KR20150022759A

KR20150022759A - 근접장 광학력을 이용하는 방법

Info

Publication number: KR20150022759A
Application number: KR1020147031446A
Authority: KR
Inventors: 로버트 하트; 베르나르도 코르도베스
Original assignee: 옵토플루이딕스, 인코포레이티드.
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2013-03-15
Publication date: 2015-03-04
Also published as: CA2872647A1; WO2013172976A8; RU2014150343A; CN104487821A; WO2013172976A1; EP2850412A1; US20150111199A1; JP2015517663A; EP2850412A4

Abstract

근접장 광을 이용하여 입자, 물질 등을 연구하고, 검사하고, 분석하고, 검출하는 방법들을 설명한다. 근접장 광을 이용하여 입자, 물질 등의 파트너, 조절기, 억제제 등을 식별하는 방법들을 설명한다. 일부 실시예들에서, 방법들은 입자, 물질 등을 부동화하거나 트랩핑하는 단계를 포함한다.

Description

근접장 광학력을 이용하는 방법{METHODS OF USING NEAR FIELD OPTICAL FORCES}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은, 미국 특허법 35 U.S.C. § 119(e)에 따라 2012년 5월 14일자로 가출원된 미국 가특허출원번호 제61/646,574호인 우선권을 주장하며, 그 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다.

물질의 크기, 구조, 결합 활동 등을 비롯한 물질의 성질을 결정하려면, 관심 물질을 분석하는 것이 종종 필요하다. 이러한 분석은, 물질, 구체적으로는, 매우 작은 크기의(예를 들어, 나노 크기의) 물질의 운동에 의해 종종 방해 받는다. 일부 기술들에서는 물질을 고체 지지부에 부동시킬 것(immobilization)을 필요로 한다. 이러한 기술들은, 관심 물질을 충분히 조사할 수 있도록, 그리고 후속 조성물들(예를 들어, 유체 등)의 도입시 관심 물질의 국부성(localization)을 변경하지 않도록 관심 물질을 고정된 위치에서 유지하려는 것이다.

물질의 부동화(immobilization) 또는 고정은, 분석되는 물질의 고유 성질에 영향을 끼칠 수 있는 화학물 또는 가교제를 사용하여 흔히 수행된다. 따라서, 당해 기술에서는 작은 관심 물질들을 효과적이면서 정확하게 분석하는 장치와 방법이 필요하다. 본 발명은 이러한 요구를 충족시킨다.

본 발명은 하나 이상의 물질의 적어도 하나의 성질을 검사(interrogate)하는 방법과 시스템을 제공한다. 일 실시예에서, 본 발명은 물질의 적어도 하나의 성질을 측정하는 방법을 제공하며, 이 방법은, 광 트랩(optical trap)의 근접장 광 근처에 물질을 위치시키는 단계; 광원으로부터의 광을 물질로 향하게 하는 단계; 물질에 대한 광의 효과를 검출하는 단계; 및 검출된 효과에 기초하여 물질의 적어도 하나의 성질을 측정하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 광의 효과는, 물질에 의해 산란되는 광, 물질에 의해 방출되는 광, 및 물질에 의해 흡수되는 광으로 이루어지는 그룹에서 선택된다. 일 실시예에서, 방법은, 광 트랩을 이용하여 물질을 임의의 위치에 부동화하여 트랩핑된 물질(trapped substance)을 형성하는 단계를 포함한다.

일부 실시예들에서, 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋(plasmonic tweezers), 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기(toroidal resonators), 속삭임 회랑 모드 공진기(Whispering Gallery Mode Resonators), 및 패브리 페롯 공진기(Fabry Perot resonators)로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함한다.

일부 실시예들에서, 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자(lipoparticle), 소수포, 미세 입자(microparticle), 유적(oil droplet), 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질이다.

일부 실시예들에서, 본 발명의 방법에 의해 측정되는 물질의 적어도 하나의 성질은, 크기, 구조, 화학적 조성, 굴절률, 전기적 임피던스, 전기적 유전율, 질량, 밀도, 온도, 확산 계수, 형상, 단백질 접힘 상태, 용해도, 결정도, 효소 활성, 결합 활성, 결합 반응 속도(binding kinetics), 및 해리 반응 속도로 이루어지는 그룹에서 선택되는 성질이다.

일 실시예에서, 광원은 광 트랩의 근접장 광이다. 일 실시예에서, 광원은 외부 광원이다. 일 실시예에서, 산란 광의 검출은 산란 광의 양 검출을 포함한다. 일 실시예에서, 산란 광의 검출은 산란 광의 양과 파장 검출을 포함한다. 일 실시예에서, 산란 광의 검출은, 광 산란 검출기, 분광계, 라만 분광계, 포토다이오드, 전하 결합 소자(CCD), 스펙트럼 분석기, 간섭계, 엘립소미터(ellipsometers), 적분구, 및 광전자 증배관으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 검출기를 사용하는 것을 포함한다.

본 발명의 방법의 일 실시예에서, 물질의 성질 측정은 물질의 운동 측정을 포함한다. 일 실시예에서, 방법은 트랩핑된 물질을 분리하는 단계를 포함한다.

본 발명은, 또한, 물질의 결합 활성을 측정하는 방법을 제공하며, 이 방법은, 광 트랩을 사용하여 임의의 위치에 상기 물질을 부동화하여 트랩핑된 물질을 형성하는 단계; 트랩핑된 물질을 하나 이상의 시험 물질과 접촉시키는 단계; 및 트랩핑된 물질의 결합을 하나 이상의 시험 물질로 검출하는 단계를 포함한다.

일 실시예에서, 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기, 속삭임 회랑 모 공진기, 및 패브리 페롯 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함한다.

일 실시예에서, 트랩핑된 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질이다. 일 실시예에서, 시험 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질이다.

일 실시예에서, 본 발명의 방법은 트랩핑된 물질과 시험 물질 간의 결합 반응 속도를 측정한다. 일 실시예에서, 방법은 상기 트랩핑된 물질과 상기 시험 물질 간의 결합 친화도를 측정한다.

일 실시예에서, 트랩핑된 물질과 시험 물질 중 적어도 하나는 검출가능 라벨로 라벨링되고, 방법은, 검출가능 라벨로부터의 검출가능 신호를 검출하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 검출가능 라벨은, 형광 라벨, 방사성 라벨, 강자성 라벨, 상자성 라벨, 발광성 라벨, 전자 화학 발광성 라벨, 인광성 라벨, 질량 라벨, 라만 라벨, 분자 비컨, 업컨버팅 인광체, 및 크로매틱 라벨로 이루어지는 그룹에서 선택된다.

일부 실시예들에서, 시험 물질은 시험 물질을 트랩핑된 물질로 흐르게 함으로써 트랩핑된 물질과 접촉된다.

본 발명은, 또한, 물질의 조절인자(modulator)를 식별하는 방법을 제공하며, 이 방법은, 광 트랩을 사용하여 물질을 임의의 위치에 부동화하여 트랩핑된 물질을 형성하는 단계; 트랩핑된 물질을 하나 이상의 시험 물질과 접촉시키는 단계: 및 트랩핑된 물질의 성질을 측정하는 단계를 포함하고, 시험 물질과의 접촉시 트랩핑된 물질의 성질 변화는, 시험 물질이 그 물질의 조절인자임을 나타낸다.

일 실시예에서, 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기, 속삭임 회랑 모드 공진기, 및 패브리 페롯 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함한다.

일 실시예에서, 트랩핑된 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질이다.

일 실시예에서, 시험 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질이다.

일 실시예에서, 트랩핑된 물질의 성질은, 크기, 구조, 화학적 조성, 효소 활성, 결합 활성, 결합 반응 속도, 및 해리 반응 속도로 이루어지는 그룹에서 선택되는 성질이다.

일 실시예에서, 시험 물질은 시험 물질을 트랩핑된 물질로 흐르게 함으로써 트랩핑된 물질과 접촉된다.

본 발명은, 또한, 물질의 성질을 측정하는 시스템을 제공하며, 이 시스템은, 적어도 하나의 광 트랩; 및 물질의 성질을 측정하기 위한 적어도 하나의 검출기를 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 미세 유체 전달 시스템(microfluidic delivery system)을 더 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은 외부 광원을 포함한다.

일 실시예에서, 시스템은 적어도 하나의 광 트랩을 포함하고, 이 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 및 환상 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함한다. 일 실시예에서, 적어도 하나의 광 트랩은 적어도 하나의 전원을 포함한다. 일 실시예에서, 전원은 광학 출력을 광 트랩에 제공하도록 구성된 광학 전원이다.

일 실시예에서, 시스템은 적어도 하나의 검출기를 포함하고, 이 검출기는, 형광 현미경, 형광 검출기, 형광 분광계, 광 산란 검출기, 광 센서, 라만 현미경, 라만 분광계, 분광계, 포토다이오드, 전하 결합 소자(CCD), 상보 금속 산화물 반도체(CMOS) 카메라, 스펙트럼 분석기, 간섭계, 엘립소미터, 적분구, 및 광전자 증배관으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 검출기를 포함한다.

일 실시예에서, 시스템은, 석영 결정 마이크로밸런스, 캔틸레버, 전자 화학 센서, 음향 센서, 열 센서, 임피던스 센서, 및 속삭임 회랑 모드 광 센서로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 센서를 포함한다.

일 실시예에서, 적어도 하나의 광 트랩은, 실리콘 기판, 유리 기판, 및 폴리머 기판으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 기판 상에 패터닝된다.

다음에 따르는 본 발명의 바람직한 실시예들의 상세한 설명은 첨부 도면과 함께 읽는 경우 더욱 잘 이해될 것이다. 본 발명을 예시하도록, 현재 바람직한 도면 실시예들을 도시한다. 그러나, 본 발명은 도면에 도시한 실시예들의 정확한 구성과 수단으로 한정되지 않는다는 점을 이해해야 한다.
도 1은 근접장 광을 이용하여 트랩 입자의 성질을 검출하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도.
도 2는 외부 소스 광을 이용하여 트랩 광입자의 성질을 검출하는 예시적인 방법을 도시하는 개략도.
도 3은 서로 다른 크기의 트랩 입자들의 상대 운동을 도시하는 개략도.
도 4는 광 트랩을 이용하여 두 개의 물질 간의 결합을 검출하는 것을 도시하는 개략도.
도 5는 예시적인 면역 순도 분석(immunoassays)에 있어서 예시적인 광 트랩의 사용을 도시하는 개략도.

정의

달리 규정하는 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어들은, 본 발명이 속하는 당해 기술의 통상의 기술자가 공통적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본 명세서에서 설명하는 방법 및 재료와 유사하거나 균등한 임의의 방법 및 재료를 본 발명의 실시 또는 실험시 이용할 수 있지만, 바람직한 방법들과 재료들을 설명한다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같이, 다음에 따르는 용어들의 각각은 본 절에서의 해당 용어에 연관된 의미를 갖는다.

부정 관사 표현들("a", "an")은, 해당 관사의 문법적 대상 중 하나 또는 하나보다 많은 개수(즉, 하나 이상)를 가리키도록 본 명세서에서 사용된다. 예를 들어, "한 요소"는 하나의 요소 또는 하나보다 많은 개수의 요소를 의미한다.

