JP2004531703A - Method for producing optical (bio) chemical sensor device - Google Patents

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Abstract

本発明は小型光学的化学もしくは生物化学センサーデバイス(例えばイオンセンシング用バルクオプトード等)の作製方法に関し、前記デバイスは平面部分を有する基体材料を備え、前記平面部分が光学現象、例えばエバネッセント波に基づく表面プラズモン共鳴、に基づく変換器に相当し、前記平面部分上には、該平面の空間的に離隔した所定位置に配置された(生物)化学センサードットのマルチ分析アレイが配列されていて、前記センサードットが (i)ポリマーマトリックスおよび(ii)1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分を備えており、当該方法は、(a)平面部分を有する基体材料を与えること;(b)1種又はそれ以上のスポッティング流体を与えること;(c)該基体材料の平面部分上に該1種又はそれ以上のスポッティング流体をピン・プリンター・デポジッティング機構(アレイヤー)によりデポジットし、該スポッティング流体を固結させることを含んで成る。The present invention relates to a method of making a miniature optical chemistry or biochemical sensor device (such as a bulk optode for ion sensing), said device comprising a substrate material having a planar portion, wherein said planar portion is exposed to optical phenomena, such as evanescent waves. A multi-analytical array of (bio) chemical sensor dots arranged on the plane part at spatially separated predetermined positions, corresponding to a transducer based on surface plasmon resonance. Wherein the sensor dot comprises (i) a polymer matrix and (ii) one or more (bio) chemical recognition moieties, the method comprising: (a) providing a substrate material having planar portions; C) providing one or more spotting fluids; and (c) providing the one or more spotting fluids on a planar portion of the substrate material. It was deposited by pin printer a deposition coating mechanism (arrayer), comprising thereby consolidating the spotting fluid.

Description

【技術分野】
【0001】
本発明は多数の異なる化合物を同時にモニターするのに有用な光学的(生物)化学センサーデバイスの作製に関する。他の可能な応用はコンビナトリアルライブラリーのハイスループットスクリーニング、食品品質のモニタリングおよび生物学的成分の検出などである。より詳しくは、本発明は複数のポリマー型(生物)化学センサードットを備えた光学的(生物)化学センサーデバイスの作製方法に関する。
【背景技術】
【0002】
化学および生物化学センサーの分野のトレンド[R. Kellner, M. Otto, M. Wildmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998, p 359-360 及び 375ff]は、薬物開発のための新規化合物のスクリーニングとともに例えば環境的サンプルおよび臨床的サンプルのハイスループット分析の増大する需要を満たすために古典的分析方法を実行する新たな手法を改良発展することである。特に、化学的および生物化学的センシング技術の小型化は多大な関心を受けており、ケモメトリックデータ処理およびニューラルネットワークのための新たなアプローチの開発によって更に支えられているプロセスは、個別の結果の合計を超える応答パターンに内蔵された情報へのアクセスを可能とする。
【0003】
化学および生物化学センサー[すなわち(生物)化学センサー]は、「液体もしくは気体中の化学成分の濃度を連続的に認識し及びこの情報を電気的もしくは光学的信号にリアルタイムで変換することができるデバイス」として定義されている[R. Kellner, M. Otto, M. Wildmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998]。これに関連して、化学的検知可能層(chemically sensitive layer)がいわゆる変換器(transducer)と結合されており、これが(生物)化学情報を電気的もしくは光学的信号に変換し、この信号がデータ評価ユニットにより記録される。化学的検知可能層は、認識系で直接修飾された表面か又は認識系でドープされた薄膜により被覆された表面とすることができ;例えば、化学的検知可能ポリマー膜が電極と結合されて検体濃度(もしくは活性)の関数としてサンプル溶液に対するその電位差を測定し得るか;又はそれらが光ファイバーのような光学変換器に被覆されて検体濃度の関数として(吸光度または屈折率のような)光学変化を測定し得る。
【0004】
EP 0 358 991 に記載されているようなバルクオプトード膜は、光学的イオンセンシング用化学的検知層の例である。特定のイオンと選択的に相互作用する化学物質はイオノホアと呼ばれ、それらの選択性を増大または統制するためのポテンシオメトリック膜電極において従来から用いられている。その他の要素、特に親脂性イオン(「対イオン」)およびpH感受性色素(「クロモイオノホア」)とのイオノホアの組合せは、可逆的および再現可能な色変化を伴って、与えられたpHにおいて特定のイオンに応答する膜材料を提供する。測定のために基準電極が必要条件であるそれらの電気化学的類縁物と異なり、そのような膜に基づく光学センサー(「オプト(ロ)ード」(opt(r)odes))は、基準なしで機能し、電気干渉に敏感でなく、そのため該センサーを小型化システムに統合することが遥かに容易となる。さらに、該センサーから1種よりも多くのパラメータを導き出すことができるので、光学的方法をケモメトリック技術、パターン認識などと組み合わせ得る:例えば、電気化学センサーが一般に1種の値(例えば電位または電流)を生じるだけであるところ、吸光度および屈折率の両方に関するデータ、時間的情報もしくはスペクトル形状が測定され得る。
【0005】
化学的応答性ポリマーを用いる光学的センシングをセンシングアレイの概念と組み合わせるためには、個々のセンシング要素の各々からの信号が相互に区別できるような態様で個々の小さなドットが基体上に配列される必要がある。一つのアプローチは、ディッキンソン(Dickinson)らにより実証されているように光ファイバーをバンドル(束)又はアレイ(配列)として構成することである[Nature 1996, 382, 697-700; Johnson et al., Anal. Chem. 1997, 69, 4641-4648 も参照]。ポリマープローブの光学変化を用いるマルチセンシングの利点を実証するために行われた代表例はウォルト(Walt)のグループによる研究である(例えばAnal. Chem 70 1998 1242-1248)。ここでは、微小球センサーが数千のマイクロメータースケールの穴(well)にランダムに取り込まれている。これらはファイバーコア及びクラッドの異なるエッチング速度を利用して光ファイバーの表面からフッ化水素酸によりエッチング処理されている。別法として、洗練された部位選択的光重合が同グループによりそのようなファイバーバンドル相に採用されている(スティーマーズ(Steemers)及びウォルト(Walt)によるレビューであるMikrochim. Acta 131, 99-105 (1999)参照)。そのような研究は小型化ポリマーアレイに基づくセンシング技術の潜在能力を強く確認する。しかしながら、個別修飾すること及び次にファイバーをバンドル化することから、このアプローチをセンサー層の大量生産や異なる多種のセンサーシステムに伴うセンサー層の生産を行うために実施できないことは明らかである。他方、多くの実施可能なデバイスにとって、個々のセンサー要素をそのような研究で実現されているサイズ(数マイクロメーター)までスケールダウンする必要はないであろう。例えば、120μm直径の36ドットは30μmドット間(dot-to-dot)距離で1cm×1cm領域に依然として容易に配列し得る。
【0006】
理想的なセンサーデバイスは、複数の異なる、独立して空間的に離隔したポリマーセンサー領域を備えるべきである(この文脈においてセンシングドットと称されるこれらの領域はおおよそ円形の形状とミクロ域の寸法(直径10〜1000μm)を有する)。異なるセンシングドット間の応答を互いに区別するために、イメージング技術、例えばカメラまたは直線もしくは2次元CCDアレイ、および適当なソフトウェアを次に使用し得る。これらのセンサーデバイスはより大きな柔軟性、再現性を示す場合もあり、またセンシング領域の数を増やすことが容易な場合もある。イメージング(画像化)を介する分析用の光学的センシング領域のアレイの潜在能力は、最近、ラコウ(Rakow)らにより臭い検出用の測色(colorimetric)センサーにおいて実証されている[Rakow et al., Nature 406 (2000) 701-713]。
【0007】
原則としてイメージングを行うことができ、そのためポリマー系センシングドットのアレイで使用できる、多数の異なる光学的センシング方式がある。最も単純な場合には、透明なキャリアプレートがセンシングドットで修飾され得る。適当なガスケットおよびカバープレートを用いる場合には、フローチャンネル(流路)を形成でき、これが例えばドットの上方の地下水サンプルの流れを可能とする。光源がカバープレートの上部に取り付けられて両プレートおよびサンプルを通じて照らすことができ、次に、下方プレートよりも下のイメージング検出器(例えばカメラ)が個々のドットの色応答に関する全情報を含有する画像を記録し得る。勿論、適当な非透明表面上のセンシングドットの全反射または拡散を利用する類似のシステムを考案することも可能であろう。類似のシステムにおいて蛍光モニタリングも可能であろう。
【0008】
より洗練された光学的センシング方式は、光学的に濃度が高い媒体内の光の全反射により屈折率の異なる2相の間の面で起こる減衰する定在波、エバネッセント波(evanescent wave)の現象を使用するものである。そのような波は、回折格子のような適当な構造体における全反射表面において直接に起こるか、又は関連する適当な光学構造体上の適当な金属(典型的には金または銀)の薄膜内のいわゆる表面プラズモン(集団電子振動)の励起を介して起こる。そのようなデバイスは変換器表面と非常に近接しての光学的性質の測定を可能とするので、WO00/46589 (Vir A/S)に記載されているようなポリマーセンシングドットのアレイと組み合わせることもできる。さらに、エバネッセント波は吸収をモニターするよりも蛍光を励起するために使用され得ることにより、フルオリメトリック(fluorimetric:蛍光測定)センシングを可能とする。
【0009】
適当な光学変換器としては、ポリマードットの光学的性質の変化、例えば特に吸収、屈折率または蛍光変化の検出を可能とする(それによりポリマードットの化学的応答をモニターすることを可能とする)、光導波路、表面プラズモン共鳴フィルム、反射型回折格子カップラ、光導波路、マッハ-ツェンダー干渉計またはハルトマン干渉計がある。
【0010】
しかしながら、空間的に離隔した光学的センシング用(生物)化学センサードットのアレイを製造する自動化方法がこれまで存在していない。
【0011】
流体小滴の自動化された散布のために幾つかの技術が利用可能である。例えば印刷技術から知られているインクジェット技術は、流体がキャピラリーからデポジット(deposit)されることを特徴とする。キャピラリーからの流体の放出は、異なるアプローチによって実現できる。ドロップ・オン・デマンド式アプローチでは、ピエゾアクチュエータによる電圧の印加により、キャピラリーの周囲のセラミック襟状体(collar)がキャピラリー内に音波を生じさせ、その結果生じるキャピラリーの変形により、液体柱の制御された部分が小滴として放出される。連続式アプローチでは、流体が圧力下で放出される結果、流体の流れを発生させ、圧電アクチュエータによる電圧の印加により、再び小滴が生成し放出される。連続式インクジェット技術は食品および製薬産業において製品のラベリングのために広く用いられている。インクジェット技術も、ニューマン(Newman)らにより、電流測定(amperometric)バイオセンサー用の膜の調製において用いられているが[Newman et al. Analytical Chemistry 1995, 67, 4594-4599]、そこでは小滴が融合してフィルムを形成する。他の関連技術は、マイクロピペット等のようなマイクロおよびナノディスペンシング装置である。
【0012】
これらの技術のいずれも、低表面張力および高粘度をもった流体のデポジション(deposition)に適したものでなく、これらの流体の適用の結果としてディスペンシング装置内の気泡形成を招く場合が多い。プリントヘッドの加熱により流体の粘度を減少し得るが、同時に揮発性溶媒の蒸発も生じ得るためプリントヘッドの目詰りが起こり得る。さらに、粘弾性がそのようなプリンターにおいて重大な性能上の問題を引き起こすことが知られている。ノズル内の高剪断力の下で非ニュートン挙動が発生する結果、不安定な滴の形成または小滴サテライトの形成が生じ得る。
【0013】
上で簡単に概説したことから、インクジェット技術がポリマーまたはポリマー前駆体の流体のデポジション(deposition)のために適した選択でないことは明らかである。これらの流体の物理化学的性質は、デポジション工程だけでなく、ポンプを通じたディスペンシング機構への吸引をも妨げることになる。
【0014】
サンプルの吸引、ポンプおよびフラッシュ処理を伴わない、流体のマイクロアレイ構成(microarraying)のための別の技術は、ピン・プリンターもしくはアレイヤー、例えば米国特許第5,807,522号に記載されているクイル(quill)・プリンターのようなオープンデポジット装置である。ピン・プリンター技術では、デポジットされるべき流体が小容器(通常はマイクロタイタープレートの穴)からピックアップされる。こうして、装置を満たす必要があるスポッティング流体の量が少なくされるが、このことが(生物)化学的認識要素についての高い評価を受けるセンシング膜の調製において重要な特徴である。しかしながら、クイル・プリンターは、流体の受取りがクイルへの吸上げに基づくものであり、上述のような問題が起こり得るので、高粘度をもったポリマーおよびポリマー前駆体のデポジションに適していない。もう一つの不利な点はデポジットされる流体ドットの大きさを再現するのが非常に困難であるということであり、例えば幾つかの市販されるプリンターはプレ印刷ステップで一定のドットサイズを実現することを必要とする。
【0015】
オープンデポジット装置のもう一つの例は、WO99/36760に記載されているようなピン・リング技術(pin-ring)である。ピン・リング技術は生物学的サンプルの再現可能なマイクロアレイの作製のために開発され、流体を保持および移送する基本機構として表面張力に基づくものである。
【発明の開示】
【0016】
本発明は請求項1に記載されるような光学的(生物)化学センサーデバイスの作製方法に関する。
【0017】
本発明はまた、上記方法により得られる光学的(生物)化学センサーデバイスおよび該デバイスの使用方法にも関する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0018】
本発明は光学的(生物)化学センサーデバイスの作製方法に関する。該(生物)化学センサーは、基体材料上に配列された、明確に空間的に離隔した(生物)化学センサードットを備えている。より具体的には、該(生物)化学センサーデバイスは、平面部分を有する基体材料を備えており、この平面部分が光学現象に基づく変換器に相当し、この平面部分上には、該平面の空間的に離隔した所定位置に配置された複数の(生物)化学センサードットが配列されており、これらセンサードットが (i)ポリマーマトリックスおよび(ii)1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分を備えている。
【0019】
「複数の(生物)化学センサードット」という表現との関連において「複数」という用語は、技術文献で頻繁に用いられる用語「アレイ」と同義である。
【0020】
「(生物)化学」((bio)chemical)という用語は、「生物化学および化学」と同じ意味を有し、それにより化学分野と同様に生物化学分野における反応および試薬を包含することが意図される。
【0021】
「認識部分」(recognition moieties)という用語は、関連するポリマーマトリックスの光学的性質を直接的に又は間接的に変化させるべく、検体と相互作用する化学基のみならず、例えばカスケード式に、光学的性質の変化に関与する化学基をも包含することが意図される。「認識系」(recognition system)という用語は、関連するポリマーマトリックスの光学的性質の変化に全体で(例えばカスケード反応により)関与する1種又はそれ以上の認識部分を含んで成る系を包含する。
【0022】
センサーデバイスは、平面部分を有する「基体材料」を備えている。「基体材料」という用語は、表面層材料(下記を参照)の1またはそれ以上の層で任意的にコートされてよいベース材料を意味することが意図される。基体材料の平面部分が光学現象に基づく変換器に相当すべきことが理解されるべきである。
【0023】
