(57)【要約】信号検出領域内からの信号を検知及び／又は識別するための改良された装置、システム（１４）及び方法が、スペクトルコードの識別に十分に適する。独立に識別可能な多数のコードが、十分に小さな本体（１２ａ、１２ｂ）により発生され得、複数のこれらの本体又はプローブ（１２ａ、１２ｂ）が、検出領域内に存在し得る。検出領域中からの識別可能なスペクトル（６０）を同時に画像化することにより、プローブ（１２ａ、１２ｂ）が識別できる。識別可能なスペクトルは十分に大きな検出フィールド内のポイントソースから発生されるものとして取り扱うことができるので、プリズム、回折格子、ホログラフィー透過格子など（５６）が、センサー表面を横切ってラベルの画像をスペクトル的に分散できる。ＣＣＤ（１８）は、スペクトルを生成する信号の相対的な波長を識別できる。絶対信号波長は、ラベルの位置を決めることや、スペクトル（６０）内の内部波長基準などにより決めることができる。
2004500669.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルを発生する複数のラベル；及び
ラベルの識別のために表面上のスペクトルの少なくともいくつかを同時に画像化する検出器、
を含むシステム。
【請求項２】
スペクトルの少なくともいくつかが、複数の波長を定める複数の信号を含み、前記スペクトルからの波長が混合される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記ラベルが少なくとも１つの半導体ナノ結晶を含む、請求項１記載のシステム。
【請求項４】
各ラベルが、半導体ナノ結晶の少なくとも１つの母集団を含み、各母集団が、前記励起エネルギーに応答して母集団波長を有する信号を発生する、請求項２記載のシステム。
【請求項５】
前記ラベルの少なくともいくつかが、マトリックスにより支持された複数の母集団を含む、請求項４記載のシステム。
【請求項６】
ラベル及び関連のアッセイインジケータマーカーを含んだ少なくとも１つのプローブ本体をさらに含み、前記インジケータマーカーが、アッセイの結果を指示すべくプローブ本体と関連試験物質との間の相互作用に応答して指示信号を発生する、請求項１記載のシステム。
【請求項７】
同時に画像化されるラベルが、２次元感知フィールドに亘って分布される、請求項１記載のシステム。
【請求項８】
前記検出器が回折器とセンサーとを含み、各ラベルは、分散スペクトルがセンサー上で過度に重なることなくスペクトルが回折器により波長分散され得るように、感知フィールドよりも十分に小さい、請求項７記載のシステム。
【請求項９】
前記検出器が、光センサーと回折器とを含み、前記回折器が感知フィールドと光センサーの間に配置され、前記センサーが複数のラベルからスペクトルを同時に感知する、請求項１記載のシステム。
【請求項１０】
開放した光経路が、感知フィールドから回折器まで及び回折器からセンサーまで延び、前記センサーが領域センサーから成り、前記開放した光経路が、相当な第１及び第２開放直交寸法を有する開放断面を有する、請求項９記載のシステム。
【請求項１１】
感知フィールドを制限すべくスリットアパーチャーが光経路に沿って配置されず、回折器が、プリズム、分散性反射性格子及び分散性透過格子から成る群から選択された要素を含む、請求項１０記載のシステム。
【請求項１２】
センサーフィールド内のラベル位置を識別する空間位置インジケータをさらに含み、前記検出器が相対スペクトルデータを感知する、請求項１記載のシステム。
【請求項１３】
ラベル位置インジケータと検出器とに連結されたスペクトル分析器をさらに含み、前記分析器が、相対スペクトルデータ及び識別されたラベル位置に応答してスペクトルの絶対波長を得る、請求項１２記載のシステム。
【請求項１４】
位置決め光経路に沿ってラベル位置インジケータを感知フィールドと光学的に連結し、かつ、スペクトル光経路に沿って検出器を感知フィールドと光学的に連結すべく配置された第１ビームスプリッターをさらに含む、請求項１３記載のシステム。
【請求項１５】
前記検出器が領域センサーから成り、前記ラベル位置インジケータが、処理モジュールから成り、前記第１ビームスプリッターが、第１エネルギーを感知フィールドから回折器を過ぎて領域センサーに向けて送ってスペクトルデータを発生し、第１ビームスプリッターは、第２エネルギーを感知フィールドから位置インジケータに送って位置データを発生する、請求項１４記載のシステム。
【請求項１６】
感知フィールドから光経路に沿って配置された第２ビームスプリッターをさらに含み、第１分散部材が、第１軸に沿ってスペクトルの波長を分散すべくスペクトル光経路に配置され、第２分散部材が、第２軸に沿ってスペクトルの波長を分散すべく第２ビームスプリッターに光学的に連結され、前記第１軸は、感知フィールドに対する第２軸に対し或角度をなして第１軸に沿って重なった波長のスペクトルの不明瞭さを分解する、請求項１３記載のシステム。
【請求項１７】
スペクトルの少なくともいくつかが、複数の信号を含み、前記検出器が、前記信号の波長及び感知フィールド内のラベルの位置に応答してセンサーに亘って信号を分布するための手段をさらに含み、前記分布手段が感知フィールドとセンサーの間に配置される、請求項１記載のシステム。
【請求項１８】
感知フィールド内のラベルの位置を求めるための手段、及び前記位置決め手段に連結されたスペクトル分析器をさらに含み、前記分析器は前記スペクトルを求める、請求項１７記載のシステム。
【請求項１９】
前記位置決め手段が、領域センサーとビームスプリッター、又は前記少なくともいくつかのスペクトル内の較正基準信号を含む、請求項１８記載のシステム。
【請求項２０】
２次元感知フィールドに亘って分布された複数のラベルであって、該ラベルは励起エネルギーに応答してスペクトルを発生する前記ラベル；
前記２次元感知フィールドからスペクトルの開放光経路内に配置された回折器；
前記回折器からの前記経路内のセンサー；
前記ラベルに連結されたラベル位置決めシステム；及び
感知されたスペクトル情報に応答してラベルを識別するための前記センサーに連結された分析器、
を含むシステム。
【請求項２１】
複数のラベルからスペクトルを発生する工程；
前記センサー上に前記ラベルを同時に画像化することによりセンサーで前記スペクトルを感知する工程；及び
前記同時に感知されたスペクトルに応答して前記ラベルを識別する工程、
を含む方法。
【請求項２２】
励起エネルギーをラベルに伝送して関連スペクトルを発生する工程をさらに含み、前記ラベルは半導体ナノ結晶を含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
前記ラベルが、スペクトルを感知しつつ２次元感知フィールド内に移動可能に配置される、請求項２１記載の方法。
【請求項２４】
スペクトルがセンサーにより感知される際にラベルの位置を求める工程、及びラベル位置とセンサーからのデータとに応答してラベルを識別する工程をさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２５】
回折器によりセンサーに亘ってラベルからのスペクトルを分散させる工程、及び感知された分散スペクトルに応答してスペクトルを求める工程をさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２６】
第１スペクトル軸に沿ったスペクトルの重なりの不明瞭さを分解すべく第１分散軸に対して或角度をなした第２分散軸に沿ってラベルからスペクトルを分散する工程をさらに含む、請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
前記角度が０゜〜１８０゜である、請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
スペクトルの少なくとも１つの較正基準信号に応答してスペクトルを得る工程をさらに含む、請求項２１記載の方法。
【請求項２９】
異なる強さの信号を識別するための方法であって、
励起エネルギーに応答して複数の信号を発生する工程であって、前記信号は、より高い強度の信号とより低い強度の信号から成る前記工程；
センサー上に前記信号を同時に画像化することにより、前記より低い強度の信号を感知する工程；及び
前記より高い強度の信号の少なくともいくつかを順次感知する工程、
を含む上記方法。
【請求項３０】
前記信号の少なくとも１つが半導体ナノ結晶により発生される、請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
前記より低い強度の信号を感知する工程が、第１積分時間の間画像化する工程を含み、前記より高い強度の信号を順次感知する工程が、第１積分時間よりも短い第２積分時間の間順次画像化する工程を含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３２】
同時に画像化された信号から前記より高い強度の信号をフィルタリングする工程をさらに含む、請求項２９記載の方法。
【請求項３３】
前記より高い強度の信号が、前記より低い強度の信号の波長とは異なる波長を有し、フィルタリング工程が、前記より高い強度信号を波長フィルタリングを行う工程から成る、請求項３２記載の方法。
【請求項３４】
前記より高い強度信号が、前記信号を発生するマーカーを走査することにより順次感知され、前記より高い強度信号を発生するマーカーが、前記より低い強度信号を発生するマーカーと空間的に混合される、請求項２９記載の方法。
【請求項３５】
前記走査工程が、前記マーカーに対してアパーチャーを走査する工程から成る、請求項３４記載の方法。
【請求項３６】
前記走査工程が、前記マーカーに対してスリットを走査する工程から成る、請求項３５記載の方法。
【請求項３７】
前記励起エネルギーが第１エネルギーと第２エネルギーとから成り、前記第１エネルギーが、高エネルギーマーカーを励起して高エネルギー信号を発生し、前記第２エネルギーが低エネルギーマーカーを励起して前記より低いエネルギー信号を発生する、請求項２９記載の方法。
【請求項３８】
前記第２エネルギーが、前記第１エネルギーよりも小さく、前記第２エネルギーが、前記低エネルギーマーカーを選択的に励起する、請求項３７記載の方法。
【請求項３９】
前記高強度信号が、ラベルマーカーにより発生され、識別可能なスペクトルコードを定め、前記低強度信号が、アッセイマーカーにより発生され、複数のアッセイの結果を指示し、各アッセイが関連スペクトルコードを有する、請求項２９記載の方法。
【請求項４０】
前記マーカーが、プローブ本体により支持されてプローブを定め、各プローブが、少なくとも１つのラベルマーカーを備えたラベルから成りスペクトルコードを発生し、少なくとも１つのアッセイマーカーが、プローブに関連付けられて関連アッセイの結果を指示し、また、各ラベルを識別しかつラベルを関連マーカー信号と相関させることにより各アッセイ結果を求める工程をさらに含む、請求項３９記載の方法。
【請求項４１】
信号を取得するための方法であって、
第１励起エネルギーに応答して複数の第１マーカーから複数の第１信号を発生する工程；
第２励起エネルギーに応答して複数の第２マーカーから複数の第２信号を発生する工程であって、前記第１及び第２マーカーが混合される前記工程；
前記第１及び第２エネルギーの少なくとも１つの特性を選択することにより、前記第２信号の強度に対して前記第１信号の強度を調節する工程、及び
前記調節された第１及び第２信号をセンサー上に同時に画像化する工程、
を含む上記方法。
【請求項４２】
前記マーカーの少なくとも１つが半導体ナノ結晶から成る、請求項４０記載の方法。
【請求項４３】
前記第１エネルギーが、前記複数の第１マーカーを選択的に電圧印加し、前記信号の強度が、
前記第１及び第２エネルギーの少なくとも１つの強度を変えること；
センサーの効率的な検出を前記第１及び第２信号の少なくとも１つに変えること；又は
前記第１及び第２信号の少なくとも１つのパーセント反射又はフィルタリングを変えること
によりセンサーの許容可能な強度範囲内にある、請求項４０記載の方法。
【請求項４４】
複数のアッセイを実行する工程；
前記アッセイの結果を指示するアッセイマーカーによりアッセイ信号を発生する工程；
前記アッセイマーカーを同時に領域画像化する工程；
各アッセイマーカーに関連したスペクトルコードを発生する工程；及び
スペクトルコードとアッセイマーカーを識別して各スペクトルコードを関連のアッセイマーカー信号と相関させることにより、アッセイ結果を解読する工程、
を含む高スループットアッセイ方法。
【請求項４５】
スペクトル情報を検出するためのシステムであって、該スペクトル情報は、２次元フィールド内で発生されたより高い強度の信号及びより低い強度の信号を含み、
前記低強度信号の同時画像化のために２次元フィールドに光学的に連結可能な検出器；及び
前記より高い強度の信号の順次感知のためにアパーチャーを有するスキャナー、
を含む上記システム。
【請求項４６】
励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルを発生する複数のラベル；
ラベルと混合される他のマーカーであって、該他のマーカーは他の信号を発生し、該他の信号は前記スペクトルよりも弱い前記他のマーカー；
ラベルを順次感知するためにアパーチャーを有するスキャナー；及び
前記他の信号を同時に画像化するために複数の他のマーカーに光学的に連結された検出器、
を含むシステム。
【請求項４７】
少なくとも１つのラベルが半導体ナノ結晶から成る、請求項４６記載のシステム。
【請求項４８】
各ラベルが、プローブマトリックス、ラベル、他のマーカー、及び複数のプローブ本体を定めるマトリックスにより関連の他のマーカーに固定され、前記他の信号が、ラベルのスペクトルに関連したアッセイの結果を指示するアッセイマーカーを含む、請求項４６記載のシステム。
【請求項４９】
スキャナーにより感知されるスペクトル及び検出器により検知される関連アッセイマーカーに応答して各アッセイの結果を求めるべくスキャナー及び検出器に連結されたプロセッサをさらに含む、請求項４８記載のシステム。
【請求項５０】
前記他の信号の感知のための検出器の積分時間が、スペクトルのためのスキャナーの積分時間よりも長い、請求項４９記載のシステム。
【請求項５１】
前記他の信号が、前記スペクトルとは異なる波長を有し、前記検出器の光経路中にフィルター又はビームスプリッターをさらに含み、前記フィルター又はビームスプリッターが、前記他の信号を伝送し、前記スペクトルによる検出器の飽和を抑制する、請求項４６記載のシステム。
【請求項５２】
第１励起エネルギーを前記他のマーカーに向けて伝送する第１励起エネルギーソースをさらに含み、前記第１励起エネルギーが、前記他のマーカーを選択的に電圧印加する、請求項４６記載のシステム。
【請求項５３】
第２励起エネルギーをラベルに向けて伝送する第２励起エネルギーソースをさらに含む、請求項５２記載のシステム。
【請求項５４】
流体；
励起エネルギーを流体に向けて伝送する励起エネルギーソース；
前記流体中に配置された複数のアッセイプローブであって、各プローブはスペクトルラベルを有し、該スペクトルラベルは、前記励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルコードを発生し、前記プローブは、アッセイ結果に応答してアッセイ信号を発生する前記複数のアッセイプローブ；
前記スペクトルコードから前記プローブを識別するために前記流体に対して感知領域を移動させるスキャナー；及び
２次元感知フィールドの至る所からアッセイマーカーを同時に画像化するための２次元画像化システム、
を含む高スループットアッセイシステム。
【請求項５５】
流体；
第１励起エネルギーを前記流体に向けて伝送する第１励起エネルギーソース；
第２励起エネルギーを前記流体に向けて伝送する第２励起エネルギーソース；
前記流体中に配置された複数のアッセイプローブであって、各プローブは、スペクトルラベルを有しかつ前記流体中のアッセイマーカーと関連し、前記アッセイマーカーは、アッセイ結果及び第２励起エネルギーに応答してアッセイ信号を伝送し、第１励起エネルギーは、スペクトルラベルが識別可能なスペクトルコードを伝送するようにスペクトルラベルを選択的に電圧印加する、前記複数のアッセイプローブ；
アッセイ信号とスペクトルコードとを感知するための感知システムであって、該感知システムは強度範囲を有し、第１及び第２励起ソースの強度は、アッセイ信号とスペクトルコードとが前記強度範囲内にあるように選択される前記感知システム、
を含む高スループットアッセイシステム。
【請求項５６】
