(57)【要約】ここに開示されているのは、マイクロアレイ印刷システムと、プローブ・マイクロアレイを印刷する方法である。このシステムは、１つまたはそれ以上の毛細管束、例えば光導波毛細管からなる印刷ヘッドを備えている。この毛細管束は、特に、基板表面に多数のプローブを供給する毛細管束にすることができる。毛細管の遠位端と近位端を記録または相関させる方法も提供される。さらに、本発明は、マイクロアレイの表面から１つまたはそれ以上のプローブが欠けている欠陥マイクロアレイを同定するための方法と装置も提供する。
2004502923.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
近位端と遠位端とを有する本体と；
互いに分離された複数のチャネルとを備え、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、チャネル壁に囲まれており；
本体の少なくとも近位端と遠位端の間に位置している部分は、遠位端が近位端とは独立に移動できるよう可撓性を有する毛細管束において、
少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する毛細管束。
【請求項２】
近位端と遠位端とを有する本体と；
互いに分離された複数のチャネルとを備え、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、チャネル壁に囲まれており、少なくとも１つのチャネルは、毛細管束からの出口にあたるそのチャネルの遠位端の位置に、個別のウエルを備えている毛細管束において、
少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する毛細管束。
【請求項３】
基板上にプローブ・マイクロアレイを供給するための毛細管束であって、
近位端と遠位端とを有する本体と；
互いに分離された複数のチャネルとを備え、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、そのチャネルと連絡している第１の領域と、第１の領域のこのチャネルとは反対側にある少なくとも第２の領域とを有するチャネル壁に囲まれている毛細管束において、第１の領域は、第２の領域よりも光の屈折率が大きくなっているため、チャネルの近位端に入射した光が、そのチャネルの遠位端の位置において毛細管束から出ていき、
少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する毛細管束。
【請求項４】
上記本体のうちで少なくとも遠位端と近位端の間に位置する部分が可撓性を有するため、遠位端が近位端に対して独立に移動可能になっている、請求項２または３に記載の一体化毛細管束。
【請求項５】
上記複数のチャネルのうちの少なくとも１つが、そのチャネルの出口である遠位端の位置に個別のウエルを備える、請求項１、３、４のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項６】
上記チャネル壁の第１の領域にゲルマニウムまたは鉛がドープされている、請求項３に記載の毛細管束。
【請求項７】
上記毛細管束が、毛細管束全体にわたって連続的な断面を有する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項８】
上記毛細管束がシリカを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項９】
上記毛細管束がポリマーを含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１０】
上記チャネル壁の少なくとも遠位端に位置する部分が、導電性材料でコーティングされている、請求項１〜９のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１１】
上記チャネル壁の少なくとも近位端に位置する部分が、導電性材料でコーティングされている、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１２】
上記チャネル壁の少なくとも一部が、疎水性フィルムでコーティングされている、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１３】
上記複数のチャネルが、近位端にある第１の配置と遠位端にある第２の配置を形成し、第１の配置が第２の配置と同じである、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１４】
上記第１の配置における各チャネルの断面積が、上記第２の配置における各チャネルの断面積よりも大きい、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１５】
上記毛細管束の遠位端が、基板上の１２ｃｍ２を超えない面積にスポットを互いに重ならないように印刷する少なくとも１０００個のチャネルを備える、請求項１〜１４のいずれか１項に記載の毛細管束。
【請求項１６】
上記毛細管束の遠位端が、基板上の１２ｃｍ２を超えない面積にスポットを互いに重ならないように印刷する少なくとも１０，０００個のチャネルを備える、請求項１５に記載の毛細管束。
【請求項１７】
上記毛細管束の遠位端が、基板上の１２ｃｍ２を超えない面積にスポットを互いに重ならないように印刷する少なくとも１００，０００個のチャネルを備える、請求項１６に記載の毛細管束。
【請求項１８】
上記毛細管束の遠位端が、基板上の１２ｃｍ２を超えない面積に複数のスポットを互いに重ならないように印刷する少なくとも５００，０００個のチャネルを備える、請求項１７に記載の毛細管束。
【請求項１９】
基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するため、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の少なくとも１つの毛細管束を備える印刷ヘッド。
【請求項２０】
上記印刷ヘッドが、請求項１〜１８のいずれか１項に記載の複数の毛細管束を備える、請求項１９に記載の印刷ヘッド。
【請求項２１】
各毛細管束の近位端が、別の毛細管束の近位端とは離れている、請求項１９または２０に記載の印刷ヘッド。
【請求項２２】
各毛細管束の各遠位端を保持するのに適したフレームをさらに備える、請求項１９〜２１のいずれか１項に記載の印刷ヘッド。
【請求項２３】
プローブ・マイクロアレイを印刷するための印刷システムであって、請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の印刷ヘッドと、毛細管束のチャネルの近位端と流体連絡している複数の収容部と、各チャネルの近位端と遠位端において導電性材料と接続された電圧源と、各チャネルに印加される電圧を個別に調整・制御するための電圧制御装置とを備える印刷システム。
【請求項２４】
請求項１９〜２２のいずれか１項に記載の印刷ヘッドと、毛細管束のチャネルと遠位端において流体連絡している複数の収容部とを備える印刷システム。
【請求項２５】
上記複数の収容部が、複数のウエルを有するマイクロタイタープレートを備える、請求項２３または２４に記載の印刷システム。
【請求項２６】
上記チャネルの遠位端が大きな断面積を有していて収容部として機能する、請求項２３または２４に記載の印刷システム。
【請求項２７】
印刷前に基板を載せる可撓性マウントをさらに備え、この可撓性マウントは、プローブ・アレイを印刷するための毛細管束が毛細管束の遠位端を通じて基板と接触できるように移動できる構成になっており、この可撓性マウントがない場合には、印刷ヘッドと基板が、毛細管束の遠位端を通じて印刷ヘッドが基板と接触することはできないような並び方をしている、請求項２３〜２６のいずれか１項に記載の印刷システム。
【請求項２８】
上記収容部が固定された位置にあり、プローブ・アレイを印刷するための毛細管束が、収容部と連動して移動できるようになっている、請求項２３〜２７のいずれか１項に記載の印刷システム。
【請求項２９】
基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するのに適した毛細管束の製造方法であって、この方法は、
それぞれが、本体と、壁面によって規定されていて第１の端部から第２の端部へと延びるチャネルとを備える複数の毛細管プレフォームを、実質的に同一平面上にある第１の端部と第２の端部を有する連続的で秩序正しいマトリックスに形成し、
上記毛細管プレフォームの少なくとも近位端と遠位端を接続して連続構造を形成し、
この連続構造を引き延ばして第１の端部と第２の端部の間の距離を大きくし、このとき、各チャネルの第１の端部と第２の端部の間の位置での断面積は、各チャネルの第１の端部と第２の端部の位置での断面積に比例して減少し、
上記毛細管プレフォームを第１の端部と第２の端部の間で切断して少なくとも１つの毛細管束を形成し、そのとき、第１の端部と第２の端部がそれぞれ毛細管束の近位端を規定し、切断された端部のそれぞれが毛細管束の遠位端を規定しており、
少なくとも１つの上記毛細管束に対し、その毛細管束の出口にあたるチャネルの遠位端の位置に、少なくとも１つのウエルを形成する操作を含む方法。
【請求項３０】
基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するのに適した毛細管束の製造方法であって、この方法は、
それぞれが、本体と、壁面によって規定されていて第１の端部から第２の端部へと延びるチャネルとを備える複数の毛細管プレフォームを、実質的に同一平面上にある第１の端部と第２の端部を有する連続的で秩序正しいマトリックスに形成し、
上記毛細管プレフォームの少なくとも近位端と遠位端を接続して連続構造を形成し、
この連続構造を引き延ばして第１の端部と第２の端部の間の距離を大きくし、このとき、各チャネルの第１の端部と第２の端部の間の位置での断面積は、各チャネルの第１の端部と第２の端部の位置での断面積に比例して減少し、
上記毛細管プレフォームを第１の端部と第２の端部の間で切断して少なくとも１つの毛細管束を形成する操作を含み、そのとき、第１の端部と第２の端部がそれぞれ毛細管束の近位端を規定し、切断された端部のそれぞれが毛細管束の遠位端を規定している方法において、
上記引き延ばしステップの間に、毛細管の近位端と遠位端の間に少なくとも可撓性のある部分を形成して、遠位端が近位端とは独立に移動できるようにする方法。
【請求項３１】
基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するのに適した毛細管束の製造方法であって、
それぞれが、本体と、光の屈折率が毛細管束の本体の他の部分よりも大きい壁面によって規定されていて第１の端部から第２の端部へと延びるチャネルとを備える複数の毛細管プレフォームを、実質的に同一平面上にある第１の端部と第２の端部を有する連続的で秩序正しいマトリックスに形成し、
毛細管プレフォームの少なくとも近位端と遠位端を接続して連続構造を形成する操作を含む方法。
