(57)【要約】  光学読取システム（１００）及び急速マイクロプレート位置検出方法が記載されている。光学読取システムは、選ばれた位置検出特異点（３００）を走査して、光学読取システム内にてマイクロプレートの位置（１７０）を正確に決定するように構成された走査光学システム（１３０）を含む。方法は、位置公差のそれぞれの量の最小量から最大量の順で、位置検出特異点の位置を測定することを含む。位置測定は、位置検出特異点の数で実行され、選ばれたマイクロプレート位置公差内にてマイクロプレートの位置を決定する。
2014532856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法であって、
前記マイクロプレートは各々が位置公差を有する複数の位置検出特異点を有し、
ａ）位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の内の１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を減少させるステップと、
ｂ）前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を評価し、位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の残りの内の１つを選択するステップと、
ｃ）ステップｂ）において前記位置検出特異点の選択された１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を更に減少させるステップと、
ｄ）選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの前記位置が決定されるまで、ステップｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２】
前記位置検出特異点は、基点、マイクロプレートウェル、マイクロプレートエッジ及びバイオセンサの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイクロプレートの決定された前記位置に基づいて前記マイクロプレートによって作動可能に支持された少なくとも１つのバイオセンサを光学的に読み取るステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１に記載の方法。
【請求項４】
実質的に環状のセグメントの形状を有する領域を含む少なくとも１つの前記位置公差を画定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の方法。
【請求項５】
直線のセグメントを含む前記位置検出特異点の少なくとも１つの前記位置公差を画定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の方法。
【請求項６】
弓形線のセグメントを含む前記位置検出特異点の少なくとも１つの前記位置公差を画定するステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の方法。
【請求項７】
前記マイクロプレートは１以上のバイオセンサを作動可能に支持し、前記マイクロプレートの決定された前記位置に基づいて前記１以上のバイオセンサの少なくとも１つを光学的に読み取るステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロプレートは実際の歪み及び見掛け歪みの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記位置検出特異点の前記位置の前記測定は、前記位置検出特異点の少なくとも１つの少なくとも一部に亘ってビームスポットを走査させるステップを含むことを特徴とする請求項１〜７のいずれか１に記載の方法。
【請求項１０】
前記ビームスポットを走査させるステップは、
走査ミラー装置を用いて、前記位置検出特異点の前記少なくとも１つの少なくとも一部をカバーする走査経路に亘って前記ビームスポットを移動させ反射光を生成させるステップと、
前記走査ミラー装置の配向の関数として前記反射光を検出して、前記走査された少なくとも１つの位置検出特異点の測定されたプロファイル確定するステップと、
前記測定されたプロファイルから前記少なくとも１つの位置検出特異点の幾何学的中心を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記光学読取システムの分光計を用いて、前記反射光を検出するステップを更に含むことを特徴とする請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記走査ミラー装置は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを含むことを特徴とする請求項１０〜１１のいずれか１に記載の方法。
【請求項１３】
光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法であって、
前記マイクロプレートは複数の位置検出特異点を有し、
少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点のそれぞれの位置を測定するステップであって、前記位置検出特異点が位置公差のそれぞれの量を有し、位置公差の最小量から最大量までの順序で選択された位置検出特異点について実行される前記位置を測定するステップと、
前記第１の位置検出特異点の前記位置の測定に続いて、前記位置検出特異点のすべての以前の測定に基づいて前記マイクロプレートの位置を制限するステップと、
前記少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点の前記位置測定を実行し、選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの位置を確定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項１４】
前記位置検出特異点は、基点、マイクロプレートウェル、マイクロプレートエッジ及びバイオセンサの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記マイクロプレートは実際の歪み及び見掛け歪みの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１３〜１４のいずれか１に記載の方法。
【請求項１６】
前記位置検出特異点の前記位置の前記測定は、前記位置検出特異点の少なくとも１つの少なくとも一部に亘ってビームスポットを走査させるステップを含むことを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１に記載の方法。
【請求項１７】
前記ビームスポットを走査させるステップは、
走査ミラー装置を用いて、前記位置検出特異点の前記少なくとも１つの少なくとも一部をカバーする走査経路に亘って前記ビームスポットを移動させ反射光を生成させるステップと、
前記走査ミラー装置の配向の関数として前記反射光を検出して、前記走査された少なくとも１つの位置検出特異点の測定されたプロファイル確定するステップと、
前記測定されたプロファイルから前記少なくとも１つの位置検出特異点の幾何学的中心を決定するステップと、
を含むことを特徴とする請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記光学読取システムの分光計を用いて、前記反射光を検出するステップを更に含むことを特徴とする請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記走査ミラー装置は微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーを含むことを特徴とする請求項１７〜１８のいずれか１に記載の方法。
【請求項２０】
前記マイクロプレートは並進運動で±０．５ｍｍの位置公差と回転運動で±０．５°の位置公差を有することを特徴とする請求項１３〜１５のいずれか１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本出願は、米国特許法第１１９条の下で２０１１年１０月２０日に出願された仮出願番号６１／５４９，４０９号の優先権の利益を主張し、その内容が依拠されその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本出願はまた、２０１１年２月２２日に出願された仮出願第６１／４４５，２６６号に関連しているが、優先権を主張しない。
【０００３】
本発明は、標識非依存光学読取システムに関し、特に、急速なマイクロプレート位置検出ができる光学読取システム及び方法の光学読取システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００４】
光学読取システムの製造者は、生体分子結合事象（例えば、タンパク質への薬物の結合）がバイオセンサの表面に発生したかどうかを決定する共振導波路格子バイオセンサの検査に使用できる新規で改良された光学読取システムを設計しようとしている。
現在、興味深いことは、バイオセンサを支持すマイクロプレートの改良された位置検出アできバイオセンサの読み取り値の変動を低減する光学読取装置システム及び方法である。そのような能力を有する新規かつ改良された光学読取システム及び方法が、本開示の主題である。
【発明の概要】
【０００５】
本発明の態様は、急速なマイクロプレート位置検出ができる光学読取システム及び方法に向けられている。光学読取システムは、選ばれた特異点を走査して、それらのそれぞれの位置を正確に決定するように構成された走査光学システムを有する。これは、マイクロプレートの位置が光学システムの基準に対して正確に定義され、マイクロプレート位置公差内であることを順番に可能にする。このような正確かつ急速なマイクロプレート位置検出は、バイオセンサ上の正確な走査経路を可能にし、バイオセンサの読み取り精度を向上させ測定サイクル時間に減少させる。
【０００６】
本発明の態様は、光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法である。マイクロプレートは、各々が位置公差を有する複数の位置検出特異点（特異点ともいう）を有する。実施例において、特異点が動作可能にマイクロプレートによって支持された少なくとも１つのバイオセンサを含む。該方法は、位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の内の１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を減少させるステップを含む。該方法は、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を評価し、位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の残りの内の１つを選択するステップを含む。該方法は、上記選択するステップにおいて前記位置検出特異点の選択された１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を更に減少させるステップを含む。該方法は、選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの前記位置が決定されるまで、上記選択するステップ及び減少させるステップを繰り返すステップを含む。
【０００７】
他の本発明の態様は、光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法であって、前記マイクロプレートは複数の位置検出特異点を有し、少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点のそれぞれの位置を測定するステップであって、前記位置検出特異点が位置公差のそれぞれの量を有し、位置公差の最小量から最大量までの順序で選択された位置検出特異点について実行される前記位置を測定するステップと、前記第１の位置検出特異点の前記位置の測定に続いて、前記位置検出特異点のすべての以前の測定に基づいて前記マイクロプレートの位置を制限するステップと、前記少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点の前記位置測定を実行し、選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの位置を確定するステップと、を含むことを特徴とする。