流体；
前記流体内に配置された可動プローブであって、該プローブは、識別可能なスペクトルを発生するラベル、及び前記プローブと検出可能な物質との間の相互作用に応答してアッセイ信号を発生するアッセイマーカーを有する前記プローブ；
プローブと流体が感知領域を通って流れてアッセイ結果を求める際に、スペクトル及び信号を感知するプローブ読み取り器、
を含む流体フローアッセイシステム。
【請求項５７】
流体を流すことによりプローブを移動させる工程；
移動するプローブを画像化し該画像を分散させる工程であって、前記プローブは分散された画像からスペクトルを感知するためにそれ自身のアパーチャーとして動作するのに十分小さい前記工程；
前記スペクトルから前記プローブを識別することによりアッセイの結果を求める工程、
を含む流体フローアッセイ方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、同時係属の米国仮特許出願第６０／１９５，５２０号（標題”Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｅｎｃｏｄｉｎｇ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｗｉｔｈ Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌｓ， Ｃｏｍｐｏｓｉｔｉｏｎｓ Ｍａｄｅ Ｔｈｅｒｅｂｙ， ａｎｄ Ｄｅｖｉｃｅｓ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ ａｎｄ Ｄｅｃｏｄｉｎｇ Ｔｈｅｒｅｏｆ”、２０００年４月６日提出）から優先権の利益を請求し、その全ての開示事項をここで援用する。
本出願の主題は、以下の同時係属の特許出願、すなわち米国特許出願第０９／１６０，４５８号（１９９８年９月２４日提出、標題”Ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ” ）、米国特許出願第０９／３９７，４３２号（１９９９年９月１７日提出、標題”Ｉｎｖｅｎｔｏｒｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ” ）、ＰＣＴ特許出願第ＷＯ９９／５０９１６号（１９９９年４月１日公開、標題”Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ Ｗｈｉｔｅ ａｎｄ Ｃｏｌｏｒｅｄ Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅｓ” ）、及び米国特許出願第０９／２５９，９８２号（１９９９年３月１日提出、標題”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ Ｐｒｏｂｅｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｓｉｎｇ Ｓｕｃｈ Ｐｒｏｂｅｓ” ）に関係し、それらの開示事項もここで援用する。
【０００２】
発明の背景
一般に、本発明は、信号領域内から複数の信号を検出し識別するための装置、物質の組成物、キット、システム及び方法を提供する。特定の実施態様では、本発明は、感知領域中からの複数のスペクトルバーコードを検出し識別するため、特に高スループットアッセイシステムなどのために要素の在庫を識別及び／又は追跡するためのシステム及び方法を提供する。本発明は、しばしば識別可能なスペクトルを放射するラベルを使用し、このスペクトルは、測定可能な波長及び／又は強度を有するいくつかの離散的な信号を含む。
多数のアイテムの位置及び／又は同一性を追跡することは、多くの環境において取り組まれ得る。一般にバーコード技術、及び特に統一商品コードは、種々の対象を追跡するのに多大な利点を与える。バーコード技術は、対象に直接印刷されか又は対象に固定され得るラベル上に印刷される線形アレイ要素をしばしば使用する。これらのバーコード要素は、しばしばバーとスペースとから成り、これらのバーはバイナリー１のストリングを表す可変幅を有し、バー間のスペースは、バイナリー０のストリングを表す可変幅を有する。
【０００３】
バーコードは、走査レーザービーム又はハンドヘルドバーコード読み取りペンのような装置を光学的に使用して検出され得る。同様のバーコード案が、磁気媒体にて実現できる。しばしば、走査システムは、複数の文字数字併用の文字を決めるのにラベルを電気−光学的に復号化する。これらの文字は、物品又はその特徴を記述（又は識別）するものである。これらのバーコードは、しばしば、例えば販売時点情報管理システムの処理、在庫制御などで使用するためにデータ処理システムへの入力としてデジタル形式にて与えられる。
統一商品コードのようなバーコード技術は、広く受け入れられており、種々のより高密度の代替案が提案されている。残念ながら、これらの標準的なバーコードは、多くの「ライブラリ」又はグループの要素をラベル付けするのにはしばしば適さない。例えば、宝石や微小な電気コンポーネントのような小さなアイテムは、バーコードを楽に付けるための十分な表面積を欠いている。同様に、組合せ化学、ゲノミクス（ｇｅｎｏｍｉｃｓ）研究、マイクロフルイディクス（ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃｓ） 、マイクロマシン（ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｓ） 並びに他のナノスケール技術のような新規な技術は、公知の相対的に大規模なバーコードラベルを支持するのには十分には適さないようである。これら及びその他の開発中の分野においては、しばしば、多数の流体を利用することが望まれ、現在のバーコードを用いてこのような流体の移動を識別及び追跡することは、特に問題をはらんでいる。化学薬品や流体のための二三の化学的符号化システムが提案されているが、多数の小さく且つ／又は流体の要素を信頼性高くかつ正確にラベル付けするのは、挑戦すべきものとして残っていた。
【０００４】
小規模かつ流体のラベリングの可能性は、米国特許出願第０９／３９７，４３２号に詳細に記載されているように半導体ナノ結晶（Ｑｕａｎｔｕｍ Ｄｏｔ （登録商標）粒子としても公知）の示唆された適用により、最近急激に進歩した。この米国特許出願の全記載事項をここで援用する。半導体ナノ結晶は、サイズに依存した光学的及び／又は電気的特性を有する極微の粒子である。これらの半導体ナノ結晶のバンドギャップエネルギーはサイズ、コーティング及び／又は物質によって変化するので、これらの結晶の母集団は、種々のスペクトル放射特性を有して製造され得る。また、特定の波長の放射強度は変化し得、それにより種々の符号化案を使用できる。異なる放射信号を有する半導体ナノ結晶の結合により定められるスペクトルラベルは、半導体ナノ結晶に電圧が印加されるときに、ラベルにより放出されるスペクトルの特徴から識別され得る。
半導体ナノ結晶に基づいたスペクトルラベル付け案が、関心のある多くの要素を追跡及び識別をする上で重要な進歩を示しているのではあるが、なおさらなる改善が望ましい。一般に、これらの新しいスペクトルラベルを感知又は読み取るための改善された技術を提供することが有益である。現在開発されている高スループットアッセイシステムに対してこれらのラベル付け及び追跡技術を適用するための改善された技術を提供することが特に有益である。
【０００５】
多重化されたアッセイフォーマットは、改善されたスループット能力のためには大いに望まれるし、組合せ化学が確立された発見及び薬に対する承認システムを追加提供するという要求に一致する。例えば、複雑な蛋白質パターンの同時解明により、癌のような稀な事象又は条件を検出できる。また、ゲノム情報の常に拡大しているレパートリーは、非常に効率的で並列で安価なアッセイフォーマットから利益を得る。所望の多重化されたアッセイ特性は、使用の容易さ、結果の信頼性、高スループットフォーマット、及び非常に早く安価なアッセイ開発及び実行を伴う。
いくつかの公知のアッセイフォーマットが、高スループット試験に使用できる。しかしながら、これらのフォーマットの各々には限界がある。断然最も有力な高スループット技術が、異なるアッセイを空間の異なる領域に分離することに基づいている。９６ウエルプレートフォーマットが、このアリーナ中の使役馬である。
９６ウエルプレートアッセイでは、個々のウエル（互いに壁により分離されている）は、しばしば異なる成分で充填され、該アッセイが実行されてアッセイ結果が各々良好に測定される。どのアッセイが実行されているかについての情報はウエル数又はプレート上の位置と共に運ばれ、所与の位置が、どのアッセイがポジティブであるかを決める。これらのアッセイは、化学ルミネセンス、シンチレーション、蛍光、散乱、又は吸収／比色定量測定に基づき得、検出案の詳細は、アッセイされている反応に依存する。
【０００６】
複数ウエルアッセイが、サイズにおいて縮小され、スループットを上げて例えば１プレート当たり３８４又は１５３６のウエルを収容する。残念ながら、流体の送出及びこの規模でのアッセイ溶液の蒸発は、アッセイを相当当惑させる。複数ウエルの配列に基づいた高スループットフォーマットは、しばしば複雑なロボット工学及び流体分配システムに基づいて最適に機能する。プレート上の適当なビン（ｂｉｎｓ）への適当な溶液の分配は、効率と汚染の両方の観点からの取り組みを課し、両方の特性についてフルイディックス（ｆｌｕｉｄｉｃｓ）を最適にするためには苦労を伴う。また、スループットは、プレート上に隣接して置き得るウエル数と各ウエルの容積により極度に制限される。任意の小さなウエルは、任意の小さな容積を有し、容積に比例する信号を生じて半径の３乗に比例して収縮する。各ウエル、よって各アッセイの空間分離は、単一ウエル中での複数のアッセイの実行よりもずっとありふれたものであった。このような単一ウエルの多重化技術は、大部分において単一ウエル内の異なるアッセイの結果を「デマルチプレクシング」又は分解する上での困難さゆえに広く使用されていない。
さらに高いスループットのゲノム及び遺伝子の分析技術では、位置アレイ技術は、しばしば高密度オリゴヌクレオチドアレイを用いて極微規模まで縮小されている。１ｃｍ四方のガラス上では、異なるヌクレオチドの数十から数百数千までが、例えば２５μｍスポット内に書くことができ、これは互いによく溶解する。位置決めグリッドの描かれたこの平面試験構造又は「チップ」上にて、特定のスポットのｘ，ｙ位置が、どのオリゴヌクレオチドがそのスポットに存在するかを決める。一般に、蛍光ラベル付けされ増幅されたＤＮＡが、該アレイに加えられ、交配され、蛍光ベースの技術を用いて検出される。これは多数の遺伝子マーカーを同時にアッセイするには非常に強力な技術ではあるが、コストがなお非常に高く、このアッセイの柔軟性も非常に制限されたものである。
【０００７】
一旦チップが特定の場所にて特定のＤＮＡシーケンスにより作られたならば、それらは固定され、それに対する新しいマーカーの付加は非常に高価となる。非常に小さな特徴サイズ、及び高度に平行なアッセイフォーマットは、９６ウエルプレートのような共通のプラットフォームシステムにおいて固有の柔軟性のコストに達する。また、このアッセイは、チップの表面にて最終的に実行され、その結果は、表面への交配の反応機構に依存し、プロセスは、ステリック（ｓｔｅｒｉｃ）問題、混合問題及び拡散問題により悪影響を受ける。実際、小さなミクロアレイのチップは、チップ上の溶液の拡散が十分に完全ではないので、稀な事象の検出には特に適さない。ミクロアレイのチップへの交配をもっと効率的に実行するために、専用のフルイディックス（ｆｌｕｉｄｉｃｓ）ワークステーションが用いられてチップ表面上にて繰り返して溶液を汲み上げできる。よって、このような機器はコスト及びアッセイの実行時間を増大させる。
【０００８】
スペクトルバーコードの使用は、表題”Ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ Ｎａｎｏｃｒｙｓｔａｌ Ｐｒｏｂｅｓ ｆｏｒ Ｂｉｏｌｏｇｉｃａｌ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ ｆｏｒ Ｍａｋｉｎｇ ａｎｄ Ｕｓｉｎｇ ｓｕｃｈ Ｐｒｏｂｅｓ ”、米国出願Ｎｏ．０９／２５９，９８２、１９９９年３月１日提出の出願に記載されているように、アッセイのスループットを高めるための大きな見込みを保持する。その全ての開示事項をここに援用する。スペクトルラベル（しばしば幾つかの半導体ナノ結晶の形態をなしている）及び１以上の複合分子の部分の両方を含んだ幾つかのプローブを用いて、多重化されたアッセイが実行できる。これらの複合分子の部分は、サンプル流体内で１以上の検出可能な物質を選択的に接着できる一方、スペクトルラベルを用いて流体内のプローブ（従って関連する複合分子の部分）を識別できる。個々のプローブは非常に小さく、独立して識別できるバーコードの数を非常に大きくできるので、単一の流体サンプル内において、多数の異なるプローブを含むことにより、多数の個別のアッセイを実行できる。これらのプローブは非常に小さいビーズの形態をとることができ、各ビーズは、適宜、スペクトルラベル、複合分子の部分及びしばしばポリマーの形態をなしたビーズ本体又はマトリックスを含む。
【０００９】
高度に多重化しスペクトル的に符号化されたアッセイビーズシステムにより与えられる実質的な利点と共に、これらの技術を実現するのは相当な挑戦となる。特に、多重化されたアッセイ結果を求めることは大いに挑戦的である。スペクトルラベルの反応時間及び精度は大いに有利となり得るが、高度に多重化されたビーズアッセイシステム内の数百（多くの場合数千）のビーズからのスペクトルバーコード及び／又はアッセイの結果の各々を正確に読み取るのは挑戦的であり得る。同様に、一般にスペクトル符号化により多数の要素のラベル付け及び／又は識別が可能となるが、個々のラベル構造が小さい場合、及び多くのラベルが互いに近くに位置している場合には、スペクトルコードの解読は大いに挑戦的である。
上記観点から、信号を検出し識別するための改善されたシステム及び方法を提供することが一般に望ましい。もしこれらの改善された技術が所与の領域内の複数のスペクトルバーコードから各スペクトルコードを識別することを容易にするならば特に有利である。微小なプローブ及び他の構造のスペクトル符号化の潜在的な可能性を利用するためには、これらの改善された技術により、高い時間効率にて多数のスペクトルコード又は他の信号（例えばアッセイマーカー信号）を検出及び／又は識別できるならば大いに望ましい。
【００１０】
発明の概要
一般に、本発明は、信号を感知及び／又は識別するための改善された装置、システム及び方法を提供する。本発明の技術は、スペクトルコードを発生するラベルの識別に特によく適する。このようなラベルを有する十分小さな本体により、独立に識別可能な多数のスペクトルコードが発生でき、このような複数の本体又はプローブが検出領域内に存在し得る。一部の実施態様では、本発明により、検出領域の至る所からの識別可能なスペクトルの同時の画像化ができる。この同時画像化により、ラベル（よって関連するプローブ、アッセイ結果など）が識別できる。波長分散性要素（例えば、プリズム、回折格子、ホログラフィー透過格子など）が、センサー表面に亘ってラベルの画像を同時にスペクトル的に分散させる。２次元領域光センサー（例えば電荷結合素子すなわち「ＣＣＤ」）は、スペクトルを作る信号の相対波長を実質的に同時に感知できる。非常に小さなラベルサイズを利用すると、識別可能なスペクトルは、大きな検出フィールド内のポイントソースから発生されているとして取り扱うことができ、それによりこの分光機器内においてそれら自身の「スリット」として働く。絶対信号波長は、スペクトル内の内部波長基準などを用いてラベルの位置を求めることにより識別できる。
【００１１】
スペクトルラベルは、ラベルからの識別可能なスペクトルとは相当異なる信号を発生する他のマーカーと共に使用できる。例えば、スペクトル的に符号化されたビーズが、ラベルスペクトルに加えてアッセイ信号を発生することにより、並列アッセイシステム内で使用できる。これらのアッセイ信号は、アッセイの結果を正確かつ信頼性高く示すことができるが、これらの信号は、スペクトルラベルよりも相当低い強度となり得る。よって、本発明はまた、幅広く変化する強度の信号を識別するための技術をも提供する。これらの技術は、しばしば、領域画像化による相対的に長い積分時間を用いて、より低い強度信号を同時に感知することを伴う。より高い強度信号は、しばしば走査システムを用いて順次感知し得る。この二重感知システムは、より低い強度信号に対して相対的に長い信号積分時間を許容することにより、信号の検出及び解読の効率全体を改善する一方、より高い強度信号は、より短い積分時間で素早く走査される。一部の実施態様では、複数の励起エネルギーが、信号発生器に向けて送られ得、励起エネルギーの少なくとも１つは、該より低いエネルギー信号を選択的に作る。このような技術は、半導体ナノ結晶の可能性を利用するのに特によく適する。該半導体ナノ結晶は、微小本体から検出可能な信号を正確に発生でき、適当な励起源により選択的に電圧印加し得る。
