JP2003532090A - 集積センサ・チップを有する生物学的同定システム - Google Patents
集積センサ・チップを有する生物学的同定システムInfo
- Publication number
- JP2003532090A JP2003532090A JP2001580284A JP2001580284A JP2003532090A JP 2003532090 A JP2003532090 A JP 2003532090A JP 2001580284 A JP2001580284 A JP 2001580284A JP 2001580284 A JP2001580284 A JP 2001580284A JP 2003532090 A JP2003532090 A JP 2003532090A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- electrode
- reagent
- biosensor
- substrate
- electrodes
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01L—CHEMICAL OR PHYSICAL LABORATORY APPARATUS FOR GENERAL USE
- B01L3/00—Containers or dishes for laboratory use, e.g. laboratory glassware; Droppers
- B01L3/50—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes
- B01L3/508—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above
- B01L3/5088—Containers for the purpose of retaining a material to be analysed, e.g. test tubes rigid containers not provided for above confining liquids at a location by surface tension, e.g. virtual wells on plates, wires
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y30/00—Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q1/00—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions
- C12Q1/68—Measuring or testing processes involving enzymes, nucleic acids or microorganisms; Compositions therefor; Processes of preparing such compositions involving nucleic acids
- C12Q1/6876—Nucleic acid products used in the analysis of nucleic acids, e.g. primers or probes
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
- G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
- G01N27/28—Electrolytic cell components
- G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
- G01N27/327—Biochemical electrodes, e.g. electrical or mechanical details for in vitro measurements
- G01N27/3275—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction
- G01N27/3277—Sensing specific biomolecules, e.g. nucleic acid strands, based on an electrode surface reaction being a redox reaction, e.g. detection by cyclic voltammetry
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00277—Apparatus
- B01J2219/00279—Features relating to reactor vessels
- B01J2219/00306—Reactor vessels in a multiple arrangement
- B01J2219/00313—Reactor vessels in a multiple arrangement the reactor vessels being formed by arrays of wells in blocks
- B01J2219/00315—Microtiter plates
- B01J2219/00317—Microwell devices, i.e. having large numbers of wells
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00277—Apparatus
- B01J2219/00497—Features relating to the solid phase supports
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00585—Parallel processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00596—Solid-phase processes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/0061—The surface being organic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00612—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports the surface being inorganic
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00614—Delimitation of the attachment areas
- B01J2219/00617—Delimitation of the attachment areas by chemical means
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00614—Delimitation of the attachment areas
- B01J2219/00617—Delimitation of the attachment areas by chemical means
- B01J2219/00619—Delimitation of the attachment areas by chemical means using hydrophilic or hydrophobic regions
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00614—Delimitation of the attachment areas
- B01J2219/00621—Delimitation of the attachment areas by physical means, e.g. trenches, raised areas
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00623—Immobilisation or binding
- B01J2219/0063—Other, e.g. van der Waals forces, hydrogen bonding
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00605—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being directly bound or immobilised to solid supports
- B01J2219/00632—Introduction of reactive groups to the surface
- B01J2219/00637—Introduction of reactive groups to the surface by coating it with another layer
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00653—Making arrays on substantially continuous surfaces the compounds being bound to electrodes embedded in or on the solid supports
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00583—Features relative to the processes being carried out
- B01J2219/00603—Making arrays on substantially continuous surfaces
- B01J2219/00659—Two-dimensional arrays
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/0068—Means for controlling the apparatus of the process
- B01J2219/00702—Processes involving means for analysing and characterising the products
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
- B01J2219/0072—Organic compounds
- B01J2219/00722—Nucleotides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
- B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
- B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
- B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
- B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
- B01J2219/0072—Organic compounds
- B01J2219/00725—Peptides
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81C—PROCESSES OR APPARATUS SPECIALLY ADAPTED FOR THE MANUFACTURE OR TREATMENT OF MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS
- B81C2201/00—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems
- B81C2201/01—Manufacture or treatment of microstructural devices or systems in or on a substrate
- B81C2201/0101—Shaping material; Structuring the bulk substrate or layers on the substrate; Film patterning
- B81C2201/0128—Processes for removing material
- B81C2201/013—Etching
- B81C2201/0133—Wet etching
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
- C12Q—MEASURING OR TESTING PROCESSES INVOLVING ENZYMES, NUCLEIC ACIDS OR MICROORGANISMS; COMPOSITIONS OR TEST PAPERS THEREFOR; PROCESSES OF PREPARING SUCH COMPOSITIONS; CONDITION-RESPONSIVE CONTROL IN MICROBIOLOGICAL OR ENZYMOLOGICAL PROCESSES
- C12Q2600/00—Oligonucleotides characterized by their use
- C12Q2600/156—Polymorphic or mutational markers
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C40—COMBINATORIAL TECHNOLOGY
- C40B—COMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
- C40B40/00—Libraries per se, e.g. arrays, mixtures
- C40B40/04—Libraries containing only organic compounds
- C40B40/06—Libraries containing nucleotides or polynucleotides, or derivatives thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C40—COMBINATORIAL TECHNOLOGY
- C40B—COMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
- C40B40/00—Libraries per se, e.g. arrays, mixtures
- C40B40/04—Libraries containing only organic compounds
- C40B40/10—Libraries containing peptides or polypeptides, or derivatives thereof
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C40—COMBINATORIAL TECHNOLOGY
- C40B—COMBINATORIAL CHEMISTRY; LIBRARIES, e.g. CHEMICAL LIBRARIES
- C40B60/00—Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries
- C40B60/14—Apparatus specially adapted for use in combinatorial chemistry or with libraries for creating libraries
Abstract
Description
の特権を特許請求するものである。
96−C−8632の下で政府支援を受けた。米国政府は、本明細書にいくらか
の権利を有する。
ウム、またはカリウム)および高分子(例えば、DNA、RNA、または蛋白質
)を含めた様々なターゲット分析物を感知または検出するための装置および方法
に関し、より詳細には、バイオセンサと、バイオセンサを使用する方法と、バイ
オセンサを作成する方法とに関する。
されている。バクテリアを検出するための従来の方法は通常、有機体の形態学的
評価を含み、そのような評価に必要な数の有機体の成長に依拠している(または
しばしばそれが必要である)。そのような方法は、時間がかかり、通常は現場条
件下で実用的でない。高速検出および携帯性の要求が、病原体認識を信号変換と
結合するシステムの開発をもたらした。バクテリアの光学検出と電気化学検出の
両方が報告されている(イヴニツキ等,1999年、T.ワン等,2000年)
(本明細書で引用する文献に対する完全な引用は本明細書の最後に与える)。し
かし、本発明の実体は、電気化学方法のほうが、小型化に関して修正可能である
という利点を有することを突き止めた。
ロトコルを使用する高い特異性および高い感度が含まれる。さらに、小型化し、
自動化することができるシステムが、特に現場で検出が必要とされる場合に、現
在の技術に勝る大きな利点を提供する。
に、カウンタ電極を使用して、試料溶液または試薬に対するリターン経路を提供
し、基準電極を基準点として使用して、それに対して1つまたは複数の別の電極
の電位(典型的には作業電極または測定電極の電位)が求められる。このコンタ
クトは、電気化学手段、すなわち化学溶液または試薬に浸漬された金属電極によ
って提供しなければならないので、電極により発生する電位と直列に電位が発生
するのを回避するのは不可能である。電気化学方法の従来の理論では、基準電極
電位が非常に安定しており、溶液中での化学変化による影響を受けないことが重
要である。したがって、非常に安定した基準電位を提供する銀/塩化銀基準電極
が、今日基準電極に使用される最も一般的なタイプの電極である。
で飽和された塩化カリウム(3.5M KCl)の溶液5中に浸漬された塩素処
理銀ワイヤ1(塩化銀の層が銀ワイヤ上に被覆されている)を含む。この内部充
填溶液5は、有孔セラミック接合20を介して電極10から徐々に浸みだし、基
準要素1と試料の間の電気接続として作用する。安価であり、通常は測定に干渉
しないので、塩化カリウムが使用される。溶液5はまた、基準要素1上のコーテ
ィングの溶解を防止するために塩化銀を含む。したがって、充填溶液穴40を使
用して、電極10内の溶液5のレベルを維持する必要がある。
基準電極(例えば銀で被覆された塩化銀)を必要とせずに、頑強かつ精密な生物
学的検出を、電気化学方法を使用して、より正確にはレドックス(酸化還元)方
法を使用して達成することができることを突き止めた。
ルが配置された制御増幅器であるポテンショスタット50を必要とした。目的は
、第3の補助電極(カウンタ電極)80を介する電流の印加によって、試験電極
(作業電極)60と基準電極70の電位差を制御することである。実際、最小限
の構成要素を使用して、かなり良好なポテンショスタットを構築することができ
る。ここで示す回路では、90Aおよび90Bは、正のパワー・レールと負のパ
ワー・レールの間に接続された1.22Vバンドギャップ基準ダイオードである
。次いで、ポテンショメータ100を使用して、主増幅器110の非反転入力に
加えられる必要なセル極性を設定する。作業電極60は回路の接地に接続し、基
準電極70は、主増幅器110の反転入力に接続する。出力能力をいくぶん上げ
るために(ほとんどの動作増幅器が、約20mAに制限され、容量負荷に良好に
は耐えられない)、単一の利得バッファ増幅器120が使用される。好ましくは
、利得バッファ増幅器120は増幅器110よりもはるかに大きな帯域幅を有す
る。そうでないと、容量電池を駆動するときに回路が振動しやすい。バッファ増
幅器120の出力は、電流測定レジスタ140を介して補助電極80に接続する
。次いで差動増幅器130を使用して、このレジスタ140の両端間の電圧降下
を測定し、それを接地基準出力電圧に変換する。
用例で感知および作動を行うためにトランスデューサを用意する。MEMS技術
の重要な点は、電子回路と共に集積し、大量にバッチ製造することができるミク
ロンサイズの機械部品を可能にすることである。MEMSデバイスは、マイクロ
加工のプロセスによって製造され、バッチ製造プロセスはリソグラフィを採用す
る。マイクロ加工は、事前設計レジスト・パターン(マスク)を使用して3次元
構造を作成するために、リソグラフィ方法の使用に大きく依拠している(ホーお
よびタイ,1996年,1998年)。MEMSは、マイクロ製造デバイスまた
はその態様を作成するための1つの適切な技術である。マイクロ製造デバイスは
通常、MEMSおよび/または集積回路(IC)技術を使用することによって製
造されるデバイスと定義される。集積回路(IC)は、基板材料の小さなチップ
と定義され、その上に、電子構成要素およびその相互接続の複合体がエッチング
される、または印刷される。
法を、MEMSデバイスへの集積に優れた候補にすること、さらに様々なイオン
分子および高分子(DNA、RNA、または蛋白質)を検出するためにMEMS
技術をバイオセンシング方法と統合することが有利であることを突き止めた。
を達成する最も効果的な手段の1つはバクテリアの遺伝材料(例えばrRNA、
mRNA、変性DNA)を検出することであることを突き止めた。ターゲット・
バクテリアのrRNAまたはssDNAのみに配列が相補的である一本鎖DNA
(ssDNA)プローブを選択することによって、ハイブリダイゼーション・イ
ベントの監視が、ターゲット細胞の選択的センシングを可能にする。感度を最大
にするために、ハイブリダイゼーション・イベントと酵素反応の組合せが信号増
幅をもたらす。これは、各基質から生成物への転換が信号全体に寄与するためで
ある。酵素反応によって増幅されるDNAハイブリダイゼーションを検出するた
めのバイオセンシングは、本発明によれば、依然として比較的短時間で完了する
ことができる。
器が、上述した決定および技術に基いて開発されている(チェン等,2000年
、ガウ等,2000年)。MEMS、自己組織化単層(SAM)、DNAハイブ
リダイゼーション、および酵素増幅の技術は全て、小型化された特定の高感度E
.coli検出器の設計に寄与する。DNA電気化学プローブは、すでに報告さ
れており(ワン等,1997年、マラザ等,1999年)、通常はグラファイト
または炭素電極が使用される。使い捨て試験ストリップ上のスクリーン印刷炭素
電極を使用する、E.coliからのDNAの電流測定検出用の市販ユニットも
利用可能である。スクリーン印刷は、低コストであるという利点を有するが、高
次元精度を達成することは容易でない。そこで、本発明の実体は、金属(例えば
Au、Ag)や炭素など広い範囲の材料をμmサイズ寸法で正確にパターン形成
するためにリソグラフィを使用する方法を開発する必要性を突き止めた。さらに
、ビオチン−DAD−C12−SHドデカンアミドの自己組織化単層(SAM)
など表面修正を利用することが、MEMS表面上で分子を選択的に不動化する1
つの好ましい方法である。Au、Ag、および他の金属上へのSAMの形成がよ
く研究されており(レベル等,1998年、モテシャライ等,1998年、シャ
ー等,1998年、ライリ等,1999年)、蛋白質および他の生体分子を、S
AMを使用してAuなどの表面上に簡単に不動化することができる(オスツーニ
等,1999年、ケーン等,1999年、スピンケ等,1993年、ハウスリン
グ等,1991年)。基板上でSAMを使用する電流測定方法は、ターゲット分
析物を正常に検出することができることが実証されている(サン等,1998年
、ホウ等,1998年、マーシー等,1998年)。
を識別し、利用する。DNAハイブリダイゼーションおよび酵素増幅を使用して
、本発明は、必要な特異性および感度を達成する。MEMSおよびSAMを使用
して、本発明の実体は、携帯型器具内に開発することができる小型システムを製
造した。最後に、本発明は、この検出システムが広い範囲の病原性バクテリアに
適用可能であることを実証した。例えば、検出モジュールおよびアッセイ・プロ
トコルを、尿路病原性バクテリアの検出、および中耳炎(中耳感染)をもたらす
微生物の同定に適合させることができる。
