特許 6240965 配向装填システムおよびウェル中に装填された粒子を配向させる方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6240965

(24)【登録日】2017年11月17日

(45)【発行日】2017年12月6日

(54)【発明の名称】配向装填システムおよびウェル中に装填された粒子を配向させる方法

(51)【国際特許分類】

   G01N 1/00 20060101AFI20171127BHJP

   G01N 35/02 20060101ALI20171127BHJP

【ＦＩ】

   G01N1/00 101H

   G01N35/02 A

【請求項の数】17

【外国語出願】

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2016-1507(P2016-1507)

(22)【出願日】2016年1月7日

(65)【公開番号】特開2016-136140(P2016-136140A)

(43)【公開日】2016年7月28日

【審査請求日】2016年3月7日

(31)【優先権主張番号】62/100,715

(32)【優先日】2015年1月7日

(33)【優先権主張国】US

(73)【特許権者】

【識別番号】517356265

【氏名又は名称】パーソナル ジェノミックス，インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100108833

【弁理士】

【氏名又は名称】早川 裕司

(72)【発明者】

【氏名】蔡 經緯

(72)【発明者】

【氏名】謝 馨儀

(72)【発明者】

【氏名】彭 于▲せん▼

(72)【発明者】

【氏名】陳 文逸

(72)【発明者】

【氏名】黄 俊仁

【審査官】 三木 隆

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１２／１０２３２９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００２−１８１８１９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２０１３／１７９０６９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 米国特許第０５７７９９０７（ＵＳ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００３／０６７２５８（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２００３−２７９５７０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−１８５９２０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５１７０４０（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２２６８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−０９８０８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０４１８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 欧州特許出願公開第０１９０３３３７（ＥＰ，Ａ１）

【文献】 特開２０１０−１７２２７１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２０１０−５０３８４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１９０９３７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 国際公開第２００２／０９５４０４（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 LEAMON J H，A massively parallel PicoTiterPlate based platform for discrete picoliter-scale polymerase chain reactions，Electrophoresis，２００３年，Vol.24 No.21，Page.3769-3777

【文献】 Sara Lindstrom，PCR amplification and genetic analysis in a microwell cell culturing chip，Lab on a Chip，２００９年，Vol.9，Page.3465-3471

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０１Ｎ １／００

Ｇ０１Ｎ ３５／０２

ＪＳＴＰｌｕｓ／ＪＭＥＤＰｌｕｓ／ＪＳＴ７５８０（ＪＤｒｅａｍＩＩＩ）

ＣＡｐｌｕｓ／ＭＥＤＬＩＮＥ／ＢＩＯＳＩＳ（ＳＴＮ）

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

基板と、
前記基板に形成された複数のウェルであって、各ウェルが底部および側壁を備え、前記側壁が上方部および下方部を備えている、複数のウェルと、
前記ウェル中に装填された複数の粒子と、
前記ウェルの前記側壁中に部分的に形成された磁性材料を含む金属層と、を備える配向装填システムであって、
前記粒子は、コア構造と、前記コア構造を部分的に覆う磁性材料を含む内層とを備え、さらに前記内層上に形成される外層を備えていてもよく、
前記内層に覆われない前記コア構造の一部は、露出しているか、またはコーティング層によって覆われており、
前記粒子の下側が前記ウェルの前記底部の方に配向し、かつ前記露出したコア構造もしくは前記コーティング層が当該配向した粒子の下側となるように、前記内層が前記金属層に引き付けられる、または、前記粒子の下側が前記ウェルの前記底部の方に配向し、かつ前記内層もしくは前記外層が当該配向した粒子の下側となるように、前記内層が前記金属層に引き付けられる、
配向装填システム。

【請求項2】

前記外層および前記コーティング層が非磁性材料を含み、前記コーティング層が前記外層とは異なる請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項3】

前記非磁性材料がポリスチレン、ヒドロゲル、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、または金、銀、銅もしくはこれらの合金である請求項２に記載の配向装填システム。

【請求項4】

前記露出したコア構造または前記コーティング層が前記ウェルの前記底部の方に配向するように、前記金属層が前記側壁の前記上方部に形成される請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項5】

前記内層または前記外層が前記ウェルの前記底部の方に配向するように、前記金属層が前記側壁の前記下方部に形成される請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項6】

前記コア構造がポリスチレン、ヒドロゲル、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、または金、銀、銅もしくはこれらの合金を含む請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項7】

前記内層の前記磁性材料および前記金属層の前記磁性材料が、それぞれ独立に、鉄、コバルト、ニッケルおよびこれらの合金からなる群より選ばれる請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項8】

前記内層または前記外層が５〜１０００ｎｍの厚さを有する請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項9】