基体材料の平面部分の寸法は、一般には1〜50mm幅および2〜100mm長、より具体的には2〜25mm幅および5〜50mm長、例えば4〜8mm幅および8〜16mm長である。
【0024】
基体材料はベース材料を含み、該ベース材料の平面部分に相当する表面層材料も任意的に含む。本発明の一部の実施態様においては、ベース材料と表面層材料が同一材料である基体材料を利用することも可能である。基体は、当然ながら、複数層の表面層材料を含んでもよい。
【0025】
当該方法が複数の(生物)化学センサードットの作製に適用できるための重要な要件は、デポジットされた流体が所定位置に局在したままの状態にあって、基体材料全体を濡らすように拡がらないことである。このセンサードットの接触領域がドットのサイズ(直径)を定める。
【0026】
ベース材料は(生物)化学センサーデバイスの集積部分を構成するものであり、一般には、ガラス、シリカ、誘電体無機材料、例えばSiO2 、PtOx (ここでx=1または2)、Al23 、TiO2 、Ta25 、MgF2 またはSi34 等、プラスチック、例えばアクリル樹脂等、シクロオレフィンポリマー(TOPAS(商標))、ポリカーボネート、ポリエーテルイミド(ULTEM(商標))、または水素もしくは重水素終端表面をもったシリコンより選択される材料、特にガラスおよびプラスチック、の滑らかな平面の形態にある。
【0027】
本文脈において「誘電体」という用語は、電気の不良導体であって、それを通過する電場の力を持続する材料を意味する。
【0028】
ベース材料は、多くの場合、変換器の光学性能を統制するように表面層材料の少なくとも1層でコートされる。そのような表面層材料は、一般に金属(例えば金、銀、銅またはプラチナ等)、シリカおよびシリコン、好ましくは金、銀、銅およびシリコンより選択される。
【0029】
表面層材料は、一般には10〜500nm、より具体的には表面プラズモン共鳴測定と特に関連する20〜80nmの厚さを有する。
【0030】
本発明の一実施態様において、基体材料は1種又はそれ以上の金属および上で定義された誘電体無機材料の多層構造であり、この多層構造は、例えば金属−誘電体または金属−誘電体−金属サンドイッチ構造であってよい。
【0031】
本発明の一実施態様において、基体材料は透明であり、(生物)化学センサードットのバルク吸収の測定を可能とする。
【0032】
本発明の別の実施態様において、支持表面は全反射性であり、(生物)化学センサードットの光学的性質の反射分光測定を可能とする。
【0033】
本発明の別の実施態様において、支持表面は(生物)化学センサードットの光学的性質の拡散反射分光測定を可能とすべく拡散反射性である。
【0034】
(生物)化学センサードットのサイズ、形状および接着性は、基体材料の表面の修飾によって、スポッティング流体が該表面を濡らすか又は該表面へ化学的に結合するようになる能力を減少または増大させることにより更に制御し得る。
【0035】
本発明の一実施態様において、基体材料の平面は、下記の二官能性試薬による処理によって化学修飾される。
X−Z−Y
[式中、Xは−OR’、非対称形もしくは対称形のジスルフィド(−SSR’Y’,−SSRY)、スルフィド(−SR’Y’,−SRY)、ジセレニド(−SeSeR’Y’,−SeSeRY)、セレニド(−SeR’Y’,−SeRY)、チオール(−SH)、セレノール(−SeH)、−N=C、−NO2 、三価リン化合物群、−NCS、−OC(S)SH、チオカルバメート、ホスフィン、チオ酸(−COSH)、ジチオ酸(−CSSH)、−Si(OR/R/H)3 およびハロゲンより選択され、
置換基RおよびR’は各々が独立して、任意的に置換されてよいC1-30 アルキル、任意的に置換されてよいC2-30 アルケニル、任意的に置換されてよいC2-30 アルキニルおよび任意的に置換されてよいアリールより選択され、
YおよびY’はヒドロキシル、カルボキシル、アミノ、ホルミル、ヒドラジン、カルボニル、エポキシ、ビニル、アリル、アクリル、エポキシおよびメタクリルより選択され、
Zは2官能基間のリンカー(ビラジカル)であり、一般には、任意的に置換されてよいC1-12 アルキレン、任意的に置換されてよいC2-12 アルケニレンおよび任意的に置換されてよいC2-30 アルキニレン(N、S、OおよびSi等のような異種原子が中に介在してもよい)を表わす。]
【0036】
本文脈において「C1-30 アルキル」という用語は、直鎖状、環状または分岐状の1ないし30炭素原子を有する炭化水素基を意味し、例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、シクロプロピル、ブチル、tert−ブチル、イソブチル、シクロブチル、ペンチル、シクロペンチル、ヘキシル、シクロヘキシル、ヘキサデシル、ヘプタデシル、オクタデシル、ノナデシル等であり、同様に「C1-6 アルキル」という用語は、直鎖状、環状または分岐状の1ないし6炭素原子を有する炭化水素基を意味し、例えばメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、ブチル、tert−ブチル、イソブチル、ペンチル、シクロペンチル、ヘキシル、シクロヘキシル等、特にメチル、エチル、プロピル、イソプロピル、tert−ブチル、イソブチル、シクロヘキシルである。
【0037】
同様に「C2-30 アルケニル」という用語は、直鎖状、環状または分岐状の2ないし30炭素原子および1つ又はそれ以上の不飽和結合を有する炭化水素基を意味することが意図され、同様に「C2-6 アルケニル」という用語は、直鎖状、環状または分岐状の2ないし6炭素原子および1つ又はそれ以上の不飽和結合を有する炭化水素基を意味することが意図される。アルケニル基の例は、ビニル、アリル、ブテニル、ペンテニル、ヘキセニル、ヘプテニル、オクテニル、ヘプタデカエニルである。アルカジエニル基の例は、ブタジエニル、ペンタジエニル、ヘキサジエニル、ヘプタジエニル、ヘプタデカジエニルである。アルカトリエニル基の例は、ヘキサトリエニル、ヘプタトリエニル、オクタトリエニルおよびヘプタデカトリエニルである。
【0038】
同様に、「C2-30 アルキニル」という用語は、直鎖状または分岐状の2ないし30炭素原子を有し、かつ三重結合を含む炭化水素基を意味することが意図される。その例は、エチニル、プロピニル、ブチニル、オクチニルおよびドデカイニルである。
【0039】
「アルキル」、「アルケニル」および「アルキニル」という用語との関連において、「任意的に置換されてよい」という用語は、問題となる基が、ヒドロキシル、C1-6 アルコキシ、カルボキシル、C1-6 アルコキシカルボニル、C1-6 アルキルカルボニル、ホルミル、アリール、アリールオキシカルボニル、アリールカルボニル、ヘテロアリール、アミノ、モノおよびジ(C1-6 アルキル)アミノ、カルバモイル、モノおよびジ(C1-6 アルキル)アミノカルボニル、アミノ−C1-6 アルキル−アミノカルボニル、モノおよびジ(C1-6 アルキル)アミノ−C1-6 アルキル−アミノカルボニル、C1-6 アルキルカルボニルアミノ、シアノ、カルバミド、ハロゲンより選択される基により、1回または数回、好ましくは1〜3回、置換されてよいことを意味し、ここでアリールおよびヘテロアリールは、C1-4 アルキル、C1-4 アルコキシ、ニトロ、シアノ、アミノまたはハロゲンにより1〜5回、好ましくは1〜3回、置換されてよい。特に好ましい例は、ヒドロキシル、C1-6 アルコキシ、カルボキシル、アリール、ヘテロアリール、アミノ、モノおよびジ(C1-6 アルキル)アミノおよびハロゲンであり、ここでアリールおよびヘテロアリールは、C1-4 アルキル、C1-4 アルコキシ、ニトロ、シアノ、アミノまたはハロゲン(フルオロ、クロロ、ブロモおよびヨード等)により1〜3回置換されてよい。
【0040】
本文脈において「アリール」という用語は、全体的または部分的に芳香族性の炭素環式環もしくは環系を意味し、例えばフェニル、ナフチル、1,2,3,4−テトラヒドロナフチル、アントラシル、フェナントラシル、ピレニル、ベンゾピレニル、フルオレニルおよびキサンテニルがあり、中でもフェニルが好ましい例である。
【0041】
「アリール」という用語との関連において「任意的に置換されてよい」という用語は、問題となる基がC1-4 アルキル、C1-4 アルコキシ、ニトロ、シアノ、アミノまたはハロゲンにより1〜5回、好ましくは1〜3回、置換されてよいことを意味する。
【0042】
「ヘテロアリール」という用語は、1またはそれ以上の炭素原子が異種原子、例えば窒素(=N−または−NH)、硫黄、および/または酸素原子により置換された、全体的または部分的に芳香族性の炭素環式環もしくは環系を意味する。このようなヘテロアリール基の例は、オキサゾリル、イソオキサゾリル、チアゾリル、イソチアゾリル、ピロリル、イミダゾイル、ピラゾイル、ピリジニル、ピラジニル、ピリダジニル、ピペラジニル、クマリル、フリル、キノリル、ベンゾチアゾイル、ベンゾトリアゾリル、ベンゾジアゾリル、ベンゾオキサゾリル、フタラジニル、フタラニル、トリアゾリル、テトラアゾリル、イソキノリル、アクリジニル、カルバゾリル、ジベンゾアゼピニル、インドリル、ベンゾピラゾリル、フェノキサゾニルである。
【0043】
官能基Yは、多くの場合、ポリマーまたはポリマー前駆体と相互作用するように選択される。一部の実施態様において、YおよびY’は同一である。
【0044】
表面の化学修飾はスポッティング流体の基体材料を濡らす能力を変化させ、それ故にこの材料をスポッティング流体の特定の組成に対して明確なセンサードットを生じさせるように調整し得る。
【0045】
本発明の一実施態様において、Yは、ポリ塩化ビニルと反応し、表面材料に共有結合したポリ塩化ビニルドットを生じ得るアミノ基を表わす。
【0046】
本発明の一実施態様において、金もしくは銀によるコート処理表面をアリルチオールもしくはメタクリロイルチオールで処理することにより、メタクリレートもしくはアクリレート等のポリマー前駆体と重合時に反応し得る表面を生じさせ、基体材料に共有結合した複数のメタクリレートもしくはアクリレートセンサードットを生じさせ得る。
【0047】
本発明のさらに別の実施態様において、ガラスもしくはシリコン酸化物表面をアリルシランまたはメタクロイルシランで処理することにより、メタクリレートもしくはアクリレート等のポリマー前駆体と重合時に反応し得る表面を生じさせ、基体材料に共有結合した複数のメタクリレートもしくはアクリレートセンサードットを生じ得る。
【0048】
本発明のさらに別の実施態様において、金もしくは銀によるコート処理表面を11−メルカプトウンデカノール等のようなヒドロキシル末端脂肪族チオールで処理することにより、ドデシルメタクリレートおよび1,6−ヘキサンジオールジメタクリレートを含有するスポッティング流体の安定な小滴のデポジションを可能とする表面を生じさせる。
【0049】
本発明の代替的な実施態様においては、基体材料の濡れが、基体材料の表面上の小さな穴(well)のようなミクロ構造によって制御される。スポッティング流体が穴の中にデポジットされ、その中で拡がるようにされる。穴の直径および深さが結果として生じるセンサードットのサイズおよび高さを定める。本発明の一つの好ましい実施態様において、穴の直径は50ないし1000μmであり、穴の深さは1ないし50μmである。
【0050】
基体材料は平面部分を有する。基体材料の全てが該デバイス中の平面または平面群に相当する必要はないことが理解されるべきである。基体材料は、回折格子、平面の上に延びるリム、取付け用の孔などを備えた他の部分を有してよい。本発明との関連において重要なことは、基体材料が少なくとも1つの平面部分を有し、その上に複数の(生)化学センサードットが設けられることである。
【0051】
この平面部分が「光学現象に基づく変換器」に相当する。「光学現象」という用語は、屈折、反射、拡散反射率、減衰反射率、透過、スペクトル変化、色変化、吸収、反射の臨界角、表面プラズモン共鳴等のようなエバネッセント波現象、蛍光および蛍光消光を包含することが意図され、好ましくは透過、蛍光および表面プラズモン共鳴、特に表面プラズモン共鳴である。これらの現象は、分光法、分光測光法、測光法、SPR技術、全反射蛍光(Total Internal Reflection Fluorescence:TIRF)センシング、回折格子カプラセンシング(Grating Coupler sensing:GCS)、共鳴ミラーセンシング、反射干渉分光法(Reflectometric Intererence Spectroscopy:RIFS)、統合型光学デバイス(導波管)、統合型光学干渉計、臨界角屈折率計、等のような多数の変換器技術の基礎となるものである。
【0052】
「光学的性質の変化」という用語および類似の用語は、(生物)化学センサードットの光学的性質の変化、例えば特に吸収、屈折率または蛍光変化、の検出を可能とする(それによりポリマードットの化学的応答をモニターすることを可能とする)、上述の光学現象の変化を包含することが意図される。
【0053】
個々の(生物)化学センサードットは同じ化学組成を有し得るが、一般には、該センサードットは全てが同一であるわけではない。したがって、本発明により作製されるデバイスは、一般的には少なくとも5個、例えば少なくとも15個の異なるセンサードットを備えている。このことは、異なるセンサードットのポリマーマトリックスが一般には同一であるが、該1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分が異なり、それにより同一デバイスで複数の検体を同定することを可能とすると言える。好ましい実施態様では、該空間的に離隔した(生物)化学センサードットの各々が異なる(生物)化学的認識部分を備えている。
【0054】
代替的な実施態様では、幾つかのセンサードットの組成は、非相同サンプルにおける検体の分布を画像化するために同一であってもよい。
【0055】
本発明による方法により形成される(生物)化学センサーデバイスは、基体材料の平面部分のx−y平面における空間的に離隔した所定位置に複数の(生物)化学センサードットを備えている。実際の目的のためには、x方向においてセンサードット間で均等な距離をもつと共にy方向においてセンサードット間で均等な距離をもつ(ここでx方向およびy方向におけるドット間の距離は同じであっても異なってもよい)ようにセンサードットをデポジットすることが多くの場合に望ましい。本発明の好ましい実施態様では、x方向およびy方向における(生物)化学センサードットの中心間の距離が独立して(生物)化学センサードットの直径の1.1〜10倍の範囲にある。
【0056】
複数の(生物)化学センサードットを設けるために、当該方法は、
(a)平面部分を有する基体材料を与えること;
(b)1種又はそれ以上のスポッティング流体であって、各々が
(i)ポリマーおよび/またはポリマー前駆体;および
(ii)1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素;
の少なくとも1種を含むものを与えること;
(c)該基体材料の平面部分の空間的に離隔した所定位置に該1種又はそれ以上のスポッティング流体を「ピン・リング」デポジション機構により同時または逐次的にデポジットし、該スポッティング流体を固結させることを含んで成る。
【0057】
「固結」という用語は、例えば熱、紫外光による照射、可視光による照射に曝すことによる又は電子で誘発される励起による、重合、重縮合、架橋、ゾル・ゲル法、溶媒の蒸発を含むことが意図される。
【0058】
当該方法は、1種又はそれ以上のポリマーおよび/またはポリマー前駆体を含む流体(以下「スポッティング流体」と称する)を基体材料の平面部分上に「ピン・リング」デポジッティング法によりスポッティングすることを含む。次に、スポッティング流体を支持表面上で、溶媒の蒸発、ポリマー前駆体の重合またはそれらの組合せのいずれかにより固結させることによって、複数の空間的に離隔したセンサードットが生じる。
【0059】
本発明に適用される「ピン・リング」デポジッティング法は、生物学的材料の特にマイクロアレイの作製方法としてGenetic MicroSystems(商標)(WO99/36760)により元々導入されたものであり、そこでは二次元表面に生物学的材料が接着結合または共有結合される。本発明は「ピン・リング」デポジッティングシステムを複数の(生物)化学センサーポリマードットの作製のために有利に使用できることを新たに見出したものであり、ここでは空間的に離隔したセンサードットの表面の又は表面上の三次元マトリックスに(生物)化学的認識部分が構成される。
【0060】
「ピン・リング」デポジッティング法は、流体を保持および移送する基本機構として表面張力に基づくものである。鍵となる機構の要素は、該リングに対して垂直に延びる垂直ロッドにより所定位置に保持され、かつ基体に対して平行に配向された円形の開放した「リング」から成る。該リングの中心に垂直ピンが置かれている。該リングロッドおよびピンの両方をx−y平面において相互に一定の関係に保ちながら、各部分がz軸方向に別々に移動できるように装置を制御するために該リングロッドおよびピンの両方が取り付けられている。リングがスポッティング流体に浸されて持ち上げられると、それがサンプルの部分量(aliquot)を回収し、このサンプルの部分量が表面張力によりリングの中心に保持される。次に、ピン・リング機構をx−y平面における何れかの所望の位置させる。基体材料上にドットを作ることを望むときは、リングを通じてピンを下方に駆動させる。ピンがリングを通過するときに、スポッティング流体の部分量が内部リングメニスカスからピンの底部に移され、ピンの下方面に新たに垂れ下がる滴を形成する。ピン上の流体が基体材料と接触するまで、ピンは下方に移動し続ける。次に、ピンが持ち上げられると、重力と表面張力の組み合わさった力によってスポッティング流体が基体材料上にドットとしてデポジットされる。
【0061】
流体を移すために、ピンと基体との間には衝撃も機械的接触も必要とされない。
【0062】
リングの内部メニスカスを通じてのピンの移動は、何らかの最小閾値を通過するように十分な部分量の流体が取り除かれるまでメニスカスを破壊しない。リング内のピン上に所定量の流体が与えられると、ピン駆動工程は何回も繰り返すことができるため、単一の移動するピン・リング組立体により非常に多数の類似のドットを生成することができる。
【0063】
このデポジット流体の量はピンの寸法に依存し、ピンの半径と等しい半径をもった半球の体積とおおよそ等しく、このピンの半径は今日の利用可能なハードウェアでは50ないし500μmの範囲にある。このことは本願に記載されている実施態様にとって一般に望ましい。
【0064】