る新規な方法と、バイオセンサを作成する新規な方法とを提供することである。
この目的は、主要な請求項の特徴の組合せによって解決され、従属請求項がさら
に、本発明の有利な実施態様を開示する。
るものではなく、本発明はまた、ここで説明する特徴、および本明細書の他の場
所で説明する特徴の副次的組合せも含む。
組み込まれたバイオセンサを使用して、特に高分子(例えば、DNA、RNA、
または蛋白質)およびイオン分子(例えば、鉄、クロム、鉛、銅、カルシウム、
またはカリウム)を含めた様々なターゲット分析物を感知または検出する装置お
よび方法を提供する。基板に構成されたバイオセンサ・システムは、通常は、基
板上に単一シリーズ・マイクロ製造プロセス・ステップとして一体に製造された
少なくとも2つの電極を備える。しかし、システムを製造するために連続マイク
ロ製造ステップを採用することもできる。
l電極に比べて)純粋な金属から作成される。別の好ましい実施態様では、基板
に構成されたバイオセンサ・システムが、作業電極、基準電極、およびカウンタ
(補助)電極を備える。好ましくは、基板に構成されたバイオセンサ・システム
は、従来の電気化学バイオセンサと同じ電気化学性能を有する。さらに、基板に
構成されたバイオセンサ・システムは、集積回路(IC)および/またはMEM
S製造プロセスに適合性があり、かつ小さな領域に構成することができるものに
すべきである。
サ内に試薬および/または溶液を閉じ込める装置および方法を提供する。試薬お
よび/または溶液は、生物学的センシングに必要とされる必要な電解質および/
または分析物を含む。
質および小さなスケールでの表面張力を使用することによって、様々なイオン分
子(例えば鉄、クロム、鉛、銅、カルシウム、またはカリウム)および高分子(
例えばDNA、RNA、または蛋白質)を感知または検出するために使用される
各電極を、電解質および/または分析物が必要とされるときに試薬および/また
は溶液と選択的に接触できるようにする。
たがって、試薬および/または溶液中の電解質および/または分析物)を閉じ込
めるための装置および方法が、携帯型またはハンドヘルド・デバイスに組み込ま
れ、デバイスの振動に対する耐性をもつ。さらに、試薬および/または溶液は、
バイオセンサが逆さになったとしても表面張力を使用してバイオセンサによって
定位置に堅く保持されるべきである。
複数の電気化学センサの構成要素(例えば電極)と、1つまたは複数の電気化学
センサ内の追加の必要な電子回路構成要素(例えば増幅器)とを集積する装置お
よび方法を提供する。1つおよび/または複数のセンサ・システム全体を、単一
の半導体(例えばシリコンまたはガリウム砒素)基板またはチップなど、単一の
IC基板またはチップ上に組み込むことができる。好ましくは、1つまたは複数
のシステムを完成させるのに、外部構成要素および/または器具が全く必要ない
、またははるかに少数しか必要とされない。1つまたは複数のセンサは、好まし
くは、ICプロセスを使用して製造される。
、少なくとも1つの電極の表面を修正することである。好ましくは、表面は、表
面上に高分子を係留するように修正される。好ましくは、表面は、ビオチンスト
レプトアビジンなど自己組織化単層(SAM)を使用して修正される。好ましく
は、SAMは、電気化学センサ内の作業電極の表面上に配置される。任意選択で
、ゾルゲルおよび/または炭素ペーストなどの材料を使用して表面を修正するこ
とができる(SAMの代用として、またはSAMと組み合わせて)。
なる実施形態および副次的組合せ、修正、変更、および強化は、本明細書で以下
に続く発明の詳細な説明で明らかになろう。
神、範囲、および企図から逸脱することなく様々な変更および修正を加えること
ができることを理解されたい。実際、図面および本明細書での説明は、例として
提供されており、限定を与えるものではない。
物、特にイオン分子(例えば、鉄、クロム、鉛、銅、カルシウム、またはカリウ
ム)および高分子(例えば、DNA、RNA、または蛋白質)の検出に関する。
電気化学検出の原理は、レドックス電池の使用と、電池内での電気化学反応とを
必要とする。
ネルギーに変換する、または電気エネルギーを化学エネルギーに変換するデバイ
スである。典型的には、この電池は、水溶液(電解質)中に浸漬された3つの電
極からなり、電極溶液面で電極反応が生じる。
固体)によって接続された2つの電子伝導相(例えば、固体または液体金属、半
導体など)からなる。電流が流れる際、電子電流からイオン電流へモードを変更
し、電子電流に戻さなければならない。伝導モードのこの変更には、酸化還元反
応が伴う。各モード変更反応は半電池と呼ばれる。
ある。例えば、酸素によって水素を酸化して水を生成する間の自発的「化学反応
」では、電子は、水素から酸素に直接移る。対照的に、レドックス電池内での自
発的電気化学反応では、2つの個別電極反応が、実質的に同時に、または並行し
て発生する。
れていることである。例えば、水素は、電子をアノード電極に移動することによ
ってアノード電極で酸化され、酸素は、電子をカソード電極から受け取ることに
よってカソード電極で還元される。全電気化学反応は、2つの電極反応を合わせ
たものである。電極反応で発生するイオン、この場合はプラスの水素イオンとマ
イナスの水酸イオンが、溶液中で再結合されて、反応の最終生成物である水を生
成する。
してアノード電極からカソード電極に伝導される。この反応を逆にすることもで
きる。電解槽内に電力を印加することによって水を水素と酸素に分解することが
できる。
よび基準電極を含む電気化学電池である。電流が、作業電極とカウンタ電極の間
を流れることができ、作業電極の電位が基準電極に対して測定される。このセッ
トアップは、作業電極表面上、または電気分析適用例で発生する電極反応の速度
論および機構を検査するために、基本的な研究で使用することができる。本発明
の好ましい実施形態での検出モジュールは3電極システムに基づいている。
気接続を形成するために使用される。カウンタ電極は通常、その溶解を回避する
ために不活性材料(貴金属または炭素/グラファイト)から作成される。本発明
に関連して、大きな電流がカウンタ電極から引き出されたときに、カウンタ電極
での小さなフィーチャまたは小さな断面が周囲溶液を加熱することが観察された
。電流が連続的にオーバーフローした場合には気泡が発生し、最終的には電極の
溶解が生じる。したがって、電流および/または電極サイズを制御することによ
って気泡発生を回避することができる。本発明の1つの好ましい実施形態では、
カウンタ電極の幅を、大きな電流のときでさえこの加熱の問題を回避するのに十
分な大きさにする。
的には作業電極または測定電極の電位)を電気化学電池内で測定することができ
る。銀/塩化銀電極、カロメル電極、または水素電極などいくつかの一般的に使
用されている(通常は市販されている)電極アセンブリは全て、電池内で使用さ
れる電解質とは無関係に電極電位を有する。しかし、本発明の実体は、金電極の
単一層など単一層電極が基準電極に関する要件を満たす場合があることを突き止
めた。さらに、銀、銅、白金、クロム、アルミニウム、チタン、ニッケルなど他
の材料も、正しい条件下で単一層基準電極として働く場合がある。
で発生する反応を使用して、電解質溶液の電気化学分析を行うことができる。作
業電極は、加えられる極性に応じて、アノードまたはカソードとして働くことが
できる。いくつかの「従来型2電極」電池における電極の1つも、例えば、(基
準電極に対する)測定電極の電位が溶液中の1つの種の濃度の尺度である電位差
測定電気分析セットアップでは、「作業」(「測定」、「インジケータ」、また
は「感知」)電極と考えることができる。
センサの作業電極の周縁の周りに概して延在するように構成される。適切な構成
は、例えば図3、4、5、12、13、および23に見られる。
メカニカル・システム(MEMS)技術を使用して製造される。ここで図3を参
照すると、二酸化珪素(SiO2、1000Å)の層が、ベア・シリコン・ウェ
ハ200(第1級、p型<100>、厚さ500〜550μm)上に堆積され、
窒化珪素(Si3N4、1000Å)の下でパッド層として働いて、応力を解放
し、接着性を改善する。複数のMEMSバイオセンサ(バイオセンサ210など
)が、様々な寸法の作業電極(作業電極220など)と共に製造された。好まし
くは、各作業電極は、エッチングされて、深さが最大350μmのウェルを形成
する。
[100]結晶面に沿ってKOHを使用してバルク・エッチングされる。ウェル
の深さは、KOHエッチング時間および温度によって制御される。100μm幅
の補助電極(補助電極230など)および基準電極(基準電極240など)が、
対応する作業電極220から200μmだけ離隔される。図3は、MEMSバイ
オセンサ(バイオセンサ210など)を製造する際に使用されるパターンの概略
図を示す。
、電気絶縁のために別の酸化物層(5000Å)が堆積された。電極は、PR5
214フォト・レジスト・リバース・イメージングおよびAu(2000Å)/
Cr(200Å)の電子ビーム堆積を用いた電子リフトオフ・プロセスによって
パターン形成された。最後に、ウェハ200が、150℃で10分のホット・ベ
ークの後、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)蒸気中に3分間浸されて、周囲
のSi領域に疎水性表面が生成された。作業電極(作業電極220など)の3次
元性質と共に、周囲領域の疎水性が、溶液中の対象の分子を作業電極に不動化す
る初期センシング・ステップ中に、作業電極220上での液体水滴の封じ込めを
可能にする。この設計は、MEMSアレイの他の領域への生体分子の不特定結合
を効果的に最小限に抑えた。
MS技術で利用可能ないくつかの伝導材料が、リフトオフ・プロセスによってシ
リコン基板上にパターン形成され、3電極システムの特徴が、フェリシアン化物
溶液を用いてサイクリック・ボルタンメトリによって試験された。金、白金、チ
タン、アルミニウム電極の様々な組合せが試験され、Au/Au/Auの3電極
システムが最良のC−V曲線およびレドックス特性を与えた。
300(シリコン、ガリウム砒素、プラスチック、および/またはガラスなど)
上に製造されたバイオセンサの一実施形態を示す。バイオセンサ310は、作業
電極320、基準電極330、およびカウンタ(補助)電極340を備える。前
述したように、好ましくは、電極が、MEMS技術で利用可能な伝導材料の単一
層から構成される。さらに、好ましくは、全ての電極を金(Au)で構成すべき
である。
、基板上に製造された作業電極420と、基準電極430と、カウンタ(補助)
電極440とを備える。好ましくは、電極は金から作成される。作業電極420
は、基板内にある、深さが最大350μmのビルトイン・ウェル450内に形成
される。ウェル450は、よく区画された空間内部に所望の試薬を閉じ込めるよ
うに設計されている。図5に示されるように、本明細書で説明するマイクロ製造
方法によって製造されるウェル450は、KOHエッチングの後に(111)シ
リコン面によって境界を画される。上述したマイクロ製造方法によって形成され
る作業電極420は、ウェル450表面全体をカバーする。
に、単一シリーズ・マイクロ製造プロセス・ステップとしてまとめて製造するこ
とができる。しかし、製造に連続マイクロ製造ステップを採用することもできる
。さらに、以下に示す分析および実験のように、これらの低コストであり、製造
が容易なバイオセンサは、再利用可能であり、従来のバイオセンサと同じ頑強性
および可逆電気化学性質を有する。
る。CVは、電気活性種およびバイオセンサの特徴の研究で使用される最も多用
途の分析技法の1つである。電気化学システムの基本的な特徴では、産業および
学術研究ツールとして広く使用されている。サイクリック・ボルタンメトリでは
、制御された(典型的には固定された)掃引速度(V/秒)で初期電位(E0)
から最大電位(Em)に電位が傾斜している。図6はその概念を例示する。分析
物の還元および酸化の反復サイクルは、作業電極内外で交互にアノード電流とカ
ソード電流を発生する。溶液および/または試薬が攪拌されないので、様々な分
析物濃度および様々なスキャン率で拡散効果が観察される。
使用して、レドックス反応に関わる電子の数を予測することができる。ピーク電
流はまた、分析物濃度C、およびスキャン率vに正比例している。実験結果は通
常、図7に示したグラフと同様に、電流対電位としてプロットされる。
り、より正(または酸化)の電位が右にプロットされており、より負(または還
元)の電位が左にプロットされている。電流は、y軸にプロットされており、カ
ソード(すなわち還元)電流が負の方向に沿って下へプロットされており、アノ
ード(すなわち酸化)電流が正方向にプロットされている。
.11g/mol)の緩衝液中で+3酸化状態の鉄原子(FeIII)を含むフ
ェリシアン化カリウムK3Fe(CN)6(329.26g/mol)であった
。作業電極の表面で、単一の電子をフェリシアン化物陰イオンに追加することが
できる。これは、その陰イオンを、+2酸化状態の鉄原子(FeII)を含むフ
ェリシアン化物陰イオンFeII(CN)6 4−に還元させる。分析物と電極の
この単純な1電子交換は、良好に挙動する可逆反応である。これは、分析物を、
FeII(CN)6 4−に簡単に還元し、その後、酸化してFeIII(CN)6 3− に簡単に戻すことができることを意味する。
気化学半反応は、以下のように書くことができる。 FeIII(CN)6 3-+e-⇔FeII(CN)6 4- E0=+0.358V(NHE) (1)
他方がアノードのピーク(ipa)である2つの非対称ピークを示す。標準水素
電極(NHE)など標準の基準電極を使用すると、この半反応に関連する見掛電
位は+358mV前後になる。作業電極が、+400mVよりもプラス側の電位
で保持される場合、分析物は、FeIII(CN)6 3−形態に酸化される傾向
がある。作業電極でのこの酸化は、溶液から電極内に電子を進めて、アノード電
流をもたらす。+400mVよりもマイナス側の電位では、分析物がFeIII (CN)6 4−に還元される傾向がある。作業電極でのこの還元は、電極から溶
液中に電子を流して、カソード電流をもたらす。本発明の好ましいセンサ設計実
施形態は、NHE、銀/塩化銀(Ag/AgCl)、または飽和カロメル電極(
SCE)など標準の基準電極を利用しないので、かつ3つの電極全てが金(Au
)であるので、この実験での静止(不偏)電位が0ボルトに近づく。
ド・ピーク電流(それぞれipcおよびipa)、ならびにこれらの電流が観察
される電位(それぞれEpcおよびEpa)の大きさである。これらのパラメー
タを使用して、見掛還元電位(E0、これはEpaとEpcの中間に取られる)
、および電荷移動反応で輸送される電子の数(n)を計算することができる。
とができる。 ip=0.4463nFAC[nFvD/RT]1/2 (2) ここで、 n=レドックス・カップルに関する半反応で現れる電子の数 F=ファラデー定数(96485C/mol) A=電極面積(cm2) v=電位が掃引される速度(V/秒) D=分析物の拡散係数(cm2/秒) R=一般気体定数(8.314J/mol・K) T=絶対温度(K) である。25℃で、ランドルス・セヴシックの式は、以下のように変形すること
ができる。 ip=(2.687×105)n3/2v1/2D1/2AC (3) ここで、この定数は単位を有する(すなわち2.687×105Cmol−1V−1/2 )。
たときに、掃引速度の平方根にピーク電流が比例することを予想している。図9
に示されるように、ピーク電流と掃引速度の平方根との関係のプロットは直線に
なる。ランドルス・セヴシックの式を、以下のように、この直線の傾きに関する
表現を与えるように修正することができる。 傾き=(2.687×105Cmol−1V−1/2)n3/2D1/2A
C (4) ピーク電位およびピーク電流に依存するスキャン率を用いて、レドックス反応に
関与する電子の数を評価し、かつ反応全体での可逆性の度合の定性的評価を与え
る。可逆レドックス・カップルに関して電極反応(n)中に移動される電子の数
は、ピーク電位の離隔距離(ΔEp=Epa−Epc)から求められる。単純な
可逆(高速)レドックス・カップルでは、アノード・ピーク電流とカソード・ピ
ーク電流の比が1となるはずである。好ましいセンサ設計を使用した実験の結果
は、1からわずかしかずれない。大きな逸脱は、電極プロセスに関連する干渉化
学反応を示し、しかし1からのわずかな逸脱は、理想的なシステムではないこと
を単に示唆するにすぎない。図10は、第1のサイクルからわずかに逸脱した1
2の連続サイクルに関するCVスキャンを示す。これらの結果は、明らかに、高
い可逆性のあるシステムと、頑強な電池設計とを示す。
、本発明の上述した実施形態はまた、集積回路(IC)およびMEMS製造プロ
セスに適合性があるという利点を有する。さらに、図3および4に示されるよう
に、これらの実施形態は、バイオセンサのアレイ内で、小さい領域内に構成する
ことができる。
サの試薬および/または溶液の閉込めに関する。試薬および/または溶液は、バ
イオセンシングに必要な(1つまたは複数の)ターゲット分析物および/または
(1つまたは複数の)化学物質を含む。
コンなどの基板上に試薬を閉じ込めるという概念は本発明に関連する研究で発見
され、ホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRP)などの分析物または他の
試薬もしくは溶液成分が作業電極の周縁の周りの領域上に不特定結合し、高い検
出ノイズを生じ、高い偽陽性率を生み出すことによって生じる高レベルの検出ノ
イズを低減するための解決策となる。HRPは、本実施形態ではシグナリング酵
素として使用される。表面のHRP残留物からノイズが生じないことを検証する
ために、簡単な試験を行って、この望ましくない結合の寄与を推定する。HRP
は、ベア・シリコン・チップに導入され、その後、基板溶液の追加前にいくつか
の洗浄ステップが行われた。基板溶液を追加した後、非常に高レベルの酵素反応
が即座に観察された。
密接に付着する。不特定結合を低減する大きな改良は行わずに、いくつかの市販
されている洗浄溶液および阻止蛋白質が試験された。その結果、望ましくない結
合の効果を回避する最良の方法は、まずそれが起こらないようにすることである
ことが突き止められた。本発明のバイオセンサの作業電極の外側の領域は、生物
学的センシングを達成するためにHRP溶液にさらす必要はない。しかし、従来
技術では、常に水成システム中に3つの電極全てを浸漬することが慣例であり、
全ての試薬が表面領域全体を介して流れる。
閉じ込めるための最も簡単な方法は、バイオセンサ内にウェルを形成することで
ある。図5に示されるように、マイクロ製造ウェルは、KOHエッチングの後、
シリコン結晶面400によって境界を画される。リフトオフ・プロセスによって
形成される作業電極420がウェル表面全体をカバーする。したがって、不特定
結合する可能性がある試薬または溶液含有成分(例えばHRP)を始めはウェル
領域に閉じ込めて、ウェル内で電極(好ましくは作業電極)への所望の結合を達
成することができ、その一方でバイオセンサの周縁領域への不特定結合を回避す
る。次いで、試薬または溶液をバイオセンサから洗浄除去し、追加の試薬および
/または溶液を後で追加して、センシング・プロセスを完了することができる。
とはできない。希釈された試薬がウェハ表面の周りを流れている状態で、受け入
れられない量の不特定結合が洗浄プロセス中に依然として生じている場合がある
。例えばHRPを含む洗浄溶液が周縁領域に留まる時間は、結合時定数よりもは
るかに長い。したがって、ウェル構造を製造するのに加えて、好ましくは、周縁
領域の表面を他の機構によって保護すべきである。
別の方法は、表面を疎水性にすることである。シリコン表面のシラン化は、浮遊
構造が表面張力によって基板に付くのを防止するために広く使用されている。こ
こでは、この手法を使用して、シリコン基板の周縁領域への生体分子の直接接触
を防止する。
、窒化珪素チップ、および原子間力顕微鏡(AFM)チップの表面性質を修正し
た。表面修正のためのシラン化合物は、末端Si(Cl)nまたはSiO−C2 H5基の加水分解により、シリコン酸化物表面に化学的に繋がれた頑強な単層を
形成する。
される。表面相互作用は、ノイズ増大および構造損傷をもたらす可能性があるの
で、表面修正が、この問題を回避するための一方法である。最も簡単な方法は、
構造の表面性質を変更すること、またはプラスチックを使用することによるもの
である。表面を生体適合性または生体不活性表面に変換することにより、表面に
堅く繋がれた分子層の生成によって不特定の相互作用を最小限に制限する、また
はなくす。最も広く実施されている手法は、主にC.D.ベインおよびG.M.
ホワイトサイズによって80年代に開発されたよく確立された処置に従ってシリ
コン酸化物表面上にSAMを形成するために、金表面およびシラン分子上への化
学吸着によってチオール分子からの自己組織化単層(SAM)を使用する。ゾル
ゲルおよび炭素ペーストなど他の材料を使用して表面を修正することもできる。
形され、小滴が、Au作業電極表面を覆うように良好に形成される。図11(b
)は、試薬の体積の増大と共に、試薬によってカバーされる領域が徐々に広がり
、その後、他の2つの電極をカバーすることを実証している。図11(c)は、
余剰の試薬の流れがピペットによって投与されるときに、疎水性シリコン基板上
に広がるのではなく、試薬の玉465が形成されることを示す。
小さなスケールでの表面張力を使用することによって、必要とされるときにのみ
電解質および/または分析物、ならびに他の成分509に接触する。次に、図1
3のみを参照すると、電気化学検出に関して、全ての電極を、検出時間にのみ、
電解質および/または分析物509中に浸漬しなければならない。ほとんどの適
用例で、作業電極510上に電解質および/または分析物509を不動化するた
めの図12に示される試料調製に大部分の時間が費やされる。図12および13
に示されるこの実施形態では、電極の上の電解質および/または分析物509の
カバー範囲は、表面性質および試薬体積520によって制御される。
解質および/または分析物、ならびに他の成分を閉じ込める。さらに、上述した
実施形態は、はるかに少ない試薬(pL〜mL程度)しか必要とせず、大量の溶
液の必要性をなくする。さらに、少量の試薬使用のため、上述した実施形態は、
電極の近く(pm〜mm)に分析物を有するという利点を有し、それにより、電
極に対する分析物の適切な露出を拡散効果のみを使用して達成することができ、
攪拌または他の混合の必要性がなくなる。上述した実施形態の別の利点は、電極
に対する電解質および/または分析物のカバー範囲の制御および/または変更が
容易であることである。さらに、上述した試薬および/または溶液閉込め実施形
態は、不特定結合を大幅に低減することによって、ターゲット分析物の損失を低
減し、バイオセンサの感度を改善する。さらに、上述した実施形態は、バイオセ
ンサの振動に対して比較的耐性があり、携帯型またはハンドヘルド・システムに
適している。最後に、表面張力閉込め効果により、センサが逆さになったとして
も、試薬は表面張力によってしっかりと保持される。
応ウェル530を備え、試薬520を定位置に保持する助けをし、試薬520の
形状を制御することができる。しかし、そのようなウェル530は必要ではなく
、試薬520の閉込めは、単純な平らな表面によって達成することができる。
形態の好ましい製造の最初のステップを示す。図14に示されるように、二酸化
珪素(SiO2、1000Å)の層620がまず、ベアSiウェハ610(第1
級または試験級、p型またはn型<100>、厚さ500〜550μm)上に堆
積される。二酸化珪素620は、窒化珪素630(Si3N4、1000Å)の
下でパッド層として働いて、応力を解放し、接着を改善する。
によってパターン形成され(図15)、[111]および[100]結晶面に沿
ってKOHを使用してバルク・エッチングされる(図16)。エッチングにより
ウェル650が作成される。ウェル650の深さ(最大350μm)は、KOH
エッチング時間および温度によって制御される。
ッチングによって除去されて、内部応力が解放され、電気絶縁のために別の酸化
物660層(5000Å)が堆積される。
す。バイオセンシング用の電極が、二酸化珪素層660上でPR5214フォト
レジスト層670を使用することによって基板610上にパターン形成される。
次に、マスク671を使用して、(望ましくないフォト・レジスト層670の除