前記粒子が５０ｎｍ〜１０μｍの径を有する請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項10】

前記ウェルが、前記粒子の前記径の１〜３倍の幅を有する請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項11】

前記ウェルが、前記粒子の前記径の０．１〜５倍の深さを有する請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項12】

前記粒子が、その上に修飾された電荷的に中性な分子（ｎｅｕｔｒａｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）をさらに含む請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項13】

前記粒子の前記下側上および前記ウェルの前記底部上が、帯電分子（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）で修飾されており、前記粒子の前記下側上の前記帯電分子が、前記ウェルの前記底部上の前記帯電分子とは反対の電荷を含む請求項１に記載の配向装填システム。

【請求項14】

前記ウェルの前記底部上の前記帯電分子は、両性イオン分子（ｚｗｉｔｔｅｒｉｏｎｉｃ ｍｏｌｅｃｕｌｅ）を含む請求項１３に記載の配向装填システム。

【請求項15】

基板と、
前記基板に形成された、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルと、
前記ウェル中に装填された、磁性ビーズを部分的に有する複数の粒子と、
前記磁性ビーズに対応する前記ウェルの前記側壁中に形成された金属層と、を含み、
前記金属層が磁性材料を含み、前記粒子における前記磁性ビーズを有する部分が前記ウェルの前記底部の方に配向するように、前記磁性ビーズが前記金属層に引き付けられる、
配向装填システム。

【請求項16】

前記磁性ビーズ上および前記ウェルの前記底部上が帯電分子で修飾されており、前記粒子における前記磁性ビーズを有する部分が前記ウェルの前記底部の方に配向するように、前記磁性ビーズ上の前記帯電分子が、前記ウェルの前記底部上の前記帯電分子とは反対の電荷を含む請求項１５に記載の配向装填システム。

【請求項17】

前記ウェルの前記底部上の前記帯電分子が両性イオン分子を含む請求項１６に記載の配向装填システム。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１月７日に出願された米国仮特許出願第６２／１００，７１５号の利益を主張し、その全体が本明細書において参照することにより組み込まれる。

【0002】

本技術分野は、配向装填（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）システムおよびウェル中に装填された粒子を配向させる方法に関する。

【背景技術】

【0003】

大半の従来の化学または生化学的アッセイは、“バルク（ｂｕｌｋ）”測定に基づいている。かかる測定では、一定の容積のサンプル溶液中の多数の分子の集合的挙動（ｃｏｌｌｅｃｔｉｖｅ ｂｅｈａｖｉｏｒ）が測定されて、それら分子の特性が決定される。しかし、多くの状況において、例えば、所定の技術の標的分子を検出する感度の限界に対し、サンプルの容積が小さすぎたり、または標的分子の濃度が低すぎたりすると、バルク測定アプローチは使えない。近年、単一標的分子の検出が可能となってきている。また、単一分子検出は、従来のバルク測定に比べ、よりはるかに高い感度を提供し、かつより詳細な情報を提供する。単一分子の計器の感度の進歩もまた、高感度の生体分子検出および診断の新たな可能性を約束する。

【0004】

単一分子検出の分野では、反応／観察領域への標的分子の装填（ｌｏａｄｉｎｇ）、および標的分子凝集の形成においていくつかの困難が生じている。

【0005】

よって、標的分子の装填の効率を高め、かつそれらから発せられるシグナルをはっきりと検出するための、改善されたシステムおよび方法の開発が望まれる。

【発明の概要】

【0006】

本明細書に記載される実施形態は、静電力、磁力またはこれらの組み合わせにより粒子をウェルに配向性をもって装填するためのシステムおよび方法を提供する。本開示の１実施形態によれば、配向装填（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）システムが提供される。当該配向装填システムは、基板と、基板に形成された、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルと、ウェル中に装填された複数の粒子であって、粒子が、コア構造、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層、および外層であって、内層および外層に覆われていないコア構造の一部が露出するよう内層上に形成された外層、を含む粒子と、内層に対応するウェルの側壁中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む金属層と、を含み、露出したコア構造がウェルの底部の方を向く、または外層がウェルの底部の方を向くように、内層が金属層に引き付けられる。いくつかの実施形態において、金属層は内層と同じ材料を有する。任意で、露出したコア構造がウェルの底部の方を向くように、露出したコア構造上が負帯電分子で修飾され、ウェルの底部上が正帯電分子で修飾される、または外層がウェルの底部の方を向くように、外層上が負帯電分子で修飾され、かつウェルの底部上が正帯電分子で修飾される。いくつかの実施形態において、外層は任意（ｏｐｔｉｏｎａｌ）である。いくつかの実施形態において、露出したコア構造はコーティング層によって覆われる。

