JP4199107B2 - 配列可能な動的３次元アレイ - Google Patents

Description

この出願の全体にわたって、さまざまな文献が参照される。本発明に関する最新の技術を記載するために、これらの文献の開示の全体が本出願において参照によって本願明細書に援用されるものとする。

本発明は、広義にはプローブのアレイに関する。より詳細には、本発明は、基質結合しているか、または基質結合していない、配列可能で動的なプローブのアレイを形成するために複数の光トラップを用いるシステムおよび方法に関する。

今まで、潜在的に反応的なプローブのアレイが、分析および他の化学・生物試験・実験において使用されてきている。例えば、生体物質または化学物質のサンプル（ターゲット）を分析するために、アレイが、遺伝学、生化学および生物学の分野においてしばしば使用される。多くの場合、分析サンプルは、比較的少量しか入手できない。利用可能な材料の量が少ないと言う事によって、小量のサンプル中のターゲットを分析するために、プローブの相対的高密度を小さなアレイ中に提供するのに有用なマイクロアレイが開発されてきた。

生体物質の分析において使用されるマイクロアレイはしばしばバイオチップと称される。バイオチップの主な２つの適用として、特定の核酸（有機体の全ゲノム、単一の遺伝子あるいは単一の遺伝子の一部）についてのシーケンス情報の抽出（特許文献１）と、形質発現の評価とが挙げられる（非特許文献１、非特許文献２、非特許文献３）。

従来のマイクロアレイは、平面状の固体サポート（基質）の表面へ取り付けられ、１次元または２次元のいずれかの構成を有するオリゴヌクレオチド・プローブで構成される。異なる種類のオリゴヌクレオチドが、所定の場所において基質に付着する。従って、一旦マイクロアレイが形成されると、プローブの場所、および従って、このプローブに反応するすべてのターゲットの場所は常に既知である。プローブの取り付けは、インシトゥー・フォトリソグラフィー合成（特許文献２および特許文献３）として公知のプロセスによるオリゴヌクレオチドの基質上への直接の合成、または、合成後のオリゴヌクレオチドの付着のいずれかによって達成される。

このようなマイクロアレイの１つの欠点は、１次元または２次元の構成によって、プローブが取り付けられる表面積が制限され、ターゲットを分析するためのプローブの密度に限界が設定されてしまう。ターゲット（ＤＮＡまたはＤＮＡ断片）とプローブ（固定されたオリゴヌクレオチド）の間のＤＮＡハイブリダイゼーションの場合、ハイブリダイゼーションの割合は、ターゲットがプローブと接触可能となる割合によって制御される。従って、プローブの密度が高くなればなるほど、ハイブリダイゼーションの割合はより高くなる。

このようなマイクロアレイの第２の欠点は、その製作方法から生じる。一旦マイクロアレイが製作されれば、プローブの種類および量が決定されてしまう。

小量のサンプル中のターゲットを分析するための他のアプローチとして、プローブを小さなビード状の基質の表面に添付する、と言う方法がある（カンバラおよびムラニシによって出願中の特許文献４）。異なるプローブを備える各ビードが、個別のラベルによって識別され、これによって、どのビードがどのラベルを有するかを分析後に識別することにより、各プローブおよび結合ターゲットの同定が可能になる（特許文献５を参照）。

ビードとプローブの同一性は、シート内のガイド、毛管、グルーブあるいは穴に取り付けられたプローブを備えるビードを物理的に移動させ、その後、ターゲットを備えたビードを洗浄することにより維持される。ビードが平坦でないという性質によって、マイクロアレイ・プローブと比較すると、ターゲットが反応するためのより大きい面積が提供される一方、同一性を決定するために、どのビードがどのプローブをサポートしていたかについての記録を保持するために、分析中に、所定の順序にビードが保持されていなければならないか、もしくはビード・プローブが回収され、各部ビード・プローブが分析後に検査されなければならない

マイクロアレイおよびビード分析双方の更なる欠点は、基質に対してプローブを物理的に接触させなければいけないということである。いくつかの実例において、この接触は、プローブをその内部およびそれ自体を変化させ、もしくは、分析の際にプローブが使用されるプロセスに影響を及ぼす。他の実例において、最初の分析中または分析後、もしプローブの同一性が分析の全体にわたって知られており、配列の構成が容易に変更することが出来たなら、プローブの量または質の望ましい変化に役立つための情報が得られたかも知れない。しかしながら、このような変更はマイクロアレイまたはビードの分析において不可能である。

無関係な技術において、複数の同時に生成された光ピンセットによって光学的に粒子をトラップする技術が公知である（一般的には、グリアーおよびデュフレーヌに付与された特許文献６を参照のこと）。粒子の比誘電率に基づいて粒子をトラップするために、光ピンセットは光線に勾配力を使用する。エネルギーを最小限にするために、電界が最も高いところで、周囲のメディアより高い比誘電率を有する粒子は、光ピンセットの領域に移動する。

光学上粒子をトラップするために使用し得る他の種類のトラップは、光ボルテックス、光ボトル、光ローテータおよび光ケージを含むが、これらに限定されない。光ボルテックスは、周囲のメディアよりも低い比誘電率の粒子、または反射的な粒子、もしくは光ピンセットによってはじかれてしまう他の種類の粒子を操作するのに有効な０電界の領域を包囲する勾配を生成する。エネルギーを最小限にするために、このような粒子は、電界が最も低い領域、即ち、適切に形成されたレーザ光線の焦点における０電界領域へ移動するであろう。光ボルテックスは、ドーナツの穴（トロイド）のような０電界の領域を提供する。光勾配は放射状に分布し、ドーナツの円周において最も高い電界を有する。光ボルテックスは、ドーナツの穴の中の小さな粒子を拘留する。拘留は、０電界の等電位線に沿って、ボルテックスを小さな粒子上で滑らせることによって遂行される。

光ボトルは、焦点のみに０電界を有し、ボルテックスの端部において、０でない電界が他の全ての方角において焦点を包囲する、と言う点で光ボルテックスと異なっている。光ボトルは、小さ過ぎる、あるいは吸収性が大き過ぎて光ボルテックスまたは光ピンセットでトラップすることの不可能な原子およびナノクラスターのトラップにおいて有用であり得る（非特許文献４）。

