイの最も外側のセンサ１１４の各々が、それぞれの側壁から、円／球の半径に対応する距離ａｈ／２だけ分離されるように、側壁１０４－１～１０４－４を配置することによって達成され得る。
図３ａ及び図３ｂは、それぞれ、本発明の他の例示的な実施形態による複数の試料の並列プロービングのためのセンサチップ３００及びセンサチップ３１０の概略図（正確な縮尺ではない）を上面図で示している。センサチップ３００、３１０は、センサチップ２００と同様であり、また、測定ボリューム１０４を有する基板１０２と、２つの入力ポートを有する液滴生成器１１０と、出力ポート１０８と、を備える。
図３ａのセンサチップ３００は、二対の対向する側壁の間に延在する平坦な上面を有する底壁によって形成された矩形の測定ボリューム１０４を備える。底壁には、複数の誘導壁３０２が配置されており、これらは、底壁の上面から上方に、例えば、測定ボリューム１０４の上壁又は開口部に向かって延在している。一部の実施形態では、誘導壁３０２の上部は、上壁と接触してもよく、すなわち、誘導壁３０２は、底壁から上壁まで延在することができる。誘導壁３０２は、一対の対向する側壁に平行であり、交互のジグザグパターンで配置される。交互のジグザグパターンでは、１つおきの誘導壁３０２は、第１の側壁１０４－３に対向する測定ボリューム１０４の第２の側壁１０４－４に隣接する開口部又は切り欠きを残しながら、測定ボリューム１０４の他の対の対向する側壁の第１の側壁１０４－３と接触し、残りの誘導壁３０２は、第１の側壁１０４－３に隣接する開口部又は切り欠きを残しながら、第２の側壁１０４－４と接触する。それによって、誘導壁３０２は、測定ボリューム１０４を、測定ボリューム１０４の入口から測定ボリューム１０４の出口まで延在する蛇行流路に分割する。
測定ボリューム１０４の底壁には、複数のセンサ１１４が、図３ａのＸ方向に沿った第１の間隔ａ１と、Ｙ方向に沿った第２の間隔ａ２とを有する２次元矩形アレイに配置され、第２の間隔は第１の間隔よりも大きい。センサアレイの円周に沿ったセンサ１１４の各々、すなわちセンサアレイの最も外側のセンサは、測定ボリューム１０４の側壁からａ１／２の距離に配置される。側壁１０４－３、１０４－４は、ａ１の整数倍に等しい距離Ｄ２によって分離され、Ｄ２＝Ｍ・ａ１であり、Ｍは、例えば、１０～１００であってもよい。更に、誘導壁３０２は、蛇行流路が第１の間隔ａ１に等しい幅を有し、流路の中心線が、例えば図１のセンサチップ１００と同様に、センサ１１４の中心と整列されるように配置される。このようにして、測定ボリューム１０４内の球形又は円筒形の試料物体１１２などの円形断面を有する物体は、例えば図２のような等しい円又は球の均一な最密充填の六方格子とは対照的に、長方形格子内の等しい円又は球の最密充填に閉じ込めることができ、したがってセンサアレイの長方形格子と一致する。これは、例えば、間隔ａ２の増大に起因してセンサ１１４間のクロストークを低減するために、並びに誘導壁３０２によって提供される追加の閉じ込めに起因して試料物体１１２の対応する自己組織化構造の形成を容易にするために有利であり得る。一部の実施形態では、センサチップ３００は、誘導壁３０２の代わりに、又はそれに加えて、例えば、センサチップ３１０と同様に、親水性又は疎水性コーティングを備えてもよい。
図３ｂのセンサチップ３１０は、測定ボリューム１０４の近位部分１０４ａと遠位部分１０４ｃとの間に配置された矩形の中央部分１０４ｂを有する測定ボリューム１０４を備える。中央部分１０４ｂは、図３ｂのＸ軸に平行に延在する２つの対向する平行な側壁によって形成され、近位部分１０４ａ及び遠位部分１０４ｃは、中央部分１０４ｂの側壁に垂直な、すなわち図３ｂのＹ方向に沿った近位部分１０４ａ及び遠位部分１０４ｃの幅が、それぞれ測定ボリューム１０４の入口オリフィス及び出口オリフィスから中央部分１０４ｂに向かって増加するように、テーパ状である。
測定ボリューム１０４の中央部分１０４ｂでは、複数のコーティング３１２が測定ボリューム１０４の底壁上に配置される。コーティング３１２は、例えば、底壁の上面上の親水性又は疎水性コーティングであってもよく、例えば、試料物体１１２を含む担体流体によるそれぞれの領域の湿潤を防止するように構成されてもよく、それによって、底壁の上面の一部を担体流体及び試料物体１１２にアクセス不能にする境界又は誘導構造を形成する。コーティング３１２は、中央部分１０４ｂの側壁に平行に延在し、近位部分１０４ａから遠位部分１０４ｃまで中央部分１０４ｂを通って延在する複数の平行流路を規定する。一部の実施形態では、センサチップ３１０はまた、コーティング３１２の代わりに、又はそれに加えて、例えば、センサチップ３００と同様に、誘導壁を備えてもよい。
測定ボリューム１０４の底壁には、複数のセンサ１１４が、図３ａのセンサチップ３００のセンサ配置と同様に、第１及び第２の間隔ａ１，ａ２を有する２次元矩形アレイに配置され、例えば、センサアレイ１１４が中央部分１０４ｂ全体を覆うようになっている。コーティング３１２は、流路の各々が第１の間隔ａ１に対応する幅を有し、各流路に沿ったセンサ３１４がそれぞれの流路の中心線に対して中心に置かれるように配置される。テーパ状近位部分１０４ａの側壁間の角度、テーパ状遠位部分１０４ｃの側壁間の角度、並びに流路の長さは、測定ボリューム１０４が、球形又は円筒形試料物体１１２などの円形断面を有する物体で充填されると、試料物体１１２が、中央部分１０４ｂ内の各試料物体１１２がセンサ１１４のそれぞれ１つの上方に配置される、自己組織化された最密充填を形成するように選定される。近位部分１０４ａ及び遠位部分１０４ｃは、センサ１１４を備えていなくてもよいが、その中に配置された試料物体１１４は、流路の端部分にある試料物体１１４が移動すること、特に流路から出ることを防止する円又は球の最密充填を形成することによって、センサ１１４に対する中央部分１０４ｂ内の試料物体１１４の正確な位置決めを確実にすることができる。
図４は、本発明の例示的な実施形態による複数の試料の並列プロービングのための測定システム４００の概略図（正確な縮尺ではない）を側面図で示している。測定システム４００は、本明細書に記載される実施形態のうちのいずれか１つによるセンサチップ、例えば、センサチップ１００、２００、３００、及び３１０のうちの１又は複数とともに使用するように構成され得る。追加的又は代替的に、測定システム４００はまた、本明細書に記載される実施形態のうちのいずれか１つによる感知デバイス、例えば、以下に記載される図７ａ、図７ｂの感知デバイス７００とともに使用するために構成され得る。測定システム４００は、本明細書で説明される実施形態のうちのいずれか１つによる複数の試料の並列プロービングのための方法、例えば、図５を参照して以下で説明される方法５００、又は図８を参照して以下で説明される方法８００を実行するために使用され得る。
測定システム４００は、センサチップ４０４を受容するように構成されたマウント４０２を備える。センサチップ４０４は、基板内又は基板上に配置された感知層１０２Ｃを備え、感知層１０２Ｃは、複数の感知要素（図示せず）を備える。感知要素は、例えば図１ａ、図１ｂを参照して上で詳述したように、例えば図４に示すようなセンサ１１４の周期アレイを形成することができる。センサチップ４０４は、感知層１０２Ｃに隣接する測定ボリューム１０４を更に備える。一部の実施形態では、センサチップ４０４は、上記で説明したセンサチップ１００、２００、３００、及び３１０のうちの１つに対応することができる。他の実施形態では、センサチップ４０４は、図７を参照して以下で説明される感知デバイス７００のセンサチップ７０４に対応することができる。マウント４０２は、センサチップ４０４を保持するように構成され、例えば、センサチップ４０４をマウント４０４に取り外し可能に取り付けるための手段、例えば、１又は複数の締結クリップ又はねじを備えることができる。一部の実施形態では、マウント４０２はまた、例えば整列の目的で、センサチップ４０４を１又は複数の方向に沿って移動させるように、かつ／又はセンサチップ４０４を１又は複数の軸の周囲で傾斜させるように構成されてもよい。一部の実施形態では、マウント４０２は、図７ａ、図７ｂの感知デバイス７００のマウント７０２と同様であり得る。
測定システム４００は、複数の試料物体１１２を含む担体流体をセンサチップ４０４の測定ボリューム１０４に供給するように構成されたマイクロ流体ユニット４０６を更に備える。図４の例では、マイクロ流体ユニット４０６は、測定ボリューム１０４と流体連通するセンサチップ４０４の入力ポート１０６に接続されるように構成される。マイクロ流体ユニット４０６は、例えば、担体流体及び試料流体などの流体を貯蔵するための１又は複数のリザーバ（図示せず）を備えることができる。マイクロ流体ユニット４０６はまた、それぞれの流体をセンサチップ４０４に供給するための１又は複数のポンプ（図示せず）を備えることができる。マイクロ流体ユニット４０６は、例えば図１のセンサチップ１００の液滴生成器１１０と同様の、担体流体内に試料流体の微小液滴を生成するための液滴生成器（図示せず）を更に備えてもよい。他の例では、マイクロ流体ユニット４０６は、液滴生成器を備えなくてもよいが、例えば、センサチップ４０４上の液滴生成器に担体流体及び試料流体を供給するように構成されてもよい。マイクロ流体ユニット４０６は、例えば、センサチップ４０４から担体流体及び試料物体１１２を除去するために、センサチップ４０４の出力ポート１０８Ａ、１０８Ｂに接続されるように更に構成することができる。
測定システム４００は、センサチップ４０４上の感知要素から電気センサ信号又は光センサ信号を読み出すように構成された測定デバイス４０８を備える。測定システム４００は、例えば、センサチップ４０４のセンサアレイにおけるセンサ１１４の各々から共通のセンサ信号を読み出すように構成されてもよい。測定デバイス４０８は、例えば、センサ１１４と測定デバイス４０８との間の電気接続を提供するために、センサチップ４０４上の電気コネクタ（図示せず）に接続されるように構成されてもよい。測定デバイス４０８は、複数の検出器又は測定要素４１０を備えてもよく、その各々は、センサ１１４のそれぞれ１つから共通センサ信号を読み出すように構成されてもよい。測定要素４１０の各々は、例えば、それぞれのセンサ１１４に関連する電圧及び電流をそれぞれ測定するための電圧計及び／又は電流計を備えることができる。他の実施形態では、測定要素４１０は、例えば、以下に詳述するような感光検出器であってもよい。
測定システム４００はまた、コントローラ４１２を備え、コントローラ４１２は、ハードウェア、ソフトウェア、又はそれらの組み合わせで実装され得る。コントローラ４１２は、特に、プロセッサ（図示せず）及びメモリ（図示せず）を備えることができ、メモリは、本明細書で説明される機能を提供するためにプロセッサによって実行され得る命令を記憶する。コントローラ４１２は、例えば、中央処理装置（ＧＰＵ）、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、非揮発性メモリ、揮発性メモリ、マイクロコントローラ、及び／又はシステムオンチップ（ＳｏＣ）を備えてもよい。追加的又は代替的に、コントローラ４１２はまた、他のアナログ及び／又はデジタル電子回路を備えてもよい。一部の例では、測定デバイス４０８は、少なくとも部分的にコントローラ４１２に統合されてもよい。
