用于標(biāo)記物品和組織的稀土空間/光譜微粒條碼的制作方法
【專利說明】用于標(biāo)記物品和組織的稀±空間/光譜微粒條碼
[0001 ]放府刑益聲巧
[0002] 本發(fā)明是在美國空軍授予的合同號FA8721-05-C-0002的政府支持下進(jìn)行的。政 府對本發(fā)明享有一定權(quán)利。
[0003]巧關(guān)申請
[0004] 本發(fā)明要求2013年3月15日提交的美國臨時專利申請No. 61/801,351和2013 年3月15日提交的美國臨時專利申請No.61/800, 995的權(quán)益和優(yōu)先權(quán)，通過引用將其全部 內(nèi)容并入本文。
[000引發(fā)巧背景
[000引許多工業(yè)（例如，藥業(yè)、銀行、美術(shù)）都對使用防"電子欺騙（spoofing)"或防偽 標(biāo)簽來標(biāo)記物品感興趣。目前有許多不同技術(shù)用于使用編碼標(biāo)記物品，例如一維條碼（如 UPC條碼）、二維碼（如QR碼）和射頻識別（RFID)標(biāo)簽。然而，存在對更小的，更不引人注 意的防"電子欺騙"或防偽標(biāo)記的需求。
[0007]附圖簡沐
[000引圖1示意性描述了根據(jù)實施方式的示例性微粒。
[0009] 圖2是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN1"的示例性上轉(zhuǎn)換納米晶體（upconversion nanociystal) (UCN)發(fā)射光譜圖。
[0010] 圖3是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN2"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0011] 圖4是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN3 "的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0012] 圖5是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN4"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0013] 圖6是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN5 "的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0014] 圖7是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN6"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0015] 圖8是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN7 "的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0016] 圖9是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN8"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0017] 圖10是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN9"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[001引圖11是根據(jù)實施方式，標(biāo)記為"UCN10"的示例性UCN發(fā)射光譜圖。
[0019] 圖12是根據(jù)實施方式，具有與UCN發(fā)射帶重疊（overlaid)的CCD圖像傳感器RGB 通道光譜響應(yīng)度圖。
[0020] 圖13是根據(jù)實施方式，重疊（overlaying)CCD圖像傳感器RGB通道光譜響應(yīng)度的 UCN6的發(fā)射光譜圖。
[0021] 圖14是示出根據(jù)實施方式，通過改變滲雜劑濃度產(chǎn)生的獨(dú)特上轉(zhuǎn)換發(fā)射光譜的 圖。
[002引圖15是根據(jù)實施方式，NIR照射（illumination)下的不同類型的UCN的圖像。 [002引圖16是根據(jù)實施方式，不同類型的UCN的透射電鏡圖。
[0024]圖17包括根據(jù)一些實施方式，不同批次的UCN的發(fā)射光譜圖。
[00巧]圖18包括根據(jù)一些實施方式，UCN在施加或不施加外部磁場的液體中的發(fā)光圖 像。
[002引圖19是根據(jù)實施方式，UCN4的磁化強(qiáng)度（magnetization)相對所施加的磁場的 圖。
[0027] 圖20是示意性表示根據(jù)實施方式形成鄰接微粒的方法的框圖。
[0028] 圖21示意性描述根據(jù)實施方式形成鄰接微粒的停流平板印刷（stopflow lithographic)法。
[0029] 圖22是根據(jù)一些實施方式，具有不同數(shù)量的編碼區(qū)的微粒的發(fā)光圖像。
