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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2023-09-05
(54)【発明の名称】指向性化学反応速度論
(51)【国際特許分類】
B01J 19/00 20060101AFI20230829BHJP
B01J 19/10 20060101ALI20230829BHJP
B01J 19/08 20060101ALI20230829BHJP
B01J 19/12 20060101ALI20230829BHJP
G01N 33/483 20060101ALN20230829BHJP
【ＦＩ】
B01J19/00 321
B01J19/10
B01J19/08 D
B01J19/08 A
B01J19/12 D
G01N33/483 C
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023507228
(86)(22)【出願日】2021-07-28
(85)【翻訳文提出日】2023-03-30
(86)【国際出願番号】 CA2021051060
(87)【国際公開番号】W WO2022020955
(87)【国際公開日】2022-02-03
(31)【優先権主張番号】63/059,288
(32)【優先日】2020-07-31
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523032386
【氏名又は名称】１２１９８７０３ カナダ エルティーディー．
(74)【代理人】
【識別番号】110003797
【氏名又は名称】弁理士法人清原国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】プリストパ，デイビッド アラン
(72)【発明者】
【氏名】パカク，ジョン ステファン
【テーマコード（参考）】
2G045
4G075
【Ｆターム（参考）】
2G045DA37
2G045FA11
4G075AA13
4G075AA27
4G075AA39
4G075AA61
4G075AA65
4G075BA10
4G075BB04
4G075BB08
4G075BB10
4G075CA14
4G075CA23
4G075CA24
4G075CA42
4G075DA02
4G075DA05
4G075EB31
4G075EB50
(57)【要約】
【解決手段】１つの分子と第２の分子との相互作用の確率を高める方法は、分子を含むボリュームに、少なくとも２つの非アラインメント方向の音響力及び／又は電磁場又はそれらの任意の組み合わせによって時間的に変化する摂動のシーケンスを印加することを含む。時間的に変化する摂動のシーケンスは、ボリューム内の分子の摂動された分子構成のシーケンスを生成するように選択され、摂動のシーケンスは、確率の増加を引き起こすように選択される。最初に、分子の配向に関するデータが得られ、そのデータに基づいてシーケンスが選択される。データは、観察によって、又は選択された場を使用して既知の配向を作成することによって得ることができる。
【選択図】図９
【選択図】図９
【特許請求の範囲】
【請求項1】
分子間の相互作用を指向するための方法であって、相互作用ボリューム内に前記分子を集めることと、
少なくとも２つの非アラインメント方向の時間的に変化する摂動のシーケンスを前記相互作用ボリュームに印加することと、を含み、
時間的に変化する前記摂動のシーケンスは、前記相互作用ボリューム内の少なくとも１つの分子について摂動された分子構成のシーケンスを生成するように選択され、
前記摂動のシーケンスは、前記少なくとも１つの分子と第２の分子との相互作用の確率を増加させる前記少なくとも１つの分子の少なくとも１つの選択された配向を引き起こすように選択される、方法。
【請求項2】
前記分子のうちの少なくとも１つの少なくとも一部の配向に関するデータを得ることを含み、シーケンスが前記データに基づいて選択される、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記データが、選択された場を使用して既知の配向を作成することによって得られる、請求項２に記載の方法。
【請求項4】
前記摂動のうちの少なくとも１つが、音響力によって、並びに／又は電場及び磁場を含む電磁場によって、又はそれらの任意の組み合わせによって引き起こされる、請求項１～３のいずれかに記載の方法。
【請求項5】
前記摂動のうちの少なくとも１つが、溶媒分子のフラックスによって引き起こされる、請求項１～４のいずれかに記載の方法。
【請求項6】
前記摂動のシーケンスが、前記相互作用ボリューム内の前記少なくとも１つの分子の前記選択された配向を誘導する第１の期間に印加される第１の状態を含む、請求項１～５のいずれかに記載の方法。
【請求項7】
前記摂動のうちの少なくとも１つが電磁放射線によって生成される、請求項１～６のいずれかに記載の方法。
【請求項8】
少なくとも１つの音響じょう乱が前記相互作用ボリュームに印加される、請求項１～７のいずれかに記載の方法。
【請求項9】
前記摂動のシーケンスが、前記少なくとも１つの選択された配向において、前記少なくとも１つの分子が前記第２の分子と相互作用し、第３の分子と相互作用しないように選択される、請求項１～８のいずれかに記載の方法。
【請求項10】
前記相互作用ボリュームが、一連の相互作用ボリュームを含み、第１の摂動のシーケンスが前記一連の相互作用ボリュームのうちの第１の相互作用ボリュームに印加されて、第１の分子と前記第２の分子とが相互作用して相互作用複合体を形成し、第２の摂動のシーケンスが前記一連の相互作用ボリュームのうちの第２の相互作用ボリュームに印加されて、前記相互作用複合体と第３の分子との間に相互作用を引き起こし、前記相互作用複合体が前記第１の相互作用ボリュームから前記第２の相互作用ボリュームに輸送される、請求項１～９のいずれかに記載の方法。
【請求項11】
前記一連の相互作用ボリュームがパイプライン化され、異なる摂動のシーケンスが前記一連の相互作用ボリュームの各々に印加される、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記少なくとも１つの分子が、摂動のシーケンスによって反応性構成のシーケンスを通じて周期的に循環される、請求項１～１１のいずれかに記載の方法。
【請求項13】
少なくとも１つの第１の分子と前記第２の分子との間の前記相互作用が、光学特性を変化させるように作動し、光学特性の前記変化が、前記相互作用が生じたかどうかを決定するために検出される、請求項１～１２のいずれかに記載の方法。
【請求項14】
少なくとも１つの第１の分子が、複数の異なる分子タイプを含み、前記異なる分子タイプの各々が、認識複合体としての前記第２の分子との相互作用について試験されるように、摂動のシーケンスによって構成のシーケンスを通じて循環される、請求項１～１３のいずれかに記載の方法。
【請求項15】
前記相互作用が、分光計測を使用して決定される、請求項１４に記載の方法。
【請求項16】
前記少なくとも１つの分子との反応のための前記第２の分子が、基材に付着され、基材軸に対してその上に配向された状態に維持される、請求項１～１５のいずれかに記載の方法。
【請求項17】
前記基材が固定されている、請求項１６に記載の方法。
【請求項18】
前記基材が前記相互作用ボリュームを制限する、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記基材が、１つ以上の磁場のシーケンスによって配向された磁性物体を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項20】
前記相互作用ボリューム内の前記少なくとも１つの分子の濃度が、分光計測を使用して決定される、請求項１～１９のいずれかに記載の方法。
【請求項21】
前記摂動のシーケンスが、前記相互作用ボリューム内の前記少なくとも１つの分子に関連するスペクトルを分析する人工知能アルゴリズムによって選択される、請求項１～２０のいずれかに記載の方法。
【請求項22】
前記摂動のシーケンスを選択するために使用されるデータが、音響力によって、並びに／又は電場及び磁場を含む電磁場によって、又はそれらの任意の組み合わせによって引き起こされる時間的に変化する場のシーケンスをサンプルボリュームに印加することであって、
前記時間的に変化する場のシーケンスが、サンプル中の標的分子について少なくとも２つの異なる摂動された分子構成のシーケンスを生成するように選択される、時間的に変化する場のシーケンスをサンプルボリュームに印加することと、
前記摂動された分子構成のうちの少なくとも２つについて、サンプル分子に入射するプローブ放射線のシーケンスを指向することであって、入射プローブ放射線ビーム内の少なくとも１つの波長が少なくとも１つのサンプル分子と相互作用する、前記サンプル分子に入射するプローブ放射線のシーケンスを指向することと、
前記少なくとも２つの摂動された分子構成において少なくとも１つの分子と少なくとも部分的に相互作用した相互作用放射線を集めることと、
により、少なくとも１つの標的分子の配向を検出することによって得られる、請求項１～２１のいずれかに記載の方法。
【請求項23】
電圧供給源に連結された電極が、前記相互作用ボリュームに出入りする放射線のためのフレネルレンズとして作用するように成形されており、前記フレネルレンズが、前記相互作用ボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、前記相互作用ボリューム内の点に入射放射線を集束させるために使用される、請求項１～２２のいずれかに記載の方法。
【請求項24】
前記少なくとも１つの分子と前記第２の分子との相互作用の確率が増加し、第３の分子と前記第２の分子との相互作用の確率が減少する、請求項１～２３のいずれかに記載の方法。
【請求項25】
電磁時間的に変化する摂動のシーケンスを相互作用ボリューム内の分子に印加するための方法であって、電圧供給源に連結された電極は、前記相互作用ボリュームに出入りする放射線のためのフレネルレンズとして作用するように成形されており、前記フレネルレンズは、前記相互作用ボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、前記相互作用ボリューム内の点に入射放射線を集束させるために使用される、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、電磁場を使用して分子間の相互作用を指向するための方法に関し、概して分子間の相互作用、特に生体分子間の相互作用に関する。
【背景技術】
【0002】
関連出願
本開示は、２０２０年３月１０日に発行された米国特許第１０，５８５，０４４号に記載されている本発明者らによる、高効率多重化（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）と題する特許、以下「ＨＥＭＳ特許」に開示されている分光計に関する開示に関する。
本開示は、２０２０年３月１０日に発行された米国特許第１０，５８５，０４４号に記載されている本発明者らによる、高効率多重化（Ｈｉｇｈ Ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）と題する特許、以下「ＨＥＭＳ特許」に開示されている分光計に関する開示に関する。
【0003】
本開示は、２０２０年２月１９日に出願された米国仮特許出願第６２／９７８６７１号、並びにいずれも２０２１年２月１８日に出願された米国特許出願第１７／１７８５５１号及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ２０２１／０５０１７７号に記載された、本発明者らによるフィールドプログラマブルアナログアレイ（ｆｉｅｌｄ ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ ａｎａｌｏｇ ａｒｒａｙ）、以下「ＦＰＡＡ特許」に関する開示に関する。
【0004】
本開示は、２０２０年２月１９日に出願された米国特許出願第６２／９７８６８０号、並びに２月１８日に出願された米国特許出願第１７／１７８，５８６号及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ２０２１／０５０１７９号に記載される、本発明者らによる、フィールドプログラマブル流体アレイ（ＦＩＥＬＤ ＰＲＯＧＲＡＭＭＡＢＬＥ ＦＬＵＩＤＩＣ ＡＲＲＡＹ）、以下「ＦＰＦＡ特許」に関する開示に関する。
【0005】
本開示は、２０１８年１１月１４日に出願された米国特許出願第６２／７６７，１８６号、及び米国特許出願公開第２０２０／０１５００３６号として２０２０年５月に公開された米国特許出願第１６／６８３３５７号に記載された、本発明者らによる電気シグナルアナライザである高分解能多重化システム（Ｈｉｇｈ Ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ）、以下「ＨＲＭＳ特許」に関する開示に関する。
【0006】
本開示は、２０２０年２月１９日に出願された本発明者らによる「ＭＧ特許」の後の本明細書の米国特許出願第６２／９７８，６７５号、並びにいずれも２０２１年２月１８日に出願された米国特許出願第１７／１７８５６１号及びＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＡ２０２１／０５０１７８号に記載される、サンプル配向用磁気プラットフォーム（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｐｌａｔｆｏｒｍ ｆｏｒ Ｓａｍｐｌｅ Ｏｒｉｅｎｔａｔｉｏｎ）と題する出願に関する。
【0007】
本開示は、２０２０年７月３１日に出願され、本出願と同時に出願された本発明者らによる「ＭＤＳ特許」の後の本明細書の米国特許出願第６３／０５９，２９８号に記載されている多次元分光法と題する出願に関する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0008】
【特許文献1】米国特許第１０，５８５，０４４号明細書
【特許文献2】米国特許出願公開第２０２０／０１５００３６号明細書
【発明の概要】
【0009】
本発明によれば、分子間の相互作用を指向するための方法であって、
相互作用ボリューム内に分子を集めることと、
少なくとも２つの非アラインメント方向の時間的に変化する摂動のシーケンスを相互作用ボリュームに印加することと、を含み、
時間的に変化する摂動のシーケンスは、相互作用ボリューム内の少なくとも１つの分子について摂動された分子構成のシーケンスを生成するように選択され、
摂動のシーケンスは、当該少なくとも１つの分子と第２の分子との相互作用の確率を増加させる当該少なくとも１つの分子の少なくとも１つの選択された配向を引き起こすように選択される、方法が提供される。
相互作用ボリューム内に分子を集めることと、
少なくとも２つの非アラインメント方向の時間的に変化する摂動のシーケンスを相互作用ボリュームに印加することと、を含み、
時間的に変化する摂動のシーケンスは、相互作用ボリューム内の少なくとも１つの分子について摂動された分子構成のシーケンスを生成するように選択され、
摂動のシーケンスは、当該少なくとも１つの分子と第２の分子との相互作用の確率を増加させる当該少なくとも１つの分子の少なくとも１つの選択された配向を引き起こすように選択される、方法が提供される。