光ローテータは、オブジェクトをトラップする螺旋状のアームのパターンを提供する最近記述された光学ツールである（非特許文献５）。このクラスのツールは、非球状粒子を操作したり、ＭＥＭデバイスあるいはナノマシンを操作したりするのに役立ち得る。

光ケージ（ニール、特許文献７）は、光ボルテックスと同様のものを巨大化したものである。光ケージは、周囲のメディアよりも低い比誘電率でトラップするにはあまりにも大きいか反射的な粒子を包囲するための、光ピンセットの時間平均された輪を形成する。しかしながら、ボルテックスと異なり、０電界領域は形成されない。光ボルテックスは、その使用において光ピンセットに類似してはいるが、反対の原理で作動する。

米国特許第６０２５１３６号明細書 米国特許第５８３７８３２号明細書 米国特許第５１４３８５４号明細書 国際公開第００／６１１９８号パンフレット 国際公開第００／７１２４３号パンフレット 米国特許第６０５５１０６号明細書 米国特許第５９３９７１６号明細書 米国特許第５７７６６７４号明細書 シェナ・Ｍ等「相補的ＤＮＡマイクロアレイを備えた形質発現パターンの定量的モニタ」」（サイエンス２７０（５２３５）：４６７−７０；（１９９５年１０月２０日））） Ｄ．Ｊ．およびウィンゼラー・Ｅ．Ａ．「ゲノミクス、形質発現およびＤＮＡアレイ」（ネイチャー４０５（６７８８）：８２７−８３６（２０００）） エキンズ・Ｒ．およびシュー・Ｆ．Ｗ．「マイクロアレイ：その起源と応用」（トレンド・イン・バイオテクノロジー、１７：２１７−１８（１９９９）） Ｊ．アールトおよびＭ．Ｊ．パジェット「より高強度領域に包囲される暗い焦点を有するビームの生成：光ボトル・ビーム」（オプティカルレター、２５， １９１−１９３， ２０００） Ｌ．ピーターソン、Ｍ．Ｐ．マクドナルド、Ｊ．アールト、Ｗ．シベット、Ｐ．Ｅ．ブライアント、および、Ｋ．ドラキア「光学上トラップされた微視的な粒子の抑制された回転」（サイエンス２９２、９１２−９１４、２００１） Ｈｏｌｍｌｉｎ ｅｔ ａｌ．（Ａｎｇｒｅｗ Ｃｈｅｍ Ｉｎｔ Ｅｄ２０００） Ｖｉｓｓｃｈｅｒ ｅｔ ａｌ．（ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｓｅｌｅｃｔｅｄ Ｔｏｐｉｃｓ ｉｎ Ｑｕａｎｔｕｍ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，１９９６）

プローブを基質へ接触させる事無く、プローブとターゲットの相互作用を評価する事の出来る分析方法およびシステムの必要性が存在する。形成および再形成が可能なプローブのアレイを形成する方法およびシステム、および、プローブの位置に関係なく分析全体にわたってプローブの同一性を維持する方法の必要性がさらに存在する。本発明はこれら、および他の必要性を満足し、更なる関連する利点を提供する。

本発明は、プローブの３次元アレイを構築・配列・使用する新規で改良された方法およびシステムを提供する。

光トラップは容器内で生成される。光トラップは、ビームレットを生成するべくその位相をパターン化することによってビームを変化させる光学部材においてレーザ光線のような光線を配光する事により生成される。続いて、ビームレットは、レンズによって集束され、光トラップのために必要な勾配条件を生成する。続いて、特性が既知のプローブが容器に加えられる。所定の分析用のプローブが選択され、次に、光学トラップに包含される事によってそれぞれが選択される。

アレイを形成するプローブの量および質は、プローブを加えるか、廃棄するか、交換するために光トラップを使用することにより、容易に再配列可能である。プローブ相互間の空間的な関係をアレイを構築する為に選択されたプローブの同一性を保ちつつ変化させる事が出来るので、アレイ中のプローブの相互間の配置は動的である。従って、アレイおよび各プローブの双方が３次元で移動する事が可能であり、容器中において、プローブは全体的または別々に位置決めされ、移動され、再配置される事が出来る。

プローブが光トラップ内に包含されている際、それが容器中で再配置されたかどうかに拘わらず、また、アレイ中の空間的な位置の「順番」が変わったかどうかに拘わらず、プローブが包含されている光トラップの同一性を知る事によってプローブの同一性を維持することができる。さらに、１つの光トラップが、プローブを別の光トラップへと渡すことが出来、この際に、プローブの光トラップによる拘束の連鎖を追跡し、これによって、どのプローブが光トラップによって包含されるかの同一性を維持する事が出来る。

本発明の他の特徴および効果は、以下に記載される詳細な説明および添付の図面に部分的に記載され、本発明の好ましい実施形態は、添付の図面と共に以下記載される詳細な説明の考察によって記載され、図示され、そしてその一部が当業者に明らかにされるか、または、本発明の実施によって明らかになり得る。本発明の効果は、添付の特許請求の範囲に特に指摘した手段および組み合わせによって理解され、達成されることが出来る。

本発明の具体的な実施形態は、その原理および運用を例示するために相当に詳細に後述される。しかし、さまざまな修正がなされ得、本発明の範囲は後述する具体的な実施形態に限定されない。例えば、生物システムと分析が遺伝子配列決定とＤＮＡハイブリダイゼーションのために特に言及されている一方で、この方法およびシステムが、光回路の製造および試験、ナノ複合材料の製造および、オプトエレクトロニクスの製造、電子部品の試験、ホログラフィー・データ記憶行列のアセンブリおよび試験、薬品分析、ゲノム分析、プロテオミクス分析、組み合わせ化学の促通、コロイドの自己組織化の促進、非生体物質の調査等の分野に使用される、と言う事が認識されよう。

