JP2003315292A - 化学反応を検知するためのナノ熱量計 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 化学反応の間に放出又は吸収される熱を測定
する。 【解決手段】 化学反応を検知するためのナノ熱量計ア
レイであって、ナノ熱量計アレイが、基板と、基板上に
ある１つより少ない熱隔離領域であって基準領域及び測
定領域を備える熱隔離領域と、熱隔離領域の各々内にあ
る１つより少ない熱平衡領域と、熱平衡領域の各々内に
ある１つより少ない熱測定装置と、を備え、熱測定装置
が検知電子機器に連結されている、ことを特徴とするナ
ノ熱量計アレイ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般的に、改良さ
れたナノ熱量計に関し、より具体的には、化学反応の間
に放出又は吸収される熱を測定する、改良されたナノ熱
量計のためのシステム及び方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】熱量測定（calorimetry：カロリメト
リ）は、特定の標本に対して発生し得る、反応，位相変
化，分子構造における変化，温度変動，及び興味の対象
である他の変動に起因するエンタルピー的変化を含むエ
ンタルピー的変化(enthalpic changes)を測定するため
に用いられる。一続きの状態に亘るエンタルピー的変化
を測定することによって、他の熱力学的変動が削減され
得る。例えば、温度の関数としてのエンタルピーの測定
は、標本の熱容量を明らかにし、反応要素の滴定は、反
応に対する拘束定数(binding constant)及び有効化学量
論を削減するために使用され得る。熱量測定は、例えば
薬学(薬の発見，分解反応，結晶化測定)，生物学(セル
代謝，薬の相互反応，発酵，光合成)，触媒(生物学的，
組織的，あるいは非組織的)，電気化学反応(バッテリあ
るいは燃料電池内のもののような)，ポリマー合成及び
特性化(characterization)を含む、広い範囲の応用にお
いて有用である。一般的に、熱量測定は、化学工程の監
視に加えて、多くのタイプの新規の化学物質及び材料の
発見と開発において有用である。標準熱量測定は、比較
的多いサンプル(一般的に約0.5ｍｌから10リッター)を
必要とし、通常、一度に１つのサンプルを測定する。こ
のような訳で、これらのシステムは、貴重な、あるいは
高度反応性のある材料に対して所望され得る、非常に少
ないサンプルを測定するために使用され得ない。更に、
標準カロリーメータは、多数の小さいサンプルサイズの
反応を並行して監視する(これは、組合せ化学技術(comb
inatorialchemistry techniques)を用いて研究を遂行す
るために必要とされる)ためには効果的に使用出来な
い。

【０００３】最近、研究者及び企業は、新規の化合物,
材料,及び化学物質を発見し、開発するための組合せ(co
mbinatorial)方法及び技術に目を向けてきた。例えば、
薬学研究者は、薬の発見のための、新規の化合物のリソ
ースとして、組合せライブラリに目を向けてきている。
他の例として、Symyx technologies（登録商標）は、組
合せ技術を生命科学、化学、及び電子産業における物質
発見に適用している。引き続き、多数の小さいサンプル
の反応及び相互作用を並行して測定できるツール(これ
は、組合せ発見技術の要望に適合する)に対する要望が
存在する。好ましくは、ユーザはこれらのツールが、安
価な測定を可能とし、汚染(contamination)及び相互汚
染(cross contamination)を最小化するように要望す
る。

【０００４】いくつかの場合に、調査されるべきサンプ
ルは貴重であり、１つの測定だけを実行するために、標
準マイクロカロリーメータによって要求される比較的大
量の材料を使用することについて許容可能でないかもし
れない。例えば、生物的相互作用のために、天然の抽出
物あるいは合成化合物を研究することが所望されるかも
しれないが、いくつかの場合には、カロリメトリーのた
めに十分大きい濃度において、利用可能な材料の量は、
数ミリリッターより少ないかもしれない。例えばMicroC
al（登録商標）によるもののような、販売されているよ
うな、標準マイクロ・カロリーメータでの測定の実行
は、約1ｍｌのサンプルを必要とする。これは、１つあ
るいは少ない回数の測定のために、貴重な材料の大部分
あるいは全てを使用することに直面することとなり得る
ことを意味する。より少ないサンプルサイズでの、熱量
測定を可能とするツールは、この限定を克服するために
有用である。

【０００５】現在までに組合せ技術(combinatorial tec
hniques)の、最も人気のある使用用途の１つは、薬の研
究であった。薬の研究者は、薬の発見のために、新規の
先導的化合物のリソースとして、組合せライブラリに目
を向けてきた。組合せライブラリは、試薬としての多く
の化学的”構築ブロック”を結合することによる、化学
合成か生物学的合成かのいずれかによって生成された化
学化合物の集合である。例えば、組合せポリペプチド・
ライブラリは、所定の化合物長さ(即ち、ポリペプチド
化合物でのアミノ酸の数)のための、全てのあり得る方
法において、アミノ酸の組を組合せることによって形成
される。膨大な化学化合物が、そのような、化学構築ブ
ロックの組合せ混合を通じて理論的には合成され得る。

【０００６】一旦ライブラリが構築されると、それは、
いくつかの種類の生物学的あるいは薬学的機能を持つ化
合物を特定する(identify)ためにスクリーニングされね
ばならない。例えば、スクリーニングは、既知の生物学
的経路(pathway)に関係する(participates)、あるいは
いくつかのレギュレーション・ファンクション(regulat
ion function)に関係される、特定の生物学的化合物(し
ばしば、ターゲットと呼ばれる)で為され得る。ターゲ
ットと反応することが発見されたライブラリ化合物は、
ターゲットの生物学的滑動に影響を与えるための候補で
あり、よって、治療上のエージェントのための候補であ
る。

【０００７】長年を通じて薬産業は、薬の候補を発見す
るために、より多く、高いスループットの、化学化合物
のライブラリのスクリーニング(ＨＴＳ：high throughp
ut screening)に依存してきた。ＨＴＳは、同時にある
いは同じに近い状態で、生物的機能について大量の試験
化合物がスクリーニングされるように、多くの別個の化
合物が並行して試験されるような方法を説明する。現
在、最も広く確立されている技術は、96ウェル・マイク
ロタイマ・プレートを用いる。この様式で、96の独立の
試験が、１つの８ｃｍ×１２ｃｍのプラスチックプレー
ト(96の反応ウェルを含む)の上で同時に実行される。こ
れらのウェル(wells)は一般的に、50から500マイクロリ
ッターまでの範囲のアッセイ体積(assay volume)を必要
とする。96ウェルフォーマットを広い範囲の均一及び異
質なアッセイ(assays)に適合させるために、プレートに
加えて、多くの道具，材料，ピペット(pipettors)，ロ
ボット，プレート洗浄機，及びプレートリーダが商業的
に入手可能である。最近、マイクロリッター・プレート
のアプローチが、384及び1536ウェル・フォーマットに
拡張された。

【０００８】先導化合物(leading compounds)のため
に、組合せライブラリをスクリーニングするために、種
々の測定アプローチが使用されてきた。その１つがイン
ヒビタ・アッセイ(inhibitor assay)である。インヒビ
タ・アッセイにおいて、ターゲット蛋白分子と結合す
る、マーカ・リガンド(marker ligand)(しばしば、生物
学的経路(pathway)内の天然リガンドである)が、識別さ
れる(identified)。アッセイは、蛍光分子がやり方(そ
のやり方においてマーカー・リガンドがターゲット蛋白
と反応する)に影響を与えないように、蛍光分子の、こ
のマーカー・リガンドへの化学的付着(chemical attach
ment)を要求する。インヒビタ・アッセイを作動させる
ために、ターゲット蛋白は、マイクロタイマ・ウェル(m
icrotitre wells)内のテスト・リガンドに暴露される。
テスト・リガンドのターゲット蛋白への反応のために必
要な時間の後に、マーカー・リガンドが与えられる(app
lied)。マーカー・リガンドについての反応のための時
間の後に、非反応マーカー・リガンドが洗い流されるよ
うに、ウェルは洗浄される。ターゲット蛋白とテスト・
リガンドが反応するウェルにおいて、テスト・リガンド
は、マーカー・リガンドが反応できないように、ターゲ
ット蛋白の活性の位置をブロックし、洗い流される一
方、ターゲット蛋白とテスト・リガンドが反応していな
いセル内において、マーカーリガンドは、ターゲット蛋
白と反応し、洗い流される。洗浄後に、蛍光の存在のた
めのウェルを調査することによって、テスト・リガンド
とターゲット蛋白の反応は、蛍光が観察されないウェル
で起こったとして決定され得る(can be determined)。

【０００９】しかし、インヒビタ・アッセイは、アッセ
イの開発のために時間と出費を必要とする。開発する必
要がある主要要素は、ターゲット蛋白との反応に影響を
与えないやり方で、マーカー・リガンドを発見すること
と、蛍光をマーカーに付着することである。一旦マーカ
ー・リガンドが識別されると、蛍光マーカーを付着させ
ることには、開発にしばしば3ヶ月以上かかり、２５０,
０００ドル以上のコストがかかる。そのようなアッセイ
開発を避ける、アッセイ方法(例えばカロリメトリによ
る反応熱の測定)は、発見工程におけるこのコストと時
間遅延を減少させる。

【００１０】熱量測定は、エネルギー変化を媒体におけ
る生化学反応の兆候として求めるために、生物理学的及
び生化学的研究において普通に用いられる。測定につい
ての従来の技術は、電極、サーモパイル、光学技術、及
びサンプル化された媒体内の測定のためのマイクロ熱量
計を用いることを含む。マイクロ熱量計上で又は該熱量
計に極めて近接した位置での生化学反応の測定のため
に、必要なサンプル採取される媒体の量が極めて少な
く、かつ、多くの反応を迅速に測定する方法に適用で
き、一日に１００，０００個にも及ぶ検査配位子をスク
リーンするためにＨＴＳにおいて用いることができる反
応抑制分析のような分析と同程度に効率的になることが
できる超小型のマイクロ熱量計装置を開発することに多
大な関心がある。

【００１１】特許文献１において、サンプルと参照セ
ル，セルを囲む熱シールド，熱的に熱シールドとセルに
結合された加熱素子，温度監視システム，及び制御シス
テム，を含む、差分カロリーメータ（differential cal
orimeter）が開示される。温度監視システムは、シール
ドの温度，セル温度，及びセルとシールドとの間の温度
差，を監視する。制御システムは、ユーザインターフェ
ースの手段によって選択されるゲイン設定と走査率を伴
って、加熱素子の制御のための出力信号を生成する。出
力制御は、メモリに記憶されたマッピング関数を用い
て、入力温度信号及びユーザ選択走査率の関数であるこ
とに加えて、入力温度信号及びユーザ選択ゲイン設定の
関数である。

