JP4536927B2 - 在庫管理 - Google Patents
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Description
【０００１】
本発明は、米国国立科学財団（National Science Foundation）によって認可された契約番号９４−００３３４番の元に米国政府の支援でなされた。米国政府は本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
本願は、出願番号０９／１６０，４５８号の一部継続出願であり、１９９８年９月１８日付で出願された、名称が「在庫管理（Inventory Control）」である、仮出願番号第６０／１０１，０４６号に対して優先権を主張するものである。本願は、これと同日付で出願された、名称が「量子ドットの生物学的用途（Biological Applications of Quantum Dots）」である出願番号第０９／１６０，４５４号に関連するものである。また、本願は、１９９８年９月１８日付に出願された、名称が「水溶性チオールキャップドナノ結晶（Water-Soluble Thiol-Capped Nanocrystals）」である出願番号第０９／１５６，８６３号の明細書にも関連する。
【０００３】
この特許文書の開示の一部は、著作権保護に用いられる物質を含むものである。著作権保持者は、特許商標庁のファイルや記録においてもそうであるように、特許文書または特許開示の誰による転用に対しても異議を有さない。しかし、その他のものは、いかなる著作権も全て保持される。
【０００４】
発明の背景
関心のある組成物やアイテムの位置や同一性を追跡するための能力は、工業および科学に対して、重要な挑戦を提供してきた。例えば、食料品店の品物や宝石類といった消費製品、および、セキュリティーカードなどの識別装置における利益の追跡の継続への要求により、確実で便利なシステムに対するニーズがもたらされた。さらに、コンビナトリアルケミストリー、遺伝子研究、ミクロ流体素子工学（microfluidics）といった新興の技術も、大量のアイテムの位置を同定し、追跡する能力を必要としている。
【０００５】
関心のある構成成分やアイテムの位置や同一性を追跡するために従来用いられている方法は、ユニバーサルプロダクトコード（Universal Product Code）技術、すなわちバーコード技術であり、これは直接目的物に印刷されるか、目的物に貼り付けられたラベル上に印刷された直線状の配列要素を用いるものである。これらのバーコード要素は、一般には線と空白とからなり、線は二進法の一連の１を表現する種々の幅を有し、空白は二進法の一連の０を表現する種々の幅を有する。バーコードは走査型レーザービームや手で掴める棒（handheld wand）などの装置によって光学的に検出可能である。または、磁気媒体において実行可能である。読み込みおよびスキャニング装置は、記号を電気光学的に解読し、アイテムやそれらの特徴を記述するための多様な英数字にする。これらの特徴は、２、３の例を挙げると、店頭や在庫管理への適用に関するシステムを実行するデータに対する入力として、デジタル形式で一般には表現される。
【０００６】
従来のバーコードは一般的には５つか６つの文字または数字を含むのみであったが、情報密度を増加させるために１次元バーコードがバーコード間の水平保護線において積み重なった２次元のバーコードも開発されている。例えば、米国特許５，３０４，７８６号はバーコード適用における使用のための、高密度２次元バーコード記号の使用を開示している。しかし生憎にも、バーコード技術の情報密度は改善されたもの、この技術は容易に破壊することが多く、ほこり、ゴミおよび物理的な損傷の干渉により、読み出し装置から得られる情報の精度が制限される。また、多くのアイテム上にバーコードを刻み付けることの困難性により、広範囲の使用へ適用することも困難である。
【０００７】
目的物に標識を付けるために開発されている他の技術としては、輸送手段、クレジットカードおよび宝石類といった目的物に適用される珪素または二酸化珪素ミクロ微粒子および粉末、流体物または気体からなる組成物が含まれる（ＷＯ９５／２９４３７）。このシステムにより、一般的には一枚のウエハ上における２００万の微粒子形成が可能になり、一枚のウエハ上における各微粒子は全く同一の形状および大きさであるように設計され、微粒子がウエハ基板から遊離した時には、単一の粒子形成を含む懸濁液中に粒子が残存し、同定され、特定の関心のあるアイテムと会合される。このシステムも、情報密度はさるものながら、広範囲への適用に関しては実際的ではない。出願書類において明確に述べられている利点の一つは、専門化されている装置や技術を要求する自明でないマイクロマシニング処理を使用しており、微粒子の確認されていない複製についての信憑性の薄い事象を含んでいる。従ってこのプロセスは、在庫管理に関する使用の範囲に広く適用されるものではないであろう。
【０００８】
上述したバーコードおよびミクロ粒子在庫管理機構に加え、コンビナトリアルケミストリーのような新興の技術も、種々のコード化機構の発達をもたらしている(例えば、Czarnik,A.W.,"Encoding Methods for Combinatorial Chemistry",Curr.Opin.Chem.Biol.,1997,1,60を参照）。この発達のための必要性は、およそ１００万の化合物についてのライブラリーを生産するコンビナトリアルケミストリーにおいて用いられているスプリットおよびプール技術（split and pool technique）から部分的に発生したものである。スプリットおよびプール合成は、ビーズ中の収集物をＮグループに分割することを含み、Ｎは特定の反応段階において使用される異なる試薬数を表し、反応が遂行された後は、これらのグループの全てを一括して貯蔵し、スプリットおよびプール処理を所望の反応順序が完了するまで繰り返される。一連の反応から生成された各化合物の追跡を継続するためには、関心のある化合物またはその化合物を生成する反応経路の同定が可能であるように、ビーズは「標識される」または各段階において情報がコード化されてものでなければならないことは明らかである。しかしながら、情報をコード化するために用いられる標識は、化学合成において採用される条件に対して強固なものでなければならず、情報を得るために容易に同定可能なものでなければならない。開発された典型的なコード化技術としては、合成が完了し、質量分析を用いて分析された後にはビーズから開裂する化学的に強固で小さな有機分子（「標識」）の使用が含まれる（米国特許第５，５６５，３２４号；米国特許第５，７２１，０９９号）。この方法の欠点は、関心のある化合物の同定についての情報を得るために「標識」をビーズから分離しなければならないことである。
【０００９】
これに応じて、幾つかのグループが、「標識」が支持体に付されたままでの分析が可能であるコード化機構を開発している。例えば、Radiofrequency Encoded Combinatorial（ＲＥＣTM）ケミストリーは、マイクロエレクトロニクス、センサーおよび化学に関する近年の進歩を組み合わせており、Single or Multiple Addressable Radiofrequency Tag（ＳＭＡＲＴTM）半導体ユニットを使用して、合成経路に関するコード化および他の関連する情報を記録するものである（Nicolaou et al.,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1995,34,2289）。しかしながら、このシステムの欠点は、使用されるＳＭＡＲＴTMメモリ素子の大きさ（ｍｍ）が非常に大きいことであり、従って情報を解読するためのビーズのスキャニングが困難になる。ビーズ上の解読の他の例としては、色彩が付されおよび蛍光を有するビーズに使用が含まれ(Egner et al.,Chem.Commun.1997,735）、共焦顕微鏡レーザーシステムが蛍光染料の蛍光スペクトルを得るために用いられている。しかしながら、この方法の欠点は、エネルギー移動または放出した光の再吸収による内部消失が生じる、染料の特質である。さらに、このシステムは染料の範囲を差別的かつ個別に同定することができない。
【００１０】
一般的な在庫管理および新興の技術の双方において用いられる程度に、適応力があり、強固で、実際的な、一般的な情報密度コード化システムの開発が所望されていることは、明白である。このシステムは、差別的かつ特殊なものとして、興味のある特定のアイテムまたは要素を同定することも可能である。
【００１１】
発明の要約
本発明は、関心のある特定のアイテム（item）や構成成分の位置や同定を決定するための、新規のコード化システムおよび方法を提供するものである。特に、本発明は、関心のある特定のアイテムの位置または源を「追跡する」、または、関心のある特定のアイテムを同定しうる特徴的なスペクトル放出を有するために、半導体ナノ結晶（Quantum DotTM粒子としても知られる）の１以上のサイズ分布からなる「バーコード」を利用するものである。発明の「バーコード化」機構において用いられる半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の組成およびサイズ、またはサイズ分布を変化させることにより特徴的なスペクトル放出をするように、所望の波長に調整されうる。また、特定の特徴的な波長における放出強度も変化させることができ、二進またはそれ以上のコード化機構の使用が可能となる。半導体ナノ結晶によってコード化された情報は、分光学的に解読することができ、これにより関心のある特定のアイテムや構成成分の位置、源および／または同定がなされる。
【００１２】
特に好ましい実施形態において、該方法は、関心のあるアイテムおよび特徴的なスペクトル放出を有する１以上の組成物（例えば、コアおよび／またはシェルの組成物）、サイズもしくはサイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる組成物を提供し、または、支持体、関心のあるアイテムおよび１以上のサイズの半導体ナノ結晶からなる組成物を提供し；前記組成物における前記１以上のサイズの半導体ナノ結晶に関するスペクトル放出を得るために、前記組成物を第１の光源に晒し；および、関心のある前記アイテムにおける前記スペクトル放出を関連付けること、が含まれる。好ましい実施形態において、該方法は、生物学的分子（biomolecule）、特にＤＮＡ配列、または他のアイテム、消費製品、識別標識、流体をコード化するために用いられ得るが、限定されるものではない。
【００１３】
他の観点において、本発明は組成物を提供する。特に好ましい実施形態において、組成物は、支持体および異なる特徴的なスペクトル放出を有する１または２以上の粒子サイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる。他の特に好ましい実施形態において、組成物は、支持体、関心のある１以上のアイテム、および、異なる特徴的なスペクトル放出を有する１または２以上の粒子サイズの半導体ナノ結晶からなる。さらに他の好ましい実施形態においては、組成物は、関心のあるアイテムおよび異なる特徴的なスペクトル放出を有する１以上のサイズの半導体ナノ結晶からなる。半導体ナノ結晶は、前記支持構造体に会合、付着、埋設されうる。また、半導体ナノ結晶には、半導体ナノ結晶よりも大きなバンドギャップを有する物質からなるオーバーコートをすることも任意で可能である。
【００１４】
さらに他の観点においては、本発明は化合物および／または関心のあるアイテムのライブラリーを提供するものである。特に好ましい実施形態においては、ライブラリーの各化合物は、別個の支持体に結合され、各支持体は特徴的なスペクトル放出を有する１以上の分子サイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる、１以上の同定体に付着または埋設される。さらに他の実施形態においては、関心のあるアイテムそれぞれは、特徴的なスペクトル放出を有する１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶からなる１以上の同定体に付着または埋設される。
【００１５】
さらに他の観点においては、本発明は、関心のあるアイテムの収集物を含む、関心のあるアイテムを同定するためのキットを提供するものであり、目的物の前記収集物の各部分が、特徴的なスペクトル放出を有する１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶に付着または埋設する。他の好ましい実施形態においては、該キットは、関心のあるアイテムの収集物、固体支持体への結合からなり、各支持体は１以上の特殊な同定体へ結合、会合または埋設する。
【００１６】
他の観点においては、本発明は、化合物ライブラリーの提供、関心のある特定の特徴に関する前記化合物ライブラリーの試験、関心のある化合物を含む各支持体への各同定体の付着に関する蛍光スペクトルの観察、および、前記１以上の半導体ナノ結晶によるコード化による反応順序の決定による関心のある化合物の同定からなる、関心のある特定の特徴を有する化合物の同定方法を提供するものである。さらに他の特に好ましい実施形態においては、反応順序を同定するステップは化合物ライブラリーの試験前に決定される。なぜなら、反応順序は、各反応ステップに先立って反応段階を記録するためにビーズを「読む」こと（即ち、蛍光スペクトルの観察）により化合物の合成中に記録されるからである。また本発明は、合成と共に合成の反応段階を記録するための方法を提供するものである。
【００１７】
さらに他の観点においては、本発明は、第１分子ライブラリーを第２分子ライブラリーと接触させることからなる、関心のある特徴を有する分子の同定方法を提供するものである。ここで、前記第１ライブラリー中の各分子は、１以上のサイズの半導体ナノ結晶を用いてコード化されており、前記第２ライブラリーは「プローブ」として作用する１以上のサイズの半導体ナノ結晶に付着または埋設されている。この方法は、同時に前記第２ライブラリーから前記第１ライブラリーへの１以上の分子の結合を同定する方法を提供するものであり、前記第１ライブラリー由来の前記１以上の分子の構造が決定される。
【００１８】
本発明の一の観点において、半導体ナノ結晶の１以上の集合体（population）からなる組成物が提供され、ここで各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有する。
【００１９】
本発明の他の観点においては、支持体と会合した前述のナノ結晶集合体からなる組成物が提供される。
【００２０】
本発明のさらに他の観点においては、関心のあるアイテムと会合した前述のナノ結晶集合体からなる組成物が提供され、該ナノ結晶は支持体と会合していることが好ましい。
【００２１】
本発明のさらに他の観点においては、化合物ライブラリーが提供される。ここで、前記ライブラリー中の各化合物は、別個の支持体に結合しており、各支持体は半導体ナノ結晶の１以上の集合体と会合しており、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有している。
【００２２】
本発明のさらに他の観点においては、関心のある特徴を有する化合物の同定方法が提供される。該方法は、（ａ）要素の化合物ライブラリーを提供し、ここで、前記化合物ライブラリーの各要素は支持体に付着されており、また、各支持体は半導体ナノ結晶の１以上の集合体に付着または埋設されており、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有する、（ｂ）関心のある特徴を有する化合物を同定するために、前記化合物ライブラリーの各要素を試験する、（ｃ）特徴的なスペクトル放出を得るために各支持体を光源に晒す、および、（ｄ）関心のある特徴を有する化合物の同一性と該スペクトル放出とを関連付ける、ことからなる。
【００２３】
本発明のさらに他の観点においては、関心のある特徴を有する分子の同定方法が提供される。該方法は、（ａ）１以上の要素分子の第１ライブラリーを提供し、ここで、前記第１ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１以上の第１集合体に付着または埋設している第１支持体に付着されており、各第１集合体は別個の特徴的な第１スペクトル放出を有しており、（ｂ）１以上の要素分子の第２ライブラリーを提供し、ここで、前記第２ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１以上の第２集合体に付着または埋設している第２支持体に付着されており、各第２集合体は別個の特徴的な第２スペクトル放出を有しており、また、前記第２スペクトル放出は前記第１スペクトル放出とは別個のものであり、（ｃ）前記分子の第１ライブラリーと前記分子の第２ライブラリーとを接触させる、および、（ｄ）前記第１および第２スペクトル放出を観察する、ここで、前記第１および第２スペクトル放出は、前記分子の第２ライブラリー由来の分子のどれが前記分子の第１ライブラリーと会合しているかに関する情報を提供し、前記分子の第１ライブラリー由来の分子の同一性に関する情報を提供する、からなる。
【００２４】
本発明のこれらやその他の実施形態および観点は、ここでの開示を考慮すれば、この分野の当業者にとって容易に想定できるものである。
【００２５】
図面の説明
本発明の書類は、色付きで制作された図面を少なくとも１つ含む。色付き図面が付された本発明の複写物は、請求および必要な手数料の支払いに応じて特許商標庁によって提供される。
【００２６】
定義および命名
本発明を詳細に開示、説明する前に、本発明はそれ自体特定のアッセイフォーマット、材料または試薬に制限されるものではなく、言うまでもなく、変更できるものであると解されるべきである。また、本明細書中で使用される専門用語は特定の実施態様を説明するためのものであり、制限するものではないと解されるべきである。
【００２７】
本明細書及び添付した特許請求の範囲中で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は特記しない限り複数形を含むものであることに留意すべきである。したがって、例えば、「ナノ結晶」という言及は１以上のナノ結晶を包含し、「オリゴヌクレオチド」という言及は１以上のオリゴヌクレオチドを包含するなどである。
【００２８】
本明細書においておよび下記特許請求の範囲において、多くの用語は下記意味を有するように定義し引用している。
【００２９】
「Quantum DotTM粒子」：本明細書中で使用される、「Quantum DotTM粒子」という用語は、大きさ依存型の光学及び電子特性を有する半導体ナノ結晶である。特に。半導体ナノ結晶のバンドギャップエネルギーは結晶の半径によって変化する。
