DE60123818T2

DE60123818T2 - Nanoelektromechanische vorrichtung zur durchführung biochemischer analysen

Info

Publication number: DE60123818T2
Application number: DE60123818T
Authority: DE
Inventors: L. Michael Pasadena ROUKES; E. Scott La Canada FRASER; Jerry E. Glendale SOLOMAN; Michael C. Claremont CROSS
Original assignee: California Institute of Technology CalTech
Current assignee: California Institute of Technology CalTech
Priority date: 2000-08-09
Filing date: 2001-08-09
Publication date: 2007-08-23
Anticipated expiration: 2021-08-10
Also published as: US20110269649A1; AU2001285425A1; WO2002012443A8; CA2417939A1; US7407814B2; JP2005504260A; US8329452B2; EP1325302B1; US7989198B2; WO2002012443A3; EP1325302A2; ATE342225T1; US20090054267A1; WO2002012443A2; EP1325302A4; DE60123818D1; US20020166962A1

Description

Diese Anmeldung basiert auf der am 09. August 2000 eingereichten U.S.-Anmeldung Nr. 60/224,109, die als US 2002/0166962 A1 veröffentlicht worden ist.
GEBIET DER ERFINDUNG
Diese Erfindung ist allgemein auf biofunktionalisierte nanoelektromechanische Vorrichtungen (BioNEMS) gerichtet, um dynamische Einzelmolekül-Kraft-Bestimmungen von Lösungen zu ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Die Revolution in der Molekularbilogie, die durch DNA-Klonierungs- und -Sequenzierungstechniken, Röntgenkristallographie und NMR-Spektroskopie ermöglicht wurde, hat noch nie dagewesene Einsichten in die Moleküle, die dem Lebensprozess zugrunde liegen, geboten. Jedoch gibt es im Gegensatz zu der dramatischen Geschwindigkeit des Fortschritts bei Sequenzierungs- und strukturbezogenen Strategien nach wie vor bedeutende Hindernisse bei der vollständigen Anwendung der modernen molekularen Kenntnisse, da viele der Analysentechniken, die gegenwärtig zur Verfügung stehen, nach wie vor bemerkenswert ähnlich zu jenen sind, die in den relativ frühen Tagen der Molekularbiologie und der Biochemie verwendet worden sind.
Beispielsweise erfordern herkömmliche Gelelektrophorese- und „Blotting"-Techniken zur Bestimmung des Vorhandenseins und der Menge einer gegebenen Messenger-RNA (mRNA) in einer Zelle große Mengen von Zellen (~10⁹) und 2 Tage, um sie vollständig auszuführen. Sogar die fortschrittlichsten DNA-Array-Chip-Techniken benötigen ~2 × 10⁷ Zellen. Dementsprechend werden die Fortschritte auf Gebieten, welche von molekularer Medizin und der grundlegenden Zellbiologie bis zur umweltbezogenen Toxikologie reichen, durch den Engpass, der durch die Empfindlichkeit und die Geschwindigkeit dieser herkömmlichen Analysentechniken erzeugt wird, behindert.
Eine wachsende Literatur über die „chemical force microscopy" (chemische Kraftmikroskopie; CFM) hat gezeigt, dass ein modifiziertes „Atomic Force Microscope" (Rasterkraftmikroskop; AFM) maßgeschneidert modifiziert werden kann, um die Bindungskraft von Wechselwirkungen, welche von einzelnen Wasserstoffbrückenbindungen und einzelnen Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen bis zu einzelnen kovalenten Bindungen reichen, zu messen. Beispielsweise zeigte eine frühe Untersuchung, dass die Kraft, die erforderlich ist, um eine einzelne Wasserstoffbrückenbindung zu spalten, in der Größenordnung von 10 pN liegt, und nachfolgende Arbeiten ermöglichten die direkte Messung von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen (~50-250 pN) und DNA-Hybridisierung (~65 pN-1,5 nN). Die CFM ist auch eingesetzt worden, um Konformationsveränderungen, wie die Deformation des Polysaccharids Dextran durch eine ausgeübte Kraft, zu untersuchen, und hat die Entfaltung des Proteins Titan (Titin) (~100-300 pN) aufgeklärt. Zusätzlich zu den obigen Experimenten, die mit CFM ausgeführt wurden, sind bedeutende Fortschritte mit „optical tweezers" (optische Pinzette, Laserpinzette) gemacht worden. Sie sind insbesondere verwendet worden, um schrittweise Kräfte in biologischen Motorbewegungen und sub-pN-Polymer-Dynamiken zu untersuchen.
Obwohl es eindeutig innerhalb der Leistungsfähigkeit der AFM-Instrumentierung liegt, das Spektrum von Kräften, die mit vielen biochemischen Systemen assoziiert sind, zu detektieren, gibt es schwerwiegende Einschränkungen hinsichtlich der Systeme, in denen diese Vorrichtungen verwendet werden können. Beispielsweise hat ein AFM-Cantilever (AFM-Ausleger) in Lösung nicht die zeitlichen Reaktionsmerkmale, die benötigt werden, um zu erlauben, die Bindung und Bindungsauflösung von biologischen Liganden und deren Rezeptoren verlässlich zu verfolgen. Besonders wichtig sind Variationen auf der Zeitskala von wenigen μs, welche für bedeutende Klassen von Konformationsveränderungen in großen Biomolekülen charakteristisch ist. Eine Hochfrequenzreaktion ist auch kritisch, um die stochastische Natur von Rezeptor-Ligand-Wechselwirkungen zu verfolgen. Die meisten Rezeptor-Liganden-Paare wechselwirken dynamisch: eingehen einer Bindung, gebunden bleiben für Zeitspannen, die von Mikrosekunden bis zu Sekunden reichen (abhängig von dem exakten Rezeptor-Liganden-Paar) und dann ablösen. Die Analyse von Biomolekülen wird dementsprechend sowohl durch die großen Mengen an Materialien, die benötigt werden, als auch das zeitliche Schmieren, welches sogar bei den derzeit empfindlichsten Assays inhärent ist, eingeschränkt.
Vielleicht sogar noch signifikanter ist die substantielle Größe der Ausrüstung, welche für das Ausführen von AFM/CFM benötigt wird, und die Dichte-Einschränkungen, die durch die optische Detektion der Probenbewegung erzwungen werden. Zusätzlich werden, obwohl die Abtastmechanismen im Allgemeinen kompakt sind, typischerweise sogar die optischen Detektoren von sogenannten „lab on a chip" („Labor auf einem Chip")-Vorrichtungen eingesetzt, die eine umfängliche, komplizierte Unterstützungsmaschinerie, wie Lesegeräte und Probenvorbereitungsgeräte, erfordern. Diese sind nicht tragbar oder können in ihrer Größe leicht reduziert werden.
Als Drittes setzen „optical tweezers" beugungsbegrenzte Lichtflecke ein; daher sind die erzeugten optischen Gradientenkräfte räumlich viel zu weit ausgedehnt, um eine direkte Manipulation von individuellen Biomolekülen, die untersucht werden, zu erlauben. Stattdessen werden biofunktionalisierte dielektrische Kügelchen, die typischerweise Durchmesser im Bereich von 0,1 bis 1 μm aufweisen, verwendet, damit sie sich an die Analyten binden. Dementsprechend ist diese Technologie nicht leicht maßstabsmäßig anpassbar auf Nanometer-Abmessungen oder auf einen hohen Integrationsgrad.
Schließlich setzen alle vorerwähnten Techniken Kraftsensoren mit aktiven Oberflächenbereichen ein, die verglichen mit dem Molekülmaßstab relativ groß sind; daher kann es sehr schwierig sein, das Abtasten von einzelnen Molekülen zu erzielen.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem System und einem Verfahren zum Abtasten von einzelnen Molekülen in Lösung mit einer höheren Empfindlichkeit und zeitlichen Reaktionsfähigkeit bei verringerter Gesamtgröße und verringertem aktivem Oberflächenbereich.
Fritz et al. (2000), Science 288, 316-318, berichtet über die spezifische Transduktion (Wandlung), über Oberflächenspannungsveränderungen, von DNA-Hybridisierung und Rezeptor-Liganden-Bindung in eine direkte nanomechanische Reaktion von mikrohergestellten Cantilevern (Auslegern). Die Messung der Oberflächenspannung ist eine statische Messung, bei welcher die abgelenkte Position in Bezug auf die Anfangsposition gemessen wird.
Baselt et al. (1996), J. Vac. Sci. Technol. B 14, 789-793, offenbaren die Entwicklung eines Sensors, welcher in der Lage ist, biologische Spezies, wie Zellen, Proteine, Toxine und DNA, zu detektieren. Der Sensor beruht auf statischer Ablenkung eines Cantilevers.
WO 98/50773 offenbart einen Biosensor, umfassend einen Cantilever-Mikrostrahl, welcher auf chemische Stimuli, ein Bindungsereignis oder eine Massebeladung mit einer elektrischen Leistungsabgabe anspricht. Dieses Dokument offenbart, den Mikrostrahl bei seiner mechanischen oder elektrischen Resonanz zu betätigen und dann einen Unterschied zwischen der Resonanzfrequenz des Strahls mit den gebundenen Biomolekülen und einem Referenzstrahl zu messen. Das Dokument offenbart jedoch nicht, die Dämpfung oder Veränderung der Kraftkonstante der Resonanzbewegung eines Resonators im Nanometer-Maßstab zu detektieren.
US-A-5,282,924 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von mikromechanischen Sensoren für die AFM/STM/MFM-Profilometrie.
US-A-5,807,758 offenbart eine Vorrichtung zum Detektieren einer Ziel-Spezies, umfassend einen Sensor, der überwacht, ob sich die Ziel-Spezies selektiv an Gruppen auf einer Cantilever-Oberfläche gebunden hat, indem die Verlagerung des Cantilevers überwacht wird. Die statische Ablenkung des Cantilevers wird detektiert.