【０００８】
本発明の他の利点は、さらに理解され、以下の明細書、特許請求の範囲及び添付の図面を参照することにより当業者には理解されよう。
【０００９】
本発明のより完全な理解は、添付の図面とともに、以下の詳細な説明を参照して行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】図１は本発明の光学読取システムの一般化された概略図である。
【図２】図２は、マイクロプレートホルダに順番に保持されているマイクロプレートの領域すなわち「ウェル」で作動可能に保持されている例示的なバイオセンサアレイを示す平面図である。
【図３】図３はバイオセンサに亘る位置（ｍｍ）に対する共鳴波長λR（ｎｍ）のプロットを示すグラフである。
【図４】図４は、波長に対応する分光計の画素位置に対するピーク振幅（光子数）のプロットを示すグラフである。
【図５】図５は、本発明の走査光学読取システムの単一チャネルの実施形態の詳細な概略図である。
【図６】図６は、走査ミラー装置、折り畳みミラー及びｆθ焦束レンズを含む例示的な走査光学システムの拡大概略図である。
【図７】図７は、マイクロプレートの位置を決定するための位置検出方法の一例を示す模式図である。
【図８】図８は、マイクロプレート上の特異点の位置を測定するために使用される光学走査システムの概略図である。
【図９Ａ−９Ｂ】図９Ａ及び図９Ｂは、異なる揺動振幅を有する２つの異なる走査経路を説明する模式図（グラフ）である。
【図１０Ａ−１０Ｂ】図１０Ａ及び図１０Ｂは、走査経路の揺動振幅を相対的に大きくした例の位置検出方法を説明する模式図（グラフ）である。
【図１１】図１１は、三角形状の特異点を採用する位置検出方法の例を示す模式図（グラフ）である。
【図１２】図１２は、オブジェクトの複数の走査が複数の測定された特異点プロファイルを作成するために使用することができ、該特異点プロファイルが組み合わされて実際の特異点プロファイルに関して最適な形状（最大シグナル）を有する最終測定された特異点プロファイルを生成する位置検出方法の例を示す模式図（グラフ）である。
【図１３Ａ−１３Ｂ】図１３Ａ及び図１３Ｂは、サンプルの特異点の位置が単に全体的に知られている場合の特異点の粗い初期検出に有用である例示的な位置検出方法を説明する模式図である。
【図１４Ａ−１４Ｂ】図１４Ａ及び図１４Ｂは、隅部の特異点を初めに計測する位置検出方法の例に関連した、マイクロプレートの隅部の近くにある一部の特異点を伴う、特異点のアレイの例を説明する模式的平面図である。
【図１５】図１５は図５に示したものと同様の走査光学システムの例の概略断面図である。
【図１６】図１６は、コントローラの制御変数（例えば、コントローラ座標におけるマイクロプレートの位置）が実際に測定されたパラメータ（例えば、マイクロプレート座標におけるマイクロプレートの位置）に変換される例示的な制御システムの概略ブロック図である。
【図１７Ａ−１７Ｂ】図１７Ａ及び図１７Ｂは、ビームスポット走査経路に沿ってプロットされた特異点を示し、光学読取装置における非線形性がどのようにマイクロプレート座標の空間的な歪みを生じさせ得るかを示す概略平面図である。
【図１８Ａ−１８Ｂ】図１８Ａ及び図１８Ｂは、マイクロプレート座標の歪みを説明する走査経路の例を示す概略平面図である。
【図１９Ａ−１９Ｂ】図１９Ａ及び図１９Ｂは、正弦波駆動振動数でビームスポットを駆動することに基づく２つの関連するキャリブレーション手法を例示する模式図である
【図２０Ａ】図２０Ａは、どのように回転運動が異なる位置公差を有する位置検出特異点をもたらすかを示すマイクロプレートの例の概略平面図である。
【図２０Ｂ】図２０Ｂは、マイクロプレートの位置公差内にマイクロプレートの位置を正確かつ迅速に検出する方法を示す剛性のあるマイクロプレートの一例の概略平面図である。
【図２０Ｃ】図２０Ｃは、マイクロプレートがまた収縮又は成長の歪みが含まれていた場合を示している図２０Ｂと同様のマイクロプレートの一例の概略平面図である。
【図２０Ｄ】図２０Ｄは、一度で最初の２つの位置検出特異点が確定される場合の位置検出特異点の残りのためのそれぞれ公差領域を示すマイクロプレートの一例の概略平面図である。
【図２０Ｅ】図２０Ｅは、どのように単位ベクトルと歪みベクトルが図２０Ｃに示すような線形公差領域を決定するために使用できるかを示すベクトル図である。
【図２１】図２１は、図２０Ｄと同様に、最大及び最小の歪みが各特異点のすべての点に影響することを示すマイクロプレートの一例の概略平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
参照は現在、開示の実施例になされ、その例示的な実施例を添付の図面に示されている。
【００１２】
以下の議論の説明において、角度θは「偏向角」であり、光ビームが走査ミラー装置２６０から離れる際の光軸Ａｌに対する入射光ビーム１３４Ｉの角度を指す。また、説明においては、角度φは「入射角」を意味し、入射光ビーム１３４Ｉがマイクロプレート１７０の表面法線Ｎに対してなす角度を指す。マイクロプレート１７０はＸＹ平面内にあると仮定され、それにより、入射光ビーム（群）１３４Ｉと関連付けて偏向角θX及びθYと入射角度φＸ及びφＹとを規定する。説明では、角度θは上記のように角度φの代わりに使用され、当業者は、議論での所定の角度に用いられた特定の記号の意味を文脈から理解するであろう。また、ある図では、Ｘ及びＹ方向は、説明を容易にするために変更され得る。本明細書中で使用されるデカルト座標は、基準と議論の提供のみを目的としており、方向、向き、又はその両方を限定することを意図したものではない。
【００１３】
＿光学読取システム＿
図１は本発明の光学読取システム１００（システム）の一般化された概略図であり、システムは、生物学的物質１０４がバイオセンサ上に存在するかどうかを決定するために各々が表面１０３を有する１以上のバイオセンサ１０２に問い合わせすなわちこれを検査するために使用される。挿入図Ａは、例示的なバイオセンサ１０２の拡大図を示す。バイオセンサ１０２は、例えば、共振導波路格子（ＲＷＧ）バイオセンサ、表面プラズモン共鳴（ＳＰＲ）バイオセンサ等のバイオセンサであってもよい。米国特許第４８１５８４３号は、例えば、バイオセンサ１０２を説明している。
【００１４】
図２は例示的な構成を示し、表面１７１とエッジ１７０Ｅを有するマイクロプレート１７０の領域すなわち「ウェル」Ｗにて、バイオセンサ１０２が操作可能に支持されており、かつアレイ１０２Ａすなわち行列に配置されていることを示す。例示的なバイオセンサアレイ１０２Ａは、２ｍｍ角であるバイオセンサ１０２のために４．５ｍｍピッチを有し、列ごとに１６個のバイオセンサ及び各行の２４個のバイオセンサが含まれている。この例では、マイクロプレート１７０はマイクロプレート表面１７１上の基点１６９を含み、基点は基準位置に対するシステム１００におけるマイクロプレート１７０の位置、置合わせ、又は両方のために使用することができる。以下に説明するように、マイクロプレート１７０上の他の特異点も、マイクロプレートの位置と整合（マイクロプレートの位置と配置を決定するなど）させる点に基準点１６０に加えて又は基準点１６０の代わりに使用することができる。マイクロプレートホルダ１７４はまた、マイクロプレート１７０を保持している。多くの異なるタイプの板状のホルダは、マイクロプレートホルダ１７４として使用することができる。米国特許第５７３８８２５号はマイクロプレート１７０の例について説明している。
【００１５】
図１を参照すると、再び図１に示すように、光学読取システム１００は、光１２０を発生させる光源アセンブリ１０６（例えば、ランプ、レーザ、ダイオード、フィルタ、減衰器等）を含む。光１２０は、結合装置１２６（例えば、サーキュレータ、光スイッチ、光スプリッタ等）によって走査光学システム１３０へ指向され、走査光学システムは関連する光軸Ａ１を有しかつ光１２０を入射光ビーム１３４Ｉに変換して、バイオセンサ１０２でのビームスポット１３５を形成する（挿入図Ｂを参照）。入射光ビーム１３４Ｉ（したがって、ビームスポット１３５）は、走査光学システム１３０によって、バイオセンサ１０２上を走査させられる。実施例において、バイオセンサ１０２は、入射光ビームがバイオセンサ１０２を横切って走査することができるように（すなわち、マイクロプレート１７０を移動させることによって）移動される。また、実施例では、入射光ビーム１３４Ｉは、さらに後述するように、走査光学システム１３０を用いて静止したバイオセンサ１０２を横切って走査させられる。別の例では、走査ビーム及びマイクロプレートの両方の動きを使用することができる。
【００１６】
入射光ビーム１３４Ｉは、バイオセンサ１０２から反射し、それによって反射された光ビーム１３４Ｒを形成する。反射された光ビーム１３４Ｒは走査光学システム１３０によって受信され、そこから、光１３６が結合装置１２６よって分光計ユニット１４０へ指向され（以下、「導かれた光信号）、分光計ユニットは反射光ビームのスペクトルを代表する電気信号Ｓ１４０を生成する。実施例において、プロセッサユニット（プロセッサ）１５２及び記憶部（メモリ）１５４を有するコントローラ１５０は電気信号Ｓ１４０を受信して、メモリ内に生のスペクトルデータを格納する。該生のスペクトルデータは電気信号Ｓ１４０とバイオセンサ１０２上の位置（すなわち、時間）の関数である。
【００１７】
その後、プロセッサ１５２は、その中又はメモリ１５２に格納された命令に基づいて、生のスペクトルデータを解析する。その結果は、図３の例示のために示されているような共振波長（λR）データの空間的なマップであり、これは異なる走査数に対するセンサを横切る走査スポットの位置の関数として計算された共振重心を示している。共振波長の変動は、例えば、化学的若しくは生物学的反応、又は細胞の形質転換が特定のセンサに起こった場合を示す。
【００１８】
実施例において、コントローラ１５０は、表示ユニット１５６を含むか、又は動作可能に接続されており、表示ユニットは、スペクトルプロット、共振波長プロット、及び他の測定結果、及びシステムの状態や性能パラメータなどの測定情報を表示する。実施例において、スペクトルは、波長重心のみがメモリ１５４に記憶されるように、直ちに処理され得る。
【００１９】
また別の例において、システム１０は光検出器１６０を備え、光検出器は、反射された光ビームを分光器１４０に通過せずに、反射された光ビーム１３４Ｒの強度を検出するために使用される。この構成は、診断測定を実行するか、又は以下でより詳細に説明する測位計算方法を使用してマイクロプレート１７０の位置を決定するときに、有用である。実施例において、光検出器１６０は、第１のサーキュレータ１２６と分光計１４０との間に位置する第２のサーキュレータ１２６’に作動可能に接続されている。光検出器１６０は、コントローラ１５０へ提供される光検出器信号Ｓ１６０を生成し、例えば、プロセッサ１５２を用いて処理される。光検出器１６０からの強度データもメモリ１５４に格納されることができる。
【００２０】
＿バイオセンサ＿
例のバイオセンサ１０２は、センサ表面１０３で入射光ビーム１３４Ｉ及び反射光ビーム１３４Ｒの導波路の結合特性に影響を与える屈折率の変化を利用しており、バイオセンサ上の生体物質１０４（例えば、細胞、分子、タンパク質、薬剤、化学化合物、核酸、ペプチド、糖質）の標識フリー検出を可能としている。生体物質１０４はバイオセンサ表面１０３上に堆積されたバルク流体内に局在できるが、この生体物質の存在は、バイオセンサ表面での屈折率を変化させる。
【００２１】
生体物質１０４を検出するために、バイオセンサ１０２は、入射光ビーム１３４Ｉでプローブされて、反射光ビーム１３４Ｒが分光計ユニット１４０において受信される。コントローラ１５０は、生体物質１０４の存在に起因するバイオセンサの屈折率の変化（例えば、百万分の１）が存在するかどうかを決定するように構成することができる（例えば、プロセッサ１５２がプログラムされ得る）。実施例において、バイオセンサ表面１０３は、例えば、特定の相補的な生体物質１０４の表面付着を可能にする生化学的化合物（図示せず）でコーティングされ、それによって高感度かつ高特異的であるバイオセンサ１０２を可能にすることができる。このようにして、システム１００及びバイオセンサ１０２は、生体物質１０４の様々な変化を検出するために使用することができる。同様に、バイオセンサ１０２は、例えば、細胞がバイオセンサに対して移動する際又はそれらが屈折率変化が生じる物質を組み込む又は吐出する際に、バイオセンサ表面１０３に固定化された細胞内の移動や変化を検出するために使用することができる。
