(57)【要約】本発明は、単純で安価な対物レンズと、大加速度／高スピードのボイスコイル作動性解読用装置とを備えた走査型共焦点顕微鏡画像検出システムを提供する。この対物レンズは、低価格で高度な光収集効率を提供する。ボイスコイルは、高度な光収集効率を備えた安価な対物レンズを用いて有効に利用できるポリマー配列の少なくとも一つの軸（走査方向：高速走査軸）を高速走査する際に加速度の改善をもたらす。一態様では、解読用載物台にはボイスコイル、線形スライド、及びボイスコイルを線形スライドに接続する軽量のブラケットが設けられている。ブラケットは堅く、走査すべきポリマー配列または回転式プリズムと対物レンズを支持するように設計されている。従って本発明は、例えばポリマー配列の高スピードで低価格のスキャニング、即ちボイスコイル作動性解読用載物台を用いて高性能で価格の面で効果的なポリマー配列スキャニングを行うシステム及び方法を提供する。【特許請求の範囲】
【請求項１】
ボイスコイル、線形スライド、ならびに、該ボイスコイルおよび該線形スライドを接続しポリマーアレイを取り付けるための面をもつブラケットをもつ解読用載物台を含む走査用装置。
【請求項２】
さらに、表面をもつ解読台を含み、線形スライドのガイド部位が、該解読台の該表面に取り付けられている、請求項１記載の装置。
【請求項３】
ポリマーアレイがブラケットの表面に取り付けられていて、該ポリマーアレイがパッケージ型ポリマーアレイとなっている、請求項２記載の装置。
【請求項４】
ブラケットが、該ブラケットの別の面で線形スライドの可動部分と接続されている、請求項１記載の装置。
【請求項５】
さらに、解読用載物台がブラケット上に目盛をもつ、請求項４記載の装置。
【請求項６】
さらに、解読用載物台が、ポリマーアレイではなく、リフレクターと対物レンズをブラケットの表面上にもっている、請求項４記載の装置。
【請求項７】
リフレクターが、ミラーと回転プリズムとからなる群より選択される、請求項６記載の装置。
【請求項８】
さらに、対物レンズをもつ共焦点顕微鏡画像検出装置を含み、３．５ ｍｍ以下のピクセルサイズを用いた正確で確実な画像認識法を提供する、請求項５記載の装置。
【請求項９】
対物レンズが、顕微鏡の対物レンズ、二重レンズ付き非球面レンズ、二重レンズなし非球面レンズ、および屈折／回折性ハイブリッドレンズからなる群より選択される、請求項８記載の装置。
【請求項１０】
対物レンズが、顕微鏡の対物レンズ、二重レンズ付き非球面レンズ、二重レンズなし非球面レンズ、および屈折／回折性ハイブリッドレンズからなる群より選択される、請求項７記載の装置。
【請求項１１】
さらに、解読用載物台の動きを調節するための制御装置を含む、請求項５記載の装置。
【請求項１２】
制御装置が、ボイスコイルに接続している増幅装置を含む、請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
制御装置が、動作制御装置および走査制御用コンピュータを含む、請求項１２記載の装置。
【請求項１４】
制御装置が、解読用載物台の位置を検出するための読み取り用ヘッドを含む、請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
制御装置が、読み取り用ヘッド、ボイスコイル、および動作制御装置に接続した相互接続モジュールを含む、請求項１４記載の装置。
【請求項１６】
ポリマーアレイを取り付けるための面が平面であり、それも平面であるもう一つの面に垂直になっている、請求項５記載の装置。
【請求項１７】
ポリマーアレイを取り付けるための面が平面であり、それも平面であるもう一つの面に平行になっている、請求項６記載の装置。
【請求項１８】
１ ｃｍ×１ ｃｍ以上のポリマーアレイ画像サイズを走査する、請求項９記載の装置。
【請求項１９】
線形解読を行うための装置、および該線形解読用装置にボイスコイルを接続するための装置を含む解読用載物台において、該ボイスコイルを該線形解読用装置に接続するための装置が、ポリマーアレイを確実に取り付けるための面を含む走査用装置。
【請求項２０】
線形解読用装置が、単軸解読を提供する交差ころ軸受型線形スライドであり、ボイスコイルを線形スライドに接続するための装置が、軽量な剛体材料からできたブラケットである、請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
永久磁石部位およびコイル巻き線部位をもつ線形アクチュエータ、線形スライド、ならびに、該線形アクチュエータと該線形スライドを接続しポリマーアレイを取り付けるための面をもつブラケットを含むポリマーアレイ走査用装置。
【請求項２２】
線形アクチュエータがボイスコイルである、請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
ボイスコイルが、スライド型ボイスコイルおよびプランジャー型ボイスコイルからなる群より選択される、請求項２２記載の装置。
【請求項２４】
スライド型ボイスコイルがＢＥＩキムコ（Ｋｉｍｃｏ）ＬＡ１４−２４−０００ボイスコイルであり、プランジャー型ボイスコイルがＢＥＩキムコＬＡ３４−３７−０００Ａである、請求項２３記載の装置。
【請求項２５】
さらに、ブラケットの第二の面に取り付けられ、基質の表面を横切る高速軸方向にレーザー光線を走査させるための走査用ヘッドをポリマーアレイの代わりにもつ、請求項２３記載の装置。
【請求項２６】
走査用ヘッドがリフレクターと対物レンズとをもつ、請求項２５記載の装置。
【請求項２７】
リフレクターが、ミラーおよび回転プリズムからなる群より選択される、請求項２６記載の装置。
【請求項２８】
ボイスコイル、線形スライド、ならびに該ボイスコイルおよび該線形スライドを接続するブラケットで、ポリマーアレイをその上に取り付けるためのブラケットを含む解読用載物台を提供する工程；および、
ボイスコイルを用いて走査加速度および走査線速度を上昇させる工程を含む走査法。
【請求項２９】
さらに、ポリマーアレイに高度の走査加速運動をもたらす工程を含む、請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
さらに、ポリマーアレイではなく、ブラケットに取り付けられた走査用ヘッドに高度の走査加速運動をもたらす工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
走査用ヘッドが、顕微鏡の対物レンズ、二重レンズ付き非球面レンズ、二重レンズなし非球面レンズ、および屈折／回折性ハイブリッドレンズからなる群より選択されたリフレクターおよびレンズをもつ、請求項３０記載の方法。
【請求項３２】
光源；
該光源からの光を基質の方向に向かわせ、該基質からの反射光を該基質からの発光より分離するための光学トレイン（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｉｎ）；
該光源から生じる該基質への光の焦点を合わせるための集束装置；
該基質からの発光を検出するための検出装置；
該基質を低速軸方向および焦点軸方向に解読して行くための解読台；および、
２つ以上の取り付け面をもつブラケットをもち、高速軸方向に走査線を走査するためにかかる時間を減少させて既定のアレイサイズを走査する時間数を減少させるために、ステッピングモーターの加速度よりも大きな加速度をもつ線形アクチュエーターを用いて高速軸方向に走査するための解読用載物台；を含む共焦点顕微鏡画像検出装置。
【請求項３３】
解読用載物台が解読台の表面に取り付けられている、請求項３２記載の装置。
【請求項３４】
線形アクチュエーターがボイスコイルであり、ポリマーアレイが一つ以上の取り付け面に固定されている、請求項３３記載の装置。
【請求項３５】
線形解読用載物台を、２ ｍｍ以上の距離を１秒あたり１０本以上の走査線が動く速度で動作させるための装置を含み、３．５ミクロン以下のピクセルサイズで走査を行なう走査用装置。
【請求項３６】
速度が１秒あたり２０本以上の走査線が動く速度である、請求項３５記載の走査用装置。
【請求項３７】
速度が１秒あたり３０本以上の走査線が動く速度である、請求項３５記載の走査用装置。
【請求項３８】