【0010】
本方法は、好ましくは、シーケンスがデータに基づいて選択される、分子の少なくとも１つの少なくとも一部の配向に関するデータを得る工程を含む。データは、観察によって得ることができ、又は選択された場を使用して既知の配向を作成することによって得ることができる。
【0011】
したがって、本明細書に記載の配置は、分子間又はその一部間の１つ以上の相互作用のシーケンスを指向するための方法を提供する。電磁場のシーケンスが少なくとも１つの分子に印加され、分子の構成を初期構成から摂動された構成のシーケンスに変化させる。次いで、摂動された配置の第１の分子は、第２の分子（摂動された配置であってもなくてもよい）と相互作用することができ（又は相互作用しなくてもよい）、相互作用の速度及びタイプは、第１及び第２の分子の相互構成に依存し得る。
【0012】
相互作用は、同じタイプの分子間で均一であり得る。例えば、相互作用は、凝集、ゲル化又は結晶化相互作用であり得る。
【0013】
相互作用は、異なるタイプの分子間で不均一であり得る。例えば、相互作用は、抗体と抗原との間、又はアプタマーとタンパク質との間、又はヌクレオチドの配列間であり得る。相互作用は、化学反応、物理的結合相互作用、又は両方の組み合わせであり得る。
【0014】
第１の実施形態では、第２の分子は、基材上の固定位置及び配向に保持され、基材及びその上の第２の分子に対する第１の分子の位置、配向及び構成は、じょう乱のシーケンスを加えることによって操作される。基材自体を固定することができる。
【0015】
あるいは、第２の分子は、磁場のシーケンスによって第２の分子がその上に配置及び配向された磁性物体に固定され、第１の分子は、じょう乱のシーケンスによって配置、配向及び構成される。
【0016】
第３の実施形態では、第１の分子タイプ及び第２の分子タイプは、じょう乱のシーケンスによって配置、配向及び構成され、じょう乱のシーケンスは、第２の分子タイプに対するものとは異なる動的効果を第１の分子タイプに対して有する。じょう乱のシーケンスは、第１の分子タイプと第２の分子タイプとの間の相互作用の確率を増加又は減少させるように選択される。じょう乱は、音響波又は電磁場であり得る。
【0017】
本明細書における「分子」という用語は、そのメンバー間の相互作用のために凝集単位として動的に作用する原子の群を指す。この群は、水等の小溶媒分子からタンパク質等の生物学的高分子までの範囲の任意のサイズであり得る。大きな分子では、原子運動間の相関の程度は、離れている群内の原子間よりも近接している群内の原子間の方が高い。本明細書における「分子フラグメント」又は「その一部」という用語は、全体として分子とのよりもサブグループ内でより高い程度の動力学的相関を有する原子のサブグループを指す。原子のサブグループは、例えば、アミノ基等の化学官能基であり得る。原子のサブグループは、例えば、高分子の側鎖であり得る。サブグループは、例えば、タンパク質内のドメインであり得る。本明細書における「摂動された構成」という用語は、標的分子が基底量子状態にある場合、標的分子の平均原子座標が、基底量子状態における初期構成の平均原子座標とは異なることを意味する。じょう乱の時間的シーケンスは、電磁的、音響的、又は電磁的と音響的との任意の組み合わせであってもよい。
【0018】
熱平衡での相互作用のために選択されたタイプの分子を含むサンプルでは、各分子又はその一部は、複数の最小位置エネルギーの間で熱活性化再構成を受ける。位置エネルギー関数は、分子の電子構成（共有結合）、水素結合、ファンデルワールス相互作用、及びイオン相互作用を記述する用語を含む。ここでの再構成は、分子又はその一部の少なくとも１つの原子が第１の空間ボリュームから第２の空間ボリュームに移動することを意味する。じょう乱の時間変化シーケンスは、選択された分子を含むサンプルに印加され、選択された分子の位置エネルギー関数を摂動させる。じょう乱は、直接印加される電磁場又は分子間相互作用を介して間接的に電磁気効果を課す音響じょう乱であってもよい。本開示の方法で使用され得る最小電磁場強度は、分子又はその一部の少なくとも１つの集団の構成の非熱的分布を誘発するのに十分である。電磁場強度が増加すると、熱的集団からの逸脱が増加し、各分子集団又はその一部に新しい構成状態が利用可能になり得る。すなわち、第１の分子集団又はその一部は、新しい１セットの構成状態を当該第１の集団に利用可能にするように電磁場強度を変化させることによって、第２の分子集団又はその一部と区別することができる。
【0019】
じょう乱に対する各分子又はその一部の動的応答は、印加される電磁場、分子電荷分布、質量分布、近接する分子又はその一部との相互作用、及び熱励起に依存する。ここで、印加された電磁場は、印加された音響波によって誘発された分子衝突からの可能性のある局所的な電磁気相互作用を含むと考えられる。各分子又はその一部は、印加された時間的に変化する電磁場によって駆動され、熱励起及び近接する分子又はその一部との相互作用によって減衰する減衰振動子として作用する。時間的に変化する電磁場に応答して、分子又はその一部は、時間的に変化する好ましい構成を有する。各タイプの分子又はその一部の時間的に好ましい構成は、印加される時間的に変化する電磁場と異なる位相関係を有し得る。ＤＣ又はゆっくりと変化する電場では、全ての分子又はその一部が同相である。印加される電場の周波数が増加するにつれて、重分子又は緊密に結合した分子又はその一部は、過駆動され、印加された電磁場と位相がずれる。したがって、印加される電磁場の周波数を変化させることによって、第１のセットの分子又はその一部は、時間的に変化する第１の好ましい構成を有することができ、第２のセットの分子又はその一部は、時間的に変化する第２の好ましい構成を有することができる。分子タイプの相互に好ましい構成の時間的シーケンスは、異なる分子タイプ間の所望の又は望ましくない相互作用の確率を増加又は減少させるように選択される。
【0020】
本発明の重要な特徴によれば、第１のタイプの分子及び第２のタイプの分子を含む相互作用ボリュームと、相互作用ボリュームを通じて電磁場の時間的シーケンスを生成するように動作可能な電磁場発生器と、制御ユニットとが提供される。制御ユニットは、積分計算コンポーネント、データ記憶装置、通信コンポーネント、及びアナログシグナルコンポーネントを含む。制御ユニットは、電磁場発生器に電磁場のシーケンスを発生させるシグナルのシーケンスを生成する。電磁場のシーケンスは、電場、磁場、又は電場と磁場の任意の組み合わせを含むことができる。電磁場発生器は、例えば、レーザであってもよい。電磁場は、例えば、本発明者らによって上記引用されたＦＰＡＡ特許に記載されているようなフィールドプログラマブルアナログアレイによって生成され得る。
【0021】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、以下でより詳細に説明する多次元分光システムであってもよい分光システムが提供される。分光システムからのスペクトルデータは、分子の構成及び分子間の相互作用（存在する場合）に関するフィードバックを提供する。フィードバックは、異なる分子タイプ間の相互作用の確率を最適化する電磁場のシーケンスを選択するために、計算コンポーネントによって分析され得る。分析は、計算コンポーネントに統合された人工知能エージェントによって実行されてもよい。
【0022】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、音響波を放射するように動作可能な音響送信機が提供される。音響送信機は、例えば、構成変化を引き起こすサンプル分子に入射し、それと相互作用する超音波を生成することができる。分子レベルでは、音響波は、指向性温度と機能的に等価である、音響波伝播の軸に沿って優先的に分子衝突によって伝達される。指向性分子衝突によって供給されるエネルギー及び運動量は、例えば、分子構成状態間の位置エネルギー障壁を克服し、それによって第１の分子構成状態から第２の分子構成状態への遷移を促進することができる。
【0023】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、基材表面であって、当該基材表面に近接する少なくとも１つのタイプの分子又はその一部に好ましい配向を誘導する基材表面が提供される。基材表面は、例えば、結晶学的平面であってもよく、平面表面における原子の周期的な電子構成は、近接分子と相互作用して、近接分子の好ましい配向を誘導する。基材表面は、例えば、立体障害によって配向された第１のタイプの分子で被覆されてもよく、当該第１のタイプの分子は、第２のタイプの分子と相互作用して当該第２のタイプの好ましい配向を誘導する配向された官能基を含む。
【0024】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、印加磁場によって配向され得る少なくとも１つの基材表面を有する複合磁性体が提供される。複合磁性体は、例えば、上記で引用されたＭＧ特許に記載された複合磁性体であってもよい。複合磁性体を配向させるために必要な磁場は、例えば、上記のＦＰＡＡ特許の配置によって生成され得る。
【0025】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、相互作用ボリューム内に、認識複合体として作用する第１の分子タイプと、認識複合体分子が当該基材分子と特異的に結合する基材分子である第２の分子タイプとが提供される。すなわち、ボリュームは、複数の異なる分子タイプを含み、当該異なる分子タイプの各々は、認識複合体としての当該第２の分子との相互作用について試験されるように、摂動のシーケンスによって構成のシーケンスを通じて循環される。相互作用ボリュームはまた、認識複合体と特異的に結合しない複数の分子タイプを含み得る。認識複合体は、各基材分子タイプとの相互作用に対する親和性が異なり得る相互作用ボリューム内の複数の基材分子タイプと結合し得る。認識複合体は、固定された基材に付着され得る。認識複合体は、複合磁性体上の表面に付着されてもよく、認識複合体は、磁場のシーケンスで複合磁性体を配向することによって配向される。認識複合体は、プローブ放射線に応答して別個のスペクトルシグナルを生成する標識物質を含み得る。認識複合体は、非結合状態では不活性であり得、結合状態でレポーター分子を産生させ得、レポーター分子は、プローブ放射線に応答して別個のスペクトルシグナルを生成する。各分子タイプについて、スペクトルシグナルは、プローブ放射線の方向及び偏光ベクトルに対する分子の構成及び配向に依存する。したがって、分子の配向及び構成を乱すことによって、スペクトルシグナルが変化する。スペクトルシグナルは、特徴的な波長におけるプローブ放射線の吸収であってもよく、第１の波長で照射されたプローブ放射線と、それに続く時間的遅延を伴う第２の波長での放射線の放射の吸収、１つ以上のプローブ波長の弾性散乱、又は各タイプの分子に特徴的な光子エネルギーの変化を伴う１つ以上のプローブ波長のラマン散乱であってもよい。認識複合体は、基材分子と結合していない場合は第１のスペクトルシグナルを生成し、基材分子と結合している場合は第２のスペクトルシグナルを生成し得る。認識複合体は、例えば、抗体、又はタンパク質構造若しくはその一部を認識する抗原であり得る。認識複合体は、例えば、サンプル分子の集合中の特定の核酸配列と特異的に結合する核酸配列を含み得る。標識材料は、例えば、蛍光マーカーであり得る。標識材料は、例えば、明確なラマン又は共鳴ラマンシグナルを生じ得る。
【0026】
上記又は以下の特徴のいずれかと独立して使用することができる本発明の重要な任意の特徴によれば、第１のタイプの分子を第２のタイプの分子を含む相互作用ボリュームに輸送するように動作可能なマイクロ流体アレイが提供される。ここでの相互作用ボリュームは、上述のように電磁場及び音響場によって影響を受けるボリューム領域である。マイクロ流体アレイは、例えば、一連の試験サンプルを診断分子に近接させることができ、試験サンプル及び／又は診断分子は、電磁場のシーケンス及び音響場によって構成のシーケンスを介して駆動される。マイクロ流体アレイは、例えば、本発明者らによって上記で引用されたＦＰＦＡ特許に記載されている配置であってもよい。
【0027】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、時間的に変化する電場のシーケンスが、第１のタイプの分子及び第２のタイプの分子を含む相互作用ボリュームに印加され、シーケンス内の少なくとも２つの電場ベクトル間の角度は０度より大きく１８０度未満であり、時間的に変化する電場のシーケンスは、相互作用をより可能性の高いものにするために第１及び第２の分子タイプの構成を変更するように選択される。第１及び第２の分子タイプはそれぞれ相互作用軸を有することができ、時間的に変化する電場は、第１の分子の相互作用軸を第２の分子の相互作用軸とアラインメントさせるように機能する。
【0028】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、時間的に変化する電場が、複数の分子タイプからなる分子の集合に印加され、電場によって誘導される配向度は、第２のタイプの分子に対して誘導される配向度よりも第１のタイプの分子に対して大きい。例えば、第１のタイプの分子は、第２のタイプの分子に等しい双極子モーメント及び第２のタイプの分子よりも小さい慣性モーメントを有し得る。慣性モーメントが小さいため、第１のタイプの分子は、印加された電場に対してより高い速度で配向することができる。
【0029】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、認識複合体が相互作用ボリューム内のサンプル分子の集合に付加され、電磁場のシーケンスが印加されて、サンプル分子の集合内の基材分子の好ましい配向及び認識複合体の好ましい配向を引き起こし、相互の好ましい配向は、認識複合体が基材分子と相互作用する確率を変化させる。例えば、ＤＣ電場を印加して、認識複合体と基材分子の両方の正味の双極子を整列させることができ、時間的に変化する電場を印加して、認識複合体と基材分子の相対的な向きを変動させて、基材分子を認識複合体の活性部位とアラインメントさせる。このアプローチは、認識複合体及び基材分子が異なる動的特性を有することを必要とする。
【0030】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、印加される電磁場の第１のシーケンスは、基材分子に特異的な認識複合体による基材分子認識の確率を高める。すなわち、基材分子と認識複合体との間の相互作用の確率が増加する。相互作用は、例えば、基材分子と認識複合体との間の少なくとも１つの共有結合、イオン結合、双極子－双極子又はファンデルワールス結合の形成であり得る。任意に、本発明者らによって上記引用されたＭＤＳ特許においてより完全に記載されているように、印加された電磁場の第２のシーケンスを使用して、基材分子と認識複合体との間の相互作用を測定することができる。この実施形態は、例えば、核酸配列認識に必要な時間を短縮し、したがって核酸検査をより迅速にするために使用され得る。
【0031】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電磁場の第２のシーケンスは、基材分子認識の確率を低下させる。この実施形態は、例えば、いくつかの認識複合体をサイレンシングするために使用され得るが、他のものは異なる認識反応のシーケンスにおいて活性である。