【００２２】
複数のバイオセンサ１０２がマイクロプレート１７０のウェルＷ中のアレイ１０２Ａとして作動可能に支持され順番にマイクロプレートホルダ１７４によって支持している場合、それらは、ハイスループット薬物スクリーニング又は化学的研究を可能にするために使用することができる。走査光学読取システムを用いて生体物質１０４（又は生体分子結合事象）の検出に関するより詳細な議論については、米国特許出願公開第２００６／０１４１６１１号を参照されたい。他の光学読取装置は、米国特許第７４２４１８７号及び米国特許出願公開第２００６／０２０５０５８及び２００７／０２０２５４３号に記載されている。
【００２３】
＿スペクトル検査＿
ＲＷＧベースのバイオセンサ１０２上における生化学的又は細胞アッセイの事象を測定するための最も一般的に使用される技術は、スペクトル検査（Spectral interrogation）である。スペクトル検査は、光の多波長又は広帯域ビーム（入射光ビーム１３４Ｉ）により、バイオセンサ１０２を照らす反射光（反射光ビーム１３４Ｒ）を収集して、分光器ユニット１４０との反射スペクトルを分析することを必要とする。
【００２４】
例えば、分光計ユニット１４０からの例示的な反射スペクトルを図４に示す。「ピーク振幅」は、分光計内のアナログ−デジタル（Ａ／Ｄ）変換器によって決定される光子カウントの数である。化学結合がバイオセンサ表面１０３で発生したとき、二重矢印で示したように共振波長がわずかにシフトし、このシフトは分光計ユニット１４０によって検出され得る。
【００２５】
バイオセンサ１０２のスペクトル検査の一般的な概念をそのまま述べると、バイオセンサから送出及び収集される光の実装方法の詳細は、システム１００のデータの品質及び実用性に大きな影響を与える。例えば、バイオセンサ１０２全体の共振波長の必然的な不均一性のために、測定された共振波長λRは、バイオセンサ上の入射光ビーム１３４Ｉの位置に非常に敏感である。
【００２６】
さらに、マイクロプレート１７０の間の絶対測定値の変動は、波長シフトと比較して大きい。同じマイクロプレート上で、マイクロプレートの間で、及び、２つの異なる光学読取装置で撮影された測定値との間で、バイオセンサ１０２の絶対的な測定値との間に有意な差がある場合もある。現在、光学読取装置は、活動を検出するために、少なくとも２つの測定値を必要とする。報告された測定は、細胞やタンパク質などの生体物質１０４の添加前と現在の状態とそれ以前の「ベースライン」状態との間の波長シフトである。典型的に、マイクロプレート１７０は、試薬を追加するためいくつかの測定の間に除去して再配置すること、又は、他のマイクロプレート１７０が試薬を有効にしながら測定され得るようにすることが、必要である。これは通常、プレート位置での誤差につながり、ひいてはバイオセンサ１０２の読み取りでエラーが発生する。
【００２７】
バイオセンサ１０２は、それらを作るために使用される製造プロセスにより、本質的に不均一である。例えば、各バイオセンサ内の絶対的な共鳴波長の変化は、通常存在する。
その結果、バイオセンサ上の同じ点（複数）が測定された場合、バイオセンサの読み取り値の間の任意の波長シフトは、生化学的変化に寄与し得る。バイオセンサ１０２上のビームスポット１３５の位置における０．０１ｍｍの誤差は、生物学的活性のために誤解されるのに十分大きな波長シフトを引き起こす可能性がある。よって、光学読取装置は、このような測定が反復可能であるためには、この不均一性を考慮する必要がある。従って、光学式読取装置内のマイクロプレートの位置決めが可能な限り正確であることが望ましい。これは、位置検出特異点と、以下でより詳細に議論されている測位能力の両方が必要である。
【００２８】
＿単一チャネル走査光学読取システム＿
図５は、システム１００の実施例の単一チャンネルの詳細な概略図である。ＸＹＺデカルト座標は、参考のために示されている。例示的な光源アセンブリ１０６は、光源１０６Ａ、可変光減衰器１０６Ｂ、偏波スクランブラ１０６Ｃ及び光アイソレータ１０６Ｄを含む。偏波スクランラ１０６Ｃは、光１２０の偏光をランダム化するためのものであり、光アイソレータ１０６Ｄは、光源１０６Ａに戻ってからの散乱や反射光を防止するためのものである。
【００２９】
例示的な光源１０６Ａは、スパールミネセンスダイオード（ＳＬＤ）などの広いスペクトル源を含む。光源アセンブリ１０６は、本実施例では１×２ファイバスプリッタである結合装置１２６に、第１の光ファイバ部２０２によって光学的に接続されている。分光器ユニット１４０は、オーシャンオプティクス社（フロリダ州ダニーデン）から入手可能なＨＲ−２０００スペクトロメータなどの分光器を備えている。分光計ユニット１４０は、結合装置１２６に第２の光ファイバ部２０４によって接続することができる。第３の光ファイバ部２０６の他端部２０６Ｂは、ＸＹＺ並進ステージ２２０上に搭載することができるが、連結装置１２６の一端部２０６Ａに接続することができる。
【００３０】
また、並進ステージ２２０上に、焦点距離を有するｆ２集束レンズ２３０、直線偏光子２３４及び四分の一波長板２３８が搭載される。レンズ２３０は合焦する１つ以上の光学素子を含んでもよいことに留意されたい。ファイバ部端２０６Ａ、集束レンズ２３０、直線偏光子２３４及び四分の一波長板２３８は、上述した光軸Ａ１を共有する調整可能なビーム成形光学系２５０を構成している。
【００３１】
実施例において、並進ステージ２２０を使用した並進運動は手動で達成することができるが、他の実施例において、制御信号Ｓ２２０を介してコントローラ１５０の制御の下で自動的に達成することもでき、例示的な実施例において、第１、第２及び第３のファイバ部２０２，２０４及び２０６はシングルモード（ＳＭ）ファイバ部分とすることができる。
【００３２】
システム１００は、隣接するビーム成形光学系２５０の光軸Ａｌに沿って配置された走査ミラー装置２６０を含む。図６は、ビーム成形光学系２５０と走査ミラー装置２６０を含む例示的な走査光学システム１３０の拡大模式図である。走査ミラー装置２６０は、例えば、ミラクルテクノロジ社（カリフォルニア州アルバニー）又はテキサスインスツル社（テキサス州ダラス、メンツ）から入手可能である例えばモデルＴＡＬＰ１０１１などの微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ベースのミラーとすることができる。走査ミラー装置２６０の他の例示的な実施例は、ガルバノメーター、たわみベース走査ミラー、振動平面ミラー、回転多面ミラーと、圧電駆動型のミラーを備えることができる。
【００３３】
走査ミラー装置２６０は、少なくとも一次元（１Ｄ）好ましくは、二次元（２Ｄ）で走査するように適合させることができる（すなわち、軸Ｘ及びＹに沿って、それによって関連する走査角度θX及びθYを画定する）。走査ミラー装置２６０はミラー装置ドライバ２６４に動作可能に接続することができ、該ドライバは走査ミラー装置２６０の性質に応じて電圧又は電流に基づくことができる。実施例において、走査ミラー装置２６０は、並進ステージ２２０上に取り付けることができる。
【００３４】
フィールドレンズ２８０は、隣接する走査ミラー装置２６０の光軸Ａ１に沿って、ビーム形成光学系２５０の反対に配置されることができる。実施例において、フィールドレンズ２８０は、Ｆ−θ構成を有して、任意の角度θからの光は、実質的に光軸Ａ１（すなわち、φ〜０°）に平行に向けられている。適切なＦ−θフィールドレンズ２８０は、エドモンドオプティクス社（ニュージャージー州バーリントン）などの光学部品供給業者から市販されている。フィールドレンズ２８０は、焦点距離Ｆ１を有し、少なくとも１つの光学素子を備える。実施例において、フィールドレンズ２８０は、少なくとも１つのミラー、少なくとも１つのレンズ、又は少なくとも１つのミラーと、少なくとも１つのレンズとの組み合わせを含む複数の光学要素を含む。例示的な実施例において、フィールドレンズ２８０は、１つ以上の非球面を含む。
【００３５】
システム１００はまた、作動可能にバイオセンサ１０２のアレイを順番に支持するように構成された支持マイクロプレート１７０を動作可能にするように構成された上記のマイクロプレートホルダ１７４を含む。例示的な実施例において、マイクロプレート１７０の位置が光軸Ａ１に対して調整することができるように、マイクロプレートホルダ１７４の位置は調整可能である。走査ミラー装置２６０は、フィールドレンズから距離Ｆ１、すなわち、フィールドレンズ２８０の焦点に位置されている。
【００３６】
図５のシステム１００はまた、実施例においてサーキュレータ１２６に光学的に接続された上記の光検出器１６０とともに構成されている。
【００３７】
図６は、システム１００の例示的な走査光学システム１３０を示し、これはビーム成形光学系２５０光学的に接続され、走査ミラー装置２６０、折り畳みミラーＭｌ及びｆθフィールドレンズ２８０を含む。また、マイクロプレートホルダ１７４とこれに保持されるマイクロプレート１７０とが示されている。折り畳みミラーＭ１は、光軸Ａ１を折り畳み、そして、よりコンパクトな走査光学システム１３０となすように光路を折り曲げるために使用することができる。実施例において、焦束レンズ２３０は焦点距離ｆ２＝１０ｍｍを有し、フィールドレンズ２８０は焦点距離ＦＬ＝２００ｍｍと絞り７２ｍｍを有している。走査光学システム１３０のためのこの特定の構成は、寸法Ｌ１×Ｌ２＝１４０ｍｍ×１４０ｍｍの寸法内に収まるため、比較的コンパクトなフォームファクタを有している。実施例において、ビーム形成光学系２５０は、走査光学システム１３０内に含めることができる。
【００３８】
走査ミラー装置２６０によって走査され得るマイクロプレート１７０の寸法は、フィールドレンズ２８０の焦点距離を乗じたミラー偏向の接線で与えられる。それゆえ、＋／−１０度の光偏向及び２００ｍｍの焦点距離フィールドレンズ２８０によって、７２ｍｍ領域は両者Ｘ方向及びＹ方向に走査され得る。
【００３９】
図６の例示的な走査光学システム１３０は、４．５ｍｍピッチ上の列毎に１６個のウェルの、すなわち約７２ｍｍ総距離の標準マイクロプレート形式で構成された場合、バイオセンサ１０２の単一のマイクロプレートを検査することができる。マイクロプレート１７０における入射光ビーム１３４Ｉによって形成されるビームスポット１３５の例示的な呼称寸法は１／ｅ2（直径）で０．１ｍｍであり、そして、走査ミラー装置２６０に入射する光ビームの例示的なビーム径は１／ｅ2で２ｍｍである。図６は、３つの異なる走査位置（角度）での入射光ビーム１３４Ｉを示している。入射光ビーム１３４Ｉの中心光線は、１３４Ｃで示される。入射光ビーム１３４Ｉがマイクロプレート１７０での収束ビームであり、中央光線の１３４Ｃがマイクロプレートの光軸Ａ１に平行であることに注意してください。
【００４０】
上記のように例示的な走走査ミラー装置２６０は、ＭＥＭＳベースのミラー（テキサスインスツルメンツの上記のＴＡＬＰ１０１１など）であり、これは、一例において、３．２ｍｍ×３．６ｍｍの有効絞りと＋／−１０°の光走査角度θX及びθYとを有する。例示的なフィールドレンズ２８０の収差に起因するマイクロプレート１７０上の入射光ビーム１３４Ｒの入射角度の変化量φは、一例のシステム１００において、０．３ｍＲｄ未満であることが発見された。
【００４１】
コントローラ１５０は、光源アセンブリ１０６、分光計ユニット１４０及びミラー装置ドライバ２６４に作動可能に接続され、そして、以下に記載のように、システム１００の動作を制御するように（例えば、プロセッサ１５２又はメモリ１５４内のコンピュータ可読媒体において具現化されたソフトウェアを介して）構成されている。実施例において、コントローラ１５０は、汎用インタフェースバス（ＧＰＩＢ）とコントローラが動作可能に接続された装置で構成することができ、ＧＰＩＢを使用してコントローラと通信するように構成することができる。
【００４２】