【００３０】
「半導体ナノ結晶」は、例えば、第２半導体材料の「シェル」に囲まれてもよい、１以上の第１半導体材料の「コア」を含む直径が約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、好ましくは約２ｎｍ〜約５０ｎｍ、より好ましくは約５ｎｍ〜約２０ｎｍ（約６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０ｎｍなど）の無機微結晶を含む。半導体シェルによって囲まれた半導体ナノ結晶コアは、「コア／シェル」半導体ナノ結晶と称される。周囲の「シェル」材料は、好ましくはコア材料のバンドギャップよりより大きいバンドギャップを持ち、「コア」基材の原子間隔（atomic spacing）に近い原子間隔を持つように選択され得る。コアおよび／またはシェルは、これらに限定されないが、II-VI族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＴｅ等）及びIII-V族（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳ等）及びIV族（Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｂ等）材料のもの、ならびにそれらの合金、またはそれらの混合物などの半導体材料でありうる。
【００３１】
半導体ナノ結晶は、必要であれば、有機キャッピング剤の「被膜」によって囲まれる。有機キャッピング剤は、多くの材料であり得るが、半導体ナノ結晶表面に対する親和性を有するものである。通常、キャッピング剤は、単離された有機分子、ポリマー（または重合反応用のモノマー）、無機複合体、および拡張された結晶質構造（extended crystalline structure）であり得る。被膜は、可溶性、例えば、被覆された半導体ナノ結晶を所定の溶媒中で均一に分散する能力、機能性（functionality）、結合特性等を付与するのに使用される。加えて、被覆は、半導体ナノ結晶の光学特性を適合させるために用いられる。
【００３２】
「識別ユニットまたはバーコード（Identification unit or barcode）」：本明細書中で使用される、「識別ユニットまたはバーコード」ということばは、「バーコード」ということばと同義的に用いられ、１以上のサイズの半導体ナノ結晶、それぞれのサイズの特徴的な放出スペクトルを有する半導体ナノ結晶、を含む。「識別ユニット」または「バーコード」は、関心のある特定のアイテムまたは物質の位置または同一性を決定することを可能にする。
【００３３】
「関心のあるアイテム（item of interest）」：本明細書中で使用される、「関心のあるアイテム」ということばは、「関心のある構成成分（component of interest）」ということばと同義に用いられ、これらに限定されないが、消費アイテム（consumer item）、流体ガス、固体、化合物および生物学的分子を含む任意のアイテムを意味する。
【００３４】
「生物学的分子（biomolecule）」：本明細書中で使用される、「生物学的分子」ということばは、天然に見出される分子（例えばタンパク質、アミノ酸、核酸、ヌクレオチド、炭化水素、糖、脂質など）を含む。
【００３５】
本明細書中で使用される「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」及び「核酸分子」ということばは、リボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオチドのいずれかの、ある長さを有するヌクレオチドのポリマー形態を含む。このことばは、分子の一次構造のみを意味する。したがって、このことばは、３本、２本及び１本鎖のＤＮＡ、ならびに３本、２本及び１本鎖のＲＮＡを包含する。また、このことばは、メチル化によるおよび／またはキャッピングによるなどの、修飾、ならびに未修飾形態のポリヌクレオチドをも包含する。
【００３６】
より特別には、「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」及び「核酸分子」ということばは、ポリデオキシリボヌクレオチド（２−デオキシ−Ｄ−リボースを含む）、ポリリボヌクレオチド（Ｄ−リボースを含む）、プリンまたはピリミジン塩基のＮ−またはＣ−グリコシドである他の型のポリヌクレオチド、ならびに非ヌクレオチド主鎖を含む他のポリマー、例えば、ポリアミド（例えば、ペプチド核酸（ＰＮＡｓ））及びポリモルホリノ（Anti-Virals, Inc., Corvallis, OregonからNeugeneとして市販されている）ポリマー、ならびにＤＮＡ及びＲＮＡ中に見出されるような、ポリマーが塩基対合及び塩基の積み重ねが可能である立体配置中にヌクレオベース(nucleobase)を含む場合には他の合成配列特異的核酸ポリマーを含むものである。
【００３７】
「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」および「核酸分子」ということばの間で、長さにおいて意図的な区別はなく、これらのことばは交換可能に使用されるであろう。これらのことばは、分子の一次構造のみを意味する。従ってこれらのことばは、例えば３’−デオキシ−２’，５’−ＤＮＡ、オリゴデオキシリボヌクレオチドＮ３’Ｐ５’ホスホラミデート（oligodeoxyribonucleotide N3’ P5’ phosphoramidates）、２’−Ｏ−アルキル置換ＲＮＡ、３本、２本および１本鎖ＤＮＡ、同様に３本、２本および１本鎖ＲＮＡ、ならびに、ＤＮＡ：ＲＮＡハイブリッド、ならびに、ＰＮＡとＤＮＡまたはＲＮＡとの間のハイブリッドを含み、さらに、例えば当該分野において既知の標識、メチル化、１以上の天然に存在するヌクレオチドの類似体による「キャップ」置換、のような既知の型の修飾、ならびに、例えば非電荷結合を有するもの（例えば、メチルホスホネート類、ホスホトリエステル類、ホスホルアミデート類、カーバメート類など）、負電荷結合を有するもの（例えば、ホスホロチオエート類、ホスホロジチオエート類（phosphorodithioates））および正電荷結合を有するもの（例えば、アミノアルキルホスホラミデート類（aminoalklyphosphoramidates）、アミノアルキルホスホトリエステル類）、例えばタンパク質（ヌクレアーゼ、毒素、抗体、シグナルペプチド、ポリ−Ｌ−リシン等を含む）を含むペンダント部位を有するもの、インターカレーター(intercalator)（例えばアクリジン、ソラレン等）を有するもの、キレート剤を含むもの（例えば、金属、放出性金属、ホウ素、酸化金属など）、アルキル化剤を含むもの、修飾結合を有するもの（例えばアルファアノマー核酸など）のようなヌクレオチド間の修飾（internucleotide modifications）、同様に非修飾形態のポリヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチド、も含む。詳しくは、ＤＮＡはデオキシリボ核酸である。
【００３８】
「ポリペプチド」および「タンパク質」は、ここで交換可能に用いられ、ペプチド結合を介して結合したアミノ酸の分子鎖を含む。この用語は、生産物の特異的な長さに言及していない。従って「ペプチド」、「オリゴペプチド」および「タンパク質」は、ポリペプチドの定義内に含まれる。このことばは、例えば、配糖化、アセチル化、ホスホリル化等のようなポリペプチドの翻訳後修飾を含む。加えてタンパク質フラグメント、類似体、変異または突然変異または変異型タンパク質、融合タンパク質等もポリペプチドの意味に含まれる。
【００３９】
「糖成分」ということばは、単糖類、二糖類、多糖類等への言及を含む。「糖」ということばは、修飾されたこれらの成分を含み、例えば１以上の水酸基がハロゲン原子、アルコキシ成分、脂肪族基で置換される、または、エーテル、アミン等として機能化（functionalized）されたものである。修飾された糖の例としては、水酸基成分の代わりに低級アルコキシ基を含むもの、すなわち、例えばメチルα−Ｄ−グルコピラノシド、メチルβ−Ｄ−グルコピラノシド等のα−またはβ−グリコシド；アミンと反応したもの、すなわち、例えばＮ−（(−Ｄ−グルコピラノシル）メチルアミンのようなＮ−グリコシルアミンまたはＮ−グリコシド；アシル化水酸基を含むもの、すなわち、一般的に１〜５個の低級アシル基；１以上のカルボン酸を含むもの、例えばＤ−グルコン酸等；ならびに例えばＤ−グルコサミン、Ｄ−ガラクトサミン、Ｎ−アセチル−Ｄ−グルコサミン等の遊離アミン基を含むものが挙げられる。好ましい糖類の例としては、グルコース、ガラクトース、フルクトース、リボース、マンノース、アラビノース、キシロースが挙げられる。多糖類の例としては、デキストランおよびセルロースが挙げられる。
【００４０】
「１以上のサイズの半導体ナノ結晶」：本明細書中で使用される、「半導体ナノ結晶の１以上のサイズ」という文言は、「１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶」という文言と同義に用いられる。当業者であれば、特別なサイズの半導体ナノ結晶は、実際に粒子サイズ分布（particle size distribution）として得られることを理解するであろう。
【００４１】
「と会合した（associated with）」という文言は、ここでは、例えば共有化学結合、ファンデルワールス力または疎水性相互作用のような物理的力、カプセル封入、埋設（embedding）等の、物理的に結合したアイテムを示すために用いられる。
【００４２】
「と会合した」という文言はまた、例えばルックアップ表または会合／対応を記録する他の方法の使用を介する等の、物理的結合以外によるアイテム間の対応を維持することも意図されている。
【００４３】
本明細書中で使用される、「結合対」ということばは、相互に特異的に結合する第１および第２分子を意味する。サンプルにおいて結合対の第１要素の結合対の第２要素に対する「特異的な結合」は、サンプル中の他の構成成分より大きい親和性および特異性による、第１要素の第２要素に対する結合、またはその逆によって証明される。結合対の要素間の結合は一般的に非共有的である。「親和性分子」および「ターゲット分析物」ということばは、それぞれ、結合対の第１および第２要素を意味するものとして本明細書中で用いられる。
【００４４】
具体的な結合対としては、相当する抗体またはこの結合部分若しくはフラグメントとのハプテンまたは抗原性化合物の組合わせ（例えば、ジゴキシゲニン及び抗ジゴキシゲニン；マウス免疫グロブリン及びヤギ抗マウス免疫グロブリン）および非免疫結合対（例えば、ビオチン−アビジン、ビオチン−ストレプトアビジン、ホルモン［例えば、サイロキシン及びコルチゾール］−ホルモン結合タンパク質、レセプター−レセプターアゴニストまたはアンタゴニスト（例えば、アセチルコリンレセプター−アセチルコリン若しくはこの類似体）ＩｇＧ−タンパク質Ａ、レクチン−炭水化物、酵素−酵素コファクター、酵素−酵素阻害剤、ならびに核酸二重鎖を形成できる相補的なポリヌクレオチド対）が挙げられる。
【００４５】
「必要で」または「必要であれば」は、その後に説明される事象または状況が生じてもあるいは生じなくてもよい、さらにその記載は前記事象または状況が生じる場合および生じない場合を含むことを意味する。例えば、「必要であればオーバーコートを有する」という文言は、オーバーコートが存在してもしなくてもよく、さらにその記載はオーバーコートが存在するおよび存在しない両方の場合を含む、などである。
【００４６】
関心のある特異的なアイテムまたは構成成分を同定しかつ位置を示す必要性が認識されており、本発明は新規のコード化システムを提供する。特に本発明は、半導体ナノ結晶の１以上の粒子サイズ分布を含み、特徴的なスペクトル放出を有する「バーコード」を、関心のある特定のアイテムの位置の「追跡」または関心のある特定のアイテムの同定いずれにも利用するものである。本発明の「バーコード」機構で使用される半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の組成およびサイズを変えることにより特徴的なスペクトル放出を生じるために、望ましい波長に調節され得る。加えて、特定の特徴的な波長における放出の強度もまた多様であり、そのため二進またはそれ以上のコード化機構の使用が可能である。半導体ナノ結晶によってコードされた情報は分光的に解読され、それにより関心のある特定のアイテムまたは構成成分の位置および／または同一性が提供される。
【００４７】
本発明のバーコードシステムにおいて利用される半導体ナノ結晶の能力は、それらの特有の特徴に起因する。半導体ナノ結晶は、バルクの励起子のボーア半径より小さい半径を有しており、物質の分子とバルク形態との間の物質中間体の分類を構成する。３次元すべてにおける電子および空孔の量子閉じ込めは、結晶サイズの減少を伴なう、材料の有効なバンドギャップの増加を導く。その結果、半導体ナノ結晶の光学的吸収および放出の両方が、青（より高いエネルギー）にシフトする。第１の光源に晒した際の、各半導体ナノ結晶分布は、２５〜３０ｎｍ程度の精密なスペクトル線幅の、対照的なほとんどガウス曲線形のエネルギー放出が可能であり、それによって特定の半導体ナノ結晶を同定する容易な方法を提供している。当業者であれば、この線幅は、各調製における半導体ナノ結晶サイズの不均一性、すなわち単分散性に依存することを理解するであろう。単一の半導体ナノ結晶複合体は、１２〜１５ｎｍ程度の狭さの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有することが観察されている。加えて、４０〜６０ｎｍの範囲においてより大きい線幅を有する半導体ナノ結晶分布は容易に製造され、より精密な線幅を有する半導体ナノ結晶と同じ物理的特徴を有する。
【００４８】
本発明における半導体ナノ結晶としての使用のための材料の例として、これらに限定されないが、第ＩＩ−ＶＩ族、第ＩＩＩ−Ｖ族および第ＩＶ族の半導体が挙げられ、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＳ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，Ｇｅならびにこれらの三元および四元混合物である。半導体ナノ結晶は、それらの均一なナノメーターサイズによって特徴付けられる。「ナノメーター」サイズとは、約１５０オングストローム（Å）未満、好ましくは１２〜１５０オングストローム（Å）の範囲であることを意味する。
【００４９】
上述したように、半導体ナノ結晶の組成物の選択は、半導体ナノ結晶のサイズも同様に、半導体ナノ結晶の特徴的なスペクトル放出波長に影響を与える。従って、当業者であれば理解し得るように、上記でリストしたような半導体ナノ結晶の特定の組成物は、モニターされるスペクトル領域に基づいて選択されるであろう。例えば、可視領域においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶としては、これらに限定されないが、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＰおよびＧａＡｓが挙げられる。図１は、ヘキサン中のＺｎＳでオーバーコートした異なるサイズのＣｓＳｅ半導体ナノ結晶の数種の懸濁液のカラー写真を示しており、本発明における使用のための広範囲な色の使用可能性を説明している。近赤外で放出する半導体ナノ結晶として、これらに限定されないが、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳおよびＰｂＳｅが挙げられる。最終的に、青から近紫外においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶としては、これらに限定されないが、ＺｎＳおよびＧａＮが挙げられる。本発明のシステムで用いられる半導体ナノ結晶のための任意の特定の選択された組成物において、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って、放出を望ましい波長に調節させることが可能である。好ましい実施形態において、５〜２０の別個の放出（互いに区別可能な５〜２０の異なるサイズ集団または分布）が、いかなる特定の組成物においても得られる。しかし当業者であれば、５未満の放出および２０を超過する放出は、半導体ナノ結晶粒子の単分散性に依存して用いられ得ることを理解するであろう。高い情報密度（high information density）が必要であり、従ってより多くの別個の放出が必要な場合、ナノ結晶はまた、上述の広いナノメーター範囲（１２〜１５０Å）内で実質的に単分散である。本明細書中で用いられることばとしての単分散は、懸濁粒子が実質的に同一のサイズおよび形状を有しているコロイド系を意味する。高い情報密度の用途に関する好ましい実施形態において、単分散粒子は、直径が１０％ｒｍｓ未満、好ましくは５％未満の偏差を示す。単分散半導体ナノ結晶は、Murray et al. (J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706)およびChristopher Murrayの学位論文である「II-IV量子ドットの合成および特徴づけ、ならびそれらの３次元量子ドット超格子への組み立て（Synthesis and Characterization of II-VI Quantum Dots and Their Assembly into 3-D Quantum Dot Superlattices）」, Massachusetts Institute of Technology, September, 1995に詳細に記載される。当業者であれば、ある組成物で個別に観察され得る別個の放出の数は、粒子の単分散性だけでなく、用いられた逆重畳積分技術（deconvolution techniques）にも依存することを理解するであろう。半導体ナノ結晶は、染色分子（dye molecules）と異なり、容易にガウスをモデル化されることができ、従ってより容易にかつ正確に逆重畳積分され得る。しかしながら、いくつかの用途に関して高い情報密度は必要ではなく、より多分散な粒子をもちいることが経済的に魅力的なことがある。従って、高い情報密度を必要としない用途に関して、放出の線幅は４０〜６０ｎｍでありうる。
【００５０】
特定の半導体ナノ結晶のサイズを制御することにより放出エネルギーを調節させる能力に加えて、特異的な波長で観察される特定の放出の強度を様々に変化させることも可能であり、それによって半導体ナノ結晶「バーコード」システムによって提供される潜在的な情報密度は増加する。好ましい実施形態において、２〜１５の異なる強度が、望ましい波長における特定の放出に関して達成され得る。しかしながら、当業者であれば、本発明の識別ユニットの特定の用途に依存して、１５を超過する異なる強度が達成され得ることを理解するであろう。本発明の目的として、異なる強度は、関心のあるアイテムまたは構成成分に付着、埋設または会合する、特定のサイズの半導体ナノ結晶の濃度を変えることによって達成され得る。
