(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に滴下された溶液中に含まれる複数の微粒子の位置を、撮像装置を用いて認識する第１ステップと、
認識された前記微粒子の位置および前記微粒子の標識情報に基づき、複数の前記微粒子の中からアレイ作成に使用する複数の微粒子を対象微粒子として選択する第２ステップと、
前記対象微粒子へ捕捉ビームを照射して、前記対象微粒子の全てを非接触で同時に捕捉する第３ステップと、
前記第１ステップで認識された前記対象微粒子の位置、及び、前記アレイの格子点の位置を用いて、前記対象微粒子毎の移動軌道を求める第４ステップと、
前記第３ステップで捕捉された前記対象微粒子の全てが同時に、前記対象微粒子毎に決定された前記移動軌道上を移動するように、前記捕捉ビームの照射位置を制御して、前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に配置する第５ステップとを含み、
前記アレイがM行N列であり、
前記第２ステップにおいて、所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記第４ステップが、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成する第６ステップと、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とする第７ステップと、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させる第８ステップと
を含むことを特徴とする微粒子アレイの作成方法。
【請求項２】
前記第４ステップが、
前記アレイがM行N列である場合、前記対象微粒子の直径aに対して、前記アレイの格子間隔Lを、L≧a(1+MN)1/2となるように決定する第９ステップと、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定する第１０ステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項３】
前記第５ステップにおいて、前記移動軌道を前記対象微粒子が全て同時に移動するに際し、前記対象微粒子同士の衝突が発生する場合に、衝突回避経路を生成することを特徴とする請求項１に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項４】
前記第５ステップが、
前記対象粒子の各々を、Y軸方向に、前記対象粒子間で衝突が発生しない場合には、対応する前記格子位置のY座標まで移動させ、前記対象粒子間で衝突が発生する場合には、衝突の直前でY軸方向の移動を停止する第１１ステップと、
前記対象粒子の各々を、X軸方向に、対応する前記格子位置のX座標まで移動させる第１２ステップと、
前記第１１ステップにおいて衝突の直前でY軸方向の移動を停止した前記対象微粒子を、Y軸方向に、対応する前記格子位置のY座標まで移動する第１３ステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項５】
前記第４ステップにおいて、前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定し、
前記第５ステップが、
前記移動軌道から前記対象微粒子毎に位置更新情報を求める第１４ステップと、
前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に向かって移動させる途中で、前記対象粒子間で衝突が発生する場合に、衝突する直前の２つの対象微粒子間で前記位置更新情報を交換する第１５ステップとを含むことを特徴とする請求項１に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項６】
前記第９ステップの後に、前記アレイの格子点上に配置された前記対象微粒子の配置を交換する第１６ステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項７】
前記対象微粒子が、球形以外の形状であり、前記第５ステップにおける移動中に、配向を個々に制御されることを特徴とする請求項１〜６の何れか１項に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項８】
前記対象微粒子に付与された前記標識情報の少なくとも１つが、複数の疾病発現遺伝子群に関するものであり、
２個以上の前記対象微粒子が、同種類の疾病発現遺伝子マーカーで修飾されていることを特徴とする請求項１〜７の何れか１項に記載の微粒子アレイの作成方法。
【請求項９】
基板上に滴下された溶液中に含まれる複数の微粒子を所定の位置に配置してアレイを生成する装置であって、
前記微粒子を撮像する撮像手段と、
捕捉ビームを発生するビーム生成手段と、
前記捕捉ビームの光路を変更する光路変更手段と、
制御手段とを備え、
前記制御手段が、
前記撮像手段によって撮像された画像から、前記微粒子の位置を認識し、
認識された前記微粒子の位置および前記微粒子の標識情報に基づき、複数の前記微粒子の中からアレイ作成に使用する複数の微粒子を対象微粒子として選択し、
前記光路変更手段を制御して、前記対象微粒子へ捕捉ビームを照射し、前記対象微粒子の全てを非接触で同時に捕捉し、
認識された前記対象微粒子の位置、及び、前記アレイの格子点の位置を用いて、前記対象微粒子毎の移動軌道を求め、
捕捉された前記対象微粒子の全てが同時に、前記対象微粒子毎に決定された前記移動軌道上を移動するように、前記光路変更手段を制御して前記捕捉ビームの照射位置を制御し、前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に配置し、
前記アレイがM行N列であり、
前記制御手段が、
所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成し、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とし、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させて、前記対象微粒子毎の前記移動軌道を求めることを特徴とする微粒子アレイの作成装置。
【請求項１０】
前記制御手段が、
前記アレイがM行N列である場合、前記対象微粒子の直径aに対して、前記アレイの格子間隔Lを、L≧a(1+MN)1/2となるように決定し、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定することを特徴とする請求項９に記載の微粒子アレイの作成装置。
【請求項１１】
前記制御手段が、