Lang et al. (1999) Anal. Chim. Acta 393, 59-65, offenbaren einen chemischen Sensor basierend auf einer mikromechanischen Anordnung von Silicium-Cantilevern. Wie bei dem in WO 98/50773 offenbarten Sensor überwacht der Sensor Veränderungen der Resonanzfrequenz des Cantilevers.
WO 01/33226 hat ein früheres Prioritätsdatum als die vorliegende Anmeldung, wurde aber nach dem Anmeldetag der Anmeldung veröffentlicht und ist dementsprechend nur für Neuheitserwägungen und nicht für den erfinderischen Schritt relevant. Dieses Dokument offenbart ein Sensorsystem zum Detektieren einer Zielsubstanz in einer Referenzflüssigkeit, umfassend einen Messcantilever, der durch Aufbringen einer ersten Beschichtung auf eine der Oberflächen des Messcantilevers funktionalisiert ist, wobei diese erste Beschichtung gegenüber der Zielsubstanz empfindlich ist. Die statische Krümmung des Cantilevers wird durch eine Detektoreinheit detektiert.
Wie bei WO 01/33226 ist auch WO 00/58729 nur für Neuheitserwägungen relevant. Dieses Dokument offenbart eine Sensorapparatur, umfassend ein in Form eines Mikrocantilevers freitragend vorgesehenes Federelement mit einer Beschichtung eines Detektormoleküls, wie eines Antikörpers oder Antigens. Die Apparatur detektiert die Oberflächenspannung des Cantilevers. Die Detektion von Oberflächenspannung ist eine statische Messung.
Roukes (2000) Technical Digest of the 2000 Solid-State Sensors and Actuator Workshop stellt einen Bericht über eine Präsentation, welche durch einen der Erfinder der vorliegenden Erfinder gegeben worden ist, dar. Der Artikel enthält eine zusammenfassende Übersicht über Nanoelektromechanische Systeme (NEMS) und hebt die maschinenbaulichen Herausforderungen beim Entwerfen und Herstellen von BioNEMS-Vorrichtungen hervor.
H.G. Craighead (2000) Science 288, 316-318 wurde nach dem Anmeldetag der vorliegenden Anmeldung veröffentlicht und ist ein Übersichtsartikel über Sensor-Anwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung ist auf eine biofunktionalisierte nanomechanische Vorrichtung (BioNEMS) zum Abtasten von einzelnen Molekülen in Lösung gerichtet. Dies kann bewerkstelligt werden durch zwei unterschiedliche Vorgehensweisen. Die erste ist „passiv" und umfasst das Messen der Variation der Resonanzbewegung der BioNEMS-Vorrichtung während eines Bindungsereignisses. Die zweite ist „aktiv" und umfasst das Antreiben der Vorrichtungen mit einem externen Signal und das Suchen nach Veränderungen bei der Reaktion auf ein molekulares Bindungsereignis. Der erfindungsgemäße molekulare Detektor umfasst im Allgemeinen wenigstens einen nanomechanischen Resonator, einen Detektor, der in den mechanischen Resonator integriert vorliegt, um die Schwingung des Resonators zu messen, und Elektronik, die mit dem Detektor verbunden ist, um die Ergebnisse an einen Verwender zu berichten.
In einer Ausführungsform umfasst der molekulare Detektor ein Lösungsreservoir, welches die zu testende Lösung enthält, wenigstens einen biofunktionalisierten Resonator im Nanometer-Maßstab, der innerhalb des Reservoirs in Fluid-Kontakt mit der Lösung angeordnet ist, und Detektionsmittel, die so konfiguriert sind, dass wenigstens eines aus einer Dämpfung von Resonanzbewegung und einer Änderung bei der Kraftkonstante des Resonators in Reaktion auf ein molekulares Bindungsereignis gemessen wird. Während des Betriebs dirigiert die Brownsche Molekularbewegung, die in einer nicht-turbulenten Lösung stets vorhanden ist, zufällige Molekularbewegungen in die Position des mechanischen Resonators. Die spektrale Dichte der Lösungs-induzierten Reaktion wird von der Natur der Lösung, d.h. Viskosität, Temperatur, Strömung, und der Geometrie des und dem Material(s), das verwendet wurde, um den mechanischen Resonator zu bauen, abhängen. Eine Bindung eines Moleküls aus der Lösung auf die Oberfläche des Resonators wird von sich aus die mechanischen Eigenschaften des Resonators verändern, was eine Variation bei der Reaktion bewirkt. Der Resonator ist bevorzugt biofunktionalisiert, so dass nur spezifizierte Moleküle daran binden werden, so dass ein Bindungsereignis das Vorhandensein des speziellen Moleküls in der Lösung anzeigt. Der Detektor greift ineinander mit dem Resonator, um die Reaktion über die Zeit zu detektieren, so dass eine Veränderung bei der Reaktion gemessen werden kann, um zu bestimmen, wann ein Bindungsereignis auftritt, und es kann eine Mehrzahl von Veränderungen der Resonanz überwacht werden, um die Häufigkeit von Bindungsereignissen für eine bestimmte Probe zu bestimmen. Die Messung einer Resonanzveränderung kann verwendet werden, um das absolute Vorhandensein eines bestimmten Moleküls in einer Lösung zu bestimmen, und die Häufigkeit von Bindungsereignissen kann eingesetzt werden, um die Konzentration des Moleküls in einer bestimmten Lösung zu bestimmen.
Es kann ein jeglicher mechanischer Resonator oder eine jegliche mechanische Vorrichtung, welcher bzw. welche geeignet sind, um in einer Lösung eine mechanische Reaktion bereitzustellen, im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden, wie beispielsweise Schwingungsresonatoren, gegenläufige Rotationsresonatoren und Rotationsresonatoren, Torsionsresonatoren oder kombinierte Resonatoren. Aus Einfachheitsgründen werden alle derartigen potentiellen mechanischen Detektionsvorrichtungen im Folgenden als „Resonatoren" bezeichnet werden. Der Resonator kann aus einem jeglichen geeigneten Material hergestellt sein, wie beispielsweise Siliciumoxid, Silicium, Siliciumcarbid und Galliumarsenid. Der Resonator kann jegliche physikalischen Eigenschaften aufweisen, die für eine Detektion von Einzelmolekül-Bindungsereignissen in Lösung geeignet sind. Der Resonator kann beispielsweise eine Dicke zwischen ungefähr 10 nm und 1 μm, eine Breite zwischen ungefähr 10 nm und 1 μm und eine Länge zwischen ungefähr 1 μm und 10 μm aufweisen. Der Resonator kann eine Resonanzbewegungs-Vakuumfrequenz zwischen ungefähr 0,1 und 12 MHz aufweisen. Der Resonator kann eine Kraftkonstante zwischen ungefähr 0,1 mN/m und 1 N/m aufweisen. Der Resonator kann eine Reynolds-Zahl zwischen ungefähr 0,001 und 2,0 aufweisen. Der Resonator kann einen Massenlastkoeffizienten zwischen ungefähr 0,3 und 11 haben. Schließlich kann der Resonator eine Kraftauflösung von ungefähr 8 fN/√Hz oder mehr aufweisen.
Der mechanische Resonator kann ein Vibrationsausleger von einfacher oder komplexer Geometrie sein. In einer solchen Ausführungsform ist der Cantilever (Ausleger) vorzugsweise eine piezoelektrische Vorrichtung, so dass die Reaktion gemessen wird, indem die Spannungsänderung in dem Cantilever über die Zeit abgetastet wird. In einer solchen Ausführungsform ist der molekulare Detektor bevorzugt mit einem Liganden oder Rezeptor biofunktionalisiert.
In einer anderen Ausführungsform umfasst der molekulare Detektor des Weiteren ein Substrat, das innerhalb des Reservoirs und angrenzend an den Resonator angeordnet ist, wobei das Substrat biofunktionalisiert ist mit einem Liganden, welcher zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor in der Lage ist oder umgekehrt. Alternativ kann das Substrat auch biofunktionalisiert sein mit einem Rezeptor, der zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor an dem Resonator nicht in der Lage ist, der aber in der Lage ist zu einer molekularen Wechselwirkung mit einem Liganden, der seinerseits zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor auf dem Resonator in der Lage ist.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der molekulare Detektor wenigstens zwei Resonatoren, die aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei einer der Resonatoren biofunktionalisiert ist mit einem Rezeptor, um einen Rezeptor-Resonator zu bilden, und wenigstens einer der Resonatoren, die an den Rezeptor-Resonator angrenzen, biofunktionalisiert ist mit einem Liganden, der zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor in der Lage ist, so dass die Resonatoren durch die Ligand/Rezeptor-Funktionalisierung gekoppelt werden können.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der molekulare Detektor wenigstens zwei Resonatoren, die aneinander angrenzend angeordnet sind, wobei wenigstens einer der Resonatoren ein Antriebsresonator ist, der mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist und ein Antriebselement aufweist, welches in der Lage ist, den Antriebsresonator mit einer gewählten Frequenz oder Frequenzen in Resonanz zu bringen, und wenigstens einer der Resonatoren, die an den Antriebsresonator angrenzen, biofunktionalisiert ist mit einem Liganden, der zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor auf dem Antriebsresonator in der Lage ist, so dass die Resonatoren durch die Ligand/Rezeptor-Funktionalisierung gekoppelt werden können.
In noch einer anderen Ausführungsform umfasst der molekulare Detektor wenigstens drei Resonatoren, umfassend zwei Antriebsresonatoren, welche Antriebselemente umfassen, die in der Lage sind, die Antriebsresonatoren mit einer gewählten Frequenz in Gegenphase zueinander in Resonanz zu bringen, und einen Folgeresonator, welcher zwischen den beiden Antriebsresonatoren angeordnet ist. In einer solchen Ausführungsform ist wenigstens einer der Antriebsresonatoren mit einem Rezeptor biofunktionalisiert und der Folgeresonator ist biofunktionalisiert mit einem Liganden, welcher zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem Rezeptor auf dem Antriebsresonator in der Lage ist, so dass die Resonatoren durch die Ligand/Rezeptor-Funktionalisierung gekoppelt werden können. In einer solchen Ausführungsform kann die Antriebsvorrichtung eine jegliche Vorrichtung sein, die geeignet ist, um den Resonator mit einer spezifizierten Frequenz anzutreiben, wie beispielsweise eine piezoresistive Antriebsvorrichtung.
