(57)【要約】近接場光を用いて粒子、物質などを研究する、調べる、分析する、および検出する方法が記載される。近接場光を用いて粒子、物質などの結合パートナー、モジュレータ、阻害物質などを同定する方法が記載される。特定の態様において、方法は、粒子、物質などを固定化またはトラップする工程を含む。2015517663.tif 000005
2015517663.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光トラップの近接場光の付近に物質を配置する工程；
光源からの光を該物質に向ける工程；
該物質に対する該光の効果を検出する工程；および
検出された該効果に基づいて該物質の少なくとも一つの性質を計測する工程
を含む、物質の少なくとも一つの性質を計測する方法。
【請求項２】
光の効果が、前記物質によって散乱される光、該物質によって放出される光、および該物質によって吸収される光からなる群より選択される、請求項1に記載の方法。
【請求項３】
光トラップを使用して前記物質をある位置に固定化し、それによってトラップされた物質を形成する工程をさらに含む、請求項1に記載の方法。
【請求項４】
光トラップが、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む、請求項1に記載の方法。
【請求項５】
前記物質が、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である、請求項1に記載の方法。
【請求項６】
前記物質の少なくとも一つの性質が、サイズ、構造、化学組成、屈折率、電気インピーダンス、誘電率、質量、密度、温度、拡散係数、形状、タンパク質フォールディング状態、溶解度、結晶化度、酵素活性、結合活性、結合反応速度、および解離反応速度からなる群より選択される性質である、請求項1に記載の方法。
【請求項７】
光源が光トラップの近接場光である、請求項1に記載の方法。
【請求項８】
光源が外部光源である、請求項1に記載の方法。
【請求項９】
散乱光を検出することが、該散乱光の量を検出することを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項１０】
散乱光を検出することが、該散乱光の量および波長を検出することを含む、請求項2に記載の方法。
【請求項１１】
散乱光の量を検出することが、光散乱検出器、分光計、ラマン分光計、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、スペクトラムアナライザ、干渉計、エリプソメータ、積分球、および光電子増倍管からなる群より選択される検出器の使用を含む、請求項2に記載の方法。
【請求項１２】
前記物質の性質を計測する工程が、該物質の動きを計測することを含む、請求項1に記載の方法。
【請求項１３】
トラップされた物質を解放する工程をさらに含む、請求項3に記載の方法。
【請求項１４】
光トラップを使用して物質をある位置に固定化し、それにより、トラップされた物質を形成する工程；
該トラップされた物質を一つまたは複数の試験物質と接触させる工程；および
該トラップされた物質と一つまたは複数の試験物質との結合を検出する工程
を含む、物質の結合活性を計測する方法。
【請求項１５】
光トラップが、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
トラップされた物質が、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である、請求項14に記載の方法。
【請求項１７】
試験物質が、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である、請求項14に記載の方法。
【請求項１８】
トラップされた物質と試験物質との間の結合反応速度を計測する、請求項14に記載の方法。
【請求項１９】
トラップされた物質と試験物質との間の結合親和性を計測する、請求項14に記載の方法。
【請求項２０】
トラップされた物質および試験物質の少なくとも一つが検出可能な標識で標識され、結合を検出する工程が、該検出可能な標識からの検出可能な信号を検出することを含む、請求項14に記載の方法。
【請求項２１】
検出可能な標識が、蛍光標識、放射性標識、強磁性標識、常磁性標識、発光標識、電気化学発光標識、リン光標識、質量標識、ラマン標識、分子ビーコン、アップコンバートリン光体、および有色標識からなる群より選択される、請求項14に記載の方法。
【請求項２２】
試験物質をトラップされた物質へと流すことにより、該試験物質を該トラップされた物質と接触させる、請求項14に記載の方法。
【請求項２３】
光トラップを使用して物質をある位置に固定化し、それにより、トラップされた物質を形成する工程；
該トラップされた物質を一つまたは複数の試験物質と接触させる工程；および
該トラップされた物質の性質を計測する工程であって、該試験物質と接触したときの該トラップされた物質の該性質の変化により、該試験物質が該物質のモジュレータであることが示される、工程
を含む、物質のモジュレータを同定する方法。
【請求項２４】
光トラップが、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む、請求項23に記載の方法。
【請求項２５】
トラップされた物質が、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である、請求項23に記載の方法。
【請求項２６】
試験物質が、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である、請求項23に記載の方法。
【請求項２７】
トラップされた物質の性質が、サイズ、構造、化学組成、酵素活性、結合活性、結合反応速度、および解離反応速度からなる群より選択される性質である、請求項23に記載の方法。
【請求項２８】
試験物質をトラップされた物質へと流すことにより、該試験物質を該トラップされた物質と接触させる、請求項23に記載の方法。
【請求項２９】
少なくとも一つの光トラップ；および
物質の性質を計測するための少なくとも一つの検出器
を含む、物質の性質を計測するためのシステム。
【請求項３０】
マイクロ流体送達システムをさらに含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３１】
少なくとも一つの光トラップが、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、およびトロイダル共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３２】
少なくとも一つの検出器が、蛍光顕微鏡、蛍光検出器、蛍光分光計、光散乱検出器、光学センサ、ラマン顕微鏡、ラマン分光計、分光計、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）カメラ、スペクトラムアナライザ、干渉計、エリプソメータ、積分球、および光電子増倍管からなる群より選択される検出器を含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３３】
外部光源をさらに含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３４】
少なくとも一つの光トラップが少なくとも一つの動力源を含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３５】
動力源が、光パワーを光トラップに提供するように構成された光パワー源である、請求項34に記載のシステム。
【請求項３６】
水晶振動子マイクロバランス、カンチレバー、電気化学センサ、音響センサ、熱センサ、インピーダンスセンサ、およびウィスパリングギャラリーモード光学センサからなる群より選択される少なくとも一つのセンサをさらに含む、請求項29に記載のシステム。
【請求項３７】
少なくとも一つの光トラップが、シリコン基材、ガラス基材、およびポリマー基材からなる群より選択される基材上にパターン化されている、請求項29に記載のシステム。
【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、35U.S.C.§119（e）の下、参照により全体として本明細書に組み込まれる、2012年5月14日に出願された米国特許仮出願第61/646,574号に対する優先権を主張する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
多くの場合、関心対象物質を分析して、そのサイズ、構造、結合活性などを含む、その物質の性質を測定することが望まれる。そのような分析は、多くの場合、物質、特に非常に小さなサイズ（例えばナノメートルスケールの）を有する物質の動きによって妨げられる。一部の技術は、物質を固体支持体上に固定化することを要する。それらの技術は、物質を十分に調べることができるよう、およびその後の組成物（例えば流体など）の導入がその物質の定位置を変化させないよう、関心対象物質を一定の位置に維持するためのものである。
【０００３】
物質の固定化または固着は、多くの場合、分析される物質に固有の性質に影響することができる化学物質または架橋剤を使用して実施される。したがって、小さな関心対象物質を効果的かつ正確に分析するための装置および方法が当技術分野において要望される。本発明はこの要望を満たす。
【発明の概要】
【０００４】
本発明は、一つまたは複数の物質の少なくとも一つの性質を調べる方法およびシステムを提供する。一つの態様において、本発明は、光トラップの近接場光の付近に物質を配置する工程、光源からの光を物質に向ける工程、物質に対する光の効果を検出する工程、および検出された効果に基づいて物質の少なくとも一つの性質を計測する工程を含む、物質の少なくとも一つの性質を計測する方法を提供する。特定の態様において、光の効果は、物質によって散乱される光、物質によって放出される光、および物質によって吸収される光からなる群より選択される。一つの態様において、方法は、光トラップを使用して物質をある位置に固定化し、それによってトラップされた物質を形成する工程を含む。
【０００５】
特定の態様において、光トラップは、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む。
【０００６】
特定の態様において、物質は、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である。
【０００７】
特定の態様において、本発明の方法によって計測される物質の少なくとも一つの性質は、サイズ、構造、化学組成、屈折率、電気インピーダンス、誘電率、質量、密度、温度、拡散係数、形状、タンパク質フォールディング状態、溶解度、結晶化度、酵素活性、結合活性、結合反応速度、および解離反応速度からなる群より選択される性質である。