[0030] 圖23是根據(jù)一些實施方式，各自包括不同類型UCN的微粒的積分強(qiáng)度值的圖。
[0031] 圖24是根據(jù)一些實施方式，包括不同類型納米晶體的微粒的積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)散點(diǎn) 圖。
[0032] 圖25是根據(jù)實施方式，示出50置信圍道（confidencecontour)的紅色通道對 綠色通道的平均測量積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)與預(yù)期積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)的圖。
[0033] 圖26示出根據(jù)一些實施方式，不同批次微粒的積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)。
[0034] 圖27是根據(jù)一些實施方式，在UCN表面化學(xué)修飾的每個步驟之后的UCN4發(fā)射光 譜圖。
[0035] 圖28示出根據(jù)一些實施方式，作為持續(xù)強(qiáng)度NIR福照（irradiation)時間的函數(shù) 的微粒發(fā)射強(qiáng)度。
[0036] 圖29示出根據(jù)一些實施方式，具有簇基末端化UCN的微粒和具有丙締酸醋化UCN 的微粒的強(qiáng)度對微粒壽命的圖。
[0037] 圖30是根據(jù)實施方式，微粒的不同顏色通道的積分強(qiáng)度圖。
[0038] 圖31是根據(jù)一些實施方式，標(biāo)記泡罩包裝化listerpack)的微粒的發(fā)光圖像。
[0039] 圖32是根據(jù)一些實施方式，標(biāo)記泡罩包裝的微粒的發(fā)光圖像近視圖。
[0040]圖33是根據(jù)實施方式，泡罩包裝上的編碼微粒的部分或條紋的積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖。
[0041] 圖34是根據(jù)一些實施方式，編碼PUA微粒和編碼陽G微粒的部分或條紋的紅色與 綠色通道中的積分強(qiáng)度數(shù)據(jù)圖。
[0042] 圖35是根據(jù)實施方式，模擬PET加工后編碼微粒的發(fā)光圖像。
[0043] 圖36包括根據(jù)實施方式，模擬PET加工前后編碼微粒的積分強(qiáng)度圖。
[0044] 圖37示出根據(jù)實施方式，標(biāo)記線（t虹ead)的微粒的發(fā)光圖像。
[0045] 圖38示出根據(jù)實施方式，標(biāo)記貨幣的微粒的圖像。
[0046] 圖39是根據(jù)實施方式，嵌入（embedded)PVA鑰匙主體化U化）的編碼微粒的圖像。
[0047] 圖40是根據(jù)實施方式，嵌入ABS鑰匙主體的編碼微粒的圖像。
[0048] 圖41是根據(jù)實施方式，用于標(biāo)記泡罩包裝、貨幣、信用卡、3D陶瓷制品、藝術(shù)品和 高溫鑄造物體的微粒的圖像。
[0049] 圖42包括根據(jù)一些實施方式，讀出來自微粒發(fā)光圖像的光譜編碼的方法的圖像。
[0050] 圖43包括根據(jù)實施方式，用于區(qū)分兩個不同微粒編碼的圖像。
[0051] 圖44示意性描述根據(jù)一些實施方式，用于顆粒合成的流平板印刷和解碼系統(tǒng)。
[0052] 圖45是用于圖44的顆粒合成的系統(tǒng)的圖像。
[0053] 本文所公開的方法、系統(tǒng)和介質(zhì)的其他特征、功能和益處基于W下說明（特別是 與附圖一并閱讀時）是明顯的。
[0054] 詳細(xì)說巧
[00巧]使用防偽或防電子欺騙的標(biāo)簽來標(biāo)記物品存在許多挑戰(zhàn)。例如，信息密集型加工 如藥品包裝中單個單元的獨(dú)特編碼可能牽設(shè)（entail)105-1〇12的編碼能力W及高通量顆粒 合成。舉另一個例子，一些應(yīng)用對于嚴(yán)酷環(huán)境的暴露要求熱不敏感性、生物相容性和/或耐 化學(xué)性。用于一些標(biāo)記技術(shù)的讀出系統(tǒng)的復(fù)雜度和成本會限制實施。一些標(biāo)記應(yīng)用要求在 混雜因素（例如，復(fù)雜背景、朦賊（obscurant)、噪音）存在下的低誤差讀出，而運(yùn)是困難的 技術(shù)挑戰(zhàn)。
[0056] 實施方式包括用于標(biāo)記物品和/或組織的聚合物微粒，生產(chǎn)該微粒的方法和使用 該微粒進(jìn)行標(biāo)記的方法。每個水凝膠微粒包括編碼區(qū)。編碼區(qū)包括多個部分，并且一個或 多個該部分包括相關(guān)聯(lián)的多個具有不同光譜特征（spectralsignature)的上轉(zhuǎn)換納米晶 體扣CN)。編碼區(qū)的多個部分使得能夠?qū)ξ⒘＿M(jìn)行空間編碼。每個區(qū)的相關(guān)聯(lián)的多個UCN 選自光譜上可區(qū)分的UCN組，其使得能夠?qū)ξ⒘５拿總€區(qū)進(jìn)行光譜編碼。通過組合空間和 光譜編碼，微粒具有呈現(xiàn)優(yōu)異放大能力的大規(guī)模多路復(fù)用（massivemultiplexing)能力。