【0007】

本開示の１実施形態によれば、配向装填（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）システムが提供される。当該配向装填システムは、基板と、基板に形成された、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルであって、ウェルの底部上が正帯電分子で修飾されている、ウェルと、ウェル中に装填された複数の粒子と、を含み、粒子が、コア構造、任意で、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金(つまり磁性材料)を含む内層、および外層であって、内層と外層に覆われないコア構造の一部が露出するよう、内層上、または直接コア構造上に形成される外層、を含み、露出したコア構造がウェルの底部の方を向く、または外層がウェルの底部の方を向くように、露出したコア構造上が負帯電分子で修飾されている、または外層上が負帯電分子で修飾されている。

【0008】

本開示の１実施形態によれば、配向装填（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）システムが提供される。当該配向装填システムは、基板と、基板に形成された、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルと、ウェル中に装填された磁性ビーズを有する複数の粒子と、磁性ビーズに対応するウェルの側壁中に形成された磁性材料を含む金属層と、を含み、磁性ビーズがウェルの底部の方を向くように、磁性ビーズが前記金属層に引き付けられる。いくつかの実施形態において、金属層は磁性ビーズと同じ材料を有する。任意で、磁性ビーズがウェルの底部の方を向くように、磁性ビーズ上が負帯電分子で修飾され、ウェルの底部上が正帯電分子で修飾される。

【0009】

本開示の１実施形態によれば、配向装填（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ）システムが提供される。当該配向装填システムは、基板と、基板に形成された、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルであって、ウェルの底部上が正帯電分子または負帯電分子で修飾されている、ウェルと、ウェル中に装填された複数の粒子と、を含み、粒子が、コア構造、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層、および外層であって、内層と外層に覆われないコア構造の一部が露出するよう内層上に形成された、その上が電荷的に中性な分子で修飾されている外層を含み、露出したコア構造がウェルの底部の方を向くように、露出したコア構造上が負帯電分子または正帯電分子で修飾される。

【0010】

本開示の１実施形態によれば、ウェルに装填された粒子を配向させる方法が提供される。当該ウェルに装填された粒子を配向させる方法は、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルが形成されている基板を準備する工程であって、磁性材料を含む金属層がウェルの側壁中に形成されている、工程と、複数の粒子を準備する工程であって、粒子が、コア構造と、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層、および外層であって、内層と外層に覆われないコア構造の一部が露出するように内層上に形成された外層、を含む、工程と、粒子をウェル中に装填する工程と、を含み、露出したコア構造がウェルの底部の方を向く、または外層がウェルの底部の方を向くように、内層が金属層によって引き付けられる。いくつかの実施形態において、金属層は内層と同じ材料を有する。

【0011】

本開示の１実施形態によれば、ウェルに装填された粒子を配向させる方法が提供される。当該ウェルに装填された粒子を配向させる方法は、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルが形成されている基板を準備する工程であって、磁性材料を含む金属層がウェルの側壁中に形成されている、工程と、複数の粒子を準備する工程であって、粒子が、コア構造と、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層、および外層であって、内層と外層に覆われないコア構造の一部が露出するように内層上に形成された外層、を含む、工程と、粒子をウェル中に装填する工程と、を含み、内層が金属層によって引き付けられる。当該方法は、露出したコア構造がウェルの底部の方を向くように、露出したコア構造上を負帯電分子で修飾すると共に、ウェルの底部上を正帯電分子で修飾する工程、または外層がウェルの底部の方を向くように、外層上を負帯電分子で修飾すると共に、ウェルの底部上を正帯電分子で修飾する工程をさらに含む。いくつかの実施形態において、金属層は内層と同じ材料を有する。

【0012】

本開示の１実施形態によれば、ウェルに装填された粒子を配向させる方法が提供される。当該ウェルに装填された粒子を配向させる方法は、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルが形成されている基板を準備する工程であって、ウェルの底部上が正帯電分子で修飾されている、工程と、複数の粒子を準備する工程であって、粒子が、コア構造、コア構造を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルもしくはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層、および外層であって、内層と外層に覆われないコア構造の一部が露出するように内層上に形成された外層、を含み、露出したコア構造上が負帯電分子で修飾される、または外層上が負帯電分子で修飾される、工程と、露出したコア構造がウェルの底部の方を向く、または外層がウェルの底部の方を向くように、粒子をウェル中に装填する工程と、を含む。