【請求項３２】
毛細管束を引き延ばして第１の端部と第２の端部の間の距離を大きくし、このとき、各チャネルの第１の端部と第２の端部の間の位置での断面積は、各チャネルの第１の端部と第２の端部の位置での断面積に比例して減少し、
毛細管束を第１の端部と第２の端部の間で切断して２つの毛細管束を形成し、そのとき、第１の端部と第２の端部が各毛細管束の近位端を規定し、毛細管束の切断された端部が各毛細管束の遠位端を規定するようにする操作をさらに含む、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
複数の毛細管のうちの少なくとも１つがシリカを含み、その毛細管の遠位端において少なくともチャネルの壁面が、エッチング速度を大きくする化合物をドープされており、上記方法がさらに、この毛細管の遠位端をエッチングして、毛細管の遠位端の位置でチャネルの壁面内にウエルを形成する操作を含む、請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
上記毛細管の遠位端の位置でチャネルの壁面に穴を開けることにより少なくとも１つのウエルを形成する操作をさらに含む、請求項２９または３２に記載の方法。
【請求項３５】
上記連続構造形成ステップが、上記複数の毛細管を加熱して連続構造を形成する操作を含む、請求項２９〜３４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３６】
上記毛細管束形成ステップが、壁面にゲルマニウムがドープされた複数の毛細管を選択する操作を含む、請求項２９〜３５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項３７】
請求項１〜１８のいずれか１項に記載の毛細管束を利用して基板上にプローブを堆積させる操作を含む、マイクロアレイの製造方法。
【請求項３８】
請求項１９〜２２の印刷ヘッドまたは請求項２３〜２８のいずれか１項に記載の印刷システムを利用して基板上にプローブを堆積させる操作を含む、マイクロアレイの製造方法。
【請求項３９】
プローブ・アレイの印刷方法であって、
印刷面と、印刷面から出ているプローブ輸送用の複数のチャネルとを有する印刷ヘッドを供給し、そのとき少なくとも１つのチャネルが印刷面上にウエルを備えるようにし、
１つの面を有する基板を供給し、その基板をマウント内に配置し、
印刷ヘッドの印刷面と基板を接触させ、
プローブを基板上で印刷面のウエル内に堆積させて、プローブが基板上に広がることを制限する操作を含む方法。
【請求項４０】
プローブ・アレイの印刷方法であって、
印刷面と、印刷面から出ていて光を伝送するとともにプローブを輸送する複数のチャネルとを有する印刷ヘッドを供給し、
光感受性がある疎水性の面を有するが、光に曝露した後は親水性になる基板を供給し、その基板をマウント内に配置し、
上記チャネルを通じて光を送ることにより基板表面の飛び飛びの領域を露光させ、
プローブを基板表面上の親水性アレイの上に堆積させる操作を含む方法。
【請求項４１】
上記チャネルを通じて光を送ることにより基板表面の飛び飛びの領域を露光させ、基板表面に親水性アレイを光によって形成する、請求項４０に記載の方法。
【請求項４２】
上記チャネルが上記印刷面上にウエルを備え、上記方法が、この印刷面を基板と接触させて、送られてきた光に曝露する基板表面を、基板表面の各ウエルの中だけに限定する操作をさらに含む、請求項４０または４１に記載の方法。
【請求項４３】
以前は、印刷ヘッドと基板が、印刷ヘッド面を基板表面と平行にすることはできないような並び方であったにもかかわらず、プローブを堆積させるときに、印刷ヘッドとマウントの少なくとも一方が、印刷ヘッドの印刷面と基板表面が平行になるように移動できる構成にする操作をさらに含む、請求項３９〜４２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項４４】
上記マウントを枢軸回転可能な構成にする、請求項４３に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項４５】
十分に可撓性のある材料で上記印刷ヘッドを形成して、その印刷ヘッドが基板と接触するときにその印刷ヘッドが撓むようにする、請求項４３に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項４６】
プローブの粘性を大きくしてプローブ同士の重なりを減らす操作をさらに含む、請求項３９〜４５のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項４７】
プローブを基板上に堆積させる時間を短くする操作をさらに含む、請求項３９〜４６のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項４８】
乾燥環境で基板を加熱してプローブ中の流体の蒸発を加速する操作をさらに含む、請求項３９〜４７のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項４９】
基板表面の温度をプローブ流体の凝固点よりも低い温度にする操作をさらに含む、請求項３９〜４８のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項５０】
上記堆積ステップが、上記基板と上記印刷ヘッドの間に電圧を印加することによってプローブを電気的に堆積させる操作を含む、請求項３９〜４９のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項５１】
上記プローブが、ビーズ、ゲル、ペーストからなるグループの中から選択された形態である、請求項３９〜５０のいずれか１項に記載のプローブ・アレイの印刷方法。
【請求項５２】
光感受性材料層がコーティングされた基板と、
この基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを備えるマイクロアレイ。
【請求項５３】
光感受性材料が疎水性であり、光に曝露された後に親水性になる、請求項５２に記載のマイクロアレイ。
【請求項５４】
上記プローブが、基板の親水性部分の上に位置している、請求項５３に記載のマイクロアレイ。
【請求項５５】
ウエルを有する複数のチャネルを備えた印刷ヘッドにより形成され、
基板と、
それぞれのチャネルによってこの基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを備えるマイクロアレイにおいて、個々のプローブが、基板上で、チャネルの各ウエルと同じかそれよりも狭い面積をカバーしているマイクロアレイ。
【請求項５６】
ウエルを有する複数のチャネルを備えた印刷ヘッドから形成され、
基板と、
この基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを備えるマイクロアレイにおいて、上記プローブが、基板上の担体の上に堆積されるマイクロアレイ。
【請求項５７】
上記担体が、ビーズ、ゲル、ペーストのいずれかを含む、請求項５２〜５６のいずれか１項に記載のマイクロアレイ。
【請求項５８】
上記マトリックスが、１２ｃｍ２を超えない面積に少なくとも１０００個の離散プローブを含む、請求項５２〜５７のいずれか１項に記載のマイクロアレイ。
【請求項５９】
上記マトリックスが、１２ｃｍ２を超えない面積に少なくとも１０，０００個の離散プローブを含む、請求項５８に記載のマイクロアレイ。
【請求項６０】
上記マトリックスが、１２ｃｍ２を超えない面積に少なくとも１００，０００個の離散プローブを含む、請求項５９に記載のマイクロアレイ。
【請求項６１】
上記マトリックスが、１２ｃｍ２を超えない面積に少なくとも５００，０００個の離散プローブを含む、請求項６０に記載のマイクロアレイ。
【請求項６２】
上記プローブの材料を、生物材料と化学材料からなるグループの中から選択する、請求項５２〜６１のいずれか１項に記載のマイクロアレイ。
【請求項６３】
上記の生物材料または化学材料を、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、合成オリゴヌクレオチド、抗体、タンパク質、ペプチド、レクチン、修飾された多糖、合成複合巨大分子、機能化されたナノ構造体、合成ポリマー、修飾／ブロックされたヌクレオチド／ヌクレオシド、修飾／ブロックされたアミノ酸、発蛍光団、発色団、リガンド、キレート、ハプテン、薬剤化合物からなるグループの中から選択する、請求項６２に記載のマイクロアレイ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
本発明は、米国仮出願である、２０００年２月２２日に出願された第６０／１８３，７３７号、２０００年３月１３日に出願された第６０／１８８，８７２号、２０００年７月６日に出願された第６０／２１６，２６５号、２０００年７月２１日に出願された第６０／２２０，０８５号、２０００年１０月３０日に出願された第６０／２４４，４１３号に関する優先権の恩恵を主張するものである。上記の出願はすべて、参考としてその全体がこの明細書に組み込まれており、以下に完全な説明がなされているかのごとくなっている。
【０００２】
発明の属する技術分野
本発明は、標的となる材料または化合物の存在を検出するのに用いられる多数のプローブからなるマイクロアレイを形成するメカニズムと方法に関するものである。
【０００３】
背景
マイクロアレイは、基板上の所定の位置に固定されたスポット状の複数の生物サンプルまたは化学サンプル（“プローブ”）からなるアレイである。それぞれのスポットは、単一の生物材料または化学材料からの多数の分子を含んでいる。このアレイを調べるためには、１つまたはそれ以上の生物サンプルまたは化学サンプル（“標的”）を含む流体をマイクロアレイに満たす。すると、サンプル中のいろいろな成分は、一般に、マイクロアレイ上の１つまたはそれ以上の相補的なプローブと相互作用する。中でもＤＮＡマイクロアレイでは、プローブはオリゴヌクレオチドまたはｃＤＮＡであり、標的は蛍光標識または放射性標識をしたＤＮＡサンプルである。標的内の分子鎖は、プローブ・マイクロアレイ内の相補的な鎖とハイブリダイズする。ハイブリダイズしたマイクロアレイは、マイクロアレイ読み取り機で検査する。この読み取り機は、放射性標識の存在を検出したり、レーザーまたはその他のエネルギー源による励起で蛍光標識を刺激して光を放射させたりする。この読み取り機は、マイクロアレイ内の標識からの放射の位置と強度を検出する。プローブは所定の位置に配置されており、したがってマイクロアレイ内のどこに位置するかがわかっているため、流体中の標的配列の存在とその量が、蛍光または放射線が検出された位置と、蛍光または放射線の強度とによって同定される。
【０００４】
マイクロアレイ上には異なる多数のプローブを作ることができるため、マイクロアレイ技術は、大量の生物実験または化学実験を並列して行なうための非常に有用なツールとなる。マイクロアレイ技術は、ＤＮＡサンプルのスクリーニング、プロファイリング、同定において特に強力である。
【０００５】