【００１２】
第１の面では、本発明は、励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルを発生する複数のラベルを含むシステムを提供する。検出器が、ラベルの識別のためにスペクトルの少なくともいくつかを同時に画像化する。
多くの実施態様では、スペクトルの少なくともいくつかは、複数の波長を定める検出可能な複数の信号を含む。ラベルマーカーは、これらの異なるラベル信号を発生でき、その結果、ラベルは複数のラベルマーカーを含み得る。スペクトルからの波長は混合し得る。好ましくは、ラベルは少なくとも１つの半導体ナノ結晶を含む。通常、各ラベルは半導体ナノ結晶の少なくとも１つの母集団を含み、各母集団の各半導体ナノ結晶は、励起エネルギーに応答して関連した母集団波長を有する信号を発生する。多くの実施態様では、ラベルは、マトリックスにより支持された複数の母集団を含む。
実施態様の一部では、少なくとも１つのプローブ本体が、ラベル及び関連するアッセイインジケータマーカーを含む。インジケータマーカーは、プローブ本体と関連の試験物質の間の相互作用に応答して指示信号を発生し、それによりアッセイの結果を指示する。
【００１３】
ラベルは、２次元感知フィールドに亘って分布され得る。検出器は、しばしば波長分散性要素及びセンサーを含み、好ましくは、各ラベルは、分散したスペクトルがセンサー上に過度に重なることなく、スペクトルが波長分散性要素により波長分散することを可能にすべく、取り囲む感知フィールドよりも十分に小さい。分散したスペクトルは、しばしば離散的な点光源から発生されるとして分析され得る。離散的な点光源のスペクトルラベルを用いることにより、システムは、線形分光計及び他のスペクトル分散システムにおいて一般に見られるように、スプリットアパーチャーなどについてのどんな必要性をも排除する。換言すれば、小さなラベルは、それら自体のスリットとして働き得る。このことによっても、検出器が２次元感知フィールドの至る所から信号を受け入れることができる。
波長分散性要素は、通常、感知フィールドと光センサーの間に配置される。センサーは、複数のラベルからスペクトルを同時に感知する。開放した光経路は、しばしば感知フィールドから波長分散性要素まで、及び波長分散性要素からセンサーまで延び、光学系は一般にセンサー上に感知フィールドを画像化する。一般に、センサーは、領域センサー（ＣＣＤなど）から成り、開放した光経路は、分散性システムにおいてしばしば使用されるスリット又はポイントアパーチャーとは対照的に重要な第１及び第２開放直交寸法を有する開放した断面を持つ。波長分散性要素は、プリズム、分散性反射格子、ホログラフィー透過格子などから成り得る。
【００１４】
多くの実施態様では、空間位置決め器（ｐｏｓｉｔｉｏｎｅｒ）が、センサーフィールド内のラベル位置を与える。検出器は、しばしば相対的なスペクトルデータを感知するが、ラベル位置決め器に連結された分析器と検出器は、相対的なスペクトルデータ及び指示されたラベル位置に応答してスペクトルの絶対波長を得ることができる。実施態様の一部では、ビームスプリッターは、位置決め光経路に沿ってラベル位置決め器を感知フィールドに適宜連結でき、また、スペクトル光経路に沿って検出器をセンサーフィールドに連結でき、その結果、位置決め及びスペクトルの光経路の少なくとも一部が、共通の光要素を使用する。ビームスプリッターは、感知フィールドからのエネルギーの大部分を相対スペクトル情報用の検出器に向けて送り、感知フィールドからのエネルギーの小部分を位置決め画像に向けて送る。実施態様の一部では、ビームスプリッターは、感知フィールドに対する第１軸に沿ってスペクトルを分布すべく、感知フィールドからの画像の一部を第１分散部材に送り、第２軸に沿ってスペクトルを分布すべく、画像の第２部分を第２分散部材に送る。この第２軸は、第１軸に沿って重なった波長からスペクトルの不明瞭さを分解するために感知フィールドに対して第１軸に或角度をなす。同様の不明瞭さの分解技術が、異なる軸に沿ってスペクトルを順次分散し得る。  スペクトルの少なくとも一部は、しばしば複数の信号を含む。検出器は、信号の波長に応答して、及びセンサーフィールド中のラベルの位置に応答してセンサー全体にこれらの信号を分布するための手段を含み得る。分布手段は、感知フィールドとセンサーの間に配置され得る。システムはまた、感知フィールド内のラベルの位置を求めるための手段をも含むことができ、スペクトル分析器を備え、該分析器がスペクトルを決めることができるように、位置決め手段及びセンサーに連結される。位置決め手段は、適宜、領域センサー及びビームスプリッター、スペクトルの一部又は一部内の較正基準信号などを含み得る。
【００１５】
別の面では、本発明は、２次元感知フィールドに亘って分布される複数のラベルから成るシステムを提供する。ラベルは、励起エネルギーに応答してスペクトルを発生する。波長分散性要素が、２次元感知フィールドからのスペクトルの開放光経路中に配置される。センサーが波長分散性要素からの経路中に配置される。ラベル位置決めシステムがラベルに連結され、分析器が、感知されたスペクトル情報に応答してラベルを識別するためのセンサーに連結される。
別の面では、本発明は、複数のラベルからスペクトルを発生する工程を含む方法を提供する。スペクトルは、センサー上でラベルを同時に画像化することによりセンサーにより感知され、ラベルは、感知されたスペクトルに応答して識別される。
多くの実施態様では、ラベルは、スペクトルが感知される間、２次元感知フィールド内に移動自在に配置される。ラベルの位置は、スペクトルがセンサーにより感知されるときに求めることができ、ラベルは、（センサーからのデータを用いるのみならず）ラベル位置に応答して識別し得る。ラベルからのスペクトルは、しばしば分散される。一部の実施態様では、スペクトルは、スペクトルの重なりからの不明瞭さを分解すべく、第１分散軸に対して或角度にて第２分散軸に沿って分散される。
【００１６】
別の面では、本発明は、異なる強さの信号を識別するための方法を提供する。該方法は、励起エネルギーに応答して複数の信号を発生する工程を含む。これらの信号は、より高い強度の信号とより低い強度の信号とを含む。より低い強度の信号は、信号を同時に画像化することにより感知される。より高い強度の信号の少なくとも一部は、順次感知される。
多くの実施態様では、より低い強度の信号は、第１積分時間の間感知フィールドを画像化することにより感知される。より高い強度信号は、第２積分時間の間感知フィールドの一部を画像化することにより順次感知でき、この第２積分時間は、第１積分時間より短い。適宜、より高い強度信号は、同時画像からフィルタリングされ得る。これは、より高い強度信号が、より低い強度信号の波長とは異なる波長を有する場合に容易になる。というのは、波長フィルタリングが、画像の飽和を避けるのに使用できるからである。
より高い強度信号は、信号を発生するラベルを走査することにより順次感知できる。より高い強度信号を発生するラベルは、より低い強度信号を発生するマーカーと空間的に混合され得る。走査は、ラベルに対するアパーチャー（例えばスリット、ピンホールアパーチャーなど）を走査することから成り得る。一部の実施態様では、走査は、感知フィールドの一部上にて励起エネルギーを走査することにより実行できる。
【００１７】
実施態様の一部では、励起エネルギーは、高エネルギー信号を発生すべくラベルのより高いエネルギーマーカーを励起するための第１エネルギーと、より低いエネルギー信号を発生するための第２エネルギーとを含み得る。
ラベルのより高い強度信号は、ラベルマーカーにより発生でき、識別可能なスペクトルコードを定めることができる。低強度信号は、アッセイマーカーにより発生でき、複数のアッセイの結果を指示し得、その際、各アッセイは関連のスペクトルコードを有する。マーカーは、プローブ本体により支持されてプローブを定め得る。各プローブは、複数のラベルマーカーを含むことができ、これらは共に（スペクトルコードを発生する）ラベル、及び（関連アッセイの結果を指示する）少なくとも１つの関連アッセイマーカーを定める。各アッセイの結果は、各ラベルを識別すること、及びラベルを関連アッセイマーカー信号に相関させることにより求めることができる。
別の面では、本発明は、信号を取得するための方法を提供する。この方法は、第１励起エネルギーに応答して第１の複数マーカーから第１の複数信号を発生する工程を含む。第２の複数信号は、第２励起エネルギーに応答して第２の複数マーカーから発生される。第１及び第２マーカーは混合される。第１信号の強度は、第１及び第２励起エネルギーの少なくとも１つの特性を選択することにより、第２信号の強度に対して調節される。調節された第１及び第２信号は、センサー上に同時に画像化される。
【００１８】
一般に、マーカーの少なくとも１つは、半導体ナノ結晶を含む。好ましくは、第１エネルギーは、第１の複数マーカーを選択的に電圧印加する。これらの強度は、第１及び第２励起エネルギーの少なくとも１つの強度を変えることにより共通の積分時間の間センサーの許容可能な強度範囲内に信号があるように、調節される。
さらに別の面では、本発明は、複数のアッセイを実行する工程、アッセイマーカーと共にアッセイ信号を発生してアッセイの結果を指示する工程を含んだ高スループットアッセイ方法を提供する。アッセイマーカーは、同時に領域画像化され、各アッセイマーカーに関連したスペクトルコードが発生される。アッセイの結果は、スペクトルコードとアッセイマーカーを識別することにより、及び各スペクトルコートを関連のアッセイマーカー信号と相関させることにより解読される。
別の面では、本発明は、スペクトル情報を検出するためのシステムを提供する。スペクトル情報は、より高い強度信号とより低い強度信号を含む。これらの信号は、２次元フィールド内で発生される。システムは、低強度信号の同時画像化のために２次元フィールドと適宜連結可能な検出器を含む。スキャナーは、より高い強度信号の順次画像化のために２次元フィールドに対して移動可能なアパーチャーを有する。
【００１９】
さらに別の面では、本発明は、励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルを発生する複数のラベルから成るシステムを提供する。他のマーカーはラベルと混合される。該他のマーカーは、他の信号を発生し、該他の信号は、スペクトルよりも弱い。スキャナーは、スペクトルを識別するためにラベルに対して移動可能なアパーチャーを有する。検出器が、前記他の信号を同時に画像化するために複数の他のマーカーに光学的に連結される。
一般に、複数のプローブを定めるべく、マーカーのグループがプローブマトリックスにより共に保持され、その際各々のプローブは、少なくとも１つのラベル及び少なくとも１つの関連する他のマーカーを含む。このことにより、各プローブは、ラベルの識別可能なスペクトルを介して関連アッセイの結果を指示できる。スキャナー及び検出器に連結されたプロセッサが、スキャナーにより感知されるスペクトルに応答して、及び検出器により感知される関連アッセイマーカーに応答してアッセイの結果を求め得る。検出器の積分時間は、識別時間を過度に遅延させることなくスペクトルについてのスキャナーの積分時間よりも長くできる。というのは、他のマーカー（又はアッセイマーカー）は、感知フィールドの至る所で同時に画像化されるからである。
【００２０】
さらに別の面では、本発明は、励起エネルギーを流体に向けて送る励起エネルギー源を備えた流体から成る高スループットアッセイシステムを提供する。複数のアッセイプローブが、流体中に配置される。各プローブは、スペクトルラベルを有する。スペクトルラベルが、励起エネルギーに応答して識別可能なスペクトルコードを発生する。プローブは、アッセイ結果に応答してアッセイ信号を発生する。スキャナーは、スペクトルコードからプローブを識別するために、流体に対して感知領域を（及び／又は感知領域に対して流体及び流体ホルダーの少なくとも１つを移動させる。２次元画像化システムは、２次元感知フィールドの至る所でのプローブからアッセイマーカーを同時に画像化する。
さらに別の面では、本発明は、流体、及び第１励起エネルギーを流体に向けて送る第１励起エネルギー源を含んだ高スループットアッセイシステムを提供する。第２励起エネルギー源は、第２励起エネルギーを流体に向けて送る。複数のアッセイプローブが、流体中に配置される。各プローブはスペクトルラベルを有し、流体中のアッセイマーカーはプローブと関連する。アッセイマーカーは、アッセイの結果に応答して、及び第２励起エネルギーに応答してアッセイ信号を送る。第１励起エネルギーは、スペクトルラベルが識別可能なスペクトルコードを送るように、スペクトルラベルを選択的に電圧印加する。感知システムが、アッセイ信号とスペクトルコードを感知する。感知システムは、強度範囲を有する。第１及び第２励起源の強度は、アッセイ信号及びスペクトルコードがしばしば同じ集積時間にて前記強度範囲内にあるように選択される。
【００２１】
さらに別の面では、本発明は、流体及び該流体内に移動自在に配置されたプローブを含んだ流体流アッセイシステムを提供する。プローブは、識別可能なスペクトルを発生するラベル、及びプローブと検出可能な物質の間の相互作用に応答してアッセイ信号を発生するアッセイマーカーを有する。プローブと流体が感知領域を通って流れてアッセイ結果を求めるとき、プローブ読み取り器がスペクトル及び信号を感知する。
一般に、複数の異なるプローブが、感知領域を通って流れる。プローブ読み取り器は、プローブをそれらの関連スペクトルから識別することにより、及びプローブからのアッセイ信号を識別されたプローブの関連アッセイと相関させることにより、複数の異なるアッセイの結果を求める。典型的な実施態様では、流体（及びプローブ）は、プローブと読み取り器の距離が実質的に一様になるように、薄く平坦なチャネル内のスリットアパーチャーを流れる。これにより、感知領域内のプローブの画像化が容易になる。
さらに別の面では、本発明は、流体を流すことによりプローブを移動させる工程を含んだ流体流アッセイ方法を提供する。プローブが画像を分散することによりそれ自身のアパーチャーとして働く間、移動するプローブからのスペクトルが感知され、アッセイの結果は、スペクトルからのプローブを識別することにより求められる。再度、複数の異なるプローブが識別されそれらのアッセイ結果が相関されるので、このような方法は多重化されたアッセイに対して特に有効である。
【００２２】
特定の実施態様の説明
一般に、本発明は、スペクトル情報を感知及び解読するための改善された装置、システム、方法、物質の組成物などを提供する。本発明は、励起エネルギーに応答して特定波長にて信号を発生できる新しい物質の組成物を利用するのに特によく適する。本発明を使用するのに特に有利な信号発生構造は、半導体ナノ結晶である。他の有効な信号発生構造も、従来の蛍光性染料、放射線が当てられた元素及び化合物などを含めて、本発明により与えられる改良を利用できる。
本発明は、特に各コードが複数の信号を含む場合に、多数のスペクトルコードの効率的な感知及び／又は識別を可能にする。本発明はまた、このようなコードを読み取る際の信頼性と精度を高め、それにより相対的に小さな領域内で多数のスペクトルコードの使用を可能にする。従って、本発明の技術は、高度に多重化されたアッセイ、多数の小さく且つ／又は流体の要素が混合される在庫制御などにおいて有利な用途を見い出す。
【００２３】
スペクトルラベル付け
図１を参照すると、在庫システム１０が、ラベル付き要素１２ａ，１２ｂ，・・・（全体で要素１２と称す）のライブラリと分析器１４とを含む。一般に、分析器１４は、検出器１８に連結されたプロセッサ１６を含む。エネルギー源２０は、励起エネルギー２２をライブラリ８の第１ラベル付き要素１２ａ内の感知フィールドに送る。励起エネルギー２２に応答して、第１ラベル付き要素１２ａは、スペクトルコードを定める放射エネルギー２４を発する。放射エネルギー２４のスペクトルコードは、検出器１８により感知され、スペクトルコードは、ラベル付き要素１２ａを識別すべくプロセッサ１６により解読される。