【０００８】
一つの態様において、光源は光トラップの近接場光である。一つの態様において、光源は外部光源である。一つの態様において、散乱光を検出することは、散乱光の量を検出することを含む。一つの態様において、散乱光を検出することは、散乱光の量および波長を検出することを含む。一つの態様において、散乱光の量を検出することは、光散乱検出器、分光計、ラマン分光計、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、スペクトラムアナライザ、干渉計、エリプソメータ、積分球、および光電子増倍管からなる群より選択される検出器の使用を含む。
【０００９】
本発明の方法の一つの態様において、物質の性質を計測する工程は、物質の動きを計測することを含む。一つの態様において、方法は、トラップされた物質を解放する工程を含む。
【００１０】
本発明はまた、光トラップを使用して物質をある位置に固定化し、それにより、トラップされた物質を形成する工程、トラップされた物質を一つまたは複数の試験物質と接触させる工程、およびトラップされた物質と一つまたは複数の試験物質との結合を検出する工程を含む、物質の結合活性を計測する方法を提供する。
【００１１】
一つの態様において、光トラップは、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む。
【００１２】
一つの態様において、トラップされた物質は、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である。一つの態様において、試験物質は、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である。
【００１３】
一つの態様において、本発明の方法は、トラップされた物質と試験物質との間の結合反応速度を計測する。一つの態様において、方法は、トラップされた物質と試験物質との間の結合親和性を計測する。
【００１４】
一つの態様において、トラップされた物質および試験物質の少なくとも一つは検出可能な標識で標識され、方法は、検出可能な標識から検出可能な信号を検出する工程を含む。一つの態様において、検出可能な標識は、蛍光標識、放射性標識、強磁性標識、常磁性標識、発光標識、電気化学発光標識、リン光標識、質量標識、ラマン標識、分子ビーコン、アップコンバートリン光体、および有色標識からなる群より選択される。
【００１５】
特定の態様においては、試験物質をトラップされた物質へと流すことにより、試験物質をトラップされた物質と接触させる。
【００１６】
本発明はまた、光トラップを使用して物質をある位置に固定化し、それにより、トラップされた物質を形成する工程、トラップされた物質を一つまたは複数の試験物質と接触させる工程、およびトラップされた物質の性質を計測する工程を含み、試験物質と接触したときのトラップされた物質の性質の変化により、試験物質が物質のモジュレータであることが示される、物質のモジュレータを同定する方法を提供する。
【００１７】
一つの態様において、光トラップは、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、ウィスパリングギャラリーモード共振器、およびファブリ・ペロー共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む。
【００１８】
一つの態様において、トラップされた物質は、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である。
【００１９】
一つの態様において、試験物質は、分子、化合物、核酸、ペプチド、タンパク質、抗体、酵素、量子ドット、ナノチューブ、粒子、ウイルス、細菌、細胞、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴、およびリポソームからなる群より選択される物質である。
【００２０】
一つの態様において、トラップされた物質の性質は、サイズ、構造、化学組成、酵素活性、結合活性、結合反応速度、および解離反応速度からなる群より選択される性質である。
【００２１】
一つの態様においては、試験物質をトラップされた物質へと流すことにより、試験物質をトラップされた物質と接触させる。
【００２２】
本発明はまた、少なくとも一つの光トラップ；および物質の性質を計測するための少なくとも一つの検出器を含む、物質の性質を計測するためのシステムを提供する。一つの態様において、システムはマイクロ流体送達システムを含む。特定の態様において、システムは外部光源を含む。
【００２３】
一つの態様において、システムは少なくとも一つの光トラップを含み、少なくとも一つの光トラップは、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、フォトニック結晶共振器、リング共振器、およびトロイダル共振器からなる群より選択される少なくとも一つの構造を含む。33。一つの態様において、少なくとも一つの光トラップは少なくとも一つの動力源を含む。一つの態様において、動力源は、光パワーを光トラップに提供するように構成された光パワー源である。
【００２４】
一つの態様において、システムは少なくとも一つの検出器を含み、少なくとも一つの検出器は、蛍光顕微鏡、蛍光検出器、蛍光分光計、光散乱検出器、光学センサ、ラマン顕微鏡、ラマン分光計、分光計、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）カメラ、スペクトラムアナライザ、干渉計、エリプソメータ、積分球、および光電子増倍管からなる群より選択される検出器を含む。
【００２５】
一つの態様において、システムは、水晶振動子マイクロバランス、カンチレバー、電気化学センサ、音響センサ、熱センサ、インピーダンスセンサ、およびウィスパリングギャラリーモード光学センサからなる群より選択される少なくとも一つのセンサを含む。
【００２６】
一つの態様において、少なくとも一つの光トラップは、シリコン基材、ガラス基材、およびポリマー基材から選択される基材上にパターン化されている。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
本発明の好ましい態様の以下の詳細な説明は、添付図面と合わせて読むと、より良く理解されよう。本発明を説明するために、図面には、現在好ましい態様が示されている。しかし、本発明は、図面に示す態様のとおりの構成および手段に限定されないことが理解されるべきである。
【００２８】
【図１】近接場光を使用して、トラップされた粒子の性質を検出する例示的方法を示す模式図である。
【図２】外部から供給される光を使用して、トラップされた粒子の性質を検出する例示的方法を示す模式図である。
【図３】異なるサイズのトラップされた粒子の相対運動を示す模式図である。
【図４】二つの物質の間の結合を検出するための光トラップの使用を示す模式図である。
【図５】例示的なイムノアッセイ法における光トラップの使用を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
詳細な説明
定義
別段定義されない限り、本明細書において使用されるすべての専門用語は、本発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解される意味と同じ意味を有する。本明細書に記載される方法および材料と同様または同等な任意の方法および材料を本発明の実施または試験において使用することができるが、好ましい方法および材料が記載される。
【００３０】
本明細書において使用されるように、以下の各用語は、このセクションにおいてそれと関連づけられる意味を有する。
【００３１】
本明細書において使用される「ある」および「一つの」は、冠詞の一つまたは一つより多い（すなわち、少なくとも一つの）文法上の目的語を指す。例として、「ある要素」は一つの要素または一つより多い要素を意味する。
【００３２】
量、期間などの計測可能な値を言及するとき本明細書において使用される「約」は、開示される方法を実施するために適切であるような、指定された値から±20％または±10％、より好ましくは±5％、さらにより好ましくは±1％、なおより好ましくは±0.1％の変動を包含することを意味する。
【００３３】
本明細書において使用される「光トラップ」とは、ナノスケールおよびマイクロスケールの物体を物理的に保持し、かつ操作するために使用される、自由空間中に光エネルギーによって生成されるか、またはナノ構造によって引き起こされる引力をいう。
【００３４】
本明細書において使用される「近接場光」とは、サブ波長寸法の光の通過をいう。いくつかの場合において、本明細書に述べられる近接場効果は「エバネッセント波」としても知られる。
【００３５】
本明細書において使用される「エバネッセント波」または「エバネッセンス」とは、より高い屈折率の物質からより低い屈折率の物質まで急速に減衰するタイプの非伝搬性光形態をいう。
【００３６】
本明細書において使用される「フォトニック導波路」とは、マイクロスケールまたはサブ波長寸法を有する、マイクロ加工材料中にパターン化された導光体をいう。
【００３７】
本明細書において使用される「スロット導波路」とは、サブ波長スケール低屈折率領域に強く閉じ込められた光を全内部反射によって誘導する光導波路をいう。特定の態様において、スロット導波路は、より低い屈折率の材料のサブ波長スケール低屈折率スロット領域によって分けられた二つの高屈折率ストリップまたはスラブを含む。いくつかの態様において、より低い屈折率の材料は水溶液または緩衝液である。
【００３８】
本明細書において使用される「プラズモンピンセット」とは、プラズモン共振を利用して電場を増強し、かつより強いトラッピング力を可能にする、ナノスケールの光トラッピングシステムをいう。
【００３９】
本明細書において使用される「フォトニック結晶」とは、屈折率が異なる二つ以上の材料によって形成された周期性光ナノスケール構造をいう。
【００４０】
本明細書において使用される「フォトニック結晶共振器」とは、光がその構造中で強め合う干渉を起こすとき共振を示すフォトニック結晶をいう。光がフォトニック結晶に連続的に供給されるならば、その結晶または結晶の一部は、入射光よりも大きな光強度を示す。
【００４１】
本明細書において使用される「リング共振器」とは、一つまたは複数の入出力導波路に結合された閉ループ中の導波路をいう。光が正しい波長でリング共振器に供給されると、その光は正の干渉を受け、リング中の光強度が増す。「トロイダル共振器」とは、共振器の壁が丸みを帯び、長方形ではなく円形に近い断面形状を有する、上記のようなリング共振器をいう。
【００４２】
本明細書において使用される「ウィスパリングギャラリーモード共振器」とは、構造の周辺を移動する光が、共振を生じさせる強め合う干渉パターンを形成する凹状構造をいう。
【００４３】