今日のマイクロアレイは、丈夫なガラスまたはナイロン基板上に作られた二次元のプローブ・マトリックスとなっている。標的サンプルは一般に生産するのが難しくて高価なため、単一のマイクロアレイ上でできるだけ多くの特性を調べられるようになっていることが非常に望ましい。その場合、単一基板上のプローブの密度と量を有意に増大させる必要がある。一般に、プローブ間のピッチが５００μｍよりも小さい（すなわち密度が１平方センチメートルにつき４００プローブの）マイクロアレイは、高密度マイクロアレイと呼ばれる。そうでないマイクロアレイは、“低密度マイクロアレイ”である。
【０００６】
市場には２通りのマイクロアレイ製造法が出ている。フォトリソグラフィー法とロボット式スポッティング法である。フォトリソグラフィー法（米国特許第５，４４５，９３４号、第５，７４４，３０５号）は、エレクトロニクスにおける集積回路と同じ製造プロセスを改変して、ｉｎ ｓｉｔｕで塩基を１つずつ合成してプローブにしたものである。この方法では、製造装置に多額の出費が必要であり、その額は数億ドルにも達する。新しいマイクロアレイを最初に設計する際にも、フォトマスクの生産が高くつくために多大なコストがかかる。したがってこの方法は、標準的なマイクロアレイを大量に生産する場合にのみ実用性がある。たとえ大量に生産しても、合成が複雑であるために生産の歩留まりが制限され、マイクロアレイのコストは高くなる。この複雑さにより、合成されるＤＮＡの長さも制約を受け、短いオリゴヌクレオチドのレベル（約２５塩基）に留まる。そのため用途によってはハイブリダイゼーションの特異性と感度が低下する。
【０００７】
確立されたロボット式スポッティング法（米国特許第５，８０７，５２２号）では、特別に設計された機械操作式ロボットが用いられる。このロボットは、別に合成されたＤＮＡを含む流体にピン・ヘッドを浸してからそのピンをスライド上の所定の位置にスポッティングすることにより、マイクロアレイ上にプローブ・スポットを作り出す。マイクロアレイにさまざまなプローブをスポッティングする前に、ピンを洗浄し乾燥させることが必要とされる。このようなロボット・システムの最新の設計では、スポッティング用のピンおよび／またはマイクロアレイ基板を載せる台は、基板上の制御された位置にサンプルを置くため、ＸＹＺ軸に沿って協調性のある動きをする。マイクロアレイは極めて多数の異なるプローブを含んでいるため、この方法は、非常に柔軟性があるとはいえ、本質的に非常に時間がかかる。多数のピン・ヘッドを用いて多数のスライドにスポッティングしてから洗浄することにより速度を向上させることができるものの、生産の歩留まりは非常に低いままである。したがってこの方法は、マイクロアレイの大量生産には適していない。
【０００８】
確立された伝動シャフト−ピン・スポッティング法以外にも、多数のマイクロアレイ製造法が開発されつつある。その中に、インクジェット法と毛細管スポッティング法がある。
【０００９】
インクジェット法では、ｃＤＮＡ／オリゴヌクレオチドまたは個々のヌクレオチドのいずれかを基板上の所定の位置に置いてｉｎ ｓｉｔｕ合成によりヌクレオチド・マイクロアレイを製造する。その結果、モノマーを含む溶液を選択された位置に供給し、基板を洗浄して過剰なモノマーを除去し、基板を乾燥させてモノマー反応体からなる次のスポットの準備をするという手順により、一度に塩基１個の割合でオリゴヌクレオチドがｉｎ ｓｉｔｕで合成される。
【００１０】
出現し始めているスポッティング法では、基板上にＤＮＡプローブのスポットを作るのにピンの代わりに毛細管を用いる。以下の４つの参考文献に、アレイを製造するための毛細管をベースとしたスポッティング法が記載されている。
【００１１】
・ジェノメトリックス社によるＷＯ ９８／２９７３６号、「マルチプレックス化した分子解析装置と分子解析法」。
・オーキッド・バイオコンピュータ社によるＷＯ ００／０１８５９号、「アレイを印刷するための遺伝子ペン装置」。
・インサイト・ファーマスーティカルズ社によるＷＯ ００／１３７９６号、「毛細管印刷システム」。
カミング社によるＷＯ ９９／５５４６１号、「再延伸された毛細管イメージング収容部」。
【００１２】
要するに、既存の技術で製造されたマイクロアレイは、生産コストが大きいため、たった１回だけ使用する実験室に供給するには高価過ぎる。
【００１３】
発明の要約
本発明は、基板上にプローブ・マイクロアレイを供給するための毛細管束を提供する。この毛細管束は、プローブを供給するための近位端と、プローブをマイクロアレイに到達させるための遠位端とを有する本体と、近位端と遠位端の間でプローブを移動させるための、互いに分離された複数のチャネルとを備えており、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、チャネル壁に囲まれており；本体の少なくとも引き延ばされた部分は、近位端と遠位端の間に位置していて、遠位端が近位端とは独立に移動できるよう可撓性を有しており；少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する。
【００１４】
本発明の変形例としては、次のような毛細管束が挙げられる。この毛細管束は、近位端と遠位端とを有する本体と；互いに分離された複数のチャネルとを備えており、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、チャネル壁に囲まれており、少なくとも１つのチャネルは、毛細管束からの出口にあたるそのチャネルの遠位端の位置に、個別のウエルを備えており；少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する。
【００１５】
さらに別の変形例の毛細管束は、近位端と遠位端とを有する本体と；互いに分離された複数のチャネルとを備えており、各チャネルは、近位端から遠位端へと延びていて、そのチャネルと連絡している第１の領域と、第１の領域のこのチャネルとは反対側にある少なくとも第２の領域とを有するチャネル壁に囲まれており、第１の領域は、第２の領域よりも光の屈折率が大きくなっているため、チャネルの近位端に入ってきた光が、チャネルの遠位端の位置において毛細管束から出ていき；少なくとも近位端と遠位端の位置では、毛細管束の長さ方向に対して直角な任意の断面による毛細管束の断面部が連続構造を有する。チャネル壁の第１の領域には、ゲルマニウムまたは鉛をドープすることができる。
【００１６】
本発明のさらに別の変形例は、本体のうちで少なくとも遠位端と近位端の間に位置する可撓性部分を有するため、遠位端が近位端に対して独立に移動可能にすることができる。
【００１７】
別の変形例では、毛細管束は、複数のチャネルのうちの少なくとも１つが、そのチャネルの出口である遠位端の位置に個別のウエルを備えるようなチャネルを備えることができる。
【００１８】
本発明の毛細管束は、毛細管束全体にわたって連続的な断面を有することもできる。
【００１９】
本発明の毛細管束は、シリカまたはポリマーを含むことができる。
別の変形例では、本発明の毛細管束は、チャネル壁の遠位端に位置する部分を導電性材料でコーティングすることができる。また、チャネル壁の少なくとも近位端に位置する部分を導電性材料でコーティングすることもできる。
【００２０】
本発明の毛細管束の別の変形例では、チャネル壁の少なくとも一部を疎水性フィルムでコーティングすることができる。
【００２１】
本発明の毛細管束の別の変形例では、複数のチャネルが、近位端にある第１の配置と遠位端にある第２の配置を形成しており、第１の配置が第２の配置と同じになっている。配置とは、毛細管束の中における、チャネルの開口部の、そのチャネルの他の部分に対する位置を意味する。
【００２２】
本発明の毛細管束では、第１の配置における各チャネルの断面積は、第２の配置における各チャネルの断面積よりも大きくすることができる。
【００２３】
本発明の毛細管束では、スポットを互いに重ならないように印刷するチャネルの密度を、基板上の１２ｃｍ２を超えない面積に１０００〜５００，０００個にすることができる。
【００２４】
本発明にはさらに、基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するための印刷ヘッドであって、この明細書に記載した本発明の少なくとも１つの毛細管束を備える印刷ヘッドが含まれる。この印刷ヘッドは、この明細書に記載した本発明の毛細管束を複数備えていてもよい。本発明には、この明細書に記載したように、各毛細管束の近位端が、別の毛細管束の近位端とは離れている印刷ヘッドも含まれる。このような構成にすると、プローブ材料を毛細管束の近位端に供給するときの効率とスペースが改善されるとともに、毛細管束の遠位端を１つの印刷ヘッド内にまとめることができる。本発明にはさらに、印刷ヘッド内に各毛細管束の各遠位端を保持するのに適したフレームも含まれる。
【００２５】
本発明には、プローブ・マイクロアレイを印刷するための印刷システムであって、この明細書に記載した印刷ヘッドと、毛細管束のチャネルの近位端と流体で連絡している複数の収容部と、各チャネルの近位端と遠位端において導電性材料と接続された電圧源と、各チャネルに印加される電圧を個別に調整・制御するための電圧制御装置とを備える印刷システムが含まれる。
【００２６】
本発明の印刷システムは、この明細書に記載した本発明の印刷ヘッドと、毛細管束のチャネルと遠位端において流体で連絡している複数の収容部とを備えることができる。印刷システムの変形例には、複数のウエルを有するマイクロタイタープレートが含まれていてもよい。印刷システムの別の変形例では、チャネルの遠位端の断面積を大きくして、収容部として機能させることができる。
【００２７】
この明細書に記載した印刷システムはさらに、印刷前に基板を載せる可撓性マウントを備えることができ、この柔軟なマウントは、プローブ・アレイを印刷するための毛細管束が、毛細管束の遠位端を通じて基板と接触できるように移動できる構成になっている。この可撓性マウントがない場合には、印刷ヘッドと基板は、毛細管束の遠位端を通じて印刷ヘッドが基板と接触することはできないような並び方をしている。印刷システムの変形例では、収容部が固定された位置にあり、プローブ・アレイを印刷するための毛細管束が、収容部と連動して移動できるようになっている。
【００２８】
本発明にはさらに、基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するのに適した毛細管束の製造方法も含まれる。
【００２９】
この方法は、それぞれが、本体と、壁面によって規定されていて第１の端部から第２の端部へと延びるチャネルとを備える複数の毛細管プレフォームを、実質的に同一平面上にある第１の端部と第２の端部を有する連続的で秩序正しいマトリックスに形成し、毛細管プレフォームの少なくとも近位端と遠位端を接続して連続構造を形成し、この連続構造を引き延ばして第１の端部と第２の端部の間の距離を大きくし、このとき、各チャネルの第１の端部と第２の端部の間の位置での断面積は、各チャネルの第１の端部と第２の端部の位置での断面積に比例して減少し、毛細管プレフォームを第１の端部と第２の端部の間で切断して少なくとも１つの毛細管束を形成する操作を含んでおり、第１の端部と第２の端部がそれぞれ毛細管束の近位端を規定し、切断された端部のそれぞれが、毛細管束の遠位端を規定している。