In noch einer anderen Ausführungsform liegt der Detektor in den Resonator integriert vor. Es kann ein jeglicher Detektor, der geeignet ist, um die Reaktion des Resonators zu detektieren, eingesetzt werden, wie beispielsweise ein piezoresistiver Wandler oder ein optischer Detektor. In einer Ausführungsform unter Verwendung eines piezoresistiven Wandlers kann der Wandler aus p+-dotiertem Silicium hergestellt sein.
In noch einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung auf ein System von molekularen Detektoren, wie oben beschrieben, gerichtet. In einer solchen Ausführungsform umfasst das molekulare Detektorsystem wenigstens einen Mikrofluidkanal und wenigstens eine Anordnung von molekularen Detektorvorrichtungen, die innerhalb des wenigstens einen Mikrofluidkanals angeordnet sind, wobei die Anordnung eine Mehrzahl von biofunktionalisierten mechanischen Resonatoren im Nanometer-Maßstab umfasst und wobei jeder Resonator wenigstens einen Detektor zum Messen der Reaktionsbewegung des Resonators aufweist.
In noch einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zum Verwenden eines molekularen Detektors, wie oben beschrieben, gerichtet. In einer solchen Ausführungsform umfasst das Verfahren zum Detektieren eines Moleküls von Interesse, einen molekularen Detektor vorzusehen, der einen biofunktionalisierten Resonator im Nano-Maßstab umfasst. Den molekularen Detektor in eine Lösung einzubringen, so dass der Resonator sich basierend auf der Wärmebewegung der Lösung bewegt und so dass in Gegenwart einer Spezies, welche zu einer molekularen Wechselwirkung mit dem biofunktionalisierten Resonator in der Lage ist, die Reaktion der Resonators begrenzt wird, und die Reaktion des Resonators zu messen derart, dass eine Veränderung der Reaktion des Resonators einem Verwender mitgeteilt wird.
In noch einer anderen Ausführungsform ist die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines molekularen Detektors, wie oben beschrieben, gerichtet. In einer solchen Ausführungsform umfasst das Verfahren zur Herstellung des molekularen Detektors, ein Substrat beizubringen, einen Photoresist auf dem Substrat abzuscheiden, ein Muster, welches den Resonator umfasst, auf dem Photoresist zu exponieren, das Substrat zu ätzen, um den Resonator zu bilden, und den Photoresist zu entfernen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden besser verstanden werden durch Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung, wenn diese zur Kenntnis genommen wird in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, in denen:
1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
2 eine schematische Darstellung der Betriebsweise der ersten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3a eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3b eine schematische Darstellung einer drittten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3c eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3d eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3e eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
3f eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
4 eine bildliche Darstellung von exemplarischen mechanischen Resonatoren gemäß der Erfindung ist.
5 ein schematisches Diagramm einer herkömmlichen Oberflächenätztechnik zur Herstellung einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
6 eine bildliche Darstellung eines Prototypen einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung ist.
7 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
8 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
9 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
10 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
11 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
12 eine graphische Darstellung der Detektionseigenschaften eines Prototyps einer biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtung gemäß der Erfindung ist.
13 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Systems von biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Abtast- oder Fühlvorrichtungen gemäß der Erfindung ist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es wird eine biofunktionalisierte nanoelektromechanische Vorrichtung (BioNEMS), welche in der Lage ist, einzelne Moleküle in Lösung abzutasten, indem die Variation der Resonanzbewegung einer BioNEMS-Resonatorvorrichtung während eines Bindungsereignisses gemessen wird, beschrieben, wobei die biofunktionalisierte nanoelektromechanische Vorrichtung gemäß der Erfindung fortan als ein molekularer Detektor bezeichnet werden wird.
Der molekulare Detektor 10 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist schematisch in den 1 und 2 gezeigt und umfasst ein Lösungsreservoir 12, welches eine Lösung 14 enthält, mit wenigstens einem biofunktionalisierten nanoelektromechanischen Resonator 16, der darin angeordnet ist. Ein Detektor 18 in Signal-Kommunikation mit einem elektronischen Signalprozessor 20 ist integriert in den Resonator 16 angefügt, so dass eine jegliche Bewegung durch den Resonator 16 durch den Detektor 18 gemessen, verstärkt und zu dem Prozessor 20 weitergeleitet wird.
Während eines Betriebs, wie in 2 gezeigt, erzeugt die thermische Molekülbewegung oder Brownsche Molekularbewegung, die in der Lösung 14 von sich aus vorhanden ist, eine mechanische Verlagerung 22 der Position des mechanischen Resonators 16, während gleichzeitig das Vorhandensein der Lösung 14 um den Resonator 16 herum eine Dämpfungskraft auf die Resonanzbewegung des Resonators 16 erzeugt. In dem Falle des in den 1 und 2 gezeigten Vibrationsausleger-Resonators 16, erzeugt die Brownsche Bewegung der Moleküle in der Lösung 14 eine mechanische Verlagerung des freien Endes des Resonators 16. Die dynamische Eigenschaften dieser Lösungs-induzierten Verlagerung oder Reaktion 22 hängen von der Natur der Lösung 14, d.h. Viskosität, Temperatur, Strömung; und der Geometrie des und dem Material(s), das verwendet wird, um den mechanischen Resonator 16 zu bauen, ab. Obwohl das wärmebedingte Flattern und die lösungsbedingte Dämpfung des Resonators 16 bewirken, dass herkömmliche Resonanzdetektionstechniken, die mit AFM assoziiert sind, schwierig auszuführen sind, verändern Moleküle 24, die sich aus der Lösung 14 heraus an die Oberfläche des Resonators 16 binden, die mechanischen Eigenschaften des Resonators 16, wodurch eine Variation oder Begrenzung der thermisch induzierten Resonanz 22 bewirkt wird, und diese Begrenzung wird dann durch den Detektor 18 abgetastet oder gefühlt, verstärkt und an den Prozessor 20 berichtet. Um sicherzustellen, dass der Detektor 18 nur das Vorhandensein von spezifizierten Molekülen von Interesse registriert, kann die Oberfläche des Resonators 16 biofunktionalisiert oder modifiziert werden, so dass nur spezifizierte Moleküle daran binden werden. In den 1 und 2 ist der Resonator 16 beispielsweise mit einem Liganden 16 biofunktionalisiert worden, der so ausgewählt wurde, dass nur ein spezifiziertes Rezeptormolekül 24 daran binden wird. Eine solche Modifizierung erlaubt die Detektion von minimalen Mengen von spezifischen Molekülen in der Lösung 14b unter Verwendung des Detektors 10 gemäß der Erfindung.
Tabelle 1 unten zeigt eine Auflistung von physikalischen Eigenschaften einer Reihe von typischen einfachen Vibrationsausleger-Resonatoren gemäß den 1 und 2.
Obwohl in den 1 und 2 ein Detektor 10 mit einem einfachen einzelnen Resonator 16, biofunktionalisiert mit einem einzelnen Ligand 26, gezeigt ist, kann eine jegliche Kombination von Resonatoren 16 oder Biofunktionalisierungen eingesetzt werden, um Detektoren 10 mit einzigartigen Assayeigenschaften zu erzeugen. Beispiele von einigen exemplarischen molekularen Detektoren 10 gemäß der Erfindung sind in den 3a bis 3f gezeigt und werden nachfolgend diskutiert.
3a zeigt einen molekularen Detektor 10, umfassend einen einzelnen Resonator 16 mit einer Liganden-Biofunktionalisierung 26' und ein Substrat 28 mit einer Rezeptor-Biofunktionalisierung 26'', welcher so gestaltet ist, dass man damit entweder einen Assay auf das Vorhandenseins eines freien Rezeptors oder freien Liganden in Lösung ausführen kann oder dass man einen Assay auf Verbindungen, die die Wechselwirkung zwischen dem funktionalen Liganden/Rezeptor stabilisieren oder dazu in Konkurrenz/Kompetition treten, ausführen kann. Wie gezeigt, wird der Resonator 16 an das Substrat 28 gebunden, wenn der Ligand 26' und der Rezeptor 26'' wechselwirken, so dass die mechanische Reaktion 22 des Resonators 16 stark eingeschränkt wird.
3b zeigt einen molekularen Detektor 10, umfassend einen einzelnen Resonator 16 mit einer Rezeptor-Biofunktionalisierung 26' und ein Substrat 28 mit einer zweiten Rezeptor-Biofunktionalisierung 26'', welcher so gestaltet ist, dass man einen Assay auf Moleküle 24, die Ziel-Erkennungsstellen für beide Rezeptoren 26' und 26'' auf demselben Molekül enthalten, ausführen kann.
3c zeigt einen molekularen Detektor, umfassend eine Mehrzahl von Resonatoren 16 mit einer einfachen Rezeptor-Biofunktionalisierung 26, welcher so gestaltet ist, dass man einen Assay auf einzelne Moleküle 24 ausführen kann, wobei die Liganden-Moleküle 24 in der Lösung 14 mit Stern-Dendromeren 30 derart modifiziert worden sind, dass die Bindung des Liganden-Moleküls 24 an die Rezeptor-Biofunktionalisierung 26 den Viskositätswiderstand (Reibung; „viscous drag") und dementsprechend die mechanische Reaktion 22 des Resonators 16 stärker verändert. Obwohl in dieser Ausführungsform Stern-Dendromer-Modifizierungsmittel 30 gezeigt sind, könnte ein jegliches Modifizierungsmittel, welches die Resonator/Lösungs-Kopplung verstärken würde, um bei dem molekularen Detektor 10 eine Empfindlichkeitserhöhung zu bewirken, auch eingesetzt werden.
