JPH1144647A - 分析装置とその製造方法ならびに分析方法 - Google Patents

分析装置とその製造方法ならびに分析方法

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JPH1144647A
JPH1144647A JP10000620A JP62098A JPH1144647A JP H1144647 A JPH1144647 A JP H1144647A JP 10000620 A JP10000620 A JP 10000620A JP 62098 A JP62098 A JP 62098A JP H1144647 A JPH1144647 A JP H1144647A
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JP
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light
array
light source
chemical
target
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JP10000620A
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English (en)
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David A King
デビッド・エー・キング
Nicholas Sampas
ニコラス・サンパス
Carol T Schembri
キャロル・ティー・シェンブリ
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HP Inc
Original Assignee
Hewlett Packard Co
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】製造が容易で小型で簡単な構成の化学物質を分
析する装置。 【解決手段】本発明は２以上の光源のアレイを含み、各
光源は面発光表面を有する。２以上のバインダ化学部位
を光源の発光表面と結合させる。これらは目的物質と結
合し、異なる物質がアレイと結合する。光源からの光は
目的物質と衝突し、跳ね返る。これにより、蛍光等の光
相互作用が物質に生じ、物質の存在や量を示す光パター
ンが結果得られる。アレイは、所望のパターンでアレイ
素子のタイルを配置させてタイル化技術で形成すること
ができる。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本願発明は、化学アレイ(che
mical array)における化学成分を検出する方法に関し、
より詳細には、化学アレイ中の化学成分を検出するため
の光源を提供することに関する。
【０００２】近年、生体分子アレイ(biomolecular arra
ys)が成功裏に作り出されている。例えば、Fodor等の
「Light-directed, Spatially Addressable Parallel C
hemical Synthesis」, Science,Vol.251,767-773 (199
1)では、光指向合成(light-directed synthesis)によっ
て形成された高密度のアレイが開示されている。当該ア
レイは抗体認識に用いられたものである。生体分子アレ
イはまたポリヌクレオチド配列の分析用としてE.Southe
rn (国際公開番号WO 89/10977)によっても記述されてい
る。前述の生体分子アレイは、DNAとタンパク質の配列
決定からDNAのフィンガープリント法及び病気診断に至
るまで、多くの用途に役立っている。
【０００３】
【発明が解決しようとする技術課題】光学基板上にポリ
マーアレイを合成させるための１つのアプローチは、上
記Fodor等(1991)によって記述されている:国際公開番号
WO 91/07087, WO 92/10587,WO 92/10588及び米国特許
第.5,143,854号。ポリマーアレイを合成するための装置
と方法は本願発明に適用できる故、それらの開示を参考
としてここに引用する。このアプローチでは、フォトリ
ソグラフィー技術を使って種々のレセプター（受容体）
のアレイが基板上に合成される。アレイ全面にわたって
リガンド（配位子）で洗う。そのリガンドを蛍光で標識
するか又は追加の蛍光標識（ラベル）レセプターもアレ
イ全面にわたって洗う。その結果は、リガンドとレセプ
ター（群）間で結合が既に生じているそれらのピクセル
上に発蛍光団が固定化されることになる。そのアレイ
を、発蛍光団を励起する放射光で照射する。リガンドに
関する情報は、この明暗パターンを表面結合レセプター
の既知パターンと比較することによって得られる。上述
の参考文献には、発蛍光団の存在についてアレイを読取
る方法が記述されている。例えば、国際公開番号WO 92/
10587には、顕微鏡の対物レンズを通した光で励起を行
い且つ同じ対物レンズを通して蛍光を集光することによ
ってアレイを光学的に走査する方法が開示されている。
Schembri等（本願出願人による米国出願番号08/739,396
（社内整理番号10960825-1））では、多重タイル(multi
ple tiles)を形成し且つ支持体上にタイルを取り出しか
つ配置させるタイル化技術を使って形成された化学アレ
イが記述されている。しかし、上述のものと同様のアレ
イを形成する技術は、化学アレイを照射するために比較
的大きい光学システムを必要とする。
【０００４】King等（本出願人による米国出願番号08/5
20,456（社内整理番号1093347-1））は、大きい化学ア
レイを照射するためのエバネッセント技術を説明してい
る。ここでは、ダイオードレーザ、垂直空洞面発光レー
ザ(VCSEL)及び発光ダイオード(LED)を含む幾つかの異な
った光源に言及されている。前述のエバネッセント技術
では、Fodor等によって用いられたような合成段階を使
う複雑な原位置(in situ)法で、複雑な化学アレイを形
成する必要がある。必要なのは、比較的簡単なプロセス
で形成し得るコンパクトな光源で化学アレイを照射でき
る装置である。
【０００５】
【課題を解決するための手段】本願発明は、ターゲット
の化学成分を分析するための装置を提供するものであ
る。本装置は、２またはそれ以上の光源（ダイオードレ
ーザなど）を有し、それぞれ照射面をそなえ、ここより
光源からの光を照射される。２またはそれ以上のバイン
ダ（結合）化学部位(binder chemical moieties)は、そ