特定の用語が、便宜と参照のために、本明細書中に使用されるが、下の意味に限定されない。簡潔な定義は以下に提供される。

Ａ、「ビームレット」とは、レーザもしくは発光ダイオードからのコリメートされた出力の様な光線または他のエネルギー源を、２つ以上のサブビームに回折させるメディアを貫通させる事によって生成される光のサブビームまたは他のエネルギー源の事を言及する。ビームレットの例として、格子によって回折された高次のレーザ光線が挙げられよう。

Ｂ、「位相プロファイル」とは、ビームまたはビームレットの断面における光もしくは他のエネルギー源の位相の事を言及する。

Ｃ、「位相パタニング」とは、回折、位相変調、モード形成、分割、集束、分岐、形成、さもなければビームまたはビームレットを操作する他の方法を含む、位相プロファイルを変化させる光のビームまたはビームレットに与えられるパターン化された移相の事を言及する。ビームまたはビームレットを操作する方法は、上記のものに限定されない。

Ｄ、「プローブ」とは、ターゲットと選択的に結合もしくは反応する生体物質、または他の化学物質の事を言及する。プローブは、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、化合物、タンパク質、ペプチド、脂質、多糖類、リガンド、細胞、抗体、抗原、細胞の細胞小器官、脂質、割球、細胞の集合体、微生物、相補ＤＮＡ、ＲＮＡ等を含むが、これに限定されるものではない。

Ｅ．「ターゲット」とは、ターゲットをプローブと結合または反応させる事によって、サンプル中の存在あるいは欠如が検知される生体物質または他の化学物質の事を言及する。例えば、遺伝物質から形成されたターゲットの存在は、ターゲットの遺伝物質と、特定の特性を有する、即ち、ハイブリダイゼーションに必要な相補的構造を有するプローブの遺伝物質とのハイブリダイゼーション反応のような反応によって検知される。ターゲット材料もまた、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、化合物、タンパク質、脂質、多糖類、リガンド、細胞、抗体、抗原、細胞の細胞小器官、脂質、割球、細胞の集合体、微生物、相補ＤＮＡ、ＲＮＡ等を含むが、これに限定されるものではない。

図１に示されるように、プローブ５００〜５０４は、任意の適切な結合プロセスあるいはプロトコルによって、任意の適切な基質と結合または反応して良い。適切な基質の重要な特徴は、それが光トラップに包含され、光トラップによって走査される材料である、という事である。代表的な誘電性の基質は、ビード、不規則な小さな粒子、または他の規則的な小さな粒子を含む。適切な基質は、ＣＰＧ、セラミックス、シリカ、二酸化チタン、ラテックス、ポリスチレン、メチルスチレン、ポリメタクリル酸メチル、常磁性体、トリゾル（thorisol）、グラファイト、テフロン、セファロースのような交差結合デキストラン、セルロース、ナイロン、交差結合ミセル、リポソームおよび膜胞のようなプラスチックを含む材料から製造されるが、材料はこれらのものに制限されない。

図２に例証された他の実施形態に示されるように、本発明の方法は、基質と結合されていない１つまたはそれ以上のプローブ５０５（そのうちの１つが図示されている）を備えるために、１またはそれ以上の光トラップ１００５（そのうちの１つが図示されている）を使用するステップを更に含む。配列可能なアレイは、結合されたプローブのみ、結合されていないプローブのみ、または、結合されたプローブと結合されていないプローブの組み合わせを含み得る、という事が理解されるべきである。結合および非結合プローブが組み合わされる場合、結合および非結合プローブのどのような組み合わせを取るかについての選択は、プローブの物理的性質によって一部影響を受け得る。特に、スキン細胞のようなある種のプローブの特性は、基質へ接触する事無く変化し得る。反対に、基質を除去してプローブ／タンパク質の三次構造を維持することにより、タンパク質のような他のプローブの作用が一層よく貢献し得る。

図１は、生体物質の分析のための、基質結合プローブ５００〜５０４の配列可能なアレイ８を示す。プローブは、焦点の合わせられたビームレット２０００〜２００４から構築された移動可能な光トラップ１０００〜１００４を使用して、被験セル１０内に形成される。被験セル１０は、略透明な材料によって製作された容器であり、ビームレットが貫通する事を可能にし、光トラップの形成を妨害しない。

図３は、配列可能なプローブのアレイの位置を生成し、変化させるシステム２０の概観を示す。移動可能な光トラップ１０００〜１００４（図１）は、コリメート光、好ましくはレーザ１０２で生成されたレーザビーム１００を、ビームスプリッタ３０の領域Ａ’まで通過させる事によって、容器１０内で生成される。複数のビームのうちの１つ（ビーム３１）は、レーザ１０２から放射され、ビームスプリッタ３１の領域Ａ´から位相パタニング光学部材２２上の領域Ａに進むように方向転換される。そのとき位相パタニング光学部材２２によって生成された各ビームレットは、集束レンズ１２のバック・アパーチャ２８において領域Ｂを貫通する。ビームレットは集束レンズ１２によって集束される。集束されたビームレットは、三次元プローブを包含して操作するのに必要な勾配条件を生成することによって、光トラップ１０００〜１００４を形成する。明瞭性を保つため、５組のプローブ、ビームレットおよび光トラップのみが図１において示されるが、分析の性質、範囲および他のパラメータ、および、光トラップを生成するシステムの能力に応じて、これよりも多いまたは少ない数を取る事も出来る、という事が理解されるべきである。

任意の適切なレーザが、レーザビーム１００の光源として使用することが出来る。有用なレーザは、固体レーザ、ダイオード励起レーザ、気体レーザ、色素レーザ、アレキサンドライト・レーザー、自由電子レーザ、ＶＣＳＥＬレーザ、ダイオードレーザー、チタンサファイアレーザ、ドープしたＹＡＧレーザ、ドープしたＹＬＦレーザ、ダイオード励起ＹＡＧレーザおよびフラッシュランプ励起ＹＡＧレーザを含んでいる。１０ｍＷ〜５Ｗにおいて作動するダイオード励起Ｎｄ：ＹＡＧレーザが好ましい。生体物質の調査のためのアレイを形成するために使用されるレーザビーム１００の好適な波長は、最も好適である約４００ｎｍ〜約１０６０ｎｍまでの波長の、赤外線、近赤外線、赤色、緑色、青色の可視光線の波長を含む。