コントローラ４１２は、マイクロ流体ユニット４０６を制御して、例えば、マイクロ流体ユニット４０６のポンプ及び／又は弁に制御信号を提供して、測定ボリューム１０４への試料物体１１２を含む担体流体の流れを生成することによって、測定ボリューム１０４内の複数の試料物体１１２を制御するように構成される。コントローラ４１２は、特に、マイクロ流体ユニット４０６を制御して、測定ボリューム内の試料物体１１２の数を制御するように構成され、それにより、試料物体１１２は、測定ボリューム１０４内に自己組織化構造、例えば、方法５００について以下に詳述するように、それぞれの試料物体１１２がセンサ１１４の各々に隣接して配置される自己組織化構造を形成する。コントローラ４１２は、試料物体１１２が自己組織化構造内に配置されている間に試料１１２Ａのうちの１又は複数に対して測定を実施するように測定デバイス４０８を制御するように更に構成され、試料に対する測定は、例えば方法５００及び８００について以下に詳述するように、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体に隣接して配置された１又は複数の感知要素を使用して実施される。一部の実施形態では、コントローラ４１２は、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれか１つによる複数の試料の並列プロービングのための方法、例えば、方法５００及び／又は方法８００の工程の一部又は全部を実行するように構成することができる。
図４の例では、センサチップ４０４上のセンサ１１４は、磁気量子センサ、特に、例えば図１ａ、図１ｂのセンサチップ１００について上で詳述したような、ダイヤモンド中の窒素空孔中心などの光学的にアドレス指定可能な固体量子システムを含む磁気量子センサである。固体量子システムを操作するために、例えば、固体量子システムを光学的に励起するために、測定システム４００は、センサ１１４を照明するために固体量子システムの１又は複数の吸収波長で光を生成するように構成された１又は複数の光源４１４、特にレーザとともに使用するように構成される。一部の実施形態では、１又は複数の光源４１４は、独立したユニットとして提供されてもよく、又は測定システム４００の一部であってもよい。測定システム４００は、１又は複数の光源４１４によって生成された光ビームを、センサチップ４０４を通って延在し、センサ１１４の一部又は全部と順次交差する光学照明経路に結合するように構成された照明システム（図示せず）を更に備えることができ、それにより、例えば、センサ１１４の各々内の固体量子システムを、センサ１１４を次々に通過する単一の光ビームで励起することができる。照明経路に沿って、光は、例えば、センサチップ４０４の表面から、例えば、全内部反射によって、かつ／又はそれぞれの表面上の反射コーティングにおいて反射されてもよい。一部の例では、測定システム４００の照明システムは、感知デバイス７００の照明システム７０６と同様であり得る。測定システム４００は、固体量子システムを操作するための追加の構成要素、例えば、センサチップ４０４にバイアス磁場を印加するための磁石（図示せず）、並びに／又はセンサチップ４０４にマイクロ波若しくは無線周波数信号を印加するためのマイクロ波及び／若しくは無線周波数アンテナ（図示せず）を備えることができる。
この例では、測定デバイス４０８は、測定要素４１０として複数の感光要素を備えるマルチ流路光検出器である。感光要素４１０の各々は、それぞれの要素に入射する光の強度を決定するように構成され、例えば、１又は複数のフォトダイオード又は光電子増倍管、あるいはＣＣＤ又はＣＭＯＳチップ上の１又は複数のピクセルを備えることができる。感光要素４１０の各々は、センサ１１４のそれぞれ１つに関連付けられ、測定システム４００は、センサ１１４内の固体スピン系によって放出された光を収集し、それぞれの感光要素４１０上に光を結像するように構成された結像システム（図示せず）を備えることができる。一部の実施形態では、測定デバイス４０８は、複数の感光ピクセルを有するカメラチップを備えてもよく、コントローラ４１２は、例えば、図７の感知デバイス７００及び図８の方法８００について以下に詳述されるように、センサ１１４の各々について、それぞれの感光要素４１０として、複数の感光ピクセルからサブセット又は関心領域を選択するように構成されてもよい。
測定システム４００は、図４の例では測定デバイス４０８の反対側に配置されたカメラ４１６を更に備える。カメラ４１６は、センサチップ４０４上の試料物体１１２の画像を撮影するように構成され、これは、例えば、センサチップ４０４上の試料物体１１２を追跡するために、かつ／又は測定ボリューム１０４内の試料物体１１２の自己組織化構造の形成を監視するために使用され得る。一部の例では、コントローラ４１２は、カメラ４１６を使用して、例えばコンピュータビジョン技術を使用して、センサチップ４０４上の試料物体１１２を自動的に追跡するように構成され得る。他の例では、コントローラ４１２は、手動追跡及び／又は監視のために、カメラ４１６から取得された画像をユーザに提供するように構成され得る。一部の実施形態では、測定デバイス４０８はまた、試料物体１１２の画像を撮影するためのカメラとして使用され得る。
図４の例では、センサチップ４０４は、センサチップ４０４の出口流路に沿って配置され、例えば、センサチップ４０４の２つの出力ポート１０８Ａ、１０８Ｂのいずれか１つに試料物体１１２を選択的に方向転換することによって、試料物体１１２を選別するように構成された選別ユニット４１８を更に備える。選別ユニット４１８は、例えば、電場を生成するための１又は複数の電極、磁場を生成するための１又は複数の誘導要素、光学電位を生成するための１又は複数の光学要素若しくは光源、並びに／又は迂回流を生成するための弁及び／若しくは流路などの１又は複数のマイクロ流体要素を備えてもよい。コントローラ４１２は、選別ユニット４１８を制御するように構成され、特に、センサ１１４を使用して取得された測定結果に基づいて、例えば、閾値を上回る測定値に関連付けられた試料物体１１２を第１の出力ポート１０８Ａに、閾値を下回る測定値に関連付けられた試料物体１１２を第２の出力ポート１０８Ｂに迂回させることによって、試料物体１１２を分類するために、選別ユニット４１８を制御するように構成され得る。
図５は、本発明の例示的な実施形態による、複数の試料の並列プロービングのための方法５００のフロー図を示している。方法５００は、例えば、センサチップ１００、２００、３００、３１０、４０４、７０４のうちの１つを用いて、測定システム４００を用いて、かつ／又は感知デバイス７００を用いて実装することができる。以下では、説明のための非限定的な例として、センサチップ２００及びシステム４００を使用して方法５００を説明する。方法５００は、図５のフロー図によって示される実行の順序に限定されない。技術的に実現可能である限り、方法５００は、任意の順序で実行されてもよく、その工程は、少なくとも部分的に同時に実行されてもよい（例えば、以下で説明される工程５０４、５０６、及び５０８）。
方法５００は、工程５０２において、基板内又は基板上に配置された感知層と、感知層に隣接する測定ボリュームとを有するセンサチップを提供することを含み、感知層は、複数の感知要素を備える。例えば、基板１０２に配置されたセンサ１１４の周期アレイと、センサアレイに隣接する測定ボリューム１０４とを備えるセンサチップ２００などのセンサチップが提供されてもよい。センサチップ２００は、例えば、測定システム４００のマウント４０２に取り付けられてもよい。試料１１２Ａ又は試料物体１１２が所定のサイズを有する実施形態では、例えば、所定のサイズの細胞又は微小液滴をプロービングするとき、センサチップ２００上のセンサ１１４の間隔は、例えば、間隔ａｈが試料物体１１２の物理的寸法に対応するセンサチップ２００を提供することによって、試料１１２Ａ又は試料物体１１２に特に適合され得る。
工程５０４において、複数の試料物体１１２を含む担体流体が、センサチップ２００の測定ボリューム１０４に供給される。試料物体１１２の各々は、例えば、タンパク質、ＤＮＡ、バクテリア、細胞又はそれらの一部などの生体試料を有し得る生体試料流体、又は、例えば、１又は複数の試薬及び／又は化学反応の生成物を有することができる化学的試料流体などの試料流体の量であり得るそれぞれの試料１１２Ａを有するか、又は形成する。一例では、試料物体１１２の各々は、試料流体中に細胞又は細菌を含む微小液滴であり、細胞又は細菌は、エタノールなどの物質を生成するように構成される。方法５００は、例えば、複数の細胞又は細菌から最も効率的な細胞又は細菌を選択するために、細胞又は細菌が物質を生成する際にどれほど効率的であるかを評価するために使用され得る。工程５０８で実施される測定は、微小液滴中の物質の濃度を決定するために使用され得る。窒素空孔中心などの固体スピン系は、例えば、核磁気共鳴分光法によって微小液滴中のエタノールの濃度を決定することを可能にし得る。
複数の試料物体１１２を含む担体流体を提供することは、特に、例えば、センサチップ２００の液滴生成器１１０又はマイクロ流体ユニット４０６の液滴生成器を使用して、担体流体中に試料流体の複数の微小液滴を生成することを含み得る。この例では、微小液滴は、試料物体１１２を構成することができる。このために、試料流体と不混和性である担体流体を使用することができる。例えばＥＰ２２７０２３６Ｂ１に記載されているように、試料流体は、例えば水溶液又は懸濁液であってもよく、担体流体は、油（又はその逆）、例えば炭化水素油（例えばヘキサデカン）、フッ化炭素油（例えばオクタデカフルオロオデカヒドロナフタレン又は１－（１，２，２，３，３，４，４，５，５，６，６－ウンデカフルオロシクロヘキシル）エタノール）、シリコーン油、又は鉱油であってもよい。別の例では、試料流体は、第１の油であってもよく、担体流体は、第１の油と不混和性である第２の油、例えば、シリコーン油及び鉱油、又は炭化水素油及びフッ化炭素油であってもよい。微小液滴を安定化させるために、両親媒性化合物などの界面活性剤、例えば、Ｊ．－Ｌ．Ｂａｒｅｔ，Ｌａｂ Ｃｈｉｐ，２０１２，１２，４２２－４３３に記載されているような、ポリエチレングリコール－ペルフルオロポリエーテル（ＰＥＧ～ＰＦＰＥ）ブロックコポリマーフッ素化界面活性剤、オクトキシノール９（Ｃ１４Ｈ２２Ｏ（Ｃ２Ｈ４Ｏ）ｎ、Ｔｒｉｔｏｎ Ｘ－１００）、ドデシル硫酸ナトリウム（ＳＤＳ）、ソルビタンモノオレエート（Ｃ２４Ｈ４４Ｏ６、Ｓｐａｎ ８０）、及びグリセリルモノオレエート（Ｃ２１Ｈ４０Ｏ４、モノオレイン）の１又は複数を、試料流体及び／又は担体流体に添加することができる。界面活性剤は、各微小液滴のコア１１２Ａの周囲にシェル層１１２Ｂを形成することができ、それによって、例えば、微小液滴が融合するのを防止することができる。微小液滴の物理的寸法は、例えば、微小液滴の直径が間隔ａｈに対応するように、センサチップ２００のセンサアレイの間隔に適合されてもよい。微小液滴のサイズは、例えば、液滴生成器中の担体流体及び／若しくは試料流体の流速を調整することによって、かつ／又は担体流体及び／若しくは試料流体の組成を調整することによって制御され得る。