前記移動軌道を前記対象微粒子が全て同時に移動するように前記光路変更手段を制御するに際し、前記対象微粒子同士の衝突が発生する場合に、衝突回避経路を生成することを特徴とする請求項９に記載の微粒子アレイの作成装置。
【請求項１２】
前記制御手段が、
前記対象粒子の各々を、Y軸方向に、前記対象粒子間で衝突が発生しない場合には、対応する前記格子位置のY座標まで移動させ、前記対象粒子間で衝突が発生する場合には、衝突の直前でY軸方向の移動を停止し、
前記対象粒子の各々を、X軸方向に、対応する前記格子位置のX座標まで移動させ、
衝突の直前でY軸方向の移動を停止した前記対象微粒子を、Y軸方向に、対応する前記格子位置のY座標まで移動することを特徴とする請求項９に記載の微粒子アレイの作成装置。
【請求項１３】
前記制御手段が、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定し、
前記移動軌道から前記対象微粒子毎に位置更新情報を求め、
前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に向かって移動させる途中で、前記対象粒子間で衝突が発生する場合に、衝突する直前の２つの対象微粒子間で前記位置更新情報を交換することを特徴とする請求項９に記載の微粒子アレイの作成装置。
【請求項１４】
前記制御手段が、前記アレイの格子点上に配置された前記対象微粒子の配置を交換することを特徴とする請求項９〜１３の何れか１項に記載の微粒子アレイの作成装置。
【請求項１５】
前記対象微粒子が球形以外の形状である場合、前記制御手段が、前記対象微粒子の移動中に、配向を個々に制御することを特徴とする請求項９〜１４の何れか１項に記載の微粒子アレイの作成装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微粒子アレイの作成方法及び装置に関し、特に、医療分野の基礎研究、遺伝子診断、プロテオミクス、創薬、化学分析、環境計測等の諸分野において有用なセンサ機能を有する試薬を表面に修飾された微粒子、細胞など、基板上に配置のアドレス情報をもって精密に配置されることで、DNAアレイに代表されるようなアレイ型のマイクロセンサとして機能する微粒子アレイの作成方法及び装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、微小電気機械システム（MEMS）や微小分析システム（MicroTAS）など、マイクロ・ナノデバイス作成技術の進展と相まって、マイクロアレイをセンシングに利用した応用分野が、基礎研究から実用化・臨床研究分野まですそ野を広げつつある。その応用分野は、DNAアレイを用いた各種疾病遺伝子の探索研究や遺伝子診断に始まり、プロテオミクスや新薬発見のツール、さらには化学分析、環境計測など、小型化による資源・環境負荷の低減なども期待できるため、様々な産業分野で益々重要かつ有望な技術となりつつある。
【０００３】
このマイクロアレイは、静的アレイと動的アレイの２つに分類できる。静的マイクロアレイは、生体分子や試薬を支持基板上にマイクロスポットとして固定する。固定の方法には、微小ノズルから試薬溶液を基板上に滴下する際に基板位置をXYステージで精密に制御する方法あるいは微小ノズル自身を精密に動かす方法により基板上に印刷する方法（プリンティング法）、マスクを利用したホトリソグラフィー技術を用いる方法などがあり、それら技術を用いてDNAをスライドガラス上にマイクロスポットとしてアレイ化したものがDNAマイクロチップとして実用化され、市販されるに至っている。しかし、１枚あたりのその製造単価が高く、研究以外の用途での利用の障害となっている。
【０００４】
一方、動的マイクロアレイは、支持基板の代わりに移動可能な基体、例えば、マイクロビーズ、細胞などに、生体分子や試薬を固定することで、アレイ型のセンサとしての利用をめざした技術である。動的マイクロアレイは、静的マイクロアレイに対し、再利用・融通性（使用済みのマイクロビーズを交換すれば、基板は何度でも使用できる）や高反応性（静的アレイの反応表面積は、マイクロスポットの平面であるのに対し、マイクロビーズは球面であるため、反応が高速に進む）など、優れた特徴がある。
【０００５】
動的マイクロアレイを作成するには、基体となる多数の標識を有するマイクロビーズや細胞などの微粒子を個々に識別し、その識別結果に基づき、あらかじめ指定される位置へアドレス情報を有したままミクロンの精度で、それらの微粒子を配置する必要がある。多数の微粒子を一度に捕捉する技術としては、走査型の光ピンセット法（下記特許文献１、非特許文献１）、ホログラム光ピンセット法（下記非特許文献２）、誘電泳動法（下記非特許文献３）および光ファイバーの束で捕捉する方法（下記非特許文献４）などが知られている。
【０００６】
また、これらとは全く異なる微小流体工学の原理を利用した動的マイクロアレイデバイスがMicroTAS作成技術を用いて試作されている（下記非特許文献５）。
【特許文献１】特開２００１−２３２１８２号公報
【非特許文献１】Sasaki, K., et al, Optics Letters, Vol.16, No. 19, pp.1463-1465 (1991)
【非特許文献２】Grier, D.G., Nature, Vol.424, pp.810-816 (2003)
【非特許文献３】Chiou, P.Y., Nature, Vol.436, pp.370-372 (2005)
【非特許文献４】Tam, J.M., et al., Applied Physics Letters, Vol.84, No.21, pp.4289-4291 (2004)
【非特許文献５】Tan, W. and Takeuchi S., Proc. of National Academy of Science of the United States of America, Vol.104, No. 4, pp.1146-1151 (2007)
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述したように従来の微粒子捕捉技術では、多数の微粒子を同時に捕捉し、移動することは可能であっても、動的アレイ作成時における格子欠陥の原因となる微粒子相互の衝突の発生なしに任意のアレイ状の位置に微粒子を移動することはできなかった。また、一度配置された微粒子は、その順番を交換することもできなかった。このため、識別情報に基づいて個々の微粒子ごとに決定されるアレイ状の位置に微粒子を配置することではじめてセンサとして機能をする、動的マイクロアレイ作成へのこれら従来技術の適用は困難であった。
【０００８】
また、上記非特許文献５に開示された、MicroTAS作成技術を用いての動的マイクロアレイでは、配置できる微粒子の種類が、流路径、流路長などデバイス本体のハードウエアに依存するため、基本的に同一形状、同一サイズ、同一表面特性の微粒子しか使用できない。このため、動的マイクロアレイの特徴である再利用性を考慮しても、産業上の利用においては静的マイクロアレイよりコスト高になることなどが懸念され、実用化には至っていない。