【００１２】特許文献２において、シリコンチップの上
に形成された差分走査マイクロカロリーメータが、顕微
鏡的走査による微小サンプル及び薄膜のカロリメトリ測
定を可能とする。標準ＣＭＯＳプロセスを用いて製造さ
れたチップは、参照ゾーン及びサンプルゾーンを含む。
参照及びサンプルゾーンは、懸架されたプラットフォー
ムの両端に存在し得るか、あるいは、別個のプラットフ
ォームに存在し得る。各ゾーンは、統合されたポリシル
コン・ヒータで加熱される。サーモパイルは、参照とサ
ンプルゾーンとの間の温度差を表す電圧を生成する連続
する熱接合からなる。

【００１３】特許文献３において、カロリーメータ・セ
ンサ装置は、化学的及び生物化学的反応に曝される生物
分子を含むサンプル内の熱変化を検知するためのマイク
ロカンチレバーバネ要素を利用する。バネ要素は、マイ
クロカンチレバーの少なくとも１つの表面の上の被覆さ
れた領域上の化学物質の生物材料層を含む。化学物質
は、被覆領域上に配置されたサンプル内の化学反応の熱
に起因する、サンプル内の検体あるいは生物分子との化
学物質の反応に応じて、表面に亘って差分熱ストレスを
生成する。バネ要素表面に亘る熱ストレスは、マイクロ
カンチレバーの機械的曲げを生成する。バネ要素は、被
覆された領域の上，あるいはその近傍に配置されたサン
プル内での化学的及び生物化学的反応に関連した熱移転
の検知と測定を可能とするために、低熱容量を持つ。カ
ンチレバーのたわみは、種々の検知技術によって検知さ
れる。

【００１４】特許文献４においては、マイクロカロリー
メータは、環境チャンバ内でフレームに固定された薄い
アモルファス膜を含む。温度計とヒータは、膜の中央部
分の上に置かれた熱伝導層の片側の上に配置される。サ
ンプルは、２つの、そのような膜の上に配置される。各
サンプルは加熱され、その個々の熱容量が決定される。
サンプルは次に、２つのマイクロカロリーメータを一緒
にサンドイッチして、結合反応の発生を引き起こすこと
によって混合される。反応中に開放された熱の総量は、
結合のエンタルピーを決定するために測定される。

【００１５】

【特許文献１】米国特許第5,967,659号公報

【特許文献２】米国特許第6,079,873号公報

【特許文献３】米国特許第6,096,559号公報

【特許文献４】米国特許第6,193,413号公報

【００１６】

【課題を解決するための手段】簡単に述べると、本発明
の１つの態様により、化学反応を検知するためのナノ熱
量計アレイ（nanocaloriemeter array）が開示される。
ナノ熱量計アレイは、基板上に少なくとも１つの熱隔離
領域を含む。熱隔離領域の各々は少なくとも１つの熱平
衡領域を含み、該熱平衡領域内には、検知電子機器に連
結される熱測定装置がある。

【００１７】本発明の別の態様によると、ナノ熱量計の
使用を通して低濃度で化学反応を検知するための方法が
開示される。潜在的に反応性の化学溶液の液滴がナノ熱
量計の熱平衡領域内に置かれ、次いで液滴が合体され
る。合体した液滴の中で生じる熱変化が測定され、熱変
化を生じさせる化学溶液が識別される。

【００１８】

【発明の実施の形態】ここで用いられる「配位子（リガ
ンド：ligand）」という用語は、対象分子を結合する作
用物質を意味する。対象分子が対象蛋白質である場合に
おいて、作用物質は、対象蛋白質が未変性構造にあると
き、又は該蛋白質が部分的に又は全面的に広げられるか
又は変性されたときに、該蛋白質を結合することができ
る。本発明によると、配位子は、例えば、酵素の活性部
位、抗体の抗原結合部位、受容体のホルモン結合部位、
補因子結合部位などのような、対象蛋白質の認識された
機能領域を結合する作用物質に限定されるものではな
い。本発明を実行する場合において、配位子は、さら
に、表面又は内部シーケンス、又は対象蛋白質の配座ド
メインのいずれも結合する作用物質とすることができ
る。したがって、本発明の配位子は、本質的に、上述の
方法における対象蛋白質に結合する能力を超えた、明ら
かな生物学的機能は有さない作用物質を包含する。

【００１９】ここで用いられるように「検査配位子（te
st ligand）」という用語は、対象分子を結合するため
の能力を検査されている化合物、分子又は錯体からなる
作用物質を意味する。検査配位子は、限定されるもので
はないが、金属、ペプチド、蛋白質、脂質、多糖類、核
酸、小さな有機分子、及びその組み合わせを含む、事実
上あらゆる作用物質とすることができる。１つより少な
い検査配位子を含むことができる天然物の抽出物のよう
な物質の複雑な混合物も検査することができ、対象分子
を結合する成分は、後続するステップにおいて混合物か
ら精製することができる。

【００２０】ここで用いられる「対象蛋白質（target p
rotein）」という用語は、配位子であるのか又は結合し
ているパートナーであるのかの識別が所望される、ペプ
チド、蛋白質又は蛋白質の錯体を意味する。対象蛋白質
は、限定されるものではないが、ある病気、状態又は病
態生理学状態の病因、又は生理機能の調整に含まれると
知られているか、又は信じられているペプチド又は蛋白
質を含む。対象蛋白質は、脊椎動物、特に哺乳類、さら
に具体的にはヒトのような生体のいずれかから抽出する
ことができる。本発明における使用のために、蛋白質の
生化学的な機能を特に識別する必要はない。対象蛋白質
は、限定されるものではないが、受容体、酵素、癌遺伝
子産物、腫瘍遺伝子産物、不可欠な蛋白質、及び転写調
節因子を含み、精製された形状であるか、又は蛋白質及
び他の化合物の複雑な混合の一部のいずれかである。さ
らに、対象蛋白質は、野生型蛋白質からなり、或いは、
改変された安定性、活性又は他の異なる特性を含む変異
又は変型蛋白質、又は例えば、精製を助けるシーケンス
のような異質アミノ酸が加えられた混成蛋白質からなる
ことができる。

【００２１】ここで用いられる「検査組み合わせ（test
combination）」は、検査配位子と対象蛋白質との組み
合わせを意味する。「制御組み合わせ」は、検査配位子
がない対象蛋白質を意味する。

【００２２】ここで用いられる「スクリーニング（scre
ening）」は、様々な分子又は化合物の、対象分子を結
合するための能力を検査することを意味する。

【００２３】ここで用いられるように、「リード分子
（lead molecule）」という用語は、対象分子について
比較的高い親和力を示す、組み合わせライブラリからの
分子又は化合物を意味する。高い親和力は、本発明によ
って、化学反応において放出された熱を通して検知され
る。「リード化合物」及び「リード分子」という用語
は、同意語である。

【００２４】ここで用いられる「対象分子（target mol
ecule）」は、ペプチド、蛋白質、核酸及び他の受容体
を包含する用語である。この用語は、酵素及び酵素では
ない蛋白質の両方を包含する。この用語は、単量体及び
多重体蛋白質を包含する。多重体蛋白質は、ホモ多量体
又はヘテロ多量体とすることができる。この用語は、オ
リゴヌクレオチドのような少なくとも２つのヌクレオチ
ドからなる核酸を包含する。核酸は、一本鎖であること
も、二本鎖であることも、三本鎖であることもできる。
この用語は、合成オレゴヌクレオチド、組み換えＤＮＡ
分子の一部、又は染色体ＤＮＡの一部である核酸を包含
する。対象分子という用語は、さらに、折りたたみ二重
構造、三重構造又は四重構造のペプチドの部分を包含
し、置換基は、限定されるものではないが、コファクタ
ー、補酵素、補欠分子団、脂質、オリゴ糖、又はリン酸
基を含む。

【００２５】ここで用いられる「分子（molecule）」と
いう用語は、対象分子についての結合親和力を検査され
る化合物を意味する。この用語は、限定されるものでは
ないが、核酸及びペプチドを含む、あらゆる構造の化学
的化合物を包含する。より具体的には、「分子」という
用語は、化合物又は組み合わせライブラリにおける化合
物を包含する。「分子」及び「配位子」という用語は、
同意語である。

【００２６】ここで用いられる「熱変化（thermal chan
ge）」という用語は、熱の形におけるエネルギーの放出
又は熱の形におけるエネルギーの吸収を包含する。

【００２７】ここで用いられる「対象分子に接触する
（contacting a target molecule）」という用語は、広
い意味で、対象分子を結合のためにスクリーンされるべ
き分子と共に溶液内に置くことを意味する。より狭義に
は、接触するというのは、対象分子の溶液と、結合のた
めにスクリーンされるべき分子とを回転させ、旋回さ
せ、揺すり、又は振動させることを意味する。より具体
的には、接触するというのは、対象分子を結合のために
検査されるべき分子と混合することを意味する。混合
は、例えば、ピペットの先端を通して繰り返される取り
込み及び排出によって、又は、ロボット手段による配置
によって達成することができる。好ましくは、接触する
というのは、対象分子と結合のために検査されるべき分
子との間の結合の平衡を意味する。

【００２８】ここで用いられる「生化学的条件（bioche
mical conditions）」という用語は、成分、熱力学的特
性、又は物理反応、化学反応又は生化学反応の力学的特
性のいずれも包含する。特に、この用語は、温度、圧
力、蛋白質濃度、ｐＨ、イオン強度、塩分濃度、時間、
電流、電位差、及び補因子、補酵素、酸化剤、還元剤、
洗剤、金属イオン、配位子、緩衝成分、ＤＭＳＯ（ジメ
チルスルホキシド）、グリセロールを含む共溶媒、及び
関連する化合物、エンハンサー、及び抑制剤の条件を意
味する。

【００２９】本発明は、反応、位相変化、分子配座にお
ける変化などから生じるエンタルピー変化のような、エ
ンタルピー変化の測定を可能にするナノ熱量計及び、ナ
ノ熱量計アレイを包含する。さらに、本発明は、組み合
わせ方法、及び、新しい化合物、材料、化学物質、及び
化学処理の検討、発見及び開発、並びに、化合物又は材
料の高速大量処理監視、又は化合物又は材料を合成又は
修正するために用いられる処理の高速大量処理監視にお
いてナノ熱量計を用いる高速大量処理スクリーニング方
法を包含する。本発明はさらに、上の方法によって識別
された化合物又は材料、及びその治療的用途（診断、予
防又は治療目的のため）、精製及び分離方法における用
途、及びその新規な物理特性又は化学特性に関する用途
に関する。ここでの目的のために、ナノ熱量計は、ナノ
熱量の範囲における熱反応を測定することができる装置
を意味する。

【００３０】一例として、本発明は、対象蛋白質を結合
する配位子を識別するための高速大量処理スクリーニン
グ方法を包含する。検査配位子が結合する対象蛋白質が
病気又は状態に関連するか、又はその原因である場合、
該配位子は、該病気又は状態を診断、予防又は治療する
ために有益なものとすることができる。本方法によって
識別された配位子は、さらに、結果的に対象蛋白質を混
合物から精製又は分離する方法のような精製又は分離方
法において用いられるものの１つとすることができる。
本発明は、さらに、本方法によって識別された配位子、
及びそれらの治療用途（診断、予防又は治療目的のた
め）、及び精製及び分離方法における用途に関する。