3d zeigt einen molekularen Detektor 10, umfassend eine Mehrzahl von gekoppelten Resonatoren 16 mit einer Rezeptor-Biofunktionalisierung 26' auf einem Resonator 16' und einer Liganden-Biofunktionalisierung 26'' auf einem angrenzenden Resonator 16'', so dass die Bewegung der Resonatoren 16' und 16'' durch die Ligand/Rezeptor-Biofunktionalisierung gekoppelt ist und so dass die Bewegung von beiden Resonatoren gleichzeitig überwacht wird. In dieser Ausführungsform ermöglicht die Korrelation der Bewegung der beiden Resonatoren 16' und 16'' eine stärkere Rauschverringerung, was die Empfindlichkeit des molekularen Detektors 10 erhöht. Dieser molekulare Detektor 10 könnte so gestaltet werden, dass man damit einen Assay auf Verbindungen, die entweder binden oder die funktionalen Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen zwischen den aneinander angrenzenden Resonatoren stabilisieren oder dazu in Konkurrenz oder Kompetition treten, ausführen kann.
3e zeigt einen molekularen Detektor 10, umfassend wenigstens zwei unterschiedliche Resonatoren: einen Antriebsresonator 16a und eine Folgeresonator 16b. Wie in der in 3d gezeigten Ausführungsform wird eine Rezeptor-Biofunktionalisierung 26' an dem Antriebsresonator 16a vorgesehen und eine Liganden-Biofunktionalisierung 26'' wird an dem angrenzenden Folgeresonator 16b vorgesehen derart, dass die Bewegung der Resonatoren 16a und 16b durch die Ligand/Rezeptor-Biofunktionalisierung gekoppelt ist, und derart, dass die Bewegung von beiden Resonatoren 16a und 16b gleichzeitig überwacht wird. Jedoch treibt in der in 3e gezeigten Ausführungsform ein Antriebsmechanismus (nicht gezeigt), welcher piezoelektrisch, thermoelastisch oder durch andere physikalische Mechanismen betätigt wird, aktiv die Bewegung des Antriebsresonators 16a an derart, dass die Bewegung 22 auf die empfindlichste Amplitude und Frequenz, welche bei der Geometrie des Antriebsresonators 16a möglich sind, abgestimmt wird. Die korrelierte Bewegung des Antriebsresonators 16a und des Folgeresonators 16b werden dann überwacht, um zu detektieren, ob das Ligand/Rezeptor-Paar funktional verknüpft ist. Ein molekularer Detektor 10 mit dieser Gestaltung könnte dann eingesetzt werden, um einen Assay auf Verbindungen, die entweder binden oder die funktionalen Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen zwischen den aneinander angrenzenden Resonatoren stabilisieren oder dazu in Konkurrenz/Kompetition treten, auszuführen.
3f zeigt einen molekularen Detektor 10, umfassend wenigstens drei unterschiedliche Resonatoren: einen (+)-Antriebsresonator 16a, einen (–)-Antriebsresonator 16b und einen Folgeresonator 16c. Wie in der in 3e gezeigten Ausführungsform wird eine Rezeptor-Biofunktionalisierung 26' an einem der Antriebsresonatoren 16a und eine Liganden-Biofunktionalisierung 26'' an dem angrenzenden Folgeresonator 16c vorgesehen derart, dass die Bewegung der Resonatoren 16a und 16c durch die Ligand/Rezeptor-Biofunktionalisierung gekoppelt ist, und derart, dass die Bewegung von beiden Resonatoren 16a und 16c gleichzeitig überwacht wird. Wie in der in 3e gezeigten Ausführungsform treibt ein piezoelektrischer Antriebsmechanismus (nicht gezeigt) aktiv die Resonanzbewegung der Antriebsresonatoren 16a und 16b an derart, dass die Bewegung auf die empfindlichste Amplitude und Frequenz, die bei der Resonatorgeometrie möglich sind, abgestimmt wird. Die korrelierte Bewegung des Antriebsresonators 16a und des Folgeresonators 16c werden dann überwacht, um zu detektieren, ob das Ligand/Rezeptor-Paar funktional verknüpft ist. Jedoch kann in der aktiv angetriebenen Ausführungsform, die in 3e gezeigt ist, eine hydrodynamische Kopplung zwischen den Resonatoren 16a und 16c das dynamische Spektrum des molekularen Detektors 10 begrenzen. Das Vorsehen eines zweiten aktiven Resonators 16b, der in Gegenphase betrieben wird, senkt die hydrodynamische Kopplung auf Null, wodurch das Signal/Rausch-Verhältnis des so hergestellten molekularen Detektors 10 verbessert wird. Ein molekularer Detektor 10 mit dieser Gestaltung könnte dann eingesetzt werden, um einen Assay auf Verbindungen, die entweder binden oder die funktionalen Ligand/Rezeptor-Wechselwirkungen zwischen den aneinander angrenzenden Resonatoren stabilisieren oder dazu in Konkurrenz/Kompetition treten, auszuführen. Es kann Vorteile geben, eine Mehrzahl von Antriebsmechanismen umfassende Geometrien (über das Paar von Antriebsmechanismen, das hier beschrieben wird, hinaus) zu konfigurieren, um verfeinertere Schemata für das auf Null Verringern der Fluid-Hintergrund-Kopplung zu dem „Detektor"-Cantilever bereitzustellen.
Obwohl die oben in Bezug auf die 1 bis 3 diskutierten Ausführungsformen der molekularen Detektoren 10 allesamt eine Einzelmolekül-Ligand/Rezeptor-Biofunktionalisierung 26 beschreiben, versteht es sich, dass in der vorliegenden Erfindung eine jegliche geeignete Biofunktionalisierung 26 eingesetzt werden kann, wie beispielsweise DNA-Hybridisierung, chemische Bindungen und Protein-Entfaltung. Der molekulare Detektor kann beispielsweise biofunktionalisiert werden, um die Produkte einer kombinatorischen Chemie zu screenen oder um ein Profil der Genexpression in Zellen zu erstellen oder um die Konzentrationen von Wachstumsfaktoren, Hormonen und intrazellulären Botensubstanzen in der Zellbiologie zu bestimmen oder um Informationen über spezifische Blutchemie zu erhalten oder als allgemeiner physiologischer Sensor oder als Detektor für eine Exposition gegenüber Pathogenen oder Toxinen entweder in der Umwelt oder in einem Patienten. Obwohl alle der exemplarischen Ausführungsformen, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, allesamt einzelne biofunktionalisierte Stellen 26 auf den Resonatoren 16 zeigen, kann in gleicher Weise ein jegliches Verfahren zur Biofunktionalisierung oder eine jegliche Anzahl von biofunktionalisierten Stellen auf den Resonatoren 16 der gegenwärtigen Erfindung eingesetzt werden.
Obwohl die Ausführungsformen des Resonators 16, die in den 1 bis 3 gezeigt sind, allesamt als einzelne Vibrationsausleger-Resonatoren 16 dargestellt sind, sollte es sich verstehen, dass eine jegliche NEMS-Konstruktion, welche zu einer Resonanzbewegung unter der thermischen oder Brownschen Molekularbewegung der Lösung 14 fähig ist, wobei die Resonanz ausreichend empfindlich ist, um eine Detektion einer Einschränkung bei der Resonanzbewegung 22, welche durch ein einzelnes Molekülbindungsereignis verursacht wird, zu ermöglichen, im Rahmen der Erfindung eingesetzt werden kann. 4 zeigt bildliche Darstellungen von mehreren unterschiedlichen herkömmlichen NEMS-Resonatoren 16, die für eine Verwendung im Rahmen der vorliegenden Erfindung geeignet sind, wie beispielsweise Rotationsresonatoren, Torsionsresonatoren und kombinierte Resonatoren. Zusätzlich sollte es sich verstehen, dass, obwohl die oben beschriebenen Resonatoren allesamt makroskopische Vorrichtungen sind, Resonatoren, welche einzelne, an ein Substrat gekoppelte Moleküle umfassen, gemäß der Erfindung eingesetzt werden können, so dass das Molekül selbst modifiziert werden würde, um mit einem Molekül der Wahl in einer Lösung zu wechselwirken.
Die Erfindung ist auch auf ein Verfahren zur Herstellung des molekularen BioNEMS-Detektors 10 gerichtet. 5 zeigt ein schematisches Diagramm einer exemplarischen Technik zur Herstellung eines BioNEMS-Resonators 16 gemäß der Erfindung unter Einsatz von Oberflächen-Ätzen. Es gibt zwei Abschnitte bei der Herstellung des Resonators 16 der Erfindung unter Einsatz einer NEMS-Herstellungsmethode; das tatsächliche Herstellungsverfahren und die Maskengestaltung. 5 zeigt eine Ausführungsform des Verfahrens zur Herstellung des Resonators 16 gemäß der Erfindung, einschließlich der Anzahl von Photolithographie-Schritten, welche benötigt werden, und wie der Resonator 16 von dem Substrat getrennt wird. Die grundlegende Abfolge, wie gezeigt, umfasst: (a) Untersuchen und Reinigen eines Ausgangssubstrats, umfassend in der gezeigten Ausführungsform drei Schichten, eine strukturelle Schicht 32, eine Opferschicht 34 und eine Substratschicht 36; (b) Modifizieren der Oberfläche der strukturellen Schicht 32, um den Resonator 16 zu bilden, über eine Elektronenstrahlmaske 38 und Abscheiden des Photoresists und Musterresist-Ätzmetalls für den Resonator 16; (c) Ätzen des Musters in die strukturellen und Opferschichten 32 und 34; und (d) Ätzen der Opferschicht 34, um den Resonator 16 zu unterschneiden, um den Resonator 16 freizulegen. Obwohl diese Ausführungsform nur ein Ätzverfahren, welches die Opferschicht 34 unterschneidet, zeigt, sollte es sich verstehen, dass ein zusätzliches Ätzen, um tiefere Unterschnitte zu erzeugen, und/oder ein Ätzen des Substrats 36 unterhalb, so dass die Isolierung zwischen dem Resonator 16 und dem Substrat 36 erhöht wird, ausgeführt werden kann.