【0032】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、相互作用ボリュームに印加される電場のシーケンスのうちの少なくとも１つの電場は、電磁放射線（光子の束）の形態で印加され得る。印加された電場は、各分子の電荷分布と相互作用し、分子内の各原子に作用する既存の分子間力及び分子内力に方向性のある力を加えることができる。光子の束は、例えば、分子を第１の電荷分布を有する基底状態から第２の電荷分布を有する励起状態に遷移させることができる。光子の束は、例えば、電荷分布の関連する変化を伴う分子のイオン化を引き起こし得る。次いで、分子構成は、各原子における新しい正味の力に動的に調整され、摂動された構成のシーケンスを与える。単一の妨げられない工程が必要な場合、再構成ダイナミクスは高速（＜１ｐｓ）であり得る。多くの工程が必要とされる場合、又は再構成を妨げる位置エネルギー障壁がある場合、再構成ダイナミクスは遅くなり得る（＞１μｓ）。出発分子構成は一般に熱平衡にあり、統計力学の方法によって説明することができるが、摂動された構成のシーケンスは非平衡である。本発明は、これらの非平衡構成を相互作用に利用可能にする。好ましくは、電場のシーケンスのうちの少なくとも１つの電場は、サンプル中の少なくとも１つの分子タイプの再構成速度以下の周波数を有する。
【0033】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、１つ以上の高周波電磁場（すなわちＵＶ、Ｘ線）がイオン化を引き起こし、又は電子を励起状態に促進することができ、低周波電場のシーケンスが、変化した電子状態に作用することによって分子構成の変化をもたらす。
【0034】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、時間的に変化する音響波のシーケンスが相互作用ボリュームに印加される。音響波は、音響波の伝達軸に沿って分子衝突を偏らせ、これにより、分子又はその一部を音響波伝播方向に対して優先的に配向させることができる。音響波のシーケンスは、分子又はその一部の集合の構成を設定する音響波の第１のサブシーケンスと、分子又はその一部の構成状態の時間的発展を引き起こす音響波の第２のサブシーケンスとを含むことができる。音響波は、例えば、相互作用される高分子に対する溶媒分子の変位及び再配置を引き起こし得る。例えば、溶媒分子の電気双極子モーメントの好ましい方向は、音響波によって変調されてもよく、溶媒電気双極子モーメントは、相互作用される高分子の電子構造を変化させる。溶媒分子は、例えば、水であり得る。音響波のシーケンスは、単一の周波数を含んでもよく、又は複数の周波数を含んでもよい。音響波周波数のシーケンスはチャープされてもよい。音響波は、例えば、圧電素子によって生成されてもよい。音響波は、例えば、電磁場によって分析される分子を含む溶液内で磁性体を移動させることによって生成され得る。電磁場は、例えば、上記で引用されたＦＰＡＡ特許に記載されているようなフィールドプログラマブルアナログアレイによって生成することができる。
【0035】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、反応体分子は、溶媒分子の束によって少なくとも部分的に配向される。流体流中の溶媒分子は、優先的に流体流の方向に運動量を有し、当該運動量を反応体分子に伝達することができる。好ましい軸を有する反応体分子は、流れの方向に軸と共に配向する傾向がある。対照的に、電磁場は分子電荷分布に作用し、分子電荷分布は分子軸に依存せず、垂直な成分を有し得る。したがって、分子は、流体流と電磁力とのベクトル和である任意の方向に配向され得る。
【0036】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、時間的に変化する電場のシーケンスが、相互作用する第１のタイプの分子及び第２のタイプの分子、並びに相互作用しない第３のタイプの分子を含む相互作用ボリュームに印加され、シーケンス内の少なくとも２つの電場ベクトル間の角度はアラインメントされておらず、０度より大きく１８０度未満であり、時間的に変化する電場のシーケンスは、相互作用の可能性をより高くするために第１及び第２の分子タイプの構成を変更するように選択され、時間的に変化する電場のシーケンスは、相互作用の可能性をより低くする第３の分子タイプの構成を変更する。すなわち、相互作用する可能性がある複数の分子タイプを含む溶液中である。時変電場のシーケンスは、どの分子種が相互作用し、どの分子種が相互作用しないかを選択するために使用される。例えば、Ｂ又はＣの双極子モーメントが好ましい軸に沿って向けられ、更にＢがＣよりも小さい慣性モーメントを有する場合、第１の相互作用種Ａは表面に固定化され、分子種Ｂ及びＣの両方と相互作用することができる。ＡとＢとの相互作用が好ましい第１の例では、第１のＤＣ電場は、いずれもＡと相互作用し得ないように、相互作用軸に対して垂直にＢ及びＣの両方を配向させる。短い時間間隔の間、相互作用軸の方向に第２の電場が印加される。短い時間間隔Ｂ内では、慣性モーメントが小さいほど、第２の電場と配向し、Ａと相互作用する。短い時間間隔Ｃ内では、より大きな慣性モーメントを有することは、相互作用軸の方向に不完全に再配向し、相互作用しない。次いで、垂直ＤＣ場は、Ｂ及びＣの両方を非相互作用垂直配向に引き付ける。ＡとＣとの相互作用が好ましい第２の例では、第１のＤＣ電場は、Ｂ及びＣの両方を相互作用軸に平行に配向し、両方がＡと相互作用することができる。相互作用軸に垂直な第２の電場は、短い時間間隔の間活性化され、Ｂを短い時間間隔の間に相互作用軸に垂直に再配向させ、Ｃはより遅く再配向し、相互作用することができるままである。Ｃは相互作用軸に沿ってより多くの時間を費やすので、ＡがＣと相互作用する確率は、ＡがＢと相互作用する確率に比べて高められる。
【0037】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電磁場の第１の時間的シーケンスが、第１の相互作用分子のセットに対する第１の相互作用ボリュームに印加され、電磁場の第２の時間的シーケンスが、相互作用分子の第２のセットに対する第２の相互作用ボリュームに印加され、第１のセット中の相互作用分子の少なくとも一部が相互作用分子の第２のセットに含まれる。例えば、分子Ａ及び分子Ｂを第１の相互作用ボリュームに配置し、電磁場のシーケンスを印加して、ＡをＢと相互作用させて複合体ＡＢを形成させる。次いで、複合体ＡＢをＣとの第２の相互作用ボリュームに配置し、電磁場のシーケンスを印加して複合体ＡＢをＣと相互作用させて複合体ＡＢＣを形成する。いくつかの実施形態では、第１の相互作用ボリュームと第２の相互作用ボリュームは一致し、異なる相互作用分子の時間的シーケンスが共通の相互作用ボリュームに加えられる。電磁場の時間的シーケンスは、相互作用ボリュームの付加の前、間、又は後の相互作用分子に印加され得る。いくつかの実施形態では、第１の相互作用ボリューム及び第２の相互作用ボリュームは、マイクロ流体システム内の別個のチャンバであり、第１の相互作用ボリュームからの相互作用生成物は、第２の相互作用ボリュームに輸送される。いくつかの実施形態では、相互作用ボリュームは、各リザーバが異なる種類の分子又はそれらの組み合わせを含む１つ以上の関連するリザーバを有してもよい。相互作用ボリューム、リザーバ及び接続チャネルのネットワークは、例えば、上記のＦＰＦＡ特許に記載されている配置であり得る。
【0038】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、複数の相互作用ボリュームが直列に接続され、電磁場の異なる時間的シーケンスが各相互作用ボリュームに印加され、各相互作用ボリュームの相互作用積は、直列内の次の相互作用ボリュームに転送される。すなわち、異なる相互作用工程のシーケンスを促進することができ、異なる一連の電磁場が各工程に印加される。好ましい実施形態では、各工程は同じ時間を要する（すなわち、工程のシーケンスはパイプライン化される）。プロセスは、例えば、各相互作用ボリュームのサイズを変えることによってパイプライン化され得る。いくつかの実施形態では、相互作用ボリュームは、各リザーバが異なる種類の分子又はそれらの組み合わせを含む１つ以上の関連するリザーバを有してもよい。相互作用ボリューム、リザーバ及び接続チャネルのネットワークは、例えば、上記のＦＰＦＡ特許に記載されている配置であり得る。
【0039】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電磁場の時間的シーケンスが周期的に繰り返されて、第１の分子タイプの分子構成の周期的な時間的シーケンスが生成され、各時間的シーケンスについて、第２の分子タイプは、各時間的シーケンスの開始に対して一定の時間的オフセットで第１の分子タイプに近接して輸送される。例えば、分子Ａ及びＢが特定の相互構成又は一組の構成にある場合、分子Ａは分子Ｂと反応し得る。分子Ａは、可能な反応性構成の数が非反応性構成の数よりもはるかに少ない電磁場の時間的シーケンスによって可能な反応性構成のシーケンスを循環する。本明細書における反応性構成は、全ての可能な構成にわたって平均化された相互作用の確率よりも高い相互作用の確率を有する構成を意味する。反応性構成は、例えば、分子Ｂの構成パラメータに依存し得、Ｂの構成パラメータは、分子Ｂが分子Ａに近接させられたときに複数の可能な値を有する。電磁場のシーケンスは、Ａ及びＢの相互の構成が反応状態に対応し、反応が起こりやすくなるまで、Ａの可能な各反応構成を試験する。平均して試験される相互構成はより少なく、試験される構成は平均よりも高い相互作用確率を有するため、電磁的に駆動される反応は、熱的に駆動されるプロセスよりも実質的に速く起こり得る。
【0040】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、「ロック」表面は、サンプル分子の集合を含むボリューム内又はその近くに配置され、認識複合体として作用する分子は、「ロック」表面に結合され、「ロック」表面は、認識複合体の認識領域に好ましい配向を付与する。電磁場のシーケンスをサンプル分子の集合に印加して、サンプル分子の集合内の基材分子を認識領域の好ましい配向に対してアラインメントさせて、基材分子が認識領域と相互作用して結合する確率を変化させる。例えば、電磁場のシーケンスは、基材分子「キー」を認識領域「ロック」とアラインメントさせることができる。例えば、「ロック」表面は、磁場によって配向された複合磁性体上にあってもよく、「キー」基材分子は、電場によって配向されてもよい。
【0041】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電磁場のシーケンスがサンプル分子の集合に印加され、シーケンス中の各電磁場が、認識複合体の可能な配向に対して基材分子又はその一部を配向させる。例えば、認識複合体の個々の認識領域の配向は、好ましい方向の周りに円錐状の分布を有し得る。電磁場のシーケンスは、結合の確率を高めるように、各可能な認識複合体配向に対して基材分子を順に配向させる。
【0042】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、第１のタイプの分子は、相互作用ボリューム内の又は相互作用ボリュームに当接する基材表面に付着される。基材表面は、例えば、第１のタイプの分子上に好ましい配向を誘起する結晶であってもよい。基材は、例えば、第２の分子タイプとの相互作用のために限られた数の構成で反応性領域を露出させるように、第１の分子のタイプの可能性のある構成の数を制限し得る。電磁場のシーケンスが印加され、第２の分子タイプが一連の構成を通じて遷移し、第２の分子タイプの少なくともいくつかの構成が、第１の分子タイプの構成と相互作用し得る構成に対応する。好ましくは、電磁場のシーケンスによって誘起される第２の分子構成の大部分は、第１の分子タイプの構成と相互作用し得る構成である。
【0043】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、第１のタイプの分子は、第２の分子タイプと共に相互作用ボリューム内の複合磁性体上の基材表面に結合される。磁場のシーケンスは、相互作用ボリューム内の複合磁性体を配向及び位置決めし、したがって第１のタイプの分子を位置決め及び配向する。磁場は、例えば、ＦＰＡＡ特許に記載されている配置によって生成され得る。例えば、複合磁性体は、相互作用ボリューム内の経路に沿って並進して、第１のタイプの分子を相互作用ボリューム全体にわたって第２のタイプの分子に近接させることができる。電磁場のシーケンスが印加され、第２の分子タイプが一連の構成を通じて遷移し、第２の分子タイプの少なくともいくつかの構成が、第１の分子タイプの構成と相互作用し得る構成に対応する。
【0044】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、相互作用ボリュームのスペクトルは、電磁場のシーケンスにおける少なくとも１つの印加された電磁場について測定される。スペクトルは、例えば、本発明の配置と共通のいくつかの要素を有する以下に説明する配置によって測定することができる。好ましくは、電磁場のシーケンスにおける１つの電磁場の期間中に複数のスペクトルが測定される。スペクトルは、少なくとも１つの分子タイプの存在量に関する情報を提供するために計算手段によって分析される。分子タイプは、例えば、第１又は第２の分子タイプ、相互作用複合体、認識複合体、基材分子、又は基材と認識複合体の組み合わせであり得る。好ましくは、スペクトルは、複数の分子タイプに関する情報を提供するために分析される。スペクトル情報は、３つのモードで使用され得る。第１のモードでは、２つ以上の分子タイプ間の相互作用の進行を監視するためにスペクトル情報が使用される。第２のモードでは、分子間の相互作用が起こったかどうかを判定するためにスペクトル情報が使用される。例えば、スペクトル情報を使用して、認識複合体が基材と結合したかどうかを決定することができる。第３のモードでは、電磁場の試行シーケンスが相互作用ボリュームに印加され、得られた分子タイプの濃度が分光計測によって決定される。計算手段は、所望の濃度の分子タイプを生成する電磁場のシーケンスを選択する。いくつかの実施形態では、計算手段は、電磁場のシーケンスの影響をモデル化するために分子幾何学的形状に関する事前知識を使用する。いくつかの実施形態では、計算手段は、人工知能アルゴリズムを使用して一連の試験シーケンスから電磁場の好ましいシーケンスを推測する。
【0045】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電磁場のシーケンスは、第１の分子タイプと第２の分子タイプとの間の相互作用のシーケンスを誘導し、各相互作用は電磁場のサブシーケンスによって誘導され、各サブシーケンスは、先行する相互作用による動的制約に少なくとも部分的に依存する。例えば、電磁場の第１のシーケンスは、測定によって検出されるように相互作用する相互構成に遭遇するまで、ヌクレオチドの２本の鎖間に相互構成のシーケンスを誘導し得る。測定は、例えば、相互作用を伴うスペクトルの変化を検出することができる。測定は、例えば、以下に説明するように、束縛状態の質量がより大きく減少することによる電磁場誘起振動の周期の変化を検出することができる。束縛状態が検出されると、制御ユニットは、動的に制約された束縛状態の相互構成を探索するために電磁場の第２のシーケンスを選択する。制約のために、第２の相互作用を誘発するためにサンプリングする必要がある相互構成はより少ない。