【００５１】
特に好ましい実施形態において、半導体ナノ結晶にオーバーコーティング層を加えることによって、半導体ナノ結晶の表面も放出強度を増強するように修飾される。半導体ナノ結晶の表面における、表面欠陥によって半導体ナノ結晶の電気的および光学的特性を減少させる電子または空孔のトラップが招来されるため、オーバーコーティング層は特に好ましい。半導体ナノ結晶表面の絶縁層により、電子および空孔のトラップとして作用するエネルギー状態を除去する界面での化学的ポテンシャルに関する、原子的な突然型ジャンプ（atomically abrupt jump）がもたらされる。これによりルミネセンスプロセスにおけるより高い効率がもたらされる。
【００５２】
オーバーコーティング層として適切な材料としては、半導体ナノ結晶より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大きいバンドギャップエネルギーを有することに加えて、オーバーコーティング層に適切な材料は、半導体ナノ結晶に関して良好な導電性および価電子帯オフセット（valence band offset）を有するべきである。従って、半導体ナノ結晶に比べて、伝導帯は高いことが望ましく、価電子帯は低いことが望ましい。可視（例えばＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＡｓ）または近赤外（例えばＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ）においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶として、紫外域においてバンドギャップエネルギーを有する材料が使用され得る。材料の例としては、ＺｎＳ，ＧａＮ、ならびに、例えばＭｇＳ，ＭｇＳｅおよびＭｇＴｅのようなマグネシウムカルコゲニドが挙げられる。近赤外で放出する半導体ナノ結晶としては、例えばＣｄＳまたはＣｄＳｅのような可視でバンドギャップエネルギーを有する材料も用いられ得る。オーバーコーティング層は、半導体材料の８もの単分子層（monolayers）を含み得る。被覆された半導体ナノ結晶の調製は、１９９７年１１月１３日付で出願された、名称が「高発光の色−選択的材料（Highly Luminescent Color-Selective Materials）」である米国特許第０８／９６９，３０２号、ならびに、Dabbousi et al., (J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 9463)およびKuno et al., ( J. Phys. Chem., 1997, 106, 9869)において見出される。
【００５３】
関心のあるアイテムに会合する、上述したような半導体ナノ結晶組成物およびサイズの特定の収集物（collection）を選択した後、半導体ナノ結晶は、関心のある特定のアイテムに付着、埋設または会合され得る。当業者であれば理解するように、関心のあるアイテムは、半導体ナノ結晶の表面と実質的に反応可能でなければならない、もしくは、半導体ナノ結晶と十分に適合するものでなければならない。
【００５４】
ほとんどの半導体ナノ結晶は、例えばトリオクチルホスフィンオキシド（TOPO）およびトリオクチルホスフィン（TOP）のような配位溶媒（coordinating solvent）中で調製され、これらは有機溶媒を含むドット表面上に不活性化有機層を形成する。この層はオーバーコートを含む、および、オーバーコートを含まない半導体ナノ結晶上に存在する。従って、これらの分類の不活性化半導体ナノ結晶はいずれも、例えばトルエン、クロロホルムおよびヘキサンのような有機溶媒中で容易に可溶化する。当業者であれば理解するように、本発明の識別ユニットとして用いるのに適した半導体ナノ結晶にするための外塗（outer coating）を提供するために、これらの機能的な成分は容易に置換または修飾され得る。さらにその上、望ましい用途に基づき、一部の半導体ナノ結晶の機能性（functionality）または全表面の半導体ナノ結晶の機能性は、本発明の望ましい識別ユニットの用途に基づき、置換反応によって修飾され得る。図２は、本発明の方法で用いられる修飾された機能性を有する半導体ナノ結晶を提供する、ある機能性成分の一般的な置換反応を示す。図２はまた、半導体ナノ結晶表面上の成分を特異的な割合で置換する能力を示している。例えば、オーバーコーティング層を持たない半導体ナノ結晶に関して、反応Ａは成分Ｙによる成分Ｘの部分置換を示しており、一方反応Ｂは成分Ｙによる成分Ｘの完全置換を示している。反応ＣおよびＤは、オーバーコートされた半導体ナノ結晶における、それぞれ部分または完全置換を示している。一般的に、例えばＴＯＰＯおよびＴＯＰのような成分は、他の成分も同様に、これらに限定されないが、カルボン酸、アミン、アルデヒドおよびスチレン等の他の機能性成分で容易に置換および交換され得る。当業者であれば理解されるように、特定の置換反応の成功に関係する要素としては、置換成分の濃度、温度および反応性が挙げられる。従って、本発明の目的のために、存在する機能性成分を置換して、本発明の識別ユニットの特異的な使用のために改変された機能を有する半導体ナノ結晶を提供し得る、任意の機能性成分を使用することが可能である。半導体ナノ結晶の表面機能性を選択的に修飾するために一般的な置換反応を利用する能力によって、本発明の識別ユニットの特異的な使用のための機能化が可能である。一つの特に好ましい実施形態において、水溶性半導体ナノ結晶は、水性環境中での使用のために提供され得る。水溶性半導体ナノ結晶の場合、外層としては、粒子表面に付着し、少なくとも一つの親水性成分で終わっている、少なくとも一つの結合成分を有する化合物が挙げられる。結合および親水性成分は、領域を越えて移動する電荷を防ぐのに十分な疎水性領域によって補われている。疎水性領域はまた、ナノ結晶のための「擬似の疎水性」環境を提供し、それによって水性環境からそれを遮蔽する。水溶性半導体ナノ結晶の製造方法の詳細な説明は、これと共に同日付で出願された、名称が「水溶性ルミネセンスナノ結晶（Water Soluble Luminescent Nanocrystals）」である出願において見出され得る。好ましい実施形態において、親水性成分は、極性または電荷（正または負）の基でありうる。極性または電荷の基は、水との必要な親水性相互作用を提供し、半導体ナノ結晶の安定な溶液または懸濁液を提供する。親水性基の例としては、例えばヒドロキシド（−ＯＨ）、アミンのような極性基、例えばポリエチレングリコール等のようなポリエーテルなどであり、同様に、例えばカルボキシレート（ＣＯ2 -）、スルホネート（ＳＯ3 -）、ホスフェート(−ＰＯ4 2-および−ＰＯ3 2-)、ニトレート、アンモニウム塩（ＮＨ4 +）等のような電荷の基を含む。
【００５５】
他の特に好ましい実施形態において、置換反応は、特定の有機溶媒中で溶解性を改善するために半導体ナノ結晶を修飾するのに用いられ得る。例えば、半導体ナノ結晶が、例えばピリジンのような特定の溶媒または液体と会合することが望ましい場合、その表面は溶媒和を確実にするためにピリジンまたはピリジン様の成分で特異的に修飾され得る。
【００５６】
さらに他の特に好ましい実施形態において、表面層を置換によって修飾し、半導体ナノ結晶を特定のカップリング反応のために反応性にする。例えば、ＴＯＰＯ成分をカルボン酸成分を含む基で置換することによって、修飾された半導体ナノ結晶の、アミンを含む成分との反応を可能にし（一般的には固形支持体ユニット上で見出される）、アミン結合を提供する。
【００５７】
同様に、半導体ナノ結晶の表面はまた、半導体ナノ結晶が会合し得るものと類似した半導体ナノ結晶上に表面を形成するために、修飾され得る。例えば、半導体ナノ結晶表面はスチレンまたはアクリレート成分を形成するために置換反応によって修飾され、それによって、ポリスチレン、ポリアクリレートまたは例えばポリイミド、ポリアクリルアミド、ポリエチレン、ポリビニル、ポリジアセチレン、ポリフェニレン−ビニレン、ポリペプチド、多糖類、ポリスルホン、ポリピロール、ポリイミダゾール、ポリチオフェン、ポリエーテル、エポキシ、石英ガラス、シリカゲル、シロキサン、ポリリン酸塩、ヒドロゲル、アガロース、セルロース等のポリマーのような他のポリマーへの半導体ナノ結晶の配位を可能にする。
【００５８】
望ましいスペクトル放出の範囲内で半導体ナノ結晶の組成物を選択し、関心のあるシステムに適合した望ましい表面の機能化を選択した後、スペクトルの同定に十分な強度の、別々で特有なスペクトル放出を観察するために必要とされる半導体ナノ結晶の最小限の数を選択することも望ましい。十分な強度の別々で特有なスペクトル放出を観察するために必要とされる半導体ナノ結晶の最小限の数を決定するのに重要な選択基準として、明るい半導体ナノ結晶の十分な数を提供する（すなわち、暗いものに対する光を放出する）、および、単一の半導体ナノ結晶放出で観察されるブリンキング効果（blinking effect）を超えて平均に落ち着くのに十分な数の半導体ナノ結晶を提供すること、が挙げられる(M. Nirmal et al., Nature, 1996, 383, 802)。一つの特に好ましい実施形態において、少なくとも８種の特定の組成物および粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶が提供される。例えば、特定の組成物の３種の異なる粒子サイズ分布を利用する「バーコード」が提供される場合、半導体ナノ結晶の３種の異なる特定のサイズ分布それぞれの８種が利用されることが最も望ましく、これは、関心のある特定のアイテムまたは物質の位置または同一性に関する信頼できる情報を提供するためにそれぞれから十分な強度のスペクトル放出を観察するためである。当業者であれば理解できるであろうが、前述の選択基準によって決定されたように、十分な強度の特有なスペクトル放出が観察されるという条件で、８種未満の特定の組成物および粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶も利用され得る。
【００５９】
上述したように、半導体ナノ結晶が個別的な（discrete）光学遷移を生じる能力は、それらの光学遷移強度を変化させる能力とともに、多能で高密度のコード化機構の開発を可能にする。特定の支持体または物質に付着、会合または埋設される１以上のサイズの半導体ナノ結晶によって生じる特徴的な放出により、関心のあるアイテムまたは組成物および／またはその位置の同定を可能になる。例えば、Ｎ種類のサイズの半導体ナノ結晶を提供し（それぞれ個別的な光学遷移を有する）、それぞれ半導体ナノ結晶の欠落または特定の個別的な光学遷移から生じる異なる強度により生じるＭの区別可能な状態を有する場合には、Ｍnの異なる状態が独自に定義され得る。Ｍ＝２の場合、すなわち二つの状態が半導体ナノ結晶の存在または欠落である場合、それによりコード化機構は基数２、すなわち二進コードによって定義され得る。Ｍ＝３の場合、すなわち３つの状態が二つの区別可能な強度における半導体ナノ結晶の存在または欠落である場合、それによりコード化機構は基数３コードによって定義され得る。ここで、このようなＭが２より大きい基数Ｍコードは、より高次のコードと呼ばれる。二進コードを超える高次コードの利点は、同じ量の情報をコードするのにより少ない識別子しか必要としないことである。
【００６０】
当業者であれば理解するように、高次コードシステムを発展させる能力は、解読システムにおいて利用されるハードウェアおよびソフトウェア両方によって検出可能な異なる強度の数に依存する。特に好ましい実施形態において、それぞれ別個の放出または色は、２〜２０の異なる強度で検出され得る。１０の異なる強度が利用できる特に好ましい実施形態において、半導体ナノ結晶の欠落、または、１０個の異なる強度での半導体ナノ結晶の検出を含む基数１１のコードを用いることが可能である。
【００６１】
明らかに、半導体ナノ結晶の利点、すなわち複数の強度での個別的な（discrete）光学遷移を観察する能力は、様々な分野において強力かつ高密度のコード化機構を提供する。一般的に、１以上の半導体ナノ結晶は、バーコードとして作用し、ここで１以上の半導体ナノ結晶それぞれは個別的な放出スペクトルを生ずる。これらの特徴的な放出は、スペクトルの可視領域における場合、図１に示すように色で観察され、また解読もされ得、それにより別個の遷移が観察される特定の波長に関する情報が提供される。同様に、赤外または紫外領域における半導体ナノ結晶が製造する放出として、個別的な光学遷移が生じる特徴的な波長は、特定の半導体ナノ結晶の同一性、さらに関心のあるアイテムまたは物質の同一性または位置に関する情報を提供する。
【００６２】
本発明における使用に用いられ得る自動検出（automated detection）のための特異的なシステムの例としては、これらに限定されないが、励起光源、モノクロメーター（または、分光的に、画像または一連の精密なバンドフィルターを分解することができる任意の装置）および検出アレイ（detector array）を含むイメージング機構が挙げられる。一つの実施形態において、装置は、検出されるルミネセンスより短い波長の、青または紫外光源を含む。これは、例えば前面にフィルターを有する重水素ランプのような広幅域の紫外光源；望ましい波長を抽出するためにモノクロメーターを通過させた後の、例えばキセノン灯または重水素ランプのような白色光源の出力；または、これらに限定されないが、任意のアルゴンイオンレーザー線（４５７，４８８，５１４ｎｍ等）、ＨｅＣｄレーザーを含むいくつかの連続波ガスレーザー、例えばＧａＮおよびＧａＡｓ(ダブル)に基づくレーザーまたはＹＡＧもしくはＹＬＦに基づくレーザーのダブルもしくはトリプル出力のような、青における固体ダイオードレーザー；または、青における出力を有する任意のパルスレーザー等、でありうる。ドットからのルミネセンスは、例えば、二つの回折格子またはプリズムおよび二つの回折格子またはプリズム間のスリットからなる、イメージングサブトラクティブダブルモノクロメーター（または、第１から逆転させた第２のものでの二つのシングルモノクロメーター）を通過し得る。モノクロメーターまたは回折格子もしくはプリズムはまた、コンピュータ制御のカラーフィルターホイール（color filter wheel）で置き換えることができ、ここでそれぞれのフィルターは、一つのドットの放出の波長に集中した精密なバンドフィルターである。モノクロメーターのアッセンブリは、任意の色が中心の波長として選択されうるので、より柔軟性を有する。さらにその上、ＣＣＤカメラまたはいくつかの他の二次元検出器は、画像を記録し、ソフトウェアの色は上記で選ばれた波長にその画像をコードする。次にシステムは、回折格子を新しい色に動かしそのプロセスを繰り返す。このプロセスの結果として、同じ空間領域の一連の画像が得られ、それぞれ迅速にデータを分析する必要がある特定の波長に対して色でコードされている。
【００６３】
他の好ましい実施形態において、装置は、上記のイメージング機構と反対のスキャニングシステムである。スキャニング機構において、分析されるサンプルは、顕微鏡の対物レンズでスキャンされる。ルミネセンスはシングルモノクロメーターまたは回折格子もしくはプリズムを介して入力され、分光的に色が分解される。検出器は、次に特定の空間の位置に放出される色を記録する一連のダイオードである。次にソフトウェアは、最終的にスキャンされた画像を再形成し、それを解読する。
【００６４】
本発明のコード化システムを用いるための、より特別に、特異的に好ましい実施形態は、以下の例を参照して説明される。これらの例は説明のためだけに提供されるものであり、本発明の範囲を限定する意図はない。
【００６５】
流体力学およびミクロ流体素子工学（microfluidics）への応用
一つの好ましい実施形態において、本発明のシステムは、関心のある構成成分の位置を追跡またはトレースすることに利用され得る。例えば、流体力学は一般的に、異なる流体成分間の相互作用をモニターすることを含み、従って所望の流体の別個の分子の位置により、異なる成分間の相互作用の効力および程度、特に成分の制御された動きおよび混合に関する貴重な情報が提供される。本発明の方法において、当業者であれば、前に詳細に説明したように、半導体ナノ結晶が適切に機能化されて、関心のある所望の成分の相互作用を容易にし（そのため、半導体ナノ結晶はトレーサー（tracer）として作用するように意図された流体と適合する）、別個の成分の連続した混合が達成される、ということを理解するであろう。しかし一つの実施例において、例えばピリジンおよびジメチルスルホキシドのような異なる特徴を有する二つの流体間の相互作用が研究される場合、適切な流体と特定のサイズ分布の半導体ナノ結晶との会合または適合を確実にするために、半導体ナノ結晶の表面は、ピリジンまたはジメチルスルホキシド成分で修飾される。それぞれの半導体ナノ結晶は特定の成分と特異的に会合することから、紫外線ランプで反応混合物の写真を撮り、半導体ナノ結晶が生産する連続した光学的放出に基づいて、別個の成分の相互作用の程度に関する情報を得ることが可能である。図３は、流体力学に関する一般的な方法を示し、ここで二つの流体の流れ（１０）および（２０）は、図３ではそれぞれＸおよびＹとして表され、反応チャンバ（３０）に導入され、流体の混合は、励起光源を用い一定の時間で「写真」を撮ることによってモニターされ、特定の流体と会合する半導体ナノ結晶の位置を観察する。図３Ｂは、反応チャンバ（３０）の拡大図であり、半導体ナノ結晶（４０）の、関心のある特定の流体（１０）との会合を示す。当業者であれば、半導体ナノ結晶が不連続遷移を生じる能力により、Ｎの成分を混合することが可能である（ここでＮは不連続遷移の数を表す）ことを理解するであろう。
【００６６】
上述した位置同定に関する本システムの一つの特に好ましい応用は、流体素子工学的な分子システム（MicroFlumes）のモニタリングである。これらの流体素子工学システムは、一つのミクロ機器（microinstrument）において複数の反応および分析技術を特異性および確認に関して実行する。それらは完全に自動であり、複数の平行した反応経路を含み（今日必要とされる連続分析に対照的に）、手動の干渉なく行える数百の操作が可能である(http://web-ext2.darpa.mil/eto/mFlumes/index.htmlを参照)。
【００６７】