本発明にとって特徴的なのは、スポッティング流体の少なくとも1種がポリマーおよび/またはポリマー前駆体を含むこと、およびスポッティング流体の少なくとも1種が1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素を含むことである。
【0065】
一つの実施態様では、ポリマーおよび/またはポリマー前駆体のみならず1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素も含む1種のみのスポッティング流体が用いられる。
【0066】
好ましい実施態様では、少なくとも2種のスポッティング流体が用いられ;第1のスポッティング流体がポリマーおよび/またはポリマー前駆体を含み、第2のスポッティング流体が1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素を含む。好ましい実施態様では、第2のスポッティング流体の前に第1のスポッティング流体がデポジットされる。
【0067】
適当なポリマーの例としては、ポリアクリレート類、例えばポリ(メチルプロペノエート)またはポリ(2−メチルプロペノエート)、ポリアニリン類、ポリ(ブタジエン)、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリメタクリレート類、例えばポリ(メチルメタクリレート)、ポリ(オクチルメタクリレート)、ポリ(デシルメタクリレート)またはポリ(イソデシルメタクリレート)、ポリスチレン類、例えばポリスチレン、ポリ(4−tert−ブチルスチレン)またはポリ(4−メトキシスチレン)、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリウレタン類、例えばテコフレックス(Tekoflex(登録商標))EG 80A、ポリ(酢酸ビニル)、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(塩化ビニル)、エポキシノボラック樹脂、例えばシェル(Shell)からの5U 8、および上記ポリマーの共重合体または三元共重合体、例えばエチレン・酢酸ビニル共重合体、を含むプラスチック樹脂がある。特定の例としては、ポリ(デシルメタクリレート)、ポリ(イソデシルメタクリレート)、Tekoflex(登録商標)EG 80A、およびポリ(塩化ビニル)がある。
【0068】
本文脈において「ポリマー前駆体」という用語は、重合、重縮合および架橋によりマクロ分子型、ポリマー型構造を形成するモノマー、ダイマー、オリゴマー、プレポリマーのみならず架橋剤をも表わす。
【0069】
プラスチックモノマーの例としては、モノマー型アクリレート、例えばアクリル酸、n−ブチルアクリレート、イソデシルアクリレート、アクリルアミド、ヘキサンジオールジアクリレート、シクロヘキサンジオールジアクリレート、N,N’−メチレンビスアクリルアミドまたはトリプロピレングリコールジアクリレート、モノマー型メタクリレート、例えばメタクリル酸、メチルメタクリレート、エチルメタクリレート、n−ブチルメタクリレート、イソブチルメタクリレート、ヘキシルメタクリレート、ノニルメタクリレート、デシルメタクリレート、ドデシルメタクリレート、ヒドロキシエチルメタクリレート、グリシジルメタクリレート、トリフルオロエチルメタクリレート、エチレングリコールジメタクリレート、トリエチレングリコールジメタクリレートまたは1,6−ヘキサンジオールジメタクリレートがある。プラスチックモノマーの特定の例としては、n−ブチルアクリレート、イソデシルアクリレート、デシルメタクリレート、および1,6−ヘキサンジオールジメタクリレートがある。
【0070】
本発明により含まれるモノマー型単位のもう一つの類は、有機シラン等のような金属もしくは半金属化合物、例えば、テトラメトキシシラン、3−アミノプロピルトリメトキシシランおよびオルトケイ酸テトラメチルであり、これらはアルキル−O−Si結合の加水分解によりシラノール(SiOH基)を生じ、これが重縮合によりゾル・ゲル(−Si−O−Si−)を形成する。この例では、ゾル・ゲル(「ポリマー」前駆体)が溶媒としてのアルコール、水および酸との組合せにおいて用いられる。
【0071】
オリゴマーの例としては、脂肪族ウレタンジアクリレートオリゴマー、例えばエベクリル(Ebecryl)230(分子量5000)およびエベクリル(Ebecryl)270(分子量1500)(UCB chemicals から)、および架橋剤、例えばグルタルアルデヒドとの組合せにおいて生物化学的認識要素を物理的に取り込み得る水不溶型のマクロ分子型ポリマー型構造を形成する、ウシ血清アルブミン(BSA)等のタンパク質がある。
【0072】
スポッティング流体が1種又はそれ以上の溶媒を更に含み得ることは明らかであろう。この溶媒または溶媒混合物は、デポジッティング工程の間、該ポリマーおよび/またはポリマー前駆体が該溶媒中に溶解または懸濁されたままの状態にあるように、そしてスポッティング流体が基体材料上に小滴としてデポジットされるまでスポッティング流体の固結が起きないように選択されるべきである。好ましくは、基体材料上へのスポッティング流体のデポジションの後に、溶媒または溶媒混合物が自発的に蒸発する。しかしながら、一部の非揮発性溶媒または溶媒混合物の場合には、溶媒または溶媒混合物の適切かつ迅速な蒸発および次のセンサードットの固結を確実にするために、熱または減圧を適用することが必要な場合がある。
【0073】
適当な溶媒としては、ケトン、例えばアセトン、ブタノン、4−メチル−2−ペンタノン、シクロペンタノンまたはシクロヘキサノン、炭化水素、例えばn−ヘキサン、n−ペンタン、ベンゼン、トルエンまたはキシレン、エステル、例えば酢酸エチル、酢酸プロピル、酢酸ブチルまたはセバシン酸ジエチル、アルコール、例えばメタノール,エタノール、グリセロール、エタノールアミンまたはフェノール、酸、例えば蟻酸または酢酸、アミド、例えばN,N−ジメチルホルムアミド、N,N−ジメチルアセトアミドまたはN−メチルピロリドン、ハロゲン化炭化水素、例えばジクロロメタン、クロロホルム、テトラクロルエタンまたはクロロベンゼン、ニトロメタン、ニトロベンゼン、水およびこれらの混合物がある。
【0074】
スポッティング流体は1種又はそれ以上の可塑剤を更に含み得る。適当な可塑剤の例としては、エステル、例えばビス(1−ブチルペンチル)アジペート、ビス(1−ブチルペンチル)デカン−1,10−ジイル−ジグルタレート、ビス(2−エチルヘキシル)アジペート、ビス(2−エチルヘキシル)フタレート、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート、ジブチルフタレート、ジブチルセバケート、10−ヒドロキシデシルブチレート、テトラウンデシルベンズヒドロール−3,3’,4,4’−テトラカルボキシレート、テトラウンデシルベンゾフェノン−3,3’,4,4’−テトラカルボキシレート、トリス(2−エチルヘキシル)トリメリテート、ジブチル錫ジラウレート、ジオクチルフェニルホスホネート、イソデシルジフェニルホスフェート、トリブチルホスフェートまたはトリス(2−エチルヘキシル)ホスフェート、エーテル、例えばジベンジルエーテル、ベンジル2−ニトロフェニルエーテル、2−シアノフェニルオクチルエーテル、ドデシル2−ニトロフェニルエーテル、ドデシル[2−(トリフルオロメチル)フェニル]エーテル、[12−(4−エチルフェニル)ドデシル]2−ニトロフェニルエーテル、2−フルオロフェニル2−ニトロフェニルエーテル、2−ニトロフェニルフェニルエーテル、2−ニトロフェニルオクチルエーテル、2−ニトロフェニルペンチルエーテルまたはオクチル[2−(トリフルオロメチル)フェニル]エーテル、アルコール、例えば1−デカノール、1−ドデカノール、1−ヘキサデカノール、1−オクタデカノール、5−フェニル−1−ペンタノールまたは1−テトラデカノール、ハロゲン化炭化水素、例えば1−クロロナフタレンまたはクロロパラフィン、ホスフィンオキシド、例えばトリオクチルホスフィンオキシド、およびこれらの混合物がある。特定の例としては、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート、ドデシル[2−(トリフルオロメチル)フェニル]エーテル、および2−ニトロフェニルオクチルエーテルがある。
【0075】
本発明の一実施態様では、可塑剤が溶媒を構成する。
【0076】
本発明によるスポッティング流体の特定の例としては、シクロヘキサノン中に溶解された、1:1ないし1:4、例えばおよそ1:2の比のポリ(塩化ビニル)(PVC)およびビス(2−エチルヘキシル)セバケート(DOS)がある。シクロヘキサノンは、適度に遅い速度で蒸発し、デポジッティング機構の目詰りを起こすことなく基体材料上の約100〜400流体小滴のデポジションを可能とする。
【0077】
スポッティング流体がポリマー前駆体を含む場合に、ポリマードットを得るために該ポリマー前駆体の重合(固結の1種類)が必要とされる。この重合/固結プロセスは、スポッティング流体小滴のデポジションの後であってスポッティング流体小滴が熱、紫外もしくは可視光による照射に曝されることによって又は電子で誘発される励起によって開始されるか又は自発的に起こるまで、起こらないのが好ましい。しかしながら、一部のポリマー前駆体の場合には、重合開始剤が存在しない限り、重合工程が開始されず又は望ましくない程に遅くなる。そのため、スポッティング流体は重合開始剤を更に含み得る。重合開始剤の例としては、ベンゾフェノンまたは過酸化ベンゾイル等の光増感剤と更に組み合わせて使用し得るラジカル開始剤α,α−ジメトキシ−α−フェニルアセトフェノンがある。
【0078】
同様に、ゾル・ゲルの形成におけるようなポリマー前駆体の重縮合は、水および/または酸の存在を必要とする場合があり、これらをスポッティング流体に含めてもよい。場合によっては、デポジットされたゾル・ゲル前駆体スポッティング流体が水および/または酸蒸気へ曝されることによって重縮合が阻害され得る。
【0079】
ポリマーマトリックスの機能は(生物)化学的認識系のための担体(carrier)を与えることである。本発明において(生物)化学的認識系は、特定の検体に曝されることによりポリマーマトリックスの物理的性質、例えば光学的性質、の変化を誘導する1種又はそれ以上の要素を含み得る複合体に関する。基体材料の平面部分が適当な変換器を形成することにより、これがポリマーマトリックスの物理的(光学的)性質の変化の検出を容易にし、それにより特定の検体の検出および定量を可能とする。全ての(生物)化学的認識部分が検体と直接的に相互作用する必要はなく、それらの組合せが(例えばカスケード式に)ポリマーマトリックスの物理的特性の変化を生じさせてもよいことが理解されるべきである。
【0080】
(生物)化学的認識部分に相当する要素は、ポリマー型網目の中に物理的に取り込まれるか、ポリマー骨格に共有結合するか、ポリマー上の荷電基とイオン性相互作用するか又はポリマー相に物理的に溶解するかの何れかにより、センサードットのマトリックス中または界面付近に保持される。
【0081】
本発明の代替的な実施態様において、(生物)化学的認識系の1種又はそれ以上の要素がセンサードットの表面に直接に固定化される。このことは、酵素、抗体、触媒抗体(catalytic antibodies)、タンパク質、核酸およびこれらの誘導体、例えばPNA(ペプチド核酸)またはLNA(ロックド核酸)、アプタマー、レセプター、または細胞もしくは組織セグメントを含む(生物)化学的認識部分にとって特に重要である。但し、これらの(生物)化学的認識部分は上述のようにセンサードットのマトリックス中または界面付近に保持されてもよい。しかしながら、そのようなポリマーマトリックスの表面に付着された認識部分は、認識系の残りの(埋め込まれた)要素に対する直接の化学結合が存在する場合には、認識系の一部分として考えられるだけであることが理解されるべきである。
【0082】
本発明の好ましい実施態様において、当該方法により作製されたセンサーデバイスは複数のオプトード膜を備えている。オプトード膜は、検体の活性に対して可逆的に応答する単一の熱力学的均一相として考えられる。オプトード膜は、化学的認識部分のための担体として機能するポリマーマトリックスから成る。この化学的認識系は、ポリマーマトリックス中に物理的に取り込まれるか又は化学的に結合されるリガンド(イオンキャリア、イオノホア、インジケータ、錯化剤)を含み得る。検体とリガンドとの相互作用により光学的信号が発生し、それによりリガンド自体または追加的な化合物(クロモイオノホア、フルオロイオノホア、インジケータ色素)が、他のイオンとの複合体形成により、その光学的性質を変化させる。
【0083】
本発明の一実施態様において、当該方法により作製されるセンサーデバイスは複数のイオン選択的オプトード膜であり、ここで化学的認識系は、例えばイオン選択的電気的中和イオノホアおよびH+ 選択的電気的中和クロモイオノホアと同様に親脂性アニオン性部位を含む。検体カチオンに対して水素イオンを交換することにより、膜はその色を変化させる。このスペクトル特性の変化が光学的検出のために用いされる。ポリマーマトリックス内に存在するイオンの一定量を確保するために、親脂性アニオン性部位が加えられる。
【0084】
イオノホアの例としては、イオン特異的イオノホア、例えばリチウム特異的イオノホアであるN,N’−ジヘプチル−N,N’,5,5−テトラメチル−3,7−ジオキサノナンジアミドまたはN,N,N’,N’−テトライソブチル−シス−シクロヘキサン−1,2−ジカルボキサミド、ナトリウム特異的イオノホアであるN,N’,N”−トリメチル−4,4’,4”−プロピリジントリス(3−オキサブチルアミド)、4−オクタデカノイルオキシメチル−N,N,N’,N’−テトラシクロヘキシル−1,2−フェニレンジオキシジアセトアミドまたは4−tert−ブチルカリックス[4]アレン−四酢酸テトラエチルエステル、カリウム特異的イオノホアであるバリノマイシン、2−ドデシル−2−メチル−1,3−プロパンジイル−ビス[N−[5’−ニトロ(ベンゾ−15−クラウン−5)−4’−イル]カルバメート]または4−tert−ブチル−2,2,14,14−テトラホモ−2a,14a−ジオキサカリックス[4]アレン−四酢酸テトラ−tert−ブチルエステル、アンモニウム特異的イオノホアである4−[N−(1−アダマンチル)カラバモイルアセチル]−13−[N−(n−オクタデシル)カルバモイルアセチル]−1,7,10,16−テトラオキサ−4,13−ジアザシクロオクタデカン、セシウム特異的イオノホアであるカリックス[6]アレン−六酢酸ヘキサエチルエステル、マグネシウム特異的イオノホアであるN,N”−オクタメチレン−ビス(N’−ヘプチル−N’−メチル−メチルマロンアミド)、N,N”−オクタメチレン−ビス(N’−ヘプチル−N’−メチル−マロンアミド)、N,N’,N”−トリス[3−(ヘプチルメチルアミノ)−3−オキソプロピオニル]−8,8’−イミノジオクチルアミン、7−[(1−アダマンチルカルバモイル)アセチル]−16−[(オクタデシルカルバモイル)アセチル]−1,4,10,13−テトラオキサ−7,16−ジアザシクロオクタデカン、カルシウム特異的イオノホアである(−)−(R,R)−N,N’−ビス[11−(エトキシ−カルボニル)ウンデシル]−N,N’−4,5−テトラメチル−3,6−ジオキサオクタン−ジアミド、カルシマイシン、10,19−ビス−[(オクタデシルカルバモイル)メトキシアセチル]−1,4,7,13,16−ペンタオキサ−10,19−ジアザシクロヘンエイコサン、バリウム特異的イオノホアであるN,N,N’,N’−テトラシクロヘキシル−オキシビス(o−フェニレンオキシ)ジアセトアミド、重金属特異的イオノホアであるo−キシリレンビス(N,N−ジイソブチルジチオカルバメート)(特に銅)、S,S’−メチレンビス(N,N−ジイソブチルジチオカルバメート)(特に銀)、O,O”−ビス[2−(メチルチオ)エチル]−tert−ブチルカリックス[4]アレン(特に銀)、メチレンビス(2−チオベンゾチアゾール)(特に銀)、5−テトラデシル−1,4−ジオキサ−8,11−ジチアシクロテトラデカン(特に銀)、7−テトラデシル−6,9−ジオキサ−2,13−ジチアテトラデカン(特に銀)、テトラブチルチウラムジスルフィド(特に亜鉛)、N−フェニル−イミノ二酢酸N’,N’−ジシクロヘキシル−ビス−アミド(特に亜鉛)、N,N,N’,N’−テトラブチル−3,6−ジオキサオクタンジ(チオアミド)、[1,1’−ビスシクロヘキシル]−1,1’−2,2’−テトロール(特にカドミウム)、N,N−ジオクタデシル−N’,N’−ジプロピル−3,6−ジオキサオクタンジアミド(特に鉛)、N,N,N’,N’−テトラドデシル−3,6−ジオキサオクタンジチオアミド(特に鉛)、tert−ブチルカリックス[4]アレン−テトラキス(N,N−ジメチルチオアセトアミド)(特に鉛)、tert−ブチルカリックス[6]アレン−エチレンオキシジフェニルホスフィン(特に鉛)、N,N,N’,N’−テトラドデシル−3,6−ジオキサオクタン−1−チオ−8−オキサジアミド(特に鉛)、5,7,12,14−テトラメチルジベンゾテトラアザアニュレン(特に鉛)、1,10−ジベンジル−1,10−ジアザ−18−クラウン−6(特に鉛)、O−メチルジヘキシルホスフィンオキシドO’−ヘキシル−2−エチルリン酸(特にウラニルイオン)、アニオン選択的イオノホア、例えば塩化トリドデシルメチルアンモニウム、またはフッ化物および塩化物特異的イオノホアであるクロロ(2,3,7,8,12,13,17,18−オクタエチルポルフィリナート)ガリウム(III) 、クロロ(5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリナート)ガリウム(III) 、ヒドロキソ(5,10,15,20−テトラキス(o−ピバルアミドフェニル)ポルフィリナート)ガリウム(III) 、クロロ(2,3,7,8,12,13,17,18−オクタエチルポルフィリナート)インジウム(III) 、クロロ(5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリナート)インジウム(III) 、ヒドロキソ(5,10,15,20−テトラキス(o−ピバルアミドフェニル)ポルフィリナート)インジウム(III) 、クロロ(2,3,7,8,12,13,17,18−オクタエチルポルフィリナート)タリウム(III) 、クロロ(5,10,15,20−テトラフェニルポルフィリナート)タリウム(III) 、[N,N−[4,5−ビス(ドデシルオキシ)−1,2−フェニレンビス[ニトリロメチリジン(2−ヒドロキシ−1,3−フェニレン)]アセトアミド]−N,N’,O,O’]ジオキソウラニウム、4,5−ジメチル−3,6−ジオクチルオキシ−1,2−フェニレンビス(トリフルオロ酢酸水銀)、3,6−ジドデシルオキシ−4,5−ジメチル−1,2−フェニレンビス(塩化水銀)、[9]マーキュラカルボランド(mercuracarborand)−3、ルテニウム(II)(2,3,7,8,12,13,17,18−オクタエチルポルフィリン)カルボニル、塩化トリオクチル錫、塩化トリシクロヘキシル錫から成る群より選択されるものがあり、他のイオノホアとしては三ヨウ化物特異的イオノホアである2,4,6,8−テトラフェニル−2,4,6,8−テトラアザビシクロ[3.3.0]オクタン、亜硝酸特異的イオノホアであるシアノアクアコビリニン酸ヘプタキス(2−フェニルエチルエステル)、ジシアノコビリニン酸ヘプタプロピルエステル、アクオ−シアノ−コビンアミド、炭酸および硫化物特異的イオノホアである3,12−ビス(トリフルオロアセトベンゾイル)コール酸、トリフルオロアセチル−p−ブチルベンゼン、オクタデシル4−ホルミルベンゾエート、および硫酸特異的イオノホアである硫酸ジベカインおよびα,α’−ビス(n’−フェニルチオウレイレン)−m−キシレンがある。特定の例としては、4−tert−ブチルカリックス[4]アレン−四酢酸テトラエチルエステル、2−ドデシル−2−メチル−1,3−プロパンジイルビス[N−[5’−ニトロ(ベンゾ−15−クラウン−5)−4’−イル]カルバメート]、4−[N−(1−アダマンチル)カラバモイルアセチル]−13−[N−(n−オクタデシル)カルバモイルアセチル]−1,7,10,16−テトラオキサ−4,13−ジアザシクロオクタデカン、(−)−(R,R)−N,N’−ビス[11−(エトキシ−カルボニル)ウンデシル]−N,N’−4,5−テトラメチル−3,6−ジオキサオクタン−ジアミド、塩化トリドデシルメチルアンモニウム、ヒドロキソ(5,10,15,20−テトラキス(o−ピバルアミドフェニル)ポルフィリナート)インジウム(III) 、およびシアノアクアコビリニン酸ヘプタキス(2−フェニルエチルエステル)がある。