本明細書において使用される「ファブリ・ペロー共振器」とは、間にある媒質（利得媒質であることができる）によって分けられた二つの平行な反射鏡によって形成された光共振器をいう。反射鏡の間に定在波が形成され、空洞内で共振状態、ひいては光増幅を生じさせる。
【００４４】
範囲：本開示を通して、本発明の様々な局面は範囲形式で提示されることができる。範囲形式の記載は単に便宜および簡潔さのためであり、本発明の範囲に対する厳格な限定と解釈されるべきではないことが理解されるべきである。したがって、範囲の記載は、すべての可能な部分範囲およびその範囲内の個々の数値を具体的に開示したものとみなされるべきである。例えば、1〜6のような範囲の記載は、1〜3、1〜4、1〜5、2〜4、2〜6、3〜6などの部分範囲ならびにその範囲内の個々の数値、例えば1、2、2.7、3、4、5、5.3、および6を具体的に開示したものとみなされるべきである。これは、範囲の幅に関係なく当てはまる。
【００４５】
詳細な説明
本発明は、近接場光を使用して物質の性質を分析する方法を提供する。例えば、本発明の態様を使用して、関心対象物質の生物学的、化学的および／または物理的性質を計測することができる。例えば、特定の態様において、方法は、近接場光を使用して物質を調べる工程を含む。特定の態様において、本発明の方法は、光源からの光を物質に向ける工程を含み、物質に対する光の検出された効果に基づいて物質の性質が直接的または間接的に計測される。例えば、特定の態様において、物質の性質は、物質によって散乱される光を検出すること、物質によって放出される光を検出すること、または物質によって吸収される光を検出することの少なくとも一つを含む。
【００４６】
一つの態様において、光源は光トラップからの近接場光である。別の態様において、光源は外部光源である。いくつかの態様において、方法は、例えば光トラップからの近接場光を使用して物質を固定化またはトラップする工程を含む。しかし、いくつかの態様において、物質はトラップされない。むしろ、物質は近接場光の付近に配置される。例えば、物質は、近接場光の範囲内または近くに配置されることができる。本明細書において使用される、物質を配置する、とは、物質を静止位置に配置すること、および例えばフルイディックスを使用して、動く粒子を適用することをいう。したがって、本発明は、トラップされた物質を使用して例示されるが、当業者は、本明細書に記載される方法が、トラップされない物質にも等しく適用可能であることを理解するであろう。
【００４７】
方法は、例えば、物質のサイズ、物質の構造、物質の化学組成、酵素の反応速度、二つ以上の関心対象物質の間の結合親和性を研究し、化合物が、アゴニストであるのか、アンタゴニストであるのか、または他のタイプの修飾化合物（例えば活性化物質、増強物質または阻害物質）であるのかを試験するために使用することができる。方法はまた、物質の屈折率、電気インピーダンス、誘電率、質量、密度、温度、拡散係数、形状、タンパク質フォールディング状態、溶解度、または結晶化度を計測するために使用することもできる。
【００４８】
いくつかの態様において、本発明は、関心対象の作用物質を固定化して、それらを研究する、または他の試薬と反応させることができるようにする方法を提供する。いくつかの態様において、固定化は、化学物質または架橋剤の使用なしで実施される。固定化は、例えば光学力を流体力学と組み合わせ使用して、すなわちオプトフルイディックスを使用して、実施することができる。
【００４９】
例えば、化学的手段を使用する代わりに、いくつかの態様において、方法は、物質（例えば核酸分子、タンパク質、酵素、抗体、ウイルス、細菌、細胞、小分子、粒子、生体粒子、ナノチューブ、量子ドット、タンパク質複合体、糖質、脂質粒子、小胞、マイクロ粒子、油滴など）または他の非常に小さな粒子をトラップ、捕捉、付着または固定化し、かつそれらを同じ位置に維持するための光学力の使用を含む。既知の位置に限局化することにより、物質を容易に調べ、物質の周囲環境を容易に変えることができる。例えば、物質そのものを変化させることなく、物質が接触する溶液および／または試薬を変えることができる。
【００５０】
以前に、光学力を使用して、粒子の位置および動きを操作することができることが示されている。例えば、それぞれ参照により全体として本明細書に組み込まれる米国特許出願公開公報第2011/0039730号および第2012/033915号ならびに国際出願公開公報第WO/2012/048220号は、粒子の位置および動きを操作するために使用することができる様々な装置および方法を記載している。十分な強さの光学力を発生させることにより、タンパク質および他のナノ粒子を一つの物理的位置にトラップすることが可能である。したがって、光トラッピングは、化学的固定化または他の分子／物質の使用に取って代わって、特定の物質を物理的位置に付着させることができる。
【００５１】
物質が光トラップ内に捕捉されたならば、新たな試薬を導入し、捕捉された物質と相互作用させることができる。任意の所与の時点で、トラップをオフにすることができ、物質は自由に拡散し、流れによって駆逐される。したがって、光トラッピングを使用して、物質の性質を単独で、または他の試薬の存在において研究することができる。本明細書に記載される態様は、光トラップの中または上にトラップされる物質を参照し得る。分子、化合物、酵素、タンパク質、ペプチド、有機分子、無機分子、核酸分子などの物質に加えて、粒子または他の物質、例えばナノ粒子もしくはマイクロ粒子（例えば量子ドット、ナノチューブ、マイクロスフェア）も光トラップによってトラップすることができる。これらの粒子は、プラスチック（例えばポリスチレン）で構成されたのち、別の物質でコートされ得る。したがって、「物質」という語が使用されるところで、これら他のタイプの粒子を使用し、かつ代用することもできる。加えて、本明細書に記載される方法にしたがって、生体粒子とも呼ばれ得るウイルス、ウイルス様粒子、細菌、ベクター、細胞、リポソームなどをトラップし、かつ操作することもできる。トラップすることができる他のタイプの物質はリポソームまたはリポソーム構造を含む。したがって、「光トラップされた物質」という語は、本明細書および他で記載されるような光トラップを使用して光トラップすることができる任意の分子、化合物、組成物、粒子または生物学的組成物をいう。
【００５２】
本明細書に提供される態様は、物質を研究するために従来から使用されている方法に対して有意かつ予想外の利点を有する。例えば、以前には、物質は、架橋により、または別の物質（例えば抗体）に直接結合させることにより、プレートに付着させることができた。しかし、これら従来の付着方法は、研究される天然物質の性質に影響する。例えば、研究される物質の動きおよび表面積を制限して、物質はもはや溶液中のようには挙動しなくなる。例えば、物質の動きが劇的に制限され、立体障害のせいで物質の一部が隠される可能性があり、物質が変性する可能性があり、物質が部分的に遮断または誤配向される可能性があり、物質が、表面へのその近接から多様な電気的力を受ける可能性がある。
【００５３】
したがって、光トラッピング以外のトラッピング法に依存する従来から使用されている方法は、性質の変化、機能性の低下、および／または性能の低下を生じさせる可能性がある。光トラッピングは、研究される物質の性質の変化、機能性の低下、および／または性能の低下を生じさせないため、本明細書に記載される態様は、これらの欠点を解消し、かつより優れた方法を提供する。光トラップされた物質は、溶液中でも自由に動き回るので、より生理学的な性質において挙動するため、より良好な性能を有する。
【００５４】
したがって、いくつかの態様において、本明細書および特許請求の範囲に記載される以下の方法が提供される。記載される方法は、固定化を具体的に調整するために最適化をほとんどまたは全く必要とせず、固定化される物質またはタンパク質に関する事前知識をほとんどまたは全く必要としないため、以前に記載されている方法に対して利点を有する。例えば、多くの場合、タンパク質の特定の領域を表面から離して正しく配向させるためには、表面コンジュゲート化をタンパク質上の特定の部位に標的化することが望ましい。対象表面が露出していない、かつ化学的付着によって隠されているならば、表面を研究するアッセイを実施することはできない。これは、化学的方法を使用して物質を特定の位置に付着させる場合には、ケースバイケースで決定されなければならない。対照的に、光トラッピングは関心対象表面を十分に露出させるため、アッセイを実施することができるかどうかを決めるために、物質の光トラッピングはケースバイケースで実施される必要はない。本方法は、光トラッピングを使用して物質を捕捉することができるという条件で、任意の物質とともに使用することができる。
【００５５】
本方法はまた、以前の方法に対して他の有意な利点を有する。例えば、以前の方法において、物質の固定化は、数多くの労働および時間集約的な工程を要する。例えば、これらの工程は、表面または物質を活性化することを含み得る。対照的に、光トラッピングを使用して物質を特定の位置に固定化することは、単一の工程で実施することができる。表面が化学的または他の手段によって活性化される必要はない。いくつかの態様において、光トラッピングは、表面を活性化するために化学的工程を要しない。いくつかの態様において、物質を表面に光トラップすることは、物質をトラップするために表面を結合パートナー（例えば抗体）でコートすることを要しない。光トラップの場合、物質は、レーザまたは光パワー源をオンにすることによって表面に固定化される。レーザまたは光パワー源がオンにされたならば、物質はその位置に固着される。特定の態様において、物質を固定化するために、レーザは特定の波長にチューニングされる。
【００５６】
本明細書において使用される「固着された」または「固定化された」という語は、特定の位置に保持されることができる物質をいう。物質は、一時的に固着されることもできるし、または永久的に固着されることもできる。加えて、物質は、物質が向きを変えることを許すやり方で、光トラップ上の特定の位置に固着されることができる。物質を固着するとは、物質が、特定の位置に保持されるが、光トラップの拘束内でなおも動き得ることをいう。例えば、トラップデューティサイクルで光トラップされている物質は、それでも、光トラップに固着されているとみなされる。
【００５７】
以前の方法に対する記載される方法のもう一つの利点は、光トラップされた物質を、強い化学物質または他の試薬を使用することなく、トラップから容易に溶離（すなわち解放する）ことができることである。例えば、いくつかの態様において、光トラップされた物質は、その物質をトラップしているレーザまたは光パワー源をオフにすることによって解放される。特定の態様において、光トラップされた物質は、レーザを異なる波長にチューニングすることによって解放される。光学力が減少したならば、さらなる分析に備えて物質を溶離および／または精製することができる。対照的に、以前の方法においては、表面に化学的に取り付けられた物質は、強い化学物質、過酷な塩条件、酵素的切断または他の試薬を使用しない限り、解放することができない。光トラップされた物質を溶離または解放するために、これらの試薬を使用する必要はない。したがって、記載される本方法は、これらの利点のおかげで、トラップされた物質を解放、溶離または精製するための、より優れた方法を提供する。