去を含めた)リバース・イメージング・プロセスを使用することによってフォト
・レジスト層670上に所望のパターンを転写する。金Au(2000Å)の層
680が、所望のフォト・レジスト・パターン層670を有する二酸化珪素層6
60上に電子ビーム堆積される。好ましくは、二酸化珪素層660上へのAuの
接着を改善するために、Au(2000Å)680の堆積の前に、クロム(Cr
200Å)など接着剤690の堆積が行われる。さらに、チタンまたは膠など
他の材料も接着剤として働く場合がある。最後に、図19を参照すると、フォト
・レジスト670および望ましくないAu680およびCr690が、フォト・
レジスト・パターン層670を溶解することによって除去される。
メチルジシラザン(HMDS)蒸気中に3分間浸されて、周囲のSi領域に疎水
性表面が生成される。
センサ(センサ・チップ)の表面が修正される。一例として、図20を参照する
と、始めに濃縮「ピラニア」溶液(70体積%のH2SO4、30体積%のH2 O2)を用いてAu表面680を浄化するステップと、脱イオン水(dH2O)
を用いて入念にすすぎ洗いするステップとによって、高分子バイオセンサの表面
を修正することができる。次に、図20を参照すると、ビオチン−DAD−C1
2−SH(12メルカプト(8−ビオチンアミド−3,6−ジオキサオクチル)
ドデカンアミド)(ロシュ GmBH、ドイツ)のSAMなどの表面修正材料が
堆積される。ビオチン−DAD−C12−SHのSAMを堆積する際、スピンケ
他(1993年)の処置が使用され、試料は、4.5×10−4M 11−メル
カプト−1−ウンデカノールを有するエタノール中の50mMビオチン−DAD
−C12−SH溶液(アルドリッチケミカル社 44,752−8)中で約18
時間インキュベートされ、エタノールおよび水ですすぎ洗いされた。最後に、図
21を参照すると、次いで、ビオチン被覆Au表面700が約10分間、1.0
mg/mlストレプトアビジン溶液に露出され、やはりdH2Oを用いてすすぎ
洗いされて、ストレプトアビジン被覆Au表面710が形成された。
ス)バイオセンサ全体を集積することに関する。集積回路(IC)は、基板材料
の小さなウェハと定義され、その上に、電子構成要素およびその相互接続の複合
体がエッチングされる、または印刷される。
し、MEMSベースのセンサからの信号レベルは、従来センサに比べて比較的低
い。オフチップ増幅モジュールを使用することによって感度を改善することがで
きるが、ノイズおよびシステム・サイズも増大する。したがって、本発明の実体
は、オンチップ増幅回路(バイオセンサ・チップ自体に組み込まれた増幅回路)
および検出回路(例えばバイアス電位、電流測定、順次制御および信号処理を提
供する)を設計して、チップ間干渉を低減する。検出回路と増幅回路はどちらも
、バイポーラ・トランジスタ(BJT)および/または相補型金属酸化膜半導体
(CMOS)デバイスを使用することによって提供することができる。
電池の最大領域である作業電極の下に配置される。オープンベース・バイポーラ
(BJT)フォトセンサに類似して、ベース領域は、電流利得βをもつトランス
デューサから電流を受け取り、電流利得βは80〜150の範囲にある。電気化
学電池と共に実装することができる2つのタイプのBJT、すなわち垂直BJT
と水平BJTが存在する。電流利得はベース領域の長さによって決定される。垂
直BJTでは、これは、イオン注入エネルギーとドーピング濃度の関数である。
水平BJTでは、この長さは、リソグラフィ分解能、イオン注入角度、および熱
拡散の関数である。これらの理由から、垂直BJTは、チップ間またはチップ内
利得均一性の点でより信頼性がある。
るバイオセンサを含むチップ内増幅器回路の一実施形態を断面で示す。好ましく
は、3つの電極が集積回路(IC)プロセスを使用して製造され、相互接続およ
び絶縁のために比較的大きな領域を有する。バイオセンサ・チップ700全体を
、2つのステージ(電気化学センシング・ステージ730とバイポーラ・トラン
ジスタ(BJT)増幅ステージ720)で積層することができ、Au作業電極7
10が、BJTデバイス720用の電気化学シールドとして働くことができる。
作業電極コンタクト(コンタクト733、734、735、736、737、お
よび738など)は、コンタクト界面740に接触し、また、より高い信号のた
めに作業電極710の表面積を増大する。全てのコンタクトおよび電極構造を、
金などの金属の単一層を備えるように作成することができる。さらに、バイオセ
ンサ・チップ700はシリコン基板744を備える。基板744は、ベース領域
743と、コレクタ742と、エミッタ741とを含む。ベース領域743は、
作業電極710から電子流を受け取る。コレクタ742は、電源に接続され、増
幅の理由での何らかのベース条件の下で電流利得を提供する。次いで、ベース7
43およびコレクタ742からの、結果として得られる電流がエミッタ741で
測定される。
およびエミッタ741に接続される。金作業電極710は、エッチングによって
第1の二酸化珪素層760を介してベース領域743に接続する。第2の二酸化
珪素層770が、BJT720と信号線を絶縁し、第1の層760は、3つの電
極(作業電極710、基準電極780、およびカウンタ電極790)を絶縁する
。作業電極710上のコンタクト(コンタクト733、734、735、736
、737、および738など)は、表面積を増大し、またBJT720と共に固
体コンタクトを形成する。コンタクトの寸法(それぞれ約数十μm)は、作業電
極710上の任意の蛋白質SAMのサイズ(約数十Å)よりもはるかに大きく、
したがって蛋白質吸着に影響はない。
い実施形態を表す、バイオセンサ・ユニット800の別の好ましい実施形態の断
面図である。図24に見られるように、バイオセンサ・ユニット800は、CM
OSおよび/またはBJT層830、電気化学層840、および試薬封じ込め層
850を備え、すでに述べた図22の実施形態と概して同様である。
態は、センサ内の構成要素を、生物学的検出に必要な他の構成要素とチップ間接
続することなく、直接集積することができるようにするバイオセンシング・シス
テムに関する。このシステムは、完全なシステムを構成するために、外部構成要
素(器具)を必要としない、または最小数の外部構成要素しか必要としない。さ
らに、このオールインワン・バイオセンシング・システムは、生物学的センシン
グのコストおよびノイズ・レベルを低減し、そのようなセンシングのプロセスを
簡略化する。
一実施形態を、好ましくは1つおよび/または複数のCMOSデバイスと共に集
積回路(IC)技術によって製造することができる方法の一例を示す。さらに、
1つおよび/または複数のBJTデバイス(図示せず)を含むこともできる。図
25に示されるように、集積回路(IC)は半導体基板900上に製造され、ポ
リシリコン・ゲート907を有する二酸化珪素層905が活性ウェル領域909
の上にある。ポリシリコン・ゲート907は、アモルファス・シリコンから製造
され、低抵抗ソース917およびドレイン919を備えるトランジスタを切り換
えるために使用される。
920が基板900上に堆積される。次に図27を参照すると、次いで、リソグ
ラフィおよびエッチング方法を使用することによって二酸化珪素層920が選択
的にエッチングされて、電気接続穴940が形成される。次に図28を参照する
と、次いで、伝導プラグ950が、コンタクト穴940内に取り付けられる。伝
導プラグ950は、伝導性電極960と、低抵抗ソース917および/またはド
レイン919との相互接続として使用される。
珪素層920上でPR5214フォト・レジスト層970を使用することによっ
て、バイオセンシング用の電極が基板900上にパターン形成される。次に、マ
スク921を使用して、(望ましくないフォト・レジスト層970の除去を含め
た)リバース・イメージング・プロセスを使用することによってフォト・レジス
ト層970上に所望のパターンを転写する。金Au(2000Å)および/また
はCr(200Å)の層960が、所望のフォト・レジスト・パターン層970
を有する二酸化シリコン層920上に電子ビーム堆積される。最後に、図30を
参照すると、フォト・レジスト970および望ましくないAu/Cr960が、
フォト・レジスト・パターン層970を溶解することによって除去される。
000の一実施形態を、好ましくは鉄(Fe)などのイオン分子を検出するため
に使用することができる方法の一例を示す。この実施形態では、センサ表面10
10が修正されておらず、上述した製造実施形態で示される製造後浄化の後に、
使用できる準備が整う。この実施形態で使用された分析物は、窒化カリウムKN
O3(101.11g/mol)の緩衝液中で+3酸化状態の鉄原子(FeII I )を含むフェリシアン化カリウムK3Fe(CN)6(329.26g/mo
l)であった。図示されるように、図31で、分析物(または電解質を有する試
薬)を有する混合溶液1020が、3つの電極(作業電極1030、基準電極1
040、カウンタ電極1050)全ての上に塗布される。溶液1020の体積が
調節され、それにより小滴は、表面張力によって3つの電極全ての上に閉じ込め
られる。
イアス電位の関係が、ピコアンプ・ブースタおよびファラデー・ケージを有する
CHインストゥルメンツ660Aエレクトロケミカル・ワークステーションを使
用して測定された。電位は、0.1ボルトと−0.4ボルトの間で掃引され、電
流は、作業電極1030を介して測定される。
ール、および濃縮「ピラニア」溶液(70体積%のH2SO4、30体積%のH2 O2)を用いて浄化され、脱イオン水(dH2O)を用いて入念にすすぎ洗い
された。
しい実施形態を示す。好ましくは、高分子(DNA、RNA、蛋白質)の濃度の
検出は、ビオチン/ストレプトアビジン層のセンサ表面修正を含む。上述した表
面修正プロセスで示したように、センサ表面は、適切な生物化学溶液を用いて修
正されて、製造後浄化の後にストレプトアビジン層を形成する。バイオセンサ1
100の表面が修正された後、まず250mlのバクテリア溶液の試料に50m
lの溶菌試薬(0.4M NaOH)を追加することによって病原体の電流測定
バイオセンシングが行われ、室温で5分間インキュベートされる。次いで、10
0mlのプローブ溶液(アンカリングおよびシグナリング・プローブ)が追加さ
れ、混合物が65℃で10分間インキュベートされた。次いで、5μLの溶菌E
.coli/プローブ溶液混合物1120が、バイオセンサ1100のストレプ
トアビジン被覆作業電極1130上に配置され、室温で10分間インキュベート
された。
液(キルケゴールアンドペリー・ラボラトリー、50−63−06)を用いて洗
浄される。次に、希釈剤(PBS/0.5%カゼイン)を用いて0.75U/m
lまたは0.15U/mlまで希釈された5μLのAnti−Fl−POD(ア
ンチフルオレセインペルオキシダーゼ、150U、ロシュ社、1426346)
1140が、作業電極1130上に配置され、室温で10分間インキュベートさ
れる。
。洗浄後、3つの電極(作業電極1130、基準電極1140、カウンタ電極1
150)全てが基質溶液1160によってカバーされるように、10μLのK−
blue基質(ネオゲン社 300176)1160がバイオセンサ上に配置さ
れる。
流測定電流と時間の関係は、ピコアンプ・ブースタおよびファラデー・ケージを
有するCHインストゥルメンツ660Aエレクトロケミカル・ワークステーショ
ンを使用して測定される。バイオセンサ上の試料が順次に測定される。電圧は(
基準に対して)−0.1Vで固定すべきであり、カソード電流(電流測定信号)
読取りは20秒間で行うべきである。これは、20秒で電流値が安定状態に到達
するはずだからである。細胞濃度(細胞数)は、連続的な希釈および培養皿カウ
ンティングを使用することによって決定される。
ルコール、および濃縮「ピラニア」溶液(70体積%のH2SO4、30体積%
のH2O2)で浄化し、脱イオン水(dH2O)で入念にすすぎ洗いすべきであ
る。
、実際の試料検出の前に較正される。バイオセンサは、好ましくは、既知量の(
1種または複数種の)ターゲット分析物を含む較正溶液と、検出不可能な量(例
えば、ゼロ)の(1つまたは複数の)ターゲット分析物を含む別の較正溶液とを
用いて較正される。任意選択で、バイオセンサを、複数の較正溶液を用いて較正
することができる。この複数の較正溶液はそれぞれ、既知量のターゲット分析物
を含む。好ましくは、較正溶液は、異なる濃度レベルでターゲット分析物を含む
。これらの較正溶液を、上述した検出プロセスによってバイオセンサで測定して
、1つおよび/または複数の基準信号を得る。次いで、1つおよび/または複数
の基準信号が、試料溶液からの測定信号と比較されて、試料試薬中の分析物の存
在および量を求める。(1つまたは複数の)分析物の存在および量(例えば濃度
または絶対量)の割出しは、従来の生物学的補間方法によって求めることができ
る。
の参照を、それらが、本明細書で採用される方法、技法、および/または構成を
補足し、説明し、その背景を提供し、または教示する範囲で参照により本明細書
に組み込む。さらに、以下に列挙する参考文献も、それが、本明細書で採用され
る方法、技法、および/または構成を補足し、説明し、その背景を提供し、また
は教示する範囲で参照により本明細書に組み込む。
する医学的防御」ディフェンス・テクニカル・インフォメーション・センター(
1997年2月11日公開) N.L.アボット;C.B.ゴーマン;G.M.ホワイトサイズ「印加電位お
よび自己組織化単層を使用する濡れの活性制御」ラングミュア,11,1995
年1月1日発行,16−18) N.L.アボット;D.R.ロリソン;G.M.ホワイトサイズ「高分子を製
造するためのマイクロ加工と分子自己組織化の組合せ」ラングミュア,10,1
994年8月8日発行,2672−2682 I.アブデルハミッド,D.イヴニツキ,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
,1998年 部分的に浸漬された免疫電極を使用するE.coli 0157
:H7に関する高速電流測定アッセイ(エレクトロアナリシス 10(11),
758−763) I.アブデルハミッド,D.イヴニツキ,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
,1999年 E.coli 0157:H7の高速検出のためのフロースルー
免疫濾過アッセイ・システム(Biosens.Bioelect. 14,3
09−316) J.D.アンドレイド「生物医学ポリマーの表面および界面様相:蛋白質吸着
」米国ニューヨーク州プレナム,1985年 C.D.ベイン;E.B.トラフトン;Y.T.タオ;J.エバル;G.M.
ホワイトサイズ;R.G.ナッゾ(J.Am.Chem.Soc.1989,1
11,321) イアン・バクスター;リサ・D.コザー;キャロル・デュピュイ;ポールD.
リッキス;アンドリューJ.P.ホワイト;およびデビッドJ.ウィリアム「シ
ラノールへの水素結合」英帝国科学工学医学大学 化学科(ロンドン SW2A
Y,英国) K.E.ビーム「シリコンの異方性エッチング」(電子デバイスに関するIE
EE会報,1978年10月) E.W.ベッカー;H.ベッツ;W.エアフェルド;W.グラスハウザー;A
.ホイベルガー;H.J.ミッシェル;D.ミュンヒメーヤー;S.ポングラッ
ツ;R.V.シーメンス「X線リソグラフィとガルバノプラスチックスの組合せ
によるウラニウム・エンリッチメントのための個別ノズル・システムの製造」ナ
チュアビッセンシャフテン,69,(1982)520〜523 C.ブレーク,B.J.グールド 1984年 免疫アッセイ技法での酵素の
使用(A review.Analyst 109,533−547) J.P.ブローディー;P.イェーガー;R.E.ゴールドシュタイン;R.
H.オースチン「低レイノルド数での生物工学」J.Biophys.71,1
996,3430−3441 Y.F.チェン,J.M.ヤン,J.J.ガウ,C.M.ホー,Y.C.タイ
2000年 生物剤検出のためのマイクロ流体システム(技術と流体力学の相
互作用に関する第3回国際会議(スイス、チューリッヒ)の議事録) Y.F.チェン;J.M.ヤン;J.J.ガウ;C.M.ホー;Y.C.タイ
「生物剤検出のためのマイクロ流体システム」技術と流体力学の相互作用に関す
る第3回国際会議(スイス、チューリッヒ,2000年) N.クーパー「ヒトゲノム計画」ロスアラモス研究所 サイエンス,20,1
−338 1992年 E.L.クスラー 拡散−流体システムの大量移動 第2版 ケンブリッジ大
学出版 1997年 S.A.ダースト;M.アーラー;P.H.メーラー;E.W.クバレク;R
.ブランケンブルク;H.O.リビ;H.リングスドルフ;R.コルンベルク「
ビオチン化脂質層上でのストレプトアビジンの2次元結晶」Biophys J
.59(1991)387−396 J.エバース;K.E.エバース;M.B.グリシャム編 化学および生物学
でのペルオキシダーゼ 第2巻(CRC出版,フロリダ州ボカラトン,pp.1
−24)におけるH.B.ダンフォード 1991年 ホースラディッシュペル
オキシダーゼ:構造および速度論性質 G.エーテシャミ;N.ラーナ;P.ラウ;F.シャドマン「酸化中の、不純
物と珪素および二酸化珪素との相互作用」マイクロ汚染制御の核心(NSF I
/U CRC) リチャードP.ファインマン「There’s Plenty of Roo
m at the Bottom」エンジニアリングアンドサイエンス,カルテ
ック,1960年2月 J.J.ガウ,E.H.ラン,B.ダン,C.M.ホー 2000年 DNA
アレイ・チップを有する酵素ベースの電気化学バイオセンサ(マイクロ・トータ
ル分析システム(μTAS)に関する第4回国際シンポジウム(オランダ、エン
シェーデ)の議事録) A.L.ギンジリス,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス 1997年 酵素
触媒直接電子移動:基礎と分析適用例(エレクトロアナリシス 9,661−6
74) L.ゴートン,A.リンドレン,T.ラーソン,F.D.ムンテーニュ,T.
ラズガス,I.ガザリアン 1999年 第3世代バイオセンサの基礎としての
、ヘム含有酵素と電極の間の直接電子移動(Anal.Chim.Acta 4
00,91−108) E.A.H.ホール 1991年 バイオセンサ(プレンティス・ホール,ニ
ュージャージー州イングリウッド・クリフス) L.ハウスリング,H.リングスドルフ,F.J.シュミット,W.クノール
1991年 金上でのビオチン機能化自己組織化単層:特定の認識反応の表面
プラズモン光学研究(ラングミュア 7(9),1837−1840) C.M.ホー,Y.C.タイ 1996年 レビュー:流れ制御のためのME
MSおよびその応用(J.Fluids Eng.118,437−447) C.M.ホー,Y.C.タイ 1998年 マイクロエレクトロメカニカル・
システム(MEMS)と流体の流れ(Ann.Rev.Fluid Mech.
30,579−612) S.F.ホウ,K.S.ヤン,H.Q.ファン,H.Y.チャン 1998年
自己組織化単層表面上に多層でグルコースオキシダーゼを不動化することによ
る電流測定グルコース酵素電極(タランタ 47,561−567) R.T.ハウおよびR.S.ミュラー「多結晶シリコン・マイクロメカニカル
・ビーム」電気化学会ジャーナル:固体科学および技術,1983年6月 D.イヴニツキ,I.アブデルハミッド,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
1999年 病原性バクテリアの検出のためのバイオセンサ(Biosens
.Bioelect.14,599−624) D.イヴニツキ,I.アブデルハミッド,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
,S.ストリッカー 2000年 食物病原性バクテリアを検出するための電気
化学バイオセンサの応用(エレクトロアナリシス 12(5),317−325
) L.S.ユング,K.E.ネルソン,C.T.キャンベル,P.S.ステート
ン,S.S.イー,V.ペレスルナ,G.P.ロペス 1999年 混合ビオチ
ン含有アルキルチオレート単層上のワイドタイプおよび変異ストレプトアビジン
の結合および解離の表面プラズモン共鳴測定(センサーズ・アクチュエータズ
B 54,137−144) R.S.ケイン,S.タカヤマ,E.オスツーニ,D.E.イングバー,G.
M.ホワイトサイズ 1999年 ソフトリソグラフィを使用する蛋白質および
細胞のパターン付け(バイオマテリアルス 20, 2363−2376) D.ケブレスおよびL.フード「符号の符号:ヒトゲノム計画における科学的
および社会的問題」ハーバード大学出版,マサチューセッツ州ケンブリッジ,1
992年 J.ライリ,E.オスツーニ,G.M.ホワイトサイズ 1999年 マイク
ロコンタクト印刷による反応性SAM上へのリガンドのパターン付け(ラングミ
ュア 15(6) 2055−2060) A.リンドレン,F.D.ムンテーニュ,I.G.ガザリアン,T.ラズガス
,L.ゴートン 1998年 グラファイト電極上のホースラディッシュペルオ
キシダーゼのための直接および間接電子移動の速度論を研究するための、回転デ
ィスクと壁ジェット電極システムの比較(J.Electroanal.Che
m.458,113−120) G.マラザ;I.キアネラ;M.マシーニ「環境監視のための使い捨てDNA
電気化学バイオセンサ」Analytica Chimica Acta 38
7(1999),297−307 K.モテシャライ,D.C.ミレス 1998年 金上へのアルカンチオール
の機能化自己組織化単層に関する分子認識(J.Am.Chem.Soc.12
0(29),7328−7336) A.S.N.マーシー,J.シャルマ 1998年 金電極でのビス(4−ピ
リジル)二硫化物の自己組織化単層に結合されたグルコースオキシダーゼ:グル
コースの電流測定算出(Anal.Chim.Acta 363,215−22
0) H.C.ナサーソン;W.E.ネウェル;R.A.ウィックストローム;およ
びJ.R.デービスJr.「共鳴ゲート・トランジスタ」電子デバイスに関する
IEEE会報,1967年3月 A.A.オオカ,K.A.クーア.N.チョ,G.L.ガレル 1999年
コロイド状銀および金上での、a,w−アミノ酸の相同な列の表面相互作用(バ
イオスペクトロスコーピー 5,9−17) E.オスツーニ,L.ヤン,G.M.ホワイトサイズ 1999年 金および
銀上での、蛋白質および細胞とアルカンチオレートの自己組織化単層との相互作
用(コロイド表面 B15,3−30) J.ラオ,L.ヤン,B.スー,およびG.M.ホワイトサイズ 1999年
D−Ala−D−Alaを表す自己組織化単層に対するバンコマイシンおよび
そのダイマーの結合を研究するための表面プラズモン共鳴の使用(J.Am.C
hem.Soc.121(11),2029−2030) D.J.レベル,J.R.ナイト,D.J.ブリス,A.H.ヘインス,D.
A.ラッセル 1998年 自己組織化炭水化物単層:形成および表面選択分子
認識(ラングミュア 14(16)4517−4524) T.ラズガス,L.ゴートン,J.エムニス,G.マルコバーガ グラファイ
ト電極上のホースラディッシュペルオキシダーゼ作用の速度論モデル(J.El
ectroanal.Chem.391,41−49) T.ラズガス;E.コズレギ;J.エムニス;L.ゴートン;G.マルコバー
ガ「ペルオキシダーゼ修正電極:基礎と応用」Analytica Chimi
ca Acta 330(1996),123−138 A.B.シーバル;A.L.デミレル;J.W.M.ニシンク;M.R.リン
フォード;J.H.ファンデルマース;W.H.デジュ;H.ズイルホフ;E.
J.R.ズードヒュルター「シリコン(100)表面上での非常に安定なSi−
Cリンク機能化単層」(ラングミュア 1998,14,1759−1768) A.B.シーバル;H.ズイルホフ;E.J.R.ズードヒュルター;F.M
.シュールマンス;W.C.シンク「有機単層によるシリコンの表面パッシベー
ション」光起電力太陽エネルギー変換に関する第2回世界会議およびエキシビシ
ョンの議事録(ウィーン 1998年) G.B.シーガル,C.バンダッド,A.バルベリス,J.ストロミンガー,
G.M.ホワイトサイズ 1996年 表面プラズモン共鳴によるヒスチジンタ
グ付き蛋白質の結合および研究のための自己組織化単層(Anal.Chem.