양, 일시적 지속 기간 등의 가측 값을 가리킬 때 본 명세서에서 사용되는 바와 같은 "약"은, 특정 값으로부터의 ±20% 또는 ±10%의 변동, 더욱 바람직하게는, ±5%의 변동, 더욱 바람직하게는, ±1%의 변동, 더욱 바람직하게는, ±0.1%의 변동을 포함하도록 의미하는 것이며, 이러한 변동은 개시된 방법들을 수행하는 데 적절하다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광 트랩"은, 자유 공간에서 광 에너지에 의해 생성되는 인력 또는 나노 크기와 마이크로 크기의 대상들을 물리적으로 유지하고 다루는 데 사용되는 나노구조에 의해 야기되는 인력을 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "근접장 광"은 서브 파장 치수의 광의 통로를 가리킨다. 일부 경우에, 본 명세서에서 설명하는 근접장 효과는 "소산파"(evanescence wave)로 알려져 있다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "소산파" 또는 "소산"은, 고 굴절률 재료로부터 저 굴절률 재료로 급격히 붕괴되는 일종의 비전파(non-propagating) 광 형태를 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광자 도파관"은 마이크로 크기 또는 서브 파장 치수의 미세 제조된 재료로 패터닝된 광 도파관을 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "슬롯 도파관"은, 전반사에 의해 서브 파장 크기의 저 굴절률 영역의 한정된 광을 강력하게 유도하는 광 도파관을 가리킨다. 일부 실시예들에서, 슬롯 도파관은, 저 굴절률 재료의 서브 파장 크기의 저 굴절률 슬롯 영역에 의해 분리되는 고 굴절률의 두 개의 스트립 또는 슬랩(slab)을 포함한다. 일부 실시예들에서, 저 굴절률 재료는 수용액 또는 완충제이다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 플라즈몬 핀셋은, 플라즈몬 공진을 이용하여 전기장을 향상시키고 트랩핑 힘(trapping force)을 더욱 강하게 할 수 있는 나노 크기의 광 트랩 시스템을 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광자 결정"(photonic crystal)은 굴절률이 가변되는 두 개 이상의 재료에 의해 형성되는 나노 크기의 주기적 광학 구조를 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "광자 결정 공진기"는 그 구조에 있어서 광이 보강 간섭하는 경우에 공진을 발현하는 광자 결정을 가리킨다. 광이 광자 결정에 연속적으로 공급되면, 광자 결정 또는 광자 결정의 일부는 입사광보다 큰 광 강도를 나타낸다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "링 공진기"는 하나 이상의 입력/출력 도파관에 결합된 폐쇄 루프의 도파관을 가리킨다. 광이 정확한 파장(들)으로 링 공진기에 공급되면, 광은 양의 값으로 간섭되며 링의 광 강도가 향상된다. "환상 공진기"(toroidal resonator)는, 공진기의 벽들이 직사각형과는 대조적으로 원의 단면 형상에 더욱 가까운 단면 형상으로 둥글게 된다는 점을 제외하고는 위에서 규정한 바와 같은 링 공진기를 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "속삭임 회랑 모드 공진기"(Whispering Gallery Mode Resonator)는, 오목 구조의 주연에서 이동하는 광이 공진을 야기하는 보강 간섭 패턴을 형성하는 그 오목 구조를 가리킨다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, "패브리-페롯 공진기"(Fabry Perot resonator)는, 사이에 있는 매체(이득 매체일 수 있음)에 의해 분리되는 두 개의 평행한 반사 미러에 의해 형성되는 광 공진기를 가리킨다. 정재파(standing wave)는 이 반사 미러들 사이에서 형성되어, 공진 상태로 이어지며 따라서 캐비티 내에 광 증폭이 발생한다.

범위: 본 명세서 전체에 걸쳐, 본 발명의 다양한 양태들은 범위 형태로 제시될 수 있다. 범위 형태의 설명은 편의와 간략성을 위한 것일 뿐이며 본 발명의 범위를 엄격하게 한정하는 것으로 해석해서는 안 된다는 점을 이해하여야 한다. 이에 따라, 범위 설명은 가능한 모든 부 범위들(subranges) 및 해당 범위 내의 개별적인 수치들을 특정하게 개시한 것으로 여겨져야 한다. 예를 들어, 1 내지 6 등의 범위 설명은, 1 내지 3, 1 내지 4, 1 내지 5, 2 내지 4, 2 내지 6, 3 내지 6, 및 해당 범위 내의 개별적인 수치들, 예를 들어, 1, 2, 2.7, 3, 4, 5, 5.3, 6 등의 특정하게 개시된 부범위들을 갖는 것으로 여겨져야 한다. 이는 해당 범위의 폭에 상관없이 적용된다.

설명

본 발명은 근접장 광을 이용하여 물질의 성질을 분석하는 방법들을 제공한다. 예를 들어, 본 발명의 실시예들을 이용하여 관심을 갖는 물질의 생물학적 성질, 화학적 성질, 및/또는 물리적 성질을 측정할 수 있고, 또는, 일부 실시예들에서, 방법은 근접장 광을 이용하여 물질을 검사하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 본 발명의 방법은, 광원으로부터의 광을 물질로 향하게 하는 단계를 포함하고, 물질의 성질은 그 물질에 대한 광의 검출된 효과에 기초하여 직접적으로 또는 간접적으로 측정된다. 예를 들어, 물질의 성질은, 일부 실시예들에서, 물질에 의해 산란되는 광 검출, 물질에 의해 방출되는 광 검출, 및 물질에 의해 흡수되는 광 검출 중 적어도 하나를 포함한다.

일 실시예에서, 광원은 광 트랩으로부터의 근접장 광이다. 다른 일 실시예에서, 광원은 외부 광원이다. 일부 실시예들에서, 방법은, 예를 들어, 광 트랩으로부터의 근접장 광을 이용하여 물질을 부동화하거나 트랩핑하는 단계를 포함한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 물질은 트랩핑되지 않는다. 오히려, 물질은 근접장 광의 근처에 위치하게 된다. 예를 들어, 물질은 근접장 광 내에 또는 근접장 광 근처에 위치할 수 있다. 본 명세서에서 사용하는 바와 같이, 물질을 위치시키는 것은, 물질을 고정 위치에 두고 예를 들어 유체를 사용하여 이동 입자들을 가하는 것을 가리킨다. 따라서, 본 명세서에서는 트랩핑된 물질을 사용하여 본 발명을 예시하고 있지만, 통상의 기술자라면, 본 명세서에서 설명하는 방법들을 트랩핑되지 않은 물질들에 동일하게 적용 가능하다는 점을 인식하게 될 것이다.

방법들은, 예를 들어, 물질의 크기, 물질의 구조, 물질의 화학적 조성, 효소의 반응 속도, 관심을 갖는 두 개 이상의 물질 간의 결합 친화도, 화합물이 작용제, 대항제, 또는 조절 화합물의 다른 유형(예를 들어, 활성제, 강화제, 또는 억제제)인지의 시험을 연구하는 데 이용될 수 있다. 방법은, 또한, 물질의 굴절률, 전기적 임피던스, 전기적 유전율, 질량, 밀도, 온도, 확산 계수, 형상, 단백질 접힘 상태, 용해도, 또는 결정도를 측정하는 데 이용될 수 있다.

일부 실시예들에서, 본 발명은, 관심을 갖는 약제를 연구하거나 다른 시약으로 반응시킬 수 있도록 그 약제를 부동화하는 방법들을 제공한다. 일부 실시예들에서, 부동화는 화학물이나 가교 결합제를 사용하지 않고서 수행된다. 부동화는, 예를 들어, 유체 동력학, 즉, 광 유체학과 결합된 광학력을 이용하여 행해질 수 있다.

예를 들어, 화학적 수단을 쓰기보다는, 일부 실시예들에서, 방법은, 광학력을 사용하여 물질들(예를 들어, 핵산 분자, 단백질, 효소, 항체, 바이러스, 박테리아, 세포, 소 분자, 입자, 생체 입자, 나노튜브, 양자 도트, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적 등) 또는 매우 작은 입자들을 트랩핑, 캡처, 고정, 또는 부동화하고 이들을 동일한 위치에서 유지하는 단계를 포함한다. 물질들을 알려져 있는 위치에 위치시킴으로써, 물질을 쉽게 검사할 수 있고, 물질의 환경을 쉽게 수정할 수 있다. 예를 들어, 물질 자체를 변경하지 않고서 물질이 접하게 되는 용액 및/또는 시약을 수정할 수 있다.

종래에는, 광학력을 사용하여 입자의 위치와 운동을 조종할 수 있다고 알려져 있다. 예를 들어, 미국 특허출원 공개번호 제2011/0039730호와 제2012/033915호, 및 국제출원 공개번호 WO/2012/048220호에서는, 입자들의 위치와 운동을 조종하는 데 사용될 수 있는 다양한 장치들과 방법들을 개시하고 있으며, 이러한 문헌들 각각의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다. 충분한 강도를 갖는 광학력을 생성함으로써, 단백질 및 다른 나노 입자를 하나의 물리적 위치 내에 트랩핑할 수 있다. 이에 따라, 광 트랩이, 화학적 부동화를 대체할 수 있고, 또는 다른 분자/물질을 사용하여 특정한 물질을 물리적 위치에 고정하는 것을 대체할 수 있다.

일단 물질들이 광 트랩 내에 캡처되면, 새로운 시약들을 도입하여 캡처된 물질들과 상호 작용시킬 수 있다. 임의의 주어진 시간에서, 트랩은 턴오프될 수 있고, 물질은 자유롭게 확산되거나 흐름에 의해 이동될 수 있다. 따라서, 광 트랩을 이용하여 물질의 성질만을 연구하거나 다른 시약들이 있는 가운데 그 물질의 성질을 연구할 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 실시예들은 광 트랩 내에 또는 광 트랩 상에 트랩핑되는 물질을 참조할 수 있다. 분자, 화합물, 효소, 단백질, 펩티드, 유기 분자, 무기 분자, 핵산 분자 등의 물질에 더하여, 나노 입자나 미세 입자(예를 들어, 양자 도트, 나노 튜브, 미세 구체) 등의 입자 또는 다른 물질도 광 트랩에 의해 트랩핑될 수 있다. 이러한 입자들은 플라스틱(예를 들어, 폴리스티렌)으로 형성될 수 있고 이어서 다른 물질로 코팅될 수 있다. 따라서, 이러한 다른 유형의 물질들을 사용할 수 있고, "물질"이라는 용어가 사용되는 부분을 대체할 수 있다. 또한, 생체 입자들이라 칭할 수 있는, 바이러스, 바이러스형 입자, 박테리아, 벡터, 세포, 리포좀 등도 본 명세서에서 설명하는 방법들에 따라 트랩핑 및 조종될 수 있다. 트랩핑될 수 있는 다른 유형의 물질들은, 리포좀 또는 리포조말 구조를 포함한다. 따라서, "광학적으로 트랩핑된 물질"이라는 용어는, 본 명세서 및 다른 곳에서 설명하는 바와 같은 광 트랩을 사용하여 광학적으로 트랩핑될 수 있는 임의의 분자, 화합물, 조성물, 입자, 또는 생물학적 조성물을 가리킨다.

본 명세서에서 제공하는 실시예들은 물질을 연구하는 데 기존에 사용된 방법들에 비해 예상 밖의 상당한 장점들을 갖는다. 예를 들어, 이전에는, 가교 결합에 의해 또는 물질을 다른 물질(예를 들어, 항체)에 직접 결합함으로써 그 물질이 판에 고정될 수 있다. 그러나, 이러한 통상적인 고정 방법들은 연구되고 있는 자연적 물질의 성질에 영향을 끼친다. 예를 들어, 용액에서 반응하는 것처럼 더 이상 거동하지 않도록, 연구되고 있는 물질의 운동과 표면적을 제한한다. 예를 들어, 물질의 운동은 급격히 제한되며, 물질의 일부분이 입체 장해로 인해 숨겨질 수 있고, 물질이 변성될 수 있고, 물질이 부분적으로 차단되거나 오배향(mis-oriented)될 수 있고, 물질이 그 물질에 근접해 있으므로 인해 발생하는 다양한 힘을 겪을 수 있다.

이에 따라, 광 트랩핑 이외의 트랩핑 방법들에 의존하는 기존에 사용되는 방법들에서는, 성질이 변경될 수 있고, 기능이 감소될 수 있고, 및/또는 수행성이 감소될 수 있다. 본 명세서에서 설명하는 실시예들은, 연구되고 있는 물질의 성질이 변경되지 않으며 기능이 감소되지 않고 및/또는 수행성이 감소되지 않기 때문에, 광 트랩에 의해 이러한 단점들을 극복하며 뛰어난 방법들을 제공한다. 광학적으로 트랩핑된 물질들은, 용액 내에서 여전히 자유롭게 운동하므로 더욱 생리적 성질로 거동하기 때문에 양호한 수행성을 갖는다.

이에 따라, 일부 실시예들에서, 다음에 따르는 방법들은 여기서 그리고 청구범위에서 설명하는 바와 같이 제공된다. 현재 설명하는 방법들은, 부동화에 특정하게 맞추도록 부동화될 물질 또는 단백질의 최적화 및 사전 지식을 필요로 하지 않으며 또는 거의 필요로 하지 않기 때문에, 이전에 설명한 방법들에 비해 장점들을 갖는다. 예를 들어, 단백질의 특정 영역을 표면으로부터 멀리 적절히 배향시키도록 표면 접합을 단백질 상의 특정 사이트로 타겟팅하는 것이 흔히 바람직하다. 관심을 갖는 표면이 노출되지 않고 화학적 부착물에 의해 숨겨지면, 표면을 연구하는 순도 분석(assay)을 수행할 수 없다. 이는, 화학적 방법들을 사용하여 물질을 특정 위치에 고정하는 경우에 케이스마다 결정되어야 한다. 대조적으로, 물질의 광 트랩은, 광 트랩이 관심을 갖는 충분한 표면이 노출될 수 있게 하기 때문에, 순도 분석이 수행될 수 있는지를 결정하는 데 케이스마다 행할 필요가 없다. 본 방법들은, 광 트랩을 이용하여 물질이 캡처될 수 있다면 임의의 물질로 사용될 수 있다.