の照射面で光源と結合する。これらのバインダ化学物質
部分は、種々のターゲットである化学成分をアレイに結
合させることができるようにターゲットの結合部分であ
る。活性化されると、光源は光を発してターゲット化学
物質と光作用（例えば、蛍光）を起こさせ、ターゲット
化学物質の存在又は量を表示する光パターン又はパター
ン（群）を生ずる。
【０００６】アレイ素子は光源及び１以上のバインダー
化学部位を夫々有する。アレイ素子はタイル化技術で形
成される。一般に、所望のターゲット化学物質を結合す
るのに適する所望のバインダー化学部位を有する化学物
質で固体光源材料から成るウェハをコーティングし、そ
れを比較的小さいタイルに細分し、そしてそのタイルを
予め定めた形に取り出して配置させる。当該アレイは、
ある被検体(analyte)を含有していると思われる試料を
分析するのに有効に用いることができる。試料をアレイ
に露出させ、もしターゲット化学物質が特定位置に結合
されれば、その本質（正体）を決定することができる。
アレイに結合されたターゲット化学物質を照射し、そし
て生ずる光作用を検出することにより、ターゲット化学
物質の存在もしくは量を決定することができる。
【０００７】アレイを構成する技術は、比較的簡単であ
る。各ウェハは、唯一の種類のターゲット化学物質に目
標設定させることができるため、アレイ上に多種類のバ
インダー化学部位を含む複合構成を形成するのに、複雑
な化学合成処理は不要である。固体光源は比較的小さい
ので、バインダー分子又は（バインダー化学部位を包含
する）バインダー化学物質を光源上に生成させることに
より、ターゲット化学物質の検出に向いたコンパクトな
装置を構成することが可能である。さらに、ターゲット
化学物質は、光源と結合されるとその光源に一体化され
る(integral with)。この複合構成によって、試料分析
に大きな利点がもたらされる。光パイプ、レンズ、プリ
ズム、ミラー、光線指向機構及びその類のような付加的
な複雑なイメージング光学系を使って、光源からの励起
光をターゲット化学物質にコリメートさせるかまたは通
過させる必要はない。このため、光線の歪み、雑音及び
光源を化学アレイにアライメントする努力が大幅に軽減
される。さらに、複合単位としての、光源とバインダー
化学部位及び従って、そこに結合された標的化学物質
は、簡単に分離されない。この方法において、より優れ
た信頼性が達成されるのである。加えて、本発明の技術
を使えば、高い化学的忠実度(chemical fidelity)を有
するアレイを作ることができる。各個別のウェハの品質
は、タイルをアレイ構成に取り上げ、配置する以前に検
査することが可能である。アレイの全てのアレイ構成素
子が仕様を確実に満足するよう不良タイルを廃棄するこ
とができる。
【０００８】
【発明の実施の態様】本願発明は、被検体を結合させる
ためのバインダー化学部位と複合関係にある複数の光源
を有する被検体検出用アレイを提供するものである。光
源群は、光源材料から成るウェハを比較的小さいタイル
に細分化することにより形成する。
【０００９】本願明細書並びに上述の特許請求の範囲に
用いられる用語の説明を以下に記す。
【００１０】「アレイ」は、対象物が間隔をおいて配置
されるもので、各対象物は、分離された予め決められた
空間的位置を占める。本願発明の装置におけるアレイの
各対象物は、光源に付着された１またはそれ以上のバイ
ンダー化学部位を含み、各種の物理的位置が既知のもの
であるか又は確認可能である。
【００１１】「光源材料から成るウェハ」は、処理可能
でしかもその本質を維持する実質上平坦な材料の単位で
ある。ウェハは、直線又は二次元形状に配置された複数
の光源を有し、これらは電源と接続して光を放射させる
ことができる「タイル」に細分化することが可能であ
る。ウェハは、バインダー化学部位を与えるよう誘導化
することができる。タイルは種々の方法で再結合して物
理的アレイを形成することができる。好ましくは、タイ
ルは、約100μm〜約10mmの、最も好ましくは約250μm〜
約1000μmの、半径又は直線ディメンションを有する、
例えば、底面が円形、矩形及びその類の扇形等の規則的
幾何形状を有するものである。光源材料のタイル群への
細分化は、バインダー化学部位の付着の前後に、ウェハ
切断に適する任意の方法で、例えば、ダイシングソーを
用いて、実施してよい。これらの方法は、半導体チップ
製造において周知であり、当業者によって本発明に使用
できるよう選択された特定の材料について最適化するこ
とができることは明らかである。
【００１２】「支持体」は、タイルを付着させることが
できる表面又は構造である。「支持体」は、所望の任意
の形状寸法であってよく且つ様々な材料から製造してよ
い。支持体の材料は、生物適合性(biocompatibility)に
（即ち、支持体表面と接触した際に生物試料及びプロー
ブを望ましくない構造又は活性変化から防御できるよう
に）且つ支持体に対する生物材料の非特異的結合を減ら
すように処理してよい。これらの処置法は当分野で周知
である（例えば、Schoneich et al, Anal.Chem.65:67-8
4R(1993)参照）。タイルは、接着剤により、支持体に設
けたポケット又はチャンネルに挿入することにより、又
は安定で確実な空間配置構成を与える他の任意の手段に
よって、支持体に付着させてよい。
【００１３】「タイル化(tiling)」は、単一又は多数の
種類の化学部位を含んでいる個別タイルを固定された空
間パターンで支持体上に取り出し、配置することによっ
てアレイを形成する工程である。
【００１４】「バインダー化学部位(binder chemical m
oiety)」は、ターゲット化学物質に結合できる有機又は
無機分子又はその部分である。本発明においては、バイ
ンダー化学部位は、上記Fodor等によって用いられたよ
うな従来技術の化学アレイ法で行われるように、アレイ
表面上でin situ（原位置）合成される有機分子とは異
なり、タイル化に先立ち光源材料から成るウェハ上に付
着するものである。好ましい付着様式は、共有結合によ
るが、用いられる特殊タイプの化学部位によっては非共
有的付着又は固定手段も適切なことがある。望まれるな
ら、「バインダー化学部位」は、その部位を光源材料か
ら成るウェハに付着させた後で、基を付加するか又は取
り除き、共有結合的に改変してよい。
【００１５】本発明のバインダ化学部位は、好ましく
は、天然又は合成起源の「生体有機分子」であり、化学
的、生化学的又は分子生物学的方法で合成又は複製で
き、且つ生物系、例えば、細胞受容体、免疫系成分、成
長因子、細胞外マトリックスの成分、DNAとRNA、及びそ
