(57)【要約】  限定されるものではないが細胞のような生体物質を含む粒子と光をユニークで非常に有用な方法で相互作用させるための装置及び方法が提供される。光学泳動は、有用な結果が得られるように粒子を種々の光の力、特に光勾配力、より好ましくは動く光勾配力に供することから成る。１つの実施態様において、２種以上の異なる粒子、例えば赤血球及び白血球からなる粒子の集団は、粒子集団に対してゆっくり動かされる光線により照射される。粒子は集団が配列するまで線とともに動かされる。次に、粒子の線は、例えば粒子の物理的位置に対して照射線をすばやく動かすことにより粒子に対して相対的な動きの光に供される。いくつかの粒子が後に残るような十分に速い速度で粒子から光線を離すように動かすことにより、粒子の有効な分離、特徴付け及び／又は同定がなされ得る。場合により、低速開始スキャンの方向は、粒子が配列した後のより速いスキャンと反対の方向である。【特許請求の範囲】
【請求項１】
細胞又は粒子の集団を準備する工程、
この細胞又は粒子の集団に光線を照射して、細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるように細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程、そして
物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離する速度で物理的にまとめられた細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程、
を含む、動く光のビームを用いて細胞又は粒子を分類する方法。
【請求項２】
細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるように細胞又は粒子の集団に対して光線を動かす工程が一定速度で行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
細胞又は粒子の集団を物理的に線状にまとめるために用いられる光線の動く方向が、物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離するために用いられる光線の動く方向の反対である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
細胞又は粒子の集団がサブ領域に区分化されたサンプルフィールド内にある、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
サンプルフィールドがｎ×ｎ配列である、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
物理的に線状にまとめられた細胞又は粒子の集団の少なくとも一部を有効に分離するために用いられる光線の動作がステッピング動作である、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
ステッピング動作がサンプルフィールドの長さの１／４未満を動く、請求項４に記載の方法。
【請求項８】
細胞又は粒子の集団に対する光線の相対的な動きが静止光線に対する細胞又は粒子の集団の動作に起因する、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
細胞又は粒子の集団に対する光線の相対的な動きが細胞又は粒子の静止集団に対する光線の動作に起因する、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
分離工程中の細胞又は粒子の集団と光線の相対的な動きが集団内の細胞又は粒子の少なくともいくつかの離脱速度よりも大きい、請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
分離工程中の細胞又は粒子の集団と光線の相対的な動きが集団内の細胞又は粒子の少なくともいくつかの離脱速度よりも小さい、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
妊婦の血液細胞を胎児の血液細胞と分離するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
赤血球を白血球と分類するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
細網赤血球を成熟赤血球と分離するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
幹細胞を分取するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
血液から腫瘍細胞を分取するために用いられる、請求項１に記載の方法。
【請求項１７】
細胞集団が精子を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１８】
光線が、集団内に含まれる細胞又は粒子の少なくとも一部のサイズに類似した幅を有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１９】
細胞又は粒子の集団を保持するように適合させたサンプルフィールドを含むステージ；
光線をサンプルフィールド上に方向付けるように配置された照射源；
サンプルフィールドに対して光線を動かすための手段；及び
サンプルフィールドの画像を捕捉するように配置された画像システム、
を含む、動く光のビームを用いて細胞又は粒子を分類するための装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも光又は光子の力を用いて物質の選択、同定、特徴づけ、及び／又は分類を行うための方法及び装置に関する。より詳細には、本発明は、一般に光の誘電率を有する生体粒子と相互作用させるための光の力の使用であると考えられている生物システムにおける有用性を見出したものである。
【背景技術】
【０００２】
関連出願
本出願は、「動く光勾配を発生させそして利用する方法及び装置」という名称で２００１年１１月１４日に出願した出願番号第０９／９９３，３７７号の一部継続出願である。この出願は、「粒子を同定し、特徴付け及び／又は分類するために光の力を使用する方法及び装置」という名称で２００１年４月２７日に出願した出願番号第０９／８４５，２４５号の一部継続出願である。この出願は、「マイクロ粒子を分類するシステム及び方法」という名称で、発明者Ｏｓｍａｎ  Ｋｉｂａｒの名で２００１年４月２７日に出願した出願番号第０９／８４３，９０２号に関連する。この出願は「細胞又は粒子を分類するための方法及び装置」という名称で２０００年１１月１３日に出願した仮出願第６０／２４８，４５１号からの優先権を主張する。これらの出願は本明細書中に十分に記載されているが如く援用される。
【０００３】
発明の背景
粒子の分類及び特徴づけには、工業的適用から、生物学的適用、環境学的適用まで広範な適用がある。例えば生物の分野では、細胞の分離は医薬及びバイオテクノロジーの分野に非常に多くの適用がある。歴史的に、分類技術は、粒子サイズや密度のような全体的な物理的特性、又はレセプター−リガンド相互作用又は免疫学的標的との反応のようなアフィニティ相互作用を利用することに焦点を当てていた。
【０００４】
粒子の分類及び特徴付けに物質の電磁応答性が利用されている。例えば、誘電泳動分離は、粒子を分類するために非均一性ＤＣ又はＡＣ電界を利用する。例えば「誘電泳動で分離するための装置」という名称のＰｅｔｈｉｇ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第５，８１４，２００号を参照されたい。誘電泳動の細胞分類への適用が試みられている。Ｂｅｃｋｅｒ  ｅｔ  ａｌ．（Ｇａｓｃｏｙｎｅ）、ＰＮＡＳ  ＵＳＡ、Ｖｏｌ．９２、ｐｐ．８６０−８６４、Ｊａｎ、１９９５、Ｃｅｌｌ  Ｂｉｏｌｏｇｙ、「ディファレンシャル誘電アフィニティによる血液からのヒト乳癌細胞の分離」という記事において、著者らは、疾患細胞の誘電性が正常血液細胞からのがん細胞の分離を可能にするほど十分に異なることを報告している。このシステムは、微小電極アレイを含有する誘電アフィニティカラム内の細胞に作用する流体力と誘電泳動力とのバランスを保っていた。より高性能の分離システムが提供されている。例えばＣｈｅｎ  ｅｔ  ａｌ．、米国特許第６，０７１，３９４号、「誘電泳動による生体粒子のバイオエレクトロニクスチップ上でのチャネルのない分離」を参照されたい。更に、静電力を用いて粒子を分離する他の試みもなされている。例えば、Ｊｕｄｙ  ｅｔ  ａｌ．、米国特許第４，４４０，６３８号、「荷電種を操作するための表面電界効果デバイス」、及びＷａｓｈｉｚｕ、「生体の静電的操作」、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃｓ、Ｖｏｌ．２５、Ｎｏ．１、Ｊｕｎｅ  １９９０、ｐｐ．１０９−１０３を参照されたい。
【０００５】
粒子を分類し、トラップするために光が用いられている。この分野における初期の研究者の１人は、Ｂｅｌｌ  ＬａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓのＡｒｔｈｕｒ  Ａｓｈｋｉｎであり、彼は透明なμｍサイズのラテックスビーズを操作するためにレーザーを用いた。Ａｓｈｋｉｎの米国特許第３，８０８，５５０号、「中性粒子をトラップし加速させる装置」には、粒子を放射圧によりトラップし又は含有するためのシステムが開示されている。干渉性光照射を発生させるレーザーは好ましい光圧源である。小さな粒子をトラップするための光照射の使用は、ＡｓｈｋｉｎのＢｅｌｌ  Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓグループ内で発展し、最終的に、Ｓｔｅｖｅｎ  Ｃｈｕを含むこの研究室の研究者たちに対してノーベル賞が授与された。例えば、Ｃｈｕ  Ｓ．、「中性粒子のレーザートラッピング」、Ｓｃｉ．Ａｍ．、ｐ．７１（Ｆｅｂ．１９９２）、及びＣｈｕ  Ｓ．、「原子及び粒子のレーザー操作」、Ｓｃｉｅｎｃｅ  ２５３、ｐｐ．８６１−８６６（１９９１）を参照されたい。
【０００６】
一般に、光の集束ビームと誘電性粒子又は物質との相互作用は、勾配力及び散乱力の幅広いカテゴリーに分類される。勾配力は、より高い比誘電率を有する物質を、光の集束ビームが最も強い領域に引き寄せる傾向がある。散乱力は、光のビームから物質への運動量移動の結果であり、一般にビームと同方向である。粒子をトラップするための光の使用は、ときに光ピンセット装置ともいわれる。一般に、レイリーの近似式を用いると、トラッピング力は下式により表される：
【０００７】
【化１】
2005515071.tif 000002
【０００８】
式中、Ｆgはより強い方向に指向した粒子上の光勾配力であり、ｒは粒子の半径であり、εBはバックグラウンド媒体の誘電率であり、εは粒子の誘電率であり、Ｉは光の強度（ワット／ｃｍ2）であり、∇は空間微分である。図１は光ピンセット内の粒子の図を示す。光ピンセットは粒子に指向した高度集束ビームから成る。
【０００９】
図１に示すように、集束ビーム１２は最初に粒子１０に集束し、そして発散する。強度パターン１４はビーム強度の水平断面に関するものであり、強度パターン１６は強度の垂直断面である。式から明らかなように、トラッピング力は光の強度の勾配による作用である。したがって、この力は光の強度が最も速く変化する場合により大きく、これに反して光の強度が均一の場合に最小である。
【００１０】
初期の安定な光トラップは、垂直レーザービームにより上向きの散乱力と下向きの重力とのバランスを保ちながら粒子を浮上させた。光勾配力は粒子を光軸上に維持するように作用する。例えば、Ａｓｈｋｉｎ、「放射圧による光浮上」、Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．Ｌｅｔｔ．、１９（６）、ｐｐ．２８３−２８５（１９７１）を参照されたい。１９８６年に、Ａｓｈｋｉｎは、軸に沿った光伝搬とは対照的な高度集束レーザービームに基づくトラップを開示した。高度集束ビームは非常に高強度の空間において小さな点となる。この極度の集束は、誘電性粒子をこの点に引き寄せるための大きな勾配力を引き起こす。ある種の条件下では、勾配力は散乱力に打ち勝ち、粒子を焦点からの光の方向へ押しやる。具体的には、このように高度の集束を実現するために、レーザービームは高い開口数の顕微鏡対物レンズを通して向けられる。この装置は、高い開口数の照明からの相対的寄与率を高めるために作用するが、散乱力の効果を減少させる。
【００１１】
１９８７年に、Ａｓｈｋｉｎは、単一ビーム勾配力光トラップシステムを用いた生体物質の光トラッピング及び操作の実験証明を報告している。Ａｓｈｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．、「ウイルス及びバクテリアの光トラッピング及び操作」、Ｓｃｉｅｎｃｅ、２０  Ｍａｒｃｈ、１９８７、Ｖｏｌ．２３５、Ｎｏ．４７９５、ｐｐ．１５１７−１５２0。「生体粒子の非破壊的光トラップ及びそれを行う方法」という名称のＡｓｈｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．の米国特許第４，８９３，８８６号には、赤外線光源を用いた単一ビーム勾配力光トラップにおいて成功した生体粒子のトラッピングが報告されている。実質的に赤外線領域の波長（０．８μｍ〜１．８μｍといわれている）において干渉性の光を放射する赤外線レーザーを使用することは、生体物質が、１６０ｍＷのレーザーパワー中に数回のライフサイクルのあいだトラッピングされた後でさえも持続した再現性で正常な運動性を示すことを可能にするといわれている。「opticution」という用語は、当該技術分野において生体物質を死滅させる光照射を意味するものとして知られてきている。
【００１２】
生体物質を調査するための光の使用は、多くの研究者たちにより利用されてきている。植物細胞の細胞内操作が証明されている。Ａｓｈｋｉｎ  ｅｔ  ａｌ．、ＰＮＡＳ  ＵＳＡ、Ｖｏｌ．８６、７９１４−７９１８（１９８９）。また、Ａｓｈｋｉｎ，Ａ．による概説記事、「レーザーを用いた中性粒子の光トラッピング及び操作」、ＰＮＡＳ  ＵＳＡ、Ｖｏｌ．９４、ｐｐ．４８５３−４８６０、Ｍａｙ  １９９７、Ｐｈｙｓｉｃｓも参照されたい。バクテリアをつながれた鞭毛でねじることによるバクテリアの鞭毛のねじれコンプライアンスの測定を含む種々の機械的測定及び力の測定がなされてきている。Ｂｌｏｃｋ，Ｓ．ｅｔ  ａｌ．、Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）、３３８、ｐｐ．５１４−５１８（１９８９）。粒子の顕微操作について証明されている。例えば、動く細胞やオルガネラを切断するために、マイクロビーム技術のパルスレーザー切断（ときにレーザーハサミ又はメスともいわれる）と組み合わせて光ピンセットを使用することが証明された。Ｓｅｅｇｅｒ，ｅｔ  ａｌ．、Ｃｙｔｏｍｅｔｒｙ、１２、ｐｐ．４９７−５０４（１９９１）。光ピンセット及びハサミは、全光学的体外受精に使用されてきている。Ｔａｄｉｒ，Ｙ．、Ｈｕｍａｎ  Ｒｅｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ、６、ｐｐ．１０１１−１０１６（１９９１）。種々の技術は、トラッピングを助けるために生体物質に構造が接着している「ハンドル」の使用を含んでいる。例えばＢｌｏｃｋ、Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）、３４８、ｐｐ．３４８−３５２（１９９０）を参照されたい。
【００１３】
光トラッピング及びナノメートル以下の分解能を有する干渉計位置モニタリングを用いる生物学的システムで種々の測定がなされている。Ｓｖｏｂｏｄａ、Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）、３６５、ｐｐ．７２１−７２７（１９９３）。更に、ピンセットトラップを利用する、フィードバックに基づくシステムが提唱されている。Ｍｏｌｌｏｙ，ｅｔ  ａｌ．、Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．、６８、ｐｐ．２９８５−３０５５（１９９５）。
【００１４】
多くの研究者たちが生体物質を曲げたり伸ばしたりしようと努めている。Ａｓｈｋｉｎは、Ｎａｔｕｒｅ（Ｌｏｎｄｏｎ）、３３０、ｐｐ．７６９−７７１（１９８７）において、赤血球の形を曲げるために光ピンセットを利用した。赤血球の形状回復時間を測定するためのアッセイを形成するために多数の光ピンセットが利用されている。Ｂｒｏｎｋｈｏｒｓｔ、Ｂｉｏｐｈｙｓ．Ｊ．、６９、ｐｐ．１６６６−１６７３（１９９５）。Ｋａｓ，ｅｔ  ａｌ．は、レーザーによって発生した２つのカウンター伝搬ビーム間の細胞をトラップし変形するために調製可能なレーザーを使用することを示唆する米国特許第６，０６７，８５９号において「光ストレッチャー」を提唱した。このシステムは単一悪性がん細胞を検出するために利用される。更に別のアッセイは、制御条件下の２つの細胞又は粒子を衝突させることを提唱しており、光衝突よりＯＰＴＣＯＬと呼ばれている。例えばＭａｍｍｅｒ、Ｃｈｅｍ＆Ｂｉｏｌ．、３、ｐｐ．７５７−７６３（１９９６）を参照されたい。