【0046】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、摂動のシーケンスが分子フラグメントに印加され、分子フラグメントが熱速度よりも速い速度で構成のシーケンスを通じて遷移する。熱平衡の系では、分子衝突の数、したがって単位時間当たりに分子フラグメントが遷移する構成の数は、温度によって決定される。電磁場のシーケンスを印加して、分子衝突の頻度よりも高い頻度で構成のシーケンスを通じて遷移するように分子フラグメントを選択的に励起することができる。好ましくは、構成のシーケンス中の第１の分子フラグメントの構成は、構成のシーケンスに含まれない構成よりも選択された第２の分子フラグメントタイプと相互作用する可能性が高い。さらに、電磁場によって分子フラグメントに加えられる力の大きさは選択された大きさであり得るが、分子衝突からの衝撃力は、分子間のエネルギーのボルツマン分布に関連する広い分布を有する。いくつかの実施形態では、電磁場のシーケンスが、熱衝突よりも高い速度で、より低い力で分子フラグメントに印加される。いくつかの実施形態では、電磁場のシーケンスが、熱衝突よりも高い速度で、より高い力で分子フラグメントに印加される。いくつかの実施形態では、電磁場のシーケンスは、熱衝突よりも高い速度で、力の熱分布に近似する伝達される力の分布で分子フラグメントに印加される。さらに、加えられる力の熱分布は、全体のサンプル温度とは異なる有効温度であってもよい。例えば、分子フラグメントは、分子の残り及び周囲の分子よりも「高温」であり得る。
【0047】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、摂動の第１のシーケンスは、第１の分子タイプの構成を、第２の分子タイプと相互作用し得る構成の軌跡に近接した基本構成に変更し、摂動の第２のシーケンスは、基本構成のランダムな変更を引き起こし、第１の分子タイプの基本構成に対する少なくとも１つの変更は、第２の分子タイプとの相互作用を可能にする。摂動の第２のシーケンスは、例えば、摂動の振幅及び方向の擬似ランダムシーケンスであってもよい。摂動の第２のシーケンスは、例えば、有効温度がサンプル温度とは異なる分子衝突からの熱的に活性化された摂動をエミュレートすることができる。第１の分子タイプが第２の分子タイプと相互作用するための構成は、熱変動に起因して変化する第２の分子タイプの構成に依存する。この実施形態は、可変相互作用構成に近接する領域内の構成空間を探索する。
【0048】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、第１の分子タイプ及び第２の分子タイプと相互作用するじょう乱の第１のシーケンスは、じょう乱のランダムシーケンスを生成する工程を実施すること、相互作用される分子を相互作用ボリュームに配置すること、じょう乱のランダムシーケンスを相互作用ボリュームに課すこと、各じょう乱に対する相互作用ボリュームのスペクトルを測定すること、スペクトルを分析して相互作用速度を決定すること、相互作用率を各じょう乱及びじょう乱のシーケンスと相関させること、測定された相互作用率と最大の相関を有するじょう乱又はじょう乱のシーケンスを選択すること、によって構成される。
【0049】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、第１の分子タイプ及び第２の分子タイプと相互作用するためのじょう乱の第１のシーケンスは、モデル化又は実験的に決定された分子構造パラメータ及び相互作用パラメータに基づいて動的計算のシーケンスを実施することによって構成される。最初に、必要な相互作用状態パラメータを計算又は測定する。相互作用状態パラメータは、相互作用分子の相互配向及び構成、各相互作用分子の量子状態、及び各相互作用分子の運動量、並びに全ての相互作用状態パラメータの関数としての相互作用の確率を含む。相互作用状態パラメータは、量子化学の方法によって計算することができる。相互作用状態パラメータは、分光法を使用して測定することができる。本明細書に記載の多次元分光法は、適切な方法である。他の多次元分光法を使用してもよい。一般に、多数の相互作用状態及び関連するパラメータセットが可能である。次に、各初期状態が各分子の配向、構成、位置、運動量及び量子状態を含む初期状態のセットが計算される。各分子タイプの初期状態のセットは、例えば、統計力学の方法を使用して計算することができ、システムの初期状態は、全ての分子タイプの初期状態の組み合わせである。初期状態は、例えば、基材相互作用による制約を含み得る。次に、アルゴリズムは、じょう乱が物理的実施態様の動作範囲内にあるように選択されるという制約の下で、各初期状態を複数の相互作用状態に遷移するのに必要なじょう乱のシーケンスの大きさ及び方向を計算する。単一のじょう乱は、場合によっては、１つの分子タイプを初期状態から相互作用状態に遷移させるのに十分であり得るが、単一のじょう乱は、一般に、第２の分子タイプを初期状態から遷移状態に遷移させないことに留意されたい。一般に、異なる分子タイプの異なる動的特性に作用するじょう乱のシーケンスが必要である。
【0050】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、じょう乱の第２のシーケンスは、遺伝的アルゴリズムを用いてじょう乱の第１のシーケンスから生成される。具体的には、遺伝的アルゴリズムは、第１のじょう乱シーケンスの一部を反復的に修正してじょう乱の試行シーケンスを生成し、次いで、第１の分子と第２の分子との相互作用に対するじょう乱の試行シーケンスの影響を測定する。試行シーケンスは、シーケンス内のじょう乱の数を増減させることができる。試行シーケンスは、個々のじょう乱ベクトルの任意の成分の大きさの変化を含むことができ、じょう乱ベクトルは、音響、電場及び磁場の３次元の大きさからなる。試行シーケンスは、じょう乱の複数の成分の修正を含んでもよい。試行シーケンスは、じょう乱の第１のシーケンスにおける複数のじょう乱の修正を含むことができる。アルゴリズムは、じょう乱の試行シーケンスの測定された効果をじょう乱の第１のシーケンスの測定された効果と比較し、じょう乱の第２のシーケンスを最も所望の結果を生成するそのシーケンスに設定する。測定は、例えば、多次元分光法によって行うことができる。例えば、最も望ましい結果は、第１の分子タイプと第２の分子タイプとの間の相互作用速度の向上であり得る。プロセスは、後続のステップにおけるじょう乱の第１のシーケンスを現在のステップにおいて決定されたじょう乱の第２のシーケンスに設定することによって、任意の回数繰り返すことができる。終了条件によって工程数が制限されてもよい。終了条件は、閾値相互作用速度に達したこと、閾値反復回数にわたって相互作用速度の変化が見つからなかったこと、又は閾値反復回数を超えたことであり得る。
【0051】
前述又は後述の実施形態のいずれかと組み合わせて使用され得る実施形態では、電圧供給源に連結された電極は、相互作用ボリュームに出入りする放射線のためのフレネルレンズとして作用するように成形されており、フレネルレンズは、相互作用ボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、相互作用ボリューム内の点に入射放射線を集束させるために使用される。
【0052】
本発明の第２の態様によれば、電磁時間的に変化する摂動のシーケンスを相互作用ボリューム内の分子に印加するための方法が提供され、
電圧供給源に連結された電極は、相互作用ボリュームに出入りする放射線のためのフレネルレンズとして作用するように成形されており、フレネルレンズは、相互作用ボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、相互作用ボリューム内の点に入射放射線を集束させるために使用される。
電圧供給源に連結された電極は、相互作用ボリュームに出入りする放射線のためのフレネルレンズとして作用するように成形されており、フレネルレンズは、相互作用ボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、相互作用ボリューム内の点に入射放射線を集束させるために使用される。
【0053】
本発明の方法及びシステムの実装は、選択されたタスク又は工程を手動、自動、又はそれらの組み合わせで実行又は完了することを含む。さらに、本発明の方法及びシステムの好ましい実施形態の実際の器具及び機器によれば、いくつかの選択された工程は、任意のファームウェア又はそれらの組み合わせの任意のオペレーティングシステム上のハードウェア又はソフトウェアによって実施することができる。例えば、ハードウェアとして、本発明の選択されたステップは、チップ又は回路として実装することができる。ソフトウェアとして、本発明の選択されたステップは、任意の適切なオペレーティングシステムを使用してコンピュータによって実行される複数のソフトウェア命令として実装することができる。いずれの場合でも、本発明の方法及びシステムの選択された工程は、複数の命令を実行するためのコンピューティングプラットフォーム等のデータプロセッサによって実行されるものとして説明することができる。
【図面の簡単な説明】
【0054】
以下の図１～図８のＤは、ＭＤＳ特許として上記で特定されたものと同時に出願された同時係属出願から得られ、本明細書で使用される概念及び方法を説明するために含まれる。
【図3】図３のＡは、本発明によるサンプルセルの側面図及びサンプルセル内の分子のスペクトルを測定するための２つの分光測定の配置を示す概略図である。図３のＢは、図３のＡの線３Ｂ－３Ｂに沿った断面図である。
【図4】図４のＡは、本発明による方法で使用される方法を使用してサンプルセル内の分子のスペクトルを測定するための第２のサンプルセル及び分光配置の概略等角図である。図４のＢは、図４のＡのサンプルセルの側面図である。図４のＣは、図４のＢの配置の一組の電極電圧構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【0055】
本開示の実施形態について添付の図面を参照しながら詳細に説明する。当技術分野で知られている構造又は方法の詳細な説明は、本開示の主題を不明瞭にすることを避けるために省略することができる。さらに、本開示の以下の説明では、本開示の一般的な理解を与えるために以下の説明に見られる様々な具体的な定義が提供され、そのような定義なしで本開示を実施できることは当業者には明らかである。
【0056】
指向性化学反応速度論の配置は、図９に１０００で一般的に示されている。３つの相互作用ボリューム１、２、及び３が示されており、それぞれが以下により詳細に記載される本発明の異なる特徴を示している。
【0057】
相互作用ボリューム１は、電場のみで操作された２つの分子タイプの相互作用を示す。
【0058】
相互作用ボリューム２は、第１のタイプが電場によって配置及び配向され、第２のタイプが磁性物体への付着を介して磁場によって配置及び配向される２つの分子タイプの相互作用を示す。
【0059】
相互作用ボリューム３は、固定された基材に付着した分子と、電場又は磁場によって配置及び配向された分子との間の相互作用を示す。示されるように、相互作用ボリュームは、Ｎ反応のシーケンス及び／又はＮが１以上である分子間の相互作用を行うために互いに連結され得る。例えば、本発明の配置は、Ｎが１０００より大きい人工細胞の分子機構を組み立てるために使用することができる。各相互作用ボリュームは、制御手段４０と通信し、制御手段によって制御される。簡単にするために、各特徴は一度だけ示されているが、一般に、各相互作用ボリューム内の任意の組み合わせで動作可能であり得る。さらに、制御手段への接続は、特徴ごとに１回だけ示されている。同様の各特徴も制御手段４０に接続されていることが理解される。概略図１０００は、相互作用ボリューム、リザーバ及びチャネルの三次元流体ネットワークを表す。三次元流体ネットワークは、本発明者らによって上記引用されたＦＰＦＡ特許に記載されているネットワークであってもよい。
【0060】
相互作用ボリューム１は、絶縁材料３７で形成された壁によって囲まれ、電極５０、５１、５２Ａ及び５２Ｂ、並びに５３Ａ及び５３Ｂは、絶縁材料に当接又は埋め込まれている。絶縁材料３７は、電極から又は電極への電流の流れを阻止する。いくつかの実施形態では、電荷移動が望ましく、絶縁層は省略されてもよい。共通の番号及び文字で標識された部分は、同じ実体の部分であることに留意されたい。例えば、電極５２Ａ及び５２Ｂは、中心に開口部を有する共通の平面構造の一部と考えることができる。図が開口部の上又は下のｘｚ平面にレンダリングされた場合、セクション５３Ａと５３Ｂとの間に隙間はない。電極５２Ａ、５２Ｂと電極５０との間に直流電圧を印加し、１Ｅに示す方向のバイアス電場を発生させる。４９に示されるように、電極５０及び概略図における他の全ての電極は、各電極に印加される電圧のタイミング及び振幅を調整する制御部４０と通信する。
【0061】
制御部４０は、アナログインターフェース４１と、計算ユニット４２と、機械可読情報記憶装置４４と、外部ロジックデバイス４５と通信するように動作可能な通信ポート４３とを備える。制御部４０内の全ての機能ユニットは相互接続されている。アナログインターフェースユニットは、アナログデジタル変換器（ＡＤＣ）及びデジタルアナログ変換器（ＤＡＣ）、並びに関連する増幅回路を備えることができる。例えば、増幅回路は、ケーブル４９を介して伝送される電極の電圧を、市販のＤＡＣデバイスによって生成された５Ｖから、１００ミクロン離れた電極間に１，０００，０００Ｖ／ｍの電場を生成するのに必要な１００Ｖに昇圧することが多い。計算ユニット４２は、任意のアナログ又はデジタルコンピューティングデバイス、例えばＦＰＧＡ又はマイクロプロセッサであってもよい。機械可読記憶装置は、永続記憶デバイスと非永続記憶装置との任意の組み合わせであってもよい。例えば、機械可読記憶装置は、ＲＡＭ、磁気ハードドライブ、及び光学ドライブの組み合わせであってもよい。他のタイプの記憶装置が使用されてもよい。通信ポート４３は、外部ロジックソースから情報を送信及び／又は受信するように機能する任意のデバイスである。ポート４３は、例えば、インターネット接続を介して外部ロジックデバイス４５と接続することができる。
【0062】
相互作用ボリューム１は、印加された場と強く相互作用する領域１１及び弱く相互作用する領域１２を有する、１０で示される第１のタイプの分子を含む。強相互作用領域１１は、例えば、正味の双極子モーメントを有するタンパク質の螺旋領域であり得る。相互作用ボリューム１と流体連通している第１のタイプの分子を含むリザーバが４で示されている。リザーバ４と相互作用ボリューム１との間の流れは、上記引用されたＦＰＦＡ特許においてより完全に記載されているゲート及びポンプ構造によって調整することができる。相互作用領域１はまた、１３で示されるように第２のタイプの分子を含有する。第２のタイプの分子は、１４Ａ、１４Ｂ及び１４Ｃに示されるように弱く相互作用する鎖によって結合された、１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄに示されるような様々なサイズの双極子領域を含む。弱く相互作用する鎖１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃは、例えば、脂肪族鎖であってもよい。各セグメントは、弱く相互作用する鎖１４Ａ、１４Ｂ、１４Ｃ等の隣接するセグメントによって運動が制約された状態で、１Ｅで示される電場に対して配向することができる。例えば、剛性セグメント１５Ｃは、セグメント軸に沿って双極子モーメントを有することができ、この双極子モーメントは電場と相互作用して電場とのアラインメントに向いた力を生成する。アラインメントに向いた双極子相互作用力は、溶媒効果と共に可撓性セグメント１４Ｂ及び１４Ｃによって抵抗され得る。セグメント双極子モーメントと印加された電場とのアラインメントのダイナミクスは、質量及び慣性モーメント、印加された電場に対する双極子モーメントの大きさ及び方向、並びに溶媒及び隣接するセグメントによる拘束力に依存する。例えば、セグメント１５Ｃよりも小さい質量及び慣性モーメントを有するセグメント１５Ｄは、セグメント１５Ｃよりも速い印加された電場とアラインメントすることができる。一般に、各セグメント１５Ａ、１５Ｂ、１５Ｃ及び１５Ｄが印加された電場に対して配向する速度は異なり得る。