工程５０６において、測定ボリューム１０４内の複数の試料物体１１２は、試料物体１１２が測定ボリューム１０４内に自己組織化構造、例えば自己組織化周期構造を形成するように制御される。自己組織化構造において、それぞれの試料物体１１２は、例えば、センサチップ２００上のセンサ１１４の各々に隣接して配置されてもよい。例えば、微小液滴１１２を含む担体流体の流れが、入口流路２０２を通って生成されて、微小液滴１１２を測定ボリューム１０４に供給し、それによって、測定ボリューム１０４を連続的に満たすことができる。同時に、担体流体は、出口流路２０４を通して測定ボリューム１０４から除去されてもよく、弁２０６は、微小液滴１１２が弁２０６を通過することができないように設定されてもよい。このようにして、測定ボリューム１０４内の微小液滴１１２の数を段階的に増加させることができる。
測定ボリューム１０４内の微小液滴１１２の数が増加するにつれて、微小液滴１１２は、互いに接触するとともに、側壁１０４－１～１０４－４の形態の境界構造と接触することができる。微小液滴１１２自体の間の相互作用、及び微小液滴１１２と側壁１０４－１～１０４－４との間の相互作用は、測定ボリューム１０４の底壁全体が微小液滴１１２によって覆われるときに、図２に示されるような自己組織化された最密充填の形成をもたらす。図２を参照して上で詳述したように、アレイ内のセンサ１１４は、等しい円／球の均一な最密充填での円又は球の配置に適合された六方格子で配置され、側壁１０４－１～１０４－４は、微小液滴１１２の自己組織化された最密充填がセンサアレイと整列されるように、例えば、測定ボリューム１０４内の微小液滴１１２の各々がセンサ１１４のそれぞれ１つの上に配置されるように配置される。この自己組織化周期構造では、隣接する微小液滴１１２及び側壁１０４－１～１０４－４が、微小液滴１１２が測定ボリュームの底壁に平行に移動することを防止するため、各微小液滴１１２は、そのそれぞれの位置に固定される。一部の実施形態では、微小液滴１１２は、シェル層１１２Ａとして、両親媒性分子の単層、例えば、脂質単層を含んでもよく、両親媒性分子の二重層、例えば、脂質二重層は、隣接する微小液滴１１２が互いに接触するときに形成されてもよい。これは、測定ボリューム１０４内に形成された自己組織化周期構造を更に安定させることができる。
工程５０８において、試料物体１１２が自己組織化構造内に配置されている間に、試料１１２Ａのうちの１又は複数に対して、一部の実施形態では試料１１２Ａの全てに対して測定が実施され、試料１１２Ａに対する測定は、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体１１２に隣接して配置された１又は複数の感知要素１１５を使用して実施される。試料１１２Ａ上の測定は、例えば、センサチップ２００上のセンサ１１４を使用して実施されてもよく、それに隣接して、それぞれの試料物体１１２が自己組織化構造内に配置される。１又は複数の試料１１２Ａに対する測定は、例えば、センサ１１４の各々から同時に測定信号を読み出すことによって、並列して実施されてもよい。自己組織化構造内の試料物体１１２は、測定中に静止していてもよく、すなわち、センサ１１４に対して移動しなくてもよい。これはまた、試料物体１１２がそれぞれのセンサ１１４に隣接したままである間に、測定を複数回繰り返すこと、及び／又は複数の異なる測定を実施することを可能にし得る。
図１ａ、図１ｂを参照して上記で詳述したように、センサ１１４は、特に、磁気量センサであってもよく、光学的にアドレス指定可能な固体量子システム１１５Ａ、例えば、ダイヤモンド中の窒素空孔中心を感知要素１１５として含んでもよい。したがって、測定を実施することは、センサ１１４を照明して、固体量子システム１１５Ａを光学的に偏光させること、１又は複数のマイクロ波及び／又は無線周波数パルスをセンサ１１４に印加して、固体量子システム１１５Ａの状態を操作すること、センサ１１４を照明して、固体量子システム１１５Ａを光学的に励起すること、及び／又は、例えば、センサ１１４内の固体量子システム１１５Ａによって放出される蛍光強度などの光信号を検出することによって、固体量子システム１１５Ａの状態の光学的読み出しを実施することを含み得る。光学的にアドレス指定可能な固体量子システムは、例えば、核磁気共鳴（ＮＭＲ）分光法を実施するために使用され得る。
方法５００は、例えば工程５０８において測定を実施した後に、センサチップ２００、特に測定ボリューム１０４をすすぐことを更に含んでもよい。このために、測定ボリューム１０４は、例えば、測定ボリューム１０４から試料物体１１２を除去するために、例えば、水又は緩衝液ですすぐことができる。その後、同じセンサチップ２００を使用して方法５００を繰り返して、例えば別の試料のセットをプロービングすることができる。
図６は、本発明の例示的な実施形態によるセンサチップの測定ボリューム１０４内に自己組織化周期構造で配置された複数の微小液滴１１２の顕微鏡画像を示している。測定ボリューム１０４は、距離Ｄ＝１３００μｍだけ分離された２つの対向する側壁１０４－１、１０４－２を備える。測定ボリューム１０４は、フルオロカーボン油を含む担体流体内に水を含む試料流体の単分散微小液滴１１２で満たされ、微小液滴１１２は、直径ｄ＝１０４±２μｍを有する。微小液滴１１２間の表面－表面相互作用の結果として、微小液滴１１２は、自己組織化周期的構造、すなわち、六角形の単位セル１１６を有する格子を形成する等しい球の均一な最密充填で配置される。側壁１０４－１、１０４－２の間の距離Ｄは、等しい球の均一な最密充填における微小液滴１１２の１４個の線形チェーンが、測定ボリューム１０４内に配置することができるように選択され、すなわち、Ｎ＝１３として、
である。微小液滴１１２の自己組織化周期的構造は、側壁１０４－１、１０４－２と接触しており、これらの側壁は、等球の均一な最密充填の並進対称性を壊し、微小液滴１１２を測定ボリューム１０４内の所定の位置に固定する。破線の矢印は、例えば図７ａ、図７ｂを参照して以下に記載されるように、測定ボリューム１０４の下の底壁に配置された磁気量子センサ（図示せず）の光学的にアドレス指定可能な固体量子システムを励起するために使用され得る複数の平行レーザビームを示している。
図７ａ及び図７ｂは、本発明の例示的な実施形態による、複数の試料の並列プロービングのための感知デバイス７００の概略図（正確な縮尺ではない）を示している。図７ａは、感知デバイス７００を上面図で示し、図７ｂは、感知デバイス７００のセンサチップ７０４を側面図で示している。
感知デバイス７００は、感知デバイス７００のセンサチップ７０４を受容するように構成されたマウント７０２を備える。マウント７０２は、例えば、センサチップ７０４を配置することができる凹部又は切り欠きを有するフレームを備えてもよい。フレームは、例えば、金属、ガラス、プラスチック、又はそれらの組み合わせからなるか、又はそれらを含むことができ、好ましくは、センサチップ７０４の上面及び底面が、特に顕微鏡撮像のためにアクセス可能であるように、センサチップ７０４を保持するように構成される。一部の実施形態では、マウント７０２は、図４の測定システム４００のマウント４０２と同様であり得る。
センサチップ７０４は、例えばダイヤモンドのスラブであり得る基板１０２を備える。基板１０２の中又は上には、例えば図１ａ、図１ｂのセンサチップ１００について上で詳述したように、複数の試料物体１１２を含む担体流体を受容するための測定ボリューム１０４が形成される。基板１０２は、測定ボリューム１０４に隣接する感知層１０２Ｃ内に配置された複数の光学的にアドレス指定可能な感知要素１１５Ａを備える。感知層１０２Ｃは、例えば、図７ｂに示すように、測定ボリューム１０４の第１の壁又は底壁１０２－Ａを形成する基板１０２Ｃの表面層であってもよい。図７ｂの例では、感知要素１１５Ａは、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、特に、感知層１０２Ｃのダイヤモンド結晶構造に埋め込まれた窒素空孔中心である。測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに対して垂直な感知層１０２Ｃの深さは、例えば５μｍ～１０μｍであってもよい。
好ましくは、ＮＶ中心は、感知層１０２Ｃ全体にわたって分布しており、これは、センサチップ７０４の製造を用意にする。感知層１０２ＣにおけるＮＶ中心の密度は、例えば、均一であってもよく、例えば、１０１５ｃｍ－３～１０１８ｃｍ－３、一例では、１０１６ｃｍ－３～１０１７ｃｍ－３であってもよい。他の例では、ＮＶ中心は、図１ａ、図１ｂのセンサチップ１００及び図２のセンサチップ２００について上記で詳述したように、例えばセンサのアレイを形成し得る、空間的に分離された感知領域１１４Ａに閉じ込められ得る。感知領域１１４Ａ内のＮＶ中心の密度は、例えば、感知領域１１４Ａの外側の感知層１０２Ｃ内のＮＶ中心の密度よりも少なくとも１００倍、一部の例では少なくとも１０００倍大きくてもよい。
センサチップ７０４は、測定ボリューム１０４内の試料物体１１２の動きを制限又は誘導するように構成された複数の境界構造を更に備える。図７ａの例では、境界構造は、測定ボリューム１０４の側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４であり、これらは、担体流体及びその中に含まれる試料物体１１２のための長方形の囲いを形成する。対向する側壁間の距離は、直径ｄを有する等しい円又は球の均一な最密充填が測定ボリューム１０４内に配置することができるように選択され、最も外側の円又は球は、側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４と接触し、したがって、底壁１０４－Ａに平行な円又は球のいかなる運動も防止する。側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４は、例えば、図２のセンサチップ２００上の測定ボリュームの側壁と同様に配置されてもよい。これは、例えば、図７ａ、図７ｂに示されるような偏球試料物体１１２について、測定ボリューム１０４において直径ｄを有する円形断面を有する試料物体１１２の対応する自己組織化構造の形成を可能にする。
自己組織化構造において、すなわち、円の最密充填において、試料物体１１２は、複数のサブセットを形成し、所与のサブセット内の全ての試料物体１１２は、直線に沿って、例えば、図７ａの例のようにＸ軸に平行な水平直線に沿って、線形チェーンとして配置される。隣接するサブセット又は線形チェーンは、互いに対してＹ方向に沿って距離Ａ１だけ変位しており、ここで、円の一様な最密充填において
である。側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４は、例えば、自己組織化構造が５～２０個の線形チェーンを備えるように配置されてもよく、その各々は、例えば、１０から１００の間の試料物体を含んでもよい。