ビームスプリッタ３０は、ダイクロイックミラー、光子バンドギャップ・ミラー、全方向性のミラー、あるいは他の同様のデバイスから製造される。ビームスプリッタ３０は、選択的に、光トラップを形成するために用いられる光の波長を反射し、他の波長を通過させる。その後、ビームスプリッタの領域Ａ’で反射された光の一部分は、集束レンズ１２の平坦なバック・アパーチャ２８と隣接する平面２４内に実質的に配置されるコード化された位相パタニング光学部材２２の領域Ａを貫通する。

レーザビーム１００が位相パタニング光学部材２２によって配向される場合、位相パタニング光学部材は、変更された位相プロファイルを有する複数のビームレットを生成する。所望の光トラップの数および種類によって、この変更は、回折、波頭の波形整形、移相、ステアリング、分岐、および、および集束を含んでいて良い。選択された位相プロファイルに基づいて、位相パタニング光学部材は、光ピンセット、光ボルテックス、光ボトル、光ローテータ、光ケージ、およびこれらの２つ以上の組み合わせの形を取る光トラップを生成するために使用することが出来る。

ビームレットの位相プロファイルが辺縁部においてはそれほど強くなく、辺縁部から内部領域へ向かうにつれてより強くなるという実施形態において、バック・アパーチャ２８の約１５パーセント未満の過充填は、過充填の無いバック・アパーチャ２８によって形成された光トラップと比較して、光トラップの辺縁部においてより大きな強度で光トラップを形成するのに有用である。

適切な位相パタニング光学部材は、集束した光線または他のエネルギー源をどのように配向させるかによって、透過的であるか反射的であるか特徴付けられる。透過性回折光学部材は光線または他のエネルギー源を伝達するが、反射性回折光学部材はビームを反射する。

位相パタニング光学部材も、静的あるいは動的な表面を有するものとして分類することができる。適切な静的位相パタニング光学部材の例は、回折格子、反射型格子および透過型格子を含む格子、多色のホログラムを含むホログラム、ステンシル、光を整形するホログラフィー・フィルタ、多色のホログラム、レンズ、ミラー、プリズム、波長板およびその他同種のもののような１つ以上の固定表面領域を備えたものを含む。静的な透過性位相パタニング光学部材４０は、図４に示されるように、固定表面４１によって特徴づけられる。しかしながら、いくつかの実施形態において、位相パタニング光学部材はそれ自身移動可能であり、適切な領域を選択するために位相パタニング光学部材をレーザ光線に対して移動させることにより、固定表面領域４２〜４６の１つ以上を選択する事が可能になる。静的な位相パタニング光学部材はスピンドル４７に取り付けられ、制御された電動機（示されない）によって回転させられて良い。図４に示される実施形態中における静的な位相パタニング光学部材は、固定表面４１および個別領域４２〜４６を備える。透過的または反射的な静的位相パタニング光学部材の他の実施形態において、固定表面４１は、略連続的に変化する領域を含む同質でない表面、または、個別領域と略連続的に変化する領域の組み合わせを有する。

その機能に対して時間依存的な様相を呈する適切な動的な位相パタニング光学部材の例は、コンピュータによって生成された回折パターン、移相材料、ピストン・モードのマイクロミラー・アレイを含む液晶移相アレイ、空間光変調器、電気光学偏向器、音響光学モジュレータ、変形可能なミラー、反射性のあるＭＥＭＳアレイおよび同種のものを含む。動的な位相パタニング光学部材において、位相パタニング光学部材を含むメディアはホログラムをコード化し、ホログラムは、集束した光線にパターン化した移相を与えるために変化し得、回折または集束のような、集束した光線の位相プロファイルの対応する変化をもたらす。さらに、光トラップの位置を変化させるために、メディアを変化させる事が出来る。これが、動的な位相パタニング光学部材の利点であり、メディアは、光トラップのそれぞれを別々に移動させるために変化させる事が出来る。

好適な動的な光学部材は、日本の浜松ホトニクス社によって製造された「ＰＡＬ−ＳＬＭシリーズのＸ７６６５」、または、コロラド州ラファイエットのボールダー・ノンリニア・システムズ社によって製造された「ＳＬＭ５１２Ｎ１５」および「ＳＬＭ５１２ＳＡ７」のような平行配向空間光変調器を含む。これらの位相パタニング光学部材は、ビームレットを生成し、かつビームレットの形式を選択するために変化可能なメディア中のコード化されたホログラムによってビームレット２０００〜２００４（図１）を生成するべく制御されたコンピュータである。

いくつかの実施形態において、アレイを形成するための光トラップの形式および（または）光トラップの位置が変化し、配列、再配列が可能となる。この形式は、そのオリジナルの形式から、光ピンセット、光ボルテックス、光ボトル、光ローテータまたは光ケージの形式に変更することが出来る。

さらに、位相パタニング光学部材は、例えば、ガウシアンモードからガウス−ラゲールモードへの変換によって、特定の位相幾何学のモードをレーザ光に与えるのに有用である。従って、あるビームレットがガウス−ラゲールモードで生成され、他のビームレットがガウスモードで生成されて良い。

プローブは容器１０内に形成される。容器１０は、実質的に透明な材料で製作された被験セルであり、ビームレットが貫通する事が可能で、光トラップの形成の妨げにならない。基質が波長に特有の染料で標識付けされるようなこれらの実施形態において、被験セルは特定の波長に対して透明あるべきである。更に、被験セルは、基質にたいして不活性な材料からから造られるべきである。例えば、細胞、タンパク質およびＤＮＡのような生体基質は被験セルの表面に貼り付くべきでは無く、セル材料によって変化したり破壊されたりしてはならない。