【００５８】
いくつかの態様において、トラップされた物質の向きは固定されない。例えば、トラップデューティサイクルの使用によって光学力を変調することにより、物質が、特定の位置に固着されたまま、向きを変えることを許すことができる。これは、物質が化学的付着または別の結合パートナーへの結合のいずれかによってある位置にトラップされたならば、物質の向きは多少なりとも固定され、変化しない、以前の方法とは対照的である。対照的に、光トラッピングおよび光学力の変調は、物質を特定の位置に固着された状態に維持することができ、かつ、物質が向きを変えることを許すことができる。この利点は、物質が生理学的条件下で挙動する様子または物質が細胞環境中で挙動する様子をより良好に模倣する。
【００５９】
特定の態様において、光トラッピングは、異なる強さの様々な光トラップとともに使用することができる。したがって、光学力を変調することによって物質の複合体または混合物が表面上に光トラップされる場合、様々な物質を選択的に捕捉および／または溶離することができる。これは、以前に記載されている方法とは異なる。
【００６０】
記載される本方法は、他の検出法とともに使用することができる。検出法は、物質サイズ、分子組成、結合親和性、反応速度、酵素または他のプロセスの阻害または活性化などを計測するために使用することができる。他の検出法の例は、蛍光法、化学発光法、光散乱法、ラマン分光法、比色法、電気化学的方法、および表面プラズモン共振分光法を含むが、それらに限定されない。そのような例示的方法は、光トラップを含む装置もしくはシステムに組み込まれてもよいし（すなわちオンチップ）、または、外部的に結合されてもよい（すなわちオフチップ）。
【００６１】
本明細書に記載される方法およびアッセイ法の特定の態様を実施するために使用される材料は任意の光トラップであることができる。光トラップの例は、それぞれ参照により全体として本明細書に組み入れられる米国特許出願公開公報第US2011/0039730号および第US2012/033915号ならびに国際出願公開公報第WO/2012/048220号に記載されている。例示的な光トラップはフォトニック構造および／または光共振構造を含み得る。例えば、フォトニック構造は、光ファイバ、フォトニック導波路、スロット導波路、プラズモンピンセット、およびこれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。光共振構造は、フォトニック結晶共振器、リング共振器、トロイダル共振器、およびこれらの組み合わせを含むが、それらに限定されない。一つの態様において、光トラップは、関心対象物質または粒子を光トラップするためのエバネッセント場を発生させる近接場光学構造を含む。本明細書において使用される光トラップは、他のやり方では小さすぎてトラップすることができないであろう物質を含む、任意のサイズまたは形状の物質をトラップすることができる。
【００６２】
一つの態様において、本発明の方法において使用される光トラップは、任意の一つの寸法に1μm未満のサイズを有する物質をトラップまたは固定化することができる。一つの態様において、本発明の方法において使用される光トラップは、任意の一つの寸法に500nm未満のサイズを有する物質をトラップまたは固定化することができる。一つの態様において、本発明の方法において使用される光トラップは、任意の一つの寸法に100nm未満のサイズを有する物質をトラップまたは固定化することができる。一つの態様において、本発明の方法において使用される光トラップは、任意の一つの寸法に10nm未満のサイズを有する物質をトラップまたは固定化することができる。
【００６３】
一つの態様において、光トラップは一つまたは複数のスロット導波路を含む（US2012/0033915）。簡潔にいうと、スロット導波路は、有意に高い屈折率の二つの壁の間に挟まれた相対的に低い屈折率のナノスケールスロットを含む。レーザがスロット内に光を提供し、その光が、スロット内またはスロットの側面上に分子または粒子を固定化するための光トラッピング力を発生させる。別の態様において、光トラップは、一つまたは複数のフォトニック導波路の近くに配置された一つまたは複数のフォトニック結晶共振器を含む。共振波長にチューニングされた導波路内の光が共振器にエバネッセント結合され、フォトニック結晶共振器またはその近くに集中した光トラッピング力を発生させる（WO2012/048220）。一つの態様において、共振器は導波路と整列する状態に配置される。この場合、光がエバネッセント結合するように共振器を導波路に近接させて配置するのではなく、導波路そのものが、その材料の中に直接内蔵された共振器を有する。本明細書には、導波路および／またはフォトニック結晶共振器を使用する特定の態様が例示されるが、当業者は、任意の適当な光トラップを本発明の方法において利用することができることを理解するであろう。
【００６４】
光トラップはパワー供給システムによってパワーを供給されることができる。パワー供給システムはレーザまたは他のタイプの光学力であることができる。一つの態様において、レーザのパワーは、1〜1000mWであるように構成される。別の態様において、レーザのパワーは、10〜100mWであるように構成される。特定の態様において、レーザのパワーおよび／または光の波長が、トラップされた物質のサイズまたはサイズ範囲を決定する。例えば、一つの態様において、レーザのパワーは、特定の範囲の物質だけが光トラップによってトラップされ、一方、その範囲よりも大きいまたはその範囲よりも小さい物質はトラップをすり抜けるようにチューニングされる。
【００６５】
光トラップはまた、一つまたは複数の分子および粒子が光トラップに送られるような流体送達システムと組み合わせることができる。これは、流体チャネルまたはフローセルを用いて実施することができる。例えば、一つの態様において、光トラップおよび流体送達システムは単一のチップ上に含まれる。別の態様において、光トラップは、流体送達システムを含むチップに適用される。
【００６６】
いくつかの態様においては、関心対象物質（すなわち分子または粒子）を光トラップと接触させて物質を固定化する。光トラップは、物質を光トラップと接触させる前または接触させた後でオンにすることができる。一つの態様において、物質は、物質を光トラップの上に流すことにより、光トラップと接触させる。任意の方法を使用して物質を光トラップの上に流すことができる。例えば、任意のフルイディックスシステムを使用することができる。例えば、シリンジを使用して物質を光トラップの上に塗布することができる。しかし、自動化することができるような、より洗練されたシステムを使用することができる。
【００６７】
いくつかの態様においては、物質を運ぶ流体の流量を変化（例えば増減）させることができ、それが、光トラップからの特定の物質のトラッピングまたは溶離を容易にすることができる。加えて、分けられたチャネルを使用することにより、様々な溶液を様々なトラップにおいて使用することができる。流れを使用して、物質が光トラップされる方法に影響することができる。別の態様においては、流れを使用して、複数の物質を含む流体からどの特定のタイプの物質が光トラップされるのかに影響することができる。例えば、一つの態様において、流れは、特定の範囲の物質だけが光トラップによってトラップされ、その範囲よりも大きいまたはその範囲よりも小さい物質はトラップをすり抜けるようにチューニングされる。
【００６８】
関心対象粒子または物質が光トラップされる方法に影響するために、圧力駆動フロー、電磁駆動フロー、界面動電駆動フロー、毛管駆動フロー、フローフォーカシング、フロー接触、異なるチャネル形状寸法を含むが、それらに限定されない多数の異なるフロースキームを使用することができる。
【００６９】
いくつかの態様において、流体送達スキームは、一つまたは複数の入口および一つまたは複数の出口を含むことができる。加えて、様々な流体を正確に計量し、トラッピング領域に送るために、マイクロ流体回路を設けることができる。各入口およびチャネルが、別々の試薬またはプロセス試薬を送って、例えば濃度勾配をマイクロ流体的に生成することができる。
【００７０】
本明細書に記載されるように、トラップは、関心対象物質を含有する試料を導入する前にパワーを供給されることもできるし、または試料が導入された後でオンにされることもできる。トラップはまた、制御可能なデューティサイクルがあるようにパルス化または変調されることもできる。すなわち、何らかの周期性にしたがってパワーを高速でオン／オフすることができる。したがって、トラップは、何らかの頻度でオン状態とオフ状態との間で交番する。トラップのパワーはまた、単に、トラップに送られる光パワーを減らすことにより、偏光を調節することにより、または光の波長を変更することにより、変調することもできる。また、より小さな物体をトラップするようにトラップのパワーを調節することもできる。必要である力の量は、当業者が本開示を考慮して決定することができる。いくつかの態様において、パワーは、物質が表面に付着することを防ぐために（例えば表面電荷および他の表面効果を回避するために）パルス化することができる。
【００７１】
トラップすることができる物質の例は、タンパク質、粒子（例えばポリスチレンまたは他のプラスチック）、生体粒子、酵素、ヌクレオチド配列（DNA、RNA、mRNAなど）、有機分子、無機分子などを含むが、それらに限定されない。物質は、光トラップによってトラップすることができる任意の関心対象物質であることができる。
【００７２】
いくつかの態様において、方法は計測システムまたは計測検出装置を使用する。例えば、光トラップを公知の装置および技術と組み合わせて、トラップされた分子を調べて、そのサイズ、組成、活性、結合親和性、反応速度、酵素または他のプロセスの阻害または活性化などを測定し得る。例示的な装置は、蛍光顕微鏡、蛍光検出器、蛍光分光計、光散乱検出器、光学センサ、ラマン顕微鏡、ラマン分光計、分光計、フォトダイオード、電荷結合素子（CCD）、相補型金属酸化膜半導体（CMOS）カメラ、スペクトラムアナライザ、干渉計、エリプソメータ、積分球、および光電子増倍管を含むが、それらに限定されない。
【００７３】
いくつかの態様において、光トラップは、表面をブロックまたは官能化するための作用物質で処理される。いくつかの態様において、光トラップは、表面を官能化するための作用物質で処理されない。いくつかの態様において、光トラップは、表面をブロックするための作用物質（例えばBSA、ゼラチンなど）で処理されない。
【００７４】
いくつかの態様においては、複数の光トラップを同じ基材上で同時並行的または異なるときに使用することができる。