の類と相互作用できるものである。本発明のアレイに使
用できる好ましい生体有機分子は、核酸（又はその部
分）、タンパク質（又はその部分）、多糖類（又はその
部分）及び脂質（又はその部分）、例えば、オリゴヌク
レオチド、ペプチド、多糖類又は脂質基から選択された
「分子プローブ」であって、これは分子認識及び親和性
に基づく結合検定（例えば、抗原−抗体、受容体−配位
子、核酸−タンパク質、核酸−核酸及びその類似のも
の）に使用できるものである。アレイは、種々の系統の
生体有機分子、例えば、タンパク質及び核酸、を含んで
いてよいが、典型的には、同一系統の分子の２つ以上の
種、例えば、２つ以上のオリゴヌクレオチドの配列、２
つ以上のタンパク質抗原、２つ以上の化学的に異なる小
さい有機分子、及びその類似のものを含む。アレイは２
つの分子種から形成してよいが、アレイは、数十〜数百
の分子種、好ましくは約50〜約1000種を含むことである
が好ましい。望まれるなら、各種も多重コピーで存在し
てもよい。
【００１６】「被検体」は、試料中においてその検出が
望まれる分子であり且つ分子プローブのようなバインダ
ー化学部位に選択的に且つ特異的に結合する分子であ
る。被検体は、それが結合する分子プローブと同一か又
は異なった種類の分子であってよい。
【００１７】「ターゲット化学物質」は、被検体を含有
し且つ光源から放射される励起光と光相互作用を生じ得
る分子である。ターゲット化学物質は、バインダ化学部
位に結合することができる。ターゲット化学物質はま
た、光相互作用を助長するラベルを含有していてもよ
い。ラベルの例は、蛍光又はりん光物質である。被検体
自体も、それが励起光で照射されると被検体自体蛍光の
ような光を発するなら、ターゲット化学物質となり得
る。
【００１８】「リンカー(linker)」は、バインダ化学部
位を誘導化された光源材料に連結することができる分子
である。リンカーは、バインダ化学部位が誘導化光源材
料に直接結合できる場合は存在しなくてよい。
【００１９】
【実施例】添付の図面は、本願発明の装置をよく良く説
明するために本願発明の実施例を示すものである。これ
らの図において、類似数字はそれぞれの図における類似
構造要素を表し、また、図面を明瞭にするため、縮尺で
作図していないことに注意する。図1aから図1fは、本願
発明に係るアレイの図解例を示す。ステップ(a)、(b)、
(c)、(d)、(e)及び(f)は、当該アレイの組立の種々の段
階を示す。（これらのステップについては後述する）。
図１fのアレイ100は、支持体133の表面14上に配置され
た複数の光源12を有するものである。各光源は、バイン
ダー分子18がその上に付着された表面16を持っている。
各バインダー分子18は、ターゲット化学物質のターゲッ
ト部位と結合するのに適しているバインダー化学部位20
を有している。種々のバインダー化学部位20は、種々の
ターゲット化学物質をアレイ100に結合できるように光
源12の表面上にある。好ましくは、各光源12は、それと
関連する(associate)唯一の種類のバインダー化学部位
を有し、そのため、各光源は一種類のターゲット化学物
質と関連する。
【００２０】ターゲット化学物質のそれぞれには光作用
部位（例えば、発蛍光団）があり、それは、その光作用
部位がそれと組み合わされた光源から放射された光によ
って活性化されると、光作用（例えば、蛍光）を生ず
る。この方法で、光源12を活性化することにより、光源
上のバインダー化学部位に結合されたターゲット化学物
質の存在又は量を決めることができる。
【００２１】図２は、化学配列における化学物質を分析
するための本願発明の分析装置の一例を示すものであ
る。支持体133上には、固体の光（又は光学）源109を含
む光源108のアレイ101がある。本願発明の用途に適する
固体光源109の例には、垂直空洞面発光レーザ(VCSEL)、
発光ダイオード(LED)及びダイオードレーザが含まれ
る。好ましくは、光源108の各１つは前述の固体光源で
ある。本実施例では、固体光源のそれぞれは、固体光源
材料の大きいウェハを小さいピースにタイル化（又はダ
イシング）して作る。タイル化処理の結果として、各タ
イルはまっすぐなエッジ102Aをもつ発光表面102を有す
ることになる。しかし、もし望まれるなら、非直線のエ
ッジを有するように切断してよい。光源108の表面102に
は、バインダー分子103が付着される。図２では、図解
例として、３種類のバインダー分子(A、B、C)が示され
ており、その各々は、それぞれ各バインダー化学部位
(a、b、c)を備えている。バインダー化学部位(a、b、c)
は、ターゲット化学物質(A'、B'、C')と会合されるター
ゲット部位(a'、b'、c')に結合するために用いることが
できる。この方法で、アレイ101に複数の光源、例え
ば、109を設けることにより、様々なターゲット化学物
質104を結合させることができるのである。
【００２２】アレイ101の光源、例えば、固体光源109に
電気を印加すると、その光源は、ターゲット化学物質と
衝突する光を放射する。ラベルを含む各ターゲット化学
物質は、光源からの励起光がそれに当てられると、光相
互作用を生ずる。ターゲット化学物質を検出する用途に
適する光相互作用の例には、蛍光とりん光、光散乱及び
光吸収がある。光相互作用の結果として生ずる光は、光
検出器106によって検出することができる。
【００２３】励起光とは異なる波長の光を生ずる光相互
作用では、光相互作用の結果としての光は、スペクトル
的にフィルターをかけて光源の励起光放射をフィルター
105で除去することができる。適切なフィルターの例
は、誘電体コーティングフィルターである。吸収を伴う
光相互作用においては、検出器は、光透過の減少を検出
する。光散乱を伴う光相互作用を検出する際は、励起光
の直接経路が検出器を通過しないように光検出器を配置
しなければならない。このようにすれば、励起光は誤っ
た信号を生ずることはない。自由選択で、例えば、レン
ズを含む光学的集光イメージングシステム107を用いて
光作用から生ずる光をフィルタ105を通して検出器106に
衝突するようにコリメートし、よって光信号を向上させ
てもよい。
【００２４】図３は、光源がダイオードレーザの場合の
本願発明の実施例のさらに詳細を示す。図ではアレイの
一部分だけを示している。ダイオードレーザ140は、支
持体表面14に付着されている。ダイオードレーザ140
は、上部リフレクタ146と底部リフレクタ148の間にサン
ドイッチ状に挟まれたゲイン媒体144を有する。リフレ
クタ146、148の各々は、好ましくは、誘電材料の層から
作られる。リフレクタ146の上部面上には、バインダー
分子Dの付着に適するコーティング層150が設けられる。