【0063】
時間的に変化する電圧が電極５１と５３Ａ、５３Ｂとの間に印加され、バイアスＤＣ電場よりも高い振幅の変動電場が生成される。１５Ｄで示される低質量領域は、変動する電場と同相で応答するが、１５Ｃで示される高質量領域は、過駆動され、バイアス電場方向の周りで低振幅で振動する。分子１０の領域１１は、１５Ｃと同様の質量を有し、平均してＤＣ場とアラインメントされる。したがって、領域１１及び１５Ｃは、相互作用のために印加された電場によって同様の整列にされるが、タイプ１２又は１５Ａ又は１５Ｂ又は１５Ｄの領域は、相互作用のためにアラインメントされない。熱システムでは、領域１１及び１５Ｃはそれぞれ、球によって記述される立体角の範囲にわたって再配向する。印加された電場により、各分子フラグメント１１及び１５Ｃは、相互作用のための角度に近い小さな範囲の立体角にわたって再配向し、相互作用の可能性を高める。別の言い方をすれば、反応速度は電場配向に起因して加速される。
【0064】
３１に示すように、ケーブル３０を介して制御部４０と通信する光源は、電磁放射線３２を相互作用ボリューム１に指向することができる。電磁放射線は、いくつかの効果を有することができる。電磁放射線は、印加された電場において非荷電種とは異なる動的特性を有する荷電種を生成する分子をイオン化することができる。例えば、光イオン化を使用して、１つの分子種タイプを電極に近接して濃縮し、それによって相互作用の局所濃度及び確率を増加させることができる。例えば、電極を順番に帯電させることにより、帯電した分子種は、ほぼ円形の経路をたどることができる。総経路長、したがって可能な相互作用パートナーの数は、熱運動のみに対して増加し、すなわち、電場は反応速度を増加させる。電磁放射線は、電極による励起にアクセスできない長さスケール及び周波数で分子運動及び再配向を励起し得る。例えば、電磁放射線は、フェムト秒のメチル基再配向を励起し得るが、電極を使用する励起はマイクロ秒の時間スケールである。光子吸収の確率は、印加可能な遷移双極子モーメントの配向に依存するため、分子の配向を変える電場の印加は光子吸収の確率を調節する。電磁放射線は、分子１０又は１３内に反応性励起状態を選択的に生成し得る。例えば、電磁放射線は、光重合プロセスを駆動することができ、印加された電場は、反応物を配向させることによってポリマー成長の方向を指向する。電磁放射線は、励起エネルギーの一部を反応体分子に伝達するキャリア分子を励起し得る。
【0065】
相互作用ボリューム１で形成された生成物は、相互作用ボリュームを連結するチャネル７を介して相互作用ボリューム２に輸送することができる。チャネル７は、上述のＦＰＦＡ特許に記載されているように、局所的な圧力勾配を生成する流れ及びポンピング機構を調整するゲートを備えることができる。あるいは、圧力勾配を外部から印加して、チャネル７に沿って相互作用ボリューム１から相互作用ボリューム２に分子を駆動することができる。１６に示されるように、分子１０及び１３は、セグメント１１と１５Ｃとの間の相互作用によって、相互作用ボリューム２に移される単一単位に結合される。電極５４Ａ、５４Ｂ、５５、５６Ａ、５６Ｂ、５７Ａ及び５７Ｂに制御部４０によって電圧シーケンスを印加することによって、相互作用ボリューム２内に２Ｅで示される電場のシーケンスが生成される。相互作用ボリューム１について前述したように、電場のシーケンスは、相互作用ボリューム２内で分子複合体１６を配向及び位置決めするように動作可能である。
【0066】
磁場のシーケンスが、２Ｂに示されるように相互作用ボリューム２に外部から印加される。外部から印加される磁場は、例えば、上述のＦＰＡＡ特許に記載されているようなフィールドプログラマブルアナログアレイによって生成されてもよい。本発明者らによって上記で引用されたＭＧ特許に更に詳細に記載されているように、磁場のシーケンスは複合磁性体１９と相互作用して複合磁性体（ＣＭＯ）を位置決めし配向させる。反応性分子フラグメント２０及び２１は、１８で示されるようにＣＭＯ１９につながれる。概略図は縮尺通りではなく、ＣＭＯ１９は、典型的には、結合した分子フラグメント２０及び２１よりも数百から数千倍大きい。これは、熱力学的に安定な磁区の最小サイズが存在するためである。
【0067】
溶媒分子１７は、２Ｆで示されるように流れの運動量でリザーバ５から相互作用ボリューム２に移送され得る。溶媒分子１７の移送は、例えば、ＦＰＦＡ特許に記載されているように磁性物体を配置及び配向することによって調節されてもよい。図示のように、流れの運動量は反応性セグメント２０に入射し、それによって反応セグメント２０の配向に影響を及ぼす。流れを通じた運動量移動に加えて、溶媒分子は、バイオポリマー鎖中のセグメントの移動度を高めることができる。溶媒分子は浅い位置エネルギーウェル内にあり、セグメント間の共有結合の障害を克服するのに必要なエネルギーよりも少ないエネルギーでバイオポリマーセグメントによって置換され得る。
【0068】
図示されているように、音響送信機３６は、超音波のシーケンスを相互作用ボリューム２内に指向するように動作可能なケーブル３５を介して制御部４０に接続されている。超音響波は、主として溶媒分子１７間の分子衝突を介して伝達される。音響場の存在下では、分子の運動量ベクトルは優先的に音響波の伝播方向にある。したがって、相互作用ボリューム２内の音響波を使用して、溶媒分子衝突を介して分子複合体１６の側基１２に指向性運動量を伝達することができる。音響励起からの運動量及びエネルギー伝達により、側基１２は、反応性セグメント２０と相互作用し得る一連の構成を循環する。
【0069】
要約すると、反応性セグメント１２と反応性セグメント２０との相互作用は、以下のように相互作用ボリューム２のスキームにおいて増強される。第１に、集合体１６上で動作する電場のシーケンスは、集合体１６に取り付けられたセグメント１２に利用可能な構成の範囲を、電場が印加されていない熱平衡状態のシステムにおいてセグメント１２に利用可能な構成の小さなサブセットに制限する。第２に、ＣＭＯ１９上で動作する磁場のシーケンスは、ＣＭＯ１９の配向及び位置を設定し、反応性セグメント２０に利用可能な構成をテザー１８の曲げによって可能にされるものに制限する。磁場及びＣＭＯ１９へのテザーの存在下で反応性セグメント２０に利用可能な構成の範囲は、熱平衡にある系においてそれ自体で反応性セグメント２０に利用可能な構成の小さなサブセットである。したがって、適切な電場シーケンス及び磁場シーケンスを選択することによって、反応性セグメント１２及び２０を、相互作用のための相互構成に近接した構成に操作することができる。熱励起は、拘束されていない構成空間をサンプリングして相互作用構成を見つけるよりも速く、拘束された構成空間をサンプリングして相互作用構成を見つけることができる。したがって、電磁場によって引き起こされる構成上の制約は、熱平衡にある系内の同じ反応物と比較して反応速度を増加させる。さらに、印加された電場の擬似ランダム変動を使用して、熱変動のみで可能であるよりも速く既に制約されたサンプル空間をサンプリングすることができる。音響波又は流れのいずれかによるさらなる励起は、構成空間をより高い速度でサンプリングさせ、反応速度を更に増加させる。
【0070】
相互作用ボリューム２の生成物は、チャネル８を介して相互作用ボリューム３に移送され得る。生成物は、例えば、ＣＭＯ１９に繋がれてもよく、その場合、生成物は、磁場のシーケンスを印加してＣＭＯ１９を相互作用ボリューム３に引き込むことによって移動されてもよい。輸送速度は、ＣＭＯ１９につながれる質量及び電場相互作用による可能な力に依存する。すなわち、相互作用ボリューム２内の各分子又は集合体タイプは、電磁場の影響下で異なる移動度を有し、異なる移動度を使用して分離を行うことができる。例えば、電気力と磁力は、第１の分子タイプに対して釣り合い、相殺することができ、そのタイプは相互作用ボリューム２に保持される。例えば、電気力及び磁力は、異なる分子タイプを二次元で分離させる異なる方向であってもよい。例えば、チャネル８は、異なる分子タイプが異なる時間に相互作用ボリューム３に到達するのに十分な長さであり得る。
【0071】
図示のように、相互作用ボリューム３は、制御部４０によって各電極に印加される電圧に従って任意の方向に電場を生成するように動作可能な電極５８Ａ、５８Ｂ、５９、６０及び６１Ａ、６１Ｂによって囲まれている。ケーブル３３を介して制御部４０と通信する電磁石３４は、相互作用ボリュームに近接して配置されてもよい。電磁石は、上述のＦＰＡＡ特許に記載されているように、固定コイル又はプログラム可能コイルであってもよい。ケーブル３９を介して制御部４０と通信する測定手段３８は、相互作用ボリューム３内の分子の１つ以上の特性を測定するように動作可能である。測定は、例えば分光計であってもよく、スペクトルは、分子タイプの存在又は濃度を決定するために制御部４０によって分析される。測定は、例えば、温度、圧力、ｐＨ、又は導電率を測定することができる。
【0072】
電極６０に近接する相互作用ボリューム３の縁部は、基材２５、テザー２３、及び認識複合体２２に結合するフット領域２４を備えるブロックコポリマーが付着した固定基材２５を含む。認識複合体は、２１に示される種類の基材と相互作用することができる。基材への足の付着は、例えば、化学吸着又は物理吸着によるものであり得る。ブロックコポリマーは、認識複合体間の立体障害及び相互反発が、認識複合体を表面２５の法線と平均して整列した活性領域２２と配向させるように形作られる。認識複合体２２の可能な構成の数は、表面法線に近接する小さな立体角内の構成に限定される。２４に示すように、集合体１６及びＣＭＯ１９に結合した基を含む凝集体は、基材２１Ａを含む。集合体２４は、基材２１Ａが基材２１Ｂに置き換えられる代替の形態（図示せず）を有してもよい。集合体２４は、認識複合体２２に近接して基材２１Ａ（又は２１Ｂ）を配置し、認識複合体２２と基材２１Ａとの間の相互作用のための相互構成に基材２１Ａ（又は２１Ｂ）を近づけるように、電場のシーケンス及び磁場によって配向及び配置され得る。したがって、基材２２の可能な構成の数は、そうでなければ電磁場が存在しない状態で熱平衡にあるシステムで利用可能である構成のごく一部に制限される。認識複合体及び基材の両方は、可能な構成の制約されたセットを有し、熱励起は、相互作用が生じるまで、又は基材２１Ｂの場合には生じないまで、認識複合体２２及び基材２１Ａの相互構成を摂動させる。相互作用を試験するためにサンプリングする必要がある相互構成がより少ないため、この配置では、熱平衡状態のシステムよりも相互作用がはるかに速くなり得る。反応速度は、制約された構成空間内の構成状態間の遷移速度を増加させる電磁場を印加することによって更に向上させることができる。測定手段３８は、相互作用が２１Ａの場合に生じているか、２１Ｂの場合に生じていないかを検出する。相互作用は、例えば、スペクトルの変化によって、又は相互作用によって有効化（又は無効化）された蛍光によって検出され得る。
【0073】
リザーバ６は、相互作用ボリューム３と連通しており、基材２１を含んでも含まなくてもよいサンプル分子２６を含む。分子２６に作用する電場のシーケンスは、認識複合体２２に対して基材領域２１Ａ又は２１Ｂを配向させ、それにより、相互作用（もしあれば）が生じるために熱励起によってサンプリングされる必要がある相互構成の数を減らす。相互作用は、基材がタイプ２１Ａの場合に発生し、基材がタイプ２１Ｂの場合には発生しない。認識複合体は、例えば、ＤＮＡの一本鎖又はＲＮＡの鎖であり得る。基材は、例えば、ケース２１Ａでは認識複合体に相補的であるか、ケース２１Ｂでは相補的でないＤＮＡの一本鎖であり得る。
【0074】
図９の配置は、医療診断試験を実行するために使用することができる。外部デバイス４５のユーザは、例えば、ポート４３を介して、シーケンス相互作用ボリューム、各相互作用ボリュームに供給される試薬、並びに各相互作用ボリュームに印加される電場及び磁場のシーケンスを指定する命令を発することができる。測定手段３８は、相互作用ボリューム内の分子の性質を測定し、試験結果を与える。
【0075】
以下の説明は、上記で引用したＭＤＳ特許から得られ、完全性のために本明細書に逐語的に含まれる。すなわち、相互作用の改善された確率を得るために分子の配向を可能にするために分子に関するデータを得るために使用することができる多次元分光法のための配置は、図１において１００で一般的に示され、以下のように説明される。図１に示される概念は、初期構成の標的分子がじょう乱の時間的シーケンスによって摂動されて摂動された構成の時間的シーケンスを生成し、標的分子の１つ以上の特性が少なくとも１つの摂動された構成について測定される、多次元分光法を提供する。
【0076】
多次元分光法のための配置は、図１において概して１００で示されている。サンプル分子の集合を含むボリュームは、概して１０１で示されるサンプルボリューム内に電磁場を発生させるためのデバイスを用いて概して１３０で示される。電磁場を発生させるデバイス１３０は、例えば、上述のＦＰＡＡ特許に記載されているようなフィールドプログラマブルアナログアレイであってもよい。図示のように、基準電圧に保持されたプレート１３１と、電圧源１３３と連通するプレート１３２との間に電場が生成される。電圧源１３３は、制御部１４０の計算デバイス１４２から受信したシグナルに従って電圧の時間的シーケンスを生成する。プレート１３１と１３２との間の電圧差は、例えば、１０ミクロンの間隔で１０ボルトでピークとなり、１，０００，０００Ｖ／ｍの最大電場強度を与えることができる。他の電圧及び間隔を使用してもよい。１０２に示すように、電磁場デバイス１３０は三次元であり、任意の方向の成分を有する電場及び磁場を生成するように動作可能であり得る。
【0077】