【００７５】
いくつかの態様においては、物質が光トラップされたのち、される前またはされるのと同時に、さらなる試薬をシステムに導入して、システムの壁またはトラップされた物質そのものと相互作用させることができる。これらの試薬は、光トラップシステムにおいて使用することができる任意の試薬であることができる。非限定的な例は、のちの試薬が、トラップされた物質に結合し得る、または結合し得ない小分子、トラップされた物質に結合し得る、または結合し得ないさらなる粒子に非特異的に結合しないように表面をパシベート処理するためのブロッキング緩衝液、非捕捉粒子を除去するための洗浄緩衝液、新たな緩衝液または溶液、連続的に変化する緩衝液（塩濃度、pH、緩衝液成分の濃度において変化する）などを含む。
【００７６】
一つの態様において、方法は、トラップされた粒子に対するそれらの影響を評価するために一つまたは複数のさらなる粒子（例えば生体粒子、タンパク質、有機分子、無機分子、核酸分子など）を含むさらなる試薬の適用を含む。一つの態様において、さらなる試薬は、トラップされた物質のサイズまたは活性に影響し得る、または影響し得ない一つまたは複数のさらなる粒子を含む。一つの態様において、これらの粒子は、トラップされた物質に結合し、かつ一時的または永久的な複合体または凝集体を形成することができる。いくつかの態様において、さらなる粒子は、トラップされた物質を凝集させる／複合体を形成させる、またはトラップされた物質をより小さな成分またはサブユニットに解離させることができる。
【００７７】
例えば、一つの態様において、本発明の方法は、さらなる試薬が化合物のライブラリからの試験化合物を含み、光トラップを使用して、その試験化合物がトラップされた物質の性質に影響するかどうかを評価する、スクリーニング法を含む。
【００７８】
一つの態様において、加えられる粒子は、トラップされた物質の活性を変化させることができる。例えば、一つまたは複数のさらなる粒子の存在において、トラップされた物質の活性を活性化し、不活化し、阻害し、上方制御し、下方制御することができる。さらなる粒子は、例えば、化合物のライブラリからの試験化合物であることができ、トラップされる物質は酵素であることができる。したがって、試験化合物の存在または非存在において酵素の性質を計測して、それが酵素の性質および機能に影響するかどうかを判定することができる。
【００７９】
物質の活性は、信号を検出することによって計測することができる。信号は、視覚的、比色的、蛍光、放射性などであることができる。任意の検出可能な信号を使用することができる。
【００８０】
いくつかの態様においては、トラップされた物質を溶離させる。トラップされた物質は、光トラップをオフにすること、光トラップのパワーを変調させること、または光トラップのレーザを異なる波長にチューニングすることにより、溶離させることができる。溶離はまた、トラップされた物質に結合している他の化合物を溶離させ得る。そして、溶離させた、トラップされた粒子または複合体を分析する、または他のやり方で操作することができる。
【００８１】
いくつかの態様においては、トラップされた物質の環境を変える。いくつかの態様においては、トラップされた物質の温度を変化させる。いくつかの態様においては、トラップされた物質を光（任意の波長）、放射線、電場、ガスまたは他の試薬に暴露して、物質の環境を変化させる。トラップされた物質はまた、物質をトラップしている場を変調することにより、特定の期間、トラップされることができる。
【００８２】
記載される方法は、多くの方法および用途のために使用することができる。例えば、トラップされた物質の存在、溶液中、トラップされた物質への試薬／化学物質／タンパク質／分子などの結合／結合解除の速度、トラップされた物質の反応速度；トラップされた複合体の解離；トラップされた物質のサイズ；トラップされた物質の組成；物質の拡散係数計測をすべて計測することができる。計測は、例えば、フォトルミネセンス法（例えば蛍光法）；化学発光法；比色法；分光法；外部システムの使用；チップ上に組み込まれたシステムの使用；電気機械的方法；または任意の物理的、化学的、生物学的、光学的もしくは電気的方法によって実施することができる。
【００８３】
いくつかの態様においては、対照が使用される。また、異なる粒子または他の対照手段を有する他のトラップから対照計測値をとることができる。バックグラウンドまたは対照目的のために、チップ上の他の位置から計測値をとることができる。いくつかの態様においては、粒子がトラップされている間、トラップされた粒子に関して計測は実施されなくてもよい。
【００８４】
トラップされた物質の調査
一つの態様において、本発明の方法は、物質を調べて物質の性質を決定する工程を含む。一つの態様において、物質はトラップされる。本方法によって達成可能である物質の例示的な性質は、サイズ、量、組成、濃度、屈折率、および密度を含むが、それらに限定されない。本明細書の他のところに記載されるように、物質は、近接場光を使用して調べられ得る任意の適当な物質であり得る。例示的な物質は、酵素、タンパク質、小分子、有機分子、無機分子、核酸分子、ナノ粒子、マイクロ粒子、マイクロスフェア、量子ドットなどを含むが、それらに限定されない。一つの態様において、方法は、混合物中の特定の物質の存在および／または性質を決定するために使用される。例えば、一つの態様において、方法は、他の方法では決定することがほぼ不可能であろう汚染物質の存在および／または性質を評価するために使用される。
【００８５】
特定の態様において、本発明の調査法は、一つまたは複数の光トラップを利用して物質をトラップまたは固定化する。例えば、一つの態様において、関心対象物質を含む溶液をトラップの付近に塗布する。物質がトラップされたならば、一つまたは複数の検出機構を使用して、トラップされた物質に関する情報を得る。光トラップがトラッピング力を発生させて、物質を正確な既知の位置に固定化する。したがって、計測技術は、高度に特異的かつ高感度な計測を与える光トラップに集中させる、狙いを定める、またはその近くに構築することができる。物質を定位置にトラップすることが計測（積分）時間の増大を可能にする。物質をより長い時間にわたり計測することは、選択された検出機構の感度を高める。この方法は、単一の物質の高度に特異的かつ高感度な計測を可能にする。
【００８６】
本明細書の他のところに記載されるように、光トラップは、フォトニック導波路、フォトニック結晶共振器、スロット導波路、およびフォトニックピンセットを含むが、それらに限定されない近接場光学構造を含み得る。一つの態様において、方法は、近接場光学構造そのものからの光を使用して粒子を調べる工程を含む。別の態様において、方法は、外部光源からの光（すなわち、近接場光とは別の）をトラップされた物質に適用して物質を調べる工程を含む。別の態様においては、近接場光トラップの影響下、トラップされた物質の運動を基本的な物質の性質に相関させる。運動を多様な手段によって計測して、これらの性質を解明することができる。
【００８７】
光トラップからのインテロゲーション光を使用する、トラップされた物質の調査
一つの態様において、近接場光を使用して、関心対象物質を調べることができる。特定の態様において、近接場光は光トラップからの光である。特定の態様においては、近接場光を使用して、トラップされた物質を調べる。いくつかの態様において、光共振器が使用されるならば、トラッピング力は増強する。特定の態様において、トラップからの光の使用は有利である。理由は、この光は非常に限定的であり、かつエバネッセント波内の物質だけがこの調査に供されるからである。エバネッセント場は非常に厳しく狭く限定されているため、一般に、近くの粒子が計測に干渉することはなく、したがって、トラップされた物質に非常に特異的であることができる。これは、方法を非常に特異的にすることができる。さらに、SN比に関する利点もある。インテロゲーション光は主として導波路内に封じ込められるため、トラップされた物質の周囲にはバックグラウンド光が少なく、それにより、バックグラウンドに対する信号の比が改善する。
【００８８】
図1は、光トラップからのインテロゲーション光を使用して、トラップされた物質を調べる方法の例示的な模式図を示す。図示するように、トラップされた物質20を固定化するために、光トラップ10が使用されている。一つの態様において、光トラップ10は導波路である。本明細書の他のところに記載されているように、本発明に使用される例示的な光トラップは、スロット導波路の狭いスロット内に光を提供するように配置されたレーザを使用して、物質20をトラップするためのエバネッセント場を発生させる。図1に示す方法においては、光トラップ10から出る光である近接場光30を使用して物質20を調べる。一つの態様においては、物質20によって生じる散乱光40の量を計測することによって物質20の性質を測定する。光トラップ10のエバネッセント場内の物質20の存在は、光のいくらかを散乱によって遠方場光に変換させ、この遠方場光が伝搬し、一つまたは複数の検出器50に到達する。より大きな物質はより多くの光を散乱させ、一方、より小さな粒子はより少ない光を散乱させる。一つの態様において、検出器50は、光トラップ10および任意で流体送達システムを含むチップ上に配置される。別の態様において、検出器50はオフチップである（すなわち、光トラップ10と同じチップ上には位置しない）。
【００８９】
レイリー（Rayleigh）散乱（物質が入射波長よりもずっと小さい）にしたがって、物質散乱断面（σs）は次式によって求められる。
2015517663.tif 000003
式中、λは波長であり、nは粒子の屈折率であり、dは物質の直径である。したがって、散乱断面は物質直径の6乗と対応する。例えば、0.2μmの物質および0.1μmの物質（例えば、異なるサイズの二つのウイルス）が光トラップの付近に来ると仮定すると、大きい方の物質は小さい方の物質よりも約64倍多く散乱する。したがって、散乱断面の計測は非常にサイズ選択的である。さらに、散乱断面は（1/λ）4にも対応するため、散乱断面によって物質を区別する能力は、特定の態様において、波長を最適化することによって増強され得る。例えば、NIRレーザ（1064nm）の代わりに緑色レーザ（532nm）を使用して精査するならば、物質において約16倍の多さの散乱が得られる。
【００９０】
特定の態様においては、散乱光を使用して、トラップされた物質から分光法またはラマン分光法信号を得る。例えば、分光計によって散乱光を捕捉し、検出する。特定の態様において、分光法信号は、トラップされた物質がどのタイプであるのかを決定するために使用される。例えば、特定の態様において、信号は、物質がタンパク質であるのか、小分子であるのか、金属汚染物質であるのか、などを決定するために使用される。いくつかの態様において、信号は、物質がタンパク質凝集体であるかどうかを決定するために使用される。
【００９１】