【0085】
クロモイオノホアの例としては、9−(ジエチルアミノ)−5−(オクタデカノイルイミノ)−5H−ベンゾ[ア]フェノキサジン、9−ジメチルアミノ−5−[4−(16−ブチル−2,14−ジオキソ−3,15−ジオキサエイコシル)フェニルイミノ]ベンゾ[ア]フェノキサジン、9−(ジエチルアミノ)−5−[(2−オクタデシル)イミノ]ベンゾ[ア]フェノキサジン、5−オクタデカノイルオキシ−2−(4−ニトロフェニルアゾ)フェノール、9−(ジエチルアミノ)−5−(ナフトイルイミノ)−5H−ベンゾ[ア]フェノキサジン、4’,5’−ジブロモフルオレッセインオクタデシルエステル、フルオレッセインオクタデシルエステル、4−(オクタデシルアミノ)アゾベンゼン、およびN−2,4−ジニトロ−6−(オクタデシルオキシ)フェニル−2’,4’−ジニトロ−(トリフルオロメチル)フェニルアミンから成る群より選択されるものがある。特定の例としては、9−(ジエチルアミノ)−5−(オクタデカノイルイミノ)−5H−ベンゾ[ア]フェノキサジン、および9−ジメチルアミノ−5−[4−(16−ブチル−2,14−ジオキソ−3,15−ジオキサエイコシル)フェニルイミノ]ベンゾ[ア]フェノキサジンがある。
【0086】
複合親脂性無機イオン(complex lipophilic inorganic ions)の例としては、テトラキス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレート、テトラキス(4−クロロフェニル)ボレート、テトラキス(4−フルオロフェニル)ボレート、およびテトラドデシルアンモニウムから成る群より選択されるものがある。特定の例としては、テトラキス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ボレート、およびテトラドデシルアンモニウムがある。
【0087】
本発明の一実施態様においては、化学的認識系が、1種のイオノホア、1種のクロモホア、および1種の複合親脂性無機イオンを含む。
【0088】
本発明のもう一つの実施態様においては、生物化学的認識系が酵素または酵素群と着色試薬を含み、例えば酵素(例えばグルコースオキシダーゼ)に検体(例えばグルコース)が結合されるときに該酵素が酸素の存在下で該検体を酸化する。この認識系は、光学的検出を容易にするために、この酸化の反応生成物であるグルコン酸または過酸化水素と相互作用し得る要素(例えば前者がpH指示薬をプロトン化し得るか又は後者が色素を酸化し得る)を更に含んでよい。
【0089】
本発明の一実施態様においては、光学現象が表面プラズモン共鳴であり、基体材料がプラスチックベース材料および金属表面層材料から作製され、センサードットが可塑剤を含むポリ塩化ビニルまたは架橋アクリレートから作製される。特に、金属は金であり、ベース材料はポリエーテルイミドである。
【0090】
本発明の代替的な実施態様において、化学的認識がポリマー構造自体によって生じる。検体の活性に対して可逆的に応答するとともに、キャビティ(空孔)を含むポリマー型構造を有することによって特徴付けられるポリマー型材料は、分子インプリントポリマー(molecular imprinted polymers)と称される。分子インプリントポリマーの調製には、多くの場合に検体自体であるテンプレート(鋳型)分子の存在下で、ポリマー前駆体、例えばアクリレート類を重合させる。次に、ポリマーマトリックスからテンプレート分子を取り除くことによって、検体に特異的な結合部位を構成するキャビティがポリマーマトリックス内に生じる。キャビティへの検体の結合により、ポリマーマトリックスの光学的/物理的性質の変化を生じる。本発明のこの特定の実施態様においては、テンプレート分子(「ネガティブ」であるが本願での「認識部分」)はスポッティング流体に含まれ、次に、固結したセンサードットの洗浄により化学的認識部位/系が形成される。
【0091】
上に示したように、センサードットのポリマーマトリックス中への(生物)化学的認識系の導入は、1又はそれ以上の逐次的な工程を含む異なる方法で達成することができる。これらの工程は、1又はそれ以上の洗浄工程、1又はそれ以上の「ピン・リング」デポジッティング工程ならびに1又はそれ以上の固結工程、例えば熱、減圧、又は異なる線源による照射に曝すことを含み得る。
【0092】
本発明の一実施態様においては、(生物)化学的認識系の要素が、ポリマーおよび/またはポリマー前駆体と同一のスポッティング流体に含有される。
【0093】
一実施態様では、2種又はそれ以上のスポッティング流体が平面の各所定位置に逐次的にデポジットされ、スポッティング流体の最後のデポジション後にスポッティング流体が固結させられる。
【0094】
もう一つの実施態様では、2種又はそれ以上のスポッティング流体が平面の各所定位置に逐次的にデポジットされ、スポッティング流体の各デポジション後にスポッティング流体が固結させられる。
【0095】
本発明の別の実施態様においては、(生物)化学的認識系の1種又はそれ以上の要素を含む1種又はそれ以上の流体を、予め形成されたセンサードットに「ピン・リング」デポジッション法により重ね合わせ(superimposition)することによって、センサードットのポリマーマトリックス中に(又はポリマーマトリックス上に)化学的または生物学的認識系を導入し得る。この実施態様では(生物)化学的認識要素を含む流体が溶媒および/または可塑剤を更に含んでよい。
【0096】
このアプローチは、重合条件に曝されたときに損傷を受け得る認識要素の導入にとって有利となり得るだけでなく、異なるパターンをもった(生物)化学センサーデバイスを製造する経済的方法をも示し得る。
【0097】
本発明の一実施態様において、センサードットのポリマーマトリックス中への該化学的認識系の導入は、以下の方法で行われる。ポリマーおよび/またはポリマー前駆体と可塑剤とを含む第1のスポッティング流体を基体材料上にデポジットする。このスポッティング流体を固結させる。適当な溶媒を用いて固結センサードットを洗浄することにより可塑剤を再び取り除く。固結したポリマーマトリックスの上部に、1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素の形態にある(生物)化学的認識系と可塑剤とを含む第2のスポッティング流体をデポジットし、該ポリマーマトリックスを再び可塑化する。次に、その組合せを固結させる。
【0098】
本発明の一実施態様においては、固結したセンサードットと同様に固結していないセンサードットの小滴への、溶媒、可塑剤、重合開始剤および(生物)化学的認識要素から成る群より選択される1種又はそれ以上の要素を含む1種又はそれ以上の流体の逐次的な重ね合わせによって、(生物)化学センサードットを支持表面上に構成し得る。
【0099】
より一層好ましい実施態様においては、センサードットの1つ又はそれ以上が、温度、劣化、検体、バルク溶液屈折率、ポリマーマトリックスの膨潤、イオン強度からの影響に起因する不特定の変化や、該センサー変換器に用いられる光源の変動に応答する基準ポリマーマトリックスを含む基準センサードットに相当する。この基準センサードットは、1種又はそれ以上の(生物)化学的認識要素を除いて基準であるセンサードットの全要素を含み得る。
【0100】
(生物)化学センサードットの直径は一般には1〜1000μm、より好ましくは150〜250μmであり、該ドットの高さは0.1〜1000μm、より好ましくは1〜5μmである。流体重ね合わせ工程の数が、通常、センサードットの直径および高さを制御する。
【0101】
本発明の方法により作製される(生物)化学センサードットは、同一サンプル中に含まれる2種又はそれ以上の検体の並列的な検出および定量のために使用し得る。当業者は本発明の広範な潜在的適用範囲を認識するであろう。
【実施例】
【0102】
実施例1
市販「ピン・リング」アレイヤーの改良
市販の「ピン・リング」アレイヤー(Affimetrix 417, 以前はGenetic MicrosystemよりGMS 417として)を、生物学的または生化学的流体でなくポリマーまたはポリマー前駆体を含むスポッティング流体のデポジションのために適合させる、すなわち、ピン洗浄用のエタノール等の有機溶媒を用いた連続使用のために適合させる。チュービング(一般にはシリコーン)を、更に溶媒耐性のFEP(フルオロエチレン−プロピレン)チュービングに交換した。同様に、洗浄液を洗浄ステーションに送るポンプ(AS Thomas)を取り外して、同モデルの「化学薬品耐性」バージョンに取り換える。ドアの保護ロックを失効させて、洗浄瓶を用いたテトラヒドロフランによる手動洗浄のためにピンにアクセスできるようにする。クランプでなく(又はクランプに加えて)フローレストリクター(流量絞り弁)を洗浄溶媒チュービングに取り付けて、洗浄ステーション内のノズルから噴出する溶媒の制御量を増大できるようにする。保護ホイルを用いて、装置の透明フロントドアの内側を覆うことにより、少ない洗浄溶媒が跳ね返る場合の損傷から装置を保護することができる。吸引により液槽から洗浄液を除去する真空ポンプの出口を実験用換気系(フード)に接続して、作業環境に溶媒蒸気が大量に導入されることを防止する。マイクロタイタープレート穴の中のアレイヤーに導入する。一般的なポリスチレンプレートは多くの有機溶媒に対して耐性でなく、これがポリプロピレンプレートが選択される理由である。
【0103】
実施例2
ガラス材料上の複数の小型化PVCドットの作製
ポリ(塩化ビニル)(高分子量)33mgおよび可塑剤ビス(2−エチルヘキシル)セバケート(DOS)66mgをシクロヘキサノン800μL中に溶解させ、その結果得られるスポッティング流体の35μLを256穴ポリプロピレン製マイクロタイタープレートの穴A1に注入する。125μmピンを備えたGMS 417 アレイヤーを使用して、PVCドットのデモンストレーションアレイを市販のガラスもしくは金コート処理ガラス顕微鏡スライドのような基体上に容易にデポジットすることができる(図1)。特注金属アダプタープレートを用いることにより、他の支持表面を装置内に設けてもよい。PVC−DOS残留物を除去するためにテトラヒドロフランでピンを洗浄する。これは手動により行ってよく、又は洗浄ラインおよび対応して適合された装置内の液槽の中で適当な溶媒を使用してよい。
【0104】
実施例3
複数の小型化ナトリウム選択的(生物)化学センサードットの作製
9−(ジエチルアミノ)−5−(オクタデカノイルイミノ)−5H−ベンゾ[ア]フェノキサジン2.9mg、テトラキス[3,5−ビス(トリフルオロメチル)フェニル]ホウ酸ナトリウム4.6mg、4−tert−ブチルカリックス[4]アレーン四酢酸テトラエチルエステル10.0mg、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート139.2mgおよびポリ(塩化ビニル)(高分子量)69.1mgをシクロヘキサノン2ml中に溶解させる。その結果得られるスポッティング流体の35μLを256穴ポリプロピレン製マイクロタイタープレートの穴A1に注入する。125μmピンを備えたGMS 417 アレイヤーを使用して、可塑化PVCをベースとするナトリウム選択的(生物)化学センサードットを金コート処理ガラス顕微鏡スライド上に作製した。センシングドットの機能性、すなわち、緩衝溶液中の標的イオンであるナトリウムに対する応答は、光ファイバー吸光光度法または表面プラズモン共鳴分光法により、それぞれ確認することができる。後者はクラマース−クローニヒの関係式によりスペクトル/吸光度変化に関係付けられる膜における屈折率変化を検出するものである。
【0105】
実施例4
メタクリレートを含むスポッティング流体を用いた複数のセンサードットの作製
1,6−ヘキサンジオールジメタクリレート160mg、ドデシルメタクリレート100mg、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート200mg、およびラジカル開始剤、例えば、α,α−ジメトキシ−α−フェニルアセトフェノン1mg、または光増感剤としてのベンゾフェノン5mgとともに過酸化ベンゾイル2.5mgから調製したスポッティング流体の35μLを、256穴ポリプロピレン製マイクロタイタープレートの穴A1に注入する。125μmピンを備えたGMS 417 アレイヤーを使用して、光重合メタクリレートセンサードットのデモンストレーションアレイを市販の顕微鏡スライド上に作製した。スポッティング流体のデポジション後に、ピンをエタノール等の適当な溶媒で洗浄した。デポジッション後に、スポッティング流体を不活性ガス雰囲気中でUV光に通常10〜20分曝すことにより、スポッティング流体小滴を光重合した。このような実験は、メタクリレートカクテルドットが高精度をもって多数生成でき、その直後に光重合できることを納得のいくように実証するものである。スポッティング流体に数%(w/w)の濃度で(生物)化学的認識要素(例えばイオノホア、クロモイオノホア、複合親脂性無機イオン)を加える結果として、デポジション工程に影響を及ぼすことなくセンシングドットのアレイが生じる。しかしながら、これらの要素の多数が光漂白(フォトブリーチ)可能であるので、センシング要素を導入する代替ルートとして再可塑化(replasticizing)を選択できる。この目的に向けて、認識要素を含まない可塑化ドットをデポジットし、次にテトラヒドロフランで処理して材料から可塑剤を取り除く。その後に、ビス(2−エチルヘキシル)セバケート中に(生物)化学的認識要素(例えばイオノホア、クロモイオノホア、複合親脂性無機イオン)を含む流体の小滴を、ポリマードットの上部に直接的にデポジットし得る。十分な時間が経つと、可塑剤およびそれと共に該センシング要素がポリマーマトリックス中に取り込まれ、その結果として機能性イオン選択的(生物)化学センサードットを生じる。
【0106】
実施例5
ポリマードットの重ね合わせ
5.I
3×3ドットの4つのアレイA、B、C、Dが得られるようにして、実施例4のスポッティング流体に類似のスポッティング流体をガラス顕微鏡スライド上にデポジットした。次に、これらのドットを不活性ガス中でUV照射により光重合した。Affimetrix 418蛍光スキャナーを用いてセンサードットの画像を撮り(図2)、重ね合わせが成功したことを確認した(アレイBにおいて実験誤差に起因して重ね合わせに失敗し、そこでは2つの個々のアレーが位置ずれしたことに留意)。
【0107】
5.II
さらに、アラインメント(整列)試験用のアレイヤーのキャリブレーションソフトウェアにおける機能を使用して、実施例2のスポッティング流体に類似のスポッティング流体を20×20アレイにデポジットした。このデポジッションを位置ずれしたドット位置となるように繰り返した。図3のスキャナー画像は2つのアレイを示し、それらが重なり合っている領域を示す。アレイの外観の僅かな相違は、顕微鏡スライドの異なる表面の使用により生じるのが最も起こり得る原因である。
【図面の簡単な説明】
【0108】
【図1】シクロヘキサノン中PVC/DOSを含むスポッティング流体の「ピン・リング」デポジションにより得られた複数のセンサードットの写真画像である(実施例2)。ドット直径はおよそ200μmである。
【図2】メタクリレートを含むスポッティング流体のデポジション(実施例4)及びその後の支持表面上でのポリマー前駆体の重合により得られた光重合メタクリレートのスポッティング流体小滴のアレイ(A〜D)の蛍光画像である。第二の組のアレイがA,Cの上部に直接的に重ね合わされ、光重合されている(実施例5.I)。
【図3】「ピン・リング」キャリブレーション機能により生成した、部分的に重ね合わせされたPVC−DOSドットアレイ(実施例5.II)(蛍光スキャナーにより得られた画像)である。外側の白枠は第二のアレイを、内側の白枠はドット重ね合わせ領域を囲んでいる。
【Technical field】
[0001]
The present invention relates to the production of optical (bio) chemical sensor devices useful for monitoring a large number of different compounds simultaneously. Other possible applications include high-throughput screening of combinatorial libraries, monitoring of food quality and detection of biological components. More particularly, the present invention relates to a method of making an optical (bio) chemical sensor device comprising a plurality of polymer-type (bio) chemical sensor dots.