본 방법들은, 또한, 기존의 방법들과는 다른 상당한 장점들을 갖는다. 예를 들어, 기존의 방법들에서는, 물질의 부동화에 많은 노동과 시간 집약적 단계들을 필요로 한다. 예를 들어, 이러한 단계들은 물질 또는 표면을 활성화하는 것을 포함할 수 있다. 대조적으로, 광 트랩을 이용하여 물질을 특정 위치에 부동화하는 것은 단일 단계로 행해질 수 있다. 화학적 수단 또는 다른 수단에 의해 표면을 활성화시킬 필요가 없다. 일부 실시예들에서, 광 트랩은 표면을 활성화하기 위한 화학적 단계를 필요로 하지 않는다. 일부 실시예들에서, 물질을 표면에 광 트랩핑하는 것은 물질을 트랩핑하는 데 있어서 표면을 결합 파트너(예를 들어, 항체)로 코팅하는 것을 필요로 하지 않는다. 광 트랩에서는, 레이저 또는 광학 전원을 턴온함으로써 물질이 표면에 부동화된다. 일단 레이저 또는 광학 전원이 턴온되면, 물질이 위치에 고정된다. 일부 실시예들에서, 레이저는 물질을 부동화하도록 특정한 파장으로 조정된다.

본 명세서에서 사용하는 바와 같이, "고정" 또는 "부동화"라는 용어들은 특정한 위치에서 유지될 수 있는 물질을 참조하는 것이다. 물질은 일시적으로 또는 영구적으로 고정될 수 있다. 또한, 물질은, 물질이 배향을 변경할 수 있게 하는 방식으로 광 트랩 상의 특정한 위치에 고정될 수 있다. 물질 고정은, 특정한 위치에서 물질이 유지되지만 물질이 광 트랩의 제약 내에서 여전히 운동할 수 있음을 가리킨다. 예를 들어, 트랩 듀티 사이클로 광학적으로 트랩핑된 물질은 여전히 광 트랩에 고정된 것으로 여긴다.

기존의 방법들에 비해 본 명세서에서 설명하는 방법들의 다른 장점은, 강한 화학물이나 다른 시약을 사용하지 않고서 광학적으로 트랩핑된 물질(들)이 트랩으로부터 쉽게 용출(즉, 분리)될 수 있다는 점이다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 광학적으로 트랩핑된 물질은, 물질을 트랩하고 있는 레이저 또는 광학 전원을 턴오프함으로써 분리된다. 일부 실시예들에서, 광학적으로 트랩핑된 물질은 레이저를 다른 파장으로 조정함으로써 분리된다. 일단 광학력이 감소되면, 물질이 추가 분석을 위해 용출 및/또는 정제될 수 있다. 대조적으로, 기존의 방법들에서, 표면에 화학적으로 부착되어 있는 물질들은, 강한 화학물, 강한 염분 조건, 효소 분할을 사용하거나 다른 시약을 사용할 때에만 분리될 수 있다. 이러한 시약들은 광학적으로 트랩핑된 물질을 용출하거나 분리하는 데 사용될 필요가 없다. 이에 따라, 본 명세서에서 설명하는 방법들은, 이러한 장점들 때문에, 트랩핑된 물질을 분리, 용출, 또는 정제하는 뛰어난 방법을 제공한다.

일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질의 배향은 고정되지 않는다. 예를 들어, 트랩 듀티 사이클의 사용을 통해 광학력을 변조함으로써, 물질이 특정한 위치에 여전히 고정되어 있는 동안 물질의 배향을 변경할 수 있다. 이는, 일단 물질이 화학적 부착을 통해 또는 다른 결합 파트너에 결합됨으로써 위치에 트랩핑되면 물질의 배향이 다소 고정적으로 되어 변경되지 않는 기존의 방법들에 대조된다. 반대로, 광학력의 변조와 광 트랩핑은, 물질을 특정 위치에 고정시킨 상태를 유지할 수 있고 또한 물질의 배향을 변경할 수도 있다. 이러한 장점은, 물질이 생리적 조건 하에서 어떻게 거동하는지 또는 물질이 세포 환경에서 어떻게 거동하는지를 더욱 양호하게 모방한다.

일부 실시예들에서, 광 트랩핑은 다양한 세기의 서로 다른 광 트랩들로 사용될 수 있다. 따라서, 광학력을 변조함으로써 물질들의 복합체 또는 혼합물이 표면 상에 광학적으로 트랩핑되면, 서로 다른 물질들을 선택적으로 캡처 및/또는 용출할 수 있다. 이는 기존에 설명한 방법들과는 다르다.

여기서 설명하는 방법들은 다른 검출 방법들과 함께 사용될 수 있다. 검출 방법들은, 물질 크기, 분자 조성, 결합 친화도, 반응 속도, 효소 또는 다른 프로세스의 활성이나 억제 등을 측정하는 데 사용될 수 있다. 다른 검출 방법들의 예로는, 형광, 화학 발광, 광 산란, 라만 분광계, 비색, 전자 화학적 방법들, 및 표면 플라즈몬 공진 및 분광계가 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 이러한 예시적인 방법들은, 광 트랩을 포함하는 디바이스나 시스템(즉, 온 칩)에 집적될 수 있고, 또는, 대안으로 외부에서 결합될 수 있다(즉, 오프 칩).

본 명세서에서 설명하는 순도 분석과 방법의 일부 실시예들을 수행하는 데 사용되는 재료들은 임의의 광 트랩일 수 있다. 광 트랩의 예들은, 미국 특허출원 공개번호 제US2011/0039730호 및 제US2012/033915호, 및 국제출원 공개번호 WO/2012/048220호에 개시되어 있으며, 이들 문헌 각각의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다. 예시적인 광 트랩은 광자 구조 및/또는 광학적 공진 구조를 포함할 수 있다. 예를 들어, 광자 구조는, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 광학적 공진 구조는, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기, 및 이들의 조합을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 광 트랩은, 표면장을 생성하여 관심을 갖는 입자나 물질을 광학적으로 트랩핑하는 근접장 광학 구조를 포함한다. 본 명세서에서 사용되는 광 트랩은, 다른 상황에선 매우 작아서 트랩핑할 수 없을 물질을 비롯하여 임의의 크기나 형상의 물질을 트랩핑할 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명의 방법에서 사용되는 광 트랩은, 임의의 하나의 치수에 있어서 1㎛ 미만의 크기를 갖는 물질을 트랩핑 또는 부동화할 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 방법에서 사용되는 광 트랩은 임의의 하나의 치수에 있어서 500nm 미만의 크기를 갖는 물질을 트랩핑 또는 부동화할 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 방법에서 사용되는 광 트랩은 임의의 하나의 치수에 있어서 100nm 미만의 크기를 갖는 물질을 트랩핑 또는 부동화할 수 있다. 일 실시예에서, 본 발명의 방법에서 사용되는 광 트랩은 임의의 하나의 치수에 있어서 10nm 미만의 크기를 갖는 물질을 트랩핑 또는 부동화할 수 있다.

일 실시예에서, 광 트랩은 하나 이상의 슬롯 도파관을 포함한다(US2012/0033915). 간략하게, 슬롯 도파관은, 상당히 높은 굴절률의 두 개의 벽 사이에 협지된, 비교적 낮은 굴절률을 갖는 나노 스케일 슬롯을 포함한다. 레이저는 슬롯 내에 광을 제공하며, 이는 슬롯의 측면들 내에 또는 측면들 상에 분자 또는 입자를 부동화하기 위한 광학적 트랩핑 힘을 제공한다. 다른 일 실시예에서, 광 트랩은 하나 이상의 광자 도파관 근처에 위치하는 하나 이상의 광자 결정 공진기를 포함한다. 공진 파장으로 조정된 도파관 내의 광은 공진기에 소실 결합(evanescently)되며, 광자 결정 공진기에 또는 광자 결정 공진기 근처에 집중된 광학적 트랩핑 힘을 생성한다(WO2012/048220). 일 실시예에서, 공진기는 도파관과 일렬로 배치된다. 이 경우, 광이 소실 결합되도록 공진기를 도파관에 밀접하게 위치시키기보다는, 도파관 자체는 재료 내에 직접 설치된 공진기를 갖는다. 여기서는 도파관 및/또는 광자 결정 공진기를 사용하여 특정한 실시예들을 예시하고 있지만, 통상의 기술자라면 본 발명의 방법에서 임의의 적절한 광 트랩을 이용할 수 있음을 인식할 것이다.

광 트랩은 전력 공급 시스템에 의해 전력을 공급받을 수 있다. 전력 공급 시스템은 레이저 또는 광학력의 다른 유형일 수 있다. 일 실시예에서, 레이저의 출력은 1 내지 1000mW이도록 구성된다. 다른 일 실시예에서, 레이저의 출력은 10 내지 100mW이도록 구성된다. 일부 실시예들에서, 레이저의 출력 및/또는 레이저의 파장은 트랩된 물질의 크기 또는 크기 범위를 결정한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 레이저의 출력은 특정 범위의 물질만이 광 트랩에 의해 트랩핑되도록 조정되는 한편, 그 범위보다 크거나 그 범위보다 작은 물질들은 트랩을 지나 흐르게 된다.

광 트랩은, 또한, 하나 이상의 분자나 입자가 광 트랩에 전달되는, 유체 전달 시스템과 결합될 수 있다. 이는 유체 채널 또는 흐름 세포로 행해질 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 광 트랩과 유체 전달 시스템은 단일 칩 상에 포함된다. 다른 일 실시예에서, 광 트랩은 유체 전달 시스템을 포함하는 칩에 부착된다.

일부 실시예들에서, 관심이 있는 물질(즉, 분자 또는 입자)은 그 물질을 부동화하기 위한 광 트랩과 접촉하게 된다. 광 트랩은, 물질이 광 트랩과 접촉된 후에 또는 전에 턴온될 수 있다. 일 실시예에서, 물질은, 물질이 광 트랩 위로 흐를 수 있게 함으로써 광 트랩과 접촉하게 된다. 임의의 방법을 이용하여 물질을 광 트랩 위로 흐르게 할 수 있다. 예를 들어, 임의의 유체 시스템을 이용할 수 있다. 예를 들어, 시린지(syringe)를 사용하여 물질을 광 트랩 위로 부착할 수 있다. 그러나, 더욱 복잡한 시스템이 자동화할 수 있도록 그러한 시스템을 이용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 물질을 반송하는 유체의 유속은 변조(예를 들어, 증가 또는 감소)될 수 있으며, 이는 일부 물질들이 광 트랩으로부터 용출되거나 광 트랩 내에 트랩핑되는 것을 용이하게 할 수 있다. 또한, 분리된 채널들을 사용함으로써 서로 다른 트랩들 내의 서로 다른 용액들을 사용할 수 있다. 흐름을 이용하여 물질이 어떻게 광학적으로 트랩핑되는지에 영향을 끼칠 수 있다. 다른 일 실시예에서, 흐름을 이용하여 복수의 물질을 포함하는 유체로부터 어떠한 유형의 물질이 광학적으로 트랩핑되는지에 영향을 끼칠 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 흐름은, 특정한 범위의 물질들만이 광 트랩에 의해 트랩핑되는 한편 그 범위보다 큰 또는 그 범위보다 작은 물질들은 트랩을 지나 흐르도록 조절된다.

관심을 갖는 입자 또는 물질이 어떻게 광학적으로 트랩핑되는지에 영향을 끼치도록 압력 구동 흐름, 전자기적 구동 흐름, 전자 역학적 구동 흐름, 모세 구동 흐름, 흐름 포커싱, 흐름 접촉, 가변 채널 형상을 포함하는 다수의 서로 다른 흐름 기법들을 이용할 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

일부 실시예들에서, 유체 전달 기법은, 하나 이상의 입구와 하나 이상의 출구를 포함할 수 있다. 또한, 미세 유체 회로를 확립하여 서로 다른 유체들을 트랩핑 영역으로 정밀하게 계량 및 전달할 수 있다. 각 입구와 채널은, 예를 들어, 농도 구배를 미세 유체적으로 생성하도록 별도의 시약들 또는 프로세스 시약들을 전달할 수 있다.