バインダー分子Dには、ターゲット化学物質D'のターゲ
ット部位d'に付着するのに適しているバインダー化学部
位dがある。
【００２５】図４は、本願発明のアレイの他の実施例の
一部を示す。この実施例では、光源は発光ダイオード(L
ED)である。発光ダイオード154は、発光材料の層158の
上部面上に誘電材料の層156が堆積されたものである。
再度、LED154の上部面上には、バインダー分子、例え
ば、バインダー分子Dの付着に適するコーティング150が
設けられる。
【００２６】図５は、本願発明の一実施例を示すもの
で、この場合、化学アレイ201が光源ユニット108の複数
の直線アレイを積層することにより形成されている。支
持体202は、光源ユニット108を活性化できるように電気
接点を包含している。図５に示す点線は、さらに付加的
な光源ユニット群と直線アレイの付加的層を付加できる
ことを示している。１つのアレイに、数百以上の、さら
には数千すら越える、素子があってよい。アレイの光源
群は、図６に示すように円形又は円筒状に配置すること
ができる。この配置では、光源群220は、支持体224の円
筒表面222上に配置する。
【００２７】アレイの形成 図１は、典型的なアレイがどのように形成されるかを示
す。固体光源材料の実質的に平坦なウェハ(ステップa,
121)を化学的活性のある基で誘導化する(ステップb, 12
3)。これらの基をリンカー分子に共有付着させる(ステ
ップc, 125)。勿論、もし適切な官能基及び／又はリン
カーが使用するべく選択した材料に元々含まれているな
ら、これらのステップの何れか又は両方とも回避（bypa
ss)してもよい。リンカーは、バインダー化学部位の付
着部位として機能する。リンカーは、バインダー化学部
位の溶液又は液滴と接触させる。リンカーとバインダー
化学部位との間での結合が完了した後、適当な液体、例
えば、水で洗浄して未反応部位を取り除く。この方法
で、バインダー化学物質が生成されるのである。未反応
リンカーは、後続のアレイ製造ステップでそれらを化学
的に不活性化し、後続の検定実施中に被検体と相互作用
するそれらの力を最小化するよう処理する。この処理
を、ここでは総称して「キャッピング(capping)」と呼
ぶ。従って、例えば、反応性アルデヒド又はイソチオシ
アン酸エステル基は、アミン又はアンモニアでキャッピ
ングでき、反応性エポキシ基は、酸性溶液でジオールに
転化できる。ステップ(d)では、全てのリンカーは、同
一種のバインダー化学部位(127)に付着した状態で示さ
れている。しかし、本願発明では、もし望まれるなら、
１以上のバインダー化学部位を特定のリンカーに連結し
てもよい。
【００２８】ウェハ材料は、個別のタイルに細分する
(ステップ(e), 129)。細分化は、ステップ(b)の前又は
後で行ってよい。ステップ(f)では、同一又は異なった
種のバインダー化学部位（全体的に20で図示）を含むタ
イルを支持体(133)上に配置してアレイを形成する。図
６に示す本発明の一実施例においては、タイル(220)
は、支持体(224)の表面(222)上に円筒状に配置する。支
持体は、ここに示すようにタイル群が周辺に配置された
固体ロッドであるか、又は管の外側表面又は内側表面
上、あるいは離して間隔がとられていれば、その外側表
面と内側表面の間に、タイル群が配置されている管状構
造であってもよい。この形状とは別の変形も本発明の範
囲内である。
【００２９】種々の適切な光源材料も、タイルに細分化
でき、バインダー化学物質をその発光表面に付着させて
適切なバインダー化学部位を有するよう選択された化学
物質と適合性があり、且つアレイが使用される検定の検
出方法と光学的に適合できる材料を得ることによって使
用することができる。適切な材料の例としては、限定す
るものではないが、それらの全てが発光面（即ち表面）
を有する、垂直空洞面発光レーザ(VCSEL)、発光ダイオ
ード(LED)及びダイオードレーザがある。量子ドットレ
ーザダイオードも使えるものと考えられる。前述の光源
材料に関する参考文献の例としては、例えば、Salah an
d Teich,"Fundamentals of Photonics",Wiley-Intersci
ence,New York,1991,pp.593-641;及びBare et al.,"A s
imple surface-emitting LED array useful for develo
ping free-space optical interconnects", I.E.E.E.,
Photon.Tech.Lett.,Vol.5, 172-175,1993;及び（垂直空
洞面発光レーザ(VCSEL)に関するものとして）：上記Sal
ah and Teich,p.638がある。
【００３０】本願明細書の開示に基づけば、前述の固体
発光源用材料から成るウェハを化学的に誘導化してタイ
ルに分割する方法は当業者にとって理解されるものであ
る。理解すべきは、VCSELのウェハに関しては、そのウ
ェハの平坦表面は発光表面であるということ及びこの表
面は化学的に誘導化してタイルに分割できるということ
である。エッジ発光レーザダイオードでは、ウェハ上の
レーザダイオードの発光面は、直線アレイの形をしたエ
ッジ上にある。この場合、この直線アレイ（ウェハ）上
の発光面は、バインダー化学部位を与えるよう化学的に
誘導化され、次に、タイルに分割される。
【００３１】リンカー即ちバインダー分子を光源に付着
させるのに様々な技術を用いることができる。ガラス又
はシリコン表面を誘導化する１つの慣用法で、バインダ
ー又はリンカー分子を付着できるように、光源の発光面
を誘導化するのに使うことができる方法は、化学的性質
がよく知られている、3-グリシドキシプロピル-トリメ
トキシシラン(「GOPS」)、3-アミノプロピルトリエトキ
シシラン(APS)及びその類のようなオルガノシランを使
って、シロキサン結合を形成することによるものであ
る。リンカー分子は、その表面を１つの基にそしてバイ
ンダー化学部位を他の基に共有結合する二官能性試薬で
あってよい。あるいは、リンカーは、その表面に共有的
に（例えば、ストレプトアビジン、アビジン等）で対象
分子に高親和性非共有作用で（例えば、ビオチン）結合
された試薬であってもよい。親和性精製処理(affinity
purification procedures)に使うためにバインダー化学
部位を種々の材料に共有結合させる方法は、よく知られ
ている。一般的には、Affinity Techniques.Enzyme Pur
ification:Part B.Methods in Enzymology,Vol.34, ed.