Obwohl die obige Ausführungsform ein Verfahren zur Herstellung des Resonators 14 der Erfindung unter Verwendung eines herkömmlichen NEMS-Verfahrens exemplifiziert, kann ein jegliches Herstellungsverfahren, welches zur Herstellung des Nanometer-Resonators 16 geeignet ist, wie beispielsweise Wafer-Aufkleben („wafer bonding") und Rückätzen, eingesetzt werden. Beim Wafer-Aufkleb- und Rückätz-Verfahren weist ein Silicium-Wafer-Substrat eine sehr dicke Oxidschicht auf, die auf der Oberfläche abgeschieden oder thermisch gezüchtet wurde. Diese dicke Oxidschicht wird dann mit einer dünnen Schicht aus Siliciumnitrid bedeckt. Der Resonator 16 wird auf dieser Siliciumnitrid-Schicht abgeschieden und hergestellt. Die Oberfläche des Resonators 16 wird dann mit Resist bedeckt und die Rückseite des Substrats 36 wird chemisch entfernt, was nur einen „Rahmen", um die Vorrichtungen zu unterstützen, zurücklässt. Bei einer Verwendung dieses Ansatzes liegt der Resonator 16 vorzugsweise nicht nahe bei dem Substrat 36.
Der Resonator 16 kann hergestellt werden unter Verwendung eines jeglichen geeigneten Substratmaterials, wie beispielsweise Silicium. In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Silicium-Einkristall-Substrat für den Resonator 16 verwendet. Es können auch andere Silicium-Materialien verwendet werden, um den Resonator 16 der Erfindung herzustellen, wie beispielsweise dickes epitaxiales Silicium auf Einkristall-Wafern mit hochgradig dotierten Schichten als Zuleitungen oder polykristallines Silicium. Obwohl das oben beschriebene Herstellungsverfahren die Oberflächen-Nanobearbeitung eines auf Silicium basierenden Materials beschreibt, kann der Resonator 16 der Erfindung hergestellt werden aus einem jeglichen Material, das für eine Oberflächen-Nanobearbeitung geeignet ist, zu einer Biofunktionalisierung fähig ist und gegenüber einer chemischen Modifizierung durch die und von den Moleküle(n) 24 in der Lösung 14 inert ist. Beispiele von herkömmlichen Nanobearbeitungs-Materialien, die für eine Verwendung im Rahmen der gegenwärtigen Erfindung geeignet sind, umfassen: auf Silicium basierende Systeme, wie Siliciumoxid (SOI) oder Siliciumcarbid und auf Galliumarsenid basierende Systeme (GaAs). Es können ebenso andere Substratmaterialien verwendet werden, einschließlich isolierender Materialien, wie dünne Diamant- und Quarzfilme.
In dem molekularen Detektor 10 der Erfindung kann ein jeglicher Detektor 18, der für das Detektieren der Resonanzbewegung des Resonators 16 in Lösung geeignet ist, eingesetzt werden. Der Detektor 18 kann beispielsweise Vibrations- oder spannungs- oder belastungsempfindliche Vorrichtungen, die, wie in den 1 und 2 gezeigt, als integraler Bestandteil mit dem Resonator 16 verbunden sind, umfassen. In einer exemplarischen Ausführungsform ist der Detektor 18 ein piezoelektrischer Spannungswandler, wie in 1 gezeigt. In dieser Ausführungsform wandelt der Wandler-Detektor 18 die Bewegung des Resonators 16 in ein elektrisches Signal über die spannungs- oder belastungsinduzierte Veränderung des Widerstands eines leitenden Pfads auf der oberen Oberfläche des Resonators 16 um. Diese Widerstandsänderungen werden dann verstärkt und an einen Prozessor 20 berichtet, der so gestaltet ist, dass er ein Auslesen der Signalveränderungen ermöglicht. Obwohl der Detektor 18 aus einem jeglichen geeigneten Material hergestellt werden kann, ist er in einer Ausführungsform aus einer p+-dotierten Silicium-Epischicht, welche auf der oberen Oberfläche des Resonators 16 gebildet wird, hergestellt.
Obwohl nur Wandler-Detektoren vom Spannungs- oder Belastungstyp oben beschrieben werden, kann ein jeglicher Detektor, welcher geeignet ist, um die Bewegung des Resonators 16 zu überwachen auf einer Zeitskala, die geeignet ist, um die biomolekularen Wechselwirkungen von Interesse zu überwachen, eingesetzt werden. Der Detektor 18 kann beispielsweise auch eine extern montierte Vorrichtung, wie beispielsweise einen optischen Laser, eine auf Fluoreszenz basierende Lagemesseinrichtung, eine elektromagnetische oder magnetische Vorrichtung umfassen.
Das Signalüberwachungssystem und der Prozessor 20 können für jedes der obigen Detektionsschemata einen jeglichen geeigneten digitalen Signalprozessor, welcher in der Lage ist, die Signalveränderung von dem Detektor 18 zu messen und jene Information zu dem Verwender zu übertragen, wie beispielsweise eine gedruckte Leiterplatte mit einem Vorverstärker, einem AD-Wandler und einem Antriebs-Schaltkreis, und einen programmierbaren Chip für Instrumenten-spezifische Software oder ein eine Mehrzahl von Chips umfassendes Modul, welches jene Elemente umfasst, umfassen.
Unabhängig von der speziellen Ausführungsform des eingesetzten molekularen Detektors 10 arbeiten alle basierend auf dem Prinzip, dass ein BioNEMS-Resonator aus sich heraus eine große thermisch angetriebene Bewegung oder mechanische Reaktion zeigt, wenn er innerhalb einer Lösung angeordnet ist, aufgrund der wiederholten Wechselwirkung zwischen dem Resonator und den Molekülen der Lösung und dass eine chemische Bindung zwischen dem funktionalisierten Abschnitt des Resonators und dem Molekül von Interesse eine detektierbare Veränderung der mechanischen Reaktion erzeugen wird.
6 zeigt einen gekerbten Prototyp-Cantilever- oder -Ausleger-Resonator 16, der eingesetzt wird, um die Empfindlichkeit von molekularen Detektoren 10, die gemäß der Erfindung hergestellt worden sind, zu testen. Als erstes wurde die theoretische Kraftauflösung des molekularen Detektors 10 berechnet und dann wurde die aktuelle Leistungsfähigkeit einer Reihe von Detektoren, die den in 6 gezeigten Resonator einsetzen, getestet.
Tabelle 2 unten fasst die physikalischen Parameter für drei gekerbte Prototyp-Cantilever-Resonatoren 16 gemäß 6 zusammen. Unter Verwendung der Cantilever-Resonator-Prototypen, die in Tabelle 2 aufgelistet sind, wurden die physikalischen Eigenschaften des molekularen Detektors der Erfindung berechnet.
Da der Resonator 16 groß ist im Vergleich zu der Größe der Moleküle 24 in der Lösung 14 kann die Wärmebewegung des Resonators 16 in Lösung modellartig nachempfunden werden als stochastische Kräfte, die vom Markov-Typ (da die Zeitskala der Molekülkollisionen mit dem Resonator kurz im Vergleich zu den Frequenzen der makroskopischen Resonanzbewegung des Resonators ist) und vom Gauss-Typ (da die makroskopische Bewegung durch eine große Anzahl von Molekülkollisionen gebildet wird) sind. Dementsprechend kann die Resonanzbewegung des Resonators 16 in der Lösung 14 in seinem Grundtyp beschrieben und modellartig nachgebildet werden durch das Fluktuations-Dissipations-Theorem.
Eine jegliche geeignete Berechnung kann eingesetzt werden, um diese Dissipation oder diesen Verlust abzuschätzen, wie Abschätzungen anhand von vereinfachten geometrischen Modellen, Fluid-Lösungs-Berechnungen bei Annahme einer niedrigen Reynolds-Zahl oder experimentelle Messungen. Die stochastische Bewegung (x) des Resonators 16 kann dann bestimmt werden, indem dessen dynamische Gleichung mit einer zusätzlichen Fluktuationskraft mit der spektralen Dichte gelöst wird. Für Resonatoren im Submikrometer-Maßstab in Lösung, wie bei der vorliegenden Erfindung, wird die Dissipation durch die viskose Bewegung des Fluids, die durch die Vibration des Resonators 16 angetrieben wird, dominiert.
Da die Größe des Resonators 16 viel größer als die Größe der individuellen Moleküle 24 in der Lösung 14, die damit kollidieren, ist, ist eine Näherung der Kraft auf jedem kleinen Abschnitt des Resonators 16 als Ergebnis der Lösung 14, die darauf auftrifft, gleich zu der Kraft der Lösung 14, die auf die Länge eines unendlichen Strahls mit dem gleichen Querschnitt und der gleichen Geschwindigkeit einwirkt.
In dem Beispiel eines einzelnen rechteckigen Vibrationsausleger-Resonators 16, wie in 1 gezeigt, kann die Beladung des Resonators 16 angenähert werden durch die Stokes-Gleichung für einen Zylinder gemäß Gl. 1 unten.
wobei der Vorfaktor einfach das durch den Resonator 16 verdrängte Volumen ist, während die Funktion Γ, die einzig von der Reynolds-Zahl
abhängt, aus der Bewegung der Lösung 14 berechnet werden muss. Bei dieser Näherung sind die Fluid-Kräfte aus der Lösung 14 bei jeder Frequenz und auf jedem Abschnitt des Resonators 14 proportional zu der Verdrängung bzw. Verschiebung an jenem Punkt.