【０００９】
以上のように、技術的には確立されているものの高価な静的マイクロアレイに対し、標識された微粒子を用いて簡便かつ安価に動的マイクロアレイを作成し、何時でも使用できる方法を開発することが、上記研究分野における重要な課題の１つとなっている。
【００１０】
本発明は、透明な基板上に微粒子を含む溶液を極微量滴下するだけで、各種のアレイセンサとして機能する動的微粒子アレイを作成する方法、及び、微粒子アレイを作成する装置を提供することを目的としてなされたものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者らは、画像処理技術、レーザマニピュレーション技術、知識工学を利用して、顕微鏡下の様々な形状と特徴を有する微粒子を自動的に操作するための種々の研究を重ねた結果、透明な基板上にノズルやピペットで各種センサ機能を有する試薬を修飾した微粒子を含む溶液を極微量滴下するだけで、衝突の発生無く、複数の微粒子を同時かつ自動的に操作し、アレイ状に配置できる方法を見出し、この知見に基づいて本発明をなすに至った。
【００１２】
すなわち、本発明に係る微粒子アレイの作成方法は、基板上に滴下された溶液中に含まれる複数の微粒子の位置を、撮像装置を用いて認識する第１ステップと、
認識された前記微粒子の位置および前記微粒子の標識情報に基づき、複数の前記微粒子の中からアレイ作成に使用する複数の微粒子を対象微粒子として選択する第２ステップと、
前記対象微粒子へ捕捉ビームを照射して、前記対象微粒子の全てを非接触で同時に捕捉する第３ステップと、
前記第１ステップで認識された前記対象微粒子の位置、及び、前記アレイの格子点の位置を用いて、前記対象微粒子毎の移動軌道を求める第４ステップと、
前記第３ステップで捕捉された前記対象微粒子の全てが同時に、前記対象微粒子毎に決定された前記移動軌道上を移動するように、前記捕捉ビームの照射位置を制御して、前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に配置する第５ステップとを含むことを特徴としている。
【００１３】
前記第４ステップは、
前記アレイがM行N列である場合、前記対象微粒子の直径aに対して、前記アレイの格子間隔Lを、L≧a(1+MN)1/2となるように決定する第６ステップと、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定する第７ステップとを含むことができる。
【００１４】
また、前記アレイがM行N列であり、
前記第２ステップにおいて、所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記第４ステップが、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成するステップと、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とするステップと、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させるステップとを含んでいてもよい。
【００１５】
また、前記第５ステップにおいて、前記移動軌道を前記対象微粒子が全て同時に移動するに際し、前記対象微粒子同士の衝突が発生する場合に、衝突回避経路を生成することもできる。
【００１６】
また、前記アレイがM行N列であり、
前記第２ステップにおいて、所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記第４ステップが、
前記アレイの格子間隔LをL=2aNと決定し、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成する第９ステップと、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とする第１０ステップと、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させる第１１ステップとを含み、
前記第５ステップが、
前記対象粒子の各々を、Y軸方向に、前記対象粒子間で衝突が発生しない場合には、対応する前記格子位置のY座標まで移動させ、前記対象粒子間で衝突が発生する場合には、衝突の直前でY軸方向の移動を停止する第１２ステップと、
前記対象粒子の各々を、X軸方向に、対応する前記格子位置のX座標まで移動させる第１３ステップと、
前記第１２ステップにおいて衝突の直前でY軸方向の移動を停止した前記対象微粒子を、Y軸方向に、対応する前記格子位置のY座標まで移動する第１４ステップとを含んでいてもよい。
【００１７】
また、前記第４ステップにおいて、前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定し、
前記第５ステップが、
前記移動軌道から前記対象微粒子毎に位置更新情報を求める第１５ステップと、
前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に向かって移動させる途中で、前記対象粒子間で衝突が発生する場合に、衝突する直前の２つの対象微粒子間で前記位置更新情報を交換する第１６ステップとを含んでいてもよい。
【００１８】
また、前記第６ステップの後に、前記アレイの格子点上に配置された前記対象微粒子の配置を交換する第１７ステップをさらに含むことができる。
【００１９】
また、前記対象微粒子が、球形以外の形状であり、前記第５ステップにおける移動中に、配向を個々に制御されることができる。
【００２０】
また、前記対象微粒子に付与された前記標識情報の少なくとも１つが、複数の疾病発現遺伝子群に関するものであり、
２個以上の前記対象微粒子が、同種類の疾病発現遺伝子マーカーで修飾されていることができる。
【００２１】
本発明に係る微粒子アレイの作成装置は、基板上に滴下された溶液中に含まれる複数の微粒子を所定の位置に配置してアレイを生成する装置であって、
前記微粒子を撮像する撮像手段と、
捕捉ビームを発生するビーム生成手段と、
前記捕捉ビームの光路を変更する光路変更手段と、
制御手段とを備え、
前記制御手段が、
前記撮像手段によって撮像された画像から、前記微粒子の位置を認識し、
認識された前記微粒子の位置および前記微粒子の標識情報に基づき、複数の前記微粒子の中からアレイ作成に使用する複数の微粒子を対象微粒子として選択し、
前記光路変更手段を制御して、前記対象微粒子へ捕捉ビームを照射し、前記対象微粒子の全てを非接触で同時に捕捉し、
認識された前記対象微粒子の位置、及び、前記アレイの格子点の位置を用いて、前記対象微粒子毎の移動軌道を求め、