본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 광 트랩은, 관심을 갖는 물질을 함유하는 샘플을 도입하기 전에 전력을 공급받을 수 있고, 또는, 광 트랩은 샘플이 도입된 후에 턴온될 수 있다. 광 트랩은, 또한, 제어 가능한 듀티 사이클이 존재하도록 펄스 공급되거나 변조될 수 있다. 즉, 전력은 일부 주기성에 따라 빠르게 턴온 또는 턴오프될 수 있다. 따라서, 트랩은 소정의 주파수로 온 상태와 오프 상태 사이를 교번한다. 또한, 트랩의 전력은, 트랩에 전달되는 광학력을 간단히 감소시킴으로써, 광의 극성을 조절함으로써, 또는 광의 파장을 변경함으로써, 변조될 수 있다. 트랩의 전력은, 또한, 더욱 작은 대상을 트랩핑하도록 조절될 수 있다. 필요한 힘의 양은 본 개시 내용을 고려하는 통상의 기술자에 의해 결정될 수 있다. 일부 실시예들에서, 전력은 물질이 표면에 부착되는 것을 방지하도록(예를 들어, 표면 대전 및 다른 표면 효과를 피하도록) 펄스화될 수 있다.

트랩핑될 수 있는 물질의 예는, 단백질, 입자(예를 들어, 폴리스티렌 또는 기타 플라스틱) 생체 입자, 효소, 뉴클레오티드 배열(DNA, RNA, mRNA 등), 유기 분자, 무기 분자 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 물질은 광 트랩에 의해 트랩핑될 수 있는 관심을 갖는 임의의 물질일 수 있다.

일부 실시예들에서, 방법은 측정 시스템 또는 측정 검출 디바이스를 사용한다. 예를 들어, 광 트랩은, 트랩핑된 분자를 검사하여 그 분자의 크기, 조성, 활동, 결합 친화도, 반응 속도, 효소 또는 다른 프로세스의 억제 또는 활성 등을 결정하도록 알려져 있는 디바이스 및 기술과 결합될 수 있다. 예시적인 디바이스는, 형광 현미경, 형광 검출기, 형광 분광계, 광 산란 검출기, 광 센서, 라만 현미경, 라만 분광계, 분광계, 포토다이오드, 전하 결합 소자(CCD), 상보 금속 산화물 반도체(CMOS) 카메라, 스펙트럼 분석기, 간섭기, 엘립소미터, 적분구, 및 광전자 증배관을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

일부 실시예들에서, 광 트랩은 표면을 차단하거나 기능화하기 위한 약제로 처리된다. 일부 실시예들에서, 광 트랩은 표면을 차단하거나 기능화하기 위한 약제로 처리되지 않는다. 일부 실시예들에서, 광 트랩은 표면을 차단하기 위한 시약(BSA, 젤라틴 등)으로 처리되지 않는다.

일부 실시예들에서, 동일한 기판 상에 다수의 광 트랩들을 동시에 또는 서로 다른 시간에 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 물질이 광학적으로 트랩핑되는 것의 후에, 전에, 또는 동시에, 추가 시약들을 시스템에 도입하여 시스템 벽 또는 트랩핑된 물질 자체와 상호 작용시킬 수 있다. 이러한 시약들은 광 트랩 시스템에서 사용될 수 있는 임의의 시약일 수 있다.

비제한적인 예로는, 향후 시약이 트랩된 물질에 트랩핑될 수도 있고 트랩핑되지 않을 수도 있는 소 분자, 트랩된 물질에 결합될 수도 있고 결합되지 않을 수도 있는 추가 입자와 비특이적으로 결합하지 않도록 표면을 패시베이션하기(passivate) 위한 차단 완충제, 언캡처된 입자를 제거하기 위한 세척 완충제, 새로운 완충제 또는 용액, (염분 농도, pH, 완충제 구성물의 농도가 가변되는)연속적으로 변하는 완충제 등이 있다.

일 실시예에서, 방법은, 하나 이상의 추가 입자(예를 들어, 생체 입자, 단백질, 유기 분자, 무기 분자, 뉴클레오티드 분자 등)를 포함하는 추가 시약을 부착하여 트랩핑된 물질에 끼치는 영향을 평가하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 추가 시약은, 트랩핑된 물질의 크기나 활성에 영향을 끼칠 수도 있고 또는 영향을 끼치지 않을 수도 있는 하나 이상의 추가 입자를 포함한다. 일 실시예에서, 이러한 입자들은 트랩핑된 물질에 결합될 수 있고, 일시적 또는 영구적 복합체나 응집물을 형성할 수 있다. 일부 실시예들에서, 추가 입자(들)는, 트랩핑된 물질이 복합체를 응집/형성하게 할 수 있고 또는 트랩핑된 물질이 더욱 작은 성분들이나 서브유닛들로 해리되게 할 수 있다.

예를 들어, 일 실시예에서, 본 발명의 방법은, 추가 시약이 화합물들의 라이브러리로부터의 시험 화합물을 포함하고 광 트랩을 사용하여 시험 화합물이 트랩핑된 물질의 성질에 영향을 끼치는지 여부를 평가하는 스크리닝 방법을 포함한다.

일 실시예에서, 추가된 입자는 트랩핑된 물질의 활성을 변경할 수 있다. 예를 들어, 트랩핑된 물질의 활성은, 하나 이상의 추가 입자가 존재하는 경우에 활성화, 비활성화, 억제, 상향 규제, 하향 규제될 수 있다. 예를 들어, 추가 입자는 화합물들의 라이브러리로부터의 시험 화합물일 수 있고, 트랩핑된 물질은 효소일 수 있다. 따라서, 시험 화합물의 존재 여부에 상관없이 효소의 성질을 측정하여 시험 화합물이 효소의 기능과 성질에 영향을 끼치는지 여부를 결정할 수 있다.

물질 활성은 신호를 검출함으로써 측정될 수 있다. 신호는 가시성, 비색성, 형광성, 방사성 등을 가질 수 있다. 임의의 검출가능 신호를 사용할 수 있다.

일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질은 용출된다. 트랩핑된 물질은, 광 트랩을 턴오프하고, 광 트랩의 출력을 변조하고, 또는, 광 트랩의 레이저를 다른 파장으로 조정함으로써, 용출될 수 있다. 또한, 용출은, 트랩핑된 물질에 결합된 다른 화합물들을 용출할 수 있다. 이어서, 용출된 트랩핑된 입자 또는 복합체를 분석하거나 조작할 수 있다.

일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질의 환경을 변경한다. 일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질의 온도를 수정한다. 일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질은, 물질 환경을 변경하도록 광(임의의 파장), 방사선, 전기장, 가스, 또는 다른 시약에 노출된다. 트랩핑된 물질은, 또한, 물질을 트랩핑하고 있는 장(field)을 변조함으로써 특정한 기간 동안 트랩핑될 수 있다.

여기서 설명하는 방법들은, 많은 방법과 용도에 사용될 수 있다. 예를 들어, 트랩핑된 물질들의 존재, 용액 내의 시약/화학물/단백질/분자 등을 트랩핑된 물질들에 결합/결합 해제하는 비율, 트랩핑된 물질들의 반응 속도, 트랩핑된 복합체들의 해리, 트랩핑된 물질들의 크기, 트랩핑된 물질들의 조성, 물질들의 확산 계수 측정을 모두 측정할 수 있다. 측정은, 예를 들어, 광 발광성(예를 들어, 형광), 화학 발광성, 비색, 분광에 의해, 외부 시스템을 사용하여, 칩에 설계된 시스템을 사용하여, 전자 화학적 방법에 의해, 또는, 임의의 물리적, 화학적, 생물학적, 광학적, 또는 전기적 방법들에 의해 행해질 수 있다.

일부 실시예들에서, 제어를 이용한다. 또한, 서로 다른 입자들을 갖는 다른 트랩들의 제어 측정 또는 다른 제어 수단을 취할 수 있다. 백그라운드 또는 제어를 위해 칩 상의 다른 위치들을 측정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 입자가 트랩핑되어 있는 동안 트랩핑된 입자와 대하여 측정을 행하지 않을 수도 있다.

트랩핑된 물질 검사

일 실시예에서, 본 발명의 방법은 물질을 검사하여 물질의 성질을 결정하는 단계를 포함한다. 일 실시예에서, 물질은 트랩핑된다. 본 발명에 의해 얻을 수 있는 물질의 예시적인 성질들은, 크기, 양, 조성, 농도, 굴절률, 및 밀도를 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 바와 같이, 물질은 근접장 광을 이용하여 검사될 수 있는 임의의 적절한 물질일 수 있다. 예시적인 물질들은, 효소, 단백질, 소 분자, 유기 분자, 무기 분자, 핵산 분자, 나노 입자, 미세 입자, 미세 구체, 양자 도트 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 방법은, 혼합물 내의 특정한 물질의 존재 및/또는 성질을 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방법은, 다른 상황에선 결정하기가 거의 불가능한 오염물들의 존재 및/또는 성질을 평가하는 데 사용된다.

일부 실시예들에서, 본 발명의 검사 방법은, 하나 이상의 광 트랩을 이용하여 물질을 트랩핑하거나 부동화하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 관심을 갖는 물질을 포함하는 용액을 트랩 근처에 부착한다. 일단 물질이 트랩핑되면, 하나 이상의 검출 메커니즘을 사용하여 그 트랩핑된 물질에 관한 정보를 얻는다. 광 트랩은, 트랩핑 힘을 생성하여, 물질을 정확한 그리고 알려져 있는 위치에 부동화한다. 따라서, 측정 기술들은 광 트랩에 포커싱되거나 겨냥되거나 광 트랩 근처에 구성될 수 있고, 이는 매우 특정적이며 민감한 측정을 제공하게 된다. 물질을 제 위치에 트랩핑함으로써, 측정(적분) 시간을 증가시킬 수 있다. 더욱 긴 시간 동안 물질을 측정함으로써, 선택된 검출 메커니즘의 감도를 증가시킨다. 이 방법은 단일 물질에 대한 매우 특정적이며 민감한 측정을 가능하게 한다.

본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 바와 같이, 광 트랩은, 광자 도파관, 광자 결정 공진기, 슬롯 도파관, 광자 핀셋을 포함하는 근접장 광학 구조를 포함할 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다. 일 실시예에서, 방법은, 근접장 광학 구조 자체로부터의 광을 이용하여 입자를 검사하는 단계를 포함한다. 다른 일 실시예에서, 방법은, 외부 광원으로부터의 광(즉, 근접장 광으로부터 분리된 광)을 트랩핑된 물질에 가하여 물질을 검사하는 단계를 포함한다. 다른 일 실시예에서, 근접장 광 트랩의 영향에 의해 트랩핑된 물질의 동적 이동은 물질의 기본 성질에 상관된다. 이 이동은 이러한 성질을 설명하기 위한 다양한 수단에 의해 측정할 수 있다.

광 트랩으로부터의 검사 광을 이용한 트랩핑된 물질의 검사

일 실시예에서, 근접장 광을 이용하여 관심을 갖는 물질을 검사할 수 있다. 일부 실시예들에서, 근접장 광은 광 트랩으로부터 출력되는 것이다. 일부 실시예들에서, 근접장 광은 트랩핑된 물질을 검사하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 광 공진기가 사용되면 트랩핑 힘이 향상된다. 일부 실시예들에서, 트랩으로부터 광을 이용하는 것이 유리하며, 그 이유는, 이 광이 크게 한정되며 표면파 내의 물질들만이 이 검사를 받기 때문이다. 소실장(evanescent field)이 매우 강하게 한정되므로, 인근 입자들은 일반적으로 측정에 간섭하지 않으며, 따라서, 트랩핑된 물질에 대하여 매우 특정적으로 될 수 있다. 이는 방법을 매우 특정하게 할 수 있다. 또한, 신호 대 잡음에 연관된 장점들도 있다. 검사 광이 주로 도파관 내에 한정되기 때문에, 트랩핑된 물질 주위로 백그라운드 광이 덜 존재하며, 이에 따라 백그라운드에 대한 신호비를 개선한다.