代表的なサンプル分子１１０は、可撓性セグメント１１２、１１４及び１１６によって接合された剛性セグメント１１１、１１３、１１５及び１１７からなる。各セグメントは、隣接するセグメントによって制限された動きで電磁デバイス１３０によって生成されたＥ及びＢとして示される電場及び磁場に対して配向することができる。例えば、剛性セグメント１１３は、セグメント軸に沿って双極子モーメントを有することができ、この双極子モーメントは電場と相互作用して電場とのアラインメントに向いた力を生成する。アラインメントに向いた双極子相互作用力は、溶媒効果と共に可撓性セグメント１１２及び１１４によって抵抗され得る。セグメント双極子モーメントと印加された電場とのアラインメントのダイナミクスは、質量及び慣性モーメント、印加された電場に対する双極子モーメントの大きさ及び方向、並びに溶媒及び隣接するセグメントによる拘束力に依存する。例えば、より小さい質量及び慣性モーメントを有するセグメント１１１は、セグメント１１３よりも速い印加された電場と整列することができる。例えば、セグメント１１５は、セグメント１１４及び１１６からの抵抗力のためにゆっくりと整列することができる。一般に、各セグメント１１１、１１３、１１５及び１１７が印加された電場に対して配向する速度は異なり得る。サンプル分子のスペクトルは、配向の時間的発展の異なる段階で測定され得る。プローブ放射源１２２は、偏光子１２４によって偏光されてサンプル分子１１０に入射する偏光放射線１２５を生成することができる放射線１２３を放射する。相互作用放射線１２６は、入射放射線１２５がサンプル分子１１０と相互作用した後にサンプル領域を出る。相互作用放射線１２６は、吸収による振幅の波長依存変化を有し得る。相互作用放射線１２６は、入射放射線１２５とは異なる波長でラマン散乱されてもよい。相互作用放射線１２６は、サンプル分子１１０、例えば蛍光によって放射され得る。相互作用放射線１２６は偏光アナライザ１２７を通過することができ、選択された偏光を有する放射線１２８は測定デバイス１２９によって測定される。測定デバイス１２９は、放射線１２８の振幅を単に測定することができる。測定デバイス１２９は、波長の関数として放射線１２８の振幅を測定する分光計であってもよい。
【0078】
サンプル分子１１０の状態は、放射線源１２０からの「ポンプ」放射線１２１を印加することによって測定前に操作することができる。ポンプ放射線は、サンプル分子１１０又はその一部と相互作用して励起状態を生成し、（励起状態が緩和するにつれて）時間依存性スペクトルをサンプル分子１１０に与えることができる。ポンプ放射線１２１はまた、サンプル分子１１０の電荷分布の変化を誘発することができ、これは次に、時間的に変化する電磁場に対するサンプル分子１１０の動的応答を変化させる。すなわち、ポンプ放射線は、静止基準系におけるサンプル分子のスペクトルと、時間的な一連の測定におけるサンプル分子１１０の配向のシーケンスとの両方を変化させることができる。
【0079】
１５１に示されるように、音響送信機は、超音波をサンプル領域１０１内に誘導することができる。超音波は、サンプル分子１１０と相互作用し、続いて音響アナライザ１５２で測定され得る。好ましくは、音響測定は、分子運動の方向に平行かつ垂直な方向で行われる。平行測定は、垂直成分に対する周波数のドップラーシフトを示し得る。運動方向は、印加される電磁場のシーケンスの方向によって設定されてもよい。ケーブルリンクによって示されるように、音響波の送信及び受信は、制御デバイス１４０によって調整される。サンプル分子の各セグメントは、異なる速度での電磁場の時間的シーケンスに応答して再配向することができる。例えば、セグメント１１５の運動は、音響アナライザ１５２によって測定された反射音響波の周波数にドップラーシフトを引き起こすことができる。この測定は、偏光依存スペクトル測定と相補的である。すなわち、スペクトル測定は、分子セグメントの位置（配向）に関する情報を提供し、音響測定は、分子セグメントの速度に関する情報を提供する。音響波はまた、分光計測のシーケンスの前又は間にサンプル分子の状態を変化させるためのポンプパルスとして使用されてもよい。例えば、音響波は、伝播軸に沿った分子衝突によって伝達される。そのような衝突は、例えば、サンプル分子に近接する水等の構造化溶媒分子の秩序化を乱し、それによってサンプル分子のスペクトル応答を変化させ得る。
【0080】
測定デバイス１２９からのシグナルは、電圧源１３３からのシグナルと共に、制御デバイス１４０に一体化されたシグナルアナライザ１４１に送信される。シグナルアナライザ１４１は、例えば、測定手段１２９からの各シグナルを電圧源１３３（及び拡張電場）と時間的に相関するスペクトラムアナライザ又はロックインアンプであってもよい。時間相関は、測定された波長ごとに行われてもよい。多次元スペクトルは、波長－振幅スペクトルに時間依存性、偏光依存性、励起依存性及び電磁場を加えることによって組み立てることができる。シグナルアナライザは、多次元スペクトルを組み立てて分析することができる計算デバイス１４２と通信する。多次元スペクトルは、機械可読記憶手段１４４に記憶されてもよく、又は通信ポート１４３を介して外部計算デバイス１４５に送信されてもよい。
【0081】
図２のＡは、印加された電場Ｅと整列した２１４で示されるような軸Ｄを有する分子セグメント２１３を示す。分子セグメント２１３は、測定時間ｔ０＋Ｔ１において、印加された電場に対して図５のセグメント５２７と同じ配向を有する。分子セグメント２１３は、複数の遷移双極子モーメントを含むことができる。分子セグメント軸Ｄに対する各遷移双極子モーメントの配向は、光子の吸収の初期及び最終量子状態のそれぞれの波動関数に依存する。一般に、遷移双極子モーメントは分子セグメント軸Ｄに平行ではない。この例は、固定遷移双極子モーメントからの吸収に関するものであるが、記載された方法は、散乱（ラマン、ブリルアン）及び非線形光学効果にも適用される。２つの例示的な遷移双極子モーメントｄｉ及びｄｉ＋１が、それぞれ２１５及び２１６で示されている。電磁放射線の量子（光子）の吸収の確率は、各遷移双極子モーメントと入射電磁放射線の電場との間のドット積に依存する。この例では、ｙ方向に入射する電磁放射線の電場は、図２のＢの２３０に示すように、ｘ方向、ｚ方向、又はそれらの任意の組み合わせで振動することができる。一般に、入射電磁放射線Ｅｉの電場は、２３１に示すように、ある瞬間にｘ軸に対して角度θで分極される。図１に示す偏光要素１２４は、入射プローブ放射線の偏光を任意の角度に回転させる（又は円偏光を誘発する）ことができる。偏光角が走査されると、各遷移双極子モーメントの異なる角度における吸収ピークの振幅は、遷移双極子モーメントｄｉ及びｄｉ＋１の曲線２３５及び２３６によってそれぞれ図２のＣに示されるように変化する。曲線２３５が曲線２３６よりも高いのは、遷移双極子モーメントｄｉの大きさが遷移双極子モーメントｄｉ＋１の大きさよりも大きいからであり、これは、それぞれ２３７及び２３８（図２のＡ）に示すように、ｘｙ平面へのそれぞれの投影によって最もよく示される。２３９に示すように、遷移双極子モーメント投影２３７と遷移双極子モーメント投影２３８との間に角度Δφがあり、これは、図２のＤに２４０で示すように、プローブ放射線をｚ方向の分子セグメント２１３に指向し、偏光軸φをｘ軸に対して回転させることによって分解することができる。図２のＥは、ｄｉ及びｄｉ＋１の吸収振幅のプロットを示し、それぞれ２４１及び２４２で示されている。一般に、各遷移双極子モーメントの吸収振幅は、θ及びφによって各波長で変化する。分子セグメントの多次元スペクトルは、分子セグメント内の各遷移双極子モーメントからの寄与の重ね合わせである。異なる分子セグメントタイプを含むサンプルの多次元スペクトルは、各分子セグメントタイプの存在量によって重み付けされた各分子セグメントタイプからのスペクトルの重ね合わせである。したがって、θ、φ空間内の各点は、振幅及び波長からなる関連スペクトルを有する。
【0082】
図３のＡ及びＢは、本発明の例示的な実施形態の側面図及び断面図である。図３のＢは、１０１で示されるようにサンプルボリュームを通る、３００Ａで概して示されるｘｙ断面にある断面を示す。ゼロからＮまで標識された電場源のアレイ３３０は、サンプル分子１１０を含むサンプルボリューム１０１の周りに対称的に配置される。各電場源は、電極３３１と電気的に接続された電圧源３３３を含む。電極３３１は、電流の流れを防止する絶縁材料３３４内に封入されている。電圧源３３３は、制御手段１４０（接続図示せず）によって独立して制御することができる。電圧源３３３は、例えば、デジタル－アナログ変換器（ＤＡＣ）及び増幅回路を備えることができる。ＤＡＣは、制御手段１４０からデジタルコードを受け取り、時間的電圧波形を出力する。次いで、増幅回路は、ＤＡＣ出力の電圧を昇圧して所望の電場強度を生成する。電場強度は、例えば、１メートル当たり数百キロボルト程度で細胞膜を横切って測定される生理学的電場に匹敵し得る。
【0083】
別の配置では、ＤＡＣがＭＵＸによって複数の電圧源３３３に接続される。時間的に変化する電圧を生成するための他の手段が使用されてもよい。
【0084】
動作中、制御手段１４０は、例えば、制御コードのシーケンスを電圧源３３３に送信して、他の全ての電極を接地電位に保持した状態で電極３３１に時間的電圧波形を生じさせることができる。この場合、電極３３１とその直径方向に対向する電極３３５との間の軸の周りに対称な時間的に変化する電場が生成される。電場軸の方向は、アレイ３３０内の異なる電極に電圧波形を供給することによって変更することができる。複数の電極に（場合によっては異なる）電圧波形を供給することによって、電場の形状及び勾配を変更することができる。一般に、電極３３１によって生成される電場の軸は、ｘｙ平面内にある。
【0085】
図３のＡはサンプルセルの側面図を示し、２つの分光システムの重要な構成要素を概略的に示す。図３のＢは、図３のＡに示す電極３３１と３３５との間の断面である。システムは一般に３００Ｂで示され、サンプルセル領域は三次元で描かれている。半球形の内部反射要素（ＩＲＥ）３０５が、絶縁材料３３４のリングの上方に配置される。ＩＲＥ３０５は、例えば、電圧源３３３への接続によって示されるように電極としても機能することができるＳｉ又はＧｅであってもよい。他の材料で作製された内部反射素子を用いてもよい。場合によっては、ＩＲＥは、電極を形成するために底面に透明導電性材料の薄層を有してもよい。透明導電材料は、例えば、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）であってもよい。サンプルボリュームと接触するＩＲＥの表面は、電流の流れを防止する絶縁材料（図示せず）の薄層で被覆されている。絶縁材料の薄層は、例えば、スピンコーティングポリスチレンであってもよい。サンプルセルの底面は導電性ウインドウ３０６であり、これは任意に絶縁材料の薄層を含むことができる。ウインドウ３０６は、例えば、Ｓｉ又はＧｅから製造することができる。他の材料を使用してもよい。電圧源３３３は、制御手段１４０からデジタルシグナルを受信し、上部内部反射素子３０５と下部ウインドウ３０６との間に時間的に変化する電圧差を生成する。ＩＲＥ３０５とウインドウ３０６との間の電圧差は、ｚ軸に沿って配向された時間的に変化する電場を生成する。サンプルボリューム１０１内の正味の電場は、電極３０５、３０６及び電極３１１のアレイ３３０によって生成された電場のベクトル和である。図３のＡ及びＢに示す配置は、円筒対称性を有するシステムに有用である。
【0086】
図３のＡは、反射配置及び透過配置のための光路を概略的に示す。簡単にするために、ミラーレンズ等の光学素子、及び放射線を指向し、集め、集束させるために通常使用されるプリズムは明示的に示されていないが、存在すると理解される。
【0087】
透過配置の場合、図１のスペクトル光源１２２は、位置３２２Ｂに示すようにＩＲＥの対称軸上に配置される。スペクトル光源１２２は、この例では時間的に変調された（好ましくはパルス化された）広帯域放射３１１を生成する。プローブ放射線３１１は、ＩＲＥを通過し、サンプルボリュームに通常（入射角０度）入る。プローブ放射線３１１はサンプル分子１１０と相互作用し、サンプルボリュームを透過した相互作用放射線は収集され、偏光アナライザ１２７を通って経路３１２に沿って指向される。制御部１４０は、偏光子１２７を回転させて、光分散デバイス３０７への経路３１３に指向された偏光を選択する。異なる波長の偏光相互作用放射線は、各波長の屈折率によって決定される速度で光分散デバイス３０７を通過し、検出器３０８への経路３１７をたどる。偏光相互作用放射線のパルスの各波長は、異なる時間に検出器３０８に到達する。検出器における時間的光子束は、時間的パルス形状で畳み込まれた波長による時間依存性である。光分散デバイス３０７は、例えば、コンパクトにするために円筒に巻かれた長い光ファイバであってもよい。検出器３０８は、例えば、フォトダイオード又は光電子増倍管であってもよい。検出器３０８からの電気シグナルは、制御部１４０と通信して時間的シグナルアナライザ３０９に転送される。時間的シグナルアナライザは、例えば、従来のアナログデジタル変換器（ＡＤＣ）であってもよい。好ましくは、時間的シグナルアナライザは、従来のＡＤＣよりも良好な時間的分解能及び良好なシグナル対ノイズ比を提供する、上記で引用されたＨＲＭＳ特許に記載されたデバイスである。
【0088】
反射配置の場合、図１のスペクトル光源１２２は位置３２２Ａに示されており、ＩＲＥサンプルインターフェースで入射角が０より大きくなっている。この配置における入射角は調整可能であり、ＩＲＥ材料の屈折率と共にサンプルボリュームへのエバネッセント波の浸透深さを制御する。プローブ放射線は、経路３２３に沿って入射し、サンプルボリューム１０１へのエバネッセント波の浸透を介してサンプル分子１１０と相互作用し、経路３２４に沿って反射される。経路３２４に沿った相互作用放射線の偏光は、制御手段１４０から制御シグナルを受信する偏光子１２７によって変調される。偏光された相互作用放射線は、経路３２５に沿って分光計３０３に続く。分光計３０３は、複数の検出素子を含むことができる検出器３０４への経路３２６に沿った放射線出力を変調する。分光計３０３は、例えば、各波長を異なる経路３２６に沿って検出器３０４の異なる検出器要素に指向する分散格子分光計であってもよい。分光計３０３は、例えば、ステップスキャンモードで動作するフーリエ変換分光計であってもよい。分光計３０３は、例えば、複数の検出器素子を有する上記で引用されたＨＥＭＳ特許に記載されている配置であってもよい。各検出器素子からの電気シグナルは、時間に対する各シグナルの振幅を定量化し、定量化されたシグナルを制御部１４０に中継する時間的シグナルアナライザ３０９に送信される。
【0089】
上述の透過及び反射測定の場合、検出器３０４及び３０８におけるスペクトルシグナルの時間的発展は、制御部１４０によって電極アレイ３３０並びに電極３０５及び３０６によって生成される電場のシーケンスと相関する。すなわち、電場の時間的シーケンスは、摂動されたサンプル分子立体配座の時間的シーケンスを生成し、各摂動された立体配座は異なるスペクトルシグナルを与え得る。
【0090】
図４のＡ、Ｂ及びＣは、概して４００で示されるサンプルボリューム１０１内に時間的に変化する三次元電場を生成するように構成された長方形のサンプルセルを示す。図４のＡ及びＢ、具体的には４３１、４３２、４３３、４３４、４３５、４３６、４３７、４３８、４４１、４４３、４４５、及び４４７に示す各電圧供給部は、図１に示す制御手段１４０と通信し、制御される。簡単にするために、制御手段１４０への接続は、図４のＡ及びＢには示されていない。４０１で示される領域では、サンプルセルは三次元の斜視図で描かれている。サンプルセルの構造要素及び内面は、電流の流れを防止する電気絶縁材料４０３で構成される。電気化学的研究に使用される代替の配置（図示せず）では、電極は、サンプルボリューム内に電流が流れることを可能にするように配置されてもよい。３つの例示的な電極構成が示されている。電圧供給部４３１に連結された上部パネル電極４２１は、４１１に示すように、電磁放射線がサンプルボリューム１０１に出入りすることができる開口部４２９を有する。正面パネルは、４つの電極４２２、４２３、４２４及び４２５並びに対応する電圧供給部４３２、４３３、４３４及び４３５を有する別の配置を示している。各電極を異なる電圧に保持して、サンプルボリューム１０１内に空間的及び時間的に変化する電場を生成することができる。空間的に変化する電場における勾配は、例えば、分子双極子モーメントとの相互作用を介して分子を並進させるために使用され得る。４１２に示されるように、放射は、電極間の間隙を通ってサンプルボリュームに出入りすることができる。電極４２２、４２３、４２４、及び４２５は、上記で引用されたＦＰＡＡ特許においてより詳細に論じられているように、放射をフィルタリング又は回折するように配置されてもよい。簡潔には、電極は、ＫＨｚ～ＧＨｚ範囲の分子に作用する電場を生成し、ＴＨｚ及びより高い周波数でサンプル分子と相互作用する放射のための光学素子として作用するように機能することができる。電圧供給部４３６に連結されたサイドパネル電極４２６は、経路１１３に沿ってサンプルボリューム１０１に出入りする放射のためのフレネルレンズとして作用するように成形されている。この例では、フレネルレンズを使用して、サンプルボリューム内に空間的に均一な電場を生成しながら、入射放射線をサンプルボリューム内の点に集束させることができる。