半導体ナノ結晶は上述の一般的な方法において用いられ、ここでそれぞれの半導体ナノ結晶またはそれらの組み合わせは、関心のある特異的な成分に会合または付着する、および、様々な成分を混合することができ、第１の光源を提供することによって異なる成分間の相互作用の程度および型に関する情報を提供することができる。当業者であれば、本発明のコード化システムは上述の流体力学への応用に限られないこと、さらに、本発明のシステムは、例えばガス、液体、固体または消費アイテム（例えばドライクリーニングされた衣服）のような成分の位置を追跡することが望まれる任意のシステムにおいて利用され得る、ということを理解するであろう。
【００６８】
目的物の同定
本発明のシステムは、これらに限定されないが、宝石、紙、例えばＤＮＡのような生物学的分子、賦形剤、身分証明書を含む特異的目的物の同定にも利用され得る。例えば、半導体ナノ結晶は、上述しかつ図４で示すように、関心のある目的物の表面に配位または付着させるため、適切に機能化され得る。図４Ａは、関心のあるアイテムへの半導体ナノ結晶の配位を示しており（５０）、ここで半導体ナノ結晶の表面は、関心のあるアイテムへの配位が可能なように修飾されてある。図４Ｂは、関心のあるものへの半導体ナノ結晶組成物（８０）の被覆を示しており（９０）、ここで半導体ナノ結晶の表面（７０）は、組成物媒体Ｘ（６０）と相互作用するように修飾される。しかしながら一つの例において、半導体ナノ結晶表面はアミン成分の特異的な割合で機能化されてもよく、それにより炭化水素成分からなる紙への配位が可能になる。他の実施形態において、半導体ナノ結晶は、例えばスチレンまたはアクリレートのような成分で適切に機能化され、ポリマーへの配位を可能にする。次に識別ユニットを含むポリマーは、例えば身分証明書のような特異的なアイテムの上に被覆または配位され得る。半導体ナノ結晶がアイテムに配位し得る際の容易さ、および、半導体ナノ結晶に基づく「バーコード」は目に見えないという事実によって、目的物の標識に有用なシステムを提供する。大量の情報、従って大量のアイテムをコードできるという半導体ナノ結晶「バーコード」システムの能力によって、前述した既存のバーコードまたはミクロ粒子を超える利点が提供される。アイテムの収集物からの関心のあるアイテムの同定は、第１の光源を提供して、スペクトル放出と、関心のあるアイテムをコードした半導体ナノ結晶の収集物とを相関させることによって達成され得る。他の特に好ましい実施形態において、本システムは、例えばＤＮＡ配列のような生物学的分子の同定を、それらが反応プロセスおよび化学的処置を受ける間中、追跡しつづけることに利用される。生物学的分子またはＤＮＡ配列はそれ自身が「標識」されており、またあるいは、生物学的分子は支持体に付着されており、ここで支持体は、ＤＮＡ配列の同一性をコードする１以上のサイズの半導体ナノ結晶で「標識」されている。
【００６９】
コンビナトリアルライブラリーのコード化
他の特に好ましい実施形態において、本発明の半導体ナノ結晶はまた、複雑なコンビナトリアルライブラリーの合成において化合物それぞれに用いられた特別な反応順序をコードすることによって、化合物のライブラリーにおける特別な化合物を同定することに用いてもよく、識別子（identifier）として作用する。特にスプリットおよびプール方法を用いた複雑な化合物を多数生産することへの要望があることから、関心のある化合物それぞれを同定するためのコード化技術を開発することは重要である。このような方法で生産された最終産物または化合物は少量であるため、これら生産物を同定することは一般的に不可能である。しかしながら、例えば反応物、試薬、反応条件またはこれらの組み合わせ等の可変の選択を定義する識別子と、連続合成のそれぞれの段階または段階の組み合わせとを相関させることによって、識別子を用いて、限定かつ分離可能な基質の反応履歴を定義づけることが可能となる。半導体ナノ結晶のスペクトル分析は、反応履歴の容易な同定を可能にする。例えば、生産物の合成の特徴、通常は様々なスクリーニング技術による化学または生物学的特徴を決定することができ、次に、該生産物と相関する半導体ナノ結晶「バーコード」により、反応履歴、それによる望ましい特徴を有する生産物の構造を同定することができる。
【００７０】
迅速な複数の同定システムを用いることにより、収率が低く複数の保護基を必要とする複雑な共合成を実行する必要性を回避し、必然的に化学的に不安定な配列標識（sequenceable tag）を用いる必要性を回避することができる。全ての既知の配列標識分子（すなわち核酸またはペプチドオリゴマー）の、複数の保護基の必要性かつ固有の不安定さの両方によって、ライブラリー要素または配位子の合成に用いられ得る化学現象はかなり制限される。加えて、本発明のシステムは、分析のために固形支持体から標識を分離する必要がない。
【００７１】
さらにその上、異なる強度で検出され得る、別個のかつオーバーラップしていない共振（resonance）が提供される利点によって、二進またはそれ以上をコードするシステムの使用が可能になる。例えば、あるサイズの半導体ナノ結晶の存在または非存在は、二進法で用いられ得る。一方、同じ色の異なる強度を使用することで、より高次のコード化システムの使用が可能になり、各色は特定の特徴をコードしている。
【００７２】
本発明の方法に従って、コードされる生産物は、これらに限定されないが、生物学的分子（例えばペプチドおよびオリゴヌクレオチド）、コンビナトリアル合成で生じた有機化合物および無機化合物ならびに触媒を含む。本コード化方法を用いて合成され得る典型的なコンビナトリアルライブラリーは、これらに限定されないが、ペプチドライブラリー、ペプチド擬似体、炭化水素、有機金属触媒および低分子ライブラリーを含む（例えば、Kahne, D. Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 130; Hruby et al., Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 114; Gravert et al., Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 107を参照）。
【００７３】
特に好ましい実施形態において、例えばスプリットおよびプール合成のような固相合成技術が利用され、ここで望ましい骨格構造は、上述のように直接または結合ユニットを介して固相に付着するものである。固相技術の利点としては、過剰な試薬が利用され、未反応の試薬は洗い落とされるために、多段階反応をより簡便に行い反応を完了させる能力が含まれる。おそらく固相合成の最も重要な利点の一つは、フルカ社（Furka）によって開発されたパラレル合成技術（parallel synthesis technique）に加えて、「スプリットおよびプール」と呼ばれる技術を用いる能力である。(Furka et al., Abstr. 14th Int. Congr. Biochem., Prague, Czechoslovakia, 1988, 5, 47; Furka et al., Int. J. Pept. Protein Res. 1991, 37, 487; Sebestyen et al., Bioorg. Med. Chem. Lett., 1993, 3, 413.)この技術において、会合する化合物の混合物は同じ反応容器内でつくられるので、例えば１００万超ものライブラリー数を含むようなかなり大きいライブラリーの合成に必要とされる容器の数を実質的に減らし得る。例として、固形支持体骨格は、ｎ個の容器に分配される（ここでｎは骨格構造と反応する試薬Ａの種類数を示す）。反応後、ｎ個の容器からの内容物を合わせ、次にｍ個の容器に分割する（ここでｍは骨格構造と反応する試薬Ｂの種類数を示す）。この方法は、望ましい試薬数が骨格構造と反応し、本発明のライブラリーが得られるまで繰り返される。
【００７４】
本発明の半導体ナノ結晶は、固形支持体に容易に付着され得る。本発明の目的において固形支持体は、連続合成の間に化合物が付着する不溶性材料として定義される。支持体が結合した反応生産物の単離は、支持体が結合した材料から試薬を洗い落とすことによって簡単に達成され、過剰の試薬を用いて反応を完了させることができるため、固形支持体の使用はライブラリーの合成に有益である。固形支持体は、不溶性マトリックスである任意の材料であり得、硬質または半硬質表面を有し得る。典型的な固形支持体は、これらに限定されないが、ペレット、ディスク、毛細管、中空繊維、針、ピン、固形繊維、セルロースビーズ、多孔質ガラスビーズ（pore-glass beads）、シリカゲル、任意にジビニルベンゼンで架橋されたポリスチレンビーズ、グラフト共重合体ビーズ（grafted co-poly beads）、ポリアクリルアミドビーズ、ラテックスビーズ、任意にＮ−Ｎ’−ビスアクリロイルエチレンジアミン（N-N'-bis-acryloylethylenediamine）で架橋されたジメチルアクリルアミドビーズ、および疎水性ポリマーで被覆されたガラス粒子を含む。一つの特に好ましい実施形態において、１）ジビニルベンゼンで架橋したポリスチレンビーズ、および、２）ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）の合成物であるテンタゲル（Tentagel）アミノ樹脂が本発明の使用のために用いられる。本発明の半導体ナノ結晶はスチレンで容易に機能化され、それによりテンタゲルに配位され得る。または、半導体ナノ結晶はカルボン酸成分で機能化され、アミド結合を介してアミン成分を有するテンタゲル支持体に容易に付着され得る。テンタゲルは、ビーズ上（on-bead）での分析における使用にも、ビーズを分離（off-bead）している分析における使用にも可変的な支持体を提供するため、特に有用な固形支持体であり、また特に、トルエンから水にいたる溶媒中で優れた膨潤性を示す。
【００７５】
それゆえに半導体ナノ結晶は、図５に示すように、別個の固形支持体が経験する各反応段階を同定し、特定の合成系列における段階を記録する。図５は、三つの異なる試薬Ａ，ＢおよびＣ（１２０）の固形支持体に対する付着、および、結合（９０）を介した識別ユニット（１４０）の固形支持体（１００）に対する付着を示している。次に、その支持体は共に貯蔵され（１３０）、試薬Ｄ，ＥおよびＦを用いた反応のために分割される。これらの試薬それぞれのための適切な識別ユニットの付着は、試薬Ａ、ＢおよびＣに関して以前観察されたような特別な反応段階をコードすることを可能にする。この特別な実施形態において、与えられた反応順序で使用された特定の化学に依存して、反応段階の直前、最中または直後に、全ての固形支持体に標識を付着させることができる。
【００７６】
他の好ましい実施形態において、ビーズは任意の試薬を用いたビーズの反応の前に半導体ナノ結晶で標識され、さらに、ビーズはスプリットおよびプールプロセスで分割される時に、合成中のその特定の段階における特定の反応の追跡を続けるために、そのビーズは新しい（スプリット段階の）容器に加えられる前に解読される。
【００７７】
合成が完了すると、次に化合物のライブラリーは生物学的活性に関してスクリーニングされ、次に関心のある化合物を有する支持体は直接分析され（ビーズ上分析）、合成の反応段階および履歴に関する情報が提供される。
【００７８】
上述の方法はスプリットおよびプールコンビナトリアル技術に関するが、当業者であれば、本コード化機構はスプリットおよびプール方法に限定されず、さらに本発明のコード化機構は、任意のコンビナトリアル、もしくは、例えばパラレル合成のような他の反応機構、または、一連の化合物の合成において利用され得ることが理解できるであろう。
【００７９】
遺伝子的応用
他の特に好ましい本発明の実施形態において、本発明のシステムは、遺伝子に関する情報をオリゴヌクレオチドフラグメントから得るのに利用され得る。一般的に、遺伝子的変異およびその生物学的機能に関する結果を理解することが所望されており、それを行うために、膨大な比較配列を分析しなければならない。それぞれのＤＮＡ鎖は塩基対を介した相補的配列を認識する独自の能力を持っているため、認識プロセスまたはハイブリダイゼーションはかなり相似しているが、同時に長い配列における各ヌクレオチドは原則的に疑わしい。
【００８０】
ＤＮＡチップ技術は、遺伝子的用途に関する重要な手段である。一塩基多型(single nucleotide polymorphism)（SNPs）は、ヒトゲノムにおいて最も頻繁に観察される変異の種類である。遺伝子の対立遺伝子間の差を検出することは、遺伝病および遺伝障害に関する医療研究の重要な目的である。（例えば、鎌状赤血球貧血、結腸癌、ＢＲＣＡ１）。現在の技術は、配列中の変異に関してＤＮＡ配列を大規模にスクリーニングすることができる。この技術は、表面（ガラス）の特異的な位置に共有結合したＤＮＡ「チップ」（例えばＳＴＳ）の高密度アレイの製造も含む。中央付近の（near the center）一塩基（Ａ，Ｇ，ＴまたはＣ）の変更以外は同一な配列である、４つのオリゴヌクレオチドからなるセットは、遺伝子の二つの対立遺伝子を比較するのに用いられる。４つのオリゴ（oligos）からなるセットで変更された部位と相補的な位置の対立遺伝子間で一塩基が異なることによって、他の３つより優先的に１つのオリゴヌクレオチドがハイブリダイズされ得る。次に、どのオリゴヌクレオチドがサンプルＤＮＡにハイブリダイズするかを検出することによって、多型の配列が同定されうる。それぞれのヌクレオチドによってシフトオーバーされるこれら４つのオリゴからなるセットを作製することによって、研究者は一塩基多型に関する多数の塩基対をスキャンすることができる。
【００８１】
本発明のシステムは、既存の方法における蛍光的に標識されたプローブと比較して、所望の配列の同定のためのプローブとして作用するだけでなく、配列それ自身に関する情報のコードをも可能にする。本発明のシステムは従来のアレイにおいても用いられ得るが、本発明の同定システムはプローブおよび識別子両方を提供することができるために、遺伝子情報を得るのに規則的なアレイは必要ではない。その代わりに、例えばビーズの収集物は所望の標識されたＤＮＡフラグメントで構成され、ここで前記ビーズはまた、特定の配列に関する情報がコードされている。結合によってサンプルＤＮＡにハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドは、サンプルをスキャンすることによって検出され、半導体ナノ結晶で標識したプローブを同定し、同時に配列情報は半導体ナノ結晶「バーコード」を分析することによって解読され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ヘキサン中のＣｄＳｅ半導体ナノ結晶にオーバーコートされたサイズの異なるＺｎＳの数種の懸濁液のカラー写真を示しており、本発明において利用されうる広範囲の色彩を図示している。
【図２】 図２は、半導体ナノ結晶の表面を修飾するための一般的な置換反応を示す。
【図３】 図３は、流体工学における本発明のシステムの使用を示す。
【図４】 図４は、関心のある目的物の同定における本発明のシステムの使用を示す。
【図５】 図５は、コンビナトリアルライブラリーのコード化における本発明のシステムの使用を示す。
本発明は、米国国立科学財団（National Science Foundation）によって認可された契約番号９４−００３３４番の元に米国政府の支援でなされた。米国政府は本発明における特定の権利を有する。
【０００２】
本願は、出願番号０９／１６０，４５８号の一部継続出願であり、１９９８年９月１８日付で出願された、名称が「在庫管理（Inventory Control）」である、仮出願番号第６０／１０１，０４６号に対して優先権を主張するものである。本願は、これと同日付で出願された、名称が「量子ドットの生物学的用途（Biological Applications of Quantum Dots）」である出願番号第０９／１６０，４５４号に関連するものである。また、本願は、１９９８年９月１８日付に出願された、名称が「水溶性チオールキャップドナノ結晶（Water-Soluble Thiol-Capped Nanocrystals）」である出願番号第０９／１５６，８６３号の明細書にも関連する。
【０００３】
この特許文書の開示の一部は、著作権保護に用いられる物質を含むものである。著作権保持者は、特許商標庁のファイルや記録においてもそうであるように、特許文書または特許開示の誰による転用に対しても異議を有さない。しかし、その他のものは、いかなる著作権も全て保持される。
【０００４】
発明の背景
関心のある組成物やアイテムの位置や同一性を追跡するための能力は、工業および科学に対して、重要な挑戦を提供してきた。例えば、食料品店の品物や宝石類といった消費製品、および、セキュリティーカードなどの識別装置における利益の追跡の継続への要求により、確実で便利なシステムに対するニーズがもたらされた。さらに、コンビナトリアルケミストリー、遺伝子研究、ミクロ流体素子工学（microfluidics）といった新興の技術も、大量のアイテムの位置を同定し、追跡する能力を必要としている。
【０００５】
関心のある構成成分やアイテムの位置や同一性を追跡するために従来用いられている方法は、ユニバーサルプロダクトコード（Universal Product Code）技術、すなわちバーコード技術であり、これは直接目的物に印刷されるか、目的物に貼り付けられたラベル上に印刷された直線状の配列要素を用いるものである。これらのバーコード要素は、一般には線と空白とからなり、線は二進法の一連の１を表現する種々の幅を有し、空白は二進法の一連の０を表現する種々の幅を有する。バーコードは走査型レーザービームや手で掴める棒（handheld wand）などの装置によって光学的に検出可能である。または、磁気媒体において実行可能である。読み込みおよびスキャニング装置は、記号を電気光学的に解読し、アイテムやそれらの特徴を記述するための多様な英数字にする。これらの特徴は、２、３の例を挙げると、店頭や在庫管理への適用に関するシステムを実行するデータに対する入力として、デジタル形式で一般には表現される。
【０００６】
従来のバーコードは一般的には５つか６つの文字または数字を含むのみであったが、情報密度を増加させるために１次元バーコードがバーコード間の水平保護線において積み重なった２次元のバーコードも開発されている。例えば、米国特許５，３０４，７８６号はバーコード適用における使用のための、高密度２次元バーコード記号の使用を開示している。しかし生憎にも、バーコード技術の情報密度は改善されたもの、この技術は容易に破壊することが多く、ほこり、ゴミおよび物理的な損傷の干渉により、読み出し装置から得られる情報の精度が制限される。また、多くのアイテム上にバーコードを刻み付けることの困難性により、広範囲の使用へ適用することも困難である。
【０００７】