所望のターゲットと結合および（または）反応するために必要な特定の特性を有するプローブは、容器内への追加、および配列可能なアレイ中への包含のために選ばれる。実施形態のうちのいくつかにおいて、プローブが基質に結合される場合、プローブの選択を促進するために、基質は波長に特有の染料のようなトレーサで標識付けされる。好適な実施形態において、同じ結合あるいは反応特性を有する全ての基質結合プローブが、同じ種類のトレーサで標識付けされる。基質が波長に特有のトレーサで標識付けされる場合、プローブ５００〜５０４の選択は、標識付けられた基質と結合したプローブを容器１０に追加する事により遂行可能である。その後、図３に示されるように、プローブの標識付けられた基質のスペクトルの測定が、アレイ中に含まれるべきプローブを選択する（あるいは選択しない）ために使用することが出来る。いくつかの実施形態（図２）において、プローブは基質に結合されず、かつ標識付けられていて良い。

アレイの全部または一部を形成するために標識付けられていないプローブが選ばれる実施形態において、プローブは連続する順番で容器１０に加えられる事が出来る。このような場合において、プローブの同一性は装填の順番によって知られる。即ち、プローブの同一性は、プローブが加えられた時間に基づいて知る事が出来る。あるいは、相互に異なる結合または反応特性を有するプローブは、特性の差異に基づいて、別々の所定の場所へ分離することが出来る。その後、プローブは容器内の位置に基づいて選択される。

図３に見られるように、生体物質のサンプルの分光法は、分光法あるいは偏光後方散乱のいずれかにふさわしい画像化光源３９で遂行することができる。前者は、化学的な同一性を評価するのに有用であり、後者は、核のサイズの様な、内部構造の寸法を計測するのに適している。いくつかの実施形態において、このような分光法的方法を使用して、細胞が取り出され、プローブのアレイは選択されて取り出された細胞から作成される。例えば、コンピュータ３８は、スペクトルのデータを解析し、癌細胞と疑われる細胞、前癌状態の細胞、および（または）非癌細胞を識別するために使用することができる。その後、コンピュータは、選択された細胞の種類を光トラップが包含するべく命令するために、この情報を適用することができる。その後、包含される細胞は、他の細胞、抗体、抗原、または他の生体物質、あるいは薬品および他の化学製品のようなターゲットとの反応または結合に基づいて、分析プローブとして使用されて良い。がん細胞に特有のパラメータに基づいて細胞を探索・集結させるために用いられる本方法が、本発明の範囲から逸脱する事無く、割球、セルあるいは他の資料を探索および（または）集結させるべく用いられるために変更され得る事が、当業者にとって認識されるであろう。

他の実施形態において、標識付けられたプローブ、または、異なる結合または反応特性を有する標識付けられていないプローブの様な標識付けられていないプローブが、容器１０中に配置された一列のサブセル１６内に配置されて良い。図１において、明瞭性を保つために、１つのサブセルのみが示される。しかしながら、複数のこのようなサブセルが提供される、ということが理解されるべきである。いくつかの実施形態において、サブセルの境界は光トラップで構築される。正しい方向に配置された多くの光トラップが、物理的なサブセル１６と同じ機能を行なうことが出来る光学的サブセルを生成する。

サブセル１６内のプローブの配置は、光トラップによる、またはフロー・チャネルによる、またはマイクロ・キャピラリによる、または他の同様のメカニズムによる動作を含む任意の適切な手段によって行われる。各サブセル内には、同じ結合または反応特性を有する１つ以上のプローブが配置される。その後、アレイに配置するべきプローブの選択は、そのプローブが含まれているサブセルに基づいて行われる。

その後、光トラップ１０００〜１００４は、光トラップ１０００〜１００４内にプローブを包含することによって、選択されたプローブ５００〜５０４をトラップするために使用される。このような包含されるプローブ群が、アレイを形成するために形成される。

本発明の方法およびシステムは、各光トラップの動作およびその内容物を追跡するための半自動または自動プロセスに適している。この動作は、ビデオカメラ、スペクトルあるいは光データ・ストリームによって監視することが出来、これらは、プローブの選択、および、光トラップに包含されるプローブの種類とアレイを形成するプローブの組成を調節するのに有用な光トラップ情報の生成のコンピュータによる制御を提供する。他の実施形態において、この動作は、位相パタニング光学部材のコード化により引き起こされる各光トラップの所定の動作に基づいて追跡される。さらに、いくつかの実施形態において、コンピュータは、各光トラップに包含される各プローブの記録を維持するために使用される。

ビームスプリッタ３０を再び参照して、ビームスプリッタ３０は、被験セル１０を貫通して光トラップに包含されるプローブの位置と場所から導出される１つ以上のビームレットの位置に対応する光データ・ストリームを形成する画像化光源３９からの光線３２を提供する。

その後、光データ・ストリームは観察されるか、映像信号に変換されるか、監視されるか、あるいはオペレータ３６、分光器３４ｂおよび（または）ビデオモニタ３４ｃによる外観検査３４ａによって解析される。光データ・ストリーム３２は、強度を監視するための光検知器３４ｄ、あるいはコンピュータ３８による使用のために光データ・ストリームをデジタル・データ・ストリームに変換する任意の好適な装置によって処理される。

アレイを構築するために、オペレータ３６および（または）コンピュータ３８は、選択されたプローブを得て、かつそれをトラップする各光トラップの動作を命令するために位相パタニング光学部材２２によってコード化されたホログラムを調節するであろう。プローブを包含する複数の光トラップが、ユーザーの必要に依存してプローブの組成および位置に関して再構成され得る配列可能なアレイの組成を形成する。光データ・ストリームを用いて、トラップされた１つ以上のプローブの位置が識別され得、これらの位置が監視される。いくつかの実施形態のそれぞれにおいて、このような情報に基づいて、プローブを包含する１つ以上の光トラップの形状を変更するために、位相パタニング光学部材の表面を変化させることができる。

さらに、アレイ中でトラップされた１つ以上のプローブの位置は、プローブを包含する光トラップの位置を監視することによって追跡することが出来る。その後、このような情報を使用して、アレイ中の任意のプローブが、位相パタニング光学部材の表面の変更によって被験セル内に別々に再配置されて良く、また、各プローブの同一性は、光トラップがどこでプローブの位置を決めるかに関係なく、プローブが包含される光トラップによって記憶される。

好ましい実施形態において、プローブがトラップされる前および後に、コンピュータ３８が光トラップの動作を制御する。他の実施形態において、光データ・ストリームは、まず映像信号に変換され、その後アレイに対応するイメージを生成するために使用され、また、オペレータは、少なくとも１つの光トラップの動作をイメージに基づいて制御するためにイメージを見る。