【００３０】
本発明の方法の変形例には、少なくとも１つの毛細管束に対し、その毛細管束の出口にあたるチャネルの遠位端の位置に、少なくとも１つのウエルを形成する操作が含まれている。
【００３１】
本発明の方法の別の変形例には、引き延ばしステップの間に、毛細管束の近位端と遠位端の間に少なくとも可撓性のある部分を形成して、遠位端が近位端とは独立に移動できるようにする操作が含まれる。
【００３２】
基板上にプローブ・マイクロアレイを印刷するのに適した毛細管束を製造する本発明の方法の別の変形例には、それぞれが、本体と、光の屈折率が毛細管束の本体の他の部分よりも大きい壁面によって規定されていて第１の端部から第２の端部へと延びるチャネルとを備える複数の毛細管プレフォームを、実質的に同一平面上にある第１の端部と第２の端部を有する連続的で秩序正しいマトリックスに形成し、毛細管プレフォームの少なくとも近位端と遠位端を接続して連続構造を形成する操作が含まれる。
【００３３】
本発明には、この明細書に記載した方法において、毛細管束を引き延ばして第１の端部と第２の端部の間の距離を大きくし、このとき、各チャネルの第１の端部と第２の端部の間の位置での断面積は、各チャネルの第１の端部と第２の端部の位置での断面積に比例して減少し、毛細管束を第１の端部と第２の端部の間で切断して２つの毛細管束を形成し、そのとき、第１の端部と第２の端部が各毛細管束の近位端を規定し、毛細管束の分離された端部が各毛細管束の遠位端を規定するようにする操作を含む方法がさらに含まれる。
【００３４】
本発明の方法の変形例では、複数の毛細管のうちの少なくとも１つがシリカを含み、その毛細管の遠位端において少なくともチャネルの壁面が、エッチング速度を大きくする化合物をドープされており、この方法はさらに、毛細管の遠位端をエッチングして、毛細管の遠位端の位置でチャネルの壁面内にウエルを形成する操作を含んでいる。
【００３５】
本発明の方法の変形例には、さらに、毛細管の遠位端の位置でチャネルの壁面に穴を開けることにより少なくとも１つのウエルを形成する操作が含まれる。
【００３６】
本発明の方法には、複数の毛細管を加熱して連続構造を形成する操作が含まれていてもよい。
【００３７】
本発明の方法には、壁面にゲルマニウムがドープされた複数の毛細管を選択する操作を含むステップも含めることができる。
【００３８】
本発明の別の変形例には、この明細書に記載したような毛細管束、印刷ヘッドおよび／または印刷システムを利用して基板上にプローブを堆積させる操作を含むマイクロアレイ形成法が含まれる。
【００３９】
本発明の別の変形例には、プローブ・アレイの印刷方法であって、印刷面と、印刷面から出ているプローブ輸送用の複数のチャネルとを有する印刷ヘッドを供給し、そのとき少なくとも１つのチャネルが印刷面上にウエルを備えるようにし、１つの面を有する基板を供給し、その基板をマウント内に配置し、印刷ヘッドの印刷面と基板を接触させ、プローブを基板上で印刷面のウエル内に堆積させて、プローブが基板上に広がることを制限する方法が含まれる。
【００４０】
本発明の別の変形例には、プローブ・アレイの印刷方法であって、印刷面と、印刷面から出ていて光を伝送するとともにプローブを輸送する複数のチャネルとを有する印刷ヘッドを供給し、光感受性がある疎水性の面を有するが、光に曝露した後は親水性になる基板を供給し、その基板をマウント内に配置し、上記チャネルを通じて光を送ることにより基板表面の飛び飛びの領域を露光させ、プローブを基板表面上の親水性アレイの上に堆積させる方法が含まれる。
【００４１】
この明細書に記載した方法には、上記チャネルを通じて光を送ることにより基板表面の飛び飛びの領域を露光させ、基板表面に親水性アレイを光によって形成する操作が含まれていてもよい。
【００４２】
この明細書に記載した方法には、チャネルが印刷面上にウエルを備えるようにする操作が含まれていてもよく、さらに、印刷面を基板と接触させて、送られてきた光に曝露する基板表面を、基板表面の各ウエルの中だけに限定する操作が含まれていてもよい。
【００４３】
この明細書に記載した方法には、プローブを堆積させるときに、印刷ヘッドとマウントの少なくとも一方が、印刷ヘッドの印刷面と基板表面が平行になるように移動できる構成にする操作が含まれていてもよい。以前は、印刷ヘッドと基板は、印刷ヘッド面を基板表面と平行にすることはできないような並び方であった。この方法には、マウントを枢軸回転可能な構成にする操作が含まれていてもよい。また、十分に可撓性のある材料で印刷ヘッドを形成して、印刷ヘッドが基板と接触するときに印刷ヘッドが撓むようにしてもよい。
【００４４】
本発明にはさらに、プローブの粘性を大きくしてプローブ同士の重なりを減らす操作や、プローブを基板上に堆積させる時間を短くする操作が含まれる。本発明の別の変形例には、乾燥環境で基板を加熱してプローブ中の流体の蒸発を加速する操作が含まれる。さらに別の変形例には、基板表面の温度をプローブ流体の凝固点よりも低い温度にする操作が含まれる。
【００４５】
本発明の別の変形例には、この明細書に記載したプローブ・アレイを印刷する方法において、堆積ステップが、基板と印刷ヘッドの間に電圧を印加することによってプローブを電気的に堆積させる操作を含む方法が含まれる。
【００４６】
本発明のさらに別の変形例には、この明細書に記載したプローブ・アレイを印刷する方法において、プローブが、ビーズ、ゲル、ペーストからなるグループの中から選択された形態である方法が含まれる。
【００４７】
そこで本発明は、プローブ・アレイを製造するための多数のシステム、要素、手段、方法を提供するが、これらについては以下にさらに詳しく説明する。この明細書のこの要約の項には、本発明の顕著ないくつかの特徴の要約を提示してあるが、本発明の範囲が、この項で説明した特徴および実施態様に限定されると理解してはならない。そうではなく、本発明は、添付の請求の範囲に加え、この項ならびに以下の項で説明するあらゆる要素、システム、方法を含んでいる。
【００４８】
本発明にはさらに、光感受性材料層がコーティングされた基板と、この基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを有するマイクロアレイが含まれる。本発明の変形例には、光感受性材料が疎水性であり、光に曝露された後に親水性になるマイクロアレイが含まれる。本発明のプローブ・マイクロアレイは、基板の親水性部分の上に位置させることができる。
【００４９】
本発明の別の変形例には、ウエルを有する複数のチャネルを備えた印刷ヘッドにより形成され、基板と、それぞれのチャネルによってこの基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを備えるマイクロアレイにおいて、個々のプローブが、基板上で、チャネルの各ウエルと同じかそれよりも狭い面積をカバーしているマイクロアレイが含まれる。
【００５０】
本発明の別の変形例には、ウエルを有する複数のチャネルを備えた印刷ヘッドから形成され、基板と、この基板上にマトリックス状に配置された複数の離散プローブとを備えるマイクロアレイにおいて、プローブが、基板上の担体の上に堆積されるマイクロアレイが含まれていてもよい。
【００５１】
本発明のマイクロアレイには、ビーズ、ゲル、ペーストのいずれかを含む担体が含まれていてもよい。本発明にはさらに、１２ｃｍ２を超えない面積に少なくとも１０００〜５００，０００個またはそれ以上の離散プローブを有するマトリックスが含まれる。
【００５２】
本発明のマイクロアレイには、生物材料と化学材料からなるグループの中から選択したプローブ材料が含まれていてもよい。生物材料または化学材料は、デオキシリボ核酸（ＤＮＡ）、リボ核酸（ＲＮＡ）、合成オリゴヌクレオチド、抗体、タンパク質、ペプチド、レクチン、修飾された多糖、合成複合巨大分子、機能化されたナノ構造体、合成ポリマー、修飾／ブロックされたヌクレオチド／ヌクレオシド、修飾／ブロックされたアミノ酸、発蛍光団、発色団、リガンド、キレート、ハプテン、薬剤化合物からなるグループの中から選択することができる。
【００５３】
本発明の好ましい実施態様とさらに詳しい説明
以下の記述では、本発明の一実施態様としてＤＮＡマイクロアレイを用いる。ここに記載する方法は、広い範囲にわたる生物材料および化学材料のマイクロアレイを製造するのに用いることもできる。例えばこの明細書で用いる“１つのプローブ”は、特定のサンプルまたはサンプルの一部と特異的に結合することのできるある種の分子またはマルチ分子構造のコピー群のことである。この明細書で用いる“複数のプローブ”は、そのような分子群が２つ以上集まったもののことを指す。プローブは、共有結合または非共有結合によって基板に固定することができる。プローブとしては、ポリヌクレオチド、ポリペプチド、オリゴ糖、多糖、抗体、細胞の受容体、リガンド、脂質、細胞、これら構造体の組み合わせ、または、興味の対象であるサンプルまたはその一部が特異的に結合する他の任意の構造体が可能である。どのようなプローブ群を選択するかは、使用する装置により異なる。例えば、プローブとしてポリヌクレオチドを用いる装置で配列解析を行なおうとする場合には、ｎマーの完全な集合またはほとんど完全な集合が好ましかろう。そのような集合の利用に関しては、米国特許第５，７００，６３７号、６，０５４，２７０号に記載されており、その全体が参考としてこの明細書に組み込まれている。他方、１つの遺伝子または遺伝子群の中にある突然変異または多型を解析するのに装置を用いる場合には、興味の対象である特定の１つまたは複数の遺伝子のある領域に対する置換、欠失、挿入などの突然変異の全体またはそのうちの選択された一部に対応するポリヌクレオチドが好ましい。別の具体例として、ガンに関係した突然変異の診断においては、特定の１つまたは複数のガンと関係していることが知られている遺伝子群の中の特定の突然変異に関する“ホット・スポット”が、相補的なポリヌクレオチドがプローブ群として機能する可能性のある領域であろう。これらの具体例は、ある特定の装置に対して選択される可能性のあるさまざまなカスタム式のプローブ群の単なる例である。これらの具体例でポリヌクレオチドを中心にしているのは、それが現在最も一般的に用いられているタイプのプローブだからである。したがって、当業者にとっては他のタイプのプローブや他のポリヌクレオチド群も明らかであることが理解できよう。
【００５４】
この明細書における“ポリヌクレオチド”は、任意の長さのヌクレオチドがポリマーの形態になったものを意味し、具体例としてはデオキシリボヌクレオチド、リボヌクレオチド、および／またはこれらのアナログなどが挙げられる。この明細書で用いる“ポリヌクレオチド”、“ヌクレオチド”という用語は、互いに入れ換えてもよい。ポリヌクレオチドは、どのような三次元構造を取っていてもよく、既知または未知のどのような機能を持っていてもよい。“ポリヌクレオチド”という用語には、２本鎖または１本鎖の分子、三重螺旋の分子が含まれる。特に指定されているとか必要とされる場合を除いては、この明細書に記載した、ポリヌクレオチドを含む本発明のどの実施態様でも、２本鎖の形態と、２本鎖の形態を構成することが知られている、または予測される互いに相補的な２本の１本鎖形態のそれぞれとが、両方ともカバーされる。比較的短いポリヌクレオチド（ヌクレオチドが約１００個未満）も、オリゴヌクレオチドと呼ぶ。