【0091】
図４のＢのサンプルセルの断面図は、概して４０２で示されている。断面において、電気絶縁材料４０３は、４０４で示される電場によって配向されたサンプル分子１１０を有するサンプルボリューム１０１を囲むことが分かる。絶縁材料４０３は、サンプルボリューム１０１内の電流の流れを防止するのに十分な厚さを有する。さらなる絶縁材料４０３は、サンプルボリュームを、電場が許容域値内で均一である相互作用ボリュームに制限するように成形することができる。図示されているように、電圧が供給部４３６から印加されて、電極４２６上に正電荷（陰影で示されている）を生成し、供給部４３７を介して対向する電極４２７上に負電荷を生成する。垂直電場成分は、それぞれ電圧源４３１及び４３８を介して電極４２１及び４２８に異なる電圧を印加することによって生成することができる。ｘｚ平面における一連の例示的な電圧構成が、図４のＣの４５１、４５２、４５３、４５４、４５５、４５６、４５７及び４５８に示されている。正の電圧を有する電極は、黒色で陰影が付けられている。各例は、電場状態の時間的シーケンスにおいて１つの可能な状態を表す。４０２で与えられる座標系を参照すると、構成４５１及び４５２は、それぞれ－ｚ及び＋ｚ方向の電場を生成する。同様に、構成４５３及び４５４は、それぞれ－ｘ及び＋ｘ方向の電場を生成する。構成４５５は、－ｘ＋ｚ方向にサンプルセルに対して斜めの電場を生成する。構成４５６は、－ｘ－ｚ方向にサンプルセルに対して斜めの電場を生成する。構成４５７は、＋ｘ－ｚ方向にサンプルセルに対して斜めの電場を生成する。構成４５８は、＋ｘ＋ｚ方向にサンプルセルに対して斜めの電場を生成する。一般に、電場のシーケンスは、方向が０度を超え１８０度未満異なる少なくとも２つの異なる電場を含む。例えば、構成４５１及び４５２は１８０度異なるため、構成４５１及び４５２を含むシーケンスはまた、構成４５３、４５４、４５５、４５６、４５７又は４５８の少なくとも１つを含まなければならない。さらに、電圧（及び電場）の大きさは、活性化された電極ごとに異なり得る。
【0092】
図４のＢを参照すると、電圧源４４１、４４３、４４５及び４４７は、電圧を生成及び測定するように構成されてもよい。この場合、電圧源は、例えば、ＤＡＣ、ＡＤＣ、及び増幅回路を含むことができる。送信モードでは、電圧源４４１は、制御手段１４０及びＤＡＣ回路からシグナルのシーケンスを受信し、時間的に変化する電圧によってトランスデューサ４４２を振動させ、サンプルボリューム１０１内に伝搬する音響波を生成する。受信モードでは、トランスデューサ４４２は、入射音響波の影響下で振動し、電圧をデジタル形式に変換し、デジタルシグナルを制御部１４０に送信する電圧源４４１内のＡＤＣ回路によって受信された電圧を生成する。音響トランスデューサ４４４、４４６及び４４８は、それらの電圧源４４３、４４５及び４４７と共に、トランスデューサ４４２及び電圧源４４１と同じように動作する。音響トランスデューサは、２つの異なる機能を実施することができる。まず、音響波は、分子衝突を介してサンプル分子１１０と相互作用し、波の伝播方向に運動量伝達を提供する。制御部１４０は、電場のシーケンスと協調して音響波のシーケンスを活性化して、サンプル分子の立体配座の変化をもたらしてもよい。すなわち、音響波からの衝撃力は、エネルギー的に好ましい配座が電場によって決定される配座変化に対する位置エネルギー障壁を克服することができる。第２に、音響波を使用して、ドップラーシフトを介して分子運動をプローブすることができる。このモードでは、電場シーケンスが分子又は分子フラグメントを移動させ、移動する分子又は分子フラグメントと相互作用する音響波がドップラーシフトされる。音響波の速度は通常、光速よりも５桁小さいため、相対ドップラーシフトはより大きく、測定がより容易である。
【0093】
図５のＢ、図６のＢ及び図７は、振幅、波長（又は周波数等価物）、温度、偏光状態、電場振幅及び周波数、並びに時間的発展の次元を有するスペクトルを生成するために図１の配置と共に使用することができる電場シーケンスの単純な非限定的な例示的な例を示す。電磁場の複雑なシーケンスをサンプル分子に印加して、第１の選択されたサンプル分子又はその一部及び第２のサンプル分子からのスペクトルシグナルを選択的に増強することができる。例えば、電磁場のシーケンスは、選択されたサンプル分子の量子状態を変化させるポンプパルスを含むことができ、その後の電磁場は、変化した量子状態との電磁気相互作用に少なくとも部分的に起因して、選択されたサンプル分子の構成及び／又は配向を変化させる。例えば、電磁場のシーケンスは、後続のポンプパルスが同じ又は類似のエネルギーの第２の分子転移ではなく第１の分子遷移と選択的に相互作用するように、選択されたサンプル分子の構成／配向を変更し得る。例えば、電磁場のシーケンスは、プローブ放射線の偏光に平行な第１の遷移双極子モーメント及びプローブ放射線の偏光に垂直な第２の遷移双極子モーメントを配向する。第１の遷移双極子モーメント及び第２の遷移双極子モーメントの遷移エネルギーは同一であってもよいが、第１の遷移双極子モーメントのみがプローブ放射線と相互作用する。プローブ放射線の偏光が９０度回転される場合、第２の遷移双極子モーメントのみがプローブ放射線と相互作用する。これは、第１の遷移双極子モーメント及び第２の遷移双極子モーメントの両方がランダムに配向され、任意の分極のプローブ放射線と相互作用する可能性が等しく高い熱平衡状態のサンプルとは対照的である。第１の遷移双極子モーメント及び第２の遷移双極子モーメントの直交アラインメントは、２つの遷移双極子モーメントからの寄与の間に最大のスペクトルコントラストを提供するが、９０度未満の平均遷移双極子モーメント配向間の角度のスペクトルコントラストは、第一及び第２の遷移双極子モーメントのスペクトル寄与を分離するのに十分なスペクトルコントラストを提供し得る。第１の遷移双極子モーメントと第２の遷移双極子モーメントとの間のスペクトルコントラストは、遷移双極子モーメント間の平均角度が時間とともに変化する時系列の測定を行うことによって増強され得る。例えば、第１の遷移双極子モーメント及び第２の遷移双極子モーメントはそれぞれ、電磁場のシーケンスに従う好ましい配向を有することができる。電磁場がオフに切り替えられた後、各遷移双極子モーメントの平均配向は、異なる速度でランダム配向に減衰し得る。配向減衰率の差は、各遷移双極子モーメントのスペクトル寄与を区別するのに十分である。例えば、電磁場のシーケンスは、パルス間の時間が変化する複数のパルスを含むことができる。第１の遷移双極子モーメントは、連続するパルス間の残留配向を保持し、段階的により配向されるようになり得る。第２の遷移双極子モーメントは、各パルスによって配向され、パルス間のランダムな配向に減衰することができる。パルスレートを変えることにより、第１の遷移双極子モーメント及び第２の遷移双極子モーメントのスペクトル寄与を、動的特性の差に基づいて分離することができる。
【0094】
図５のＢは、電場インパルスに応答した図５のＡの分子セグメントの異なる配向を示す。５２１で示される図５のＢの上の曲線は、ｚ方向の電場を発生させるために印加される電圧のプロットである。電圧は、５３１で示されるように最初はゼロであり、５３２で示されるように時間ｔ０で電圧Ｖｚまで上昇する。電圧は、５３３で示されるように時間ｔにわたって印加され、５３４で示されるように時間ｔ０＋ｔにおいてオフに切り替えられる。図５のＡに示すように、剛性セグメント５１１、５１３、５１５及び５１７を有する分子５１０は、最初は無秩序状態にある。無秩序状態の分子のスペクトルは、入射放射線の方向及び偏光とは無関係である。時間の関数としてのｚ軸上への分子セグメント５１１，５１３，５１５及び５１７の投影は、それぞれ曲線５１１Ｒ、５１３Ｒ、５１５Ｒ及び５１７Ｒで与えられる。曲線５１１Ｒ上の５１８に示すように、ｚ軸に対するセグメント５１１の平均配向はゼロであり、すなわち、好ましい配向はない。分子セグメント５１１，５１３，５１５、及び５１７はそれぞれ、曲線５１１Ｒ、５１３Ｒ、５１５Ｒ、及び５１７Ｒによって示されるように、異なる特性時定数Ｔ１を有する印加された電場と整列する。分子５１０の構成の時間的発展は、５２０、５３０、５４０及び５５０に概略的に示されている。全てのセグメントについて時間ｔ＞Ｔ１の後、全てのセグメントを、５２０に示すように印加された電場と整列する。電場がオフに切り替えられてから短時間後、最小質量及び慣性モーメントを有する最小セグメント５１１は、５３０に示すようにｚ軸とのアラインメントから逸脱する。各セグメントの配向は、特性時定数Ｔ２で減衰する。５４０に示すように、セグメント５１３のみがｚ軸との有意なアラインメントを保持する。５５０に示すように、全てのセグメントについてＴ２を過ぎた時間では、分子構成はランダムであり、初期構成とは異なる。時定数Ｔ１は、電荷分布、質量、慣性モーメント、及び隣接する分子又はその一部との相互作用に依存する。小分子又はその絡み合っていない部分の場合、時定数はピコ秒以下程度であり得る。場合によっては、再配向は、印加された電場とのアラインメントをエネルギー的に不可能にする、すなわち時定数が無限大に近づくようにする隣接分子又はセグメントの共有結合を切断することを必要とし得る。場合によっては、再配向に対する位置エネルギー障壁がある。この場合、再配向が起こり得る閾値印加電場強度が存在する。閾値は、セグメントタイプごとに統計的分布を有することができ、各セグメントタイプは、閾値電場の異なる分布を有することができる。なお、閾値電場は、電場と分子セグメントの電荷分布との相互作用により決定される移動度の活性化エネルギーに比例する。分子セグメントと隣接分子との間の相互作用は、利用可能なエネルギーに依存する速度で絶えず変化している。利用可能なエネルギーは熱エネルギーであってもよく、この場合、熱エネルギーはエネルギー等配分の法則に従って利用可能なモード間で分配され、Ｔ１は温度に依存する。再配向のためのエネルギーはまた、例えば電磁放射線で選択されたモードを励起することによって、選択されたモードに指向されてもよい。時定数Ｔ１は、印加された電場方向に平行及び垂直な偏光で記録されたスペクトルの時系列から計算することができる。図示の例では、平行偏光はｚ方向であり、垂直偏光はｘｙ平面内の任意の方向である。分子セグメントの平行及び垂直偏光スペクトルは、ランダムな状態で同一である。電場がオンになると、平行偏光スペクトルと垂直偏光スペクトルとの差が増加し、各波長の限界値に漸近する可能性がある。Ｔ１は、スペクトル差が限界値の閾値画分に達するために電場がオンになってからの時間とみなされる。閾値分率は、例えば９５％であってもよい。場合によっては、印加された電場は、局所的又は全体的な位置エネルギー最小値に対応するサンプル分子の長距離秩序化を誘発し得る。これらの場合、秩序化（アラインメント）は、熱変動に対して安定であり得、秩序化を乱すために（必ずしも同じ軸に沿ってではない）印加された電場を必要とし得る。図５のＡに示す例では、熱励起は分子セグメントの秩序化を乱すのに十分である。図示のように、（一連の偏光スペクトルでも測定される）ｚ軸とのセグメント５１７の位置合わせの曲線５１７Ｒは、特性周期Ｔ２の熱励起に起因して最大アラインメントの１／ｅまで減衰する。
【0095】
図６のＡにおいて、サンプル分子６１０は、最初はランダムな状態にあり、短いセグメント６１１及び長いセグメント６１３は好ましい方向を有さない。図６のＢに示すように、時間ｔ０において、波形Ｖｚを有する配向電場がｚ方向に印加され、セグメント６１１及び６１３又はサンプル分子を優先的にｚ軸に沿って配向させる。一般に、配向は分子セグメント中の電荷の分布に依存し、必ずしも印加された電場の方向に沿っているとは限らないことに留意されたい。電場の方向の配向は、例示のみを目的としている。セグメント６１１及び６１３のＴ１より大きい時間（閾値を超える配向）において、時間的に変化する電場が、ｚ方向定常場に垂直なｘ方向に生成される。時間的に変化する電場の周波数は、低周波電場及び高周波電場をそれぞれ示す例示的な波形Ｖｘ１及びＶｘ２を用いて体系的に変化する。低周波磁場に対する短いセグメント６１１の応答は、プロットＡａ１に概略的に示されている。質量及び慣性モーメントが低いため、セグメント６１１は、印加された場Ｖｘ１と同相で大きな振幅でｘ方向に振動する。より高い質量及び慣性モーメントにより、セグメント６１３は、プロットＡｂ１に概略的に示されているように、位相遅延及び低減された振幅で振動する。セグメント６１１及び６１３のスペクトル寄与が同じ波長にあり、静的な場合には区別がつかないとしても、各セグメントの寄与は、ロックインアンプ又はスペクトラムアナライザを用いて、駆動波形Ｖｘ１に対するそれらの間の位相差に基づいて分離され得る。各セグメントからのスペクトル寄与の振幅及び位相は、駆動周波数が変化するにつれて変化する。駆動波形Ｖｘ２について、セグメント６１１及び６１３の応答は、それぞれプロットＡａ２及びＡｂ２に概略的に示されている。プロットＡａ２における短いセグメント６１１のスペクトル応答は、より高い励起周波数に起因して、プロットＡａ１と比較して位相シフトされ、振幅が低減される。プロットＡｂ２に示すように、長いセグメント６１３は、より高い周波数の励起Ｖｘ２で過剰駆動され、その結果、著しい位相シフト及び低減された振幅を有する。セグメント６１１及び６１３のスペクトル寄与は、例えば選択された位相を変化させることによって、ロックインアンプ又はスペクトラムアナライザで再び分離することができる。図６のＢの方法は、寸法振幅、波長（又は周波数等価物）、励起周波数、励起振幅、及び応答位相を有する多次元スペクトルを与える。さらに、サンプル温度を変化させることができ、これにより、分子間及び分子内相互作用、したがってスペクトル応答が変化する。
【0096】
図７は、図４のＡの配置のための３次元電圧励起パターンの２つの例を示す。第１のパターンは、それぞれ電圧源４３６、４３２及び４３１によって生成された電圧波形７０１、７０２及び７０３からなる。第２のパターンは、それぞれ電圧源４３６、４３２及び４３１によって生成された電圧波形７１１，７１２及び７１３からなる。波形７０１又は７１１は、４０１に示すように、ｘ方向の電場成分を生成するために電極４２６に印加される。波形７０２又は７１２は、ｙ方向の電場成分を生成するために電極４２２に印加される。波形７０３又は７１３は、ｚ方向の電場成分を生成するために電極４２１に印加される。相互作用ボリューム４０１内のサンプル分子に作用する正味の電場は、ｘ、ｙ、及びｚ成分のベクトル和である。
【0097】