他の実施形態では、側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４の配置は異なっていてもよく、かつ／又はセンサチップ７０４の境界構造は、例えばセンサチップ２００、３００、及び３１０について上述したように、側壁１０４－１、１０４－２、１０４－３、１０４－４に加えて、又はその代わりに、誘導壁及び／又は親水性及び／又は疎水性コーティングなどの他の要素を備えてもよい。センサチップ７０４のそれぞれの境界構造は、直径ｄの円形断面を有する試料物体１１２が、試料物体１１２が測定ボリューム１０４の第１の壁１０４－Ａ全体を覆う状態で測定ボリューム１０４内に配置されたときに、試料物体１１２が、試料物体１１２の複数のサブセットが複数の直線のそれぞれ１つに沿って、例えば図３ａ及び図３ｂの例のように間隔ａ１及びａ２を有する矩形グリッドに配置される自己組織化構造に配置されるように配置される。
感知デバイス７００は、感知層１０２Ｃ内の感知要素１１５Ａを照明するための照明システム７０６を更に有する。照明システム７０６は、例えばレーザ（図示せず）などの外部光源によって生成され得る入射光ビーム７０８を、以下で照明ビームとも称され得る複数の照明光ビーム７１０に分割するように構成される。このために、照明システム７０６は、入射光ビーム７０８の光路に沿って複数のビームスプリッタ７１２及びマイクロミラー７１４を備える。ビームスプリッタ７１２の各々は、入射光ビーム７０８の一部を分割して、照明ビーム７１０のそれぞれ１つを生成するように構成される。ビームスプリッタ７１２は、例えば、偏光又は非偏光ビームスプリッタであってもよく、好ましくは、入射光ビーム７０８が等しい部分に分割されるように、すなわち、照明ビーム７１０の各々が同じ光パワーを有するように構成される。マイクロミラー７１４は、ビームスプリッタ７１０を通過した後の入射光ビーム７０８の残りの部分を反射して、別の照明ビーム７１０を生成するように構成される。ビームスプリッタ７１２及びマイクロミラー７１４は、例えば、マウント７０２のフレーム上に配置することができ、それぞれの照明ビーム７１０を整列するために調整可能、例えば、１つ又は２つの軸の周囲で傾斜可能とすることができる。
照明システム７０６は、複数の照明ビーム７１０を提供するように構成され、照明ビーム７１０の各々は、試料物体１１２のサブセットのそれぞれ１つと整列された、すなわち、サブセットの試料物体１１２が配置されるそれぞれの直線と整列された光路に沿ってセンサチップ７０４の基板１０２を通って伝搬する。それにより、自己組織化構造内のそれぞれのサブセットの試料物体１１２に隣接する感知要素１１５は、照明ビーム７１０によって照明され得る。照明ビーム又は光路は、それぞれの光路が直線を含む平面内に延在する場合、すなわち、直線に垂直な平面内の方向に沿って見たときに光路が直線と重なるように、それぞれの直線と整列されていると称される。一部の実施形態では、光路は、直線に対して平行に又は小さい角度で、例えば、測定ボリューム１０４の感知層１０２Ｃ及び／又は底壁１０４－Ａに対して平行に又は小さい角度で延在してもよく、一方、他の実施形態では、光路は、例えば、図７ｂを参照して以下に詳述されるように、例えば、それぞれの平面内にジグザグパターンを形成してもよい。
図７ａの例では、照明ビーム７１０は互いに平行であり、Ｘ方向に沿って伝搬する。照明ビーム７１０は、例えば、測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに平行に、又は底壁１０４－Ａに対して小さい角度で、例えば、図９に示されるように、例えば、１０°未満、一部の例では、５°未満、一例では、２°未満の角度で伝搬してもよい。隣接する照明ビーム７１０間の間隔Ａ１は、自己組織化構造内の試料物体１１２の隣接する線形チェーン間の距離に対応し、すなわち、等しい円又は球の最密充填に対して、
である。各照明ビーム７１０は、図７ａのように測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに対して垂直に見たときに、それぞれの線形チェーンの試料物体１１２の中心の下を通過する。したがって、照明ビーム７１０の各々は、例えば、試料物体１１２のそれぞれのサブセットの下の感知層１０２Ｃのストリップ状部分７１０Ａを照明することができ、図７ａでは、簡単にするために、一番上の照明ビーム７１０に関連する単一のストリップ状部分７１０Ａのみが一点鎖線によって示されている。隣接するストリップ状部分７１０Ａは、照明ビーム７１０のいずれによっても照明されない感知層１０２Ｃの部分によって分離されてもよく、すなわち、照明ビーム７１０は、空間的に分離された光のストリップのパターンを生成してもよい。
一部の実施形態では、照明システム７０６は、ビームスプリッタ７１２及びマイクロミラー７１４の代わりに、又はそれに加えて、１又は複数の回折光学要素（図示せず）を備えてもよい。回折光学要素の各々は、入射光ビーム７０８などの光の入射ビームを回折によって照明光ビーム７１０などの２つ以上のビームに分割するように構成されてもよい。回折光学要素の各々は、例えば、入射ビーム上に位相パターン及び／又は強度パターンをインプリントするように構成されてもよく、入射ビームの異なる部分間の干渉は、入射ビームを２つ以上のビームに分割させる。回折光学要素の各々は、例えば、位相マスク及び／又は回折格子を備えてもよい。照明システム７０６は、１又は複数のレンズなどの１又は複数の集束要素を更に備えてもよく、１又は複数の集束要素は、例えば、回折光学要素によって生成された２つ以上のビームを屈折及び／又は偏向させるように構成されてもよく、その一部又は全部は、例えば、図７ａに示されるものと同様の平行ビームのパターンを形成するように、入射ビームに対してある角度で伝搬してもよい。このために、回折光学要素は、例えば、それぞれの集束要素の焦点面に配置されてもよい。
一部の実施形態では、照明システム７０６はまた、例えば、１又は複数の入射光ビームを生成するため、及び／又は１又は複数の照明ビーム７１０を生成するために、レーザ（図示せず）などの１又は複数の光源を備えてもよい。一部の例では、照明システム７０６は、照明ビーム７１０の各々のための、又は照明ビーム７１０の複数のサブセットの各々のためのそれぞれの光源を備えることができる。
図７ｂの例では、照明システム７０６は、測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａ上及び基板１０２の底面上にそれぞれ配置された光学コーティング７１６、７１８を更に備える。光学コーティング７１６、７１８の各々は、照明ビーム７１０を反射するように構成された反射コーティングである。好ましくは、感知層１０２Ｃに隣接する底壁１０４－Ａ上の光学コーティング７１６は、感知要素１１５Ａの吸収波長、例えば照明ビーム７１０の波長と、例えば感知要素１１５Ａのセンサ信号の波長に対応し得る感知要素１１５Ａの発光波長との両方の光を反射するように構成された広帯域反射コーティングである。基板１０２の底面上の光学コーティング７１８は、感知要素１１５Ａの吸収波長の光を反射し、感知要素１１５Ａの発光波長の光を透過するように、例えば、センサ信号を透過しながら照明ビーム７１０を反射するように構成された二色性反射コーティングであってもよい。センサ信号は、例えば、センサチップ７０４の背面を通して、図４に示されるような測定デバイス４０８などの感光検出器上に結像され得る。一部の実施形態では、照明システム７０６は、光学コーティング７１６、７１８の一方又は両方を備えなくてもよいが、照明ビーム７１０は、代わりに、全内部反射によってそれぞれの表面から反射されてもよい。
照明システム７０６は、例えば、基板１０２の側面上の傾斜した入射ファセット７２０を通して、底壁１０４－Ａ及び／又は基板１０２の底面に対して入射角αでセンサチップ７０４に照明ビーム７１０を結合するように構成される。基板１０２において、照明光ビーム７１０の各々は、光学コーティング７１６、７１８から順次反射され、したがって、図７ｂのＸＺ平面に平行な平面内のジグザグ光路に沿って基板１０２を通って伝搬することができる。ジグザグ光路が延在する平面は、試料物体１１２のそれぞれのサブセットが配置される直線も含む。光学コーティング７１６、７１８は、感知層１０２Ｃの両側に、すなわち、それぞれ感知層１０２Ｃの上及び下に配置されるため、各照明光ビーム７１０の光路は、感知領域１１４Ａにおいて感知層１０２Ｃと順次交差する。感知領域１１４Ａは、例えば、それぞれの照明光ビーム７１０が通過する感知層１０２Ｃの部分、すなわち、感知要素１１５Ａがそれぞれの照明ビーム７１０によって照明される感知層１０２Ｃの部分であってもよい。感知領域１１４Ａの外側の感知要素１１５Ａは、照明ビーム７１０によって照明されなくてもよい。換言すれば、照明ビーム７１０は、均質な感知層１０２Ｃ内に「照明誘起」感知領域１１４Ａを生成することができる。
照明システム７０６は、照明ビーム７１０をセンサチップ７０４に結合するように構成され、その結果、感知領域１１４Ａの各々は、自己組織化構造内の試料物体１１２のそれぞれ１つに隣接する。このようにして、感知領域１１４Ａ内の感知要素１１５Ａは、例えば、それぞれの感知要素１１５Ａをアクティブ化及び／又は読み出すために、照明ビーム７１０を用いて選択的にアドレス指定され、それによって、測定ボリューム１０２内の試料物体１１２の自己組織化構造に適合された、空間的に分離されたセンサの「照明誘起」アレイを作成することができる。これは、例えば、入射ファセット７２０上の入射角α及び入射点を相応に選択することによって、例えば、それぞれのビームスプリッタ７１２又はマイクロミラー７１４を相応に調整することによって達成することができる。光学コーティング７１６における照明ビームの反射点、したがって、感知領域１１４Ａは、例えば、試料物体１１２の直径ｄに等しい距離ａ２だけ分離され得る。反射点、したがって感知領域１１４Ａは、図７ｂに示すように、自己組織化構造内の試料物体１１２のそれぞれ１つの中心と整列することができる。
他の実施形態では、照明ビーム７１０は、測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに対して平行に、又は小さい角度で、例えば５°未満の角度で、一例では２°未満の角度で、感知層１０２Ｃを通って伝搬することができる。照明ビーム７１０の各々は、例えば、底壁１０４－Ａから、例えばコーティング７１６において、又は全内部反射によって、例えば底壁１０４－Ａの中心においてＸ方向に沿って１回反射されてもよい。したがって、照明ビーム７１０の各々は、例えば、図７ａを参照して上述されたように、例えば、試料物体１１２のそれぞれのサブセットの下の感知層１０２Ｃのストリップ状部分７１０Ａを照明し得る。かかる場合、所与の試料物体１１２に関連付けられた感知要素１１５Ａのサブセットは、例えば、図８の方法８００について以下に詳述されるように、測定されたセンサ信号のデータ処理の一部として選択されてもよい。これは、例えば、感知層１０２Ｃにおける感知要素１１５Ａの空間分解画像における関心領域７１０Ｂに対応し得る、ストリップ状部分７１０Ａ内の「仮想」感知領域１１４Ａを規定することを含み得る。