【００３１】本発明の重要な特徴は、生物活動又は機能
と親密に関与しているシーケンス又はドメインだけでな
く、対象蛋白質のあらゆるシーケンス又はドメインに結
合するいずれの化合物も検知することである。結合して
いるシーケンス、領域又はドメインは、対象蛋白質が折
りたたまれた状態のときにその表面上に存在するか、又
は該蛋白質の内部に埋められていることがある。幾つか
の結合部位は、蛋白質が部分的又は全面的に広げられた
ときだけ、結合している配位子に近づくことができる。

【００３２】本発明の実行において、検査配位子が対象
蛋白質と組み合わされ、その混合物は、適切な条件の下
で、検査配位子が対象蛋白質に結合することを可能にす
るのに十分な時間だけ維持される。実験条件は、各々の
対象蛋白質について経験的に求められる。多くの検査配
位子を検査するとき、培養条件は、通常、ほとんどの配
位子と対象蛋白質との相互作用が完了まで進むと予想さ
れるように選択される。高速大量処理スクリーニングの
適用例において、検査配位子は、通常、対象蛋白質に対
してモル過剰で存在する。対象蛋白質は、可溶形態であ
ることができ、或いは、固相マトリクスに結合されたも
のとすることができる。マトリクスは、限定されるもの
ではないが、ビーズ、薄膜フィルタ、樹脂表面又は他の
適当な固体の支持体をからなることができる。

【００３３】所定の蛋白質に結合することは、その蛋白
質の活動を直接修正することが意図される薬の前提条件
である。したがって、検査配位子が、本方法の用途によ
り、ある状態の病因を反映するか又は該病因に影響を与
える蛋白質を結合するものであると判明した場合には、
それは、検査配位子が、蛋白質の機能を改変し、効果的
な薬となるか又はそうした薬の開発のためのリード化合
物となる潜在的な能力をもつことを示すものとなる。或
いは、配位子は、蛋白質の機能を改変する潜在力を有す
る付加的な成分を含む混成化合物の構成のための基盤と
して働くことができる。例えば、関連する酵素の系列の
活動を抑制する既知の化合物は、本発明の方法によって
識別された配位子に対して該既知の化合物を接合するこ
とによって、該系列の１つのメンバに対して特有のもの
とすることができ、該既知の化合物によって認識されて
いない別の部位で特にそのメンバに結合するものとする
ことができる。

【００３４】本方法が、ほとんどの蛋白質に共通する物
理化学的性質に基づくという事実は、幅広い用途を与え
る。本発明は、何千もの検査配位子の費用効果のあるス
クリーニングを可能にする、大規模な系統的な高速大量
処理手順に適用することができる。本発明の方法によっ
て配位子が識別されると、それは用いられた特定の対象
蛋白質特有の既知の方法を用いて、より詳細にさらに分
析することができる。さらに、配位子は、対象蛋白質の
既知の生物活動に正又は負のいずれかで影響を与える能
力について検査することができる。

【００３５】図１を参照すると、本発明によるナノ熱量
計アレイの一部である検知器１００の１つの実施形態の
平面図が示される。この例示的な実施形態は、蛋白質
と、水と配位子とが組み合わされた液滴を装置に対して
受動的に熱平衡させることを可能にし、結果として生じ
る温度変化を温度感知装置を用いて検知することができ
る。測定領域は十分に小さく維持され、十分に熱伝導性
であるように、アルミニウム又は銅のような熱伝導層に
よって製造されているため、受動的平衡のための時間は
小さくすることができる。適当な温度計部品は、薄いフ
ィルム材料をベースとしており、限定されるものではな
いが、抵抗温度計、サーモパイル、及び表面弾性波装置
（ＳＡＷ）を含むものである。好ましい実施形態は、例
えば、アモルファスシリコン、酸化バナジウム、及び、
イットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高
い温度抵抗係数をもつ、薄いフィルム材料から作られた
抵抗温度計をベースとするものである。

【００３６】ナノ熱量計１００は、測定領域１６０及び
基準領域１７０を備える熱隔離層１１０を含む。領域１
６０及び１７０は、さらに、以下に述べられるように、
別々の隔離領域内に収めることができる。熱隔離領域１
１０は、周囲の熱的環境からの隔離を与え、したがっ
て、測定時間を増やし、熱雑音を減らすものである。層
１１０は、この例示的な実施形態において、ナノ熱量計
１００の反応及び温度感知構成部品を熱的に隔離するよ
うに用いられるが、これらの構成部品を熱的に隔離する
ためのいずれの手段も、本発明の代替的な実施形態にお
いて用いることができる。

【００３７】この例示的な実施形態において、熱隔離層
１１０は、薄いホイル形状（典型的には、本実施形態に
ついては、１５ミクロン以下からおおよそ２５ミクロン
までの範囲の厚さであり、幾つかの適用例については、
２ミクロンの薄さ及び５００ミクロンの厚さとすること
ができる）の樹脂材料から構成することができる。候補
となる樹脂材料は、ポリイミド（例えばＤｕｐｏｎｔ
Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）その他）、ポリエステル（例
えば、Ｄｕｐｏｎｔ Ｍｙｌａｒ（登録商標））、ポリ
エーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥＫ）、又はポリフ
ェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）を含む。或いは、実
施形態において、熱隔離領域は、ＳｉＮ及び同等の材料
のような十分に低い熱伝導性をもつ他の薄い膜から構成
される。

【００３８】測定領域１６０及び基準領域１７０はそれ
ぞれ熱平衡領域１２０及び１２５を含み、これら領域
は、検知器の機械的支持部から熱的に隔離されている。
この例示的な実施形態において、熱平衡領域１２０は、
反応温度を測定する２つの抵抗温度計１４０を含み、熱
平衡領域１２５は、背景温度の変化を測定する２つの温
度計１４０の第２の組を含む。抵抗温度計は、限定され
るものではないが、薄いフィルムの石版パターン加工、
超小型電子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチ
ング、蒸着を含む）、及び印刷回路板加工技術を実施形
態として含む標準的な加工技術を用いて、熱平衡領域１
２０内に置かれる。両方の熱平衡領域１２０及び１２５
は、直接印刷によって配置された蛋白質及び配位子の別
々の液滴の分離を受け、かつ支持するのに十分大きく、
さらに、例示的な液滴合体装置１３０によってトリガさ
れた合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持す
るのに十分大きい。例えば、４００ｎＬの最終液滴の大
きさについて、測定領域及び基準領域を含む検知器は、
縦３．７ｍｍ、横４．６ｍｍとすることができる。各々
の熱平衡領域１２０及び１２５は、該領域について、熱
放散に対比して迅速に平衡を達成するのに十分な熱伝導
性を有する。これらの領域は、反応熱が支持体にほとん
ど吸収されないように、十分に低い熱容量を有する。低
い熱容量で高い熱伝導率は、例えば、熱平衡領域の範囲
上に、厚さが１０μｍのアルミニウム又は銅フィルムの
ような金属フィルムを設けることによって達成すること
ができる。この例において、４００ｎＬの液滴及び厚さ
が１０μｍのアルミニウムの場合に、フィルムは反応熱
のおおよそ７％を吸収する。

【００３９】上に示唆したように、熱平衡領域は、反応
によって生じた温度差が放散するのに比較的長い時間が
かかるように、それらの環境から熱的に隔離されていな
くてはならない。この放散時間が長ければ長いほど、信
号を測定中に組み込むことができ、信号雑音比が改良さ
れる。例えば、１０秒の組み込み時間は、０．１Ｈｚ測
定帯域に対応し、１秒の組み込みにわたって信号雑音比
を３．２だけ増やすことになる。熱放散は、支持媒体を
横切る伝導、電気的相互連結を通る伝導、周囲環境及び
蒸発による伝導という、４つの異なるチャネルを通して
生じる。熱隔離媒体１１０を横切る伝導の例についてみ
れば、液滴からの熱伝達率は、該媒体１１０の熱伝導率
に熱が伝導される該媒体１１０の断面積と領域を横切る
温度勾とを乗じたものに等しく、すなわち

【数１】Ｑ＝ΛＡｄＴ／ｄｘ であり、ここで、Λは膜の熱伝導率であり、Ａは熱が伝
導される領域の断面積であり、ｄＴ／ｄｘは熱隔離媒体
１１０を横切る温度勾配である。Ｑ＝ＣｄＴ／ｄｔであ
り、ここでＣは液滴の熱容量であり、これから、

【数２】 となり、ここでｔは時間であり、Ｌは隔離領域１１０の
長さであり、すべての温度は周囲環境の温度に対するも
のであり、ｄＴ／ｄｘ＝Ｔ／Ｌと近似する。熱放散につ
いての時定数τは、したがって、

【数３】τ＝ＣＬ／ΛＡ である。

【００４０】したがって、時定数は、液滴の熱容量の増
加に従って増加し、熱伝導率の増加に従って減少する。
液滴の熱容量は液滴の大きさが増加するに従って増加す
るが、液滴の大きさを増加することは、検知器アレイ上
における検知器密度を減少させ、該液滴についての熱平
衡時間を増加させ、貴重な材料を使用することになる。
アレイ密度がより低いということは、所定の検知器数に
ついておえば、アレイの大きさが大きくなることを意味
する。

【００４１】例示的な実施形態において、合体後の組み
合わされた液滴についての液滴の大きさは、４００ｎＬ
である。この液滴の大きさについて、例示的な実施形態
における異なる放散チャネルに関連する時定数の予測が
以下の表に示される。

【００４２】

【表１】

【００４３】表の目的のために、熱隔離層は厚さ７μｍ
の樹脂であり、各々の熱平衡領域について１１個の厚さ
０．１μｍの相互連結リードがある。上述したように、
この例示的な実施例における熱隔離層は、薄いホイル形
状（典型的には、本実施形態においては、１５ミクロン
以下からおおよそ２５ミクロンの範囲の厚さであり、幾
つかの適用例においては、２ミクロンの薄さ及び５００
ミクロンの厚さとすることがある）の樹脂材料で製造
し、それによって、熱隔離層を横切る伝導についての上
記の時定数が、測定帯域と比較して大きくなることを確
実にする。樹脂材料の候補の例は、ポリイミド（例えば
Ｄｕｐｏｎｔ Ｋａｐｔｏｎ（登録商標）その他）、ポ
リエステル（例えば、Ｄｕｐｏｎｔ Ｍｙｌａｒ（登録
商標））、ポリエーテル・エーテル・ケトン（ＰＥＥ
Ｋ）、又はポリフェニレン・サルファイド（ＰＰＳ）、
ポリエチレン、又はポリプロプレンを含む。例示的な実
施形態において、同じ材料がさらに、抵抗温度計を含む
熱平衡領域に対する支持体として用いられる。