ライブラリ８は、適宜、幅広い種類の要素を含み得る。多くの実施態様では、ラベル付き要素１２は分離できる。しかしながら、典型的な実施態様では、種々のラベル付き要素１２ａ，１２ｂ，１２ｃ・・・が試験流体３４内で混合される。ラベル付き要素を表面の上又はその近くに維持することにより、画像化が容易になる。ここで使用されているように、「領域画像化」は、２次元領域の画像化を意味する。よって、流体３４は、平坦表面の間の薄く平らな領域内に含まれ得る。
【００２４】
好ましくは、検出器１８は、２次元感知フィールド内から要素１２により発生された信号の少なくとも一部を同時に画像化する。一部の実施態様では、感知フィールド内からのスペクトル信号の少なくとも一部が、走査システムを用いて順次感知される。それにも関わらず、各ラベルを空間集積装置として維持することにより、しばしばラベルの識別が容易になる。各ラベルのこの離散的な空間的な完全性は、用語「数学的に分解されたラベル」に包含される。好ましくは、ビーズの空間的な完全性とビーズ間の空間は、ビーズの少なくとも一部が他の全てのビーズに対して個別に分解できるのに十分であり、好ましくは、大部分のビーズが個別に分解でき、多くの実施態様では、実質的に全てのビーズが個別に分解できる。
本発明のスペクトル符号化は、公知技術を用いたラベルでは困難な小さいか又は流体の要素の識別に特によく適する。一般に、要素１２は、物質の組成物、生体構造、流体、粒子、製造物品、消費者製品、組立用コンポーネントなどを含み得る。これら全ては、用語「識別可能な物質」内に包含される。
ラベル付き要素１２と共に含まれるラベルは、適宜、標準のバーコード技術の技術に類似した技術を用いて、関心のあるアイテムに接着され、その表面に付けられ、かつ／またはその中に組み込まれ得る。例えば、物質の組成物（所望のスペクトルを発する）のスペクトルラベル付けは、接着性ラベル上に置かれ、製造物品に付けられ得る。別法として、ラベルを組み込む接着性ポリマー物質が、宝石や電子組立コンポーネントのような小さな物品の表面に付けられ得る。スペクトルコード中の情報はラベルの大気表面上に依存しないので、これらのラベルは十分に小さくできる。
【００２５】
他の実施態様では、ライブラリは、流体（例えば生体サンプル）、粉末、細胞などを含む。標準的なバーコード技術を用いたこれらのサンプルのラベル付けは、特に多数のサンプルを正確に識別する際に大いに問題となり得るが、本発明のスペクトルコードにより、１０以上のライブラリ要素、１００以上のライブラリ要素、１０００以上のライブラリ要素、及び１００００以上のライブラリ要素からでさえ特定の要素のロバストな識別が可能となる。
ラベル付き要素１２のラベルは、しばしば、制御可能な波長／強度のスペクトルを有するエネルギーを発する物質の組成物を含む。ライブラリ８からの特定の要素の識別を容易にするために、要素のラベルは、スペクトルコード全体のうち異なる部分を放射すべく物質の異なる組成物の組合せを含み得る。他の実施態様では、信号は、エネルギーの（放射よりもしろ）吸収やラマン散乱などにより定め得る。ここに使用されているように、用語「マーカー」は、スペクトル全体を作る異なる信号を作る物質の組成物を含む。複数のマーカーを結合してラベルを形成でき、その際マーカーからの信号が共にラベルに対するスペクトルを定める。
【００２６】
一般に、本発明は、１以上のマーカーからの１以上の信号から成るスペクトルコードを使用する。これらのマーカーは、半導体ナノ結晶から成り得、その際、異なるマーカーは、しばしば、異なる発生特徴を有する半導体ナノ結晶の異なる粒子サイズ分布の形式を採る。結合したマーカーは、スペクトルコードを発生できるラベルを定め、これらはときどき「スペクトルバーコード」と称される。これらのスペクトルコードは、関心のある特定のアイテムの場所を追跡し又は関心のある特定のアイテムを識別するのに使用できる。スペクトル符号化案において使用される半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の組成及び／又はサイズを変えることにより特徴的なスペクトル放射又は信号を作るべく所望の波長に調整され得る。また、特定の特徴的な波長での信号の強度も、（適宜、特定の波長で放射又は吸収するいくつかの半導体ナノ結晶を少なくとも部分的に変えることにより）変えることができ、それによりバイナリ又はより高次の符号化案を使用できる。半導体ナノ結晶により符号化された情報は、それらの信号の特徴から分光学的に復号化でき、それにより関心のある特定のアイテム又はコンポーネントの場所及び／又は識別性を与える。ここで使用されているように、波長及び強度は、用語「信号特性」に含まれる。
離散的で狭いピークを有して放射される信号の信号特性に関してスペクトルコードをしばしばここに記載するが、半導体ナノ結晶及び他のマーカー構造が全く異なった特性を有する信号を発生し得ることを理解すべきである。例えば、散乱、吸収などにより信号を発生でき、また、波長範囲、幅、傾斜、シフトなどのような代替の信号特性がいくつかのスペクトル符号化案において使用できる。
【００２７】
半導体ナノ結晶
半導体ナノ結晶は、それらの一意の特性ゆえにスペクトルコードシステムにおいてマーカーとして使用するのに特に良く適する。半導体ナノ結晶は、バルク励起子ボーア半径よりも小さい半径を有し、分子と物質のバルク形態の間の中間の物質クラスを構成する。３次元全てにおける電子とホールの両方の量子閉じ込めにより、結晶サイズが小さくなるにつれて物質の有効バンドギャップが増大する。従って、半導体ナノ結晶の光学的な吸収と放射の両方が、サイズの減少につれて青（より高いエネルギー）にシフトする。一次光源に当てると、半導体ナノ結晶分布の各々は、２０〜３０ｎｍと同程度に狭く且つ対称的なほぼガウス型線形状のスペクトル線幅にてエネルギーを放射でき、それにより、特定の半導体ナノ結晶を識別するのが容易になる。線幅は、各製造における半導体ナノ結晶のサイズの異類混交、すなわち単一分散性に依存する。単一の半導体ナノ結晶の錯体は、１２〜１５ｎｍと同程度の狭さの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有するのが観測された。また、４０〜６０ｎｍの範囲のより大きな線幅を有する半導体ナノ結晶分布は、容易に作ることができ、より狭い線幅を有する半導体ナノ結晶と同じ物理的特性を有し得る。
【００２８】
本発明において半導体ナノ結晶として使用される典型的な物質としては、ＺｎＳ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＳ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，Ｇｅ，ＳｉのようなＩＩ〜ＶＩ、ＩＩＩ〜Ｖ及びＩＶ族の半導体、及びそれらの三元又は四元の混合物又は合金が挙げられる（ただしこれらに限定はされない）。半導体ナノ結晶は、それらのナノメートルサイズにより特徴付けられる。「ナノメートル」サイズにより、約１５０オングストローム（Å）より小さいこと、好ましくは１２〜１５０Åの範囲にあることを意味する。
半導体ナノ結晶のサイズだけでなく、半導体ナノ結晶の組成の選択が、半導体ナノ結晶の信号特性に影響を与える。よって、上記列挙した半導体ナノ結晶の特定の組成は、モニターされているスペクトル領域に基づいて選択される。例えば、可視範囲のエネルギーを放射する半導体ナノ結晶としては、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ及びＺｎＴｅが挙げられる（ただしこれに限定されない）。近赤外範囲のエネルギーを放射する半導体ナノ結晶としては、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳ及びＰｂＳｅが挙げられる（ただしこれらに限定されない）。最後に、青から近紫外のエネルギーを放射する半導体ナノ結晶としては、ＺｎＳ及びＧａＮが挙げられる（ただしこれらに限定されない）。発明のシステムにおいて使用される半導体ナノ結晶として選択されるどの特定の組成でも、半導体ナノ結晶の特定の組成物のサイズを制御することにより、該放射を特定のスペクトル範囲内の所望の波長に調整できる。
【００２９】
特定の半導体ナノ結晶のサイズを制御することにより信号特性を調整できることに加え、特定の波長にて観測されるその特定の放射の強度もまた変化し得、よって、半導体ナノ結晶符号化システムにより与えられる潜在的な情報密度を上げることができる。いくつかの実施態様では、所望の波長の特定放射に対して２〜１５の異なる強度が達成できるが、発明の識別装置の特定の適用に依存して、１５より多くの異なる強度が達成できる。本発明の目的のため、関心のあるアイテム又はコンポーネントに付着し、その中に埋め込まれ、又はそれに関連した特定サイズの半導体ナノ結晶の濃度を変えること、ナノ結晶の量子収率を変えること、半導体ナノ結晶からの信号を様々に抑制することなどにより、異なる強度が達成できる。それにもかかわらず、スペクトル符号化案は、実際には単純なバイナリ構造から利益を得ることができ、その際、後述のように所与の波長は存在するか又は存在しない。
特に好ましい実施態様では、半導体ナノ結晶の表面もまた、被覆層を半導体ナノ結晶に付加することにより、放射効率を高めるべく修正される。半導体ナノ結晶の表面では表面の欠陥は電子を捕獲し得、又は半導体ナノ結晶の電気的及び光学的な特性を劣化させるホールとなり得るので、被覆層が特に好ましい。半導体ナノ結晶の表面の絶縁層（一般にコアより大きなバンドギャップエネルギーを有しかつその上に集中したバンドパス層を有する）は、界面での化学ポテンシャルの原子的な急なジャンプを与え、この界面は、電子やホールに対する捕獲として働くことができるエネルギー状態を除去する。これにより、ルミネッセンス工程がより効率的になる。
【００３０】
被覆層に適した物質としては、半導体ナノ結晶よりも高いバンドギャップエネルギーを有する半導体が挙げられる。半導体ナノ結晶よりも大きなバンドギャップエネルギーを有することに加え、被覆層に適する物質は、半導体ナノ結晶に対して良好な伝導及び原子価バンドオフセットを有すべきである。従って、伝導バンドは半導体ナノ結晶より高いのが望ましく、原子価バンドは半導体ナノ結晶より低いのが望ましい。可視エネルギーを放射する半導体ナノ結晶（例えば、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＡｓ）又は近赤外（例えば、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ）の場合、紫外領域のバンドギャップエネルギーを有する物質が使用できる。典型的な物質としては、ＺｎＳ，ＧａＮ及びカルコゲン化マグネシウム（ｍａｇｎｅｓｉｕｍ ｃｈａｌｃｏｇｅｎｉｄｅｓ） （例えばＭｇＳ，ＭｇＳｅ及びＭｇＴｅ）が挙げられる。近赤外にて放射する半導体ナノ結晶の場合、例えばＣｄＳやＣｄＳｅのように可視のバンドギャップエネルギーを有する物質もまた使用できる。当該被覆はしばしば放射エネルギーよりも高いバンドギャップを有する一方、該エネルギーは例えば両方とも可視領域内とし得る。被覆層は、半導体ナノ結晶から成る８個もの単層を含み得る。コーティングされた半導体ナノ結晶の製造については、米国特許出願第０８／９６９，３０２号（１９９７年１１月１３日、標題”Ｈｉｇｈｌｙ Ｌｕｍｉｎｅｓｃｅｎｔ Ｃｏｌｏｒ−Ｓｅｌｅｌｃｔｉｖｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ” ）；Ｄａｂｂｏｕｓｉ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ Ｂ．，Ｖｏｌ． １０１， １９９７， ｐｐ．９４６３；及びＫｕｎｏ ｅｔ ａｌ．， Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ． １０６， １９９７， ｐｐ．９８６３に見いだし得る。半導体ナノ結晶の異なる母集団の製造及び結合については、上記ここで援用した米国特許出願第０９／３９７，４３２号を参照してさらに理解できる。
【００３１】
ラベルの異なるマーカーを結合して１以上のラベル付き本体とするのは、しばしば有利である。このようなラベル付き本体は、関心のある混合アイテムから異なるラベルを空間的に分解するのを助けることができ、このことは識別中において利点となり得る。これらのラベル本体は、ポリマーマトリックスと複数の半導体ナノ結晶を含めて物質の組成物から成り得、これらは離散的かつ異なる吸収及び放射スペクトルを符号化するのに使用できる。これらのスペクトルは、ラベル本体が光を吸収又は放射するべく光源を使用して読み出し得る。吸収及び／又は放射された光を検出することにより、一意のスペクトルコードがラベルに対して識別され得る。いくつかの実施態様では、ラベル付き本体は、ラベル本体を越えてマーカーをさらに含み得る。これらのラベル付き本体は、ここではしばしば「ビーズ」と称され、アッセイの可能性を有するビーズは「プローブ」と称し得る。それらのアッセイの可能性を含めて、これらのプローブの構造及び使用は、上記援用した米国特許出願第０９／５６６，０１４号にさらに十分に記載されている。
【００３２】
ラベル付きビーズの製造
次に図２を参照すると、試験流体３４内の第１及び第２ラベル付き要素１２ａ、１２ｂが、分離した半導体ナノ結晶プローブ３４’として形成される。各プローブが、実質的に単一分散性半導体ナノ結晶３７の１以上の母集団から形成された関連ラベル３６を含む。コード内の種々の信号の好都合な感知のために一様な波長にて十分な信号強度を提供すべく、半導体ナノ結晶の個々の母集団が、しばしばモノ分散性となる。典型的なプローブは、結合剤として働いて種々のマーカーを共に構造的ユニット又はビーズ中に保持するプローブマトリックス又は本体物質３９と共に、１以上の結合複合分子の部分３５’をさらに含む。結合複合分子の部分３５’は、アッセイの結果を指示する信号を発生するのを（間接的に）助け、その際、各プローブ複合分子部分は、サンプル流体３４内に存在し得る関連の試験物質３５に対して選択的な親和力を有する。プローブ複合分子部分３５’は、抗体、ＤＮＡなどを含み得、試験物質３５は、アッセイの結果を指示する信号を発生するためにレポーター又はアッセイマーカー３８を支持できる。別法として、アッセイマーカーは、特定の試験物質及び結合されたプローブ複合分子部分などの結合に対して選択的な親和力を有し得る。以下、スペクトル的に符号化されたプローブの製造を説明し、その後でアッセイマーカー３８の使用及び構造について簡潔に説明する。
【００３３】
フィードバックシステムを用いてスペクトルをラベル本体物質に符号化するための工程は、物質を染めるのに使用できる溶液中の半導体ナノ結晶の吸収度及びルミネッセンスに基づき得る。特に、この溶液は、物質がポリマービーズの場合に複数の半導体ナノ結晶を物質中に符号化するのに使用できる。
種々の異なる物質が、これらの組成物を製造するのに使用できる。特に、ポリマービーズ物質は、有限サイズの物質の効率的なマルチプレクシング及びデマルチプレクシングのための適当な形式である。これらのラベル本体ビーズは、ポリスチレン、架橋ポリスチレン、ポリアクリリック（ｐｏｌｙａｃｒｙｌｉｃ） 、ポリシロキサン、ポリマーシリカ、ラテックス、デキストランポリマー、エポキシなどを含めて（ただしこれらに限定されない）、種々の異なるポリマーから製造できる。これらの物質は、当該技術において良く理解されている膨張や多孔性に関して種々の異なる特性を有する。好ましくは、これらのビーズは、約１０ｎｍ〜１ｍｍの範囲、さらに好ましくは約１００ｎｍ〜０．１ｍｍの範囲、しばしば１０００ｎｍ〜１０，０００ｎｍの範囲のサイズであり、溶液中に懸濁している場合には通常の溶液技術を用いて扱うことができる。
【００３４】