[0057] 編碼對于不對稱顆粒WCs指數(shù)放大而對于對稱微粒WCV2指數(shù)放大，運(yùn)里C是可 區(qū)分的光譜特征的數(shù)量扣CN"顏色"），S是空間特征的數(shù)量（例如，微粒"條紋"）。例如， 對于具有S個編碼部分和C個不同光譜可區(qū)分納米晶體的組的對稱微粒，下式列出了可用 的編碼或獨(dú)特標(biāo)識符的數(shù)量：
[0058]
[0059] 例如，其中對稱微粒的編碼區(qū)具有六個部分且每個部分包括選自五種不同類型的 光譜不同納米晶體的組的多個UCN的系統(tǒng)，可W生成約20, 000個獨(dú)特標(biāo)識符/編碼。舉另 一個例子，其中對稱微粒的編碼區(qū)具有六個部分且每個部分包括選自九種不同類型的光譜 不同納米晶體的組的多個UCN的系統(tǒng)，可W生成約500, 000個獨(dú)特標(biāo)識符/編碼。因此，適 當(dāng)數(shù)量的顏色可W與類似地適當(dāng)數(shù)量的條紋結(jié)合W產(chǎn)生隨任一數(shù)量的增量變化而快速放 大的巨大的編碼能力。為了提高標(biāo)記能力，可W采用不對稱微粒。例如，具有六個部分且每 個部分包括九種不同類型的光譜不同納米晶體之一的不對稱微粒將產(chǎn)生超過百萬個獨(dú)特 標(biāo)識符/編碼。為了提高標(biāo)記能力，可W使用多個微粒的組合來標(biāo)記物品。
[0060]一些實施方式組合空間圖樣與稀±上轉(zhuǎn)換納米晶體扣CN)、單波長近紅外激發(fā)和 便攜式電荷禪合裝置（CCD)基解碼，W區(qū)分通過流平板印刷合成的顆粒。一些實施方式表 現(xiàn)出高的可指數(shù)放大的編碼能力（〉1〇6)、極低的解碼虛警率（<1〇9)、通過施加磁場操控顆 粒的能力和對顆?；瘜W(xué)及嚴(yán)酷加工條件二者的顯著不敏感性。本發(fā)明人進(jìn)行的實驗示出了 大量滿足正交要求的實踐應(yīng)用中所觀察到的和預(yù)測到的譯碼之間的定量一致，包括藥品包 裝的隱蔽多顆粒條碼技術(shù)（covert multiparticle barcoding)(折射率匹配）、多重微RNA 檢測（生物相容性）和高溫鑄造物品的嵌入標(biāo)記（耐溫性）。
[0061] 一些實施方式出于與高通量顆粒合成和便攜式CCD基解碼的相容性而采用魯棒 的編碼方法。在一些實施方式中，所得顆粒與解碼系統(tǒng)表現(xiàn)出對顆?；瘜W(xué)的顯著不敏感 性一一使得能夠與顆粒材料性質(zhì)無關(guān)地調(diào)整編碼能力和解碼誤差率一一W及直接磁操控 能力。在下文所述實例中，本發(fā)明人證明了在具有挑戰(zhàn)性的現(xiàn)實環(huán)境中同時具有耐溫性和 生物相容性的顆粒的定量可預(yù)測解碼。在單顆粒編碼能力超過1百萬且誤差率小于百萬分 之一（ppb)的情況下，一些實施方式W數(shù)量級形式化yordersofmagnitude)增加了用于 如法醫(yī)制品（forensicpro化ct)標(biāo)記和多重生物分析等應(yīng)用的實踐上可使用編碼數(shù)量?？?采用本文所述方法W將編碼顆粒的用途拓展至廣闊且持續(xù)擴(kuò)展的一系列此前未曾探索的 工業(yè)應(yīng)用?？刹捎帽疚膶嵤┓绞絎從小的獨(dú)特編碼顆粒組產(chǎn)生具有大規(guī)模編碼能力的隱蔽 耐用的防偽標(biāo)簽。
[0062] 圖1示意性描述了根據(jù)實施方式，可用于標(biāo)記物品或組織的示例性微粒10。微粒 10具有包括聚合物的體部化Ody) 12。體部12具有包括多個不同部分（例如，部分31、32、 33、34、34、35、36)的編碼區(qū)30,每個部分（31-36)具有選自光譜可區(qū)分UCN組的相關(guān)聯(lián)的 多個上轉(zhuǎn)換納米晶體扣CN)(例如UCN41)(參見下文對圖2-11論述）。在一些實施方式中， 一個或多個部分可W不包括任何納米晶體并作為"空白"或零部分W用于編碼。
[0063] 例如，在一些實施方式中，具有第一光譜特征的第一多個UCN被布置在編碼區(qū)的 第一部分31。編碼區(qū)的第二部分32包括具有不同于第一光譜特征的第二光譜特征的第二 多個UCN。在一些實施方式中，微粒編碼區(qū)也包括具有第S多個UCN的第S部分33。在一 些實施方式中，微粒編碼區(qū)也包括具有第四多個UCN的第四部分34。在一些實施方式中，微 粒編碼區(qū)也包括具有第五多個UCN的第五部分35。編碼區(qū)的每個部分（31-36)中的多個微 粒選自光譜可區(qū)分UCN組。
[0064] 基于本公開內(nèi)容，本領(lǐng)域技術(shù)人員認(rèn)識到每個微粒可包括具有少于六個部分及相 關(guān)聯(lián)的多個UCN(例如，五個部分、四個部分、S個部分、兩個部分）或多于六個部分及相關(guān) 聯(lián)的多個UCN(例如，部分、屯個部分、八個部分、九個部分、十個部分等）的編碼區(qū)。
[0065]與布置在編碼區(qū)的部分中的多個UCN相關(guān)聯(lián)的光譜特征在本文中也稱為編碼區(qū) 的部分的光譜特征。在一些實施方式中，編碼區(qū)的兩個或更多個部分可W具有相同的光譜 特征。在一些實施方式中，具有相同光譜特征的編碼區(qū)的兩個或更多個部分可W彼此相鄰。 在一些實施方式中，具有相同光譜特征