図１および図３を参照して、分析を行なうために、第１のターゲットＴ１〜Ｔ５のバッチが流体培地３０００を内部に含む被験セル１０に入口１４から加えられる。プローブ５００〜５０４のアレイは、光トラップ１０００〜１００４による封じ込めによって培地３０００中に保留される。ターゲットＴ１〜Ｔ５との相互作用の機会を増加させるために、プローブが、光トラップの動作に対応して、被験セルに対して移動されても良い。

例えば、一実施形態において、プローブ５００〜５０４は、ターゲットＴ１〜Ｔ５を含む培地３０００内を転がされる。プローブを物理的にではなく光学的に包含している事によって、被験セル１０内においてプローブを移動させることによって、各ターゲットとプローブとの相互作用の機会が増加し、従って、分析の速度と効率が向上する。

複数の光トラップを連続して生成することによるプローブ５００〜５０２のアレイの動作が、図５に示される。図５（ａ）に示される実施形態では、第１の所定位置を表わすラインＰ１に沿って形成されるプローブのアレイの単純な直線運動が示される。動作は、光トラップの第１の所定位置から第２、第３および第４の位置までプローブを転送することにより遂行される。図４をさらに参照して、第１の光トラップの第１の群は、位相パタニング光学部材４０の第１領域４２にレーザ光線を配向することによって生成される。第１の領域４２から放射されたビームレットが集束レンズを通過する時、ビームレットは、プローブ５００〜５０３を含む第１の位置Ｐ１で第１の光トラップ群を形成する。

第１の位置Ｐ１から第２の位置Ｐ２にプローブ５００〜５０２を移動させるために、第２の所定位置Ｐ２に対応する第２の光トラップ群を生成する第２領域４３とレーザ光線とを整列させるために、静的な位相パタニング光学部材４０がスピンドル４７のまわりで回転する。第１の位置Ｐ１の十分近傍に第２の光トラップ群を構築することによって、プローブは、第１の光トラップ群から第２の光トラップ群まで移動される事が出来る。所望の位置Ｐ１〜Ｐ５に対応して適切な領域４２〜４６を整列させるべく位相パタニング光学部材を回転させる事によって、シーケンスはプローブを、第２の所定位置Ｐ２から第３の所定位置Ｐ３まで、第３の所定位置Ｐ３から第４の所定位置Ｐ４まで、そして第４の所定位置Ｐ４から第５の所定位置Ｐ５まで連続的に移動させて良い。一組の光学トラップの終了時刻と次の組の光学トラップの開始時刻の時間間隔は、プローブが、ドリフトして脱落する事無く次の組の光学トラップに移動し得る事を保証する時間間隔であるべきである。

プローブのこのような動作は、培地内をプローブが転がる機会を増加させるのに有用であり、これによって、培地内のターゲットをプローブと相互作用させる機会が増える。この種の単純な運動は、さらに、サブセル１６（図１）から被験セル１０内の別の領域に移動させたり、あるいはサブセル１６からプローブを分離したりすることにおいて有用であり得る。

図５（ｂ）に示された実施形態において、広い間隔から狭い間隔へのプローブの千鳥足状の動作を示す。プローブの千鳥足状の動作は、図５（ａ）に関して記述されるのと同様の方法によって生じる。しかしながら、第１の領域４２は、ラインＰ１に沿って形成された２つのプローブ５００および５０２と、２つのプローブの中間ではあるがラインＰ１からは離間しているＰ２に位置する第３のプローブ５０１を備える、千鳥足状の光トラップ群を生成する。プローブが千鳥足状に配置されていることによって、プローブが第１の光トラップ群から第２の光トラップ群まで動き出し、第２のおよび後続の位置まで移動するにつれて、プローブが稠密に充填され得る一方で、トラップ群が２つのプローブへ同時に接近しすぎる事が回避され、プローブが誤った光トラップに包含される事を防止する。

一旦ターゲットがプローブと相互に作用したならば、ターゲットを調査するためにスペクトル法を使用し得る。陽性の結果（即ち、プローブがターゲットと反応するか結合する）を有するプローブのスペクトルは、非弾性分光法あるいは偏光後方散乱のいずれかに好適な画像化光源３９の使用により得ることができる。コンピュータ３８は、所望のターゲットを識別し、かつそれらの所望のターゲットを分離するように位相パタニング光学部材に命令するべく、スペクトルのデータを解析することが出来る。スペクトルデータに基づいてターゲットを分離するために用いられる方法が、本発明の範囲から逸脱する事無く、ターゲット、および（または）光データ・ストリームから得られた他の情報に基づいてターゲットを識別および（または）分離するために用いられるように変更され得る事が、当業者にとって認識されるであろう。

分析が終了した後、どのプローブを廃棄し、どのプローブを収集するかについての選択が、コンピュータ３８および（または）オペレータ３６によってなされる。アレイは再配列可能なので、所定の光トラップおよびそれに包含されるプローブが選択的に動く事が出来る。ある場合において、培地３０００および非結合ターゲットは、出口１８を経由して被験セル１０から取り除かれるか洗い流され、分析が終了する。他の場合において、少なくとも光トラップにまだ包含されているプローブのうちのいくつかは、さらに分析を行なうために追加のターゲットとともに再使用される。この技術は、分析のパラメータに依存して、陽性または陰性と試験されたプローブの場合には有用になり得る。更に別の場合、プローブのアレイは、アレイを形成するプローブの量および特性に応じて再配列可能なので、光トラップは、非結合のプローブを廃棄し、かつ更なる実験のための追加のプローブを得るために使用することが出来る。

いくつかの実施形態においては、静的にビームを変化させる光学部材４０の各領域からビームレットを生成したり、静的にビームを変化させる光学部材４０を所定の位置に移動させたりする必要は無い。その代わりに、領域の順序の変更によって、光トラップ群の場所が変更されるであろう。