[Background Art]
[0002]
Trends in the field of chemical and biochemical sensors [R. Kellner, M. Otto, M. Wildmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998, p 359-360 and 375ff] Along with the screening of new compounds for development, the development of new approaches to implementing classical analytical methods, for example, to meet the increasing demand for high-throughput analysis of environmental and clinical samples. In particular, the miniaturization of chemical and biochemical sensing technologies has been of great interest, and the processes further supported by the development of new approaches for chemometric data processing and neural networks will require discrete results. Enables access to information embedded in response patterns that exceed the total.
[0003]
Chemical and biochemical sensors [ie (bio) chemical sensors] are devices that can continuously recognize the concentration of a chemical component in a liquid or gas and convert this information into electrical or optical signals in real time. [R. Kellner, M. Otto, M. Wildmer, Analytical Chemistry: The Approved Text to the FECS Curriculum Analytical Chemistry, Wiley-VCH 1998]. In this context, a chemically sensitive layer is associated with a so-called transducer, which converts (bio) chemical information into electrical or optical signals, which are converted into data Recorded by the evaluation unit. The chemically detectable layer can be a surface directly modified with the recognition system or a surface coated with a thin film doped with the recognition system; for example, a chemically detectable polymer film can be attached to the electrode to Either their potential difference to the sample solution can be measured as a function of concentration (or activity); or they can be coated on an optical transducer, such as an optical fiber, to determine the optical change (such as absorbance or refractive index) as a function of analyte concentration. Can be measured.
[0004]
Bulk optode films as described in EP 0 358 991 are examples of chemical sensing layers for optical ion sensing. Chemicals that selectively interact with specific ions are called ionophores and are conventionally used in potentiometric membrane electrodes to increase or control their selectivity. The combination of other factors, particularly lipophilic ions ("counter ions") and ionophores with pH-sensitive dyes ("chromoionophores"), produces specific ions at a given pH with reversible and reproducible color changes. To provide a membrane material responsive to the Unlike those electrochemical analogues where a reference electrode is a requirement for the measurement, optical sensors based on such membranes ("opt (r) odes)" have no reference And is less susceptible to electrical interference, making it much easier to integrate the sensor into miniaturized systems. Further, because more than one parameter can be derived from the sensor, optical methods can be combined with chemometric techniques, pattern recognition, etc .: For example, electrochemical sensors generally have one value (eg, potential or current). ), Data on both absorbance and refractive index, temporal information or spectral shape can be measured.
[0005]
To combine optical sensing using chemically responsive polymers with the concept of a sensing array, individual small dots are arranged on a substrate in such a way that the signals from each individual sensing element can be distinguished from each other. There is a need. One approach is to configure the optical fibers as bundles or arrays as demonstrated by Dickinson et al. [Nature 1996, 382, 697-700; Johnson et al., Anal. Chem. 1997, 69, 4641-4648]. A representative example performed to demonstrate the benefits of multi-sensing using optical changes of polymer probes is the work of Walt's group (eg, Anal. Chem 70 1998 1242-1248). Here, microsphere sensors are randomly incorporated into thousands of micrometer-scale wells. These are etched from the surface of the optical fiber with hydrofluoric acid using different etching rates of the fiber core and the clad. Alternatively, sophisticated site-selective photopolymerization has been adopted by the group for such fiber bundle phases (Mikrochim. Acta 131, 99-105, reviewed by Steelers and Walt). (1999)). Such studies strongly confirm the potential of sensing technologies based on miniaturized polymer arrays. However, because of the individual modifications and the subsequent bundling of the fibers, it is clear that this approach cannot be implemented for mass production of sensor layers or for production of sensor layers with a variety of different sensor systems. On the other hand, for many viable devices, it will not be necessary to scale individual sensor elements down to the size (several micrometers) realized in such studies. For example, 36 dots of 120 μm diameter can still be easily arranged in a 1 cm × 1 cm area with a 30 μm dot-to-dot distance.
[0006]
An ideal sensor device should comprise a plurality of different, independently spatially separated polymer sensor areas (these areas, referred to in this context as sensing dots, are roughly circular in shape and micro-area size (Having a diameter of 10 to 1000 μm). Imaging techniques, such as cameras or linear or two-dimensional CCD arrays, and appropriate software can then be used to differentiate the response between the different sensing dots from each other. These sensor devices may exhibit greater flexibility and reproducibility, and it may be easier to increase the number of sensing regions. The potential of an array of optical sensing areas for analysis via imaging has recently been demonstrated by Rakow et al. In a colorimetric sensor for odor detection [Rakow et al., Nature 406 (2000) 701-713].
[0007]
In principle, there are a number of different optical sensing schemes that can be imaged and thus used in an array of polymer-based sensing dots. In the simplest case, a transparent carrier plate can be modified with sensing dots. If appropriate gaskets and cover plates are used, flow channels can be formed, which allow, for example, the flow of groundwater samples above the dots. A light source can be mounted on the top of the cover plate and illuminated through both plates and the sample, and then an imaging detector (eg, camera) below the lower plate contains an image containing all information about the color response of the individual dots Can be recorded. Of course, it would be possible to devise a similar system that utilizes the total internal reflection or diffusion of the sensing dots on a suitable non-transparent surface. Fluorescence monitoring in a similar system would also be possible.
[0008]
A more sophisticated optical sensing method is the phenomenon of evanescent wave, an attenuating standing wave, which occurs on the surface between two phases with different refractive indexes due to the total reflection of light in an optically dense medium. Is used. Such waves may occur directly at the total internal reflection surface in a suitable structure, such as a diffraction grating, or in a thin film of a suitable metal (typically gold or silver) on a relevant suitable optical structure. Occur through the excitation of so-called surface plasmons (collective electron oscillations). Combining with an array of polymer sensing dots as described in WO 00/46589 (Vir A / S) since such a device allows the measurement of optical properties very close to the transducer surface You can also. In addition, evanescent waves can be used to excite fluorescence rather than monitor absorption, thereby enabling fluorimetric sensing.
[0009]
Suitable optical transducers allow the detection of changes in the optical properties of the polymer dots, such as, in particular, changes in absorption, refractive index or fluorescence (so that the chemical response of the polymer dots can be monitored). , Optical waveguides, surface plasmon resonance films, reflective grating couplers, optical waveguides, Mach-Zehnder interferometers or Hartmann interferometers.
[0010]
However, there has been no automated method for producing arrays of spatially separated optical sensing (bio) chemical sensor dots for optical sensing.
[0011]
Several techniques are available for automated spraying of fluid droplets. For example, ink jet technology, known from printing technology, is characterized in that a fluid is deposited from a capillary. The release of fluid from the capillary can be achieved by different approaches. In the drop-on-demand approach, the application of a voltage by a piezo actuator causes a ceramic collar around the capillary to generate sound waves in the capillary, and the resulting deformation of the capillary controls the liquid column. The ejected portion is released as a droplet. In the continuous approach, the fluid is released under pressure, resulting in a fluid flow, and the application of a voltage by the piezoelectric actuator causes the droplet to be generated and released again. Continuous ink jet technology is widely used in the food and pharmaceutical industry for product labeling. Ink-jet technology has also been used by Newman et al. In the preparation of membranes for amperometric biosensors [Newman et al. Analytical Chemistry 1995, 67, 4594-4599], where droplets are generated. Fused to form a film. Other related technologies are micro and nano dispensing devices such as micro pipettes and the like.
[0012]
None of these techniques are suitable for the deposition of fluids with low surface tension and high viscosity, and the application of these fluids often results in the formation of gas bubbles in the dispensing device. . Heating the printhead can reduce the viscosity of the fluid, but can also cause evaporation of volatile solvents, which can cause clogging of the printhead. Further, viscoelasticity is known to cause significant performance problems in such printers. Non-Newtonian behavior under high shear forces in the nozzle can result in unstable droplet formation or droplet satellite formation.
[0013]
From the brief overview above, it is clear that inkjet technology is not a suitable choice for the deposition of polymers or polymer precursor fluids. The physicochemical properties of these fluids will prevent not only the deposition process but also the suction through the pump into the dispensing mechanism.
[0014]
Another technique for microarraying of fluids without sample aspiration, pumping and flushing is a pin printer or arrayer, such as the quill described in US Pat. No. 5,807,522. quill) · An open deposit device such as a printer. In pin printer technology, the fluid to be deposited is picked up from a small container, usually a hole in a microtiter plate. This reduces the amount of spotting fluid needed to fill the device, which is an important feature in the preparation of highly valued sensing membranes for (bio) chemical recognition factors. However, quill printers are not suitable for the deposition of high viscosity polymers and polymer precursors, as fluid reception is based on wicking into the quill and the problems described above can occur. Another disadvantage is that it is very difficult to reproduce the size of the deposited fluid dot, e.g. some commercial printers achieve a constant dot size in the pre-printing step Need that.
[0015]
Another example of an open deposit device is the pin-ring technique as described in WO 99/36760. Pin-ring technology has been developed for the production of reproducible microarrays of biological samples and is based on surface tension as the basic mechanism for holding and transporting fluids.
DISCLOSURE OF THE INVENTION
[0016]
The present invention relates to a method for producing an optical (bio) chemical sensor device as described in claim 1.
[0017]
The invention also relates to an optical (bio) chemical sensor device obtainable by the above method and a method of using said device.
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[0018]
The present invention relates to a method for making an optical (bio) chemical sensor device. The (bio) chemical sensor comprises well-spaced (bio) chemical sensor dots arranged on a substrate material. More specifically, the (bio) chemical sensor device comprises a substrate material having a planar portion, which corresponds to a transducer based on optical phenomena, on which the planar A plurality of (bio) chemical sensor dots are arranged at predetermined spatially separated positions, and the sensor dots are composed of (i) a polymer matrix and (ii) one or more kinds of (bio) chemical recognition. Has parts.
[0019]
The term "plurality" in the context of the phrase "plurality (bio) chemical sensor dots" is synonymous with the term "array" frequently used in technical literature.
[0020]
The term "(bio) chemical" has the same meaning as "biochemistry and chemistry" and is intended to encompass reactions and reagents in the biochemistry as well as in the chemistry field. You.
[0021]
The term “recognition moieties” refers to chemical groups that interact with the analyte, as well as cascades, to directly or indirectly alter the optical properties of the associated polymer matrix. It is also intended to include chemical groups that participate in a change in property. The term "recognition system" embraces systems comprising one or more recognition moieties that are responsible (eg, via a cascade reaction) for altering the optical properties of the associated polymer matrix.
[0022]
The sensor device comprises a "substrate material" having a planar portion. The term "substrate material" is intended to mean a base material that may optionally be coated with one or more layers of a surface layer material (see below). It should be understood that the planar portion of the substrate material should correspond to a transducer based on optical phenomena.
[0023]
The dimensions of the planar portion of the substrate material are generally 1-50 mm wide and 2-100 mm long, more specifically 2-25 mm wide and 5-50 mm long, for example 4-8 mm wide and 8-16 mm long.
[0024]
The substrate material includes a base material and optionally a surface layer material corresponding to a planar portion of the base material. In some embodiments of the present invention, it is possible to utilize a substrate material in which the base material and the surface layer material are the same. The substrate may, of course, include multiple layers of surface layer material.
[0025]
An important requirement for the method to be applicable to the fabrication of multiple (bio) chemical sensor dots is that the deposited fluid remains localized in place and spread to wet the entire substrate material. That is not. The contact area of the sensor dot determines the size (diameter) of the dot.
[0026]
The base material constitutes an integral part of the (bio) chemical sensor device and is generally made of glass, silica, a dielectric inorganic material such as SiOTwo , PtOx (Where x = 1 or 2), AlTwoOThree , TiOTwo , TaTwoOFive , MgFTwo Or SiThreeNFour Materials selected from plastics, such as acrylics, cycloolefin polymers (TOPAS ™), polycarbonates, polyetherimides (ULTEM ™), or silicon with hydrogen or deuterium terminated surfaces, especially glass And in plastic, in the form of a smooth plane.
[0027]
In this context, the term "dielectric" means a material that is a poor conductor of electricity and that sustains the force of an electric field therethrough.
[0028]
The base material is often coated with at least one surface layer material to control the optical performance of the transducer. Such surface layer materials are generally selected from metals (such as gold, silver, copper or platinum), silica and silicon, preferably gold, silver, copper and silicon.
[0029]
The surface layer material generally has a thickness of 10-500 nm, more specifically 20-80 nm, which is particularly relevant for surface plasmon resonance measurements.
[0030]
In one embodiment of the invention, the substrate material is a multilayer structure of one or more metals and a dielectric inorganic material as defined above, for example, a metal-dielectric or metal-dielectric- It may be a metal sandwich structure.
[0031]
In one embodiment of the invention, the substrate material is transparent, allowing the measurement of the bulk absorption of the (bio) chemical sensor dot.
[0032]
In another embodiment of the invention, the support surface is totally reflective, allowing reflection spectroscopy measurements of the optical properties of the (bio) chemical sensor dot.
[0033]
In another embodiment of the invention, the support surface is diffusely reflective to allow diffuse reflectance spectroscopy of the optical properties of the (bio) chemical sensor dot.
[0034]
The size, shape and adhesion of the (bio) chemical sensor dots are such that the modification of the surface of the substrate material reduces or increases the ability of the spotting fluid to wet or chemically bind to the surface. Can be further controlled by
[0035]
In one embodiment of the invention, the plane of the substrate material is chemically modified by treatment with a bifunctional reagent as described below.
X-Z-Y
[Wherein X is -OR ', asymmetric or symmetric disulfide (-SSR'Y', -SSRY), sulfide (-SR'Y ', -SRY), diselenide (-SeSeR'Y', -SeSeRY ), Selenide (-SeR'Y ', -SeRY), thiol (-SH), selenol (-SeH), -N = C, -NOTwo , Trivalent phosphorus compound group, -NCS, -OC (S) SH, thiocarbamate, phosphine, thioacid (-COSH), dithioacid (-CSSH), -Si (OR / R / H)Three And halogen,
The substituents R and R 'are each independently an optionally substituted C1-30 Alkyl, optionally substituted C2-30 Alkenyl, optionally substituted C2-30 Selected from alkynyl and optionally substituted aryl;
Y and Y 'are selected from hydroxyl, carboxyl, amino, formyl, hydrazine, carbonyl, epoxy, vinyl, allyl, acrylic, epoxy and methacryl;
Z is a linker (biradical) between the bifunctional groups, and generally is an optionally substituted C1-12 Alkylene, optionally substituted C2-12 Alkenylene and optionally substituted C2-30 Represents alkynylene (heteroatoms such as N, S, O and Si may be interposed therein). ]
[0036]
In the present context, "C1-30 The term "alkyl" means a linear, cyclic or branched hydrocarbon group having 1 to 30 carbon atoms, such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, cyclopropyl, butyl, tert-butyl, isobutyl, cyclobutyl. , Pentyl, cyclopentyl, hexyl, cyclohexyl, hexadecyl, heptadecyl, octadecyl, nonadecyl and the like.1-6 The term "alkyl" means a straight, cyclic or branched hydrocarbon group having 1 to 6 carbon atoms, such as methyl, ethyl, propyl, isopropyl, butyl, tert-butyl, isobutyl, pentyl, cyclopentyl, Hexyl, cyclohexyl and the like, especially methyl, ethyl, propyl, isopropyl, tert-butyl, isobutyl and cyclohexyl.
[0037]
Similarly, "C2-30 The term "alkenyl" is intended to mean a straight, cyclic or branched hydrocarbon group having from 2 to 30 carbon atoms and one or more unsaturated bonds, as well as "C".2-6 The term "alkenyl" is intended to mean a hydrocarbon group having 2 to 6 carbon atoms, linear, cyclic or branched, and one or more unsaturated bonds. Examples of alkenyl groups are vinyl, allyl, butenyl, pentenyl, hexenyl, heptenyl, octenyl, heptadecenyl. Examples of alkadienyl groups are butadienyl, pentadienyl, hexadienyl, heptadienyl, heptadecadienyl. Examples of alkatrienyl groups are hexatrienyl, heptatrienyl, octatrienyl and heptadecatrienyl.
[0038]
Similarly, "C2-30 The term "alkynyl" is intended to mean a straight-chain or branched hydrocarbon radical having 2 to 30 carbon atoms and containing a triple bond. Examples are ethynyl, propynyl, butynyl, octynyl and dodecainyl.