異なる半導体ナノ結晶の量及び比率、半導体ナノ結晶のサイズ分布、半導体ナノ結晶の組成、又は区別可能な放射スペクトルを生じる半導体ナノ結晶の他の特性（これらは物質中に埋め込まれ、付着され、又はそのほかの方法で関連している）を変えることにより、離散的な放射スペクトルをこれらの物質中に符号化できる。本発明の半導体ナノ結晶は、吸収度、吸収度、共有付着、共重合などにより物質と関連付けできる。半導体ナノ結晶は、それらのサイズや組成に依存する吸収及び放射スペクトルを有する。これらの半導体ナノ結晶は、Ｍｕｒｒａｙ ｅｔ ａｌ．， （１９９３）Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１１５：８７０６−８７１５；Ｇｕｚｅｌｉａｎ ｅｔ． ａｌ．， （１９９６）Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．１００；７２１２−７２１９；又は国際公開第Ｏ９９／２６２９９（発明者Ｂａｗｅｎｄｉ ｅｔ ａｌ．）に記載のように製造できる。半導体ナノ結晶は、Ｄａｎｅｋ ｅｔ． ａｌ．， （１９９６）Ｃｈｅｍ． Ｍａｔ． ８（１）：１７３−１８０；Ｈｉｎｅｓ ｅｔ． ａｌ．， （１９９６）Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．１００：４６８−４７１；Ｐｅｎｇ ｅｔ． ａｌ．， （１９９７） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１１９：７０１９−７０２９；又はＤａｂｏｕｓｓｉ ｅｔ． ａｌ．， （１９９７） Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ．−Ｂ，１０１：９４６３−９４７５に記載のような被覆手順によりさらにルミネッセンスを有するようにできる。
【００３５】
所望のスペクトル放射特性が、異なるサイズ及び／又は組成の半導体ナノ結晶を固定量及び比率にて混合して所望のスペクトルを得ることにより得られる。この染色溶液のスペクトル放射は、それと物質の処理の前に決めることができる。次に行われる染色溶液と物質の処理（共有付着、共重合、受動的吸収、膨張及び収縮などによる）により、物質は設計されたスペクトル放射特性を有する。これらのスペクトルは、異なる励起ソース下では異なり得る。従って、符号化手順に使用される光源は、復号化に使用される光源に対してできるだけ小さい（好ましくは同じ波長及び／又は強度を有する）ことが好ましい。最終物質の放射スペクトルが染色溶液のスペクトルから推測できるように、光源は定量的に関連付けられ得る。
いくつかの半導体ナノ結晶の溶液が製造でき、その各々は、別個のサイズ及び組成の分布を有し、よって別個の放射スペクトルを有し、所望の放射スペクトルを達成する。これらの溶液は、固定した特性にて混合し、その溶液中に懸濁した別個の半導体ナノ結晶からの放射の所定の比率及び強度を有するスペクトルとし得る。この溶液を光源にさらすと、当該技術において十分に確立されている技術により放射スペクトルが測定できる。スペクトルが所望のスペクトルでないならば、選択された半導体ナノ結晶溶液のより多くが、所望のスペクトル及び正しい放射スペクトルを有するべく滴定された溶液を達成するために加えられ得る。これらの溶液は、溶剤中に分散した半導体ナノ結晶のコロイド溶液とすることができ、又はそれらはプレポリマーコロイド溶液とでき、これは、中に含まれる半導体ナノ結晶と共にマトリックスを形成すべく重合し得る。成分溶液の量の比率及び最終的なスペクトル強度は同じである必要はないが、しばしばこれらの量（及び／又は所望のスペクトルからの量）から最終的なスペクトルを導出できる。
【００３６】
溶液のルミネッセンスは、しばしば、復号化に使用される正確な励起ソースの下で所望の強度及び比率を有するように調整される。スペクトルもまた、特定の励起ソースの下で所望のスペクトルを有する物質を作るのが公知である種々の波長のうち強度及び比率を有するべく製造できる。フィードバック回路に接続されたマルチチャネル自動ピペッタが、上述のような所望のスペクトル特性を有する半導体ナノ結晶溶液を製造するのに使用できる。滴定器／ピペッタのいくつかのチャネルが半導体ナノ結晶のいくつかの一意の溶液で装填又はロードされ、その各々が一意の励起及び放射スペクトルを有する場合には、これらはストック溶液の追加により段階的に結合できる。追加の間に、半導体ナノ結晶が放射するようにできる光源、好ましくは符号化された物質のスペクトルを復号化するのに使用される同じ光源に対して溶液をさらすことにより、スペクトルを得ることができる。このような中間測定から得られるスペクトルは、所望のスペクトルに基づいてコンピューターにより判断され得る。溶液のルミネッセンスが１つの特定の半導体ナノ結晶の放射スペクトルにおいて欠けている場合、その半導体ナノ結晶を含んだストック溶液が、放射スペクトルを所望レベルにすべく十分な量加えられ得る。この手順は、異なる全ての半導体ナノ結晶に対して同時に実行でき、又は順に実行できる。
【００３７】
いったん染色溶液が作られたならば、それは一意のルミネッセンススペクトルを本発明の物質中に組み込むのに使用できる。半導体ナノ結晶を物質中に組み込む方法が吸収又は吸収ならば、染色溶液に使用される溶剤は、物質を膨張するのに適したものとできる。このような溶剤は、一般にジクロロメタン、クロロホルム、ジメチルフォルムアミド、テトラヒドロフランなどを含んだ溶剤群から用いられる。これらは、物質中への染色溶液の組み込みの程度及び速度を制御するために、より多くの極性溶剤（例えばメタノールやエタノール）と共に混合され得る。物質を染色溶液に加えると、物質は膨張し、それにより物質が染色溶液中に存在する相対的な比率にて複数の半導体ナノ結晶を組み入れるようにする。いくつかの実施態様では、半導体ナノ結晶は、異なりはするが予測可能な比率にて組み込まれ得る。より多くの極性溶剤が加えられると、染色溶液を物質から除去した後、物質は収縮するか又は膨張せず、それにより物質中の半導体ナノ結晶を捕獲する。別法として、半導体ナノ結晶は、物質から膨張溶剤の蒸発により捕獲し得る。半導体ナノ結晶が可溶性溶剤ですすぎ洗いした後、もう物質は膨張せず、半導体ナノ結晶は物質中に捕獲され、非膨張の非極性溶剤の使用により洗い落され得ない。このような非膨張非極性溶剤は、一般に、ヘキサン又はトルエンである。これらの物質は、光源の下での放射スペクトルを変えることなく分離して種々の溶剤にさらすことができる。使用される物質がポリマービーズである場合、物質は遠心分離又は蒸発又はその両方によりすすぎ洗い溶剤から分離でき、また、当該技術において周知のように懸濁バッファ中の洗剤の使用により、水性溶剤及びバッファ中に再分散し得る。
【００３８】
上記手順は、同様に連続ステップによっても実行できる。第１の染色溶液は、半導体ナノ結晶の１母集団と共に物質を染色するのに使用できる。半導体ナノ結晶の第２母集団は、第２染色溶液中で製造でき、該物質をこの第２染色溶液にさらして第２母集団の半導体ナノ結晶を該物質に関連付ける。これらのステップは、所望のスペクトル特性が光源により励起されたときに物質から得られるまで繰り返され得、その際、適宜、工程を調整すべく部分的に染色されたビーズ物質により発生された暫定スペクトルの測定からのフィードバックを使用する。
半導体ナノ結晶は、共有付着、及び／又は膨張したビーズの孔中への捕獲により物質に付けることができる。例えば、半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の表面上の反応性基を生じるいくつかの技術により製造される。例えば、Ｂｒｕｃｈｅｚ ｅｔ． ａｌ．， （１９９８）Ｓｃｉｅｎｃｅ ２８１：２０１３−２０１６ ；及びＧｈａｎ ｅｔ． ａｌ．， （１９９８） Ｓｃｉｅｎｃｅ２８１：２０１６−２０１８， Ｇｏｌｖｉｎ ｅｔ． ａｌ．， （１９９２） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１１４：５２２１−５２３０；Ｋａｔａｒｉ ｅｔ ａｌ． （１９９４） Ｊ． Ｐｈｙｓ． Ｃｈｅｍ． ９８：４１０９−４１１７；Ｓｔｅｉｇｅｒｗａｌｄ ｅｔ． ａｌ． （１９８７） Ｊ． Ａｍ． Ｃｈｅｍ． Ｓｏｃ．１１０：３０４６ を参照のこと。半導体ナノ結晶の表面上に存在する反応性基は、物質の表面上に存在する反応性基に連結し得る。例えば、それらの表面上に存在するカルボキシレート基（ｃａｒｂｏｘｙｌａｔｅ ｇｒｏｕｐｓ）を有する半導体ナノ結晶は、カルボ−ジイミド（ｃａｒｂｏ−ｄｉｉｍｉｄｅ） 活性化ステップを用いて、又は分子及び生物学的物質をビーズ表面に付ける技術において周知の種々の他の方法を用いて、アミン基によりビーズに連結し得る。この場合、異なる半導体ナノ結晶の相対的な量が、相対的な強度を制御するのに使用できる一方、絶対的な強度は、反応サイトの全数を制御すべく反応時間を調節することにより制御できる。ビーズ物質が半導体ナノ結晶で染色された後、当該物質が適宜すすぎ洗いされて非反応半導体ナノ結晶を洗い落とす。
【００３９】
再度図２を参照すると、ラベル付き要素１２ａ、１２ｂ（ここでは半導体ナノ結晶プローブの形態をなす）は、種々広範囲の形態でのアッセイに有効である。アッセイ用のプローブの有用性は、図２に概略示したように、親和性分子３５’の複合分子の部分の使用から相当の利益を得る。これらの親和性分子は、適宜、ラベル３６のラベルマーカー３７、プローブ本体マトリックス３９などにより直接支持され得る。複合分子の部分３５’は、図２の対応シンボル形状により概略示されたように、関連する検出可能な物質３５に対して選択的な親和力を有し得る。これらのプローブは、一部の実施態様では、試験物質３５へのプローブ複合分子部分３５’の結合により信号を発生するように活性化又はイネーブルされる集積化アッセイマーカー３８をも含む。多くの実施態様では、アッセイマーカーは、検出可能な物質３５を複合分子の部分３５’に連結することによりプローブに代わりに連結される。換言すれば、アッセイマーカー３８は、一般に染料分子の結合、放射性同位体の組み込みなどにより検出可能な物質に（少なくとも初期には）連結し得る。よって、アッセイマーカーは、複合分子の部分３５’と試験又は検出可能な物質３５の間の相互作用によりプローブに連結できる。他のアッセイにおいては、アッセイの結果は、（例えば非付着複合分子部分を有するプローブを洗い落とすことにより）プローブ又はビーズの存在又は不存在により決めることができ、専用のアッセイマーカーを設ける必要はない。
【００４０】
別の実施態様では、コードを作るのに使用される物質は、半導体ナノ結晶である必要はない。例えば、スペクトル範囲に亘って精密に調整でき且つ光学的に又は他の手段により励起し得る蛍光物質又は蛍光物質の組合せのいずれでも使用できる。有機染料の場合、このことは各々がスペクトル的に区別し得るいくつかの異なる染料を使用すると可能である。
このビーズ製造方法は、細胞及び他の生体物質、対象物などを含めて識別可能な物質を識別するために一般に使用できる。上述した半導体ナノ結晶の事前に作られた混合物は、それらを順に識別可能にすべく対象物に付着される。多くの同一又は類似の対象物が、例えば当該技術において公知の種々の化学を用いて微小球体のバッチに同じ半導体ナノ結晶の混合物を付着させることにより、同時に符号化され得る。別法として、符号化される対象物に依存して、コードを対象物に個別に付着することもできる。この場合には、例えば半導体ナノ結晶の各種（ｓｐｅｃｉｅｓ） を対象物に送るべくインクジェット印刷システムを使用したコードの付与中に事前混合又は混合される必要はない。化学及び／又は生物学的アッセイにおける半導体ナノ結晶プローブの使用は、米国特許出願Ｎｏ．０９／５６６，０１４にさらに十分に記載されており、その全開示事項をここに援用する。
【００４１】
図２の半導体ナノ結晶プローブは、事象の発生を検出するのにも使用できる。この事情により、例えば、ソースからのエネルギーが半導体ナノ結晶プローブに空間的に隣接して配置されるアッセイマーカー３８に送られ得る。よって、エネルギーソース２０からの励起エネルギーは、アッセイマーカー３８、３８’に直接送られるか、又は複合分子の部分３５’への試験物質３５の結合により半導体ナノ結晶プローブに隣接した１以上のエネルギーソースの励起を介して間接的に送られ得る。例えば、レーザービームが、試験物質３５（これに親和性分子が選択的に付着する）の一つに付着した半導体ナノ結晶プローブ３８’のような最も中心に近いソースを励起するのに使用でき、そしてこの半導体ナノ結晶３８’により放射されたエネルギーが、プローブマトリックスに固定されたアッセイマーカー３８を励起し得る。上述のように、なおさらなるアッセイマーカー構造及び方法が、共に係属している米国特許出願Ｎｏ．０９／５６６，０１４に詳細に記載されている。
【００４２】
読み出しビーズ
再度図１を参照すると、エネルギーソース２０は、一般にラベル付き要素１２ａからのスペクトルコードの放射を起こさせるべく形態にて励起エネルギー２２を送る。一つの実施態様では、エネルギーソース２０は、光源を含み、その光はスペクトルコードよりも短い波長を有するのが好ましい。エネルギーソース２０は、青又は紫外の光源を含み得、適宜、場合によってはフィルターを備えたジュウテリウムランプのような広いバンドの紫外光源を含む。別法として、エネルギーソース２０は、Ｘｅ又はＨｇＵＶランプ、又はキセノンランプ若しくはジュウテリウムランプのような白光源を含み得、好ましくは、ランプからラベル付き要素１２までの励起エネルギー経路に沿って配置されたショートパス又はバンドパスフィルターを備え、励起エネルギーを所望の波長に制限する。さらに別の励起エネルギーソースは、アルゴンイオンレーザー線（４５７ｎｍ、４８８ｎｍ、５１４ｎｍなど）、ＨｅＣｄレーザー、固体状態ダイオードレーザー（好ましくは、ＧａＮベースレーザー、周波数の二倍化を行うＧａＡｓベースレーザーのような青又は紫外の出力、ＹＡＧ又はＹＬＦベースレーザーなどの周波数二倍化又は三倍化された出力を有する）のいずれかを含め（ただしこれに限定されない）、いくつかの連続波（ｃｗ）ガスレーザーのいずれか、青又は紫外範囲の出力を伴うパルスレーザーのいずれか、発光ダイオードなど、又はコードスペクトルの青への放射を行う他のいずれかのレーザーソース（固体、液体又はガスベース）を含む。
【００４３】
エネルギーソース２０からの励起エネルギー２２は、スペクトルコードを有する識別可能なエネルギー２４を放射するラベル付き要素１２ａを含み、該スペクトルコードは、一連の区別可能なピーク波長及び関連強度を定めるべく相対的に狭いピークを有する信号から成るのが好ましい。このピークは、一般に約１００ｎｍ以下、好ましくは７０ｎｍ以下、さらに好ましくは５０ｎｍ以下、理想的には３０ｎｍ以下の半幅を有する。多くの実施態様では、複数の分離した信号が、センサー１８により感知されたスペクトルコード中に含まれる。半導体ナノ結晶は、ルミネッセンス信号を発生するのに特に良く適しており、ラベル１２ａからの識別可能なエネルギー２４は、しばしば光エネルギーから成る。識別可能なエネルギー２４からスペクトルコードを解読するのを助けるために、光エネルギーは、１以上のモノクロメーター又は他の波長分散性要素を通過し得る。電荷結合素子（ＣＣＤ）カメラ又は他の２次元検出器又はセンサー１８が、レーザー分析のための画像を感知及び／又は記録できる。他の実施態様では、走査システムが使用でき、識別されるべきラベル付き要素が、顕微鏡対物レンズに対して走査され、ルミネッセンスが単一のモノクロメーター又は格子若しくはプリズムを通されて色を空間的に分解する。検出器は、特定の空間位置にて放射される色を記録するダイオードアレイ、２次元ＣＣＤなどとできる。
【００４４】
ラベル付き要素１２からのこれらのスペクトルについての情報は、一般にセンサー１８からプロセッサ１６に送られ、該プロセッサは、一般に汎用目的のコンピュータから成る。一般に、プロセッサ１６は、中央処理装置を含み、理想的にはＰｅｎｔｉｕｍ Ｉ （登録商標）プロセッサと少なくとも等しい処理能力を有するが、より単純なシステムではＰａｌｍ（登録商標）ハンドヘルドプロセッサなどの処理能力を使用できる。一般に、プロセッサー１６は、入出力の能力を有し、モニターなどの出力装置、キーボード、マウスなどの入力等を含めて関連の周辺コンポーネントを有し、また、しばしばイーサネット、イントラネット、インターネットなどのようなネットワーク接続を有する。典型的な処理ブロック図を図１Ａに概略的に示す。
プロセッサ１６は、しばしば本発明の１以上の方法により方法ステップを具体化できる機械読み取り可能なコードを有する有形媒体３０を使用する。同様に機械読み取り可能なコード上に具体化されるデータベース３２が、しばしばライブラリ８に含まれる要素のリスト、要素に関連したラベルのスペクトルコード、及び特定のライブラリ要素とそれらの関連コードの間の相関を含む。プロセッサ１６は、センサー１８により感知されたスペクトル特性と共にデータベース３２からの情報を使用し、特定のライブラリ要素１２ａを識別する。プログラム命令３０及びデータベース３２の機械読み取り可能なコードは、フロッピーディスク、（テープ、ハードドライブなどのような）光ディスク、揮発性及び／又は非揮発性メモリ、ソフトウエア、ハードウエア、ファームウエアなどを含めて種々の幅広い形態を採り得る。
【００４５】