【００４４】例示的な実施形態において、同じ材料を支
持体及び抵抗温度計を含む熱平衡のために用いることが
できる。したがって、基板ポリマーを選択する場合の１
つの重要な考慮事項は、特定の実施形態において後で温
度計、伝導体、絶縁フィルムを付着形成し、処理するの
に必要な最高温度である。一例として、アモルファスシ
リコンの温度計材料の付着形成に必要な温度は、典型的
には、１７０℃ないし２５０℃の範囲である。これは、
高い軟化温度をもつ基板ポリマーの選択を必要とする。
これらのポリマーは、限定されるものではないが、ポリ
イミド（ＰＩ）、ポリエーテル・エーテル・ケトン（Ｐ
ＥＥＫ）、又はポリフェニレン・サルファイド（ＰＰ
Ｓ）を含む。逆に、酸化バナジウムの温度計材料の付着
形成は、これより大幅に低い温度で行うことができる。
これは、ポリエステル（Ｄｕｐｏｎｔ Ｍｙｌａｒ（登
録商標））のようなより低い軟化点をもつ基板ポリマー
の選択を可能にする。

【００４５】これらの樹脂基板は、大きな検知器アレイ
を生産することができて低費用の製造を可能にし、これ
は多くの反応について、迅速かつ費用効果のある検査を
可能にする。本発明は、例えば、９６、３８４、１５３
６及びそれ以上の検知器アレイの大きさを予定する。低
費用の検知器アレイは、さらに、一度用いられると処分
され、時間のかかる洗浄段階を排除し、相互汚染の問題
を減らす。

【００４６】別の熱的な考慮事項は、液滴が検知器に置
かれた後、該液滴が該検知器と平衡するための該液滴に
ついての特性時間である。これは、液滴を通る熱の伝導
についての特性時間ｔ₁及び検知器の特性的な伝導時間
ｔ₂である。例示的な実施形態において、検知器を通る
熱伝導を増加させるためにアルミニウムのフィルムが用
いられる。特性時間ｔ₁の予測は、

【数４】ｔ₁＝０．４４Ｒ²／α＝０．６１秒であり、 ここでＲは液滴の半径で、本例においては４６０μｍで
あり、αは液滴の熱拡散率で、水について０．００１３
ｃｍ²／秒である。薄い樹脂基板においては、検知器を
通る側方伝導についての特性時間は、温度平衡のために
設計の中に組み込まれた金属フィルム、本例においては
アルミニウム片を通る伝導によって支配される。この特
性時間についての予測は、

【数５】ｔ₂＝（ρＣ_pＶ）_dropｘＬ_Al／４Ｒ_dropｘδｘ
ｋ_Al＝０．４４秒であり、 ここでρは液滴の濃度で、本例においては１グラム／立
方ｃｍであり、Ｃ_ρは比熱で、本例においては１カロリ
ー／グラム℃であり、Ｌ_Alは一方の液滴から他方の液滴
までの、アルミニウム片に沿った伝導経路の長さで、本
例においては２．５Ｒ_dropであり、δはアルミニウム片
の厚さで、本例においては１０μｍであり、ｋ_Alはアル
ミニウムの熱伝導率で０．５７カロリー／Ｃ−Ｃｍ−秒
である。アルミニウムの厚さは、検知器の熱容量に著し
く増加させることなく、十分な熱伝導を与えるように選
択される。検知器の熱容量は、反応から生じる温度変化
の減衰を最小にするために、液滴における反応から放出
された熱の吸収を最小にするように、十分に低くされな
くてはならない。

【００４７】各々の熱平衡領域１２０及び１２５は、温
度計１４０及び液滴合体電極１３０を含む。ここでの目
的のために、温度計１４０は、各々の熱平衡領域１２０
及び１２５において中央に寄せて位置させられた液滴合
体電極１３０から間隔を置いて示されるが、この構成は
例示的な手段に過ぎない。液滴合体装置１３０及び温度
計１４０が高電導性フィルムと良好な接触状態にあるな
らば、該温度計１４０及び該液滴合体装置１３０の正確
な位置決めは、熱的な考慮事項のためには重要ではな
い。

【００４８】作動において、熱平衡領域１２０に位置し
ている２つの抵抗温度計１４０は、熱平衡領域１２０内
に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反
応熱を検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路
として構成された温度計の抵抗変化による、該ブリッジ
回路における電圧変化の測定により検知される。熱平衡
領域１２０における抵抗温度計１４０は、検査配位子と
蛋白質との間の反応を検知し、熱平衡領域１２５におけ
る他の抵抗温度計１４５は、基準として働く。反応によ
る温度上昇が、例えば、１μｍの蛋白質及び配位子の濃
度についておおよそ１０μ℃であり、反応熱が１０⁴カ
ロリー／モルというように小さいため、抵抗温度計１４
０は、小さな温度変化のもとで大きな抵抗変化をもたら
す材料から製造される。

【００４９】この例示的な実施形態において、抵抗温度
計１４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及
びイットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような
高い温度の抵抗係数をもつ材料から製造される。同様の
反応しない溶液（例えば、水、又は水とＤＭＳＯの混合
物）と対象蛋白質の小さな液滴、すなわち制御組み合わ
せが、互いに近接して熱平衡領域１２５に置かれる。抵
抗温度計１４０は、ＡＣ発電機１８０及びアース１９０
によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下に
より詳細に説明される。液滴が熱平衡に到達してから特
定の時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させ
られて反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つ
の液滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で
生成する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放
出された熱は、基準温度計に対して、影響された温度計
の抵抗変化の原因となる。この抵抗変化は、検知点での
電圧を０から変化させる原因となる。この変化は、感度
の良い、ロックイン増幅器のような雑音を拒否する回路
によって検知される。

【００５０】ここで図２を参照すると、本発明の別の例
示的な実施形態が示される。この例示的な実施形態にお
いて、ナノ熱量計２００は、熱平衡領域２２０を含む熱
隔離層２１０を含む。熱隔離領域２１０は、周囲の熱的
環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増や
し、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態において、
熱平衡領域２２０は、反応温度を測定する１つの抵抗温
度計２４０を含む。抵抗温度計は、実施形態に含まれる
ものとして、限定されるものではないが、薄いフィルム
の石版パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、ス
パッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回
路板加工技術のような標準的な加工技術を用いて、熱平
衡領域２２０に形成される。熱平衡領域２２０は、直接
印刷によって付着された蛋白質及び配位子の液滴を別々
に受け、かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的
な液滴合体装置２３０によってトリガされた合体の後、
これら２つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大き
い。熱平衡領域２２０は、該領域において、熱放散に対
比して迅速な平衡を達成するのに十分な熱伝導性を有す
る。この領域は、さらに、反応熱が支持体にほとんど吸
収されないような、十分に低い熱容量を有する。低い熱
容量で高い熱伝導率は、例えば、厚さが１０μｍのアル
ミニウム、又は銅のフィルムのような金属フィルムによ
って、達成することができる。

【００５１】熱平衡領域２２０は、温度計２４０及び液
滴合体装置２３０を含む。ここでの目的のために、温度
計２４０は、熱平衡領域２２０において中央寄りに位置
させられた液滴合体電極２３０から間隔を置いて示され
るが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装
置２３０及び温度計２４０が高電導性フィルムと良好な
接触状態にあるならば、該温度計２４０及び該液滴合体
装置１３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のため
には重要ではない。

【００５２】作動において、熱平衡領域２２０に位置し
ている抵抗温度計２４０は、熱平衡領域２２０内に置か
れた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を
検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路に構成
された温度計における抵抗変化による、該ブリッジ回路
における電圧変化の測定を通して検知される。熱平衡領
域２２０における抵抗温度計２４０は、検査配位子と蛋
白質との間の反応を検知する。本実施形態においては、
反応による温度上昇が、例えばおおよそ１ｍ℃というよ
うに小さいため、抵抗温度計２４０は、アモルファスシ
リコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バリウム酸
化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数をもつ材料
で作られる。

【００５３】抵抗温度計２４０は、検知電子機器２５０
によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下に
より詳細に説明される。ＡＣブリッジの他の３つの脚部
は、増幅器の印刷回路板上に配置される低い温度係数の
抵抗器で作られる。液滴が熱平衡に到達してから特定の
時間が経過した後、それらは互いの方向に移動させられ
て反応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液
滴の十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で達成
する。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出さ
れた熱は、温度計２４０の抵抗変化の原因となる。この
抵抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因と
なる。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のよ
うな雑音を拒否する回路によって検知される。或いは、
測定されるべき反応が十分な熱を生成した場合は、温度
計の抵抗変化は、直接のＤＣ抵抗測定によって測定する
ことができる。

【００５４】ここで図３を参照すると、本発明の別の例
示的な実施形態が示される。この例示的な実施形態にお
いて、ナノ熱量計３００は、熱平衡領域３２０を含む熱
隔離層３１０を含む。熱隔離領域３１０は、周囲の熱的
環境からの隔離を与え、したがって、測定時間を増や
し、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態において、
熱平衡領域３２０は、反応温度を測定する２つの抵抗温
度計３４０を含む。各々の抵抗温度計は、実施形態に含
まれるものとして、限定されるものではないが、薄いフ
ィルムの石版パターン加工、超小型電子加工技術（例え
ば、スパッタ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び
印刷回路板加工技術のような標準的な加工技術を用い
て、熱平衡領域３２０に形成される。熱平衡領域３２０
は、直接印刷によって付着された蛋白質及び配位子の液
滴を別々に受け、かつ支持するのに十分大きく、さら
に、例示的な液滴合体装置３３０によってトリガされた
合体の後、これら２つの液滴の組み合わせを支持するの
に十分大きい。熱平衡領域３２０は、該領域において、
熱放散に対比して迅速な平衡を達成するために十分な熱
伝導を有する。この領域は、さらに、反応熱が支持体に
ほとんど吸収されないような、十分に低い熱容量を有す
る。低い熱容量をもつ高い熱伝導率は、例えば、厚さが
１０μｍのアルミニウム、又は銅のフィルムのような金
属フィルムによって、達成することができる。

【００５５】熱平衡領域３２０は、温度計３４０及び液
滴合体装置３３０を含む。ここでの目的のために、温度
計３４０は、熱平衡領域３２０において中央寄りに位置
させられた液滴合体電極３３０から間隔を置いて示され
るが、この構成は例示的な手段に過ぎない。液滴合体装
置３３０及び温度計３４０が高電導性フィルムと良好な
接触状態にあるならば、該温度計３４０及び該液滴合体
装置３３０の正確な位置決めは、熱的な考慮事項のため
には重要ではない。