一つの態様において、物質の性質は、導波路からの出力光を計測することによって測定される。導波路に沿って誘導される光は物質の存在のせいで変性する。より大きな粒子は、導波路と共により大きな相互作用長を有することにより、より多くの光を散乱させ、その結果、導波路から出る光を少なくする。特定の態様において、光共振器が使用される場合、共振器の近くの物質の存在は、その存在が局所屈折率を劇的に変化させるため、共振波長をシフトさせる。散乱光によるパワー低下および共振波長のシフトはいずれも出力において計測することができる。共振シフトは、入力レーザ波長を掃引し、かつ共振器を通過した後の光を捕集し、次いでパワースペクトルを構築することによって計測することができる。一つの態様において、パワー変化は、単一の波長を使用して出力において観察される。別の態様において、多くの波長が同時に入力される。
【００９２】
特定の態様においては、物質を調べるために、光トラップからの近接場光を使用することが有利である。理由は、外部光源を使用する遠方場法に比べて、高いシステムコストをこうむったり、安全性の問題に遭遇したり、試料を損傷したりすることなく、エネルギーをより強くすることができるからである。この導波路ベースの調査法は光エネルギーを大きく封じ込め、かつ増幅するため、より安全でより低パワーのレーザを使用することができる。対照的に、外部光源を用いてより大きな面積を同様な量のエネルギー密度に暴露することは、よりパワフルなレーザを必要とし、それは、より高価かつ、おそらくは、精査される物質およびユーザにとってより危険である。その結果、特定の態様において、この相互作用は、遠方場法を用いるものよりも効率的である。さらに、スケーリング則のせいで、より小さな光点は、より大きな光点よりも熱を容易に放散させる。外部光源からの遠方場光を用いて試料を調べ、同じ光学エネルギー密度を達成することは、試料を損傷する、計測をゆがめる、または装置そのものを害する可能性もある、より多くの加熱を生じさせるであろう。
【００９３】
外部光源からのインテロゲーション光を使用する、トラップされた物質の調査
一つの態様において、方法は、外部（すなわちオフチップ）光源からのインテロゲート光を物質に適用する工程を含む。特定の態様において、物質は、本明細書に記載されるようなトラップされた物質である。流体中に懸濁した小さな粒子はブラウン運動によってランダムに動き回る。しかし、本明細書に記載される方法および装置を使用する特定の態様において、近接場光トラップに供される物質は、長期にわたり、既知の位置に限局化される。これは、動的システムにおいて他のやり方では達成し得ない期間にわたり、計測技術を粒子トラップに集中させる、狙いを定める、またはその近くに構築することを可能にする。これが、より高い感度のために時間平均または積分することができる高度に特異的な計測を可能にする。
【００９４】
図2は、外部光源からのインテロゲート光を使用してトラップされた物質を調べる方法の例示的な模式図を示す。図示するように、トラップされた物質120を固定化するために光トラップ110が使用されている。この方法においては、光トラップ110からの近接場光130の代わりに外部光源からのインテロゲート光160を使用して物質120の性質を測定する。特定の態様において、インテロゲート光160は、集束レンズ170の使用によって物質120上に集束させる。例えば、一つの態様において、方法は、従来的に集束されるレーザ（導波路に結合されるレーザとは違って）を使用してトラッピング領域を調べる。散乱光140は検出器150によって捕集され、計測される。いくつかの態様において、検出器150は分光計である。トラップされた物質120は、アクティブに解放されるまでトラッピング領域内に留まって、信号を収集することを可能にする。ときおり、トラップされない物質がインテロゲーション領域に出入りし得るが、計測全体にはずっと小さな時間平均影響しか及ぼさない。
【００９５】
この方法はまた、マイクロまたはナノ構造化された感知法を局所的に使用して利用することができる。例えば、一つの態様において、方法は、光トラップの近くにパターン化されたいくつかの電極からなることができる電気化学センサを使用して、トラップされた粒子の性質を検出する工程を含む。他の例示的な感知法は、光学的方法、音響的方法、機械的方法、熱的方法などを含むが、それらに限定されない。
【００９６】
物質の位置および動きを使用する、トラップされた物質の調査
一つの態様において、物質の性質は、物質の動きを計測することによって測定される。例えば、特定の態様において、性質は、トラップされた物質の動きを計測することによって測定される。トラップ内の物質の動きは、そのサイズ（サイズの3乗）に強く依存し、より低い程度に、その屈折率（屈折率の1乗）に依存する。したがって、いくつかの態様において、方法は、物質の動きを観察し、追跡して物質の性質を正確に推定する工程を含む。より大きな物質はより小さいブラウン運動を示し、かつまた、光トラップによってより強く保持される。両方の効果は、トラップ内の物質運動を減らすように働く。逆に、より小さい物質はより大きいブラウン運動を示し、かつ光トラップによってより弱く保持される（図3）。トラップそのものは、別々の制限を有しないが、光学構造から離れて延びるトラッピング力の勾配と考えることができる。所与の光パワーの場合、より大きな粒子は、より小さな粒子に比べ、その時間のより多くの割合をトラップの中心の近くで費やす。
【００９７】
物質運動は、当技術分野において公知の任意の方法によって観察し、かつ追跡することができる。例えば、一つの態様において、物質運動は、物質上の検出可能な標識（すなわち蛍光タグ）の追跡によって観察され、かつ追跡される。別の態様において、物質運動は、導波路の出力から出る光を観察することによって観察され、かつ追跡される。物質と近接場光トラップとの相互作用が、（1）光の散乱、（2）導波路から出るパワーの量の減少、および／または（3）光共振器（使用されているならば）の共振波長のシフトを生じさせる。物質がトラップに近ければ近いほど、効果は大きくなる（すなわち、光の散乱、パワー損失、および共振シフトが増す）。
【００９８】
トラップ内の物質の動きは、交互に粒子を共振器に近づけ、次に共振器から離れさせて、それぞれ相互作用効果を増大させ、次に減少させる。一つの態様において、方法は、トラップ内の物質運動を観察するのに十分な期間、出力における光を計測する工程および少なくとも一つの粒子性質、例えばサイズ、密度または質量を計算する工程を含む。
【００９９】
これらの計測の物理は、トラッピング力、流体粘性力およびブラウンエネルギーによって支配される。光勾配力とも知られるトラッピング力は次式によって求められる。
2015517663.tif 000004
式中、cは光の速度であり、I0は入射光強度であり、α= 3V(ε-εm)/(ε+2εm)であり、Vは粒子体積（代表寸法サイズの3乗に比例する）であり、εpおよびεmはそれぞれ粒子および材料の誘電率である。
【０１００】
流体粘性力は次式によって求められる。
Fd＝6πμRv
式中、μは粘度であり、Rは物質の代表寸法であり、vは物質の速度である。
【０１０１】
ブラウンエネルギーはkbTによって求められ、式中、kbはボルツマン定数であり、Tは流体の温度である。
【０１０２】
安定なトラップの場合、Fgrad>FdかつFgrad>ブラウン運動である。本明細書に記載されるトラップがこの方法で作動するように設計されているならば、より大きな粒子の場合、R3のスケーリングのせいでトラッピング力は大きく増強する。したがって、より大きな物質は、より長い期間、よりトラップの中心近くに留まるが、一方、より小さい物質は、より大きい物質よりもトラップの中心から遠いところでより多くの時間を費やす。したがって、一つの態様において、方法は、物質サイズを測定するために、トラップの中心に対する物質の位置を観察する工程を含む。物質サイズは、例えば、既知のサイズの物質または粒子の相対位置のデータベースを参照することによって測定することができる。したがって、特定の態様においては、未知の物質のサイズを逆算するために、トラップされた未知の物質の相対位置の観察をデータベースとともに使用する。別の態様において、トラップされた物質の位置の観察および追跡は、トラップされた粒子の一つまたは複数の誘電性の測定を可能にする。
【０１０３】
アッセイ法
本発明はまた、光トラップを使用して物質間の関係をアッセイする方法を提供する。例えば、一つの態様において、方法は、一つまたは複数の物質が、トラップされた物質に結合し得るのか、結合し得ないのか、および／または、いかにして結合し得るのか、結合し得ないのかを評価することを可能にする。別の態様において、方法は、一つまたは複数の物質が、トラップされた物質のサイズ、組成または活性を変化させ得るのか、変化させ得ないのか、および／または、いかにして変化させ得るのか、変化させ得ないのかを評価することを可能にする。例えば、トラップされた物質は、タンパク質、核酸、粒子、タンパク質でコートされた粒子、小分子などであり得、一方、トラップされた物質に適用される一つまたは複数の他の物質は、タンパク質、核酸、粒子、タンパク質でコートされた粒子、小分子、化合物、イオンなどであり得る。
【０１０４】
一つの態様において、本発明は、一つまたは複数の他の物質へのトラップされた物質の結合を評価する方法を提供する。物質のトラッピングは、結合親和性、結合反応速度、解離反応速度、結合化学量論比などの測定を可能にする。いくつかの態様において、トラップされた物質に適用される一つまたは複数の他の物質はライブラリからの試験化合物を含む。
【０１０５】
特定の態様において、方法は、関心対象物質を光トラップに適用して、トラップがその物質を指定の位置またはその近くに固定化またはトラップし、それによってトラップされた物質を提供するようにする工程を含む。次いで、一つまたは複数の他の物質へのトラップされた物質の結合を評価するために、一つまたは複数の他の物質をトラップされた物質に適用する。例えば、特定の態様において、一つまたは複数の他の物質は溶液中に提供され、かつ流体送達システムを使用して、トラップされた物質に適用される。本明細書の他のところに記載されるように、一つまたは複数の他の物質を含む溶液の流れは、最適なアッセイ条件を提供するために特異的に制御またはチューニングされ得る。
【０１０６】
特定の態様において、アッセイ法は、検出可能な標識または検出可能なタグで標識されている一つまたは複数の物質の使用を含む。一つの態様において、関心対象物質（すなわち、トラップされた物質）は検出可能な標識で標識される。別の態様において、一つまたは複数の他の物質（すなわち、トラップされた物質に後で加えられる物質）は検出可能な標識で標識される。別の態様において、トラップされた物質および一つまたは複数の他の物のいずれも検出可能な標識で標識される。検出可能な標識の使用は、トラップされた物質と一つまたは複数の他の物質との結合の検出および／または定量を可能にする。例えば、特定の態様において、方法は、FRET技術を使用して物質の結合および／または相互作用を計測する工程を含む。したがって、特定の態様において、方法は、検出可能な標識の量または検出可能な標識の変化を観察するための公知の検出法の使用を含む。当業者によって理解されるように、任意の公知の検出可能な標識を本方法に使用し得る。例示的な標識は、蛍光標識、放射性標識、強磁性標識、常磁性標識、発光標識、電気化学発光標識、リン光標識、質量標識、ラマン標識、分子ビーコン、アップコンバートリン光体、有色標識などを含むが、それらに限定されない。