目的物に標識を付けるために開発されている他の技術としては、輸送手段、クレジットカードおよび宝石類といった目的物に適用される珪素または二酸化珪素ミクロ微粒子および粉末、流体物または気体からなる組成物が含まれる（ＷＯ９５／２９４３７）。このシステムにより、一般的には一枚のウエハ上における２００万の微粒子形成が可能になり、一枚のウエハ上における各微粒子は全く同一の形状および大きさであるように設計され、微粒子がウエハ基板から遊離した時には、単一の粒子形成を含む懸濁液中に粒子が残存し、同定され、特定の関心のあるアイテムと会合される。このシステムも、情報密度はさるものながら、広範囲への適用に関しては実際的ではない。出願書類において明確に述べられている利点の一つは、専門化されている装置や技術を要求する自明でないマイクロマシニング処理を使用しており、微粒子の確認されていない複製についての信憑性の薄い事象を含んでいる。従ってこのプロセスは、在庫管理に関する使用の範囲に広く適用されるものではないであろう。
【０００８】
上述したバーコードおよびミクロ粒子在庫管理機構に加え、コンビナトリアルケミストリーのような新興の技術も、種々のコード化機構の発達をもたらしている(例えば、Czarnik,A.W.,"Encoding Methods for Combinatorial Chemistry",Curr.Opin.Chem.Biol.,1997,1,60を参照）。この発達のための必要性は、およそ１００万の化合物についてのライブラリーを生産するコンビナトリアルケミストリーにおいて用いられているスプリットおよびプール技術（split and pool technique）から部分的に発生したものである。スプリットおよびプール合成は、ビーズ中の収集物をＮグループに分割することを含み、Ｎは特定の反応段階において使用される異なる試薬数を表し、反応が遂行された後は、これらのグループの全てを一括して貯蔵し、スプリットおよびプール処理を所望の反応順序が完了するまで繰り返される。一連の反応から生成された各化合物の追跡を継続するためには、関心のある化合物またはその化合物を生成する反応経路の同定が可能であるように、ビーズは「標識される」または各段階において情報がコード化されてものでなければならないことは明らかである。しかしながら、情報をコード化するために用いられる標識は、化学合成において採用される条件に対して強固なものでなければならず、情報を得るために容易に同定可能なものでなければならない。開発された典型的なコード化技術としては、合成が完了し、質量分析を用いて分析された後にはビーズから開裂する化学的に強固で小さな有機分子（「標識」）の使用が含まれる（米国特許第５，５６５，３２４号；米国特許第５，７２１，０９９号）。この方法の欠点は、関心のある化合物の同定についての情報を得るために「標識」をビーズから分離しなければならないことである。
【０００９】
これに応じて、幾つかのグループが、「標識」が支持体に付されたままでの分析が可能であるコード化機構を開発している。例えば、Radiofrequency Encoded Combinatorial（ＲＥＣTM）ケミストリーは、マイクロエレクトロニクス、センサーおよび化学に関する近年の進歩を組み合わせており、Single or Multiple Addressable Radiofrequency Tag（ＳＭＡＲＴTM）半導体ユニットを使用して、合成経路に関するコード化および他の関連する情報を記録するものである（Nicolaou et al.,Angew.Chem.Int.Ed.Engl.1995,34,2289）。しかしながら、このシステムの欠点は、使用されるＳＭＡＲＴTMメモリ素子の大きさ（ｍｍ）が非常に大きいことであり、従って情報を解読するためのビーズのスキャニングが困難になる。ビーズ上の解読の他の例としては、色彩が付されおよび蛍光を有するビーズに使用が含まれ(Egner et al.,Chem.Commun.1997,735）、共焦顕微鏡レーザーシステムが蛍光染料の蛍光スペクトルを得るために用いられている。しかしながら、この方法の欠点は、エネルギー移動または放出した光の再吸収による内部消失が生じる、染料の特質である。さらに、このシステムは染料の範囲を差別的かつ個別に同定することができない。
【００１０】
一般的な在庫管理および新興の技術の双方において用いられる程度に、適応力があり、強固で、実際的な、一般的な情報密度コード化システムの開発が所望されていることは、明白である。このシステムは、差別的かつ特殊なものとして、興味のある特定のアイテムまたは要素を同定することも可能である。
【００１１】
発明の要約
本発明は、関心のある特定のアイテム（item）や構成成分の位置や同定を決定するための、新規のコード化システムおよび方法を提供するものである。特に、本発明は、関心のある特定のアイテムの位置または源を「追跡する」、または、関心のある特定のアイテムを同定しうる特徴的なスペクトル放出を有するために、半導体ナノ結晶（Quantum DotTM粒子としても知られる）の１以上のサイズ分布からなる「バーコード」を利用するものである。発明の「バーコード化」機構において用いられる半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の組成およびサイズ、またはサイズ分布を変化させることにより特徴的なスペクトル放出をするように、所望の波長に調整されうる。また、特定の特徴的な波長における放出強度も変化させることができ、二進またはそれ以上のコード化機構の使用が可能となる。半導体ナノ結晶によってコード化された情報は、分光学的に解読することができ、これにより関心のある特定のアイテムや構成成分の位置、源および／または同定がなされる。
【００１２】
特に好ましい実施形態において、該方法は、関心のあるアイテムおよび特徴的なスペクトル放出を有する１以上の組成物（例えば、コアおよび／またはシェルの組成物）、サイズもしくはサイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる組成物を提供し、または、支持体、関心のあるアイテムおよび１以上のサイズの半導体ナノ結晶からなる組成物を提供し；前記組成物における前記１以上のサイズの半導体ナノ結晶に関するスペクトル放出を得るために、前記組成物を第１の光源に晒し；および、関心のある前記アイテムにおける前記スペクトル放出を関連付けること、が含まれる。好ましい実施形態において、該方法は、生物学的分子（biomolecule）、特にＤＮＡ配列、または他のアイテム、消費製品、識別標識、流体をコード化するために用いられ得るが、限定されるものではない。
【００１３】
他の観点において、本発明は組成物を提供する。特に好ましい実施形態において、組成物は、支持体および異なる特徴的なスペクトル放出を有する１または２以上の粒子サイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる。他の特に好ましい実施形態において、組成物は、支持体、関心のある１以上のアイテム、および、異なる特徴的なスペクトル放出を有する１または２以上の粒子サイズの半導体ナノ結晶からなる。さらに他の好ましい実施形態においては、組成物は、関心のあるアイテムおよび異なる特徴的なスペクトル放出を有する１以上のサイズの半導体ナノ結晶からなる。半導体ナノ結晶は、前記支持構造体に会合、付着、埋設されうる。また、半導体ナノ結晶には、半導体ナノ結晶よりも大きなバンドギャップを有する物質からなるオーバーコートをすることも任意で可能である。
【００１４】
さらに他の観点においては、本発明は化合物および／または関心のあるアイテムのライブラリーを提供するものである。特に好ましい実施形態においては、ライブラリーの各化合物は、別個の支持体に結合され、各支持体は特徴的なスペクトル放出を有する１以上の分子サイズ分布を有する半導体ナノ結晶からなる、１以上の同定体に付着または埋設される。さらに他の実施形態においては、関心のあるアイテムそれぞれは、特徴的なスペクトル放出を有する１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶からなる１以上の同定体に付着または埋設される。
【００１５】
さらに他の観点においては、本発明は、関心のあるアイテムの収集物を含む、関心のあるアイテムを同定するためのキットを提供するものであり、目的物の前記収集物の各部分が、特徴的なスペクトル放出を有する１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶に付着または埋設する。他の好ましい実施形態においては、該キットは、関心のあるアイテムの収集物、固体支持体への結合からなり、各支持体は１以上の特殊な同定体へ結合、会合または埋設する。
【００１６】
他の観点においては、本発明は、化合物ライブラリーの提供、関心のある特定の特徴に関する前記化合物ライブラリーの試験、関心のある化合物を含む各支持体への各同定体の付着に関する蛍光スペクトルの観察、および、前記１以上の半導体ナノ結晶によるコード化による反応順序の決定による関心のある化合物の同定からなる、関心のある特定の特徴を有する化合物の同定方法を提供するものである。さらに他の特に好ましい実施形態においては、反応順序を同定するステップは化合物ライブラリーの試験前に決定される。なぜなら、反応順序は、各反応ステップに先立って反応段階を記録するためにビーズを「読む」こと（即ち、蛍光スペクトルの観察）により化合物の合成中に記録されるからである。また本発明は、合成と共に合成の反応段階を記録するための方法を提供するものである。
【００１７】
さらに他の観点においては、本発明は、第１分子ライブラリーを第２分子ライブラリーと接触させることからなる、関心のある特徴を有する分子の同定方法を提供するものである。ここで、前記第１ライブラリー中の各分子は、１以上のサイズの半導体ナノ結晶を用いてコード化されており、前記第２ライブラリーは「プローブ」として作用する１以上のサイズの半導体ナノ結晶に付着または埋設されている。この方法は、同時に前記第２ライブラリーから前記第１ライブラリーへの１以上の分子の結合を同定する方法を提供するものであり、前記第１ライブラリー由来の前記１以上の分子の構造が決定される。
【００１８】
本発明の一の観点において、半導体ナノ結晶の１以上の集合体（population）からなる組成物が提供され、ここで各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有する。
【００１９】
本発明の他の観点においては、支持体と会合した前述のナノ結晶集合体からなる組成物が提供される。
【００２０】
本発明のさらに他の観点においては、関心のあるアイテムと会合した前述のナノ結晶集合体からなる組成物が提供され、該ナノ結晶は支持体と会合していることが好ましい。
【００２１】
本発明のさらに他の観点においては、化合物ライブラリーが提供される。ここで、前記ライブラリー中の各化合物は、別個の支持体に結合しており、各支持体は半導体ナノ結晶の１以上の集合体と会合しており、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有している。
【００２２】
本発明のさらに他の観点においては、関心のある特徴を有する化合物の同定方法が提供される。該方法は、（ａ）要素の化合物ライブラリーを提供し、ここで、前記化合物ライブラリーの各要素は支持体に付着されており、また、各支持体は半導体ナノ結晶の１以上の集合体に付着または埋設されており、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有する、（ｂ）関心のある特徴を有する化合物を同定するために、前記化合物ライブラリーの各要素を試験する、（ｃ）特徴的なスペクトル放出を得るために各支持体を光源に晒す、および、（ｄ）関心のある特徴を有する化合物の同一性と該スペクトル放出とを関連付ける、ことからなる。
【００２３】
本発明のさらに他の観点においては、関心のある特徴を有する分子の同定方法が提供される。該方法は、（ａ）１以上の要素分子の第１ライブラリーを提供し、ここで、前記第１ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１以上の第１集合体に付着または埋設している第１支持体に付着されており、各第１集合体は別個の特徴的な第１スペクトル放出を有しており、（ｂ）１以上の要素分子の第２ライブラリーを提供し、ここで、前記第２ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１以上の第２集合体に付着または埋設している第２支持体に付着されており、各第２集合体は別個の特徴的な第２スペクトル放出を有しており、また、前記第２スペクトル放出は前記第１スペクトル放出とは別個のものであり、（ｃ）前記分子の第１ライブラリーと前記分子の第２ライブラリーとを接触させる、および、（ｄ）前記第１および第２スペクトル放出を観察する、ここで、前記第１および第２スペクトル放出は、前記分子の第２ライブラリー由来の分子のどれが前記分子の第１ライブラリーと会合しているかに関する情報を提供し、前記分子の第１ライブラリー由来の分子の同一性に関する情報を提供する、からなる。
【００２４】
本発明のこれらやその他の実施形態および観点は、ここでの開示を考慮すれば、この分野の当業者にとって容易に想定できるものである。
【００２５】
図面の説明
本発明の書類は、色付きで制作された図面を少なくとも１つ含む。色付き図面が付された本発明の複写物は、請求および必要な手数料の支払いに応じて特許商標庁によって提供される。
【００２６】
定義および命名
本発明を詳細に開示、説明する前に、本発明はそれ自体特定のアッセイフォーマット、材料または試薬に制限されるものではなく、言うまでもなく、変更できるものであると解されるべきである。また、本明細書中で使用される専門用語は特定の実施態様を説明するためのものであり、制限するものではないと解されるべきである。
【００２７】
本明細書及び添付した特許請求の範囲中で使用される、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は特記しない限り複数形を含むものであることに留意すべきである。したがって、例えば、「ナノ結晶」という言及は１以上のナノ結晶を包含し、「オリゴヌクレオチド」という言及は１以上のオリゴヌクレオチドを包含するなどである。
【００２８】
本明細書においておよび下記特許請求の範囲において、多くの用語は下記意味を有するように定義し引用している。
【００２９】
「Quantum DotTM粒子」：本明細書中で使用される、「Quantum DotTM粒子」という用語は、大きさ依存型の光学及び電子特性を有する半導体ナノ結晶である。特に。半導体ナノ結晶のバンドギャップエネルギーは結晶の半径によって変化する。
【００３０】
「半導体ナノ結晶」は、例えば、第２半導体材料の「シェル」に囲まれてもよい、１以上の第１半導体材料の「コア」を含む直径が約１ｎｍ〜約１０００ｎｍ、好ましくは約２ｎｍ〜約５０ｎｍ、より好ましくは約５ｎｍ〜約２０ｎｍ（約６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、または２０ｎｍなど）の無機微結晶を含む。半導体シェルによって囲まれた半導体ナノ結晶コアは、「コア／シェル」半導体ナノ結晶と称される。周囲の「シェル」材料は、好ましくはコア材料のバンドギャップよりより大きいバンドギャップを持ち、「コア」基材の原子間隔（atomic spacing）に近い原子間隔を持つように選択され得る。コアおよび／またはシェルは、これらに限定されないが、II-VI族（ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＭｇＴｅ等）及びIII-V族（ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＡｓ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳ等）及びIV族（Ｇｅ、Ｓｉ、Ｐｂ等）材料のもの、ならびにそれらの合金、またはそれらの混合物などの半導体材料でありうる。
【００３１】
半導体ナノ結晶は、必要であれば、有機キャッピング剤の「被膜」によって囲まれる。有機キャッピング剤は、多くの材料であり得るが、半導体ナノ結晶表面に対する親和性を有するものである。通常、キャッピング剤は、単離された有機分子、ポリマー（または重合反応用のモノマー）、無機複合体、および拡張された結晶質構造（extended crystalline structure）であり得る。被膜は、可溶性、例えば、被覆された半導体ナノ結晶を所定の溶媒中で均一に分散する能力、機能性（functionality）、結合特性等を付与するのに使用される。加えて、被覆は、半導体ナノ結晶の光学特性を適合させるために用いられる。
【００３２】
「識別ユニットまたはバーコード（Identification unit or barcode）」：本明細書中で使用される、「識別ユニットまたはバーコード」ということばは、「バーコード」ということばと同義的に用いられ、１以上のサイズの半導体ナノ結晶、それぞれのサイズの特徴的な放出スペクトルを有する半導体ナノ結晶、を含む。「識別ユニット」または「バーコード」は、関心のある特定のアイテムまたは物質の位置または同一性を決定することを可能にする。
【００３３】
「関心のあるアイテム（item of interest）」：本明細書中で使用される、「関心のあるアイテム」ということばは、「関心のある構成成分（component of interest）」ということばと同義に用いられ、これらに限定されないが、消費アイテム（consumer item）、流体ガス、固体、化合物および生物学的分子を含む任意のアイテムを意味する。
【００３４】
「生物学的分子（biomolecule）」：本明細書中で使用される、「生物学的分子」ということばは、天然に見出される分子（例えばタンパク質、アミノ酸、核酸、ヌクレオチド、炭化水素、糖、脂質など）を含む。
【００３５】
本明細書中で使用される「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」及び「核酸分子」ということばは、リボヌクレオチドまたはデオキシリボヌクレオチドのいずれかの、ある長さを有するヌクレオチドのポリマー形態を含む。このことばは、分子の一次構造のみを意味する。したがって、このことばは、３本、２本及び１本鎖のＤＮＡ、ならびに３本、２本及び１本鎖のＲＮＡを包含する。また、このことばは、メチル化によるおよび／またはキャッピングによるなどの、修飾、ならびに未修飾形態のポリヌクレオチドをも包含する。
【００３６】