【００５５】
ポリヌクレオチドの具体例としては、遺伝子または遺伝子断片、エキソン、イントロン、ｍＲＮＡ、ｔＲＮＡ、ｒＲＮＡ、リボザイム、ｃＤＮＡ、組み換えポリヌクレオチド、分岐したポリヌクレオチド、プラスミド、ベクター、任意の配列から単離したＤＮＡ、任意の配列から単離したＲＮＡ、核酸プローブ、プライマーが挙げられるが、これですべてというわけではない。ポリヌクレオチドには、修飾されたヌクレオチドであるメチル化されたヌクレオチドや、ヌクレオチドのアナログも含まれる。プリンおよびピリミジンのアナログが従来技術で知られている。その具体例としては、アジリジニルシトシン、４−アセチルシトシン、５−フルオロウラシル、５−ブロモウラシル、５−カルボキシメチルアミノメチル−２−チオウラシル、５−カルボキシメチル−アミノメチルウラシル、イノシン、Ｎ６−イソペンテニルアデニン、１−メチルアデニン、１−メチルプソイドウラシル、１−メチルグアニン、１−メチルイノシン、２，２−ジメチルグアニン、２−メチルアデニン、２−メチルグアニン、３−メチルシトシン、５−メチルシトシン、プソイドウラシル、５−ペンチニルウラシル、２，６−ジアミノプリンが挙げられるが、これですべてというわけではない。デオキシリボ核酸においてウラシルをチミンの代わりに用いることも、ピリミジンのアナログ形態であると考えられる。
【００５６】
ヌクレオチド構造に対する修飾は、もし存在している場合には、ポリマーを組み立てる前または後に行なうことができる。ヌクレオチド配列は、非ヌクレオチド要素で中断させることができる。ポリヌクレオチドは、重合化の後にさらに修飾することができる。例えば標識要素を結合させるというのが修飾の一例である。この定義に含まれる他のタイプの修飾としては、例えば、“キャップ”、１つまたは複数の天然ヌクレオチドをアナログで置換すること、内部ヌクレオチドを修飾することなどが挙げられる。内部ヌクレオチドの修飾としては、例えば、帯電していない結合による修飾（例えば、ホスホン酸メチル、ホスホトリエステル、ホスホアミダート、カルバマートなど）、帯電した結合（例えば、ホスホロチオアート、ホスホロジチオアートなど）、インターカレーション物質による修飾（例えば、アクリジン、プソラレンなど）、キレータを含む修飾（金属、放射性金属、ホウ素、酸化力のある金属など）、アルキル化剤を含む修飾、変形された結合による修飾（例えば、αアノマー核酸など）が挙げられる。また、修飾されていない形態のポリヌクレオチドも可能である。
【００５７】
さらに、糖類に通常存在しているどのヒドロキシ基も、ホスホン酸基やリン酸基で置換したり、標準的な保護基で保護したり、活性化させて追加のヌクレオチドまたは固体支持体にさらに結合できるようにしたりすることができる。５’末端または３’末端のＯＨ基は、リン酸化したり、アミンまたは炭素原子が１〜２０個の有機キャッピング基で置換したりすることができる。他のヒドロキシル基も誘導体化して標準的な保護基にすることができる。
【００５８】
ポリヌクレオチドには、リボース糖またはデオキシリボース糖のアナログ形態も含めることができる。これらは従来技術でよく知られており、例えば、２’−Ｏ−メチル−リボース、２’−Ｏ−アリル−リボース、２’−フルオロ−リボース、２’−アジド−リボース、炭素環式糖アナログ、α−アノマー糖、エピマー糖（例えば、アラビノース、キシロース、リキソース）、ピラノース糖、フラノース糖、セドヘプツロース、非環式アナログ、非塩基性ヌクレオシドアナログ（例えばメチルリボシド）などが挙げられるが、これだけに限られるわけではない。上記のように、１つまたはそれ以上のホスホジエステル結合を別の結合基で置換することができる。別の結合基としては、リン酸基が、Ｐ（Ｏ）Ｓ（“チオアート”）、Ｐ（Ｓ）Ｓ（“ジチオアート”）、（Ｏ）ＮＲ２（“アミダート”）、Ｐ（Ｏ）Ｒ、Ｐ（Ｏ）ＯＲ’、ＣＯ、ＣＨ２（“ホルムアセタール”）で置換された態様が挙げられるが、これだけに限られるわけではない。なお、それぞれのＲまたはＲ’は、互いに独立であり、Ｈ、置換されたアルキル（１〜２０Ｃ）、または置換されていないアルキル（１〜２０Ｃ）であり、場合によってはエーテル（−Ｏ−）結合、アリール、アルケニル、シクロアルキル、シクロアルケニル、またはアラルジルを含むことができる。ポリヌクレオチド内のすべての結合が同じである必要はない。糖、プリン、ピリミジンのアナログ形態で置換することは、ポリアミド骨格などの別の骨格構造となりうるので、最終製品を設計するのに望ましい可能性がある。
【００５９】
“ポリペプチド”、“オリゴペプチド”、“ペプチド”、“タンパク質”という用語は、この明細書ではどれも同じ意味で使われており、任意の長さのアミノ酸からなるポリマーのことを指す。このポリマーは、直線状でも分岐していてもよい。このポリマーは修飾されたアミノ酸を含んでいてもよく、アミノ酸以外のもので中断されていてもよい。この用語には、天然または人工的に修飾されたアミノ酸ポリマーも含まれる。修飾としては、例えば、ジスルフィド結合の形成、グリコシル化、脂質化、アセチル化、リン酸化、その他の任意の操作または修飾（例えば標識成分の結合）が挙げられる。この定義に含まれるものとしてはさらに、アミノ酸（例えば非天然のアミノ酸なども含まれる）の１つまたはそれ以上のアナログや従来技術で知られている他の修飾を含むポリペプチドがある。ポリペプチドは、１本鎖または会合した鎖として生成される可能性がある。
【００６０】
この明細書で用いる“リガンド”は、特定の受容体と結合する分子である。受容体としては、細胞の受容体、または他の分子の一部、例えば、酵素のアロステリック修飾因子に対する受容体が可能である。リガンドの具体例としては、酵素の補因子、基質、阻害剤、酵素のアロステリック修飾因子、細胞膜受容体のアゴニストとアンタゴニスト、毒素、ウイルスのエピトープ、ハプテン、ホルモン、レクチン、麻薬やステロイドなどの薬剤が挙げられるが、これだけに限られるわけではない。
【００６１】
この明細書で用いる“細胞の受容体”は、通常は、細胞内に位置するか細胞膜と会合した状態になっていて、所定のリガンドに対するアフィニティを有する細胞分子のことである。具体例としては、ホルモン受容体、細胞のトランスポーター、サイトカイン受容体、神経伝達物質受容体が挙げられるが、これだけに限られるわけではない。
【００６２】
この明細書に記載した方法を利用してマイクロアレイ基板の上に堆積されるサンプルは、毛細管を通じて輸送することができるのであれば、物理的な形態は任意でよい。サンプルとしては、流体、ゲル、ペースト、ビーズ、粉末、液体中に分散させた粒子が挙げられるが、これだけに限られるわけではない。
【００６３】
本発明の基板は、さまざまな材料で作ることができる。基板は、使用する特定のプローブを固定化できるようになっている必要がある。あるいは基板は、そうした固定化ができるように（例えばコーティングによって）変更が可能になっている必要がある。本発明の基板として好ましい材料としては、シリカ、ガラス、金属、プラスチック、ポリマーなどが挙げられる。
【００６４】
ポリヌクレオチドとポリペプチドを固定化するには、シリカ、すなわち純粋なガラスが好ましい。というのも、ポリヌクレオチドとポリペプチドは処理したガラス面と共有結合することができ、シリカが出す蛍光信号のノイズは最少だからである。シリカは、他の材料の上に層状にすることや、装置の中心的な材料とすることが可能である。両方を同時に実現することもできる。基板の別の例としては、プラスチックまたはポリマーからなるテープをベース基板として、その上にシリカをコーティングしたものが挙げられる。これはプローブ用である。この実施態様では、さらに金属材料層を追加することができる。その金属材料層の位置は、テープ上でシリカ層とは反対側、あるいは、シリカ層とポリマーまたはプラスチックの間にする。
【００６５】
本発明に基づくマイクロアレイ製造システムの一例が、図１に示してある。このシステム１００は、特別な一体化毛細管束１０４、すなわち多数の一体化毛細管束からなる毛細管束組立体を含む印刷ヘッド１０２を備えることができる。図では一体化毛細管束が圧力チェンバーに入れられているが、本発明がそれだけに限定されることはない。毛細管束の各毛細管は、特定のＤＮＡサンプルが入れられた収容部と流体を通じてつながるようにすることができる。プローブが、一体化毛細管束１０４を通じて印刷ヘッド１０２に供給される。全プローブを一回の印刷操作で基板１０６上に堆積させることができる。本発明には、製造されたマイクロアレイの品質をオンラインまたはオフラインで検査するための検査システム１０８を含めることができる。
【００６６】
本発明の基本要素としては、印刷ヘッド、流体の供給、プローブの堆積、検査のための方法と装置が挙げられる。これらの要素を以下に詳しく説明する。“毛細管チャネル”、“チャネル”、“マイクロチャネル”という用語は、この明細書全体を通じてどれも同じ意味で使われており、一体化毛細管束に沿って遠位端から近位端まで延びるマイクロチャネルのことを意味する。“ウエル”または“マイクロウエル”という用語は入れ換え可能であり、一体化毛細管束の遠位端の位置でマイクロチャネルの周辺に位置するマイクロウエルのことを意味する。この遠位端が、一体化毛細管束の出口となっている。
【００６７】
１．印刷ヘッド
印刷ヘッド１０２は、個々の収容部からプローブ流体を集め、１回の印刷操作ごとにマイクロアレイ基板の上に少体積の堆積を作る。印刷ヘッド１０２は、一体化された部材または接合された部材にすることが可能であり、その先端面はマイクロアレイ基板１０６の表面の輪郭に合った形状になっており、均一なプローブを容易に堆積させうるようになっている。印刷ヘッド１０２は、単一のまたは複数の一体化毛細管束１０４を備えることができる。一体化毛細管束印刷ヘッド１０２が複数ある図２に示した構成では、各毛細管束の形状は長方形または正方形になっているため、毛細管束１０４を組み立てて長方形の印刷ヘッド１０２内に構造化されたマトリックスを容易に形成することができる。しかし本発明には、輪郭が他の任意の形状になっている場合も含まれる。図２の変形例では、一体化毛細管束１０４を３×７個配置した構成の印刷ヘッド１０２になっているが、本発明がこれだけに限定されることはない。一体化毛細管束１０４の数は、望みの値にすることができる。印刷ヘッド１０２を長方形の構成にすることには利点がいくつかある。例えば、長方形の印刷ヘッド１０２だと、１）標準的な顕微鏡のスライドの表面を最大限に利用でき、２）システム内の各毛細管束１０４の位置と方向をあらかじめ決めることができ、３）毛細管束内の各毛細管を同定することができる。本発明で用いられる毛細管は、シリカで製造するか、あるいは他の適切な材料、例えばガラス、セラミック、ポリマー、金属で製造することができる。
【００６８】
一体化毛細管束