【００５６】作動において、熱平衡領域３２０に位置し
ている抵抗温度計３４０は、熱平衡領域３２０内に置か
れた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間の反応熱を
検知する。本例において、反応熱はブリッジ回路に構成
された温度計における抵抗変化による、該ブリッジ回路
における電圧変化の測定を通して検知される。熱平衡領
域３２０における抵抗温度計３４０は、検査配位子と蛋
白質との間の反応を検知する。反応による温度上昇は、
例えば、１μｍの蛋白質及び配位子の濃度についておお
よそ１０μ℃であり、反応熱が１０⁴カロリー／モルと
いうように小さいため、抵抗温度計１４０は、小さな温
度変化のもとで大きな抵抗変化をもたらす材料から製造
される。この例示的な実施形態において、抵抗温度計３
４０は、アモルファスシリコン、酸化バナジウム及びイ
ットリウム・バリウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い
温度抵抗係数をもつ材料で作られる。

【００５７】抵抗温度計３４０は、検知電子機器３５０
によって表されるＡＣブリッジとして構成され、以下に
より詳細に説明される。ＡＣブリッジの他の２つの脚部
は、増幅器の印刷回路板上に配置される低温係数の抵抗
器で作られる。液滴が熱平衡に到達してから特定の時間
が経過した後、それらは互いの方向に移動させられて反
応を開始する。運動を生じさせる操作が、２つの液滴の
十分な混合を、測定時間に比べて少ない時間で達成す
る。検査混合の蛋白質と配位子の反応によって放出され
た熱は、温度計３４０の抵抗変化の原因となる。この抵
抗変化は、検知点での電圧を０から変化させる原因とな
る。この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のよう
な雑音を拒否する回路によって検知される。或いは、測
定されるべき反応が十分な熱を生成づる場合には、温度
計の抵抗変化は、直列連結された２つの温度計の直接の
ＤＣ抵抗測定によって測定することができる。

【００５８】ここで図４を参照すると、本発明のさらに
別の例示的な実施形態が示される。この例示的な実施形
態において、ナノ熱量計４００は、各々が熱平衡領域を
備える熱隔離層４１０を含む。熱隔離領域４１０は、周
囲の熱的環境からの隔離を与え、したがって、測定時間
を増やし、熱雑音を減らす。この例示的な実施形態にお
いて、熱平衡領域４２０及び４２５は、反応温度を測定
する２つの抵抗温度計４４０を含む。各々の抵抗温度計
は、実施形態に含まれるものとして、限定されるもので
はないが、薄いフィルムの石版パターン加工、超小型電
子加工技術（例えば、スパッタ、化学的エッチング、蒸
発を含む）、及び印刷回路板加工技術のような標準的な
加工技術を用いて、熱平衡領域４２０及び４２５に形成
される。熱平衡領域４２０及び４２５は、直接印刷によ
って付着された蛋白質及び配位子の液滴を別々に受け、
かつ支持するのに十分大きく、さらに、例示的な液滴合
体装置４３０によってトリガされた合体の後、これら２
つの液滴の組み合わせを支持するのに十分大きい。熱平
衡領域４２０及び４２５は、該領域において、熱放散に
対比して迅速な平衡を達成するために十分な熱伝導を有
する。領域は、さらに、反応熱が支持体にほとんど吸収
されないような、十分に低い熱容量を有する。低い熱容
量と高い熱伝導率は、例えば、厚さが１０μｍのアルミ
ニウム、又は銅のフィルムのような金属フィルムによっ
て、達成することができる。

【００５９】熱平衡領域４２０及び４２５は、温度計４
４０及び液滴合体装置４３０を含む。ここでの目的のた
めに、温度計４４０は、熱平衡領域４２０及び４２５に
おいて中央寄りに位置させられた液滴合体電極４３０か
ら間隔を置いて示されるが、この構成は例示的な手段に
過ぎない。液滴合体装置４３０及び温度計４４０が高電
導性フィルムと良好な接触状態にあるならば、該温度計
４４０及び該液滴合体装置４３０の正確な位置決めは、
熱的な考慮事項のために重要ではない。

【００６０】作動において、熱平衡領域４２０及び４２
５に位置している抵抗温度計４４０は、熱平衡領域４２
０内に置かれた低い濃度の任意の蛋白質と配位子との間
の反応熱を検知する。熱平衡領域４２５に位置している
２つの抵抗温度計４４０は、熱平衡領域４２０内に置か
れ合体された液滴の温度を検知する。本例において、反
応熱はブリッジ回路に構成された温度計における抵抗変
化による、該ブリッジ回路における電圧変化の測定を通
して検知される。熱平衡領域４２０における抵抗温度計
４４０は、検査配位子と蛋白質との間の反応を検知し、
熱平衡領域４２５における他の抵抗温度計４４０は、基
準として働く。反応による温度上昇が、例えば、１μｍ
の蛋白質及び配位子の濃度についておおよそ１０μ℃で
あり、反応熱が１０⁴カロリー／モルというように小さ
いため、抵抗温度計１４０は、小さな温度変化のもとで
大きな抵抗変化をもたらす材料から製造される。この例
示的な実施形態において、抵抗温度計４４０は、アモル
ファスシリコン、酸化バナジウム及びイットリウム・バ
リウム酸化銅（ＹＢＣＯ）のような高い温度抵抗係数を
もつ材料で作られる。同様の反応しない溶液（例えば、
水、又は水とＤＭＳＯの混合物）及び対象蛋白質の小さ
な液滴、すなわち制御組み合わせが、熱平衡領域４２５
内で互いに近接して置かれる。

【００６１】抵抗温度計４４０は、ＡＣ発電機４８０及
びアース４９０によって表されるＡＣブリッジとして構
成され、以下により詳細に説明される。液滴が熱平衡に
到達してから特定の時間が経過した後、それらは互いの
方向に移動させられて反応を開始する。運動を生じさせ
る操作が、２つの液滴の十分な混合を、測定時間に比べ
て少ない時間で達成する。検査混合の蛋白質と配位子の
反応によって放出された熱は、基準温度計と対比して、
影響された温度計の抵抗変化の原因となる。この抵抗変
化は、検知点での電圧を０から変化させる原因となる。
この変化は、感度の良い、ロックイン増幅器のような雑
音を拒否する回路によって検知される。

【００６２】ここで図５を参照すると、温度計５１０、
５２０、５３９及び５４０が、本発明によるブリッジ回
路における１つの例示的な構成の４つの抵抗脚部を形成
している。抵抗温度計は、反応及び背景ドリフトの両方
による温度変化を同時に測定する。この例において、２
つの測定温度計５３０及び５４０は反応を測定し、２つ
の基準温度計５１０及び５２０は背景温度の変化を測定
する。測定領域における温度が上昇したときに起こるよ
うな、測定温度計の抵抗変化が生じると、ブリッジの点
Ｒでの電圧は、ブリッジ回路に加えられた電圧の極性、
及び温度抵抗係数の符号に応じて、アースに対して正又
は負の値が増加する方向に変化し、該ブリッジの点Ｌで
の電圧は反対になり、すなわち、アースに対して、それ
ぞれ正又は負の値が減少する。この構成は、検知電子機
器５５０を横切る電圧差を最大にする。当業者によって
理解されるように、温度計５４０が低い温度感度を有
し、装置上に製造されていないもの、温度計５２０がブ
リッジを平衡させるために用いられる可変抵抗器であ
り、これもまた装置上に製造されていないもののよう
な、他のブリッジ構成も可能である。

【００６３】抵抗温度計５１０、５２０、５３９及び５
４０は、パターン加工された薄いフィルムから製造さ
れ、ブリッジ連結される。各々の温度計の抵抗は、用い
られる材料の温度抵抗係数に比例する量だけ温度によっ
て変化する。

【数６】α＝１／Ｒ ΔＲ／ΔＴ であるため、

【数７】ΔＲ＝αＲΔＴ となり、ここでＲは抵抗、Ｔは温度、αは温度計材料の
温度抵抗係数である。したがって、抵抗器両端の信号電
圧は、

【数８】 によって変化し、ここでＶ_sは信号電圧、Ｉは抵抗器を
通る電流、Ｐは電力である。各々の抵抗器における熱雑
音は、

【数９】 となり、ここでＢは秒で動かした測定帯域であり、Ｒは
オームで表した抵抗であり、ｋはボルツマン定数であ
る。検知システムは、熱雑音を超える雑音を導入するこ
となく構成できると仮定すると、信号雑音比は、

【数１０】 となる。

【００６４】蛋白質と配位子の反応は、一般に、典型的
には１０^-5から１０^-6Ｍの範囲において、高速大量処理
スクリーニングの間、低い濃度で調べられる。その反応
は、典型的には、おおよそ１０⁴カロリー／モルの反応
熱を放出する。例示的な目的のために、それぞれ２μＭ
の濃度の蛋白質と配位子の２液滴を組み合わせることを
検討する。液滴が等しい量を有する場合、その組み合わ
せは各々の反応物の１μＭを有する。さらに、

【数１１】ＣＶΔＴ＝ＭＶＱ であり、ここでＶは溶液の量、Ｃは溶液の熱容量、Ｍは
混合された液滴の濃度である。したがって、

【数１２】ΔＴ＝ＭＱ／Ｃ＝１０^-6モル／Ｌｘ １０⁴
カロリー／モル ／ １０³カロリー／℃−Ｌ＝１０^-5
℃ であり、ここでＱは反応熱、Ｃは溶質の熱容量、Ｍは混
合された液滴の濃度である。

【００６５】例えば、α＝２．８ｘ１０^-2℃^-lで、帯域
が０．１Ｈｚであるａ−Ｓｉから作られた薄いフィルム
の温度計について、７の信号雑音比は、抵抗器の電力放
散が１μＷの場合に達成される。この場合、電圧変化
は、

【数１３】 となる。

【００６６】以下の表は、温度計の電気抵抗及び電力の
種々の例示的な組み合わせについての信号強度を示す。

【表２】

【００６７】表における値における蛋白質及び配位子の
合体した液滴の溶液の濃度が１μＭであり、反応熱が１
０⁴カロリー／モルであり、上記のように、ほとんどす
べての蛋白質及び配位子が反応し、結果として１０μ℃
の温度上昇となるのに十分に大きい結合定数を有すると
仮定したものである。

【００６８】配置された液滴は、反応を開始するために
互いに合体され、該液滴の内容物はよく混合されなけれ
ばならない。幾多の液滴の付着方法が当業者によって知
られているが、いずれの方法も、液滴を分散させる目的
のために、本発明において有利に作動することができ
る。

【００６９】配置された液滴を合体させるための幾多の
手段及び方法を利用することができるが、ここでの目的
のために、同時係属中の米国特許出願第ＸＸ／ＸＸＸＸ
号（「流体運動を引き起こすための静電力を用いる装置
及び方法」）において開示される１つの例示的な方法を
簡単に説明する。システムの複雑性を減らし、信頼性を
増すために、この例示的な液滴合体方法は、２つの液滴
を合体させ、迅速な混合を通して平衡を引き起こすため
に、２つの電極の平面的な構成によって発生させられた
静電力を利用する。電極は、薄い電導性フィルムによっ
て装置の表面上に構成され、実施形態に含まれるものと
して、限定されるものではないが、薄いフィルムの石版
パターン加工、超小型電子加工技術（例えば、スパッ
タ、化学的エッチング、蒸発を含む）、及び印刷回路板
加工技術のような標準的な加工技術を用いて構成され
る。