【００１５】
更に、目的物の特性を測定するために光の力を利用することが提唱されている。例えば、Ｇｕａｎｍｉｎｇ，Ｌａｉ  ｅｔ  ａｌ．、「自己マイニング干渉計によるレーザートラップされた粒子のバネ定数の決定」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ  ＳＰＩＥ、３９２１、ｐｐ．１９７−２０４（２０００）を参照されたい。更に、光トラップの力を較正するための方法として、流体抵抗に対してバランスを保っている光トラッピング力が利用されている。これらのシステムは、流体抵抗、特にストークスの流体抵抗に対する高度依存性を利用している。
【００１６】
更に、物質の位置ぎめのために光の強度パターンが利用されている。「光学物質」という名称の、米国特許第５，２４５，４６６号、Ｂｕｒｎｅｓ  ｅｔ  ａｌ．では、微小偏光性物質と連結した光ビームを用いて伸びた結晶性及び非結晶性構造のアレイがつくられている。偏光性物質は、適用されるパターン化された光の強度分布のパターンを採用する。Ｂｕｒｎｓの研究、Ｎｅｗ  Ｓｃｉｅｎｔｉｓｔ、１８  Ｎｏｖ．，１９８９、Ｎｏ．１６９１に報告されている「物質は光のリップルに乗る」も参照されたい。更に、定常波の光パターンを用いて原子を基板上に堆積させる方法が提唱されている。このシステムは、定常波パターンを移動させることにより構造アレイを製造するために利用してもよい。「レーザー制御ナノリソグラフィーをつくる方法」という名称の、Ｃｅｌｏｔｔａ  ｅｔ  ａｌ．、米国特許第５，３６０，７６４号を参照されたい。
【００１７】
更に、光を利用することにより粒子を動かす試みがなされている。その著者らにより「光泳動（photophoresis）」と名付けられた技術を用いて、Ｂｒｉａｎ  Ｓｐａｃｅ  ｅｔ  ａｌ．は、分子に回転運動を誘導して分子の移動を誘導するために偏光ビームを利用した。所望の目標は分子の濃度勾配を形成することである。この技術は、好ましくはプロペラ型分子を利用して、誘導された分子の回転運動により移動させる。
【００１８】
サンプルの準備及び分類適用のような種々の目的に供されるマイクロ流体システムを形成するために様々な試みがなされている。例えば、「化学分析及び合成のためのマイクロ流体操作を行う装置及び方法」という名称の、Ｒａｍｓｅｙ、米国特許第６，０３３，５４６号を参照されたい。ＡｃｌａｒａやＣａｌｉｐｅｒのような非常に多くの会社が「チップ上の実験」を含むマイクロシステムの形成を試みている。
【００１９】
マイクロ加工デバイスと光学システムとを組み合わせる試みがなされている。「ＤＮＡ分子のサイジング及び分類のためのマイクロ加工デバイス」、Ｃｈｏｕ  ｅｔ  ａｌ．、ＰＮＡＳ  ＵＳＡ、Ｖｏｌ．９６、ｐｐ．１１−１３、Ｊａｎ．１９９９、Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｉｏｐｈｙｓｉｃｓには、蛍光特性の測定に基づいた顕微鏡対象物のサイジング及び分類のためのマイクロ加工デバイスが記載されている。この論文は、ＤＮＡ内に挿入された蛍光色素量を含む蛍光特性を測定することによりＤＮＡの長さを決定するシステムについて記載している。「マイクロ加工蛍光活性化セルソーター」、Ｎａｔｕｒｅ  Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ、Ｖｏｌ．１７、Ｎｏｖ．１９９９、ｐｐ．１１０９−１１１１では、細胞の分類に「Ｔ」型マイクロ加工構造が用いられた。「Ｔ」交差位置の上流にある検出ウインドウを利用し、検出された特性に基づいているこのシステムは、システム内の粒子を分類するであろう。前記分類システムは検出イベントに基づいて流体の流れを切り替える。逆分類モードでは、全ての粒子を廃棄物回収に送るよう流体の流れをセットする。しかし、回収可能イベントの検出により、粒子が２度目に検出されるまで流体の流れは切り替えられ、その後粒子が回収される。ある種のこうしたシステムが、「マイクロ加工セルソーター」という名称の、Ｑｕａｋｅ  ｅｔ  ａｌ．、ＰＣＴ公開公報ＷＯ９９／６１８８８に記載されている。
【００２０】
更に、電磁照射関連特性を含む種々の特性の測定に基づく生物学的システムを特徴づけるための試みがなされている。マイクロ波の領域で物質、特に生体物質の誘電性を探求するために多くの努力がはらわれている。例えば、「遠隔マイクロ波応答指令信号を用いた複雑な誘電率測定に基づく、生物学的標的の生理的ファクシミリ画像化のための方法及び装置」という名称の、Ｌａｒｓｏｎ  ｅｔ  ａｌ．、米国特許第４，２４７，８１５号、及び「分子結合イベントを検出するための方法及び装置」という名称の、Ｈｅｆｔｉ、ＰＣＴ公開公報ＷＯ９９／３９１９０を参照されたい。
【００２１】
先行技術における実質的な努力にもかかわらず、包括的で、有効な、感受性の高い、信頼できるシステムは達成されていない。
【発明の開示】
【００２２】
発明の概要
本発明の方法及び装置は、一般に、粒子から情報を得るための又は粒子に力を適用するための光エネルギーの使用に関する。粒子は誘電率を有するものであればいかなる形態でもよい。こうした有益な目的のための光の使用は光学泳動（optophoresis）の分野にあたる。細胞のような粒子は、粒子の状態を表示するか、又は粒子の選択、分類、特徴づけ若しくは粒子とのユニークな相互作用を可能にする光学泳動定数あるいは特性を有するであろう。生物の分野では、粒子は細胞、オルガネラ、タンパク質又は原子レベルに至るあらゆる構成要素を含んでいてよい。この技術は生物以外の領域にも適用され、あらゆる無機物質、金属、半導体、絶縁体、ポリマー及び他の無機物質に適用する場合を含む。
【００２３】
生物の領域を考えると、細胞は全てのゲノム情報を取り込む真のポイントを表す。この情報にアクセスし、解読することは疾患の診断及び治療に重要である。現存する技術ではこの情報の桁外れの複雑さに有効且つ包括的に取り組むことができない。細胞自体の基本的な特性を解き明かすことにより、本明細書に記載する方法及び装置は、細胞の特徴付け、細胞の分析及び細胞に基づいたアッセイの新たなパラメータを作り出す。
【００２４】
この技術は生細胞のような粒子の内部機能を、好ましくは染色、標識又は他のマーカーを要することなく突き止めるための実用的なアプローチを表す。細胞の「光学泳動定数」は、分析しようとする正確な瞬間における細胞の生理学的状態を一意的に表し、細胞の内部機能に関する研究を可能にする。こうした技術は、新規薬物のスクリーニングから、新規遺伝子の発現の研究、新規診断製品開発、及びがん患者のモニタリングまで、幅広い情報スペクトルの簡便で有効な集積を可能にする。この技術は、このユニークな光学泳動パラメータに基づいて特定の細胞を同時に分析及び単離することが可能である。換言すれば、この技術は、原子レベルでの差異に基づいて、特定の粒子、例えば細胞を同時に分析し単離することができる。この技術は、単独で又は最新の分子技術と組み合わせることにより、一意的に同定可能なパラメータを用いて、生細胞の全体的な活性に関わる複雑なメカニズムに関連づけるための有用な方法を提供する。
【００２５】
１つの態様において、最初に分子の集団を準備し、粒子集団を物理的空間にまとめるように、最も好ましくは線状に配列するように粒子に対して動く強度プロファイルにより粒子を照射し、続いて物理的にまとめられた粒子集団に対して照射を動かして異なる光学泳動特性を有する粒子を物理的に分離することにより、粒子を同定し、特徴づけ及び／又は分類するための装置及び方法が提供される。１つの実施態様において、２以上の異なる粒子を含む粒子集団、例えば赤血球と白血球が、粒子集団に対してゆっくり動かされる光線により照射される。粒子は集団が配列するまで光線とともに動かされる。次に、粒子の線は、例えば粒子の物理的な位置に対して照射線をすばやく動かすことにより、粒子に対して相対的に動く光に供される。若干の粒子が後に残るよう十分に速い速度で粒子から離れるように光線を動かすことによりに、粒子の有効な分離、特徴づけ及び／又は同定がなされ得る。場合により、低速開始スキャンの方向は、粒子が配列した後のより高速のスキャンと反対の方向である。
【００２６】
更に他の態様において、本発明は、粒子の第１の物理的位置を観察し、粒子に光を照射して粒子を光の力に供し、粒子の第２の物理的位置を観察し、そして粒子と光の力との反応の少なくとも一部に基づいて粒子を特徴付ける工程により、粒子を特徴付けるための方法である。この特徴付けは、粒子、例えば細胞が、検出された光学泳動定数又は特性を根拠としてある種の病態を有するというものであるかもしれない。
【００２７】
特徴付けは、多数の粒子を物理的に分離してもしなくてもなされ得るが、粒子を分離する方法は、第１に粒子を光勾配力に供し、第２に粒子を動かし、そして第３に所望の粒子を他の粒子から分離することから成ることができる。粒子は、更なる光の力、流体の力、電磁力又は必要な分離をするのに十分な他の力により、他の粒子から分離することができる。分離は粒子の分別及び分類を含んでいてよい。
【００２８】
更に他の態様において、本発明は、動電学的に粒子を動かし、そして粒子を分類用の光の力に供することにより、粒子を分析する方法を含む。動電学的力には、例えば電気浸透、電気泳動及び誘電泳動が含まれていてもよい。
【００２９】
特徴づけや分類のために粒子の誘電性を使用することに加え、本発明のある方法は、粒子の誘電率を測定するために用いることができる。１つの方法は、異なる誘電率を有する複数の媒体中で粒子を光勾配力に供し、種々の媒体中で光勾配力に供したときの粒子の動きをモニターし、そして種々の媒体中における動きの相対量に基づいて粒子の誘電率を測定することから成る。
【００３０】
更に他の方法は、粒子のサイズによる分類を可能にする。１つの方法は、粒子を光の干渉縞に供し、粒子に対してこの干渉縞を動かす工程を含む。ここで、改良点としては様々な大きさの粒子に対して異なる効果を有するように干渉縞の周期を選択することを含む。類似の方法は、光の力に供したときの粒子の屈折率に基づいて粒子を分類するか、さもなければ分離するものである。１セットの例示的工程は：干渉縞を有する光のパターンに粒子を供し、この干渉縞の間隔は圧縮されていない状態の粒子サイズよりも小さく、粒子を含有する媒体に対してこの干渉縞を動かし、それにより比較的高い屈折率を有する粒子を比較的低い屈折率を有するものから分離することを含む。
【００３１】
光勾配力を使用する他、単独で又は他の力、光散乱力と組み合わせてシステム及び方法を使用してもよい。光学泳動装置で分離するための１つの方法は、１種以上の粒子を準備し、粒子上に散乱力を引き起こすように粒子を光に供し、そして少なくともこの散乱力との反応に基づいて粒子を分離することから成る。
【００３２】
システムの感受性及び識別力を高めるための種々の技術が記載されている。例えば、粒子間の識別力の感受性を高めるために選択された誘電率を有する媒体中の粒子を分離し、そして粒子間のより速い分離を引き起こす誘電率を有する媒体に変えることにより、感受性の装置が提供される。感受性を高めるための１つのオプションは、粒子の誘電率に近くなるように媒体の誘電率を選択することである。
【００３３】
したがって、本発明の目的は、光学的誘電率を有する物質を同定し、特徴づけ、選択し及び／又は分類する方法を提供することである。
本発明の更なる目的は、粒子を標識したり改変することなく、粒子を分類又は同定するためのシステムを提供することである。
【００３４】
本発明の更に他の目的は、改変されていないか又は中性の粒子を分類又は特徴付けるシステムを提供することである。
本発明の更に他の目的は、粒子を遠隔操作し、それにより研究中のシステムの汚染を減ずるシステムを提供することである。
【００３５】
本発明の更に他の目的は、光の力と他の力が干渉することなく、他の力とともに使用され得る、粒子を特徴付け、動かし及び／又は分類するためのシステムを提供することである。
【００３６】
発明の詳細な説明
定義
以下の定義は、本明細書に開示される本発明を理解するために提供される。
【００３７】
「誘電率」とは、単位電位勾配に関し、単位容量あたりに蓄えられる静電エネルギーを決定する特性と定義される（例えばｔｈｅ  Ｎｅｗ  ＩＥＥＥ  Ｓｔａｎｄａｒｄ  Ｄｉｃｔｉｏｎａｒｙ  Ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ  Ａｎｄ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  Ｔｅｒｍｓ、（著作権）１９９３を参照されたい）。
【００３８】
「光の誘電率」とは、光波長における粒子又は物の誘電率をいう。一般に、光波長の範囲は１５０Å〜３０，０００Åである。
「光勾配磁場」とは、強度、波長若しくは振動数、位相、偏光又は光エネルギーに関する他のパラメータを含む１つ以上のパラメータに変化を有する光パターンをいう。干渉計により発生したとき、光勾配磁場又はパターンは、光干渉縞磁場若しくは干渉縞パターン、又はその変形とも呼ばれる。
【００３９】
「動く光勾配磁場」とは、システムの他の構成要素、例えば粒子、又は同定、特徴付け、選択及び／又は分離すべき目的物、粒子に接触している媒体、具体的には流体媒体、及び／又は格納構造若しくは支持構造に対して空間及び／又は時間を動く光勾配磁場をいう。
【００４０】
「光散乱力」とは、粒子又は光子から、光エネルギーで照射された物質への運動量移動により引き起こされる、物に適用される力をいう。
「光勾配力」とは、粒子又は物質を、粒子とそれが位置する媒体のあいだの誘電率の差に基づく力に供させるものをいう。
【００４１】
「光学泳動」又は「光学泳動の」は、一般に粒子についての情報を得るため、粒子を空間的に動かすため、さもなければ粒子と有用に相互作用させるための光子エネルギー又は光エネルギーの使用に関する。
【００４２】
「光学泳動定数」又は「光学泳動特性」又は「光学泳動フィンガープリント」とは、光による選択、同定、特徴づけ又は分類に関し、粒子を区別し又は特徴付けるパラメータを意味する。
【００４３】
「光ピンセット」とは、勾配力が最も高強度の点、具体的には勾配力が散乱力に打ち勝つほど十分に強い点に向けて誘電性粒子を引き寄せる傾向にある十分に高強度の空間内の点に高度集束ビームを有する、光に基づくシステムをいう。最も典型的には、レーザービームは、光波長がおよそ５，０００〜２０，０００Å、より具体的には１０，０００Åの回折限界スポットサイズを有するビームにより、高い開口数の顕微鏡対物レンズを通して向けられる。一般に、光ピンセットは、焦点面が２μｍ以下、具体的には約１μｍのビーム幅を有する。
【００４４】
２つの対象の「分離」とは、粒子とある種の他のリファレンスポイント又は物質との相対的な空間を長時間離すことをいう。
「分類」とは、有意義な方法で２種以上の粒子を分離することを含む。
【００４５】
例示装置についての記載
光の成分−動く光勾配磁場の発生
図２〜１０は、限定されるものではないが動く光勾配磁場パターンを含む、時に干渉縞又は光干渉縞と呼ばれる光のパターンを発生させるための種々のシステムを記載する。これら例示的装置を具体的に示すが、本発明の所望の結果を達成するために他の装置を用いて光の領域及び力を発生させることもできるため、限定的なものではない。
【００４６】
特定の態様に関する議論において持ち上がる点は、たとえ適用可能との記載がなくとも他の態様の記載に一般に適用可能であると考えられるということである。
システムに用いる光源は、ある種の一般に所望される特性を有する。波長に関しては、１つ以上の検討材料に基づいて一般に選択されるであろう。ある適用においては、細胞のような生体物質の損傷を避けることが望ましいかもしれない。ほとんどが水である細胞成分による吸収が最小である範囲で波長を選択することにより、加熱による有害効果を最小限にすることができる。およそ０．３μｍ〜およそ１．８μｍ、より好ましくは実質的に０．８μｍ〜実質的に１．８μｍの範囲の波長は、生物学的損傷を軽減させる手助けをする。しかしながら、生物学的適用であっても、エネルギーの有害な吸収が起こらない短時間照明のような場合、一般に生体物質を損傷させると考えられている波長を有するレーザーを使用してもよい。更に他の適用において、粒子又は考慮されている目的に基づいて波長を選択することは望ましいかもしれない。例えば、特定の属性を有する粒子に対して適用される力を増加させるために（又は減少させるために）、吸収帯又はそれに近接する波長を選択することは望ましいかもしれない。波長を選択する上で更に考慮することは、現存する技術との適合性、又は光源から自然に発生する波長であるかもしれない。１例は、１．５５μｍの波長の選択であろう。１．５５μｍ波長領域で非常に多くのデバイスが市販されており、電気通信適用に広範囲に用いられている。
【００４７】