一部の実施形態では、感知デバイス７００は、図４の測定システム４００の測定デバイス４０８などの、感知要素１１５Ａからセンサ信号を読み出すための測定デバイス（図示せず）を更に備えることができる。測定デバイスは、特に、感知要素の光センサ信号の空間分解画像を記録するように構成された感光検出器、例えば、ＣＣＤ又はＣＭＯＳチップなどの複数の感光ピクセルを備えるカメラチップであってもよい。感知デバイス７００は、例えば図８の方法８００について以下に詳述されるように、空間分解画像内の関心領域７１０Ｂを選択するためのコントローラ（図示せず）を更に備えてもよい。コントローラは、本明細書に記載の実施形態のうちのいずれか１つによる複数の試料の並列プロービングのための方法、例えば、方法５００及び／又は方法８００の工程の一部又は全部を実行するように構成することができる。一部の実施形態では、感知デバイス７００又はその一部、特にマウント７０２及び／又は照明システム７０６は、測定システム４００などの本発明による測定システムとともに統合システムとして提供することができる。
図８は、本発明の例示的な実施形態による、複数の試料の並列プロービングのための方法８００のフロー図を示している。方法８００は、例えば、センサチップ１００、２００、３００、３１０、４０４、７０４のうちの１つを用いて、測定システム４００を用いて、かつ／又は感知デバイス７００を用いて実装することができる。以下において、方法８００は、説明の目的のための非限定的な例として、感知デバイス７００及びシステム４００を使用して説明される。方法８００は、図８のフロー図によって示される実行の順序に限定されない。技術的に実現可能である限り、方法８００は、任意の順序で実行されてもよく、その工程は、少なくとも部分的に、例えば、以下で説明される工程８０４～８１０のうちの一部又は全部において、同時に実行されてもよい。
方法８００は、工程８０２において、例えば方法５００の工程５０２と同様に、基板内又は基板上に配置された感知層と、感知層に隣接する測定ボリュームとを有するセンサチップを提供することを含み、感知層は複数の感知要素を備える。例えば、測定ボリューム１０４の下の感知層１０２Ｃ内に複数の光学的にアドレス指定可能な感知要素１１５Ａ、特に窒素空孔中心を含む、感知デバイス７００のセンサチップ７０４などのセンサチップを設けることができる。センサチップ７０４は、例えば、感知デバイス７００のマウント７０２内に、又は測定システム４００のマウント４０２内に取り付けられてもよい。これは、例えばビームスプリッタ７１２及びマイクロミラー７１４を調整することによって、照明システム７０６によって提供される照明ビーム７１０の光路をセンサチップ７０４に対して整列すること、又はその逆を含むことができる。
工程８０４において、例えば方法５００の工程５０４について上述したように、複数の試料物体１１２を含む担体流体が、センサチップ７０４の測定ボリューム１０４に供給される。工程８０６において、例えば方法５００の工程５０６について上述したように、試料物体１１２が自己組織化構造を形成するように、測定ボリューム１０４内の複数の試料物体１１２が制御される。自己組織化構造は、例えば、図７ａに示されるような等しい円又は球の最密充填であってもよく、試料物体１１２の各々は、測定ボリューム１０４内の所定の位置に配置される。
方法８００は、工程８０８において、工程８１０において測定が実施される各試料１１２Ａに対して、例えば試料１１２Ａの各々に対して、センサチップ７０４上の感知要素１１５Ａのそれぞれのサブセットを選択することを更に含む。工程８１０における試料１１２Ａに対する測定は、例えば、これらの感知要素１１５Ａからのセンサ信号を選択的に決定することによって、それぞれのサブセットの感知要素１１５Ａのみを使用して実施されてもよい。感知要素１１５Ａのサブセットは、例えば自己組織化構造内の試料物体１１２の位置が先験的に知られているため、工程８０８における試料物体１１２の自己組織化構造の形成の前に選択されてもよく、又は、例えばカメラを使用して実験的に決定された自己組織化構造内の試料物体１１２の位置に基づいて、自己組織化構造を形成した後に選択されてもよい。一部の実施形態では、感知要素１１５Ａのサブセットはまた、例えば、測定されたセンサ信号のデータ処理の一部として、工程８１０において測定を行った後に選択されてもよい。
感知要素１１５Ａのサブセットを選択するために、関心領域７１０Ｂは、例えば、関心領域に関連付けられた感知要素の選択的な読み出しを実施するために、自己組織化構造内の試料物体１１２の各々に対して選択されてもよい。関心領域７１０Ｂは、例えば、センサチップ７０４の空間分解画像の一部として規定されてもよく、これは特に、図７ａのＸＹ平面における感知層１０２Ｃの位置の関数として、感知要素１１５Ａによって放射される光の強度を記録する感知層１０２Ｃの顕微鏡画像であってもよい。空間分解画像内の関心領域７１０Ｂは、例えば、自己組織化構造内のそれぞれの試料物体１１２に隣接する感知層１０２Ｃ内の感知領域１１４Ａに対応する、又はこの感知領域１１４Ａの一部に対応することができる。感知領域１１４Ａは、例えば、図１ａの例のように感知層１０２Ｃにおける感知要素１１５Ａの不均一な分布によって規定される空間的に分離された感知領域又はセンサ、図７ｂの例のように照明ビームと感知層１０２Ｃとの交差によって規定される照明誘起感知領域、又は、例えば図７ａの例のように感知層１０２Ｃの照明されたストリップ状部分７１０Ａから若しくは均一に照明された感知層１０２から選択され得る「仮想」感知領域であり得る。
関心領域７１０Ｂを選択することに加えて、又はその代わりに、感知要素１１５Ａのサブセットは、例えば、パターン化された照明によって感知要素１１５Ａを選択的にアクティブ化する及び／又は読み出すために、感知層１０２Ｃの選択的な照明によって選択されてもよい。これは、特に、図７ａ、図７ｂを参照して上で詳述されたように、照明ビーム７１０で感知層１０２Ｃを選択的に照明することを含み得る。例えば、図７ａのストリップ状部分７１０Ａ内の感知要素１１５Ａのみ、又は図７ａ若しくは図７ｂの感知領域１１４Ａ内の感知要素１１５Ａのみが、照明ビーム７１０によって照明されてもよく、したがって、試料１１２Ａをプロービングするためのセンサ信号を生成してもよい。
工程８１０において、試料物体１１２が測定ボリューム１０４内の自己組織化構造内に配置されている間に、試料１１２Ａのうちの１又は複数に対して測定が実施され、測定は、工程８０８において選択された感知要素１１５Ａのサブセットを使用して実施される。測定は、例えば、照明ビーム７１０で感知層１０２Ｃ内の感知要素１１５Ａを照明し、測定デバイス４０８などの感光検出器を使用して、感知要素１１５Ａによって放出された光の強度をセンサ信号として記録することによって実施することができる。センサ信号は、選択されたサブセット内の感知要素１１５Ａのみを使用して、例えば、照明ビーム７１０で感知要素１１５Ａを選択的に照明し、更に、関心領域７１０Ｂの外側のセンサ信号、すなわち、感知領域１１４Ａの外側の感知要素１１５Ａから生じるセンサ信号を廃棄することによって、選択的に決定される。
それによって、方法８００は、再使用可能であり、容易に製造されることができ、取り扱いが簡単であるセンサチップを用いて、複数の試料の並列プロービングを可能にする。マイクロ流体試料ウェルのような微視的構造が要求されないように、明確かつ再現可能な自己組織化構造内に試料物体を配置するために、少数の境界構造のみが使用され、それはセンサチップ上の製造プロセス並びに試料調製を複雑にし、洗浄することがほぼ不可能である。更に、それぞれの試料の選択的プロービングは、感知要素の均一な分布を有する均質な感知層を使用しても実施することができ、これはセンサチップの製造を更に簡略化する。
図９は、本発明の別の例示的な実施形態による感知デバイス７００のセンサチップ９００の概略図（正確な縮尺ではない）を側面図で示している。センサチップ９００は、図７ｂのセンサチップ７０４と同様であり、対応する要素は、図７と同じ参照符号を使用してラベル付けされ、その説明は、簡潔にするために省略される。
図９の例では、照明ビーム７１０は、照明ビーム７１０が測定ボリューム１０４の底壁１０４－Ａに対して角度βで感知層１０２Ｃを通って伝搬するように、例えば感知デバイス７００の照明システム７０６を使用して、基板１０２の側面を通ってセンサチップ９００に結合される。角度βは、例えば、照明ビーム７１０の光路が基板１０２全体にわたって感知層１０２Ｃ内に留まるように、かつ／又は照明ビーム７１０が全内部反射によって底壁１０４－Ａから反射され得るように選択され得る。好ましくは、各照明ビーム７１０は、例えば図９に示すようにＸ軸に沿って測定ボリューム１０４の中心で、例えば全内部反射によって、底壁１０４－Ａから１回反射される。角度βは、例えば、０°～５°、一例では０．５°～２°であってもよい。したがって、照明ビーム７１０の各々は、例えば、図７ａに示されるように、試料物体１１２のそれぞれのサブセットの下の感知層１０２Ｃのストリップ状部分を照明することができる。
感知層１０２Ｃ内で、測定ボリューム１０４内の自己組織化構造内のそれぞれの試料物体１１２に関連付けられた感知領域１１４Ａは、例えば、対応する領域内の感知要素１１５Ａからのセンサ信号の選択的決定によって、例えば、感知層１０２Ｃの特定の部分内のＮＶ中心によって放出された光のみを検出することによって、選択又は規定され得る。
一部の実施形態では、センサチップ９００は、複数のマイクロレンズ９０２、特に図９の例のような固浸レンズを備えることができ、これらは、例えば、図９に示すように基板１０２の底面上に又は底面に隣接して配置することができる。他の例では、マイクロレンズ９０２は、例えば、感知デバイス７００又は測定システム４００の一部として設けられてもよい。各マイクロレンズ９０２は、感知層１０２Ｃ内の対応する感知領域１１４Ａを規定することができ、感知領域１１４Ａは、例えば、それぞれのマイクロレンズ９０２の視野内の全ての感知要素１１５Ａを備えることができる。各マイクロレンズ９０２は、対応する感知領域１１４Ａ内の感知要素１１５Ａによって放出された光を収集するように構成することができ、それによって、対応する感知領域１１４Ａ内の感知要素１１５Ａからのセンサ信号を選択的に決定することが可能になる。マイクロレンズ９０２は、例えば図７ａに示されるように、感知層１０２Ｃ内の感知領域１１４Ａの対応するアレイを規定する１次元又は好ましくは２次元アレイに配置することができる。