捕捉された前記対象微粒子の全てが同時に、前記対象微粒子毎に決定された前記移動軌道上を移動するように、前記光路変更手段を制御して前記捕捉ビームの照射位置を制御し、前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に配置することを特徴としている。
【００２２】
前記制御手段は、
前記アレイがM行N列である場合、前記対象微粒子の直径aに対して、前記アレイの格子間隔Lを、L≧a(1+MN)1/2となるように決定し、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定することができる。
【００２３】
また、前記アレイがM行N列であり、
前記制御手段が、
所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成し、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とし、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させて、前記対象微粒子毎の前記移動軌道を求めてもよい。
【００２４】
また、前記制御手段は、
前記移動軌道を前記対象微粒子が全て同時に移動するように前記光路変更手段を制御するに際し、前記対象微粒子同士の衝突が発生する場合に、衝突回避経路を生成することができる。
【００２５】
また、前記アレイがM行N列であり、
前記制御手段が、
所定の点からの距離が小さいものからM×N個の微粒子を前記対象微粒子として選択し、
前記アレイの格子間隔LをL=2aNと決定し、
前記対象微粒子iのY座標iykの大きさの順に対象微粒子iの位置ベクトルipkをソートして、部分行列PYj=[ipN(j-1)+1, ..., ipNj]、j=1,...,Mとして、行列PY=[PY1, PY2, ..., PYM]を作成し、
前記部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、X座標ixkの大きさの順に再度、前記部分行列PYjをソートして再構成した行列をIPYjとし、前記対象微粒子の初期位置行列をIPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]とし、
部分行列DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN]、k=1,...,M、前記アレイのi行j列の格子位置を表す位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]T、前記アレイを表す行列をDPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]とした場合に、前記行列PY及び前記行列DPYXの対応する位置ベクトルによって表される前記対象微粒子の初期位置及び前記アレイの格子位置を対応させて、前記対象微粒子毎の前記移動軌道を求め、
前記対象粒子の各々を、Y軸方向に、前記対象粒子間で衝突が発生しない場合には、対応する前記格子位置のY座標まで移動させ、前記対象粒子間で衝突が発生する場合には、衝突の直前でY軸方向の移動を停止し、
前記対象粒子の各々を、X軸方向に、対応する前記格子位置のX座標まで移動させ、
衝突の直前でY軸方向の移動を停止した前記対象微粒子を、Y軸方向に、対応する前記格子位置のY座標まで移動してもよい。
【００２６】
また、前記制御手段が、
前記対象微粒子の位置と、該対象微粒子に対応する前記格子点の位置とを結ぶ直線軌道を、前記移動軌道として決定し、
前記移動軌道から前記対象微粒子毎に位置更新情報を求め、
前記対象微粒子を前記アレイの前記格子点に向かって移動させる途中で、前記対象粒子間で衝突が発生する場合に、衝突する直前の２つの対象微粒子間で前記位置更新情報を交換してもよい。
【００２７】
また、前記制御手段が、前記アレイの格子点上に配置された前記対象微粒子の配置を交換することができる。
【００２８】
また前記対象微粒子が球形以外の形状である場合、前記制御手段が、前記対象微粒子の移動中に、配向を個々に制御することができる。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によると、動的アレイ作成時における格子欠陥の原因となる微粒子相互の衝突の発生なしに、同時にアレイ上の位置に微粒子を移動することができる。また、動的アレイ作成後においても、格子点上に配置された微粒子を交換して、任意の順番の配置にすることが可能となる。従って、疾病の遺伝子検査、化学分析、環境計測などの各種検査で使用できる動的マイクロアレイを自動的かつ簡便に作成することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３０】
以下、本発明の実施の形態を、添付した図面に基づいて詳細に説明する。即ち、透明な基板上に微粒子含有溶液として極微量滴下された、４種類（４色）の標識を施された微粒子（特に、球形の微粒子の場合にはマイクロビーズ、ビーズとも記す）を用いて、自動的に配置の順番を指定された格子状のアレイを作成する場合を例にとって、微粒子アレイの作成法及び装置について説明する。
【００３１】
図１は、本発明の微粒子アレイの作成方法の全体像を示す概略図である。図２は、本実施の形態に係る微粒子アレイの作成装置を用いて微粒子アレイを作成する方法を示すフローチャートである。具体的には実施例として後述するが、本実施の形態に係る微粒子アレイの作成装置は、撮像装置２０、制御装置２１、顕微鏡装置２３、光源（図示せず）、光路変更装置（図示せず）を備えて構成されている。制御装置２１は、撮像装置２０を制御して、顕微鏡装置２３のステージに搭載された基板１７上に滴下された溶液１８中に含まれる微粒子群Ａの画像データを、所定の時間間隔（例えばビデオレート）で取得する。また、制御装置２１は、光路変更装置（例えば、XY方向の焦点位置を制御する２軸制御ミラー、Z方向の焦点位置を制御するリニアステージに搭載されたレンズ系、電磁シャッタなどで構成される）を制御して、光源から出力されるレーザの光路を調節し、溶液１８中の各微粒子にレーザを照射する。
【００３２】
以下、図２のフローチャートに従って、微粒子アレイの作成方法について説明する。本実施形態の微粒子アレイの作成方法は、３つのステージ（ステージ１〜ステージ３）で構成されている。ステージ１で、目標位置に応じて操作対象とする微小粒子を選択し、ステージ２で、微粒子を捕捉して目標位置に移動させ、ステージ３で、動的アレイセンサとして利用できるように微粒子の配置を交換する。なお、以下において、特に断らない限り、制御装置２１（例えばコンピュータ）の演算処理手段（以下、ＣＰＵと記す）が行う処理として説明する。ＣＰＵは、制御装置２１に装備されたメモリをワーク領域として使用して演算などの処理を行う。ＣＰＵが、処理を行う前提条件は、外部から人によって操作手段（コンピュータ用キーボード、マウスなど）が操作されて、データとして入力される。入力されたデータは、メモリの所定領域に一時記憶され、演算処理に使用される。入力されたデータや演算処理の結果は、制御装置２１に装備された記録部（ハードディスクなど）に適宜記録される。