【０１０７】
一つの態様において、トラップされた物質および／または一つまたは複数の他の物質は蛍光標識で標識される。蛍光標識の非限定的な例は、緑色蛍光タンパク質（GFP）、シアン色蛍光タンパク質（CFP）、黄色蛍光タンパク質（YFP）、赤色蛍光タンパク質（RFP）、オレンジ色蛍光タンパク質（OFP）、eGFP、mCherry、hrGFP、hrGFPII、Alexa 488、Alexa 594などを含む。蛍光標識はまた、光変換型、例えばキンドリング赤色蛍光タンパク質（KFP赤）、PS-CFP2、Dendra2、CoralHue Kaede、およびCoralHue Kikumeであり得る。特定の態様において、方法は、トラップされた物質の部位から放出される蛍光波長の強度、強度の変化、および／またはシフトを測定するための検出器の使用を含む。本方法における使用に適した検出器は当技術分野において周知であり、かつ蛍光検出器、蛍光顕微鏡、蛍光分光計などを含むことができるが、それらに限定されない。
【０１０８】
図4は、一つまたは複数の物質を互いに結合させるための光トラッピングの非限定的な例を示す。図4においては、ストレプトアビジンがそのトラッピング領域の表面に光トラップされる。任意の非結合ストレプトアビジンは洗い流すことができ、一方、光トラップされたストレプトアビジンが残る。次いで、結合パートナー（例えばビオチン）をストレプトアビジンと接触させることができ、従来の検出法を使用して結合を計測またはモニタすることができる。
【０１０９】
別の態様において、本発明は、一つまたは複数の他の物質によるトラップされた物質の変化を評価する方法を提供する。例えば、一つの態様において、トラップされた物質は凝集体であり、方法は、一つまたは複数の他の物質がトラップされた凝集体の解離を誘発する程度を決定する工程を含む。凝集体の解離は、例えば、トラップされた凝集体上の検出可能な標識によって提供される検出可能な信号の損失によって決定され得る。または、凝集体の解離は、本明細書の他のところに記載される調査法の一つまたは複数を使用して凝集体のサイズを時間とともに測定することによって決定され得る。
【０１１０】
別の態様において、一つまたは複数の他の物質がトラップされた物質の活性を変化させる程度を決定する工程を含む。例えば、一つの態様において、トラップされた物質は酵素であり、その活性が、酵素に反応体を提供し、産物産生速度を計測することによって測定される。特定の態様において、方法は、トラップされた酵素に流体を提供する工程および酵素産物産生が変化する程度を決定する工程を含む。特定の態様において、トラップされた酵素に提供される流体は、タンパク質、核酸、小分子などを含む。別の態様において、トラップされた酵素に提供される流体は、酵素活性を変化させ得る、または変化させ得ない、変化した性質（すなわちpH、浸透圧モル濃度）を有する。
【０１１１】
別の態様において、本発明は、試料中の物質の存在を検出する方法を提供する。例えば、方法は、光トラップを使用して抗体または抗体でコートされた粒子を固定化する工程、および、関心対象物質を含み得る、または含み得ない試料をトラップされた抗体に提供する工程を含む。この方法は、特定の場合に例えば特定のバイオマーカの存在を判定するために使用され得るイムノアッセイ法を提供する。
【０１１２】
システム
本発明は、物質調査のためのシステムおよび装置を提供する。一つの態様において、システムは、関心対象物質をトラップするための光トラップおよび一つまたは複数の検出器を含む。特定の態様において、光トラップは、フォトニック導波路、フォトニック結晶共振器、スロット導波路、およびフォトニックピンセットからなる群からの少なくとも一つの構造を含む。特定の態様において、検出器は、蛍光顕微鏡、蛍光検出器、蛍光分光計、光散乱検出器、光学センサ、ラマン顕微鏡、ラマン分光計、および分光計からなる群より選択される計器である。一つの態様において、システムは、光エネルギーを光トラップに提供するためのレーザを含む。一つの態様において、システムは、関心対象物質および／または他の物質を光トラップに提供するための流体送達システムを含む。一つの態様において、システムは、光トラップのトラッピング領域にインテロゲート光を提供するための光源および集束レンズを含む。特定の態様において、システムはさらに、コンピュータまたは他のハードウェアを、システムコンポーネントをプログラムおよび／または制御するのに適したソフトウェアとともに含む。一つの態様において、光トラップ、流体送達システム、および少なくとも一つの検出器はすべて単一のチップ上に配置されている。特定の態様において、光トラップを含むチップはさらに、少なくとも一つのオンチップセンサを含む。例示的なオンチップセンサは、水晶振動子マイクロバランス、カンチレバー、電気化学センサ、音響センサ、熱センサ、インピーダンスセンサ、およびウィスパリングギャラリーモード光学センサを含むが、それらに限定されない。
【０１１３】
一つの態様において、システムは複数の光トラップを含み、各トラップが、トラップされた物質の異なる特性決定を実施するようにチューニング可能である。一つの態様において、複数のトラップの各トラップは、異なるサイズの物質をトラップするようにチューニングされる。
【実施例】
【０１１４】
以下の実験例を参照することによって本発明をさらに詳細に説明する。これらの例は、例示のためのだけに提供され、別段指定しない限り、限定的であることを意図したものではない。したがって、本発明は、以下の実施例に限定されるものとは決して解釈されるべきでなく、むしろ、本明細書に提供される教示の結果として明らかになる任意およびすべての変形を包含するものと解釈されるべきである。
【０１１５】
さらに説明するまでもなく、当業者は、前記詳細な説明および以下の例示的な実施例を使用して、本発明を構成し、利用し、請求項に係わる方法を実施することができると考えられる。したがって、以下の実施例は、本発明の好ましい態様を具体的に指摘するものであり、本開示の残り部分を任意の方法で限定するものと解釈されてはならない。
【０１１６】
実施例1：マルチチャンバ粒子特性決定
薬学的製剤の製造は、多くの場合、出発原料、中間体および／または最終製剤内に望まれない汚染物質を含有する。そのような汚染物質の存在は、製品全体の有効性および安全性に影響する可能性がある。特定の技術は、直径2μmよりも大きい粒子汚染物質に関する情報を提供することが可能であり得るが、標準的な技術は、より小さな汚染物質の存在および／または性質を調べるには限りがある。
【０１１７】
本明細書に記載されるように、方法およびシステムにおいて光トラップを使用すると、（1）どれくらいの数の粒子が溶液中にあるのか、（2）それらの粒子はどれくらいのサイズか、および（3）それらの粒子は何で構成されているのか（例えばゴム、タンパク質、鋼、油）を決定することができる。
【０１１８】
最終薬学的製品内の小さな汚染物質の存在および性質を調査するために、製品の流体試料を、導波路ベースの光トラップを含むチャンバ中に装填する。この導波路を流体に暴露して、導波路から出る近接場光が溶液内の流体および粒子と相互作用することができるようにする。システムは3工程手法を使用し、各工程はマイクロ流体チップの異なるチャンバの中で達成される。「ノントラッピング分析」と呼ばれる第一の工程においては、粒子が導波路の近くを流れ、かつ近接場光と相互作用するが、トラップはされないとき、粒子を分析する。「スモールアンサンブル計測」と呼ばれる第二の工程においては、数多くの粒子を導波路によって実際に捕捉し、次いで分析する。「シングルパーティクル計測」と呼ばれる第三の工程においては、トラップを次の粒子のために順次に解放しながら数多くの個々の粒子を捕捉し、計測し、かつ解放する。
【０１１９】
ノントラッピング分析：
チャンバ1において、導波路のパワーは、付近の粒子をトラップしてしまうほど強い力をそれらに及ぼさない程度の低さである。例えば、約1.5の屈折率を有する直径0.2〜2μmの液体中の球形誘電性粒子の場合、粒子がトラップされないようにするためには約500V/μm2以下のトラップ勾配強度が必要である。その代わり、チャンバを通って流れる粒子は、ときおり、エバネッセント場と相互作用するのに十分なほど導波路の近くを通過し、次いで通過し続ける。エバネッセント場は指数関数的に減衰し、1064nmのTE偏光を運ぶ水中の窒化ケイ素導波路の場合、パワーの99％が導波路から200nm以内で消失する。粒子がエバネッセント場を通過する短い期間中、粒子は近接場光のいくらかを散乱させ、それにより、それを遠方場光に変換する。したがって、導波路からの近接場光は、粒子を調べるために使用される。近接場光とは異なり、この散乱した遠方場光は、長距離を移動し、光検出器によって容易に捕捉される。導波路を通過するときに汚染物質粒子によって散乱される光子を捕集するために、アバランシェフォトダイオードが使用される。例として、空気が澄んだ暗い夜に街灯の中でハエを観察する場合を考えてみる。ハエがいなければ、通りの反対側から光を見ることは困難である。理由は、光は地面に向けられ、空気の明澄さが多くの光の散乱を防ぐからである。光の中を通過する各ハエは、小さく明るい光点のように見える。ハエが大きければ大きいほど、より多くの光が散乱し、光点はより明るくなる。この分析においては、近接場光は遠方場光（例えば街灯または流体中に投射されるレーザ）に比べて非常に小さな相互作用深さを有するため、ずっと高い精度が達成され、したがって、頻繁に二つの粒子を偶然に一度に調べることなく、より高い汚染物質濃度の溶液を検査することができる。エバネッセント場の中に通過する各粒子は、検出器に到達する光子の短時間のスパイクを生じさせる。これらのスパイクの計数が溶液中の粒子の数を明らかにする。
【０１２０】
また、より導波路に近い汚染物質粒子は、より強い光を浴び、したがって、導波路からわずかに（例えば100nm）遠く離れている粒子よりも多くの光を散乱させる。ここで考える粒子のような小さな粒子はブラウン運動によって高速で動く。この動きが、粒子を導波路から遠ざけたり導波路に近づけたりして、それぞれ、より少ない光およびより多くの光を散乱させる。したがって、粒子サイズが低下するとともに、粒子の動きはより速く、かつより不規則になる。したがって、粒子サイズはその散乱の痕跡に基づいて推定され、その痕跡はブラウン運動を示すものであり、ブラウン運動は逆にそれらのサイズを示すものである。
【０１２１】
スモールアンサンブル計測：