光トラップ５０の形成のためのコンパクトなシステムの立面図が、図６（ａ）に示される。位相パタニング光学部材５１は、日本の浜松ホトニクス社によって製造された「ＰＡＬ−ＳＬＭシリーズのＸ７６６５」、または、コロラド州ラファイエットのボールダー・ノンリニア・システムズ社によって製造された「ＳＬＭ５１２ＳＡ７」および「ＳＬＭ ５１２ＳＡ１５」のような、反射的かつ動的な表面を備えた平行配向空間光変調器である動的な光学部材である。

図６（ａ）は光トラップの形成のためのコンパクトなシステムを示す。光学部材５１は、ハウジング５２と整列するか接続され、そこを貫通して第１光チャネル５３ａが提供される。第１光チャネルの一端５３ｂは光学部材５１のすぐ近傍にあり、第１光チャネルの他端５３ｃが、直交する第２光チャネル５３ｄと交差し連絡している。第２光チャネルは、顕微鏡レンズを取り付けるターレット、即ち「レボルバー」５４ｂのベース５４ａ内に形成される。レボルバー５４ｂは、ニコン社製のＴＥ２００型顕微鏡（図示されない）に装着されるようになされる。第２光チャネルは、第２の光チャネルと直交する第３光チャネル５５ａと更に連絡している。第３光チャネル５５ａは、レボルバー５４ｂの上面からレボルバーのベース５４ａまで横断し、また対物レンズ集束レンズ５６と平行である。集束レンズはバック・アパーチャ５７を形成する形成する頂部および底部を備える。ダイクロイックミラー・ビームスプリッタ５８が、第２光チャネルと集束レンズのバック・アパーチャ５７の間で、第３の光チャネル内に置かれる。光トラップ５０を形成するためのコンパクトなシステム内の他の構成要素は、位相パタニング光学部材から第１光チャネルまで放射するビームレットを反射する第１ミラーＭ１と、第１ミラーＭ１によって反射されたビームレットを受けるために整列され、第１光チャネル内に配置された第１伝送光学系ＴＯ１と、第１伝送レンズＴＯ１を通り抜けるビームレットを受けるために整列され、第１光チャネル内に配置された第２伝送光学系ＴＯ２と、第２転送光学系ＴＯ２および第３光チャネル５５ａを通り抜けるビームレットを反射するために整列され、第１光チャネルおよび第２光チャネルの交点に位置する第２ミラーＭ２とを備える。

光トラップを生成するために、レーザ光線（図示されない）がコリメーター端１５１の外部の光学系１５０を通して配向され、光学部材５１の動的な表面５９によって反射される。光ファイバ１５０のコリメーター端１５１を励起する光線（図示されない）は、光学部材５１の動的な表面５９によって、複数のビームレット（図示されない）へと回折される。各ビームレットの数、種類、および方向は、動的な表面５９のメディア中でコード化されたホログラムの変更により制御・変更可能である。その後、ビームレットは、第１ミラーＭ１で反射され、第１伝送光学系ＴＯ１を通って第１光チャネル５３ａを下り、第２伝送光学系ＴＯ２を通って第２ミラーＭ２へ到達し、ダイクロイックミラー５８によって対物レンズ５６のバック・アパーチャ５７まで配向され、対物レンズ５６によって集束され、そこで光トラップを形成するのに必要な光勾配が生成される。ダイクロイックミラー５８を貫通して分離する、画像化のための光の一部が第３光チャネル５５ｂのより低い部分を貫通し、光データ・ストリーム（図示されない）を形成する。

ビームレットの位相プロファイルが辺縁部においてはそれほど強くなく、辺縁部から内部領域へ向かうにつれてより強くなるという実施形態において、バック・アパーチャ５７の約１５パーセント未満の過充填は、過充填の無いバック・アパーチャ５７によって形成された光トラップと比較して、光トラップの辺縁部においてより大きな強度で光トラップを形成するのに有用である。

光トラップ５０を形成するためのコンパクトなシステムがマウントされたニコン社製ＴＥ２００型顕微鏡６０の立面図が図６（ｂ）に示される。ハウジング５２に取り付けられたレボルバー５４が、レボルバー５４ａおよび５４ｂのためのマウント（図示されない）によって顕微鏡に直接取り付けられる。ハウジングおよびその中身および取り付けられた光学部材５１がレボルバー５４ａおよび５４ｂに固定され、顕微鏡の残りの部分には変更がほとんど必要でないか、全く必要でない。画像化のために、光源６１が対物レンズ５６の上部に提供されて良い。

第１伝送光学系ＴＯ１および第２伝送光学系ＴＯ２は、それぞれが２つのレンズ部材を含んで図示されている。レンズは凸レンズまたは凹レンズのいずれかであって良い。第１ミラーＭ１から第２ミラーＭ２までのイメージ転送を達成するために、空気によって離間された対称な一重線、空気によって離間された対称な二重線、および（または）追加のレンズまたはレンズ群のような、別々の異なる種類や数のレンズが選択され得る。いくつかの実施形態において、第１および第２伝送光学系は空気によって離間された二重線であり、望遠レンズとしても機能させるために少し離間している。

本願明細書に関する本発明の範囲内において、特定の修正が上記のシステム装置および方法に対してなされ得るので、添付の図面および明細書に示すように、上記の記載に含まれる全ての事項が例証として解釈される事を意図しており、制限する事を意図していない。

配列可能なプローブのアレイを形成するシステムの一部を切り欠いた側面図である。 光トラップ内に包含される自由プローブを示す図である。 プローブのアレイの形成のためのシステムの概観を示す。 複数の静的な領域を備えるビーム変化部材を示す。 （ａ）は、プローブの第１の動作を示し、（ｂ）は、プローブの第２の動作を示す。 （ａ）は、光トラップを形成するためのコンパクトなシステムの構成図である。 （ｂ）は、図６（ａ）のコンパクトなシステムが接続される倒立顕微鏡を示す。

符号の説明

８...配列可能なアレイ、
１０...被験セル（容器）、
１２...集束レンズ、
１４...入口
１６...サブセル
１８...出口
２２...位相パタニング光学部材、
２８...バック・アパーチャ、
１００...レーザビーム、
１０２...レーザ、
５００〜５０４...基質結合プローブ、
２０００〜２００４...ビームレット、
１０００〜１００４...光トラップ、