図３に示したように、システム内の一体化毛細管束１０４は、単一の連続構造になっている。特に、長さ方向に垂直な断面を見るとそのことがよくわかる。この単一の連続構造体を製造するには、例えば、それぞれが１つのチャネルを全長にわたって有する互いに独立な複数の毛細管プレフォームを用意し、それら毛細管プレフォームを例えば加熱プロセスによって互いに接合して、複数の毛細管チャネルを有する連続構造体が形成されるようにする。したがって、一体化毛細管束１０４は、単に互いに締めつけられて接触している多数の毛細管プレフォームを含んだ状態ではもはやない。そうではなく、一体化毛細管束１０４は、今や連続的な一体化構造になっている。一体化毛細管束１０４は、プローブ材料が供給される近位端１１０と、印刷ヘッドと合体させる遠位端１１２とを備えることができる。毛細管束１０４は、少なくとも近位端１１０と遠位端１１２において連続的である必要がある。しかし毛細管束１０４は、本体全体で連続的になっていてもよい。毛細管束１０４は、全長にわたって可撓性を有するようにできるが、少なくとも遠位端１１２に近い部分は可撓性を有するようになっている。このように可撓性があることで、プローブ材料を入れておく別の収容部（図示せず）を動かなくすること、または近位端１１０を収容部として動かなくすることが可能になる。遠位端１１２のほうは、プローブ材料を堆積させる印刷ヘッドとして移動する。一体化毛細管束１０４は、流体に関して互いに独立した多数の内部チャネルを備えることが好ましい。しかし、流体に関して互いに独立した内部チャネルが任意の数である場合も本発明に含まれる。本発明の一変形例では、各チャネルを、近位端１１０（入力端）に大きな開口部があり、遠位端１１２（出力端）には小さな開口部のあるじょうごの形にすることができる。したがってチャネルの開口部は、毛細管束のそれぞれの端部にピッチが異なる秩序正しいマトリックスを形成する。“秩序正しいマトリックス”という用語は、チャネルの開口部の位置が毛細管束１０４の両端で対応していることを意味する。例えば毛細管束１０４の第１の端部にある特定のチャネルの位置がわかると、毛細管束１０４の第２の端部における対応する位置を特定することで、毛細管束１０４の第２の端部における対応するチャネルを明らかにすることができる。
【００６９】
一体化毛細管束の近位端１１０から遠位端１１２まで、いろいろな断面位置で全体のサイズを一様に小さくすることができる。図３に示したように、毛細管束１０４の断面は、全体として一様なまま、近位端１１０で大きく、遠位端１１２に向かうにつれて十分に小さくなるようにすることができる。近位端１１０の近傍で各チャネルの内部容積が大きいと、プローブを入れる収容部として機能させることができる。遠位端１１２のほうは、プローブをマイクロアレイ基板の上に堆積させるのに使用できる。本発明の別の変形例では、近位端１１０のチャネル・マトリックスは、標準的なマイクロタイタープレート（図示せず）内のウエルと同じ配置パターンとピッチにして、プローブ材料をマイクロタイタープレートから一体化毛細管束１０４に移すのが容易であるようにすることができる。遠位端１１２のチャネル・マトリックスは、製造されるマイクロアレイ上のプローブのピッチとパターンを決定する。
【００７０】
このような特殊な毛細管束は、多くの特許に記載されている押し出しプロセスまたは引っ張りプロセスを利用して大きなプレフォームから製造することができる。そうした特許としては、米国特許第５，２６５，３２７号、第４，０１０，０１９号があり、それぞれの特許の全体が参考としてこの明細書に組み込まれている。装置を製造するのに幅広い材料を使用することができる。例えばガラス、セラミック、ポリマーが挙げられるが、これだけに限定されるわけではない。
【００７１】
１つの製造方法が図４ａ〜図４ｃに示してあり、それについて以下に説明する。一体化毛細管束の近位端において望むピッチと等しくなる外側断面形を有するプレフォーム４０２、４０４（例えばガラス・チューブ）を選択する。図４ａと図４ｂに示したように、プレフォーム４０２、４０４を積み重ねて秩序正しいマトリックス４０６、４０８にすることができる。マトリックスは、プレフォームの外形と、プレフォームを積み重ねる方法に応じて、蜂の巣、チェス板、あるいはそれ以外の望むパターンにすることができる。次に、秩序正しいマトリックス４０６、４０８を互いに接合して秩序正しい一体化マトリックス構造にする。接合方法の一例は、熱を利用してプレフォームを互いに接合する方法である。図４ｃに示したように、今度は一体化マトリックス４１０を、例えば押し出し機で引き延ばしたり、ファイバー延伸タワーで引っ張ったりする。このプロセスでは、一体化マトリックス４１０の各端部４１２は変化せず、中間部が細くなって、望むピッチのマトリックス配置を有する可撓性のある毛細管束になる。次に、一体化マトリックスを中間部で切断すると、２つの一体化毛細管束が生まれる。その一端４１２は、サイズがマイクロタイタープレートに合った堅固で大きな２次元配列のチューブであり、他端４１４は、同じ構成の細い毛細管からなる２次元配列である。毛細管束内の各毛細管の位置は高度に組織化されており、毛細管束内での位置の順番に従って記録することができる。この場合、あらかじめ引き延ばした一体化構造の端部４１２が、最終的に得られる一体化毛細管束の近位端となり、切断された端部４１４が、最終的に得られる一体化毛細管束の遠位端となる。
【００７２】
以下に説明するように、本発明の一体化毛細管束は、マイクロアレイの製造が容易になるよう、別の特徴をさらに備えることができる。追加となる第１の特徴は、本発明の一体化毛細管束を、毛細管束のコアまたはチャネル内を光とプローブ・サンプルが通過できるように製造することである。一体化毛細管束が光を通過させることができると、基板表面で光により活性化される修飾や化学反応を起こすのに非常に便利である。本発明の一体化毛細管束の追加となる第２の特徴は、チャネルが、一体化毛細管束からの出口にあたる一体化毛細管束の遠位端にウエル（“マイクロウエル”とも呼ぶ）を有することである。これらマイクロウエルは、プローブ・サンプルが基板上に堆積されてウエル内に留まるのを助ける。プローブ・サンプルがウエル内に留まると、互いに隣接したプローブの間でスポットが重なったりクロストークが起こったりすることが避けられる。
【００７３】
本発明の一変形例では、ガラスからなるチューブ状プレフォームは、中央キャビティの周囲に、ゲルマニウム、エルビウムなどの希土類元素をドープした内部領域を有することができる。このようなプレフォームは、光の屈折率が周囲のクラッドと比べて大きいコア領域を有することになる。このような特別なプレフォームは、光ファイバー業界で広く利用されている変形化学気相堆積（ＭＣＶＤ）法で製造することができる。別の方法として、このような特別なプレフォームは、単に、普通のマルチモード光ファイバー・プレフォームに中心を貫通する穴を開けることによって製造することもできる。一体化毛細管束を製造するのにこのように特殊なチューブ状プレフォームを用いることの別の利点は、印刷ヘッドを単にエッチング流体、例えばフッ酸に浸すことによって、マイクロウエルを、各マイクロチャネルの中央近傍の位置で印刷ヘッドの面上に製造できることである。
【００７４】
一体化毛細管束がいかに構成されて遠位端の位置にアレイを作るかの一例を以下に示す。元のチューブ状プレフォームの断面が３ｍｍ×３ｍｍの正方形であると仮定すると、元のこのプレフォームが２０×２０個集まったアレイの断面は６ｃｍ×６ｃｍになる。プレフォームが積み重なったアレイを例えば溶接や加熱によって一体化構造にした後、１ｍを超える長さに引っ張ると、遠位端の位置で１ｍｍ×１ｍｍになる。一体化毛細管束は、今や４００個のマイクロチャネルを含んでおり、遠位端の部分では十分に可撓性があり、遠位端の先端面ではチャネルのピッチが５０μｍになっている。この毛細管束によるプローブのピッチは５０μｍである。２０×６０のこのような毛細管束からなるアレイを秩序正しく組み立てると、約５０万のマイクロチャネルからなる秩序正しいマトリックスを含む印刷ヘッドが得られる。それでいながら、この印刷ヘッドは標準的な顕微鏡のスライドに十分適合するだけの小ささのままである。このアレイは、ランダムに束ねられた毛細管とは異なって秩序正しいため、遠位端のチャネルは、近位端のチャネルと対応することがわかっているので同定する必要がない。
【００７５】
この一体化毛細管束は、比較的長くて可撓性があり、長さ方向に沿って断面積の狭い均一な部分を多く有するという幾何学的特徴を持っているため、マイクロアレイの製造に非常に有利である。第１に、遠位端に近い部分において可撓性がありサイズが一定であるため、毛細管の数よりもはるかに多い数のマイクロチャネルを含む、多数の一体化毛細管束を有する印刷ヘッドを組み立てることができる。第２に、すでに説明したように、毛細管束の近位端に位置する収容部は印刷中は動かないようにしておくことができるため、プローブが印刷ヘッドに向けて安定に流れやすくなる。最後に、内部チャネルは比較的長くて小さいため、直接接触による印刷の間に発生する正の毛管圧の影響が小さくなる。正の毛管圧は、以下に説明するように、マイクロアレイ上でプローブが溢れたり重なったりすることに影響を与える可能性がある。
【００７６】
２．流体の供給
アレイ内の流体供給サブシステムの機能としては、一体化毛細管束の収容部から個々のチャネルを通じて印刷ヘッドにプローブ流体を運ぶことと；印刷ヘッド全体において、各チャネル内で一定かつ均一な流速が保証されるようにすることなどが挙げられる。
【００７７】
流体の輸送
本発明には、プローブ流体を収容部からチャネル内へ、そして印刷ヘッドへと送るためのいくつかの方法が含まれる。これらの方法は、流体供給サブシステム内で、単独で、または組み合わせて利用することができる。
【００７８】
その方法としては、空気圧、重力、および／または電場を用いる方法などがある。
【００７９】
プローブを空気圧を利用して送る方法には、一体化毛細管束の近位端と遠位端の間に圧力差を作り出してその圧力差を維持する方法が含まれる。この圧力差が流体の圧力に変換され、プローブ流体が送られる。
【００８０】
毛細管にプローブ流体が満たされると、重力を利用してプローブを送ることができる。印刷ヘッドに対する流体収容部（例えばマイクロタイタープレート）の垂直方向の位置を調節することにより、一定流を維持・制御することができる。
【００８１】
プローブ材料を帯電させることが可能な場合には、電場を用いることができる。例えば、ＤＮＡ流体は負に帯電しているため、収容部と印刷ヘッドの間に電圧を印加することにより、静電力と電気浸透力（ＥＯＦ）で流体の流れを制御することができる。電場を用いてプローブ材料を送る方法は、『毛細管電気泳動、理論と実践』（カミレリ著、ＣＲＣプレス社、ＩＳＢＮ ０８４９３９１２７Ｘ）に記載されている。
【００８２】
流速の制御
流速が、各チャネル内で一定になり、印刷ヘッド全体で同じであるように制御すると、基板上のプローブ・スポットのサイズがアレイごとに一定になり、各マイクロアレイで同じになる確率が大きくなる。
【００８３】