図１に示されるように、（符号化された物質及びビーズのような）スペクトルラベルを検出し分類するための方法は、ラベルの半導体ナノ結晶が光を放射すべく十分に励起されるように、ラベルを励起ソースの光にさらすことを含み得る。好ましくは、この励起ソースは、光を放射すべく半導体ナノ結晶を励起できるエネルギーであり、また、ラベル中の半導体ナノ結晶の最短の放射波長よりも高いエネルギー（よってより短い波長）とし得る。別法として、励起ソースは、もし例えば２フォトン励起を用いてマトリックス中に置かれた半導体ナノ結晶のいくつかを励起して光を放射させることができるならば、より長い波長の光を放射できる。好ましくは、この励起ソースは、半導体ナノ結晶の十分な数の異なる母集団を励起して符号化物質の一意の識別を可能にすべく選択される。例えば、赤対青の比が１：２及び赤対青の比が１：３で染色された物質を用いると、これらのビーズを分解するにはサンプルの赤放射半導体ナノ結晶を（例えば緑又は黄色の光を用いることにより）励起するのでさえ十分ではない。青放射及び赤放射の半導体ナノ結晶を同時に励起できるコンポーネントを備えた光源を用いることが望ましい（例えば紫又は紫外）。異なる半導体ナノ結晶の母集団を同時に又は順に励起するのに使用される１以上の光源が存在し得るが、各光源は、半導体ナノ結晶の吸収スペクトルゆえに、光源よりも低いエネルギー（より高いエネルギーを放射するサブ母集団よりも大きい程度まで）を放射する半導体ナノ結晶のサブ母集団を選択的に励起し得る。理想的には、識別可能なスペクトルをラベルに放射させるには単一の励起エネルギーソースで十分である。
【００４６】
スペクトルコード
次に、図２Ａ〜２Ｅを参照すると、単一のスペクトルラベル内の異なる複数の信号の使用が理解できる。この簡単な例では、２つの信号を有する符号化システムが示される。第１信号は第１の離散的な波長にて波長ピーク４０ａを有する一方、分離した信号は異なる波長ピーク４０ｂを有する。図２Ａ〜２Ｄに示されるように、第１ピーク４０ａを固定位置のままにしてピーク４０ｂを変えると、スペクトルコード１ａ〜４ａの第１ファミリが定まる。図２Ｅを参照して理解できるように、第１ピーク４０ａを新しい位置に移動させると、スペクトルコードの第２ファミリを作ることができる。
図２Ａ〜２Ｅに示された簡単なコードシステムは、２つしか信号を含まないけれども、多数の識別可能なスペクトルを許容する。より多くの数のピークを有するより複雑なスペクトルコードは、コードの数を相当増大させ得る。また、１以上のピークの強度も変えることができ、それによりより多くの分離して識別可能な構成部分を有するより一層高次のコードを与える。
【００４７】
スペクトルコード読み取りシステム
一般に、蛍光性ラベル付けは、生体システムにおけるコンポーネントを追跡するための強力な技術である。例えば、蛍光性マーカーを有する細胞の一部をラベル付けすると、細胞内のそのコンポーネントの移動をモニターできる。同様に、バイオアッセイにおけるアナライトをラベル付けすると、消えるほど小さい濃度でさえその存在又は不存在を決めることができる。異なる放射波長を有する複数のフルオロフォワ（ｆｌｕｏｒｏｐｈｏｒｅｓ）を使用すると、異なるコンポーネントを同時にモニターできる。スペクトル符号化のような用途では、多色フルオロフォワを十分に利用でき、潜在的に数百万のアナライトの同時検出が可能になる。
複数の発色団でラベル付けされたサンプルを画像化する場合、サンプル内の離散的な各領域から蛍光をスペクトル的に分解するのが望ましい。例として、ポリマービーズを２つの異なる発色団でラベル付けしたアッセイが製造され、アッセイの結果は、最終サンプル内の２つの種類のビーズの比により決めることができる。ビーズを固定すること、及び各色をカウントすることが予想される。電子画像化では、離散的な各ポイントでスペクトル情報を利用できるサンプルの画像を取得する技術が必要とされる。人間の目は色を区別するに際して例外的に良好であるが、一般的な電子的な光検出器は、しばしば効果的に色盲である。よって、スペクトル情報を得るために、追加的な光学的コンポーネントがしばしば使用される。
【００４８】
多くの技術がこの問題を解決するのに適用できる。フーリエ変換スペクトル画像化（Ｍａｌｉｋ ｅｔ ａｌ． （１９９６）Ｊ． Ｍｉｃｒｏｓｃ． １８２：１３３ ；Ｂｒｅｎａｎ ｅｔ ａｌ． （１９９４） Ａｐｐｌ． Ｏｐｔ ３３：７５２０）及びハダマード（Ｈａｄａｍａｒｄ）変換スペクトル画像化（Ｔｒｅａｄｏ ｅｔ ａｌ． （１９８９） Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ ６１：７３２Ａ ；Ｔｒｅａｄｏ ｅｔ ａｌ． （１９９０） Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ． ４４：１−４；Ｔｒｅａｄｏ ｅｔ ａｌ． （１９９０） Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ． ４４：１２７０ ；Ｈａｍｍａｋｅｒ ｅｔ ａｌ． （１９９５） Ｊ． Ｍｏｌ． Ｓｔｒｕｃｔ．３４８：１３５；Ｍｅｉ ｅｔ ａｌ． （１９９６）Ｊ． Ａｎａｌ． Ｃｈｅｍ．３５４：２５０；Ｆｌａｔｅｌｅｙ ｅｔ ａｌ． （１９９３） Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ． ４７：１４６４ ）、可変干渉（ｖａｒｉａｂｌｅ ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ） により画像化（Ｙｏｕｖａｎ （１９９４） Ｎａｔｕｒｅ ３６９：７９ ；Ｇｏｌｄｍａｎ ｅｔ ａｌ． （１９９２）Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ １０：１５５７ ）、ａｃｏｕｓｔｏ−ｏｐｔｉｃａｌ （Ｍｏｒｔｅｎｓｅｎ ｅｔ ａｌ． （１９９６）ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓ． Ｉｎｓｔ． Ｍｅａｓ． ４５：３９４；Ｔｕｒｎｅｒ ｅｔ ａｌ （１９９６）Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．５０：２７７ ）又は液晶フィルター（Ｍｏｒｒｉｓ ｅｔ ａｌ． （１９９４） Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ． ４８：８５７）又はサンプル表面に亘ってスリット又はポイントを単に走査すること（Ｃｏｌａｒｕｓｓｏ ｅｔ ａｌ． （１９９８）Ａｐｐｌ． Ｓｐｅｃｔｒｏｓｃ．５２：１０６Ａ）は、サンプルの２次元領域に亘るスペクトル的及び空間的な情報を発生できる方法である。しかしながら、これらの技術の大部分は、スペクトル画像を発生するための複数のデータフレームの取得のみならず、システムの一コンポーネントの機械的走査から利益を得る。例えば、フーリエ変換画像化は干渉計を走査し、各ミラー位置にて全体画像を取得する。次に、空間画像の完全なセットからスペクトル情報を抽出する。同様に、「ポイント走査」は、一般に画像内の各位置からの全体スペクトルに基づいており、全ての位置を走査して全体画像を発生する。これらの技術により、正確なスペクトルの当てはめと分析が可能になるが、厄介すぎて高度に多重化されたシステムには遅い。
【００４９】
次に、図３を参照すると、任意に大きな対象物５０からスペクトル情報を読み取るためのシステム及び方法は、波長分散性要素５４及びセンサー５６を含めて検出器５２を一般に使用する。画像化光学系５８は、センサー５６の表面上に対象物５０を画像化する。波長分散性要素５４は、センサーの表面に亘って画像をスペクトル的に分散し、画像スペクトルの波長に基づいて画像を分布させる。
対象物５０はセンサー５６上に画像化される際は相対的に大きいので、アパーチャー６２の使用によりスペクトル６０内の離散的な波長の弁別が容易になる。アパーチャー６２により波長分散性要素５４を通した画像の小領域のみが許容されるので、波長分散性要素は、（波長と画像５０の表面に沿った位置との組合せに基づくよりもむしろ）波長のみに基づいて画像コンポーネントを分離する。次に、スペクトル６０は、センサーにより測定された画像波長成分の強度と共に、センサー５６上の回折画像の位置に基づいて直接決めることができる。対象物５０の位置はアパーチャー６２を過ぎて走査されるので、スペクトル画像の残りが収集できる。次に図４を参照すると、スペクトル的にラベル付けされたナノ結晶ビーズ６４のスペクトル６０は、アパーチャーのない検出器６６を用いて実行できる。ビーズ６４は、センサー５６の感知表面よりも十分に小さい（画像化光学系５８により画像化された）領域を発生する信号を有するので、ビーズ６４は、スペクトル６０のポイントソースとして作用できる。一般に、光学系５８は、ビーズ画像がモノクロメーター（非分配画像サイズは一般に約２５０μｍ以下であり、理想的には約１２０μｍ以下である）のアパーチャーと同等又は小さいサイズを有するように、分散性要素５４の不存在においてビーズ６４を検出器５６上に画像化する。スペクトルコードの種々の信号が、ビーズの小さい表面から発し、その結果、センサー表面に亘る信号分布が、波長分散により支配され、アパーチャーを介した画像の制限は課されない。ここに用いられているように、「真のポイントソース」は、最小の回折制限された決定可能な寸法と少なくとも同じ小ささである寸法の光源である。真のポイントソースより大きな光源は、そのサイズがアパーチャーのように作用するほど十分に小さい寸法又はサイズを有するならば、ポイントソースとして「取り扱う」又は「分析」できる。
【００５０】
上述のように、流体内にスペクトル的にラベル付けされた複数の異なるビーズを含むのがしばしば有利である。これらのラベル付けされたビーズは、しばしば周囲の流体により支持され、かつ／又は特に高スループット多重化ビーズベースのアッセイにおいて流体と共に移動可能である。適宜、ビーズは、周囲の試験流体内で懸濁を形成するのに十分なサイズを有し得る。一部の実施態様では、ビーズは、試験流体内のコロイドを含み得る。一部の実施態様では、ビーズ６４は、試験流体を含有する容器表面により移動可能に支持され得、例えば容器の底部表面に配置される（その際、プローブ６４は、試験流体よりも大きな密度を有する）。他の実施態様では、ビーズは、支持構造に固定され、かつ／又は互いに固定され得る。例えば、試験流体の上面上に浮くべきプローブ６４に対し、容器の共働表面間に固定され又は配置されて（単数又は複数の）ビーズ位置（ｐｏｓｉｔｉｏｎｉｎｇ）を維持すべき（単数又は複数の）ビーズに対し、２つの流体間の界面に配置されるべき（単数又は複数の）ビーズに対して、さらなる代替案が可能である。
上述のように、複数のアッセイを実行すべく単一の試験流体内に多数のビーズ６４を含むのがしばしば有利である。同様に、結合したラベル付き要素から各スペクトルラベルを分離することなく、単一のビューイング領域内で多数の流体又は小さな離散的要素を識別するのがしばしば有利である。図４に示すように、センサー５６上のビーズ６４の分散されたスペクトル画像６８が、ビーズにより発生される相対スペクトル、及びビーズの位置の両方に依存する。例えば、ビーズ６４’は、センサー５６の異なる部分６８’上に画像化され、このことによりビーズ６４’の位置が未知ならばスペクトルの波長の解読を誤ってしまう。個々のビーズ６４が画像化光学系５８及びセンサーシステム６６と正確に位置合わせされ得る限り、絶対的なスペクトル情報を得ることができる。しかしながら、図５Ａを参照して理解できるように、複数のビーズ６４がしばしば領域７０の至る所に分布される。
【００５１】
光軸７２に沿って位置決めされたビーズ６４のみがセンサー５６上に画像化されることを保証するために、アパーチャー６２が感知システムの感知フィールド７４を制限する。センサー５６が電荷結合素子（ＣＣＤ）のような領域センサーから成る場合には、図５Ｂを参照して分かるように、第２軸ｙに沿ったスリットビューイングフィールド７４に沿って分布された複数のビーズ６４に対して、スペクトル波長λが、波長分散要素５４の分散軸に沿った分散画像６８の位置から決めることができるように、アパーチャー６２がスリットアパーチャーから成り得る。スペクトルの読み取りの絶対精度は、アパーチャースリット６２の幅とは逆に変化し、領域７０内の全ビーズを読み取るための読み取り数（よって全読み取り時間）は、スリットが狭くなればなるほど長くなる。それにもかかわらず、２次元領域７０内のビーズ６４は、最終的にはビーズ６４に対してスリットを移動させる走査システムにより（可動ミラー、可動アパーチャー、固定アパーチャーを通過するビーズ流、アパーチャーに対する容器表面の移動などのような様々な走査機構のいずれかを用いて）図５Ａ及び５Ｂのシステムにより読み取ることができる。
【００５２】
上述の技術はスペクトル画像を作ることができる一方、大抵の走査システムに対して少なくとも２つの別個の欠点がある。第１は、大抵の走査システムは、静的（非走査）システムにおいては存在しない機械的又は電気的な故障に影響されやすい。第２は、多くのデータポイントが単一のスペクトル画像を発生するのに用いられるので、全体画像を取得するのに必要な最大時間に制限が設定される。信号レベルに依存して、この時間は数分以上となる。一般に、このことが各ポイントの空間位置が固定していないいずれのシステムにおいても走査技術の使用を妨げる。例えば、走査システムによる水媒体中での上述の２色ビーズの画像化は難しい。というのは、ビーズは単一のスペクトル画像の取得中に異なる空間位置に拡散し得るからである。
【００５３】
走査なしでスペクトル情報を取得する静的スペクトル画像化システムは、データを単一ステップで取得するので非常に魅力がある。静的スペクトル画像化システムの例は、空間画像がいくつかのビームスプリッターを通され、それを複数の画像に分離するものであり、これらの画像の各々が異なるバンドパスフィルターに通される。得られた各画像は、スペクトルの離散的な領域についての情報を与える。次にこれらの画像が検出器上に投射され、信号が再結合され、各バンドパス内での光量についての情報を含んだ画像を作る。このようなシステムは魅力がある。というのは、全てのスペクトル情報が同時に取得でき、非静的サンプルから生じる困難さを除去するからである。バンドパス画像化システムの欠点は、離散的な数の波長のみがモニターでき、詳細なスペクトルの分析及び当てはめが妨げられることである。同じ時間にて、バンドパスフィルター及びダイクロイックミラーは１００％の効率ではなく、複数の色の潜在的な検出効率を低下させる。例えば、１０の１０％ビームスプリッターと１０のバンドパスフィルターを用いるバンドパスシステムは、各チャネルに沿った１０％検出効率の最大となる。ダイクロイックミラーのシステムは、各々が８５％伝送効率を有し、最終チャネルに沿って約２０％効率を生じる。
【００５４】
再度図５Ａ及び５Ｂを参照すると、図示されているように、蛍光性画像を線形分光計の入口スリット上にかつ／又はそれを通して投射することにより、１次元スペクトル画像化が達成できる。この構成では、Ｅｍｐｅｄｏｃｌｅｓ， ｅｔ ａｌ． ｉｎ Ｐｈｙｓ． Ｒｅｖ． Ｌｅｔｔ．， ７７（１８）； ｐ．３８７３（１９９６）に記載のように、空間情報はｙ軸に沿って保持される一方、スペクトル情報（波長λ）は、ｘ軸に沿って分散する。入口スリットが、分光計に入る光の空間位置を制限し、それにより（少なくとも部分的に）各スペクトルに対する較正を定める。入口スリットの幅は、部分的にシステムのスペクトル分解能を定める。
【００５５】
次に図６を参照すると、２次元画像化システム８０により、２次元感知フィールド８１の至る所に分布されたビーズ６４からのスペクトル情報の同時感知が可能になる。一般に、システム８０は、検出器８２及び２次元感知フィールド８１内でビーズ６４の位置を保持及び／又は識別するためのシステムを使用する。典型的な実施態様では、位置決めシステム又は手段が、ビーズ位置インジケータ８４を使用する。位置インジケータ８４は、適宜、感知フィールド８１に連結される。特に、ビームスプリッター８６は、光学列５８により発生された画像の一部を分離し、画像部分８８を位置センサー上に送る。上述のように、検出器８２は、波長分散性要素５４及び光学列５８と位置合わせされた領域センサー５６を使用し、よって、２次元感知フィールド８１と位置決めシステム８４の間の光経路の少なくとも一部が、感知フィールド８１と検出器８２のセンサー５６の間の光経路と同軸状である。
【００５６】