【0013】

本開示の１実施形態によれば、ウェルに装填された粒子を配向させる方法が提供される。当該ウェルに装填された粒子を配向させる方法は、底部および側壁をそれぞれ備える複数のウェルが形成されている基板を準備する工程であって、ウェルの底部上が両性イオン分子で修飾されている、工程と、複数の粒子を準備する工程であって、粒子が、コア構造、および外層であって、外層に覆われないコア構造の一部が露出するようにコア構造を部分的に覆う外層、を含み、露出したコア構造上または外層上が帯電分子で修飾されている、工程と、粒子を溶液と共にウェル中に装填する工程と、両性イオン分子が、露出したコア構造上または外層上の帯電分子と反対または同じである電荷を含むように、溶液のｐＨ値を調整する工程と、を含み、露出したコア構造または外層が、ウェルの底部上の両性イオン分子に引き付けられるまたは反発することで、露出したコア構造または外層がウェルの底部の方を向く、または粒子がウェルから離れる。

【0014】

本開示において、ナノ粒子は標的分子の装填効率を高める。標的分子から発せられるシグナルは、検出時におけるナノ粒子の精確な配向（ｐｒｅｃｉｓｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）のために、はっきりと検出される。標的分子はナノ粒子上に結合され、標的分子から発せられるシグナルは、粒子の標的分子が結合している面が検出器／センサーへ向くように制御することによって、改善される。本開示は、ナノ粒子、ナノウェルまたはこれらの組み合わせを修飾することによってナノ粒子を精確に配向させる方法およびシステムを提供する。

【0015】

添付の図面を参照しながら、以下の実施形態において詳細な説明を行う。

【図面の簡単な説明】

【0016】

添付の図面を参照しながら、後続の詳細な説明および実施例を読むことによって、本開示をより十分に理解することができる。

【図1】図１は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図2】図２は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図3A】図３Ａは、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図3B】図３Ｂは、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図4A】図４Ａは、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図4B】図４Ｂは、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図5】図５は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図6】図６は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図7】図７は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【図8】図８は、本開示の1実施形態による配向装填システムの断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下の詳細な記載においては、説明の目的で、開示される実施形態を十分理解するために、多数の特定の詳細が記述される。しかし、これら特定の詳細がなくとも、１つまたはそれ以上の実施形態が実施可能であることが明らかであろう。他の場合では、図を簡潔とするため、既知の構造および装置は概略的に示される。

【0018】

図１を参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム（ｏｒｉｅｎｔｅｄ ｌｏａｄｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ）１０が提供される。配向装填システム１０は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、ウェル１４中に装填された複数の粒子２０と、を含む。粒子２０（例えばヤヌス粒子）は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４上に形成された外層２６と、内層２４に対応するウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８と、を含む。露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４が金属層２８によって引き付けられる。任意で、金属層２８は内層２４と同じ材料を有する。

【0019】

この実施形態では、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、金属層２８が側壁１８の上方部に形成されている。例えば、金属層２８は、ウェルの深さの１／２、２／３または３／４より上の側壁１８の位置に形成される。

【0020】

いくつかの実施形態において、金属層２８の上の基板１２は、非磁性材料、例えば、シリコン、金、クロム、銀、シリカ、アルミナ、ＴｉＯ_２またはＴａ_２Ｏ_５を含み得る。

【0021】

いくつかの実施形態において、金属層２８は、粒子２０の径の約０．１〜０．３倍の厚さを有する。

【0022】

いくつかの実施形態において、コア構造２２は、非磁性材料、例えば、ポリスチレンもしくはヒドロゲルのようなポリマー、シリカもしくはアルミナのような金属酸化物、金、銀もしくは銅またはこれらの合金のような金属、あるいはダイヤモンドを含み得る。

【0023】

いくつかの実施形態において、外層２６は、非磁性材料、例えば、ポリスチレン、ヒドロゲル、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、または金、銀、銅もしくはこれらの合金を含み得る。

【0024】

いくつかの実施形態において、内層２４は約５ｎｍから約１０００ｎｍの厚さを有する。任意で、内層２４は約１０ｎｍから約１００ｎｍの厚さを有する。

【0025】

いくつかの実施形態において、外層２６は約５ｎｍから約１０００ｎｍの厚さを有する。任意で、外層２６は約１０ｎｍから約１００ｎｍの厚さを有する。

【0026】

いくつかの実施形態において、外層２６は任意（ｏｐｔｉｏｎａｌ）であってよい。

【0027】

いくつかの実施形態において、コア構造２２の表面の約３分の１から３分の２が内層２４および外層２６に覆われる。

【0028】

いくつかの実施形態において、粒子２０は約５０ｎｍから約１００００ｎｍ（１０μｍ）または約１００ｎｍから約１００００ｎｍ（１０μｍ）の径を有する。

【0029】

いくつかの実施形態において、粒子２０は、露出したコア構造２２’上に形成されるコーティング層（図示せず）をさらに含んでいてよい。コーティング層は、外層２６とは異なる、ポリスチレン、ヒドロゲル、シリカ、アルミナ、ダイヤモンド、または金、銀、銅もしくはこれらの合金のような非磁性材料を含み得る。