ピクセルサイズが２ミクロン以下である、請求項３７記載の走査用装置。
【請求項３９】
ピクセルサイズが１．５ミクロン以下である、請求項３７記載の走査用装置。
【請求項４０】
距離が５ ｍｍ以上である、請求項３５、３６、３７または３８記載の走査用装置。
【請求項４１】
距離が１４ ｍｍ以上である、請求項３５、３６、３７または３８記載の走査用装置。
【請求項４２】
装置が、ボイスコイルによって操作される解読用載物台である、請求項３５記載の走査用装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
この出願は、１９９８年１０月３０日に提出された米国特許仮出願番号第６０／１０６，３９７号に関連し、その出願の開示全体はあらゆる目的のために参照文献としてこの明細書に組み入れられる。
【０００２】
政府の権利告示
この明細書における素材の一部は、アフィメトリックス（Ａｆｆｉｍｅｔｒｉｘ）及び米国商務省の間の契約ナンバー７０ＮＡＮＢＧ５Ｈ１０３１において政府の支持の結果として生じた。政府はこの発明に一定の権利を有する。
【０００３】
発明の背景
発明の技術分野
本発明は一般的には、イメージング及びスキャニングの分野に関する。特定すると本発明は、標識した材料を含むサンプルを高スピードでスキャニング及びイメージングを行うスキャニングシステム及び方法を、例えばオリゴヌクレオチド配列のようなポリマー鎖のスキャニングアレイを提供する。
【０００４】
関連技術の説明
例えばＤＮＡ配列のようなポリマー配列は、米国特許シリアル番号第０８／８１１，８２９（’８２９）号並びに米国特許第５，７４４，３０５号、５，４４５，９３６号、及び第５，６７７，１９５号に示されているように既知である。なおこれらの文献はあらゆる目的でその全体が参照文献としてここに組み入れられる。ＧｅｎｅＣｈｉｐ（商標）プローブ配列（Ａｆｆｙｍｅｔｒｉｘ， Ｉｎｃ．， Ｓａｎｔａ Ｃｌａｒａ， ＣＡ）のようなポリマー配列は、例えば米国特許第５，１４３，８５４号、第５，４２４，１８６号、５，５１０，２７０号、及びＰＣＴ出願公開番号ＷＯ９５／１１９９５号に記載されている光−誘導法を用いて合成できる。なおこれらの文献はあらゆる目的でその全体が参照文献としてここに組み入れられる。ある方法ではＤＮＡなどの合成された一つの鎖状の核酸を含む配列は、あらゆる目的でその全体が参照文献としてここに組み入れられる米国特許シリアル番号第０８／５２８，１７３号及び第０８／４８５，４５２号に示されたような保護パッケージに含まれている。この配列を、例えばフルオレセインまたはフィコエリスリンなどの蛍光標識を用いてラベルした一つの鎖状ＤＮＡを含むサンプルと接触させ、その配列にある一つの鎖状ＤＮＡにハイブリダイズさせる。ハイブリダイゼーションを終えてからその配列（パッケージされているかパッケージされていないいずれか）を、その配列内の一つの鎖状核酸とサンプルの間で起きたハイブリダイゼーションを分析する目的で、配列の蛍光画像が得られる走査装置として一般に知られている装置に配置する。
【０００５】
ポリマー配列に印をつけた標的を検出するシステム（走査装置）及び方法は一般に知られている。通常ポリマー配列は、そのポリマー配列全体を画像形成するように直線ラスター方式で光のポイントを誘導する走査装置を用いて走査される。走査装置には、ポリマー配列に仕向ける光を発生する光源と、そのポリマー配列から放出される光を検出する光検出機構と、三方向（ＸＹＺ）にそのポリマー配列を移動させるコンピュータ制御の移動テーブルを備えた共焦点顕微鏡が含まれているとよい。一方向は高速走査方向（例えばＸ方向）であり、別の一方向は低速走査方向（例えばＹ方向）であり、そして三番目の方向は焦点形成方向（例えばＺ方向）である。
【０００６】
例えば走査装置は、ポリマー配列の表面に光の点を当て、焦点形成方向、即ちＺ方向にある解読用載物台によって焦点を合わせる。次に解読用載物台が、そのポリマー配列の蛍光画像が得られるように、例えばＸ方向にそのポリマー配列を移動させることによってポリマー配列の一方の側からもう一方の側へ光の点を直線方向に高速走査させる。高速走査を行っている間、ポリマー配列の蛍光画像が得られるように光検出機構がそのポリマー配列の表面から放出される光を検出する。高速走査方向（Ｘ方向）の一本のラインが走査されるとすぐに、移動テーブルがポリマー配列を、低速走査方向（Ｙ方向）で一本の走査ラインの密集を近接して増加させて動かす。このラスタースキャニングは、ポリマーの表面領域全体が走査されるまで続ける。（例えば、あらゆる目的でその全内容が参照文献としてここみ組み入れられる、Ｓｔｅｒｎらに発布された米国特許第５，６３１，７３４号参照。）
【０００７】
コストが手ごろで、高いポリマー配列スキャニング処理量と高い分解能、例えば１４ｍｍ×１４ｍｍの領域で１５μｍ、３．５μｍ、またはより小さなピクセルサイズを持ったポリマー配列走査装置が必要とされている。
【０００８】
発明の概要
本発明は、例えばポリマー配列の画像スキャニングを行うシステム及び方法を提供する。本発明は、少なくとも２ｍｍ、好ましくは少なくとも５ｍｍ、さらにより好ましくは少なくとも１４ｍｍのスキャニング区域で、少なくとも１０走査線／秒、好ましくは少なくとも２０走査線／秒、より好ましくは３０走査線／秒のスピードでスキャニングシステムの線形解読用載物台を動かす手段を提供する。このスキャニングシステムは、上述した高速の走査スピードを維持して画像を正確に検出する際、約３．５μｍまたはそれ以下の大きさ、好ましくは約２μｍまたはそれ以下の大きさ、より好ましくは約１．５μｍまたはそれ以下の大きさのピクセルでスキャニングができる。ある態様における走査装置は、ポリマー配列分析システムのＸ方向、Ｙ方向、及びＺ方向の移動の少なくとも一方向にスキャニング動作を行わせるボイスコイルを備えている。本発明のボイスコイル作動性の軸の加速度は大きく（例えば、Ｇが重力による加速度の場合、１３．７Ｇ）、ステップモーターでは容易に達成できない。大きな加速度を、ボイスコイル作動性軸の安定状態の高い走査スピード（約２２インチ／秒）と組み合わせることによって、本発明のボイスコイル走査装置は、例えば３０ライン／秒で１４ｍｍ（一タイプのポリマー配列の走査ラインの長さ）といった距離を走査することが可能になる。
【０００９】
本発明のボイスコイル走査装置は、固定した光学機器の構成部分か移動する走査ヘッドのいずれかを利用できる。いずれの場合でも、ボイスコイル作動性軸はＸ軸である。一態様においてボイスコイルは、２−軸（ＹＺ）移動テーブルに取り付けられた軽量の線形スライドを作動させる。この線形スライドは、ポリマー配列（走査したサンプル）の支持体として機能する。別の態様におけるボイスコイルは、ポリマー配列が２−軸（ＹＺ）移動テーブルによって支持されている場合、走査ヘッド、即ち回転式プリズムや回転式ミラーと対物レンズを支持する軽量の線形スライドを作動させる。さらに動作制御システムは、ポリマー配列について加速度の大きなスキャニングを行えるように、ボイスコイルの動作をモニターして制御すべく用いられる。
【００１０】
ガルバノメーター作動性走査ミラーを用いるのではなく、高速軸（Ｘ）方向に設けたポリマー配列の高速走査用ボイスコイルを用いると、開口数の高い（例えば０．５またはそれ以上）、簡単な低コストの対物レンズを利用できるようになる。対物レンズは例えば、顕微鏡の対物レンズであってもよいし、または簡単な構成の非球面レンズであってもよい。この対物レンズは、ガルバノ走査装置の対物レンズとは違って軸を外れた収差を補正する必要がないため小さくて安価であるが、高い開口数を持っているとよい。他の全ての事項（レーザー出力、スポットサイズなど）が等しい、３０ライン／秒で作動する対物レンズの開口数が０．５の走査装置は、７．５ライン／秒で作動する対物レンズの開口数が０．２５の走査装置と同じ信号対ノイズの比率を持つ画像を形成する。
【００１１】
ボイスコイル作動性解読用載物台と単純で効率の高い対物レンズとを組み合わせて用いた結果、本発明のボイスコイル走査装置は、高速走査とポリマー配列の高処理量を達成できる。例えば本発明のボイスコイルスキャニングシステムは開口数が０．５またはそれ以上の対物レンズを備えていて、少なくとも１０ライン／秒、好ましくは少なくとも２０ライン／秒、より好ましくは少なくとも３０ライン／秒のスピードで正確かつ信頼性のあるポリマー配列スキャニングを達成できる。