図５を再び参照すると、システム１００の一般的な動作において、コントローラ１５０は光源アセンブリ１０６へ光源制御信号Ｓ１０６を送信し、光源アセンブリに、導波光として第１のファイバ部２０２に結合される光１２０を発生させる。光１２０は下がって、第１のファイバセクション２０２と結合装置１２６を介して第３のファイバ部２０６に移動する。光１２０は、その後、ビーム形成光学系２５０によって処理され、入射光ビーム１３４Ｉを形成する。入射光ビーム１３４Ｉは、その後、ミラー装置ドライバ２６４からの制御信号Ｓ２６０の動作の下でミラー装置２６０を走査することによって選択的に偏向され、コントローラ１５０からの制御信号Ｓ２６４によって順番に活性化される。
【００４３】
走査ミラー装置２６０がフィールドレンズとマイクロプレートの間の領域内のフィールドレンズ２８０の焦点に位置する故に、入射光ビーム１３４Ｉ（又は、より正確には、このビームの中心線１３４Ｃ）は、すべての偏向角で光軸Ａ１に平行である。システム１００は、ビームがマイクロプレートを走査する際にその入射光ビーム１３４Ｉがマイクロプレート１７０に実質的に垂直が維持されるように調整されることができる。
【００４４】
入射光ビーム１３４Ｉは、後述するようにバイオセンサ１０２上を走査し、実質的に垂直入射にて、そこから反射した光ビーム１３４Ｒを形成する。よって、反射された光ビーム１３４Ｒは、実質的に入射光ビーム１３４Ｉの逆の光路を進み、ビーム成形光学系２５０を介して、第３のファイバ部２０６の端部２０６Ｂに結合され、導かれた光信号１３６となる。導かれた光信号１３６は、次に、第３のファイバ部２０６を通って第２の光ファイバ部２０４へ、結合装置１２６を介して第２の光ファイバ部２０４へ伝わり、受信した分光器及び分光部１４０により分解される。分光器ユニット１４０は反射光ビーム１３４Ｒ内のペクトル情報を代表する電気信号Ｓ１４０をコントローラ１５０とメモリ１５４へ供給する。メモリ１５４は、走査角度（θX，θY）の関数としてスペクトル情報を格納する。実施例において、メモリ１５４は格納し、プロセッサ１５２はマスワークス社（マサチューセッツ州ナティック）から入手できるＭａｔｌａｂのなどの解析ソフトウェアを実行してスペクトル情報を分析し、可視化する。
【００４５】
実施例において、メモリ１５４は各バイオセンサ１０２のスペクトル数（例えば、５０）を格納し、そして、プロセッサ１５２はスペクトルを加算して合計スペクトルを得て、その重心を算出し、共振波長λRを決定する。実施例において、スペクトルの数十、数百、又は数千はプロセッサ１５２による処理のためにメモリ１５４に保存されることができる。スペクトル測定は、例えば、個々のバイオセンサ１０２によって、又はバイオセンサの列若しくは行によって分割されることができる。
【００４６】
＿バイオ走査＿
システム１００を用いて走査する方法の１つは、１以上のバイオセンサ１０２を単一走査方向にて走査するように走査ミラー装置２６０を操作することである。しかしながら、このアプローチの欠点は、共鳴波長がバイオセンサ１０２を横切るビームスポット１３５の位置の関数として可なりに変化することである。したがって、このアプローチにおいて、ビームスポット１３５の位置は、測定バイアスを導入することを避けるために厳密に監視される必要がある。
【００４７】
システム１００の好ましい操作方法は、二次元のＸとＹにおいて入射光ビーム１３４Ｉで走査バイオセンサ１０２を取り込み、各走査されたバイオセンサの統合測定を得することである。ＭＥＭＳベースのミラー走査装置は、比較的高い周波数（例えば、＞１００ヘルツ）で駆動することができるので、迅速に、センサのような二次元走査を行うことができる。一実施例において、バイオセンサ１０２は、ジグザグ又は正弦波の走査経路を取得するために二次元のうちの一方に速い光ビーム１３４Ｉ（従ってビームスポット１３５）を移動させることによって走査される。
【００４８】
実施例において、システム１００は、フィールドレンズ２８０の位置が走査ミラー装置２６０とビーム形成光学系２５０に対して調節可能であるように構成することができる。実施例において、フィールドレンズ軸Ａ２８０，走査ミラー装置２６０及び焦束レンズ軸Ａ２３０の相対位置が調整可能であり、すなわち、これらの要素の１つ又は複数は、光軸Ａ１に対して変位可能である。実施例において、この調節は並進ステージ２２０によって提供される。マイクロプレート１７０に関する入射光ビーム１３４Ｉの入射角φは、焦束レンズ２３０での入射光ビームの中心とフィールドレンズ２８０の頂点を結ぶベクトルによって定義されている。
【００４９】
このように、実施例において、入射光ビーム１３４Ｉの入射角度φは、レンズ２３０及び２８０の相対位置を調整することによって調整できる。このような調整は、走査ミラー装置２６０及び集束レンズ２３０を含む並進ステージ２２０を調節することにより実施例で作製することができる。この操作において、並進ステージ２２０が高い精度を有することを必要としない。一例として、焦点距離Ｆ１＝２００ｍｍを有するフィールドレンズ２８０のために、位置合わせ精度は、入射角φの精度は１ｍｒａｄの範囲内であることを確実にするために０．２ｍｍのオーダーである必要がある。この調整は、システム１００を、マイクロプレートの誤整列に対して実質的に鈍感にさせる。
【００５０】
＿マイクロプレート位置検出＿
ＭＥＭＳベースの走査ミラー装置２６０の使用は、光学読取システム１００に対して性能及び寸法の利点を提供する。しかしながら、このような走査ミラー装置は、特に正確ではない。ＭＥＭＳベースの走査ミラー装置は、部分々でかなり変動する部分を有することができ、温度に敏感であり、わずか約５％で線形である。ＭＥＭＳベースの走査ミラー装置は、位置フィードバックを有する場合、その測位能力は、光学読取装置に必要な測位能力に対して粗いと考えることができる。しかし、所定のＥＭＳベースの走査ミラー装置は、所定の温度で非常に再現性のあるポジショニングを提供することができる。
【００５１】
上記のように、入射ビーム１３４Ｉ及び付随するビームスポット１３５をバイオセンサ１０２の中心を名目上通るように移動させて、走査ミラー装置２６０がバイオセンサの列（又は行）を走査する。ＭＥＭＳベースの走査ミラー装置２６０の精度の欠如は、バイオセンサ１０２のほぼ全体をカバーするように走査方向に対して垂直な方向に急激にビームスポット１３５を揺動させることによって補償される。典型的には、分光計は、揺動の１つ以上の完全な経路から統合された（すなわち、加算された）応答を取得する。経路が数値的に統合されている断面を（ビーム幅）を表す。
【００５２】
この走査方法は短くなるが、上記の位置感度の問題がなくなるわけではない。実質的に位置感度を低減又は排除するために、システム１００は、バイオセンサ上の各点から等しい寄与度を測定する必要がある。これを達成するために、いくつかの条件が満たされる。
【００５３】
第１の条件は、ビームスポット１３５の速度がバイオセンサ１０２上の異なる滞留時間として一定である必要があり、結果、バイオセンサ上の異なる点からの異なる測定寄与度となる。
【００５４】
第２の条件は、経路間でのビームスポット１３５の相対的な照明において変化が存在しないことである。均一な強度のビームスポット１３５の場合、この条件は重複がなくかつ隙間なく単に互いに接触し完全に垂直の経路で達成することができる。
【００５５】
バイオセンサ１０２上のビームスポット１３５の走査経路が正弦波（振動）パターンを有する場合、ビームスポットの速度あ一定ではない。また、走査方向の測定値の間の間隔は、中心よりも走査経路の最上部付近の測定値との間で大きくなっている。また、ビームスポット１３５の強度は均一ではなく、通常、ガウス強度プロファイルを有しており、垂直部分を有し完全に一定の速度で実行される走査経路は、所望の均一な照明を与えるために正常に離間させることができない。
【００５６】
システム１００が上述した走査アプローチを用いて、マイクロプレート１７０の位置誤差を克服する場合のために、走査ミラー装置２６０はるかに高速に振動する必要があり（例えば、少なくとも５０倍速く）、そして、分光計ははるかに速くサンプリングする必要がある（例えば５０００倍以上速く）。また、揺動の方向での面積スキャナによって得られた空間情報は、その周波数でのＭＥＭＳミラーの応答に適用可能であり、ＭＥＭＳミラーの周波数応答は、通常、平坦ではないので、情報は、ビームをその方向にて静的なレベルへ移動させるために使用され得ない。このように、簡単に言えば、上述した光スポットの走査アプローチは、前述のマイクロプレートの位置決め感度に直面して改善された測定分解能を達成することについて限界がある。
【００５７】
したがって、本発明の一態様は、マイクロプレート１７０の高速かつ正確な位置検出のために構成されているシステム１００を含んでいる。ここに説明した位置検出システム及び方法は、一般的に走査されたビームスポット１３５を使用して、マイクロプレート１７０上、選ばれた位置検出特異点（特異点）３００を検索し検出するステップが含まれる。
反射光が検出され、検出された信号は、特異点が背景から区別されることを可能にする。この例において、特異点３００はバイオセンサ１０２を含み、背景がそうでない平坦マイクロプレート表面１７である。別の例において、特異点３００は基点１６０を含む。
【００５８】
特異点３００がマイクロプレート１７０上に正確に置かれている（すなわち、それらの位置が定義により非常に正確に知られている）ので、マイクロプレート１７０の相対位置は、１以上の特異点３００の位置測定により正確に決定される。これは、バイオセンサ上のビームスポット１３５を正確に走査することを順番に可能にして、システム１００の性能を高めるためることができる。
【００５９】
本明細書に開示された位置検出方法は、２つの一般的なカテゴリの１つ又は両方に分類することができる。１つは、一般的一次元成分に追加された振動成分を走査経路を使用して、そうでない一次元特異点走査を補強するものであり、もう１つは、以前の検索の結果を使用して新特異点の走査を定義するためにするものである。
【００６０】
図７は、マイクロプレート１７０の位置を決定するための位置検出方法の一例を示す模式図である。図７は、マイクロプレート１７０上にある特異点３００が含まれている。特異点３００は、例えば、バイオセンサ１０２又は上記の基準１６９とすることができる。
例えば入射光ビーム１３４Ｉを使用して、ビームスポット１３５は、例えば走査光学システム１３０を用いたマイクロプレート表面１７１上の位置に配置される。ビームスポット１３５は、一般的な走査経路方向（すなわち、線形成分）３２０に移動される。図７は、「開始サンプル１」に対応する第１の走査経路位置３２５−１と、「停止サンプル及び開始サンプル２」に対応する第２の走査経路位置３２５−２と、「停止サンプル２及び開始サンプル３」に対応する第３の走査経路位置３２５−３を示す。
【００６１】
ビームスポット１３５が一般的なキャン経路の方向に移動するので、それは全体的な走査経路３２４を形成する際の振動成分を与えられるために、実質的に垂直な方向に振動する。示すように振動成分は、正弦波であることができる。走査経路３２４は特異点３００を横切り、そこからの反射光１３４Ｒは光検出器１６０に導かれ、測定された特異点プロファイルを得る。この例において、測定された特異点プロファイルは、走査ミラー装置２６０の対応するミラー配向によって決定されるようにビームスポット１３５の位置に反射光１３４Ｒの検出強度を関連付けることによって確定される。図７のプロットは、入射及び反射の光ビーム１３４Ｉ及び１３４Ｒの波長で実質的に均一な反射率を有する特異点３００の測定された特異点プロファイルの測定強度Ｉ（ｘ，ｙ）に対するミラーの走査位置（ｘ，ｙ）のプロット例を示す。
【００６２】
実施例において、同じ方向に沿った複数の走査は、例えば、走査経路の振動成分内の異なる揺動振幅を使用して行うことができる。例において、光検出器１６０は、選ばれたサンプリング間隔で、反射光ビーム１３４Ｒをサンプリングすることによって統合する。図７中の測定されたプロファイルプロットを伴う破線は、特異点３００の縁部が存在し、プロットは揺動走査経路３２４の対応する部分のための１つの時点と次の時点の間の集積測定を示す。特異点３００の測定されたプロファイルは、さらに、特異点の異なるセクション上にて、例えば、１つ（又は複数）の揺動の通過からの読みを取ることによって定義されることができる。
【００６３】
一例において、特異点３００（例えば、幾何学的中心）の中心は、特異点のエッジの位置を決定し、中間点を取ることによって、又は測定されたプロファイルのプロットに代表される信号の中心を見つけることによって、例えば、重心を測定若しくは類似の中央探知技術を用いて見つけることができる。
【００６４】