도 1은 광 트랩으로부터의 검사 광을 이용하여 트랩핑된 물질을 검사하는 방법의 예시적인 개략도이다. 도시한 바와 같이, 광 트랩(10)은 트랩핑된 물질(20)을 부동화하는 데 사용된다. 일 실시예에서, 광 트랩(10)은 도파관이다. 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 바와 같이, 본 발명에서 사용되는 예시적인 광 트랩은, 슬롯 도파관의 좁은 슬롯 내에 광을 제공하도록 위치하는 레이저를 이용하여 소실장을 생성하여 물질(20)을 트랩핑한다. 도 1에 도시한 방법에서, 광 트랩(10)으로부터 방출되는 광인 근접장 광(30)을 이용하여 물질(20)을 검사한다. 일 실시예에서, 물질(20)의 성질은, 물질(20)에 의해 야기되는 산란된 광(40)의 양을 측정함으로써 결정된다. 광 트랩(10)의 소실장 내에 물질(20)이 존재함으로써, 광의 일부가 산란을 통해 원거리장 광(far-field light)으로 변환되며, 이는 전파되어 하나 이상의 검출기(50)에 도달한다. 더욱 큰 물질들에 의해 광이 더욱 산란되는 한편 작은 분자들에 의해 광이 덜 산란된다. 일 실시예에서, 검출기(50)는, 광 트랩(10)을 포함하며 선택 사항을 유체 전달 시스템을 포함하는 칩 상에 위치한다. 다른 일 실시예에서, 검출기(50)는 오프 칩(즉, 광 트랩(10)과 동일한 칩 상에 위치하지 않는 칩)이다.

(물질이 입사 파장보다 매우 작은) 레일리 산란에(Rayleigh scattering) 따르면, 물질 산란 단면적(σ_s)은 아래와 같이 얻어진다.

여기서, λ는 파장이고, n은 입자의 굴절률이고, d는 물질의 직경이다. 따라서, 산란 단면적은 물질 직경의 6 제곱을 따른다. 예를 들어, 0.2㎛ 물질과 0.1㎛ 물질(예를 들어, 크기가 서로 다른 두 개의 바이러스)이 광 트랩의 근처에 있다고 가정하면, 큰 물질이 작은 물질보다 최대 64배 더 산란하게 된다. 따라서, 산란 단면적 측정은 크기에 있어서 매우 선택적이다. 또한, 산란 단면적은 (1/λ)⁴에 따르므로, 산란 단면적에 의해 물질들을 분별하는 능력이, 일부 실시예들에서, 파장을 최적화함으로써 향상될 수 있다. 예를 들어, NIR 레이저(1064nm) 대신에 녹색 레이저(532nm)를 사용하여 탐침하는 경우, 대략 16배 더 큰 물질 산란을 얻게 된다.

일부 실시예들에서, 산란 광을 이용하여 트랩핑된 물질로부터 분광 또는 라만 분광(Raman spectrometry) 신호를 얻는다. 예를 들어, 산란 광은 분광계에 의해 캡처되고 검출된다. 일부 실시예들에서, 분광 신호는 트랩핑된 물질이 어떠한 유형의 물질인지를 결정하는 데 사용된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 신호는, 물질이 단백질, 소 분자, 금속 오염물 등인지를 결정하는 데 사용된다. 일부 실시예들에서, 신호는 물질이 단백질 응집물인지를 결정하는 데 사용된다.

일 실시예에서, 물질의 성질은 도파관으로부터의 출력 광을 측정함으로써 결정된다. 도파관을 따라 유도되는 광은 물질이 존재함으로 인해 변경된다. 더욱 큰 입자들은 도파관과의 더욱 큰 상호 작용 길이를 가짐으로써 광을 더욱 산란시켜, 도파관으로부터 출력되는 광을 적게 한다. 일부 실시예들에서, 광 공진기가 사용되면, 공진기 근처에 물질이 존재함으로써, 그러한 존재가 국부적 굴절률을 급격히 변경하므로, 공진 파장이 시프트된다. 산란된 광으로 인한 출력 감소 및 공진 파장의 시프트 모두를 출구에서 측정할 수 있다. 공진 시프트는, 입력 레이저 파장을 스위핑하고 광이 공진기를 통과한 후 집광하여 출력 스펙트럼을 구축함으로써 측정될 수 있다. 일 실시예에서, 단일 파장을 사용하여 출력에서 출력 변화를 관찰한다. 다른 일 실시예에서, 많은 파장들을 동시에 입력한다.

일부 실시예들에서, 광 트랩으로부터의 근접장 광을 이용하여 물질을 검사하는 것이 유리한데, 그 이유는, 고 시스템 비용을 발생시키지 않고, 안전 우려를 초래하지 않고, 또는 샘플을 손상시키지 않고서, 외부 광원을 사용하는 원거리 장 방법에 비해 에너지가 더욱 집약될 수 있기 때문이다. 더욱 안전하고 저 전력의 레이저를 사용할 수 있으며, 그 이유는 이러한 파장 기반 검사 방법이 광 에너지를 크게 한정하고 증폭하기 때문이다. 대조적으로, 외부 광원을 이용하여 더욱 큰 면적을 유사한 양의 에너지 밀도에 노출하려면 더욱 강력한 레이저가 필요하며, 이는 고 비용으로 될 것이며 탐침되는 물질과 사용자를 더욱 위험하게 할 수 있다. 그 결과, 일부 실시예들에서, 이 상호 작용은 원거리 장 방법보다 효율적이다. 또한, 스케일링 법칙 때문에, 광의 더욱 작은 스폿들은 광의 더욱 큰 스폿들보다 쉽게 열을 방산한다. 외부 광원으로부터의 원거리 장 광을 이용하여 동일한 광 에너지 밀도를 얻는 검사는, 샘플을 손상시킬 수 있는 더욱 많은 가열을 초래하고, 측정을 왜곡하고, 또는, 디바이스 장치를 손상시킬 것이다.

외부 광원으로부터의 검사 광을 이용한 트랩핑된 물질의 검사

일 실시예에서, 방법은, 외부 광원(즉, 오프 칩)으로부터의 검사 광을 물질에 가하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 물질은, 본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 트랩핑된 물질이다. 유체 내에 현탁되어 있는 작은 입자들은 브라운 운동으로 인해 대략 랜덤하게 이동한다. 그러나, 일부 실시예들에서, 본 명세서에서 설명하는 방법과 디바이스를 사용함으로써, 근접장 광 트랩에 의해 트랩핑되는 물질이 연장된 기간 동안 알려져 있는 위치에 국부화된다. 이는, 측정 기술들이, 다른 상황에선 동적 시스템에서 얻을 수 없는 그 기간 동안 광 트랩에 포커싱되거나 겨냥되거나 광 트랩 근처에 구성될 수 있게 한다. 이는, 더욱 큰 감도를 위해 시간 평균화될 수 있거나 적분될 수 있는 매우 특정한 측정을 가능하게 한다.

도 2는 외부 광원으로부터의 검사 광을 이용하여 트랩핑된 물질을 검사하는 방법의 예시적인 개략도이다. 도시한 바와 같이, 광 트랩(110)을 이용하여 트랩핑된 물질(120)을 부동화한다. 이 방법에서는, 광 트랩(110)으로부터의 근접장 광(130)을 사용하는 것 대신에, 외부 광원으로부터의 검사 광(160)을 사용하여 물질(120)의 성질을 결정한다. 일부 실시예들에서, 검사 광(160)은 포커싱 렌즈(170)를 사용함으로써 물질(120)에 포커싱된다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방법은 (도파관에 결합된 레이저와는 대조적으로) 종래의 포커싱된 레이저를 사용하여 트랩핑 영역을 검사한다. 산란 광(140)은 검출기(150)에 의해 집광 및 측정된다. 일부 실시예들에서, 검출기(150)는 분광계이다. 트랩핑된 물질(120)은 트랩핑 영역 내에 유지되어, 물질이 활성적으로 분리될 때까지 신호들이 수집될 수 있게 한다. 트랩핑되지 않은 물질들은, 때때로, 검사 영역을 출입할 수 있지만, 전체 측정에 대하여 끼치는 시간 평균화된 영향이 매우 작다.

이 방법은, 또한, 국부적으로 미세 또는 나노 구조화된 감지 방법들을 이용하여 채택될 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방법은, 광 트랩 근처에 패터닝된 여러 개의 센서로 이루어지는 전자 화학 센서를 사용하여 트랩핑된 물질의 성질을 검출하는 단계를 포함한다. 다른 예시적인 감지 방법들은, 광학적 감지 방법, 음향적 감지 방법, 기계적 감지 방법, 열적 감지 방법 등이 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

물질의 위치와 운동을 이용한 트랩핑된 물질의 검사

일 실시예에서, 물질의 성질은 물질의 운동을 측정함으로써 결정된다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 성질은 트랩핑된 물질의 운동을 측정함으로써 결정된다. 트랩 내에서의 물질의 운동은 그 물질의 크기(크기의 세 제곱)에 크게 의존하며, 물질의 굴절률(굴절률의 일 제곱)에는 덜 의존한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 방법은 물질 운동을 관찰하고 추적하여 물질의 성질을 정확하게 추정하는 단계를 포함한다. 큰 물질은 브라운 운동을 덜 나타내고 또한 광 트랩에 의해 더욱 강하게 유지된다. 이러한 효과 모두는 트랩 내에서의 물질 운동을 감소시킨다. 역으로, 작은 물질은 브라운 운동을 더욱 나타내고 또한 광 트랩에 의해 덜 강력하게 유지된다(도 3). 트랩 자체는 이산적인 한계값들을 갖지 않지만, 대신에, 광학 구조로부터 멀어지면서 연장되는 트랩핑 힘의 구배로 여겨질 수 있다. 주어진 광학력에 대하여, 큰 입자들은 작은 입자들에 비해 트랩의 중심 근처에서 시간의 더욱 큰 퍼센트를 소모한다.

당해 기술에 알려져 있는 임의의 방법에 의해 물질 운동을 관찰 및 추적할 수 있다. 예를 들어, 일 실시예에서, 물질 상의 검출가능 라벨(즉, 형광 태그)의 추적을 통해 물질 운동을 관찰 및 추적할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 도파관의 출력부로부터 출력되는 광을 관찰함으로써 물질 운동을 관찰 및 추적한다. 물질과 근접장 광 트랩 간의 상호 작용에 의해, (1) 광이 산란되고, (2) 도파관으로부터 출력되는 출력량이 감소되고, 및/또는 (3) (광 공진기가 사용되는 경우) 광 공진기의 공진 파장의 시프트가 야기된다. 물질이 트랩에 가까울수록, 효과도 커진다(즉, 광 산란, 출력 손실, 및 공진 시프트가 증가된다).

트랩 내에서의 물질 운동은, 입자를 교대로 공진기에 가깝게 이동시킨 후 공진기로부터 멀어지게 하여 각각 상호 작용 효과를 증가시킨 후 감소시킨다. 일 실시예에서, 방법은, 충분한 시간 양 동안 출력부에서 광을 측정하여 트랩 내에서의 물질 운동을 관찰하고 크기, 밀도, 또는 질량 등의 적어도 하나의 입자 성질을 산출하는 단계를 포함한다.

이러한 물리적 측정은 트랩핑 힘, 유체 점성력, 및 브라운 운동에 의해 지배된다. 광학적 구배력이라고도 하는 트랩핑 힘은 아래의 식에 의해 주어진다.

,

여기서, c는 광의 속도이고, I _o는 입사광 강도이고,

이고, 여기서 V는 (특징적 치수 크기의 세 제곱에 비례하는) 입자 볼륨이고, ε_p와 ε_m은 각각 입자와 재료의 유전 상수이다.

유체 점성력은 아래의 식과 같다.

,

여기서, μ는 점도이고, R은 물질의 특징적 치수이고, ν는 물질의 속도이다.

브라운 에너지는 k_bT에 의해 주어지고, k_b는 볼츠만 상수이고, T는 유체의 온도이다.

안정적인 트랩을 위해서는, F_grad > F_d 및 F_grad > 브라운 운동으로 된다. 본 명세서에서 설명하는 트랩이 이러한 식으로 작동하도록 설계된다면, 트랩핑 힘은 R³의 스케일링 때문에 큰 입자에 대하여 크게 향상된다. 따라서, 큰 물질은 더욱 긴 기간 동안 트랩의 중심에 더욱 가깝게 유지되는 한편, 작은 물질은 큰 입자보다 트랩의 중심으로부터 더욱 멀리 떨어져 더욱 많은 시간을 소비하게 된다. 따라서, 일 실시예에서, 방법은 물질 크기를 결정하도록 트랩의 중심에 대한 물질 위치를 관찰하는 단계를 포함한다. 물질 크기는, 예를 들어, 크기가 알려져 있는 물질들이나 입자들에 대한 상대 위치들의 데이터베이스를 참조함으로써 결정될 수 있다. 따라서, 일부 실시예들에서, 알려져 있지 않은 트랩핑된 물질의 상대적 위치 관찰을 데이터베이스와 함께 이용하여 알려져 있지 않은 트랩핑된 물질의 크기를 거꾸로 산출한다. 다른 일 실시예에서, 트랩핑된 물질의 위치를 관찰하고 추적함으로써, 트랩핑된 입자의 하나 이상의 유전적 성질을 결정할 수 있다.