68,490−497) J.スピンケ,M.リリー,H.J.グデー,L.アンゲルマイヤー,W.ク
ノール 1993年 自己組織化単層での分子認識:多成分多層の構成(ラング
ミュア 9(7),1821−1825) X.サン,P.ヘー,S.リュー,チャンイー,Y.ファン 1998年 D
NA電気化学センサ適用例のための自己組織化アミノエタンチノール単層を用い
た金電極上での一本鎖デオキシリボ核酸の不動化(タランタ 47,487−4
95) ロバート・テーラー「バイオテロリズム・スペシャルリポート:All fa
ll down」ニューサイエンティスト 第150巻,発行2029,199
6年5月11日 W.S.N.トリマー「マイクロロボットおよびマイクロメカニカル・システ
ム」センサーズアンドアクチュエータズ,19,第3号,1989年9月,26
7−287 ウィリアム・トリマー「Grand in Purpose, Insign
ificant in Size」MEMSに関する第10回年次国際ワークシ
ョップ(日本、名古屋)議事録IEEEカタログ番号97CH36021,19
97,9−13 A.アルマン ラングミュア・ブラジェットから自己組織化への超薄有機被膜
(アカデミックプレス:ニューヨーク,1991年) A.アルマン ラングミュア・ブラジェットから自己組織化への超薄有機被膜
に対する緒言(アカデミックプレス社 米国カリフォルニア州サンディエゴ 1
991年) A.アルマン編 有機薄膜の特徴;バターワース−ハインマン:ボストン,1
995年 ドナルド・フート;J.フート「生物化学 第2版」ウィリー,ニューヨーク
,916−919 P.ワグナー;M.ヘグナー;H.J.グンテロット,G.セメンサ「超平坦
テンプレートストリップ金表面上に化学吸着された単層の形成およびin Si
tu修正」ラングミュア 11(1995)3867−75 J.ワン,G.リバス,X.カイ,E.パレセック,P.ニールセン,H.シ
ライシ,N.ドンサ,D.ルオ,C.パラド,M.チッチャロ,P.A.Mファ
リアス,F.S.バレラ,D.H.グラント,M.オズソス,M.N.フレア
1997年 環境監視用のDNA電気化学バイオセンサ(A Review.A
nal.Chim.Acta 347,1−8) T.H.ワン,Y.F.チェン,S.マセット,C.M.ホー,Y.C.タイ
2000年 分子ビーコンベースの微生物検出システム(医学および生物科学
における数学および設計技術に関する2000年国際会議(METMBS’20
00 米国ネバダ州カリフォルニア)の議事録) P.C.ウェーバー,D.H.オーレンドルフ,J.J.ウェンドロスキー,
F.R.サレメ 1989年 ストレプトアビジンに対する高親和力ビオチン結
合の構造起源(サイエンス 243,85−88) G.M.ホワイトサイズ;P.E.ライビニス ラングミュア 1990,6
,87 Th.ウィンク;S.J.ファンツイレン;A.バルト;W.P.ファンベネ
コム「バイオセンサ用の自己組織化単層」アナリスト,1997年4月,122
,43R−50R K.D.ワイス;T.N.ジャクソン;N.A.マスナリ;M.B.ロビンソ
ン;D.E.ソロモン;G.H.ワットケ;W.B.レンセル「熱核溶融研究で
の使用のための半導体技術を使用する半球構造の製造」(真空科学技術ジャーナ
ル,1979年5/6月) Y.シー,G.M.ホワイトサイズ 1998年 ソフトリソグラフィ(An
gew.Chem.Int.Ed.37,550−575) R.H.ヤン,K.M.ワン,D.シャオ,K.ルオ,X.H.ヤン 3,3
A,5,5A−テトラメチルベンジジンジヒドロクロライドの蛍光焼入れに基づ
くジまたはトリニトロフェノールに関する回復可能な液体ドロップ・センサ(ア
ナリスト,2000,125、877−882)
当然、本発明の精神および範囲を逸脱することなく様々な修正を行うことができ
る。例えば、本明細書で開示したバイオセンサを使用して、非生体要素および化
合物を感知または検出することができる。したがって、本発明は、頭書の特許請
求の範囲の意図を除いては、制限を受けない。
した(図1)。DNAベースのプローブは、抗体を使用する間接プロービングで
はなく、分析物のDNA/RNA配列を標的とする。ハイブリダイゼーション・
イベントを信号酵素と組み合わせることによって感度が大幅に高まる。自己組織
化単層センサ表面の形成、in−situ DNAハイブリダイゼーション、信
号測定、およびセンサ再生成を、40分以内に行うことができる。PCRを使用
しない場合でさえ、このセンサ・アレイを使用して、16srRNAによって1
000以上のエシェリキア・コリ(E.coli)細胞を検出することができる
(図2)。各センサ領域の寸法は、25mm2〜160μm2の範囲である。 キーワード:電気化学センサ、マイクロエレクトロメカニカル・システム(M
EMS)、自己組織化単層(SAM)、DNAハイブリダイゼーション
または様々な生物学種の濃度の高速監視が可能な、非常に高感度であり選択性の
あるプロトコルを求めることによって主に動機付けされている。そのようなプロ
トコルは、遠隔操作のものであり、十分に自動化されており、コンパクトであり
、頑強である[1]。したがって、光学システムよりも、最少電力消費およびよ
り小さなサイズを有する電気化学トランスデューサが好ましい[2]。偽陽性信
号および偽陰性信号を低減するためにDNAハイブリダイゼーションを使用する
ことによって高い特異性を達成することができる。グラファイトまたは炭素電極
を使用するDNA電気化学バイオセンサがすでに報告されている[3、4]。し
かし、炭素ベース電極は通常、小さな(<μm)寸法が必要とされるときにME
MS技術に適合可能でない。本研究では、電極としてAuを使用し、E.col
i rRNAを捕捉するために蛋白質自己組織化単層(SAM)を用いた。本研
究では、生物学的増幅因子として酵素を使用して、PCRを用いずに高感度を得
る。E.coli MC4100対ボルデテラSB54に関する感度および特異
性チェックが図2に示されている。
素の1つである[5]。酵素増幅は、電気化学的に検出することができる反応の
高転換数により生じる。ここでは、媒介物として3,3’5,5’−テトラメチ
ルベンジジン(TMB)を有するホースラディッシュペルオキシダーゼ(HRP
)に基づく電流測定バイオセンサを説明する(図3)。電極表面での電子移動が
電流測定によって測定されて、ターゲット細胞の16sリボゾームRNAによる
DNAハイブリダイゼーションによって不動化される酵素の数を表す。したがっ
て、出力電流は、溶液中のターゲット細胞の数に比例する。
れる(図4a)。導電層として金(Au)が堆積され、絶縁層としてSi3N4 /SiO2が堆積される(図4b)。周囲のSi表面は、疎水性になるように修
正される。3次元反応ウェルは、周囲領域の疎水性と共に、液体小滴を作業電極
内によく含むことができるようにする。この設計は、センサ・チップの他の領域
への生体分子の不特定結合を最小限に抑える。Au作業電極は、チオレート化ビ
オチンSAMによって、または金の上への直接蛋白質吸着によって、基板上に不
動化されたストレプトアビジンの単層を有する(図4c)。E.coliを含む
試料溶液は溶菌バッファで処理され、E.coli細胞からのターゲットDNA
/RNAが、細胞デブリの存在下でアニーリング温度(約65℃)で、アンカリ
ングssDNAプローブとラベリングssDNAプローブの両方を用いてハイブ
リダイゼーションされる(図4d)。アンカリング・プローブ(ビオチンに結合
された)とラベリング・プローブ(フルオレセインに結合された)は、2つの明
確に異なる保存的配列を認識し、それによりハイブリッドは、ターゲット生物剤
からの特定の遺伝子セグメントのみを用いて生成される。次いで、オリゴヌクレ
イック・ハイブリッドが作業電極上に、ビオチンストレプトアビジン結合によっ
て不動化され、結合されていない成分が洗浄除去される。次いで、HRPリンク
・アンチフルオレセイン抗体が各ハイブリッド上に担持される(図4e)。基質
の追加後、酵素反応が、3電極電池を使用して電流測定で測定される電流信号を
生じる(図4f)。プロトコル全体が40分で完了する。
白質堆積の速度論を求めるための表面プラズモン共鳴(SPR)および原子間力
顕微鏡検査(AFM)によって特徴付けられる。このデータから、一体型流体シ
ステム内でのin situセンサ表面形成に必要な時間スケールを確かめるこ
とができる。ストレプトアビジンSAMを堆積するための2つの異なる方法が使
用され、一方がチオレート化ビオチンを使用し、他方が直接蛋白質吸着を使用し
た。どちらの場合にも、SPRデータは、ただ1つの単層が基板上に堆積された
ことを示す(図5)。ストレプトアビジンの結晶単層は、2.8ng/mm2の
予想表面カバー範囲を有する[6]。本実験の結果は、チオレート化ビオチンを
使用して単層全体が得られ、直接蛋白質吸着によって約80%のカバー範囲が得
られたことを示す。さらに、蛋白質結合/吸着は約10秒以内に生じた。
モン共鳴 Time(seconds): 時間(秒) Response Units: 反応ユニット Streptavidin on biotin-SH/Su SAM/Su: ビオチン−SH/Au SAM/Au
上のストレプトアビジン Streptavidin on bare Au: ベアAu上のストレプトアビジン
間力顕微鏡検査(AFM)が行われた。Au基板は、ワグナー等の方法に従って
準備された[7]。ベアAuは、トポグラフィ・フィーチャ<10Åを有し(図
6a)、「全」単層のコンタクトAFMは、蛋白質ドラッギングの証拠をもつ滑
らかな表面を示した(図6b)。「部分」単層上の蛋白質島の高さは約45Åで
あり、ストレプトアビジン蛋白質の寸法と一致した。AFM観察により、1つの
単層のみが堆積されたSPR結果を確認する。
ングを有する全カバー範囲(c)蛋白質島を有する部分カバー範囲
に関する高い特異性および感度の検出器が得られる。SAMを用いた電気化学検
出を使用する生物学的同定が、1000未満のE.coli細胞を検出すること
ができる感度で、シリコン・ウェハに正常に組み込まれた。
C.タイ「生物剤検出のためのマイクロ流体システム」技術と流体力学の相互作
用に関する第3回国際会議(スイス、チューリッヒ,2000年) 2.D.イヴニツキ,I.アブデルハミッド,P.アタナゾフ,E.ウィルキン
ス「レビュー:病原性バクテリアを検出するためのバイオセンサ」バイオセンサ
アンドバイオエレクトロニクス 14(1999),599−624 3.G.マラザ;I.キアネラ;M.マシーニ「環境監視のための使い捨てDN
A電気化学バイオセンサ」Analytica Chimica Acta 3
87(1999),297−307 4.J.ワン等「環境監視用のDNA電気化学バイオセンサ」A Review
,Analytica Chimica Acta 347(1997),1−
8 5.T.ラズガス;E.コズレギ;J.エムニス;L.ゴートン;G.マルコバ
ーガ「ペルオキシダーゼ修正電極:基礎と応用」Analytica Chim
ica Acta 330(1996),123−138 6.S.A.ダースト;M.アーラー;P.H.メーラー;E.W.クバレク;
R.ブランケンブルク;H.O.リビ;H.リングスドルフ;R.コルンベルク
「ビオチン化脂質層上でのストレプトアビジンの2次元結晶」Biophys
J.59(1991)387−396 7.P.ワグナー;M.ヘグナー;H.J.グンテロット,G.セメンサ「超平
坦テンプレートストリップ金表面上に化学吸着された単層の形成およびin S
itu修正」ラングミュア 11(1995)3867−75
DNAマイクロセンサ・アレイの特徴および最適化を示す(図1)[1〜3]。
このMEMSベースのDNAセンサは、不特定結合を最小限に抑えるように新規
のマイクロ製造構造を備える標準の3電極電気化学電池構成を利用する。センサ
・モジュールは、様々なプロトコルに簡単に適合され、泌尿器中の尿路エシェリ
キア・コリ(E.coli)および中耳炎(中耳感染)をもたらす微生物などタ
ーゲットからの高分子(DNA、RNA)の高速検出のために使用することがで
きる。尿道感染の患者の尿サンプルから、105未満のE.coli細胞を検出
することができる。適切なセンサ特徴および表面修正によって感度が高められる
。試料調製を含めた総検出時間は、POD結合オリゴヌクレオチドを使用するこ
とにより25分まで短縮することができる。
製造プロセスに全く適合していない。電気化学電池は、少なくとも2つの電極(
作業電極、基準電極)と電解質とからなっていなければならない。電気化学電極
は、電荷移動の機構が電子輸送とイオン輸送の間で切り換わる界面である[4]
。電解質は、イオンの移動によって電荷移動を行うことができる媒体である。電
気化学検出は、基準電極によって供給される第2の不変電位を必要とし、半バッ
テリーを形成する。典型的な基準電極はAg/AgClである。現在、シリコン
基板上にこの基準電極を製造するのは困難である。ほとんどのMEMSベースの
電気化学センサは、作業電極のみをマイクロ製造することに焦点を当てている。
本研究は、標準のMEMSプロセスによって製造されるシリコン上のMEMSベ
ース電気化学センサの特徴および適用を考察する。電気化学センサ上でのDNA
ハイブリダイゼーションを伴う臨床尿試料の試験は、シリコン上のMEMSベー
ス・センサを生医学検出に使用することができることを実証する。
胞デブリの存在下で、アンカリングssDNAプローブ(ビオチンに結合)とラ
ベリングssDNAプローブ(フルオレセインに結合)の両方を用いてハイブリ
ダイゼーションされる(図2a)。これら2つのプローブは、2つの異なる保存
的配列を認識し、したがって、ハイブリッドは、ターゲット生物剤からの特定の
遺伝セグメントのみを用いて生成される。次いでオリゴヌクレオチド・ハイブリ
ッドが作業電極上に、ビオチンストレプトアビジン結合によって不動化され、結
合されていない成分が洗浄除去される(図2b)。次いで、ペルオキシダーゼ(
POD)リンク・アンチフルオレセイン抗体が各ハイブリッド上に担持される(
図2c)。媒介物(テトラメチルベンジジン、TMB)を有する基質の追加後、
酵素反応が、図3に示されるREDOX反応から電流測定で測定される電流信号
を生じる。プロトコル全体を40分で完了させることができ、センサは、浄化プ
ロセス後に再び活動化される。
、信号ノイズ比の改善のためにセンサ最適化および表面修正を用いるオンチップ
電気化学検出に向かっている。MEMS技術は、小さな寸法の導電金属電極をシ
リコン基板上に正確に堆積し、パターン形成することができるため、小型電気化
学電池の開発を可能にする。本研究から、Auが、3つの電極(作業電極、補助
電極、および基準電極)全てに対する適切な候補であり、フェロセンなどよく知
られている1電子システムを使用するAu/Au/Au電極電池の特徴から、従
来の可逆1電子電池が得られることが確認された。
ード・ピークとカソード・ピークの間の約57mVのピーク離隔距離、同じピー
ク最大値、およびピーク電流と[スキャン率]1/2との線形関係によって特徴
付けられる[4]。図4に見られるように、様々なスキャン率でMEMSベース
の電気化学センサを使用するフェロセンのボルタモグラムが、予想される挙動を
示し、ピーク最大値でのピーク電流と[スキャン率]1/2とのプロットが線形
である。ペルオキシダーゼを使用する電気化学電池のさらなる特徴により、酵素
電流測定も実現可能であることが確認された。媒介物で行われるサイクリック・
ボルタンメトリは、TMBに関して予想されるように2電子レドックス移動を示
し(図5)、ペルオキシダーゼ酵素の追加により、−0.1Vバイアス電位で明
らかに測定することができる還元電流の増大がもたらされる。
質自己組織化単層を有し、SAMは、原子間力顕微鏡検査(AFM)および表面
プラズモン共鳴(SPR)によって特徴付けられる[2]。信号対ノイズは、不
特定結合を減少させるための適切な表面修正によって大幅に改善することができ
る。第1の手法は、不特定結合する可能性がある結合部位をなくするために表面
阻止蛋白質を導入することである(図6)。第2の手法は、Teflon(登録
商標)またはポリイミドのシラン化処理または薄膜コーティングを用いて周辺領
域の疎水性修正を追加する。蛋白質カバーされたAu作業電極の疎水性により、
試薬は作業電極のみに閉じ込められて、周辺および他の2つの電極に対する酵素
の堆積を最小限に抑える(図7、8)。どちらの場合にも、不特定結合によるノ
イズが低減された。典型的には、第2の手法(疎水性修正)がMEMS製造で使
用され、第1のものはプローブ試薬に組み入れられる。
る。任意の追加のプロトコル・ステップが、より流動性があるデバイス、および
より長い検出時間を必要とする。簡略化されたプロトコルが図9に示されており
、検出器DNAプローブ上へのPOD結合を用いた酵素担持のステップがなくな
っている。ハイブリダイゼーション条件は、65℃に加熱した後にPOD酵素活
性を保持するように制御された。次いで、プロトコルを、40分から25分に短
縮することができ、試薬の必要数を1つだけ減らすことができる。
胞であることが実証されている。近年のデータは、リボゾームRNA含有によっ
て静止段階で細胞培養から10未満のE.coli細胞を検出することができる
ことを示す。次いで、センサが、UCLAの感染症科からの臨床尿試料にさらさ
れて試験された。図10に示されるように、尿試料中のE.coliの最小検出
可能細胞数は、離隔することなく予備的結果から105である。尿試料での感度
は、さらなる最適化によって改善することができる。別のタイプのバクテリア、
ボルデテラは、負の制御として使用され、希釈剤を含めた全てのE.coli試
料が、負の制御よりも高い信号を有する。
ために使用することができる。これは、バイアス電位が比較的低く(−0.1V
)、検出が、補助電極での電荷の蓄積を回避するのに十分短い(20秒)ためで
ある。これは、フェロセンおよびPOD溶液のボルタモグラムを用いて確認され
た。
用することができることを実証した。MEMS技術によってシリコン上にパター
ン形成されたAu/Au/Au3電極電池は、酵素反応の電流測定で正常に使用
された。これらのセンサは、マイクロ・トータル分析システム(μ−TAS)ま
たは「Lab on a Chip」内に組み入れることができる見込みを示し
ている。
証するために、電流測定によって酵素反応を検出することができ、フェロセンお
よびPODを用いたイクリック・ボルタンメトリを使用することによって特徴付
けられたマイクロDNAセンサが製造された。ノイズ低減は、表面修正および阻
止蛋白質の導入によって達成された。作業電極内のウェルの構造設計およびシリ
コン基板上の表面処理が、作業電極を覆う試薬閉込めを可能にする。試薬電極コ
ンタクトを制御して、不特定結合を低減することができ、これは従来のビーカー
・セットアップでは可能でない。尿試料試験は、このDNAセンサが、短い検出
時間およびより短いシステム・サイズでの臨床診断に適していることを示す。
イ,2000年。「生物剤検出のためのマイクロ流体システム」技術と流体力学
の相互作用に関する第3回国際会議(スイス、チューリッヒ 2000年)の議
事録 2.J.J.ガウ,E.H.ラン,B.ダン,C.M.ホー 2000年。「D
NAアレイ・チップを有する酵素ベースの電気化学バイオセンサ」マイクロ・ト
ータル分析システム(μTAS)に関する第4回国際シンポジウム(オランダ、
エンシェーデ)の議事録 3.J.J.ガウ,E.H.ラン,B.ダン,C.M.ホー 2000年。「E
.ColiバクテリアのためのMEMSベース電流測定検出器−自己組織化単層
の使用」バイオセンサに関する第6回世界会合(米国サンディエゴ)の議事録 4.B.エギーン 1996年 バイオセンサ(ジョーン・ウィリー・アンド・
サンズ,ニューヨーク) 5.E.A.H.ホール バイオセンサ(プレンティス・ホール,ニュージャー
ジー州イーグルウッド・クリフス,pp.97−139,1991)
(b)不動化(c)POD担持 Labeling ssDNA: ラベリングssDNA 16srRNA from E coli: E.coliからの16srRNA Anchoring ssDNA: アンカリングssDNA Biotin: ビオチン florescence: フルオレセイン Signaling Enzyme horseradish peroxidase: シグナリング酵素−ホースラディ
ッシュペルオキシダーゼ(POD) Streptavidin Self-Assenmbled Monolayer(SAM): ストレプトアビジン自己組織
化単層(SAM) Counter Electrode: カウンタ電極 Working Electrode: 作業電極 Reference Electrade: 基準電極
タクトの比較 Auxiliary slectrode: 補助電極 Reference electrode: 基準電極 Micro fabricated working electrode: マイクロ製造作業電極 Electrolyte: 電解質 (a)従来のビーカー・セットアップ ・3つの電極が常に溶液中にある ・拡散制限効果 ・攪拌が必要 Hydrophobic surface: 疎水性表面 (b) マイクロDNAセンサ:関連電極のみが電解質小滴によってカバーされ
る
質 #2 基質溶液の追加によって、電流測定検出中に、3つの電極全てを覆う電解
質 #3 表面修正によって構築される表面張力により、オーバーシュート小滴が元
の構造に戻る
リダイゼーション(b)不動化 Labeling ssDNA: ラベリングssDNA 16srRNA from E coli: E.coliからの16srRNA Anchoring ssDNA: アンカリングssDNA Biotin: ビオチン florescence: フルオレセイン Signaling Enzyme horseradish peroxidase: シグナリング酵素−ホースラディ
ッシュペルオキシダーゼ(POD) Streptavidin Self-Assenmbled Monolayer(SAM): ストレプトアビジン自己組織
化単層(SAM) Counter Electrode: カウンタ電極 Working Electrode: 作業電極 Reference Electrade: 基準電極 #1 シグナリング酵素−ホースラディッシュペルオキシダーゼ(POD) #2 フルオレセイン #3 ストレプトアビジン自己組織化単層(SAM)
定検出器 要旨 マイクロエレクトロメカニカル・システム(MEMS)、自己組織化単層(S
AMS)、DNAハイブリダイゼーション、および酵素増幅の統合に基づくエシ
ェリキア・コリ(E.coli)の電流測定検出のためのシステムを開発した。
MEMS技術を使用して、Siウェハ上に堆積された複数の電極を有する検出器
アレイが製造され、完全に再利用可能であった。SAMを使用して、蛋白質スト
レプトアビジンの単層が、E.coliからrRNAを捕捉するために作業電極
(Au)表面上に不動化された。ベアAu上に蛋白質を直接吸着する、Au上で
ビオチン化チオールSAMに蛋白質を結合する、Au上でビオチン化二硫化物単
層に蛋白質を結合するという3つの異なる手法を使用して、Au上にストレプト
アビジンを不動化することができる。ビオチン化チオール手法が最良の結果を生
んだ。E.coliに関する高い特異性は、ssDNA−rRNAハイブリダイ
ゼーションを使用して達成され、高い感度は、酵素としてペルオキシダーゼを用
いた酵素増幅を使用して達成された。分析プロトコルは、数マイクロリットル程
度の溶液体積で行い、40分間で完了することができる。検出システムは、E.