一般に、光源は干渉性の光源であろう。より具体的には、干渉性の光源はレーザーから成るであろう。しかしながら、システムが所望の結果を達成するのに必要とされる力を発生させることができるのであれば、非干渉性の光源を利用することもできる。レーザーのラゲールガウスモードのような種々のレーザーモードを利用することができる。更に、システムに１つ以上の光源がある場合は、これらの光源は互いに干渉性であっても非干渉性であってもよい。
【００４８】
強度パターンのスポットサイズ又は周期性は、好ましくは照明の有効な結果を最適化するように選択される。多くの適用において、結果として生じる力に全粒子（細胞）の誘電性が寄与するように応答指令信号が送られるべき粒子、例えば細胞に対して実質的に均一な勾配であることが望ましい。概して、その範囲は粒子又は目的物のサイズ（直径又は平均サイズ）の実質的に１倍〜実質的に８倍で変化し、より好ましくはその範囲はそのサイズの実質的に２倍〜実質的に４倍である。所望のスポットサイズ又は周期性を達成するために、当業者に公知の種々の方法及びシステムを利用することができる。例えば、所望のサイズを有する非集束ビーム又は平行ビームを用いる。スポット半径の具体的な特徴は、ビーム強度の１／ｅ2半径である。細胞への適用を含む多くの適用に関し、ビームサイズは１０ミクロンのオーダーであるが、ときに５ミクロン程度であり、更に他の場合では２ミクロン程度であろう。ある適用において、粒子又は目的物のサイズ（直径又は平均サイズ）の実質的に１倍〜実質的に２倍の範囲で照明の周期性を有することが望ましい。多くの生物学的適用に関し、周期性は実施的に５μｍ〜２５μｍ、より好ましくは１０μｍ〜２０μｍである。ある種の適用では、例えばバクテリアに関してはより小さなサイズを利用することができ、より大きな粒子に関してはより大きなサイズを利用することができる。細胞内領域の応答指令信号が望まれるような更に他の適用においては、粒子又は目的物よりも小さなスポットサイズを利用することが望ましいかもしれない。
【００４９】
以下に記載する強度パターンを発生させるシステムの例、及び本発明に有用な強度パターンを発生させる他のシステムには、種々の光学的構成要素、及び所望のパターン、強度プロファイル又は他の勾配を発生させるための制御システム、例えば動く光磁場勾配が含まれる。本発明の方法を有効に実施し、本明細書に記載する結果を達成するように本発明のシステムを使用するために種々の光学システムを適合させてもよい。全体的に又は部分的に適合され得る例示的システムには：ヤングのスリット、マイケルソン干渉計、マッハツェンダー干渉計、ハイディンガー環状干渉縞システム、フレネルミラー干渉計、平面平行板干渉計、ファブリペロ干渉計及び光勾配強度パターン又は干渉縞パターンを発生させるための他のシステムが含まれる。
【００５０】
次に本発明とともに用いる例示的システムの詳細な説明をする。図２は、システム２０に提供される１種以上の粒子に力を与えるための動く光勾配磁場パターンを発生させるために一般に形成されるシステム２０の光学的構成成分の記載である。これにより光の力は粒子の特徴付け、同定、選択及び／又は分類に用いることができる。光源２２、好ましくはレーザーは、ビームスプリッター２６を指向した第１ビーム２４を発生させる。ビームスプリッター２６は、プリズムビームスプリッターのように、本発明の目標及び目的と一致する当該技術分野において公知のいかなるモード又はタイプでもよい。第１透過ビーム２８はビームスプリッター２６を通過する。第１反射ビーム３０は、ビームスプリッター２６から反射面３２、具体的にはミラーに反射し、第２反射ビーム３４を発生させる。第１透過ビーム２８と第２反射ビーム３４は、干渉して強度パターン３８を発生させる。この強度パターンは、光が粒子又は目的の対象物と相互作用するスライド又は支持体３６の操作部位に一般に位置する。光パターン３８は、第１透過ビーム２８と、第１反射ビーム３０と第２反射ビーム３４の組み合わせとのあいだの光路長の変化により他の目的物、例えば粒子、基板、及び／又は粒子を含有する流体媒体に対して動く。ミラー３２は作動装置４０により移動可能である。作動装置４０の１つの例は、モーターと、ミラー３２を動かすためのスクリューシステムを含むであろう。ミラー３２を動かすための非常に多くの代替構造が当該技術分野において公知である。例えば圧電システム、振動ミラーシステム等である。
【００５１】
図３は２つのビームの干渉に基づくシステムを示す。レーザー５２のような干渉性の光源は、ビームスプリッター５６を指向する第１ビーム５４を発生させる。第１反射ビーム５８はサンプルプレート７０を指向し、第１透過ビーム６０は位相変調期６２のようなモジュレータを指向している。位相変調期６２は当業者に公知のいかなるタイプでもよい。位相変調期６２は制御システム６４の制御下にあり、ミラー７４を指向する変調ビーム出力６６をもたらす。変調ビーム６６はミラー７４で反射して、サンプルプレート７０を指向する第２反射ビーム６８を発生させる。第１反射ビーム５４及び第２反射ビーム６８はサンプルプレート７０を有する稼働性表面でパターン７２を発生させる。制御システム６４は、サンプルプレート７０のようなシステム５０内の目的物に対してパターン７２を動かすように位相変調期６２に連結されている。
【００５２】
図４は、干渉計システム８０の光学的構成成分のダイヤグラムを示す。レーザー８２のような光源は、ビームスプリッター８６を指向する第１光ビーム８４を発生させる。第１ミラー８８及び第２ミラー９０で構成される干渉計は、所望の勾配特性を含む所望のビーム特性を有する出力ビーム１００を発生させる。第１ビーム８４はビームスプリッター８６を通過して、第１ミラー８８を指向する第１透過ビーム９４を発生させる。反射ビームは、ビームスプリッター８６に向けて経路９４を引き返す。第１反射ビーム９６は位相変調期９２を通過して、第２ミラー９０を指向する第１変調ビーム９８を発生させる。第２ミラー９０からの反射ビームは、経路９８を引き返し、位相変調期９２及びビーム９６を通ってビームスプリッター８６へ向かう。ビーム１００はシステム８０の干渉計セクションから出力され、顕微鏡対物レンズ１０４を指向する。
【００５３】
対物レンズ１０４はサンプルプレート１０６を指向する。場合により、ミラー１０８を、最も好ましくは平面ミラーをサンプルプレート１０６の下位に配列させてもよい。ミラー１０８は、粒子、又は分析下若しくはシステム８０の作用下にある目的物を有するか又は含有するサンプルプレート１０６に反射光を与えるように方向を定められている。先にサンプルプレート１０６を照射するようにビーム１０２により発生した散乱力は、ミラー１０８からサンプルへ戻る反射照射を向けることにより、全体に又は部分的に相殺され得る。以下の表面効果に関するセクションでさらに議論されるように、反射光及び上方の散乱力は、散乱力の全体的な効果を減少させ、勾配力は有効に利用されるかもしれない。
【００５４】
図４は任意画像システムを含む。対物レンズ１０４からの光１０２はビームスプリッター１２０で反射し、結合光学系１１２を指向する第３反射ビーム１１０を発生させる。光学系１１２は、電荷結合素子（ＣＣＤ）検出器のような検出器１１４上の光を結像する。検出器１１４の出力は画像システム１１６に提供されてもよい。画像システム１１６は場合によりモニターの（ＣＲＴ、フラットパネルディスプレイ、プラズマディスプレイ、液晶ディスプレイ、又は当業者に公知の他のディスプレイ）ようなディスプレイを含んでいてもよい。画像システム１１６は場合により画像増強ソフトウェア及び画像分析ソフトウェア、記録機能（テープ、光学メモリ、又は他の当業者に公知のメモリの形態）を含んでいてもよい。
【００５５】
制御システム１１８は、システム８０内に所望の光の力パターンを発生させるようにモジュレータ９２を制御する。場合により、画像システム１１６を制御システム１１８と連結してもよい。フィードバックシステムをつくってもよく、これによりサンプルプレート１０６上の粒子の作用がシステム１１６を通して結像され、そして全体システム８０の操作を制御するための制御システム分析に利用されてもよい。
【００５６】
図５は干渉計に基づくシステム１２０を示す。レーザー１２２のような光源は、任意空間フィルター１２６を指向した第１ビーム１２４を発生させる。空間フィルター１２６は具体的にはレンズ１２８及び空間フィルター開口１３０を含むであろう。この開口は具体的には丸い。空間フィルターは、レーザービームを平行にし、レーザービームの波面を通って平坦な強度プロファイルを作り出すのに役立つ。干渉計１４０は第１ミラー１４６及び第２ミラー１４４、並びにビームスプリッター１４２。位相変調期１４８は干渉計１４０の２本のアームのうちの１本の中に配列される。
【００５７】
図５に示すように、光源１２２から干渉計１４０へ光を反射させるために、ミラー１３２が場合により配列される。当業者に理解されるように、光学システムは、システムをわたって光を移動させ又は指向するように設計されたいかなる数又は様式の成分を含んでいてもよい。１つのこのような例は、単に、１つの主要成分、例えば空間フィルターから他の主要成分、例えば干渉計１４０へ照射を指向するのに働く平面ミラー１３２である。ミラーに加えて、他の一般的な移動成分は、光ファイバー、レンズ、ビームスプリッター、拡散器、プリズム、フィルター、及び加工ミラーを含んでいてもよい。
【００５８】
ビーム１５０は干渉計１４０を出て、対物レンズ１５２を指向し、サンプルプレート１５４で又はその近傍で結像される。図示するように、ダイクロイックミラー１７０は光１５０を反射させるように働くが、光源１６８からの光の透過も可能にする。例えばファイバーは光源からの照射を提供し、ダイクロイックミラー１７０及び対物レンズ１５２を通ってサンプルプレート１５４の操作領域を照射する。
【００５９】
場合により、サンプルプレート１５４の操作部位を結像するために検出システムを配列させてもよい。図示するように、対物レンズ１５６はサンプルプレート１５４の下に置かれ、出力照射はミラー１５８を介して移動し、電荷結合素子（ＣＣＤ）のような装置１６４を結像する。場合により、検出のための所望の波長を選択するために赤外線フィルター１６０を光学経路内に置いてもよい。検出器１６４の出力は、画像システム１６６を提供する。他の図とともに示すように、画像システム１６６は、画像増強及び画像分析ソフトウェアを含むことができ、種々のディスプレイモードを提供する。場合により、フィードバックに用いるときなど、画像システム１６６は制御システム１７２に連結される。
【００６０】
図６は、上面からサンプルプレート１９４を照射し、底部から結像する光学システムを示す。レーザー１８０は、場合により空間フィルター１８４を通過する第１ビーム１８２を発生する。図示するような空間フィルターはレンズ１８４及び開口１８８を含む。空間フィルター１８４の出力は対物レンズ１９２を通過し、サンプルプレート１９４上に結像される。サンプルプレート１９４及びそれに支持される物質は、対物レンズ１９６を介して結像することができる。任意のミラー１９８は、検出器２０４上の結像レンズ２０２を通して照射を光学フィルター２００へ指向させる。検出器２０４は画像システム２０６に連結させる。好ましくは、画像システム２０６は、システムの種々の光学成分を制御する制御システム２０８に情報を提供する。
【００６１】
図７は、境界のある構造を含むサンプルプレートをインターフェースで連結している光学システムを示す。システム２１０は、場合によりマイクロ流体チャネルを含むサンプルプレート２１２を含む。あるいは、サンプルプレート２１２は、マイクロ流体チャネルを含有する別の構造を支持することができる。マイクロ流体チャネルから形成される１つの例示的構造として、単純だが有用な例に関して「Ｔ」型分類装置を示す。入力リザーバ２１６は第１チャネル２１８に連結し、Ｔの交差位置２２０で終結する。第１出力チャネル２２２は第１出力リザーバ２２４に連結する。第２出力チャネル２２６は第２出力チャンバー２２８に連結する。図示するように、入力チャンバーは地面に連結され、第１出力チャンバー２２４及び第２出力チャンバー２２８は−Ｖに連結する。流体チャネル構造が以下でより詳細に議論される。
【００６２】
顕微鏡対物レンズ２３２は、光照射をサンプルプレート２２２へ提供するため、及びシステムの画像提供するために働く。レーザーのような光源２３８、より好ましくはレーザーダオードは、光学系２４０で結像される光を発生する。ダイクロイックビームスプリッター２３６は照射を顕微鏡対物レンズ２３２に指向させる。図示するように、対物レンズは拡大力１００である。生物学的適用に関し、拡大範囲は１〜２００が望ましく、より好ましくは１０〜１００である。対物レンズ２３２は開口数１．２５である。レンズに関し開口数の好ましい範囲は、０．１〜１．５０、より好ましくは０．４〜１．２５である。対物レンズ２３２からの出力はビームスプリッター２３６を通過し、光学ミラー２４２から光学系（例えばレンズ）２４４を通って反射し、光学フィルター２４６から結像デバイス２８０へ通る。ＣＣＤとして示される結像デバイスは画像システム２８２に連結する。画像システム２８２の出力は場合により制御システム２８４に連結する。図示するように、制御システム２８４は、サンプルプレート２１２に連結した移動ステージ２３２及び光源２３８を制御する。
【００６３】
図８は、強度パターンを走査領域２６０内に発生させるためのシステムを示す。入力ビーム２６２、例えばレーザーのような干渉性光源からのビームは、システムを指向する。ガルバノメーター又は共鳴スキャナのような第１振動成分２６４は、入力ビーム２６２を遮り、第１度の動きをビームに提供する。ビームは、多数の面２７０を含有する多面鏡２６８を指向する。多面鏡２６８は軸２７２に対して回転するため、光は走査領域２６０を通って一掃される。レンズ２７４は、光を走査領域２６０に適切に結像させるのに必要とされるように提供される。場合により、光の力の変化を走査領域２６０内に提供するようにマスク又は他のパターン２７６を光学経路内に置くことができる。振動動作又は多面鏡を介した走査を生じさせる広範な技術のいくつかは当業者に公知である。
【００６４】
図９は、光の力パターンを発生させるためにマスクを利用するシステムを示す。レーざーのような光源２８０は、マスク２８４を指向するビーム２８２を発生させる。場合により、光源２８０とマスク２８４とのあいだに位相変調期２９０を置くことができる。場合により、マスク２８４は、例えば、モーター、圧電性駆動システム、マイクロ電気機械（ＭＥＭ）、又は当業者に公知の他の駆動構造である作動装置２８６により動かすことができる。光学マスク２８４は、サンプルプレート２８８に隣接して所望の光の強度パターンを作製する。光学マスク２８４は、限定されるものではないが、強度、位相及び偏光を含む、通過する光の成分のいくらか又は全てを調節することができる。マスク２８４は、使用するとき干渉性の光を必要としないかもしれないホログラフィックマスクでもよい。空間光モジュレータのようなマスクの他の形態は、光学パラメータに変化を生じさせるために利用することができる。
【００６５】
更に他のミラー装置は、マイクロミラー装置を利用することから成る。１つのそのようなマイクロミラー構造は、例えばＴｅｘａｓ  Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ  Ｄｉｇｉｔａｌ  Ｍｉｃｒｏｍｉｒｒｏｒ  ｐｒｏｄｕｃｔに用いられているようなミラーのアレイから成る。
【００６６】
図１０は照射用代替システムを示し、多数の光源２９０がサンプルプレート又は表面２９４を指向している。各光源２９０は、支持体２９４の表面を照射する光源２９０からの種々の出力２９２を有する制御システム２９６により制御される。
【００６７】
光源２９０のアレイは、多くの方法でつくられる。１つの好ましい構造は、面発光型半導体レーザー（ＶＣＳＥＬ）アレイである。ＶＣＳＥＬアレイは当業者に公知であり、ＶＣＳＥＬを含む種々のレーザーの制御により光パターンを発生させるために働く。同様に、レーザーダイオードバーは光源のアレイを提供する。あるいは、別々の光源を、例えば光ファイバーカップリングにより、表面２９４指向する領域に連結させることができる。
【００６８】
画像システムは、システムのミラー結像を超えて機能を果たすことができる。光干渉縞の強度、サイズ及び形状をモニタリングすることに加えて、較正のような目的に用いることができる。
【００６９】
光の力
本発明の装置及び方法は、光によって起こる粒子に対する力を少なくとも部分的に利用する。ある種の態様において、他の物理的構造、粒子若しくは目的物、粒子若しくは目的物を含有する媒体、及び／又は粒子若しくは目的物及び媒体を支持する構造に対して光パターンが動かされる。しばしば、動く光勾配磁場のような動く光パターンは粒子に対して動く。典型的にはある程度の粘性を有する媒体を通して光を粒子に対して動かすことにより、粒子に対して示される光の力に少なくとも部分的に基づき、粒子が分離され、又は特徴づけられる。多くの記述は他の構造に対して動く光について記載するが、例えば光パターンを静止させ、目的の粒子、媒体及び／又は支持体構造を光パターンに対して動かすことにより、他の方法で相対動作が達成され得ることが理解されるであろう。
【００７０】