W.B.Jakoby, M.Wilchek, Acad.Press,NY (1974)及びIm
mobilized Biochemicals and Affinity Chromatograph
y, Advances in Experimental Medicine and Biology,V
ol.42, ed. R.Dunlap, Plenum Press,NY (1974)参照。
ハイブリッド形成検定に使うためにオリゴヌクレオチド
を固体支持体に共有的に付着させる方法は、Ghosh & Mu
sso, Nuc.Acids Res.15: 5353-5372 (1987)及びEggers
et al, BioTechniques 17: 516-524 (1994)に記述され
ている。勿論、付着されるバインダー化学部位は、結合
検定においてターゲット化学物質と自由に相互作用でき
るものでなければならない（例えば、付着されるオリゴ
ヌクレオチドは、自由に相補的核酸とハイブリッド形成
できるか又はアレイ−特異性タンパク質を結合できるべ
きであり、抗原は抗体と相互作用できなければならない
等）。化学物質を基板に結合することに関連した文献の
その他の例としては、Southern et al.,国際公開番号89
/10977; Barrett et al.,国際公開番号WO 91/07087, Pi
rrung et al.,米国特許番号5,143,854及びFodor et a
l.,WO 92/10092がある。
【００３２】本願発明のアレイに使用できるよう意図さ
れたバインダー化学部位は、一般に、約数百ドルトン〜
約数百キロドルトンの範囲の分子量を有する、上記で定
義されたような生体有機分子である。好ましくは、単一
タイルの光源に付着される分子の密度は、表面平方ミク
ロン当り約1000〜約100,000分子の範囲にある。
【００３３】蛍光及びりん光等の光相互作用において、
光源からの光がラベルに当たると、光の相互作用から生
ずる光は、光源から放射される励起光より異なった、一
般に長い、波長を有する。それ故、蛍光又はりん光の光
を選択的に検出できるようにフィルターを使ってその強
度を減ずることができるので、その励起光はほとんど雑
音問題を提起しない。適切なラベルの例には、フルオレ
セイン、インドカーボシアニン染料（例えば、CY3, CY
5)、TEXAS RED、エチジウムプロミド及びキレート化ラ
ンタノイド等の、よく知られた一般に利用できるものが
含まれる。幾つかの場合、光相互作用信号を強くするた
め、多くのラベル分子に結合できるレセプターを被検体
に結合させ、ターゲット化学物質に含めることができ、
勿論、それを光源上のバインダー分子に結合させてよ
い。これらのラベル化技術及び測定法は当業者に周知の
ものである。例えば、Barrett et al., 国際公開番号WO
91/07087参照。
【００３４】光相互作用における信号を収集する際、ノ
イズを減少させる１つの方法は、時間分解蛍光(time-re
solved fluorescence)と両立できるラベルを使うことで
あり、これはラベルを使う化学分析分野の当業者に周知
である。これは、後述する周期的多重化(frequency mul
tiplexing)技術において特に有益である。時間分解蛍光
の使用によって、励起光と蛍光間に位相差が生じ、これ
によってバックグラウンドと雑音を低減し、抑えること
が可能となる。時間分解蛍光は、優先的に、広帯域幅の
検出器と光源を必要とする。本願発明に適切な時間分解
蛍光のための典型的な染料は、例えば、エチジウムブロ
マイド(ethidium bromide)で数10ナノ秒に近い寿命を有
するものである。従って、約1 MHzを超える帯域幅を有
する光源と光検出器が望ましい。
【００３５】ターゲット化学物質が照射される時にスペ
クトル周波数の変化が何ら予想されない場合の光相互作
用、例えば、光吸収又は光散乱では、ラベルが必要でな
いことがあり、被検体がターゲット化学物質である。し
かし、光吸収又は光散乱を助長するためにラベルを使っ
てもよい。
【００３６】光源材料を誘導化するためには、バインダ
ー化学部位は、液滴の形でウェハの付着表面へ供給でき
る溶液に含まれるか（例えば、試薬を拡散し、印刷する
のに適する装置の一例としては、EP 0268237参照）又
は、好ましくは、溶液をその表面に接触させたまま保持
できることである。本願発明のプロセスによって形成さ
れるアレイのある種類は、複数種のリンカー分子あるい
は単一種のリンカー分子を含むものと考えられる。
【００３７】上述したように、タイルは、光源材料を細
分化するのに適する任意の方法で形成してよい。１つの
方法は、ソー・ダイシングによるものである。典型的に
は、材料は、市販のダイシングソーを使って次の方法で
さいの目に切る。材料、例えば、ウェハは、真空チャッ
クに搭載できるよう接着剤を裏面に塗布した薄膜上に置
く。カットすべき材料の形状、所望の切削深さ及び（刃
の位置が固定されていると仮定して）刃方向へのチャッ
クの移動速度についての情報に応じてダイシング装置を
プログラムする。材料は、カッティング刃、例えば、約
20,000 rpmの速度で回転する金属又はダイヤモンド含浸
刃を使って第一の方向に切る。切削で生ずる切り屑は、
空気、ガス又は液体ジェットで切削面から外へ飛ばして
よい。次に、材料を所望の角度に回転して、タイルの形
成が完了するまで第２の方向でカッティング操作を続け
る。固体ウェハをダイシングすることに関する参考文献
の一例は、Gerry Bariepy,"Wafer dicing:Theory and P
ractice,"Electronic Manufacturing and Testing, Dec
ember,1985である。
【００３８】タイル形成の別の方法として、クリービン
グ(cleaving)によるものがある。固体材料のウェハには
結晶格子が観察される。ウェハは、その結晶格子の線に
沿って分割(cleave)され、これによって、それ程多くの
屑も出さずに分割部分を比較的きれいに分離することが
できる。ウェハが（VCSELのような）平坦表面上のウェ
ハか又は（エッジ発光レーザダイオードのスラブのよう