追加的又は代替的に、感知領域１１４Ａは、例えば、ピンホールアレイ９０４によって規定されてもよく、これは、例えば、感知デバイス７００又は測定システム４００の一部として提供されてもよい。ピンホールアレイ９０４は、複数のピンホール又は開口部を備え、その各々は、感知層１０２Ｃ内の個別の感知領域１１４Ａと関連付けられる。各ピンホールは、それぞれの感知領域１１４Ａから生じる光を透過させるように構成され、一方、それぞれの感知領域１１４Ａの外側、特に感知層１０２Ｃの隣接部分から生じる光は、ピンホールアレイ９０４によって遮断される。これはまた、対応する感知領域１１４Ａ内の感知要素１１５Ａからのセンサ信号を選択的に決定することを可能にする。ピンホールアレイ９０４は、例えば、図９に示すようにマイクロレンズ９０２の像平面内、又は測定システム４００の結像システム（図示せず）の像平面内に配置することができる。他の実施形態では、ピンホールアレイ９０４は、例えば、基板１０２の底面上に若しくはそれに隣接して、又は例えばＣＣＤ若しくはＣＭＯＳチップを備えるカメラであり得る測定システム４００の測定デバイス４０８上に若しくはそれに隣接して配置することができる。ピンホールアレイ９０４のピンホールは、例えば図７ａに示されるように、感知層１０２Ｃにおける感知領域１１４Ａの対応するアレイを規定する、１次元又は好ましくは２次元アレイに配置することができる。
一部の実施形態では、感知領域１１４Ａはまた、例えば、マイクロレンズ９０２及び／又はピンホールアレイ９０４に加えて、又はその代わりに、測定システム４００の測定デバイス４０８によって規定されてもよい。測定デバイス４０８は、例えば、複数の空間的に分離された測定要素４１０を備えることができ、その各々は、図９に示すように感知領域１１４Ａのそれぞれ１つに関連付けられる。測定要素４１０は、例えば、フォトダイオード、ＣＣＤ若しくはＣＭＯＳチップ、又はＣＣＤ若しくはＣＭＯＳチップの空間的に分離されたピクセルなどの感光要素であってもよい。測定システム４００のマイクロレンズ９０２又は結像システム（図示せず）は、例えば、感知領域１１４Ａから生じる光をそれぞれの感光要素４１０上に結像するように構成することができ、これは、光の強度を決定するように構成することができる。したがって、感知領域１１４Ａは、それぞれの感光要素４１０上に結像される感知層１０２Ｃ内の領域として規定することができる。隣接する感知領域１１４Ａ間の間隔ａ２は、隣接する感光要素４１０間の間隔を結像の倍率で割ったものに対応することができ、感知領域１１４Ａのサイズは、感光要素４１０のサイズを結像の倍率で除算したサイズに対応することができる。他の例では、感光要素４１０は、センサチップ９００に近接近して、例えば、基板の底面上に、又はそれに隣接して配置されてもよく、それは、撮像システムを必要とすることなく、個別の感知領域１１４Ａから光を収集することを可能にし得る。感光要素４１０は、例えば図７ａに示すように、感知層１０２Ｃ内の感知領域１１４Ａの対応するアレイを規定する１次元又は好ましくは２次元アレイに配置されてもよい。それぞれの感知領域１１４Ａに関連付けられた空間的に分離された感光要素４１０を有する測定デバイス４０８を使用することによって、感光要素４１０の数は、例えば、同じエリアをカバーする複数のピクセルを有する連続カメラチップと比較して、低減され得る。これにより、処理されなければならないデータの量を低減することができ、測定デバイス４０８の読み出しを高速化することができる。
センサチップ９００、ピンホールアレイ９０４、及び／又は測定デバイス４０８は、例えば照明ビーム７１０によって照明されるストリップ状部分７１０Ａから感知領域１１４Ａを選択するために、図７ａの感知デバイス７００とともに使用されてもよい。他の例では、異なるセンサチップ及び／又は異なるタイプの照明が使用されてもよく、感知領域１１４Ａは、例えば、均一に照明された感知層において、図７ｂのような選択的に照明された感知層において、かつ／又は図１ｂのような空間的に分離された感知領域を有する感知層において、同様に規定されてもよい。換言すれば、個々にアドレス指定可能で区別可能な感知領域は、感知層における感知要素の空間的に不均一な又は選択的な分布、感知層の空間的に不均一な又は選択的な照明、及び感知層からのセンサ信号の空間的に不均一な又は選択的な検出のうちの１又は複数によって取得することができる。それによって、自己組織化構造内の試料物体１１２は、それぞれの感知領域の感知要素を使用して個々にプロービングすることができる。
本明細書に開示される本発明の実施形態は、例示目的のための特定の例を構成するに過ぎない。本発明は、基礎となる基本的な特性を変更することなく、種々の方法で、多くの修正を加えて実装することができる。したがって、本発明は、特許請求の範囲によってのみ定義される。
１００ センサチップ
１０２ 基板
１０２Ａ 下部基板
１０２Ｂ 上部基板／カバー
１０４ 測定ボリューム
１０４Ａ 底壁
１０４Ｂ 上壁
１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４ 側壁
１０４ａ 近位部分
１０４ｂ 中央部分
１０４ｃ 遠位部分
１０６，１０６Ａ，１０６Ｂ 入力ポート
１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ 出力ポート
１１０ 液滴生成器
１１２ 試料物体
１１２Ａ 試料
１１２Ｂ シェル層
１１４Ａ，１１４Ｂ センサ／感知領域
１１５Ａ，１１５Ｂ 感知要素
１１６ 単位セル
２００ センサチップ
２０２ 入口流路
２０４ 出口流路
２０６ 弁
３００ センサチップ
３０２ 誘導壁
３１０ センサチップ
３１２ コーティング
４００ 測定システム
４０２ マウント
４０４ センサチップ
４０６ マイクロ流体ユニット
４０８ 測定デバイス
４１０ 測定要素
４１２ コントローラ
４１４ 光源
４１６ カメラ
４１８ 選別ユニット
５００ 複数の試料を並列にプロービングするための方法
５０２ センサチップを提供する工程
５０４ 複数の試料物体を含む担体流体を提供する工程
５０６ 試料物体の自己組織化構造を形成する工程
５０８ １又は複数の試料に対して測定を実施する工程
７００ 感知デバイス
７０２ マウント
７０４ センサチップ
７０６ 照明システム
７０８ 入射光ビーム
７１０ 照明光ビーム
７１０Ａ ストリップ状部分
７１０Ｂ 関心領域
７１２ ビームスプリッタ
７１４ マイクロミラー
７１６ 広帯域反射コーティング
７１８ 二色性反射コーティング
７２０ 入射ファセット
８００ 複数の試料を並列にプロービングするための方法
８０２ センサチップを提供する工程
８０４ 複数の試料物体を含む担体流体を提供する工程
８０６ 試料物体の自己組織化構造を形成する工程
８０８ 感知領域内の感知要素のサブセットを選択する工程
８１０ 選択されたサブセットを使用して１又は複数の試料に対して測定を実施する工程
９００ センサチップ
９０２ マイクロレンズ
９０４ ピンホールアレイ
ａ１，ａ２ センサアレイの間隔
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２ 側壁間距離
ｄ 試料物体の直径
Ａ１ 照明光ビームの光路間距離
α 照明光ビームの入射角
１０２ 基板
１０２Ａ 下部基板
１０２Ｂ 上部基板／カバー
１０４ 測定ボリューム
１０４Ａ 底壁
１０４Ｂ 上壁
１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４ 側壁
１０４ａ 近位部分
１０４ｂ 中央部分
１０４ｃ 遠位部分
１０６，１０６Ａ，１０６Ｂ 入力ポート
１０８，１０８Ａ，１０８Ｂ 出力ポート
１１０ 液滴生成器
１１２ 試料物体
１１２Ａ 試料
１１２Ｂ シェル層
１１４Ａ，１１４Ｂ センサ／感知領域
１１５Ａ，１１５Ｂ 感知要素
１１６ 単位セル
２００ センサチップ
２０２ 入口流路
２０４ 出口流路
２０６ 弁
３００ センサチップ
３０２ 誘導壁
３１０ センサチップ
３１２ コーティング
４００ 測定システム
４０２ マウント
４０４ センサチップ
４０６ マイクロ流体ユニット
４０８ 測定デバイス
４１０ 測定要素
４１２ コントローラ
４１４ 光源
４１６ カメラ
４１８ 選別ユニット
５００ 複数の試料を並列にプロービングするための方法
５０２ センサチップを提供する工程
５０４ 複数の試料物体を含む担体流体を提供する工程
５０６ 試料物体の自己組織化構造を形成する工程
５０８ １又は複数の試料に対して測定を実施する工程
７００ 感知デバイス
７０２ マウント
７０４ センサチップ
７０６ 照明システム
７０８ 入射光ビーム
７１０ 照明光ビーム
７１０Ａ ストリップ状部分
７１０Ｂ 関心領域
７１２ ビームスプリッタ
７１４ マイクロミラー
７１６ 広帯域反射コーティング
７１８ 二色性反射コーティング
７２０ 入射ファセット
８００ 複数の試料を並列にプロービングするための方法
８０２ センサチップを提供する工程
８０４ 複数の試料物体を含む担体流体を提供する工程
８０６ 試料物体の自己組織化構造を形成する工程
８０８ 感知領域内の感知要素のサブセットを選択する工程
８１０ 選択されたサブセットを使用して１又は複数の試料に対して測定を実施する工程
９００ センサチップ
９０２ マイクロレンズ
９０４ ピンホールアレイ
ａ１，ａ２ センサアレイの間隔
Ｄ，Ｄ１，Ｄ２ 側壁間距離
ｄ 試料物体の直径
Ａ１ 照明光ビームの光路間距離
α 照明光ビームの入射角
Claims (36)
- 複数の試料（１１２Ａ）の並列プロービングのための方法（５００，８００）であって、前記方法（５００，８００）は、
センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）を提供することであって、前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）は、基板（１０２）内又は上に配置された感知層（１０２Ｃ）と、前記感知層（１０２Ｃ）に隣接する測定ボリューム（１０４）と、を備え、前記感知層（１０２Ｃ）は、複数の感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）を備え、前記複数の感知要素の各々は、それぞれの感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される、ことと、
複数の試料物体（１１２）を含む担体流体を前記測定ボリューム（１０４）に供給することであって、前記試料物体（１１２）の各々は、それぞれの試料（１１２Ａ）を備えるか又は形成する、ことと、
前記試料物体（１１２）が前記測定ボリューム（１０４）内で自己組織化構造を形成するように、前記測定ボリューム（１０４）内の複数の試料物体（１１２）を制御することであって、前記自己組織化構造は、前記試料物体（１１２）の配置が前記試料物体（１１２）自体の間の相互作用によって少なくとも部分的に規定される構造である、ことと、
前記試料物体（１１２）が前記自己組織化構造内に配置されている間に、前記試料（１１２Ａ）のうちの１又は複数に対して測定を実施することであって、試料（１１２Ａ）に対する測定は、前記自己組織化構造内の前記それぞれの試料物体（１１２）に隣接して配置された１又は複数の感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）を使用して実施される、ことと、を含む、方法（５００，８００）。 - 前記１又は複数の試料（１１２Ａ）に対して前記測定を実施することは、前記１又は複数の試料（１１２Ａ）の各々について、前記感知要素（１１５Ａ）のサブセットを選択することであって、前記サブセット内の前記感知要素（１１５Ａ）は、前記自己組織化構造内の前記それぞれの試料物体（１１２）に隣接する感知領域（１１４Ａ）内に配置される、ことと、前記感知領域（１１４Ａ）内の前記感知要素（１１５Ａ）からのセンサ信号を選択的に決定することと、を含む、請求項１に記載の方法（５００，８００）。