毛細管チャネル内の流体の流速を一定にすることは比較的容易である。流体を送る上記のどの方法を用いて流速を制御してもよい。しかし空気圧と重力は、流速を制御する方法としては比較的不正確である。空気圧または圧力上昇の差が消えても、毛細管チャネル内に背圧が生じるために流れが瞬間的に停止することはない。比較すると、電場は、プローブの流れを制御するのにはるかに正確かつ応答性のよい方法である。
【００８４】
印刷ヘッドのすべてのチャネルで流速を同じにするのははるかに難しい。毛細管チャネル内の流速は、駆動力は別にして、多くの因子に依存している。そのような因子としては、キャビティのサイズ、毛細管の表面の特性、流体の粘性などが挙げられる。毛細管が詰まったり毛細管内に泡が留まった状態になったりすると、プローブの流れが妨げられ、製造されるマイクロアレイ上にプローブがないことになる。そこで、プローブの一様な流れを妨げる因子をできるだけ少なくすることが望ましい。
【００８５】
本発明の別の特徴により、流速の一定さを保証する手段が提供される。本発明の変形例として、シリカをベースとした毛細管を選択することにより流速の一定さを向上させる方法、プローブ流体の粘性を変える方法、毛細管チャネルが詰まらないようにする方法、チャネル内に泡が発生したり捉えられたりしないようにする方法、個別の電場を利用して流速を制御する方法などがある。
【００８６】
本発明の第１の変形例は流速を一定にするというものであり、この場合にはシリカをベースとした毛細管を用いる。シリカ製毛細管の特性は、マイクロアレイの製造に適している。シリカ製毛細管の内径と外径の両方は、同じ１回の引っ張りで２％未満異なる可能性があり、異なる引っ張り同士を比較した場合には５％未満異なる可能性がある。したがって、一体化毛細管束内の毛細管チャネル相互間のサイズの均一性を高めるには、同じ１回の引っ張りで製造した毛細管だけを用いることが望ましい。また、シリカ製毛細管の表面は、引っ張りプロセスの後は滑らかである。というのも、毛細管の引っ張りは、シリカの融点で行なうからである。さらに、毛細管内のシリカ表面は、自然のままで負に帯電している。そのためＤＭＡサンプルを“嫌い”、サンプルと毛細管の間の摩擦が最小になる。毛細管内のシリカ表面が自然に帯電することで、サンプル流体を印刷ヘッドにスムーズに供給することができる。さらに、チャネルの壁面には炭化フッ素ポリマーなどの疎水性フィルムをコーティングして、毛細管の耐久性と均一性を向上させることもできる。
【００８７】
本発明の別の変形例としては、プローブ流体の粘性を変えることによって流れの一様性を保証する方法が挙げられる。例えば、プローブ流体の粘性は、糖などの不活性な緩衝物質をプローブ流体に適量添加することによって調節することができる。
【００８８】
流れの一様性を向上させるための本発明の別の変形例は、毛細管チャネルの詰まりを防ぎ、プローブ流体中に泡が発生するのを防ぐというものである。例えば、あらゆるプローブ流体をクリーンルーム環境で精製し、処理して、毛細管の詰まりを防止する。泡の捕捉は、超音波および吸引により流体をあらかじめ処理することで回避できる。
【００８９】
各毛細管内における流速の制御は、個別の電場を用いることによっても実現できる。上記の最初の３つの手段を利用すると、空気圧や重力などの均一な駆動力のもとで印刷ヘッドにおける流速の変化を小さな幅（例えば２０％）に維持できる可能性が非常に大きい。ほとんどのマイクロアレイは、これらの方法で製造すれば十分である。流れをより正確に制御する必要がある場合には、電場法を用いると、それぞれの毛細管チャネル内の流速を制御することができる。図５には、重力および／または空気圧を主要な流体駆動力として利用し、電場５０２、５０４が、流れを制御する追加の微調整メカニズムとなっている、流れ制御サブシステムの一実施態様が示してある。図示されているように、一体化毛細管束５０６の別々の収容部またはチャネルには異なる電圧を印加することができる。例えば、電極５１０を一体化毛細管束のチャネルに直接差し込むための電極フレーム５０８を用いることにより、電極を各チャネルと接触させることができる。また、印刷ヘッド５１２の端面と各毛細管の近位端の先端を、金属などの導電性材料でコーティングすることもできる。すべての毛細管は、印刷ヘッド５１２の位置で共通のグラウンドに接続することができる。異なる毛細管には近位端５１４の位置に異なる電圧を印加することができる。その結果として生じる電場が、毛細管内の流速を微調整する。電場は流体を推進する主要手段としてではなく微調整装置としてだけ使用されているので、比較的小さな電圧で十分である。さらに、電圧の調節は、以下に説明するように検査装置からのフィードバックに基づいて、あるいは堆積されたプローブ材料の液滴のサイズを例えば光学的顕微鏡や走査式顕微鏡でモニタすることによってなされる。
【００９０】
３．プローブの堆積
上に説明したプローブを堆積させるサブシステムにより、基板上に一定体積のプローブ流体が堆積され、マイクロアレイ上にスポットがなかったりスポット同士が重なったりすることがなくなる。本発明にはさらに、堆積メカニズムとして、物理的に叩くことや静電印刷も含まれる。
【００９１】
物理的に叩くこと
図６に示したように、プローブ６０２は、印刷ヘッド６０６を基板６０４上で物理的に叩くことによってマイクロアレイ基板６０４の上に堆積させることができる。図６ａに示したように、毛細管チャネル６０８内をプローブ溶液６０２が一様に流れることで、各毛細管チャネル６０８の先端面６１２に、プローブ流体６０２からなる液滴６１０ができる。印刷ヘッド６０６を基板６０４上で叩くと、図６ｂに示したように、液滴６１０が、表面張力のために基板６０４と結合する。この表面張力は、流体６０２内の結合力よりも強い。したがって液滴６１０は、図６ｃに示したように印刷ヘッドを引き上げたとき、最も弱い位置、すなわち毛細管チャネル６０８から出る位置で、柱状の流体から離れる。プローブ・スポット６１４が基板上に堆積される。
【００９２】
この明細書で説明している本発明により、マイクロアレイに共通する２つの問題点を避けることができる。問題点とは、すなわち、マイクロアレイ内にプローブ・スポットがないことと、プローブ・スポット同士が重なることである。本発明により、製造されたマイクロアレイ上にスポットがないことを避ける手段が提供される。この手段は、単独で使用してもよいし、組み合わせて使用してもよい。
【００９３】
１）一変形例では、印刷ヘッドの先端面は、叩いている間を通じてほぼ全体が基板と接触していなくてはならない。顕微鏡のスライドをマイクロアレイ基板として用いる場合には、印刷ヘッドの先端面を非常に平らになるまで磨く必要がある。
【００９４】
２）別の変形例では、接触部の１つ、すなわち印刷ヘッドまたは基板をしっかりと支持し、他の接触部は柔らかいプラットフォームまたはバネつきのプラットフォームに固定することができよう。これら２つの面が平行からわずかにずれている場合には、柔らかい支持体上の面を固いマウンティングに押しつけて完全に接触するようにする。例えば図７ａ〜図７ｃに示したように、基板７０２を備えるプラットフォーム７００が、バネ７０４を介して固定された台７０８に載せられている。例えばプラットフォーム７００をジョイントまたはジンバルの上に取りつけたり、プラットフォーム７００をポリマーまたはスポンジ様のブロックにして、その上に基板を載せたりすることもできる。したがって、印刷ヘッド７０６が基板に近づくにつれ、プラットフォーム７００の曲がる性質によって、プラットフォーム７００と印刷ヘッド７０６の間にあるちょっとしたずれまでもが補正される。図示していないが、印刷ヘッドを曲がるプラットフォームの上に置くことや、印刷ヘッドが、印刷ヘッドと基板の間のずれを補正する曲がる材料を含むようにすることも可能である。また、印刷ヘッドと基板の構成が、印刷ヘッドが基板に絶対に接触しないようになっている場合には、例えば、印刷ヘッドのフレームと基板の支持体が接触するようにして、プローブを堆積させている間は印刷ヘッドと基板が互いに平行になるようにする。
【００９５】
３）本発明の別の変形例では、基板表面が正に帯電し、印刷ヘッドの表面は負に帯電して疎水性になっているようにすることができる。
【００９６】
重なったスポット（プローブの“クロストーク”または“クロスコミュニケーション”とも呼ぶ）は、基板上にプローブ流体が過剰に堆積されることに加え、堆積される流体を基板上の所定の領域内に限定する手段がないことによって生じる可能性がある。上記の流速制御は流体が溢れるのを防ぐのに役立つとはいえ、印刷ヘッドを基板に非常に近づけて２つの表面の間に流体のリンクができたとき、毛管力が印刷ヘッドの表面と基板の間に発生する可能性がある。この毛管力が余分な流体をチャネルの外に引っ張り出す可能性がある。製造されたマイクロアレイ上でスポットが重なるのを防ぐため、この明細書で説明している本発明により、さらに以下の側面が提供される。これらは、単独で利用してもよいし、組み合わせて利用してもよい。
【００９７】
１）印刷ヘッドと基板の両方の表面を疎水性にする。
２）図６ａ〜図６ｃに示したようにウエルまたはマイクロウエルを用いる。マイクロウエル６１６またはウエル６１６は、それぞれの毛細管チャネル６０８の先端に設けることができる。このマイクロウエルには、基板６０４上に置かれる一定体積の流体６０２を収容することができる。マイクロウエルは、例えばダイヤモンドが先端についた精密ドリルを用いて１つずつ作るか、フォトリソグラフィーの方法で多数を同時に作ることが可能である。毛細管の中央部にゲルマニウムがドープされている場合には（すでに説明したように元々は光の伝送用）、これらマイクロウエルは、印刷ヘッドをフッ酸溶液（ＨＦ）などのエッチング流体の中に浸すことによって同時に作ることができる。なぜなら、非常にわずかな量のゲルマニウムをドープするだけでゲルマニウム周辺のシリカのエッチング速度を劇的に高めることができるからである。マイクロウエル６１６は、基板６０４上に堆積されるプローブ材料６０２のサイズを制御するのに役立つ。マイクロウエル６１６は、プローブ材料６０２に対する物理的障壁となり、そのウエル６１６内にだけプローブ材料６０２が堆積されるようにする。プローブ材料６０２をそれぞれのマイクロウエル６１６内に保持すると、隣接したプローブ材料のクロストークが防止される。マイクロウエル６１６の形状または断面が図面に示したものに限定されることはなく、望むものを選択できる。
【００９８】
３）サンプル溶液中のサンプルの密度を大きくすることにより、または不活性な緩衝材料を十分な量添加することにより、堆積されるプローブ材料の粘性を大きくする。印刷されるプローブをビーズ、ゲル、ペーストの形態にすると、重なりの問題をなくすことができる。
【００９９】
４）印刷ヘッドが基板と流体を介して接触している時間を短くする。
５）内径がより小さな毛細管を用いる。すると、接触印刷の間に印刷ヘッドと基板の間の流体層に発生する毛管引力の効果が小さくなる。
６）乾燥環境のもとで、加熱した基板上にプローブを堆積させる。するとプローブ中の流体の蒸発が加速され、溢れることが減る。
７）表面温度をプローブ流体の凝固点よりも低くした基板の上にプローブを堆積させる。
【０１００】
静電印刷