図８は、マイクロプレート１７０上の特異点３００の位置を測定するために使用される光学走査システム１３０の概略図である。バイオセンサ１０２の読み取り中のシステム１００の動作に関連して上述したように、現在システム１００は特異点３００を読んでいると、これはバイオセンサ，基点１６９又は任意の他のタイプの参照の特異点となり得るので、システム１００の基準位置に関するマイクロプレート１７０周りの正確な位置情報を提供することができる。したがって、前述のように、光源１０６からの入射ビーム１３４Ｉは、マイクロプレート表面１７１に入射されるべきマイクロプレート１７０へ一般的にミラー装置２６０を走査することによって導かれる。
【００６５】
ビームの角度範囲は、ミラー装置ドライバ２６４を有する走査ミラー装置を制御することによって制御されようになっており（図５参照）、ミラー構成（例えば、ＭＥＭＳベースミラーのマイクロミラーの構成）が、マイクロプレート１７０上の位置に対応するようにプログラムされることができる（又は、コントローラ１５０を介して実行され得る）。走査ミラー装置２６０は走査経路３２４に亘ってビームスポット１３５を走査させる。
検出器１６０は、反射光１３４Ｒの検出における差分を介して、ビームスポット１３５が特異点３００又は背景の上を走査しているかどうかを決定できる。ここでは、特異点とは異なる反射率を有する平面状のマイクロプレート表面１７１であると仮定されている。これは、走査光学システム１３０が特異点３００の位置を検出することを可能にして、正確なマイクロプレートの位置を確定することにつながる。
【００６６】
本明細書に開示された測位システム及び方法の態様は、いくつかの理由例えば、特異点３００における破片又は欠陥３０１の存在による特異点３００の反射率の変動を説明する。図９Ａ及び９Ｂは、異なる揺動振幅を有する２つの異なる走査経路３２４を例示する模式図である。走査経路の揺動振幅を大きくすることにより、欠陥３０１の存在にもかかわらず、特異点３００が、単一の特異点としてではなく、２つの特異点として検出されることを可能にする方法に注意されたい。従って、「測定値」（すなわち、検出強度）のプロットで存在した「ホール」に対する図９Ａのミラーの位置（すなわち、ミラー構成）は、２つの別々の特異点よりもむしろ、単一の特異点３００を示す非常に小さい測定の変動として表示される。従って、上記のように測定された特異点プロファイルにおける特異点のエッジを見つけることによって、特異点の中心は、特異点が欠陥又は汚染物質３０１を有しているにもかかわらず、決定されることができる。
【００６７】
図１０Ａ及び図１０Ｂは、走査経路の揺動振幅が比較的大きく形成され、例えば、特異点３００の寸法やそれよりも大きく（すなわち、少なくとも一次元で）される位置検出方法の例を示す。これは緩く選択される一般的な走査経路３２０を可能にする。なぜならば、走査経路の揺動の比較的大きな寸法が特異点３００又はその一部に重なる可能性が高くなるからである。よって、走査経路３２４が部分的にしか特異点３００と重なる場合、測定された特異点プロファイルは、依然と特異点を表示することができ、特定の特異点のために、端から端までの測定値に基づいて、その中心（例えば、幾何学的中心）を決定することができる。図１０Ａに関して、ピークの重心は、円形の特異点３００の（一次元）の位置を測定している。同じことは、三角形（図１０Ｂ、参照）や、ダイヤモンドなどの他の形状を有する特異点で行うことができる。
【００６８】
比較的大きな走査経路揺動を使用する位置検出方法は、知らた方向性を備えた規則的な形状（例えば、対称形）の特異点３００に特に良く適しており、ここでは、重心の測定は特異点を検索するために十分な情報を提供する。重心の発見については、プロットが実質的に平坦な特異点（例えば、図１０Ａ）よりも、ピーク状のミラー位置プロットに対する測定値を有する特異点（例えば、図１０Ｂ）の方が、より容易にかつ正確に重心が決定される。これは、プロファイルのエッジ間の平坦なプロファイルは位置に関する実質的な情報を有さないからである。測定回数（例えば、検出器のサンプリング）を大きくすればするほど、特異点３００の中心の位置を決定する測定精度が向上される。
【００６９】
図１０Ｂを参照すると、走査経路３２４を振動させることは、特異点３００を完全にカバーし、その結果、測定プロット（測定された特異点プロファイル）がピークを有することに注意されたい。ピークの位置の重心は、特異点の（一次元）位置を、サンプルのサンプリング周波数のためのエッジ検出の任意のタイプよりもはるかに正確に、測定する。
【００７０】
図１１は、バイオセンサ又はバイオセンサのウェルよりもむしろ基点である可能性が最も高い形状の特異点３００を採用した位置検出方法の一例を示している。三角形のような形状の特異点３００は、走査経路３２４が該経路に垂直な方向における特異点中心からどのくらい離れているかに関する情報を提供することができる。走査経路３２４−１，３２４−２又は３２４−３のいずれかのための測定プロットの中心は、走査経路方向（ｘ方向）における特異点３００の中心を与える。走査経路３２４−１，３２４−２又は３２４−３のいずれかについて測定プロットにおけるピークの幅は、経路（ｙ方向）に垂直な方向に特異点３００の中心を与える。これは、走査経路３２４−１，３２４−２又は３２４−３のいずれか１つを実行するだけで、さらにその走査は、二次元での特異点の中心を見つけることができる。
【００７１】
特異点３００のほこりや欠陥３０１が走査プロファイルを妨害する場合、集約走査プロファイル（aggregate scanning profile）は、図１２に概略的に示したアプローチの例に示すように、複数の走査経路からの１つ以上の断面の測定結果を数学的に組み合わせることにより形成されることができる。図１２において、ほこりや欠陥３０１を通過する２本の走査経路３２４−１及び３２４−２が示されている。Ｉ（Ｘ，Ｙ）対（ｘ，ｙ）の組み合わせプロットは、走査経路３２４−１及び３２４−２のための２つのＩ（ｘ，ｙ）プロットの下に示されている。
【００７２】
図１３Ａ及び図１３Ｂは、サンプル特異点の位置にのみ一般的に知られている場合に特異点３００の粗い初期検出に有用である例示的な位置検出方法を例示する。この方法においては、ビームスポット１３５は、比較的小振幅の振動走査経路３２４上にトレースされる。振動走査経路３２４は、図１３Ａにて特異点３００のわずかに中心を交差し、Ｘ方向の一般的な走査経路３２０内を交差するものとして示されている。特異点３００が発見された場合、振動する走査経路３２４がｙ方向に一般的な走査経路を有して、その特異点３００が（面内）に垂直方向に走査されるように、振動走査経路３２４は自動的に変更される。
【００７３】
図３Ｂを参照すると、位置検出の他のｘｙ走査方法は、比較的大きな振動を有する振動走査経路３２４を伴うＸ経路に沿って初めに走査することである。振動走査経路３２４のこのタイプは、特異点は３００を見つける可能性が高いが、任意の精度で直接特異点の中心位置を見つけることを一般的には許可しない。しかしながら、特異点３００の存在及び大まかな位置が識別されると、その後の検索では、より少ない振幅（又は非振幅）を用いることができる。図３Ｂに示すように１、中規模の揺動及びＸ方向の一般的な走査経路３２０を有する振動走査経路３２４は、特異点の中心に比較的近くを通過し、正確に合理的な特異点のＹの高さを求める。その後、より細かいＸ−走査は前の走査からの情報を使用して、より小さな揺動振幅を適用して行なうことができる。
【００７４】
位置検出の他の方法は、複数の特異点３００を検出することを含む。図１４Ａ及び図１４Ｂは、マイクロプレートの隅部付近の特異点を含む特異点３００のアレイを含むマイクロプレートの模式図である。上述したように、バイオセンサ３００は、１以上のバイオセンサ１０２と、マイクロプレートウェルＷと、隣接する又は隣接するウェル間にあるようにマイクロプレート表面１７１上に配置された基点１６９を含むことが可能である。特異点３００は、実例として、正方形として示されている。この方法は、特異点３００だけでなくマイクロプレート１７０の位置を特定するステップを含む。長方形又は正方形のマイクロプレート１７０の寸法が十分に（通常はそうである）が知られている場合、この方法は、マイクロプレート上の特異点３００の位置を確定することができる。
【００７５】
図１４Ａの挿入図を参照すると、ｘ方向の第１の走査ＳＸ１と第２の走査ＳＸ２はマイクロプレート１７０の一隅１７０Ｃ１の近傍で行われる。これらのｘ方向の走査は、特異点の直径の［１／２］程度の距離だけ互いに離間している。両方の走査ＳＸ１とＳＸ２において、求められている特異点３００が見つからなかった。従って、第３の走査ＳＸ３（そしておそらく後続の走査）は、以前の走査の結果に基づいて行われる。特異点３００が検出されると（たとえば、走査ＳＸ３）には、このｘ方向走査を停止することができる。このとき、ｘ方向の走査情報は、特異点３００の中央を切るｙ方向に走査ＳＹを実行するために使用される。
【００７６】
マイクロプレートの隅部１７０Ｃ１が見つけられると（又は、隅部１７０Ｃ１に最も近い隅部の特異点３００を探し当てたら）、他の隅部（又は隅部の特異点）を探し当てることができる。マイクロプレートが既知で固定寸法のものである場合、一度、隅部の特異点が見つけられると、それらの相対的な位置が知られているので、他の特異点を容易に検索することができる。下記の形式の正確な適合は、特異点の測定データの少なくとも３個（例えば、一隅のｘ及びｙ、別のもののｘ又はｙ）と一緒に使用されることができる。
【００７７】
同じ形式の最良適合はまた、例えば、すべての４つの隅で、３つのデータより簡単となる。データをフィットすることができるミラー制御座標を決定する方程式の例は、次のように示される。
【００７８】
【数１】
2014532856.tif 000003
【００７９】
マイクロプレート１７０の並進運動及び回転運動と走査ミラー装置２６０の並進運動及び尺度変化によるマイクロプレートの見かけの並進運動及び尺度変化とが考えられる場合、５つの未知数（２つの作用からの並進運動を組み合わせることができる）がある。データが適合できる一般的な式は下記ある。５つの未知数は正確な解のための５つの情報が必要である。２つの対向する隅部のｘ及びｙの位置並びに他方の内の１つのＸ又はＹの位置は解のために十分である。
【００８０】
【数２】
2014532856.tif 000004
【００８１】
代替手段は、下記に示す一般的な線形形式を使用することである。この式は６つの未知数を有するので、上記式の５つと比較して、それを解決するには６個の情報６個を必要とする。しかし、解はより簡単であり、情報が簡単に収集される。３つの隅部の特異点のｘ及びｙの位置が適している。実施例において、すべての４つの隅部が直線回帰を用いて最良適合のために見出される。
【００８２】
【数３】
2014532856.tif 000005
【００８３】
実施例において、位置検出方法は図５及び図６に示すようなｆθ光学構成を採用する。検出器は光検出器１６０であってもよく、又は、光検出器として分光計１４０を用いることができる。分光計は、各々が光狭帯域をサンプリングする統合光検出器のアレイを含むからである。ここに詳述した方法は、分光器の統合能力を利用するために構造化され、その速度の制限を克服する。統合化は可能な限り光学的に実行され、又は、数値的に、すなわち、正弦波走査経路３２４に対して迅速にサンプリングし、外部システム内のサンプルを組み合わせることによって、実行され得る。
【００８４】
本明細書に記載の位置検出方法の実施例は、約２秒で０．０２５ｍｍの並進運動の位置公差にてマイクロプレート１７０を配置可能である。これは、走査光学システム１３０が、ビームスポット１３５をバイオセンサ１０２上に正確に配置可能とさせ、特に、非常に制御された様式でビームスポットを各バイオセンサ上に正確に走査させ、正確な測定値を得ることを可能とする。
【００８５】
＿光学読取システムキャリブレーション＿
再び図８を参照すると、垂直に関してマイクロプレート１７０上の点ｐの位置は、ｐ＝ｄ・ｔａｎ（θ）で与えられ、ここで、θはミラー（走査ミラー装置２６）の傾斜角度を意味し、ｄはミラーから光学中心（θ＝０°）の表面までの距離であり、θはｐ≒ｋ・θの小さな角度である。
【００８６】
この近似は角度θが増加するにつれて悪化し、レンズ視野の縁部付近の歪みにつながる。つまり、角度θの小さな変化はマイクロプレート１７０上の位置に或る変化をもたらすが、マイクロプレートの隅部での角度の同じ小さな変化が位置の大きな変化を引き起こす。結果は、特異点３００の寸法が光軸から離れる距離とともに増加することである。これは、入射ビーム１３４Ｉの位置誤差を引き起こし、したがって、バイオセンサ測定プロセス中におけるバイオセンサ１０２に関するビームスポット１３５の相対的な配置で誤り位置をもたらす。また、マイクロプレート１７０の位置を決定する際の精度低下につながる。