[0039]
In the context of the terms "alkyl", "alkenyl" and "alkynyl", the term "optionally substituted" means that the group in question is hydroxyl, C1-6 Alkoxy, carboxyl, C1-6 Alkoxycarbonyl, C1-6 Alkylcarbonyl, formyl, aryl, aryloxycarbonyl, arylcarbonyl, heteroaryl, amino, mono and di (C1-6 Alkyl) amino, carbamoyl, mono and di (C1-6 Alkyl) aminocarbonyl, amino-C1-6 Alkyl-aminocarbonyl, mono and di (C1-6 Alkyl) amino-C1-6 Alkyl-aminocarbonyl, C1-6 Means one or more times, preferably 1 to 3 times, substituted by a group selected from alkylcarbonylamino, cyano, carbamide, halogen, wherein aryl and heteroaryl are1-4 Alkyl, C1-4 It may be substituted 1 to 5 times, preferably 1 to 3 times, by alkoxy, nitro, cyano, amino or halogen. Particularly preferred examples are hydroxyl, C1-6 Alkoxy, carboxyl, aryl, heteroaryl, amino, mono and di (C1-6 Alkyl) amino and halogen wherein aryl and heteroaryl are C1-4 Alkyl, C1-4 It may be substituted 1-3 times by alkoxy, nitro, cyano, amino or halogen (such as fluoro, chloro, bromo and iodo).
[0040]
The term "aryl" in this context means a wholly or partially aromatic carbocyclic ring or ring system, such as phenyl, naphthyl, 1,2,3,4-tetrahydronaphthyl, anthracyl, There are Nantrasil, pyrenyl, benzopyrenyl, fluorenyl and xanthenyl, of which phenyl is a preferred example.
[0041]
The term “optionally substituted” in the context of the term “aryl” refers to the group in question1-4 Alkyl, C1-4 It means that it may be substituted 1 to 5 times, preferably 1 to 3 times by alkoxy, nitro, cyano, amino or halogen.
[0042]
The term "heteroaryl" refers to a wholly or partially aromatic, wherein one or more carbon atoms are replaced by a heteroatom, for example a nitrogen (= N- or -NH), sulfur and / or oxygen atom. Carbocyclic ring or ring system. Examples of such heteroaryl groups include oxazolyl, isoxazolyl, thiazolyl, isothiazolyl, pyrrolyl, imidazoyl, pyrazoyl, pyridinyl, pyrazinyl, pyridazinyl, piperazinyl, cumaryl, furyl, quinolyl, benzothiazoyl, benzotriazolyl, benzodiazolyl, benzoyl. Oxazolyl, phthalazinyl, phthalanyl, triazolyl, tetraazolyl, isoquinolyl, acridinyl, carbazolyl, dibenzoazepinyl, indolyl, benzopyrazolyl, and phenoxazonyl.
[0043]
The functional group Y is often chosen to interact with the polymer or polymer precursor. In some embodiments, Y and Y 'are the same.
[0044]
Chemical modification of the surface can change the ability of the spotting fluid to wet the substrate material, and thus adjust the material to produce distinct sensor dots for a particular composition of the spotting fluid.
[0045]
In one embodiment of the present invention, Y represents an amino group capable of reacting with polyvinyl chloride to produce a polyvinyl chloride dot covalently bonded to the surface material.
[0046]
In one embodiment of the present invention, the surface coated with gold or silver is treated with allyl thiol or methacryloyl thiol to create a surface that can react with a polymer precursor such as methacrylate or acrylate during polymerization and shared with the substrate material. Multiple linked methacrylate or acrylate sensor dots can result.
[0047]
In yet another embodiment of the present invention, treating a glass or silicon oxide surface with allyl silane or methacryloyl silane creates a surface that can react during polymerization with a polymer precursor such as methacrylate or acrylate to provide a substrate material with Multiple methacrylate or acrylate sensor dots can be covalently linked.
[0048]
In yet another embodiment of the present invention, a gold or silver coated surface is treated with a hydroxyl terminated aliphatic thiol such as 11-mercaptoundecanol to provide dodecyl methacrylate and 1,6-hexanediol dimethacrylate. Creates a surface that allows for stable droplet deposition of a spotting fluid containing.
[0049]
In an alternative embodiment of the invention, the wetting of the substrate material is controlled by a microstructure such as a small well on the surface of the substrate material. Spotting fluid is deposited in the holes and allowed to spread therein. The diameter and depth of the hole determine the size and height of the resulting sensor dot. In one preferred embodiment of the invention, the diameter of the holes is between 50 and 1000 μm and the depth of the holes is between 1 and 50 μm.
[0050]
The substrate material has a planar portion. It should be understood that not all of the substrate material need correspond to a plane or planes in the device. The substrate material may have other portions with diffraction gratings, rims extending above a plane, mounting holes, and the like. What is important in the context of the present invention is that the substrate material has at least one planar part, on which a plurality of (bio) chemical sensor dots are provided.
[0051]
This plane portion corresponds to a “converter based on an optical phenomenon”. The term "optical phenomena" refers to refraction, reflection, diffuse reflectance, attenuated reflectance, transmission, spectral change, color change, absorption, critical angles of reflection, surface plasmon resonance, etc., fluorescence and fluorescence quenching. And preferably transmission, fluorescence and surface plasmon resonance, especially surface plasmon resonance. These phenomena include spectroscopy, spectrophotometry, photometry, SPR technology, Total Internal Reflection Fluorescence (TIRF) sensing, Grating Coupler sensing (GCS), resonant mirror sensing, and reflection interference spectroscopy. It is the basis for a number of transducer technologies such as Reflectometric Intererence Spectroscopy (RIFS), integrated optical devices (waveguides), integrated optical interferometers, critical angle refractometers, and the like.
[0052]
The term "change in optical properties" and similar terms are used to allow the detection of changes in the optical properties of a (bio) chemical sensor dot, such as, in particular, changes in absorption, refractive index or fluorescence (by which the polymer dot It is intended to cover changes in the optical phenomena described above, which allows the chemical response to be monitored).
[0053]
Although individual (bio) chemical sensor dots can have the same chemical composition, in general, the sensor dots are not all identical. Thus, devices made according to the present invention generally comprise at least 5, for example at least 15 different sensor dots. This means that the polymer matrices of the different sensor dots are generally the same, but the one or more (bio) chemical recognition moieties are different, thereby allowing multiple analytes to be identified on the same device. I can say that. In a preferred embodiment, each of the spatially separated (bio) chemical sensor dots comprises a different (bio) chemical recognition moiety.
[0054]
In an alternative embodiment, the composition of some sensor dots may be the same to image the distribution of the analyte in the heterologous sample.
[0055]
The (bio) chemical sensor device formed by the method according to the invention comprises a plurality of (bio) chemical sensor dots at predetermined spatially separated positions in the xy plane of the planar part of the substrate material. For practical purposes, there is an equal distance between the sensor dots in the x direction and an equal distance between the sensor dots in the y direction (where the distance between the dots in the x and y directions is the same). Or different) may be desirable in many cases. In a preferred embodiment of the invention, the distance between the centers of the (bio) chemical sensor dots in the x and y directions is independently in the range of 1.1 to 10 times the diameter of the (bio) chemical sensor dot.
[0056]
To provide multiple (bio) chemical sensor dots, the method comprises:
(a) providing a substrate material having a planar portion;
(b) one or more spotting fluids, each of which is
(i) a polymer and / or a polymer precursor; and
(ii) one or more (bio) chemical recognition moieties;
Providing at least one of the following:
(c) depositing the one or more spotting fluids simultaneously or sequentially at predetermined spatially spaced locations on the planar portion of the substrate material by a “pin ring” deposition mechanism, and solidifying the spotting fluids; Tying.
[0057]
The term "consolidation" includes, for example, polymerization, polycondensation, crosslinking, sol-gel processes, evaporation of solvents, by exposure to heat, irradiation with ultraviolet light, irradiation with visible light or by electron-induced excitation. Is intended.
[0058]
The method comprises spotting a fluid containing one or more polymers and / or polymer precursors (hereinafter "spotting fluid") onto a planar portion of a substrate material by a "pin ring" deposition method. including. Next, a plurality of spatially separated sensor dots are created by consolidating the spotting fluid on the support surface, either by evaporation of a solvent, polymerization of a polymer precursor, or a combination thereof.
[0059]
The “pin ring” deposition method applied to the present invention was originally introduced by Genetic MicroSystems ™ (WO 99/36760) as a method of making biological materials, especially microarrays, where The biological material is adhesively or covalently bonded to the dimensional surface. The present invention has newly found that the "pin ring" deposition system can be advantageously used for the production of a plurality of (bio) chemical sensor polymer dots, wherein a spatially separated sensor dot is used. The (bio) chemical recognition moiety is arranged in a three-dimensional matrix on or on the surface.
[0060]
The "pin ring" deposition method is based on surface tension as the basic mechanism for holding and transferring fluid. The key mechanism element consists of a circular open "ring" held in place by a vertical rod extending perpendicular to the ring and oriented parallel to the substrate. A vertical pin is located at the center of the ring. Both the ring rod and the pin are mounted to control the device so that each part can move separately in the z-axis while keeping both the ring rod and the pin in a fixed relationship to each other in the xy plane. Have been. As the ring is immersed in the spotting fluid and lifted, it collects an aliquot of the sample, which is held in the center of the ring by surface tension. Next, the pin ring mechanism is positioned at any desired position in the xy plane. When it is desired to create a dot on the substrate material, the pin is driven down through the ring. As the pin passes through the ring, a portion of the spotting fluid is transferred from the inner ring meniscus to the bottom of the pin, forming a new dripping drop on the lower surface of the pin. The pin continues to move downward until the fluid on the pin contacts the substrate material. Next, when the pin is lifted, the combined force of gravity and surface tension causes the spotting fluid to be deposited as dots on the substrate material.
[0061]
No shock or mechanical contact is required between the pin and the substrate to transfer the fluid.
[0062]
Movement of the pin through the inner meniscus of the ring does not destroy the meniscus until a sufficient portion of the fluid has been removed to pass some minimum threshold. Given a given amount of fluid on the pins in the ring, the pin drive process can be repeated many times, thus creating a large number of similar dots with a single moving pin and ring assembly Can be.
[0063]
The amount of this deposit fluid depends on the dimensions of the pin and is approximately equal to the volume of a hemisphere with a radius equal to the radius of the pin, which is in the range of 50 to 500 μm with currently available hardware. This is generally desirable for the embodiments described herein.
[0064]
Characteristic to the invention are that at least one of the spotting fluids comprises a polymer and / or a polymer precursor, and that at least one of the spotting fluids corresponds to one or more (bio) chemical recognition moieties. It is to include.
[0065]
In one embodiment, only one spotting fluid is used, which contains not only the polymer and / or polymer precursor, but also elements corresponding to one or more (bio) chemical recognition moieties.
[0066]
In a preferred embodiment, at least two spotting fluids are used; the first spotting fluid comprises a polymer and / or a polymer precursor, and the second spotting fluid comprises one or more (bio) chemical recognition moieties. Including elements corresponding to In a preferred embodiment, the first spotting fluid is deposited before the second spotting fluid.
[0067]
Examples of suitable polymers include polyacrylates, such as poly (methylpropenoate) or poly (2-methylpropenoate), polyanilines, poly (butadiene), polyethylene, ethylene-vinyl acetate copolymer, poly (vinyl acetate). Methacrylates such as poly (methyl methacrylate), poly (octyl methacrylate), poly (decyl methacrylate) or poly (isodecyl methacrylate), polystyrenes such as polystyrene, poly (4-tert-butylstyrene) or poly (4-methoxy) Styrene), polypyrroles, polythiophenes, polyurethanes, such as Tecoflex® EG 80A, poly (vinyl acetate), poly (vinyl alcohol), poly (vinyl chloride), epoxy novolak resins, such as shell ( Shell 5U 8, and copolymers or terpolymers of the polymer from, for example, ethylene-vinyl acetate copolymer, a plastic resin containing. Specific examples include poly (decyl methacrylate), poly (isodecyl methacrylate), Tekoflex® EG 80A, and poly (vinyl chloride).
[0068]
In the present context, the term "polymer precursor" refers to crosslinkers as well as monomers, dimers, oligomers, prepolymers, which form macromolecular, polymeric structures by polymerization, polycondensation and crosslinking.
[0069]
Examples of plastic monomers include monomeric acrylates such as acrylic acid, n-butyl acrylate, isodecyl acrylate, acrylamide, hexanediol diacrylate, cyclohexanediol diacrylate, N, N'-methylenebisacrylamide or tripropylene glycol diacrylate , Monomeric methacrylates such as methacrylic acid, methyl methacrylate, ethyl methacrylate, n-butyl methacrylate, isobutyl methacrylate, hexyl methacrylate, nonyl methacrylate, decyl methacrylate, dodecyl methacrylate, hydroxyethyl methacrylate, glycidyl methacrylate, trifluoroethyl methacrylate, ethylene glycol diacrylate Methacrylate, triethylene It is recalled dimethacrylate or 1,6-hexanediol dimethacrylate. Particular examples of plastic monomers include n-butyl acrylate, isodecyl acrylate, decyl methacrylate, and 1,6-hexanediol dimethacrylate.
[0070]
Another class of monomeric units included by the present invention are metal or metalloid compounds such as organosilanes and the like, for example, tetramethoxysilane, 3-aminopropyltrimethoxysilane and tetramethyl orthosilicate, which are Hydrolysis of the alkyl-O-Si bond produces silanols (SiOH groups), which form sol-gels (-Si-O-Si-) by polycondensation. In this example, a sol-gel ("polymer" precursor) is used in combination with alcohol, water and acid as solvents.
[0071]
Examples of oligomers include aliphatic urethane diacrylate oligomers such as Ebecryl 230 (molecular weight 5000) and Ebecryl 270 (molecular weight 1500) (from UCB chemicals), and in combination with a cross-linking agent such as glutaraldehyde. There are proteins, such as bovine serum albumin (BSA), that form a water-insoluble macromolecular polymer-type structure that can physically incorporate a biochemical recognition element.
[0072]
It will be apparent that the spotting fluid may further include one or more solvents. The solvent or solvent mixture is such that the polymer and / or polymer precursor remains dissolved or suspended in the solvent during the deposition step, and the spotting fluid is small on the substrate material. It should be selected so that caking of the spotting fluid does not occur until it is deposited as drops. Preferably, after deposition of the spotting fluid onto the substrate material, the solvent or solvent mixture evaporates spontaneously. However, in the case of some non-volatile solvents or solvent mixtures, heat or reduced pressure may be applied to ensure proper and rapid evaporation of the solvent or solvent mixture and subsequent solidification of the sensor dots. May be needed.
[0073]
Suitable solvents include ketones such as acetone, butanone, 4-methyl-2-pentanone, cyclopentanone or cyclohexanone, hydrocarbons such as n-hexane, n-pentane, benzene, toluene or xylene, esters such as ethyl acetate Propyl acetate, butyl acetate or diethyl sebacate, alcohols such as methanol, ethanol, glycerol, ethanolamine or phenol, acids such as formic acid or acetic acid, amides such as N, N-dimethylformamide, N, N-dimethylacetamide or N -Methylpyrrolidone, halogenated hydrocarbons such as dichloromethane, chloroform, tetrachloroethane or chlorobenzene, nitromethane, nitrobenzene, water and mixtures thereof.
[0074]
The spotting fluid may further include one or more plasticizers. Examples of suitable plasticizers include esters such as bis (1-butylpentyl) adipate, bis (1-butylpentyl) decane-1,10-diyl-diglutarate, bis (2-ethylhexyl) adipate, bis (2- Ethylhexyl) phthalate, bis (2-ethylhexyl) sebacate, dibutylphthalate, dibutylsebacate, 10-hydroxydecylbutyrate, tetraundecylbenzhydrol-3,3 ′, 4,4′-tetracarboxylate, tetraundecyl Benzophenone-3,3 ', 4,4'-tetracarboxylate, tris (2-ethylhexyl) trimellitate, dibutyltin dilaurate, dioctylphenyl phosphonate, isodecyldiphenyl phosphate, tributyl phosphate or tris (2-E Lehexyl) phosphate, ethers such as dibenzyl ether, benzyl 2-nitrophenyl ether, 2-cyanophenyloctyl ether, dodecyl 2-nitrophenyl ether, dodecyl [2- (trifluoromethyl) phenyl] ether, [12- (4 -Ethylphenyl) dodecyl] 2-nitrophenyl ether, 2-fluorophenyl 2-nitrophenyl ether, 2-nitrophenylphenyl ether, 2-nitrophenyloctyl ether, 2-nitrophenylpentyl ether or octyl [2- (trifluoro Methyl) phenyl] ether, alcohol such as 1-decanol, 1-dodecanol, 1-hexadecanol, 1-octadecanol, 5-phenyl-1-pentanol or 1-tetradecanol, Halogenated hydrocarbons, such as 1-chloronaphthalene or chloroparaffins, phosphine oxides, for example trioctylphosphine oxide, and mixtures thereof. Specific examples include bis (2-ethylhexyl) sebacate, dodecyl [2- (trifluoromethyl) phenyl] ether, and 2-nitrophenyloctyl ether.
[0075]
In one embodiment of the present invention, the plasticizer comprises the solvent.
[0076]
Particular examples of spotting fluids according to the present invention include poly (vinyl chloride) (PVC) and bis (2-ethylhexyl) dissolved in cyclohexanone at a ratio of 1: 1 to 1: 4, eg, approximately 1: 2. There is Sebacate (DOS). Cyclohexanone evaporates at a moderately slow rate, allowing the deposition of about 100-400 fluid droplets on a substrate material without clogging the deposition mechanism.