Claims (10)

1. プローブを配列し、及び追跡する方法であって、
   容器内に少なくとも二つの移動可能な光トラップを生成し、
   前記容器内に少なくとも二つのプローブを設け、
   前記光トラップ内に包含されるプローブアレイへ含有するものとして、少なくとも二つのプローブを選択し、
   当該選択された各プローブを前記光トラップの一つにトラッピングして、前記光トラップ内に包含されるプローブアレイを配列し、
   生体物質を含む少なくとも一つのターゲットを前記容器内へ導入し、
   トラップされたプローブのそれぞれと各ターゲットとの反応の有無を判定することを含む方法。
2. プローブを配列し、及び追跡する方法であって、
   容器内に少なくとも二つの移動可能な光トラップを生成し、
   前記容器内に少なくとも二つのプローブを設け、
   前記光トラップ内に包含されるプローブアレイへ含有するものとして、少なくとも二つのプローブを選択し、
   当該選択された各プローブを空間光変調器を用いて前記光トラップの一つにトラッピングして、前記容器内において前記光トラップ内に包含されるプローブアレイを３次元に配列し、
   当該トラップされた前記プローブを包含する前記光トラップの位置をコンピュータを用いてモニターすることで、３次元の前記アレイにおける少なくとも一つのトラップされたプローブの位置を追跡することを特徴とする方法。
3. 前記トラップされたプローブは化合物であることを特徴とする請求項２の方法。
4. 前記トラップされたプローブは、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、タンパク質、多糖類、リガンド、細胞、抗体、抗原、細胞質の細胞器官、脂質、割球、細胞の集合体、微生物、ペプチド、相補ＤＮＡ、ＲＮＡあるいはそれらの組合せであることを特徴とする請求項２の方法。
5. 生体物質を分析する方法であって、
   容器内に少なくとも二つの移動可能な光トラップを生成し、
   前記容器内に流体培地を設け、
   前記流体培地内に少なくとも二つの生体物質用プローブを設け、
   アレイへ含有するものとして、少なくとも二つのプローブを選択し、
   当該選択された各プローブを前記光トラップの一つにトラッピングし、
   前記生体物質を含む少なくとも一つのターゲットを前記容器内へ導入し、
   トラップされたプローブのそれぞれと各ターゲットとの反応の有無を判定することを含むことを特徴とする方法。
6. 前記トラップされたプローブは、オリゴヌクレオチド、ポリヌクレオチド、タンパク質、多糖類、リガンド、細胞、抗体、抗原、細胞質の細胞器官、脂質、割球、細胞の集合体、微生物、ペプチド、相補ＤＮＡ、ＲＮＡあるいはそれらの組合せであることを特徴とする請求項５の方法。
7. プローブを含有する光トラップを形成し且つ追跡するためのシステムであって、
   光の集束ビームを生成するための光源と、
   略透明な容器と、
   前記容器の内容物を照射する光のビームを生成するための画像化光源と、
   指向用のビームスプリッタと、
   前記光源から発せられる光の集束ビームを受光し且つ少なくとも二つのビームレットに回折し、集束レンズのバック・アパーチャに前記ビームレットそれぞれを指向させるための表面を有する位相パタニング光学部材であり、前記表面は前記ビームレットの少なくとも一つの位相形状且つ/または配向を変化するように変化され、プローブを包含するための光トラップを形成するために、前記集束レンズはそれぞれの前記ビームレットを収束させること特徴とする、位相パタニング光学部材と、
   前記容器の内容物を照射する光のビームを受光し且つ少なくとも一つの光トラップの動作及び内容物を追跡するためのコンピュータおよびモニタと
   を有し、
   前記コンピュータが、生体物質を含む少なくとも一つのターゲットと、前記プローブとの反応の有無を追跡し、判定するシステム。
8. トラップされたプローブの動作は、位相パタニング光学部を符号化することにより起こる光トラップそれぞれの所定の動作に基づき、追跡されることを特徴とする請求項３の方法。
9. 前記位相パタニング光学部材は、格子、ホログラム、ステンシル、光形成ホログラフフィルタ、レンズ、ミラー、プリズムまたは波長板から成るグループから選択されることを特徴とする請求項７のシステム。
10. 光トラップのアレイを形成するための装置であって、
    光の集束ビームを生成するための光源と、
    上部及び底部を有する集束レンズであって、前記底部はバック・アパーチャを形成することを特徴とする集束レンズと
    前記光源から発せられる光の集束ビームを受光し且つ少なくとも二つのビームレットに回折し、集束レンズのバック・アパーチャに前記ビームレットそれぞれを指向させるための表面を有する位相パタニング光学部材と
    第一端、及び第二端を有する第一光チャンネルであって、前記第一端が前記位相パタニング光学部材と通信することを特徴とする第一光チャンネルと、
    第一端、及び第二端を有する第二光チャンネルとであって、当該第一端が前記第一光チャンネルの第二端に交差することを特徴とする第二光チャンネルと、
    第一端、及び第二端を有する第三光チャンネルとであって、当該第一端が前記第二光チャンネルの第二端と通信する第三光チャンネルと、
    前記第一光チャンネルを介して前記位相パタニング光学部材から発せられる前記ビームレットを反射するための第一ミラーと、
    前記第一光チャンネル内に配設された搬送オプティクスの第一セットであって、前記第一ミラーにより反射された前記ビームレットを受けるように整列されることを特徴とする搬送オプティクスの第一セットと、
    前記第一光チャンネル内に配設された搬送オプティクスの第二セットであって、搬送レンズの第一セットを通過する前記ビームレットを受けるように整列されることを特徴とする搬送オプティクスの第二セットと、
    前記第一光チャンネルと前記第二光チャンネルとの交点に位置付けられた第二ミラーであって、前記第三光チャンネルを介して搬送オプティクスの前記第二セットを通過するビームレットを反射するように整列されることを特徴とする第二ミラーと、
    前記第三光チャンネルを介して前記集束レンズのバック・アパーチャに通過するビームレットを反射し、且つ光トラップのアレイを形成するために前記第三光チャンネル内に配設された第三ミラーと
    を有する装置。

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