Alternativ kann eine vollständigere Berechnung der Resonanzbewegung eines Resonators vorgenommen werden unter Verwendung der grundlegenden Gleichungen der Bewegung. In dem Falle eines gekerbten Vibrationsausleger-Resonators 16, wie in 6 gezeigt, ist die Bewegungsgleichung für die Verdrängung/Verschiebung (x) am Ende des Resonators 16 jene eines einfachen schwingenden Auslegers im Vakuum gemäß:
wobei x die Bewegung des freien Endes des Ausleger-Resonators 16 beschreibt, F die angewandte Kraft ist, K eine Kraftkonstante ist, die von der Geometrie des Resonators 16, der Breite (w), der Dicke (t) und der Länge (l), abhängig ist. Gl. 2 bietet eine vollständige Beschreibung der Resonanz des Resonators 16 sowohl auf die von außen angewandten Kräfte als auch, durch das Fluktuations-Dissipations-Theorem, auf die stochastischen Kräfte, die von der Lösung 14 übertragen werden.
Für einen gekerbten Ausleger, wie in 6 gezeigt, könnte die Kraftkonstante ermittelt werden gemäß der Gleichung:
worin (w) die Breite des Endes des Resonators 16 ist, (l) die Länge des Resonators 16 ist, (t) die Dicke des Resonators 16 ist, (b) die Breite der gekerbten Beine 30 des Resonators 16 ist und (l₁) die Länge des gekerbten Abschnittes 32 des Resonators 16 ist.
Die Bewegungsgleichungen für den Resonator 16 sind aufgrund des Vorhandenseins einer dynamischen Lösung 14, welche die Bewegung des Resonators 16 umgibt und beeinflusst, kompliziert. Dementsprechend ist in Lösung M_eff die effektive Masse des Ausleger-Resonators 16, welche abhängig ist von der Fluidbelastung der Lösung 14. Im Vakuum folgt die effektive Masse der Gleichung:
welche ihrerseits von dem Fluid-Massenlastkoeffizienten
abhängig ist gemäß
wobei ρ_L, ρ_C die Dichte der Lösung bzw. des Resonators sind. Als Ergebnis erfahren dünne Resonatoren relativ große Fluidbelastungen (wobei ρ_L/ρ_C = 2,
reicht von 1 bis 5). Der Wert von Re {Γ} ist Eins für große
, ungefähr 4, wenn
gleich 1 ist, und nimmt weiter zu, wenn
abnimmt. Daher beträgt für einen Wert von w/t gleich 2 der Massenlastkoeffizient wenigstens 5 bei
= 1 und nimmt für proportional dünnere Strahlen und niedrigere Reynolds-Zahlen zu.
Dementsprechend ist γ_eff der effektive Fluiddämpfungskoeffizient gemäß Gl. 5 unten.
Der Parameter α setzt die mittlere quadratische Verschiebung entlang des Strahls in Beziehung zu der Verschiebung an dessen Ende. Für den Grundtyp eines einfachen rechteckigen Vibrationsausleger-Resonators 16, wie in 1 gezeigt, ist α = 0,243. Im Vergleich dazu ist bei dem gekerbten Vibrationsausleger-Resonator 16, der in 6 gezeigt ist, α = 0,333.
Zusätzlich entspricht der Term Γ der Fluid-Kopplung zwischen dem Resonator 16 und dem Lösungsfluid 14 gemäß
wobei die Reynolds-Zahl
angegeben wird durch die Gleichung:
worin v die kinematische Viskosität von Wasser ist und gleich 1,022 × 10^–6 m²/s bei 293 K ist,.
Dementsprechend ist für Frequenzen unter ~1 MHz bei Resonatoren, die eine Breite unter oder gleich 1 μm aufweisen, die Reynolds-Zahl geringer als oder gleich 1,6. Dementsprechend ist die Dämpfung des Resonators 16, welche aus der Bewegung des Lösung 14-Fluids resultiert, am stärksten abhängig von den Abmessungen des Resonators 16 quer zu der Resonanzbewegung, z.B. in dem Falle eines Vibrationsauslegers, wie in 1 gezeigt, der Breite und Länge des Resonators. Diese Analyse zeigt an, dass bei einer gleichförmigen Maßstabsverkleinerung aller Dimensionen, w, t, l ∝ d, die Dämpfung eines Resonators 16 in Lösung 14 abnimmt wie d mit abnehmender Größe des Resonators 16, was die Empfindlichkeit des molekularen Detektors 10 erhöht.
In Tabelle 3 unten wird eine Auflistung der berechneten Eigenschaften des gekerbten Prototyp-Vibrationsausleger-Resonators 16, wie in 6 gezeigt, aufgeführt.
Wie oben beschrieben, resultiert die thermische Rausch-Komponente, wie durch das Fluktuations-Dissipations-Theorem beschrieben, aus der Fluid-Dämpfung des Auslegers/Cantilevers. Das mechanische Q dieser Struktur wird angenähert durch Verwendung der Gleichung:
wobei angenommen wird, dass die Fluidmasse dominiert. Es ist ersichtlich, dass dieser Ausdruck nahezu unabhängig von der Frequenz ist, nur über einen Bereich von 0,2 < Q < 0,9 variiert, wenn die Reynolds-Zahl
sich von 10^–3 auf 1 verändert. Wie oben beschrieben und wie ausgehend von den Berechnungen erwartet wird, ist das mechanische Q dieser Resonatoren 16 in der Lösung 14 viel geringer als 1, wohingegen ihre W's im Vakuum typischerweise in der Größenordnung von 10⁴ liegen. Daher bestimmt die Fluid-Dissipation, welche aus der umgebenden Lösung 14 resultiert, die Resonanz 22 des Resonators 16 vollständig.
Um die effektive Kraftauflösung des Resonators 16 und schließlich des molekularen Detektors 10, der durch die obigen Bewegungsgleichungen beschrieben wird, quantitativ zu bestimmen, muss die auf den Resonator 16 aufgrund der thermischen oder Brownschen Molekularbewegung der Lösung 14 wirkende Kraft berücksichtigt werden. In dieser Hinsicht wird die minimale detektierbare Kraft definiert gemäß:
wobei die minimale detektierbare Kraft (F_min) definiert wird durch die Kraft (S_F), die auf den Resonator 16 als Ergebnis der Molekülbewegung der Moleküle in Lösung 14 wirkt. Diese stochastische Kraft, welche auf den Resonator 16 wirkt, kann direkt in Beziehung gesetzt werden zu dem Dissipations- oder Verlustkoeffizient, welcher in Gleichung 2 auftaucht, so dass die spektrale Kraftdichte („force spectral density") angegeben wird durch die Nyquist-Formel:
in welcher k_B die Boltzmann-Konstante ist und T die Temperatur der Lösung 14 ist.
In gleicher Weise werden die Verschiebungsfluktuationen (S_x) definiert durch die mechanische Responsivität (Ansprechempfindlichkeit) auf die spektrale Kraft (S_F) gemäß:
wobei die mechanische Responsivität R_mech, welche Einheiten m/N aufweist, definiert ist gemäß Gl. 13 unten:
wobei R(ω/ω₀) in Analogie zu dem Hookeschen Gesetz, –1/K = x/F, bereitgestellt wird:
In 7 ist die Ansprech- oder Reaktionsfunktion R(ω/ω₀) für drei unterschiedliche Vibrationsausleger-Geometrien angegeben. Aus dem Diagramm ist ersichtlich, dass ein endlicher Frequenzpeak in der Ansprech- oder Reaktionsfunktion der durch die Lösung gedämpften Vibrationsausleger-Resonatoren vorhanden ist.
Wie in den vorhergehenden Abschnitten beschrieben, ermöglichen die frequenzabhängige spektrale Verschiebungsdichte und die mittleren zum Quadrat erhobenen Ansprech- oder Reaktionsfunktionen, die in Gegenwart von Fluid-Kopplung erhalten werden, eine Abschätzung der Kraftauflösung, die für verschiedene Resonator-Geometrien erzielbar ist. Um jedoch die effektive Kraftauflösung für den molekularen Detektor 10 gemäß der Erfindung zu bestimmen, ist es auch erforderlich, das durch den Detektor 18 induzierte Rauschen oder das elektrische Rauschen des Systems zu bestimmen. Bei den drei molekularen Detektor-Prototypen 10 mit gekerbten Vibrationsausleger-Resonatoren, die in 6 gezeigt sind und oben beschrieben wurden, wurde ein spannungsempfindlicher piezoelektrischer Wandler 18 eingesetzt, um die Resonanzbewegung des Resonators 16 zu detektieren. Dementsprechend werden drei zusätzliche Terme zu der das reale System betreffenden Kraft-Rausch-Gleichung gemäß der nachstehenden Gleichung 15 hinzugefügt.
In dieser Gleichung ist S_F äquivalent zu der spektralen Kraft oder den Kraftfluktuationen, welche auf den Resonator 16 ausgeübt werden, ist S_X gleich dem Fluid-gekoppelten Rauschen des Resonators 16, ist S_v ^out gleich dem Rauschen, das durch den Detektor 18 erzeugt wird, und ist S_VA gleich dem Rauschen, welches durch den Verstärker und andere Prozessorelektronik 20 erzeugt wird.
In dem Falle des Prototyps tritt S_v ^out aufgrund des thermischen Rauschens des piezoelektrischen Wandlers auf, wobei S_v ^out gleich ist zu: Sv out = 4kBTRT (16)wobei S_VA aus dem Spannungs- und Stromrauschen des Ausgabe-Verstärkers resultiert gemäß: SVA = SV + SIRT 2 (17)wobei S_V und S_I die spektrale Dichte der Verstärkerspannung bzw. das Stromrauschen sind.
In jenen Fällen, wo die Reaktion sich bis hinunter zu geringen Frequenzen erstreckt, muss auch ein dritter Term berücksichtigt werden, das 1/f Rauschen (S_1/f) in dem Wandler. Obwohl dieser Term berücksichtigt werden muss, gibt es einen grundlegenden Unterschied zwischen dem 1/f Rauschen und jenem der Fluid-induzierten Verschiebungsfluktuationen. Als solches wird in einer bevorzugten Ausführungsform ein Lock-in-Detektionsschema verwendet, um den Widerstand derart zu messen, dass nur ein Teil des 1/f-Spektrums innerhalb des Detektionsfensters zu dem Rauschen beitragen wird. Alternativ kann diese Quelle des Rauschens praktisch eliminiert werden, indem der Widerstand bei Frequenzen oberhalb des 1/f Knie abgetastet wird.