순도 분석

본 발명은, 또한, 광 트랩을 이용하여 물질들 간의 관계를 순도 분석하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 방법은, 하나 이상의 물질이 트랩핑된 물질에 결합될 수 있는지 또는 결합되지 않을 수 있는지 여부 및/또는 어떻게 결합될 수 있는지 또는 결합되지 않을 수 있는지를 평가할 수 있다. 다른 일 실시예에서, 방법은, 하나 이상의 물질이 트랩핑된 물질의 크기, 조성, 또는 활성을 변조할 수 있는지 여부 및/또는 어떻게 변조할 수 있는지를 평가할 수 있다. 예를 들어, 트랩핑된 물질은, 단백질, 핵산, 입자, 단백질 코팅된 입자, 소 분자 등일 수 있는 한편, 그 트랩핑된 물질에 부착된 하나 이상의 다른 물질은 단백질, 핵산, 입자, 단백질 코팅된 입자, 소 분자, 화합물, 이온 등일 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명은 트랩핑된 물질의 하나 이상의 다른 물질에 대한 결합을 평가하는 방법을 제공한다. 물질을 트랩핑함으로써, 결합 친화도, 결합 반응 속도, 해리 반응 속도, 결합 화학량론 등을 결정할 수 있다. 일부 실시예들에서, 트랩핑된 물질에 부착된 하나 이상의 다른 물질은 라이브러리로부터의 시험 화합물을 포함한다.

일부 실시예들에서, 방법은, 트랩이 물질을 특정 위치에서 또는 특정 위치 근처에서 부동화하거나 트랩핑하도록 관심을 갖는 물질을 광 트랩에 투여하여 트랩핑된 물질을 제공하는 단계를 포함한다. 하나 이상의 다른 물질에 대한 트랩핑된 물질의 결합을 평가하도록, 하나 이상의 다른 물질을 트랩핑된 물질에 부착한다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 하나 이상의 다른 물질은 용액 내에 제공되며, 유체 전달 시스템을 이용하여 트랩핑된 물질에 부착된다. 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 바와 같이, 하나 이상의 다른 물질을 포함하는 용액의 흐름은 특정하게 제어될 수 있고 또는 최적의 순도 분석 조건을 제공하도록 조정될 수 있다.

일부 실시예들에서, 순도 분석은 검출가능 라벨이나 검출가능 태그로 라벨링된 하나 이상의 물질을 사용하는 것을 포함한다. 일 실시예에서, 관심을 갖는 물질(즉, 트랩핑된 물질)은 검출가능 라벨로 라벨링된다. 다른 일 실시예에서, 하나 이상의 다른 물질(즉, 트랩핑된 물질에 후속 부착되는 물질)은 검출가능 라벨로 라벨링된다. 다른 일 실시예에서, 트랩핑된 물질 및 하나 이상의 다른 물지 모두는 검출가능 라벨로 라벨링된다. 검출가능 라벨을 사용함으로써, 트랩핑된 물질과 하나 이상의 다른 물질 간의 결합의 검출 및/또는 정량화가 가능해진다. 예를 들어, 일부 실시예들에서, 방법은 FRET 기술을 이용하여 물질들의 결합 및/또는 상호 작용을 측정하는 단계를 포함한다. 따라서, 일부 실시예들에서, 방법은 알려져 있는 검출 방법을 이용하여 검출가능 라벨의 변화 또는 양이나 검출가능 라벨을 관찰하는 단계를 포함한다. 통상의 기술자라면 이해하듯이, 이 방법에서 임의의 알려져 있는 검출가능 라벨을 사용할 수 있다. 예시적인 라벨들은, 형광 라벨, 방사성 라벨, 강자성 라벨, 상자성 라벨, 발광성 라벨, 전자 화학 발광성 라벨, 인광성 라벨, 질량 라벨, 라만 라벨, 분자 비컨, 업컨버팅 인광체, 크로매틱 라벨 등을 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

일 실시예에서, 트랩핑된 물질 및/또는 하나 이상의 다른 물질은 형광 라벨로 라벨링된다. 형광 라벨의 비제한적 예로는, 녹색 형광 단백질(GFP), 시얀 형광 단백질(CFP), 황색 형광 단백질(YFP), 적색 형광 단백질(RFP), 오렌지색 형광 단백질(OFP), eGFP, mCherry, hrGFP, hrGFPII, Alexa 488, Alexa 594 등이 있다. 또한, 형광 라벨은, 예를 들어, 킨들링 적색 형광 단백질(KFP-red), PS-CFP2, Dendra2, CoralHue Kaede, CoralHue Kikume 등의 광 변환형일 수 있다. 일부 실시예들에서, 방법은, 검출기를 사용하여 트랩핑된 물질의 사이트로부터 방출되는 형광 파장의 강도, 강도 변화, 및/또는 시프트를 결정하는 단계를 포함한다. 본 방법에서 사용하는 데 적절한 검출기는, 당해 기술에 널리 알려져 있으며, 형광 검출기, 형광 현미경, 형광 분광계 등을 포함할 수 있지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

도 4는 하나 이상의 물질을 서로 결합하는 광 트랩핑의 비제한적 일례를 도시한다. 도 4에서, 스트렙타비딘은, 그 트랩핑 영역에서 표면에 광학적으로 트랩핑된다. 임의의 결합되지 않은 스트렙타비딘은 세척으로 제거될 수 있는 한편 광학적으로 트랩핑된 스트렙타비딘은 유지된다. 이어서, 결합 파트너(예를 들어, 비오틴)를 스트렙타비딘과 접촉시킬 수 있고 통상적인 검출 방법들을 이용하여 결합을 측정 또는 감시할 수 있다.

다른 일 실시예에서, 본 발명은 하나 이상의 다른 물질에 의한 트랩핑된 물질의 변조를 평가하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 트랩핑된 물질은 응집물이며, 이때, 방법은 하나 이상의 다른 물질이 트랩핑된 응집물의 해리를 유도하는 정도를 결정하는 단계를 포함한다. 응집물의 해리는, 예를 들어, 트랩핑된 응집물 상의 검출가능 라벨에 의해 제공되는 검출가능 신호의 손실을 통해 결정될 수 있다. 대안으로, 응집물의 해리는, 시간 경과에 따른 응집물의 크기를 결정하도록 본 명세서의 다른 부분에서 설명하는 검사 방법들 중 하나 이상을 이용하여 결정될 수 있다.

다른 일 실시예에서, 방법은, 하나 이상의 다른 물질이 트랩핑된 물질의 활성을 변조하는 정도를 결정하는 단계를 포함한다. 예를 들어, 일 실시예에서, 트랩핑된 물질은, 반응물을 효소에 제공하고 생성물의 생성 속도를 측정함으로써 활성이 결정되는 효소이다. 일부 실시예들에서, 방법은, 유체를 트랩핑된 효소에 제공하고 효소 생성물의 생성이 변경되는 정도를 결정하는 단계를 포함한다. 일부 실시예들에서, 트랩핑된 효소에 제공되는 유체는, 단백질, 핵산, 소 분자 등을 포함한다. 다른 일 실시예에서, 트랩핑된 효소에 제공되는 유체는, 효소 활성을 변경할 수도 있거나 변경하지 않을 수도 있는 변성된 성질(즉, pH, 오스몰 농도)을 갖는다.

다른 일 실시예에서, 본 발명은, 샘플 내의 물질의 존재를 검출하는 방법을 제공한다. 예를 들어, 방법은, 광 트랩을 이용하여 항체 또는 항체 코팅된 입자를 부동화하고, 관심을 갖는 물질을 포함할 수도 있고 또는 포함하지 않을 수도 있는 샘플을 트랩핑된 항체에 제공하는 단계를 포함한다. 이 방법은, 일부 경우에, 예를 들어, 특정 바이오마커의 존재를 결정하는 데 사용될 수 있는 면역 순도 분석 방법을 제공한다.

시스템

본 발명은, 물질을 검사하기 위한 시스템과 디바이스를 제공한다. 일 실시예에서, 시스템은, 관심을 갖는 물질을 트랩핑하기 위한 광 트랩 및 하나 이상의 검출기를 포함한다. 일부 실시예들에서, 광 트랩은, 광자 도파관, 광자 결정 공진기, 슬롯 도파관, 및 광자 핀셋으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함한다. 일부 실시예들에서, 검출기는, 형광 현미경, 형광 검출기, 형광 분광계, 광 산란 검출기, 광 센서, 라만 현미경, 라만 분광계, 및 분광계로 이루어지는 그룹에서 선택되는 기구이다. 일 실시예에서, 시스템은 광 에너지를 광 트랩에 제공하기 위한 레이저를 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은, 관심을 갖는 물질 및/또는 다른 물질을 광 트랩에 제공하기 위한 유체 전달 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 시스템은 검사 광을 광 트랩의 트랩핑 영역에 제공하도록 광원 및 포커싱 렌즈를 포함한다. 일부 실시예들에서, 시스템은, 시스템 구성요소들을 프로그래밍 및/또는 제어하는 데 적절한 소프트웨어를 갖는 컴퓨터 또는 기타 하드웨어를 더 포함한다. 일 실시예에서, 광 트랩, 유체 전달 시스템, 및 적어도 하나의 검출기 모두는 단일 칩 상에 위치한다. 일부 실시예들에서, 광 트랩을 포함하는 칩은 적어도 하나의 온 칩 센서를 더 포함한다. 예시적인 온 칩 센서들은, 석영 결정 마이크로밸런스, 캔틸레버, 전자 화학 센서, 음향 센서, 열 센서, 임피던스 센서, 및 속삭임 회랑 모드 광 센서를 포함하지만, 이러한 예들로 한정되지는 않는다.

일 실시예에서, 시스템은 복수의 광 트랩을 포함하고, 각 광 트랩은 트랩핑된 물질의 다른 특징화를 수행하도록 조정 가능하다. 일 실시예에서, 복수의 광 트랩의 각각은 다른 크기 물질을 트랩핑하도록 조정된다.

예(Examples)

다음에 따르는 실험예들을 참조하여 본 발명을 상세하게 더 설명한다. 이러한 예들은, 단지 예시를 위해 제공되는 것이며, 달리 특정하게 언급하지 않는 한정을 가하려는 것이 아니다. 따라서, 본 발명은, 다음에 따르는 예들로 한정되는 것으로 해석해서는 안 되며, 오히려, 본 명세서에서 제공되는 교시의 결과로서 명백한 임의의 모든 변형예들을 포함하도록 해석되어야 한다.

추가 설명 없이, 통상의 기술자라면, 전술한 설명과 다음에 따르는 예시적인 예들을 이용하여, 본 발명을 제조 및 이용할 수 있고 청구 방법을 실시할 수 있다고 여겨진다. 따라서, 다음에 따르는 실험예들은, 본 발명의 바람직한 실시예들을 특정하게 강조하며, 본 개시 내용의 나머지를 어떠한 식으로든 한정하는 것으로서 해석해서는 안 된다.

예 1: 멀티 챔버 입자 특징화

제제(pharmaceutical preparation)의 제조에는, 시료, 중간 재료, 및/또는 최종 제제 내에 불필요한 오염물들이 종종 함유된다. 이렇게 존재하는 오염물은 제품의 전체 효율성과 안전성에 영향을 끼칠 수 있다. 일부 기술들은 직경 2㎛를 초과하는 입자 오염물에 관한 정보를 제공할 수 있지만, 표준 기술들은 더욱 작은 오염물들의 존재 및/또는 성질을 검사하는 데 한정된다.

본 명세서에서 설명하는 바와 같이, 광 트랩은, (1) 얼마나 많은 입자들이 용액 내에 존재하는지, (2) 이러한 입자들의 크기가 얼마인지, 및 (3) 이러한 입자들이 무엇으로(예를 들어, 고무, 단백질, 스틸, 오일) 이루어져 있는지를 결정하는 방법과 시스템에서 사용될 수 있다.