【００１２】
従って本発明は、単純で安価な対物レンズと、例えば約３．５μｍまたはそれより小さい、より好ましくは２μｍまたはそれより小さい、最も好ましくは１．５μｍまたはそれより小さいピクセルサイズを用いて例えば１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍのポリマー配列を迅速に走査できる大加速度／高スピードのボイスコイル作動性解読用載物台とを備えたスキャニングシステムを提供する。このボイスコイルは、ポリマー配列の少なくとも一つの軸を高速スキャニングする際に加速度の改善をもたらす。結果的に本発明は、ポリマー配列の正確でスピードが速く、かつ低コストのスキャニング、即ち高性能で価格の面で効果的なポリマー配列スキャニングを行うシステム及び方法を提供する。
【００１３】
好適な態様の説明
走査装置は、多くのカテゴリーのうちの一つまたはそれ以上に特徴があるようである。固定の光学機器用構成部分を備えたポイント−走査型共焦点顕微鏡は、一定の点に光のビームをあて、２次元の方向（焦点を合わせるために３番目の次元であるＺ方向があってもよい）、例えばＸ及びＹ方向にサンプル（例えばポリマー配列基質）を動かすことによって２次元画像が得られる。背景の見出しで上述したように、サンプルの一つの側からもう一つの側に向かって一方向に、例えばＸ方向に光の単一ポイントを走査し、続いてそのサンプルの全てのポイントが走査されるまで別の方向に、例えばＹ方向に徐々にサンプルを移動させる。
【００１４】
応用性が限られているこのような走査装置についての初期の一例は、１９５５年にＭａｒｖｉｎ Ｍｉｎｓｋｙによって開発された。（ウェブサイトｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ａｉ．ｍｉｔ．ｅｄｕ／ｐｅｏｐｌｅ／ｍｉｎｓｋｙ／ｐａｐｅｒｓ／ｃｏｎｆｏｃａｌ．ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ．ｔｘｔ．におけるｔｈｅ ”Ｍｅｍｏｉｒ ｏｎ ｉｎｖｅｎｔｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｆｏｃａｌ ｓｃａｎｎｉｎｇ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｅ，” Ｓｃａｎｎｉｎｇ １０， １２８−１３８ （１９８８）参照）　Ｍｉｎｓｋｙは、コンピュータ制御を用いず単純な磁気ソレノイドを用いることによって湾曲解読用載物台を動かしている。Ｈ． Ｔ． Ｍ． Ｖａｎ ｄｅｒ Ｖｏｏｒｔらは、Ｓｃａｎｎｉｎｇ ７， ６６−７８ （１９８５）においてより最新式にした以外は同じものについて記載している。それらのスキャニングシステムの詳細は、論文Ｈ． Ｊ． Ｂ． Ｍａｒｓｍａｎ ｅｔ ａｌ．， ”Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｓｃａｎ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍ ５４， １０４７−１０５２ （１９８３）に提示されている。Ｍｉｓｋｙと同様にこのポイント走査装置は湾曲ステージを利用している。湾曲解読用載物台は、小さな距離、例えば１ｍｍをを走査する際にはうまく適合するが、ポリマー配列を操作する場合に必要な大きな距離、例えば１４ｍｍに対しては適当でない。
【００１５】
ポリマー配列をポイント走査するのに有用な固定された光学機器部分を備えた一つのポイント−走査型共焦点顕微鏡は、あらゆる目的でその全体が参照文献としてこの明細書に組み入れられる米国特許第５，６３１，７３４号において本発明者によって開示された。このシステムはポリマー配列を走査するのに必要とされるため、ポリマー配列の一次元を走査するのに充分なほど長い距離を走査でき（例えば、配列の大きさが１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍであれば走査距離は１４ｍｍである）、したがって湾曲ステージに代えて、例えばＪＭＡＲ精密システム（Ｃｈａｔｓｗｏｒｔｈ， ＣＡ）「スリムライン（Ｓｌｉｍｌｉｎｅ）」または「ミクロライン（Ｍｏｃｒｏｌｉｎｅ）」テーブルといった交差型ローラーベアリングＸＹＺ移動テーブルが用いられる。このＸＹＺ移動テーブルはステップモーター駆動型であり、ある時間の間に一本の走査ラインに沿ってポリマー配列を走査できるように、固定された顕微鏡の対物レンズに対して相対的にポリマー配列を動かす。親ネジかボールスクリューのいずれかによってステップモーターの回転動作を直線動作に変換させる。このシステムの走査スピードは、ステップ−モーター駆動型解読用載物台を用いてなしうる加速度に限界があるため、限度がある。
【００１６】
別のタイプの共焦点顕微鏡走査装置は、米国特許第５，４５９，３２５号に示されているようなＭｏｌｅｃｕｌａｒ Ｄｙｎａｍｉｃｓ （Ｓｕｎｎｙｖａｌｅ， ＣＡ）走査装置によって例示されている。これは、「移動走査ヘッドを備えたポイント−走査型共焦点顕微鏡」と呼ばれるかもしれない。この走査ヘッドは、回転式ミラー（回転式プリズム）と単軸解読用載物台に取り付けられた対物レンズとからなる。この共焦点顕微鏡走査装置で走査ヘッドが動くと、焦点が合わされたレーザービームはそれとともに移動する。サンプルは、走査ヘッドに対して垂直に動く別の移動テーブルに取り付けられている。このシステムからは、走査ヘッドをすばやく一次元方向に往復させ、別の方向にサンプルをゆっくりと動かすことによって二次元画像が得られる。この走査ヘッドは速く動くことができるように小さくて軽量に作られている。しかしながらこの走査ヘッドがステップモーターで作動する場合には、ステップモーターはゆっくりとしか加速度しないため、固定されている光学機器部分を備えたポイント走査型共焦点顕微鏡と走査スピードは同様の制限を受ける。
【００１７】
上述した共焦点顕微鏡ではどれでも、レーザービームは常に対物レンズの光学軸と垂直になっていて、そのため対物レンズによって集められた光（例えば、蛍光）が反射したり放出されたりする。対物レンズはかなり単純で安価なものであってもよく、それは軸を外れた収差を補正する必要がないためである。角度の狭いレンズ、即ち光学軸にまたは光学軸近くに光の焦点を合わせるためだけのレンズは設計や製造が容易であり、また同じ焦点距離、ｆ数、分解能などを持つ広角レンズよりも光学機器の構成部材を少ししか含まない。例えば安価な１個または２個の構成要素のレンズシステムは、レーザービームがレンズの光学軸と垂直である場合、レーザービームの焦点を直径３−ミクロンのスポットに合わせる能力があればよい。このレーザービームが軸を数度外れてレンズに入り、結果的に軸を数ミリメートル外れて焦点を合わせる場合、おそらくずっと大きなスポットサイズに焦点が形成されるであろう。軸を数ミリメートル外れて直径が３−ミクロンのスポットが必要であれば、もっと複雑で高価なレンズが必要であろう。
【００１８】
ポリマー配列の分析に用いられる別の走査装置は、米国特許シリアル番号第０８／８５６，６４２（’６４２）に開示されているようなガルバノメーター走査型共焦点顕微鏡（「ガルボ式走査装置」）である。なおこの文献はあらゆる目的でその全体が参照文献としてここみ組み入れられる。ガルバノ（ガルバノメーター）走査装置には、基質（例えばポリマー配列）を横切るレーザー光スポットを迅速に走査できるようにガルバノメーター作動型ミラーを備えた放射方向システムが含まれる。このガルボ式走査装置は上述した走査装置よりもずっと高速で、約３０ライン／秒の走査スピードを達成できるが、大きくて高価な対物レンズを必要とする。
【００１９】