図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃはそれぞれ、光の強度プロファイル、粒子又は細胞に対する対応する光の力及び光強度プロファイル中の対応する粒子の位置エネルギーを、距離（ｘ）の関数として示す。図ｌｌＡは、１種以上の粒子に対して発生させ適用される強度プロファイルを示す。図示するように、波状の又は振動する様式で強度が変化する。図示するように、強度は均一な周期性及び相対的波形を示す。しかしながら、強度変化は対称でも非対称でもよく、あるいは如何なる形状でもよい。周期を固定し又は変化させることができる。図１１Ｂは力の絶対値を位置の関数としてとして示す。力は強度の空間微分である。図１１Ｃは位置エネルギーを位置の関数として示す。位置エネルギーとは距離を通して統合された力である。
【００７１】
図１１Ａ〜１１Ｃのプロファイルは一般的に正弦波であることが示されている。一般に、このようなパターンは干渉縞から生ずるであろう。（強度、力及び位置エネルギー）のプロファイルを変えることが望ましいかもしれない。例えば、位置エネルギーウェルが底面で比較的平らで急勾配の側面を有し、又は形状が非対称である場合、システムを有することが望ましいかもしれない。
【００７２】
図１２Ａ及び１２Ｂは、「Ａ」及び「Ｂ」と標識された２つの粒子を示す。図１２Ａにおいて、粒子は２次元強度パターン３００により照射されることが示される。図１２Ｂは、強度パターンが位置３０２へ動いた後、後の瞬間の粒子Ａ及びＢの位置を示す。この例において、光の力は粒子Ｂを前の位置に対して動かす。光パターン３００の粒子Ａに対する効果は粒子Ｂに対するよりも小さいため、図１２Ｂにおける粒子Ａ及びＢの相対位置は図１２Ａと比較して異なる。
【００７３】
１つのシステムの実施態様において、図１２Ａにおける粒子Ａ及びＢの位置が決定されるであろう。次にシステムは所望の勾配磁場、好ましくは動く光勾配磁場により照射されるであろう。そしてシステムは、図１２Ｂに示すように後の時点で結像される。動作の有無動作の量、動作の方向、動作のスピードなど）を利用して粒子を特徴づけ又は解析することができる。ある種の適用において、単一粒子の特定光パターンに対する応答を決定するのに十分であるかもしれない。したがって、単に粒子が動いた、特定の方法で動いた、特定量動いたという事実から、粒子について情報を得ることができる。この情報は、他の粒子の存在の有無に関わらず得ることができる。更に他の適用において、２種以上の粒子を分離することが望ましい。この場合、例えば図１２Ａと図１２Ｂで、粒子の位置を互いに比較することにより、粒子に関する情報を得ることができる。との粒子が所望の粒子であるかを決定し（議論のため粒子Ｂであると仮定する）、次に粒子を他の粒子から分離することができる。図１２Ｃに示すように、光ピンセット強度プロファイル３０４を用いて粒子Ｂを補足し及び除去することができる。あるいは、図１４〜１９に関連して議論されるように、選択された粒子を他の手段により、例えば流体手段で除去することができる。
【００７４】
光誘電率のような粒子の特性を利用することにより、光の力は、異なる属性を有する粒子を同定し、選択し、特徴づけ及び／又は分類するために働く。１種以上の粒子を光の力の力に曝すことで、その粒子の状態に関する情報を提供することができる。その粒子の他の粒子又は構造からの分離は必要とされない。更に他の適用において、光の力の適用は、特性に基づいた粒子の分離を引き起こし、その結果、粒子間の分離は更なる分離をもたらす。更なる分離の様式は、流体分離、機械分離のような如何なる形式でもよく、例えば機械的デバイス又は他の捕捉構造の使用により、あるいは光学的に、例えば図１２Ｃに示すような光ピンセットの使用により、動く光勾配の適用により、又は粒子を除去又は分離する他の様式により、例えば電磁的、流体的又は機械的であってもよい。
【００７５】
図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃは、１つの例示的操作様式に関し、位置エネルギーを距離の関数として示す。図は、互いにｘ次元に移動した粒子１及び粒子２を示す。２つの粒子の物理的位置決めは典型的に同一平面上、例えば同一垂直面上にあるであろう。図は粒子の位置エネルギーを示す。図１３Ａにおいて、粒子１  ３１０は、位置エネルギープロファイル３１４を作製する光の強度パターンに供される。粒子２  ３１２は、同一の光の強度パターンに供されるが、第２の位置エネルギープロファイル３１６に供される。誘電率が粒子１  ３１０と粒子２  ３１２のあいだで異なるため、第２の位置エネルギープロファイル３１６は第１の位置エネルギープロファイル３１４とは異なる。図５Ａにおいて、光強度パターンは右に動く。位置エネルギープロファイル３１４、３１６が右に動くため、粒子３１０、３１２は異なる力を受ける。粒子１  ３１０は、粒子に隣接する矢印のサイズで表すように、粒子２  ３１２と比較して、より小さな力を受けるであろう。粒子が受ける力は、位置エネルギーの空間微分に比例する。したがって、位置エネルギー「波」の比較的「急勾配」の部分にある粒子２  ３１２はより大きな力に供されるであろう。図５Ａにおいて、位置エネルギー波の移動スピードは、粒子１  ３１０がそれが位置する媒体を通って前に動くときのスピードよりも大きくセットされるかもしれない。このイベントにおいて、粒子１  ３１０は左向きの力に供されるかもしれない。図１３Ａは粒子１  ３１０の可能な後ろへの又は後退する動作を表す矢印を示す。位置エネルギーウェルは、粒子が安定し、位置エネルギーパターン314、316の動作又は移動がないであろう最小値318を有する。
【００７６】
図１３Ｂは、第１位置エネルギー３１４及び第２位置エネルギー３１６にそれぞれ供した粒子１  ３１０及び粒子２  ３１２を示す。位置エネルギーパターン３１４、３１６は右に移動するため、粒子３１０、３１２は、矢印の相対サイズで表すように量が異なるが、右向きの力に供される。図１３Ｃは、粒子１  ３１０と粒子２  ３１２とのあいだで位置エネルギーを最大にするように図１３Ｂの位置エネルギープロファイルが動いた後の位置エネルギープロファイル３１４、３１６を示す。強度プロファイル３１４、３１６を前に素早く「痙動」させることにより、粒子１  ３１０は位置エネルギー「波」の「背面」に位置し、左向きの力に供されるであろう。次に、動作の経路を粒子１  ３１０からの破線矢印で示す。逆に、粒子２  ３１２は位置エネルギー波３１６の「前面」にあるままであり、右向きの力に供される。この装置の効果は、粒子１  ３１０と粒子２  ３１４のあいだに更なる物理的分離を引き起こすことである。位置エネルギープロファイル３１４、３１６は、位置エネルギー最大値が分離される粒子間にあるよう十分に、及び位置エネルギー波の「背面」にある粒子が、波の「前面」にある粒子から離れるように動くことを保証するように前に素早く動く必要がある。
【００７７】
図３７Ａ、Ｂ及びＣは、粒子を同定し、特徴付け及び／又は分類するための技術の時系列描写を示す。図３７Ａにおいて、粒子集団は光ビーム、好ましくは図３７Ａにおいてレーザービームとして示される光線に供される。照射の方向は粒子集団の平面にある。光線は、粒子集団を物理的に組織するために、粒子集団に対して動かされる。場合により、ビームは、全ての所望粒子の捕捉を可能にし、粒子をシステム内の所望の位置に動かすように十分にゆっくりなスピードで動かされる。図３７Ｂは、光線が物理的に配列された粒子のラインに対して動かされる位相２を示す。場合により、位相１における粒子に対する光の相対方向は一方の方向であり、位相２は逆方向である。位相２において、光線は粒子に対して比較的速いステッピング動作で動かされる。動作のスピードは、所望の粒子の分離を行うために少なくとも十分大きなものである。より大きな力に供される粒子は、位相２における配列した粒子の物理的位置から選択的に動かされる。図３７Ｃは白血球粒子（陰影付きのより大きな粒子として示す）の照射を示し、有効に赤血球（比較的小さな暗い省略記号として示す）から分離される。
【００７８】
図３８は、強度及び粒子集団に対するその位置の時系列グラフである。ビーム位置１は、ビームを付けた後数秒以内の強度プロファイルを示す。ときに、粒子が強度最大値からわずかにはずれていることが観察される。ビーム位置２は、位相２に示すステッピング動作を表す（図３７Ｂ）。図から理解されるように、白血球はより勾配力に供され、その結果、ビーム位置２の終止モーメントで赤血球よりも物理的に動かされる。ビーム位置３はその後のステップ動作を表す。ここで、白血球が再度より大きな勾配力に供され、その動きが右へ向く。ビーム位置は右に動き続けるため、強度ピークと後に残る粒子、例えば赤血球との距離は大きくなり、従って粒子が感じる勾配力は減少する。
【００７９】
図３９Ａは、この技術に用いる単一線を発生させるための装置断面を示す。レーザーは、円柱レンズを通ってシステムに指向する。本明細書中に記載され、当業者に周知の集束光学系を利用してもよい。図示したＣＣＤ画像システムのような画像システムはシステムからの情報を捕捉する。光パターンを粒子に対して動かすことができ、あるいは、ステージを移動させることにより、粒子を光に対して動かすことができる。好ましくは、照射ラインは比較的均一な強度を有し、例えばレンズの曲率を改変することで達成することができる。
【００８０】
図４０Ａ及び４０Ｂは、１本以上の光線を発生させるための代替装置の断面を示す。回折光学系は入射ビームを受け、光学系を通して集束された場合、サンプル領域内に１本以上の光線を発生させる。図４０Ｃ及びＤは、１本以上の光線を発生させるための他の代替装置を示す。ミラー面を通って走る進入路のまわりを一般に振動する２つの走査ミラーを利用するもののような走査ミラーシステムは、軸が同一線上に並んでいない場合、１本以上の線を発生させる。一般に、ミラーのうちの１つは、他のミラーよりも実質的に高速で動く。所望の強度パターンを発生させるための音響学的／光学的デバイスのように、多数走査ミラーシステムの代替物を利用することができる。
【００８１】
図４１は区分化されたサンプルフィールドの上面図を示す。図示するようなサンプルフィールドは、１６のサブ領域に区分化され、４×４配列で配列されている。種々のセクションに別々に応答指令信号を送ることができる。一般に、約２００μ×１５μのサイズを有する光線を発生させるために、市販の光学系を利用することができる。ここに記載される特定のものに限定されるわけではないが、光線の幅は典型的には応答指令信号が送られる細胞又は粒子のサイズのオーダーである。図４１の区分化されたサンプルフィールドを利用することにより、比較的短い光線を利用することができ、その結果、光線はより線状になる。
【００８２】
図４２は、多ライン分離システムの上面図を示す。６ラインは時系列分離を有することを示す。一般に、ライン分離は選択され、最も近い隣接ラインの存在は、隣接する粒子に対し実体のない効果を有する。
【００８３】
本発明の装置及び方法は、粒子の異なる特性又は属性に基づいて物質を特徴づけし、同定し、選択し及び／又は分類するために、光の力を単独で、又は更なる力と組み合わせて利用する。光学プロファイルは、位置とともに変化するが、静的でも動的でもよい。動的な場合、勾配磁場及び散乱力が、粒子、粒子を含有する媒体、粒子及び媒体を含有する支持構造に対して動かすために、作製される。動く光勾配磁場を用いる場合、動作は一定速度(スピード及び方向)であるか、又は線状若しくは非線状に変化することができる。
【００８４】
光の力を他の力とともに用いることができる。一般に、光の力は他の力と干渉又は衝突しない。更なる力は、永久磁石により発生する静電磁力のような磁力、又は動磁力である。更なる力は、静電気力のように静的でも、交流電界に供するときのように動的でもよい。交流電磁場の種々の振動数範囲は、一般に、以下のように称される：ＤＣは１Ｈｚより非常に小さな振動数である、音声周波数は１Ｈｚ〜５０ｋＨｚである、ラジオ周波数は５０ｋＨｚ〜２ＧＨｚである、マイクロ波振動数は１ＧＨｚ〜２００ＧＨｚである、赤外線（ＩＲ）は２０ＧＨｚ〜４００ＴＨｚである、可視光は４００ＴＨｚ〜８００ＴＨｚである、紫外線（ＵＶ）は８００ＴＨｚ〜５０ＰＨｚである、Ｘ線は５ＰＨｚ〜２０Ｅｈｚである、そしてγ線は５Ｅｈｚ以上である（例えばＰｈｙｓｉｃｓ  Ｖａｄｅ  Ｍｅｃｕｍを参照されたい）。振動数範囲はオーバーラップし、境界はときにわずかに異なって定義されるが、範囲は常に実質的に同一である。誘電泳動力は交流磁場により発生され、一般に１Ｈｚ〜１０ＭＨｚの範囲である。網羅性のため、誘電泳動力はより静電的性質であり、光学泳動力は電磁的性質であることを発見している（即ち、振動数範囲を比較することは、振動数のみが異なることを暗示するのではない）。重力を光の力とともに用いることができる。装置の方向をあわせて形成することにより、重力を用いて粒子の作用に影響させることができる。例えば、下への力を粒子に提供するために、チャネルを垂直方向に置くことができる。このような場合、上向きの光の力が発生されている。重力は粒子の浮力を考慮に入れる。チャネルを水平方向に置いた場合、他の力、例えば摩擦力が存在するかもしれない。流体の力（又は流体工学）は、光の力とともに有益に利用されるかもしれない。当初の粒子分離を行うために光の力を利用することにより、流体の力を、粒子をさらに分離するための機構として利用することができる。更に他の更なる力として、他の光の力を粒子に対して適用することができる。上記の更なる力のいくつか又は全てを単独で又は組み合わせて用いることができる。更に、力を連続的に利用しても又は同時に適用してもよい。
【００８５】
図１４Ａ及び１４Ｂは、粒子又は目的物の１次元供給源からの分類を示す。図１４Ａに示すように、粒子３２０は、一般に供給源から下の方向、矢印で示す粒子の流れの方向へ進行する。ジャンクション３２２で、そしておそらくは更にジャンクション３２２の前で、粒子は光分離力に供される。異なる誘電率のような異なる応答性を有するこれらの粒子は、粒子のラインから分離することができ、分離された粒子３２６となる。分離されていない粒子は粒子３２４であり続ける。図１４Ｂは、１次元供給源からの光学細胞分類を示す。細胞３３０は流体の流れの中を、矢印で示すように、頂上部から底部の方向で動く。細胞３３０は、ジャンクション３３２の領域で光の力に供される。選択された細胞３３６は、オリジナルな流体の流れの経路から方向転換する。残りの粒子３３４は、オリジナルの流体の流れと同方向であり続ける。「選択された」若しくは「選択されていない」という用語、又は本明細書中に用いられる同様の用語は、具体例を意味し、限定されることを意図するものではないことが理解されるであろう。
【００８６】
本発明の技術を、ガイドのない、即ち均一な環境で、又はガイド付きの環境で利用することができる。ガイド付きの環境は、場合により、マイクロチャネル、リザーバ、スイッチ、使い捨て領域又は容器を含む、チャネルのような構造を含むことができる。システムの表面は均一でも不均一でもよい。
【００８７】
図１５は、チャネルを含むガイド付き構造の平面図を示す。入力チャネル３４０は、媒体内に含有される粒子３４２を受ける。光の力は領域３４４に適用される。光の力は、好ましくは動く光勾配磁場であろう。粒子３４２はフィールド３４４を通って動くため、ある種の粒子は、粒子３４６として示すように、その粒子をチャネルの右側に動かす力に供されるであろう。しかし他の粒子３４８はＴチャネルの左側へ動くであろう。光の力勾配のスピード、方向、周期性、強度及び他のパラメータを選択することにより、粒子を有効に分離することができる。
【００８８】
チャネルを基板内に形成し、又はある種の支持体又は基板上に構築することができる。一般に、チャネルの深さは、粒子の直径の実質的に１〜実質的に２オーダーであろう。多くの生物学的細胞分類又は特徴付け用途に関し、深さは１０〜２０μｍのオーダーであろう。チャネルの幅は一般に粒子の直径の実質的に２〜実質的に８オーダーであり、幅が粒子直径のオーダーで光勾配最大値が少なくとも１〜幅が粒子直径のオーダーで光勾配最大値４以上までを可能にする。多くの生物学的細胞分類又は特徴付け用途に関し、幅は２０〜１６０μｍのオーダーであろう。垂直壁を有する長方形チャネル構造、交差する非平面壁を有するＶ型構造、半円又は楕円形チャネルのようなカーブ構造など、チャネルはさまざまな形状を有することができる。チャネル又はチャネルがその中に形成されたときの基板若しくはベースは種々の物質でつくることができる。例えば、シリコンエラストマー（例えばＰＤＭＳ）、ゲル（例えばアガロースゲル）及びプラスチック（例えばＴＭＭＡ）のようなポリマーを用いることができる：ガラス及びシリカは他の物質である。ある種の適用に関し、支持物質を光学的に移動させることが望ましいかもしれない。表面は荷電されていてもいなくてもよい。表面は、それに接触して置かれる物質に適合した特性を有する必要がある。例えば、生体適合性を有する表面は、生物アッセイ又は他の操作に用いられるはずである。
【００８９】