최종 제제 내의 작은 오염물들의 존재와 성질을 검사하기 위해, 제제의 유체 샘플을, 도파관 기반 광 트랩을 포함하는 챔버 내에 로딩한다. 이 도파관은, 도파관으로부터 방출되는 근접장 광이 용액 내의 입자들 및 유체와 상호 작용할 수 있도록 유체에 노출된다. 시스템은, 3 단계 방안을 이용하며, 각 단계는 미세 유체 칩의 다른 챔버에서 달성된다. "넌트랩핑 분석"(non-trapping analysis)이라 칭하는 제1 단계에서는, 입자들이 도파관 근처에 흘러 근접장 광과 상호 작용함에 따라 입자들을 분석하지만 트랩핑하지 않는다. "소 앙상블 측정"(small ensemble measurements)이라 칭하는 제2 단계에서는, 도파관에 의해 많은 입자들을 실제로 캡처한 후 분석한다. "단일 입자 측정"이라 칭하는 제3 단계에서는, 많은 개별적인 입자들을 캡처, 측정, 및 분리하여, 순차적인 방식으로 다음 입자를 위해 트랩을 자유롭게 한다.

넌트랩핑 분석

챔버(1)에서, 도파관의 전력은, 근처의 입자들을 트랩핑하도록 그 입자들에 대하여 강력한 힘을 방출하지 않을 정도로 낮다. 예를 들어, 굴절률이 약 1.5이며 직경이 0.2 내지 2㎛인 구형 유전 입자들에 대하여, 입자들이 트랩핑되지 않도록 약 500V/㎛² 이하의 트랩 구배 세기가 필요하다. 대신에, 챔버를 통해 흐르는 입자들은 때때로 도파관에 충분히 가깝게 통과하여 소실장과 상호 작용한 후 계속 진행된다. 소실장은 지수적으로 감쇠되며, TE 분극된 1064nm 광을 반송하는 물에서의 실리콘 질화물 도파관의 경우에, 출력의 99%가 도파관으로부터 200nm 내에서 사라진다. 짧은 시간 동안, 입자들은 소실장을 통과하며, 근접장 광 중 일부를 산란시키고, 이에 따라 근접장 광을 원거리장 광으로 변환한다. 따라서, 도파관으로부터의 근접장 광은 입자들을 검사하는 데 사용된다. 근접장 광과는 달리, 이렇게 산란된 원거리장 광은 긴 거리를 이동하여 광 검출기에 의해 쉽게 캡처된다. 애벌런시 포토다이오드는, 광자들이 도파관을 통과할 때 오염물 입자들에 의해 산란되는 광자들을 수집하는 데 사용된다. 마찬가지로, 맑고 어두운 밤에 거리 등에 있는 파리들을 관찰하는 것을 고려한다. 파리가 없다면, 거리에 걸쳐 광을 보기 어려우며, 그 이유는 광이 지상을 향하도록 되어 있으며 공기의 선명도가 많은 광이 산란되는 것을 방지하기 때문이다. 등을 지나가는 각 파리는 등의 작고 밝은 스폿처럼 보이며, 파리가 클수록, 더욱 많은 광이 산란되며 스폿이 더욱 밝아진다. 본 분석에서, 근접장 광은 원거리장 광(예를 들어, 거리 등 또는 심지어 유체를 향하는 레이저)에 비해 이러한 작은 상호 작용 깊이를 갖기 때문에, 더욱 큰 정확도를 얻게 되며, 따라서 두 개의 입자를 우연히 빈번하게 즉시 검사하지 않고서 더욱 큰 오염물 농도의 용액을 검사할 수 있다. 소실장 내로 통과하는 각 입자는, 검출기에 도달하는 광자들의 단명 스파이크를 야기한다. 이러한 스파이크를 카운팅함으로써, 용액 내의 입자들의 개수를 밝힌다.

또한, 도파관에 더욱 가까운 오염물 입자들은 더욱 집약된 광으로 배스(bath) 처리되고, 따라서, 도파관으로부터 약간 멀리(예를 들어, 100nm) 떨어져 있는 광보다 많은 광을 산란시킨다. 여기서 고려되는 입자들과 같은 소 입자들은 브라운 운동으로 빠르게 이동한다. 이들의 이동에 의해, 입자들이 도파관으로부터 더욱 멀리 또는 도파관에 더욱 가까워져, 광을 덜 산란시킨 후 더 산란시킨다. 따라서, 입자 크기가 감소함에 따라, 입자 이동이 빨라지고 더욱 불규칙해진다. 따라서, 입자 크기는, 입자의 브라운 운동을 나타내는 입자 산란의 핑거프린트에 기초하여 추정되며, 이러한 브라운 운동은 입자의 크기를 나타낸다.

소 앙상블 측정

입자들이 넌트랩핑 분석을 거친 후, 입자들은 미세 유체 시스템을 통해 소 앙상블 측정을 행하도록 설치된 챔버(2) 내로 향한다. 이 챔버에서는, 챔버(1)의 도파관과 유사한 노출된 도파관이 있다. 그러나, 이 경우, 도파관에는, 소실 결합된 ID 광자 결정 공진기가 설치되어 있다. 결합된 레이저의 파장은, 공진기가 활성으로 되고 입자들을 더욱 효과적으로 트랩핑하게끔 광학력을 증폭하도록 조정된다. 특정 크기 범위 내의 입자들만이 트랩핑된다. 큰 입자들은, 유체 흐름에 의해 야기되는 견인력에 의해 스위핑된다. 매우 작은 입자들은 트랩에 의해 충분히 영향을 받지 않으며 또한 흘러간다. 연구에 의하면, 0.2㎛의 폴리스티렌 나노 입자들이 도파관에서 또는 광자 공진기에서 쉽게 트랩핑된다. 내부 시험에 의하면, 이 범위에서 물질을 트랩핑하는 데 약 0.5 내지 20mW가 필요하다. 유속과 레이저 세기는, 0.2㎛ 내지 2㎛ 범위에 있는 오염물들만이 트랩핑되도록 조정된다.

입자들이 챔버에 들어오면, 현탁되어 있는 오염물들 중 일부가 광자 결정으로부터 방출되는 소실장에 의해 캡처된다. 시간이 경과함에 따라, 캡처된 오염물 입자들의 개수는 계속해서 축적되어 광자 결정을 덮는다. 고정된 기간 후에, 트랩핑된 입자들에 대하여 세 개의 측정을 개시한다. (1) 제1 측정은 도파관으로부터 나오는 광을 관찰하는 것이다. (2) 제2 측정은 트랩핑 파장을 이용하여 트랩핑된 입자들에 대하여 라만 분광을 실시하여 라만 시프트를 유도하는 것이다. (3) 제3 측정은 트랩핑 사이트를 겨냥하는 외부 레이저를 이용하여 트랩핑된 입자들에 대하여 라만 분광을 실시하여 라만 시프트를 유도한다.

측정 기술 1

캡처된 입자들은 광자 결정의 공진 파장을 교란하는 효과(일반적으로 광자 결정을 레드 시프트)를 갖는다. 이는, 측정가능한 도파관으로부터의 출력에 영향을 끼친다. 입사되는 광을 공진 파장으로 정확하게 조정하면, 트랩에서 축적되는 입자들에 의해 야기되는 레드 시프트가, 출력에서 측정되는 힘이 감소되게 한다. 입자들이 많아질수록(또는 트랩핑되는 입자들이 많아질수록), 힘 시프트가 커진다. 따라서, 이 기술은 트랩핑되는 입자들의 개수와 크기를 추정한다.

측정 기술 2

트랩핑된 입자들은, 또한, 도파관으로부터 방출되는 근접장 광의 일부를 흡수하고 산란시킨다. 이는 트랩핑된 입자들로부터 라만 분광 신호를 얻는 데 사용된다. 이 신호는 분광계에 의해 캡처된 후 입자 유형(즉, 이것이 금속인지 또는 단백질인지)을 결정하는 데 사용된다. 라만 분광계는, 입자가 치료제의 응집물인지 여부 또는 다른 소정의 물질인지 여부를 결정할 수 있다.

측정 기술 3

트랩핑된 입자들은, 또한, 측정 기술 2에서 설명한 바와 유사한 라만 신호를 생성하는 외부 광원에 의해 검사된다. 이 기술의 장점은, 트랩핑된 입자들을 검사하는 데 다른 파장들을 사용할 수 있다는 점이다.

단일 입자 측정

입자들이 소 앙상블 측정을 거친 후, 입자들은 미세 유체 시스템을 통해 단일 입자 측정을 행하도록 설치된 제3의 최종 챔버 내로 향한다. 이 챔버에서는, 이전 챔버에서의 공진기와 유사한 공진기를 갖는 노출된 도파관이 있다. 이 경우, 공진기는 도파관과 연결되며, 이는 가장 강력한 트랩핑을 생성하며 최소 입자들을 트랩핑할 수 있다. 이 챔버에서는, 이전 챔버에서 전술한 세 개의 측정 기술을 여기서 사용한다. 그러나, 이 챔버에서는, 작은 입자들(즉, 0.2㎛ 미만)이 개별적으로 측정된다. 이는 가장 시간 소모적인 분석이지만, 사실상 단일 입자 분석을 제공한다.

예 2: 결합 반응 속도

트랩핑된 물질의 결합 반응 속도를 측정한다. 채널 내의 근접장 광 트랩을 사용하여, 단백질(A)에 대한 형광 라벨링된 작은 분자(B)의 결합 속도를 측정한다. 채널과 재료들은, (보빈 세럼 알부민 등의) 차단 완충제 내에서 흐름으로써 패시베이션된다. 이어서, 트랩을 활성화한다. (즉, 단백질을 채널 내로 흐르게 함으로써) 단백질을 부착하고 단백질을 트랩에 의해 캡처한다. 결합되지 않은 단백질은 적절한 완충제로 세척한다. 분자 B는 제어 속도에서 트랩 내로 흐른다. 분자 B가 흐르고 있는 동안, 트랩의 형광을 측정하고, 이에 따라, 단백질 A에 대한 분자 B의 결합 속도를 제공하게 된다. 결합되지 않은 B도 세척될 수 있다. 트랩의 다른 형광 측정을 이용하여 단백질 A에 대한 분자 B의 친화도를 결정한다. 분자 B에 결합된 또는 결합되지 않은 단백질은, 선택 사항으로서, 용출 및 분석된다.

예 3: 응집물 /복합체의 해리

채널 내에 근접장 광 트랩을 사용하고, 형광 라벨링된 단백질 응집물 A를 해리하도록 화학물 B의 농도를 시험하여 측정 및 관찰을 행한다. 채널과 재료들은 (보빈 세럼 알부민 등의) 차단 완충제 내에 흐르게 함으로써 패시베이션된다. 이어서, 트랩을 활성화한다. (즉, 단백질 응집물을 채널 내로 흐르게 함으로써) 단백질 응집물을 도포하고, 이는 트랩에 의해 캡처된다. 결합되지 않은 단백질 응집물은 적절한 완충제로 세척한다. 분자 B를 함유하는 용액을 안정적으로 증가하는 농도의 제어 속도로 도포한다. 분자 B가 트랩에 유체적으로 전달되는 동안, 트랩의 형광을 측정한다. 분자 B에서 흐르는 기간 후에, 충분히 높은 농도가 존재하여 단백질 응집물을 해리하여, 개별적인 성분들/서브유닛들이 분리되어 흐르게 된다. 이어서, 분자 B를 응집물이나 복합체를 해리할 수 있는 분자로서 식별한다. 응집물이나 복합체를 해리하는 데 필요한 농도도 결정한다. 남아 있는 복합체는, 선택 사항으로서, 용출, 수집, 및 분석된다.

예 4: pH 의 기능인 단백질 활성

채널 내에 근접장 광 트랩을 사용하고, 단백질 A의 활성에 대한 pH의 효과를 측정한다. 채널과 재료들은 (보빈 세럼 알부민 등의) 차단 완충제 내에 흐르게 함으로써 패시베이션된다. 이어서, 트랩을 활성화한다. (즉, 단백질 A를 채널 내로 흐르게 함으로써) 단백질 A를 도포하고, 이는 광 트랩에 의해 캡처된다. 결합되지 않은 단백질은 적절한 완충제로 세척한다. 이어서, 단백질 A의 반응물을 도포한다. 생성물을 분광계(UV/Vis)에 의해 측정한다. 반응물을 함유하는 완충제를 느리게 변경하여 pH의 범위를 사용한다. 예를 들어, pH 6으로 시작하여 pH를 시간 경과에 따라 pH 9까지 느리게 증가시킨다. pH가 변하는 동안, 효소의 반응물 생성 속도를 측정한다. 단백질 활성에 대한 pH의 효과를 결정 및/또는 기록한다.