ガルボ式走査装置（’６４２）は、作動中角度をもって振動する（ａｎｇｕｌａｒｌｙ ｏｓｃｉｌｌａｔｉｎｇ）ミラー（検流計上に取り付けられたミラー）を用いて、レーザー光線を対物レンズに導く。対物レンズは、ミラーが振動しながら１４ｍｍの距離にわたって前後に動くスポットに、レーザー光線を収束させる。対物レンズは、したがって、軸から最大７ｍｍまでの光行差の補正を受けなければならない。同じレンズを用いて、試料のポリマーアレイが発する蛍光を収集する。試料を解読台に取り付けると、走査装置は、集束したレーザー光線のスポットを一つの次元で前後に急速に動かし、もう一つの次元に試料をゆっくりと進めることにより、２次元画像を得る。すなわち、ガルボ式走査装置は、検流計が毎秒数十回ないし数百回振動するため、非常に高速になる可能性がある。しかし、偏芯光行差（ｏｆｆ−ａｘｉｓ　ａｂｅｒｒａｔｉｏｎｓ）を矯正する必要があるために、対物レンズが大きく高価である。
【００２０】
’６４２号ガルボ式走査装置の対物レンズは、例えば、長さ４インチ、直径２．５インチであり、６個の光学部品で構成されている。この対物レンズは開口数がわずか０．２５しかなく、試料が発する光量子１００粒子中わずか１粒子ほどしか捉えられないことになる。より大きな開口数が望ましい。（レーザー出力、走査速度などの）他のすべての条件が等しければ、開口数をより大きくすることによって収集効率が向上し、したがってノイズに対する信号の比率が大きくなる。あいにく、現在用いられているレンズと同じ解像力（およそ３ミクロン）があり、開口数が著しく大きな（たとえば０．５）レンズならば、視野がはるかに小さくなる（この場合１２．８ｍｍ×１２．８ｍｍのポリマーアレイを２区画以上で走査する必要がある）か、あるいは、はるかに複雑で高価なものになってしまう。
【００２１】
米国特許第５，５８５，６３９号に開示されているように、別の検流計走査式共焦点顕微鏡が、ヒューレット・パッカード社（Ｈｅｗｌｅｔｔ−Ｐａｃｋａｒｄ）によって提供されている。これは検流計走査式共焦点顕微鏡であるが、３種類の複合レンズで構成されいて、１つのレンズがレーザー光線を試料上に収束させ、２つのレンズが蛍光を収集する。したがって、この走査装置も製造コストが高くなる。
【００２２】
他の型の走査装置は、上記の「ポイント式走査装置」すべてと異なる「線形走査装置」である。線形走査装置は、全部の走査線を一度に画像化する。例えば、「線形走査装置」が、米国特許第５，５７８，８３２号および第５，８３４，７５８号で開示されているので、これらを、参照として本明細書に組み入れる。この走査装置は、レーザー光線を点ではなく、数ミクロンの幅をもち、例えば、長さ１４ ｍｍの線に集束させ、ポリマーアレイ試料のライン全部を一度に画像化する。対物レンズ（または背中合わせになった一組の対物レンズ）は、蛍光を収集して、１０２４以上のピクセルをもつ線形ＣＣＤ上で蛍光を画像化する。ポリマーアレイ試料は、解読台上に取り付けられている。そのため、線形走査装置では、動きのない一次元画像、および一つの軸のみが動く二次元画像が得られる。したがって、線形走査装置は、高速走査軸を必要としないため、非常に高速なものとなり得る。走査速度は、解読台または走査ヘッドに接続しているステッピングモーターの加速などという物理的条件によって律速されるのではなく、電子工学またはソフトウエアの速度によって律速される。しかし、線形−ＣＣＤ−による走査装置は光学的に複雑である。
【００２３】
本発明は、高速で費用効果の高い、標識された物質を含む試料の走査および画像化、例えば、オリゴヌクレオチドアレイなどのポリマー配列のアレイの走査などを行なうための装置および方法を提供する。本発明は、特に、大きな領域内から得た微細な領域を定量的に研究することを必要とするところにおいて広範な用途をもつ。例えば、本発明では、１．５ μｍもしくは３．５ μｍ、またはそれよりも小さなピクセルを用いて、１４ ｍｍ×１４ ｍｍの蛍光画像を得ることができる。例えば、本発明は、組織学（組織化学的染色画像または免疫学的蛍光染色画像を研究するため）またはインサイチューハイブリダイゼーションの分野に応用されるかもしれない。一つの応用例としては、本発明を用いて、例えば、ジーンチップ（登録商標ＧｅｎｅＣｈｉｐ）プローブアレイなど、パッケージングされたポリマーアレイを画像化することができる。
【００２４】
一般的に、本発明は、画像を正確に検出しつつ、約３．５ μｍよりも小さなサイズのピクセルにより、１０走査線／秒以上、好ましくは３０走査線／秒以上の速度を達成することが可能な線形解読用載物台を動かすための装置を用いて、画像を走査することができる走査装置を提供するものである。上記装置には、例えば、加速度の上昇、およびその結果、高速の走査速度をもたらすボイスコイルが含まれる。
【００２５】
ボイスコイルにより作動する解読用載物台を用いた走査装置は、ガルボ式走査装置の速さと、静止光学装置をもつポイント走査式共焦点顕微鏡（例えば、参照として本明細書に組み入れられる米国特許第５，６３１，７３４号）の光学的単純さとを組み合わせて、例えば、１．５ μｍもしくは３．５ μｍ、またはそれよりも小さなピクセルを用いた正確で信頼性の高い画像検出結果を得ることができる。ボイスコイルアクチュエーターは、永久磁場およびコイル巻き線（導体）を利用して、コイルに流された電流に比例する力を生み出す、直動式で限られた動きをする装置である。
【００２６】
適当なボイスコイルの一例は、ＢＥＩテクノロジーズ社（ＢＥＩ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ Ｉｎｃ．）のキムコマグネチック部門（Ｋｉｍｃｏ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｄｉｖｉｓｉｏｎ）によって提供されている線形アクチュエーターボイスコイル型番号ＬＡ１４−２４−０００である。適当なボイスコイルのもう一つの例は、やはりＢＥＩテクノロジーズ社のキムコマグネチック部門によって提供されている線形アクチュエーターボイスコイル型番号ＬＡ３４−３７−０００Ａである（カリフォルニア州サンマルコ（Ｓａｎ Ｍａｒｃｏｓ， ＣＡ）にあるＢＥＩテクノロジーズ社のキムコマグネチック部門によって提供されている「ボイスコイルアクチュエーター：応用の手引き」を参照のこと）。これら２つの例は、本発明において、解読用載物台を作動させるのに役立つボイスコイルの例である。これらは、容易に利用することができ、本発明において使用することができるボイスコイルの実例にすぎない。その他多くのボイスコイルも同様に使用することができる。例えば、本発明における、解読用載物台を作動させるためのボイスコイルは、必要があれば、注文設計されることもあろう（すなわち、ＢＥＩキムコ社、またはその他の会社によって）。
【００２７】
すぐに利用できる標準的なボイスコイルを、解読用載物台を作動させるために使用する場合、大きすぎる重量を動かす必要があるとすると、ボイスコイルの過熱と故障を招くことになろう。例えば、ボイスコイルにより作動する載物台が、５６０ ｍｍ／秒の速度で１４ ｍｍを走査するとき、１４ ｍｍを走査する時間は２５ ｍ秒である。４．１６６ ｍ秒間加速し、さらに４．１６６ ｍ秒間減速させると、加速度または減速度は１３４．４ ｍ／秒２（ｇを重力加速度とすると、１３．７ ｇ）になり、１本を走査するのにかかる合計時間は３３．３３３ ｍ秒である。可動部分が０．５ポンド（ｌｂ）だとすると、１３．７ ｇの加速度に必要な力は６．８５ポンドである。例えば、ＢＥＩキムコＬＡ１４−２４−０００ボイスコイルは１．６ ｌｂ／ａｍｐという力の定数をもっている。したがって、６．８５ポンドの力に必要となる電流は４．２８ Ａである。このコイルは、熱くなると７オームの抵抗をもつ。したがって、４．２８ Ａにおいてコイル中で浪費される電力は１２８ Ｗである。載物台を加速も減速もさせなければ電流はゼロで、これは、コイル中で浪費される平均電力が３２ Ｗになることを意味している。このコイルは、３．４℃／Ｗの熱抵抗性をもつが、これは、周囲の温度が２５℃ならば、コイルの温度が１３４℃になることを意味している。コイルの規格では、最高温度は１３０℃である。
【００２８】
前記計算例は、摩擦を無視しており、安全マージンを含んでいない。しかし、装置が適正に構築されていれば、０．５ポンドという重さまで動かす必要はおそらくないだろうという点で、控えめな計算である。
【００２９】