種々の形態の原動力を用いて粒子、典型的には流体内に含まれている粒子をシステム内で動かすことができる。電気浸透力を利用することができる。当該技術分野で公知のように、電気浸透作用を高めるため又は抑制するために、壁又はチャネルの種々のコーティングを利用することができる。電気泳動を用いて、システムを通して物質を移動することができる。システムの注入口及び流出口にわたり圧力差が施されているような場合、ポンプシステムを利用することができる。システムを通して物質を移動させるために毛管現象を利用することができる。重力供給を利用することができる。最終的に、ローター、マイクロポンプ、遠心分離のような機械的システムを利用することができる。
【００９０】
図１６は、粒子を分類するための「Ｈ」型チャネル構造を示す。Ｈ型構造は２つの注入口と２つの流出口を有する。注入口３５０は、流体及び分類対象粒子３５２を受ける。流体はＨ型チャネルの第２入力アームに入力される。主要な又は連結チャネル３５６は両方の入力からの流体の流れを受ける。連結チャネル３５６において、粒子３５４は連結チャネルを通って流れ、光分類力３５８に供されるであろう。この段階で、粒子は、粒子の誘電率のような分別パラメータにより分離される。主要な流れから動かされた粒子は、粒子３６０として１つの出力へと動く。光の力３５８の作用によって方向転換していない粒子３６２は左側の流出口３６４へと続く。システム内の積層流れは、主要チャネル３５６を通して粒子３５４を動かすであろう。そしてチャネル幅が十分に大きい場合、粒子３５４を、入力により近い壁に比較的近接して流す傾向にあるであろう。次に分類工程は、左壁に隣接する積層流れから、右側出力へと方向転換させる積層流れへと粒子を方向転換させることから成る。
【００９１】
図１７は粒子分離のための広いチャネル構造を示す。入力３７０は流体媒体中に粒子３７２を受ける。粒子は光分類力３７４に供され、これにより方向転換した粒子３７８は流出口３８２に向かって流れ、粒子３７６は流出口３８０に向かって流れる。
【００９２】
図１８は分類のためのＸ型チャネル構造を示す。入力３９０は流体媒体中に粒子３９２を受ける。第２入力３９４は流体を受ける。粒子３９２は、次に光学分類力３９６に供される。方向転換した粒子４０２は流れて４０４から出る。粒子３９８は流れて４００から出る。
【００９３】
図１９は２次元分類システムの透視図である。細胞の供給源インフロー４１０は、ライン４１２に沿った光学分類力と交差する。分類力４１２は、１次元、具体的には１面で標的細胞４１４のアウトフローとなる。そして非標的細胞４１６のアウトフローは別の面となる。標的細胞４１４のアウトフローの面は、非標的細胞４１６のアウトフローの面と非同一平面上にある。
【００９４】
図２０は、３次元細胞分類装置を含む装置を示す。容量４２０、最も好ましくは実質的に３次元の容量は、おそらく有効性の低い次元の容量だが、粒子４２２を含有する。光の力勾配４２８を容量４２０内で発生させて粒子分類を行う。光磁場勾配４２８を発生させるための１つの態様は、第１ビーム４２４を第２ビーム４２６と干渉させることである。第１ビーム４２４及び第２ビーム４２６は、干渉して力パターン４２８を発生させる。前述のように、第１粒子４３０は底部から頂上部への方向の力に供されるが、第２粒子４３２は頂上部から底部への力に供される。あるいは、光パターン４２８は、粒子４３０、４３２に対して同方向だが大きさの異なる力を引き起こすことができる。
【００９５】
図２１は、多数の自由度を含む、好ましくは自由度３の態様を示す。容量４４０は、ミラー４５０の内部にある表面近くの表面に隣接して置かれる粒子４４２を含有する。光勾配力４４４を発生して、粒子４４６のように容量４４０へと動かされる表面で粒子４４６を選択する。光の力勾配４４４は、光ビーム４４８をミラー４５０上で光らせることにより発生させることができ、これはビーム４４８とその反射ビームのあいだで干渉を起こす。
【００９６】
図２２は多次元システムを示す。ここで、容量４５０は粒子を分離するために用いられる。第１粒子４５２はスライド４５４の表面に隣接して置かれる。光の強度パターン４５６は選択された粒子を移動させる。これら移動した粒子は、次に粘性又は接着性マット４６０に結合させることができ、粒子４５８を含む。
【００９７】
図２３は、分類、特徴付け又は類別のための、複雑なチャネルに基づいたシステムの平面図を示す。入力４７０は、チャネル４７２を通り、第１光学分類領域４７４へと続く。所定のチャネルでの分類は、先に記載したとおりである。分類の出力は、粒子の第１セット４７８及び粒子の第２セット４７６となる。粒子の第１セット４７８は第２光学分類領域４８０へと流れる。先のように、粒子は第１粒子４８４と第２粒子４８２に分類される。次の光学的分類領域４８６は分類された粒子を出力し、第１出力４８８及び第２出力４９０は、次に更なる回収、カウント又は解析へと導かれる。１つの態様において、複雑なシステムは１つ以上のリサイクル又はフィードバックタブ４９０を含むことができる。前述のように、光の力領域４９２からの出力は出力７を含むが、更にリサイクル経路４９４はチャネル４７２に連結した入力４９６へと導く。このようなリサイクルシステムは濃縮システムに用いられるであろう。
【００９８】
本明細書に記載されるシステム、特により複雑なシステムは、種々の更なる構造及び機能性を含むことができる。例えば、細胞センサーのようなセンサーを、種々のチャネル、例えばチャネル７４２に近接して置くことができる。容量センサー、光学センサー及び電気センサーを含む種々のタイプのセンサーが当業者に公知である。複雑なシステムは、供給物質又は収集物質のために用いられる、又は中間の保持リザーバとして用いられる種々の保持容器を更に含むことができる。複雑なシステムは、増幅システムを更に含むことができる。例えば、ＰＣＲ増幅システムをシステム内に利用することができる。当業者に公知の他の線状又は指数関数的生物増殖方法を統合してもよい。複雑なシステムは、アッセイ又は他の検出スキームを更に含むことができる。カウンターをシステム内に統合してもよい。例えば、出力を流れる粒子又は細胞の数を集計するために、出力に隣接してカウンターを置くことができる。本発明のシステムは、マイクロ電気機械（ＭＥＭ）技術とともに用いることができる。ＭＥＭシステムは、例えばスイッチ、ポンプ又は他の電気的若しくは機械的デバイスを作動するために、マイクロサイズにされた電気的及び機械的デバイスを提供する。このシステムは、場合により、フローセル又はマイクロチャネル上のカバースリップのような種々の格納構造を含むことができる。
【００９９】
コンピューター化ワークステーションは、活性化流体、レーザー（例えば生物学的適用のための近赤外線レーザー）を含有する光プラットホーム並びにデータ解析及び解釈に必要なシステムハードウェアを有する最小化されたサンプルステーションを含むことができる。このシステムは、完全なコンピューター制御下でのリアルタイム解析及び試験を含むことができる。
【０１００】
本発明は、単独で又は他の細胞分離方法とともに用いることができる。細胞を分離し解析する現在の方法には、フローサイトメトリー、密度勾配、抗体パニング、磁気活性化細胞分類（「ＭＡＣＳ」）、顕微鏡検査、誘電泳動及び種々の生理学的生化学的アッセイが含まれる。ＭＡＣＳ分離は小さな細胞集団でのみ働き、フローサイトメトリーの純度に達しない。蛍光活性化細胞分類（「ＦＡＣＳ（商標）」）としても知られるフローサイトメトリーは標識を必要とする。
【０１０１】
更に他の態様において、本発明のシステムは、場合によりサンプル調整工程及びそれを行うための仕組みを含むことができる。例えば、サンプル調整工程は、均一なサイズ、例えば半径の粒子を得、続いて光学分類する初期工程を含むことができる。
【０１０２】
システムは場合により使い捨て成分を含むことができる。例えば、記載されるチャネル構造を、分離可能な使い捨てのプレートに形成することができる。使い捨て成分は、具体的に制御電子機器、光学構成成分及び制御システムを含むより大きなシステムに使用するために適合されるであろう。流体システムは、使い捨て成分を非使い捨てシステム成分とともに部分的に含むことができる。
【０１０３】
図２４は、変形性のような目的物の物理的パラメータに基づいた光学分類のためのシステムを示す。光勾配５００は粒子５０２、５０４を照射することができる。粒子５０４は粒子５０２よりも変形性である。その結果、光の力パターン５００の周期性により、変形性粒子５０４は比較的大きな力に供され、光学フィールド５００の下でより大きく動く。好ましくは、光学フィールド５００は動く光勾配磁場である。あるいは、粒子５０２、５０４は光の力５００に供され、粒子５０２、５０４の構造をモニターすることができる。このようにして、光パターン５００に対し粒子の変形性を観察することにより、粒子を同定し、類別し又は分類することができる。
【０１０４】
図２５は、粒子をサイズにより分類する方法を示す。光の強度パターン５１０は、より大きな粒子５１２とより小さな粒子５１４を照射する。異なる大きさの粒子５１２、５１４は異なる力に供される。例えば、より大きな粒子５１２が光勾配５１０の２以上の強度ピークに及ぶ場合、粒子はそれに適用される正味の力をもたない。逆に、光強度パターン５１０の周期よりも小さいサイズを有するより小さな粒子５１４は、比較的大きな力に供される。分類される粒子のサイズに対して光パターン５１０の周期を選択することにより、システムはサイズに基づいて有効に分類することができる。１つの方法において、より小さな粒子が最初に除去され、その後比較的大きな粒子が除去されるように１セットの粒子を光の強度の増加する周期に供することができる。このようにして、粒子はサイズにより有効に分類することができる。
【０１０５】
力を軽減し改変する方法
システム及び方法は、力を軽減しあるいは力を改変させるための種々の技術を含むことができる。ある種の力はある種の適用に望ましいかもしれないが、他の適用には望ましくない。望ましくない力を軽減又は最小化する技術を選択することにより、望ましい力はより有効に、高感度で及び特異的に望ましい粒子又は条件を分類し又は同定することができる。粒子のブラウン運動はある種の適用には望ましくない状態かもしれない。システムを冷却することにより、ブラウン運動を減少させることができる。システム自体を冷却しても、流体媒体を冷却してもよい。
【０１０６】
ある種の適用には望ましくない更に他の力は、摩擦力、又は粘着力の他の形態である。表面効果が最小化される場合、種々の技術を利用することができる。例えば、カウンター伝搬ビーム装置を用いて粒子を捕捉し、それらを望ましくない表面との接触から取り除くことができる。あるいは、例えば反射光の使用により、粒子を浮上させることができる（例えば図４、ミラー１０８を参照されたい）。図４Ａは、粒子を浮上させるための代替装置を示す。２つのカウンター伝播光ビームの対立する力を用いて粒子を浮上させ、表面摩擦障壁を軽減させることができる。
【０１０７】
摩擦、静止摩擦、静電気並びに細胞及び／又は粒子の運動性を干渉することができる他の表面相互作用を扱う更に他の技術が存在する。例えば、摩擦力及び／又は接着力を調節することができる共有又は非共有化学物質の使用により、表面を処理することができる。表面はよりよい開始表面を提供するために前処理することができる。このような前処理は、プラズマエッチング及びクリーニング、溶媒洗浄及びｐＨ洗浄を単独で又は組み合わせて含むことができる。摩擦力及び接着力を阻害又は最小化する薬剤で表面を官能化することもできる。単一又は複数工程、多層化学を利用してもよい。例として、単層配列に、表面を疎水性にするフルオロシランを用いることができる。２工程、２相化学は、例えば、アミノプロピルシランの後カルボキシ−ＰＥＧであり得る。ＣＹＴＯＰ（商標）又はパリレン（商標）のようなテフロン（登録商標）フォーマルコーティング剤を用いることもできる。ある種のコーティングは表面の不規則性を軽減させる更なる有用性を有するかもしれない。ある種の場合、官能基を基板自体に導入してもよい。例えば、重合性基板は官能性モノマーを含むことができる。更に、他の誘引に応答性の表面を提供するために、表面を誘導体化することができる。例えば、誘導体化表面は電界のような外部の力に対して応答性であり得る。あるいは、アフィニティ又は他の相互作用を介して選択的に結合するように表面を誘導体化することができる。
【０１０８】
表面相互作用を軽減させる更に他の技術は、細胞又は粒子が界面に維持される二相性媒体を利用することである。ＰＥＧ−デキストランのような水性ポリマー溶液を２相へ分配する。細胞が優先的に一方の相へ分配された場合、光学勾配下で細胞は有効に界面で浮遊しているであろう。
【０１０９】
誘電率を増強又は変化させる方法
場合により、本発明の装置及び方法に供する粒子は標識してもしなくてもよい。標識する場合、標識は典型的には粒子又は新規粒子（即ち、初期粒子と標識が１つの新規粒子として働く）の誘電率を変化させるか又は誘電率に寄与するものであろう。例えば、金標識又はダイヤモンド標識は、最も典型的な粒子の誘電率を有効に変化させるであろう。
【０１１０】
更に他のシステムは、表現可能な誘電率の変化を含むことができる。例えば、表現可能なタンパク質又は発現したとき細胞若しくはシステムの誘電率を変化させる他の物質を含有するように遺伝子配列が存在し、又は改変されることができる。媒体の誘電率を合わせる他の方法は、温度を変えること、電界を適用すること、光学フィールドを適用すること等により誘電率を変化させることができる流体チャンバー中に単一媒体を有することである。他の例は、媒体に水溶性液晶、ナノ粒子、量子ドットなどのような高度複屈折分子をドープすることであろう。複屈折分子の場合、光ビームを見る屈折の指標は、電界の大きさ及び方向を変えることにより変化し得る。
【０１１１】
感受性を増加させる方法
所定の強度勾配に関し、粒子に対する力を最大限にすることは、粒子と媒体との誘電率の差を最小限にする必要があることを示唆する。しかしながら、適用に感受性が必要な場合、媒体の誘電率が分類される粒子の誘電率と近くなるように媒体を選択する必要がある。例として、分類される粒子集団が１．２５〜１．３の誘電率範囲を有する場合、その範囲に近い（又は同等の）誘電率を選択することが望ましいであろう。細胞に関しては、誘電率の具体的な範囲は１．８〜２．１であろう。１０％以内の誘電率、より好ましくは５％以内の誘電率が好都合であろう。粒子集団に対する力の大きさの絶対値は誘電率が媒体の誘電率と顕著に異なる場合よりも低いが、その結果の粒子の動きにおける差は媒体の誘電率が集団中の粒子の誘電率範囲に近いときよりも大きい。当初この技術の増加した感受性を利用する一方で、分離が始まると、媒体の誘電率を粒子又は粒子収集物の誘電率からより実質的な差へ変化させることにより力を増加させることができる。上記のように、媒体の誘電率を粒子集団の誘電率の範囲内で選択することが可能である。この例では、媒体の誘電率よりも高い誘電率を有する粒子は１方向に力を受けるが、媒体の誘電率よりも低い誘電率を有する粒子は逆方向に動く力を受けるであろう。
【０１１２】
散乱力システム
粒子を分類するために、散乱力を単独で、又は動く光磁場勾配によって供給されるような光勾配力とともに、利用することが可能である。図２６は、レーザー５２０及び光ビームを平行にするレンズ５２２を含むシステムの前及び後描写を示す。キャピラリ５２４は、好ましくはその軸に沿って照射を受ける。１セットの粒子、第１粒子５２６と第２粒子５２８は、光ビームによって照射され、異なる散乱特性に応じて異なる散乱力に供される。異なる力により、第２図に示すように、第１粒子５２６’は第２粒子５２８’よりも短い距離を動く。このようにして、光の力、特に光散乱力は粒子の分離に利用することができる。
【０１１３】
図２７Ａ、２７Ｂ及び２７Ｃは、散乱力スイッチを表す。第１入力５３０は、チャネルを介して第１出力５３６と連結する。第２入力５３２はチャネルを介して第２出力５３８と連結する。２つのチャネルは、それらのあいだに流体の連結部を提供することにより、オーバーラップする。操作において、入力１に連結したチャネル５３０から出力２を含有するチャネル５３８まで粒子を逸脱させることで、入力１に入る粒子５３０は散乱力スイッチ５４０により切り替えることができる。散乱力スイッチは、光勾配力システム、特に本明細書に記載される動く光勾配力システムとともに用いることができる。
【０１１４】
静止系
図２８は粒子の誘電率を測定するためのシステムを示す。誘電率を有する粒子５５８は、異なる誘電率を有する異なる媒体に供することができる。図示するように、第１容器５５０、第２容器５５２から最終容器５５４まで、それぞれ誘電率ε1、ε2．．．εnを有する媒体を含有する。粒子５５８を光勾配力５５６で照射し、動きを観察することにより、粒子の誘電率を決定することができる。媒体の誘電率が粒子の誘電率と等しい場合、光照射５５６による力はかからない。逆に、粒子の誘電率と媒体の誘電率とのあいだに差がある場合、光照射５５６による光の力が粒子にかかるであろう。異なる誘電率の媒体を図２８に示すように供給してもよい。その場合、複数の容器５５０、５５２．．．５５４が提供される。あるいは、例えば滴定システムの使用により、粒子を変化する誘電率に長時間供してもよい。実施態様において、滴定は、流体の誘電率を長時間変化させることにより、例えば異なる誘電率を有する流体を混合することにより、好ましくはチューブに対する注入口で、又はステッププロファイルのような変化する誘電率プロファイルを提供することにより、粒子を含有するチューブ内で達成することができる。更に、粒子の誘電率は、例えば異なる媒体中の粒子に対する力に関して２つ以上のデータポイントが得られる場合、補間により概算することができる。そして力が存在しない期待誘電率が決定される