より特別には、「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」及び「核酸分子」ということばは、ポリデオキシリボヌクレオチド（２−デオキシ−Ｄ−リボースを含む）、ポリリボヌクレオチド（Ｄ−リボースを含む）、プリンまたはピリミジン塩基のＮ−またはＣ−グリコシドである他の型のポリヌクレオチド、ならびに非ヌクレオチド主鎖を含む他のポリマー、例えば、ポリアミド（例えば、ペプチド核酸（ＰＮＡｓ））及びポリモルホリノ（Anti-Virals, Inc., Corvallis, OregonからNeugeneとして市販されている）ポリマー、ならびにＤＮＡ及びＲＮＡ中に見出されるような、ポリマーが塩基対合及び塩基の積み重ねが可能である立体配置中にヌクレオベース(nucleobase)を含む場合には他の合成配列特異的核酸ポリマーを含むものである。
【００３７】
「ポリヌクレオチド」、「オリゴヌクレオチド」、「核酸」および「核酸分子」ということばの間で、長さにおいて意図的な区別はなく、これらのことばは交換可能に使用されるであろう。これらのことばは、分子の一次構造のみを意味する。従ってこれらのことばは、例えば３’−デオキシ−２’，５’−ＤＮＡ、オリゴデオキシリボヌクレオチドＮ３’Ｐ５’ホスホラミデート（oligodeoxyribonucleotide N3’ P5’ phosphoramidates）、２’−Ｏ−アルキル置換ＲＮＡ、３本、２本および１本鎖ＤＮＡ、同様に３本、２本および１本鎖ＲＮＡ、ならびに、ＤＮＡ：ＲＮＡハイブリッド、ならびに、ＰＮＡとＤＮＡまたはＲＮＡとの間のハイブリッドを含み、さらに、例えば当該分野において既知の標識、メチル化、１以上の天然に存在するヌクレオチドの類似体による「キャップ」置換、のような既知の型の修飾、ならびに、例えば非電荷結合を有するもの（例えば、メチルホスホネート類、ホスホトリエステル類、ホスホルアミデート類、カーバメート類など）、負電荷結合を有するもの（例えば、ホスホロチオエート類、ホスホロジチオエート類（phosphorodithioates））および正電荷結合を有するもの（例えば、アミノアルキルホスホラミデート類（aminoalklyphosphoramidates）、アミノアルキルホスホトリエステル類）、例えばタンパク質（ヌクレアーゼ、毒素、抗体、シグナルペプチド、ポリ−Ｌ−リシン等を含む）を含むペンダント部位を有するもの、インターカレーター(intercalator)（例えばアクリジン、ソラレン等）を有するもの、キレート剤を含むもの（例えば、金属、放出性金属、ホウ素、酸化金属など）、アルキル化剤を含むもの、修飾結合を有するもの（例えばアルファアノマー核酸など）のようなヌクレオチド間の修飾（internucleotide modifications）、同様に非修飾形態のポリヌクレオチドまたはオリゴヌクレオチド、も含む。詳しくは、ＤＮＡはデオキシリボ核酸である。
【００３８】
「ポリペプチド」および「タンパク質」は、ここで交換可能に用いられ、ペプチド結合を介して結合したアミノ酸の分子鎖を含む。この用語は、生産物の特異的な長さに言及していない。従って「ペプチド」、「オリゴペプチド」および「タンパク質」は、ポリペプチドの定義内に含まれる。このことばは、例えば、配糖化、アセチル化、ホスホリル化等のようなポリペプチドの翻訳後修飾を含む。加えてタンパク質フラグメント、類似体、変異または突然変異または変異型タンパク質、融合タンパク質等もポリペプチドの意味に含まれる。
【００３９】
「糖成分」ということばは、単糖類、二糖類、多糖類等への言及を含む。「糖」ということばは、修飾されたこれらの成分を含み、例えば１以上の水酸基がハロゲン原子、アルコキシ成分、脂肪族基で置換される、または、エーテル、アミン等として機能化（functionalized）されたものである。修飾された糖の例としては、水酸基成分の代わりに低級アルコキシ基を含むもの、すなわち、例えばメチルα−Ｄ−グルコピラノシド、メチルβ−Ｄ−グルコピラノシド等のα−またはβ−グリコシド；アミンと反応したもの、すなわち、例えばＮ−（(−Ｄ−グルコピラノシル）メチルアミンのようなＮ−グリコシルアミンまたはＮ−グリコシド；アシル化水酸基を含むもの、すなわち、一般的に１〜５個の低級アシル基；１以上のカルボン酸を含むもの、例えばＤ−グルコン酸等；ならびに例えばＤ−グルコサミン、Ｄ−ガラクトサミン、Ｎ−アセチル−Ｄ−グルコサミン等の遊離アミン基を含むものが挙げられる。好ましい糖類の例としては、グルコース、ガラクトース、フルクトース、リボース、マンノース、アラビノース、キシロースが挙げられる。多糖類の例としては、デキストランおよびセルロースが挙げられる。
【００４０】
「１以上のサイズの半導体ナノ結晶」：本明細書中で使用される、「半導体ナノ結晶の１以上のサイズ」という文言は、「１以上の粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶」という文言と同義に用いられる。当業者であれば、特別なサイズの半導体ナノ結晶は、実際に粒子サイズ分布（particle size distribution）として得られることを理解するであろう。
【００４１】
「と会合した（associated with）」という文言は、ここでは、例えば共有化学結合、ファンデルワールス力または疎水性相互作用のような物理的力、カプセル封入、埋設（embedding）等の、物理的に結合したアイテムを示すために用いられる。
【００４２】
「と会合した」という文言はまた、例えばルックアップ表または会合／対応を記録する他の方法の使用を介する等の、物理的結合以外によるアイテム間の対応を維持することも意図されている。
【００４３】
本明細書中で使用される、「結合対」ということばは、相互に特異的に結合する第１および第２分子を意味する。サンプルにおいて結合対の第１要素の結合対の第２要素に対する「特異的な結合」は、サンプル中の他の構成成分より大きい親和性および特異性による、第１要素の第２要素に対する結合、またはその逆によって証明される。結合対の要素間の結合は一般的に非共有的である。「親和性分子」および「ターゲット分析物」ということばは、それぞれ、結合対の第１および第２要素を意味するものとして本明細書中で用いられる。
【００４４】
具体的な結合対としては、相当する抗体またはこの結合部分若しくはフラグメントとのハプテンまたは抗原性化合物の組合わせ（例えば、ジゴキシゲニン及び抗ジゴキシゲニン；マウス免疫グロブリン及びヤギ抗マウス免疫グロブリン）および非免疫結合対（例えば、ビオチン−アビジン、ビオチン−ストレプトアビジン、ホルモン［例えば、サイロキシン及びコルチゾール］−ホルモン結合タンパク質、レセプター−レセプターアゴニストまたはアンタゴニスト（例えば、アセチルコリンレセプター−アセチルコリン若しくはこの類似体）ＩｇＧ−タンパク質Ａ、レクチン−炭水化物、酵素−酵素コファクター、酵素−酵素阻害剤、ならびに核酸二重鎖を形成できる相補的なポリヌクレオチド対）が挙げられる。
【００４５】
「必要で」または「必要であれば」は、その後に説明される事象または状況が生じてもあるいは生じなくてもよい、さらにその記載は前記事象または状況が生じる場合および生じない場合を含むことを意味する。例えば、「必要であればオーバーコートを有する」という文言は、オーバーコートが存在してもしなくてもよく、さらにその記載はオーバーコートが存在するおよび存在しない両方の場合を含む、などである。
【００４６】
関心のある特異的なアイテムまたは構成成分を同定しかつ位置を示す必要性が認識されており、本発明は新規のコード化システムを提供する。特に本発明は、半導体ナノ結晶の１以上の粒子サイズ分布を含み、特徴的なスペクトル放出を有する「バーコード」を、関心のある特定のアイテムの位置の「追跡」または関心のある特定のアイテムの同定いずれにも利用するものである。本発明の「バーコード」機構で使用される半導体ナノ結晶は、半導体ナノ結晶の組成およびサイズを変えることにより特徴的なスペクトル放出を生じるために、望ましい波長に調節され得る。加えて、特定の特徴的な波長における放出の強度もまた多様であり、そのため二進またはそれ以上のコード化機構の使用が可能である。半導体ナノ結晶によってコードされた情報は分光的に解読され、それにより関心のある特定のアイテムまたは構成成分の位置および／または同一性が提供される。
【００４７】
本発明のバーコードシステムにおいて利用される半導体ナノ結晶の能力は、それらの特有の特徴に起因する。半導体ナノ結晶は、バルクの励起子のボーア半径より小さい半径を有しており、物質の分子とバルク形態との間の物質中間体の分類を構成する。３次元すべてにおける電子および空孔の量子閉じ込めは、結晶サイズの減少を伴なう、材料の有効なバンドギャップの増加を導く。その結果、半導体ナノ結晶の光学的吸収および放出の両方が、青（より高いエネルギー）にシフトする。第１の光源に晒した際の、各半導体ナノ結晶分布は、２５〜３０ｎｍ程度の精密なスペクトル線幅の、対照的なほとんどガウス曲線形のエネルギー放出が可能であり、それによって特定の半導体ナノ結晶を同定する容易な方法を提供している。当業者であれば、この線幅は、各調製における半導体ナノ結晶サイズの不均一性、すなわち単分散性に依存することを理解するであろう。単一の半導体ナノ結晶複合体は、１２〜１５ｎｍ程度の狭さの半値全幅（ＦＷＨＭ）を有することが観察されている。加えて、４０〜６０ｎｍの範囲においてより大きい線幅を有する半導体ナノ結晶分布は容易に製造され、より精密な線幅を有する半導体ナノ結晶と同じ物理的特徴を有する。
【００４８】
本発明における半導体ナノ結晶としての使用のための材料の例として、これらに限定されないが、第ＩＩ−ＶＩ族、第ＩＩＩ−Ｖ族および第ＩＶ族の半導体が挙げられ、例えば、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＧａＮ，ＧａＰ，ＧａＡｓ，ＧａＳｂ，ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＡｌＳ，ＡｌＰ，ＡｌＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ，Ｇｅならびにこれらの三元および四元混合物である。半導体ナノ結晶は、それらの均一なナノメーターサイズによって特徴付けられる。「ナノメーター」サイズとは、約１５０オングストローム（Å）未満、好ましくは１２〜１５０オングストローム（Å）の範囲であることを意味する。
【００４９】
上述したように、半導体ナノ結晶の組成物の選択は、半導体ナノ結晶のサイズも同様に、半導体ナノ結晶の特徴的なスペクトル放出波長に影響を与える。従って、当業者であれば理解し得るように、上記でリストしたような半導体ナノ結晶の特定の組成物は、モニターされるスペクトル領域に基づいて選択されるであろう。例えば、可視領域においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶としては、これらに限定されないが、ＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＰおよびＧａＡｓが挙げられる。図１は、ヘキサン中のＺｎＳでオーバーコートした異なるサイズのＣｓＳｅ半導体ナノ結晶の数種の懸濁液のカラー写真を示しており、本発明における使用のための広範囲な色の使用可能性を説明している。近赤外で放出する半導体ナノ結晶として、これらに限定されないが、ＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳおよびＰｂＳｅが挙げられる。最終的に、青から近紫外においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶としては、これらに限定されないが、ＺｎＳおよびＧａＮが挙げられる。本発明のシステムで用いられる半導体ナノ結晶のための任意の特定の選択された組成物において、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って、放出を望ましい波長に調節させることが可能である。好ましい実施形態において、５〜２０の別個の放出（互いに区別可能な５〜２０の異なるサイズ集団または分布）が、いかなる特定の組成物においても得られる。しかし当業者であれば、５未満の放出および２０を超過する放出は、半導体ナノ結晶粒子の単分散性に依存して用いられ得ることを理解するであろう。高い情報密度（high information density）が必要であり、従ってより多くの別個の放出が必要な場合、ナノ結晶はまた、上述の広いナノメーター範囲（１２〜１５０Å）内で実質的に単分散である。本明細書中で用いられることばとしての単分散は、懸濁粒子が実質的に同一のサイズおよび形状を有しているコロイド系を意味する。高い情報密度の用途に関する好ましい実施形態において、単分散粒子は、直径が１０％ｒｍｓ未満、好ましくは５％未満の偏差を示す。単分散半導体ナノ結晶は、Murray et al. (J. Am. Chem. Soc., 1993, 115, 8706)およびChristopher Murrayの学位論文である「II-IV量子ドットの合成および特徴づけ、ならびそれらの３次元量子ドット超格子への組み立て（Synthesis and Characterization of II-VI Quantum Dots and Their Assembly into 3-D Quantum Dot Superlattices）」, Massachusetts Institute of Technology, September, 1995に詳細に記載される。当業者であれば、ある組成物で個別に観察され得る別個の放出の数は、粒子の単分散性だけでなく、用いられた逆重畳積分技術（deconvolution techniques）にも依存することを理解するであろう。半導体ナノ結晶は、染色分子（dye molecules）と異なり、容易にガウスをモデル化されることができ、従ってより容易にかつ正確に逆重畳積分され得る。しかしながら、いくつかの用途に関して高い情報密度は必要ではなく、より多分散な粒子をもちいることが経済的に魅力的なことがある。従って、高い情報密度を必要としない用途に関して、放出の線幅は４０〜６０ｎｍでありうる。
【００５０】
特定の半導体ナノ結晶のサイズを制御することにより放出エネルギーを調節させる能力に加えて、特異的な波長で観察される特定の放出の強度を様々に変化させることも可能であり、それによって半導体ナノ結晶「バーコード」システムによって提供される潜在的な情報密度は増加する。好ましい実施形態において、２〜１５の異なる強度が、望ましい波長における特定の放出に関して達成され得る。しかしながら、当業者であれば、本発明の識別ユニットの特定の用途に依存して、１５を超過する異なる強度が達成され得ることを理解するであろう。本発明の目的として、異なる強度は、関心のあるアイテムまたは構成成分に付着、埋設または会合する、特定のサイズの半導体ナノ結晶の濃度を変えることによって達成され得る。
【００５１】
特に好ましい実施形態において、半導体ナノ結晶にオーバーコーティング層を加えることによって、半導体ナノ結晶の表面も放出強度を増強するように修飾される。半導体ナノ結晶の表面における、表面欠陥によって半導体ナノ結晶の電気的および光学的特性を減少させる電子または空孔のトラップが招来されるため、オーバーコーティング層は特に好ましい。半導体ナノ結晶表面の絶縁層により、電子および空孔のトラップとして作用するエネルギー状態を除去する界面での化学的ポテンシャルに関する、原子的な突然型ジャンプ（atomically abrupt jump）がもたらされる。これによりルミネセンスプロセスにおけるより高い効率がもたらされる。
【００５２】
オーバーコーティング層として適切な材料としては、半導体ナノ結晶より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大きいバンドギャップエネルギーを有することに加えて、オーバーコーティング層に適切な材料は、半導体ナノ結晶に関して良好な導電性および価電子帯オフセット（valence band offset）を有するべきである。従って、半導体ナノ結晶に比べて、伝導帯は高いことが望ましく、価電子帯は低いことが望ましい。可視（例えばＣｄＳ，ＣｄＳｅ，ＣｄＴｅ，ＺｎＳｅ，ＺｎＴｅ，ＧａＰ，ＧａＡｓ）または近赤外（例えばＩｎＰ，ＩｎＡｓ，ＩｎＳｂ，ＰｂＳ，ＰｂＳｅ）においてエネルギーを放出する半導体ナノ結晶として、紫外域においてバンドギャップエネルギーを有する材料が使用され得る。材料の例としては、ＺｎＳ，ＧａＮ、ならびに、例えばＭｇＳ，ＭｇＳｅおよびＭｇＴｅのようなマグネシウムカルコゲニドが挙げられる。近赤外で放出する半導体ナノ結晶としては、例えばＣｄＳまたはＣｄＳｅのような可視でバンドギャップエネルギーを有する材料も用いられ得る。オーバーコーティング層は、半導体材料の８もの単分子層（monolayers）を含み得る。被覆された半導体ナノ結晶の調製は、１９９７年１１月１３日付で出願された、名称が「高発光の色−選択的材料（Highly Luminescent Color-Selective Materials）」である米国特許第０８／９６９，３０２号、ならびに、Dabbousi et al., (J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 9463)およびKuno et al., ( J. Phys. Chem., 1997, 106, 9869)において見出される。
【００５３】
関心のあるアイテムに会合する、上述したような半導体ナノ結晶組成物およびサイズの特定の収集物（collection）を選択した後、半導体ナノ結晶は、関心のある特定のアイテムに付着、埋設または会合され得る。当業者であれば理解するように、関心のあるアイテムは、半導体ナノ結晶の表面と実質的に反応可能でなければならない、もしくは、半導体ナノ結晶と十分に適合するものでなければならない。
【００５４】