本走査装置は、ボイスコイルが動かさなければならない重量が、過剰な電力浪費によってボイスコイルに過熱および故障をもたらす重量よりも軽いことを確実にしつつ、ボイスコイルの高速加速をうまく利用するように構築しなければならない。例えば、米国ＮＢ社（ＮＢ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ ｏｆ Ａｍｅｒｉｃａ）（イリノイ州ウッドデイル（Ｗｏｏｄ Ｄａｌｅ， ＩＬ））製モデルＳＥＲ９Ａのスライドは、重さ約２０グラムである（図２図中部品１０、および図４の部品２５を参照のこと）。線形または循環式のボールベアリングのいずれか、線形または循環式の交差ころ軸受け、または空気軸受けを用いたさまざまな線形スライドが適している。パッケージングされたＤＮＡアレイの重さは、例えば、１６グラムである。ＬＡ１４−２４−０００ボイスコイルの可動部分の重さは、約２２グラムである。これらの可動部分のすべてを一つにまとめるブラケットの重さが、例えば５５グラムになるよう設計されていて、これらの部品が、ボイスコイルが動かさなければならない主要部品となるように、走査装置が設計されていれば、可動部分の全重量は約０．２５ポンドとなり、コイル中で浪費される電力は、上記の計算値の僅か２５％である（実際には、低温下で作動させれば、ボイスコイルの抵抗は僅か５オームであるため、上記計算値の２５％よりも少ない）。さらに、効率を上げるためにさらに冷却する必要があるときには、強制空気（例えば、換気扇、または圧縮空気の噴流）によってボイスコイルを冷却することができる。
【００３０】
ＬＡ１４−２４−０００は、ステッピングモーター用いて高速走査軸を作動させる従来の走査装置に対して走査時間を向上させることができる。すなわち、ポリマーアレイを走査するとき、高速走査軸の各線を走査するためにかかる時間が減少する。ＬＡ１４−２４−０００を用いた走査装置の定常状態での走査速度をインチ／秒で表すと約２２インチ／秒となり、加速度が非常に高くなって、約１３．７ Ｇ（Ｇを重力加速度とする）となり、この装置が、１４ ｍｍを３０走査線／秒で走査することが可能になる。この速度は、ガルボ式走査装置の最高走査速度に匹敵する。しかし、実際には、ガルボ式走査装置は、開口数が小さい対物レンズをもっているため、高速になるとノイズに対する信号の比率が下がることから、この最高速度よりもかなり低い速度で作動することになろう。
【００３１】
ボイスコイル走査装置は、ボイスコイルによって駆動される解読台が作動して、ポリマーアレイを動かす（すなわち、既述の静止光学装置をもつポイント走査共焦点顕微鏡と同じ）か、または、対物レンズおよび回転ミラー（既述のモレキュラーダイナミクス社製走査装置と同じ）を高速（Ｘ）軸方向に動かすように設計することができる。低速軸（Ｙ方向）および焦点軸（Ｚ方向）は、ボイスコイルをこれらの軸に用いることもできるが、ステッピングモーターによって作動させることができる。
【００３２】
ここで、ポリマーアレイが高速Ｘ軸方向に動くようなしくみをもった、ボイスコイルによって作動する解読台を有する、本発明の第一の好ましい実施態様を、図１および２を参照しながら説明してゆく。本実施態様は、スライド型ボイスコイルを用いる。本実施態様に係るボイスコイル走査装置は、ボイスコイル磁石、および２軸（ＹＺ）解読台の上面１３に固定状態で取り付けられた取り付け用ブラケット１を含むボイスコイル解読用載物台１５をもつ。このボイスコイルは、ワイヤー３に供給された電流に反応して、スライドに沿って高速軸（Ｘ軸）方向に動く可動式コイル２をもつ。本実施態様で用いられるボイスコイルは、例えば、ＢＥＩキムコマグネチック部門ボイスコイル線形作動型式番号ＬＡ１４−２４−０００、またはこれと同じまたはこれよりも優れた温度特性、物理特性、および電気特性をもつ、その他のボイスコイルである。その他の条件がすべて同じであれば、可動式コイルの重量を最少に抑え、コイルの力定数を（アンペア当たりのポンド数で）できるだけ大きくし、コイルの熱抵抗性を（ワット当たりの度数で）できるだけ小さくすべきである。
【００３３】
ボイスコイルの可動式コイル２は、ブラケット４によって線形スライドの可動部分１０に接続されている。このブラケットは、必要となる平行移動力を最小にするために軽量で、また、線形スライドが振動しても堅固な状態を維持できる強度をもつような設計と材料を用いて作製しなければならない。例えば、ブラケットは、スチールまたはアルミニウムから作製し、５５グラムまでの重さをもつことができる。ブラケット４は、１個として描かれているが、複数個からできていてもよい。ブラケット４は、エンコーダースケール８を取り付けている表面５をもつ。エンコーダースケール８は、エンコーダー読み取りヘッド１１によって作動して、ブラケット４の試料搭載表面６に載せられたポリマーアレイ試料９の位置を監視する。エンコーダースケールも、ボイスコイル解読用載物台の可動部分に接続されているため、その重量はできるだけ軽量でなければならない。走査ヘッド１１は、走査ヘッド取り付け用ブラケット１２によって、２軸解読用載物台の上面１３に取り付けられている。読み取りヘッド１１とスケール８は、例えば、それぞれ、リニショウ社（Ｒｅｎｉｓｈａｗ Ｉｎｃ．）（イリノイ州ショウンバーグ（Ｓｃｈａｕｍｂｕｒｇ， ＩＬ））製ＲＧＨ２２Ｚ読み取りヘッドおよびリニショウＲＧＳ−Ｓスケールである。
【００３４】
線形スライドの固定ガイド部位７は、２軸解読台の上面１３に取り付けられている。この線形スライドは、可動部分１０の重量と線形スライドの摩擦係数を最少にして、ボイスコイルに必要となる力を最小限に抑え、それによって、ボイスコイルの電力浪費がボイスコイルの熱能力の範囲内になるようなものを選択する必要がある。線形スライドは、例えば、米国ＮＢ社製交差ころ軸受型線形スライドモデルＳＥＲ９Ａ、またはその他のボールベアリング、交差ころ軸受け、空気軸受け線形スライドで、ポリマーアレイの高速軸解読を確実に行なうための物理特性かつ作動特性に適合したものであればよい。
【００３５】
上面１３をもつ２軸解読台としては、例えば、ＪＭＡＲ精密装置２軸スリムラインもしくはマイクロライン解読台（ＪＭＡＲ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ２−ａｘｉｓ Ｓｌｉｍｌｉｎｅ ｏｒ Ｍｉｃｒｏｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ）、またはその他、信頼性のある２軸解読を提供することのできる解読台などがある。図２に示したように、解読台は、ポリマーアレイに、低速軸（Ｙ軸）方向と焦点軸（Ｚ軸）方向への動きをもたらす。十分に長い移動距離をもつ３軸解読台を用いると場合、本発明は、一度に１個のアレイを連続的に走査しながら、ポリマーアレイのウェハー全体を走査することができる。
【００３６】
作動中、ボイスコイル解読用載物台１５には、増幅器（例えば、サーボ増幅器）からワイヤ３を通って駆動電流が供給される。ボイスコイルの可動部分２は、線形スライドのブラケット４、エンコーダースケール８、ポリマーアレイ９、および可動部分１０を、線形スライドのガイド部分７に沿って高速軸Ｘ方向に移動させる。制御装置が、エンコーダー読み取りヘッド１１からの情報を用いてポリマーアレイ９の位置を検出し、Ｘ方向への全解読が終了したところで指示を出す。Ｘ方向への高速軸走査を一回完了すると、解読台が、一本の高速走査線の低速軸（Ｙ）方向へのおおよその幅を割り出し、制御装置が、ボイスコイルによる次の高速走査を開始させる。ポリマーアレイ全体、またはその予め決められた一部を、共焦点顕微鏡画像装置によって走査し終わるまで、この一連の流れが繰り返される。
【００３７】
３軸解読台を用いてポリマーアレイのウェーハを走査しているときには、３軸解読台のＸ方向軸が、ウェーハ上の次のポリマーアレイにさらに動いて、上記のポリマーアレイ走査手順が繰り返される。ウェーハ上のすべてのアレイを一列続けて走査したところで解読台が低速軸Ｙ方向に動き、アレイの次の列を走査する。ポリマーアレイウェーハを全部走査し終わるまで、これらの工程が繰り返される。
【００３８】