図２９は、分離が起こる静止系を示す。光パターン５６０は第１粒子５６２と第２粒子５６４を照射する。第１粒子５６２の誘電率が媒体の誘電率よりも低い場合、より低い強度の領域に向かって粒子が動く。逆に、第２粒子５６４が媒体の誘電率よりも大きな誘電率を有する場合、粒子はより高い強度の領域に向かって動くであろう。その結果、第１粒子５６２と第２粒子５６４は逆方向の力に供される。接近させることにより、これらは互いに離れるであろう。
【０１１５】
図３０は、複数の光ピンセットを好ましくはアレイに使用するために、例えば物質を動かすためのシステムを示す。基板５７０は、物質を置くことができる１種以上の部位５７２を含有してもよい。物質は、粒子、細胞、又は分離又は動かすべき他の物質を含むことができる。光ピンセットアレイは、光サークル５７６として示すもののような物質を選択的に動かすことができ、これらの物質を基板５７０の更に別の部分、例えばアレイ５７４へ動かすことができる。あるいは、光ピンセットアレイは、アレイ５７２全体を照射することができ、そして選択的に物質を動かすことができる。これにより、光ピンセットアレイが基板５７０上のアレイ５７２から粒子５７６、５７８を分離するのに十分な力を提供する。例えば、粒子は相補的核酸のように結合メカニズムを有することができ、これは粒子を基板５７０へ選択的に結合させる。
【０１１６】
図３１は、ヘモグロビン−Ｏ2吸収に関し、波長の関数としてモル吸光係数のグラフを示す。ある種の分類適用に関し、吸収ピークで又はその近傍で照射するように波長を選択することが望ましいかもしれない。例えば、５００，０００モル吸光係数ピークで波長を選択することが望ましいかもしれない。あるいは、第２ピーク、例えば実質５６０ｎｍ又は実質５８５ｎｍのピークを選択することが望ましいかもしれない。
【０１１７】
第１装置は、光学泳動実験のための動く干渉縞ワークステーションである。高出力、２．５ワット、Ｎｄ−ＹＡＧレーザー（Ａ）は、近ＩＲ、１０６４ｎｍ波長光源である。干渉縞パターンは、ミラー（１）からの平行レーザービームを、プリズムビームスプリッター（２）と注意深く配列させたミラー（３）で形成されたマイケルソン干渉計を通して向けることにより発生させる。可変位相差板（４）は持続的に動かすための干渉縞パターンを起こす。この干渉縞パターンは、パターンを顕微鏡対物レンズの背面焦点面を満たすサイズにするために潜望鏡（５）により望遠鏡（５ａ）と（５ｂ）を通して向けられ、次に分類すべきサンプルを保持する流体チャンバー中に動く干渉縞パターンの画像をつくるために、ダイクロイックビームスプリッター（６）により、２０倍の顕微鏡対物レンズ（７）を通して向けられる。第２の６０倍の顕微鏡対物レンズ（８）は、流れる細胞をＣＣＤカメラで撮像し、分類実験の可視化を提供する。光ファイバー照明器（９）は、ダイクロイックビームスプリッター（６）を通して流体チャンバー中のサンプルに対し照明を提供する。流体チャンバーは、ＸＹＺ−移動ステージにより２つの顕微鏡対物レンズ間に置かれる。
【０１１８】
含まれ得る更なる又は異なる成分があることが当業者に理解されるであろう。例えば、必要な場合、更なるミラー又は他の光学経路成分を用いてビームを「操縦」してもよい。必要に応じて、ビームを拡張し、平行にするための種々の光学成分を用いてもよい。図５に示す装置において、レーザーは更なるミラーを用いてレーザービームを空間フィルターに向け、よく平行化したガウスビームを産生し、そしてマイケルソン干渉計に向けられる。
【０１１９】
第２の装置は、近ＩＲ光周波数で、６００ｍＷの超低ノイズＮｄ−ＹＡＧレーザー（Ｂ）を光源として用いて、細胞及び粒子の誘電性を測定し比較するためのワークステーションである。光学装置の残りは、動く干渉縞を発生させるための干渉計がないことを除き、動く干渉縞ワークステーションと同様である。かわりに、単一の部分的に集束した照射スポットが流体チャンバー内で結像している。細胞とこの照射フィールドとの相互作用は、近ＩＲ光周波数での細胞の誘電率の測定を提供する。
【０１２０】
例示的適用
ハイスループット生物学
本発明の方法及び装置は、医薬及びライフサイエンス研究におけるハイスループット生物学での使用に適した堅調な細胞解析システムを可能にする。このシステムは、より高性能で低コストの光学デバイスをシステムに用いて製造することができる。完全に統合されたハイスループット生物学、細胞解析ワークステーションは、薬物の発見、毒性学及びライフサイエンス研究での使用に適している。こうしたシステムは、生来の光誘電性を含む生来の特性に基づいた特定細胞の迅速な同定、選択及び分類のためのデバイスに光学泳動技術を統合させることにより、薬物発見工程並びに細胞の特徴付け、分離及び解析を大幅に改革するための進歩した光学技術を利用してもよい。更に、この技術はそのような生来の特性の認定に基づいているため、標識を必要とせず、非常に単純化され、試験工程を加速させている。採用するレーザーは、好ましくは生物学的に適合性のある赤外線波長であり、細胞自体にほとんどあるいは全く影響せずに、正確な細胞の特徴付け及び操作を可能にしている。この技術はポストゲノム時代に適している。その際、細胞内分子の設計／組み立て（ＤＮＡ、ＲＮＡ及びタンパク質）と特定の細胞内変化（増殖、分化、組織形成及び死）との相互関係は健康と疾患の基本的な理解に非常に重要である。
【０１２１】
光学泳動技術は細胞に基づいたアッセイの性質を変化させている。適用には細胞の特徴付け及び分類に関する全ての方法が含まれるであろう。この技術は分子及び細胞生理学の領域にも多様な適用を与える。光学泳動技術は、光誘電性を含む細胞自体の基本的な特性にも関する。細胞の光学泳動特性は、細胞タイプにより、そして外部刺激に応じて変化する。こうした特性は、細胞の全体的な生理学的状態を反映する。活性細胞は同種の静止細胞と異なる誘電性を有する。がん細胞は、正常な対応細胞とは異なる光学泳動特性を有する。ほとんど全ての薬物は細胞自体に直接的な効果を有するように最終的に標的指向しているため、これらの細胞特性は、薬物の発見及び医薬研究にも有効に用いることができる。換言すれば、特定の分子標的に作用するように設計された薬物は、細胞の正味の誘電電荷を変化させるため、最終的に細胞特性に対してその効果を表すであろう。したがって、薬物活性又は毒性に関する細胞の迅速なスクリーニングはこの技術の用途であり、ハイスループット生物学と呼ばれるかもしれない。他の主な適用には薬物開発及び医薬研究が含まれる。
【０１２２】
ヒトゲノムプロジェクト及び他の関連ゲノムプログラムは、改善された薬物開発及びスクリーニング技術のために莫大な需要を提供するであろう。最新式の細胞アプローチは、新規薬物標的の費用効率が高い機能的なスクリーニングに必要とされるであろう。同様に、ゲノムプロジェクトからの情報は、それぞれよく特徴づけされた細胞内物質に対するアクセスを必要とする、組織及び臓器工学の改善された方法に対する需要を作り出すであろう。さらに、この情報からの光学技術及び電気通信産業は、改善された光学的細胞選択及び分類のためのシステムハードウェアを提供するであろう。当初電気通信適用のために開発された高出力近赤外線及び赤外線レーザーに関する価格／性能比は、顕著に改善され続けている。加えて、種々の新たな波長を有する、古い種類よりも概して非常に高出力な固相ダイオードレーザーを用いてもよい。面発光型半導体レーザー（「ＶＣＳＥＬ」）は、パワー出力の増加したダイオードレーザーのアレイを非常に妥当なコストで提供する。
【０１２３】
コンピュータ化したワークステーションは、活性な流体光学を有する最小化したサンプルステーション、近赤外線レーザーを含有する光学プラットホーム、及びデータ解析及び解釈のための必要なシステムハードウェアで構成される。このシステムは、完全コンピュータ制御下のリアルタイム解析及び試験を含む。この技術の主要な適用には、特に複雑なバックグラウンドからの異なる細胞の同定及び分離のための細胞の特徴付け及び選択が含まれる。
【０１２４】
重要なことは、標識していない、生理学的に正常で、完全な試験細胞がシステムに用いられるであろう。光学フィールドにより類別され分類された細胞を有するサンプルは迅速に分析され、これにより、薬物応答の特徴付け、及び毒性又は薬物有効性の他の基準の同定を可能にする。種々の薬物試験結果及び病態にユニークに関連する細胞の光学泳動特性の特徴づけは、本発明の一部である。これら新規パラメータの同定は有用な情報を構成する。
【０１２５】
種々の点で総合システムは：標識を使用せず、細胞を障害しない細胞の同定、選択及び分離；複雑な細胞の解析及び分離タスクの簡便で有効な実行：細胞が試験され操作されているときのリアルタイムの観察；後で使用するためのカスタム細胞分類プロトコールの確立；複雑なバックグラウンドからの希少細胞の単離；希少細胞（例えば幹細胞、脆弱細胞、腫瘍細胞）の精製及び濃縮；細胞の表現型の遺伝子型への容易なリンク；正確で光学的な制御下での細胞−細胞相互作用の研究；及びサンプル処理及び分析の最初から最後までの制御を可能にするかもしれない。
【０１２６】
この技術は、現在のアッセイを最小化し、スループットを増加させ、単位コストを軽減させる細胞アレイを構築するためのユニークで価値のあるアプローチを与える。単一細胞（又は細胞の小集団）に基づくアッセイは最小化を可能にし、細胞機能及び薬物や他の刺激に対する応答に関してより詳細な研究を可能にするであろう。これは、単一細胞アッセイのパラレルハイスループット処理を行うための細胞アレイ又は細胞チップを可能にするであろう。細胞チップ製造の標準化も可能にするであろう。これは、種々の異なる細胞タイプに適用可能な細胞チップを作製するためのより高率な方法を与える。
【０１２７】
哺乳動物細胞培養は、研究（例えば、新規な細胞産生化合物の開発及び特定タンパク質の産生が可能な新規細胞株の作製）及び開発（例えば、更なる研究及び試験のために高度に特異的なタンパク質の産生が可能なモノクローナル細胞株の開発）に重要な領域の１つである。哺乳動物細胞培養は、新規生物医薬を商業規模で産生するための重要な技術でもある。
【０１２８】
研究者が薬物標的、化合物又はワクチンを同定したとき、哺乳動物細胞培養は、更なる研究開発に必要な量を産生するために重要な技術となる。現在７０を超える認可されたバイオテクノロジー医薬があり、３５０を超えるこれら化合物が試験中であり、２００を超える疾患を標的としている。
【０１２９】
光学的な細胞の特徴付け、分類及び解析技術は、新規タンパク質又は生物医薬化合物を産生するかどうか、及びタンパク質又は化合物の収率に照らして、哺乳動物細胞株の選択及び分離に有用であろう。細胞収率は、製造者が市販量の新規バイオテクノロジー薬物を産生するために確立する必要がある植物サイズを決定する際の主要因子である。
【０１３０】
次に適用のより具体的な議論に入る。第１に分離用途、第２にモニタリング用途に関する。
分離用途
赤血球から白血球。赤血球が体内に酸素を移送するのに対し、白血球は免疫反応を担う血液の構成成分である。白血球は、よりよい寛容性のため及び感染の危険を軽減させるために輸血前に赤血球から除去されることが必要である。分析又は操作用の白血球の濃縮集団を得るために赤血球を除去することも重要であることが多い。光学泳動は、単一集団を必要とする適用に用いるために、これら２つの異なる細胞集団を互いに分離することを可能にする。
【０１３１】
成熟赤血球由来の細網赤血球。通常非常に低レベルで見出される未成熟赤血球である細網赤血球は、上昇したレベルで発見されるとき、病態の指標となり得る。この適用は、分離及び全血由来の細網赤血球レベルの列挙に光学泳動を用いるであろう。
【０１３２】
臨床治療適用、例えば妊婦の循環由来の胎児幹細胞。臨床治療適用には、細胞に基づいた治療及び臨床診断が含まれる。妊婦血液からの胎児細胞の成功した単離は、非侵襲性の方法で得ることが可能な胎児のＤＮＡ源を意味する。現在、世界中の多くの研究者が、胎児細胞が妊婦の循環中に存在し、遺伝子解析で検索できることを証明している。胎児細胞の単離における主要な現在の挑戦には、標的胎児細胞タイプの選択、細胞の選択及び単離、細胞が単離された場合の遺伝子解析手段が含まれる。妊婦の血液サンプルを用いて、システムは母親の血液中を循環する希少な胎児細胞を同定することができ、９５％以下の出生前遺伝子異常、例えばダウン症候群、を説明する遺伝子障害の診断を可能にする。細胞に基づいた治療とは診断手順に類似する手順を意味するが、臨床目的は幾分広い。妊娠中、少量の胎児細胞が妊婦の循環に入る。光学泳動を用いてこれらの細胞を精製することにより、１人の妊婦の血液サンプルから種々の遺伝子異常の出生前診断が可能になるであろう。
【０１３３】
臨床治療適用、例えば幹細胞の単離。幹細胞の単離の目的は、移植用の幹細胞移植片から幹細胞を精製すること、即ち同種移植片中のＴ細胞を除去すること（ドナーとレシピエントが同一人物でない場合）及び自家移植片中のがん細胞を除去すること（ドナーとレシピエントが同一人物の場合）である。現在、幹細胞技術にはいくつかの欠点がある。例えば、現在有用なシステムを用いて得られる幹細胞の回収効率は、６５〜７０％のオーダーである。加えて、現在の方法は、移植手順に有益な１００％純度を提供しない。
【０１３４】
血液由来の腫瘍細胞。微小残存病変（ＭＲＤ）試験。  国立がん研究所（ＮＣＩ）は、今日生存しているおよそ８４０万人のアメリカ人ががん履歴を有し、２０００年には１２０万人を超える新たながん症例が診断されたと概算している。ＮＣＩは、１９９０年以来、非侵襲性及び皮膚偏平上皮癌を除き、およそ１３００万人の新たながん症例が診断されたとも推定している。光学泳動技術は、播種性がん細胞を検出し、定量化し特徴付けることができる正確な、再現性のある、標準化された技術；高度に特異的且つ感受性のある免疫細胞技術；より高速の細胞分類；及び生存がん細胞を特徴づけ、更なる解析のために単離できる技術、を含むよりよいがんスクリーニングのための主要なまだ満たされていない必要性のいくつかを指向する。
【０１３５】
その疾患の種々の形態を有する患者の血液中を循環するがん細胞を、特に転移が起こったときに少量発見できる。血液中の腫瘍細胞の存在を、がんの診断のため又は種々の治療プロトコールの成否を理解するために用いることができる。このような腫瘍細胞は非常に稀であり、正確に診断するために十分な細胞を得るには、光学泳動のように血液から濃縮する手段を採用することが必要であろう。これに関連する光学泳動の他の適用は、がん患者に自家移植を施すために用いる前に腫瘍細胞を血液又は幹細胞産物から除去することであろう。
【０１３６】
臍帯血由来胎児幹細胞。新生児由来の臍帯は一般に幹細胞が豊富な血液を含有する。臍帯血物質は通常出生時に廃棄されるが、臍帯血バンクに学術的及び個人的関心がはらわれており、このような廃棄物質を自家又は同種幹細胞置換に用いることができる。光学泳動による臍帯血幹細胞の濃縮は少量の物質の貯蔵を可能にし、患者又は他のホストに容易にもどすことができるであろう。
【０１３７】
肝臓、神経組織、骨髄等由来の成人幹細胞。多くの成熟組織が、ｅｘ  ｖｉｖｏで操作され、障害組織を再集団化（repopulate）するために患者に再導入できる不死幹細胞の小さな亜集団を有することがだんだんわかってきている。光学泳動を用いてこの非常に少ない成人幹細胞を精製することができ、細胞療法適用に用い得る。
【０１３８】
膵臓由来島細胞。インスリン産生の欠如による糖尿病に罹患するヒトに対し、機能を回復させるために健常な膵臓由来のインスリン産生β島細胞を移植することが提案されている。これらの細胞はドナーの全膵臓のほんの小さな画分を形成する。光学泳動は島細胞を濃縮する方法を提供し、この移植用特定細胞タイプを調整するのに有用であろう。
【０１３９】
活性化Ｂ又はＴ細胞。免疫応答のあいだ、特異的抗原を標的とするＴ又はＢ白血球サブセットが活性化する。これらの特異的活性化細胞は、ｅｘ  ｖｉｖｏ増殖して免疫療法産物として適用するため、あるいは活性化Ｂ又はＴ細胞は好ましくない免疫応答、例えば臓器拒絶反応、又は狼瘡若しくは関節リウマチのような自己免疫疾患を患者に起こすことができるので、排除されるために使用する別の成分として必要とされるかもしれない。光学泳動は、濃縮し患者に戻すため又は病理的破壊をもたらす細胞を廃棄するために、活性化細胞を得るための方法を提供する。
【０１４０】
樹状細胞。樹状細胞は、Ｔ細胞介在免疫応答を確立するのに重要な白血球のサブセットである。バイオ及び医薬企業は、特異的活性化Ｔ細胞応答を産生するために、樹状細胞を回収し、適切な抗原とともにｅｘ  ｖｉｖｏで用いる方法に取り組んでいる。光学泳動は、このような研究のために非常に多くの樹上細胞の単離を可能にするであろう。
【０１４１】