ほとんどの半導体ナノ結晶は、例えばトリオクチルホスフィンオキシド（TOPO）およびトリオクチルホスフィン（TOP）のような配位溶媒（coordinating solvent）中で調製され、これらは有機溶媒を含むドット表面上に不活性化有機層を形成する。この層はオーバーコートを含む、および、オーバーコートを含まない半導体ナノ結晶上に存在する。従って、これらの分類の不活性化半導体ナノ結晶はいずれも、例えばトルエン、クロロホルムおよびヘキサンのような有機溶媒中で容易に可溶化する。当業者であれば理解するように、本発明の識別ユニットとして用いるのに適した半導体ナノ結晶にするための外塗（outer coating）を提供するために、これらの機能的な成分は容易に置換または修飾され得る。さらにその上、望ましい用途に基づき、一部の半導体ナノ結晶の機能性（functionality）または全表面の半導体ナノ結晶の機能性は、本発明の望ましい識別ユニットの用途に基づき、置換反応によって修飾され得る。図２は、本発明の方法で用いられる修飾された機能性を有する半導体ナノ結晶を提供する、ある機能性成分の一般的な置換反応を示す。図２はまた、半導体ナノ結晶表面上の成分を特異的な割合で置換する能力を示している。例えば、オーバーコーティング層を持たない半導体ナノ結晶に関して、反応Ａは成分Ｙによる成分Ｘの部分置換を示しており、一方反応Ｂは成分Ｙによる成分Ｘの完全置換を示している。反応ＣおよびＤは、オーバーコートされた半導体ナノ結晶における、それぞれ部分または完全置換を示している。一般的に、例えばＴＯＰＯおよびＴＯＰのような成分は、他の成分も同様に、これらに限定されないが、カルボン酸、アミン、アルデヒドおよびスチレン等の他の機能性成分で容易に置換および交換され得る。当業者であれば理解されるように、特定の置換反応の成功に関係する要素としては、置換成分の濃度、温度および反応性が挙げられる。従って、本発明の目的のために、存在する機能性成分を置換して、本発明の識別ユニットの特異的な使用のために改変された機能を有する半導体ナノ結晶を提供し得る、任意の機能性成分を使用することが可能である。半導体ナノ結晶の表面機能性を選択的に修飾するために一般的な置換反応を利用する能力によって、本発明の識別ユニットの特異的な使用のための機能化が可能である。一つの特に好ましい実施形態において、水溶性半導体ナノ結晶は、水性環境中での使用のために提供され得る。水溶性半導体ナノ結晶の場合、外層としては、粒子表面に付着し、少なくとも一つの親水性成分で終わっている、少なくとも一つの結合成分を有する化合物が挙げられる。結合および親水性成分は、領域を越えて移動する電荷を防ぐのに十分な疎水性領域によって補われている。疎水性領域はまた、ナノ結晶のための「擬似の疎水性」環境を提供し、それによって水性環境からそれを遮蔽する。水溶性半導体ナノ結晶の製造方法の詳細な説明は、これと共に同日付で出願された、名称が「水溶性ルミネセンスナノ結晶（Water Soluble Luminescent Nanocrystals）」である出願において見出され得る。好ましい実施形態において、親水性成分は、極性または電荷（正または負）の基でありうる。極性または電荷の基は、水との必要な親水性相互作用を提供し、半導体ナノ結晶の安定な溶液または懸濁液を提供する。親水性基の例としては、例えばヒドロキシド（−ＯＨ）、アミンのような極性基、例えばポリエチレングリコール等のようなポリエーテルなどであり、同様に、例えばカルボキシレート（ＣＯ2 -）、スルホネート（ＳＯ3 -）、ホスフェート(−ＰＯ4 2-および−ＰＯ3 2-)、ニトレート、アンモニウム塩（ＮＨ4 +）等のような電荷の基を含む。
【００５５】
他の特に好ましい実施形態において、置換反応は、特定の有機溶媒中で溶解性を改善するために半導体ナノ結晶を修飾するのに用いられ得る。例えば、半導体ナノ結晶が、例えばピリジンのような特定の溶媒または液体と会合することが望ましい場合、その表面は溶媒和を確実にするためにピリジンまたはピリジン様の成分で特異的に修飾され得る。
【００５６】
さらに他の特に好ましい実施形態において、表面層を置換によって修飾し、半導体ナノ結晶を特定のカップリング反応のために反応性にする。例えば、ＴＯＰＯ成分をカルボン酸成分を含む基で置換することによって、修飾された半導体ナノ結晶の、アミンを含む成分との反応を可能にし（一般的には固形支持体ユニット上で見出される）、アミン結合を提供する。
【００５７】
同様に、半導体ナノ結晶の表面はまた、半導体ナノ結晶が会合し得るものと類似した半導体ナノ結晶上に表面を形成するために、修飾され得る。例えば、半導体ナノ結晶表面はスチレンまたはアクリレート成分を形成するために置換反応によって修飾され、それによって、ポリスチレン、ポリアクリレートまたは例えばポリイミド、ポリアクリルアミド、ポリエチレン、ポリビニル、ポリジアセチレン、ポリフェニレン−ビニレン、ポリペプチド、多糖類、ポリスルホン、ポリピロール、ポリイミダゾール、ポリチオフェン、ポリエーテル、エポキシ、石英ガラス、シリカゲル、シロキサン、ポリリン酸塩、ヒドロゲル、アガロース、セルロース等のポリマーのような他のポリマーへの半導体ナノ結晶の配位を可能にする。
【００５８】
望ましいスペクトル放出の範囲内で半導体ナノ結晶の組成物を選択し、関心のあるシステムに適合した望ましい表面の機能化を選択した後、スペクトルの同定に十分な強度の、別々で特有なスペクトル放出を観察するために必要とされる半導体ナノ結晶の最小限の数を選択することも望ましい。十分な強度の別々で特有なスペクトル放出を観察するために必要とされる半導体ナノ結晶の最小限の数を決定するのに重要な選択基準として、明るい半導体ナノ結晶の十分な数を提供する（すなわち、暗いものに対する光を放出する）、および、単一の半導体ナノ結晶放出で観察されるブリンキング効果（blinking effect）を超えて平均に落ち着くのに十分な数の半導体ナノ結晶を提供すること、が挙げられる(M. Nirmal et al., Nature, 1996, 383, 802)。一つの特に好ましい実施形態において、少なくとも８種の特定の組成物および粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶が提供される。例えば、特定の組成物の３種の異なる粒子サイズ分布を利用する「バーコード」が提供される場合、半導体ナノ結晶の３種の異なる特定のサイズ分布それぞれの８種が利用されることが最も望ましく、これは、関心のある特定のアイテムまたは物質の位置または同一性に関する信頼できる情報を提供するためにそれぞれから十分な強度のスペクトル放出を観察するためである。当業者であれば理解できるであろうが、前述の選択基準によって決定されたように、十分な強度の特有なスペクトル放出が観察されるという条件で、８種未満の特定の組成物および粒子サイズ分布の半導体ナノ結晶も利用され得る。
【００５９】
上述したように、半導体ナノ結晶が個別的な（discrete）光学遷移を生じる能力は、それらの光学遷移強度を変化させる能力とともに、多能で高密度のコード化機構の開発を可能にする。特定の支持体または物質に付着、会合または埋設される１以上のサイズの半導体ナノ結晶によって生じる特徴的な放出により、関心のあるアイテムまたは組成物および／またはその位置の同定を可能になる。例えば、Ｎ種類のサイズの半導体ナノ結晶を提供し（それぞれ個別的な光学遷移を有する）、それぞれ半導体ナノ結晶の欠落または特定の個別的な光学遷移から生じる異なる強度により生じるＭの区別可能な状態を有する場合には、Ｍnの異なる状態が独自に定義され得る。Ｍ＝２の場合、すなわち二つの状態が半導体ナノ結晶の存在または欠落である場合、それによりコード化機構は基数２、すなわち二進コードによって定義され得る。Ｍ＝３の場合、すなわち３つの状態が二つの区別可能な強度における半導体ナノ結晶の存在または欠落である場合、それによりコード化機構は基数３コードによって定義され得る。ここで、このようなＭが２より大きい基数Ｍコードは、より高次のコードと呼ばれる。二進コードを超える高次コードの利点は、同じ量の情報をコードするのにより少ない識別子しか必要としないことである。
【００６０】
当業者であれば理解するように、高次コードシステムを発展させる能力は、解読システムにおいて利用されるハードウェアおよびソフトウェア両方によって検出可能な異なる強度の数に依存する。特に好ましい実施形態において、それぞれ別個の放出または色は、２〜２０の異なる強度で検出され得る。１０の異なる強度が利用できる特に好ましい実施形態において、半導体ナノ結晶の欠落、または、１０個の異なる強度での半導体ナノ結晶の検出を含む基数１１のコードを用いることが可能である。
【００６１】
明らかに、半導体ナノ結晶の利点、すなわち複数の強度での個別的な（discrete）光学遷移を観察する能力は、様々な分野において強力かつ高密度のコード化機構を提供する。一般的に、１以上の半導体ナノ結晶は、バーコードとして作用し、ここで１以上の半導体ナノ結晶それぞれは個別的な放出スペクトルを生ずる。これらの特徴的な放出は、スペクトルの可視領域における場合、図１に示すように色で観察され、また解読もされ得、それにより別個の遷移が観察される特定の波長に関する情報が提供される。同様に、赤外または紫外領域における半導体ナノ結晶が製造する放出として、個別的な光学遷移が生じる特徴的な波長は、特定の半導体ナノ結晶の同一性、さらに関心のあるアイテムまたは物質の同一性または位置に関する情報を提供する。
【００６２】
本発明における使用に用いられ得る自動検出（automated detection）のための特異的なシステムの例としては、これらに限定されないが、励起光源、モノクロメーター（または、分光的に、画像または一連の精密なバンドフィルターを分解することができる任意の装置）および検出アレイ（detector array）を含むイメージング機構が挙げられる。一つの実施形態において、装置は、検出されるルミネセンスより短い波長の、青または紫外光源を含む。これは、例えば前面にフィルターを有する重水素ランプのような広幅域の紫外光源；望ましい波長を抽出するためにモノクロメーターを通過させた後の、例えばキセノン灯または重水素ランプのような白色光源の出力；または、これらに限定されないが、任意のアルゴンイオンレーザー線（４５７，４８８，５１４ｎｍ等）、ＨｅＣｄレーザーを含むいくつかの連続波ガスレーザー、例えばＧａＮおよびＧａＡｓ(ダブル)に基づくレーザーまたはＹＡＧもしくはＹＬＦに基づくレーザーのダブルもしくはトリプル出力のような、青における固体ダイオードレーザー；または、青における出力を有する任意のパルスレーザー等、でありうる。ドットからのルミネセンスは、例えば、二つの回折格子またはプリズムおよび二つの回折格子またはプリズム間のスリットからなる、イメージングサブトラクティブダブルモノクロメーター（または、第１から逆転させた第２のものでの二つのシングルモノクロメーター）を通過し得る。モノクロメーターまたは回折格子もしくはプリズムはまた、コンピュータ制御のカラーフィルターホイール（color filter wheel）で置き換えることができ、ここでそれぞれのフィルターは、一つのドットの放出の波長に集中した精密なバンドフィルターである。モノクロメーターのアッセンブリは、任意の色が中心の波長として選択されうるので、より柔軟性を有する。さらにその上、ＣＣＤカメラまたはいくつかの他の二次元検出器は、画像を記録し、ソフトウェアの色は上記で選ばれた波長にその画像をコードする。次にシステムは、回折格子を新しい色に動かしそのプロセスを繰り返す。このプロセスの結果として、同じ空間領域の一連の画像が得られ、それぞれ迅速にデータを分析する必要がある特定の波長に対して色でコードされている。
【００６３】
他の好ましい実施形態において、装置は、上記のイメージング機構と反対のスキャニングシステムである。スキャニング機構において、分析されるサンプルは、顕微鏡の対物レンズでスキャンされる。ルミネセンスはシングルモノクロメーターまたは回折格子もしくはプリズムを介して入力され、分光的に色が分解される。検出器は、次に特定の空間の位置に放出される色を記録する一連のダイオードである。次にソフトウェアは、最終的にスキャンされた画像を再形成し、それを解読する。
【００６４】
本発明のコード化システムを用いるための、より特別に、特異的に好ましい実施形態は、以下の例を参照して説明される。これらの例は説明のためだけに提供されるものであり、本発明の範囲を限定する意図はない。
【００６５】
流体力学およびミクロ流体素子工学（microfluidics）への応用
一つの好ましい実施形態において、本発明のシステムは、関心のある構成成分の位置を追跡またはトレースすることに利用され得る。例えば、流体力学は一般的に、異なる流体成分間の相互作用をモニターすることを含み、従って所望の流体の別個の分子の位置により、異なる成分間の相互作用の効力および程度、特に成分の制御された動きおよび混合に関する貴重な情報が提供される。本発明の方法において、当業者であれば、前に詳細に説明したように、半導体ナノ結晶が適切に機能化されて、関心のある所望の成分の相互作用を容易にし（そのため、半導体ナノ結晶はトレーサー（tracer）として作用するように意図された流体と適合する）、別個の成分の連続した混合が達成される、ということを理解するであろう。しかし一つの実施例において、例えばピリジンおよびジメチルスルホキシドのような異なる特徴を有する二つの流体間の相互作用が研究される場合、適切な流体と特定のサイズ分布の半導体ナノ結晶との会合または適合を確実にするために、半導体ナノ結晶の表面は、ピリジンまたはジメチルスルホキシド成分で修飾される。それぞれの半導体ナノ結晶は特定の成分と特異的に会合することから、紫外線ランプで反応混合物の写真を撮り、半導体ナノ結晶が生産する連続した光学的放出に基づいて、別個の成分の相互作用の程度に関する情報を得ることが可能である。図３は、流体力学に関する一般的な方法を示し、ここで二つの流体の流れ（１０）および（２０）は、図３ではそれぞれＸおよびＹとして表され、反応チャンバ（３０）に導入され、流体の混合は、励起光源を用い一定の時間で「写真」を撮ることによってモニターされ、特定の流体と会合する半導体ナノ結晶の位置を観察する。図３Ｂは、反応チャンバ（３０）の拡大図であり、半導体ナノ結晶（４０）の、関心のある特定の流体（１０）との会合を示す。当業者であれば、半導体ナノ結晶が不連続遷移を生じる能力により、Ｎの成分を混合することが可能である（ここでＮは不連続遷移の数を表す）ことを理解するであろう。
【００６６】
上述した位置同定に関する本システムの一つの特に好ましい応用は、流体素子工学的な分子システム（MicroFlumes）のモニタリングである。これらの流体素子工学システムは、一つのミクロ機器（microinstrument）において複数の反応および分析技術を特異性および確認に関して実行する。それらは完全に自動であり、複数の平行した反応経路を含み（今日必要とされる連続分析に対照的に）、手動の干渉なく行える数百の操作が可能である(http://web-ext2.darpa.mil/eto/mFlumes/index.htmlを参照)。
【００６７】
半導体ナノ結晶は上述の一般的な方法において用いられ、ここでそれぞれの半導体ナノ結晶またはそれらの組み合わせは、関心のある特異的な成分に会合または付着する、および、様々な成分を混合することができ、第１の光源を提供することによって異なる成分間の相互作用の程度および型に関する情報を提供することができる。当業者であれば、本発明のコード化システムは上述の流体力学への応用に限られないこと、さらに、本発明のシステムは、例えばガス、液体、固体または消費アイテム（例えばドライクリーニングされた衣服）のような成分の位置を追跡することが望まれる任意のシステムにおいて利用され得る、ということを理解するであろう。
【００６８】
目的物の同定
本発明のシステムは、これらに限定されないが、宝石、紙、例えばＤＮＡのような生物学的分子、賦形剤、身分証明書を含む特異的目的物の同定にも利用され得る。例えば、半導体ナノ結晶は、上述しかつ図４で示すように、関心のある目的物の表面に配位または付着させるため、適切に機能化され得る。図４Ａは、関心のあるアイテムへの半導体ナノ結晶の配位を示しており（５０）、ここで半導体ナノ結晶の表面は、関心のあるアイテムへの配位が可能なように修飾されてある。図４Ｂは、関心のあるものへの半導体ナノ結晶組成物（８０）の被覆を示しており（９０）、ここで半導体ナノ結晶の表面（７０）は、組成物媒体Ｘ（６０）と相互作用するように修飾される。しかしながら一つの例において、半導体ナノ結晶表面はアミン成分の特異的な割合で機能化されてもよく、それにより炭化水素成分からなる紙への配位が可能になる。他の実施形態において、半導体ナノ結晶は、例えばスチレンまたはアクリレートのような成分で適切に機能化され、ポリマーへの配位を可能にする。次に識別ユニットを含むポリマーは、例えば身分証明書のような特異的なアイテムの上に被覆または配位され得る。半導体ナノ結晶がアイテムに配位し得る際の容易さ、および、半導体ナノ結晶に基づく「バーコード」は目に見えないという事実によって、目的物の標識に有用なシステムを提供する。大量の情報、従って大量のアイテムをコードできるという半導体ナノ結晶「バーコード」システムの能力によって、前述した既存のバーコードまたはミクロ粒子を超える利点が提供される。アイテムの収集物からの関心のあるアイテムの同定は、第１の光源を提供して、スペクトル放出と、関心のあるアイテムをコードした半導体ナノ結晶の収集物とを相関させることによって達成され得る。他の特に好ましい実施形態において、本システムは、例えばＤＮＡ配列のような生物学的分子の同定を、それらが反応プロセスおよび化学的処置を受ける間中、追跡しつづけることに利用される。生物学的分子またはＤＮＡ配列はそれ自身が「標識」されており、またあるいは、生物学的分子は支持体に付着されており、ここで支持体は、ＤＮＡ配列の同一性をコードする１以上のサイズの半導体ナノ結晶で「標識」されている。
【００６９】
コンビナトリアルライブラリーのコード化
他の特に好ましい実施形態において、本発明の半導体ナノ結晶はまた、複雑なコンビナトリアルライブラリーの合成において化合物それぞれに用いられた特別な反応順序をコードすることによって、化合物のライブラリーにおける特別な化合物を同定することに用いてもよく、識別子（identifier）として作用する。特にスプリットおよびプール方法を用いた複雑な化合物を多数生産することへの要望があることから、関心のある化合物それぞれを同定するためのコード化技術を開発することは重要である。このような方法で生産された最終産物または化合物は少量であるため、これら生産物を同定することは一般的に不可能である。しかしながら、例えば反応物、試薬、反応条件またはこれらの組み合わせ等の可変の選択を定義する識別子と、連続合成のそれぞれの段階または段階の組み合わせとを相関させることによって、識別子を用いて、限定かつ分離可能な基質の反応履歴を定義づけることが可能となる。半導体ナノ結晶のスペクトル分析は、反応履歴の容易な同定を可能にする。例えば、生産物の合成の特徴、通常は様々なスクリーニング技術による化学または生物学的特徴を決定することができ、次に、該生産物と相関する半導体ナノ結晶「バーコード」により、反応履歴、それによる望ましい特徴を有する生産物の構造を同定することができる。
【００７０】
迅速な複数の同定システムを用いることにより、収率が低く複数の保護基を必要とする複雑な共合成を実行する必要性を回避し、必然的に化学的に不安定な配列標識（sequenceable tag）を用いる必要性を回避することができる。全ての既知の配列標識分子（すなわち核酸またはペプチドオリゴマー）の、複数の保護基の必要性かつ固有の不安定さの両方によって、ライブラリー要素または配位子の合成に用いられ得る化学現象はかなり制限される。加えて、本発明のシステムは、分析のために固形支持体から標識を分離する必要がない。
【００７１】
さらにその上、異なる強度で検出され得る、別個のかつオーバーラップしていない共振（resonance）が提供される利点によって、二進またはそれ以上をコードするシステムの使用が可能になる。例えば、あるサイズの半導体ナノ結晶の存在または非存在は、二進法で用いられ得る。一方、同じ色の異なる強度を使用することで、より高次のコード化システムの使用が可能になり、各色は特定の特徴をコードしている。