【００８７】
このように、本発明の態様は、前述の歪みを考慮してシステム１００を較正し、正しく入射ビーム１３４Ｉを位置決めして、正確にビームスポット１３５を位置決めする。較正は、マイクロプレート１７０上の所定の位置を達成するために必要な角度θを適切に識別するステップを含む。具体的には、角度θはθ＝ａｒｃｔａｎ（ｐ／ｄ）で与えられる。ここで、焦点距離ｆを有するｆθレンズでは距離ｄ＝ｆである。
【００８８】
図１５は、図５及び図６に示したものと同様な走査光学システム１３０の例の概略図である。対物レンズ２８０（なわち、ｆθレンズ）は、マイクロプレート１７０と走査ミラー装置２６０との間に配置され、対物レンズの焦点が走査ミラー装置２６０のミラーの回転中心に位置する。走査光学システム１３０は上記の接線方向歪みを示し、サンプル上のビーム位置はｐ＝ｆ・ｔａｎ（θ）であり、ここで、ｆがｆθ対物レンズ２８０の焦点距離である。焦点面ＦＳも示されている。
【００８９】
図１６は例示的な制御システムの概略図であり、ここで、コントローラ１５０内の制御変数（例えば、コントローラ座標におけるマイクロプレートの位置）が実際に測定されたパラメータ（例えば、マイクロプレート座標におけるマイクロプレートの位置）に変換される。コントローラ１５０に記憶されているソフトウェアからのデジタル制御信号は、変換器（例えば、ミラードライバ２６４）を通過して、特定の角度に走査ミラー装置２６０のミラーを駆動するアナログ出力（すなわち、アナログ電力信号）になる。入力光ビーム１３４Ｉの角度はミラー角度によって決定される。入力光ビーム１３４Ｉは、走査光学システム１３０を通過し、マイクロプレート１７０における対応する位置でのビームスポット１３５を形成する。
【００９０】
走査光学システム１３０の実施例は、ミラーからのフィードバックを有することができる。このフィードバックは、第２のコンバータ（破線のボックス）を通過し、デジタル形式でコントローラ１５０に提示され、前述したソフトウエア（コントローラ、コンピュータ可読媒体において具現化された命令）によって処理される。
【００９１】
図１６に示されている制御システムにおいて、示されたブロック毎に潜在的な非線形性はと存在し、非線形性のいくつかは他のものよりも有意である。非線形性は、例えばそれらの設計に応じて、コンバータ内で小さくすることができる。ＭＥＭＳミラーでは、入力及び出力のビーム角の間の関係は実質的な非線形性を有することができ、一例のＭＥＭＳミラーはわずか５％を超える線形を有する。さらに、二次元ミラーにおいて、軸のキャリブレーションを別々に行うことができないような軸間の相互作用が存在してもよい。
【００９２】
このように、たとえ光学系が上述の幾何学的及び光学的な歪みを補正するために使用された場合であっても、ＭＥＭＳミラーはその目的にそぐわない。したがって、すべてのＭＥＭＳミラーに一致するカスタムレンズの製造を短くすることや、ＭＥＭＳベースの光学式読取装置の歪みを実質的に排除するように向けられたハードウェア解決法には、問題がある。
【００９３】
システム１００を較正するソフトウェアベースの方法を実行するには、以下の関数：
（ｉ）ＸSAMP及びＹSAMPがマイクロプレート１７０における（ｘ，ｙ）位置であり、所望の静的位置（ＸSAMP，ＹSAMP）からの制御出力（ＸCTRL，ＹCTRL）を指定する制御出力関数と、
（ｉｉ）マイクロプレート１７０上の静的点（ＸSAMP，ＹSAMP）で所望のサンプル寸法（ＡSAMP，ＢSAMP）からの制御ディザ出力（ＡCTRL，ＢCTRL）を指定する制御ディザ関数と、
で定義される。複数のディザ周波数において、複数の制御ディザ関数が−周波数毎に１を−必要とされる。ここで、「サンプル」は、一実施例において、１つ以上のバイオセンサを有するマイクロプレートを意味する。
【００９４】
最も正確なキャリブレーションを実行するために、走査ミラー装置２６０の駆動振動数は考慮される。キャリブレーションは異なる駆動振動数で異なるためである。
【００９５】
効果的なキャリブレーションが行われるために、制御量（ＸCRTL，ＹCRTL）（コントローラ座標）と、サンプル量（ＸSAMP，ＹSAMP）（サンプル座標）との関係は、補正マップ関数を作成するために決定される必要がある（フィードバックが使用される場合、コントローラ（ＸFB，ＹFB）でのフィードバックとサンプル座標との関係も）。これらの関数は、サンプル（Ｆ1）上の特定の位置に移動するために必要な制御設定を見つけるステップと、下記の式により示されるようなフィードバック（Ｆ2）からサンプルの位置を見つけるステップと、において必要である。
【００９６】
【数４】
2014532856.tif 000006
【００９７】
関数Ｆ1は、マイクロプレート１７０上のビームスポット１３５の正確な（歪みのない）位置を取得するためにミラー装置２６０を駆動する。関数Ｆ2は、走査光学システム１３０からの、特に走査ミラー装置２６０及びミラードライバ２６４からのフィードバック座標で特異点座標を較正するために使用される。
【００９８】
図１７Ａ及び図１７Ｂはビームスポットの走査経路３２４に沿ってプロットされた特異点３００の概略図であり、光学読取装置における非線形性が、実際のマイクロプレート座標に対して空間的歪みを生じさせる方法を示す。図１７Ａはまた、模式的にキャリブレーションサンプルがコントローラの座標（ＸCRTL、ＹCRTL）で導出する方法を示す。歪みが大きすぎない場合には、上記のような特異点３００のＸ中心は、容易に１−Ｄの水平走査で検出することができ、キャリブレーションを直接行うことができる。図１７ＡのＸ座標中心は見出されているが、システム１００の前述の非線形性のために、キャリブレーションサンプルは歪んで見える。
【００９９】
歪みが大きすぎる場合、直線は他の行の特異点を触れることなく１つの行の特異点３００のすべてを行くことはできない。図１７Ｂは、図１７Ａと同様であるが、歪みをより多く有する。このような大きな歪みが発生した場合に、特異点３００の位置を特定するための走査経路３２４は、境界線の境界線又は一部を検索するように改変することができる。図１７Ｂに示す走査経路は水平又は斜めの方向に検索するために使用されることができ、ここで、揺動の振幅は検索領域内の特異点の間の最大の期待のギャップの寸法以上でなければならない。これはサンプルの形状の輪郭の推定計算を可能にする。
【０１００】
較正方法すなわちキャリブレーション方法は、入力光ビーム１３４Ｉが９０°曲がったとき、走査ミラー装置２６０内のミラーの傾きに起因するＸ経路（ただし、Ｙ経路内ではない）で観察された歪みを補正する。図１７Ｂの歪んだ画像は、左から右に縮小するように見える。このパターンのタイプで、Ｙにおける隅部の特異点の外形寸法又は中心を配置することは、上部と下部の行のすべての特異点を通過した検索経路を検索するのに十分である。他の行は、上部と下部の間で補間される。歪みが中心（それはＸのように）にてバレル状になされている場合は、途中の行に沿った点の既知の位置は、線形補間に代えて、曲線的（例えば、放物線）補間が必要とされる。
【０１０１】
この情報は、図１７Ｂに示すように「ウィンドウ」から提供されている。結果、点（ＸCRTL，ＹCRTL）はエッジや中心点などの既知の位置ＸSAMPに一致する。ＹSAMPは依然として不明であるので、この段階において、中間のキャリブレーションを行うことができる。中間変換式はＸCRTL＝Ｇ（ＸSAMP，ＹCTRL）として定義される。
【０１０２】
図１８Ａ及び図１８Ｂは、マイクロプレート座標の歪みを考慮した走査経路の例を示している。図１８Ａは、４隅のキャリブレーション特異点の以前に見つかったＹ中心位置からの補間の例を示している。中間式を使用することによって、任意のミラー位置ＹCTRLに対し、１つはＸCRTLを見つけることによって、プレート上の所望のＸ位置（ＸSAMP）に移動することができる。図１８Ｂは、概略的にｘ軸中心が知られているｙ軸中心に加えられた１−Ｄ検索を実行することを含む別の例示的な較正方法を示す。これは、サンプルが傾斜ホルダ内に配置されている場合でも動作する。この場合、方法は、歪みを解釈し、それを補正する。
【０１０３】
特異点３００の呼称位置が他のいくつかのパターンに従った場合、１つはまだそれらのおおよその位置を経由する経路を生成することができ、ＹCTRL発見された場合、図１８Ａの方法を使用する。結果、点（ＸCRTL，ＹCRTL）は、エッジや中心点などの既知の位置（ＸSAMP，ＹSAMP）に一致する。そこでキャリブレーションが完了する。
【０１０４】
フィードバック及び（ＸFB，ＹFB）があるとき、エッジ又は中央が発見された毎回でそれらが記録されることができるので、これらの座標は既知の位置（ＸSAMP、ＹSAMP）と一致することが注目されたい。
【０１０５】
図１９Ａ及び図１９Ｂは、正弦波駆動振動数でのビームスポット１３５の駆動に基づく２つの関連する較正技術を例示する模式図である。図１９Ａは、走査ミラー装置２６０に設けられた正弦波駆動振動数にて特異点３００上にビームスポット１３５を走査させるステップを含む例示的な校正技術を示す。キャリブレーション走査は、既知の寸法の特異点３００の中心にビームスポット１３５を配置するステップと、その後、戻し信号（反射光ビーム１３４Ｒ）が低下し始めるまで、変化する振幅で所定の方向にビームスポットを走査するステップとを含む。ＭＥＭＳミラーは、非線形動力学を有しているので、ミラーを１ｍｍ動かす１ボルトの変化は、いわゆる１ボルトの正弦波５００Ｈｚは、１ｍｍの揺動が発生することを保証するものではない。これは、ミラー及び周波数に依存して、はるかに大きくても小さくてもよい。ミラーは、それが駆動される時に各揺動振動数で較正する必要がある。
【０１０６】
フィードバックによると、既知の寸法の正弦波制御は、フィードバックを観察するために生成される。そしてフィードバックはサンプルユニットに変換することができ、その点での正弦波のための関係が生成される。これは、詳細なマップを完成するために、Ｘ及びＹのグリッド内にてＸとＹの両方の揺動で行われることができる。フィードバックなしでは、既知の寸法の特異点は、キャリブレーションを実行する必要がある。
【０１０７】
図１９Ｂは、正弦波駆動振動数を較正するための別の方法を示している。既知の寸法の特異点３００が使用された。ビームスポット１３５に付与された正弦波揺動は、特異点の寸法よりも大きくなるようにすることが必要である。
ビームスポット１３５は揺動と同様に同じ方向に走査され、「シグナル対Ｐ」のプロットに示めされるように、２つのピークを有するスポット位置の関数としての信号プロファイルが得られる。これは、電力が減少する点よりもピークの中心を見つけることがはるかに容易である。
【０１０８】
２つのピークが確定されると、それらの位置の差はまた、特異点に対する正弦波の寸法の差である。特異点の寸法が既知の場合、正弦波の寸法を推定することができる。正弦曲線がどのように変化するかについての十分なデータを取得することは、複数の位置でＸ及びＹで行われるべきである。或いは、縮尺拡大がプレート上の位置であまり変化しない場合、この方法は、単一の位置（例えば、特異点中心に）で行うことができる。
【０１０９】
＿急速マイクロプレート位置検出＿
マイクロプレート１７０はその位置に影響を与える多数の要因を受ける。これらには次のものがある。：
（ａ）実施例において、マイクロプレートホルダ１７４の並進と角度の公差で、それぞれ、＋／−０．１ｍｍ及び＋／−０．２５度；
（ｂ）並進公差と回転公差を有するバイオセンサの印刷に関連した並進と回転の公差で、それぞれ、＋／−０．２ｍｍ及び＋／−０．２５度；
（ｃ）バイオセンサ１０２が印刷された後でマイクロプレートは０．４％まで縮小することができる；
（ｄ）例えば温度変化により、走査ミラーゲインは＋／−３．５％まで変えることができ、これは、成長又は収縮の＋／−１ｍｍの感知誤差につながる可能性がある；
（ｅ）例えば温度変化により、走査ミラーがオフセットされることができ、これは、約０．１ｍｍの並進誤差につながる可能性がある。
【０１１０】