ＨＰＲＴ-細胞。ヒポキサンチン−グアニン  ホスホリボシルトランスフェラーゼ（ＨＰＲＴ）は多くの血液細胞に存在する酵素であり、ヌクレオシド排除経路に関与している。内因性遺伝子変異又は外因性突然変異誘発物質に対する曝露により高変異率を有するヒトは、この遺伝子に変異が起こっていることを示すＨＰＲＴ欠失細胞（ＨＰＲＴ-）に関してスクリーニングすることができる。ＨＰＲＴシステムを経た化合物によるスクリーニング後の光学泳動により、ＨＰＲＴ-細胞を容易に選択しその数を定量化することができる
生きた又は動く精子。およそ１２％の夫婦は、ある種の補助又は療法がなければ妊娠できない。このうち約３０％のケースでは、男性のみに原因がある。更に２０％のケースでは、男性と女性の要因が同定され得る。したがって、概算で５０％のケースにおける受精困難は、男性の要因が部分的に原因である。子どもをもつ能力を欠いている１５〜４４歳の女性の数は６００万人を超えている。最近種々の試験により精液分析が行われており、この分析は数、量、ｐＨ、粘度、運動性及び形態を含む多くのパラメータに基づいている。現在、精液分析は主観的な手動分析である。精液分析の結果は、男性に夫婦の不妊の原因があるかどうかを常に明確に示すわけではない。運動性精子を単離するための勾配遠心は不十分な工程である（回収率１０〜２０％）。子宮内受精（ＩＵＩ）及び体外受精（ＩＶＦ）に用いられる動く精子を単離するための勾配遠心、又はＩＶＦ及び卵細胞質内精子注入法（ＩＣＳＩ）に用いられる形態的に正常な精子を単離するための目視検査及び選択により精子選択は達成される。米国では毎年６００，０００人の男性が不妊に関する医療補助を求めている。
【０１４２】
男性の不妊症の原因の１つは、生きた及び／又は動く精子の割合が十分でないことにある。光学泳動を用いて生きた及び／又は動く精子を分離することができ、その数を濃縮することにより、より高率で受精を達成することができる。この適用は、Ｘを有する精子とＹを有する精子を分離することにも用いることができるであろう。逆に、経済的な理由から動物の一方の性が広く好まれる場合（例えば、乳牛は雌であることが必要であるが、肉牛は雄であることが好ましい）の動物適用において妊娠を誘発させるために選択的に用いられるであろう。
【０１４３】
種々の化合物をもつリポソーム。医薬産物の治療的送達における近年の様式は、送達媒体としてリポソームを用いることである。光学泳動を用いて、種々の薬物レベルのリポソームを分離し、濃縮することが可能なはずである。その際、薬物が最も濃縮される。
【０１４４】
組織工学、例えば脂肪細胞からの関節組織前駆体。組織工学は、伝統的な合成インプラントに代わって用いることができる組織置換のための生体代用品を開発するための生細胞の使用に関与する。ヒト組織又は器官の機能損失は、患者及び家族にとって衝撃的な問題である。組織工学の目標は、新たな組織を設計し、体外で増殖させ、そして体内に移植することである。
【０１４５】
近年の報告は、ヒト脂肪組織に見られる細胞をｅｘ  ｖｉｖｏで用いて、ヒトの関節の障害を修復するための移植物質として用いることができる軟骨組織を産生することができることを証明している。光学泳動を用いて、ｅｘ  ｖｉｖｏ増殖及び最終的な組織工学療法のために軟骨組織形成細胞を脂肪組織中の他の細胞から精製することができる。
【０１４６】
少数細胞のナノ操作。多くの実験工程における近年の微細化は、多くの実験分析をより小さなプラットホームに置き、「チップ上の実験」アプローチへの発展している。このような環境では溶液中での生体分子の操作がルーチンとなっているが、マイクロチャネルや他のナノデバイス中での少数細胞の操作はあまり達成されていない。光学泳動は細胞をマイクロチャネル中で移動させ、チップ上で適切な工程を有する領域に指向させることを可能にするであろう。
【０１４７】
細胞内オルガネラ；ミトコンドリア、核、ＥＲ、マイクロソーム。細胞内構成成分は、細胞質及びミトコンドリア、核などの多くのオルガネラから成る。これらオルガネラの数又は物理的特性の変化を用いて細胞自体の生理の変化をモニターすることができる。光学泳動は、特定のタイプ、形態又は特定オルガネラ数を有する細胞の選択及び濃縮を可能にする。
【０１４８】
ＢＳＥアッセイ用ウシ細網赤血球。細網赤血球の細胞内成分、ＥＤＲＦは、ＢＳＥ  （ウシ海綿状脳症）に感染したウシ細網赤血球においてレベルが上昇することが報告されている。血液中の細網赤血球は一般に低レベルである。したがって、光学泳動の使用は細網赤血球の濃縮を可能にし、ＥＤＲＦのｍＲＮＡ又はタンパク質の定量化による診断テストの精度を上昇させるであろう。
【０１４９】
モニタリング
増殖／分裂細胞と静止細胞。種々の増殖因子又は増殖条件により、細胞増殖を刺激することができる。細胞増殖に関する多くのアッセイは、外部標識試薬の添加を必要とし及び／又は細胞増殖を明示できる前の培養にかなりの時間を必要とする。光学泳動を用いることにより、分裂を開始した細胞を同定し、所定の細胞集団のうちのどれくらいが増殖相にあるかを計算する迅速な方法を提供するであろう。細胞周期の異なる部分にある細胞は異なる光学特性を有するはずであり、これらを用いて、細胞周期のどこにあるかで細胞を分類し、又は全細胞集団のどの画分が細胞周期のどの位置にあるかを決定することができる。
【０１５０】
アポトーシスを起こした細胞。プログラム細胞死又はアポトーシスを受けている細胞を用いて、特定薬物又はこのイベントをもたらす他の現象を同定することができる。光学泳動を用いて、どの細胞がアポトーシスを受けているかを同定することができ、この知識を用いて新規分子又はアポトーシスを促進する細胞の条件若しくは相互作用をスクリーニングすることができる。
【０１５１】
膜チャネルが開口した細胞；膜電位の変化。多くの細胞タイプの外膜は、イオンや低分子の細胞内外への通過を促進するチャネルを含有する。このような分子の移動は、電位の変化、セカンドメッセンジャーレベルの変化等のように、細胞内に更なる変化をもたらすことができる。こうした変化に関する知識は、膜チャネル活性を調節する化合物に関する薬物スクリーニングに有用であり得る。光学泳動を用いて、膜チャネルが外部化合物によりいつ混乱するかを示すことができる。
【０１５２】
生細胞と死細胞。生細胞か死細胞を同定し定量化することを必要とする多くの用途がある。光学泳動を用いることにより、死細胞を同定し、カウントすることができる。
ウイルス感染細胞。ＣＭＶ、ＨＩＶ等に関するものを含め、ウイルス感染細胞を測定することが重要な多くの診断用途がある。光学泳動を用いて、ウイルス感染細胞を感染していない細胞から区別することができる。
【０１５３】
異常な核を有する細胞又はＤＮＡ含量が上昇した細胞。腫瘍細胞の顕著な特徴の１つは、過剰なＤＮＡを含有し、核が異常なサイズ及び／又は形状となることであろう。異常量のＤＮＡ及び／又は核構造を有する細胞集団の核含量に合わせた光学泳動を用いることにより、同定され、この情報をがん患者の診断又は予防指標として用いることができる。
【０１５４】
抗体を結合させた細胞。ユニークなタンパク質及び／又は細胞のタイプを定義する細胞マーカーを特定する多くの市販の抗体がある。多くの診断用途は、どの抗体がその表面に結合するかを同定することによる細胞タイプの特徴付けに依拠している。光学泳動を用いて、いつ細胞が特異的抗体と結合するかを検出することができる。
【０１５５】
リガンド、ペプチド、増殖因子が結合した細胞。多くの化合物及びタンパク質が特定細胞タイプの表面上の受容体に結合する。このようなリガンドは、次に細胞内部を変化させる。多くの薬物スクリーニングはこのような相互作用を探す。光学泳動は、外因性の大小の分子の細胞外への結合をモニターし、化合物が結合したことによる細胞内の生理学的変化を測定する手段を提供する。
【０１５６】
抗体に曝した後のバクテリアの生存率。微生物は、感染生物を殺し続ける適切な治療を決定するために、多種多様の抗生物質に対する感受性を試験されることが多い。光学泳動を用いて、抗生物質に曝した後のバクテリア細胞の生存率及び増殖停止をモニターすることができる。
【０１５７】
ＮＣＩ  ６０パネル上での薬物スクリーニング。化学療法剤として用いるのに好ましい特性を有するかもしれない化合物を決定するためのスクリーニングツールとして、６０の腫瘍細胞株のパネルが国立がん研究所により確立されている。６０の細胞株全てを配列させ、次にそれらを公知及び新規の化学物質と反応させ、細胞株の化学物質に対する応答性をモニターするために光学泳動を用いることが可能なはずである。
【０１５８】
細胞骨格変化に関する細胞。細胞骨格は、細胞の内部構造を完全なまま維持する構造タンパク質の複合体である。タキソール、ビンクリスチンなどのような多くの薬物は、温度のような他の外部刺激とともに、細胞骨格を分裂し破壊することが知られている。光学泳動は、細胞骨格の混乱に関し、細胞集団をモニターする手段を提供する。
【０１５９】
細胞表面又は他のビーズとの相互作用を測定するための、化合物が結合したビーズ。マイクロスフェアと細胞又は他の化合物との相互作用が多くのｉｎ  ｖｉｔｒｏ診断用途に用いられている。化合物をビーズに結合させてもよく、ビーズと細胞との相互作用又はビーズと他の化合物が結合したビーズとの相互作用を光学泳動でモニターすることができる。
【０１６０】
前駆細胞／コロニー形成アッセイ。前駆細胞は所定の組織の細胞であり、その同じ組織のより成熟な細胞を多く生ずることができる。前駆細胞を測定する典型的なアッセイは、これらの細胞を培地内に残したまま、適切に成熟した細胞タイプのコロニーが所定の時間内にいくつ形成されたかをカウントすることができる。このタイプのアッセイは遅く、ときに数週間を要するため煩雑である。光学泳動を用いて単一細胞の増殖をモニターすることにより、前駆細胞の増殖をナノスケールで測定することができ、結果が非常に短時間で得られるはずである。
【０１６１】
用量限度毒性スクリーニング。ほとんど全ての化合物にはある程度毒性がある。生細胞及び生物を殺す濃度で測定することにより、化合物の特定レベルの毒性が同定される。化合物の用量を徐々に増加させながら光学泳動で生細胞をモニターすることにより、細胞の損傷及び／又は細胞死を表示する光学特性レベルを解明することができる。
【０１６２】
細胞の液性成分／膜流動性をモニターする。全ての細胞の膜は、基本的な細胞膜の完全性を維持すると同時に適度な膜流動性も維持する必要がある脂質で構成される。光学泳動は、膜流動性を測定し、膜流動性を変えることができる化合物及び条件について情報を提供できる必要があり、これにより膜の流動性を高めるか又は低下させる。
【０１６３】
凝固／血小板凝集を測定する。血液中にみられる血小板及び凝固タンパク質のような成分は、適当な環境下で血栓形成を促進させるために必要とされる。凝固は病態を判定するため又は基本血液生理学を評価するためにモニターされることが多い。光学泳動は、血小板凝集及び血栓形成に関して情報を提供することができる。
【０１６４】
本明細書に報告されたデータのいくつかは以下の装置で作成した。光勾配磁場は、マイケルソン干渉計及び１５０ｍＷ、８１２ｎｍレーザー（８１２システム）又は２．５Ｗ、１０６４ｎｍレーザー（１０６４システム）を用いて発生させた。８１２システムは１００倍（１．２５ＮＡ）の油浸レンズを用いて干渉縞パターンに焦点を合わせ、サンプルを可視化した。１０６４システムは２０倍の対物レンズで干渉縞に焦点を合わせ、６０倍の対物レンズでサンプルを可視化した。一般に、サンプル細胞は顕微鏡スライド及び／又はカバースリップで被覆され、ワセリンで密閉された。カバースリップのスペーサーが細胞の高さをおよそ１５０μｍに制御した。
【０１６５】
表面コーティング；Ｒａｉｎ−Ｘ（商標）、アガロース、ＣＹＴＯＰ、フルオロシラン    散乱力は粒子又は細胞をサンプル細胞表面に対して押す傾向があった。したがって、非特異的接着及び摩擦力を最小限にするため、多くの表面コーティングを評価した。疎水性／親水性及び共有／非共有表面処理を評価した。
【０１６６】
共有／疎水性スライドグラス及びカバースリップを、溶液堆積又は蒸着を用いてパーフルオロオクチルトリクロロシラン（Ａｌｄｒｉｃｈ、Ｍｉｌｗａｕｋｅｅ、ＷＩ）で処理した。溶液堆積は以下の通りである：エタノール中の２〜５％シラン溶液、室温で３０分間インキュベート、エタノールで３回リンス、そして空気乾燥。蒸着は、別々のマイクロ遠心チューブ中に等量のシランと水を入れ、処理すべき基板とともに真空チャンバー中に密閉することを含む。５０℃まで１５時間加熱
非共有／親水性−市販の撥水剤含有ポリシロキサン、Ｒａｉｎ−Ｘを使用説明書に従い適用した。
【０１６７】
液体テフロン（登録商標）、ＣＹＴＯＰ（ＣＴＬ−１０７Ｍ、Ｗｉｌｍｉｎｇｔｏｎ、Ｄｅｌａｗａｒｅ）をマイクロ遠心機を用いてスピンコートした。ＣＹＴＯＰをフルオロオクタン（ｖ／ｖ）で１０％に希釈し、５０μｌをピペットで取り、５秒間遠心した。これを２度繰り返し、空気乾燥させた。
【０１６８】
非共有／親水性−アガロースヒドロゲルコーティングは以下のようにして準備した：２％アガロースを水に溶かし、ピペットで１００μｌを基板に取り、５秒間遠心し、３７℃で３０分間焼いた。
【０１６９】
全てのコーティングは粒子とともに作用したとき有効であった。ＣＹＴＯＰは生物細胞とともに作用したとき、接着を妨げるのにより有効であった。
サイズによる分離−異なるサイズ（直径１、３及び５μｍ）のポリスチレン粒子（Ｂａｎｇｓ  Ｌａｂｓ，Ｆｉｓｈｅｒｓ，ＩＮ）を動く光勾配磁場を用いて分離させた。直径３μｍと５μｍの粒子を蒸留水で１／５００に希釈し、１０μｌをピペットで取ってＲａｉｎ−Ｘ被覆スライド上に置いた。８１２システムを用いて、干渉縞周期４〜５及び移動１５μｍ／秒から成る２５〜３０μｍのスポットサイズを発生させた。
【０１７０】
図３２は、３μｍと５μｍのポリスチレン粒子を用いた、１秒間隔での分類系列を示す。直径３μｍの小さい粒子は勾配磁場によって容易に動いたが、直径５μｍの大きい粒子には影響がなかった。大きい粒子は多数の干渉縞に及び、勾配力が有効に打ち消されたため動かなかった。同様の結果が直径１μｍと３μｍの粒子を用いて得られた。
【０１７１】
屈折率による分離−類似サイズ（直径〜５μｍ、Ｂａｎｇｓ  Ｌａｂｓ）並びに屈折率がそれぞれ１．５９、１．４９及び１．３７のポリスチレン粒子、ポリメチルメタクリレート粒子及びシリカ粒子を、光勾配磁場を動かすことにより分類した。ポリスチレン、ＰＭＭＡ及びシリカの観測された離脱速度は、それぞれ４４、４７及び３２μｍ／秒であった。手短に言えば、粒子は干渉縞上に配列し、干渉縞は粒子がスリップするまで増加するスピードで動かされる。この結果は粒子が受けた全部の力、即ち、光子力、流体力及び摩擦力の半定量測定をもたらす。離脱速度の絶対値は、システム条件、例えばレーザーパワーにより異なることを当業者は理解するであろう。本明細書に提供される多くの結果は、実際に用いたシステムに関する測定データを提供していることを意味し、異なるシステムで存在するかもしれない値を限定するものと考えるべきではない。
【０１７２】
粒子を蒸留水（ｎ＝１．３３）で１／５００に希釈した。８１２システムを用いて干渉縞周期１０μｍの勾配磁場を発生させた。勾配磁場をおよそ４０μｍ／秒の閾値で動かすことにより、ポリスチレン粒子とＰＭＭＡ粒子をシリカ粒子から分離した。
【０１７３】
表面機能分化及びドーピングによる分離−青又はピンク色素で着色したポリスチレン粒子（直径〜６μｍ）をＰｏｌｙｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｉｎｃから購入した。ピンク粒子は粒子表面にカルボキシル基も有していた。この粒子を蒸留水で１／５００に希釈し、１０μｌをピぺットで取ってＲａｉｎ−Ｘ被覆スライド上に置いた。８１２システムを用いて、干渉縞周期およそ１２μｍの動く光勾配磁場を発生させた。干渉縞において、ピンク粒子が選択的に動いた。
【０１７４】
図３３は粒子の実際の動作を示す。
別の実験において、ビオチン標識した１μｍラテックスビーズを用いて、異なるリガンドが結合したときの離脱速度の変化を測定した。ビオチン標識ビーズはＰＢＳバッファーで１／１００に希釈した。５０μｌアリコートを、過剰量のストレプトアビジン又は１０ｎｍ金コロイド−ストレプトアビジン結合体とともに１０分間インキュベートした。遠心によりビーズを沈殿させ、ＰＢＳバッファー中に再懸濁させた。１０６４システムを用いて測定した離脱速度は、ビオチン標識ビーズ、ストレプトアビジン結合ビーズ、ストレプトアビジン−金コロイド結合ビーズに関し、それぞれ５．３、４．３及び３．６μｍ／秒であった。
【０１７５】
波長共鳴（８１２対１０６４ｎｍ）による分離−着色ポリスチレン粒子を用いた上記実験を１０６４システムを用いて繰り返し、結果を逆転させた。青粒子が選択的に動いた。１０６４システムを２．５Ｗではなく１５０ｍＷにセットしたとき、同様の結果が得られた。これは、波長調整が識別工程を高めたことを示唆している。
【０１７６】
屈折率整合による分離−シリカ粒子とポリスチレン粒子（それぞれ直径３及び５μｍ）を、親水性シリコーン（ジメチルシロキサン−エチレンオキシド  ブロックコポリマー、Ｇｅｌｅｓｔ，Ｉｎｃ．、Ｔｕｌｌｙｔｏｗｎ，ＰＡ）で１／５００に希釈した。。媒体の屈折率（ｎ＝１．４４）は、シリカ（ｎ＝１．３７）粒子とポリスチレン粒子（ｎ＝１．５９）粒子の中間であった。粒子サイズはこの実験には重要ではなかった。