- 前記感知要素（１１５Ａ）の前記サブセットを選択し、前記感知領域（１１４Ａ）内の前記感知要素（１１５Ａ）から前記センサ信号を選択的に決定することは、前記感知領域（１１４Ａ）内の前記感知要素（１１５Ａ）を選択的にアクティブ化すること、及び／又は前記感知領域（１１４Ａ）内の前記感知要素（１１５Ａ）を選択的に読み出すことを含む、請求項２に記載の方法（５００，８００）。
- 前記感知層（１０２Ｃ）内の前記感知要素（１１５Ｂ）は、空間的に分離されたセンサ（１１４Ｂ）のアレイを形成し、前記センサ（１１４Ｂ）の各々は、１又は複数の感知要素（１１５Ｂ）を備え、
それぞれの試料物体（１１２）は、前記自己組織化構造内の前記センサ（１１４Ｂ）の各々に隣接して配置され、
試料（１１２Ａ）に対する測定は、前記それぞれのセンサ（１１４Ｂ）を使用して実施される、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。 - 前記センサアレイの間隔（ａ１，ａ２）は、前記センサアレイの前記間隔（ａ１，ａ２）が前記試料物体（１１２）の物理的寸法（ｄ）に対応するように選択されるか、又は
前記試料物体（１１２）の物理的寸法（ｄ）は、前記試料物体（１１２）の前記物理的寸法（ｄ）が前記センサアレイの間隔（ａ１，ａ２）に対応するように選択される、請求項４に記載の方法（５００，８００）。 - 前記試料物体（１１２）は、前記担体流体中に分散された微小液滴である、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。
- 前記担体流体及び前記微小液滴（１１２）は、エマルジョンを形成し、並びに／又は、前記担体流体及び／若しくは前記微小液滴（１１２）の各々は、前記それぞれの試料（１１２Ａ）の周囲にシェル層（１１２Ｂ）を形成する界面活性剤を含む、請求項６に記載の方法（５００，８００）。
- 前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）は、前記測定ボリューム（１０４）内の前記試料物体（１１２）の動きを制限又は誘導するように構成された境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）を備え、
前記自己組織化構造は、前記試料物体（１１２）と前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）との間の相互作用によって、かつ前記試料物体（１１２）間の表面－表面相互作用によって形成される、請求項１から７のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。 - 前記自己組織化構造において、前記試料物体（１１２）と前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）との間の前記相互作用、及び前記試料物体（１１２）間の前記表面－表面相互作用は、前記試料物体（１１２）の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％が２つ以上の直交方向に沿って移動することを防止する、請求項８に記載の方法（５００，８００）。
- 前記試料物体（１１２）は、円形断面を有し、前記自己組織化構造は、等しい円の最密充填である、請求項１から９のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。
- 前記試料物体（１１２）を含む前記担体流体は、前記測定ボリューム（１０４）と流体連通するマイクロ流体入口流路（２０２）を通して供給され、前記測定ボリューム（１０４）内の前記複数の試料物体（１１２）を制御することは、前記自己組織化構造が形成されるまで、前記入口流路（２０２）を通る前記試料物体（１１２）を含む前記担体流体の流れを維持することを含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。
- 前記それぞれの試料（１１２Ａ）に対して測定を実施する前及び／又は後に、前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）上の試料物体（１１２）の動きを追跡することを更に含む、請求項１から１１のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。
- 前記感知要素（１１５Ａ）は、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、特にダイヤモンド中の窒素空孔中心であり、試料（１１２Ａ）に対して測定を実施することは、
前記自己組織化構造内の前記それぞれの試料物体（１１２）に隣接する感知領域（１１４Ａ）内に配置された固体スピン系（１１５Ａ）に光を照明して、前記感知領域（１１４Ａ）内の前記固体スピン系（１１５Ａ）を光学的に励起することと、
前記感知領域（１１４Ａ）内の前記固体スピン系（１１５Ａ）によって放出された光信号を検出することと、を含む、請求項１から１２のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）。 - 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）を使用して複数の試料（１１２Ａ）を並列してプロービングするためのセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）であって、前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）は、
複数の試料物体（１１２）を含む担体流体を受容するように構成された測定ボリューム（１０４）と、
前記測定ボリューム（１０４）の第１の壁（１０４－Ａ）内に又はそれに隣接して配置されたセンサ（１１４Ｂ）のアレイであって、前記センサアレイは、第１の間隔ａ１を有し、前記センサ（１１４Ｂ）の各々は、１又は複数の感知要素（１１５Ｂ）を備え、前記感知要素の各々は、前記それぞれの感知要素（１１５Ｂ）の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される、センサ（１１４Ｂ）のアレイと、
前記測定ボリューム（１０４）内の前記試料物体（１１２）の動きを制限又は誘導するように構成された２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）と、を備え、
前記２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、前記第１の間隔ａ１に等しい直径ｄを有する円形断面を有する固体物体の最密充填が前記測定ボリューム（１０４）内に配置され、前記固体物体の前記最密充填が前記測定ボリューム（１０４）の前記第１の壁（１０４－Ａ）全体を覆うときに、前記２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）が、それぞれの固体物体が前記センサ（１１４Ｂ）の各々と整列されるように前記固体物体を閉じ込めるように配置される、センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。 - 前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、
前記測定ボリューム（１０４）の側壁（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４）であって、前記側壁（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４）は、前記第１の壁（１０４－Ａ）に対してある角度で延在する、側壁（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４）、
前記測定ボリューム（１０４）の前記第１の壁（１０４－Ａ）から、かつ／又は前記第１の壁（１０４－Ａ）に対向する前記測定ボリューム（１０４）の第２の壁（１０４－Ｂ）から突出する誘導壁（３０２）、及び／又は
前記測定ボリューム（１０４）の前記第１及び／又は第２の壁（１０４－Ａ，１０４－Ｂ）上の親水性及び／又は疎水性コーティング（３１２）のうちの１又は複数を備える、請求項１４に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。 - 前記センサアレイは、各センサ（１１４Ｂ）がそれぞれの単位セルに関連付けられた同一の単位セルのタイリングに対応し、前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）のセグメントは、前記センサアレイの円周に沿って単位セルの縁部と整列される、請求項１４又は１５に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。
- 前記センサアレイの最も外側のセンサの各々は、前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）のうちの少なくとも１つから前記第１の間隔ａ１の半分に対応する距離に配置される、請求項１４から１６のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。
- 前記２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、前記固体物体の前記最密充填において、前記固体物体間の接触及び前記固体物体と前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）との間の接触が、前記固体物体の少なくとも９０％、好ましくは少なくとも９５％が前記第１の壁に平行な平面内で移動することを防止するように配置される、請求項１４から１７のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。
- 前記２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、
- 前記センサアレイは、第１の方向に前記第１の間隔ａ１を有し、第２の方向に第２の間隔ａ２を有する２次元周期アレイである、請求項１４から１９のいずれか一項に記載のセンサチップ（２００，３００，３１０，４０４）。
- 前記アレイ内の前記センサ（１１４Ｂ）は、間隔ａｈを有する六方格子に配置され、前記境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、前記測定ボリュームの第１の対の対向する側壁（１０４－１，１０４－２）と、前記測定ボリューム（１０４）の第２の対の対向する側壁（１０４－３，１０４－４）と、を備え