図３および４は、ポリマーアレイを横切って高速Ｘ軸方向に走査用光線を動作させる仕組をもち、ボイスコイルにより作動する解読用載物台をもつという、本発明のもう一つの好ましい実施態様を示している。本実施態様においては、プランジャー型ボイスコイル、例えば、ＢＥＩキムコ（Ｋｉｍｃｏ）モデルＬＡ３４−３７−０００Ａ、または、これと同様の機械的および電気的特性をもつ別のボイスコイルが用いられる。本実施態様記載のボイスコイル走査装置は、ボイスコイル取り付け用ブラケット１６、ボイスコイル用磁石および収納装置１７（ボイスコイルの静止部分）、電気コイル巻き線部分１８（ボイスコイルの可動部分）、およびコイル１８に接続したワイヤ１９を含むボイスコイル解読用載物台３０をもつ。
【００３９】
前記態様とは異なり、ボイスコイル取り付け用ブラケット１６は、２軸解読用載物台の上面１３に取り付けられていない。むしろ、ボイスコイル取り付け用ブラケット１６は、走査用装置で使用されている共焦点顕微鏡画像装置よりもできれば固定的な別の構造物に取り付けることができる。
【００４０】
ボイスコイルの可動コイル１８は、ブラケット２０によって線形スライドの可動部分２５に接続している。このブラケットは、必要となる平行移動力を最小にするために軽量で、また、線形スライドが振動しても堅固な状態を維持できる強度をもつような設計と材料を用いて作製しなければならない。例えば、ブラケットは、スチールまたはアルミニウムから作製し、０．５ポンド（ｌｂ）までの重さをもつことが可能である。ブラケット２０は、１個として図示してあるが、複数個からできていてもよい。前記実施態様のブラケット４と同様、ブラケット２０は、表面にエンコーダースケール２１を取り付けている。回転ミラーのペンタプリズム、または直角プリズム２２（リフレクター）、および対物レンズ２３は、エンコーダースケール２１の反対側にあるブラケット２０に取り付けられる。エンコーダースケール２１は、エンコーダー読み取りヘッド２７によって作動して、走査用ヘッドの位置を監視する。線形スライドの前後左右の揺れによって生じる画像の歪みを最小にするため、エンコーダースケール２１は、レンズ２３の焦点にできるだけ近接した位置に置く必要がある。エンコーダースケール２１、回転プリズム２２、および対物レンズ２３は、軽量で、絶対に加熱しないものでなければならない。読み取りヘッド２７とスケール２１は、例えば、リニショウ（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）ＲＧＨ２２Ｚ読み取りヘッドおよびリニショウＲＧＳ−Ｓスケールである。しかし、別のタイプの位置検出装置、例えば、ツァイス（Ｚｅｉｓｓ）エンコーダーなどを用いることもできる。読み取りヘッド２７は、光学ブレッドボード、例えば、ニューポート社（Ｎｅｗ Ｐｏｒｔ Ｃｏｒｐ）（カリフォルニア州アーバイン（Ｉｒｖｉｎｅ， ＣＡ））製ＲＧシリーズブレッドボードなどの上面２６に読み取りヘッド取り付け用ブラケット２８により取り付ける。
【００４１】
光学ブレッドボードの上面２６に、線形スライドのガイド部位２４を取り付ける。線形スライドには、可動部分２５の重量を最少にして、ボイスコイルに必要となる力を最小限に抑え、それによって、ボイスコイルの電力浪費がボイスコイルの熱能力の範囲内になるようなものを選択する必要がある。線形スライドは、例えば、パーカー／ダエデル社（Ｐａｒｋｅｒ／Ｄａｅｄｅｌ）（カリフォルニア州ハリソンシティー（Ｈａｒｒｉｓｏｎ Ｃｉｔｙ， ＣＡ））製の交差ころ軸受型線形スライドＣＲ４５０１型、またはその他のボールベアリング、交差ころ軸受け、空気軸受け線形スライドで、十分に直線的かつ平面的な運動をし、また、所望の速度で作動させるのに十分な軽さをもつものであればよい。
【００４２】
本実施態様では、可動部分が、前記態様におけるよりもずっと重い（例えば、２ポンド）が、ＬＡ３４−３７−０００Ａボイスコイルの熱特性および電気特性（力の定数は５．４ ｌｂ／ａｍｐ、抵抗は１．４オーム、および熱抵抗は１ワット当たり２．２度）によって、過熱することなく、１４ ｍｍを３０走査線／秒で走査することもなお可能である。
【００４３】
前記実施態様とは異なり、線形スライドのガイド部位２４は、２軸（３軸）解読台の上面１３には直接接続していない。上面１３をもつ２軸解読台は、それに直接取り付けられたポリマーアレイ試料９をもち、ボイスコイルによって作動する解読用載物台に隣接している。ポリマーアレイ９の表面は、走査ヘッドの対物レンズ２３の光学軸に対して垂直になっている。上面１３をもつ２軸解読台には、例えば、ＪＭＡＲ精密装置２軸スリムラインもしくはマイクロライン解読台（ＪＭＡＲ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ ２−ａｘｉｓ Ｓｌｉｍｌｉｎｅ ｏｒ Ｍｉｃｒｏｌｉｎｅ ｔｒａｎｓｌａｔｉｏｎ ｔａｂｌｅ）、またはその他、信頼性のある２軸解読を提供することのできる解読台などがある。図４に示したように、この解読台は、ポリマーアレイに、低速軸（Ｙ）方向と焦点軸（Ｚ）方向への動きをもたらす。
【００４４】
作動中、ボイスコイル解読用載物台３０には、増幅器（例えば、サーボ増幅器）からワイヤ１９を通って駆動電流が供給される。ボイスコイルの可動部分１８は、線形スライドのブラケット２０、エンコーダースケール２１、回転ミラーまたはプリズム２２、対物レンズ２３、および可動部分２５を、線形スライドのガイド部分２４に沿って高速軸（Ｘ）方向に動かす。ブラケット２０に取り付けられた回転ミラーまたはプリズム２２および対物レンズ２３を含む走査ヘッドは、ポリマーアレイ９の表面へのレーザー光線からの点となった光を、高速軸（Ｘ）方向に直線状に走査する。制御装置が、エンコーダー読み取りヘッド２７からの情報を用いて走査ヘッドの位置を検出し、Ｘ方向への全解読が終了したところで指示を出す。Ｘ方向への高速軸走査を一回完了すると、解読台が、一本の高速走査線の低速軸（Ｙ）方向へのおおよその幅を割り出し、制御装置が、ボイスコイルによる次の高速走査を開始させる。ポリマーアレイ全体、またはその予め決められた一部を走査し終わるまで、この一連の流れが繰り返される。
【００４５】
第一の実施態様によるものと同様に、３軸解読台を用いてポリマーアレイのウェーハを走査しているときには、ウェーハ上の次のポリマーアレイに、３軸解読台のＸ方向軸がさらに動いて、上記のポリマーアレイ走査手順が繰り返される。ウェーハ上のすべてのアレイを一列続けて走査したところで解読台が低速軸（Ｙ）方向に動き、アレイの次の列を走査する。ポリマーアレイウェーハを全部走査し終わるまで、これらの工程を繰り返す。
【００４６】
図５および６は、例えば、ポリマーアレイに結合した標的物から放出される蛍光を検出するときに、本発明が用いることのできる２種類の代替的な共焦点画像装置を示す図である。ボイスコイル高速軸解読用載物台を用いるように改造することができる別の共焦点画像装置には、米国特許第５，６３１，７３４号および米国特許出願第０８／８５６，６４２号などがあり、これらはあらゆる目的のために参照として本明細書に組み入れられる。米国特許出願第０８／８５６，６４２号記載の装置は、さらにガルボ式走査用ミラーも除去して、走査ヘッドの静止部位または内部に単純で安価な対物レンズを付けるように改造されているようである。共焦点画像装置の構成と操作に関する簡単な説明が、次の図４および５に示されている。参照として本明細書に組み入れられている米国特許第５，６３１，７３４号および米国特許出願第０８／８５６，６４２号を読めば、本明細書に記載された共焦点画像装置の動作全部をより詳しく理解することができる。
【００４７】
図５は、静止（固定位置）対物レンズ１１５をもつ共焦点画像装置を図示したものである。試料９が、ボイスコイルによって作動する高速（Ｘ）軸をもつ３軸解読用載物台１５に載せられている。
【００４８】
図５に示すように、共焦点画像装置は、光線分配器１０４を通って伝達され、２色性光線分配器１１４によって反射され、対物レンズ１１５によってポリマーアレイ試料９の表面上で焦点を結ぶレーザー光線を発生させるためのレーザー１０３をもつ。ポリマーアレイ試料９の表面によって反射されたレーザー光線は、対物レンズ１１５によって平行化され、２色性光線分配器１１４および光線分配器１０４によって反射されて、レンズ１０２によってピンホール１０１上で焦点を結ぶ。レーザー光線の反射光で、ピンホール１０１を通って伝達される部分を光ダイオード１００によって検出する。光ダイオード１００は、レーザー光線がポリマーアレイ試料９の表面上で焦点を結ぶように試料の位置が調節されるよう制御装置に信号を送る。制御装置は、例えば、レーザー光線がポリマーアレイ試料９の表面上で正しく焦点を結ぶまで、解読台が焦点軸（Ｚ）方向に移動するよう、２軸（ＹＺ）解読台中のステッピングモーターを始動させる。