粒子がノントラッピング分析を受けたのち、粒子は、マイクロ流体システムを通過して進み、スモールアンサンブル計測を実施するための装備を有するチャンバ2に入る。このチャンバ中には、チャンバ1中の導波路に類似した導波路が露出している。しかし、この場合、導波路は、エバネッセント結合された1Dフォトニック結晶共振器を備えている。結合されたレーザの波長は、共振器がアクティブになり、粒子をより効果的にトラップするために光パワーを増幅するようにチューニングされる。指定のサイズ範囲内の粒子だけがトラップされる。より大きな粒子は流体流によって生じる抗力によって掃去される。小さすぎる粒子はトラップによる影響を十分に受けず、かつまた通り過ぎる。研究は、0.2μmポリスチレンナノ粒子が導波路またはフォトニック共振器で容易にトラップされることを示した。内部試験は、この範囲の物質をトラップするためには約0.5〜20mWが必要であることを明らかにした。流量およびレーザ強さは、0.2μm〜2μmの汚染物質だけがトラップされるようにチューニングされる。
【０１２２】
粒子がチャンバに入ると、懸濁した汚染物質の一部が、フォトニック結晶から出るエバネッセント場によって捕捉される。時間とともに、捕捉された汚染物質粒子の数が増し、フォトニック結晶を覆い続ける。一定期間ののち、トラップされた粒子に対して一連の三つの計測を開始する。（1）第一の計測は、導波路から出る光を観察することである。（2）第二の計測は、トラッピング波長を使用してトラップされた粒子に対してラマン分光法を実施してラマンシフトを導出することである。（3）第三の計測は、トラッピング部位に照準を定めた外部レーザを使用してトラップされた粒子に対してラマン分光法を実施してラマンシフトを導出することである。
【０１２３】
計測技術1：
捕捉された粒子は、フォトニック結晶の共振波長を摂動させる（概して赤シフトさせる）効果を有する。これは、計測可能である、導波路から出るパワーに影響する。入射光が共振波長に正確にチューニングされるならば、トラップ中に蓄積する粒子によって生じる赤シフトが、出力において計測されるパワーを低下させる。粒子が多ければ多いほど（またはトラップされる粒子が大きければ大きいほど）、パワーシフトは大きくなる。したがって、この技術は、トラップされている粒子の数およびサイズの推定を出す。
【０１２４】
計測技術2：
トラップされた粒子はまた、導波路から出る近接場光のいくらかを吸収し、かつ散乱させる。これは、トラップされた粒子からラマン分光分析信号を得るために使用される。この信号は、分光計によって捕捉されたのち、粒子タイプ（すなわち、金属片であるのか、タンパク質であるのか）を決定するために使用される。ラマン分光法は、粒子が治療剤の凝集体であるのか、何らかの他の物質であるのかを決定することができる。
【０１２５】
計測技術3：
トラップされた粒子はまた、外部光源によって調べられて、技術2において上述されたものに類似するラマン信号を発生させる。この技術の利点は、トラップされた粒子を調べるために様々な波長の使用を可能にすることである。
【０１２６】
シングルパーティクル計測：
粒子がスモールアンサンブル計測を受けたのち、粒子は、マイクロ流体システムを通過して進み、シングルパーティクル計測を実施するための装備を有する第三かつ最後のチャンバに入る。このチャンバ中には、直前のチャンバ中の共振器に類似した共振器を有する導波路が露出している。この場合、共振器は導波路と整列し、それが、最強のトラップを生成し、かつ最小の粒子をトラップすることができる。このチャンバ中、直前のチャンバ中の上記三つの計測技術が使用される。しかし、このチャンバ中では、より小さな粒子（すなわち<0.2μm）が個々に計測される。これは最も時間を要する分析であるが、真の単一粒子分析を提供する。
【０１２７】
実施例2：結合反応速度
トラップされた物質の結合反応速度を計測する。チャネル内で近接場光トラップを使用して、タンパク質（A）への蛍光標識された小分子（B）の結合速度を計測する。チャネルおよび材料をブロッキング緩衝液（例えばウシ血清アルブミン）中に流すことによってパシベート処理する。次いで、トラップをアクティブ化する。タンパク質を塗布し（すなわち、タンパク質をチャネル中に流すことによって）、タンパク質がトラップによって捕捉される。非結合タンパク質を適切な緩衝液で洗い流す。分子Bを制御された速度でトラップに流し込む。分子Bが流れ込む間、トラップの蛍光を計測し、それにより、タンパク質AへのBの結合速度を提供する。また、非結合Bを洗い流すことができる。トラップの別の蛍光計測を実施して、タンパク質Aへの分子Bの親和性を測定する。任意で、分子Bに結合した、または結合していないタンパク質を溶離させ、分析する。
【０１２８】
実施例3：凝集体／複合体の解離
チャンネル内の近接場光トラップを使用して、蛍光標識されたタンパク質凝集体Aを解離させるための化学物質Bの濃度の試験を計測／観察する。チャネルおよび材料をブロッキング緩衝液（例えばウシ血清アルブミン）中に流すことによってパシベート処理する。次いで、トラップをアクティブ化する。タンパク質凝集体を塗布すると（すなわち、凝集体をチャネル中に流すことによって）、それがトラップによって捕捉される。非結合タンパク質凝集体を適切な緩衝液で洗い流す。分子Bを含有する溶液を、濃度を定常に高めながら、制御された速度で塗布する。分子Bが流動的にトラップに送られる間、トラップの蛍光を計測する。一定期間、分子Bを流し込んだのち、タンパク質凝集体を解離させ、個々の成分／サブユニットを分離させ、かつ流し去るのに十分に高い濃度が存在する。そして、分子Bを、凝集体または複合体を解離させることができる分子として同定する。また、凝集体または複合体を解離させるために必要な濃度を決定する。任意で、残りの複合体を溶離させ、捕集し、かつ分析する。
【０１２９】
実施例4：pHの関数としてのタンパク質活性
チャンネル内の近接場光トラップを使用して、タンパク質Aの活性に対するpHの効果の試験を計測する。チャネルおよび材料をブロッキング緩衝液（例えばウシ血清アルブミン）中に流すことによってパシベート処理する。次いで、トラップをアクティブ化する。タンパク質Aを塗布すると（すなわち、タンパク質Aをチャネル中に流すことによって）、それが光トラップによって捕捉される。非結合タンパク質を適切な緩衝液で洗い流す。次いで、タンパク質Aの反応体を塗布する。生成物を分光法（UV/Vis）によって計測する。一定範囲のpHが使用されるように反応体を含む緩衝液をゆっくりと変化させる。例えば、pH6から出発し、時間とともにpH9までpHをゆっくり高める。pHが変化しているとき、酵素の反応体産生の速度を計測する。タンパク質活性に対するpHの効果を測定および／または記録する。
【０１３０】
実施例5：イムノアッセイ法
チャネル内の近接場光トラップをイムノアッセイ法として使用して、赤色蛍光標識抗体Aに結合するが、緑色蛍光標識抗体Bには結合しないタンパク質Cの存在を計測する。チャネルおよび材料をブロッキング緩衝液（例えばウシ血清アルブミン）中に流すことによってパシベート処理する。次いで、二つのトラップ（トラップ1およびトラップ2）をアクティブ化する。抗体Aおよび抗体Bを、抗体Aがトラップ1中にトラップされ、抗体Bがトラップ2中にトラップされるように塗布する（すなわち、該抗体を別々の試薬流中に流すことによって）。二つの異なるチャネルを使用することにより、または複数の層流を使用することにより、抗体AおよびBを別々に維持することができる。非結合抗体を適切な緩衝液で洗い流す。「未知の」試料を塗布して、タンパク質Cの存在に関し、Cが、存在するならば、抗体AまたはBに結合するのに十分な期間、それを試験する。光トラップを洗浄して、任意の非結合試料を除去する。また、サンドイッチアッセイ法を使用することもできる。トラップ1およびトラップ2の蛍光をモニタする間、トラップのパワーをゆっくりと低下させる。トラップパワーが低下するとともに、はじめにより小さな粒子が溶出し、次いで、より大きな粒子が溶出する。タンパク質Cの存在の結果として形成した抗体Aとの任意の複合体は非複合抗体Bよりも大きくなる。したがって、個々の抗体Bは、抗体A＋タンパク質Cの複合体よりも高いパワーで溶出する。サンドイッチアッセイ法が使用されるならば、タンパク質C複合体の質量が増し、計測値を上昇させる。すなわち、サンドイッチアッセイ法なしでは、複合体は[A]-[C]になる。サンドイッチアッセイ法を用いると、複合体は[A]-[C]-[A+質量]になる。この任意の複合体はずっと大きくなり、[A]-[C]単独よりもさらに低いパワーで溶出する。これが計測をより高感度にする。図5はこの方法の非限定的な例を示す。
【０１３１】
実施例6：物質計測のためのシステム
一つまたは複数の関心対象物質の計測を実施することができるシステムの例を以下に説明する。システムは、導波路を使用して、流体中の物質群のトラッピングを提供する。導波路からの近接場光が物質をトラップし、かつラマン分光法の励起光源として働く。そして、物質群を解放する。
【０１３２】
これらの計測を実施するために、システムは、電源、ファイバ結合半導体レーザ、レーザを後方散乱から保護するための光アイソレータ、フォトダイオード信号デジタイザ、シリンジポンプ、コンピュータインタフェースハードウェア、コンピュータインタフェースのためのUSBポートのためのAC/DC電源、シリコンチップ上の窒化ケイ素導波路に接続する単一モード偏光維持性光ファイバを含む。チップはプラスチックキャリヤ中に配置され、このキャリヤは、取り扱いを支援し、かつシリンジポンプからの流体ラインをチップに接続するホルダの中に収まる。チップは、光カバースリップを用いて完成するマイクロ流体チャネルを画定するレーザカットされた接着ガスケットを有する。チップおよびマウントは、トラップされた粒子からのラマン信号を捕集する対物レンズの下に配置される。光は、散乱励起光を遮断する高域フィルタを通過したのち、計測のための分光計に入る。
【０１３３】
本発明は特定の態様を参照しながら開示されたが、本発明の真髄および範囲を逸脱することなく、本発明の他の態様および変形が当業者によって考案され得ることは明らかである。特許請求の範囲は、そのような態様および等価の変形すべてを含むものと解釈される。
【０１３４】
本明細書において引用される各特許、特許出願および刊行物の開示は参照により全体として本明細書に組み入れられる。本発明は特定の態様を参照しながら開示されたが、本発明の真髄および範囲を逸脱することなく、本発明の他の態様および変形が当業者によって考案され得ることは明らかである。特許請求の範囲は、そのような態様および等価の変形すべてを含むものと解釈される。
【図１】
2015517663.tif 000006
【図２】
2015517663.tif 000007
【図３】
2015517663.tif 000008
【図４】
2015517663.tif 000009
【図５】
2015517663.tif 000010
【国際調査報告】
2015517663.tif 000011