ビーズ６４は２次元感知フィールド８１に亘って分布され、単一の横軸に限定されないので、波長分散性要素５４は、各ビーズからのスペクトルの波長及び感知フィールド内のビーズの関連位置の両方に基づいてセンサー５６の表面に亘ってビーズ６４からスペクトルを分布する。ビーズ６４が点光源として扱われるべく領域内で十分に小さい場合、及びビーズ上のラベルからの分布スペクトルが過度に重ならないように、ビーズ自体の全表面領域よりも相当大きなビーズを取り囲む領域がある場合、センサー５６を使用してビーズの相対スペクトルを求めることができる。例えば、分析器９０は、センサー５６からの信号に応答して、特定のビーズ６４ａが実質的に均一な強度で間隔の等しい３つの波長ピークを有し、４番目の波長ピークは他のピークの強度の２倍であり、該他のピークは該他のピーク間の波長差分の３倍だけ最低ピークから分離している。このような相対スペクトル情報は有効である（そして一部の符号化システムにおいてコードを識別するには十分である）一方、ビーズ６４の各々に対する相対的及び絶対的なスペクトル情報の両方を提供するのがしばしば有利である。
【００５７】
幸運にも、位置インジケータ８４のセンサー表面９２上に発生された位置決め画像８８が、感知フィールド８１内のビーズ６４の位置を定める。位置インジケータ８４のセンサーから分析器９０に伝送された信号は、各ビーズ６４の位置を定めることができ、分析器は、各ビーズ位置をその関連スペクトル（よって感知された相対スペクトル）に相関させて各ビーズからの絶対スペクトルを求めることができる。感知フィールド８１内の相対的に小さなビーズの点光源の質を利用することにより、２次元システム８０内にアパーチャーが含まれる必要はない。一部の実施態様では、位置決め画像及びスペクトル的に分布された画像が、共通のセンサー上に順次又は共通のセンサーの異なる位置に投射され得る。空間情報のためのＣＣＤ上の零次画像の投射のようなさらにべつの代替案も可能である。  別言すれば、線形分光計から入口スリットを除去し、個々のポイントからの離散的な画像が分光計に入る光の空間位置を定めるのを可能にすることにより、２次元画像を得ることができる（図６）。この場合、システムのスペクトル分解能は、部分的に離散的画像のサイズにより定められる。しかしながら、各ポイントからの光の空間位置はｘ軸に亘って変化するので、各スペクトルの較正が異なり、その結果、絶対エネルギー値の誤差が生じる。元の画像を分割し、１／２を分散性格子に通して分離した画像及びスペクトルを作ることにより、この較正誤差が除去できる。適当な位置合わせにより、空間位置と絶対スペクトルエネルギーの間の相関を作ることができる（図６Ａ）。
【００５８】
位置決め画像８８とスペクトル的に分散した画像６８の相関は、図６Ａ〜６Ｃから理解できる。一般に、位置決め画像８８は、感知フィールド８１内のビーズ６４の位置を指示する一方、スペクトル的に分散した画像６８は、ビーズ６４により発生されたスペクトル内の各信号の位置及びスペクトル波長の両方を反射する。正確に較正されたシステムを用いると、分析器９０は、特にビーズ６４がｙ軸に沿って重ならない場合には、関連のビーズ位置６４ａを識別することにより、特定の分散画像９６ａの絶対波長を求めることができる。図６Ｂ及び６Ｃを参照して理解できるように、ビーズ位置とスペクトル的に分散した画像との相関は、ビーズにより発生されたスペクトルの少なくとも１つ内に較正信号４０ｃを含むことにより容易にできる。このような較正信号は、しばしばビーズスペクトルの少なくとも一部内に含まれ、適宜、各ビーズスペクトル内に含まれる。較正信号波長が既知の場合には、ｘ軸に沿った関連ビーズの位置が、波長分散性要素５４の回折特性からの分散画像６８内での較正信号エネルギーの位置から求めることができる。
【００５９】
次に図７Ａ〜７Ｃを参照すると、ビーズ６４の画像が、図７Ａの例における水平線に沿った分散軸に沿って且つ／又は隣接して落ちるとき、不明瞭さが生じ得る。このような不明瞭さを避けるために、代替の２次元スペクトル感知システム８０’が、第２分散性要素又は波長分散性要素５４’を備えた追加のビーズスプリッター８６’を含み、この第２波長分散性要素は、２次元感知フィールド８１の画像に対して第１波長分散性要素５４の分散性軸に対して或角度にて方向付けられた回折軸を有する。一般に、０゜〜１８０゜の任意の角度が使用できるが、第２波長分散性要素は、第１波長分散性要素の分散軸に９０゜の方向の分散軸を有する。この第２波長分散性要素は、第２分散性軸（一般に第１分散性軸に直交する）に沿って分散画像６８’を発生し、それにより分析器６０が画像内の離散的な各ポイントからスペクトルを明瞭に区別できる。関連する実施態様では、２つの直交（又はさもなくば角度的にオフセットした）分散性要素が、同じ画像化経路に沿って配置でき、又は場合によっては共に均一にジャウル（ｊｏｗｌｅｄ）し、２つのオフセット分散性軸に沿って単一の画像をスペクトル的に分散させ得る。これら２つのオフセットスペクトルは、単一のセンサー上に画像化できる。図７Ｃを参照して分かるように、ビーズの位置は、各スペクトル対の交点から求めることができ、その結果、プロセッサーが結合画像６８及び６８’から位置を得る。
【００６０】
好ましい実施態様では、光損失のいくつかのソースを有するスペクトル的に分散した画像に対して直接画像よりも多くの光を与える比にて、元の画像が２（又は３）の画像に分割される。この好適実施態様では、スペクトル分散が、ホログラフィー透過格子を用いて実行されるが、同様の結果が、標準的な反射格子を用いて得ることができる。
このシステムは、画像が例えばラベル付けられた離散的な細胞物質のような離散的なポイントから構成される場合には、どんなスペクトル画像化用途に対しても有効である。これは、単一の分子又はビーズ表面のような基板上に固定化された分子の総体のような離散的なスペクトル画像の高スループットスクリーニングに対しても有効であるべきである。この技術は、スペクトル的に符号化されたビーズの高度に並列な読み出しを行うのにも使用できる。
【００６１】
信号強さの変化
次に図２及び８を参照すると、試験流体３４が、並列アッセイの解読のために非常に異なる２つの種類の信号を発生できる。すなわち、ビーズ本体に固定された半導体ナノ結晶３７が、相対的にロバストで高強度のラベルスペクトル１００を発生する一方、アッセイマーカー３８は、相当低強度のアッセイ信号１０２を発生できる。これら２種類の信号の強度における有意な差は、図８Ａに概略示されたもののように高度に多重化されたアッセイから実際の個々のスペクトルの解読を複雑にし得る。
任意に大きな信号を検出するのは相対的に取るに足らないことであるから、大きなダイナミックレンジは一般に出来るだけ少ないマーカーの検出を必要とする。すなわち、理想的には、検出限界は単一マーカーとなる。単一の分子及び単一の半導体ナノ結晶を検出することは可能であるから、原理的にはアッセイにおける検出のこのレベルに達することはできる。一般に非常に明るいビーズからのスペクトルコード及び一般に非常に薄暗いビーズからのマーカー信号の両方の検出を最適化するに際し、一つの問題がある。
【００６２】
非常に低い信号レベルの検出における一つの問題は、積分時間、すなわち検出する信号をどれくらいの間積分しなければならないかである。単一の分子の場合、その答は約０．１〜１．０秒である。２次元スペクトル画像を得るためにサンプルに亘ってポイント又はスリットでさえ走査する必要があるならば、非常に長い時間がかかることになる。２次元スペクトル画像化により、単一のスペクトルを得るのに要するのと同じ時間内で画像全体からスペクトルを得ることができる。しかしながら、２次元スペクトル画像化を行うために、サンプル上の隣接ビーズ間の間隔が、ＣＣＤ検出器上に落ちる隣接ビーズからのスペクトルの重なりを制限するには十分大きくすべきである。ビーズを正確に配置してさえ、各ビーズのスペクトルに対してＣＣＤの大きな部分（よってサンプル表面）を当てるのがなお望ましい。このことは、２次元スペクトル画像中のビーズ又は他の物質の密度がかなり低いことを意味する。このことにより、同時に読み出すことができるビーズの数が低減される。同じことが、サンプルの複数の領域を同時に走査するのに複数のスリットを用いることにも当てはまる。スリット間の間隔、よって走査できる領域の数は、各スリットからのスペクトルの読み出しに専用されるＣＣＤの領域により制限される。また、大きな信号、例えばスペクトル的に符号化されたビーズからの信号の場合、各画像に対する積分時間は、ＣＣＤの読み出し速度よりも小さくできる。この場合、２次元スペクトル画像化の利点は失われる。というのは、読み出し時間は、ピクセル数により、よって検出されるビーズ数により線形に増加する。この種の並列画像化が価値あるものとなるのは、積分時間が読み出し速度に対して長いときのみである。
【００６３】
スペクトル画像化の代替形式は、位置の関数としてスペクトルをプロットすることにより、サンプル上の単一スリットを走査してスペクトル画像を作成する。この場合、積分時間が読み出し速度よりも小さいとき、完全なスペクトル画像を得るのに要する時間は、２次元スペクトル画像化と同じである。しかしながら、積分時間が読み出し速度よりも長いときには、この方法はかなり遅い。スリット走査は２次元スペクトル画像化よりも決して早くできないが、高密度のサンプルが使用できるという利点を有する。というのは、ＣＣＤ及びサンプルの部分はスペクトルに専用する必要がないからである。
上述のように、スペクトル画像化については異なるアプローチが存在する。このアプローチの選択は、ビーズから信号を収集するのに要する積分時間に依存する。例えばスペクトルコード読み出しに必要とされる非常に短い積分時間では、走査されるスリットが好ましい。例えばマーカー読み出し用の長い積分時間では、２次元スペクトル画像化が最も適当である。上述の符号化されたビーズはそれに関連したアッセイマーカーを含むので、長い積分時間及び短い積分時間の両方の収集が有利である。従って、長短両方の積分時間信号の検出速度を同時に最大化できるシステムを開発するのが望ましい。
【００６４】
図８及び８Ｂを参照すると、走査システムにより与えられるもののように相対的に短い積分時間が、第１のダイナミックレンジ１０４を与える。残念なことに、ダイナミックレンジ１０４を有する走査システムは、アッセイ信号１０２の解読を難しくするバックグランドノイズレベル１０６を示し得る。別法として、図８及び８Ｃに示されるように、アッセイ信号１０２を読み出すのに適当なより低強度のダイナミックレンジ１０８を与えるべく、相対的に長い積分時間にも関わらず情報を効率的に集めることができる読み取りシステムが、相対的に高強度のラベルスペクトルにより引き起こされる飽和（長積分測定信号１１０の平坦な領域として概略示される）を示し得る。多くの実施態様では、これらの潜在的に矛盾する基準を克服することは、第１波長範囲１１２ａ内のラベルスペクトル、及び第１波長範囲から分離した第２波長範囲１１２ｂ内のアッセイマーカー信号を維持することにより容易になる。
【００６５】
図９は、スペクトル的に符号化されたビーズからマーカーを復号化及び読み出しする速度を最大化するように設計された技術を概略的に示す。これは、スリット走査及び２次元画像化の両方を含む。このシステムでは、ビーズ６４が（ビーズの移動及び／又はスリットの走査により）スリットの下にてすばやく走査される。この時間の間、スペクトルコードが、ＣＣＤ検出器の読み出し速度に対して早い速度にて読み出される。ビーズがスリットを通過するか又は走査された後、それらは画像化領域内に移動できる。一旦画像領域が満たされたならば、走査が停止して単一画像がビーズから取られる。この画像は、マーカーから信号のみを選択するバンドパスフィルター１２８を通される。この画像は、２次元アレイ上にて取得される。次に走査されたスリットからのスペクトルコードが、２次元画像と相関されてコードとマーカーデータを結合する。完了すると、ビーズの新しいサンプルがスリットを過ぎ画像領域内に走査され、この工程が繰り返される。別法として、二次元画像化が、走査前又は中に生じ得、及び／又は走査と画像化が図示されているように同じ静的ビューイング領域内で実行し得る。
【００６６】
このシステムにより、両方の種類の信号の取得効率を最大化できる。例として、明るく符号化されたビーズの１セットが、低強度のマーカー信号を発生できる。この例では、（１）スペクトルコードが１０ｍｓの積分時間で読み出され得、マーカーが１秒の積分時間で読み出され得、（２）全体画像に亘ってスリットを走査するのに１００ステップを要し、複数の隣接して走査されるスリット間の間隔が画像サイズの２０％とし得ることが仮定されている。スリット走査を用いてスペクトル画像を取得するために、各位置での積分時間は、コードとマーカーの両方を検出するのに１秒かかる。従って、単一の画像に対する全取得時間は１００秒となる。２次元スペクトル画像化を用いるために、走査速度が増されるが、走査されるサンプルの密度は減少される。このことは、ファクター２０だけ画像当たりのビーズ数を低減させる。次に２次元スペクトル画像が１秒内で取得される間、このような領域が走査されて単一スリット走査例と同じデータを蓄積すべく走査されるべきである。従って、データが２０秒内に取得される。２次元スペクトル画像化システムを用いる１つの最終的な利点は、スペクトルコードからの信号がマーカーを検出するのに要する時間内に飽和しないことである。
ここに記載の結合走査／画像化システムを用いることにより、取得時間が大いに低減される。スペクトルコードは、１００ステップに対して１０ｍｓ／ステップにて読み出される。マーカー画像は、単一の１秒集積時間にて検出される。全体のスペクトル画像に対して全取得時間は次の２秒である。
【００６７】
図８及び９を参照すると、走査／画像化システム１２０は、一般に、光学系５８により２次元感知フィールド８１と光学的に連結した検出器、及びアパーチャー６２を有するスキャナー１２４を含む。一般に、アパーチャー６２は、アパーチャー（及び関連したアパーチャー付き感知フィールド７４）の移動を通して、又はＣＣＤに連結したソフトウエア若しくはビーズの移動により、２次元感知フィールド８１のビーズ６４に対して移動し得る。
走査／画像化システム１２０が２次元感知フィールド８１内で相対的に低強度の信号を検出するのを可能にするために、光学系５８が、センサー５６の表面上に感知フィールドを画像化する。スペクトルフィルター１２８は、マーカー信号１０２を検出器のセンサー５６に選択的に転送し、それにより相対的に高強度のスペクトルラベル信号からの飽和が避けられる。図８に示される簡単なマーカー／ラベル分離案を用いて、フィルター１２８が、第２範囲１１２ｂ内のマーカー信号を選択的に転送する干渉フィルターを含み得る。明らかに、もっと複雑なフィルタリングや信号分離の構成が可能である。それにも関わらず、２次元感知フィールド８１内の多数のビーズ６４が、同時に検出されるそれらのアッセイマーカーを有し得るので、全体の感知時間に過度に追加することなく、相対的に長い積分時間が利用できる。
【００６８】
図９に示す概略的な実施態様では、ビームスプリッター８６が、分離した信号部分をスキャナー１２４のセンサー５６に送る。ビーズ６４が一列にて順次読み出されるように、アパーチャー６２が、スキャナー７４のアパーチャー付き感知フィールドを制限する。相対的に明るいスペクトルコードについてのビーズからの各読み出しは、適宜、２次元マーカー画像化システムにより用いられる長い積分時間中、十分に短い積分時間を使用できる。
別の実施態様では、スペクトル及び画像／位置は、同じセンサーにより感知できる。ここに記載の走査システムのいずれもが適用できる。スペクトルが走査された後（又は前）、バンドパスフィルターがスペクトル情報を除去して、２Ｄ画像中の各関連信号に対してアッセイ信号及びビーズ位置情報を残す。次に、アッセイ結果が、信号の位置及び格子の分散から求められ得る。
上述のように、スペクトルの順次感知が、感知フィールドに対してアパーチャーを移動させることにより、ソフトウエアにより、光学列若しくは走査システムに対してビーズ（又は他の信号源）を移動させることにより、又は励起エネルギーの一つ若しくはビーズを互いに走査することによってさえ、実行し得る。アパーチャー走査は、検流計により、液晶ディスプレー（ＬＣＤ）選択性伝送構成により、他のデジタルアレイにより、又はデジタルマイクロミラーアレイ（ＤＭＤ）により実行できる。ビーズ走査システムは、スリットアパーチャーを流れ過ぎる流体フローを使用でき、その際ビーズは流体と共に流れる。移動は基準のビーズフレームに対して決めることができるので、アパーチャーが固定したままのときでさえ、このようなビーズフローシステムは、ビーズに対するアパーチャーの移動を生じさせる。
【００６９】