【００３３】
ステップＳ１において、アレイを形成するように複数の微粒子を配置する目標位置の指定を受け付ける。この指定は、例えば人が制御装置２１を操作することによって行われる。
【００３４】
ステップＳ２において、溶液１８中に含まれる微粒子群Ａの内、処理の対象とする微粒子を選択する。即ち、顕微鏡２３の視野内の微粒子は全て事前に与えられる標識情報（ここでは４色の色情報）を用いて、撮像装置２０によって撮像された画像から検出され、必要な標識情報を有する微粒子だけが、画面中央に設定された原点からの距離に応じて、あらかじめ指定するアレイサイズの格子を生成するのに必要な個数分だけ、アレイ作成微粒子として自動的に選択される。なお、４色は例えば赤、緑、黄、青であり、添付図面においては、色が異なることを異なる図形で示している（図１の右上の記載を参照）。
【００３５】
この時の微粒子認識手法としては、公知の各種の画像処理手法の組み合わせが使用可能である。例えば、マイクロビーズの様な球状の微粒子に対しては、撮像装置２０で撮像した顕微鏡下の画像のうち、濃淡画像成分に対して、エッジ検出フィルター（例えばSobelフィルター）・細線化・ノイズ除去という一連の画像処理を施して、マイクロビーズのエッジを線幅１ピクセルで求め、その後、この抽出されたエッジに対して、円Hough変換により特定の半径を有するビーズを全て求めるという手順が有効である。
【００３６】
また、動的マイクロアレイでは、形状以外にも、蛍光を含めた色情報（色彩、彩度）も重要である。そこで、ステップＳ３において、微粒子として認識された部分の画素について、色相と彩度を計算し、色相のヒストグラムを作成し、基板上に散布されたビーズを色ごとに分類しておく。この時の微粒子分類法としては、あらかじめ溶液中に分散して準備する微粒子の色は事前情報として利用可能であることより、多値化判別閾値法などが適用できる。
【００３７】
球状以外の微粒子に対しては、同様の一連の画像処理により対象微粒子のエッジを線幅１ピクセルで求め、その後一般化Hough変換を利用するという手順が有効である。ここで例示した微粒子認識手法以外にも、微粒子の形状や色彩の情報に応じて、公知である各種画像処理法を適宜選択して、ステップＳ２、Ｓ３での処理に利用可能である。
【００３８】
次に、ステップＳ４において、光路変更装置を制御して時分割法やホログラム法などの多点光ピンセット法を用いて、ステップＳ２で選択した微粒子の個数分の微粒子捕捉ビーム１９を生成し、この微粒子捕捉ビーム群１９を選択された微粒子に照射する。これによって、選択された複数の微粒子を全て同時に捕捉し、動的微粒子アレイを生成する微粒子群の初期位置を確定することができる。なお、時分割法の場合には、微粒子捕捉ビーム１９の数は対象とする微粒子の数よりも少ないので、常に全ての対象微粒子にレーザが照射されている訳ではないが、溶液中の微粒子の位置がブラウン運動等によっても殆ど変化しない程度（微粒子の半径未満の移動距離）の十分に短い時間間隔でレーザを繰り返し照射することで、全ての対象微粒子を同時に捕捉することが可能である。溶液中の微粒子は溶液分子の衝突を受けるので、レーザ光が照射されていない微粒子はブラウン運動によりランダムに移動する。しかし、微粒子の半径未満の移動距離であれば、再びレーザ光を元の場所に照射すれば、レーザ光は微粒子内を通過し、その微粒子を元の位置に復元させる力を生じさせる。即ち、本明細書および特許請求の範囲において「同時」とは、微粒子の位置変化が殆ど生じない範囲の時間差を許容する意味で使用される。
【００３９】
ステップＳ５において、各々の微粒子に対し、動的微粒子アレイとなる最終目標位置２２を割り付ける。
【００４０】
ステップＳ５における微粒子の初期位置と最終目標位置の割り付け（対応付け）は、以下のアルゴリズムに従う。ここでは、ステップＳ２で検出された微粒子は、全て同一サイズ（直径a）のマイクロビーズとして扱う。また、作成する動的マイクロアレイは格子間隔L、M行N列の格子状とし、ステップＳ２において検出されたマイクロビーズの位置を、X座標、Y座標を用いてipk=[ixk, iyk]Tで表す。ここで、XY面は、基板１７平面に平行な面であり、XY面内もしくはその近傍に位置しているマイクロビーズを対象とする。添え字iは初期状態を意味し、kはマイクロビーズ毎に一意に付与された整数値である。また、Tは転置を意味し、従って、ipkは列ベクトルである。なお、ステップＳ３での処理によって色などの特徴量も求められていることに注意されたい。
【００４１】
格子配列を形成するビーズの選択（ステップＳ２）と最終目標位置の割り付け（ステップＳ５）は、次のようにして行われる。検出されたビーズipkの内、画面中心近傍に設定した原点Ｏからの距離が小さいものからM×N個を選択し、そのY座標（iyk）の小さい順に位置ipkをソートして行列
PY =[PY1, PY2, ..., PYM]      (1)
を作成する。ここで、PYj =[ipN(j-1)+1, ..., ipNj],  j=1,...,M である。
部分行列PYjを構成する位置ベクトルipkに対し、そのX座標（ixk）の小さい順に再度PYj内をソートして再構成した行列をIPYjとし、これを用いて、マイクロビーズの初期位置行列を、
IPY=[IPY1, IPY2, ..., IPYM]      (2)
とする。
また、最終目標位置である格子状のマイクロアレイのi行j列の格子の位置ベクトルをdpij=[dxij, dyij]Tとし、目標値行列を、
DPYX=[dp11, dp12, dp13, ..., dp1N, dp21, dp22, ..., dpMN]
=[DPY1, DPY2, ...., DPYM]      (3)
と表す。ここで、DPYk =[dpk1, dpk2, ..., dpkN], k=1,...,Mである。
【００４２】
なお、上記ではY座標、X座標の何れも小さい順にソートするとしたが、Y座標、X座標の大きさの順にソートすればよく、Y座標、X座標の大きい順にソートしてもよい。
【００４３】
次に、ステップＳ６において、ビーズ径を無視できるか否かを判断する。本発明では、移動経路の生成には、ビーズ径を無視できる場合（図３参照）と、ビーズ径を無視できない場合（図４参照）に応じて、異なった経路生成アルゴリズムを採用する。ビーズ径が無視できるか否かは、目標アレイの格子間隔および微粒子の大きさを考慮して、人が指定しても、ＣＰＵが画像処理によって判断してもよい。ビーズ径を無視できる場合には、ステップＳ７に移行し、無視できない場合には、ステップＳ８に移行する。
【００４４】