Im Gegensatz dazu führt das Fluid-induzierte Verschiebungsfluktuationsrauschen zu Veränderungen beim Widerstand des Resonators, die innerhalb des detektierbaren Bereichs liegen unabhängig davon, ob der Frequenz-Probenstrom verwendet wird. Daher ist das gesamte Spektrum des Rauschens von dc bis hinauf zu der Frequenz des unteren Tiefpassfilters relevant.
Die Kraftauflösung des molekularen Detektors 10 der Erfindung hängt dann von dem maximalen Niveau der Strom-Vormagnetisierung, das tolerierbar ist, ab unter der Annahme, dass die Responsivität proportional zu dem Vormagnetisierungsstrom (R = IG) ist, wobei der Dehnungsfaktor („gauge factor", G) gleich ist zu:
und wobei der Parameter π₁ der piezoresistive Koeffizient des p+-Wandlermaterials ist. Der Faktor β berücksichtigt die Abnahme von G aufgrund der endlichen Dicke der leitfähigen Schicht; β erreicht eins, wenn die Träger auf eine Oberflächenschicht von infinitesimaler Dicke beschränkt werden.
Um einige der Parameter für die in 6 gezeigten Prototyp-Resonatoren mit gekerbten Vibrationsauslegern zu quantifizieren, wurde die Resonanzbewegung und der Widerstand der Resonatoren gemessen. 8 zeigt die gemessene fundamentale Resonanzbewegung bei Raumtemperatur für den ersten Ausleger-Resonator-Prototyp, der in Tabelle 2 aufgelistet wurde, im Vakuum. 9 zeigt ein Diagramm der Auslenkung/Verschiebung des in 6 gezeigten Ausleger-Prototyps, welche durch die Resonanzbewegung verursacht wird, gegenüber dem Widerstand.
Diese Diagramme ergeben eine direkte Messung von G = 3 × 10⁷. Für Epischichten, wie jene, die in den in 6 gezeigten molekularen Prototyp-Detektoren verwendet werden, ergibt die Gl. 18 einen berechneten Wert von β= 0,7 und G = 6 × 10⁸ Ω/m. Für die in 6 bildlich dargestellte Wandlergeometrie wird ein binomischer/zweipoliger (Gleichgewichts-) Widerstand von R_T = 15,6 kΩ erhalten.
Unter Verwendung der obigen Werte für den Widerstand und den Dehnungsfaktor (G) ist es möglich, die maximale Strom-Vormagnetisierung zu bestimmen, die gefunden wird, indem der maximale Temperaturanstieg, der für die Biofunktionalisierung, die entlang des Resonators angeordnet ist, als annehmbar angesehen wird, bestimmt wird. Die Geometrie der in 6 gezeigten Prototyp-Vorrichtungen bewirkt, dass eine Dissipation hauptsächlich innerhalb der Verengungsregionen (von Breite b) auftritt. Eine grobe Abschätzung des Wärmeverlusts an die umgebende Lösung kann erhalten werden durch die Beziehung:
wobei P der Umfang um die Querschnittsfläche A des Resonators herum ist. Schätzt man, dass: ∇n ~ T/w (20)
wobei κ_Si = 1,48 × 10² W/mK die Wärmeleitfähigkeit von Silicium ist und κ_H2O = 0,607 W/mK die Wärmeleitfähigkeit von Wasser ist. In der Verlustregion x < I₁,
wobei als Randbedingungen die Temperatur kontinuierlich bei I₁ ist, wie dies der Wärmestrom ist; und δT/δx = 0 bei x = 1.
Diese einfache Wärmeleitwertsberechnung zeigt an, dass beispielsweise ein Anstieg an der biofunktionalisierten Spitze von 1 K mit einem stationären („steady-state") Vormagnetisierungsstrom von 250 μA erzielt wird, was zu einem Energieverlust von grob 10670 μW führt. Der maximale Temperaturanstieg von 12 K tritt innerhalb der verengten Region auf, ungefähr 2,3 μm von dem Träger entfernt. Für diesen Vormagnetisierungsstrom ergibt der molekulare Prototyp-Detektor 10 eine Responsivität von R = IG ~ 8 μV/nm.
Unter Verwendung dieser Parameter kann eine geschätzte gekoppelte Kraftauflösung bestimmt werden. Für den Ausleger (Cantilever) 1 unter der Annahme, dass ein 1 K-Anstieg an der Spitze tolerierbar ist, wird das Wandler-induzierte Auslenkungs- oder Verschiebungsrauschen zu √S_VT/R = 1,8 × 10^–12 m/√Hz ermittelt. Für einen typischen Ausgabe-Verstärker mit geringem Rauschen mit Spannungs- und Stromrauschniveaus von ~4 nV/√Hz bzw. ~5fA/√Hz (typisch für JFET-Input-Verstärker mit geringem Rauschen) ergeben die gleichen Parameter einen Verstärkerterm √S_VA/R = 4,4 × 10^–13 m/√Hz.
Um die Auswirkungen einer maßstabsgerechten Verkleinerung der Größe des Resonators zu zeigen, werden auch Cantilever-Resonatoren 2 und 3, welche eine identische Geometrie wie jene des Cantilever-Resonators 1 aufweisen, berücksichtigt. Unter Verwendung der körperlichen Abmessungen des Cantilevers 2 ergeben die obigen Gleichungen ein R_T = 67 kΩ und ein G = 7,4 × 10⁹ Ω/m. Für den Cantilever-Resonator 2 ergibt die Annahme, dass ein Temperaturanstieg an der Spitze des Resonators von 0,05 K tolerierbar ist, ein Wandlerinduziertes Auslenkungs- oder Verschiebungsrauschen √S_VT/R = 6,3 × 10^–14 m/√Hz und einen Ausgabeverstärker-Beitrag von √S_VA/R = 8,0 × 10^–15 m/√Hz. Für den Cantilever-Resonator 3 ergeben die obigen Gleichungen ein R_T = 258 kΩ und ein G = 7,39 × 10¹⁰ Ω/m. Wieder ergibt die Annahme, dass ein Temperaturanstieg an der Spitze des Resonators von 0,05 K tolerierbar ist, ein Wandler-induziertes Auslenkungs- oder Verschiebungsrauschen √S_VT/R = 3,8 × 10^–14 m/√Hz und einen Ausgabeverstärker-Beitrag von √S_VA/R = 3,3 × 10^–15 m/√Hz.
In den 10 bis 12 sind die Berechnungen der gekoppelten Kraftauflösung pro Einheit Bandbreite für die drei gekerbten Vibrationsausleger-Resonator-Prototypen 1 bis 3 in den Tabellen 2 und 3 unter Verwendung von drei untrerschiedlichen Detektor-Vormagnetisierungsströmen gegen das thermische Kraftrauschen der Lösung graphisch aufgetragen. Diese Berechnungen umfassen das kombinierte Rauschen aus fluidischen, Wandler- und Ausgabe-Verstärkerquellen.
10 zeigt, dass bei einem Temperaturanstieg von 1 K an der Resonatorspitze sogar der größte Resonator (Cantilever 1) eine bemerkenswert geringe gekoppelte Kraftauflösung [S_f ^(c)]^1/2 ≤ 85 fN/√Hz für Frequenzen unter 100 KHz ergibt. Dies zeigt an, dass ein molekularer Detektor unter Verwendung des Cantilevers 1-Resonators in der Lage sein würde, dynamische Messungen auf der ~10 μs-Skala für absolute Kräfte auf der Ebene von < 30 pN ohne Mittelwertbildung vorzunehmen.
11 zeigt, dass bei einem Temperaturanstieg von 0,05 K an der Spitze des Resonators der Cantilever 2-Resonator eine sogar noch bessere Kraftauflösung [S_f ^(c)]^1/2 ≤ 20 fN/√Hz für Frequenzen unter 0,5 MHz ergibt (10% oberhalb der Fluid-Fluktuationsgrenze). Dies zeigt an, dass ein molekularer Detektor unter Verwendung des Cantilevers 2-Resonators in der Lage sein würde, dynamische Messungen auf der ~2 μs-Skala für absolute Kräfte auf der Ebene von < 15 pN ohne Mittelwertbildung vorzunehmen.
Schließlich zeigt 12 die erzielbare Kraftauflösung für eine Vorrichtung unter Verwendung eines Cantilever 3-Resonators. Wieder ergibt bei einem Temperaturanstieg von 0,05 K an der Spitze des Resonators die Cantilever 3-Resonator-Vorrichtung eine Kraftauflösung von [S_f ^(c)]^1/2 ≤ 10 fN/√Hz für Frequenzen unter 2 MHz (10% oberhalb der Fluid-Fluktuationsgrenze) und die Kraftauflösung steigt auf gerade ~11 fN/√Hz für Frequenzen ≤ 3 MHz an. Dies zeigt an, dass ein molekularer Detektor unter Verwendung des Cantilevers 2-Resonators in der Lage sein würde, dynamische Messungen auf der ~300 ns-Skala für absolute Kräfte auf der Ebene von < 20 pN ohne Mittelwertbildung vorzunehmen.
Dementsprechend wird die erzielbare gekoppelte Auflösung für den hier beschriebenen molekularen Detektor, welche so niedrig wie ~8 fN/√Hz ist, hauptsächlich durch die Fluid-Fluktuationen der Lösung begrenzt. Wie in Tabelle 4 unten gezeigt, liegt diese Detektions-Schwellenwertgrenze deutlich unter den Wechselwirkungskräften von Interesse in den meisten biologischen und chemischen Prozessen.