【００４９】
別の実施態様では（図には示されていない）、ボイスコイルにより作動される高速（Ｘ）軸をもつ２軸（ＸＹ）解読用載物台上に試料を載せ、別の単軸（Ｚ）解読用載物台上に対物レンズを取り付ける。本実施態様では、では、対物レンズだけが取り付けられるため、Ｚ解読用載物台を非常に小型かつ軽量にすることができる（例えば、マサチューセッツ州オーバーン（Ａｕｂｕｒｎ， ＣＡ）にあるポリテクＰＩ社（Ｐｏｌｙｔｅｃ， ＰＩ， Ｉｎｃ．）製から購入することのできる「ＰＩＦＯＣ」圧電式顕微鏡焦点装置など）。
【００５０】
図５記載の共焦点画像装置には、それぞれが、ポリマーアレイ試料の表面から放出される一定範囲の波長の蛍光を検出するための二本の光電子倍増管（ＰＭＴ）１０５および１１２も含まれる。例えば、ＰＭＴ１１２は、フルオレセイン標識された標的分子からの蛍光を検出することができ、ＰＭＴ１０５は、フィコエリトリン標識された標的分子からの蛍光を検出することができる。ＰＭＴ（１０５、１１２）には、例えば、ハママツ（Ｈａｍａｍａｔｓｕ）Ｒ４４５７またはＲ６３５７光電子倍増管、または、その他、目的の波長で、十分に高い量子効率と十分に低い暗電流をもつＰＭＴなどがある。光ダイオード、アバランシェ光ダイオード、フォトトランジスタ、真空光ダイオード、およびその他の光検出器など、ＰＭＴ以外のさまざまなタイプの光検出装置を用いることもできる。
【００５１】
図５の共焦点画像装置には、さらに、例えば、２種類の独自の蛍光色を分離する光学トレイン（ｏｐｔｉｃａｌ ｔｒａｉｎ）が含まれる。一つの有色蛍光が、ポリマーアレイ試料９の表面上にある特定の有標標的分子から放出され、対物レンズ１１５によって平行化され、２色性光線分配器１１３および１１４、レンズ１１０、ピンホール１０８、および帯域通過フィルター１０６を通って伝わり、さらに、ＰＭＴ１０５によって検出される。同様に、最初の有色蛍光とは異なる別の有色蛍光が、ポリマーアレイ試料９の表面上にある別の特定の有標標的分子から放出され、対物レンズ１１５によって平行化され、２色性光線分配器１１４を通って伝わり、２色性光線分配器１１３によって反射されて、レンズ１１１、ピンホール１０９、および帯域通過フィルター１０７を通って伝わり、ＰＭＴ１１２によって検出される。
【００５２】
図６は、高速（Ｘ）軸方向に動き、ボイスコイルによって作動する解読用載物台３０の上に取り付けられた対物レンズ２３および回転ミラーまたはプリズム２２をもつ共焦点画像装置を図示したものである。試料９は、別の２軸（ＹＺ）解読台上に載せられている。
【００５３】
レーザー１０３は、光線分配器１０４を通って伝わり、２色性光線分配器１１４と回転ミラーまたはプリズム２２によって反射され、対物レンズ２３によってポリマーアレイ試料９の表面上で焦点を結ぶレーザー光線を発生させる。走査ヘッドがＸ軸方向に前後に動いても、レーザー光線と採集された蛍光は、ミラーまたはプリズム２２および対物レンズ２３上に集中したままである。レンズ１０２、ピンホール１０１および光ダイオード１００は、反射されたレーザー光線を検出するためにを用いられ、レーザー光線の焦点を合わせるための検出能力を提供する。レンズ１１０、ピンホール１０８、帯域通過フィルター１０６（またはロングパスフィルター）、およびＰＭＴ１０５は、例えば、ポリマーアレイ試料９の表面上に存在するあるタイプの標的が放出する有色蛍光を検出することを可能にする。すなわち、この共焦点画像装置は、２色性光線分配器１１３、レンズ１１１、ピンホール１０９、およびＰＭＴ１１２をもたないため、ポリマーアレイの表面上に存在する一つのタイプの標的から放出される１種類の有色蛍光を検出できるだけである。
【００５４】
本実施態様において、ボイスコイル解読用載物台３０は、走査ヘッド上にしっかりと取り付けられた回転プリズム２および対物レンズ２３をもっている。レーザー１０３から発生したレーザー光線は、２色性光線分配器１１４によって回転プリズム２２上に反射され、対物レンズの光軸と同軸の対物レンズを通過する。レーザー光線は、走査用ヘッドが高速軸（Ｘ）解読を行なっている間中、回転プリズム２２の表面の同一位置にぶつかって、対物レンズ２３の光軸と同軸の状態を維持する。その結果、レーザー光線は、ポリマーアレイ試料９ではなく、走査ヘッドの動きを利用して、ポリマーアレイの表面上の線を高速軸（Ｘ）方向に走査する。
【００５５】
上記共焦点画像装置については、多くの別の構成が可能である。例えば、図５に示したような２本のＰＭＴをもつ装置を、静止式光学装置ではなく可動式走査ヘッドとともに用いることができる。図６に示したような１本のＰＭＴをもつ装置を、可動式走査ヘッドではなく静止式光学装置とともに用いることができる。本発明に係る共焦点画像装置は、異なったタイプの光を別個に検出できる限り、レーザー、ＰＭＴ、およびそれに関連する光学トレインを何個でももつことができる。さらに、スライド式ボイスコイルを用いて、可動式走査ヘッドを作動させることができ、また、プランジャー型ボイスコイルを静止式光学装置とともに用いることもでき、また逆の組合せも可能である。
【００５６】
ボイスコイルポリマーアレイ走査装置用の対物レンズには、顕微鏡用対物レンズ（例えば、カリフォルニア州コビーナ（Ｃｏｖｉｎａ， ＣＡ）にあるローリンオプティクス（Ｒｏｌｙｎ Ｏｐｔｉｃｓ）社製モデル８０．３０９０、０．６５開口数）または一元型非球面レンズ（例えば、ニュージャージー州ニュートン（Ｎｅｗｔｏｎ， ＮＪ）にあるトールラブズ（ＴｈｏｒＬａｂｓ）社製モデル３５０３３０−Ａ、０．６８開口数）などがある。一元型非球面レンズは、顕微鏡の対物レンズよりもかなり小さくて軽いので、本発明に係る走査ヘッドの実施態様としてより適している。一元型非球面対物レンズでは、色収差の矯正は行われないが、焦点距離が十分に短ければ、色収差矯正は必要ではない。例えば、トールラブズ（ＴｈｏｒＬａｂｓ）社製モデル３５０３３０−Ａの焦点距離は３．１ ｍｍであるため、５８０ ｎｍ（おおよそのフィコエリトリン発光ピーク）における軸色は、１ナノメーター当たり僅か約０．３３ミクロンにすぎない（すなわち、波長が１ ｎｍ変化すると、焦点距離が０．３３ミクロン変化する）。または、カスタム製の二元型接着二重レンズ（例えば、両凹面ＳＦ６レンズに接着した両凸面ＢＫ７レンズ）を用いて、一元型非球面レンズによって持ち込まれた軸色を矯正することができる。この二重レンズは、レンズ２３とミラーまたはプリズム２２の間か、または２色性光線分配器１１４とミラーまたはプリズム２２の間に置くことができる。
【００５７】
これ以外の型の対物レンズ、例えば、屈折／回折性ハイブリッドレンズ（すなわち、一つ以上の屈折表面と一つ以上の回折表面をもつレンズ）、または０．８５という開口数をもつ二元型接非球面レンズ（ソニー社（Ｓｏｎｙ）の特許第５，８８０，８９３号）などを用いることもできる。
【００５８】
０．６８の開口数をもつ対物レンズは、０．２５という開口数をもつ対物レンズの約８倍の収集効率をもつ。上記で検討したように、ガルボ式走査装置は、３０走査線／秒で走査を行なうことができるが、アッセイによっては、対物レンズの収集効率、および３０走査線／秒でのシグナル対ノイズの比率が十分でないため、７．５走査線／秒で作動することが多い。ボイスコイル式走査装置の対物レンズの収集効率の方がずっと高いため、３０走査線／秒で動いているボイスコイル式走査装置は、７．５走査線／秒で作動しているガルボ式走査装置よりも優れたシグナル対ノイズの比率を提供する。
【００５９】