な）エッジ発光の発光ウェハによって、多少異なった分
割技術を採用してもよい。本願明細書の開示に基づけ
ば、ウェハを光源のタイルに分割することは当業者にと
って明らかである。
【００３９】本願発明のタイル化アレイは、様々なリン
カー分子とバインダー化学部位を使ってウェハから得ら
れたタイルを予め定めた安定な空間配置で支持体上へ移
すことを含むタイル化プロセスで形成されるものであ
る。タイル化又は移動（ここでは、「取り上げおよび配
置(picking and placing)」と呼ぶ）は、集積回路及びL
ED製造において周知の手順で実行してよい（例えば、米
国特許第5,256,792号参照）。次の自動化手順は、オリ
ゴヌクレオチドとタンパク質を含んでいるタイルを、安
定な空間配置で支持体上に、例えば一度に、取り上げ及
び配置するのに用いられてきたロボット式手順の一例で
ある。ｘ−ｙ格子内のウェハからから得られた一組のタ
イルの個々のタイルは、カメラを使って配置する。タイ
ルは、真空プローブで持ち上げ、カメラで再検査し、ｘ
−ｙ平面モータで支持体上の予定位置へ移動し、そして
支持体にある保持部に挿入する。タイルは、円形パター
ンに配置して、支持体内に設けた溝付きチャンネルによ
ってその位置に保持してもよい。あるいは、タイルは、
接着剤で保持してもよい。各タイルの出所（即ち、タイ
ルが作り出されたウェハ）を知っているため、各タイル
によって結合されるターゲット化学物質を知っている。
支持体にタイルを付着できるポケット、溝又はチャンネ
ル等の微細構造を形成する技術は、微小組立の技術分野
で周知である。別の代替の配置は、図５に示したもので
ある。電源と光源の活性化を制御する制御（スイッチ）
装置とに光源を電気接続できるように配線を行う。
【００４０】本願発明に係るアレイは、検出したい１つ
以上のターゲット化学物質（ターゲットを付した被検
体）を含んでいると思われる試料を分析するための分子
認識に基づく検定に利用することを意図している。試料
は、支持体上で予め定めた空間位置に配置された既知構
造又は活性を有する分子のアレイと接触させる。液体試
料をアレイを導入するのに適した流動的なシステム又は
流体処理システムはどれもこの目的に用いることができ
る。例えば、その流れシステムは、当業者には周知の、
配管、試薬びん、ピペット、弁、電気コントロール及び
その類似のものを包含してよい。
【００４１】ターゲット化学物質、従って、被検体は、
アレイの光源によって認識されてそこに選択的に結合さ
れる。そして、その結合は、被検体の検出が完了するま
でその被検体をアレイの光源で保持できるほど十分に高
い親和力を持っている。その選択的認識は、被検体の物
理化学的特性（例えば、アレイ分子で認識できる特定の
電荷分布又は極性を有するドメイン）、又は被検体の特
異な化学的性質（例えば、核酸、タンパク質又は多糖類
の特異的一次配列、二次以上の高次配座構造又は活性部
位を形成する特異的化学基又は基の組合せ）を識別する
ことに基づいてよい。本発明によって形成されるアレイ
は、新規治療剤の化学的、分子生物学的ライブラリのス
クリーニング、既知の生物学的レセプターに対するリガ
ンド及び既知リガンドに対する新規レセプターの同定、
発現遺伝子の同定、遺伝的多形性の特徴づけ、診断及び
治療を目的としたヒト集団の遺伝子型の決定、及びその
他多くの用途に有用であろうと思われる。
【００４２】A.アレイの光検出 検出器は、アレイにおける光の相互作用で生ずる光の検
出に使うものである。好ましくは、アレイ検出器(array
detector)は、各光源からの信号を個別的に測定するの
に用いる。アレイの各光源、例えば、図１の光源12から
の信号を測定するのに少なくとも１つの検出素子を用い
る。しかし、ターゲット化学物質をオーバサンプリング
して、不均一性に対するディスクリミネーションを可能
にするために、少なくとも２つの検出素子を用いてよ
い。オーバサンプリングによって低電力光源での急速信
号検出が可能となる。アレイ検出器の一例は、電荷結合
デバイス(CCD)アレイ等の固体半導体デバイスである。
固体半導体の検出器アレイは、熱電式クーラーで冷却し
て、雑音性能と分析技術の感度とを改善できるよう暗電
荷蓄積を低減することが可能である。
【００４３】光源からの励起光は、ラベル（例えば、タ
ーゲット化学物質中の被検体に結合された蛍光性分子）
と衝突し、光相互作用の信号等の光を放出させる。ラベ
ルを有するターゲット化学物質を備えるタイルだけが光
相互作用の信号を放出する。検出された光相互作用の信
号は、光源に対する電子励起と同期させ、そして、好ま
しくはマイクロプロセッサ又はコンピュータ等の電子処
理装置によって、処理する。アレイにおけるその光相互
作用のパターンを解析することにより、試料中の被検体
の正体を決定することができるのである。
【００４４】異なった個々の光源の表面上に、（レン
ズ、プリズム、ビームステアリング機構のような）機械
的構造を介在させないで、別々のターゲット化学物質が
結合されるので、コンパクトなアレイ装置を作ることが
できる。さらに、光源からターゲット化学物質へ励起光
を伝える光学イメージング系は不要となる。レンズのよ
うな光学系が介在すると収差が生じて励起光の光路を歪
ませることがあるので、そのような光学系が不要である
ということは有益である。さらに、前述の光学系は不完
全であり、従って、それらの光学素子の表面は、不可避
的に、何らかの光散乱を引き起こし、結果として雑音を
増大させることになる。
【００４５】B.多重化 光相互作用を検出するのに、アレイ検出器を使う代わり
に、単一素子の光学検出器を使ってもよい。この目的に
は、一時的多重化(temporal multiplexing)又は周期的
多重化(frequency multiplexing)の何れかを行うことが
できる。
【００４６】一時的多重化では、光源、例えば、光源12
は、一時的多重化の手法で励起、即ち、活性化すること
ができる。一時的多重化では、光源は、個別的に且つ順
次に活性化される。光相互作用の信号は、同一の検出器
で検出される。活性化の時間と光作用の時間はタイル毎
に分かっており、それらはタイル間で異なっているの