図２０Ａ乃至図２０Ｄは一例のマイクロプレート１７０の模式図であり、バイオセンサ１０２が正確にビームスポット１３５で走査することができるようにマイクロプレート１７０の位置をマイクロプレート位置公差内で正確かつ迅速に検出する方法を示す。ここで、「位置公差」の用語は、位置測定の並進運動成分と位置測定の回転運動成分の限度の制限を意味する。たとえば、マイクロプレート位置公差の例は、±並進運動成分（すなわち、並進公差）で±０．５ｍｍ及び回転運動成分（すなわち、角度公差）で±０．５°である。
【０１１１】
実施例において、方法は、マイクロプレート１７０内の任意の所望の位置に関する関数Ｇを形成して、コントローラ１５０のパラメータを制御して（例えば図１６参照）、ミラー２６０がビームスポット１３５を所望の位置に配置するようなステップを含む。この例において、所望の位置は、呼称マイクロプレート測定に関して、すなわち、理想的なマイクロプレートのために指定されている。
【０１１２】
コントローラ１５０の制御パラメータは、キャリブレーションのための呼称マイクロプレート測定において指定されている。関数Ｇは、２条件間の変化を反映している。関数Ｇの例は、上記のＥＱ．１〜ＥＱ．３である。これらの関数において、添え字の「プレート」はマイクロプレート上の目的の位置を参照し、添え字の「光学系」は、コントローラ１５０の制御パラメータとして使用される光学座標系を指す。方程式の一般化された形態は、ＥＱ．４として以下に記載する。
【０１１３】
【数５】
2014532856.tif 000007
【０１１４】
実施例において、マイクロプレート１７０の位置は、バイオセンサアレイ１０２Ａの位置として定義される。本明細書で定義されたバイオセンサアレイ１０２は、バイオセンサの或るサブセットの位置についての知見が十分に他のサブセットの位置を予測するように物理的に配置されるバイオセンサ１０２の任意の配列が含まれている。図２０Ａ〜図２０Ｄの例において、バイオセンサアレイ１０２Ａは、バイオセンサの長方形の行列である。他の非周期的な又は非規則的な配置も企図される。
【０１１５】
上述のように、マイクロプレート１７０は、典型には、多数の異なる特異点３００（例えば、基点１６９、ウェルＷ、バイオセンサ１０２、１以上のマイクロプレートのエッジ１７０Ｅ等）を含み、マイクロプレートの位置を特定するために使用することができる。これらの特異点３００は、それらのマイクロプレート１７０上の互いに相対的な位置が、発生する可能性があるマイクロプレートの歪みにもかかわらず、いくつかの測定公差内で知られている特異点、と考えることができる。以下に説明する実施例において、バイオセンサ１０２は、マイクロプレート１７０の位置を確定するための特異点３００として使用される。しかしながら、そのような特異点又は特異点の組み合わせの任意のタイプを使用することができる。
【０１１６】
特異点３００の相対位置を決定する上での公差（すなわち、制限）は、システム１００の計測の制約によって定義される。例えば、マイクロプレートホルダ１７４は、基準位置（例えば、物理的な基点）に関係してマイクロプレート１７０を保持可能とすることができ、所定の特異点３００の位置を１ｍｍ（例えば、１ｍｍの半径）以内に知られているようにする。他のシステム１００において、起こり得るたとえば１つの特異点が他のものよりも物理的な基点に近い場合、異なる特異点３００は、別の位置公差を有することができる。
【０１１７】
図２０Ａはマイクロプレートの例を示しており、回転運動が特異点３００に異なる位置公差を持たせる方法を示す。マイクロプレート１７０は、呼称位置ＰＢ内に示されており、位置ＰＡ及びＰＣは、回転運動の限界を意味する。特異点３００−１〜３００−４の位置公差Ｔｌ〜Ｔ４は、それぞれ同一ではなく、例えば機械的な登録によって確定されるマイクロプレート回転運動ＣＲの中心からの距離の関数である。
【０１１８】
特異点すべてが同じ位置公差を持たない場合、マイクロプレート１７０の位置決め方法は、位置公差の最小量を有する特異点、すなわち、その位置が最もよく知られている特異点を最初に検索する第１のステップを含む。特異点３００が実質的に同一の位置公差を有する場合、この方法は、最初の検索に便利な特異点を選択するステップを含む。複数の特異点３００が他の特異点よりも小さい位置公差の実質的に同じ量を有している場合、位置公差の最小量を有するものうち特異点の１つが選択される。図２０Ａにおいては、特異点３００−１が選択される。
【０１１９】
第１の特異点３００が選択され見出され、その位置が正確に確定されると、第１の特異点のための位置情報は、他の特異点の位置を制限するために使用される。つまり、第１の特異点３００の位置が確定されると、それはそれらを見つけるために、それがますます容易になり、他の特異点の可能な位置（すなわち、公差）の範囲を低減すると言うことである。
【０１２０】
特異点３００を見つけるプロセスは、マイクロプレート１７０の位置が一意に確定されるまで繰り返される。十分な数の特異点が見出され、ＥＱ．４から関数Ｇを完全に決定すると、残りの特異点３００の公差ウィンドウはゼロとなる。例えば、関数Ｇが並進運動及び回転運動だけを発現する場合、十分な情報が見出され並進運動及び回転運動を決定して関数Ｇが知られることができる。これは、メソッドの「代数的」段階を完了する。これが決定され（例えば、設計計算、分析、シミュレーション、又は実験によって）、ビームスポット１３５の走査を実行するために許容されるマイクロプレートの位置公差内にて結果を提供する場合、本方法は完了したとみなされてもよい。
【０１２１】
あるいは、この方法は、「統計的」段階で継続することができる。この統計的な段階において、方法は、特異点３００を検索し続け、関数Ｇの統計的な再計算のため各々を使用する。これらの特異点３００は非常に迅速に見出すことができる。なぜならば、個々の特異点を見つける際のエラーに起因した又は関数Ｇで使用されるモデルからのマイクロプレートの変位に起因した関数Ｇの以前の相互作用において、それらの位置における未知のものだけが誤差であるからである（例えば、何も想定されていないわずかな歪みがある場合）。見つかった追加の特異点３００の数は、システム設計の一部として決定され、又は関数Ｇの見つかった特異点位置に関して適合度などの統計的基準を用いて推定することができる。
【０１２２】
図２０Ｂを参照すると、四隅の特異点３００、すなわち前述の特異点３００−１，３００−２，３００−３及び３００−４を含むマイクロプレート１７０の例が示されている。マイクロプレート１７０は、ウェル３００−１の中心点Ｃ１周りの回転運動Ｒに起因する３つの異なる位置ＰＡ，ＰＢ及びＰＣにおいて示されている。回転角度は、βで表される。ウェル３００−１は、第１の特異点として選択されている。ウェル３００−１の位置が一旦確定されると（例えば、ウェル３００−１の中心点Ｃ１位置は、上記の技術のいずれかを使用して決定される）、次いで、他の特異点３００−２，３００−３及び３００−４の位置が決定される。
【０１２３】
ウェル３００−１の中心点Ｃ１の位置が確定されると、特異点３００−２，３００−３及び３００−４は、ウェル３００−１の中心点Ｃ１を中心とする弓形線セグメント（弧）ＡＲ２，ＡＲ３及びＡＲ４のそれぞれ上にある（幾何学）の中心位置を有する。特定の円弧の半径は、特定の特異点３００−２，３００−３又は３００−４に中心点Ｃ１からの距離によって定義される。この距離は、まだマイクロプレートの歪みがないと仮定すると、マイクロプレートジオメトリから知られている。円弧の角度βは可能なプレートの回転Ｒよって定義される。回転運動の角度β＝０は、マイクロプレートの幾何学的形状が固定されたままであると仮定して（すなわち、歪みなし）、他の特異点の位置がその期待される位置にあることを意味している。このように、角度βは、マイクロプレートの位置に回転公差の尺度である。
【０１２４】
残りの特異点３００−２、３００−３及び３００−４の各々は、それぞれの円弧ＡＲ２，ＡＲ３及びＡＲ４を続ける単一検索でほぼ正確に二等分することができる。検索は、弧の両側に特異点の幅半分を拡張する。この検索距離は（本例では想定されていない）、マイクロプレート１７０が歪んでいた場合、必要な長さよりも必然的に短くなる。
【０１２５】
この例において、特異点３００−１に最も近い特異点３００−４は、残りの特異点の最小の位置公差を有する。このため、一般的に言えば、特異点３００−４の位置を検索すると、他の特異点のための位置検索よりも短くなるだろう。したがって、特異点３００−４の位置は、確定されるべき次の位置である。
【０１２６】
マイクロプレート１７０が平行移動、回転させられるだけのような状況において（すなわち、実際の又は明白なマイクロプレートの歪み）、第２の特異点３００−４の位置が円弧ＡＲ４に沿って確定されると、マイクロプレートの位置は完全に確定される。実際には、特異点の１つのエッジは見出される必要があり、さらに検索ウィンドウを低減する。もう一方の端を見つけることは、方法の統計的段階に追加可能な外部のデータ点と考えることができる。
【０１２７】
次に、他の特異点３００−２と３００−３の位置は、既知のマイクロプレート幾何学形状からそれらのマイクロプレートの位置を測定するための能力における任意の誤差まで知られる。したがって、方法は、システム１００の測定限界にマイクロプレート１７０の全体的な位置の不確定性の収束をもたらす。これは、メソッドの代数的段階を終了する。
【０１２８】
この方法は３００−２と３００−３などの任意の特異点の位置を急速に特定することで、統計的段階で継続することができる。このような３００−１や３００−４などのあらゆる特異点は、何回でも再測定することができる。各々の新しい特異点（又は新しい特異点の数）が特定されれば、回転運動と並進運動の統計的推定は、より大きなデータセットから実行ことができる。例において、これは、特異点のいくつかの所定数の間だけ続けることができ、又はマイクロプレートのモデル化された並進及び回転（すなわちＥＱ．４の関数Ｇ）がいくつかの確定された統計的基準を満たすまで継続できる。
【０１２９】
実施例において、ほぼ既知の位置にて特異点全体を検索する必要はない。むしろ、個々のエッジごとに個別に定義された検索を行うことができる。これは、公差距離プラス特異点幅とは対照的に、公差距離に対する検索距離を減少させる。
【０１３０】
実施例において、所定の特異点３００の位置のための検索領域は、特異点の形状と同じであるか、又は対応している。例えば、特異点３００が正方形である場合（例えばバイオセンサ１０２のように）、それはまた、ほぼ正方形である領域にわたって検索が実行されることが典型的に望ましい。最初に検索された特異点としての同一の行又は列にある特異点３００（すなわち、ウェル３００−１例えば）は、この方法で見つけることが最も簡単でしょう。図２０Ｂを参照すると、最初に検索された特異点３００−１に対角である特異点３００−３の公差円弧Ａ３は、実質的に特異点３００−３を対角線上で切る。特異点３００−２と３００−４のそれぞれの円弧ＡＲ２と４は、ほぼ垂直に（すなわち、Ｙ方向）かつ横に（すなわち、Ｘ方向）配列されている。
【０１３１】
このように、マイクロプレート１７０が純粋な並進と回転を受ける状況において、３つの一次元の検索はマイクロプレートの位置を正確に決定するために使用することができる。これらの検索の物理的な程度は、位置精度と同程度を達成する強引なアプローチの使用を必要とするものよりも小さい。検索の数は同じであり、ＥＱ．１における未知数の数によって決定される。しかしながら、最も重要な検索の大きさ（すなわち、検索領域）である。バイオセンサ１０２は、１×１ｍｍの大きさを有し、その位置が±１．２ｍｍと知られている場合、検索寸法の差は、対３．６ｍｍ検索に対して＜１ｍｍとすることができる。検索の物理範囲が強引なアプローチよりも小さいので、従って、それは検索を実行するのにかかる時間は少なく、システム１００のための測定時間の全体的な減少につながる。
【０１３２】
図２０Ｃは図２０Ｂと同様であり、マイクロプレート１７０には線形歪みが含まれて、すなわち、実際の又は観察されたマイクロプレート形状は保持されない。これは、例えば、マイクロプレートの製造工程においての温度変化や欠陥など、光学システム１３０を走査することでの温度の影響、又はこれらの実際の及び見かけ歪み効果の組み合わせで、起こり得る。マイクロプレート１７０の位置のみが決定されると、それ自体がマイクロプレートの幾何学的形状が測定されないため、歪みの起源は重要ではない。歪みの量及び種類は、特にマイクロプレート１７０の実際の（物理的な）歪みから光学システム１３０を走査するのではなく、明らかな歪みに起因する場合には、変化し得る。この例において、歪みは、独立して、Ｘ及びＹ方向に、直線状、すなわち、成長又は収縮であると仮定される。