【０１７７】
１０６４システムを用いて、直径およそ１５μｍの乱反射スポットに勾配力を集中させた。より一般的には、本明細書に記載される全てのシステム及び適用に関し、非集束レーザービームのような非集束ビームを用いてもよい。好ましくは、スポット又はビームサイズが粒子サイズの大きさのオーダーとなるようにビームをぼかす。細胞に関しては、サイズはおよそ１０〜２０μであろう。ポリスチレン粒子は勾配磁場に向けて動き、一方、シリカ粒子は勾配磁場から離れた。これは、懸濁媒体を変えて分離を最適化できることを証明している。
【０１７８】
赤血球と細網赤血球の分離
細網赤血球コントロール（Ｒｅｔｉｃ−Ｃｈｅｘ）は、Ｓｔｒｅｃｋ  Ｌａｂｓから得た。６％細網赤血球を含有するサンプルをニューメチレンブルー、細網赤血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で１５分間染色した。サンプルをＰＢＳで１／２００に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。８１２システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を１５μｍに調整し、１５μｍ／秒で動かした。細網赤血球は赤血球に対して選択的に動いた。
【０１７９】
白血球と赤血球の分離
全血コントロール（Ｐａｒａ  ｌ２  Ｐｌｕｓ）は、Ｓｔｒｅｃｋ  Ｌａｂｓから得た。サンプルをニューメチレンブルー、有核白血球と無核赤血球の染色が異なる核酸染色液、で１５分間染色した。サンプルをＰＢＳで１／２００に希釈し、フルオロシラン被覆スライド上にマウントした。８１２システムを用いて光勾配磁場を発生させた。干渉縞周期を１５μｍに調整し、２２μｍ／秒で動かした。白血球は干渉縞により動いたが、赤血球は動かなかった。
【０１８０】
白血病細胞と赤血球の分離
白血病細胞株Ｕ９３７懸濁液１ｍｌを沈殿させ、１％  ＢＳＡを含有する１００μｌのＰＢＳに再懸濁させた。Ｕ９３７と１／２００希釈赤血球を等量混合し、１０μｌをＣＹＴＯＰ被覆スライド上に置いた。動く干渉縞磁場による分離測定は、Ｕ９３７細胞の離脱速度が赤血球の離脱速度よりも有意に速く、それぞれ６０及び２３μｍ／秒であることを示した。１０６４システムを用いて、干渉縞周期およそ３０μｍ、移動４５μｍ／秒、中程度干渉縞速度の光勾配磁場を発生させた。期待されるように、Ｕ９３７細胞は干渉縞とともに動き、赤血球は動かない。１つの態様において、動く干渉縞は単一ピークに縮小されてもよい。好ましくはピークは線状である。操作において、応答指令信号を送るべき領域にわたってゆっくりした掃引（即ち、粒子集団の離脱速度よりも遅い）がなされる。これにより粒子は整列する。次に、干渉縞を素早く（即ち、集団中の少なくともいくつかの粒子の離脱速度よりも速い速度で）、好ましくはゆっくりした掃引と反対方向に動かす。これにより、より速い離脱速度の粒子をより遅い離脱速度の粒子から選択的に分離させる。場合により、粒子の残りの線に再度、中程度の干渉縞速度で応答指令信号を送ってもよい。この技術は、本明細書に記載される全ての適用及びシステムに一般に応用可能であるが、Ｕ９３７細胞の赤血球からの分離に関してうまく実行されている。図４３Ａ、４３Ｂ及び４３Ｃは、白血球（より大きな細胞）の赤血球からの分離を示す。図４３Ａ、Ｂ及びＣ中の画像は、図３７Ａ、Ｂ及びＣに示す位相１、２及び３に対応する。
【０１８１】
マイクロチャネル中の赤血球とポリスチレン粒子の分類
「Ｈ」型のガラスマイクロチャネル（図１６参照）を用いて、赤血球と６μｍポリスチレン粒子の分類を証明した。チャネルはＡｇｉｌｅｎｔより購入した（ＤＮＡ  ５００ＬａｂＣｈｉｐ）。幅４０μｍ、深さ１０μｍであった。不要の又は使わないチャネルとリザーバポートをノーランド６１光学用接着剤で埋め戻すことによりブロックし、ＵＶと熱で硬化させた。チャネルにエタノールを満たし、次に水、最後に１％  ＢＳＡを含むＰＢＳバッファーで満たした。注入口リザーバは流出口リザーバよりも約１ｍｍ高いところに構築した。流速は圧と動電力との組合せにより制御した。ケースレー２３６パワーサプライを用いて５〜１０Ｖ／ｃｍの電場を供給した。
【０１８２】
ＰＢＳバッファー、１％  ＢＳＡ中の赤血球と粒子の１／２００混合物を注入口リザーバに加え、等量のＰＢＳバッファー、１％  ＢＳＡを他の注入口リザーバに加えた。勾配磁場を下流ジャンクション近くの「Ｈ」の横棒に位置させた。１０６４システムに円柱レンズを適合させ、勾配磁場の縦横比を増加させた。得られた勾配磁場は、およそ幅４０μｍ、長さ８０μｍ、干渉縞周期１２μｍ、移動３０μｍ／秒であった。
【０１８３】
光勾配磁場がないか又は動かない光勾配磁場では、細胞と粒子が「Ｈ」チャネルの上半分に残り、上部流出口より出る。動く光勾配磁場の存在下では、粒子が下部流出口アームへそれ、赤血球から分類される。
【０１８４】
流速をおよそ８０μｍ／秒に調整した。分類工程をデジタル方式で記録して解析した。１３２の可能な分類イベント（赤血球１２１及び粒子１１）から、赤血球２と粒子０が誤って分類された。分類速度はおよそ２／秒であった。
【０１８５】
マイクロチャネル中の赤血球と白血球の分類
図３６は、マイクロチャネル中の２種類の細胞の分類写真を示す。１は、連続的に動く光勾配磁場に入る赤血球及び白血球を示す。２は、動く光勾配磁場の作用により白血球が下に移動し、一方、赤血球は移動しなかったことを示す。３及び４は、分類を完了している分離チャネル中に赤血球及び白血球が流れ続けていることをと示す。
【０１８６】
リポソームの勾配力操作
直径およそ０．２μｍの蛍光標識リポソームをＢ−Ｄ  Ｑｔｅｓｔ  Ｓｔｒｅｐキットから得た。１０μｌをＲａｉｎ−Ｘ被覆スライドに置き、１０６４システムを用いて光勾配磁場を発生させた。また、１５ｍＷの５３２ｎｍダイオードレーザーの焦点を対物レンズを通して合わせ、リポソームの蛍光を可視化した。静止勾配磁場をサンプルに与えたとき、この領域の蛍光はより強かった。これは、リポソームが勾配磁場に向かって動いていたことを示唆している。
【０１８７】
ディファレンシャル運動の画像化
ポリスチレン粒子及びシリカ粒子を蒸留水に希釈した。図３４の写真に示すように、「前」画像はＣＣＤカメラで撮影され、Ｐｒｏ  Ｅｘｐｒｅｓｓソフトウェアで画像化した。１０６４システムにより発生させた動く光勾配磁場を粒子に対して走査させた。もう１つの画像（「後」画像）を撮影し、「前」画像を差し引いた。得られた画像（「差」と表示）はポリスチレン粒子が動いたことを明確に特定している。
【０１８８】
さまざまな細胞種の離脱速度
１０６４システムによりＣＹＴＯＰ被覆カバースリップ上に発生させた勾配磁場を用いて離脱速度を測定した。
【０１８９】
【表１】
2005515071.tif 000003
【０１９０】
図３５は、離脱速度（μｍ／秒）の関数として測定細胞の割合のグラフを示す。
処置及び未処置白血病細胞の分離
ＰＭＡを５ｍｇ／ｍＬの濃度でエタノールに溶解した。ＲＰＭＩ  １６４０の補足培地中で培養させたＵ９３７細胞３ｍｌを培養フラスコから取り出し、３本のエッペンドルフチューブのそれぞれに１ｍｌ入れた。１本のチューブの細胞を１０，０００ｒｐｍで４分間沈殿させ、離脱速度を測定するために２５０μＬ  ＰＢＳ／１％  ＢＳＡバッファーに再懸濁させた。残りの２本のチューブのＵ９３７細胞に、最終濃度が５μｇ／ｍＬとなるようにＰＭＡを加えた。これらのチューブをボルテックスにかけ、１時間か６時間のいずれかのあいだ３７℃の水浴中に置いた。終了時点でチューブを取り出し、細胞を沈殿させ、そして上記のように再懸濁させ、離脱速度を測定した。６時間処理した細胞は、未処理細胞と比較して、離脱速度が有意に高かった。
【０１９１】
好ましい態様及び方法を示し、記載したが、本発明の精神又は範囲を逸脱することなく多くの改変がなされ得ることは当業者には明らかであろう。したがって、本発明は、以下の請求の範囲に従うことをのぞき、限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【０１９２】
【図１】図１は、先行技術の光ピンセットシステムに関する光の強度パターンを図示したものであり、集束ビーム、粒子及びビーム強度の断面を示す。
【図２】図２は、ミラーを動かすことにより変更可能な光路長を用いて２つのビームを干渉させるための光学システムの断面図である。
【図３】図３は、２つのビーム間の干渉を用いるシステムの概略図であり、光路長は位相変調期により変えられる。
【図４】図４は、干渉計を用いる光学システムの断面図であり、光路長は位相変調期により調整可能である。
【図４Ａ】図４Ａは、粒子浮上のためにカウンター伝搬ビームを用いる代替光学装置の側面図である。
【図５】図５は、干渉計及び光路長を変化させるための位相変調期を含む光学システムの断面図であり、システムにより発生する波形の写真を含む。
【図６】図６は、離れた照射システム及び画像システムを用いる光学システムの断面図である。
【図７】図７は、流体システムとインターフェースで連結された光学システムを図示したものである。
【図８】図８は、動く走査システムを用いる光学システムの断面図である。
【図９】図９Ａ及び９Ｂは、マスクに基づいた強度パターンの発生を含む光学システムの断面図である。
【図１０】図１０は、照射源アレイの側面図であり、基板又は支持体を照射している。
【図１１】図１１Ａ、１１Ｂ及び１１Ｃは、それぞれ、本発明の１つの例示的態様における強度、力及び位置エネルギーのグラフを位置の関数として示す。
【図１２Ａ】図１２Ａは、第１位置にある２つの粒子及び重ね合わせた光のパターンを示す。
【図１２Ｂ】図１２Ｂは、この光のパターンによる照射後の第２位置にある粒子を示す。
【図１２Ｃ】図１２Ｃは、光トラップにおける粒子Ｂのトラップを示す。
【図１３】図１３Ａ、１３Ｂ及び１３Ｃは、粒子を分離するための技術に関し、距離の関数として位置エネルギーのグラフを示す。
【図１４】図１４Ａ及び１４Ｂは、１次元粒子源からの粒子の分類を図示したものである。図１４Ａは粒子の流れを、図１４Ｂは流体の流れの中を移動する粒子を示す。
【図１５】図１５は、「Ｔ」型チャネル分類構造の平面図である。
【図１６】図１６は、「Ｈ」型分類構造の平面図である。
【図１７】図１７は、「Ｙ」型分類構造の平面図である。
【図１８】図１８は、「Ｘ」型チャネル分類構造の平面図である。
【図１９】図１９は、２次元分類構造の透視図である。
【図２０】図２０は、多次元分類構造の平面図である。
【図２１】図２１は、光勾配パターンを発生させるための反射面を含む多次元分類構造の側面図である。
【図２２】図２２は、捕捉構造を含む分類構造の側面図である。
【図２３】図２３は、リサイクル経路を含むマイクロ流体システムの平面図である。
【図２４】図２４は、選択又は特徴付けの１要素として粒子の変形性を用いる粒子分析システムの平面図である。
【図２５】図２５は、光勾配の周期性に対する粒子サイズを１要素として用いる分類又は特徴付けのためのシステムの平面図である。
【図２６】図２６は、光の散乱力を分離のために用いる粒子を分類するためのシステムである。
【図２７Ａ】図２７Ａは、散乱力スイッチの透視図である。
【図２７Ｂ】図２７Ｂは、散乱力スイッチの平側面図である。
【図２７Ｃ】図２７Ｃは、散乱力スイッチのビームがオンのときの平側面図である。
【図２８】図２８は、異なる誘電率を有する種々の流体媒体中の粒子の誘電率を測定するためのシステムの概略図である。
【図２９】図２９は、粒子の断面図及び誘電性媒体中の粒子を分離するための光の強度プロファイルである。
【図３０】図３０は、光ピンセットアレイの透視図である。
【図３１】図３１は、ヘモグロビン−O2吸収スペクトルに関する、波長の関数としてのモル吸光係数のグラフである。
【図３２】図３２は、動く光勾配磁場を用いてサイズにより粒子を分離する実験のコマ撮り写真を示す。
【図３３】図３３は、表面機能化により粒子を分離する実験のコマ撮り写真を示す。
【図３４】図３４は、動く光勾配磁場に供した粒子の前、後及び差の写真を示す。
【図３５】図３５は、さまざまな細胞種に関する、離脱速度に対する実験で測定した細胞の割合のグラフである。
【図３６】図３６は、マイクロチャネルデバイス中の２つの細胞種の分類写真を示す。１は、動く光勾配磁場に連続的に入る赤血球及び白血球を示す。２は、動く光勾配磁場の作用により白血球が下に移動し、一方、赤血球は移動しなかったたことを示す。３及び４は、分類を完了している分離チャネル中に赤血球及び白血球が流れ続けていることをと示す。
【図３７】図３７Ａ、Ｂ及びＣは、位相１における粒子集団の第１走査（図３７Ａ）、位相２における配列した粒子集団に対する照射の動作（図３７Ｂ）、及び位相３における粒子の分離（図３７Ｃ）を含む走査法の工程を示す。
【図３８】図３８は、図３７Ａ、Ｂ及びＣに示す技術に関し、光の強度と粒子位置の一連のグラフを示す。
【図３９】図３９Ａは、線走査システムに用いられる構成要素の断面図を示し、図３９Ｂは、操作領域からの上面図を示す。
【図４０】図４０Ａは、１つ以上の照射線を発生させるための回折光学装置の断面図を示す。図４０Ｂは、図４０Ａの装置の上面図を示す。図４０Ｃは、１つ以上の照射線を発生させるための走査ミラー装置を示す。図４０Ｄは、照射領域の上面図を示す。
【図４１】図４１は、区分化されたサンプルフィールドの上面図を示す。
【図４２】図４２は、多数の照射線を有するサンプルフィールドの上面図を示す。
【図４３Ａ】図４３Ａ、Ｂ及びＣは、図３７Ａ、Ｂ及びＣに示す位相に対応する白血球と赤血球の有効な分離画像である。
【図４３Ｂ】図４３Ａ、Ｂ及びＣは、図３７Ａ、Ｂ及びＣに示す位相に対応する白血球と赤血球の有効な分離画像である。
【図４３Ｃ】図４３Ａ、Ｂ及びＣは、図３７Ａ、Ｂ及びＣに示す位相に対応する白血球と赤血球の有効な分離画像である。
【図１】
2005515071.tif 000004
【図２】
2005515071.tif 000005
【図３】
2005515071.tif 000006
【図４】
2005515071.tif 000007
【図４Ａ】
2005515071.tif 000008
【図５】
2005515071.tif 000009
【図６】
2005515071.tif 000010
【図７】
2005515071.tif 000011
【図８】
2005515071.tif 000012
【図９Ａ】
2005515071.tif 000013
【図９Ｂ】
2005515071.tif 000014
【図１０】
2005515071.tif 000015
【図１１】
2005515071.tif 000016
【図１２Ａ】
2005515071.tif 000017
【図１２Ｂ】
2005515071.tif 000018
【図１２Ｃ】
2005515071.tif 000019
【図１３】
2005515071.tif 000020
【図１４】
2005515071.tif 000021
【図１５】
2005515071.tif 000022
【図１６】
2005515071.tif 000023
【図１７】
2005515071.tif 000024
【図１８】
2005515071.tif 000025
【図１９】
2005515071.tif 000026
【図２０】
2005515071.tif 000027
【図２１】
2005515071.tif 000028
【図２２】
2005515071.tif 000029
【図２３】
2005515071.tif 000030
【図２４】
2005515071.tif 000031
【図２５】
2005515071.tif 000032
【図２６】
2005515071.tif 000033
【図２７Ａ】
2005515071.tif 000034
【図２７Ｂ】
2005515071.tif 000035
【図２７Ｃ】
2005515071.tif 000036
【図２８】
2005515071.tif 000037
【図２９】
2005515071.tif 000038
【図３０】
2005515071.tif 000039
【図３１】
2005515071.tif 000040
【図３２】
2005515071.tif 000041
【図３３】
2005515071.tif 000042
【図３４】
2005515071.tif 000043
【図３５】
2005515071.tif 000044
【図３６】
2005515071.tif 000045
【図３７】
2005515071.tif 000046
【図３８】
2005515071.tif 000047
【図３９】
2005515071.tif 000048
【図４０】
2005515071.tif 000049
【図４１】
2005515071.tif 000050
【図４２】
2005515071.tif 000051
【図４３Ａ】
2005515071.tif 000052
【図４３Ｂ】
2005515071.tif 000053
【図４３Ｃ】
2005515071.tif 000054
【国際調査報告】
2005515071.tif 000055
2005515071.tif 000056