【0030】

いくつかの実施形態において、ウェル１４は、粒子２０の径の約１〜３倍の幅ｄを有する。

【0031】

いくつかの実施形態において、ウェル１４は、粒子２０の径の約０．１〜５倍の深さｈを有する。

【0032】

図２を参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム１００が提供される。配向装填システム１００は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、ウェル１４中に装填された複数の粒子２０と、を含む。粒子２０（例えばヤヌス粒子）は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４上に形成された外層２６と、内層２４に対応するウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８と、を含む。外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４が金属層２８によって引き付けられる。任意で、金属層２８は内層２４と同じ材料を有する。

【0033】

この実施形態では、外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、金属層２８が側壁１８の下方部に形成されている。例えば、金属層２８は、ウェルの深さの１／２、２／３または１／４より下の側壁１８の位置に形成される。

【0034】

いくつかの実施形態において、外層２６は任意であってよい。

【0035】

図３Ａを参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム４０が提供される。配向装填システム４０は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、ウェル１４中に装填された複数の粒子２０と、を含む。粒子２０（例えばヤヌス粒子）は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４上に形成された外層２６と、内層２４に対応するウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８と、を含む。露出したコア構２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４が金属層２８によって引き付けられる。任意で、金属層２８は内層２４と同じ材料を有する。

【0036】

この実施形態では、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、金属層２８が側壁１８の上方部に形成されている。

【0037】

いくつかの実施形態において、外層２６は任意であってよい。

【0038】

さらに、露出したコア構造２２’上およびウェル１４の底部１６上は、帯電分子（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）で修飾されており、例えば、露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾され、ウェル１４の底部１６上は正帯電分子６２で修飾されている。明確には、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、露出したコア構造２２’上の帯電分子は、ウェル１４の底部１６上の帯電分子とは反対の電荷を含む。

【0039】

いくつかの実施形態において、露出したコア構造２２’上の帯電分子は、標的分子、例えばポリヌクレオチド、またはその他の分子、例えばタンパク質、ウィルス、バクテリア、細胞、負帯電ポリマーもしくは負帯電粒子あり得る。

【0040】

いくつかの実施形態において、ウェル１４の底部１６上の帯電分子は、ｐＨ調整（例えばｐＨ＜ｐＩ）による次式のシステイン−ベタイン（ＣＢ）シラン（ｐＩ＝５〜６）のような両性イオン分子を含み得る。

【0041】

【化1】

【0042】

図３Ｂを参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム４０’が提供される。図３Ａの配向装填システム４０と、図３Ｂの配向装填システム４０’との差異は、配向装填システム４０’では、露出したコア構造２２’上が正帯電分子６２で修飾され、ウェル１４の底部１６上が負帯電分子６０で修飾されている点である。

【0043】

図４Ａを参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム４００が提供される。配向装填システム４００は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、ウェル１４中に装填された複数の粒子２０と、を含む。粒子２０（例えばヤヌス粒子）は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４の上に形成された外層２６と、内層２４に対応するウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８と、を含む。外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４が金属層２８によって引き付けられる。任意で、金属層２８は内層２４と同じ材料を有する。

【0044】

この実施形態では、外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、金属層２８が側壁１８の下方部に形成されている。

【0045】

さらに、外層２６上およびウェル１４の底部１６上は、帯電分子（ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）で修飾されており、例えば、外層２６上は負帯電分子６０で修飾され、ウェル１４の底部１６上は正帯電分子６２で修飾されている。明確には、外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、外層２６上の帯電分子は、ウェル１４の底部１６上の帯電分子とは反対の電荷を含む。

【0046】

いくつかの実施形態において、外層２６上の帯電分子は、標的分子、例えばポリヌクレオチド、またはその他の分子、例えばタンパク質、ウィルス、バクテリア、細胞、負帯電ポリマーもしくは負帯電粒子であり得る。

【0047】

いくつかの実施形態において、ウェル１４の底部１６上の帯電分子は、ｐＨ調整（例えばｐＨ＜ｐＩ）による次式のシステイン−ベタイン（ＣＢ）シラン（ｐＩ＝５〜６）のような両性イオン分子を含み得る。

【0048】

【化2】

【0049】

いくつかの実施形態において、外層２６は任意（ｏｐｔｉｏｎａｌ）であってよい。

【0050】

いくつかの実施形態において、外層２６が任意であるとき、帯電分子は内層２４上に修飾される。

【0051】

図４Ｂを参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム４００’が提供される。図４Ａの配向装填システム４００と、図４Ｂの配向装填システム４００’との差異は、配向装填システム４００’では、外層２６上が正帯電分子６２で修飾され、ウェル１４の底部１６上が負帯電分子６０で修飾されている点である。