本発明に係るポリマーアレイ解析装置において、ボイスコイルおよび解読台を制御するための制御装置を図７に示す。この制御装置には、（サーボ式）動作制御装置２０１をもつ、例えば、４００ ＭＨｚのペンティアム（Ｐｅｎｔｉｕｍ）ＩＩ ＰＣなどのコンピュータ２００が含まれる。コンピュータ２００に設置（または接続）された動作制御装置２０１は、コンピュータからのデジタル指令を受け取って、−１０ Ｖから＋１０ Ｖの範囲でアナログ出力を行なう。この動作制御装置には、例えば、ガリルモーションコントロール社（Ｇａｌｉｌ Ｍｏｔｉｏｎ Ｃｏｎｔｒｏｌ）（カリフォルニア州マウンテンビュー（Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ｖｉｅｗ， ＣＡ））製モデルＤＭＣ−１７１０、デルタタウシステムズ社（Ｄｅｌｔａ Ｔａｕ Ｓｙｓｔｅｍｓ）（カリフォルニア州ノースリッジ（Ｎｏｒｔｈｒｉｄｇｅ， ＣＡ））製モデルＰＭＡＣ−Ｌｉｔｅ、または、モーションエンジニアリング社（Ｍｏｔｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｉｎｃ．）など別の会社から入手できるその他さまざまな制御装置がある。
【００６０】
例えば、ガリルＭＳＡ−１２−８０などの増幅装置２０６（例えば、線形またはパルス幅変調型のサーボ式増幅器）は、相互接続モジュール２０４を介して、例えば、ガリルＩＣＭ−１９００のような動作制御装置２０１からのアナログ信号を受け取り、適当な電流をボイスコイル２０１に出力する。増幅装置２０２は、例えば、ガリルＣＰＳ−１５−４０などの電源装置２０５から電力供給を受ける。読み取りヘッド２０８をもつエンコーダー装置は、制御装置に位置のフィードバックを提供する。読み取りヘッド２０８をもつ適当なエンコーダー装置は、１ミクロンから０．１ミクロンの解像力をもつ直交出力エンコーダー（ｑｕａｄｒａｔｕｒｅ−ｏｕｔｐｕｔ ｅｎｃｏｄｅｒ）である。このエンコーダー装置は、例えば、リニショウ（Ｒｅｎｉｓｈａｗ）ＲＧＨ２２Ｚ読み取りヘッドおよびリニショウＲＧＳ−Ｓスケールなどである。その他の適当なエンコーダー装置が、ツァイス（Ｚｅｉｓｓ）やその他の会社で製造されている。
【００６１】
動作制御装置（例えば、ガリルＤＭＣ−１７１０）には、一定の位置に達したときにＴＴＬ出力パルスが生じるようにプログラムすることのできるものがある。各走査線ごとに、制御装置が「ラインクロック」パルスを生じさせて、データ収集ボードにデータブロック収集を開始するよう指示すると、一連の「ピクセルクロック」パルスが流れ（例えば、位置が１．５ミクロン変化する毎に１回のパルス）て、そのたびに１回ずつＡ／Ｄ変換が起こる。これらのクロックパルスを用いて、画像の中に現れるかもしれない震えを防止することができる。この方法を用いて、データを両方向的にデータを得、画像の奇数および偶数の線をピクセルの一部の中に並べることが可能である。
【００６２】
最後に、図７の制御装置は、ＲＳ−２３２ケーブルを介してコンピュータ２００に接続している、例えば、ＪＭＡＲインデクサーなどの解読台制御装置（インデクサー（ｉｎｄｅｘｅｒ））２０２をもつ。解読台制御装置２０２は、例えば、ＪＭＡＲ精密装置２軸スリムライン解読台などの解読台２０３に接続されている。従って、同一のコンピュータを用いて、迅速かつ協調的なポリマーアレイ９の走査を行なうために、ボイスコイル２０７線形スライドおよび解読台２０３の動きを制御することができる。
【００６３】
ボイスコイル式走査装置を用いたデータ収集は、米国特許出願第０８／８５６，６４２号に記載されたガルボ式走査装置を用いたデータ収集に類似する。光電子倍増管から出力される電流は、演算増幅回路によって電圧に変換され、例えば、４極ベッセル（Ｂｅｓｓｅｌ）フィルターなどで低域濾波されてから、例えば、コンピュータボード社（Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｂｏａｒｄｓ Ｉｎｃ．）（マサチューセッツ州ミドルボロ（Ｍｉｄｄｌｅｂｏｒｏ， ＭＡ））製モデルＣＩＯ−ＤＡＳ１６／Ｍ１などの、１２ビットまたは１６ビットのデータ収集ボードによってデジタル化される。現在、２種類のバージョンのデータ収集用ソフトウエアが存在する。一つは、１．５ミクロン毎に１個のデータポイント、走査線一本当たり９２１６個のデータポイントを収集する。もう一つの方は、３．５ミクロン毎に１個のデータポイント、走査線一本当たり４０９６個のデータポイントを収集する。データは、１秒あたり３０走査線という速度で収集される。データは、両方向的、すなわち、ボイスコイルにより作動する軸が＋Ｘ方向に動いているときには、奇数番号の走査線のデータ収集が行なわれ、−Ｘ方向に動いているときに、偶数番号の走査線のデータ収集が行なわれる。どちらのバージョンのソフトウエアを用いても、大まかな解像を得たいときには、２個以上のデータポイントを合計する。データは、灰色スケールの画像としてコンピュータ画面に表示され、１６ビットのバイナリファイルとしてディスクに書き込まれる。
【００６４】
上記で例示説明したように、ボイスコイルは、固定式対物レンズ装置の中でポリマーアレイを動かしたり、対物レンズをもつ走査ヘッドを動かすために利用することができる。どちらの場合にも、加速度などの走査速度が向上し、共焦点顕微鏡レンズ装置が単純で、効率的かつ安価になる。従って、本発明に係るボイスコイル式走査装置は、高速かつ大量処理可能な走査装置を提供する。その他の条件（例えば、ピクセルサイズ、走査速度、レーザー出力など）が同じであれば、本発明に係るボイスコイル式走査装置は、１面（ｆｅａｔｕｒｅ）当たり、ガルボ式走査装置の８倍の検出フォトンを提供する。したがって、本発明に係るボイスコイル式走査装置は、ポリマーアレイの面サイズが減少するため非常に有用である。
【００６５】
他のもの（例えば、ピクセルサイズ、走査速度、レーザーパワーなど）は全て同等であり、本発明のボイスコイル走査装置は、ガルボ式走査装置の特性当たりの検出光子の約８倍を提供するであろう。それゆえ、本発明のボイスコイル走査装置は、ポリマーアレイの特性サイズを減少させるので、非常に有用であろう。
【００６６】
本発明は、基質上の蛍光画像を検出するために改良された装置および方法を提供する。上記の説明は、例示のためのものであって、制約的なものではないことを理解されたい。上記の説明を精査すれば、多くの実施態様が当業者には明らかになる。本明細書では、上記の装置および方法が、主に、蛍光標識した標的の検出に関連して説明されているが、別の領域への応用を容易に発見できる。例えば、本明細書で開示した検出装置は、触媒、ＤＮＡまたはタンパク質のゲル走査などにも用いることができよう。したがって、本発明の範囲は、上記の説明を基準にして決定すべきのみならず、請求された発明と等価の発明の全範囲とともに、添付された請求の範囲を基準にして決定すべきである。
【００６７】
本明細書において引用した刊行物、特許、および特許出願はすべて、それら全体を参照として本明細書に組み入れる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明にかかるスキャニングシステムのボイスコイル作動性解読用載物台の一態様を示す上面図である。
【図２】図２は、本発明にかかるスキャニングシステムに用いられる、エンコード用読み取りヘッドを備えたボイスコイル作動性解読用載物台の一態様を示す部分図である。
【図３】図３は、本発明にかかるスキャニングシステムに用いられるボイスコイル作動性解読用載物台の別の態様を示す上面図である。
【図４】図４は、本発明にかかるスキャニングシステムに用いられるボイスコイル作動性解読用載物台とエンコード用読み取りヘッドの別の態様を示す部分図である。
【図５】図５は、ボイスコイルによって作動する一方向の高速軸（Ｘ軸）と３方向の軸ＸＹＺ解読用装置を持つ本発明にかかるスキャニングシステムの図である。
【図６】図６は、一つの軸のボイスコイル作動性解読用載物台に取り付けた回転式プリズムと対物レンズを備えた本発明にかかるスキャニングシステムの図である。
【図７】図７は、本発明にかかる動作制御システムの一態様を示すブロック図である。
【国際公開パンフレット】
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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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