次に図９Ａを参照すると、簡単な流体フローアッセイシステムは、上述の構造及び方法の多くを使用できる。示された実施態様では、ビーズ６４が感知フィールド７４を横切って移動するように、試験流体３４がチャネル１３１を通って流れる。スリットアパーチャー付き感知領域内のビーズ６４が、上述のようにスペクトル的に分散され画像化される。スリットアパーチャーの位置は既知であるから、ラベルスペクトルとアッセイ信号についての絶対スペクトル情報が、分散された画像６８から決めることができる。複数のビーズが感知領域７４内にあるが、図示されたｘ軸に沿って分離されている場合には、複数のビーズがＣＣＤなどにより同時に読み出し得る。感知領域７４を通るビーズの順次の流れにより、同時のアッセイ製造及びフロー注入分析技術などを用いた読み出しが可能となる。　感知領域７４の画像化は、ビーズ６４がチャネルの対向した主要な表面近くにあるように、薄く平坦なチャネル１３１を設けることにより容易にされ得、その際、少なくとも１つのチャネル表面は、スペクトル及びマーカー信号に対して透明な物質により定められる。この流体フローシステムは、例えばラベルスペクトルやアッセイマーカーに対して２つの異なるエネルギー源を与えること、スリットアパーチャー付き感知領域７４に隣接した若しくは重なった２次元感知領域の至る所に分布したビーズ６４の領域画像化などにより、上述したシステムの多くの態様と組み合わせることができる。
【００７０】
走査／画像化システム１２０及び上述の他の画像化システムの種々の改変が本発明に含まれる。例えば、図面に概略示された光学系は、アパーチャーの前、アパーチャーの後、及び／又はアパーチャーの両側にて光経路に沿って光学的要素を含み得る。同様に、光学列の少なくとも一部が、いずれのビームスプリッターよりも後に配置し得る。走査、位置指示、２次元画像化及び／又は回折画像感知のために分離したセンサー５６に基づくよりもむしろ、これらの異なる画像を共通センサーに送るべく光学系が構成し得る。異なる画像もまた、同時に又は順次取得し得る。領域感知が必要とされない場合には、線形、ポイント又はバルクの光センサー又は光検出器を使用できる。
本発明のシステムは、特に少なくとも１つのラベル及び／又は少なくとも１つのアッセイマーカーが半導体ナノ結晶を含む場合には、他のマーカーと空間的に混合されるラベルスペクトルを識別するのに特によく適する。上述のように、分析器９０は、しばしば、各ビーズからのラベルを関連のマーカー信号（これは特徴的な波長、散乱、信号／エネルギー特性の変化などを有するエネルギーの不存在又は吸収を含み得る）と相関させる。
一つの好適実施態様では、２つの検出経路が、同じ光経路を通って同じ検出器に達する。この実施態様では、スリットの下のサンプルの励起は、画像取得中は閉じられ、さもなくば画像取得中にスペクトルが得られないように方向付けられる。別の実施態様では、複数の検出器だけでなく複数の検出経路が使用できる。
【００７１】
図９の走査／画像化システムは、本発明の別の有利な態様を示し、上述のものを含めて他の信号検出システムにおける用途を見いだし得る。高強度信号（例えばスペクトルラベル）及び通常低強度の信号（例えばアッセイマーカー）の両方を感知するための簡単なシステムは、ビーズからスペクトルコードの発生のために流体３４に向けて励起エネルギーを伝送する第１励起エネルギーソース２０ａを含み得る（図１参照）。第１励起エネルギーソース２０ａもまた、少なくともある程度まで、マーカー信号１０２を生じ得る。しかしながら、第２励起エネルギーソース２０ｂも、ビーズに向けて励起エネルギー源を伝送し、その際、この第２ソースからの励起エネルギーは、アッセイマーカーを選択的に電圧印加する。このことは、例えばエネルギーが低強度マーカー信号よりも高いけれども高強度ラベル信号よりも低い波長に第２励起エネルギーソースを制限することにより達成できる。第１及び／又は第２励起エネルギーソースを選択的に電圧印加することにより、且つ／又は励起エネルギーの少なくとも１つを相互に変えることにより、全体システムのダイナミックレンジを効率的に広げて、さもなれけば相対的に弱いアッセイマーカー信号及び十分に強いスペクトルラベルの両方を正確かつ信頼性高く感知できる。これらの励起エネルギーソースの一方又は両方が、ビーズに対して走査されてラベル及び／又はアッセイマーカーに対する感知フィールドの位置及び／又はサイズを効率的に制御できる。
【００７２】
信号検出システムの多くの好適実施態様では、２つの光源が使用される。第１の光源は、スペクトルコードとマーカーを同時に励起するための廉価な青光源である。青ソースは、サンプルのスリット領域を照射し、サンプルのアパーチャー付き領域が、上述のように分散され感知される。スペクトルコードを検出するには多くの光は必要ないので、この光源は非常に廉価である。次に、サンプルの２次元画像領域が、より高パワーの赤レーザーで励起され、これはマーカー半導体ナノ結晶のみを励起する。このことにより、高励起強度によるスペクトルコードの飽和の可能性を排除しつつ、マーカーの効率的な検出が可能になる。
別の実施態様では、同時検出中のコード及びマーカーの相対強度を調節するのに２つの光源が使用される。例えば、スリット走査又は２次元スペクトル画像化を単独で使用してマーカー及びコードの両方を検出する場合には、コードはマーカーを検出するのに要する時間内に飽和するであろう。このことは、コード（青光）の相対励起強度がマーカー（赤光）の励起強度に対して非常に弱いならば避けられる。このような構成の利点は、マーカーに対するコードの相対強度が、２つの光源を調節することにより調節できることである。このことが、コードとマーカー間のダイナミックレンジの制限についての関係性を低減する。この２光源システムは、同時に検出される必要がある広いダイナミックレンジを伴う検出案（例えばマーカー／バーコードシステム）において有利である。従って、この開示事項に記載のもの以外のシステムにおいて有効である。
【００７３】
固定した位置ビーズ
ビーズベースのアッセイを分析する技術は、フローベース及び／又は画像化ベースとすることができる。フローベースの分析では、シースフローサイトメーター（ｓｈｅａｔｈ ｆｌｏｗ ｃｙｔｏｍｅｔｅｒ） のような機器が使用されて各ビーズから個別に蛍光及び散乱の情報を読み取る。フロー方法は、導管内でデッド容積を満たすべく相対的に大きな容積のサンプルを必要とする欠点があり、データポイントの平均又は再分析ができない。フロー方法は、多数のビーズが所与のサンプルから分析されるのを可能にする。Ｂｉｏｍｅｔｒｉｃ Ｉｍａｇｅ （登録商標）システムのような画像化ベースのシステムが、表面を走査して蛍光信号を見いだす。フローシステムに対する利点としては、小さなサンプル容積（＜２０マイクロリットル）及び信号−ノイズを改善すべくデータを平均可能なことである。欠点は、ビーズの分離を保持すべく大きな領域が必要なこと、及びダブレット、トリプレットなど多大な形成なしで十分な数を分析できることを保証すべく適当に稀釈化されたビーズに依存することである。
【００７４】
次に図１０Ａ〜１０Ｃを参照すると、ビーズが、選択されたジオメトリにて規則的に間隔を置かれるように平坦表面上に固定化され得る。ビーズは、ウエルを微小機械加工して平坦表面にすることにより固定化され得る。例えば、深さが７ミクロンである７ミクロンウエルが、フォーカスされたレーザーを用いてガラス表面上にパリレンの７ミクロン層を切除することにより作ることができる。ウエルとして作用するガラス表面上にミクロ構造を作るのに、他の方法を使用できる。ただ１つのビーズがウエルに捕らえられるようにし、かつ流体の横フローがビーズを通るときに単一のビーズがウエル中に捕らえられたままであるように、ウエルの寸法を選択する（図１０Ｃ参照）。記載した７ミクロンウエルは、約４ミクロン〜６ミクロンのビーズ、又は「単一分散の」５ミクロンビーズの分析に適する。ビーズを捕える他の方法としては、光のパターンがフォトレジストを用いて決められる場合には、光活性化された重合を用いたポリマーの選択的な沈殿（ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）が挙げられる。次に、ポリマーが非特定的に単一ビーズに結合し、他のビーズは洗い落とされ得る。
使用中、アッセイが行われたスペクトル的に符号化されたビーズの混合物は、捕獲表面上に沈殿し、（重力により）ウエル中に安定でき、又は捕獲表面と結合できる。次に、余分なビーズが洗い落とされて、ウエル又は捕獲位置の例えば９０％以上の部分が単一のビーズで満たされる。
【００７５】
ペンシルベニアのＩＭＭＵＮＩＣＯＮ ＣＯＲＰＯＲＡＴＩＯＮ 及びカルフォルニア、サンジエゴのＩＬＬＵＭＩＮＡ， ＩＮＣ．により開発された超常磁性ビーズポジショナーを含めて、ビーズを固定化及び／又は配置するために、別の構成が使用できる。
次に捕えられたビーズは、画像化システムを用いて分析され、各ビーズに対して種々の放射波長にて蛍光データを取得され得る。この方法は、ランダムに配置されたビーズの単純な走査に対して利点を与える。その理由は、（１）分離されるビーズは既知であり、ダブレットを見つけて排除する必要はないので、検出に要する空間分解能が低減でき、それにより分析効率がよくなること、（２）ビーズのパッキングはかなり高くできる一方で空間的に分離したシングレットビーズを保持すること、（３）ビーズはサポートに対して移動しないので、移動に関わらず複数回走査され得ること、及び（４）適用されるサンプル中のビーズ濃度は正確である必要がないこと（ランダム散乱アプローチにおいては、高すぎる濃度は高いパッキングと最終的には多層構造を生じるが、低すぎる濃度は分析されているビーズが少なすぎることとなる）である。
各ビーズから放射された光が一方向にスペクトル的に分散するように、放射経路に粗い格子（反射又は透過）を配置することにより空間的及びスペクトル的な情報が結合されるシステムにおいては、微小機械加工されたウエルの使用が特に有効である。このウエルは、各ビーズの分散された画像が重なり得ないように機械加工される。また、ビーズ位置の知識は、絶対波長を求めることが、相対的な決定よりむしろ又はスペクトル較正器を用いて実行できることを意味する（図１１参照）。
【００７６】
さらに別の代替のビーズ位置決め手段が可能である。図１０Ａ〜１０Ｃに示される位置決めウエルの一変形では、コリメートされたホールに接近してパックされたアレイが表面に亘って分布され得る。ホールが表面を定める基板を通って延びる場合には、ビーズ６４と試験流体３２を能動的に引っぱってホールアレイに入れるために、圧力システムが反対表面に沿って設けられ得る。このようなシステムにより、１セットのビーズが位置決めウエル中に引っ張られ、引っ張られたビーズから読み取られたアッセイ結果を有し（適宜、ビーズラベルとアッセイマーカーを含む）、そして適宜、ビーズをスルーホールから押し出すことが可能になる。このような位置決め及び読み出しサイクルは、試験流体内の多数のビーズを読み出すべく多数回繰り返され得る。ビーズと試験流体を位置決め表面に輸送するに際しては困難が存在するが、このようなシステムは大きな利点を有する。
ビーズと共に試験流体を含有し、かつ／又はそのような流体とビーズの流れを方向付けるための特定の構造が、スペクトルコード読み取り性能を改善できる。コードは、上から、下から、又は垂直に対して或角度にて読み取ることができる。例えば下からのコードの読み取りは、流体上の不透明な物質と共に流体含有本体を用いることにより強化できる。ビーズを取り囲む流体は、流体含有本体の下部の物質の屈折率に実質的に一致した屈折率を有し得る。このような構造は、密なビーズコードを読み取る際には特に有利となり得る。
【００７７】
本発明の典型的な実施態様について明確に理解するためにいくらか詳細に記載してきたが、種々の変更、適応及び改変が当業者には自明であろう。よって、本発明の範囲は添付の特許請求の範囲により単に制限される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の原理による画像化システム及び高スループットアッセイ方法を概略的に示す。
【図１Ａ】
請求項１のシステム用の典型的なプロセッサを概略的に示す。
【図２】
スペクトルラベルとアッセイマーカーとを有するプローブを概略的に示し、このプローブは試験流体内に配置されたビーズ構造を含む。
【図２Ａ−Ｅ】
図２Ａ〜２Ｅは、複数の信号を有するスペクトルコード又はラベルを概略的に示す。
【図３】
アパーチャーを用いて相対的に大きな対象物からスペクトルを求めるシステム及び方法を概略的に示す。
【図４】
アパーチャーを用いずに例えば半導体ナノ結晶マーカーを有するアッセイプローブのような小さな対象物からスペクトルを求める方法及び構造を概略的に示す。
【図５】
図５Ａ及び５Ｂは、アパーチャーでビュウイングフィールドを制限すること、及びアパーチャー付き画像をスペクトル的に分散することにより複数の半導体ナノ結晶から絶対スペクトルを求めるシステム及び方法を概略的に示す。
【図６】
ビーズの相対スペクトルを同時に画像化すること、及びビーズ位置から絶対スペクトルを得ることにより複数のスペクトル符号化されたビーズの絶対スペクトルを求めるシステム及び方法を概略的に示す。
【図６Ａ−Ｃ】
図６Ａは、ビーズ位置と図６のシステムを用いて感知された相対スペクトルを相関させて絶対スペクトルを得る方法を概略的に示す。
図６Ｂ及び６Ｃは、ビームスプリッターとスペクトルコード内の較正信号を使用してスペクトルの絶対波長を求めることを概略的に示す。
【図７】
図７Ａ〜７Ｃは、重なった分散スペクトルの不明瞭さを分解するためのシステム及び方法を概略的に示す。
【図８】
図２に示された典型的なプローブに対するスペクトルラベルとアッセイマーカーの間の信号強度における幅広い変動、及びそのような信号を識別するための方法をグラフで示す。
【図８Ａ−Ｃ】
図８Ａ〜８Ｃは、図２に示された典型的なプローブに対するスペクトルラベルとアッセイマーカーの間の信号強度における幅広い変動、及びそのような信号を識別するための方法をグラフで示す。
【図９】
複数のアッセイマーカーを同時に画像化し、かつスペクトル的に符号化された複数のアッセイプローブに対して関連のスペクトルラベルを順次走査するためのシステム及び方法を概略的に示し、また、アッセイマーカーを選択的に電圧印加するために異なる励起エネルギーを使用することをも示す。
【図９Ａ】
流体流アッセイ走査システム及び方法を概略的に示す。
【図１０】
図１０Ａ〜１０Ｃは、半導体ナノ結晶アッセイプローブを位置決めするためのプレート、及び多重化されたアッセイにおいて位置決めされたプローブの使用方法を概略的に示す。
【図１１】
スペクトルラベルを読み出すため、かつ／又は図１０Ｃのプローブ位置決めプレートを用いてアッセイ結果を識別するための方法を概略的に示す。
【符合の説明】
８    ライブラリ
１０    在庫システム
１２    ラベル付き要素
１４    分析器
１６    プロセッサ
１８    センサー
２０    エネルギー源
２２    励起エネルギー
２４    放射エネルギー
３０    プログラム命令
３２    データベース
【図１】
2004500669.tif 000003
【図１Ａ】
2004500669.tif 000004
【図２】
2004500669.tif 000005
【図２Ａ−Ｅ】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2004500669.tif 000009
【図６】
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【図６Ａ−Ｃ】
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【図７】
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【図８】
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【図８Ａ−Ｃ】
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【図９】
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【図９Ａ】
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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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2004500669.tif 000079
2004500669.tif 000080
2004500669.tif 000081
【国際調査報告】
2004500669.tif 000082