ビーズ径を無視できる場合の処理（ステップＳ７）を、図３を参照して説明する。図３では、１６個のマイクロビーズを１〜１６の符号を付して示しており、色の違いを表す図形標記は、図１と同じである。また、格子上の最終目標位置を小さい黒丸で示し、移動経路上の途中の位置を小さい白丸で示している。これらの標記方法は、図４、図７においても同様である。
【００４５】
ステップＳ７における経路生成は、以下のとおりである。
M×N個のマイクロビーズを初期位置IPYから最終目標位置DPYXへ、多点光ピンセット法を用いて全て同時に移動する際の途中経路P(tk) を
P(tk+1)=P(tk)+ΔP,  k=0,...,n-1        (4)
によって生成する。
ただし、
ΔP=(DPYX-IPY)/n,  P(t0)=IPY,  P(tn)=DPYX    (5)
である。この場合、レーザの照射は、微粒子が初期位置から最終目標位置へ最短の直線経路上を移動するように変更される。ここで、経路の分割数nは、ビーズの直径をaとする時、行列ΔPの各要素の内、最大のものがa/4以下となるようなnを設定する。すなわち、微粒子捕捉ビーム群１９を利用して、ビーズを移動する際の捕捉位置の更新位置分解能ΔPは、安定した捕捉を行うのに実験上の経験値として得られたビーズの半径の半分程度に設定する。なお、ビーズの大きさを点と見なせる場合は、本移動経路の衝突の可能性はゼロである。また、ビーズ径を完全には無視できない場合も、ステップＳ１〜Ｓ５による初期位置と最終目標位置の割り付け操作により、例えば、図３に示した微粒子５と微粒子６の移動経路のように、途中経路の交差の発生を少なくできるため、移動途中の微粒相互の衝突の発生する可能性を低くすることができる。すなわち、格子間隔Lがビーズ径aに比べ十分広く（実用的には、L≧a(1+MN)1/2）、かつ運搬すべき微粒子の数MNが少ない（実用的には5×5程度）場合は、本移動経路の利用でも、衝突の発生する可能性は低い。従って、このような関係を満たすように格子間隔L、微粒子の数MNを設定すればよい。なお、微粒子が球形で無い場合には、上記のビーズ径aの代わりに、微粒子に外接する球の直径を用いればよい。
【００４６】
ビーズ径を無視できない場合の処理（ステップＳ８〜Ｓ１０）を、図４を参照して説明する。上記の(4)式、(5)式を用いた途中経路では、初期位置から最終目標位置への移動に際しビーズ同士の衝突、すなわち微粒子アレイ作成時の格子欠陥が発生する場合がある。この場合は、以下の衝突回避アルゴリズムを採用することで、格子状アレイを作成することができる。
【００４７】
ステップＳ８において、初期格子間隔をL=2aNに変更して、(5)式の更新位置分解能ΔP行列のY座標成分を用いて、Y軸方向のみの移動を行う。ここでの初期格子間隔Lは、ステップＳ１で指定された目標位置から求められた格子間隔とは異なり、従って、ステップＳ１で指定された目標位置によって決まるアレイと相似なアレイに配置するためのものである。位置の更新時に衝突が発生する場合で、Y軸に関して(a)正面衝突型の衝突が発生する場合は、両方の位置の更新を停止、(b)追突型の衝突が発生する場合は、追突する側（最終目標位置に遠い側）の位置の更新を１回停止する。Y座標に関して最終目標値に到達するか、ビーズ同士の相互阻止で位置の更新が完全に停止するまで、上記の微粒子の移動動作を繰り返す。
【００４８】
ステップＳ９において、同じ値のY座標最終目標値を有するビーズの初期位置行列IPYjは、X座標の小さい順にソートされているので、ステップＳ８終了後においてΔP行列のX座標成分を用いたX軸方向のみの移動に際して衝突は発生しない。それ故、単純にΔP行列のX座標成分を用いて位置の更新を行えば、X座標に関する最終目標までの移動を行える。なお、L=2aNとすることで、先にX座標の最終目標位置に到達したビーズにより別のビーズの移動が阻止されることなく、全てのビーズを必ず最終目標まで移動できる。しかし、格子間隔Lが2aNより小さくても、この衝突回避アルゴリズムを採用することによって、実際上問題とならない程度に衝突の可能性を低減することができる。
【００４９】
ステップＳ１０において、ステップＳ８において、ビーズ間の相互阻止のためにY軸方向の目標値に達していなかったビーズについて、ΔP行列のY座標成分を用いて、再度Y軸方向のみの移動を行う。また、ステップＳ８で設定した初期格子間隔L（L=2aN）が最終目標の格子間隔と異なるので、最終目標の格子間隔になるように、各微粒子を原点Ｏから放射状に、目標位置まで移動する。図４はこの衝突回避アルゴリズムを採用した場合の経路例を示している。ステップＳ１０終了により、ビーズは格子点上の最終目標位置に達しているので、その後、格子間隔Lを任意に変更可能である。なお、ステップＳ８で設定した初期格子間隔Lは、検出された初期のビーズ配置が非常に特殊な場合でも上記のアルゴリズムが無限ループに陥らないための十分条件であり、実用的にはビーズ径を無視できる場合と同様のL≧a(1+MN)1/2程度で十分である。
【００５０】
ビーズ径を無視できない場合は、ステップＳ８〜Ｓ１０の代わりに、図５に示したような、衝突回避アルゴリズムも可能である。ステップＳ２１において、ステップＳ７での処理と同様に(4)式、(5)式で記述される最短の直線移動経路を決定する。
【００５１】
ステップＳ２２において、次の位置の更新時にt+1piとt+1pjとで衝突が発生するか否かを判断する。衝突が発生する場合、ステップＳ２３において、衝突が起こる直前の２つのビーズ間で、更新位置分解能ΔpiとΔpjと、および最終目標位置dpiとdpjとを交換する。図６に、ある時点の２つの微粒子i、jが、次に移動すると衝突する（破線で表す）場合を示している。この場合、微粒子iの更新位置分解能Δpiと微粒子iの更新位置分解能Δpjとを交換する。
【００５２】
ステップＳ２４において、(4)式に従い微粒子の位置の更新を行う。このとき、衝突が起こらない微粒子に関しては、ステップＳ２１で決定された更新位置分解能を用い、衝突が起こる微粒子に関しては、ステップＳ２３で決定された更新位置分解能を用いる。図６の例では、微粒子iの移動は更新位置分解能Δpjを用いて行われ、微粒子jの移動は更新位置分解能Δpiを用いて行われる。ステップＳ２５において、最終目標の配置に到達する所定回数ｎ回の処理を行ったか否かを判断し、(4)式に従い、t=n-1まで微粒子位置の更新を繰り返す。
【００５３】
以上の処理によって、座標の交換を行った微粒子については、n回の更新が終了した時点で、最終目標位置からステップＳ２３において更新位置分解能を交換した時点における２つの座標間の距離｜tpj- tpi｜≒aだけの誤差をもった位置に到達している。従って、ステップＳ２６において、誤差をなくすように、微粒子の位置の更新を行う。図６の例では、微粒子i、j（i(n-1)、j(n-1)で表す）を、それぞれの最終目標位置dpj、dpiまで、矢印vi、vjに沿って移動させる（微粒子i、jの最終目標位置はステップＳ２３で交換されていることに注意）。なお、この衝突回避アルゴリズムを採用した場合の誤差は｜tpj- tpi｜≒a、すなわち、ビーズ径a程度であるので、誤差をゼロにするまでの繰り返し回数enについては、微粒子捕捉ビーム群として多点光ピンセットを用いた場合に安定して捕捉位置を更新できる径の1/4以下になる値、en = 5程度、を設定すればよい。