예 5 : 면역 순도 분석

면역 순도 분석으로서 채널 내에 근접장 광 트랩을 사용하여, 적색 형광 라벨링된 항체 A에는 결합되지만 녹색 형광 라벨링된 항체 B에는 결합되지 않는 단백질 C의 존재를 측정한다. 채널과 재료들은 (보빈 세럼 알부민 등의) 차단 완충제 내에 흐르게 함으로써 패시베이션된다. 이어서, 두 개의 트랩(트랩 1과 트랩 2)을 활성화한다. 항체 A가 트랩 1에 트랩핑되고 항체 B가 트랩 2에 트랩핑되도록 (즉, 항체들을 별도의 시약 스트림으로 흐르게 함으로써) 항체 A와 항체 B를 도포한다. 항체 A와 항체 B는, 두 개의 서로 다른 채널을 사용함으로써 또는 다수의 라미나 스트림들을 사용함으로써 별도로 보관될 수 있다. 결합되지 않은 항체들은 적절한 완충제로 세척된다. "알려져 있지 않은" 샘플을 도포하여 단백질 C에 대한 충분한 시간 동안 단백질 C의 존재를 시험하고, 존재한다면, 항체 A 또는 항체 B에 대한 결합한다. 광 트랩을 세척하여 결합되지 않은 임의의 샘플을 제거한다. 샌드위치 순도 분석(sandwich assay)을 이용할 수도 있다. 트랩 1과 트랩 2의 형광을 감시하면서, 트랩의 전력을 느리게 감소시킨다. 트랩 전력이 감소함에 따라, 작은 입자들이 먼저 용출된 후, 큰 입자들이 용출된다. 단백질 C가 존재함으로 인해 형성된 항체 A를 갖는 임의의 복합체는 미복합체형 항체(un-complexed antibody) B보다 크다. 따라서, 개별적인 항체 B는 단백질 C + 단백질 A의 복합체보다 높은 전력에서 용출된다. 샌드위치 순도 분석을 이용하는 경우, 단백질 C 복합체의 질량이 증가하여, 측정 메트릭을 증가시킨다. 즉, 샌드위치 순도 분석이 없는 경우, 복합체는 [A]-[C]일 것이다. 샌드위치 순도 분석이 있는 경우, 복합체는 [A]-[C]-[A+질량]일 것이다. 이러한 선택적인 복합체는 [A]-[C]만의 경우보다 크며, 심지어 낮은 전력에서 용출될 것이다. 이는 측정을 더욱 민감하게 한다. 도 5는 이 방법의 비제한적 일례를 도시한다.

예 6: 물질 측정 시스템

관심을 갖는 하나 이상의 물질을 측정할 수 있는 시스템의 일례를 다음과 같이 설명한다. 시스템은, 도파관을 사용하여 유체 내에 물질들의 그룹을 트랩핑한다. 도파관으로부터의 근접장 광은, 물질을 트랩핑하고, 라만 분광을 위한 여기 소스로서 기능한다. 이어서, 물질들의 그룹을 분리한다.

이러한 측정들을 실시하기 위해, 시스템은, 전원 공급 장치, 섬유 결합형 반도체 레이저, 후방 산란으로부터 레이저를 보호하기 위한 광 분리기, 포토다이오드 신호 디지타이저, 시린지 펌프, 컴퓨터 인터페이스 하드웨어, 컴퓨터 인터페이스를 위한 USB 포트를 위한 AC/DC 전원 공급 장치, 실리콘 칩 상의 실리콘 질화물 도파관에 연결되는 광섬유를 유지하는 단일 모드 분극부를 포함한다. 칩은, 핸들링을 보조하고 시린지 펌프로부터의 유체 라인들을 칩에 연결하는 홀더 내에 끼워지는 플라스틱 캐리어 내에 배치된다. 칩은, 광 커버 슬립과 함께 완성되는 미세 유체 채널을 규정하는 레이저 컷 접착 개스킷을 갖는다. 칩과 마운트는, 트랩핑된 입자들로부터 라만 신호를 수집하는 대물 렌즈 아래에 배치된다. 광은, 산란된 여기 광을 금지하는 하이 패스 필터를 통과한 후 측정을 위해 분광계에 입사된다.

본 발명을 특정한 실시예들을 참조하여 개시하였지만, 본 발명의 진정한 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명의 다른 실시예들 및 변형예들을 고려할 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 명백하다. 청구범위는 이러한 모든 실시예들 및 균등한 변형예들 모두를 포함하도록 해석되어야 한다.

본 명세서에서 언급되는 모든 특허, 특허 출원, 및 공개 공보 각각의 전문은 본 명세서에 참고로 원용된다. 본 발명을 특정한 실시예들을 참조하여 개시하였지만, 본 발명의 진정한 사상과 범위로부터 벗어나지 않고서 본 발명의 다른 실시예들 및 변형예들을 고려할 수 있다는 점은 통상의 기술자에게 명백하다.

청구범위는 이러한 모든 실시예들 및 균등한 변형예들 모두를 포함하도록 해석되어야 한다.

Claims

물질의 적어도 하나의 성질을 측정하는 방법으로서,
광 트랩(optical trap)의 근접장 광(near-field light)의 근처에 물질을 위치시키는 단계;
광원으로부터의 상기 물질로 광을 향하게 하는 단계;
상기 물질에 대한 상기 광의 효과를 검출하는 단계; 및
검출된 효과에 기초하여 상기 물질의 적어도 하나의 성질을 측정하는 단계를 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 광의 효과는 상기 물질에 의해 산란된 광, 상기 물질에 의해 방출된 광, 및 상기 물질에 의해 흡수된 광으로 이루어지는 그룹에서 선택되는, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 광 트랩을 이용하여 임의의 위치에 상기 물질을 부동화(immobilize)하고 이에 따라 트랩핑된 물질(trapped substance)을 형성하는 단계를 더 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋(plasmonic tweezers), 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기(toroidal resonators), 속삭임 회랑 모드 공진기(Whispering Gallery Mode Resonators), 및 패브리 페롯 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자(lipoparticle), 소수포, 미세 입자(microparticle), 유적, 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질인, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 물질의 적어도 하나의 성질은, 크기, 구조, 화학적 조성, 굴절률, 전기적 임피던스, 전기적 유전율, 질량, 밀도, 온도, 확산 계수, 형상, 단백질 접힘 상태, 용해도, 결정도, 효소 활성, 결합 활성, 결합 반응 속도(binding kinetics), 및 해리 반응 속도로 이루어지는 그룹에서 선택되는 성질인, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 광원은 상기 광 트랩의 근접장 광인, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 광원은 외부 광원인, 물질의 성질 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 산란된 광의 검출은 상기 산란된 광의 양 검출을 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 산란된 광의 검출은 상기 산란된 광의 양과 파장 검출을 포함하는, 물질의 정질 측정 방법.
제2항에 있어서, 상기 산란된 광의 검출은, 광 산란 검출기, 분광계, 라만 분광계, 포토다이오드, 전하 결합 소자(CCD), 스펙트럼 분석기, 간섭계, 엘립소미터, 적분구, 및 광전자 증배관으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 검출기를 사용하는 것을 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제1항에 있어서, 상기 물질의 성질을 측정하는 단계는 상기 물질의 운동을 측정하는 단계를 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
제3항에 있어서, 상기 트랩핑된 물질을 분리하는 단계를 더 포함하는, 물질의 성질 측정 방법.
물질의 결합 활성을 측정하는 방법으로서,
광 트랩을 사용하여 임의의 위치에 상기 물질을 부동화하여 트랩핑된 물질을 형성하는 단계;
상기 트랩핑된 물질을 하나 이상의 시험 물질과 접촉시키는 단계; 및
상기 트랩핑된 물질의 결합을 하나 이상의 시험 물질로 검출하는 단계를 포함하는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기, 속삭임 회랑 모 공진기, 및 패브리 페롯 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함하는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 트랩핑된 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질인, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 시험 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 물질인, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 방법은 상기 트랩핑된 물질과 상기 시험 물질 간의 결합 반응 속도를 측정하는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 방법은 상기 트랩핑된 물질과 상기 시험 물질 간의 결합 친화도를 측정하는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 트랩핑된 물질과 상기 시험 물질 중 적어도 하나는 검출가능 라벨로 라벨링되고, 상기 결합을 검출하는 단계는 상기 검출가능 라벨로부터의 검출가능 신호를 검출하는 단계를 포함하는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 검출가능 라벨은, 형광 라벨, 방사성 라벨, 강자성 라벨, 상자성 라벨, 발광성 라벨, 전자 화학 발광성 라벨, 인광성 라벨, 질량 라벨, 라만 라벨, 분자 비컨, 업컨버팅 인광체, 및 크로매틱 라벨로 이루어지는 그룹에서 선택되는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
제14항에 있어서, 상기 시험 물질은 상기 시험 물질을 상기 트랩핑된 물질로 흐르게 함으로써 상기 트랩핑된 물질과 접촉되는, 물질의 결합 활성 측정 방법.
물질의 조절인자(modulator)를 식별하는 방법으로서,
광 트랩을 사용하여 상기 물질을 임의의 위치에 부동화하여 트랩핑된 물질을 형성하는 단계;
상기 트랩핑된 물질을 하나 이상의 시험 물질과 접촉시키는 단계: 및
상기 트랩핑된 물질의 성질을 측정하는 단계를 포함하고,
상기 시험 물질과의 접촉시 상기 트랩핑된 물질의 성질 변화는 상기 시험 물질이 상기 물질의 조절인자임을 나타내는, 물질의 조절인자 식별 방법.
제23항에 있어서, 상기 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 환상 공진기, 속삭임 회랑 모드 공진기, 및 패브리 페롯 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함하는, 물질의 조절인자 식별 방법.
제23항에 있어서, 상기 트랩핑된 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질인, 물질의 조절인자 식별 방법.
제23항에 있어서, 상기 시험 물질은, 분자, 화합물, 핵산, 펩티드, 단백질, 항체, 효소, 양자 도트, 나노튜브, 입자, 바이러스, 박테리아, 세포, 단백질 복합체, 탄수화물, 리포 입자, 소수포, 미세 입자, 유적, 및 리포좀으로 이루어진 그룹에서 선택되는 물질인, 물질의 조절인자 식별 방법.
제23항에 있어서, 상기 트랩핑된 물질의 성질은, 크기, 구조, 화학적 조성, 효소 활성, 결합 활성, 결합 반응 속도, 및 해리 반응 속도로 이루어지는 그룹에서 선택되는 성질인, 물질의 조절인자 식별 방법.
제23항에 있어서, 상기 시험 물질은 상기 시험 물질을 상기 트랩핑된 물질로 흐르게 함으로써 상기 트랩핑된 물질과 접촉되는, 물질의 조절인자 식별 방법.
물질의 성질을 측정하는 시스템으로서,
적어도 하나의 광 트랩; 및
상기 물질의 성질을 측정하기 위한 적어도 하나의 검출기를 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 미세 유체 전달 시스템(microfluidic delivery system)을 더 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 트랩은, 광섬유, 광자 도파관, 슬롯 도파관, 플라즈몬 핀셋, 광자 결정 공진기, 링 공진기, 및 환상 공진기로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 구조를 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 검출기는, 형광 현미경, 형광 검출기, 형광 분광계, 광 산란 검출기, 광 센서, 라만 현미경, 라만 분광계, 분광계, 포토다이오드, 전하 결합 소자(CCD), 상보 금속 산화물 반도체(CMOS) 카메라, 스펙트럼 분석기, 간섭계, 엘립소미터, 적분구, 및 광전자 증배관으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 검출기를 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 외부 광원을 더 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 트랩은 적어도 하나의 전원을 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제34항에 있어서, 상기 전원은 상기 광 트랩에 광 출력(optical power)을 제공하도록 구성된 광학 전원인, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 석영 결정 마이크로밸런스, 캔틸레버, 전자 화학 센서, 음향 센서, 열 센서, 임피던스 센서, 및 속삭임 회랑 모드 광 센서로 이루어지는 그룹에서 선택되는 적어도 하나의 센서를 더 포함하는, 물질의 성질 측정 시스템.
제29항에 있어서, 상기 적어도 하나의 광 트랩은, 실리콘 기판, 유리 기판, 및 폴리머 기판으로 이루어지는 그룹에서 선택되는 기판 상에 패터닝된 것인, 물질의 성질 측정 시스템.