Obwohl nur molekulare Detektoren 10 mit einzelnen Resonator-Anordnungen 16 in den Figuren gezeigt und in dem obigen Text diskutiert werden, kann der erfindungsgemäße molekulare Detektor 10 auch eine große Anordnung oder ein System von Resonator-Anordnungen umfassen. Eine exemplarische Ausführungsform eines solchen Systems ist schematisch in 13 gezeigt, welche eine Mehrkanal-Anordnung 40 von molekularen Detektoren 10 zeigt, in welcher die Anordnungskanäle 42 auf einem einzelnen Substrat 44 parallel ausgerichtet sind derart, dass eine mehrfache oder parallele Verarbeitung von Molekülproben zu einem Zeitpunkt ausgeführt werden kann. In dieser Ausführungsform wird eine Mehrzahl von molekularen Detektoren 10 für eine Analyse der Moleküle eingesetzt. Es sollte sich verstehen, dass, obwohl parallele und einzelne Anordnungskanäle 42 in 13 gezeigt sind, eine jegliche geeignete alternative Geometrie von Kanälen 42 eingesetzt werden kann, wie beispielsweise gefaltete Kanäle eingesetzt werden können, um die Länge des Detektorwegs zu erhöhen, ohne die Größe des Anordnungskörpers 40 zu erhöhen. Obwohl die in 13 gezeigte Ausführungsform eine Mehrkanal-Anordnung 40 offenbart, in welcher die Detektorkanäle 42 durch Wände 46 getrennt sind, könnte die Mehrkanal-Detektoranordnung 40 alternativ eine einzelne „Lage" von Detektoranordnungen ohne Wände zwischen den Kanälen 42 umfassen.
Obwohl die gesamten Resonatoren 16 des molekularen Detektor-Anordnungssystems 40 funktionalisiert sein könnten, um eine Überwachung hinsichtlich einer einzelnen Substanz auszuführen, wie in den vorangegangenen Ausführungsformen beschrieben, wodurch eine stark verbesserte Detektorempfindlichkeit bereitgestellt würde, können die Resonatoren 16 des in 13 gezeigten Detektoranordnungssystems 40 auch individuell biofunktionalisierte Resonatoren umfassen, so dass eine Mehrzahl von Substanzen gleichzeitig identifiziert und überwacht werden kann. Zusätzlich kann eine jegliche Kombination der verschiedenen Resonator-Ausführungsformen, die in Bezug auf die 3a bis 3f oben gezeigt und diskutiert worden sind, in dem molekularen Detektoranordnungssystem der Erfindung eingesetzt werden.

Claims

Molekularer Detektor (10), welcher in der Lage ist, Moleküle in Lösung (14) zu detektieren, umfassend: ein Lösungsreservoir (12); wenigstens einen biofunktionalisierten mechanischen Resonator im Nanometer-Maßstab (16), der innerhalb des Reservoirs (12) angeordnet ist; und Detektionsmittel (18), die so konfiguriert sind, dass wenigstens eines aus einer Dämpfung von Resonanzbewegung und einer Änderung bei der Kraftkonstante des Resonators (16) in Reaktion auf ein molekulares Bindungsereignis an dem Resonator (16) gemessen wird.
Molekularer Detektor (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektionsmittel (18) ein Mittel zum Messen einer Änderung bei der Dämpfung von Resonanzbewegung des Resonators in Reaktion auf ein molekulares Bindungsereignis umfasst.
Molekularer Detektor (10) nach Anspruch 1, wobei das Detektionsmittel (18) ein Mittel zum Messen einer Änderung bei der Kraftkonstante von Resonanzbewegung des Resonators (16) in Reaktion auf ein Bindungsereignis, welches bewirkt, dass der Resonator an ein Substrat oder an einen anderen Resonator gebunden wird, umfasst.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1-3, wobei der wenigstens eine Resonator (16) einen Resonator (16), ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Schwingungsresonatoren, Rotationsresonatoren, Torsionsresonatoren und kombinierten Resonatoren, umfasst.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Resonator (16) ein gekerbter Vibrationsausleger ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Resonator (16) mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Resonator (16) hergestellt ist aus einem Material, ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus: Siliciumdioxid, Silicium, Siliciumcarbid und Galliumarsenid.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Detektionsmittel (18) in den Resonator (16) integriert vorliegt.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei das Detektionsmittel (18) ein piezoelektrischer Wandler ist.
Molekularer Detektor (10) nach Anspruch 9, wobei der piezoelektrische Wandler ein piezoelektrischer Dünnschichtwandler ist.
Molekularer Detektor (10) nach Anspruch 9 oder Anspruch 10, wobei der Wandler aus p+-dotiertem Silicium hergestellt ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das Detektionsmittel (18) ein optischer Detektor ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das Detektionsmittel (18) ein Lock-in-Detektor ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) eine Dicke zwischen ungefähr 10 nm und 1 μm, eine Breite zwischen ungefähr 10 nm und 1 μm und eine Länge zwischen ungefähr 1 μm und 10 μm aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) eine Resonanzbewegungsvakuumfrequenz zwischen ungefähr 0,1 und 12 MHz aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) eine Kraftkonstante zwischen ungefähr 0,1 mN/m und 1 N/m aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) eine Reynolds-Zahl zwischen ungefähr 0,001 und 2,0 aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) einen Massenlastkoeffizienten zwischen ungefähr 0,3 und 11 aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, welcher eine Kraftauflösung von ungefähr 8 fN/√Hz oder mehr aufweist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, der biofunktionalisiert ist, um eine Rezeptor/Liganden-Wechselwirkung zu detektieren.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 20, der biofunktionalisiert ist, um DNA-Hybridisierung zu detektieren.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 21, der biofunktionalisiert ist, um eine chemische Bindung zu detektieren.
Molekularer Detektor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 22, der biofunktionalisiert ist, um Protein-Entfaltung zu detektieren.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der wenigstens eine Resonator (16) mit einem Liganden biofunktionalisiert ist.
Molekularer Detektor (10) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei der Resonator (16) einen Ausleger, welcher wenigstens zwei Abmessungen von einem Mikrometer oder weniger aufweist, umfasst.
Verfahren zum Detektieren von Molekülen in Lösung, umfassend: Bereitstellen eines Lösungsreservoirs (12); Bereitstellen von wenigstens einem ersten mechanischen Resonator im Nanometer-Maßstab (16), der innerhalb des Reservoirs (12) angeordnet wird, wobei der wenigstens eine erste Resonator (16) mit einem Rezeptor oder einem Liganden biofunktionalisiert ist; und Ausführen von einem der Schritte (A) oder (B): (A) i) Bereitstellen eines Substrats (28) oder eines zweiten mechanischen Resonators, das bzw. der innerhalb des Reservoirs (12) angeordnet wird, wobei das Substrat (28) oder der zweite Resonator biofunktionalisiert ist mit einem anderen aus einem Rezeptor oder einem Liganden, welcher zu molekularer Wechselwirkung mit dem Rezeptor oder Liganden auf dem wenigstens einen ersten Resonator (16) in der Lage ist; ii) Messen einer Kraftkonstante von Resonanzbewegung des ersten Resonators (16) und iii) Bestimmen, ob ein Bindungsereignis zwischen dem Rezeptor oder Liganden auf dem ersten Resonator (16) und einem anderen aus einem Rezeptor oder Liganden auf dem Substrat (28) oder dem zweiten Resonator aufgetreten ist derart, dass der erste Resonator (16) an das Substrat (28) oder an den zweiten Resonator gebunden wird, basierend darauf, ob eine Änderung bei der Kraftkonstante von Resonanzbewegung des ersten Resonators (16) gemessen worden ist; oder (B) i) Bereitstellen eines Substrats (28) oder eines zweiten mechanischen Resonators, das bzw. der innerhalb des Reservoirs (12) angeordnet wird, wobei das Substrat (28) oder der zweite Resonator mit einem zweiten Rezeptor oder einem zweiten Liganden biofunktionalisiert ist und wobei der erste Rezeptor oder Ligand und der zweite Rezeptor oder Ligand in der Lage sind, an einen dritten Rezeptor oder einen dritten Liganden in einer Lösung zu binden derart, dass der dritte Rezeptor oder Ligand gleichzeitig sowohl an den ersten Rezeptor oder Liganden als auch an den zweiten Rezeptor oder Liganden bindet; ii) Messen einer Kraftkonstante von Resonanzbewegung des ersten Resonators (16) und iii) Bestimmen, ob ein Bindungsereignis zwischen dem dritten Rezeptor oder Liganden und sowohl dem ersten als auch dem zweiten Rezeptor bzw. Liganden aufgetreten ist derart, dass der erste Resonator (16) an das Substrat (28) oder an den zweiten Resonator gebunden wird, basierend darauf, ob eine Änderung bei der Kraftkonstante von Resonanzbewegung des ersten Resonators (16) gemessen worden ist.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei der Detektor (18) eine piezoresistive Detektorschicht, die sich auf dem Resonator (16) befindet, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26 oder Anspruch 27, wobei das Substrat (28) in dem Reservoir (12) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-28, wobei der wenigstens eine erste Resonator (16) mit einem Liganden biofunktionalisiert ist und das Substrat (28) mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-28, wobei der wenigstens eine erste Resonator (16) mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist und das Substrat (28) mit einem Liganden biofunktionalisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-30, wobei der zweite Resonator in dem Reservoir (12) angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der wenigstens eine erste Resonator mit einem Liganden biofunktionalisiert ist und der zweite Resonator mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist.
Verfahren nach Anspruch 31, wobei der wenigstens eine erste Resonator mit einem Rezeptor biofunktionalisiert ist und der zweite Resonator mit einem Liganden biofunktionalisiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26-33, welches des Weiteren ein Antriebselement, welches in der Lage ist, den ersten Resonator (16) mit einer gewählten Frequenz zu verschieben, umfasst.
Verfahren nach Anspruch 28, wobei: der wenigstens eine erste Resonator mit einem ersten Rezeptor biofunktionalisiert ist, das Substrat mit einem zweiten Rezeptor biofunktionalisiert ist; und der erste Rezeptor und der zweite Rezeptor in der Lage sind, an einen dritten Liganden in einer Lösung zu binden derart, dass der dritte Ligand gleichzeitig sowohl an den ersten Rezeptor als auch an den zweiten Rezeptor bindet.