【０１３３】
図２０Ｃにおいて一例として特異点３００−２を参照すると、特異点３００−１と特異点３００−２を結ぶ線Ｌ２は、３００−２を特徴とする特異点３００−１線は、距離ｄＬ２によってスケール（scaled）され、マイクロプレート歪みの量を表し、最小及び最大の円弧ＡＲ２’及びＡＲ２”を画定している。２つの円弧ＡＲ２’及びＡＲ２”と２つの線Ｌ２上の距離Ｌ２は、環状公差領域４１０−２を画定し、その内に、特異点３００−２の中心Ｃ２が配置されている。環状の公差域４１０−２は、特異点３００−２の境界の半分の寸法を有し、中心Ｃ２の検索が行われる位置である。この検索方法のより詳細な数学的解析を、以下に説明する。
【０１３４】
例において、三段階の検索方法として上述したように検索方法を用いることができる。しかし、検索を迅速に行うことができるように、環状の公差領域４１０−２は比較的小さい。なぜなら、回転運動のように、歪みはまた、中心位置Ｃ１からの特異点の距離に比例するからである。その他の特異点３００−３と３００−４は、同じ方法で定義された環状公差領域４１０−３と４１０−４をそれぞれが有している。
【０１３５】
第２の特異点３００−４の位置が正確に確定されると、円環状の公差領域４１０のための残りの特異点３００−２及び３００−３は非常に小さくなる。実際、残りの特異点は崩壊するが適合ルーチンに既知のデータに置き換え、残りの変数について解くことによって計算することができる曲線上に位置する。
【０１３６】
図２０Ｄは、特異点３００−１と３００−２のための位置が確定されるとき、特異点３００−２と３００−３を残すためのそれぞれの公差領域４１０−２と４１０−３を示している。図２０Ｃに示すように、マイクロプレート１７０は、Ｘ方向に現在直線的である位置公差内にてＤＬＡとＤＬＣで示される位置の間にある可能な歪んだ位置の範囲を有している。公差領域４１０−２と４１０−３は、その長さに沿ってどこかに特異点３００−２と３００−３のそれぞれの中心のＣ２とＣ３を含む一次元線形公差領域へ、二次元の領域であることから崩壊している。
【０１３７】
それぞれの線形公差領域４１０−２と４１０−３はそれぞれのライン４３２と４３３に沿って存在し、これらは特異点３００−１と３００−４を結ぶ線４３１に垂直である。図２０Ｅのベクトル図を参照すると、線形公差領域４１０−２及び４１０−３のそれぞれの寸法は、線４３１に垂直な方向の最大プレート歪みの大きさよって定義され、線４３１から特異点３００−２及び３００−３それぞれへの距離ＤＳにより乗じられる。垂線４３１に対して垂直な方向の歪みの大きさは、歪みベクトルＶＤと、距離ＤＳで乗じた線４３１に垂直な方向の単位ベクトルＶＵとのドット積すなわち、ＤＳ（ＶＤＶＵ）である。
【０１３８】
マイクロプレート１７０の位置が選ばれたマイクロプレート位置公差に決定されると、方法は、例えば、上述の方法のいずれかを用いてマイクロプレートの決定された位置に基づいて少なくとも１つのバイオセンサ１０２を光学的に読み取るステップを含むことができる。
【０１３９】
＿数学的解析＿
上記の幾何学的アプローチに代わる方法は、コンピュータ読み取り可能な媒体（例えば、メモリ１５４）に具現化された命令（例えば、ソフトウェア）に基づいて、コントローラ１５０のプロセッサ１５２などの自動計算に適した代数的なアプローチであり、プロセッサに計算を実行させる。
【０１４０】
例えば、図２０Ｃに示すような特異点３００−２の内部に存在するマイクロプレート１７０上のどこかの点Ｐの例を考えてみよう。点Ｐの可能な位置は、特異点３００−１の中心Ｃ１に関する点Ｐのすべての可能な線形の拡大縮小と回転運動の和集合である。これは、次のようにＥＱ．２をＥＱ．５として再定式化することによって計算することができる。
【０１４１】
【数６】
2014532856.tif 000008
【０１４２】
式ＥＱ．５において、添字「OPTICS」は較正プロセスを介してコントローラ１５０に定義された光学システム１００の座標系を指す。添え字の「PLATE」はマイクロプレート１７０内の呼称測定を意味する。下付き文字「１」は、プレート座標における回転の中心を指す。下付き文字「０」は、光学座標における回転の中心を指す。角度βは、図２０Ｃに示す回転角である。変数ＳX及びＳYはそれぞれ線形歪み（すなわち膨張、収縮）プレートＸとＸ方向の係数である。
【０１４３】
プレート座標系の一例は、特異点３００−１の中心Ｃ１にて原点（０，０）を定義することである。４．５ｍｍのピッチでの２４列及び１６行の標準マイクロプレートでは、特異点３００−２の中心の座標は（１０３．５，０）ｍｍである。特異点３００−３と３００−４の中心の座標は（１０３．５，６７．５）ｍｍと（０，６７．５）ｍｍである。ＥＱ．４で使用するための図２０Ｃ中の回転の中心は特異点３００−１の中心Ｃ１である。光学座標でこの位置は、検索方法を使用して発見された。
【０１４４】
図２０Ｃ中の点Ｃ１とＰに関してＥＱ．４はＥＱ．６として以下に再定式化される。全ての項は、光学座標に関して点Ｐの可能な位置を除いて知られている。
【０１４５】
【数７】
2014532856.tif 000009
【０１４６】
単一の点Ｐの可能な位置は、システム仕様に順に基づいている変数β，Ｓｘ，Ｓｙの有効範囲に亘って評価したとき、ＥＱ．６のすべての結果の和集合で与えられる。特異点３００−２の可能な位置は、特異点の内部に含まれるすべての点Ｐに影響を考慮することによって与えられる。
【０１４７】
これは、３００−２内のすべての点ＰのためにＣ１とＰを接続するベクトルに対するＸ及びＹの各々における最小から最大の拡大縮小の値を適用することによって、正方形領域を規定することと同等である。その後、すべての可能な角度βを介してその四隅のＣ１周りの回転を考慮する。
【０１４８】
ＥＱ．６は、実際にはそうでない場合に、光学効果による感知歪みがプレートと共に回転する、近似を行う。回転角度は効果が無視できるほど小さいので、近似が有効である。第４の特異点３００のＸ及びＹ位置を測定し、データがＥＱ．３にフィットしている場合、この近似の影響を完全に排除される。例において、ＥＱ．６が指定された後、特異点３００−２及び３００−３の残りの寸法が測定され、特異点３００−１〜３００−４すべての（ｘ，ｙ）の位置は統計的にＥＱ．３に合わされる。
【０１４９】
図２１は、図２０Ｃと同様であり、回転の前に、最大及び最小の歪みが各特異点３００内のすべての点に影響を与えること示す。次いで、図２０Ｃの環状の検索領域図４１０は、回転を考慮することによって見出される。
【０１５０】
図２０Ｃでなされる近似はＰの所の上だけの効果を考慮することであり、Ｐが各特異点３００−２、３００−３と３００−３（矢印）の中心である。実際の検索領域４１０は、その後、矢印の方向に最大歪みを乗じた特異点３００の半分の大きさによって各方向に拡大される。図２０Ｃの各環状部４１０−２、４１０−３と４１０−４は、特異点の中心（全体ではなく、特異点）を含む領域である。典型的な線形の拡大縮小歪みが４％までであるので、係数が０．９６（最小値）〜１．０４（最大値）までである。これは、図２０Ｂの各特異点３００−２，３００−３及び３００−４の回転方向に示されている。同じことはＣ１に向かい又はＣ１から離れる方向で行う必要がある。
【０１５１】
図２０Ｄに示す場合に関して、回転運動がなく、特異点３００−１及び３００−４を結ぶ線４３２に沿った方向における歪みは知られている。ワークピース１７０の中心は、線４３２に垂直な方向に投影された最大及び最小の線形拡大縮小により定義された線あたりで動く。特異点３００の半分の寸法は検索領域に追加される。
【０１５２】
これは本明細書に記載される発明の好ましい実施例に対する種々の改変の範囲から逸脱することなくなされ得ることは当業者には明らかであろう。よって、本発明は、添付の特許請求の範囲に規定されるような、それらが添付の特許請求の範囲及びその均等物の範囲内に入る変更及び変形をカバーする。
【図１】
2014532856.tif 000010
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
2014532856.tif 000019
【図１０Ａ】
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【図１０Ｂ】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７Ａ】
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【図１７Ｂ】
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【図１８Ａ】
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【図１８Ｂ】
2014532856.tif 000033
【図１９Ａ−１９Ｂ】
2014532856.tif 000034
【図２０Ａ】
2014532856.tif 000035
【図２０Ｂ】
2014532856.tif 000036
【図２０Ｃ】
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【図２０Ｄ】
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【図２０Ｅ】
2014532856.tif 000039
【図２１】
2014532856.tif 000040
【手続補正書】
【提出日】平成26年6月19日(2014.6.19)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法であって、
前記マイクロプレートは各々が位置公差を有する複数の位置検出特異点を有し、
ａ）位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の内の１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を減少させるステップと、
ｂ）前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を評価し、位置公差の最小量を有する前記位置検出特異点の残りの内の１つを選択するステップと、
ｃ）ステップｂ）において前記位置検出特異点の選択された１つの位置を測定して、前記位置検出特異点の残りの前記位置公差を更に減少させるステップと、
ｄ）選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの前記位置が決定されるまで、ステップｂ）及びｃ）を繰り返すステップと、を含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項２】
前記位置検出特異点は、基点、マイクロプレートウェル、マイクロプレートエッジ及びバイオセンサの内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイクロプレートは１以上のバイオセンサを作動可能に支持し、前記マイクロプレートの決定された前記位置に基づいて前記１以上のバイオセンサの少なくとも１つを光学的に読み取るステップを更に含むことを特徴とする請求項１〜２のいずれか１に記載の方法。
【請求項４】
光学読取システム内のマイクロプレートの位置を決定する方法であって、
前記マイクロプレートは複数の位置検出特異点を有し、
少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点のそれぞれの位置を測定するステップであって、前記位置検出特異点が位置公差のそれぞれの量を有し、位置公差の最小量から最大量までの順序で選択された位置検出特異点について実行される前記位置を測定するステップと、
前記第１の位置検出特異点の前記位置の測定に続いて、前記位置検出特異点のすべての以前の測定に基づいて前記マイクロプレートの位置を制限するステップと、
前記少なくとも第１の及び第２の位置検出特異点の前記位置測定を実行し、選ばれたマイクロプレート位置公差内に前記マイクロプレートの位置を確定するステップと、
を含むことを特徴とする方法。
【請求項５】
前記マイクロプレートは並進運動で±０．５ｍｍの位置公差と回転運動で±０．５°の位置公差を有することを特徴とする請求項４に記載の方法。
【国際調査報告】
2014532856.tif 000041
2014532856.tif 000042
2014532856.tif 000043