【0052】

図５を参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム１２０が提供される。配向装填システム１２０は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、ウェル１４中に装填された磁性ビーズ１３２を有する複数の粒子１３０と、磁性ビーズ１３２に対応するウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された、鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８と、を含む。磁性ビーズ１３２がウェル１４の底部１６の方を向くように、磁性ビーズ１３２は金属層２８によって引き付けられる。任意で、金属層２８は磁性ビーズ１３２と同じ材料を有する。この実施形態では、磁性ビーズ１３２がウェル１４の底部１６の方を向くように、金属層２８は側壁１８の下方部に形成される。図６に示される別の実施形態では、磁性ビーズ１３２がウェル１４の底部１６の方を向くように、磁性ビーズ１３２上が負帯電分子６０で修飾され、ウェル１４の底部１６上が正帯電分子６２で修飾される。

【0053】

いくつかの実施形態において、磁性ビーズ１３２上の負帯電分子６０は、標的分子、例えばポリヌクレオチド、またはその他の分子、例えばタンパク質、ウィルス、バクテリア、細胞、負帯電ポリマーもしくは負帯電粒子であり得る。

【0054】

いくつかの実施形態において、ウェル１４の底部１６上の正帯電分子６２は、ｐＨ調整（例えばｐＨ＜ｐＩ）による次式のシステイン−ベタイン（ＣＢ）シラン（ｐＩ＝５〜６）のような両性イオン分子を含み得る。

【0055】

【化3】

【0056】

図７を参照すると、本開示の１実施形態により、配向装填システム１６０が提供される。配向装填システム１６０は、基板１２と、基板１２に形成された、底部１６および側壁１８をそれぞれ備える複数のウェル１４と、を含む。ウェル１４の底部１６上は、正帯電分子６２で修飾され、複数の粒子１７０はウェル１４中に装填される。粒子１７０（例えばヤヌス粒子）は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金（つまり磁性材料）を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するよう内層２４上に形成された、電荷的に中性な分子（ｎｅｕｔｒａｌｌｙ ｃｈａｒｇｅｄ ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ）１８０でその上が修飾された外層２６と、を含む。露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾される。あるいは、図８に示されるように、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くよう、ウェル１４の底部１６上が負帯電分子６０で修飾され、露出したコア構造２２’上が正帯電分子６２で修飾される。粒子間の凝集が防がれるように、図１から図６に示された実施形態の外層上または粒子表面上に、電荷的に中性な分子１８０が修飾されてもよい。

【0057】

１実施形態において、露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾され、ウェル１４の底部１６は両性イオン分子で修飾される。この実施形態では、ウェル１４の底部１６上に修飾された両性イオン分子が、図７に示されるように、正帯電分子６２となるよう、環境のｐＨ値は両性イオン分子のｐＩ値よりも低い。このとき、露出したコア構造２２’上に修飾された負帯電分子６０は、ウェル１４の底部１６上に修飾された正帯電分子６２によって静電的に引き付けられる。

【0058】

別の実施形態において、露出したコア構造上は負帯電分子で修飾され、ウェルの底部は両性イオン分子で修飾される。この実施形態では、ウェルの底部上に修飾された両性イオン分子が負帯電分子となるよう、環境のｐＨ値は両性イオン分子のｐＩ値よりも高い（図示せず）。このとき、露出したコア構造上に修飾された負帯電分子は、ウェルの底部上に修飾された負帯電分子に静電的に反発する。

【0059】

いくつかの実施形態において、電荷的に中性な分子１８０は、次式のスルホ−ベタイン（ＳＢ）シラン（ｐＩ＝２〜１３）を含み得る。

【0060】

【化4】

【0061】

いくつかの実施形態において、負帯電分子６０は、標的分子、例えばポリヌクレオチド、またはその他の分子、例えばタンパク質、ウィルス、バクテリア、細胞、負帯電ポリマーもしくは負帯電粒子であり得る。

【0062】

いくつかの実施形態において、正帯電分子６２は、ｐＨ調整による（例えばｐＨ＜ｐＩ）次式のシステイン−ベタイン（ＣＢ）シラン（ｐＩ＝５〜６）のような両性イオン分子を含み得る。

【0063】

【化5】

【0064】

さらに、ウェル中に装填された粒子を配向させる方法が提供される。いくつかの実施形態において、当該方法は次の工程を含む。図１に示されるように、複数のウェル１４が形成された基板１２が準備される。基板１２において、各ウェル１４は、底部１６および側壁１８、ならびにウェル１４の側壁１８中に部分的に形成された鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む金属層２８、を含む。複数の粒子２０（例えばヤヌス粒子）が準備される。粒子２０は、コア構造２２と、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４の上に形成された外層２６と、を含む。任意で、内層２４は金属層２８と同じ材料を有する。粒子２０がウェル１４中に装填される。内層２４が金属層２８に磁気により引き付けられる。図１において、金属層２８は側壁１８の上方部、好ましくはウェルの深さの半分より上に形成されており、側壁１８の上方部に金属層２８が形成されているために、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くようになる。図２を参照すると、金属層２８は側壁１８の下方部、好ましくはウェル深さの半分より下に形成されており、側壁１８の下方部に金属層２８が形成されているために、外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くようになる。