【００７２】
本発明の方法に従って、コードされる生産物は、これらに限定されないが、生物学的分子（例えばペプチドおよびオリゴヌクレオチド）、コンビナトリアル合成で生じた有機化合物および無機化合物ならびに触媒を含む。本コード化方法を用いて合成され得る典型的なコンビナトリアルライブラリーは、これらに限定されないが、ペプチドライブラリー、ペプチド擬似体、炭化水素、有機金属触媒および低分子ライブラリーを含む（例えば、Kahne, D. Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 130; Hruby et al., Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 114; Gravert et al., Curr. Opin. Chem. Biol., 1997, 1, 107を参照）。
【００７３】
特に好ましい実施形態において、例えばスプリットおよびプール合成のような固相合成技術が利用され、ここで望ましい骨格構造は、上述のように直接または結合ユニットを介して固相に付着するものである。固相技術の利点としては、過剰な試薬が利用され、未反応の試薬は洗い落とされるために、多段階反応をより簡便に行い反応を完了させる能力が含まれる。おそらく固相合成の最も重要な利点の一つは、フルカ社（Furka）によって開発されたパラレル合成技術（parallel synthesis technique）に加えて、「スプリットおよびプール」と呼ばれる技術を用いる能力である。(Furka et al., Abstr. 14th Int. Congr. Biochem., Prague, Czechoslovakia, 1988, 5, 47; Furka et al., Int. J. Pept. Protein Res. 1991, 37, 487; Sebestyen et al., Bioorg. Med. Chem. Lett., 1993, 3, 413.)この技術において、会合する化合物の混合物は同じ反応容器内でつくられるので、例えば１００万超ものライブラリー数を含むようなかなり大きいライブラリーの合成に必要とされる容器の数を実質的に減らし得る。例として、固形支持体骨格は、ｎ個の容器に分配される（ここでｎは骨格構造と反応する試薬Ａの種類数を示す）。反応後、ｎ個の容器からの内容物を合わせ、次にｍ個の容器に分割する（ここでｍは骨格構造と反応する試薬Ｂの種類数を示す）。この方法は、望ましい試薬数が骨格構造と反応し、本発明のライブラリーが得られるまで繰り返される。
【００７４】
本発明の半導体ナノ結晶は、固形支持体に容易に付着され得る。本発明の目的において固形支持体は、連続合成の間に化合物が付着する不溶性材料として定義される。支持体が結合した反応生産物の単離は、支持体が結合した材料から試薬を洗い落とすことによって簡単に達成され、過剰の試薬を用いて反応を完了させることができるため、固形支持体の使用はライブラリーの合成に有益である。固形支持体は、不溶性マトリックスである任意の材料であり得、硬質または半硬質表面を有し得る。典型的な固形支持体は、これらに限定されないが、ペレット、ディスク、毛細管、中空繊維、針、ピン、固形繊維、セルロースビーズ、多孔質ガラスビーズ（pore-glass beads）、シリカゲル、任意にジビニルベンゼンで架橋されたポリスチレンビーズ、グラフト共重合体ビーズ（grafted co-poly beads）、ポリアクリルアミドビーズ、ラテックスビーズ、任意にＮ−Ｎ’−ビスアクリロイルエチレンジアミン（N-N'-bis-acryloylethylenediamine）で架橋されたジメチルアクリルアミドビーズ、および疎水性ポリマーで被覆されたガラス粒子を含む。一つの特に好ましい実施形態において、１）ジビニルベンゼンで架橋したポリスチレンビーズ、および、２）ＰＥＧ（ポリエチレングリコール）の合成物であるテンタゲル（Tentagel）アミノ樹脂が本発明の使用のために用いられる。本発明の半導体ナノ結晶はスチレンで容易に機能化され、それによりテンタゲルに配位され得る。または、半導体ナノ結晶はカルボン酸成分で機能化され、アミド結合を介してアミン成分を有するテンタゲル支持体に容易に付着され得る。テンタゲルは、ビーズ上（on-bead）での分析における使用にも、ビーズを分離（off-bead）している分析における使用にも可変的な支持体を提供するため、特に有用な固形支持体であり、また特に、トルエンから水にいたる溶媒中で優れた膨潤性を示す。
【００７５】
それゆえに半導体ナノ結晶は、図５に示すように、別個の固形支持体が経験する各反応段階を同定し、特定の合成系列における段階を記録する。図５は、三つの異なる試薬Ａ，ＢおよびＣ（１２０）の固形支持体に対する付着、および、結合（９０）を介した識別ユニット（１４０）の固形支持体（１００）に対する付着を示している。次に、その支持体は共に貯蔵され（１３０）、試薬Ｄ，ＥおよびＦを用いた反応のために分割される。これらの試薬それぞれのための適切な識別ユニットの付着は、試薬Ａ、ＢおよびＣに関して以前観察されたような特別な反応段階をコードすることを可能にする。この特別な実施形態において、与えられた反応順序で使用された特定の化学に依存して、反応段階の直前、最中または直後に、全ての固形支持体に標識を付着させることができる。
【００７６】
他の好ましい実施形態において、ビーズは任意の試薬を用いたビーズの反応の前に半導体ナノ結晶で標識され、さらに、ビーズはスプリットおよびプールプロセスで分割される時に、合成中のその特定の段階における特定の反応の追跡を続けるために、そのビーズは新しい（スプリット段階の）容器に加えられる前に解読される。
【００７７】
合成が完了すると、次に化合物のライブラリーは生物学的活性に関してスクリーニングされ、次に関心のある化合物を有する支持体は直接分析され（ビーズ上分析）、合成の反応段階および履歴に関する情報が提供される。
【００７８】
上述の方法はスプリットおよびプールコンビナトリアル技術に関するが、当業者であれば、本コード化機構はスプリットおよびプール方法に限定されず、さらに本発明のコード化機構は、任意のコンビナトリアル、もしくは、例えばパラレル合成のような他の反応機構、または、一連の化合物の合成において利用され得ることが理解できるであろう。
【００７９】
遺伝子的応用
他の特に好ましい本発明の実施形態において、本発明のシステムは、遺伝子に関する情報をオリゴヌクレオチドフラグメントから得るのに利用され得る。一般的に、遺伝子的変異およびその生物学的機能に関する結果を理解することが所望されており、それを行うために、膨大な比較配列を分析しなければならない。それぞれのＤＮＡ鎖は塩基対を介した相補的配列を認識する独自の能力を持っているため、認識プロセスまたはハイブリダイゼーションはかなり相似しているが、同時に長い配列における各ヌクレオチドは原則的に疑わしい。
【００８０】
ＤＮＡチップ技術は、遺伝子的用途に関する重要な手段である。一塩基多型(single nucleotide polymorphism)（SNPs）は、ヒトゲノムにおいて最も頻繁に観察される変異の種類である。遺伝子の対立遺伝子間の差を検出することは、遺伝病および遺伝障害に関する医療研究の重要な目的である。（例えば、鎌状赤血球貧血、結腸癌、ＢＲＣＡ１）。現在の技術は、配列中の変異に関してＤＮＡ配列を大規模にスクリーニングすることができる。この技術は、表面（ガラス）の特異的な位置に共有結合したＤＮＡ「チップ」（例えばＳＴＳ）の高密度アレイの製造も含む。中央付近の（near the center）一塩基（Ａ，Ｇ，ＴまたはＣ）の変更以外は同一な配列である、４つのオリゴヌクレオチドからなるセットは、遺伝子の二つの対立遺伝子を比較するのに用いられる。４つのオリゴ（oligos）からなるセットで変更された部位と相補的な位置の対立遺伝子間で一塩基が異なることによって、他の３つより優先的に１つのオリゴヌクレオチドがハイブリダイズされ得る。次に、どのオリゴヌクレオチドがサンプルＤＮＡにハイブリダイズするかを検出することによって、多型の配列が同定されうる。それぞれのヌクレオチドによってシフトオーバーされるこれら４つのオリゴからなるセットを作製することによって、研究者は一塩基多型に関する多数の塩基対をスキャンすることができる。
【００８１】
本発明のシステムは、既存の方法における蛍光的に標識されたプローブと比較して、所望の配列の同定のためのプローブとして作用するだけでなく、配列それ自身に関する情報のコードをも可能にする。本発明のシステムは従来のアレイにおいても用いられ得るが、本発明の同定システムはプローブおよび識別子両方を提供することができるために、遺伝子情報を得るのに規則的なアレイは必要ではない。その代わりに、例えばビーズの収集物は所望の標識されたＤＮＡフラグメントで構成され、ここで前記ビーズはまた、特定の配列に関する情報がコードされている。結合によってサンプルＤＮＡにハイブリダイズしたオリゴヌクレオチドは、サンプルをスキャンすることによって検出され、半導体ナノ結晶で標識したプローブを同定し、同時に配列情報は半導体ナノ結晶「バーコード」を分析することによって解読され得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】 図１は、ヘキサン中のＣｄＳｅ半導体ナノ結晶にオーバーコートされたサイズの異なるＺｎＳの数種の懸濁液のカラー写真を示しており、本発明において利用されうる広範囲の色彩を図示している。
【図２】 図２は、半導体ナノ結晶の表面を修飾するための一般的な置換反応を示す。
【図３】 図３は、流体工学における本発明のシステムの使用を示す。
【図４】 図４は、関心のある目的物の同定における本発明のシステムの使用を示す。
【図５】 図５は、コンビナトリアルライブラリーのコード化における本発明のシステムの使用を示す。
Claims (28)
- 要素である半導体ナノ結晶の１超の集合体を含む組成物であって、
前記集合体はそれぞれ別個の特徴的なスペクトル放出を有し、
それぞれの半導体ナノ結晶は、支持体と会合する表面層を含む、組成物。 - さらに、前記組成物と会合してなる関心のあるアイテム（ｉｔｅｍ）を含み、ナノ結晶−関心のあるアイテム共役体を提供する、請求項１に記載の組成物。
- 前記特徴的なスペクトル放出は、放出された光の波長、放出された光の強度、または、放出された光の強度および放出された光の波長の双方である、請求項１または２に記載の組成物。
- 前記会合は、結合対の第１および第２要素間の、共有、疎水性、ファンデルワールス力、吸着および相互作用からなる群より選択される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記会合は、結合対の第１および第２構成要素間の相互作用である、
請求項４に記載の組成物。 - 前記結合対の前記第１要素は、抗体もしくはこれの結合部位もしくはフラグメント、抗原、アビジン、ストレプトアビジンまたはビオチンを含む、請求項５に記載の組成物。
- 前記支持体は、セルロース、ポリスチレン、ポリアクリルアミド、シリカゲル、ジビニルベンゼンで架橋されたポリスチレン、ラテックス、ジメチルアクリルアミド、Ｎ，Ｎ’−ビス−アクリロイルエチレンジアミンで架橋されたジメチルアクリルアミド、低分子量非架橋ポリスチレン、ポリアクリレート、ポリイミド、ポリエチレン、ポリビニル、ポリジアセチレン、ポリフェニレン−ビニレン、ポリペプチド、ポリサッカライド、ポリスルホン、ポリピロール、ポリイミダゾール、ポリチオフェン、ポリエーテル、エポキシ類、シロキサン、ポリホスフェート、ヒドロゲル、アガロース、シリカ、ガラス、グラフトコポリマー、ポアグラス（ｐｏｒｅ−ｇｌａｓｓ）および疎水性ポリマーで被覆されたガラスを含む、請求項１〜６のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記支持体は、ビーズ、ペレット、ディスク、毛細管、中空繊維、針または固体繊維の形状であることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記関心のあるアイテムは、消費製品、識別標識、安全標識、化合物、生物学的分子、流体および固体からなる群より選択される、請求項２〜８のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記関心のあるアイテムは、オリゴヌクレオチド、ポリペプチドまたは糖成分である、請求項２〜９のいずれか１項に記載の組成物。
- 各集合体の収集物における各半導体ナノ結晶は、
第１半導体材料からなるコア、および、
前記コアをオーバーコートするシェル層を含み、該シェルは、前記コアよりも大きなバンドギャップを有する第２半導体材料を含み、前記第１半導体材料および前記第２半導体材料は、同一または相違するものである、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の組成物。 - 前記コアは、ＩＩ−ＶＩ族、ＩＩＩ−Ｖ族またはＩＶ族半導体である、請求項１１に記載の組成物。
- 前記コアは、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＭｇＴｅ、ＧａＡｓ、ＧａＰ、ＧａＳｂ、ＧａＮ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＩｎＮ、ＡｌＡｓ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、ＡｌＳ、ＰｂＳ、ＰｂＳｅ、Ｇｅ、Ｓｉ、これらの合金、または、これらの混合物である、請求項１１または１２に記載の組成物。
- 前記シェルは、ＺｎＯ、ＺｎＳ、ＺｎＳｅ、ＺｎＴｅ、ＣｄＯ、ＣｄＳ、ＣｄＳｅ、ＣｄＴｅ、ＭｇＳ、ＭｇＳｅ、ＧａＡｓ、ＧａＮ、ＧａＰ、ＧａＡｓ、ＧａＳｂ、ＨｇＯ、ＨｇＳ、ＨｇＳｅ、ＨｇＴｅ、ＩｎＡｓ、ＩｎＮ、ＩｎＰ、ＩｎＳｂ、ＡｌＡｓ、ＡｌＮ、ＡｌＰ、ＡｌＳｂ、これらの合金、または、これらの混合物である、請求項１１〜１３のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記コアはＣｄＳｅであり、前記シェルはＺｎＳである、請求項１１に記載の組成物。
- 前記コアは単分散の粒子の集合体の要素である、請求項１１〜１５のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記単分散の粒子の集合体は、照射されたときに、該集合体が、半値全幅（ＦＷＨＭ）が約４０〜６０ｎｍのスペクトル範囲で光を放出することを特徴とする、請求項１６に記載の組成物。
- 前記単分散の粒子の集合体は、照射されたときに、該集合体が、半値全幅（ＦＷＨＭ）が約１２〜１５ｎｍのスペクトル範囲で光を放出することを特徴とする、請求項１７に記載の組成物。
- 前記単分散の粒子の集合体は、前記コアの直径に関するｒｍｓ値偏差が約１０％を超えないことを特徴とする、請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の組成物。
- 前記単分散性微粒子集合体は、前記核の直径に関するｒｍｓ値偏差が約５％を超えないことを特徴とする、請求項１９に記載の組成物。
- 関心のあるアイテムを同定する方法であって、
（ａ）請求項１〜２０のいずれか１項に記載のの組成物を提供すること、
（ｂ）コード化された関心のあるアイテムを提供するために、前記組成物を前記関心のあるアイテムと会合させること、
（ｃ）特徴的なスペクトル放出を得るために、前記コード化された関心のあるアイテムを光源に晒すこと、および、
（ｄ）前記スペクトル放出を、前記関心のあるアイテムの同一性と関連付けること、
を含む関心のあるアイテムを同定する方法。 - ライブラリー中の各化合物が別個の支持体に結合しており、各支持体は半導体ナノ結晶の１超の集合体と会合しており、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有してなる、化合物ライブラリー。
- 各半導体ナノ結晶は、
第１半導体材料からなるコア、および、
前記コアをオーバーコートするシェル層を含み、該シェルは、前記コアよりも大きなバンドギャップを有する第２半導体材料を含み、前記第１半導体材料および前記第２半導体材料は、同一または相違するものである、請求項２２に記載の化合物ライブラリー。 - 前記特徴的なスペクトル放出は、放出された光の波長、放出された光の強度、または、放出された光の強度および放出された光の波長の双方である、請求項２３に記載の化合物ライブラリー。
- 関心のある特徴を有する化合物を同定する方法であって、
（ａ）要素の化合物ライブラリーを提供すること、ここで、前記化合物ライブラリーの各要素は支持体に付着されており、各支持体も半導体ナノ結晶の１超の集合体に付着または埋設してなり、各集合体は別個の特徴的なスペクトル放出を有する、
（ｂ）関心のある特徴を有する化合物を同定するために、前記化合物ライブラリーの各要素を試験すること、
（ｃ）特徴的なスペクトル放出を得るために各支持体を光源に晒すこと、および、
（ｄ）前記スペクトル放出を前記関心のある化合物の同一性と関連付けること、を含む、関心のある特徴を有する化合物を同定する方法。 - 関心のある特徴を有する分子を同定する方法であって、
１以上の要素分子の第１ライブラリーを提供すること、ここで、前記第１ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１超以上の第１集合体に付着または埋設してなる第１支持体に付着されており、各第１集合体は別個の特徴的な第１スペクトル放出を有している、１以上の要素分子の第２ライブラリーを提供すること、ここで、前記第２ライブラリーの各要素は、半導体ナノ結晶の１超以上の第２集合体に付着または埋設してなる第２支持体に付着されており、各第２集合体は別個の特徴的な第２スペクトル放出を有しており、また、前記第２スペクトル放出は前記第１スペクトル放出とは別個のものである、
前記分子の第１ライブラリーと前記分子の第２ライブラリーとを接触させること、および前記第１および第２スペクトル放出を観察すること、ここで、前記第１および第２スペクトル放出は、前記分子の第２ライブラリー由来の分子のどれが前記分子の第１ライブラリーと会合しているかに関する情報を提供し、前記分子の第１ライブラリー由来の分子の同一性に関する情報を提供する、を含む、関心のある特徴を有する分子を同定する方法。 - 前記分子の第１ライブラリーおよび前記分子の第２ライブラリーは、いずれもタンパク、オリゴヌクレオチドまたは糖成分である、請求項２６に記載の方法。
- 前記第１支持体は第１のビーズであり、前記第２支持体は第２のビーズである、請求項２６または２７に記載の方法。
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