coliと、バクテリアであるボルデテラブロンキセプチカとに関する高い特異
性をもって、ポリメラーゼ鎖反応を伴わずに1000個のE.coliを検出す
ることができた。
AM)、電流測定検出、エシェリキア・コリ・バクテリア、DNAハイブリダイ
ゼーション
リアの検出に関して開発されている(イヴニツキ等,1999年,2000年)
。バクテリアを検出するための従来の方法は通常、有機体の形態学的評価、およ
び成長可能性の試験を含むが、そのような方法は非常に時間がかかり、現場条件
下で実現可能でない。高速検出および携帯性に関する要求が、病原体認識をシグ
ナル伝達と組み合わせるシステムの開発をもたらした。バクテリアの光学検出と
電気化学検出の両方が報告されており、しかし電気化学方法は、小型化に関して
より修正可能であるという利点を有する(イヴニツキ等,1999年、T.ワン
等,2000年)。理想的な検出器に関する要件には、比較的短時間で完了させ
ることができるプロトコルを使用した高い特異性および高感度が含まれる。さら
に、小型化し、自動化することができるシステムは、特に検出が現場で必要とさ
れる場合に、現行技術に勝る大きな利点を提供する。
用例で感知および作動を行うためにトランスデューサを提供する。MEMS技術
の重要な点は、電子回路と共に集積し、大量にバッチ製造することができるミク
ロンサイズの機械的部品を可能にすることである。MEMSデバイスは、マイク
ロ加工のプロセスによって製造され、バッチ製造プロセスはリソグラフィを採用
する。マイクロ加工は、事前設計レジスト・パターン(またはマスク)を使用し
、次いで、望ましくない部分を選択的にエッチング除去して3次元構造を作成す
るために、リソグラフィ方法の使用に大きく依拠している(ホーおよびタイ,1
996年,1998年)。MEMSは、小型化デバイスを作成するための権能付
与技法であり、本研究では、MEMS技術をバイオセンシング方法と組み合せて
、E.coliバクテリアを検出する。
出することである(例えばrRNA、mRNA、変性DNA)。ターゲット・バ
クテリアのrRNAまたはssDNAのみに配列が相補的である一本鎖DNA(
ssDNA)プローブを選択することによって、ハイブリダイゼーション・イベ
ントの監視が、ターゲット細胞の選択的感知を可能にする。感度を最大にするよ
うに、ハイブリダイゼーション・イベントと酵素反応の組合せが信号増幅をもた
らす。これは、各基質から生成物への変換が信号全体に寄与するからである。酵
素反応によって増幅されるDNAハイブリダイゼーションの検出に対するバイオ
アッセイは、依然として比較的短持間で完了することができる。最後に、電気化
学プローブに固有の小型化および携帯性が、それらのプローブを、MEMSデバ
イスへの組込みに優れた候補とする。
づいたエシェリキア・コリ(E.coli)に関するプロトタイプ電流測定検出
器を開発した(チェン等,2000年、ガウ等,2000年)。MEMS、自己
組織化単層(SAM)、DNAハイブリダイゼーション、および酵素増幅の技術
は全て、小型化された特定の高感度のE.coli検出器の設計に寄与する。D
NA電気化学プローブは、すでに報告されており(ワン等,1997年、マラザ
等,1999年)、通常はグラファイトまたは炭素電極が使用される。使い捨て
試験ストリップ上のスクリーン印刷炭素電極を使用する、E.coliからのD
NAの電流測定検出に関する市販ユニットも利用可能である(アンドケア社、米
国ノースカロライナ州ダラム)。スクリーン印刷は、低コストであるという利点
を有するが、高次元精度を達成するのは簡単でない。リソグラフィを使用して、
金属(Au、Ag)および炭素を含めた広い範囲の材料の薄膜を、μmサイズ寸
法で正確にパターン形成することができる。さらに、SAMは、MEMS表面上
で分子を選択的に不動化する優れた方法である。Au、Ag、および他の金属へ
のSAMの結合は、良く研究されており(レベル等,1998年、モテシャライ
等,1998年、シャー等,1998年、ライリ等,1999年)、蛋白質およ
び他の生体分子を、SAMを使用してAuなどの表面上に簡単に不動化すること
ができる(オスツーニ等,1999年、ケーン等,1999年、スピンケ等,1
993年、ハウスリング等,1991年)。さらに、電極上のSAMを使用する
電流測定方法は、ターゲット分析物を正常に検出することができることが実証さ
れている(サン等,1998年、ホウ等,1998年、マーシー等,1998年
)。
イブリダイゼーションおよび酵素増幅を使用して、必要な特異性および感度を達
成する。MEMSおよびSAMを使用して、小型システムを製造し、これにより
携帯型器具をもたらすことができる。最後に、この検出システムが広い範囲の病
原性バクテリアに適用可能であることを実証する。例えば、検出モジュールおよ
びアッセイ・プロトコルを、尿路E.coliの検出、および中耳炎(中耳感染
)をもたらす微生物の同定に適合させることができる。
<100>、厚さ500〜550μm)上に堆積され、窒化珪素(Si3N4、
1000Å)の下でパッド層として働いて、応力を解放し、接着を改善した。M
EMSアレイは、深さ350μmのウェルを形成するようにエッチングされた3
.6mm×3.6mmの作業電極を有して製造された。窒化物ウェハは、パター
ン形成され、[111]および[100]結晶面に沿ってKOHを使用してバル
ク・エッチングされ、ウェルの深さは、KOHエッチング時間および温度によっ
て制御された。100μm幅補助電極および基準電極が、対応する電極から20
0μmだけ離隔された。図1は、MEMSアレイを製造する際に使用されたパタ
ーンの概略図を示す。窒化物および酸化物がHFエッチングによって除去されて
、内部応力が解放され、電気絶縁のために別の酸化物層(5000Å)が堆積さ
れた。電極は、PR5214フォト・レジスト・リバース・イメージングおよび
Au(2000Å)/Cr(200Å)の電子ビーム堆積を用いたリフトオフ・
プロセスによってパターン形成された。最後に、150℃で10分のホット・ベ
ークの後、ヘキサメチルジシラザン(HMDS)蒸気中に3分間浸されて、周囲
のSi領域に疎水性表面が生成された。作業電極の3次元性質と共に、周囲領域
の疎水性が、作業電極内への液体小滴の封じ込めを可能にする。この設計は、M
EMSアレイの他の領域への生体分子の不特定結合を効果的に最小限に抑えた。
ル、ビオチン−DAD−C12−SHのSAMを堆積し、後でストレプトアビジ
ンを結合する、3)ビオチン化二硫化物、ビオチン−HPDPのSAMを堆積し
、後でストレプトアビジンを結合するという3つの異なる方法を使用して、スト
レプトアビジン単層をAu上に堆積した。全ての場合に、Au表面は、濃縮「ピ
ラニア」溶液(70体積%のH2SO4、30体積%のH2O2)を用いて浄化
され、脱イオン水を用いて完全にすすぎ洗いされた。ベアAu上にストレプトア
ビジンを堆積する際、0.02M Na燐酸塩緩衝液、0.15M NaCl、
pH7.2中の1.0mg/mlストレプトアビジン溶液(シグマケミカル社
S0677)が、基板上に配置され、10分間留めることができ、脱イオン水で
すすぎ洗いされた。ビオチン−DAD−C12−SH(12−メルカプト(8−
ビオチンアミド−3,6−ジオキサオクチル)ドデカンアミド)(ロシュ Gm
BH、ドイツ)のSAMを堆積する場合、スピンケ等(1993年)の処置が使
用され、試料は、4.5×10−4M 11−メルカプト−1−ウンデカノール
を有するエタノール中の50μMビオチン−DAD−C12−SH溶液(アルド
リッチケミカル社 44,752−8)中で約18時間インキュベートされ、エ
タノールおよび水ですすぎ洗いされた。次いでビオチン被覆Au表面が約10分
間、1.0mg/mlストレプトアビジン溶液に露出され、やはり水ですすぎ洗
いされた。ビオチン−HPDPのSAM(N−[6−(ビオチンアミド)ヘキシ
ル]−3’−(2’−ピリジルジチオ)プロピオンアミド、ピアス社,2134
1)を堆積する際、試料は、エタノール中の50μMビオチン−HPDP溶液中
で約18時間インキュベートされ(4.5×10−4Mメルカプトプロパノール
を用いて、または用いずに)、エタノールおよび水ですすぎ洗いされた。次いで
、表面が、約10分間1.0mg/mlストレプトアビジン溶液に露出され、や
はり水ですすぎ洗いされた。
ンドケア社、4002−11)が、培養媒体中のバクテリアの250μl試料に
追加され、室温で5分間インキュベートされた。2)次いで、100μlのプロ
ーブ溶液(アンドケア社、4002−13)が追加され、混合物が65℃で10
分間インキュベートされた。3)5μlの溶菌E.coli/プローブ溶液混合
物が、MEMS検出器アレイのストレプトアビジン被覆作業電極上に配置され、
室温で10分間インキュベートされた。4)MEMS検出器アレイがビオチン洗
浄溶液で洗浄された(キルケゴールアンドペリー・ラボラトリー、50−63−
06)。5)希釈剤(アンドケア社、4002−14)を用いて0.75U/m
lまたは0.15U/mlに希釈された5μlのAnti−Fl−POD(アン
チフルオレセインペルオキシダーゼ、150U、ロシュ社、1426346)が
、作業電極上に配置され、室温で10分間インキュベートされた。6)MEMS
アレイ・チップが、やはり洗浄溶液を用いて洗浄された。7)3つの電極(作業
電極、補助電極、基準電極)全てが基板溶液によってカバーされるように、10
μlのK−blue基質(ネオゲン社 300176)が検出器アレイ上に配置
された。8)電気化学測定値が即座に取られた。全プロトコルが40分以内に完
了した。ピコアンプ・ブースタおよびファラデー・ケージを有するCHインスト
ゥルメンツ660Aエレクトロケミカル・ワークステーションを使用して、電流
測定電流対時間が測定された。MEMS検出器アレイ上の試料が、順次に測定さ
れた。電圧は(基準に対して)−0.1Vで固定され、20秒のカソード電流が
電流測定信号として取られた。20秒で電流値が安定状態に到達した。細胞濃度
(細胞数)は、連続的な希釈および培養皿カウンティングを使用して決定された
。
ている。表面プラズモン共鳴(SPR、バイアコアXシステム、バイアコア社)
および原子間力顕微鏡検査(AFM)を行って、単層を特徴付けた。ベアAuへ
のストレプトアビジン結合のSPR研究では、ベアAuチップ(J1センサ・チ
ップ)が使用された。ビオチン−DAD−C−12−SH/Auまたはビオチン
−HPDP/Auへのストレプトアビジン結合の研究では、ビオチンSAMは、
SPR実験前に、すでに述べたようにベアAuチップ上に堆積された。最良の結
果として、ベアAuを用いてSPRを行う、またはビオチンSAMを堆積する前
に、希釈H2SO4/H2O2溶液で約2分間、新たなチップが洗浄された。全
ての場合に、0.02M Na燐酸塩、0.15M NaCl、pH7.2緩衝
液中の1.0mg/mlストレプトアビジンが使用された。ベアAu上のストレ
プトアビジンに関する吸着実験では、流量は1〜5μl/分の範囲にあった。ス
トレプトアビジンおよびビオチン−DAD−C12−SH/Auに関する実験で
は、流量は10〜25μl/分の範囲にあった。ストレプトアビジンおよびビオ
チン−HPDP/Auに関する実験では、流量が5〜10μl/分の範囲にあっ
た。脱着実験では、以下の溶液25μlが、25μl/分でチャネルを介して順
次に流れた(総露出時間は1分)。1.0M KCl、8M尿素、0.5%SD
S、0.1M HCl、0.1M NaOH、および40体積%ホルムアミド。
力を有するウルトラレバー・チップを使用して接触モードで行われた。平坦なA
u表面を保証するために、ワグナー等(1995年)の方法が使用され、Auが
まずマイカ上に電子ビーム蒸着によって堆積され、次いでSiに転写された。本
実験の場合、マイカは、溶媒を使用せずにAuから清潔に除去するためにへき開
された。
極と共に16個の作業電極が、2.8cm×2.8cm領域内にパターン形成さ
れた。検出器アレイは、H2SO4/H2O2溶液を使用して表面を浄化するこ
とができるので、完全に再利用可能であった。表面を適切に浄化し、作業電極上
にSAMを再堆積することによって同じMEMS検出器アレイを複数回再利用し
た。
ンと、それに続く酵素反応に基づく。電極表面を例示する概略図を図3に示す。
ストレプトアビジン単層が、Au作業電極表面上に不動化されて、E.coli
からrRNAを捕捉する。2つのssDNAセグメントがこのシステムで使用さ
れる。ストレプトアビジン結合のためにビオチンに結合された捕捉ssDNAは
、E.coli rRNAの一端にハイブリダイゼーションする。酵素ペルオキ
シダーゼ(POD)にリンクされたアンチフルオレセインへの結合のためにフル
オレセインに結合された検出器ssDNAは、E.coli rRNAの多端に
ハイブリダイゼーションする。捕捉ssDNAと検出器ssDNAは、2つの異
なる保存的配列を認識し、それによりハイブリッドは、E.coliからの特定
の遺伝子セグメントを用いてのみ生成される。オリゴヌクレオチド・ハイブリッ
ドはAu作業電極上に、ビオチンストレプトアビジン結合によって不動化され、
結合されていない成分が洗浄除去される。ストレプトアビジンは、通常は高い親
和力(Kd 約10−15M)でビオチンに結合する(ウェーバー等,1989
年)。(Anti−Fl−フルオレセイン結合を介する)ハイブリッド上へのP
ODの担持後、基質が追加され、酵素反応が電流測定で検出される。基質溶液は
、基質H2O2と、媒介物である3,3’,5,5’テトラメチルベンジジン(
TMB)との両方を含む。酵素および電極反応が図4に示される。
3つの異なる手法を使用した。第1の手法では、ストレプトアビジン単層が、蛋
白質吸着によってベアAu上に堆積された。第2の手法では、ビオチン化チオー
ルを使用してビオチンのSAMがAu上に堆積され、その後、ストレプトアビジ
ンがビオチンに結合された。第3の手法では、ビオチンのSAMが、ビオチン化
二硫化物を使用してAu上に堆積され、その後、ストレプトアビジンがビオチン
に結合された。
検査(AFM)の両方を使用することで特徴付けられる。SPRは、溶液金属界
面での分子と金属(Au、Ag)薄膜との相互作用を監視するための実行可能技
法であることが実証されている。この技法を使用して、堆積層の厚さを評価し、
会合および解離の速度論を測定することができる(ハウスリング等,1991年
、スピンケ等,1993年、シーガル等,1996年、ラオ等,1999年、ユ
ング等,1999年)。3つの手法全てを使用して、Au上のストレプトアビジ
ンの堆積を監視するためにSPRを行った。SPR結果が図6に示されている。
製造業者(バイアコア)による較正に基づくと、SPR信号の1000レゾナン
ス・ユニット(RU)が、表面蛋白質濃度中の約1ng/mm2の変化に相当す
る。ストレプトアビジンは、約55×45×50Å(ダースト等,1991年)
の寸法を有する。ストレプトアビジンの完全な単層は、2次元結晶単層(ユング
等,1999年、ダースト等,1991年)に基づいて計算される約2.8ng
/mm2の予想密度を有する。図6から、本質的にストレプトアビジンの完全な
単層が、ビオチン化チオールSAM/Au(約3000RU)上に堆積され、約
80%の「カバー範囲」が、ベアAu(約2400RU)上に堆積されたストレ
プトアビジンを用いて得られ、約52%の「カバー範囲」が、ビオチン化二硫化
物SAM/Au(約1550RU)上に堆積されたストレプトアビジンを用いて
得られた。ビオチン化二硫化物に関して、溶液中のメルカプトプロパノールの存
在は、SPR信号がわずか約10%(約1700RU、データは図示せず)しか
増大しないので、表面カバー範囲に対する効果を無視できる。全ての場合に、蛋
白質溶液の第2の注入時の追加の蛋白質堆積が最小限になった。さらに、流量は
、堆積された蛋白質の割合または量に対する効果を無視できる。SPR結果は、
3つの手法全てで、多層ではなくストレプトアビジンの単層のみがAu上に堆積
したことを示す。最後に、これらの結果は、ストレプトアビジンビオチン結合お
よびAu上へのストレプトアビジン吸着のほとんどが数秒以内で生じ、数分程度
で完了させることができることを立証している。
するために、ストレプトアビジンをベアAuから、またはビオチンへの結合から
解離できるかどうかを判定するための実験を行った。表Iは、蛋白質リガンド結
合および/または変性蛋白質を解離するために知られている様々な試薬を用いた
処理後のSPR信号(RU)の損失を列挙する。表Iに見られるように、わずか
8Mの尿素、0.5%のSDS、および0.1M NaOHが、表面からストレ
プトアビジンを脱着するのに幾分効果的であった。1.0M KCl、0.1M
は、任意の試薬によって完全には脱着することができず、全ての試薬に表面をさ
らした後にいくらかの蛋白質が残った。これらの結果は、ストレプトアビジンが
、ビオチンSAMとベアAuとの両方にかなり良好に結合し、ストレプトアビジ
ンアン単層が比較的安定であったことを示す。
ジングによって表面をさらに特徴付けることができる。ベアAuは、トポグラフ
ィ・フィーチャ<10Åを有し、「部分」単層上の蛋白質島は約45Åであり、
ストレプトアビジンの寸法に適合していた(図7)。AFM結果は、Au上にた
だ1つの単層が堆積されるというSPRの知見を確証する。「完全な」蛋白質単
層に関する接触モードでのAFMが、蛋白質ドラッギングの痕跡があるフィーチ
ャレス表面を示し(データは図示せず)、したがって表面カバー範囲に関する追
加の情報は提供しなかった。以前に報告されているように、ビオチン化SAMを
使用し、その後、ストレプトアビジンを結合するときにも単層堆積が得られる(
スピンケ等,1993年、ユング等,1999年)。
よび基準電極の全てに関してAuを用いた3電極システムを使用した。通常、A
g/AgClまたは飽和カロメル電極(SCE)が、基準電極で固定電位での可
逆酸化/還元が生じるように、基準電極として使用された。しかし、本MEMS
検出器アレイでは、基準電極としてAuを使用して、製造を簡略化し、完全に再
利用可能なアレイを可能にした。一定の電位の維持は、(2電極システムに対し
て)3電極システムの使用によって可能になった。TMBの還元が監視されるこ
の特定の適用例では、基準電極としてAuを正常に使用することができる。これ
は、低い電圧差(−0.1V)が短い時間(<1分)維持されたためである。
ムを特徴付けた。第1の実験では、フェロセン被膜が電極上に配置され、サイク
リック・ボルタンメトリが、レドックス反応を監視するために行われた。従来の
可逆の1電子移動に関するサイクリック・ボルタンメトリは、アノード・ピーク
とカソード・ピークの間の約57mVのピーク離隔距離、ピーク最大値での同じ
ピーク電流、およびピーク電流と[スキャン率]1/2との線形関係によって特
徴付けられる(ホール,1991年)。図8は、様々なスキャン率でフェロセン
を用いて得られるボルタモグラムを示す。図8に見られるように、従来のレドッ
クス挙動が観察され、ピーク電流対[スキャン率]1/2のプロットが線形であ
る(図9)。
タンメトリが、基質溶液(H2O2+TMB)のみに対して行われ、次いで再び
POD酵素を用いて同じ溶液に対して行われた。スキャン率10mV/秒で−0
.2V〜+0.50Vでサイクルして、基質溶液が、TMBの2電子レドックス
挙動を示した(図10)。基質溶液へのPODの追加は、還元電流の増大をもた
らした。次いで、POD酵素活性の測定に関して、(基準に対する)−0.10
Vの定電位が選択された。この電位では、電流バックグラウンドがゼロに近く、
基質酸化が行われない。この電位は、酵素活性判定に最適であり、少量の生成物
(酸化TMB)が、高濃度の基質の存在下で測定された。
プトアビジン単層表面の性能を比較した。ストレプトアビジンは、前述した3つ
の異なる手法を使用してAu上で不動化され、バクテリアE.coilおよびボ
ルデテラブロンキセプチカ(ボルデテラ)に関してアッセイ・プロトコルが行わ
れた。ssDNAプローブはE.coilに特有なものであるので、ボルデテラ
・バクテリアは負の制御試料として働いた。この実験の目的は、ビオチン−rR
NA−PODハイブリッドを捕捉するために不動化ストレプトアビジンの効率を
比較することであった。E.coilの2つの濃度が使用され、一方の試料を他
方の10倍の濃度にした。さらに、ボルデテラからの信号が、不特定結合のレベ
ルまたは達成可能な「ベースライン」を示す。この実験からの結果が図11に示
される。同じバクテリア溶液(E.coliまたはボルデテラ)が使用されたの
で、異なる表面の直接の比較を行うことができる。図11に見られるように、ビ
オチン化チオールによって不動化されたストレプトアビジンが、E.coli検
出に関する最良の条件であった。ビオチン−チオールSAMを使用して、ボルデ
テラからの低いベースライン信号を達成しながらE.coliに関する良好な信
号を得た。Auに対してビオチン二硫化物によって不動化されたストレプトアビ
ジンでは、E.coliに関する電流信号(両方の濃度)が大幅に低くなり、ベ
ースラインは、ビオチン−チオール/ストレプトアビジンに関するものと同じで
あった。Auに直接吸着されたストレプトアビジンの場合、ボルデテラからの信
号ははるかに高く、表面に対するPODのより高レベルの不特定結合を示した。
になったことを確かめた後、システムの感度を求めるためにE.coliおよび
ボルデテラを使用してプロトコルを繰り返した。ビオチン−SH SAMによっ
てストレプトアビジンを不動化して、負の制御としてボルデテラを有して、一連
のE.coli希釈液に対するアッセイを行った。その結果を図12に示した。
データは、MEMSシステムを使用して少なくとも1000個のE.coli細
胞を検出することができることを示す。予想されるように、電流信号は、試料溶
液中のE.coli細胞の数の増加の関数として増大した。さらに、アッセイ・
プロトコルで使用されるPOD濃度を低下させる(0.75U/mlから0.1
5U/mlに)ことにより、より少ないE.coli細胞数で、信号のより良い
区別を達成した(図13)。図13に見られるように、1000個のE.col
i細胞に関する電流信号は、2.5×105のボルデテラ細胞に関するものの2
倍よりも大きかった。本MEMSシステムを使用する結果は、E.coliバク
テリアが、バクテリアrRNAを捕捉するために電流測定およびSAMを使用し
て正常に検出されたことを確証する。
素電流測定と組み合わせることで、E.coliなどのバクテリアに関する高い
特異性および感度をもつ電気化学検出器がもたらされることを示す。各成分から
の寄与は、システムの全体の正常性に重要である。MEMS技術は、複数の3電
極「電池」のアレイをSiウェハ上に堆積することができるようにし、説明した
MEMS検出器アレイは、SAMを除去することができ、適切な浄化を用いてA
u表面が再生成されるので十分に再利用可能である。さらに、マイクロ加工チャ
ネル、弁、ポンプ、および集積電子回路を用いて、試料調製およびアッセイ・プ
ロトコルを完全に自動化することができる。
作業電極を機能させる効果的な手段を提供する。DNAハイブリダイゼーション
は、ssDNAプローブの配列をターゲットのみと相補的になるように注意深く
選択することができるので、病原性バクテリアに対する高い特異性をもつことが
できるようにする。ハイブリダイゼーション・イベントを酵素反応と組み合わせ
ることで、信号増幅が提供され、感度が高まる。最終的に、電気化学変換を使用
することによって、最少電力消費の小型化携帯型システムを開発することができ
る。
使用して約40分以内で検出を達成することができることが実証された。小さい
寸法および小さい試料体積により、DNAハイブリダイゼーションおよび酵素結
合に関して現在使用されているインキュベーション時間(10分)を短縮するこ
とによって、アッセイ時間をさらに短縮することができる。MEMSの明らかな
利点は、非常に小さな体積(数μl)および電極表面積(現在、作業電極では0
.13cm2、補助および基準電極では<0.02cm2)を使用することがで
きることである。本実験の結果は、少なくとも約103個の細胞を、ポリメラー
ゼ鎖反応(PCR)を用いずにこのシステムを使用して検出することができるこ
とを示す。MEMSシステムでの小さな体積および作業電極表面積により、絶対
細胞数に関する検出限界は、細胞濃度(細胞/ml)に関する検出限界を報告す
るよりも適している。102〜103細胞/ml程度の検出限界が報告され、し
かし通常は、約1cm2の作業電極表面積を有する約1.0mlの試料体積が使
用された(アブデルハミッド等,1998年,1999年)。電流測定酵素免疫
濾過アッセイでは、信号は、1.0ml試料を使用するときよりも0.1ml試
料を使用するときに1桁以上大きかった。
チオールSAM手法によって不動化されたストレプトアビジン単層が最良の結果
を生み出すことを示している。SPRデータが、ビオチン化チロールを使用する
ときに最大のストレプトアビジン表面密度または「カバー範囲」を示しているの
で、この知見は驚くべきものではない。よく秩序化された自己組織化単層は、ビ
オチン化チオールを用いてのみ生成され、最大のストレプトアビジン表面密度を
もたらす可能性が高い。ビオチン化二硫化物の場合、Au表面へのビオチンの取
付けはAu−S結合によって行われるが、追加の有機基はおそらく稠密単層の形
成を妨げる。Auへの直接の吸着によって不動化されたストレプトアビジンは、
作業電極に対するPOD酵素の非常に大きい不特定結合をもたらした。様々な蛋
白質(例えばストレプトアビジン、免疫グロブリン)に取り付けられたコロイド
状Au粒子が市販されている(ナノプローブ社、ニューヨーク州ヤップハンク)
ので、Auへの蛋白質吸着がよく知られている。ストレプトアビジンは、システ
インまたはメチオニンの残留物を含まず(ウェーバー等,1989年)、したが
って、Au−S結合によってAuに付着しない。Auへの蛋白質吸着は、カルボ
キシル基とAuとの相互作用によって生じる場合があり(オーカ等,1999年
)、ストレプトアビジンAu付着に関する有望な機構である。ストレプトアビジ
ン単層を直接吸着によってAuに付着することができるが、自己組織化または分
子秩序が生じるかどうかは疑問である。SPR脱着実験は、ストレプトアビジン
Au付着がストレプトアビジンビオチン結合と同じくらい頑強になることを示し
た。すなわち尿素、SDS、およびNaOHによって除去されるストレプトアビ
ジンの量は、ビオチンに付着されたストレプトアビジンと異なり、Au上に直接
吸着されたストレプトアビジンの場合と同様であった。しかし、E.coliに
関するアッセイ・プロトコルを行うとき、試料溶液は、オリゴヌクレオチド、お
よび溶菌E.coliからの細胞デブリを含んでいた。本データは、他の蛋白質
および生体分子の存在が、Auからのストレプトアビジンの脱着を加速し、表面
への酵素PODの不特定結合の増大をもたらしたことを示唆している。
ン、および酵素増幅を組み込むことによって正常に検出された。E.coliに
関して特有であり、PCRを用いずに1000個の細胞を検出することができる
MEMSベースの検出システムを実証した。プロセス時間は40分以下にするこ
とができる。さらに、数マイクロリットル程度の溶液体積を用いてアッセイを行
うことができる。SAM、DNAハイブリダイゼーション、および酵素増幅方法
をMEMS技術と統合することにより、病原性検出に関する新世代のデバイスを
可能にする。
1998年 部分的に浸漬された免疫電極を使用するE.coli 0157
:H7に関する高速電流測定アッセイ(エレクトロアナリシス 10(11),
758−763) I.アブデルハミッド,D.イヴニツキ,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
,1999年 E.coli 0157:H7の高速検出のためのフロースルー
免疫濾過アッセイ・システム(Biosens.Bioelect. 14,3
09−316) Y.F.チェン,J.M.ヤン,J.J.ガウ,C.M.ホー,Y.C.タイ
,2000年 生物剤検出のためのマイクロ流体システム(技術と流体力学の相
互作用に関する第3回国際会議(スイス、チューリッヒ)の議事録) S.A.ダースト;M.アーラー;P.H.メーラー;E.W.クバレク;R
.ブランケンブルク;H.O.リブ;H.リングスドルフ;R.D.コルンベル
ク 1991年 ビオチン化脂質層上でのストレプトアビジンの2次元結晶およ
びビオチン化高分子との相互作用(Biophys.J.59,387−396
) J.J.ガウ,E.H.ラン,B.ダン,C.M.ホー 2000年 DNA
アレイ・チップを有する酵素ベースの電気化学バイオセンサ(マイクロ・トータ
ル分析システム(μTAS)に関する第4回国際シンポジウム(オランダ、エン
シェーデ)の議事録) E.A.H.ホール 1991年。バイオセンサ(プレンティス・ホール,ニ
ュージャージー州イングリウッド・クリフス) L.ハウスリング,H.リングスドルフ,F.J.シュミット,W.クノール
1991年 金上でのビオチン機能化自己組織化単層:特定の認識反応の表面
プラズモン光学研究(ラングミュア 7(9),1837−1840) C.M.ホー,Y.C.タイ 1996年。レビュー:流れ制御のためのME
MSおよびその応用(J.Fluids Eng.118,437−447) C.M.ホー,Y.C.タイ 1998年。マイクロエレクトロメカニカル・
システム(MEMS)と流体の流れ(Ann.Rev.Fluid Mech.