で、光相互作用の信号を放出するタイルのそれぞれの本
質（正体）が分かる。結果として、光作用のパターンを
解析して、試料中の被検体に関する所望の情報を得るこ
とができる。
【００４７】周期的多重化では、アレイの光源群は同時
に励起され、光相互作用の信号を検出するのに単一の光
検出器を用いることができる。各光源は、その励起光の
強度が規則正しく周期的に、例えば、正弦波形、矩形波
形、のこぎり波形及びその類の波形で、変化するように
制御される。この光強度の変化の周期は、それぞれの光
源で異なっている。結果として、光相互作用の信号の周
波数は、光源毎に異なることになる。光源が活性化され
る時に、その光作用の信号周波数を解析することによ
り、光相互作用を生じ、ターゲット化学物質の結合を表
しているタイルの本質を決めることができる。光検出器
によって検出された光作用の信号スペクトルを解析する
目的で、光検出器から電気信号を受信できるようスペク
トル分析器を接続することができる。個別の信号は、ス
ペクトルアナライザによって分解され、そして、測定す
ることができる。スペクトルの解析は、多段変調器によ
るアナログ方式で実施するか又はディジタル信号処理で
実行してよい。後者の場合は、アナログディジタル変換
器を使用して光検出器の出力をディジタル化することが
できる。ディジタル化データは、周知の技術、例えば、
高速フーリエ変換を使い、コンピュータ、マイクロプロ
セッサ等にあるディジタルフィルタによってろ波するこ
とができる。
【００４８】固体半導体デバイスは、高周波変調に従う
ことができる。源の振幅ノイズ又は光検出器の1/fノイ
ズを越える周波数fの光信号の検出のため、ターゲット
化学物質の高感度検出が助長される。周期的多重化技術
を採用できるということは、全ての光源を同時に活性化
できるので短時間で解析を完了できるという点で有利で
ある。さらに、本願発明のアレイを使えば、化学アレイ
における個々の素子を照射するのに光源を移動させるか
又はビームを方向調整する必要がない。したがって、機
構上の故障発生の可能性が軽減される。
【００４９】適切な検出器によって光相互作用を検出す
ることにより、パターンのある位置では光相互作用が示
され又ある位置ではそうでない形態の、光相互作用のパ
ターンが得られる。前述のように、アレイにおける光相
互作用のパターンを解析すれば、タイルに結合されたタ
ーゲット化学物質についての、従って被検体の、情報が
与えられる。アレイにおける任意の特定位置にあるタイ
ルに結合されたターゲット化学物質の本質は、パターン
における光相互作用の位置を検出し、そしてこれをアレ
イのタグ付きファイルにリンクさせることにより決める
ことができる。タグ付きファイルは、そのファイルに属
するアレイにおける各バインダー化学部位の本質と位置
が格納されている情報ファイルである。このタグ付きフ
ァイルを物理的アレイとリンクする方法は種々ある。例
えば、シリコンチップ、磁気ストリップ又はバーコード
を使ってアレイ又はそのハウジング上にタグ付きファイ
ルを物理的に符号化することができる。あるいは、特定
のタグ付きファイルに合わせてアレイを識別する情報を
アレイ又はそのハウジング上に含めて、実際のファイル
をデータ解析デバイスに又はそのデバイスと連絡してい
るコンピュータに格納してもよい。タグ付きファイルの
物理的アレイへのリンキングは、データ解析の時点で行
われる。さらに別のリンキング法は、アレイが検定に使
われる時点でそのアレイのユーザによってデータ解析デ
バイス中に挿入できるディスク又はカード様のデバイス
にタグ付きファイルを格納することになる。
【００５０】本願発明の装置とその装置の製造及び使用
法について例証となる実施例を詳細に説明したが、上述
の実施例は、特に寸法と形状及び上述の種々の特徴要素
の組合せに関して、当業者によって発明の範囲から逸脱
することなく変更し得るものと理解すべきである。例え
ば、幾つかの、全てではないが、できる限り最大数の
（例えば、50%を上回る）タイルが前述のタイル化処理
で作られるアレイを形成することができる。
【００５１】以上、本発明の実施例について詳述した
が、以下、本発明の各実施態様の例を示す。 （実施態様１）ターゲット化学物質を分析するための装
置において、光を放射する発光面を有する２またはそれ
以上の光源から成るアレイと、種々のターゲット化学物
質を前記アレイに結合することができるように、前記光
源の前記発光面と連結する２またはそれ以上のバインダ
ー化学部位からなり、前記光源は、活性化されると、光
を放射して、ターゲット化学物質と光相互作用を起こさ
せ、結果的にターゲット化学物質の存在又は量を表示す
る光パターンを生ずることを特徴とする分析装置。 （実施態様２）前記アレイはタイル化されたアレイで、
前記光源は固体光源である前項(1)記載の分析装置。 （実施態様３）50%以上の固体光源は、固体光源材料か
ら成るウェハを光源の比較的小さいタイルに分割するこ
とにより作られることを特徴とする前項(2)記載の分析
装置。 （実施態様４）前記光源は、発光ダイオード、垂直空洞
面発光レーザ及びエッジ発光ダイオードレーザからなる
ことを特徴とする前項(1)から(3)に記載の分析装置。 （実施態様５）前記各ターゲット化学物質は、前記光源
の少なくとも１つと連結するように前記各光源上に少な
くとも１つのバインダー化学部位が存在し、全てではな
いがある一定数の光源が同一のバインダー化学部位を有
するものであり、前記光源は、活性化されると、光を放
射してターゲット化学物質に蛍光を生じさせるようにし
たことを特徴とする前項(1)から(4)記載の分析装置。 （実施態様６）前記ターゲット化学物質を分析するため
の装置を製造する方法において、ターゲット化学物質を
結合できるようにその上にバインダー化学部位を有する
光源のタイルをアレイとして配置させ、前記各ターゲッ
ト化学物質が、前記ターゲット化学物質を結合するのに
適しているバインダー化学部位を含むアレイにおけるタ
イル群のうちの少なくとも１つと対応するようにし、種
々のターゲット化学物質がアレイに結合できるようにす
るステップを設けて成り、光源のタイルは、活性化され