【００５４】
以上のステージ２までの操作により、個々のビーズは格子状のアレイに配置される。しかし、これらの微粒子群を動的アレイセンサとして利用するには、アレイの格子点上に配置された任意の微粒子を、微粒子の標識情報に基づき、所望の順番に配置を交換する必要がある。従って、ステップＳ１１において、アレイに配置された微粒子の配置を交換することが必要か否かを判断し、必要であればステップＳ１２において微粒子の配置を交換する。この操作も、ステージ１で求めた特徴量情報とステージ２で配置された位置情報を利用して、あらかじめ指示される任意の順番の配置に自動的に行うことができる。すなわち、個々の特徴（大きさや色の違いなど）を有する微粒子が、ステージ２の終了時点で、どの格子点上のアドレスに配置されているかは既知となっている。したがって、以下の操作により、衝突の発生無く格子点上の微粒子の順番の入れ替え操作を行うことができる。
【００５５】
本操作は、最小の格子単位である2×2の格子（基本ユニット）を構成する４個のビーズを格子上の軸に沿って時計回り(CR1)(と反時計回り(CCR1))に移動させる循環的な回転操作、および3×2の格子（基本ユニットを２個連結したもの）を構成する６個のビーズを同様に格子上の軸に沿って時計回り(CR2)(と反時計回り(CCR2))に移動させる循環的な回転操作の２種類の基本操作の繰り返しによって実現できる。このことは、群論によって証明可能であるが、ここでは詳細説明を省略し、実施するときに重要となるビーズの直径と格子間隔との関係に関してのみ以下に説明する。
【００５６】
図７に、交換の手順を模式的に示している。ビーズの直径aを考慮すると、本操作を実行するために必要な格子間隔は、L≧a21/2であり、２個のビーズを回転して交換する場合のL≧a(9/5)1/2=1.34aとほぼ同程度である。格子間隔LがL≧a21/2を満たさない場合には、格子間隔Lを拡大するように、一部又は全ての微粒子を移動させた後、循環的な回転操作を行い、その後、元の格子間隔Lになるように微粒子を移動させれば良い。循環的な回転操作では、格子点間を結ぶ軸上をビーズが移動するので、交換操作途中における捕捉の失敗によるビーズ逸脱、すなわち、動的微粒子配列中における格子欠陥の発生と、それによる他の格子上のビーズへの影響を少なくできるという特徴がある。なお、４個を格子軸上の移動でなく、４個の格子中心周りの回転で交換する場合は、L≧(101/2+21/2)a/4=1.14aであり、２個の場合より格子間隔Lを狭くできる。当然、ステップＳ２３での基本操作は、格子軸上の移動でなく、先に述べた中心点周りの回転等、同様の操作でも実現できる。
【００５７】
以上、ステップＳ１〜Ｓ１２、Ｓ２１〜Ｓ２６の処理として説明したように、すべての捕捉された微粒子を同時に移動させるように、制御装置２１が微粒子捕捉ビーム群を制御することによって、動的な微粒子アレイを完成することができる。通常、微粒子の大きさを無視することができないので、異なる標識情報を有する微粒子の各々を、直線軌道に沿って目標位置に移動させる場合には、衝突が発生する可能性がある。本発明では、個々の微粒子を区別せずに、全体として所定のアレイ状に配置し、その後に、上記した循環的な回転操作によって、特定の微粒子を特定の位置に配置するので、衝突を回避し、格子欠陥の発生を抑制することができる。また、予めY座標、X座標の大きさで微粒子をソートして目標位置と対応させるので、微粒子を直線軌道に沿って目標位置に移動させる場合でも、衝突発生の可能性は低くなる。さらには、上記した衝突回避処理を行えば、衝突の発生を完全に無くすことができる。
【００５８】
上記では、正方の格子状のアレイを形成する場合を説明したが、これに限定されない。傾斜した格子状のアレイでも、格子間隔がX軸方向とY軸方向とで異なるアレイでもよい。より一般的には、複数の粒子が間隔を空けて、所定の規則に従って配置されるパターンであればよい。
【００５９】
また、上記では、対象となる微粒子がポリスチレン球のような球形であり、また４色の特徴を有し、それらを用いて自動的にM×Nの格子状の微粒子アレイを作成する場合について説明したが、微粒子は固体に限定されず、微小液滴や気泡であってもよい。即ち、レーザに対して、周囲の媒体と異なる屈折率を有する所定空間を占める物質であれば、本発明を適用できる。
【００６０】
また、微粒子の形状は球形に限定されるものではなく、珪藻をはじめとする各種細胞、MEMS技術により作成される微小人工構造物などを、配向を制御して全て同時にアレイ状に自動的に配置することにも使用できる。この場合、微粒子に照射する捕捉ビームを１微粒子につき２本以上照射して、その各々の配向を制御する。また、点状の捕捉ビームを１微粒子につき複数個照射するのではなく、撮像装置によって得られる微粒子の輪郭や中心骨格と相似な形状をした干渉パターン光や走査光、およびそれらを組み合わせたビームを照射することによっても、同様の効果を得ることができる。
【００６１】
また、微粒子アレイを作成する異なった２種類以上の標識を付与された微粒子に対し、その各々に疾病発現遺伝子マーカーを付加的に修飾することで、各種疾病検査用アレイとしての利用が可能である。検出の定量的感度を高めるために、同種類の疾病発現遺伝子マーカーを修飾された微粒子複数個を１つのアレイ型センサの構成要素とできることは、勿論である。また、この場合、微粒子に付与する特定の疾病発現遺伝子マーカーに対応する標識情報は、色素に限定されるものではなく、微粒子サイズ、量子ドット、微粒子本体への穴空けマイクロ加工等による各種コードを使用可能である。
【実施例１】
【００６２】
次に、実施例により本発明をさらに詳細に説明する。微粒子アレイの作成に用いたシステムを図８に示す。図８のシステムにおいて、レーザ光のXY方向の焦点位置を制御する２軸制御ミラー、Z方向の焦点位置を制御するリニアステージ（図示せず）に搭載されたレンズ系、電磁シャッタ、微粒子捕捉ビーム源として波長1064nm（Nd:YAG）・発振モードTEM00の直線偏光レーザを用い、時分割法による多点光ピンセット法により捕捉ビーム群１９を生成した。撮像装置２０は、顕微鏡に取り付けたカラーCCDカメラとパソコン用画像取り込み・処理ボード（イメージプロセッサ）で構成し、コンピュータ本体を制御装置２１として使用した。先に図２のフローチャートに従って説明した画像認識、移動経路生成、微粒子の順番交換アルゴリズムを用いたソフトウエアをコンピュータに搭載することで、本発明の微粒子アレイの作成装置を構成した。
【００６３】