【0065】

上記方法は、ウェルの底部上、および、外層上または露出したコア構造上を、帯電分子で修飾することによって、より優れたものとなり得る。図３Ａを参照すると、露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾される。ウェル１４の底部１６上は正帯電分子６２で修飾される。粒子２０がウェル１４中に装填される。露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４は金属層２８に磁気により引き付けられ、露出したコア構造２２’上に修飾された負帯電分子６０は、ウェル１４の底部１６上に修飾された正帯電分子６２によって静電的に引き付けられる。図４Ａを参照すると、外層２６上は負帯電分子６０で修飾されている。ウェル１４の底部１６上は正帯電分子６２で修飾されている。粒子２０がウェル１４中に装填される。外層２６がウェル１４の底部１６の方を向くように、内層２４は金属層２８に磁気により引き付けられ、外層２６上に修飾された負帯電分子６０は、ウェル１４の底部１６上に修飾された正帯電分子６２によって静電的に引き付けられる。

【0066】

図３Ａにおいて、ウェル１４の底部１６上は、例えばｐＨ調整によって、正帯電分子６２で修飾される。例えば、ウェル１４の底部１６は両性イオン分子で修飾される。環境のｐＨ値が両性イオン分子のｐＩ値よりも低いとき、両性イオン分子は正に帯電したものとなる。

【0067】

本開示では、ｐＨ調整により粒子の装填を制御する方法も提供される。当該方法は次の工程を含む。図７に示されるように、複数のウェル１４が形成された基板１２が準備される。基板１２において、各ウェル１４は底部１６および側壁１８をそれぞれ備える。ウェル１４の底部１６上は正帯電分子６２で修飾される。複数の粒子１７０（例えばヤヌス粒子）が準備される。粒子１７０は、コア構造２２と、任意で、コア構造２２を部分的に覆う鉄、コバルト、ニッケルまたはこれらの合金のような磁性材料を含む内層２４と、外層２６であって、内層２４および外層２６に覆われないコア構造２２の一部が露出するように内層２４上に、または直接コア構造２２上に形成され、電荷的に中性な分子１８０でその上が修飾された外層２６と、を含む。露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾される。粒子１７０がウェル１４中に装填される。露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、露出したコア構造２２’上に修飾された負帯電分子６０は、ウェル１４の底部１６上に修飾された正帯電分子６２によって静電的に引き付けられる。あるいは、図８に示されるように、ウェル１４の底部１６上は負帯電分子６０で修飾され、露出したコア構造２２’上は正帯電分子６２で修飾される。粒子１７０がウェル１４中に装填されると、露出したコア構造２２’がウェル１４の底部１６の方を向くように、露出したコア構造２２’上に修飾された正帯電分子６２は、ウェル１４の底部１６上に修飾された負帯電分子６０によって静電的に引き付けられる。

【0068】

したがって、ウェル１４の底部１６は、例えばｐＨ調整により、負帯電分子６０または正帯電分子６２で修飾され得る。例えば、１実施形態において、露出したコア構造２２’上は負帯電分子６０で修飾され、ウェル１４の底部１６は両性イオン分子で修飾される。この実施形態では、図７に示されるようにウェル１４の底部１６上に修飾された両性イオン分子が正帯電分子６２になるよう、環境のｐＨ値が両性イオン分子のｐＩ値よりも低いものに調整される。このとき、露出したコア構造２２’上に修飾された負帯電分子６０は、ウェル１４の底部１６上に修飾された正帯電分子６２によって静電的に引き付けられる。別の実施形態では、露出したコア構造上は負帯電分子で修飾され、ウェルの底部は同じく両性イオン分子で修飾される。この実施形態では、ウェルの底部上に修飾された両性イオン分子が負帯電分子になるよう（図示せず）、環境のｐＨ値が両性イオン分子のｐＩ値よりも高いものに調整される。よって、このとき、露出したコア構造上に修飾された負帯電分子はウェルの底部上に修飾された負帯電分子と反発し、粒子１７０がウェル１４から離れる。

【0069】

本開示において、ナノ粒子は標的分子の装填効率を高める。標的分子から発せられるシグナルは、検出時におけるナノ粒子の精確な配向（ｐｒｅｃｉｓｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）のために、はっきりと検出される。本開示は、ナノ粒子、ナノウェルまたはこれらの組み合わせを修飾することによってナノ粒子を精確に配向させる（ｐｒｅｃｉｓｅ ｎａｎｏｐａｒｔｉｃｌｅ ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）方法およびシステムを提供する。