30,579−612) S.F.ホウ,K.S.ヤン,H.Q.ファン,H.Y.チェン 1998年
。自己組織化単層表面上の多層でグルコースオキシダーゼを不動化することによ
る電流測定グルコース酵素電極(タランタ 47,561−567) D.イヴニツキ,I.アブデルハミッド,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
1999年。病原性バクテリアの検出のためのバイオセンサ(Biosens
.Bioelect.14,599−624) D.イヴニツキ,I.アブデルハミッド,P.アタナゾフ,E.ウィルキンス
,S.ストリッカー 2000年。食物病原性バクテリアを検出するための電気
化学バイオセンサの応用(エレクトロアナリシス 12(5),317−325
) L.S.ユング,K.E.ネルソン,C.T.キャンベル,P.S.ステート
ン,S.S.イー,V.ペレスルナ,G.P.ロペス 1999年。混合ビオチ
ン含有アルキルチオレート単層上のワイドタイプおよび変異ストレプトアビジン
の結合および解離の表面プラズモン共鳴測定(センサーズ・アクチュエータズ
B 54,137−144) R.S.ケイン,S.タカヤマ,E.オスツーニ,D.E.イングバー,G.
M.ホワイトサイズ 1999年。ソフトリソグラフィを使用する蛋白質および
細胞のパターン付け(バイオマテリアルス 20, 2363−2376) J.ライリ,E.オスツーニ,G.M.ホワイトサイズ 1999年。マイク
ロコンタクト印刷による反応性SAM上へのリガンドのパターン付け(ラングミ
ュア 15(6) 2055−2060) G.マラザ;I.キアネラ;M.マシーニ 1999年。「環境監視のための
使い捨てDNA電気化学バイオセンサ」Anal.Chim.Acta 387
,297−307 K.モテシャライ,D.C.ミレス 1998年。金上へのアルカンチオール
の機能化自己組織化単層に関する分子認識(J.Am.Chem.Soc.12
0(29),7328−7336) A.S.N.マーシー,J.シャルマ 1998年。金電極でのビス(4−ピ
リジル)二硫化物の自己組織化単層に結合されたグルコースオキシダーゼ:グル
コースの電流測定算出(Anal.Chim.Acta 363,215−22
0) A.A.オオカ,K.A.クーア.N.チョ,G.L.ガレル 1999年。
コロイド状銀および金上での、a,w−アミノ酸の相同な列の表面相互作用(バ
イオスペクトロスコーピー 5,9−17) E.オスツーニ,L.ヤン,G.M.ホワイトサイズ 1999年。金および
銀上での、蛋白質および細胞とアルカンチオレートの自己組織化単層との相互作
用(コロイド表面 B 15,3−30) J.ラオ,L.ヤン,B.スー,およびG.M.ホワイトサイズ 1999年
。D−Ala−D−Alaを表す自己組織化単層に対するバンコマイシンおよび
そのダイマーの結合を研究するための表面プラズモン共鳴の使用(J.Am.C
hem.Soc.121(11),2029−2030) D.J.レベル,J.R.ナイト,D.J.ブリス,A.H.ヘインス,D.
A.ラッセル 1998年。自己組織化炭水化物単層:形成および表面選択分子
認識(ラングミュア 14(16)4517−4524) G.B.シーガル,C.バンダッド,A.バルベリス,J.ストロミンガー,
G.M.ホワイトサイズ 1996年。表面プラズモン共鳴によるヒスチジンタ
グ付き蛋白質の結合および研究のための自己組織化単層(Anal.Chem.
68,490−497) J.スピンケ,M.リリー,H.J.グデー,L.アンゲルマイヤー,W.ク
ノール 1993年。自己組織化単層での分子認識:多成分多層の構成(ラング
ミュア 9(7),1821−1825) X.サン,P.ヘー,S.リュー,チャンイー,Y.ファン 1998年。D
NA電気化学センサ適用例のための自己組織化アミノエタンチノール単層を用い
た金電極上での一本鎖デオキシリボ核酸の不動化(タランタ 47,487−4
95) P.ワグナー;M.ヘグナー;H.J.グンテロット,G.セメンサ 199
5年。「超平坦テンプレートストリップ金表面上に化学吸着された単層の形成お
よびin situ修正」ラングミュア 11,3867−75 T.H.ワン,Y.F.チェン,S.マセット,C.M.ホー,Y.C.タイ
2000年。分子ビーコンベースの微生物検出システム(医学および生物科学
における数学および設計技術に関する2000年国際会議(METMBS’20
00 米国ネバダ州カリフォルニア)の議事録) J.ワン,G.リバス,X.カイ,E.パレセック,P.ニールセン,H.シ
ライシ,N.ドンサ,D.ルオ,C.パラド,M.チッチャロ,P.A.Mファ
リアス,F.S.バレラ,D.H.グラント,M.オズソス,M.N.フレア
1997年。環境監視用のDNA電気化学バイオセンサ(A Review.A
nal.Chim.Acta 347,1−8) P.C.ウェーバー,D.H.オーレンドルフ,J.J.ウェンドロスキー,
F.R.サレメ 1989年。ストレプトアビジンに対する高親和力ビオチン結
合の構造起源(サイエンス 243,85−88) Y.シー,G.M.ホワイトサイズ 1998年。ソフトリソグラフィ(An
gew.Chem.Int.Ed.37,550−575)
概略図である。
略図である。
フである。
タンメトリ(電流対バイアス電位)である。
ク・ボルタンメトリ(電流対バイアス電位)である。
のグラフである。
クルにおけるサイクリック・ボルタンメトリ(電流対バイアス電位)である。
線図である。
は溶液閉込めを示す線図である。
めを示す線図である。
ップを示す側面図である。
。
。
。
。
。
することができる方法を示す線図である。
ある。
の本発明の一実施形態の断面図である。
図である。
イオセンサを作成するバイオセンサ・ユニットの断面図である。
バイオセンサ(センサチップ)の一実施形態を集積回路(IC)技術によって製
造することができる方法の第1のステップを示す線図である。
ができる方法の第2のステップを示す線図である。
の第3のステップを示す線図である。
の第4のステップを示す線図である。
の第5のステップを示す線図である。
の第6のステップを示す線図である。
検出することができる方法を示す線図である。
流対バイアス電位)グラフである。
、蛋白質)を検出することができる方法の第1のステップを示す線図である。
Claims (50)
- 【請求項1】 試料試薬中のターゲット分析物の存在を検出する、またはタ
ーゲット分析物の量を測定する方法であって、 マイクロ製造電気化学バイオセンサを試料試薬と接触させるステップであって
、前記マイクロ製造電気化学バイオセンサが、 (a)基板と、 (b)集積回路技術によって基板上に製造された少なくとも2つの導電性電極
であって、それぞれが導電性材料の単層からなる導電性電極と を備えるステップと、 前記導電性電極と接触させた状態で試料試薬を含むステップと、 マイクロ製造電気化学バイオセンサから電気信号出力を測定するステップと、 信号出力から、試料試薬中のターゲット分析物の存在および/または量を求め
るステップと を含む方法。 - 【請求項2】 電気化学バイオセンサがさらに、各電極の下に接着剤を備え
、接着剤が各電極の基板へのより良い接着を可能にする請求項1に記載の方法。 - 【請求項3】 試料試薬が、高分子を含む生物学的流体である請求項2に記
載の方法。 - 【請求項4】 試料試薬が、イオン分子または原子を含む生物学的流体であ
る請求項2に記載の方法。 - 【請求項5】 基板が、シリコン、ガリウム砒素、プラスチック、およびガ
ラスからなる群から選択される請求項2に記載の方法。 - 【請求項6】 基板が、シリコンからなる材料を備える請求項2に記載の方
法。 - 【請求項7】 導電性材料が、金、アルミニウム、クロム、銅、白金、チタ
ン、ニッケル、およびチタンからなる群から選択される請求項2に記載の方法。 - 【請求項8】 導電性材料が金である請求項2に記載の方法。
- 【請求項9】 接着剤が、クロム、チタン、および膠からなる群から選択さ
れる請求項2に記載の方法。 - 【請求項10】 接着剤がクロムを備える請求項2に記載の方法。
- 【請求項11】 基板がさらに、少なくとも1つの電極を含むウェル構造を
備える請求項2に記載の方法。 - 【請求項12】 電気化学バイオセンサが、少なくとも3つの導電性電極を
備える請求項2に記載の方法。 - 【請求項13】 各導電性電極が金の単一層からなる請求項12に記載の方
法。 - 【請求項14】 信号出力から、試薬中のターゲット分析物の存在および/
または量を求めるステップがさらに、 既知量の検出すべきターゲット分析物を含む第1の較正溶液と、検出不可能な
量の検出すべきターゲット分析物を含む第2の較正溶液とを用いて電気化学バイ
オセンサを較正するステップと、 基準信号出力を得るステップと、 基準信号を測定信号と比較して、試料試薬中の分子の存在および/または量を
求めるステップと を含む請求項2に記載の方法。 - 【請求項15】 基板が、シリコン、ガリウム砒素、プラスチック、および
ガラスからなる群から選択される請求項14に記載の方法。 - 【請求項16】 導電性材料が、金、アルミニウム、クロム、銅、白金、ニ
ッケル、チタンからなる群から選択される請求項14に記載の方法。 - 【請求項17】 導電性材料が金である請求項14に記載の方法。
- 【請求項18】 接着剤が、クロム、チタン、および膠からなる材料の群か
ら選択される請求項14に記載の方法。 - 【請求項19】 基板がさらに、少なくとも1つの電極の下にウェル構造を
備える請求項14に記載の方法。 - 【請求項20】 少なくとも1つの電極の表面が、基板上に高分子を係留す
るために表面修正される請求項14に記載の方法。 - 【請求項21】 試料試薬中の少なくとも1つの分子の存在を検出する、ま
たは少なくとも1つの分子の量を測定する方法であって、 マイクロ製造電気化学バイオセンサを試料試薬と接触させるステップであって
、前記マイクロ製造電気化学バイオセンサが、 (a)シリコン基板と、 (b)集積回路技術によって基板上に製造された3つの導電性電極であって、
それぞれが金の単層からなる導電性電極と を備えるステップと、 前記導電性電極と接触させた状態で試料試薬を含むステップと、 マイクロ製造電気化学バイオセンサから信号出力を測定するステップと、 信号出力から、試料試薬中の分子の存在および/または量を求めるステップと
を含む方法。 - 【請求項22】 シリコン基板と、 集積回路技術によって基板上に製造されたレドックス・センシング用の3つの
導電性電極であって、それぞれが金の単層からなる導電性電極と を備えるマイクロ製造電気化学バイオセンサ。 - 【請求項23】 ターゲット分析物の検出方法であって、 バイオセンサおよび少なくとも1つの試薬を提供するステップであって、バイ
オセンサが、 (a)試薬中に含まれるターゲット分析物を不動化するための第1の表面性質
を有する第1の領域と、 (b)第1の表面性質とは異なる第2の表面性質を有する第2の領域とを備え
、それにより、試薬の試料を、第1の領域と第2の領域の間に表面張力によって
閉じ込めることができ、前記第2の領域が、ターゲット分析物を検出するための
構成要素を備えるステップと、 ある体積の試薬をバイオセンサに塗布するステップであって、バイオセンサを
覆う試薬のカバー範囲が、試薬の体積および表面張力によって制御されるステッ
プと、 バイオセンサによってターゲット分析物の存在を検出し、かつ/またはターゲ
ット分析物の量を測定するステップと を含む方法。 - 【請求項24】 前記構成要素が、カウンタ電極および基準電極からなる群
から選択される少なくとも1つの電極を含む請求項23に記載の方法。 - 【請求項25】 少なくとも1つの試薬が第1の試薬と第2の試薬を含む請
求項23に記載の方法。 - 【請求項26】 バイオセンサに試薬を塗布するステップが、 第1の領域を覆って第1の試薬をカバーするステップと、 第2の領域を覆って第2の試薬をカバーするステップと を含む請求項25に記載の方法。
- 【請求項27】 第1の領域が、第1の領域内部に第1の試薬を閉じ込める
ように設計された第1の幾何形状で形状を取られている請求項26に記載の方法
。 - 【請求項28】 第2の領域が、第2の領域内部に第2の試薬を閉じ込める
ように設計された第2の幾何形状で形状を取られている請求項27に記載の方法
。 - 【請求項29】 第1の試薬が、ターゲット分析物を含む生物学的流体であ
り、第2の試薬が、ターゲット分析物の生物学的検出に適した化学的溶液である
請求項25に記載の方法。 - 【請求項30】 ターゲット分析物が、イオン分子および高分子からなる群
から選択される請求項23に記載の方法。 - 【請求項31】 ターゲット分析物の存在および/または量を検出するステ
ップがさらに、 既知量の検出すべき分析物を含む第1の較正溶液と、検出不可能な量の検出す
べき分析物を含む第2の較正溶液とを用いてバイオセンサを較正すること、 較正結果を利用して、試薬中のターゲット分析物の存在および量を検出するこ
と を含む請求項23に記載の方法。 - 【請求項32】 第1および第2の領域の表面性質が、バイオセンサへの試
薬の塗布前に表面修正される請求項23に記載の方法。 - 【請求項33】 第1および第2の領域の表面性質が、外力場によって制御
される請求項23に記載の方法。 - 【請求項34】 液体試薬中の少なくとも1つの分析物のレドックス・イベ
ントを検出するためのデバイスであって、 少なくとも1つの集積回路(IC)およびマイクロエレクトロメカニカル・シ
ステム(MEMS)技術を使用することによって半導体上に製造されるレドック
ス・センサであって、信号出力およびバイアス制御に関する少なくとも2つの導
電性電極を含むレドックス・センサと、 電極と半導体の間にある絶縁層と、 半導体の上、かつ絶縁層の下にある集積回路(IC)であって、検出回路、お
よび検出回路にバイアス電位を提供するためのバイアス電位回路を備える集積回
路と を備え、絶縁層が、電極を集積回路(IC)に電気的に接続するための導電性コ
ンタクト部分を有する デバイス。 - 【請求項35】 導電性電極が、金、アルミニウム、クロム、銅、白金、ニ
ッケル、およびチタンからなる材料の群から選択される請求項34に記載のデバ
イス。 - 【請求項36】 導電性電極が金からなる請求項34に記載のデバイス。
- 【請求項37】 半導体が、シリコンおよびガリウム砒素からなる群から選
択される請求項34に記載のデバイス。 - 【請求項38】 半導体がシリコンである請求項34に記載のデバイス。
- 【請求項39】 検出回路が電流測定デバイスを備えて、レドックス・イベ
ントから、対応する電気接続電極を介して電流信号を検出する請求項34に記載
のデバイス。 - 【請求項40】 バイアス電位が、少なくとも2つの異なる電極間の電位差
であって、電流検出のための電子移動を可能にする請求項39に記載のデバイス
。 - 【請求項41】 液体試薬中の少なくとも1つの分析物のレドックス・イベ
ントを検出するためのデバイスであって、 半導体上にあるレドックス・センサであって、基準電極、作業電極、およびカ
ウンタ電極を備えるレドックス・センサと、 レドックス・センサと半導体の間にある絶縁層と、 半導体の上、および絶縁層の下にある集積回路(IC)であって、検出回路、
および検出回路にバイアス電位を提供するためのバイアス電位回路を備える集積
回路と を備え、 絶縁層が、電極を集積回路(IC)に電気的に接続するための導電性コンタク
ト部分を有するデバイス。 - 【請求項42】 各電極が、導電性材料の単一層からなる請求項41に記載
のデバイス。 - 【請求項43】 導電性材料が金である請求項42に記載のデバイス。
- 【請求項44】 半導体がシリコンである請求項43に記載のデバイス。
- 【請求項45】 検出回路が電流測定デバイスを備えて、レドックス・イベ
ントから、対応する導電性電極を介して電流信号を検出する請求項44に記載の
デバイス。 - 【請求項46】 バイアス電位が、少なくとも2つの異なる電極間の電位差
であって、電流検出のための電子移動を可能にする請求項45に記載のデバイス
。 - 【請求項47】 半導体が、シリコンおよびガリウム砒素からなる群から選
択される請求項41に記載のデバイス。 - 【請求項48】 半導体がシリコンである請求項41に記載のデバイス。
- 【請求項49】 検出回路が電流測定デバイスを備えて、レドックス・イベ
ントから、対応する導電性電極を介して電流信号を検出する請求項41に記載の
デバイス。 - 【請求項50】 バイアス電位が、少なくとも2つの異なる電極間の電位差
であって、電流検出のための電子移動を可能にする請求項49に記載のデバイス
。
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US20160300P | 2000-05-03 | 2000-05-03 | |
US60/201,603 | 2000-05-03 | ||
PCT/US2001/014257 WO2001083674A1 (en) | 2000-05-03 | 2001-05-02 | Biological identification system with integrated sensor chip |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2003532090A true JP2003532090A (ja) | 2003-10-28 |
JP2003532090A5 JP2003532090A5 (ja) | 2008-06-26 |
JP4949589B2 JP4949589B2 (ja) | 2012-06-13 |
Family
ID=22746508
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2001580284A Expired - Lifetime JP4949589B2 (ja) | 2000-05-03 | 2001-05-02 | 集積センサ・チップを有する生物学的同定システム |
Country Status (8)
Country | Link |
---|---|
US (2) | US7399585B2 (ja) |
EP (1) | EP1278821A4 (ja) |
JP (1) | JP4949589B2 (ja) |
CN (1) | CN100457887C (ja) |
AU (2) | AU2001261145B2 (ja) |
CA (1) | CA2407973C (ja) |
TW (1) | TWI245073B (ja) |
WO (1) | WO2001083674A1 (ja) |
Cited By (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2005345243A (ja) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Toshiba Corp | 核酸検出基板および該装置を使用する核酸検出方法 |
JP2007528214A (ja) * | 2003-12-10 | 2007-10-11 | スミスズ ディテクション インコーポレイティド | 自立監視システム |
JP2010071604A (ja) * | 2008-09-22 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | 加湿装置 |
JP2012500626A (ja) * | 2008-08-22 | 2012-01-12 | ハルク クラー | Mems技術を用いて製造した渦巻状微小流体チャネルおよび同心電極を有する誘電泳動細胞クロマトグラフィ装置 |
JP2013506821A (ja) * | 2009-09-30 | 2013-02-28 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | マイクロセンサを用いた細胞生命力の測定装置および方法 |
US8470144B2 (en) | 2010-12-28 | 2013-06-25 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
US8691061B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-04-08 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
US8691062B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-04-08 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
JP2016530484A (ja) * | 2013-05-30 | 2016-09-29 | ベーリンガー インゲルハイム フェトメディカ ゲーエムベーハーBoehringer Ingelheim Vetmedica GmbH | チップ上に複数の測定領域を作成するための方法、および測定領域を有するチップ |
JP6116075B1 (ja) * | 2015-11-20 | 2017-04-19 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気化学測定方法、電気化学測定装置及びトランスデューサ |
Families Citing this family (161)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
AU2001261145B2 (en) | 2000-05-03 | 2005-08-11 | The United States Government, As Represented By The Department Of The Navy | Biological identification system with integrated sensor chip |
WO2002047266A2 (en) | 2000-10-20 | 2002-06-13 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Transient electrical signal based methods and devices for characterizing molecular interaction and/or motion in a sample |
US6764652B2 (en) * | 2001-01-24 | 2004-07-20 | The Regents Of The University Of Michigan | Micromachined device for receiving and retaining at least one liquid droplet, method of making the device and method of using the device |
DE10111458B4 (de) * | 2001-03-09 | 2008-09-11 | Siemens Ag | Analyseeinrichtung |
US20030003523A1 (en) * | 2001-06-19 | 2003-01-02 | Mark Jensen | Conductometric detection process |
DE60220804D1 (de) * | 2001-08-20 | 2007-08-02 | Regenesis Bioremediation Produ | Biosensor für kleinmolekulare analyten |
US20070178477A1 (en) * | 2002-01-16 | 2007-08-02 | Nanomix, Inc. | Nanotube sensor devices for DNA detection |
US20060228723A1 (en) * | 2002-01-16 | 2006-10-12 | Keith Bradley | System and method for electronic sensing of biomolecules |
US20030134433A1 (en) * | 2002-01-16 | 2003-07-17 | Nanomix, Inc. | Electronic sensing of chemical and biological agents using functionalized nanostructures |
US8858434B2 (en) | 2004-07-13 | 2014-10-14 | Dexcom, Inc. | Transcutaneous analyte sensor |
US8260393B2 (en) | 2003-07-25 | 2012-09-04 | Dexcom, Inc. | Systems and methods for replacing signal data artifacts in a glucose sensor data stream |
US8010174B2 (en) | 2003-08-22 | 2011-08-30 | Dexcom, Inc. | Systems and methods for replacing signal artifacts in a glucose sensor data stream |
KR20030075359A (ko) * | 2002-03-18 | 2003-09-26 | 학교법인 포항공과대학교 | Mems 소자를 이용한 선택적 다중핵산 증폭장치 및그의 제작방법 |
DE10211900A1 (de) * | 2002-03-18 | 2003-10-16 | Infineon Technologies Ag | Biosensor zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren und Verfahren zur Herstellung eines Biosensors zum Erfassen von makromolekularen Biopolymeren |
DE10214719A1 (de) * | 2002-04-03 | 2003-11-20 | Infineon Technologies Ag | Sensor zur qualitativen und quantitativen Bestimmung von (bio)organischen Oligomeren und Polymeren, Analyseverfahren hierzu sowie Verfahren zur Herstellung des Sensors |
US20030194709A1 (en) * | 2002-04-10 | 2003-10-16 | Xing Yang | Hydrophobic zone device |
AT500427B1 (de) * | 2002-05-29 | 2009-02-15 | Anagnostics Bioanalysis Gmbh | Vorrichtung zur analyse von bestandteilen einer probe |
US7948041B2 (en) | 2005-05-19 | 2011-05-24 | Nanomix, Inc. | Sensor having a thin-film inhibition layer |
US20040005572A1 (en) * | 2002-07-05 | 2004-01-08 | Rosner S. Jeffrey | Electronically readable microarrays |
US7810380B2 (en) | 2003-03-25 | 2010-10-12 | Tearlab Research, Inc. | Systems and methods for collecting tear film and measuring tear film osmolarity |
WO2004017050A1 (en) * | 2002-08-06 | 2004-02-26 | The Regents Of The University Of California | Tear film osmometry |
US7153687B2 (en) | 2002-08-13 | 2006-12-26 | Hong Kong Dna Chips Limited | Apparatus and methods for detecting DNA in biological samples |
US20040038385A1 (en) * | 2002-08-26 | 2004-02-26 | Langlois Richard G. | System for autonomous monitoring of bioagents |
DE10243569A1 (de) * | 2002-09-19 | 2004-04-01 | Infineon Technologies Ag | Schaltkreis-Anordnung und Verfahren zum Herstellen einer Schaltkreis-Anordnung |
DE10259820B4 (de) * | 2002-12-19 | 2006-05-24 | Siemens Ag | DNA-Chip |
US20070099194A1 (en) * | 2005-11-02 | 2007-05-03 | Xing Yang | Quality control of probe attachment on electrodes |
WO2004092712A1 (ja) * | 2003-04-18 | 2004-10-28 | Hitachi Chemical Co., Ltd. | 分子の検出方法、分子の計数方法、分子局在化の検出方法、及びこれらに用いる分子検出装置 |
US20190357827A1 (en) | 2003-08-01 | 2019-11-28 | Dexcom, Inc. | Analyte sensor |
US8160669B2 (en) | 2003-08-01 | 2012-04-17 | Dexcom, Inc. | Transcutaneous analyte sensor |
US8275437B2 (en) | 2003-08-01 | 2012-09-25 | Dexcom, Inc. | Transcutaneous analyte sensor |
US7591801B2 (en) | 2004-02-26 | 2009-09-22 | Dexcom, Inc. | Integrated delivery device for continuous glucose sensor |
US7920906B2 (en) | 2005-03-10 | 2011-04-05 | Dexcom, Inc. | System and methods for processing analyte sensor data for sensor calibration |
US20140121989A1 (en) | 2003-08-22 | 2014-05-01 | Dexcom, Inc. | Systems and methods for processing analyte sensor data |
US8615282B2 (en) | 2004-07-13 | 2013-12-24 | Dexcom, Inc. | Analyte sensor |
US9247900B2 (en) | 2004-07-13 | 2016-02-02 | Dexcom, Inc. | Analyte sensor |
US20050112587A1 (en) * | 2003-11-25 | 2005-05-26 | Sherrill James V. | Analyzing biological probes |
US8423114B2 (en) | 2006-10-04 | 2013-04-16 | Dexcom, Inc. | Dual electrode system for a continuous analyte sensor |