[0077]
When the spotting fluid contains a polymer precursor, polymerization (one type of consolidation) of the polymer precursor is required to obtain polymer dots. The polymerization / consolidation process is initiated after deposition of the spotting fluid droplet and by exposing the spotting fluid droplet to irradiation with heat, ultraviolet or visible light, or by electron-induced excitation. It preferably does not occur until it has or has occurred spontaneously. However, for some polymer precursors, unless the polymerization initiator is present, the polymerization process is not initiated or is undesirably slow. As such, the spotting fluid may further include a polymerization initiator. Examples of polymerization initiators are the radical initiators α, α-dimethoxy-α-phenylacetophenone which can be used further in combination with a photosensitizer such as benzophenone or benzoyl peroxide.
[0078]
Similarly, polycondensation of a polymer precursor, such as in the formation of a sol-gel, may require the presence of water and / or acid, which may be included in the spotting fluid. In some cases, polycondensation can be inhibited by exposing the deposited sol-gel precursor spotting fluid to water and / or acid vapor.
[0079]
The function of the polymer matrix is to provide a carrier for the (bio) chemical recognition system. In the present invention, a (bio) chemical recognition system is a complex that can include one or more elements that induce a change in a physical property of a polymer matrix, such as an optical property, when exposed to a specific analyte. About. This facilitates the detection of changes in the physical (optical) properties of the polymer matrix by the planar portions of the substrate material forming a suitable transducer, thereby allowing the detection and quantification of a particular analyte. It is understood that not all (bio) chemical recognition moieties need to interact directly with the analyte, and that their combination may cause a change in the physical properties of the polymer matrix (eg, in a cascade). Should be.
[0080]
Elements that correspond to (bio) chemical recognition moieties may be physically incorporated into the polymer network, covalently bonded to the polymer backbone, interact ionicly with charged groups on the polymer, or be incorporated into the polymer phase. It is retained either in the matrix of the sensor dots or near the interface, either by physical dissolution.
[0081]
In an alternative embodiment of the invention, one or more components of the (bio) chemical recognition system are immobilized directly on the surface of the sensor dot. This includes enzymes, antibodies, catalytic antibodies, proteins, nucleic acids and derivatives thereof, such as PNA (peptide nucleic acids) or LNA (locked nucleic acids), aptamers, receptors, or cells or tissue segments (organisms). Of particular importance for the chemical recognition part. However, these (bio) chemical recognition portions may be held in the matrix of the sensor dots or near the interface as described above. However, recognition moieties attached to the surface of such polymer matrices are only considered as part of the recognition system if there are direct chemical bonds to the remaining (embedded) elements of the recognition system. It should be understood that.
[0082]
In a preferred embodiment of the present invention, the sensor device made by the method comprises a plurality of optode films. The optode membrane is considered as a single thermodynamic homogeneous phase that responds reversibly to the activity of the analyte. Optode membranes consist of a polymer matrix that functions as a carrier for the chemical recognition moiety. The chemical recognition system may include ligands (ion carriers, ionophores, indicators, complexing agents) that are physically incorporated or chemically bound into the polymer matrix. The interaction of the analyte with the ligand generates an optical signal that allows the ligand itself or additional compounds (chromoionophores, fluoroionophores, indicator dyes) to form their optical properties by complexing with other ions. To change.
[0083]
In one embodiment of the present invention, the sensor device made by the method is a plurality of ion-selective optode membranes, wherein the chemical recognition system comprises, for example, an ion-selective electrically neutralizing ionophore and H+ It contains a lipophilic anionic site as well as a selectively electrically neutralized chromoionophore. By exchanging hydrogen ions for analyte cations, the membrane changes its color. This change in spectral properties is used for optical detection. Lipophilic anionic sites are added to ensure a certain amount of ions present in the polymer matrix.
[0084]
Examples of ionophores include ion-specific ionophores, such as the lithium-specific ionophore N, N'-diheptyl-N, N ', 5,5-tetramethyl-3,7-dioxanonanediamide or N, N, N ', N'-tetraisobutyl-cis-cyclohexane-1,2-dicarboxamide, a sodium-specific ionophore N, N', N "-trimethyl-4,4 ', 4" -propylidinetris (3- Oxabutylamide), 4-octadecanoyloxymethyl-N, N, N ', N'-tetracyclohexyl-1,2-phenylenedioxydiacetamide or 4-tert-butylcalix [4] arene-tetraethyltetraacetate Esters, potassium-specific ionophore valinomycin, 2-dodecyl-2-methyl-1,3-propanediyl- Bis [N- [5'-nitro (benzo-15-crown-5) -4'-yl] carbamate] or 4-tert-butyl-2,2,14,14-tetrahomo-2a, 14a-dioxacalix [4] Allen-tetraacetic acid tetra-tert-butyl ester, 4- [N- (1-adamantyl) carbamoylacetyl] -13- [N- (n-octadecyl) carbamoylacetyl] -1, which is an ammonium-specific ionophore , 7,10,16-Tetraoxa-4,13-diazacyclooctadecane, cesium-specific ionophore calix [6] arene-hexaethylhexaethyl ester, magnesium-specific ionophore N, N ″ -octamethylene- Bis (N'-heptyl-N'-methyl-methylmalonamide), N, N "-octamethylene-bis (N -Heptyl-N'-methyl-malonamide), N, N ', N "-tris [3- (heptylmethylamino) -3-oxopropionyl] -8,8'-iminodioctylamine, 7-[(1- Adamantylcarbamoyl) acetyl] -16-[(octadecylcarbamoyl) acetyl] -1,4,10,13-tetraoxa-7,16-diazacyclooctadecane, a calcium-specific ionophore (-)-(R, R) -N, N'-bis [11- (ethoxy-carbonyl) undecyl] -N, N'-4,5-tetramethyl-3,6-dioxaoctane-diamide, calcimycin, 10,19-bis- [ (Octadecylcarbamoyl) methoxyacetyl] -1,4,7,13,16-pentaoxa-10,19-diazacyclopheneicosane, N, N, N ', N'-tetracyclohexyl-oxybis (o-phenyleneoxy) diacetamide which is a barium-specific ionophore, o-xylylenebis (N, N-diisobutyldithiocarbamate) which is a heavy metal-specific ionophore (particularly copper) ), S, S'-methylenebis (N, N-diisobutyldithiocarbamate) (especially silver), O, O "-bis [2- (methylthio) ethyl] -tert-butylcalix [4] arene (especially silver), Methylenebis (2-thiobenzothiazole) (especially silver), 5-tetradecyl-1,4-dioxa-8,11-dithiacyclotetradecane (especially silver), 7-tetradecyl-6,9-dioxa-2,13- Dithiatetradecane (especially silver), tetrabutylthiuram disulfide (especially zinc), N-phenyl-iminodivinegar Acid N ', N'-dicyclohexyl-bis-amide (especially zinc), N, N, N', N'-tetrabutyl-3,6-dioxaoctanedi (thioamide), [1,1'-biscyclohexyl] -1,1'-2,2'-tetrol (especially cadmium), N, N-dioctadecyl-N ', N'-dipropyl-3,6-dioxaoctanediamide (especially lead), N, N, N ', N'-tetradodecyl-3,6-dioxaoctanedithioamide (particularly lead), tert-butylcalix [4] arene-tetrakis (N, N-dimethylthioacetamide) (particularly lead), tert-butylcalix [6] arene-ethyleneoxydiphenylphosphine (particularly lead), N, N, N ', N'-tetradodecyl-3,6-dioxaoctane-1-thio-8-oxadiamide (particularly lead) , 5,7,12,14-tetramethyldibenzotetraazaannulene (especially lead), 1,10-dibenzyl-1,10-diaza-18-crown-6 (especially lead), O-methyldihexylphosphine oxide O '-Hexyl-2-ethylphosphate (especially uranyl ion), an anion-selective ionophore such as tridodecylmethylammonium chloride, or the fluoride and chloride-specific ionophore chloro (2,3,7,8,12,13) , 17,18-octaethylporphyrinato) gallium (III), chloro (5,10,15,20-tetraphenylporphyrinato) gallium (III), hydroxo (5,10,15,20-tetrakis (o) -Pivalamidophenyl) porphyrinato) gallium (III), chloro (2,3,7,8,12,1) 3,17,18-octaethylporphyrinato) indium (III), chloro (5,10,15,20-tetraphenylporphyrinato) indium (III), hydroxo (5,10,15,20-tetrakis ( o-pivalamidophenyl) porphyrinato) indium (III), chloro (2,3,7,8,12,13,17,18-octaethylporphyrinato) thallium (III), chloro (5,10 , 15,20-Tetraphenylporphyrinato) thallium (III), [N, N- [4,5-bis (dodecyloxy) -1,2-phenylenebis [nitrilomethylidine (2-hydroxy-1,3 -Phenylene)] acetamido] -N, N ', O, O'] dioxouranium, 4,5-dimethyl-3,6-dioctyloxy-1,2-phen Lenbis (mercury trifluoroacetate), 3,6-didodecyloxy-4,5-dimethyl-1,2-phenylenebis (mercury chloride), [9] mercuracarborand-3, ruthenium (II) (2,3,7,8,12,13,17,18-octaethylporphyrin) which is selected from the group consisting of carbonyl, trioctyltin chloride and tricyclohexyltin chloride; other ionophores include triiodide Heptakis, a specific ionophore, 2,4,6,8-tetraphenyl-2,4,6,8-tetraazabicyclo [3.3.0] octane, a nitrite-specific ionophore cyanoaquacobilininate ( 2-phenylethyl ester), heptapropyl dicyanocobilinate, aquo-cyano-cobinamide, carbonic acid and sulfide Specific ionophores 3,12-bis (trifluoroacetobenzoyl) cholic acid, trifluoroacetyl-p-butylbenzene, octadecyl 4-formylbenzoate, and sulfuric acid Specific ionophores dibecaine sulfate and α, α′-bis (N'-phenylthioureylene) -m-xylene. Specific examples include 4-tert-butylcalix [4] arene-tetraacetic acid tetraethyl ester, 2-dodecyl-2-methyl-1,3-propanediylbis [N- [5′-nitro (benzo-15- Crown-5) -4'-yl] carbamate], 4- [N- (1-adamantyl) carbamoylacetyl] -13- [N- (n-octadecyl) carbamoylacetyl] -1,7,10,16- Tetraoxa-4,13-diazacyclooctadecane, (-)-(R, R) -N, N'-bis [11- (ethoxy-carbonyl) undecyl] -N, N'-4,5-tetramethyl- 3,6-dioxaoctane-diamide, tridodecylmethylammonium chloride, hydroxo (5,10,15,20-tetrakis (o-pivalamidophenyl) porphyrina G) Indium (III), and cyanoaquacobilinic acid heptakis (2-phenylethyl ester).
[0085]
Examples of chromoionophores include 9- (diethylamino) -5- (octadecanoylimino) -5H-benzo [a] phenoxazine, 9-dimethylamino-5- [4- (16-butyl-2,14-dioxo). -3,15-dioxaeicosyl) phenylimino] benzo [a] phenoxazine, 9- (diethylamino) -5-[(2-octadecyl) imino] benzo [a] phenoxazine, 5-octadecanoyloxy- 2- (4-nitrophenylazo) phenol, 9- (diethylamino) -5- (naphthoylimino) -5H-benzo [a] phenoxazine, 4 ′, 5′-dibromofluorescein octadecyl ester, fluorescein octadecyl ester , 4- (octadecylamino) azobenzene, and N-2,4-dinitro-6 (Octadecyloxy) phenyl-2 ', 4'-dinitro - those selected from the group consisting of (trifluoromethyl) phenylamine. Specific examples include 9- (diethylamino) -5- (octadecanoylimino) -5H-benzo [a] phenoxazine and 9-dimethylamino-5- [4- (16-butyl-2,14- Dioxo-3,15-dioxaeicosyl) phenylimino] benzo [a] phenoxazine.
[0086]
Examples of complex lipophilic inorganic ions include tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] borate, tetrakis (4-chlorophenyl) borate, tetrakis (4-fluorophenyl) borate, and Some are selected from the group consisting of tetradodecyl ammonium. Specific examples include tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] borate, and tetradodecylammonium.
[0087]
In one embodiment of the present invention, the chemical recognition system comprises one ionophore, one chromophore, and one complex lipophilic inorganic ion.
[0088]
In another embodiment of the invention, the biochemical recognition system comprises an enzyme or enzymes and a coloring reagent, for example, when an analyte (eg, glucose) is bound to an enzyme (eg, glucose oxidase), the enzyme Oxidize the analyte in the presence of The recognition system may include an element that can interact with the reaction product of this oxidation, gluconic acid or hydrogen peroxide, to facilitate optical detection (eg, the former can protonate a pH indicator or the latter can be a dye). May be oxidized).
[0089]
In one embodiment of the invention, the optical phenomenon is surface plasmon resonance, the substrate material is made from a plastic base material and a metal surface layer material, and the sensor dots are made from polyvinyl chloride or cross-linked acrylate with a plasticizer. . In particular, the metal is gold and the base material is polyetherimide.
[0090]
In an alternative embodiment of the invention, the chemical recognition is provided by the polymer structure itself. Polymer-type materials that respond reversibly to the activity of the analyte and are characterized by having a polymer-type structure that includes cavities (voids) are referred to as molecular imprinted polymers. The preparation of molecularly imprinted polymers involves polymerizing a polymer precursor, for example, an acrylate, in the presence of a template molecule, often the analyte itself. The removal of template molecules from the polymer matrix then creates cavities within the polymer matrix that constitute binding sites specific for the analyte. Binding of the analyte to the cavity results in a change in the optical / physical properties of the polymer matrix. In this particular embodiment of the invention, the template molecule ("negative" but "recognition moiety" in the present application) is included in the spotting fluid and then chemically washed by washing the solidified sensor dots. / System is formed.
[0091]
As indicated above, the introduction of the (bio) chemical recognition system into the polymer matrix of the sensor dots can be achieved in different ways, including one or more sequential steps. These steps may include one or more cleaning steps, one or more “pin ring” deposition steps, and one or more consolidation steps, eg, exposure to heat, reduced pressure, or irradiation from a different source. May be included.
[0092]
In one embodiment of the invention, the components of the (bio) chemical recognition system are contained in the same spotting fluid as the polymer and / or the polymer precursor.
[0093]
In one embodiment, two or more spotting fluids are sequentially deposited at each predetermined location in the plane and the spotting fluid is consolidated after the last deposition of the spotting fluid.
[0094]
In another embodiment, two or more spotting fluids are sequentially deposited at each predetermined location on the plane and the spotting fluid is consolidated after each deposition of the spotting fluid.
[0095]
In another embodiment of the invention, one or more fluids containing one or more components of a (bio) chemical recognition system are deposited in a "pin ring" deposition on a preformed sensor dot. By superimposition by a method, a chemical or biological recognition system can be introduced into (or on) the polymer matrix of the sensor dot. In this embodiment, the fluid containing the (bio) chemical recognition element may further comprise a solvent and / or a plasticizer.
[0096]
This approach may not only be advantageous for the introduction of recognition elements that can be damaged when exposed to polymerization conditions, but may also represent an economical method of producing (bio) chemical sensor devices with different patterns.
[0097]
In one embodiment of the present invention, the introduction of the chemical recognition system into the polymer matrix of the sensor dot is performed in the following manner. A first spotting fluid comprising a polymer and / or a polymer precursor and a plasticizer is deposited on a substrate material. This spotting fluid is consolidated. The plasticizer is again removed by washing the consolidated sensor dots with a suitable solvent. On top of the consolidated polymer matrix is deposited a second spotting fluid comprising a (bio) chemical recognition system in the form of an element corresponding to one or more (bio) chemical recognition moieties and a plasticizer. The plastic matrix is again plasticized. Next, the combination is consolidated.
[0098]
In one embodiment of the present invention, the droplets of the unconsolidated sensor dots as well as the consolidated sensor dots are added to the droplets of a solvent, a plasticizer, a polymerization initiator and a (bio) chemical recognition element. The (bio) chemical sensor dots can be constructed on a support surface by the sequential superposition of one or more fluids containing one or more selected elements.
[0099]
In an even more preferred embodiment, one or more of the sensor dots have an unspecified change due to effects from temperature, degradation, analyte, bulk solution refractive index, swelling of the polymer matrix, ionic strength, or the sensor dot. Represents a reference sensor dot that includes a reference polymer matrix that responds to variations in the light source used in the transducer. The reference sensor dot may include all elements of the reference sensor dot except for one or more (bio) chemical recognition elements.
[0100]
(Bio) chemical sensor dots generally have a diameter of 1 to 1000 μm, more preferably 150 to 250 μm, and the height of the dots is 0.1 to 1000 μm, more preferably 1 to 5 μm. The number of fluid overlay steps usually controls the diameter and height of the sensor dots.
[0101]
The (bio) chemical sensor dots produced by the method of the present invention can be used for the parallel detection and quantification of two or more analytes contained in the same sample. Those skilled in the art will recognize the broad potential scope of the present invention.