【００７０】ここで図６を参照すると、合体電極は、基
板６５０の表面上に位置させられ、絶縁層６４０によっ
て覆われた電導性フィルム６２０及び電導性フィルム６
１０から形成されている。この例において、電導性フィ
ルム６１０及び６２０は、おおよそ縦１．０ｍｍ、横
０．８ｍｍの大きさで、厚さはおおよそ０．１μｍから
おおよそ１０μｍの範囲であり、おおよそ５０μｍの間
隙によって分離され、アルミニウム又は銅の薄いフィル
ムで作ることができ、絶縁層は、厚さがおおよそ０．１
μｍからおおよそ２μｍとすることができ、例えば、酸
化ケイ素、窒化ケイ素、又は酸窒化ケイ素、又は、スピ
ン−、スプレー−、その他の方法で付着形成されたポリ
マー、例えば、パリレン、デュポン・テフロン（登録商
標）ＡＦ、３Ｍ Ｆｌｕｏｒａｄ製品、３Ｍ ＥＧＣ１
７００、その他のフルオロポリマー、ポリシロキサン、
ダイアモンド状炭素、又は他のスピンコートした、スプ
レーコートした、浸漬コートした、又は蒸着されたポリ
マーで作ることができる。適当な絶縁材料は、高い電気
抵抗と、化学的及び機械的耐久性とを有し、付着形成さ
れた薄いフィルム形態でピン穴を有さないものである。
例示的な目的のために、熱平衡領域における熱平衡を可
能にする高電導性フィルム６８０がさらに示される。蛋
白質の液滴６６０は、電導性フィルム６１０及び６２０
上の表面を横切って非対称的に置かれ、該液滴は、一方
の電導性フィルムの上の表面を偏って占める。この例に
おいて、蛋白質の液滴６６０の９３％が、経線６７０に
対し電導性フィルム６２０の上になる側の表面を占め、
蛋白質の液滴６６０の７％が、経線６７０に対し電導性
フィルム６１０の上になる側の表面を占める。

【００７１】配位子の液滴６３０は、電導性フィルム６
１０の上の表面上に置かれる。電圧が、好ましくは電圧
パルスの形態で、電導性フィルム６１０及び６２０を横
切って印加されたとき、液滴６６０が静止液滴６３０の
方向に進められ、液滴が合体する。蛋白質の液滴６６０
と配位子の液滴６３０の比較液滴サイズは等しくてもよ
いが、等しくない大きさの液滴を用いることもできる。
絶縁層６４０の疎水性の表面は、液滴６３０及び６６０
が表面に付着することを最小にし、合体中の液滴上に対
する抗力を減らす。この例において、疎水性の表面は、
例えば３Ｍ Ｆｌｕｏｒａｄ、デュポン テフロン（登
録商標）ＡＦ、３Ｍ ＥＧＣ−１７００、又はプラズマ
蒸着されたフルオロカーボンのようなフッ素系ポリマー
で作られる。１つの実施形態において、パリレン被覆を
絶縁層、並びに、疎水性の表面として用いることができ
る。

【００７２】或いは、代替的な実施形態において、温度
計の材料（例えば、アモルファス・シリコン）それ自体
を、液滴を動かす電極を構成するために用いることがで
きる。別の実施形態においては、電極及び温度計は、異
なる層として作ることができ、該電極は液滴配置点と温
度計との間の層に形成して、液滴を動かす金属電極を温
度計の上に置くことができるようにする。この実施形態
においては、電気絶縁層が温度計と電極とを分離する。

【００７３】幾つかの技術が液滴を供給するために利用
可能であり、これらの技術のうちの１つはシリンジであ
る。例えば、ハイドラ・マイクロディスペンサ（カリフ
ォルニア州サニーベールのロビンズ・サイエンティフィ
ック製）は、液体を９６又は３８４のマイクロプレート
のすべてのウェルの中に分配する。ロビンズ・サイエン
ティフィックによって、その製品情報に説明されている
ように、「９６個又は３８４個のシリンジのバレルが、
Ｘ−Ｙ格子に沿って中心をもつ固定アレイに保持され、
これはマイクロプレートにおける各ウェルの中心に正確
に対応する。シリンジ内のプランジャーは、コンピュー
タ制御の下で上下に移動し、液体をマイクロプレートか
ら検知器アレイに分配するか又は吸引する。精密なモー
タ組立体は、２．５ミクロン段階でプランジャーをスム
ーズに動かす。１００μｌのシリンジを備えると、１０
０ｎｌもの低さの量の正確な分配を可能にする。ここで
の目的のために、そうしたシステムを、例えば１００ｎ
ｌの配位子及び３００ｎｌの蛋白質の液滴を供給するた
めに利用することができる。

【００７４】デカルト技術は、液滴を供給するためのシ
リンジをベースにしたシステムを供しており、デカルト
システムは、シリンジ・シリンジ、ポンプ・ソレノイド
組立体を利用して、本実施形態の液滴の大きさの必要条
件を満たすのに十分な範囲である、２０ｎＬから２５０
μＬの液滴を正確に吸引するか又は分配する。

【００７５】パッカード・バイオサイエンスは、液体を
吸引し、液滴を供給するための圧電駆動される先端をも
つシステムを販売している。バイオチップ・アレイヤー
の製品は、４つのディスペンサをもつシステムであり、
（上述のハイドラ・ディスペンサのフル９６又は３８４
と比較すると）、２秒間で３００ｎＬを供給する。必要
であれば、幾つかのこれらの装置を、本発明の必要条件
を満たすために並行して用いることができる。逆に、よ
り少ない数のサンプルをもつ実施形態については、１つ
の装置で十分である。

【００７６】ピンスポットは、溶液の液滴を摺動部に置
くためにＤＮＡ マイクロ・アレイ産業において、普通
に用いられる技術である。ピンスポットは、多くの場
合、ＤＮＡ マイクロ・アレイ産業において普通である
ような、１００ないし３００ｎＬよりはるかに小さい液
滴のために用いられる。しかしながら、本発明の例示的
な実施形態において好ましい、１００ｎＬから５００ｎ
Ｌの範囲における量の液滴を運ぶことができる、幾つか
のピンスポット技術がある。例えば、Ｖ＆Ｐサイエンテ
ィフィックは、この大きさの範囲の液滴のピンスポット
溶液を販売している。

【００７７】ここで図７を参照すると、ここで利用され
る電子測定システムの１つの例示的な実施形態の概略図
が示される。例示の目的のために、交流（ＡＣ）検知方
法が示されている。ＡＣ検知方法は、電子装置、に固有
のｌ／ｆ雑音を排除するものであり、特に、ｌ／ｆ雑音
が１ｋＨｚまでの周波数で顕著となるａ−Ｓｉ温度計に
おける雑音を排除する。ブリッジ回路は、温度計の抵抗
における変化を検知するために用いられる。電子機器
は、ブリッジ出力の増幅、ブリッジのゼロ設定、信号検
知、及び該信号のコンピュータ分析、という４つの機能
を実施する。各々のブリッジ７１０について、正弦波が
発電機７８０によって与えられる。この正弦波は、各々
のブリッジの２つの入力端末を駆動する。

【００７８】各々のブリッジは２つの出力端末を有し、
その違いは、該ブリッジの基準セルと測定セルとの温度
差を表す。これらの２つの端末上の信号は、低雑音の信
号増幅器７２０によって増幅される。信号水準が低いた
め、この機能によって導入される雑音は最小でなくては
ならないが、雑音の最小化は設計の検討事項によって均
衡化されなければならない。例えば、幾つかの適用例に
おいて望ましい、使い捨てであるべき列について、増幅
器は、アレイから離れて配置されなければならないが、
周辺部に置かれた増幅器は、より長いリード長を通して
雑音を拾う結果となる。相互連結部からの雑音を最小に
するために、増幅器を、検知器アレイに密接して配置さ
れる別の温度制御されるヒートシンク上に置き、増幅器
７２０は検知器アレイの真上に、圧縮可能なポゴピン連
結を通してアレイに接触するように配置することができ
る。各々の増幅器をその関連するブリッジの上に置くこ
との付加的な利点は、該ブリッジの出力信号が近くのい
ずれの他のワイヤも通過する必要がなく、したがって、
雑音結合を減らすことである。

【００７９】多重化装置７３０は、幾つかの個々の検知
器が各々のロックイン増幅器及びデジタイザを用いるこ
とを可能にする。図７に示される本発明の実施形態によ
り、各々の検知器について１つの増幅器を用い、該増幅
器の後に多重化装置７３０を置くことによって利点が得
られる。多重化装置によって拾われる雑音は、該多重化
装置が信号増幅器の前に置かれた場合より、相対的に少
ない量となる。或いは、雑音の水準が許す場合は、多重
化装置を信号増幅器の前に置くことができ、より少ない
信号増幅器、及び、増幅器とブリッジのよりコンパクト
な配列を可能にする。

【００８０】各々のブリッジにおける温度センサは、同
様であるが、互いに同一ではないものとすることができ
る。温度平衡化後、ブリッジの出力はこれらの差のため
に０となることはない。出力は、差に比例して小さな正
弦波となる。この共通モード信号は、減らされない場合
には、ブリッジとロックイン増幅器の混合器との間の増
幅量を制限するものとなる。これは、逆にシステムの感
度を制限する。この共通モード信号は、最初の増幅の後
の第２段増幅器７４０においてオフセット電圧７５０に
よりブリッジのゼロ作動を行うことによって最小にされ
る。制御信号は、増幅入力信号から引かれるべき正弦波
基準信号の比率を選択する。この制御信号は、平衡後の
出力を測定することによって設定され、共通モード信号
を最小にするためにその値を設定する。ブリッジ固有の
均衡が十分である場合は、オフセット増幅器は必要でな
い。

【００８１】ロックイン作動７６０は、検知信号の振幅
に等しいｄｃ出力を生成し、既知の電子回路構成を通し
て実施することができる。当業者において知られている
標準的なロックイン増幅器は、入力信号振幅を増加させ
る増幅器を含む。信号は次に、中心周波数が基準正弦波
と同じである帯域フィルタによって濾波されて、基準周
波数以外の周波数での雑音を排除する。さらに、基準正
弦波が回路に入力される。それは正弦波に変換され、そ
の位相は入力信号の位相に対応するようにシフトさせら
れる。基準信号は次に入力信号と混合されて、信号を表
す低周波数コンポーネント、及び、雑音を表す高周波数
コンポーネントをもつ複合出力信号を生成する。低域フ
ィルタは、高周波数の雑音コンポーネントを排除する。
或いは、ロックイン作動は、ソフトウェアにおいて実施
することができる。ロックイン作動の出力は、Ａ−Ｄ変
換器７７０によってデジタル化され、分析のためにコン
ピュータ７９０に入力される。このデジタル化信号の振
幅は、ブリッジ上の温度差を表す。液滴が互いの方向に
移動させられ、反応が生じたとき、その振幅は液滴が完
全に混合されるまで増加し、熱が伝導及び蒸発により除
かれるにつれて減る。反応が生じない場合は、信号に顕
著な変化は生じない。コンピュータは、デジタル化信号
を予想される温度の上昇及び下降に対して相関させる。
相関が正である場合、反応の発生が信号化される。