【実施例】

【0070】

実施例１

【0071】

システイン−ベタイン（ＣＢ）シランの合成

【0072】

スキーム

【0073】

【化6】

【0074】

トリメトキシ［（３−メチルアミノ）プロピル］シランおよびエチル４−ブロモブタノエート（ｅｔｈｙｌ ４−ｂｒｏｍｏｂｕｔａｎｏａｔｅ）をＡＣＮ中にモル比１：１．３で混合してから、７２時間還流した。その生成物を凍結乾燥機で乾燥した。ガラスの表面改質のために、Ｏ_２プラズマ（またはピラニア）処理ガラスを、ＥｔＯＨに溶解した１（ｖ／ｖ）％の生成物中に１時間浸漬した。次いで、３０分間の２．５Ｍ ＨＣｌ処理によりエチル基を加水分解した後に、ＣＢ官能基がグラフトされたガラスを得た。

【0075】

実施例２

【0076】

スルホ−ベタイン（ＳＢ）シランの合成

【0077】

スキーム

【0078】

【化7】

【0079】

５０ｍｌ ＴＨＦ中の１１−ブロモ−ウンデカ−１−エン（５ｍｌ）を室温で８時間撹拌した。その混合溶液を真空で濃縮し、ＤＣＭ５０ｍｌを加えて２回濃縮してから、ＮａＯＨで抽出した。その有機溶液を無水硫酸ナトリウムフィルターに通し、真空で濃縮して、Ｎ，Ｎ−ジメチル−ウンデカ−１０−エニル−アミン（無色の油状物）を得た。Ｎ，Ｎ−ジメチル（１１−メルカプトウンデシル）アミン（３．０ｇ）を、無水アセトン（１００ｍＬ）中の１，３−プロパンスルトン（１．６ｍＬ）の溶液に加え、その反応混合物を室温で２４時間撹拌した。その反応混合物をろ過し、固体をアセトンで洗浄し、真空で乾燥して、３−（Ｎ，Ｎ−ジメチル−ウンデカ−１０−エニル−アミノ）−プロパン−１−スルホン酸（白色の固体）を得た。メタノール（１０ｍＬ）中のＣＨ_２ＣＨ（ＣＨ_２）_９Ｎ^＋（ＣＨ_３）_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯ_３⁻（２．７ｇ）およびＣＨ_３Ｃ（Ｏ）ＳＨ（５．０ｍＬ）の溶液に窒素ガスをバブリングし、ＡＢＣＮ（５０ｍｇ）を加え、その溶液を光反応器内に入れ室温で１６時間照射した。無水アセトン（２００ｍＬ）を加え、得られた沈殿物をろ過し、真空で乾燥した。その生成物をアセトン／メタノールから再結晶させてＣＨ_３Ｃ（Ｏ）Ｓ−（ＣＨ_２）_１１Ｎ^＋（ＣＨ_３）_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯ_３⁻（白色の固体）を得た。Ｈ_２Ｏ（１０ｍＬ）中のＣＨ_３Ｃ（Ｏ）Ｓ（ＣＨ_２）_１１Ｎ^＋（ＣＨ_３）_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯ_３⁻（１．０ｇ）の溶液に窒素ガスを１０分バブリングし、ＮａＯＨ（５ｍＬ、１．０Ｍ）を加え、その溶液を２時間撹拌した。その溶液をＨＣｌ（６ｍＬ，１Ｍ）で酸性化し、シンチレーションバイアル中へろ過し、冷凍し、凍結乾燥してＨＳ（ＣＨ_２）_１１Ｎ^＋（ＣＨ_３）_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＣＨ_２ＳＯ_３⁻（白色の固体)を得た。

【0080】

開示された実施形態に様々な変更および変化が加えられ得ることは、当業者には明らかであろう。明細書および実施例は単に例示と見なされることが意図されており、本開示の真の範囲は以下の特許請求の範囲およびそれらの均等物によって示される。

【符号の説明】

【0081】

１０、４０、４０’、１００、１２０、１６０、４００、４００’…配向装填システム
１２…基板
１４…ウェル
１６…底部
１８…側壁
２０、１３０、１７０…粒子
２２…コア構造
２２’…露出したコア構造
２４…内層
２６…外層
２８…金属層
６０…負帯電分子
６２…正帯電分子
１３２…磁性ビーズ
１８０…電荷的に中性な分子
ｄ…ウェルの幅
ｈ…ウェルの深さ

【図1】

【図2】

【図3A】

【図3B】

【図4A】

【図4B】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】