前記第１の対の側壁（１０４－１，１０４－２）は、第１の距離
前記第２の対の側壁（１０４－３，１０４－４）は、Ｄ２＝（Ｎ２＋１）・ａｈ又は
- 前記担体流体内に試料流体の単分散微小液滴を生成するように構成された液滴生成器（１１０）を更に備える、請求項１４から２１のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０）。
- 前記センサチップ（２００）は、マイクロ流体入口流路（２０２）及びマイクロ流体出口流路（２０４）を備え、前記入口及び出口流路（２０２，２０４）は、前記測定ボリューム（１０４）と流体連通しており、前記センサチップ（２００）は、前記試料物体（１１２）が前記出口流路（２０４）を通って前記測定ボリューム（１０４）から出ることを選択的に防止するための手段（２０６）を更に備える、請求項１４から２２のいずれか一項に記載のセンサチップ（２００）。
- 前記感知要素（１１５Ｂ）は、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、特にダイヤモンド中の窒素空孔中心である、請求項１４から２３のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。
- 前記センサ（１１４Ｂ）の各々と前記測定ボリューム（１０４）に露出された前記第１の壁（１０４－Ａ）の表面との間の距離は、前記第１の間隔ａ１の２倍未満であり、好ましくは前記第１の間隔ａ１未満である、請求項１４から２４のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）。
- 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）を使用して複数の試料（１１２Ａ）を並列プロービングするための感知デバイス（７００）であって、前記感知デバイス（７００）は、
基板（１０２）と、複数の試料物体（１１２）を含む担体流体を受容するように構成された測定ボリューム（１０４）とを含むセンサチップ（２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）であって、前記基板（１０２）は、前記測定ボリューム（１０４）の第１の壁（１０４－Ａ）の中又は下の感知層（１０２Ｃ）に配置された複数の光学的にアドレス指定可能な感知要素（１１５Ａ）を備え、前記感知要素（１１５Ａ）の各々は、前記それぞれの感知要素（１１５Ａ）の近傍の物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成されている、センサチップ（２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）と、
前記感知要素（１１５Ａ）を照明するための照明システム（７０６）と、を備え、
前記センサチップ（２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）は、前記測定ボリューム（１０４）内の前記試料物体（１１２）の運動を制限又は誘導するように構成された２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）を更に備え、前記２つ以上の境界又は誘導構造（１０４－１，１０４－２，１０４－３，１０４－４，３０２，３１２）は、直径ｄの円形断面を有する固体物体が前記測定ボリューム（１０４）内に配置されたときに、前記固体物体が前記測定ボリューム（１０４）の前記第１の壁（１０４－Ａ）全体を覆うように配置され、前記固体物体は、前記固体物体の複数のサブセットがそれぞれ複数の直線のうちのそれぞれ１つに沿って配置される自己組織化構造で配置され、
前記照明システム（７０６）は、複数の照明光ビーム（７１０）を提供するように構成され、前記複数の照明光ビームの各々は、前記自己組織化構造内の前記それぞれのサブセットの前記固体物体に隣接する感知要素（１１５Ａ）を照明するために、前記複数の直線のうちのそれぞれ１つと整列された光路に沿って前記基板（１０２）を通って伝搬する、感知デバイス（７００）。 - 前記照明システム（７０６）は、入射光ビーム（７０８）を前記複数の照明光ビーム（７１０）に分割するように構成されている、請求項２６に記載の感知デバイス（７００）。
- 前記照明光ビーム（７１０）の前記光路は、互いに平行であり、間隔Ａ１によって分離され、
- 前記照明光ビーム（７１０）の前記光路のうちの１又は複数は、前記測定ボリューム（１０４）の前記第１の壁（１０４－Ａ）に対して１０°未満、好ましくは５°未満の角度で前記感知層（１０２Ｃ）を通って延在する、請求項２６から２８のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。
- 前記照明光ビーム（７１０）の前記光路のうちの１又は複数について、前記それぞれの光路に沿って伝搬する光は、前記光路が感知領域（１１４Ａ）において前記感知層（１０２Ｃ）と交差するように、前記感知層（１０２Ｃ）の上の第１の表面（１０４－Ａ，７１６）及び前記感知層（１０２Ｃ）の下の第２の表面（７１８）から順次反射され、前記感知領域（１１４Ａ）の各々は、前記自己組織化構造内の前記固体物体のそれぞれ１つに隣接する、請求項２６から２９のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。
- 前記感知要素（１１５Ａ）は、前記感知層（１０２Ｃ）全体にわたって均一に分布している、請求項２６から３０のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。
- 前記感知要素（１１５Ａ）の各々は、光センサ信号を生成するように構成され、前記感知デバイス（７００）は、
前記感知要素（１１５Ａ）の前記センサ信号の空間分解画像を記録するように構成された感光検出器（４０８）と、
前記自己組織化構造内の前記固体物体の少なくとも一部の各々について、前記空間分解画像内の関心領域（７１０Ｂ）を選択するように構成されたコントローラ（４１２）であって、前記関心領域（７１０Ｂ）は、前記自己組織化構造内の前記それぞれの固体物体に隣接する感知領域（１１４Ａ）から生じるセンサ信号を含む、コントローラ（４１２）と、を更に備える、請求項２６から３１のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。 - 前記感知要素（１１５Ａ）は、光学的にアドレス指定可能な固体スピン系、特にダイヤモンド中の窒素空孔中心である、請求項２６から３２のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。
- 前記センサチップ（２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）を受容するように構成されたマウント（７０６）を更に備え、前記照明システム（７０６）は、前記マウント（７０６）上に配置される、請求項２６から３３のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）。
- 請求項１から１３のいずれか一項に記載の方法（５００，８００）を使用して複数の試料（１１２Ａ）を並列プロービングするための測定システム（４００）であって、前記測定システム（４００）は、
センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）を受容するように構成されたマウント（４０２，７０２）であって、前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）は、基板（１０２）内又は上に配置された感知層（１０２Ｃ）と、前記感知層（１０２Ｃ）に隣接する測定ボリューム（１０４）と、を備え、前記感知層（１０２Ｃ）は、複数の感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）を備え、前記複数の感知要素の各々は、それぞれの感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）の近傍における物理的可観測量を特徴付けるセンサ信号を生成するように構成される、マウント（４０２，７０２）と、
前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）が前記マウント（４０２，７０２）内に配置されたときに、複数の試料物体（１１２）を含む担体流体を前記測定ボリューム（１０４）に供給するように構成されたマイクロ流体ユニット（４０６）と、
前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４，７０４，９００）が前記マウント（４０２，７０２）に配置されたときに前記感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）からセンサ信号を読み出すように構成された測定デバイス（４０８）と、
コントローラ（４１２）と、を備え、
前記コントローラ（４１２）は、
前記マイクロ流体ユニット（４０６）を制御して、前記試料物体（１１２）が前記測定ボリューム（１０４）内で自己組織化構造を形成するように、前記測定ボリューム（１０４）内の複数の試料物体（１１２）を制御することであって、前記自己組織化構造は、前記試料物体（１１２）の配置が前記試料物体（１１２）自体の間の相互作用によって少なくとも部分的に規定される構造である、ことと、
前記測定デバイス（４０８）を制御して前記試料物体（１１２）が前記自己組織化構造内に配置されている間に、前記試料（１１２Ａ）のうちの１又は複数に対して測定を実施することであって、試料（１１２Ａ）に対する測定は、前記自己組織化構造内の前記それぞれの試料物体（１１２）に隣接して配置された１又は複数の感知要素（１１５Ａ，１１５Ｂ）を使用して実施される、ことと、を行うように構成されている、測定システム（４００）。 - 請求項３５に記載の測定システム（４００）、及び
請求項１４から２５のいずれか一項に記載のセンサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）であって、前記測定システム（４００）の前記マウント（４０２）は、前記センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）を受容するように構成される、センサチップ（１００，２００，３００，３１０，４０４）、又は
請求項２６から３４のいずれか一項に記載の感知デバイス（７００）であって、前記測定システム（４００）の前記マウント（４０２，７０２）は、前記感知デバイス（７００）の前記センサチップ（７０４，９００）を受容するように構成される、感知デバイス（７００）を備える、セット。
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