【００８２】ここで図８を参照すると、本発明の１つの
実施形態において、検知器アレイの検知器が直線状配向
に配列されて、マトリクスアレイを形成している。この
例において、アレイは例えば、厚さ１０μｍのＫａｐｔ
ｏｎ（登録商標）の樹脂基板のような薄い樹脂シート８
１０上に製造され、Ｃｕ又はＡｌのような高い熱伝導性
をもつ材料で作られたヒートシンク８２０によって支持
される。個々の検知器８３０の間の領域に置かれた薄い
フィルムの電導性ライン８５０は、電気的相互連結器と
して働き、検知器の間、及び外側の電子モジュールに信
号及び電力を伝送する。検知器８３０は、信号励起のた
めの相互連結及び液滴合体電極を必要とする。隣接する
列の対となるすべての検知器は、共通の合体電極用電力
線８８０に連結される。実施形態において、抵抗温度
計、液滴合体電極及び電気的相互連結器は、二次元列の
一方の側にパターン加工することができ、熱平衡フィル
ムは他方の側に製造することができる。ある実施形態に
おいて、測定は２列同時に行うことができる。検知器信
号及びアースが、各々の検知器に隣接するヒートシンク
上に配置された連結パッドを通して与えられ、検知器の
増幅器連結パッド８４０を通してアレイに連結される。
共通のブリッジ励起が、ブリッジ電力電導性ライン８７
０によって列の対に与えられる。合体電極用電力線及び
共通ブリッジ励起が交互の列を通して導入される。流体
を、異なる密度（９６ウェル、３８４ウェル又は１５３
６ウェル）を有するウェル板のような標準的な保存装置
から移送することが望ましいため、検知器は、生物工学
及び製薬産業において用いられるものと同じ、標準的な
９６ウェル板のような９ｍｍの配置を有する。

【００８３】ここで図９を参照すると、熱隔離、電気接
続及びサンプル送り出しを与える、例示的なナノ熱量計
の組立体及びその検知器環境の断面が示されている。熱
隔離を達成するために、環境は、液滴に伝達された熱、
又は該液滴から伝達された熱が重要ではないことを保証
するように構築される。組立体における３つの主要な熱
伝達チャネルは、空気を通る熱伝導、支持媒体を通る熱
伝導、及び蒸発を含む。実施形態において、測定は、例
えば５℃で、相対湿度がほぼ１００％のような低温高湿
度で行って、蒸発を好ましい限度まで減らすことができ
る。特に、蒸発は、幾らかの好ましい許容差内で、調べ
られている化学薬品を溶解するために用いられる溶媒の
相対湿度をほぼ１００％に維持することによって、部分
的に制御される。これは、溶媒のリザーバを、検知器を
囲むチャンバの大気に露出することによって達成でき
る。低温は、溶媒の蒸気圧を減らし、高湿度は液滴の表
面近くの気相溶媒の濃度勾配を減らし、したがって、蒸
発の推進力を減らす。

【００８４】他の実施形態において、妥当な測定は、対
応する高い蒸発率にもかかわらず、より高い温度又はよ
り高い湿度で達成することができ、この場合、低温又は
高湿度での作動は必要ではない。周囲環境への熱伝導
は、例えば空気より低い熱伝導性を有するキセノン又は
アルゴンが豊富な環境のような、制御された大気の使用
を通して、実施形態において減らすことができる。実施
形態において、伝導性はさらに、部分的な又は完全な真
空、エーロゲル又は他の絶縁材料、及び当業者が考えう
る他の方法の使用を通して制御することができる。

【００８５】支持媒体を通る熱伝導性を最小にするため
に、検知器９１０は基板９１５上にあり、該基板は基板
キャリア９２５によって支持され、該キャリアはヒート
シンク９２０と接触する。この例において、ヒートシン
ク９２０は銅からなるが、当業者において知られている
他の材料も利用することができる。実施形態において、
ヒートシンク９２０は、任意の能動的温度制御装置９３
０に対し熱的接触状態にすることができ、該装置はヒー
トシンクの温度を制御して、増幅器のヒートシンク９４
０の１ｍ℃から０．１℃内に制御する。検知器の増幅器
は、幾つかの実施形態において、検知器のヒートシンク
にとっては熱が過剰となるほどの電力（各々について１
０ｍＷ）を放出する。増幅器の電力は、所望の場合に
は、別のヒートシンクに吸収させることができる。信号
増幅器９９０は、増幅器の印刷回路板９５０上にあり、
該印刷回路板はヒートシンク９４０と接触している。ヒ
ートシンク９４０の温度は、特定の実施形態において所
望される場合には、温度制御装置９６０によって制御す
ることができる。ポゴピン連結器９８０は、増幅器の印
刷回路板９５０を、増幅器のパッド９７０を通して検知
器の基板９１５に連結する。ヒートシンク９２０の温度
制御を必要としない幾つかの条件がある。これらの場合
において、ヒートシンクはガラス、樹脂又はステンレス
鋼の管類のような標準的な低伝導材料を用いて、囲まれ
たチャンバから熱的に隔離されている。これらの場合に
おいて、増幅器ＰＣＢ ９５０は温度制御された囲まれ
たチャンバと直接接触して置かれる。

【００８６】チャンバ壁の変動によりヒートシンク９２
０に加わる温度変動の大きさをより良く認識するため
に、種々アレイの大きさに対応する種々の銅ヒートシン
クについての熱容量が下の表に示される。表の目的のた
めに、すべてのヒートシンクの厚さは３ｃｍである。ヒ
ートシンクの面積は異なる例について下に示され、該ヒ
ートシンクはチャンバ壁から１０ｃｍ離れていると仮定
され、約０．１から２ａｔｍのキセノンガスが空間を満
たしている。

【００８７】

【表３】

【００８８】表に示されるように、５００，０００秒を
超える最も小さい時定数により、アレイのヒートシンク
とチャンバ壁との間の小さな０．１℃の階段状変化の温
度差は、１０秒の測定の間に、ヒートシンクを２μ℃だ
け変化させる。測定及び基準温度計は同じ量だけ変化
し、共通モード拒否を与えるため、測定は特異的であ
り、かつ、チャンバ壁は０．１℃に制御することがで
き、その変化は迅速ではないため、ヒートシンクは壁へ
の伝導により十分過ぎるほどの温度安定性を与える。検
知器アレイへの電気接続はヒートシンクとチャンバ壁と
の間の熱伝導を増加させるため、実施形態においては、
リードへの伝導は、温度がヒートシンクの温度と等しく
なるように能動的に制御された中間ヒートシンク９４５
と熱的接触状態にあるリードを置くことによって、能動
的に制御することができる。

【００８９】ポゴピン（pogo pins）を通る熱伝導によ
るヒートシンク９２０に生じることがある温度変動の大
きさをより良く認識するために、３８４検知器アレイに
接触しているポゴピンの例が下の表において検討され
る。ポゴピン連結器９８０の材料、例えば真鍮、が熱性
能のために選択される。このアレイにおいて、ピン(pi
n)を横切る０．１℃の温度差についてピン毎に伝導され
る電力が、ピンを横切る０．１℃及び０．１ｍ℃の温度
差について３８４検知器アレイ（各々の検知器について
３つのピンを仮定する）に伝導される全電力と併せて、
以下の表に示される。表に示される計算の目的のため
に、接触面積は１０μｍの直径をもつ円形と仮定する。
接触面積を最小にするために、ポゴピンは先の尖った先
端の形態とすることができる。１０秒の測定時間の間の
温度変化がさらに示される。温度変化を十分に低く維持
するために増幅器の印刷回路板９５０は、能動的な制御
か、又はチャンバ壁との熱接触によるいずれかを通し
て、実施形態において正確に制御される。例えば、ヒー
トシンク９２０の温度上昇ΔＴを１３μ℃又は１０秒以
下に制限するためには、表４の値は、増幅器の印刷回路
板９５０の温度が０．０１℃内で制御されなければなら
ないことを示す。そうした制御は、ペルチエ装置、循環
流体冷凍システム、熱ポンプ、又は当業者において知ら
れている他の多くの能動的な温度制御装置のいずれかの
ような能動的な温度制御部品を用いることで可能とな
る。或いは、チャンバ壁が０．０１℃内に制御されてい
る場合には、該チャンバ壁をもつ増幅器の印刷回路板
は、ΔＴを１３μ℃に制限するのに十分である。

【００９０】

【表４】

【００９１】図１０は、ここで説明されるアレイを利用
する測定システムの断面を示す。この例示的構成におけ
る測定システムは、ロードロックチャンバ１０１０及び
測定チャンバ１０５０という２つの室を含む。それらの
中に含まれたチャンバ及び大気は等しく、同じ作動温度
である。各々のチャンバ内の大気は無反応ガス、例えば
キセノン、アルゴン、空気又は窒素であり、測定されて
いる液滴に用いられる溶媒についてほぼ１００％の相対
湿度をもち、この湿度水準は蒸気圧リザーバ１０４５の
使用により維持される。チャンバ壁の温度は、０．１℃
内に制御される。ヒートシンク１０８５は、測定チャン
バ１０５０にあるとき、検知器アレイ１０４０上の測定
温度計から放散された電力による熱を受ける。この例に
おいては、図１に示されるように、各々の検知器につい
て４つの温度計が用いられており、各々の温度計はおお
よそ４μＷを放散する。９６個の検知器アレイ及び１５
００Ｊ／℃の熱容量をもつヒートシンクに基づくと（上
の表３参照）、温度計の加熱によるヒートシンクの温度
上昇率は、１０秒の測定の間におおよそ１０μ℃であ
る。検知器アレイ１０４０は、検知器アレイの電子機器
１０３０に連結され、該電子機器は次にシステムの電子
機器１０６０に連結される。生体適合材料が生体適合材
料の保存ウェル板１０１５内に含まれ、該板はロードロ
ックチャンバ１０１０内に置かれる。測定チャンバ１０
５０内には、検知器の電子機器１０７５、並びに、該検
知器の電子機器１０７５についての関連するヒートシン
ク／制御装置１０７０がある。