試料マイクロビーズとして、径2.5μmのホウ珪酸ガラス球を用い、格子間隔L=5μmの3×3の配列を最終目標とした。マイクロビーズへの時分割光ピンセットのレーザ光の照射時間は10msec/個、レーザパワー530mW（対物レンズ入射前値）と設定した。実施例１では、マイクロビーズは全て同一の形状寸法のものとして扱い、ステージ２終了後の自動的な動的微粒子配列完成後に、マウス操作による微粒子配列の並進、回転、拡大などの操作を行うことで、本発明による微粒子アレイ作成法の有効性を検証した。図９の（ａ）〜（ｄ）に、実施状況を顕微鏡撮影したVTR映像から時系列に抜き出した顕微鏡写真を示す。
【００６４】
まず、顕微鏡下の13個マイクロビーズを全て認識し、その後ステップＳ２〜Ｓ５に従い、中心Ｏからの距離が近いものから9個を、格子配列を形成するためのビーズとして自動的に選択・捕捉し、最終目標位置を割り付けた（図９の（ａ））。捕捉されたビーズは、最終目標位置に対応させた１〜９の符号を付した矢印で示す。次に、ステップＳ７の処理として説明したように、(4)式、(5)式の移動経路に従い、最終目標位置へ時分割光ピンセットで同時移動を行い、動的微粒子アレイの自動的作成を完了した（図９の（ｂ））。その後、本装置の操作ユーザーインターフェイスである３ボタンマウスを用いて、格子状配列を保ったままでのXY面内での回転（図９の（ｃ））、拡大（図９の（ｄ））等の微粒子アレイの幾何学変換操作を行った。
【実施例２】
【００６５】
試料マイクロビーズとして、赤、青、黄の色素で着色された直径3μmのポリスチレン球を用い、格子間隔L=10μmの3×2の赤、黄、青の順番（縦型信号機と同じ）の配列を最終目標とした。マイクロビーズへの時分割光ピンセットのレーザ光の照射時間は10msec/個、レーザパワー530mW（対物レンズ入射前値）で、ガラスビーズの時と同じ設定値を用いた。実施例２は、マイクロビーズは異なる色を有し、動的マイクロアレイにおける最終的な配置順序が重要である。図１０の（ａ）〜（ｄ）に、実施結果を顕微鏡撮影したVTR映像から時系列に抜き出した顕微鏡写真を示す。まず、ステージ１の処理を実施して、赤、青、黄色に分類されたビーズの内で中心Ｏからの距離が近いものを２個ずつ選択し、自動的に捕捉した（図１０の（ａ））。捕捉された赤、青、黄のポリスチレン球を、それぞれR1、R2、B1、B2、Ye1、Ye2の符号を付した矢印で示す。次に、ステージ２の処理により自動的に3×2の格子配列を構成した（図１０の（ｂ））。しかし、最終目標である順番の格子配列と異なるため、ステージ３の処理による格子上に位置したビーズの交換を行った。これら一連の処理は、コンピュータに搭載したプログラムによって自動的に実行された。CR1、CR2、CR1と３回の回転による交換操作（図１０の（ｂ）〜（ｄ））により、上から赤、黄、青の順番の3×2の格子配列が自動的に完成することがわかる。即ち、図１０の（ｄ）の状態においてCR1の右回転を行うことによって、左側の列に、上からR2、Ye1、B2が並び、右側の列に、上からR1、Ye2、B1が並ぶ。
【実施例３】
【００６６】
図１１は、微粒子として、球形以外の細胞と棒状を一列に自動的に配列させた例を示している。ステージ１の画像認識手法としては、一般化Hough変換を使用し、レーザパワー等の条件は実施例１と同等である。図１１の（ａ）及び（ｂ）は、大きさ十数ミクロンの珪藻を１個につき３本の捕捉ビームを照射し、姿勢を制御しつつ同時に運搬して、最終目標位置において、同一間隔で縦に配向した姿勢で１次元アレイとして配置した状態を示す顕微鏡写真である。図１１の（ｃ）及び（ｄ）は、長さ十数ミクロンのウイスカを自動的に配列した状態を示す顕微鏡写真である。姿勢を制御しつつ同時に運搬して、最終目標位置において、同一間隔で、長さの順番に並べて横に配向した姿勢で１次元アレイとして配置した。なお、図１２の（ａ）、（ｂ）は、これらの整列に適用した捕捉ビーム群の形態を模式的に示したものである。
【００６７】
本発明は、上記した実施の形態及び実施例の構成に限定されるものではなく、微粒子ビーム群を構成するビームの選択、構成方法、光学系の構成は適宜設計変更しうるものである。また、画像認識、移動経路生成、衝突回避、アレイ配置後の任意の微粒子の配列順序を交換するアルゴリズムを構成するソフトウエアについても、上記微粒子ビーム群を制御できる様に適宜設計変更し、かつコンピュータ以外の制御用ハードウエアに適する様、適宜設計変更できるものである。さらに、その他この発明の趣旨を逸脱しない範囲で、微粒子アレイを構成する微粒子の個数、形状等を、種々変更して実施できることは勿論である。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】本発明の微粒子アレイの作成方法の全体像を示す概略図である。
【図２】本実施の形態に係る微粒子アレイの作成装置を用いて微粒子アレイを作成する方法を示すフローチャートである。
【図３】微粒子径を無視できる場合における微粒子の移動軌道の１例を示す模式図である。
【図４】微粒子径を無視できない場合における微粒子の移動軌道を示す模式図であり、衝突回避経路の１例を示す。
【図５】微粒子の衝突を回避する、図２とは別の処理を示すフローチャートである。
【図６】図５の衝突回避処理を説明するための模式図である。
【図７】格子点上の微粒子を所望の順番に交換する手順の１例を示す模式図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る微粒子アレイの作成装置の構成の１例を示す模式図である。
【図９】９個の微粒子が自動的に格子状の配列を形成する過程を示す顕微鏡写真である。
【図１０】６個の色素標識を有する微粒子が、格子点上の微粒子を交換して、所望の順番に自動的に配列してゆく過程を示す顕微鏡写真である。
【図１１】球形以外の形状の細胞と微粒子が、大きさの順番に自動的に整列した様子を示す顕微鏡写真である。
【図１２】図１０、図１１で適用した捕捉ビーム群の形態を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６９】
Ａ  微粒子群
１〜１６  微粒子
１７  基板
１８  溶液
１９  微粒子捕捉ビーム群
２０  撮像装置（カラーカメラ）
２１  制御装置（コンピュータ）
２２  ４×４の微粒子アレイ
２３  顕微鏡
【図２】
0005516928.tif 000002
【図３】
0005516928.tif 000003
【図４】
0005516928.tif 000004
【図５】
0005516928.tif 000005
【図６】
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【図７】
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【図１】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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