US8532730B2 (en) | 2006-10-04 | 2013-09-10 | Dexcom, Inc. | Analyte sensor |
US11633133B2 (en) | 2003-12-05 | 2023-04-25 | Dexcom, Inc. | Dual electrode system for a continuous analyte sensor |
DE602004029092D1 (de) | 2003-12-05 | 2010-10-21 | Dexcom Inc | Kalibrationsmethoden für einen kontinuierlich arbeitenden analytsensor |
US8364231B2 (en) | 2006-10-04 | 2013-01-29 | Dexcom, Inc. | Analyte sensor |
EP3241490A1 (en) * | 2003-12-08 | 2017-11-08 | DexCom, Inc. | Systems and methods for improving electrochemical analyte sensors |
EP2329763B1 (en) | 2003-12-09 | 2017-06-21 | DexCom, Inc. | Signal processing for continuous analyte sensor |
US7341834B2 (en) * | 2003-12-15 | 2008-03-11 | Geneohn Sciences, Inc. | Multiplexed electrochemical detection system and method |
US8808228B2 (en) | 2004-02-26 | 2014-08-19 | Dexcom, Inc. | Integrated medicament delivery device for use with continuous analyte sensor |
US7655404B2 (en) | 2004-04-29 | 2010-02-02 | Agency For Science, Technology And Research | Method and device for detection of nucleic acids and/or polypeptides |
WO2005111597A1 (ja) * | 2004-05-17 | 2005-11-24 | The Circle For The Promotion Of Science And Engineering | 磁性微粒子の検出装置 |
US7217428B2 (en) | 2004-05-28 | 2007-05-15 | Technology Innovations Llc | Drug delivery apparatus utilizing cantilever |
US8452368B2 (en) | 2004-07-13 | 2013-05-28 | Dexcom, Inc. | Transcutaneous analyte sensor |
US8565848B2 (en) | 2004-07-13 | 2013-10-22 | Dexcom, Inc. | Transcutaneous analyte sensor |
US7763426B2 (en) * | 2004-11-01 | 2010-07-27 | The Regents Of The University Of California | Probes and methods for detection of Escheridia coli and antibiotic resistance |
US7785785B2 (en) * | 2004-11-12 | 2010-08-31 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Charge perturbation detection system for DNA and other molecules |
RU2413228C2 (ru) * | 2004-12-29 | 2011-02-27 | Лайфскэн Скотланд Лимитед | Система для выполнения анализа жидкости организма |
EP1868725B1 (en) * | 2005-03-08 | 2012-01-18 | Authentix, Inc. | Use of microfluidic device for identification, quantification, and authentication of latent markers |
US20070026426A1 (en) * | 2005-04-26 | 2007-02-01 | Applera Corporation | System for genetic surveillance and analysis |
US8940143B2 (en) | 2007-06-29 | 2015-01-27 | Intel Corporation | Gel-based bio chip for electrochemical synthesis and electrical detection of polymers |
US8053774B2 (en) | 2005-06-06 | 2011-11-08 | Intel Corporation | Method and apparatus to fabricate polymer arrays on patterned wafers using electrochemical synthesis |
US20070292855A1 (en) * | 2005-08-19 | 2007-12-20 | Intel Corporation | Method and CMOS-based device to analyze molecules and nanomaterials based on the electrical readout of specific binding events on functionalized electrodes |
US8880138B2 (en) | 2005-09-30 | 2014-11-04 | Abbott Diabetes Care Inc. | Device for channeling fluid and methods of use |
JP4735833B2 (ja) * | 2006-01-13 | 2011-07-27 | セイコーエプソン株式会社 | バイオチップ及びバイオセンサ |
US7826879B2 (en) | 2006-02-28 | 2010-11-02 | Abbott Diabetes Care Inc. | Analyte sensors and methods of use |
US11001881B2 (en) | 2006-08-24 | 2021-05-11 | California Institute Of Technology | Methods for detecting analytes |
US8048626B2 (en) | 2006-07-28 | 2011-11-01 | California Institute Of Technology | Multiplex Q-PCR arrays |
US11525156B2 (en) | 2006-07-28 | 2022-12-13 | California Institute Of Technology | Multiplex Q-PCR arrays |
US11560588B2 (en) | 2006-08-24 | 2023-01-24 | California Institute Of Technology | Multiplex Q-PCR arrays |
JP2010503856A (ja) * | 2006-09-14 | 2010-02-04 | エージェンシー フォー サイエンス, テクノロジー アンド リサーチ | 櫛型微小電極と導電性ポリマーとを有する電気化学的センサ |
US7932034B2 (en) | 2006-12-20 | 2011-04-26 | The Board Of Trustees Of The Leland Stanford Junior University | Heat and pH measurement for sequencing of DNA |
GB2447043A (en) * | 2007-02-20 | 2008-09-03 | Oxford Nanolabs Ltd | Lipid bilayer sensor system |
US20110121840A1 (en) | 2007-02-20 | 2011-05-26 | Gurdial Singh Sanghera | Lipid Bilayer Sensor System |
US20080306444A1 (en) | 2007-06-08 | 2008-12-11 | Dexcom, Inc. | Integrated medicament delivery device for use with continuous analyte sensor |
EP2171461A4 (en) * | 2007-07-02 | 2010-07-28 | Genefluidics Inc | CHIP TEST METHOD WITH IMPROVED EFFICIENCY |
US20090024015A1 (en) * | 2007-07-17 | 2009-01-22 | Edwards Lifesciences Corporation | Sensing element having an adhesive backing |
EP4159114B1 (en) | 2007-10-09 | 2024-04-10 | DexCom, Inc. | Integrated insulin delivery system with continuous glucose sensor |
US8051697B2 (en) * | 2007-10-17 | 2011-11-08 | The George Washington University | Self calibration devices for chemical and bio analytical trace detection systems |
US20090155948A1 (en) * | 2007-12-18 | 2009-06-18 | National Applied Research Laboratories | Methods for manufacturing cmos compatible bio-sensors |
GB0724736D0 (en) | 2007-12-19 | 2008-01-30 | Oxford Nanolabs Ltd | Formation of layers of amphiphilic molecules |
EP2252196A4 (en) | 2008-02-21 | 2013-05-15 | Dexcom Inc | SYSTEMS AND METHOD FOR PROCESSING, TRANSMITTING AND DISPLAYING SENSOR DATA |
KR101046720B1 (ko) * | 2008-06-30 | 2011-07-05 | 주식회사 하이닉스반도체 | 분자 전자 소자 및 그 제조 방법 |
US9709560B2 (en) * | 2008-09-29 | 2017-07-18 | Intel Corporation | Biosensors and biosensing incorporating RF and microwave radiation |
EP2233920B1 (en) * | 2009-03-27 | 2017-08-16 | ams international AG | A sensor device and a method of manufacturing the same |
JP2011018885A (ja) * | 2009-06-12 | 2011-01-27 | Seiko Epson Corp | パターン膜形成部材の製造方法、パターン膜形成部材、電気光学装置、電子機器 |
JP6141827B2 (ja) | 2011-04-15 | 2017-06-07 | デックスコム・インコーポレーテッド | 検体を測定するシステムの作動方法及び該方法を実施するべく構成されたセンサシステム |
US8546080B2 (en) * | 2011-06-17 | 2013-10-01 | International Business Machines Corporation | Molecular dispensers |
DE102011108885A1 (de) * | 2011-07-28 | 2013-01-31 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Elektrodenanordnung und Verfahren zum Betreiben der Elektrodenanordnung |
DE102011109402A1 (de) * | 2011-08-04 | 2013-02-07 | Universität Rostock | Elektrochemischer Sensor |
MY173426A (en) * | 2011-10-19 | 2020-01-23 | Univ Sains Malaysia | A system for identifying presence of polynucleotides of interest from a sample |
US9117610B2 (en) | 2011-11-30 | 2015-08-25 | General Electric Company | Integrated micro-electromechanical switches and a related method thereof |
GB201202519D0 (en) | 2012-02-13 | 2012-03-28 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Apparatus for supporting an array of layers of amphiphilic molecules and method of forming an array of layers of amphiphilic molecules |
US10370728B2 (en) | 2012-05-04 | 2019-08-06 | The Regents Of The University Of California | Antibiotic susceptibility testing using probes for preribosomal RNA |
WO2013165325A1 (en) | 2012-05-04 | 2013-11-07 | Haluk Kulah | Micro electrochemical sensor |
WO2013176773A1 (en) | 2012-05-24 | 2013-11-28 | The Governing Council Of The University Of Toronto | Systems and methods for multiplexed electrochemical detection |
GB201313121D0 (en) | 2013-07-23 | 2013-09-04 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Array of volumes of polar medium |
TWI486586B (zh) * | 2013-01-16 | 2015-06-01 | Univ Nat Chi Nan | Current - type biological sensor and its making method |
US10545161B2 (en) | 2013-03-11 | 2020-01-28 | Cue Health Inc. | Systems and methods for detection and quantification of analytes |
EP2972333B1 (en) | 2013-03-11 | 2018-09-19 | The University of Toledo | A biosensor device to target analytes in situ, in vivo, and/or in real time, and methods of making and using the same |
US9623409B2 (en) | 2013-03-11 | 2017-04-18 | Cue Inc. | Cartridges, kits, and methods for enhanced mixing for detection and quantification of analytes |
CA3160098A1 (en) | 2013-03-11 | 2014-10-09 | Cue Health Inc. | Systems and methods for detection and quantification of analytes |
US10820860B2 (en) | 2013-03-14 | 2020-11-03 | One Drop Biosensor Technologies, Llc | On-body microsensor for biomonitoring |
CN105228522B (zh) | 2013-03-14 | 2018-06-26 | 萨诺智能公司 | 用于生物监测的人体上的微传感器 |
US9983163B2 (en) * | 2013-04-30 | 2018-05-29 | Board Of Regents, The University Of Texas System | Integrated electro-analytical biosensor array |
US10595754B2 (en) | 2014-03-13 | 2020-03-24 | Sano Intelligence, Inc. | System for monitoring body chemistry |
US20150257685A1 (en) | 2014-03-13 | 2015-09-17 | Sano Intelligence, Inc. | System for monitoring body chemistry |
USD745423S1 (en) | 2014-05-12 | 2015-12-15 | Cue Inc. | Automated analyzer test cartridge and sample collection device for analyte detection |
RU2570706C1 (ru) * | 2014-07-22 | 2015-12-10 | Федеральное государственное унитарное предприятие "Государственный научный центр "Научно-исследовательский институт органических полупродуктов и красителей" (ФГУП "ГНЦ "НИОПИК") | Способ количественного определения флуоресцеина натрия в субстанции и лекарственном препарате на ее основе |
JP6823589B2 (ja) * | 2014-09-11 | 2021-02-03 | キュー ヘルス インコーポレイテッド | 被分析物の検出および定量のためのシステム |
KR20170072188A (ko) | 2014-09-23 | 2017-06-26 | 티어랩 리서치, 인코포레이티드 | 미세 유체 눈물 포집 및 관심 대상인 분석물의 측방 유동 분석의 통합을 위한 시스템 및 방법 |
GB201418512D0 (en) | 2014-10-17 | 2014-12-03 | Oxford Nanopore Tech Ltd | Electrical device with detachable components |
ES2751701T3 (es) | 2014-12-19 | 2020-04-01 | Siemens Healthcare Diagnostics Inc | Procedimientos y sistemas para mejorar la precisión de las mediciones para volúmenes de muestra reducidos |
EP3314245A4 (en) | 2015-06-25 | 2019-02-27 | Roswell Biotechnologies, Inc | BIOMOLECULAR SENSORS AND ASSOCIATED METHODS |
CN117310193A (zh) | 2015-07-17 | 2023-12-29 | 克忧健康公司 | 用于增强检测和分析物定量的系统及方法 |
CN105137023B (zh) * | 2015-10-14 | 2018-08-03 | 浙江公正检验中心有限公司 | 一种在线检测水产品的系统与方法 |
CN108367289B (zh) | 2015-12-02 | 2022-01-18 | 勃林格殷格翰维特梅迪卡有限公司 | 用于在芯片上产生多个测量区域的方法及具有多个测量区域的芯片 |
TWI656345B (zh) * | 2016-01-13 | 2019-04-11 | Prostate cancer detection module and its operation method | |
CN109071212A (zh) | 2016-01-28 | 2018-12-21 | 罗斯韦尔生物技术股份有限公司 | 使用大规模分子电子传感器阵列测量分析物的方法和装置 |
WO2017132567A1 (en) * | 2016-01-28 | 2017-08-03 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Massively parallel dna sequencing apparatus |
US10737263B2 (en) | 2016-02-09 | 2020-08-11 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Electronic label-free DNA and genome sequencing |
US10597767B2 (en) | 2016-02-22 | 2020-03-24 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Nanoparticle fabrication |
WO2017155858A1 (en) | 2016-03-07 | 2017-09-14 | Insilixa, Inc. | Nucleic acid sequence identification using solid-phase cyclic single base extension |
WO2016176692A2 (en) * | 2016-06-17 | 2016-11-03 | Ohmx Corporation | Biosensor chip |
GB201611770D0 (en) | 2016-07-06 | 2016-08-17 | Oxford Nanopore Tech | Microfluidic device |
CN109416311A (zh) | 2016-07-26 | 2019-03-01 | 惠普发展公司,有限责任合伙企业 | 用于流体移动控制的微流体设备 |
US9829456B1 (en) | 2016-07-26 | 2017-11-28 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Method of making a multi-electrode structure usable in molecular sensing devices |
US10620151B2 (en) * | 2016-08-30 | 2020-04-14 | Analog Devices Global | Electrochemical sensor, and a method of forming an electrochemical sensor |
US11268927B2 (en) | 2016-08-30 | 2022-03-08 | Analog Devices International Unlimited Company | Electrochemical sensor, and a method of forming an electrochemical sensor |
JP6218199B1 (ja) * | 2016-10-06 | 2017-10-25 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気化学測定装置及びトランスデューサ |
US10902939B2 (en) | 2017-01-10 | 2021-01-26 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Methods and systems for DNA data storage |
EP3571286A4 (en) | 2017-01-19 | 2020-10-28 | Roswell Biotechnologies, Inc | SOLID STATE SEQUENCING DEVICES WITH TWO-DIMENSIONAL LAYER MATERIALS |
US11237161B2 (en) | 2017-01-25 | 2022-02-01 | Cue Health Inc. | Systems and methods for enhanced detection and quantification of analytes |
US10508296B2 (en) | 2017-04-25 | 2019-12-17 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Enzymatic circuits for molecular sensors |
WO2018200687A1 (en) | 2017-04-25 | 2018-11-01 | Roswell Biotechnologies, Inc. | Enzymatic circuits for molecular sensors |
KR102606670B1 (ko) | 2017-05-09 | 2023-11-24 | 로스웰 바이오테크놀로지스 인코포레이티드 | 분자 센서들을 위한 결합 프로브 회로들 |
KR101921627B1 (ko) * | 2017-06-16 | 2018-11-26 | 한국과학기술연구원 | 전계 효과 트랜지스터, 이를 구비한 바이오 센서, 전계 효과 트랜지스터의 제조방법 및 바이오 센서의 제조방법 |
EP3676389A4 (en) | 2017-08-30 | 2021-06-02 | Roswell Biotechnologies, Inc | PROCESSIVE ENZYMATIC MOLECULAR ELECTRONIC SENSORS FOR STORING DNA DATA |
KR20200067871A (ko) | 2017-10-10 | 2020-06-12 | 로스웰 바이오테크놀로지스 인코포레이티드 | 무증폭 dna 데이터 저장을 위한 방법, 장치 및 시스템 |
US11331022B2 (en) | 2017-10-24 | 2022-05-17 | Dexcom, Inc. | Pre-connected analyte sensors |
AU2018354120A1 (en) | 2017-10-24 | 2020-04-23 | Dexcom, Inc. | Pre-connected analyte sensors |
US11022579B2 (en) | 2018-02-05 | 2021-06-01 | Analog Devices International Unlimited Company | Retaining cap |
US20210140912A1 (en) * | 2018-04-17 | 2021-05-13 | Korea Research Institute Of Chemical Technology | Multiwell Electrode-Based Biosensor |
GB2573323A (en) * | 2018-05-03 | 2019-11-06 | Mursia Ltd | Biosensor method and system |
US11002730B2 (en) | 2018-05-23 | 2021-05-11 | International Business Machines Corporation | Molecular design to suppress desorption of self-assembled monolayers |
CN110609064A (zh) * | 2018-06-14 | 2019-12-24 | 深圳碳森科技有限公司 | 一种差分阻抗电位型生物传感器及其制造方法 |
US10738342B2 (en) | 2018-08-30 | 2020-08-11 | Urinary Technologies, Inc. | System for microbial species detection, quantification and antibiotic susceptibility identification |
CN109504603A (zh) * | 2018-10-25 | 2019-03-22 | 江苏省产品质量监督检验研究院 | 一种食品中菌落总数的检测方法 |
CN109307541B (zh) * | 2018-11-29 | 2020-03-24 | 郑州安图生物工程股份有限公司 | 一种发光板单孔残液的体积测量方法 |
US11628435B2 (en) * | 2018-12-14 | 2023-04-18 | Cepheid | Diagnostic detection chip devices and methods of manufacture and assembly |
US11406299B2 (en) * | 2019-02-22 | 2022-08-09 | International Business Machines Corporation | Biosensors with programmable sensing cavities |
EP3880841B1 (en) | 2019-02-22 | 2023-05-31 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Nucleic acid detection |
EP3938779A1 (en) | 2019-03-12 | 2022-01-19 | Oxford Nanopore Technologies Limited | Nanopore sensing device and methods of operation and of forming it |
EP3937780A4 (en) | 2019-03-14 | 2022-12-07 | InSilixa, Inc. | METHODS AND SYSTEMS FOR TIMED FLUORESCENCE-BASED DETECTION |