７０４及び７１４に示されるように、サンプル分子を優先的に整列させるのに十分な大きさ及び持続時間の一方向に初期電場を印加することが好都合である。第１の例（７０１，７０２，７０３）では、サンプル分子はｘ方向に対して配向されている。第２の例（７１１，７１２，７１３）では、分子はｘ＋ｙ方向の軸に対して配向されている。電極４２１，４２２及び４２６に印加される電圧を調整することによって、電場の初期アラインメントを任意の所望の方向に生成することができる。初期アラインメントに続いて、７０５に示すように、電場を周波数ｆで周期的に循環させることができ、周波数ｆで振動する分子セグメントからのスペクトル特徴を、ロックインアンプ又はスペクトラムアナライザを使用して抽出することができる。ロックイン検出は、励起の周波数に励起周波数の高調波を加えた応答を捕捉することに留意されたい。循環は、双極又は単極であり得る。単極の場合、サンプル分子は、θ＝９０度に対応する好ましい配向（図２参照）と、図５のＡの５５０に最もよく示されているようなランダムな配向への緩和との間を循環する。双極性の場合、サンプル分子は、θ＝９０度及びθ＝－９０度で好ましい配向の間を循環する。励起周波数がサンプル分子又は分子フラグメントの固有周波数よりも大きい場合、振動の振幅は９０度未満になる。分光計測は、励起周波数よりも高い周波数で行われて、配向の範囲にわたるドップラーシフトを介して配向の範囲のスペクトル及び動的情報を提供することができる。例えば、励起周波数は１０ＭＨｚとすることができ、分光計測の周波数は５００ＭＨｚとすることができる。上記で引用されたＨＲＭＳ特許のデバイスを使用して、高精度で測定を行うことができる。
【0098】
７０１、７０２及び７０３に示すように、本発明の配置によって任意の座標軸に対して電場成分を生成するために電圧を印加することができる。励起シーケンスの賢明な選択により、サンプル分子又はそのセグメントは、θ及びφの任意の組み合わせに対して配向され得、その結果、θ単独でのスキャンよりも多くの情報を提供する。
【0099】
７０２及び７０３に示すように、励起電圧は擬似ランダムシーケンスであってもよい。擬似ランダムシーケンスは、３つの方法で使用することができる。第１に、擬似ランダムシーケンスは、ランダムな分子衝突の影響をエミュレートすることができる。さらに、ランダム電場からのインパルスは、サンプル温度での分子衝突からの運動量伝達よりも著しく大きくなり得る。すなわち、選択された分子フラグメントの「温度」は、異なるタイプの周囲分子の温度よりもはるかに高くてもよい。電場からのより大きなインパルスは、例えば、分子又はそのフラグメントが第１の構成と第２の構成との間の位置エネルギー障壁を克服することを可能にし得る。ランダム電場は、第１の構成と第２の構成との間の位置エネルギー障壁を回避する構成のシーケンスを通じて分子を導くことができる。第２に、印加された電場との分子アラインメントのために十分に低い周波数で印加された電場の擬似ランダムシーケンスは、ランダムな間隔で分子配向のスペクトルを測定することを可能にする。スペクトルのシーケンスは、各分子配向に関連するスペクトルを単離するために励起シーケンスと相関させることができる。この方法は、周期的励起に関連する高調波周波数のあいまいさを克服する。第３に、擬似ランダムシーケンスを使用して、可能な分子配向の４π立体角にわたる分子配向を、各立体角間隔に与えられた等しい確率でランダムにサンプリングすることができる。
【0100】
電圧波形７０２に示すように、電場成分のシーケンスは、ランダム状態間の均一な時間間隔を有する擬似ランダムシーケンスであってもよい。この場合、サンプル分子又はそのフラグメントの応答は、衝撃力に対する振動子の応答としてモデル化することができる。スペクトル測定値は、擬似ランダム電場励起と相関するスペクトル応答を単離するために、制御部１４０において擬似ランダムシーケンスと相関する。擬似ランダム励起シーケンスは、周期的励起シーケンスのような高調波応答を生成せず、この理由から好ましい。
【0101】
電圧波形７０３に示されるように、７０６で示されるような第１の時間間隔を有する第１のサブシーケンスと、７０７で示されるような第２の時間間隔を有する第２のサブシーケンスとが存在し得る。サブシーケンス７０６は、小分子フラグメントのスペクトル応答を測定するために使用することができ、サブシーケンス７０７は、より大きな分子フラグメントのスペクトル応答を測定するために使用することができる。
【0102】
電圧及び対応する電場の大きさは、７０１及び７１１に示すようにシーケンス間で変化してもよく、シーケンス７１２の７１５に最もよく見られるようにシーケンス内で変化してもよい。電圧振幅は、結果として生じる電場と分子フラグメントとの間の相互作用が位置エネルギー障壁を克服するように選択することができる。電圧は、熱揺らぎの大きさよりも大きい相互作用の大きさを生成するように選択されてもよく、それによって、電場によって誘導される分光シグナルを熱雑音から区別する。電圧は、熱励起をエミュレートするためにランダムな範囲内で選択されてもよい。例えば、直交励起場成分は、デジタル通信で使用されるＱＡＭ符号方式のＩ成分及びＱ成分から生成され得る。
【0103】
図７に示す例では、方向ラベルｘ、ｙ、及びｚは例示のみを目的としている。図示された特徴のいずれも、任意の軸に対して任意の組み合わせで印加することができる。
【0104】
図８のＡ及びＢは、測定手段の基準系９０７内の分子フラグメント９００を示す。プローブ放射線は、９０１及び９０４に示すように、異なる方向から分子フラグメント９００に入射することができる。プローブ放射線９０１は、９０３に示すように角度αで回転させることができる直交偏光ベクトル９０２を有する。プローブ放射線９０４は、９０６に示すように角度βで回転させることができる直交偏光ベクトル９０５を有する。図８のＡにおいて、分子フラグメント９００は、９０９で示される好ましい配向軸Ｄを有し、９１０で示されるように角度Ψを通って軸Ｄの周りを回転することができる。図８のＢにおいて、分子フラグメント９００は、９１１で示される好ましい配向軸Ｄを有し、９１２で示されるように角度Ψを通って軸Ｄの周りを回転することができる。熱平衡にある系では、分子フラグメント軸Ｄは、境界となる球面９０８によって示されるように任意の方向を指し得る。すなわち、フラグメント軸ベクトルは、境界となる球面９０８の表面上の任意の点で終結することができる。
【0105】
図８のＡでは、電場ベクトルは、９１６に示すように単一の軸に制限されている。分子配向軸は電場軸によって固定されているため、球面９０８によって記述される全ての方向からの分光計測は、プローブ放射源を測定手段９０７の基準系内で移動させることを必要とする。実際には、プローブ放射線に関連する光学アセンブリを移動させることは、遅くて面倒なプロセスである。分子フラグメント９００は、フラグメント軸９０９の周りを自由に回転することができ、９１０で示されるΨの全ての値が等しく可能性がある。プローブ放射線方向９０１及び９０４で測定されたスペクトルは、Ψの全ての値にわたる平均である。図２のＡの双極子モーメント２１５及び２１６の大きさを測定することができるが、双極子モーメントの相対的な方向を分解することはできない。
【0106】
図８のＢは、電場ベクトル９１７が任意の方向を向くことができる、図４のＡに示す配置の利点を示す。最初に、９１１で示される分子セグメント軸Ｄは、球面９０８の表面上の任意の点で終結することができる。分子セグメント軸９１１の方向は、便宜的に、それぞれ９１３及び９１５に示すように、球面座標θ及びφで表される。ここで、φは、偏光軸９０２と、９１４で示される分子セグメント軸の投影との間の角度である。これは、プローブ放射線方向９０１と分子セグメント軸との間の全ての角度のスペクトルが、プローブビームデバイスを回転させるのではなく、電場のシーケンスで測定基準系９０７内の分子フラグメント軸９１１を回転させることによって測定され得ることを意味する。分子セグメント軸は、非常に迅速に、典型的にはミリ秒～マイクロ秒で任意の方向に回転させることができ、多数の方向からスペクトル測定を行うことができる。第２に、電場のシーケンスは、９１２に示すようにΨを規定の角度に指向するために分子軸９１１の周りにトルクを加えることができる。これにより、各遷移双極子モーメント（図２のＡの２１５及び２１６）の方向を決定することが可能になる。第３に、φ９１５を通る分子セグメント軸回転は、９０３における偏光子角度αの回転と等価であるため、偏光軸９０２は固定され得る。すなわち、偏光ベクトル９０２と分子セグメント軸９１１との間の角度範囲のスペクトルは、９１５で角度φを通って分子セグメント軸９１１を回転させることによって迅速に測定することができる。
【0107】
図８のＣ及びＤは、同じ分子フラグメント９００を含有する第１のタイプの分子（図８のＣ）及び第２のタイプの分子（図８のＤ）にじょう乱のシーケンスを印加する効果を示す。第１のタイプの分子では、分子フラグメント９００は経路９２１をたどる。第２のタイプの分子では、分子フラグメント９００は経路９２２をたどる。経路９２１及び９２２は、第１及び第２の分子タイプの動的特性が異なるため、異なる。示されるように、分子フラグメント９００は、第１の分子タイプ（経路９２１）に結合したとき、第２の分子タイプ（経路９２２）に結合したときよりも拘束されず、より大きな運動振幅を有する。経路９２１に沿って測定されたスペクトルのシーケンスは、経路９２２に沿って測定されたスペクトルのシーケンスとは異なり、第１のタイプの分子と第２のタイプの分子とを区別することを可能にする。
【0108】
動作を制御するアルゴリズムは、ソフトウェアコード、ハードウェア、又はソフトウェアとハードウェアの任意の組み合わせで制御手段１４０によって実行されてもよい。
【0109】
検出プロセスは、標的分子を含み得るサンプル分子を相互作用ボリューム１０１に配置することによって開始する。制御手段１４０は、メモリ１４４又は外部供給源１４５から標的分子の測定パラメータを検索する。測定パラメータは、各設定に必要な時間ステップと共にデバイス設定の時間的シーケンスである。プローブ放射線の偏光は、例えば、各測定時間について、図８のＡの９０３及び９０６で示される角度α及びβで指定される。電場ベクトルの時間的シーケンス、又は同等には、各時間間隔に対して各電極に印加される電圧が指定される。磁場ベクトルの時間的シーケンス、又は同等には、各時間間隔に対して電磁石に印加される電流が指定される。音響励起ベクトルの時間的シーケンスが指定される。
【0110】
例示的な測定アルゴリズムの擬似コード表現が与えられる。例えば異なる順序で、同じタイプの測定を実行する他のアルゴリズムが使用されてもよい。擬似コードは、最初に、測定値のセットに対してプローブ放射線偏光を設定する。ユーザ定義の時間間隔で、アルゴリズムはカウンタｋを増大させ、じょう乱のシーケンスからｋ番目の電場、磁場、及び音響場を取得し、必要な場を生成させるシグナルを生成する。シグナルは、例えば、電圧を生成させて電極に送信させるＤＡＣに指向されたデジタルコードであってもよい。アルゴリズムは次に、じょう乱変化間の時間工程以下のスペクトル間の時間工程で各検出器におけるｍ個のスペクトルを測定する。例えば、電場、磁場、及び音響場は、１ＭＨｚの周波数で更新されてもよく（必ずしも変更されなくてもよい）、スペクトル測定は、１００ＭＨｚの周波数で行われてもよい（じょう乱状態ごとに１００個のスペクトルが測定される）。このように収集された多次元スペクトル（振幅及び波長）は、じょう乱磁場、観測方向及びプローブ放射線偏光の関数である。
【0111】
任意に、生のスペクトルデータを処理して、異なる分子セグメントからスペクトル寄与を抽出することができる。スペクトル寄与は、ロックインアンプ技術又は周期的なサンプル励起のためのスペクトラムアナライザを使用して抽出することができる。サンプル励起の擬似ランダムシーケンスの場合、相関器を使用してスペクトル寄与を抽出することができる。このプロセスは、ノイズを除去し、別個のスペクトルシグナルを増強する効果を有する。
【0112】
任意に、Ｔ１、Ｔ２及び速度等の分子セグメントの動的特性は、分子セグメントのスペクトル特徴の時間依存性を分析することによって抽出することができる。処理中のカーブフィッティングは、ノイズを除去し、別個のスペクトルシグナルを増強する効果を有する。
【0113】
パターン認識アルゴリズムは、サンプル分子からの多次元スペクトルデータを標的分子からの多次元スペクトルデータと比較し、類似性指数を計算する。類似性指数が閾値を超える場合、サンプル分子は標的分子として分類される。標的分子の多次元スペクトルは、データベースから検索され得る。サンプル分子は、複数の標的分子タイプと比較され得る。類似性指数は、多変量統計的方法を用いて、又は例えばニューラルネットワークを用いてスペクトルデータ内のパターンを学習する人工知能方法を用いて計算することができる。パターン認識アルゴリズムは、生のスペクトルデータ、生のデータから導出された量、又はそれらの任意の組み合わせに対して動作することができる。
【0114】
測定アルゴリズムからの生のスペクトルデータ及び／又は生のスペクトルデータから得られたデータを分析して、どの測定値（及び関連するじょう乱）が異なるタイプの標的分子間で最大の区別を与えるかを決定することができる。この解析に基づいて、じょう乱のシーケンスを修正して、最も高い診断値を有する測定値に測定時間を集中させることができる。
【0115】
本明細書中に記載される方法は、分子及び分子の別個のアセンブリに等しく良好に印加され得る。例えば、ウイルス又は細菌等の生物学的実体は、多くの種類の別個の分子をほぼ一定の割合で含む。本発明の範囲内で、生物学的実体は単一分子であると見なされ、構成分子は分子フラグメントであると見なされる。
【0116】
要約すると、異なるセグメント長に対応する異なる長さスケールでの秩序化は、異なる時定数を有するスペクトルの階層を生成する。分子のスペクトルは、各セグメントからのスペクトルの重ね合わせであり、各セグメントからのスペクトルは、分子構成に応じてθ、φ空間から選択される。次いで、分子の集合のスペクトルは、各分子からのスペクトルの重ね合わせである。分子構成、したがって各分子セグメントからのスペクトルに寄与するθ、φ空間の領域は、音響的又は電磁的であり得るのじょう乱のシーケンスによって選択される。本発明の第１の実施形態では、じょう乱の時間的シーケンスが分子構成の時間的シーケンスを生成し、シーケンス内の２つ以上の分子構成についてスペクトルを測定して、次元波長、振幅及び構成番号を有する三次元データキューブを得る。本発明の第２の実施形態では、さらなる偏光が測定され、第４の次元を与える。任意の他の実施形態で使用することができる本発明の別の実施形態では、スペクトルは異なる方向で測定され、各方向はさらなるスペクトル次元を提供する。任意の他の実施形態で使用することができる本発明の別の実施形態では、周波数応答の次元が追加される。具体的には、じょう乱のシーケンスは周波数掃引を含み、じょう乱の周期的シーケンスが異なる周波数で印加され、ロックインアンプ又はスペクトラムアナライザを使用して各周波数からスペクトル寄与を単離する。任意の他の実施形態で使用することができる本発明の別の実施形態では、更に、サンプルの温度が変化する。任意の他の実施形態で使用することができる本発明の別の実施形態では、更に、材料が分子セグメントに近接して添加され、それによって分子セグメントの動的特性を変化させる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【国際調査報告】