【００９２】生体適合材料（biomaterials）１０２５
は、測定に備えて、化学蒸着装置１０３５によりアレイ
上に蒸着される。ロードロックチャンバ１０１０におい
ては、ヒートシンク１０８５と関連する検知器１０４
０、及び生体適合材料１０２５が、熱伝導体１０９０を
通して、チャンバと熱平衡するようにされる。熱伝導体
１０９０は、高い熱伝導率をもついかなる材料又はシス
テムでもよく、例えば、チャンバ壁及びヒートシンク１
０８５の両方と良好な熱接触状態にある銅又はアルミニ
ウムのような金属ブロックとすることができる。図１０
に示されるように、ヒートシンク１０８５と熱伝導体１
０９０との熱接触は、アレイ・トランスポータ１０２０
を通して生じる。しかしながら、この構成は例示的なも
の過ぎず、当業者は他の構成を考えることができ、それ
からは、ここでの開示に含まれる。

【００９３】代替的な実施形態において、熱伝導体１０
９０は、循環流体冷凍又は加熱システム、ペルチエ装
置、抵抗ヒータ、熱ポンプ、又は当業者によって知られ
る多くの他の能動的な温度制御装置のいずれかのよう
な、能動的な温度制御装置を備えることができる。さら
に、代替的な実施形態において、熱伝導体及び関連する
温度制御機能を、アレイ・トランスポータ１０２０の中
に組み込むことができる。アレイ・トランスポータ１０
２０は、配置された生体適合材料をもつ検知器アレイを
ロードロック状態から測定チャンバ１０５０に移動さ
せ、この例においては、循環運動を利用して、測定材料
をもつ検知器アレイが同時に測定チャンバからロードロ
ックに移動するようにする。ピック・アンド・プレース
装置及びエレベータをもつベルト装置のような、他のア
レイの移送方法を利用することができる。

【００９４】測定チャンバにおいて、検知器アレイがポ
ゴピンと接触するように上昇させられると、同時にヒー
トシンク１０８５がトランスポータ１０２０の上方に上
昇させられ、支持ピン１０５３によって該トランスポー
タから熱的に隔離される。支持ピンは、ガラス棒、ステ
ンレス鋼の中空管類、樹脂棒、多孔質セラミックス、及
び当業者において知られる他の材料のような、十分な機
械的強度をもつ良好な断熱材料のいずれかから製造する
ことができる。他の構成も可能であり、例えば代替的な
実施形態において、熱隔離だけに依存するのではなく、
温度制御装置が用いられて、例えば検知器の電子機器１
０７５のヒートシンク／制御装置１０７０の温度を１ｍ
℃内のように、ヒートシンク１０８５を測定チャンバ１
０５０における特定の温度に維持する。ポゴピンの検知
器連結器１０８０は、検知器に直接電気接触し、熱変化
情報を検知器アレイから検知器の電子機器１０７５に送
信する。この例においては、この種の連結器を用いて、
アレイへの熱接触が低くなるような連結が後続するアレ
イに対して可能になる非永久的な連結と、精密な差動測
定を可能にするために測定及び基準領域に対して対桶的
な接触を与える小さなフットプリントをもつ良好な配置
の正確さとをもたらす。

【００９５】作動において、前にセットアップされた検
知器アレイ１０５５が測定チャンバ１０５０において測
定されている間に、ロードロックチャンバ１０１０の温
度に対する初期温度が１℃内である検知器アレイ１０４
０がロードロックチャンバ１０１０に置かれる。測定チ
ャンバ１０５０とロードロックチャンバ１０１０との近
さは、連結された検知器アレイが制御された環境のまま
でチャンバ間を移動することを可能にする。生体適合材
料は次にロードロックチャンバ１０１０の中に移動させ
られ、３８４個又は１５３６個のウェル板のような適切
な運搬手段１０１５に保存されるが、他のコンテナや異
なる大きさのウェル板を使用することも適切である。生
体適合材料１０２５は次に、例えば、吸引／印刷システ
ム又は自動化シリンジ様式のローダ１０３５を用いて、
検知器アレイ上に置かれる。配置装置１０３５は、制御
された温度で維持されて、生体適合材料１０２５の昇温
を避ける。最初の段階で、検知器アレイ１０４０は検知
器アレイの電子機器１０３０、及び、システムの電子機
器連結器１０６０に連結され、該連結器は、測定ブリッ
ジのための検知器の電子機器を除く、該検知器アレイ１
０４０におけるすべての検知器部品に必要な電気接続を
与える。条件によって、検知器アレイ１０４０における
検知器ブリッジはＡＣ正弦波によって駆動されて（例え
ば、図５における部品５６０）、液滴の温度をロードロ
ックチャンバにおける制御された環境と平衡にする温度
まで自己加熱する。この信号は、システムの電子機器連
結器１０６０を通して検知器アレイの電子機器１０３０
に伝導される。

【００９６】配置された材料１０２５が検知器アレイ１
０４０と熱平衡された後、この配置された材料１０２５
をもつ検知器アレイ１０４０は、次に、アレイ・トラン
スポータ１０２０によって、ロードロックチャンバ１０
１０から測定チャンバ１０５０に移動させられ、測定さ
れた検知器アレイ１０５５はロードロックチャンバ１０
１０の中に移動させられる。この運動は、１８０度回
転、又は当業者において知られる他の手段のいずれかの
ような回転を通して達成することができる。測定チャン
バ１０５０内において、検知器アレイはヒートシンク１
０８５と熱接触状態にあり、本実施形態においては、該
測定チャンバ１０５０における支持ピン１０５３によっ
てトランスポータ１０２０から熱的に隔離されている。
測定シーケンスはＡＣ正弦波を検知器のブリッジに印加
することによって開始される。この信号は増幅器の印刷
回路板１０７５上に配置されたＡＣ発生器によって生成
され、ポゴピン１０８０を通して検知器アレイ１０５５
に伝導される。検知器のブリッジはこの場合、オフセッ
ト電圧を適当に設定することによりゼロにされる。熱平
衡は、検知器ブリッジを横切る電圧を短期間だけ測定す
ることによって確認される。この電圧の変化率があらか
じめ特定された水準より下になったとき、システムは熱
平衡状態となる。ゼロ化作動は、この処理の間、繰り返
される必要がある。

【００９７】配置された材料１０２５の液滴アレイは次
に合体され、検知器アレイの表面上で混合される。これ
は、液滴を動かす電圧を増幅器の印刷回路板１０７５か
らポゴピン１０８０を通して検知器アレイ１０５５に印
加することによって達成される。合体電圧から発生させ
られた一時的な電圧は放散させられる。混合中の反応
が、次にブリッジの不均衡を検知することによって測定
される。列における各々のブリッジがある期間に渡って
繰り返し測定され、データが分析のためにコンピュータ
に入力される。

【００９８】１つアレイにおける個々のブリッジを検知
電子機器において多重化することができる。測定は、１
つの検知器で、次いで、該列における次の検知器で行わ
れ、列におけるすべての検知器が測定されるまで続けら
れる。これは、列についてすべての測定が完了するま
で、ある期間だけ繰り返される。或いは、多くの場合、
検知電子機器は、列におけるすべての検知器アレイを同
時に測定できるものとすることができる。測定時間をさ
らに減らすために、測定は２つ又はそれ以上アレイのブ
ロックで行うことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１つの実施形態によるナノ熱量計の構
成部品を示すブロック図である。

【図２】本発明の別の実施形態によるナノ熱量計の構成
部品を示すブロック図である。

【図３】本発明のさらに別の実施形態によるナノ熱量計
の構成部品を示すブロック図である。

【図４】本発明のさらに別の実施形態によるナノ熱量計
の構成部品を示すブロック図である。

【図５】本発明による測定温度計及び基準温度計の配置
の図である。

【図６】本発明による配置された液滴を合体するための
１つの方法を示す図である。

【図７】本発明のシステム及び方法による電子測定シス
テムの概略図である。

【図８】本発明の別の実施形態によるナノ熱量計の構成
部品アレイを示すブロック図である。

【図９】本発明の実施形態によるナノ熱量計の作動環境
を示す断面図である。

【図１０】本発明によるナノ熱量計のプロセスの流れの
１つの実施形態を示す断面図である。

【符号の説明】

１００ ナノ熱量計 １６０ 測定領域 １７０ 基準領域 １３０ 液滴合体電極 １２０、１２５ 熱平衡領域 １１０ 熱隔離層 １４０ 抵抗温度計 １８０ ＡＣ発生器 １９０ アース １５０ 検知電子機器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 リチャード エイチ ブルース アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94024 ロス アルトス アルフォード アベニュー 1956 (72)発明者 スコット エイ エルロッド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94020 ラ ホンダ シーニック ドライ ヴ 401 (72)発明者 エリック ピータース アメリカ合衆国 カリフォルニア州 94555 フリーモント ミモザ テラス 34287 (72)発明者 フランシスコ イー トレス アメリカ合衆国 カリフォルニア州 95120 サン ホセ ミーンダー ドライ ヴ 5857 Ｆターム(参考） 2G040 AA02 AB14 BA02 BA24 CA02 CB03 DA02 FA02 GB02 HA16

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 化学反応を検知するためのナノ熱量計ア
   レイであって、前記ナノ熱量計アレイが、 基板と、 前記基板上にある１つ以上の熱隔離領域と、 前記熱隔離領域の各々内にある１つ以上の熱平衡領域
   と、 前記熱平衡領域の各々内にある１つ以上の熱測定装置
   と、 を備え、前記熱測定装置が検知電子機器に連結されてい
   る、ことを特徴とするナノ熱量計アレイ。
2. 【請求項２】 前記熱隔離領域が基準領域及び測定領域
   を備えることを特徴とする、請求項１に記載のナノ熱量
   計アレイ。
3. 【請求項３】 前記ナノ熱量計アレイ上で薬品のサンプ
   ルを混合するための混合手段をさらに備えることを特徴
   とする、請求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
4. 【請求項４】 溶液を混合するための前記手段が、前記
   熱隔離領域の各々内に２つより少ない液滴合体電極を備
   えることを特徴とする、請求項３に記載のナノ熱量計ア
   レイ。
5. 【請求項５】 前記液滴合体電極が第１層上にあり、前
   記１つ以上の熱測定装置が第２層上にあり、その間に絶
   縁層が置かれ、各々の前記２つの液滴合体電極が、対応
   する前記熱測定装置の上に（over）位置させられること
   を特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計アレイ。
6. 【請求項６】 前記液滴合体電極が前記熱測定装置を備
   えることを特徴とする、請求項４に記載のナノ熱量計ア
   レイ。
7. 【請求項７】 前記ナノ熱量計アレイが、複数の熱隔離
   領域を前記基板上にさらに備えることを特徴とする、請
   求項１に記載のナノ熱量計アレイ。
8. 【請求項８】 少なくとも幾つかの前記検知電子機器
   が、第２の温度制御されたヒートシンクと熱的接触状態
   にある印刷回路板上にあることを特徴とする、請求項１
   に記載のナノ熱量計アレイ。