【Example】
[0102]
Example 1
Improvement of commercially available "pin ring" arrayer
Adapt a commercially available "pin ring" arrayer (Affimetrix 417, formerly GMS 417 from Genetic Microsystems) for the deposition of spotting fluids containing polymers or polymer precursors but not biological or biochemical fluids That is, it is adapted for continuous use with an organic solvent such as ethanol for pin washing. The tubing (generally silicone) was replaced with more solvent resistant FEP (fluoroethylene-propylene) tubing. Similarly, remove the pump (AS Thomas) that sends the cleaning solution to the cleaning station and replace it with a "chemical resistant" version of the same model. Revoke the protective lock on the door to allow access to the pins for manual cleaning with tetrahydrofuran using a wash bottle. A flow restrictor (flow restrictor), rather than (or in addition to) a clamp, is attached to the cleaning solvent tubing to allow for increased control of the amount of solvent ejected from nozzles in the cleaning station. By using a protective foil to cover the inside of the transparent front door of the device, the device can be protected from damage if less washing solvent bounces off. The outlet of a vacuum pump that removes the washing liquid from the liquid tank by suction is connected to a laboratory ventilation system (hood) to prevent a large amount of solvent vapor from being introduced into the working environment. Introduce into the arrayer in the microtiter plate hole. Typical polystyrene plates are not resistant to many organic solvents, which is why polypropylene plates are chosen.
[0103]
Example 2
Fabrication of multiple miniaturized PVC dots on glass material
33 mg of poly (vinyl chloride) (high molecular weight) and 66 mg of plasticizer bis (2-ethylhexyl) sebacate (DOS) are dissolved in 800 μL of cyclohexanone, and 35 μL of the resulting spotting fluid is placed in a well of a 256-well polypropylene microtiter plate. Inject into A1. Using a GMS 417 arrayer with 125 μm pins, a demonstration array of PVC dots can be easily deposited on a substrate such as a commercially available glass or gold-coated glass microscope slide (FIG. 1). Other support surfaces may be provided in the device by using a custom metal adapter plate. Wash the pins with tetrahydrofuran to remove PVC-DOS residues. This may be done manually, or the use of a suitable solvent in the washing line and the reservoir in the correspondingly adapted equipment.
[0104]
Example 3
Fabrication of multiple miniaturized sodium selective (bio) chemical sensor dots
2.9 mg of 9- (diethylamino) -5- (octadecanoylimino) -5H-benzo [a] phenoxazine, 4.6 mg of sodium tetrakis [3,5-bis (trifluoromethyl) phenyl] borate, 4-mg 10.0 mg of tert-butylcalix [4] arenetetraacetic acid tetraethyl ester, 139.2 mg of bis (2-ethylhexyl) sebacate and 69.1 mg of poly (vinyl chloride) (high molecular weight) are dissolved in 2 ml of cyclohexanone. Inject 35 μL of the resulting spotting fluid into hole A1 of a 256-well polypropylene microtiter plate. Sodium selective (bio) chemical sensor dots based on plasticized PVC were made on gold-coated glass microscope slides using a GMS 417 arrayer with 125 μm pins. The functionality of the sensing dot, that is, the response to sodium as the target ion in the buffer solution, can be confirmed by fiber optic absorptiometry or surface plasmon resonance spectroscopy, respectively. The latter detects the refractive index change in the film which is related to the spectral / absorbance change by the Kramers-Kronig relation.
[0105]
Example 4
Fabrication of multiple sensor dots using spotting fluid containing methacrylate
160 mg of 1,6-hexanediol dimethacrylate, 100 mg of dodecyl methacrylate, 200 mg of bis (2-ethylhexyl) sebacate, and 1 mg of a radical initiator such as α, α-dimethoxy-α-phenylacetophenone, or benzophenone as a photosensitizer 35 μL of spotting fluid prepared from 2.5 mg of benzoyl peroxide along with 5 mg is injected into hole A1 of a 256-well polypropylene microtiter plate. Demonstration arrays of photopolymerized methacrylate sensor dots were fabricated on commercial microscope slides using a GMS 417 arrayer with 125 μm pins. After deposition of the spotting fluid, the pins were washed with a suitable solvent such as ethanol. After deposition, the spotting fluid droplets were photopolymerized by exposing the spotting fluid to UV light in an inert gas atmosphere, typically for 10-20 minutes. Such experiments convincingly demonstrate that a large number of methacrylate cocktail dots can be produced with high precision and can be photopolymerized immediately thereafter. The addition of (bio) chemical recognition elements (eg ionophores, chromoionophores, complex lipophilic inorganic ions) at a concentration of a few percent (w / w) to the spotting fluid results in an array of sensing dots without affecting the deposition process. Occurs. However, since many of these elements are photobleachable, replasticizing can be selected as an alternative route to introducing sensing elements. To this end, plasticized dots that do not contain recognition elements are deposited and then treated with tetrahydrofuran to remove the plasticizer from the material. Thereafter, a droplet of fluid containing (bio) chemical recognition elements (eg ionophores, chromoionophores, complex lipophilic inorganic ions) in bis (2-ethylhexyl) sebacate can be deposited directly on top of the polymer dots. . After sufficient time, the plasticizer and the sensing element therewith are incorporated into the polymer matrix, resulting in a functional ion-selective (bio) chemical sensor dot.
[0106]
Example 5
Superposition of polymer dots
5. I
A spotting fluid similar to the spotting fluid of Example 4 was deposited on a glass microscope slide such that four arrays A, B, C, D of 3 × 3 dots were obtained. Next, these dots were photopolymerized by UV irradiation in an inert gas. An image of the sensor dots was taken using an Affimetrix 418 fluorescence scanner (FIG. 2) to confirm that the overlay was successful (overlay failed in Array B due to experimental errors, where two individual arrays failed). Is displaced).
[0107]
5. II
In addition, a spotting fluid similar to the spotting fluid of Example 2 was deposited on a 20 × 20 array using features in the calibration software of the arrayer for the alignment test. This deposition was repeated so that the dot positions were shifted. The scanner image of FIG. 3 shows two arrays, showing the area where they overlap. Slight differences in the appearance of the array are the most likely causes caused by the use of different surfaces of the microscope slide.
[Brief description of the drawings]
[0108]
FIG. 1 is a photographic image of a plurality of sensor dots obtained by “pin ring” deposition of a spotting fluid containing PVC / DOS in cyclohexanone (Example 2). The dot diameter is about 200 μm.
FIG. 2 shows an array of spotting fluid droplets (AD) of photopolymerized methacrylate obtained by deposition of a spotting fluid containing methacrylate (Example 4) and subsequent polymerization of a polymer precursor on a support surface. It is a fluorescence image. A second set of arrays is superimposed directly on top of A and C and photopolymerized (Example 5.1).
FIG. 3 is a partially overlaid PVC-DOS dot array (Example 5.II) (image obtained with a fluorescence scanner) generated by a “pin ring” calibration function. The outer white frame surrounds the second array, and the inner white frame surrounds the dot overlap area.

Claims (24)

光学的(生物)化学センサーデバイスの作製方法であって、前記デバイスが、平面部分を有する基体材料を備え、前記平面が光学現象に基づく変換器に相当し、前記平面部分上には、該平面の空間的に離隔した所定位置に配置された複数の(生物)化学センサードットが配列されており、前記センサードットが
(i)ポリマーマトリックス、および
(ii)1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分、
を備えており、
当該方法が、
(a)平面部分を有する基体材料を与えること;
(b)1種又はそれ以上のスポッティング流体であって、各々が
(i)ポリマーおよび/またはポリマー前駆体;および
(ii)1種又はそれ以上の(生物)化学的認識部分に相当する要素;
の少なくとも1種を含むものを与えること;
(c)該基体材料の平面部分の空間的に離隔した所定位置に該1種又はそれ以上のスポッティング流体を「ピン・リング」デポジション機構により同時または逐次的にデポジットし、該スポッティング流体を固結させることを含んで成る方法。
A method of making an optical (bio) chemical sensor device, said device comprising a substrate material having a planar part, said plane corresponding to a transducer based on optical phenomena, said planar part comprising: A plurality of (bio) chemical sensor dots arranged at predetermined positions spatially separated from each other are arranged, and the sensor dots are
(i) a polymer matrix, and
(ii) one or more (bio) chemical recognition moieties,
With
The method is
(a) providing a substrate material having a planar portion;
(b) one or more spotting fluids, each of which is
(i) a polymer and / or a polymer precursor; and
(ii) one or more (bio) chemical recognition moieties;
Providing at least one of the following:
(c) depositing the one or more spotting fluids simultaneously or sequentially at predetermined spatially spaced locations on the planar portion of the substrate material by a “pin ring” deposition mechanism, and solidifying the spotting fluids; A method comprising tying.
光学現象が透過、蛍光および表面プラズモン共鳴より選択されるものである、請求項1に記載の方法。The method of claim 1, wherein the optical phenomenon is selected from transmission, fluorescence and surface plasmon resonance. 光学現象が表面プラズモン共鳴である、請求項2に記載の方法。3. The method according to claim 2, wherein the optical phenomenon is surface plasmon resonance. 基体材料が、ガラス、シリカ、誘電体無機材料、プラスチックおよび水素もしくは重水素終端表面をもったシリコンより選択されるベース材料を含んで成る、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。A method according to any preceding claim, wherein the substrate material comprises a base material selected from glass, silica, dielectric inorganic materials, plastics and silicon with hydrogen or deuterium terminated surfaces. 基体材料が、金属およびシリコンより選択される少なくとも1種の表面層材料から成る平面部分を備えた、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method according to any one of the preceding claims, wherein the substrate material comprises a planar portion comprising at least one surface layer material selected from metal and silicon. 表面層材料が10〜500nmの厚さを有する、請求項5に記載の方法。The method according to claim 5, wherein the surface layer material has a thickness of 10 to 500 nm. 基体材料の平面が、下記の二官能性試薬:
X−Z−Y
[式中、Xは−OR’、非対称形もしくは対称形のジスルフィド(−SSR’Y’,−SSRY)、スルフィド(−SR’Y’,−SRY)、ジセレニド(−SeSeR’Y’,−SeSeRY)、セレニド(−SeR’Y’,−SeR’Y’)、チオール(−SH)、セレノール(−SeH)、−N=C、−NO2 、三価リン化合物群、−NCS、−OC(S)SH、チオカルバメート、ホスフィン、チオ酸(−COSH)、ジチオ酸(−CSSH)、−Si(OR/R/H)3 およびハロゲンより選択され、
置換基RおよびR’は各々が独立して、任意的に置換されてよいC1-30 アルキル、任意的に置換されてよいC2-30 アルケニル、任意的に置換されてよいC2-30 アルキニルおよび任意的に置換されてよいアリールより選択され、
YおよびY’はヒドロキシル、カルボキシル、アミノ、ホルミル、ヒドラジン、カルボニル、エポキシ、ビニル、アリル、アクリル、エポキシおよびメタクリルより選択され、
Zは2官能基間のリンカー(ビラジカル)である。]
による処理によって化学修飾される、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。
The plane of the substrate material has the following bifunctional reagent:
X-Z-Y
[Wherein X is -OR ', asymmetric or symmetric disulfide (-SSR'Y', -SSRY), sulfide (-SR'Y ', -SRY), diselenide (-SeSeR'Y', -SeSeRY ), selenide (-SeR'Y ', - SeR'Y') , thiol (-SH), selenol (-SeH), - N = C , -NO 2, trivalent phosphorous compounds, -NCS, -OC ( S) selected from SH, thiocarbamates, phosphines, thioacids (-COSH), dithioic acids (-CSSH), -Si (OR / R / H) 3 and halogens;
The substituents R and R 'are each independently an optionally substituted C1-30 alkyl, an optionally substituted C2-30 alkenyl, an optionally substituted C2-30 Selected from alkynyl and optionally substituted aryl;
Y and Y ′ are selected from hydroxyl, carboxyl, amino, formyl, hydrazine, carbonyl, epoxy, vinyl, allyl, acrylic, epoxy and methacrylic;
Z is a linker (biradical) between the two functional groups. ]
The method according to any one of the preceding claims, wherein the method is chemically modified by treatment with
上記1種又はそれ以上のスポッティング流体の少なくとも1種が、ポリアクリレート類、ポリアニリン類、ポリ(ブタジエン)、ポリエチレン、エチレン・酢酸ビニル共重合体、ポリメタクリレート類、ポリスチレン類、ポリピロール類、ポリチオフェン類、ポリウレタン類、ポリ(酢酸ビニル)、ポリ(ビニルアルコール)、ポリ(塩化ビニル)、エポキシノボラック樹脂および上記ポリマーの共重合体または三元共重合体より選択されるポリマーを含む、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。At least one of the one or more spotting fluids is a polyacrylate, a polyaniline, a poly (butadiene), a polyethylene, an ethylene / vinyl acetate copolymer, a polymethacrylate, a polystyrene, a polypyrrole, a polythiophene, Any of the preceding claims comprising a polymer selected from polyurethanes, poly (vinyl acetate), poly (vinyl alcohol), poly (vinyl chloride), epoxy novolak resins and copolymers or terpolymers of the above polymers. The method according to any one of the preceding claims. 上記1種又はそれ以上のスポッティング流体の少なくとも1種が、モノマー型アクリレート、モノマー型メタクリレート、オリゴマーおよび架橋剤より選択されるポリマー前駆体を含む、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method of any one of the preceding claims, wherein at least one of the one or more spotting fluids comprises a polymer precursor selected from monomeric acrylates, monomeric methacrylates, oligomers and crosslinkers. 上記1種又はそれ以上のスポッティング流体の少なくとも1種が可塑剤を含む、請求項8および請求項9のいずれか一項に記載の方法。10. The method of any one of claims 8 and 9, wherein at least one of the one or more spotting fluids comprises a plasticizer. スポッティング流体が重合開始剤を含む、請求項8〜10のいずれか一項に記載の方法。The method according to any one of claims 8 to 10, wherein the spotting fluid comprises a polymerization initiator. (生物)化学的認識部分がイオノホア、クロモイオノホアおよび複合親脂性無機イオンより選択される、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the (biological) chemical recognition moiety is selected from ionophores, chromoionophores and complex lipophilic inorganic ions. スポッティング流体が熱、紫外光による照射、可視光による照射に曝されることにより又は電子で誘発される励起により固結される、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein the spotting fluid is consolidated by exposure to heat, irradiation with ultraviolet light, irradiation with visible light or by electron-induced excitation. 2種又はそれ以上のスポッティング流体が上記平面の各所定位置に逐次的にデポジットされ、該スポッティング流体が該スポッティング流体の最後のデポジション後に固結される、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。A method according to any one of the preceding claims, wherein two or more spotting fluids are sequentially deposited at each predetermined location on the plane, and the spotting fluid is consolidated after the last deposition of the spotting fluid. the method of. 2種又はそれ以上のスポッティング流体が上記平面の各所定位置に逐次的にデポジットされ、該スポッティング流体が該スポッティング流体の各々のデポジション後に固結される、請求項1〜13のいずれか一項に記載の方法。14. The method of claim 1, wherein two or more spotting fluids are sequentially deposited at each predetermined location on the plane, and the spotting fluid is consolidated after each deposition of the spotting fluid. The method described in. (生物)化学センサードットの各々が異なる(生物)化学的認識部分を備えた、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method according to any of the preceding claims, wherein each of the (bio) chemical sensor dots comprises a different (bio) chemical recognition moiety. センサーデバイスが少なくとも5個の異なるセンサードットを備えた、請求項16に記載の方法。17. The method according to claim 16, wherein the sensor device comprises at least five different sensor dots. 光学現象が表面プラズモン共鳴であり、基体材料がプラスチックベース材料および金属表面層材料から作られ、センサードットが可塑剤を含む架橋アクリレートまたはポリ塩化ビニルから作られる、上記請求項のいずれか一項に記載の方法。The method according to any one of the preceding claims, wherein the optical phenomenon is surface plasmon resonance, the substrate material is made from a plastic base material and a metal surface layer material, and the sensor dots are made from crosslinked acrylate or polyvinyl chloride containing a plasticizer. The described method. 上記金属が金であり、上記ベース材料がポリエーテルイミドである、請求項18に記載の方法。19. The method according to claim 18, wherein said metal is gold and said base material is polyetherimide. 上記請求項のいずれか一項に記載の方法により得られる(生物)化学センサーデバイス。(Bio) chemical sensor device obtainable by the method according to any one of the preceding claims. (生物)化学センサードットの各々が異なる(生物)化学的認識部分を備えた、請求項20に記載の(生物)化学センサーデバイス。21. The (bio) chemical sensor device of claim 20, wherein each of the (bio) chemical sensor dots comprises a different (bio) chemical recognition moiety. センサーデバイスが少なくとも5個の異なるセンサードットを備えた、請求項21に記載の方法。22. The method according to claim 21, wherein the sensor device comprises at least five different sensor dots. 請求項20〜22のいずれか一項に記載の光学的(生物)化学センサーデバイスを使用する、2種又はそれ以上の検体のモニター及び/又はキャラクタライズ方法。A method for monitoring and / or characterizing two or more analytes using an optical (bio) chemical sensor device according to any one of claims 20 to 22. 光学的(生物)化学センサーデバイスとの組合せにおいて表面プラズモン共鳴法を利用する、請求項23に記載の方法。24. The method of claim 23, utilizing surface plasmon resonance in combination with an optical (bio) chemical sensor device.
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