ると、光を放射してターゲット化学物質と光相互作用を
起こし、結果的として、前記ターゲット化学物質の存在
を表す光パターンを生ずることを特徴とする分析装置の
製造方法。 （実施態様７）前項(6)記載の製造方法はさらに前記タ
イルを得るために光源の各表面上にバインダー化学部位
を有する１以上の種類のバインダー化学物質を付着させ
るステップを包含する製造方法。 （実施態様８）前項(7)記載の製造方法はさらに固体光
源材料から成る２つ以上のウェハを設けるステップと、
ウェハの各表面上に１つ以上のバインダー化学部位を付
着させて、各ターゲット化学物質がターゲット化学物質
を結合するのに適しているバインダー化学部位を含む少
なくとも１つのウェハを有するようにしたステップと、
前記光源のタイルを得るためにウェハを分割するステッ
プとを包含する前項(6)から(8)記載の製造方法。 （実施態様９）前記表面上にバインダー化学部位を付着
させるステップは、発光ダイオード、エッジ発光イオー
ドレーザ及び垂直空洞面発光レーザから成る群から選択
された固体材料の表面上へ付着させるステップを包含す
る前項(6)から(8)に記載の製造方法。 （実施態様１０）次の（イ）から（ニ）の工程を含むタ
ーゲット化学物質を分析する方法。 （イ）光源から光を放射する発光面をそれぞれ有する２
またはそれ以上の光源から成るアレイと、種々のターゲ
ット化学物質をアレイに結合することができるように発
光面で光源と連結された２またはそれ以上のバインダー
化学部位とを設け、（ロ）試料をアレイの全面に流して
試料中のターゲット化学物質を光源に結合させ、試料の
未結合部分を除去するために洗浄し、（ハ）光源から光
を放射させてアレイに結合されたターゲット化学物質と
光相互作用を起こさせ、その光相互作用が光のパターン
を生じ、（ニ）その光のパターンを解析して試料におけ
るターゲット化学物質の存在又は量を検出する。
【図面の簡単な説明】
【図1ａ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図1ｂ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図1ｃ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図1ｄ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図1ｅ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図1ｆ】本発明の一実施例の装置の製造工程を示す
図。
【図２】本発明の一実施例の装置の部分概略図であり、
検出光学系と共にアレイの一部が示されている。
【図３】本発明の一実施例であるアレイの部分詳細図。
【図４】本発明の他の実施例である部分詳細図。
【図５】本発明の一実施例であるアレイ素子の配置の概
略図。
【図６】本発明の一実施例である円形に配置されたアレ
イの概略図。
【符号の説明】
１２：光源 １６：放射面 １００、１０１：アレイ １３３、２０２、２２４：支持体 １４０：ダイオードレーッザ １５４：発光ダイオード １０８：光源ユニット １０５：フィルタ １０６：光検出器 １０７：イメージングシステム １２１：ウェハ １２９：タイル ２２０：光源群
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ニコラス・サンパス アメリカ合衆国カルフォルニア州サン・ノ ゼ ユニット104 パーク・アベニュー 411 (72)発明者 キャロル・ティー・シェンブリ アメリカ合衆国カルフォルニア州サン・マ テオ マーシャル・アベニュー3912

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ターゲット化学物質を分析するための装置
    において：光を放射する発光面を有する２またはそれ以
    上の光源から成るアレイと、 種々のターゲット化学物質を前記アレイに結合すること
    ができるように、前記光源の前記発光面と連結する２ま
    たはそれ以上のバインダー化学部位からなり、 前記光源は、活性化されると、光を放射して、ターゲッ
    ト化学物質と光相互作用を起こさせ、結果的にターゲッ
    ト化学物質の存在又は量を表示する光パターンを生ずる
    ことを特徴とする分析装置。
  2. 【請求項２】前記ターゲット化学物質を分析するための
    装置を製造する方法において、 ターゲット化学物質を結合できるようにその上にバイン
    ダー化学部位を有する光源のタイルをアレイとして配置
    させ、前記各ターゲット化学物質が、前記ターゲット化
    学物質を結合するのに適しているバインダー化学部位を
    含むアレイにおけるタイル群のうちの少なくとも１つと
    対応するようにし、種々のターゲット化学物質がアレイ
    に結合できるようにするステップを設けて成り、光源の
    タイルは、活性化されると、光を放射してターゲット化
    学物質と光相互作用を起こし、結果的として、前記ター
    ゲット化学物質の存在を表す光パターンを生ずることを
    特徴とする分析装置の製造方法。
  3. 【請求項３】次の（イ）から（ニ）の工程を含むターゲ
    ット化学物質を分析する方法。 （イ）光源から光を放射する発光面をそれぞれ有する２
    またはそれ以上の光源から成るアレイと、種々のターゲ
    ット化学物質をアレイに結合することができるように発
    光面で光源と連結された２またはそれ以上のバインダー
    化学部位とを設け、（ロ）試料をアレイの全面に流して
    試料中のターゲット化学物質を光源に結合させ、試料の
    未結合部分を除去するために洗浄し、（ハ）光源から光
    を放射させてアレイに結合されたターゲット化学物質と
    光相互作用を起こさせ、その光相互作用が光のパターン
    を生じ、（ニ）その光のパターンを解析して試料におけ
    るターゲット化学物質の存在又は量を検出する。
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