図８に示したように、金属などの導電層８０２を印刷ヘッド８０６の先端面８０４にコーティングすることができ、マイクロアレイ基板８０８は、導電体８１０または導電体でコーティングされた支持体８１２の上に置く。別の方法として、導電層を有する特殊なマイクロアレイ基板８０８を用いることもできる。電圧（Ｖ）を、基板の端部で極性がプラスとなるようにして印刷ヘッド８０６と基板８０８またはその支持体８１２との間に印加すると、毛細管チャネル８１６内のプローブ材料８１４、例えばＤＮＡサンプルは、負に帯電しているため、基板８１２の方向に引き寄せられることになる。十分に高圧の短いパルスが印加されると、印刷ヘッドの先端面８０４が基板の近くにあるときには、さまざまなプローブ流体からなるスポット８１８が毛細管チャネル８１６からちぎれ、基板８０８上へと向かう。この方法の１つの利点は、印刷ヘッド８０６が基板８０８の表面と接触しなくてもいいことである。したがって、製造されたマイクロアレイ上にスポットがないこととかスポットが重なることに関係した潜在的な多くの問題が避けられる。さらに、印刷ヘッドは静止しているため、毛細管チャネルの端部にマイクロウエルが存在している必要がなくなる。
【０１０１】
ビーズ、ゲル、ペーストの印刷
本発明の別の変形例は、微小球（ビーズ）、ゲル、ペーストといった物理的形態をした担体の上にプローブを印刷することによって、プローブ間のクロストークを避けるというものである。中でも、ビーズを担体として用いることには別の利点もある。例えば、オリゴヌクレオチドなどの合成された多数の生体分子がビーズ上に作られる。したがって、ビーズに印刷すると、分子をビーズから分離させる必要がなくなる。またビーズは、内部で、または隣接したビーズとの間で入射光を何回も反射させてから光を戻す。このことにより、蛍光を励起する効率が大きくなり、マイクロアレイを読み出している間の信号／雑音比が向上する。
【０１０２】
本発明の別の変形例としては、基板上の特定の場所に堆積されたゲルまたはペースト状の液滴からなるアレイが挙げられる。それぞれの液滴は、特定のプローブ材料を含んでいる。本発明には、特別なビーズ・アレイを用いてビーズが基板と直接共有結合しないようにする方法も含まれる。その代わりに、図９に示したように、プローブ分子９０２が、分子鎖の一端にある官能基を通じてビーズ９０４と共有結合する。プローブ分子９０２は、基板９００上に堆積されると、分子鎖の他端にある適切な官能基を通じて基板９００と共有結合する。
【０１０３】
４．アレイの検査
本発明の別の側面では、アレイ検査用サブシステムを用いて、製造されたマイクロアレイの品質を検査する。この検査は、オフラインで、またはリアルタイムにオンラインで実行することができる。スポットがないとか重なっているとかするアレイは、自動的に検出され、記録され、必要に応じて欠陥製品として排除される。この装置は、スポットのサイズをリアルタイムに検査してその情報を流体供給サブシステムに戻し、毛細管チャネル内の流速を制御するのにも用いることができる。マイクロアレイまたは印刷ヘッド上のスポットのサイズが一様にあまりに大きいとか小さいとかした場合には、システムを修正し、例えば個々の毛細管チャネルに印加する電圧を調節することで印刷速度を調節してスポットのサイズに望む変化が起こるようにする。
【０１０４】
本発明は、検査用サブシステムとして２つの異なった光学的構成物を提供する。
【０１０５】
第１の構成物は、図１０に示したもので、マイクロアレイ上のスポットによって散乱される光を検出することに基づいている。製造されたマイクロアレイ１０００は、大きな角度αで光を照射される。ディジタル・カメラ１００２が、マイクロアレイ１０００を上方から観察している。基板１００６上に堆積されるプローブ１００４は、わずかな体積の流体しか含んでいないため、ほとんど瞬間的に乾燥し、プローブ流体溶液中に含まれる塩を高い濃度で堆積させる。乾燥したプローブ１００４中のこの塩は、その塩を照射する光１００８を散乱させるのに十分な量が存在している。基板１００６上でプローブのスポット１００８がない領域では、光１００８を散乱させる塩がないため、光１００８は同じ大きな角度で側方に反射される。カメラ１００２の方向に反射される光１００８がないため、カメラ１００２はこれらの領域では暗い背景を記録する。堆積されたプローブ１００４がある領域では、塩が光１００８をカメラ１００２の方向に散乱させるため、カメラ１００２は、プローブ１００４が堆積された領域で明るいスポットを記録する。
【０１０６】
別の構成物は、図１１ａ〜図１１ｃに示したもので、これは内部全反射の原理に基づいており、上記の方法で検査するのにあまり適していない可能性のあるマイクロアレイの検査に適している。この変形例では、較正された光ビーム１１００が、スライド１１０４の底面１１０２に照射される。この底面に、プローブ・アレイが堆積されている。底面１１０２に対する入射光ビーム１１００の角度は、基板と空気の界面における内部全反射の臨界角よりもわずかに大きい。図１１ｂ〜図１１ｃは、スライド１１０４と、そのスライド１１０４の底面１１０２に照射された光ビーム１１００の拡大図である。基板表面の上方で、ディジタル・イメージング・カメラ１１０８を用いて、照射された領域を観察する。図１１ｂに示したように、プローブがない基板１１０４上の領域では内部全反射が起こり、この場所ではこのカメラの画素にわずかな光しか検出することができない。しかし、図１１ｃに示したように、プローブ１１０６がある場所では、プローブ１１０６が存在しているために基板と空気の界面で内部全反射の条件が満たされなくなる。光ビームの一部が基板表面の上方の空間に屈折して画像形成装置に捕えられる。この方法により、たいていの透明な物体のコントラストを有意に大きくすることができる。
【０１０７】
いずれの構成物でも、マイクロアレイ全体をカバーするには、マイクロアレイを載せるステージに沿った異なる位置に複数のカメラが必要であろう。
【０１０８】
５．光導波毛細管の他の潜在的な利点
すでに説明したように、本発明の１つの特徴は、それぞれの毛細管チャネルが、光を伝送することのできる光導波路として機能することである。このような特徴は、マイクロアレイの製造において利用するにあたって非常に有用である可能性がある。例えば、アレイの基板を光感受性材料からなる層でコーティングするとよい。この材料は、例えば、光に曝露しないときは疎水性であり、光に曝露した後は親水性になる材料である。このような材料の具体例としては、Ｏ−カルボキシメチル化されたカリックスレゾシナレンや、ホトクロムアゾベンゼンを始めとする他の化合物が挙げられる。本発明の毛細管チャネルにより、印刷ヘッドがプローブ・アレイを基板上に堆積させるまさにその瞬間に、光パルスを伝送することができる。光感受性材料が基板を親水性にできる場合には、光への曝露によってそれぞれの毛細管の先端部の位置でマイクロウエルの直下にある領域が親水性になるが、基板表面の残りの部分は疎水性のままに留まる。このようにして、プローブの存在する場所が、明確に決められた領域に限定されるだけでなく、標的となるサンプル流体も、ハイブリダイゼーション段階においてプローブ領域に集中することになる。マイクロウエルを利用する場合には、光はウエル内の領域に限定されるため、プローブの標的領域がさらに限定されることになる。このような特徴により、ハイブリダイゼーションの効率が上昇し、必要とされる標的流体の量が減る。本発明の別の特徴は、特定の波長の光に対して感受性のある基板コーティング材料を選択し、流体相のプローブを置いたときに瞬間的に基板とプローブの架橋が始まるようにすることである。さらに別の特徴は、プローブ・サンプル中に光子によって壊れる結合剤を組み込み、プローブ・サンプルを置いたときに所定のプローブの分子構造を変えたり、断片が絡み合うのを防いだりすることである。プローブ・アレイに所定の条件のもとで光を照射することにより、プローブ内で所定の反応を起こすことも可能である。
【０１０９】
６．本発明の他の応用
マイクロタイタープレートは、化学サンプルまたは生物サンプルの貯蔵、輸送、取り扱いに最も広く使用されている装置である。また、マイクロタイタープレートは、多数の化学反応または生物反応を並行して行なうための反応容器としても用いられる。本発明は、上記のマイクロアレイの製造への応用に加え、化学サンプルまたは生物サンプルを、１つまたはそれ以上のマイクロタイタープレートから実験室の試験システム内の別の場所に運ぶのに適した形に適合させることができる。特に、本発明は、サンプルを標準的なマイクロタイタープレートから他のマルチウエルまたはマルチチャネル装置へ移したり、標準的なマイクロタイタープレート間で移動させたりするのに理想的である（例えば９６ウエル・プレートから３６４ウエル・プレートへ、あるいはその逆）。それぞれのマイクロタイタープレートのフォーマットは、同じでも異なっていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロアレイ製造システムの一実施態様の概略図である。
【図２】固定化された２１の毛細管束を含む印刷ヘッドを示す。
【図３】一体化毛細管束の一例を示している。
【図４】ａ〜ｃは、毛細管が秩序正しく配置された一体化毛細管束を製造する方法を示す。
【図５】プローブを含む溶液を毛細管を通じて流す速度を制御する２つの方法を示す。すなわち、加圧ガスを使用する方法と、電圧を利用する方法である。
【図６】ａ〜ｃ、物理的に叩くことによってプローブを堆積させる様子を示す。これらの図では、印刷ヘッドのチャネルに壁面があるように描かれている。
【図７】ａ〜ｃは、基板と印刷ヘッドの間の揃い具合を改善するためのバネ式基板ホルダーの一例である。
【図８】静電印刷によるプローブ堆積法の一例である。
【図９】プローブ分子によって固定されたビーズ・アレイの図である。
【図１０】光散乱を利用してマイクロアレイを検査するための装置と方法を示す。
【図１１】ａ〜ｃは、基板内での光の内部全反射を利用してマイクロアレイを検査するための装置と方法を示す。
【図１】
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【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９】
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【図１０】
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【図１１】
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【国際公開パンフレット】
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2004502923.tif 000015
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【国際公開パンフレット（コレクトバージョン）】
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【国際調査報告】
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