TWI708057B (zh) * | 2019-06-05 | 2020-10-21 | 王錦弘 | 離心式反應微管、離心式反應裝置及其離心式檢驗方法 |
TWI722484B (zh) * | 2019-07-10 | 2021-03-21 | 昇陽國際半導體股份有限公司 | 具立體結構電極的電化學感測器 |
TWI736928B (zh) * | 2019-07-10 | 2021-08-21 | 昇陽國際半導體股份有限公司 | 於矽晶圓上沉積金薄膜的方法 |
CN117783243A (zh) * | 2019-08-20 | 2024-03-29 | 深圳硅基传感科技有限公司 | 适于批量生产的葡萄糖传感器的工作电极的制备方法 |
US20210122926A1 (en) * | 2019-10-29 | 2021-04-29 | Nanoxcoatings Lc | Protection of surfaces by evaporated salt coatings |
US11060995B1 (en) * | 2020-07-20 | 2021-07-13 | Texas Tech University System | Rapid viral diagnostic sensor |
DE102021200588A1 (de) | 2021-01-22 | 2022-07-28 | Robert Bosch Gesellschaft mit beschränkter Haftung | Verfahren und Steuergerät zum Herstellen eines Trägerelements zum Aufnehmen einer Probenflüssigkeit, Trägerelement und Analysevorrichtung mit Trägerelement |
TWI781587B (zh) * | 2021-04-14 | 2022-10-21 | 財團法人金屬工業研究發展中心 | 感測電極 |
USD988882S1 (en) | 2021-04-21 | 2023-06-13 | Informed Data Systems Inc. | Sensor assembly |
US11525799B1 (en) | 2021-05-21 | 2022-12-13 | PERSOWN, Inc. | Electrochemical diagnostic system |
CN114324488B (zh) * | 2021-11-25 | 2023-05-16 | 中国科学院海洋研究所 | 摩擦纳米发电机驱动的用于细菌检测的传感系统及方法 |
CN114235921A (zh) * | 2022-02-23 | 2022-03-25 | 捷仪科技(北京)有限公司 | 一种用于生物检测的电极载片 |
Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4225410A (en) * | 1978-12-04 | 1980-09-30 | Technicon Instruments Corporation | Integrated array of electrochemical sensors |
JPS6488354A (en) * | 1987-07-15 | 1989-04-03 | Stanford Res Inst Int | Surface type microelectronic gas and steam sensor |
JPH02129541A (ja) * | 1988-11-10 | 1990-05-17 | A & D Co Ltd | 使い拾て型酵素電極 |
JPH04118554A (ja) * | 1989-12-28 | 1992-04-20 | Tosoh Corp | 電気化学的酵素測定方法およびバイオセンサ |
JPH08189913A (ja) * | 1994-06-30 | 1996-07-23 | Nok Corp | タンパク質バイオセンサおよびそれを用いる測定方法 |
JPH08233773A (ja) * | 1994-08-24 | 1996-09-13 | Boehringer Mannheim Gmbh | 電気化学センサー |
JPH08327584A (ja) * | 1995-06-02 | 1996-12-13 | Tokuyama Corp | イオン選択性電極およびイオン濃度の測定方法 |
JPH1142098A (ja) * | 1997-07-29 | 1999-02-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 基質の定量法 |
WO1999067425A2 (en) * | 1998-06-23 | 1999-12-29 | Clinical Micro Sensors, Inc. | Binding acceleration techniques for the detection of analytes |
WO2000062048A2 (de) * | 1999-04-14 | 2000-10-19 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren arrays |
Family Cites Families (25)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4963245A (en) * | 1986-05-02 | 1990-10-16 | Ciba Corning Diagnostics Corp. | Unitary multiple electrode sensor |
SE462408B (sv) * | 1988-11-10 | 1990-06-18 | Pharmacia Ab | Optiskt biosensorsystem utnyttjande ytplasmonresonans foer detektering av en specific biomolekyl, saett att kalibrera sensoranordningen samt saett att korrigera foer baslinjedrift i systemet |
US5200051A (en) * | 1988-11-14 | 1993-04-06 | I-Stat Corporation | Wholly microfabricated biosensors and process for the manufacture and use thereof |
US5766934A (en) * | 1989-03-13 | 1998-06-16 | Guiseppi-Elie; Anthony | Chemical and biological sensors having electroactive polymer thin films attached to microfabricated devices and possessing immobilized indicator moieties |
US5108819A (en) * | 1990-02-14 | 1992-04-28 | Eli Lilly And Company | Thin film electrical component |
US5120421A (en) * | 1990-08-31 | 1992-06-09 | The United States Of America As Represented By The United States Department Of Energy | Electrochemical sensor/detector system and method |
WO1993008464A1 (en) * | 1991-10-21 | 1993-04-29 | Holm Kennedy James W | Method and device for biochemical sensing |
US5849486A (en) * | 1993-11-01 | 1998-12-15 | Nanogen, Inc. | Methods for hybridization analysis utilizing electrically controlled hybridization |
US5632957A (en) * | 1993-11-01 | 1997-05-27 | Nanogen | Molecular biological diagnostic systems including electrodes |
US6017696A (en) * | 1993-11-01 | 2000-01-25 | Nanogen, Inc. | Methods for electronic stringency control for molecular biological analysis and diagnostics |
DE4236421A1 (de) * | 1992-10-28 | 1994-05-11 | Horst Dr Ing Habil Ahlers | Sensoranordnung, insbesondere Bio- und/oder Chemosensor |
US5567302A (en) * | 1995-06-07 | 1996-10-22 | Molecular Devices Corporation | Electrochemical system for rapid detection of biochemical agents that catalyze a redox potential change |
AUPN661995A0 (en) | 1995-11-16 | 1995-12-07 | Memtec America Corporation | Electrochemical cell 2 |
NL1004319C2 (nl) * | 1996-10-18 | 1998-04-21 | Pelleting Technologie Nederlan | Pelleteerpers. |
US5981268A (en) * | 1997-05-30 | 1999-11-09 | Board Of Trustees, Leland Stanford, Jr. University | Hybrid biosensors |
WO1999017095A1 (en) * | 1997-09-30 | 1999-04-08 | M-Biotech, Inc. | Biosensor |
CA2265119C (en) * | 1998-03-13 | 2002-12-03 | Cygnus, Inc. | Biosensor, iontophoretic sampling system, and methods of use thereof |
ES2179660T3 (es) * | 1998-06-01 | 2003-01-16 | Roche Diagnostics Corp | Conjugados de complejos imidazol-osmio de redox reversible. |
US6251595B1 (en) * | 1998-06-18 | 2001-06-26 | Agilent Technologies, Inc. | Methods and devices for carrying out chemical reactions |
US6518024B2 (en) * | 1999-12-13 | 2003-02-11 | Motorola, Inc. | Electrochemical detection of single base extension |
AU2001261145B2 (en) | 2000-05-03 | 2005-08-11 | The United States Government, As Represented By The Department Of The Navy | Biological identification system with integrated sensor chip |
US7767437B2 (en) | 2001-11-02 | 2010-08-03 | Genefluidics, Inc. | System for detection of a component in a liquid |
GB0130318D0 (en) | 2001-12-19 | 2002-02-06 | Univ Leeds | Membrane |
KR20040105839A (ko) | 2002-04-03 | 2004-12-16 | 도꾸리쯔교세이호징 가가꾸 기쥬쯔 신꼬 기꼬 | 폴리에틸렌글리콜화 나노 입자를 담지하는 바이오센서 칩표면 |
US20060160100A1 (en) | 2005-01-19 | 2006-07-20 | Agency For Science, Technology And Research | Enzymatic electrochemical detection assay using protective monolayer and device therefor |
-
2001
- 2001-05-02 AU AU2001261145A patent/AU2001261145B2/en not_active Expired
- 2001-05-02 JP JP2001580284A patent/JP4949589B2/ja not_active Expired - Lifetime
- 2001-05-02 CN CNB018122752A patent/CN100457887C/zh not_active Expired - Lifetime
- 2001-05-02 AU AU6114501A patent/AU6114501A/xx active Pending
- 2001-05-02 CA CA2407973A patent/CA2407973C/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-05-02 WO PCT/US2001/014257 patent/WO2001083674A1/en active IP Right Grant
- 2001-05-02 EP EP01935016A patent/EP1278821A4/en not_active Withdrawn
- 2001-05-03 US US09/848,727 patent/US7399585B2/en not_active Expired - Lifetime
- 2001-05-03 TW TW090110604A patent/TWI245073B/zh not_active IP Right Cessation
-
2008
- 2008-06-20 US US12/154,017 patent/US8062491B1/en not_active Expired - Fee Related
Patent Citations (10)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US4225410A (en) * | 1978-12-04 | 1980-09-30 | Technicon Instruments Corporation | Integrated array of electrochemical sensors |
JPS6488354A (en) * | 1987-07-15 | 1989-04-03 | Stanford Res Inst Int | Surface type microelectronic gas and steam sensor |
JPH02129541A (ja) * | 1988-11-10 | 1990-05-17 | A & D Co Ltd | 使い拾て型酵素電極 |
JPH04118554A (ja) * | 1989-12-28 | 1992-04-20 | Tosoh Corp | 電気化学的酵素測定方法およびバイオセンサ |
JPH08189913A (ja) * | 1994-06-30 | 1996-07-23 | Nok Corp | タンパク質バイオセンサおよびそれを用いる測定方法 |
JPH08233773A (ja) * | 1994-08-24 | 1996-09-13 | Boehringer Mannheim Gmbh | 電気化学センサー |
JPH08327584A (ja) * | 1995-06-02 | 1996-12-13 | Tokuyama Corp | イオン選択性電極およびイオン濃度の測定方法 |
JPH1142098A (ja) * | 1997-07-29 | 1999-02-16 | Matsushita Electric Ind Co Ltd | 基質の定量法 |
WO1999067425A2 (en) * | 1998-06-23 | 1999-12-29 | Clinical Micro Sensors, Inc. | Binding acceleration techniques for the detection of analytes |
WO2000062048A2 (de) * | 1999-04-14 | 2000-10-19 | Fraunhofer-Gesellschaft Zur Foerderung Der Angewandten Forschung E.V. | Sensoranordnung mit elektrisch ansteuerbaren arrays |
Cited By (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2007528214A (ja) * | 2003-12-10 | 2007-10-11 | スミスズ ディテクション インコーポレイティド | 自立監視システム |
JP2005345243A (ja) * | 2004-06-02 | 2005-12-15 | Toshiba Corp | 核酸検出基板および該装置を使用する核酸検出方法 |
JP2012500626A (ja) * | 2008-08-22 | 2012-01-12 | ハルク クラー | Mems技術を用いて製造した渦巻状微小流体チャネルおよび同心電極を有する誘電泳動細胞クロマトグラフィ装置 |
JP2010071604A (ja) * | 2008-09-22 | 2010-04-02 | Mitsubishi Electric Corp | 加湿装置 |
US8916035B2 (en) | 2009-09-30 | 2014-12-23 | Boehringer Ingelheim Vetmedica Gmbh | Arrangement and method using microsensors for measuring cell vitalities |
JP2013506821A (ja) * | 2009-09-30 | 2013-02-28 | シーメンス アクチエンゲゼルシヤフト | マイクロセンサを用いた細胞生命力の測定装置および方法 |
JP2015052609A (ja) * | 2009-09-30 | 2015-03-19 | ベーリンガー インゲルハイム フェトメディカ ゲーエムベーハーBoehringer Ingelheim Vetmedica GmbH | マイクロセンサを用いた測定装置 |
US8470144B2 (en) | 2010-12-28 | 2013-06-25 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
US8691061B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-04-08 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
US8691062B2 (en) | 2010-12-28 | 2014-04-08 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrode device for an electrochemical sensor chip |
JP2016530484A (ja) * | 2013-05-30 | 2016-09-29 | ベーリンガー インゲルハイム フェトメディカ ゲーエムベーハーBoehringer Ingelheim Vetmedica GmbH | チップ上に複数の測定領域を作成するための方法、および測定領域を有するチップ |
JP2019070657A (ja) * | 2013-05-30 | 2019-05-09 | ベーリンガー インゲルハイム フェトメディカ ゲーエムベーハーBoehringer Ingelheim Vetmedica GmbH | チップ上に複数の測定領域を作成するための方法、および測定領域を有するチップ |
JP6116075B1 (ja) * | 2015-11-20 | 2017-04-19 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気化学測定方法、電気化学測定装置及びトランスデューサ |
WO2017086059A1 (ja) * | 2015-11-20 | 2017-05-26 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気化学測定方法、電気化学測定装置及びトランスデューサ |
JP2017096721A (ja) * | 2015-11-20 | 2017-06-01 | 日本航空電子工業株式会社 | 電気化学測定方法、電気化学測定装置及びトランスデューサ |
US11016078B2 (en) | 2015-11-20 | 2021-05-25 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrochemical measurement method, electrochemical measurement device and transducer |
US11940440B2 (en) | 2015-11-20 | 2024-03-26 | Japan Aviation Electronics Industry, Limited | Electrochemical measurement method, electrochemical measurement device and transducer |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
US20020123048A1 (en) | 2002-09-05 |
JP4949589B2 (ja) | 2012-06-13 |
EP1278821A4 (en) | 2005-11-09 |
US8062491B1 (en) | 2011-11-22 |
CN100457887C (zh) | 2009-02-04 |
AU6114501A (en) | 2001-11-12 |
AU2001261145B2 (en) | 2005-08-11 |
EP1278821A1 (en) | 2003-01-29 |
CA2407973A1 (en) | 2001-11-08 |
US7399585B2 (en) | 2008-07-15 |
CN1440454A (zh) | 2003-09-03 |
WO2001083674A1 (en) | 2001-11-08 |
TWI245073B (en) | 2005-12-11 |
CA2407973C (en) | 2011-06-07 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4949589B2 (ja) | 集積センサ・チップを有する生物学的同定システム | |
Gau et al. | A MEMS based amperometric detector for E. coli bacteria using self-assembled monolayers | |
AU2001261145A1 (en) | Biological identification system with integrated sensor chip | |
Turyan et al. | Patterning and characterization of surfaces with organic and biological molecules by the scanning electrochemical microscope | |
JP5985654B2 (ja) | 選択的表面固定化部位を有するナノギャップ・トランスデューサ | |
US9841416B2 (en) | Systems and methods for single-molecule nucleic-acid assay platforms | |
Laschi et al. | Planar electrochemical sensors for biomedical applications | |
Díaz‐González et al. | Diagnostics using multiplexed electrochemical readout devices | |
Delle et al. | Scalable fabrication and application of nanoscale IDE-arrays as multi-electrode platform for label-free biosensing | |
Mosbach et al. | Picodroplet-deposition of enzymes on functionalized self-assembled monolayers as a basis for miniaturized multi-sensor structures | |
JP2003090815A (ja) | 遺伝子の電気化学的検出方法と核酸チップ | |
Zhang | Nanoscale surface modification for enhanced biosensing | |
Mohd Said | Electrochemical biosensor based on microfabricated electrode arrays for life sciences applications | |
Arfin | Emerging trends in lab-on-a-chip for biosensing applications | |
TW200538556A (en) | Method and device for detection of nucleic acids and/or polypeptides | |
Pan | Voltammetric detection of DNA hybridization using a non-competitive enzyme linked assay | |
US20020165675A1 (en) | Method and microelectronic device for multi-site molecule detection | |
Lai | Folding-and dynamics-based electrochemical DNA sensors | |
JP4814098B2 (ja) | 試料中に存在するターゲットまたは対象物を結合/脱離させるためのデバイスおよび方法 | |
US20230287226A1 (en) | Electrochemical Biosensors for Rapid and Sensitive Detection of Pathogens and Pathogenic Biomarkers | |
Yoon et al. | Ferritin immunosensing on microfabricated electrodes based on the integration of immunoprecipitation and electrochemical signaling reactions | |
Lakard et al. | Fabrication of a miniaturized cell using microsystem technologies for electrochemical applications | |
Mansuriya et al. | Screen-printed electrochemical sensor platforms | |
Thomas et al. | Integration of silicon and printed electronics for rapid diagnostic disease biosensing | |
Gau | The enzyme-based electrochemical DNA detector chip using MEMS technology |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20080424 |
|
A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20080424 |
|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20101028 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20101214 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20110314 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20110322 |
|
A601 | Written request for extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A601 Effective date: 20110414 |
|
A602 | Written permission of extension of time |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A602 Effective date: 20110421 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20110512 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20120117 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20120206 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20120306 |
|
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20120308 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20150316 Year of fee payment: 3 |
|
R150 | Certificate of patent or registration of utility model |
Ref document number: 4949589 Country of ref document: JP Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
R250 | Receipt of annual fees |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250 |
|
EXPY | Cancellation because of completion of term |